JP5747661B2 - 反射スクリーン及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射スクリーンに関し、更に詳細には、スクリーン近傍から映像光を投影する、いわゆる短焦点型の反射スクリーンに関する。

従来、プロジェクタなどの映像源から投射された映像光を反射して観察可能にする反射スクリーンが知られている。反射スクリーンは、よりコントラストの高い映像を投影し、また、外光による映り込みを低減することが求められる。このような要求を満たすために、例えば、表面に反射層を形成したフレネルレンズの映像光出射側に光拡散層を設けた構造のものが提案されている。

ところで、近年、映像源を反射スクリーンのできるだけ近い位置に配置して、投影システムのコンパクト化を図る要請が強くなってきており、このような要求を満たす、所謂、短焦点型の反射スクリーンが種々検討されている。映像源が反射スクリーンに近接している場合、例えば、スクリーン下部に映像源を設置した場合、スクリーンに入射する映像光の入射角度が大きくなるため、従来の反射スクリーンでは、反射面において、外光からの入射光と映像源からの入射光とを分離するのが困難であり、コントラストが低下する。特に、反射スクリーンをＴＶ画像の表示装置として使用するような場合、明室環境下で使用されるため外光の影響が大きくなり、従来のプロジェクタ用の反射スクリーンでは、コントラストが著しく低下し、満足する画像が得られないという問題がある。

上記のような問題を解決した短焦点型反射スクリーンも提案されている。例えば、スクリーン下部から入射する映像源からの光のみを反射し、スクリーン上部から入射する外光からの光は吸収するように、フレネルレンズの表面の一部に反射層を設け、それ以外の部分に光吸収部を設けた短焦点型反射スクリーンが提案されている（特開２００４−１７７４２７号公報および特開２００６−３３０１４５号公報）。

特開２００４−１７７４２７号公報 特開２００６−３３０１４５号公報

しかしながら、上記の短焦点型反射スクリーンは、フレネルレンズのレンズ単位それぞれに反射層と光吸収層とを形成する必要があるため、製造工程が複雑となり、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明者らは、今般、フレネルレンズよりも前面（観察者側）に着色層を設け、さらに、その着色層の前面に、着色層よりも屈折率の低い材料からなる層を設けることにより、外光のみを着色層で吸収し、映像光を効率的に投影でき、その結果、優れたコントラストを有する安価な短焦点型反射スクリーンを実現できる、との知見を得た。本発明はかかる知見によるものである。

したがって、本発明の目的は、外光のみを着色層で吸収し、映像光を効率的に投影でき、その結果、優れたコントラストを有する安価な短焦点型反射スクリーンを提供することである。

本発明による反射スクリーンは、スクリーン面の前下方に配置される映像光源から投射された映像光をスクリーン面の略法線方向に向く略平行な光に変換して出射させる、フレネルレンズ形状を有するレンズ層と、
前記レンズ層の映像光出射側に設けられた着色層と、
前記着色層の界面と接するように、前記着色層の映像光出射側に設けられた、前記着色層よりも低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層と、
を少なくとも備えていることを特徴とするものである。

また、本発明の態様においては、前記着色層と前記低屈折率層との屈折率差が０．２以上であることが好ましい。

また、本発明の態様においては、前記低屈折率層の映像光出射側に、さらに光拡散層が設けられていることが好ましい。

また、本発明の態様においては、前記レンズ層のフレネルレンズ部の表面に反射層が設けられていることが好ましい。

また、本発明の態様においては、前記フレネルレンズ形状が、前記レンズ層の面中央に対して偏心した位置に光学中心を有するサーキュラーフレネルレンズ形状であることが好ましい。

また、本発明の態様においては、前記光学中心が、映像光源側に偏心していることが好ましい。

また、本発明の態様においては、映像光出射側の最表面に、アンチグレア層、反射防止層、帯電防止層、ハードコート層、防汚層からなる群から選択さる少なくとも１種の機能層が設けられていることが好ましい。

また、本発明の他の態様として、映像光源と、上記の反射スクリーンとを備えた画像表示装置も提供される。

本発明による反射スクリーンは、レンズ層の映像光出射側に、着色層と、着色層よりも低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層とが、順次設けられているため、外光が反射スクリーンの上方近傍に存在する場合に限らず遠方に存在する場合であっても、外光がより効率的に着色層で吸収され、反射スクリーンの下方近傍に配置された映像光源からの映像光をスクリーン上に投影することができる。そのため、比較的明るい部屋等で反射スクリーンを使用する場合であっても、コントラストに優れた画像を得ることができる。

