JP4149493B2 - フレネル光学素子、表示スクリーン及び投写型表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、プロジェクタから照射される光線を観測者に向けて出射させるフレネル光学素子と、そのフレネル光学素子が組み込まれた表示スクリーンと、プロジェクタなどの発光体と表示スクリーンからなる投写型表示装置とに関するものである。

従来の表示スクリーンは、観測者側に設置された発光体（例えば、プロジェクタ）から照射される光線を入射する入射面が屈折面をなしているフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子と、その屈折面によって屈折された光線を反射し、その反射光をフレネルプリズムの屈折面を介して、観測者側に出射する反射鏡とから構成されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開昭５９−３４２５号公報（第３頁、第９図）

従来の表示スクリーンは以上のように構成されているので、プロジェクタを観測者側に設置すれば（表示スクリーンのほぼ正面）、フレネルプリズムの入射面で屈折された光線が反射鏡に反射して、観測者側に出射される。しかし、フレネル光学素子を形成しているフレネルプリズムは、プロジェクタから照射される光線と、反射鏡に反射された光線を屈折させるためだけに利用されるものであるため、プロジェクタから照射される光線の入射角度を急峻にして光線を斜め照射すると、光線を観測者側に出射させることができなくなる課題があった。

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、光線を斜め照射しても、光線を観測者側に出射させることができる表示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。
また、この発明は、光線を斜め照射しても、光線を観測者側に出射させることができる表示スクリーンに組み込まれるフレネル光学素子を得ることを目的とする。

この発明に係る表示スクリーンは、基盤の表面がフレネル光学素子の反射面で反射された光線を反射する光線反射機能又はフレネル光学素子の反射面で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備え、基盤の表面で反射又は拡散された光線を透過させる透過面が各フレネルプリズムの間に形成されていると共に、各フレネルプリズムへの上記光線の入射角度が大きいほど、上記フレネルプリズムの反射面を一辺とする断面図形の相似縮小比率が小さくなるよう形成したものである。

このことによって、光線を斜め照射しても、光線を観測者側に出射させることができるなどの効果がある。

この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す概略図である。 この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による表示スクリーンを示す構成図である。 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。 光線透過型のスクリーンを示す構成図である。 図５のスクリーン部分の拡大図である。 図６のプリズム部分の拡大図である。 信号光光路に寄与しない部分の面が基盤の光拡散要素と平行に形成されているスクリーンを示す拡大図である。 光線透過型のスクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態２による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態３による表示スクリーンを示す構成図である。 不要光の出射を示す説明図である。 この発明の実施の形態４による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態５による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態６による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態７による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態８による投写型表示装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態９による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９による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９による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９による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９による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１０による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態１１による表示スクリーンを示す構成図である。 この発明の実施の形態１２による投写型表示装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１２による表示スクリーンを示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
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概略図であり、図２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斜視図である。

図において、発光体であるプロジェクタ１は画像投影用の光線をフレネル光学素子２に照射する。
フレネル光学素子２はプロジェクタ１から照射される光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズムが複数形成されている。
基盤３にはフレネル光学素子２のフレネルプリズムが二次元的に配置されている。

図３はこの発明の実施の形態１による表示スクリーンを示す構成図である。図において、フレネル光学素子２を形成しているフレネルプリズムの入射面である屈折面１１はプロジェクタ１から照射される光線を屈折させる。
フレネルプリズムの反射面１２は屈折面１１で屈折された光線を反射させる。

基盤３の表面１３はフレネルプリズムの反射面１２で反射された光線を反射する光線反射機能を備えている。
フレネル光学素子２の透過面１４は各フレネルプリズムの間に形成され、基盤３の表面１３で反射された光線を透過させる。

次に動作について説明する。
この実施の形態１の表示スクリーンは、光線反射型のスクリーンであるが、光線反射型のスクリーンを説明する前に、光線透過型のスクリーンについて説明する。

図５は光線透過型のスクリーンを示す構成図である。
光線透過型のスクリーンは、プロジェクタ２１から照射される光線を屈折させる屈折面２２を有するとともに、屈折面２２で屈折された光線を反射させる反射面２３を有するフレネルプリズムと、その反射面２３で反射された光線を拡散する光拡散要素２４を有する基盤とから構成されている。

