(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ピッチにそれぞれ備えられた各プリズム部を介して所定の入射角の入射光線を所定の出射角の出射光線として出射するフレネルレンズにおいて、
所定の入射角で入射する第１入射光線を第１屈折現象によって第１透過光線にする第１入射面と、
上記第１透過光線を第２屈折現象によって所定の出射角の第１出射光線にする平面形状の出射面と、
上記第１入射面および隣接ピッチと接する無効面とから成る断面形状を有する屈折型プリズム部と、
上記所定の入射角で入射する第２入射光線を第３屈折現象によって第２透過光線にする第２入射面と、
上記第２透過光線を全反射現象によって上記第１透過光線と平行な第３透過光線にする全反射面と、
上記屈折型プリズム部の上記出射面戸から成る断面形状を有し、
上記第３透過光線を上記出射面での第４屈折現象によって上記所定の出射角の第２出射光線にする全反射型プリズム部とから構成され、
上記第３透過光線とならない一部の第２入射光線を上記第１入射光線として受光するように、上記第１入射面と上記第２入射面の交線が、上記無効面と上記全反射面との交線である谷線と、１つ隣の谷線の両方を含む平面よりも入射光線側に配置されるように、上記全反射型プリズム部に上記屈折型プリズム部を一体化したハイブリッド型プリズム部を有するピッチを備えることを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項２】
少なくとも２以上の複数ピッチにハイブリッド型プリズム部を有し、上記ハイブリッド型プリズム部に対する屈折型プリズム部の割合が各ピッチ毎に異なることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項３】
ハイブリッド型プリズム部の透過率と屈折型プリズム部の透過率とを等しくする特性変化角を基に定められる小入射角領域の各ピッチには、上記屈折型プリズム部をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項４】
特性変化角近傍の特性変化領域の各ピッチにおいて、入射角の減少に応じて、ハイブリッド型プリズム部に対する屈折型プリズム部の混在比率を増加することを特徴とする請求項３記載のフレネルレンズ。
【請求項５】
特性変化角近傍の特性変化領域の各ピッチにおいて、入射角の減少に応じて、第２入射面の面積が微減し、第１入射面の面積が微増する媒介プリズム部を備えることを特徴とする請求項３記載のフレネルレンズ。
【請求項６】
光を透過する複数の光透過層と、上記光透過層間をフレネルレンズの光軸と略平行に積層され、光を吸収する複数の光吸収層とから構成された迷光吸収板を出射面に備えることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項７】
迷光吸収板は、
フレネルレンズの出射面に一体成形されることを特徴とする請求項６記載のフレネルレンズ。
【請求項８】
光透過層および光吸収層は、
フレネルレンズの光軸を中心として同心円状に積層されることを特徴とする請求項６記載のフレネルレンズ。
【請求項９】
光透過層および光吸収層は、
一方向に対して略平行に積層されることを特徴とする請求項６記載のフレネルレンズ。
【請求項１０】
光を吸収する光吸収板を出射面に備えることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項１１】
ハイブリッド型プリズム部は、ピッチマージンをそのピッチ間にそれぞれ有して形成されることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項１２】
受光に関与しない高さを光軸方向に有するダミープリズム部を少なくとも一部のピッチ群に連続して備えることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載のフレネルレンズと、上記フレネルレンズから表示内容が付加された出射光を受光し、上記出射光を結像して拡散する結像拡散手段とを備えることを特徴とするスクリーン。
【請求項１４】
結像拡散手段は、フレネルレンズの出射面に一体成形することを特徴とする請求項１３記載のスクリーン。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４記載のスクリーンと、
概ね平行な光を出射する照明光源手段と、
上記照明光源手段からの光を集光する集光光学手段と、
上記集光光学手段が集光した光を表示内容にしたがって空間的に強度変調する光変調手段と、
上記光変調手段で変調された光を上記スクリーンへ投影する投影光学手段とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、光の入出射点間距離をほとんど要することなく、凸レンズと同等の働きをするフレネルレンズに係るものである。また、この発明は、このフレネルレンズを適用した背面投影型のスクリーンと、このスクリーンを適用した画像表示装置とに関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
背面投影型のプロジェクションテレビに代表されるような画像表示装置には、画像光源から発した画像光が投影されるスクリーンが設けられる。一般的に、この画像表示装置のスクリーンは、画像光を散乱させて画像を形成する光拡散板としてのレンチキュラーと、画像光源からの画像光を屈折してレンチキュラーへ略平行に出射するフレネルレンズとを組み合わせて構成される。
【０００３】
図１は従来のフレネルレンズの概観を示す図である。
図１において、１０１は斜めから見たフレネルレンズ、１０２はフレネルレンズ１０１の断面形状、１０３はフレネルレンズ１０１の光軸、１０４はフレネルレンズ１０１のピッチ毎に成形されたプリズム部である。
フレネルレンズ１０１は、光軸１０３を中心として回転成形された金型（レンズ成形型）に合成樹脂を流し込み、合成樹脂が硬化した後に金型（レンズ成形型）を取り外すと完成する。完成したフレネルレンズ１０１の一面には、光軸１０３を中心として同心円状の輪帯が複数成形されている。断面形状１０２を見ると分かるように、この同心円状の輪帯は複数のプリズム部１０４である。
【０００４】
つまり、フレネルレンズ１０１では、断面形状１０２の鋸歯状のプリズム部１０４がピッチ周期でそれぞれ成形されている。実際のフレネルレンズ１０１の１ピッチ幅は０．１ｍｍ程度であり、フレネルレンズ１０１を介して投影される画像の最小画素と比較しても微小な大きさである。
フレネルレンズ１０１は全体で１枚の凸レンズとして働き、プリズム部１０４を薄く構成することができるので、フレネルレンズ１０１の入出射光の入射点と出射点との距離をほとんど要することなく、光線の方向を変化させることができる。
ところで、画像表示装置では、スクリーンのフレネルレンズ１０１に対してできるだけ斜めに画像光を投影することがしばしば行われる。これは画像表示装置の奥行きを短くするためであり、このことによって画像表示装置を薄型化することができる。
【０００５】
図２は従来のフレネルレンズをスクリーンに適用した画像表示装置の構成を示す図である。矢印は光線を表している。
図２において、１１１は光を発する発光体（照明光源手段）、１１２は発光体１１１を焦点に備える放物面鏡（照明光源手段）、１１３は放物面鏡１１２が反射した光を集光する集光レンズ（集光光学手段）、１１４は液晶などのライトバルブ（光変調手段）である。ライトバルブ１１４は、集光レンズ１１３が集光した光を表示内容にしたがって空間的に強度変調する。
１１５はライトバルブ１１４が強度変調した光を結像させる投影光学レンズ（投影光学手段）、１１６は投影光学レンズ１１５が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーンである。スクリーン１１６は、広がった光線をほぼ平行光にした上で結像させて画像を表示し、広い範囲に光を拡散して視野範囲を広げる働きをする。
【０００６】
スクリーン１１６において、１１７が前述したフレネルレンズであり、１１８はレンチキュラーである。
フレネルレンズ１１７は、投影光学レンズ１１５からの光を入射面１１７Ａで受光し、各ピッチ毎のプリズム部１１７Ｂを介して所定の出射角で光線を出射する。つまり、フレネルレンズ１１７は、投影光学レンズ１１５で広がった光をほぼ平行化するために用いている。レンチキュラー１１８は、フレネルレンズ１１７からの出射光を結像させた上で拡散する。
１１９は光軸である。光軸１１９は、放物面鏡１１２，集光レンズ１１３，ライトバルブ１１４，投影光学レンズ１１５，フレネルレンズ１１７およびレンチキュラー１１８によって共有されており、フレネルレンズ１１７の入射面１１７Ａと直交している。
【０００７】
次に動作について説明する。
放物面鏡１１２の焦点に設置された発光体１１１はほとんど点光源とみなすことができるので、発光体１１１が発した光は放物面鏡１１２に反射されて概ね平行光として集光レンズ１１３へ向う。集光レンズ１１３がライトバルブ１１４へ平行光を集光すると、ライトバルブ１１４は表示内容にしたがって光を空間的に強度変調する。
強度変調された光は、投影光学レンズ１１５によってスクリーン１１６へ広角に背面投影されて結像される。投影光に含まれる各光線と光軸１１９とのなす角は投影角である。図２に示すように、フレネルレンズ１１７の各ピッチに対する投影角はそれぞれ異なっているが、投影光学レンズ１１５やスクリーン１１６の大きさから見るとピッチ長は微小な長さなので、同一ピッチへ入射する複数の光線は概ね平行光と見なすことができる。
【０００８】
入射面１１７Ａの法線ｍ１１と各入射光線とのなす角は入射角である。２本の平行線（光軸１１９，法線ｍ１１）に交わる直線（各光線）が作り出す錯角の関係から入射角と投影角とは等しいので、光軸１１９に近い光線ほど入射角が小さく、光軸１１９から離れた光線ほど入射角が大きい。特に、スクリーン１１６の最端ピッチへ向う光線は最大入射角で入射する。
この最大入射角、つまり投影光学レンズ１１５の最大投影角と、投影光学レンズ１１５からスクリーン１１６までの投影距離とによってスクリーン１１６の大きさが決まる。逆に、スクリーン１１６の大きさが規定されている場合には、最大投影角を大きくするほど投影距離を短くすることができる。したがって、光軸１１９方向の距離を短くした光学系システムを構成することができ、画像表示装置を薄型化できる。
【０００９】
フレネルレンズ１１７は、入射面１１７Ａによって各々の入射角で受光した光線を各ピッチのプリズム部１１７Ｂを介してレンチキュラー１１８へ所定の出射角で出射する。この出射角はフレネルレンズ１１７の光軸１１９に平行な直線と出射光線とのなす角であり、通常は０°から数度の微小角度である。つまり、フレネルレンズ１１７の出射光線と光軸１１９との関係はほぼ平行になる（図２では出射角０°）。もちろん、フレネルレンズ１１７の光の透過率（入射光パワー対出射光パワー比）は高い方が良く、透過率が高いほど明るい画像を表示できる。
レンチキュラー１１８はフレネルレンズ１１７の各プリズム部１１７Ｂから光を受光し、投影光学レンズ１１５によってライトバルブ１１４上の表示内容を結像させた上で、利用者の方向（図２のスクリーン１１６の右方）へ光を拡散する。画像表示装置の利用者は結像点からの拡散光を画像として視認する。レンチキュラー１１８によって光が拡散されているので、ある程度の視野範囲で必要な明るさを持った画像を利用者は視認できる。
【００１０】
以上のように、投影光学レンズ１１５の最大投影角が大きいほど、換言すると、フレネルレンズ１１７への最大入射角が大きいほど、投影距離を短くした薄型の画像表示装置を利用者に提供できる。
スクリーン１１６の大きさが仕様などから決まっている場合、投影光学レンズ１１５や他の光学的構成によって大きな最大投影角を実現しても、最大投影角の光線をフレネルレンズ１１７が受光できなければ、投影距離を短くすることができない。結論として、フレネルレンズ１１７の設計では、できるだけ大きな入射角の入射光を高透過率で出射できるようにすることがポイントの一つである。
【００１１】
次に従来のフレネルレンズの各種原理について述べる。
図３Ａ，図３Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図であり、図３Ａは入射角の小さい場合、図３Ｂは入射角の大きな場合を表している。矢印は光線を表している。
図３Ａ，図３Ｂにおいて、１２１はフレネルレンズ、１２１Ａはフレネルレンズ１２１のピッチ毎に成形された屈折型プリズム部である。
１２１Ｂは屈折型プリズム部１２１Ａの入射面であり、平面形状に成形されてフレネルレンズ１２１の不図示の光軸と直交している。１２１Ｃは屈折型プリズム部１２１Ａの出射面、１２１Ｚは入射面１２１Ｂおよび出射面１２１Ｃとともに屈折型プリズム部１２１Ａを成形する無効面である。ここでは光の入出射に無効面１２１Ｚは関係しない。
また、ｌｉは入射面１２１Ｂへの入射光線、ｌｒは入射面１２１Ｂでの反射光線、ｌｔは入射面１２１Ｂで屈折して屈折型プリズム部１２１Ａ内部を透過する透過光線、ｌｏは出射面１２１Ｃで屈折して空気中へ出射する出射光線である。ｍ１２、ｍ１３はそれぞれ入射面１２１Ｂ，出射面１２１Ｃの法線である。
【００１２】
次に動作について説明する。
図３Ａにおいて、屈折率１の空気中から屈折率ｎ（ｎ＞１）のフレネルレンズ１２１へ法線ｍ１２と実入射角ａをなして入射光線ｌｉが到達すると、入射光線ｌｉは屈折角χの透過光線ｌｔおよび反射角ａの反射光線ｌｒに入射面１２１Ｂで分離する。反射光線ｌｒはフレネルレンズ１２１の損失になる。
入射面１２１Ｂで屈折して屈折型プリズム部１２１Ａを透過する透過光線ｌｔは、法線ｍ１３と角度ψをなして出射面１２１Ｃへ到達する。透過光線ｌｔの一部は反射光線（不図示）となり、残りは出射面１２１Ｃから出射角ｆの出射光線ｌｏとして出射する。
【００１３】
以上のようにして、フレネルレンズ１２１は、入射角ａの入射光線ｌｉを出射角ｆの方向に折り曲げている。平面形状の入射面１２１Ｂによって光を受光するので、高い受光効率を実現できる点にフレネルレンズ１２１の特長がある。
入射角が小さくなると入射面の透過率は増加して反射率が減少し、逆に入射角が大きくなると入射面の透過率は減少して反射率が増加することが光学理論から良く知られている。したがって、図３Ｂのように入射角ａが大きくなると、透過光線ｌｔの割合が減少するとともに反射光線ｌｒの割合が増加し、フレネルレンズ１２１の透過率は減少してしまう。
【００１４】
つまり、フレネルレンズ１２１の透過率には入射角依存性があり、入射角ａが大きくなるほど透過率が減少してしまう。また、大きさが規定されているスクリーンに適用する場合には、画像表示装置の薄型化を最大入射角の限界から制約してしまうことになる。
屈折型プリズム部を備えたフレネルレンズには、次に示すように、図３Ａ，図３Ｂの屈折型プリズム部１２１Ａの入射側と出射側とを入れ替えた構成もある。
【００１５】
図４Ａ，図４Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図であり、図４Ａは入射角の小さい場合、図４Ｂは入射角の大きな場合を表している。矢印は光線を表している。
図４Ａ，図４Ｂにおいて、１３１はフレネルレンズ、１３１Ａはフレネルレンズ１３１のピッチ毎に成形された屈折型プリズム部である。
１３１Ｂは屈折型プリズム部１３１Ａの入射面、１３１Ｃは屈折型プリズム部１３１Ａの出射面、１３１Ｚは入射面１３１Ｂおよび出射面１３１Ｃとともに屈折型プリズム部１３１Ａを成形する無効面である。出射面１３１Ｃは平面形状に成形されてフレネルレンズ１３１の不図示の光軸と直交している。無効面１３１Ｚは光を受光するが出射面１３１Ｃからの光の出射に関係しない。
【００１６】
また、ｌｉは入射面１３１Ｂへの入射光線、ｌｒは入射面１３１Ｂでの反射光線、ｌｔは入射面１３１Ｂで屈折して屈折型プリズム部１３１Ａ内部を透過する透過光線、ｌｏは出射面１３１Ｃで屈折して空気中へ出射する出射光線、ｌｅは無効面１３１Ｚで受光される無効光線である。ｍ１４，ｍ１５はそれぞれ出射面１３１Ｃ，入射面１３１Ｂの法線である。
【００１７】
次に動作について説明する。
図４Ａにおいて、屈折率１の空気中から屈折率ｎ（ｎ＞１）のフレネルレンズ１３１へ法線ｍ１４と入射角ａをなして入射光線ｌｉが到達すると、入射光線ｌｉは法線ｍ１５と実入射角ｂをなして入射面１３１Ｂへ入射し、屈折角χの透過光線ｌｔおよび反射角ｂの反射光線ｌｒに分離する。反射光線ｌｒはフレネルレンズ１３１の損失になる。
