JP2010039037A

JP2010039037A - 微小光学系スクリーン

Info

Publication number: JP2010039037A
Application number: JP2008199438A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Uchida; 龍男内田; Toru Kawakami; 徹川上
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-18

Abstract

【課題】左右視野角を広くでき、全反射条件が保たれ、出射側に適正なＢＭ比率でＢＭを付しても適度なスクリーン厚さを保てる微小光学系スクリーンを提供する。
【解決手段】拡散フィルムの入射面側表面形状を、シリンドリカル非球面コンデンサレンズ５、シリンドリカル半球レンズ６及び縦方向集光用の集光プリズム８を組合わせた微小複合光学系要素、非球面コンデンサレンズ、球面レンズ及び全反射型シリンドリカル楕円面を組合わせた微小複合光学系要素、開口および焦点距離が要素の他横両方向で相異なる第１レンズ入射面から光を取り入れ、前記入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離ＲＥＦＬの非軸曲線部分を、前記入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離ＰＦＬの軸上曲線部分に従ってスライドシフトさせてなる曲面形状を有する第２レンズ全反射面で全反射させる微小光学系要素、の３つの光学要素のいずれかとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小光学系スクリーンに関する。

近年、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、スクリーンの広視野角化、高コントラスト化、高解像度化が求められている。これらに対する従来技術として、広視野角化に対しては、フレネルレンズ、レンティキュラレンズ、及び、微粒子等による拡散板の組合せによる技術があり、高コントラスト化に関しては、ブラックマスクによる外光制御技術があり（例えば非特許文献１）、又、高解像度化に関しては、レンティキュラレンズのピッチを高精細に形成する技術が知られている（例えば非特許文献１）。

プロジェクションシステムの大画面化、薄型化が進むと、スクリーンの位置における入射光の角度は大きく変化することになる。これらの光を観察者側へ届けるにあたり、従来技術では、まずフレネルレンズによってほぼスクリーン法線方向へ光の進行方向を揃え、次にレンティキュラレンズによる横方向拡散に加え、集光点におけるブラックマスク（ストライプ）による外光対策を行い、最後に微粒子等による拡散板によって主に縦方向の拡散を実現している。

上記の従来技術では、スクリーンに求められる機能を、異なる４枚の光学デバイス（フレネルレンズ、レンティキュラレンズ、ブラックマスク、及び、微粒子等による拡散板）を積層し、各層の光学デバイスで前記機能を分担させることにより、実現しているため、積層した光学デバイス界面での多重反射による多重像が発生する。これを回避するため、従来技術では、フレネルレンズやレンティキュラレンズに微粒子を含有させ、ぼかすことにより、多重像を見えなくしているのが現状である。よって、この従来技術によるスクリーンでは、原理的に高解像度の画像を広視野角で表示することは困難である。さらに、微粒子等による拡散（略して微粒子拡散）板では、広視野角にすればするほど、ますます後方散乱が生じ、コントラストを悪化（解像度を劣化）させることになる。

発明者は、上述のような多重像や、微粒子拡散による解像度劣化を回避するには、スクリーンに要求される機能を１枚の薄い微小光学系フィルムのみによって実現する必要があると判断した。
まず、フレネルレンズとレンティキュラレンズの機能を融合すると、入射角度が変化しても一定の拡散特性を示すシステムが必要となる。拡散特性としては、一定の拡散角度領域内で均一に拡散し、かつ、それ以外にはエネルギーを広げず、拡散角度領域で明るい、トップハット的拡散が望ましい。しかも、光学系は、スクリーン内の異なる場所で同じ構造を有するものであれば、製造するのが非常に容易となる。拡散の物理メカニズムを、後方散乱の小さいものとするためには、微粒子ではなく表面形状による拡散が優れている。よって、表面形状のみにより拡散を行なう１枚のみの光学系（単一の光学フィルムからなる光学系）であって、しかも面内の異なる場所で同じ表面形状を有するスクリーンをなす光学系が、非常に特性がよく、製造容易性にも優れると考えられる。

なお、１枚のみのフィルムの表面（及び／又は裏面）を部分的にフィルム媒体以外の媒体の薄膜で被覆した光学デバイス（又は光学系）も１枚と数えられる。
発明者は、上記概念に基づき、特許文献１において、入射光を拡散させて出射させる１枚のフィルムであって、前記拡散は表面形状のみによって実現し、入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性を有し、入射角度領域の大きさと出射拡散角度領域の大きさとが互いに独立に制御可能であり、入射角度領域の中心方向の角度と出射拡散角度領域の中心方向の角度とが互いに独立に制御可能である拡散フィルムを提案した。

その中で、具体例として、拡散を実現させる表面形状が、入射側のみに形成された球面レンズと非軸放物面ミラーを組み合わせた光学素子アレイ形状であって、入射側表面の一部をＢＭ（ブラックマスクの意。以下同じ）で覆ってなる拡散フィルムを開示した（特許文献１の図１１（本願では図示省略））。これを本発明に対する背景技術とする。
SID 2005, p.1914-1917,'A Super Fine-Pitch Screen for Rear Projection TV.';S.Iwata etc.;Toppan Printing Co.,Ltd. 特願２００６−００２６７５

