(57)【要約】【課題】入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することが可能なフレネルレンズ等を提供すること。【解決手段】入射する光を角度変換して出射面Ｓ３から出射させるフレネルレンズ２１であって、出射面Ｓ３に設けられ、特定の振動方向の偏光光Ｌ１を透過し、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光Ｌ２を反射する偏光分離部２３と、偏光分離部２３で反射した他の振動方向の偏光光Ｌ２を出射面Ｓ３の方向へ反射する反射部２４と、を有する。【選択図】      図５
2006195122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光を角度変換して出射面から出射させるフレネルレンズであって、
前記出射面に設けられ、特定の振動方向の偏光光を透過し、前記特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射する偏光分離部と、
前記偏光分離部で反射した前記他の振動方向の偏光光を前記出射面の方向へ反射する反射部と、を有することを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項２】
前記出射面に略直交する断面にて略三角形形状を有し、光が入射する側に設けられたプリズム部を有し、
前記反射部は、前記プリズム部同士の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ。
【請求項３】
前記偏光分離部は、前記出射面の略全面に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレネルレンズ。
【請求項４】
前記反射部の前記出射面側に設けられた位相板を有することを特徴とする請求項３に記載のフレネルレンズ。
【請求項５】
前記偏光分離部は、少なくとも、前記出射面のうち、入射した光が直接到達する領域に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレネルレンズ。
【請求項６】
前記プリズム部は、光が入射する第１の斜面と、前記第１の斜面から入射した光を全反射して前記出射面の方向へ進行させる第２の斜面と、を有し、前記第１の斜面に入射した光を、前記第１の斜面における屈折、及び前記第２の斜面における全反射により角度変換することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のフレネルレンズ。
【請求項７】
前記プリズム部は、所定の方向から入射する光の略全てを前記第１の斜面に入射させ、かつ前記第１の斜面に入射した光の略全てを前記第２の斜面で全反射させる形状を有することを特徴とする請求項６に記載のフレネルレンズ。
【請求項８】
前記プリズム部は、光が入射する斜面を有し、前記斜面に入射した光を、前記斜面で屈折することにより角度変換することを特徴とする請求項５に記載のフレネルレンズ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のフレネルレンズを有することを特徴とするスクリーン。
【請求項１０】
光を供給する光源部と、
前記光源部からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
前記空間光変調装置からの光を透過するスクリーンと、を有し、
前記スクリーンは、請求項９に記載のスクリーンであることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレネルレンズ、スクリーン及び画像表示装置、特に、画像信号に応じた光を透過させることにより画像を表示する画像表示装置のスクリーンに用いるフレネルレンズの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像信号に応じた光を透過させることにより画像を表示する画像表示装置、いわゆるリアプロジェクタには、光を透過させる透過型のスクリーンが用いられる。リアプロジェクタは、スクリーンに対して斜め方向から画像信号に応じた光を入射させる構成とすることで、薄型化が図られている。スクリーンに対して斜め方向から光を入射させる場合、スクリーンは、斜めに入射した光を観察者の方向へ角度変換する構成とする必要がある。また、スクリーンに入射する光の入射角度が大きくなるほど、スクリーンの界面で光が全反射し易くなると考えられる。スクリーンでの全反射によって光が画像表示装置の内部に取り込まれると、明るい画像を表示することが困難になる。さらに、画像表示装置の内部に光が取り込まれると、迷光の多重反射からゴーストを生じる場合もある。このため、スクリーンは、明るく高品質な画像を得るためには、斜めに入射した光を観察者の方向へ効率良く進行させる構成とする必要がある。斜めに入射した光を観察者の方向へ効率良く進行させるためのスクリーンの技術は、例えば、特許文献１に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１１９３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、フレネルレンズの入射側に設けられたプリズム部で光を全反射することにより、光を観察者の方向へ進行させる技術が提案されている。