(57)【要約】【課題】プロジェクタ用のフレネルレンズ及びディフューザシステムの製造性を向上させる方法及び装置を提供する。【解決手段】先行技術のフレネルレンズ（３０１）は、水平及び垂直観察角の容易な制御を可能にするよう２つのフレネルレンズに分割されている。第２の実施形態では、フレネルレンズは、全く用いられない。その代わり、ディフューザ（７０４）が、楕円形微細構造を有していて、互いに直交方向にある拡散コーン（７０５，７０６）が互いに異なり、それによりフレネルレンズがこの機能を果たす必要性を無くしている。フレネルレンズにより得られる光のコリメーションが行われないのを補うために、空間的に様々な拡散角を備えたディフューザが用いられる。【選択図】図７
2006251811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロジェクションスクリーンであって、
光を第１の角度で発散させるよう構成された第１のフレネルレンズと、
前記第１のフレネルレンズに結合されていて、光を第２の角度で発散させるよう構成された第２のフレネルレンズと、
前記第２のフレネルレンズに結合されたディフューザとを有する、プロジェクションスクリーン。
【請求項２】
前記第１のフレネルレンズは、関数ｙ（ｘ）＝Ｍｏｄ（Ｄ（ｘ），ｍλ）に由来する円柱状フレネル位相レリーフ構造体であり、上式において、
2006251811.tif 000013
である、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項３】
前記第２のフレネルレンズは、前記第１のフレネルレンズから９０°回転した合焦軸線を有する、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項４】
前記フレネルレンズの焦点距離は、互いに同一ではない、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項５】
前記フレネルレンズの構造深さは、１０μｍ未満である、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項６】
前記ディフューザからの拡散コーンのアスペクト比は、２：１よりも大きい、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項７】
前記ディフューザは、唯一の拡散層である、請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項８】
前記ディフューザの前記拡散コーンは、空間的に変化している、請求項６記載のプロジェクションスクリーン。
【請求項９】
円柱状フレネル位相レリーフ構造体の作製システムであって、
レーザビームを生じさせるレーザ装置と、
空間光変調器と、
レンズと、
２軸トランスレータと、
前記２軸トランスレータに取り付けられた光電性記録媒体とを有し、
前記空間光変調器は、前記レンズを介して且つ前記２軸トランスレータと連携して前記記録媒体上に関数ｙ（ｘ）＝Ｍｏｄ（Ｄ（ｘ），ｍλ）から導かれる位相レリーフ構造体を生じさせるよう構成されており、上式において、
2006251811.tif 000014
である、システム。
【請求項１０】
前記空間光変調器は、記録面上におけるレーザスポットの形状及び明るさを制御する、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
プロジェクションスクリーン用のディフューザの作製システムであって、
レーザビームを発生させるレーザ装置と、
前記レーザビームを受け取るよう取り付けられた回転ディフューザと、
前記回転ディフューザからの拡散レーザビームを受け取るよう取り付けられた第１のレンズと、
前記第１のレンズからの変調レーザビームを受け取るよう取り付けられた空間変調器と、
前記空間変調器からの空間変調レーザビームを受け取るよう取り付けられた第２のレンズと、
前記第２のレンズの後ろに取り付けられた２軸トランスレータと、
前記２軸トランスレータに取り付けられた光電性記録媒体とを有し、
前記空間変調器及び２軸トランスレータは、空間変化ディフューザを生じさせるよう構成されている、システム。
【請求項１２】
前記第１のレンズは、前記ディフューザの空間スペクトルを生じさせる、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記空間光変調器は、前記ディフューザのスペクトル領域を制御する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２のレンズは、前記ディフューザを記録面に結像させる、請求項１１記載のシステム。
【請求項１５】
ディフューザの作製システムであって、
レーザビームを生じさせるレーザ装置と、
前記レーザビームを受け取るよう取り付けられた空間光変調器と、
前記空間光変調器からの空間変調ビームを受け取るよう取り付けられたレンズと、
前記レンズの後ろに取り付けられた２軸トランスレータと、
前記２軸トランスレータに取り付けられた光電性記録媒体とを有し、
前記空間変調器及び２軸トランスレータは、空間変化ディフューザを生じさせるよう構成されている、システム。
