(57)【要約】【課題】コンピュータグラフィックスを駆使してバーチャルリアリティを実現するシステムにおいて、画像の歪みが感ぜられず、また他人の存在を気にすることなく、バーチャル空間への没入感を高めることができること。【解決手段】投影装置１６から投射される画像光を投射スクリーン１４の一方の面から他方の面へ透過させて画像を表示する透過型スクリーンを、投影装置１６の設置された側に凸面を向けた曲面形状とし、投射された画像を見る看視者１０の視界を覆うようにこのスクリーンを配置して成る透過型画像表示装置である。【選択図】      図１
2004151675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影装置から投射される映像光を投射スクリーンの一方の面から他方の面へ透過させて画像を表示する透過型スクリーンを具えた透過型画像表示装置であって、
該透過型スクリーンは投影装置の設置された側に凸面を向けた曲面形状をしており、該透過型スクリーンに投射された画像を見る者の対座予定位置が、該透過型スクリーンを挟んで投影装置とは反対側に設定され、該画像を見る者が該対座予定位置に座したときに該画像を見る者の中心視野角を覆いつくす位置関係で設定してあることを特徴とする透過型画像表示装置。
【請求項２】
投影装置から投射される映像光を投射スクリーンの一方の面へ入射させ、該面で反射させて画像を表示する反射型スクリーンを具えた反射型画像表示装置であって、
該反射型スクリーンは投影装置の設置された側に凹面を向けた曲面形状をしており、該反射型スクリーンに投射された画像を見る者の対座予定位置が、該反射型スクリーンに対して投影装置と同じ側に設定され、該画像を見る者が該対座予定位置に座したときに該画像を見る者の中心視野角を覆いつくす位置関係で設定してあることを特徴とする反射型画像表示装置。
【請求項３】
投影装置から投射される映像光を一方の面から他方の面へ透過させて画像を表示する投射スクリーンであって、光を透過する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項４】
投影装置から投射される映像光を一方の面へ入射させ、該面で反射させて画像を表示する投射スクリーンであって、光を反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項５】
請求項４に記載の投射スクリーンであって、前記光散乱層と該投射スクリーンを構成する基材との間に反射膜が形成されていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項６】
請求項１に記載の透過型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項３に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする透過型画像表示装置。
【請求項７】
請求項２に記載の反射型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項４または５に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする反射型画像表示装置。
【請求項８】
光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向が表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を有する投射スクリーンを製造するに当たり、該光散乱層を静電植毛法により形成することを特徴とする投射スクリーンの製造方法。
【請求項９】
投影装置から投射される映像光のエネルギーの一部を投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面から他方の面へ透過させて、かつ該映像光の残りエネルギーを該投影装置が設置されている側の面で反射させて、該投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面に反射画像を表示し、かつ他方の面に透過画像を表示する半透過型スクリーンを具えた透過・反射型画像表示装置であって、
該半透過型スクリーンに投射された反射画像を見る第１の者の対座予定位置が該半透過型スクリーンに対して該投影装置が設置されている側に設定され、
該半透過型スクリーンに投射された透過画像を見る第２の者の対座予定位置が該半透過型スクリーンを挟んで投影装置とは反対側に設定され、
該第１の者及び該第２の者がそれぞれの該対座予定位置に座したときに、それぞれの該透過画像及び該反射画像を見る該第１の者及び該第２の者の中心視野角を覆いつくす位置関係で、該第１の者及び第２の者の対座予定位置がそれぞれ設定してあることを特徴とする透過・反射型画像表示装置。
【請求項１０】
投影装置から投射される映像光のエネルギーの一部を投射スクリーンの該投影装置が設置されている面から他方の面へ透過させて、かつ該映像光の残りエネルギーを該投影装置が設置されている側の面で反射させて、該投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面に反射画像を表示し及び他方の面に透過画像を表示する半透過型スクリーンであって、
光が透過しかつ反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１１】
請求項９に記載の透過・反射型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項１０に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする透過・反射型画像表示装置。
【請求項１２】
請求項３、４，５及び１０のいずれか一項に記載の投射スクリーンであって、該投射スクリーンの表面に植毛される前記透明パイル粉末はナイロンを素材として作製されており、該透明パイルの直径は１デニールから２デニールまでの範囲の値に相当する直径に設定されており、該透明パイルの長軸方向は０．３ｍｍから１．０ｍｍの範囲の長さに設定されており、隣接する透明パイル間の隙間の間隔は４μｍ以下になるように、設定されていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１３】
