JP2006133523A - フレネルレンズシート，透過型スクリーン及び背面投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 背面投射型表示装置において、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制する。
【解決手段】 所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するためのフレネルレンズシートの光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面１１ａと、屈折面１１ａからの屈折光を出射面１０ａ側に反射する反射面１１ｂとを有するプリズム１１を配列し、少なくとも一部のプリズム１１で、出射面１０ａの垂線ｓ１に対する屈折面１１ａの垂線ｓ２の角度θ１を、そのプリズム１１の位置における光の入射角以下にする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過型スクリーン等に用いられるフレネルレンズシート、背面投射型表示装置等に用いられる透過型スクリーン及び背面投射型表示装置に関する。

大画面の画像表示装置の一種として、背面投射型表示装置（リアプロジェクションディスプレイ）が普及している。背面投射型表示装置は、周知の通り、ＣＲＴ，ＬＣＤ素子またはＤＬＰ（Digital Light Processing）素子等の映像光源から出射した映像光を、投影ミラーで反射・拡大して透過型スクリーンに背面から投射し、透過型スクリーンの正面側から画像を見るようにしたものである。

背面投射型表示装置では、一般に、光学系を小型化する（光路長を短くする）ことを目的として、投影ミラーから透過型スクリーンへの光の入射角が急峻にされている。そのため、透過型スクリーンには、投影ミラーからの映像光を平行光化する（スクリーン面に垂直な方向の光に変換する）フレネルレンズシートが設けられている。

フレネルレンズシートには、屈折型のものと、反射型のものとがある。屈折型のフレネルレンズシートは、図１０に示すように、基板５０の出射面側に、断面が３角形状のプリズム５１を配列したものであり、入射光Ｌ１をプリズム５１の屈折面５１ａで屈折させることによって光の進行方向を変える。

反射型のフレネルレンズシートは、図１１に示すように、基板５０の入射面側に、断面が３角形状のプリズム５２を光の入射面側に配列したものであり、入射光Ｌ１をプリズム５２の屈折面５２ａで屈折させ、この屈折光をプリズム５２の反射面５２ｂでフレネルレンズシートの出射面５３側に反射させることによって光の進行方向を変える。この反射面５２ｂからの反射光が、プリズム５２の第三面５２ｃ（出射面５３に平行な面）を透過して基板５０の出射面５０ａから出射される。

ところで、背面投射型表示装置の画質の低下を招く原因の一つに、フレネルレンズシートでの迷光の発生がある。これは、映像光の一部が、本来反射されるべきではない箇所で反射された後、フレネルレンズシートで反射や屈折を繰り返す現象であり、この迷光が観測者側に出射されると映像が２重，３重に見えてしまう。

従来、フレネルレンズシートのうち、反射型のフレネルレンズシートでの迷光の発生を抑制する技術としては、プリズムの谷の部分の形状に特徴を持たせることにより、プリズムの屈折面で屈折されたりプリズムの反射面で反射されてこの谷の部分に達した光を、迷光になりにくくしたものが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２１２７７０号公報（段落番号００３１〜４５、図１〜８）

ところで、フレネルレンズシートへの入射時やフレネルレンズシートからの出射時には一部の映像光が反射されてしまうので、この反射光も迷光になり得る。

図１２は、図１１に示した反射型のフレネルレンズシートにおいて、映像光の入射時に迷光が発生する様子を示す図である。反射型のフレネルレンズシートに入射した映像光Ｌ１のうちの一部のＬ２が、プリズム５２の屈折面５２ａで反射されている。そして、この反射光Ｌ３が、プリズム５２の屈折面５２ａで反射された後、隣のプリズム５２に入射してその反射面５２ｂ及び屈折面５２ａで屈折されることによって迷光になり、その後、さらに隣のプリズム５２で入射してその屈折面５２ａで反射されて、出射面５０ａから出射されている。

図１３は、図１１に示した反射型のフレネルレンズシートにおいて、映像光の出射時に迷光が発生する様子を示す図である。反射型のフレネルレンズシートに入射した映像光Ｌ１のうち、プリズム５２の屈折面５２ａ，反射面５２ｂでそれぞれ屈折，反射された映像光は基板５０の出射面５０ａに達するが、この出射面５０ａに達した映像光のうちの一部の光Ｌ４が、出射面５０ａで反射されて元のプリズム５２に戻っている。そして、この戻り光Ｌ４が、反射面５２ｂで屈折され、隣のプリズム５２に入射してその反射面５２ｂ及び屈折面５２ａで屈折されることによって迷光になり、その後、さらに隣のプリズム５２に入射してその屈折面５２ａで反射されて、出射面５０ａから出射されている。

しかるに、上記特許文献１に記載の技術は、反射型のフレネルレンズシートに入射した（プリズムの屈折面で屈折された）光が迷光になることを抑制するものであり、図１２に示したように入射時に反射されてしまった（プリズムの屈折面で反射された）映像光が迷光になることは抑制できない。

