JP3741143B2 - 透過式スクリーン - Google Patents

Description

本発明は、特に垂直方向に広範囲の観視方向から観視された場合においても優れた画質を提供できる高解像度の投写式ディスプレイ装置に用いられる透過式スクリーン関する。

従来の投写式ディスプレイ装置の構成の一例を図１に示す。同図において、１はスクリン、２は投写用レンズ、３は原画像形成面、４は原画像形成手段、５は出力増幅器、６は前置増幅器、７は画像信号入力端子である。ＣＲＴを用いた装置においては、３はＣＲＴのフェースプレートであり、液晶パネルを用いた装置においては、３は液晶パネルである。

図２に従来の透過式スクリンの構成の一例を示す。同図において、８はフレネルシート、９は垂直発散用レンチキュラーシート、１０は水平発散用レンチキュラーシート、１２はピッチ約８０μｍの垂直方向ミクロ光発散用レンチキュラーレンズ面、１１はピッチ約１００μｍのマクロ光収束用フレネルレンズ面、１３はピッチ約５００μｍの水平方向ミクロ光発散用レンチキュラーレンズ面、１４はブラックストライプ面である。シート１０の１周期分の拡大断面図を図３に示す。同図で光の進行方向は矢印付実線で示される。１４′は光透過部、１４″はブラックストライプ部である。通常、シート８，９，１０のいづれかに、光拡散粒子層が設けられる。図２，図３の詳細説明については、本発明者のＵＳＰ４７２５１３４号を参照されたい。

図４，図５に各々、図３のスクリンの水平指向性及び垂直指向性を示す。一般に相対輝度が１／３以上の角度範囲が適視範囲とされており、本発明においては発散角と称する。図４，図５から判るように、従来技術においては、水平発散角は約９０度強、垂直発散角は約２０度で、全スクリン面にわたって一定であった。このスクリンのゲインは約６倍程度であった。

上記特性は、１フィールド当りの走査線の本数が約２５０本の現行テレビジョン方式用には妥当であったが、走査線本数１０００本以上のコンピュータディスプレイ用には不十分であった。その理由を次に示す。

図６に、従来技術のスクリンの垂直指向性及び適視範囲を示す。同図において、１５は既述フレネルレンズの出射側共役点である。

スクリン上の各点を出射する光の各重心光はこの共役点１５に向う。Ｈはスクリンの有効高さである。同図で矢印付実線は光線の進行方向を示す。斜線で囲った領域が適視範囲である。

通常のテレビジョン方式の場合スクリンから観視者までの距離の適値即ち適視距離は３Ｈ〜８Ｈとされている。図６の適視範囲は丁度この適視距離を内に含んでいるので好ましい。

しかし乍ら、その走査線本数が１０００本以上のコンピュータ用ディスプレイの場合には、もっとスクリンの近くから観視できる必要がある。図７にこのことを示す。同図で１６は観視者の目の位置の分布である。即ち、最短観視距離は約１Ｈ程度あることが望ましい。この様な用途に使う場合、従来技術においては、図２の垂直発散用レンチキュラーレンズ１２の強さを一様に強めて、図５に示す垂直発散角を約２倍（約４０度）に拡げていた。しかしその場合、スクリンのゲインが約半分に低下しそのため、画面全体の各部の輝度が約半分に劣化してしまいその結果画像内容を判読しづらくなるという問題点があった。また、上記輝度劣化を補償するために、光源電力を２倍に増大すると、消費電力が過大となり、かつ、熱放散用に経費が浪費されるという問題点があった。

本発明のひとつの目的は、その垂直発散角がスクリーン上の垂直部位に応じて変調された投写式ディスプレイ装置に用いられる透過式スクリーンを提供するにある。

上記目的を達成するための、本発明に係る透過式スクリーンは、原画像形成面に形成された画像が拡大投写される透過式スクリーンにおいて、少なくとも、光出射面にフレネルレンズが形成されたフレネルシート、及び水平方向に光を発散するための複数のレンチキュラーレンズが光入射面に形成されたレンチキュラーシートを備え、前記レンチキュラーシート、及びフレネルレンスシートのいずれかは、光拡散層を含み、前記フレネルシートの光入射面には、垂直方向に光を発散するための、水平方向に延びて形成された複数の垂直光発散手段が垂直方向に並んで形成され、前記複数の垂直発散手段のうち、前記フレネルシートの上端部に位置する垂直光発散手段の垂直方向の発散角が最も大きく、前記フレネルシートの上部に位置する垂直光発散手段の上部に入射された光が、下方に向けて出射されることを特徴とする。

該変調ピッチ式レンチキュラーレンズ手段は、最広垂直発散角を必要とされるスクリン上の垂直部位における配列ピッチが、最狭発散角で済まし得る位置における配列ピッチに比べて、約１．２倍以上に選定される。レンチキュラーレンズ手段は、ひとつのプロファイル形状を多数１次元方向に並べたもの故その発散角はほぼ配列ピッチに比例する。従って、該最広発散角を必要とされるスクリン上の垂直部位において、垂直発散角を約１．２倍以上に拡大できる。

