JP2007193290A - 画像表示装置、及びそれに用いるフレネルレンズシート - Google Patents

Abstract

【課題】 映像光を背面投写型スクリーンに斜めに投写して拡大・投写映像を得る画像表示装置における投写映像の明るさの不均一を解消する。
【解決手段】
本発明に係るフレネルレンズシート(8)は、その光入射面の、所定の光入射角以上の領域に設けられた第１プリズム群(12a)と、光入射面の、前記所定の光入射角未満の領域に設けられた第２プリズム群(12b)とを備えている。上記第１プリズム群(12a)は、前記所定の光入射角以上で入射された光を屈折する第１屈折面(SK1)と、該第１屈折面で屈折された光を反射して前記フレネルレンズシートの出射側へ導くための第１全反射面(SH1)とを含み、上記第２プリズム群は、前記所定の光入射角未満で入射された光を屈折して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第２屈折面(SK2)と、この第２屈折面で屈折された光の一部を反射してフレネルレンズシート出射側へ導く第２全反射面(SH2)とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、背面投射型もしくは直視型の画像表示装置、及びこれに用いられるフレネルレンズシートに関する。

小型の映像をスクリーン上に拡大投射する背面投射型の画像表示装置（以下、セットと称する場合もある）においては、セットの薄型化（奥行寸法を短縮化）が望まれている。セットの奥行寸法を短縮化すると、スクリーンの特に周辺部において光の入射角が大きくなる。このため、スクリーンの周辺部においては光の利用効率が低下し（すなわち反射損失が大きくなり）映像が暗くなる。これに対応するための従来技術としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。これは、スクリーンの一構成要素であるフレネルレンズシートの光入射面（画像発生源側）に、屈折面及び全反射面を有するプリズムを設け、大きい入射角の光を上記屈折面により屈折させた後に全反射面で全反射して画像観察側へ出射することを開示している。

また、直視型の画像表示装置においては、例えば特許文献２に記載されているように、セットの薄型化を図るために、画像発生源（例えば液晶パネル）の背面である光入射側に複数の冷陰極蛍光ランプを設けることが知られている。

特開２００４−１７０８６２号公報 特開２００４−２７３３９６号公報

上記従来技術のように、入射面側に全反射型プリズムを設けたものにおいては、フレネルレンズシートへ入射角の小さい光が入射された場合、その入射光の全てを全反射型プリズムで全反射することができない。この全反射されない光は、迷光（フレネルレンズシート内部を全反射し、所望の場所以外に到達する光）となり、画像のコントラストを低下させる。また、迷光は、スクリーン上画像の輝度むらの原因にもなり、スクリーン全面において均一な明るさを得ようとする場合においても好ましくない。従って、入射面側に全反射型プリズムを設ける場合は、スクリーンへの入射光を有効に観視側へ曲げる（全反射させる）ことが可能な光の入射角の範囲を広げることが重要である。すなわち、全反射可能な光の入射角の下限値を小さくして画像の高画質化を図ることが重要である。

上記特許文献１に記載のものは、その段落番号００３４（表１）に記載されているように、スクリーンへの入射角が３５度において迷光の発生率が２０％以上となっている。すなわち、特許文献１に記載のものは、下限値付近において迷光の発生率が比較的大きいため、これよりも更に迷光の発生率を抑える必要がある。

一方、例えば液晶パネルを用いた直視型の画像表示装置においては、薄型化のために冷陰極蛍光ランプを用い、リフレクタや拡散板を用いてランプのない部分にも光を拡散することで光の均一化を図っている。しかしながら、液晶パネルでは、所定の光入射角以外の光は画像のコントラスト劣化を起こす要因とされる。このため、従来技術のように、光を拡散して液晶パネルに光を入射する場合、液晶パネルへの光の入射角度は様々な値となり、かつ大きくなるので、画像のコントラストが劣化する場合がある。コントラストを向上させるためには、所定の角度だけを液晶パネルに入射させればよいが、拡散光から所定の光を選択するための要素が新たに必要となり、また効率も低下する。

また、上記液晶パネルを用いた直視型の画像表示装置においては、液晶パネルの背面に複数の蛍光ランプを配置しているが、蛍光ランプは点灯時間により発光輝度が低下して暗くなる。この明るさの劣化はランプ毎に異なるため、表示映像には輝度のむらを生じる。そのため著しい輝度むらやランプの不点灯が生じた場合には、ランプ交換を必要とする。しかし、ランプは液晶パネルの背面に配置しているため取替えには煩雑な作業を必要とする。

本発明は、上記した課題に鑑みて為されたものである。そして本発明の目的は、セットを薄型化しつつ、高画質な画像を得ることが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、フレネルレンズシートの光入射面の、所定の光入射角以上の領域に第１プリズム群を設け、更にフレネルレンズシートの光入射面の、前記所定の光入射角未満の領域に第２プリズム群を設けたものである。この第１プリズム群は、所定光入射角以上で入射された光を屈折する第１屈折面と、該第１屈折面で屈折された光を反射してフレネルレンズシートの出射側へ導くための第１全反射面とを含み、上記第２プリズム群は、所定光入射角未満で入射された光を屈折して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第２屈折面と、前記第２屈折面で屈折された光の一部を反射して前記フレネルレンズシート出射側へ導く第２全反射面とを含むことを特徴とするものである。