請求項３、４，５及び１０のいずれか一項に記載の投射スクリーンを製造するにあたり、該投射スクリーンの基材をフリーブロー法によって曲面形状に加工することを特徴とする投射スクリーンの製造方法。
【請求項１４】
請求項３、４，５及び１０のいずれか一項に記載の投射スクリーンであって、曲面形状を有する複数枚の投射スクリーンを、隣接する投射スクリーン同士の境界線において互いの曲面が滑らかにつながるように、隣接させて、かつ隣接する投射スクリーンの間隙に隙間が生じないように、同一曲面上に張り合わせて成ることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１５】
ドーム形状のスクリーン部と、該ドーム形状のスクリーン部の外周部分が該ドーム形状のスクリーン部を余すところなく囲う形で平面スクリーン部を具えて構成され、該ドーム形状のスクリーン部と該平面スクリーン部とが連続的につながって構成されていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１６】
請求項１５に記載の投射スクリーンであって、前記平面スクリーン部の外周の形状が長方形であって、かつその縦横の長さの比が、４：３または、１６：９となるように設定されていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１７】
請求項１５に記載の投射スクリーンであって、
光が透過する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１８】
請求項１５に記載の投射スクリーンであって、
光が反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項１９】
請求項１５に記載の投射スクリーンであって、
光が透過しかつ反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層が設けられていることを特徴とする投射スクリーン。
【請求項２０】
請求項１に記載の透過型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項１７に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする透過型画像表示装置。
【請求項２１】
請求項２に記載の反射型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項１８に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする反射型画像表示装置。
【請求項２２】
請求項９に記載の透過・反射型画像表示装置であって、投射スクリーンに請求項１９に記載の投射スクリーンを用いることを特徴とする透過・反射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ゲームあるいは職業訓練等におけるバーチャル体験を得る目的で構築された画像表示装置を有するシステムに利用される、画像表示装置並びにそれを構成する投射スクリーンの構造およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックスを駆使してバーチャルリアリティを実現することにより、ゲームにおいて新たな楽しみを演出したり、あるいは職業訓練等において職業上の技術を効果的に習得できるシステムが普及しつつある。このようなシステムの画像表示装置に利用されるスクリーンとして、透過型あるいは反射型のスクリーンがある（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−６２７２７号公報
【特許文献２】
特開平７−６４１８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来のスクリーンは大型でかつ高価であるので、システムそのものが個人向けに普及するには至っていない。また、ゲームあるいは職業訓練等におけるバーチャル体験を得る目的で構築された画像表示装置を有するシステムにおいては、スクリーンに映し出される画像によって、システム利用者のバーチャル空間への没入感を高めることもが重要である。また、スクリーンに映し出される画像を見る者が２人である場合には、互いの存在を気にしないで、同一画像を同時に見ることができるように工夫することが重要である。また、スクリーンに映し出される画像に歪が存在しても、その画像を見る者にその画像の歪みの存在によって違和感を与えないようにする工夫も必要である。
【０００５】
この発明の目的は、画像に対する高い没入感が得られるように構成された、個人向けの、画像表示装置並びにそれを構成するスクリーンの構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
また、スクリーンに映し出される画像を見る者が２人である場合には、互いの存在を気にしないで、同一画像を同時に見ることができる画像表示装置を提供することにある。
【０００７】
スクリーンに映し出される画像に歪が存在しても、その画像を見る者にその画像の歪みの存在によって違和感を与えないスクリーンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願に係る発明者が種々検討したところ、スクリーンに投射された画像を見る者の中心視野角をこのスクリーンで覆うことで、高い没入感が得られることが分かった。
【０００９】
またスクリーンの表面形状は静電植毛法によりパイル状の透明粉末を塗布することで、このスクリーンに映し出される画像を見る方向に依存せずに均質に高コントラストで形成できることが分かった。
【００１０】
またスクリーンを製造するには、スクリーンの基材をアクリル樹脂等の透明な熱可塑性を有する素材とし、フリーブロー法で曲面を形成するのが好適であることが分かった。
【００１１】
また、スクリーンの両側から同一の画像を見ることができるように構成されたスクリーンの両側に一人ずつ、このスクリーンに形成される画像を見る者を配置して、両者が同時に同一の画像を見ることができるように構成すれば、これら両者が互いに互いの存在を気にしないで、同一画像を見ることができることが分かった。
【００１２】
