JP7044488B2

JP7044488B2 - スクリーン

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Publication number: JP7044488B2
Application number: JP2017121661A
Authority: JP
Inventors: 龍男内田; 一広若生; カリルカランタル; 亮介大寺
Original assignee: 龍男内田
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2022-03-30
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: JP2019008036A

Description

本発明は、プロジェクタにより映像または画像が投影されるスクリーンに関する。

プロジェクタにより映像をスクリーンに投影するシステムにおいて、スクリーンに再帰性反射材を用いる場合がある。例えば、特許文献１には、車両を運転する運転者の視界を妨げるピラーによる死角をなくすために、ピラーの外方をカメラで撮影し、撮影した画像をリアルタイムでプロジェクタから車室内のピラーの再帰性反射面に投影する技術が開示されている。

特許第４２８０６４８号公報

しかしながら、スクリーンに再帰性反射材を用いた場合、出射方向が投影機に向いて映像が明るく見えるが、観察できる範囲すなわち視野角は極めて狭い。このため、用途によっては、再帰性反射材を用いたスクリーンより反射光の中心方向や視野角を自由に設計できるようにすることが望まれる場合がある。

例えば、上記特許文献１に記載されているように、ピラーの部分に対応する映像を撮影し、撮影した映像を車両内に設置されたプロジェクタによりピラーの部分に投影する技術において、ピラー部分に再帰性反射材を用いると、運転者の座席の高さの違いや運転者の運動により運転者の眼の位置が想定された位置とずれると、運転者が映像を正しく視認できない場合がある。したがって、このような用途では、スクリーンに投影された映像を観察できる範囲すなわち視野角を、再帰性反射材を用いた場合より広げることが望ましい。

再帰性を有するスクリーンのなかでもビーズスクリーンと呼ばれるスクリーンは、入射された光を拡散することができるため、視野角を広げることができる。しかしながら、ビーズスクリーンでは、視野角を所望の範囲に制御することは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、観察者により観察される映像の明るさを確保しつつ、視野角を広げ、入射された光を所望の範囲に所望の強度分布で出力することが可能なスクリーンを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、プロジェクタから自身の表面に入射される光を反射させて出射するスクリーンであって、複数の微小光学系ユニットを備え、前記微小光学系ユニットは、前記スクリーンにより反射された光の中心方向および強度分布が所望の強度分布（拡散特性）となるよう形状が定められた第１の面、第２の面および第３の面を有し、前記微小光学系ユニットの開口に、前記微小光学系ユニットの中心を通過する光を透過させ円形のアパーチャーパターンが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、観察者により観察される映像の明るさを確保しつつ、視野角を広げ、入射された光を所望の範囲に所望の強度分布で出力することができるという効果を奏する。

図１は、プロジェクションシステムの構成例を示す図である。図２は、第１の立体、第２の立体および第３の立体を球とした場合の各立体の一例を示す図である。図３は、図２に示した立体に基づく微小光学系ユニットの一例を示す正面図および側面図である。図４は、第１の立体および第２の立体を半径無限大の球とし、第３の立体を球または楕円体としたときの微小光学系ユニットの一例を示す正面図および側面図を示す図である。図５は、図４に示した微小光学系ユニットを複数配列して構成されるスクリーンの一例を示す正面図である。図６は、映像視認可能範囲内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布の一例を示す図である。図７は、映像視認可能範囲内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布の別の一例を示す図である。図８は、映像視認可能範囲内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布のさらに別の一例をそれぞれ示す図である。図９は、映像視認可能範囲内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布のさらに別の一例をそれぞれ示す図である。図１０は、図９に示した強度分布を所望の強度分布を仮定して設計された微小光学系ユニットにより実現される反射光分布を示す図である。図１１は、車両のピラーを示す図である。図１２は、ピラーを車両内からみた図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかるスクリーンを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる実施の形態のプロジェクションシステムの構成例を示す図である。図１は、本発明にかかるプロジェクションシステムを横方向すなわち水平方向からみた図を示している。図１において、上下方向は、垂直方向を示している。図１に示すように、プロジェクタ２は、スクリーン１の前方に配置される。図１に示すように、水平方向とプロジェクタ２から出射される光の進行方向に対してスクリーン１の垂線がなす角をθ_camとする。すなわち、θ_camは、図１に示した面内におけるスクリーン１への入射角である。

本実施の形態では、第１の面、第２の面および第３の面の３つの表面を含む微小光学系を１つの単位とし、この表面には薄い金属膜などの高反射材を付着させるなどして光を反射する機能をもたせ、これを微小光学系ユニットと呼ぶことにする。これを複数配列することによりスクリーン１を構成する。本実施の形態では、プロジェクタ２から投影されたスクリーン１により反射される光の分布が所望の分布となるように、微小光学系ユニットを設計する。

