JP4967986B2 - フレネルレンズシート、透過型スクリーンおよび投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、フレネルレンズシート、フレネルレンズシートを用いた透過型スクリーン、および投写型映像表示装置に関するものである。

従来の投写型映像表示装置に用いられる透過型スクリーン用のフレネルレンズシートは、ライズ面とフレネル面を有するプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有し、投写光学部から入射した映像光の光束が各フレネルレンズ素子のライズ面を透過後、フレネル面で全反射し、他方の面から出射するように構成している。このようなフレネルレンズシートでは、ライズ面に入射した光束を効率よくフレネル面で反射させるため、ライズ面とフレネル面との角度を４５°以下の鋭角に設定することが望ましい。しかしながら、鋭角によりフレネルレンズ素子が形成されると、運搬や組み立て時等の取り扱いの際に欠けが生じやすく、歩留まりが低下するという問題があった。

そこで、ライズ面とフレネル面とをつなぐ先端面を有するプリズム形状のフレネルレンズ素子群を有するフレネルレンズシートが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２２１６１１号公報（段落００２０、図６）

しかしながら、フレネルレンズ素子のライズ面とフレネル面とをつなぐようにして先端面を形成した場合、この先端面を通過した光線は、本来の出射方向とは異なる方向に出射する不要光となり、２重像となって顕れて映像の質が低下するという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、フレネルレンズシートに起因する不要光による映像の質の低下を抑制し、質の高い映像を表示できるフレネルレンズ素子、フレネルレンズ素子を用いた透過型スクリーン、および投写型映像表示装置を得ることを目的とする。

本発明に係るフレネルレンズシートは、フレネル面と、ライズ面と、前記フレネル面と前記ライズ面とをつなぐ先端面と、からなるプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有し、他方の面から出射された光を拡げるために他方の面側に配置されたレンチキュラーレンズとともに透過型スクリーンを構成するフレネルレンズシートであって、前記フレネルレンズ素子群を構成する各フレネルレンズ素子のそれぞれの前記先端面が、他方の面に形成された出射面に対し、入射光線が入射する方向の角度をδ１、前記それぞれの先端面に入射した光束が前記出射面から出射する際の出射角度をβ、とすると、β＞３５°となるように、前記それぞれの先端面の前記出射面に対する角度δ１が与えられるものである。

本発明のフレネルレンズシートを使用すれば、先端面を経由して出射した不要光が観察され難くなるので、良好な映像を表示することが可能となる。

実施の形態１．
図１〜４は、本発明の実施の形態１に係るフレネルレンズシート、透過型スクリーン、投写型映像表示装置を示すものであり、図１はフレネルレンズシートの構成を示す部分断面図、図２はフレネルレンズシートを有する透過型スクリーンの構成を示す部分断面図、図３は透過型スクリーンの視野角特性を示す図、図４は投写型映像表示装置の光学系の構成を示す図である。

図１に示すように、フレネルレンズシート５０は、投写光学系（あるいは光源側）からの光束を所望の角度に変化させるためのフレネルレンズ素子群からなるフレネルレンズ部５１と、基材部５２とから構成される。フレネルレンズ部５１を構成する各フレネルレンズ素子は、投写光学系からの光束が入射するライズ面５３と、ライズ面５３を透過した光束を所望の角度に全反射させるフレネル面５４と、さらにライズ面５３とフレネル面５４をつなぐように形成された先端面５６を有している。

また、図２に示すように透過型スクリーン７３は、フレネルレンズシート５０とレンチキュラーレンズ８０の２枚で構成されている。フレネルレンズシート５０は投写光学系からの入射光を所望の角度に曲げる作用を担っている。一方、レンチキュラーレンズ８０はフレネルレンズシート５０から出射された光束をレンズ部８１で拡げるとともに、基材部８２に拡散作用を持たせて更に拡げている。なお、フレネルレンズシート５０の基材部５２にも拡散作用を持たせており、透過型スクリーン７３の拡散特性、すなわち視野角特性は、フレネルレンズシート５０およびレンチキュラーレンズ８０を合わせた性能によって決定される。

