(57)【要約】【課題】  フレネル中心がフレネルレンズシートの外側乃至下端近傍にある場合には、共役点を無限遠に設定していた。このため、画面４隅から出光する画像光は観視者の方向を向いていないことから暗く、尚且つフレネル中心の存在する側と相対する側は投射光学系の画角が大きいことから更に暗くなると言った課題があった。【解決手段】  フレネルレンズシート３１は、フレネル中心ｏがフレネルレンズシート３１の下端近傍に位置し、基準円周ｎよりも内側に位置する同心円状の第１フレネルレンズと基準円周ｎよりも外側に位置する同心円状の第２フレネルレンズとを備える。そして本発明は、第２フレネルレンズの共役点距離を、第１フレネルレンズの共役点距離よりも短くする。この基準円周ｎは、フレネルレンズシート３１を上下２等分する水平中心線ｍとフレネルレンズシートの左右端との交点近傍を通るフレネルレンズの演習とする。【選択図】  図４
2007011154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像発生源からの光が拡大投射されるスクリーンにおいて、
フレネル中心を中心点として同心円状または弧状に複数のフレネルレンズが光出射面に形成されたフレネルレンズシートと、
該フレネルレンズシートの画像観視側に配置され、少なくとも画面水平方向に画像光を拡散させる拡散シートと、を備え、
前記フレネル中心は、前記フレネルレンズシートの下端近傍または下端外側、若しくは前記フレネルレンズシートの上端近傍または上端外側に位置し、
前記フレネルレンズは、前記フレネル中心を中心点とする基準円周よりも内側に形成された第１フレネルレンズと、前記基準円周よりも外側に形成された第２フレネルレンズとを含み、
前記第２フレネルレンズの像側共役点の距離が、前記第１フレネルレンズの像側共役点の距離よりも短いことを特徴とするスクリーン。
【請求項２】
請求項１に記載のスクリーンにおいて、前記画像発生源の中心からの光線が、該フレネルレンズシートの光入射面の法線に対し斜め方向から投射されることを特徴とするスクリーン。
【請求項３】
請求項１に記載のスクリーンにおいて、前記第１フレネルレンズの像側共役点の距離がほぼ無限遠であることを特徴とするスクリーン。
【請求項４】
請求項１に記載のスクリーンにおいて、前記第２フレネルレンズは、複数の像側共役点の距離を有することを特徴とするスクリーン。
【請求項５】
請求項４に記載のスクリーンにおいて、前記第２フレネルレンズの像側共役点の距離が、前記基準円周から外側に向かうに従って徐々に短くなることを特徴とするスクリーン。
【請求項６】
請求項４に記載のスクリーンにおいて、該スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、前記第２フレネルレンズにおける複数の像側共役点のうち最も短い共役点距離が、略１０Ｗ以上であることを特徴とするスクリーン。
【請求項７】
請求項４に記載のスクリーンにおいて、該スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、前記第２フレネルレンズにおける複数の像側共役点のうち最も短い共役点距離が、略１０Ｗ以上から略２５Ｗの範囲にあることを特徴とするスクリーン。
【請求項８】
請求項４に記載のスクリーンにおいて、前記第２フレネルレンズの任意の点に入射される光と前記スクリーンの法線とのなす角度（フレネル入射角）をδとしたとき、その点における前記像側共役点の距離Ｌが、次の条件を満たすことを特徴とするスクリーン。
Ｌ≧１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
【請求項９】
投射型画像表示装置に用いられるスクリーンにおいて、
光出射面に、フレネル中心を中心点として弧状または同心円状に複数のフレネルレンズが形成されたフレネルレンズシートと、
該フレネルレンズシートの画像観視側に配置され、少なくとも画面水平方向に画像光を拡散させる拡散シートと、を備え、
前記フレネル中心は、前記フレネルレンズシートの下端近傍または下端外側、若しくは前記フレネルレンズシートの上端近傍または上端外側に位置し、
前記フレネルレンズシートを上下方向に２等分する水平中心線を基準に、前記フレネル中心から遠い方の領域に形成されたフレネルレンズの少なくとも一部が、像側共役点を有することを特徴とするスクリーン。
【請求項１０】
請求項９に記載のスクリーンにおいて、前記フレネル中心が存在しない方の領域に形成されたフレネルレンズのうち、前記水平中心線が前記フレネルレンズシートの左右端と交わる点の近傍を通るフレネルレンズの円周よりも、外側に位置するフレネルレンズが共役点を有することを特徴とするスクリーン。
