(57)【要約】【課題】  「額」が低減されかつコントラストの良い透過型スクリーンおよび背面投写型表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】  上記課題を解決する本発明は、単一の投射レンズにより映像を投射表示する背面投写型表示装置に用いられる、少なくともフレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートとを備える透過型スクリーンであって、前記フレネルレンズ面より入射側には、少なくとも垂直方向に入射光を拡散する拡散要素を備え、前記レンチキュラーレンズシートは水平方向に光を拡散させるレンチキュラーレンズと、前記レンチキュラーレンズの非集光部に遮光層を有し遮光層の非存在部を開口部とする遮光パターンとを備え、前記遮光パターンにおける開口部の面積比率が、スクリーン中央部において２７％以下であり、かつ、スクリーンの対角隅部における開口部面積比率より小さいことを特徴とする透過型スクリーンである。【選択図】  図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の投射レンズにより映像を投射表示する背面投写型表示装置に用いられる、少なくともフレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートとを備える透過型スクリーンであって、前記フレネルレンズ面より入射側には、少なくとも垂直方向に入射光を拡散する拡散要素を備え、前記レンチキュラーレンズシートは、水平方向に光を拡散させるレンチキュラーレンズと、前記レンチキュラーレンズの非集光部に遮光層を有し、遮光層の非存在部を開口部とする遮光パターンとを備え、前記遮光パターンにおける開口部の面積比率がスクリーン中央部において２７％以下であり、かつ、スクリーンの対角隅部における開口部面積比率より小さいことを特徴とする透過型スクリーン。
【請求項２】
前記スクリーン中央部の開口部面積比率が、前記スクリーン対角隅部の開口部面積比率の８０％以上であることを特徴とする請求項１の透過型スクリーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像をスクリーンの背後から投写して表示する背面投写型表示装置に用いられる透過型スクリーン関する。
【背景技術】
【０００２】
背面投写型表示装置（以下ＰＴＶ）に用いられている透過型スクリーンは、一般にレンチキュラーレンズシートとフレネルレンズシートで構成される。図１に示すように、通常、フレネルレンズシートが入射側に、レンチキュラーレンズシートが観察側に配置されている。さらに観察側に前面板が設けられる場合もある。
【０００３】
フレネルレンズシートは映像光源から入射してくるマクロ拡散的投写光をスクリーン面に対し略垂直な方向に揃う様に偏向する凸レンズの機能を有する。等間隔で同心円状の微細ピッチのレンズからなるフレネルレンズがその光出射面に設けられている。一般にＰＴＶ用フレネルレンズは、映像光の出射側共役距離を数ｍ〜無限遠（平行出射）とすることが多い。
【０００４】
また、レンチキュラーレンズシートは一般に入射面にレンズ列が設けられ、映像光を観察側に拡散投影する機能を有している。また外光コントラスト（周囲外光存在時のコントラスト比の意味で以下使用する）を改善するため、出射側の映像光が通過しない位置に光吸収層パターン（例：ブラックストライプ。以下これをＢＳと称する。）が設けられている。以下、光吸収層パターン以外の映像光が透過する部分を開口部と呼ぶ。開口部の面積比率を開口率と呼ぶ。外光コントラストを向上するためには、なるべく遮光層の面積比率（以下遮光層比率）を高くする必要がある。
【０００５】
従来、背面投写型表示装置においては、以下に述べる「額（ひたい）」と呼ばれる外光反射が実用上問題である。「額」とは、フレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートを重ねて使用する形態において、画面中央部付近で特に目立つ外光反射のことである。この「額」は画面中央部やや上方付近で目立つ。
【０００６】
ここで「額」が画面中央部付近で目立つ理由を、図２、図３を使って説明する。
一般に屋内照明は天井にあることから、図２に示す室内照明からの外光が観察者の上方からスクリーンへ入射し、フレネルレンズで反射する光線経路を横方向から観察した概略図から判るとおり、フレネルレンズが観察側に凸のレンズであるため、スクリーン上部では外光が観察者の位置付近へ反射するのに対し、中央部および下部では観察者の位置より下方へ反射し、観察者の方へは反射しない。
【０００７】
