WO2012046617A1 - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

画像表示装置において、スペックルノイズの低減及び外光の抑制を課題とする。 画像表示装置は、入射側面（６４）に横方向拡散用微細凹凸を有し長手方向が垂直方向の全反射プリズムシート（６２）と、これの出射側に設けた、入射面側に長手方向が垂直方向の小ピッチプリズム素子を有し出射面側にそのプリズム素子と直交する向きの長手方向が左右方向の大ピッチプリズム素子を有す全反射プリズムシート（６６）と、これの出射側に設けた、入射面側にシート（６６）の出射面側のプリズム素子の長手方向と同じ向きの小ピッチプリズム素子を有し出射面側にこのプリズム素子の長手方向と拡散方向が一致する向きの略一方向拡散をする微細凹凸を有する全反射プリズムシート（６８）と、これの出射側に設けられた、全反射プリズムシート（６８）の出射側面の拡散方向と同じ方向に延びるブラックストライプ（７２）を有すレンズ素子の長手方向がそのブラックストライプ（７２）の向きと同じレンチキュラーレンズシート（７０）からなるスクリーンを有する。

Description

画像表示装置

　本発明は、プロジェクションシステムに用いる画像表示装置に関するものである。

　プロジェクションシステム（プロジェクション型画像表示装置）は、一般に、スクリーンを略垂直方向に配置し、そのスクリーンの正面側又は裏面側に、そのスクリーンに対して光軸を例えば斜め下向きに或いは斜め上向きに画像光を照射するようにプロジェクタを配置し、そのプロジェクタからの画像光をそのスクリーンに照射してスクリーンの正面側又は裏面側から画像を視認するようにしたものである（特許文献１）。



　近年、プロジェクションシステムは、その大画面化により、必要とされる画面の明るさを確保するためには、当然、光源に明るさが要求される。　

　しかし、一般的に、光源であるＵＨＰランプやＬＥＤ光源、更にレーザー光源においても、出射光出力をあげるためには、発光部のサイズ（ＵＨＰランプではアーク長、ＬＥＤでは、チップサイズ、レーザーでは、チップのキャビティの大きさ）を大きくしなければ、耐久性（寿命）や効率の関係上出力光を大きくできない。



　さてここで、レーザー光源以外の一般的光源の発光は、あらゆる方向に光を発光するため、発光面積と発光光の立体角の積を意味するエタンデューは、大出力にすればするほど、大きくなってゆく。ところが、レーザー光源の場合、上述の問題が、理想的な場合発生しない。　

　なぜなら、レーザー光源は、ほぼ完全平行光を出力できるため、発光の立体角はゼロとなり、発光面積がいくら大きくなっても、エタンデューは常にほぼゼロだからである。従って、非常に多数のマルチチップで、レーザー光源を構成しても、レーザー以外の光源ではエタンデューが増大するのに、レーザー光源だけは、エタンデューが増大しないからである。



　プロジェクションシステムにおいて、エタンデューの大きな光源は、いかにレンズ設計を駆使しても、ランプ光学系や、拡大投射光学系で取り込める光の角度に制限があるため、大画面プロジェクションシステムでは、光の利用効率が悪化してしまう。　

　ところが、レーザー光源だけは、根本的にこの問題を解決することが、可能な光源といえる。従って、超大画面プロジェクションシステムで、光の利用効率を高めた状態で明るい表示を実現できるのは、現在の技術では、レーザー光源のみといっても過言ではない。



　更に、レーザー光源のエタンデューの小ささは、光学系を小さく設計できることを意味しているため、大型だけではなく、小さなプロジェクターでもコンパクト設計に威力を発揮できる光源である。



　近年、携帯電話サイズの携帯型ナノプロジェクターや、更にレーザーポインターサイズのピコプロジェクター等の開発や、これらをいかした新しい市場を狙った新商品開発が行われつつある。



　更に、レーザー光のスペクトル幅の狭さは、非常に色鮮やかな表示が可能であり、色再現領域の非常に広いディスプレイが可能となるため、近年、ディスプレイ光源としてレーザー、例えば半導体レーザーを用いる非常に注目されている（非特許文献１）。



　このように、レーザー光源を画像表示装置の光源に用いると優れた長所を有しているが、コヒーレンス性の非常に高い光であるため、致命的な短所が存在する。それがスペックルノイズパターンの表示面での発生である（上記非特許文献１）。　

　これは、時間的、空間的コヒーレンス性の高さによる、拡散フィルムであるスクリーンによるランダムな空間的干渉パターンが、表示画像の品位を著しく低下させるものである。しかもこのスペックルパターンは、スクリーン上だけでなく、空間的に三次元に存在し、観測者が目や頭を動かしたり、移動すると、表示画像と異なる方向や異なる速度で移動するため、非常に目障りなノイズパターンとなってしまう。



　そこで、このスペックルノイズパターン（シンチレーションパターン）を取り除く方法が、現在非常に盛んに研究、開発されている。　

　スペックル除去を行う方法として、物理的除去方法があり、そのルメカニズムは、スクリーンの拡散で発生する細かい位相変化の干渉で生じる空間的ランダム粒状光ノイズパターンを、スクリーンの拡散で生じる空間的に細かい位相変化と同じ空間的細かさの位相変化を時間的に発生させることにより、目の積分効果によって、均一化するものである。



　このメカニズムを最も簡単に実現する方法は、スクリーンの拡散フィルムと同じ拡散フィルムを積層して、一方を固定し他方をメカニカルに動かすものであり（特許文献２）、それにより、同じ細かさの位相変化を時間的に発生できるため、実用レベルのスペックル除去が可能となっている。

特開２００８－０２０４８５号公報 特開２０１０－０６０７４５号公報

レーザー開発２００８年４月Ｐ１７８～１８２「赤色半導体レーザとプロジェクター」

　しかし、 一方を固定し他方をメカニカルに動かす方式には、例えば、スクリーンに積層した位置で大面積の拡散フィルムを、たわまずに密着させ、解像度を落とさず回転させるというようなことが必要であるが、これは容易ではなく、メカニカルな問題として耐久性や、メインテナンス性、外光対策等の問題があった。



　本発明は、このような課題を解決すべく為されたものであり、大面積の拡散フィルムを大面積のスクリーンにたわまずに密着させ解像度を落とさず回転させる必要のない新規な手段でスペックルノイズの除去できるようにすることを一つの目的とし、更に、外光抑制を強くし、表示画像の外光に対するコントラストを良くし、照明が点いた明るいところでも明るく画像表示ができるようにすることを他の目的とする。

　請求項１の画像表示装置は、回転、移動又は振動する小型揺動拡散板と小型画像表示デバイスがほぼ結像光学系の共役結像の位置関係になるように設置され、かつ上記小型画像表示デバイスとスクリーンも拡大投射光学系の共役結像の位置関係になるように設置された画像表示装置において、上記スクリーンは、２枚以上の拡散フィルムの間に、直進透過光成分を、可能なかぎりなくすよう透過光の方向を異なる２方向以上に大きく変化させる、全反射型プリズムシート、若しくは屈折型プリズムシート、又は全反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートの組み合わせが挟みこまれている構成であることを特徴とする。　

　請求項２の画像表示装置は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記スクリーンの２枚以上の前記拡散フィルムが、ほぼ一方向のみに拡散する拡散特性を有し、この全ての拡散フィルムの拡散方向がプリズムシートの光の方向を変化させる方向とほぼ同じ方向となるようにプリズム長手方向とほぼ直交するように揃えさせられ、上記拡散フィルムの出射側に、レンズの長手方向と平行なブラックストライプを有するブラックストライプ付きのレンチキュラーレンズシートが、その各レンズ素子の長手方向が上記拡散フィルムの拡散方向に一致するように設けられたことを特徴とする。　

　請求項３の画像表示装置は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記スクリーンを構成する一枚又は複数枚の前記プリズムシートは、用いているプリズムシート枚数の２倍の面数であって、それぞれのシートにおける光の入射側の面と出射側の面から、少なくとも２つ以上の面を選択し、選択した面に、ほぼ光学特性の等しい全反射型プリズム形状若しくは屈折型プリズム形状、又は全反射型と屈折型の混合型プリズム形状を、光の進行方向において、前のプリズムシート形状で変化させた光の方向をほぼ逆にもどし、ほぼ平行光となるように、後のプリズムシート形状を、プリズムの長手方向を前のプリズムシート形状のプリズムの長手方向とほぼ揃えて配置、積層するか、又はこの長手方向をほぼ揃えて配置、積層したプリズムシート形状の組を複数組、互いの組の長手方向を、ほぼ直交させて配置、積層したことを特徴とする。　

　請求項４の画像表示装置は、請求項３に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、前記拡散フィルムが、ほぼ一方向にのみ拡散するフィルムを、複数枚、それぞれの拡散方向を全てほぼ揃えて用い、この拡散フィルムの間に１枚若しくは複数枚のプリズムシートを挟みこんで用いており、拡散フィルムの全てほぼ揃った拡散方向が、１枚、若しくは複数枚のプリズムシートのプリズム形状の長手方向が全てほぼ一致し、全ての拡散フィルムの拡散方向を、この方向とほぼ直交させ、プリズム形状の長手方向がほぼ直交させた構成を有するか、又はプリズム形状の長手方向がほぼ直交するものを含んでおり、ほぼ直交している長手方向のどちらか一方のみに、全ての拡散フィルムの拡散方向をほぼ直交させた構成を有し、更に、このほぼ揃った拡散方向を、スクリーン出射側に設置された前記ブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートのレンズ長手方向とほぼ一致させたことを特徴とする。　

　請求項５の画像表示装置は、請求項３又は４に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、それを構成する一枚若しくは複数枚のプリズムシート又は両面プリズムシートが入射側のプリズム形状ピッチより出射側のプリズム形状ピッチが小さいことを特徴とする。



　請求項６の画像表示装置は、請求項１，３，４又は５に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、それを構成する一枚または複数枚の前記プリズムシート及び前記両面プリズムシートのプリズム形状が、三角錐アレイ、四角錘（ピラミッド型）アレイ、六角錘アレイ又は多角形を底面形状とし、その他の面が三角形である多面体アレイ、若しくは円錐アレイ形状構造のシートであることを特徴とする。　

　請求項７の画像表示装置は、請求項１，２，３，４、５又は６に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、それを構成する一枚若しくは複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートが、光の方向を２方向以上に変化させている形状である屈折型又は全反射型の前記プリズム形状面が、多平面、曲面、若しくは曲面、又はこれらを組み合わせた集合体であることを特徴とする。　

　請求項８の画像表示装置は、請求項１，２，３，４、５、６又は７に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、それを構成する一枚または複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートを挟み込んでいる２枚以上の拡散フィルムに代えて、プリズムシート自体に、等方拡散用の微粒子若しくは一方向異方性拡散用の微粒子を添加するか、又はプリズムシートの平面部若しくはプリズム形状の表面形状を等方的、若しくは、一方向異方的に粗面化したものを用いたことを特徴とする。　

　請求項９の画像表示装置は、請求項１，２，３，４、５、６、７又は８に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、それを構成する一枚又は複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートのうち、一枚のプリズム形状自体又は両面プリズムシートの出射面側のプリズム形状自体を金属反射等による鏡面反射構造、金属拡散反射構造、若しくは金属異方性反射構造とするか、又は平面ミラー、平面拡散ミラー、若しくは平面異方性拡散ミラーを、一枚又は複数枚の上記プリズムシートの間、若しくはスクリーン出射側に設置した反射型スクリーンであることを特徴とする。　

