JP7268337B2 - 調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン - Google Patents

Description

本発明は光の透過、散乱状態を切り替えることが出来る調光フィルムを用いたプロジェクタ用スクリーンに関わる。特に、調光フィルムが光散乱状態のときに使用する反射型プロジェクタ用スクリーンに関する。

液晶調光フィルム（以下、調光フィルム）は、液晶を使い、電源のオン／オフで「透明」と「白濁」を瞬時に切り替え、透過する光をコントロールするフィルムである。尚、調光フィルムの白濁度（曇り度）は通常ヘイズ（Ｈａｚｅ）と呼ばれる。

液晶調光フィルムにはノーマルモードとリバースモードの２型式がある。前者は、液晶分子を高分子で包み込んだ高分子液晶複合膜を調光層（液晶層）とし、該調光層を両側から透明導電膜による透明電極を介して透明性フィルム基材で挟持した構造を備えている。リバースモードは、調光層と透明電極の層間にさらに配向膜を備えている。

上記高分子液晶複合膜に用いられる高分子液晶にはいくつかの種類があるが、代表的なものとして高分子ネットワーク型液晶（ＰＮＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれるタイプ（特許文献１）、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれるタイプ（特許文献２）が提案されている。

図２はＰＮＬＣ型調光層３Ａを備えるノーマルモードの調光フィルム１０Ａの構造と挙動を示す模式断面図である。ＰＮＬＣ型では、液晶分子１５は高分子ネットワーク１４と呼ばれる３次元網目構造の内部に形成された空隙内に配置されている。図３はＰＤＬＣ型調光層３Ｂを備えるノーマルモードの調光フィルム１０Ｂの構造と挙動を示す模式断面図である。ＰＤＬＣ型では、液晶分子１８を含む液晶材料１７は高分子マトリックス１６の中に分散配置されている。

図２（ａ）、図３（ａ）は、各々ＰＮＬＣ型、ＰＤＬＣ型で交流電源１１オフ時の状態を示しており、液晶分子１５、１８はランダムに配列しているため入射光２１は高分子と液晶の界面で多重散乱され、散乱反射光２２ａ、散乱透過光２２ｂが顕著となって高ヘイズ状態となり白濁化する。図２（ｂ）、図３（ｂ）は、各々ＰＮＬＣ型、ＰＤＬＣ型で交流電源１１オン時の状態であり、液晶分子１５、１８は電界に沿って配列するため光散乱がなくなり、透明な低ヘイズ状態となる。

リバースモード型式の調光フィルムは、ノーマルモード型式の調光フィルムとは逆に、電圧の印加オフのとき透明状態となり、オンのときに白濁状態へ変化する。近年これらの液晶調光フィルムを活用した反射型スクリーンが提案されつつある。

特許文献３には調光フィルムを反射型プロジェクタースクリーンとして使用する場合に、映像投影面と反対側の面に透明反射膜を形成して画像の鮮明度を高める手法が記載されている。

しかしながら、特許文献３の方法では、スクリーン単体で使用した時の画像の輝度は向上するものの、窓ガラスのように厚みのある透明性基材に調光フィルムを貼り付け、調光フィルム側から画像を投影した場合に、二重像を抑制することはできない。

米国特許第５３０４３２３号明細書 米国特許第４６８８９００号明細書 特開２０１６－１０９９５３号公報

本開示は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、窓ガラスのように厚みのある透明性基材に使用しても二重像が観察されず、鮮明な投影像を表示することができる調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンは、
プロジェクタからの投影光を反射して観察者に視覚させる反射型プロジェクションスクリーンであって、
透明性ガラスの前記観察者側の面に調光フィルムを備え、
前記調光フィルムは、前記観察者側から順に、第１透明性フィルム基材、第１透明電極、調光層、第２透明電極と、第２透明性フィルム基材と、をこの順に備え、
前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に電圧を印加可能な交流電源と、前記電圧を印加するか否かを切り替えるスイッチと、を備え、
前記透明性ガラスと前記第２透明性フィルム基材の間に低屈折率層を備える、ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンとしたものである。

さらに本発明に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンは、前記第２透明性フィルム基材の厚さは３ｍｍ以下である、ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンであることが好ましい。

さらに本発明に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンは、前記第２透明性フィルム基材と前記低屈折率層との屈折率差は０．１５以上である、ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンであることが好ましい。

さらに本発明に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンは、前記低屈折率層は空気層である、ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンであってもよい。

