JP2009047883A - スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】投射光の入射角が大きな場合にも、輝度ムラや輝度低下が発生しにくく、外光等の不要光の取り込みを抑えることができるスクリーンを提供すること。
【解決手段】一対のシリンドリカルレンズ１５と共通のライン状ミラー１６とによって反射系を形成し、下側のシリンドリカルレンズ１５に入射した投射光Ｌ１を、ライン状ミラー１６で反射させ、上側のシリンドリカルレンズ１５から反射光Ｌ２として射出させるので、ライン状ミラー１６に対する入射光すなわち投射光Ｌ１の方向と、ライン状ミラー１６に対する射出光すなわち反射光Ｌ２の方向との間に無理なく大きな角度差αを持たせることができる。これにより、プロジェクタ２０からスクリーン１０までの投射距離を縮めて、近距離から大きな入射角度で投射することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射型のスクリーンに関し、特に、投射方向と観察方向とが大きく異なる場合であっても良好な反射特性を有するスクリーンに関する。

従来のスクリーンとして、表面側にマイクロレンズアレイ又はレンチキュラレンズアレイを設け、背面側に反射鏡アレイを配置するとともに、各反射鏡の周囲の境界部分に光吸収層を設けて、投射光の方向以外からの光を吸収させ、黒レベルを沈ませる技術が存在する（特許文献１〜４参照）。この際、投射光がスクリーンに対して斜めに入射することを考慮して、反射面を傾けているものもある（特許文献２、４参照）。

その他のスクリーンとして、透明部材の背面側にマトリクス状に形成された凸の反射面を備えるものがあり、それぞれの反射面は、投射光の入射角に応じて傾斜状が調整されている（特許文献５参照）。
特開平４−２１４５４７号公報 特開平３−１５６４３５号公報 特開平９−１４６１７２号公報 特開平４−５６８３７号公報 特開２００３−２２８１３３号公報

しかしながら、マイクロレンズアレイ等と反射鏡アレイとを重ねて配置した前者のタイプのスクリーンでは、投射距離を縮めて近距離から大きな入射角度で投射する場合には、投射光のケラレすなわち意図しない遮光が生じ、投射画像の輝度ムラや輝度低下の原因となっていた。

また、凸反射面を傾けてマトリクス状に配置した後者のタイプのスクリーンでは、投射光以外の方向からの不要光が投射光と同様に反射される可能性があり、反射面の加工が容易でない。

そこで、本発明は、投射光の入射角が大きな場合にも、輝度ムラや輝度低下が発生しにくく、外光等の不要光の取り込みを抑えることができるスクリーンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るスクリーンは、（ａ）スクリーン面に沿って配列された複数のレンズと、（ｂ）複数のレンズの背後に配置される複数のミラーとを備え、（ｃ）複数のレンズのうちいずれか１つのレンズと、いずれか１つのレンズに隣接する１つのレンズとを一組とする一対のレンズと、複数のミラーのうち一対のレンズの背後に配置される共通のミラーとによって反射系を形成し、（ｄ）いずれか１つのレンズに入射した投射光が、共通のミラーで反射されるとともに、隣接する１つのレンズから射出される。

上記スクリーンでは、一対のレンズと共通のミラーとによって反射系を形成し、いずれか１つのレンズに入射した投射光を、共通のミラーで反射させ、隣接する１つのレンズから射出させるので、共通のミラーに対する入射光の方向と射出光の方向との間に無理なく大きな角度差を持たせることができる。これにより、プロジェクタからスクリーンまでの投射距離を縮めて、近距離から大きな入射角度で投射することができる。さらに、一対のレンズによって反射系を形成するので、各レンズが絞りとして機能し、投射光以外の方向からの不要光が観察側に反射される可能性を低減できる。

本発明の具体的な態様では、上記スクリーンにおいて、一対のレンズを構成するいずれか１つのレンズと隣接する１つのレンズとは、平坦な反射面である共通のミラーを介して、略共焦点の状態で配置される。この場合、共通のミラーの位置の調節によって、スクリーンに入射した投射光がスクリーン発散する角度範囲を調整することができる。

