JP4635490B2 - 光学システム及び背面投射型ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばリアプロジェクションテレビなどの背面投射型ディスプレイ装置に用いられる光学システムに関するものである。

従来より、このような光学システムを備えた背面投射型ディスプレイ装置として知られるリアプロジェクションテレビは、光源としてのプロジェクタから投射される映像光を、平面鏡によって反射させて略長方形平板状をなす透過型スクリーンの背面に入射させることにより、この透過型スクリーンの前面側に位置する観察者が、透過型スクリーンを透過して出射する映像光を観察することができるように構成されたものである。

透過型スクリーンは、入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズからの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズ部を有するレンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）と、このレンチキュラーレンズシートからの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散層とを備えている。
透過型スクリーンの背面に入射する映像光は、まず、フレネルレンズにより略平行光となり、次いで、レンチキュラーレンズシートによりスクリーンの左右方向に拡散するとともに拡散層によりスクリーンの上下方向に拡散する。これにより、スクリーン左右方向及び上下方向の視野角が制御される。

また、例えば特許文献１には、プロジェクタから投射された映像光を、スクリーン上下方向において拡大するように凸面鏡で拡大反射させることにより、透過型スクリーンの背面に入射する映像光の入射角度を大きくして、薄型化を図るようにしたリアプロジェクションテレビが開示されている。
特開２００３−１４９７４４号公報

しかしながら、上記のような凸面鏡を備えたリアプロジェクションテレビでは、映像光が凸面鏡で拡大反射させられる際に、この映像光に歪みが生じてしまうため、プロジェクタの投射レンズを特殊なものとしたり、プロジェクタを光軸からずらして配置したりするなどして、凸面鏡で拡大反射させられる際に生じる映像光の歪みを補正するようにしている。そのため、このようなリアプロジェクションテレビでは、その光学システム全体の構成が非常に複雑なものとなってしまうという問題があった。

また、別の問題として、凸面鏡を用いて透過型スクリーンの背面に入射する映像光の入射角度を大きくしたために、透過型スクリーンにおけるフレネルレンズの光軸をレンズ本体の中心から大きく偏心させなければならないということが挙げられる。
つまり、フレネルレンズの光軸の偏心量を増大させると、そのフレネルレンズ部を成形する金型を加工するための切削機が非常に大きなものとなり、また、フレネルレンズ部のフレネル角が大きくなって、これを成形する金型を加工するための切削機に無理な負担がかかってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、簡略な構成で背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図ることができる光学システムと、この光学システムを用いた背面投射型ディスプレイ装置とを提供することを主たる目的としている。

上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明による光学システムは、入射光の方向を整えるとともにこの入射光を拡散させる透過型スクリーンと、映像光を投射する光源と、前記映像光がスクリーン上下方向において拡大するように前記映像光を反射させる反射鏡と、前記拡大反射させられた前記映像光に生じる歪みを補正するように前記映像光を屈折させる屈折レンズとを備え、前記屈折レンズはリニアフレネルレンズであり、前記光源から投射された映像光が、前記反射鏡に入射して反射してから、前記リニアフレネルレンズに入射して屈折することにより、前記透過型スクリーンに入射するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明による背面投射型ディスプレイ装置は、本発明の光学システムを備えていることを特徴としている。

本発明の光学システムでは、光源から投射された映像光が、スクリーン上下方向において拡大するように反射鏡で拡大反射した後に、透過型スクリーンの背面に入射するため、この拡大反射した映像光が透過型スクリーンの法線方向に対してなす傾斜角度を大きくして、背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図ることができるようになっている。そして、反射鏡で拡大反射した映像光を屈折レンズで屈折させることにより、上記反射鏡による拡大反射で映像光に生じた歪みを補正していることから、光学システム全体の構成が複雑になってしまうこともない。したがって、本発明によれば、背面投射型ディスプレイ装置としての機能を損なうことなく、簡略な構成で薄型化を図ることができる。
しかも、本発明においては、前記屈折レンズがリニアフレネルレンズであることを特徴とするから、屈折レンズの薄型化を図ることができるので、この屈折レンズの重量や大きさによって光学システムの設計が制限されることがなくなり、高い自由度でもって光学システムの設計を行うことができる。

