JP2010061112A - 透過型スクリーン、投写型表示装置および画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことのできる透過型スクリーンを得る。
【解決手段】フレネルレンズスクリーン２０は、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４と、その後段側に設けられた第一の光拡散部２６と第一の基盤２５とからなる。フレネルレンズスクリーン２０の後段側に設けられた像表示要素３０は、レンズ要素３１と第二の基盤３２と第三の基盤３５とを有する。第二の基盤３２の後段側には第二の光拡散部３３が設けられている。第二の光拡散部３３は、粒径の異なる二種類の微粒子を分散して備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、観測者から見てスクリーンの背面側から画像光を投影して画像を表示する透過型スクリーン、投写型表示装置および画像表示方法に関するものである。

フレネルレンズスクリーンと拡散シート（拡散層）とを組み合わせて画像の表示を行う装置として、投写型表示装置がある。この投写型表示装置はＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）やＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）と異なり、非発光型の表示装置である。投写型表示装置は、プロジェクタとして、光源からの光を所定の方向へ導く照明光学系と、照明光学系によって導かれてくる光が照射されると共に画像信号に応じて光量を調整し画像を形成するライトバルブと、ライトバルブで形成された画像をスクリーンに拡大投影する投写光学系と、を備えている。

投写型表示装置には、観測者から見てスクリーンの背面から画像光を投影する背面投写型の表示装置と、観測者から見てスクリーンの手前から画像光を投影する前面投写型の表示装置がある。このうち、背面投射型の表示装置に用いられる透過型スクリーンは、プロジェクタからの画像光を観測者側に曲げるフレネルレンズスクリーンと、フレネルレンズスクリーンからの画像光の像を結像させると共に画像光に発散角度を与えて広げる像表示要素を備えている。

フレネルレンズは一般に投写画素より細かいレンズ周期（例えば画素の１／１０）で作られるため、その厚み方向も非常に薄い寸法（プリズム部を含んだ厚み寸法が例えば数百μｍ）となる。このため、フレネルレンズを保持するためには、厚み１〜５ｍｍほどの基盤が必要となる。基板はＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ ＭｅｔｈＡｃｒｙｌａｔｅ）、ＭＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｙｌａｔｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＭＢＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔａｃｙｌａｔｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）などの樹脂やガラスで作られることが多い。また、フレネルレンズは光硬化樹脂などを用いて基盤の上に直接形成されていることが多く、このフレネルレンズと基盤とからなる要素はフレネルレンズスクリーンと呼ばれている。

像表示要素は少なくとも光拡散手段と基盤とを含んで構成されている。光拡散手段は光の波長（可視光３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）より大きな表面の凹凸を利用したり、または拡散層基材と光の波長より大きな微粒子との屈折率差を利用したものである。このような光の波長より大きなゆらぎのある構造を、投写光学系で拡大されて空間的コヒーレンスの大きくなった光で照明すると、たとえ光源が時間的コヒーレンスの小さいランプ光源であったとしても、無数の明暗の斑点（ぎらつき）が無秩序に認識されることとなる。この明暗の斑点は一般にスペックル（厳密にはｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ ｓｐｅｃｋｌｅ）、もしくはシンチレーションと呼ばれ、画像劣化の問題となる。

このようなスペックル（シンチレーション）の対策としてはスクリーンの拡散層を離して配置する方法（例えば、特許文献１参照）や、拡散層基材との屈折率差が大きい（Δｎ＞０．０８）微粒子の粒径を、光の波長λの約２０倍（１０μｍ）未満にする方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

特許第３６０６８６２号公報 特開２００４−２７１９２２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、拡散層同士の間隔が大きいと、一つ目の拡散層から次の拡散層まで光が伝搬する間に画像がぼやけるので、解像力が低下する不具合が生じるという問題があった。また、屈折率差（の分散）が大きく粒径が小さい微粒子を拡散層に用いると、色温度が低くなるという不具合が生じるという問題があった。光は波長、つまり色によって光の曲がる角度（広がる角度）が異なり、屈折率差が大きいと、また粒径が小さいと良く曲がる（広がる）からである。これはＭａｘｗｅｌｌ方程式の散乱問題から説明できるが、一般にはＭｉｅ散乱理論として知られている。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことのできる透過型スクリーン、投写型表示装置および画像表示方法を得ることを目的とする。

この発明に係る透過型スクリーンは、発光体側から見て入光面側にプリズムが形成されたフレネル光学素子と、フレネル光学素子を保持する第一の基盤と、発光体から照射される画像光に発散角度を与えて拡げるレンズ要素を保持する第二の基盤とを順に配列した透過型スクリーンにおいて、フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を、第二の基盤の後段側に第二の光拡散手段を設けると共に、第一の光拡散手段と第二の光拡散手段とは所定の間隔を有するようにしたものである。

この発明の透過型スクリーンは、フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を設けると共に、第二の基盤の後段側に、第一の光拡散手段と所定の間隔を有するよう第二の光拡散手段を設けたので、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことができる。