入射面１３１Ｂで屈折して屈折型プリズム部１３１Ａを透過する透過光線ｌｔは、法線ｍ１４と角度ψをなして出射面１３１Ｃへ到達する。透過光線ｌｔの一部は反射光線（不図示）となり、残りは出射面１３１Ｃから出射角ｆの出射光線ｌｏとして出射する。
また、無効面１３１Ｚで受光された無効光線ｌｅは、出射角ｆと異なる角度で出射面１３１Ｃから出射するため、フレネルレンズ１３１の損失になる。
【００１８】
以上のようにして、フレネルレンズ１３１は、入射角ａの入射光線ｌｉを出射角ｆの方向に折り曲げている。平面形状の出射面１３１Ｃを備えているので、スクリーンに適用する場合、出射面１３１Ｃにレンチキュラーを一体成形できる点にフレネルレンズ１３１の特長がある。
しかしながら、フレネルレンズ１２１と同様の理由により、図４Ｂのように、入射角ａが大きくなると入射面１３１Ｂにおける反射光線ｌｒの割合が増加してしまい、同時に、無効面１３１Ｚで受光される無効光線の領域（図４Ａ，図４Ｂの斜線部分）が大きくなってしまう。結果として、損失が大きくなって、フレネルレンズ１３１の透過率は減少してしまうことになる。
したがって、フレネルレンズ１２１と同様に、フレネルレンズ１３１の透過率には入射角依存性があり、入射角が大きくなるほど透過率が減少してしまう。
【００１９】
以上のように、屈折型プリズム部を備えたフレネルレンズは入射角が大きくなると透過率が低下してしまう。また、大きさが規定されたスクリーンに適用する場合には、画像表示装置の薄型化を制約する要因になる。
屈折型プリズム部を備えたフレネルレンズの以上の短所を解消し、大きな入射角に対して高透過率を実現した従来のフレネルレンズについて次に説明する。
【００２０】
図５Ａ，図５Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図であり、図５Ａは入射角の大きな場合、図５Ｂは入射角の小さな場合である。矢印は光線を表している。
図５Ａ，図５Ｂにおいて、１４１はフレネルレンズ、１４１Ａはフレネルレンズ１４１のピッチ毎に成形された全反射型プリズム部である。
１４１Ｂは全反射型プリズム部１４１Ａの入射面、１４１Ｃは全反射型プリズム部１４１Ａの全反射面、１４１Ｄは入射面１４１Ｂおよび全反射面１４１Ｃとともに全反射型プリズム部１４１Ａを成形する出射面である。出射面１４１Ｄは平面形状に成形されてフレネルレンズ１４１の不図示の光軸と直交している。全反射面１４１Ｃでは、高屈折率媒質から低屈折率媒質へ入射する光が臨界角より大きな入射角で全反射する現象を利用している。
また、ｌｉは入射面１４１Ｂへの入射光線、ｌｔ１は入射面１４１Ｂで屈折して全反射面１４１Ｃへ透過する透過光線、ｌｔ２は全反射面１４１Ｃで全反射して出射面１４１Ｃへ透過する透過光線、ｌｏは出射面１４１Ｄで屈折して空気中へ出射する出射光線、ｌｅは入射面１４１Ｂで受光される無効光線である。ｍ１６，ｍ１７，ｍ１８はそれぞれ出射面１４１Ｄ，入射面１４１Ｂ，全反射面１４１Ｃの法線である。
【００２１】
次に動作について説明する。
図５Ａにおいて、屈折率１の空気中から屈折率ｎ（ｎ＞１）のフレネルレンズ１４１へ法線ｍ１６と入射角ａをなして入射光線ｌｉが到達すると、入射光線ｌｉは法線ｍ１７と実入射角ｂをなして入射面１４１Ｂへ入射し、屈折角χの透過光線ｌｔ１および反射光線（不図示）に分離する。入射面１４１Ｂの反射光線はフレネルレンズ１４１の損失になる。
入射面１４１Ｂで屈折して全反射型プリズム部１４１Ａを透過する透過光線ｌｔ１は、法線ｍ１８とのなす角が臨界角より大きな角度で全反射面１４１Ｃへ到達し、全反射面１４１Ｃで全反射して透過光線ｌｔ２になる。全反射の現象を利用して光路を折り曲げているので全反射面１４１Ｃから出射する光線は存在せず、全反射面１４１Ｃにおける損失はほとんどない。
【００２２】
全反射面１４１Ｃで全反射された透過光線ｌｔ２は法線ｍ１６と角度ψ（図５Ａでは０°）をなして出射面１４１Ｄへ到達する。透過光線ｌｔ２の一部は反射光線（不図示）となり、残りは出射面１４１Ｄから出射角ｆ（図５Ａでは０°）の出射光線ｌｏとして出射する。
屈折型プリズム部１２１Ａ，１３１Ａをそれぞれ備えたフレネルレンズ１２１，１３１は屈折現象によって光路を折り曲げるので、光路を大きく折り曲げるためには大きな実入射角ａ，ｂで入射光線ｌｉを受光する必要がある。このため、入射面１２１Ｂ，１３１Ｂにおける反射光線ｌｒの割合が増加して、透過率減少の要因になっている。
これに対して、全反射型プリズム部１４１Ａを備えたフレネルレンズ１４１は、光路の折曲を全反射現象によって行っているので屈折現象による光路折曲の度合いを少なくすることができる。したがって、入射面１４１Ｂに対して小さな実入射角ｂで入射光線ｌｉを入射することができ、反射率の増加を抑制して高透過率を達成している。
【００２３】
以上のように、全反射型プリズム部１４１Ａを備えたフレネルレンズ１４１は、フレネルレンズ１２１，１３１とは異なり、大きな入射角に対して高透過率を実現できる点に特長がある。
しかしながら、フレネルレンズ１４１は、図５Ｂのように入射角ａが小さくなると、入射面１４１Ｂで受光された入射光線ｌｉが減少して全反射面１４１Ｃで全反射される透過光線ｌｔ２の割合が減少し、無効光線ｌｅ（図５Ｂの斜線部分）が発生する。
無効光線ｌｅは全反射型プリズム部１４１Ａ内部を透過しても全反射面１４１Ｃで全反射されない光線なので、フレネルレンズ１４１の損失になる。つまり、フレネルレンズ１４１の透過率にも入射角依存性があり、大きな入射角ａに対応することは可能であるが、小さな入射角ａの場合に透過率が減少してしまう。
【００２４】
従来のフレネルレンズは以上のように構成されているので、透過率の入射角依存性が大きいという課題があった。
つまり、最大投影角以上に斜めに投影された画像光の一部については、従来のフレネルレンズでは所望の方向に偏向することができず、透過率が低かった。
ここで、従来のフレネルレンズについてもう一度簡単に説明する。
【００２５】
図６は従来のフレネルレンズへ画像光が斜めに投影された場合を示す図であり、従来のフレネルレンズの部分断面図を表している。
図６において、１００は屈折型プリズム部を各ピッチに備えた従来のフレネルレンズ、１００ａはフレネルレンズ１００の入光側にある入射面、１００ｂはフレネルレンズ１００の入光側にある無効面、１００ｃはフレネルレンズ１００の出光側にある出射面、Ｒ１ｉｎは入射面１００ａへ入射する光束、Ｒ２ｉｎは無効面１００ｂへ入射する光束である。
図６のフレネルレンズ１００は、入射面１００ａへ入射する斜めからの光束Ｒ１ｉｎを偏向して、出射面１００ｃから光束Ｒ１ｏｕｔとして出射する微少な屈折型プリズム部を単位プリズム部として備えている。
しかし、入射面１００ａ以外の無効面１００ｂへ入射する光束Ｒ２ｉｎは、所望の方向に出射されずに迷光となってしまい、この光束Ｒ２ｉｎを有効に利用することができず、透過率が低かった。
【００２６】
全反射を利用して光を偏向する全反射型プリズム部を備えたフレネルレンズは、このような課題を解決する手段として提案されたものである。
例えば特開昭６１−５２６０１号公報には、屈折型プリズム部と全反射型プリズム部とを交互に配置したフレネルレンズが提案されている。また、特開昭６２−１９８３７号公報には、１つの単位プリズム部の中に屈折を利用する部分と全反射を利用する部分とを設けたフレネルレンズが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】
特開昭６１−５２６０１号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１９８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、特開昭６１−５２６０１号公報に記載されているフレネルレンズでは、屈折型プリズム部が有効に機能しない領域にも屈折型プリズム部が存在し、また逆に全反射型プリズム部が有効に機能しない領域にも全反射型プリズム部が存在している。したがって、所望の方向に出光されない光が依然として多いという課題があった。
【００２９】
一方、特開昭６２−１９８３７号公報に記載されているフレネルレンズはその断面形状が多角形形状であり、フレネルレンズを成形するためのレンズ成形型を製造するときに特殊な形状のバイト等が必要となってしまい、レンズ成形型の製造が困難になってしまう。ひいてはフレネルレンズ自体の製造も容易に行なえないことになる。
また、従来のフレネルレンズは、背面投影型のスクリーンに適用した場合に、スクリーン画像の明るさにムラが生じてしまうという課題があった。
つまり、屈折型プリズム部を備えたフレネルレンズをスクリーンに適用すると、大きな投影角に対応できないため、スクリーンの周辺部の明るさが低下してしまい、また画像表示装置の薄型化を制約してしまう。
また、全反射型プリズム部を備えたフレネルレンズをスクリーンに適用すると、小さな投影角に対応できないため、スクリーン画像の光軸近傍の明るさが低下してしまう。
【００３０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、透過率の入射角依存性を軽減したフレネルレンズを構成することを目的とする。
またこの発明は、画像の明るさのムラを抑制し、小さな投影角から大きな投影角まで対応することができるスクリーンと、このスクリーンを適用した画像表示装置とを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
この発明に係るフレネルレンズは、所定の入射角で入射する第１入射光線を第１屈折現象によって第１透過光線にする第１入射面と、第１透過光線を第２屈折現象によって所定の出射角の第１出射光線にする平面形状の出射面と、第１入射面および隣接ピッチと接する無効面とから成る断面形状を有する屈折型プリズム部と、所定の入射角で入射する第２入射光線を第３屈折現象によって第２透過光線にする第２入射面と、第２透過光線を全反射現象によって第１透過光線と平行な第３透過光線にする全反射面と、屈折型プリズム部の出射面とから成る断面形状を有し、第３透過光線を出射面での第４屈折現象によって所定の出射角の第２出射光線にする全反射型プリズム部とから構成され、第３透過光線とならない一部の第２入射光線を第１入射光線として受光するように、第１入射面と第２入射面の交線が、無効面と全反射面との交線である谷線と、１つ隣の谷線の両方を含む平面よりも入射光線側に配置されるように、全反射型プリズム部に屈折型プリズム部を一体化したハイブリッド型プリズム部を有するピッチを備えるようにしたものである。
【００３２】
この発明に係るスクリーンは、請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載のフレネルレンズと、フレネルレンズから表示内容が付加された出射光を受光し、出射光を結像して拡散する結像拡散手段とを備えるようにしたものである。
【００３３】
この発明に係る画像表示装置は、請求項１３または請求項１４記載のスクリーンと、概ね平行な光を出射する照明光源手段と、照明光源手段からの光を集光する集光光学手段と、集光光学手段が集光した光を表示内容にしたがって空間的に強度変調する光変調手段と、光変調手段で変調された光をスクリーンへ投影する投影光学手段とを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００３４】
この発明によれば、入射角依存性を軽減した高透過率のフレネルレンズを構成することができるという効果が得られる。
また、この発明によれば、画像の明るさのムラを抑制し、小さな投影角から大きな投影角まで対応することができるスクリーンを構成することが出来るという効果が得られる。  
また、この発明によれば、画像の明るさを向上した画像形成装置を構成することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】  図１は従来のフレネルレンズの概観を示す図である。
【図２】  図２は従来のフレネルレンズをスクリーンに適用した画像表示装置の構成を示す図である。
【図３】  図３Ａ，図３Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図４】  図４Ａ，図４Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図５】  図５Ａ，図５Ｂは従来のフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図６】  図６は従来のフレネルレンズへ画像光が斜めに投影された場合を示す図である。
【図７】  図７はこの発明の実施の形態１によるフレネルレンズの１ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図８】  図８は屈折型プリズム部、全反射型プリズム部およびハイブリッド型プリズム部の入射角に対する透過率の変化の様子を示す図である。
【図９】  図９は実施の形態１で示したフレネルレンズの無効光線を説明するための図である。
【図１０】  図１０はこの発明の実施の形態２によるフレネルレンズの１ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図１１】  図１１は実施の形態１で示したハイブリッド型プリズム部の透過率と、従来の技術で示した屈折型プリズム部の透過率とを比較する図である。
【図１２】  図１２はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図１３】  図１３はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図１４】  図１４はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。
【図１５】  図１５は先端刃角βをそれぞれ４５°，４０°，３５°とした場合のハイブリッド型プリズム部の透過率を示す図である。
【図１６】  図１６は出射角ｆをそれぞれ０°，３°，５°とした場合のハイブリッド型プリズム部の透過率を示す図である。
【図１７】  図１７Ａ，図１７Ｂはフレネルレンズをスクリーンに適用した画像表示装置の構成を示す図である。
【図１８】  図１８Ａ〜図１８Ｃは出射光線の出射角を最適化する手法を説明するための図である。
【図１９】  図１９は出射光線の出射角を最適化する手法を説明するための図である。
【図２０】  図２０はこの発明の実施の形態５による背面投影型の画像表示装置の全体構成を示す図である。
【図２１】  図２０の画像表示装置を側面から見た場合の図である。
【図２２】  図２２はフレネルレンズ５１の断面形状を示した図である。
【図２３】  図２３Ａ〜図２３Ｃは全反射型プリズム部Ｕ１と屈折型プリズム部Ｕ２とを説明するための図である。
【図２４】  図２４Ａ〜図２４Ｃはフレネルレンズ５１を製造する際に用いるレンズ成形型の特徴をそれぞれ説明するための図である。
【図２５】  図２５Ａ〜図２５Ｃはフレネルレンズ５１を製造する際に用いるレンズ成形型の特徴をそれぞれ説明するための図である。
【図２６】  図２６はこの発明の実施の形態５によるレンズ成形型製造方法を示すフローチャートである。
【図２７】  図２７Ａ〜図２７ＤはバイトＢによるレンズ成形型Ｃの切削の進行状況を示す図である。
【図２８】  図２８Ａ〜図２８ＤはバイトＢによるレンズ成形型Ｃの切削の進行状況を示す図である。
【図２９】  図２９はフレネルレンズ５１におけるフレネル中心からの半径と全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合を示す図である。
【図３０】  図３０は従来技術によるフレネルレンズ１１０の構成を示す図である。
【図３１】  図３１は図３０のフレネルレンズ１１０における全反射型プリズム部のレンズ比率を線図Ｌ５で示した図である。
【図３２】  図３２はこの実施の形態５のフレネルレンズ５１および従来技術によるフレネルレンズ１１０の透過率をそれぞれ示す図である。
【図３３】  図３３Ａ〜図３３Ｆはレンズ成形型の製造工程で発生する歪を説明するための図である。
【図３４】  図３４はこの発明の実施の形態６によるレンズ成形型製造方法を示すフローチャートである。
【図３５】  図３５Ａ〜図３５Ｆは図３４のレンズ成形型製造方法にしたがって切削されていくレンズ成形型の状態を示す図である。
