JP5055765B2 - 画像表示装置、及び、それに用いるフレネルレンズシート並びにスクリーン - Google Patents

Description

本発明は、画像発生源の映像を、背面投写型スクリーンに斜め方向から投写する斜め投写光学系を用いた投写型の画像表示装置、及び、かかる画像表示装置に用いられるフレネルレンズシートと背面投写型スクリーンに関する。

投写型の画像表示装置の薄型化に対応するため、反射ミラーを用いて、拡大映像をスクリーンに対し斜め方向から投写する構成、所謂、斜め投写光学系を用いた構成が知られている。このとき、拡大映像がスクリーンに対して斜めに投写される（すなわちスクリーン主平面の垂線と拡大映像の中央における光の入射方向とが所定の角度を為す。以下、このような投写の形態を「斜め投写」と呼ぶ場合もある）ことから、スクリーン上に投写した画像が歪む。そこで、かかる歪みを補正するため、上記反射ミラーの一部に、湾曲面からなる曲面反射ミラーを採用する画像表示装置の構成が、例えば下記の特許文献１によって知られている。

特開２００２−３４１４５２号公報

一般に、上述した画像表示装置では、その画面サイズが同じであれば、その奥行が薄い程、重量、コスト、設置スペースなどの点で有利である。即ち、上述の従来技術では、画像表示装置の奥行を低減するため、拡大映像をスクリーンに対して斜めから投写する。その結果、当該斜めからの画像の投写により生じる台形状の画像歪みを補正するため、上述した曲面反射ミラーを光路中に設けた投写光学系を用いる構成が採用されている。

ところで、スクリーン上では、これを観視する位置によらず、その全面において均一な明るさの画像を得ることが望ましい。このためには、投写レンズからの拡大映像光を、当該スクリーンからの出射時に、上記観視する側に対して略平行にする必要がある。これを実現するために、一般的には、オリジナル面が球面のプリズム面を持つ同心円状のフレネルレンズを備えたフレネルレンズシートが、上記スクリーンの一構成要素として用いられている。ここで、オリジナル面とは、フレネルレンズシート全体における各プリズム面を繋ぎ合わせた曲線、すなわちフレネルレンズシート全体における全プリズム面の集合の包絡線により形成された仮想的な面を指す。このオリジナル面を球面とすることにより、投写レンズの出射瞳から放射状にスクリーン各点に投写された映像光を、各プリズム面によりスクリーン垂線と平行な方向に屈折して、スクリーンの全面に亘って出射光を平行（すなわちスクリーン垂線と平行な方向）にすることが出来る。

しかしながら、上記従来技術においては次の問題が生じ得る。すなわち、投写レンズの出射瞳からスクリーンへ向かう映像光が斜め投写光学系に含まれる曲面反射ミラーによって反射されるとき、その曲面反射ミラーの反射位置によってスクリーンへの入射光の角度が変化する。つまり、上記斜め投写光学系を用いた場合には、投写レンズの出射瞳からスクリーンに向かう映像光は、一様な放射にはならない。そのため、上述したオリジナル面が球面とされたフレネルレンズシートでは、スクリーンの全面において、投写レンズからの拡大映像光を略平行に出射することは困難である。従って、フレネルレンズシートからの出射角度は不均一となり、これを観視側から見た場合には、スクリーン上に投写された映像の明るさに、なお、不均一が生じるという課題があった。

また、フレネルレンズは同心円状であるため、フレネルレンズ中心を通る水平線を含む領域においては、光を垂直方向に屈折する作用が弱い。一方、斜め方向から拡大映像光をスクリーンに投写すると、フレネルレンズ中心を通る水平線を含む領域に対しても斜め方向から光が入射される。従って、斜め投写の場合では、フレネルレンズ中心を通る水平線を含む領域から出射される光の出射角を略０とすることが困難となる。

本発明は、上記した従来技術における課題に鑑みて為されたものである。そしてその目的は、装置の奥行を短縮しつつ、スクリーン上に投写される画像の明るさをより均一にするために好適な技術を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、フレネルレンズの中心から半径方向に向かうに従って、該フレネルレンズのプリズム角が大きくなるように、該フレネルレンズのオリジナル面を、上記スクリーンに対する光線の入射角に応じて非球面形状としたことを特徴とするものである。更に、本発明は、フレネルレンズシートの光入射面の、フレネルレンズの中心と対向する位置を含む所定領域に、水平方向に延びて形成された入射面プリズムを、垂直方向に複数配列したことを特徴とするものである。

これにより、前記フレネルレンズシートの入射面に入射された投写映像が、前記スクリーンの略全面に亘って、当該フレネルレンズシートの出射面から、出射角が略０度で出射されるようになり得る。また、上記入射面プリズムによって、上記フレネルレンズ中心を含む所定領域に入射される光を予めスクリーン面の垂線方向に屈折させることができる。従って、フレネルレンズシートの当該所定領域から出射される光の出射角を略０（スクリーン面の垂線とほぼ平行）とすることができる。

上記入射面プリズムが配列される前記所定垂直範囲の大きさは、前記スクリーンの垂直方向の寸法をＴとしたとき、Ｔ／１５〜Ｔ／４であってもよい。また、スクリーンの中央部における入射面プリズムのプリズム高さが、該中央部以外のプリズム高さよりも低くしてもよいし、この中央部には入射面プリズムを設けなくてもよい。