この発明の実施の形態１による透過型スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンのそれぞれのフレネルレンズを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンと投写画素との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンにおける画像光の散乱について示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンの各粒径における波長と透過率との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンにおける確率密度分布関数の実測値を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンにおける各スペックルコントラストの計算例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンにおける特徴長さとスペックルコントラストとの実験結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーンにおける入光面部分全反射式フレネルレンズの拡大図である。 出光面側屈折式フレネルレンズの拡大図である。 入光面側全反射式フレネルレンズの拡大図である。 この発明の実施の形態２による透過型スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態３による透過型スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態４による透過型スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態４による透過型スクリーンにおける周期とスペックルコントラストとの関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態４による透過型スクリーンにおけるレンズ要素の周期毎のフレネルプリズム周期とスペックルコントラストとの関係を示す説明図である。を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による透過型スクリーンの変形例（その１）を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による透過型スクリーンの変形例（その２）を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による透過型スクリーンを示す構成図である。
図において、透過型スクリーン１０は、画像光（図示せず）を観測者１側に曲げるフレネルレンズスクリーン２０と、フレネルレンズスクリーン２０からの画像光の像を結像させると共に画像光に発散角度を与えて広げる像表示要素３０を備えている。
透過型スクリーン１０は、観測者１からスクリーンを見て、その背面側に光源や投写光学系等を有する構造である。図２にその構成を簡単に示す。
図２に示すように、光源や照明光学系、ライトバルブ、投写光学系（いずれも図示せず）からなるプロジェクタ（発光体）５０からの画像光を観測者１の方向へ曲げる機能を持つフレネルレンズスクリーン２０は、一般によく使われている観測者側（出光面側）にレンズが形成された出光面側屈折式フレネルレンズ２１や、観測者の反対の光源側（入光面側）にレンズが形成された混合式フレネルレンズ２２、入光面側全反射式フレネルレンズ２３、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４などのフレネル光学素子が用いられる。

実施の形態１では、最良の形態である入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の例で説明するが、入光面側全反射式フレネルレンズ２３であっても良い（その詳細については後述する）。また、これら両者には若干劣るが、次善の解として、混合式フレネルレンズ２２、出光面側屈折式フレネルレンズ２１であってもよい。

図１に戻り、フレネルレンズスクリーン２０は、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４と、これを保持する第一の基盤２５、および第一の光拡散部（第一の光拡散手段）２６からなる。この第一の光拡散部２６は、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４と第一の基盤２５の貼合の機能も有する。像表示要素３０は、少なくとも画像光に発散角度を与えて広げるレンズ要素３１と、これを保持する第二の基盤３２、および画像光の像を結像させる第二の光拡散部（第二の光拡散手段）３３からなる。像表示要素３０は、一般に観測者１が直接観測するもののため、実施の形態１では、最も観測者１側に表面処理部３４を設けている。これは、例えば外光の影響を低減するために光の反射を低減させる反射防止層や、見た目のぎらつきを押さえるためのアンチグレア層、静電気によるほこりの付着を防止するための帯電防止層、表面を保護するためのハードコート層であってもよい。

表面処理部３４は、第二の基盤３２の観測者側最表面に直接形成されていてもよいが、実施の形態１では薄い第三の基盤３５上に形成され、第一の接着層３６にて第二の基盤３２に貼合されている。この場合、第一の接着層３６には外光を吸収する顔料・染料などを含んでいても良い。また薄い第三の基盤３５はフィルム状の樹脂基材、例えばＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）やＴＡＣ（ＴｒｉＡｃｅｔｙｌＣｅｌｌｕｌｏｓｅ）を用いて構成されている。

第二の基盤３２は、基板が、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ ＭｅｔｈＡｃｒｙｌａｔｅ）、ＭＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｙｌａｔｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＭＢＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔａｃｙｌａｔｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）などの樹脂で形成され、少なくとも基盤厚みの半分より観測者に近い側に第二の光拡散部３３が離散的に複数（図１では２層）配置されていることを特徴とする。これは第二の基盤３２を成形する際に第二の光拡散部３３を層状に練り込んで一対成形するが、基盤がガラスの場合はフィルム状の第二の光拡散部３３を接着層で貼り合わせてもよい。この第二の光拡散部３３は少なくとも２層以上から構成され、その間隔はスクリーンに投影された画像を構成する投写画素の約１／１０とする。

図３にスクリーンと投写画素の関係を模式的に示す。
光源５１、照明光学系５２、ライトバルブ５３、投写光学系５４等からなるプロジェクタ５０が、透過型スクリーン１０に画像光２を投影する。スクリーンの高さをＨとすると、標準的な観測距離は高さの３倍となる。観測者１の視力を例として１．０、高さを例としてＨ＝１．０ｍとすると、観測者の分解能は約１ｍｍとなる。投写画素の大きさ１ｍｍは画面の高さ１ｍの１／１０００倍であり、いわゆるＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）の有効走査線数１０８０本もこれに準じている。本実施の形態１では、画面高さとして０．８ｍ＜Ｈ＜１．１ｍを想定しているため、０．７ｍｍ＜画素サイズ＜１．０ｍｍとする。尚、図３に示すように、透過型スクリーン１０とプロジェクタ５０とによって投写型表示装置が構成されている。また、図３中、フレネルプリズム周期２７は、鋸歯状に複数配置されたフレネルプリズムの周期であり、波面３は、フレネルレンズスクリーン２０から出射される画像光２の波面を示している。