また、この特許文献１に記載の技術は、プリズムの谷の部分に達した光が迷光になることを抑制するものであり、図１３に示したように反射型のフレネルレンズシートからの出射時に反射されてしまった映像光（戻り光）が、プリズムの谷以外の部分で反射または屈折されて迷光になることは抑制できない。

本発明は、上述の点に鑑み、背面投射型表示装置において、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制したり、さらには、このフレネルレンズシートからの出射時に反射された映像光が迷光になることを抑制することを課題としてなされたものである。

この課題を解決するために、本発明に係る第１のフレネルレンズシートは、所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するためのフレネルレンズシートにおいて、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムを配列したもの、すなわち、反射型のフレネルレンズシートである。

ただし、このフレネルレンズシートは、所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するために用いられる。そして、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下になっている。

屈折面の垂線をこのような角度にしたプリズムでは、屈折面で反射される光の角度（出射面の垂線に対する角度）が、入射角と同じであるか、またはそれよりも小さくなる。換言すれば、屈折面での反射光の進行方向が、入射光と同じ方向か、または入射光よりも隣のプリズムから遠ざかる方向になる。

これにより、図１２に例示したようにこの反射光が隣のプリズムに入射することはなくなるので、反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できる。

なお、このフレネルレンズシートにおいて、一例として、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する反射面の角度を、出射面の垂線に対する屈折面からの屈折光の角度の２分の１以下にすることが好適である。

反射面をこのような角度にしたプリズムでは、反射面で反射されて出射面に達した光のうち、出射面で反射されて元のプリズムに戻った光（戻り光）が、この反射面の元の反射位置と同じ位置か、または、元の反射位置よりもプリズムの先端寄りの位置に戻るようになる。したがって、この戻り光は、この反射面で屈折された後、フレネルレンズシートへの入射時と同じ光路か、またはフレネルレンズシートへの入射時よりも隣のプリズムから離れた場所を進むようになる。

これにより、図１３に例示したようにこの戻り光が隣のプリズムに入射することはなくなるので、反射型のフレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることも抑制できる。

次に、本発明に係る第２のフレネルレンズシートは、所定の角度範囲の入射角で入射する入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートにおいて、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面と、これらの反射面と第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面と、さらに反射面と第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムを配列したものである。すなわち、反射型のフレネルレンズシートであるが、断面が３角形状ではなく、断面が４角形状のプリズムを配列したものである。

そして、このフレネルレンズシートは、所定の角度範囲の入射角で入射する入射光を平行光化するために用いられるものであり、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下になっている。

屈折面の垂線をこのような角度にしたプリズムでは、屈折面で反射される光の角度（出射面の垂線に対する角度）が、入射角と同じであるか、またはそれよりも小さくなる。換言すれば、屈折面での反射光の進行方向が、入射光と同じ方向か、または入射光よりも隣のプリズムから遠ざかる方向になる。

これにより、図１２に例示したようにこの反射光が隣のプリズムに入射することはなくなるので、反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された光が迷光になることを抑制できる。

さらに、このフレネルレンズシートでは、プリズムの反射面と第三面（透過面）との間に第四面が設けられている。この第四面は、次の（１）〜（５）のように利用することができる。

（１）第四面の長さや角度を変えることにより、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの先端角にとらわれずに、出射面に対する屈折面や反射面の角度を任意に調整することができる。すなわち、この第四面を、プリズムの形状を調整する面として利用することにより、屈折面や反射面の設計の自由度が高くなる。

これにより、光の入射角が小さいような場合にも、それに対応して屈折面の角度を定めて、反射型のフレネルレンズシートへの入射時の反射光が迷光になることを抑制できる。

また、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの先端角にとらわれずに、反射面の角度を任意に調整して、フレネルレンズシートからの出射光の進行方向を任意に調整することができる。

（２）第四面の長さや角度を変えることにより、屈折面や反射面の角度を変えることなく、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを任意に設定することができる。

（３）一般に、反射型のフレネルレンズシートでは、光の入射角が小さい場合にシート全体が傾いたりプリズムのレンズ面全体が傾いたりすると、プリズムの製造時の寸法誤差やシートの基板へのプリズムの取付け誤差を原因として、入射光がプリズムの屈折面で屈折された後反射面に当たらないままプリズム内を抜けてしまうことがある。この光の抜けは、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを調整することにより、反射面のうち実際に反射に利用する領域を狭めれば防止することができるが、断面が３角形状のプリズムの場合には設計の自由度が低いので容易ではない。これに対し、このフレネルレンズシートでは、第四面の存在によって設計自由度が増え、よりマージンを持ったフレネルレンズシートの設計を行うことができるので、この光の抜けを防止することが容易になる。

（４）プリズムに任意の角度の抜け勾配を持たせるように第四面の角度を設定することができるので、プリズムを成型するための金型の製作が容易になるとともに、この金型からのプリズムの取り出しも容易になる。