具体的には、プロジェクタ２の位置と所望の映像視認可能範囲すなわち視野角とを定める。そして、映像視認可能範囲内でのプロジェクタ２から投影されたスクリーン１により反射される光の強度分布すなわち所望の強度分布を定める。図１には、映像視認可能範囲３の一例を示している。図１に示した映像視認可能範囲３およびプロジェクタ２の配置位置は一例であり、映像視認可能範囲３およびプロジェクタ２の配置位置は図１に示した例に限定されない。

映像視認可能範囲３内の所望の強度分布およびプロジェクタの配置位置を定めた後、プロジェクタ２の配置位置すなわちスクリーン１に対するプロジェクタ２から出射される光の入射角と映像視認可能範囲３内の所望の強度分布とに基づいて、微小光学系ユニットの形状が設計される。映像視認可能範囲３は、ある程度の広がりを持っている。再帰性反射材のスクリーンを用いた場合には、プロジェクタから出射される光は、プロジェクタの方向にしか戻らないが、本実施の形態では映像視認可能範囲３をある程度の広がりを持った範囲に定める。これにより、観察者により観察される映像の明るさを確保しつつ、視野角を広げることができるとともに、所望の強度分布を実現できる。また、プロジェクタ２を任意の位置に配置可能となる。

次に、本実施の形態のスクリーン１を構成する微小光学系ユニットの例について説明する。本実施の形態の微小光学系ユニットは、第１の面、第２の面および第３の面を有する。第１の面、第２の面および第３の面は、たとえば、それぞれ第１の立体、第２の立体、第３の立体の表面である。このとき、微小光学系ユニットは、第１の立体、第２の立体、第３の立体のそれぞれの表面が交差する交点を含む。第１の立体、第２の立体および第３の立体は、任意の立体であり、たとえば、球、円柱、円筒、楕円体、ｎ次多項式関数の回転体である。第１の立体、第２の立体および第３の立体のうちの一部が、直方体などのように曲面を含まない立体であってもよい。第１の立体、第２の立体および第３の立体は、それぞれが異なる形状の立体であってもよいし、第１の立体、第２の立体および第３の立体のうち２つ以上が同一の形状であってもよい。また、第１の立体、第２の立体および第３の立体は、半径の異なる球といったように同一形状の大きさの異なるものであってもよい。また、第１の立体、第２の立体および第３の立体を構成する曲面の曲率半径は無限大であってもよい。

図２、図３は、第１の立体、第２の立体および第３の立体を球とした場合の各立体と微小光学系ユニットの一例を示す図である。図２に示した例では、第１の立体１４、第２の立体１５および第３の立体１６は、それぞれが球である。これら３つの球の中心を結ぶ線が三角形となるように、第１の立体１４、第２の立体１５および第３の立体１６を近づけて交差させると、図３に示す微小光学系ユニットが得られる。図３の左側は、微小光学系ユニットの正面図（プロジェクタ２側からみた図）であり、図３の右側は、微小光学系ユニットの側面図（横方向からみた図）である。図３に示した第１の面（面ABD）２４は第１の立体１４の表面の一部であり、第２の面（面ABE）２５は第２の立体１５の表面の一部であり、第３の面（面BDE）２６は第３の立体１６の表面の一部である。図３において、点Bは、第１の立体の表面、第２の立体の表面および第３の立体の表面が交差する交点である。点Cは、DEの中点である。

図４は、第１の立体および第２の立体を半径無限大の球（または直方体などのように平面を含む立体）とし、第３の立体を球または楕円体としたときの微小光学系ユニットの一例を示す図である。図４の左側は、微小光学系ユニットの正面図を示し、図４の右側は微小光学系ユニットの側面図を示している。第１の面（面ABD）２７、第２の面（面ABE）２８および第３の面（面BDE）２９は、それぞれ第１の立体の表面、第２の立体の表面および第３の立体の表面である。図４において、点Bは、第１の立体の表面、第２の立体の表面および第３の立体の表面が交差する交点である。

以上、図２から図４を用いて説明した微小光学系ユニットの形状は例であり、本実施の形態の微小光学系ユニットを構成する第１の面、第２の面および第３の面は上述した例に限定されない。上述のように、３つの立体を交差させて第１の面、第２の面および第３の面を形成し、典型的には、３つの面のうちの少なくとも１つが曲面となる。図２から図４では、スクリーン１の正面からみると交点が凹んだ形状の微小光学系ユニットを例示したが、微小光学系ユニットは交点が凸となるような形状であってもよい。微小光学系ユニットを構成する各面の具体的な形状は、前述した通り、プロジェクタ２から投影されたスクリーン１により反射される光の分布が所望の分布となるように設計される。

