JP2006349834A - 透過型スクリーン用拡散板，透過型スクリーン及び背面投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透過型スクリーンに光を投射させる投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、ゲインや解像度やユニフォーミティの低下を最小限にとどめつつ、明るい映像を表示する際の映像のぎらつきを抑制する。
【解決手段】 それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層１３，１５を、第１の拡散層１３，１５よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層１４を介して配置した拡散板７を、透過型スクリーンに設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過型スクリーンに投射された光を拡散するために用いる拡散板や、そうした拡散板を設けた透過型スクリーンや、背面投射型表示装置に関する。

大画面の映像表示装置の一種として、背面投射型表示装置（リアプロジェクションディスプレイ）が普及している。背面投射型表示装置は、周知の通り、映像光源から出射した映像光を、投射レンズで拡大して透過型スクリーンに背面から投射し、透過型スクリーンの正面側から映像を見るようにしたものである。

背面投射型表示装置の透過型スクリーンは、適切な視野角特性を得ることや外光の影響を小さくすること等を目的として、材質，構造，光学特性の異なる複数のスクリーンを組み合わせた構造をしている。図５は、この透過型スクリーンの一般的な構造を示す斜視図である。最も映像光源寄りには、フレネルスクリーン２１が配置される。フレネルスクリーン２１の観察者寄りには、レンチキュラースクリーン２２が配置される。さらに、レンチキュラースクリーン２２の観察者寄りには、外光下でのコントラスト向上やスクリーンの保護を目的として、透明な前面板２３が配置される。

フレネルスクリーン２１は、投射光学系から投射された映像光を集光する（スクリーン面に垂直な方向の光に変換する）する役割を果たす。

レンチキュラースクリーン２２は、フレネルスクリーン２１によって集光された光を視野角拡大のために水平方向に偏向させる役割と、光の出射側に設けた外光吸収層（ブラックストライプ）２２ａにより外光を遮断する役割とを果たす。

さらに、図示は省略しているが、フレネルスクリーン２１またはレンチキュラースクリーン２２には、垂直方向の視野角の拡大を目的として、拡散板（プラスチック等の母材板に拡散粒子を添加したもの）が設けられる。

従来、このフレネルスクリーン２１やレンチキュラースクリーン２２に設けられる拡散板は、図６に示すように、母材３１全体に、同じ粒径の拡散粒子３２を添加した単層構造のものであった（例えば、非特許文献１参照））。

ジェフリー Ａ．清水、 他１名 「Screens for Rear Projection LCD」 １９９９年ディスプレイ国際ワークショップ（IDW'99） ｐ．３２７−３３０

ところで、背面投射型表示装置の映像光源としては、古くはＣＲＴが用いられていたが、近年は、装置の小型化等を目的として、ＣＲＴよりもサイズの小さい液晶パネルやＤＬＰ（Digital Light Processing）素子が用いられるようになっている。それに伴い、近年は、投射レンズとしても、投射瞳の径の小さいものが用いられるようになっている。

このように投射レンズの投射瞳の径が小さくなると、透過型スクリーン内の拡散板の存在を原因として、明るい映像を表示する際に「シンチレーション」と呼ばれる映像のぎらつき（微細な明暗のばらつき）が生じてしまう。

図７は、このシンチレーションの発生原理を示す図である。図７Ａに示すように、投射瞳の径の大きい投射レンズ４１から映像光が投射される場合には、拡散板中の拡散粒子３２の広い領域から観察者側に映像光が出射されるので、拡散粒子３２全体が明るく見える。これに対し、図７Ｂに示すように、投射瞳の径の小さい投射レンズ４２から映像光が投射される場合には、拡散板中の拡散粒子３２の狭い領域からしか観察者側に映像光が出射されないので、拡散粒子３２の一部だけが明るく見え、微細な明暗のばらつきが生じてしまう。