本発明による反射スクリーンの一実施形態を示した断面概略図である。 本発明による反射スクリーンの一実施形態を示した断面概略図である。 本発明による反射スクリーンの一実施形態を示した断面概略図である。 本発明による反射スクリーンの他の実施形態を示した断面概略図である。 反射スクリーンに用いられるレンズ層の一実施形態を示した概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明による反射スクリーンの断面概略図である。本発明による反射スクリーン１は、図１に示すように、フレネルレンズ形状を有するレンズ層２と、レンズ層２の映像光出射側に設けられた着色層３と、着色層３の界面と接するように、着色層３の映像光出射側に設けられた、着色層よりも低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層４とを備えている。また、レンズ層２の表面には反射層８が形成されている。なお、反射層８の背面側（映像光出射側とは反対の側）には保護層９が設けられていてもよい。

レンズ層２は、レンズ面５を有する複数の単位レンズからなるフレネルレンズ形状を有している。レンズ層２は、反射スクリーン１の上方側になるほど、レンズ面５の傾斜が大きくなるように設計されている。即ち、反射スクリーン１の下方近傍に映像光源６が配置された場合、反射スクリーン１の上方では、入射角（θ_ＩＮ２）が大きく、反射スクリーン１の下方では、入射角（θ_ＩＮ１）は小さくなる。このような入射角の異なる映像光が、レンズ層２のレンズ面５で反射して、スクリーン面の略法線方向に向く略平行の方向に出射されるように、各単位レンズのレンズ面５のフレネル角が規定され、その結果、反射スクリーン１の上方側になるほど、各単位レンズのレンズ面５のフレネル角が大きくなっている。このようなレンズ層２を使用することにより、各単位レンズのレンズ面５で反射されたそれぞれの映像光は、スクリーン面の略法線方向に向く略平行の方向に出射され、着色層２および低屈折率層３を透過して映像光源６側（即ち、反射スクリーン１の前面側）に出射される。

一方、図２に示すように、反射スクリーン１の上方近傍に外光１０が存在するような場合、外光１０の反射スクリーンへの入射角は、スクリーン上方側では、外光Ｌ_ＯＬの入射角が小さく（θ_ＩＮ２）、スクリーン下方側では外光Ｌ_ＯＳの入射角は大きく（θ_ＩＮ１）なる。外光のスクリーンへの入射角が小さい場合、外光Ｌ_ＯＬはレンズ面で反射し、着色層３を透過する。

ところで、レンズ層２の映像光出射６側に設けられた着色層３および低屈折率層４のそれぞれの屈折率をｎ_１およびｎ_２とすると、着色層３と低屈折率層４との界面において、着色層３側からの光が全反射するための条件は、この界面への入射角θ_ＯＬとすると、θ_ＯＬが臨界角θ_Ｃよりも大きいこと、即ち、下記式：
θ_ＯＬ＞θ_Ｃ （１）
であり、θ_Ｃは、下記式を満足する角度である。
ｓｉｎθ_ｃ＝ｎ_２／ｎ_１ （２）

したがって、低屈折率層（ｎ_２）が着色層（ｎ_１）よりも低い屈折率を有する材料からなる場合、即ち、両者の屈折率が下記式を満たす場合は、レンズ面５で反射した外光Ｌ_ＯＬは、着色層３と低屈折率層４との界面において全反射し、着色層３側に戻り、外光Ｌ_ＯＬは、着色層３で吸収される。
ｎ_２＜ｎ_１・ｓｉｎθ_ｃ （３）

例えば、着色層３の屈折率が１．５５程度で、低屈折率層４の屈折率が１．４３程度である場合、外光Ｌ_ＯＬの着色層３側から低屈折率層４への入射角（θ_ＯＬ）が約３６．５度以上であれば、外光Ｌ_ＯＬは着色層３と低屈折率層４との界面において全反射し、着色層３中で吸収される。

また、外光のスクリーンへの入射角が大きい（θ_ＩＮ１）場合、レンズ層２に入射した外光Ｌ_ＯＳは、レンズ面５で反射して非レンズ面７に入射する。従って、この場合、外光Ｌ_ＯＳは、非レンズ面７で反射して、スクリーン１の上方側に向けて出射される。そのため、非レンズ面７で反射された外光Ｌ_ＯＳは、図２に示すように、比較的大きい入射角を持って着色層３に入射するため、レンズ層２の上方側へ出射されるかまたは着色層３で吸収される。その結果、もし外光が観測者側に出射したとしても、その光束（光の強さ）は、観測者側に出射される映像光の光束に比べて非常に小さくなるため、コントラストに優れる画像をスクリーンに投影することが可能となる。なお、図２では、反射層８がレンズ層２の表面全体に設けられているが、反射層８をレンズ面５のみに設け、非レンズ面７には設けないようにすることにより、非レンズ面に入射する外光をより効率的に吸収することもできる。

