(57)【要約】表示光の反射によって表示される投影像の性能を確保しつつ、外界からの透過像の歪みを低減するスクリーンを提供する。一方の面に連続的に繰り返し配列された第１プリズム構造１１を有する第１光学素子１０と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第２プリズム構造２１を有する第２光学素子２０とを備え、第２プリズム構造２１は、第１プリズム構造１１の形状を略反転させた形状を有し、第１及び第２光学素子１０，２０は、第１及び第２プリズム構造１１，２１を対向させた状態で接合されており、第１及び第２光学素子１０，２０の接合面ＣＲにおいて、表示素子３０からの表示光Ｌ１を第１及び第２プリズム構造１１，２１の少なくともいずれか一方により反射光ＬＲとして反射させるとともに、表示素子３０と反対側からの光を透過光Ｌ２として透過させることにより、反射光ＬＲと透過光Ｌ２とを重ねて観察可能にし、第１プリズム構造１１は、スクリーン面１００ａに沿った少なくとも第１方向に配列され、第１方向に位置において、第１プリズム構造１１の傾き、及び第１プリズム構造１１のスクリーン面１００ａに垂直な方向の曲率の少なくともいずれか一方が異なる。
2018190434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に連続的に繰り返し配列された第１プリズム構造を有する第１光学素子と、
一方の面に連続的に繰り返し配列された第２プリズム構造を有する第２光学素子と、
を備え、
前記第２プリズム構造は、前記第１プリズム構造の形状を略反転させた形状を有し、
前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、前記第１プリズム構造と前記第２プリズム構造とを対向させた状態で接合されており、
前記第１及び第２光学素子の接合面において、表示素子からの表示光を前記第１及び第２プリズム構造の少なくともいずれか一方により反射光として反射させるとともに、前記表示素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、前記反射光と前記透過光とを重ねて観察可能にし、
前記第１プリズム構造は、スクリーン面に沿った少なくとも第１方向に配列され、
前記第１方向の位置に応じて、前記第１プリズム構造の傾き、及び曲率の少なくともいずれか一方が異なる、スクリーン。
【請求項２】
前記第１プリズム構造は、前記スクリーン面に沿って直交する２方向のうち少なくとも前記第１方向に配列される、請求項１に記載のスクリーン。
【請求項３】
前記第１プリズム構造は、前記直交する２方向のうち第２方向に略平行に延びる部分を有するとともに湾曲しており、
前記第１プリズム構造の前記スクリーン面に平行な方向の曲率が前記第１方向の位置に応じて変化する、請求項２に記載のスクリーン。
【請求項４】
前記第１プリズム構造は、周期的な構造及び非周期的な構造のいずれか一方である、請求項１から３までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項５】
略鉛直方向に延びるように配置される、請求項１から４までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項６】
前記第１及び第２光学素子において、前記接合面と反対側の面は平面であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項７】
前記第１方向は、鉛直方向を前記スクリーン面に投影した方向である、請求項１から６までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項８】
前記第１プリズム構造は、入射光束の中心の主光線と、前記主光線が前記スクリーン面で反射された出射光線とを含む面に水平な方向、かつ前記スクリーン面に垂直な方向に段差構造を有し、
前記スクリーン面に投影した前記主光線が入射する方向に向かって、各第１プリズム構造における前記段差構造の最小高さが減少する、請求項１から７までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項９】
前記スクリーン面のうち前記表示素子からの画像を表示させる表示部の反射率は、前記表示部の周囲の領域の反射率よりも高い、請求項１から８までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項１０】
前記第１プリズム構造は、前記表示光を反射させる反射部と、前記表示光の反射に寄与しない段差壁部とを有し、
前記段差壁部は、以下の条件式を満たす、請求項１から９までのいずれか一項に記載のスクリーン。
θｗ≦θ２    …    （１）
ここで、
θｗ：水平面と前記段差壁部とのなす角度
θ２：前記水平面と前記第１プリズム構造で反射する前の反射光線とのなす角度
【請求項１１】
前記接合面において、第１プリズム構造側の基材と、前記第２プリズム構造側の基材とは、略同じ屈折率を有する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項１２】
前記反射部と前記段差壁部とを繋ぐ頂点は、Ｒ面を有する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のスクリーン。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか一項に記載のスクリーンと、
前記スクリーン越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、
