JP2006323284A - 偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン及びプロジェクションディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 外光の観察者側への拡散反射を抑制し、明所コントラスト比を高めた、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン及びプロジェクションディスプレイシステムを提供すること。
【解決手段】 プロジェクタ光入射角度領域からの入射光を偏向させて該プロジェクタ光入射角度領域に応じた偏向素子出射角度領域及び偏向素子出射面域に出射させる偏向素子１と、前記偏向素子出射面域に整合した透過面域2Aを有するブラックマトリクス（BM）２と、前記偏向素子出射角度領域に整合した入射許容角度領域を有し前記偏向素子出射角度領域からの入射光を拡散させて該偏向素子出射角度領域に応じた観察角度領域に出射させる拡散フィルム３とを、この順に積層配置してスクリーンとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクションディスプレイ用スクリーン及びプロジェクションディスプレイシステムに関し、特に高品位・高コントラスト比である表示画像を提供する、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン及びプロジェクションディスプレイシステムに関する。

プロジェクションディスプレイの需要が高まるにつれて、表示画像の高品位化が求められている。
そこで、本発明者らは従来のプロジェクションディスプレイに用いられているレンティキュラレンズからなるスクリーンに代えて、拡散フィルムからなるスクリーンを用いることにより表示画像の高品位化を実現した（例えば特許文献１参照）。又、このスクリーンの入射許容角度領域と偏向素子からのプロジェクタ光の出射角度領域を整合することにより、高い画像品位を提供する薄型リアプロジェクションディスプレイを実現した（特許文献２）。
PCT/JP03/13050 特願2004-190318（但し本願出願時では未公開）

本発明者らは、更なる高品位化のために明所コントラスト比の改善が必要不可欠であると判断し、これを実現するために外光の観察者側への拡散反射を抑制することを課題とした。本発明は、この課題を解決し得る高品位薄型リアプロジェクションディスプレイを具体化した、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン及びプロジェクションディスプレイシステムを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題の解決手段として、上記高い画像品位を提供する薄型リアプロジェクションディスプレイに対して、従来のレンティキュラレンズからなるスクリーンに用いられているブラックマトリクス（略号：ＢＭ）を応用することにより、外光の観察者側への拡散反射を大幅に抑制することが可能であると発想し、さらに検討を重ねて、以下の各請求項に記載される本発明をなした。

（請求項１） プロジェクタ光入射角度領域からの入射光を偏向させて該プロジェクタ光入射角度領域に応じた偏向素子出射角度領域及び偏向素子出射面域に出射させる偏向素子と、前記偏向素子出射面域に整合した透過面域を有するブラックマトリクスと、前記偏向素子出射角度領域に整合した入射許容角度領域を有し前記偏向素子出射角度領域からの入射光を拡散させて該偏向素子出射角度領域に応じた観察角度領域に出射させる拡散フィルムとを、この順に積層配置してなる、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン。

（請求項２） 前記ブラックマトリクスに代えて、又はこれと併せて、前記偏向素子のプロジェクタ光入射側のプロジェクタ光入射部分以外の全部又は一部を覆う光吸収部材を配設したことを特徴とする請求項１記載のスクリーン。
（請求項３） 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面が共に単一の平面をなすプリズムアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン。

（請求項４） 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面の何れか一方又は両方が複数の平面の繋ぎ合わせによって形成されたプリズムアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン。
（請求項５） 前記プリズムの下面がプロジェクタ光入射方向に垂直な単一の平面をなすことを特徴とする請求項３又は４に記載のスクリーン。

（請求項６） 前記プリズムアレイのプリズム同士が離間配置されたことを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載のスクリーン。
（請求項７） 前記偏向させてに代えて集光及び偏向させてとしたことを特徴とする請求項１記載のスクリーン。
（請求項８） 前記ブラックマトリクスに代えて、又はこれと併せて、前記偏向素子のプロジェクタ光入射側のプロジェクタ光入射部分以外の全部又は一部を覆う光吸収部材を配設したことを特徴とする請求項７記載のスクリーン。