【図３６】  図３６Ａ，図３６Ｂはダミープリズム部を備えていないフレネルレンズの構成および動作を説明するための図である。
【図３７】  図３７Ａ，図３７Ｂはダミープリズム部を備えたフレネルレンズの構成および動作を説明するための図である。
【図３８】  図３８Ａ，図３８Ｂは図３６Ａのフレネルレンズと図３７Ａのフレネルレンズとの違いを説明するための図である。
【図３９】  図３９はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図である。
【図４０】  図４０はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図である。
【図４１】  図４１Ａ，図４１Ｂは迷光吸収板における光透過層と光吸収層との積層構造の例を示す図である。
【図４２】  図４２はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図７はこの発明の実施の形態１によるフレネルレンズの１ピッチにおける断面形状を拡大した図である。矢印は光線を表している。ここで、断面形状とは、フレネルレンズの光軸を含む面によってフレネルレンズを切断した場合のプリズム部の切断面の形状を意味している。
【００３７】
図７において、１はこの実施の形態１のフレネルレンズ、２はフレネルレンズ１のピッチ毎に成形されたハイブリッド型プリズム部、３Ａは屈折型プリズム部、４Ａは全反射型プリズム部、５はハイブリッド型プリズム部２の出射面である。出射面５は平面形状に成形されてフレネルレンズ１の不図示の光軸と直交している。屈折型プリズム部３Ａと全反射型プリズム部４Ａとは、出射面５を共有してハイブリッド型プリズム部２を構成している。
屈折型プリズム部３Ａにおいて、３Ｂは屈折型プリズム部３Ａの入射面（第１入射面）、３Ｚは入射面３Ｂおよび出射面５とともに屈折型プリズム部３Ａを成形する無効面である。無効面３Ｚは光を受光するが出射面５からの光の出射に関係しない。
全反射型プリズム部４Ａにおいて、４Ｂは全反射型プリズム部４Ａの入射面（第２入射面）、４Ｃは入射面４Ｂおよび出射面５とともに全反射型プリズム部４Ａを成形する全反射面である。全反射面４Ｃでは、高屈折率媒質から低屈折率媒質へ入射する光が臨界角より大きな入射角で全反射する現象を利用している。また、入射面４Ｂによって遮られて空気中からの光は全反射面４Ｃへ入射しない。
【００３８】
ｌｉ１は空気中から入射面３Ｂへ入射する入射光線（第１入射光線）、ｌｔ１は入射光線ｌｉ１の入射面３Ｂでの屈折（第１屈折現象）によって出射面５へ透過する透過光線（第１透過光線）、ｌｏ１は透過光線ｌｔ１の出射面５での屈折（第２屈折現象）によって空気中へ出射する出射光線（第１出射光線）である。
ｌｉ２は空気中から入射面４Ｂへ入射する入射光線（第２入射光線）、ｌｔ２は入射光線ｌｉ２の入射面４Ｂでの屈折（第３屈折現象）によって全反射面４Ｃへ透過する透過光線（第２透過光線）、ｌｔ３は透過光線ｌｔ２の全反射面４Ｃでの全反射（全反射現象）によって出射面５へ透過する透過光線（第３透過光線）、ｌｏ２は透過光線ｌｔ３の出射面５での屈折（第４屈折現象）によって空気中へ出射する出射光線（第２出射光線）である。
また、ｍ１は入射面３Ｂの法線、ｍ２は入射面４Ｂの法線、ｍ３は全反射面４Ｃの法線、ｍ４は出射面５の法線である。
【００３９】
次に動作について説明する。
図７において、屈折率１の空気中から屈折率ｎ（ｎ＞１）のフレネルレンズ１へ入射光線ｌｉ１，ｌｉ２が入射角ａでそれぞれ到達すると、入射光線ｌｉ１は屈折型プリズム部３Ａの入射面３Ｂによって、入射光線ｌｉ２は全反射型プリズム部４Ａの入射面４Ｂによってそれぞれ受光される。
まず、入射面３Ｂで受光された入射光線ｌｉ１について考える。
入射光線ｌｉ１は法線ｍ１と実入射角ｂ１をなして入射面３Ｂへ入射し、法線ｍ１と屈折角χ１をなす透過光線ｌｔ１および反射光線（不図示）に分離する。入射面３Ｂの反射光線はフレネルレンズ１の損失になる。
入射面３Ｂで屈折して屈折型プリズム部３Ａを透過する透過光線ｌｔ１は、法線ｍ４と角度ψをなして出射面５へ到達する。透過光線ｌｔ１の一部は反射光線（不図示）となり、残りは出射面５から出射角ｆの出射光線ｌｏ１として出射する。
【００４０】
一方、入射面４Ｂで受光された入射光線ｌｉ２は、法線ｍ２と実入射角ｂ２をなして入射面４Ｂへ入射し、法線ｍ２と屈折角χ２をなす透過光線ｌｔ２および反射光線（不図示）に分離する。入射面４Ｂの反射光線はフレネルレンズ１の損失になる。
入射面４Ｂで屈折して全反射型プリズム部４Ａを透過する透過光線ｌｔ２は、法線ｍ３とのなす角が臨界角より大きな角度９０°−ｄで全反射面４Ｃへ到達し、全反射面４Ｃで全反射して透過光線ｌｔ３になる。このときに、透過光線ｌｔ３と透過光線ｌｔ１とが平行の関係になるように全反射面４Ｃは設計されている。全反射の現象を利用して光路を折り曲げているので全反射面４Ｃから出射する光線は存在せず、全反射面４Ｃにおける損失はほとんどない。
全反射面４Ｃで全反射された透過光線ｌｔ３は法線ｍ４と角度ψをなして入射面５へ到達する。透過光線ｌｔ３の一部は反射光線（不図示）となり、残りは出射面５から出射角ｆの出射光線ｌｏ２として出射する。透過光線ｌｔ１，ｌｔ３が平行なので、出射光線ｌｏ１，ｌｏ２も平行に出射される。
【００４１】
以上のように、フレネルレンズ１は、屈折型プリズム部３Ａと全反射型プリズム部４Ａとを組み合わせたハイブリッド型プリズム部２を備えた構成になっている。つまり、図５Ｂで説明した無効光線ｌｅ（斜線部分）を入射面３Ｂによって受光させるように、屈折型プリズム部３Ａを全反射型プリズム部４Ａに成形したハイブリッド型プリズム部２をフレネルレンズ１の複数ピッチに備えるようにしている。無効光線ｌｅはいわば、全反射面４Ｃによって全反射されないために透過光線ｌｔ３になれない入射面４Ｂへの入射光線ｌｉ２の一部であり、全反射型プリズム部の損失となってしまう無効光線ｌｅを屈折型プリズム部３Ａによって受光させている。
【００４２】
平面形状の出射面５に対して入射角ａと出射角ｆとが定められると、出射面５と入射面３Ｂとのなす角γは屈折の法則にしたがって決定され、また、入射角ａ，出射角ｆに加えて全反射面４Ｃと入射面４Ｂとのなす先端刃角βが定められると、出射面５と全反射面４Ｃとのなす角αは屈折の法則・全反射の法則にしたがって決定される。先端刃角βは、ハイブリッド型プリズム部２が高透過率を実現するように入射角に対して最適値にする。また、出射面５と無効面３Ｚとのなす角は、フレネルレンズ１製造の際に金型（レンズ成形型）の抜取ができるような角度（図７では９０°）にする。
【００４３】
小さな入射角ａの場合に高透過率を示す屈折型プリズム部３Ａと、大きな入射角ａの場合に高透過率を示す全反射型プリズム部４Ａとを組み合わせたハイブリッド型プリズム部２によってフレネルレンズ１を構成しているので、広範囲の入射角ａに対して良好な透過率を有することができるようになっている。
この実施の形態１の効果を具体的に理解するために、図７を基にして透過率の解析を行う。
屈折型プリズム部３Ａの透過率ＴＸ，全反射型プリズム部４Ａの透過率ＴＹを求めると、それぞれ（１），（２）式のようになる。
【００４４】
＜屈折型プリズム部３Ａの透過率ＴＸ＞
ＴＸ＝［ｔａｎ（α−ｄ）／｛ｔａｎ（α−ｄ）−ｔａｎ（α＋β）｝］×｛１−ｔａｎ（γ）×ｔａｎ（ａ）｝×［１−｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝２］×［１−０．５×（ＰＸ２＋ＱＸ２）］          （１）
ただし、
ＰＸ＝ｔａｎ［ａ＋γ−ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ａ＋γ）｝］÷ｔａｎ［ａ＋γ＋ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ａ＋γ）｝］
ＱＸ＝ｓｉｎ［ａ＋γ−ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ａ＋γ）｝］÷ｓｉｎ［ａ＋γ＋ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ａ＋γ）｝］
である。
＜全反射型プリズム部４Ａの透過率ＴＹ＞
ＴＹ＝［ｔａｎ（α）／｛ｔａｎ（α）−ｔａｎ（α＋β）｝−ｔａｎ（α−ｄ）／｛ｔａｎ（α−ｄ）−ｔａｎ（α＋β）｝］×｛１−ｔａｎ（α＋β）×ｔａｎ（ａ）｝×［１−｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝２］×［１−０．５×（ＰＹ２＋ＱＹ２）］                    （２）
ただし、
ＰＹ＝ｔａｎ［ｂ−ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ｂ）｝］÷ｔａｎ［ｂ＋ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ｂ）｝］
ＱＹ＝ｓｉｎ［ｂ−ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ｂ）｝］÷ｓｉｎ［ｂ＋ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）×ｓｉｎ（ｂ）｝］
である。
ハイブリッド型プリズム部２の透過率Ｔａｌｌは、透過率ＴＸと透過率ＴＹとの和として求められ、（３）式のようになる。
【００４５】
＜ハイブリッド型プリズム部２の透過率Ｔａｌｌ＞
Ｔａｌｌ＝ＴＸ＋ＴＹ                                    （３）
（１）〜（３）式を基にして、入射角ａに対する各透過率ＴＸ，ＴＹ，Ｔａｌｌの変化の様子を図８に示す。計算条件は、出射角ｆ＝０°，先端刃角β＝４５°，屈折率ｎ＝１．５としている。
【００４６】
図８では、横軸は入射角ａを度単位で、縦軸は透過率を百分率単位でそれぞれ表している。また、屈折型プリズム部３Ａの透過率ＴＸを破線で、全反射型プリズム部４Ａの透過率ＴＹを一点破線で、ハイブリッド型プリズム部２の透過率Ｔａｌｌを実線で表している。
図８において、入射角ａがおおよそ４０°以上の領域では、全反射型プリズム部４Ａの透過率ＴＹは９０％以上の高い値を示している。また、入射角ａが４０°から小さくなっていくと透過率ＴＹは急激に減少し、全反射型プリズム部４Ａの入射角依存性を示していることが理解できる。
【００４７】
一方、この透過率ＴＹの特性に反して、屈折型プリズム部３Ａの透過率ＴＸは入射角ａが小さくなるほど増加する特性を示しており、屈折型プリズム部３Ａの入射角依存性が現れている。
このような２つの相異なる入射角依存性を有する屈折型プリズム部３Ａ，全反射型プリズム部４Ａからハイブリッド型プリズム部２が構成されているので、図８の透過率Ｔａｌｌが示すように、入射角４０°以上の領域では９０％以上の値を示し、入射角４０°以下の領域においても、全反射型プリズム部４Ａの透過率の減少を屈折型プリズム部３Ａが補償するので、入射角０°〜９０°の全領域にわたって、少なくとも６０％程度の全反射率Ｔａｌｌを実現できている。
【００４８】
以上のように、この実施の形態１によれば、入射角ａの入射光線ｌｉ２を実入射角ｂ２で受光し、透過光線ｌｔ２として屈折させる入射面４Ａと、透過光線ｌｔ２を臨界角より大きな角度で受光して透過光線ｌｔ３として全反射する全反射面４Ｃと、透過光線ｌｔ３を屈折させて出射角ｆの出射光線ｌｏ２を出射する出射面５とから成る断面形状の全反射型プリズム部４Ａと、全反射型プリズム部４Ａの出射面５と、全反射型プリズム部４Ａの無効光線の一部を所定の実入射角ｂ１の入射光線ｌｉ１として受光し、透過光線ｌｔ３と平行な透過光線ｌｔ１として屈折させる入射面３Ｂと、出射面５および入射面３Ｂと交差する無効面３Ｚとから成る断面形状の屈折型プリズム部３Ａとを備えたハイブリッド型プリズム部２を有するピッチを備えるようにしたので、入射角依存性を軽減した高透過率のフレネルレンズ１を構成することができるという効果が得られる。
【００４９】
なお、この実施の形態１で示したハイブリッド型プリズム部２をフレネルレンズの全ピッチに備えるようにする必要はなく、従来の屈折型プリズム部１３１Ａや全反射型プリズム部１４１Ａと併用するようにしても良い。例えば、フレネルレンズの全ピッチを入射角の大きさに応じて３つのピッチ群に分けて、第１ピッチ群に屈折型プリズム部１３１Ａ，第２ピッチ群にハイブリッド型プリズム部２，第３ピッチ群に全反射型プリズム部１４１Ａをそれぞれ成形するようにしても良い。このように、ハイブリッド型プリズム部２と他の従来のプリズム部とを併用したフレネルレンズを構成することにより、入射角に応じて最適なプリズム部を選択することができ、高透過率のフレネルレンズの入射角依存性をさらに軽減することができるという効果が得られ、全面にわたり明るい画面を有する画像表示装置を提供できるという効果が得られる。
【００５０】
実施の形態２．
実施の形態１で示したフレネルレンズ１では、無効面３Ｚで受光される無効光線が存在する。無効光線は出射面５から出射角ｆで出射されないため、フレネルレンズ１の損失となってしまう。この実施の形態２では、この無効光線を減少させる手法について説明する。
図９は実施の形態１で示したフレネルレンズ１の無効光線を説明するための図である。矢印は光線を表している。図７と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。
図９において、ｌｉｅは無効面３Ｚや隣接ピッチの無効面３Ｚ−１によって受光される無効光線、斜線を施した領域Ｅ１は無効光線ｌｉｅの光束が通過する無効領域、ｌｔｅは無効面３Ｚで屈折してフレネルレンズ１を透過する無効光線ｌｉｅの透過光線、ｌｏｅは出射面５で屈折して出射角ｆ１（≠ｆ）で空気中へ出射する透過光線ｌｔｅの出射光線である。
図９を見ると分かるように、無効光線ｌｉｅは無効面３Ｚで屈折して透過光線ｌｔｅになり、出射面５で屈折して出射角ｆ１の出射光線ｌｏｅになる。つまり、無効領域Ｅ１を通過して無効面３Ｚで受光される無効光線ｌｉｅは、出射角ｆで出射されないため、フレネルレンズ１の損失になってしまう。
【００５１】
そこで、この実施の形態２では、次の図１０に示す断面形状をピッチ毎に有するフレネルレンズによって無効光線を減少させている。
図１０はこの発明の実施の形態２によるフレネルレンズの１ピッチにおける断面形状を拡大した図である。矢印は光線を表している。図７、図９と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。
図１０において、６はこの実施の形態２のフレネルレンズ、７はフレネルレンズ６のハイブリッド型プリズム部であり、実施の形態１のハイブリッド型プリズム部２と同様に、屈折型プリズム部３Ａを備えている。
【００５２】
８Ａは屈折型プリズム部３Ａとともにハイブリッド型プリズム部７を成形する全反射型プリズム部、８Ｂは全反射型プリズム部８Ａの入射面（第２入射面）、８Ｃは全反射型プリズム部８Ａの全反射面、９はハイブリッド型プリズム部７の平面形状の出射面、３Ｚ−１は全反射型プリズム部８Ａ側の隣接ピッチに成形された屈折型プリズム部の無効面、８Ｂ−２は屈折型プリズム部３Ａ側の隣接ピッチに成形された全反射型プリズム部の入射面である。また、Ｅ２は無効光線ｌｉｅの光束が通過する無効領域、Ｅ３は無効領域Ｅ１から無効領域Ｅ２を取り除いた有効領域（つまり、Ｅ１＝Ｅ２＋Ｅ３の関係が成り立つ）である。
入射面８Ｂは、無効光線ｌｉｅの方向から見て隣接ピッチの無効面３Ｚ−１の一部を遮るような断面形状に成形されている。したがって、図９の無効領域Ｅ１を通過する無効光線ｌｉｅのうち有効領域Ｅ３を通過する光線は無効面３Ｚ−１で受光されずに、入射面８Ｂによって入射光線ｌｉ２として受光される。この結果、無効領域Ｅ１が無効領域Ｅ２に減少していることが図１０から理解できる。
隣接ピッチの無効面３Ｚ−１へ向う無効光線ｌｉｅを遮るために入射面８Ｂの断面形状を曲線状にしているので、入射面８Ｂにおける屈折角は入射光線ｌｉ２の光路毎にそれぞれ異なる。そこで、全反射面８Ｃは、この異なる屈折角の透過光線ｌｔ２を全て全反射して透過光線ｌｔ３とし、かつ屈折型プリズム部３Ａの入射面３Ｂで屈折した透過光線ｌｔ１と透過光線ｌｔ３とを平行にするような曲線状の断面形状（第２入射面補償形状）に成形されている。
【００５３】
次に動作について説明する。
屈折型プリズム部３Ａを通過する光線については実施の形態１と同様の動作なので説明を省略する。
