JP4727962B2

JP4727962B2 - スクリーン及び画像投影システム

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Publication number: JP4727962B2
Application number: JP2004267374A
Authority: JP
Inventors: 直史山内
Original assignee: 直史山内
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006084585A

Description

本発明は、高輝度ＣＲＴや液晶プロジェクタなどからの光画像を投影するスクリーン、及び、これを有する画像投影システムに関する。

高輝度ＣＲＴや液晶プロジェクタ等を用いて光画像を投影して画像を表示するプロジェクション装置等の画像投影システムは、大画面で高精細な画像を簡便に表示できるため、複数の使用者との情報コミュニケーションツールとして多様に利用されるようになってきた。ここで用いられるスクリーンには、光反射率の高い白色素材や光反射膜を表面に被覆した構造にすることで光利用効率を向上させたり、表面にビーズを散布して光拡散により複数の観察者に対する視認性を向上させたりする工夫がされてきた。あるいは、スクリーン表面にレンチキュラレンズなどの指向性反射構造を設けることによって、複数の観察者に効率良く画像表示を行なわせるものもある（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−１６９２２４号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、従来のビーズなどの拡散素材によるスクリーンは広視野角を実現できるがゲインが低いために画面が暗くなる一方、レンチキュラレンズなどを用いたスクリーンは指向性が高いために高ゲインで明るい画面が得られるが視野角が狭くなる上に外光を拾い易いという課題を有していた。

本発明のプロジェクタ用スクリーンは、特定の方向からの光を拡散透過しそれ以外の方向からの光を直線的に透過する指向性拡散層、特に指向性拡散層として微細な層状構造または柱状構造が面内に複数本配列され、前記層状構造または柱状構造の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有する層状レンズ層や層状レンズシート、または柱状レンズ層や柱状レンズシートを用い、プロジェクタからの光画像を選択的に拡散するために、その層状構造または柱状構造の配向方向をプロジェクタからの光画像の光軸方向、またはこの光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致しているようにし、投影される光画像が層状構造または柱状レンズシートの散乱入射角の範囲内にあるようにし、指向性拡散シートの視点に対して逆側面に複数の透明ビーズが配列された光拡散層を配置することによって、前記指向性拡散シートが持つ指向性と光拡散層が持つ高視野角特性の両方を兼ね備えると同時に、外光を観察者の視角外に排除するスクリーンを実現することができ、上記課題を解決することができた。特に、透明ビーズを、全体の少なくとも１／２以上が透明高分子層または吸光性高分子層中に埋め込まれて配列しており、残りの部分が大気中に露出して配列することによって、光拡散による視角拡大を保った状態で外光による画質劣化を最小限に抑えることが可能となった。

本発明によれば、外光の影響の少ない、良好な視野角特性と輝度特性を有する薄型軽量のプロジェクタ用スクリーンを提供できるために、これを用いたプロジェクタシステムの表示品質が向上するのみならず、プロジェクタシステムの小型軽量化をも実現できるという効果を有する。

また、本発明のプロジェクタ用スクリーンを用いることによって、会議室などの照明光を点けた状態でも、鮮明なスクリーン画像を観察することが可能となり、画像投影環境を著しく改善することができるという効果を有する。

本発明のスクリーンは、投影された光画像を表示するスクリーンであって、特定角度範囲で入射した光を拡散透過するとともに、それ以外の角度から入射した光を直線的に透過する指向性拡散層を有し、さらに、この指向性拡散層の光画像の投影方向と反対側には光拡散層が設けられている。

ここで、光拡散層は複数の透明ビーズを有しており、この透明ビーズは、その一部分が露出するように透明樹脂層中に埋め込まれていることとした。詳しくは、この透明ビーズの半分以上の部分が透明樹脂層中に埋め込まれている。

また、指向性拡散層は厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズ層から構成され、この柱状レンズ層は、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状構造を面内に複数有するとともに、柱状構造の配向方向は光画像の光軸方向に略一致している。あるいは、指向性拡散層は厚さ方向に光を導く機能を有する層状レンズ層で構成され、この層状レンズ層は、厚み方向に連続的に形成された屈折率の低い第一の領域と、厚み方向に連続的に形成された、第一の領域より屈折率の高い第二の領域とが交互に形成された層状構造を有するとともに、層状構造の配向方向は光画像の光軸方向に略一致している。

さらに、指向性拡散層の表面に偏光シートを設ける構成とした。さらに、指向性拡散層の表面に、投影画像の画素ピッチと同じピッチを有する周期的吸収縞を形成することとした。さらに、指向性拡散層の光画像投影側の表面に第二光拡散層を形成した。

