(57)【要約】【課題】反射型スクリーンの視野角をある程度確保しながら高輝度映像を映し出すことができるようにする。【解決手段】反射型スクリーンは、一方の表面に複数の均一な立体構造部が隙間なく設けられた基材と、前記基材の前記一方の表面を覆うように、前記立体構造部の表面に沿って設けられた反射膜と、で構成されている。前記反射膜での光の散乱角度が所定の角度範囲に限定されるように、前記立体構造部の表面形状が非球面の曲面となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の表面に複数の均一な立体構造部が隙間なく設けられた基材と、
前記基材の前記一方の表面を覆うように、前記立体構造部の表面に沿って設けられた反射膜と、で構成され、
前記反射膜での光の散乱角度が所定の角度範囲に限定されるように、前記立体構造部の表面形状が非球面の曲面となっている反射型スクリーン。
【請求項２】
前記立体構造部は凸曲面である請求項１に記載の反射型スクリーン。
【請求項３】
前記立体構造部は凹曲面である請求項１に記載の反射型スクリーン。
【請求項４】
前記基材は光透過性材料からなり、
前記反射膜は、前記基材の他方の表面側からの光を前記他方の表面側へ反射させるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の反射型スクリーン。
【請求項５】
前記反射型スクリーンは曲面構造を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の反射型スクリーン。
【請求項６】
前記反射型スクリーンは、ヘッドアップディスプレイにおいてプロジェクタから投影された像を中間像として形成する中間像スクリーンである請求項１から５のいずれか一項に記載の反射型スクリーン。
【請求項７】
映像光を投射するプロジェクタと、
前記プロジェクタからの光を反射させて中間像を形成する請求項５又は６に記載の反射型スクリーンと、
前記反射型スクリーンで反射された光を受光して前記反射型スクリーンで形成された中間像の虚像を映し出す虚像スクリーンと、を備えたヘッドアップディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタからの光を反射して投影された映像を映し出す反射型スクリーンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタからの光を反射させて投影映像を映し出す反射型スクリーンとして種々のものが提案され、実施されている（例えば、特許文献１、２、３を参照。）。
【０００３】
例えば特許文献１には、ベース層の表面上に互いの第１反射膜が密着した複数の微小凸面鏡が配置され、互いに隣り合う微小凸面鏡の間に微小凹面鏡が配置されたスクリーンが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、基板表面に光拡散部としての複数の凸部が形成され、その上に波長選択性を有する光学薄膜が形成されたスクリーンが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、複数の凹面状の反射部を有し、各反射部のそれぞれが映像光を２回反射させて入射方向とは逆の方向へ出射するように構成されたスクリーンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３３３５１４号公報
【特許文献２】特開２００４−０３８００２号公報
【特許文献３】特開平５−１７３２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スクリーン反射面での光の散乱角度を広くすると、プロジェクタからの光が種々の方向へ反射するため、当然ながら各方向への反射光量が小さくなって映し出される映像の輝度は低下する。近年のプロジェクタは映像光として十分な光量を有するものが多いため、反射型スクリーンの機能として高輝度性はあまり要求されておらず、それよりも反射面での光の散乱角度、すなわち視野角（視認者がスクリーンに投影された映像を認識することができる角度範囲）が広いことが要求されている。上述した特許文献１〜３においても、反射面での広い散乱角度を実現することを前提として種々の工夫がなされている。
【０００８】
