(57)【要約】【課題】背面投影型表示装置において、水平方向に広い視野角を持ちかつ、垂直方向においては目的の範囲に配光することができる背面投影型表示装置とそれに用いるレンズアレイ及びスクリーンを提供することを目的とする。【解決手段】透明基板の片側表面に二次元状に多数の微細な凸レンズ要素Ｌが配されたレンズアレイにおいて、凸レンズ要素の重心１と頂点２とが異なった位置にある形状であることを特徴とするレンズアレイを主要な構成にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の片側表面に二次元状に多数の微細な凸レンズ要素が配されたレンズアレイにおいて、前記凸レンズ要素の重心と頂点とが異なった位置にある形状であることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項２】
請求項１記載のレンズアレイにおいて、該レンズアレイを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸を一軸のみ有し、重心と頂点がともにこの軸上にあることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項３】
請求項２記載のレンズアレイにおいて、各凸レンズ要素が同じ方向を向き、且つ左右対称となる軸が互いに全て平行であることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項４】
請求項２または３記載のレンズアレイにおいて、それを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸断面での近似曲率半径Ｒ１と、この軸に直交しレンズ頂点を通る断面における近似曲率半径Ｒ２においてＲ１≧Ｒ２であることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項５】
請求項３または４記載のレンズアレイにおいて、各レンズ要素が同じ形状であることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項６】
請求項３または４記載のレンズアレイにおいて、レンズ要素の左右対称となる軸を垂直方向に配した場合に各レンズ要素の頂点と重心との距離がレンズアレイにおいて垂直方向下方に行くほど小さくなることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項７】
映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項５記載のレンズアレイをレンズ左右対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いることを特徴とする背面投影型表示装置のスクリーン。
【請求項８】
映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイをレンズ対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いることを特徴とする背面投影型表示装置のスクリーン。
【請求項９】
映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイを用い、さらにレンズ要素の重心と頂点が一致するようなレンズアレイを配し、さらに重心と頂点との距離が大きくなるようなレンズアレイを配したことを特徴とする背面投影型表示装置のスクリーン。
【請求項１０】
請求項７から９記載のスクリーンを用いたことを特徴とする背面投影型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影型表示装置に関し、さらに詳しくは、背面投影型表示装置及びそれに用いる透過型スクリーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、形状が回転楕円体等であって異方性を有しており軸方向が互いに揃えられて面状に配列されている複数の粒子を透過型スクリーンが有しており、入射光に対する出射光の配光分布に異方性があり、しかも、粒子は微細化が容易であるので、出射光を細分化することができ、出射光の分布密度を高めることができる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術により、視野角の設計の自由度と解像度との両方を高めることができる。
また、入射面が、出射面の方向の何れの断面方向についても大きな形状であり、且つこの入射面の外周付近と出射面の外周付近より形成される任意空間をミラー（反射鏡）で囲んだカライドスコープを平面状に複数個埋設したカライドスクリーンを設けるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１３３５１２号公報
【特許文献２】特開２０００−３０５１７９公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
背面投影型表示装置は広い視野角が必要とされる。水平方向における鑑賞者の移動及び配置は垂直方向に比べて範囲が広くそれに応じた広い視野角が必要とされ水平、垂直の各方向において異なる視野範囲が望まれる。これを実現するためにその表示部となるスクリーンは従来の構成として、水平方向にのみ曲率を持つレンズを水平方向に多数配列したレンチキュラーレンズと拡散層とで構成されレンチキュラーレンズにより水平方向の視野角を広げ垂直方向には拡散層により視野角拡大を図っている。