図３は外光が観察者側上方からスクリーンへ入射し、フレネルレンズで反射する光線経路を天井方向から観察した概略図を示している。フレネルレンズが観察側に凸のレンズであるため、左右端部へ入射した外光はより右またはは左の方向へ反射するので、観察者から見ると反射光が目立ちにくい。一方、スクリーン中央部では外光が観察者する位置付近の方向へ反射する。このように、観察者がスクリーンを正面から見た場合、天井の室内照明下では前記の反射光が「額」として画面中央上方部付近のみに目立って観察される。「額」は画面中央部付近に発生するので、映像観視上大きな問題である。
【０００８】
「額」を低減するためには、外光反射光を遮光層で観察者側に出射しないようにすればよい。したがって、遮光層比率を大きくすることが「額」の低減に効果的であることが、以上の説明から判るが、以下に述べる幾つかの理由により、遮光層比率には上限があった。
【０００９】
まず、従来映像源として多用されていたＣＲＴ式のＰＴＶの場合、図５に示すように投射管がＲＧＢ３つあり、レンチキュラーレンズヘは各光源が３つの異なる方向から入射する。そのため開口部を広くする必要があり、遮光層比率を５０％より大きくすることは困難であった。
【００１０】
近年ＬＣＤ、ＤＭＤなどのマイクロディスプレイ（以下ＭＤ）を映像源とした単管式ＰＴＶが用いられるようになっている。このＭＤ−ＰＴＶは遮光層比率を６０〜７０％程度と大きくすることができる。単管式なので３管式ＰＴＶのように集中角を考慮する必要がないためである。
【００１１】
しかしながら、ＭＤ−ＰＴＶにおいてもこれ以上遮光層比率を大きくすることは困難である。なぜなら、レンチキュラーレンズに入射する光の拡散成分を考慮せねばならないからである（図４を参照）。
【００１２】
ここでレンチキュラーレンズに入射する光の拡散成分について説明する。
フレネルレンズシートには、一般にゴースト光の低減、垂直視野角の増大、外観欠点の隠蔽、シンチレーション改善などの目的で光拡散要素が設けられることが多い。光拡散要素としては、シート内部に光拡散剤を混入することや、入射面側に凹凸面やレンチキュラーレンズを設けることが一般的である。上記シンチレーションとはＭＤ−ＰＴＶでは特に問題となっている映像のギラツキである。これを改善するために、図７に示すフレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートにそれぞれ拡散層を設けたスクリーン構成とする技術が公開されている（例えば特許文献１）。このように特にＭＤ−ＰＴＶではフレネルレンズシートに拡散要素を設ける場合が多い。
【００１３】
フレネルレンズシートに拡散要素を設けると、レンチキュラーレンズに入射する光に拡散成分が生じる。この場合はレンチキュラーレンズシートには広めの開口部を開ける工夫が必要である。入射光の拡散成分を考慮せずにレンチキュラーレンズの遮光層比率を大きくしすぎると、レンチキュラーレンズに入射する映像光の拡散成分の一部が遮光層で遮られる。その結果光の透過率が悪化するので、これを防ぐ必要があるためである。この工夫として、たとえば、特許文献２および特許文献３に示されるような露光光とレンチキュラーレンズシートとの間に拡散板を設ける方法などが知られている。
このように、ＭＤ−ＰＴＶにおいても上記説明のとおり、広めの開口部を設ける必要があるため、遮光層比率は約７０％が上限であった。
【００１４】
【特許文献１】国際特許公開ＷＯ９８／０３８９８号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８６０６公報
【特許文献３】特開２０００−１４７６６５公報  比較例
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上のように、フレネルレンズシートに拡散要素を設けたＭＤ−ＰＴＶにおいて、なるべくレンチキュラーレンズの遮光層比率を高くして外光コントラストを改善したいという要求がある。しかし単純に遮光層比率を大きくすると、上述のように光の透過率が悪化してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決する本発明は、単一の投射レンズにより映像を投射表示する背面投写型表示装置に用いられる、少なくともフレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートとを備える透過型スクリーンであって、前記フレネルレンズ面より入射側には、少なくとも垂直方向に入射光を拡散する拡散要素を備え、前記レンチキュラーレンズシートは水平方向に光を拡散させるレンチキュラーレンズと、前記レンチキュラーレンズの非集光部に遮光層を有し遮光層の非存在部を開口部とする遮光パターンとを備え、前記遮光パターンにおける開口部の面積比率が、スクリーン中央部において２７％以下であり、かつ、スクリーンの対角隅部における開口部面積比率より小さいことを特徴とする透過型スクリーンである。
