JP2005300711A - スクリーン及びリアプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光の影響をより確実に排除して映像の黒レベルを低下させ、コントラストを改善できるスクリーン及びそれを用いたリアプロジェクタ装置を提供する。
【解決手段】背面からの画像光の照射により画像を表示するスクリーン１０において、前記画像光に対応する特定波長領域の光に対して高透過特性を有し、少なくとも前記特定波長領域を除く可視波長領域の光に対して高反射特性を有する選択透過フィルター２と、この選択透過フィルター２の前面に配置される円偏光板３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、背面からの画像光の照射により画像を表示するスクリーン及びリアプロジェクタ装置に関するものである。

近年、会議等において発言者が資料を提示する方法としてオーバヘッドプロジェクタやスライドプロジェクタが広く用いられている。また、一般家庭においても液晶を用いたビデオプロジェクタや動画フィルムプロジェクタが普及しつつある。これらのプロジェクタの映写方法は光源から出力された光を、例えば透過形の液晶パネル等によって光変調して画像光を形成し、この画像光をレンズ等の光学系を通して出射してスクリーン上に映写するものである。

例えば、スクリーン上にカラー画像を形成することができるプロジェクタ装置（光源）は、光源から出射された光線を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に分離して所定の光路に収束させる照明光学系と、この照明光学系によって分離されたＲＧＢ各色の光束をそれぞれ光変調する液晶パネル（ライトバルブ）と、液晶パネルにより光変調されたＲＧＢ各色の光束を合成する光合成部とを備え、光合成部により合成したカラー画像を投射レンズによりスクリーンに拡大投影するようになっている。

また、最近では光源として狭帯域三原色光源を使用し、液晶パネルの代わりにグレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ：Grating Light Valve）を用いてＲＧＢ各色の光束を空間変調するタイプのプロジェクタ装置も開発されている。

上述したプロジェクタ装置においては、投影像を見るためにプロジェクタ用スクリーンが用いられる。このプロジェクタ用スクリーンには大別して、スクリーンの表側のプロジェクタから投影光を照射して当該投影光のスクリーンでの反射光を見るフロントプロジェクタ用スクリーンと、スクリーンの裏側のプロジェクタから投影光をミラーを介して照射してスクリーンを透過した光をスクリーンの表側から見るリアプロジェクタ用スクリーンとがある。いずれの方式においてもスクリーンに表示される映像が高コントラストであることが要求される。

しかしながら、従来のリアプロジェクタ用スクリーンは、室内照明や窓からの太陽光などの外光をプロジェクタ装置内部に取り込んでしまい、その外光が装置内部で反射されて再びリアプロジェクタ用スクリーンに戻ってきてしまうため、スクリーンに表示される映像の黒レベルが上昇しコントラスト低下の要因になっていた。

この問題に対して、図９に示すように背面側からフレネルレンズ８１、レンチキュラレンズ８５、拡散フィルム８４を順次設けた構成において、レンチキュラレンズ８５の拡散フィルム８４側の非集光部に光を吸収するブラックストライプからなる遮光層８６を設けることにより外光の反射を抑えるスクリーン８０が知られている。

また、スクリーンを拡散板と円偏光板との２層構造としたリアプロジェクタ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、スクリーンを通って入射する外光は装置内部のミラーで反射されスクリーンに再入射するが、円偏光板で吸収されてスクリーンの透過が防止されるため、コントラストの低下を抑えることが可能である。

特開平６−１６０７９４号公報

しかしながら、図９に示すスクリーンであってもブラックストライプからなる遮光層８６の間からリアプロジェクタ装置内に入射する外光があるため、その光が再びスクリーン８０の外に反射されることにより、映像の黒レベルが上昇し、コントラストが悪くなっていた。