また、ドーム形状のスクリーン部と、このドーム形状のスクリーン部の外周部分がこのドーム形状のスクリーン部を余すところなく囲う形で平面スクリーン部を具えて構成し、このドーム形状のスクリーン部とこの平面スクリーン部とが連続的につながるようにスクリーンを構成すれば、スクリーンに映し出される画像は、その画像に歪みが存在しても、この画像を見る者にとって、その歪みはほとんど感じられないことが分かった。
【００１３】
そこで、この発明によれば、下記の構成を具える画像表示装置を提供する。
【００１４】
先ず、透過型画像表示装置の場合には、投影装置から投射される映像光を投射スクリーンの一方の面から他方の面へ透過させて画像を表示する透過型スクリーン（以後単に「透過型スクリーン」ということもある。）を、投影装置の設置された側に凸面を向けた曲面形状とする。投射された画像を見る者（以後単に「看視者」ということもある。）の位置をこの透過型スクリーンを挟んで投影装置とは反対側に設定する。このスクリーンを看視者の視野角を覆うように配置する。
【００１５】
一方、反射型画像表示装置の場合には、投影装置から投射される映像光を投射スクリーンの一方の面へ入射させ、該面で反射させて画像を表示する反射型スクリーン（以後単に「反射型スクリーン」ということもある。）を、投影装置の設置された側に凹面を向けて曲面形状とする。看視者の位置をこの反射型のスクリーンに対して投影装置と同じ側に設定する。このスクリーンを看視者の視野角を覆うように配置する。
【００１６】
また、投影装置から投射される映像光のエネルギーの一部を投射スクリーンの投影装置が設置されている面から他方の面へ透過させて、かつ映像光の残りエネルギーを投影装置が設置されている側の面で反射させて、投射スクリーンの投影装置が設置されている側の面に反射画像を表示しかつ他方の面に透過画像を表示する半透過型スクリーン（以後単に「半透過型スクリーン」ということもある。）を、具えた透過・反射型画像表示装置の場合には、画像表示装置を以下の通りに構成する。
【００１７】
すなわち、半透過型スクリーンに投射された反射画像を見る第１の者の対座予定位置が半透過型スクリーンに対して投影装置が設置されている側に設定され、この半透過型スクリーンに投射された透過画像を見る第２の者の対座予定位置が半透過型スクリーンを挟んで投影装置とは反対側に設定され、第１の者及び該第２の者がそれぞれの対座予定位置に座したときに、それぞれの透過画像及び反射画像を見る第１の者及び第２の者の中心視野角を覆いつくす位置関係で、第１の者及び第２の者の対座予定位置をそれぞれ設定する。すなわち、このスクリーンを看視者としての第１の者または第２の者の視界を覆うように配置する。
【００１８】
上述した透過型スクリーンまたは反射型スクリーンの表面には、光を散乱する透明パイル粉末を、この透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された、光散乱層が形成されていることが好適である。
【００１９】
また、上述の反射型スクリーンは、スクリーンを構成する基材と光散乱層との間に反射膜あるいは半透過膜を形成するのがよい。また、上述の透過型あるいは反射型スクリーンの表面を静電植毛法により形成するのがよい。また、上述の透過型、反射型あるいは半透過型のスクリーンを曲面形状とするために、これらのスクリーンの基材をフリーブロー法によって曲面形状に加工することが好適である。
【００２０】
この発明によれば、スクリーンが看視者の視野角を覆う構造となっているので、画像に対する没入感が得られるという効果がある。また、スクリーンの表面加工を静電植毛法によったので、スクリーンの表面を拡散散乱（散乱光の強度が散乱光の進行方向に依存しない散乱）面とすることができる。それによって、スクリーンに映し出される画像をスクリーンの周縁部分に至るまで、均質に高コントラストでかつ鮮明にすることができる。
【００２１】
また、ドーム形状のスクリーン部と、ドーム形状のスクリーン部の外周部分がドーム形状のスクリーン部を余すところなく囲う形で平面スクリーン部を具えて構成し、このドーム形状のスクリーン部とこの平面スクリーン部とが連続的につながるように構成すれば、ドーム形状のスクリーン部に映し出される画像に多少の歪みが存在しても、看視者にはこの歪みがほとんど感じられない。
【００２２】
また、透明アクリル素材をスクリーンの基材とし、曲面構造をフリーブロー法で形成すれば、個人向けの利用に適した大きさのスクリーンを量産するのに好適である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態例につき説明する。なお、これらの図は、この発明が理解できる程度に構成要素の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的およびその他の条件は単なる好適例であり、この発明はこの発明の実施の形態にのみ何等限定されるものではない。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１はこの発明の透過型画像表示装置の構成の実施形態の一例を示す図である。この透過型画像表示装置は、投影装置１６と曲面形状を持つ透過型スクリーン１４を具える。透過型スクリーン１４は、投影装置１６の配置された側に凸面を向けて、投影装置１６と、対座予定位置１８に看視者１０が座したときの当該看視者１０との間に、配置される。投影装置１６は、例えば液晶プロジェクター等である。看視者１０の対座する予定位置１８は、この透過型スクリーン１４を挟んで投影装置１６とは反対側に設定される。
【００２５】
看視者１０の視野角を覆い尽くすために、この看視者１０の目の位置１２から透過型スクリーン１４の周縁部に張る角度θ（以後この角度θを単に「視界角θ」ということもある。）を中心視野角に等しいかまたはそれ以上になるように、看視者の、スクリーンに対する対座予定位置１８を、設定する。ここで、中心視野角とは、看視者の全視野範囲を表す角（視野角）の範囲内であって、網膜の黄班部に結像され特に集中して見ることの出来る範囲を表す角をいうものとする。通常多くの人の平均的な視野角は水平方向が２５０°から２９０°、垂直方向が１２０°から１６０°であり、平均的な中心視野角は視野を中心とした約２０°の範囲であると言われている。上述した看視者の目の位置は、スクリーンしたがってスクリーンに映し出される画像に対する看視者の対視予定位置である。
【００２６】