しかしながら同構成においては垂直方向についての視野角の制御が十分に行えないという問題がある。また、他の構成としては透明球状のビーズを基材上に複数配列させてビーズのレンズ効果により視野角の拡大を図っている。しかし、同構成においては、ビーズ形状が球体であるために視野角が水平、垂直方向ともに同等であり、それぞれの方向について独立した制御が行えないという問題がある。
上述したような問題を解決するために特開平１１−１３３５１２号公報においては、楕円球状の複数の粒子をその軸方向が揃うように配列させる構成として、楕円球の短軸方向と長軸方向との曲率を変えることにより、垂直方向、水平方向それぞれの視野角を独立して制御する技術を開示している。
この発明におけるスクリーンは、水平方向が垂直方向に対して広い視野角を得ることができるが、同一形状のビーズを用いているために視野範囲はスクリーンのどの場所においても上下および、左右に対称である。上下に対称であるということはスクリーンにおいて鑑賞者の目線以上の高さからさらに上方に、目線以下からさらに下方にと光が分配されることになり、結果として入射光量を有効に利用できないという問題点を有する。
【０００４】
他の構成としては、特開２０００−３０５１７９公報において、スクリーンの光が進行する方向において開口断面を縮小した形状とし、その入出射面以外の面を金属膜による反射鏡とし、その面との反射により出射光の角度を増して視野角拡大効果を図っている。この構成においては開口断面の縮小のさせ方により垂直方向、水平方向の視野角を独立して制御することが可能である。
しかしながら同構成における出射光の角度は、反射面における反射回数により不連続に変わってゆくためにその回数を大きくすなわち入射面から出射面までの距離を長く取る必要があり、スクリーンとしての厚さが厚く、その結果重量も増してしまうという問題がある。さらに、金属面での反射を利用しているために反射とともに光量は減少するので、上述した理由で反射回数を大きく取ると、入射光に対して出射光は大幅に減少し、暗い映像になってしまうという問題点がある。
以上のような問題から、本発明においては水平方向に広い視野角を持ちかつ、垂直方向においては目的の範囲に配光することができる背面投影型表示装置とそれに用いるスクリーン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、透明基板の片側表面に二次元状に多数の微細な凸レンズ要素が配されたレンズアレイにおいて、前記凸レンズ要素の重心と頂点とが異なった位置にある形状であるレンズアレイ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記載のレンズアレイにおいて、それを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸を一軸のみ有し、重心と頂点がともにこの軸上にあるレンズアレイを主要な特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項２記載のレンズアレイにおいて、各凸レンズ要素が同じ方向を向き左右対称となる軸が互いに全て平行であるレンズアレイを主要な特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項２、３記載のレンズアレイにおいて、それを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸断面での近似曲率半径Ｒ１と、この軸に直交しレンズ頂点を通る断面における近似曲率半径Ｒ２においてＲ１≧Ｒ２であるレンズアレイを主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項３、４記載のレンズアレイにおいて、各レンズ要素がほぼ同じ形状であるレンズアレイを主要な特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項３、４記載のレンズアレイにおいて、レンズ要素の左右対称となる軸を垂直方向に配した場合に各レンズ要素の頂点と重心との距離がレンズアレイにおいて下に行くほど小さくなるレンズアレイを主要な特徴とする。
請求項７記載の発明では、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項５記載のレンズアレイをレンズ左右対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いる背面投影型表示装置のスクリーンを主要な特徴とする。
請求項８記載の発明では、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイをレンズ対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いる背面投影型表示装置のスクリーンを主要な特徴とする。
請求項９記載の発明では、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイを用い、さらにレンズ要素の重心と頂点が一致するようなレンズアレイを配しさらに今度は重心と頂点との距離が大きくなるようなレンズアレイを配した背面投影型表示装置のスクリーンを主要な特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項７から９記載のスクリーンを用いた背面投影型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１は本発明に係るレンズアレイの凸レンズ要素の一例である。この凸レンズ要素Ｌは、重心１の位置と頂点２の位置が異なった形状になっており、この２点を通る軸Ａに関して対称形である。このようなレンズＬに平行光が入射し、透過後の光線の様子を示したのが図２である。図２（ａ）は対称軸Ａに対して垂直な断面における光線の様子を示し、図２（ｂ）は対称軸Ａでの断面における光線の様子を示す。
