(57)【要約】【課題】レンチキュラレンズ等、出射光に直線的な縞を有する他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを緩和するフレネルレンズの提供。【解決手段】同心円状の複数のプリズムを備えるフレネルレンズであって、複数のプリズムのそれぞれは、円周方向に断続的に設けられているフレネルレンズが提供される。複数のプリズムのそれぞれは、円周方向にランダムなピッチで設けられていてもよい。複数のプリズムのうち同心円の半径方向に隣接する２つのプリズムは、円周方向の端部の位置が互いにずれて設けられていてもよい。複数のプリズムのうち同心円の円周方向に隣接する２つのプリズムは、同心円の中心からの距離が互いに異なるように設けられていてもよい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状の複数のプリズムを備えるフレネルレンズであって、
前記複数のプリズムのそれぞれは、円周方向に断続的に設けられているフレネルレンズ。
【請求項２】
前記複数のプリズムのそれぞれは、前記円周方向にランダムなピッチで設けられている、請求項１に記載のフレネルレンズ。
【請求項３】
前記複数のプリズムのうち前記同心円の半径方向に隣接する２つのプリズムは、円周方向の端部の位置が互いにずれて設けられている、請求項１に記載のフレネルレンズ。
【請求項４】
前記複数のプリズムのうち前記同心円の円周方向に隣接する２つのプリズムは、前記同心円の中心からの距離が互いに異なるように設けられている、請求項１に記載のフレネルレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレネルレンズに関する。特に本発明は、同心円状の複数のプリズムを備えるフレネルレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
フレネルレンズ及びレンチキュラレンズ等の複数の凹凸を周期的に有する光学部品は、透過光の強度に一定の周期性が生じる。このように透過光の強度に周期性を有する光学部品を光の進行方向に複数重ねる場合、モアレ（干渉縞）が生じ、光学像の品質を低下させるという課題がある。このモアレを解消するための手段として、たとえば個々の光学部品の凹凸のピッチを規定し、モアレを目立ちにくくするという技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平６−２５０２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の従来技術ではモアレが十分に解消されないというという課題があった。したがって、モアレを緩和するための更なる解決手段が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、同心円状の複数のプリズムを備えるフレネルレンズであって、複数のプリズムのそれぞれは、円周方向に断続的に設けられているフレネルレンズが提供される。これにより、レンチキュラレンズ等、出射光に直線的な縞を有する他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを緩和することができる。
【０００５】
複数のプリズムのそれぞれは、円周方向にランダムなピッチで設けられていてもよい。これにより、各プリズムの円周方向に関する周期性がなくなるのでモアレが更に緩和される。
【０００６】
複数のプリズムのうち同心円の半径方向に隣接する２つのプリズムは、円周方向の端部の位置が互いにずれて設けられていてもよい。これにより、複数のプリズムの円周方向の両端の位置が周毎にずれるので、モアレが更に緩和される。
【０００７】
複数のプリズムのうち同心円の円周方向に隣接する２つのプリズムは、同心円の中心からの距離が互いに異なるように設けられていてもよい。これにより、プリズムの稜線の連続性が一層低減されるので、他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを一層緩和することができる。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るリアプロジェクション・ディスプレイ８００の構成を示す。リアプロジェクション・ディスプレイ８００は、光学エンジン７００と、鏡６００と、スクリーン５００とを備える。光学エンジン７００から出力された光学像は鏡６００で反射され、スクリーン５００に入射する。スクリーン５００は、入射した光学像を拡散させて観察者側に出射することにより、適切な観察領域を実現する。
