JP2008216797A - 屈折型フレネルレンズ及び背面投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迷光が観察者側に正面に向けて出射されることを抑制するようにレンズの高さを設定した屈折型フレネルレンズを提供する。
【解決手段】少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面１１の法線方向上での隣り合うレンズ１２ａ〜１２ｉの高さを互いに異ならせる。
【選択図】図５

Description

本発明は、大画面且つ薄型の背面投射型表示装置のスクリーンに用いることが好適なフレネルレンズに関する。また本発明は、そうした屈折型フレネルレンズをスクリーンに用いた背面投射型表示装置に関する。

画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、ＣＲＴ，ＬＣＤ素子またはＤＬＰ（Digital Light Processing）素子等の映像光源から出射した映像光を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画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には、通常、拡大投影される映像光を収束するためのフレネルレンズと、視野角を広げるためのレンチキュラーレンズとが用いられる。

このうちフレネルレンズは、３次元的なレンズを同心円状に複数の円環形のレンズに分割して、それらの円環形レンズを平面的に配列した光学素子である。フレネルレンズには、屈折型（屈折を利用して光を収束するもの）と反射型（反射を利用して光を収束するもの）との２種類が存在している。

近年、背面投射型表示装置に対しては、大画面化・薄型化の要求がますます高くなっている。その要求を満たすため、背面投射型表示装置内の光学系には、その光軸が画面中心（透過型スクリーンのスクリーン面の中心）と一致しない偏心光学系が用いられるようになっている。

それに伴い、透過型スクリーンに用いられるフレネルレンズも、円環形レンズの全体を用いるのではなく、円環の中心から見て片側部分（半円状の部分）のみを用いた構造になっており、且つ、像高が高くなっている。

屈折型のフレネルレンズでは、映像光を観察者側に出射するレンズのフレネル面（図１参照）で一部の光が反射されて迷光となり、その迷光が基材面で反射されて観察者側に出射されることにより、２重像（ゴースト）が発生する。例えば下記の特許文献１の段落００１３には、低像高の（円環状レンズの全体を用いた）屈折型フレネルレンズにおける迷光の発生の原理が記載されている。

そして、像高の高い（半円部分のみを用いた）屈折型フレネルレンズの場合には、像高の増加につれてフレネル角（図１参照）が大きくなり、フレネル角６０°〜６５°の領域で、迷光が観察者側に正面に向けて（出射角０°前後で）出射されるので、特に２重像が認識されやすくなってしまう。

図２は、このフレネル角６０°〜６５°の領域での迷光の発生の様子を示す図である。屈折型フレネルレンズ５０の１個のレンズ５２ａのフレネル面で一部の光が反射されて迷光となり、その迷光が、光軸側（図の下側）の隣のレンズ５２ｂのフレネル面に入射した後、フレネルレンズ５０の基材面５１で再度反射されて、観察者側に正面に向けて出射されている。

一方、従来、フレネルレンズとレンチキュラーレンズとでレンズのピッチがそれぞれ一定であることを原因とするモアレの発生を抑制する目的で、フレネルレンズのピッチを不定（ランダム）にする技術は提案されていた（例えば特許文献２）。

特開平１１−１４９１２３号公報 特開昭５９−６９７４７号公報

しかし、屈折型フレネルレンズの基材面の法線方向上でのレンズの高さと、図２に示したような観察者側に正面に向けて出射される迷光との関係に着目した技術は、従来提案されていなかった。

本発明は、上述の点に鑑み、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることを抑制するように基材面の法線方向上でのレンズの高さを設定した屈折型フレネルレンズや、そうした屈折型フレネルレンズを透過型スクリーンに用いた背面投射型表示装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る屈折型フレネルレンズは、
少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている
ことを特徴とする。

この屈折型フレネルレンズでは、少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている。

このように隣り合うレンズの高さを互いに異ならせると、１個のレンズのフレネル面で反射された迷光のうち、一部は光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射するが、残りは光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しなくなる。これにより、１個のレンズのフレネル面で反射された迷光の光線経路が分割される。