　請求項１０の画像表示装置は、請求項９に記載の画像表示装置において、前記スクリーンは、外光抑制手段としてレンティキュラーレンズシート及びブラックストライプを有し、上記スクリーン表面にレンズ形状を有し、上記レンティキュラーレンズ表面に、レンズの集光方向とは垂直方向に拡散するアンチグレア用の異方性拡散機能を実現する表面形状か、若しくはモスアイ構造を有し、又は外光抑制手段としてフライアイレンズ及びピンホール型ブラックマスクを有し、上記スクリーン表面にレンズ形状を有し、ホットバー又はホットスポット回避のために、上記フライアイレンズレンズの表面にアンチグレア用の弱い等方性拡散機能を実現する表面形状を有するか、若しくはモスアイ構造を有することを特徴とする。



　請求項１１の画像表示装置は、請求項１，２，３，４、５、６、７、８、９又は１０に記載の画像表示装置の前記スクリーンと、レーザー光線をスキャンすることによって画像表示を行う装置とを組み合わせたことを特徴とする。

　請求項１の画像表示装置によれば、回転、移動又は振動する小型揺動拡散板と小型画像表示デバイスがほぼ結像光学系の共役結像の位置関係になるように設置され、かつ上記小型画像表示デバイスとスクリーンも拡大投射光学系の共役結像の位置関係になるように設置された画像表示装置において、上記スクリーンが、２枚以上の拡散フィルムの間に、直進透過光成分を、可能なかぎりなくすよう透過光の方向を異なる２方向以上に大きく変化させる、全反射型プリズムシート、屈折型プリズムシート、又は全反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートの組み合わせ等が挟みこまれている構成であるので、光を二つ（図２のビーム１とビーム２を参照されたし）に分けて例えば±６０°光の方向を変え、この二つに分かれたレーザー光線を上記プリズムシートにて大角度、例えば１２０°で干渉させることができる。



　従って、この二つに分かれたレーザー光線は、等位面の０、±π、±２πが一致した場所で位相が一致して強め合い、非常に周期の短いサイン関数となる。つまり、揺動（回転、移動又は振動）する小型化揺動拡散板の拡大投影系により拡大された位相情報から超高精細スペックルパターンが得られる。　

　そのスペックルパターンの波長（ピッチ）は、グリーン（緑）の光（波長が５００ｎｍ）を例にした場合、２８０ｎｍとなり、光の波長よりも短かくなる。



　このように、レーザー光線のなだらかな位相情報が、光学系内に設置した小型回転拡散板の回転によって、高速に移動すると、上記二本のレーザー光線間に位相差が生じることが分かる。この２つの切り出され交差させられたレーザー光線の位相差が、図２に示すようになだらかな位相波面のπ／２ あるとすると、拡大波面の移動により、片方のレーザー光線の位相がπ／２ 増加すると、もう片方はπ／２ 減少するため、２本のレーザー光線の位相差は相対的にπ変化できることになり、超高精細スペックルの山と谷が逆転し、目の積分効果により均一化が実現することになる。　

　この時間的に変化し、目の積分効果で消すことができる超高精細スペックルが、スクリーンの出射側の拡散フィルムに入射することとなる。拡大光学系でなだらかになっていたことが問題であったが、請求項１の画像表示装置では、拡大されても、スクリーン上で高精細な時間変化するスペックルに変換されてから、スクリーンの拡散フィルムに入射できるため、拡大倍率が大きくなっても、空間周波数の高いスクリーンの拡散で発生するスペックルに位相変化を与えることができる。　

　請求項２の画像表示装置によれば、前記スクリーンの２枚以上の前記拡散フィルムが、ほぼ一方向のみに拡散する拡散特性を有し、この全ての拡散フィルムの拡散方向が、その拡散方向をプリズムシートの光の方向を変化させる方向とほぼ同じ方向となるようにプリズム長手方向とほぼ直交するように揃えさせられ、更に、この拡散方向が、スクリーン出射側に設置されたブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートのレンズ長手方向と一致させられているので、このスクリーン出射側に設置されたブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートにより外光を抑制することができる。

　即ち、スクリーン（透過型スクリーン）の出射側に設置されたブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートに入射するレーザー光（プロジェクター光）は、その入射時点においては、レンチキュラーレンズシートブラックストライプ付レンティキュラーレンズシートの集光拡散しない方向のみに、一方向に拡散しているため、レンティキュラーレンズシートは、焦点位置に、ライン状に、光を集めることができ、ブラックストライプのスリット開口部のみから、集光して拡散させることができ、光のけられを回避できる。　従って、光のロスなく、スクリーン表面にブラックストライプをつけることができるため、外光の反射を有効に抑制し、明るい場所でも、高いコントラストの画像を表示できる。



　このレンティキュラーレンズシートの集光拡散は、一方向拡散フィルムの拡散方向と直交方向への拡散機能も兼ね備えている。　

　請求項３の画像表示装置によれば、ほぼ同じ光学特性の全反射型プリズムシートをレンズ形状側を互いに向かい合わせて積層した構成なので、スペックル低減制御と視野角設計とを互いに独立して行うことができる。この点について図７を参照して詳細に説明する。



　同図において、Ｗは動く小型揺動拡散板による移動するスペックル情報を拡大投影結像系により拡大した拡大波面であり、入射した光は、最初に達するプリズムシートにより全反射により向きを変えられる。図中のａ１、ａ２、ａ３のレーザー光線に着目するとこの光は下側へ６０°向きが変えられ、図中のｂ１、ｂ２、ｂ３の光線に着目するとこの光線は上側へ６０°向きが変えられる。　

　その２方向のレーザー光線は、たがいに交差するが、図７に示すように、光の入射側に形状をもつ、出射側の２枚目の全反射型プリズムシートによって、上側６０°から進入してくるレーザー光線と、下側６０°から進入してくるレーザー光線を、互いにプリズムピッチの半分の間隔で、互い違いに挿入して、かつ光の進行方向も、上側６０°と下側６０°方向をそれぞれ同じ正面法線方向０°へ変化させて、揃える働きをする。



　従って、この画像表示装置は、光の進行方向が、入射側と出射側で変化していない特性を有するが、その点が、請求項１，２に記載の画像表示装置のスクリーン構成と大きく異なる点である。



　即ち、請求項３に記載の画像表示装置は、スペックル低減を実現するメカニズムにおいて、光の方向を原理的に大きく変化させる必要がなく、スペックル低減機能と、視野角制御を独立に実現することが可能なのである。　

　次に、請求項３の画像表示装置によるスペックル低減機能の説明を行う。２枚目の例えば全反射型プリズムシートによって、上側６０°から進入してくるレーザー光線と、下側６０°から進入してくるレーザー光線を、互いにプリズムピッチの半分の間隔で、互い違いに挿入した状態に着目することとする。



　さてここで、入射拡大波面が切り出され、互い違いに挿入された波面の位相状態を図７の出射側全反射型プリズムシートの後に、実線でしめす、入射側a1, a2, a3 及び破線で示すｂ１、ｂ２、ｂ３のエリアの波面が、出射側では、互い違いに挿入されたｂ１、ａ１、ｂ２、ａ２、ｂ３、ａ３となっていることが、図より明らかである。次にａ１とｂ１ の位相差を考える。これは、下側に方向を６０°変え、位置的に下側へシフトし上側へ６０°方向を変えたエリアａ１と、上側へ方向を６０°変え、位置的に上側へシフトし下側へ６０°方向を変えたエリアｂ１とが近接して隣り合うため、もともとの切り出される前の拡大波面では、距離的に下側へシフトした距離と上側へシフトした距離の和だけ離れた位置の位相差を、近接した状態で作り出しているため、大きな位相差を出射側にプリズムピッチの間隔で作り出せることになる。　

　更に、切り出し挿入によって作り出される、位相変化部分は、非常に急峻なステップ型の位相変化が実現するため、空間周波数が非常に高い、位相変化成分が発現することとなる。このことが、スクリーンの拡散で発生する空間周波数の高いスペックルに対し、位相変化を与え、時間変化させるのに、大きな効果を発現することになる。　図７中の出射側に示した点線の波面ｗは、上側と下側からシフトしてきた、切り出されていないもとの拡大波面を描いてある。この２つの点線の上下シフト拡大波面を互い違いにプリズムピッチの半分で選択してゆくと、太い実線で示す実際の切り出し挿入波面が得られる。　

　次に、入射側の拡大波面が、光学系内に設置した小型回転拡散板の回転によって、矢印ａに示すように移動した場合の変化を、図７の左側の半分で変化前の状態を、右側の半分でその変化の状態を示すことにより表現する。



　入射側の拡大波面が、図７に示すように上側へ移動すると、出射側に示した点線の切り出されていない状態の２つの上下シフト波面も、同じ距離だけ同じ上側へシフトすることになる。　

　従って、２枚の向かい合った全反射型プリズムシートによって、切り出されて上下方向へシフトし、互い違いに挿入した波面も、同じ距離移動することになる。ここで注意すべきことは、２枚の向かい合った全反射型プリズムシートは、スクリーンに固定されているため移動しないことである。依って、図７の実線で示した実際の波面の、隣り合うエリア間の位相差の時間変化は、切り出される前の入射拡大波面の、上下シフト距離の和だけ離れた位置の位相差の時間変化が、近接したエリア間で発現する。上下シフト距離の和が、入射拡大波面の周期の半分以上に設定すると、出射側の位相差の時間変化は、プリズムピッチの半分の距離だけ離れた位置でπ以上の位相差変化を時間的に連続的に実現できる。　

　顕著な例として図７に示すエリアｂ３、ａ３に着目すると、左側の図と右側の図で、位相関係が逆転しており、プリズムピッチの半分の近接したエリア間で、位相差πの連続的時間変化が実現できることがわかる。実験で用いたプリズムシートのピッチは例えば３０μｍであるので、１５μｍ離れた位置間で、位相差πの連続的位相時間変化を実現できる。



　従って、スクリーンの拡散フィルムの拡散エレメントのサイズが１５μｍ以上であるなら、このスクリーン構成によって、ほぼ完全に、スペックルノイズパターンの白黒反転が実現でき、目の積分効果によって、理想的スペックル低減が可能になるのである。　

　請求項４の画像表示装置によれば、請求項３に記載の画像表示装置がほぼ光学特性の等しいプリズムシートを逆向きに向かい合わせて積層してなり、プリズムシートのペアにより光の方向を変化させることなく波面切り出し挿入により高い空間周波数の時間変化をするスペックルパターンを生成できることから、その画像表示装置に、このプリズムシート４枚構成の２ペアを挟み込む２枚の拡散フィルムの拡散方向を揃えて、外光対策用のブラックストライプ付レンティキュラーレンズシートの長手方向にのみ拡散するように拡散フィルムを設置することができ、従って、光ロスなく、外光対策を施すことができる。　

　請求項５の画像表示装置によれば、プリズムシート又は両面プリズムシートが入射側のプリズム形状ピッチより出射側のプリズム形状ピッチが小さいので、図８に示すように、出射側に点線で示した、切り出されていない上側からシフトしてきた波面と下側からシフトしてきた波面を互い違いに選択して挿入することとなり、ピッチは、出射側のプリズムピッチの半分で決まることが明らかである。



　注意すべきことは、入射側のプリズムシートのピッチには依存しないことである。従って、非常に高い空間周波数の時間変化するスペックルパターンを生成するには、出射側のプリズムピッチのみを細かくすれば良いことが分かる。　