図６は図５のスクリーン部分を拡大したものであり、図７は図６のプリズム部分を拡大したものである。
例えば、屈折率ｎ_０の媒質（例えば、大気）から、入射角度θ_０で屈折面２２（図７では、面ＡＣの中の面ＡＨ：面ＨＣの部分には、面ＦＧによって光線が遮断されるため入射されない）に入射した光線は、フレネルプリズムの屈折率ｎ_１で屈折し、反射面２３（図７では、面ＡＢの中の面ＡＩ）に入射するように向きを変える。

このとき、下記の式（１）で表される角度ζを、全反射条件を満足するように設計すると、光線が面ＡＩで全反射して、基盤の光拡散要素２４（図７では、面ＤＯの中の面ＪＥ）の部分に入射するように向きを変える。
ζ＝（π／２）−τ
−ｓｉｎ^−１［（ｎ_０／ｎ_１）ｓｉｎ（τ＋α_ｎ＋θ_ｎ）］ （１）

ここで入射した光線は、屈折率差によって屈折し、θ_ｒｅｆｌの角度で出射される。
出射角度θ_ｒｅｆｌは、下記の式（２）で表される。
θ_ｒｅｆｌ（θ_０；α_ｎ，τ）
＝ｓｉｎ^−１［（ｎ_１／ｎ_０）
・ｓｉｎ｛τ−α_ｎ＋ｓｉｎ^−１（（ｎ_０／ｎ_１）
・ｓｉｎ（τ＋α_ｎ＋θ_０））｝］ （２）

式（２）において、角度α_ｎについて解くと、関係式は以下のようになる。
α（θ_０；θ_ｒｅｆｌ，τ）
＝ｔａｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ_０＋τ）＋（ｎ_１／ｎ_０）
・ｓｉｎ（τ−ｓｉｎ^−１（（ｎ_０／ｎ_１）ｓｉｎθ_ｒｅｆｌ））｝
／｛−ｃｏｓ（θ_０＋τ）＋（ｎ_１／ｎ_０）
・ｃｏｓ（τ−ｓｉｎ^−１（（ｎ_０／ｎ_１）ｓｉｎθ_ｒｅｆｌ））｝ （３）

屈折率ｎ_０，ｎ_１は媒質中で変化させることは難しいため、式（３）より、フレネルプリズムは、出射角度θ_ｒｅｆｌとプリズムの頂角τで関数型が決まる入射角度θ_０の関数であることが分かる。
三角形ＡＢＣを１プリズム単位として、ピッチをｍとすると、三角形ＡＢＣの面ＡＣ、面ＡＢのうち、幾何学から入射光線に寄与しない部分は面ＩＢと面ＨＣである。つまり、フレネルプリズムの根元部分（面ＨＣＫ）は信号光光路に寄与しない。

したがって、フレネルプリズムの根元部分（面ＨＣＫ）は形成せず、図８に示すように、信号光光路に寄与しない部分の面２５を基盤の光拡散要素２４と平行になるように形成してもよい。
図７との対応で説明すると、屈折面２２が面ＡＬ、反射面２３が面ＩＡ、面２５が面ＬＫである。
このとき、三角形ＡＢＣとＡＩＬは相似であり、フレネルプリズムの相似縮小比率をｌとする。

これをプロジェクタに応用すると図９のようになる。
極端な斜入射であり、例えば、表示スクリーンに対して、斜め７０度で入射する場合、頂角τ＝４５°、屈折率ｎ_１＝１．５５であれば、相似縮小比率はｌ≒０．２となり、平面部の方が大きくなる。
同様の条件で、斜め５０度で入射する場合、ｌ≒０．８となり、反対に平面部が小さくなる。つまり、図９にあるように、入射角度の小さいθ_１では平面部の比率が小さく、入射角度の大きいθ_２では平面部の比率が大きくなる。

ここまでは、光線透過型のスクリーンについて説明したが、図３に示すように、光拡散要素２４の代わりに、表面１３が光線反射機能を備えている基盤３を配置するようにすれば、光線反射型のスクリーンになり、同様の原理の下で動作する。

即ち、プロジェクタ１から照射される光線は、フレネルプリズムの屈折面１１で屈折され、屈折面１１で屈折された光線は、フレネルプリズムの反射面１２で反射させる。ここまでは、光線透過型のスクリーンと同様である。
反射面１２で反射された光線は、基盤３の表面１３で反射され、基盤３の表面１３で反射された光線は、透過面１４を透過して観測者側に出射される。

