JP4411030B2 - 投射型表示装置 - Google Patents
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Description
一方、このような斜め入射方式に用いるリアプロジェクションスクリーンについては、通常用いられる屈折式のフレネルレンズを使用した場合、入射角が大きいために入射面での表面反射率が非常に大きく十分な明るさが得られず、また、入射角が大きくなるにつれて急激に反射率が増大するために均一な明るさが得られないという問題がある。このような問題を解決するために、例えば、特許文献2では、円弧状に並んだプリズムを用いてプリズム内で全反射させることで急角度の入射角でも十分な明るさが得られる全反射プリズム式フレネルレンズを使用することが提案されている。
また、この斜め入射方式によって装置の奥行きと高さを小さくするためには、平面ミラーを用いて光路を折り畳むことが効果的であり、そのため、各種の提案が行なわれているが、例えば、前記の特許文献1にはスクリーンにほぼ平行なミラーを用いるものが示されており、また、前記の特許文献2にはスクリーンにほぼ垂直なミラーを用いるものが示されている。
図11においてスクリーン2の法線21に対してαの角度で入射する光線bは、プリズム入射面81にθiの入射角で入射する。入射面81においてスネルの法則にしたがって屈折させられθrの角度で出射する屈折光線b’が、プリズムの全反射面82に臨界角以上
の角度で入射して100%反射されてスクリーンにほぼ垂直な光線cに曲げられるようにプリズムの頂角θtと入射面のスクリーン面に対する角度θsを設定してある。これが全反射プリズム式フレネルレンズの作用であるが、入射光線bより隣のプリズムの先端に近い光線b2は全反射面82にあたらずに光線b2’の方向に直進してしまうのである。このように直進してしまう光線b2’は単なる光量損失になるだけでなく、本来の位置と異なる位置に像が現れる現象、いわゆるゴーストを生じる原因となり、著しく映像の品位を損ねることになる。
すなわち、本発明の投射型表示装置は、プリズム群を含むフレネル板を含む透過型のスクリーンと、
少なくとも1枚のミラー含み、前記スクリーンの裏側に向かって映像光を斜めに拡大投射する投射光学系と、を備え、前記スクリーンが前記映像光を前記スクリーンの前面側に導く投射型表示装置であって、
前記投射光学系から前記スクリーンに入射する前記映像光の、前記スクリーンへの入射角度が60度以上85度以下であって、
前記少なくとも1枚のミラーのうち最も前記スクリーンに近いミラーが平面ミラーであって、前記スクリーンに入射する光の前記スクリーンへの入射角度の最小値をαmin、前記スクリーンに入射する光の前記スクリーンへの入射角度の最大値をαmax、前記平面ミラーの法線と前記スクリーンの法線とのなす角度をγとするとき、
45+αmin/2 < γ < 45+αmax/2
を満足しており、
前記映像光が前記プリズム群の入射面から入射し、該映像光が前記プリズム群の全反射面で反射されることによって、前記映像光が前記スクリーンに対して垂直な方向に出射されるように前記透過型スクリーンが構成されており、
前記映像光のうち前記プリズム群の入射面で反射された光が前記スクリーンの法線となす角度が、前記平面ミラーに映る前記スクリーンの虚像に入射する光線が前記スクリーンの法線となす角度よりも小さくなるように前記プリズム群が構成されていることを特徴としている。
また、前記プリズム群が、前記スクリーンの最も光入射側に配置されており、
前記プリズム群が、複数の同心円上に互いに異なる形状のプリズムを含んでいることを特徴としている。
ここで、前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円のうち第1の円上に配置されたプリズムの、前記基準平面における断面形状と、前記複数の同心円のうち前記第1の円とは異なる第2の円上に配置されたプリズムの、前記基準平面における断面形状とが互いに異なることを特徴としている。
さらに、前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円上に形成されているプリズムそれぞれの前記基準平面における断面形状が互いに異なるように構成すると尚良い。
また、前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円のうち第3の円上に配置されたプリズムの前記基準平面上におけるプリズム頂角と、前記複数の同心円のうち前記第3の円とは異なる第4の円上に配置されたプリズムの前記基準平面上におけるプリズム頂角とが実質的に同じであることを特徴としている。
図2は投射型表示装置1の外装を一部切り取って中が見えるようにした状態を示す模式図である。下部に設けられた投射ユニット4から映像光が投射光学系41を通して上方に投射され、上部ミラー3で光路を下方に曲げられて透過型のスクリーン(被投射面)2に入射するようになっている。画面中央の光線である中心光線a(基準光軸)は投射光学系41の瞳5の中心を通り、上部ミラー3の中央部に当たって光線bとなってスクリーンの中央に入射している。また、画面の四隅の光線であるm、m’、g、g’も同様に瞳5から上部ミラー3の四隅部に当たって光線n、n’、h、h’となってスクリーン2の四隅に入射する。
