JP2017173788A - 映像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】表面が平滑な透明スクリーンで映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの鏡面反射による不要像の発生を抑制する。
【解決手段】映像表示システムは、プロジェクタと、透明スクリーンと、偏光調整部とを備える。プロジェクタは、映像光を投写する。透明スクリーンは、投写された映像光を拡散させて映像を表示する。偏光調整部は、透明スクリーンに入射する映像光をＰ偏光に調整する。これにより、透明スクリーンの表面で鏡面反射される映像光が低減するので、映像表示システムは、映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの鏡面反射による不要像の発生を抑制できる。これにより、透明スクリーンにおいて、映像が空中に表示されたかのように演出される効果が高まる。
【選択図】図１

Description

本開示は、透明スクリーンを備える映像表示システムに関する。

近年、背景光を透過させつつ、プロジェクタから投写された映像光を拡散反射または拡散透過させて映像を表示する、透明スクリーンが提案されている。例えば、透明スクリーンを備える映像表示システムは、高層ビルの窓を透明スクリーンとして用いて夜景と投写された映像とを重畳して表示したり、ライブイベントなどで空中に映像が表示されたかのように演出したりする。このように、プロジェクタによる新しい映像表現を実現するキーデバイスとして、透明スクリーンは期待されている。

透過型の透明スクリーンとして、透明体の内部に特殊な拡散微粒子を微量分散して、映像光の一部を大きく拡散させて映像観察を可能にするとともに、背景光を直進透過させて背景観察を可能にする方式が提案されている（特許文献１）。

また、拡散透過する光は透明スクリーンの裏面と空気との界面でその一部が反射するので、透明体に拡散微粒子を微量分散した構成は反射型の透明スクリーンとしても使用できる。

さらに、反射型の透明スクリーンとして、複数の凸部に特定の波長の右円偏光または左円偏光のレーザ光を選択的に反射させる選択反射層を設け、その選択反射層の表面を透明材料で被覆したものが提案されている（特許文献２）。また、反射型の透明スクリーンとして、透明基材に部分的に光を反射させる領域を設けて、部分的に光を反射させるものなども提案されている（特許文献３）。

以上のような特許文献１〜３に係る透過型または反射型の透明スクリーンを用いれば、観察者は背景を観察しつつ、映像を鑑賞できる。

特許第５２１４５７７号公報 特開２０１４−７１２５０号公報 特開２００６−１１９４８９号公報

本開示は、表面が平滑な透明スクリーンで映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの鏡面反射による不要像の発生を抑制できる映像表示システムを提供する。

本開示に係る映像表示システムは、プロジェクタと、透明スクリーンと、偏光調整部とを備える。プロジェクタは、映像光を投写する。透明スクリーンは、投写された映像光を拡散させて映像を表示する。偏光調整部は、透明スクリーンに入射する映像光をＰ偏光に調整する。

本開示に係る映像表示システムは、表面が平滑な透明スクリーンで映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの鏡面反射による不要像の発生を抑制できる。

実施の形態１の映像表示システムの概要図である。 透明スクリーンにおける投写光の入射角と反射率との関係を説明する図である。 実施の形態１の他の透明スクリーンによる映像表示システムの概要図である。 実施の形態１の他の透明スクリーンによる映像表示システムの概要図である。 実施の形態２の映像表示システムの概要図である。

（本開示に至った経緯）
従来から知られている、特許文献１から３の透明スクリーンで背景観察を可能にする為には、透明スクリーンに入射した光のうちの少なくとも一部を直進透過させる必要が有る。通常は透明性が優先される応用が多いため、入射した光のうちの５０％〜８０％を直進透過させる。また、透明スクリーンと空気との界面である透明スクリーンの表面に凹凸があると、光が拡散して直進透過しにくい。ゆえに、光を直進透過させるために、透明スクリーンの表面は平滑である必要が有る。

従って、光を拡散透過あるいは拡散反射させる要素が透明スクリーンの表面に有る場合には、透明スクリーンの表面の５０％以上が平滑である必要がある。また、光を拡散させる要素が透明スクリーンの内部に有る場合には、一般に透明スクリーンの全表面が平滑であることが望ましい。

そして、平滑な表面に入射した光は、その表面で鏡面反射する。プロジェクタからの映像光は局所的に指向性が高く、その鏡面反射光は高輝度のため、映像を観察する観察者が、鏡面反射光を直接観察すると、幻惑されて、映像観察が困難になる。従って、想定される観察範囲に鏡面反射光が向かわないように、天井から下方へ、或いは、足元から上方へと広角度で映像を投写することが好ましい。しかしながら、天井から下方へ映像を投写した場合は透明スクリーン付近の足元に、足元から上方に映像を投写した場合は透明スクリーン付近の天井に、鏡面反射による不要像が発生する。この天井または足元に発生する不要像は、観察者にとって目障りである。また、観察者は、不要像を認識することによって、透明スクリーンに表示された映像がプロジェクタから投写された映像であることを意識してしまう。