これをプロジェクタに応用すると図４のようになる。
図４の例では、反射面１２で反射された入射角度θ_１の光線が略水平より上向き、反射面１２で反射された入射角度θ_２の光線が略水平より下向きにして（いずれもスクリーンの中心向き）、入射角度θ_１の光線を下部の透過面１４から出射させ、入射角度θ_２の光線を上部の透過面１４から出射させているが、上下どちらを選ぶかは、設計者の自由でよい。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、基盤３の表面１３がフレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を反射する光線反射機能を備え、基盤３の表面１３で反射された光線を透過させる透過面１４が各フレネルプリズムの間に形成されているので、光線を斜め照射しても、光線を観測者側に出射させることができる効果を奏する。
なお、この実施の形態１によれば、光線透過型のスクリーンを光線反射型のスクリーンに転用することも可能となり、部品の共用化によるコストの削減効果も得られる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、基盤３の表面１３がフレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を反射する光線反射機能を備えているものについて示したが、図１０に示すように、基盤３の表面１３がフレネル光学素子の反射面１２で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい。

即ち、基盤３の表面１３に光拡散機能を持つ塗料を塗布、あるいは、基盤３の表面１３に粗面加工を施すことにより、基盤３の表面１３に反射される光線が広がりを有するようにしてもよい。
また、基盤３の表面１３が光線反射機能と光線拡散機能の双方を備えるようにしてもよい。例えば、基盤３の表面１３を完全拡散面、ビーズスクリーンなどにすればよい。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、基盤３の表面１３がフレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備えるように構成したので、観測者が画像を観測できる視野を拡大することができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、基盤３の表面１３がフレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備えるものについて示したが、図１１に示すように、フレネル光学素子２の透過面１４が光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい。

即ち、フレネル光学素子２の透過面１４に光拡散機能を持つ塗料を塗布、あるいは、フレネル光学素子２の透過面１４に粗面加工を施すことにより、フレネル光学素子２の透過面１４を透過する光線が広がりを有するようにしてもよい。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、フレネル光学素子２の透過面１４が光線を拡散する光線拡散機能を備えるように構成したので、観測者が画像を観測できる視野を拡大することができる効果を奏する。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、特に言及していないが、図１２に示すように、プロジェクタ１から照射された光線の一部は、屈折面１１で反射されることがある。
屈折面１１で反射された光線は、隣のフレネルプリズムに入射されたのち、他のフレネルプリズムの屈折面１１で反射され、さらに、基盤３の表面１３で反射されて、不要光として観測者側に出射されることがある。

この実施の形態４では、不要光が観測者側に出射されないようにするため、図１３に示すように、フレネルプリズムの屈折面１１のうち、他のフレネルプリズムに遮断されてプロジェクタ１から光線を直接入射しない非入射面１５（非入射面は、基盤３の表面１３で反射された光線を透過させる透過面に相当する）の反射面１２に対する角度γが、プリズム先端角τより大きくなるように形成している。

これにより、屈折面１１で屈折されずに反射された光線が、他のフレネルプリズムの屈折面１１で反射されなくなり、その光線が不要光として、観測者の視野方向に出射される状況を回避することができる効果を奏する。
したがって、上記のフレネル光学素子２を搭載している投写型表示装置では、ゴースト像の表示を防止することができる効果を奏する。

なお、プロジェクタ１から光線を直接入射しない非入射面１５が光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい。
これにより、非入射面１５に外光が入射されても、その外光が拡散されるようになる。その結果、外光が強い場合でも、コントラストの高い画像を表示することができる効果を奏する。

実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５による表示スクリーンを示す構成図である。図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
レンズ部５は基盤３の表面１３で反射又は拡散された光線の広がりを制御する機能を備えている。

次に動作について説明する。
レンズ部５としては、断面の形状が縦方向もしくは横方向に円、楕円、もしくは非球面である１次元のレンズ（かまぼこ状のレンズ）や、曲率が縦横で異なるレンズが２次元に並んでいるマイクロレンズアレーなどを使用する。
具体的には、レンチキュラーレンズなどを使用する。

光線の入射位置に応じて光路が異なるが、レンズ部５を基盤３に配置すると、レンズ部５を通過することで、光線の傾きが光路毎に変わるため、出射される光線が広がりを有するようになる。
したがって、観測者が画像を観測できる視野を拡大することができる効果を奏する。