【請求項１１】
請求項１０に記載のスクリーンにおいて、該スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、前記スクリーンから前記像側共役点までの距離が、略１０Ｗ以上であることを特徴とするスクリーン。
【請求項１２】
請求項１０に記載のスクリーンにおいて、該スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、前記スクリーンから前記フレネルレンズシートの像側共役点までの距離が、略１０Ｗから略２５Ｗの範囲にあることを特徴とするスクリーン。
【請求項１３】
請求項１０に記載のスクリーンにおいて、前記第２フレネルレンズの任意の点に入射される光と前記スクリーンの法線とのなす角度（フレネル入射角）をδとしたとき、その点における前記像側共役点の距離Ｌが、次の条件を満たすことを特徴とするスクリーン。
Ｌ≧１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
【請求項１４】
画像表示装置において、
画像発生源と、透過型スクリーンと、前記画像発生源の画像を前記透過型スクリーンに拡大投射する光学部品とを備え、
前記光学部品は、前記画像発生源の中心からの光線を、前記スクリーンの法線に対し斜め方向から投射し、
前記透過型スクリーンは、少なくとも、フレネル中心を中心点として同心円状または弧状に複数のフレネルレンズが光出射面に形成されたフレネルレンズシートと、該フレネルレンズシートの画像観視側に配置され、少なくとも画面水平方向に画像光を拡散させる拡散シートとを含み、
前記フレネル中心は、前記フレネルレンズシートの下端近傍または下端外側、若しくは前記フレネルレンズシートの上端近傍または上端外側に位置し、
前記フレネルレンズは、前記フレネル中心を中心点とする基準円周よりも内側に形成された第１フレネルレンズと、前記基準円周よりも外側に形成された第２フレネルレンズとを含み、
前記第２フレネルレンズの像側共役点の距離が、前記第１フレネルレンズの像側共役点の距離よりも短いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の画像表示装置において、前記第２フレネルレンズは、複数の像側共役点の距離を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の画像表示装置において、前記第２フレネルレンズの像側共役点の距離が、前記基準円周から外側に向かうに従って徐々に短くなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の画像表示装置において、前記基準円周は、前記フレネルレンズシートを上下方向に２等分する水平中心線と前記フレネルレンズシートの左右端とが交わる点の近傍を通るフレネルレンズの円周であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１８】
請求項１４に記載の画像表示装置において、該スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、前記スクリーンから前記フレネルレンズシートの像側共役点までの距離が、略１０Ｗから略２５Ｗの範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載の画像表示装置において、前記第２フレネルレンズの任意の点に入射される光と前記スクリーンの法線とのなす角度（フレネル入射角）をδとしたとき、その点における前記像側共役点の距離Ｌが、次の条件を満たすことを特徴とする画像表示装置。
Ｌ≧１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像発生源の画像を拡大投射して透過型スクリーンに表示する画像表示装置に関する。特に、画像をスクリーン法線に対して斜めに投射して透過型スクリーン上に画像を形成する画像表示装置、及びこれに用いられるスクリーン並びにフレネルレンズシートに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子等の画像発生源に形成された画像を、投射光学ユニットによってスクリーン上に拡大して投射する、所謂、投射型画像表示装置においては、そのスクリーン上で充分な大きさの拡大画像を得ることが要求される。これと同時に、装置の奥行寸法を短縮することも要求される。かかる要求を実現するための技術が、例えば下記の特許文献１に記載のものが知られている。これは、スクリーンに対して斜め方向から拡大・投射する構成の投射光学ユニットを開示する。一方、透過型スクリーン上に投射された画像の明るさの均一化することが、例えば下記の特許文献２に記載のものが知られている。これは、透過型スクリーンのフレネルレンズシートに形成されるフレネルレンズの焦点距離を複数とすることを開示する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２６４６２７号公報
