JP6747132B2 - 透過型スクリーン、背面投射型表示装置 - Google Patents
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Description
しかし、近年、店舗のショーウィンドウ等に設置して映像を表示し、かつ、映像光を投射していない場合等に、スクリーンの向こう側の景色が良好に視認される透明性の高いスクリーンへの要求が高まっている。
また、透明性の高いスクリーンとして、ホログラムスクリーン等が開発されているが、製造が困難であったり、高価であったりするために、広く普及していない。
さらに、コントラストが高く良好な映像を表示することは、表示装置としては、常々求められることである。
第1の発明は、映像光を透過させて表示する透過型スクリーンであって、該透過型スクリーンのスクリーン面に平行であり、映像光が入射する入光面(10a,20a)と、前記入光面に対向し、該透過型スクリーンのスクリーン面に平行であり、映像光が出射する出光面(10b,20b)と、光透過性を有し、該透過型スクリーンの厚み方向において前記出光面側に、第1の面(121a,221a)とこれに交差する第2の面(121b,221b)とを有する単位光学形状(121,221)がスクリーン面に平行な方向に配列された第1光学形状層(12,22)と、少なくとも前記第2の面に形成され、光透過性を有し、前記第1光学形状層よりも屈折率が低い低屈折率層(13)と、光透過性を有し、前記第1光学形状層及び前記低屈折率層よりも前記出光面側に、前記単位光学形状の間の谷部を埋めるように形成される第2光学形状層(14)と、を備え、前記第2光学形状層は、前記第1光学形状層と屈折率が等しい、又は、等しいと見なせる程度に小さい屈折率差を有すること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第2の発明は、第1の発明の透過型スクリーンにおいて、前記第1光学形状層(12,22)の前記入光面側の面は、スクリーン面に平行な面であり、前記第1の面(121a,221a)とスクリーン面の法線方向とがなす角度をφ1とし、前記第1光学形状層の屈折率をnとするとき、φ1>1/2×arcsin(1/n)を満たすこと、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第3の発明は、第1の発明又は第2の発明の透過型スクリーンにおいて、前記第1光学形状層(12,22)の前記入光面側の面は、スクリーン面に平行な面であり、前記第1の面(121a,221a)とスクリーン面の法線方向とがなす角度をφ1とし、前記第1光学形状層の屈折率をnとするとき、φ1≧arcsin(1/n)を満たすこと、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第4の発明は、第1の発明から第3の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記第2の面(121b,221b)に形成された前記低屈折率層(132)と前記第2光学形状層(14)との界面(K)は、前記入光面(10a,20a)から入射した映像光の少なくとも一部を全反射させて前記出光面側へ向ける全反射面となること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第5の発明は、第1の発明から第4の発明までのいずれの透過型スクリーンにおいて、前記単位光学形状(121,221)において前記第1の面(121a,221a)と前記第2の面(121b,221b)とがなす角度(θ3)は、鋭角であること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第6の発明は、第1の発明から第5の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記低屈折率層(13)は、その表面に微細かつ不規則な凹凸形状を有すること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第7の発明は、第1の発明から第6の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記第2の面(121b,221b)がスクリーン面に平行な面となす角度(θ2)は、前記単位光学形状(121,221)の配列方向に沿って一方から他方に向かって次第に小さくなること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第8の発明は、第1の発明から第7の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記低屈折率層(13)は、前記第1の面(121a,221a)にも形成されること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第9の発明は、第1の発明から第8の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記第1光学形状層(12)は、前記単位光学形状(121)が、一点(C)を中心として同心円状に配列されたサーキュラーフレネルレンズ形状を前記出光面側の面に有し、前記第2の面(121b)がスクリーン面に平行な面となす角度(θ2)は、前記単位光学形状の配列方向に沿って前記一点から離れるにつれて次第に小さくなること、を特徴とする透過型スクリーン(10)である。