【００１１】
図２は、図１のスクリーン５００におけるＡ部の詳細な構成の一例を示す。スクリーン５００は、フレネルレンズ２００、レンチキュラレンズ１００、及び前面板３００を互いに平行に近接あるいは密接して備える。フレネルレンズ２００は、複数のプリズム２２を有し、光学エンジン７００から出射された光の進行方向をプリズム２２によってスクリーン５００とほぼ垂直な方向にそろえる。レンチキュラレンズ１００は、複数のカマボコ状の単レンズ１０を有し、入射した光を単レンズ１０で拡散して出射する。前面板３００は、レンチキュラレンズ１００を保護すると共に、表面に施されたアンチグレア（ＡＧ）処理又は反射防止（ＡＲ）処理により外光の反射を低減する。また、視野角を広げるために前面板３００自体に拡散機能を持たせてもよい。レンチキュラレンズ１００は、フライアイレンズであってもよい。
【００１２】
保持部材４００は、プリズム２２と単レンズ１０とを対向させた状態、または、全反射を利用したプリズム２２と単レンズ１０とが同一方向に向いた状態で、フレネルレンズ２００、レンチキュラレンズ１００、及び前面板３００の縁端部を保持する。保持部材４００は、例えば、スクリーン５００の周縁部における上下左右４カ所に設けられる。保持部材４００は、例えばバネ性を有する金属又は樹脂で形成される。より具体的な例としては、ボルトで固定可能なベゼルなどがある。
【００１３】
図３は、フレネルレンズ２００の平面図を示す。また、図４は、図３のフレネルレンズ２００におけるA-A断面を示す。フレネルレンズ２００は、複数のプリズム２２が同心円状に配列されている。複数のプリズム２２のそれぞれは、円周方向に断続的に設けられている。したがって、複数のプリズム２２の稜線は、フレネルレンズ２００の光軸方向から見た場合に、図３に示すように円周方向に断続的な同心円をなす。
【００１４】
また、フレネルレンズ２００の外形はスクリーン５００の用途に応じた縦横比で形成される。例えば、リアプロジェクション・ディスプレイ８００の用途で用いられる場合、図３の横方向と縦方向の比率は、約１６：９である。横方向と縦方向の比率の他の例は、約４：３である。また、フレネルレンズ２００を構成するプリズム２２の高さは、図４に示すように外側に行くほど高く形成される。
【００１５】
図５及び図６は、複数のプリズム２２の形状の第１実施例を示す斜視図である。図５は、本実施例のフレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状を示し、図６は、本実施例のフレネルレンズ２００の外縁近傍におけるプリズム２２の形状を示す。なお、本図では、簡略化のために一部のプリズム２２を図示している。また、説明のために円周方向の曲率を誇張して図示している。フレネルレンズ２００の光軸に平行な方向（図中の矢印Ａ）とプリズム２２の斜面の法線、即ち光の入射面（又は出射面）の法線（図中の矢印Ｂ））とのなす角度θは、フレネルレンズ２００の光軸から離れるほど大きくなる。ここで、当該円周の長さに対してプリズム２２が非常に小さい場合には、図中の曲線はほぼ直線に近似される。よって、プリズム２２の斜面は、フレネルレンズ２００の光軸近傍においてフレネルレンズ２００の光軸に対してほぼ直交し、光軸から離れるほどフレネルレンズ２００の光軸に対して平行に近く立ち上がる。複数のプリズム２２は円周方向に断続的に設けられているので、レンチキュラレンズ等、出射光に直線的な縞を有する他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを緩和することができる。
【００１６】
尚、本実施例では、複数のプリズム２２のうち同心円の円周方向に隣接する２つのプリズム２２は、同心円の中心からの距離が互いに異なるように設けられている。これにより、プリズム２２の稜線の連続性が一層低減されるので、他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを一層緩和することができる。
【００１７】