図１に戻り、レンズ要素３１は、少なくとも、光源からの光を立体角に広げる台形状レンズ３７と外光を吸収する光吸収部３８と、これを保持する第四の基盤３９を備えている。この他、入光面側最表面に台形状レンズ３７の配光制御を補助する補助レンズ４０を配置しても良い。また、レンズ要素３１と第二の基盤３２とは、第二の接着層４１によって貼合されている。尚、実施の形態１では、最良の形態である台形状レンズ３７と光吸収部３８と第四の基盤３９と補助レンズ４０からなるレンズ要素３１で説明するが、後述する実施の形態２のレンズ要素であってもよい。

第二の光拡散部３３は、少なくとも二種類以上の粒径の異なる微粒子が媒質に分散して配置されている。最良の形態である実施の形態１では、第一の微粒子４２の粒径が光の波長λの１０〜２０倍（約５−１１μｍ）の範囲にあり、かつ、第二の微粒子４３の粒径が波長の５０〜１００倍（約２７−５３μｍ）の範囲にあることを特徴とする。但し、λは可視光の代表波長（５３０ｎｍ）とする。また微粒子の屈折率が、少なくとも媒質との屈折率差Δｎにおいて、Δｎ＜０．０３の範囲にあることを特徴とする。一般に、第二の基盤３２は樹脂やガラスで構成されていることから、その屈折率ｎは、１．４＜ｎ＜１．７に代表される範囲にある。そのため微粒子の屈折率は第二の基盤３２のそれよりわずか（Δｎ＜０．０３）にずれた範囲にあることとする。

このように構成された透過型スクリーン１０においては、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことが可能となる。これについて、以下、詳細に説明する。

先ず、画像光の散乱について簡単に説明する。
散乱問題は図４に示すように、微粒子に入射波を当てると、（吸収体がない限りエネルギー保存則より）その透過波と散乱（反射）波が発生する。このときの散乱波（図４では球面波近似で例示している）の振幅を散乱振幅と呼び、この振幅の角度特性から微分散乱断面積が求められる。これを全立体角で積分したものが散乱断面積で、当然のことながら前方散乱の位相のずれと相関がある（光学定理）。この散乱断面積は古典的な散乱問題の場合はπａ²（但し微粒子の半径をａとする）で表される。

ここでは可視光（波長λ＝３８０〜７８０ｎｍ）を考える。光は電磁波であり、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式に従う横波である。微粒子との相互作用はその波長λにより異なる。上記の散乱問題は近似的に解かれており、微粒子の特徴長さｌが〜０．０１λでは散乱しない（透明）、ｌ＜０．１λではＲａｙｌｅｉｇｈ散乱、ｌ＜１００λではＭｉｅ散乱、ｌ＞１００λでは屈折、反射など幾何的な振る舞いをすることとなる。尚、上記の散乱断面積もＲａｙｌｅｉｇｈ散乱の場合は波長の４乗に反比例するが、Ｍｉｅ散乱の場合はもっと複雑な波長依存性をもつ。尚、本論では波長λより小さい微粒子を扱わない為、Ｒａｙｌｅｉｇｈ散乱は考えない。

さて、微粒子の粒径ａ（ここでは５−５０μｍ）が小さいと、微粒子の散乱で光が立体角に広がりやすくなることについて図４で説明する。例えば、半径ａの開口に平面波が入射すると、Ｆｒｅｓｎｅｌ−Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆの回折積分より十分遠方（ｚ＞１）の波面の広がりはＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ回折で近似できるため、回折パターンは開口のＦｏｕｒｉｅｒ変換で表され、その広がりは粒径ａの逆数に比例することとなることが知られている。

また、可視光の範囲では、波長λが小さい方が相対的に散乱断面積が大きくなるため、短い波長（青色）が良く散乱し、長い波長（赤色）が散乱せず通り抜けやすいことになる。さらに屈折率ｎは媒質中の光の速度に関係し、屈折率差が大きくなると媒質中の曲がる角度も大きくなる。

ここで、光波のコヒーレンスについて簡単に説明する。一般にコヒーレンスとは位相・振幅に一定の関係がある波とされているが、初期位相、周波数（スペクトル）、波数（ベクトル量のため方向を示す）をひとまとめにして、これらの量（モード）が似ている状態にあるとコヒーレンスが高いとされる。反対にこれらのモードがばらばらな状態にあるとコヒーレンスが低いとされる。つまり位相が揃った光であったり、周波数が揃った光であったり、方向が揃った光であるとコヒーレンスが高くなる。例えば、レーザ光は初期位相が揃っていて、周波数幅が狭く（周波数が揃った光）、広がりの小さい（方向の揃った）光であるため、コヒーレンスが高い。反対に、白色光は初期位相がばらばらで、周波数幅が広く（例えば黒体放射スペクトルなど）、広がりも大きいため、コヒーレンスが低い（インコヒーレント）な光となる。これらコヒーレンスを定量的に表す指標の一つとして複素コヒーレンス度（Ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）があり、ここでのコヒーレンスとは複素コヒーレンス度のことを示唆する。

