JP2012073653A - 透過型スクリーン及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像光の明るさを保持したままスペックルを低減することができる透過型スクリーン及び投写型表示装置を得ることを目的とする。
【解決手段】フレネルレンズスクリーン７から出射された画像光の波面を分割して、その波面の位相を変調する波面分割位相変調部材２１を光拡散部材１０の手前に配置する。あるいは、光拡散部材１０により拡散された画像光の空間周波数を変調する空間周波数変調部材２２を光拡散部材１０の出光面側（観測者側）に配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プロジェクタから照射された画像光を観測者側に折り曲げるフレネル光学部材と、その画像光を拡散する光拡散部材とが組み合わされている透過型スクリーンと、その透過型スクリーンを実装している投写型表示装置とに関するものである。

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。
従来の投写型表示装置は、図２５に示すように、ライトバルブ３を照明する照明光学系２と、画像信号に応じて光量を調整して画像光を生成するライトバルブ３と、ライトバルブ３により生成された画像光を照射して、画像を透過型スクリーン６に投影する投写光学系４とから構成されたプロジェクタ１を備えている。

また、投写型表示装置は、観測者から見て透過型スクリーン６の背面から画像光を投影する背面投写型と、観測者から見て透過型スクリーン６の手前から画像光を投影する前面投写型とに分類される。
背面投写型の投写型表示装置に用いられる透過型スクリーン６は、図２５に示すように、プロジェクタ１から照射された画像光を観測者側に折り曲げるフレネル光学部材であるフレネルレンズスクリーン７と、その画像光に発散角度を与えて広げる光拡散部材１０とから構成されている。

フレネルレンズスクリーン７を構成するフレネルレンズ９は、一般に投写画素より細かい周期（例えば、画素の１／１０）で作られるため、厚み方向が非常に薄いものになる（例えば、プリズム部を含む厚みが１００ミクロン）。
また、フレネルレンズスクリーン７は、厚み方向が非常に薄いフレネルレンズ９を保持するためのフレネルレンズ基盤８を備えている。
フレネルレンズ基盤８は、ＰＭＭＡ、ＭＳ、ＰＣなどの樹脂やガラスで作られることが多く、フレネルレンズ９は、フレネルレンズ基盤８に直接形成されることが多い。
図２５では、フレネルレンズ９がフレネルレンズスクリーン７の出光面側に形成される出光面側フレネルレンズの例を示しているが、図２６に示すように、フレネルレンズ９がフレネルレンズスクリーン７の入光面側に形成される入光面側フレネルレンズの例もある。

光拡散部材１０は、少なくともレンズ要素１１と光拡散シート１２から構成され、一般にレンチキュラースクリーンと呼ばれる。
図２５の例では、反射鏡５が実装されているが、図２６に示すように、反射鏡５が実装されていないものもある。

プロジェクタ１から照射された画像光を透過型スクリーン６を通じて観測すると、光拡散部材１０の表面の凹凸又は内部の屈折率分布、位相分布及び透過率分布が画像光の波長より大きなゆらぎを有するため、無数の明暗の斑点（ぎらつき）が無秩序に認識される。
この明暗の斑点は、一般にスペックル、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。

以下の特許文献１には、スペックルを低減するために、フレネルレンズスクリーン７の光源側にスペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズを配置する例が開示されている。
スペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズを配置することにより、プロジェクタ１から照射された画像光に発散角度θｖが与えられ、発散角度θｖが与えられた画像光は、フレネルレンズスクリーン７とレンズ要素１１の距離を伝搬する間に、その伝搬距離ｔ０に比例して広がり、ブラックストライプ層より光源側にある光拡散シート１２を照明する。
このように、プロジェクタ１から照射された画像光は、スペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズによって、フレネルレンズスクリーン７とレンズ要素１１の距離を伝搬する間に広げられるが、伝搬距離ｔ０が短い場合、スペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズが与える発散角度θｖを大きくする必要がある。

図２６に示すように、フレネルレンズ９がフレネルレンズスクリーン７の入光面側に形成される場合、フレネルレンズスクリーン７の入光面側にスペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズを配置することができないため、フレネルレンズスクリーン７の出光面側にスペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズを配置する必要がある。
レンズ要素１１の厚みは、せいぜい数１００ミクロンであり、伝搬距離ｔ０のほとんどをフレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ基盤８が担っているので、仮に、伝搬距離ｔ０が３ミリから、１０分の１の３００ミクロンになるとすると、１０倍の発散角度θｖが必要になる。

プロジェクタ１から照射された画像光は発散角度θｖに比例して広がるが、エネルギー保存則によって全画像光が保存されるため、広がる分だけ画像光が暗くなる問題が発生する。
一般にプロジェクタのスクリーンは、「明るくて、視野角が広い」ものが望まれるが、エネルギー保存則より両者はトレードオフの関係にあり、この配分を無視して画像光を広げることができない。

