JP6175800B2

JP6175800B2 - スクリーンおよび投射システム

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Publication number: JP6175800B2
Application number: JP2013036430A
Authority: JP
Inventors: 岩根　透; 透岩根
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: JP2014164197A

Description

本発明は、スクリーンと、そのスクリーンを用いる投射システムとに関する。

フレネルレンズと、光拡散剤が付与された透明樹脂層とを有するスクリーンが知られている（特許文献１）。

特開平５−１１３４５号公報

特許文献１のように光拡散剤を用いると、投影像が暗くなる虞がある。

本発明に係るスクリーンは、投射光を投射する投射装置に使用されるスクリーンであって、複数の１軸性の屈折率楕円体を有し、光軸の方向が異なる複数の１軸性の屈折率楕円体が第１方向に配置され、前記第１方向に交差する第２方向に配置される複数の１軸性の屈折率楕円体の光軸の方向が同じである液晶を備え、前記第１方向の直線偏光光に対して屈折力を有し、前記第２方向の直線偏光光に対して屈折力を有しない偏光依存性光学素子と、前記偏光依存性光学素子を通過した前記投射光の偏光特性を変換する１／４波長板と、前記１／４波長板を通過した前記投射光を反射する再帰性反射部材と、を備え、前記投射光の偏光特性は、前記第１方向の直線偏光と前記第２方向の直線偏光との一方である。

本発明によれば、観察者が明るい投影像を観察することができる。

本発明の第１の実施の形態による投射システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態によるスクリーンの構成を示す概略図である。偏光依存性光学系の屈折率分布を示す図である。偏光依存性光学系の屈折率変化を模式的に示した図である。再帰性反射部材の一構成例を示した図である。本発明の第１の実施の形態によるスクリーンの光路図である。三次元像を投射するための投射装置の構成を示す概略図である。本発明の第２の実施の形態によるスクリーンの光路図である。本発明の第３の実施の形態によるスクリーンの光路図である。

―第１の実施の形態―
図１は、本発明の第１の実施の形態の第１の態様による投射システムの構成を示すブロック図である。図１に例示された投射システム１００は、投射装置１と、スクリーン２と、表示制御装置３とを備える。

投射装置１は、例えばプロジェクタまたはプロジェクタ付きデジタルカメラなどの電子機器である。投射装置１は、表示制御装置３の制御のもと、二次元像や三次元像に関する直線偏光光束をスクリーン２に向けて投射する。スクリーン２は、投射装置１の投射光束を反射して、スクリーン２の視野角内で二次元像や三次元像を観察可能にする。なお、以降の説明では、投射装置１は、ｐ偏光の直線偏光光束を投射するものとする。

表示制御装置３は、記憶部１０と制御部１１とを備える。記憶部１０は、ＲＯＭやハードディスクなどで構成され、画像データと、制御部１１により実行される制御プログラムとが記憶されている。制御部１１は、ＣＰＵやＲＡＭなどで構成され、記憶部１０に記憶された制御プログラムを実行することにより、表示制御部１１ａとして機能する。表示制御部１１ａは、記憶部１０に記憶されている画像データに基づいて、投射装置１を制御する。

記憶部１０に記憶されている画像データは、二次元像または三次元像の画像データである。三次元像の画像データは、例えば、公知のプレンオプティックカメラ（ＰｌｅｎｏｐｔｉｃＣａｍｅｒａ）やライトフィールドカメラ（ＬｉｇｈｔＦｉｅｌｄＣａｍｅｒａ）などにより、二次元データに変換されたデータである。

図２は、本発明の第１の実施の形態の第２の態様によるスクリーン２の構成を示す概略図である。図２には、ｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とが設定されている。スクリーン２は、ｚ軸方向に偏光依存性光学素子６１、１／４波長板６２、再帰性反射部材６４の順に並べて配置された構造となっている。

偏光依存性光学素子６１は、屈折率異方性を有する媒質を用いて製作された光学部材である。例えば、偏光依存性光学素子６１は、ゾーンプレート円盤をマスク材として用いて屈折率楕円体の傾きを制御し、紫外線で硬化させたネマティック液晶などを用いて製作される。偏光依存性光学素子６１のような光学部材を製作する技術は、例えば以下の非特許文献に記載されている。
Gao-Sin ChenおよびHui-Chen Yeh、「Polarization-selective color-filter Fresnel lens in polymer-stabilized cholesteric liquid crystals」、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 112, 054501 (2012)

以下では、第１の実施の形態の説明として、偏光依存性光学素子６１は、入射光束のｐ偏光成分に対して正の屈折力を有するフレネルレンズ機能を有し、ｓ偏光成分に対して屈折力を有しないものとする。