上記第１プリズム群の上記第２プリズム群から離れた位置にあるプリズム群の第１全反射面で反射された光は、フレネルレンズシートの法線とほぼ平行な方向に出射され、上記第１プリズム群の上記第２プリズム群近傍にあるプリズム群の第１全反射面で反射された光は、前記フレネルレンズシートの法線よりも内側に向く方向に出射され、上記第２プリズム群の第２全反射面で反射された光は、前記フレネルレンズシートの法線よりも内側に向く方向に出射される。またフレネルレンズシートの光出射面の、上記第１プリズム群の上記第２プリズム群から離れた位置にあるプリズム群と対向する領域は平面状であり、上記第１プリズム群の上記第２プリズム群近傍にあるプリズム群と対向する領域は第３プリズム群を設けてもよく、前記第２プリズム群と対向する領域は第４プリズム群を設けてもよい。またこの第４プリズム群は、上記第２プリズム群の第２屈折面で屈折した光を更に屈折するための第３屈折面と、上記第２全反射面で反射された光を屈折するための第４屈折面とを含み、上記第２プリズム群からの光をフレネルレンズシートの法線とほぼ平行な方向に屈折するものであってもよい。

更に、フレネルレンズシートの光入射面の、上記第２プリズム群が設けられる領域よりも更に小さい入射角度で光が入射される領域を平面状とし、フレネルレンズシートの出射面の、前記平面状領域に対向する領域に、この平面状領域に入射した光を屈折するための第５プリズム群を設けてもよい。

上記の構成のフレネルレンズシートは、背面投射型画像表示装置に用いられるスクリーンの一要素として用いてもよいし、直視型画像表示装置の画像発生源の入射側に配置して用いてもよい。上記フレネルレンズシートをセットに取り付ける際は、該フレネルレンズシートの周辺に張力を加えてセットの筐体に固定してもよいし、セットの光源（ランプ）側に凹を向けるように反らせてセットの筐体に固定するようにしてもよい。

本発明によれば、セットを薄型化しつつ高画質あるいは高輝度な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る背面投写型の画像表示装置の断面斜視図である。画像発生源１は、投写型ブラウン管、反射型もしくは透過型の液晶パネル、または微小なミラーを複数備えた表示素子等の画像変調素子などから構成されており、小型の画像を表示する。投射レンズ２は、画像発生源の表示画面に表示された小型の画像を拡大し、背面投写型スクリーン３に投写する。投写レンズ２の出射面からスクリーン３の入射面に至るまでの光路の途中には、反射ミラー４が設けられている。従って、投写レンズ２で拡大された画像は、反射ミラー４によって反射されてスクリーン３の背面に投写される。これにより、セットの奥行が低減される。これらの要素は、筐体５の内部に収納され、所定位置に固定される。ここで、筐体の奥行寸法を例えば３００ｍｍ以下にするためには、背面投写型スクリーンへの入射角範囲は、おおよそ３０〜７０度程度となる。すなわち、最小入射角７が約３０度程度のときは、最大入射角度６は約７０度以上必要となる。

図２は、本発明に係る画像表示装置に用いられる背面投写型スクリーン３の一構成例を示している。この背面投写型スクリーン３は、フレネルレンズシート８と拡散シートであるレンチキュラーレンズシート９とを備えている。フレネルレンズシート８は、その光入射面に全反射型プリズム１２が形成されており、光出射面には、屈折型プリズム１５が形成されている。かかる構成の背面投写型スクリーン３によれば、図の矢印ａの方向から投写される拡大投写映像は、上記フレネルレンズシート８の働き、即ち、フレネルレンズシートに形成された屈折型プリズム１５の働きによって、略平行な光（即ち、フレネルレンズシートの主平面の法線に対する角度である出射角が略０度の光）、又は、若干内側を向く光に変換される。この光は、レンチキュラーレンズシート９に入射され、画面水平方向、垂直方向に拡散される。

