JP2012242536A - スクリーン及び投射システム - Google Patents

Abstract

【課題】局所的なゲインの低下を抑制して、面内での輝度ムラの低減されたスクリーン及び当該スクリーンを用いた投射システムを提供すること。
【解決手段】光制御層３の第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとが、入射光ＰＬの角度範囲の基準となる基準方向ＳＤに対応して、互いに異なる方向でかつ入射光の光源に近い側から遠い側に向けて広がるようにそれぞれ傾いている第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とをそれぞれ制御方向としている。これにより、光制御層３は、第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとにおいて、入射光ＰＬの入射時に入射光ＰＬを拡散させることなく直進透過させて光反射層２に向かわせることができ、光反射層２は、入射した光を所望の角度で反射させることが可能となる。従って、本スクリーン１０は、ゲインの低下を抑制して、輝度ムラの低減されたものとなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、前方のプロジェクター等の画像投射装置からの投射光を反射して投影画像を映し出すスクリーン及び当該スクリーンを用いた投射システムに関する。

プロジェクター等からの投射光を反射することで投影画像を映し出すスクリーンとして、所定範囲内の角度領域から入射した光を散乱又は拡散透過させ、かつ、所定範囲外の角度領域から入射した光を直進透過させる光制御機能を有する特殊な構造の高分子膜からなる光制御層を備えるものが知られている（特許文献１参照）。

例えば、上記特許文献１のような光制御層を用いて、プロジェクター等からスクリーンに入射した入射光を制御するにあたって、入射時には光制御層を直進透過させ、当該入射光を所望の角度で反射させ、反射後の射出時には光制御層を拡散透過させるように制御することで、光を拡散させつつもより確実に観察者側に反射させることが考えられる。しかしながら、例えば近接投射のように角度のついた状態で投射を行う場合、スクリーン上の入射位置によって各入射光間の入射角の差が大きくなるため、当該入射光の中には光制御層に対して拡散透過する想定外の入射角となるものが生じてしまう。これにより、ねらい通りに入射光を反射させることができず、視野外へ向かってしまう成分が生じる領域が、スクリーン上に局所的にできてしまう可能性がある。この場合、当該領域でゲインが低下することで、スクリーン面全体として輝度ムラが生じることになる。

特開２００４−６９８３６号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、局所的なゲインの低下を抑制して、輝度ムラの低減された画像を投影可能なスクリーン及び当該スクリーンを用いた投射システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るスクリーンは、（ａ）基板と、（ｂ）基板の主面上に配列されるように形成され当該配列される方向について断面鋸歯状である複数のプリズム部分と、複数のプリズム部分の表面部分にそれぞれ形成され入射した光を反射する複数の光反射部とを有する光反射層と、（ｃ）光反射層の表面側に形成され、基板の主面に平行な方向のうち所定の制御方向において基板の主面に対する傾きが所定範囲内にある第１の角度領域から入射した光を拡散透過させ、かつ、所定範囲外にある第２の角度領域から入射した光を直進透過させる光制御層と、を備えるスクリーンであって、（ｄ）光制御層が、第１部分と第２部分とを有し、第１部分では、所定の制御方向が第１方向に設定されており、第２部分では、所定の制御方向が第１方向と異なる第２方向に設定されている。

上記スクリーンでは、光制御層の第１部分と第２部分とにおいて、制御方向が、入射光の角度に対応して、互いに異なる方向にそれぞれ傾いている第１方向と第２方向となっている。これにより、光制御層は、第１部分と第２部分とにおいて、入射光を第１の角度領域の外側から入射させ、拡散させることなく直進透過させて光反射層に向かわせることができ、光反射層において入射した光を所望の角度で反射させることが可能となる。従って、本スクリーンは、ゲインの低下を抑制して、表示される面内での輝度ムラの低減された画像を映し出せるものとなる。特に、比較的入射角が大きくなりやすい近接した投射にスクリーンを用いる場合に、入射光を第１の角度領域の外側から入射させ、拡散させることなく直進透過させて光反射層に向かわせることで、入射光を適切に反射及び拡散させることができる。

本発明の具体的な側面では、光制御層において、第１部分に設定された第１方向と第２部分に設定された第２方向とが、入射光の光源に対応し基板の主面に平行な基準方向に対して、入射光の光源に近い側から遠い側に向けて広がるようにそれぞれ傾いている。この場合、入射光の入射の標準的な方位を表す基準方向に合わせて、入射光が上記第１の角度領域になるように、第１及び第２方向を最適なものとすることができる。

本発明の別の側面では、光制御層は、第１部分と第２部分との間に配置されるとともに所定の制御方向が基準方向に平行な第３方向に設定されている第３部分を有する。この場合、より細かい区分で制御方向の調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、基板における基準方向が、入射光のうち基板の中心部分を通る基準光の光路を基板の主面に正射影した方向である。この場合、光源から所定の角度範囲で入射する入射光の中心を基準として第１及び第２方向を定めることができる。