　もしここで、入射側のプリズムピッチも非常に細かくし、光の波長の数倍程度まで細かく設計すると、光は回折によって、正しく動作せず、迷光が多くなってくる。従って、スクリーンの拡散フィルム直前で細かい波面挿入を実現したほうが、急峻な位相変化を細かく実現できることとなり、細かい拡散エレメントのからのスペックルパターンに対応できやすくなりスペックル低減効果が高まるのである。



　ちなみに、これとは反対に、入射側のプリズムシートのピッチを細かくした場合の構成を図９に示す。この図９からも明らかなように、出射側で波面挿入された結果、隣り合うエリアが、上側からシフトしてきた波面と、下側からシフトしてきた波面となっているピッチは、出射側のプリズムピッチで決定されていることが分かる。従って、時間的位相差が大きく変化する空間周波数は、出射側のプリズムピッチで決定するため、入射側のプリズムピッチをいくら細かくしても、出射側の切り出し挿入波面の大きく位相が変化する空間周波数は高くならない。　

　請求項６の画像表示装置によれば、プリズムシートとして、プリズム形状が全て一方向のみに形成されたものに代えて、プリズム形状が多方向にも合成された、三角錘、四角錘、六角錘等の底面が多角形で、その他の面が三角形である構造を有し、光の方向をある面内でのみ屈折や全反射で変化させるのではなく、スクリーン法線方向から、極角方向と方位角方向の両方の角度に対する変化を与え、レーザーの干渉の角度や、切り出し挿入方向を変化に富んだものを用いるので、スペックル低減効果を高め、光学素子フィルム枚数も削減することができる。　

　請求項７の画像表示装置によれば、請求項１，２に記載の画像表示装置については、スクリーン構成要素である、プリズムシートによる、レーザー光線の干渉角が単一である場合の問題を、入射側に拡散フィルムを設置することにより干渉角をばらつかせて解決し、請求項３，４、５に記載の画像表示装置については、スクリーン構成要素である、プリズムシートのペアによる、波面切り出し挿入における、波面シフト距離の和が単一であることの問題を、入射側に拡散フィルムを設置することにより、シフト距離の和をばらつかせることによって、解決することができる。



　このようにレーザー光線の干渉角が単一であったのは、プリズムシートの光の方向を変える、全反射又は屈折する面が、単一の平面でできているためであり、それが問題の原因になっていたのである。



　請求項７の画像表示装置においては、この面を単一な平面ではなく、多平面、曲面、曲面の集合体としたので、上記問題を解決することができる。　

　更に、請求項７の画像表示装置によれば、プリズムシートが、光の方向を２方向以上に変化させている形状である屈折型又は全反射型のプリズム形状面が、多平面、曲面、曲面の集合体であるので、プリズムシートと拡散フィルムを別の光学フィルムで構成する必要がなく、光学素子部材数を減らすことができ、製造容易化、低コスト化を図ることができる。



　請求項８の画像表示装置によれば、プリズムシートと拡散フィルムの二つの機能をプリズムシート自体に拡散機能を付加することによって、光学素子部材数を減らすことができ、製造容易化、低コスト化を図ることができる。



　具体的には、表面形状拡散フィルムは、プリズムシートの平面部、又はプリズム形状自体にプリズム形状を形成ようにしても良い。また、微粒子添加型の拡散フィルムであれば、プリズムシート内部に微粒子を添加するようにすることもでき得る。　

　請求項９の画像表示装置によれば、請求項１～８までの透過型リアプロジェクション画像表示装置のスペックル低減メカニズムを、反射型フロントスクリーンを用いた画像表示装置に適応させることができ、低スペックルの反射型フロントプロジェクション画像表示装置を提供することができる。



　即ち、請求項１～８に記載のシステムのスクリーンは全て、透過型のリアプロジェクション方式に対応する装置とスクリーン構成である。これはレーザー光線が、全て筐体内部に封じ込まれて、拡散光のみがスクリーンから出てくるため、レーザー光に対する安全性を重視すると、レーザー光源画像表示システムは、リアプロジェクション方式が現在の段階では、主流になると考えられている。　

　しかし、レーザー光線が、人が見ない位置から照射することがほとんど保証されている場合、たとえば、劇場、映画館、等の観客席からしか、人が見ないことが保証されており、人が立っても、投影光が、人に当たらない設計となっている場合、更に、パーソナルユースである、小型プロジェクターに弱いレーザー光源を用いて、小型のスクリーンに投影する場合は、反射型のフロントスクリーンであっても、レーザー光源画像表示システムは、応用が期待されている。この場合もやはり、スペックルノイズの問題は大きな課題となる。



　そこで、請求項９に記載の画像表示装置では、請求項１～８に記載された画像表示装置の透過型リアプロジェクションのスペックル低減メカニズムを、反射型フロントプロジェクションへ適応させるのである。　

　請求項１０の画像表示装置によれば、請求項９に記載の画像表示装置のスクリーンに外光抑制手段としてレンティキュラーレンズシート及びブラックストライプを設けたので、反射型フロントプロジェクションに適合させつつ、更に、外光抑制をすることができる。



　請求項１１の画像表示装置によれば、請求項１～１０に記載の画像表示装置の前記スクリーンと、レーザー光線をスキャンすることによって画像表示を行う装置とを組み合わせたので、ラスタスキャン方式の画像表示装置を提供することができる。　

　即ち、レーザー光源を用いた画像表示システムとして、小型画像表示デバイスの画像を拡大投射する方式以外に、レーザー光線の平行性を活かしたスキャン方式があり、主流となりつつある。これは、レーザー光線を高速に角度を変えて振り、スクリーン上を高速に順次移動させる、この移動に同期させて、時間的に高速に画像情報を順次表示させるものである。



　このスキャン方式は、ある瞬間に、スクリーンの一点しか、レーザー光線が照射されていないため、干渉し合える範囲が、レーザー光線が照射されているスクリーンの限定されたエリア内のみからの干渉による、スペックルノイズとなり、一般にスペックルが発生し難い方式となっている。　

　しかし、実用レベルである、ＵＨＰランプと比較すると、まだまだスペックルノイズが目立っている。そこで、このレーザービームスキャン方式に、請求項１～９に記載のシステムのスクリーンを組み合わせることによって、スペックルを大幅に低減しようとするのが請求項１１の画像表示装置なのである。



　レーザービームをスキャンすることは、レーザービーム内で、完全に位相がそろっている場合には、波面が完全平面波となるが、完全平面波を作る出すことは、現実のシステムでは不可能とされている。また仮に非常に平行性の良い光源があっても、空間を伝播する間に、回折現象によって、ビームの真ん中と端では位相差が発生してゆく。



　従って、このなだらかであっても位相差のある波面を有するレーザー光線が、スキャンシステムで、スクリーン上を移動してゆく物理現象は、請求項１～９に記載の光学系内に設置した、小型回転拡散板の拡大波面が、スクリーン上を移動してゆく物理現象と、非常に類似している。　

　依って、レーザースキャンタイプの画像表示装置に、請求項１～９に記載の画像表示装置のスクリーンを組み合わせることにより、拡大投影型のレーザータイプの画像表示装置と同様に、レーザースキャンタイプの画像表示装置にも、スペックル低減効果が期待できる。



　ちなみに、本願発明者の実験によって、プリズムシートとこれを挟み込んだ２枚の拡散フィルムで構成したスクリーンを試作し、レーザースキャンシステムと組み合わせることにより、スペックル低減効果を確認できた。

本発明の図示した各実施例の画像表示装置の基本構成図である。この基本構成は、レーザースキャンタイプの画像表示装置には適合しない。尚、画像拡大投影タイプであれば、透過型及び反射型のいずれの画像表示装置にも支障なく適合できる。 本発明の第１の実施例の画像表示装置（透過型）のスクリーンを示す断面図である。 上記第１の実施例に存在する若干の問題点を示す断面図である。 本発明の第２の実施例（図３に示した若干の問題点を解決した）の画像表示装置（透過型）のスクリーンを示す断面図である。 本発明の第３の実施例（透過型）の画像表示装置のスクリーンを示す斜視図である。 図５に示したスクリーンを用いた画像表示装置についての拡散角度（°）とスペックルコントラストとの関係図であり、横軸は入射側拡散板の水平方向における拡散角（°）であり、縦軸はスペックルコントラストであり、前提とする映像拡大率が１４０倍の場合である。 本発明の第４の実施例の画像表示装置（透過型）のスクリーンを示す断面図で、左側部分は揺動拡散板の揺動による波面の或る変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。 本発明の第５の実施例の画像表示装置（透過型）のスクリーンを示す断面図で、左側部分は揺動拡散板の揺動による波面の或る変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。 好ましくないスクリーン（透過型）を示す断面図で、左側部分は揺動拡散板の揺動による波面の或る変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。 本発明の第６の実施例の画像表示装置（透過型）のスクリーンを示す斜視図である。 本発明の第７の実施例の画像表示装置（反射型）のスクリーンを示す断面図である。 本発明の第８の実施例の画像表示装置（反射型）のスクリーンを示す断面図である。 本発明の第９の実施例の画像表示装置（反射型）のスクリーンを示す断面図である。 本発明の第１０の実施例の画像表示装置（反射型）のスクリーンを示す斜視図である。

　本発明の画像表示装置は、主として、回転、移動又は振動する小型揺動拡散板と小型画像表示デバイスがほぼ結像光学系の共役結像の位置関係になるように設置され、かつ上記小型画像表示デバイスとスクリーンも拡大投射光学系の共役結像の位置関係になるように設置された画像表示装置に関するものであり、その画像表示装置を構成する上記スクリーンについて種々の提案をするものであり、主として、小型画像表示デバイスの画像を拡大投射する方式の画像表示装置に適合できるものであるが、上記種々の提案が為された上記スクリーンと、レーザー光線をスキャンすることにより画像表示をする装置とを組み合わせることにより、レーザースキャンタイプの画像表示装置を提供することもできる。　

　また、本発明の画像表示装置は、透過型のものは当然に、反射型のものにも適用でき、本発明により、スペックルノイズの低い透過型の画像表示装置のみならず、スペックルノイズの低い反射型の画像表示装置をも提供することができる。

　以下、本発明の詳細を図示実施例に基づいて説明する。



　(基本構成図)



　図１は本発明の後述するスクリーンを図示した各実施例(第１～第１０の実施例）の基本構成を示す断面図であり、この基本構成は、後述する第１～第６の実施例の透過型のスクリーンを用いた画像表示装置に適用できるのみならず、第７～第１０の実施例の反射型のスクリーンを用いた画像表示装置に適用できる。但し、図示しない第１１の実施例のレーザースキャンタイプの画像表示装置には適用できない。　

　先ず、図１を参照して本発明の各実施例(第１～第１０の実施例）の基本構成について説明する。



　図面において、２はレーザー光源、４はレンズ、６はリフレクタ、８はレンズで、このレーザー光源２から出射されたレーザー光線はレンズ４、８及びリフレクタ６からなる光学系によりビーム径が拡径される。１０はホモジェナイザで、フライアイレンズ１２、１２及びレンズ１４、１４により構成され、上記光学系からのレーザー光線を受け、その強度分布の均一化を図る。１６は小型揺動拡散板で、ホモジェナイザ１０により強度分布の均一化されたレーザー光線を受けて拡散する。この小型揺動拡散板１６は図示しない機構により回転、移動又は振動せしめられる。　

　１８は両側テレセントリック結像系で、レンズ２０、２０からなり、小型揺動拡散板１６から出力されたレーザー光線による像を小型画像表示デバイス２２上に結像する。この両側テレセントリック結像系１８により、小型揺動拡散板１６と小型画像表示デバイス２２とが共役結像関係にされ、且つ位相情報も保持される。