図７及び図８は、フレネルレンズ２００の断面を示す。図７は、フレネルレンズ２００の中心近傍における断面を示し、図８は、フレネルレンズ２００の外縁近傍における断面を示す。フレネルレンズ２００は、レンズ層２０、及び基材２４を備える。本実施例のレンズ層２０は、紫外線硬化性の透明なウレタンアクリレート樹脂（２Ｐ樹脂）である。基材２４は透明な樹脂板又は拡散板である。基材２４は、フレネルレンズ２００に要求される低い反り性と、強度を確保する材質と厚さとを有して形成されている。例えば、フレネルレンズ２００は面積が大きいほど、基材２４の厚さは厚くなる。
【００１８】
図９及び図１０は、複数のプリズム２２の形状の第２実施例を示す斜視図である。図９は、本実施例のフレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状を示し、図１０は、本実施例のフレネルレンズ２００の外縁近傍におけるプリズム２２の形状を示す。以下、前述の第１実施例と異なる点を説明する。その他の箇所は第１実施例と同様なので説明を省略する。本実施例のプリズム２２は、少なくとも円周方向の両端におけるフレネルレンズ２００の中心側の稜線が円弧形状をなす。これにより、回折が生じやすいエッジを第１実施例よりも減らすことができ、迷光の発生を低減することができる。また、本実施例のプリズム２２は、後述する雌型マスタ３０の製造が容易であるという効果をさらに有する。
【００１９】
図１１は、複数のプリズム２２の形状の第３実施例を示す斜視図である。以下、前述の第１実施例と異なる点を説明する。その他の箇所は第１実施例と同様なので説明を省略する。本実施例において、複数のプリズム２２のうち同心円の半径方向に隣接する２つのプリズム２２は、円周方向の端部の位置が互いにずれて設けられている。これにより、複数のプリズム２２の円周方向の両端の位置が周毎にずれるので、モアレが更に緩和される。
【００２０】
図１２は、複数のプリズム２２の形状の第４実施例を示す斜視図である。以下、前述の第１実施例と異なる点を説明する。その他の箇所は第１実施例と同様なので説明を省略する。本実施例において、複数のプリズム２２のうち隣接する２つのプリズム２２のいくつかは、円周方向の端部の位置が互いにずれており、かつ、同心円の中心からの距離が互いに異なるように設けられている。これにより、複数のプリズム２２の円周方向の両端の位置が周毎にずれるので、モアレが更に緩和される。
【００２１】
なお、図５、９、１１及び１２に示す実施形態において、プリズム２２以外の領域は、平坦であって、フレネルレンズとして機能しない。よって、この平坦な領域はできるだけ小さくすることが好ましい。
【００２２】
フレネルレンズ２００の成形は従来の製造方法で行うことができる。即ち、雌型及び基材２４の間にレンズ用樹脂を充填する充填工程と、レンズ用樹脂を硬化させてフレネルレンズ２００を成形する硬化工程と、硬化したフレネルレンズ２００を雌型から剥離する剥離工程とを含む。
【００２３】
フレネルレンズ２００を成形する雌型は、雌型と同等の形状を有する雌型マスタ３０を金属等で作製し、当該雌型マスタ３０を公知のキャスティング技術によって複製することにより、エポキシ樹脂などで雌型を作製する。
図１３は、フレネルレンズ２００の雌型マスタ３０を生産する方法の一例を示す概念図である。雌型マスタ３０は金属からなり、マシニングセンタ及び縦旋盤などの工作機械を用いた切削加工によって作製される。雌型マスタ３０の材料は、回転テーブル５０上に支持されている。回転テーブル５０は、回転軸を中心とした回転Ｒ２により、被加工材を加工ヘッド４０に対して回転させる。回転Ｒ２は、例えば１０ｒｐｍから１００ｒｐｍ程度である。加工ヘッド４０は、刃の先端角度θがプリズム２２の先端の角度よりも小さい切削工具４２を保持している。加工ヘッド４０は、切削工具４２を回転速度Ｒ１で回転させる。Ｒ１は、被加工材の材質に応じて１００ｒｐｍから１００００ｒｐｍ程度である。
【００２４】