を備える、画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光透過性を有しつつ、画像を投影表示させるスクリーン、及びスクリーンを用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとする）装置等に用いる光透過型のスクリーンがある。このスクリーンは、画像表示装置の光学ユニット又は描画ユニットからの表示光を反射し、かつ外界からの光を透過させるものである。ＨＵＤ装置において、表示光は斜め方向からスクリーンに入射する。そのため、表示光は、スクリーンにおいて観察者が表示光による投影画像を認識するように所定の方向に曲げられることが求められる。【０００３】
ＨＵＤ装置の光学ユニット内に設けられ、光路幅を調整するプリズムシートの例ではあるが、プラスチック製又はガラス製の透明基板の片側に複数の鋸歯状突起を有するものがある（特許文献１参照）。この鋸歯状突起はプリズムとして作用し、各々のプリズムはプリズムシートに入射する光路を所定の方向に曲げることができる。【０００４】
しかしながら、特許文献１では、鋸歯状突起を有する面が露出した構成となっているため、例えばＨＵＤ装置のウィンドシールドとしてフロントウィンドウに貼り付けて使用するといった場合には、使用者がウィンドウの拭き掃除等を行った際に、突起に触ってシートに傷をつけてしまい、所望の反射性能を得られなくなるおそれがある。また、突起が露出して見えることによる観察者の違和感や、透過像の歪みといった問題も発生する。【０００５】
また、投写型表示装置の例ではあるが、映像光源から出射された映像光を反射するプリズムミラーと、出射された映像光が結像する拡散シートとを備えたものがある（特許文献２参照）。プリズムミラーには、複数の微小な反射単位の反射面とライズ面とからなる複数のプリズムが並設されている。プリズムミラーは、入射した映像光を反射する際に、反射後の光線の投影角Ψ２（光束の広がり角）が反射前の光線の投影角Ψ１より小さくなるように反射する。【０００６】
また、自発光サンボードの例ではあるが、法線方向の光を発光部材面から所定の角度θの方向に偏向させる光学部材が開示されている（特許文献３参照）。この光学部材は、一方の面に一方向に延びる鋸刃状又はプリズム形状の矩形レンズが連続して多数配列した構造を有する。【０００７】
また、反射防止型フレネルレンズの例ではあるが、自動車等のガラスの一部に一体的に装着することで、前下方等の死角部分の観察を可能とするものがある（特許文献４参照）。このフレネルレンズは、一方の面に鋸刃状のレンズエレメント部を長手方向に沿って多数形成した構造を有する。【０００８】
以上で説明した特許文献２〜４の装置でも、鋸刃状又はプリズム形状等を有する面が露出した構成であるため、特許文献１と同様の問題が生じる。また、特許文献２の装置では、反射後の投影角が狭くなると、ＨＵＤ装置に適用する場合に、視野角やアイボックスが狭くなるという問題が発生する。【０００９】
また、ＬＣＤディスプレイに用いる光透過プレートの例ではあるが、光反射性及び光透過性を有するものがある（特許文献５参照）。この光透過プレートは、２つの透明部材で構成され、各々の部材の一方の面が平面であり、他方の面がフレネルステップ又は傾斜面を有している。２つの部材は、フレネルステップ側又は傾斜面側で互いに接合されている。光透過プレートは、接合面に半透過のコーティングを施すとともに、各々の部材の屈折率を同じ値又は略同じ値とすることで、素子を透過する光がほとんど屈折しないようにしている。これにより、光透過プレートは、ＬＣＤディスプレイのバックライトを屈折させることなく透過させるとともに、環境光を接合面で反射させることで明るい像を形成する。【００１０】
また、ＨＵＤ装置のウィンドシールドにおいて、第１〜第３の光学層を有し、第１の光学層と第２の光学層とが互いに密着し、かつ第１の光学層と第３の光学層とが互いに密着した光学部材を有するものがある（特許文献６参照）。第１の光学層は、第１の主面に凹部と当該凹部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有し、第１の主面に対向する第２の主面に凸部と当該凸部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有する。第１の光学層の屈折率は、第２の光学層の屈折率よりも高く、かつ第３の光学層の屈折率よりも高くなっている。光学部材は、表示像を拡大しつつ、ウィンドシールドを透過する外界像の歪みを抑制している。【００１１】
特許文献６の装置では、上記特許文献１〜４の装置の問題の１つであった透過像の歪みを解決するが、光束線の反射面が素子媒質内に配置されるため、素子面に対して縦方向と横方向とで屈折及び／又は反射する方向（屈折率）が異なり、上下左右方向での像倍率差や非点隔差が生じる。これにより、観察像（投影像）の性能劣化が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２６２８２１号公報
【特許文献２】特開２００８−６４９１１号公報
【特許文献３】特開２００９−２５１３２５号公報
【特許文献４】実開平７−８８０１号公報
【特許文献５】特表２００４−５１６４９２号公報
【特許文献６】特開２０１０−７８８６０号公報