図３は、上記構成による透過型スクリーン７３の垂直方向の視野角特性を示すものであり、横軸がスクリーン７３を観察する角度（視野角）、縦軸が輝度であり、真正面からスクリーン７３を観察したとき（視野角＝０°）の輝度に対する相対輝度で表示している。スクリーン７３の視野角特性を評価する場合、ピーク輝度に対して、明るさが１/１０になる角度を視野角として表現することが多い。図３のような視野角特性の場合、明るさが１／１０以上となる角度は±２２であり、その視野角εは２２°と表現する。一般的には、垂直方向の視野角は２０°から３５°程度の範囲で構成される場合が多い。この場合、これらの視野角を超えた角度で観察すると、急激に輝度が低下することになり、視野角を超える観察角度は、テレビを観測するには適さない角度となる。

また、図４には、映像光を投写する投写レンズ系７１と、投写レンズ系７１から投写された映像光を反射する反射ミラー７２と、反射ミラー７２を介して背面側から入射する映像光を前面側に表示する透過型スクリーン７３とを有する投写型映像表示装置を示している。なお、本投写型映像表示装置においても、映像信号を生成する映像信号処理部等の電気回路を有しているが、投写型映像表示装置の構成要素のうち、光学系以外の部分、あるいは光学系についても投写レンズ系より光源に近い側の部分については図示を省略している。

ここで、本発明の実施の形態１にかかるフレネルレンズシート等の詳細な説明をする前に、一般的なフレネルレンズシート等の構成および動作について説明する。

透過型スクリーンに組み込まれるフレネルレンズシートは、本実施の形態１にかかるフレネルレンズシートのように、入射側、いわゆる光源側にフレネルレンズ部を配置する全反射型フレネルレンズシートと、光の出射側、いわゆる観測者側にフレネルレンズ部を配置する屈折型フレネルレンズシートの大きく２種類がある。一般的な全反射型フレネルレンズシート１５０は図５に示すように構成され、光源からの入射光線は、フレネルレンズ部１５１のライズ面１５３を透過して各フレネルレンズ素子内に入射し、フレネル面１５４にて所望の角度に全反射して、基材部１５２の出射面１５５より観測者側に向けて出射される。そして、フレネルレンズシート１５０への入射光線の入射角（面内で異なる）に対応して各フレネルレンズ素子のライズ面１５３やフレネル面１５４の形状（角度）が決定される。

一方、一般的な屈折型フレネルレンズシート１６０は図６に示すように構成され、光源（図中右側）からの入射光線は、入射側平面１６３から基材部１６２に内に入射し、フレネルレンズ部１６１のフレネル面１６４にて所望の角度に屈折して出射する。屈折型フレネルレンズ１６０についても、入射光線の入射角に対応してフレネルレンズ部６３の形状（角度）が決定される。

つぎに、透過型スクリーンを用いて映像を投影する方式の一般的な投写型映像表示装置（テレビ）の構成図を図７および本実施の形態１の説明図である図４を用いて説明する。図７は垂直投写方式と呼ばれる方式で、投写レンズ系１７１の光軸１７４が透過型スクリーン１７３の中心１７３ｃと一致するように構成されている。透過型スクリーン１７３に対する投写レンズ系１７１の配置位置は投写レンズ１７１аの位置となるが、この位置に配置するとテレビの奥行きが非常に厚く構成されてしまう。そこで、斜めに配置された背面ミラー１７２を用いて投写レンズ系１７１からの光束をスクリーン１７３に向けて反射する方式が一般的である。

図７に示す垂直投写方式のテレビの場合、スクリーン１７３の中心１７３ｃに入射する光束のスクリーン１７３への入射角度は０°となる。スクリーン１７３の周辺部に向かうにつれて、同心円状にスクリーン１７３への入射角度が大きくなる。この垂直投写方式のテレビにおいて、奥行き寸法を小さく構成にするためには、投写レンズ１７１をスクリーン１７３に近づける必要があるが、投写レンズ系１７１と投写光束の干渉を回避する必要があり、テレビの薄型化には限界がある。