そして、フレネル角６０°〜６５°の領域では、隣のレンズのフレネル面に入射したほうの迷光は、基材面で反射された後、観察者側に正面に向けて出射されるが、隣のレンズのフレネル面に入射しなかったほうの迷光は、基材面で反射された後、観察者側に斜め方向に向けて出射されるようになる。

したがって、フレネル角６０°〜６５°の領域で、観察者側に正面に向けて出射される迷光が減少する。これにより、フレネル角６０°〜６５°の領域で、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることを抑制することができる。

なお、一例として、この屈折型フレネルレンズは、なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個以上のレンズを１組として、複数組のレンズを繰り返し配列したものであることが好適である。

また、一例として、この屈折型フレネルレンズは、隣り合うレンズのうち、基材面の法線方向上での高さが低いほうのレンズの高さが、基材面の法線方向上での高さが高いほうのレンズの高さの略４０〜６０％になっていることが好適である。

次に、本発明に係る背面投射型表示装置は、
映像光源と、
屈折型フレネルレンズを用いた透過型スクリーンと、
前記映像光源からの映像光を前記透過型スクリーンに背面から投射する光学系と
を有する背面投射型表示装置において、
前記屈折型フレネルレンズは、少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、前記屈折型フレネルレンズの基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている
ことを特徴とする。

この背面投射型表示装置は、屈折型フレネルレンズを用いた透過型スクリーンを有するものであるが、この屈折型フレネルレンズでは、少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている。

このように隣り合うレンズの高さを互いに異ならせると、屈折型フレネルレンズの１個のレンズのフレネル面で反射された迷光のうち、一部は光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射するが、残りは光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しなくなる。これにより、１個のレンズのフレネル面で反射された迷光の光線経路が分割される。

そして、フレネル角６０°〜６５°の領域では、隣のレンズのフレネル面に入射したほうの迷光は、屈折型フレネルレンズの基材面で反射された後、観察者側に正面に向けて出射されるが、隣のレンズのフレネル面に入射しなかったほうの迷光は、基材面で反射された後、観察者側に斜め方向に向けて出射されるようになる。

したがって、フレネル角６０°〜６５°の領域で、観察者側に正面に向けて出射される迷光が減少する。これにより、フレネル角６０°〜６５°の領域で、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることが抑制される。

このように、この背面投射型表示装置では、透過型スクリーンに用いている屈折型フレネルレンズのフレネル角６０°〜６５°の領域で、観察者側に正面に向けた迷光の出射が抑制される。これにより、この背面投射型表示装置は、観察者側に正面に向けて出射される迷光を原因とする２重像の発生を抑制することができる。

なお、この背面投射型表示装置においても、一例として、屈折型フレネルレンズは、なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個以上のレンズを１組として、複数組のレンズを繰り返し配列したものであることが好適である。

また、この背面投射型表示装置においても、一例として、屈折型フレネルレンズは、隣り合うレンズのうち、基材面の法線方向上での高さが低いほうのレンズの高さが、基材面の法線方向上での高さが高いほうのレンズの高さの略４０〜６０％になっていることが好適である。

本発明に係る屈折型フレネルレンズによれば、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることを抑制することができるという効果が得られる。

本発明に係る背面投射型表示装置によれば、透過型スクリーンに用いた屈折型フレネルレンズから観察者側に正面に向けた迷光の出射が抑制されるので、この迷光を原因とする２重像の発生を抑制することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて具体的に説明する。図３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。この背面投射型表示装置１の内部には、光学エンジン２と、ミラー３，４とが設けられている。また、背面投射型表示装置１の前面（図の右側の面）には、透過型スクリーン５が配置されている。

光学エンジン２内には、図示は省略するが、映像光源（光源であるランプと、このランプからの光を映像データに応じて変調するＬＣＤパネル等の光変調素子）と、この映像光源からの映像光を投射する投射レンズとが設けられている。

