JP5092193B2 - 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、透過型スクリーンと光源とを有す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、例えば図１０に示すようなリアプロジェクションテレビ１が知られている。
リアプロジェクションテレビ１は、図１０に示すように、光源としてのプロジェクタ２から投射される映像光を、反射鏡３Ａ，３Ｂ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４の背面に入射させることにより、この透過型スクリーン４の前面側に位置する観察者が、透過型スクリーン４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ている。

透過型スクリーン４は、例えば図１１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５Ｃを有するフレネルレンズ５と、このフレネルレンズ５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）６と、このレンチキュラーレンズシート６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７とを備えている。
このような透過型スクリーン４の背面に入射する映像光は、まず、フレネルレンズ５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６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７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、透過型スクリーン４に用いられるフレネルレンズ５のレンズ本体５Ａは、図１１に示すように、レンズ基板５Ｂにおけるレンチキュラーレンズシート６側を向く片面に、同心円状の凹凸からなるフレネルレンズ部５Ｃがレンズ本体５Ａの出射面側に位置するように設けられて構成されている。すなわち、このフレネルレンズ５は、入射する映像光がレンズ基板５Ｂを透過してからフレネルレンズ部５Ｃの屈折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５となっている。
さらに、このフレネルレンズ５の光軸５Ｄ（レンズ部５Ｃの凹凸がなす同心円の中心）は、レンズ本体５Ａの中心５Ｅと一致させられている。

ところで、リアプロジェクションテレビ１においては、透過型スクリーン４の背面に映像光を入射させるための光学系の占める空間が大きいため、反射鏡３Ａ，３Ｂによってプロジェクタ２から投射される映像光の光路を偏向させて、プロジェクタ２を透過型スクリーン４と反射鏡３Ｂとの間の領域から下方側に外れた領域に配置することにより、奥行きを極力小さくして薄型化を図るようにしている。
しかしながら、プロジェクタ２は、フレネルレンズ５の光軸５Ｄ上に配置されるため、上記のようにフレネルレンズ５の光軸５Ｄがレンズ本体５Ａの中心５Ｅに一致していると、このプロジェクタ２が、反射鏡３Ａ，３Ｂによって映像光の光路を偏向させていない状態において、図１０中の２点鎖線で示すように透過型スクリーン４の背面に対向配置されることになる。

そのため、映像光の光路を偏向させる反射鏡３Ａ，３Ｂのうち、透過型スクリーン４の背面に対向配置される反射鏡３Ｂを、透過型スクリーン４に対して大きな傾斜角で傾斜させなければ、プロジェクタ２を透過型スクリーン４と反射鏡３Ｂとの間の領域から下方側に外れた領域に配置することができず、これに起因してリアプロジェクションテレビ１の奥行きを小さくすることに限界が生じていた。
つまり、反射鏡３Ｂを傾斜させた分だけ、リアプロジェクションテレビ１の奥行きを大きく確保しなければならないことになり、この反射鏡３Ｂの傾斜が、リアプロジェクションテレビ１の薄型化を図る上での大きな障害となっていたのである。

これに対して最近では、図１２に示すように、光軸５Ｄがレンズ本体５Ａの中心５Ｅを通るレンズ本体５Ａの短辺に沿う方向においてレンズ本体５Ａから外れた位置を通るように配置された透過型フレネルレンズ５を用いることにより、上記反射鏡３Ｂの傾斜を緩やかにして、リアプロジェクションテレビ１の薄型化を図ることが考えられている。
ここで、上記透過型フレネルレンズ５において、プロジェクタ２から投射されてフレネルレンズ５のレンズ本体５Ａに入射する入射光がフレネルレンズ５の光軸５Ｄに対してなす傾斜角をθとしたときに、この傾斜角θと入射光の透過率との関係の一例を図１３に示す。なお、図１３に示すグラフは、フレネルレンズ５のレンズ本体５Ａを構成する材料が例えばアクリル樹脂とされていて、その屈折率が１．４９の場合のものである。