一方、本実施の形態１における投写型映像表示装置にて採用するのは、図４に示す斜め投写方式と呼ばれる方式で、投写レンズ系７１の光軸７４とスクリーン７３の中心７３ｃは一致しない。この方式は、斜めに投写する方式のため、投写レンズ７１とスクリーン７３との距離を短く構成することが可能となる。一般的には、図７に示した垂直投写方式と比べて、スクリーン７３への光束の入射角度は大きく構成される。また、斜め投写方式を採用したテレビにおいて、奥行き寸法を小さく構成することは、スクリーン７３への光束の入射角度をより大きく構成することにより可能となる。

なお、斜め投写方式については、本実施の形態１（図４）においては、背面ミラー７２をスクリーン７３と平行に配置する方式を示したが、この方式に限定されるものではない。例えば、背面ミラー７２を斜めに配置してもよく、あるいは天面に配置して上から反射する方式や、背面ミラー７２を用いずに直接スクリーン７３に投影してもよい。

つぎに、２種類のフレネルレンズシートの特徴について、上述した投写方式と関連して説明する。図８は、全反射型フレネルレンズシート１５０と屈折型フレネルレンズシート１６０の入射角度に対応した光線の透過率を示すものである。全反射型フレネルレンズシート１５０の場合、入射角度が小さい領域では光線の透過率が小さいが、入射角度が大きくなるにつれて、透過率が向上していき、入射角度が４５°より大きくなると透過率９０％以上を得ることができる。一方、屈折型フレネルレンズシート１６０の場合、入射角度が小さい領域では光束の透過率は９０％以上で非常に良いが、入射角度が大きくなるにつれて、徐々に透過率が減少していく。屈折型フレネルレンズシート１６０においては、透過型スクリーン７３への入射角度が３５°を超えると透過率９０％以下になってしまう。

全反射型フレネルレンズシート１５０と屈折型フレネルレンズシート１６０のどちらを採用するかは、テレビの奥行き寸法や投写レンズの設計あるいは、コスト等の仕様に応じて決定される。しかし、テレビの奥行き寸法を小さくする、すなわち薄型化をするためには、本実施の形態１の投写型映像表示装置（図４）に示したように、斜め投写方式を採用することになる。斜め投写方式の場合、光束のスクリーン７３への入射角度が大きくなるため、全反射型フレネルレンズ１５０を採用することにより、より薄型化が実現しやすくなる。

全反射型フレネルレンズシート１５０は、設計上は図５に示したように構成される。全反射型フレネルレンズシート１５０のレンズ部１５１におけるライズ面１５３とフレネル面１５４とのなす角（先端角）αは、製造する金型のバイト刃角から決定される。全反射型フレネルレンズシート１５０の場合、透過率を良くするためにレンズ部１５１の先端角αを４５°以下で構成することが多い。

例えば、全反射型フレネルレンズシート１５０におけるレンズ部１５１の材料の屈折率を１．５５、基材部１５２の屈折率を１．５３、レンズ部先端角αを４２°、レンズ部１５１のレンズピッチ１５１Ｐを１００μｍとした場合の形状について検討することとする。この時、レンズ部１５１のフレネル面１５４の出射面１５５に対する角度をγ（以下フレネル角と呼ぶ）とする。このような条件での全反射型フレネルレンズシート１５０内の代表的なフレネルレンズ素子への光線の入射角度θ（全反射型フレネルレンズシート１５０の平面内の位置によって規定）を５０°、６５°、８０°とし、フレネルレンズシート１５０から出射する各フレネルレンズ素子を経由する光線を平行（出射面１５５に対して垂直）出射する条件での各フレネルレンズ素子のフレネル角γを図９に示す。

なお、全反射型フレネルレンズシート１５０内の代表的なフレネルレンズ素子への光線の入射角度θを５０°、６５°、８０°とした場合の各フレネルレンズ素子部分の形状および光線の透過イメージを図１０に示す。図１０（ａ）が光線の入射角度５０°の場合、図１０（ｂ）が６５°、図１０（ｃ）が８０°の場合の全反射型フレネルレンズシート１５０への光線の入射イメージ図である。同じレンズピッチ１５１Ｐで構成した場合、入射角度が大きくなるにつれて、レンズ部１５１における各フレネルレンズ素子への光線透過領域が狭くなることがわかる。すなわち、入射角度が大きくなるにつれて、レンズ部５１の先端部における透過光線の密度が高くなる。