　従って、小型揺動拡散板１６が例えば回転されていると、それにより拡散板１６から出力されたレーザー光線による像も回転しながら小型画像表示デバイス２２上に結像されるので、小型画像表示デバイス２２上で恰も小型揺動拡散板１６が例えば回転していると同じような光学状態が実現するのである。　

　２４は小型画像表示デバイス２２の画像をスクリーン２６に拡大投影結像する拡大投影結像系で、図１上では一つのレンズで構成されているかのようではあるが、必ずしもそうとは限らず、複数の光学素子の組み合わせにより構成されている場合が多い。Ｍは拡大投影結像系２４の拡大率、ａは小型画像表示デバイス２２と拡大投影結像系２４との距離、ｂは拡大投影結像系２４とスクリーン２６との距離である。



　スクリーン２６は、後述する第１～第６の実施例の場合は、透過型のリアプロジェクションタイプのものであり、第７～第１０の実施例の場合は、反射型のフロントプロジェクションタイプのものである。　

　尚、この基本構成は、必ずしも図１に示す構成と完全に一致していなければならないという訳ではなく、回転、移動又は振動する小型揺動拡散板と小型画像表示デバイスがほぼ結像光学系の共役結像の位置関係になるように設置され、かつ上記小型画像表示デバイスとスクリーンも拡大投射光学系の共役結像の位置関係になるように設置された画像表示装置であれば、それでよい。



　以下に述べる本発明の各実施例は、図１に示したスクリーン２６の構成に特徴があり、以下の説明はそのスクリーン２６の構成及び作用効果について行う。　

（実施例１）



　図２は本発明の第１の実施例(：実施例１)の画像表示装置のスクリーン２６ａの構成を示し且つ作用を説明する断面図である。



　３２はスクリーン２６ａを成す拡散シート３４の入射側に配置される全反射プリズムシートであり、例えばアクリル樹脂からなり、入射側は平坦で、出射側に頂角６０°の正三角形のプリズム素子が垂直方向に沿って多数配設されている。拡散シート３４は入射側に拡散用の凹凸を有し、出射側は平坦である。



　Ｗは、図１に示した拡大投影光学系により拡大されて相当になだらかにされた動く小型揺動拡散板１６からの位相情報の波面(等位相面）である。左側の矢印ａは波面Ｗのハーフピッチの動きである。　

　次に、本実施例の作用効果について説明する。図２に示すよう、左側から、図１の拡大投影光学系２４で拡大結像した、動く小型揺動拡散板１６の動く位相情報が、スクリーン２６ａに入射してくる。この位相情報の波面（等位相面）Ｗは、拡大されているため、図２に示すように非常になだらかになっている。この波面が、頂角６０°の正三角形の全反射プリズムシート３２に、形状の無い面から入射すると、屈折率１．５の６０°プリズム斜面で全反射して、もう一方の斜面に対し９０°で入射し、最も光のロスなくプリズムを抜けてゆく。 光の方向は６０°変化しており、正三角形プリズムシート３２であるので、光は２つ(ビーム１とビーム２）に分かれて、±６０°光の方向を変えることになる。この状態で、２つに分かれたレーザー光線(ビーム１とビーム２）が、大角度の１２０°で出射側の拡散フィルム３４上で干渉することとなる。

　その大角度の１２０°で干渉した状態を図２右上部分に示す。１２０°で交差するレーザー光線の等位相面の０、±π, ±２πが一致した場所で位相が一致し、強めあうため、光強度は、図に示すように、非常に周期の短いサイン関数となる。つまり超高精細スペックルパターンの発生である。このスペックルのピッチは、図に示す式(ピッチ＝λ／２ｓｉｎθ）より、グリーン(緑）の光線(波長λが５００ｎｍ）の場合、僅かに２８０ｎｍとなり、光の波長以下のパターンが発現できることとなる。



　さて、この状態で図の左側から入ってきているレーザー光線のなだらかな位相情報が、図１に示した光学系内に設置した小型揺動拡散板１６の回転によって高速に移動すると、図に示した２つのプリズム素子３２ａ、３２ａによって１２０°で交差し干渉している２本のレーザー光線間に位相差が生じることが分かる。　

　この２つの正三角形プリズム素子３２ａ、３２ａによって切り出され交差させられたレーザー光線の位相差が、図２左側に示すなだらかな位相波面のπ／２ある拡大波面の移動により、片方のレーザー光線の位相がπ／２ 増加すると、もう片方はπ／２減少するため、２本のレーザー光線の位相差は相対的にπ変化できることになり、超高精細(ファイン）スペックルの山と谷が逆転し、目の積分効果により均一化が実現することになる。



　この時間的に変化し、目の積分効果で消すことができる超高精細スペックルが、スクリーンの出射側の拡散フィルムに入射することとなる。拡大光学系でなだらかになっていたことが問題であったが、本実施例によれば、拡大されても、スクリーン上で高精細な時間変化するスペックルに変換されてから、スクリーンの拡散フィルムに入射できるため、拡大倍率が大きくなっても、空間周波数の高いスクリーンの拡散で発生するスペックルに位相変化を与えることができることが分かる。

　ところで、図２に示す実施例には若干の問題がある。図３はその問題を説明する断面図である。



　上述の第１の実施例のメカニズムによって、超高精細スペックルが、スクリーンの出射側の拡散フィルムに入射した場合を考える。図３の右側の表面形状拡散フィルムの形状側の入射面に着目しよう。そもそもスペックルとは、スクリーンの各点から出射されるレーザー光線の干渉によって、空間的に位相が合う位置は、輝点となり、位相が合わない空間的位置は急峻に暗くなるノイズパターンであった。さて、図３右側に示すように、今超高精細スペックルパターンである、サイン（ｓｉｎ）関数が、左側の拡大波面Ｗの移動によって２本のレーザー光線間に位相差が発現して、移動したとする。　

　ここで着目する点は、出射側拡散フィルム３４上の、超高精細サイン関数スペックルパターンと同じ周期の点、ａ点、ｂ点、ｃ点、ｄ点である。この４つの点における位相の時間的変化は、サイン関数が移動しても全て同じであることが、図より明らかである。



　つまり、この方式では、超高精細サイン関数スペックルパターンと同じ周期の拡散フィルムの点からの干渉によって発生する空間的スペックルパターンに対して、全体的な位相変化は与えられても、各点間の相対的位相変化を与えることができないことになる。つまり、光強度パターンは全く変化せず、目の時間積分効果によって低減できない空間的スペックルパターンが残ってしまうこととなる。　

　そこで、本願発明者はこの問題を解決する手段を模索した結果、プリズムシートの入射側に、もう一枚拡散フィルムを設置する等、拡散手段を設けることを案出した。



　というのは、そもそもこの問題が発現した理由は、２本のみの特定の角度（図２では１２０°）のみの干渉で超高精細スペックルを発生させていたため、単一周期のサイン関数となってしまったことにある。そこで、大角度で干渉するレーザー光線の交差角度にバラつきを与えてやれば、特定の角度のみの干渉とならない筈である。そして、それはプリズムシートの入射側に、もう一枚拡散フィルムを設置する等、拡散手段を設けることによって実現できるからである。それを実現したのが、次に述べるところの図４に示す本願発明の第２の実施例なのである。　

（実施例２）



　図４は本発明の第２の実施例(：実施例２)の画像表示装置のスクリーン２６ｂの構成を示し且つ作用を説明する断面図である。



　３２はスクリーンの拡散シート３４の入射側に配置される全反射プリズムシートであり、例えばアクリル樹脂からなり、入射側は平坦で、反射側に頂角６０°の正三角形のプリズム素子が垂直方向に沿って多数配設されている。拡散シート３４は入射側に拡散用の凹凸を有し、出射側は平坦である。全反射プリズムシート３２と拡散シート３４とは、第１の実施例におけると同様に存在する。



　本実施例(：実施例２）と、第１の実施例との違いは、全反射プリズムシート３２の入射側に拡散フィルム３６を追加配置したことである。　

　全反射プリズムシート３２の入射側に拡散フィルム３６を追加配置すると、図４に示すように、入射側に拡散フィルム３６があるために、全反射プリズムシート３２に入る前にレーザー光線が、角度的にばらついて入射される。



　尚、ここで重要なことは、全反射条件を満足する範囲内で拡散させる必要があることである。というのは、全反射条件がやぶれると、全反射プリズム３２が屈折型のプリズムとして動作するため、超高精細スペックルパターンの空間周波数が低くなり、スペックル低減効果が低くなるためである。



　さて、図４に示すように、全反射型プリズムシート３２の全反射条件を満足する範囲で、入射側でレーザー光線の角度にバラつきを与えてやり、出射側の拡散フィルム上で２(θ±θ1) で大角度干渉させてやると、図４の右側に示すようにサイン関数のピッチは、λ/(２ｓｉｎ(θ＋θ1))～λ/(２ｓｉｎ(θ－θ1)) の範囲で変化し、各周波数のサイン関数パターンは、時間的に異なる速度で移動することとなる。　

　そのことが、本システムで作り出される超高精細スペックルパターンの時間的変化をより大きくする効果を持ち、スペックル低減効果を更に引き上げることとなる。



　従って、図３に示す、単一周期の拡散フィルム上の各点からの干渉によって発生するスペックルパターンにおける、各点からの相対的位相差を発生できないという問題が回避され、かつ各周波数成分のスペックルパターンが異なる時間的速度で移動する効果により、大きなスペックル低減効果が発現できることが分かる。　

　（実施例３）



　図５は本発明の第３の実施例(：実施例３)の画像表示装置のスクリーン２６ｃの構成を示す斜視図である。



　本実施例のスクリーン２６ｃは、図４に示した第２の実施例のスクリーン２６ｂの後側に外光抑制のためのブラックストライプ付きレンチキュラーレンズシート３８を配置してなるものである。



　近年、画像表示装置については、明るい場所においてもスクリーンにコントラストの良い表示画像が得られるようにすることが要求されるようになりつつあり、そのため、外光抑制が必要となりつつある。そこで、外光抑制手段としてブラックストライプ付きレンチキュラーレンズシートを設けたのが本実施例なのである。　

　本実施例の入射側の拡散シート３６、出射側の拡散シート３４は、共に、一方向のみに拡散する特性を有する拡散シートであり、拡散シート３６と出射側の拡散シート３４とは、その拡散方向が互いに同じになるように向きを揃えて設置する。また、その両シート３６・３４間に挿入配置する全反射プリズムシート３２を、このシート３２の光の方向を２方向に変化させる方向が、上記両シート３６、３４の拡散方向と一致するような向きに配置する。



　そして、レンチキュラーレンズシート３８は、レンズ形状面が光入射側を向く向きで、その長手方向（蒲鉾状の各レンズ素子が長く延びる方向）が上記両シート３６、３４の拡散方向と一致する向きになるように配置されている。そして、レンチキュラーレンズシート３８の背面(レンズ形状面と反対側の面）に形成されたブラックストライプ４０、４０、・・・は、レンチキュラーレンズシート３８の各レンズ素子の焦点となる部分を除いた部分に形成されている。４２、４２、・・・は各隣接ブラックストライプ４０・４０、４０・４０、・・・間の開口部である。　

　このような実施例（：実施例３)のスクリーン２６ｃにおいては、一方向、例えば左右方向（横方向）のみに拡散する拡散フィルム３６、３４と、左右方向（横方向）のみに光の方向を変化させる全反射型プリズムシート３２を用いており、スクリーン出射側に設置したブラックストライプ付レンティキュラーレンズシート３８に入射する光は、ブラックストライプ付レンティキュラーレンズシートの集光拡散しない方向のみに、一方向に拡散している。