また、本発明においては、前記屈折レンズが、前記映像光をスクリーン上下方向において屈折させることが好ましい。
このような構成とすると、映像光を透過型スクリーンの背面に入射する手前でスクリーン上下方向に屈折させることにより、反射鏡で拡大反射した映像光に生じた歪みを補正するのと同時に、実際に透過型スクリーンの背面に入射するときの映像光の入射角度を小さくすることができる。そのため、透過型スクリーンにおけるフレネルレンズの光軸の偏心量をさほど増大させなくても、背面投射型ディスプレイ装置の十分な薄型化を図ることができ、これにともない、フレネルレンズの製造上の不具合が生じることもない。

以下、本発明の第１実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本第１実施形態による光学システムを備えた背面投射型ディスプレイ装置としてのリアプロジェクションテレビ１０は、図１に示すように、筐体１１と、前面側（図１中の右側）を筐体１１の外部へ露出させるとともに背面側（図１中の左側）を筐体１１の内部へ露出させた略長方形平板状をなす透過型スクリーン２０と、筐体１１内に配置され、透過型スクリーン２０の背面に対して映像光を投射する光源としてのプロジェクタ１２と、同じく筐体１１内に配置され、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を偏向させる反射鏡としての凸面鏡６０、平面鏡７０、屈折レンズとしてのリニアフレネルレンズ８０とを備えている。

透過型スクリーン２０は、図２に示すように、入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部３３を有するフレネルレンズ３０と、このフレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズ部４４を有するレンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）４０と、このレンチキュラーレンズシート４０からの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散層５０とを備えている。
これらフレネルレンズ３０、レンチキュラーレンズシート４０、拡散層５０は、透過型スクリーン２０の背面側（図２中の左側）から前面側（図２中の右側）にかけて順次配置されているとともに、互いに略平行となるように配置されている。

フレネルレンズ３０のレンズ本体３１は、図２に示すように、略長方形平板状をなすレンズ基板３２におけるレンチキュラーレンズシート４０側を向く片面（透過型スクリーン２０の前面側を向く片面）に、フレネルレンズ部３３が設けられることによって構成されている。このフレネルレンズ部３３は、同心円状に配列された複数のフレネル面からなり、レンズ本体３１の出射面側に位置させられている。すなわち、このフレネルレンズ３０は、入射する映像光がレンズ基板３２を透過してからフレネルレンズ部３３のフレネル面で屈折させられることにより、その方向が整えられて略平行光として出射される、いわゆる透過型フレネルレンズ３０となっている。
また、本第１実施形態において、フレネルレンズ部３３の凹凸がなす同心円の中心を通ってレンズ本体３１の法線に沿う方向、つまり、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１は、図２に示すように、レンズ本体３１の中心Ｐ２を通るレンズ本体３１の短辺に沿う方向においてレンズ本体３１の長辺よりも外側でレンズ本体３１から外れた位置を通るように配置されている。

上記のような構成とされたフレネルレンズ３０は、その光軸Ｐ１を例えば下方側に位置させるようにして透過型スクリーン２０に備えられている。
そして、プロジェクタ１２から投射される映像光を透過型スクリーン２０の背面に入射させる、つまり、プロジェクタ１２から投射される映像光を透過型スクリーン２０の背面側に位置するフレネルレンズ３０に入射させると、このフレネルレンズ３０は、入射した映像光の方向を整えて略平行光としてからレンチキュラーレンズシート４０に向けて出射する。

レンチキュラーレンズシート４０のシート本体４１は、図２に示すように、略長方形平
板状をなすシート基板４２におけるフレネルレンズ３０側を向く片面（透過型スクリーン２０の背面側を向く片面）に、拡散レンズ部４４が設けられ、かつ、シート基板４２における拡散層５０側を向く片面（透過型スクリーン２０の前面側を向く片面）に、遮光部４５が設けられることによって構成されている。