図１０に示したように、レンズ部１５１の先端角αを維持して尖った形状が作成できれば、図８に示したような理想的な全反射型フレネルレンズの透過率を得ることができる。すなわち、フレネルレンズシート１５０内の各フレネルレンズ素子への入射角が５０°、６５°、８０°のどの場合でも、透過率９０％以上の良好な性能を得ることができる。

しかし、図１０に示したように、レンズ部１５１の先端部を尖った形状で作成するには、全反射型フレネルレンズシート１５０を製造する金型のバイト刃も尖った形状で作成する必要がある。全反射型フレネルレンズシート１５０を製造する金型のバイト刃を尖った形状で作成すると、製造時に刃が欠ける等の問題が発生する可能性が高くなる。さらに、全反射型フレネルレンズシート１５０のレンズ部１５１の先端が尖っていると、輸送時あるいは取り付け工程時等に全反射型フレネルレンズシート１５０の表面がこすれた場合、レンズ部１５１の先端が欠ける等の問題が発生する可能性がある。全反射型フレネルレンズシート１５０のレンズ部１５１の先端が欠けると、光線の透過率が劣化し光利用効率が低下し、あるいは不要光が発生して画像の品位を劣化してしまう恐れがある。

このような問題を回避するために、上述した特許文献１では、図１１に示すようにフレネルレンズシート２５０のレンズ部２５１を構成する各フレネルレンズ素子が、ライズ面２５３とフレネル面２５４をつなぐ平坦な先端面２５６を有するように構成している。しかし、特許文献１に示すように単に先端面２５６を設けただけでは、以下のような問題が発生する。

レンズ部２５１のライズ面２５３を透過し、フレネル面２５４で全反射した光線２５７ａは、本実施の形態１と同様に（図１中の光線５７ａのように）所望の角度（図１の場合は０°出射）で出射面２５５より観測者側に出射される。一方、レンズ部２５１の各フレネルレンズ素子の先端面２５６から入射した光線２５７ｂ１は、フレネル面２５４で全反射し、出射面２５５より出射する。あるいは、先端面２５６から入射した光線２５７ｂ２は、直接出射面２５５より出射する。この光線２５７ｂ１、２５７ｂ２（まとめて２５７ｂと表記する）は、本来の出射方向（すなわち図１１における光線２５７ａの出射方向）とは異なる方向に出射する。本来の方向に出射する光線２５７ａを正規光と定義した場合、異なる方向に出射する光線２５７ｂは不要光ということになる。

この不要光２５７ｂは、例えば横方向に１本の線をスクリーン上に表示した場合、正規光２５７ａと異なる方向に出射する光線となる。図１２において、上から透過型スクリーン７３を覗き込んだとき、正規光２５７ａの上（あるいは構成によっては下あるいはフレネルレンズシート２５１のフレネルレンズ素子の配列方向）に不要光２５７ｂが見えることにより画像の品位が劣化してしまう。これは、すなわち２重像と一般的に呼ばれるものであり、上方向から覗き込んだとき、１本の線が２重に観測される不具合となる。

全反射型フレネルレンズシート１５０のレンズ部１５１において、各フレネルレンズ素子の先端が図５に示すように尖った形状で構成されていれば、このような不要光は発生しないが、製造性等を考えた場合、レンズ部１５１の各フレネルレンズ素子の先端はあまり尖っていない方が望ましい。

一方、透過型スクリーンは、上述したようにフレネルレンズシートと、レンチキュラーレンズの組み合わせにより定まる特有の視野角εを有しており、テレビを観測する場合、この視野角εを超えると急激に輝度が低下することになり、実質的に画像を観察することが困難である。すなわち、先端面２５６から入射した不要光２５７ｂが透過型スクリーン７３の視野角εよりも大きな角度で出射すれば、通常のテレビを観測する位置からは、不要光が視認しにくくなり、良好な画像を得ることができる。