【請求項１６】
前記レンズは、前記空間光変調器上に表示されたパターンに対してフーリエ変換を行う、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記空間光変調器上に表示されたパターンは、ランダム位相関数のフーリエ変換である、請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
プロジェクタシステムであって、
プロジェクタと、
空間的に変化する拡散特性を備えたスクリーンとを有し、
前記スクリーンから投射された光線の角度が、少なくとも一方向において前記スクリーンの中心からのずれの増大につれて増大するようになっている、プロジェクタシステム。
【請求項１９】
前記方向は、水平方向である、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記スクリーンは、複数個の拡散ドットを有する、請求項１８記載のシステム。
【請求項２１】
円柱状フレネル位相レリーフ構造体の作製方法であって、
レーザビームを生じさせる段階と、
前記レーザビームを空間変調して空間変調レーザビームを生じさせる段階と、
前記空間変調レーザビームを記録媒体上に合焦させる段階と、
前記記録媒体を２つの軸線に沿って並進させる段階とを有し、
前記空間変調段階及び前記並進段階は、前記記録媒体上に関数ｙ（ｘ）＝Ｍｏｄ（Ｄ（ｘ），ｍλ）に由来する位相レリーフ構造体を生じさせるよう構成されており、上式において、
2006251811.tif 000015
である、システム。
【請求項２２】
プロジェクションスクリーン用のディフューザの作製方法であって、
レーザビームを生じさせる段階と、
ディフューザを回転させて前記レーザビームを拡散し、それにより拡散レーザビームを生じさせる段階と、
前記拡散レーザビームをコリメートしてコリメートされたレーザビームを生じさせる段階と、
前記コリメートされたレーザビームを空間変調して空間変調レーザビームを生じさせる段階と、
前記空間変調レーザビームを記録媒体上に合焦させる段階と、
前記記録媒体の２つの軸線に沿って並進させる段階とを有し、
前記空間変調段階及び前記並進段階は、空間変化ディフューザを前記記録媒体上に生じさせるよう作用する、方法。
【請求項２３】
ディフューザの作製方法であって、
コリメートされたレーザビームを生じさせる段階と、
前記コリメートされたレーザビームを空間変調して空間変調レーザビームを生じさせる段階と、
前記空間変調レーザビームを記録媒体上に合焦させる段階と、
前記記録媒体を２つの軸線に沿って並進させる段階とを有し、
前記空間変調段階及び前記並進段階は、空間変化ディフューザを生じさせるよう作用する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スライド映写機又はムービー映写機用のリヤプロジェクションスクリーンに関し、特に、かかる映写機（プロジェクタ）用の改良型フレネルレンズ及びディフューザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
写真用フィルム上のイメージ（本明細書において「像」又は「画像」ともいう）を例えばスライド映写機又はムービー映写機のような装置でスクリーン上に投写することができる。電子イメージも又、高出力陰極線管を用いることによりスクリーン上に投写することができる。これは、今日市販されている大抵のプロジェクション型テレビに用いられている原理である。最近、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の技術進歩により、コンパクトなプロジェクタが開発され、それにより新世代の安価で高性能のプロジェクション型テレビが登場した。その結果、安価なリヤプロジェクションスクリーンの需要が増大している。かかる視聴用スクリーンの共通の特徴は、光効率が高く、観察角が広く、明るさが一様であるということである。
【０００３】
広い観察角と任意の観察角における像の明るさとの間にはトレードオフの関係がある。特に、人がいずれの側でも座ることができるように水平方向の広い観察角をもたせることが望ましい。しかしながら、大抵の人の目は垂直方向にほぼ同じ高さ位置にあるので、像の明るさを保持するために垂直方向に狭い観察角をもたせることが望ましい。
【０００４】
図１は、イメージプロジェクションシステム１００の原理を示している。イメージプロジェクタ１０１は、像をリヤプロジェクションスクリーン１０２上に投写する。プロジェクタから到来する光は、角度１０３を取り、角度１０４は、スクリーンの拡散角を示している。各拡散角１０４は又、観察者がスクリーン上の像を見ることができる角度を定める。
【０００５】
図２は、リヤプロジェクションスクリーン２００の基本構造を示している。要素２０２は、フィールド（視野）レンズである。その機能は、光２０３の末広がりコーンを平行な光ビームにコリメートすることにある。要素２０２は、ガラスレンズであってよい。しかしながら、より一般的には、これはプラスチック製のフレネルレンズである。要素２０５は、ディフューザであり、このディフューザにより、その表面に当たった入射光は、角度のあるコーンをなして広がる。角度２０４は、紙面上における拡散角を示し、角度２０６は、紙面から外れた平面上における拡散角を示している。
