(57)【要約】【課題】従来の全反射型フレネルレンズでは、大角度入射光をスクリーン法線方向に偏向させようとするとデューティ比が小さくなり、前記偏向後の光をマイクロレンズアレイで拡散させる場合、設計どおりの拡散特性を得るのが困難である。【解決手段】本発明(1)の光拡大偏向素子15は、入射してくるプロジェクタ光９を、同心円状配列の環状レンズの入射面分とした環状凹レンズ面13で屈折させた後、同環状レンズの全反射面分とした環状凸レンズ面14の幅（同心円半径方向幅）のほぼ全体（例えば90〜100％）で受光し、全反射させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させる。【選択図】図３
2009025375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射してくるプロジェクタ光を、同心円状配列の環状レンズの入射面分で屈折させた後同環状レンズの全反射面分で全反射させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させるリアプロジェクションスクリーン用光偏向素子において、前記入射面分を環状凹レンズ面とし、前記全反射面分を前記入射面分からの光をほぼ幅全体で受光する環状凸レンズ面としたことを特徴とするリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子。
【請求項２】
入射してくるプロジェクタ光を、横長シリンドリカルフレネルレンズの入射面分で屈折させた後同横長シリンドリカルレンズの全反射面分で全反射させ、次いで縦長シリンドリカルフレネルレンズの縦長シリンドリカル凸レンズ面で屈折させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させるリアプロジェクションスクリーン用光偏向素子において、前記入射面分を横長シリンドリカル凹レンズ面とし、前記全反射面分を前記入射面分からの光をほぼ縦幅全体で受光する横長シリンドリカル凸レンズ面としたことを特徴とするリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子。
【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（略してリアプロ）スクリーン用光拡大偏向素子に関し、詳しくは、光学エンジンからリアプロジェクションスクリーンに入射する光をスクリーン法線方向に偏向するとともに光ビーム幅を拡大する機能をもつリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のリアプロジェクションスクリーンの１例を図１に示す。これは、光学エンジン１からの入光側から順に、フレネルレンズ２、レンティキュラレンズ３、ブラックマスク４、拡散フィルム５、あるいはさらに反射防止膜６を積層した構造を有する。
光偏向素子として用いられるフレネルレンズ２は、レンズ光軸方向の一端部が平面形状とされ、他端部が、１個のレンズをレンズ光軸に垂直な面で切断して細分し、細分したもの同士の相互干渉がないとみなして、これらをレンズ主平面に押付けてできる形（複数の環状レンズ部分が同心円状に配列された形）の面形状とされている。光学エンジン１から出射してフレネルレンズ２へ入射した光は、フレネルレンズ２の面形状および屈折率の設定によって制御された方向に屈折され、スクリーン法線方向の光となって出射する。
【０００３】
集光素子として用いられるレンティキュラレンズ３は、レンズ光軸方向の一端部がシリンドリカル凸レンズ面を複数並列に配置してできる形の面形状とされ、他端部が平面形状とされている。この例ではスクリーン内のシリンドリカル凸レンズの長手方向がスクリーン縦方向（図１の紙面に垂直な方向）に平行とされている（直交とされる場合もある）。フレネルレンズ２から出射してレンティキュラレンズ３へ入射した光（スクリーン法線方向の光）はレンティキュラレンズ３の面形状および屈折率の設定によって制御された方向に屈折され、ブラックマスク４の縦縞状の開口部に集光した後スクリーン横方向に拡散して出射する。
【０００４】
拡散フィルム５は、透明媒体に微粒子等を分散させたもの（以下、Ｐ型拡散フィルムという）、および、屈折率の相異なる層がフィルム面内方向に交互に並んだ内部構造をもつもの（以下、Ｄ型拡散フィルムという）がある。
Ｐ型拡散フィルムは、入射してきた光を微粒子等のミー散乱により不特定の方向へ拡散させる。一方、Ｄ型拡散フィルムは、その内部構造により、特定の方向から入射してきた光を特定の方向へ拡散させる。図１の拡散フィルム５にＤ型拡散フィルムを用いる場合、スクリーン縦方向とスクリーン横方向の両方向で十分な視野角を得るために、拡散方向特性の異なる複数のＤ型拡散フィルムを重ね合わせたものを用いる必要がある。
