JPS62175087A - フレネルレンズ及びカラ−投写テレビジヨンシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、投写システムで用いられる投写スクリーン用
のフレネルレンズであって、光が少なくとも１個の投写
レンズから投写スクリーンに投写され、フレネルレンズ
がその一面に各々がファセット面とライザ面により構成
される多数のファセットを有し、ファセット面がこの一
面とファセット角を形成し、ライザ面がこの一面の法線
とライザ角を形成し、ファセット角がフレネルレンズの
中心からこのレンズの外側縁に向かって増大するフレネ
ルレンズに関するものである。

このようなフレネルレンズとこのレンズを有する投射ス
クリーンとは、例えば、米国特許第４，５７３，７６４
号から既知である。この米国特許は消費者向けの後方投
写テレビジョン（ＰＴＶ）　　システムを示しているが
、そこには３本の陰極線管があり、ＴＶ両画像赤色、緑
色及び青色部を形成している。３個の投写レンズがこれ
らの映像を拡大し、それを単一の面に収束せしめている
。投写スクリーンはこの面に置かれる。大ていの視聴者
はほぼ同じ垂直位置に坐っているが、水平方向には広が
っているから、スクリーンは光を垂直方向よりも水平方
向に分散させる。それ故、陰極線管から同じ光出力があ
ると、良く設計されたスクリーンは視野区域内で明るさ
を３ないし５倍強める。

スクリーンは先ず視野レンズとして働き、光束を軸線方
向に向ける。次にこれは光を所望の半円錐角内に分散し
、水平方向にできるだけ幅広く光を拡げる。スクリーン
は代表的にはレンチキュラ面を有する要素、光拡散構造
及びフレネルレンズを含む第２の要素を具えている。

フレネルレンズの目的は、ＰＴＶシテスムの視野を大き
くするにある。実効的には、これは視野レンズとして働
く。これは投写レンズの射出瞳を視聴者の面に映すよう
に設計されている。視野レンズを欠くと、視聴空間の中
心の視聴者は陰極線の中心からの情報しか見られない。

視野レンズを用いると、光線は視聴者の方に曲げられ、
彼は全画像を見ることができる。フレネルレンズは投写
レンズの映像面に置かれるから、これは収差を導入しな
い。

たいていの後方ＰＴＶシステムは、レンチキュラー　ア
レーと黒色のストライブがスクリーンの全部に取り付け
られ、スクリーンの後部にフレネルレンズが置かれた２
部スクリーンを用いている。

直線状のレンチキュラー　アレーは光を水平方向に分散
させ、黒色のストライブは周囲の室内の光の反射を小さ
くすることにより映像のコントラストを増す。

従来技術ではスクリーンは一片又は２枚で作られ、後方
投写又は前方投写の両方があった。これらのスクリーン
のフレネルレンズはライザ角が一定値のファセットを有
している。

フレネルレンズを具える従来のスクリーンの光学的性能
は、視聴者空間の寸法、カラー　シフト、分解能及び効
率の点で限られていた。

本発明は、フレネルレンズのファセットのライザ角の設
計に関するもので、その目的は、投写スクリーンの効率
、カラー　バランス及び分解能を改良するにある。本発
明の主たる目的は、スクリーン光スルーブツトを最大に
し、フレネルレンズの分解能を高め、画像のカラー　バ
ランスを改良するにある。

本発明に係るフレネルレンズは、効率と分解能を増すた
めに、ライザ角をフレネルレンズの中心から外側縁に向
かって変えることを特徴とする。

ライザ角をこのように変えると、フレネルレンズの効率
が増大し、２個の端に置かれた投写レンズからの光の損
失のパーセンテージがバランスする。

代表的には、３個のカラー投写器に対応して３個の投写
レンズが存在する。スクリーン面に対する投写レンズの
実行射出瞳の角度の張りが大きくなると、最適なライザ
角のためフレネルレンズの性能も大きく改良される。特
に、ライザ角は、レンズの中心から外側縁に向かって、
レンズの焦点距離、レンズの屈折率及び瞳の角度張りの
関数として変化する。本発明は、フレネルレンズの各フ
ァセットのライザ角を計算する正確な式を提供するが、
これはほぼ線形関数で近似できる関係に従って変化する
。レンズの中心から外側ファセットへ向かっての距離が
大きくなるとライザ角も大きくなる。実際上の考慮では
、ライザ角は一般に成る最小角より大きくし、モールデ
ィング技術でレンズを製造できるようにしなければなら
ない。