図２（ａ）のようにこの方向に関しては、平行光は透過後一旦収束した後、対称に広がりながら進行する。一方、（ｂ）のように対称軸を断面とする方向に関しては、頂点２を境にしてそれより上側の部分に入射した光線は下側に、頂点２よりも下側の部分に入射した光線は上側へ屈折して進行するが、頂点２の位置が図においては下側にずれている。したがってレンズＬに入射する光線のうち頂点より上側へ入射する光線の方が多くなり、その結果透過後の光線は下向きに進行する割合が多くなり、下向きの配光特性を示すことになる。
上記の如きレンズＬを複数配列したレンズアレイにおいて、構成する各凸レンズ要素Ｌの形状が左右対称となる軸Ａの断面での近似曲率半径Ｒ１と、この軸Ｌに直交し且つレンズ頂点を通る断面における近似曲率半径Ｒ２との関係を、Ｒ１≧Ｒ２とすることにより、左右対称となる軸Ａに直交する断面における近似曲率半径Ｒ２の方が小さくなるために、この断面方向により屈折される光の程度のほうが大きくより広範囲に配光することができる。
【０００７】
図３は、図２（ｂ）のレンズ透過後の光量とレンズアレイとのなす角度との関係を示す図である。図３中、角度９０度がレンズアレイに垂直な方向を示し、それより小さい角度では上向き、大きい角度では下向きを示す。ほぼ１４０度にピークを持ち下向きに配光していた。
本発明の他の実施例として、図１におけるレンズＬの頂点２が重心１に近づいた形状について説明する。このような形状のレンズＬに平行光が入射すると、図２（ａ）においては同様の結果が得られるが、図２（ｂ）においては頂点及び重心の位置が上寄りになっているために、頂点２より下側に入射する光量の割合が増し、その結果として透過後上向きの光量が増す。そのため全体としては垂直よりも下向きにかつ上記例よりは上向きな配光が得られた。
【０００８】
次に、上述したレンズ要素が同じ向きに配列したレンズアレイの配光特性についての説明を行う。図４は、本発明のレンズアレイの一実施例をレンズ形成面側より見た図である。図１に示したようなレンズＬをその各対称軸が互いに平行になるように配列している。そのためレンズ透過後の光は、みな同様に振る舞い、その結果、図５に示すようにレンズ列に対して下向きにいずれの場所からもほぼ同様な配光状態が得られる。レンズアレイの他の実施例として図６に示すような配列をしても良い。
本発明の更なる実施例として図７に示すようなレンズアレイがある。図中の下に行くほど頂点の位置が重心に近づく形状をなしている。図中の例では一段毎にレンズの形状を変えているが、これは一例であり、複数段毎に同一形状のレンズで構成されていてもかまわない。
このようなレンズアレイに対して平行光を入射させると、図８に示すようにレンズアレイ上部を通過した光は下向きに配光しレンズアレイ下部に行くに従い正面方向を中心に配光するようになる。それらの重ね合わせからレンズアレイに垂直よりやや下方にかけて配光した。
【０００９】
次に、本発明に係るスクリーンについて説明する。既述の実施例で説明したようにスクリーン面に対して左右方向においては対称的に広範な視野角が得られ、垂直方向に対しては主に下方に向かって配光している。このような配光特性を有しているので、スクリーンを鑑賞者に対して高い位置に配する場合に好適である。また、この下方への配光のさせ方は、構成するレンズの形状（重心と頂点の位置関係）を変えることで設計可能である。
このような構成のスクリーンは、上部から下部に向かい構成するレンズの頂点位置がレンズ重心に対して下から一致するように距離を小さくしている。従ってスクリーン上部ほど下向きに配光し、下部に行くほど水平に近い配光特性になる。従って大きなサイズのスクリーンでスクリーン下部が鑑賞者の目線に近くスクリーン上部が鑑賞者の目線に対して高い位置にあるような配置に好適である。
又、このような構成のスクリーンは、それを構成するレンズの頂点位置がスクリーン上部から下部に向かいレンズ重心より下部から一致するように変化して、一致した後さらに下方においてはレンズ重心より上方に位置する。従ってスクリーン上部においては下方に向かった配光が得られ、スクリーン位置が下がるにつれて水平に近い配光となり、レンズの重心と頂点とが一致する領域より下方では上方へ配光するようになる。従って大きなサイズのスクリーンでその下端が鑑賞者の目線よりも下方にあり、上端が鑑賞者の目線より高い位置にあるような配置に好適である。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によれば、透明基板の片側表面に二次元状に多数の微細な凸レンズ要素が配されたレンズアレイにおいて、前記凸レンズ要素の重心と頂点とが異なった位置にある形状であることを特徴とするレンズアレイにより、凸レンズの重心位置と頂点位置が異なるためにレンズ透過後に回転対称性から外れた光量分布が得られる。
請求項２によれば、請求項１記載のレンズアレイにおいて、それを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸を一軸のみ有し、重心と頂点がともにこの軸上にあることを特徴とするレンズアレイにより、一軸に関してのみ対称性を有するのでレンズ透過後の光量はこの軸に関してのみ対称な光量分布が得られる。