光学エンジン２内の投射レンズから投射された映像光は、ミラー３，４で順次反射・拡大され、透過型スクリーン５に背面から投射されて、透過型スクリーン５から背面投射型表示装置１の前方に出射される。

この背面投射型表示装置１内部の光学系（光学エンジン２内の投射レンズとミラー３，４）は、その光軸が画面中心（透過型スクリーン５のスクリーン面の中心）と一致しない偏心光学系である。

図４は、透過型スクリーン５の構造の概要を示す図である。このうち図４（ａ）は、透過型スクリーン５の断面構造を示している、透過型スクリーン５は、光源側（図３のミラー４の側）に屈折型フレネルレンズ１０を有し、その反対側（観察者側）に、水平方向の視野角を広げるためのレンチキュラーレンズ２０を有している。

図４（ｂ）は、屈折型フレネルレンズ１０を観察者側から見た図である。屈折型フレネルレンズ１０は、３次元的なレンズを同心円状に分割した円環形レンズの全体を用いるのではなく、円環の中心から見て片側部分（半円状の部分）のみを用いた構造になっており、且つ、像高が高くなっている。

この屈折型フレネルレンズ１０では、このような像高の増大につれてフレネル角（図１参照）が大きくなっており、フレネル角が６５°を超える領域を有している。このうち、フレネル角６０°〜６５°の領域は、迷光が観察者側に正面に向けて（出射角０°前後で）出射されるので、特に２重像が認識されやすい領域である。

図５は、このフレネル角６０°〜６５°の領域での、屈折型フレネルレンズ１０の個々のレンズの高さを示す図である。この屈折型フレネルレンズ１０は、フレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面１１の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている。

すなわち、フレネル角６０°〜６５°の領域では、隣り合う２個のレンズ（例えば、レンズ１２ａ及びレンズ１２ｂという２個のレンズ）のうち、一方のレンズの基材面１１の法線方向上での高さｈ１が、もう一方のレンズの基材面１１の法線方向上での高さｈ２よりも高くなっている。（高さｈ１と高さｈ２との比については、後程図８を用いて説明する。）

そして、このように基材面１１の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個のレンズを１組として、複数組のレンズ（レンズ１２ａ及び１２ｂから成る組，レンズレンズ１２ｃ及び１２ｄから成る組，レンズ１２ｅ及び１２ｆから成る組，レンズ１２ｇ及び１２ｈから成る組，…）が、フレネル角６０°〜６５°の領域全体に繰り返し配列されている。

図６は、このフレネル角６０°〜６５°の領域での屈折型フレネルレンズ１０の光線経路（図６（ｂ））を、図２に示した従来の屈折型フレネルレンズの光線経路（図６（ａ））と対比させて示す図である。

従来の場合には、図６（ａ）のように、フレネル角６０°〜６５°の領域の１個のレンズ５２ａのフレネル面で反射された迷光が、全て、光軸側（図の下側）の隣のレンズ５２ｂのフレネル面に入射する。その結果、図２に示したように、その迷光が、基材面５１で反射された後、全て観察者側に正面に向けて出射される。

これに対し、屈折型フレネルレンズ１０では、図６（ｂ）のように、フレネル角６０°〜６５°の領域の１個のレンズ１２ｃのフレネル面で反射された迷光のうち、一部は光軸側（図の下側）の隣のレンズ１２ｄのフレネル面に入射するが、残りはこのレンズ１２ｄのフレネル面に入射しなくなる。これにより、レンズ１２ｃのフレネル面で反射された迷光の光線経路が分割される。

図７は、この迷光の分割の様子（図７（ｂ））を、従来の場合（図７（ａ））と対比させて示す図である。図７（ｂ）に示すように、レンズ１２ｃのフレネル面で反射された迷光が、隣のレンズ１２ｄのフレネル面に入射する迷光と、レンズ１２ｄのフレネル面に入射しない迷光とに分割される。