発明者らは、スクリーン８０を使用した市販のリアプロジェクタ装置における外光の反射の程度を実際に測定したところ、その現象が確認された。すなわち、図１０の様にリアプロジェクタ装置を電源を切った状態で設置し、蛍光灯をつけて画面中央部の輝度を測定したところ、０．７２７［ｃｄ／ｍ²］であった。それに対し、スクリーン８０のフレネルレンズ８１とレンチキュラレンズ８５の間（図９におけるＡの位置）に黒い布を装着し、プロジェクタ装置内部からの反射をカットして測定すると０．４１２［ｃｄ／ｍ²］となり、輝度が４３％減少することが確認された。なお、スクリーン中央部での外光照度は２１６［ｌｕｘ］であった。

また、特許文献１に示されたスクリーンを使用したとしても、リアプロジェクタ装置では内部に光学系が収納される空間があり、一度装置内部に入射した外光はその内部空間で複数回反射されて外に出る場合があるため、円偏光板を透過してスクリーン外部に出てくる光があった。すなわち、図１１に示すように、円偏光板９３の特徴として、奇数回目の反射光は偏光方向が逆転する為、円偏光板９３で吸収され、再び通過してリアプロジェクタ装置９００の外に出ることは出来ないが、偶数回目の反射光は偏光方向が元に戻るので、円偏光板９３を透過して装置外に出てしまう。その結果、映像のコントラストの低下を完全に抑えることは困難であった。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、外光の影響をより確実に排除して映像の黒レベルを低下させ、コントラストを改善できるスクリーン及びそれを用いたリアプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する本発明は、背面からの画像光の照射により画像を表示するスクリーンにおいて、前記画像光に対応する特定波長領域の光に対して高透過特性を有し、少なくとも前記特定波長領域を除く可視波長領域の光に対して高反射特性を有する選択透過膜と、この選択透過膜の前面に配置される円偏光板とを備えることを特徴とするスクリーンである。

本発明においては、スクリーン前面により入射する外光は、円偏光板を透過することにより円偏光となり、選択透過膜に入射する。選択透過膜では特定波長領域を除く可視波長領域の光は反射されるため、円偏光となった外光は選択反射膜でほとんど反射される。円偏光は反射することによって偏光状態が逆方向となるため、選択透過膜で反射した外光は円偏光板を透過することができず吸収される。したがって、本発明のスクリーンにおいては、外光の影響が非常に少ない高コントラストの映像を表示することが可能となる。

ここで、前記選択透過膜は、高屈折率層とこれより屈折率の低い低屈折率層とが交互に積層された光学多層膜により構成することができる。高屈折率層には、例えば、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等が用いられ、低屈折率層には、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等が用いられる。

また、前記特定波長領域は、赤色光の波長領域、緑色光の波長領域及び青色光の波長領域を含むことが好ましい。

投射される画像光を略平行光にして前記選択透過膜に入射させるフレネルレンズを備えることが好ましく、前記円偏光板の前面に画像光を拡散させる拡散層を備えることが好ましい。また、その拡散層は、垂直方向の拡散角が水平方向の拡散角より小さい異方性拡散特性を有するものが好ましい。
また、前記拡散層と円偏光板との間にレンチキュラレンズを備えるとよく、前記レンチキュラレンズの拡散層側のレンズ部による集光部以外の位置にブラックストライプを備えるとさらによい。

前記課題を解決するために提供する本発明は、画像光を投射する光源と、該光源からの投射光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーの反射光が背面側から投影される請求項１〜９のいずれかに記載のスクリーンとを備えることを特徴とするリアプロジェクタ装置である。

本発明によれば、スクリーンに入射する外光は、その一部は円偏光板に吸収され、また円偏光板を透過しても大部分は選択透過フィルターで１回反射されて円偏光板で吸収され、スクリーンからは出てこなくなるため、外光の影響をより確実に排除することができ、映像の黒レベルを低下させ、コントラストを改善することができる。

以下に、本発明に係るスクリーンの第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るスクリーンの構成を示す図であり、スクリーンの上から見た断面図である。
スクリーン１０は、背面側（光源側）から順にフレネルレンズ１、選択透過フィルター２、円偏光板３、拡散フィルム４が設けられた構成である。