請求項３によれば、請求項２記載のレンズアレイにおいて、各凸レンズ要素が同じ方向を向き左右対称となる軸が互いに全て平行であることを特徴とするレンズアレイにより、各レンズ要素が同じ向きであるために各レンズ要素透過後の光量分布が互いに重畳されレンズ対称軸及びレンズアレイに直交する断面において左右対称な光量分布で、レンズアレイに直交しレンズ対称軸に平行な面においては非対称な光量分布が得られる。
請求項４によれば、請求項２、３記載のレンズアレイにおいて、それを構成する凸レンズ要素の形状が左右対称となる軸断面での近似曲率半径Ｒ１と、この軸に直交しレンズ頂点を通る断面における近似曲率半径Ｒ２においてＲ１≧Ｒ２であることを特徴とするレンズアレイにより、左右対称となる軸に直交する断面における近似曲率半径のほうが小さいために、この断面方向により屈折される光の程度のほうが大きくより広範囲に配光することができる。
請求項５記載の各レンズ要素が同じ形状であるので、請求項３、４記載のレンズアレイにおいて、各レンズ要素がほぼ同じ形状であることを特徴とするレンズアレイにより、レンズアレイのいかなる場所を透過してきた光も同じ配光特性を示し、レンズ形状の対称軸に対しては対称な配光特性が得られ、それに直交する方向においてはレンズアレイの法線に対して角度を有するような配光特性を得ることができる。
【００１１】
請求項６によれば、請求項３または４記載のレンズアレイにおいて、レンズ要素の左右対称となる軸を垂直方向に配した場合に各レンズ要素の頂点と重心との距離がレンズアレイにおいて下に行くほど小さくなることを特徴とするレンズアレイにより、構成するレンズ要素が左右対称形状であり、上下方向には重心と頂点との位置が異なり、その距離がレンズアレイ下方に行くほど小さくなるために、レンズアレイ上部においては透過してきた光が下方に向かって配光しその程度がスクリーン下部に行くほど小さくなるような配光特性を得ることができる。
請求項７によれば、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項５記載のレンズアレイをレンズ左右対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いることを特徴とするレンズアレイにより、請求項５記載のレンズアレイをレンズ左右対称軸が垂直になるように用いているために左右方向においては均等に広い視野角が得られ、垂直方向においてはスクリーン面に垂直な方向に対して異なる方向に配光させることができる。
請求項８によれば、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイをレンズ対称軸がスクリーンにおいて垂直方向になるように用いることを特徴とする背面投影型表示装置のスクリーンにより、請求項６記載のレンズアレイをレンズ左右対称軸が垂直になるように用いているために左右方向においては均等に広い視野角が得られ、垂直方向においてはスクリーン上部ほど下方に配光し下部になるほど上下均等な配光を得ることができる。
請求項９によれば、映像光の投射側より順に少なくともフレネルレンズシートと二次元状にレンズが配されたレンズアレイから構成される背面投影型表示装置のスクリーンにおいて、前記レンズアレイに請求項６記載のレンズアレイを用い、さらにレンズ要素の重心と頂点が一致するようなレンズアレイを配しさらに今度は重心と頂点との距離が大きくなるようなレンズアレイを配したことを特徴とする背面投影型表示装置のスクリーンにより、スクリーン上下方向においてレンズ重心と頂点の距離が徐々に小さくなり一致した後さらに大きくなるような形状のレンズが配列されているので、スクリーン上部においては透過してきた光は下方に向かいスクリーン下部に行くに従い上下均等に移行するようになりさらに下方においては上方に向かうような配光を得ることができる。
請求項１０によれば、請求項７から９記載のスクリーンを用いた背面投影型表示装置により、水平方向には広い視野角で垂直方向には狙いとする領域へ効率よく配光することができるので高品位な明るい画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズアレイに使用する凸レンズ要素の一例の平面図である。
【図２】（ａ）は本発明のレンズアレイ用凸レンズの対称軸に垂直な断面での光路説明図、（ｂ）は本発明のレンズアレイ用凸レンズの対称軸での断面における光路説明図である。
【図３】図２（ｂ）でのレンズ通過後光量と対レンズ角度との関係説明図である。
【図４】本発明のレンズアレイのレンズ形成面の立体的平面図である。
【図５】本発明のレンズアレイの前記平面図のレンズの断面図と光路説明図である。
【図６】本発明のレンズアレイの前記レンズ形成面の他の例の立体的平面図である。
【図７】本発明のアレイで図面下方向順に頂点が重心に近づく例の立体的平面図である。
【図８】本発明のアレイで前記下方向順に頂点が重心に近づく例の光路説明図である。
【図９】本発明のアレイで前記頂点と重心の関係が中央部で一致後反転する例の立体的平面図である。
【図１０】本発明のアレイで前記頂点と重心が中央部一致後反転の例の光路説明図である。
【符号の説明】
１  重心
２  頂点
【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】
2004198740.tif 000011
【図１０】
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