このシンチレーションを抑制する方法の一つに、拡散粒子の濃度を高くする（添加する拡散粒子の数を増やす）という方法が考えられる。

しかし、拡散粒子の濃度を高くすると、スクリーンのゲインが低下して映像が暗くなるという問題や、解像度が低下して映像がボケるという問題が生じる。

また、このシンチレーションを抑制する別の方法としては、粒径の小さい拡散粒子を添加することにより、投射レンズの投射瞳の径が小さくても拡散粒子の広い領域から映像光が出射されるようにするという方法が考えられる。

しかし、拡散粒子の粒径を小さくすると、波長の短い青色光の散乱量が増加することにより、スクリーンの正面では映像が赤っぽく見えるようになるので、ユニフォーミティ（色の均一性）が低下するという問題が生じる。

本発明は、上述の点に鑑み、映像光源として液晶パネルやＤＬＰを用いた背面投射型表示装置におけるように、透過型スクリーンに光を投射させる投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、ゲインや解像度やユニフォーミティの低下を最小限にとどめつつ、シンチレーションを抑制することを課題としてなされたものである。

この課題を解決するために、本発明は、透過型スクリーンに投射された光を拡散するために用いる拡散板において、それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、この第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置したことを特徴とする。

この透過型スクリーン用拡散板は、二つの第１の拡散層を第２の拡散層を介して配置した三層構造の拡散板が設けられている。

スクリーンに投射された光は、まず、光源寄りの第１の拡散層に入射して拡散された後、第２の拡散層に入射する。第２の拡散層には第１の拡散層と比較して粒径の小さい拡散粒子が添加されているので、第２の拡散層に入射した光は、さらに拡散された後、観察者寄りの第１の拡散層に入射する。

このように、スクリーンに投射された光が光源寄りの第１の拡散層と第２の拡散層との両方で拡散されることにより、観察者寄りの第１の拡散層への光の入射角度がランダムになる。これにより、透過型スクリーンに光を投射させる投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、観察者寄りの第１の拡散層では拡散粒子の広い領域から観察者側に映像光が出射されるようになるので、シンチレーション（明るい映像を表示する際の映像のぎらつき）が抑制される。

そして、第１の拡散層のみによって光を拡散させる場合と異なり、第１の拡散層の拡散粒子（比較的粒径の大きい拡散粒子）の濃度を低くしても十分に光を拡散することが可能になるので、ゲインの低下や解像度の低下を最小限にとどめることができる。

また、第２の拡散層のみによって光を拡散させる場合と異なり、第２の拡散層の拡散粒子（比較的粒径の小さい拡散粒子）の濃度を低くしても（例えば第１の拡散層の拡散粒子の濃度以下にしても）十分に光を拡散することが可能になるので、ユニフォーミティの低下も最小限にとどめることができる。

なお、この透過型スクリーン用拡散板において、一例として、二つの第１の拡散層の外側に、さらに、第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した二つの拡散層を配置する（五層構造にする）ことが好適である。

このように拡散板の最外層の粒径の小さくすることにより、拡散板の表面粗さが抑えられるので、拡散板にフィルムを貼り合わせたり拡散板をハードコーティングする場合に、それらの処理を容易に行うことができる。

次に、本発明は、透過型スクリーンにおいて、それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、この第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置した拡散板を設けたことを特徴とする。

この透過型スクリーンは、前述の本発明に係る拡散板を設けたものであり、この透過型スクリーンに光を投射させる投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、ゲインや解像度やユニフォーミティの低下を最小限にとどめつつ、シンチレーションを抑制することができる。

次に、本発明は、映像光を出射する映像光源と、この映像光を拡大する投射光学系と、この投射光学系によって拡大された映像光が背面から投射される透過型スクリーンとを有する背面投射型表示装置において、この透過型スクリーンに、それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、この第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置した拡散板を設けたことを特徴とする。

この背面投射型表示装置は、前述の本発明に係る拡散板を設けた透過型スクリーンを用いたものであり、投射光学系の投射瞳の径が小さい場合にも、ゲインや解像度やユニフォーミティの低下を最小限にとどめつつ、シンチレーションを抑制することができる。