上記のように構成すれば、斜め投写により生じる台形状の画像歪みを補正するための曲面を有する投写光学系を用いた場合でも、その曲面からの反射に起因するスクリーンへの入射光線の入射角の変化に対応することが可能となる。すなわち、そのような入射角の変化が生じても、それに対応するようなフレネル角を持つフレネルレンズによって、入射光線をスクリーン垂線とほぼ平行な方向（スクリーン主平面と垂直な方向）に屈折して出射させることが可能となる。従って、本発明の構成によれば、スクリーン全体に亘って、出射光の出射方向をスクリーン垂線とほぼ平行に揃えることができ、画像表示装置の奥行寸法の低減を実現するとともに、均一な明るさの投写映像を得ることが可能となる。

本発明によれば、装置の奥行を短縮しつつ、スクリーン上に投写される画像の明るさをより均一にして高画質な画像を表示することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、添付の図１は、本発明に係る画像表示装置の断面斜視図である。図において、画像発生源１は、例えば、投写型ブラウン管を含むものであってもよい。また、反射型／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画像変調素子を含むものであってもよい。このような画像変調素子を用いる場合、画像発生源は、その画像変調素子に光を照射するための、水銀ランプなどの光源を更に含み、画像変調素子は、当該光源からの光を入力映像信号に応じて画素毎に変調することにより映像を形成する。これにより、画像発生源１の表示画面上には小型の画像が表示される。この小型画像を背面投写型スクリーン３に拡大して投写するための投写光学系は、図１からも明らかなように、前記画像を背面投写型スクリーン３に拡大・投写するための映像拡大部である投写レンズ２と、この投写レンズから出射する映像光を反射させる第１の曲面反射ミラー４と、この第１の曲面反射ミラー４で反射した映像光を反射させる第２の曲面反射ミラー５と、そして、画像表示装置の奥行を低減するために前記第２の曲面反射ミラー５で反射した映像光を反射する例えば平面状の反射ミラー６とを含む。投写レンズ２、第１の曲面反射ミラー４、第２の曲面反射ミラー５、及び平面状の反射ミラー６は、画像発生源１から背面投写型スクリーン３に至る光路の途中に設けられている。なお、これらの要素は、画像表示装置の筐体７の内部に収納され、所定の位置に固定されている。

即ち、上記にその構成を説明した画像表示装置によれば、投写レンズ２から出射した映像光は、背面投写型スクリーン３に斜めに投写されている。すなわち、映像中心の光線（画像変調素子の中心位置から発せられた光線）は、投写型スクリーン３の主平面の垂線に対し、所定の角度を以って下方から投写される。この斜めに投写された映像光は、背面投写型スクリーン３上において、上述した台形歪みと共に、収差を発生する。そのため、これらを上記第１の曲面ミラー４と上記第２の曲面ミラー５によって補正する。

添付の図２は、本発明に係る画像表示装置における背面投写型スクリーン３の詳細構造の一例が示される。すなわち、図２は、背面投写型スクリーン３の一部を切り取って拡大した斜視図を示すものである。この背面投写型スクリーン３は、図からも明らかなように、そのプリズム面のフレネル角を定めるためのオリジナル面が非球面形状にされた屈折型のフレネルレンズを有する、所謂、非球面フレネルレンズシート８（以下、単に、「フレネルレンズシート」と言う）と、拡散シートであるレンチキュラレンズシート９とを備えている。ここで、フレネルレンズは、図示されているように、フレネルレンズシート８の光出射面において、ある点を中心点として同心円状に複数形成されているものとする。またフレネル角は、プリズム面とフレネルレンズシート主平面との為す角度を指す。かかる構成の背面投写型スクリーン３によれば、図の矢印ａの方向から投写される拡大投写映像（図示せず）の光は、上記フレネルレンズシート８の働き、即ち、シートを構成するフレネルレンズの非球面プリズムの働きによって、背面投写型スクリーン３の主平面の垂線と略平行な光に変換される。もしくは、上記拡大投写映像の光は、若干内側、すなわち背面投写型スクリーン３の中心を向く光に変換される。つまり、フレネルレンズシート８から出射された光の出射角、即ち上記背面投写型スクリーン３の垂線に対する角度は、略０度となる。その後、フレネルレンズシート８から出射された光は、レンチキュラレンズシート９に入射される。なお、レンチキュラレンズシート９は、図示のように、スクリーン画面の垂直方向を長手方向とするレンチキュラレンズを、スクリーン画面水平方向に複数配列した形状になっている。そのため、フレネルレンズシート８から出射された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、上記レンチキュラレンズシート９の出射面の、レンチキュラレンズの境界に対向する位置には、画面垂直方向に延びるブラックストライプ１０が形成されている。これにより、スクリーン出射側から入射される外光を吸収する。更に、このレンチキュラレンズシート９には、拡散材１１が練り込まれた透明な樹脂材から形成されている。そのため、この混入された拡散材１１が前記映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。

本実施例では、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光学部材として、拡散材１１を練りこんだレンチキュラレンズシート９を例にとって説明した。しかしながら、フレネルレンズシート８からの光を反射して水平方向に拡散するための全反射面を有する拡散シートを用いてもよい。さらに、微小ビーズを稠密に配置したビーズタイプの拡散シートでもよい。また、他の形態で光を拡散するものでもよいことは言うまでもない。