（請求項９） 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面の何れか一方又は両方が曲面をなすプリズムアレイであることを特徴とする請求項７又は８に記載のスクリーン。
（請求項１０） 前記プリズムの下面がプロジェクタ光入射方向に垂直な単一の平面をなすことを特徴とする請求項９記載のスクリーン。
（請求項１１） 前記プリズムの上面が、断面形状が２次曲線形状になる曲面をなすことを特徴とする請求項９又は１０に記載のスクリーン。

（請求項１２） 前記プリズムアレイのプリズム同士が離間配置されたことを特徴とする請求項９〜１１の何れかに記載のスクリーン。
（請求項１３） 前記ブラックマトリクスの厚さが10μm以上であることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のスクリーン。
（請求項１４） 前記ブラックマトリクスの透過面域を満たす媒体の屈折率に対して前記偏向素子及び前記拡散フィルムの何れか一方又は両方の屈折率がマッチングされていることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のスクリーン。

（請求項１５） 前記拡散フィルムは、屈折率が互いに異なる層状又は線状構造を内包し、特定の入射許容角度領域からの入射光を特定の拡散角度領域に出射させる拡散フィルムであることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載のスクリーン。
（請求項１６） 更に前記拡散フィルムの出射側表面に偏光子又は円偏光子が配置されてなる請求項１〜１５の何れかに記載のスクリーン。

（請求項１７） 請求項１〜１６の何れかに記載されたスクリーンに組み合せて、該スクリーンに対してプロジェクタ光入射角度領域からプロジェクタ光を入射させる投射光学系を有する、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイシステム。

本発明によれば、外光の観察者側への拡散反射が抑制されて、明所コントラスト比が高い高品位薄型リアプロジェクションディスプレイを実現することが可能となる。

本発明の基本形態は、例えば図１に示すように、プロジェクタ光４の進行方向を変換する偏向素子１、外光を吸収するBM（ブラックマトリクスの意。以下同じ）２、及びプロジェクタ光４を拡散させる拡散フィルム３をこの順に積層配置してなる。偏向素子１は、プロジェクタ光入射角度領域からの入射光を偏向させて該プロジェクタ光入射角度領域に応じた偏向素子出射角度領域及び偏向素子出射面域に出射させる光学特性をもたせた光学素子であり、例えばプリズムアレイ１からなる。

BM２においてプロジェクタ光４が吸収されるのを回避すべく、偏向素子１とBM２とは、偏向素子出射面域がBM２の透過面域2Aと整合し、偏向素子出射面域がBM２の透過面域2Aに含まれるように設計されている。又、プロジェクタ光４が全て観察角度領域に拡散されるようにすべく、偏向素子１と拡散フィルム３とは、偏向素子出射角度領域が拡散フィルム３の入射許容角度領域と整合し、偏向素子出射角度領域が拡散フィルム３の入射許容角度領域に含まれるように設計されている。

上記基本形態によれば、プロジェクタ光４はBM２に吸収されることなく、且つ観察角度領域に拡散されるから、高いプロジェクタ光利用効率を実現することが可能である。一方、外光５は、観察者側からスクリーンに入射してプリズムアレイ１の空気界面で反射し観察者側に出射するが、その途上でBM２を２回通過しなければならないから、大部分が吸収される。よって、高い外光抑制効果が実現される。

尚、偏向素子１は、図１に例示したプリズムアレイに限らず、同様の光学特性をもたせたレンズアレイ、ホログラム、ミラーアレイ、ファイバーアレイ等で構成してもよく、その場合にも同様の効果を得ることが可能である。
又、本発明では、ＢＭを配設する代わりに、偏向素子のプロジェクタ光入射側のプロジェクタ光入射部分以外の全部又は一部を覆う光吸収部材を配設してもよい。これによっても、スクリーンに入射した外光を吸収することができ、同様に高い外光抑制効果が得られる。或いは、例えば図２に示すように、ＢＭ２と併せて前記光吸収部材７を配設することにより、更に高い外光５抑制効果を得ることが可能である。尚、図２ではプリズム形状の全反射部分を光吸収部材で覆っていないが、プリズムを形成する媒体と光吸収部材に屈折率差が存在すれば、全反射光は吸収されないためプリズム形状の全反射部分を光吸収部材で覆うことが可能となり、より高い外光５抑制効果を得ることができる。