線と前述の基準光軸との角度が60度以上85度以下、より好ましくは65度以上80度以下とすると良い。これについてその配置を表す立体図である図3を用いて詳述する。なお、この図はわかりやすくするために上部ミラー3を取り除いた展開図てあるので、図1、2とは画面の上下が逆になっている。
図において、座標軸はスクリーン2の中心Oを原点としたxyz座標系であって、スクリーン有効部の大きさを横方向2x0、縦方向2y0とし、投射光学系の瞳の中心P0がy軸方向に−y1だけオフセットした位置に配されている。画面上の任意の点Pへの入射角αは、点P0と点O’(スクリーン面を含む平面に対して垂直で、且つ前述の瞳の中心P0を含む直線と、スクリーン面を含む平面との交点)間の距離と、点P0を点O’との距離z1の正接角として求めることができる。つまり、点O’を中心とするある円上では入射角αが一定である。したがって、点O’を中心とし、所定の半径の円上には、同一断面形状のプリズムを配置し、また半径の異なる円上には、その円上における光の入射角度を考慮した上で同一断面形状のプリズムを配置することにより、スクリーン面上での各々の入射角αとプリズム形状を対応させることができ、全画面範囲(スクリーンの少なくとも一部)で出射光線の方向をz軸方向になるように揃えられる。
なお、上記入射角の数字は投射光学系41の瞳5の中心を通る代表光線の値である。実際には瞳5が有限の大きさを持つために、わずかながら角度分散を有しスクリーン面上で一点に集まる光束なので、扱う特性によってはこの角度分散分を考慮する必要がある。
これらの入射角の数値でわかるように、本発明に用いる投射光学系41は中心光線を基準軸として大きく傾斜したスクリーン面に投影するものである。このような斜め投射の光学系については種々の方式が提案されており、いずれの方式でも使用可能である。したがって、ここでは説明を省略する。
プリズムの入射面81がスクリーン面となす角をθs、プリズムの頂角をθt、光線bのスクリーン面に対する入射角をαとすると、光線bのプリズム面81に対する入射角θiは、θi=α−θs(式1)である。また、入射面81で屈折されて出射する光線b’の出射角θrは、プリズムの屈折率をnとして、SIN(θr)=SIN(θi)/n(式2)である。したがって、光線b’の全反射面82への入射角θzは、θz=θt−θr(式3)となり、これが臨界角(n=1.49のとき42.16°)以上となるようにθtを選ぶ必要がある。全反射された出射光線cの方向がスクリーン面に垂直になる条件は、θz=180°−θt−θs(式4)なので、式1、2、3を用いて整理すると
TANθs=(SINα+nSIN2θt)/(COSα−nCOS2θt)(式5)
である。
すなわち、プリズムの材料としてアクリル樹脂(n=1.49)を用い、θt=58°として、α=72.97°の場合、θs=67.60°、θz=54.40°となる。
αmin=65.22°のときθs=64.49°、θz=57.51°となる。また、αmax=78.19°のときθs=69.69°、θz=52.31°となる。
したがって、θtを一定にしたまま、α=65.22°から78.19°に対して式5によって求まるθsとなるよう、θsを64.49°から69.69°まで徐々に変化させながら同心円状のプリズムを形成してプリズム群8とすることで、全画面範囲にわたって出射光線の方向をスクリーンに垂直にすることができる。つまり、基準光軸(中心光線a)とスクリーン面の法線を含む平面を基準平面としたとき、各プリズムのこの基準平面における断面図(すなわち図1(ウ)のこと)において、各々のプリズムの頂角を等しくし、尚且つ各プリズムの断面形状を互いに異ならしめている。このように構成することによって、投射光学系からの光を効率的に観察者側に導いている。
このように、画面内の全範囲で光線の方向をスクリーン面に対して垂直な方向に全反射によって方向変換して出射するようにしたので、光量損失が最小かつ全画面均一にでき、高効率でむらのない画面を得ることができる。
が近いとこれらの空間周波数間のビートがいわゆるモアレとなってしまうので、少なくとも画素の半分以下のピッチとすることが望ましく、できるだけ小さくしなければならない。したがって、プリズム個々の大きさに比して前述の頂点部の丸みの影響は無視できないものである。また、前述の全反射の時と同様に瞳5の大きさによる角度分散(約1°)と入射面81の表面粗さによる光線b’の拡散(約4°)を考慮に入れる必要がある。
このδの大きさはαが小さくなるほど、またθtを大きくするほど、小さくなる。たとえば、簡単にわかるように、α=60°、θt=60°ではθs=60°、すなわちプリズムは正三角形となり、δ=0である。したがって、δを十分確保するためには、α=60°の場合はθtを60°よりかなり小さくしなければならなくなる。しかし、θtを小さくすると、後述の別の問題が生じることになるため、実際にはαの最小値を60°以上、望ましくは65°以上とすることが必要となる。
このように、本発明を適用してαの最小値を定め、θtについてはαの最小値に応じて上限値を制限することで、全光線を全反射させることが可能になる。これによって、全反射面に反射されずに透過してしまうことによるフレアや光量損失を防ぐことができる。