市販の後方投写テレビジョン装置（ＰＴＶ）の関係で好
適な実施例を図面につき詳細に説明する。これは例示に
すぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

第１図は、後方投写テレビジョン装置（ＰＴＶ）の略図
である。３個の画像源、例えば、陰極線管Ｔｌ＋１７及
びＴ３が、夫々、赤色、緑色及び青色の画像を形成する
。次に、投写レンズＬ、、　Ｌ、及びＬ３がこれらの画
像を拡大し、それらを単一の画像面Ｉ、に投写する。角
γは、収束角である。投写スクリーンＳＣをこの面に置
き、光を第１図の右側にいる視聴者の方に向ける。スク
リーン自体は、「アイ・イー・イー・イー　トランザク
ションズ　オンコンシューマ−エレクトロニクスＪ　　
（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｓ
ｕｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）＋　１９８５年８
月号に載っている論文「ウルトラワイド　ビューイング
　アングル　リア　プロジェクションテレビジョン　ス
クリーンＪ　　（Ｕｌｔａｗｉｄｅ　Ｖｉｅｗｉｎｇ八
ｎｇｌｅ　へｅａｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅ１ｅ
ｖｉｓｉｏｎ　５ｃｒｅｅｎ）にやや詳しく述べられて
いる。投写スクリーンの一つの要素はフレネルレンズで
あり、これは光束を視聴者の方に曲げることにより視野
レンズとして働く。

本発明は、レンズの中心からの半径方向距離の関数とし
てのフレネルレンズのライザ角（ｒｉｓｅｒａｎｇｌｅ
）の設計に関するものである。第２図はフレネルレンズ
の断面を示す。このレンズは平面ＰＳと、いくつかのフ
ァセット（ｆａｃｅｔ）を具える第２の面とを有する。

各ファセットはファセット面ＦＳとライザ面ＲＳとを有
する。レンズのファセット面と平面との間の角αはファ
セット角Ｃｆａｃｅｔ　ａｎｇｌｅ）　　と呼ばれる。

レンズの中心から外側の縁に向かって、ファセット角は
増大する。第２図はまたライザ角ψを示しているが、こ
れはスクリーン又はレンズの基板の法線とフレネルレン
ズのファセットの立上り面との間の角度である。本発明
の目的は、フレネルレンズの効率を改良し、ＴＩ及びＴ
３からの光の損失のパーセンテージを平衡させるにある
。各投写レンズは半径りの有限な寸法の射出瞳を有する
。３個のレンズを具える投写レンズ系の実効射出瞳は３
個のレンズの各々の射出瞳の組合せである。フレネルレ
ンズは投射レンズ系の実効射出瞳を視聴者の面に向けて
イメージさせるように設計されている。（視聴者はフレ
ネルレンズから遠い距離に坐っているから、この距離は
無限大とみなすことができる。） 第３ａ及び３ｂ図は２通りのフレネルレンズの置き方を
示す。簡単にするため、第３ａ図の置き方をケースＩと
称し、第３ｂ図の置き方をケース■と称する。ケース■
は一枚のスクリーンですむが（レンチキュラ面を後方に
モールドできる）、この設計はケース■より効率が劣る
。ケースＩとケース■では、レンズのファセット角が異
なる。ケースＩのフレネルレンズでは、ファセットが光
源の方を向いている。焦点距離はｆにより与えられる。