尚、図示していないが、レンチキュラレンズシート９の光出射側に平面状の前面シートを配置してもよい。またこの前面シートとレンチキュラシート９とを、接着剤などを用いて互いに結合して一体化してもよい。更に、レンチキュラシート９に拡散材１１を混入させずに、前面シートに混入させてもよい。更にまた、前面シート９の光出射に反射防止膜やハードコートを形成してもよい。また、図２では、レンチキュラレンズシート９の出射面のレンチキュラレンズと対向する位置、すなわちレンチキュラレンズの焦点部には、第２のレンチキュラレンズが形成されているが、画像発生源１として上記画像変調素子を用いる場合は、上記焦点部を平面状としてもよい。レンチキュラレンズシート９と前面シートとを結合する場合、両者の結合面に空気が含まれないように結合することが好ましい。

次に、上記したフレネルレンズシート８に形成されるフレネルレンズにおいて、同心円状に形成された複数のプリズム面の面形状（所謂、フレネルレンズのオリジナル面）を設定する方法について、添付の図３の模式図を参照して詳細に説明する。なお、上述したように、このフレネルレンズシート８を構成するフレネルレンズのプリズム面は、ある一点（回転軸）を中心とする同心円状に形成されている。そして、各フレネルレンズのプリズム面のフレネル角、すなわち当該プリズム面とフレネルレンズシート８の主平面との為す角度を定めるためのオリジナル面は、非球面形状である。ここでオリジナル面とは、上述したように、各プリズム面のフレネル角を定めるためのものであり、フレネルレンズシート８全体を一つのレンズとしたときの、このレンズ面を指す。すなわち、フレネルレンズのプリズム面のフレネル角を設定する場合には、まずフレネルレンズシート８全体がある一つのレンズ特性をもつものと想定し、そのレンズの面形状をオリジナル面として設定する。そして、そのオリジナル面のフレネルレンズシート８の各点に対応する形状（例えば当該各点におけるオリジナル面の接線）をフレネルレンズシート８の面上に展開する。これにより、このフレネルレンズシート８各点におけるプリズム面のフレネル角が設定される。従って、フレネルレンズシート全体における各プリズム面を、そのフレネル角に応じて繋ぎ合わせた曲線、すなわちフレネルレンズシート全体における全プリズム面の集合を含む包絡線が、上記オリジナル面を表している。従って、フレネルレンズシート各点のプリズム面における光の屈折方向は、その各プリズムに対応する上記オリジナル面の形状によって定まる。なお、上記回転軸は、フレネルレンズシート８の主平面（図のｘｙ面）と直交するものとする（図のｚ軸を含む面）。また、この回転軸は、フレネルレンズシート８に入射する光線１３と、フレネルレンズシート８を左右に等しく垂直に分割する面１４（ｙｚ面に平行な面）とが交わる点１５とを含む。すなわち、回転軸はフレネルレンズシート８の主平面に垂直な軸、即ち、図３の軸１２となる。

但し、上記において、入射する光線１３はスクリーン上の位置によってその入射角度（入射面の垂線に対する角度）が変化することから、ここでは、上記によって求められる軸１２も複数個が存在することとなる。なお、これら複数の軸の中から、そのほぼ中央にある軸をフレネルレンズの回転軸（即ち、フレネルレンズを構成する同心円状プリズムの中心位置）とする。

続いて、上記各プリズム面のフレネル角の形状（角度）を次のように求める。まず、スクリーンへの入射光線をフレネルレンズシート８のプリズム面で屈折させながら、上記垂線方向に出射させるための（出射角が０度）プリズムの角度を、フレネルレンズシート８各点のそれぞれについてスネルの法則により求める。次に、当該求めたプリズム面を連続させて、上記フレネルレンズのオリジナル面（非球面）を形成する。なお、この求められたオリジナル面は、非球面式により近似される。このとき、更に、近似した非球面係数と実際の光線出射角との比較を行い、出射角が略０度になるように、回転軸の位置や非球面係数に、適宜、必要な修正及び／又は変更を加える。

このように、上記求められる要素、つまりフレネルレンズを構成する同心円状のプリズム部の回転中心となる回転軸の位置や、その各プリズム面の集合で形成されるオリジナル面の非球面係数によって、上記フレネルレンズシート８が構成される。このようにしてフレネルレンズシート８を構成すれば、画像表示装置の投写光学系において映像光の光路の途中に設けられた曲面反射ミラー（第１の曲面反射ミラー４や第２の曲面反射ミラー５）を介してスクリーンに入射する映像光を、スクリーンから出射角を略０度にして出射させることが可能となる。よって、本実施形態に係るフレネルレンズシートによれば、映像の明るさをスクリーンの全面において、ほぼ均一にすることができる。

次に、上記に説明したフレネルレンズシート８を、スクリーン対角５０インチ（縦：横比＝９：１６）の画像表示装置に適用した場合における各光学部品の数値の一例を示す。なお、以下の表１は、投写レンズ２以降の光学部品配置を（ｘ、ｙ、ｚ、角度、距離）で表したものである。ここで、投写レンズの角度はレンズ出射角度を、一方、曲面反射ミラー、反射ミラー、スクリーンの角度は入射角度を表している。

