(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体から照射される光線を反射させる反射面と、上記光線が照射されない非入射面とを有するフレネルプリズムが鋸歯状に複数形成されているフレネル光学素子において、上記フレネルプリズムが配置される基盤の表面に対する上記非入射面の角度が９０度より小さく、かつ、上記光線の入射角より大きく、上記非入射面の一部が基盤の表面と平行に形成されていることを特徴とするフレネル光学素子。
【請求項２】
非入射面の一部が光線を吸収する光線吸収機能、または、光線を拡散する光線拡散機能を備えていることを特徴とする請求項１記載のフレネル光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プロジェクタから照射される光線を観測者に向けて反射させるフレネル光学素子と、そのフレネル光学素子が組み込まれた表示スクリーンと、プロジェクタと表示スクリーンからなる投写型表示装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の投写型表示装置は、表示スクリーンの正面側に設置されたプロジェクタが映像光を平面状の表示スクリーンに投影し、その反射光を観察者の方向へ出射させるようにしている。【０００３】
プロジェクタから表示スクリーンに照射される光線の斜入射が極端な場合、スクリーン法線に対する光線の入射角が大きくなる。Ｓｎｅｌｌの法則からスクリーン法線に対して入射角と反射角が等しいため、極端な斜入射で入射された光線は、スクリーン法線に対称な方向、即ち、観測者の方向から大きくはずれた方向に出射される。
そのため、観測者の方向に出射される光線が少なくなり、暗く観測される。【０００４】
そこで、観測者の方向に出射される光線を多くするため、入射角度θで入射した光線の出射角度φが略水平方向になるように、フレネルプリズムの反射面を角度ξだけ傾けられているフレネル光学素子を用いている表示スクリーンが以下の特許文献１に開示されている。【０００５】
なお、入射角度θ、出射角度φ、反射面の角度ξは、次の関係式で表される。
φ＝２ξ−θ
ここで、ξについて解くと、次のようになる。
ξ＝（θ＋φ）／２
したがって、出射角度が水平（φ＝０）の場合、反射面をξ＝θ／２で傾ける必要がある。【０００６】
上記のフレネル光学素子においては、プロジェクタからの光線が入射されないフレネルプリズムの非入射面は、フレネルプリズムが配置される基盤の表面に対して垂直になるように形成されている。
したがって、このような形状のフレネル光学素子の根元部分を加工する際には、少なくともフレネルプリズムの頂角τ（反射面に対する非入射面の角度）より、先端角度βが細いバイトを使用して加工する必要がある。【０００７】
【特許文献１】特開昭５３−１１１７２８号公報（第８頁、第３図）
【０００８】
従来のフレネル光学素子は以上のように構成されているので、フレネルプリズムの頂角τ（反射面に対する非入射面の角度）より、先端角度βが細いバイトを使用すれば、基盤の表面に対して垂直になるようにフレネルプリズムの非入射面を形成することができる。しかし、先端角度βが細いバイトは摩耗に弱いため、フレネルプリズムの製作精度が劣化することがある課題があった。また、鏡面性の高い反射面を形成してから、バイトの先端を引きずるように移動することにより、粗面性の高い非入射面を形成する必要があり、製作が面倒である課題もあった。【０００９】
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、先端角度が太いバイトを使用して加工することができるフレネル光学素子を得ることを目的とする。
また、この発明は、製作精度が高いフレネル光学素子が組み込まれている表示スクリーンを得ることを目的とする。
さらに、この発明は、製作精度が高い表示スクリーンを実装している投写型表示装置を得ることを目的とする。
【発明の開示】
【００１０】
この発明に係るフレネル光学素子は、フレネルプリズムが配置される基盤の表面に対する非入射面の角度が９０度より小さく、かつ、光線の入射角より大きく、上記非入射面の一部が基盤の表面と平行に形成したものである。
【００１１】
このことによって、先端角度がフレネルプリズムの頂角τ（反射面に対する非入射面の角度）より太い摩耗に強いバイトを使用して加工することができるため、フレネルプリズムの製作精度を高めることができる効果がある。
また、バイトを寝かす角度を変えるだけで、フレネル光学素子の根元部分を加工することができるため、加工の自由度が増えて、簡単に製作することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１による表示スクリーンを示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるフレネル光学素子を示す模式図である。
【図５】フレネルプリズムの反射面が角度ξだけ傾けられているフレネル光学素子を示す構成図である。
【図６】フレネルプリズムの母型となる金型と金型切削用のバイトを示す模式図である。