また、本発明の画像投影システムを、上述したいずれかの構成のスクリーンと、スクリーンに光画像を投影する光画像投影器を備える構成とした。

以下に本発明のスクリーンの実施例に関して図面を参照しながら説明する。図１に本発明のプロジェクタ用スクリーンの構成断面図とプロジェクタとの関係を模式的に示す。図１に示す配置では、プロジェクタ６からの光画像は、透明基材５上に形成された指向性拡散層１と光拡散層２とで構成されるスクリーンに投影され、その投影画像はスクリーンを介してプロジェクタ６と同じ側にいる観察者７によって観察される。光拡散層２は透明ビーズ４とそれを支持する透明樹脂層３を備えている。このようにスクリーンに対して観察者７と同じ側にプロジェクタ６を配した使われ方のスクリーンをフロントスクリーンと言う。

指向性拡散層と類似の機能を持つものとしては、方向性を持ったプリズムなど、表面に異方性を持った微細な凹凸構造が形成された透明シートが良く知られている。特に、本発明では、特定方向の光を効率的に散乱透過し、それ以外の光を効率的に直線透過させるために、面内の所定の形状内に屈折率分布を有する微細構造が複数形成された指向性拡散層を用いる。指向性拡散層としては、その層厚に応じて指向性拡散膜と指向性拡散シートとを区別して考える。具体的には、層厚がおよそ１〜２０μｍ程度のものを指向性拡散膜、層厚がおよそ２０μｍ〜２ｍｍのものを指向性拡散シートと呼ぶことにする。指向性拡散膜は薄いために図１に示すように透明基材５の上に形成して用いられる。また、指向性拡散シートは機械的強度を保つのに十分な厚みがあるために、図２で示されるように単独で用いて、その表面に様々な処理を施すことができる。

指向性拡散層の屈折率分布としては、層の厚み方向に同じ屈折率を持った領域が表裏に連通して形成されており、面内では周囲とは屈折率が異なった複数の微細領域が規則的または不規則に分布している。この微細領域は、局所的には高屈折率領域を低屈折率領域が取り囲んだ微細レンズ構造を形成している。この面内の微細領域の形状によって、指向性拡散層の光学特性が異なってくる。

本発明では、面内の微細領域の形状として層状のものを用いることもできる。この層状領域は層に沿った中央領域の屈折率はそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高くなるように形成されている。面内の微細領域を層状に形成する場合は、入射光における層の長手方向成分は通常の透明シートに入射した光と同様の作用を受けるが、層の短手方向成分は特定の入射角の光は散乱透過し、それ以外の入射角の光は直線的に透過する。このような層構造の指向性拡散シートを層状レンズシートと呼ぶことにする。層状レンズシートを用いる場合は、層の長手方向を観測者から見て上下方向または左右方向に配列したものを用いるのが視認性を向上させるのに効果的である。

一方、面内の微細領域の形状として、略円形形状や多角形形状のものを用いることができる。この略円形形状や多角形形状の面内方向の中央部はそれを取り巻く領域よりも屈折率が高く形成されている。この指向性拡散シートに入射する光は入射方向に関わらず、特定の入射角の光は拡散して透過されるが、それ以外の光は通常の透明シートと同様に直線的に透過される。このような微細領域形状を持った指向性拡散シートを柱状レンズシートと呼ぶことにする。柱状レンズシートを用いることによって、観察方向に関わらず広い角度範囲で一様な特性を持ったスクリーンを実現することが可能となる。なお、面内の微細構造が、長円形や長方形などの異方性形状である場合は、上記の層状レンズシートと柱状レンズシートとの中間の特性を持ったものとなる。すなわち、面内の微細構造の異方性が大きくなればなるほど層状指向性拡散シートに近い特性を持つようになり、面内の微細構造の異方性が小さくなればなるほど柱状レンズシートに近い特性を持つようになる。従って、スクリーンの特定方向に対する視角特性を調整する場合は、面内の微細構造の異方性を調整することによって行なうことができる。

以下に説明する本発明によるスクリーンは、指向性拡散シートとして柱状レンズシートを用いた場合を主として例にとって説明する。

柱状レンズシートは、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、柱状構造の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。この柱状構造は、屈折率分布型棒状レンズと同等の機能を有しているために、この柱状構造を柱状レンズと呼ぶ。

柱状レンズの光軸方向をその柱状レンズの配向方向と呼ぶことにする。図１に示す構成では、柱状レンズの配向方向はプロジェクタ６から投影される光画像の光軸９の方向とおよそ一致している。すなわち、柱状レンズは柱状レンズシートの面内で下方に傾いて配列している。この配向方向のシート面の法線に対する傾きを傾斜角と呼ぶことにすると、傾斜角は０〜７０度の任意の角度に調節して形成することができる。