なお、レンチキュラーレンズシート９の光入射面には、図２に示されるように、スクリーン画面の垂直方向を長手方向とするレンチキュラーレンズ２０が、スクリーン画面水平方向に複数配列されている。これにより、フレネルレンズシート８からの映像光をスクリーン画面水平方向に拡散する働きをする。また、上記レンチキュラーレンズシート９の出射面には、画面垂直方向に延びるブラックストライプ１０が、画面水平方向に複数配列されている。これにより、スクリーン出射側から入射する外光を吸収する。更に、このレンチキュラーレンズシート９は、光拡散材１１が練り込まれた透明な樹脂材で構成されている。この混入された光拡散材１１は、前記映像光をスクリーン画面水平及び垂直方向に拡散する働きをする。尚、レンチキュラーレンズシート９の前面に透明な強化シート（図示せず）を配置してもよい。更に、この強化シートとレンチキュラーレンズシート９とを接着して一体化することにより、レンチキュラーシート９の機械的強度を向上させてもよい。また、光拡散剤１１は、レンチキュラーシート９には含有させず、上記レンチキュラーレンズシート９の前方に配置される強化シートに含有させてもよい。
本実施例においては、図２に示されたフレネルレンズシート８の反射型プリズム１２は２種類存在している。一つは、フレネルレンズシート８の光入射面の、所定の光入射角以上（例えば40度もしくは50度以上）の領域に設けられた第１プリズム群である。二つは、上記所定の光入射角未満の領域に設けられた第２プリズム群である。上記第１プリズム群は、上記所定入射角以上で入射した光を屈折する第１屈折面と、この第１屈折面で屈折された光を反射してフレネルレンズシート出射側へ導くための第１全反射面とを含んでいる。また、上記第２プリズム群は、上記所定入射角未満で入射した光を屈折してフレネルレンズシート８の出射側へ導く第２屈折面と、この第２屈折面で屈折された光の一部を反射してフレネルレンズシート８の出射側へ導く第２全反射面とを含んでいる
またフレネルレンズシート８の出射面には屈折型プリズムとして、第３プリズム群と第４プリズム群が設けられている。この第３プリズム群は、上記入射面側に設けられた、第２プリズム群近傍に位置する第１プリズム群と対向する領域に設けられている。上記第３プリズム群は、上記第１プリズム群の第１屈折面で屈折され、かつ第１全反射面で反射した光を更に屈折するための第５屈折面を含んでいる。第２プリズムと対向する第４プリズム群は、上記第２プリズム群の第２屈折面で屈折した光を更に屈折するための第３屈折面と、第２プリズム群の第２全反射面で反射された光を屈折するための第４屈折面とを含んでいる。尚、フレネルレンズシート８の出射面の上記第１プリズム群と対向する位置であって、上記第２プリズム群近傍以外の領域には、プリズムが形成されない平面状の第１平面領域１７が設けられている。

上記フレネルレンズシート８の全体構成を図３に示す。図３は、本実施例に係るフレネルレンズシート８の垂直方向の断面図を示すものである。図３に示されるように、本実施例においては、フレネルレンズシート８を、垂直方向に沿って光の入射角に応じて２つの領域に区分している、領域Ａは、例えば入射角が４５度〜７０度(最大入射角)で光が入射される領域である。領域Ｂは、例えば入射角が３０度(最小入射角)〜４４度で光が入射される領域である。

フレネルレンズシート８の光入射面ＩＮの領域Ａには、上述した第１屈折面SK1と第１全反射面SH1とを有する第１プリズム群１２ａが設けられ、領域Ｂには、上述した第２屈折面SK2と第２全反射面SH2とを有する第２プリズム群１２ｂが設けられている。一方、フレネルレンズシート８の光出射面ＯＵＴの領域Ａには、上述した第１平面領域１７と第３プリズム群１５ａが設けられている。第３プリズム群１５ａは、第５の屈折面SK5を有しており、かつ領域Ａと領域Ｂとの境界から所定範囲内にある第１プリズム群１２ａと対向する位置に設けられている。第１平面領域１７は、上記所定領域以外の第１プリズム群１２ａに対向している。また、光出射面ＯＵＴの領域Ｂには、第３屈折面SK3と第４屈折面SK4とを有する第４プリズム群１５ｂが設けられている。このように、第３プリズム群１５ａは第１プリズム群１２ａと対向する領域に、第４プリズム群１５ｂは第２プリズム群１２ｂと対向する領域に設けられている。

本実施例では、上記第１〜第４プリズムは、スクリーンの水平方向を長手方向とした直線状に形成されているが、ある点を中心にした同心円状に形成してもよい。また、入射側の第１及び第２プリズムを上記直線状に形成し、出射側の第３及び第４プリズムを同心円状にしてもよい。

次に、各プリズムの働き、すなわち光学的な作用について図４、図５及び図６を参照して説明する。図４は、図３の領域Ａに設けられた第１プリズム群１２ａと第１平面領域１７の一部の断面を拡大して示したものである。すなわち、図４は、領域Ａの中でも特に入射角の大きい部分を示し、ここでは、出射面側に第３プリズム群１５ａは設けられていない。領域Ａにおいて、大きい入射角度で光が入射される部分は、図４に示されるように、フレネルレンズシート８の光入射側には第１プリズム部１２ａが設けられており、光出射面側には第１平面領域１７が設けられる。画像発生源側からの光線３２は、第１プリズム群の第１屈折面SK1に入射され、第１屈折面SK1により屈折される。その後、第１全反射面SH1で全反射され、フレネルレンズシート８出射側の第１平面領域１７から観視側に出射する。このときの光線の出射方向は、フレネルレンズシート８の主平面の法線とほぼ平行である。