第10の発明は、第9の発明の透過型スクリーンにおいて、前記一点(C)は、該透過型スクリーンの表示領域外に位置すること、を特徴とする透過型スクリーン(10)である。
第11の発明は、第1の発明から第10の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、前記低屈折率層(13)は、その厚みが1μm以上10μm以下であること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第12の発明は、第1の発明から第11の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、光を拡散する拡散材を含有する光拡散層を備えていないこと、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第13の発明は、第1の発明から第12の発明までのいずれかの透過型スクリーンにおいて、入射した光の一部を吸収する光吸収層を備えること、を特徴とする透過型スクリーン(10,20)である。
第14の発明は、第1の発明から第13の発明までのいずれかの透過型スクリーン(10,20)と、前記透過型スクリーンに映像光を投射する映像源(LS)と、を備える背面投射型表示装置(1)である。
第15の発明は、第14の発明の背面投射型表示装置において、前記透過型スクリーン(10,20)の前記単位光学形状(121)の配列方向において、前記第2の面(121b)がスクリーン面に平行な面となす角度(θ2)は、前記映像源(LS)から離れるにつれて小さくなること、を備える背面投射型表示装置(1)である。
第16の発明は、第14の発明又は第15の発明の背面投射型表示装置において、前記映像源(LS)は、前記透過型スクリーン(10,20)の表示領域に対して、表示領域外であって画面上下方向において下方に位置し、前記透過型スクリーンの前記第2の面(121b,221b)が、画面上下方向において画面上側に凸となるように湾曲していること、を特徴とする背面投射型表示装置(1)である。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態(略等しい状態)も含むものとする。
本明細書中において、板、シート等の言葉を使用している。一般的に、厚さの厚い順に、板、シート、フィルムの順で使用されており、本明細書中でもそれに倣って使用している。しかし、このような使い分けには、技術的な意味は無いので、これらの文言は、適宜置き換えることができるものとする。
本明細書中において、スクリーン面とは、スクリーン全体として見たときにおける、スクリーンの平面方向となる面を示すものであり、スクリーンの画面(表示面)に平行であるとする。
図1は、第1実施形態の背面投射型表示装置1を示す図である。図1では、背面投射型表示装置1を側面から見た様子を示している。
背面投射型表示装置1は、スクリーン10、映像源LS等を有しており、スクリーン10に映像源LSから映像光を投射して透過させ、映像を表示する表示装置である。
本実施形態では、一例として、背面投射型表示装置1は、店舗のショーウィンドウに適用され、スクリーン10がショーウィンドウのガラスに貼り付けられる等して固定される例を挙げて説明する。
支持板50は、光透過性を有し、剛性が高い平板状の部材であり、アクリル樹脂やPC樹脂等の樹脂製、ガラス製等の板状の部材を用いることができる。
本実施形態の支持板50は、店舗等のショーウィンドウの窓ガラスである。なお、これに限らず、スクリーン10は、不図示の枠部材等によってその四辺等が支持され、その平面性を維持する形態としてもよい。
また、スクリーン10の出光側(観察者側)の正面方向に位置する観察者O1から見て画面左右方向の右側に向かう方向を+X方向、画面上下方向の上側に向かう方向を+Y方向、厚み方向において入光側(映像源側)から出光側(観察者側)に向かう方向を+Z方向とする。
さらに、以下の説明中において、画面上下方向、画面左右方向、厚み方向とは、特に断りが無い場合、このスクリーン10の使用状態における画面上下方向(鉛直方向)、画面左右方向(水平方向)、厚み方向(奥行き方向)であり、それぞれ、Y方向、X方向、Z方向に平行であるとする。
この映像源LSは、背面投射型表示装置1の使用状態において、スクリーン10の画面(表示領域)を映像源側(−Z側)の正面方向(スクリーン面の法線方向)から見た場合に、スクリーン10の画面左右方向の中央であって、スクリーン10の画面よりも鉛直方向下方側(−Y側)に位置している。
映像源LSは、奥行き方向(Z方向)において、スクリーン10の表面からの距離が、従来の汎用プロジェクタに比べて大幅に近い位置から斜めに映像光Lを投影できる。したがって、従来の汎用プロジェクタに比べて、映像源LSは、スクリーン10までの映像光Lの投射距離が短く、投射された映像光Lがスクリーン10に入射する入射角度θaが大きく、その変化量(最小値から最大値までの変化量)も大きい。
スクリーン10は、映像光Lが入射する入光面10aと、これに対向し、映像光Lが出射する出光面10bを有している。入光面10aと出光面10bとは、互いに平行又は略平行であり、スクリーン面(XY面)に平行である。
スクリーン10の画面(表示領域)は、使用状態において、出光側(+Z側)の観察者O1側から見て長辺方向が画面左右方向となる略矩形状である。
