JP3563397B2 - フロントプロジェクションディスプレイ用スクリーン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フロントプロジェクションディスプレイ用スクリーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フロントプロジェクションディスプレイは、プロジェクタから比較的大きなスクリーンに画像を投影するもので、一堂に会した多数の観察者が同じ一つの画像を同時に見ることができる非常に有用なディスプレイシステムであるが、このシステムには、明るい環境下ではスクリーン上の画像品位が低下してしまうという欠点がある。この欠点を補うために、従来のスクリーンは、平坦面上に微小な透明ビーズを分散させた面形態とし、入射した光がその入射してきた方向と逆の向きに散乱されるように前記ビーズの屈折率を選定したもの（所謂ビーズスクリーン）が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来のビーズスクリーンでは、プロジェクタ光と同様に外光も散乱されるため、実用的な視野領域を確保した場合、スクリーンから観察者方向に散乱されるプロジェクタ光には必ず外光が混ざってしまう。そのため、ある限度を超える明るさの環境下では画像品位の低下を抑えることが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、従来スクリーンの高品位画像表示限度を超えた明るさの環境下でも、高い表示画像品位を確保しうるフロントプロジェクションディスプレイ用スクリーンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは前記目的を達成するために鋭意検討した結果、反射面が鋸歯状に折れ曲がった反射板と、特定の角度範囲の入射光のみを散乱透過させ他の角度範囲の入射光は直進透過させる光制御機能を有する高分子膜（文献＃１＝沖田ら：住友化学１９９１−Ｉ，ｐ．３７−４８）とを組み合わせてスクリーンを構成することにより、プロジェクタ光のみを観察者方向に散乱させ、外光を観察者のいない方向に正反射させるフロントプロジェクションディスプレイシステムを実現できることに想到し、本発明をなした。
【０００６】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）鋸歯状に折れ曲がった反射面をもつ反射層と、該反射層の鋸歯状反射面に密着した透明な平滑化層と、該平滑化層の反反射層側の面に密着し光をその入射方向により散乱透過または直進透過させる光制御層とを有してなり、プロジェクタ光を観察者方向に散乱させ、外光を観察者のいない方向に正反射させることを特徴とするフロントプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
（２）さらに前記光制御層の反平滑化層側の面に密着し該面からの反射を抑える反射防止層を有することを特徴とする（１）記載のフロントプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るスクリーン（以下、本発明スクリーンともいう）２０は、図１に示すように、鋸歯状に折れ曲がった反射面１Ａをもつ反射層１と、該反射層の鋸歯状反射面に密着した透明な平滑化層２と、該平滑化層の反反射層側の面に密着し光をその入射方向により散乱透過または直進透過させる光制御層３とを有し、好ましくはさらに、図２に示すように、光制御層３の反平滑化層側の面に密着し該面からの反射を抑える反射防止層４を有する構造のものである。このスクリーン２０では、反射層１の鋸歯状反射面１Ａ側のスクリーン面にプロジェクタ光が投射される。
【０００８】
光制御層は、例えば前記文献＃１に記載されているような特殊な高分子膜（なお、文献＃１では、この高分子膜と透明プラスチック材料を複合化した視界制御板の商品名を「ルミスティー」としている。）からなり、その内部の特異的な規則構造の影響で、これに入射する光の角度により光の透過状態（散乱⇔直進透過）がドラスティックに変化するという光学特性を有するものである。すなわち、図３に示すように、光制御層３内部の特異的な規則構造から定まるある特定の角度範囲に対応する領域５から入射した光は、その大部分（例えば全体の８０％以上）が領域６へ散乱し、残りが領域５へ散乱する。一方、領域５の外側の領域７、９から入射した光はそれぞれ領域８、１０へ透過する。光制御層の厚さは、０．２ 〜０．５ｍｍ 程度が適当である。
【０００９】
反射層は、鋸歯状に折れ曲がった反射面（鏡面）をもつ。かかる鋸歯状折れ曲がり鏡面を形成可能なものであれば、反射層の材質は何でもよい。鋸歯ピッチ（：鋸歯状折れ曲がり鏡面の山‐山又は谷‐谷ピッチ）は２００ 〜３００ μｍ 程度が適当である。