そこで、本開示は、表面が平滑な透明スクリーンで映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの鏡面反射による不要像の発生を抑制できる映像表示システムを提供する。これにより、透明スクリーンにおいて、映像が空中に表示されたかのように演出される効果が高まる。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の映像表示システムの概要図である。

実施の形態１の映像表示システムは、プロジェクタ１０と、反射型の透明スクリーン２０と、偏光調整部である偏光板３０とを備える。プロジェクタ１０は、映像光を投写する。透明スクリーン２０は、投写された映像光を拡散反射させて映像を表示する。偏光板３０は、透明スクリーンに入射する映像光をＰ偏光に調整する。

プロジェクタ１０から透明スクリーン２０に投写される映像光は、透明スクリーン２０に入射する前に偏光板３０でＰ偏光に調整される。Ｐ偏光に調整された映像光は、透明スクリーン２０に入射し、透明スクリーン２０の内部の拡散微粒子２２で拡散反射される。映像を観察する観察者９０は、透明スクリーン２０での拡散反射光（破線の矢印）を映像として観察することができる。また、透明スクリーン２０において映像光が投写されていない箇所では、背景光が透過するので、観察者９０は背景と映像を同時に観察することもできる。

まず、各構成について説明する。

プロジェクタ１０は、例えば超短焦点プロジェクタであり、透明スクリーン２０の前方足元に配置される。プロジェクタ１０の動作方式は、例えばＤＬＰ（登録商標）方式であり、プロジェクタ１０は無偏光の映像光を投写する。もし、観察者９０が、透明スクリーン２０の表面での鏡面反射光を直接観察すると、眩しく感じるため、鏡面反射光は観察者９０にとって映像観察や背景観察の障害になる。そのため、プロジェクタ１０を超短焦点プロジェクタとし、広角度で透明スクリーン２０に映像光を投写することが望ましい。更に、超短焦点プロジェクタを用いることで、透明スクリーン２０の近傍の空スペースを有効に使うことができる。なお、プロジェクタ１０の動作方式は、後述するように液晶方式であってもよいし、他の動作方式であってもよい。プロジェクタ１０の動作方式が液晶方式の場合には、プロジェクタ１０は偏光した映像光を投写する。

透明スクリーン２０に入射する映像光の入射角は、以下のように設定されている。すなわち、透明スクリーン２０の下端への入射角θ１が２７°に、透明スクリーン２０の中央部への入射角θ２が５２°に、透明スクリーン２０の上端への入射角θ３が６４°に設定されている。ここで、入射角とは、映像光が透明スクリーン２０に入射する方向と、透明スクリーン２０の表面の法線方向とがなす角度である。

透明スクリーン２０は、表裏の両面が平滑である透明の基材２１の内部に拡散微粒子２２が添加された構成となっている。透明スクリーン２０は、入射する光の約１０％を拡散微粒子２２で拡散反射させ、残りの約９０％を透過させる。拡散微粒子２２は基材２１の内部に均一に分散されているので、映像光は、透明スクリーン２０で拡散反射され、映像として観察可能となる。

また、透明スクリーン２０は両面が平滑であるため、透明スクリーン２０を透過する透過光は、透明スクリーン２０の厚み方向に散乱されることなく直進する。そのため、観察者９０は背景を鮮明に観察することができる。

偏光板３０は、プロジェクタ１０と透明スクリーン２０との間において、プロジェクタ１０の光軸上に設置されている。偏光板３０は、特定の方向に偏光した光を透過させ、それと直交する方向に偏光した光を吸収する。偏光板３０は、偏光板３０が偏光した光を透過させる方向と、透明スクリーン２０の中央部に入射する光のＰ偏光方向とが一致するように設置されている。つまり、偏光板３０は、映像光のＰ偏光成分を透過させ、それと直交するＳ偏光成分を吸収することで、透明スクリーン２０の中央部に入射する映像光をＰ偏光に調整する。ここで、透明スクリーン２０に入射する映像光をＰ偏光に調整するとは、透明スクリーン２０の中央部に入射する映像光において、Ｐ偏光成分が支配的になるように、映像光を調整することを意味する。なお、偏光板３０は、プロジェクタ１０の内部に設置されていてもよいし、図１に示すようにプロジェクタ１０の外部に設置されていてもよい。