スクリーン10は、その画面サイズが対角40〜100インチ程度であり、画面の横縦比が16:9である。なお、これに限らず、スクリーン10の画面サイズは、例えば、40インチ以下の大きさとしてもよく、使用目的や使用環境等に応じて、その大きさや形状を適宜選択できるものとする。
なお、映像光Lの入射角度θaに関しては、上記範囲は一例であって、スクリーン10の画面サイズや映像源LS等に応じて適宜変更可能であり、上記角度範囲よりも最小値が小さい場合や、最大値が大きい場合も含まれるものとする。
図3は、第1実施形態の第1光学形状層12を出光側(+Z側)から見た図である。理解を容易にするために、低屈折率層13や第2光学形状層14、保護層15等を省略して示している。
スクリーン10は、図2に示すように、その入光側(−Z側)から順に、基材層11、第1光学形状層12、低屈折率層13、第2光学形状層14、保護層15を備えている。
基材層11は、例えば、高い光透過性を有するPET(ポリエチレンテレフタレート)等のポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン樹脂、PC(ポリカーボネート)樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂、TAC(トリアセチルセルロース)樹脂等により形成される。
基材層11の厚さは、画面サイズ等に応じて適宜選択可能である。
また、本実施形態では、スクリーン10の入光面10aとなる基材層11の入光側の面に、反射防止層を設けてスクリーン10への入射光量の向上を図ってもよい。
単位光学形状121は、図3に示すように、真円の一部形状(円弧状)であり、スクリーン10の画面(表示領域)外に位置する点Cを中心として、同心円状に複数配列されている。即ち、第1光学形状層12は、出光側の面にサーキュラーフレネルレンズ形状を有している。このサーキュラーフレネルレンズ形状は、その点Cを中心(フレネルセンター)とする、いわゆるオフセット構造のサーキュラーフレネルレンズ形状である。
本実施形態では、点Cは、図3に示すように、画面左右方向の中央であって画面外下方に位置している。また、点Cと点Aとは、スクリーン10を正面方向から見た場合、図3に示すように、Y方向に平行な同一直線上に位置している。
単位光学形状121は、図2や図4に示すように、スクリーン面に直交する方向(Z方向)に平行であって、単位光学形状121の配列方向に平行な断面における断面形状が、略三角形形状である。
単位光学形状121は、出光側(+Z側)に凸であり、映像光が入射する第1斜面(レンズ面)121aと、これに対向する第2斜面(非レンズ面)121bとを有している。
1つの単位光学形状121において、第2斜面121bは、頂点tを挟んで第1斜面121aの下側に位置している。
この単位光学形状121の第1斜面121a及び第2斜面121bは、微細かつ不規則な凹凸形状を有している。
第1斜面121aと第2斜面121bとがなす角度、即ち、単位光学形状121の頂角は、θ3である。角度θ3は、鋭角であり、0°<θ3<90°である。
また、第1斜面121aが、スクリーン面の法線方向となす角度は、φ1であり、第2斜面121bが、スクリーン面の法線方向となす角度は、φ2である。角度φ1,φ2の和は、角度θ3である。
この角度φ1は、nを第1光学形状層12及び第2光学形状層14の屈折率とするとき、φ1>1/2×arcsin(1/n)を満たすことが好ましく、φ1≧arcsin(1/n)を満たすことがさらに好ましい。本実施形態では、角度φ1は、φ1≧arcsin(1/n)を満たしている。
単位光学形状121の配列ピッチは、Pであり、単位光学形状121の高さ(厚み方向における頂点tから単位光学形状121間の谷底となる点vまでの寸法)は、hである。
また、同様に、図2,図4では、角度φ1,φ2及び角度θ3は、単位光学形状121の配列方向において一定である例を示しているが、本実施形態の単位光学形状121は、単位光学形状221の配列方向においてフレネルセンターとなる点Cから離れるにつれて、角度φ2が次第に大きくなり、角度φ1が次第に小さくなり、角度θ3が一定である。なお、角度θ3は、単位光学形状121の配列方向に沿って変化していてもよい。
この第1光学形状層12の屈折率は、約1.56〜1.7程度のものが好ましい。
なお、第1光学形状層12は、紫外線硬化型樹脂に限らず、例えば、電子線硬化型樹脂等の他の電離放射線硬化型樹脂により形成してもよい。
本実施形態の低屈折率層13は、単位光学形状121上(第1斜面121a及び第2斜面121b上)に形成されており、第1斜面121a上に形成された第1低屈折率部131と、第2斜面121b上に形成された第2低屈折率部132とを有している。
第2斜面121b上に形成された第2低屈折率部132と隣接する第2光学形状層14との界面Kが、映像光の少なくとも一部を全反射する全反射面となる。全反射面である界面K及び第2低屈折率部132は、スクリーン面に対して角度θ2をなす。また、前述の第1斜面121aは、各全反射面(界面K)をつなぐ接続面に相当し、第1斜面121a及び第1低屈折率部131は、スクリーン面の法線方向に対して角度φ1をなす。
低屈折率層13に臨界角以上の入射角で入射する光は、この微細かつ不規則な凹凸形状により、全反射する際に拡散される。また、低屈折率層13に臨界角未満の入射角で入射する光は、拡散しないで透過する。
なお、低屈折率層13の微細かつ不規則な凹凸形状は、所望する光学性能等に応じてその凹凸の大きさや形状等を適宜選択してよい。