　そのため、レンティキュラーレンズシート３８は、その入射した光を焦点位置にライン状に、光を集めることができる、ブラックストライプ４０、４０、・・・のスリット開口部４２、４２、・・・のみから、集光して拡散させることができ、光のけられを回避できる。　

　従って、光ロスなく、スクリーン表面にブラックストライプをつけることができるため、外光の反射を抑制し、明るい場所でも、高いコントラストの画像を表示できる。



　このレンティキュラーレンズシート３８の集光拡散は、一方向拡散フィルムの拡散方向と直交方向への拡散機能も兼ね備えているのである。



　図６は図５に示した実施例のスクリーン２６ｂと図４に示した実施例のスクリーン２６ｃを用いて図１に示す光学系を形成した画像表示装置の試作品におけるスペックルコントラストを示すもので、横軸に図４に示した実施例において入射側に追加した拡散シート３６による拡散の角度２θ１をとり、縦軸にスペックルコントラストを取ったものであり、上の曲線は図４に示した実施例のスクリーン２６ｂの場合(レンチキュラーレンズシート３８及びブラックストライプ４０による外光対策のない場合）、下の曲線は図５に示した実施例のスクリーン２６ｃの場合(レンチキュラーレンズシート３８及びブラックストライプ４０による外光対策のある場合）を示す。　

　本測定は、拡大倍率が１４０倍であり、小型画像表示デバイス２２として０．７ｉｎｃｈの ＬＣＯＳ (Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ) を用い、９８ｉｎｃｈ (約１００ｉｎｃｈ) の大画面レーザー光源ＴＶに対応する構成のものについて行ったものである。縦軸のスペックルコントラストは、スペックルノイズの程度を示す評価パラメーターであり、画像のヒストグラム（縦軸が頻度で横軸が階調のグラフ）における、標準偏差を平均値で割った値である。小さい値ほど、スペックルノイズを低減できていることを示す。０はスペックルが完全に消滅している状態である。従来のＵＨＰランプのスペックルコントラストは約０．０５程度である。ＬＥＤランプは、約０．０８程度である。横軸は、入射側の一方向のガウス型拡散フィルム拡散角の半値全角を示してあるが、用いた全反射型プリズムシート３２は頂角６０°の正三角形型の全反射型プリズムシートで、プリズムピッチは３０μｍである。　

　従って、解像度は、画素ピッチが約１ｍｍであるため、全くぼけることなく問題が生じないことを確認した。出射側の一方向のガウス型拡散フィルムの拡散角の半値全角は、８０°のものを用いた。また、ブラックストライプ４０付レンティキュラーレンズートが有る場合と、無い場合のスペックルコントラストを測定したのは、ブラックストライプ４０付レンティキュラーレンズート３２の効果を確認するためである。



　グラフより、入射側拡散フィルムの拡散角が４０°でスペックルコントラストは最小値を示している。このことは、予想通りで、頂角６０°の全反射プリズムシートの全反射条件は、入射側拡散角が±２０°までであり、この角度を超えると、全反射条件が破れ、出射側の拡散フィルム上での、レーザー光線の交差角が急に小さくなり、超高精細スペックルの空間周波数が、急に低くなってゆくため、スペックル低減効果が小さくなることが証明されている。　

　従って、設計の理想状態は、入射側拡散角を、全反射型プリズムの全反射条件ぎりぎりに設計し、左右方向視野角は出射側拡散フィルム拡散角で広げる設計が、最も好ましい。この実験結果より、本システムは拡大倍率１４０倍にて、スペックルコントラスト０．０４７を実現できており、ＵＨＰランプを光源として用いたのと同等の特性をレーザー光源を用いた画像表示装置でも得ることが可能になり、実用システムとして十分な特性といえる。更に、外光抑制もブラックストライプで実現できている。



　尚、上記第１～第３の実施例においては、プリズムシートとして、全反射プリズムシート３２を用いているが、それに代えて屈折型プリズムシートを用いても良い。また、プリズムシートは一枚である必要はなく、複数枚もちいてもよい。その場合、複数枚のプリズムシートを全部全反射プリズムシートにしても良いし、全部屈折型プリズムシートにしても良いし、全反射プリズムシートと屈折プリズムシートの両方を用いるようにしても良い。



　また、光の方向の変化は２方向のみに限定する必要もない。例えば左右方向と上下方向の組み合わせも考えられる。　

（実施例４）



　図７は本発明の第４の実施例(：実施例４)の画像表示装置のスクリーン２６ｄの構成を示し、作用効果を説明する断面図であり、左側の部分は揺動拡散板の揺動による波面Ｗの矢印ａに示す変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。



　４４は全反射プリズムシートで、例えばアクリル樹脂からなり、入射側の面は平坦で、その反対側の面に頂角６０°の正三角形のプリズム素子が垂直方向に沿って多数配設されている。この全反射プリズムシート４４は、第１～第３の実施例の全反射プリズムシート３２と同じ構成を有し、同じように設置される。



　４６は全反射プリズムシートで、上記全反射プリズムシート４４と同様に、例えばアクリル樹脂からなり、出射側の面は平坦で、入射側の面に頂角６０°の正三角形のプリズム素子が垂直方向に沿って多数配設されており、正三角形のプリズム素子が形成された入射側の面が全反射プリズムシート４４の出射側に正対している。この二つの全反射プリズムシート４４と４６とは、プリズム素子相互の位相合わせをすることなく設置できる。　

　この第４の実施例は、スペックル低減と視野角の独立制御をすることができるようにするためのものである。即ち、第１～第３の実施例は、確かにスペックル低減能力は高いが、レーザー光線の大角度干渉を原理として用いているため、大きな角度で光の方向を変える必要があり、広視野角を実現するには、非常に都合が良いが、逆に明るさを重視する狭い視野角の設計が必要になった場合には、スペックル低減効果と視野角の独立制御ができていないため、問題が生じる場合がある。そこで、本願発明者は、スペックル低減と視野角の独立制御を可能とするべく模索、研究を進め、本実施例を案出するに至ったのである。　

　その第４の実施例（：実施例４）の原理を図７を参照して説明すると、次の通りである。本実施例のスクリーン２６ｄは図１の画像表示装置のスクリーン２６のところに位置させることは言うまでもないが、本実施例が第１～第３の実施例と異なるところは、略同じ光学特性の全反射プリズムシートを一対４４、４６レンズ形状側が向かい合うように配置することにある。



　図７における左側から入射する光線は最初の全反射型プリズムシート４４によって、拡大波面Ｗの一部分である図中のａ１、ａ２、ａ３が切り出されて、下側へ６０°全反射によって向きを変えられる。同様に、図中の拡大波面の一部分であるｂ１、ｂ２、ｂ３のエリアの波面が切り出され、上側へ６０°全反射によって光の進行方向が変へられる。この２方向のレーザー光線は、たがいに交差するが、図７に示すように入射側の面に形状を持つ出射側の２枚目の全反射型プリズムシート４６によって、上側６０°から進入してくるレーザー光線と、下側６０°から進入してくるレーザー光線を、互いにプリズムピッチの半分の間隔で、互い違いに挿入して、かつ光の進行方向も、上側６０°と下側６０°方向をそれぞれ同じ正面法線方向０°へ変化させて、揃える働きをする。図７の左半分の部分のうちの出射側の肉太の矩形状の波形及び右半分の部分のうちの出射側の肉太の矩形状の波形はその互い違い挿入により生じた波面を示している。　

　以上のことから、本実施例は、光の進行方向が入射側と出射側で変化していない特性を有することが第１～第３の実施例との大きな違いであり、スペックル低減を実現するメカニズムにおいて、光の方向を原理的に大きく変化させる必要がなく、スペックル低減機能と、視野角制御を独立に実現することが可能である。



　次に、本実施例のシステムのスペックル低減機能の説明を行う。２枚目の全反射型プリズムシート４６によって、上側６０°から進入してくるレーザー光線と、下側６０°から進入してくるレーザー光線を、互いにプリズムピッチの半分の間隔で、互い違いに挿入した状態に着目することとする。　

　さて、入射拡大波面Ｗが切り出され互い違いに挿入された波面の位相状態が図７の出射側全反射型プリズムシート４６の後に、実線で示されているおり、ここに着目すると、。入射側のａ１、ａ２、ａ３及びｂ１、ｂ２、ｂ３のエリアの波面が、出射側では、互い違いに挿入されたｂ１、a１、ｂ２、a２、ｂ３、a３となっていることが、図より明らかである。



　次に、ａ１ とｂ１の位相差を考える。これは、下側に方向を６０°変え、位置的に下側へシフトし上側へ６０°方向を変えたエリアａ１と、上側へ方向を６０°変え、位置的に上側へシフトし下側へ６０°方向を変えたエリアｂ１とが近接して隣り合うため、もともとの切り出される前の拡大波面Ｗでは、距離的に下側へシフトした距離と上側へシフトした距離の和だけ離れた位置の位相差を、近接した状態で作り出しているため、大きな位相差を出射側にプリズムピッチの間隔で作り出せることになる。更に、切り出し挿入によって作り出される、位相変化部分は、非常に急峻なステップ型の位相変化が実現するため、空間周波数が非常に高い、位相変化成分が発現することとなる。このことが、スクリーンの拡散で発生する空間周波数の高いスペックルに対し、位相変化を与え、時間変化させるのに、大きな効果を発現することになる。　

　図中の出射側に示した点線の波面ｗは、上側と下側からシフトしてきた、切り出されていないもとの拡大波面を描いてある。この２つの点線の上下シフト拡大波面を互い違いにプリズムピッチの半分で選択してゆくと、実線で示す実際の切り出し挿入波面が得られる。



　次に、入射側の拡大波面が、光学系内に設置した小型揺動拡散板の回転によって、移動した場合の変化の後の状態が図７の右の部分に示されており、そこに着目することとする。



　入射側の拡大波面Ｗが、図７における上側へ移動すると、出射側に示した点線の切り出されていない状態の２つの上下シフト波面も、同じ距離だけ同じ上側へシフトすることになる。



　従って、２枚の向かい合った全反射型プリズムシート４４、４６によって、切り出されて上下方向へシフトし、互い違いに挿入した波面も、同じ距離移動することになる。　

　ここで注意すべきことは、２枚の向かい合った全反射型プリズムシート４４、４６は、スクリーンに固定されているため移動しないことである。従って、図７の実線で示した実際の波面Ｗの隣り合うエリア間の位相差の時間変化は、切り出される前の入射拡大波面Ｗの上下シフト距離の和だけ離れた位置の位相差の時間変化が、近接したエリア間で発現する。上下シフト距離の和が、入射拡大波面の周期の半分以上に設定すると、出射側の位相差の時間変化は、プリズムピッチの半分の距離だけ離れた位置でπ以上の位相差変化を時間的に連続的に実現できる。



　顕著な例として図７に示すエリアｂ３、ａ３に着目すると、左側の図と右側の図で、位相関係が逆転しており、プリズムピッチの半分の近接したエリア間で、位相差πの連続的時間変化が実現できることがわかる。実験で用いたプリズムシート４４、４６のピッチは３０μｍであるので、１５μm 離れた位置間で、位相差πの連続的位相時間変化を実現できる。　

　従って、スクリーンの拡散フィルムの拡散エレメントのサイズが１５μｍ以上であるなら、このスクリーン構成によって、ほぼ完全に、スペックルノイズパターンの白黒反転が実現でき、目の積分効果によって、理想的スペックル低減が可能になる。