【０００５】
ブラックマスク４の開口部を出てスクリーン横方向に拡散した光は拡散フィルム５を通過することによりスクリーン縦方向にも拡散し、観察者に向かう。
しかし、これには、次のような問題があった。
Ｐ型拡散フィルムの場合は微粒子等のミー散乱による拡散であることから、(a)解像度の低下、(b)シンチレーションの発生、(c)拡散光強度分布がガウス的分布であることによる明るさの不均一、(d)微粒子からの後方散乱による明所コントラストの低下等の問題があり、また、拡散角度範囲が不十分なため視野角を拡大するのが困難である。
【０００６】
一方、Ｄ型拡散フィルムの場合は、微粒子を用いず、拡散光強度分布がトップハット的分布であることから、前記(a)〜(d)の問題はないが、視野角を拡大するために多層に重ねる必要があるため、フィルム相互界面での後方散乱による明所コントラストの低下と、拡散フィルムの多層重ね合わせによる厚さの増加にともなう表示画像の解像度の低下が問題となる。
【０００７】
そこで、拡散フィルムを用いないスクリーンが提案されている（例えば特許文献１，２など）。これは、図１において、拡散フィルム５をなくし、かつ、レンティキュラレンズ３に代えて、集光拡散素子としてフライアイレンズを用い、かつ、ブラックマスク４の開口部を縦縞状開口部から点孔状開口部へ変更したものである。
このスクリーンにおいて、フライアイレンズは、光軸方向の一端部が回転軸対称のレンズ単位胞を同一平面上に複数個すきまなく配列した面形状とされ、他端部が平面形状とされている。フレネルレンズから出射してフライアイレンズへ入射した光（スクリーン法線方向の光）はフライアイレンズの面形状および屈折率の設定によって制御された方向に屈折され、ブラックマスクの点孔状の開口部に集光した後スクリーン縦横方向に拡散して出射する。
【０００８】
前記フライアイレンズによる拡散をスクリーンの位置に対して均一にするには、フライアイレンズへの入射光の方向を全て揃える必要があり、この機能を実現しているのが、フレネルレンズ２である。
しかし、上述のスクリーンでは、光学エンジンからの光をフレネルレンズでもってスクリーン法線方向の光に偏向しているから、リアプロジェクションディスプレイが薄型かつ大画面になると、光学エンジンからスクリーンへの入射光の入射角度が大きくなり、フレネルレンズのレンズパワー（屈折力）が不足して、光学エンジンからスクリーンへの入射光をスクリーン法線方向に平行な光に変換できなくなる問題がある。
【０００９】
この問題の解決手段として、フレネルレンズにおいて、複数の環状レンズ部分が同心円状に配列された形の面形状（環状レンズアレイ面形状）素子、または複数の環状プリズムが同心円状に配列された形の面形状（環状プリズムアレイ面形状）素子が、屈折に加え全反射も可能とされてなるハイブリッド型フレネルレンズおよび全反射型フレネルレンズが知られている。
【００１０】
全反射によれば屈折による場合の２倍の角度で光の進路を偏向させることができる。そこで、全反射型フレネルレンズの屈折率、および全反射フレネル形状（＝環状プリズムアレイ（または環状レンズアレイ）面形状）を最適化することにより、光学エンジンから大きな入射角度で入射してきた光を、屈折型フレネルレンズを用いた場合よりも大きく偏向させ、スクリーン法線方向に平行な光に変換して出射させることが可能である。
【特許文献１】特開２００５−１４１２０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１３９１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記フライアイレンズ等のマイクロレンズアレイ型拡散素子を用いたスクリーンにおいて、設計どおりの拡散特性を得るためには、スクリーン内のいずれの１画素領域においても、そこに含まれるレンズ単位胞（＝マイクロレンズアレイのレンズ単位となる形状部分）の縦横配列ピッチと同じ縦横サイズを有する少なくとも１領域分の全体にスクリーン法線方向の光が入射するという条件（必要条件Ａ）が満たされねばならない。
【００１２】
しかるに、薄型大画面の大角度入射リアプロスクリーンの場合、例えば図２に示すように、プロジェクタ光（光学エンジンからの光）９を全反射型フレネルレンズ８により、スクリーン法線方向へ偏向すると、全反射フレネル８Fの同心円環状パターンに合わせて、マイクロレンズアレイ型拡散素子７に光が入射する部分（光入射部11）と光が入射しない部分（光非入射部12）が交互に発生する。
【００１３】
光入射部11、光非入射部12の幅α、βから定義されるデューティ比＝α/（α＋β）は、プロジェクタ光９の入射角度が大きくなればなるほど小さくなり、図示の如く光入射部11の幅αがレンズ単位胞20の縦配列ピッチよりも小さくなるため、前記必要条件Ａが満たされなくなって、設計どおりの拡散特性が得られないだけでなく、場所によって、拡散特性が大きく変化してしまう問題が生じる。