フレネルレンズは、スクリーンから見てライトバルブが設けられている側である下側の斜面から光を入射し、入射した光を上側の斜面で全反射させる。しかしながら、特許文献１に提案される技術では、フレネルレンズから出射する光に明るさムラが多く生じてしまうと考えられる。このため、フレネルレンズの出射側に拡散層等を設けることにより光の均一化を図ることとしても、スクリーンからの光の明るさムラを解消することが難しいという問題がある。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することが可能なフレネルレンズ、そのフレネルレンズを用いるスクリーン、及び画像表示装置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】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、入射する光を角度変換して出射面から出射させるフレネルレンズであって、出射面に設けられ、特定の振動方向の偏光光を透過し、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射する偏光分離部と、偏光分離部で反射した他の振動方向の偏光光を出射面の方向へ反射する反射部と、を有することを特徴とするフレネルレンズを提供することができる。
【０００６】
フレネルレンズに入射した光のうち、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光は、偏光分離部を透過することにより、フレネルレンズから出射する。フレネルレンズに入射した光のうち、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光は、偏光分離部で反射する。偏光分離部で反射した光は、反射部で反射した後、出射面の方向へ進行する。偏光分離部で反射したｓ偏光光は、ｐ偏光光とは異なる光路を経て出射面に入射する。フレネルレンズは、出射面において、偏光分離部を透過した光が到達する領域以外の領域へ、偏光分離部で反射した光を導くことが可能となる。このようにして、フレネルレンズは、斜めに入射した光を観察者の方向へ角度変換可能な構成とした上で、出射面からの光の明るさムラを低減することができる。これにより、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することが可能なフレネルレンズを得られる。
【０００７】
また、本発明の好ましい態様によれば、出射面に略直交する断面にて略三角形形状を有し、光が入射する側に設けられたプリズム部を有し、反射部は、プリズム部同士の間に設けられることが望ましい。光が入射する側にプリズム部を設けることにより、フレネルレンズに入射した光を角度変換する構成とすることができる。また、プリズム部同士の間に反射部を設けることにより、偏光分離部で反射した光を出射面の方向へ反射可能な構成とすることができる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、偏光分離部は、出射面の略全面に設けられることが望ましい。出射面の略全面に偏光分離部を設けることにより、入射した光のうち特定の振動方向の偏光光を透過し、他の振動方向の偏光光を反射することができる。出射面の略全面に偏光分離部を形成可能とすることで、偏光分離部を容易に形成することができる。偏光分離部で反射した他の振動方向の偏光光は、特定の振動方向の偏光光に変換することによって、偏光分離部を透過させ、フレネルレンズから出射させることができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様としては、反射部の出射面側に設けられた位相板を有することが望ましい。反射部の出射側に、例えばλ／４位相板を設けることにより、偏光分離部で反射した他の振動方向の偏光光を、特定の振動方向の偏光光に変換することができる。これにより、偏光分離部で反射した光を特定の振動方向の偏光光に変換して、フレネルレンズから出射させることができる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様としては、偏光分離部は、少なくとも、出射面のうち、入射した光が直接到達する領域に設けられることが望ましい。フレネルレンズに入射した光が直接到達する領域に偏光分離部を設けることにより、入射した光のうち特定の振動方向の偏光光を透過し、他の振動方向の偏光光を反射することができる。偏光分離部で反射した他の振動方向の偏光光は、出射面のうち偏光分離部が設けられた領域以外の領域に入射することにより、フレネルレンズから出射させることができる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様としては、プリズム部は、光が入射する第１の斜面と、第１の斜面から入射した光を全反射して偏光分離部の方向へ進行させる第２の斜面と、を有し、第１の斜面に入射した光を、第１の斜面における屈折、及び第２の斜面における全反射により角度変換することが望ましい。