ここで、スクリーンの中心位置を座標の原点とする（（ｘ、ｙ、ｚ）＝（０，０，０））。なお、この座標では、スクリーンの左右方向（水平方向）をｘ軸とし、右方向を＋(正)とする。また、スクリーンの上下方向（垂直方向）をｙ軸とし、その上方を＋(正)とする。更に、その奥行方向をｚ軸とし、画像表示装置の後ろに向かう方向を−(負)とする。また、角度は、ｘｚ断面のｘ軸との成す角度とする。そして距離は、映像発生源１に含まれる画像変調素子の中心点からスクリーンの中心に至る光線の、各光学部品間における光路長とする。尚、ｘ、ｙ、ｚ及び距離の単位は〔mm〕である。

下記の数１は、自由曲面を表す多項式であり、上記第１の曲面反射ミラー３と上記第２の曲面反射ミラー４の反射面形状がこの数１に従って求められる。本実施形態に係る第１の曲面反射ミラー３の自由曲面形状を表す多項式の各係数の一例を下記表２に、第２の曲面反射ミラー４の自由曲面形状を表す多項式の各係数の一例を下記表３に示す。

ここで、上記の数１における座標系は、横方向をｕ座標とし、縦方向をｖ座標、そして、面に垂直で、かつ、z軸と同一の方向をｗ座標としてものである。また、上記の数１式において、ｃ_ｊは、以下の数２に示す式を用いて得られるｕ^ｍ・ｖ^ｎの係数であり、ｊは２以上の整数である。

このように、本実施形態に係る第１の曲面反射ミラー３と第２の曲面反射ミラー４の各反射面は、自由曲面形状を為す。この自由曲面形状は、本実施形態においては、ｙ軸を中心に左右対称としているが、ｘ軸を中心に非対称となっている。すなわち、本実施形態に係る第１の曲面反射ミラー３と第２の曲面反射ミラー４の各反射面は、回転非対称な自由曲面形状を為している。そして、少なくともそのいずれか一方は、その反射方向に対し凸を向くように湾曲されており、透過型スクリーン３の下端に入射する光線を反射する部分の曲率を、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きくしている。また、上記いずれか一方のスクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すものであってもよい。

また、下記の数３は、非球面を表す多項式であり、フレネルレンズシート８のオリジナル面の形状がこの数３に従って求められる。本実施形態に係るフレネルレンズシート８のオリジナル面の形状を表す多項式の各係数の一例を下記表４に示す。

ここで、上記の数式３に於いて、ｚはｚ軸に平行な面のサグ量、ｒは回転軸からの距離、ｃは頂点曲率、ｋはコーニック定数、ｄ_ｎ（ｎ＝２、４、６、８、１０、１２…：２の倍数）はｎ次の非球面係数を示す。

そして、本実施形態に係るフレネルレンズシート８は、スクリーンへの映像光の入射角の分布から、フレネルレンズの中心軸（図３の符号１２を参照）は、スクリーン中心から下方へ５４５ｍｍだけ離れた位置に設定されている。即ち、本実施形態によれば、上記フレネルレンズシート８は、シートの面上には当該中心軸を持たず、むしろ、このフレネルレンズの中心軸は、上記フレネルレンズシート８の面から外れた場所に位置する。言い換えれば、本実施形態においては、プリズム面を形成する同心円の中心点が、前記画像表示装置の画像を表示する領域の外側となっている。そして、フレネルレンズを構成する各プリズムは、このスクリーン外側に位置する中心軸を中心とした同心円状の円弧に沿って形成されることとなる。

ここで、上記表４の非球面係数によって得られたフレネルレンズシート８のオリジナル面２１と、フレネルレンズの各プリズム面２２との関係を図１１に示す。図１１は、フレネルレンズシート８の、該フレネルレンズシート８の垂線と平行であって、かつ上記回転軸を含む断面を示している。図１１において、ｒは上記数３のｒに対応するもので、回転軸からの距離を表す。距離ｒ１におけるフレネルレンズのプリズム面２２のフレネル角θ１（フレネルレンズシート８の主平面とプリズム面の為す角度）は、当該距離ｒ１におけるオリジナル面２１の傾き（接線）とほぼ等しい。すなわち、上記数３で表されるオリジナル面の非球面式をＺ（＝ｆ(ｒｎ)）、ｎを１以上の整数としたとき、フレネルレンズシート８の各位置のフレネル角θｎは、数４で表される。
（数４） θｎ＝ｆ(ｒｎ）´
よって、θ１＝ｆ(ｒ１）´、θ２＝ｆ（ｒ２）´、θ３＝ｆ（ｒ３）´…となる。このように、フレネルレンズシート８の各位置のフレネル角θｎは、非球面式の各位置（各距離ｒｎ）における微分値にほぼ対応している。このようにして、フレネルレンズシート８の各位置のフレネル角θｎが設定される。上述したように、フレネルレンズシート８に入射された光線は、フレネルレンズの各プリズム面２２によって屈折される。上述したように、フレネルレンズシート８のオリジナル面２１を、フレネルレンズシート８の各位置への入射光線の入射角に応じた非球面形状にすれば、各プリズム面２２によって屈折されたそれぞれの光線は、フレネルレンズシート８の垂線とほぼ平行になる。

このように、本実施例におけるフレネルレンズのプリズム角は、フレネルレンズの中心から半径方向に向かうに従い、段階的、もしくは徐々に大きくなっている。また本実施例では、フレネルレンズシート上部に位置する（すなわち回転軸から最も遠い位置の）プリズム面２２のフレネル角θは、フレネルレンズシート下部に位置する（すなわち回転軸に最も近い位置の）プリズム面２２のフレネル角θよりも大きくしている。これは、本実施形態における斜め投写光学系では、スクリーン下部よりもスクリーン上部の方が光線の入射角が大きいためである。また本実施形態では、上記のように回転軸がフレネルレンズシート８の外側に位置しているため、各プリズム面２２は同じ方向に傾斜している。