しかし、用途によっては、視野角の広さよりも映像の鮮明さ輝度の高さが要求される場合もある。そのような場合、スクリーンの反射面を鏡面にしてプロジェクタからの投影光を鏡面反射させることが考えられるが、投影光を鏡面反射させると、スクリーンに対する投影光の入射角度に対して一定角度の位置でしか像を見ることができず、視野角が狭すぎるという問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、反射型スクリーンの視野角をある程度確保しながら高輝度映像を映し出すことができるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る反射型スクリーンは、一方の表面に複数の均一な立体構造部が隙間なく設けられた基材と、前記基材の前記一方の表面を覆うように、前記立体構造部の表面に沿って設けられた反射膜と、で構成され、前記反射膜での光の散乱角度が所定の角度範囲に限定されるように、前記立体構造部の表面形状が非球面の曲面となっているものである。
【００１１】
反射型スクリーンの視野角と映し出される映像の輝度とはトレードオフの関係にあり、視野角、すなわち反射面での散乱角度を広くすれば輝度が低下し、逆に、散乱角度を狭くすればその角度内への反射光量は大きくなるから映し出される映像の輝度が向上することになる。本願発明者らは、表面に反射膜が形成された曲面立体構造の高さ（又は深さ）によって、反射膜での光の散乱角度とその方向性を制御することができるという知見を取得し、立体構造の高さ（又は深さ）を調整することで、用途に応じた視野角と輝度を実現できることを見出した。すなわち、本発明の反射型スクリーンは、広い視野角よりも高い輝度を必要とする用途に適したものである。
【００１２】
前記立体構造部は凸曲面であってもよいし凹曲面であってもよい。
【００１３】
前記基材は光透過性材料からなり、前記反射膜は、前記基材の他方の表面側からの光を前記他方の表面側へ反射させるように構成されていることが好ましい。そうすれば、本発明の反射型スクリーンを、表面側と裏面側のいずれでもプロジェクタから投影された像を形成することができるリバーシブルなスクリーンとすることができる。
【００１４】
本発明の反射型スクリーンは、ヘッドアップディスプレイにおいてプロジェクタから投影された像を中間像として形成する中間像スクリーンとして使用することができる。
【００１５】
本発明に係るヘッドアップディスプレイは、映像光を投射するプロジェクタと、前記プロジェクタからの光を反射させて中間像を形成する本発明の反射型スクリーンと、前記反射型スクリーンで反射された光を受光して前記反射型スクリーンで形成された中間像の虚像を映し出す虚像スクリーンと、を備えものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る反射型スクリーンは、基材の一方の表面に複数の均一な立体構造部が隙間なく設けられ、その立体構造部の表面に沿って反射膜が設けられ、反射膜での光の散乱角度が所定の角度範囲に限定されるように立体構造部の表面形状が非球面の曲面となっているので、用途に応じた視野角を保持しつつ、不必要に広い視野角を有するスクリーンよりも高い輝度の映像を映し出すことができる。
【００１７】
本発明に係るヘッドアップディスプレイは、中間像を形成するための中間像スクリーンとして本発明の反射型スクリーンを用いているので、中間像スクリーンによって高輝度の中間像が形成され、視認者が視認する虚像スクリーンに高輝度な映像を映し出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】反射型スクリーンの一実施例を示す平面イメージ図である。
【図２】反射型スクリーンの断面構造の一例を概略的に示す断面図である。
【図３】反射型スクリーンの断面構造の他の例を概略的に示す断面図である。
【図４】リバーシブルな反射型スクリーンを説明するための概念図である。
【図５】同実施例の反射型スクリーンの反射膜の反射特性を示すグラフである。
【図６】反射型スクリーンの立体構造による反射特性を説明するためのモデル図である。
【図７】ヘッドアップディスプレイの一実施例を概略的に示す構成図である。
【図８】ヘッドアップディスプレイの他の実施例を概略的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る反射型スクリーン及びヘッドアップディスプレイの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２０】
