JPWO2017221527A1 - 透明スクリーン、及び、映像表示システム - Google Patents

Abstract

透明スクリーン（２０）は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタ（１０）から投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、透明の基材（２１）と、拡散部材（２２）と、反射防止層（２３）とを備える。拡散部材（２２）は、基材（２１）の内部に配置され、映像光を拡散させる。反射防止層（２３）は、基材（２１）のプロジェクタ（１０）側に配置されている。

Description

本開示は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーン、及び、その透明スクリーンを備えた映像表示システムに関する。

近年、背景光を透過させる透明性を有しつつ、プロジェクタから投写された映像光を拡散反射または拡散透過させて映像を表示する透明スクリーンが提案されている。この透明スクリーンを用いれば、例えば、高層ビルの窓に夜景と投写された映像とを重畳して表示したり、ライブイベントなどで空中に映像が表示されたかのように演出したりできる。このように、プロジェクタによる新しい映像表現を実現するキーデバイスとして、透明スクリーンは期待されている。

透過型の透明スクリーンとして、特殊な拡散微粒子を含む透過型の透明スクリーンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この拡散微粒子は、透過型の透明スクリーンの内部に微量分散されている。この透過型の透明スクリーンは、映像光の一部を大きく拡散させて映像を表示するとともに、背景光を直進透過させる。

また、拡散された光の一部は、透明スクリーンの裏面と空気との界面で反射する。そのため、上記の構成の透過型の透明スクリーンは、反射型の透明スクリーンとしても使用できる。

さらに、反射型の透明スクリーンとして、以下の反射型の透明スクリーンが提案されている。反射型の透明スクリーンの一例は、複数の凸部と、複数の凸部に設けられた選択反射層と、その選択反射層の表面を被覆する透明材料とを有する。選択反射層は、特定の波長の右円偏光または左円偏光のレーザ光を選択的に反射する（特許文献２参照）。また、反射型の透明スクリーンの別の一例は、透明基材に部分的に設けられた、光を反射する領域を有する（特許文献３参照）。

観察者は、このような透過型または反射型の透明スクリーンを用いて、背景を観察しつつ、映像を鑑賞することができる。

特許第５２１４５７７号公報 特開２０１４−７１２５０号公報 特開２００６−１１９４８９号公報

本開示は、不要像の発生を抑制できる透明スクリーン、及び、映像表示システムを提供する。

本開示に係る透明スクリーンは、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、透明の基材と、拡散部材と、反射防止層とを備える。拡散部材は、基材の内部に配置され、映像光を拡散させる。反射防止層は、基材のプロジェクタ側に配置されている。

本開示によれば、不要像の発生を抑制できる。これにより、観察者は、透明スクリーンに表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

図１は、実施の形態１に係る映像表示システムの概要図である。 図２は、スクリーンにおける投写された映像光の入射角と反射率との関係を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る他の映像表示システムの概要図である。 図４は、実施の形態１に係るさらに他の映像表示システムの概要図である。

（本開示に至った経緯）
従来、透明スクリーンが背景光を透過する為には、透明スクリーンへの入射光のうちの少なくとも一部は透明スクリーンを直進透過する必要が有る。透明スクリーンの応用には、通常は透明性が優先されることが多い。透明性が優先される場合、透明スクリーンは入射光のうちの５０％〜８０％の光を直進透過させる。また、透明スクリーンと空気との界面である透明スクリーンの表面に凹凸があると、光は拡散されて、透明スクリーンを直進透過しない。ゆえに、光が透明スクリーンを直進透過するために、透明スクリーンの表面は平滑である必要が有る。

従って、拡散透過あるいは拡散反射の要素が透明スクリーンの表面にある場合でも、５０％以上の透明スクリーンの表面が平滑である必要がある。また、拡散の要素が透明スクリーンの内部にある場合は、透明スクリーンの全表面は一般に平滑である。

そして、平滑な表面への入射光は、その表面で鏡面反射する。プロジェクタから投写された映像光は局所的に指向性が高いため、映像光の鏡面反射光は高い輝度を有する。そのため、映像を観察する観察者が、鏡面反射光を直接観察すると、幻惑されて、映像を観察することが不可能になる。従って、想定される観察範囲に鏡面反射光が向かわないように、天井から下方へ、或いは、足元から上方へと大きい角度で映像光を投写することが好ましい。