従来のように微粒子の粒径を小さく、もしくは屈折率差を大きくすると、上述したように、微粒子の散乱で光が立体角に広がりやすくなる。上記光波のコヒーレンスにて説明したように、広がった光波のコヒーレンスは広がる前より小さくなるため、ぎらつきが低減することとなる。しかしながら、波長λと散乱との関係で説明したように、散乱の波長依存性はむしろ相対的に大きくなるため、色味が赤くなる弊害がある。特に小さい微粒子の場合、衝突断面積が小さいため、微粒子の充填率を大きくしないと光波が散乱せずにそのまま通り抜けることになり、反対にぎらつきが増加する弊害もある。

しかしながら、本実施の形態１のように大きい微粒子（＝第二の微粒子４３）を追加して混合させると、その散乱光は小さい微粒子（＝第一の微粒子４２）と反対の効果を持つため、波長依存性が相対的に小さいため色味の良い（白色）で、かつ突き抜けの少ない散乱光を得ることが出来る。つまり小さい微粒子による不具合を補う効果をもつ。ここで、大きい微粒子、小さい微粒子の具体的な寸法について説明する。光の散乱、回折などの波動的な特性は、光の波長と相互作用をする対象の長さに依存する。ここで図５を用いて説明する。

図５は、およそ１０λ、８５λ、２５５λ（但し、λは可視光の代表波長（５３０ｎｍ）とする）の構造物（それぞれ相似形状の三角プリズム）を並べたものの前方透過率を示している。
実験事実より、１０λでは波長依存性が大きく、特に長波長（赤色）の透過率（つまり突き抜け）が大きいことがわかる。もちろん突き抜け成分を減らしたい場合は微粒子の充填率を増やせば良くなるが、全体的に拡散が強くなってしまう弊害があることは言うまでもない。つまり色味の良い拡散層を作る粒径の下限として１０λを使うと良い。他方、＞８５λでは色味の変化が小さいことが示される。粒径の上限としては、微粒子が大きいと、上記微粒子の特徴長さと散乱との関係で説明したように、幾何学的な振る舞いが大きくなる（＞１００λ）ため、粒の影ができたり、粒が目で認識されたりする不具合があり、そのため、〜８５λの範囲の微粒子を使うと良い。従って、光を適度に拡散させるのに適した第一の微粒子４２として、その下限の近傍１０〜２０λ（約５−１１μｍ）の範囲、色味を保つのに適した第二の微粒子４３として、その上限の近傍５０〜１００λ（約２７−５３μｍ）の範囲とするとよい。

次に、このように微粒子を配置するとぎらつきが低減することについて説明する。
先ず、ぎらつきの定量評価の指標について説明し、次に実測値について説明する。ぎらつきの指標にスペックルコントラストがよく使われる。スペックルコントラストは平均輝度に対する標準偏差の比で定義される量で、輝度の明暗のばらつき（即ち、ぎらつき）が大きいほど値が大きくなる。これは平均輝度で規格化した確率密度分布関数からも求めることができる。図６は確率密度分布関数６０の実測値の例で、横軸に平均輝度で規格化した輝度（つまり１が平均輝度となる）、縦軸に確率密度をとる。確率密度分布はその定義より、密度を積分すると全確率、すなわち１となる。スペックルコントラスト６１は定義より、この確率密度分布の広がりとなる。図７はスペックルコントラストσ＝０．７０７、０．５００、０．３１６、０．２２４、０．１００の計算例で、分布関数の広がりが狭いほど、スペックルコントラストσが小さくなることがわかる。

図８は、特徴長さとスペックルコントラストとの実験結果を示す説明図である。
図８の実験３は、実際に試作した１０λ、８５λ、２５５λ（但しλは可視光の代表波長（５３０ｎｍ）とする）の特徴的な長さの構造物（それぞれ相似形状の三角プリズム）を並べたものを部分コヒーレント（Ｐａｒｔｉａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）光で照明した時のスペックルコントラストの実測値である。基本的に特徴的な長さが小さい方がスペックルコントラストも小さくなるが、特徴的な長さを１０λまで小さくすると反対にスペックルコントラストが大きくなる結果を得ている。これは特徴的な長さを１０λまで小さくすると衝突断面積が小さくなる、もしくは波動的な特性の０次回折光が多くなるため、光波の方向が揃ったまま突き抜ける光が多くなり、結果照明光のコヒーレンスが高くなることで説明できる。もちろん、既に、説明したように、充填率を増やすことで回避もできるが、色味の劣化や、拡散が強くなって暗くなるような不具合も発生してしまう。そこで突き抜けしやすいが散乱すると良く広がる第一の微粒子と、色味がよく突き抜けしにくい第二の微粒子を、上述したように、それぞれ１０〜２０λ（約５−１１μｍ）の範囲、５０〜１００λ（約２７−５３μｍ）の範囲として混合させるとよい。