そこで、本実施の形態１にかかるフレネルレンズシート５０のレンズ部５１における各フレネルレンズ素子の先端となる先端面５６と、不要光５７ｂの出射角βとの関係について図１を用いて説明する。フレネルレンズシート５０のレンズ部５１への光線の入射角をθ、先端面５６とフレネルレンズシート５０の出射面５５とのなす角度を先端面角δ１、フレネル面５４とフレネルレンズシート５０の出射面５５とのなす角度をフレネル角γとし、レンズ部５１の材料の屈折率をn１、基材部５２の材料の屈折率をｎ２とすると、先端面５６への光線の入射角はθ―δ１となる。先端面５６を透過した光線は、屈折角аでレンズ部５１に入射する。この屈折角аは、所謂スネルの法則により、式１で計算される。
а＝SIN^−１（（SIN（θ―δ１））／ｎ１） ・・・式１

先端面５６を透過した光線は、その角度に応じて、２つのパタンに分類される。１つ目は、先端面５６を透過後、フレネル面５４で全反射してから出射する不要光５７ｂ１で、もう１つは、先端面５６を透過後、フレネル面５４を経由せずに出射する不要光５７ｂ２である。先端面５６を透過後、フレネル面５４で全反射するか否かは、先端面角δ１および光線の入射角θに関係している。

先端面５６を透過後、フレネル面５４で全反射する不要光５７ｂ１においては、出射面５５から出射する際の出射角βは以下の式２より計算できる。
β＝ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（１８０−（δ１＋ａ＋２×γ））） ・・・式２

一方、先端面５６を透過後、フレネル面５４で反射されずに出射する不要光５７ｂ２の出射面５５から出射する際の出射角βは以下の式３より計算できる。
β＝ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（ａ＋δ１）） ・・・式３

不要光５７ｂ１と５７ｂ２の出射角βが透過型スクリーン７３の視野角εよりも大きな角度で出射する条件について検討する。不要光５７ｂ１と５７ｂ２のそれぞれの出射角βは式２および式３で計算されることより、先端面５６を透過後、フレネル面５４で全反射する場合においては、出射角βがスクリーン７３の視野角εより大きくなる条件は式４で示される。
β＝ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（１８０−（δ１＋ａ＋２×γ）））＞ε ・・・式４

すなわち、フレネルレンズシート５０を組み込んだ透過型スクリーン７３の視野角がεの場合、不要光５７ｂ１を視認させないようにするには、各フレネルレンズ素子の先端面角δ１を式４で示される条件を満足するように与えればよい。

ここで、一般的な透過型スクリーンの視野角の最大値は３５°であるので、βが３５°より大きくなるように、つまり、各フレネルレンズ素子の先端面角δ１を式６で示される条件を満足するように与えれば、ほとんどの透過型スクリーンに対して不要光５７ｂ１が視認されることの無いフレネルレンズシート５０を得ることができる。
ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（１８０−（δ１＋ａ＋２×γ）））＞３５ ・・・式６

一方、先端面５６を透過後、フレネル面５４で全反射されない不要光５７ｂ２の場合、出射角βがスクリーン７３の視野角εより大きくなる条件は式７で示される。
β＝ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（ａ＋δ１）） ＞ ε ・・・式７

すなわち、フレネルレンズシート５０を組み込んだ透過型スクリーン７３の視野角がεの場合、不要光５７ｂ２を視認させないようにするには、各フレネルレンズ素子の先端面角δ１を式７で示される条件を満足するように与えればよい。ここで、不要光５７ｂ１のときと同様に、βが３５°より大きくなるように、つまり、各フレネルレンズ素子の先端面角δ１を式９で示される条件を満足するように与えれば、ほとんどの透過型スクリーンに対して不要光５７ｂ２が視認されることの無いフレネルレンズシート５０を得ることができる。
ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（ａ＋δ１））＞３５ ・・・式９

上記の式２および式３を用いて、先端面角δ１と、不要光５７ｂ１と５７ｂ２（まとめて５７ｂと表記する）の強度及び不要光５７ｂの出射角βおよびレンズ部５１における各フレネルレンズ素子の先端面５６のフレネル面５４に対する先端角δ２の関係について実際にシミュレーションで検討した。