　ただ、この第４の実施例には、若干の問題がある。というのは、図７における上側からシフトしてくる波面のシフト距離と、下側からシフトしてくる波面のシフト距離の和が、入射側の拡大波面の位相ピッチ（周期）と一致した場合、図７の出射側に描いた２つの点線の波面が一致してしまい、２つの点線の波面を互い違いに、プリズムピッチの半分の間隔で選択しても、入射側の拡大波面と変わらない波面しか得られないことが分かる。つまりこのシステムは全く機能しないこととなる。



　この原因は、上下へのシフト距離の和がシステム全体で単一であることに起因する。従って、上下シフト距離を複数にするか、ばらつかせれば、上述の問題を回避できる。最も単純な手段は、入射側に拡散フィルムを設置することによって、上下シフト距離の和にばらつきを与えることである。もちろん全反射型プリズムシートの全反射面を多面体、曲面にする方式も考えられる。　

　具体的な構成としては、２枚の拡散フィルムを別途用意し、図７に示す互いに形状側を向かい合わせた全反射型プリズムシート４４、４６をその２枚の拡散フィルムの間に挟み込み用にすることが挙げられる。また全反射型プリズムシートではなく、光学特性がほぼ等しい屈折型のプリズムシートを、形状の無い平面側を向かい合わせて、プリズム長手方向を一致させて積層しても良い。また、この変形の構成として、光の入射側の面に形状を有する屈折型プリズムシートの光の出射側に、ほぼこのシートと光学特性の等しい光の入射側の面に形状を有する全反射型プリズムシートをプリズム長手方向を一致させて積層させるか、フィルム入射側の面に、屈折型プリズム形状を有し、かつフィルム出射側の面に屈折型プリズム形状を有し、入射側面のプリズム形状の長手方向と出射側面のプリズム形状の長手方向を一致させた両面プリズム形状シートを用いても良い。　

　また、図には示していないが、第４の実施例或いはそのバリエーションに対しても、第３の実施例の外光対策と同様の外光対策を施すことができる。つまり、先ず、２枚のプリズムシートを挟み込む２枚の拡散フィルムの拡散特性を一方向に限定し、拡散方向をそろえる。更に、２枚のプリズムシートの光の方向を変化させる方向も一致させておく。そして、この状態で、スクリーン出射側にこの一方向の拡散方向をブラックストライプ付きのレンティキュラーレンズシートの長手方向と一致させて、ブラックストライプ付きのレンティキュラーレンズシートを設置すれば、光をロスすることなく、ブラックストライプのスリット状開口部に光を集め、かつ一方向の拡散方向と直交方向にも、レンティキュラーレンズによって拡散可能である。



　依って、表示画像のコントラストをより高めることができる。　

　（実施例５）



　図８は本発明の第５の実施例(：実施例５)の画像表示装置のスクリーン２６ｅの構成を示し、作用効果を説明する断面図であり、左側の部分は揺動拡散板の揺動による波面Ｗの矢印ａに示す変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。



　本実施例は、入射側に全反射プリズムシート４４を有する図７に示した実施例とは、入射側に全反射プリズムシート５０を有する点で共通するが、この全反射プリズムシート５０と対を成す全反射プリズムシート５４のプリズム素子のピッチが全反射プリズムシート５０のそれに比較して顕著に小さい点で異なる。　

　図８を参照して第５の実施例の原理を説明する。



　本実施例(：実施例５）の基本的な原理は、図７に示した第４の実施例の原理と同じであるが、出射側のプリズムシート５４を、そのプリズムピッチが入射側のプリズム５０のプリズムピッチより小さくし、細かいプリズムアレイのシート構成にしていることが特徴である。



　図８より明らかなように、出射側に点線で示した切り出されていない上側からシフトしてきた波面と下側からシフトしてきた波面を互い違いに選択して挿入するピッチは、出射側のプリズムシート５４のプリズムピッチの半分で決まる。ここで、注意すべきことは、入射側のプリズムシートのピッチには依存しないことである。　

　従って、非常に高い空間周波数の時間変化するスペックルパターンを生成するには、出射側のプリズムピッチのみを細かくすれば良いことが分かる。



　もしここで入射側のプリズムピッチも非常に細かくし、光の波長の数倍程度まで細かく設計すると、光は回折によって、正しく動作せず、迷光が多くなってくる。



　上記の場合とは逆に、図９は入射側のプリズムピッチを出射側のプリズムピッチより小さくした構成を示し、左側の部分は揺動拡散板の揺動による波面Ｗの矢印ａに示す変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。この図において、５８はプリズムピッチを小さくした入射側の全反射プリズムシート、６０はそれよりプリズムピッチが大きい出射側の全反射プリズムシートである。　

　図９からも明らかなように、出射側で波面挿入された結果、隣り合うエリアが、上側からシフトしてきた波面と、下側からシフトしてきた波面となっているピッチは、出射側のプリズムピッチで決定されていることが分かる。



　従って、時間的位相差が大きく変化する空間周波数は、出射側のプリズムピッチで決定するため、入射側のプリズムピッチをいくら細かくしても、出射側の切り出し挿入波面の大きく位相が変化する空間周波数は高くならないことが図９より明らかである。



　依って、スクリーンの細かい拡散エレメントから発生するスペックル低減には、ほとんど効果を発揮できないことが分かる。



　つまり、スペックル低減効果に意味をもつ構成は、入射側プリズムピッチより出射側プリズムピッチを細かくした場合のみである。　

　（実施例６）



　図１０は本発明の第６の実施例(：実施例６)の画像表示装置のスクリーン２６ｆの構成を示す斜視図である。



　本実施例は、波面の切り出しと挿入機能を一方向に限定するのではなく、直交方向においても波面の切り出しと挿入を行い、入射拡大波面の二次元的時間変化を最大限利用してスペックル低減効果を高め、更に、外光抑制のためのブラックストライプ付きレンチキュラーレンズシートをスクリーン出射側に設けるものである。　

　６２は全反射プリズムシートで、全反射プリズム形状が出射側に形成されている。その全反射プリズムシート６２の出射側に形成された各プリズム素子は、図７に示した全反射プリズムシート４４のプリズム素子と同様のものであり、本実施例においては、各プリズム素子はその長手方向が垂直方向になるように向きが設定されており、その各プリズム素子による光の方向を変化させる方向は水平方向(横方向、左右方向）である。



　また、全反射プリズムシート６２の入射側の面６４には、一方向拡散用(横方向拡散用、左右方向拡散用）の細かな凹凸が光の拡散方向が全反射プリズムシート６２の上記プリズム素子による光の方向を変化させる方向と一致するように形成されている。

　６６は全反射プリズムシート６２の出射側に設けられた全反射プリズムシートであり、この全反射プリズムシート６６は、全反射プリズムシート６２の各プリズム素子とは向きが同じで、プリズムピッチが顕著に小さいプリズム素子を入射側に有し、出射側にはプリズムピッチが大きく、且つ、入射側のプリズム素子と直交する向きのプリズム素子を有する。



　６８は全反射プリズムシート６６の出射側に設けられた全反射プリズムシートであり、入射側には、全反射プリズムシート６６の出射側のプリズム素子とは向きが同じ（水平方向、左右方向）で、プリズムピッチが顕著に小さいプリズム素子が形成されている。また、出射側には、そのプリズム素子の光の方向を変化させる方向と直交する方向（水平方向、左右方向）に拡散する向きの拡散用の細かな凹凸が形成されている。　

　７０は全反射プリズムシート６８の出射側に配置されたブラックストライプ付きのレンチキュラーレンズシートで、７２、７２、・・・はそのシート７０の背面に形成されたブラックストライプ、７４、７４、・・・はブラックストライプ７２、７２、・・・が形成されていない開口部分である。



　このブラックストライプ付きのレンチキュラーレンズシート７０は外光抑制のためのものであり、レンズ素子の向きは長手方向が水平方向(水平方向、左右方向）と一致するようにされている。このレンチキュラーレンズシート７０は図５に示す第３の実施例のレンチキュラーレンズシート３８と同じように外光抑制効果を奏する。　

　図１０に示す第６の実施例のスクリーン２６ｆを用いる理由を述べると次の通りである。



　図５に示した実施例３の、ほぼ一方向のみに拡散する拡散特性を有する２枚以上の前記拡散フィルムの全ての拡散方向をプリズムシートの光の方向を変化させる方向とほぼ同じ方向となるようにプリズム長手方向とほぼ直交するように揃えさせ、更に、この拡散方向が、スクリーン出射側に設置されたブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートのレンズ長手方向と一致させるようにする手段では、実は、スペックル低減のために、入射拡大波面の２次元的時間変化を最大限利用することができない。



　というのは、外光抑制のためにスクリーン出射側に、ブラックストライプ付のレンティキュラーラレンズシートを設置した場合、このブラックストライプでの光のロスを発生させてはならないために、プリズムシートで光の方向を変化させることが許されるのは、レンティキュラーレンズの長手方向でありブラックストライプのスリット開口の長手方向に限定され、直交方向にプリズムシートを単純に積層することはできないからである。　

　従って、一方向のみの入射拡大波面の時間変化しか、スペックル低減に利用できないことがわかる。



　ところが、図１０に示すような、プリズム形状の長手方向を揃える実施例では、ほぼ光学特性の等しいプリズムシートを逆向きに向かい合わせて積層するため、この２枚のプリズムシートのペアによって、光の方向を変化させること無く、波面切り出し挿入によって、高い空間周波数の時間変化するスペックルパターンを生成できるため、この特性を利用して請求項３のプリズム形状長手方向直交システムでは、２枚のプリズムシートのペアを２ペア互いに直交方向にプリズムシートの長手方向を設置しても、プリズムシート４枚構成の２ペアを光が通過した状態であっても、光の方向は変化しないことになる。従って、このプリズムシート４枚構成の２ペアを挟み込む２枚の拡散フィルムの拡散方向を揃えて、外光対策用のブラックストライプ付レンティキュラーレンズシートの長手方向にのみ拡散するように拡散フィルムを設置すれば、光ロスなく、外光対策を施せることとなるのである。



　これが第６の実施例の特長なのである。　

尚、本実施例においては、プリズムシートとして全反射型のものを用いていたが、必ずしもそれに限定されず、屈折型のプリズムシートを用いるようにしても良い。また全反射型と屈折型プリズムシートを組み合わせても良い。また、光学素子の枚数を減らすために、平面同士が積層しているシートは、シート両面に形状を構成することにより、シート枚数を削減できる。



　ちなみに、図１０に示す第６の実施例では、入射側の１枚目の全反射型プリズムシート６２の入射面が入射側の一方向拡散フィルムの表面形状となっており、２枚目の全反射型プリズムシート６６は、入射面と出射面に互いにプリズム形状の長手方向が直交するように、全反射型プリズム形状が形成されている両面プリズムシートであり、３枚目の全反射型プリズムシート６８の出射側の面には、入射側の一方向拡散フィルムと同じ方向にのみ拡散する表面形状が形成されている。４枚目の光学素子が外光対策用のブラックストライプ付のレンティキュラーレンズシート７０である。全体でわずか４枚の光学シートを積層するだけでよく、光学シートの使用枚数を顕著に少なくすることができる。　

　図１０に示す構成のスクリーン２６ｆを図１に示す光学系のスクリーン２６として設置した画像表示装置を試作してシステム構築をし、拡大倍率180倍にてスペックルコントラストを測定した。尚、全反射型プリズムシート６２、６６は頂角６０°の正三角形プリズムで、プリズムピッチは３０μｍであり、画像表示デバイスとして０．７ｉｎｃｈのＬＣＯＳを用いて１２６ｉｎｃｈの大画面レーザー画像表示システムに対応させた。