（５）プリズム成型用の金型を加工する際には、その先端部分が曲がってしまう問題が多々発生する。このような金型で成型したプリズムを用いたフレネルレンズシートには、プリズムの反射面の一部の角度がずれてしまう（反射面と第三面とで形成される頂点が曲ってしまう）ことにより、反射光が迷光になったり、光線が妨げられて映像にスジが見えるので画質が劣化してしまうという問題がある。隣り合うプリズムのピッチやプリズムの高さを調整することにより、反射面のうち実際に反射に利用する領域を狭める（角度がずれた領域を利用しない）ようにすれば、反射面と第三面の間の頂点が多少曲がっていても反射光に影響しないので、この迷光やスジを回避することができるが、断面が３角形状のプリズムの場合には設計の自由度が低いので容易ではない。これに対し、このフレネルレンズシートでは、第四面の存在によって設計自由度が増え、よりマージンを持ったフレネルレンズシートの設計を行うことができるので、金型の仕上がり具合が多少悪くても、この迷光やスジを回避して画質の劣化を防止することが容易になる。

なお、このフレネルレンズシートにおいて、一例として、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する反射面の角度を、出射面の垂線に対する屈折面からの屈折光の角度の２分の１以下にすることが好適である。

反射面の角度をこのような角度にしたプリズムでは、反射面で反射されて出射面に達した光のうち、出射面で反射されて元のプリズムに戻った光（戻り光）が、この反射面の元の反射位置と同じ位置か、または、元の反射位置よりもプリズムの先端寄りの位置に戻るようになる。したがって、この戻り光は、この反射面で屈折された後、フレネルレンズシートへの入射時と同じ光路か、またはフレネルレンズシートへの入射時よりも隣のプリズムから離れた場所を進むようになる。

これにより、図１３に例示したようにこの戻り光が隣のプリズムに入射することはなくなるので、反射型のフレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることも抑制できる。

次に、本発明に係る第１の透過型スクリーンは、所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するためのフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

この透過型スクリーンは、反射型のフレネルレンズシートとして、前述の本発明に係る第１のフレネルレンズシートを設けたものである。したがって、反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された光が迷光になることを抑制できる。

次に、本発明に係る第２の透過型スクリーンは、所定の角度範囲の入射角で入射する入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面と、これらの反射面と第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

この透過型スクリーンは、反射型のフレネルレンズシートとして、前述の本発明に係る第２のフレネルレンズシートを設けたものである。したがって、反射型のフレネルレンズシートへの入射時の反射光が迷光になることを抑制できるとともに、フレネルレンズシートのプリズムの反射面と出射面との間に設けた第四面を前述の（１）〜（５）のように利用することができる。

次に、本発明に係る第１の背面投射型表示装置は、映像光を出射する映像光源と、この映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から投射される透過型スクリーンとを含む背面投射型表示装置において、この透過型スクリーンに、入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートが設けられており、このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

この背面投射型表示装置は、映像光が所定の角度範囲の入射角で透過型スクリーンに背面から投射される背面投射型表示装置において、この透過型スクリーンとして前述の本発明に係る第１の透過型スクリーンを用いたものである。したがって、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できる。

次に、本発明に係る第２の背面投射型表示装置は、映像光を出射する映像光源と、この映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から投射される透過型スクリーンとを含む背面投射型表示装置において、この透過型スクリーンに、入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートが設けられており、このフレネルレンズシートは、光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、この屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、この反射面からの反射光を透過させる第三面と、これらの反射面と第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、少なくとも一部のプリズムで、出射面の垂線に対する屈折面の垂線の角度が、そのプリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする。

この背面投射型表示装置は、映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から透過型スクリーンに投射される背面投射型表示装置において、この透過型スクリーンとして前述の本発明に係る第２の透過型スクリーンを用いたものである。したがって、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できるとともに、フレネルレンズシートのプリズムの反射面と出射面との間に設けた第四面を前述の（１）〜（５）のように利用することができる。

本発明に係る第１のフレネルレンズシートによれば、反射型のフレネルレンズシートにおいて、入射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果が得られる。

また、反射型のフレネルレンズシートにおいて、出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

本発明に係る第２のフレネルレンズシートによれば、反射型のフレネルレンズシートにおいて、光の入射角が小さい場合にも、入射時の反射光が迷光になることを抑制できるという効果や、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの先端角にとらわれずに出射光の進行方向を任意に調整できるという効果や、プリズムの屈折面や反射面の角度を変えることなく隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを任意に設定できるという効果や、シート全体が傾いたりプリズムのレンズ面全体が傾いたときの光の抜けを回避することが容易になるという効果や、プリズムに任意の角度の抜け勾配を持たせることができるという効果や、プリズム成型用の金型の仕上がり具合が多少悪くても迷光やスジを回避して画質の劣化を防止することが容易になるという効果が得られる。