今回行ったシミュレーションは、図９に示したように、レンズ部５１の材料の屈折率を１．５５、基材部５２の屈折率を１．５３、レンズ部先端角α（フレネル面５４とライズ面５３との延長交差角）を４２°、フレネルレンズ部５１のレンズピッチ５１Ｐを１００μｍとして検討した。このような条件でのフレネルレンズシート５０の代表的なフレネルレンズ素子への光線の入射角度θを５０°、６５°、８０°とし、かつフレネルレンズシート５０からの光線を平行出射する場合のフレネル角をγ、レンズ部５１の先端面５６の平坦部長さ（フレネル面５４とライズ面５３との交点から先端面５６とライズ面５３との交点までの水平距離）ｘを３μｍとする。この時先端面角δ１を変化させた時の不要光５７ｂの出射角βおよび不要光５７ｂの強度のシミュレーション結果を図１３に、先端面角度δ１と不要光５７ｂの出射角度βとの関係を図１４に、先端面角度δ１と不要光５７ｂの強度との関係を図１５に示す。

図１３および図１４に示すように、先端面角度δ１を０°（この時、先端面５６がフレネルレンズシート５０の出射面５５と平行）から５０°まで変化していくと、それに応じて不要光５７ｂの出射角βの値が小さくなっていくのがわかる。不要光出射角が小さくなるということは、通常テレビを観測する正面位置から視認しやすくなるということを示している。言い換えると、不要光５７ｂの出射角βの値が大きくなると、通常テレビを観測する位置から不要光５７ｂを視認しにくくなり、不要光５７ｂの出射角度は大きいほど良好であると言える。

さらに、今回の検討においては、フレネルレンズシート５０の先端面５６の平坦部長さｘを３μｍ一定としている。図８においても説明したとおり、フレネルレンズシート５０への入射角度θが大きくなるほど、フレネルレンズシート５０のレンズ部５１における各フレネルレンズ素子の先端面へ入射する光線の密度が高くなる。このため、先端面５６の長さを一定とした場合、先端面５６を透過する不要光５７ｂの強度も入射角度θが大きくなるほど大きくなることが、図１３、１５よりわかる。なお、図１３および図１５における不要光強度は、フレネルレンズシート５０内のフレネルレンズ素子のうち、入射角θが５０°で、レンズ部５１の先端面５６の先端面角度δ１が０°における不要光５７ｂの強度に対する相対値で示している。

また、図１３に先端面５６とフレネル面５４との角度δ２を示しているが、どの場合においても、δ２の値が本来（先端面５６を設けなかった場合）のレンズ部５１の先端角４２°より大きく構成されている。このことは、レンズ部５１を緩やかに形成することを示しており、フレネルレンズシート５０の製造性が向上するとともに、フレネルレンズシート５０の取り扱い時にレンズ先端が欠けやすい等の問題も回避することができる。

さらに、フレネルレンズシート５０のレンズ部５１における各フレネルレンズ素子の先端面５６の先端面角度δ１をできるだけ０°に近づけて構成することで、不要光５７ｂの出射角βの角度を大きくできるとともに、フレネルレンズシート５０における入射角度θが大きい部分に対しても、不要光の強度を小さく抑えることが可能となる。

このように、実施の形態１においては、通常テレビを観測する位置からは不要光が観測しにくいように、不要光５７ｂの出射角βをスクリーン７３の視野角εよりも大きく構成することにより、不要光５７ｂが視認され難くなり、良好な映像を得ることができる。

以上のように、本実施の形態１にかかるフレネルレンズシートによれば、フレネル面５４と、ライズ面５３と、フレネル面５４とライズ面５３とをつなぐ先端面５６と、からなるプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有するフレネルレンズシート５０であって、フレネルレンズ素子群を構成する各フレネルレンズ素子のそれぞれの先端面５６が、他方の面に形成された出射面５５に対する角度をδ１、それぞれの先端面５６に入射した光束５７ｂが出射面５５から出射する際の出射角度をβ、とすると、β＞３５°となるように、それぞれの先端面５６の出射面５５に対する角度δ１が与えられるので、一般的なほとんどの透過型スクリーンに組み込まれた際、不要光５７ｂが視認されること無く、良好な映像を表示することが可能となる。

とくに、δ１を２０°以下になるように構成することにより、δ１を一律に規定しても、入射角が５０°以上の投写型映像表示装置に組み込まれた場合には、不要光５７ｂの出射角度βを３５°より大きくすることができる。そのため、フレネルレンズシート５０の製造に使用する型のバイトの刃先角を緩やかでかつ一定に形成できるため、金型の製造工程が短縮されると共に、レンズ部５１の先端が折れやすい等の問題も回避することができ、一般的なほとんどの透過型スクリーンに組み込まれた際、不要光５７ｂが視認されること無く、良好な映像を表示することが可能となる。