前記背景技術には、次のような問題点があることがわかった。
（１）レンズ屈折力（レンズのパワー)による左右視野角が十分広いとはいえない。
（２）（１）の広視野角条件で全反射条件が保てない場合がある。
（３）入射側の立体構造にＢＭを付さないとＢＭ比率が上がらない（集光点が拡散フィルム裏面にあるため）。
（４）出射側にＢＭを適正なＢＭ比率で付し、かつ広視野角にすると、スクリーンの厚さが過度に薄くなる。

本発明は上述の問題を解決し、入射光を表面形状のみによって拡散出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムを用いて構成されるスクリーンにおいて、左右視野角を広くでき、全反射条件が保たれ、拡散フィルムの出射側にＢＭを適正なＢＭ比率で付しても適度なスクリーン厚さを保てる微小光学系スクリーンを提供することを目的とする。

なお、本発明は、１枚のみの前記拡散フィルムにＢＭを付したスクリーンの提供を主目的とするが、このスクリーンの出射側にさらに、特定の入射角度領域からの入射光を内部屈折率分布のみによって特定の出射角度領域へ拡散出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムを付したスクリーンの提供も目的の１つとする。

また、これらスクリーンを構成するのに用いる前記拡散フィルム（すなわち、入射光を表面形状のみによって拡散出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルム）の提供も本発明の目的の１つとする。

前記目的を達成した本発明は、以下のとおりである。
［１］所定光源からの光を表面形状のみによって拡散させて出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムの出射側にブラックマスクを横縞状に配置してなるスクリーンにおいて、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後ブラックマスク開口部を通って拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を、下記の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とし、同拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状としたことを特徴とする微小光学系スクリーン。

記
（Ａ）所定光源からの光の横方向拡散用の、シリンドリカル非球面コンデンサレンズおよびシリンドリカル半球レンズからなる横拡散ユニットに、該ユニットからの光の縦方向集光用の、集光プリズムを組合わせた微小複合光学系要素。
（Ｂ）所定光源からの光の縦横両方向拡散用の、非球面コンデンサレンズおよび球面レンズからなる縦横拡散ユニットに、該ユニットからの光の縦方向集光用の、全反射型シリンドリカル楕円面を組合わせた微小複合光学系要素。
（Ｃ）所定光源からの光の縦横両方向拡散用の微小光学系要素が、前記所定光源からの光を、第１レンズ入射面の開口および焦点距離が前記要素に対して定められた縦横二方向である要素縦方向と要素横方向とで相異なる、第１レンズ入射面から取り入れ、該取り入れた光を、要素横方向端面内にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離(REFL：Reflected Effective Focal Length)ｆ₂の非軸曲線部分を、要素縦方向上端部にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離(PFL：Parent Focal Length)ｆ₂の軸上曲線部分に従ってスライドシフトさせてなる曲面形状を有する第２レンズ全反射面で全反射させるように構成された微小光学系要素。
［２］前記拡散フィルムの入射側表面形状を前記（Ｃ）の光学系要素を複数配列した形状とし、
前記拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状としたことを特徴とする前項１に記載の微小光学系スクリーン。
［３］前記拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状とし、かつ前記ブラックマスクの出射側に、下記の縦拡散用Ｄフィルムを配置したことを特徴とする前項１に記載の微小光学系スクリーン。

記
縦拡散用Ｄフィルム：特定の入射角度領域からの入射光を内部屈折率分布のみによって特定の出射角度領域へ拡散出射させ、その縦方向拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルム。
［４］前項１〜３のいずれかに記載される微小光学系スクリーンを用いてなるリアプロジェクションディスプレイ。
［５］前項１〜３のいずれかに記載される微小光学系スクリーンに用いられ、所定光源からの光を表面形状のみによって拡散させて出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムであって、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を、前項１に記載される（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とし、同拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状またはほぼ平坦な形状としたことを特徴とする拡散フィルム。

本発明によれば、入射光を表面形状のみによって拡散出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムを用いて構成されるスクリーンにおいて、左右視野角を広くでき、全反射条件が保たれ、拡散フィルムの出射側にＢＭを適正なＢＭ比率で付しても適度なスクリーン厚さを保てる微小光学系スクリーンが実現する。

本発明の微小光学系スクリーンは、所定光源からの光を表面形状のみによって拡散させて出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムの出射側にブラックマスク（ＢＭ）を横縞状に配置してなるスクリーンにおいて、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後ブラックマスク開口部（ＢＭ開口部）を通って拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を前記（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とした。

本発明では、入射角が変化しても拡散特性があまり変化しない、２枚レンズ構成のフーリエ光学系を基礎とした微小レンズアレイを用いている。このフーリエ光学系は、図１に示すように、有効焦点距離（ＥＦＬ；Effective focal length）がf₁である第1レンズアレイ１ＡとＥＦＬがf₂である第２レンズアレイ２Ａとを、これらの光軸が互いに一致し、第１レンズ１の後焦点距離（ＢＦＬ；Back Focal Length）が第１レンズ１と第２レンズ２とのレンズ主平面間距離となるように配置したものである。なお、図１には、f₁＝f₂の場合を示したが、一般にはf₁≠f₂である。

