JP3758358B2 - 投射スクリーン及び投射表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、投射表示装置及びその映像表示に用いられる投射スクリ一ンにかかり、特にホログラムを用いた投射スクリーンの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投射表示装置の表示手段としては、スクリーン表面にガラスビーズを分散させて形成した反射型スクリーンや、レンチキュラーの拡散板を使用した透過型スクリーンが、一般に知られている。
【０００３】
一方、背面投射型の表示装置においては、近年ボックスの簿型化が開発のトレンドとなっており、フロント投射型の表示装置においては、投射表示装置が観察の障害にならないよう、あおり投射を行うのが一般的になっている。例えば、本出願人による特願平９−３２２３３８号には、投射スクリーンに対し、入射角度の大きい斜め方向から映像光を入射させて投影表示を行うようにした投射表示装置が記載されている。これによれば、斜め投射によっても投影像の像歪みが発生しないという有用な効果が得られる。
【０００４】
ホログラムを投射スクリーンに使用した従来技術としては、例えば、特開平８−２４８５１４号公報に開示されたものがある。これは、ホログラムシ一トを投射装置とスクリーンの間の光路中に配置し、投射装置からの斜め入射光をスクリーン面に略垂直方向に回折するようにして、背面投射装置の薄型化を可能としたものである。また、特開平９−３４０１５号には、ホログラムとして１色もしくは多色記録のホログラムを用いることが開示されており、特開平８−１５７７９号には、３原色光に対応した３層のリップマンホログラムを投射スクリーンに使用した例が開示されている。共に、不要な外光を透過吸収して明るい場所でも表示画像のコントラストを低下させることがないという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来技術には次のような不都合がある。まず、特願平９−３２２３３８号で開示された斜め投射型表示装置に、例えばガラスビーズを分散して形成した従来の反射型スクリーンを使用した場合には、投射映像光は入射角度とほぼ同じ角度で反射する。従って、入射角度が大きい斜め投射のときには、スクリーン正面の観察者方向に反射する映像光が減少し、映像が暗くなってしまう不都合がある。レンチキュラーの拡散板を用いた透過型スクリーンにおいても同様である。
【０００６】
次に、特開平８−２４８５１４号に開示された背面投射装置では、使用するホログラムによっては投射映像がレインボー状となり、色再現の劣悪な投射映像となってしまう可能性がある。一方、例えば投射光として直線偏光光を使用する液晶投射装置においては、投射光そのものに不要な直線偏光成分が含まれており、これが表示コントラストを悪化させている。従って、特開平９−３４０１５号及び特開平８−１５７７９号に開示された従来技術において、投射表示装置自身のコントラスト性能が悪い場合には、表示画像のコントラストも悪化せざるを得ないという不都合がある。
【０００７】
本発明は以上の点に着目したもので、斜め投射においても、コントラストが高く明るい映像光を、所定方向に透過又は反射することができるホログラムを用いた投射スクリ一ン及び投射表示装置を提供することを、その目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の投射スクリーンは、斜め方向から入射した映像光を、回折光の射出側に光拡散手段を備えた透過型のホログラムによって所定方向に回折する投射スクリーンにおいて、前記ホログラムで回折された映像光にかかる各原色光の射出方向が互いに略一致するとともに、前記ホログラムと前記光拡散手段の間に、映像光中に含まれる不要光を反射して系外に排除する反射層を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の投射表示装置によれば、請求項１記載の投射スクリーンを備えており、前記ホログラムの回折効率の最大値を与える入射角度と、映像光の前記ホログラムに対する入射角度とを略一致させたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［実施形態１］