また、スクリーンの拡散層を離して配置する従来技術では、確かにぎらつきは低減し、またこの効果が絶大であるが、しかしながら像がぼやけてしまうという致命的な不具合を生じる。実施の形態１では、複数の微粒子を分散させた拡散層の少なくとも２層以上から第二の光拡散部３３が構成され、その間隔はスクリーンに投影された画像を構成する投写画素の約１／１０としている。既に説明したように、透過型スクリーン１０に投影される画像は、その最小単位として投写画素をもつ。実施の形態１では、画面高さＨとして０．８ｍ＜Ｈ＜１．１ｍを想定しているため、０．７ｍｍ＜画素サイズ＜１．０ｍｍとする。観測者１の視力を例として１．０、画面高さを例としてＨ＝１．０ｍとすると観測者の分解能は約１ｍｍとなるため、投写画素の大きさを１ｍｍより細かくしても観測者には分解出来ないことになる。つまり画素より細かい範囲で画像がぼやけても観測者が画像の劣化を認識するのは難しい。例えば、第二の基盤３２の第二の光拡散部３３はそれぞれ投写画素の約１／１０ほど離れて配置されていることから、光拡散部で画像がぼやけて、コヒーレンスが低減し、結果としてぎらつきも低減するが、像のぼやけは投写画素より小さい範囲のため、観測者に画像の劣化として認識されない効果がある。つまり、像を画像の最小単位である画素の範囲内でわずかにぼやかすことで、画像の劣化として認識されずにぎらつきを低減することが出来る。以上の理由から第二の光拡散部３３は少なくとも２層以上の拡散層から構成すると良い。

また、従来技術ではぎらつきを減らすのに、例えば粒径が小さく屈折率差が大きい微粒子を使って拡散を強くしたり、拡散層の間隔を広げたりすることで、像をぼかすと良いとされていた。一方、実施の形態１では光源からの光を観測者方向へ曲げるフィールドレンズの作用をするフレネルレンズを透過型スクリーンに用いている。このフレネルレンズスクリーン２０は、光源から広がった光を像表示要素３０へコリメートする機能を持つ。つまりフレネルレンズは画像の解像に寄与しないレンズのため、例えばレンズのピッチ（周期）を変更しても像がぼやけたりすることはない。しかしながら、実施の形態１ではこのフレネルレンズの周期を調整することで像表示要素３０を照明する光波のコヒーレンスを低減し、ぎらつきを低減することが可能となる。

実施の形態１の例について図９を用いて説明する。
図９は、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の拡大図で、斜線部が信号光束の光路である。最良の形態である入光面部分全反射式フレネルレンズ２４は、観測者１から見て背面側（光源側）にフレネルレンズが形成されている。即ち、この入光面部分全反射式フレネルレンズ２４は、発光体から照射される光線を屈折させる屈折面と、この屈折面で屈折された光線を反射する反射面とを有するフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置され、手前のフレネルプリズムに遮断されて発光体からの光線が直接照射されない非入射面が、複数のフレネルプリズムが配置されている基盤面と略平行に形成されているフレネル光学素子である。

このような入光面部分全反射式フレネルレンズ２４では、入光面（屈折面）で屈折し、向かいの斜面（反射面）で全反射した光束は観測者１側へ出光する。この時、連続な光束Ａ−Ｂ−Ｃは、Ｂ−ＡとＣ−Ｂに分割されることになる。つまり、フレネルプリズム周期２７を小さくすると、波面をフレネルレンズという小さい開口で細かく分割するため、光波の位相が不連続になり、間接的に空間的にコヒーレンスが低減する。コヒーレント照明、インコヒーレント照明にかかわらず、一般に開口が小さいと像がぼやけるが、ここでも投写画素という最小単位があるので、投写画素より細かい範囲で像をぼかしても、画像劣化の不具合は小さいことになる。つまり像を画像の最小単位である画素の範囲内でわずかにぼやかすことで、画像の劣化として認識されずにぎらつきを低減することが出来る。

ここで、際限なく開口、即ち、フレネルプリズム周期２７を小さくできるかというと、そうではない。フレネルレンズは周期性を持つため、波長の１０倍程度まで小さくすると周期的なレンズが回折格子として働くことになり、波長依存性が強くなる不具合がある。そのためフレネルレンズのピッチ（周期）ｍを色味の変化が小さく幾何的な振る舞いをする＞５０λ（約＞２７μｍ）で、かつ観測者に認識されない投写画素（Ｈ／１０８０）の１／１０（＝１００μｍ：Ｈ＝１ｍ）より小さくすると良い。

図８の実験１，２は、実際に試作したおよそ１６０λ、２００λ、２９０λ周期の入光面部分全反射式フレネルレンズ２４を拡散板と組み合わせて、部分コヒーレント光で照明した時のスペックルコントラストを測定したものである。実験１と実験２は同じ試作品を照明条件を変えて測定したものである。図のマークは一対比較できるように同一条件で測定した組を示している。少なくとも同一条件では特徴長さ（フレネルプリズム周期）が小さいほうがスペックルコントラストが小さいことが実験的に示されている。また図８の実験３の相似形状の三角プリズムのスペックルコントラストにおいても少なくとも＞１００λ、おそらく＞５０λのところまでは特徴長さが小さいほうがスペックルコントラストが小さいことが示されている。