上記フーリエ光学系では、第１レンズアレイ１Ａの主平面が実空間面、第２レンズアレイ２Ａの主平面がフーリエ面になる。このフーリエ光学系において、光学エンジン投射レンズ系３から第１レンズアレイ１Ａへ入射し、第１、第２レンズアレイ１Ａ，２Ａを通過した光の出射拡散角度領域４では、第１レンズアレイ１Ａへの入射角度によらず、出射角度に対する拡散光強度分布がほぼ一定のトップハット的分布（該分布の半値幅内の拡散光強度が、平均値±50％以内である）となり、拡散の主光線方向が第２レンズアレイ２Ａのレンズ主平面の法線方向にほぼ一致（前記法線方向に対し、主光線方向のずれ角度が±５°以内で一致）し、拡散角度範囲がほぼ一定（前記トップハット的分布の半値幅の下限及び上限の角度が、入射角度に対し、平均値±５°以内で一定）となる。

図２は、本発明[1](A)の実施形態の１例を示す立体模式図である。
拡散フィルムの入射側表面形状は、所定光源からの光を横方向に拡散させる、シリンドリカル非球面コンデンサレンズ（横方向拡散用）５およびシリンドリカル半球レンズ（横方向拡散用）６からなる横拡散ユニット７に、該横拡散ユニット７からの光を縦方向に集光させる、集光プリズム（縦方向集光用）８を組合わせた、微小複合光学系要素を複数配列してなる形状である。ここで、集光プリズムとは、三角プリズムの斜辺部に曲がりもたせて該斜辺部からの全反射光束が集光するようにしたものである。

この微小複合光学系要素を複数配列した状態を図３に示す。図３において、５Ａはシリンドリカル非球面コンデンサレンズ５の配列からなるシリンドリカル非球面コンデンサレンズアレイ、６Ａはシリンドリカル半球レンズ６の配列からなるシリンドリカル半球レンズアレイ、７Ａはシリンドリカル非球面コンデンサレンズアレイ５Ａおよびシリンドリカル半球レンズアレイ６Ａからなる横集光拡散ユニットアレイである。

シリンドリカル非球面コンデンサレンズアレイ５Ａとシリンドリカル半球レンズアレイ６Ａの光学的関係はフーリエ光学系（図１）の第１レンズアレイ１Ａと第２レンズアレイ２Ａの光学的関係と相同させてあるので、横拡散ユニットアレイ７Ａはフーリエ光学系をなし、横拡散ユニットアレイ７Ａへの光の入射角が変化しても拡散特性は大きく変化しない。

また、図２の例では、拡散フィルムの出射側表面形状は、マイクロシリンドリカルレンズ11を縦方向拡散用として複数配列してなる形状、すなわち縦方向拡散用マイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａ形状である。縦方向拡散用マイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａの表面上にはＢＭ12が横縞状に存在し、その横縞と横縞の間隔部がＢＭ開口部13である。

所定の光源（図１の光学エンジン投射レンズ系３、以下同じ）から発して横拡散ユニット７に入射した光線束は、横拡散ユニット７内を進むほど横幅が短縮して、フィルム厚さ方向に延びる横方向集光線９に集光し、その後横方向に拡散しつつ、集光プリズム８に入射する。そして集光プリズム８内を進むほど光線束の縦幅が短縮して（横幅は拡大し続けて）、ＢＭ開口部13内のマイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａの内面付近で、横方向に延びる縦方向集光線10に集光する。こうなるように、集光プリズム８は設計される。

前記集光後の光線束は、マイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａのシリンドリカルレンズ面（これがスクリーン出射面になる）から外部（観察者側）へ縦方向に拡散しつつ出射する。
このスクリーンによって左右（横方向）視野角を広くできる（⇒前記問題点（１）が解決する）ことは、次の検討から明らかである。

図４は、この検討に用いたフーリエ光学系の模式図である。第１レンズ１、第２レンズ２の仕様条件は次のとおりとした（屈折率の記号をｎとする）。
・第１レンズ：エドモンド非球面コンデンサレンズ43987-H（Ｆナンバー＝0.5）（レンズ口径Ｄ＝27.0ｍｍ、ＥＦＬ＝13.0ｍｍ、ＢＦＬ＝6.9ｍｍ）
・第２レンズ：半球レンズ（ＢＫ７（ｎ＝1.5）または合成ランタン・サファイア（S-LAH79、ｎ＝2.003））
光学エンジンからの光をほぼ平行入射光とすると第１レンズ１の仕様条件（Ｆナンバー（Ｆ_No）＝ｆ/Ｄ＝0.5）より、前記平行入射光は第１レンズ１の焦点Ｆ_１に集光角θ_１＝±45°で集光する。第２レンズ２はその半球レンズの球中心を第１レンズ１の焦点Ｆ_１に位置する（この点は、第１レンズ、第２レンズをシリンドリカル化した図２の本発明例でも同じである。）。半球レンズ入射面に対し入射光線は垂直であるため、半球レンズ入射面では光は進行方向を変えない。したがって、半球レンズ出射面（平面）でスネル則に従って拡散角が拡大される。