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、表示光の反射によって表示される投影像の性能を確保しつつ、外界からの透過像の歪みを低減するスクリーンを提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、上述のスクリーンを組み込んだ画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したスクリーンは、一方の面に連続的に繰り返し配列された第１プリズム構造を有する第１光学素子と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第２プリズム構造を有する第２光学素子と、を備え、第２プリズム構造は、第１プリズム構造の形状を略反転させた形状を有し、第１光学素子と第２光学素子とは、第１プリズム構造と第２プリズム構造とを対向させた状態で接合されており、第１及び第２光学素子の接合面において、表示素子からの表示光を第１及び第２プリズム構造の少なくともいずれか一方により反射光として反射させるとともに、表示素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、反射光と透過光とを重ねて観察可能にし、第１プリズム構造は、スクリーン面に沿った少なくとも第１方向に配列され、第１方向の位置に応じて、第１プリズム構造の傾き、及び曲率の少なくともいずれか一方が異なる。なお、略反転させた形状とは、第２プリズム構造の形状が、第１プリズム構造の形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよいことも意味する。この場合、第１及び第２プリズム構造間には、接着剤等が介在することが望ましい。また、スクリーン面は、入射光が反射される面である。
【００１６】
上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した画像表示装置は、上述のスクリーンと、スクリーン越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、第１実施形態に係るスクリーン及びスクリーンを組み込んだ画像表示装置を説明する図である。
【図２】図１に示すスクリーンの構成を説明する図である。
【図３】図３Ａは、図２のスクリーンの第１光学素子側から見た平面図であり、図３Ｂ及び図３Ｃは、図２のスクリーンの変形例を説明する図である。
【図４】条件式（１）を説明する図である。
【図５】スクリーンの無反射領域を説明する図である。
【図６】画像表示装置を説明する図である。
【図７】スクリーン面の形状を規定する定義式を説明する図である。
【図８】第２実施形態に係るスクリーンを説明する図である。
【図９】第３実施形態に係るスクリーンを説明する図である。
【図１０】変形例のスクリーンを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかるスクリーンについて説明する。
【００１９】
図１Ａ、１Ｂ、及び図２に示すように、本実施形態のスクリーン１００は、フィルム状のシート９０を自動車等の移動体のウィンドシールド８又はフロントガラス等の光透過性を有する板状部材に密着するように貼り付けたものである。シート９０は、接着剤又は粘着剤層等を介してウィンドシールド８等に貼り付けられている。シート９０は、可視光波長域で８０％以上の内部透過率を有している。シート９０は、スクリーン１００において表示部１１０として機能しており、表示部１１０では、後述する画像表示装置２００の描画ユニット２１０からの投影像（表示光）を鮮明に映し出し、かつ外界からの光を透過させる。つまり、当該スクリーン１００をＨＵＤ装置等の画像表示装置２００に用いる場合、観察者（ドライバーＵＮ）等がスクリーン１００、具体的には表示部１１０を介して外部の背景を観察するとともに、投影像も観察することができる。本実施形態において、スクリーン１００は、投影像が表示される領域である表示部１１０に局所的に設けられているが、ウィンドシールド８全体に広がっていてもよい。
【００２０】
図２に示すように、スクリーン１００は、表示部１１０において、一方の面に連続的に繰り返し配列された第１プリズム構造１１を有する第１光学素子１０と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第２プリズム構造２１を有する第２光学素子２０とを備える。つまり、第１及び第２プリズム構造１１，２１は、第１及び第２光学素子１０，２０の同一面上に２次元的にそれぞれ配列されている。第２プリズム構造２１は、第１プリズム構造１１の形状を略反転させた形状を有している。また、第１及び第２光学素子１０，２０において、これらの接合面ＣＲと反対側の面はそれぞれ平面１２，２２となっている。なお、ウィンドシールド８が湾曲面を有する場合、スクリーン１００をウィンドシールド８に貼り付けた状態では、平面２２も湾曲面を有することになる。スクリーン１００の第１プリズム構造１１の面形状は、ウィンドシールド８の形状も考慮したものであることが望ましい。
【００２１】
第１及び第２プリズム構造１１，２１の表面の少なくともいずれか一方は、所望の反射特性を持つミラーとなっている。ミラーの反射率は、例えば１５％〜３０％となっている。この反射率を満たす波長域が可視領域で反射率を規定する方向は、例えば図２に示す角度θ２で入射する場合のものとしている。ミラーは、金属や多層膜等で形成されている。なお、ミラーは、例えば後述する第１プリズム構造１１の反射部１４のみに設けられていてもよい。
【００２２】
第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、第１プリズム構造１１と第２プリズム構造２１とを対向させた状態で接合されている。接合面ＣＲと反対側の面が平面であることにより、プリズム構造１１，２１以外の影響を抑制してスクリーン１００の取り扱いを容易にすることができる。なお、第２プリズム構造２１の形状は、第１プリズム構造１１の形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよい。この場合、第１及び第２プリズム構造１１，２１間には、接着剤等が介在することが望ましい。スクリーン１００のうち表示部１１０は、第１及び第２光学素子１０，２０の接合面ＣＲにおいて、後述する描画ユニット２１０の表示素子３０からの表示光Ｌ１を第１及び第２プリズム構造１１，２１により反射光ＬＲとして反射させるとともに、表示素子３０と反対側からの光を透過光Ｌ２として透過させ、反射光ＬＲと透過光Ｌ２とを重ねて観察可能にしている。
【００２３】