反射の中心方向や拡散角の異なる微小光学ユニットを組み合わせてスクリーン１を構成することによって、反射光学特性の多様な組み合わせが可能となる。もちろん、同一ユニットの組み合わせでも良い。図５は、図４に示した微小光学系ユニットを複数配列して構成されるスクリーン１の一例を示す正面図である。図５に示した例では、スクリーン１を構成する複数の微小光学系ユニトの形状は全て同一としている。図５は、微小光学系ユニットの配置の一例であり、微小光学系ユニットの配置方法は図５に示した例に限定されない。

次に、本実施の形態の微小光学系ユニットを構成する各面の設計方法について説明する。上述した通り、本実施の形態では、プロジェクタから投影されたスクリーン１により反射される光の分布が所望の分布となるように、微小光学系ユニットを構成する第１の面、第２の面および第３の面の形状を設計する。

図６は、映像視認可能範囲３内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布の一例を示す図である。横軸には、図１に示した面内において水平方向をθ＝０としたときの水平方向からの角度θを示している。縦軸には、規格化された反射光の強度Ｉを示している。図６では、強度分布をθに関するガウス型関数として規定した例を示している。

図７は、映像視認可能範囲３内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布の別の一例を示す図である。図７では、強度分布をローレンツ関数（Lorentzian）：I（θ）＝Ｉ₀／［１+（θ／θ_０）^ｐ］とした例を示している。θ_０は、半値半幅である。Ｉ₀は、任意の定数であり、ｐは１以上の整数である。

図８、図９は、同様にキャプ形、ランバート形の分布を示したものである。これら以外に映像視認可能範囲３内でのスクリーンにより反射される光の所望の強度分布を示す関数は、任意に設定することができる。強度分布は、関数により定義されてもよいし、θとＩのそれぞれの値を１組とするデータがテーブル形式などにより定義され、これらのデータを補間して使用してもよい。

図１では、一方向、具体的には上下方向の映像視認可能範囲３を図示したが、本発明では、上下方向および水平方向のうちの少なくとも１方向において所望の強度分布を定め、所望の強度分布となるように、スクリーンを構成する微小光学系ユニットの形状を設計する。

具体的には、スクリーン１に対するプロジェクタ２からの光の入射角度とスクリーン１からの出射光の方向とが定まれば、微小光学系ユニットを構成する各面の法線を定めることができ、これによって、スクリーンを構成する微小光学系ユニットの形状を設計することができる。

また、スクリーン１の材質としては、アクリル、ポリカーボネート、ポリエステル、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック材料や、ガラス、金属、セラミックス等を用いることができる。スクリーン１の材質は、上記に限定されず、微小光学系ユニットを形成可能な材料ならばどのようなものを用いてもよい。

また、微小光学系ユニットのサイズは、例えば、ピラー用のスクリーンとして用いる場合には、観察者が微小光学ユニットを認識できない程度のサイズが好ましい。例えば、数百μｍ程度である。また、高精度の道路標識や、サイネージなどを想定した反射集光光学デバイス等では、上記のサイズに限定されることなく、用途に応じて適宜サイズを設定すれば良い。第１の面、第２の面および第３の面のうちの少なくとも１つの面の表面を、さらに、ミクロンオーダーから微小光学ユニットのサイズまでの間の大きさで凸面、凹面、プリズム形状となるように加工することにより、さらに光を拡散させることができる。すなわち、第１の面、第２の面および第３の面のうちの少なくとも１つの面の表面は、第１の面、第２の面および第３の面のサイズより小さいサイズの凹凸の形状を有する。上記の所望の強度分布となるように設計された形状を第１の拡散制御と呼び、ミクロンオーダーの表面の加工による拡散の制御を第２の拡散制御と呼ぶこととすると、第２の拡散制御により、拡散の度合いを制御することができる。

また、高視野角を得るために、スクリーン１の表面を透明樹脂で充填してもよい。樹脂としては、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリエステル、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック材料や、ガラス、透明セラミックス等を用いることができる。透明樹脂で充填する代わりに、透明樹脂等の基板の一面に微小光学系ユニットを形成し、微小光学系ユニットが形成されていない側の面すなわち裏面を、スクリーン１の表面として用いてもよい。これにより、スクリーン１の表面を透明樹脂で充填した場合と同様の効果を奏することができる。また、各微小光学系ユニットの開口に丸いアパーチャーパターン（パターン部分は透過、パターン以外の部分は黒く光を透過させない）を設けることによって迷光を吸収し、光学の信号対雑音比（ＳＮＲ）を高くすることが可能である。