なお、スペックル現象は、上述したように、光拡散部材１０の表面の凹凸又は内部の屈折率分布、位相分布及び透過率分布のゆらぎが起源であり、ゆらぎ構造を透過した画像光、即ち、画像光の波面がゆらぎ構造によって乱され、その結果として、明暗の斑点が形成される。
このゆらぎ構造の特徴的な長さ（規則的にゆらいでいる場合、例えば、ゆらぎの周期）が問題になる。

特開２００４−１７１０１１号公報（段落番号［００４０］から［００５１］、図１１）

従来の投写型表示装置は以上のように構成されているので、スペックル妨害低減用マイクロレンチキュラーレンズを配置すれば、プロジェクタ１から照射された画像光に発散角度θｖを与えることにより、スペックルを低減することができるが、その画像光に大きな発散角度θｖを与えると、その画像光が暗くなってしまうなどの課題があった。

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、画像光の明るさを保持したままスペックルを低減することができる透過型スクリーン及び投写型表示装置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、発光体から照射された画像光を入射して、上記画像光を所定の方向に出射するフレネル光学部材と、画像光を拡散する光拡散部材とを順に備えた透過型スクリーンにおいて、上記光拡散部材は、少なくとも表面に凹凸形状を有する光拡散層が形成されている光拡散シート、または、シート媒質と異なる屈折率を有する粒径の光拡散ビーズが配置されている光拡散シートの少なくとも一方から構成され、上記フレネル光学部材の入射面には、発光体から照射された画像光を屈折させる屈折面及び上記屈折面で屈折された画像光を反射させる反射面を有する全反射プリズムが鋸刃状に複数配置され、上記フレネル光学部材の出光面側には、曲面あるいは平面が連接されて構成される形状を周期的に有した構造を備え、上記曲面又は平面が連接されて構成される形状の単位周期が、画像光を形成する光の波長より長く、画像光を形成する投写画素より小さく、上記光拡散部材を構成する凹凸形状、もしくは、上記光拡散ビーズの粒径の特徴的な長さと同等以下であることを特徴とするものである。

この発明によれば、発光体から照射された画像光を入射して、上記画像光を所定の方向に出射するフレネル光学部材と、画像光を拡散する光拡散部材とを順に備えた透過型スクリーンにおいて、上記光拡散部材は、少なくとも表面に凹凸形状を有する光拡散層が形成されている光拡散シート、または、シート媒質と異なる屈折率を有する粒径の光拡散ビーズが配置されている光拡散シートの少なくとも一方から構成され、上記フレネル光学部材の入射面には、発光体から照射された画像光を屈折させる屈折面及び上記屈折面で屈折された画像光を反射させる反射面を有する全反射プリズムが鋸刃状に複数配置され、上記フレネル光学部材の出光面側には、曲面あるいは平面が連接されて構成される形状を周期的に有した構造を備え、上記曲面又は平面が連接されて構成される形状の単位周期が、画像光を形成する光の波長より長く、画像光を形成する投写画素より小さく、上記光拡散部材を構成する凹凸形状、もしくは、上記光拡散ビーズの粒径の特徴的な長さと同等以下であるように構成したので、画像光の明るさを保持したままスペックルを低減することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す構成図である。 干渉縞の重なり結果を示す説明図である。 光学的不変量を説明する説明図である。 光学系の模式図とスクリーンの関係を示す説明図である。 光学系の模式図とスクリーンの関係を示す説明図である。 光拡散シート１２の内部を示す説明図である。 光拡散シート１２の内部を示す説明図である。 光拡散シート１２の内部を示す説明図である。 光拡散シート１２の内部を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による他の投写型表示装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による他の投写型表示装置を示す構成図である。 図１０の透過型スクリーン６の製法を示す説明図である。 図１０の透過型スクリーン６の製法を示す説明図である。 図１０の透過型スクリーン６の製法を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による投写型表示装置を示す構成図である。 空間周波数変調部材２２が鋸刃状プリズム２２ａである場合の光束の経路を示す説明図である。 空間周波数変調部材２２が鋸刃状プリズム２２ａである場合の光束の経路を示す説明図である。 空間周波数変調部材２２を伝搬する画像光を示す説明図である。 プロジェクタ１の投写光学系３の光軸と、透過型スクリーン６のフレネルレンズスクリーン７との関係を模式的に示す説明図である。 光束Ａ，Ｂは入射角θを示す説明図である。 光拡散部材１０の構成例を示す斜視図である。 光拡散部材１０の構成例を示す斜視図である。 光拡散部材１０の構成例を示す斜視図である。 光拡散部材１０の構成例を示す斜視図である。 従来の投写型表示装置を示す構成図である。 従来の投写型表示装置を示す構成図である。 従来の投写型表示装置を示す構成図である。 従来の投写型表示装置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による投写型表示装置を示す構成図であり、図において、プロジェクタ１は画像光を照射する発光体であり、プロジェクタ１は画像信号に応じて光量を調整して画像光を生成するライトバルブ３と、そのライトバルブ３を照明する照明光学系２と、そのライトバルブ３により生成された画像光を照射して、画像を透過型スクリーン６に投影する投写光学系４とから構成されている。
透過型スクリーン６はフレネルレンズスクリーン７と光拡散部材１０から構成されている。
透過型スクリーン６のフレネルレンズスクリーン７はプロジェクタ１から照射された画像光を入射して、その画像光を所定の方向に出射するフレネル光学部材である。
フレネルレンズスクリーン７はフレネルレンズ基盤８とフレネルレンズ９から構成されており、厚み方向が非常に薄いフレネルレンズ９がフレネルレンズ基盤８に保持されている。