又、偏向素子としてプリズムアレイを用いる場合、図３に示すようにプリズムの上面を複数の平面の繋ぎ合わせによって構成する（或いは上面に代え又は加えて下面を同様に構成する）ことにより、ＢＭ２面を通過するプロジェクタ光４断面積を小さくし、透過面域2Aを小さくすることが可能であり、より高い外光５抑制効果を得ることが可能である。
又、本発明では、上記基本形態に加えて、更に拡散フィルム３の出射側表面（観察者側表面）に偏光子（図示省略）を配置することで、プロジェクタ光が直線偏光を有する場合、プロジェクタ光利用効率を低下させることなく、一般的に無偏光である外光のみを50％吸収し、表示画像のコントラスト比をより一層高めることが可能である。更に、偏光子に代えて円偏光子を配置することで、プロジェクタ光が円偏光を有する場合、上記効果に加えて拡散フィルムにおける後方散乱を円偏光子により吸収することができ、表示画像のコントラスト比を格段に高めることが可能である。この場合、プロジェクタ光の利用効率を高くするためには、プロジェクタ光の偏光が偏向素子によって崩されないことが重要であり、このためには、偏向素子がプリズムアレイである場合、プリズムの入射面に対してプロジェクタ光が垂直に入射することが望ましい。又、同様の理由により、この場合にはBMの透過面域を形成する部分（透過面域を満たす媒質）がプリズムアレイ及び／又は拡散フィルムと屈折率的にマッチングされていることが望ましい。

又、偏向素子がプリズムアレイである場合、プロジェクタ光を偏向させる複数のプリズムは、プロジェクタ光入射側の全体でなくとも一部に存在すればよいから、例えば図４に示すように、個々のプリズム同士を離間配置することにより、不必要な界面における外光５の反射を抑え、より高い外光抑制効果を得ることが可能である。
ところで、上述の基本形態及びこれに偏光子を付加した形態では、偏向素子出射面域の全てがBMの透過面域に含まれるように設計したものを挙げたが、プロジェクタ光の一部が吸収されることを許容し、外光抑制効果を高める目的でBMの透過面域を小さくする設計も有用であることから、本発明では、偏向素子出射面域の全てに限らずその80％以上がBMの透過面域に含まれる場合を許容し、かかる場合も本発明範囲に含むものとする。同様に、偏向素子出射面域以外の全ての領域がBMの吸収面域で覆われている必要は必ずしもなく、偏向素子出射面域以外の領域の一部のみがBMの吸収面域で覆われている場合であっても外光抑制効果を得ることが可能である。

又、偏向素子出射角度領域と拡散フィルムの入射許容角度領域に関しても、製造上不可避的な誤差が生じることが考えられるので、本発明では、偏向素子出射角度領域の全てに限らずその80％以上が拡散フィルムの入射許容角度領域に含まれる場合を許容し、かかる場合も本発明範囲に含むものとする。
又、図１では、BM２の透過面域2Aに入射した外光５がその入射角度によらず透過面域2A内で殆ど吸収されない、即ちBM２の厚さが無限小に近い場合の例を示した。この例は、一般に行われるBMの使用形態に準じたものであるが、本発明はこれに限らず、例えば図６に示すように、BM２の厚みをより厚くし、外光５の急角度入射分が吸収されるようにした実施形態のスクリーンであってもよい。この形態のスクリーンでは、BM２の透過・吸収機能が面域及び角度領域の両方に依存するものとなるから、外光５の観察者側への拡散反射をより一層抑制できて好ましい。尚、この実施形態でも、偏向素子出射面域の80％以上がBMの透過面域に含まれるという前述の条件は成立するので、プロジェクタ光の利用効率は図１の場合と同様である。従来の一般的なBMの透過面域の幅（図の上下方向の長さ）が約30μmであることを考えれば、実用的な角度領域における外光の吸収機能を得るためには、BMの厚さは10μm以上が好ましく、より好ましくは20μm以上、更に好ましくは30μm以上、理想的には50μm以上である。