実施の形態６．
図１５はこの発明の実施の形態６による表示スクリーンを示す構成図である。図において、図１４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
基盤３の表面１６は、光線の焦点位置１６ａでは光線反射機能や光線拡散機能を有するが、光線の焦点位置１６ａ以外では外光を吸収する外光吸収機能（例えば、ブラックストライプ）を備えている。

次に動作について説明する。
光線の焦点位置１６ａにおいては、基盤３の表面１６が光線反射機能や光線拡散機能を有しているので、上記実施の形態５と同様に、光線を反射又は拡散する。

プロジェクタ１から照射された光線は、レンズ部５の作用により、焦点位置１６ａ以外の位置に照射されることはないが、外光などは焦点位置１６ａ以外の位置に照射されることがある。
しかし、基盤３の表面１６は、光線の焦点位置１６ａ以外では外光吸収機能を備えているので、その外光を吸収する。

以上で明らかなように、この実施の形態６によれば、光線の焦点位置１６ａ以外では外光を吸収する外光吸収機能を備えているので、コントラストを高めることができる効果を奏する。

なお、この実施の形態６では、レンズ部５の焦点近傍のみを光吸収機能を除いた開口部としているが、この開口部分の幅を増やし、図１４のレンズ部５のように、反射面である表面１３とレンズの焦点をずらしてデフォーカスを与えることで、入射位置毎に光線の光路を変えて、出射光線に広がりを持たせるようにしてもよい。

実施の形態７．
上記実施の形態１〜６では、特に言及していないが、フレネル光学素子２を形成しているフレネルプリズムの傾きが、そのフレネルプリズムが配置されている位置に応じて異なるようにしてもよい。

具体的には、図１６に示すように、光線の出射面になる透過面１７の配置位置に応じて、透過面１７の傾きを変えると、出射光線の向きが変化する。
図７の例では、信号光の光路に依存しない部分は、三角形ＨＣＫで囲まれている部分であり、この部分で自由に面ＰＫ、ＬＫ、ＨＫなどを形成すれば、透過面１７の傾きを変えることができる。

以上で明らかなように、この実施の形態７によれば、フレネル光学素子２を形成しているフレネルプリズムの傾きが、そのフレネルプリズムが配置されている位置に応じて異なるようにしているので、観測者に向けて出射される光線の光量を増やすことができる効果を奏する。

実施の形態８．
図１７はこの発明の実施の形態８による投写型表示装置を示す斜視図である。
図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

基盤３にはフレネル光学素子２が同心円状に配置されており、フレネル光学素子２の外周には縁６が形成されている。なお、プロジェクタ１及び表示スクリーンを設置する際、プロジェクタ１により投射された画像の表示領域７が縁６の内側と一致するように設置される。
位置調整手段である上下調整機構８は表示スクリーンを上下に移動して、フレネル光学素子２に対する光線の照射位置を調整する。

次に動作について説明する。
プロジェクタ１により投射された画像を表示スクリーンに表示するに際しては、プロジェクタ１と表示スクリーンの相対的な位置関係を調整する必要がある。

光学的には、例えば、光軸であるプロジェクタ１の基準点Ｘと表示スクリーンの基準点Ｙを揃え、投射距離を所定の間隔に設定する必要がある。
しかしながら、基準点Ｘ，Ｙは、実際のプロジェクタ１では明確に記されていない場合が多い。

そこで、この実施の形態８では、フレネル光学素子２の外周に縁６を形成するようにしており、プロジェクタ１により投射された画像の表示領域７が縁６の内側と一致するように設置するだけで、プロジェクタ１と表示スクリーンの相対的な位置関係の調整を完了できるようにしている。
なお、フレネル光学素子２の外周に縁６を形成しているので、プロジェクタ１による画像が歪曲している場合でも、表示領域７の歪曲が縁６に隠れるようになり、見栄えが良くなる。

プロジェクタ１による光線の入射が極端な斜入射の場合、プロジェクタ１から表示スクリーンまでの投射距離が敏感になるので、上下調整機構８を用いて表示スクリーンを上下に移動することにより、フレネル光学素子２に対する光線の照射位置を調整して、その投射距離の誤差を吸収するようにする。
ｙ＝ｆ×ｔａｎθ
ただし、ｆ：投射距離
θ：入射角度
ｙ：表示スクリーンの高さ