これにより、入射した光を角度変換し、所定の出射方向へ進行させることができる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様としては、プリズム部は、所定の方向からの光の略全てを第１の斜面に入射させ、かつ第１の斜面に入射した光の略全てを第２の斜面で全反射させる形状を有することが望ましい。所定の方向からの光の略全てを第１の斜面に入射可能な構成とすることで、所定の方向から入射する光をフレネルレンズへ効率良く取り込むことができる。第１の斜面で取り込んだ光の略全てを第２の斜面で全反射させることにより、光を効率良く出射面の方向へ進行させることができる。また、入射する光を無駄無く出射面の方向へ進行させることが可能であることから、迷光の発生を低減することもできる。これにより、迷光の発生を低減し、所定の方向から入射する光を効率良く所定の出射方向へ進行させることができる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様としては、プリズム部は、光が入射する斜面を有し、斜面に入射した光を、斜面で屈折することにより角度変換することが望ましい。これにより、入射した光を角度変換し、所定の出射方向へ進行させることができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、上記のフレネルレンズを有することを特徴とするスクリーンを提供することができる。上記のフレネルレンズを有することにより、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することができる。これにより、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することが可能なスクリーンを得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、光を供給する光源部と、光源部からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、空間光変調装置からの光を透過するスクリーンと、を有し、スクリーンは、上記のスクリーンであることを特徴とする画像表示装置を提供することができる。上記のスクリーンを有することにより、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することができる。これにより、明るく、明るさムラが低減された画像を表示可能な画像表示装置を得られる。また、スクリーンに対して斜め方向から画像信号に応じた光を入射させる構成とすることで、画像表示装置を薄型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例に係る画像表示装置１００の概略構成を示す。画像表示装置１００は、スクリーン１１０の一方の面に光を投写し、スクリーン１１０の他方の面から出射する光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタである。光源部である超高圧水銀ランプ１１は、第１色光である赤色光（以下、「Ｒ光」という。）、第２色光である緑色光（以下、「Ｇ光」という。）、及び第３色光である青色光（以下、「Ｂ光」という。）を含む光を供給する。
【００１８】
インテグレータ１２は、超高圧水銀ランプ１１からの光の照度分布を略均一にする。照度分布が均一化された光は、偏光変換素子１３にて特定の振動方向を有する偏光光、例えばｓ偏光光に変換される。ｓ偏光光に変換された光は、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１４Ｒに入射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１４Ｒは、Ｒ光を透過し、Ｇ光、Ｂ光を反射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１４Ｒを透過したＲ光は、反射ミラー１５に入射する。反射ミラー１５は、Ｒ光の光路を９０度折り曲げる。光路を折り曲げられたＲ光は、空間光変調装置１７Ｒに入射する。空間光変調装置１７Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、ダイクロイックミラーを透過しても光の偏光方向は変化しないため、空間光変調装置１７Ｒに入射するＲ光は、ｓ偏光光のままの状態である。
【００１９】
空間光変調装置１７Ｒに入射したｓ偏光光は、不図示の液晶パネルに入射する。液晶パネルは、２つの透明基板の間に、画像表示のための液晶層を封入している。液晶パネルに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調によりｐ偏光光に変換される。空間光変調装置１７Ｒは、変調によりｐ偏光光に変換されたＲ光を出射する。このようにして、空間光変調装置１７Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２０】