波面分割位相変調部材２１はフレネルレンズスクリーン７から出射された画像光の波面を空間的に細かく分割して、その波面の位相を変調する部材（波面に傾き、もしくは、光路長差を与える部材）であり、波面分割位相変調部材２１の面形状は、例えば、凸レンズ形状、凹レンズ形状、正弦波状のような曲面から構成されるものや、格子状、鋸刃状のような平面から構成されるものでもよい。
光拡散部材１０は波面分割位相変調部材２１により波面の位相が変調された画像光を拡散する部材であり、光拡散部材１０は少なくともレンズ要素１１と光拡散シート１２から構成され、一般にレンチキュラースクリーンと呼ばれる。

次に動作について説明する。
最初に、スペックル、もしくは、シンチレーションと呼ばれる現象が透過型スクリーン６で見られる原因について説明する。
物体の表面が光の波長のスケールに対して粗い凹凸を持つ場合、物体の表面で散乱、透過、反射したコヒーレント照明光の像が現れる。
これは異なる散乱点から発生した多数の振幅分布（強度分布ではない）の重畳からなされるものであり、光源の持つコヒーレンスによる干渉で説明することができる。

ここでは、説明の簡単化のため、下記の式（１）で表される単色波Ｅ_jkの重ね合わせを考える。
Ｅ_j（ｒ，ｔ）＝Ｒｅ［Ｅ_jkｅｘｐｉ（ｋｒ−ωｔ＋δ_jk）］ （１）
ただし、ｋは波数、ｒは位置、ωは角周波数、ｔは時間、δは位相である。
例えば、下記の式（２）に示すように、２つの単色波がある点で重なり合う状態では、単色波の強度の時間平均＜Ｅ²＞は、下記の式（３）で表される。
Ｅ＝Ｅ₁＋Ｅ₂ （２）
＜Ｅ²＞＝＜Ｅ₁ ²＞＋＜Ｅ₂ ²＞＋２＜Ｅ₁Ｅ₂＞ （３）
なお、単色波の強度の時間平均＜Ｅ²＞には、下記の式（４）に示すような干渉項、即ち、２＜Ｅ₁Ｅ₂＞が付加されていることから、各々の偏光や位相差によって強度が変化することになる。
２＜Ｅ₁Ｅ₂＞＝ΣＥ_1kＥ_2kｃｏｓ（δ_2k−δ_1k） （４）
ただし、Σはｋ＝１〜３まで足し和させる加算記号である。

一方で、例えば、遠方にある天体からの光を地上から観測する場合もスペックルを観測することがある。
天体からの光とレーザ光源の違いについて説明すると、天体からの光のスペクトルは連続でインコヒーレントであり、レーザ光源のスペクトルは単色でコヒーレントである。
図２に示すように、間隔ｄのスリットと、有限の大きさＤのインコヒーレントな単色光源があり、その単色光源の上端を仮想的に第一の光源３１、単色光源の下端を仮想的に第二の光源３２として、第一の光源３１と第二の光源３２から光が出る場合を考える。
第一の光源３１からの光は、異なる光路を通るため実線の干渉縞を作り、第二の光源３２からの光も同様に破線の干渉縞を作る。
それぞれの干渉縞の原点は、単色光源の位置の差Ｄが小さければ、干渉縞の原点のずれも小さくなる。

第一の光源３１と第二の光源３２は、互いに相関がないので、実線の干渉縞と破線の干渉縞の重ね合わせは、振幅でなく、単純に強度の重ね合わせになる。
スリット間隔ｄが小さい場合、干渉縞の周期が逆に大きくなるので、干渉縞の原点のずれが周期に比べて小さい。このため、強度が足し合わされた結果、一点鎖線の縞のように強め合うことになる。
反対にスリット間隔ｄが大きい場合、干渉縞の周期が逆に小さくなるので、干渉縞の原点のずれが周期に比べて大きい。このため、強度が足し合わされた結果、山と谷が打ち消し合って均一化されることになる。

有限の大きさＤを持つ単色光源からの波面は、大きさＤ／ｚの傾きを有し、スリット間隔ｄだけ離れた位置で、光路長差が１λと同等以下であれば干渉性を有する。
Ｄｄ／ｚ≦λ （５）
また、この干渉性を保つ長さｄは、下記の式（６）で表される。
ｄ≦λｚ／Ｄ〜λＦ （６）
ただし、ＦはＦナンバーであり、光束の広がりの逆数Ｆ〜ｚ／Ｄを表している。したがって、光束の広がりが狭いほど（Ｆナンバーが大きいほど）、干渉性を保つ長さｄが大きくなる。