この発明の発明者は、視界角θを４０°から５０°程度以上に設定することで、透過型スクリーン１４に映し出される画像を見る看視者１０に、画像への高い没入感を与えることを確かめた。すなわち、視界角θを４０°から５０°程度以上に設定することで、看視者の中心視野角を覆い尽くすことができ、この看視者に画像への高い没入感を与えることが出来たものと考えられる。ここで、視野角が水平方向について２５０°から２９０°、垂直方向について１２０°から１６０°、中心視野角が４０°から５０°程度等と幅をもっている理由は、これらの視野角や中心視野角にこの程度の個人差が存在するためである。
【００２７】
透過型スクリーン１４は、ほぼ球面に近い曲面形状とするのが望ましい。そのため、透過型スクリーン１４に映し出される画像の周縁部分のぼけが目立たないように、投影装置の投影レンズの焦点深度は深いことが望ましい。また透過型スクリーン１４の表面は、光が等方的に拡散反射（反射光の強度が反射方向に依存しない拡散反射）することが望ましい。透過型スクリーン１４に映し出される画像の周縁部分は、スクリーン表面の法線方向から外れた方向から看視者の目に入射するので、光が等方的に拡散反射しなければ、画像の周辺部分が中央部分に比べて暗くなってしまう。
【００２８】
（第２の実施形態）
図２はこの発明の反射型画像表示装置の構成の実施形態の一例を示す図である。この反射型画像表示装置は、投影装置２６と曲面構造をもつ反射型スクリーン２４を具える。反射型スクリーン２４は投影装置２６の配置された側に凹面を向け、この凹面側に拡散反射面が設けられている。画像はこの拡散反射面に映し出され、反射して対座予定位置２８に看視者２０が座したときの当該看視者の目の位置２２に到達する。投影装置２６は、上述の透過型画像表示装置同様、液晶プロジェクター等である。
【００２９】
看視者２０の対座予定位置２８は、この凹面側に設定される。図２に示すように、看視者２０の視野角を覆い尽くすために、この看視者の目の位置２２から反射型スクリーン２４の周縁部に張る角度θは、看視者２０の中心視野角に等しいかまたはそれ以上になるように、看視者２０の対座予定位置２８を設定する。
【００３０】
反射型スクリーン２４は、ほぼ球面に近い曲面形状とするのが望ましく、また映し出される画像の周縁部分のぼけが目立たないように、投影装置２６の投影レンズの焦点深度は深いことが望ましい等、上述の透過型スクリーンの場合と同様である。また反射型スクリーン２４の表面は、光が等方的に拡散反射することが望ましい点も上述の透過型スクリーンの場合と同様である。
【００３１】
（スクリーン表面の形状）
透過型スクリーンおよび反射型スクリーンの表面は、光が拡散散乱する性質を有することが望ましいことは、上述したとおりである。そこで、この発明の発明者はこれらスクリーンの表面に、図３に示す構造を作り付ければ、効果的であることを実験により見出した。すなわち、スクリーン基材３０の表面に接着層３２を介して、透明粉末である直径φかつ高さｈの透明パイル３４を間隔ｔだけ離して均一に植毛することで、光が拡散散乱する構造を形成することが出来た。このとき透明パイル３４の長軸方向（円柱状のパイルの回転対称軸の方向）が、スクリーン表面に垂直になるように植毛することで、光を拡散散乱させるのに効果的な構造とすることができることを見出した。尚、ここでいうパイルとは、長い繊維を短く切断した繊維の破片のことである。パイルを作る元となる長い繊維の断面が円形またはそれに近い楕円形であれば、パイルの形状は、図３中において３４で示す円柱形状となる。
【００３２】
具体的に図３に示す構造を形成するために、スクリーン基材３０には透明アクリル樹脂を用い、接着層３２にはアクリル系接着剤を用い、透明パイル３４の素材にはナイロンを用いた。
【００３３】
透明パイル３４は、ナイロン製の長い繊維（以後「フィラメント」と言うこともある。）を切断して形成した。このようにして得られた透明パイル３４を、スクリーン基材３０上にアクリル系接着剤を塗布した後に、静電植毛法で植毛した。透明パイル３４の直径φは、１ｄから２ｄ（デニール）までの範囲内の値とするのが好ましい。ここに１ｄとは、パイルの原料となるフィラメント９０００メートルの長さ当たりの重量が１グラムとなるようなフィラメントの直径を言う。この実施例におけるナイロン製のパイルでは、１ｄはほぼ１２μｍに相当する。パイルの高さ（接着層３２に埋まっている部分を除く表面に飛び出ている部分の高さ）ｈは０．３ｍｍから１．０ｍｍの範囲の高さとするのが好ましい。また、パイルの間隔ｔの平均寸法は、０＜ｔ−φ≦４μｍとなるように設定するのが好ましい。これら直径φ、高さｈおよび間隔ｔを上述したそれぞれの範囲内の値に設定することにより、光の拡散散乱をより好ましく行なえる。
【００３４】
上述した寸法にパイル３４の直径（太さ）φ、高さｈおよび間隔ｔを設定することにより、スクリーン表面に形成される微細な凹凸は、スクリーンに投射される画像の品質を落とさない程度の細かさとなる。また、図３に示すように、スクリーン基材３０の表面に、透明パイル３４を間隔ｔだけ離して、かつ透明パイル３４の長軸方向がスクリーン表面に垂直になるように植毛することで、光が拡散散乱する表面となる。
【００３５】
第２の実施形態において利用される反射型スクリーン２４にあっては、スクリーン表面に投射された光の一部がスクリーン基材を透過して、この結果反射される光の量が減ることによる画像の明るさの低下を防ぐために、図４に示す構造とするのが好ましい。
【００３６】
すなわち、反射型スクリーン基材５０の表面に反射膜５２を設ける。反射膜５２の素材は銀やクロームを用いればよい。形成方法としては真空蒸着法あるいは無電解鍍金法（化学鍍金法）等が利用できる。この反射膜５２の表面に、図３同様に接着層５４を介して、透明粉末である直径φかつ高さｈの透明パイル５６を間隔ｔだけ離して均一に植毛することで、光が拡散散乱し、かつ明るい画像として視認できる程度の高い反射率を有する構造を形成することが出来る。
【００３７】
もちろん、上述のように反射型スクリーン基材５０の表面に反射膜５２を設けるのが効果的であるが、透明パイル５６の代わりに、反射率の高い素材を用いることで、光が拡散散乱し、かつ高い反射率を有する構造を形成することも出来る。反射率の高い素材としては、アクリル樹脂製のパイル表面に、銀あるいはクローム等の金属を上記同様に無電解鍍金法（化学鍍金法）等で付着させたもの等が利用できる。