拡散レンズ部４４は、略半円柱状をなす複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）４３が互いに略平行となるように配列されてなり、シート本体４１の入射面側に位置させられている。
この拡散レンズ部４４を構成する複数のシリンドリカルレンズ４３は、その長さ方向をスクリーンの上下方向（垂直方向）に略一致させており、フレネルレンズ３０から出射される映像光がレンチキュラーレンズシート４０に入射すると、このレンチキュラーレンズシート４０は、入射した映像光をスクリーンの左右方向（水平方向）で集光・拡散してストライプ状の光としてから拡散層５０に向けて出射する。なお、図２においては、説明上分かりやすくするため、シリンドリカルレンズ４３の長さ方向をスクリーンの上下方向（垂直方向）ではなく左右方向（水平方向）に略一致させて示してある。

遮光部（ＢＳ＝ブラック・ストライプ）４５は、複数のシリンドリカルレンズ４３によるストライプ状の非集光部を遮光するように、シート本体４１の出射面側に位置させられている。
これに対し、複数のシリンドリカルレンズ４３によるストライプ状の集光部に対応する領域は、シート本体４１の出射面側に位置させられた通過部４６とされており、シリンドリカルレンズ４３によって集光した映像光が、この通過部４６を通過するようにして拡散することになる。

拡散層５０は、略長方形平板状をなす基材中に拡散材が分散配置されることによって構成されており、レンチキュラーレンズシート４０から出射される映像光が拡散層５０に入射すると、この拡散層５０は、入射した映像光をスクリーンの上下方向（垂直方向）へ拡散してから透過型スクリーン２０の前面側に向けて出射する。

ここで、上記のような透過型スクリーン２０を備えたリアプロジェクションテレビ１０において、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を凸面鏡６０、平面鏡７０、リニアフレネルレンズ８０によって偏向させていない状態を考えると、プロジェクタ１２は、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１上に配置されるために、図１中の２点鎖線で示すように透過型スクリーン２０の背面に対向する領域から例えば下方側に外れた領域に配置された状態となっている。
そして、このような配置とされるプロジェクタ１２から投射される映像光の光路を、反射鏡としての凸面鏡６０と、筐体１１内の背面側に配置されるとともに透過型スクリーン２０に対して略平行となるように配置される平面鏡７０と、屈折レンズとしてのリニアフレネルレンズ８０とによって偏向させることにより、図１に示すように、プロジェクタ１２が、筐体１１内において透過型スクリーン２０と平面鏡７０との間の領域から例えば下方側に外れた領域に配置されている。

凸面鏡６０は、入射面及び反射面となる非球面あるいは自由曲面を有する例えばシリンドリカルレンズの一部をなすように構成され、その長さ方向をスクリーンの左右方向に略一致させるようにしてプロジェクタ１２の前方側に配置されている。
これにより、凸面鏡６０は、入射する映像光をスクリーンの上下方向において拡大するように反射させ、この拡大反射させた映像光についての透過型スクリーン２０の法線方向（図１中の左右方向）に対する傾斜角度を大きくする機能を有している。

リニアフレネルレンズ８０のレンズ本体８１は、略長方形平板状をなすレンズ基板８２の片面に、略直線状に配列された複数のフレネル面からなるリニアフレネルレンズ部８３が、レンズ本体８１の例えば入射面側（あるいは出射面側）に位置するように設けられて構成されている。また、このリニアフレネルレンズ８０は、そのリニアフレネルレンズ部８３のフレネル面の長さ方向をスクリーンの左右方向に略一致させるようにして透過型スクリーン２０の背面に対向配置されている。
これにより、リニアフレネルレンズ８０は、入射する映像光をスクリーンの上下方向において屈折させ、上記凸面鏡６０で拡大反射させた映像光に生じた歪み（映像の縦横比の歪み）を補正するとともに、この屈折させた映像光についての透過型スクリーン２０の法線方向に対する傾斜角度を小さくする機能を有している。