また、反射型のフレネルレンズシートにおいて、出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

本発明に係る第１の透過型スクリーンによれば、反射型のフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、フレネルレンズシートへの入射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果が得られる。

また、フレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

本発明に係る第２の透過型スクリーンによれば、反射型のフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、光の入射角が小さい場合にも、フレネルレンズシートへの入射時の反射光が迷光になることを抑制できるという効果や、フレネルレンズシートの隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの先端角にとらわれずにフレネルレンズシートからの出射光の進行方向を任意に調整できるという効果や、フレネルレンズシートのプリズムの屈折面や反射面の角度を変えることなく隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを任意に設定できるという効果や、フレネルレンズシート全体が傾いたりプリズムのレンズ面全体が傾いたときの光の抜けを回避することが容易になるという効果や、フレネルレンズシートのプリズムに任意の角度の抜け勾配を持たせることができるという効果や、プリズム成型用の金型の仕上がり具合が多少悪くても迷光やスジを回避して画質の劣化を防止することが容易になるという効果が得られる。

また、フレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

本発明に係る第１の背面投射型表示装置によれば、映像光が所定の角度範囲の入射角で透過型スクリーンに背面から投射される背面投射型表示装置において、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できるという効果が得られる。

また、フレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

本発明に係る第２の背面投射型表示装置によれば、映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から透過型スクリーンに投射される背面投射型表示装置において、透過型スクリーンへの光の入射角が小さい場合にも、透過型スクリーンに設けられた反射型のフレネルレンズシートへの入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できるという効果や、フレネルレンズシートの隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの先端角にとらわれずにフレネルレンズシートからの出射光の進行方向を任意に調整できるという効果や、フレネルレンズシートのプリズムの屈折面や反射面の角度を変えることなく隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを任意に設定できるという効果や、フレネルレンズシート全体が傾いたりプリズムのレンズ面全体が傾いたときの光の抜けを回避することが容易になるという効果や、フレネルレンズシートのプリズムに任意の角度の抜け勾配を持たせることができるという効果や、プリズム成型用の金型の仕上がり具合が多少悪くても迷光やスジを回避して画質の劣化を防止することが容易になるという効果が得られる。

また、フレネルレンズシートからの出射時に反射された光が迷光になることを抑制できるという効果も得られる。

以下、本発明を図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明を適用した背面投射型表示装置の光学系の概要を示す図である。映像光源１は、例えばＣＲＴ，ＬＣＤ素子またはＤＬＰ（Digital Light Processing）素子から成っており、図示しない映像信号処理系からの映像データに応じて駆動されて、映像光を出射する。

映像光源１から出射された映像光は、複数のレンズを組み合わせた投影レンズ２で拡大されて投影ミラー３に入射する。そして、投影ミラー３で反射・拡大されて透過型スクリーン４に背面から投射され、透過型スクリーン４から観測者に出射される。

この投影ミラー３から透過型スクリーン４への映像光の入射角は、透過型スクリーン４の下端部で最小値θ３となり、透過型スクリーン４の上端部側になるほど大きくなり、透過型スクリーン４の上端部で最大値θ３’となる。

ここでは、一例として、この最小値θ３，最大値θ３’をそれぞれ６１°，７０°とする。すなわち、透過型スクリーン４には、映像光が６１°〜７０°の角度範囲で投射されるものとする。（図１自体は、この６１°〜７０°という度角度範囲を正確に描いたものではない。）

透過型スクリーン４は、光の入射面側（投影ミラー３の側）からみて、フレネルレンズシート５，レンチキュラーレンズシート６を順に配置したものである。このうち、フレネルレンズシート５は、投影ミラー３からの映像光を平行光化する（スクリーン面に垂直な方向の光に変換する）ものである。

レンチキュラーレンズシート６は、視野角の拡大を目的として、フレネルレンズシート５で平行光化された映像光をレンズの屈折効果によって水平方向や垂直方向に偏向させるものである。このレンチキュラーレンズシート６の構成は、既存の一般的なレンチキュラーレンズシートと同じであってよい。

次に、図１のフレネルレンズシート５の一実施例を説明する。図２は、一実施例に係るフレネルレンズシート５の断面構造を示す図である。フレネルレンズシート５は、基板（例えば樹脂製またはガラス製の基板）１０の光の入射面側（図の左側）に、複数のプリズム１１を配列したもの、すなわち、反射型のフレネルレンズシートである。各プリズム１１は、入射光を屈折させる屈折面１１ａと、屈折面１１ａからの屈折光を基板１０の出射面１０ａ側に反射する反射面１１ｂと、反射面１１ｂからの反射光を透過させる第三面１１ｃ（出射面１０ａに平行な面）とを有している。