図１３に示すように、透過型フレネルレンズ５では、上記傾斜角θが大きくなるにしたがい入射光の透過率が低下してゆき、とくに傾斜角θが４５°以上の領域では透過率の低下が急激となるため、傾斜角θが大きい状態で透過型フレネルレンズ５を用いると、透過型スクリーン４上での明るさのバランスが崩れてしまって、その均一性が基準を満たさなくなる。また、フレネルレンズ５の光軸５Ｄ上に配置されるプロジェクタ２からフレネルレンズ５のレンズ本体５Ａまでの投射距離を短くする、つまり、フレネルレンズ５の短焦点化によっても上記傾斜角θが大きくなり、上記のような問題が助長される。
なお、透過型スクリーン４上での明るさの均一性は、この透過型スクリーン４上における所定の９ポイントあるいは１３ポイントで評価されるものであり、例えばフレネルレンズ５についての入射光の透過率が約７０％以上望ましくは約８０％以上の範囲（例えば図１３中の網掛け部分）に収まることが要求される。

つまり、リアプロジェクションテレビ１の薄型化を図るために、フレネルレンズ５の光軸５Ｄの偏心量を増大させたり、フレネルレンズ５の短焦点化を図った場合には、どうしても上記傾斜角θが大きくなるので、従来の透過型フレネルレンズ５では対応できなくなってしまうのである。
そこで、上記傾斜角θを大きくしたとしても、入射光の透過率が低下しないものとして、図１４に示すような、いわゆる全反射型フレネルレンズ５が知られている（例えば特許文献１参照）。
特公平４−８０３６９号公報

このような全反射型フレネルレンズ５のレンズ本体５Ａは、図１４に示すように、レンズ基板５Ｂにおける透過型スクリーン４の背面側を向く片面に、同心円状の凹凸からなるフレネルレンズ部５Ｃがレンズ本体５Ａの入射面側に位置するように設けられて構成されている。そして、この全反射型フレネルレンズ５のフレネルレンズ部５Ｃは、入射光を全反射することによってこの入射光の方向を整えて出射光とする全反射面を有しており、入射する映像光がフレネルレンズ部５Ｃの全反射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ようになっている。
しかしながら、図１４に示すような全反射型フレネルレンズ５を備えた光学システムでは、従来より、フレネルレンズ部５Ｃの全反射面に関して何ら考慮されておらず、全反射型フレネルレンズ５を含む透過型スクリーンと光源とを備え、設計が簡単でありながらも有効に機能する光学システムが存在しないのが現状であった。

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、入射光を全反射面で全反射させることによってこの入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部が設けられた略長方形平板状のレンズ本体と前記レンズ本体の中心を通る前記レンズ本体の短辺に沿うＸ方向において前記レンズ本体から外れた位置を通るように配置された光軸とを有するフレネルレンズを含む透過型スクリーンと、前記フレネルレンズの光軸上に配置され、前記フレネルレンズに映像光を投射する光源と、前記光源から投射される映像光の光路を偏向させて前記フレネルレンズ部に入射させる反射板と、を備えた光学システムであって、
前記フレネルレンズ部は、屈折率を１．４９とし、入射光を略垂直に入射させて全反射面に向けて方向づける入射面と、該入射面からの入射光を全反射させて略平行光として出射させる前記全反射面とを有する断面三角形状とされ、
前記フレネルレンズ部は前記レンズ本体の短辺に沿う方向に複数配列されており、
前記Ｘ方向に沿う断面において、前記光源から投射されて前記フレネルレンズ部の入射面に入射する入射光の、前記フレネルレンズ部の光軸に対する傾斜角θの最小傾斜角を３０°とし、最大傾斜角を８０°とすると共に、
前記光源から前記フレネルレンズのレンズ本体までの投射距離をＦとし、前記フレネルレンズのレンズ本体の短辺の長さをＨとし、前記フレネルレンズの光軸から前記フレネルレンズのレンズ本体までの距離をＲとしたときに、前記Ｘ方向に沿う断面における前記フレネルレンズ部の全反射面が前記レンズ本体の平面方向に対してなす傾斜角αが、
（π−arctan（（Ｒ＋Ｈ）／Ｆ））／２≦α≦（π−arctan（Ｒ／Ｆ））／２
を満たし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、まず、フレネルレンズの光軸がレンズ本体から外れるように配置されていることから、この光学システムを用いて背面投射型ディスプレイ装置を構成したときには、透過型スクリーンの背面に対向配置される反射鏡の傾斜を緩やかにして、背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図ることが可能となっている。
ここで、上記のように光軸が偏心したフレネルレンズを用いたことにより、このフレネルレンズのレンズ本体に入射する映像光とフレネルレンズの光軸との傾斜角が大きくなってしまうのであるが、本発明では、上記傾斜角が大きい場合でも十分に機能を発揮することができる全反射型フレネルレンズを採用したことによって、何ら不具合が生じることはない。そして、とくに、この全反射型フレネルレンズのフレネルレンズ部が有する全反射面が、レンズ本体の平面方向に対してなす傾斜角αに着目し、この傾斜角αが、上記の式を満たすように設定したことにより、フレネルレンズ部の設計が簡単でありながらもレンズ本体に入射する映像光の方向を確実に整えて略平行光として出射することができるフレネルレンズを得ることができる。したがって、このような光学システムを用いて背面投射型ディスプレイ装置を構成したときには、この背面投射型ディスプレイ装置の薄型化が可能となりつつ、透過型スクリーンとしての機能を十分に発揮することができる。