Ｒ光透過ダイクロイックミラー１４Ｒで反射されたＧ光及びＢ光は、光路を９０度折り曲げられる。光路を折り曲げられたＧ光及びＢ光は、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇに入射する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇは、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇで反射されたＧ光は、空間光変調装置１７Ｇに入射する。空間光変調装置１７Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。空間光変調装置１７Ｇに入射したｓ偏光光は、液晶パネルでの変調によりｐ偏光光に変換される。空間光変調装置１７Ｇは、変調によりｐ偏光光に変換されたＧ光を出射する。このようにして、空間光変調装置１７Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２１】
Ｂ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇを透過したＢ光は、２枚のリレーレンズ１６と、２枚の反射ミラー１５とを経由して、空間光変調装置１７Ｂに入射する。空間光変調装置１７Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、Ｂ光にリレーレンズ１６を経由させるのは、Ｂ光の光路がＲ光及びＧ光の光路よりも長いためである。リレーレンズ１６を用いることにより、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇを透過したＢ光を、そのまま空間光変調装置１７Ｂへ導くことができる。
【００２２】
空間光変調装置１７Ｂに入射したｓ偏光光は、液晶パネルでの変調によりｐ偏光光に変換される。空間光変調装置１７Ｂは、変調によりｐ偏光光に変換されたＢ光を出射する。このようにして、空間光変調装置１７Ｂで変調されたＢ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１８に入射する。色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１４ＲとＢ光透過ダイクロイックミラー１４Ｇとは、超高圧水銀ランプ１１から供給される光を、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に分離する。なお、空間光変調装置１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂは、変調によりｓ偏光光をｐ偏光光に変換するほか、ｐ偏光光をｓ偏光光に変換することとしても良い。
【００２３】
色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１８は、２つのダイクロイック膜１８ａ、１８ｂをＸ字型に直交するように配置して構成されている。ダイクロイック膜１８ａは、Ｂ光を反射し、Ｒ光、Ｇ光を透過する。ダイクロイック膜１８ｂは、Ｒ光を反射し、Ｂ光、Ｇ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム１８は、空間光変調装置１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。
【００２４】
投写レンズ２０は、クロスダイクロイックプリズム１８で合成された光を反射ミラー１０５の方向へ投写する。反射ミラー１０５は、筐体１０７の内面であって、スクリーン１１０に対向する位置に設けられている。反射ミラー１０５は、投写レンズ２０からの投写光をスクリーン１１０の方向へ反射する。スクリーン１１０は、画像信号に応じた光を透過することにより鑑賞者側の面に投写像を表示する、透過型スクリーンである。スクリーン１１０は、筐体１０７の所定の一面に設けられている。筐体１０７は、筐体１０７内部の空間を密閉する。投写レンズ２０は、スクリーン１１０に対して下側の位置から斜め方向へ光を入射させる。画像表示装置１００は、スクリーン１１０に対して斜め方向から画像信号に応じた光を入射させる構成とすることで、筐体１０７を薄型にすることができる。
【００２５】
図２は、スクリーン１１０の要部断面構成を示す。スクリーン１１０の入射側の面には、フレネルレンズ２１が設けられている。フレネルレンズ２１は、透明樹脂等の透明部材により構成されている。フレネルレンズ２１は、光を角度変換して出射面Ｓ３から出射させる。フレネルレンズ２１の出射面Ｓ３は、略平坦な平面で構成されている。フレネルレンズ２１の、光が入射する側の面には、プリズム部２２が設けられている。
【００２６】
プリズム部２２は、凸レンズの凸面を切り出した輪状の切片である。フレネルレンズ２１は、複数のプリズム部２２を平面上に並べた形状を有する。プリズム部２２は、投写レンズ２０（図１参照）が設けられている下側を向いている第１の斜面Ｓ１と、上側を向いている第２の斜面Ｓ２とを有する。１つのプリズム部２２において、第１の斜面Ｓ１と第２の斜面Ｓ２とは、互いに稜線部Ｍで接合されている。プリズム部２２は、出射面Ｓ３に略直交する、図２に示す断面にて、略三角形形状を有している。
【００２７】
