(57)【要約】【課題】画像表示装置用透過型スクリーンシートにおいて、画像光の利用効率を落とさずに、外光反射を低減することで、高いコントラスト表示ができるスクリーンおよびそれを用いた背面投影型画像表示装置を提供する。【解決手段】焦点位置が同一平面上に揃った複数の凸レンズを片面に間断なく配したレンズ層、前記平面に接してレンズ側より入射した光が通過するレンズ焦点位置の領域に開口を有し、それ以外の領域は光の不透明な遮光層を配した光通過層を中間層として設置し、次に該光通過層に接して光拡散層を有することを特徴とする透過型スクリーンシートを主たる構成にする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点位置が同一平面上に揃った複数の凸レンズを片面に間断なく配したレンズ層、前記平面に接してレンズ側より入射した光が通過するレンズ焦点位置の領域に開口を有し、それ以外の領域は不透明な遮光層を配した光通過層を中間層として設置し、次に該光通過層に接して光拡散層を有することを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項２】
請求項１記載のスクリーンシートにおいて、前記光拡散層は表面が微細な凹凸形状である光拡散面を有する層であることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項３】
請求項１記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層の位置は凸レンズの焦点位置に等しいことを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項４】
請求項１記載のスクリーンシートにおいて、隣接する前記凸レンズ間の間隔が同一に配されており、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項５】
請求項４記載のスクリーンシートにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が正方形であり、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項６】
請求項５記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置。
【請求項７】
請求項４記載のスクリーンにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が長方形もしくは六角形であり、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項８】
請求項７記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置。
【請求項９】
請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が光拡散面に可及的に接近した位置にあることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項１０】
請求項９記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置。
【請求項１１】
請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が凸レンズを有する面に可及的に接近した位置にあることを特徴とする透過型スクリーンシート。
【請求項１２】
請求項１１記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過型スクリーンシート及びこれを用いた背面投影型表示装置に関し、さらに詳しくは、多数の微小レンズが平面上に並列したレンズ層と遮光層と光拡散層の３層からなる透過型スクリーンシートと表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に背面投影型画像表示装置は、光源からの光を液晶やマイクロミラーアレイなどの画像形成手段により細分化してＯＮ−ＯＦＦさせ、形成された小さな画像を光学系によってスクリーン背面から拡大投影し画面を表示する構成となっている。画像光はスクリーン背面から、環境光などの非画像光はスクリーン前面から入射するために非画像光が鑑賞者側に戻らないようにすることで比較的明るい環境下でも鑑賞可能な表示方式となっている。また、拡大投影により大きな画面サイズで使用されることが多いために、多人数での鑑賞を考慮する必要がある。すなわち画面に対して広い角度から鑑賞可能である必要がある。
これらの要請を満たすために、背面投影型画像表示装置のスクリーンは表裏に垂直方向に長いかまぼこ状のレンズを水平方向に多数配列し、鑑賞者側においてレンズ間に平坦突起部を設け、その突起部表面に黒色光吸収層を設けるとともに、さらに鑑賞者側のレンズ表面に光散乱物質の混入した拡散層を設けた構成となっている。
スクリーンにはスクリーン直前に配されたフレネルレンズによりほぼ平行光とされた画像光が入射し、入射面側に設けられたレンズにより水平方向に集光され焦点以降広がりながら鑑賞者側のレンズ面へと入射し最表面に設けられた拡散層により散乱させられ鑑賞者側へと出射する。
この構成では水平方向の光の広がりすなわち視野角はレンズにより制御されており、垂直方向の視野角は拡散層の散乱により制御されている。また、鑑賞者側からはスクリーンへと室内照明などからの環境光が入射するがそれらのうち黒色光吸収層に入射したものはそこで吸収され鑑賞者側に戻ってこない。
【０００３】
しかしながらこのような構造のスクリーンにおいては特に垂直方向における視野角が拡散層内の光散乱物質による散乱によっているために狭く、これを広げようとすると光散乱物質の濃度を上げる必要があり、その結果として光の入射側に多くの光が戻ってしまうなど光の利用効率を下げることとなり暗い画面となってしまう。この問題に対応するためにより多くのエネルギーを必要とする明るい光源を用いねばならないという問題点がある。
また、かまぼこ状レンズはその製造上の問題からそのピッチの微細化を図ることが困難であり、上述した画像形成手段において進んでいる画素数の増大それに伴う画素ピッチの微細化に対応することが困難であるという問題点も有する。
このような問題点を解決するために、例えば、特許文献１には、光学的にランダムな凸形状のレンズを配列されたマイクロレンズ層に開口部を形成した出射面側に形成した光学的にある一定方向から入射される入射光の効率を抑圧することのない遮光層を配置することが開示されている。
又、レンズアレイの作製工法としては、マスタを複製し型として熱プレス、２Ｐプロセス等既知の方法により得ることができることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３５６１６公報