ここで、本第１実施形態において、リニアフレネルレンズ８０の光軸は、レンズ本体８１の中心を通るレンズ本体８１の短辺に沿う方向においてレンズ本体８１の長辺よりも外側でレンズ本体８１から例えば下方側に外れた位置を通るように配置されている。
そのため、このリニアフレネルレンズ８０は、上記凸面鏡６０で拡大反射させることによって上記傾斜角度が大きくなった状態の映像光を、その傾斜角度が十分に小さくなるように屈折させることができる。

次に、プロジェクタ１２から所定の投射角度で投射された映像光が、透過型スクリーン２０の背面に入射するまでの光路について説明する。
図１に示すように、プロジェクタ１２から投射された映像光は、まず、このプロジェクタ１２の前方側に配置された凸面鏡６０に最初に入射する。なお、プロジェクタ１２から投射された映像光が、少なくとも１枚の平面鏡によって反射させられてから、凸面鏡６０に最初に入射するようにしてもよい。

凸面鏡６０に入射した映像光は、スクリーンの上下方向において拡大するように反射し、透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度が大きくなる。また、この凸面鏡６０で拡大反射した映像光には、映像の縦横比が変化する歪みが生じている。
凸面鏡６０で拡大反射した映像光は、透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度が大きく、かつ、歪みが生じた状態のまま、筐体１１内の背面側に配置された平面鏡７０に入射して反射した後に、透過型スクリーン２０の背面に対向配置されたリニアフレネルレンズ８０に入射する。なお、凸面鏡６０で拡大反射した映像光が、直接リニアフレネルレンズ８０に入射するようにしてもよい。

リニアフレネルレンズ８０に入射した映像光は、スクリーンの上下方向において屈折し、凸面鏡６０で拡大反射した際に生じた歪みが補正されるとともに、透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度が小さくなる。
そして、このリニアフレネルレンズ８０から出射された映像光が、透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度が小さく、かつ、歪みがない状態で、透過型スクリーン２０の背面に入射するのである。

以上のような構成とされた本第１実施形態による光学システムを備えたリアプロジェクションテレビ１０では、プロジェクタ１２から投射された映像光が、スクリーンの上下方向において拡大するように凸面鏡６０で拡大反射してから、リニアフレネルレンズ８０でスクリーンの上下方向において屈折した後に、透過型スクリーン２０の背面に入射するようになっている。
そのため、映像光が凸面鏡６０で反射してからリニアフレネルレンズ８０に入射するまでの間において、この映像光が透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度を大きくして（例えば最大傾斜角度が５０°〜７０°程度）、リアプロジェクションテレビ１０の薄型化を実現することができる。

また、凸面鏡６０で拡大反射させた映像光をリニアフレネルレンズ８０で屈折させることによって、この拡大反射した映像光に生じた歪みを補正していることから、光学システム全体の構成が複雑になってしまうこともない。
したがって、本第１実施形態によれば、映像光に歪みを生じさせることなくリアプロジェクションテレビ１０としての機能を十分に得ることができて、簡略な構成で薄型化を図ることができるのである。

さらに、リニアフレネルレンズ８０は、映像光を透過型スクリーン２０の背面に入射する手前でスクリーンの上下方向において屈折させることにより、映像光に生じた歪みを補正するだけではなく、この映像光が透過型スクリーン２０の法線方向に対してなす傾斜角度を小さくする機能を有していることから、実際に透過型スクリーン２０の背面に入射する映像光の入射角度を小さくすることが可能となっている。
つまり、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１の偏心量をさほど増大させずとも、リアプロジェクションテレビ１０の十分な薄型化を図ることができ、これにともない、フレネルレンズの製造上の不具合が生じるのをなくすことができる。

加えて、実際に透過型スクリーン２０の背面に入射する映像光の入射角度がさほど大きくならないことから、本第１実施形態においては、映像光の入射角度が大きくなったときにはその透過率を低下させるが、製造の容易な透過型フレネルレンズ３０を用いることができている。
もちろん、このような透過型フレネルレンズ３０に代えて、全反射型フレネルレンズ３０、つまり、レンズ基板３２における透過型スクリーン２０の背面側を向く片面に、フレネルレンズ部３３がレンズ本体３１の入射面側に位置するように設けられることによってレンズ本体３１が構成され、入射する映像光がフレネルレンズ部３３のフレネル面で全反射させられることにより、その方向が整えられて略平行光として出射されるフレネルレンズ３０を用いても構わない。