本開示によれば、窓ガラスのように厚みのある透明性基材に使用しても二重像が観察されず、鮮明な投影像を表示することができる調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンが提供される。

本開示の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンの構成と機能を説明するための模式断面図である。 ＰＮＬＣ型調光層を備えるノーマルモードの調光フィルムの構造と挙動を示す模式断面図である。（ａ）電源オフ時（ｂ）電源オン時。 ＰＤＬＣ型調光層を備えるノーマルモードの調光フィルムの構造と挙動を示す模式断面図である。（ａ）電源オフ時（ｂ）電源オン時。 従来の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンの構成と課題を説明するための模式断面図である。

以下、本開示の実施形態に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンについて図面を用いて説明する。同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付ける。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがある。また、本開示は以下の実施形態そのままに限定されるものではなく、主旨を逸脱しない限りにおいて、適宜の組み合わせ、変形によって具体化できる。ここで本開示の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンは、ノーマルモード型式に加えてリバースモード型式にも適用可能であるが、以下、ノーマルモード型式を例として説明する。

建物や電車等の窓に調光フィルムを、透明性接着層を介して貼付し、調光フィルムの散乱（白濁）時に反射型プロジェクションスクリーンとして使用することができる。反射型では、調光フィルム側から映像をスクリーンに投影して調光フィルム側から映像を観察する。しかしながら、反射型プロジェクションスクリーンでは、二重像が発生してしまい、鮮明な投影像を表示することが難しい、という独自の課題がある。

そこで、本開示の実施形態に係る調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンを説明するに先立ち、まず従来の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンにおいて二重像が発生する原因について検討した内容を説明する。

一般に、プロジェクタは、光源から送られた光束を光変調素子で変調して光学像を形成し、この光学像を投射光学系によりスクリーンに投射する構成となっている。反射型プロジェクションスクリーンに投射された光束（投影光）は、スクリーンで拡散（散乱）して反射される。これにより、反射型プロジェクションスクリーンの、プロジェクタに対向する側に映像（反射像）が表示される。

図４は、従来の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンの構成と課題を説明するための模式断面図である。透明性ガラス４の観察者Ｅ側の面に調光フィルム１０を備え、調光フィルム１０は、観察者Ｅ側から順に、第１透明性フィルム基材１ａ、第１透明電極２ａ、調光層３、第２透明電極２ｂと、第２透明性フィルム基材１ｂとをこの順に備える。符号６は透明性接着層である。

調光フィルム１０を用いる反射型プロジェクションスクリーン５００の場合、投影光を散乱するのは調光層３である。観察者Ｅは調光層３で散乱し、透明性ガラス４と空気層との界面で反射した反射光を視覚し、映像として視認することができる。

しかるに、図２（ａ）、図３（ａ）で示すように、調光フィルムが白濁状態にあるとき、散乱光は散乱反射光２２ａだけではなく、透過方向に散乱透過光２２ｂも発生しており、強度としてはむしろ散乱反射光２２ａよりも散乱透過光２２ｂの方が大きい。

以下、図４及び後述の図１では、投影光を主光線Ｌで代表して説明する。散乱現象は調光層３内の至る所で発生するが、説明の便宜上、調光層３内において主光線Ｌが通過する位置ｓ５（図１ではｓ１）で散乱すると擬制する。位置ｓ５（図１ではｓ１）で散乱した
主光線Ｌのうち、スクリーン上方（ここでは便宜上図４紙面上方をスクリーン上方と定義する）に向かう最外光線をＬｅ１と定義する。また、位置ｓ５で散乱した主光線Ｌのうち、スクリーン下方（ここでは便宜上図４紙面下方をスクリーン下方と定義する）に向かう最外光線をＬｅ２と定義する。

そこで、図４のように、例えば調光層３中のｓ５ における散乱透過光に着目すると、直線成分も存在し、該直線成分は透明性ガラス４の右端と外部（空気）との界面への入射位置ｒ５で反射光（主光線Ｌｅ３’）を生成する。該主光線Ｌｅ３’は調光層３へ再入射し、ｓ６で再び散乱されて、観察者Ｅに視認される。

一方で、前記ｓ５における散乱透過光のうちの散乱成分 に着目すると、主光線の散乱光Ｌｅ１は透明性ガラス４の右端と外部（空気）との界面への入射位置ｒ６ で反射光（主光線Ｌｅ４’）を生成する。ここで透明性ガラス４の右端とは、観察者から最も遠い位置にあるガラス４の面を指す。該主光線Ｌｅ４’は調光層３へ再入射し、ｓ７で再び散乱されて、観察者Ｅに視認される。