第１プリズム構造１１は、スクリーン面１００ａに沿って直交する２方向のうち第１方向に配列されている。この第１方向の位置に応じて、第１プリズム構造１１の傾きは異なっている。また、図３Ａに示すように、第１プリズム構造１１は、直交する２方向のうち第２方向に直線状に略平行に延びている。スクリーン面１００ａは、入射光（表示光Ｌ１）が反射する面であり、本実施形態では、第１光学素子１０の第１プリズム構造１１が第２プリズム構造２１と対向する面（接合面ＣＲ）となっている。スクリーン面１００ａは、方向を規定するための巨視的な基準面として扱う場合、接合面ＣＲを平面に近似して考える。なお、接合面ＣＲに対して反対側である第１光学素子１０の他方の面１３（本実施形態では、平面１２）は、スクリーン１００の入射面１００ｂとなっている。ここで、第１方向は、鉛直方向（図２のｈ軸方向）とスクリーン面１００ａとがなす方向、つまり鉛直方向をスクリーン面１００ａに投影した方向であることが望ましい。なお、スクリーン１００が鉛直方向に延びる場合、第１方向は鉛直方向となる。スクリーン１００が鉛直方向に対して傾斜する場合、第１方向は、スクリーン１００の厚み方向を基準として、鉛直方向をスクリーン面１００ａに投影した方向となり、スクリーン１００がＺ方向（車両の前後方向）に単純に傾斜する場合、第１方向はスクリーン１００とＹＺ面とが交差する方向となる。スクリーン１００が湾曲していてもその湾曲が小さい場合、第１方向はスクリーン１００とＹＺ面とが交差する方向となる。斜め下方向や斜め上方向から表示光ＨＫを入射させる場合、鉛直方向とスクリーン面１００ａとがなす方向又は鉛直方向をスクリーン面１００ａに投影した方向を縦方向として、縦方向の構造を変化させることで、縦方向の屈折力差（パワー差）を確実に低減することができる。本実施形態において、第１方向はＹ方向（縦方向）であり、第２方向はＸ方向（横方向）となっている。第１プリズム構造１１は、描画ユニット２１０からの表示光ＨＫが鉛直面に近い面に略沿って射出される場合、入射光束の中心の主光線と、主光線がスクリーン面１００ａで反射された出射光線とを含む面に平行な方向、かつスクリーン面１００ａに垂直な方向に段差構造を有し、スクリーン面１００ａに投影した主光線が入射する方向（Ｙ方向）に向かって、各第１プリズム構造１１における段差構造の高さｔ２が減少する。第１プリズム構造１１は、例えば光が下斜め方向から入射するとして、鉛直方向とスクリーン面１００ａとがなす方向であるＹ方向において、下側の第１プリズム構造１１の高さが上側の第１プリズム構造１１の高さよりも大きくなるように変化している。
【００２４】
なお、表示部１１０の第１方向において、図３Ｂに示すように、スクリーン１００又は表示部１１０の面（具体的には、入射面１００ｂ）全体において、スクリーン面１００ａに垂直な方向の曲率が変化してもよいし、図３Ｃに示すように、個々の第１プリズム構造１１（具体的には、後述する反射部１４）において、スクリーン面１００ａに垂直な方向の曲率が変化してもよい。
【００２５】
第１プリズム構造１１は、周期的な構造であってもよいし、非周期的な構造であってもよい。周期的な構造としては、例えば個々の第１プリズム構造１１のピッチｐ（Ｙ方向の長さ）を規則的なものとすることができる。非周期的な構造としては、例えば個々の第１プリズム構造１１の高さを一定にし、第１プリズム構造１１のピッチｐを不規則的なものとすることができる。周期的な構造とすることで、スクリーン１００の製造において、例えばロール・トゥー・ロールのような手法を用いることが容易となる。光束の反射する方向を部分的に別方向にしたい場合や、ＨＵＤを構成する光学系の設計との関係で周期的な構造が向かない場合等においては、スクリーン１００を非周期的構造とすればよい。
【００２６】
表示部１１０は、観察者であるドライバーＵＮのいる観察側又は座席６（図１Ａ参照）側に設けた第１光学面１１１と、反観察側又はウィンドシールド（フロントウィンドウ）８側に設けた第２光学面１２１とを有する。シート９０をウィンドシールド８に貼り付けた状態において、第１光学面１１１は、巨視的に見て凹の曲面であり、非球面又は自由曲面となっている。また、第２光学面１２１は、巨視的に見て凸の曲面（観察者側から見た場合には凹の曲面）であり、非球面又は自由曲面となっている。ウィンドシールド８は、湾曲したものに限らず、平板状のものであってもよい。第１光学面１１１側において、第１及び第２プリズム構造１１，２１の接合面ＣＲは、表示光ＨＫを適度に反射しつつ外界光ＧＫを所望の程度に透過させることができる。第２光学面１２１には、反射防止膜や保護コートが形成されている。なお、第２光学面１２１に反射防止膜等を形成しない場合もある。
【００２７】
スクリーン１００又は表示部１１０は、本実施形態において略鉛直方向に延びるように配置される。表示部１１０が上記プリズム構造１１，２１を有することにより、観察者（ドライバーＵＮ）に対してスクリーン１００をトラックやバス等のフロントウィンドウが地面に対して垂直に近い移動体におけるＨＵＤ装置等のウィンドシールド８に配置し又は貼り付けても、観察者（ドライバーＵＮ）は外界の像を観察しつつ、斜入射で投影された画像を十分に観察することができる。スクリーン１００を鉛直方向（ｈ軸方向）に対して傾斜させて設ける場合、第１プリズム構造１１の形状は、その傾斜分を考慮して設計される。ここで、鉛直方向に直交する水平方向に対して上側を正の角度とし、下側を負の角度とする。
【００２８】
第１及び第２プリズム構造１１，２１において、その傾き及び曲率の少なくともいずれか一方が同じである場合、スクリーン面１００ａ内の少なくとも第１方向、つまり上下方向で個々の第１及び第２プリズム構造１１，２１のパワーが異なるものとなる。つまり、設定している反射角度よりも下方向から入射する表示光では−５°程度、上方向から入射する表示光では＋４°程度に反射角度が増加する。既に説明したように、スクリーン面１００ａ内の第１方向において、第１プリズム構造１１の傾き及び／又は曲率が異なるように設定することで、これらの角度変化を補正することができる。
