JP5142963B2 - 透過型スクリーン、投写型表示装置及び制御信号光の受光方法 - Google Patents

Description

この発明は、観測者から見てスクリーンの背面側から画像光を投影して画像を表示する透過型スクリーン及び投写型表示装置と、その透過型スクリーンがリモートコントローラから照射された制御信号光を受光器に集光させる制御信号光の受光方法とに関するものである。

投写型表示装置は、フレネルレンズスクリーンや拡散シート（拡散層）などから構成されている画像表示装置である。
この投写型表示装置は、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）やＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）と異なり、非発光型の表示装置である。
投写型表示装置は、プロジェクタとして、光源から照射された光を所定の方向に導く照明光学系と、その照明光学系によって導かれてきた光を照射するとともに、画像信号に応じて光量を調整して画像を形成するライトバルブと、そのライトバルブにより形成された画像をスクリーンに拡大投影する投写光学系とを備えている。

投写型表示装置には、観測者から見てスクリーンの背面から画像光を投影する背面投写型の表示装置と、観測者から見てスクリーンの手前から画像光を投影する前面投写型の表示装置とがある。
このうち、背面投射型の表示装置に用いられる透過型スクリーンは、プロジェクタから拡大投影された画像光を観測者側に曲げるフレネルレンズスクリーンと、フレネルレンズスクリーンからの画像光の像を結像させるとともに、その画像光に発散角度を与えて広げる像表示要素とを備えている。

投写型表示装置を遠隔操作する手段として、リモートコントローラがある。
リモートコントローラは、可視光を含む赤外線の波長帯のいずれかの光信号を用いるものである。
投写型表示装置のフレネルレンズスクリーンは、光源から拡大投影された画像光を観測者方向に曲げる機能を有することから、逆に、観測者方向から照射されたリモートコントローラの制御信号光をプロジェクタに集光する機能も有する。
換言すれば、フレネルレンズを集光レンズとして用いることで、リモートコントローラから照射された制御信号光を効率よく受光器に集めることが可能となる。

このようなリモートコントローラから照射される制御信号光の受光方法は、例えば、以下の特許文献１に開示されている。

特開昭６３−２４７７号公報（図２）

従来の投写型表示装置は以上のように構成されているので、フレネルレンズスクリーンが光学系の光軸に光を集める集光レンズとして機能すれば、リモートコントローラから照射された制御信号光を効率よく受光器に集めることができる。しかし、近年の薄型投写型表示装置に用いられる偏心光学系のフレネルレンズスクリーンを使用する場合、フレネルレンズの多くの部分が、リモートコントローラから照射された制御信号光を受光器に導くことができず、リモートコントローラから照射された制御信号光を効率よく受光器に導くことができないなどの課題があった。

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、偏心光学系のフレネルレンズスクリーンを使用する場合でも、リモートコントローラから照射された制御信号光を効率よく受光器に導くことができる透過型スクリーン、投写型表示装置及び制御信号光の受光方法を得ることを目的とする。

この発明に係る透過型スクリーンは、手前のフレネルプリズムに遮断されて、発光体から照射された光線が直接照射されないフレネル光学素子の非入射面に、そのフレネルプリズムより小さい略相似形状のフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置されているようにしたものである。

この発明によれば、手前のフレネルプリズムに遮断されて、発光体から照射された光線が直接照射されないフレネル光学素子の非入射面に、そのフレネルプリズムより小さい略相似形状のフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置されているように構成したので、偏心光学系のフレネルレンズスクリーンを使用する場合でも、リモートコントローラから照射された制御信号光を効率よく受光器に導くことができる効果がある。

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構成図である。
また、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り、図３はこの発明の実施の形態１による投写型表示装置の内部を示す斜視図である。
図において、プロジェクタ１は投写型表示装置の筐体７内に設置され、画像光ＰＢである光線を照射する発光体である。なお、プロジェクタ１は照明光学系２、ライトバルブ３及び投写光学系４から構成されている。
照明光学系２は光源（図示せず）から照射された光を所定の方向に導く光学系である。
ライトバルブ３は照明光学系２によって導かれてきた光を照射するとともに、画像信号に応じて光量を調整して画像を形成する処理を実施する。
投写光学系４はライトバルブ３により形成された画像をスクリーンに拡大投影する光学系である。