当該工作機械は、回転テーブル５０の回転中心から加工ヘッド４０までの距離を決定する半径方向パラメータＤと、被加工材に対する切削工具４２の高さを決定する高さパラメータＨと、被加工材に対する切削工具４２の回転軸の角度パラメータＡとをそれぞれ独立に制御して雌型マスタ３０を加工する。以下、雌型マスタ３０の外縁部から加工する場合における上記パラメータの制御手順を説明する。まず、切削工具４２が被加工材と十分に離間する位置で高さＨを維持する。次に、外縁部におけるプリズム２２の斜面と切削工具４２の先端が平行になるように、加工ヘッド４０の角度Ａを調節する。次に、回転テーブル５０を、速度Ｒ２で回転させる。そして、切削工具４２を回転速度Ｒ１で回転させながら、加工ヘッド４０を下方に送る。即ち、高さＨを小さくする。そして、切削工具４２が被加工材に接触する位置からプリズム２２の高さに相当する距離だけ加工ヘッド４０を下方に送る。この後、加工ヘッド４０を下方に送った状態でＨを一定時間保持することにより、図１０に示すプリズム２２のように、稜線が一定の直線を有する。一方、加工ヘッド４０の高さＨを下方に送った状態で保持することなく、すぐに上方に引き上げることにより、図９に示すように円弧状の稜線を有するプリズム２２を成形する型を加工することができる。
【００２５】
同様の手順で一周分のプリズム２２に相当する加工が完了すると、加工ヘッド４０の半径方向パラメータＤをプリズム２２の半径方向のピッチに相当する距離だけ、回転テーブル５０の回転軸の方向に変化させる。次に、当該位置に形成すべきプリズム２２の斜面と切削工具４２の先端が平行になるように、加工ヘッド４０の角度Ａを小さく調節する。以降、加工ヘッド４０の被加工材に対する高さＨを上述の手順で制御することにより、さらに一周内側のプリズム２２に相当する加工を行う。以降、同様の手順をくりかえすことにより、図９及び図１０に図示した第２実施例のプリズム２２を生産する為の雌型マスタ３０を加工することができる。
【００２６】
尚、上述の実施例は、マシニングセンタを用いた切削加工により雌型マスタ３０を加工する例を示したが、これに代えて、公知のレーザーアブレージョンにより雌型マスタ３０を加工してもよい。
【００２７】
上記の記載から明らかなように、本実施形態によれば、レンチキュラレンズ等、出射光に直線的な縞を有する他の光学部品と重ね合わせて使用する場合のモアレを緩和するフレネルレンズが実現される。
【００２８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係るリアプロジェクション・ディスプレイ８００の構成を示す図である。
【図２】図１に示したスクリーン５００のＡ部拡大図である。
【図３】フレネルレンズ２００の平面図を示す図である。
【図４】フレネルレンズ２００の断面図を示す図である。
【図５】フレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状の第１実施例を示す斜視図である。
【図６】フレネルレンズ２００の外縁近傍におけるプリズム２２の形状の第１実施例を示す斜視図である。
【図７】フレネルレンズ２００の中心近傍における断面図である。
【図８】フレネルレンズ２００の外縁近傍における断面図である。
【図９】フレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状の第２実施例を示す斜視図である。
【図１０】フレネルレンズ２００の外縁近傍におけるプリズム２２の形状の第２実施例を示す斜視図である。
【図１１】フレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状の第３実施例を示す斜視図である。
【図１２】フレネルレンズ２００の中心近傍におけるプリズム２２の形状の第４実施例を示す斜視図である。
【図１３】フレネルレンズ２００の雌型マスタ３０を生産する方法を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  単レンズ、２０  レンズ層、２２  プリズム、２４  基材、３０  雌型マスタ、４０  加工ヘッド、４２  切削工具、５０  回転テーブル、１００  レンチキュラレンズ、２００  フレネルレンズ、３００  前面板、４００  保持部材、５００  スクリーン、６００  鏡、７００  光学エンジン、８００  リアプロジェクション・ディスプレイ
【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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【図１２】
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【図１３】
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