【特許文献２】特開平１０−２８２３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載にものは、その図２乃至図７に示されるように、投射レンズ装置の光軸中心がスクリーンの下端近傍（もしくは下端の外側）に位置する。このような光学システムにおいては、フレネルレンズシートのフレネル中心（同心円状のフレネルレンズの中心点）を投射レンズ装置の光軸中心と合わせるように、フレネルレンズシートの下端近傍に設ける必要がある。
【０００５】
特許文献１は、上記のような場合に、スクリーン上の画像を明るく見せることについては考慮されていない。特に、装置の奥行を短縮化するためにスクリーンに画像光を下方から斜め方向に投射する場合は、スクリーン上部の左右端部近傍に入射する光線の入射角が大きくなるため光の損失が増大し、当該端部近傍における映像は暗くなる。
【０００６】
スクリーン上の画像を明るく見せるために、例えば上記特許文献２に開示されているように、フレネルレンズシートの像側（画像観視側）に共役点を設けて観視者の方向に光線を向ける場合がある。ここで共役点とは、投射された画像光がフレネルレンズによって集光される点を意味する。しかしながら、特許文献２は、上記のようにフレネル中心がフレネルレンズシートの下端近傍に位置する場合を考慮していない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、装置の奥行を低減しつつスクリーン上の映像を明るく見せるのに好適な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、フレネル中心がフレネルレンズシートの下端近傍または下端外側／上端近傍または上端外側に位置する場合に、少なくとも２種類のフレネルレンズを用いる。すなわち、フレネル中心を中心点とする基準円周よりも内側に形成された第１フレネルレンズと、前記基準円周よりも外側に形成された第２フレネルレンズである。そして本発明は、上記第２フレネルレンズの像側共役点の距離を、第１フレネルレンズの像側共役点の距離よりも短くしたことを特徴とする。この基準円周は、フレネルレンズシートを上下方向に２等分する水平中心線とフレネルレンズシートの左右端とが交わる点の近傍を通るフレネルレンズの円周としてもよい。
【０００９】
また上記第２フレネルレンズは複数の像側共役点の距離を有し、この像側共役点の距離を、前記基準円周から外側に向かうに従って徐々に短くするようにしてもよい。また上記スクリーンの対角寸法をＷとしたとき、上記像側共役点の距離を略１０Ｗ以上、または略１０Ｗ以上から略２５Ｗの範囲としてもよい。更に、第２フレネルレンズの任意の点に入射される光と前記スクリーンの法線とのなす角度（フレネル入射角）をδとしたとき、その点における前記像側共役点の距離Ｌが次の条件を満たすようにしてもよい。
【００１０】
Ｌ≧１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
上記のように構成することで、比較的大きな入射角で光線が入射するスクリーンのコーナー部の画像光線を観視者の方向に向けることができ、画像を明るく見せることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、画像表示装置を薄型化しつつ画像を明るく見せることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は本実施形態に係る画像表示装置の一部断面斜視図である。画像発生源１は、小型の画像を表示する。画像発生源１は、反射型や透過型の液晶パネル、または微小なミラーを複数備えた表示素子等の光変調素子を含む。また、画像発生源１は投射型ブラウン管を含むものであってもよい。第１の光学系の構成要素である投射レンズ２は、画像発生源１の画像をスクリーン３に投射する。投射レンズ２からスクリーン３に至る光路中には、画像表示装置の奥行を低減するために平面反射ミラー４が設けられている。第２光学系の構成要素である自由曲面ミラー５は、前記投射レンズ２と平面反射ミラー４との間に設置されている。投射レンズからの光は、自由曲面ミラー５で反射されて平面反射ミラー４に導かれ、さらに平面反射ミラー４で反射されてスクリーン３に導かれる。これらの要素は、筐体６の内部に収納され、所定の位置に固定される。また、前記画像発生源１、投射レンズ２、自由曲面ミラー５は、光学系ベース７に固定され一体化されている。