次に、領域Ａのうち、領域Ｂ近傍の部分の光学作用について説明する。図５は、領域Ｂ近傍に位置する第１プリズム群１２ａと、それに対向する第３プリズム群１５ａの一部の断面を拡大して示したものである。図５に示されるように、フレネルレンズシート８の光入射側に第１プリズム部１２ａが設けられており、光出射側には、第３プリズム群１５ａが設けられている。画像発生源側からの光線３４は、第１プリズム群の第１屈折面SK1に入射され、この第１屈折面SK1により屈折される。その屈折された光は、第１全反射面SH1で全反射され、第３プリズム群の第５屈折面SK5に入射される。この第５屈折面SK5に入射された光は、第５屈折面SK5によってフレネルレンズシート８の主平面の法線とほぼ平行になるように屈折される。すなわち、第３プリズム群１５ａの第５屈折面SK5は、第１プリズム群１２ａの第１全反射面SK1で内側に向けられた光を、上記法線方向に屈折するためのものである。

領域Ａよりも小さい入射角度で光が入射される領域Ｂは、図６に示されるように、フレネルレンズシート８の光入射側に第２プリズム部１２ｂが設けられている。またフレネルレンズシート８の光出射側には、第４プリズム群１５ｂが設けられている。画像発生源側からの光線３４は、第２プリズム群の第２屈折面SK2に入射され、この第２屈折面SK2により屈折される。その屈折された光は、第２全反射面SH2で全反射され、第４プリズム群１５ｂの第４屈折面SK4に入射される。この第４屈折面SK4に入射された光は、第４屈折面SK4によってフレネルレンズシート８の主平面の法線とほぼ平行になるように屈折される。すなわち、第４プリズム群１５ｂの第４屈折面SK4は、第２プリズム群１２ｂの第２全反射面SK2で内側に向けられた光を、上記法線方向に屈折するためのものである。
一方、光線３３は、第２プリズム群の第２屈折面SK2に入射され、この第２屈折面SK2により屈折された後に第４プリズム群１５ｂの第３屈折面SK3に入射される。この光は、第３屈折面SK3によってフレネルレンズシート８の主平面の法線とほぼ平行になるように屈折される。すなわち、第３プリズム群１５ｂの第３屈折面SK3は、第２プリズム群１２ｂの第２全反射面SK2で全反射されなかった光を、上記法線方向に屈折するためのものである。

このように、第２プリズム群１２ｂの第２全反射面SH2は、第２屈折面SK2に入射され屈折された光の一部を反射するものである。すなわち第２プリズム群１２ｂの第２屈折面SK2に入射された光は、第２全反射面SH2及び第４屈折面SK4を通るルートと第３屈折面SK3を通るルートの、主として２つのルートを経由してフレネルレンズシート８から出射される。

ここで、第２プリズム群１２ｂの第２屈折面SK2で屈折された光線とフレネルレンズシート８の主平面との成す角度は、第４プリズム群１５ｂの第４屈折面SK4の傾き角度より小さく設定される。また、第２プリズム群１２ｂの第２全反射面SH2で全反射された光線とフレネルレンズシート８の主平面との成す角度は、第４プリズム群１５ｂの第３屈折面SK3の傾き角度より小さく設定される。このように設定すると、第２屈折面SK2で屈折された光線は、第４屈折面SK4に入射することなく、本来入射するべき第３屈折面SK3にしか入射されない。また、第２全反射面SH2で反射された光線は、第３屈折面SK3に入射することなく、本来入射するべき第４屈折面SK4にしか入射されない。このため、フレネルレンズシート８に入射した光の殆ど全てを、フレネルレンズシート８から出射させることが可能となる。よって、本実施例に係るフレネルレンズシートは、広範囲な入射角で光線を入射させても、不用光の発生を著しく低減することができる。

次に、上記に説明したフレネルレンズシート８を画像表示装置に適用した場合における光学部品（各プリズム）の仕様の一例を下記表１示す。この仕様は、光入射側に設けられた第１、第２プリズム群１２の屈折面SK1、SK2の傾き角度及びそのプリズム頂角、出射側に設けられた第３、第４プリズム群１５の屈折面SK4、SK5の傾き角度及びそのプリズム頂角の具体的な数値の一例を示している。尚、この例では、フレネルレンズシートを構成する材料の屈折率を１.５３としている。表１において、入射角度３１°から４４°までが領域Ｂであり、入射角４５°から７０°までが領域Ａである。また、領域Ａのうち４５°から６４°までの範囲は、その光出射面に第３プリズム群１５ａが設けられる範囲である。そのプリズム屈折面の傾き角度は、入射角度が大きくなるに従い小さくなっており、入射角度６５°で第１平面領域１７に接続する。すなわち、領域Ａの６５°〜７０°の範囲は、その光出射面側が第１平面領域１７とされる。

特許文献１に記載のものでは入射角が３５度において迷光の発生率が２０％以上に対して、本実施例によればスクリーンへの入射角が３１度においても迷光の発生率を殆ど０％に抑えることが可能となる。これにより、入射光の全てが有効光線となるため映像光のスクリーン入射角度の幅が広くなり、同時に通過効率も良好になる。従って、本実施例に拠れば、スクリーンでの不要光を少なくできることが分かる。