ここで、光学的不変量について説明する。
図３は光学的不変量を説明する説明図である。
図３では、大きさｙ₁の物体がレンズ４１によって大きさｙ₂の像を形成する例を示している。
このとき、像の大きさと見込み角θの関係は証明を省略するが、下記の式（７）の関係式で表される。
ｙ₁θ₁＝ｙ₂θ₂ （７）
この関係式は、像の大きさと見込み角θの積が光学系の中で不変であることを示しており、「Ｈｅｌｍｈｏｌｚ−Ｌａｇｒａｎｇｅ」の不変量と呼ばれ、厳密には近軸理論で成立する。
例えば、像の大きさをｙ₂＜ｙ₃＜ｙ₄すると、見込み角θは順にθ₂＞θ₃＞θ₄となることが分る。
つまり、光束の広がりは、光学系の横倍率βに反比例して小さくなることが分る。
β＝ｙ₂／ｙ₁ （８）
プロジェクタ光学系の倍率は、一般に５０〜１００倍といった高倍率なものが多いため、光束の広がりはそれに反比例して小さくなる。

次に、背面投写型表示装置の光学系とスクリーンの関係について説明する。
図４は光学系の模式図とスクリーンの関係を示す説明図である。
図４では、照明光学系（図示せず）からの照明光をプロジェクタ１のライトバルブ３で画像を作り、この画像を投写光学系４である仮想投写レンズ４２で、仮想コンデンサレンズ４３を介して光拡散部材１０まで投影する。
このとき、背面投写型表示装置のスクリーンの大きさが大きい場合には（例えば、１メートル四方の大きさ）、仮想コンデンサレンズ４３として、フレネル光学素子であるフレネルレンズスクリーン７が用いられる。
画像は、投写光学系の横倍率β＝ｙ₂／ｙ₁で拡大されるので、光束の広がり（見込み角θ₂）は１／β倍になり、干渉性を保つ長さｄは、下記の式（９）で表される。
ｄ≦λＦβ （９）
例えば、投写光学系の倍率β＝１００倍、照明光学系のＦナンバーＦ＝３．５、波長λ＝５３０ｎｍとすると、干渉性を保つ長さｄは、ｄ＜１８６ミクロンとなる。
距離ｄは、倍率βやＦナンバーに比例するため、Ｆナンバーと横倍率βが大きいほど（光束の広がりが狭いほど）、大きくなる。

光拡散部材１０には、例えば、表面の凹凸で画像光を拡散させる表面拡散タイプのほか、媒質と異なる屈折率を有する様々な粒径のビーズが混在し、粒径のビーズが画像光を拡散させる体積拡散タイプのものなどがある。
表面の凹凸やビーズの特徴的な長さは、可視光の波長（約、３８０−７８０ｎｍ）より大きく、せいぜい１〜５０ミクロン、実際には、５〜２０ミクロン程度が主流である。
照明される面（被照面）の表面等のゆらぎの特徴的な長さが、干渉性を保つ長さｄと比べて十分小さい場合、空間的なコヒーレンスから、画像光が部分的にコヒーレントな照明光となるため、明暗の斑点であるスペックルノイズが発生することになる。
証明は省略するが、上記の単色光の議論は、振幅でなく、強度の重ね合わせであることから、準単色光等の帯域幅を有する光源に適応することも可能である。
以上から、インコヒーレント光源であっても、有限の大きさを持つ光源の空間的なコヒーレンスから、部分的にコヒーレントな照明になり、振幅でなく、強度の重ね合わせでスペックル現象を説明することができる。
レーザ光源は、狭い帯域幅を有する準単色光源のため、仮にレーザ光源の持つ高いコヒーレンスを何らかの手段で低減したとしても、上記の議論からスペックルが観測される。

明暗の斑点であるスペックルノイズの発生を低減するには、上記の議論から明らかなように、光拡散部材１０に入射する画像光を広げればよい。即ち、光拡散部材１０の入射波面に様々な傾斜を与えればよい。
図５は光学系の模式図とスクリーンの関係を示す説明図である。
図５では、フレネル光学素子と等価な仮想コンデンサレンズ４３と光拡散部材１０の間に、波面分割位相変調部材２１を挿入するようにしている。
図５では、説明の簡単化のため、波面分割位相変調部材２１を小さいレンズで表しているが、凸レンズ形状、凹レンズ形状、正弦波状のような曲面から構成されているものでもよいし、格子状、鋸刃状のような平面から構成されているものでもよい。
これは、光拡散部材１０の手前で波面を空間的に細かく分割し、かつ、波面に傾き、もしくは、光路長差を与えることを目的とするからである。

また、図５の波面分割位相変調部材２１は、Ｖ断面が波面分割位相変調部材２１の形状のＨ方向に長いレンズ（断面が円弧の場合には、シリンドリカルレンズ）をＶ方向に配列している例を示しているが、Ｈ断面が波面分割位相変調部材２１の形状のＶ方向に長いレンズをＨ方向に配列したり、この双方を二層に積み重ねたり、Ｈ、Ｖ断面が波面分割位相変調部材２１の形状の二次元のマイクロレンズを配列してもよい。
ここで重要なのは、波面分割位相変調部材２１の単位長さが、投写画素より小さい必要があるが、上記の議論より、ゆらぎ構造の特徴長さと同等、できれば、それ以下にするのが望ましい。