【００２９】
第１及び第２プリズム構造１１，２１の形状は、側断面視において、少なくともＹｚ面に投影した光線反射角を略同じにしつつ、非点隔差も補正されるよう設定されている。反射部１４の反射面への入射角は、０°から９０°までの全ての範囲で反射することができる。
【００３０】
第１プリズム構造１１において、平面１２からの最大高さｔ１と最小高さｔ２との差、及び第１プリズム構造１１のピッチｐ（Ｙ方向の長さ）は、ＨＵＤを構成する光学系との組合せで性能確保するために必要な構造から決まる値である。通常は、平面１２からの最大高さｔ１と最小高さｔ２との差が一定値になるようピッチｐを決めるものであり、ピッチｐは、一定値ではなく場所により変化する値となる。例えば平面１２からの最大高さｔ１と最小高さｔ２との差が０．０５ｍｍ〜０．７５ｍｍで、最小高さｔ２が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度となっている。なお、第２プリズム構造２１は、第１プリズム構造１１を略反転させた形状であるので、寸法等の説明を省略する（以降も同様）。
【００３１】
図２及び図４に示すように、第１プリズム構造１１は、表示光Ｌ１を反射させる反射部１４と、表示光Ｌ１の反射に寄与しない段差壁部１５とを有する。反射部１４と段差壁部１５とのなす角、すなわちフレネル面角度ｂは、入射光束のスクリーン１００の入射面１００ｂに対する方向（又は角度、すなわち入射角θ１）、出射光束のスクリーン１００の入射面１００ｂに対する方向（又は角度、すなわち出射角θ４）、及びスクリーン１００を構成する媒質の屈折率（後述する第１及び第２光学素子１０，２０の屈折率Ｎ２，Ｎ３）で決められる。スクリーン１００に対して、ある一定の距離を持った位置に置かれた光源ＬＴからの光束は、例えば発散光として光束が入射する場合には、スクリーン１００の入射面１００ｂに入射する位置によって、その位置の光線の入射角度（つまり、入射角θ１）が変化する。ここで、スクリーン１００に入射する光束の中心光線（具体的には例えば描画ユニット２１０から鉛直面に略沿って射出される表示光ＨＫのうちスクリーン１００の中央に入射するもの）を基準としたフレネル面角度ｂを基準フレネル面角度ｂ０とすれば、例えば、平面１２で構成されるスクリーン１００の入射面１００ｂに対して６０°の入射角θ１で光が入射する場合、第１プリズム構造１１の媒質屈折率Ｎ２を１．５とすると、基準フレネル面角度ｂ０を６９°〜７５．５°の範囲で設定すれば±１０°以内の出射角θ４で光束が出射可能となり、更には基準フレネル面角度ｂ０を７０．５°〜７４°の範囲で設定すれば、±５°程度の範囲の出射角θ４で光束が出射される。
【００３２】
スクリーン１００において、段差壁部１５は、以下の条件式を満たす。
θｗ≦θ２    …    （１）
ここで、θｗは水平面Ｓ１と段差壁部１５とのなす角度であり、θ２は水平面Ｓ１と第１プリズム構造１１で反射する前の表示光Ｌ１の入射光線とのなす角度である（図２及び図４参照）。ここで、水平面Ｓ１は、第１光学素子１０を横断面で見た場合に、第１光学素子１０の第１プリズム構造１１を設けていない他方の面１３に対する垂線を基準としている。当該他方の面１３が平面でない場合、対象範囲で面を均一化させて平面とみなす。なお、スクリーン１００が略鉛直方向に延びるように配置されない場合、すなわちスクリーン１００が垂直（９０°）に立っていない場合、水平面Ｓ１はスクリーン１００の傾斜角（又はスクリーン１００の面角度）を換算したものとなり、角度θｗ，θ２も換算した水平面を基準とするものとなる。
【００３３】
条件式（１）は、第１プリズム構造１１の段差壁部１５の角度と入射光線との関係を規定するものである。条件式（１）の範囲を満たすことにより、表示光Ｌ１が段差壁部１５に入射して迷光となることを防ぐことができる。
【００３４】
図５に示すように、スクリーン１００には、第１プリズム構造１１に表示光Ｌ１が入射せず、反射に寄与しない無反射領域ＤＡが発生しうる。第１プリズム構造１１は、この無反射領域ＤＡが最小限となるように設計されることが好ましい。無反射領域ＤＡは、個々の第１プリズム構造１１の最大高さｔ１を小さくするほど狭くすることができる。第１プリズム構造１１のピッチｐ及び最大高さｔ１を回折が問題にならない程度に設定し、第１プリズム構造１１の最大高さｔ１をできるだけ小さくすれば無反射領域ＤＡを小さくすることができる。
【００３５】
スクリーン１００は、プレス成形、光硬化性樹脂等を用いた転写成形等によって製造される。第１及び第２光学素子１０，２０は、光透過性を有する有機材料や無機材料等で形成されている。第１及び第２光学素子１０，２０の接合面ＣＲにおいて、第１プリズム構造１１側の基材と、第２プリズム構造２１側の基材とは、略同じ屈折率を有する。ここで、略同じ屈折率とは、０〜０．０５程度の屈折率差を有することを意味する。この場合、第１及び第２プリズム構造１１，２１の接合面ＣＲで屈折等の問題が生じることを防ぐことができ、画像の歪み等の劣化を防ぐことができる。なお、第１及び第２光学素子１０，２０の屈折率については、表示光Ｌ１が反射する側のプリズム（つまり第１プリズム構造１１）を有する基材の屈折率を基準とすることが望ましい。
【００３６】
スクリーン面１００ａのうち表示素子３０からの画像を表示させる表示部１１０の反射率は、表示部１１０の周囲の領域の反射率よりも高い。ここで、表示部１１０とは、スクリーン１００のうち第１及び第２プリズム構造１１，２１を有する領域を意味する。つまり、本実施形態のように、第１及び第２プリズム構造１１，２１を有するフィルム状のシート９０を貼り付ける場合、そのフィルム自体が表示部となる。また、例えばフィルム９０の一部の第１プリズム構造１１にミラーを設ける場合、ミラーが設けられる領域が表示部となる。また、ウィンドシールド８等に第１及び第２プリズム構造１１，２１を組み込む場合、第１及び第２プリズム構造１１，２１が設けられる領域、つまりウィンドシールド８等の一部が表示部となる。この場合、表示部１１０において、表示部１１０の周囲よりも画像を見えやすくすることができる。表示部１１０の領域及びその周囲の領域は、観察者（ドライバーＵＮ）の視野角とアイボックスの仕様とで決まる。