そして、本実施例に係るフレネルレンズシート８を背面投射型画像表示装置に適用すれば、セットの奥行寸法を小さくしてもスクリーン周辺部でも明るい映像を表示できる。よって、本実施例を適用すれば、スクリーン対角５０インチ（縦：横比＝９：１６）の画像表示装置では、その装置の厚さを例えば約３００ｍｍとすることができる。これによって、装置の更なる薄型化が可能になることが分かる。しかしながら、本実施例は、特に、上述した構成要素の寸法やその特性を示す数値について、上記した実施例に示されたものに限られるものでない。例えば、斜め投写角度や投写距離などの仕様に合わせて、これらの値を、反射ミラー（平面に限るものではない）の有り無しと共に、適宜、変更可能であることは当業者であれば当然であろう。

また、より薄型化のためには、上記反射ミラー４として、自由曲面を有する曲面ミラーを用いてもよい。この場合、フレネルレンズシートを構成するフレネルレンズのプリズム面（屈折面）を、曲面ミラーによる球面系からのずれ量を打ち消すような非球面（普通は球面）形状としもよい。そのときの非球面係数（非球面の程度を多項式で表す場合の係数）は、前記曲面ミラーで反射されて入射された投写映像が、前記背面投写型スクリーンの略全面において、フレネルレンズシート８の出射面から略０度の出射角で出射するように設定される。

このように、本実施例に拠れば、映像光のスクリーン入射角度の幅が広くかつ通過効率を良好にして迷光の発生を低減できる。従って、明るい画像を表示でき、コントラストが良く、かつより薄型でコンパクトな背面投射型の画像表示装置を実現することが出来る。

以下、本発明の第２実施例について、図７〜図９を参照しながら詳細に説明する。図６は、本発明が適用される直視型の画像表示装置の一構成例を示し、図７（ａ）はその装置を上から見た断面図、図７（ｂ）はその装置を側面から見たときの断面図ある。

光源２７は、略点光源の高圧水銀ランプと、このランプから出射する光を反射して出射するリフレクタとを含んでいる。光源２７から出射した光は、ロッドレンズ２６によりその明るさが均一化される。明るさを均一化させる方法は、この他にマルチレンズアレイを用いたものなどあるが、本実施例ではどのような要素を用いてもよい。ロッドレンズ２６を出射した光は、投射部の一構成要素である反射ミラー２５で反射され、フレネルレンズシート２２を介して画像発生源２１に拡大投射される。ここで画像発生源２１は、例えば透過型の液晶パネルで構成されており、フレネルレンズシート２２を透過した光を画素毎に変調して画像を表示面上に形成する。本実施例では、フレネルレンズシート２２を介して液晶パネルに光を入射するようにしており、かかるフレネルレンズシート２２は、入射光を平行光（フレネルレンズシート２２の主平面の法線と平行な光）にして液晶パネルに出射するように構成される。こるため、液晶パネルへの入射光は、上記フレネルレンズシート２２の光学的作用によって液晶パネル表示面の法線に対し略平行となる。

ここで、ロッドレンズ２６からの光を画像発生源２１の大きさに拡大するための要素として、例えば既知の拡大レンズや曲面形状の反射ミラー等を用いることができる。このような要素は、光源２７から反射ミラー２５に至る経路に設けてもよい。また、反射ミラー２５は、曲面形状としてもよい。筐体５には、反射ミラー２５、ロッドレンズ２６、光源２７、画像発生源２１及びフレネルレンズシート２２が取付もしくは収納される。

このような構成の画像表示装置においては、拡大される光線がフレネルレンズシート２２の周縁に入射する角度が大きいほど薄型化できる。例えば、表示面が対角５０インチ（縦：横比＝９：１６）の画像表示装置では、フレネルレンズシート２２の周縁に入射する最大入射角度を約８０°とすると、セットの奥行を約１５０ｍｍと薄型化することができる。よって、セットの奥行寸法を１５０ｍｍ以下にするためには、フレネルレンズシート２２への入射角範囲は、おおよそ０〜８０度程度となる。本実施例にかかるフレネルレンズシート２２は、このような角度範囲を持つ入射光を平行光にして液晶パネルに出射するものである。

このような薄型化されたセットに適用して好適なフレネルレンズシート２２の全体構成を図８に示す。図８は、本実施例に係るフレネルレンズシート２２の垂直方向の断面図を示すものである。図３では、フレネルレンズシート８を垂直方向に沿って光の入射角に応じて２つの領域に区分したが、本実施例においては、フレネルレンズシート２２を垂直方向に沿って光の入射角に応じて３つの領域に区分している。領域Ａは、例えば入射角が４５度〜８０度(最大入射角)で光が入射される領域である。領域Ｂは、例えば入射角が３１度〜４４度で光が入射される領域である。領域Ｃは、例えば入射角が０度(最小入射角)〜３０度で光が入射される領域である。