【００１４】
以下、本実施形態による投射光学ユニットの構成部品の特徴について、図２を使用して説明する。
【００１５】
図２は本実施形態に係る投射光学ユニットを用いた背面投射型画像表示装置の基本的な光学構成を示す断面図である。図２において、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示している。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、画像発生源１を構成する画像表示素子１１の表示画面の中央とし、Ｚ軸はスクリーン３の法線と平行であるものとする。Ｙ軸はスクリーンの画面の短辺と平行であり、スクリーンの垂直方向と等しいものとする。Ｘ軸は、スクリーンの画面の長辺と平行であり、スクリーンの水平方向と等しいものとする。
【００１６】
図２に示すように、画像表示素子１１から射出した光は、透過型のレンズ群で構成される投射レンズ２のうち、まず回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む前群１２を通過する。その後、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ（以下、「自由曲面レンズ」と称する）を含む投射レンズの後群１３を通過する。その後、回転非対称の自由曲面形状の反射面を有する少なくとも１枚の反射鏡(以下、自由曲面ミラーと言う)５で反射される。この自由曲面ミラー５の反射光は、平面反射ミラー４で反射された後、スクリーン３に入射する。
【００１７】
ここで上記画像表示素子１１が上記光変調素子の場合は、この光変調素子を照射するランプ等の照明系が必要であるが、それらの図示は省略している。また、画像表示素子１１は、所謂３板式のように複数の画を合成する方式でもよい。その場合に必要になる合成用プリズム等の合成光学系についても、その図示は省略している。
【００１８】
図２に示す例においては、投射レンズ２の光進行方向の寸法が比較的長いことから、前記画像表示素子１１の位置がスクリーンの法線の方向に対して遠くなり奥行が大きくなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、本実施形態では、前記自由曲面ミラー５と前記投射レンズ２の後群１３との間、前記投射レンズ２の前群１２と後群１３の間、または前群１２の途中において、ミラー（図示せず）を配置している。これにより、投射レンズ２の光軸を図２に示す断面に対してほぼ垂直な方向に折り曲げ、奥行の増大を防止できる。
【００１９】
本実施形態では、図２に示すように、上記画像表示素子１１は、その表示画面の中央が上記投射レンズ２の光軸上に配置されている。従って、上記画像表示素子１１の表示画面の中央から出て上記投射レンズ２の入射瞳の中央を通ってスクリーン３上の画面中央に向かう光線２１は、ほぼ上記投射レンズの光軸に沿って進む（以下、これを画面中央光線という）。この画面中央光線は、自由曲面ミラー５の反射面上の点Ｐ２で反射された後、平面反射ミラー４上の点Ｐ５で反射されて、スクリーン３上の画面中央の点Ｐ８にスクリーンの法線８に対して所定の角度を以って（すなわち斜めに）入射される。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。また、上記画像表示素子１１の表示画面の中央からの光線がスクリーンの法線８に対して斜め方向に入射することを、以下では「斜め入射」または「斜め投射」と呼ぶ場合もある。
【００２０】
このことはすなわち、前記投射レンズ２の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることであり、実質的に投射レンズ２の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられていることになる。このような方法でスクリーンに斜め入射させると、投射した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。本実施形態では、これ等を前記投射レンズ２の後群１３と前記第２の光学系の反射面とで補正している。
【００２１】