【特許文献２】特開２００２−３３１５３０公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の構造においては、図１に示すように、凸レンズアレイ３が光学的にランダムな形状であるために遮光層４において各レンズ要素に対応して形成すべき開口径がばらばらであり、レンズからの光を抑圧することなく通過させるためには大きな径の開口が必要となる場合もあり、図１のＢ、Ｃに示すように、十分な遮光領域が得られず、結果として十分なコントラストが得られないこととなる。
光学的にランダムな凸形状のレンズ３１を配列されたマイクロレンズ層３に、開口部４１を形成した出射面側に形成した光学的にある一定方向から入射される入射光の効率を抑圧する遮光層４が配置されることになる。これを防ぐために遮光領域を確保するために開口の大きさを制御すると、図１のＤに示すように、凸レンズに入射した光が遮光層にさえぎられることになり、結果として光の利用効率を下げることになるという問題がある。
そこで本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、本発明においては画像光の利用効率を落とさずに、外光反射を低減することで、高いコントラスト表示ができるスクリーンおよびそれを用いた背面投影型画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、焦点位置が同一平面上に揃った複数の凸レンズを片面に間断なく配したレンズ層、前記平面に接してレンズ側より入射した光が通過するレンズ焦点位置の領域に開口を有し、それ以外の領域は光の不透明な遮光層を配した光通過層を中間層として設置し、次に該光通過層に接して光拡散層を有することを特徴とする透過型スクリーンシートを最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明では、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、光拡散層は表面が微細な凹凸形状の光拡散面である透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層の位置は凸レンズの焦点位置に等しい透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、隣接する凸レンズ間の間隔が同一に配されている透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項４記載のスクリーンシートにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が正方形である透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項５記載のスクリーンシートを用いた背面投影型画像表示装置を主要な特徴とする。
請求項７記載の発明では、請求項４記載のスクリーンシートにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が長方形もしくは六角形である透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項７記載のスクリーンシートを用いた背面投影型画像表示装置を主要な特徴とする。
請求項９記載の発明では、請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が光拡散層に可及的に接近した位置にある透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項９記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置を主要な特徴とする。
請求項１１記載の発明では、請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が凸レンズを有する面に可及的に接近した位置にある透過型スクリーンシートを主要な特徴とする。
請求項１２記載の発明では、請求項１１記載のスクリーンシートを用いた背面投影型画像表示装置を主要な特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２に本発明によるスクリーン構造の一例を示す。図示しない光源および光源とスクリーンとの間に置かれた液晶などの画像形成手段とそれに続く拡大光学系により照射された光Ｏは、フレネルレンズ１によりほぼ平行にスクリーンシート２のレンズアレイ３が形成された面に入射する。ここには焦点距離がほぼ等しいレンズアレイ３が隙間なく形成されている。従ってすべての光はレンズの影響を受けスクリーンシート中を角度を持って集光しながら進み、その集光スポットの大きさに応じた開口を設けた黒色遮光層４を通過し、拡散面５によりさらに角度をつけられて出射する。従ってスクリーンシート２に入射した光は損失が少なく、レンズと拡散面の両者の影響で広い視野角を得ることができる。
上記した構成の中で拡散面として通常は図３に示すような透明体６の中に光散乱物質７が混入したものを用いる。さらに望ましくは図４に示したような透明体６の内部には光の進行を妨げる物質がなくその表面に形成された凹凸構造８のみで光を拡散させるものが望ましい。これにより透明体内部での反射により入射側へと戻ってしまう光は低減されより光源からの光を高い利用効率で出射させることができる。
【０００７】
ここでアレイを構成するレンズ形状は一定である必要はない。たとえば光が入射する方向から観察した際に、図５に示すような異形状の集合体であってもかまわない。異形状であっても各々が同等の曲率半径を有する球体の一部であれば焦点位置がほぼ等しいアレイが得られる。通常、液晶のような画像形成手段を用いると、その画素ピッチとスクリーンを構成するレンズのピッチとの関係でモアレが生じる等の問題があり、画素ピッチに対してレンズピッチを１／４から１／５程度に微細化する必要があり、画素ピッチ微細化への対応が困難である。しかしながら図３のような不定ピッチのレンズアレイにおいてはこの影響は軽減できるという効果を有する。
他のレンズアレイ構造としては画素ピッチとレンズピッチの関係を満たすことができるなら、当然図６に示すような正方形の充填構造とすることも可能である。この構造においてはレンズ形状が図中の上下方向と左右方向においてその断面形状が等しくなる。従って垂直方向の視野角と水平方向の視野角とがほぼ等しいような特性を有するスクリーンとすることができる。
また、他のレンズアレイ構造としては図７に示すようなレンズピッチが水平方向と垂直方向で異なる充填構造（例えば、長方形）とすることもできる。この構造においては水平方向により急峻な傾斜面を持ったレンズであるために図１０に示すように垂直方向に対し水平方向により広い視野角とすることができる。通常鑑賞者は垂直方向に広く分布するために垂直方向には広い視野角が必要となることが多く、垂直方向はそれほど必要がない。尚、水平、垂直で異なる視野角特性を得られる別の実施例として図８および図９に示すレンズアレイがあげられる。即ち、図８の例はレンズ形状が正六角形等の正多角形であり、図９のレンズは扁平形状の多角形（六角形）をなしている。
