(57)【要約】【課題】スクリーンの全域に亘って輝度むらを低減する。【解決手段】映像投影システムは、光源１１を備え、投影光を出射する光学系１０と、投影光を反射するスクリーンとを含み、光学系１０は、光源１１と映像中心とを結ぶ線を回転軸として構成される面のうち、少なくともある一面において、光源１１からの拡散光を略平行光に変換する光変換部材１４を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を備え、投影光を出射する光学系と、
前記投影光を反射するスクリーンとを含む映像投影システムであって、
前記光学系は、前記光源と映像中心とを結ぶ線を回転軸として構成される面のうち、少なくともある一面において、前記光源からの拡散光を略平行光に変換する光変換部材を含む
ことを特徴とする映像投影システム。
【請求項２】
前記光変換部材は、前記光源と映像中心とを結ぶ線を回転軸として構成される全ての面において、前記光源からの拡散光を略平行光に変換する
請求項１に記載の映像投影システム。
【請求項３】
下記式１を満たす請求項１又は２に記載の映像投影システム。
Ｌ／Ｈ≦１．５    ・・・式１
式１において、Ｈは、スクリーンの幅を示し、Ｌは、前記光学系と前記スクリーンの中心点Ｑとの投影距離を示す。
【請求項４】
下記式３を満たす請求項１〜３のいずれかに記載の映像投影システム。
ＢＵ０／ＢＵ１≧１．２    ・・・式３
ＢＵは、スクリーンの端部Ｐにおける輝度Ｂｐに対する、スクリーンの中心点Ｑにおける輝度ＢＱの割合すなわちＢＱ／ＢＰを示し、
式３において、ＢＵ０は、光変換部材不使用時におけるＢＵ値を示し、
ＢＵ１は、光変換部材使用時におけるＢＵ値を示す。
【請求項５】
前記スクリーンの視野角が１０°〜１３０°である
請求項１〜４のいずれかに記載の映像投影システム。
【請求項６】
前記スクリーンが車両の窓部に設けられている
請求項１〜５のいずれかに記載の映像投影システム。
【請求項７】
前記スクリーンの表面形状が長方形である
請求項１〜６のいずれかに記載の映像投影システム。
【請求項８】
前記スクリーンが湾曲したスクリーンである
請求項１〜７のいずれかに記載の映像投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像光を出射する光学系と映像光を反射するスクリーンと含む映像投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタは、光源からの光を映像情報に応じて変調して出射する。一般に、プロジェクタから出射された光は、スクリーンに投射される。
【０００３】
光源からスクリーンに投射された光の散乱光強度は、スクリーン面における正反射方向で強くなり、正反射方向からずれるにつれて小さくなる。その結果、例えば、スクリーンと観察者との間にプロジェクタを設置した場合、スクリーンの端部に入射した光が反射する方向と、スクリーンの端部から観察者へ反射する方向とがなす角（散乱角度）は、スクリーンの中央部における散乱角度よりも大きくなる。そのため、スクリーンに映し出された映像における中央部と端部とで、輝度むらが発生する。
【０００４】
特許文献１には、スクリーンの照度むらを抑制できるプロジェクタが記載されている。
【０００５】
図８は、特許文献１に記載されたプロジェクタを簡略化して示すブロック図である。図８に示すように、プロジェクタは、筐体６００内に設けられている光源６１０、第１レンズ６２０、第２レンズ６３０、および重畳レンズ６４０を備えている。また、重畳レンズ６４０からの光を導光する光ファイバ束６５０と、投写部６６１，６６２，６６３，６６４とを備えている。投写部６６１，６６２，６６３，６６４は、光をスクリーン６７０に照射する。
【０００６】
第１レンズ６２０は、小レンズがマトリクス状に配列された構造を有する。第１レンズ６２０は、光源６１０から出射された光束を複数の部分光束に分割する。第２レンズ６３０も、小レンズがマトリクス状に配列された構造を有する。第２レンズ６３０は、重畳レンズ６４０と共働して、第１レンズ６２０から出射された部分光束を光ファイバ束６５０の入射側に重畳する。
【０００７】
光源６１０から出射された光束は部分光束に分割され、部分光束が重層することによって、略均一な光束に変換される。そして、光ファイバ束６５０入射側には、略均一な光束が入射する。光ファイバ束６５０における各光ファイバの射出側端面から出射される光は、投写部６６１，６６２，６６３，６６４に入射する。
【０００８】
投写部６６１，６６２，６６３，６６４の各々は、映像情報に応じて入射光を変調して出射するプロジェクタ機能を有している。
【０００９】
スクリーン６７０において、投写部６６１，６６２，６６３，６６４のそれぞれの光照射領域６７１，６７２，６７３，６７４には、略均一な光束が到達するので、各光照射領域６７１，６７２，６７３，６７４の照度むらが抑制される。
【００１０】