図１に一実施例の反射型スクリーンの平面イメージ図を示す。
【００２１】
この実施例の反射型スクリーン２は一方の表面が反射膜６によって覆われている。反射膜６によって覆われた表面には複数の立体構造部８が隙間なく設けられている。立体構造部８の表面は非球面の曲凸面を有する。
【００２２】
図２及び図３は同実施例の反射型スクリーン２の断面構造の例を示している。
【００２３】
反射型スクリーン２は、基材４とその基材４の一方の表面に設けられた反射膜６からなる。基材４の一方の表面に立体構造部８が設けられており、反射膜６はその立体構造部８の表面に沿って設けられている。基材４は一体成型されたものであってもよいし、図の境界線４ａの位置で接合された２つの部材からなるものであってもよい。
【００２４】
図２に示された構造では、立体構造部８の高さ寸法Ｌが開口半径Ｒよりも大きくなっており、曲率が非球面（不均一）になっている。立体構造部８がかかる形状を有することにより、反射膜６に入射した光の散乱角度が入射方向と同じ方向側の一定角度に限定される。かかる構造を、以下において「再帰反射型」の構造と称する。「再帰反射型」構造では、立体構造部８のＬ／Ｒが大きくなればなるほど光の散乱角度が小さくなり、視野角が狭くなる。なお、Ｌ＝Ｒのとき、曲率は均一（半球形状）となる。
【００２５】
他方、図３に示された構造では、立体構造部８の開口半径Ｒが高さ寸法Ｌよりも大きくなっている。立体構造部８がかかる形状を有することにより、反射膜６に入射した光の散乱角度が正反射方向側の一定角度に限定される。かかる構造を、以下において「鏡面反射型」の構造と称する。「鏡面反射型」構造では、立体構造部８のＬ／Ｒが小さくなればなるほど光の散乱角度が小さくなり、視野角が狭くなる。
【００２６】
ここで、「視野角」とは、反射膜６で反射された映像光を視認することが可能な角度範囲を意味する。この視野角が広いと、スクリーンに映し出される映像を広い角度から視認することが可能になるが、反面、光が種々の方向へ散乱するため、各方向へ反射する光量は小さくなり、輝度が低くなる。
【００２７】
表１は、視野角と輝度との関係を計算により求めたものである。この計算では、スクリーン２の反射膜６での散乱光がその散乱角度全体に均一強度で散乱し、その散乱角で切り取られた、図６に示されるような球の表面積に反比例して輝度が変化すると仮定して、視野角１８０°のときを１として各視野角での輝度を求めている。散乱角で切り取られた球の表面積（底面を除く）Ｓは、高さｈ、半径ｒ、切取り断面の半径ｃを使って、
Ｓ＝π（ｃ2＋ｈ2）＝２πｒｈ
として求めた。
【表１】
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【００２８】
表１に示されているように、視野角を１２０°に限定すれば視野角１８０°のスクリーンの２倍の輝度を得ることができ、さらに視野角を５０°程度に限定すれば視野角１８０°のスクリーンの１０倍以上の輝度を得ることができる。
【００２９】
上述の「再帰反射型」構造や「鏡面反射型」構造では、立体構造部８のＬ／Ｒを調整することによって、視野角を所望の範囲に制御することができ、それによって所望の輝度を得ることができる。
【００３０】
また、「再帰反射型」構造と「鏡面反射型」構造では、視認者がスクリーン２に映し出された映像を視認することができる範囲や位置が異なり、使用用途に応じて選択することができる。
【００３１】
また、立体構造部８の大きさ（開口半径Ｒ）は映し出される映像の解像度に影響を与え、解像度を向上させたい場合には立体構造部８を小さくするのがよい。
【００３２】
この実施例において、基材４は光透過性の材料により構成されており、図４に示されているように、基材４の反射膜６で覆われている面（図において左側の面）とは反対側の面（図において右側の面）からの光を反射膜６で反射させることもできるように構成されている。すなわち、この実施例の反射型スクリーン２はリバーシブルスクリーンである。
【００３３】
リバーシブルスクリーンを実現するために、反射膜６の膜構成を、スクリーン２のいずれの表面側から入射した光に対しても高い反射率を有する構成としている。反射膜６の膜構成の具体例としては、以下が挙げられる。
【００３４】
凸面側の面（図４において左側の面）で映像光を反射させる場合は、基本の膜構成を、基材４側から順に、