本発明のさらに別の側面では、基板の対称性に関する中心軸が、基準方向に対して平行である。この場合、基板の中心軸を基準として対称性のある光の拡散及び反射の制御を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層において、第１部分と第２部分とが、中心軸に対して軸対称に配置されている。この場合、第１部分と第２部分とで対称性を持たせた光の拡散及び反射の制御ができる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層において、第１部分が、基板の長手方向についての一端側で、かつ、入射光の光源に最も近い側を含み、第２部分が、長手方向についての一端側と反対の他端側で、かつ、入射光の光源に最も近い側を含む。この場合、最も光制御の条件が厳しい光源に最も近い側の領域を基準として光制御を行うことで、スクリーン全体について適切な光の拡散及び反射の制御を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、光反射層において、複数のプリズム部分が、所定の角度範囲で入射する入射光に対応して同心円弧状に配列される。この場合、スクリーンの中央だけでなく大きく外れた周辺でも入射光を傾きが少ない正面側に折り返すことが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、光反射層において、複数の光反射部の各反射面が、光制御層を経た入射光を折り返すことで得られる反射光の傾きを光制御層に対して第１の角度領域内にするように傾いている。この場合、各反射面において折り返され光制御層に向かう反射光が、光制御層に対して第１の角度領域内の角度となるので、光制御層において確実に拡散されて射出される。

上記課題を解決するため、本発明に係る投射システムは、（ａ）上記いずれかに記載の
スクリーンと、（ｂ）投影画像となる入射光をスクリーン上に向けて所定の角度範囲で投射する画像投射装置と、を備える。この投射システムは、上記いずれかに記載のスクリーンに画像投射装置からの投射光を投射することにより、局所的なゲインの低下を抑制して、面内での輝度ムラの低減された画像を映し出すことができる。

第１実施形態に係るスクリーン及び投射システムを示す図である。 スクリーンの構造を説明するための側断面図である。 スクリーンの光制御層について説明するための図である。 スクリーンの光反射層について説明するための図である。 スクリーンの動作の概要について説明するための図である。 スクリーンによる投射光の拡散について説明するための一部拡大図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、入射光の入射角と光制御層における直進透過及び拡散透過との関係について説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、光制御層の制御方向と入射光の入射角との関係について説明するための図である。 第２実施形態に係るスクリーンの構造を説明するための正面図である。 第３実施形態に係るスクリーンの構造を説明するための側断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るスクリーン及びスクリーンを含む投射システムについて説明する。

〔Ａ．投射システムの構造〕
図１に示すように、本実施形態の投射システム１００は、スクリーン１０と、プロジェクター５０とを備える。

プロジェクター５０は、室内の天井に天吊り支持された状態でスクリーン１０に近接して設置されている。つまり、プロジェクター５０による投射は、上側からの近接投射すなわち−Ｙ方向に偏った−Ｚ方向への極端な斜め投射となっている。

スクリーン１０は、図１から図４に示すように、図中水平方向すなわちＸ方向を長手方向とし、垂直方向すなわちＹ方向を短手方向とする横長の長方形状を有する。スクリーン１０は、その正面側すなわち略＋Ｚ側に設置されたプロジェクター５０からの入射光ＰＬを、折り返すことによって正面側すなわち略＋Ｚ側に反射光として射出させる反射型スクリーンである。より具体的には、プロジェクター５０から斜め下方に射出される入射光ＰＬが、スクリーン１０のＸＹ面に平行な主面１ａに向けて投射され、主面１ａ上に設けたフレネル形状を有する微細構造によって、正面側に反射されることで、略＋Ｚ側にいる観察者ＥＹに投影画像が提供される。なお、図１等に示すように、近接投射であることから、入射光ＰＬの入射角ξは、ある程度の角度範囲をもった状態となっている。また、図中において、主面１ａの法線方向（Ｚ方向）については、法線ＺＸにより示すものとし、入射光ＰＬの入射角ξは、法線ＺＸに対する角度で規定される。

図３及び図４に示すように、プロジェクター５０からの投射光であるスクリーン１０への入射光ＰＬは、プロジェクター５０の投射点ＳＳからスクリーン１０の主面１ａの中央を通ってＹ方向に延びスクリーン１０を対称に２分する中心線である中心軸ＬＸを基準としてＸ方向について対称な状態で投射されている。見方を変えると、入射光ＰＬの投射点ＳＳは、プロジェクター５０のレンズから主面１ａに対して下した垂線が中心軸ＬＸと交差する位置にあり、入射光ＰＬは、スクリーン１０の中心軸ＬＸ上のスクリーン中心点Ｏを基本として、スクリーン１０に投影される範囲に応じた特定の角度範囲で入射するものとなっている。なお、スクリーン中心点Ｏは、主面１ａ上の点であり、Ｙ方向に延びる中心軸ＬＸとＸ方向に延びる軸ＭＸとの交点である。つまり、基板１の中心部分である。

ここで、図１に示すように、角度範囲をもって入射する入射光ＰＬのうち、スクリーン中心点Ｏに向かう成分を基準光ＰＬｃとする、この基準光ＰＬｃの光路方向を、基準入射方向ＳＩとし、さらに、基準入射方向ＳＩを基板１の主面１ａに正射影した方向を、入射光ＰＬのスクリーン１０における入射方向の基準となる基準方向ＳＤとする。この場合、基準方向ＳＤは、入射光ＰＬの光源の基準となる点である投射点ＳＳに対応し、また、主面１ａに平行であり、特に、中心軸ＬＸに平行な方向すなわちＹ方向となっている。また、プロジェクター５０による投射は上方からの近接投射であるため、プロジェクター５０からスクリーン１０の各点に入射する入射光ＰＬの入射角ξの大きさは、スクリーン１０の上方側すなわちプロジェクター５０の光源側に近づくほど小さくなる。