映像表示システムが上記のように構成されているため、偏光板３０を透過した映像光の明るさはＳ偏光成分が吸収され半減するが、透明スクリーン２０に入射する映像光はＰ偏光成分のみとなる。

但し、偏光板３０と透明スクリーン２０との距離が短い場合などには、透明スクリーン２０の中央部から離れた下端部や左右端部に入射する映像光において、Ｓ偏光成分が支配的になることがある。これは、映像光が透明スクリーン２０に入射する方向が、中央部と、下端部や左右端部とで異なってしまうためである。後述するように、透明スクリーン２０の下端部や左右端部に入射する映像光において、Ｓ偏光成分が支配的になったとしても、透明スクリーン２０の表面反射による不要像は発生しにくい。

次に、透明スクリーン２０の表面反射によって発生する不要像について説明する。

図１のように、プロジェクタ１０から投写された映像光（実線の矢印）は透明スクリーン２０の表面で鏡面反射する。鏡面反射光（一点鎖線の矢印）は入射角に対応した反射角で反射し、透明スクリーン２０の上部にある天井８０へ向かう。透明スクリーン２０の中央部から下側での鏡面反射光は、反射角（入射角θ１〜θ２に対応）が小さく、かつ、天井８０までの到達距離が長い。そのため、透明スクリーン２０の中央部から下側での鏡面反射光は拡散して、映像の鮮鋭度及び輝度が低下するので、天井８０に不要像は発生しにくい。また、透明スクリーン２０の左右端部での鏡面反射光も天井８０までの到達距離が長く、映像の鮮鋭度及び輝度が低下するため、天井８０に不要像は発生しにくい。

しかしながら、透明スクリーン２０の中央部から上側での鏡面反射光は、天井８０までの到達距離が短い。更に、プロジェクタ１０は比較的焦点深度が深いため、透明スクリーン２０の直上で天井８０に反射した鏡面反射光は焦点が合っている。そのため、従来の映像表示システムのように偏光板３０を用いない場合、透明スクリーン２０付近で天井８０に不要像が発生しやすい。観察者９０は、透明スクリーン２０の映像を鑑賞する際に、この不要像を目障りに感じる。

図２は、透明スクリーンにおける投写光の入射角と反射率との関係を説明する図である。具体的には、図２は、空気（屈折率１．０）から、透明スクリーン２０の基材２１（屈折率１．５）に入射角θで入射する光の反射率Ｒを示している。

図２において、Ｐ偏光に対する反射率Ｒｐを実線で、Ｓ偏光に対する反射率Ｒｓを一点鎖線で、Ｐ偏光とＳ偏光とを等分に含む無偏光に対する反射率Ｒａｖｅを破線で示す。

図２に示すように、Ｓ偏光に対する反射率Ｒｓは、入射角θが５０°以上になると急激に大きくなり、入射角θが６５°で２０％を超える。一方、Ｐ偏光に対する反射率Ｒｐは、入射角θがブリュースター角である約５６°のとき極小値０％となり、入射角θが４０°〜６５°の範囲内のとき１．５％以下となり、入射角θが０°〜７０°の範囲内のとき５％以下となる。また、反射率Ｒｐは、入射角θが７５°でも１０％程度である。

映像表示システムは、プロジェクタ１０と透明スクリーン２０との間において、プロジェクタ１０の光軸上に設置される偏光板３０を備える。偏光板３０は、透明スクリーン２０に入射する映像光をＰ偏光に調整する。これにより、実施の形態１の映像表示システムは、透明スクリーン２０の鏡面反射を低減して、不要像の発生を抑制することができる。

更に、Ｐ偏光に調整された映像光の透明スクリーン２０への入射角θ１、θ２、θ３を０°〜７０°の範囲内とすることにより、映像表示システムは映像光の反射率を５％以下に低減することができる。より好ましくは、入射角θ１、θ２、θ３を４０°〜６５°の範囲内とすることにより、映像表示システムは映像光の反射率を１．５％以下に低減することができる。

また、透明スクリーン２０のサイズが大きい場合、透明スクリーン２０の全面で映像光の透明スクリーン２０への入射角θ１、θ２、θ３を４０°〜６５°の範囲内にすることは困難である。上述したように、透明スクリーン２０の中央部から下側での鏡面反射光は、不要像を発生させにくい。そのため、透明スクリーン２０のサイズが大きい場合、透明スクリーン２０に対してプロジェクタ１０の配置から遠方側、図１においては透明スクリーン２０の中央部から上側への入射角θ２、θ３を４０°〜６５°の範囲内と設定する。