【０００６】
図３は、米国特許第４，７７３，７３１号明細書に記載されたリヤプロジェクションスクリーンを示している。この先行技術においては、フレネルレンズは、第１の要素３０２の両面上に記録される。要素３０２は、第２の要素３２０に結合され、この第２の要素は、視聴覚を増大させる散乱粒子３１８及び表面構造３２２を有している。要素３０２の屈折率は、要素３２０の屈折率とは異なる。
【０００７】
図４は、米国特許第６，０４６，８４７号明細書に記載されたフィールドレンズの別の構造を示している。フレネルレンズの互い違いに位置するゾーンは、互いに異なる焦点距離ｆ１，ｆ２を有している。その結果、プロジェクタからの光ビームを一方向に平行に且つ第１の方向に直交した方向に発散した状態にすることができる。
【０００８】
図５は、特別な構造及びフレネルレンズが単一のプラスチック要素に成形されたリヤプロジェクションスクリーンの別の実施形態を示している（米国特許第６，３０４，３７８号明細書）。
【０００９】
図６は、米国特許第５，８７０，２２４号明細書に記載されたマイクロレンズ及び光遮断要素から成る拡散要素を示している。光遮断要素は、投写された像のコントラストを高める。フレネルレンズは、先ず最初に異なる勾配で金属ブランクに円形溝を機械的に切断加工することにより作られる。機械加工後、このブランクをプラスチック射出成形装置で用いてこの構造をプラスチックシート上に再現する。機械的に彫刻されたフレネルレンズの溝の深さは、典型的には１００μｍよりも大きく、表面エンボス装置に用いるには適していない。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，７７３，７３１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０４６，８４７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３０４，３７８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８７０，２２４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、プロジェクタ用のフレネルレンズ及びディフューザシステムの製造性を高め、より細かい観察角の制御を可能にする方法及び装置を提供する。
【００１２】
本発明の第１の実施形態では、先行技術のフレネルレンズは、２つのフレネルレンズに分割されている。これにより、各フレネルレンズのためのレンズ構造を物理的に分離し、別々に製造することにより水平方向及び垂直方向における観察角の容易な制御が可能になる。
【００１３】
加うるに、フレネルレンズを２つのレンズに分離することにより、先行技術の単一レンズの円形構造が無くなる。特に、本発明のフィールドレンズは、２つの互いに直交した円柱状フレネルレンズとディフューザから成る。各円柱レンズの焦点距離を別個独立に選択することができる。加うるに、２つの構造体は組合せ状態で、先行技術の単一構造体よりも薄いものであり、製造性を一段と向上させることができる。
【００１４】
第２の実施形態では、フレネルレンズは、全く用いられない。その代わり、リヤプロジェクションスクリーンは、拡散要素だけを有する。ディフューザは、楕円形微細構造を有していて、互いに直交方向にある拡散コーンが互いに異なり、それによりフレネルレンズがこの機能を果たす必要性を無くしている。フレネルレンズにより得られる光のコリメーションが行われないのを補うために、空間的に様々な拡散角を備えたディフューザが用いられる。
【００１５】
本発明は又、第１の実施形態の円柱状フレネルレンズの製造方法及び第２の実施形態の楕円形微細構造及び空間変化拡散角を備えた拡散要素の製造方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図７における要素７００は、本発明のリヤプロジェクションスクリーンの第１の実施形態である。イメージプロジェクタ７０１は、像をリヤプロジェクションスクリーン７００上に投写し、このリヤプロジェクションスクリーンは、互いに貼り合わされた３つの平板状光学要素７０２，７０３，７０４から成っている。要素７０４は、入射光を角度７０５，７０６の楕円形コーンの状態で散乱させるディフューザである。角度７０５は、紙面上の拡散角を示し、角度７０６は、紙面から外れた平面上における拡散角を示している。光学要素７０２，７０３は、図８Ａ〜図８Ｄに示すような表面構造を備えたシリンドリカル又は円柱状のフレネルレンズである。光学要素７０４は、ディフューザである。シリンドリカルレンズの位相変化は、次式によって近似的に与えられる。
【００１７】
2006251811.tif 000003
上式において、ｘは、空間変数であり、λは、光の波長であり、Ｆは、焦点距離であり、φ（ｘ）は、位相収差か位相補正かのいずれかである。フレネルレンズの位相は、以下に示すように位相関数
2006251811.tif 000004
のモジュロ２ｍπを求めることによって決定される。
