JPH0261727B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、RGBの光源が一定の集中角をもつ
て投影されるカラープロジエクシヨンテレビ等の
投影装置に用いる背面投影スクリーンに関するも
のであり、さらに詳しくは視野角度が大きくかつ
色変化の少ない背面投影スクリーンに関するもの
である。

背面投影式の投影スクリーンは、ビデオプロジ
エクターやコンピユーター用デイスプレイ等の投
影面として用いられるが、その視野角を大きくす
る等その光透過特性について各種の検討がなされ
ている。例えば透過光の分布を一定視野範囲で均
一化する考えは、米国特許第2870673号、米国特
許第3523717号および米国特許第3830556号等に示
されている。これら特許によるスクリーンはそれ
ぞれレンチキユラーレンズを使用するものである
が、複数枚構成かあるいは最終的に製品化する場
合複数枚とせざるを得ず、製品コストの上昇をき
たすばかりでなく、取付けの際の手間、位置合わ
せ等が煩雑となる欠点がある。

また上記米国特許のように透過光の分布を均一
にする考え方においても、一定範囲で光量が一定
となつてもその範囲をはずれると急激に光量が減
少する等、任意に制御できない憾みがあつた。特
に大型のカラープロジエクシヨンテレビのように
３管３レンズ方式を採用する投影装置用のスクリ
ーンにあつては、上記のように視野範囲内で急激
に明るさが減じることは、不都合であるばかりで
なく、色変化を招き製品価値を低下させることと
なる。

このため本発明者等は、既に透過光量の分布を
視野角に応じて任意に設計できるようになした背
面投影スクリーンを提案した（特願昭57−9893
号）。この発明は、第４図Ａに示すようにまずレ
ンチキユラーレンズにおけるレンズＬをｎ分割
し、観察側Ｖの領域をn′等分（ｎ＝n′）した上で
この部分に入射する平行光に基づいて検討してい
る。すなわち同図においてLi部分に入射した平行
光がViに到達するように想定すると共に、その
ときの光量（または中心の光量に対する割合でも
可）を決めることにより、レンズ部分Liの長さと
角度を決定する。そしてこの微小なレンズ部分Li
を順次継ぎ合わせることにより所望の透過光量の
分布をもつたレンチキユラーレンズのレンズ形状
を設計しようとするものである。

このような考え方によつて得られた背面投影ス
クリーンは、たしかに視野角に応じて透過光量の
分布を任意に選ぶことができ、したがつて色変化
の少ないものとすることもできるが、さらに検討
を加えたところ次のような問題点が判明した。ま
ず、この考えによつて得られた背面投影スクリー
ンを構成するレンチキユラーレンズのレンズは、
裾野部分の曲率半径が大きく直線に近い形状とな
るため、スクリーンを製造するための型面の切削
精度を上げないと、直線または直線に近い形状と
なつてしまうことである。この部分が直線になる
と、いわゆるカラーミキシング効果が悪くなつて
しまい、しかもこの部分の“透け”が大きくなつ
てしまうこととなる。特に、カラー方式の大型投
影装置等では、３管３レンズ方式あるいは３管２
レンズ方式を採用しているため、スクリーンに入
射する光は一定の集中角を持つていてその角度は
すべてが0゜にならず、斜めから入射する光に対し
ても配慮しないと、色変化現象が向上しないこと
が分つた。

本発明は、このような問題点を改善し、視野角
が大きく、かつ色変化の少ない背面投影スクリー
ンを提供しようとするものである。

すなわち本発明の要旨とするところは、RGB
の光源が一定の集中角をもつて投影される投影装
置用の背面投影スクリーンにおいて、媒体の観察
側にレンチキユラーレンズが形成されたものであ
つて、そのレンチキユラーレンズの透過特性はβ
値で25゜以上であり、しかもそのレンチキユラー
レンズを構成するレンズの断面形状が一つの凸面
からなる高次曲線からなつていて、そのレンズの
ピツチの30％以下を占める裾野部分における接線
の傾斜角が、臨界角以上でありかつ集中角に起因
する傾き角と臨界角との和未満であることを特徴
とする背面投影スクリーンにある。

以下本発明を実施例の図面に従つて説明する。

第１図および第２図は本発明の背面投影スクリ
ーンの一部を示す断面図で、図中１は媒体、１１
は媒体１の観察側に形成されたレンズの断面形状
が独特の高次曲線をなすレンチキユラーレンズ
で、図示の例においては、その反対の投影側にフ
レネルレンズ１２が形成されている。第１図の場
合は透明材料からなる媒体１から構成されている
が、第２図の場合は拡散剤２が均一に混入された
媒体１で構成されている。なお拡散剤２の混入は
第２図のように媒体１に均一に混入されてもよい
が、媒体１の厚さ方向に偏在して混入されていて
もよい。また拡散剤塗布層を形成したり、拡散フ
イルムが積層された状態あつても構わない。