フレネルレンズシート２２の光入射面ＩＮの領域Ａには、第１屈折面SK1と第１全反射面SH1とを有する第１プリズム群１２ａが設けられ、領域Ｂには、第２屈折面SK2と第２全反射面SH2とを有する第２プリズム群１２ｂが設けられている。また、光入射面ＩＮの領域Ｃは、プリズムが形成されない平面状の第２平面領域１６が設けられている。一方、フレネルレンズシート２２の光出射面ＯＵＴの領域Ａの一部には、プリズムが形成されない平面状の第１平面領域１７が設けられており、更に光出射面ＯＵＴの領域Ａの領域Ｂ近傍には、第５屈折面SK5を有する第３プリズム群１５ａが設けられている。光出射面ＯＵＴの領域Ｂには、第３屈折面SK3と第４屈折面SK4とを有する第４プリズム群１５ｂが設けられ、領域Ｃには、第６屈折面SK6を有する第５プリズム群１５ｃが設けられている。

本実施例では、上記第１〜第５プリズムは、スクリーンの水平方向を長手方向とした直線状に形成されているが、ある点を中心にした同心円状に形成してもよい。また、上記入射側の第１及び第２プリズムをスクリーンの水平方向を長手方向とした直線状に形成し、出射側の第３から第５プリズムを同心円状にしてもよい。

次に、各プリズムの働き、すなわち光学的な作用について図９を参照して説明する。尚、領域Ａに設けられた第１プリズム群１２ａ、第３プリズム群１５ａ、領域Ｂに設けられた第２プリズム群１２ｂ及び第４プリズム群１５ｂの光学的作用については、前述した図４から図６のものと略同じである。従って、以下の説明では、第１プリズム群１２ａ、第２プリズム群１２ｂ、第３プリズム群１５ａ、第４プリズム群１５ｂの光学的作用、及び角度の設定に関する説明は省略し、領域Ｃに設けられた第５プリズム群１５ｃの光学的作用についてのみ説明することとする。

図９に示されるように、フレネルレンズシート２２の光入射側ＩＮの領域Ｃには、第２平面領域１６が設けられている。光出射側ＯＵＴの領域Ｃには、第２平面領域１６に対向するように、第５プリズム群１５ｃが設けられている。光源２７からの光線３５（入射角が例えば０〜３０度の光線）は、第２平面領域１６に入射され、この第２平面領域１６の入射面によって屈折される。第２平面領域１６で屈折された光は、第５プリズム群１５ｃの第６屈折面SK6に入射される。この光は、第５プリズム群１５ｃの第６屈折面SK6によってフレネルレンズシート２２の主平面の法線とほぼ平行な方向に屈折されて出射される。この第６屈折面SK6で屈折された光は、例えば液晶パネルなどで構成された画像発生源２１に出射される。

次に、上記に説明したフレネルレンズシート２２を画像表示装置に適用した場合における光学部品（各プリズム）の仕様の一例を下記表２に示す。この仕様は、光入射側に設けられた第１、第２プリズム群１２の屈折面SK1、SK2の傾き角度及びそのプリズム頂角、出射側に設けられた第３、第４、第５プリズム群１５の屈折面SK4、SK5、SK6の傾き角度及びそのプリズム頂角の具体的な数値の一例を示している。尚、この例では、フレネルレンズシートを構成する材料の屈折率を１.５３としている。

表２において、入射角度０°から３０°までが領域Ｃであり、入射角度３１°から４４°までが領域Ｂであり、入射角４５°から８０°までが領域Ａである。また、領域Ａのうち４５°から６４°までの範囲は、その光出射面に第３プリズム群１５ａが設けられる範囲である。そのプリズム屈折面の傾き角度は、光の入射角度が大きくなるに従い小さくなっており、入射角度６５°で第１平面領域１７に接続する。すなわち、入射角度が６５°〜８０°の範囲は、その光出射面が第１平面領域１７とされる。ここで説明した各種の角度は、上記表２の数値に限られるものではなく、またこの角度を異なるプリズム間の境界としなくてもよい。例えば、この角度を中心とした所定範囲において各プリズムを混合させて設けてもよい。このように構成すると、プリズム領域が変わることによる輝度のむらなどの弊害を軽減できる。これは、先に説明した第１実施例においても同様である。

本実施例によれば、スクリーンへの入射角によらず迷光の発生率を殆ど０％にすることができる。これにより、入射光の全てが有効光線となるため映像光のスクリーン入射角度の幅が広くなり、同時に通過効率も良好になる。図１０は表２の実施例から求めた透過率である。入射角度が約３０°から５０°の範囲で透過率が最大２０％程度劣化しているが、０°から８０°まで対応するフレネルレンズとしては、全体的に極めて良い透過率を示している。