しかしながら、天井から下方へ映像光を投写した場合は、透明スクリーン付近の足元に鏡面反射による不要像が発生する。また、足元から上方に映像光を投写した場合は、透明スクリーン付近の天井に鏡面反射による不要像が発生する。この天井、または足元に発生する不要像は、観察者にとって目障りである。さらに、観察者が不要像を認識することによって、観察者は透明スクリーンに表示された映像がプロジェクタから投写された映像であることを意識してしまう。

本開示は、不要像の発生を抑制できるスクリーン、及び、映像表示システムを提供する。これにより、観察者は、スクリーンに表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る映像表示システム３０の概要図である。

映像表示システム３０は、映像光を投写するプロジェクタ１０と、スクリーン２０とを備える。

プロジェクタ１０は、超短焦点プロジェクタであり、スクリーン２０の前方足元に配置される。もし、映像を観察する観察者９０が、スクリーン２０の表面での鏡面反射光を直接観察すると、眩しく感じる。すなわち、鏡面反射光は、映像観察および背景観察の障害になる。そのため、プロジェクタ１０は、大きい角度でスクリーン２０に映像光を投写する。更に、超短焦点プロジェクタを用いることで、スクリーン２０の近傍の空スペースを有効に使うことができる。本開示において、背景とは、スクリーン２０に対して、観察者９０と反対側の景色である。すなわち、観察者９０は、スクリーン２０を通して、背景を観察する。また、背景光とは、背景側からスクリーン２０を通して、観察者９０に到達する光である。

プロジェクタ１０からスクリーン２０へ投写された映像光の入射角は、以下のように設定されている。ここで、映像光の入射角とは、映像光の入射方向と、スクリーン２０の法線方向とのなす角である。スクリーン２０の下端への入射角θ１が２７°に、スクリーン２０の中央への入射角θ２が５２°に、スクリーン２０の上端への入射角θ３が６４°に設定されている。すなわち、プロジェクタ１０は、スクリーン２０への映像光の最大入射角が６０°以上７５°以下になるように、配置されている。

スクリーン２０は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタ１０から投写された映像光を拡散反射させて映像を表示するスクリーンである。すなわち、スクリーン２０は、反射型の透明スクリーンである。スクリーン２０は、透明の基材２１と、拡散微粒子２２（拡散部材の一例）と、反射防止膜２３（反射防止層）とを備える。基材２１の両主面は、平滑である。拡散微粒子２２は、基材２１の内部に添加されている。拡散微粒子２２は、入射光のうちの約１０％を拡散反射させる。スクリーン２０は、入射光のうちの残りの約９０％を透過する。拡散微粒子２２は、基材２１の内部に均一に分散されている。そのため、映像光は、スクリーン２０で拡散反射されて、映像として観察可能となる。

また、スクリーン２０の両主面は平滑である。そのため、スクリーン２０を透過する透過光は、スクリーン２０の厚み方向に拡散されることなく直進する。そのため、観察者９０は背景を鮮明に観察することができる。

反射防止膜２３は、基材２１のプロジェクタ１０から投写された映像光の入射側の主面に設けられている。すなわち、反射防止膜２３は、基材２１のプロジェクタ１０側に配置されている。反射防止膜２３は、基材２１のプロジェクタ１０側の主面上に直接配置されていてもよい。また、反射防止膜２３は、透明な接着層（図示せず）を介して、基材２１のプロジェクタ１０側の主面上に配置されていてもよい。この場合、透明な接着層の屈折率は、基材２１の屈折率と実質的に等しいことが望ましい。

反射防止膜２３は、例えば、交互に積層された５層〜９層の高屈折率層および低屈折率層からなる誘電体多層膜である。高屈折率層の材料は、例えば、ＴｉＯ_２や、Ｔａ_２Ｏ_５などの透明の誘電体である。高屈折率層の屈折率は、例えば２．０以上である。低屈折率層の材料は、例えば、ＳｉＯ_２や、ＭｇＦ_２などの透明の誘電体である。低屈折率層の屈折率は、例えば１．５以下である。また、高屈折率層及び低屈折率層の各厚みは、反射率を低減させる波長帯と入射角とに応じて設定される。すなわち、反射防止膜２３の反射率は、高屈折率層および低屈折率層の厚みを変更することにより、設定される。