図２に示す断面内において、上記画像表示素子１１の画面下端から該画面下端と上記投射レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応するスクリーン上の画面上端の点Ｐ９に入射する光線を光線２２とする。また、上記画像表示素子１１の画面上端から該画面上端と上記投射レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応するスクリーン上の画面下端の点Ｐ７に入射する光線を光線２３とする。図２を見ると、点Ｐ３から点Ｐ６を経由して点Ｐ９に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４を経由して点Ｐ７に到る光路長よりも長くなっている。これは、投射レンズ２から見て、スクリーン上の像点Ｐ９が像点Ｐ７よりも遠くにあることを意味している。そこで、スクリーン上の像点Ｐ９に対応する物点（表示画面上の点）がより投射レンズ２に近い点に、また、像点Ｐ７に対応する物点がより投射レンズ２から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、前記画像表示素子１１の表示画面の中央における法線ベクトルを、前記投射レンズ２に光軸に対し傾けるようにする。具体的には、上記法線ベクトルを、ＹＺ平面内において、スクリーンの位置する方へ向くように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るために、物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投射レンズでは補正が困難である。本実施形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の自由曲面を用いていることから、非対称な像面の変形に対応できる。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
【００２２】
次に、各光学要素の作用について説明する。第１の光学系である投射レンズ２は、その前群１２が前記画像表示素子１１の表示画面をスクリーン３に投射するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投射レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。ここで本実施形態においては、自由曲面レンズは、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、スクリーン３の下端に向かう光線が通過する部分の曲率を、前記スクリーン上端に向かう光線が通過する部分の曲率よりも大きくしている。そして第２の光学系は、回転非対称の自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを有している。ここで本実施形態においては、この自由曲面ミラーは、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラーの、スクリーン３の下方に向かう光を反射する部分の曲率を、前記スクリーンの上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きくしている。また、自由曲面ミラーの、スクリーンの下方に向かう光を反射する部分が該光の反射方向に凸の形状を為し、スクリーンの上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状を為すようにしてもよい。上記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、第２の光学系が主として台形歪を補正し、第１の光学系である投射レンズ２の後群１３が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。
【００２３】
このように、本実施形態は、第１の光学系が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一つ含み、第２の光学系が回転非対称の自由曲面ミラーを少なくとも一つ含んでいる。これによって、斜め投射によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。
【００２４】
そして上記構成によって、屈折面を有する投射レンズ２において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、またレンズ枚数を増加させることなく、斜め入射による台形歪の補正を実現できる。更に、奥行を小さく、かつ製造が容易な投射光学ユニットを実現できる。更にまた、本実施形態によれば、奥行とスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットが提供でき、小さな自由曲面ミラーで製造が容易な光学系を提供できる。
【００２５】
