JPWO2005119358A1 - フレネルレンズシート、背面投射型スクリーンおよび背面投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、光の利用効率を改善するとともに、ライズ面に入射して反射面で異常な方向へ反射または屈折することにより生じる迷光を減少させること精密で安価な樹脂成形品の製造方法を提供することである。【解決手段】フレネルレンズシートの入射側面に、入射光を出射側に偏向させるプリズム列が配置され、前記プリズム列の少なくとも一部は、光源からの入射光を屈折する入射面を有し、該入射面で屈折された光線を全反射する反射面を有し、該入射面の中心側終点と該反射面の外周側終点との間にライズ面を有し、該反射面と該入射面と該ライズ面の３面で１単位のプリズムを構成し、該ライズ面が、該入射面と該ライズ面の交点を起点として外周側へ逆傾斜され、フレネル光軸中心部がレンズシートの範囲外となるように離心して形成されていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は背面投射型スクリーン等の光学製品に適用されるフレネルレンズシートに関する。

一般的にはプロジェクションスクリーンはフレネルレンズシートおよびレンチキュラーレンズシートより構成されており、そのプロジェクションスクリーン上にプロジェクターからの映像光により画像を結像させ、指向性をもった拡散面を得るためのものである。

従来のフレネルレンズは、鋸歯状の凸凹（プリズム）が同心円上に並列した構成となっており、傾斜を付けたプリズムによる屈折作用によって入射光を屈折させ、シート全体でレンズとして作用する様に構成される。

図８に従来の背面投射型スクリーンで標準的に用いられている出射面屈折式フレネルレンズシートの断面図を含むプロジェクター全体図を示す。同図で１０２は投射光源用プロジェクター、１１３はフレネルレンズシート、一点鎖線は光軸を表し、同心円状のフレネルレンズ構造の中心に合致している。
図９は図８に対応した従来のフレネルレンズシートの斜視図である。１１５はフレネル中心であり１１３は長方形レンズシート部分である。

フレネルレンズの製造は、切削バイトにより金型を切削し、該金型や該金型を転写したものを成形型として用い、プレス成形、射出成形、紫外線硬化樹脂による成形などが一般に行われている。
近年、プロジェクションテレビの奥行きを小さくするために、映像光がフレネルレンズへ入射する角度（画角）を大きくする傾向がある。また、さらにプロジェクションテレビの奥行きを小さくするため、またはスクリーンサイズを大型化するため、映像光をスクリーンに対して斜めに投射することが提案され、その角度も年々大きくなる傾向がある。しかし、従来の屈折作用を用いたフレネルレンズでは、屈折力に限界があり、十分に入射光線を偏向させることができなくなってきた。

これに対応するため、特許文献１およびシートの入射面側で全反射原理を用いる技術が開示されている。具体的には図５に示すとおり、入射側面に入射面と反射面の２面からなるのプリズム列を配置したフレネルレンズシートである。この構成においては、映像光がスクリーンへ入射する角度が小さいときに、プリズムの入射面に入射した光線の一部（図５中の破線）が反射面に入射することなく通過するため、光の利用効率が低いのみならず、反射面に入射しない光は迷光となって画像の劣化を生じることとなる。

そこで、特許文献２には図６に示すとおり、３面構成のプリズム列を配置し、その３面を光源からの入射光を屈折する入射面と、該入射面で屈折された光線の少なくとも一部を全反射する反射面と、フレネル周期構造固有のライズ面とで構成し、映像光がスクリーンへ入射する角度が大きい場合でも光の利用効率を高くする技術が開示されている。このライズ面はレンズシートの垂線に対して平行、ないしは、製造成型時の型抜きを容易にするように約６度の順方向傾斜を持たせて形成されている。図５において正常な入射光は実線であり、入射面で屈折されて後、全反射面で反射され、目的とする光軸に平行な光として出射される。

しかし、上記構造では入射角が小さい場合に、入射光線の一部（図６の破線）が直接ライズ面に入射してしまうために本来とは異なる方向に屈折され、更に全反射面において、本来とは異なる方向に反射されてしまうという問題がある。

この問題を軽減する為に、特許文献３および特許文献４では、全反射式フレネルレンズ面と入射面屈折式フレネルレンズ面とを組み合わせて複合面として用いることが提案されている。図７にこの複合面の断面図を示す。この方式においても破線で示す光線が直接ライズ面から入射し、本来とは異なる方向へ光を出力してしまうという問題があった。局所的に本来とは異なる方向に光が出射されるとスクリーンに映出される画像の品位が低下し、また、多重像妨害などを発生させるという問題があった。

