(57)【要約】【課題】  光学系内部に侵入した外光が観察者の方向に拡散せず、明るい環境下において高いコントラスト比を実現し、さらに、明るい環境下において高いコントラスト比と高いプロジェクタ光利用効率を両立するリアプロジェクションディスプレイ用光学系を提供する。【解決手段】  スクリーンと、該スクリーン後面にプロジェクタ光の反射光を投光する反射鏡５と、該反射鏡に前記プロジェクタ光を投光するプロジェクタ４とを有するリアプロジェクションディスプレイ用光学系において、前記スクリーンを、偏光子１、拡散層２および４分の１波長板３からなる複層構造のスクリーン１０とした。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーンと、該スクリーン後面にプロジェクタ光の反射光を投光する反射鏡と、該反射鏡に前記プロジェクタ光を投光するプロジェクタとを有するリアプロジェクションディスプレイ用光学系において、前記スクリーンを、偏光子、拡散層および４分の１波長板からなる複層構造のスクリーンとしたことを特徴とするリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【請求項２】
前記プロジェクタと前記反射鏡との間に４分の１波長板、または入射光を円偏光に変換する光学素子を配置したことを特徴とする請求項１記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【請求項３】
前記複層構造のスクリーンから４分の１波長板を削除し、かつ前記反射鏡の前面に４分の１波長板を配置し、あるいはさらに前記プロジェクタと前記反射鏡との間に入射光を直線偏光に変換する光学素子を配置したことを特徴とする請求項２記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【請求項４】
前記複層構造のスクリーンに偏光子を追加し、該追加した偏光子と既存の偏光子とを前記拡散層の前後に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【請求項５】
前記光学系内に存在する空気界面のうちのいずれか１つまたは２つ以上に反射防止層を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアプロジェクションディスプレイ用光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアプロジェクションディスプレイとは、プロジェクタでスクリーン後面側へ投影した画像をスクリーン前面側から観察する表示方式である。
【０００３】
従来、リアプロジェクションディスプレイのスクリーンとして広く用いられているレンティキュラスクリーンでは、レンティキュラレンズの焦点面にブラックストライプを配置し、集光されたプロジェクタ光を減衰させることなく、ブラックストライプ（例えば開口率３０％）により外光の一部を吸収し、外光によるコントラスト低下を抑制している（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
また、上記のほか、レンズ系を用いないスクリーンも知られている（例えば非特許文献２参照）。
【非特許文献１】Ｋ.Ｅｂｉｎａ，“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅａｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｃｒｅｅｎ”  ＳＩＤ０２ＤＩＧＥＳＴ，ｐ１３４２−１３４５（２００２）
【非特許文献２】Ｅ.Ｈｉｇｕｃｈｉ，“Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｃｒｅｅｎ：Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  ａｎｄ  Ｆｉｎｅｎｅｓｓ”  ＳＩＤ０３ＤＩＧＥＳＴ，ｐ８８２−８８５（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、リアプロジェクションディスプレイは光学系が筐体内部に収められているため、同じ投射型ディスプレイであるフロントプロジェクションディスプレイに比べて外光に強いとされている。このため外光が光学系内部に侵入する前の 1)スクリーン表面における外光の反射や、 2)スクリーン内部における外光の後方散乱のみがコントラスト比を低下させる原因として認識され、これらについての解析が行なわれている（例えば前述の非特許文献１および２）。