【００３７】
図２等に示すように、スクリーン１００が複数の第１及び第２プリズム構造１１，２１を有することにより、スクリーン１００に垂直な面（水平面Ｓ１又はＸ方向に平行な面）に対し角度θ１で入射した光（表示光Ｌ１）は、第１光学素子１０の基材の屈折率をＮとした際に、屈折の法則により以下の式
ｓｉｎθ１＝Ｎ×ｓｉｎθ１’
で示される方向に屈折し、その後構造面である接合面ＣＲで反射されて観察者（ドライバーＵＮ）から見て略水平（水平面Ｓ１に対して角度θ４）な方向に帰ってくる。ここで、角度θ４は、屈折前の入射角θ４’から上記と同様のスネルの関係式を利用して与えられる。なお、略水平（図中の角度θ４）とは、±１０°、好ましくは±５°程度の幅を有する。
【００３８】
以下、スクリーン１００の使用状態等について説明する。図１Ａ、１Ｂ、及び図６に示すように、スクリーン１００は、画像表示装置２００に組み込まれる。この画像表示装置２００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット２１０とスクリーン１００とを備える。画像表示装置２００は、後述する表示素子３０に表示される画像情報を、スクリーン１００越しに虚像表示又は虚像投影するものである。本実施形態では、スクリーン１００は、ウィンドシールド（フロントウィンドウ）８と一体で設置されるものとなっている。
【００３９】
画像表示装置２００のうち描画ユニット２１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報を含む画像に対応する表示光ＨＫをスクリーン１００の表示部１１０に向けて射出する。表示部１１０は、描画ユニット２１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。スクリーン１００（表示部１１０）で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスに導かれる。ドライバーＵＮは、スクリーン１００で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーＵＮは、スクリーン１００を透過した外界光、つまり前方景色等の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーＵＮは、表示部１１０の背後の外界像に重ねて、スクリーン１００の表示部１１０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００４０】
図６に示すように、描画ユニット２１０は、表示素子３０を備えた描画デバイス４０と、変倍投影光学系５０と、ハウジング６０とを備える。なお、図６は、画像表示装置２００の構成を例示したものであり、画像表示装置２００の構成は、その仕様や設置箇所等によって適宜変更される。
【００４１】
描画デバイス４０は、詳細な説明を省略するが、表示素子３０のほかに、表示素子３０に表示動作を行わせる表示駆動回路、表示素子３０を照明するための光を射出するＬＥＤその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。表示素子３０は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）や反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）等の反射型の素子でも、液晶等（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等）の透過型の素子でもよい。特に、表示素子３０にＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることができ、表示に有利である。
【００４２】
変倍投影光学系５０は、表示素子３０に形成された画像に対応する中間像を形成する第１投影光学系５１と、中間像に対応する像光をスクリーン１００に入射させることによって虚像を表示する第２投影光学系５２とを備える。
【００４３】
ハウジング６０は、表示光ＨＫを通過させる開口６１を有し、この開口６１には、フィルム状又は薄板状の光透過部材６２を配置することができる。
【００４４】
図１Ａに示すように、スクリーン１００で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる。ここで、表示光ＨＫをスクリーン１００の背後に延長した虚像光線ＫＫは、ドライバーの瞳ＨＴに対して前方の所定位置に表示像（虚像）ＩＭを形成する。なお、瞳ＨＴからスクリーン１００までの距離ｄ１は、車体２の仕様によるが例えば０．５〜１ｍ程度としてあり、スクリーン１００から表示像ＩＭまでの距離ｄ２は、例えば１ｍ程度以上としている。また、視野角は、−１０°〜−１５°程度としている。また、アイボックスは、標準的なドライバーＵＮの瞳ＨＴの位置をカバーするように設定され、例えば横１０〜１５ｃｍ、縦５〜８ｃｍと言ったサイズに設定される。
【００４５】
スクリーン１００の瞳ＨＴ側に配置されている第１光学面１１１（実際には、接合面ＣＲ）は、変倍投影光学系５０を介して表示素子３０に形成された画像を瞳ＨＴに対して表示像ＩＭとして少ない歪みで表示又は投影する。この際、第１光学面１１１は、その光学面形状によって歪みのない表示像ＩＭを形成することができる。なお、第２光学面１２１に反射防止膜を設けない場合、又は反射防止膜で若干の反射が残る場合、第２光学面１２１においても、第１光学面１１１を通過して分岐された表示光ＨＫを部分的に反射する。この場合、分岐後に背後の第２光学面１２１での反射された表示光（以下便宜上、副表示光と呼ぶ）は、第１光学面１１１を通過して瞳ＨＴに入射するので、表示像ＩＭと重畳して２重像を形成する可能性がある。しかしながら、第２光学面１２１で反射された副表示光が、元の表示光ＨＫとの関連で表示像ＩＭ上の同一点から射出されるよう進行するならば、表示光ＨＫによる虚像と副表示光よる虚像とが重なって２重像の形成を回避できる。副表示光の進行方向を制御するため、第２光学面１２１の曲率又は傾斜角や基材の厚さを第１光学面１１１を基準として調整すればよい。