図３の平面構成に示すように、フレネルレンズ２１は、第１の斜面Ｓ１及び第２の斜面Ｓ２を、略同心円状に配置して構成されている。第１の斜面Ｓ１及び第２の斜面Ｓ２を配置する同心円の中心は、スクリーン１１０に対して下側、即ちマイナスＹ側の位置である。フレネルレンズ２１は、スクリーン１１０に対して下側の位置から斜め方向へ進行した光を、プリズム部２２により観察者の方向へ角度変換することができる。なお、フレネルレンズ２１は、第１の斜面Ｓ１及び第２の斜面Ｓ２を略同心円状に配置する構成に限られない。例えば、第１の斜面Ｓ１及び第２の斜面Ｓ２を、略同一位置に焦点を有する楕円状に配置することとしても良い。
【００２８】
図２に戻って、プリズム部２２同士の間の平坦な部分には、反射部２４及びλ／４位相板２５が設けられている。反射部２４は、高反射性の金属膜や誘電体多層膜により構成できる。図４に示すように、λ／４位相板２５は、反射部２４の出射面Ｓ３側であるプラスＺ側に設けられている。反射部２４は、後述する偏光分離部２３で反射した他の振動方向の偏光光を出射面Ｓ３の方向へ反射する。反射部２４及びλ／４位相板２５は、蒸着等によりそれぞれの構成部材を膜形成した後、プリズム部２２が設けられる部分にエッチング等を施すことにより形成することができる。また、プリズム部２２が設けられる部分をマスクした状態で各構成部材を膜形成することにより、反射部２４及びλ／４位相板２５を形成することとしても良い。
【００２９】
フレネルレンズ２１の出射面Ｓ３には、偏光分離部２３が設けられている。偏光分離部２３は、出射面Ｓ３の略全面に設けられている。偏光分離部２３は、特定の振動方向の偏光光を透過し、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射する。偏光分離部２３として、光学的に透明な硝子部材からなる基板の上に、金属、例えばアルミニウムで構成されるワイヤを格子状に設けたワイヤグリッド型偏光板を用いることができる。
【００３０】
ワイヤグリッド型偏光板は、振動方向がワイヤに略垂直である偏光光を透過し、振動方向がワイヤに略平行である偏光光を反射する。ワイヤグリッド型偏光板を、特定の振動方向の偏光光の振動方向に対してワイヤが略垂直となるように設けることにより、特定の振動方向の偏光光のみを透過させることができる。出射面Ｓ３の略全面に偏光分離部２３を設けるため、貼り合わせ等の工程により偏光分離部２３を容易に形成することができる。
【００３１】
フレネルレンズ２１の出射側には、レンチキュラーレンズアレイ２６が設けられている。レンチキュラーレンズアレイ２６は、複数のレンチキュラーレンズを有する。レンチキュラーレンズアレイ２６は、フレネルレンズ２１からの光を収束するように角度変換し、さらに観察者側で拡散させる。レンチキュラーレンズアレイ２６は、レンチキュラーレンズアレイ２６の出射側に設けられた遮光部２７同士の間に設けられた開口部に光を入射させるように、光を収束させる。遮光部２７は、光源側からの迷光や観察者側からの外光の透過を防ぐほか、開口部からの光の出射を停止する間は黒色を表示することから、画像のコントラストを向上させる機能を果たしている。
【００３２】
レンチキュラーレンズアレイ２６の出射側には、拡散層２８が設けられている。拡散層２８は、微粒子状の拡散材を含む。拡散層２８は、レンチキュラーレンズアレイ２６からの光をさらに拡散させる。レンチキュラーレンズアレイ２６及び拡散層２８によって観察者側で光を拡散させることにより、良好な視野角特性を得ることができる。なお、拡散層２８としては、微小な凹凸が形成された拡散面を備えたシート状の構造物を用いることとしても良い。スクリーン１１０は、図２に示す構成に限られず、例えば、レンチキュラーレンズアレイ２６及び拡散層２８を他の構成に置き換えた構成や、他の構成を追加した構成としても良い。例えば、拡散層２８を設ける代わりに、レンチキュラーレンズアレイ２６に拡散材を分散させることとしても良い。
【００３３】
図５は、フレネルレンズ２１に入射した光の振る舞いを説明するものである。反射ミラー１０５（図１参照）からスクリーン１１０の方向へ進行した光は、フレネルレンズ２１の第１の斜面Ｓ１に入射する。第１の斜面Ｓ１に入射した光は、第１の斜面Ｓ１で屈折して、第２の斜面Ｓ２の方向へ進行する。このとき第１の斜面Ｓ１からの光は、第２の斜面Ｓ２に対して臨界角以上の角度で入射する。第２の斜面Ｓ２に対して臨界角以上の角度で入射した光は、第２の斜面Ｓ２で全反射して、出射面Ｓ３の方向へ進行する。プリズム部２２は、第１の斜面Ｓ１に入射した光を、第１の斜面Ｓ１における屈折、及び第２の斜面Ｓ２における全反射により角度変換する。
【００３４】
第２の斜面Ｓ２から出射面Ｓ３の方向へ進行した光は、偏光分離部２３に入射する。偏光分離部２３は、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光を透過する。偏光分離部２３を透過したｐ偏光光Ｌ１は、そのままフレネルレンズ２１から出射する。また、偏光分離部２３は、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光を反射する。なお、画像信号に応じて変調された光は、各空間光変調装置１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ（図１参照）から出射した時点ではｐ偏光光に変換されている。スクリーン１１０に入射する光は、各空間光変調装置１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂからスクリーン１１０までの経路において、例えば反射ミラー１０５での反射等によって、円偏光や楕円偏光に変換されることが考えられる。このため、スクリーン１１０に入射した光は、偏光分離部２３によって、ｐ偏光光とｓ偏光光とに分離することが可能である。