基板１０の出射面１０ａの垂線ｓ１に対する各プリズム１１の屈折面１１ａの垂線ｓ２の角度（これは、出射面１０ａに対する屈折面１１ａの角度に等しい）θ１は、６０．５°になっている。したがって、この角度θ１は、図１の透過型スクリーン４へ入射角度範囲θ３〜θ３’（６１°〜７０°）内のいずれの角度よりも小さくなっている。（図２では、図示の都合上、θ１を６０．５°よりも幾分小さく描いている。）

出射面１０ａに対する各プリズム１１の反射面１１ｂの角度θ４は、２９°になっている。他方、フレネルレンズシート５のうち、最小入射角θ３＝６１°で映像光が入射する部位では、出射面１０ａの垂線ｓ１に対する屈折面１１ａからの屈折光の角度θ５は６０．８°になる。また、フレネルレンズシート５のその他の部位では、この屈折光の角度θ５は６０．８°よりも大きくなる。したがって、この角度θ４は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、この屈折面１１ａからの屈折光の角度θ５の２分の１よりも小さくなっている。

図３は、このフレネルレンズシート５において、映像光の入射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。フレネルレンズシート５に入射した映像光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ２が、プリズム１１の屈折面１１ａで反射されている。

しかし、前述の屈折面１１ａの角度θ１と入射角度範囲θ３〜θ３’との関係から、この屈折面１１ａでの反射光Ｌ２の角度（出射面１０ａの垂線ｓ１に対する角度）は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、映像光Ｌ１の入射角よりも小さくなる。換言すれば、屈折面１１ａでの反射光Ｌ２の進行方向が、入射光Ｌ１よりも、隣のプリズム１１から遠ざかる方向になる。

これにより、従来例として図１２に示したようにこの反射光Ｌ２が隣のプリズム１１に入射するようなことがなくなるので、フレネルレンズシート５への入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できる。

図４は、このフレネルレンズシート５において、映像光の出射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。フレネルレンズシート５に入射した映像光Ｌ１のうち、プリズム１１の屈折面１１ａ，反射面１１ｂでそれぞれ屈折，反射された映像光は基板１０の出射面１０ａに達するが、この出射面１０ａに達した映像光のうちの一部の光Ｌ４は、出射面１０ａで反射されて元のプリズム１１に戻る。

しかし、前述の反射面１１ｂの角度θ４と屈折光の角度θ５との関係から、この元のプリズム１１への戻り光Ｌ４は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、反射面１１ａの元の反射位置よりもプリズム１１の先端寄りの位置に戻るようになる。したがって、この戻り光Ｌ４は、反射面１１ａで屈折された後、フレネルレンズシート５への入射時よりも隣のプリズム１１から離れた場所を進むようになる。

これにより、従来例として図１３に示したようにこの戻り光Ｌ４が隣のプリズム１１に入射するようなことがなくなるので、フレネルレンズシート５からの出射時に反射された光が迷光になることも抑制できる。

次に、図１のフレネルレンズシート５の別の実施例を説明する。図５は、別の実施例に係るフレネルレンズシート５の断面構造を示す図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付している。フレネルレンズシート５は、基板１０の光の入射面側（図の左側）に、複数のプリズム２０を配列したもの、すなわち、反射型のフレネルレンズシートである。

各プリズム２０は、入射光を屈折させる屈折面２０ａと、屈折面２０ａからの屈折光を基板１０の出射面１０ａ側に反射する反射面２０ｂと、反射面２０ｂからの反射光を透過させる第三面２０ｃ（出射面１０ａに平行な面）とをさらに反射面２０ｂと第三面２０ｃとの間に位置する第四面２０ｄとを有している。すなわち、各プリズム２０は、断面が、３角形状ではなく４角形状になっている。

基板１０の出射面１０ａの垂線ｓ１に対する各プリズム２０の屈折面２０ａの垂線ｓ２の角度（これは、出射面１０ａに対する屈折面２０ａの角度に等しい）θ１は、６０．５°になっている。したがって、この角度θ１は、図１の透過型スクリーン４へ入射角度範囲θ３〜θ３’（６１°〜７０°）内のいずれの角度よりも小さくなっている。（図５でも、図示の都合上、θ１を６０．５°よりも幾分小さく描いている。）

出射面１０ａに対する各プリズム２０の反射面２０ｂの角度θ４は、２９°になっている。他方、フレネルレンズシート５のうち、最小入射角θ３＝６１°で映像光が入射する部位では、出射面１０ａの垂線ｓ１に対する屈折面２０ａからの屈折光の角度θ５は６０．８°になる。また、フレネルレンズシート５のその他の部位では、この屈折光の角度θ５は６０．８°よりも大きくなる。したがって、この角度θ４は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、この屈折面２０ａからの屈折光の角度θ５の２分の１よりも小さくなっている。

図６は、このフレネルレンズシート５において、映像光の入射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。フレネルレンズシート５に入射した映像光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ２が、プリズム２０の屈折面２０ａで反射されている。