また、極端な斜入射では、投射距離が僅かに変わると、光線の入射位置が大きく変わるので、表示スクリーンが撓んでいる場合、投射された画像が大きく歪むことになる。
したがって、平面度の高い平坦な基盤３にフレネル光学素子２を配置する必要性が高い。

なお、この実施の形態８では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、入射角度θ_０に応じて屈折面１１の角度が同心円の中心から近い側よりも遠い側の方が大きくなるようにフレネル光学素子２が変化しているようにしてもよい。
また、この実施の形態８では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、入射角度θ_０に応じてプリズムの相似縮小比率ｌが同心円の中心から近い側より遠い側の方が小さくなるようにフレネル光学素子２が変化しているようにしてもよい。
さらに、この実施の形態８では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、必ずしも同心円状に配置されている必要はなく、フレネル光学素子２が直線状に配置されていてもよい。
上記実施の形態１〜７では、特に言及していないが、フレネル光学素子２のピッチを画面の画素より細かくすれば、解像度の高い画像を表示することができる。

実施の形態９．
図１８はこの発明の実施の形態９による投写型表示装置を示す構成図である。図において、図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
基盤３の表面１８はフレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を反射又は拡散する光線反射機能又は光線拡散機能を備えるとともに、その光線の一部を透過する光線透過機能を備えている。

次に動作について説明する。
基盤３の表面１８は、フレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線を反射又は拡散する光線反射機能又は光線拡散機能を備えているので、フレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線は、基盤３の表面１８により反射されて、上記実施の形態１と同様に、図中、右側の観測者に向けて出射される。

また、基盤３の表面１８は、フレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線の一部を透過する光線透過機能を備えているので、フレネル光学素子２の反射面１２で反射された光線は、基盤３の表面１８を透過して、図中、左側の観測者に向けて出射される。

基盤３の表面１８を例えば半透過の拡散板等を配置することにより、光線拡散機能と光線透過機能を同時に実現することができる。
この拡散板の光透過量を適切に調整することにより、表示スクリーンの右側に出射する光線と、表示スクリーンの左側に出射する光線を同時に生成できるので、両側の観測者がプロジェクタによる画像を観測することが可能となる。

ただし、図１８の表示スクリーンにおいては、右側の観測者に向けて出射される画像と、左側の観測者に向けて出射される画像とは、左右が反転している。
そこで、図１９に示すように、偏光機能を有する拡散板（偏光板）を基盤３として配置することにより、左側の観測者に向けて出射される画像の左右を反転するようにする。

具体的には、テレビなどは１秒間に３０枚の絵を表示するが、人間の目は、これを連続と認識する。
そこで、プロジェクタ１の偏光切替要素１ａが偏光を高速に切り替え、この偏光の切り替えに同期して、プロジェクタ１の画像形成部（図示せず）が画像の左右を反転させることで、右側の観測者と、左側の観測者が見る画像を同じものにする。

この実施の形態９では、プロジェクタ１が表示スクリーンの下側に設置されているものについて示したが、図２０に示すように、プロジェクタ１が表示スクリーンの上側に設置されているようにしてもよい。
図２０では、例えばガラスのように、平面度が高く、光学的に透明な透明部材１９が組み合わされている。
また、レンズ部５が基盤３と透明部材１９の間に挿入されている。ただし、レンズ部５と透明部材１９の間に基盤３が挿入されていてもよい。

この実施の形態９では、プロジェクタ１から照射される光線を直接スクリーンに入射するものについて示したが、図２１に示すように、光路の途中に鏡２０を挿入して光路を折り返すようにしてもよい。
図２１では、光路を折り返す鏡２０をスクリーンと略平行に設置しているが、図２２に示すように、鏡２０を傾けて設置するようにしてもよい。
また、図２１では、プロジェクタ１が表示スクリーンより右側に位置しているが、図２２に示すように、プロジェクタ１が表示スクリーンより左側に位置していてもよい。

実施の形態１０．
上記実施の形態１〜９では、屈折面１１と反射面１２からなるフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子２を示したが、この場合、フレネルプリズムの先端が尖った形状になるので、金型の加工で不正が生じたり、先端がこすれて削れてしまうことがある。