【００３５】
偏光分離部２３で反射したｓ偏光光は、入射側であるマイナスＺ方向へ進行方向が折り返され、λ／４位相板２５に入射する。λ／４位相板２５を透過することにより、ｓ偏光光は、円偏光に変換される。λ／４位相板２５を透過した円偏光は、反射部２４において出射面Ｓ３の方向へ反射する。反射部２４で反射した円偏光は、再びλ／４位相板２５を透過することで、ｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換され、出射面Ｓ３の方向へ進行した光Ｌ２は、偏光分離部２３を透過して、フレネルレンズ２１から出射する。フレネルレンズ２１に入射した光は、このようにして、レンチキュラーレンズアレイ２６（図２参照）の方向へ進行する。なお、偏光分離部２３は、ｐ偏光光を透過しｓ偏光光を反射する構成に限らず、ｓ偏光光を透過しｐ偏光光を反射する構成としても良い。
【００３６】
図６は、本実施例のフレネルレンズ２１との比較として、従来用いられるフレネルレンズ６１の要部断面構成と、出射面Ｓ３からの光の光量分布６３とを示す。フレネルレンズ６１は、本実施例のフレネルレンズ２１と同様に、入射側にプリズム部６２を有する。また、フレネルレンズ６１は、入射側にプリズム部６２を隙間無く並列している。なお、図６に、稜線部Ｍから出射面Ｓ３の方向と、隣接するプリズム部６２の方向とに光が分かれて進行するように示している部分がある。これは、第１の斜面Ｓ１のうち稜線部Ｍの近傍に入射し、第２の斜面Ｓ２で全反射して出射面Ｓ３の方向へ進行する光と、稜線部Ｍの近傍であってプリズム部６２の外部を通過し、隣接するプリズム部６２に入射する光とを示すものである。
【００３７】
フレネルレンズ６１は、１つのプリズム部６２で角度変換された光の照射領域と、そのプリズム部６２に隣接するプリズム部６２で角度変換された光の照射領域との間に、光が到達できない暗部が生じてしまう。暗部は、光量分布６３において黒塗りを施した部分で示している。このようにして生じた明るさムラは、レンチキュラーレンズや拡散層に光を透過させても十分に解消することが困難である。
【００３８】
図５に戻って、本発明のフレネルレンズ２１は、偏光分離部２３を透過したｐ偏光光と、偏光分離部２３で反射したｓ偏光光とが、異なる光路を経て出射面Ｓ３に入射する。フレネルレンズ２１は、出射面Ｓ３において、偏光分離部２３を透過したｐ偏光光Ｌ１が到達する部分以外の部分へ、偏光分離部２３で反射したｓ偏光光Ｌ２を導くことが可能となる。このようにして、フレネルレンズ２１は、斜めに入射した光を観察者の方向へ角度変換可能な構成とした上で、出射面Ｓ３からの光の明るさムラを低減することができる。これにより、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することができるという効果を奏する。
【００３９】
入射した光を効率良く観察者の方向へ進行させることにより、スクリーン１１０には、明るい画像を表示することができる。また、フレネルレンズ２１の出射面Ｓ３において明るさムラを低減することにより、レンチキュラーレンズアレイ２６や拡散層２８を用いて明るさムラを目立たなくすることが容易となる。従って、画像表示装置１００は、明るく、明るさムラが低減された画像を表示することができる。
【００４０】
第１の斜面Ｓ１及び第２の斜面Ｓ２の傾きは、入射光を観察者の方向へ角度変換できるように、スクリーン１１０に入射する光の入射角に応じて設定される。このため、プリズム部２２は、スクリーン１１０に入射する光の入射角に応じて、Ｚ方向における高さ及びＹ方向におけるピッチの少なくとも一方が設定されている。また、反射部２４及びλ／４位相板２５は、偏光分離部２３で反射したｓ偏光光が入射する位置に設けられている。反射部２４及びλ／４位相板２５の位置は、偏光分離部２３で反射した光の進行方向、及びフレネルレンズ２１の厚みに応じて設定される。また、反射部２４及びλ／４位相板２５の位置を決定することで、プリズム部２２同士の間隔も決定することができる。
【００４１】
フレネルレンズ２１を用いるスクリーン１１０は、３つの透過型液晶表示装置を設けた画像表示装置１００に限らず、例えば、単独の透過型液晶表示装置や反射型液晶表示装置を用いた画像表示装置、ティルトミラーデバイスを用いた画像表示装置等に適用することができる。例えば、ティルトミラーデバイスであるＤＭＤ（登録商標）は、偏光状態に関わらず光を変調する。このため、空間光変調装置にＤＭＤを用いる場合、偏光状態がランダムな光をスクリーン１１０に供給できることから、フレネルレンズ２１におけるｐ偏光光とｓ偏光光との分離を効果的に行うことができると考えられる。
【００４２】