次に、図５には、図１において、集光機能を有さない偏向素子１に代えて集光機能を有する偏向素子６としたスクリーンの１例を示した。図示のように、集光機能を有する偏向素子６によりBM２面にプロジェクタ光４を集光させることで、BM２面の透過面域2Aを小さくし、プロジェクタ光４の利用効率を低下させることなく外光５抑制効果を高めることが可能である。

尚、図５の例では、集光機能を有する偏向素子６としてプリズムの上面（全反射させる面）が湾曲したプリズムアレイを用いたが、これに代えてプリズムの下面（プロジェクタ光４を入射させる面）或いは上下面が湾曲したプリズムアレイを用いてもよく、又、プリズムに代えて、レンズアレイ、ホログラム、ミラーアレイ、ファイバーアレイ等を用いてもよく、同様の効果を得ることができる。

尚、偏向素子がプリズムアレイである場合に関しては、個々のプリズムが十分微細であると考えると、プロジェクタ光入射角度が１つのプリズム内で変化しないという仮定が成り立ち、このときプリズムの湾曲した面として２次曲線面を用いることで、プロジェクタ光をBM面の１点に集光させることが可能となる。これにより理論的にはBMの吸収面域を略100％とすることが可能であるので、図５に示すようなプリズム上面のみが湾曲しており下面が平面であるプリズムアレイを用いる場合には、プリズム上面の湾曲を、該湾曲面の断面形状が２次曲線形状になるものとすることが望ましい。

集光機能を有する偏向素子６を用いたスクリーンの観察者側表面に偏光子又は円偏光子を配置する場合、及び面域のみならず角度領域に依存した透過・吸収機能を有するBMを用いた場合、及びBMに代え又は加えて前記光吸収部材を配設した場合、及び集光機能を有する偏向素子６がプリズム同士を離間配置したプリズムアレイである場合に関しては、集光機能のない偏向素子１の場合に前述したのと同様の議論が成り立つ。

又、偏向素子出射面域とBMの透過面域の整合性、及び偏向素子出射角度領域と拡散フィルムの入射許容角度領域の整合性についても、集光機能のない偏向素子１の場合に前述したのと同様の議論が成り立つ。
ここで外光はBMを２度通過し、BMの吸収率が２乗で効くから、プロジェクタ光を集光させることによる外光抑制効果の増分は非常に大きい。そこで、集光機能を有する偏向素子６を用いた形態では、BM面においてプロジェクタ光が１点に集光する理想的な形態に限定せず、BM面における透過面域の割合が、集光機能のない偏向素子１を用いた形態に比べ80％以下であるならばこれを許容し、かかる場合も本発明範囲に含むものとする。

尤も、BMの透過面域が小さ過ぎると拡散フィルムからプロジェクタ光が出射する面域が小さくなり過ぎ、画像が不連続なものとなる虞があるが、これに対しては、プロジェクタ光が集光後に発散することを利用し、BMと拡散フィルムとを互いに離して配置することにより、画像の不連続性を目立たなくして拡散フィルムにプロジェクタ光を入射させることにより回避することができる。

上記の議論を成り立たせるためには、プロジェクタとスクリーンの位置関係、及び該プロジェクタからのプロジェクタ光出射角度を厳密に調整し、プロジェクションシステムとして整合を取り、プロジェクタ光入射角度領域からプロジェクタ光を入射させることが肝要である。
ここでプロジェクタ光入射角度領域はスクリーンの場所毎に異なるから、偏向素子の偏向特性はスクリーンの場所毎に異なることが望ましいが、スクリーン全面に亘り一様な偏向特性であっても前述の条件が成り立つ以上、BMにおいて外光の一部が吸収されるので、コントラスト比を高めることが可能である。