〔Ｂ．スクリーンの構造〕
以下、図２等を参照して、スクリーン１０の構造の詳細について説明する。まず、図２〜図４に示すように、スクリーン１０は、横長の長方形状の外観を構成するシート状の基板１を備える。さらに、図２に示すように、スクリーン１０は、基板１の表面側に形成される光反射層２と、光反射層２の表面側に形成される光制御層３と、光制御層３の表面側を覆う保護層２０とを備える。また、図３に示すように、光制御層３は、右半分すなわち−Ｘ側を占める第１部分３Ｌと＋Ｘ側を占める第２部分３Ｒとを有する。

基板１は、＋Ｚ側の面としてスクリーン１０の基準面となる主面１ａを有する。この主面１ａは、ＸＹ面に平行で、スクリーン１０への入射光ＰＬの入射や反射の基準となる表示平面となっている。なお、基板１は、例えば光吸収性の樹脂材料で作製されており、可撓性を有する。

光反射層２は、基板１の主面１ａ上に形成される複数のプリズム部分２ａと、複数のプリズム部分２ａの表面部分にそれぞれ形成される複数の光反射部ＰＰと、入射した光を吸収するための光吸収部ＡＳと、これらを保護するとともに光反射層２の表面２ｃを形成する平準化層２ｂとを有する。光反射層２の表面２ｃは、ＸＹ面に平行な表示平面としての主面１ａに平行な面となっている。

複数のプリズム部分２ａは、図４等に示すように、同心円弧状に隙間なく配列されたフレネル形状を形成している。ここで、図２に示すように、当該同心円弧状の中心ＣＦは、主面１ａを周囲に延長した平面Ｈ１上にあり、入射光ＰＬの投射点ＳＳに対応して、スクリーン１０の中心線である中心軸ＬＸ上に設定されている。つまり、投射点ＳＳから表示平面である主面１ａに対して垂直に下ろした線Ｌ１と平面Ｈ１との交点を交点ＳＸとすると、中心ＣＦと交点ＳＸとは、ともに中心軸ＬＸ上に配置されている。

また、光反射層２のうち、例えば図５に示すスクリーン１０の中央部分において、隙間なく配列された各プリズム部分２ａの表面部分は、主面１ａよりも上方すなわち＋Ｙ方向に傾いている面である第１傾斜面Ｓ１と、主面１ａよりも下方すなわち−Ｙ方向に向けて傾いた面である第２傾斜面Ｓ２とで形成されている。各プリズム部分２ａが連続することで、各傾斜面Ｓ１，Ｓ２が交互に連なった状態となっている。これにより、複数のプリズム部分２ａは、スクリーン１０の中央部分での配列方向であるＹ方向について上端から下端までの全体として、断面鋸歯状となっている。さらに、プリズム部分２ａは、中心ＣＦを基準として同心円弧状に配列されているため、中心ＣＦを通る他の断面についても同様の形状を有している。つまり、複数のプリズム部分２ａは、スクリーン１０全体に亘って断面鋸歯状となっている。両傾斜面Ｓ１，Ｓ２のうち第１傾斜面Ｓ１上にアルミ蒸着等によって反射膜が設けられることで、光反射部ＰＰが形成されている。なお、第２傾斜面Ｓ２である光吸収部ＡＳは、入射する不要光を基板１側に通過させる。光吸収部ＡＳを通過した不要光は、基板１で吸収される。これにより、スクリーン１０は、コントラスト低下を抑制することができる。光吸収部ＡＳは、例えば黒色塗料の塗布等で形成されるものとでき、この場合、光吸収部ＡＳ自体によって入射する不要光を吸収することができる。このほか、例えば各プリズム部分２ａ及び基板１を光透過性樹脂とし、基板１の裏面側に黒色塗料を塗布するものとしてもよい。

光制御層３は、平準化層２ｂの表面２ｃ上に形成されている。光制御層３は、特殊な高分子膜と透明プラスチック材料とを複合化することで構成され、内部に当該高分子膜と透明プラスチック材料とによる回折格子状の特異的な規則構造を有する。この構造により、光制御層３は、基板１の主面１ａに平行な方向のうち所定の方向について光の入射する角度によって光の透過状態を拡散透過させるものとするか直進透過させるものとするかをドラスティックに変化させるという光学特性を有する（詳細については、特許文献１参照）。ここでは、上記のように光制御層３において光制御の基準となる所定の方向を制御方向と呼ぶこととする。光制御層３は、光学特性として以上のような入射角選択性を有することにより、制御方向における入射角が規定の範囲内の角度で入射する光を拡散透過させ、かつ、制御方向における入射角が規定の範囲外の角度で入射する光を直進透過させるものとなっている。なお、光制御層３において、表側すなわち＋Ｚ側の表面３ｂは、表示平面である主面１ａに平行な面となっている。

ここで、図３に示すように、光制御層３は、中心軸ＬＸより左側すなわち−Ｘ側の半分である第１部分３Ｌと、中心軸ＬＸより右側すなわち＋Ｘ側の半分である第２部分３Ｒとで構成されている。このうち、第１部分３Ｌでは、上述した制御方向が、基準方向ＳＤに対して傾斜角βだけ傾いて、入射光ＰＬの光源である投射点ＳＳに近い側から遠い側に向けて広がる方向である第１方向Ｄ１に設定されている。また、第２部分３Ｒでは、上述した制御方向が、基準方向ＳＤに対して傾斜角βだけ第１方向Ｄ１とは逆向きに傾いて、入射光ＰＬの光源である投射点ＳＳに近い側から遠い側に向けて広がる方向である第２方向Ｄ２に設定されている。つまり、光制御層３において、中心軸ＬＸを軸として、第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとが対称に配置され、かつ、各部分３Ｌ，３Ｒにおいて、光を拡散透過させる方向を定める制御方向である第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２が、Ｙ方向すなわち基準方向ＳＤに対して対称に傾いている。このように、第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとで制御方向を異なるものとすることで、光制御層３は、基板１の入射位置によって異なる角度で入射する入射光ＰＬの各成分のいずれについても確実に直進透過させるように入射させることを可能にしている。