以上説明した本実施形態の構成は、自由曲面レンズ及び自由曲面ミラーを用いることにより奥行とスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットを実現しているが、基本的には偏心投射光学系の一種である。従って、スクリーン３に入射する投写画像はスクリーン３に対し偏心しており、図２の実施形態では、その中心はスクリーン３の下端Ｐ７よりも下側にある。
【００２６】
図３は本実施形態に係る透過型スクリーン３の構造を模式的に示している。矢印ｂの方向から投射される拡大投射画像は、フレネルレンズシート３１で略平行光、または若干内側を向く光に変換されレンチキュラーレンズシート３２に入射される。レンチキュラーレンズシート３２の光入射面は、図３のようにスクリーン画面垂直方向を長手方向とするレンチキュラーレンズをスクリーン画面水平方向に複数配列された形状になっている。このため、レンチキュラーレンズシート３２は、前記画像光をスクリーン画面水平方向に拡散する働きをする。また、レンチキュラーレンズシート３２の出射面には、画面垂直方向に延びるブラックストライプ３３が形成されている。このブラックストライプ３３は、スクリーン出射側から入射される外光を吸収する。また、レンチキュラーレンズシート３２には拡散材３４が混入されている。拡散材３４は、前記画像光をスクリーン画面水平及び垂直方向に拡散する働きをする。
【００２７】
図３に示された、本実施形態に係る透過型スクリーンは、前記フレネルレンズシート３１の画像発生源側は平面で、画像観視側にフレネルレンズ部３５が設けられている。このフレネルレンズ部３５は、フレネル中心を中心点とした同心円状又は弧状に形成されている。ここで弧状とは、フレネル中心を中心点とした同心円の一部である弧を示している。以下では、同心円状及び弧状を含めて「同心円状」と呼ぶこととする。本実施形態においては、同心円状のフレネルレンズ部３５のフレネル中心は、フレネルレンズシート３１の下端部近傍または下端部より下（フレネルレンズシート３１の外）に存在する。本実施形態は、このようにフレネル中心がフレネルレンズシートの下端又は下端よりも外側に位置する場合において、フレネルレンズシートの像側、つまり画像観察側に共役点を設けたものである。ここで共役点とは、投射レンズ装置等の投射光学ユニットから投射された画像光がフレネルレンズによって集光される点を意味する。そして本実施形態は、この像側共役点（以下、単に「共役点」と称する）の距離、すなわちスクリーンから共役点までのスクリーン法線方向の距離を、フレネルレンズの位置に応じて適切に設定したことを特徴とするものである。この距離を、以下では単に「共役点距離」と呼ぶ。以下、本実施形態に係る透過型スクリーン３のフレネルレンズシート３１の、共役点の設定について、図４乃至図７を参照しつつ説明する。
【００２８】
図４は、フレネルレンズシート３１を画像観視側から見た構造を模式的に示している。図４において、水平方向に伸びる一点鎖線で示される水平中心線ｍは、フレネルレンズシート３１を上下方向に２等分する線を示す。また、スクリーン下端に位置する点ｏは、フレネル中心を示す。水平フレネルレンズシート３１を画像観視側から見ると、図４に示されるように、その全面に、フレネルレンズを構成するフレネル中心ｏを中心点とした同心円状のプリズムが形成されている。このようなフレネルレンズ全体に共役点を設けると、フレネルレンズの各部から出た光はフレネル中心のあるフレネルレンズシート３１の下端部中央の延長上に向かう。このため、特にフレネルレンズシート３１の水平中心線ｍより下の部分の画像光が観視者の視線よりも下に向かうため、当該部分の画像が暗くなってしまう。そこで本実施形態では、フレネル中心ｏを中心点とする基準円周ｎを定め、この基準円周ｎより内側（基準円周ｎの半径以内）に形成される第１フレネルレンズの共役点距離よりも、基準円周ｎより外側（基準円周ｎの半径以外）に形成される第２フレネルレンズの共役点距離を短くする。本実施形態では、第１フレネルレンズの共役点距離を無限遠、つまり第１フレネルレンズから光をスクリーン法線とほぼ平行な方向に出射するようにしている。本実施形態では、基準円周ｎは、水平中心線ｍとフレネルレンズシート３１の左右両端の交点近傍を通るフレネルレンズの円周としている。すなわち、本実施形態では、フレネルレンズの共役点をフレネルレンズシート３１の水平中心線ｍより上の領域にだけ設けている。フレネルレンズは同心円状であるので、基準円周ｎより外側の部分にのみ共役点を設けたことになる。この部分はフレネル中心ｏの存在する側の反対側、つまりフレネル中心ｏから離れた方の領域に該当し、投射光学系の画角が大きいことから光量が少なく暗くなる部分である。すなわち、当該領域は、投射光学系から投射された光のスクリーンへの入射角が最も大きくなる部分であり、光の損失が増大する部分である。本実施例によれば、基準円周ｎより外側、つまり比較的光量が少なくなる部分の光線を観視者の方向へ向けることができる。よって、スクリーン上の画像、特にスクリーン情報の左右両端部近傍の画像を明るく見せることができる。