又、図１〜６ではスクリーンの断面図を示したが、前述の条件が成り立つ以上、BMにおいて外光の一部が吸収されるので、図の紙面垂直方向の構造に関しては特に限定されない。具体的には、例えばプリズムアレイを用いる場合、その立体形状を、図１〜６のスクリーン断面図形をスクリーン面に垂直な或る１つの中心軸の回りに回転してできるフレネルレンズ型プリズムアレイ形状とすることが感覚的に最も容易に理解可能であるが、前述の条件が成り立つ以上、例えば図１〜６の紙面垂直方向のあらゆる位置での断面形状が全て同一となるプリズムアレイ形状としても、外光の抑制効果を実現することができる。

本発明のスクリーンを製造するには、BM材料及び光吸収部材材料として感光により分解、その後の洗浄により前記分解した部分のみ剥離する材料を用い、偏向素子、BM材料、拡散フィルムをこの順に、又は、光吸収部材材料、偏向素子、BM材料、拡散フィルムをこの順に、又は、光吸収部材材料、偏向素子、拡散フィルムをこの順に、積層配置し、これに偏向素子の入射側からプロジェクタ光を入射させる製造方法によるのが好ましい。

上記製造方法によれば、偏向素子に入射したプロジェクタ光は偏向素子の偏向特性に従ってプロジェクタ光入射角度領域に応じた偏向素子出射領域に出射し、BM材料及び／又は光吸収部材材料を感光させるから、該感光した部分がそのまま透過面域になる。即ち、この製造方法によれば、BMの透過面域（光吸収部材の場合は、これに覆われない部分が透過面域に該当する）を自動的に偏向素子出射面域に整合させることができる。尚、偏向素子は前述のようにプリズムアレイの他、レンズアレイ、ホログラム、ミラーアレイ、ファイバーアレイ等で形成し得る。拡散フィルムは、従来一般に用いられている内部の微粒子による拡散を用いた拡散フィルムや、表面の面粗による拡散を用いた拡散フィルム、ホログラム拡散フィルム等が挙げられるが、特に明確なプロジェクタ光入射許容角度領域とそれに整合した拡散角度領域を持つため、屈折率が互いに異なる層状又は線状構造を内包し、特定の入射許容角度領域からの入射光を特定の拡散角度領域に出射させる拡散フィルムが好ましく用い得る。

実施例では、偏向素子としてプリズムアレイを用いた場合について、プリズムアレイに対するプロジェクタ光入射角度を55°〜75°とし、BM面内におけるBMの吸収面域の割合を数値的シミュレーションにより導出した。ここで、拡散フィルムの入射許容角度領域を-25〜25°とした。尚、角度はプリズムアレイのプリズム並び方向に対する法線（プリズムが並ぶ面の法線）方向を0°とし、半時計回りを正とする。

図1に示す光学系において、プリズムの上面、下面の傾斜角度を夫々36°、-9°とすることで、プロジェクタ光入射角度が55〜75°であるプロジェクタ光をロスなく拡散フィルムの入射許容角度領域に偏向させることが可能である。プロジェクタ光入射角度が55°、75°の場合、BMの吸収面域の割合が夫々38％、74％である。
一方、図５に示す光学系において、プリズム下面をプロジェクタ光入射方向に対して垂直にし、プリズム上面の湾曲形状を２次曲線形状とすると、プロジェクタ光入射角度が55°の場合にはプロジェクタ光はプリズムの上面に54.32°〜70.68°の角度で入射する。又、プロジェクタ光入射角度が75°の場合にはプロジェクタ光はプリズムの上面に44.32°〜60.68°の角度で入射する。このプリズムアレイは空気界面における入射角度が41°以上であれば全反射する材料で作られているので、プロジェクタ光はプリズム上面において全反射し、プロジェクタ光をロスなく拡散フィルムの入射許容角度領域に偏向させることが可能であり、且つ理論的には外光を略100％吸収することが可能である。