本発明に使用する媒体１の素材としては、透光
性材料であれば特に限定されるものではないが、
成形加工性、重量、取扱い性を考慮すると、合成
樹脂材料就中メタクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、
ポリカーボネート樹脂等が好適な材料である。そ
してこのような合成樹脂材料を使用して本発明の
背面投影スクリーンを製造する場合は、例えば第
３図のような製造装置によつて行なわれる。すな
わち上下に昇降しうる加熱プレス装置３の一方の
定盤３１にレンチキユラーレンズ用型を、また他
方の定盤３２にフレネルレンズ用型５をそれぞれ
装架し、これらの間に媒体となる合成樹脂材料Ｐ
を位置させて、これを加熱プレス成形して製作す
る。勿論本発明の背面投影スクリーンの製造方法
は図示の例に限られるものではなく、他の例えば
鋳込み成形方法、押出し成形方法あるいは射出成
形等が採用しうる。

本発明は以上説明したように、媒体１の観察側
にレンズの断面形状が高次曲線のレンチキユラー
レズ１１が形成されたものであつて、そのレンチ
キユラーレンズは観察側への透過特性がβ値で、
25゜以上となるようになつている。しかもこのレ
ンズにはそのピツチの30％以下を占める裾野部分
１１Ａを有していて、該裾野部分１１Ａにおける
接線の傾斜角が臨界角以上であり、かつ集中角に
起因する傾き角と臨界角との和未満となるように
設定されていることを特徴とするものである。

一般にスクリーンに供されるレンチキユラーレ
ンズは、断面が真円形または真円の孤を形成する
曲線をもつたレンズで構成されているが、本発明
においてはこのような所謂円形レンチキユラーレ
ンズは使用しない。このような円形レンチキユラ
ーレンズは、ピークゲインG₀は相当に高い数値
を示すものの視野角が大きくなるにつれて光量は
急激に低下してしまい、視野角が30゜程度でほと
んど光量が零になつてしまう。勿論この場合にお
いて透過光量の分布を任意に変えるようなことは
できなかつた。

なおピークゲインG₀とは、スクリーンの透過
特性を表わすもので、 ピークゲインG₀＝フート・ランバート／フート・キ
ヤンドル の比であり、またこのG₀が1/3になる角度をβ値
といつている。本発明においては、スクリーンと
しての一定の視野角を確保するため、このβ値が
25゜以上を示すような透過特性のレンチキユラー
レンズを用いている。

本発明は、上記のような従来の断面円形のレン
チキユラーレンズによる欠点を改善し、しかも前
述した本発明者等の先願を改良しようとするもの
であるが、まず、第４図ないし第７図に基いてレ
ンチキユラーレンズ１１の形状の設定方法につい
て説明する。

すなわち第４図Ａは前述したように、レンチキ
ユラーレンズ１１とその観察領域とを示してお
り、ここにおいて観察領域はV₁からV_oまでｎ等
分し、レンチキユラーレンズのレンズの曲線部を
L₁からL_oにｎ分割している。ここでレンチキユ
ラーレンズの微小部分L_iを選び、L_iを透過する光
がV_iに到達するように想定する。このようにした
上でV_iに到達する光量の割合を適当に選択できる
ように、L_iを透過する光量を決めることが必要と
なる。そして、このような考えに基ずいてL_iの長
さ、′と傾き＜A′ABを決定し、座標にこれを
プロツトしてつなぎ合わせることにより、断面形
状が高次曲線となるレンチキユラーレンズ１１の
レンズの形状を設定する。このような設計方法を
第４図Ｂに基づいてさらに詳しく説明すると、同
図において、 ｉ：入射角（＝L_iの傾き） ｒ：屈折角 ：視野角（V_iに到達するように選んだ角度）で
ある。

いまL_i部分について考えると、この場合Ａ−
A′がレンチキユラーレンズを構成する微小部分
の面となる。このような関係において視野角は
V_iの位置を決定すれば決まる角度である。すなわ
ち角度よりｉを求めることにより、レンチキユ
ラーレンズの面L_iの傾きを求めることができるこ
ととなる。

すなわちスネルの法則から ｎ Sin ｉ＝Sin ｒ …… （ただしｎは媒体の屈折率） となる。一方第４図Ｂにおいて ＝ｒ−ｉ …… が成立つから、式、から が成立つている。