以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本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中の左側）を筐体１１の外部へ露出させるとともに背面側（図１中の右側）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例えば２枚の反射鏡１３，１４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中の右側）から前面側（図２中の左側）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及び図３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、同心円状の凹凸からなり、レンズ本体３１の入射面側に位置させられている。
本実施形態において、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３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３１Ａに沿う方向Ｘにおいてレンズ本体３１の長辺３１Ｂ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。

このようなフレネルレンズ３０を製造するには、図３に示すように、略円形平板状をなすレンズ基板の片面に、このレンズ基板の中心を通ってレンズ基板の法線に沿う方向を中心（光軸Ｐ１）とする同心円状の凹凸からなるフレネルレンズ部が設けられることによって構成されたフレネルレンズ素材３４を用意する。このフレネルレンズ素材３４は、金型法によりフレネルレンズを製作する場合には、その金型に相当する。
このフレネルレンズ素材３４から、上記光軸Ｐ１がレンズ本体３１の長辺３１Ｂ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、かつ、上記光軸Ｐ１及び中心Ｐ２を短辺３１Ａに沿う方向Ｘ上に位置させるように、略長方形平板状のレンズ本体３１を切り出すことによって、上述したフレネルレンズ３０を得ることができる。

また、レンズ基板３２の片面に設けられた同心円状の凹凸からなるフレネルレンズ部３３は、図４に示すように、入射光を屈折させて後述する全反射面３６に向けて方向付ける入射面３５と、レンズ本体３１の平面方向に対してαの傾斜角をなすとともに入射面３５で屈折させられた入射光を全反射させてその方向を整える全反射面３６とを有している。そのため、このフレネルレンズ３０は、いわゆる全反射型フレネルレンズ３０となっている。なお、実際には、入射光が入射面３５に対して略垂直に入射すると考えても差し支えないことから、図４では、入射面３５において入射光が屈折しないものとして記載してある（後述する図７でも同様）。

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。

ここで、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を反射鏡１３，１４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、透過型スクリーン２０の背面に対向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反射鏡１４とさらにもう一つの反射鏡１３とによって偏向させることにより、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と反射鏡１４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。