入射面８Ｂで屈折した透過光線ｌｔ２は、全反射面８Ｃで全反射されて透過光線ｌｔ３として出射面９へ向う。全反射面８Ｃの形状は、透過光線ｌｔ２を全反射した透過光線ｌｔ３が入射面３Ｂからの透過光線ｌｔ１と平行になるように設計してあるので、透過光線ｌｔ１と同様に、透過光線ｌｔ３は出射面９で屈折して出射角ｆの出射光線ｌｏ２として出射する。
このように、全反射型プリズム部８Ａ側の隣接ピッチの無効面３Ｚ−１で受光されるはずの無効光線ｌｉｅの一部（有効領域Ｅ３）を、入射面８Ｂによって入射光線ｌｉ２として受光しているので、無効領域Ｅ１を無効領域Ｅ２に減少させ、ハイブリッド型プリズム部７の受光効率を増加できる。
ハイブリッド型プリズム部７の無効面３Ｚは、屈折型プリズム部３Ａ側の隣接ピッチの入射面８Ｂ−２によって無効光線の方向から見て遮られている。不図示の他のピッチにおいても同様であり、無効領域Ｅ１が全体的に減少してフレネルレンズ６全体の受光効率を向上させることができる。
【００５４】
以上のように、この実施の形態２によれば、全反射型プリズム部８Ａ側の隣接ピッチの無効面３Ｚ−１を無効光線ｌｉｅの方向から見て遮る入射面８Ｂと、入射面８Ｂで屈折した全ての透過光線ｌｔ２を全反射して透過光線ｌｔ１と平行な透過光線ｌｔ３にする全反射面８Ｃとを全反射型プリズム部８Ａに備えるようにしたので、無効領域Ｅ１を減少させてフレネルレンズ６の受光効率を増加させることができるという効果が得られる。
なお、フレネルレンズ６は硬化した合成樹脂から金型（レンズ成形型）を抜き取って完成するので、全反射型プリズム部８Ａの断面形状は金型の抜取ができるようにする。
また、この実施の形態２は、ハイブリッド型プリズム部を備えたフレネルレンズに限定されるものではなく、従来の全反射型プリズム部を備えたフレネルレンズに適用することも可能である。
【００５５】
実施の形態３．
実施の形態１では、屈折型プリズム部３Ａと全反射型プリズム部４Ａとを備えたハイブリッド型プリズム部２をフレネルレンズ１に成形し、図８の透過率を実現したが、高入射角領域と比較すると小入射角領域での特性は若干低いものであった。この実施の形態３では、小入射角領域の透過率を改善する手法について説明する。
図１１は実施の形態１で示したハイブリッド型プリズム部２の透過率と、従来の技術で示した屈折型プリズム部１３１Ａの透過率とを比較する図である。
図８と同様に、図１１の横軸、縦軸はそれぞれ入射角ａ［単位：度］、透過率［単位：百分率］である。ハイブリッド型プリズム部２の透過率は実線で、屈折型プリズム部１３１Ａの透過率は１点破線でそれぞれ表している。
図４で説明したフレネルレンズ１３１は、小入射角領域において良好な透過率を有しているので、図１１からも分かるように、ハイブリッド型プリズム部２の透過率と比較して、屈折型プリズム部１３１Ａの透過率は特性変化角ａ０より低い入射角領域で高い透過率を示している。特性変化角ａ０はハイブリッド型プリズム部、屈折型プリズム部双方の透過率が一致した点での入射角である。
そこで、この実施の形態３では、ハイブリッド型プリズム部２を備えたフレネルレンズ１に屈折型プリズム部１３１Ａを以下に示すように適用して、小入射角領域での透過率を改善する。
【００５６】
図１２はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。矢印は光線を表している。
図１２において、１０は実施の形態３のフレネルレンズ、１１Ａ，１１Ｂは実施の形態１で示したフレネルレンズ１のハイブリッド型プリズム部、１２Ａ，１２Ｂは従来の技術で示したフレネルレンズ１３１の屈折型プリズム部、１３はフレネルレンズ１０の平面形状の出射面、ｍ５は出射面１３の法線である。
ｌｉ３〜ｌｉ６はそれぞれ各プリズム部１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂへの入射光線であり、法線ｍ５と入射角ａ１〜ａ４をそれぞれなしている。
特性変化角ａ０も含めた各入射角の大小関係は、ａ１＞ａ２≧ａ０＞ａ３＞ａ４（またはａ１＞ａ２＞ａ０≧ａ３＞ａ４）である。したがって、プリズム部１１Ａの上方向（図１２の上方）にフレネルレンズ１０の最端部があり、プリズム部１２Ｂの下方向（図１２の下方）にフレネルレンズ１０の光軸が存在する。
【００５７】
フレネルレンズ１０の最端部からハイブリッド型プリズム部１１Ｂまでの各ピッチにはハイブリッド型プリズム部がそれぞれ成形されており、屈折型プリズム部１２Ａからフレネルレンズ１０の光軸までの各ピッチには屈折型プリズム部がそれぞれ成形されている。
つまり、図１２のフレネルレンズ１０では、入射角ａ≧ａ０（またはａ＞ａ０）となるピッチにはハイブリッド型プリズム部１１Ａ，１１Ｂを適用し、ａ０＞入射角ａ（またはａ０≧ａ）となるピッチには屈折型プリズム部１２Ａ，１２Ｂを適用している。
特性変化角ａ０をプリズム部の断面形状の変化点として、特性変化角ａ０よりも小さな（または以下の）小入射角領域の各ピッチでは屈折型プリズム部１１Ａ，１１Ｂを、特性変化角ａ０よりも大きな（または以上の）大入射角領域の各ピッチではハイブリッド型プリズム部１２Ａ，１２Ｂを備えるようにしているので、フレネルレンズ１０の透過率は特性変化角ａ０よりも低い入射角領域で図１１のフレネルレンズ１３１の特性に、特性変化角ａ０よりも低い入射角領域で図１１のフレネルレンズ１の特性になり、実施の形態１のフレネルレンズ１よりも小入射角領域の透過率を高くすることができる。
また、特性変化角ａ０近傍の透過率変化を滑らかにするために、次のようにしても良い。
【００５８】
図１３はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。矢印は光線を表している。
図１３において、１４は実施の形態３のフレネルレンズ、１５Ｃ〜１５Ｈはそれぞれ実施の形態１で示したフレネルレンズ１のハイブリッド型プリズム部、１６Ｃ〜１６Ｆは従来の技術で示したフレネルレンズ１３１の屈折型プリズム部、１７はフレネルレンズ１４の平面形状の出射面、ｍ６は出射面１７の法線である。
ｌｉ７〜ｌｉ１６はそれぞれ各プリズム部１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１６Ｃ，１５Ｆ，１５Ｇ，１６Ｄ，１５Ｈ，１６Ｅ，１６Ｆへの入射光線であり、法線ｍ６と入射角ａ５〜ａ１４をそれぞれなしている。
各入射角の大小関係は、ａ５＞ａ６＞…＞ａ１３＞ａ１４である。したがって、ハイブリッド型プリズム部１５Ｃの上方向（図１３の上方）にフレネルレンズ１４の最端部があり、屈折型プリズム部１６Ｆの下方向（図１３の下方）にフレネルレンズ１４の光軸が存在する。
フレネルレンズ１４の最端部からハイブリッド型プリズム部１５Ｃまでの各ピッチにはハイブリッド型プリズム部がそれぞれ成形されており、屈折型プリズム部１６Ｆからフレネルレンズ１４の光軸までの各ピッチには屈折型プリズム部がそれぞれ成形されている。
【００５９】
図１３のフレネルレンズ１４では、特性変化角ａ０近傍の入射角（特性変化領域）に相当する各ピッチにおいて、入射角の減少とともに、ハイブリッド型プリズム部に対する屈折型プリズム部の個数の割合（混在比率）を段階的に増加させるようにしている。
例えば入射角ａ１０と入射角ａ１１との間に特性変化角ａ０があるものとする。このとき、図１３のように、プリズム部１５Ｃ〜１５Ｅおよびプリズム部１６Ｃまでは３：１の混在比率、プリズム部１５Ｆ〜１５Ｇおよびプリズム部１６Ｄまでは２：１の混在比率、プリズム部１５Ｈおよびプリズム部１６Ｅまでは１：１の混在比率で特性変化角ａ０近傍の入射角のプリズム部を成形している。
【００６０】
このように、特性変化角ａ０近傍の入射角に相当する特性変化領域の各ピッチでは、ハイブリッド型プリズム部１５Ｃ〜１５Ｈと屈折型プリズム部１６Ｃ〜１６Ｆとを段階的に混在させ、ハイブリッド型プリズム部に対する屈折型プリズム部の混在比率を入射角の減少とともに徐々に増加するようにしているので、図１２のフレネルレンズ１０と比較すると、図１３のフレネルレンズ１４は特性変化角ａ０近傍の透過率変化を滑らかにすることができる。
もちろん、各入射角の大小関係に対する特性変化角ａ０の割当や、特性変化領域のピッチ数、混在比率などはフレネルレンズ１４の仕様に応じて定めるようにすれば良い。
さらに、特性変化角ａ０近傍の透過率変化を次のようにして滑らかにすることもできる。
【００６１】
図１４はこの発明の実施の形態３によるフレネルレンズの複数ピッチにおける断面形状を拡大した図である。矢印は光線を表している。
図１４において、１８は実施の形態３のフレネルレンズ、１９Ａはフレネルレンズ１８のハイブリッド型プリズム部、１９Ｂ〜１９Ｄはフレネルレンズ１８のハイブリッド型プリズム部（媒介プリズム部）、１９Ｅは屈折型プリズム部、１９Ａ−１〜１９Ｄ−１はハイブリッド型プリズム部１９Ａ〜１９Ｄを構成する全反射型プリズム部の入射面、１９Ａ−２〜１９Ｄ−２はハイブリッド型プリズム部１９Ａ〜１９Ｄを構成する屈折型プリズム部の入射面、１９Ｅ−２は屈折型プリズム部１９Ｅの入射面、２０はフレネルレンズ１８の平面形状の出射面、ｍ７は出射面２０の法線である。
ｌｉ１７〜ｌｉ２１はそれぞれ各ハイブリッド型プリズム部１９Ａ〜１９Ｄ，屈折型プリズム部１９Ｅへの入射光線であり、法線ｍ７と入射角ａ１５〜ａ１９をそれぞれなしている。
２１Ｂ〜２１Ｄは入射角ａ１６〜ａ１８にそれぞれ対応した実施の形態１のハイブリッド型プリズム部であり、全反射面２１Ｂ−１〜２１Ｄ−１，入射面２１Ｂ−２〜２１Ｄ−２をそれぞれ備えている。この実施の形態３のハイブリッドプリズム部１９Ｂ〜１９Ｄと対照するために、１点破線で図示している。
各入射角の大小関係は、ａ１５＞ａ１６＞ａ１７＞ａ１８＞ａ１９である。したがって、ハイブリッド型プリズム部１９Ａの上方向（図１４の上方）にフレネルレンズ１８の最端部があり、屈折型プリズム部１９Ｅの下方向（図１４の下方）にフレネルレンズ１８の光軸が存在する。
フレネルレンズ１８の最端部からハイブリッド型プリズム部１９Ａまでの各ピッチには実施の形態１のハイブリッド型プリズム部がそれぞれ成形されており、屈折型プリズム部１９Ｅからフレネルレンズ１８の光軸までの各ピッチには従来の屈折型プリズム部がそれぞれ成形されている。
【００６３】
図１４のフレネルレンズ１８では、特性変化角ａ０近傍の入射角（特性変化領域）に相当する各ピッチにおいて、入射光に対して所定の角度を保ったまま入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１の面積を微減するようにしており、かつ入射光に対して所定の角度を保ったまま入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２の面積を微増するようにしている。
つまり、図１４において、面積の大小関係は、入射面１９Ｂ−１＞入射面１９Ｃ−１＞入射面１９Ｄ−１，入射面１９Ｂ−２＜入射面１９Ｃ−２＜入射面１９Ｄ−２となっており、ａ１６〜ａ１８と入射角が減少するにしたがって、全反射型プリズム部の入射面面積は入射面１９Ｂ−１，入射面１９Ｃ−１，入射面１９Ｄ−１と微減し、屈折型プリズム部の入射面面積は入射面１９Ｂ−２，入射面１９Ｃ−２，入射面１９Ｄ−２と微増している。
つまり、特性変化角ａ０がａ１６からａ１８の間とすれば（ａ１６〜ａ１８に相当する３ピッチが特性変化領域のピッチ）、入射角がａ１６からａ１８へと減少するのに従い、入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１の面積を微減し、入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２の面積を微増させるようにしている。
【００６４】
このようにすることで、ハイブリッド型プリズム部１９Ａは、ハイブリッド型プリズム部１９Ｂ〜１９Ｄを介して屈折型プリズム部１９Ｅへ段階的に変化するので、特性変化角ａ０近傍の透過率変化を滑らかにすることができる。
この際に、入射光線ｌｉ１８〜ｌｉ２０に対する入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１および入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２の所定の角度は、フレネルレンズ１８の仕様に応じて定めるようにすれば良い。
また、例えば、入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１はハイブリッド型プリズム部２１Ｂ〜２１Ｄの入射面２１Ｂ−２〜２１Ｂ−Ｄとそれぞれ平行にして微減させ（図１４の白ヌキ矢印）、入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２はハイブリッド型プリズム部２１Ｂ〜２１Ｄの屈折型プリズム部の入射面をそのまま用いて面積を微増させるようにしても良い。
なお、ここでは、３個のハイブリッド型プリズム部１９Ｂ〜１９Ｄを媒介プリズム部として用いて説明したが、媒介プリズム部の個数（つまり特性変化領域のピッチ数）は特に限定されない。
さらに、入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１，入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２の面積微増量・面積微減量は特に限定されることなく、特性が良くなるように定めれば良い。
【００６５】
以上のように、この実施の形態３によれば、特性変化角ａ０を境界として、特性変化角ａ０より大きな（または以上の）入射角に相当する各ピッチではハイブリッド型プリズム部を、特性変化角ａ０より小さな（または以下の）入射角に相当する各ピッチでは屈折型プリズムをそれぞれ成形するようにしたので、小入射角領域における透過率を改善することができるという効果が得られる。
また、この実施の形態３によれば、特性変化角ａ０近傍の特性変化領域の各ピッチにおいて、ハイブリッド型プリズム部１５Ｃ〜１５Ｈに対する屈折型プリズム部１６Ｃ〜１６Ｆの混在比率を入射角の減少に応じて増加するようにしたので、小入射角領域における透過率を改善し、特性変化角ａ０近傍の透過率変化を滑らかにすることができるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態３によれば、特性変化角ａ０近傍の特性変化領域の各ピッチにおいて、入射角の減少とともに、入射面１９Ｂ−１〜１９Ｄ−１の面積を微減させ、入射面１９Ｂ−２〜１９Ｄ−２の面積を微増させたハイブリッド型プリズム部１９Ｂ〜１９Ｄを備えるようにしたので、小入射角領域における透過率を改善し、特性変化角ａ０近傍の透過率変化を滑らかにすることができるという効果が得られる。
なお、この実施の形態３を実施の形態２に適用するようにしても良い。
【００６６】
実施の形態４．
この実施の形態４では、実施の形態１で述べたハイブリッド型プリズム部２の先端刃角βおよび出射角ｆの最適値について述べる。
まず、入射面４Ｂと全反射面４Ｃとのなす先端刃角βの最適値について述べる。
図１５は先端刃角βをそれぞれ４５°（実線）、４０°（二点破線）、３５°（破線）とした場合のハイブリッド型プリズム部２の透過率Ｔａｌｌを示す図である。
β＝４５°（図８の場合）と比較すると、ａ＝約４０°以上の大入射角領域では、β＝４０°，３５°いずれの場合も透過率は同等（９０％以上）の特性を示している。
しかし、β＝４５°の場合にはａ＝約４０°以下で透過率が減少してくる。一方、β＝４５°の場合と比較して、β＝４０°の透過率Ｔａｌｌはａ＝約３５°の小入射角領域まで９０％以上の高透過率を示していることが図１５から分かる。さらに、β＝３５°の場合にはこの傾向がさらに顕著になり、高透過率領域はａ＝約３０°まで広がっている。
つまり、ａ＝約４０°以下の小入射角領域では、先端刃角βの値をできる限り小さな角度にすることによって、透過率Ｔａｌｌの入射角依存性を軽減して、広範囲の入射角に対して高透過率を実現することができる。
【００６７】
なお、図１５において、先端刃角βの値を４０°や３５°にすると、ａ＝約１５°以下の領域で６０％以下の透過率になってしまうが、このａ＝約１５°以下の領域に相当するピッチのハイブリッド型プリズム部２では、先端刃角βを例えば４５°に大きくすれば、透過率の低下を補償できる。
つまり、入射角ａ＝約１５°において、４０°のときの先端刃角βの透過率と、４５°の先端刃角βの透過率とが等しくなり、入射角ａ＝約１５°以上と入射角ａ＝約１５°以下の領域で両者の透過率の高低関係が逆転しているので、ａ＝１５°〜９０°の領域ではβ＝４０°，ａ＝０°〜１５°の領域ではβ＝４５°とすることによって、ａ＝１５°〜９０°でβ＝４０°の特性（図１５の２点破線）と、ａ＝０°〜１５°でβ＝４５°の特性（図１５の実線）とを組み合わせた透過率を実現することができる。