（１）密着力向上層：例えば、（必要に応じて、ＳｉＯ膜の前に下地処理層として有機薄膜（カップリング層）を形成しても良い）ＳｉＯ膜（膜厚：λ/４（λは使用する可視光の中心波長：５５０ｎｍ））、
（２）反射層：例えば、アルミニウム金属ミラー層（膜厚：８０〜１００ｎｍ）、必要に応じてアルミニウム金属ミラー層の上にフッ化処理層（この処理を加えると高耐久成膜となる）、
（３）保護層：例えば、ＳｉＯ膜やＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）、
とする。
【００３５】
増反射構造としては、
（１）密着力向上層：ＳｉＯ膜（膜厚：λ/４）、
（２）反射層：アルミニウム金属ミラー層（膜厚：８０〜１００ｎｍ）、必要に応じてアルミニウム金属ミラー層の上にフッ化処理層
（３）保護層（増反射層）：例えば、ＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）／ＴｉＯ2（膜厚：λ／４）／Ａｉｒの構成とする。
【００３６】
凹面側の面（図４において左側の面）で映像光を反射させる増反射構造としては、基本の膜構成を、基材４側から順に、
（１）増反射層：ＴｉＯ2（膜厚：λ／４）／ＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）、
（２）反射層：アルミニウム金属ミラー層（膜厚：８０〜１００ｎｍ）、必要に応じてアルミニウム金属ミラー層の上にフッ化処理層、
（３）保護層：例えば、ＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）／Ａｉｒの構成とする。
【００３７】
また、凹凸両面側の面（図４において左側の面）で映像光を増反射構造としては、基本の膜構成を、基材４側から順に、
（１）増反射層：ＴｉＯ2（膜厚：λ／４）／ＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）、
（２）反射層：アルミニウム金属ミラー層（膜厚：８０〜１００ｎｍ）、必要に応じてアルミニウム金属ミラー層の上にフッ化処理層
（３）保護層（増反射層）：例えば、ＳｉＯ2膜等（膜厚：λ／４）必要に応じてＳｉＯ2膜の上にフッ化処理層／ＴｉＯ2（膜厚：λ／４）／Ａｉｒの構成としてもよい。
【００３８】
凹面側の面（図４において右側の面）で映像光を反射させる場合は、基材４側から順に、
（１）樹脂層（基材４）、
（２）密着力向上層：例えば、ＳｉＯ膜（膜厚：λ／８以下）や有機薄膜（カップリング層）、
（３）増反射膜：ＴｉＯ2（膜厚：λ／４）、
（４）増反射膜：ＳｉＯ2（膜厚：λ／４）、
（５）反射層：例えば、アルミニウム金属ミラー層（膜厚：８０〜１００ｎｍ）、必要に応じてアルミニウム金属ミラー層の上にフッ化処理層、
（６）保護層、例えばＳｉＯ膜、ＳｉＯ2膜（膜厚：λ／４）、
とする。
【００３９】
上記の増反射膜構成であれば、スクリーン２のいずれの面から光が入射しても反射機能を有し、その反射率は、図５に示されているように、両側共に、４００ｎｍ：８７％、４５０ｎｍ：９３％、５００ｎｍ〜５５０ｎｍ：９４．５％、６００ｎｍ：９４％、６５０ｎｍ：９３％、７００ｎｍ：９１．５％であった。
【００４０】
なお、反射層であるアルミニウム金属ミラー層を薄く（例えば４０〜５０ｎｍ）するとハーフミラーの機能を有するようになる。
【００４１】
図２及び図３に示した反射型スクリーン２の基材４は、例えば以下のようにして作成することができる。
【００４２】
まず、基材４を作成するための金型を作成する。金型の作成は、準備しておいた所定の寸法の石英基板上に、平面形状が六角形形状の曲面凹部が蜂の巣状に配置されたマスクパターンをフォトリソグラフィー技術で形成し、そのマスクパターンをマスクにしてドライエッチング技術により、そのパターンを石英基盤に転写する。これにより、基材４を作成するための金型が形成される。ドライエッチングの際、選択比を大きくすることによって図２のような「再帰反射型」構造が形成され、選択比を小さくすることによって図３のような「鏡面反射型」構造が形成される。
【００４３】
上記の金型を用いて、ナノインプリント工法又は樹脂成型工法により、基材４を作成する。ナノインプリント工法を用いた場合には、図２及び図３の破線４ａで示されているように、基材４が２つの部材の接合によって形成され、樹脂成型工法を用いた場合には、基材４が一体として形成される。