保護層２０は、光制御層３の表面３ｂ上すなわち＋Ｚ側に形成され、スクリーン１０の主要部をなす光反射層２及び光制御層３を保護している。なお、保護層２０が不要で省略される場合には、表面３ｂが、スクリーン１０の最表面となる。

〔Ｃ．スクリーンによる入射光に対する動作〕
以下、図５を用いてスクリーン１０による入射光ＰＬに対する動作の概要について説明する。なお、図５は、中心軸ＬＸに沿った断面を示している。

まず、スクリーン１０の中心軸ＬＸ上の位置において、法線ＺＸに対して＋Ｙ側から特定の入射角ξで入射する入射光ＰＬは、保護層２０を通過し、さらに光制御層３においても、規定の範囲外の角度で入射する光として拡散されることなく直進透過する。次に、入射光ＰＬは、光反射層２の反射面ＰＳに入射する。ここで、反射面ＰＳは、主面１ａに対して、微小な傾斜角度αだけ＋Ｙ側を向くように傾いている。これにより、入射光ＰＬは、Ｙ方向についての入射角が変えられた反射光ＲＬとなって光制御層３に向けて折り返される。この反射光ＲＬは、往路の入射光ＰＬとは入射角が異なる状態で光制御層３に入射する。これにより、反射光ＲＬは、所望の範囲内の角度で入射する光として光制御層３を拡散透過する。つまり、反射光ＲＬは、適度に拡散された状態の投影画像光ＦＬとなってスクリーン１０から略＋Ｚ方向の特定方向を中心として射出される。

以下、図６により、スクリーン１０のうち光制御層３を中心に上記動作についてより詳しく説明する。ここで、図６は、一例として、スクリーン１０の−Ｘ側を占める第１部分３Ｌを第１方向Ｄ１に沿った断面の一部分について拡大した図である。つまり、図５の場合と比べて、切断する方向が傾斜角β（図３等参照）の分だけ傾いている。なお、この断面での反射面ＰＳの傾斜角度は、傾斜角度α'であるものとする。

まず、光制御層３は、第１の角度領域ωから入射した光を規定の範囲内の角度で入射する光として拡散透過させ、かつ、これ以外の範囲である第２の角度領域ηから入射した光を直進透過させる性質を有する膜で構成されている。ここでは、第１の角度領域ωは、法線ＺＸの方向を基準の入射角０°として、第１方向Ｄ１に関して例えば約３０°の角度範囲に亘っており、法線ＺＸを挟んで法線ＺＸから上方側すなわち＋Ｙ側について角度ωＨまでの領域と、法線ＺＸから下方側すなわち−Ｙ側について角度ωＬまでの領域とで構成されているものとする。この場合、角度ωＨが上方側についての拡散透過させる範囲の臨界角度を示し、角度ωＬが下方側についての拡散透過させる範囲の臨界角度を示すものとなる。なお、ここでは、法線ＺＸの方向を基準となる入射角０°として角度ωＨ側を正の角度、角度ωＬ側を負の角度とし、角度ωＨと角度ωＬとの大きさは等しい又はほぼ等しいものとする。

以上のような光制御層３に対し、入射角ξ（図５等参照）の入射光ＰＬが直進透過するか否かは、入射角ξをＹＺ面について正射影した成分角ξ'の値が臨界角度ωＨ，ωＬに対して大きいか否かによって定まる。ここでは、図示のように、成分角ξ'は、第１の角度領域ωのうち臨界角度ωＨより角度εだけ大きいものとなっている。つまり、成分角ξ'は、角度εの分だけ第１の角度領域ωより外側となっており、第２の角度領域ηの内側の領域に含まれる角度となっている。これにより、入射時における入射光ＰＬは、光制御層３において拡散されることなく直進透過して、光反射層２に向かうものとなる。この場合、入射光ＰＬは、光制御層３の通過後においても拡散していないので、屈折により角度の変化はあっても、角度分布の広がりを持つことなく光反射層２に入射するので、入射光ＰＬの反射面ＰＳでの反射角度は、設計通りの比較的正確なものとなる。光制御層３を経た入射光ＰＬは、光反射層２の反射面ＰＳにおいて、反射面ＰＳにより方向を変えられて光制御層３側に折り返される。この際、反射面ＰＳが表示平面に対して傾斜角度α'だけ傾いている。傾斜角度α'が適宜調整されていることにより、入射光ＰＬを折り返した成分である反射光ＲＬは、法線ＺＸに対して＋Ｚ方向を基準として時計回りの方向に微小な角度γだけ傾いた状態となって光制御層３に入射する。入射角γは、傾斜角度α'の調整によって臨界角度ωＨより小さいものになっている。つまり、入射角γは、第１の角度領域ω内の角度となっており、反射光ＲＬは、光制御層３の通過時において拡散透過して正面側に射出される。以上のような動作がスクリーン１０上に入射するすべての入射光ＰＬに対してなされることで、例えば図５に示すように、投影画像光ＦＬが、適度に拡散された状態で射出される。