１／４波長板６２は、偏光依存性光学素子６１と再帰性反射部材６４との間に、入射光束の偏光面に対して４５度または１３５度傾けて配置される。１／４波長板６２は、直線偏光光束を円偏光光束に、円偏光光束を直線偏光光束に変える。再帰性反射部材６４は、入射光束を、その入射光束に平行かつ逆の方向に反射する光学部材である。

図３は、偏光依存性光学素子６１の媒質の屈折率分布を模式的に示した図である。図３には、屈折力が高い部分を表す環状の黒帯６１１と、屈折力が低い部分を表す環状の白帯６１２とが交互に同心状に図示されている。

図４は、図３の線分Ｓ１上における偏光依存性光学素子６１の屈折率変化を、１軸性の屈折率楕円体を用いて表す概念図である。図４には、１軸性の屈折率楕円体７１ａ〜７１ｃがそれぞれ複数個図示されている。屈折率楕円体７１ａ〜７１ｃはそれぞれの楕円形状の長軸方向が光学軸方向であり、光学軸方向の屈折率はｎ１である。そして、屈折率楕円体７１ａ〜７１ｃの光軸方向に直交する２軸方向の屈折率はｎ２である。

屈折率楕円体７１ｂは、紙面垂直方向の軸を中心に屈折率楕円体７１ａが反時計回りに４５度回転した状態を示している。屈折率楕円体７１ｃは、紙面垂直方向の軸を中心に屈折率楕円体７１aが反時計回りに９０度回転した状態を示している。

図４では、１軸性の屈折率楕円体７１ａ〜７１ｃがｙ軸方向に沿って、屈折率楕円体７１a、屈折率楕円体７１ｂ、屈折率楕円体７１ｃ、屈折率楕円体７１a、屈折率楕円体７１ｂ、屈折率楕円体７１ｃ、・・・という順番に並んでいる。すなわち、偏光依存性光学素子６１のｚ軸方向の屈折率は、ｙ軸に沿ってｎ２からｎ１の間を鋸歯状に変化する。この屈折率の変化により、偏光依存性光学素子６１は、ｐ偏光の直線偏光光束に対して正の屈折力を有する。一方で偏光依存性光学素子６１のｘ軸方向の屈折率は、ｙ軸方向に沿って変化せず、ｎ２である。したがって、偏光依存性光学素子６１は、ｓ偏光の直線偏光光束に対しては屈折力を有さない。

図５は、再帰性反射部材６４の一構成例を示した図である。図５に示す再帰性反射部材６４は、複数のビーズ５１が平面上に稠密に配置されている。複数のビーズ５１は、屈折率が２．０であり、透明な光学材料でできている。ビーズ５１は、その表面のうち半分の表面上に半球状の反射層５２が形成されており、残る半分の表面が露出している。反射層５２は、例えばアルミ蒸着などで形成される。複数のビーズ５１は、その表面の露出側がすべて１／４波長板６２に向くように配置される。再帰性反射部材６４は、１／４波長板６２との間に、微小な厚さの空気層６３を介在させる。

図５において、矢印Ａ１方向からビーズ５１に入射する光束Ｌ１は、そのビーズ５１と空気層６３との境界で屈折しビーズ５１の内部に入射して、そのビーズ５１の反射層５２で反射する。そして、光束Ｌ１は、再びビーズ５１と空気層６３との境界で屈折して、空気層６３へ矢印Ａ１方向と平行かつ逆の方向である矢印Ａ２方向に出射する。

図６は、スクリーン２の光路図である。図６では、偏光依存性光学素子６１がフレネルレンズ機能を有することを表すため、偏光依存性光学素子６１をフレネル形状で図示している。投射装置１（図６には不図示）からスクリーン２に投射されるp偏光の光束Ｌ２は、偏光依存性光学素子６１に入射し屈折して、１／４波長板６２に入射する。光束Ｌ２は、１／４波長板６２にて円偏光となり、再帰性反射部材６４に入射する。光束Ｌ２は、再帰性反射部材６４への入射方向と平行かつ逆の方向に再帰性反射されて、再び１／４波長板６２に入射してｓ偏光となり、偏光依存性光学素子６１に入射する。偏光依存性光学素子６１はｓ偏光の光束Ｌ２に対して屈折率を有さないため、ｓ偏光の光束Ｌ２は偏光依存性光学素子６１を直進して、出射光束Ｌ３として出射する。偏光依存性光学素子６１は、全方向から偏光依存性光学素子６１へ入射する光束に対して、角度θだけ視野角を拡大する。