【００３８】
後述する第３の実施形態において利用される透過・反射型スクリーンにあっては、投影装置から投射される映像光のエネルギーの一部を投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面から他方の面へ透過させて、かつ該映像光の残りエネルギーを該投影装置が設置されている側の面で反射させて、該投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面に反射画像を表示し及び他方の面に透過画像を表示する半透過型スクリーンとしての機能を有するように構成するには、図４に示した構造の中で、反射膜５２の光の振幅透過率を１００％未満とするのが好ましい。
【００３９】
透過・反射型スクリーンを上述の構成とすることにより、投射スクリーンの該投影装置が設置されている側の面に反射画像を表示し及び他方の面に透過画像を表示する半透過型スクリーンとすることができる。
【００４０】
なお、光が透過しかつ反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末をこの透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛して形成された光散乱層が設けられていることが好適である。
【００４１】
（スクリーン表面の加工方法）
静電植毛法（静電植毛加工）は、フロッキー加工とも呼ばれる工法である。この工法は、基本的に高圧静電界における静電力を利用して、あらかじめ接着剤を塗布した基材にパイルを垂直に投錨し、その後接着剤を乾燥固化して投錨したパイルを基材表面に固定させるものである。基材にパイルを垂直に投錨する原理は、次のようなものである。
【００４２】
平行平板の電極間に直流電圧を印加して、片側の電極上に、効率よく帯電しかつ一本一本がばらばらに飛翔するための、いわゆる電着処理したパイルを置くと、パイルは帯電する。帯電したパイルを平行平板の電極間に置くとパイルはクーロン力により電界と平行の方向にパイルの回転対称軸が向き、帯電した電気とは反対符号の電極板に飛翔する。この反対符号の電極板に到達したパイルはこの電極板に飛んでくる前の電荷とは反対符号の電荷に帯電され、今度は先ほどとは逆の向きに飛翔する。この往復運動間に加工する基材の接着剤を塗布して電極間にセットすれば、飛翔しているパイルを接着剤層に投錨できる。
【００４３】
接着剤としては、アクリル系、ウレンタン系、エポキシ系、酢酸ビニル系等があるが、基材にアクリルを用いる場合には、アクリル系接着剤を用いるのが好適である。
【００４４】
図１に示す透過型画像表示装置では、既に説明したように、視界角θが４０°から５０°程度になるように設定される。したがって、透過型スクリーン１４に映し出される画像の周縁部分から看視者の目の位置に向かって進む光線は、透過型スクリーン１４の表面に対する法線方向に対して大きな角度を持つ。このため、透過型スクリーン１４に映し出される画像の周縁部分が中心部分に比べて暗くならないようにするためには、透過型スクリーン１４の表面が光散乱特性を有することが必要である。したがって、図１に示す透過型画像表示装置の透過型スクリーンとして、光を透過する表面に、光を散乱する透明パイル粉末をこの透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を有する投射スクリーンを採用することが好適である。
【００４５】
図２に示す反射型画像表示装置においても、上述した透過型スクリーンと同様に、反射型スクリーン２４に映し出される画像の周縁部分が中心部分に比べて暗くならないようにするために、反射型スクリーン２４の表面が光散乱特性を有することが必要である。このことから、図２に示す反射型画像表示装置の反射型スクリーンとして、光を反射する表面に、光を散乱する透明パイル粉末をこの透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を有する投射スクリーンを採用することが好適である。
【００４６】
（スクリーン基材の加工方法）
透過型スクリーンおよび反射型スクリーンの基材を曲面構造に加工するには、フリーブロー法によるのが良い。図５を用いて、フリーブロー法によるこれらスクリーン基材の加工法を説明する。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、フリーブローを行なうための装置の断面図である。
【００４７】
図５（Ａ）に示すように、空気が抜けるための穴３８を有する常盤３６の上に、穴３８を覆うようにスクリーン基材となるアクリル板４０ａを置き、リング状の押さえ金具４２をアクリル板４０ａ上に置き、固定金具４４によってリング状の押え金具４２を常盤３６上のアクリル板４０ａに固定する。この際常盤３６とアクリル板４０ａの隙間から空気が漏れないように気密性を確保する必要がある。この後、アクリル板４０ａが均一に軟らかくなるように均一に加熱する。
【００４８】
アクリル板４０ａが均一に軟らかくなったら、図５（Ｂ）に示すように、空気が抜けるための穴３８につながったパイプに備え付けられたコック４６を開いて圧搾空気４８を供給し、アクリル板４０ａを所望の大きさになるまで膨らませ、コック４６を閉じる。この後所望の大きさに膨らませたアクリル板４０ｂに内部応力が加わらないように、アクリル板４０ｂの温度を全体として等しい状態でゆっくりと下降させて、アクリル板４０ｂを固化させる。このようにして加工されたアクリル板４０ｂを図５の加工装置からはずして、リング状の押さえ金具４２の直下の部分から不要なアクリル材を切断して、スクリーン基材を完成させる。
【００４９】
この方法によれば、スクリーンの直径（スクリーンの外縁を形成する閉曲線の作る円の直径）が１から２メートル程度のスクリーン基材を量産加工するのに好適である。そのため個人向け用途とする表示装置に利用するスクリーンとしては好適なものが作製できる。アクリル板を加熱して圧搾空気を供給するときに圧搾空気の供給量を調整することで容易にアクリル板の加工後の曲率半径をコントロールできるので、作製する表示装置に求められる視野角θを最適値に設定することも容易である。このため表示装置を量産するにしても、視野角θの値等の細かな設計上の注文にも個別に対応することが出来、量産品でありながらカスタムユーズとしての対応が製造段階で可能である点も、本方法の優れた点である。