　すると、その測定結果はスペックルコントラストが０．０６１であった。これは、ほぼ、ＵＨＰランプ光源とする画像表示装置並みの特性が達成されており、実用システムとして十分通用する特性といえ、画像表示装置に対する性能、価格等の種々の要求に充分に応えることができる高い実用性を有すると言える。　

　尚、前述の実施例１～６のスクリーン構成は、全て、プリズムシートと拡散フィルムが別の光学フィルムとなっていたが、光学素子部材をできるだけ減らし、製造容易性と安価なスクリーンを構成するには、拡散フィルムとプリズムの機能を一枚のシートに融合したほうが、得策となる、



　従って、表面形状拡散フィルムの形状をプリズムシートの平面部、又はプリズム形状自体に構成する方式、微粒子添加型の拡散フィルムであれば、プリズムシート内部に微粒子を添加する方式が考えられる。　

　（実施例７）



　図１１は本発明の第７の実施例(：実施例７)の画像表示装置のスクリーン２６ｇの構成を示し、作用効果を説明するための断面図である。本実施例及び後述する第８～第１０の実施例の前述した第１～第６の実施例との違いは、第１～第６の実施例が透過型のリアプロジェクション方式の画像表示装置対応であるのに対し、反射型のフロントプロジェクション方式の画像表示装置対応であることにある。



　即ち、前述した第１～第６の実施例のスクリーン２６ａ～ｆは全て、透過型のリアプロジェクション方式のものである。



　透過型のリアプロジェクション方式の画像表示装置は、レーザー光線が、全て筐体内部に封じ込まれて、拡散光のみがスクリーンから出てくるため、レーザー光に対する安全性を重視すると、レーザー光源を光源とする画像表示装置は、リアプロジェクション方式が現在の段階では、主流になると考えられており、重要性は高い。　

　しかし、レーザー光線が、人が見ない位置から照射することがほとんど保証されている場合、例えば、劇場、映画館、等の観客席からしか、人が見ないことが保証されており、人が立っても、投影光が、人に当たらない設計となっている場合、更に、パーソナルユースである、小型プロジェクターに弱いレーザー光源を用いて、小型のスクリーンに投影する場合は、反射型のフロントスクリーンであっても、レーザー光源画像表示装置として実用化する可能性が充分に高く、高い将来性が期待されている。従って、フロントプロジェクション方式の画像表示装置の重要性も決して無視できない。



　そして、フロントプロジェクション方式の画像表示装置においても、やはり、スペックルノイズは大きな問題となる。　

　そこで、リアプロジェクション方式の画像表示装置対応の第１の実施例の原理と同じ原理のフロントプロジェクション方式の画像表示装置対応のスクリーン２６ｇを提供するのが第７の実施例なのである。



　８０は頂角１２０°の二等辺三角形（頂角以外の二つの角の角度はそれぞれ３０°）のプリズム素子を多数形成した金属反射プリズムシートで、例えばアルミニウムからなる。



　左側から、図１の拡大投影光学系２４で拡大結像した、小型揺動拡散板１６の移動する位相情報が、スクリーン２６ｇに入射してくる。この位相情報の波面（等位相面）Ｗは、拡大投影光学系２４により拡大されているため、図１１に示すように非常になだらかになっているのは、第１の実施例の原理説明からもあきらかである。　

　この拡大揺動波面Ｗが、頂角１２０°の二等辺三角形のプリズム素子を有する金属反射プリズムシート８０の形状のある面に入射すると、３０°プリズム斜面で金属反射する。光の方向は１２０°変化しており、第１の実施例(図２参照）の場合と同様に、光は２つに(ビーム１とビーム２とに）分かれて、±１２０°光の方向を変えることになる。この状態で、２つに分かれた反射レーザー光線が、大角度の１２０°で出射側（入射側）の拡散フィルム上で干渉することとなる。



　その大角度の１２０°で干渉した状態を図１１左上部分に示す。１２０°で交差するレーザー光線の等位相面の０、±π, ±２πが一致した場所で位相が一致し、強めあうため、光強度は、図に示すように、非常に周期の短いサイン関数となる。つまり超高精細(ファインピッチ）スペックルパターンの発生である。　

　このファインスペックルのピッチは、図に示す式(ピッチ＝λ／２ｓｉｎθ）より、グリーン(緑）の光線(波長λが５００ｎｍ）の場合、僅かに２８０ｎｍとなり、光の波長以下のパターンが発現できることとなる。さて、この状態で図の左側から入ってきているレーザー光線のなだらかな位相情報が、光学系内に設置した小型揺動拡散板１６の回転によって高速に移動すると、図に示した２つの反射型プリズム素子８０ａ、８０ａによって１２０°で交差し干渉している２本のレーザー光線間に位相差が生じることが分かる。



　この２つの反射型プリズム素子８０ａ、８０ａによって交差させられたレーザー光線の位相差が、図１１の右側に示すなだらかな位相波面のπ／２ある拡大波面の移動(矢印ａがその移動を示す）により、片方のレーザー光線の位相がπ／２ 増加すると、もう片方はπ／２減少するため、２本のレーザー光線の位相差は相対的にπ変化できることになり、超高精細スペックルの山と谷が逆転し、目の積分効果により均一化が実現することになる。　

　この時間的に変化し、目の積分効果で消すことができる超高精細スペックルが、スクリーンの出射側の拡散フィルムに入射することとなる。拡大光学系でなだらかになっていたことが従来問題であったが、拡大されても、スクリーン上で高精細な時間変化するスペックルに変換されてから、スクリーンの拡散フィルムに入射できるため、拡大倍率が大きくなっても、空間周波数の高いスクリーンの拡散で発生するスペックルに位相変化を与えることができること、第１の実施例の説明でも述べたとおりである。



　ところで、この実施例７には、第１の実施例が持ち図３を用いて説明したと同じ若干の問題があった。即ち、図３の出射側拡散フィルム３４上の、超高精細サイン関数スペックルパターンと同じ周期の点、ａ点、、ｂ点、ｃ点、ｄ点の４つの点における位相の時間的変化は、サイン関数が移動しても全て同じであり、超高精細サイン関数スペックルパターンと同じ周期の拡散フィルムの点からの干渉によって発生する空間的スペックルパターンに対して、全体的な位相変化は与えられても、各点間の相対的位相変化を与えることができないという問題があった。つまり、光強度パターンは全く変化せず、目の時間積分効果によって低減できない空間的スペックルパターンが残ってしまうこととなる。



　上記第２の実施例はその問題を拡散シート３６を追加することによって解決していたが、同様に拡散シートを追加することによって第７の実施例のその問題を解決しようとするのが次に説明する第８の実施例である。　

　（実施例８）



　図１２は本発明の第８の実施例(：実施例８)の画像表示装置のスクリーン２６ｈの構成を示し、作用効果を説明するための断面図である。



　本実施例は、金属反射プリズムシート８０を有することは第７の実施例と同様であるが、その入射側の表面に拡散シート８２を有することに特徴がある。拡散シート８２はその入射側の表面８４に一方向拡散用の微細な凹凸を有する。



　このような実施例によれば、入射側に拡散シート８２があるために、金属反射プリズムシート８０に入る前にレーザー光線が、角度的にばらついて入射される。　

　図１２の左側に示すようにサイン関数のピッチは、λ/(２ｓｉｎ(θ＋θ1))～λ/(２ｓｉｎ(θ－θ1)) の範囲で変化し、各周波数のサイン関数パターンは、時間的に異なる速度で移動することとなる。



　そのことが、本システムで作り出される超高精細(ファインピッチ）スペックルパターンの時間的変化をより大きくする効果を持ち、スペックル低減効果を更に引き上げることとなる。　

　（実施例９）



　図１３は本発明の第９の実施例(：実施例９)の画像表示装置のスクリーン２６ｉの構成を示し、作用効果を説明するための断面図であり、左側の部分は揺動拡散板の揺動による波面Ｗの矢印ａに示す変化の前の状態を、右側部分はその変化の後の状態を示す。



　本実施例は、図７に示した第４の実施例の効果をそのまま反射型のスクリーンにおいても享受できるようにしたものであり、入射側に第４の実施例のプリズムシート４４と同様のプリズムシート８６を配置し、その出射側にプリズムシート８６からの光を反射するミラー８８を配置したものである。　

　このような実施例によれば、図７に示した第４の実施例の効果をそのまま反射型のスクリーンにおいても享受できる。というのは、拡大波面Ｗの一部分である図中のａ１、ａ２、ａ３が切り出されて、下側へ６０°全反射によって向きを変えられる。同様に、図中の拡大波面の一部分であるｂ１、ｂ２、ｂ３のエリアの波面が切り出され、上側へ６０°全反射によって光の進行方向が変へられる。この２方向のレーザー光線は、ミラー８８によって互いに交差するが、図１３に示すように、上側６０°から進入してくるレーザー光線と、下側６０°から進入してくるレーザー光線を、互いにプリズムピッチの半分の間隔で、互い違いに挿入して、かつ光の進行方向も、上側６０°と下側６０°方向をそれぞれ同じ正面法線方向０°へ変化させて、揃える働きをするからである。　

　（実施例１０）



　図１４は本発明の第１０の実施例(：実施例１０)の画像表示装置のスクリーン２６ｊの構成を示す斜視図である。



　本実施例のスクリーン２６ｊは、図１４に示すようにスクリーンの入射側に（反射プリズムシート及びその表面の拡散シートの前側に）外光抑制のためのブラックストライプ及びレンチキュラーレンズシートを配置してなるものである。



　９０は金属反射プリズムシートで、図１２の金属反射プリズムシート８０と同様のものであり、レンチキュラーレンズシート９２のレンズ形状の無い、金属反射プリズムへ密着積層した裏面９４には、一方向拡散用の微細な凹凸が形成されている。また、ブラックストライプもこの裏面９４に形成されている。金属反射プリズムシート９０の光の方向を変化させる方向とレンチキュラーレンズシート裏面９４に形成された表面形状一方向拡散面の拡散方向とは、互いに同じ方向、例えば水平方向（左右方向）に拡散するように向きが設定されている。　

　９８、９８、・・・はブラックストライプで、レンチキュラーレンズ９２の裏面側に形成されており、その向きは、金属反射プリズムシート９０とレンチキュラーレンズ裏面に形成された表面形状一方向拡散面９４の拡散方向と一致するように水平方向にされている。１００、１００、・・・・は各隣接ブラックストライプ９８・９８、９８・９８、・・・間に生じるスリット開口部である。



　１０２はレンチキュラーレンズシート９２の表面側に形成された蒲鉾状レンズであり、各蒲鉾状のレンズ素子の焦点が上記各開口部１００、１００、・・・に位置するように配置されている。



　このような構成によって、光ロス無く、スペックル低減と拡散機能が実現し、外光抑制も可能となる。　

　ここで注意すべきことは、レンティキュラーレンズ９２のレンズ形状が、スクリーン表面側に出ている場合、プロジェクター光のスクリーン表面のレンズ面で一方向（図１４では縦方向）のみに強く拡散反射するため、観測者は、正反射方向に縦に伸びた光強度の強いバー状のパターンを観測することになり、これが画質を著しく低下させる。これがホットバーと呼ばれる現象である。