リモートコントローラ５はユーザが例えば画像の切り替えなどを操作する遠隔操作機器であり、その操作内容を示す制御信号光ＣＢを照射する。
受光器６はプロジェクタ１の近傍に設置され、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを受光する機器である。

透過型スクリーン１０はフレネルレンズスクリーン１１と像表示要素１４から構成されており、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを入射して、その画像光ＰＢを観測者に向けて出射する一方、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを入射して、その制御信号光ＣＢを受光器６に向けて出射する。
フレネルレンズスクリーン１１は入光面側フレネルレンズ１２と基盤１３から構成されており、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを観測者の方向に曲げる機能を有している。

入光面側フレネルレンズ１２はフレネルレンズスクリーン１１において、観測者と反対の光源側（入光面側）に形成されているフレネル光学素子であり、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを屈折させる屈折面１２ｂと、その屈折面１２ｂにより屈折された画像光ＰＢを反射させる反射面１２ｃとを有するフレネルプリズム１２ａが鋸歯状に複数配置されている。
また、手前のフレネルプリズム１２ａに遮断されて、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢが直接照射されない入光面側フレネルレンズ１２の非入射面に、フレネルプリズム１２ａより小さい略相似形状のフレネルプリズム１２ｄが鋸歯状に複数配置されている。

像表示要素１４はレンズ要素１５、光拡散部１６、基盤１７及び表面処理部１８から構成されており、フレネルレンズスクリーン１１により光路を曲げられた画像光ＰＢの像を結像させるとともに、その画像光ＰＢに発散角度を与えて、その画像光ＰＢを広げる機能を有している。
レンズ要素１５は画像光ＰＢに発散角度を与える機能を有している。
光拡散部１６は画像光ＰＢの像を結像させる機能を有している。
基盤１７はレンズ要素１５や光拡散部１６などを保持するものであり、例えば、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈ Ａｃｒｙｌａｔｅ）、ＭＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｙｌａｔｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＭＢＳ（Ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔａｃｙｌａｔｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）などの樹脂で形成されている。

表面処理部１８は最も観測者側に設けられる各種の層であり、例えば、外光の影響を低減するために光の反射を低減させる反射防止層、見た目のぎらつきを押さえるためのアンチグレア層、静電気による埃の付着を防止するための帯電防止層や、表面を保護するためのハードコート層などが該当する。
この実施の形態１では、基盤１７を成形する際に、光拡散部１６を層状に練り込んで一対成形することを想定しているが、基盤１７がガラスの場合には、フィルム状の光拡散部１６を接着層で貼り合わせてもよい。
この実施の形態１では、光源側から観測者側に向かって、光拡散部１６、基盤１７の順に配置しているが、逆に、基盤１７、光拡散部１６の順に配置してもよい。また、基盤１７と光拡散部１６が一体であってもよい。

図１の例では、Ｏが光学系の光軸であり、画面となる透過型スクリーン１０の外に光軸Ｏが配置された偏心光学系の配置となっている。
図２及び図３に示すように、光軸Ｏを中心とする同心円状のフレネルレンズが偏心され、光軸Ｏが画面の中心Ｏ’からずれて配置されている。

次に動作について説明する。
透過型スクリーン１０のフレネルレンズスクリーン１１は、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを観測者の方向に偏向するフィールドレンズであり、その画像光ＰＢを略平行に揃えるコリメートレンズの機能を持つように設計されている。
ここで、フレネルレンズスクリーン１１における光の入出力を逆に考えると、フレネルレンズスクリーン１１の入光面側フレネルレンズ１２は、観測者の方向から照射された光を投写光学系４の方向に集光させる集光レンズの機能を有している。