低屈折率層13は、上述の材料を蒸着したり、スパッタリングしたりすることにより、形成される。
この低屈折率層13の屈折率は、約1.35〜1.45であることが、第2光学形状層14との界面Kで映像光を効率よく全反射させる観点から好ましい。
低屈折率層13の厚さが1μm未満であると、界面Kでの映像光の全反射が不十分となったり、映像光が全反射する際に干渉が生じて映像が劣化したりするため、好ましくない。また、低屈折率層13の厚さが10μmよりも大きくなると、蒸着等による低屈折率層13の形成が困難となったり、単位光学形状121の表面の微細かつ不規則な凹凸形状を埋めて平坦化し、単位光学形状121側とは反対側の面が平面状となってしまったりするため、好ましくない。
第2光学形状層14は、低屈折率層13の上から単位光学形状121間の谷部を埋めるように形成され、第1光学形状層12の出光側(観察者側)の面を平坦にしている。したがって、第2光学形状層14の入光側(−Z側)の面は、第1光学形状層12の単位光学形状121の略逆型の形状が複数配列されて形成されている。
また、第2光学形状層14によって出光側の面を平坦化することにより、スクリーン10の第1光学形状層12の背面側の面に保護層15等を積層しやすくなり、また、支持板50等への接合も容易となる。
第2光学形状層14の屈折率は、約1.56〜1.7であることが、低屈折率層13との界面Kで映像光を効率よく全反射させる観点から好ましい。また、第2光学形状層14の屈折率は、第1光学形状層22の屈折率と等しい、又は、略等しい(等しいとみなせる程度に屈折率差が小さい)ことが望ましい。
また、本実施形態では、第2光学形状層14は、紫外線硬化型樹脂により形成される例を挙げて説明するが、これに限らず、例えば、電子線硬化型樹脂等の他の電離放射線硬化型樹脂により形成してもよい。
保護層15は、光透過性の高い樹脂製のシート状の部材が用いられる。保護層15は、例えば、前述の基材層11と同様の材料を用いて形成されたシート状の部材を用いてもよい。
また、スクリーン10の出光面10bが支持板50に接合される場合、スクリーン10は、保護層15を備えない形態としてもよい。
また、スクリーン10が支持板50等に接合されず、保護層15がスクリーン10において最も出光側(観察者側)となる場合には、保護層15は、ハードコート機能や防汚機能、帯電防止機能等を有していてもよい。
また、スクリーン10は、スクリーン面に直交する方向からの入射光(スクリーン面への入射角0°)の全光線透過率が30%以上であることが、スクリーン10の透明性を実現しながら良好な映像を表示する観点から好ましい。全光線透過率は、スクリーン10に入射角0°で入射する光に対する全透過光の割合であり、ヘイズメーター(株式会社村上色彩技術研究所製 HM−150)等による測定で得られる。スクリーン10の全光線透過率が30%未満であると、スクリーン10の透明性が低下するため、好ましくない。
なお、この全光線透過率は、可能な限り高いことが好ましいが、例えば、スクリーン10に光吸収性を有する層を設けて、太陽光や照明光等の不要な外光を吸収し、映像のコントラストの向上を図る場合には、全光線透過率を80%以下とすることが、良好な映像を表示する観点から好ましい。
図6及び図7は、単位光学形状121の角度φ1について説明する図である。図6(a)は、φ1<1/2×arcsin(1/n)である場合を示し、図6(b)は、φ1=1/2×arcsin(1/n)である場合を示している。図7(a)は、1/2×arcsin(1/n)<φ1<arcsin(1/n)である場合を示し、図7(b)は、φ1=arcsin(1/n)である場合を示し、図7(c)は、φ1>arcsin(1/n)である場合を示している。
なお、図5及び図6,図7では、前述の図2に相当するスクリーン10の断面の一部を拡大して示し、理解を容易にするために、低屈折率層13を簡略化し、基材層11及び保護層15を省略して示している。
ここで、図4から図7を参照しながら、本実施形態の単位光学形状121に入射した映像光や外光の様子を参照しながら、角度θ3、角度φ1,φ2について説明する。
なお、第1斜面121aへの映像光Laの入射角度は、0°又は0°近傍とすることが好ましい。第1斜面121aへの映像光Laの入射角度が0°又は0°近傍である場合、第1低屈折率部131と第1光学形状層12との界面(第1斜面121a)に入射して反射した映像光は、反射角度も0°又は0°近傍となり、入光側(−Z側)下方の映像源LS側へ向かう。そのため、入光側に位置する観察者O1(図1参照)に映像光が届いて不要な映像が表示されることがない。したがって、映像光Laの入射角度は、0°又は0°近傍となるように、角度θ1や第1光学形状層12等の屈折率、映像光の入射角度θaを設定することが好ましい。
この角度φ2が0°である場合、第2低屈折率部132と第2光学形状層14との界面Kに入射する映像光は、その入射角が臨界角未満となり、界面Kで全反射しないため、出光側へ映像光を向けることができない。
また、角度φ2が2×(θ1)以上である場合、第2低屈折率部132で全反射した映像光は、スクリーン10の出光側上方へ向かい、スクリーン10の出光側(+Z側)の正面方向に位置する観察者に届かない。したがって、角度φ2は、上述の範囲であることが好ましい。