特開昭６１−２０８０４１号公報 特開昭６１−２７７９３５号公報 国際公開ＷＯ２００２／０２７３９９号公報 特開２００３−１１４４８１号公報

本願発明は、光の利用効率を改善するとともに、ライズ面に入射して反射面で異常な方向へ反射または屈折することにより生じる迷光を減少させることを課題とする。

上記課題を解決するための本願発明は、背面投射型スクリーンに用いられるフレネルレンズシートであって、該フレネルレンズシートの入射側面に、入射光を出射側に偏向させるプリズム列が配置され、前記プリズム列の少なくとも一部は、光源からの入射光を屈折する入射面を有し、該入射面で屈折された光線を全反射する反射面を有し、該入射面の中心側終点と該反射面の外周側終点との間にライズ面を有し、該反射面と該入射面と該ライズ面の３面で１単位のプリズムを構成し、該ライズ面が、少なくともレンズシートの最内周部において該入射面と該ライズ面の交点を起点として外周側へ逆傾斜され、フレネル光軸中心部がレンズシートの範囲外となるように離心して形成されていることを特徴とするフレネルレンズシートである。

また、本願発明は、前記のフレネルレンズシートにおけるプリズム列の最内周部のピッチが、最外周のピッチより小さいことを特徴とするものである。

また、本願発明は前記のフレネルレンズシートにおいて、ライズ面とフレネルレンズシートの垂線との間の逆傾斜角度θが２度以上２０度以下であることを特徴とするものである。

また、本願発明は前記のフレネルレンズシートにおいて、ライズ面と反射面との間に補強部を配置したことを特徴とするものであり、また、本願発明は前記の補強部の幅が３μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とするものである。

さらに本願発明は、前記のフレネルレンズシートおよび光拡散シートを備えた背面投射型スクリーンであり、該背面投射型スクリーンを備えた背面投射型画像表示装置である。

上記の本願発明によると、ライズ面を垂直または順方向傾斜させた従来のものに比べ、フレネルレンズの光の利用効率を上げ、画像の局所むらを低減し画像品位を向上することができる。さらに補強部の幅を確保することも可能となるので、切削バイトおよび金型の製造を容易にすることができる。また成型時の型抜きも可能であって生産性にも優れたものとできる。

以下、本発明について図に基づいて詳細に説明する。
図６は従来技術に係るフレネルレンズシートの一例についての要部断面概略図である。フレネルレンズシートの光軸に対して所定の屈折角度γを持つ入射面１１と、フレネルレンズシートの光軸に対して所定の反射角度μを持つ全反射面１２と、フレネル構造を形成する為のライズ面１３から構成されるプリズム単位１０をフレネルレンズシートの光源側に配設してある。反射面の谷部２１とライズ面の谷部２４は一致している。

入射面１１へ入射した光線は界面で屈折し、反射面１２で全反射した後、所定の方向へ出射される。この所定の方向とは、フレネルレンズシートの基準面１４の法線方向に略平行な方向である。一方、ライズ面１３に入射した光線は反射面１２へ到達しないか、または反射面１２で所定の方向以外の異常方向へ反射されるため、有効に利用することができない。

本発明のフレネルレンズシートの斜視図を図４に示す。同図では、１１５が光軸中心であり、１１３で示される長方形部分が本発明で用いるレンズシートの部分である。従来はフレネルレンズ光軸中心をレンズシートのほぼ中心に合致させていたのに対して、本発明においてはフレネルレンズ光軸中心をレンズシートの外側へ完全に離心させている。図３に投射系全体の側面図を示す。同図からも判るようにフレネルレンズ光軸中心をレンズシートの外側へ完全に離心させている。

本発明にかかる実施の形態の一例における局所断面図を図１に示す。本発明のプリズム単位１０は、図６で示される従来例と比較し、ライズ面１３をフレネルレンズシートの基準面１４の法線１３’に対し外周方向にライズ角θだけ傾いた形状でプリズム単位を構成する。さらにライズ面の谷部２４と、レンズシート光軸中心側に隣り合うプリズム単位１０’の反射面の谷部２１とが重なるよう、プリズム単位１０と隣り合うプリズム単位１０’とが配設されている。このことによりフレネルレンズシートにおけるプリズムピッチが図６に示す従来技術のものより小さくなるように配設することになる。