【００１７】
また、前記スクリーン中央部の開口部面積比率が、前記スクリーン対角隅部の開口部面積比率の８０％以上である上記の透過型スクリーンである。
さらに本発明は、上記の透過型スクリーンを備えた背面投写型表示装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、「額」が低減されかつコントラストの良い透過型スクリーンおよび背面投写型表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、フレネルレンズより入射側に垂直方向へ光を拡散する要素があるスクリーンの場合に、かつ、スクリーンの対角画角が約４０度以上である場合に、フレネルレンズを通過した映像光には寄生的に水平拡散成分が生じると云う現象を新規に見出した結果に基づいてなされたものである。
【００２０】
前記入射光拡散要素がフレネルレンズシート入射面に備えられた垂直拡散レンチキュラーレンズであり、レンチキュラーレンズシートが縦ストライプである場合（図８を参照）について定性的に説明する。
図９は、上記図８に記載されたスクリーンのフレネルレンズの中心を通る断面Ａの上端付近において光線が拡散する様子を示した概略斜視図である。入射光は垂直拡散レンチキュラーレンズによって垂直方向にのみ拡散する成分が与えられ、さらにフレネルレンズによってスクリーン面に対して略垂直な光線に偏向される。このとき、フレネルレンズ面は光線が拡散される偏向面（図８のＡ〜Ａ”を含む平面）に対して直交しているので、レンチキュラーレンズシートに入射する光線は水平方向への拡散成分を有していない。
【００２１】
図１０は図８に記載されたスクリーンのＡ−Ａ’の延長線上からスクリーンを観察した場合に光線が拡散する様子を示している。入射光は垂直拡散レンチキュラーレンズとフレネルレンズを通過した後も水平方向へ拡散する成分がないことを示している。
【００２２】
図１１は、図８に記載されたスクリーンの右端部付近を通る断面Ｂの上端付近（つまり対角隅部）において光線が拡散する様子を示した概略斜視図である。垂直拡散レンチキュラーレンズによって垂直方向に拡散する成分が与えられた入射光線はフレネルレンズに入射する。このとき、フレネルレンズ面は光線が拡散される偏向面（図８のＢ〜Ｂ”を含む平面）に対して直交していないので、入射光はフレネルレンズを通過する際に垂直方向だけでなく水平方向へも拡散される（注：平面Ａ〜Ａ”と平面Ｂ〜Ｂ”はともに地面に対して垂直で、互いに水平画角θで交差している。）。つまり、垂直拡散レンチキュラーレンズは入射光を本来垂直方向のみに拡散するために設けられたものであるが、対角隅においてはフレネル面を通過した後は水平方向に拡散する成分も有していることがわかる。
【００２３】
図１２は図８に記載されたスクリーンのＢ−Ｂ’の延長線上からスクリーンを観察した場合に光線が拡散する様子を示している。入射光は垂直拡散レンチキュラーレンズとフレネルレンズを通過した後に水平方向へ拡散する成分を持つことを示している。つまりレンチキュラーレンズシートへ入射する映像光線の水平拡散成分に注目した時、スクリーン中央部より対角隅の方が水平拡散成分の量が多いことが分る。つまり、図１３のように中央部の遮光層比率を対角隅より高くすることができるのである。画角が大きなＰＴＶほど、スネルの法則の非直線性により水平拡散成分の量が多くなる。
【００２４】
ところでスクリーン中央の遮光層比率が左右端より大きいレンチキュラーレンズの例として、特開２００３−１５６８００号などがある。しかし、本発明は同文献と以下の点で異なる。まず、同文献では遮光層比率を変える理由として３原色の各プロジェクターからの映像光の集中角に着目している。これに対し、本発明は単管式ＰＴＶに限定したものである。またフレネルレンズより入射面側の拡散要素によって拡散された映像光のうち、水平拡散成分の大小に注目している点が異なる（表１を参照のこと）。
【００２５】
【表１】
2008020641.tif 000003
【００２６】
フレネル入射面側の垂直拡散要素として、フレネルレンズシート入射表面に垂直拡散レンチキュラーレンズまたはプリズムなどのレンズ要素を設けると、別途拡散シートを設けるよりもシートの構成枚数が少なくなるので好ましい。またフレネルレンズシート内部に光拡散材（ランダムディフューザ）を含んでも良い。フレネルレンズシート入射表面を凹凸拡散面（以下マット面）としてもよい。前記垂直拡散レンチキュラーレンズなどのレンズ要素、ランダムディフューザ、マット面を組合せてもよい。これら垂直拡散要素を組合せた場合の拡散角は、用途に応じて適当量設定すればよい。光線の透過率を考慮すると、対角四隅においてフレネルレンズ出射面で全反射を生じない範囲とすることが好ましい。