また、実施の形態３で述べた手法を用いて透過率の低下を補償するようにしても良い。この場合には、屈折型プリズム部の特性（図１５の１点破線）と例えばβ＝４０°のハイブリッド型プリズム部の特性とを組み合わせた透過率になる。
【００６８】
このように、実施の形態１のフレネルレンズ１を設計する際には、ハイブリッド型プリズム部２の先端刃角βを入射角の値に応じてできる限り鋭角にすることが望ましい。ただし、先端刃角βをあまり小さくすると、入射角ａの値が大きい場合に図７の入射面４Ｂと出射面５とのなす角が鈍角になって、フレネルレンズ１製造の際に金型（レンズ成形型）の抜取が不可能な形状になってしまうため、この点に留意して、先端刃角βを入射角ａの値に応じて最適値に設定する。
換言すると、ハイブリッド型プリズム部２の先端刃角βをフレネルレンズ１の製造性を損なわない範囲でできるだけ鋭角（最鋭角度）に設定にすることによって、透過率をさらに改善することができるという効果が得られる。また、最鋭角度の先端刃角βの透過率よりも最鋭角度以外の先端刃角βの透過率の方が大きくなる入射角領域では、最鋭角度よりも先端刃角βを大きくすることにより、入射角全領域にわたって高透過率を実現できるという効果が得られる。
【００６９】
次に、出射光線の出射角ｆの最適値について述べる。
図１６は出射角ｆをそれぞれ０°（実線）、３°（二点破線）、５°（破線）とした場合のハイブリッド型プリズム部２の透過率Ｔａｌｌを示す図である。
図１６から、ａ＝約４０°以上の大入射角領域では、ｆ＝０°，３°，５°いずれの場合も透過率は同等（９０％以上）の特性を示している。また、ａ＝約４０°以下の小入射角領域では、ｆ＝０°よりもｆ＝３°の場合に、さらにｆ＝３°よりもｆ＝５°の場合に透過率Ｔａｌｌが改善されている。
したがって、出射角ｆに関しては、ａ＝約４０°以下の小入射角領域で出射角ｆを大きくすることによって透過率Ｔａｌｌを改善することができる。
小入射角領域で出射角ｆを大きくすると、次に示すような効果も得られる。
【００７０】
図１７Ａ，図１７Ｂはフレネルレンズ１をスクリーンに適用した画像表示装置の構成を示す図であり、図１７Ａは側面から見た構成図、図１７Ｂは画像表示装置の正面図である。矢印は光線を表している。
図１７Ａにおいて、３１は光を発する発光体（照明光源手段）、３２は発光体３１を焦点に備える放物面鏡（照明光源手段）、３３は放物面鏡３２が反射した光を集光する集光レンズ（集光光学手段）、３４は液晶などのライトバルブ（光変調手段）である。ライトバルブ３４は、集光レンズ３３が集光した光を空間的に強度変調する。
３５はライトバルブ３４が強度変調した光を結像させる投影光学レンズ（投影光学手段）、３６は投影光学レンズ３５が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーンである。スクリーン３６は、広がった光線をほぼ平行光にした上で結像させて画像を表示し、広い範囲に光を拡散して視野範囲を広げる働きをする。
スクリーン３６において、３７が各実施の形態で示したフレネルレンズであり、３８はレンチキュラーである。
【００７１】
フレネルレンズ３７は、投影光学レンズ３６からの光を各実施の形態で説明した動作で受光し、各ピッチ毎のハイブリッド型プリズム部を介して所定の出射角で光線を出射する。つまり、フレネルレンズ３７は、投影光学レンズ３５で広がった光をほぼ平行化するために用いている。レンチキュラー３８は、フレネルレンズ３７からの出射光を結像させた上で拡散する。
３９，４０はそれぞれ光軸である。光軸３９は、放物面鏡３２，集光レンズ３３，ライトバルブ３４によって共有されている。光軸４０は、投影光学レンズ３５，フレネルレンズ３７およびレンチキュラー３８によって共有されており、フレネルレンズ３７の出射面と直交している。
光軸３９と光軸４０とは互いに交わらず、ライトバルブ３４に依存した最適設定角をなす独立の関係にある。つまり、光軸３９を共有する放物面鏡３２，集光レンズ３３，ライトバルブ３４は光軸４０に対して偏芯配置されている。
【００７２】
図１７Ａのように光学系システムが構成された画像表示装置は、図１７Ｂに示すような正面図になる。図１７Ａと同一符号は同一の構成要素である。
図１７Ｂにおいて、４１は画像表示装置本体、４２はフレネルレンズ３７に設けられたハイブリッド型プリズム部の輪帯であり、スクリーン３６に対する輪帯４２の関係を表現するために図示してある。４３は画像表示装置４１のハカマ部であり、放物面鏡３２，集光レンズ３３，ライトバルブ３４などが収納されている。
偏芯配置されたライトバルブ３４からスクリーン３６へ光を投影する以外は図２の画像表示装置と同様の動作であり、フレネルレンズ３７の動作も前述しているため、説明を省略する。
このように構成された画像表示装置を偶数台だけ用意し、次の図１８に示すようにマルチ構成で利用されることが良くある。
図１８Ａ〜図１８Ｃは出射光線の出射角を最適化する手法を説明するための図であり、２台の画像表示装置をマルチ構成している。図１８Ａは出射角を最適化したフレネルレンズの断面図、図１８Ｂは図１８Ａのフレネルレンズを備えたスクリーンの正面図、図１８Ｃは図１８Ｂの画像表示装置をマルチ構成した場合の利用者との関係を示す図である。
【００７３】
図１８Ａ〜図１８Ｃにおいて、３６Ａ，３６Ｂはスクリーン、３７Ａ，３７Ｂはフレネルレンズ、３８Ａ，３８Ｂはレンチキュラー、４０Ａ，４０Ｂはそれぞれフレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂの光軸、４１Ａ，４１Ｂはいずれも図１７Ａ，図１７Ｂの画像表示装置、４２Ａ，４２Ｂはそれぞれフレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂの輪帯、４３Ａ，４３Ｂはそれぞれ画像表示装置４１Ａ，４１Ｂのハカマ部である。輪帯４２Ａ，４２Ｂはそれぞれ、矩形形状に切り取られたフレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂの４辺で、光軸４０Ａ，４０Ｂに最も近い１辺とのみ交差する（光軸４０Ａ，４０Ｂから見て）の輪帯（境界輪帯）である（１辺に光軸が含まれなくても良い）。輪帯４２Ａ，４２Ｂは、スクリーン３６Ａ，３６Ｂの視野特性や透過率などから定められる。
図１８Ａ〜図１８Ｃで示した画像表示装置は、一方の画像表示装置４１Ａの天地を逆転してハカマ部４３Ａを上側にし、ハカマ部４３Ｂを下側にした画像表示装置４１Ｂのスクリーン３６Ｂ上部と画像表示装置４１Ａのスクリーン３６Ａ上部とを合わせたマルチ構成になっている。このようにして、１つの画像を分割して画像表示装置４１Ａ，４１Ｂにそれぞれ与え、２つのスクリーン３６Ａ，３６Ｂによって１つの一体画像として表示するので、より大きな画像を表示できるようになっている。
４４は画像表示装置４１Ａ，４１Ｂの利用者、４５は利用者４４の視野角である。また、ｌｏ３Ａ〜ｌｏ７Ａ，ｌｏ３Ｂ〜ｌｏ７Ｂはそれぞれフレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂの各ピッチから出射される出射光線である。光軸４０Ａに近い順に出射光線ｌｏ３Ａ〜ｌｏ７Ａとなっており、光軸４０Ｂに近い順に出射光線ｌｏ３Ｂ〜ｌｏ７Ｂとなっている。光軸４０Ａ，４０Ｂに近い出射光線、つまり輪帯４２Ａ，４２Ｂの内側（光軸４０Ａ，４０Ｂ側）の出射光線ほど大きな出射角になるように設定されている。
図１８Ｃに示すように、マルチ構成した２台の画像表示装置４１Ａ，４１Ｂの一体画像を利用者４４は視野角４５で視認する。この際に、通常のフレネルレンズを用いた画像表示装置であれば、フレネルレンズの出射光線は全て光軸に対して平行一様になる。一方、レンチキュラー３８Ａ，３８Ｂは視野特性を有しており、各出射光線の主光線方向が最も明るく、主光線に対して斜めから見るほどに暗くなる。したがって、視野角が大きくなるハカマ部４３Ａ，４３Ｂ近傍では、スクリーンに対して法線方向に出射する主光線を視野角に応じて斜め方向から見るので、明るさが減少してしまうのが普通である。
【００７４】
しかしながら、この実施の形態４のフレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂでは、光軸４０Ａ，４０Ｂに近いピッチ、すなわち入射角の小さなピッチからの出射光線（最大出射角は出射光線ｌｏ３Ａ，ｌｏ３Ｂ）ほど出射角を大きく設定している。つまり、利用者４４の方向に出射光の主光線が向うので、レンチキュラー３８Ａ，３８Ｂの視野特性による減衰作用を軽減できる。また、このことは相対的にハカマ部４３Ａ，４３Ｂ近傍の透過率を補償するとともに、各出射光線ｌｏ３Ａ〜ｌｏ７Ａ，ｌｏ３Ｂ〜ｌｏ７Ｂが視野角４５内を向うように都合良く出射角を最適化できる。
【００７５】
このように、フレネルレンズ３７Ａ，３７Ｂはマルチ構成の画像表示装置に適用する際にも、利用者に対して明るい画像を提供することができるという効果が得られる。
また、図１９に示すように、４台の画像表示装置４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを組み合わせてマルチ構成の画像表示装置として用いる場合、各画像表示装置４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄが輪帯４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄより内側（光軸４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ側）では出射角ｆを大きく設定する。つまり図１８Ａ〜図１８Ｃと同様に、利用者４４Ａの方向に各出射光の主光線を向けるとともに、輪帯４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄの外側（スクリーン３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄを構成するフレネルレンズのレンズ外周側）では、光軸４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに対して平行になるように出射光線を設定する。図１８Ａ〜図１８Ｃの場合と同様に、輪帯４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄはそれぞれ、スクリーン３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄを構成するフレネルレンズの矩形形状の４辺で、光軸４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに最も近い１辺とのみ交差する輪帯（境界輪帯）であり、スクリーンの視野特性や透過率などから定めることができる。
【００７６】
マルチ構成した各画像表示装置４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄのスクリーン３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ間の境界付近では、出射光の主光線は平行になるように設定する必要がある。主光線を平行にしてあれば、利用者４４Ｂのようにスクリーンを斜めから見た場合でも、境界付近の斜めから視野角を持って見ることによるレンチキュラーの視野特性による減衰率が、境界を挟んで両側のスクリーンでともに同一となるために、スクリーン境界での輝度のバラツキを生じることなく、斜めから見ても均一な画像を得ることができる。その上で、輪帯４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄより内側で出射角ｆを大きく設定してあるので、暗くなる輪帯４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄの内側の輝度改善が可能となり、スクリーン内での輝度均一性を改善できる。
【００７７】
以上見てきたように、スクリーンに合わせて矩形形状に切り取られたフレネルレンズの４辺で、フレネルレンズの光軸に最も近い１辺とのみ交差する境界輪帯の光軸側ピッチでは出射光線を平行に設定し、境界輪帯のレンズ外周側ピッチでは出射光線の出射角を大きく設定することにより、マルチ構成の画像表示装置のスクリーンにフレネルレンズを適用した際のスクリーン内での輝度均一性を改善することができるという効果が得られる。
なお、図１７Ａ，図１７Ｂ，図１８Ａ〜図１８Ｃ，図１９によっても明らかなように、以上の各実施の形態で説明したフレネルレンズと、光を結像して拡散するレンチキュラーなどの光結像拡散手段とを用いてスクリーンを構成するようにしても良く、広い画角の投影光を入射角にあまり依存することなく高透過率で受光することができるので、あらかじめ定められた奥行仕様の下でより大画面の画像を高輝度で表示できるスクリーンを構成することができるという効果が得られる。
また、以上の各実施の形態で説明したフレネルレンズをスクリーンに適用する場合には、フレネルレンズの出射面にレンチキュラーを一体成形しても良い。このようにすることで、部品点数を減らしたスクリーンを構成することができるという効果が得られる。
【００７８】
実施の形態５．
図２０はこの発明の実施の形態５による背面投影型の画像表示装置の全体構成を示す図である。
図２０の画像表示装置は、フレネルレンズ５１と拡散板５２とを有するスクリーン５３および画像光源５４を備え、画像光源５４から投影された画像光をスクリーン５３に表示する装置である。スクリーン５３は、アスペクト比が４：３であり、サイズが５０インチのスクリーンである。
【００７９】
図２１は図２０の画像表示装置を側面から見た場合の図である。
スクリーン５３は、画像光源５４との水平方向の距離が４５０ｍｍ，スクリーン５３の下端と画像光源５４との垂直方向の距離が２００ｍｍとなるように配置されている。
拡散板５２は、レンチキュラーレンズ等を有し、画像光を所定の範囲に拡散する役割を果たす光拡散手段である。
フレネルレンズ５１は、微少な単位プリズム部を並べて配置したレンズであり、同心円状に単位プリズム部を配置したサーキュラータイプのフレネルレンズである。フレネルレンズ５１の同心円の中心から延ばした垂線上に画像光源５４が配置されており、フレネルレンズ５１として使用するのはフレネルレンズ５１の中心から外れた部分である（図２０参照）。
【００８０】
図２２はフレネルレンズ５１の断面形状を示した図である。
フレネル中心側からフレネル周縁側に向って、フレネルレンズ５１はその断面形状によって領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の３つの領域に分けることができる。
まず基本的な形態として、領域Ａ２について説明する。
領域Ａ２における単位プリズム部（ハイブリッド型プリズム部）は、入射面（第２入射面）５１Ａおよび全反射面５１Ｂを有し、頂角が４０°の全反射型プリズム部Ｕ１と、入射面（第１入射面）５１Ｃおよび無効面５１Ｄを有する屈折型プリズム部Ｕ２とを備えている。この単位プリズム部とは、隣接する単位プリズム部の無効面５１Ｄと全反射面５１Ｂとの交線である谷線Ｔから隣の谷線Ｔまでの間を指しており、単位プリズム部のピッチＰ＝０．１ｍｍとなっている。なお、このピッチＰ＝０．１ｍｍは、他の領域Ａ２，Ａ３の単位プリズム部も同じ値となっている。
【００８１】
図２３Ａ〜図２３Ｃは全反射型プリズム部Ｕ１と屈折型プリズム部Ｕ２とを説明するための図である。
図２３Ａは、屈折型プリズム部Ｕ２と同等な形状の単位プリズム部のみが形成されたフレネルレンズ（屈折型プリズム部を備えた従来のフレネルレンズ）を示している。既に説明したように、入射面５１Ｃに投影される光束Ｒ１ｉｎは、入射面５１Ｃによって屈折して所望の方向に出光する。しかし、無効面５１Ｄに投影される光束Ｒ２ｉｎは、無効面５１Ｄによって反射または屈折して、迷光となってしまう。
図２３Ｂは、全反射型プリズム部Ｕ１と同等な形状の単位プリズム部のみが形成されたフレネルレンズ（全反射型プリズム部を備えた従来のフレネルレンズ）を示している。既に説明したように、入射面５１Ａに投影される光束のうちで光束Ｒ３ｉｎは、全反射面５１Ｂによって全反射して所望の方向に出光する。しかし、残りの光束Ｒ４ｉｎは、全反射面５１Ｂに到達することができず、迷光となってしまう。