また、特許文献２には、プロジェクタからの投写光を、平行化素子としてのフレネルレンズで略平行化し、フレネルレンズの透過光をプロジェクタに照射する表示装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１６０３０５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８９９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載されたプロジェクタは、スクリーン６７０の全体的な照度むらを低減するので、全体的な輝度むらは低減される。しかし、各々の光照射領域６７１，６７２，６７３，６７４に着目すると、各々の光照射領域６７１，６７２，６７３，６７４における端部における散乱光の方向は、中央部における散乱光の方向とは異なる。よって、各々の光照射領域６７１，６７２，６７３，６７４に映し出された映像における中央部と端部とでは、輝度むらが解消されない。
【００１３】
なお、特許文献２に記載された表示装置では、平行化素子からの光は、スクリーンには直接照射されない。平行化素子からの光は、平行化素子とスクリーンとの間に設置されている結像素子に入射される。
【００１４】
本発明は、スクリーンに光を投影する映像投影システムであって、スクリーンの全域に亘って輝度むらを低減できる映像投影システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による映像投影システムの一態様は、光源を備え、投影光を出射する光学系と、投影光を反射するスクリーンとを含む映像投影システムであって、光学系は、光源と映像中心とを結ぶ線を回転軸として構成される面のうち、少なくともある一面において、光源からの拡散光を略平行光に変換する光変換部材を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明による映像投影システムの他の態様は、光変換部材が、光源と映像中心とを結ぶ線を回転軸として構成される全ての面において、光源からの拡散光を略平行光に変換することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スクリーンの全域に亘って輝度むらを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】映像投影システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】光源からスクリーンへの光の進み方を示す説明図である。
【図３】光学系とスクリーンとの位置関係を説明するための説明図である。
【図４】スクリーンの端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。
【図５】スクリーンの端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。
【図６】湾曲したスクリーンの端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。
【図７】湾曲したスクリーンの端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。
【図８】従来の映像投影システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、映像投影システムの構成例を示すブロック図である。図１に示す映像投影システムは、光源１１、光学ユニット（電気光学装置）１２、投写レンズ１３、光変換部材１４、およびスクリーン２０を備える。
【００２１】
光学ユニット１２は、光源１１から出射された光を複数の色光に分離し、分離された複数の色光のそれぞれを映像情報に応じて変調し、変調された複数の色光を合成する。投写レンズ１３は、光学ユニット１２からの光を拡散する。なお、一般に、投写レンズ１３は、複数のレンズで構成される。投写レンズ１３のみの使用では拡大率が不足する場合には、投写レンズ１３と光変換部材１４との間に、さらに、光の拡散機能を有する拡大レンズ系を設置してもよい。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、光変換部材１４は、スクリーン２０に投影される映像の中心点をＣＰとしたときに、光源１１とＣＰとを結ぶ直線を回転軸として構成される面（以下、「回転軸面」という）のうち少なくともある一面において、光源１１からの拡散光を略平行光に変換する機能を有する。図２（ｂ）において、投射レンズ１３または拡大レンズ系を備える場合、光変換部材１４は、光源１１、図示しない投写レンズ１３または図示しない拡大レンズ系からの拡散光を、回転軸面のうち少なくともある一面（図２（ｂ）におけるｘｚ平面）において、平行光または略平行光に変換して出射する。図２（ａ）において、光変換部材１４は、光源１１、図示しない投写レンズ１３または図示しない拡大レンズ系からの拡散光を、全ての回転軸面（図２（ａ）におけるｘｚ平面およびｙｚ平面）において、平行光または略平行光に変換する。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、拡散光を全ての回転軸面において平行光または略平行光に変換する場合、輝度むらを抑制しやすくなり、好ましい。一方、図２（ｂ）に示すように、拡散光を１つの回転軸面において平行光または略平行光に変換する場合、光変換部材１４とスクリーン２０との間の光路において投影光が拡大するため、図２（ａ）に示すように拡散光を全ての回転軸面において平行光または略平行光に変換する場合と比較して、光変換部材１４を小型化でき、光学系１０の設置スペースも小さくできる点で好ましい。