以上の例では縦ストライプの遮光層とフレネル入射面垂直拡散レンチキュラーレンズで説明したが、横ストライプの遮光層とフレネル入射面に水平拡散レンチを設けた場合も同様である。
【００２７】
フレネル入射面側の垂直拡散要素として、フレネルレンズシート入射面に垂直拡散レンチキュラーレンズを設けた例で説明する。さらにフレネルシート内にランダムディフューザを含む例も併せて計算する。
【００２８】
左右端画角θ＝４５°（左右端正接＝１、図１４）、
フレネルレンズシートの屈折率n=１．５４、
フレネル角度設定：スクリーンシート面に対し法線方向：緑色（５５０ｎｍ）
画面縦横比＝９：１６または３：４
ケース1：垂直拡散レンチキュラーレンズ屈折角度：±５°
ケース２：ディフューザによる拡散角ｗ：±３°（フレネルセンタにおける値）
（極性−／＋はそれぞれ収束不足／過収束を示す。）
入射面スクリーン右半面を縦方向に5列等分し、上下端に沿った各点（図６の黒●印、Ｕグループ）及び中央線に沿った各点（図６の黒●印、中央線沿い）について計算する。図中、中央から右端に向かい、正接ｔｘ＝０、０．２５、０．５、０．７５、１．０の点と呼ぶ。これらの点において、垂直拡散レンチキュラーレンズおよびフレネルレンズを通過した投射光のうち、水平拡散角を定量的に求める。
【００２９】
表２は垂直拡散レンチキュラーレンズに起因する副作用として生じるフレネル出射光寄生水平拡散角を計算した結果を示す。横３段は上から中央線沿い、画面縦横比９：１６での上下端沿い、および画面縦横比３：４での上下端沿いにおける計算結果を示す。縦５列は水平画角経度の正接ｔｘ＝０、０．２５、０．５、０．７５、１．０に対応し、表記の数値はフレネルからの出射光の水平拡散角（°）である。（）内の３つの数値はそれぞれ垂直拡散レンチキュラーレンズ屈折角−５度，０度，＋５度に対応する。
表中、極性−／＋はそれぞれ収束不足／過収束を示す。
【００３０】
【表２】
2008020641.tif 000004
【００３１】
表３はフレネルディフューザに起因する副作用として生じるフレネル出射光寄生水平拡散角を計算した結果を示す。横３段は上から中央線沿い、画面縦横比９：１６での上下端沿い、および画面縦横比３：４での上下端沿いにおける計算結果を示す。縦５列は水平画角経度の正接ｔｘ＝０、０．２５、０．５、０．７５、１．０に対応し、表記の数値はフレネルからの出射光の水平拡散角（°）である。（）内の３つの数値はそれぞれランダムディフューザｗ＝−３、０、３°に対応する。
表中、極性−／＋はそれぞれ収束不足／過収束を示す。
【００３２】
【表３】
2008020641.tif 000005
【００３３】
なお媒質内画角α度の場所では斜め走行故、媒質内水平拡散角は１／ｃｏｓ(α)倍化することを繰込み済みである。
【００３４】
以下の図１５〜図１８に、画面縦横比9：16、水平画角θの正接（ｔａｎθ、以下ｔｘ）が０〜１．０の範囲で変化した時の、フレネルからの出射光の水平拡散角（°）の変化を示す。（つまりｔｘ＝０がθ＝０°、ｔｘ＝１がθ＝４５°で左端または右端。）
【００３５】
図１５は垂直拡散レンチキュラーレンズプリズム角０°、ディフューザによる拡散角ｗ＝±３°の条件で、上端または下端に沿った位置での計算結果を示す。
【００３６】
図１６は垂直拡散レンチキュラーレンズプリズム角±５°、ディフューザによる拡散角ｗ＝０°の条件で、上端または下端に沿った位置での計算結果を示す。
スクリーン上下端に沿っては対角隅で垂直拡散レンチキュラーレンズに起因する水平拡散角が増大することが判る。なおｐｐはピーク・トゥー・ピークの意である。
【００３７】
次に、図１７は垂直拡散レンチキュラーレンズプリズム角０°、ディフューザによる拡散角ｗ＝±３°の条件で、高さ方向中央に沿った位置での計算結果を示す。
【００３８】
図１８は垂直拡散レンチキュラーレンズプリズム角±５°、ディフューザによる拡散角ｗ＝０°の条件で、高さ方向中央に沿った位置での計算結果を示す。
スクリーン中央線に沿っては垂直拡散レンチキュラーレンズに起因する水平拡散角は下図の通り殆ど発生しないことが判る。
【実施例】
【００３９】
以下、垂直拡散レンチキュラーレンズおよび／またはフレネル中へのディフューザ添加による寄生水平拡散角を考慮した場合の開口率を示した。画面縦横比は９：１６。なお本計算ではレンチキュラーレンズシートのレンズと遮光層の位置が実際の製造においてずれることを考慮し、ずれ公差を見込んで示した。
【００４０】