図２３Ｃは、この実施の形態５におけるフレネルレンズ５１を示している。フレネルレンズ５１では、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２のみで形成された図２３Ａおよび図２３Ｂに示したフレネルレンズが所望の方向（この実施の形態５の場合、フレネルレンズ５１に略垂直な方向）へ出光できない光束の一部を、所望の方向に出光できるように、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２を組合わせた形状を単位プリズム部としている。
【００８２】
具体的には、全反射型プリズム部Ｕ１において全反射面５１Ｂに到達しない光束Ｒ４ｉｎが投影される部分に屈折型プリズム部Ｕ２が配置されている。したがって、フレネルレンズ５１は、光束Ｒ４ｉｎの一部を屈折して所望の方向に偏向して出光するようになっている。
この配置は、別の見方をすると、屈折型プリズム部Ｕ２において無効面５１Ｄに投影される光束Ｒ２ｉｎの光路上に、フレネル中心側の隣接ピッチの全反射型プリズム部Ｕ１が配置されているとも見ることができる。したがって、フレネルレンズ５１は、光束Ｒ２ｉｎの一部を全反射して所望の方向に偏向して出光するようになっている。すなわち、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２各々の短所を補うことができるような位置にそれぞれが配置されている。
また、図２２の領域Ａ２の１ピッチにおいて、入射面５１Ｃを延長した面が周辺側の谷線Ｔを通り、入射面５１Ａを延長した面がフレネル中心側の谷線Ｔを通るように、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２が配置されている。このように配置されている理由は、フレネルレンズ５１の製造方法に起因している。次にフレネルレンズ５１の製造方法に付いて説明する。
フレネルレンズ５１は樹脂成形によって製造される。したがって、その反転形状を形成したレンズ成形型を製造する必要がある。
【００８３】
図２４Ａ〜図２４Ｃおよび図２５Ａ〜図２５Ｃはフレネルレンズ５１を製造する際に用いるレンズ成形型の特徴をそれぞれ説明するための図である。図２４Ａ〜図２４Ｃは全反射型プリズム部Ｕ１に対応する部分を切削する場合を示し、図２５Ａ〜図２５Ｃは屈折型プリズム部Ｕ２に対応する部分を切削する場合を示している。
図２４Ａ〜図２４Ｃ，図２５Ａ〜図２５Ｃにおいて、符号Ｃはレンズ成形型、符号Ｂは例えばダイヤモンドバイトなどのレンズ成形型Ｃを切削するためのバイトである。
レンズ成形型Ｃは、バイトＢによって切削加工を行って作製するが、画像光が通過する面（入射面５１Ａ，全反射面５１Ｂ，入射面５１Ｃ）に対応するレンズ成形型の面は、切削時の筋やムラ等が生じないように、バイトＢ（またはチップ）の先端（コーナ）ではなく、切り刃（斜面部分）で切削する必要がある。また、フレネルレンズのピッチは０．１ｍｍ前後（フレネルレンズ５１では０．１ｍｍ）であるのに対して、バイトＢのチップは２〜３ｍｍもの大きさがある。
【００８４】
したがって、以下の切削条件（Ａ），（Ｂ）を満たさないと、単位プリズム部の形状に対応したレンズ成形型を切削することができない。
切削条件（Ａ）
入射面５１Ｃを延長した面は、谷線Ｔを通る（図２５Ｂ）または谷線Ｔよりも出光側を通る（図２５Ｃ）。
切削条件（Ｂ）
入射面５１Ａを延長した面は、谷線Ｔを通る（図２４Ｂ）または谷線Ｔよりも出光側を通る（図２４Ｃ）。
この実施の形態５におけるフレネルレンズ５１は、頂角が４０°のバイトＢ（チップ）を使用して、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２に対応する部分の切削を行っている。
【００８５】
＜レンズ成形型の製造＞
図２６はこの発明の実施の形態５によるレンズ成形型製造方法を示すフローチャートである。また図２７Ａ〜図２７Ｄおよび図２８Ａ〜図２８ＤはバイトＢによるレンズ成形型Ｃの切削の進行状況を示す図であり、図２７Ａ〜図２７Ｄは屈折型プリズム部Ｕ２を主単位プリズム部とみなした場合、図２８Ａ〜図２８Ｄは全反射型プリズム部Ｕ１を主単位プリズム部とみなした場合である。
図２６において、ステップＳＴ１（切削開始ピッチ番号設定ステップ）でピッチ番号ｎ＝１が設定される。ステップＳＴ１からステップＳＴ２（主単位プリズム部切削ステップ）へ移行すると、まず第１ピッチ（切削対象ピッチ）Ｐ１における主単位プリズム部の切削作業がバイトＢによって行なわれる。このときの作業状況は、図２７Ａまたは図２８Ａで示されるようになっており、レンズ成形型Ｃに対してバイトＢが主単位プリズム部の切削を行なう。
【００８６】
ステップＳＴ２で第１ピッチＰ１の主単位プリズム部の切削が完了すると、続いてステップＳＴ３（副単位プリズム部切削ステップ）へと移行して、第１ピッチ（切削対象ピッチ）Ｐ１の副単位プリズム部の切削作業が開始される。図２５Ａ〜図２５Ｃや図２６Ａ〜図２６Ｃで述べたように、バイトＢによってレンズ成形型Ｃに副単位プリズム部を切削する際には、切削条件（Ａ），切削条件（Ｂ）を満たすようにして行なう。このときの作業状況は図２７Ｂ，図２８Ｂで示されるようになっている。
例えば図２７Ｂに示すように、主単位プリズム部として屈折型プリズム部が切削された第１ピッチＰ１に対して全反射型プリズム部を切削する際には、切削条件（Ｂ）にしたがって、第１ピッチＰ１のフレネル中心側にある谷線Ｔ１を全反射面５１Ａの延長面ＳＡ１が通過するか、またはフレネル中心側の谷線Ｔ１よりも入射面５１Ａの延長面ＳＡ１が出射側になるように切削される。
同様に、図２８Ｂの場合、主単位プリズム部として全反射型プリズム部が切削された第１ピッチＰ１に対して屈折型プリズム部を切削する際には、切削条件（Ａ）にしたがって、第１ピッチＰ１のフレネル周縁側にある谷線Ｔ０を入射面５１Ｃの延長面ＳＣ１が通過するか、またはフレネル周縁側の谷線Ｔ０よりも入射面５１Ｃの延長面ＳＣ１が出射側になるように切削される。
【００８７】
ステップＳＴ２，ステップＳＴ３の第１ピッチＰ１に対する切削作業が完了するとステップＳＴ４（ピッチ番号推移ステップ）へと移行し、ピッチ番号ｎの値がインクリメントされてｎ＝２になる。次のステップＳＴ５（切削完了判定ステップ）では、レンズ成形型Ｃの総ピッチ数Ｎｍａｘとピッチ番号ｎとの比較が行なわれ、ｎ≦Ｎｍａｘの場合、つまり切削するピッチがまだ残存している場合には（ステップＳＴ５でＮＯ）、ステップＳＴ２へ戻って第２ピッチ（切削対象ピッチ）Ｐ２における主単位プリズム部の切削作業（図２７Ｃ，図２８Ｃ）が行なわれる。
続いてステップＳＴ３では、第２ピッチ（切削対象ピッチ）Ｐ２における副単位プリズム部の切削作業（図２７Ｄ，図２８Ｄ）が行なわれる。もちろん、第１ピッチＰ１の場合と同様に、切削条件（Ａ）または切削条件（Ｂ）を満たすように、第２ピッチＰ２に対する切削作業がステップＳＴ３で行なわれる。
【００８８】
例えば図２７Ｄの場合、主単位プリズム部として屈折型プリズム部が切削された第２ピッチＰ２に対して全反射型プリズム部を切削する際には、切削条件（Ｂ）にしたがって、第２ピッチＰ２のフレネル中心側にある谷線Ｔ２を全反射面５１Ａの延長面ＳＡ２が通過するか、またはフレネル中心側の谷線Ｔ２よりも入射面５１Ａの延長面ＳＡ１が出射側になるように切削される。
図２８Ｂの場合もやはり同様に、主単位プリズム部として全反射型プリズム部が切削された第２ピッチＰ２に対して屈折型プリズム部を切削する際には、切削条件（Ａ）にしたがって、第２ピッチＰ２のフレネル周縁側にある谷線Ｔ１を入射面５１Ｃの延長面ＳＣ２が通過するか、またはフレネル周縁側の谷線Ｔ１よりも入射面５１Ｃの延長面ＳＣ２が出射側になるように切削される。
【００８９】
以後、ステップＳＴ４においてピッチ番号が１ずつインクリメントされてｎ＝３からｎ＝Ｎｍａｘまでの切削作業が繰り返され、ｎ＝Ｎｍａｘ＋１となった時点でステップＳＴ５によってフレネルレンズ５１の切削作業が完了し、レンズ成形型Ｃの製造が完了する。このように、この実施の形態５では、通常の切削工具を利用してレンズ成形型の製造を容易に行うことが可能である。また、主単位プリズム部・副単位プリズム部の切削を１ピッチ毎に順次進めていくので、レンズ成形型Ｃの製造精度を向上することができ、ひいてはフレネルレンズ５１を高精度に製造して、設計通りの光学性能を与えることができる。
【００９０】
なお、図２７Ａ〜図２７Ｄや図２８Ａ〜図２８Ｄでは、フレネル中心側からフレネル周辺側へ切削作業の進行方向を進めているが、この切削作業の進行方向は特に限定されるものではなく、フレネル周辺側からフレネル中心側へ逆に進めても良い。
このようにして製造したレンズ成形型Ｃに樹脂を流し込んで硬化させ、硬化した樹脂からレンズ成形型Ｃを取り外すとフレネルレンズ５１が完成する。このフレネルレンズ５１は、５０インチという大型のレンズシートであり、さらに斜め方向から画像光が投影されるので、入射位置によって画像光の入射角度の差が大きくなる。全反射型プリズム部Ｕ１は、入射角が大きい場合に所望の方向に出光する光束が多くなり、逆に屈折型プリズム部Ｕ２は、入射角が小さい場合に所望の方向に出光する光束が多くなる。したがって、入射角が大きい入射位置には全反射型プリズム部Ｕ１が、入射角が小さい入射位置には屈折型プリズム部Ｕ２がそれぞれ適している。
【００９１】
そこで、図２２に示すように、この実施の形態５におけるフレネルレンズ５１の画像光源５４に近い側になる領域Ａ１（フレネル中心側）では、屈折型プリズム部Ｕ２を主単位プリズム部、全反射型プリズム部Ｕ１を副単位プリズム部として、屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合よりも、全反射型プリズム部Ｕ１の占める割合を少なくしている。
一方、画像光源５４から遠い側になる領域Ａ３（フレネル周辺側）では、全反射型プリズム部Ｕ１を主単位プリズム部、屈折型プリズム部Ｕ２を副単位プリズム部として、全反射型プリズム部Ｕ１の占める割合よりも、屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合を少なくしている。
ここで、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２が占める割合を変化させるには、レンズ成形型Ｃを切削するバイトＢの切り込み深さを位置により変化させて、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２の高さが変わるようにして行った。
【００９２】
図２９はフレネルレンズ５１におけるフレネル中心からの半径と全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合を示す図である。図２９には、全反射型プリズム部Ｕ１のみが形成されている場合の透過率を示す線図Ｌ１と、屈折型プリズム部Ｕ２のみが形成されている場合の透過率を示す線図Ｌ２も併せて示している。なお、この透過率の測定は、この実施の形態５における背面投影型の画像表示装置と同様の配置にして、白色光源を使用して行っている。図２９において、横軸は半径（単位ｍｍ）、左側縦軸は透過率（単位％）、右側縦軸はレンズ比率である。
図２９では線図Ｌ１と線図Ｌ２とが半径２５０ｍｍの位置で交差しており、この半径２５０ｍｍを境界として、半径２５０ｍｍ以下の領域では全反射型プリズム部Ｕ１より屈折型プリズム部Ｕ２の効果が高く（Ｌ１＜Ｌ２）、半径２５０ｍｍ以上の領域では、逆に全反射型プリズム部Ｕ１の効果が高いことが解る。フレネルレンズ５１では、この半径２５０ｍｍを目安として、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合を変化させている。
【００９３】
図２９において、全反射型プリズム部Ｕ１または屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合は、領域Ａ２における全反射型プリズム部Ｕ１または屈折型プリズム部Ｕ２の高さを１として、これに対する比をレンズ比率として示した。図２９には、全反射型プリズム部Ｕ１のレンズ比率を線図Ｌ３に示し、屈折型プリズム部Ｕ２のレンズ比率を線図Ｌ４に示している。なお、実際には半径２００〜１０７８ｍｍの範囲をフレネルレンズ５１として使用するが、図２９では、各線図の違いが明確に現れる半径１００〜５００ｍｍの範囲を示してある。
図２９を見ると分かるように、全反射型プリズム部Ｕ１は、半径２００ｍｍ以下の部分には存在せず、半径２００ｍｍから占める割合が増えはじめ、半径２５０ｍｍにおいてレンズ比率が１（領域Ａ２における割合と同じ）にまで達して、半径２５０ｍｍ以上においては、レンズ比率１を維持したままである。
【００９４】
一方、屈折型プリズム部Ｕ２は、半径３００ｍｍ以下ではレンズ比率が１（領域Ａ２における割合と同じ）であり、半径３００ｍｍ以上では徐々にレンズ比率が小さくなっている。
フレネルレンズ５１は、このように全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２が占める割合を変化しているので、半径２５０ｍｍまでが領域Ａ１の形状となり、半径２５０〜３００ｍｍが領域Ａ２の形状、半径３００ｍｍ以上が領域Ａ３の形状となっている。
なお、屈折型プリズム部Ｕ２を半径２５０ｍｍ以上で徐々にレンズ比率が小さくなるようにして、領域Ａ２を省いても良いが、この実施の形態５では、変化を滑らかにして、表示される画像の輝度差を少なくするために、領域Ａ２を設けている。
【００９５】
＜透過率の比較＞
この実施の形態５によるフレネルレンズ５１を作製して、従来のものに比べて透過率が向上していることを確認した。
ここで、特開昭６１−５２６０１号公報に記載されている手法に従って、図６の従来技術によるフレネルレンズ１１０と、この実施の形態５のフレネルレンズ５１とが比較できるように、形状以外の仕様を同様にして両者を作製した。
図３０は従来技術によるフレネルレンズ１１０の構成を示す図である。全反射型プリズム部および屈折型プリズム部の基本形状をフレネルレンズ５１と同形状とし、ピッチＰも０．１ｍｍとして同じにした。
【００９６】
図３１は図３０のフレネルレンズ１１０における全反射型プリズム部のレンズ比率を線図Ｌ５で示した図である。このフレネルレンズ１１０は、全反射型プリズム部Ｕ１と屈折型プリズム部Ｕ２とが独立して存在している形態であり、全反射型プリズム部Ｕ１と屈折型プリズム部Ｕ２とのレンズ比率は図３１右側のグラフ欄外に示すようになっている。なお、図３１中の線図Ｌ１，Ｌ２は、図２９と同じものである。
図３２はこの実施の形態５のフレネルレンズ５１および従来技術によるフレネルレンズ１１０の透過率をそれぞれ示す図である。図３２では、フレネルレンズ５１の透過率を線図Ｌ６で示し、フレネルレンズ１１０の透過率を線図Ｌ７で示した。なお、図２９および図３１と同様に、線図Ｌ１，Ｌ２も併せて示した。線図Ｌ６は、Ｌ１，Ｌ２およびＬ７のいずれと比較しても、ほぼ全ての領域で透過率が高くなっており、この実施の形態５によるフレネルレンズ５１の透過率が高いことが確認できた。
【００９７】
以上のように、この実施の形態５によれば、全反射型プリズム部Ｕ１および屈折型プリズム部Ｕ２の占める割合を変化させて、これらを１つの単位プリズム部として組合わせたので、それぞれの短所を補うことができ、全体の透過率が高いフレネルレンズ５１を得ることができる。
また、この実施の形態５によれば、１つのバイトＢを使用してレンズ成形型Ｃの切削を行うことができるので、フレネルレンズの製造も簡単にすることができる。
したがって、このフレネルレンズ５１を使用するスクリーン５３も全体の透過率が高くなり、背面投影型プロジェクション表示装置の表示をより明るくすることができると共に、低価格にすることができる。
以上の説明に限定されることなく、この実施の形態５は種々の変形や変更が可能である。
【００９８】
＜変形形態その１＞
以上の説明では、フレネルレンズ５１は３種類の領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を備えている例を示したが、この実施の形態５はこれに限らず、これらの組み合わせを適宜変更しても良い。例えば、領域Ａ１および領域Ａ２のみでも良いし、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のいずれか１つの領域であっても良い。
【００９９】
＜変形形態その２＞