【００２４】
光変換部材１４のサイズは、例えば、スクリーン２０の全面に平行光を照射可能なサイズである。光変換部材１４としては、例えば、複数のシリンドリカルレンズを組み合わせたレンズや、フレネルレンズからなるコリメートレンズおよび凹面鏡を使用することができる。コリメートレンズは変換精度が高く、好ましい。また、凹面鏡は安価であり、好ましい。
【００２５】
スクリーン２０として、背面の像を観察可能な反射型のスクリーン（以下、透明スクリーンという。）を使用可能である。一般に、スクリーンには、複数の観察者が映像を視認できるようにするために、広視野角が求められる。しかし、透明スクリーンに相当するウィンドシールド（フロントガラス）に映像情報を表示する車両用ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）などの用途では、狭視野角のスクリーンが求められる。特定の少数（一人を含む。）の観察者が映像を視認できればよいからである。
【００２６】
本実施形態の映像投影システムは、透明スクリーンなどの狭視野角に制御されたスクリーン２０が用いられる場合であっても、スクリーン２０の全域に亘って輝度むらを低減できる。ただし、本実施形態の映像投影システムにおいて、背面の像を観察不能な反射型のスクリーンを使用することもできる。
【００２７】
光源１１、光学ユニット１２、投写レンズ１３、および光変換部材１４が含まれる構造を光学系１０という。なお、本実施形態において、プロジェクタは、光学系１０、または、光学系１０から光変換部材１４を除いた部分に相当する。
【実施例】
【００２８】
次に、具体的な実施例を説明する。
【００２９】
例１〜例２９において使用したスクリーン２０のサイズやスクリーン２０の視野角などのパラメータと、スクリーン２０の端部における輝度と中央部における輝度むら抑制度の評価結果とを表１に示す。
【００３０】
表１において、Ａは、光変換部材１４としてコリメートレンズ使用時の値を示し、Ｂは、光変換部材１４を不使用時の値、換言すれば、投写レンズ１３または拡大レンズ系から、直接、スクリーン２０に光が照射された際の値を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
なお、例１〜例２９は実施例に相当する。
【００３３】
図３は、各実施例および各比較例における光学系１０とスクリーン２０との位置関係を説明するための説明図である。なお、スクリーン２０として、表面形状が長方形のものを想定する。図３（ａ）に示すように、スクリーン２０の水平方向の幅をＨとし、光学系１０（具体的には投写レンズ１３）からスクリーン２０の中心点Ｑまでの投写距離（投影距離）をＬとすると、スローレシオは、Ｌ／Ｈで表される。
【００３４】
本発明の映像投影システムを例えば車両用のウィンドシールドの一部に搭載する場合、スクリーンと光学系（具体的には、光を出射するプロジェクタ）の距離次第で設置に必要なスペースが定まる。すなわち、スローレシオが大きいほどプロジェクタ設置用のスペースを確保する必要がある。車両内部にプロジェクタを設置する場合、ダッシュボードの下など限られた場所に設置する必要があるため、特に設置スペースの確保が困難であり、スローレシオの小さいプロジェクタの使用が望まれる。例えば、プロジェクタとして短焦点プロジェクタを用いる場合、スローレシオＬ／Ｈは、以下の式１を満たすことが好ましい。超短焦点プロジェクタを用いる場合、スローレシオＬ／Ｈは０．７以下が好ましい。
【００３５】
Ｌ／Ｈ≦１．５    ・・・式１
【００３６】
また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、光学系１０の設置位置を、スクリーン２０の表面におけるｘ座標値とｙ座標値で表現する。具体的には、スクリーン２０の左下端の座標を（０，０）としたときの、光学系１０における光出射部位（投影部）の中心Ｒのｘ座標値をプロジェクタ（ＰＪ）位置（ｘ方向）とし、ｙ座標値をＰＪ位置（ｙ方向）と表現する。
【００３７】
各実施例では、所定幅および所定の視野角を有するスクリーン２０を用い、光学系１０を所定位置に設置し、観察者３０の位置で観察される、スクリーン２０における端部（例えば、図３におけるＰで示される箇所。以下「端部Ｐ」という）と中心点（例えば、図３におけるＱで示される箇所。以下「中心点Ｑ」という）とにおける輝度を比較した。
【００３８】