一方、図３に示されるように、反射スクリーン１から離れた場所に外光が存在すると、外光Ｌ_ＯＬの着色層３側から低屈折率層４への入射角（θ_ＯＬ）が約３６．５度未満となり、外光Ｌ_ＯＬが着色層３と低屈折率層４との界面において全反射しない場合も考えられる。この場合、外光Ｌ_ＯＬの一部は、低屈折率層４に入射して反射スクリーン１から出射し、また、外光Ｌ_ＯＬの一部は、上記のように着色層３側に反射される。着色層３側へ反射した外光Ｌ_ＯＬは、その一部が着色層３とレンズ層２との界面で反射して再び着色層３に入射する。この場合、上記と同様に、着色層２を透過する映像光の光路長よりも、着色層３を透過する外光の光路長の方が長くなるため、より効果的に着色層３で外光が吸収される。また、着色層３側へ反射した外光Ｌ_ＯＬの一部は、レンズ層２に入射してレンズ面５で再び反射されて、レンズ層２の下方側へ出射されるかまたは着色層３で吸収される。その結果、もし、外光が観測者側に出射したとしても、その光束（光の強さ）は、観測者側に出射される映像光の光束に比べて非常に小さくなるため、コントラストに優れる画像をスクリーンに投影することが可能となる。

本発明による反射スクリーンの構成およびその作用について説明したが、より詳細な実施形態について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明による反射スクリーンの一実施形態を示した概略断面図であり、図１に示した反射スクリーンの低屈折率層の映像光出射側に、光拡散層および機能層が設けられた構成を備えたものである。以下、各層を構成する部材について、説明する。

＜レンズ層＞
レンズ層は、映像光出射側とは反対の側に、複数のプリズムレンズ単位が光軸と同軸状に配列して断面鋸歯状の凹凸が形成されたフレネルレンズ形状を有するものであり、映像光源から投射された映像光をスクリーン面の略法線方向に向く略平行な光に変換して出射させる機能を有している。このようなレンズ層としては、従来公知のフレネルレンズを使用することができ、例えば、フレネルレンズ形状の反転形状が形成された賦形型に、ウレタンアクリレート系樹脂等の透明な電離放射線硬化型樹脂を塗布し、電子放射線を照射して、電離放射線硬化型樹脂を硬化させた後、賦形型から剥離することによりレンズ層を形成してもよく、また、透明アクリル系の熱可塑性樹脂等をダイより押し出し、フレネルレンズ形状の反転形状が表面に形成された転写ローラーとニップロラーとで挟圧して、転写ローラーの表面形状を熱可塑性樹脂に転写することにより、レンズ層を形成することができる。

フレネルレンズ形状は、映像光をスクリーン面の略法線方向に向く略平行な光に変換して出射できるものであれば特に制限なく使用できるが、図５に示すような、レンズ層の面中央に対して偏心した位置に光学中心を有するサーキュラーフレネルレンズ形状であることが好ましい。映像光源を、反射スクリーンの下方側に配置する場合、レンズ層のフレネルレンズ形状の光学中心Ｃ１は、レンズ層２の面中央Ｃ２に対して下方側（即ち、映像光源側）に偏心していることが好ましい。なお、図５においては、光学中心Ｃ１は面２２外の位置に存在しているが、面２２内に存在していてもよい。このように光学中心Ｃ１が偏心したフレネルレンズ形状２１を有するレンズ層とすることにより、レンズ層と映像光源との距離が短く、映像光の入射角が大きくなるような場合（短焦点の場合）であっても、映像光をスクリーン面の略法線方向に向く略平行な光に変換することができる。

レンズ層のフレネルレンズ形状は、上記したようなサーキュラーフレネルレンズ形状の他にも、使用用途に応じて、プリズムレンズ単位がスクリーン面の上下方向に複数配置されたリニアフレネルレンズ形状であってもよい。