【００５０】
（複合スクリーンの構成）
上述したフリーブロー法でスクリーン基材を加工する際に、アクリル板４０ｂの曲率半径が等しくなるように複数枚のアクリル板を加工して作製したスクリーン（透過型、反射型あるいは透過・反射型であるかを問わない。）６０を図６に示すように張り合わせれば、大型のスクリーン６２を作成できる。すなわち、隣接する投射スクリーン同士の境界線において互いの曲面が滑らかにつながるように、隣接させて、かつ隣接する投射スクリーンの間隙に隙間が生じないように、同一曲面上に張り合わせることにより、大型のスクリーン６２を作成できる。
【００５１】
図６では、六角形状に切り出した複数枚のスクリーン６０を張り合わせた例を示したが、六角形状に限らず四角形状や三角形状等でも作製できることは言うまでもない。
【００５２】
この発明の目的の一つが、個人向けの小型の画像表示装置を提供することであるので、フリーブロー法でスクリーン基材を加工するのが好適である。フリーブロー法では、スクリーンの直径が数メートル以上の大きなスクリーンを作製できる基材の加工は困難であるからである。しかし、個人向けの小型の画像表示装置を提供する目的を離れて、より大画面用の大型のスクリーンをフリーブロー法で制作する必要が生じても、上述したような、複数枚の曲率半径を有するスクリーンを張り合わせるという方法で実現できる。
【００５３】
上述した実施例では、スクリーン基材にアクリル板を用いたが、可視光領域の光に対して無色透明の材料であり、熱可塑性のある材料であればアクリル板である必要はなく、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリサルフォン、フッ素樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルサルファン、ポリブタジエン等でも良い。また、透明パイルにナイロンを用いたが、フィラメント状に加工でき、静電植毛法で植毛できる、可視光領域の光に対して無色透明の材料であれば、ナイロンに限らず、ポリエステル、レーヨン、ポリクラール等でも良い。
【００５４】
（第３の実施形態）
図７はこの発明の透過・反射型画像表示装置の構成の実施形態の一例を示す図である。この透過・反射型画像表示装置は、投影装置１１６と曲面構造をもつ半透過型スクリーン１１４を具える。半透過型スクリーン１１４は投影装置１１６の配置された側に凹面を向け設置されている。画像はこの拡散反射面に映し出され、反射して対座予定位置１１８に看視者１１０（第１の者）が座したときのこの看視者（第１の者）の目の位置１１２に到達する。また、半透過型スクリーン１１４を透過して対座予定位置１２８に看視者１２０（第２の者）が座したときのこの看視者（第２の者）の目の位置１２２に到達する。
【００５５】
一方、投影装置１１６は、上述の透過型画像表示装置あるいは反射型画像表示装置同様、液晶プロジェクター等である。
【００５６】
看視者１１０（第１の者）の対座予定位置１１８は、例えば、この半透過型スクリーン１１４の凹面側に設定される。図７に示すように、看視者１１０（第１の者）の視野角を覆い尽くすために、この看視者の目の位置１１２から半透過型スクリーン１１４の周縁部に張る角度θは、看視者１１０（第１の者）の中心視野角に等しいかまたはそれ以上になるように、看視者１１０（第１の者）の対座予定位置１１８を設定する。
【００５７】
一方、看視者１２０（第２の者）の対座予定位置１２８は、上述の看視者１１０（第１の者）の対座予定位置が半透過型スクリーン１１４の凹面側に設定された場合には、この半透過型スクリーン１１４の凸面側に設定される。図７に示すように、この看視者１２０（第２の者）の目の位置１２２から半透過型スクリーン１１４の周縁部に張る角度θ’も、看視者１２０（第２の者）の中心視野角に等しいかまたはそれ以上になるように、看視者１２０（第２の者）の対座予定位置１２８を設定するのが望ましい。
【００５８】
図７に示す透過・反射型画像表示装置の場合には、看視者１１０（第１の者）にとって十分な没入感を持って画像を見ることができる。また、看視者１１０（第１の者）にとって、半透過型スクリーン１１４を介して反対側に対座する看視者１２０（第２の者）の存在を気にしないで、看視者１２０（第２の者）が見ている画像と同一の画像を同時に見ることができる。
【００５９】
特に、図７に示す透過・反射型画像表示装置は、職業訓練等におけるバーチャル体験を得つつ、指導者からの指導を受けるという用途に好適である。十分な没入感を持って画像を見ることができる看視者１１０（第１の者）を職業訓練の受講者として、看視者１２０（第２の者）をその指導者とすれば、看視者１１０（第１の者）である受講者は、半透過型スクリーン１１４を介して反対側に対座する指導者である看視者１２０（第２の者）の存在を気にしないで、バーチャル体験をすることができる上、指導者は必要に応じて適宜受講者の指導を行うことができる。
【００６０】
図７に示す透過・反射型画像表示装置を構成する半透過型スクリーン１１４は、上述した第１の実施形態である透過型画像表示装置において用いた透過型スクリーンを用いて構成することができる。第１の実施形態で使用した透過型スクリーンは、投影装置から投射される画像を投影装置が設置されている側の面及びその反対側の面の両面に画像を形成するからである。
【００６１】
ただし、好ましくは、半透過型スクリーン１１４は、このスクリーンを構成する基材と光散乱層との間に半透過膜を形成するのがよい。この半透過膜の光の振幅透過率は、透過・反射型画像表示装置が設置される環境を考慮して決定する。例えば、看視者１１０（第１の者）及び看視者１２０（第２の者）の対座予定位置の周囲の明るさ等を勘案して、半透過型スクリーン１１４に形成される透過画像と反射画像の明るさが、看視者１１０（第１の者）及び看視者１２０（第２の者）の双方にとって最良となるように決定する。
【００６２】
図７においては、半透過型スクリーン１１４は投影装置１１６の配置された側に凹面を向け設置され、看視者１１０（第１の者）を半透過型スクリーン１１４に対して投影装置１１６が配置されている側に対座予定位置が設定されている。しかし、投影装置１１６を半透過型スクリーン１１４の凹面の側に配置するか、凸面の側に配置するかは、単なる設計的事項に属する事柄である。いずれの側に配置しても、この発明の第３の実施形態である透過・反射型画像表示装置を構成できることは言うまでもない。