また、上述の実施例においては、投写レンズの光軸がｙｚ平面内にあり、かつ、当該平面内で２個の曲面反射ミラーと１個の平面反射ミラーにより映像光の光軸を反射させるように配置した。しかしながら、これらの数量や位置なども、上述した実施例に限られるものではない。

例えば、投写レンズの光軸方向をｘ軸方向として、反射ミラーもしくは曲面反射ミラーで光軸をｚ軸方向に折り曲げ、ｙｚ平面において曲面反射ミラーと平面反射ミラーにより光を反射させるように配置しても良い。なお、このように配置すれば、投写レンズと映像源とを、筐体内のスクリーン下側にコンパクトに収納することが可能となる。よって、画像表示装置の高さを抑えることができるという効果を奏する。

また、本実施形態に用いる投写光学系は、台形歪みとともに収差を補正するための曲面を、少なくとも一つ備えていればよく、本実施例のように、２面の曲面反射ミラーを用いるものに限られない。例えば、その曲面は、１面以上の反射型自由曲面でも可能である。また、反射型ではなく、少なくとも１面以上の屈折型の自由曲面、すなわち自由曲面を備えた回転非対称のレンズであってもよい。更に、反射型自由曲面（自由曲面反射ミラー）と屈折型自由曲面（自由曲面レンズ）の両方を組み合わせてもよいことは、いうまでもない。ここで、自由曲面レンズは、その光の射出方向に凹を向けるように湾曲されており、かつスクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きい形状を為すものとしてもよい。

なお、上記に詳述した実施例においては、上記フレネルレンズシート８を構成するレンズの非球面を計算するために、そのプリズム面を求めるものとして説明した。しかしながら、その時、例えば、斜め投写距離や投写距離などによっては、その最適化が難しい場合がある。以下には、かかる場合にも、好適なプリズム面を求めることが出来る方法について説明する。

一般的に、画像表示装置は水平方向の視野角が垂直より広い。そのため、水平方向はレンチキュラレンズの働きにより、水平方向での拡散性を良好にしている。これに対し、垂直方向では、主に、レンチキュラレンズの拡散材（図２の符号９、１１を参照）により視野角を広げている。そこで、フレネルレンズのプリズム面の形状を求めるとき、次のようする。すなわち、前述のようにスクリーンから出射される光線がスクリーンの垂線と平行になるようにして最適化を図るのではなく、これに代えて、スクリーンからの出射光線を水平と垂直の成分に分け、垂直成分の出射角度を約０度にするための角度をスネルの法則で計算する。これにより、各スクリーン位置のプリズム面を求めるようにする。

このようにして求めた該プリズム面を連続させて得られるオリジナル面によっても、上記と同様に、拡散性能が低い垂直成分をほぼ０度の出射角度で出射できる。このため、従来の拡散材によっても、十分に拡散することができる。一方、水平成分については、その拡散性能が良好であることから、その出射角度が大きくてもレンチキュラレンズにより十分に拡散できる。その結果、スクリーン上で得られる投写映像の明るさにおいて、均一性を得ることができる。なお、この場合、上記フレネルレンズシート８を構成するフレネルレンズのプリズム面は、曲面形状であればよく、必ずしも、非球面形状に限られない。しかしながら、上述したように、オリジナル面が非球面形状とされたプリズム面を持つフレネルレンズシート８によれば、スクリーン全体において、より明るさが均一な透写映像を得ることが可能となる。尚、プリズム面のそれぞれは、上記回転軸を通るフレネルレンズシート８の断面において平面を為すものであってもよく、また曲面でもよい。この曲面は、非球面でもよい。

上述の実施例は、オリジナル面が非球面形状とされたフレネルレンズのプリズム面が上記回転軸を中心に同心円状に形成されていて、該回転軸が、前記画像表示装置の画像表示領域の外側にある。しかしながら、この回転軸は、画像表示装置の画像表示領域の内側にあってもよく、上述した実施例に限られるものではない。ただし、該プリズム面を形成する同心円の中心点は、画像表示装置の画像表示領域とした方が、スクリーン出射面の出射角を略０度で出射させるために必要な屈折の程度を調整することが容易となる。その理由を以下に説明する。尚、以下においては、上記屈折の程度の調整を「屈折調整」と呼ぶこととする。

まず、上記回転軸がフレネルレンズシートの内部に位置する場合について考える。この回転軸を含む水平ラインにおけるプリズム面は、水平方向、すなわち左右方向にしか光を屈折せず、上下方向、すなわち垂直方向には光を屈折できない。従って、この回転軸を含む水平ラインに上下方向の成分を含む光線が入射された場合は、この水平ライン上のプリズム面において、当該上下方向の成分を含む入射光を良好に平行光（スクリーン主平面の垂線と平行な光）にすることができない。

本実施形態では、上述したように、スクリーンの下方から斜めに映像を投写する投写光学系を用いており、更に斜め投写光学系は、スクリーン上での台形歪みや収差を補正するための曲面を備えている。このような光学系を用いた場合においては、スクリーンへの入射光線の全てが上下方向の成分を持つ場合が多い。従って、フレネルレンズシート８は、上下方向に光を屈折しないプリズム面が無いようにして、フレネルレンズシート８の各位置において水平方向及び垂直方向の両方の屈折調整を行えるようにすることが好ましい。