実施の形態１の映像表示システムは、プロジェクタ１０から投写された映像光を偏光板３０でＰ偏光に調整し、透明スクリーン２０の中央部から上側への入射角θ２、θ３を４０°〜６５°の範囲内にして、透明スクリーン２０の表面での映像光の反射率をより低減することができる。

上記構成により、実施の形態１の映像表示システムは、表面が平滑な透明スクリーン２０で映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーン２０の鏡面反射による不要像の発生を抑制できる。これにより、透明スクリーンにおいて、映像が空中に表示されたかのように演出される効果が高まる。

なお、実施の形態１において、映像表示システムは、基材２１の内部に拡散微粒子２２が添加された透明スクリーン２０に代えて、図３のように、基材２１の内部に微細な凹凸状のミラー層２５が設けられた透明スクリーン２４を備えてもよい。この場合、ミラー層２５は、入射する光の約１０％を反射させ、残りの約９０％を透過させるハーフミラー状態で設定されている。ミラー層２５は微細な凹凸状に形成されているので、映像光は、透明スクリーン２４でマクロ的に拡散反射光となり、映像として観察可能となる。

なお、実施の形態１において、映像表示システムは、拡散反射型の透明スクリーン２０に代えて、図４のように、拡散透過型の透明スクリーン２８を備えてもよい。この場合、透明スクリーン２８は、プロジェクタ１０から投写された映像光を拡散透過させて映像を表示する。すなわち、観察者９０は、拡散透過された映像を観察する。そして、背景観察が可能な透明スクリーン２８とするために、透明スクリーン２８の表面が平滑であるので、反射型の映像表示システムと同様に、映像光は透明スクリーン２８の表面で鏡面反射を起こす。このような場合でも、図４のように、偏光板３０をプロジェクタ１０と透明スクリーン２８との間に配置することにより、天井８０における不要像の発生を抑制することが出来る。

なお、実施の形態１において、プロジェクタ１０の動作方式が液晶方式の場合には、偏光板３０は、プロジェクタ１０の内部の液晶パネルが有する偏光板であってもよい。この場合においても、偏光板３０は、偏光板３０が偏光した光を透過させる方向と、透明スクリーン２０の中央部に入射する光のＰ偏光方向とが一致するように設置されている。これにより、映像表示システムは、部品点数を増加させることなく、不要像の発生を抑制することができる。

なお、上記のようにプロジェクタ１０の動作方式が液晶方式であって、プロジェクタ１０の内部の液晶パネルが有する偏光板が偏光した光を透過させる方向と、透明スクリーン２０の中央部に入射する光のＰ偏光の方向とが一致していない場合には、映像表示システムは、液晶パネルが有する偏光板とは別の偏光板３０を備えていてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１で示したように、プロジェクタ１０から投写された映像光は、全てが透明スクリーン２０で拡散反射されるものではなく、一部は透明スクリーン２０を直進透過する。これは背景観察を可能にする為に直進透過性を持たせた透明スクリーンとしての必然である。

高層階の窓を透明スクリーン２０として使用する場合などは、この直進透過成分は天空に向かって直進するため、観察者９０にとって障害になることが無い。

しかしながら、屋内の店舗のウィンドウなどを透明スクリーン２０として使用する場合などは、透明スクリーン２０の表面での鏡面反射光が投写側の天井８０に不要像を発生させるのと同様に、透明スクリーン２０を透過する透過光が透過側の天井８０にも不要像を発生させることがある。ここで、投写側とは、透明スクリーンに対してプロジェクタ１０と同じ側である。また、透過側とは、透明スクリーン２０に対してプロジェクタ１０と反対側である。実施の形態２では、透過側の天井８０における不要像の発生を抑制する映像表示システムについて説明する。

図５は、実施の形態２の映像表示システムの概要図である。

実施の形態２の映像表示システムは、実施の形態１の映像表示システムの構成に加えて、透明スクリーン２０に対してプロジェクタ１０と反対側に、偏光フィルム４０を備える。

偏光フィルム４０は、透明スクリーン２０と同等の形状であり、透明スクリーン２０の透過側に透明スクリーン２０と略平行になるように配置されている。ここで、同等の形状とは、外形と面積とが透明スクリーン２０と同じ形状や、外形と面積とが透明スクリーン２０の透過光を全て吸収する形状を含む。