この鋸歯状折れ曲がり鏡面に平滑化層の一方の面（裏面）が密着する。この平滑化層は、光制御層と反射層とを結合するために設けられる。光制御層をなす高分子膜はその光学特性発現のためにはその内部の規則構造との関係で表面が平らである必要があり、これと密着させるために平滑化層の他方の面（表面）は平面とされる。この平面は、スクリーン面内の場所による表示画質のばらつきを避けるべく、鋸歯状折れ曲がり鏡面の山頂点群（又は谷底点群）が乗る平面に可及的に平行とされる。平滑化層の材質は、透明であってかつ熱硬化性、熱可塑性、光硬化性の少なくとも何れかに富む樹脂が好ましく用いうる。また、光制御層と平滑化層との界面の平滑化層側で全反射が起こるとプロジェクタ光の一部が観察者側に戻らなくなってスクリーン上の表示画像が暗くなる虞があるから、かかる全反射を回避するために、平滑化層の材質は、その屈折率が光制御層をなす前記高分子膜の屈折率（１．５ 〜２．０ 程度）に可及的に近いものが好ましい。また、平滑化層の最小厚さ（平滑化層表面と鋸歯状折れ曲がり鏡面の山頂点との距離に相当）は、光制御層を確実に固定できる限りにおいて、可及的に小さい方が好ましい。
【００１０】
反射面を鋸歯状折れ曲がり鏡面構造とすることで、例えば図４に示すように、平滑化層２表面の法線の角度を０、該法線から反時計回り側への角度を正、時計回り側への角度を負として表した角度範囲〔− π／ ２，π／ ２〕内において互いに異なる二つの角度のうち大きい方をα、小さい方をβで表す（− π／ ２＜β＜α＜π／ ２）と、前記鋸歯状折れ曲がり鏡面の折れ曲がり構造を、所定の角度範囲〔β， α〕に対応する領域１１から入射した光は領域１１へ反射し、領域１１の外側の領域１２、１３から入射した光は領域１２又は領域１３へ反射するように設計することができる。この設計要領を図５に示す。なお、図５において、光ａ，ｂについての式（１） 、式（２） はそれぞれの反射が起こるための条件式、光ｃについての式（３） はこの反射が起こらないための条件式を示した（光ｃのような反射が起こるとその反射光は平滑化層の端部に抜けるので、光のロスが生じて好ましくないからである）。
【００１１】
反射層１と平滑化層２とを図４のように組み合わせたものを反射板３０と称することにすれば、図１に示した本発明の第１例のスクリーン２０は、反射板３０の表面（すなわち平滑化層２の表面）に図３のような光学特性を有する光制御層３を配置したものといえる。このスクリーン２０は、図３の領域５（すなわち光制御層３への入射光の大部分が散乱透過する入射角度範囲に対応する領域）と、図４の領域１１（すなわち反射板３０に対する光の入射角度範囲と反射角度範囲が一致する領域）とが重なり合うように設計することができる。
【００１２】
そのように設計されたスクリーンでは、図６に示すように、スクリーン２０に所定の角度範囲〔β， α〕に対応する領域１４から入射した光は領域１４へ散乱し、一方、領域１４の外側の領域１５，１６ から入射した光は領域１５又は１６へ反射する。
したがって、本発明スクリーンを用いたフロントプロジェクションディスプレイシステムでは、図７に示すように、領域１４内にプロジェクタ２１及び観察者２４が位置し、領域１４外に外光源２５が位置するようにスクリーン２０とプロジェクタ２１とを配置することにより、観察者２４の目にはプロジェクタ光の散乱光のみが入り、外光の反射光は入らなくなるので、従来スクリーンの高品位画像表示限度を超えた明るさの環境下でも、高い表示画像品位を確保することができる。
【００１３】
また、図２に示した本発明スクリーンの第２例は、第１例において光制御層３表面に反射防止層４が配置されたものであるから、光制御層３表面からの反射が防止され、さらに高い画像品位が得られる。なお、反射防止層４は、周知の「反射防止膜」（例えば「岩波 理化学辞典 第５版」の第１０７５頁（１９９８年、岩波書店刊行）参照）で構成することができる。なお、反射防止層４の厚さは０．１ 〜１００ μｍ 程度が好ましい。
【００１４】
本発明スクリーンは、反射板の平滑化層表面に前記高分子膜を配置して光制御層を形成し、好ましくはさらに光制御層の上に反射防止膜を配置して反射防止層を形成することにより製造しうる。
また、反射板は、Ａ：反射層材料の金属板の片面に断面鋸歯状の溝を設け、溝面を鏡面となし、これを平滑化層材料の透明樹脂で埋めて平滑化するという方法、あるいは、Ｂ：平滑化層材料の透明樹脂として板状のものを用い、その片面に断面鋸歯状の溝を設け、これに反射層材料の金属を蒸着して溝面を鏡面にする方法によって製造しうる。蒸着させる金属としてはスズ、アルミニウム等がよい。
【００１５】
方法Ａでは、金属板に溝を設ける手段としてフライス盤等による溝加工が挙げられるが、これは加工コストが高すぎる。一方、方法Ｂでは、板状透明樹脂に溝を設ける手段として、例えば図８に示すようなロール転写法（：軟状態の板状透明樹脂４１を鋸歯状溝模様付ロール４０で溝転写し、その後硬化させる）が挙げられ、これは加工コストが低いから、方法Ａよりも有利である。