このために、本実施形態では、上記フレネルレンズの回転軸をフレネルレンズシート８の外側に位置するように構成する。これによれば、フレネルレンズシート８のプリズム面は、全て上下方向に光を屈折させる作用を持たせることが可能になる。よって、フレネルレンズシート８の各位置における左右方向及び上下方向の両方の屈折調整が容易になる。すなわち、回転軸をフレネルレンズシート８の外側に位置させれば、スクリーンへの入射光線を良好に平行光とすることが可能となる。

以上述べた実施例では、図３から明らかなように、フレネル中心がフレネルレンズシート８の外側にあった。しかしながら、曲面反射ミラーを含む斜め投写光学系を用いた投写型画像表示装置においては、フレネル中心がフレネルレンズシート８の内側にある場合も存在する。この場合は、以下に述べる新たな課題が発生する。

図６は、フレネル中心がフレネルレンズシート下端にある場合のフレネルレンズシート８の模式図である。この時、フレネル中心近傍を含む水平エリアのプリズム面は、画面垂直方向に略平行のプリズム面とみなすことができる。図６の画面左下部Ｂ部に入射する光線αを図７に示す。このとき、光線αは、ｘ軸上の光線成分β、ｙ軸上の光線成分γ及びｚ軸上の光線成分δに分解することができる。δの方向がフレネルレンズシートに垂直に出射する光線方向であり、フレネルレンズシートのプリズム面でｘ軸上の光線成分βとｙ軸上の光線成分γをδ方向に変換する必要がある。然るに、フレネルレンズシート８のプリズム面がｙ方向に対し角度を持っていないため屈折されずδ方向に出射することができない。このため、フレネルレンズシート８の左下部Ｂ部に入射する光線αは、画面垂直方向ではなく画面上方に向かって出射する。

以下に述べる実施例は、以上述べたフレネル中心がフレネルレンズシート８の内側にある場合に発生する新たな課題に対応してなされたものである。すなわち、本実施例は、フレネルレンズシート８の光入射面の、フレネル中心と対向する位置を含む所定領域に、入射面プリズム３０を設けたことを特徴とするものである。以下、この入射面プリズム３０が形成される領域を「プリズム領域」と呼ぶ。上記入射面プリズム３０は、画面水平方向に延びて形成された直線状を成し、上記プリズム領域において画面垂直方向に複数配列されている。以下、図８、図９、図１０（ａ）（ｂ）に示す模式図を参照しつつ本実施例について説明する。

図８、図９は、フレネル中心がフレネルレンズシート８の下端にある場合のフレネルレンズシート２０の模式図を示している。図８は出射面側から、図９は入射面側からフレネルレンズシート８を見た図である。これらの図において、光線はｂ方向からフレネルレンズシート８に入射するものとする。フレネルレンズシート８の入射面は、フレネル中心近傍を含むプリズム領域を除き略平面であり、出射面には、光線をシート面に略垂直に出射させるための同心円状のフレネルレンズ２１が設けられている。そして、入射面のフレネル中心近傍を含むプリズム領域には、フレネルレンズシート下端の辺と平行なプリズム面を持つ入射面プリズム３０が画面垂直方向に複数配列されている。以下この入射面プリズム３０の光学的な作用について図１０（ａ）（ｂ）を参照して説明する。

図１０（ａ）（ｂ）は、本実施例に係るフレネルレンズシート下端部Ｃのｙｚ断面の模式図である。（ａ）は図８、図９に示されたフレネルレンズシート８の下端部Ｃの断面を、（ｂ）は入射面プリズムが形成されていないフレネルレンズシート８の下端部の断面を示す。図１０（ａ）に示すように、入射面プリズム３０を設けることで、ｙｚ平面内で光線を下方へ屈折させてスクリーン面の垂線と略平行にする。これにより、フレネルシート８からの出射光の垂直方向の成分を略０にすることができる。ここで入射プリズムの角度、すなわち垂直方向の角度補正量は、フレネル中心近傍を含む水平エリアに入射する光線の垂直成分の角度補正量を各々求め、その平均により決定すればよい。これに対し、図１０（ｂ）に示されるように、入射面プリズム３０がない場合は、入射面が平板であるので入射光の垂直方向成分を補正できず、出射光線は上向きとなる。

上述したように、本実施例においては、入射面プリズム３０はフレネルレンズシート８の入射面の全面に形成されるのではなく、プリズム領域にのみ形成される。ここで、プリズム領域は、図９に示されるようにスクリーンの垂直方向に所定の幅Ｗを有している。この幅Ｗは、スクリーンの垂直方向の寸法をＴとしたとき、Ｔ／１５≦Ｗ≦Ｔ／４の関係を満足するようにされる。例えば、スクリーンのサイズが５０インチで、その垂直方向の寸法Ｔが約600mmとしたとき、幅Wは約40mm〜150mmに設定される。すなわち、この領域がフレネルレンズの垂直方向への屈折力が弱い領域であり、この領域に入射面プリズムを設けることによって、フレネルレンズ（特にフレネル中心付近のフレネルレンズ）に代えて光を垂直方向への屈折させることができる。従って、垂直方向への屈折力が弱い領域においても、その出射光の出射角を略０とすることができる。