しかし、前述の屈折面２０ａの角度θ１と入射角度範囲θ３〜θ３’との関係から、この屈折面２０ａでの反射光Ｌ２の角度（出射面１０ａの垂線ｓ１に対する角度）は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、映像光Ｌ１の入射角よりも小さくなる。換言すれば、屈折面２０ａでの反射光Ｌ２の進行方向が、入射光Ｌ１よりも、隣のプリズム２０から遠ざかる方向になる。

これにより、従来例として図１２に示したようにこの反射光Ｌ２が隣のプリズム２０に入射するようなことがなくなるので、フレネルレンズシート５への入射時に反射された映像光が迷光になることを抑制できる。

図７は、このフレネルレンズシート５において、映像光の出射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。フレネルレンズシート５に入射した映像光Ｌ１のうち、プリズム２０の屈折面２０ａ，反射面２０ｂでそれぞれ屈折，反射された映像光は基板１０の出射面１０ａに達するが、この出射面１０ａに達た映像光のうちの一部の光Ｌ４は、出射面１０ａで反射されて元のプリズム２０に戻る。

しかし、前述の反射面２０ｂの角度θ４と屈折光の角度θ５との関係から、この元のプリズム２０への戻り光Ｌ４は、フレネルレンズシート５の全ての部位で、反射面２０ａの元の反射位置よりもプリズム２０の先端寄りの位置に戻るようになる。したがって、この戻り光Ｌ４は、反射面２０ａで屈折された後、フレネルレンズシート５への入射時よりも隣のプリズム２０から離れた場所を進むようになる。

これにより、従来例として図１３に示したようにこの戻り光Ｌ４が隣のプリズム２０に入射するようなことがなくなるので、フレネルレンズシート５からの出射時に反射された光が迷光になることも抑制できる。

さらに、このフレネルレンズシート５では、プリズム２０の反射面２０ｂと第三面２０ｃの間に第四面２０ｄが設けられている。この第四面２０ｄは、次の（１）〜（５）のように利用することができる。

（１）第四面２０ｄの長さや角度を変えることにより、隣り合うプリズム２０同士のピッチやプリズム２０の先端角にとらわれずに、出射面１０ａに対するプリズム２０の屈折面２０ａや反射面２０ｂの角度を任意に調整することができる。すなわち、この第四面２０ｄを、プリズム２０の形状を調整する面として利用することにより、屈折面２０ａや反射面２０ｂの設計の自由度が高くなる。

これにより、図１の透過型スクリーン４への映像光の入射角が小さいような場合（例えば最小入射角θ３が６０°未満である場合）にも、それに対応して図５の屈折面２０ａの角度θ１をθ３より小さく定めて、フレネルレンズシート５への入射時の反射光が迷光になることを抑制できる。

図８は、隣り合うプリズム２０同士のピッチを図５と同じにしたまま、第四面２０ｄの長さや角度を変えることにより、屈折面２０ａの角度θ１を４５°よりも小さくした例を示す。この例の場合には、図１の透過型スクリーン４への映像光の最小入射角θ３が４５°程度であっても、図６に示したのと全く同様にして、フレネルレンズシート５への入射時の反射光が迷光になることを抑制できる。

また、隣り合うプリズム２０同士のピッチやプリズム２０の先端角にとらわれずに、反射面２０ｂの角度を任意に調整して、フレネルレンズシート５からの出射光の進行方向を任意に調整することもできる。

（２）第四面２０ｄの長さや角度を変えることにより、屈折面２０ａや反射面２０ｂの角度を変えることなく、隣り合うプリズム２０同士のピッチやプリズム２０の高さを任意に設定することができる。

（３）一般に、反射型のフレネルレンズシートでは、光の入射角が小さい場合にシート全体が傾いたりプリズムのレンズ面全体が傾いたりすると、プリズムの製造時の寸法誤差やシートの基板へのプリズムの取付け誤差を原因として、入射光がプリズムの屈折面で屈折された後反射面に当たらないままプリズム内を抜けてしまうことがある。この光の抜けは、隣り合うプリズム同士のピッチやプリズムの高さを調整することにより、反射面のうち実際に反射に利用する領域を狭めれば防止することができるが、断面が３角形状のプリズムの場合には設計の自由度が低いので容易ではない。これに対し、このフレネルレンズシート５では、第四面２０ｄの存在によって設計自由度が増え、よりマージンを持ったフレネルレンズシートの設計を行うことができるので、この光の抜けを防止することが容易になる。

（４）プリズム２０に任意の角度の抜け勾配を持たせるように第四面２０ｄの角度を設定することができるので、プリズム２０を成型するための金型の製作が容易になるとともに、この金型からのプリズム２０の取り出しも容易になる。