このうち、レンズ１２ｄのフレネル面に入射したほうの迷光は、基材面１１で反射された後、観察者側に正面に向けて出射されるが、レンズ１２ｄのフレネル面に入射しなかったほうの迷光は、基材面１１で反射された後、観察者側に斜め方向に向けて出射されるようになる。

したがって、レンズ１２ｃのフレネル面で反射された迷光のうち、観察者側に正面に向けて出射される迷光が減少する。

このような現象が、フレネル角６０°〜６５°の全ての領域に配列された２個１組の各組のレンズ（図５に示したような、レンズ１２ａ及び１２ｂから成る組，レンズレンズ１２ｃ及び１２ｄから成る組，レンズ１２ｅ及び１２ｆから成る組，レンズ１２ｇ及び１２ｈから成る組，…）で生じるので、フレネル角６０°〜６５°の領域で、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることが抑制される。

このように、この背面投射型表示装置１では、透過型スクリーン５に用いている屈折型フレネルレンズ１０のフレネル角６０°〜６５°の領域で、観察者側に正面に向けた迷光の出射が抑制される。これにより、この背面投射型表示装置１は、観察者側に正面に向けて出射される迷光を原因とする２重像（ゴースト）の発生を抑制することができる。

次に、図５に示した各組のレンズの高さｈ１と高さｈ２との比について説明する。図７を用いて説明したように、屈折型フレネルレンズ１０の１個のレンズのフレネル面で反射された迷光のうち、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しなかったほうの迷光は、基材面１１で反射された後、観察者側に斜め方向に向けて出射されるようになる。

したがって、観察者側に正面に向けて出射される迷光を減少させるという目的だけを達成するためには、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しない迷光ができるだけ多くなるように高さｈ１と高さｈ２との比を設定すればよい。

しかし、そのようにした場合には、観察者側に斜め方向に向けて出射される迷光がかなり増加するようになるので、今度は画面を斜めから見たときの２重像が顕著になってしまう。

そのような事態を避けつつ、迷光が観察者側に正面に向けて出射されることを抑制するためには、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射する迷光と入射しない迷光との比率（すなわち迷光の分割の比率）が概ね半々程度にすることが望ましい。

本発明者は、図５に示した高さｈ１に対する高さｈ２の比を１０％〜８５％程度の範囲で幾通りかに変化させながら、屈折型フレネルレンズ１０の１個のレンズのフレネル面で反射された迷光のうち、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射する迷光と、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しない迷光との比率を測定した。

図８は、その測定結果を示す図である。高さｈ１に対する高さｈ２の比をグラフの横軸にとり、屈折型フレネルレンズ１０の１個のレンズのフレネル面で反射された迷光の量をグラフの縦軸方向に１００％として表している。

そして、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射した迷光の比率を三角印で示すとともに、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射しなかった迷光の比率を丸印で示している。

この測定結果からは、高さｈ１に対する高さｈ２の比が約４０％〜６０％の範囲で、光軸側の隣のレンズのフレネル面に入射する迷光と入射しない迷光との比率が概ね半々程度（一方が約４０％〜６０％で他方が約６０％〜４０％）になっている。

このことは、高さｈ１に対する高さｈ２の比が約４０％〜６０％になると、高さｈ１のレンズのフレネル面の面積に対する高さｈ２のレンズのフレネル面の面積も約約４０％〜６０％になるので、高さｈ１のレンズのフレネル面で反射された迷光のうちの概ね半々程度は、光軸側の隣の高さｈ２のレンズのフレネル面に入射しなくなる、というように説明することもできる。

そこで、屈折型フレネルレンズ１０では、図５に示した高さｈ１に対する高さｈ２の比を、約４０％〜６０％の範囲内に設定している。

なお、以上の例では、図５に示したように、屈折型フレネルレンズ１０のフレネル角６０°〜６５°の領域に、基材面１１の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個のレンズを１組として、複数組のレンズを繰り返し配列している。