テレビの外観を考えると、その大部分が画面を構成する透過型スクリーン１０であり、遠隔操作機器であるリモートコントローラ５をテレビに向けて操作することは、透過型スクリーン１０に向けて操作することに相当する。
リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを受光する受光器６をプロジェクタ１の近傍に設置すると、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢは、フレネルレンズスクリーン１１で効率よく集光され、投写光学系４の方向に導かれる。
しかし、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢは、スクリーン法線からずれた角度で入射されることや、光拡散部１６やレンズ要素１５などを通過してくることなどを考慮すると、必ずしも投写光学系４まで到達せずに、その手前の受光器６で受光されることが想定される。

ここで、光路を詳細に調べると、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢのうち、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢの光路を逆に通る制御信号光のみが、投写光学系４に向かって集光し、それ以外の光路を通る制御信号光は正しく集光しないことがわかる。
以下、この点を詳細に説明する。
図４はこの発明の実施の形態１による透過型スクリーン１０による画像光ＰＢ及び制御信号光ＣＢの光路の偏向を示す説明図である。
また、図５は図４の透過型スクリーン１０における入光面側フレネルレンズ１２の非入射面に、フレネルプリズム１２ｄが配置されていない場合の光路の偏向を示す説明図である。

入光面側フレネルレンズ１２は、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを屈折させる屈折面１２ｂと、その屈折面１２ｂにより屈折された画像光ＰＢを観測者の方向に反射させる反射面１２ｃとを有するフレネルプリズム１２ａが鋸歯状に複数配置されている構成である。
角度θ_inで入射された画像光ＰＢは、フレネルプリズム１２ａの屈折面１２ｂと反射面１２ｃにより、角度θ_reflで出射される。
この関係は、幾何学とSnell's lawから下記の式（１）で表される。

ただし、τはフレネルプリズム１２ａの頂角、ξは屈折面１２ｂの角度、αは反射面１２ｃの角度（全反射面角度）である。
また、ｎ₀は大気の屈折率、ｎ₁はフレネルプリズム１２ａ及び基盤１３の屈折率である。
なお、角度ζは、下記の式（２）で表されるものとする。

式（１）を変形すると、全反射面角度αは、下記の式（３）で表すことができる。

式（３）は、全反射面角度αとフレネルプリズム１２ａの頂角τとの二つの自由度で関数型が決まる入射角θ_inの関数であることを意味している。
つまり、観測者は、透過型スクリーン１０のほぼ正面に居ることから、出光角はθ_refl≒０と決まるため、残るフレネルプリズム１２ａの頂角τを決めれば、入射角θ_inにおける全反射面角度αが自動的に求まる。
さらに、三角形の内角の和より、屈折面１２ｂの角度ξも、下記の式（４）のように求まるため、入光面側フレネルレンズ１２を構成する面の形状（角度）は一意に決まることになる。

ここで、図５の斜線部は、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢの光路を示している。
プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢは、上記のように入光面側フレネルレンズ１２の形状を決めているので、観測者の方向に曲げられる。
反対に、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢのうち、画像光ＰＢの光路（斜線部）を逆向きに通る制御信号光（点線で示す制御信号光）に関しては、プロジェクタ１側に曲げられるが、画像光ＰＢの光路（斜線部）を逆向きに通らない制御信号光（一点鎖線で示す制御信号光）に関しては、複数のフレネルプリズム１２ａを伝搬して、迷光となるため正しく集光しない。

このときの制御信号光ＣＢの集光効率は、近似的に図５の斜線部の割合に等しくなる。
図５の例では、フレネルプリズム１２ａの周期ｍに対して、斜線部が約１／３程度であるため、約１／３の制御信号光ＣＢについては効率よく集光できるが、約２／３の制御信号光ＣＢについては損失となる。
なお、フレネルプリズム１２ａの周期ｍに対する斜線部の割合ｈは、下記の式（５）のように表される。