【０００６】
しかし、実際には反射鏡にスクリーンの光学系内部側が写りこみ、鏡面対称の位置に外光を拡散するスクリーンが存在することと光学的に等価であるため、観察者側→光学系内部へのスクリーンの透過率が高いほど 3)光学系内部まで侵入した外光の反射鏡による反射、が表示画像のコントラスト比を低下させる。
【０００７】
レンティキュラスクリーンでは、外光の一部がブラックストライプにおいて吸収されず光学系内部に侵入し、また、レンズ系を用いないスクリーンでは、プロジェクタ光が集光されないためブラックストライプを配置することができず、外光の大部分が光学系内部に侵入することから、コントラスト比低下の問題はより深刻である。
【０００８】
さらに、どちらのスクリーンに関しても、スクリーン内部に黒色染料を混ぜ、スクリーンの透過率を下げることで、外光の光学系内部への侵入を阻むことが可能であるが、スクリーン透過率の低下は、プロジェクタ光利用効率の低下という新たな問題を生じさせる。
【０００９】
本発明は、これらの問題点を解決し、光学系内部に侵入した外光が観察者の方向に拡散せず、明るい環境下において高いコントラスト比を実現するリアプロジェクションディスプレイ用光学系を提供することを目的とする。さらに、本発明では、明るい環境下において高いコントラスト比と高いプロジェクタ光利用効率を両立するリアプロジェクションディスプレイ用光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明では偏光に着目し、円偏光板（偏光子＋４分の１波長板）を反射鏡の前面に配置することで反射光を抑えることができるという光学的特性を利用することにより、明るい環境下において高いコントラスト比を実現するリアプロジェクションディスプレイ用光学系を見出した。さらに、本発明では、高いコントラスト比に加え高いプロジェクタ光利用効率を実現するリアプロジェクションディスプレイ用光学系を見出した。
【００１１】
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（発明項１）  スクリーンと、該スクリーン後面にプロジェクタ光の反射光を投光する反射鏡と、該反射鏡に前記プロジェクタ光を投光するプロジェクタとを有するリアプロジェクションディスプレイ用光学系において、前記スクリーンを、偏光子、拡散層および４分の１波長板からなる複層構造のスクリーンとしたことを特徴とするリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
（発明項２）  前記プロジェクタと前記反射鏡との間に４分の１波長板、または入射光を円偏光に変換する光学素子を配置したことを特徴とする発明項１記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
（発明項３）  前記複層構造のスクリーンから４分の１波長板を削除し、かつ前記反射鏡の前面に４分の１波長板を配置し、あるいはさらに前記プロジェクタと前記反射鏡との間に入射光を直線偏光に変換する光学素子を配置したことを特徴とする発明項２記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
（発明項４）  前記複層構造のスクリーンに偏光子を追加し、該追加した偏光子と既存の偏光子とを前記拡散層の前後に配置したことを特徴とする発明項１〜３のいずれかに記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
（発明項５）  前記光学系内に存在する空気界面のうちのいずれか１つまたは２つ以上に反射防止層を配置したことを特徴とする発明項１〜４のいずれかに記載のリアプロジェクションディスプレイ用光学系。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、明るい環境下で高いコントラスト比を示し、しかもプロジェクタ光利用効率の高いリアプロジェクションディスプレイが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
反射鏡での外光の反射光が観察者へと到達しないためには、観察者側から見て「偏光子、４分の１波長板、反射鏡」という構成が必要である。またプロジェクタ光を拡散するために「拡散層」を配置する必要がある。
【００１４】