【００１８】
2006251811.tif 000005
上式において、Ｍｏｄは、モジュロを意味し、ｍは、ゼロではない整数である。同一の位相を有するフレネルレンズの厚さｄ（ｘ）は、次式で与えられる。
【００１９】
2006251811.tif 000006
上式において、ｎは、基板の屈折率である。したがって、次式が成り立つ。
【００２０】
2006251811.tif 000007
フレネルレンズの構造深さは、ｍλ／（ｎ−１）であり、最小構造深さは、λ／（ｎ−１）である。
【００２１】
図８Ａ及び図８Ｂはそれぞれ、ネガ型及びポジ型のフレネルレンズの位相を示しており、ｍ＝１である。図８Ｃ及び図８Ｄはそれぞれ、ネガ型及びポジ型のフレネルレンズの位相を示しており、ｍ＝２である。理解できるように、構造深さが増大すると、空間構造は、粗くなる。射出成形法により製造されたフレネルレンズの大部分は、構造深さが１００μｍよりも大きい。この空間構造は、この空間構造を機械的手段により金属ブランクの状態に切断できるほど粗い。本発明では、光学的方法を用いてフォトレジストが塗布された平面上に１０μｍ未満の構造深さを生じさせる。
【００２２】
フレネルレンズをフォトレジストプレート上に記録するための光学システムの一実施形態が、図９に示されている。レーザビーム９０１は、空間光変調器９０２に入射する。このレーザビームは、空間光変調器９０２を通過した後、レンズ９０３によってフォトレジストプレート９０４の表面上の一点に合焦され、このフォトレジストプレートは、２軸トランスレータステージ９０６に取り付けられている。空間光変調器９０２は、関数ｙ（ｘ）に従ってこの点の明るさ及び形状を制御する。フォトレジストを露光して現像した後では、このように記録された表面プロフィールは、ｙ（ｘ）と同一である。次に、フォトレジスト上の表面レリーフパターンを電気めっきによりニッケルブランクに転写する。次に、フレネルレンズパターンを備えたニッケルシムをマスターとして用いてフレネルレンズ構造をＵＶ硬化性ポリマーが塗布された基板上にエンボスする。
【００２３】
図１０は、リヤプロジェクションスクリーン１００５の第２の実施形態を示している。プロジェクタ１００１は、像をスクリーン１００５上に投写する。スクリーン１０２の任意の水平位置ｘのところにおけるプロジェクタ１００１からの光線は、スクリーンに垂直な表面に対し角度ω（ｘ）をなす。水平方向に必要な拡散コーンは、中心位置において±ωdに等しいと仮定する。ωdの角度を生じさせる位置に座っている観察者が位置ｘで像を見るためには、位置ｘにおける拡散コーンは、±（ωd＋ω（ｘ））に等しくなければならない。投写された光線の角度はこれがスクリーンの中心からずれにつれて増大するので、スクリーンの中心における拡散コーン１００４は、スクリーンのエッジのところの拡散コーン１００６，１００７よりも小さい。
【００２４】
本発明のかかる空間変化拡散スクリーンを製造するには少なくとも２つの方法がある。第１の方法は、図１１に示されている。光拡散要素１１０２が、回転シャフト１１０３に取り付けられている。光ビーム１１０１は、拡散要素１１０２に入射する。レンズ１１０４は、空間光変調器１１０６が設けられた平面１１０５上に拡散要素のスペクトルを生じさせる。空間光変調器は、これまた拡散要素１１０２の像平面である平面１１０８のところでフォトレジストプレート上に記録されたスペックルのスペクトルを制御する矩形の開口を有している。対物レンズ１１０７が、光をフォトレジストプレート１１０８上に合焦させる。
【００２５】
記録されたスペックルの拡散角は、ｓｉｎωd＝Ｗ／２Ｆで与えられ、この式において、Ｗは、空間光変調器上の矩形アパーチュアの幅である。位置ｘに１つの拡散ドットを記録した後、トランスレータは、フォトレジストプレートを新たな位置ｘ＋δに移動させる。それと同時に、今や拡散要素１１０２を新たな位置に回転させて次の拡散ドットをフォトレジストプレート上に記録する。このプロセスを両方の空間方向について繰り返し実施して、遂には拡散ドットがフォトレジストプレートを完全に埋めるようになる。トランスレータが新たな位置に動くと、コントローラは、空間光変調器上の適当なアパーチュアを入力して新たな拡散ドットがその位置について必要な拡散角をもつようにする。図１２は、本発明の方法に従って製造されたアスペクト比が４：１のシミュレートされたスペックルパターン(speckle pattern)を備えた空間変化ディフューザを示している。
【００２６】
図１３は、拡散要素を製造する本発明の第２の方法を示している。コリメートされたビーム１３０１が、空間変調器１３０２を照明し、この空間変調器は、空間変調器のビュー１３０３内に示されているような矩形開口を有する。空間変調器１３０２によって表示されたパターンは、ランダム位相パターン
2006251811.tif 000008
のコンピュータ生成フーリエ変換である。
【００２７】
上式において、
2006251811.tif 000009
は、ゼロと１との間の値をもつランダム関数である。Ｆ（ｕ，ｖ）は、ｆ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換である。即ち、