【００１６】
【実施例】
図２に示した本発明スクリーンの第２例に相当する縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ７ｍｍのスクリーンを試作した。反射板は、図５の設計要領において、α＝５°、β＝−４０°、ｎ＝１．４ として設計した。反射層は、厚さ５ｍｍのアルミニウム板の片面を溝加工して製作した。鋸歯ピッチは２０００μｍ とした。平滑化層は、前記設計値に等しい屈折率を有する二成分混合型硬化性透明樹脂（材料名シリコンゴム）を最大厚さが１０００μｍ となるように反射層の鋸歯状反射面に塗布して形成した。光制御層は、住友化学（株）製の前記高分子膜のうち−４０°〜５°の角度範囲に対応する領域（以下、「角度領域」と略記）からの入射光の約８０％を散乱透過し、他の角度領域からの入射光は屈折率１．４ で直進透過させる光学特性を有する厚さ１ｍｍのものを平滑化層表面に接着して形成した。この光制御層の表面に蒸着により形成した厚さ８０μｍ の反射防止膜を接着した。
【００１７】
上記試作したスクリーンに対し、プロジェクタ光を０°〜−２０°の角度領域から入射させ、一方、外光を２０°〜６０°の角度領域から入射させ、全角度領域（−９０°〜９０°の角度領域）にわたる反射（散乱も含む）光の強度分布を測定した。なお、観察者はスクリーンを−４０°〜５°の角度領域から観察する。
図９は、試作スクリーンに入射させた（ａ）プロジェクタ光、（ｂ）外光についてそれぞれ測定した反射光強度（相対値）と反射角度との関係を示すグラフである。図示のように、プロジェクタ光は、ほぼ被観察領域（−４０°〜５°の角度領域）内へ反射している（この反射は反射光強度ピークがブロードであることから散乱が主）のに対し、外光は、被観察領域外へ反射している（この反射は反射光強度ピークがシャープであることから正反射が主）。すなわち、本発明スクリーンによりプロジェクタ光と外光とが分離され、観察者は外光の混ざらない高品位の投影表示画像を観察できることが確かめられた。
【００１８】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、従来の高品位画像表示限界を超える明るさの環境下でも、高品位の投影表示画像を観察できるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明スクリーン（第１例）を模式的に示す立体図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明スクリーン（第２例）を模式的に示す立体図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】光制御層の光学特性の概要説明図である。
【図４】反射面の反射特性の概要説明図である。
【図５】反射面の鋸歯状折れ曲がり構造の設計要領の概要説明図である。
【図６】本発明スクリーンの光学特性の概要説明図である。
【図７】本発明スクリーンを用いたフロントプロジェクションディスプレイシステムの概要説明図である。
【図８】反射板の好ましい製造方法に係る説明図である。
【図９】試作スクリーンに入射させた（ａ）プロジェクタ光、（ｂ）外光についてそれぞれ測定した反射光強度（相対値）と反射角度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 反射層
１Ａ 反射面（鋸歯状反射面）
２ 平滑化層
３ 光制御層
４ 反射防止層
５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６ 領域（ある角度範囲に対応する領域）
２０ スクリーン（本発明スクリーン）
２１ プロジェクタ
２４ 観察者
２５ 外光源
３０ 反射板
４０ 鋸歯状溝模様付ロール
４１ 板状透明樹脂

Claims (2)

1. 鋸歯状に折れ曲がった反射面をもつ反射層と、該反射層の鋸歯状反射面に密着した透明な平滑化層と、該平滑化層の反反射層側の面に密着し光をその入射方向により散乱透過または直進透過させる光制御層とを有してなり、プロジェクタ光を観察者方向に散乱させ、外光を観察者のいない方向に正反射させることを特徴とするフロントプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
2. さらに前記光制御層の反平滑化層側の面に密着し該面からの反射を抑える反射防止層を有することを特徴とする請求項１記載のフロントプロジェクションディスプレイ用スクリーン。

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