【００１４】
なお、図２では全反射フレネル８Fの環状パターンのピッチｐ1とマイクロレンズアレイ型拡散素子７のレンズ単位胞20の縦配列パターンのピッチｐ2の比ｐ1/ｐ2が約２である場合を示している。ｐ1/ｐ2を大きくとることができれば、前記必要条件Ａが満たされることにはなるが、製造技術面等からの制約上、ｐ1/ｐ2の自由度は大きくない。
つまり、従来の全反射型フレネルレンズでは、大角度入射光をスクリーン法線方向に偏向させようとするとデューティ比が小さくなり、前記偏向後の光をマイクロレンズアレイで拡散させる場合、設計どおりの拡散特性を得るのが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討し、その結果、全反射型フレネルレンズにおいて、プロジェクタ光を入射させる面を環状凹レンズ面とし、全反射させる面を環状凸レンズ面とし、入射した光ビームが前記環状凹レンズ面で広がるように屈折して前記環状凸レンズ面のほぼ全域に入射し、全反射してスクリーン法線方向の光ビームになる（デューティ比が大きくなる）ようにすることが可能な、リアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子に想到した。
【００１６】
すなわち、本発明(1)は、入射してくるプロジェクタ光を、同心円状配列の環状レンズの入射面分で屈折させた後同環状レンズの全反射面分で全反射させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させるリアプロジェクションスクリーン用光偏向素子において、前記入射面分を環状凹レンズ面とし、前記全反射面分を前記入射面分からの光をほぼ幅全体で受光する環状凸レンズ面としたことを特徴とするリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子である。
【００１７】
また、発明者らは、全反射型フレネルレンズと光学的に等価な直交積層シリンドリカルフレネルレンズにおいて、プロジェクタ光を入射させる面を横長シリンドリカル凹レンズ面とし、全反射させる面を横長シリンドリカル凸レンズ面とし、出射させる面を縦長シリンドリカル凸レンズ面として、入射した光ビームが前記横長シリンドリカル凹レンズ面で縦方向に広がるように屈折して前記横長シリンドリカル凸レンズ面のほぼ全域に入射し、全反射した後前記縦長シリンドリカル凸レンズ面で横方向に縮まるように屈折してスクリーン法線方向の光ビームになる（デューティ比が大きくなる）ようにすることが可能な、リアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子に想到した。
【００１８】
すなわち、本発明(2)は、入射してくるプロジェクタ光を、横長シリンドリカルフレネルレンズの入射面分で屈折させた後同横長シリンドリカルレンズの全反射面分で全反射させ、次いで縦長シリンドリカルフレネルレンズの縦長シリンドリカル凸レンズ面で屈折させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させるリアプロジェクションスクリーン用光偏向素子において、前記入射面分を横長シリンドリカル凹レンズ面とし、前記全反射面分を前記入射面分からの光をほぼ縦幅全体で受光する横長シリンドリカル凸レンズ面としたことを特徴とするリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明(1)、(2)によれば、大角度入射光を大きなデューティ比でスクリーン法線方向に偏向させることができ、前記偏向後の光をマイクロレンズアレイで拡散させる場合、設計どおりの拡散特性を得ることができる。
なお、本発明(1)の光拡大偏向素子は、素材表面に同心円状の凹凸を設けるために切削バイトによる加工が必要であり、大面積になると精度面、設備面等の制約から、製造困難になる。これに対し、本発明(2)の光拡大偏向素子は、並列直線状の凹凸を設けるためにローラ転写法で加工することができ、大面積でも容易に製造できる。
【００２０】
また、本発明の光拡大偏向素子は、フライアイレンズ等のマイクロレンズアレイで光を拡散させるリアプロジェクションスクリーンに適用するのが、効果顕現性の点で好ましいが、これに限定されるものではなく、前記Ｐ型あるいは前記Ｄ型の拡散フィルムで光を拡散させるリアプロジェクションスクリーンにも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図３は、本発明(1)の光拡大偏向素子の1例を示す縦断面模式図である。光拡大偏向素子15は、入射してくるプロジェクタ光９を、同心円状配列の環状レンズの入射面分とした環状凹レンズ面13で屈折させた後、同環状レンズの全反射面分とした環状凸レンズ面14の幅（同心円半径方向幅）のほぼ全体（例えば90〜100％）で受光し、全反射させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させる。