2006251811.tif 000010
空間変調器上に表示されたパターンは、次式、即ち、
2006251811.tif 000011
に比例しており、上式において、
2006251811.tif 000012
は、再構築過程において光軸から遠ざかるスペックルパターンのシフトを引き起こす。レンズ１３０４は、逆フーリエ変換を行い、図１２に示すスペックルパターンと類似したスペックルパターンを記録平面１３０５上に再現する。スペックルのアスペクト比は、符号１３０３で示すようにコンピュータ生成ホログラムの幅及び高さによって制御される。従来システムの場合と同様、１つの拡散ドットを記録した後、トランスレータは、記録プレートを新たな位置に動かし、空間光変調器上のパターンに代えて新たなランダム位相構造をもつコンピュータ生成ホログラムが用いられる。この過程を繰り返し行って遂には記録面が拡散ドットで完全に埋められるようになる。この第２のシステムの利点は、記録システムにはトランスレータの他に機械的運動が無いということにある。
【００２８】
本発明の新規な技術的思想の範囲から逸脱することなく改造例及び変形例を想到できることは理解されよう。例えば、他の方法を用いて分割されたフレネルレンズ又は空間変化ディフューザを製造することができる。本発明の構造を作るために使用できるフレネルレンズを製造する別の方法は、米国特許第４，７３７，４４７号明細書に記載されている。したがって、上記説明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲の例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術のリヤプロジェクションシステムの略図である。
【図２】先行技術のリヤプロジェクションスクリーンの構造の略図である。
【図３】米国特許第４，７７３，７１３号明細書に記載された先行技術のリヤプロジェクションスクリーンの断面図である。
【図４】米国特許第６，０４６，８４７号明細書に記載された先行技術のリヤプロジェクションスクリーンの断面図である。
【図５】米国特許第６，３０４，３７８号明細書に記載された先行技術のリヤプロジェクションスクリーンの断面図である。
【図６】米国特許第５，８７０，２２４号明細書に記載された先行技術のリヤプロジェクションスクリーンの断面図である。
【図７】本発明のリヤプロジェクションスクリーンシステムの断面図である。
【図８Ａ】結果的に細かい空間構造を備えたネガ型の薄いフレネルレンズの断面図である。
【図８Ｂ】結果的に細かい空間構造を備えたポジ型の薄いフレネルレンズの断面図である。
【図８Ｃ】結果的に粗い空間構造を備えたネガ型の薄いフレネルレンズの断面図である。
【図８Ｄ】結果的に粗い空間構造を備えたポジ型の薄いフレネルレンズの断面図である。
【図９】円柱状フレネルレンズの製造システムの略図である。
【図１０】空間変化ディフューザを備えたフレネルレンズを不要にした本発明のリヤプロジェクションシステムの第２の実施形態の略図である。
【図１１】図１０の空間変化ディフューザを製造する第１のシステムの略図である。
【図１２】図１１のシステムを用いて製造されたアスペクト比が４：１の空間変化ディフューザのスペクトルパターンの略図である。
【図１３】図１０の空間変化ディフューザを製造する第２のシステムの略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００，２００，７００，１００５  リヤプロジェクションスクリーン
１０１，２０１，７０１  １００１  イメージプロジェクタ
３０１  フレネルレンズ
７０２，７０３  円柱状（シリンドリカル）フレネルレンズ
７０４  ディフューザ
９０１  レーザビーム
９０２，１１０６，１３０２  空間光変調器
９０３  レンズ
９０４，１１０８  フォトレジストプレート
【図１】
2006251811.tif 000016
【図２】
2006251811.tif 000017
【図３】
2006251811.tif 000018
【図４】
2006251811.tif 000019
【図５】
2006251811.tif 000020
【図６】
2006251811.tif 000021
【図７】
2006251811.tif 000022
【図８Ａ】
2006251811.tif 000023
【図８Ｂ】
2006251811.tif 000024
【図８Ｃ】
2006251811.tif 000025
【図８Ｄ】
2006251811.tif 000026
【図９】
2006251811.tif 000027
【図１０】
2006251811.tif 000028
【図１１】
2006251811.tif 000029
【図１２】
2006251811.tif 000030
【図１３】
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【外国語明細書】
2006251811.tif 000032
2006251811.tif 000033
2006251811.tif 000034
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