なお、リニアフレネルレンズ８０が、そのフレネルレンズ部８３のフレネル面の長さ方向をスクリーンの上下方向に略一致させるようにして透過型スクリーン２０の背面に対向配置され、入射する映像光をスクリーンの左右方向において屈折させることにより、映像光の歪みを補正するようにしてもよい。要は、凸面鏡６０で拡大反射した映像光に生じた歪みを補正することができればよいのである。

また、本第１実施形態において、映像光に生じた歪みを補正する屈折レンズとしてリニアフレネルレンズ８０を用いていることから、屈折レンズの薄型化を図ることができ、この屈折レンズの重量や大きさによって光学システムの設計が制限されることがなくなり、高い自由度でもって光学システムの設計を行うことができるようになっている。
しかしながら、例えば図３に示す本発明の第２実施形態のように、リニアフレネルレンズ８０に代えて、入射面及び屈折面となる非球面あるいは自由曲面を有するシリンドリカルレンズの一部をなすように構成され、その長さ方向をスクリーンの左右方向（上下方向でもよい）に略一致させるようにして透過型スクリーン２０の背面に対向配置された屈折レンズ８５を用いてもよい。

なお、上述した各実施形態においては、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向に拡散させる拡散レンズシートとして、複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）４３が略平行に配列されてなる拡散レンズ部４４を有するレンチキュラーレンズシート４０を備え、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの上下方向に拡散させる拡散手段として、拡散層５０を備えているようにしたが、上記のような拡散レンズシートだけに限定されることはない。

例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）及び上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、複数の単位レンズがマトリックス状に配列されてなる拡散レンズ部を有するマイクロレンズシートを備えているようにしてもよい。また、例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）及び上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第１のレンズアレイと複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第２のレンズアレイとがそれらのシリンドリカルレンズの長さ方向を互いに交差させるように同一平面上に配置されてなる拡散レンズ部を有するクロスレンチレンズシートを備えているようにしてもよい。なお、これらの場合でも、必要に応じて透過型スクリーン２０が拡散層５０を備えていてもよい。

さらに、例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、映像光を反射して拡散させる複数の単位レンズが配列されてなる拡散レンズ部を有するプリズムレンズシートを備え、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散手段として、拡散層５０を備えているようにしてもよい。なお、プリズムレンズシートにおける複数の単位レンズの形状・配列によっては、必ずしも拡散層５０を必要としない。

本発明の第１実施形態によるリアプロジェクションテレビの一例を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による透過型スクリーンの一例を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態によるリアプロジェクションテレビの一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ リアプロジェクションテレビ（背面投射型ディスプレイ装置）
１２ プロジェクタ（光源）
２０ 透過型スクリーン
３０ フレネルレンズ
４０ レンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）
５０ 拡散層
６０ 凸面鏡（反射鏡）
７０ 平面鏡
８０ リニアフレネルレンズ（屈折レンズ）
８５ 屈折レンズ

Claims (3)

1. 入射光の方向を整えるとともにこの入射光を拡散させる透過型スクリーンと、映像光を投射する光源と、前記映像光がスクリーン上下方向において拡大するように前記映像光を反射させる反射鏡と、前記拡大反射させられた前記映像光に生じる歪みを補正するように前記映像光を屈折させる屈折レンズとを備え、
   前記屈折レンズはリニアフレネルレンズであり、
   前記光源から投射された映像光が、前記反射鏡に入射して反射してから、前記リニアフレネルレンズに入射して屈折することにより、前記透過型スクリーンに入射するように構成されていることを特徴とする光学システム。
2. 請求項１に記載の光学システムであって、
   前記屈折レンズが、前記映像光をスクリーン上下方向において屈折させることを特徴とする光学システム。
3. 請求項１〜請求項２のいずれかに記載の光学システムを備えていることを特徴とする背面投射型ディスプレイ装置。

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