本発明によれば、映像光源として液晶パネルやＤＬＰを用いた背面投射型表示装置におけるように、透過型スクリーンに光を投射させる投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、ゲインや解像度やユニフォーミティの低下を最小限にとどめつつ、シンチレーション（明るい映像を表示する際の映像のぎらつき）を抑制することができるという効果が得られる。

以下、本発明を図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明を適用した背面投射型表示装置の光学系の概要を示す図である。映像光源１は、例えば液晶パネルまたはＤＬＰ（Digital Light Processing）素子が用いられており、放電ランプからの照明光を映像信号に応じて変調した映像光を出射する。

映像光源１から出射された映像光は、投射レンズを含む投射光学系２で拡大され、反射ミラー３で反射されて、透過型スクリーン４に背面から投射される。

透過型スクリーン４は、基本的な構造としては、図５にも示したように、最も映像光源寄りにフレネルスクリーンが配置され、フレネルスクリーンの観察者寄りにレンチキュラースクリーンが配置され、さらに、レンチキュラースクリーンの観察者寄りに、外光下でのコントラスト向上やスクリーンの保護を目的として透明な前面板が配置された構造をしている。

フレネルスクリーンは、投射光学系から投射された映像光を集光する（スクリーン面に垂直な方向の光に変換する）する役割を果たす。

レンチキュラースクリーンは、フレネルスクリーンによって集光された光を視野角拡大のために水平方向に偏向させる役割と、光の出射側に設けた外光吸収層（ブラックストライプ）により外光を遮断する役割とを果たす。

本発明の特徴として、透過型スクリーン４のレンチキュラースクリーンには、五層構造の拡散板が設けられている。図２は、透過型スクリーン４のレンチキュラースクリーンの構造を示す側面図である。このレンチキュラースクリーン５は、水平レンチキュラーレンズシート６と拡散板７とを、水平レンチキュラーレンズシート６のほうを図１の映像光源１寄りに配置するようにして、接着剤８で貼り合わせたものである。

水平レンチキュラーレンズシート６は、母材となるシート９の映像光源１寄りの面に、水平レンチキュラーレンズ１０を形成したものである。接着剤８の中には、垂直方向（図の縦方向）に延びたブラックストライプ（ＢＳ）１１が混在している。

拡散板７は、映像光源１側から順に拡散層１２，１３，１４，１５，１６を配置した５層構造をしている。図３は、この拡散板７の部分を拡大して示す図である。拡散板７は、アクリル系樹脂板から成る母材１７に、２種類の拡散粒子１８，１９を交互に添加した（拡散層１２，１４，１６では拡散粒子１９を添加し、拡散層１３，１５では拡散粒子１８を添加した）ものである。

拡散粒子１９は、拡散粒子１８よりも粒径が小さくなっている。拡散粒子１９の濃度（単位体積当たりの個数）は拡散層１２と拡散層１４と拡散層１６とで同一であり、拡散粒子１８の濃度は拡散層１３と拡散層１５とで同一である。

母材１７の屈折率をＮとし、拡散粒子１８の屈折率をＮａとし、拡散粒子９の屈折率をＮｂとすると、これらの屈折率Ｎ，Ｎａ，Ｎｂは、次のような関係にある。
Ｎａ−Ｎ＝０．０５、 Ｎｂ−Ｎ＝０．０５

拡散粒子１８，１９は、無機系の材料（ガラス）を用いた粒子であってもよいし、有機系の材料（アクリル等）を用いた粒子であってもよい。

母材１７の全体の厚さは１８５０μｍであり、各拡散層１２，１３，１４，１５，１６の厚さはそれぞれ８０μｍ，１８０μｍ，１３３０μｍ，１８０μｍ，８０μｍである。

拡散板７の拡散層１２〜１６のうち、両端の拡散層１２，１６と、その内側の三層の拡散層１３〜１５とは、異なる役割を有している。

拡散層１３〜１５は、シンチレーションを抑制する役割を有している。すなわち、図１の透過型スクリーン４に投射された光は、まず、映像光源１寄りの拡散層１３で拡散された後、拡散層１４に入射する。拡散層１４には拡散層１３と比較して粒径の小さい拡散粒子１９が添加されているので、拡散層１４に入射した光は、さらに拡散された後、観察者寄りの拡散層１５に入射する。