フレネルレンズ１は、光源から投射される画像光を平行光にして選択透過フィルター２に入射させるものであり、リアプロジェクタ用のスクリーンにおいて従来公知のものでよい。

選択透過フィルター２は、光源からの画像光に対応する特定波長領域の光に対して高透過特性を有し、少なくとも前記特定波長領域を除く可視波長領域の光に対して高反射特性を有するものである。

このような選択透過フィルター２は、公知のファブリペロー型フィルターとして設計されるもので、例えば図２に示すように、基板２ａ上に高屈折率層Ｈとこれより屈折率の低い低屈折率層Ｌとを交互に積層した光学多層膜からなり、スペーサー層２ｂを反射鏡２ｃ、２ｄで挟み込んだ構造となっている。

基板２ａは、光学多層膜を成膜するためのもので、材質はとくに限定されないが、透明であることが好ましい。基板材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリエチレンサルファイド（ＰＥＳ）などの高分子材料や、ガラス等を用いることができる。この基板２ａには、基板強度を向上させるためのハードコート層（ＨＣ）が形成されていてもよい。

このような選択透過フィルター２において、スペーサー層２ｂは、屈折率をＮ、膜厚をＤとしたときの光学膜厚ＮＤが、透過対象の画像光の波長λに対して、次式
ＮＤ＝（ｎ±１／２）λ …（１）
あるいは
ＮＤ＝ｎλ …（２）
を満足するように形成されるとよい。ただし、式（１）、（２）において、ｎは自然数である。

例えば、画像光が波長４５７ｎｍ（青色）、５３２ｎｍ（緑色）、６４２ｎｍ（赤色）の狭帯域三原色波長域光のとき、これらの３つの波長に対して上記条件をすべて満たすスペーサー層２ｂの光学膜厚ＮＤとしては、ＮＤ＝１．０６μｍを挙げることができる。この場合、ＮＤ＝１．０６μｍは、λ＝４５７ｎｍに対して略２．５倍で式（１）の条件を満たし、λ＝５３２ｎｍに対しては略２倍で式（２）の条件を満たし、λ＝６４２ｎｍに対しては略１．５倍で式（１）の条件を満たしている。すなわち、三原色波長域において高い透過率を示す。なお、式（２）は高次のλ膜であるが、λ膜もλ／２膜の一種であることはいうまでもない。

上記選択透過フィルター２において、高屈折率層Ｈには、屈折率が１．５以上、好ましくは２．０〜２．７の高屈折率材料、例えば酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等が用いられ、低屈折率層Ｌには、屈折率が１．５未満、好ましくは１．３〜１．５の低屈折率材料、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等が用いられる。このような高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌは、蒸着法やスパッタリング法等によるドライプロセスにより形成することができる。

図３は、図２に示す層構成において、高屈折率層をＮｂ_２Ｏ_５層、低屈折率層をＳｉＯ_２層とし、その層厚を基板２ａ側から順に４８ｎｍ（Ｎｂ_２Ｏ_５層）、７９ｎｍ（ＳｉＯ_２層）、４８ｎｍ（Ｎｂ_２Ｏ_５層）、１３１ｎｍ（ＳｉＯ_２層）、４７ｎｍ（Ｎｂ_２Ｏ_５層）、７３９ｎｍ（ＳｉＯ_２層）、４７ｎｍ（Ｎｂ_２Ｏ_５層）、１１４ｎｍ（ＳｉＯ_２層）、４８ｎｍ（Ｎｂ_２Ｏ_５層）とした場合の選択透過フィルター２の透過特性を示すものである。この図に示すように、この選択透過フィルター２は、波長４５７ｎｍ（青色）、５３２ｎｍ（緑色）、６４２ｎｍ（赤色）の波長領域において９０％超の高い透過率を示すため、これらの波長領域に輝度ピークを有する光源に対して好適である。