本発明によれば、スクリンの垂直部位に応じて、観視者の分布に整合した垂直発散角を付与することができ、しかも最小限の消費電力の増加によって、画面輝度の劣化を防止することができる。従って観視者の眼精疲労を低減できる。従って工業上の価値が高い。

図８に本発明の第１の実施例を示す。同図は、スクリンの部分を示す。同図で、１２′以外は、図２と同一である。１２′は、変調ピッチレンチキュラーレンズ手段である。その断面拡大図を図９に示す。同図で垂直発散角はｖ１〜ｖ４に示されている。同図の場合、スクリンの下端から中央に至るｖ１〜ｖ２は約２０度一定で、ｖ３は約３０度、上端のｖ４は約４０度である。最広発散角が必要とされる部位（上端）におけるレンチキュラーレンズの配列ピッチは最狭発散角で済まし得る部位（下端〜中央）の配列ピッチの約２倍に選定されている。実用上は、この比を１．２倍以上とすれば改善効果が顕著に現れる。従って、この比を１．２倍以上とすることが本実施例の要件である。

図１０に、図９のスクリンを用いた場合の適視範囲を示す。同図において、フレネルレンズ（図９の１１）の出射側共役点は、３Ｈの距離１７に配置してある。ここに、スクリンの各部部位からの主光線が集中する。スクリンは約１０度前傾してある。

垂直発散角は同図に示す通り、スクリン上端部で＋−２０度、計４０度（実際には、スネルの法則に内在する非直線性に起因して、下方へは２０度より大きく拡がる。）であり、スクリンの中央部〜下端部においては約＋−１０度、計２０度である。従って、同図に斜線で囲った部分が適視領域となる。本図を既述図７と重ね合わせることによって理解されるように、ほぼ図７の用途に合致している。

図９において、変調ピッチレンチキュラーレンズ手段１２′の断面形状は凸レンズ状としても良いし、凹レンズ状としても良い。また円柱レンズ状としても良いし、より高次の曲線状としても良い。円柱レンズの場合に得られる最大の発散角は約４０度である。双曲線状とすれば、これを更に拡大できる。以上で第１実施例の説明を終る。

図１１に第１実施例の第１の変形例を示す。図８においては変調ピッチレンチキュラーレンズ手段１２′を出射面に配置したが本例では入射面側に配置した。
その他は図８と同一である。

図１２に更に他の変形例を示す。同図においては、シート９が省略され、変調ピッチレンチキュラーレンズ手段１２′はフレネルシート８の入射面に形成されている。この構成の場合、スクリンの枚数を低減できる。しかし乍ら、図１０のスクリン上端において、上側発散角に比べて下側発散角がより大となる傾向が強まること(その原因はスネルの法則の非直線性にある。）に配慮して各特殊用途へ応用することが推奨される。

更に本発明を、スクリンを２段以上上下に重ねて使用するいわゆるマルチスクリン方式へ応用するのに適した変形例を図１２に示す。周知のマルチスクリン方式においては、通常フレネルレンズ１１の光出射側共役点を無限遠点に設定する場合が多い。また、１段目と２段目との継目において、垂直指向特性の連続性を確保することが望まれる。このような用途の上段側に用いるに適した変形例を図１３に示す。

同図において、１２″以外は既述のものと同一である。１２″は、変形された変調ピッチレンチキュラーレンズ手段である。シート９の断面拡大図を図１４に示す。同図で出射光の垂直指向角はｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４で示され、この順に大きくしてある。このようなレンチキュラーレンズ面は少く共、そのピッチが最大の部位において、実質的に連続レンチキュラーレンズの片側半面のみを形成することによって実現できる。レンチキュラーレンズのプロファイルは、円柱面または楕円面の一部を折れ線近似するような形状としても良い。楕円面の形状を、スクリンの法線方向に長軸を有し、かつ、その離心率をして媒質の屈折率の逆数と１との中間に設定すれば、垂直指向特性を平坦一様化する必要のある用途に有効である。

第１実施例及び上記変形例達において、変調ピッチレンチキュラーレンズ手段１２′または１２″のピッチは、最狭発散角で済ませ得る部位において、零（即ち単純平面）とすることができる。何故なら、従来技術の欄で記した通り、通常、シート８，９、及び１０のいづれかに、光拡散粒子層を設けるので、この光拡散粒子層によって最低限の垂直発散角を付与できるからである。あるいは、残余の面、例えば図１３におけるシート８の入射面または、シート９の出射面に更に発散角約１０度のレンチキュラーレンズ手段を追加しておいても良い。そうしておくことによって、垂直指向特性（図５）のカットオフ部の急しゅんさを低減して、よりなだらかなスロープ特性とすることができる。垂直レンチキュラーレンズのピッチは数十μｍないし約１mmの範囲で用途に応じて、その画素サイズより十分小さく選定することができる。以上で本発明の第１実施例及びその変形例達に関する説明を終る。