〔Ｄ．光制御層の制御方向と制御方向に関する入射光の入射角との関係〕
入射光ＰＬが、上述したように、入射時には光制御層３で直進透過され、反射後においては、反射光ＲＬとして拡散作用を受けて投影画像光ＦＬとして射出されるためには、光制御層３において、第１及び第２部分３Ｌ，３Ｒにおける制御方向である第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２と、第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２に関する入射光ＰＬの入射角との関係が、適切に定まっていることが、非常に重要となる。

本実施形態のように、近接の下方投射の場合においては、例えば図２等に示すように、＋Ｙ側すなわち投射点ＳＳに近い側ほど入射角ξの値が小さくなり、光制御層３を直進透過させにくくなる。さらに、スクリーン１０の周辺側において入射角ξを射影した成分角の値が小さくなりやすい。具体的には、図３に示す基板１の長手方向（Ｘ方向）についての一端側で、かつ、入射光ＰＬの投射点ＳＳに最も近い側である周辺領域ＤＬと、長手方向についての一端側と反対の他端側で、かつ、入射光ＰＬの投射点ＳＳに最も近い側である周辺領域ＤＲとにおいて、入射光ＰＬの正射影成分の角度が最も小さくなりやすい。従って、周辺領域ＤＬ，ＤＲに入射する入射光ＰＬにおいて、図６に示したような関係が満たされるように光制御層３での第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２等が調整されることで、スクリーン１０の全体において、入射光ＰＬを所望のように直進・拡散させる制御ができるものにできる。なお、図３の場合、第１部分３Ｌが周辺領域ＤＬを含み、第２部分３Ｒが周辺領域ＤＲを含むものとなっている。

以下、光制御層３の制御方向である第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２と第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２に関する入射光ＰＬの入射角との関係について説明する。なお、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とは、中心軸ＬＸに関して対称であり、説明が同様のものとなるため、以下では、入射光ＰＬと第１方向Ｄ１との関係のみについて説明し、入射光ＰＬと第２方向Ｄ２との関係については説明を省略する。

まず、図７（Ａ）〜７（Ｃ）により、入射光ＰＬの入射角の方向の特定について説明する。図７（Ａ）等において、点ＸＯは、図１のスクリーン１０上における入射光ＰＬの入射位置を示すものであり、ここでは、光制御層３（図６等参照）との関係を説明するために概念的に示している。なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）において、視点Ｅ１から方向Ｒ１すなわちＺ方向について点ＸＯに向かう入射光ＰＬを観察した様子を示しており、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）において、視点Ｅ２から方向Ｒ２すなわちＸＹ面に平行で直線ｃｄに垂直な方向について点ＸＯに向かう入射光ＰＬを観察した様子を示している。ここでは、図７（Ａ）〜７（Ｃ）に示すように、入射光ＰＬとＺ軸とのなす角を入射光ＰＬの極角φとし、入射光ＰＬをＸＹ面について射影して得られる直線ｃｄとＹ軸とのなす角を入射光ＰＬの方位角θとしており、これらを極座標として捉えている。つまり、この場合の入射光ＰＬの光制御層３に対する入射方向すなわち入射角は、これら極角φと方位角θとによって定まる。

次に、図７（Ｄ）及び７（Ｅ）により、入射光ＰＬの入射角の満たすべき条件について説明する。ここで、図７（Ｄ）は、本実施形態での入射光ＰＬと光制御層３（図６等参照）との関係を示す概念図であり、基準軸ＤＸがＹ軸に対して傾斜角βだけ傾いていることが、図３において制御方向である第１方向Ｄ１が基準方向ＳＤに対して傾斜角βだけ傾いていることに相当する。一方、図７（Ｅ）は、比較例の図である。図７（Ｅ）では、制御方向Ｄ１'がＹ方向に平行であり、基準方向ＳＤに対して傾いていないことに相当する。つまり、図７（Ｄ）と図７（Ｅ）では、図７（Ｄ）の第１方向Ｄ１が図７（Ｅ）の制御方向Ｄ１'の状態から傾斜角βの分だけＹ方向からＸ方向に傾けているすなわち傾斜角βだけ回転させていることのみが異なる。また、図７（Ｄ）と図７（Ｅ）とにおいて、入射光ＰＬの入射角の状態は同じである。なお、図７（Ｄ）等においては、半径Ｒの長さが１である単位球ＳＰを用いて説明することとする。

図７（Ｄ）において、単位球ＳＰ上の円ＨＣと円ＬＣとは、図６における＋Ｙ側の臨界角度ωＨと−Ｙ側の臨界角度ωＬとにそれぞれ対応するものである。つまり、円ＨＣ，ＬＣ上の任意の点と点ＸＯとを通る直線のＸＺ面に対する傾き角度が、図６の臨界角度ωＨ，ωＬに等しいものとなっている。従って、点ＸＯに向かう光線のうち、単位球ＳＰ上において、円ＨＣと円ＬＣとによって挟まれる帯状の領域ＢＢ外を通過して点ＸＯに向かう光線は、臨界角度ωＨ，ωＬより大きい角度で光制御層３に入射するすなわち図６の第２の角度領域ηから入射することに相当するため、光制御層３で直進透過される。一方、領域ＢＢ内を通過して点ＸＯに向かう光線は、臨界角度ωＨ，ωＬ以内の角度で光制御層３に入射するすなわち図６の第１の角度領域ωから入射することに相当するため、光制御層３で拡散透過される。例えば、図７（Ｄ）に示す状態では、点ＸＯに向かう入射光ＰＬは、単位球ＳＰ上において、領域ＢＢ外の点Ｐを通過するものとなっている。この場合、入射光ＰＬは、図６の光制御層３で直進透過されることになる。一方、図７（Ｅ）に示す状態では、図７（Ｄ）のときとは領域ＢＢが変わるため、点ＸＯに向かう入射光ＰＬの単位球ＳＰ上の通過点である点Ｐは、領域ＢＢ内の点となってしまう。従って、この場合の入射光ＰＬは、図６の光制御層３で拡散透過されることになる。以上のことから、図７（Ｅ）のような状態から図７（Ｄ）の状態に変更する、すなわち光制御層３の制御方向をＹ方向に平行な状態から必要な角度傾ける、例えば傾斜角βだけ傾けることで、入射光ＰＬの入射角が同じであっても、光制御層３において拡散透過される状態から直進透過される状態となるように調整することができる。言い換えると、入射光ＰＬの入射角の大きさに応じて光制御層３において制御方向を調整することで入射光ＰＬを入射時に直進透過させることができる。