反射防止膜２３に入射する入射光は、空気界面を含む誘電体多層膜の各界面で反射する。この反射光は、互いに干渉して打消し合う。これにより、反射防止膜２３は、反射光を低減する。

次に、反射防止膜２３を備えないスクリーンの鏡面反射による不要像の発生について説明する。

図１に示すように、プロジェクタ１０から投写された映像光（実線の矢印）がスクリーン２０の表面で鏡面反射する。鏡面反射光（一点鎖線の矢印）は、入射角に対応した反射角で反射し、天井８０へ向かう。スクリーン２０の下側での鏡面反射光の反射角（入射角θ１〜θ２に対応）は、小さい。また、スクリーン２０の下側での鏡面反射光の天井８０までの到達距離は、長い。すなわち、スクリーン２０の下側での鏡面反射光は拡散するため、映像の鮮鋭度及び輝度が低下する。そのため、観察者９０は、鏡面反射による不要像について気にならない。また、スクリーン２０の左端部および右端部での鏡面反射光も天井８０までの到達距離が長い。すなわち、映像の鮮鋭度及び輝度が低下するため、観察者９０は鏡面反射による不要像について気にならない。

しかしながら、スクリーン２０の中央から上側での鏡面反射光は、スクリーン２０の直上の天井８０に向かって反射する。更に、プロジェクタ１０の焦点深度は深いため、スクリーン２０の直上の天井８０に向かって反射した鏡面反射光は焦点が合っている。そのため、従来技術のように反射防止膜２３を用いない場合、スクリーン付近の天井８０に不要像が表示されてしまう。観察者９０は、スクリーンでの映像鑑賞時に、この不要像を目障りに感じる。

また、映像光の入射角θが大きくなるほど、スクリーン２０に投写された映像の微小面積ｄＳｓに対応する天井８０で発生した反射像の微小面積ｄＳｒは小さくなる。ここで、ｄＳｒ／ｄＳｓは、ｔａｎ（θ）の３乗に反比例する。従って、映像照度が均一であり、かつ、スクリーン２０の鏡面反射率が一様である場合、入射角θが大きいほど、鏡面反射光は天井８０において小さい面積に集中する。すなわち、スクリーン２０の上端部付近に対応する天井８０において、鏡面反射光の光束は小さい面積に集中する。そのため、スクリーン２０の上端部に対応する鏡面反射像の照度が高くなる。さらに、後述するように、スクリーン２０への入射角θが大きいほど、スクリーン２０の反射率は大きくなる。そのため、スクリーン２０の上端部に対応する鏡面反射像の照度はさらに高くなる。

図２は、スクリーン２０における投写された映像光の入射角θと反射率Ｒとの関係を示す図である。図２は、具体的には、空気（屈折率１．０）から、透明材料（屈折率１．５）に入射する光の入射角θと反射率Ｒとの関係を示す図である。

図２に示すように、反射率Ｒは、入射角θが５０°を超えると、急激に増加する。スクリーン２０が反射防止膜２３を備えない場合、スクリーン２０の各領域の反射率Ｒは、以下のようになる。スクリーン２０の下端部（入射角θ１＝２７°）からスクリーン２０の中央（入射角θ２＝５２°）付近までの反射率Ｒは６％以下である。一方で、スクリーン２０の上端部（入射角θ３＝６４°）付近の反射率Ｒは１２％である。

この様に、スクリーン２０の上端部付近での鏡面反射による反射像は、スクリーン２０の直上近傍において、観察者９０の視野に入りやすく、かつ、高い照度を有している。そのため、スクリーン２０の上端部付近での鏡面反射による反射像は、観察者９０にとって目障りとなる。

図１に示したスクリーン２０は、入射面に反射防止膜２３を備えている。そのため、スクリーン２０は、反射光の強度を低減して、天井８０における不要反射像の発生を抑制する。