この条件を満たす設計方針として、本発明（発明項１）では、スクリーンを、偏光子、拡散層および４分の１波長板からなる複層構造のスクリーンとした。この１例を図１に示す。図１では観察者１１側から見て「偏光子１、拡散層２、４分の１波長板３、反射鏡５」という構成としたが、図１において偏光子１と拡散層２を相互交換した「拡散層２、偏光子１、４分の１波長板３、反射鏡５」なる構成、および、図１において４分の１波長板３と拡散層２を相互交換した「偏光子１、４分の１波長板３、拡散層２、反射鏡５」なる構成であっても前述の条件を満たすことから、同様の効果を得ることができる。
【００１５】
この構成により、プロジェクタ光は図２に示すような経路１２を通り観察者１１の方向に拡散される。一方、外光は図３に示すような経路１３を通る。図２、図３のスクリーン１０は、図１の「偏光子１、拡散層２、４分の１波長板３、反射鏡５」という構成のスクリーンとすると、図３において、観察者１１側からスクリーン１０に入射した外光は、偏光子１および４分の１波長板３の作用により円偏光となり、反射鏡５において反射した後、スクリーン１０に戻ると、４分の１波長板３の作用により直線偏光となり、偏光子１により吸収される。したがって、観察者１１にはスクリーン１０に入射した外光はほとんど届かず、観察者１１は、高いコントラスト比のプロジェクタ光投影像を見ることができる。
【００１６】
図１の構成において、プロジェクタが投射するプロジェクタ光が円偏光である場合、４分の１波長板３の作用により直線偏光となったプロジェクタ光の偏光方向と偏光子１の偏光方向を合わせることで、偏光子１におけるプロジェクタ光の吸収をなくすことができる。さらに、光学系内部に外光が侵入しても上述のように吸収されるから、外光の光学系内部への侵入を阻むためにスクリーン１０内部に黒色染料を混ぜる必要はなく、スクリーン透過率を高く維持でき、高いプロジェクタ光利用効率を達成できる。
【００１７】
また、プロジェクタ光が円偏光でなく直線偏光である場合、本発明（発明項２）の１例として図４に示すように、プロジェクタ４と反射鏡５との間に４分の１波長板６を配置した構成とすることが望ましい。これにより、プロジェクタ４から出た直線偏光１９は、４分の１波長板６の作用により円偏光２０となって反射鏡５に入射するので、プロジェクタ光が円偏光である場合と同様の効果が得られる。
【００１８】
プロジェクタ光が円偏光でなく直線偏光でもない光である場合、図４に示すように、プロジェクタ４と反射鏡５との間に入射光を円偏光に変換する光学素子６Ａを配置することにより、前述と同様の効果が得られる。光学素子６Ａとしては円偏光板や、偏光ビームスプリッターや位相差板などを用いて入射光を減衰させることなく円偏光に変換する光学素子が挙げられる。
【００１９】
図４の構成では、４分の１波長板を２枚（スクリーン１０内の４分の１波長板３と、スクリーン１０外の４分の１波長板６または円偏光板６Ａ内の４分の１波長板との計２枚）を用いるが、４分の１波長板を２枚用いることに代えて、本発明（発明項３）の１例として図５に示すように、スクリーン１０を偏光子１と拡散層２とで構成（図１のスクリーン１０から４分の１波長板３を削除）し、反射鏡５の前面に４分の１波長板７を配置し、プロジェクタ光を、反射鏡５において反射する前後の２回、４分の１波長板７を透過させることで、同等の効果を実現することができる。
【００２０】
上記構成ではプロジェクタ光が直線偏光以外である場合、プロジェクタ光の一部が偏光子１により吸収されてしまう。そこで、図５に示すように、プロジェクタ４と反射鏡５との間に入射光を直線偏光に変換する光学素子７Ａを配置することにより、前述と同様の効果が得られる。光学素子７Ａとしては偏光子や、偏光ビームスプリッターや位相差板などを用いて入射光を減衰させることなく直線偏光に変換する光学素子が挙げられる。
【００２１】
もっとも、本発明（発明項１〜３）の光学系において、拡散層２が偏光解消特性の強い拡散層（例えば、内部に混ぜ込んだ多量の微粒子により高いヘイズ率を有する拡散層など）である場合、プロジェクタ光および外光の偏光が崩れ、設計どおりの光制御が行なわれずプロジェクタ光の利用効率が低下する、あるいはコントラスト比が低下する、といった問題が生じる。このような場合は、本発明（発明項４）の１例として図６に示すように、例えば図１（図４、図５でも同様）のスクリーン１０に偏光子１Ａを追加し、この追加した偏光子１Ａと既存の偏光子１とを拡散層２の前後に配置して、偏光を整えることが望ましい。
【００２２】