ケース■のフレネルレンズではファセットが光源とは反
対の方向を向いている。焦点距離はｆで与えられる。

ＰＴＶスクリーンのフレネルレンズの焦点距離ｆは、典
型的には、投射レンズの射出瞳からスクリーン面上の距
離に等しい。フレネルレンズの最大シメンジョンは、投
写された像、例えば、ＴＶ画像の対角線である。ｒはほ
ぼ画像の対角線に等しいから、フレネルレンズは約Ｆ／
ｌで動作する。

第４図は、ケースＩのフレネルレンズの２個のファセッ
トの略図である。この図は、波面すのうちのライザ面を
叩き、損失と考えられる部分ａを示している。ファセッ
ト角はαで与えられ、ｈはファセットからレンズの中心
（図示せず）迄の距離である。ライザ面を叩く光線は間
違った方向に導かれるか又は失われるが、いずれも損失
と考えられる。この失われる光のパーセンテージは次式
％式％ ここでａとｂは波面がファセットの２個の部分に当たる
部分を示す。ケース■のフレネルレンズの場合、ファセ
ット角は代表的には入射光をコリメートするように設計
され、次式で与えられる。

φ＝　ｔａｎ−’　　　　　　　　　　　　　　　（２
ｂ）ｈはレンズの中心からそのファセット角の半径方向
距離であり、ｎはそのフレネルレンズの屈折率である。

ｙがファセットのピッチを表し、Ｘがライザ面の長さで
あるとすると、 ｊａｎ（α）＝　　−（３） で、 ５ｉｎ（φ）　＝　−−＜４１ である。それ故、 ａ　＝ｙ　ｔａｎ（α）　５ｉｎ（φ）（５）距離すは
次のいずれかで与えられる。

ｂ　＝ｙ　５ｉｎ（９０−φ）　　　　　　　　　　　
（６ａ）ｂ＝ｙｃｏｓ（φ）　　　　　　　　　　　　
　（６ｂ）式（５）及び（６ｂ）の左辺を１と置くと、
レンズの中心から距離りにある一個のファセットで失わ
れる光のパーセンテージは次式で与えられる。

損失（％）　＝１００　ｊａｎ（α）　ｊａｎ（φ）（
７）レンズの中心に入射する光線の場合は、φ＝０であ
るから、中心光線の場合は、光は全く失われていない。

ｈが大きくなると、失われる光のパーセンテージも大き
くなる。Ｆ／１　レンズの場合、最も外側のファセット
では、約１７３の光が失われるこの結果、ケース■で示
した置き方にすると、Ｆ／１フレネルレンズは極めて効
率が悪い。ライザ面を叩く光線は失われると考える必要
がある。実際は、この光もいくらかは最終イメージ面に
到達するが、理想的なイメージ点以外の位置である。こ
の結果、分解能が失われる。

ケース■のフレネルレンズは効率及び分解能の点で著し
い改良を示す。

第５図は、ケースＨのフレネルレンズの２個のファセッ
トＡ及びＢ並びにＬｌ及びＬ３からの２個の端の光線及
びＬ２からの主光線を略式図示したものである。ケース
Ｈのフレネルレンズは、中心投写レンズＬ２からの全て
の光線に対しては、（フレネル反射を無視すると）、１
００％の効率を有するが、レンズＬ１及びし３からの光
線のいくらかは、ライザ面に入射し、間違った方向に導
かれる。ここでは、この損失を最小にする最適ライザ角
ψを求める。

ライザ角は第２図で定義した通りにする。

ケース■のフレネルレンズの場合には、各ファセットの
ファセット角αを中心レンズからの主光線をコリメート
するように選ぶが、これは次式で与えられる。

ここで、φ２′は、第１の面の法線に対するそのファセ
ットでのレンズＬ２からの主光線の角度とするが、これ
は次式で与えられる。

第５図では、ｈは、ファセ・ノドからフレネルレンズの
中心迄の距離であり、ｆは、このレンズの焦点距離であ
り、ｔは射出瞳の半径であり、ｄは、赤色、緑色及び青
色のイメージに対する投射レンズＬＬ、　Ｌ２及びＬ３
の射出瞳間の横方向距離である。