【００１２】
図１は本発明の第１の実施の形態を説明する概略図であり、反射型の投射スクリーンに応用した例を示している。同図において、本形態にかかるホログラムを用いた投射スクリーン１は、投射装置２が格納されたボックス３に立設されている。投射装置２としては、例えば前記特願平９−３２２３３８号に開示されている斜め投射装置が好適である。投射装置２が発した投射光４は、投射スクリーン１に対し斜めに入射する。しかし、投射スクリーン１が斜め入射光を略法線方向に反射するホログラムで構成されているから、投射光４は投射スクリーン１によって矢印ＦＡで示す前方に反射され、投射スクリーン１と対向して位置する観察者の目に達する。
【００１３】
入射角とほぼ同じ角度で反射されて観察者の目に届かなかった従来の反射型スクリーンによる投射光も、本形態の投射スクリーンではほとんど全てが観察者に達するようになり、明るい表示影像を見ることができる。更に、投射光４の投射スクリーン１に対する入射角度と、前記投射スクリーン１を構成するホログラムの回折効率（効率約１００％）の最大値を与える入射角度とを一致させることによって、より高輝度の表示映像も得ることができる。
【００１４】
図２には、本形態にかかる投射スクリーン１の一例が示されている。同図に示すように、ホログラム５と光吸収層又は光吸収材６とが積層されており、ホログラム５が表側（観察者側），光吸収材６が裏側となっている。反射防止膜７は、ホログラム５の表面に形成されている。ホログラム５は、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３原色光のうちのＲに対応するホログラム層５ｒ，Ｇに対応するホログラム層５ｇ，Ｂに対応するホログラム層５ｂを積層した構成となっている。なお、ホログラム層５を、３原色光によってホログラム材を多重露光して形成した単層構造のものとしてもよい。以上のように、ホログラム５，光吸収材６，及び反射防止膜７によって、投射スクリーン１が構成されている。
【００１５】
次に、投射スクリーン１の作用を説明する。上述したように、投射装置２から出力された投射光４が投射スクリーン１に斜め入射する。投射光４は、反射防止膜７を透過してホログラム５に入射する。この入射光のうち、青色光Ｂは、反射防止膜７を透過し、ホログラム５の青色対応のホログラム層５ｂに入射し、ここでその略法線方向（図１の矢印ＦＡ方向）に反射される。また、緑色光Ｇは、反射防止膜７及び青色対応ホログラム層５ｂを各々透過して、緑色対応のホログラム層５ｇに入射し、ここでその略放線方向に反射される。更に、赤色光Ｒは、反射防止膜７，青色対応ホログラム層５ｂ，及び緑色対応ホログラム層５ｇをそれぞれ透過して、赤色対応のホログラム層５ｒに入射し、ここでその略法線方向に反射される。このようにして、ホログラム５で反射されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光４は、投射スクリーン１と対向した位置の観察者の肉眼に達する。
【００１６】
なお、ホログラム５で回折される映像光４にかかるＲ，Ｇ，Ｂの各光の射出方向を共に略一致させることにより、色シェーディングのない高品質な表示映像を提供できる。更に、Ｒ，Ｇ，Ｂにそれぞれ対応するホログラム層５ｒ，５ｇ，及び５ｂにおいて回折効率の最大値を与える各色の波長と、映像光４にかかるＲ，Ｇ，Ｂの中心波長とを一致させることによって、高輝度な表示映像を提供できる。
【００１７】
図２に示すように、ホログラム５で回折反射されなかった不要光Ｒt，Ｇt，及びＢt，例えばゼロ次回折光は、ホログラム５の裏面に設けられた光吸収材６によって吸収されるため、観察者の目に達することはない。従って、それら不要光によって観察者に達する投射光のコントラストが低下する恐れはない。一方、コントラストの悪化を招くもう一つの要因である外光８は、ホログラム５に対して投射光４の入射方向と異なる方向から入射する。このため、前記ホログラム５において投射光４とは逆方向に回折又は透過するようになり、裏面の光吸収層６で吸収されて、同様に観察者の目に達することはない。従って、それら外光によっても、コントラストが低下する恐れはない。
［実施形態２］
【００１８】