【００４６】
以上説明したスクリーン１００では、第１及び第２光学素子１０，２０が連続的に繰り返し配列された第１及び第２プリズム構造１１，２１をそれぞれ有し、スクリーン面１００ａに沿って直交する２方向のうち第１方向（具体的には、Ｙ方向）の位置に応じて、第１プリズム構造１１の傾き及び／又は曲率が異なることにより、斜め方向から入射する表示光に対して第１プリズム構造１１が存在する領域（表示部１１０）のパワーを少なくとも第１方向に関して略一様にすることができ、つまり当該領域の光線の反射角度が少なくとも第１方向に関して略一様となり、像倍率差や非点隔差が生じることを防ぐことができる。これにより、観察者（ドライバーＵＮ）は外界の像を観察しつつ、斜入射で投影された画像を性能劣化を生じさせずに十分に観察することができる。また、プリズム構造１１，２１同士が貼り合わされるため、プリズム構造１１，２１が破損することを防ぐことができる。
【００４７】
特に、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置において、スクリーン１００に所望のプリズム構造１１，２１を設けることで、観察者（ドライバーＵＮ）は略鉛直方向に沿って設けられるスクリーン１００に斜め入射で投影された画像を十分な精度で観察することができる。その際に、ＨＵＤ装置で表示させる反射像の性能を確保しつつ、車外の透過像に歪みを生じさせない。つまり、略垂直に立っている状態のスクリーン１００において、スクリーン１００の持つプリズム構造１１，２１により、例えばスクリーン１００の斜め下方や斜め上方から投影された画像をスクリーン１００に対して略垂直な方向にその反射像を返すことができる。これにより、バスやトラック等のフロントウィンドウが略垂直に配置される移動体においても、フロントウィンドウをスクリーン１００としたウィンドシールドタイプのＨＵＤ装置が達成され、コンバイナーを配置するスペースが必要なくなり、空間を有効に利用できる。
【００４８】
なお、プリズム構造の形状を第１方向において変化させない従来のウィンドシールドをバスやトラック等の垂直なフロントウィンドウに用いると、例えば斜め下方から照らした光束線が上方に反射してしまい、観察者（ドライバーＵＮ）の方向に向けて反射されにくくなる。
【００４９】
（実施例）
以下、本実施形態のスクリーンの実施例を示す。
実施例のスクリーン１００は、図２等に示すものと同様の構成となっている。スクリーン１００は、鉛直方向（ｈ軸方向）に沿って垂直（９０度）に立っている。本実施例のスクリーンの全体諸元を以下に示す。
入射側（空気）の屈折率Ｎ１：１．００
第１光学素子の屈折率Ｎ２：１．４９
第２光学素子の屈折率Ｎ３：１．４９
第１光学素子の厚さ（最小高さｔ２）：１．００ｍｍ
光源距離Ｄ：５００．００ｍｍ
配光角度α：１５°
入射面角度ａ：９０°
基準フレネル面角度ｂ０：７３°
入射角θ１：６０°
水平面と第１プリズム構造で反射する前の入射光線とのなす角度θ２：３５．５４°
出射角θ４：２．２９°
水平面と段差壁部とのなす角度θｗ：０°
【００５０】
上記のように、光源ＬＴの位置は、スクリーン１００からスクリーン１００に垂直なｚ方向に沿って５００．００ｍｍの位置にあり、入射する光束中心の光線角度（入射角θ１）は６０°である。光束中心での基準フレネル面角度ｂ０は７３度である。
【００５１】
本実施例において、スクリーン面１００ａの形状は、面の頂点を原点とし、スクリーン面１００ａに垂直な方向にｚ軸をとり、スクリーン面１００ａに平行、かつｚ軸に垂直な方向にｈ軸をとり、以下の「数１」で表す。「数１」で表される面形状は、７３°の面角度を有するスクリーン面１００ａに対して付加される。本実施例において、「数１」は、図２において、スクリーン１００に対してｈ軸に沿った方向のみの関数としており、第１プリズム構造１１の段差の１次元方向の面形状を表している。この方向において、第１プリズム構造１１のピッチｐと、段差の角度（フレネル面角度ｂに相当）とが変化する。
〔数１〕
ｚ（ｈ）＝ｈ＊ｔａｎ（θｔ）＋ｒ０＊｛１−√（１−ｈ２／ｒ０２）｝＋ΣｋＡｋ＊ｈｋ
ただし、
θｔ：スクリーン１００に対する段差の傾斜角度（各第１プリズム構造１１の段差壁部１５の最小高さｔ２の頂点Ｎを繋いだ線ＦＬ１とスクリーン１００の入射面１００ｂ（つまり、平面１２）に平行な面ＦＬ２とのなす角（図７参照））
Ａｋ：ｋ次の非球面係数
ｒ０：曲率半径
【００５２】
実施例の面の係数を以下の表１に示す。なお、表１において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０−０２）をＥ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。
〔表１〕
θt=-0.16879, r0=6676.3, A0=-0.0028, A1=2.89E-03, 
A2=9.43E-06, A3=-6.88E-08, A4=3.90E-11, A5=-9.46E-14, 
A6=1.60E-16, A7=-2.53E-20, A8=4.09E-22
なお、実施例では、１次元方向のみ面形状を変化させたが、面形状を２次元的な自由曲面の関数として表し、スクリーンの入射面１００ｂを自由曲面フレネル形状としてもよい。この場合、非点収差補正が容易となる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第２実施形態のスクリーンは第１実施形態のスクリーンを変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００５４】