以上の説明では、フレネルレンズ５１の出光側の面は平坦である例を示したが、この実施の形態５はこれに限らず、他のフレネルレンズ形状を追加しても良いし、微細凹凸などの拡散手段を設けても良い。
【０１００】
＜変形形態その３＞
以上の説明では、画像光源５４が画像光を直接フレネルレンズ５１に投影する例を示したが、この実施の形態５はこれに限らず、例えば、画像光源５４からの画像光を反射や屈折等させて光路を変更してから、フレネルレンズ５１に投影するミラーやプリズム等の光学手段を設けても良い。
【０１０１】
実施の形態６．
実施の形態５で示したレンズ成形型製造方法によってレンズ成形型を製造すると、金属の展性によってレンズ成形型に歪が発生してしまう。当然、レンズ成形型の歪はフレネルレンズの光学面の歪になり、その光学性能を劣化させる要因につながる。
この実施の形態６では、レンズ成形型の歪の発生についてまず説明し、この歪の発生を回避してフレネルレンズの光学性能を保証できるレンズ成形型製造方法について述べる。また、実施の形態３で説明した特性変化角近傍の媒介プリズム部（または実施の形態５で説明したレンズ比率を変化させる手法）を用いたフレネルレンズにおいて、レンズ成形型の歪が影響しても良好な光学性能を実現できるレンズ成形型製造方法についても言及する。
【０１０２】
図３３Ａ〜図３３Ｆはレンズ成形型の製造工程で発生する歪を説明するための図であり、実施の形態５で説明したレンズ成形型製造方法に基づいている。図２８と同一符号は相当する構成である。図３３Ａ〜図３３Ｆでは、フレネル中心からフレネル周縁へ各ピッチ毎に切削作業が進められ、主単位プリズム部としての全反射型プリズム部の成形型（反転形状）を切削した後に、副単位プリズム部としての屈折型プリズム部の成形型（反転形状）を切削する工程である。
まず始めに、第１ピッチＰ１の全反射型プリズム部成形型をレンズ成形型Ｃに対してバイトＢで切削し（図３３Ａ）、続いて、第１ピッチＰ１の屈折型プリズム部をレンズ成形型ＣにバイトＢで切削する（図３３Ｂ）。これによって、第１ピッチＰ１におけるハイブリッド型プリズム部成形型の切削が完了する。このときの切削条件は実施の形態５で述べた通りである。
次に第２ピッチＰ２の切削作業へと移行する。第２ピッチＰ２の全反射型プリズム部成形型をレンズ成形型Ｃに切削した状態は図３３Ｃのようになり、このとき、第１ピッチＰ１の全反射型プリズム部成形型の全反射面と、第２ピッチＰ２の全反射型プリズム部成形型の入射面との間に鋭利な谷線Ｔ１の先端部が生じる。
【０１０３】
そして図３３Ｄに示すように、この谷線Ｔ１先端部に対してバイトＢを押し当て、第２ピッチＰ２の屈折型プリズム部成形型の切削を行なう。この実施の形態６の冒頭で述べたレンズ成形型Ｃの歪は、この第２ピッチＰ２の屈折型プリズム部成形型を切削するときに生じるものである。
つまり、谷線Ｔ１先端部の幅はその頂点ほど狭くなっているため、これに応じてその強度も弱くなっている。したがって、図３３Ｅに示すように鋭利な谷線Ｔ１先端部に対してバイトＢを押し当てると、第２ピッチＰ２から第１ピッチＰ１の方向へ生じる押当力が谷線Ｔ１先端部の頂点に近い部分ほどより大きく働くようになり、金属の展性によって、図３３Ｅの点線円ＮＧ内でレンズ成形型Ｃの歪が発生することになる。
【０１０４】
図３３Ｆは図３３Ｅの点線円ＮＧの内部を拡大した図である。
図３３Ｆでは、谷線Ｔ１先端部の頂点ほどバイトＢによって第２ピッチＰ２から第１ピッチＰ１の方向へ押込まれており、第１ピッチＰ１の全反射面の切削形状に歪が生じている。例えば、設計通りの全反射面の切削形状を２点破線Ｒｅａｌで示すと、レンズ成形型Ｃの歪は１点破線の曲線（曲面）Ｅｒｒで表される。
以下、不図示の第３ピッチＰ３以降においても同様の切削作業が繰り返されるため、第ｎ＋１ピッチＰｎ＋１（ｎは自然数）の屈折型プリズム部を切削する際に、切削済の第ｎピッチＰｎと切削中の第ｎ＋１ピッチＰｎ＋１との間の谷線Ｔｎの先端部に歪が発生してしまう。このように製造されたレンズ成形型Ｃによるフレネルレンズは、歪が生じた分だけ全反射面の形状が変形してその光学性能が劣化し、例えば光損失の増加や、歪の度合いが各ピッチでランダムに発生した場合には、出射光強度の不自然な不連続性につながってしまうことになる。
【０１０５】
以上のレンズ成形型Ｃにおける歪の発生を踏まえて、実施の形態５のレンズ成形型製造方法を改良すると次のようになる。
図３４はこの発明の実施の形態６によるレンズ成形型製造方法を示すフローチャートであり、実施の形態５の図２６と同一符号は相当するステップを表している。また、図３５Ａ〜図３５Ｆは図３４のレンズ成形型製造方法にしたがって切削されていくレンズ成形型Ｃの状態を示す図であり、図２８や図３３Ａ〜図３３Ｆに対応する構成については同一符号を付してある。図３３Ａ〜図３３Ｆと同様に、図３５Ａ〜図３５Ｆでは、全反射型プリズム部成形型、屈折型プリズム部成形型の順番でフレネル中心からフレネル周縁へ切削作業が進められていく。
【０１０６】
図３４において、実施の形態５と同様に、ステップＳＴ１でピッチ番号ｎ＝１を設定し、ステップＳＴ２（主単位プリズム部切削ステップ）で第１ピッチＰ１の全反射型プリズム部成形型をバイトＢで切削する（図３５Ａ）。
そして、ステップＳＴ２の次にステップＳＴ６（ピッチマージン設定ステップ）を設けている点がこの実施の形態６の特徴である。このステップＳＴ６では、第１ピッチＰ１におけるピッチマージンΔＰ１を設定する。ここで、切削作業中の第ｎ＋１ピッチＰｎ＋１におけるピッチマージンΔＰｎ＋１とは、第ｎ＋１ピッチＰｎ＋１の屈折型プリズム部成形型（副単位プリズム部）を切削する際にバイトＢの頂点がレンズ成形型Ｃに最初に接する部分から、切削済の隣接第ｎピッチＰｎの境界までの切削進行方向上の距離である。
このピッチマージンΔＰ１がステップＳＴ６で設定されるとステップＳＴ７（副単位プリズム部切削ステップ）へと移行して、切削条件（Ａ）または切削条件（Ｂ）と、ピッチマージンΔＰ１（≧０）とにしたがって、第１ピッチＰ１の屈折型プリズム部成形型を切削する。このステップＳＴ７のときの切削作業状態は図３５Ｂのようになっている。図３３Ｂと比較すると分かるように、フレネル中心からフレネル周縁の方向へピッチマージンΔＰ１の分だけ屈折型プリズム部成形型をズラして切削している。
【０１０７】
ステップＳＴ４でピッチ番号ｎ＝２になり、ステップＳＴ５からステップＳＴ２へ移行すると、第２ピッチＰ２の切削作業へと移り、ステップＳＴ２の全反射型プリズム部成形型の切削を行なう。このときの状態は図３５Ｃの通りであり、図３３Ｃと同様に第１ピッチＰ１と第２ピッチＰ２との間に鋭利な谷線Ｔ１先端部がこのときに生じる。
ステップＳＴ６では第２ピッチＰ２のピッチマージンΔＰ２（≧０）を設定し（図３５Ｄ）、ステップＳＴ７ではピッチマージンΔＰ２にしたがって屈折型プリズム部成形型の切削を行なう（図３５Ｅ）。ステップＳＴ６のピッチマージンを設定する理由が明らかになるのはこのときである。
【０１０８】
つまり、図３５Ｄ，図３５Ｅから分かるように、フレネル中心からフレネル周縁へ微小幅のピッチマージンΔＰ２だけ切削開始位置をズラして第２ピッチＰ２の屈折型プリズム部成形型を切削するため、図３５Ｅ点線円ＯＫ内（拡大図を図３５Ｆに示す）の谷線Ｔ１先端部の強度もそれだけ強くなり、図３３Ｄ，図３３Ｅと同様に第２ピッチＰ２から第１ピッチＰ１の方向へバイトＢの押当力が働いても、この押当力に対抗するだけの強度を谷線Ｔ１先端部に持たせることができる。
以後、ステップＳＴ５で切削作業の完了が判定されるまで、ピッチマージンΔＰｎを持って各ピッチＰｎの屈折型プリズム部が切削されていく。このように図３４のレンズ成形型製造方法によれば、レンズ成形型Ｃに歪が発生しないため、このレンズ成形型Ｃによって製造されたフレネルレンズ各ピッチの全反射面を設計通りの形状に保つことができ、フレネルレンズの光学性能を保証することができる。
説明を補足すると、任意の第ｎピッチＰｎにおけるピッチマージンΔＰｎは全て一定の微小値としても良いし、異なる微小値に設定しても良い。
また、上記の各図では、全反射型プリズム部、屈折型プリズム部をそれぞれ主単位プリズム部、副単位プリズム部とし、フレネル中心からフレネル周縁へ切削する場合を例としたが、この実施の形態６はこれに限定されず、屈折型プリズム部、全反射型プリズム部をそれぞれ主単位プリズム部、副単位プリズム部として、フレネル周縁からフレネル中心へ切削するようにした場合にも適用することが可能である。
【０１０９】
次に、媒介プリズム部（実施の形態３）を備えたフレネルレンズにおいて、レンズ成形型にダミープリズム部成形型を製造することによって、歪の影響を抑制する手法について説明する。
図３６Ａ，図３６Ｂはダミープリズム部を備えていないフレネルレンズの構成および動作を説明するための図であり、図３７Ａ，図３７Ｂはダミープリズム部を備えたフレネルレンズの構成および動作を説明するための図である。
図３６Ａ，図３７Ａでは、図３６Ａ，図３７Ａのフレネルレンズの断面形状をそれぞれ拡大して示しており、図３６Ｂ，図３７Ｂでは、図３６Ａ，図３７Ａの全反射型プリズム部の高さＲｆｌ（実線）と屈折型プリズム部の高さＲｆｒ（１点破線）とを各ピッチ毎にそれぞれ示している。高さは、フレネルレンズの光軸方向に対するプリズム部の切削深さを言う。図３６Ａおよび図３６Ｂ，図３７Ａおよび図３７Ｂでは、いずれも紙面下方がフレネル中心、紙面上方がフレネル周縁である。
【０１１０】
図３６Ａおよび図３７Ａにおいて、７０はフレネルレンズ、Ｐｈ−１，Ｐｈ，…，Ｐｉ−４〜Ｐｉ＋１，…，Ｐｊ−１〜Ｐｊ＋１はそれぞれフレネルレンズ７０の各ピッチである。
また、７１ｈ−１，７１ｈ，…，７１ｉ−４〜７１ｉ＋１，…，７１ｊ−１〜７１ｊ＋１は各ピッチＰｈ−１〜Ｐｊ＋１にそれぞれ設けられた全反射型プリズム部、７２ｈ−１，７２ｈ，…，７２ｉ−４〜７２ｉは各ピッチＰｈ−１〜Ｐｉにそれぞれ設けられた屈折型プリズム部、７３はフレネルレンズ７０の出射面である。
さらに、図３７Ａのみにおいて、７２ｉ＋１，…，７２ｊ−１，７２ｊは各ピッチＰｉ＋１，…，Ｐｊ−１，Ｐｊにそれぞれ設けられた屈折型プリズム部（ダミープリズム部）である。この屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊは、図３７Ｂに示すように全反射型プリズム部７１ｉ＋１〜７１ｊの高さＲｆｌと比較して、その高さＲｆｒを低く設定しており（Ｒｆｒ＝０）、入射光の受光に関与していない。
【０１１１】
図３６Ａ，図３７Ａともに、ピッチマージンなしで作られたレンズ成形型によってフレネルレンズ７０を製造しているため、屈折型プリズム部７２ｈ−１〜７２ｉを切削したことにより、全反射型プリズム部７１ｈ−１〜７１ｉ−１の全反射面に歪（点線円ＮＧ内）が発生していることが分かる（図では、簡単のために歪の形状を直線的に表している）。
さらに図３７Ａのフレネルレンズ７０では、屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊも設けているので、全反射型プリズム部７１ｈ−１〜７１ｉ−１に加えて、全反射型プリズム部７１ｉ〜７１ｊ−１の全反射面にも歪（点線円ＮＧ内）が発生している。この屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊは、各ピッチＰｉ＋１〜Ｐｊに意識して設けているものである。この屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊの有無によって、図３６Ａのフレネルレンズ７０と図３７Ａのフレネルレンズ７０との違いが特徴付けられる。
図３６Ａにおいて、ピッチＰｉ−４からフレネル中心までの中心側ピッチ群では、比較的小さな入射角で光線が入射するので、全反射型プリズム部７１ｉ−４，７１ｈ，７１ｈ−１，…と屈折型プリズム部７２ｉ−４，７２ｈ，７２ｈ−１，…とをともに備えたハイブリッド型プリズム部を成形してある。全反射型プリズム部７１ｉ−４，７１ｈ，７１ｈ−１，…と、屈折型プリズム部７２ｉ−４，７２ｈ，７２ｈ−１，…との中心側ピッチ群における各高さＲｆｌ，Ｒｆｒは図３６Ｂのように１：１になっている。
【０１１２】
一方、図３６ＡのピッチＰｉ＋１からフレネル周縁までの周縁側ピッチ群では、比較的大きな入射角で光線が入射するので、大きな入射角に対しては透過率が劣化してほとんど機能しない屈折型プリズム部の高さＲｆｒを０にして（図３６Ｂ）、全反射型プリズム部７１ｉ＋１，…，７１ｊ−１，７１ｊ，７１ｊ＋１，…のみを成形している。
そして、図３６Ａの中心側ピッチ群から周縁側ピッチ群へ移行する領域に存在するピッチＰｉ−３からピッチＰｉまでの媒介ピッチ群では、図３６Ｂに示すように、フレネル中心側からフレネル周縁側のピッチになるほど、屈折型プリズム部７２ｉ−３，…，７２ｉの高さＲｆｒだけを徐々に減少させたハイブリッド型プリズム部（媒介プリズム部）を成形している。これは、中心側ピッチ群から周縁側ピッチ群へ移行する際の透過率特性を滑らかにすることが目的であり、この図３６Ａのフレネルレンズ７０のように媒介ピッチ群を設けることで、原理的には透過率特性を滑らかすることができる。
【０１１３】
ところが、点線円ＮＧ内の歪が全反射型プリズム部の全反射面に発生してしまうため、図３６Ａに示したフレネルレンズ７０では、ピッチＰｉ−１の透過率とピッチＰｉの透過率との不連続性が大きくなってしまうことになる。したがって例えば図３６Ａのフレネルレンズ７０をスクリーンに適用すると、スクリーン上の画像の明るさに不自然な境界が発生してしまう。
一方、図３７Ａのフレネルレンズ７０では、全反射型プリズム部の全反射面に点線円ＮＧ内の歪が発生することを想定し、図３６Ａのフレネルレンズ７０の構成に加えて、前述したように屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊをわざと設けるようにしている。このため、図３６Ａのフレネルレンズ７０と異なり、ピッチ間における透過率の不連続性を解消できるようになっている。
【０１１４】
図３６Ａのフレネルレンズ７０と図３７Ａのフレネルレンズ７０との違いをもう少し詳しく説明する。
図３８Ａ，図３８Ｂは図３６Ａのフレネルレンズ７０と図３７Ａのフレネルレンズ７０との違いを説明するための図である。図３８Ａは図３６Ａのフレネルレンズ７０を、図３８Ｂは図３７Ａのフレネルレンズ７０を、ピッチＰｉ−１〜ピッチＰｊをそれぞれ拡大した図になっている。図３６Ａ，図３７Ｂと同一符号は相当する構成である。
図３８ＡのピッチＰｉ−１において、フレネル周縁側の隣接ピッチＰｉに最後の屈折型プリズム部７２ｉが設けられているので、全反射型プリズム部７１ｉ−１の全反射面７４ｉ−１には点線円ＮＧ内の歪が生じている。したがって、全反射型プリズム部７１ｉ−１の入射面７５ｉ−１で受光した入射光束７６ｉ−１は、その全てが全反射面７４ｉ−１で全反射されて出射面７３から出射さる訳ではない。つまり、一部の光束７７ｉ−１は入射面７５ｉ−１で屈折した後に点線円ＮＧ内の歪によって本来の全反射方向とは異なる方向へ散乱されるので、光損失が生じる。
一方、図３８ＡのピッチＰｉでは、フレネル周縁側に隣接するピッチＰｉ＋１に屈折型プリズム部が存在しないため、ピッチＰｉの全反射型プリズム部７１ｉの全反射面７４ｉには歪が生じていない。したがってこのピッチＰｉでは、全反射型プリズム部７１ｉの入射面７５ｉで受光した光束７６ｉが全反射面７４ｉ全面で全反射して出射面７３から出射するため、ピッチＰｉ−１と異なって光損失が生じていない。
【０１１５】
以下、ピッチＰｉ＋１，…においても、全反射面７４ｉ＋１，…に点線円ＮＧ内の歪が生じていないため、歪の影響による光損失が生じたピッチＰｉ−１と、光損失のないピッチＰｉとの間で透過率の不連続性が大きく生じてしまうことになる。
この図３８Ａの場合に対して、図３８Ｂに示したフレネルレンズ７０では、全反射面７４ｉに点線円ＮＧ内の歪が生じることを想定し、ピッチＰｉのフレネル周縁側に隣接するピッチＰｉ＋１にも光の受光に関与しない屈折型プリズム部７２ｉ＋１をわざと設けている。このようにすることで、ピッチＰｉでも、一部の光束７７ｉは入射面７５ｉで屈折した後に点線円ＮＧ内の歪によって本来の全反射方向とは異なる方向へ散乱されることで、ピッチＰｉ−１と同様に光損失を生じさせて、透過率の不連続性を解消している。
以下、フレネル周縁側の各ピッチにも同様にして、受光に関与しない屈折型プリズム部を屈折型プリズム部７２ｊ−１，７２ｊに至るまで設けて透過率の不連続性を解消している。そして、フレネルレンズ７０への入射光の入射角が充分に大きくなり、全反射面の全面にわたって全反射しなくなったピッチ以降において、ダミーの屈折型プリズム部を完全に消滅するようにしている。