偏光フィルム４０は、偏光板３０によって調整された映像光のＰ偏光成分を吸収する。すなわち、偏光フィルム４０は、偏光フィルム４０が偏光した光を吸収する方向と、透明スクリーン２０の中央部に入射する光のＰ偏光方向とが一致するように設置されている。これにより、透明スクリーン２０を透過した透過光（二点鎖線の矢印）はＰ偏光に調整されているため、偏光フィルム４０に吸収される。そのため、実施の形態２の映像表示システムは、透明スクリーン２０の透過側の天井８０における不要像の発生を抑制することができる。

また、偏光フィルム４０は、透明スクリーン２０に入射する光のＰ偏光を吸収し、Ｓ偏光を透過させる。そのため、実施の形態２の映像表示システムでは、背景光のＰ偏光成分が吸収されるため、背景光の明るさは半減する。一方で、偏光フィルム４０を透過した背景光のＳ偏光成分は透明スクリーン２０を透過するため、観察者９０は背景観察をすることができる。

上記構成により、実施の形態２の映像表示システムは、背景観察する際の背景光の明るさを半減させるが、表面が平滑な透明スクリーンで映像の表示と背景光の透過を実現しながら、透明スクリーンの透過による不要像の発生を抑制できる。これにより、透明スクリーンにおいて、映像が空中に表示されたかのように演出される効果が高まる。

（変形例）
実施の形態１および実施の形態２の映像表示システムでは、偏光調整部が偏光板であったが、偏光調整部は偏光板に限定されない。例えば、プロジェクタ１０の動作方式が液晶方式であれば、偏光調整部は１／２波長板であってもよい。１／２波長板は、１／２波長板に入射した偏光の偏光方向を回転させて、１／２波長板から偏光を出射させる。１／２波長板は、１／２波長板から出射した偏光の偏光方向と、透明スクリーン２０の中央部に入射する光のＰ偏光方向とが一致するように設置されている。すなわち、偏光調整部である１／２波長板は、透明スクリーン２０に入射する映像光をＰ偏光に調整する。これにより、変形例の映像表示システムは、映像光の明るさを殆ど損なうことなく映像光をＰ偏光に調整でき、かつ、透明スクリーン２０の鏡面反射による不要像の発生を抑制することができる。

本開示に係る映像表示システムは、背景光の透過を実現しながら透明スクリーンでの鏡面反射または透過による不要像の発生を抑制することが可能である。本開示に係る映像表示システムは、背景光の透過を実現しながら、プロジェクタからの映像を反射または透過させて透明スクリーンに映像を表示する映像表示システムとして有用である。

１０ プロジェクタ
２０，２４，２８ 透明スクリーン
２１ 基材
２２ 拡散微粒子
２５ ミラー層
３０ 偏光板（偏光調整部）
４０ 偏光フィルム
８０ 天井
９０ 観察者

本開示に係る映像表示システムは、プロジェクタと、透明スクリーンと、偏光調整部とを備える。プロジェクタは、映像光を投写する。透明スクリーンは、投写された映像光を拡散させて映像を表示する。偏光調整部は、透明スクリーンの中央部に入射する映像光をＰ偏光成分が支配的になるように、映像光を調整する。前記透明スクリーンに入射する前記映像光の入射角は、前記スクリーンの側方から見たとき、４０°〜６５°の範囲内である。

Claims (9)

1. 映像光を投写するプロジェクタと、
   投写された前記映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンと、
   前記透明スクリーンに入射する前記映像光をＰ偏光に調整する偏光調整部とを備える映像表示システム。
2. 前記透明スクリーンに入射する前記映像光の入射角は、０°〜７０°の範囲内である請求項１に記載の映像表示システム。
3. 前記透明スクリーンに入射する前記映像光の入射角は、４０°〜６５°の範囲内である請求項１に記載の映像表示システム。
4. 前記偏光調整部は、前記プロジェクタと前記透明スクリーンとの間において、前記プロジェクタの光軸上に設置される請求項１ないし３のいずれかに記載の映像表示システム。
5. 前記偏光調整部は、偏光板である請求項１ないし３のいずれかに記載の映像表示システム。
6. 前記偏光調整部は、１／２波長板である請求項１ないし３のいずれかに記載の映像表示システム。
7. 前記透明スクリーンは、前記映像光を拡散反射させて映像を表示する請求項１ないし６のいずれかに記載の映像表示システム。
8. 前記透明スクリーンに対して前記プロジェクタと反対側に、前記偏光調整部によって調整された前記映像光のＰ偏光成分を吸収する偏光フィルムを備える請求項７に記載の映像表示システム。
9. 前記透明スクリーンは、前記映像光を拡散透過させて映像を表示する請求項１ないし６のいずれかに記載の映像表示システム。

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