上記したプリズムレンズ単位の各レンズ面５の表面には、映像光源側から入射した光がレンズ面５で内部反射するように反射層８が設けられている。反射層８は、従来公知の方法によって形成でき、例えば、レンズ層２のレンズ面５の表面に、アルミニウム、銀、クロムなど、反射率の高い金属を用いた蒸着により形成することができる。また、蒸着に限らず、スパッタリング、ＣＶＤ、メッキ、グラビアコーティング、グラビアリバースコーティング、スクリーン印刷、インクジェット方式による塗布等により形成してもよい。このようにして形成される反射層の厚さは、５〜３０μｍ程度である。

反射層８の表面には、映像光の素抜けを防止し、また、レンズ面５および反射層８の耐擦過性を向上させるために、保護層９が設けられていてもよい。保護層９は、黒色に着色されたポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルムを反射層に貼り合わせることにより、または２液硬化型の黒色塗料を反射層に塗布することにより形成することができる。

＜着色層＞
着色層３は、上記したように、レンズ層２で反射された映像光および外光のうち、外光をより効率的に吸収して、映像光を出射する機能を有するものである。着色層中を伝播する光の光路長が長いほど着色層中で光が吸収される（ランベルトベアーの法則）。

図１に示されるように、レンズ面５で反射された映像光は、スクリーン面の略法線方向にと略平行の方向に出射されるため、着色層を透過する映像光の光路長は、着色層の厚みとほぼ同等である。これに対して、レンズ面で反射された外光の光路長Ｌは、入射角がθ_ＯＬの場合、着色層の厚みをＴとすると、下記式：
Ｌ＝Ｔ／ｃｏｓθ_ＯＬ （４）
で表され、映像光の光路長よりも１／ｃｏｓθ_ＯＬ倍長くなる。即ち、着色層を透過して映像光出射側に出射される外光の強度は、映像光の１／１０^{−ｃｏｓθＯＬ}となる。例えば、θ_ＯＬが３０度の場合、外光の光路長は映像光と比較して２倍となり、外光がより効率的に着色層で吸収される。

着色層は、透明樹脂中に着色剤を添加したものをキャスティングしたり、押出し成形してシート状にしたものを好適に使用することができる。透明樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート樹脂（ｎ＝１．５０）、ポリカーボネート樹脂（ｎ＝１．６０）、ポリスチレン樹脂（ｎ＝１．５９）、メタクリレート−スチレン系樹脂（ＭＳ樹脂、ｎ＝１．５０〜１．５８）、アクリレート−スチレン系樹脂（ＡＳ樹脂、ｎ＝１．５０〜１．５８）、ポリプロピレン樹脂（ｎ＝１．４９）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ｎ＝１．５６）、ポリ塩化ビニル樹脂（ｎ＝１．５２）、熱可塑性エラストマー（ｎ＝１．５２）等が挙げられる。これらの中でも、比較的屈折率が高い、屈折率が１．５５〜１．６０程度の透明樹脂、例えばポリカーボネート樹脂（ｎ＝１．６０）等を好ましく使用できる。

透明樹脂中に添加される着色剤としては、光を吸収するものであれば特に制限なく使用することができ、例えば、黒色の染料や顔料、カーボンブラック等を好適に使用することができる。着色剤の添加量は、着色剤の厚みにもよるが、２０〜３０質量％程度である。また、着色層の厚みは、５０〜３００μｍ程度である。

＜低屈折率層＞
低屈折率層４は、レンズ層２で反射された光のうち、入射角の大きい光を着色層３で全反射させるために設けられるものであり、着色層３の界面と接するように低屈折率層４を設けることにより、レンズ層２で反射された外光を、着色層３と低屈折率層４との界面で反射させて、より効率的に外光を着色層３で吸収させる機能を有する。

低屈折率層は透明な熱可塑性樹脂等により形成することができるが、上記した着色層を構成する透明樹脂よりも低い屈折率を有する材料から選択する必要がある。特に、本発明においては、着色層と低屈折率層との屈折率差が０．２以上であることが好ましく、より好ましくは、０．２５以上である。着色層と低屈折率層との屈折率差が０．２以上の場合、外光Ｌ_ＯＬのスクリーンへの入射角が６０度以上になり、外光Ｌ_ＯＬは着色層側と低屈折率層との界面において全反射し、着色層中でより吸収されることとなる。また、着色層と低屈折率層との屈折率差が０．２５以上の場合、外光Ｌ_ＯＬのスクリーンへの入射角が５０度以上になり、外光Ｌ_ＯＬは着色層側と低屈折率層との界面において全反射し、着色層中でより吸収されるため、より好ましい。