本発明の別の態様では、複数のレンズが、透明板の表面上に凹凸パターンとして形成されているレンチキュラレンズである。この場合、複数のレンズを樹脂等の成形によって一体的に形成することができる。

本発明のさらに別の態様では、レンチキュラレンズが、それぞれ母線が円弧状に延びるとともにスクリーン面に沿って配列される複数のシリンドリカルレンズを複数のレンズとして含む。この場合、スクリーンに入射する投射光の入射角に合わせて各シリンドリカルレンズを形成することができ、スクリーンの各部で投射光の入射角に適合させたレンチキュラレンズとすることができる。

本発明のさらに別の態様では、複数のレンズが、中央側における曲率と、周辺側における曲率とが互いに異なっている。この場合、中央側における投射光の入射角と、周辺側における投射光の入射角とが異なる場合であっても、その相違を調整して一様な反射特性を実現することができる。

本発明のさらに別の態様では、複数のミラーの間に配置される光吸収部をさらに備える。この場合、光吸収部がマスクとなって外光等の不要光の反射を回避でき、外光等の写り込みを避けることができる。

本発明のさらに別の態様では、スクリーン面の法線といずれか１つのレンズを経た投射光の中心線とがなす角をαとした場合に、いずれか１つのレンズに対応する共通のミラーは、法線に対してα／２だけ傾いている。この場合、スクリーン面に対してα程度傾いた方向からの投射光を、スクリーン面の正面側に反射することができ、投射距離を縮めて近距離から投射する用途において、スクリーンの画面全体を明るく、輝度ムラを少なく、コントラストを高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、いずれか１つのレンズと、対応する共通のミラーとの距離は、一対のレンズ間の実効距離と、一対のレンズの光学面の曲率と、一対のレンズの屈折率とに基づいて定まる。この場合、各反射系の作用を同等にすることができ、スクリーン全体を一様なものとすることができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る第１実施形態のスクリーンを組み込んだプロジェクタシステムを示す概略図である。

本プロジェクタシステムは、図１に示すように、室内の壁ＷＡ部分に固定されるスクリーン１０と、スクリーン１０に対して所望の画像を投射するプロジェクタ装置２０とから構成されている。プロジェクタ装置２０は、スクリーン１０に比較的近接した状態で下方に配置されている。このため、プロジェクタ装置２０からの投射光Ｌ１は、斜め上方向に射出され、平均的に大きな入射角でスクリーン１０の正面側の平面であるスクリーン面１０ａに入射する。スクリーン１０は、後述する特殊な反射構造により、入射した投射光Ｌ１を、主に正面方向に反射光Ｌ２として射出する。スクリーン１０の正面に居るユーザＵＳは、スクリーン１０上に形成された明るい画像を比較的少ない輝度ムラで観察することができる。

なお、明るい部屋では、例えば窓ＷＩ、照明装置ＩＬ等からの不要光Ｌ３，Ｌ４も、スクリーン１０に入射している。しかしながら、このスクリーン１０は、斜め下方のプロジェクタ装置２０からの投射光Ｌ１のみを選択的に正面側に反射する機能を有し、窓ＷＩ、照明装置ＩＬ等からの不要光Ｌ３，Ｌ４は、ユーザＵＳのいるスクリーン１０の正面方向に反射されにくくなっている。つまり、反射光Ｌ２の強度を確保しつつ不要光Ｌ３，Ｌ４の正面反射を低減することで、スクリーン１０上に表示される投射画像の白レベルを維持しつつ黒レベルを低くしている。

図２は、スクリーン１０の構造を説明する拡大側方断面図であり、図３は、スクリーン１０の正面の概念図であり、図４は、スクリーン１０を構成する一つのシリンドリカルレンズの母線に沿ったＡＡ断面の構造を説明する図である。

スクリーン１０は、透明樹脂板１１の表面側にレンチキュラ層１２を形成し、透明樹脂板１１の裏面側にミラー層１３を形成したものである。表面側のレンチキュラ層１２は、プロジェクタ装置２０からの投射光Ｌ１を透明樹脂板１１内に導いて集光させる部分であり、ミラー層１３は、透明樹脂板１１を通過した投射光Ｌ１を反射して正面方向に折り返しレンチキュラ層１２に再度入射する反射光Ｌ２とする部分である。なお、レンチキュラ層１２は、ミラー層１３からの反射光Ｌ２を正面方向に発散角を制御しつつ射出させる役割も有する。