図７は、スクリーン２に三次元像の投射光束を投射するための投射装置１の構成を示す概略図である。図７に示す投射装置１は、三次元像再生部２０と照明光学系２１と投射光学系２２とを備える。

照明光学系２１は、三次元像再生部２０を照明するための光学系であって、例えば光源４０とコンデンサレンズ４１と偏光板４２と照明用偏光分離鏡４３とを有する。光源４０は、照複数の色の光束を時分割で出射する。コンデンサレンズ４１は、入射光束を平行光にする。偏光板４２は、平行光からｓ偏光の直線偏光光束を抽出する。照明用偏光分離鏡４３は、入射光束のｓ偏光成分を反射して、ｐ偏光成分を透過させる特性を有し、偏光板４２からのｓ偏光光束を三次元像再生部２０へ反射する。

三次元像再生部２０は、マイクロレンズアレイ３０と、二次元表示素子３１とを有する。マイクロレンズアレイ３０には、複数のマイクロレンズ２３１が二次元状に配列されている。二次元表示素子３１には、複数のマイクロレンズ２３１の各々にそれぞれ対応する複数の表示用画素３２が二次元状に配列されている。二次元表示素子３１は、例えば反射型のＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）などの表示部材で構成される。

二次元表示素子３１には、プレンオプティックカメラなどにより２次元データに変換された三次元像に関する画像データが表示制御部１１ａにより入力される。表示用画素３２は、三次元像に関する画像データに基づいた表示制御部１１ａの制御のもと、それぞれ照明光束を反射する。表示用画素３２が照明光束を反射するとき、その照明光束の偏光面を９０度回転させて、ｐ偏光とする。表示用画素３２からのｐ偏光の反射光束は、マイクロレンズ２３１によって三次元像を結像（再生）すると共に、照明用偏光分離鏡４３を透過し、投射光学系２２からスクリーン２へ投射される。

―第２の実施の形態―
本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の第２の実施の形態では、スクリーンにおける偏光依存性光学素子の偏光特性が第１の実施の形態と異なる。第２の実施の形態によるスクリーンは、第１の実施の形態と同様に、投射装置１と表示制御装置３と共に投射システムを構成する。なお、第２の実施の形態の説明においても、投射装置１は、スクリーンに向けてｐ偏光の直線偏光光束を投射するものとする。

図８は、本発明の第２の実施の形態によるスクリーン４の光路図である。図８に図示されるスクリーン４は、偏光依存性光学素子６１の代わりに偏光依存性光学素子８１を備える。

偏光依存性光学素子８１は、偏光依存性光学素子６１と同様に、屈折率異方性を有する媒質を用いて製作された光学部材である。偏光依存性光学素子８１は、例えば、ゾーンプレート円盤をマスク材として用いて屈折率楕円体の傾きを制御し、紫外線で硬化させたネマティック液晶などを用いて製作される。偏光依存性光学素子８１は、入射光束のｓ偏光成分に対して負の屈折力を有するフレネルレンズ機能を有し、ｐ偏光成分に対して屈折力を有しないものとする。

図８では、偏光依存性光学素子８１がフレネルレンズ機能を有することを表すため、偏光依存性光学素子８１をフレネル形状で図示している。投射装置１（図８には不図示）からスクリーン４に投射されるp偏光の光束Ｌ４は、偏光依存性光学素子８１を直進して、１／４波長板６２に入射する。光束Ｌ４は、１／４波長板６２にて円偏光となり、再帰性反射部材６４に入射する。光束Ｌ４は、再帰性反射部材６４への入射方向と平行かつ逆の方向に再帰性反射されて、再び１／４波長板６２に入射してｓ偏光となり、偏光依存性光学素子８１に入射する。ｓ偏光となった光束Ｌ４は、偏光依存性光学素子８１により屈折して、出射光束Ｌ５として出射する。このようにして、偏光依存性光学素子８１は、全方向から偏光依存性光学素子８１へ入射する光束に対して、角度θだけ視野角を拡大する。

―第３の実施の形態―
本発明の第３の実施の形態について説明する。本発明の第３の実施の形態では、１／４波長板と再帰性反射部材との間に円偏光板をさらに設ける点が第１の実施の形態と異なる。図９は、第３の実施の形態によるスクリーンの光路図である。図９に示されたスクリーン６は、偏光依存性光学素子６１と１／４波長板６２と円偏光板９３と再帰性反射部材６４とを有する。偏光依存性光学素子６１と１／４波長板６２と再帰性反射部材６４は、第１の実施の形態のスクリーン２を構成するものと同一であるため、それらの説明を省略する。なお、図９においても、偏光依存性光学素子６１がフレネルレンズ機能を有することを表すため、偏光依存性光学素子６１をフレネル形状で図示している。