柱状レンズシートは、屈折率が中心に向かう程連続的に大きくなっているグレイディッドインデックス型柱状レンズ、または中心部分の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高い２層構造になっているステップインデックス型柱状レンズが平面状に複数配列されているフィルム構造になっている。層状レンズシートなどの構造においても同様の構造を形成することができる。

この柱状レンズシートの製造は、例えば、屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射することによって、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによって行なう。また、柱状レンズの配向方向は、液状反応層に照射する光の入射角を調節することによって制御することができる。

また、柱状レンズの面内の形状はフォトマスクに形成するパターン形状によって任意に決めることができる。例えば、層状レンズを形成するときは、ストライプ状のパターンを形成するグラデーションマスクを用いれば良い。

さらにまた、所定の基板上に塗布された液状反応層に上記のようにして紫外線を照射して指向性拡散膜を形成することができる。この場合、液状反応層を反応硬化させて形成した指向性光拡散膜は基板上から剥離しないで用いる。一方、反応ステージまたは反応ロール上で液晶反応層を厚く塗布して硬化させ、膜厚およそ２０μｍ以上の指向性拡散膜を形成した場合は、この指向性拡散膜を反応ステージまたは反応ロールから剥離して指向性拡散シートとして用いることができる。

次に、柱状レンズシート中の光の振舞いについて説明する。その他の指向性拡散膜または指向性拡散シートの有する作用は、本柱状レンズシートと本質的に同様であるために省略する。プロジェクタ用スクリーンに投影される光は、投影光画像の広がり角度内に分布する様々な入射角を持って柱状レンズに入射する。

ステップインデックス型柱状レンズシートの場合は、高屈折率領域に入射した光はスネルの法則に従ってレンズシート入射面の法線側に向かって屈折する。高屈折率領域に入射した光は低屈折率領域との境界面に入射すると、境界面への入射角が臨界角よりも大きくなっている場合は、入射光は全反射される。このようにして、入射光は高屈折率領域と低屈折率領域との境界面で繰り返し反射して柱状構造内を導波していき、入射反対面側から出射される。

このとき、柱状レンズシートの厚みと高屈折率領域への光の入射角と入射位置によって柱状レンズシートからの光の出射位置と方向が定まる。例え入射角は同じでも入射位置が異なる場合は、内部を導波して再び表面に出射されるときの出射角が異なる。プロジェクタからの投影画像は様々な入射角と入射位置に入るために、投影画像は表面である特定の散乱角範囲を持って散乱されているのと同様の作用を受ける。この散乱角は、高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差または屈折率勾配と、シートの厚さおよび柱状レンズのレンズ径によって定まる。例えば、高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差または屈折率勾配が大きくなればなるほど散乱角が大きくなるように出射する傾向がある。また、高屈折率領域と低屈折率領域の屈折率差が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、柱状レンズシートの厚みが厚くなればなるほど、またレンズ半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。また、光の入射角が特定の角度を越えると、入射光は散乱されずに直進して透過する。入射光が散乱される入射角範囲を散乱入射角、入射光が直進して透過する入射角範囲を直線透過角と呼ぶことにする。この散乱入射角と直線透過角は、面内の微細領域の形状が、層状の場合や異方性形状の場合にも同様に存在する。

本発明のプロジェクタ用スクリーンにおいては、柱状レンズのレンズ径が、２μｍ〜５００μｍ、レンズ高さ（柱状レンズシート層厚）が１０μｍ〜２ｍｍの柱状レンズシートを用いることができる。しかしながら、製造歩留まりや光利用効率あるいはハンドリングのし易さなどを考慮すると、レンズ径は５μｍ〜１００μｍ、レンズ高さは２０μｍ〜３００μｍ程度とするのが好ましい。また、柱状レンズの屈折率差は０．０１〜０．０５のものを用いることができる。レンズ高さとして１〜２０μｍの薄い構造を必要とする場合は、これを基板上に形成して指向性拡散膜として用いる。

次に、入射角が直線透過角である場合を説明する。この場合、入射光は柱状レンズシートの入射面に対して散乱入射角以上の大きな入射角で入射する。従って、高屈折率領域への入射光がシート内部に進入して高屈折率領域と低屈折率領域との境界に達しても、境界への入射角が臨界角よりも小さくなるために、そこで全反射せずに低屈折率領域に透過する。これは通常の光導波路等におけるカットオフ角以上の光の特性と同様であるが、柱状レンズシートの場合は各柱状レンズがシート内で連続的に繋がっているために、低屈折率領域と高屈折率領域との境界での光反射はほとんど生じない。その結果、入射光は通常の透明フィルムに入射した光と同様にほぼ直線的に透過する。

以上説明したように、本発明で用いる柱状レンズシートは優れた指向性を持っているため、光が散乱反射される視野方向では高輝度で鮮明な画像を得ることができる。しかしながら、光が散乱反射されない方位では、急激に投影画像の輝度が低下して視認性が悪くなる。光拡散層２は柱状レンズシートが有する高指向性によって生じる低視野角という特性を補い、視野角を広げる作用を持っている。