円偏光板３は、右円偏光光または左円偏光光のいずれかを透過し、該透過する円偏光とは逆方向の円偏光光を吸収するものであり、例えば直線偏光板と複屈折光の位相差が１／４波長である位相差板とが積層されたものであればよい。この円偏光板３は、直線偏光板の透過軸に対し、位相差版の光軸を４５°または１３５°の角度で交差させることにより形成され、該角度により右円偏光または左円偏光のいずれかを吸収するかが決定される。

直線偏光板としては、とくに限定はなく、例えばポリビニールアルコールのような親水性高分子材料からなるフィルムに二色性染料やヨウ素を染色して、ホウ酸水溶液中で２〜１０倍程度延伸した偏光子が挙げられる。また、二色性染料を含有する液晶や液晶ポリマーを配向することにより得られるものを使用してもよい。この液晶や液晶ポリマーには限定はなく、ネマチック型、スメクチック型、コレステリック型、ディスコチック型、これらの正の材料や負の材料が用いられる。

また、位相差板としては、可視光波長の１／４波長の位相差遅れを有する複屈折フィルムで、可視光量域において広く１／４波長の位相差を有する広帯域１／４波長板を用いればよい。この広帯域１／４波長板は一般には異なる位相差値を有する複屈折フィルムの組合せで実現できる。また位相差フィルムには高分子フィルムを延伸、配向したものが挙げられる。位相差フィルムに用いられる高分子フィルムにはとくに限定はないが、光学的に透明で配向ムラの少ないものが好適に用いられる。例えば、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリスルホン、ポリオレフィン系、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ノルボルネン系、アクリル系、ポリスチレン系、セルロース系が挙げられる。また、液晶組成物を高分子フィルムにコーティングまたは含浸させたものであってもよい。

拡散フィルム４は、選択透過フィルター２、円偏光板３を透過した画像光を散乱して、視野を広げるとともに、自然な画像を視認できるように設けられたものである。このような拡散フィルム４は、特に限定されるものではなく、表面に凹凸が設けられた拡散板や、ビーズの配列層や、マイクロレンズアレイを形成したフィルムなど従来公知のものを用いることができる。

上記構成のスクリーン１０をリアプロジェクタ装置に適用した例を図４に示す。
リアプロジェクタ装置１００は、画像光を投射する光源（光学エンジン）１１と、光源１１からの投射光（プロジェクタ光）Ｌ_Ｐを反射する反射ミラー１２と、反射ミラー１２の反射光Ｌ_Ｒが背面側から投影され、映像光Ｌ_ｉとして視聴者側に放射する上記構成のスクリーン１０とを備えている。

光源１１は、通常のリアプロジェクタ装置の光源として用いられているものであればよく、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三原色の各色の波長領域を含む光を用いて画像光を投射するものであることが好ましい。また、選択透過フィルター２において透過する波長領域はできるだけ狭いほうがよいことから、輝度ピークの半値幅が狭い特性をもつ光源がとくに好ましい。例えば、プロジェクタ用液晶ディスプレイデバイス（ＬＣＤ、ＳＸＲＤ）、ＧＬＶ、陰極線管（ＣＲＴ）、ＬＥＤのいずれかと、それに対応した照明光学系とを備えたものが挙げられる。

反射ミラー１２は、画像光であるプロジェクタ光Ｌ_Ｐを反射して、スクリーン１０に投射するものであり、リアプロジェクタ装置において従来公知のものでよい。

上記リアプロジェクタ装置１００では、スクリーン１０において選択透過フィルター２と円偏光板３との組合せを備えることにより、スクリーン１０に入射する外光Ｌ_ｏに対してつぎのような効果が得られる。