このように、透過型スクリーン４に投射された光が拡散層１３と拡散層１４との両方で拡散されることにより、拡散層１５への光の入射角度がランダムになる。これにより、図１の投射光学系２内の投射レンズの投射瞳の径が小さい場合にも、拡散層１５では拡散粒子１８の広い領域から観察者側に映像光が出射されるようになるので、シンチレーション（明るい映像を表示する際の映像のぎらつき）が抑制される。

そして、拡散層１３のみによって光を拡散させる場合と異なり、拡散層１３の拡散粒子１８（比較的粒径の大きい拡散粒子）の濃度を低くしても十分に光を拡散することが可能になるので、ゲインの低下や解像度の低下を最小限にとどめることができる。

また、拡散層１４のみによって光を拡散させる場合と異なり、拡散層１４の拡散粒子１９（比較的粒径の小さい拡散粒子）の濃度を低くしても（例えば拡散層１３の拡散粒子１８の濃度以下にしても）十分に光を拡散することが可能になるので、ユニフォーミティの低下も最小限にとどめることができる。

さらに、一般的に拡散粒子は粒径の小さいものほど高価なので、粒径の小さい拡散粒子１９だけを添加するのではなく粒径の小さい拡散粒子１９と粒径の大きい拡散粒子１８とを交互に添加することにより、コストも低く抑えることができる。

他方、拡散層１２，１６は、拡散板７の最外層の粒径の小さくすることにより、拡散板７の表面粗さを抑える役割を有している。これにより、拡散板７にフィルムを貼り合わせたり拡散板７をハードコーティングする場合に、それらの処理を容易に行うことができる。

図４は、拡散粒子１８の粒径Φａ，濃度（１ｍｍ^３当たりの個数）Ｃａと拡散粒子１９の粒径Φｂ，濃度Ｃｂとを何通りかに設定して拡散板７の輝度，シンチレーション値及び効率（輝度／シンチレーション値）を測定した結果を、図６に示したような単層構造の拡散板（厚さを拡散板７と同じ１８５０μｍにして、拡散粒子１８のみを添加したもの）についての測定結果と対比して示す図である。

この図において、粒径Φａ，Φｂの欄のｐは２０μｍから２μｍの範囲内の値であり、濃度Ｃａの欄のαの値は３．０であり、濃度Ｃｂの欄のβの値は０．９７である。

シンチレーション値の測定方法としては、透過型スクリーン４の表面のある領域の平均輝度値に対する最大輝度値の比を求め、これをシンチレーション値とする方法を採用している。

図４の最上段に示しているように、単層構造の拡散板では、粒径Φａをｐにし、濃度Ｃａをα×１０^７にした場合に、輝度が１００になり、シンチレーション値が３３になり、効率が３．０になっている。

これに対し、拡散板７では、図４の上から２段目に「ケース１」として示しているように、粒径Φａをｐにし、粒径Φｂを０．５ｐにし、濃度Ｃａを０．７４α×１０^５にし、濃度Ｃｂをβ×１０^５にした場合に、輝度が７５になり、シンチレーション値が２０になり、効率が３．８になっている。すなわち、濃度Ｃａが単層構造の拡散板簿の１００分の１以下である（濃度Ｃｂは濃度Ｃａよりもさらに低い）にもかかわらず、単層構造の拡散板よりもシンチレーションが抑制されている。また、輝度は単層構造の拡散板よりも低いが、効率は単層構造の拡散板よりも高くなっている。この結果は、単層構造の拡散板よりも拡散板７のほうが効率よくシンチレーションを抑制していることを表している。