【図７】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図８】フレネルプリズムの母型となる金型と金型切削用のバイトを示す模式図である。
【図９】この発明の実施の形態２による表示スクリーンを示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による表示スクリーンを示す構成図である。
【図１１】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図１２】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図１３】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図１４】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図１５】フレネル光学素子の加工方法を示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態４による表示スクリーンを示す構成図である。
【図１７】光線吸収機能の付加方法を示す説明図である。
【図１８】光線吸収機能の付加方法を示す説明図である。
【図１９】光線吸収機能の付加方法を示す説明図である。
【図２０】光線吸収機能の付加方法を示す説明図である。
【図２１】光線吸収機能の付加方法を示す説明図である。
【図２２】この発明の実施の形態５による表示スクリーンを示す構成図である。
【図２３】この発明の実施の形態６による投写型表示装置を示す斜視図である。
【図２４】入射角度と相似縮小比率の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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１はこの発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１による投写型表示装置を示す斜視図である。【００１４】
図において、発光体であるプロジェクタ１は画像投影用の光線をフレネル光学素子２に照射する。
フレネル光学素子２はプロジェクタ１から照射される光線を反射させる反射面と、その光線が照射されない非入射面とを有するフレネルプリズムが鋸歯状に複数形成されている。
基盤３にはフレネル光学素子２のフレネルプリズムが二次元的に配置されている。【００１５】
図３はこの発明の実施の形態１による表示スクリーンを示す構成図である。図において、フレネル光学素子２を形成しているフレネルプリズムの入射面である反射面１１はプロジェクタ１から照射される光線を反射させる。【００１６】
フレネルプリズムの非入射面１２はプロジェクタ１から直接光線が入射されない面であり、フレネルプリズムが配置される基盤３の表面１３に対する非入射面１２の角度αが９０度より小さく、かつ、光線の入射角θより大きい（π／２−θ≦α）。
図４はこの発明の実施の形態１によるフレネル光学素子を示す模式図である。【００１７】
次に動作について説明する。
プロジェクタが斜めに光線を表示スクリーンに照射する場合でも、入射角度θで入射した光線の出射角度φが略水平方向になるようにするために、図５に示すように、フレネルプリズムの反射面２１が角度ξだけ傾けられている（上記特許文献１を参照）。【００１８】
上記特許文献１に開示されているフレネル光学素子では、プロジェクタからの光線が入射されないフレネルプリズムの非入射面２２が、フレネルプリズムが配置される基盤の表面２３に対して垂直になるように形成されている。【００１９】
ここで、フレネル光学素子の加工方法、特に鏡面加工と粗面加工について説明する。
図６はフレネルプリズムの母型となる金型３１と金型切削用のバイト３２を示す模式図である。【００２０】
最初に、金型３１に対して斜めにバイト３２を押し当てて、金型３１を切削することにより、鏡面性の高い面３１ａ（反射面２１を形成するための面）を形成した後、図７に示すように、バイト３２の先端を引きずるように移動させることで、粗面性の高い面３１ｂ（非入射面２２を形成するための面）を形成する。
ただし、非入射面２２は、基盤の表面２３に対して垂直であるため、金型３１を加工して、フレネル光学素子の根元部分を加工する際には、少なくともフレネルプリズムの頂角τより、先端角度βが細いバイトを使用して加工する必要がある。【００２１】
先端角度βが細いバイト３２は摩耗に弱いため、このようなバイト３２を使用してフレネルプリズムの金型３１を加工すると、フレネルプリズムの製作精度が劣化することがある。
そこで、この実施の形態１では、先端角度βが太いバイト３３（β＞τ）を使用して加工することができるように、フレネルプリズムの形状を工夫している。【００２２】
即ち、基盤３の表面１３に対するフレネルプリズムの非入射面１２の角度αが９０度より小さくなるようにしている。