まず、外光Ｌ_ｏ（例えばランダム偏光の自然光）が拡散フィルム４を透過して円偏光板３に入射すると、まず直線偏光板により偏光分離され、そのうち一方は吸収、他方は位相差板に透過する。この時点で外光の約半分は吸収される。ついで、透過した残り半分の直線偏光光は位相差板により右円偏光または左円偏光のいずれか一方の方向、例えば右円偏光光に変換される。

ついで、円偏光板３から出射された右円偏光光は選択透過フィルター２に入射し、該右円偏光光は選択透過フィルター２の有する透過・反射特性に従い、透過・反射が行われる。すなわち、選択透過フィルター２が高透過特性を有する波長領域の光（光源１１からの画像光に対応する特定波長領域の光、例えばＲＧＢ三原色波長領域の光）は透過され、この特定波長領域を除く可視波長領域の光は反射されることになる。

前記右円偏光光のうち、選択透過フィルター２で反射される光は、位相が１８０°反転し、入射した右円偏光光と逆方向の左円偏光光として反射される。このため、選択透過フィルター２で反射された右円偏光光（すなわち左円偏光光）は再び円偏光板３の位相差板により直線偏光板の吸収軸に平行な直線偏光に変換され、直線偏光板に吸収されることになる。すなわち、円偏光板３を透過して選択透過フィルター２で１回反射される外光は必ず円偏光板３で吸収され、スクリーン１０からは出てこなくなる。

また、スクリーン１０に入射する外光の一部は、円偏光板３及び選択透過フィルター２さらにフレネルレンズ１を透過し、リアプロジェクタ装置１００内部に入射するが、その割合は円偏光板３及び選択透過フィルター２がない場合よりも大きく抑えられる。その一例として、図３に示す特性をもつ選択透過フィルター２を有するスクリーン１０をリアプロジェクタ装置１００に適用し、室内照明としての蛍光灯の光が外光としてスクリーン１０に入射する場合を検証したところ、図５の結果が得られた。

図５は、蛍光灯の光の輝度分布を示すものであり、図中の曲線Ａが蛍光灯の光そのものを測定した結果であり、図中の曲線Ｂがスクリーン１０を通過してプロジェクタ装置１００内部に入射した光を測定した結果である。ここで、曲線Ａと曲線Ｂとのピーク強度を比較すると、本発明に係るスクリーン１０を通すことによって蛍光灯の光の透過はかなり抑制されており、波長領域によっては完全に抑制されている（ピーク強度の比で０％）。また、強度が最大となるピーク位置Ｐにおいてもピーク強度比として２８％まで抑えられていた。

一方、光源１１からの画像光であるプロジェクタ光Ｌ_Ｐは、反射ミラー１２を経由してスクリーン１０の背面側に投射され、フレネルレンズ１で平行光とされた後に選択透過フィルター２に入射される。ついで、選択透過フィルター２はその透過特性が光源１１に対して最適となるように設計されているため、入射した画像光は高い透過率で透過され、さらに円偏光板３、拡散フィルム４を経由してスクリーン１０から出射され、映像光Ｌ_ｉとして観察者側に到達する。
視聴者側から入り込む外光Ｌ_Ｏは、上記のように本発明に係るスクリーン１０の効果により、ほとんどスクリーン１０から反射されて出てくることはない。したがって、従来のリアプロジェクタ装置よりもさらにコントラストの高い映像を得ることができる。

なお、上記拡散フィルム４に代えて、図６に示すような拡散角が水平方向（スクリーン横方向）に広く、垂直方向（スクリーン縦方向）に狭い、例えばＦＷＨＭ８０°×１０°の楕円拡散特性（異方性拡散特性）をもつ拡散フィルム４ａを用いてもよい。これにより、上記コントラストの改善とともに広視野角の映像を従来よりも単純なスクリーン構成で提供することができる。