レンチキュラ層１２は、多数の細長いシリンドリカルレンズ１５を縦方向すなわちＹ方向に隙間なく配列した構造を有し、各シリンドリカルレンズ１５は、図３等に示すように、プロジェクタ装置２０の投射レンズからスクリーン１０の延長平面上に下ろした垂線とこの延長平面との交点を基準点ＨＰとして、この基準点ＨＰを中心とする同心円に沿って円弧状に延びている。これにより、同一のシリンドリカルレンズ１５には、プロジェクタ装置２０からの投射光Ｌ１を同一の入射角θで入射させることができる。ここで、各シリンドリカルレンズ１５の屈折面１５ａの曲率等の光学的条件は、後で詳述するが、投射光Ｌ１の入射角θに応じた値に設定されており、投射光Ｌ１によって照明されたスクリーン１０からの反射光Ｌ２がスクリーン１０の法線方向すなわちＺ方向を中心にしてその周囲に略均等な角度分布で射出するように設定されている。なお、これらのシリンドリカルレンズ１５は、全体として平坦に配列されており、プロジェクタ装置２０からの様様な入射角θの投射光Ｌ１を入射させるスクリーン面１０ａを構成する。

ミラー層１３は、図２の紙面に垂直な方向に延びるライン状ミラー１６を縦方向に隙間なく配列した構造を有し、各ライン状ミラー１６は、Ｚ方向に関し各シリンドリカルレンズ１５に対向して配置されている。つまり、ミラー層１３は、多数のシリンドリカルレンズ１５に対応してそれぞれ設けた多数の平坦なライン状ミラー１６を縦方向すなわちＹ方向に隙間なく配列した構造を有し、基準点ＨＰを中心とする同心円に沿って円弧状に延びている。各ライン状ミラー１６の表面には、金属膜又は多層膜が形成されて反射面１６ａをなしており、投射光Ｌ１を少ないロスで反射する。ここで、ライン状ミラー１６には、正面すなわち＋Ｚ方向に対向するシリンドリカルレンズ１５ではなく、これの下側に隣接するシリンドリカルレンズ１５を経た投射光Ｌ１が入射する。そして、このライン状ミラー１６は、これに入射した投射光Ｌ１をスクリーン１０の平面１０ａに垂直な方向すなわちＺ方向に反射する役割を有する。つまり、各ライン状ミラー１６の反射面１６ａの傾斜角ηは、投射光Ｌ１の入射角θに応じて調整されており、斜め下のシリンドリカルレンズ１５から入射した投射光Ｌ１に対応する反射光Ｌ２が正面のシリンドリカルレンズ１５に入射するように設定されている。別の見方をすると、両シリンドリカルレンズ１５，１５と共通のライン状ミラー１６とによって、部分的に共有しあう多数の反射系１９が上下方向に連続して配列されており、各反射系１９は、略共焦点の光学系を構成する。各反射系１９において、ライン状ミラー１６の反射面１６ａは、投射光Ｌ１の光路と基準点ＨＰとを通る各光路断面において等しい傾斜角ηを有しており、各ライン状ミラー１６の反射面１６ａ全体としては、円錐面を対称軸に垂直に帯状に切り出した形状を有する。

以下、各シリンドリカルレンズ１５の曲率や幅と、各ライン状ミラー１６の傾斜角との設定方法について説明する。まず、シリンドリカルレンズ１５に設けた屈折面１５ａの幅方向（図２ではＹ方向）に関する曲率は、投射光Ｌ１をライン状ミラー１６の反射面１６ａの前後近傍に収束させるように集光するとともに、この反射面１６ａからの反射光Ｌ２をコリメートされた状態に近いが少し発散させた状態にするものになっている。つまり、上下一対の屈折面１５ａ，１５ａと反射面１６ａとは、共焦点に近い光学系を構成するが、反射面１６ａが正確に焦点位置にないため、反射光Ｌ２は、あまり大きくない発散角で正面方向に射出される。この際、一対の屈折面１５ａ，１５ａと反射面１６ａとの間隔を調整することで、反射光Ｌ２の発散角を調整できる。反射光Ｌ２が略コリメートされている場合を考えると、近似的には、屈折面１５ａの幅方向の曲率をＲとし、透明樹脂板１１の屈折率をｎとし、透明樹脂板１１の厚みをｔとすると、近軸光線近似により、Ｒ≒ｔ・（ｎ−１）・ｎとなる。つまり、透明樹脂板１１の厚みｔに略比例して屈折面１５ａの曲率をＲも増加することになる。