ＲＩＡと印された光線は、レンズＬ１の射出瞳の下側縁
から出るものである。Ｒ２Ａと印された光線は、レンズ
Ｌ２の主光線である。Ｒ３Ａと印された光線は、レンズ
Ｌ３の射出瞳の上側縁から出るものである。

ＲＩＡ　、　Ｒ２Ａ及びＲ３Ａの（第１の面の法線に対
する）角度をφ１．φ２及びφ３とし、光線の入射角と
する。φ１′、φ７′及びφ３′はファセット内での光
線の角度である。φ１″、φ２″及びφ３″は、屈折層
の光線の角度である。レンズは、Ｌ２からの主光線をコ
リメートするから、φ２″−〇である。

角度φｈφ２及びφ３は次式で与えられる。

■ φｚ　＝　ｊａｎ−’　（−）　　　　　　　　　（９
ｂ）屈折された後の角度φ１′、φ２′及びφ３′はス
ネルの法則を用いて計算できる。（角度φ２′は式（８
ｂ）で与えられる）。

φ１　〉φ２〉φ３であるから（式９ａ〜９Ｃ参照）、
φ１′〉φｚ′〉φ３′である。ｈがｄ＋ｔより大きい
としてφ３′〉０にし且つライザ角がφ３′以下である
とすると、光線ＲＩＡ　、　Ｒ２Ａ及びＲ３Ａは、妨げ
られずにファセットＡを通り抜ける。これは、レンズ設
計上解決策の第１の部分である。即ち、ライザ角ψをφ
３′より小さくする。

再びスネルの法則を用いると、ファセットで再び屈折さ
れた後の光線の角度（φ１−１φ２〜及びφ３“）は次
式のようになる。

φ　五′＝　　α　−５ｉｎ−’　　（ｎ　　５ｉｎ（
α　−φ　ｉ’　　））　　　；ｉ＝１＋　　２．　３
　　　（１０ｂ）第６図は、レンズＬ１からの端の光線
ＲＩＢがファセットＢを通り抜けるところを示す。これ
は下側のファセットＢで防げられないが、ファセットＡ
のライザ面に入射し、それ故、この角度がライザ角より
大きいと、失われる。

φ１″がライザ角より大きいと、光線Ｒ１ｓは、それが
ファセッＩ−Ａのライザ面と交わる時失われるか、又は
間違った方向に導かれる。従って、解決策の第２の部分
は、ライザ角ψをφ１“より大きくすることである。

ファセットは、φ２″がゼロに等しくなるように設計さ
れている。幾何光学により明らかなように、φ１“はゼ
ロより大きく、φ３″はゼロより小さい。

要するに、ライザ面に関連して２個の損失機構が存在す
る。

１、ψ〉φ１′又はψ〉φ２′又はψ〉φ３′であると
、ファセット内の光がライザ面を叩く。

解決策１：ψ〈φ３′。

２４ψくφ１“であると、既にファセットを通り抜けた
光が上方のファセットのライザ面を叩く。

解決策２：ψ〉φど。

第７図は、ｈに対するφ１″のプロットと、ｈに対する
φ、′のプロットとを示す。これらのプロット並びに解
決策ｌ及び２　（夫々、区域５１及び５２で示す）を調
べると、これらの解決策の両方を共に満足するライザ角
の関数は何もないことが判る。しかし、最適なライザ角
はφ３′　とφどの平均であることを示すことができる
。

第８ａ図は、３本の実線のプロットを含む。第１のｈに
対するφ３′は、ファセット内での最も下側の光線の角
度を示す。理想的には、ライザ角はφ３′より小さくす
べきである（解決策１）。第２のｈに対するφどは、屈
折された後の最も上側の光線の角度を示す。理想的には
、ライザ角はφどより大きくすべきである（解決策２）
。

第８ａ図は、半径方向距離りの関数としてライザ角ψの
９通りの可能な関数（Ａ−１）を示す。ライザ角が何時
もφ２′より小さいと、中心投写レンズからの光は全て
フレネルレンズを通り抜ける。