図6はこれを説明するための断面図であって、図1と対応する部分には同じ記号を付してある。図中2’は上部ミラー3に映るスクリーン2の虚像である。図6に示した矢印d’は、入射光線bがスクリーン2で反射されてスクリーンの虚像2’の上端に入射する方向を表すものであり、図1に示した実際の反射光線dがこの矢印d’より図中右方向すなわちスクリーン2からより離れる方向とすれば、スクリーン2に戻らないようにすることができる。この条件はスクリーン面上のすべての点で同様に成立しなければならないことはいうまでもなかろう。これは言い換えれば、反射光線dとスクリーン面の法線21のなす角度βがスクリーンの虚像2’に入射する角度ηより小さいことであり、これが本発明の要点である。
この反射光線dの方向角度βについても、前述した瞳5の大きさによる角度分散(約1°)と入射面81の表面粗さによる反射光線dの拡散(約4°)を考慮に入れる必要がある
。すなわち瞳5を通る代表光線の反射角度βが角度ηに対してさらに約5°以上のマージンを持つようにすればよい。
このように、βがηより十分小さければ、反射光線dは上部ミラー3に反射された後も、図1に示した光線d’のように投射装置の内部のスクリーン以外の方向に進む。したがって、筐体の内面要所に反射防止措置を行なうことで画面への影響を完全になくすことは容易であり、ゴーストのないすっきりした画像が得られるものである。
作用も受けるので上下方向よりも左右方向の方がより拡散の度合いが大きく、上下方向は約30°、左右方向は約60°の拡散角となっているのである。ここでビーズ93を観察面側に偏在させてあり、レンチキュラーレンズ91による集光をあまり損ねることがないので、ストライプ形状の遮光部材92の開口部をかなり狭くできる。このストライプ形状の遮光部材92は観察面側からの外光を吸収する働きがあり、明るい環境で画面コントラストを高く保つことができるものであるが、前述のように開口部を狭くしたので非常に高いコントラストが得られる。
2:スクリーン
3:ミラー
4:投射ユニット
41:投射光学系
5:投射光学系の瞳
8:プリズム群
81:プリズム入射面
82:プリズム全反射面
85:フレネル板
9:レンチキュラー板
95:ガラス板
a〜u:光線
α:スクリーンへの入射角
β:スクリーンからの反射角
γ:ミラーの傾斜角
Claims (5)
- プリズム群を含むフレネル板を含む透過型のスクリーンと、
少なくとも1枚のミラー含み、前記スクリーンの裏側に向かって映像光を斜めに拡大投射する投射光学系と、を備え、前記スクリーンが前記映像光を前記スクリーンの前面側に導く投射型表示装置であって、
前記投射光学系から前記スクリーンに入射する前記映像光の、前記スクリーンへの入射角度が60度以上85度以下であって、
前記少なくとも1枚のミラーのうち最も前記スクリーンに近いミラーが平面ミラーであって、前記スクリーンに入射する光の前記スクリーンへの入射角度の最小値をαmin、前記スクリーンに入射する光の前記スクリーンへの入射角度の最大値をαmax、前記平面ミラーの法線と前記スクリーンの法線とのなす角度をγとするとき、
45+αmin/2 < γ < 45+αmax/2
を満足しており、
前記映像光が前記プリズム群の入射面から入射し、該映像光が前記プリズム群の全反射面で反射されることによって、前記映像光が前記スクリーンに対して垂直な方向に出射されるように前記透過型スクリーンが構成されており、
前記映像光のうち前記プリズム群の入射面で反射された光が前記スクリーンの法線となす角度が、前記平面ミラーに映る前記スクリーンの虚像に入射する光線が前記スクリーンの法線となす角度よりも小さくなるように前記プリズム群が構成されていることを特徴とする投射型表示装置。 - 前記プリズム群が、前記スクリーンの最も光入射側に配置されており、
前記プリズム群が、複数の同心円上に互いに異なる形状のプリズムを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の投射型表示装置。 - 前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円のうち第1の円上に配置されたプリズムの、前記基準平面における断面形状と、前記複数の同心円のうち前記第1の円とは異なる第2の円上に配置されたプリズムの、前記基準平面における断面形状とが互いに異なることを特徴とする請求項2に記載の投射型表示装置。
- 前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円上に形成されているプリズムそれぞれの前記基準平面における断面形状が互いに異なることを特徴とする請求項2又は3に記載の投射型表示装置。
- 前記投射光学系の瞳と前記映像光の中心とを通る光の光路を基準光軸とし、前記基準光軸と前記スクリーンの法線を含む平面を基準平面としたとき、前記複数の同心円のうち第3の円上に配置されたプリズムの前記基準平面上におけるプリズム頂角と、前記複数の同心円のうち前記第3の円とは異なる第4の円上に配置されたプリズムの前記基準平面上におけるプリズム頂角とが実質的に同じであることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の投射型表示装置。
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