次に、図２を参照して、シリンドリカルレンズ１５の幅やライン状ミラー１６の傾斜角について説明する。上述のように、投射光Ｌ１は、スクリーン１０上に斜め入射しており、その入射角θは、スクリーン１０上の入射位置で異なっている。より詳細には、特定のシリンドリカルレンズ１５への入射角θは、その母線に沿って一致しているが、各シリンドリカルレンズ１５ごとに異なった値となっている。ここで、投射光Ｌ１がシリンドリカルレンズ１５の屈折面１５ａ中央に入射角θで入射して屈折角αとなるように屈折されるものとする。つまり、スクリーン面１０ａの法線に対して略角度θを成す投射光Ｌ１のうち、屈折面１５ａ中央に入射する中心線の光束は、屈折面１５ａ中央に角度θで入射した後に、スクリーン面１０ａの法線に対して角度αだけ傾いた状態となる。この場合において、反射光Ｌ２を、投射光Ｌ１が入射する着目シリンドリカルレンズ１５に隣接する１つ上側のシリンドリカルレンズ１５に背後から入射させるものとする。このため、上側に隣接するシリンドリカルレンズ１５に対向するライン状ミラー１６の反射面１６ａは、その傾斜角ηが２／αになるように設定されている。ここで、上下に関して隣接する一対のシリンドリカルレンズ１５，１５のＹ方向の位置ずれ量すなわち両シリンドリカルレンズ１５，１５間の実効距離をＰとする。つまり、投射光Ｌ１の下側シリンドリカルレンズ１５への入射点と、反射光Ｌ２の上側シリンドリカルレンズ１５からの射出点とは、Ｙ方向に位置ずれ量Ｐだけずれた位置となっている。なお、図２はスクリーン１０の中央のＹ方向の光路断面を示しており、位置ずれ量ＰがＹ方向となっているが、例えばスクリーン１０の左右の端部では、Ｙ方向に対して傾いた光路断面となる。この場合も、投射光Ｌ１の光路と基準点ＨＰとを通る各光路断面においては、隣接する一対のシリンドリカルレンズ１５，１５間の位置ずれ量Ｐが維持される。以上の入射角θや位置ずれ量Ｐと、透明樹脂板１１の屈折率ｎ及び厚みｔとの間には、以下の関係、

が成り立つ。ここで、スネルの法則により、ｓｉｎα＝（１／ｎ）・ｓｉｎθであり、また、幾何学的な関係から、Ｐ＝ｔ・ｔａｎαであることを利用した。上記式（１）は、投射光Ｌ１の入射角θに応じて位置ずれ量Ｐが設定されることを意味し、各シリンドリカルレンズ１５が投射光Ｌ１の入射角θに応じて変化することを示している。具体的には、スクリーン１０の上側ほど入射角θが大きくなるので、反射面１６ａの傾斜角ηも大きくなって、位置ずれ量Ｐも大きくなることが分かる。

なお、シリンドリカルレンズ１５は、その母線方向に沿って配列された多数のレンズ素子１５ｃからなるものとすることができる。この際、各レンズ素子１５ｃの表面すなわち屈折面１５ａの曲率をシリンドリカルレンズ１５の母線に沿って連続的に又は段階的に徐々に変化させることができる。また、同様に、ライン状ミラー１６も、図５の変形例に示すように、その長手方向に沿って配列された多数のミラー素子１６ａからなるものとすることができる。この場合、ミラー素子１６ａの角度調整によって、スクリーン１０の各部からの反射光の方向を、例えばスクリーン１０の中央の正面に居るユーザＵＳの方向に集めるようなものとすることができる。