円偏光板９３は、例えばコレステリック液晶などを用いて制作される光学部材であって、右円偏光と左円偏光の光束を通過させ、直線偏光光束を通過させない。円偏光板９３は、１／４波長板６２と再帰性反射部材６４との間に配置され、１／４波長板６２と再帰性反射部材６４との間を往復する光束から円偏光の光束を抽出する。

投射装置１（図９には不図示）からスクリーン６に投射されるp偏光の光束Ｌ６は、偏光依存性光学素子６１に入射し屈折して、１／４波長板６２に入射する。光束Ｌ６は、１／４波長板６２にて円偏光となる。例えば、光束Ｌ６は、右円偏光の光束となる。右円偏光の光束Ｌ６は、円偏光板９３を通過して、再帰性反射部材６４に入射する。光束Ｌ６は、再帰性反射部材６４への入射方向と平行かつ逆の方向に再帰性反射されて、左円偏光の光束となる。左円偏光の光束Ｌ６は、再び円偏光板９３を通過して、１／４波長板６２に入射してｓ偏光となり、偏光依存性光学素子６１に入射する。偏光依存性光学素子６１はｓ偏光の光束Ｌ６に対して屈折率を有さないため、ｓ偏光の光束Ｌ６は偏光依存性光学素子６１を直進して、出射光束Ｌ７として出射する。偏光依存性光学素子６１は、全方向から偏光依存性光学素子６１へ入射する光束に対して、角度θだけ視野角を拡大する。なお、１／４波長板６２は、偏光依存性光学素子６１から入射したｐ偏光の光束Ｌ６を左円偏光の光束Ｌ６に変えることにしてもよい。その場合、再帰性反射部材６４で反射された光束Ｌ６は、右円偏光となる。

種々の外乱の影響により、再帰性反射部材６４が反射した光束Ｌ６は、その一部に偏光の乱れが発生する虞がある。例えば、種々の外乱の影響により、再帰性反射部材６４により反射された円偏光の光束Ｌ６の一部が直線偏光となる虞がある。偏光の乱れによる光束の成分は、二次元像や三次元像の画質を低下させる。１／４波長板６２と再帰性反射部材６４との間に円偏光板９３を設けることにより、偏光の乱れにより発生した一部の光束が１／４波長板６２に入射することを防止し、二次元像や三次元像の画質が低下することを防ぐことができる。

以上説明した実施の形態によれば、次のような作用効果を奏する。
第１の実施の形態によるスクリーン２は、ｐ偏光の直線偏光光束を投射する投射装置１に使用されるスクリーンであって、偏光依存性光学素子６１と１／４波長板６２と再帰性反射部材６４とを備える。偏光依存性光学素子６１は、光束のｐ偏光成分に対して正の屈折力を有しｓ偏光成分に対して屈折力を有さない。１／４波長板６２は、自身を往復通過した投射光の偏光特性を変換する。再帰性反射部材６４は、１／４波長板６２を通過した投射光を反射する。従来は、光束を拡散させて視野角を拡大させていたのに対して、スクリーン２では偏光依存性光学素子６１を用いて視野角を拡大させるため、明るい投影像を観察可能にすることができる。

第２の実施の形態によるスクリーン４は、ｐ偏光の直線偏光光束を投射する投射装置１に使用されるスクリーンであって、偏光依存性光学素子８１と１／４波長板６２と再帰性反射部材６４とを備える。偏光依存性光学素子８１は、光束のｓ偏光成分に対して負の屈折力を有しｐ偏光成分に対して屈折力を有さない。スクリーン４についても、偏光依存性光学素子６１を用いて視野角を拡大させるため、明るい投影像を観察可能にすることができる。

第３の実施の形態によるスクリーン６は、１／４波長板６２と再帰性反射部材６４との間に円偏光板９３を介在させる。円偏光板９３により円偏光以外の光束が再帰性反射部材６４から１／４波長板６２に向けて入射することがないため、外乱などの影響により再帰性反射部材６４において偏光の乱れが発生した場合であっても、スクリーン６により再生される二次元像や三次元像の画質が低下しない。

以上で説明した実施の形態は、以下のように変形して実施できる。
〔変形例１〕投射装置１は、ｐ偏光の直線偏光光束を投射することとしたが、ｓ偏光の直線偏光光束を投射することにしてもよい。この場合、第１の実施の形態による偏光依存性光学素子６１は、光束のｓ偏光成分に対して正の屈折力を有し、ｐ偏光成分に対して屈折力を有しないことにすればよい。また、第２の実施の形態による偏光依存性光学素子８１は、光束のｐ偏光成分に対して負の屈折力を有し、ｓ偏光成分に対して屈折力を有しないことにすればよい。