特に、前述のように、不要像の発生に大きく寄与するのは、スクリーン２０の上端部付近の反射率である。そのため、反射防止膜２３は、スクリーン２０の上端部の入射角θ３近傍で可視域の反射率を最も低減するように設計されている。すなわち、６０°以上７５°以下の入射角で映像光がスクリーン２０に入射したときの反射防止層２３の反射率は、０°の入射角で映像光がスクリーン２０に入射したときの反射防止層２３の反射率よりも小さい。

反射防止膜２３は、スクリーン２０の上端部の入射角近傍での反射率を最も低減する。そのため、反射防止膜２３は、６４°の入射角の映像光の反射率を最も低減するように設定されている。また、反射防止膜２３の厚みは、反射率が最も低減される入射角（θ３＝６４°）に合わせて、設計されている。

上記構成により、実施の形態１に係る映像表示システム３０は、平滑な表面を有するスクリーン２０で映像の表示と背景光の透過を実現しながら、スクリーン２０の鏡面反射による不要像の発生を抑制できる。これにより、観察者９０は、スクリーン２０に表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

なお、本実施の形態において、プロジェクタ１０は超短焦点プロジェクタである。超短焦点プロジェクタを用いた場合、スクリーン２０への最大入射角である、スクリーン２０の上端部の入射角が、６０°以上７５°以下に設定されていることが多い。そこで、６０°以上７５°以下の範囲の入射角の映像光の反射率を最も低減するように設計されたスクリーン２０と、超短焦点プロジェクタとを組合せることにより、不要反射像の発生を抑制できる映像表示システム３０が実現する。

なお、本実施の形態において、反射防止膜２３は６０°以上７５°以下の入射角の映像光の反射率を最も低減するが、本開示はこれに限定されない。反射防止膜２３の部分領域の反射率は、その部分領域に入射する映像光の入射角において最も小さくてもよい。このとき、反射防止膜２３の各部分領域の厚みは、反射率を最も低減する部分領域毎の入射角に合わせて、設定されている。ここで、反射防止膜２３の部分領域とは、例えば、反射防止膜２３の主面を縦および横のそれぞれで５分割して得られる一つの部分領域である。また、反射防止膜２３の部分領域に入射する映像光の入射角とは、その部分領域の中心に入射する映像光の入射角を意味する。

なお、本実施の形態において、入射角θ３における反射防止膜２３の反射率は、入射角θ２における反射防止膜２３の反射率よりも小さくてもよい。すなわち、プロジェクタ１０から遠い側の反射防止膜２３の部分領域に入射する映像光の入射角における反射防止膜２３の反射率は、プロジェクタ１０の中央に入射する映像光の入射角における反射防止膜２３の反射率よりも小さくてもよい。

また、本実施の形態において、スクリーン２０は基材２１の内部に配置された拡散微粒子２２を有するが、本開示はこれに限定されない。図３に変形例の映像表示システム３４を示す。映像表示システム３４は、スクリーン２０に代えて、スクリーン２４を備える。スクリーン２４は、基材２１の内部に配置され、微細な凹凸形状を有するミラー層２５（拡散部材の別の一例）を備える。ミラー層２５は、例えば、入射光の約１０％を反射して、入射光の残りの約９０％を透過するハーフミラーである。ミラー層２５は微細な凹凸形状を有するように形成されている。そのため、映像光は、スクリーン２４でマクロ的に拡散反射され、映像として観察可能となる。

ちなみに、背景光を透過しない反射型のスクリーンは、投写された映像光を効率よく拡散反射させることにより、明るく鮮明な映像を表示する。そのため、反射型のスクリーンの表面に反射防止膜を設けることはない。