なお、図３（ｃ）に示すように、観察者３０の位置として、スクリーン２０と平行な平面において、ｘ座標値およびｙ座標値がＰＪ位置と同じ値である位置を想定した。以下、当該位置を「観察者方向の角度」と表現する。観察者方向の角度は、スクリーン２０における中心点Ｑ、もしくは端部Ｐから観察者３０に至る線分と、スクリーン２０の法線とがなす角度である。具体的には、スクリーン２０における中心点Ｑから観察者方向の角度をθ２、端部Ｐから観察者方向の角度をθ５と定義する。図３（ｃ）において、θ２＝０°である。なお、表１における角度は、スクリーン２０の法線方向に対し反時計まわりが正、時計回りが負である。
【００３９】
このとき、観察者方向の散乱光強度を大きくするために、光学系１０からの出射光の方向が調整されてもよい。例えば、散乱光の輝度分布に対し、最も輝度が高くなる方向に観察者３０がくるように、光学系１０の出射光の方向を調整してもよい。または、光学系１０を複数個設置してもよい。その際には、各光学系１０からの散乱光の輝度が最も高くなる方向に、各光学系１０からの出射光の方向を調整することが好ましい。
【００４０】
また、光学系１０に光変換部材１４を使用した場合すなわち表１におけるＡの場合、スクリーン２０には、光学系１０（具体的には、光変換部材１４）から略平行光が照射されるので、光学系１０からの光のスクリーン２０（例えば、図３に示す中心点Ｑへの入射角度θ１及び端部Ｐへの入射角度θ３）はいずれも０°である。
【００４１】
また、スクリーン２０の視野角は、光が散乱する所定範囲を表す角度であるが、例えば、スクリーン２０の反射光のピーク値が最大になる方向を基準にして反射光がピーク値の半値になる角度の幅を視野角とする。
【００４２】
例えば、車の運転席に座った観察者３０が、運転席手前のウィンドシールドに設置されたスクリーン２０上の映像を視認する用途においては、昼間でも映像を視認できるようにする必要がある。そのため、スクリーンの視野角を特定の範囲に限定した上で輝度を高める必要があり、例えば視野角が１３０°以下のスクリーン２０が好ましい。一方、スクリーン２０の視野角が１０°以上であることが、投影された映像の端部と中央部との輝度むらを抑制しやすい点で好ましい。例えば、ウィンドシールド上にスクリーン２０を設置したヘッドアップディスプレイに映像を表示する場合には、スクリーン２０の視野角をある程度広くすることが好ましく、スクリーン２０の視野角が３０°以上であることが好ましい。
【００４３】
以下、表１における輝度の算出方法を説明する。輝度は散乱光強度と線形の関係があり、散乱光強度は映像光が散乱する角度の方向（以下、「散乱角度」という。）に対して正規分布で反射するものとし、式２を用いて輝度を計算した。
【００４４】
【数１】
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【００４５】
式２において、ｘは散乱角度、ＦＷＨＭはスクリーン２０の視野角、σ２は分散、ｌｎは底をネイピア数とする対数である。散乱角度ｘは、図３（ｃ）において、光学系１０からの映像光がスクリーン２０の端部Ｐで正反射する方向の線分と、端部Ｐから観察者方向に至る線分とがなす角度である。すなわち、図３（ｃ）において、端部Ｐで正反射する方向の線分と、スクリーン２０の法線とがなす角度をθ４と定義すると、散乱角度ｘは、｜θ５−θ４｜に相当する。
【００４６】
表１において、スクリーン２０の中心点Ｑにおける輝度と、端部Ｐにおける輝度の割合を輝度むらＢＵとして示した。すなわち、輝度むらＢＵは、端部Ｐにおける輝度をＢＰ、中心点Ｑにおける輝度をＢＱとしたときに、ＢＰに対するＢＱの割合すなわちＢＱ／ＢＰに相当する。さらに、輝度むらの抑制効果を評価する手法として、輝度むら抑制度を示した。
【００４７】
輝度むら抑制度は、光変換部材１４不使用時における輝度むらＢＵ値をＢＵ０、光変換部材１４使用時における輝度むらＢＵ値をＢＵ１としたときに、ＢＵ０／ＢＵ１に相当する。輝度むら抑制度ＢＵ０／ＢＵ１が大きくなるほど、スクリーン２０の端部Ｐにおける輝度ＢＰと中心点Ｑにおける輝度ＢＱとの差が抑えられることを示す。一方、輝度むら抑制度ＢＵ０／ＢＵ１が１に近づくほど、スクリーン２０の端部Ｐにおける輝度ＢＰと中心点Ｑにおける輝度ＢＱの差の抑制効果が小さいことを示す。
【００４８】
輝度むら抑制度ＢＵ０／ＢＵ１は、以下式３の範囲を満たすことが好ましい。
【００４９】
ＢＵ０／ＢＵ１≧１．２    ・・・式３
【００５０】
例１〜２９に示すように、輝度むら抑制度ＢＵ０／ＢＵ１が１．２以上であることで、スクリーン端部Ｐと中心点Ｑとの輝度むら抑制効果が充分に確認できた。なかでも、輝度むら抑制度ＢＵ０／ＢＵ１が１．５以上である例５〜１１、例１４〜２１、例２２〜２９においては、輝度むら抑制効果をより顕著に確認できた。
【００５１】
表１に示された比較結果からわかるように、光変換部材１４が使用されると、スローレシオＬ／Ｈが１．１程度の比較的短焦点のプロジェクタを用いる場合でも、スクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくすることができる。