上記実施形態のスクリーン１０では、一対のシリンドリカルレンズ１５，１５と、両レンズ１５，１５に共通のライン状ミラー１６とによって反射系１９を形成し、下側のシリンドリカルレンズ１５に入射した投射光Ｌ１を、ライン状ミラー１６で反射させ、上側のシリンドリカルレンズ１５から反射光Ｌ２として射出させるので、ライン状ミラー１６から見た入射光すなわち投射光Ｌ１の方向と、ライン状ミラー１６から見た射出光すなわち反射光Ｌ２の方向との間に無理なく大きな角度差（実施形態の場合、屈折角αに相当）を持たせることができる。これにより、プロジェクタ２０からスクリーン１０までの投射距離を縮めて、近距離から大きな入射角度で投射することができる。さらに、一対のシリンドリカルレンズ１５，１５によって反射系を形成するので、各シリンドリカルレンズ１５，１５が絞りとして機能し、投射光Ｌ１以外の方向からの不要光Ｌ３，Ｌ４が観察側に反射される可能性を低減できる。

〔第２実施形態〕
図６は、第２実施形態に係るスクリーンの構造を説明する拡大側方断面図である。なお、第２実施形態のスクリーン１１０は、図１に示す第１実施形態のスクリーン１０を変形例であり、特に説明しない部分については、第１実施形態のスクリーン１０と同様であるものとする。

スクリーン１１０は、透過層１１４とミラー層１１３と接合した構造を有する。ここで、透過層１１４は、第１実施形態の透明樹脂板１１と同様の構造を有するが、上述のミラー層１１３が別体として設けられている。

ミラー層１１３は、多数のライン状ミラー１１６と、多数の外光吸収部１１７とを備える。ライン状ミラー１１６は、図１に示す第１実施形態のスクリーン１０におけるライン状ミラー１６よりも幅が狭いが、ライン状ミラー１６と同様に基準点ＨＰを中心とする同心円に沿って円弧状に延びている。各ライン状ミラー１１６は、Ｚ方向に関し各シリンドリカルレンズ１５に対向して配置されており、Ｙ方向に関し外光吸収部１１７を間に挟むようにストライプ状に配置されている。ライン状ミラー１１６は、シリンドリカルレンズ１５に対向する斜面であり、その表面には、金属膜又は多層膜である反射面１１６ａが形成されている。これにより、ライン状ミラー１１６は、これに入射した投射光Ｌ１をスクリーン１１０の平面に垂直な方向すなわちＺ方向に反射する役割を有する。また、外光吸収部１１７は、黒色の樹脂材料等で形成されており、これに入射した不要光等を吸収する。つまり、第２実施形態のスクリーン１１０も、第１実施形態のスクリーン１０と同様に、入射した投射光Ｌ１を、主に正面方向に反射光Ｌ２として射出する。さらに、第２実施形態のスクリーン１１０の場合、斜め下方のプロジェクタ装置２０から以外の不要光は、スクリーン１１０の正面方向に反射されにくいだけでなく、外光吸収部１１７に吸収される。よって、スクリーン１１０上に表示される投射画像の黒レベルを低くできる。

以下、第２実施形態のスクリーン１１０の製造方法の一例について説明する。予めミラー層１１３の本体を適当な樹脂材で形成する。この際、ライン状ミラー１１６に対応する突起が形成される。その後、ミラー層１１３の本体の表面に金属膜又は多層膜を被覆し、ライン状ミラー１１６間の各溝に黒色の樹脂材料等をインクジェット方式等を利用して充填。硬化する。これにより、外光吸収部１１７が完成する。最後に、二色成形と同様の手法で、ミラー層１１３上に透過層１１４が積層され、透過層１１４とミラー層１１３と接合したスクリーン１１０が完成する。