また、本実施の形態１にかかる透過型スクリーンによれば、背面側から受けた映像光を前面側に表示する透過型スクリーン７３であって、背面側に配され、フレネル面５４とライズ面５３とからなるプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有し、一方の面からの入射光を所定の角度で他方の面から出射するフレネルレンズシート５０と、前面側に配され、フレネルレンズシート５０から出射された光を拡げるレンチキュラーレンズ８０と、を備え、フレネルレンズ素子群を構成する各フレネルレンズ素子は、それぞれフレネル面５４とライズ面５３とをつなぐ先端面５６を有し、それぞれの先端面５６に入射した光束５７ｂが出射面５５から出射する際の出射角度をβ、フレネルレンズシート５０とレンチキュラーレンズ８０とによって定まるスクリーン７３の視野角をεとすると、β＞εとなるように、それぞれの先端面５６が他方の面に形成された出射面５５に対する角度δ１が与えられるので、不要光５７ｂが視認されること無く、良好な映像を表示することが可能となる。

とくに、各フレネルレンズ素子へ入射するそれぞれの光束の入射角度をθ、各フレネルレンズ素子のそれぞれのフレネル面５４が出射面５５に対する角度をγ、それぞれの先端面５６に入射したそれぞれの光束の屈折角度をａとすると、それぞれの光束がそれぞれのフレネル面５４で反射されてから出射面５５から出射する場合は、ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（１８０−（δ１＋ａ＋２×γ）））＞εが成立し、それぞれの光束がそれぞれのフレネル面５４で反射されずに出射面５５から出射する場合は、ＳＩＮ ^−１ （ｎ１×ＳＩＮ（ａ＋δ１））＞εが成立する、ように構成したので、不要光５７ｂの出射角βが視野角εより大きくなり、不要光５７ｂが視認されること無く、良好な映像を表示することが可能となる。

さらに、本実施の形態１における投写型映像表示装置によれば、上記不要光５７ｂの出射角βが所定値以上になるように先端面５６の角度δ１が規定されたフレネルレンズシート５０を有する透過型スクリーン７３と、透過型スクリーン７３の背面側から映像光を投写する投写光学部（７１、７２）と、投写光学部において映像光を発生させるための映像信号を生成し、生成した映像信号を投写光学部に出力する映像信号処理部と、を備えたので、先端面５６に入射した不要光５７ｂが視認され難く、良好な映像を表示することができる。

なお、本実施の形態１においては、レンチキュラーレンズ８０のレンズ部８１を入射側に設けた例について説明したが、レンチキュラーレンズ８０のレンズ部８１を出射側に設けた構成についても、視野角特性については同様のことが言える。さらに、図２においては、スクリーン７３をフレネルレンズ５０とレンチキュラーレンズ８０の２枚で構成する例を示したが、１枚で双方の機能を満たすように構成してもよく、更に部材を追加した構成についても同様である。１枚で構成する場合は、先端面５６の角度δ１等は、一枚で構成した際の出射面に対する角度で規定すればよい。

また、今回の検討においては、平坦部長さｘを３μｍとして行ったが、この長さが長くなるに応じて不要光の量は増加するため、平坦部長さｘは短く構成した方が光利用効率は向上する。

本発明の実施の形態１に係るフレネルレンズシートの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る透過型スクリーンの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る透過型スクリーンの垂直方向の視野角特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置の光学的な構成を示す図である。 一般的な全反射型フレネルレンズシートの構成を示す断面図である。 一般的な屈折型フレネルレンズシートの構成を示す断面図である。 一般的な垂直投写方式の投写型映像表示装置の光学的な構成を示す図である。 一般的な全反射型フレネルレンズと屈折型フレネルレンズにおける入射角度と透過率性能との関係を示す図である。 フレネルレンズシートにおける入射角度とフレネル角との関係を示す図である。 一般的な全反射型フレネルレンズシートにおける入射角の異なるフレネルレンズ素子部分の構成を示す断面図である。 従来の先端面を有するフレネルレンズシートでの動作を説明するための断面図である。 従来の先端面を有するフレネルレンズシートにおける不要光による２重像を示す図である。 先端面を有するフレネルレンズシートにおける不要光出射角および不要光強度についてのシミュレーション結果を示す表である。 シミュレーション結果にもとづく、先端面を有するフレネルレンズシートにおける先端面角と不要光出射角との関係を示す図である。 シミュレーション結果にもとづく、先端面を有するフレネルレンズシートにおける先端面角と不要光強度との関係を示す図である。