例えば、ｎ_１＝1.5（ＢＫ７）、θ_１＝45°（第１レンズのパワー）、ｎ_２＝1.0（空気）として、半球レンズ出射平面にスネル則（ｎ_１×sinθ_１＝ｎ_２×sinθ_２）を適用すると、θ_２＝sin^−１(1.06066)となり、拡散角θ_２は90°を超える。よって、図４のフーリエ光学系で、現在入手可能なハイパワーレンズ（Ｆ_No＝0.5）と半球レンズとを用いると、±90°までの拡散角の制御が可能である。拡散角は第１レンズのＦ_No（0.5以下）で任意に制御できる。例えば、拡散角θ_２＝±50°に必要な第１レンズのＦ_Noは、第２レンズ（半球レンズ）の屈折率（ｎ_１）＝1.5（ＢＫ７）として、スネル則から算出されるθ_１＝30.71°と、Ｆ_No＝f/Ｄ、tanθ_１＝Ｄ/(２×f)より、Ｆ_No＝0.842となり、レンズ屈折力が容易に得られる。図４の光学系はフーリエ光学系であるため、入射角が変化しても拡散特性は大きく変化しない。ただし、半球レンズの特性（収差）により、スクリーン端の部分の主光線は内側へ（観察者側へ）偏り、拡散角が大きくなるが、これは良い傾向である。

図４の第１レンズ、第２レンズを横方向拡散用にシリンドリカル化した図２の本発明例でも、横方向拡散の拡散角は図４の場合と同様、広くすることができる。すなわち屈折力（レンズパワー）のみで左右視野角を広くすることができる。
また、図２の本発明例において、全反射条件については、縦方向拡散角制御分の平面の全反射でよいため、縦方向拡散角＝±25°程度であれば十分保つことが可能である（⇒前記問題点（２）が解決する）。

光線束の縦方向制御については、偏向と集光とを縦方向集光用の集光プリズム８に委任し、その集光先である縦方向集光線10をスクリーン出射面側の内面近傍に位置させる。縦方向集光線10から外部への縦方向拡散は、スクリーン出射面側の表面形状としたマイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａ形状に委任する。なお、マイクロシリンドリカルレンズアレイ形状は、レンティキュラレンズのレンズ面形状と同じである。

スクリーンから外部への出射直前の集光点は縦方向集光線10上にあり、スクリーン出射面側（表面側）の内面近傍に位置するから、横縞状のＢＭ12をスクリーン出射面側に配置することができる（⇒前記問題点（３）、（４）が解決する）。
ＢＭ比率は、適正とされる70％［ＢＭ：ＢＭ開口部＝７：３］以上とすることができる。また、ＢＭ縞幅≒70μｍ、ＢＭ開口部幅≒30μｍとでき、マイクロシリンドリカルレンズアレイ11ＡをＢＭ開口部の1開口あたり２ピッチ以上にすること（２列以上配置すること）ができるので、マイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａの位置合わせは不要である。また、ＢＭ開口部13の位置合わせは、フォトリソ‐エッチング技術を用いたセルフアライメントにより容易である。

もっとも、本発明[1](A)では、縦方向の光の分離により、光のクロストーク・迷光の発生が懸念される。しかるに、この懸念は、本発明[1](B)により払拭される。
図５は、本発明[1](B)の実施形態の１例を示す立体模式図であり、図６は図５の立体の縦断面模式図である。
拡散フィルムの入射側表面形状は、所定光源からの光を縦横両方向に拡散させる、非球面コンデンサレンズ15および球面レンズ16からなる縦横拡散ユニット17に、該縦横拡散ユニット17からの光を縦方向に集光させる、全反射型シリンドリカル楕円面（縦方向集光用）19を組合わせた、微小複合光学系要素を複数配列してなる形状である。

非球面コンデンサレンズ15のアレイと球面レンズ16のアレイの光学的関係はフーリエ光学系（図１）の第１レンズアレイ１Ａと第２レンズアレイ２Ａの光学的関係と相同させてあるので、縦横拡散ユニット17のアレイはフーリエ光学系をなし、該アレイへの光の入射角が変化しても拡散特性は大きく変化しない。
球面レンズ16と全反射型シリンドリカル楕円面19とは、球面レンズ16の球面が入射面になり、該入射球面から球面レンズ16へ入射した光が直進後に全反射型シリンドリカル楕円面19で全反射されるように組み合わされている。

拡散フィルムの出射側表面形状は、本発明[1](A)のそれと同様である。
所定の光源から発して縦横集光拡散ユニット17に入射した光線束は、該ユニット内を進むほど縦横両幅が短縮して、縦方向・横方向集光点18に集光した後、拡散し、縦方向集光用の全反射型シリンドリカル楕円面19で全反射された後、縦方向に収束し（横方向には拡散を続け）、ＢＭ開口部13内のマイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａの内面付近で、横方向に延びる縦方向集光線20に集光する。こうなるようにするためには、全反射型シリンドリカル楕円面19を、対応楕円の第１焦点が縦方向・横方向集光点18に一致し、第２焦点が縦方向集光線20に乗るように設計すればよい。

前記集光後の光線束は、マイクロシリンドリカルレンズアレイ11Ａのシリンドリカルレンズ面（これがスクリーン出射面になる）から外部（観察者側）へ縦方向に拡散しつつ出射する。
このように、本発明[1](B)は、本発明[1](A)と比べて、スクリーン入射面側の表面形状が異なるのみで、入射光線束がスクリーン出射面側の内面付近の縦方向集光線に集光する点は同じであるので、前記問題点（１）〜（４）は同様に解決する。ＢＭ比率を適正にできること、マイクロシリンドリカルレンズアレイの位置合わせが不要なこと、ＢＭ開口部の位置合わせが容易なことも、同様である。

さらに、本発明[1](B)は、本発明[1](A)におけるような縦方向の光の分離は起こらないから、光のクロストーク・迷光が発生するおそれはない分、本発明[1](A)よりも好ましい。
以上のように本発明［1](A)及び本発明［1](B)は、次の長所を有する。
<1> 横方向視野角制御（横方向拡散光制御または横方向ＤＬＣ。ＤＬＣ：Diffused Light Control）が±90°まで対応できる。