柱状レンズシートの背面に配置された光拡散層２は、そこを透過する光を拡散反射させる。拡散反射した光の内、再び柱状レンズシート１に入射した光の入射角が散乱入射角である場合は、柱状レンズシートの表面から出射されるときに拡散を受けるが、その入射角が直線透過角である場合は柱状レンズシートで拡散を受けずに直線的に出射される。これによって、本発明のスクリーンは、光拡散層２による広視野の拡散特性と、柱状レンズシートによる指向性を持った拡散特性の両方を兼ね備えた特性を有する。その結果、柱状レンズシートの光拡散方向だけでなく、広い視角方向からスクリーンに投影された画像を見ることができるようになる。これは、散乱入射角と直線透過角という２つの特性を兼ね備えた柱状レンズシートを用いる本発明のスクリーンに特有の優れた性能である。

光拡散層２としては、透明樹脂上に複数の透明ビーズを配列したものを用いる。透明ビーズとしては、粒径の揃ったアクリルビーズやスチレンビーズなどの高分子ビーズを用いる。もちろん。機械的強度が強く、屈折率の選定幅が広く、耐候性に優れたガラスビーズなどの無機ビーズを用いても良い。

図４に本発明のスクリーンにおける透明ビーズの配列の１例を模式的に示す。図４においては、柱状レンズシート１３の一方には透明樹脂層３が形成され、その上に透明ビーズ４が配列されて光拡散層２を構成している。柱状レンズシート１３は柱状レンズ１６が面内に配列されて構成されている。透明樹脂層３としては一般に良く知られている透明粘着剤や紫外線硬化樹脂を用いることができ、観察者の視点の逆側の面に塗布されている。

透明ビーズ４は、その一部が大気に露出して配列されており、透明樹脂層３に埋め込まれている部分は全体の１／２以上となるように一様の高さで配列されている。透明ビーズ４の平均粒径は１〜２０μｍである。透明ビーズ４の平均粒径が大きくなるほど光拡散特性は大きくなる。

図４に示した構成のプロジェクタ用スクリーンの製造方法としては、柱状レンズシート１３の光拡散層２形成面に透明粘着剤３を塗布あるいは印刷形成した後、所定の粒径を持った透明ビーズを表面に散布し、スキージなどを用いて透明粘着剤３の中に透明ビーズを一様な高さで埋め込む。この埋め込み深さは、ビーズ径の１／２以上となるようにするのが望ましい。埋め込み量が少な過ぎると、埋め込まれたビーズが脱落しやすくなってしまい、その結果スクリーン特性の均一性を損なう恐れがある。

透明樹脂層３として、紫外線硬化樹脂を用いる場合は、粘度５万〜３０万ＣＰ程度以上の高粘度を有する紫外線硬化樹脂反応液を柱状レンズシート１３上に塗布または印刷し、上記透明粘着剤を用いた場合と同様の方法で透明ビーズを紫外線硬化樹脂反応液中に埋め込む。その後、紫外線樹脂反応液側に紫外線を一様に照射すると同時に加熱することによって、透明ビーズ４を固定する。この場合は、透明粘着剤を用いた場合よりも透明ビーズに対する保持力が高くなるが、それでも透明樹脂層への透明ビーズの埋め込み深さは、全体の１／２以上となるようにするのが好ましい。

図４に示すように透明ビーズの一部が大気に出るようにして一様の高さで埋め込むことによって、透明ビーズの大気側界面屈折率差を大きくすることができ、その結果光反射特性が向上する。また、透明ビーズの作用としては、上記に説明した光拡散作用以外に、透明ビーズに入射して透明ビーズ内部で反射した光は、内面で反射された後ほぼ入射方向に戻る作用がある。この光拡散作用は透明ビーズの表面反射あるいは光回折に起因するものであり、入射光が入射方向に反射して戻される作用は、透明ビーズの内面反射時の球レンズとしての特性に起因するものである。

図５に示した構成は図４の構成と異なり、透明ビーズ４の大気に露出している側の反対側端点が指向性拡散シート１３に接触している。また、透明ビーズ４は吸光性樹脂層１７で保持されている。この吸光性樹脂は、アクリルやスチレンなどの樹脂に炭素などの黒色顔料や、黒色染料を混合することによって容易に得られる。このような構成によって、吸光性樹脂が後述するブラックストライプと同様の作用をして、切れの良い画像を表示させることが可能となる。また、透明ビーズ４の上端が指向性拡散シート１３に接しているため、指向性拡散シート１３側から入射した光は吸光性樹脂層１７で吸収されることなく透明ビーズ内部に導入されるため透明ビーズ４の反射特性をも有することになる。