図６及び図７は光拡散シート１２の内部を示す説明図である。
図６では、光拡散シート１２として、屈折率が異なる様々な粒子径の光拡散ビーズ５２が光拡散シート媒質５１に配置されている例を示している。
ここでは、説明の簡単化のため、広がりが小さい平面波が光拡散シート１２に入射する場合を考える。
干渉性を保つ長さｄが、光拡散ビーズ５２の粒子径と比べて十分大きい場合（例えば、干渉性を保つ長さｄが２００ミクロンで、光拡散ビーズ５２の粒子径が２０ミクロン）、光拡散シート１２を透過した画像光の波面には、明暗の斑点であるスペックルが観察されることになる。

一方、図７では、光拡散シート１２の手前に波面分割位相変調部材２１が配置されている例を示している。
ここでは、説明の簡単化のため、波面分割位相変調部材２１が周期ｐの格子構造である場合を考える。
なお、周期ｐは波長λより十分大きく、光拡散ビーズ５２の粒子径より小さいか、同等の大きさとする。
この場合、波面分割位相変調部材２１を透過した画像光は、格子構造で光路長差が発生するが、上述したように、画像光が広がることはないので、干渉性を保つ長さｄが小さくなる効果はないが、画像光の波面が空間的に分割されているため、分割後の各々の波面の光路長に差が生じて、明暗の斑点のパターンが変わることになる。

図７では、波面分割位相変調部材２１の面形状が、平面が連接されている形状であるものを示したが、図８及び図９では、波面分割位相変調部材２１の面形状が、曲面が連接されている形状であるものを示している。
画像光の波面は、波面分割位相変調部材２１の長さで空間的に分割され、かつ、波面に傾斜と位相差が与えられる。
この場合、上述の議論から明らかなように、干渉性を保つ長さｄが小さくなる効果を有する。
また、画像光の波面が長さｐの波面に分割されているので、明暗の斑点パターンが変わることになる。

波面分割位相変調部材２１の面形状が曲面である場合（図８を参照）、波面分割位相変調部材２１の面形状が平面である場合と異なり、波面に傾斜が与えられているので、分割された波面同士が重ね合わせとなる。
即ち、波面に傾斜もしくは位相差を与えるだけでなく、空間的に細かく分割することで、様々な波面の重ね合わせによる平均化によって、波面の山と谷が打ち消し合って均一化される。

他方、波面分割位相変調部材２１の長さが揺らぎ構造（光拡散シート媒質５１に屈折率が異なる光拡散ビーズ５２が配置）に対して相対的に大きい場合（図９を参照）、光拡散部材１０に入射する画像光を広げることができるため（光拡散部材１０の入射波面に様々な傾斜を与えることができるため）、干渉性を保つ長さｄが小さくなる効果を有するが、様々な波面の重ね合わせによる平均化の効果がないことが分る。

以上より、フレネルレンズスクリーン７と光拡散部材１０の間に波面分割位相変調部材２１を配置すれば、スペックルの低減が可能になるが、実際には、スクリーンが複数の光学部材から構成されているため、各々の光学部材が持つ機能を低下させることがないよう配慮する必要がある。
透過型スクリーン６は、少なくともフレネルレンズスクリーン７と光拡散部材１０から構成されるが、フレネルレンズスクリーン７は、プロジェクタ１の特性に応じて選択され、光拡散部材１０は、視野角やスクリーンの輝度などの光学特性に応じて選択されるため、別々に設計・製作されて、各々独立に選択されることが多い。つまり、フレネルレンズスクリーン７と光拡散部材１０は切り離して考えてよい。

ここでは、図１に示すように、フレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ９として、入光面側フレネルレンズを用いる場合を考える。
この場合、入光面側全反射・屈折混合式フレネルレンズ６１（画像光を屈折させる屈折面及び屈折面で屈折された画像光を反射させる反射面を有する全反射プリズムと、画像光を屈折させる屈折面を有する屈折プリズムとが１つのピッチに形成されているフレネルレンズ）、入光面側全反射式フレネルレンズ６２（画像光を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された画像光を反射させる反射面を有するフレネルレンズ）、または、入光面側部分全反射式フレネルレンズ６３（手前のフレネルプリズムに遮断されて、画像光が直接照射されない非入射面が、フレネルレンズ基盤８と略並行に形成されているフレネルレンズ）のいずれかになる。

図１の例では、フレネルレンズ基盤８の出光面側に波面分割位相変調部材２１が配置されているものを示しているが、図１０に示すように、フレネルレンズ９とフレネルレンズ基盤８の間に波面分割位相変調部材２１が配置されていてもよい。
また、図１１に示すように、光拡散部材１０の入光面側に波面分割位相変調部材２１が配置されていてもよい。