図７は、本実施例の変形例に係るフレネルレンズ７１の要部断面構成を示す。フレネルレンズ７１は、上記のスクリーン１１０に適用することができる。フレネルレンズ７１は、第１の斜面Ｓ１が、投写レンズ２０（図１参照）が設けられているマイナスＹ側に突出したような形状のプリズム部７２を有する。プリズム部７２は、投写レンズ２０、反射ミラー１０５を経て所定の方向から入射する光の略全てを第１の斜面Ｓ１に入射させ、かつ第１の斜面Ｓ１に入射した光の略全てを第２の斜面Ｓ２で全反射させる形状を有する。
【００４３】
稜線部Ｍの近傍であってプリズム部７２の外部を通過した光は、隣接するプリズム部７２の第１の斜面Ｓ１に入射する。反射ミラー１０５からフレネルレンズ７１を見ると、フレネルレンズ７１は、各プリズム部７２の第１の斜面Ｓ１が並列しているような構成をなしている。かかる構成により、投写レンズ２０、反射ミラー１０５を経て所定の方向から入射する光の略全ては、第１の斜面Ｓ１に入射する。
【００４４】
第１の斜面Ｓ１のうち、反射部２４側の端部に入射した光は、第１の斜面Ｓ１で屈折した後、第２の斜面Ｓ２のうち、反射部２４側の端部で全反射する。また、第１の斜面Ｓ１のうち、稜線部Ｍ側の端部に入射した光は、第１の斜面Ｓ１で屈折した後、第２の斜面Ｓ２のうち、稜線部Ｍ側の端部で全反射する。かかる構成により、第１の斜面Ｓ１に入射した光の略全ては、第２の斜面Ｓ２で全反射する。
【００４５】
所定の方向からの光の略全てを第１の斜面Ｓ１に入射可能な構成とすることで、所定の方向から入射する光をフレネルレンズ７１へ効率良く取り込むことができる。第１の斜面Ｓ１で取り込んだ光の略全てを第２の斜面Ｓ２で全反射させることにより、光を効率良く出射面Ｓ３の方向へ進行させることができる。また、入射する光を無駄無く出射面Ｓ３の方向へ進行させることが可能であることから、迷光の発生を低減することもできる。迷光の発生の原因となる光の入射位置に光を吸収する部材を設ける必要も無いことからも、光の利用効率の低下を低減することができる。
【００４６】
これにより、迷光の発生を低減し、所定の方向から入射する光を効率良く観察者の方向へ進行させることができるという効果を奏する。なお、プリズム部７２は、所定の方向からの光の略全てを第１の斜面Ｓ１に入射させ、かつ第１の斜面Ｓ１に入射した光の略全てを第２の斜面Ｓ２で全反射させることが可能であれば、本変形例で説明した形状とは異なる形状としても良い。
【実施例２】
【００４７】
図８は、本発明の実施例２に係るフレネルレンズ８１の要部断面構成を示す。フレネルレンズ８１は、上記実施例１のスクリーン１１０に適用することができる。上記実施例１のスクリーン１１０と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例のスクリーン１１０は、出射面Ｓ３のうち、フレネルレンズ８１へ入射した光が直接到達する領域に偏光分離部８３が設けられることを特徴とする。
【００４８】
プリズム部２２同士の間の平坦な部分には、反射部２４のみが設けられている。偏光分離部８３は、出射面Ｓ３のうち、フレネルレンズ８１へ入射した光が直接到達する領域に設けられている。偏光分離部８３は、プリズム部２２と同様の同心円状に設けられている。偏光分離部８３は、蒸着等により出射面Ｓ３の略一面に構成部材を貼り付けた後、フレネルレンズ８１へ入射した光が直接到達する領域以外の領域にエッチング等を施すことにより形成することができる。
【００４９】
第２の斜面Ｓ２で全反射して出射面Ｓ３の方向へ進行した光は、偏光分離部８３に入射する。偏光分離部８３は、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光を透過する。偏光分離部８３を透過したｐ偏光光Ｌ３は、そのままフレネルレンズ８１から出射する。また、偏光分離部８３は、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光を反射する。偏光分離部８３で反射したｓ偏光光は、入射側であるマイナスＺ方向へ進行方向が折り返され、反射部２４に入射する。
【００５０】
反射部２４に入射したｓ偏光光は、反射部２４で反射して出射面Ｓ３の方向へ進行する。反射部２４から出射面Ｓ３の方向へ進行したｓ偏光光Ｌ４は、出射面Ｓ３のうち、偏光分離部８３が設けられた領域以外の領域に入射する。出射面Ｓ３に到達したｓ偏光光Ｌ４は、そのまま出射面Ｓ３からフレネルレンズ８１の外部へ出射する。フレネルレンズ８１は、上記実施例１のフレネルレンズ２１と同様に、入射した光を効率良く所定の出射方向へ進行させ、かつ明るさムラを低減することができる。なお、偏光分離部８３は、少なくとも、出射面Ｓ３のうち、入射した光が直接到達する位置に設けられていれば良い。例えば、偏光分離部８３は、フレネルレンズ８１に入射した光が直接到達する領域以外の領域にまで設けることとしても良い。本実施例においても、図９に示すフレネルレンズ９１のように、上記実施例１で説明したプリズム部７２（図７参照）を有する構成としても良い。
【００５１】