この実施の形態１では、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを効率よく集光できるようにするために、透過型スクリーン１０における入光面側フレネルレンズ１２の非入射面にフレネルプリズム１２ｄを配置している。
即ち、入光面側フレネルレンズ１２において、画像光ＰＢの光路（斜線部）となる部分の屈折面１２ｂと反射面１２ｃを残し、画像光ＰＢの光路（斜線部）とならない部分に補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄを配置している。
なお、入光面側フレネルレンズ１２のうち、レンズ部分として残す割合ｌは、下記の式（６）として求められる。実際には、割合ｌを多少の余裕（１０％から２０％程度）をもって、少し大きめに設定してもよいことは言うまでもない。

補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄの役割は、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを投写光学系４の近傍に導くことであるから、一番簡単な例としては、フレネルプリズム１２ｄの形状が、屈折面１２ｂ及び反射面１２ｃからなるフレネルプリズム１２ａの形状とほぼ相似であればよい。
しかし、そのまま補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄを作ると、入光面側フレネルレンズ１２のように、制御信号光ＣＢが複数のフレネルプリズム１２ａを伝搬して、迷光（図４の一点鎖線を参照）となる可能性がある。

そこで、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄは、手前のフレネルプリズム１２ａで遮られないように、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを少しずらして（図４の例では、少し上向きにずらしている）出るように設定する（図４の破線を参照）。
例えば、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄのレンズ形状が、フレネルプリズム１２ａと相似形状である場合、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄの傾きを少し傾ければよい。
図４におけるフレネルプリズム１２ｄのＡ２部分は、フレネルプリズム１２ａと相似であり、フレネルプリズム１２ａを少し傾けたものを例示している。
なお、図４では、効果を説明するために、Ａ１部分とＡ２部分を一つの入光面側フレネルレンズ１２内に並べて図示したが、必ずしも、このようにしなくてよいことは言うまでもない。また、フレネルプリズム１２ａと補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄは、必ずしも相似形状でなくてもよい。これについては図６を用いて説明する。

図６は入光面側フレネルレンズ１２を異なる切削バイト５２，５３で切削して作成する例を示す説明図である。
入光面側フレネルレンズ１２は、一般に、そのレンズ形状が刻まれた母型５１の表面形状を転写して作られる。
図６の例では、補助レンズ部分を切削バイト５２で切削し、フレネルレンズ部分を切削バイト５３で切削しており、このことで、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄと、フレネルプリズム１２ａの形状を必ずしも相似でなく作ることが可能となる。
このように、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄと、フレネルプリズム１２ａとの形状を相似形状にするという制約をなくすことで、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄは、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを投写光学系４の近傍に導くことに特化して設計することができるため、制御信号光ＣＢを効率よく集光するようにできる。

補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄは、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢを受光器６に導くためのものであり、画像光ＰＢを遮らないようにフレネルプリズム１２ａの周期ｍと比べて小さい必要がある。
しかし、補助レンズが波長の数倍から十数倍（５ミクロン）程度になると、幾何光学だけでなく、波動光学の影響（例えば、光の回折現象）を受ける。
したがって、補助レンズの周期は、フレネルプリズム１２ａの周期ｍより小さく、波長λより大きい必要がある。

このように手前のフレネルプリズム１２ａに遮断されて、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢが直接照射されない非入射面に、補助レンズであるフレネルプリズム１２ｄを形成することで、画像光ＰＢに悪影響を与えることなく、リモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢの受光感度を向上させることが可能になる。
また、フレネルレンズスクリーン１１は、スクリーン法線方向の光を効率よく集光するため、蛍光灯などのノイズは集光することなく、ほぼスクリーン法線方向に居ると思われる観測者が操作するリモートコントローラ５から照射された制御信号光ＣＢのみを選択して集光することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、手前のフレネルプリズム１２ａに遮断されて、プロジェクタ１から照射された画像光ＰＢが直接照射されない入光面側フレネルレンズ１２の非入射面に、そのフレネルプリズム１２ａより小さい略相似形状のフレネルプリズム１２ｄが鋸歯状に複数配置されているように構成したので、偏心光学系のフレネルレンズスクリーン１１を使用する場合でも、リモートコントローラ５から照射された制御信号光を効率よく受光器６に導くことができる効果を奏する。