更に、実施の形態１では観測者１の反対の光源側（入光面側）にレンズが形成された入光面部分全反射式フレネルレンズ２４を採用しているが、これによるコヒーレンスの低減について説明する。
図１０は、従来の出光面側屈折式フレネルレンズ２１、図１１は入光面側全反射式フレネルレンズ２３の拡大図であり、斜線部が信号光束の光路である。また、図９は、上述したように、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の拡大図である。従来の出光面側屈折式フレネルレンズ２１は、観測者１の方にフレネルレンズが形成されている。スクリーンに対して観測者１の反対側から連続的な光束Ａ−Ｂ−Ｃが入射してきたとすると、フレネルレンズで観測者方向に曲げられて出光することになる。この時、光束はＡ−ＢとＢ−Ｃに分割される。他方、入光面側全反射式フレネルレンズ２３と入光面部分全反射式フレネルレンズ２４では光束Ａ−Ｂ−Ｃは光束Ｂ−ＡとＣ−Ｂに分割されることになる。つまり光束が入光面側フレネルレンズ内部で上下反転し、波面の位相が不連続に分割される。図１１と図９を見て分かるように、入光面側全反射式フレネルレンズ２３と入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の機能はフレネルレンズによるコヒーレンスの低減について同等であるが、入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の方が製造性、迷光などの点で優れているため、最良の形態として入光面部分全反射式フレネルレンズ２４を採用している。このように入光面側全反射式フレネルレンズ２３、および入光面部分全反射式フレネルレンズ２４を採用することで、フレネルレンズ内部で光束が上下反転し、波面の位相が不連続に分割されることで、間接的に空間的コヒーレンスを低減することができるようになる。

以上のように、実施の形態１の透過型スクリーンによれば、発光体側から見て入光面側にプリズムが形成されたフレネル光学素子と、フレネル光学素子を保持する第一の基盤と、発光体から照射される画像光に発散角度を与えて拡げるレンズ要素を保持する第二の基盤とを順に配列した透過型スクリーンにおいて、フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を、第二の基盤の後段側に第二の光拡散手段を設けると共に、第一の光拡散手段と第二の光拡散手段とは所定の間隔を有するよう構成したので、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことができる透過型スクリーンを実現することができる。

また、実施の形態１の透過型スクリーンによれば、第二の光拡散手段は、少なくとも媒質との屈折率差Δｎが、Δｎ＜０．０３の粒径の異なる二種類の微粒子を分散して備え、二種類の微粒子のうち、第一の微粒子の粒径が代表的な光の波長の１０〜２０倍の範囲にあり、かつ、第二の微粒子の粒径が代表的な光の波長の５０〜１００倍の範囲にあるようにしたので、画像の劣化として認識されずにぎらつきを低減することが出来る。

また、実施の形態１の透過型スクリーンによれば、フレネル光学素子は、発光体から照射される光線を屈折させる屈折面と、屈折面で屈折された光線を反射する反射面とを有するフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置され、手前のフレネルプリズムに遮断されて発光体からの光線が直接照射されない非入射面が、複数のフレネルプリズムが配置されている基盤面と略平行に形成されているので、製造性が高く、かつ迷光等の点で優れた透過型スクリーンを実現することができる。

また、実施の形態１の透過型スクリーンによれば、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、代表的な光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあるようにしたので、画像の劣化として認識されずにぎらつきを低減することが出来る。

また、実施の形態１の投写型表示装置によれば、上記いずれかの透過型スクリーンと、透過型スクリーンに画像光を照射する発光体とを備えたので、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことができる投写型表示装置を実現することができる。

また、実施の形態１の画像表示方法によれば、発光体側から見て入光面側にプリズムが形成されたフレネル光学素子と、フレネル光学素子を保持する第一の基盤と、発光体から照射される画像光に発散角度を与えて拡げるレンズ要素を保持する第二の基盤とを順に配列し、フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を、第二の基盤の後段側に第二の光拡散手段を設けた透過型スクリーンを用い、第一の光拡散手段より出射される画像光か、または、第二の光拡散手段から出射される画像光のうち、少なくともいずれか一方の画像光を、投写画素の大きさの範囲内でぼかすようにしたので、スペックルによる画像劣化を低減しつつ、色温度が高く、解像力が高い画像表示を行うことができる。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２の透過型スクリーン１０ａを示す構成図である。
実施の形態１ではレンズ要素３１は台形状レンズ３７と光吸収部３８と第四の基盤３９と補助レンズ４０から構成されていたが、図１２に示すように、楕円状レンズ４４とそれを保持する第四の基盤３９、および光吸収部４５から構成されていてもよく、これを実施の形態２として説明する。尚、これ以外の構成は、図１に示した実施の形態１の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態２では、光吸収部４５は大気との屈折率差（Δｎ〜０．５程度）を利用して、フレネルレンズスクリーン２０からの画像光の吸収は少なく（光吸収部４５を通る光路長を短く）、外光は多く吸収する（光吸収部４５を通る光路長を長くする）。このように構成すると、レンズ要素３１ａの構成が単純になるため、歩留まりなどの改善に効果がある。