そこで、この実施の形態１０では、フレネルプリズムの先端部を図２３のように切り取ることにより、新たな面３１を形成して、フレネルプリズムを台形状に形成する。
この場合、先端がこすれて削れてしまうなどの不具合を防止することができる。

また、基盤３の表面１３で反射された光線は、透過面１４から出射されるが、基盤３の表面１３で反射された光線を新たな面３１から出射させることも可能になる。
透過面１４と新たな面３１は、面の傾きが異なるので、観測者の見る光束の配光特性を広げることができる効果も奏する。

実施の形態１１．
上記実施の形態１〜９では、屈折面１１と反射面１２からなるフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子２を示したが、図２４に示すように、フレネルプリズムが形成されている面と反対側の面に、超微細無反射構造３３を付加するようにしてもよい。

一般に異なる物質の境界面では、光の屈折・反射作用が生じる。
フレネル反射の法則により、例えば、屈折率が１と１．５の物質では、その屈折率差に比例して、垂直入射で４％の光線が透過せずに反射して、元の方向に戻ることになる。

周期が光の波長（例えば、０．５ミクロン）に比べて小さい周期構造（例えば、０．２ミクロン）を有する場合、実効的な屈折率が連続的に変化することが知られている。
したがって、フレネルプリズムが形成されている面と反対側の面に、例えば接着剤３２で超微細無反射構造３３を付加すると、フレネル光学素子２から空気への屈折率を連続的に変化させることができるので、反射光を減らすことができる。
このようなフレネル光学素子２を例えば上記実施の形態９の表示スクリーンに適用すれば、左側の観測者が見る画像の輝度を高めることができる。

なお、図２４では、フレネルプリズムの周期を約１００ミクロン、信号光の光路となるプリズム部分を約３０ミクロン、超微細無反射構造３３の周期を約０．２ミクロンにしているが、これは一例に過ぎず、他の周期に設定してもよいことは言うまでもない。
また、ここでは、接着剤３２を用いて、超微細無反射構造３３を付加しているが、フレネル光学素子２と超微細無反射構造３３を一体的に形成してもよい。

実施の形態１２．
上記実施の形態９では、基盤の表面１８が光線透過機能を備えることにより、表示スクリーンの両側で画像を見ることができるものについて示したが、基盤の表面１８に画像を表示する液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイパネルなどの別の画像表示手段を設置するようにしてもよい。

例えば、入射角度θ_０が７０度に対応するフレネル光学素子２の場合、相似縮小比率ｌが０．２であり、残りの０．８、つまり８割が平面部となる。
よって、液晶ディスプレイから出力される光線は、図２６もしくは図２５の右側に示すように、２割の光線がプロジェクタ１側に出射されるが、８割の光線が正面に抜けるため、８割の明るさで液晶ディスプレイを見ることができる。

一方、液晶ディスプレイの画像表示を消して、プロジェクタ１の光線を表示スクリーンに照射すると、その光線はフレネル光学素子２で屈折・反射して、液晶ディスプレイが備え付けられている基盤３の表面で結像する。この光線は正面に抜けるため、図２５の左側に示すように、画像を見ることができる。

この実施の形態１２では、画像表示手段として液晶ディスプレイを設置するものについて示したが、これに限るものではなく、例えば、看板などでもよい。
この実施の形態１２によれば、プロジェクタを使わないときはスクリーン裏面の画像表示手段の画像を見ることができ、画像表示手段を使わないときはプロジェクタの画像を見ることができる。

以上のように、この発明に係るフレネル光学素子は、プロジェクタが表示スクリーンの裏側ではなく、表示スクリーンの表側（観測者側）に配置される投写型表示装置などに用いるのに適している。

Claims (25)