これは、図5(a),(b)に示すように、角度θ3を鋭角とすることによって、角度θ3が90°以上である場合に比べて、第2斜面121bの面積(即ち、全反射面である界面Kの面積)を大きくすることができるからである。これにより、全反射面である界面Kで全反射して出光側(+Z側)に位置する観察者O1側へ向かう映像光Lの光量を増加させることができ、光の利用効率の向上や、映像の明るさや明瞭さの向上等を図ることができる。
次に、図4に示すように、出光側上方からスクリーン10に入射した外光Gaは、その多くが第2光学形状層14と第1低屈折率部131との界面に対して、臨界角未満で入射し、全反射することなく第1低屈折率部131を透過してスクリーン10の入光側(−Z側)下方へ向かう。
外光Gaの一部は、第1低屈折率部131に入射する際に第2光学形状層14と第1低屈折率部131との界面で反射する。しかし、その反射光は、光量が少なく、スクリーン10の出光側上方へ向かうので、出光側の正面方向に位置する観察者O1届くことはなく、外光Gaによる映像のコントラスト低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、入光側上方からスクリーン10に入射した外光のうち、一部の外光Gcは、第1低屈折率部131と第1光学形状層12との界面(第1斜面121a)に入射して反射(全反射を含む)した後、第2低屈折率部132を透過し、スクリーン10の出光側下方へ向う。
なお、このような外光Gb,Gcの一部は、第2低屈折率部132と第1光学形状層12との界面(第2斜面121b)に小さい入射角度で入射するので、その多くが第2低屈折率部132を透過する。
そこで、前述のように、第1低屈折率部131(第1斜面121a)がスクリーン面の法線方向となす角度φ1は、φ1>1/2×arcsin(1/n)を満たすことが好ましく、φ1≧arcsin(1/n)を満たすことがさらに好ましい。
図6(b)に示すように、角度φ1=1/2×arcsin(1/n)である場合、この角度φ1は、入光側からスクリーン10に入射した外光Gが、第2光学形状層14と第1低屈折率部131との界面で反射して、出光側の正面方向に位置する観察者O1に届く境界値である。
したがって、角度φ1は、φ1>1/2×arcsin(1/n)であることが、外光による映像のコントラスト低下を抑制する観点から好ましい。
図7(b)に示すように、角度φ1=arcsin(1/n)である場合、この角度φ1は、入光側上方から大きな入射角度でスクリーン10に入射した外光Gが、第2低屈折率部132を透過し、第2光学形状層14と第1低屈折率部131との界面に入射する境界値である。このとき、第2低屈折率部132を透過した外光が図7(b)に示すスクリーン10の断面においてスクリーン面の法線方向となす角度の最大値は、角度φ1である。
したがって、角度φ1は、φ1≧arcsin(1/n)であることが、外光による映像のコントラスト低下を低減する観点から、さらに好ましい。
基材層11を用意し、その一方の面に、単位光学形状121を賦形する成形型に紫外線硬化型樹脂を充填した状態で積層し、紫外線を照射して樹脂を硬化させるUV成形法により第1光学形状層12を形成する。このとき、単位光学形状121を賦形する成形型の第1斜面121a及び第2斜面121bを賦形する面には、微細かつ不規則な凹凸形状が形成されている。この微細かつ不規則な凹凸形状は、成形型の第1斜面121a及び第2斜面121bを賦形する面に、条件の異なるめっきを2回以上繰り返したり、エッチング処理を行ったりすること等によって形成できる。
第1光学形状層12を、基材層11の一方の面に形成した後、第1斜面121a及び第2斜面121bに、低屈折率層13を蒸着等により形成する。
基材層11及び保護層15は、枚葉状としてもよいし、ウェブ状としてもよい。
しかし、このような製法で第1斜面121a及び第2斜面121bに凹凸形状を形成した場合には、個々のスクリーン10での拡散特性や品質等のばらつきが大きく、安定した製造が行えない。
これに対して、本実施形態では、単位光学形状121の第1斜面121a,第2斜面121bの微細かつ不規則な凹凸形状を成形型によって賦形することにより、多数の第1光学形状層12及びスクリーン10を製造する場合にも、品質のばらつきが少なく、安定して製造できるという利点がある。
スクリーン10の下方に位置する映像源LSから投射され、スクリーン10に入光側(−Z側)から入射した映像光L1のうち、一部の映像光L2は、スクリーン10の入光面10aで反射して上方へ向かう。この映像光L2は、スクリーン10の入光側(映像源側)の正面方向に位置する観察者O2には届かない。
なお、映像光L3が第1低屈折率部131に入射する際に一部の映像光が反射するが、その光量は小さいので、入光側に位置している観察者O2が映像を視認することはない。また、第1低屈折率部131(第1斜面121a)に対して映像光L3が入射角度0°又は0°近傍で入射した場合には、その反射光は、反射角度も0°又は0°近傍となり、入光側下方の映像源LS側へ向かうので、観察者O2には届かず、観察者O2が映像を視認することはない。
本実施形態では、角度θ3が鋭角であり、前述のように、単位レンズの頂角が90°である場合のサーキュラーフレネルレンズ形状の単位レンズに低屈折率層を形成した場合に比べて、界面K(第2斜面121b)の面積を広くすることができ、このような映像光L4を低減し、観察者O1に届く映像光L3を増大させることができ、観察者O1に明るく明瞭な映像を表示できる。
なお、本実施形態では、映像光がスクリーン10の下方から投射され、かつ、第2斜面121bの角度θ2(図2,図4等参照)がスクリーン10の画面上下方向の各点における映像光の入射角度よりも大きいので、映像光が第1低屈折率部131を透過することなく界面Kに直接入射することはない。