再び図１の説明に戻る。図１においてプロジェクタ６からの投影画像は光軸９を中心として光線１０と光線１１で示される広がりをもって投影される。指向性拡散層１の散乱入射角がこの投影画像の広がりの範囲内であるものを本発明のプロジェクタ用スクリーンでは選択して用いる。このようにすることによって、プロジェクタ６からの投影画像は指向性散乱層１によって効果的に一様に前面に散乱する。

一方、室内の天井などに配置された照明６からの光は指向性拡散層に大きな入射角で入る。その結果、照明６からの光の入射角は直線透過角の範囲となり、指向性拡散層１を直線的に透過する。指向性拡散層１を透過した光は透明基材５と透明樹脂層３を透過し、透明ビーズ４に入射する。透明ビーズ４に入射した光の内、一部は表面で拡散反射されるが残りは透明ビーズ４の内面で反射されて入射方向と逆側に反射されて戻る。このように、透明ビーズ４の内面で反射された光は、再び入射してきたのと同じ光路をたどり、照明８側に戻り視点８に達しない。そのため、視点７からスクリーンを観察している人には、広い視野角で明るい投影画像が観察されることになる。

本発明のスクリーンでは、透明ビーズを配した光拡散層２の代わりに通常の光反射層を配しても照明光の影響を低減させることができる。この場合には、指向性拡散層を透過して光反射層で正反射された後、再び指向性拡散層に背後から入射するとき、指向性拡散層を構成する層状レンズまたは柱状レンズが下側に傾いて配向しているために、その正反射光の指向性拡散層への入射角が散乱入射角の範囲となって指向性拡散層の表面から拡散出射される領域が発生することがある。これは、比較的浅い入射角の照明光に対して生じ、投影画像に対する表示むらとなってしまう。本発明のスクリーンでは、指向性拡散層を直線透過角で透過した光の多くは入射した方向と同じ経路を辿って照明８側に戻るために、このような表示むらを生じることはなくなる。

図２に本発明の他の実施例を模式的断面図で示す。図２に示す構成が図１で示した構成と異なっている点は、図１における指向性拡散膜１の代わりに指向性拡散シート１３が用いられている点である。従って、図２においては指向性拡散層を支持するための透明基材５が不要となっている。図２の作用は、図１で示したプロジェクタ用スクリーンの作用と同一であるために、その説明を省略する。また、図２における透明ビーズの配列は、図４と図５に示した配列と同様の配列を用いることができる。

図３に本発明のスクリーンに関する別の構成を示す。図３の構成では、図２に示したスクリーンの構成において光拡散層２の外側にさらに光反射層１４と支持基材１５を配したものである。このような構造とすることによって、光拡散層２で拡散・反射されきれずに透過してきた光を指向性拡散シート１３側に戻して再利用することが可能となり、より明るい画像投影が可能なプロジェクタ用スクリーンとすることができる。また、支持基材１５は、光反射層１４を支持するだけでなく、光反射層１４を外部の力学的な力から保護することによりその損傷を防止することが可能となる。

また、透明ビーズ配列密度を調節することによって、光反射層１４による光反射と透明ビーズによる光反射の寄与を調節することも可能となる。

また、図３の構成において光反射層１４として膜厚２００ｎｍ以上の金属膜を用いることによって、光反射層１４の反射率を向上させ、その結果光利用効率を上げることができるが、プロジェクタからの光画像強度が強い場合は画像のぎらつきが大きくなり、表示画像の自然感が損なわれる場合がある。そこで、図３に示した構成で用いる光反射層１４の反射率を５〜３０％と低くすると同時に、吸光性の支持基材、例えば黒色の支持基材１５を用いることによって画質が著しく改善する。このような低反射率の光反射層１４は、支持基材１５上にＴｉＯ_２やＺｒＯ_２などの高屈折率層を形成するか、これらの材料とＳｉＯ_２などの低屈折率層とを組み合わせた光学多層膜を形成することによって容易に実現することができる。光反射層１４の反射率が３０％よりも大きな場合も、吸光性の支持基材１０を用いることは画質の向上に効果がある。

また、プロジェクタからの投影光画像の強度が比較的弱く、投影画像のぎらつきが少ない場合は、光反射層１４を形成する替わりに、光反射面を鏡面加工された金属支持基材を支持基材１５の代わりに用いることができる。

図３に示す実施例における透明ビーズの配列の一例を図６に示す。図６に示すように、透明樹脂層３と透明ビーズ４とからなる光拡散層２は指向性拡散シート１３に透明樹脂層を介して接合されている。一方、支持基材１５の表面には光反射層１４が形成され、光反射層１４の上に形成された透明粘着層１８によって透明ビーズ４が粘着支持されている。透明粘着層は透明ビーズ４が埋まり込まない程度に充分硬く形成されているため、透明ビーズ４と透明粘着剤１８との間には空気層１９が形成されている。