つぎに、本発明に係るスクリーンの第２の実施の形態を図７に示す。
スクリーン２０は、図１におけるスクリーン１０において円偏光板３と拡散フィルム４との間にレンチキュラレンズ５を設けた構成である。
これにより、スクリーン２０から観察者側に出射される映像光の拡散角が水平方向（スクリーン横方向）に広く、垂直方向（スクリーン縦方向）に狭い異方性をもたせることができ、このスクリーン２０をリアプロジェクタ装置に適用すれば上記コントラストの改善とともに広視野角の映像を提供することができる。

つぎに、本発明に係るスクリーンの第３の実施の形態を図８に示す。
スクリーン３０は、図７のスクリーン２０において、レンチキュラレンズ５の拡散フィルム４層側のレンズ部による集光部以外の位置にブラックストライプからなる遮光層６を設けた構成である。
遮光層６により外光反射を抑えることができるため、このスクリーン３０をリアプロジェクタ装置に適用すれば本発明の効果とあいまって、より高コントラストの映像を得ることができる。

本発明に係るスクリーンの第１の実施の形態の構成を示す断面図である。 選択透過フィルター２の構成例を示す断面図である。 図２の選択透過フィルターの透過特性を示す図である。 本発明に係るリアプロジェクタ装置の構成を示す断面図である。 本発明のスクリーンによる外光透過抑制効果を示す図である。 拡散フィルム４ａの楕円拡散の様子を示す図である。 本発明に係るスクリーンの第２の実施の形態の構成を示す断面図である。 本発明に係るスクリーンの第３の実施の形態の構成を示す断面図である。 従来のスクリーンの構成を示す断面図である。 従来のリアプロジェクタ装置と蛍光灯との配置関係を示す図である。 円偏光板の特性を示す図である。

符号の説明

１，８１…フレネルレンズ、２…選択透過フィルター、２ａ…基板、２ｂ…スペーサー層、２ｃ，２ｄ…反射鏡、３，９３…円偏光板、４，４ａ…拡散フィルム、５，８５…レンチキュラレンズ、６，８６…遮光層、１０，２０，３０，８０…スクリーン、１１…光源、１２…反射ミラー、１００，８００，９００…リアプロジェクタ装置、Ｌ_ｐ…プロジェクタ光、Ｌ_Ｒ…反射光、Ｌ_ｉ…映像光、

Claims (10)

1. 背面からの画像光の照射により画像を表示するスクリーンにおいて、
   前記画像光に対応する特定波長領域の光に対して高透過特性を有し、少なくとも前記特定波長領域を除く可視波長領域の光に対して高反射特性を有する選択透過膜と、
   この選択透過膜の前面に配置される円偏光板とを備えることを特徴とするスクリーン。
2. 前記選択透過膜は、高屈折率層とこれより屈折率の低い低屈折率層とが交互に積層された光学多層膜を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
3. 前記高屈折率層は酸化ニオブ、酸化チタンまたは酸化タンタルからなり、前記低屈折率層は酸化ケイ素またはフッ化マグネシウムからなることを特徴とする請求項２に記載のスクリーン。
4. 前記特定波長領域は、赤色光の波長領域、緑色光の波長領域及び青色光の波長領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
5. 投射される画像光を略平行光にして前記選択透過膜に入射させるフレネルレンズを備えることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
6. 前記円偏光板を透過した画像光を散乱する拡散層を備えることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
7. 前記拡散層は、垂直方向の拡散角が水平方向の拡散角より小さい異方性拡散特性を有することを特徴とする請求項６に記載のスクリーン。
8. 前記拡散層と円偏光板との間にレンチキュラレンズを備えることを特徴とする請求項６に記載のスクリーン。
9. 前記レンチキュラレンズは、前記円偏光板側にレンズ部を有し、反対側のシート面に、前記レンズ部による集光部以外の位置にストライプ状の光吸収層が形成されていることを特徴とする請求項８に記載のスクリーン。
10. 画像光を投射する光源と、該光源からの投射光を反射する反射ミラーと、該反射ミラーの反射光が背面側から投影される請求項１〜９のいずれかに記載のスクリーンとを備えることを特徴とするリアプロジェクタ装置。
    

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