<2> ストライプ状ブラックマスク（前述の例では横縞状ＢＭ）をスクリーン出射側表面に設置できる。
しかし、上記長所を実現するために、次の短所が生じる。
<1>に対する短所⇒<1'> 前記背景技術と比較し、屈折面（平面と球面（あるいはシリンドリカル球面））が２面増加しており、構造がより複雑である。

<2>に対する短所⇒<2'> 本発明［1](A)及び本発明［1](B)ではＢＭをスクリーン出射側に設置するため横方向ＤＬＣと縦方向ＤＬＣを別々に行い、フーリエ光学系による入射角に依存しない拡散特性を横方向のみに限定し、横方向集光線９の位置と縦方向集光線10の位置を、それぞれ、スクリーンの裏面（入射側）と表面（出射側）に設計することにより、出射側にストライプ状ＢＭを付加できるように改善した。しかし、縦方向ＤＬＣはフーリエ光学系による制御ではないため、縦方向拡散用デバイスは、スクリーンの上下でしだいに変化した形状が必要である。なお、ここで「デバイス」とは、光を所望の方向に屈折または全反射させるための光学素子を意味する。

本発明［1](C)は、縦方向拡散も横方向拡散も独立に制御できるフーリエ拡散光学系を基礎とし、前記短所の<2'>を克服するものである。このフーリエ拡散光学系は、「屈折面二面」のみで動作し、又は「屈折面一面＋全反射面一面」のみで動作し、縦方向、横方向独立に、入射角に依存しない拡散制御が可能である。本発明［1](C)には、構造が背景技術と同程度に簡単でありながら、ＢＭのみを出射側に移動できる長所がある。ただし、<1'>の短所については、構造は簡単になっているが、横方向視野角は±90°までは不可能である。

本発明［1](C)の基礎としたフーリエ拡散光学系について説明する。図７は、２枚のレンズからなるフーリエ拡散光学系の１例を示す模式図である。この光学系は、焦点距離ｆ₁の第１レンズ１と、焦点距離ｆ₂の第２レンズ２とを、互いの光軸が一致し、かつ、第２レンズ２の前焦点面と第１レンズ１の主平面21とが一致するように、配置してなる。第１レンズ１と第２レンズ２、およびこれら２枚のレンズで挟まれた空間は、同じ屈折率媒体が充満しているものとする。ここで、第1レンズ１の開口Ｄ、第１レンズ１のみによる拡散角θ₁（2θ₁＝２×θ₁）、第１レンズ１と第２レンズ２とによる（すなわちフーリエ拡散光学系による）拡散角θ₂（2θ₂＝２×θ₂）の間には、次式の関係がある。

tanθ₁＝Ｄ/（２×ｆ₁） ‥‥‥(1)
ｆ₁×tanθ₁＝ｆ₂×tanθ₂ ‥‥‥(2)
式(1)、(2)より、tanθ₂＝（ｆ₁/ｆ₂）×tanθ₁＝（ｆ₁/ｆ₂）×（Ｄ/（２×ｆ₁））＝Ｄ/（２×ｆ₂） ‥‥‥(3)
また、第２レンズ２の主平面22から、フーリエ拡散光学系からの出射光束が最小径に収斂する面（ＢＭ面相当面）23までの距離（集光距離という。これはフィルムの厚さ相当距離でもある）Ｌは、次式で表される。

Ｌ＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁）） ‥‥‥(4)
さらに、第１レンズ１と第２レンズ２とを複数ずつ、同番号のレンズ同士で主平面を一致させて、並べて形成した２列のレンズアレイからなる、例えば図８に示すようなフーリエ拡散光学系を考える。第１レンズアレイ１Ａと第２レンズアレイ２Ａ、およびこれら２列のレンズアレイで挟まれた空間は、同じ屈折率媒体が充満しているものとする。このようなフーリエ拡散光学系おいても、同様に、式(3)、(4)が成り立つ。また、光学エンジン投射レンズ系３からこのフーリエ拡散光学系への入射光線束の主光線方向が変化しても、出射光線束がほぼＢＭ面相当面23内のほぼ１点に収斂した後、トップハット的に拡散し、その拡散角および主光線方向（ＢＭ面相当面23の法線方向になる）はあまり変化しないという拡散特性を有する。

このようなフーリエ拡散光学系では、第１レンズと第２レンズの相互の主平面間距離ｆ₂を固定した状態で、式(3)：tanθ₂＝Ｄ/（２×ｆ₂）より、第１レンズの開口Ｄを変化させることによる拡散角θ₂の制御、および、式(4)：Ｌ＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁））より、第１レンズの焦点距離ｆ₁を変化させることによる集光距離（フィルムの厚さ相当距離）Ｌの制御が可能である。

したがって、上述の第１レンズアレイと第２レンズアレイの組み合わせからなり、アレイをなす第１レンズと第２レンズ、およびこれらレンズ間を同じ屈折率媒体で満たしたものを光学系要素とするフーリエ拡散光学系において、第１レンズの開口Ｄと焦点距離ｆ₁とを、前記光学系要素に対して定められた縦方向と横方向（スクリーンあるいは拡散フィルムに対して定められた縦方向、横方向と区別するために、それぞれ要素縦方向、要素横方向と呼ぶ）の二方向で相違させることにより、要素縦方向と要素横方向とで独立に拡散角θ₂および集光距離Ｌを制御することができる。