しかし、別の例として、折型フレネルレンズ１０のフレネル角６０°〜６５°の領域に、基材面１１の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる３個以上のレンズを１組として（例えば高・中・低という３通りの高さの３個のレンズを１組として）、複数組のレンズを繰り返し配列するようにしてもよい。

あるいはまた、図５に示したような周期的に高・低を繰り返すようなレンズの配列以外の配列によって、基材面１１の法線方向上での隣り合うレンズの高さを互いに異ならせるようにしてもよい。

また、以上の例では、屈折型フレネルレンズ１０のフレネル角６０°〜６５°の領域でのみ、基材面１１の法線方向上での隣り合うレンズの高さを互いに異ならせている。しかし、フレネル角６０°〜６５°の領域だけでなく、屈折型フレネルレンズ１０のフレネル角６０°〜６５°以外の領域でも（例えば全ての領域で）、基材面１１の法線方向上での隣り合うレンズの高さを互いに異ならせるようにしてもよい。

また、以上の例では、本発明に係る屈折型フレネルレンズを背面投射型表示装置の透過型スクリーンに用いているが、本発明に係る屈折型フレネルレンズは背面投射型表示装置の透過型スクリーン以外の用途にも用いてよい。

屈折型フレネルレンズのフレネル面及びフレネル角を示す図である。 像高の高い屈折型フレネルレンズでの迷光の発生の様子を示す図である。 本発明を適用した背面投射型表示装置の光学系を示す図である。 図３の透過型スクリーンの構造の概要を示す図である。 図４の屈折型フレネルレンズのレンズの高さを示す図である。 図４のレンズの高さによる屈折型フレネルレンズの光線経路を示す図である。 図４のレンズの高さによる屈折型フレネルレンズでの迷光の分割の様子を示す図である。 レンズの高さの比と迷光の分割の比率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 背面投射型表示装置、 ２ 光学エンジン、 ３ ミラー、 ４ ミラー、 ５ 透過型スクリーン、 １０ 屈折型フレネルレンズ、 １１ 屈折型フレネルレンズの基材面、 １２ａ〜１２ｉ 屈折型フレネルレンズの個々のレンズ、 ２０ レンチキュラーレンズ

Claims (6)

1. 屈折型フレネルレンズにおいて、
   少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっていることを特徴とする屈折型フレネルレンズ。
2. 請求項１に記載の屈折型フレネルレンズにおいて、
   少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、基材面の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個以上のレンズを１組として、複数組のレンズが繰り返し配列されていることを特徴とする屈折型フレネルレンズ。
3. 請求項１に記載の屈折型フレネルレンズにおいて、
   隣り合うレンズのうち、基材面の法線方向上での高さが低いほうのレンズの高さが、基材面の法線方向上での高さが高いほうのレンズの高さの略４０〜６０％になっていることを特徴とする屈折型フレネルレンズ。
4. 映像光源と、
   屈折型フレネルレンズを用いた透過型スクリーンと、
   前記映像光源からの映像光を前記透過型スクリーンに背面から投射する光学系と
   を有する背面投射型表示装置において、
   前記屈折型フレネルレンズは、少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、前記屈折型フレネルレンズの基材面の法線方向上での隣り合うレンズの高さが互いに異なっている
   ことを特徴とする背面投射型表示装置。
5. 請求項４に記載の背面投射型表示装置において、
   前記屈折型フレネルレンズは、少なくともフレネル角６０°〜６５°の領域において、前記基材面の法線方向上でのレンズの高さが互いに異なる２個以上のレンズを１組として、複数組のレンズが繰り返し配列されている
   ことを特徴とする背面投射型表示装置。
6. 請求項４に記載の背面投射型表示装置において、
   前記屈折型フレネルレンズは、隣り合うレンズのうち、前記基材面の法線方向上での高さが低いほうのレンズの高さが、前記基材面の法線方向上での高さが高いほうのレンズの高さの略４０〜６０％になっている
   ことを特徴とする背面投射型表示装置。

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