（５）図１４に例示するように、プリズム成型用の金型６０を加工する際には、その先端部分６０ａが曲がってしまう問題が多々発生する。このような金型６０で成型したプリズム７０を用いたフレネルレンズシートには、プリズム７０の反射面７０ｂの一部の角度がずれてしまう（反射面７０ｂと第三面７０ｃとで形成される頂点７０ｄが曲ってしまう）ことにより、反射光Ｌ２が迷光になったり、光線が妨げられて映像にスジが見えるので画質が劣化してしまうという問題がある。図１５に例示するように、隣り合うプリズム７０同士のピッチＰやプリズム７０の高さＨを調整することにより、反射面７０ｂのうち実際に反射に利用する領域７０ｂ１を狭める（角度がずれた領域を利用しない）ようにすれば、この頂点が多少曲がっていても反射光Ｌ２に影響しないので、この迷光やスジを回避することができるが、断面が３角形状のプリズム７０の場合には設計の自由度が低いので容易ではない。これに対し、このフレネルレンズシート５では、第四面２０ｄの存在によって設計自由度が増え、よりマージンを持ったフレネルレンズシートの設計を行うことができるので、金型の仕上がり具合が多少悪くても、この迷光やスジを回避して画質の劣化を防止することが容易になる。

なお、以上の各実施例では、プリズムの反射面からの反射光を、プリズムの第三面（透過面）を経てそのままフレネルレンズシート５から出射させている。しかし、別の例として、フレネルレンズシート５のプリズムよりも出射面１０ａ寄りに、プリズムの第三面を透過した映像光を拡散させる拡散層を設けてもよい。

図９は、図５に示した実施例に係るフレネルレンズシート５において、プリズム２０と基板１０との間に、こうした拡散層２１（バインダの内部に、屈折率がバインダと異なる粒子を配置した層）を設けた例を示す。この拡散層２１を設けることにより、プリズム２０の第三面２０ｃを透過した映像光が拡散されてフレネルレンズシート５から出射されるので、図１の透過型スクリーン４視野角を拡大することができる。

また、出射時に基板１０の出射面１０ａで反射された光も、この拡散層２１で拡散されるので、この反射光のうち元のプリズム２０に戻る光（戻り光）の光量が少なくなる。したがって、フレネルレンズシート５からの出射時に反射された光が迷光になることを、より一層抑制できるようになる。

また、図５に示した実施例に係るフレネルレンズシート５において、プリズム２０の第四面２０ｄに、入射光を拡散するアンチグレア層（バインダの表面に、屈折率がバインダと等しい粒子を配置することにより、適度の面粗さを持たせた層）を形成したり、あるいは、第四面２０ｄの表面自体を粗くする加工を施したりしてもよい。それにより、この第四面２０ｄに入射した光が拡散して反射されるので、迷光の発生をより一層抑制できるようになる。

また、以上の各実施例では、基板１０の出射面１０ａに対する各プリズムの屈折面の角度θ１を、図１の透過型スクリーン４への入射角度範囲θ３〜θ３’（６１°〜７０°）のいずれの角度よりも小さくしている。しかし、これに限らず、各プリズムの屈折面の角度θ１を、最小入射角θ３よりも大きいが最大入射角θ３’よりも小さい角度（例えば、６５°や、最大入射角θ３’）にしてもよい。その場合にも、フレネルレンズシート５のうち映像光の入射角がこの一定の角度以上である部位では、やはり図３，図４や図６，図７に示したようにして映像光の入射時及び出射時の迷光の発生を抑制することができる。

あるいはまた、各プリズムの屈折面の角度θ１を、入射角度範囲θ３〜θ３’内の或る一定の角度と同じ（例えば、６１°）にしてもよい。屈折面の角度θ１が光の入射角と同じ部位でも、屈折面での反射光の進行方向が入射光と同じ方向になり、この反射光が隣のプリズムに入射することがなくなるので、やはりフレネルレンズシート５への入射時の迷光の発生を抑制できる。

また、以上の各実施例では、フレネルレンズシートの各プリズムで、屈折面の角度θ１を、透過型スクリーン４への入射角度範囲よりも小さくしている。しかし、これに限らず、一部のプリズムについてのみ、屈折面の角度θ１を、そのプリズムの位置における光の入射角よりも小さく（またはそのプリズムの位置における光の入射角と同じに）してもよい。

また、以上の各実施例では、プリズムの反射面の角度θ４を、プリズムの屈折面からの屈折光の角度θ５の２分の１よりも小さくしている。しかし、この反射面の角度θ４を、この屈折光の角度θ５の２分の１と同じにしてもよい。その場合にも、フレネルレンズシートの出射面からの戻り光が、この反射面の元の反射位置と同じ位置に戻り、この反射面で屈折された後、フレネルレンズシートへの入射時と同じ光路を進むようになるので、この戻り光が隣のプリズムに入射することがなくなる。したがって、やはりフレネルレンズシート５からの出射時の迷光の発生を抑制できる。

また、以上の各実施例では、フレネルレンズシートの各プリズムで、反射面の角度θ４を、屈折光の角度θ５の２分の１よりも小さくしている。しかし、これに限らず、一部のプリズムについてのみ、反射面の角度θ４を、屈折光の角度θ５の２分の１よりも小さく（または角度θ５の２分の１と同じに）してもよい。