なお、本実施の形態において、映像表示システム３０は拡散反射型のスクリーン２０を備えるが、本開示はこれに限定されない。図４に示すように、変形例の映像表示システム３８は、拡散透過型のスクリーン２８を備えてもよい。この場合には、スクリーン２８は、プロジェクタ１０から投写された映像光を拡散透過させて映像を表示する。そして、スクリーン２８が背景光を透過するために、スクリーン２８の表面は平滑である。そのため、反射型の映像表示システム３０と同様に、映像光はスクリーン２８の表面で鏡面反射する。従って、図４に示すように、反射防止膜２３をスクリーン２８の入射面側の表面に配置することにより、天井８０における不要像の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態において、反射防止膜２３は誘電体多層膜であるが、本開示はこれに限定されない。反射防止膜２３は、例えば基材２１の表面に設けられた、モスアイあるいはＳＷＳ（Sub-Wavelength Structure）と呼ばれるような光の波長以下の微小構造体であってもよい。

なお、本実施の形態において、プロジェクタ１０は超短焦点プロジェクタであるが、本開示はこれに限定されない。プロジェクタ１０は超短焦点プロジェクタ以外のプロジェクタであってもよい。この場合でも、プロジェクタ１０を最大入射角が６０°以上７５°以下になるように配置すれば、超短焦点プロジェクタを使用したときと同様の効果が得られる。

本開示に係るスクリーンは、背景光の透過を実現しながら、鏡面反射による不要像の発生を抑制することができる。そのため、本開示に係るスクリーンは、プロジェクタから投写された映像光を拡散反射または拡散透過させて映像を表示するとともに、背景光を透過するスクリーンとして有用である。

１０ プロジェクタ
２０，２４，２８ スクリーン（透明スクリーン）
２１ 基材
２２ 拡散微粒子（拡散部材）
２３ 反射防止膜（反射防止層）
２５ ミラー層（拡散部材）
３０，３４，３８ 映像表示システム
８０ 天井
９０ 観察者

Claims (12)

1. 入射光の一部を直進透過させ、前記入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、
   透明の基材と、
   前記基材の内部に配置され、前記映像光を拡散させる拡散部材と、
   前記基材の前記プロジェクタ側に配置された反射防止層とを備える、
   透明スクリーン。
2. ６０°以上７５°以下の入射角で前記映像光が入射したときの前記反射防止層の反射率は、０°の入射角で前記映像光が入射したときの前記反射防止層の反射率よりも小さい、
   請求項１に記載の透明スクリーン。
3. 前記反射防止層の部分領域の反射率は、前記部分領域に入射する前記映像光の入射角において最も小さい、
   請求項１に記載の透明スクリーン。
4. 前記反射防止層は、交互に積層された高屈折率層および低屈折率層からなる誘電体多層膜である、
   請求項１から３のいずれかに記載の透明スクリーン。
5. 前記反射防止層の反射率は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の厚みを変更することにより、設定される、
   請求項４に記載の透明スクリーン。
6. 映像光を投写するプロジェクタと、
   入射光の一部を直進透過させ、前記入射光の他の一部を拡散させることにより、前記映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンとを備え、
   前記透明スクリーンは、
   透明の基材と、
   前記基材の内部に配置され、前記映像光を拡散させる拡散部材と、
   前記基材の前記プロジェクタ側に配置された反射防止層とを有する、
   映像表示システム。
7. 前記透明スクリーンへの前記映像光の最大入射角で前記映像光が入射したときの前記反射防止膜の反射率は、０°の入射角で前記映像光が入射したときの前記反射防止膜の反射率よりも小さい、
   請求項６に記載の映像表示システム。
8. 前記プロジェクタは、前記透明スクリーンへの前記映像光の最大入射角が６０°以上７５°以下になるように、配置されている、
   請求項６または７に記載の映像表示システム。
9. 前記反射防止層の部分領域の反射率は、前記部分領域に入射する前記映像光の入射角において最も小さい、
   請求項６に記載の映像表示システム。
10. 前記反射防止層は、交互に積層された高屈折率層および低屈折率層からなる誘電体多層膜である、
    請求項６から９のいずれかに記載の映像表示システム。
11. 前記反射防止層の反射率は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の厚みを変更することにより、設定される、
    請求項１０に記載の映像表示システム。
12. 前記プロジェクタから遠い側の前記反射防止層の部分領域に入射する前記映像光の入射角における前記反射防止膜の反射率は、前記プロジェクタの中央に入射する前記映像光の入射角における前記反射防止層の反射率よりも小さい、
    請求項６に記載の映像表示システム。

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