なお、偏光を維持する特性に富んだ拡散層（例えば、後述の体積型ホログラムを利用した拡散層など）を用いた場合にも、無論、必要に応じて本発明（発明項４）を実施することができる。
【００２３】
また、本発明（発明項１〜４）の光学系では複数の空気界面（空気との境目をなす光学素子表面）が存在し、それぞれの空気界面での表面反射が問題となることがありうるが、この問題は、本発明（発明項５）にしたがい、複数の空気界面のうちのいずれか１つまたは２つ以上（例えば、全てまたは問題となる一部）に反射防止層を配置することにより解決可能である。図７はその１例を示すものであり、この例では、図１の光学系における空気界面である、スクリーン１０の前面、後面および反射鏡５の前面に、反射防止層８を配置した。なお、反射防止層としては、色付きのない画像を表示可能とするために透過率の波長依存性が小さいものが好ましく用いうる。
【００２４】
また、本発明では、図１、図４〜図７に例示した光学系に限らず、これらを適宜組み合わせることで、同様の効果またはより良い効果を得ることが期待できる。
【実施例】
【００２５】
前述の設計方針に基き、図８に示すサンプルを製作した。このサンプル（実施例）は、図５においてスクリーン１０の前面および後面に反射防止層８を配置し、偏光子７Ａを取り去ったものに相当する。拡散層２としては、偏光を維持する特性に富んだ体積型ホログラムを利用した拡散層（入射光の９０％以上の偏光を保持）を用いた。４分の１波長板７としては、サンリッツ製ＰＣ位相差板を用いた。反射防止層８としては、サンリッツ製ＡＲグレード反射防止膜付きＴＡＣを用いた。
【００２６】
外光の強さ（ＨＩＯＫＩ社製３４２３ＬＵＸ ＨｉＴＥＳＴＥＲで測定）が２６０ｌｘである環境下において、プロジェクタ光のない状態で、実施例での画面輝度（ミノルタ社製輝度計ＬＳ-１１０で測定）は０.８３ｃｄ/ｍ２であった。これに対し、サンプルから４分の１波長板７を取り去った従来と同様の光学系（従来例１）での画面輝度は１１.８９ｃｄ/ｍ２であった。プロジェクタ光を投影したときの一般的な値として、白状態画面輝度３００ｃｄ/ｍ２、黒状態画面輝度１ｃｄ/ｍ２を例に挙げると、実施例のコントラスト比は、（３００＋０.８３）：（１＋０.８３）≒１６４：１であり、従来例１のコントラスト比は、（３００＋１１.８９）：（１＋１１.８９）≒２４.２：１であった。これにより、実施例の光学系が明るい環境下においても高いコントラスト比を有することを確認した。
【００２７】
また、従来例１では上記と同じ条件においてスクリーン内部に黒色染料を混ぜて、プロジェクタ光のない状態での画面輝度０.８３ｃｄ/ｍ２を実現するためには、透過率を実施例に比べ大幅（実施例の２６％）に低下させなければならない。すなわち、実施例では高いプロジェクタ光の利用効率を達成できた。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、リアプロジェクションディスプレイに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明（発明項１）の光学系の１例を示す構成図である。
【図２】図１におけるプロジェクタ光の経路を示す説明図である。
【図３】図１における外光の経路を示す説明図である。
【図４】本発明（発明項２）の光学系の１例を示す構成図である。
【図５】本発明（発明項３）の光学系の１例を示す構成図である。
【図６】本発明（発明項４）の光学系の１例を示す構成図である。
【図７】本発明（発明項５）の光学系の１例を示す構成図である。
【図８】実施例（サンプル）の光学系を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  偏光子
１Ａ  偏光子
２  拡散層
３  ４分の１波長板
４  プロジェクタ
５  反射鏡
６  ４分の１波長板
６Ａ  入射光を円偏光に変換する光学素子（例：円偏光板（偏光子＋４分の１波長板））
７  ４分の１波長板
７Ａ  入射光を直線偏光に変換する光学素子（例：偏光子）
８  反射防止層
１０  スクリーン（複層構造のスクリーン）
１１  観察者
１２  プロジェクタ光の経路
１３  外光の経路
１９  直線偏光または無偏光
２０  円偏光
【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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