また、以上の各実施例において、基板１０の出射面１０ａにアンチグレア層やＡＲ層(Anti reflective coating)を施すようにしてもよい。それにより、出斜面１０ａ側での光の反射を抑制でき、迷光を削減することができる。

また、以上の例では、背面投射型表示装置に本発明を適用している。しかし、本発明に係るフレネルレンズシートや透過型スクリーンは、背面投射型表示装置以外の用途にも使用してよい。

本発明を適用した背面投射型表示装置の光学系の概要を示す図である。 一実施例に係る図１のフレネルレンズシートの断面構造を示す図である。 図２のフレネルレンズシートにおいて、光の入射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。 図２のフレネルレンズシートにおいて、光の出射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。 別の実施例に係る図１のフレネルレンズシートの断面構造を示す図である。 図５のフレネルレンズシートにおいて、光の入射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。 図５のフレネルレンズシートにおいて、光の出射時に迷光の発生が抑制される様子を示す図である。 図５のフレネルレンズシートにおける、第四面を利用した屈折面の角度の設定の様子を例示する図である。 図５のフレネルレンズシートに拡散層を設けた例を示す図である。 一般的な屈折型のフレネルレンズシートの概要を示す図である。 一般的な反射型のフレネルレンズシートの概要を示す図である。 図１１のフレネルレンズシートにおいて、光の入射時に迷光が発生する様子を示す図である。 図１１のフレネルレンズシートにおいて、光の出射時に迷光が発生する様子を示す図である。 金型の先端の曲がりを原因とするプリズムの反射面の角度のずれを例示する図である。 反射面の利用領域を狭めた状態を例示する図である。

符号の説明

１ 映像光源、 ２ 投影レンズ、 ３ 投影ミラー、 ４ 透過型スクリーン、 ５ フレネルレンズシート、 ６ レンチキュラーレンズシート、 １０ フレネルレンズシートの基板、 １０ａ フレネルレンズシートの基板の出射面、 １１ プリズム、 １１ａ プリズムの屈折面、 １１ｂ プリズムの反射面、 １１ｃ プリズムの第三面、 ２０ プリズム、 ２０ａ プリズムの屈折面、 ２０ｂ プリズムの反射面、 ２０ｃ プリズムの第三面、 ２０ｄ プリズムの第四面

Claims (12)

1. 所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するためのフレネルレンズシートにおいて、
   光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とするフレネルレンズシート。
2. 請求項１に記載のフレネルレンズシートにおいて、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とするフレネルレンズシート。
3. 所定の角度範囲の入射角で入射する入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートにおいて、
   光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面と、前記反射面と前記第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とするフレネルレンズシート。
4. 請求項３に記載のフレネルレンズシートにおいて、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とするフレネルレンズシート。
5. 所定の角度範囲の入射角で入射する光を平行光化するためのフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、
   前記フレネルレンズシートは、
   光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
6. 請求項５に記載の透過型スクリーンにおいて、
   前記フレネルレンズシートは、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
7. 所定の角度範囲の入射角で入射する入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートを設けた透過型スクリーンにおいて、
   前記フレネルレンズシートは、
   光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面と、前記反射面と前記第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
8. 請求項７に記載の透過型スクリーンにおいて、
   前記フレネルレンズシートは、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とする透過型スクリーン。
9. 映像光を出射する映像光源と、前記映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から投射される透過型スクリーンとを含む背面投射型表示装置において、
   前記透過型スクリーンに、入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートが設けられており、
   前記フレネルレンズシートは、
   光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面とを有するプリズムが配列されており、
   少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする背面投射型表示装置。
10. 請求項９に記載の背面投射型表示装置において、
    前記フレネルレンズシートは、
    少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とする背面投射型表示装置。
11. 映像光を出射する映像光源と、前記映像光が所定の角度範囲の入射角で背面から投射される透過型スクリーンとを含む背面投射型表示装置において、
    前記透過型スクリーンに、入射光を平行光化するためのフレネルレンズシートが設けられており、
    前記フレネルレンズシートは、
    光の入射面側に、入射光を屈折させる屈折面と、前記屈折面からの屈折光を出射面側に反射する反射面と、前記反射面からの反射光を透過させる第三面と、前記反射面と前記第三面との間に位置する第四面とを有するプリズムが配列されており、
    少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記屈折面の垂線の角度が、該プリズムの位置における光の入射角以下であることを特徴とする背面投射型表示装置。
12. 請求項１１に記載の背面投射型表示装置において、
    前記フレネルレンズシートは、
    少なくとも一部の前記プリズムで、前記出射面の垂線に対する前記反射面の角度が、前記出射面の垂線に対する前記屈折光の角度の２分の１以下であることを特徴とする背面投射型表示装置。

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