画像光は、境界面の屈折率差に比例して進行方向を変えるが、図１の透過型スクリーン６は空気との境界面を利用しており、図１０の透過型スクリーン６はフレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ９との境界面を利用している点で、図１と図１０の透過型スクリーン６は相違している。
図１の透過型スクリーン６の場合、例えば、薄い透明基板の上に形成された波面分割位相変調部材２１をフレネルレンズ基盤８に貼り合せることで実現することができる。図１の透過型スクリーン６は境界面が空気であり、媒質との屈折率差で光が大きく傾斜する特徴を有している。

図１０の透過型スクリーン６は、図１２から図１４に示すような製法で形成することができる。
例えば、波面分割位相変調部材２１をフレネルレンズ基盤８に形成する（図１２を参照）。
一方、フレネルレンズ９は、レンズ形状が刻まれている金型７１に光硬化樹脂７２を流し込み（図１２を参照）、フレネルレンズ基板８を押しつけて光硬化させる（図１３を参照）。
その後、金型７１から離型することにより、フレネルレンズスクリーン７の入光面側にフレネルレンズ９を形成する（図１４を参照）。
図１３の透過型スクリーン６の場合、フレネルレンズ９と波面分割位相変調部材２１の屈折率差は、お互いが媒質であるため、相手が空気の場合と比べて小さいことが予想される。即ち、画像光の波面に大きな傾斜や、位相差を与え難いことになる。

画像光の伝搬距離ｔ０が短い場合、上述したように、画像光の発散角度θｖを大きくする必要があり、画像光の伝搬距離ｔ０のほとんどをフレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ基盤８が担っている。
しかしながら、図１０の透過型スクリーン６のように、波面分割位相変調部材２１がフレネルレンズ基盤８の手前に配置されている場合、波面分割位相変調部材２１も伝搬距離ｔ０を担うことができるため、画像光の発散角度θｖを大きくする必要がなくなる利点がある。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、フレネルレンズスクリーン７から出射された画像光の波面を分割して、その波面の位相を変調する波面分割位相変調部材２１を光拡散部材１０の手前に配置するように構成したので、画像光の明るさを保持したままスペックルを低減することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、画像光の波面を分割して、その波面の位相を変調する波面分割位相変調部材２１を光拡散部材１０の手前に配置するものについて示したが、図１５に示すように、光拡散部材１０の出光面側（観測者側）に空間周波数変調部材２２を配置して、その空間周波数変調部材２２が光拡散部材１０により拡散された画像光の空間周波数を変調するようにしてもよい。
なお、空間周波数変調部材２２の面形状も、波面分割位相変調部材２１の面形状と同様に、例えば、凸レンズ形状、凹レンズ形状、正弦波状のような曲面から構成されるものや、格子状、鋸刃状のような平面から構成されるものである。

図１５の例では、フレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ９として、入光面側フレネルレンズを採用する。
例えば、入光面側全反射・屈折混合式フレネルレンズ６１、入光面側全反射式フレネルレンズ６２、または、入光面側部分全反射式フレネルレンズ６３のいずれかを採用する。
また、図１５の例では、空間周波数変調部材２２として、図１６に示すような鋸刃状プリズム２２ａを採用する。
空間周波数変調部材２２として鋸刃状プリズム２２ａを採用すると、鋸刃状プリズム２２ａの頂角や屈折率にも依存するが、例えば、斜めに入射してきた第一の光束８１は鋸刃状プリズム２２ａの境界面で屈折し、観測者の方向に曲げられる。
一部の光束（第二の光束８２）は、鋸刃状プリズム２２ａの境界面で内部に全反射し、向かいの境界面から屈折して斜め方向に大きく曲げられる。

図１７に示すように、ほぼ観測者の方向に光束が入射してきた場合、第五の光束８５は観測者の方向に曲げられるが、第三の光束８３と第四の光束８４は、鋸刃状プリズム２２ａの境界面で内部に全反射する。
その後、第四の光束８４は、向かいの境界面から屈折して斜め方向に大きく曲げられるが、第三の光束８３は、隣の鋸刃状プリズム２２ａを伝わって大きく曲げられ、元来た方向（観測者と反対側）に戻る。

ここで、第三の光束８３に注目すると、第三の光束８３は、鋸刃状プリズム２２ａの境界面で内部に全反射することにより、光拡散部材１０に再入射する。
第三の光束８３が光拡散部材１０に再入射して、光拡散部材１０で散乱されることにより、例えば、第五の光束８５のように観測者の方向に曲げられるとする。
第三の光束８３は、鋸刃状プリズム２２ａを少なくとも一つ渡っているため、鋸刃状プリズム２２ａの一つ分だけ像がぼやけることになる。つまり、鋸刃状プリズム２２ａの単位長さｑを適当に小さくすると（少なくとも、投影される画素よりも十分細かくする）、鋸刃状プリズム２２ａが低周波透過フィルターとして作用し、空間周波数の高周波を低減する効果を有する。