　そのホットバー対策として、一般にレンズ表面にアンチグレア用の形状をつけるが、レンズ集光能力が落ちてしまうため、ブラックストライプの開口スリット幅を狭くできず、外光抑制機能を犠牲にして、ホットバーを回避することになる。　

　そこで、本実施例のような反射型スクリーンでは、この外光抑制とホットバー回避のトレードオフを、レンティキュラーレンズのレンズ表面に、レンティキュラーレンズの集光方向と垂直方向にのみ拡散する、アンチグレア用の拡散表面形状を施すことにより解決すると良い。つまり、ホットバーは、レンティキュラーレンズ集光方向に反射拡散するために発生するため、これと直交する方向に反射拡散させることにより、ホットバーをなくす。一方、集光する方向と直交する方向に拡散しても、全くブラックストライプで光がけられ、吸収されることはないため、ブラックストライプのスリット開口幅を広げる必要がない。つまり、外光抑制機能を犠牲にすることなく、ホットバーをなくすことができる。



　尚、図１４に示した第１０の実施例のスクリーン２６ｊは、図１２に示した第８の実施例のスクリーン２６ｈに対してレンチキュラーレンズシート９２及びブラックストライプ９８により外光対策を施したものであったが、それ以外の反射型スクリーン２６ｇ、２６ｉに対してもレンチキュラーレンズシート及びブラックストライプによる外光対策を施すことができる。　

　（実施例１１）



　図示しない本発明の第１１の実施例(：実施例１１)の画像表示装置について説明する。　本実施例は、本発明に係るスクリーンと、レーザー光線をスキャンすることによって画像表示を行う光学系とを組み合わせたものである。



　即ち、レーザー光源を用いた画像表示システムとして、小型画像表示デバイスの画像を拡大投射する方式以外の、主流となりつつある方式が、レーザー光線の平行性を活かした、スキャン方式である。これは、レーザー光線を高速に角度を変えて振り、ラスタスキャン方式のように、スクリーン上を高速に順次移動させ、この移動に同期させて、時間的に高速に画像情報を順次表示させる。　

　そのラスタスキャン方式は、ある瞬間に、スクリーンの一点しか、レーザー光線が照射されていないため、干渉し合える範囲が、レーザー光線が照射されているスクリーンの限定されたエリア内のみからの干渉による、スペックルノイズとなり、一般にスペックルが発生し難い方式となっている。しかし、実用レベルである、ＵＨＰランプと比較すると、まだまだスペックルノイズが目立っている。そこで、このレーザービームスキャン方式に、本発明に係るスクリーン、例えば上述したスクリーン２６ａ～２６ｊのいずれか一つを組み合わせることによって、スペックルを大幅に低減することができる。



　レーザービームをスキャンすることは、レーザービーム内で完全に位相がそろっている場合には、波面が完全平面波となるが、完全平面波を作る出すことは、現実のシステムでは不可能とされている。また仮に非常に平行性の良い光源があっても、空間を伝播する間に、回折現象によって、ビームの真ん中と端では位相差が発生してゆく。　

　従って、このなだらかであっても位相差のある波面を有するレーザー光線が、スキャンシステムで、スクリーン上を移動してゆく物理現象は、上述した図１に示す光学系内に設置した、小型揺動拡散板１６の拡大波面が、スクリーン上を移動してゆく物理現象と、非常に類似している。



　依って、レーザースキャンシステムに、本発明に係るスクリーンを組み合わせると、拡大投影型のレーザー画像表示システム同様に、スペックル低減効果が期待できる。



　実験によって、プリズムシートとこれを挟み込んだ２枚の拡散フィルムで構成したスクリーンを試作し、レーザースキャンシステムと組み合わせることにより、スペックル低減効果を確認できた。

　本発明は、小型画像表示デバイスの画像をスクリーンに拡大投射するリアプロジェクション方式の画像表示装置及びフロントプロジェクション方式の画像表示装置に産業上の利用可能性を有するのみならず、スキャンシステムのリアプロジェクション方式の画像表示装置及びフロントプロジェクション方式の画像表示装置にも産業上の利用可能性がある。

　　２・・・レーザー光源、１６・・・小型揺動拡散板、



　１８・・・両側テレセントリック結像系、２２・・・小型画像表示デバイス、



　２４・・・拡大投影結像系（共役結像関係形成手段）、



　２６(２６ａ～２６ｊ）・・・スクリーン、３２・・・全反射プリズムシート、



　３４・・・拡散シート、３６・・・追加拡散シート、



　３８・・・レンチキュラーレンズシート、４０・・・ブラックストライプ、



　４２・・・開口部、４４、４６・・・全反射プリズムシート、



　４８・・・拡散用の微細な凹凸のある面、５０・・・全反射プリズムシート、



　５４・・・プリズム素子のピッチが小さい全反射プリズムシート、



　７０・・・レンチキュラーレンズシート、７２・・・ブラックストライプ、



　７４・・・開口部、８０・・・金属反射プリズムシート、



　８２・・・拡散シート、８４・・・拡散用の微細な凹凸のある面、



　８６・・・全反射プリズムシート、８８・・・ミラー、



　９０・・・金属反射プリズムシート、



　９２・・・裏面に表面形状一方向拡散面を有するレンチキュラーレンズシート、



　９４・・・拡散用の微細な凹凸のある面、９８・・・ブラックストライプ、



１００・・・開口部、



１０２・・・ホットバー回避用一方向拡散表面形状を有する蒲鉾状レンズ。

Claims (11)

1. 
   
   
   　回転、移動又は振動する小型揺動拡散板と小型画像表示デバイスがほぼ結像光学系の共役結像の位置関係になるように設置され、かつ上記小型画像表示デバイスとスクリーンも拡大投射光学系の共役結像の位置関係になるように設置された画像表示装置において、
   
   
   
   　上記スクリーンは、２枚以上の拡散フィルムの間に、直進透過光成分を、可能なかぎりなくすよう透過光の方向を異なる２方向以上に大きく変化させる、全反射型プリズムシート、若しくは屈折型プリズムシート、又は全反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートの組み合わせが挟みこまれている構成である
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 
   
   
   　請求項１に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンの２枚以上の前記拡散フィルムが、ほぼ一方向のみに拡散する拡散特性を有し、この全ての拡散フィルムの拡散方向がプリズムシートの光の方向を変化させる方向とほぼ同じ方向となるようにプリズム長手方向とほぼ直交するように揃えさせられ、
   
   
   
   　上記拡散フィルムの出射側に、レンズの長手方向と平行なブラックストライプを有するブラックストライプ付きのレンチキュラーレンズシートが、その各レンズ素子の長手方向が上記拡散フィルムの拡散方向に一致するように設けられた
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
3. 
   
   
   　請求項１に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンを構成する一枚又は複数枚の前記プリズムシートは、用いているプリズムシート枚数の２倍の面数であって、それぞれのシートにおける光の入射側の面と出射側の面から、少なくとも２つ以上の面を選択し、選択した面に、ほぼ光学特性の等しい全反射型プリズム形状若しくは屈折型プリズム形状、又は全反射型と屈折型の混合型プリズム形状を、光の進行方向において、前のプリズムシート形状で変化させた光の方向をほぼ逆にもどし、ほぼ平行光となるように、後のプリズムシート形状を、プリズムの長手方向を前のプリズムシート形状のプリズムの長手方向とほぼ揃えて配置、積層するか、又はこの長手方向をほぼ揃えて配置、積層したプリズムシート形状の組を複数組、互いの組の長手方向を、ほぼ直交させて配置、積層した
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 
   
   
   　請求項３に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、前記拡散フィルムが、ほぼ一方向にのみ拡散するフィルムを、複数枚、それぞれの拡散方向を全てほぼ揃えて用い、この拡散フィルムの間に１枚若しくは複数枚のプリズムシートを挟みこんで用いており、拡散フィルムの全てほぼ揃った拡散方向が、１枚、若しくは複数枚のプリズムシートのプリズム形状の長手方向が全てほぼ一致し、全ての拡散フィルムの拡散方向を、この方向とほぼ直交させ、プリズム形状の長手方向がほぼ直交させた構成を有するか、
   
   
   
   　又は、プリズム形状の長手方向がほぼ直交するものを含んでおり、ほぼ直交している長手方向のどちらか一方のみに、全ての拡散フィルムの拡散方向をほぼ直交させた構成を有し、
   
   
   
   　更に、このほぼ揃った拡散方向を、スクリーン出射側に設置された前記ブラックストライプ付きレンティキュラーレンズシートのレンズ長手方向とほぼ一致させた
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
5. 
   
   
   　請求項３又は４に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、それを構成する一枚若しくは複数枚のプリズムシート又は両面プリズムシートが入射側のプリズム形状ピッチより出射側のプリズム形状ピッチが小さい
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
6. 
   
   
   　請求項１，３，４又は５に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、それを構成する一枚または複数枚の前記プリズムシート及び前記両面プリズムシートのプリズム形状が、三角錐アレイ、四角錘（ピラミッド型）アレイ、六角錘アレイ又は多角形を底面形状とし、その他の面が三角形である多面体アレイ、若しくは円錐アレイ形状構造のシートである
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
7. 
   
   
   　請求項１，２，３，４、５又は６に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、それを構成する一枚若しくは複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートが、光の方向を２方向以上に変化させている形状である屈折型又は全反射型の前記プリズム形状面が、多平面、曲面、若しくは曲面、又はこれらを組み合わせた集合体である
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
8. 
   
   
   　請求項１，２，３，４、５、６又は７に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、それを構成する一枚または複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートを挟み込んでいる２枚以上の拡散フィルムに代えて、プリズムシート自体に、等方拡散用の微粒子若しくは一方向異方性拡散用の微粒子を添加するか、又はプリズムシートの平面部若しくはプリズム形状の表面形状を等方的、若しくは、一方向異方的に粗面化したものを用いた
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
9. 
   
   
   　請求項１，２，３，４、５、６、７又は８に記載の画像表示装置において、
   
   
   
   　前記スクリーンは、それを構成する一枚又は複数枚の前記プリズムシート又は両面プリズムシートのうち、一枚のプリズム形状自体又は両面プリズムシートの出射面側のプリズム形状自体を金属反射等による鏡面反射構造、金属拡散反射構造、若しくは金属異方性反射構造とするか、又は平面ミラー、平面拡散ミラー、若しくは平面異方性拡散ミラーを、一枚又は複数枚の上記プリズムシートの間、若しくはスクリーン出射側に設置した反射型スクリーンである
   
   
   
   ことを特徴とする画像表示装置。
10. 
    
    
    　請求項９に記載の画像表示装置において、
    
    
    
    　前記スクリーンは、外光抑制手段としてレンティキュラーレンズシート及びブラックストライプを有し、上記スクリーン表面にレンズ形状を有し、上記レンティキュラーレンズ表面に、レンズの集光方向とは垂直方向に拡散するアンチグレア用の異方性拡散機能を実現する表面形状か、若しくはモスアイ構造を有し、又は外光抑制手段としてフライアイレンズ及びピンホール型ブラックマスクを有し、上記スクリーン表面にレンズ形状を有し、ホットバー又はホットスポット回避のために、上記フライアイレンズレンズの表面にアンチグレア用の弱い等方性拡散機能を実現する表面形状を有するか、若しくはモスアイ構造を有する
    
    
    
    ことを特徴とする画像表示装置。
11. 
    
    
    　請求項１，２，３，４、５、６、７、８、９又は１０に記載の画像表示装置において、
    
    
    
    　前記スクリーンと、レーザー光線をスキャンすることによって画像表示を行う装置とを組み合わせた
    
    
    
    ことを特徴とする画像表示装置。

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