次に、面L_iを透過する光量I_iは′に入射する
光量I_i′との間で、 I_i＝Ｔ×I_i′ …… の関係が成立つている。またここにおいて、 AA′＝ｆ／Ｔ …… の関係にある。

上記の式においてＴは、フレネルの公式によ
つて与えられる透過率であり、次式により計算
される。

Ｔ＝１−１／２｛Sin²（ｉ−ｒ）／Sin²（ｉ＋ｒ）＋ta
n²（ｉ−ｒ）／tan²（ｉ＋ｒ）｝ …… また、ｆは面L_iから透過する光量の割合を決定
する任意の定数であり、透過光量を大きくしたい
ときには大きな数字を選べばよい。そして式に
おいてｆ／Ｔの値が透過光の分布を決める因子と
なる。いまある視野角におけるｆの値を一定と
したときには、その角度までほゞ一定の光量分
布を示すようになり、この値を角度につれて
徐々に低くしていければ光量分布は逓減状態を示
すようになる。

以上のようにして面L_iの形状を決定し、多数の
面をつなぎあわせればよく、最終的にAB→０に
していくことでレンチキユラーレンズ１１のレン
ズの断面形状は高次曲線となり、レンチキユラー
レンズの形状を設定することができることとな
る。

ところで、第５図に示すようにこのように設計
されたレンチキユラーレンズ１１のレンズの裾野
部分１１ＡにおけるＹ点に、平行入射光Ｘが入射
しＺとして出射すると想定すると、Ｙ点における
レンズの裾野部分における接線の傾斜角θは、上
記式にｉ＝θと代入することにより、 として与えられる。ここで、傾斜角θが臨界角例
えば媒体１の屈折率がｎ＝1.49のものであれば
42.2゜以上になると、平行入射光Ｘは全反射して
観察側には出射しないこととなる。

次に、第６図のようにＹ点に対し、レンズ中心
から裾野部分側に傾く斜めから入射する光につい
て考える。すなわち、集中角に起因して上記の平
行入射光より傾き角ωだけずれて入射した光
X′がＹ点でZ′として出射すると、このときの視野
角′は、 ′＝ｒ−ｉ−ω（この図においてはω＞０）
…… で与えられる。そして、Ｙ点でのレンチキユラー
レンズ１１のレンズの傾斜角θが、第５図と等し
いとするならば、第５図の視野角と第６図の視
野角′では、明らかに＞′となる。

実際の３管３レンズ方式のカラープロジエクシ
ヨンテレビに対応して考えると、第５図の如き平
行入射光ＸはＧのブラウン管に、また第６図の如
き斜めからの入射光X′はＲまたはＢのブラウン
管に対応している。そして、上記の如く視野角が
＞′の関係にあるということは、第６図の場
合、Ｇの広がりに比べＲまたはＢは光の広がりが
小さくなることを意味している。

いま、レンチキユラーレンズ１１のレンズの最
大傾斜角θの部分を考えてそのときのθを40゜と
すると、平行入射光（緑色相当）の視野角は、
上記式および式にｉ＝40とおけば＝33.5゜
となる。（このときの屈折率は1.49とする）また、
斜め入射の傾きの角度がω＝8゜として同じθで計
算すると、視野角′は、′＝12.1゜となる。すなわ
ち、Ｇに相当する光は33.5゜まで到達するが、Ｒ
またはＢに相当する光は12゜以上には広がらず、
したがつてこれ以上の角度では３原色のミキシン
グが行なわれていないこととなり、色の再現性は
低下してしまう。

このように斜めからの入射光X′の視野角′を
広げ色のミキシングを良くするためには、レンチ
キユラーレンズ１１のレンズの裾野部分の傾斜角
θを大きくすることが有効となる。例えばθ＝
50゜、ω＝8゜としたときは、′＝35.6゜まで広げる
ことができる。

ただしこのようにθを大きくすると、この部分
では平行入射光Ｘは全反射している。第６図にお
いてθ＝ｉ＋ωとすれば、上記式の関係が成立
しているので、レンズの裾野部分の傾斜角θを所
望の視野角に応じて決めることができることとな
る。しかしながら、上記のように全反射による光
量のロスを考慮すると、この傾斜角θは、臨界角
以上であつて、この臨界角と集中角に起因する傾
き角ωとの和未満である必要がある。このような
ことから、裾野部分１１Ａに入射する平行入射光
Ｘが全反射するような傾斜角θと、その部分の幅
を決定し、その他の部分は第４図Ａ，Ｂで説明し
た要領で微小部分を求めて、これをつなぎあわせ
て高次曲線の形状を決定すればよい。なお裾野部
分に入射する平行入射光Ｘが全反射する領域を大
きくしすぎると、光量ロスが大きくなるので、こ
の裾野部分はレンチキユラーレンズ１１を構成す
るレンズのピツチに対して、30％以内とする必要
がある。なお、裾野部分からレンズ中心に傾いて
裾野部分に入射する光も全反射を起こすこととな
る。