1. 発光体から照射される光線を屈折させる屈折面と、上記屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子において、上記フレネルプリズムが配置される基盤の表面により反射又は拡散された上記反射面の反射光を透過させる透過面が各フレネルプリズムの間に形成されていると共に、各フレネルプリズムへの上記光線の入射角度が大きいほど、上記フレネルプリズムの反射面を一辺とする断面図形の相似縮小比率が小さくなるよう形成したことを特徴とするフレネル光学素子。
2. 透過面が基盤の表面と平行に形成されていることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
3. 透過面が光線を拡散する光線拡散機能を備えていることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
4. フレネルプリズムの屈折面のうち、他のフレネルプリズムに遮断されて発光体から光線が直接照射されない非入射面の反射面に対する角度が、上記屈折面と上記反射面のなすプリズム先端角と異なることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
5. 反射面に対する非入射面の角度がプリズム先端角より大きいことを特徴とする請求項４記載のフレネル光学素子。
6. 非入射面が光線を拡散する光線拡散機能を備えていることを特徴とする請求項４記載のフレネル光学素子。
7. フレネルプリズムの先端が欠けて、フレネルプリズムが台形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
8. フレネルプリズムが形成されている面と反対側の面に超微細無反射構造が付加されていることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
9. 発光体から照射される光線を屈折させる屈折面を有するとともに、上記屈折面で屈折された光線を反射させる反射面を有するフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子と、上記フレネル光学素子が二次元的に配置されている基盤とを備えた表示スクリーンにおいて、上記基盤の表面が上記フレネル光学素子の反射面で反射された光線を反射する光線反射機能又は上記フレネル光学素子の反射面で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備え、上記基盤の表面で反射又は拡散された光線を透過させる透過面が各フレネルプリズムの間に形成されていると共に、各フレネルプリズムへの上記光線の入射角度が大きいほど、上記フレネルプリズムの反射面を一辺とする断面図形の相似縮小比率が小さくなるよう形成したことを特徴とする表示スクリーン。
10. 基盤の表面で反射又は拡散された光線の広がりを制御するレンズが上記基盤に配置されていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
11. 基盤の表面が外光を吸収する外光吸収機能を備えていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
12. フレネル光学素子を形成しているフレネルプリズムの傾きが、そのフレネルプリズムが配置されている位置に応じて異なることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
13. 二次元的に配置されているフレネル光学素子の外周に縁が形成されていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
14. 二次元的に配置されているフレネル光学素子に対する光線の照射位置を調整する位置調整手段を備えていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
15. フレネル光学素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
16. 屈折面の角度が同心円の中心から近い側よりも遠い側の方が大きくなるようにフレネル光学素子が変化していることを特徴とする請求項１５記載の表示スクリーン。
17. 相似縮小比率が同心円の中心から近い側よりも遠い側の方が小さくなるようにフレネル光学素子が変化していることを特徴とする請求項１５記載の表示スクリーン。
18. フレネル光学素子のピッチが画面の画素より細かいことを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
19. 基盤の表面がフレネル光学素子の反射面で反射された光線の一部を透過する光線透過機能を備えていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
20. 左右の反転した画像の光線が、それぞれ異なる偏光方向で照射される表示スクリーンであって、基盤の表面で反射される偏光方向の画像とは異なる偏光方向の画像を透過させることで、前記基盤の表面側の画像と裏面側の画像とを反転させる左右反転手段を備えていることを特徴とする請求項１９記載の表示スクリーン。
21. 基盤の表面に画像を表示する画像表示手段を備えていることを特徴とする請求項９記載の表示スクリーン。
22. 光線を照射する発光体と、上記発光体から照射される光線を屈折させる屈折面を有するとともに、上記屈折面で屈折された光線を反射させる反射面を有するフレネルプリズムが複数形成されているフレネル光学素子と、上記フレネル光学素子が二次元的に配置されている基盤とを備えた投写型表示装置において、上記基盤の表面が上記フレネル光学素子の反射面で反射された光線を反射する光線反射機能又は上記フレネル光学素子の反射面で反射された光線を拡散する光線拡散機能を備え、上記基盤の表面で反射又は拡散された光線を透過させる透過面が各フレネルプリズムの間に形成されていると共に、各フレネルプリズムへの上記光線の入射角度が大きいほど、上記フレネルプリズムの反射面を一辺とする断面図形の相似縮小比率が小さくなるよう形成したことを特徴とする投写型表示装置。
23. 基盤の表面がフレネル光学素子の反射面で反射された光線の一部を透過する光線透過機能を備えていることを特徴とする請求項２２記載の投写型表示装置。
24. 発光体は、左右の反転した画像の光線をそれぞれ異なる偏光方向で照射すると共に、基盤の表面で反射される偏光方向の画像とは異なる偏光方向の画像を透過させることで、前記基盤の表面側の画像と裏面側の画像とを反転させる左右反転手段を備えていることを特徴とする請求項２３記載の投写型表示装置。
25. 基盤の表面に画像を表示する画像表示手段を備えていることを特徴とする請求項２２記載の投写型表示装置。

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