実施の形態３．
図１３は、実施の形態２の透過型スクリーン１０ｂを示す構成図である。
実施の形態１では、フレネルレンズスクリーン２０と像表示要素３０とが間隔を空けて配置されていたが、図１３に示すように第三の接着層４６にて各々を貼合してもよく、これを実施の形態３として説明する。尚、これ以外の構成は、図１に示した実施の形態１の構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。また、この場合、実施の形態１に用いられていた補助レンズ４０を取り除いてもよく、図示例はこの形態を示している。
このように、実施の形態３では、フレネルレンズスクリーン２０と像表示要素３０とを第三の接着層４６にて貼合した構成としたので、フレネルレンズスクリーン２０と像表示要素３０の合計の厚みが、各々単体よりも当然ながら増加するため、たわみにくくなるという効果がある。

実施の形態４．
図１４は、実施の形態４の投写型表示装置を示す構成図である。
実施の形態１の例では、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあるようにした。これにより、画像の劣化として認識されずにぎらつきを低減することができるが、像表示要素３０側でもレンズ要素のレンズ周期を最適な値とすることにより更に大きな効果を得ることができる。即ち、実施の形態４は、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあり、かつ、レンズ要素のレンズ周期が、光の波長λの＞１０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあるようにしたものである。ここで、レンズ要素は、周期性を持つレンズ要素であれば、実施の形態１で説明した台形状レンズ３７を有するレンズ要素３１、または実施の形態２で説明した楕円状レンズ４４を有するレンズ要素３１ａのいずれであっても良い。また、第二の光拡散部３３の微粒子は実施の形態１に準ずると更に良いことは言うまでもないが、ここでは微粒子については特定しない。尚、図１４において、その他の構成は実施の形態１〜３のいずれかと同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

先ず、レンズ要素３１（３１ａ）の周期構造に注目する。レンズ要素３１（３１ａ）の周期が小さいものはいずれの測定も、周期の大きいものよりスペックルコントラストが小さいことが実験的に示されている。図１５は周期とスペックルコントラストとの関係を示す図であり、図中、□で示す値は、実際に試作したおよそ２０λ、５５λ、９５λ、１５０λ（但しλは可視光の代表波長（５３０ｎｍ）とする）の特徴的な長さの構造物（それぞれ相似形状の三角プリズム）を並べたものにマット表面の拡散板を組み合わせてコヒーレント光で照明した時のスペックルコントラストの実測値である。また、図中、＋で示す値は、同様に１０λ、８５λ、２５５λの構造物とする。図中の□は、構造物の周期に対する高さの比が２５：２で、以下、これを実験例１とする。また、図中の＋は、構造物の周期に対する高さの比が９：２で、以下、これを実験例２とする。

図１５において、□、＋ともに基本的に特徴的な長さが小さい方がスペックルコントラストが小さくなっていることが分かる。しかし、図中の＋のように、１０λまで小さくすると、波動的な特性の０次回折光が多くなるため、光波の方向が揃ったまま突き抜ける光が多くなるため、コヒーレンスが高くなりスペックルコントラストが大きくなる。
光の回折現象では、構造物の周期は回折の方向、構造物の高さは効率（反射率、または透過率）に影響する。構造物の高さが０の極限では構造物が無いのと等価になるため、構造物による光の回折は生じない。ここで、実験例１（図の□）は実験例２（図の＋）に比べ相対的に構造物の高さが小さいので、回折の効率も相対的に小さいと考えられる。つまり実験例１（図の□）は実験例２（図の＋）に比べて波動的な影響を受けにくいため、波動的な特性の０次回折光、これは光波の方向が揃ったまま突き抜ける光、の発生が相対的に少なくなることから、コヒーレンスが高くならず、周期が２０λまで小さくてもスペックルコントラストが小さくなっていると考えられる。

以上をまとめると、レンズ要素３１（３１ａ）の周期が小さい方が周期の大きいものよりスペックルコントラストが小さいことが実験的に示されるが、スペックルコントラストが最小になる周期は構造物のアスペクト比に依存し、波動的な影響があっても小さい範囲、少なくとも１０λより大きい必要がある。つまり投写画素の＜１／１０より小さく、１０λより大きい範囲とするのが良い。

次に、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期と、レンズ要素３１（３１ａ）の周期構造の組み合わせについて注目する。
図１６は、レンズ要素の周期毎のフレネルプリズム周期とスペックルコントラストとの関係を示す図である。図中の実験４、５、６は、実際に試作したおよそ１０５λ、２１０λ、２９０λ周期の入光面部分全反射式フレネルレンズ２４を像表示要素３０と組み合わせて、部分コヒーレント光で照明した時のスペックルコントラストを測定したものである。実験４、５，６は同じ試作品を露光条件を変えて測定したものである。図の横軸はフレネル光学素子のフレネルプリズム周期（入光面部分全反射式フレネルレンズ２４の周期）、縦軸はスペックルコントラストとする。組み合わせたレンズ要素として、レンズ要素３１（３１ａ）の周期（およそ１２２λ）が相対的に大きいものを■、レンズ要素３１（３１ａ）の周期（およそ８５λ）が相対的に小さいものを□とする。図からフレネル光学素子のフレネルプリズム周期が小さいとスペックルコントラストが小さく、またレンズ要素３１（３１ａ）の周期の周期が小さいとスペックルコントラストが小さくなることが分かる。