図３には、本発明の実施形態２の全体構成が示されている。この形態２は、透過型スクリーンに本発明を応用した例である。同図において、ホログラムを用いた投射スクリーン１０は、投射装置１１が底部に格納された縦形ボックス１２の側面に設けられている。投射装置１１としては、例えば前記特願平９−３２２３３８号に開示されている斜め投射装置が好適である。投射装置１１が発した投射光４は、投射スクリーン１０に対し斜めに入射する。しかし、投射スクリーン１０が斜め入射光を略法線方向に透過するホログラムで構成されているから、投射光４は投射スクリーン１によって矢印ＦＢで示す前方に回折され、投射スクリーン１０と対向して位置する観察者の目に達する。
【００１９】
入射角とほぼ同じ角度で透過して観察者の目に届かなかった従来の透過型スクリーンによる投射光も、本形態の投射スクリーンではほとんど全てが観察者に達するようになり、明るい表示影像を見ることができる。更に、投射光４の投射スクリーン１０に対する入射角度と、前記投射スクリーン１０を構成するホログラムの回折効率（効率約１００％）の最大値を与える入射角度とを一致させることによって、より高輝度の表示映像も得ることができる。
【００２０】
図４には、本形態にかかる投射スクリーン１０の一例が示されている。同図に示すように、ホログラム１３と光拡散層又は光拡散板１４とが積層されており、ホログラム５が裏側（ボックス内側），光拡散板１４が表側（観察者側）となっている。反射防止膜１５は、ホログラム１３の光入射面に形成されている。ホログラム１３は、前記形態と同様にＲ，Ｇ，Ｂの３原色光のうちのＲに対応するホログラム層１３ｒ，Ｇに対応するホログラム層１３ｇ，Ｂに対応するホログラム層１３ｂを積層した構成となっている。なお、ホログラム層１３を、３原色光によってホログラム材を多重露光して形成した単層構造のものとしてもよい。以上のように、ホログラム１３，光拡散板１４，及び反射防止膜１５によって、投射スクリーン１０が構成されている。
【００２１】
次に、投射スクリーン１０の作用を説明する。投射装置１１から出力された投射光４は、図３に示すように、投射スクリーン１０に斜め入射する。投射光４は、反射防止膜１５を透過してホログラム１３に入射する。この入射光のうち、青色光Ｂは、反射防止膜１５を透過し、ホログラム１３の青色対応のホログラム層１３ｂに入射し、ここでその略法線方向（図３の矢印ＦＢ方向）に回折する。そして、Ｇ及びＲのホログラム層１３ｇ，１３ｒをそれぞれ透過して光拡散板１４から射出される。緑色光Ｇは、反射防止膜１５及び青色対応ホログラム層１３ｂを各々透過して、緑色対応のホログラム層１３ｇに入射し、ここでその略放線方向に回折する。そして、Ｒのホログラム層１３ｒを透過して光拡散板１４から射出される。更に、赤色光Ｒは、反射防止膜１５，青色対応ホログラム層１３ｂ，及び緑色対応ホログラム層１３ｇをそれぞれ透過して、赤色対応のホログラム層１３ｒに入射し、ここでその略法線方向に回折して光拡散板１４から射出される。このようにして、ホログラム１３で回折したＲ，Ｇ，Ｂの投射光４は、投射スクリーン１０と対向した位置の観察者の肉眼に達する。
【００２２】
なお、前記形態１と同様に、ホログラム１３で回折される映像光４にかかるＲ，Ｇ，Ｂの各光の射出方向を共に略一致させることにより、色シェーディングのない高品質な表示映像を提供できる。更に、Ｒ，Ｇ，Ｂにそれぞれ対応するホログラム層１３ｒ，１３ｇ，及び１３ｂにおいて回折効率の最大値を与える各色の波長と、映像光４にかかるＲ，Ｇ，Ｂの中心波長とを一致させることによって、高輝度な表示映像を提供できる。特に、本形態によれば、ホログラム１３の回折光が光拡散層又は光拡散板１４で拡散される。従って、視野角の広い投射スクリ一ンが得られる。
［実施形態３］
【００２３】
次に、図５を参照しながら、本発明の第３の実施形態について説明する。この形態は、上述した透過型の投射スクリーンに関するものである。なお、前記図４と同じ構成要素は同一の符号で示す。本形態の特徴は、ホログラム１３と光拡散層１４の間に、斜め入射光を所望の方向に反射する反射層１６を設けたものである。反射層１６としては、可視光帯城の光を効率良く反射する反射型ホログラム１６ａ（同図（ａ）参照）や空気層１６ｂ（同図（ｂ）参照）が用いられる。
【００２４】