図３に示す実施例における透明ビーズの配列の他例を図７に示す。図７に示す構成が図６に示す構成と異なっている点は、透明ビーズ４の上部が指向性拡散シート１３に接触しており、透明樹脂層の代わりに吸光性樹脂層１７が用いられている点である。このような構成とによって、吸光性樹脂層１７がブラックストライプと同様の作用をして鮮明な画像を投影することが可能となる。

図３に示した実施例に関する透明ビーズの配列の他例を図８に示す。図８においては、透明ビーズ４と光反射層１４との間に空気層１９を形成するために、スペーサ２０が配されている。光反射層１４が形成されている支持基材１５に対して、第二支持基材２０、指向性拡散シート１３、および光拡散層２が接合されてなる投影面は、スペーサ２０を介して図示していない固定手段によって機械的に挟持・固定されている。このスペーサ２０として粘着剤を用いる場合は、固定手段はなくてもよい。このような構成によって、透明ビーズ４の空気層１９との界面の面積を増やすことが可能となり、より反射効率の高いプロジェクタ用スクリーンとすることができる。スペーサ２０の間隔を広くし過ぎるとスクリーン表面の周期的凹凸が大きくなり視認性を低下させる。また、スペーサ２０の間隔を狭くし過ぎると透明ビーズ４の反射率向上効果が小さくなる。したがって、このようなことのないようにスペーサ２０のピッチを適切に選択する必要がある。

図９は、スペーサ２０を指向性拡散シート１３側に配して透明ビーズ４と指向性拡散シート１３との間隙に空気層１９を形成する場合を示している。スペーサ２０のピッチは図８で示した場合と同様に、スクリーン面の凹凸が最小になるような最適な値に選ぶことが必要である。図９で示した例においては、図８で示した例と比較して、透明ビーズ２０の空気層１９との界面をなす表面が指向性拡散シート１３側に向いているために、透明ビーズ２０の光拡散特性がより強くなるという特徴を持っている。

図１から図３に示したいずれの構成においても、指向性拡散膜または指向性拡散シートの表面に投影画像の画素ピッチとほぼ同じピッチを持ったブラック層を形成することによって、より鮮鋭な画像を投影することが可能となる。このブラック層は、例えば吸光性色素などの黒色染料やカーボンなどの黒色顔料などを混合したバインダーを印刷することによって容易に形成することができる。このブラック層は、柱状レンズシートのいずれの面に形成しても良いが、フロントスクリーンにおいては視点９と反対側の面に、リアスクリーンにおいては視点９と同じ側に面に形成するのが好ましい。

また、このブラック層としては、透明なアクリル板に厚み方向に吸光性顔料や色素を混合させた層状の縞パターンを形成したいわゆるルーバーを用いても良い。この吸光性顔料としてはカーボン粉末が用いられるのが通常である。このルーバーは黒色領域と透明領域が面内方向で交互に層状に積層されたブラック層シートとして作用する。

また、図１から図３に示したいずれの構成に対しても、プロジェクタ６の画像変調素子が液晶素子のような偏光素子を用いている場合は、指向性拡散シート１３の表面に偏光シートを貼り付けることによって、投影画像のコントラストを向上させることができる。このような偏光プロジェクタの場合、投影光画像は特定の方向に対して偏光した光となっている。従って、偏光シートの偏光軸を投影光画像の偏光方向に合わせておくと、偏光プロジェクタからの投影画像の光損失は少ない一方、視点９側からスクリーンに入射した外光のうち半分を偏光シートが吸収してくれるためにコントラストが向上するためである。ただし、偏光プロジェクタにおいても、カラー画像を投影する場合は、ＲＧＢの各画像の偏光方向が同一の場合にだけこの効果は顕著になる。

一方、プロジェクタ６からの投影光画像強度が強い正反射領域においては、反射光がスクリーン内部で多重反射することによってモワレ縞が発生したり、輝点領域であるホットスポットが発生したりする場合がある。このことを防ぐために、指向性拡散膜１または指向性拡散シート１３の視点９側表面に第二光拡散層を形成した。このことによって、指向性拡散膜１または指向性拡散シート１３の表面からのスクリーン内部への戻り光を低減させることができ、その結果投影光画像の強度が強い正反射領域においてもモワレ縞の発生をなくすることができた。また、指向性拡散膜１または指向性拡散シート１３表面の正反射成分を除去することをでき、ホットスポットの発生を防いで視認性の良い画像を表示させることができた。

この第二光拡散層としては、指向性拡散膜１または指向性拡散シート１３の表面に直接凹凸構造を形成しても良いし、光拡散フィルムを指向性拡散膜１または指向性拡散シート１３の視点側表面に配置または接合しても良い。