再帰性反射材により構成されるスクリーンでは、プロジェクタから入射された光は入射された方向（図１のθ_cam）へのみ射出される。これに対し、本実施の形態では、第１の面、第２の面および第３の面のうちの少なくとも１つが曲面となるため、曲面の形状を上記の所望の強度分布となるように設計する。すなわち、スクリーン１は、プロジェクタ２から入射される光が、あらかじめ定めた角度範囲にあらかじめ定めた強度分布（所望の広がり）で出力されるように設計される。詳細には、本実施の形態のスクリーン１を構成する微小光学系ユニットは、スクリーン１により反射された光の出射角に応じた強度分布が所望の強度分布となるよう形状が定められた第１の面、第２の面および第３の面を有する。

これにより、再帰性反射材で構成されるスクリーンより視野角を広くすることができるとともに、マットスクリーンに比べて大幅に明るさを向上させることができる。また、入射された光を所望の範囲に所望の強度分布で出力することが可能となり、さらには、プロジェクタの設置位置に制約が無いため、ピラーの透明化システムに適用した場合に、プロジェクタを車両内の比較的自由な位置に配置することができる。

図１０は、所望の強度分布として図９に示したような上下方向の強度分布を仮定して設計された微小光学系ユニットにより実現される反射光分布を示す図である。具体的には、図４に示した微小光学系ユニットの３角形ADEの１辺を２３０μmとし、第３の立体である円筒の曲率を８３０μmにすると共に、図４の右の図のように、第３の面２９を側面からみた円弧の弦CBを点線２３から５度傾けている。点線２３は、点Cを通り、辺ABに垂直な線である。また、θ_camは０度とした。図１０は、このような条件で計算された反射光分布を示している。

図１１は、車両のピラーを示す図である。図１１に示すように、車両には、ピラー１０１，１０２，１０３が設けられている。これらのピラー１０１，１０２，１０３は、運転者の視野の妨げとなる。図１２は、ピラー１０１を車両内からみた図である。前方に設けられるピラー１０１は、進行方向の視野の妨げとなり、影響が大きい。

そこで、ピラー１０１の外側を撮影するカメラを設け、カメラにより撮影された画像を車両内に設けられたプロジェクタでピラー１０１に設けられたスクリーンに投影する技術が検討されている。本実施の形態のスクリーン１は、ピラー１０１に貼付される、またはピラー１０１の一部として形成されることにより、車両内に設けられたプロジェクタ２から投影された画像を車両内の所望の映像視認可能範囲に投影することができる。これにより、画像の明るさを確保しつつ、運転者の座席の高さが変更されても、運転車は画像を視認することができる。また、プロジェクタを、天井、ヘッドレストをはじめとして車両内の任意の位置に設置することができる。なお、ここでは、本実施の形態のスクリーン１が、ピラー１０１に設置される例を説明したが、これに限らず、本実施の形態のスクリーン１がピラー１０２，１０３に設置され、ピラー１０２，１０３のそれぞれの外部を撮影した画像の投影に使用されてもよい。または、ピラー１０１，１０２，１０３の外部を撮影した画像だけでなく他の画像がプロジェクタ２により投影される場合に、本実施の形態のスクリーン１が用いられてもよい。

また、助手席側のドアの内側に本実施の形態のスクリーン１を貼付するまたは助手席側のドアとスクリーン１が一体化されて形成されてもよい。本実施の形態では、プロジェクタ２を任意の位置に配置できるため、助手席に人がいる場合でも、助手席側のドアにプロジェクタ２から投影された画像を運転者が視認することができる。

１スクリーン、２プロジェクタ、３映像視認可能範囲、１４第１の立体、１５第２の立体、１６第３の立体、２４，２７第１の面、２５，２８第２の面、２６，２９第３の面、１０１～１０３ピラー。

Claims

プロジェクタから自身の表面に入射される光を反射させて出射するスクリーンであって、
複数の微小光学系ユニットを備え、
前記微小光学系ユニットは、
前記スクリーンにより反射された光の強度分布が所望の強度分布となるよう形状が定められた第１の面、第２の面および第３の面を有し、
前記微小光学系ユニットの開口に、前記微小光学系ユニットの中心を通過する光を透過させ円形のアパーチャーパターンが設けられることを特徴とするスクリーン。
第１の面、第２の面および第３の面は、それぞれが第１の立体、第２の立体および第３の立体の表面であることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
第１の面、第２の面および第３の面のうち少なくとも１つは、曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリーン。
第１の面、第２の面および第３の面は、第１の面、第２の面および第３の面のうち少なくとも１つの面には、光を拡散させる表面構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のスクリーン。
前記スクリーンは、前記微小光学系ユニットの表面を覆う樹脂を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のスクリーン。
所望の強度分布は、ローレンツ関数、ガウス関数およびランバート関数のうちの１つで表されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のスクリーン。
車両内のピラーに設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のスクリーン。