上記したような屈折率を有する透明樹脂としては、低屈折率材料として知られているフッ素系シリコーン樹脂（１．３５〜１．４０）を好適に使用できる。また、透明樹脂中に空隙を有する微粒子を添加することにより、より低い屈折率とすることができる。例えば、アクリレート系樹脂やウレタンアクリレート系樹脂に、平均粒子径５ｎｍ〜３００ｎｍ程度の中空シリカ微粒子や多孔質シリカ微粒子を添加したものを低屈折率層とすることにより、１．３５〜１．４０程度の屈折率とすることができる。低屈折率層の屈折率は、樹脂中のシリカ微粒子の含有量を適宜調整することにより決定することができる。

低屈折率層の厚みは特に制限されるものではなく、５〜２０μｍ程度としてよい。そのため、着色層と後記する光拡散層とを貼り合わせるための接着剤が低屈折率層として機能してもよい。例えば、上記したような低屈折率層形成用の材料（樹脂組成物）を、着色層または、後記する光拡散層の表面に塗布して、レンズ層を含む着色層側の部材と光拡散層とを貼り合わせてもよい。

＜光拡散層＞
光拡散層１２は、映像光を拡散させて、スクリーンの視認性を向上させる機能を有するものであり、従来公知のものを使用することができる。透明樹脂中に微粒子を添加したものをキャスティングしたり、押出し成形してシート状にしたものを好適に使用することができる。透明樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリ酢酸ビニル系樹脂、セルロース系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、スチレン−アクリル系樹脂等が挙げられる。

また、添加される微粒子は、透明樹脂の種類に応じて、その屈折率差を考慮して選定されるが、硫酸バリウム微粒子、ガラス微粒子、水酸化アルミニウム微粒子、炭酸カルシウム微粒子、シリカ（二酸化珪素）微粒子、酸化チタン微粒子等の無機系微粒子や、メラミンビーズ、アクリルビーズ、アクリル−スチレンビーズ、ポリカーボネートビーズ、ポリエチレンビーズ、ポリスチレンビーズ、塩ビビーズ、シリコンーン系ビーズ等の有機系微粒子を使用することができるが、透明性の観点からは有機系微粒子を使用することが好ましい。微粒子の粒径は、特に限定されるものではないが、通常、１〜１５μｍ程度のものが用いられる。

＜機能層＞
反射スクリーン１の映像光出射側の最表面には機能層１３が設けられていてもよい。機能層としては、アンチグレア層、反射防止層、帯電防止層、ハードコート層、または防汚層が挙げられる。アンチグレア層、反射防止層、帯電防止層、ハードコート層、防汚層としては、従来公知の方法によって形成することができる。

本発明による反射スクリーンは、外光を効率的に吸収できる短焦点型の反射スクリーンであるため、明室で使用されるようなＴＶ等の画像表示装置としても使用することができる。

１ 反射スクリーン
２ レンズ層
３ 着色層
４ 低屈折率層
５ レンズ面
６ 映像光源
７ 非レンズ面
８ 反射層
９ 保護層
１０、１１ 外光
１２ 拡散層
１３ 機能層

Claims (8)

1. スクリーン面の前下方に配置される映像光源から投射された映像光をスクリーン面の略法線方向に向く略平行な光に変換して出射させる、フレネルレンズ形状を有するレンズ層と、
   前記レンズ層の映像光出射側に設けられた着色層と、
   前記着色層の界面と接するように、前記着色層の映像光出射側に設けられた、前記着色層よりも低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層と、
   を少なくとも備えていることを特徴とする、反射スクリーン。
2. 前記着色層と前記低屈折率層との屈折率差が０．２以上である、請求項１に記載の反射スクリーン。
3. 前記低屈折率層の映像光出射側に、さらに光拡散層が設けられている、請求項１または２に記載の反射スクリーン。
4. 前記レンズ層のフレネルレンズ部の表面に反射層が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反射スクリーン。
5. 前記フレネルレンズ形状が、前記レンズ層の面中央に対して偏心した位置に光学中心を有するサーキュラーフレネルレンズ形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反射スクリーン。
6. 前記光学中心が、前記映像光源側に偏心している、請求項５に記載の反射スクリーン。
7. 映像光出射側の最表面に、アンチグレア層、反射防止層、帯電防止層、ハードコート層、防汚層からなる群から選択さる少なくとも１種の機能層が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反射スクリーン。
8. 映像光源と、請求項１〜７のいずれか一項に記載の反射スクリーンとを備えた画像表示装置。

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