レンズアレイの作製方法としては、例えば特開２００２−３３１５３０号公報に開示されている方法を適用し得られたマスタを複製し型として熱プレス、２Ｐプロセス等既知の方法により得ることができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によれば、焦点位置が同一平面上に揃った複数の凸レンズを片面に間断なく配したレンズ層、前記平面に接してレンズ側より入射した光が通過するレンズ焦点位置の領域に開口を有し、それ以外の領域は光の不透明な遮光層を配した光通過層を中間層として設置し、次に該光通過層に接して光拡散層を有することを特徴とする透過型スクリーンシートにより、画像光は隙間なく配された凸レンズ形成面からすべてがスクリーンシート内に入射し凸レンズにより集光された後に遮光層に設けられた開口を通過し拡散面で拡散し観察者側に到達するために光の利用効率を下げることがない。また、各凸レンズの焦点位置が等しいので遮光層に形成するべき開口の大きさはすべてほぼ等しくすることができるので遮光層の遮光領域を非常に広く取ることができ、室内照明光などの拡散面側から入射した光の多くを吸収し観察者側に戻ることがないので、コントラストの高い画像を表示することができる。
請求項２によれば、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、光拡散層は表面が微細な凹凸形状の光拡散層であることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、拡散面が表面に微細な凹凸形状により形成されている拡散面であるためその厚さを薄くすることができ、投影画像の解像度を損なうことなく高品位な画像を表示することが可能となる。
請求項３によれば、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層の位置は凸レンズの焦点位置に等しいことを特徴とする透過型スクリーンシートにより、遮光層の位置が凸レンズの焦点位置に設けられているので、形成すべき開口径を最も小さくすることができ遮光領域を最も広く取ることができるのでよりコントラストの高い画像を表示することができる。
【０００９】
請求項４によれば、請求項１記載のスクリーンシートにおいて、隣接する前記凸レンズ間の間隔が同一に配されており、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、凸レンズ間隔が一定であることから各レンズの大きさが等しいためスクリーン全面において均一な明るさの画像を表示することが可能となる。
請求項５によれば、請求項４記載のスクリーンシートにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が正方形であり、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、凸レンズの形状の直交する二方向について対象性のある形状をしているので水平、垂直などの直交する二方向について同等の視野角とすることができる。
請求項６によれば、請求項５記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置により、請求項５記載のスクリーンシートを用いている場合には直交する二方向について視野角特性の異なる画像表示を行うことができる。
請求項７によれば、請求項４記載のスクリーンにおいて、前記凸レンズの光軸に垂直な断面が長方形もしくは六角形であり、中間に前記遮光層が配されていることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、凸レンズの形状が長方形もしくは六角形であるために直交する二方向において一方向が最も広い視野角、他方向について最も狭い視野角とすることが可能となる。
請求項８によれば、請求項７記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置により、請求項７記載のスクリーンシートを用いている場合には直交する二方向について視野角特性の異なる画像表示を行うことができる。
【００１０】
請求項９によれば、請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が光拡散面に可及的に接近した位置にあることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、遮光層が光拡散面に近いために拡散面側から入射した光がスクリーン内を進む距離が短く遮光層で吸収されるためにより高いコントラストの画像を表示することができる。
請求項１０によれば、請求項９記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置により、請求項９記載のスクリーンシートを用いているために、よりコントラストの高い画像を表示することができる。
請求項１１によれば、請求項３から５又は７のいずれか１項に記載のスクリーンシートにおいて、前記遮光層が凸レンズを有する面に可及的に接近した位置にあることを特徴とする透過型スクリーンシートにより、遮光層が凸レンズを有する面の近くに位置しているために凸レンズとして焦点距離の短いレンズを用いることができるのでより広い範囲に光を届かせることが可能となる。
請求項１２によれば、請求項１１記載のスクリーンシートを用いたことを特徴とする背面投影型画像表示装置により、請求項１１記載のスクリーンシートを用いているのでより広い視野角を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のランダム形状のレンズのスクリーンシート遮光層の光通過説明図。
【図２】本発明によるスクリーン構造の一例を示す断面図。
【図３】従来の拡散層として透明体の中に光散乱物質を混入したものの断面図。
【図４】本発明の、表面に形成された凹凸のみで光拡散させる拡散層の断面図。
【図５】本発明の、焦点位置が等しい異形状レンズアレイの集合体の表面の写真を示す図。
【図６】本発明の正方形型レンズアレイ集合体の表面から見た写真を示す図。
【図７】本発明の長方形型レンズアレイ集合体の表面から見た写真を示す図。
【図８】本発明の六角形型レンズアレイ集合体の表面から見た写真を示す図。
【図９】本発明の異方形六角型レンズアレイ集合体の表面から見た写真を示す図。
【図１０】本発明の垂直方向より水平方向に広い視野角が取れるアレイの作用説明図。
【符号の説明】
１  フレネルレンズ
２  スクリーンシート
３  凸レンズ
４  遮光層
５  光拡散面
３１  凸レンズ
４１  開口部
【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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