図8に示すように、スクリーン10に入光側から入射する外光G1のうち、一部の外光G2は、スクリーン10の入光面10aで反射してスクリーン10の下方へ向かい、観察者O2には届かない。
また、外光G1のうち、スクリーン10に入射した一部の外光G3は、第2斜面121bに臨界角以上の小さな入射角度で入射して第2低屈折率部132を透過する。本実施形態のスクリーン10は、角度φ1≧arcsin(1/n)を満たしており、第2低屈折率部132を透過した外光G3は、第1低屈折率部131と第2光学形状層14との界面に入射することなく、スクリーン10の出光側下方へ向かい、一部が出光面10bから出光側下方へ出射したり、一部が出光面10bで反射してスクリーン10内部下方へ進み、次第に減衰したりする。
そして、外光G4は、その多くが出光面10bで全反射してスクリーン10内部下方へ進んで次第に減衰し、一部が出光面10bから出光側下方へ出射する。
外光G5のうち、スクリーン10に入射した外光G7は、第2光学形状層14と第1低屈折率部131との界面に臨界角未満の入射角度で入射して、第1低屈折率部131を透過し、スクリーン10の入光側下方へ向かう。この外光G7は、スクリーン10の入光側下方へ出射したり、スクリーン10の入光面10aで全反射してスクリーン10内部下方へ進み、次第に減衰したりする。
したがって、スクリーン10に入光側、出光側上方から入射する外光は、いずれも観察者O1,O2には到達しないので、外光による映像のコントラスト低下を抑制できる。
したがって、本実施形態によれば、スクリーン10は、良好な視野角及び明るさや解像度を有する映像を出光側(+Z側)の観察者O1に表示でき、かつ、映像光を投射しない状態等において、スクリーン10の向こう側(−Z側)の景色が白くにじんだり、ぼけたりすることがなく観察者O1に良好に視認され、高い透明性を実現できる。
しかも、本実施形態によれば、スクリーン10は、角度θ3が鋭角であるので、全反射面である界面Kの面積を大きくでき、出光側の観察者O1側へ向かう光量を増大でき、明るく良好な映像を表示できる。また、本実施形態によれば、スクリーン10は、角度φ1が、φ1≧arcsin(1/n)を満たしているので、外光による映像のコントラスト低下を効果的に抑制できる。
また、本実施形態によれば、スクリーン10は、透過光を拡散せず、高い透明性を有しているので、スクリーン10に映像光が投射された状態においても、観察者O1,O2が、スクリーン10を通してスクリーン10の向こう側(入光側、出光側)の景色を一部視認することが可能である。
以上のことから、本実施形態によれば、スクリーン10は高い透明性を有し、かつ、明るくコントラストも良好な映像を表示できるスクリーン10及び背面投射型表示装置1とすることができる。
図9は、第2実施形態のスクリーン20の層構成を説明する図である。図9では、図2に示したスクリーン10の断面に相当するスクリーン20の断面を示している。
図10は、第2実施形態の第1光学形状層22を出光側(+Z側)から見た図である。
第2実施形態のスクリーン20は、第1光学形状層22が、リニアフレネルレンズ形状を有する以外は、前述の第1実施形態のスクリーン10と同様の形態である。したがって、前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号又は末尾に同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
第2実施形態のスクリーン20は、入光側から基材層11、第1光学形状層22、低屈折率層13、第2光学形状層14、保護層15を備え、入光面20a、出光面20bを有している。このスクリーン20は、前述の第1実施形態に示した背面投射型表示装置1に適用可能である。
単位光学形状221は、図9に示す断面形状が、出光側に凸となる三角形形状であり、第1斜面(レンズ面)221aと第2斜面(非レンズ面)221bとを有している。
単位光学形状221は、その第1斜面121aがスクリーン面に平行な面となす角度θ1、第2斜面121bがスクリーン面に平行な面となす角度θ2、第1斜面121aと第2斜面121bとがなす角度θ3、第1斜面121aがスクリーン面の法線方向となす角φ1、第2斜面121bがスクリーン面の法線方向となす角φ2、配列ピッチP、レンズ高さh等が、前述の第1実施形態に示す単位光学形状121と同様である。
また、本実施形態によれば、低屈折率層13が第1光学形状層22のリニアフレネルレンズ形状の単位光学形状221に形成されているので、スクリーン20の大画面化が容易であり、かつ、大画面化した場合にもスクリーン20の製造コストを抑制することができる。
以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
(1)各実施形態において、スクリーン10,20の入光側(−Z側)の面に、傷つき防止を目的としたハードコート層を設けてもよい。ハードコート層は、例えば、スクリーン10,20の入光面10a,20a(基材層11の入光側の面)に、ハードコート機能を有する紫外線硬化型樹脂(例えば、ウレタンアクリレート等)を塗布して形成する等により、形成される。
また、ハードコート層に限らず、スクリーン10,20の使用環境や使用目的等に応じて、例えば、反射防止機能、紫外線吸収機能、防汚機能、帯電防止機能等、適宜必要な機能を有する層を1つ又は複数選択して設けてもよい。また、これらの機能を基材層11が備えていてもよい。