また、上記Ｘ方向に沿う断面で見て図５に示すように、光軸Ｐ１上に配置されるプロジェクタ１２から投射されてレンズ本体３１に入射する入射光が光軸Ｐ１に対してなす傾斜角をθとすると、この傾斜角θの最小値θmin、つまり、レンズ本体３１の一対の長辺３１Ｂ，３１Ｂのうちの光軸Ｐ１に近い一方の長辺３１Ｂ（図５における下側の長辺３１Ｂ）に対して入射する入射光が光軸Ｐ１に対してなす最小傾斜角θminは、θmin≧３０°を満たしている。一方、この傾斜角θの最大値θmax、つまり、レンズ本体３１の一対の長辺３１Ｂ，３１Ｂのうちの光軸Ｐ１から離れた他方の長辺３１Ｂ（図５における上側の長辺３１Ｂ）に対して入射する入射光が光軸Ｐ１に対してなす最大傾斜角θmaxは、θmax≦８０°を満たしている。

さらに、上記Ｘ方向に沿う断面で見て図５に示すように、光源Ｐ１上に配置されるプロジェクタ１２（の投射レンズの投射瞳）からフレネルレンズ３０のレンズ本体３１までの投射距離Ｆ、つまり、反射鏡１３，１４によって映像光の光路を偏向させていない状態において、プロジェクタ１２（の投射レンズの投射瞳）からフレネルレンズ３０のレンズ本体３１までの光軸Ｐ１に沿った方向での距離をＦとし、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１の短辺３１Ａの長さをＨとし、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１からフレネルレンズ３０のレンズ本体３１の長辺３１Ｂまでの長さをＲとする。なお、投射距離Ｆは、一般的にはフレネルレンズ３０の焦点距離と略等しくなるように設定される。
すると、
tan（θmin）＝Ｒ／Ｆ、tan（θmax）＝（Ｒ＋Ｈ）／Ｆ
となり、さらに、
arctan（Ｒ／Ｆ）＝θmin、arctan（（Ｒ＋Ｈ）／Ｆ）＝θmax … （１）
となる。

また、図４に示すように、入射光が入射面３５に対して略垂直に入射すると考え、かつ、この入射面３５に入射した入射光が、全反射面３６に対して傾斜角νをなすように全反射されて略平行光になると考える。
すると、図４における直角三角形の関係により、
α＋ν＝π／２
となり、
ν＝π／２−α … （２）
となる。

このとき、プロジェクタ１２から投射されてレンズ本体３１に入射する入射光が光軸Ｐ１に対してなす傾斜角がθであることを考えると、図６に示すように、傾斜角θの入射光が全反射面３６の端部（レンズ基板３２側の端部）に入射する場合、この入射光がレンズ本体３１の平面方向に対してなす傾斜角が（α−ν）となるため、図６に示す直角三角形の関係により、
θ＋（α−ν）＋π／２＝π … （３）
となり、この（３）式に上記（２）式を代入すると、
α＝（π−θ）／２ …（４）
となる。

さらに、傾斜角θについて、
θmin≦θ≦θmax
であることを考慮し、上記（１），（４）式から、図４で説明したフレネルレンズ３０の
レンズ本体３１に設けられたフレネルレンズ部３３の全反射面３６が、レンズ本体３１に
対してなす傾斜角αは、
（π−arctan（（Ｒ＋Ｈ）／Ｆ））／２≦α≦（π−arctan（Ｒ／Ｆ））／２
…（５）
を満たすことになる。
つまり、上記（５）式を満たすように、フレネルレンズ部３３の全反射面３６が形成さ
れているのである。

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４１Ａ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４１Ａ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。

以上のような構成とされた本実施形態によるリアプロジェクションテレビ１０では、まず、透過型スクリーン２０に用いられるフレネルレンズ３０の光軸Ｐ１が、レンズ本体３１の中心Ｐ２を通るレンズ本体３１の短辺３１Ａに沿う方向Ｘにおいて、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。
そのため、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１上に配置されるプロジェクタ１２を、反射鏡１３，１４によって映像光の光路を偏向させていない状態において、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することができている。

したがって、本実施形態による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透過型スクリーン２０の背面に対向配置された反射鏡１４によって偏向させるときには、この反射鏡１４が透過型スクリーン２０の背面に対して略平行となっていたとしても、プロジェクタ１２を透過型スクリーン２０と反射鏡１４との間の領域から例えば下方側に外れた領域に配置することができる。
このように、透過型スクリーン２０の背面に対向配置される反射鏡１４を透過型スクリーン２０に対して略平行となるように配置することができていると、従来では反射鏡１４の傾斜の分だけ必要となっていた筐体１１の奥行きが不必要になり、リアプロジェクションテレビ１０のさらなる薄型化を実現することができる。