本発明の基本形態の１例を示す概略断面図である。 BMと光吸収部材を併せて配設した本発明実施形態の１例を示す概略断面図である。 プリズム面が複数の平面で構成された本発明実施形態の１例を示す概略断面図である。 プリズム同士が離間配置された本発明実施形態の１例を示す概略断面図である。 集光機能を有する偏向素子を用いた本発明実施形態の１例を示す概略断面図である。 BMの厚みを比較的厚くした本発明実施形態の１例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 偏向素子（例：プリズムアレイ）
２ BM（ブラックマトリクス）
2A 透過面域
３ 拡散フィルム
４ プロジェクタ光
５ 外光
６ 偏向素子（例：プリズムアレイ；集光機能有り）
７ 光吸収部材

Claims (17)

1. プロジェクタ光入射角度領域からの入射光を偏向させて該プロジェクタ光入射角度領域に応じた偏向素子出射角度領域及び偏向素子出射面域に出射させる偏向素子と、前記偏向素子出射面域に整合した透過面域を有するブラックマトリクスと、前記偏向素子出射角度領域に整合した入射許容角度領域を有し前記偏向素子出射角度領域からの入射光を拡散させて該偏向素子出射角度領域に応じた観察角度領域に出射させる拡散フィルムとを、この順に積層配置してなる、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
2. 前記ブラックマトリクスに代えて、又はこれと併せて、前記偏向素子のプロジェクタ光入射側のプロジェクタ光入射部分以外の全部又は一部を覆う光吸収部材を配設したことを特徴とする請求項１記載のスクリーン。
3. 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面が共に単一の平面をなすプリズムアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン。
4. 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面の何れか一方又は両方が複数の平面の繋ぎ合わせによって形成されたプリズムアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリーン。
5. 前記プリズムの下面がプロジェクタ光入射方向に垂直な単一の平面をなすことを特徴とする請求項３又は４に記載のスクリーン。
6. 前記プリズムアレイのプリズム同士が離間配置されたことを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載のスクリーン。
7. 前記偏向させてに代えて集光及び偏向させてとしたことを特徴とする請求項１記載のスクリーン。
8. 前記ブラックマトリクスに代えて、又はこれと併せて、前記偏向素子のプロジェクタ光入射側のプロジェクタ光入射部分以外の全部又は一部を覆う光吸収部材を配設したことを特徴とする請求項７記載のスクリーン。
9. 前記偏向素子は、プリズムの上面及び下面の何れか一方又は両方が曲面をなすプリズムアレイであることを特徴とする請求項７又は８に記載のスクリーン。
10. 前記プリズムの下面がプロジェクタ光入射方向に垂直な単一の平面をなすことを特徴とする請求項９記載のスクリーン。
11. 前記プリズムの上面が、断面形状が２次曲線形状になる曲面をなすことを特徴とする請求項９又は１０に記載のスクリーン。
12. 前記プリズムアレイのプリズム同士が離間配置されたことを特徴とする請求項９〜１１の何れかに記載のスクリーン。
13. 前記ブラックマトリクスの厚さが10μm以上であることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のスクリーン。
14. 前記ブラックマトリクスの透過面域を満たす媒体の屈折率に対して前記偏向素子及び前記拡散フィルムの何れか一方又は両方の屈折率がマッチングされていることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のスクリーン。
15. 前記拡散フィルムは、屈折率が互いに異なる層状又は線状構造を内包し、特定の入射許容角度領域からの入射光を特定の拡散角度領域に出射させる拡散フィルムであることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載のスクリーン。
16. 更に前記拡散フィルムの出射側表面に偏光子又は円偏光子が配置されてなる請求項１〜１５の何れかに記載のスクリーン。
17. 請求項１〜１６の何れかに記載されたスクリーンに組み合せて、該スクリーンに対してプロジェクタ光入射角度領域からプロジェクタ光を入射させる投射光学系を有する、偏向素子を用いたプロジェクションディスプレイシステム。

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