【００５２】
また、光変換部材１４が使用されると、視野角が７０゜以下の透明スクリーンなどの狭視野角のスクリーン２０を用いるときにも、スクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくすることができる。
【００５３】
図４は、スクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。図４に示すように、光学系１０（具体的には、光変換部材１４：図４では記載省略）は、少なくとも水平面４０と平行な一方向において、スクリーン２０に対して略垂直に投影光を照射する。図４において、矢印は投影光を示す。なお、図４では、スクリーン２０におけるある一次元方向に投影光が照射される様子が示されているが、投影光は、スクリーン２０の全面に、水平面４０と平行な一方向において略垂直に照射される。また、図４には、水平面４０と平行な方向を把握しやすくするために、水平面４０と平行な平面４１も示されている。
【００５４】
なお、「略垂直に投影光を照射」は、例えば、入手可能な光変換部材１４、一例として市販されているコリメートレンズが出射する平行光の厳密な平行方向との誤差に基づいて、厳密に垂直に照射するとはいえないので、そのように表現されているのである。垂直に投影光を照射できるのであれば、当然、そのような光変換部材１４を使用することが望ましい。
【００５５】
図５も、スクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。図５に示すように、光学系１０（具体的には、光変換部材１４：図５では記載省略）は、少なくとも水平面４０と直交する鉛直面４２に平行な一方向において、スクリーン２０に対して略垂直に投影光を照射する。図５において、矢印は投影光を示す。なお、図５では、スクリーン２０におけるある一次元方向に投影光が照射される様子が示されているが、投影光は、スクリーン２０の全面に、鉛直面４２に平行な一方向において略垂直に照射される。
【００５６】
上記の実施形態および実施例では、平面状のスクリーン２０が用いられたが、車両のウィンドシールドの一部など湾曲したスクリーンを用いることもできる。その場合、スクリーン２０が投射光に対して略垂直ではなく、傾斜を有して配置されていてもよい。すなわち、投影光は、スクリーン２０の全面に、鉛直面４２に平行な一方向において略垂直ではなく、傾斜を有して照射されてもよい。
【００５７】
図６は、湾曲したスクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。図６に示すように、光学系１０（具体的には、光変換部材１４：図６では記載省略）は、少なくとも水平面４０と平行な一方向において、スクリーン２０に対して略垂直に投影光を照射する。図６において、矢印は投影光を示す。なお、図６では、スクリーン２０におけるある一次元方向に投影光が照射される様子が示されているが、投影光は、スクリーン２０の全面に、水平面４０と平行な一方向において略垂直に照射される。また、図６には、水平面４０と平行な方向を把握しやすくするために、水平面４０と平行な平面４１も示されている。
【００５８】
図７も、湾曲したスクリーン２０の端部の輝度と中央部の輝度との差を小さくするための投影光の照射方向を説明するための説明図である。図７に示すように、光学系１０（具体的には、光変換部材１４：図７では記載省略）は、少なくとも水平面４０と直交する鉛直面４２に平行な一方向において、スクリーン２０に対して略垂直に投影光を照射する。図７において、矢印は投影光を示す。なお、図７では、スクリーン２０におけるある一次元方向に投影光が照射される様子が示されているが、投影光は、スクリーン２０の全面に、鉛直面４２に平行な一方向において略垂直に照射される。
【００５９】
なお、上記の実施形態および実施例では、車両のウィンドシールドの一部など湾曲したスクリーンや、傾斜を有するスクリーンを用いることもできる。その場合、スクリーン２０が投射光に対して略垂直ではなく、傾斜を有して配置されていてもよい。すなわち、投影光は、スクリーン２０の全面に、鉛直面４２に平行な一方向において略垂直ではなく、傾斜を有して照射されてもよい。
【００６０】
以上に説明したように、上記の実施形態および実施例では、光変換部材１４を用いて、所定条件（例えば、上記の略垂直に照射）で投影光（映像光）がスクリーン２０に照射されるので、スクリーンの全域に亘って輝度むらが低減される。
【符号の説明】
【００６１】
１０  光学系
１１  光源
１２  光学ユニット（電気光学装置）
１３  投写レンズ
１４  光変換部材
２０  スクリーン
３０  観察者
４０  水平面
４２  鉛直面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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