【００２９】
基準円周ｎの外側に位置する第２フレネルレンズの共役点距離を、基準円周ｎの外側に位置する第１フレネルレンズの共役点距離よりも短くするためには、第２フレネルレンズの屈折面のプリズム角度（屈折面とスクリーンの法線との為す角度）を第１フレネルレンズの屈折面のプリズム角度よりも大きくする。
【００３０】
上記の例では、第１フレネルレンズの共役点距離を無限遠としているが、第２フレネルレンズの共役点距離よりも長ければ無限遠でなくてもよい。また、上記の例では、同一円周上にあるフレネルレンズの屈折面のプリズム角度を一定にしているが、当該同一円周上の位置に応じて屈折面のプリズム角度を変化させるようにしてもよい。
【００３１】
次に図５で共役点距離について説明する。図５は、図４に示した本実施形態に係るフレネルレンズシート３１を横から見た図である。図４において、縦方向はフレネルレンズシート３１の縦寸法ではなく、フレネルレンズシート３１のフレネル中心（図４の点ｏ）と上端左（図４の点ｑ）若しくは上端右（図４の点s）とを結ぶ線分とする。従って、フレネルレンズシート３１の対角寸法をＷ、アスペクト比を１６：９とすると、縦方向は０．６５６Ｗになる。観視点はスクリーンに正対してスクリーン中央の延長線上でスクリーン縦寸法Ｈの５倍の距離（５Ｈ、フレネルレンズシート３１の対角寸法Ｗで表すと２．４５Ｗ）にするのが一般的である。ここでは、縦方向をフレネルレンズシート３１の縦寸法に設定していないため若干のずれが生じている。しかしながら、実用上大きな影響は生じないので、説明を簡単にするため便宜上図５に示した点を観視点とする。
【００３２】
図５において、観視点からスクリーンの左（右）上端を見込むとスクリーン法線から７．６°の傾きを生じる。図６は一般的な透過型スクリーンの、垂直方向の視野角の特性を示している。図６の特性グラフにおいて、横軸は角度、縦軸は輝度比を示している。スクリーン法線方向の輝度を１．０としたとき、７．６°の角度では輝度は０．６３まで劣化することが理解されるだろう。図４で説明したように、基準円周ｎより外側の領域に共役点を設けると輝度劣化を抑制することができるが、共役点を余り近くに設けすぎると、上記観視点では明るいが、少しずれた点では逆に暗くなってしまう恐れがある。そこで共役点までの距離は適切に決定する必要がある。図４において、フレネルレンズに共役点を設ける範囲は基準円周ｎの外側であることを説明した。基準円周ｎの位置はフレネル中心から０．５Ｗである。従って、図５の観視点からその基準円周ｎを見たとき、基準円周ｎと観視点とを結ぶ線分はスクリーン法線から４．０°の傾きとなる。図６から、この点の輝度比を求めると０．８７になることから、スクリーンの左（右）上端の輝度比も０．８７以上にしない方が自然な輝度分布となることがわかる。
【００３３】
図７は、フレネルレンズシート３１の対角寸法を６０インチ（１．５２ｍ）、アスペクト比を１６：９にしたときの共役点距離とスクリーンの左（右）上端の輝度比の関係を示した図である。図７より、輝度比０．８７とする共役点距離は１５．８ｍであることが理解できるだろう。これをフレネルレンズシート３１の対角寸法Ｗで一般化すると１０．３Ｗとなる。本実施形態では、フレネルレンズシート３１の対角寸法をＷ、係数をｋとしたとき、共役点距離の長さＬを、次の式で表すものとする。
（数１）  Ｌ＝ｋＷ
上記の例では、ｋは１０．３となる。また、輝度比の最低アップ率を１５％とすると輝度比は０．７６であり、図７より共役点距離は３２．５ｍであることが理解できるだろう。この例では、上記係数ｋの値は、２１．３となる。
【００３４】
以上のように本実施形態のフレネルレンズシート３１は、基準円周ｎの外側、換言すれば水平中心線ｍより上の部分に形成されたフレネルレンズにのみ共役点を設けた。そして、共役点距離Ｌの長さがフレネルレンズシート３１の対角寸法をＷと係数ｋとの積で表されるとき、このｋを１０．３〜２１．３の範囲にあるようにした。共役点距離は、図６の垂直方向の視野角によっても変化するが、上記から略１０Ｗ以上、望ましくは１０Ｗから２５Ｗの範囲に設定するのがよい。上記した実施例では、図２に示すように、透過型スクリーン３に対して下から画像が投射される場合を例にして説明した。しかしながら、透過型スクリーン３に対して上から画像が投射される場合でも同様に本実施形態の構成が適用される。その場合は、フレネルレンズシート３１が上下逆になり、フレネルレンズシート３１の水平中心線より下の範囲にフレネルレンズの共役点を設けることになる。この場合の共役点距離は、先に説明した透過型スクリーン３に対して下から画像が投射される場合と同じである。