以下、図８（Ａ）〜８（Ｄ）により、単位球ＳＰを利用した第１方向Ｄ１の傾斜角βと入射光ＰＬとの関係について詳細に説明する。ここで、図中において円ＨＣ，ＬＣの外側の円ＨＣａ，ＬＣａは、臨界角度ωＨ，ωＬにマージン角度Δω（＞０°）を加えた値である角度ωＨ＋Δω，ωＬ＋Δωに対応する単位球ＳＰ上の点の集合を示すものである。従って、入射光ＰＬは、円ＨＣａ，ＬＣａに対応する角度かそれよりも大きい角度で入射するものとなっていれば、確実に直進透過されるものとなる。ここでは、円ＨＣａに入射光ＰＬが対応するものとなるような条件について考察する。まず、図８（Ａ）に示すように、傾斜角βと方位角θとについて、補正後の方位角を方位角θ_ｘとすると、

となる。また、図８（Ａ）及び８（Ｂ）に示すように、入射光ＰＬの単位球ＳＰ上の点Ｐ１において、直線ｃｄ上でのＺ軸からの距離を距離Ａとすると、極角φを用いて、

と表される。また、Ｙ軸に対して傾斜角βだけ傾いた直線ｅｆの軸方向すなわち基準軸ＤＸの延びる方向は、第１方向Ｄ１に平行なものとなっている。点Ｐ１の図８（Ｃ）において対応する点は、射影点ＰＰ１である。この場合、図８（Ａ）及び８（Ｃ）に示すように、直線ｅｆ上で射影点ＰＰ１のＺ軸からの距離Ｂを、

とする。式（３）における角度δ_ｉが、

となっていれば、上述した所望の条件すなわち円ＨＣａに入射光ＰＬが対応するものになるという条件を満たすことになる。ここで、図８（Ａ）より、点ＸＯを含むＸＹ面で見ると、補正後の方位角θ_ｘと、距離Ａと、距離Ｂとの関係は、

となっている。以上の式（２）〜（４）を式（５）に適宜代入し変形すると、

が得られる。上記式（６）を（１）に代入すると、

となる。従って、図３に示す光制御層３の第１部分３Ｌにおいて、最も小さな入射角で入射する入射光ＰＬに対して、入射光ＰＬの極角φ、方位角θの値及び＋Ｙ側の臨界角度ωＨとマージン角度Δωとに応じて上記式（７）から得られる傾斜角βだけ中心軸ＬＸに対して傾けることで、第１部分３Ｌに入射するすべての入射光ＰＬを直進透過させることができるものとなる。また、同様に、第２部分３Ｒにおいても、傾斜角βだけ中心軸ＬＸに対して傾けることで、第２部分３Ｒに入射するすべての入射光ＰＬを直進透過させることができるものとなる。なお、本実施形態のように、近接下方投射によって画像投影を行う場合、第１部分３Ｌ及び第２部分３Ｒのいずれにおいても、スクリーンＳＲの周辺側で＋Ｙ側すなわち光源ＳＲに近い側の領域ＤＬ，ＤＲの入射角の成分が最も小さいものとなりやすい。従って、領域ＤＬ，ＤＲでの入射光ＰＬを直進透過させるように、傾斜角βを調整することで、ゲインの低下を抑制し、スクリーン面内での輝度ムラを低減することができるものとなる。なお、以上の場合において、図８（Ｃ）が、図６に対応する図である。すなわち、図８（Ｃ）の角度δ_ｉが図６の成分角ξ'に相当し、また、図８（Ｃ）のマージン角度Δωが、図６の角度εの最小値に相当するものとなっている。また、図８（Ｄ）は、図２又は図５から見たスクリーン１０の側面に対応する図である。なお、図８（Ｄ）の断面から見た場合における臨界角度ωＨ，ωＬに相当する角度ωＨ'，ωＬ'は、ωＨ'＜ωＬ'となっている。

ここで、マージン角度Δωの値すなわち角度εの最小値は、５°以上とすることが望ましい。つまり、角度δ_ｉすなわち成分角ξ'が、第１の角度領域ωの上限である臨界角度ωＨの値より５°以上大きいものとなっていれば、第１の角度領域ωの臨界角度ωＨに対して十分なマージンを有し、光制御層３への外部からの通過時において、拡散されることなく、確実に直進透過するものとなる。なお、以上は一例であり、マージン角度Δωとして十分な値は、これに限らず、光制御層３として用いる材料・構造等によって異なる。つまり、上述のように、全ての入射光ＰＬを実質的に直進透過させることが確保される範囲において、マージン角度Δωを適宜定めることができる。