図４の上から３段目以下の各ケースでも、同様にして、濃度Ｃａが低い（濃度Ｃｂはさらに低い）にもかかわらず、効率よくシンチレーションを抑制している。

なお、以上の例では、母材１７の屈折率Ｎと拡散粒子１８の屈折率Ｎａと拡散粒子９の屈折率Ｎｂとの関係をＮａ−Ｎ＝０．０５、Ｎｂ−Ｎ＝０．０５とするとともに、拡散粒子１８の粒径Φａ，濃度Ｃａ及と拡散粒子１９の粒径Φｂ，濃度Ｃｂとを図４の各ケースのような値にしたが、より一般的には、この屈折率Ｎ，Ｎａ，Ｎｂや粒径Φａ，Φｂや濃度Ｃａ，Ｃｂが次式のような条件を満たすようにすることが望ましい。

また、以上の例では拡散板７を５層構造にしているが、例えば、拡散層１２，１６の外側に、拡散粒子１８を添加した拡散層をそれぞれさらに配置することにより、拡散板７を７層構造にしてもよい。

また、以上の例では拡散層１３と拡散層１５とに同じ粒径Φａの拡散粒子１８を同じ濃度Ｃａで添加しているが、拡散層１３と拡散層１５とで濃度を異ならせたり、拡散層１３と拡散層１５とに異なる粒径の拡散粒子を添加する（但しいずれも粒径も拡散粒子１９の粒径よりは大きくする）ようにしてもよい。

同様に、拡散層１４と拡散層１２，１６とでも、濃度を異ならせたり、異なる粒径の拡散粒子を添加する（但しいずれも粒径も拡散粒子１８の粒径よりは小さくする）ようにしてもよい。

また、以上の例ではレンチキュラースクリーンに拡散板７を設けているが、フレネルスクリーンのほうに拡散板７を設けるようにしてもよい。

本発明を適用した背面投射型表示装置の光学系の概要を示す図である。 図１の透過型スクリーンのうちのレンチキュラースクリーンの構造を示す側面図である。 図２の拡散板の部分を拡大して示す図である。 図２の拡散板のシンチレーション値等の測定結果を示す図である。 透過型スクリーンの一般的な構造を示す斜視図である。 従来の透過型スクリーンに設けられている拡散板を示す図である。 シンチレーションの発生原理を示す図である。

符号の説明

１ 映像光源、 ２ 投射光学系、 ３ 反射ミラー、 ４ 透過型スクリーン、 ５ レンチキュラースクリーン、 ７ 拡散板、 １２，１３，１４，１５，１６ 拡散層、 １７ 母材、 １８，１９ 拡散粒子

Claims (7)

1. 透過型スクリーンに投射された光を拡散するために用いる拡散板において、
   それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、前記第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置したことを特徴とする透過型スクリーン用拡散板。
2. 請求項１に記載の透過型スクリーン用拡散板において、
   前記第２の拡散層の拡散粒子の濃度が、前記第１の拡散層の拡散粒子の濃度以下であることを特徴とする透過型スクリーン用拡散板。
3. 請求項１に記載の透過型スクリーン用拡散板において、
   二つの前記第１の拡散層の外側に、さらに、前記第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した二つの拡散層を配置したことを特徴とする透過型スクリーン用拡散板。
4. 透過型スクリーンにおいて、
   それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、前記第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置した拡散板
   を設けたことを特徴とする透過型スクリーン。
5. 請求項４に記載の透過型スクリーンにおいて、
   前記第２の拡散層の拡散粒子の濃度が、前記第１の拡散層の拡散粒子の濃度以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
6. 請求項４に記載の透過型スクリーンにおいて、
   前記拡散板は、二つの前記第１の拡散層の外側に、さらに、前記第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した二つの拡散層を配置して成ることを特徴とする透過型スクリーン。
7. 映像光を出射する映像光源と、
   前記映像光を拡大する投射光学系と、
   前記投射光学系によって拡大された映像光が背面から投射される透過型スクリーンと
   を有する背面投射型表示装置において、
   前記透過型スクリーンに、
   それぞれ拡散粒子を添加した二つの第１の拡散層を、前記第１の拡散層よりも粒径の小さい拡散粒子を添加した第２の拡散層を介して配置した拡散板
   を設けたことを特徴とする背面投射型表示装置。

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