図１８は空間周波数変調部材２２を伝搬する画像光を示す説明図である。
レンズ要素１１（光吸収部９１、単位レンズ９２）を通過して、光拡散シート１２に入射した画像光は、空間周波数変調部材２２によって、一部は元来た方向に戻り、一部は観測者の方向に出射される。
このとき、観測者の方向に出射する画像光は、長さｑの空間周波数変調部材２２を数個伝搬する。
なお、画像光が光拡散シート１２を伝搬する間に像がぼやける弊害を未然に防ぐため、光拡散シート１２の厚みは、長さｑの数倍程度にしておく必要がある。
具体的には、投写画素の大きさが１ｍｍ、レンズ要素１１の周期が５０〜１００ミクロン、光拡散シート１２の厚みが２０〜４０ミクロン、空間周波数変調部材２２の長さｑが５〜２０ミクロン程度である。いずれも、波長λ（０．３〜０．７ミクロン）より十分長い。

無数の明暗の斑点（ぎらつき）が無秩序に認識されるスペックルノイズは、被照面のゆらぎにも依存するが、非常に小さな斑点として認識される。
この実施の形態２のように、光拡散部材１０の観測者側に空間周波数変調部材２２を配置することで、空間周波数で高周波の細かい明暗の斑点を平均化することが可能になる。
例えば、画像光が空間周波数変調部材２２である鋸刃状プリズム２２ａを３個ほど伝搬するように設計しておくと、それ以上（４個以上）には像がぼやけないことから、画素のような低周波には影響をほとんど与えることなく、スペックルノイズのみを選択的に平均化することが可能になる。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、波面分割位相変調部材２１又は空間周波数変調部材２２を実装している透過型スクリーン６について説明したが、透過型スクリーン６が単体だけで使用されることは稀であり、プロジェクタ１と組み合わせて利用される。
リアプロジェクタに代表される従来の背面投写型表示装置は、図２５に示すように、投写光学系３の光軸と透過型スクリーン６の中心が略一致しており、投写型表示装置の奥行きを薄くしたり、小型化したりするために、反射鏡５を用いて、画像光を折り曲げるようにしている。
また、更なる薄型化を達成するため、図２６に示すように、プロジェクタ１が透過型スクリーン６に対して、斜め急角度に画像光を投影する投写型表示装置もある。

例えば、コヒーレンスの大きいレーザ光源などを照明光源に用いると、レーザ光源は、小さい面積から小さい広がり角で光を放出するので、照明光学系２や投写光学系４の小型化を図ることができる利点がある。
中身の照明光学系２が小型になれば、投写型表示装置の全体も薄く、もしくは、小型化し易くなるのは言うまでもない。つまり、前述の透過型スクリーン６には斜め急角度に投影する方法が適している。
なお、図２７や図２８のように、光路の途中に反射鏡５を配置し、反射鏡５が画像光を折り曲げて薄型化や小型化を図るようにしてもよいことは言うまでもない。なお、透過型スクリーン６の上下は、図の例に限るものではない。

図２５と図２６の違いは、プロジェクタ１を傾けて配置しているだけのように見えるが、単純に斜めに傾けると四角い物体が台形に投影されることもあり、実はそうなってはいない。
図１９はプロジェクタ１の投写光学系３の光軸と、透過型スクリーン６のフレネルレンズスクリーン７との関係を模式的に示す説明図である。
フレネルレンズスクリーン７のフレネルレンズ９のうち、出光面にプリズムを持つ出光面側フレネルレンズ９ａは回転中心が画面の中心にあり、この回転中心が投写光学系１０の光軸と略一致する。
一方、入光面側にプリズムを持つ入光面側フレネルレンズ９ｂは回転中心が画面の外にあり、この回転中心が投写光学系１０の光軸と略一致する。
つまり、入光面側フレネルレンズ９ｂの光軸からの広がり角がθであり、この広がり角θがフレネルレンズスクリーン７への入射角θに相当し、出光面側フレネルレンズ９ａの光軸からの広がり角と比べて大きい。即ち、図２０に示すように、同じ大きさの画面を作る光束Ａと光束Ｂに対して、光軸を含む光束Ｂは入射角θが小さく、光軸を外した光束Ａは入射角θが大きいことがわかる。

フレネルレンズスクリーン７は、図２０からも明らかなように、投写光学系１０から照射される画像光を結像面である光拡散シート１２に偏向するコリメートレンズであり、フィールドレンズであると考えることができる。
極端な斜め投写光をスクリーンの法線方向に偏向するには、画像光の進行方向を大きく変える必要がある。これを画像光の屈折現象のみを利用して行おうとすると、フレネル反射によるエネルギー損失と、光の分散現象による色分離が問題となる。