一般に、透明性ガラス４の厚さは調光フィルム１０の厚さに比べはるかに厚いため、上記直線成分、散乱成分の光路は長くなる。また、図４に示すように、主光線Ｌと最外光線Ｌｅ１は互いに発散する関係にある。従って、ｒ５とｒ６間の距離よりも観察者Ｅ近傍における二つの光線Ｌ、Ｌｅ１に起因する距離ｄ７ は長くなる。つまり、観察者Ｅにとっては、二重像として視認されるようになる。

一方、図１は、本開示の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンの構成と機能を説明するための模式断面図である。従来の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンで、前記のように散乱透過光のうち、調光層３に再入射する光線の光路が長くなることを抑制するために、本開示の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン１００では、透明性ガラス４と第２透明性フィルム基材１ｂの間に低屈折率層５を備える。

低屈折率層５を備えることにより、調光層３中のｓ１における散乱透過光の直線成分は第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５との界面への入射位置ｒ１で反射される割合が大きくなり、散乱成分は第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５との界面への入射位置ｒ２で反射される割合が大きくなる。

入射位置ｒ１で生成された反射光（主光線Ｌｅ３）は調光層３へ再入射し、ｓ２で再び散乱されて、観察者Ｅに視認される。また、入射位置ｒ２ で生成された反射光（主光線Ｌｅ４）は調光層３へ再入射し、ｓ３で再び散乱されて、観察者Ｅに視認される。ここで、図４の従来の場合と比べると、ｒ１とｒ２間の距離ｄ３は、図４のｒ５とｒ６間の距離よりも短い。従って、二つの光線Ｌ、Ｌｅ１に起因する距離ｄ３も図４におけるｄ７よりも短くなる。それ故、二つの光線Ｌ、Ｌｅ１の映像が観察者Ｅに二重像として視認されることが抑制される。

散乱透過光のうち、調光層３に再入射し、ｓ２、ｓ３で再び散乱される光線の光路を短くするためには、第２透明性フィルム基材１ｂの厚さは、基材としての機能を有する限りにおいて、薄いほどよく３ｍｍ以下であることが好ましい。第２透明性フィルム基材１ｂの厚さが３ｍｍを超えると光路長が伸びることにより発生する二重像が視認されやすくなりみかけの画質が悪くなる。

また、散乱透過光が第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５との界面への入射位置ｒ１、ｒ２で反射される割合を大きくするためには、第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５の屈折率差は大きいほどよく、絶対値で０．１５以上であることが望ましい。屈
折率差が０．１５未満になると、第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５の間での反射が小さくなり、二重像が見えやすくなってしまう。

本実施形態の低屈折率層５は、空気層である。ここで、第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５との屈折率差が０．１５以上であることが望ましい。当該屈折率差が０．１５未満となると、第２透明性フィルム基材１ｂと低屈折率層５との界面での反射作用が小さくなってしまい、像の明るさが低減するとともに二重像の発生が顕著となってしまうため好ましくない。

図１の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン１００で、符号６ａは透明性接着層であり、低屈折率層５の周縁部に四辺にわたり設けられる。但し、低屈折率層５自身が接着性を有する場合、透明性接着層６ａは不要である。低屈折率層５は空気層以外の気体層例えば窒素やＡｒなどの不活性ガスであってもよい。また、低屈折率層５は気体層に限定されるものではなく、上記屈折率差を満たすのであれば液体層、例えば液体接着剤による層であってもよい。なお、低屈折率層５を気体で構成する場合、透明性接着層６ａは、調光フィルム１０と透明性ガラス４を接着するために必須である。

調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン１００は、第１透明電極２ａと第２透明電極２ｂとの間に電圧を印加可能な交流電源１１と、電圧を印加するか否かを切り替えるスイッチ（切替器）１２とを備える。

電源の切り替えにより、調光フィルム１０が白濁したときは、これまで説明したような反射型プロジェクションスクリーンとして機能する。調光フィルム１０を透明としたときは透明なガラスとなりガラスの向こう側を視認することができる。また、交流電源は、その実効電圧を変化させうる可変電源を使用することにより、それらの中間的な状態を作り出し、視認性を多様に変化させることができる。

［スクリーン作製］
図１に示す形態の、本開示の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーンを、第２透明性フィルム基材１ｂの材料と厚さ、低屈折率層５の材料を変え、実施例１～４、比較例１～３として作製した。