以上のように、本実施形態に係るスクリーン１０では、光制御層３の第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとが、入射光ＰＬの角度範囲の基準となる基準方向ＳＤに対応して、互いに異なる方向でかつ入射光の光源に近い側から遠い側に向けて広がるようにそれぞれ傾いている第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とをそれぞれ制御方向としている。これにより、光制御層３は、第１部分３Ｌと第２部分３Ｒとにおいて、入射光ＰＬの入射時に入射光ＰＬを拡散させることなく直進透過させて光反射層２に向かわせることができ、光反射層２は、入射した光を所望の角度で反射させることが可能となる。従って、本スクリーン１０は、ゲインの低下を抑制して、輝度ムラの低減されたものとなる。

また、図２等では、中心ＣＦと交点ＳＸとは、中心軸ＬＸ上において離間した状態のものを示している。この距離は、図１のようにプロジェクター５０を設置する環境等に対応するためのマージンに相当し、ある程度の範囲を許容している。ただし、当該距離が０すなわち中心ＣＦと交点ＳＸとを一致させることができれば、そのような配置としてもよい。この場合、入射光ＰＬの入射角ξとスクリーン１０の各光反射層２の傾斜角度αとの関係が最適化され、入射光ＰＬをより確実に観察者ＥＹのいる正面側すなわち略＋Ｚ側へ折り返すことができる。

また、光反射層２において、円弧状に沿って配列される複数のプリズム部分２ａの曲率半径を必要により適宜調整して、複数の光反射部ＰＰの各反射面ＰＳの傾きのスクリーン１０内における分布を調整してもよい。一般に、フレネルプリズム反射面の収差の影響は、スクリーンの周辺側ほど受けやすい。このため、スクリーン１０においても、周辺側において入射角γの角度のズレが生じやすいが、曲率半径を調整することで、このズレを補正することができる。

なお、詳しい説明を省略するが、プロジェクター５０を室内の床側に設置して下方からの近接投射とする場合にも、同様の投射システム１００を構成することが可能である。

また、光反射部ＰＰの表面は、光を反射する反射面ＰＳとなっている。第１傾斜面Ｓ１の主面１ａに対する傾斜角度αは、光反射部ＰＰの傾きすなわち反射面ＰＳの傾きを決定する。つまり、同心円弧状に配列される各プリズム部分２ａにおいて、傾斜角度αは、入射光ＰＬの入射角ξの差に応じて異なるものとなっていてもよい。この場合、円弧状に形成される１つのプリズム部分２ａの反射面ＰＳに入射する入射光ＰＬは、略同一の入射角ξを有する。傾斜角度αは、この入射角ξに応じて設定されているので、当該プリズム部分２ａに入射する入射光ＰＬは、スクリーン１０の中央側だけでなく周辺側で入射するものについても確実に略＋Ｚ側の特定方向に折り返される。以上のことは、全てのプリズム部分２ａについて同様である。つまり、すべての入射光ＰＬは、各プリズム部分２ａの反射面ＰＳによって確実に略＋Ｚ側の特定方向に折り返されるものにできる。この場合、傾斜角度αが入射光ＰＬの入射角ξに応じてそれぞれ調整されていることにより、いずれの角度で入射する入射光ＰＬについても、正面側すなわち略＋Ｚ側の特定方向を中心に確実に折り返して略正面側へ適切に射出させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、図９により、第２実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、本実施形態に係る投射システムは、第１実施形態の投射システム１００の変形例であるので、スクリーンの構造についてのみ説明し、全体の図示を省略する。

図９に示すように、スクリーン１０の変形例であるスクリーン１１０において、光制御層１０３は、右半分すなわち−Ｘ側の一部を占めるとともに制御方向が基準方向ＳＤに対して傾いた第１方向Ｄ１である第１部分１０３Ｌと、＋Ｘ側の一部を占めるとともに制御方向が基準方向ＳＤに対して傾いた第２方向Ｄ２である第２部分１０３Ｒとに加え、第１部分１０３Ｌと第２部分１０３Ｒとの間の中央部分に配置されるとともに制御方向が基準方向ＳＤに平行な第３方向Ｄ３に設定されている第３部分１０３Ｃを有する。

本実施形態の場合、光制御層１０３において、中心軸ＬＸから遠い周辺側の部分である第１及び第２部分１０３Ｌ，１０３Ｒについては、第１実施形態の場合と同様に、制御方向である第１及び第２方向Ｄ１，Ｄ２を基準方向ＳＤに対して傾斜角βだけ傾けていることで、入射光ＰＬを確実に折り返して略正面側へ適切に射出させるようにしている。これに対して、光制御層１０３において、中心軸ＬＸに近い中央側の部分である第３部分１０３Ｃでは、入射角の条件が周辺側の部分ほど厳しくないため、必ずしも制御方向を基準方向ＳＤに対して傾ける必要がない。従って、本実施形態のように、光制御層１０３をより細かく３つの部分に分割し、制御方向を傾ける必要のある周辺側の部分１０３Ｌ，１０３Ｒについて制御方向を基準方向ＳＤに対して傾けることで、スクリーン１０の全体に入射する入射光ＰＬの適切な制御を行うことができる。

また、以上では、一例として光制御層１０３をＸ方向について並ぶように３つに区分しているが、分割の仕方はこれに限らず、入射光ＰＬの角度範囲等に応じて種々のものが考慮でき、例えば、４つ以上の部分に分かれてそれぞれ異なる制御方向となっているものとしてもよい。また、Ｙ方向について並ぶように区分されていてもよい。