この場合、従来のようなプリズムが出光面側に形成されている出光面側フレネルレンズ９ａではなく、プリズムが入光面側に形成されている入光面側フレネルレンズ９ｂが適している。入光面側フレネルレンズ９ｂは、例えば、以下に示すようなフレネルレンズがある。
（１）プリズムに入光した光束を対面にて全反射を利用して出光面方向に偏向する入光面側全反射式フレネルレンズ６２
（２）全反射式フレネルレンズ６２の谷を出光面に並行とした入光面側部分全反射式フレネルレンズ６３
（３）全反射式フレネルレンズ６２とプリズムに入光した光束を屈折のみ出光面方向に偏向する屈折式フレネルレンズが、ひとつのプリズム内に混合された入光面側全反射・屈折混合式フレネルレンズ６１
なお、これらフレネルレンズ６１〜６３は、プロジェクタ１の設計に合わせて適宜選択すればよく、一つのスクリーン内に３種類を混在させなくてもよいことは言うまでもない。

光拡散部材１０は、例えば、図２１に示すように、入光面側にシリンドリカルレンズ９０が構成され、シリンドリカルレンズ９０の非集光部に相当する位置にストライプ状に光吸収部９１が形成されているものや、入光面側にシリンドリカルレンズ９０が構成されるものの代わりに、図２２に示すように、入光した光線の一部を全反射部で全反射させた後、出光部から出光させる台形状の単位レンズ９２が並設されていて、単位レンズ９２の谷部に光吸収部９１がストライプ状に形成されているものでもよい。
また、この組み合わせとして、図２３に示すように、入光面側にシリンドリカルレンズが縦横に構成されている縦横シリンドリカルレンズ９３の非集光部に相当する位置にストライプ状に光吸収部９１が形成されているものや、図２４に示すように、谷部に光吸収部９１がストライプ状に形成されている台形状の単位レンズ９２を縦横直交するように前後に並べたものでもよい。ただし、縦横の順は、これに限るものではないことは言うまでもない。

外光の影響を低減するために、光拡散部材１０の光拡散シート１２の出光面に表面に、光の反射を低減させる反射防止層（図示せず）を備えていてもよい。
また、見た目のぎらつきを押さえるためのアンチグレア層（図示せず）や、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（図示せず）や、表面を保護するためのハードコート層（図示せず）を設けてもよい。

実施の形態１〜３では、全反射フレネルレンズ及びレンチキュラーレンズスクリーンを分り易くするため、各々独立の構成を示しているが、実際には、これらを一つの要素として、例えば、接着層で貼り合わせ構成にしてもよい。
また、上記の透過型スクリーン６を用いた投写型表示装置は、少なくとも画像を構成するライトバルブ３、これを照明する照明光学系２及び画像を投影する投写光学系４から構成されるプロジェクタ１と、上記の透過型スクリーン６と光拡散部材１０から構成されていることを特徴としているが、これに加えて、例えば、筐体、保持機構、空調、スピーカー、テレビ台、リモコン受光部、電気回路、幾何学補正回路、色補正回路などの構成要素に持っていてもよい。

１ プロジェクタ（発光体）、２ 照明光学系、３ ライトバルブ、４ 投写光学系、５ 反射鏡、６ 透過型スクリーン、７ フレネルレンズスクリーン（フレネル光学部材）、８ フレネルレンズ基盤、９ フレネルレンズ、９ａ 出光面側フレネルレンズ、９ｂ 入光面側フレネルレンズ、１０ 光拡散部材、１１ レンズ要素、１２ 光拡散シート、２１ 波面分割位相変調部材、２２ 空間周波数変調部材、２２ａ 鋸刃状プリズム、３１ 第一の光源、３２ 第二の光源、４１ レンズ、４２ 仮想投写レンズ、４３ 仮想コンデンサレンズ、５１ 光拡散シート媒質、５２ 光拡散ビーズ、６１ 入光面側全反射・屈折混合式フレネルレンズ、６２ 入光面側全反射式フレネルレンズ、６３ 入光面側部分全反射式フレネルレンズ、７１ 金型、７２ 光硬化樹脂、８１ 第一の光束、８２ 第二の光束、８３ 第三の光束、８４ 第四の光束、８５ 第五の光束、９０ シリンドリカルレンズ、９１ 光吸収部、９２ 単位レンズ、９３ 縦横シリンドリカルレンズ。

Claims (2)

1. 発光体から照射された画像光を入射して、上記画像光を所定の方向に出射するフレネル光学部材と、画像光を拡散する光拡散部材とを順に備えた透過型スクリーンにおいて、
   上記光拡散部材は、少なくとも表面に凹凸形状を有する光拡散層が形成されている光拡散シート、または、シート媒質と異なる屈折率を有する粒径の光拡散ビーズが配置されている光拡散シートの少なくとも一方から構成され、
   上記フレネル光学部材の入射面には、発光体から照射された画像光を屈折させる屈折面及び上記屈折面で屈折された画像光を反射させる反射面を有する全反射プリズムが鋸刃状に複数配置され、
   上記フレネル光学部材の出光面側には、曲面あるいは平面が連接されて構成される形状を周期的に有した構造を備え、
   上記曲面又は平面が連接されて構成される形状の単位周期が、画像光を形成する光の波長より長く、画像光を形成する投写画素より小さく、上記光拡散部材を構成する凹凸形状、もしくは、上記光拡散ビーズの粒径の特徴的な長さと同等以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
2. 請求項１記載の透過型スクリーンを備えた投写型表示装置。

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