【００６３】
また、看視者１１０（第１の者）及び看視者１２０（第２の者）を半透過型スクリーン１１４に対してどちらの側に対座させるかは、どちらの者がより強い没入感を得る必要があるかを判断して決めることになる。すなわち、半透過型スクリーン１１４の凹面の側に対座する方がより強い没入感を得ることができるので、より強い没入感を得ることが求められる方を半透過型スクリーン１１４の凹面の側に対座するように設定すればよい。
【００６４】
（スクリーンの形状）
上述した透過型画増表示装置（第１の実施形態）、反射型画像表示装置（第２の実施形態）及び透過・反射型画像表示装置（第３の実施形態）において用いられる、透過型スクリーン、反射型スクリーン及び半透過型スクリーンのいずれもが、その形状は平面ではなくドーム形状をしている。そのために、歪を補正するための機構を設けない限りこれらのスクリーンに投影されて形成される画像には歪が存在する。
【００６５】
ドーム形状とは、一例として、球面の一部を平面で切断して切り出される曲面が持つ形状を言う。もちろん、球面に限らず回転放物面、回転双曲面等の曲面の一部を切り出して形成される曲面が持つ形状も含めてドーム形状と言うものとする。上述の曲面は、その曲面の法線を含む面で切断した断面の曲線形状が、その法線とその曲面との交点が極大点となり、かつその法線を含む面で切断した断面の曲線形状が弓形となることが特徴である。以後、ドーム形状をしているスクリーンをドーム型スクリーンということもある。
【００６６】
図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、上述の画像の歪みについて説明する。図８（Ａ）は外周部７２ａをもつドーム型スクリーンに画像７０ａが投影されている様子を、その画像７０ａの周辺の歪みを強調して描いた図である。このドーム型スクリーンは、紙面の後ろ側に凸面を形成しており、紙面の側は凹面となっている。
【００６７】
このようなドーム型スクリーンに画像を投影すると、通常の平面型スクリーンに画像を投影した場合と比較して、特に画像の周辺を画する形状が異なる。すなわち、通常の平面型スクリーンに画像を投影した場合には、画像の周辺を画する形状は正方形ないし長方形となるのに対して、ドーム型スクリーンに画像を投影すると、画像の周辺を画する形状は正方形ないし長方形の辺が図のように弓形に歪んだものとなる。
【００６８】
この歪を修正するには、投影装置を構成するレンズ系を工夫するとか、投射する画像を予めドーム型スクリーンに投影することを前提として補正するようにコンピュータを用いて画像補正をしておくといった手段がある。しかしこれらの工夫あるいは手段のいずれも高いコストを伴う。その上、後者のコンピュータを用いて画像補正をする手段をとるとすれば、既存の画像を使う場合には、一旦上述の画像処理をしなければならず、それだけ手間も多くかかることになる。
【００６９】
スクリーンに映し出される画像の周辺を画する形状が、図８（Ａ）に示すように歪んでいると、この画像を見る看視者は違和感を持つ場合が多い。このような違和感を緩和するためには、スクリーンに映し出される画像の周辺を画する形状が意識されないようにするのが一法である。このために図８（Ｂ）に示すように、ドーム型スクリーンの外周部７２ｂを超えて画像の外周部７０ｂが投影されるように、ドーム型スクリーンに投射する方法が考えられる。このようにすれば、スクリーンには画像を画する画像の外周部７０ｂが映し出されないので、画像の外周部７０ｂの歪みを気にすることがなくなる。
【００７０】
しかし、図８（Ｂ）に示す破線で示す画像の外周部７０ｂと実線で示す円形のドーム型スクリーンの外周部７２ｂとの間に存在するはずの画像情報が欠損してしまうという欠点がある。
【００７１】
そこで、発明者が検討した結果、ドーム形状のスクリーン部と、このドーム形状のスクリーン部の外周部分がこのドーム形状のスクリーン部を余すところなく囲う形で平面スクリーン部を具えて構成し、このドーム形状のスクリーン部とこの平面スクリーン部とが連続的につながるように投射スクリーンを構成すれば、スクリーンに映し出される画像は、その画像に歪みが存在しても、この画像を見る者にとって、その歪みはほとんど感じられないことが分かった。
【００７２】
図９を参照して、上述の投射スクリーンの構造を説明する。このスクリーンは、ドーム形状のスクリーン部８２とこのドーム形状のスクリーン部８２の外周部分８４がこのドーム形状のスクリーン部８２を余すところなく囲う形で形成された平面スクリーン部８６を具えて構成される。ドーム形状のスクリーン部８２の外周部分８４はドーム形状のスクリーン部８２と平面スクリーン部８６との境目であり、この境目８４において、ドーム形状のスクリーン部８２と平面スクリーン部８６とが連続的につながっている。
【００７３】
好ましくは、この境目８４において、ドーム形状のスクリーン部８２の外周部分８４とドーム形状のスクリーン部８２とが滑らかに連続的につながっていることが望ましい。
【００７４】
そして、このスクリーンの外延部である平面スクリーン部８６の外周部８０（以後、投射スクリーンそのものを指す記号としても８０を用いる。）は、縦横比がｐ：ｑの長方形である。もちろんｐ＝ｑとなる正方形としても良い。後述するように、好ましくは、縦横比がｐ：ｑを、多くの既存の画像がもつ縦横比である４：３または１６：９と設定することが好ましい。
【００７５】
上述の構成の投射スクリーン８０に、図９に示すように、投影装置９０によって画像が投影される構成として、平面スクリーン部８６の外周部８０で囲まれるドーム形状のスクリーン部８２及び平面スクリーン部８６の全面に画像を表示する。このようにして映し出される画像は、その周辺部分が直線で画される正方形あるいは長方形となっているので、ドーム形状のスクリーン部８２に映し出される画像の一部分が多少本来の画像から歪んでいても、この歪に対して看視者が抱く違和感は小さいかあるはほとんど無視できる。
【００７６】
また上述したように投射スクリーン８０の縦横比であるｐ：ｑが、投影される画像が持っている縦横比と一致していれば、投影される画像に欠損がなく、かつ投射スクリーン８０全面に画像が投射されて好都合である。したがって、上述したように多くの既存の画像がもつ縦横比である４：３または１６：９となるように投射スクリーン８０の縦横比であるｐ：ｑを設定することが好ましいことが分かる。