【００２２】
これにより、光入射部11の幅αとほぼ同じになる環状凸レンズ面14の幅（同心円半径方向幅）は、光非入射部12の幅βとほぼ同じになる環状凹レンズ面13の幅（同心円半径方向幅）よりも数倍大きくとれるので、大角度入射であってもデューティ比＝α/（α＋β）を大きくすることができ、前記必要条件Ａが満足される。
なお、光拡大偏向素子15の屈折率は1.5〜1.6程度が好適であり、素材としてはアクリル、ゼオノア等が挙げられる。
【００２３】
図４は、本発明(2)の光拡大偏向素子の1例を示す（ａ）は縦断面模式図、（ｂ）は横断面模式図である。本発明(2)の光拡大偏向素子21は、入射してくるプロジェクタ光９を、横長シリンドリカルフレネルレンズ18の入射面分とした横長シリンドリカル凹レンズ面16で屈折させた後同横長シリンドリカルレンズ18の全反射面分とした横長シリンドリカル凸レンズ面17の縦幅のほぼ全体（例えば90〜100％）で受光し、全反射させ、次いで、縦長シリンドリカルフレネルレンズ19の縦長シリンドリカル凸レンズ面22で屈折させてスクリーン法線方向に偏向させ出射させる。なお、図４では、前記出射した光を拡散させる拡散素子（図３中のマイクロレンズアレイ型拡散素子７など）は図示を省略した。
【００２４】
これにより、光入射部11の幅αとほぼ同じになる横長シリンドリカル凸レンズ面17の縦幅は、光非入射部12の幅βとほぼ同じになる横長シリンドリカル凹レンズ面16の縦幅よりも数倍大きくとれるので、大角度入射であってもデューティ比＝α/（α＋β）を大きくすることができ、前記必要条件Ａが満足される。
なお、光拡大偏向素子21の屈折率は1.5〜1.6程度が好適であり、素材としてはアクリル、ゼオノア等が挙げられる。
【００２５】
光拡大偏向素子21は、例えば次のようにして製造することができる。
１）２枚の素材のうち1枚の片面にロール転写法で、横長シリンドリカルフレネルレンズの入射面分（横長シリンドリカル凹レンズ面）、全反射面分（横長シリンドリカル凸レンズ面）の面形状に対応する凹凸条を形成し、もう1枚の片面にロール転写法で、縦長シリンドリカルフレネルレンズの縦長シリンドリカル凸レンズ面の面形状に対応する凹凸条を形成する。
【００２６】
２）前記凹凸条形成後の２枚の素材を、凹凸非形成面を相対面させ、凹凸条の延在方向を相直交させて貼り合わせる。
これをスクリーンに適用する時には、横長シリンドリカルフレネルレンズの「横長」方向をスクリーン横方向に、縦長シリンドリカルフレネルレンズの「縦長」方向をスクリーン縦方向に、それぞれ合わせる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来のリアプロジェクションスクリーンの１例を示す平断面模式図である。
【図２】従来の全反射型フレネルレンズの1例を示す縦断面模式図である。
【図３】本発明(1)の光拡大偏向素子の１例を示す縦断面模式図である。
【図４】本発明(2)の光拡大偏向素子の１例を示す縦断面模式図（ａ）および横断面模式図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００２８】
１  光学エンジン
２  フレネルレンズ（光偏向素子）
３  レンティキュラレンズ（集光素子）
４  ブラックマスク（ＢＭ）
５  拡散フィルム
６  反射防止膜
７  マイクロレンズアレイ型拡散素子（例：フライアイレンズ）
８  全反射型フレネルレンズ
８F  全反射フレネル
９  プロジェクタ光（光学エンジンからの光）
10  ピンホール
11  光入射部
12  光非入射部
13  環状凹レンズ面
14  環状凸レンズ面
15  光拡大偏向素子（本発明(1)のリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子）
16  横長シリンドリカル凹レンズ面
17  横長シリンドリカル凸レンズ面
18  横長シリンドリカルフレネルレンズ
19  縦長シリンドリカルフレネルレンズ
20  レンズ単位胞
21  光拡大偏向素子（本発明(2)のリアプロジェクションスクリーン用光拡大偏向素子）
22  縦長シリンドリカル凸レンズ面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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