なお、この実施の形態１では、フレネルレンズスクリーン１１がプロジェクタ１から照射された画像光ＰＢを直接入射するものについて示したが、図７に示すように、プロジェクタ１とフレネルレンズスクリーン１１の間に、少なくとも一つ以上の反射鏡１９を配置して、フレネルレンズスクリーン１１が反射鏡１９により反射された画像光ＰＢを入射するようにしてもよい。
また、これに加えて、保持機構、空調、スピーカー、テレビ台、電気回路、幾何学補正回路、色補正回路などのいずれかを構成要素に持っていてもよい。
また、光源となる発光体は、ランプのような連続スペクトル、レーザ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）のような離散的スペクトルを持つもののいずれでもよい。

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。 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による投写型表示装置の内部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による透過型スクリーン１０による画像光ＰＢ及び制御信号光ＣＢの光路の偏向を示す説明図である。 図３の透過型スクリーン１０における入光面側フレネルレンズ１２の非入射面に、フレネルプリズム１２ｄが配置されていない場合の光路の偏向を示す説明図である。 入光面側フレネルレンズ１２を異なる切削バイト５２，５３で切削して作成する例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による他の投写型表示装置を示す構成図である。

符号の説明

１ プロジェクタ（発光体）、２ 照明光学系、３ ライトバルブ、４ 投写光学系、５ リモートコントローラ（遠隔操作機器）、６ 受光器、７ 筐体、１０ 透過型スクリーン、１１ フレネルレンズスクリーン、１２ 入光面側フレネルレンズ（フレネル光学素子）、１２ａ フレネルプリズム、１２ｂ 屈折面、１２ｃ 反射面、１２ｄ フレネルプリズム、１３ 基盤、１４ 像表示要素、１５ レンズ要素、１６ 光拡散部、１７ 基盤、１８ 表面処理部、１９ 反射鏡、５１ 母型、５２，５３ 切削バイト。

Claims (5)

1. 発光体から照射された光線を屈折させる屈折面と、上記屈折面により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鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子を備えている透過型スクリーンにおいて、手前のフレネルプリズムに遮断されて、上記発光体から照射された光線が直接照射されない上記フレネル光学素子の非入射面に、上記フレネルプリズムより小さい略相似形状のフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置されていることを特徴とする透過型スクリーン。
2. フレネル光学素子の非入射面に配置されているフレネルプリズムが遠隔操作機器から照射された制御信号光を入射して、上記制御信号光を受光器に向けて出射することを特徴とする請求項１記載の透過型スクリーン。
3. 画像光である光線を照射する発光体と、上記発光体から照射された光線を入射して、上記光線を所定の方向に出射する透過型スクリーンとを備えた投写型表示装置において、上記透過型スクリーンが、上記発光体から照射された光線を屈折させる屈折面と、上記屈折面により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鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子を備えており、手前のフレネルプリズムに遮断されて、上記発光体から照射された光線が直接照射されない上記フレネル光学素子の非入射面に、上記フレネルプリズムより小さい略相似形状のフレネルプリズムが鋸歯状に複数配置されていることを特徴とする投写型表示装置。
4. フレネル光学素子の非入射面に配置されているフレネルプリズムが遠隔操作機器から照射された制御信号光を入射して、上記制御信号光を受光器に向けて出射することを特徴とする請求項３記載の投写型表示装置。
5. 発光体から照射された光線を屈折させる屈折面と、上記屈折面により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鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子を備えている透過型スクリーンが、遠隔操作機器から照射された制御信号光を入射して、上記制御信号光を受光器に向けて出射する制御信号光の受光方法において、手前のフレネルプリズムに遮断されて、上記発光体から照射された光線が直接照射されない上記フレネル光学素子の非入射面に、上記フレネルプリズムより小さい略相似形状のフレネルプリズムを鋸歯状に複数配置することで、上記フレネルプリズムが遠隔操作機器から照射された制御信号光を入射して、上記制御信号光を上記受光器に向けて出射することを特徴とする制御信号光の受光方法。

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