以上の考えに立つてレンチキユラーレンズを設
計すると、第７図Ｂに示すように裾野部分１１Ａ
の傾斜角θ′が、Ａのθと比べて大きくなり、しか
も裾野部分１１Ａの曲率半径は小さくなる。した
がつて、この裾野部分に相当する型面の曲率半径
も小さくなつて裾野部分１１Ａが直線に近い形状
にならないようにすることができる。しかもレン
ズ中心から裾野部分側に傾く斜め方向から入射す
る光を規制しながら広い範囲に分布させることが
できるので、その範囲内でのカラーミキシング効
果が向上し、しかも透けがない背面投影スクリー
ンを提供しうることとなる。なお、本発明のレン
チキユラーレンズの形状は以上のようにして設定
され、所定の透過光量分布を示すよう決定される
が、そのピツチは0.5〜1.5mm程度とするとよい。

一方図示の背面投影スクリーンの投影側に形成
されるフレネルレンズ１２は、サーキユラーフレ
ネルであり、その焦点距離は大型プロジエクシヨ
ンテレビ用の場合概ねｆ＝1.1〜1.2ｍ程度、ピツ
チは0.2〜1.0mm、好ましくは0.5mm程度が好まし
い。なお、媒体１の両面にレンチキユラーレンズ
１１とフレネルレンズ１２とを形成すると、モア
レ現象が発生することがあるが、これは本出願人
が概に提案したように、（特願昭56−77736号参
照）、両者のピツチの比を1.35〜1.43または1/1.4
３〜1/1.35にすること等で軽減ないしは解消する
ことができる。なおスクリーンの厚さとしては、
一般に２〜４mm程度である。

なお本発明の背面投影スクリーンは、図示した
ように本発明の要件を備えたレンズ単独を配列し
たレンチキユラーレンズ１１でもよいが、このよ
うなレンズと他の形状のレンズとを交互に配列し
たレンチキユラーレンズとしてもよい。

また上述したように本発明においては、媒体１
に拡散剤２を混入させることができるが、この場
合の拡散剤２の役割は、スクリーンの明るさを調
節すること、縦方向に視野角を広げることおよび
映像の映し出しに寄与することの３つがあり、こ
のうち縦方向の視野角度は、拡散剤濃度を選択し
て混入することにより、５〜20°の範囲に設定す
ることができる。なお拡散剤としては、粒径0.5
〜20μ程度のSiO₂、CaCO₃、Al（OH）₃、BaSO₄等
の無機系顔料あるいはこれ以外の有機系顔料が単
独または併用して使用でき、均一に混入する場合
の混入量としては10〜60ｇ／cm²程度が用いられ
る。これらの拡散剤のうちSiO₂は透過率が高く、
拡散性能も良いので、特に適した顔料といえる。
また、スクリーンのコントラストを高めるには、
拡散剤２とは別にまたは拡散剤２と共に適宜な染
料を添加することも有効である。

さらに媒体１の観察側および／または投影側
に、微細な凹凸面を形成することも、スクリーン
の拡散性を高め、外光による影響を抑える面で有
効である。なお、この場合の凹凸面の形成は、型
面のエツチングやホーニングを施すかあるいは媒
体１の面に直接ホーニングを施すかあるいは拡散
剤を含む塗料を吹き付けること等によつて行なわ
れる。

以下、具体的な実施例について説明する。

実施例 １ 媒体としては、拡散剤としてSiO₂を含有する
屈折率ｎが1.492のメタクリル樹脂板（厚さ３mm）
を使用し、ほゞ第２図に示す如きスクリーンを製
作した。このスクリーンのレンチキユラーは、第
８図に示す如き形状でレンズのピツチＰが各0.7
mm、裾野部分における接線の傾斜角θ′は45゜、平
行入射光が全反射する裾野部分の幅Ｐ１が各0.07
mmで、ｙ＝−0.989639X⁷＋2.7663X⁶−2.97552X⁵
＋1.6645X⁴−0.521811X³−0.527449X²＋0.56725 （但し、０≦Ｘ≦１） の数式により断面形状が高次曲線とされたもので
ある。なお、この例におけるフレネルレンズの焦
点距離はｆ＝1.0ｍであつた。