〔第３実施形態〕
以下、図１０により、第３実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、本実施形態に係る投射システムは、第１実施形態の投射システム１００の変形例であるので、スクリーンの構造についてのみ説明し、全体の図示を省略する。

図１０に示すように、スクリーン１０の変形例であるスクリーン２１０は、光反射層２と光制御層３との間に、光制御層３と同一の構造である第２の光制御層４をさらに有するものとなっている。ただし、第２の光制御層４は、主面１ａの法線方向に対するＸ方向の傾きについて入射角選択性を示すすなわちＸ方向を制御方向とする点で光制御層３と異なる。これにより、スクリーン２１０は、Ｘ方向すなわち横方向についてより広く光を拡散させることが可能となっている。

第２の光制御層４については、このほか、入射角選択性を示すことなくすなわち入射角によらずＸ方向について拡散させる特性を有する光拡散性の層を用いるものとしてもよい。

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記では、光反射層２において、複数のプリズム部分２ａは、同心円弧状に隙間なく配列されフレネル形状を有するものとしているが、入射光ＰＬを確実に正面側に折り返すものであれば、複数のプリズム部分２ａの配列や形状は、これに限らず、例えば同心円弧を変形した楕円状の曲線に沿って平行に配列されるものであってもよい。また、各プリズム部分２ａも輪帯状のもの以外でもよく、例えば複数のブロック状のプリズムを同心円弧状の曲線に沿って並べることで、１つのプリズム部分としての機能を持たせる構成としてもよい。

また、上記では、入射光ＰＬを正面側あるいは略正面側に観察者がいることを想定しているため、折り返すべき方向についても正面側あるいは略正面側としているが、観察者が正面側以外の位置にいる場合には、これに応じて入射光ＰＬを折り返す方向を適宜変更できる。

また、上記では、図１０に示す第３実施形態ンのスクリーン２１０において、光反射層２と光制御層３との間に第２の光制御層４を設ける構成としているが、光制御層３と第２の光制御層４とを入れ替えた構成としてもよい。

１０，１１０，２１０…スクリーン、 １…基板、 １ａ…主面、 ２…光反射層、 ２ａ…プリズム部分、 ２ｂ…平準化層、 ３，１０３…光制御層、 ４…第２の光制御層、 ３Ｌ，１０３Ｌ…第１部分、 ３Ｒ，１０３Ｒ…第２部分、 １０３Ｃ…第３部分、 ２０…保護層、 ＰＰ…光反射部、 ＰＳ…反射面、 ＡＳ…光吸収部、 ５０…プロジェクター、 １００…投射システム、 ＰＬ…入射光、 Ｄ１…第１方向、 Ｄ２…第２方向、 Ｄ３…第３方向、 ＳＤ…基準方向、 ＤＬ，ＤＲ…周辺領域、 ξ…入射角、 α…傾斜角度、 β…傾斜角

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の主面上に配列されるように形成され当該配列される方向について断面鋸歯状である複数のプリズム部分と、前記複数のプリズム部分の表面部分にそれぞれ形成され入射した光を反射する複数の光反射部とを有する光反射層と、
   前記光反射層の表面側に形成され、前記基板の主面に平行な方向のうち所定の制御方向において前記基板の主面に対する傾きが所定範囲内にある第１の角度領域から入射した光を拡散透過させ、かつ、所定範囲外にある第２の角度領域から入射した光を直進透過させる光制御層と、
   を備えるスクリーンであって、
   前記光制御層は、第１部分と第２部分とを有し、前記第１部分では、前記所定の制御方向が第１方向に設定されており、前記第２部分では、前記所定の制御方向が前記第１方向と異なる第２方向に設定されているスクリーン。
2. 前記光制御層において、前記第１部分に設定された前記第１方向と前記第２部分に設定された前記第２方向とは、前記入射光の光源に対応し前記基板の主面に平行な基準方向に対して、前記入射光の光源に近い側から遠い側に向けて広がるようにそれぞれ傾いている、請求項１に記載のスクリーン。
3. 前記光制御層は、前記第１部分と前記第２部分との間に配置されるとともに前記所定の制御方向が前記基準方向に平行な第３方向に設定されている第３部分を有する、請求項２に記載のスクリーン。
4. 前記基板における前記基準方向は、前記入射光のうち前記基板の中心部分を通る基準光の光路を前記基板の主面に正射影した方向である、請求項２及び請求項３のいずれか一項に記載のスクリーン。
5. 前記基板の対称性に関する中心軸は、前記基準方向に対して平行である、請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載のスクリーン。
6. 前記光制御層において、前記第１部分と前記第２部分とは、前記中心軸に対して軸対称に配置されている、請求項５に記載のスクリーン。
7. 前記光制御層において、前記第１部分は、前記基板の長手方向についての一端側で、かつ、前記入射光の光源に最も近い側を含み、前記第２部分は、前記長手方向についての前記一端側と反対の他端側で、かつ、前記入射光の光源に最も近い側を含む、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のスクリーン。
8. 前記光反射層において、前記複数のプリズム部分は、前記所定の角度範囲で入射する入射光に対応して同心円弧状に配列される、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のスクリーン。
9. 前記光反射層において、前記複数の光反射部の各反射面は、前記光制御層を経た前記入射光を折り返すことで得られる反射光の傾きを前記光制御層に対して前記第１の角度領域内にするように傾いている、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のスクリーン。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のスクリーンと、
    投影画像となる前記入射光を前記スクリーン上に向けて前記所定の角度範囲で投射する画像投射装置と、
    を備える投射システム。

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