第８ｂ図は、ライザ角ψを（Ａ−１）とした場合の効率
の損失（Ｌ、）をプロットしたものである。

損失が最も小さく、それ故、最も効率が高いのは、ライ
ザ角がφｔとφ３−の平均であるＦの場合である。従っ
て、最適なライザ角は、これらの２個の角度の平均であ
る。

製造上の理由で、ライザ角は最小にする（ψｍｉ、、）
必要がある。実際のライザ角の関数を第９図に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、後方投写ＴＶシステムの略図、第２図は、フ
レネルレンズのライザ角を示す略図、 第３８及び３ｂ図は、フレネルレンズの２通りの置き方
を示す略図、 第４図は、ケースＩのフレネルレンズの２個のファセッ
トの略図、 第５図は、レンズＬ１及び１，３からの端の光線並びに
レンズＬ２からの主光線を示すケース■のフレネルレン
ズの２個のファセットの略図、 第６図は、ライザ面と交わり、それ故、間違った方向に
導かれる光線を示すフレネルレンズの２個のファセット
の略図、 第７図は、レンズの中心からの距離の関数としてのライ
ザ角のプロットを示すグラフ線図、第８８及び８ｂ図は
、夫々、ライザ角の可能な関数及び効率の損失を示すグ
ラフ線図、 第９図は、製造上の理由でライザ角を最小にした場合の
ライザ角の関数を示すグラフ線図である。 ＴＩ、　Ｔ２．　Ｔ３・・・陰極線管　Ｌｌ、　Ｌ２．
　Ｌ３・・・レンズＳＣ・・・スクリーン　　　　Ｉ、
・・・画像面γ・・・収束角　　　　　　ＰＳ・・・平
面ＦＳ・・・ファセット面　　　Ｒ５・・・ライザ面ψ
・・・ライザ角　　　　　α・・・ファセット角ｆ・・
・焦点距離　　　　　ｙ・・・ファセットのピッチＸ・
・・ライザ面の長さ 特許出願人　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイラ
ンベンファブリケン Ｌ　　　″″″ ）　噌−一一一一 一工ΦＷＷ口Ｑのく ＬＬ　　：ｅ−″ ―

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、投写システムで用いられる投写スクリーン用のフレ
   ネルレンズであって、光が少なくとも１個の投写レンズ
   から投写スクリーンに投写され、フレネルレンズがその
   一面に各々がファセット面とライザ面により構成される
   多数のファセットを有し、ファセット面がこの一面とフ
   ァセット角を形成し、ライザ面がこの一面の法線とライ
   ザ角を形成し、ファセット角がフレネルレンズの中心か
   らこのレンズの外側縁に向かって増大するフレネルレン
   ズにおいて、効率と分解能を増すために、ライザ角をフ
   レネルレンズの中心から外側縁に向かって変えることを
   特徴とするフレネルレンズ。 ２、マルチビーム特許システムで使用される投写スクリ
   ーン用のフレネルレンズにおいて、前記フレネルレンズ
   のファセットのライザ角がこのレンズの中心からこのフ
   ァセット迄の半径方向距離の関数として変わり、この関
   数がほぼ線形であることを特徴とするフレネルレンズ。 ３、前記フレネルレンズのファセットを前記スクリーン
   の見られる側に向けたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項又は第２項に記載のフレネルレンズ。 ４、前記ライザ角が最小値で、前記レンズの中心から離
   れているファセットでだけ変化し、計算された最適角が
   前記最小値を越えることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項、第２項又は第３項に記載のフレネルレンズ。 ５、各ファセットで、最適ライザ角がファセットの第１
   の縁を通る上端光線の屈折角と、同じファセットの第２
   の縁を通る下端光線の屈折角の平均でることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項の
   いずれかに記載のフレネルレンズ。 ６、３原色に対する３個の映像源と、３個の投写レンズ
   と、１つの投写スクリーンとを有するカラー投写テレビ
   ジョンシステムにおいて、投写スクリーンが特許請求の
   範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項のいず
   れかに記載のフレネルレンズを具えることを特徴とする
   カラー投写テレビジョンシステム。