次に、本実施例の変形例について説明する。本変形例は、フレネルレンズの入射側の面のうち、上側を向けて設けられた第２の斜面Ｓ２から光を入射させることを特徴とする。本変形例のフレネルレンズについての説明の前に、図１０を用いて、第２の斜面Ｓ２から光を入射させる従来のフレネルレンズ１０１について説明する。フレネルレンズ１０１は、プリズム部１０２を隙間無く並列している。プリズム部１０２の第２の斜面Ｓ２に入射した光は、第２の斜面Ｓ２で屈折することにより、角度変換される。
【００５２】
プリズム部１０２は、フレネルレンズ１０１へ入射した光のうち第１の斜面Ｓ１に入射した光を、観察者の方向とは異なる他の方向へ角度変換する場合がある。このことから、１つのプリズム部１０２で角度変換された光の照射領域と、そのプリズム部１０２に隣接するプリズム部１０２で角度変換された光の照射領域との間に、光が到達できない暗部が生じてしまう。暗部は、光量分布１０３において黒塗りを施した部分で示している。スクリーン１１０へ入射する光の入射角度が大きくなるほど、光量分布１０３における暗部の領域が大きくなることにより、明るさムラが顕著に表れてしまう。
【００５３】
図１１は、本実施例の変形例に係るフレネルレンズ１１１の要部断面構成を示す。フレネルレンズ１１１のプリズム部１１２は、光が入射する第２の斜面Ｓ２を有する。また、プリズム部１１２は、第２の斜面Ｓ２に入射した光を、第２の斜面Ｓ２で屈折することにより角度変換する。第２の斜面Ｓ２から出射面Ｓ３の方向へ進行した光のうち、偏光分離部８３が設けられている領域以外の領域に入射した光は、そのままフレネルレンズ１１１から出射する。
【００５４】
偏光分離部８３が設けられている領域に入射した光のうち、特定の振動方向の偏光光であるｐ偏光光は、偏光分離部８３を透過して出射する。偏光分離部８３が設けられている領域に入射した光のうち、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光は、偏光分離部８３、及び反射部２４で反射した後、出射面Ｓ３から出射する。フレネルレンズ１１１から出射する光の光量分布１１３のうち斜線を付した部分は、反射部２４で反射した後出射面Ｓ３から出射した光の照射領域を示している。このように、本変形例のフレネルレンズ１１１は、従来のフレネルレンズ１０１と比較して、明るさムラを低減することができる。なお、上記の画像表示装置１００は、光源部として超高圧水銀ランプを用いているが、これに限られない。例えば、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の固体発光素子を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係るフレネルレンズは、画像信号に応じた光を透過させる画像表示装置のスクリーンに用いる場合に有用であり、特に、薄型な画像表示装置のスクリーンに用いる場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例１に係る画像表示装置の概略構成を示す図。
【図２】スクリーンの要部断面構成を示す図。
【図３】フレネルレンズの平面構成を示す図。
【図４】反射部及びλ／４位相板の配置を説明する図。
【図５】フレネルレンズに入射した光の振る舞いを説明する図。
【図６】従来のフレネルレンズの構成等を説明する図。
【図７】実施例１の変形例に係るフレネルレンズの要部断面構成を示す図。
【図８】本発明の実施例２に係るフレネルレンズの要部断面構成を示す図。
【図９】図７に示すプリズム部を有するフレネルレンズを説明する図。
【図１０】従来のフレネルレンズの構成等を説明する図。
【図１１】実施例２の変形例に係るフレネルレンズの要部断面構成を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１００  画像表示装置、１０５  反射ミラー、１０７  筐体、１１０  スクリーン、１１  超高圧水銀ランプ、１２  インテグレータ、１３  偏光変換素子、１４Ｒ  Ｒ光透過ダイクロイックミラー、１４Ｇ  Ｂ光透過ダイクロイックミラー、１５  反射ミラー、１６  リレーレンズ、１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ  空間光変調装置、１８  クロスダイクロイックプリズム、１８ａ、１８ｂ  ダイクロイック膜、２０  投写レンズ、２１  フレネルレンズ、２２  プリズム部、２３  偏光分離部、２４  反射部、２５  λ／４位相板、２６  レンチキュラーレンズアレイ、２７  遮光部、２８  拡散層、Ｓ１  第１の斜面、Ｓ２  第２の斜面、Ｓ３  出射面、Ｍ  稜線部、６１  フレネルレンズ、６２  プリズム部、６３  光量分布、７１  フレネルレンズ、７２  プリズム部、８１  フレネルレンズ、８３  偏光分離部、９１  フレネルレンズ、１０１  フレネルレンズ、１０２  プリズム部、１０３  光量分布、１１１  フレネルレンズ、１１２  プリズム部、１１３  光量分布
【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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【図１１】
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