【０１１６】
図３８ＢのピッチＰｊがちょうどこれに相当しており、入射光の入射角が充分に大きくなっているため、点線円ＮＧの歪が生じるはずの全反射面７４ｊの部分は光の全反射に使わなれなくなっており、隣接するピッチＰｊ−１との光損失の差異は、点線円ＮＧの歪の有無に関係しなくなっている。
このように、全反射型プリズム部７１ｊ−１，７１ｊが設けられる周縁側ピッチ群に至るまで、受光に関与しない屈折型プリズム部７２ｉ＋１〜７２ｊを設けるようにすることで、点線円ＮＧの歪に起因した透過率の不連続性を全て解消することができる。
【０１１７】
以上のように、この実施の形態６によれば、ピッチマージンΔＰｎを設定するステップＳＴ６をステップＳＴ２の次に設け、ピッチマージンΔＰｎの分だけ切削進行方向へ切削開始位置をズラして副単位プリズム部成形型をステップＳＴ７で切削するようにしたので、副単位プリズム部を切削する際に、ピッチ毎の各主単位プリズム間の谷線Ｔｎ先端部に発生するレンズ成形型Ｃの歪を防ぐことができるようになり、レンズ成形型を設計通りの形状にすることができ、またレンズ成形型で製造したフレネルレンズの光学性能を保証できるという効果が得られる。
【０１１８】
また、この実施の形態６によれば、全反射型プリズム部および屈折型プリズム部からなるハイブリッド型プリズム部が成形されたフレネル中心側ピッチ群と、全反射型プリズム部だけが成形されたフレネル周縁側ピッチ群と、フレネル中心側ピッチ群から上記フレネル周縁側ピッチ群へピッチが移るにつれて、全反射型プリズム部の高さを一定に保つとともに、屈折型プリズム部の高さだけを減少させる媒介ピッチ群とを製造する場合には、媒介ピッチ群において最小の高さを有し、受光に関与しない屈折型プリズム部をダミープリズム部として媒介ピッチ群からフレネル周縁側ピッチ群の少なくとも一部のピッチまで切削するようにしたので、全反射面の歪に起因した光損失によって生じる透過率の不連続性を解消できるという効果が得られる。
【０１１９】
なお、ここでは、媒介ピッチ群からフレネル周縁側ピッチ群へダミープリズム部を切削するようにしたが、この実施の形態６はこれに限定されるものではない。例えば、ハイブリッド型プリズム部（媒介プリズム部を含む）から屈折型プリズム部や全反射型プリズム部などへ、また逆に屈折型プリズム部や全反射型プリズム部などからハイブリッド型プリズム部（媒介プリズム部を含む）へ、プリズム部の形状をピッチ毎に変化させていく場合に、プリズム部の形状が変化していく少なくとも一部のピッチ群に渡ってダミープリズム部を連続して設けることにより、プリズム部形状の変化によって生じる製造誤差（例えば谷線先端部の歪など）の急激な消滅・発生を抑制し、透過率などの光学性能の急激な変化を緩和できる。
【０１２０】
実施の形態７．
実施の形態１で説明したように、屈折型プリズム部は無効面を備えており、この無効面で受光された入射光束（無効光線群）は、フレネルレンズ内部で迷光となって出射面から出射し、スクリーン上にゴーストを発生させる要因となる。また、入射光の入射角の大きさによっては、全反射型プリズム部へ入射しても全反射面で全反射されない光線（俗に表現すれば、全反射面を‘空振り’する空振光線）も存在し、これも迷光となってゴーストを発生させる。この実施の形態７では、迷光を吸収してゴーストを軽減する構成を入射面側や出射面側に施したフレネルレンズについて説明する。
図３９はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図であり、無効光線に起因するゴーストを軽減する構成をフレネルレンズの入射側に設けた場合である。図９と同一符号は相当する構成である。
図３９において、８１は屈折型プリズム部３Ａの無効面３Ｚ，３Ｚ−１，…にそれぞれ設けられた光吸収層である。
光吸収層８１は、各ピッチの無効面３Ｚ，３Ｚ−１，…へ入射する無効光線ｌｉｅを吸収する働きをする。無効面３Ｚ，３Ｚ−１，…に光吸収層８１を設けることにより、無効光線によるフレネルレンズ１内部の迷光の発生を防ぐことができるようになり、スクリーン上に発生するゴーストを軽減できるという効果が得られる。
【０１２１】
図４０はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図であり、無効光線や空振光線による迷光をフレネルレンズの出射面側で吸収する構成を示している。図９と同一符号は相当する構成である。
図４０において、８２はフレネルレンズ１の出射面５に設けられた迷光吸収板である。迷光吸収板８２はフレネルレンズ１の出射面５と平行な入射面および出射面を有する平行平板であり、光を透過する光透過層８３と、光を吸収する薄膜の光吸収層８４とが、フレネルレンズ１の不図示の光軸と平行になるように交互に積層されている。
図４０に示すように、屈折型プリズム部３Ａの入射面３Ｂや全反射型プリズム部４Ａの入射面４Ｂで受光した光線ｂ３，ｂ４の光路と比較すると、無効面３Ｚ，３Ｚ−１，…から入射したフレネルレンズ１内部の迷光ｂｅ１や全反射型プリズム部４Ａの入射面４Ｂから入射して全反射面４Ｃを空振りした空振光線の迷光ｂｅ２は、フレネルレンズ１の径方向に向ってより大きく進行するため、フレネルレンズ１の出射面５から出射して光線ｂｅ１’，ｂｅ２’になると、フレネルレンズ１の光軸と平行に積層された各光吸収層８４によって吸収されるようになる。
【０１２２】
屈折型プリズム部３Ａの入射面３Ｂや全反射型プリズム部４Ａの入射面４Ｂで受光した光線ｂ３，ｂ４も、出射面５から出射して光線ｂ３’，ｂ４’となるとその一部は光吸収層８４によって吸収されるが、これらの光線ｂ３’，ｂ４’はフレネルレンズ１の光軸に対してほとんど平行に出射するため、吸収される光量はごくわずかである。大部分の光線ｂ３’，ｂ４’は光透過層８３を透過して例えば不図示のレンチキュラーへ進行し、大きな問題にはならない。
なお、光透過層８３と光吸収層８４との積層構造は、図４１Ａのようにフレネルレンズ１の光軸を中心として同心円状（放射状）にしても良いし、図４１Ｂのように光透過層８３や光吸収層８４が紙面左右方向へ広がるように、光透過層８３，光吸収層８４を紙面上下方向へ積層しても良い。この場合、縦横比３：４のスクリーンに適用すると、紙面上下方向が３，紙面左右方向が４に当たる。
【０１２３】
図４１Ａの構成を採用することによって迷光の吸収効率を最良にすることができ、図４１Ｂの構成を採用することによって迷光吸収板８２の製造が容易になり、製造コストを軽減できるようになる。
また、光吸収層８４の積層間隔（光透過層８３の厚さ）は、フレネルレンズ１のピッチ間隔に合せても良いし、フレネルレンズ１の光軸からの距離に応じて変化させても良く、仕様に応じて自由に設計可能である。付け加えれば、光吸収層８４の積層構造は、フレネルレンズ１，不図示のレンチキュラーの周期構造との干渉によるモアレ縞の発生を避けるようなピッチに設定すべきである。
さらに、光吸収層８４を埋め込む複数のスリットを図４１Ａや図４１Ｂの積層パターンでフレネルレンズ１の出射面５側に作成し、これらのスリットに光吸収層８４を設けても良い。この際、光吸収層８４として、上記複数のスリット内に光吸収性のある塗料を充填することで形成するのが適当である。このように、フレネルレンズ１の出射面５に迷光吸収板８２を一体成形することにより、部品点数を削減できるようになる。
【０１２４】
図４２はこの発明の実施の形態７によるフレネルレンズの断面形状を示す図であり、無効面で受光して生じた迷光をフレネルレンズの出射面側で吸収する構成を示している。図９、図４０と同一符号は相当する構成である。
図４２において、８５はフレネルレンズ１の出射面５側に設けられた光吸収板であり、フレネルレンズ１の出射面５と平行な入射面および出射面を有する平行平板である。
図４０でも述べた通り、迷光ｂｅ１や迷光ｂｅ２はフレネルレンズ１の径方向へより大きく進行するため、屈折型プリズム部３Ａの入射面３Ｂや全反射型プリズム部４Ａの入射面４Ｂで受光して出射面５から出射した光線ｂ３’，ｂ４’の光路長Ｂ３’，Ｂ４’と比較すると、光吸収板８５内の迷光ｂｅ１’，ｂｅ２’の光路長ＢＥ１’，ＢＥ２’の方が大きくなる。この両者の光路差の分だけ光吸収板８５によって迷光ｂｅ１’，ｂｅ２’の方が大きく吸収され、光吸収板８５から出射するときの迷光ｂｅ１’，ｂｅ２’の強度を低下できる。
また、光吸収板８５の内部（出射面）で多重反射する迷光ｂｅ３，ｂｅ４は、多重反射の回数に応じてその光路長がさらに長くなって大きく吸収されるため、迷光ｂｅ１’，ｂｅ２’よりも強度が低下し、全く問題にならない。
さらに、光吸収板８５の入射面側で反射した迷光ｂｅ５，ｂｅ６はフレネルレンズ１の各部位で（多重）屈折・反射してから光吸収板８５へ入射するため、反射の際にフレネルレンズ１の各部位で屈折・反射してフレネルレンズ１から出射する光が屈折・反射の各界面で受ける損失分だけさらに強度が低下する。
このように、光吸収板８５を利用することによって、簡単な構成で迷光を吸収することができ、スクリーン上に発生するゴーストを軽減できるという効果が得られる。
なお、図３９〜図４２のゴーストを軽減する各構成を任意に組み合わせて迷光を吸収しても良い。例えば、光吸収層８１と迷光吸収板８２との組合せや、光吸収層８１と光吸収板８５との組合せをフレネルレンズ１に適用することにより、迷光をさらに吸収することができるようになり、スクリーン上のゴーストを軽減できるという効果が得られる。
【０１２５】
以上のように、この実施の形態７によれば、屈折型プリズム部３Ａの無効面３Ｚ，３Ｚ−１，…に光を吸収する薄膜の光吸収層８１をそれぞれ設けるようにしたので、フレネルレンズ１内部の迷光の発生を防ぐことができるようになり、スクリーン上に発生するゴーストを軽減できるという効果が得られる。
また、この実施の形態７によれば、フレネルレンズ１の光軸と略平行になるように、複数の光透過層８３間に複数の光吸収層８４を積層した迷光吸収板８２を出射面５に備えるようにしたので、フレネルレンズ１内部で発生した迷光を吸収できるようになり、スクリーン上に発生するゴーストを軽減できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態７によれば、フレネルレンズ１の出射面５に迷光吸収板８２を一体成形するようにしたので、少ない部品点数で迷光を吸収できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態７によれば、フレネルレンズ１の光軸を中心として同心円状（放射状）に光透過層８３と光吸収層８４とを積層するようにしたので、迷光の吸収効率を最良にできるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態７によれば、光透過層８３と光吸収層８４とを一方向に対して平行に積層するようにしたので、迷光吸収板８２の製造が容易になり、製造コストを削減できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態７によれば、フレネルレンズ１の出射面５に光吸収板８５を設けるようにしたので、簡単な構成で迷光を吸収できるようになり、スクリーン上に発生するゴーストを軽減できるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１２６】
１  フレネルレンズ、２  ハイブリッド型プリズム部、３Ａ  屈折型プリズム部、３Ｂ  第１入射面、３Ｚ  無効面、４Ａ  全反射型プリズム部、４Ｂ  第２入射面、４Ｃ  全反射面、１ｉ１  第１入射光線、１ｉ２  第２入射光線、１ｏ１  第１出射光線、１ｏ２  第１出射光線、１ｔ１  第１透過光線、１ｔ２  第２透過光線、１ｔ３  第３透過光線。
【図１】
0005225536.tif 000002
【図２】
0005225536.tif 000003
【図３Ａ】
0005225536.tif 000004
【図３Ｂ】
0005225536.tif 000005
【図４Ａ】
0005225536.tif 000006
【図４Ｂ】
0005225536.tif 000007
【図５Ａ】
0005225536.tif 000008
【図５Ｂ】
0005225536.tif 000009
【図６】
0005225536.tif 000010
【図７】
0005225536.tif 000011
【図８】
0005225536.tif 000012
【図９】
0005225536.tif 000013
【図１０】
0005225536.tif 000014
【図１１】
0005225536.tif 000015
【図１２】
0005225536.tif 000016
【図１３】
0005225536.tif 000017
【図１４】
0005225536.tif 000018
【図１５】
0005225536.tif 000019
【図１６】
0005225536.tif 000020
【図１７Ａ】
0005225536.tif 000021
【図１７Ｂ】
0005225536.tif 000022
【図１８Ａ】
0005225536.tif 000023
【図１８Ｂ】
0005225536.tif 000024
【図１８Ｃ】
0005225536.tif 000025
【図１９】
0005225536.tif 000026
【図２０】
0005225536.tif 000027
【図２１】
0005225536.tif 000028
【図２２】
0005225536.tif 000029
【図２３Ａ】
0005225536.tif 000030
【図２３Ｂ】
0005225536.tif 000031
【図２３Ｃ】
0005225536.tif 000032
【図２４Ａ】
0005225536.tif 000033
【図２４Ｂ】
0005225536.tif 000034
【図２４Ｃ】
0005225536.tif 000035
【図２５Ａ】
0005225536.tif 000036
【図２５Ｂ】
0005225536.tif 000037
【図２５Ｃ】
0005225536.tif 000038
【図２６】
0005225536.tif 000039
【図２７Ａ】
0005225536.tif 000040
【図２７Ｂ】
0005225536.tif 000041
【図２７Ｃ】
0005225536.tif 000042
【図２７Ｄ】
0005225536.tif 000043
【図２８Ａ】
0005225536.tif 000044
【図２８Ｂ】
0005225536.tif 000045
【図２８Ｃ】
0005225536.tif 000046
【図２８Ｄ】
0005225536.tif 000047
【図２９】
0005225536.tif 000048
【図３０】
0005225536.tif 000049
【図３１】
0005225536.tif 000050
【図３２】
0005225536.tif 000051
【図３３Ａ】
0005225536.tif 000052
【図３３Ｂ】
0005225536.tif 000053
【図３３Ｃ】
0005225536.tif 000054
【図３３Ｄ】
0005225536.tif 000055
【図３３Ｅ】
0005225536.tif 000056
【図３３Ｆ】
0005225536.tif 000057
【図３４】
0005225536.tif 000058
【図３５Ａ】
0005225536.tif 000059
【図３５Ｂ】
0005225536.tif 000060
【図３５Ｃ】
0005225536.tif 000061
【図３５Ｄ】
0005225536.tif 000062
【図３５Ｅ】
0005225536.tif 000063
【図３５Ｆ】
0005225536.tif 000064
【図３６Ａ】
0005225536.tif 000065
【図３６Ｂ】
0005225536.tif 000066
【図３７Ａ】
0005225536.tif 000067
【図３７Ｂ】
0005225536.tif 000068
【図３８Ａ】
0005225536.tif 000069
【図３８Ｂ】
0005225536.tif 000070
【図３９】
0005225536.tif 000071
【図４０】
0005225536.tif 000072
【図４１Ａ】
0005225536.tif 000073
【図４１Ｂ】
0005225536.tif 000074
【図４２】
0005225536.tif 000075