また、基材層11の入光側(−Z側)に接合層51を介して支持板50が配置される形態とする場合には、支持板50の入光面に反射防止層等を設けてスクリーンへの入射光量の向上を図ってもよい。
また、各実施形態において、低屈折率層13は、高い透明性を有するフッ素系コーティング剤を第1斜面121a,221a及び第2斜面121b,221b等にコーティングして形成してもよい。
また、各実施形態において、低屈折率層13の第1光学形状層12,22側の面及び第2光学形状層14側の面の少なくともいずれかの面に、アンカー機能を有する層等を設けてもよい。
図11は、変形形態の背面投射型表示装置3を示す図である。この図11では、背面投射型表示装置3を側面から見た様子を示している。変形形態の背面投射型表示装置3は、映像源LS3とスクリーン30とを有し、接合層51を介してスクリーン30の出光側(+Z側)に位置する支持板50に接合されている。
スクリーン30の第1斜面121aの角度θ1及び第2斜面121bの角度θ2は、映像源LS3の映像光Lの投射角度(映像光のスクリーン30への入射角度θa)に応じたものとなっている。
この映像源LS3を用いた場合、スクリーン30の入光面30aの画面に相当する領域における映像光の入射角度θaの範囲は、一例として、35〜65°程度である。入射角度θaは、この範囲に限らず、基材層11等の屈折率等に応じて適宜設定可能である。
また、このような形態とすることにより、映像光Lのスクリーン30への入射角度θaの変化量が小さくなるので、第1光学形状層12及び第2光学形状層14、低屈折率層13等の最適な屈折率を選定しやすくなる。
また、このような形態とすることにより、低屈折率層13と第2光学形状層14等との屈折率差を大きくしなくとも映像光Lを第2低屈折率部132と第2光学形状層14との界面Kで全反射させることができ、これにより映像のコントラストが向上する等の効果を得られる。
また、各実施形態において、単位光学形状121,221は、3つ以上の複数の面によって形成される多角柱形状としてもよい。
図12は、変形形態のスクリーン40の単位光学形状421を示す図である。図12では、スクリーン40の画面上下方向上部であって、前述の図2に示したスクリーン20の断面に相当する断面を示している。
この変形形態のスクリーン40では、第1光学形状層42の単位光学形状421は、第1斜面421a及び第2斜面421bを有し、第2斜面421bが画面上下方向上側に対して凸となるような湾曲形状を有している。また、この第1斜面421a及び第2斜面421bに沿って低屈折率層43(第1低屈折率部431、第2低屈折率部432)が形成されている。
また、低屈折率層43と第2光学形状層14との屈折率差が、前述の第1実施形態に比べて小さい場合でも、映像光Leのように、第2低屈折率部432と第2光学形状層14との界面Kで2回以上全反射させて、出光側の観察者O1へ向けることもできる。
したがって、このような湾曲形状を有することにより、映像光が出光側の観察者O1側へ向きにくい画面上部の第2低屈折率部432及び第2光学形状層14の界面Kであっても、映像光を効率よく観察者O1側へ向かせることができ、スクリーン40の画面上部の映像の明るさ低下等を改善できる。
光吸収層をスクリーン10,20に設けることにより、スクリーン10,20に入射した外光等により生じる、スクリーン10,20と空気との界面で全反射しながらスクリーン10,20内を進む迷光を吸収でき、迷光による映像のコントラスト低下等を抑制できる。
また、低屈折率層13が光吸収機能を有する形態としてもよいし、低屈折率層13の入光側又は出光側に光吸収層が形成された形態としてもよい。
なお、上述の光吸収層は、着色材を含有せず、透明な層であって光吸収作用を有する層としてもよい。
この場合、単位光学形状121,221の配列方向は、映像源LSの位置に合わせて傾けた形態とする。このような形態とすることにより、映像源LSの位置等を自由に設定することができる。
また、背面投射型表示装置1の使用環境において、上方からの外光が問題とならない場合には、映像源LSは、スクリーン面の法線方向から見たとき、スクリーン10,20の画面左右方向の中央であって画面外上方に位置する形態としてもよい。
また、各実施形態において、スクリーン10,20は、基材層11及び保護層15の少なくとも一方を、ガラス板等の光透過性を有する板状の部材としてもよい。このとき、粘着剤や接着剤等により形成された不図示の接合層を介して第1光学形状層12等がガラス板等に接合される形態としてもよい。
映像源LSは、映像光が入射角度θaでスクリーン10,20へ投射されるように位置及び角度が設定されている。このとき、入射角度θaは、スクリーン10,20へ投射された映像光(P波)の反射率がゼロとなる入射角度(ブリュースター角)をθb(°)とした場合、(θb−10)°以上85°以下の範囲に設定される。例えば、スクリーン10,20へ投射された映像光の反射率がゼロとなる入射角度θbが60°である場合、映像光の入射角度θaは、50〜85°の範囲に設定される。
なお、角度θb(ブリュースター角)は、映像光が投射されるスクリーン10,20表面の材質により異なる。
また、このような形態の場合、基材層11及び保護層15としては、TAC製のシート状の部材が好適である。
10,20 スクリーン
11 基材層
12,22 第1光学形状層
121,221 単位光学形状