また、上記のように光軸Ｐ１が偏心したフレネルレンズ３０を用いたことにより、このフレネルレンズ３０のレンズ本体３１に入射する映像光とフレネルレンズ３０の光軸Ｐ１との傾斜角θが大きくなってしまうのであるが、本実施形態では、上記傾斜角θが大きい場合でも十分に機能を発揮することが可能な全反射型フレネルレンズ３０を採用している。

そして、とくに本実施形態では、この全反射型フレネルレンズ３０のフレネルレンズ部３３における全反射面３６が、レンズ本体３１の平面方向に対してなす傾斜角αに着目し、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１への入射光がフレネルレンズ部３３の入射面３５に対して略垂直に入射すると近似することにより、この傾斜角αが上記（５）式を満たすように設定している。
そのため、フレネルレンズ部３３の設計が非常に簡単であり、しかも、レンズ本体３１に入射する映像光の方向を確実に整えて略平行光として出射することができる全反射型フレネルレンズを得ることができる。したがって、このような光学システムを用いてリアプロジェクションテレビ１０を構成したときには、このリアプロジェクションテレビ１０の薄型化が可能となりつつ、透過型スクリーン２０はその機能を十分に発揮することができる。

ここで、上記全反射型フレネルレンズ３０において、上記傾斜角θと入射光の透過率との関係の一例を図７に示す。なお、図７に示すグラフは、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１を構成する材料が例えばアクリル樹脂とされていて、その屈折率が１．４９の場合のものであり、参考までに上述した透過型フレネルレンズについての傾斜角θと入射光の透過率との関係も記載してある。
図７に示すように、全反射型フレネルレンズ３０では、上記傾斜角θが３０°以上となる領域において、約８０％以上の高い透過率を得ることができるとともに、この透過率を基準内にバラツキなく収めることができている。一方、傾斜角θが３０°よりも小さくなっていくにしたがい、急激な透過率の低下を招いてしまう。これは、例えば傾斜角θが約６０°よりも大きな領域（図７中のＡ領域）では、図８に示すように、入射面３５に入射した映像光のほぼすべてが全反射面３６に到達するのであるが、例えば傾斜角θが約２０°と小さくなる領域（図７中のＢ領域）では、図９に示すように、入射面３５に入射した映像光のすべてが全反射面３６に到達することはなく、隣接する全反射面３６に対して到達する入射光同士の間に無効光線が生じてしまうからである。

そのため、本実施形態では、図７に示した全反射型フレネルレンズ３０についての上記傾斜角θと透過率との関係に着目し、透過率の低下が生じず、かつ、そのバラツキが少なくなるように、傾斜角θの最小値θminが、θmin≧３０°を満たすような光学システムを構成したことにより、例えば約８０％以上の高い値でバラツキの少ない透過率を有する全反射型フレネルレンズ３０を得ることができる。
したがって、このような光学システムを用いてリアプロジェクションテレビ１０を構成したときには、このリアプロジェクションテレビ１０の薄型化が可能でありながらも、透過型スクリーン２０上での明るさの均一性を確保することができる。

また、上記傾斜角θの最小値θminについて、図７を参照すると、θmin≧４０°を満たしていることが好ましく、さらには、θmin≧５０°を満たしていることがより好ましい。
一方、上記傾斜角θの最大値θmaxについては、フレネルレンズ部３３の製造上の点を考慮して、θmax≦８０°を満たすようにしたのであるが、θmax≦７０°を満たしていることがより好ましい。