【００７７】
図９において、投射スクリーン８０のドーム形状のスクリーン部８２の凹面部の側に投影装置９０を配置した構成としたが、もちろん、投影装置９０を投射スクリーン８０のドーム形状のスクリーン部８２の凸面部の側に配置してもよいことは言うまでもない。いずれの側に投影装置９０を配置するかは、設計的事項である。
【００７８】
また、投射スクリーン８０を透過型スクリーンとしてこの発明の第１の実施形態である透過型画増表示装置に搭載しても良く、投射スクリーン８０を反射型スクリーンとしてこの発明の第２の実施形態である反射型画像表示装置に搭載しても良く、投射スクリーン８０を半透過型スクリーンとしてこの発明の第３の実施形態である透過・反射型画像表示装置に搭載しても良いことは言うまでもない。
【００７９】
上述したように、それぞれの画像表示装置に投射スクリーン８０を搭載すれば、ドーム形状のスクリーン部８２に映し出される画像から、没入感を得ることができる。そして、ドーム形状のスクリーン部８２から連続的に滑らかにつながっている平面スクリーン部８６にも画像がドーム形状のスクリーン部８２から平面スクリーン部８６にわたって連続的に映し出され、しかもその平面スクリーン部８６の外周を画する形状は正方形もしくは長方形である。すなわち、ドーム形状のスクリーン部８２に映し出される画像部分が本来の画像からは多少歪んでいても、その歪みを感じとることがほとんどない。したがって、上述のように投射スクリーン８０を上述の第１ないし第３の実施形態であるそれぞれの画像表示装置に組み込めば、没入感を得つつ、なおかつ投射スクリーン８０に映し出される画像の歪みに対してほとんど違和感を抱かずに済むという効果を、上述のそれぞれの画像表示装置は奏することとなる。
【００８０】
投射スクリーン８０を構成する基体の、ドーム形状のスクリーン部８２となる部分を、スクリーン基材の加工方法として上述したフリーブロー法で曲面形状に構成して、残りの平面スクリーン部８６となる部分を平面形状に保つように形成することができる。また、スクリーン表面の加工方法として上述した方法によれば、光を散乱する透明パイル粉末をこの透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛することで、投射スクリーン８０の表面を形成できる。
【００８１】
また、投射スクリーン８０を、光が透過する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を設けて構成することができる。
【００８２】
また、投射スクリーン８０を、光が反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末を該透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を設けて構成することもできる。
【００８３】
また、投射スクリーン８０を、光が透過しかつ反射する表面には、光を散乱する透明パイル粉末をこの透明パイルの長軸方向がスクリーン表面に直交する方向にそろえて植毛されて形成された光散乱層を設けて構成することもできる。
【００８４】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の画像表示装置によれば、看視者の視野角を覆い尽くすようにスクリーンが配置される構造となっているので、看視者はスクリーンに映し出されるバーチャル空間への高い没入感が得られる。
【００８５】
また、スクリーンの両側から同一の画像を見ることができるように構成されたスクリーンの両側に一人ずつ、このスクリーンに形成される画像を見る者を配置して、両者が同時に同一の画像を見ることができるように構成された画像表示装置によれば、これら両者が互いに互いの存在を気にしないで、同一画像を見ることができる。
【００８６】
また、ドーム形状のスクリーン部と、このドーム形状のスクリーン部の外周部分がこのドーム形状のスクリーン部を余すところなく囲う形で平面スクリーン部を具えて構成し、このドーム形状のスクリーン部とこの平面スクリーン部とが連続的につながるようにスクリーンを構成するので、スクリーンに映し出される画像に歪みが存在しても、この画像を見る者にとって、その歪みはほとんど感じられない。
【００８７】
また静電植毛法によりスクリーン表面を加工するため、スクリーン表面における光の散乱が等方的に起こるように、容易に形成できる。また、フリーブロー法でスクリーン基材を加工するので、個人向けのコンパクトな画像表示装置を量産性よく供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の透過型画像表示装置の実施形態の一例を示す図である。
【図２】この発明の反射型画像表示装置の実施形態の一例を示す図である。
【図３】静電植毛法で形成されたスクリーンの断面図である。
【図４】反射膜が形成されているスクリーンの断面図である。
【図５】（Ａ）は、フリーブロー形成法におけるスクリーン基材の加熱の説明図であり、（Ｂ）は、フリーブロー形成法における圧搾空気の送り込みの説明図である。
【図６】複数枚のスクリーンを合わせた大画面用スクリーンの説明図である。
【図７】この発明の透過・反射型画像表示装置の実施形態の一例を示す図である。
【図８】ドーム型投射スクリーンに投影された画像の歪と画像の欠損の様子の説明に供する図である。
【図９】ドーム型スクリーン部と平面型スクリーン部とを具えた投射スクリーンの説明に供する図である。
【符号の説明】
１０，２０，１１０，１２０：看視者
１２，２２，１１２，１２２：看視者の目の位置
１４：透過型スクリーン
１６，２６，９０，１１６：投影装置
１８，２８，１１８，１２８：対座予定位置
２４：反射型スクリーン
３０：スクリーン基材
３２，５４：接着層
３４，５６：透明パイル
３６：常盤
３８：穴
４０ａ、４０ｂ：アクリル板
４２：押さえ金具
４４：固定金具
４６：コック
４８：圧搾空気
５０：反射型スクリーン基材
５２：反射膜
６０：スクリーン
６２：大型のスクリーン
８０：投射スクリーン
８２：ドーム形状のスクリーン部
８６：平面スクリーン部
１１４：半透過型スクリーン
【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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