以下に、本発明の実施例について示す。
＜実施例１＞
製造公差１８度ppの場合における、垂直±５度拡散用垂直拡散レンチキュラーレンズの寄生水平拡散角を表４に示す。
【００４１】
【表４】
2008020641.tif 000006
【００４２】
＜実施例２＞
製造公差１０度ppの場合において、垂直±５度拡散用垂直拡散レンチキュラーレンズを用いたときの寄生水平拡散角を表５に示す。
【００４３】
【表５】
2008020641.tif 000007
【００４４】
＜実施例３＞
製造公差１０度ppの場合において、６度ppのフレネルディフューザを用いたときの規制水平拡散角を表６に示す。
【００４５】
【表６】
2008020641.tif 000008
【００４６】
＜実施例４＞
製造公差１０度ppの場合において、６度ppのフレネルディフューザと垂直±５度拡散用垂直拡散レンチキュラーレンズとを組み合わせて用いたときの寄生水平拡散角を表７に示す。
【００４７】
【表７】
2008020641.tif 000009
【００４８】
以上から判るように、フレネルレンズのセンター位置で水平拡散角を小さく抑えた設計行った場合でも、対角四隅では水平拡散角が非直線的に増幅される。逆にいうと、ＢＳ開口率を左右端では大きくするが、中央では小さくした設計とすることができる。本発明は、中央部分での遮光層比率を大きくすることができるので、特にスクリーン額部の周囲外光によるコントラスト比劣化防止改善に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】一般的な透過型スクリーンの一例を示す模式図である。
【図２】一般的な背面投写型表示装置の使用形態を示す模式図である（側方）。
【図３】一般的な背面投写型表示装置の使用形態を示す模式図である。（上方）
【図４】一般的な単管式ＰＴＶの光路を示す図である。
【図５】従来の３管式ＰＴＶの光路を示す図である。
【図６】ＤＭＤを用いた表示装置における輝点の発生機構を説明する図である。
【図７】拡散層が設けられたスクリーンの一例を示す図である。
【図８】本発明の作用効果を説明するための模式図である。
【図９】図８に記載されたスクリーンのフレネルレンズの中心を通る断面Ａの上端付近において光線が拡散する様子を示した概略斜視図である。
【図１０】図８に記載されたスクリーンのＡ−Ａ’の延長線上からスクリーンを観察した場合に光線が拡散する様子を示している図である。
【図１１】図８に記載されたスクリーンの右端部付近を通る断面Ｂの上端付近（つまり対角隅部）において光線が拡散する様子を示した概略斜視図である。
【図１２】図８に記載されたスクリーンのＢ−Ｂ’の延長線上からスクリーンを観察した場合に光線が拡散する様子を示している図である。
【図１３】本発明のスクリーンにおける各領域の遮光層比率を模式的に示した図である。
【図１４】本発明における画角θを示す図である。
【図１５】本発明の一実施の態様において、上端部又は下端部に沿った位置での画角に対する水平拡散角の変化を示す図である。
【図１６】本発明の一実施の態様において、上端部又は下端部に沿った位置での画角に対する水平拡散角の変化を示す図である。
【図１７】本発明の一実施の態様において、高さ方向中央に沿った位置での画角に対する水平拡散角の変化を示す図である。
【図１８】本発明の一実施の態様において、高さ方向中央に沿った位置での画角に対する水平拡散角の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…フレネルレンズシート、２…レンチキュラーレンズシート、３…前面板
【図１】
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【図２】
2008020641.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008020641.tif 000014
【図６】
2008020641.tif 000015
【図７】
2008020641.tif 000016
【図８】
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【図９】
2008020641.tif 000018
【図１０】
2008020641.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
2008020641.tif 000023
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１３】
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