本実施例では、入射面プリズム３０は、スクリーン水平方向の全体にわたって形成されるものとして説明した。しかしながら、入射面プリズム３０を、プリズム領域においてスクリーン水平方向の全体にわたって形成する必要はない。上記プリズム領域であっても、フレネル中心近傍のフレネルレンズは垂直方向への屈折力を持っており、フレネル中心から半径方向に離れるほど、フレネルレンズの垂直方向への屈折力は弱くなる。従って、上記プリズム領域でもフレネル中心近傍の中心部においては、入射面プリズム３０の高さもしくはそのプリズム角を他の領域のそれよりも小さくしてもよい。また、上記プリズム領域でもフレネル中心近傍の中心部については、入射面プリズム３０を設けなくてもよい。

また、入射面プリズム３０とフレネルレンズは互いに直交関係にあるため、この２者に関するモアレについては考慮する必要はない。従って、入射面プリズム３０のピッチは、画像発生源の画素ピッチ等から決定すればよい。

上記した実施例では、フレネル中心がフレネルレンズシート下端部にある場合で説明したが、これに限られるものではない。例えば、フレネルレンズシート２０のフレネル中心がシート面内にあれば、フレネル中心近傍を含む所定領域に上述の入射面プリズムを設けることで、同様の効果を得ることができる。また、上記実施例においては、フレネル中心近傍に入射する光線が上向きの角度成分を持つ場合について説明したが、下向きの角度成分を持つ場合についても同様である。但し、この場合は入射面プリズム３０のプリズム面の傾きは、図８〜１０等において説明したものと逆方向になることは言うまでもない。

以上のように構成された拡大投写光学系において実際に観測された、上記フレネルレンズの中心軸からの距離（横軸）に対する、光線（透写光）のスクリーンへの入射角（縦軸）の分布状態が、添付の図４のグラフに示されている。図４からフレネル中心において入射角は０ではなく△θの角度を持っていることが分かる。

また、添付の図５には、上記フレネルレンズ中心軸からの距離（横軸）に対する、スクリーンから出射する光線（透写光）の出射角度（光線とスクリーン垂線との角度）の分布状態がグラフにより示されている。なお、この図では、比較のため、オリジナル面を球面状としたフレネルレンズを持つフレネルレンズシート８を用いた場合における光線の出射角度が、破線により示されている。

即ち、上記の図に示すグラフからも明らかなように、オリジナル面が球面形状のフレネルレンズでは、フレネルレンズ中心軸からの距離（横軸）に応じて、最大で約５度の入射角の差が生じている。また、フレネルレンズ中心軸近傍では、ｙｚ方向の補正ができないことから約１．５度の差が生じている。このことにより、スクリーン上での輝度が不均一になる。これに対して、本実施例に係るフレネルレンズシート８を採用したときには、そのオリジナル面が非球面形状とされ、かつ入射面プリズム３０により入射光の垂直方向成分が補正されるので、フレネルレンズ中心軸からの距離（横軸）に拘わらず、その光線の出射角度を約０．８度以内に抑制できることが分かる。換言すれば、スクリーン全面において、その明るさを均一にすることが可能となる。このため、オリジナル面が球面形状のフレネルレンズシートでは、スクリーン上での輝度が不均一になる。

また、上記構成の拡大投写光学系を採用した、スクリーン対角５０インチ（縦：横比＝９：１６）の画像表示装置では、その装置の厚さは、約３００ｍｍである。すなわち本実施形態によれば、装置の更なる薄型化が可能になることが分かる。なお、上述の実施例における投写レンズは、１３００ｍｍの投写距離を有し、対角５０インチ（縦：横比は９：１６）のスクリーン上に映像を拡大投写できる機能を有するものである。しかしながら、本発明は、特に上述した構成要素の寸法やその特性を示す数値について、上記した実施例に示されたものに限られるものでない。例えば、斜め投写角度や投写距離などの仕様に合わせて、上記寸法や特性を、上記曲面反射ミラーと共に、適宜、光学設計により得ることができることは、当業者であれば当然であろう。

以上に説明したように、本実施形態は、奥行を短縮するために斜め投写光学系を用い、かつ斜め投写により生じる台形状の画像歪みを補正するための曲面反射ミラーを有する構成の画像表示装置に適用される。そのような画像表示装置において、様々な入射角を持つ入射光をスクリーンから略垂直に出射させるために、本実施形態では、フレネルレンズシートに形成されるフレネルレンズのオリジナル面を非球面形状としたものである。更に、フレネル中心近傍を含む所定領域に入射面プリズムを設けたものである。その結果、スクリーンから出射する光の出射角度を、上記スクリーンの略全面に亘って、ほぼスクリーン垂線と平行にすることが出来ることから、均一な明るさの画像を得ることが可能となり、かつ、画像表示装置の薄型化を同時に達成することが出来る。

本発明が適用される投写型画像表示装置の構成の一例を示す断面図。 上記画像表示装置に採用される背面投写型スクリーンの一例を示す図。 フレネルレンズのオリジナル面を設定する方法を説明する図。 本実施例に係るスクリーンにおける入射光線の入射角度の分布を示す図である。 本実施例に係るスクリーンにおける出射光線の出射角度の分布を示す図。 フレネル中心がフレネルレンズシート下端にある場合の一例を示す図。 図６の画面左下部Ｂ部に入射する光線αの方向を示す図である。 本発明の一実施例に係るフレネルレンズシートを出射側から見た図。 本発明の一実施例に係るフレネルレンズシートを入射側から見た図。 本発明の一実施例に係るフレネルレンズシート下端部Ｃのｙｚ断面の模式図である。 本実施形態に係るフレネルレンズシートのプリズム面とオリジナル面との関係を示す図。