図９は、要素縦方向と要素横方向とで第１レンズの入射面開口および焦点距離を相違させた、「屈折面二面」のみで動作するフーリエ拡散光学系の光学系要素の１例を示す模式図である。
この光学系要素において、第１レンズ入射面30は、要素縦方向、要素横方向の開口がＤ、Ｄ’（Ｄ’＞Ｄ）、焦点距離がｆ₁、ｆ₁’（ｆ₁’＜ｆ₁）である。第１レンズの主平面21と第２レンズの主平面22との相互面間距離は第２レンズの焦点距離ｆ₂と同値である。要素縦方向断面と要素横方向断面とにおいて、それぞれ図８と同様な拡散が起こる。要素横方向集光線９’は開口Ｄ’、焦点距離ｆ₁’の場合の集光距離Ｌ’の位置にあり、要素横方向の拡散角がθ₂’であり、要素縦方向集光線10Ｌは開口Ｄ、焦点距離ｆ₁の場合の集光距離Ｌの位置にあり、要素縦方向の拡散角がθ₂である。よって、要素縦方向では、式(3)：tanθ₂＝Ｄ/（２×ｆ₂）、式(4) ：Ｌ＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁））が成り立ち、要素横方向では、式(3’)：tanθ₂’＝Ｄ’/（２×ｆ₂）、式(4’) ：Ｌ’＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁’））が成り立つ。

ただし、「屈折面二面」のみで動作するフーリエ拡散光学系は、その光学系要素をフィルム裏面に配置する場合、フィルム表面に要素縦方向集光線10Ｌを置くことが困難である。
これに対し、「屈折面二面」のみで動作するフーリエ拡散光学系において、第２レンズ屈折面31に代えて第２レンズ全反射面としてなる「屈折面一面＋全反射面一面」のみで動作するフーリエ拡散光学系によれば、第２レンズ全反射面で全反射した光線束の主光線方向をフィルム（スクリーン）の法線方向に合わせることが容易となり、フィルム表面（出射面）に要素縦方向集光線10Ｌを置くことが可能となる。

前記第２レンズ全反射面は、要素横方向端面内にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離(REFL)ｆ₂の非軸曲線部分を、要素縦方向上端部にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離(PFL)ｆ₂の軸上曲線部分に従ってスライドシフトさせてなる曲面形状を有するものとする。
ここで、「第1レンズ入射面近傍」とは、第1レンズ入射面の、要素縦方向の両端間の空間、要素横方向の両端間の空間および要素縦横両方向に直交する方向の両端間の空間の共通範囲を指す。

図１０は第２レンズ全反射面の形成に用いられる曲線の例として２次曲線：ｙ＝（１/（４ｆ））ｘ^２を示す模式図である。同図において、Ｆは焦点、Ｏはｘｙ座標軸の原点（vertex）である。軸上曲線部分25は原点Ｏを通りｙ軸に関して対称な曲線部分であり、焦点Ｆから原点Ｏまでの距離（直線ＯＦの長さ）ｆが軸上曲線部分25の軸上焦点距離(PFL)である。非軸曲線部分26はｙ軸と交わらない曲線部分であり、非軸曲線部分26の中心Ｃから焦点Ｆまでの距離（直線ＣＦの長さ）が非軸曲線部分26の軸外焦点距離(REFL)である。なお、焦点Ｆから点Ｃへの光線方向と点Ｃからｙ軸正方向への光線方向のなす角Ψを非軸角という。

前記第２レンズ全反射面を用いた、「屈折面一面＋全反射面一面」のみで動作するフーリエ拡散光学系を基礎とした本発明[1](C)の実施形態の１例を図１１に示す。
フィルム入射面側に配列された微小光学系要素は、第１レンズ入射面30と第２レンズ全反射面32を有する。フィルム出射側表面形状は本発明[1](A)、[1](B)と同様である。
第１レンズ入射面30は、要素縦方向、要素横方向の開口がＤ、Ｄ’（Ｄ’＞Ｄ）、焦点距離がｆ₁、ｆ₁’（ｆ₁’＜ｆ₁）である。第２レンズ反射面32は、要素横方向端面内にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離(REFL)ｆ₂の非軸曲線部分35を、要素縦方向上端部にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離(PFL)ｆ₂の軸上曲線部分36に従ってスライドシフトさせてなる曲面形状を有する。なお、非軸曲線部分35の軸（図１０のｙ軸に相当）は、フィルム厚さ方向に平行とされている。

このような微小光学系要素においては、第1レンズ入射面30の開口（Ｄ×Ｄ’）からの入射光線束は、要素内の要素横方向集光線９’に集光後、拡散途上で第２レンズ全反射面32内の全反射エリア34で全反射され、横方向に拡散角θ₂’で拡散しつつ、縦方向には拡散角（集光角）θ₂で縦方向集光線10に集光する。縦方向集光線10は、フィルム出射面側に位置させることが可能であり、縦方向集光線10から外部への拡散光線束の主光線方向は、フィルム法線方向に一致させることが可能である。