つまり、プロジェクタ１から照射される光線の入射角度θが極端に大きい場合（極端な斜入射の場合）、光線が反射面（例えば、図４の線分ＦＧに着目）に遮断されて、フレネルプリズムの根元部分（例えば、線分ＣＫとＣＨを二辺とする三角形部分）には光線が入射されないため、非入射面１２（例えば、図４の線分ＣＧ）を基盤３の表面１３に対して必ずしも垂直に形成する必要はない。ただし、非入射面１２の角度αが光線の入射角度θより小さいと、光線が直接非入射面１２に入射されてしまうので、非入射面１２の角度αを光線の入射角度θより大きくする必要がある。即ち、π／２−θ≦αが成立する必要がある。【００２３】
基盤３の表面１３に対する非入射面１２の角度αを９０度より小さくする場合、先端角度βが太いバイト３３（β＞τ）を使用して加工することができる。
図８はフレネルプリズムの母型となる金型３１と金型切削用のバイト３３を示す模式図である。【００２４】
先端角度βが太いバイト３３（β＞τ）を使用する場合、図８に示すように、先端角度βを一定のまま、バイト３３を寝かす角度を変えるだけで加工することができる。
ただし、フレネルプリズムが逆方向に反り返った形になると（非入射面１２の角度がα＞９０°の場合）、例えば光硬化樹脂を金型３１に流し込み、その光硬化樹脂を紫外線照射等で固めたのち、その樹脂を抜き取ることにより、フレネルプリズムを得る方法を使用することが難しくなる。【００２５】
即ち、下式が成立する場合、フレネルプリズムが逆方向に反り返った形になり、金型３１から樹脂を離型することが難しくなる。
α＝π−τ−ξ＞π／２
したがって、フレネルプリズムが逆方向に反り返らないように、フレネルプリズムの形状を決定する必要がある。【００２６】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、フレネルプリズムが配置される基盤３の表面１３に対する非入射面１２の角度αが９０度より小さく、かつ、光線の入射角度θより大きくなるように構成したので、先端角度βがフレネルプリズムの頂角τより太い摩耗に強いバイト３３を使用して加工することができるようになり、その結果、フレネルプリズムの製作精度を高めることができる効果を奏する。
また、バイト３３を寝かす角度を変えるだけで、フレネル光学素子の根元部分を加工することができるようになり、加工の自由度が増えて、かつ、摩耗が減るため、簡単に製作することができる効果を奏する。【００２７】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、鏡面性の高い反射面１１を形成するものについて示したが、図９に示すように、反射面１１が光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい。【００２８】
具体的には、バイト３３の先端を金型３１に押し当てて削除する際、例えば、少しずつ削除することで反射面１１を荒らし加工することにより、反射面１１が光線拡散機能を備えるようにする。
あるいは、上記実施の形態１と同様にして、反射面１１を形成する部分の金型３１を、サンドペーパーなどに代表される粗面で擦ることにより、反射面１１が光線拡散機能を備えるようにする。
あるいは、光拡散性を備えた塗料を表面に塗ることで、反射面１１が光線拡散機能を備えるようにする。【００２９】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、反射面１１が光線を拡散する光線拡散機能を備えるように構成したので、観測者が画像を観測できる視野を拡大することができる効果を奏する。【００３０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、反射面１１と非入射面１２からなるフレネルプリズムが鋸歯状に複数形成されているフレネル光学素子２を用いるものについて示したが、反射面１１と非入射面１２からなるフレネルプリズムが連なっている必要はなく、図１０に示すように、所定の間隔をおいて、複数のフレネルプリズムが形成されているフレネル光学素子２を用いるようにしてもよい。
即ち、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行に形成されているフレネル光学素子２を用いるようにしてもよい。【００３１】
上記実施の形態１では、フレネルプリズムの金型３１を加工する際、先端角度βが太いバイト３３（β＞τ）を使用し、先端角度βを一定のまま、バイト３３を寝かす角度を変えるだけで加工するものについて示したが、このようにして、フレネルプリズムを加工する場合、図１１に示すように、先端部分（図１１において、点線で囲まれている部分）が加工の際に曲がるなどの不具合を発生することがある。【００３２】
この実施の形態３では、先端部分が曲がるなどの不具合の発生を防止するため、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になるように形成している。
具体的には下記の通りである。【００３３】
最初に、図１２に示すように、金型３１に対して斜めにバイト３３を押し当てて、金型３１を切削する。ただし、切削する深さは、図１１の場合より浅いものとなる。
即ち、図１３に示すように、点線の部分は切削せずに、バイト３３を一旦抜くようにする。【００３４】