次に本発明の第１実施例と共に用いることが推奨される第２の実施例を開陳する。第２の実施例は、光密度変調手段に関する。まず電子回路を利用する例を図１５に示す。同図において、１７，１８、及び１９以外は既述のものである。

１７は電子回路を利用した光密度変調手段であって、具体的には、利得制御回路であってその利得は、端子１８からの入力信号にほぼ比例して制御される。１９は同期信号分離回路と波形生成回路とを組合せたブロックである。これらの動作を図１６に示した信号波形図によって説明する。同図で６′は前置増幅器６の出力の波形図、１８′は端子１８の波形、１７′は利得制御回路１７の出力の波形図、１９は垂直走査期間、２０は垂直ブランキング期間、これらの期間の合計は１垂直走査期間Ｔｖである。２１は画面の上端、２２は画面中央、及び２３は画面下端に対応する。同図は、画面上端〜中央部の利得を増加させる場合を示している。これは、図８，図９，図１１、及び図１２で既述したスクリンの特性を補償する場合について示してある。

図１６の波形１７′によって画面上端部の輝度を相対的に増大できるため、目的にかなった適切な補償を遂行できる。以上で電子回路を利用した光密度変調手段の説明を終る。

次に光学的な光密度変調手段の例を図１７に示す。同図で２４〜２８以外は既述のものと同じである。３は液晶パネルまたはライトバルブである。２４は光源、２５は反射鏡、２６は、光密度変調手段であって具体的にはその下半分を１次元メニスカスレンズ化したガラス板である。２７，２８は各々その出射光のスクリンの上端部位及びスクリンの下端部位に対応する部分である。実線矢印は光線の経路である。同図から理解されるように、２８の部分に比べて２７の部分はその光密度を増大できている。光密度変調手段２６の厚みを厚くすればその増大の程度を向上できる。従って、図１７の構成によって、既述のスクリン１′の上端部におけるゲイン、輝度の低下を補償できる。

上記本発明の第２実施例（図１５または図１６）によれば、主として、スクリンの上端部位に対応する部分にのみ余分の電力を供給することによって、画面輝度の低下を防止することができる。従って、最小限度の電力増加によって高度の性能を達成できる。

１次元メニスカスレンズ手段２６を追加する代りに、図１７において、光源２４の上側発光面積を下側発光面積に比べて大ならしめることによって、光密度を変調しても良い。以上で本発明の第２実施例の説明を終る。

投写式ディスプレイ装置の構成。 従来技術のスクリン手段。 図２の動作説明図。 図２の動作説明図。 図２の動作説明図。 従来技術の適視範囲。 観視者分布の一例。 本発明の第１実施例。 本発明の変調ピッチ垂直レンチキュラーレンズ手段。 本発明の適視範囲の一例。 本発明の変形例。 本発明の変形例。 本発明の変形例。 本発明の変形例。 本発明の第２実施例。 図１５の動作説明用波形図。 本発明の第２実施例の変形例。

符号の説明

１，１′…スクリン、２…投写用レンズ、３…原画像形成面、４…原画像形成手段、５…出力増幅器、６…前置増幅器、７…画像信号入力端子、８…フレネルシート、９…垂直発散用レンチキュラーシート、１０…水平発散用レンチキュラーシート、１２′…変調ピッチレンチキュラーレンズ手段、１２″…変形された変調ピッチレンチキュラーレンズ手段、１７…利得制御回路、２６…１次元メニスカスレンズ。

Claims (3)

1. 原画像形成面に形成された画像が拡大投写される透過式スクリーンにおいて、
   少なくとも、光出射面にフレネルレンズが形成されたフレネルシート、及び水平方向に光を発散するための複数のレンチキュラーレンズが光入射面に形成されたレンチキュラーシートを備え、前記レンチキュラーシート、及びフレネルレンスシートのいずれかは、光拡散層を含み、
   前記フレネルシートの光入射面には、垂直方向に光を発散するための、水平方向に延びて形成された複数の垂直光発散手段が垂直方向に並んで形成され、
   前記複数の垂直発散手段のうち、前記フレネルシートの上端部に位置する垂直光発散手段の垂直方向の発散角が最も大きく、前記フレネルシートの上部に位置する垂直光発散手段の上部に入射された光が、下方に向けて出射されることを特徴とする透過式スクリーン。
2. 前記垂直発散手段の各々は、上下非対称の形状を為すことを特徴とする請求項１に記載の透過式スクリーン。
3. 前記フレネルシートの光入射面の上部に前記垂直光発散手段が形成され、該フレネルシートの入射面の該上部よりも下の部位が平面を含むことを特徴とする請求項１に記載の透過式スクリーン。

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