【００３５】
フレネルレンズシート３１に共役点を設けると、フレネル角が大きくなり、フレネルレンズでの反射損失が大きくなる。図８に示されたグラフの横軸は、フレネル入射角を示している。そしてこのグラフは、フレネル入射角の変化（増加）に対する共役点を有するフレネルレンズにける反射損失の増加の特性を示している。ここで、フレネル入射角とは、画像発生源からスクリーンに投射される光とスクリーンの法線とのなす角度としている。図８の実線は、上記係数ｋを１０．３に設定した場合、破線は係数ｋを２１．３に設定した場合を示している。図から明らかなように、共役点をフレネルレンズシート３１に近い位置に設定した場合の方が反射損失は大きくなる。そして反射損失は、４％を超えると急激に増加する。よって、反射損失の増加の限界を４％に設定すると、係数ｋを１０．３に設定した場合にはフレネル入射角を５８°以下に、係数ｋを２１．３に設定した場合にはフレネル入射角は７６°以下に制限する必要があることが理解できるだろう。同様にして求めた４％の反射損失の増加をもたらすフレネル入射角（δ）と共役点距離（Ｌ＝ｋＷ）との関係を近似式で表すと次式となる。
（数２）  ｋＷ＝１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
ここで、係数ｋは、１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）／Ｗとなる。即ち、フレネルの最大入射角がδ（度）であるとき、共役点距離ＬはｋＷ以上、つまり下式を満足するように設定する必要がある。
（数３）  Ｌ≧１．０５８３ｅｘｐ（０．０３８７×δ）
以上述べた実施形態では第２フレネルレンズの共役点を１点としていたが、共役点を複数にしてもよい。図９は、本発明に係るフレネルレンズシートのその他の実施例である。図９は、フレネルレンズシート３１を横から見た図であるが、図５と同様に縦方向はフレネルレンズシート３１の縦寸法ではない。すなわち、縦方向は、フレネルレンズシート３１のフレネル中心（図４の点ｏ）と上端左（図４の点ｑ）若しくは上端右（図４の点s）を結ぶ線分である。各部の位置寸法は図５と同じである。図５と異なる点は、図５では第２フレネルレンズの共役点を１点としていたが、図９の実施例では第２フレネルレンズの共役点を複数個設けた点にある。図５で説明したように、レネルレンズシート３１の下端中心位置からの高さ０．５Ｗ（つまり基準円周ｎ）の位置から共役点を設けはじめる。最初の共役点は、０．５Ｗの高さまでと同様に、共役点距離を無限大（出射光はフレネルレンズシート３１に垂直）に設定する。そして、フレネルレンズシートの上端左若しくは上端右、つまり入射光線がフレネルに対し最大入射角になる点で最も短い共役点距離になるよう設定する。すなわち本実施例において、第２フレネルレンズの共役点距離は、基準円周ｎからその外側に向かうに従って、徐々に短くなるようにしている。この時、第２フレネルレンズにおける共役点の個数は２個以上なら何個でも良く、第２フレネルレンズの１ピッチごとに変えてもよい。これにより、図５の実施例に比べスクリーン上の輝度の繋がりをよりスムースにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明が適用される画像表示装置の一部断面斜視図。
【図２】本発明が適用される画像表示装置の構成と光路を示すＹＺ断面図。
【図３】本発明に係る透過型スクリーンの位置実施形態を示す模式図。
【図４】フレネルレンズシート３１を画像観視側から見た模式図。
【図５】図４に示したるフレネルレンズシート３１を横から見た図。
【図６】一般的な透過型スクリーンの垂直方向の視野角を示す図。
【図７】共役点距離とスクリーンの左（右）上端の輝度比の関係を示す図。
【図８】共役点を有するフレネルレンズの反射損失の増加を示す特性図。
【図９】本発明に係るフレネルレンズシートの他の実施例を示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１…映像発生源、２…投写レンズ、３…スクリーン、４…平面反射ミラー、５…自由曲面ミラー、６…筐体、１１…映像表示素子、１２…投写レンズ前群、１３…投写レンズ後群、３１…フレネルレンズシート、３２…拡散シート、
【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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