〔変形例２〕投射装置１は、図７に示した構成だけに限定しない。具体的には、二次元表示素子３１は、反射型のＬＣＯＳ以外の表示部材を用いてもよい。例えば、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）などのようにＬＣＯＳ以外の反射部材を用いてもよいし、透過型のＬＣＯＳなどのような透過型液晶を用いてもよいし、有機ＥＬパネル、プラズマ表示装置などのように自発光型の表示装置を用いることにしてもよい。また、ＬＣＯＳなどの反射型の表示部材を用いる場合、投射装置１は、照明用偏光分離鏡４３の代わりにハーフミラーを備えることにしてもよい。二次元表示素子３１の代わりに自発光型の表示部材を用いる場合、照明光学系２１は不要である。また、二次元表示素子３１の代わりに透過型の表示部材を用いる場合、照明光束がその表示部材を透過するように、照明用偏光分離鏡４３を除く照明光学系２１を配置することが好ましい。また、表示制御装置３の記憶部１０と、制御部１１とをさらに備えることにしてもよい。

〔変形例３〕図５では、再帰性反射部材６４として、平面上にビーズ５１が稠密に配置された構成例を示した。しかし、再帰性反射部材６４は、入射光束をその入射光束に平行かつ逆の方向に反射する性質を有すれば、どのような構成であってもよい。例えば、複数の反射プリズムを組み合わせて、再帰性反射部材６４を構成してもよい。

以上で説明した実施の形態や変形例はあくまで例示に過ぎず、発明の特徴が損なわれない限り本発明はこれらの内容に限定されない。また、以上で説明した実施の形態や変形例は発明の特徴が損なわれない限り組み合わせて実行してもよい。

１投射装置
２，４スクリーン
３表示制御装置
６１，８１偏光依存性光学素子
６２１／４波長板
６４再帰性反射部材
９３円偏光板
１００投射システム

Claims

投射光を投射する投射装置に使用されるスクリーンであって、
複数の１軸性の屈折率楕円体を有し、光軸の方向が異なる複数の１軸性の屈折率楕円体が第１方向に配置され、前記第１方向に交差する第２方向に配置される複数の１軸性の屈折率楕円体の光軸の方向が同じである液晶を備え、前記第１方向の直線偏光光に対して屈折力を有し、前記第２方向の直線偏光光に対して屈折力を有しない偏光依存性光学素子と、
前記偏光依存性光学素子を通過した前記投射光の偏光特性を変換する１／４波長板と、
前記１／４波長板を通過した前記投射光を反射する再帰性反射部材と、
を備え、
前記投射光の偏光特性は、前記第１方向の直線偏光と前記第２方向の直線偏光との一方であるスクリーン。
請求項１記載のスクリーンにおいて、
前記第１方向と前記第２方向とは直交するスクリーン。
請求項１または２記載のスクリーンにおいて、
前記第１方向に配置された前記光軸の方向が異なる複数の１軸性の屈折率楕円体の前記投射光の進行方向の屈折率は、前記第１方向に鋸歯状に変化しているスクリーン。
請求項１から３のいずれか一項に記載のスクリーンにおいて、
前記１／４波長板は、前記再帰性反射部材で反射して自身を往復通過する前記投射光について、前記第１方向の直線偏光と前記第２方向の直線偏光との一方を他方に変換するスクリーン。
請求項１から４のいずれか一項に記載のスクリーンにおいて、
前記投射光は、前記第１方向の直線偏光光であり、
前記偏光依存性光学素子は、前記第１方向の直線偏光光に対して正の屈折力を有するスクリーン。
請求項１から４のいずれか一項に記載のスクリーンにおいて、
前記投射光は、前記第２方向の直線偏光の偏光光であり、
前記偏光依存性光学素子は、前記第１方向の直線偏光の偏光光に対して負の屈折力を有するスクリーン。
請求項１から５のいずれか一項に記載のスクリーンにおいて、
前記１／４波長板と前記再帰性反射部材との間に介在し、前記１／４波長板から前記再帰性反射部材に入射させる前記投射光と、前記再帰性反射部材から前記１／４波長板に入射させる前記投射光とから円偏光の光束を抽出する円偏光板をさらに備えるスクリーン。
請求項１から７のいずれか一項に記載のスクリーンと、
前記投射装置と、
を備える投射システム。