本発明ではこのような形状としたため、従来例と比べ、単位プリズムへ入射する光線の内、ライズ面１３に入射する光の割合を少なくすることができるため、光の利用効率を高くすることができる。また同時に、ライズ面に入射する光が減少するので、画面の局所むらやゴースト像妨害を低減して画質を向上することができる。

上記のような逆傾斜構成は、フレネルレンズシート内にフレネルレンズ光軸中心が存在する従来技術においては、離型が不可能であるため採用することができない、というのが常識であった。しかしながら、本発明者らは、光軸中心がフレネルレンズシートの外にある場合には、成形されたフレネルレンズシートを離型する際に、ライズ面に沿って離型することで容易に離型可能であることを見出して本発明に至った。

本発明においては、ライズ面を入射面とライズ面との交点を基準として外周側へ逆傾斜させることが必要条件であるが、逆傾斜角θを２度以上とすることがその効果を大ならしめる上で好ましい。逆傾斜角θの好ましい上限値は２０度である。逆傾斜角θが２０度より大きいと、反射面１２とライズ面１３とでなす角が小さくなりすぎ、成形型を切削するバイトの耐久性や成形型の耐久性に問題が生じたり、成形型と成型品の離形に問題が生じたりする場合がある。

図２は、本発明における他の一例の局所断面図である。図２においては、プリズム単位１０のライズ面の谷部２４と隣接するプリズム単位１０’の反射面の谷部２１との間に、補強部２５を設けた構造を有している。補強部２５を設けることで、隣接プリズム相互境界部に相当する金型凸部の製作時の「倒れ」不良を防止でき、且つ金型寿命向上の効果が得られる。ここで、補強部２５の幅は３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。補強部２５の幅が２０μｍより大きいとライズ面１３に入射する光線の割合が大きくなり、光の利用効率が低くなる場合がある。また、補強部２５の幅が、３μｍより小さいと、補強部２５を設ける効果が充分に得られない。

本発明において、上記構成のプリズム列をフレネルレンズシートの全面に用いてもよいし、一部に用いてもよい。以下にその理由を説明する。

図３に示すように、フレネルレンズシートの外周では、フレネルレンズシートのレンズ基準面１４の法線と入射光線１００とのなす入射角度αが大きくなるため、ライズ面に入射する光線の割合が小さくなったり、なくなったりする領域がある。これらのことを考慮すると、例えば、本発明をフレネルレンズの光軸中心最近傍、すなわち最内周部付近にのみ使用し、フレネルレンズ外周では、ライズ角１３の傾きを、入射面とライズ面の交点を起点として内周側へ従来同様順方向に傾いている構成とすることで、成形型の切削を容易にしたり、成形型と成型品の離形性を改善したりすることができる。ライズ角の大きさは、位置によって段階的あるいは連続的に変えることが好ましい。

同様の理由で、補強部の幅の大きさは、位置によって段階的あるいは連続的に変えることが好ましい。例えば、フレネルレンズの光軸中心部分付近の補強部幅を、フレネルレンズ外周の補強部幅より小さい構成とすることで、成形型の作製を容易にしたり、フレネル面全体の透過率を均一にしたりすることができる。

さらに同様の理由で、フレネルレンズシートにおけるプリズム列の光軸最近傍のピッチは、最外周のピッチより小さいことが好ましい。このことは、成形型の作製を容易にしたり、フレネル面全体の透過率を均一にしたりすることに効果的である。

本発明のフレネルレンズシートは、プリズム列が直線状のリニアフレネルであってもよいし、同心円状のサーキュラーフレネルであってもよい。フレネルレンズシートがリニアフレネルの場合には、フレネルレンズの光軸は、プリズム列の長手方向に平行な線状となる。

本発明のフレネルレンズシートは、紫外線硬化樹脂を用いるキャスト法、プレス成形法などの成形方法により、製造することができ、その基板材料としては、ガラスや透明樹脂などの光学用材料を用いることが可能である。製品の軽量化を重要視する場合は透明樹脂部材を用い構成することが望ましい。一方、環境温度や湿度の影響によるフレネルレンズシートの反り挙動を重要視する場合はガラス材を用いることが望ましい。

以下、本発明の効果を実施例および比較例を用いて示す。本実施例および比較例において、出射光線の角度はフレネルレンズシートの光軸に対して０度即ち、平行光線として出射する構成とし、入射面１１と反射面１２が成すプリズム頂角βは５０度、入射面１１の長さは０．０４ｍｍ、レンズ材の屈折率は１．５５とした。

＜実施例１＞
入射角度αを２３度、プリズムピッチは０．０５２５ｍｍ、入射面角度は３１．８度。反射面角度μは１８．２度。逆傾斜ライズ角θを５度とした。出射する光線の割合は６３．６％であった。