縦方向拡散角θ₂は式(3)：tanθ₂＝Ｄ/（２×ｆ₂）で近似でき、フィルム厚（ＢＭ位置）をＬとすると、Ｌは式(4)：Ｌ＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁））で近似できる。また、横方向拡散角θ₂’は式(3') ：tanθ₂’＝Ｄ’/（２×ｆ₂）で近似でき、要素横方向集光距離（要素横方向集光線９’の位置）をＬ’とすると、Ｌ’は式(4’) ：Ｌ’＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁’））で近似できる。これら近似の精度は実用上問題ない範囲にある。

次に、本発明（[1]-(C)）に用いる微小光学系のパラメータ値は、式(3)、(4)、(3')、(4')に基づいて、例えば以下のように設計しうる。
まず、式(4)より、フィルム厚Ｌは、第1レンズ要素縦方向焦点距離ｆ₁が無限大のとき最大値（＝第２レンズ焦点距離ｆ₂）をとるから、第２レンズ焦点距離ｆ₂は、与えられたフィルム厚Ｌ以上の値に設計される。例えば、Ｌ＝100μｍに対し、ｆ₂＝120μｍとする。

このとき、縦方向ＤＬＣに関与する第１レンズ要素縦方向焦点距離ｆ₁と第１レンズ要素縦方向開口Ｄとは、例えば次のように設計される。
第１レンズ要素縦方向焦点距離ｆ₁⇒式(4)：Ｌ＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁））より、ｆ₁＝ｆ₂ ^２/（ｆ₂−Ｌ）＝120^２/（120−100）＝720μｍ
第１レンズ要素縦方向開口Ｄ⇒上下視野角±25°（縦方向拡散角θ₂＝25°、tanθ₂＝0.4663）の場合、式(3)：tanθ₂＝Ｄ/（２×ｆ₂）より、Ｄ＝２×ｆ₂×tanθ₂＝２×120×0.4663≒112μｍ
また、横方向ＤＬＣに関与する第１レンズ要素横方向焦点距離ｆ₁’と第１レンズ要素横方向開口Ｄ’とは、例えば次のように設計される。

第１レンズ要素横方向焦点距離ｆ₁’⇒要素横方向入射角度範囲が最大になる条件、すなわちＬ’＝０で設計⇒式(4')：Ｌ’＝ｆ₂×（１−（ｆ₂/ｆ₁’））＝０より、ｆ₁’＝ｆ₂＝120μｍ
第１レンズ要素横方向開口Ｄ’⇒左右視野角±45°（横方向拡散角θ₂’＝45°、tanθ₂’＝１）の場合、式(3)：tanθ₂’＝Ｄ’/（２×ｆ₂）より、Ｄ’＝２×ｆ₂×tanθ₂’＝２×120×１＝240μｍ
上に例示したパラメータの設計値は、通常のマイクロレンズアレイ製造工程において採用される数値範囲内にある。

また、本発明［1](C)においては、上記のパラメータ値設計例にみられるように、十分な縦方向拡散角（例えばθ₂≧25°）がフィルム内で達成され、フィルムの出射側表面に縦方向拡散用としてマイクロシリンドリカルレンズアレイを配置しなくても、十分な上下視野角が得られ、本発明の効果が得られる場合がある。
そこで、そのような場合、すなわち、本発明［1](C)において、拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状とした形態のスクリーンも本発明の範囲内とした（⇒本発明[2]に対応）。

ここで、「ほぼ平坦な形状」とは、平面からのずれ量が許容範囲内（例えば±10μm以内）にある形状を指す（以下同じ）。
また、本発明[1]では、(A)、(B)、(C)のいずれにおいても、拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状としているが、フィルム出射側表面形状をほぼ平坦な形状に変更し、さらにＢＭ出射側に、特定の入射角度領域からの入射光を内部屈折率分布のみによって特定の出射角度領域へ拡散出射させ、その縦方向拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルム（これを「縦拡散用Ｄフィルム」という）を配置した形態であっても、同様の効果が得られる。

そこで、そのようにした形態、すなわち、本発明[1]において、拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状とし、かつ前記ブラックマスクの出射側に、下記の縦拡散用Ｄフィルムを配置した形態のスクリーンも本発明の範囲内とした（⇒本発明[3]に対応）。
また、本発明[4]は、本発明［1]〜［3]のいずれかの微小光学系スクリーンを用いてなるリアプロジェクションディスプレイである。これによれば、１枚（あるいは縦拡散用Ｄフィルムを併用する場合は２枚）のフィルムからなる簡素な構成のスクリーンを用いるものでありながら、大角度入射光を十分な上下および左右視野角でスクリーン法線方向に拡散させることができ、かつコントラスト比も高くすることができるので、表示画像品質に加え製造容易性にも優れた超薄型大画面のリアプロジェクションシステムの実現が可能となる。

また、本発明[5]は、本発明［1]〜［3]のいずれかの微小光学系スクリーンの主幹構成部材としての拡散フィルムである。これはすなわち、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を、前記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）（本発明の項１に記載）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とし、同拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状またはほぼ平坦な形状としたことを特徴とする拡散フィルムである。

この本発明[5]の拡散フィルムを用いることにより、本発明［1]〜［3]のいずれかの微小光学系スクリーンを構成することが可能となり、さらには、本発明[4]のリアプロジェクションディスプレイを構成することが可能となるのである。