また、図８に示すようにスクリーンの視点側表面にも支持基材を配する場合は、第二光拡散層はその視点側支持基材の視点側表面に形成しなければならない。その形成方法は、視点側支持基材の視点側表面に直接凹凸構造を形成しても良いし、光拡散フィルムを視点側支持基材の視点側表面に配置または接合しても良い。

なお、図１や図２に示すように本発明のプロジェクタ用スクリーンには、必ずしも支持基材が必要ではない。このように、支持基材がない場合は、スクリーン厚みを薄くすることができ、格納時に巻き取ったり、折りたたんで収納したりすることが可能である。ところで、プロジェクタの位置とスクリーンとの位置関係は、投影環境によって異なる。プロジェクタ６がスクリーンの下方に配置されているローアーポジション、プロジェクタ６がスクリーンと同じ高さに配置されているセンターポジション、およびプロジェクタ６がスクリーンの上方に配置されているアッパーポジションのいずれかが通常用いられる。図１から図３の構成の説明では、全てローアーポジションの場合を用いた。本発明のプロジェクタ用スクリーンは、上記のいずれの配置に対しても適用可能であり、重要なことは指向性拡散膜または指向性拡散シート内の層状レンズまたは柱状レンズの配向方向が投影画像の光軸方向と大体一致していることである。また、投影される光画像の入射角が、プロジェクタ用スクリーンに用いられている指向性拡散膜または指向性拡散シートの散乱入射角の範囲にあるようにすることである。

図１０に本発明で用いた柱状レンズシートの光透過特性を示す。図１０では、横軸は柱状レンズシートへの光の入射角、縦軸は各入射角に対する光透過強度を表している。図中で配向方向が０度における柱状レンズシートの特性を特性曲線２２に、配向方向がα度の場合における柱状レンズシートの特性を特性曲線２３に表している。ただし、測定は大気中で行った。特性曲線２２の場合は、柱状レンズシートは角度±βで光強度がほぼゼロになっていることがわかる。入射角が−β〜βの範囲内では光は散乱透過され、入射角の絶対値がβ以上の範囲内では光は散乱されずに直線的に透過する。すなわち、透過で用いる場合は、入射角が−β〜βの範囲内が散乱入射角であり、それ以外の角度範囲が直線透過角ということになる。ここでは、簡便のためにβを散乱入射角と呼んでいる。一方、柱状レンズの配向方向をα度だけ傾けた場合の特性曲線２３は、配向方向が０度の場合に比べて、散乱入射角の範囲がそのままα度だけずれた位置にシフトする。そのとき、散乱入射角の角度幅はほとんど変化なく、散乱入射角の範囲はα−β〜α＋βの範囲内にシフトする。従って、図１０においては、角度αで入射した光は透過時に散乱を受けるが角度−αで入射した光は散乱を受けずに直線透過する。従って、プロジェクタからの光画像の光軸をスクリーンに対してαだけ傾けて照射すると同時に、投影画像の広がり角を±βにすることによって、明るく視野角の広い画像を得ることができる。βの値は、柱状レンズシートの層厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差などを調整することによって、１０〜４５度程度までの任意の値に制御することができる。以下に、本発明によるスクリーンの具体例を説明する。

（具体例１）
図２に示す構成のスクリーンを以下のように作製して試料１とした。試料１では、指向性拡散シートとしては柱状レンズシートを用い、その柱状レンズ径は約２０μｍ、シート厚みは７０μｍとした。その高屈折率領域と低屈折率領域における最大屈折率差は０．０２であり、図２同様に下方向に３０度の配向で作られたグレイディッドインデックス型のものを用いた。この柱状レンズシートの背面に平均粒径２０μｍのアクリルビーズを約１５００個／ｍｍ^２の密度で配列した。配列したアクリルビーズの断面電子顕微鏡観察をしたところ、アクリルビーズの体積のおよそ６０％が透明粘着剤層中に埋め込まれた状態であった。

また、比較用試料として、試料１で用いたのと同様の柱状レンズシートの裏面にＡｇ反射膜を真空蒸着で直接形成したものを作製した。

測定用の白色画像を試料１および比較試料に対して正面から照射し、左右方向の測定角を変化させて、輝度計でその時の反射光強度を測定した。この白色投影画像の広がり角度は±２度であった。このとき、白色校正板で同様の測定を行った結果を基準とし、白色校正板での測定結果をゲイン１とした。

測定結果を図１１と図１２に示す。これらの図から、本発明のプロジェクタ用スクリーンは、正面方向の輝度は比較用試料と比べて低下しているが、左右方向に広い角度でゲインが上昇していることを確認できた。実際、試料１による本発明のプロジェクタ用スクリーンは、目視による画像観察によっても比較用試料に比べて左右方向の視覚特性が向上していることが確認できた。