次に、図１４に示すように、基盤３の表面１３と平行に形成される平面部（非入射面１２の一部１４）の長さ分だけ、バイト３３を右に移動する。
次に、図１５に示すように、金型３１に対して斜めにバイト３３を押し当てて、金型３１を切削する。
以上の処理（図１２から図１５の処理）を繰り返し実行することにより、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になる金型３１を加工して、フレネル光学素子２を形成する。【００３５】
このようにして、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になるようにフレネル光学素子２を形成することは、図４のプリズム部分△ＣＧＦを△ＫＧＭに相似縮小して形成することと等価である。
図４のように、この相似縮小比率をｌとする場合、例えば、相似縮小比率ｌは、次のようにしてもよい。
ｌ＝１−｛（ｔａｎξ）／（ｔａｎα）｝
・［｛ｔａｎα−ｔａｎ（π／２−θ）｝
／｛ｔａｎξ＋ｔａｎ（π／２−θ）｝］【００３６】
図２４は具体的な計算例を示しており、図２４では、出射角度φ＝０、プリズム頂角を９０°とした計算例である。
図の横軸が入射角度θ、縦軸が相似縮小比率ｌである。
入射角度θが大きい場合、即ち、極端な斜入射になると、相似縮小比率ｌが小さくなる。即ち、プリズムの比率が小さく、非入射面１２の一部１４の比率が大きくなる。【００３７】
このようにして、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になるようにフレネル光学素子を形成すると、図１１に示すような先端部分がなくなるため、その先端部分が曲がるなどの不具合の発生を防止することができる効果を奏する。
また、この場合、切削する体積が少なくなるため、加工時間が短縮される効果を奏する。その結果、金型加工時の温度変化や外界の影響が少なくなり、金型の加工精度が向上する効果を奏する。【００３８】
さらに、プリズム部分の体積が少なくなるため、流し込んだ樹脂を金型から離型し易くなり、形状の転写精度が向上する効果を奏する。【００３９】
実施の形態４．
上記実施の形態３では、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になるようにフレネル光学素子２を形成するものについて示したが、図１６に示すように、非入射面１２の一部１４が光線を吸収する光線吸収機能を備えるようにしてもよい。あるいは、非入射面１２の全体が光線を吸収する光線吸収機能を備えるようにしてもよい（図３の非入射面１２の全体、あるいは、図１０の非入射面１２の全体（一部１４を含む）が光線吸収機能を備える）。
なお、反射面１１は、図９の反射面１１のように光線拡散機能を備えるようにしてもよい。【００４０】
具体的には、次のようにして、非入射面１２の一部１４が光線を吸収する光線吸収機能を備えるようにする。
上記実施の形態３と同様にして、金型３１を加工すると（図１５を参照）、図１７に示すように、金型３１の平面部分に版画の要領で光吸収機能を有する媒質３４を塗布することにより、その平面部分に光吸収媒質３５を形成する。例えば、光吸収媒質としては、黒色の染料や顔料、もしくは、不透明な光硬化樹脂や熱硬化樹脂などとしてもよい。
そして、図１８に示すように、その光吸収媒質３５を硬化させる。【００４１】
次に、図１９のように上記の金型３１に光硬化樹脂３６を流し込み、図２０のように基盤３を光硬化樹脂３６の上から押し当て、光を当てることで光硬化樹脂３６を硬化させる。
最後に、図２１に示すように、金型３１からフレネル光学素子２を離型することにより、非入射面１２の一部１４に光吸収媒質３５が貼り付けられているフレネル光学素子２が形成される。【００４２】
以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、非入射面１２の一部１４が光線を吸収する光線吸収機能を備えるように構成したので、非入射面１２の一部１４に外光が入射されても、その外光が吸収されるようになる。その結果、外光が強い場合でも、コントラストの高い画像を表示することができる効果を奏する。【００４３】
実施の形態５．
上記実施の形態４では、非入射面１２の一部１４が光線を吸収する光線吸収機能を備えるものについて示したが、図２２に示すように、非入射面１２の一部１４が光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい。あるいは、非入射面１２の全体が光線を拡散する光線拡散機能を備えるようにしてもよい（図３の非入射面１２の全体、あるいは、図１０の非入射面１２の全体（一部１４を含む）が光線拡散機能を備える）。
なお、反射面１１は、図９の反射面１１のように光線拡散機能を備えるようにしてもよい。【００４４】
例えば、上記実施の形態３と同様にして、非入射面１２の一部１４が基盤３の表面１３と平行になるようにフレネル光学素子２を形成したのち、サンドペーパーなどに代表される粗面で擦ることにより、非入射面１２の一部１４を荒らすことで、非入射面１２の一部１４が光線拡散機能を備えるようにする。