なお、本実施形態においては、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１の入射面側に位置するように設けられたフレネルレンズ部３３の全域が、入射光を全反射面３６で全反射させることによってこの入射光の方向を整えて出射する全反射型フレネルレンズ部となっているようにしたが、これに限定されることはない。
例えば、傾斜角θが小さくなる一部の領域には、入射光を全反射面で全反射させるとともに屈折面で屈折させることによってこの入射光の方向を整えるハイブリッド型フレネルレンズ部が設けられていてもよいし、傾斜角θがより小さくなる一部の領域には、入射光を屈折面で屈折させることによってこの入射光の方向を整える屈折型フレネルレンズ部が設けられていてもよい。

また、本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の一例を示す概略説明図である。 本発明の実施形態による透過型スクリーンの一例を示す概略説明図である。 本発明の実施形態によるフレネルレンズ（全反射型フレネルレンズ）の一例を示す概略説明図である。 本発明の実施形態によるフレネルレンズ（全反射型フレネルレンズ）の一例を示す要部拡大断面図である。 本発明の実施形態による光学システムを示す概略説明図である。 本発明の実施形態によるフレネルレンズ（全反射型フレネルレンズ）の一例を示す要部拡大断面図である。 全反射型フレネルレンズ及び透過型フレネルレンズについての傾斜角θと透過率との関係の一例を示すグラフである。 図７に示すＡ領域でのフレネルレンズ部を示す要部拡大断面図である。 図７に示すＢ領域でのフレネルレンズ部を示す要部拡大断面図である。 従来のリアプロジェクションテレビの一例を示す概略説明図である。 従来の透過型スクリーンの一例を示す概略説明図である。 従来のフレネルレンズの一例（透過型フレネルレンズ）を示す概略説明図である。 透過型フレネルレンズについての傾斜角θと透過率との関係の一例を示すグラフである。 従来のフレネルレンズの他の一例（全反射型フレネルレンズ）を示す概略説明図である。

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
３１ レンズ本体
３３ フレネルレンズ部
３６ 全反射面
４０ レンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）
４３ シリンドリカルレンズ（単位レンズ）
４４ 拡散レンズ部
４５ 遮光部
４６ 通過部
５０ 拡散層
Ｐ１ フレネルレンズの光軸
Ｐ２ フレネルレンズのレンズ本体の中心
θ 入射光がフレネルレンズの光軸に対してなす傾斜角
θmin 傾斜角θの最小値
θmax 傾斜角θの最大値
α フレネルレンズ部の全反射面がレンズ本体の平面方向に対してなす傾斜角

Claims (2)

1. 入射光を全反射面で全反射させることによってこの入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部が設けられた略長方形平板状のレンズ本体と前記レンズ本体の中心を通る前記レンズ本体の短辺に沿うＸ方向において前記レンズ本体から外れた位置を通るように配置された光軸とを有するフレネルレンズを含む透過型スクリーンと、
   前記フレネルレンズの光軸上に配置され、前記フレネルレンズに映像光を投射する光源と、
   前記光源から投射される映像光の光路を偏向させて前記フレネルレンズ部に入射させる反射板と、を備えた光学システムであって、
   前記フレネルレンズ部は、屈折率を１．４９とし、入射光を略垂直に入射させて全反射面に向けて方向づける入射面と、該入射面からの入射光を全反射させて略平行光として出射させる前記全反射面とを有する断面三角形状とされ、
   前記フレネルレンズ部は前記レンズ本体の短辺に沿う方向に複数配列されており、
   前記Ｘ方向に沿う断面において、前記光源から投射されて前記フレネルレンズ部の入射面に入射する入射光の、前記フレネルレンズ部の光軸に対する傾斜角θの最小傾斜角を３０°とし、最大傾斜角を８０°とすると共に、
   前記光源から前記フレネルレンズのレンズ本体までの投射距離をＦとし、前記フレネルレンズのレンズ本体の短辺の長さをＨとし、前記フレネルレンズの光軸から前記フレネルレンズのレンズ本体までの距離をＲとしたときに、前記Ｘ方向に沿う断面における前記フレネルレンズ部の全反射面が前記レンズ本体の平面方向に対してなす傾斜角αが、
   （π−arctan（（Ｒ＋Ｈ）／Ｆ））／２≦α≦（π−arctan（Ｒ／Ｆ））／２
   を満たし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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