フーリエ光学系の１例を示す断面模式図である。本発明[1](A)の実施形態の１例を示す立体模式図である。図２の微小光学系要素を複数配列した状態を示す立体模式図である。図２の本発明例が左右視野角を広くできることの検討に用いたフーリエ光学系を示す断面模式図である。本発明[1](B)の実施形態の１例を示す立体模式図である。図５の立体の縦断面模式図である。２枚のレンズからなるフーリエ拡散光学系の１例を示す断面模式図である。２列のレンズアレイからなるフーリエ拡散光学系の１例を示す断面模式図である。「屈折面二面」のみで動作するフーリエ拡散光学系の１例を示す立体模式図である。第２レンズ全反射面の形成に用いられる曲線の例として２次曲線を示す模式図である。「屈折面一面＋全反射面一面」のみで動作するフーリエ拡散光学系を基礎とした本発明[1](C)の実施形態の１例を示す立体模式図である。

符号の説明

１第１レンズ
１Ａ第１レンズアレイ
２第２レンズアレイ
２Ａ第２レンズ
３光学エンジン投射レンズ系
４出射拡散角度領域
５シリンドリカル非球面コンデンサレンズ（横方向拡散用）
５Ａシリンドリカル非球面コンデンサレンズアレイ（横方向拡散用）
６シリンドリカル半球レンズ（横方向拡散用）
６Ａシリンドリカル半球レンズアレイ（横方向拡散用）
７横拡散ユニット
７Ａ横拡散ユニットアレイ
８集光プリズム（縦方向集光用）
９横方向集光線
９’ 要素横方向集光線
10 縦方向集光線
10Ｌ要素縦方向集光線
11 マイクロシリンドリカルレンズ（縦方向拡散用）
11Ａマイクロシリンドリカルレンズアレイ（縦方向拡散用）
12 ブラックマスク（ＢＭ）
13 ブラックマスク開口部（ＢＭ開口部）
15 非球面コンデンサレンズ
16 球面レンズ
17 縦横拡散ユニット
18 縦方向・横方向集光点（楕円の第１焦点）
19 全反射型シリンドリカル楕円面（縦方向集光用）
20 縦方向集光線（楕円の第２焦点が乗る線）
21 第１レンズの主平面
22 第２レンズの主平面
23 フーリエ拡散光学系からの出射光束が最小径に収斂する面（ＢＭ面相当面）
25 軸上曲線部分
26 非軸曲線部分
30 第１レンズ入射面（屈折型）
31 第２レンズ屈折面
32 第２レンズ全反射面
33 屈折エリア
34 全反射エリア
35 第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離(REFL)ｆ₂の非軸曲線部分
36 第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離(PFL)ｆ₂の軸上曲線部分

Claims

所定光源からの光を表面形状のみによって拡散させて出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムの出射側にブラックマスクを横縞状に配置してなるスクリーンにおいて、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後ブラックマスク開口部を通って拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を、下記の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とし、同拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状としたことを特徴とする微小光学系スクリーン。
記
（Ａ）所定光源からの光の横方向拡散用の、シリンドリカル非球面コンデンサレンズおよびシリンドリカル半球レンズからなる横拡散ユニットに、該ユニットからの光の縦方向集光用の、集光プリズムを組合わせた微小複合光学系要素。
（Ｂ）所定光源からの光の縦横両方向拡散用の、非球面コンデンサレンズおよび球面レンズからなる縦横拡散ユニットに、該ユニットからの光の縦方向集光用の、全反射型シリンドリカル楕円面を組合わせた微小複合光学系要素。
（Ｃ）所定光源からの光の縦横両方向拡散用の微小光学系要素が、前記所定光源からの光を、第１レンズ入射面の開口および焦点距離が前記要素に対して定められた縦横二方向である要素縦方向と要素横方向とで相異なる、第１レンズ入射面から取り入れ、該取り入れた光を、要素横方向端面内にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸外焦点距離(REFL：Reflected Effective Focal Length)ｆ₂の非軸曲線部分を、要素縦方向上端部にあり第1レンズ入射面近傍に焦点をもつ軸上焦点距離(PFL：Parent Focal Length)ｆ₂の軸上曲線部分に従ってスライドシフトさせてなる曲面形状を有する第２レンズ全反射面で全反射させるように構成された微小光学系要素。
前記拡散フィルムの入射側表面形状を前記（Ｃ）の形状とし、
前記拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状としたことを特徴とする請求項１に記載の微小光学系スクリーン。
前記拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状に代えて、ほぼ平坦な形状とし、かつ前記ブラックマスクの出射側に、下記の縦拡散用Ｄフィルムを配置したことを特徴とする請求項１に記載の微小光学系スクリーン。
記
縦拡散用Ｄフィルム：特定の入射角度領域からの入射光を内部屈折率分布のみによって特定の出射角度領域へ拡散出射させ、その縦方向拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルム。
請求項１〜３のいずれかに記載される微小光学系スクリーンを用いてなるリアプロジェクションディスプレイ。
請求項１〜３のいずれかに記載される微小光学系スクリーンに用いられ、所定光源からの光を表面形状のみによって拡散させて出射させ、その拡散特性が入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性になる拡散フィルムであって、所定光源からの光が前記拡散フィルム内部の出射面側に集光した後拡散し出射するように、前記拡散フィルムの入射側表面形状を、請求項１に記載される（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかの光学系要素を複数配列した形状とし、同拡散フィルムの出射側表面形状を、マイクロシリンドリカルレンズを縦方向拡散用として複数配列した形状またはほぼ平坦な形状としたことを特徴とする拡散フィルム。