符号の説明

１…画像発生源、２…投写レンズ、３…背面投写型スクリーン、４,５…曲面反射ミラー、６…反射ミラー、７…筐体、８…フレネルレンズシート、９…レンチキュラレンズシート、１０…ブラックストライプ、１１…拡散材、１２…回転軸、１３…スクリーンに入射する光線、１４…スクリーンを左右均等に垂直分割する面、１５…スクリーン入射する光線がスクリーンを左右均等に垂直分割する面と交差する点、２１…フレネルレンズ、３０…入射面プリズム。

Claims (13)

1. 画像を発生する画像発生源と、スクリーンと、前記画像を拡大して前記スクリーンの垂線に対して所定の角度を以って斜め方向から投写する投写光学部とを備え、
   前記スクリーンは、少なくともフレネルレンズシートを含み、該フレネルレンズシートの光出射側にはフレネルレンズが同心円状に複数設けられ、
   前記フレネルレンズシートの光入射面には、前記スクリーン垂直方向に所定の幅を有し該幅の間に前記フレネルレンズの中心と対向する位置が含まれるプリズム領域と、前記フレネルレンズの中心と対向する位置から前記プリズム領域よりも離れて位置する平面領域とがあり、前記プリズム領域には、水平方向に延びて形成された入射面プリズムが、垂直方向に複数配列されている、投写型画像表示装置。
2. 前記フレネルレンズのプリズム面を連続して繋ぎ合わせたときに形成されるオリジナル面の形状は、非球面である、請求項１記載の投写型画像表示装置。
3. 前記プリズム領域の前記スクリーン垂直方向の所定の幅をＷ、前記スクリーンの垂直方向の寸法をＴとすると、Ｔ／１５≦Ｗ≦Ｔ／４となる、請求項１記載の投写型画像表示装置。
4. 前記スクリーンは、前記フレネルレンズシートの光出射側に配置され、該フレネルレンズシートから出射された光を少なくとも水平方向に拡散するための拡散シートを含む、請求項１記載の投写型画像表示装置。
5. 前記フレネルレンズの中心から半径方向に向かうに従って、該フレネルレンズのプリズム角が大きくなる、請求項１記載の投写型画像表示装置。
6. 前記投写光学部は、前記画像を前記スクリーンへ導くための曲面ミラーを含み、
   該曲面ミラーを反射して前記フレネルレンズシートの入射面から入射した投写映像が、前記スクリーンの略全面において、前記フレネルレンズシートの出射面から略０度の出射角で出射するように、前記オリジナル面の非球面形状を決定する非球面係数が設定される、請求項１乃至５何れか一に記載の投写型画像表示装置。
7. 少なくとも、光出射面に同心円状のフレネルレンズが複数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光出射側に配置され、該フレネルレンズシートからの出射光を少なくとも水平方向に拡散するための拡散シートとを備え、
   該フレネルレンズのプリズム角が、前記フレネルレンズの中心から半径方向に向かうに従って大きくなり、
   前記フレネルレンズシートの光入射面には、垂直方向に所定の幅を有し、該幅の間に前記フレネルレンズの中心と対向する位置が含まれるプリズム領域と、前記フレネルレンズの中心と対向する位置から前記プリズム領域よりも離れて位置する平面領域とがあり、前記プリズム領域には、水平方向に延びて形成された入射面プリズムが、垂直方向に複数配列される、スクリーン。
8. 前記フレネルレンズのプリズム面を連続して繋ぎ合わせたときに形成されるオリジナル面の形状は、非球面である、請求項７記載のスクリーン。
9. 前記プリズム領域の前記スクリーン垂直方向の所定の幅をＷ、前記スクリーンの垂直方向の寸法をＴとすると、Ｔ／１５≦Ｗ≦Ｔ／４となる、請求項７記載のスクリーン。
10. 前記フレネルレンズの中心が前記スクリーンの下端近傍に位置し、前記入射面プリズムが該スクリーンの下端の辺と略平行である、請求項７記載のスクリーン。
11. 前記拡散シートは、水平方向に配列された複数のレンチキュラレンズ、前記フレネルレンズシートから出射された光を少なくとも水平方向に反射することにより光を拡散するための全反射面、もしくは微小ビーズを有する、請求項７記載のスクリーン。
12. 投写型画像表示装置用のスクリーンに使用されるフレネルレンズシートおいて、
    前記フレネルレンズシートの光出射面に設けられた同心円状のフレネルレンズと、
    前記フレネルレンズシートの光入射面には、前記スクリーン垂直方向に所定の幅を有し該幅の間に前記フレネルレンズの中心と対向する位置が含まれるプリズム領域と、前記フレネルレンズの中心と対向する位置から前記プリズム領域よりも離れて位置する平面領域とがあり、前記プリズム領域に設けられた入射面プリズムと、を備え、
    前記入射面プリズムは、水平方向に延びて形成され、かつ前記プリズム領域において垂直方向に複数配列されており、
    該フレネルレンズのプリズム角が、前記同心円状のフレネルレンズの中心から半径方向に向かうに従って大きくなる、フレネルレンズシート。
13. 前記フレネルレンズのプリズム面を連続して繋ぎ合わせたときに形成されるオリジナル面の形状は、非球面である、請求項１２記載のフレネルレンズシート。

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