このようにして得られた背面投影スクリーンの
透過特性を測定したところ、第９図の如き結果で
あつた。すなわち、の光が平行入射光で、が
これより＋8゜の傾き角で入射した光、が−8゜で
入射した光で、それぞれがＧ、がＲ、がＢ
に相当する。したがつて、この背面投影スクリー
ンは、との光がそれぞれ全反射して十分に広
がり、カラーミキシング効果が優れた良好なもの
であることが確認された。なお、このスクリーン
のβ値は約40゜であつた。

次に比較例として、実施例１の材料を使用し、
実施例１と近似した、ただし平行入射光の全反射
部のない第１０図の如きレンズ形状を有するレン
チキユラーレンズのスクリーンを得た。なお、こ
のときの近似式は ｙ＝0.34903X⁷−1.03867X⁶＋0.969879X⁵−0.168495X⁴＋
0.180309X³−0.915749X²＋0.62088 （但し、０≦Ｘ≦１） である。

この比較例の光学特性は、第１１図に示す通り
で、β値も約45゜あり一面好ましいものといえる
が、＋8゜だけ傾いた光（ＲまたはＢ）が20゜付近で
低下し、ほとんど零になつてしまうため、これを
超える領域でのカラーミキシングが行なわれず、
全体として青味のかかつた（または赤味がかつ
た）像になつてしまう難点があつた。

この実施例および比較例におけるレンチキユラ
ーレンズのＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの光路を示した
のが、第１４図および第１５図であり、本発明例
の第１４図に比べて第１５図の比較例はＢおよび
Ｒの光の広がりが狭く、かつ偏つていることが分
かる。なお図中点線で示した領域が全反射する領
域である。

実施例 ２ 実施例１と同一の材料を使用し、同様な方法で
第１２図の如きレンチキユラーレンズを有する背
面投影スクリーンを製作した。このときのレンズ
の形状の近似式は、 ｙ＝−0.289288X⁷＋0.75309X⁶−0.843376X⁵＋0.686657X
⁴−0.326753X³−0.624484X²＋0.62894 （但し、０≦Ｘ≦１） であり、平行入射光の全反射する裾野部分の幅Ｐ
１は全体のピツチＰの各15％で、そのときの接線
の傾斜角θ′は45゜であつた。

このようにして得られた背面投影スクリーンの
光学特性は第１３図に示す通りで、平行入射光
、＋8゜傾いた光、−8゜傾いた光いずれもほゞ
第９図と同様に広がりカラーミキシング効果の優
れた良好なものであつた。なお、このときのβ値
は約40゜であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の背面投影スクリ
ーンの実施例を示す断面図、第３図は製造装置の
一例を示す概略図、第４図Ａ，Ｂはレンチキユラ
ーのレンズの形状の設計方法を説明するための説
明図、第５図および第６図はレンチキユラーのレ
ンズに入射した光の視野角を説明するための説明
図、第７図Ａ，Ｂはレンチキユラーのレンズ形状
の特徴を説明するための比較図、第８図および第
９図は本発明の第１実施例を説明するためのレン
ズ形状図および透過特性のグラフ、第１０図およ
び第１１図は本発明の比較例を説明するためのレ
ンズ形状図および透過特性のグラフ、第１２図お
よび第１３図は本発明の第２実施例を説明するレ
ンズのための形状図および透過特性のグラフ、第
１４図および第１５図は本発明の第１実施例にお
けるスクリーンの光路図である。 １……媒体、１１……レンチキユラー、１２…
…フレネルレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ RGBの光源が一定の集中角をもつて投影さ
   れる投影装置用の背面投影スクリーンにおいて、
   媒体の観察側にレンチキユラーレンズが形成され
   たものであつて、そのレンチキユラーレンズの透
   過特性はβ値で25゜以上であり、しかもそのレン
   チキユラーレンズを構成するレンズの断面形状が
   一つの凸面からなる高次曲線からなつていて、そ
   のレンズのピツチの30％以下を占める裾野部分に
   おける接線の傾斜角が、臨界角以上でありかつ集
   中角に起因する傾き角と臨界角との和未満である
   ことを特徴とする背面投影スクリーン。 ２ 媒体の投影側にフレネルレンズを形成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の背面
   投影スクリーン。 ３ 媒体に拡散剤層を形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の背面投
   影スクリーン。 ４ 媒体の観察側および／または投影側に微細な
   凹凸面を形成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第２項または第３項記載の背面投影ス
   クリーン。