まず、図５（ａ）のように反射層１６としてホログラム層１６ａを備えた反射スクリーン２０から説明する。この場合、投射光４のＲ，Ｇ，Ｂの各光のうち、対応するホログラム層で回折されなかった不要光Ｒf，Ｇf，Ｂfは、点線で図示するように、ホログラム層１６ａで所定の方向に反射される。このため、不要光が観察者の目に届くことはないから、コントラストに優れた表示映像を提供できる。なお、反射された不要光Ｒf，Ｇf，Ｂfは、ホログラム１３に設定された入射角度と異なる入射角度でホログラム１３に入射するから、回折されることなく透過して系外に排除される。前記ホログラム層１６ａとしては、後述する偏光分離機能を有するホログラムではない方がよい。
【００２５】
次に、図５（ｂ）のように、反射層１６として空気層１６ｂを備えた反射スクリーン３０を説明する。この場合、投射光４のＲ、Ｇ、Ｂの各光のうち、対応するホログラム層で回折されなかった不要光Ｒf，Ｇf，Ｂfは、点線で図示するように、空気層１６ｂとホログラム１３の界面で全反射される。このため、不要光が観察者の目に届くことはないから、コントラストに優れた表示映像を提供できる。なお、反射された不要光Ｒf，Ｇf，Ｂfは、ホログラム１３に設定された入射角度と異なる入射角度でホログラム１３に入射するから、回折されることなく透過して系外に排除される。ホログラム１３で回折した投射光４は、前記空気層１６ｂに対しては略垂直に入射するから、空気層１６で反射されることなく通過して観察者の目に達する。
【００２６】
図５に示すいずれの場合においても、ボックス１２（図３参照）の内側に光吸収材を備えるようにすれば、排除された不要光Ｒf，Ｇf，Ｂfが吸収されるため、不要光の影響が更に低減されてコントラストが向上する。
［実施形態４］
【００２７】
次に、図６及び図７を参照しながら本発明の実施形態４について説明する。この形態は、前記ホログラム５，１３を、偏光分離機能を有するホログラムで構成したもので、コントラストの向上を図ったものである。偏光分離機能を有するホログラムの特性は、例えば図６及び図７に示すようになる。
【００２８】
これらのうち、図６は、一例として、入射光の波長を５４０ｎｍ，ホログラム感材に対する屈折率の変化量△ｎを０．０３とし、各ベンドアングルにおいてＳ偏光波の回折効率が１００％となるようにホログラムの厚みｔを設定した条件下で、Ｐ偏光波の回折効率を計算によって求めたものである。この図から明らかなように、ベンドアングルが大きいと、Ｓ偏光波とＰ偏光波の両方をほぼ１００％回折する特性が得られ、ベンドアングルを１２０度以下にするとＰ偏光波の回折効率を５０％以下にすることができ、ベンドアングルを９０度に近づけることでＰ偏光波の回折効率を０％にすることができる。
【００２９】
以上の回折効率の特性は、入射光の波長に対して大きな依存性を示す。しかし、逆にその波長依存性を利用することにより、所望の波長に対してＳ偏光波が１００％に近い回折効率で回折され、Ｐ偏光波の回折効率が極めて小さくなるような最適設計を行うこともできる。従って、前記ホログラム５，１３を、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色について、それぞれの波長帯域のＳ偏光波だけを高い回折効率で回折するとともに、Ｐ偏光波の回折効率を抑制するように構成することができる。
【００３０】
一方、ホログラムの回折効率は、屈折率の変化量△ｎ，その厚みｔ，及び入射角θに対して依存性を有する。ところが、入射角θを６０度から９０度の範囲という具合に大きく設定した条件下では、図７に示すように、Ｐ偏光波の回折効率ηpとＳ偏光波の回折効率ηsは、屈折率変化量△ｎと厚みｔを関数とした関数Ｆ（△ｎ，ｔ）の変化に対して相互に位相を異にした周期的な変化傾向を有している。そして、屈折率変化量△ｎと厚みｔを一定にして入射角を０度に近づけると、Ｐ偏光波の回折効率ηpにかかる位相がＳ偏光波の回折効率ηsにかかる位相に近づき、θ＝０度では理論的に双方の回折効率が一致する。従って、図７で示した各回折効率ηp，ηsの変化において、例えば入射角θを７５度に設定し、屈折率変化量△ｎと厚みｔの条件を選択して関数Ｆ（△ｎ，ｔ）の値を図中のＡ点にすると、Ｐ偏光波の回折効率ηpを最大の１００％にしながら、Ｓ偏光波の回折効率ηsを０％にすることができる。