＜比較例１＞ライズ角θを０度とし、プリズムピッチを０．０６０ｍｍとした以外は実施例１と同様にしてプリズム列を配置した。このとき平行光線として出射する光線の割合は５６．０％である。

ついでプリズム単位の間を微小な平坦部でつないだ実施例および比較例について説明する。

＜実施例２＞
入射角度αを２３度、入射面角度は３１．８度。反射面角度μは１８．２度、プリズムピッチは０．０５２６ｍｍ、補強部幅Ｗは０．００６ｍｍ、逆傾斜ライズ角θを５度とした。
出射する光線の割合は５７．０％であった。

＜比較例２＞
ライズ角θを０度とし、プリズムピッチを０．０６６ｍｍとした以外は実施例２と同様にしてプリズム列を配置した。このとき平行光線として出射する光線の割合は５０．５％である。
上記実施例および比較例を含め、入射角度αを２３°および４６°とし、補強部幅を０から１５μｍ、逆傾斜ライズ角を０°から１５°まで変化させた例を表１及び表２に示す。

例えば表１において、補強部幅が０．０００ｍｍの時、ライズ角が０度の従来例では透過率が５６．０％であるのに対し、逆傾斜ライズ角が５度、７度、１０度本発明の例では、それぞれ透過率が６３．６％、６７．４％、７４．１％であり、透過効率が高くなっていることがわかる。
また、補強部幅が０．０１０ｍｍ、ライズ角が７度の本発明の例では、透過率が５６．０％である。したがって、従来と同程度の透過効率でありながら、補強部幅を０．０１０ｍｍとする事ができるため、成形型作製が容易になり、成形型の耐久性が改善される。

また、補強部幅が０．００３ｍｍ、ライズ角が７度の本発明の例では、透過率が６３．６％である。したがって、従来より高い透過効率でありながら、平坦部の長さを確保することができるため、成形型作製が容易になり、成形型の耐久性が改善される。

本発明に係るプリズムレンズシートの一例の局部断面図である。 本発明に係るプリズムレンズシートの一例の局部断面図である。 本発明に係る背面投射型画像表示装置の投射系側面図である。 本発明に係るプリズムレンズシートの斜視図である。 従来技術に係るプリズムレンズシートの局部断面図である。 従来技術に係るプリズムレンズシートの局部断面図である。 従来技術に係るプリズムレンズシートの局部断面図である。 従来技術に係る背面投射型画像表示装置の投射系側面図である。 従来技術に係るプリズムレンズシートの斜視図である。

符号の説明

１０，１０’：プリズム単位、 １１：入射面、 １２：反射面、 １３：ライズ面
１４：レンズ基準面
１００：入射光線、 １０１：出射光線、 １０２：映像光源
１０３，１１３：フレネルレンズシート、 １１５：光軸中心

Claims (8)

1. 背面投射型スクリーンに用いられるフレネルレンズシートであって、
   該フレネルレンズシートの入射側面に、入射光を出射側に偏向させるプリズム列が配置され、
   前記プリズム列の少なくとも一部は、
   光源からの入射光を屈折する入射面を有し、該入射面で屈折された光線を全反射する反射面を有し、該入射面の中心側終点と該反射面の外周側終点との間にライズ面を有し、
   該反射面と該入射面と該ライズ面の３面で１単位のプリズムを構成し、
   該ライズ面が、少なくともレンズシートの最内周部において該入射面と該ライズ面の交点を起点として外周側へ逆傾斜され、
   フレネル光軸中心部がレンズシートの範囲外となるように離心して形成されていることを特徴とするフレネルレンズシート。
2. フレネルレンズシートにおけるプリズム列の最内周部のピッチが、最外周のピッチより小さいことを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズシート。
3. 該ライズ面とフレネルレンズシートの垂線との間の逆傾斜角度θが２度以上２０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のフレネルレンズシート。
4. 該ライズ面と該反射面との間に補強部を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフレネルレンズシート。
5. 該補強部の幅が３μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のフレネルレンズシート。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のフレネルレンズシートおよび光拡散シートを備えた背面投射型スクリーン。
7. 光拡散シートが、光入射面にかまぼこ状の縦長シリンドリカルレンズが配列されたレンチキュラーレンズシートよりなる請求項６に記載の背面投射型スクリーン。
8. 請求項６に記載の背面投射型スクリーンを備えた背面投射型画像表示装置。
   

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