【００４４】
上記実施例の反射型スクリーン２は、基材４と反射膜６だけで構成されているので、全体の厚みを０．５ｍｍ以下にすることができる。（好ましくは、基材４を薄くすることによって厚みを０．２ｍｍ以下にすることができる）。これにより、スクリーン２を湾曲させることが可能になる。反射膜６は基材４に設けられた立体構造部８の表面に沿って設けられているので、スクリーン２を湾曲させても投影画像の歪みを抑制することができ、曲面映像の実現が可能となる。
【００４５】
上記実施例の反射型スクリーン２は、基材４の立体構造部８の表面が凸曲面を有するものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、立体構造部８の表面が凹曲面を有するものであってもよい。その場合、反射膜６は凹曲面を有する立体構造部８の表面に沿って設けられる。立体構造部８の表面が凹曲面を有する場合、立体構造部８の開口半径Ｒと深さ寸法Ｌとの関係は、上記実施例の立体構造部８の開口半径Ｒと深さ寸法Ｌとの関係と同様に考えることができる。すなわち、深さ寸法Ｌが開口半径Ｒよりも大きければ「再帰反射型」構造となり、深さ寸法Ｌが開口半径Ｒよりも小さければ「鏡面反射型」構造となる。
【００４６】
樹脂成型工法を用いて基材４を一体として形成する別の方法としては、本件発明の微細表面構造を有する金型を準備し、かつその成形面が曲面構造を有する射出成形用金型を用意する。この金型に射出成型用の樹脂で射出成形する。次に、その微細構造基材４表面に本件反射膜を形成すれば、湾曲した曲面状にマイクロレンズアレイが形成された反射型スクリーンを製作することができる。かかる反射型スクリーンはヘッドアップディスプレイ用の中間像スクリーンとして使用することができる（図８参照）。
【００４７】
上記方法による中間像スクリーンは、曲面構造を有するため以下のような効果をもたらす。
（１）レンズ光学系の収差補正の自由度が向上する。
（２）自動車搭載ヘッドアップディスプレイ製品では、車のフロントガラスの形状が変更になると（車は基本的にはすべての車種でフロントガラス形状が異なる）この形状変化に合わせてヘッドアップディスプレイの光学系を補正・修正する必要があるが、中間像スクリーンの形状をわずかに補正することによって対応が可能となる。
【００４８】
また一般的に、ヘッドアップディスプレイの光学系を補正・修正する場合、透過型中間像スクリーン採用機種では変更寸法量が大きくなるが、反射型の場合は変更寸法量が１／２で済むため変更が容易であり、また、光学系全体の体積を縮小することができる。
【００４９】
次に、上記実施例の反射型スクリーン２を用いたヘッドアップディスプレイについて図７を用いて説明する。
【００５０】
この実施例のヘッドアップディスプレイは、プロジェクタ１０、中間像スクリーン２及び虚像スクリーン１２を備えている。中間像スクリーン２は上記実施例における反射型スクリーン２であり、プロジェクタ１０から投射される映像を形成し、虚像スクリーン１２側へ反射させる。虚像スクリーン１２には、中間像スクリーン２において形成された投射映像の虚像が映し出され、観察者１４は虚像スクリーン１２に映し出された虚像を見ることとなる。
【００５１】
中間像スクリーン２は、図８に示されているように、必要に応じて湾曲させて曲面構造の中間像スクリーンとして用いることができる。中間像スクリーンの機能として広い視野角は不要であり、３０°程度の視野角があれば中間像スクリーンとして機能する。したがって、中間像スクリーンとして用いる反射型スクリーン２は、視野角が狭く（例えば４０°程度に）なるように、上述の「再帰反射型」構造又は「鏡面反射型」構造のＬ／Ｒが調整されたものである。視野角を４０°に調整すれば、視野角が１８０°のスクリーンの１６倍程度の輝度を得ることができる。これにより、高輝度の中間像スクリーン２を実現することができる。
【符号の説明】
【００５２】
２      反射型スクリーン
４      基材
６      反射膜
８      立体構造部
１０      プロジェクタ
１２      虚像スクリーン
１４      観察者
【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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