【００３１】
このように、ホログラム５及び１３において、それぞれ目的とする特性が得られるように屈折率変化量△ｎ，厚みｔ，入射角θを設定すれば、所定の偏光波の投射光を所望の方向に射出させることができるとともに、不要な偏光波を分離除去でき、コントラストに優れた表示映像を提供することができる。例えば、前記形態１において、Ｐ偏光波を投射光４として使用するとともに、ホログラム５を主にＰ偏光波を回折してＳ偏光波を透過する偏光分離機能を有するホログラムで構成する。すると、投射光４中に含まれるコントラストの劣化要因となっている不要なＳ偏光波が、前記ホログラム５を透過して光吸収層６に吸収されるようになり、観察者に達する投射光のコントラストが向上する。このように、直線偏光波を投射光とする液晶投射装置において、コントラストに優れた表示映像を提供することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）ホログラムによる回折によって射出される映像光の射出方向がほぼ同じであるため、色シェーディングのない高品質な表示映像が得られる。
（２）Ｒ，Ｇ，Ｂの各ホログラムの回折効率の最大値を与える波長が、映像光におけるＲ，Ｇ，Ｂの各中心波長と略一致しているため、光利用率の高い高輝度な表示映像を得ることができる。
（３）偏光分離機能を備えたホログラムを使用するため、映像表示にかかる偏光成分のみを主に取り出すとともに、不要な偏光成分を除去することができ、コントラスト性能の悪い投射装置を使用してもコントラストの高い映像表示が可能となる。
（４）不要光を吸収する吸収層を設けたため、不要光の影響が低減されて、コントラストの高い映像表示が可能となる。
（５）ホログラムによる回折光の射出側に光拡散手段を設けたため、視野角の広い投射スクリーンを得ることができる。
（６）ホログラムと光拡散手段の間に、不要光を回折して系外に排除する反射手段を設けたため、コントラストの高い映像表示が可能となる。
（７）ホログラムの回折効率の最大値を与える入射角度と、映像光のホログラムに対する入射角度とを略一致させたため、高輝度で色シェーディングのない高品質な表示映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の全体構成を示す図である。
【図２】前記実施形態１の投射スクリーンの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２の全体構成を示す図である。
【図４】前記実施形態２の投射スクリーンの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態３の投射スクリーンの構成を示す図である。
【図６】ホログラムのベンドアングルと偏光光の回折効率との関係を示す図である。
【図７】所定関数と偏光光の回折効率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１０，２０，３０…投射スクリーン
２，１１…投射装置
３，１２…ボックス
４…投射光
５，１３…ホログラム
５ｒ，５ｇ，５ｂ，１３ｒ，１３ｇ，１３ｂ…ホログラム層
６…光吸収層又は光吸収材
７…反射防止膜
８…外光
１４…光拡散層又は光拡散板
１６…反射層
１６ａ…反射型ホログラム
１６ｂ…空気層
Ｒ，Ｇ，Ｂ…原色光
Ｒt，Ｇt，Ｂt…透過不要光
Ｒf，Ｇf，Ｂf…反射不要光

Claims (2)

1. 斜め方向から入射した映像光を、回折光の射出側に光拡散手段を備えた透過型のホログラムによって所定方向に回折する投射スクリーンにおいて、
   前記ホログラムで回折された映像光にかかる各原色光の射出方向が互いに略一致するとともに、
   前記ホログラムと前記光拡散手段の間に、映像光中に含まれる不要光を反射して系外に排除する反射層を設けたことを特徴とする投射スクリーン。
2. 請求項１記載の投射スクリーンを備えた投射表示装置であって、
   前記ホログラムの回折効率の最大値を与える入射角度と、映像光の前記ホログラムに対する入射角度とを略一致させたことを特徴とする投射表示装置。

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