あるいは、金型３１の表面をサンドペーパーなどに代表される粗面で予め擦った後、加工を施すことにより、非入射面１２の一部１４が光線拡散機能を備えるようにする。
あるいは、非入射面１２の一部１４の上を、バイト３３の先端を引きずるように動かすことで、非入射面１２の一部１４を粗面加工することでも、非入射面１２の一部１４が光線拡散機能を備えるようにすることができる。【００４５】
以上で明らかなように、この実施の形態５によれば、非入射面１２の一部１４が光線を拡散する光線拡散機能を備えるように構成したので、非入射面１２の一部１４に外光が入射されても、その外光が拡散されるようになる。その結果、外光が強い場合でも、コントラストの高い画像を表示することができる効果を奏する。【００４６】
なお、この実施の形態５では、非入射面１２の一部１４が光線を拡散する光線拡散機能を備えるものについて示したが、光吸収機能や光線拡散機能以外の光学機能を備えるようにしてもよい。
例えば、Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ機能を備えるようにしてもよい。
また、非入射面１２の一部１４を半透明や透明にしてもよい。【００４７】
実施の形態６．
図２３はこの発明の実施の形態６による投写型表示装置を示す斜視図である。
図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。【００４８】
基盤３にはフレネル光学素子２が同心円状に配置されており、フレネル光学素子２の外周には縁４が形成されている。なお、プロジェクタ１及び表示スクリーンを設置する際、プロジェクタ１により投射された画像の表示領域５が縁４の内側と一致するように設置される。
位置調整手段である上下調整機構６は表示スクリーンを上下に移動して、フレネル光学素子２に対する光線の照射位置を調整する。【００４９】
次に動作について説明する。
プロジェクタ１により投射された画像を表示スクリーンに表示するに際しては、プロジェクタ１と表示スクリーンの相対的な位置関係を調整する必要がある。【００５０】
光学的には、例えば、光軸であるプロジェクタ１の基準点Ｘと表示スクリーンの基準点Ｙを揃え、投射距離を所定の間隔に設定する必要がある。
しかしながら、基準点Ｘ，Ｙは、実際のプロジェクタ１では明確に記されていない場合が多い。【００５１】
そこで、この実施の形態６では、フレネル光学素子２の外周に縁４を形成するようにしており、プロジェクタ１により投射された画像の表示領域５が縁４の内側と一致するように設置するだけで、プロジェクタ１と表示スクリーンの相対的な位置関係の調整を完了できるようにしている。
なお、フレネル光学素子２の外周に縁４を形成しているので、プロジェクタ１による画像が歪曲している場合でも、表示領域５の歪曲が縁４に隠れるようになり、見栄えが良くなる。【００５２】
プロジェクタ１による光線の入射が極端な斜入射の場合、プロジェクタ１から表示スクリーンまでの投射距離が敏感になるので、上下調整機構６を用いて表示スクリーンを上下に移動することにより、フレネル光学素子２に対する光線の照射位置を調整して、その投射距離の誤差を吸収するようにする。
ｙ＝ｆ×ｔａｎθ
ただし、ｆ：投射距離
θ：入射角度
ｙ：表示スクリーンの高さ【００５３】
また、極端な斜入射では、投射距離が僅かに変わると、光線の入射位置が大きく変わるので、表示スクリーンが撓んでいる場合、投射された画像が大きく歪むことになる。
したがって、平面度の高い平坦な基盤３にフレネル光学素子２を配置する必要性が高い。【００５４】
なお、この実施の形態６では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、入射角度θに応じて反射面１１の角度が同心円の中心から近い側よりも遠い側の方が大きくなるようにフレネル光学素子２が変化しているようにしてもよい。
また、この実施の形態６では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、入射角度θに応じてプリズムの相似縮小比率ｌが同心円の中心から近い側より遠い側の方が小さくなるようにフレネル光学素子２が変化しているようにしてもよい。
さらに、この実施の形態６では、フレネル光学素子２が同心円状に配置されているものについて示したが、必ずしも同心円状に配置されている必要はなく、フレネル光学素子２が直線状に配置されていてもよい。【００５５】
上記実施の形態１〜６では、特に言及していないが、フレネル光学素子２のピッチを画面の画素より細かくすれば、解像度の高い画像を表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、この発明に係るフレネル光学素子は、プロジェクタが表示スクリーンの裏側ではなく、表示スクリーンの表側（観測者側）に配置される投写型表示装置などに用いるのに適している。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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