さらに、試料１に用いられている透明ビーズの平均粒径が大きくなればなるほど、また透明ビーズの配列密度が大きくなればなるほど、左右の視覚特性が向上するが正面方向のゲインが低下することを確認できた。

また、このとき試料１による本発明のプロジェクタ用スクリーンの真上に蛍光灯照明を点燈して同様の評価を行なった場合においても、左右の視覚特性をほとんど損なうことなく、良好な画像観察が可能であることを確認できた。

以上の結果から、本発明のプロジェクタ用スクリーンは、照明環境下でも広い視角特性を保ったまま明るい投影画像を得ることができることを確認できた。

（具体例２）
図３に示す構成のスクリーンを以下のように作製して試料２とし、白色画像を正面から投影しながら、具体例１と同様に、スクリーンからの反射光強度を測定器の角度を変化させながら調べた。指向性拡散シートは試料１で用いたものと同様のものを用い、透明ビーズも試料１で用いたものと同様のものをほぼ同じ密度で配列させた。光反射層はポリエチレンフィルム上にＡｇを約５００ｎｍ蒸着したものを用いた。また、白色校正板で同様の測定を行った結果を基準とし、白色校正板での測定結果をゲイン１とした。

評価結果を図１３に示す。試料１に対する結果である図１１の結果と比較すると、全ての測定角に対してゲインが約１５％上昇していることが分かる。

この結果から、透明ビーズによる光拡散層の背面に光反射膜を配置することによって、ゲインを向上させることができることが分かった。

また、試料２においても試料１同様に、スクリーン真上の蛍光灯点灯下においても、視認性の良好な投影画像を観察することができた。

（具体例３）
試料１と同様の構成で試料を作成し、透明ビーズの配列密度を変化させた。白色画像をスクリーンの左側約４５度の位置から投影して、スクリーン正面からゲイン評価を行なった。上記同様、白色構成板のゲインを１とした。透明ビーズの配列密度は約３００〜２５００個／ｍｍ^２まで変化させた。

評価結果を図１４に示す。図１４から、透明ビーズの配列密度が増加するに従ってゲインが増加することが分かる。言い換えると、透明ビーズの配列密度が増加するに従って視角特性が向上する。また、透明ビーズの配列密度が２０００個／ｍｍ^２程度以上になると、ゲインは飽和する。

一方、図示してはいないが、４５度の位置からの投影光のゲインが増加するに従って、スクリーン正面からの投影光に対するゲインは低下していく。４５度位置からのゲインが飽和する２０００個／ｍｍ^２程度以上になると、スクリーン正面からの投影光に対するゲインの低下は飽和する。

このように、本発明によるスクリーンは、透明ビーズの配列密度によって、視覚特性が変化するため、使用環境に応じて適切な透明ビーズ配列密度を調整することによって目的とする視角特性を得ることができる。

本発明によるスクリーンを模式的に示す断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明によるスクリーンを模式的に示す拡大断面図である。本発明で用いた指向性拡散シートの特性を模式的に示すグラフである。本発明によるスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。比較用試料のゲイン特性を示すグラフである。本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。

符号の説明

１指向性拡散層
２光拡散層
３透明樹脂層
４透明ビーズ
５透明基材
６プロジェクタ
７視点
８照明
１３指向性拡散シート
１４光反射層
１５支持基材

Claims

投影された光画像を表示するスクリーンにおいて、
高屈折率領域と前記高屈折率領域を取り巻く低屈折率領域が表裏に亘って連通して形成される柱状構造を複数有し、前記柱状構造の配向方向に対して透過光強度が極小となる光の入射角を散乱入射角として、前記散乱入射角よりも絶対値の小さい特定角度範囲で入射した光を拡散透過するとともに、それ以外の角度から入射した光を直線的に透過する指向性拡散層と、
前記指向性拡散層の前記光画像の投影方向と反対側に設けられた光拡散層と、を備えることを特徴とするスクリーン。
前記光拡散層は複数の透明ビーズを有するとともに、前記透明ビーズは、その一部分が大気に露出するように透明樹脂層中に埋め込まれたことを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
前記透明ビーズの半分以上の部分が前記透明樹脂層中に埋め込まれたことを特徴とする請求項２に記載のスクリーン。
前記配向方向は前記指向性拡散層の表面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクリーン。
前記指向性拡散層の表面に偏光シートが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリーン。
前記指向性拡散層の表面に、投影画像の画素ピッチと同じピッチを有する周期的吸収縞が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクリーン。
前記指向性拡散層の光画像投影側の表面に第二光拡散層が形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスクリーン。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のスクリーンと、前記スクリーンに光画像を投影する光画像投影器と、を備えることを特徴とする画像投影システム。