本実施例に係るフレネルレンズシート２２を直視型の画像表示装置に適用すれば、セットの奥行寸法を小さくしてもスクリーン周辺部でも明るい映像を表示できる。よって、本実施例を適用すれば、スクリーン対角５０インチ（縦：横比＝９：１６）の画像表示装置では、その装置の厚さを例えば約１５０ｍｍとすることができる。これによって、装置の更なる薄型化が可能になることが分かる。しかしながら、本実施例は、特に、上述した構成要素の寸法やその特性は、上記した数値に限定されるものではない。例えば、斜め投写角度や投写距離などの仕様に合わせて、これらの値を、反射ミラー（平面に限るものではない）の有り無しと共に、適宜、変更可能であることは当業者であれば当然であろう。また本実施例も第１実施例と同様に、反射ミラー２５として自由曲面を有する曲面ミラーを用いてもよく、フレネルレンズのプリズム面（屈折面）を上記曲面ミラーの形状に応じて非球面に設定してもよい。

このように、本実施例に拠れば、映像光のスクリーン入射角度の幅が広くかつ通過効率を良好にして迷光の発生を低減できる。従って、明るい画像を表示でき、コントラストが良く、かつより薄型でコンパクトな直視型の画像表示装置を実現することが出来る。

尚、この第２実施例では、フレネルレンズシート２２を直視型の画像表示装置に適用することについて説明したが、第１実施例と同様に背面投射型の画像表示装置に適用することも可能である。

以上説明したフレネルレンズシートにおいて、入射光線の入射角度が大きくなると次のような課題がある。例えばフレネルレンズシートの入射面のプリズム高さが所定より高くなると、そのプリズムにより光が遮蔽もしくは遮断され、特にスクリーン端部近傍に光が到達しづらくなる。従って、このような場合はスクリーン端部近傍の映像が暗くなる。例えば、入射角８０°の場合、プリズム高さが1ｍｍ高くなると、入射角８０°の光線が約5.6ｍｍ手前のプリズムに入射される。この場合、当該プリズムの位置から端部方向に5.6ｍｍ離れた範囲において暗部が発生する。このような場合には、フレネルレンズシートに張力を加えて平面状にして筐体に固定すればよい。また、光源側に凹面になるように反らせて筐体に固定してもよい。

本発明が適用される背面投射型画像表示装置の一構成例を示す図。 本発明に係る透過型スクリーンの一構成例を示す図。 本発明の第１実施例に係るフレネルレンズシートの全体構成を示す垂直方向断面図。 第１プリズム群１２ａの光学的作用を説明する部分拡大図。 第１プリズム群１２ａ及び第３プリズム群１５ａの光学的作用を説明する部分拡大図。 第２プリズム群１２ｂ及び第４プリズム群１５ｂの光学的作用を説明する部分拡大図。 本発明が適用される直視型画像表示装置の一構成例を示す図。 本発明の第２実施例に係るフレネルレンズシートの全体構成を示す垂直方向断面図。 第５プリズム群１５ｃの光学的作用を説明する部分拡大図。 本発明の第２実施例に係るフレネルレンズシートの透過率を示す図。

符号の説明

１、２１…画像発生源、２…投写レンズ、３…背面投写型スクリーン、４、２５…反射ミラー、5…筐体、６、７…スクリーンへの光線入射角度、８、２２…フレネルレンズシート、９…レンチキュラーレンズシート、１０…ブラックストライプ、１１…拡散材、１２ａ…第１プリズム群、１２ｂ…第２プリズム群、１５ａ…第３プリズム群、１５ｂ…第４プリズム群、１５ｃ…第５プリズム群、１６…第２平面領域、１７…第１平面領域。

Claims (15)