符号の説明

５０ フレネルレンズシート、 ５１ レンズ部、 ５２ 基材部、 ５３ ライズ面、 ５４ フレネル面、 ５５ 出射面、 ５６ 先端面、
７１ 投写レンズ系（投写光学部）、 ７２ ミラー（投写光学部）、 ７３ 透過型スクリーン、 ８０ レンチキュラーレンズ、
ａ 屈折角、 β 出射角度、 δ１ 先端面角、 γ フレネル角、 ε 視野角。

Claims (6)

1. フレネル面と、ライズ面と、前記フレネル面と前記ライズ面とをつなぐ先端面と、からなるプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有し、他方の面から出射された光を拡げるために他方の面側に配置されたレンチキュラーレンズとともに透過型スクリーンを構成するフレネルレンズシートであって、
   前記フレネルレンズ素子群を構成する各フレネルレンズ素子のそれぞれの前記先端面が、他方の面に形成された出射面に対し、入射光線が入射する方向の角度をδ１、
   前記それぞれの先端面に入射した光束が前記出射面から出射する際の出射角度をβ、とすると、
   β＞３５°となるように、前記それぞれの先端面の前記出射面に対する角度δ１が与えられるフレネルレンズシート。
2. フレネル面と、ライズ面と、前記フレネル面と前記ライズ面とをつなぐ先端面と、からなるプリズム形状のフレネルレンズ素子群を一方の面に有し、他方の面から出射された光を拡げるために他方の面側に配置されたレンチキュラーレンズとともに透過型スクリーンを構成するフレネルレンズシートであって、
   前記フレネルレンズシートと前記レンチキュラーレンズとによって定まる前記透過型スクリーンの視野角をεとし、
   前記フレネルレンズ素子群を構成する各フレネルレンズ素子のそれぞれの前記先端面が、他方の面に形成された出射面に対し、入射光線が入射する方向の角度をδ１、
   前記それぞれの先端面に入射した光束が前記出射面から出射する際の出射角度をβとすると、
   β＞εとなるように、前記それぞれの先端面の前記出射面に対する角度δ１が与えられるフレネルレンズシート。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載されたフレネルレンズシートにおいて、
   δ１＜２０°となるように前記それぞれの先端面が形成されることを特徴とするフレネルレンズシート。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のフレネルレンズシートと、
   前記フレネルレンズシートの前記出射面側に配され、前記フレネルレンズシートから出射された光を拡げるレンチキュラーレンズと、
   を備えてなる透過型スクリーン。
5. 前記フレネルレンズ素子群を構成する材料の屈折率をｎ１、
   前記フレネルレンズシートと前記レンチキュラーレンズとによって定まる前記透過型スクリーンの視野角をεとし、
   前記各フレネルレンズ素子のそれぞれの前記フレネル面が前記出射面に対する角度をγ、
   前記それぞれの先端面に入射した前記それぞれの光束の屈折角度をａとすると、
   前記それぞれの光束が前記それぞれのフレネル面で反射されてから前記出射面から出射する場合は、ＳＩＮ^−１（ｎ１×ＳＩＮ（１８０−（δ１＋ａ＋２×γ）））＞εが成立し、
   前記それぞれの光束が前記それぞれのフレネル面で反射されずに前記出射面から出射する場合は、ＳＩＮ^−１（ｎ１×ＳＩＮ（ａ＋δ１））＞εが成立する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の透過型スクリーン。
6. 請求項４または５のいずれか一項に記載の透過型スクリーンと、
   前記透過型スクリーンの背面側から映像光を投写する投写光学部と、
   前記投写光学部において前記映像光を発生させるための映像信号を生成し、生成した映像信号を前記投写光学部に出力する映像信号処理部と、
   を備えてなる投射型映像表示装置。

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