即ち、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期による効果と、レンズ要素３１（３１ａ）の周期構造による効果は、これらを組み合わせると更に効果を発揮する。実施の形態１では、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあるようにしているが、実施の形態４では、更に、レンズ要素３１（３１ａ）の周期を１０λより大きく、かつ投写画素の＜１／１０より小さくしているので、よりスペックルコントラストが小さくなり、更にぎらつきを低減することが可能となる。

図１７は、図１４で示した投写型表示装置において、プロジェクタ５０と透過型スクリーン１０との間の光路に反射鏡１００を配置した例であり、この反射鏡１００は、透過型スクリーン１０と略平行方向に配置されている。その他の構成は図１４と同様であるため、ここでの説明は省略する。
また、図１８は、同様に透過型スクリーン１０に対して略垂直方向に反射鏡１０１を配置したものである。図１８においても、その他の構成は図１４と同様である。これら図１７，１８に示す構成において、透過型スクリーン１０に入射される画像光は、それぞれの図中に破線で示した反射鏡１００（１０１）が無い場合のプロジェクタ５０から画像光と同等である。
更に、図１７および図１８の構成において、反射鏡１００，１０１を光路中に複数設けてもよい。
また、図１７および図１８の構成において、透過型スクリーン１０の構成は、実施の形態３で示したものであっても同様に適用可能である。

以上のように、実施の形態４の透過型スクリーンによれば、フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、代表的な光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあり、更に、レンズ要素のレンズ周期が、光の波長λの＞１０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあるようにしたので、よりスペックルコントラストが小さくなり、更にぎらつきを低減することが可能となる。

１ 観測者、２ 画像光、３ 波面、１０、１０ａ，１０ｂ 透過型スクリーン、２０ フレネルレンズスクリーン、２１ 出光面側屈折式フレネルレンズ、２２ 混合式フレネルレンズ、２３ 入光面側全反射式フレネルレンズ、２４ 入光面部分全反射式フレネルレンズ、２５ 第一の基盤、２６ 第一の光拡散部、２７ フレネルプリズム周期、３０，３０ａ 像表示要素、３１，３１ａ レンズ要素、３２ 第二の基盤、３３ 第二の光拡散部、３４ 表面処理部、３５ 第三の基盤、３６ 第一の接着層、３７ 台形状レンズ、３８，４５ 光吸収部、３９ 第四の基盤、４０ 補助レンズ、４１ 第二の接着層、４２ 第一の微粒子、４３ 第二の微粒子、４４ 楕円状レンズ、４６ 第三の接着層、５０ プロジェクタ、５１ 光源 ５２ 照明光学系、５３ ライトバルブ、５４ 投写光学系、６０ 確率密度分布関数、６１ スペックルコントラスト、１００，１０１ 反射鏡。

Claims (7)

1. 発光体側から見て入光面側にプリズムが形成されたフレネル光学素子と、当該フレネル光学素子を保持する第一の基盤と、前記発光体から照射される画像光に発散角度を与えて拡げるレンズ要素を保持する第二の基盤とを順に配列した透過型スクリーンにおいて、
   前記フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を、前記第二の基盤の後段側に第二の光拡散手段を設けると共に、前記第一の光拡散手段と前記第二の光拡散手段とは所定の間隔を有することを特徴とする透過型スクリーン。
2. 第二の光拡散手段は、少なくとも媒質との屈折率差Δｎが、Δｎ＜０．０３の粒径の異なる二種類の微粒子を分散して備え、当該二種類の微粒子のうち、第一の微粒子の粒径が代表的な光の波長の１０〜２０倍の範囲にあり、かつ、第二の微粒子の粒径が代表的な光の波長の５０〜１００倍の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の透過型スクリーン。
3. フレネル光学素子は、発光体から照射される光線を屈折させる屈折面と、当該屈折面で屈折された光線を反射する反射面とを有するフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置され、手前のフレネルプリズムに遮断されて上記発光体からの光線が直接照射されない非入射面が、複数のフレネルプリズムが配置されている基盤面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の透過型スクリーン。
4. フレネル光学素子のフレネルプリズム周期が、代表的な光の波長λの＞５０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあることを特徴とする請求項３記載の透過型スクリーン。
5. レンズ要素のレンズ周期が、光の波長λの＞１０倍で、かつ投写画素の＜１／１０の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の透過型スクリーン。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の透過型スクリーンと、当該透過型スクリーンに画像光を照射する発光体とを備えた投写型表示装置。
7. 発光体側から見て入光面側にプリズムが形成されたフレネル光学素子と、当該フレネル光学素子を保持する第一の基盤と、前記発光体から照射される画像光に発散角度を与えて拡げるレンズ要素を保持する第二の基盤とを順に配列し、前記フレネル光学素子の後段側に第一の光拡散手段を、前記第二の基盤の後段側に第二の光拡散手段を設けた透過型スクリーンを用い、
   前記第一の光拡散手段より出射される画像光か、または、前記第二の光拡散手段から出射される画像光のうち、少なくともいずれか一方の画像光を、投写画素の大きさの範囲内でぼかすことを特徴とする画像表示方法。

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