図８に示すように、本実施形態において、反射部１４と段差壁部１５とを繋ぐ頂点Ｎは、Ｒ面１６を有している。これにより、表示光Ｌ１が頂点Ｎ付近で散乱することを防ぐことができる。なお、表示光Ｌ１が入射する側の頂点ＮにＲ面が設けられていればよい。
【００５５】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第３実施形態のスクリーン等は第１実施形態のスクリーンを変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００５６】
図９に示すように、本実施形態において、スクリーン１００の第１プリズム構造１１は、直交する２方向のうち第２方向（具体的には、Ｘ方向）に略平行に延びる部分を有するとともに湾曲している。この第１プリズム構造１１のスクリーン面１００ａの断面に平行な方向の曲率は、第１方向（具体的には、Ｙ方向）の位置に応じて変化している。第１プリズム構造１１において、スクリーン面１００ａの断面に平行な方向の曲率を、第１方向の位置に応じて変化させることにより、第２方向に関して非点隔差を補正することができる。
【００５７】
以上では実施形態に係るスクリーンについて説明したが、本発明に係るスクリーンは、上記のものには限られない。例えば、第１実施形態において、画像表示装置２００の配置を上下反転させて、ウィンドシールド（フロントウィンドウ）８の上部に表示部１１０を配置することもでる。また、表示部１１０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。
【００５８】
上記実施形態において、表示部１１０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
【００５９】
上記実施形態において、第１及び第２プリズム構造１１，２１を有するフィルムをウィンドシールド８に貼り付ける構造としたが、ウィンドシールド８とは独立した部材であるコンバイナーに貼り付ける構造としてもよい。また、ウィンドシールド８やコンバイナーの内部に第１及び第２プリズム構造１１，２１を組み込む構造としてもよい。
【００６０】
図１０は、ウィンドシールド８中に第１及び第２プリズム構造１１，２１を含むスクリーン１００を組み込んだ例を示す。この場合、ウィンドシールド８は、表側ガラス部材８１と内側ガラス部材８２とを有し、両ガラス部材８１，８２間に、図２等に示す断面構造を有するスクリーン１００が挟み込まれている。スクリーン１００のスクリーン面１００ａを形成するプリズム構造１１，１２は、図３Ａに示すように直線的に延びるものとできるが、図９に示すように湾曲するものであってもよい。図示のウィンドシールド８は、鉛直方向又は鉛直面に対して傾斜しているが、鉛直方向に沿って延びるものであってもよい。
【００６１】
上記実施形態において、反射像の二重像を防ぐため、第１及び第２プリズム構造１１，２１を有するフィルム等を２枚のガラス基板で挟んだ構造としてもよい。
【００６２】
上記実施形態において、第１方向の位置に応じて第１プリズム構造１１の傾き及び／又は曲率を変化させたが、さらに、第２方向の位置に応じて第１プリズム構造１１の傾き及び／又は曲率を変化させてもよい。
【００６３】
上記実施形態において、第１及び第２プリズム構造１１，２１を第１及び第２光学素子１０，２０の一方の面に設けたが、第１及び第２光学素子１０，２０の他方の面に設けてもよい。この場合、露出するプリズム構造には破損防止のための保護層等を設けることが望ましい。なお、第１及び第２光学素子１０，２０の他方の面は、自由曲面や軸外しのフレネル形状であってもよい。
【００６４】
上記実施形態の実施例において、「数１」で示す面形状は例示であり、光束中心でのスクリーン面１００ａの面角度に応じて係数は適宜変更される。
【００６５】
上記実施形態において、図５に示す描画ユニット２１０等は、単なる例示であり、変倍投影光学系５０の構成を適宜変更したり、表示素子３０を他の種類の表示素子に置き換えたりすることができる。例えば、変倍投影光学系５０を固定焦点の光学系に変更することができる。また、描画ユニット２１０において、例えば変倍投影光学系５０を省略する構成や、第１投影光学系５１を省略する構成とすることもできる。
【００６６】
上記実施形態において、第１プリズム構造１１の反対側の面を平面１２としたが、平面以外でも第１光学素子１０の接合面ＣＲと反対側の面と第２光学素子２０の接合面ＣＲの反対側の面とで構成する素子全体をノンパワーにすることもできる。また、ＨＵＤ装置の光学系との関係で、第１光学素子１０の接合面ＣＲと反対側の面と第２光学素子２０の接合面ＣＲの反対側の面とに曲率等のパワーを持たせる構成とすることもできる。
【００６７】
上記実施形態において、第１方向を直交する２方向のうちの１つの方向としたが、第１方向を任意の方向としてもよい。例えば、第１実施形態では、第１方向を鉛直方向とスクリーン面１００ａとがなす方向としたが、鉛直方向に直交する方向（つまり、Ｘ方向）でもよいし、鉛直方向に対して任意に回転させた方向としてもよい。
【００６８】
上記実施形態において、第１及び第２光学素子１０，２０を別々に成形した後に接合してスクリーン１００（又はシート９０）を製造する例を挙げたが、例えば第１光学素子１０を成形した後に、第２光学素子２０用の金型に第１光学素子１０を挿入した状態で第２光学素子２０を成形してスクリーン１００（又はシート９０）を製造してもよい。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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