121a,221a 第1斜面
121b,221b 第2斜面
13 低屈折率層
131 第1低屈折率部
132 第2低屈折率部
14 第2光学形状層
15 保護層
LS 映像源
K 界面(全反射面)
Claims (16)
- 映像光を透過させて表示する透過型スクリーンであって、
該透過型スクリーンのスクリーン面に平行であり、映像光が入射する入光面と、
前記入光面に対向し、該透過型スクリーンのスクリーン面に平行であり、映像光が出射する出光面と、
光透過性を有し、該透過型スクリーンの厚み方向において前記出光面側に、第1の面とこれに交差する第2の面とを有する単位光学形状がスクリーン面に平行な方向に配列された第1光学形状層と、
少なくとも前記第2の面に形成され、光透過性を有し、前記第1光学形状層よりも屈折率が低い低屈折率層と、
光透過性を有し、前記第1光学形状層及び前記低屈折率層よりも前記出光面側に、前記単位光学形状の間の谷部を埋めるように形成される第2光学形状層と、
を備え、
前記第2光学形状層は、前記第1光学形状層と屈折率が等しい、又は、等しいと見なせる程度に小さい屈折率差を有すること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記第1光学形状層の前記入光面側の面は、スクリーン面に平行な面であり、
前記第1の面とスクリーン面の法線方法とがなす角度をφ1とし、前記第1光学形状層の屈折率をnとするとき、
φ1>1/2×arcsin(1/n)
を満たすこと、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1又は請求項2に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記第1光学形状層の前記入光面側の面は、スクリーン面に平行な面であり、
前記第1の面とスクリーン面の法線方法とがなす角度をφ1とし、前記第1光学形状層の屈折率をnとするとき、
φ1≧arcsin(1/n)
を満たすこと、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記第2の面に形成された前記低屈折率層と前記第2光学形状層との界面は、前記入光面から入射した映像光の少なくとも一部を全反射させて前記出光面側へ向ける全反射面となること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記単位光学形状において前記第1の面と前記第2の面とがなす角度は、鋭角であること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記低屈折率層は、その表面に微細かつ不規則な凹凸形状を有すること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記第2の面がスクリーン面に平行な面となす角度は、前記単位光学形状の配列方向に沿って一方から他方に向かって次第に小さくなること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記低屈折率層は、前記第1の面にも形成されること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記第1光学形状層は、前記単位光学形状が、一点を中心として同心円状に配列されたサーキュラーフレネルレンズ形状を前記出光面側の面に有し、
前記第2の面がスクリーン面に平行な面となす角度は、前記単位光学形状の配列方向に沿って前記一点から離れるにつれて次第に小さくなること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項9に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記一点は、該透過型スクリーンの表示領域外に位置すること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
前記低屈折率層は、その厚みが1μm以上10μm以下であること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
光を拡散する拡散材を含有する光拡散層を備えていないこと、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンにおいて、
入射した光の一部を吸収する光吸収層を備えること、
を特徴とする透過型スクリーン。 - 請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載の透過型スクリーンと、
前記透過型スクリーンに映像光を投射する映像源と、
を備える背面投射型表示装置。 - 請求項14記載の背面投射型表示装置において、
前記透過型スクリーンの前記単位光学形状の配列方向において、前記第2の面がスクリーン面に平行な面となす角度は、前記映像源から離れるにつれて小さくなること、
を特徴とする背面投射型表示装置。 - 請求項14又は請求項15に記載の背面投射型表示装置において、
前記映像源は、前記透過型スクリーンの表示領域に対して、表示領域外であって画面上下方向において下方に位置し、
前記透過型スクリーンの前記第2の面が、画面上下方向において画面上側に凸となるように湾曲していること、
を特徴とする背面投射型表示装置。
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