1. 画像表示装置に用いられるフレネルレンズシートにおいて、
   前記フレネルレンズシートの光入射面の、所定の光入射角以上の領域に設けられた第１プリズム群と、
   前記フレネルレンズシートの光入射面の、前記所定の光入射角未満の領域に設けられた第２プリズム群と、を備え、
   前記第１プリズム群は、前記所定の光入射角以上で入射された光を屈折する第１屈折面と、該第１屈折面で屈折された光を反射して前記フレネルレンズシートの出射側へ導くための第１全反射面とを含み、
   前記第２プリズム群は、前記所定の光入射角未満で入射された光を屈折して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第２屈折面と、前記第２屈折面で屈折された光の一部を反射して前記フレネルレンズシート出射側へ導く第２全反射面とを含むことを特徴とするフレネルレンズシート。
2. 請求項１に記載のフレネルレンズシートにおいて、前記第１プリズム群のうち前記第２プリズム群と離れた位置にあるプリズム群の第１全反射面で反射された光は、前記フレネルレンズシートの法線とほぼ平行な方向に出射され、前記第１プリズム群のうちの前記第２プリズム群近傍にあるプリズム群の第１全反射面で反射された光と前記第２プリズム群の第２全反射面で反射された光は、前記フレネルレンズシートの法線よりも内側に向く方向に出射されることを特徴とするフレネルレンズシート。
3. 請求項１に記載のフレネルレンズシートにおいて、前記フレネルレンズシートの光出射面の、前記第１プリズム群のうち前記第２プリズム群と離れた位置にあるプリズム群と対向する領域は平面状であり、前記第１プリズム群のうち前記第２プリズム群近傍にあるプリズム群と対向する領域は第３プリズム群が設けられ、且つ前記第２プリズム群と対向する領域は第４プリズム群が設けられ、
   前記第４プリズム群は、前記第２プリズム群の第２屈折面で屈折した光を更に屈折するための第３屈折面と、前記第２プリズム群の第２全反射面で反射された光を屈折するための第４屈折面とを含むことを特徴とするフレネルレンズシート。
4. 請求項３に記載のフレネルレンズシートにおいて、前記第４プリズム群は、前記第２プリズム群の前記第２全反射面で反射された光、及び前記第２屈折面で屈折した光を、前記フレネルレンズシートの法線とほぼ平行な方向に屈折することを特徴とするフレネルレンズシート。
5. 請求項１に記載のフレネルレンズシートにおいて、前記フレネルレンズシートの光入射面の、前記第２プリズム群が設けられる領域よりも更に小さい入射角度で光が入射される領域は、平面状にされ、前記フレネルレンズシートの出射面の、前記平面状領域に対向する領域は、前記平面状領域に入射した光を屈折するための第５プリズム群が設けられていることを特徴とするフレネルレンズシート。
6. 請求項５に記載のフレネルレンズシートにおいて、前記第１、第２、第３、第４または第５のプリズム群が同心円状であることを特徴とするフレネルレンズシート。
7. 請求項６に記載のフレネルレンズシートにおいて、
   前記複数プリズムの少なくとも一つの屈折面が、非球面で形成されることを特徴とするフレネルレンズシート。
8. 画像表示装置において、
   スクリーンと、画像発生源と、前記画像発生源からの映像を拡大して前記スクリーンに投射するための反射ミラーを含む投射部とを備え、
   前記スクリーンは、フレネルレンズシートと、該フレネルレンズシートからの光を拡散する拡散シートとを有し、
   前記フレネルレンズシートは、
   前記フレネルレンズシートの光入射面の、所定の光入射角以上の領域に設けられた第１プリズム群と、
   前記フレネルレンズシートの光入射面の、前記所定の光入射角未満の領域に設けられた第２プリズム群と、を有し、
   前記第１プリズム群は、前記所定の光入射角以上で入射された光を屈折する第１屈折面と、該第１屈折面で屈折された光を反射して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第１全反射面とを含み、
   前記第２プリズム群は、前記所定の光入射角未満で入射された光を屈折して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第２屈折面と、前記第２屈折面で屈折された光の一部を反射して前記フレネルレンズシート出射側へ導く第２全反射面とを含むことを特徴とする画像表示装置。
9. 画像表示装置において、
   入射光を変調して画像を表示する画像発生源と、
   光を放出するランプと、
   前記ランプからの光を前記画像発生源の表示領域に投射するための反射ミラーを含む投射部と、
   該投射部からの光を前記画像発生源の表示面と略垂直の方向にして前記画像発生源へ出射するフレネルレンズシートとを備えることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項９に記載の画像表示装置において、前記フレネルレンズシートは、
    前記フレネルレンズシートの光入射面の、所定の光入射角以上の領域に設けられた第１プリズム群と、
    前記フレネルレンズシートの光入射面の、前記所定の光入射角未満の領域に設けられた第２プリズム群と、を有し、
    前記第１プリズム群は、前記所定の光入射角以上で入射された光を屈折する第１屈折面と、該第１屈折面で屈折された光を反射して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第１全反射面とを含み、
    前記第２プリズム群は、前記所定の光入射角未満で入射された光を屈折して前記フレネルレンズシートの出射側へ導く第２屈折面と、前記第２屈折面で屈折された光の一部を反射して前記フレネルレンズシート出射側へ導く第２全反射面とを含むことを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項９に記載の画像表示装置において、前記反射ミラーは、反射面が曲面にされた曲面ミラーを含み、かつ前記プリズムの屈折面が非球面形状であり、
    前記曲面ミラーで反射され前記フレネルレンズシートに入射された映像光が、前記フレネルレンズシートの略全面において、当該フレネルレンズシートの出射面から略０度の出射角で出射するように、前記プリズムの屈折面の非球面係数が設定されることを特徴とする画像表示装置。
12. 請求項９に記載の画像表示装置において、更に、前記フレネルレンズシートの周辺に張力を加えて前記画像表示装置の筐体に固定するための要素を備えることを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項９に記載の画像表示装置において、前記フレネルレンズシートは、前記ランプ側に凹を向けるように反らせて、前記画像表示装置の筐体に固定されることを特徴とする画像表示装置。
14. 請求項９に記載の画像表示装置において、前記画像発生源は液晶パネルであり、前記フレネルレンズシートにより、前記液晶パネルの表示面に入射される光線が、該液晶パネル表示面の法線と略平行になることを特徴とする画像表示装置。
15. 請求項１４に記載の画像表示装置において、前記液晶パネルが透過型の液晶パネルであることを特徴とする画像表示装置。
    

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