［屈折率測定方法］
第２透明性フィルム基材及び低屈折率層の屈折率は、ＡＳＴＭ－Ｄ５４２に準拠して測定した。

［鮮明度（二重像抑制効果）評価方法］
調光フィルムを光散乱の状態にした各スクリーンに、調光フィルム側から、１ｍ離れた位置からプロジェクタの光を入射し、静止画を投影した。観察者はプロジェクタと同じ側に立ち、スクリーンから２ｍ離れた位置で画像を観察した。

［評価結果］
以上の第２透明性フィルム基材と低屈折率層の条件と、鮮明度（二重像抑制効果）評価の結果を表１にまとめて示す。

表１より、第２透明性フィルム基材と低屈折率層の屈折率差が０．１５以上である、実施例１～４のスクリーンについては、二重像が観察されることはなかった。一方、屈折率差が０．１５を下回る０．１４に設計した比較例１の構成の場合、個人差を考慮しても甘
受しがたい二重像がわずかに認識された。また、比較例２、３については、二重像がはっきりと観察された。

１ａ・・・・・・第１透明性フィルム基材
１ｂ・・・・・・第２透明性フィルム基材
２ａ・・・・・・第１透明電極
２ｂ・・・・・・第２透明電極
３・・・・・・・調光層（ＰＮＬＣ型またはＰＤＬＣ型）
３Ａ・・・・・・調光層（ＰＮＬＣ型）
３Ｂ・・・・・・調光層（ＰＤＬＣ型）
４・・・・・・・透明性ガラス
５・・・・・・・低屈折率層
６、６ａ・・・・透明性接着層
１０・・・・・・調光フィルム（ＰＮＬＣ型またはＰＤＬＣ型）
１０Ａ・・・・・調光フィルム（ＰＮＬＣ型）
１０Ｂ・・・・・調光フィルム（ＰＤＬＣ型）
１１・・・・・・交流電源
１２・・・・・・スイッチ（切替器）
１４・・・・・・高分子ネットワーク
１５、１８・・・液晶分子
１６・・・・・・高分子マトリックス
１７・・・・・・液晶材料
２１・・・・・・入射光
２２ａ・・・・・散乱反射光
２２ｂ・・・・・散乱透過光
２３・・・・・・透過光
１００・・・・・スクリーン（本開示）
５００・・・・・スクリーン（従来）
Ｐ・・・・・・・プロジェクタ
Ｅ・・・・・・・観察者
Ｌ・・・・・・・投影光の主光線
Ｌｅ１、Ｌｅ２・・・投影光の散乱光
Ｌｅ３、Ｌｅ３’、Ｌｅ４、Ｌｅ４’・・・反射光

Claims (4)

1. プロジェクタからの投影光を反射して観察者に視覚させる反射型プロジェクションスクリーンであって、
   透明性ガラスの前記観察者側の面に調光フィルムを備え、
   前記調光フィルムは、前記観察者側から順に、第１透明性フィルム基材、第１透明電極、調光層、第２透明電極と、第２透明性フィルム基材と、をこの順に備え、
   前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に電圧を印加可能な交流電源と、前記電圧を印加するか否かを切り替えるスイッチと、を備え、
   前記透明性ガラスと前記第２透明性フィルム基材の間に低屈折率層を備え、
   前記低屈折率層は接着層であり、
   前記低屈折率層の屈折率は前記第２透明性フィルム基材の屈折率より低い、
   ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン。
2. プロジェクタからの投影光を反射して観察者に視覚させる反射型プロジェクションスクリーンであって、
   透明性ガラスの前記観察者側の面に調光フィルムを備え、
   前記投影光の投影面は前記調光フィルムであり、
   前記調光フィルムは、前記観察者側から順に、第１透明性フィルム基材、第１透明電極、調光層、第２透明電極と、第２透明性フィルム基材と、をこの順に備え、
   前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に電圧を印加可能な交流電源と、前記電圧を印加するか否かを切り替えるスイッチと、を備え、
   前記透明性ガラスと前記第２透明性フィルム基材の間に低屈折率層を備え、
   前記低屈折率層の屈折率は前記第２透明性フィルム基材の屈折率より低い、
   ことを特徴とする調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン。
3. 前記第２透明性フィルム基材の厚さは３ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン。
4. 前記第２透明性フィルム基材と前記低屈折率層との屈折率差は０．１５以上である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の調光機能付き反射型プロジェクションスクリーン。

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