なお、以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態のスクリーン１０，１１０では、レンチキュラ層１２をシリンドリカルレンズ１５で構成したが、シリンドリカルレンズ１５に代えてマイクロレンズアレイを配置することもできる。この際、マイクロレンズアレイを構成する略矩形輪郭のマイクレンズは、例えばシリンドリカルレンズ１５の長手方向に沿って配列されるだけでなく、投射光Ｌ１の光路と基準点ＨＰとを通る各光路断面と、スクリーン１０，１１０面との交線に沿って配列される。なお、レンチキュラ層１２を略矩形輪郭のマイクレンズからなるマイクレンズアレイとする場合、各マイクレンズについては、これを単なる凸の球面とする必要はなく、視野角依存性の調整等を考慮して非球面、円錐面等とすることもできる。

また、上記実施形態では、ライン状ミラー１６，１１６を略平面としたが、例えばライン状ミラー１６がその長手方向に沿って配列された多数のミラー素子１６ａからなる場合、個々のミラー素子１６ａを平面にする必要はなく、球面、円筒面等からなる凸面や凹面とすることもできる。さらに、ライン状ミラー１６，１１６については、全部又は一部を散乱面にすることができ、レンチキュラ面とすることもできる。

また、上記実施形態では、単なる透明樹脂板１１を用いているが、拡散剤を混入させた透明樹脂板１１とすることもできる。

また、上記実施形態において、ライン状ミラー１６、１１６が多数のミラー素子１６ａからなるものとする場合（図５参照）、個々のミラー素子１６ａの境界に、外光吸収部１１７を設けることもできる。

本発明に係るプロジェクタシステムの使用状態を示す概略図である。 第１実施形態のスクリーンの構造を説明する拡大側方断面図である。 スクリーンの正面の概念図である。 スクリーンを構成する一つのシリンドリカルレンズの母線に沿った断面構造を説明する図である。 第１実施形態のスクリーンの変形例を説明する図であり、図３に対応する断面構造を示している。 第２実施形態のスクリーンの構造を説明する拡大側方断面図である。

符号の説明

１０…スクリーン、 １１…透明樹脂板、 １２…レンチキュラ層、 １３…ミラー層、 １５…シリンドリカルレンズ、 １５ａ…屈折面、 １５ｃ…レンズ素子、 １６…ライン状ミラー、 １６ａ…ミラー素子、 １６ａ…反射面、 ２０…プロジェクタ装置、 Ｈ…基準点、 Ｌ１…投射光、 Ｌ２…反射光、 Ｌ３，Ｌ４…不要光

Claims (8)

1. スクリーン面に沿って配列された複数のレンズと、
   前記複数のレンズの背後に配置される複数のミラーとを備え、
   前記複数のレンズのうちいずれか１つのレンズと、前記いずれか１つのレンズに隣接する１つのレンズとを一組とする一対のレンズと、前記複数のミラーのうち前記一対のレンズの背後に配置される共通のミラーとによって反射系を形成し、
   前記いずれか１つのレンズに入射した投射光が、前記共通のミラーで反射されるとともに、前記隣接する１つのレンズから射出される、
   スクリーン。
2. 前記一対のレンズを構成する前記いずれか１つのレンズと前記隣接する１つのレンズとは、平坦な反射面である前記共通のミラーを介して、略共焦点の状態で配置される、請求項１記載のスクリーン。
3. 前記複数のレンズは、透明板の表面上に凹凸パターンとして形成されているレンチキュラレンズである、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載のスクリーン。
4. 前記レンチキュラレンズは、それぞれ母線が円弧状に延びるとともに前記スクリーン面に沿って配列される複数のシリンドリカルレンズを前記複数のレンズとして含む、請求項３に記載のスクリーン。
5. 前記複数のレンズは、中央側における曲率と、周辺側における曲率とが互いに異なっている、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のスクリーン。
6. 前記複数のミラーの間に配置される光吸収部をさらに備える請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のスクリーン。
7. 前記スクリーン面の法線と前記いずれか１つのレンズを経た投射光の中心線とがなす角をαとした場合に、前記いずれか１つのレンズに対応する前記共通のミラーは、前記法線に対してα／２だけ傾いている、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のスクリーン。
8. 前記いずれか１つのレンズと、対応する前記共通のミラーとの距離は、前記一対のレンズ間の実効距離と、前記一対のレンズの光学面の曲率と、前記一対のレンズの屈折率とに基づいて定まる、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のスクリーン。

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