JP2007140248A - 画像表示スクリーンおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトル幅が狭い光源を用いたプロジェクターに関して、スペックルノイズを除去し、かつ外光照明下でも自然で鮮やかな色表示が可能な画像表示スクリーンおよび画像表示装置を提供すること。
【解決手段】ペクトル幅の狭い光源からの光を変調した画像を表示するスクリーンに、主拡散層と、光の入出射両側に主拡散層と分離された副拡散層を有し、主拡散層と副拡散層との間隔ｄが、光源の出力ピーク波長λと出力波長半値幅Δλに対して、ｄ×Δλ＞λ^２、ｄ＜５ｍｍの関係を有する。また主拡散層から視聴者側に、５５０〜６１０ｎｍに吸収ピークを有する選択光吸収層を有する。本構成によれば、スペクトル幅の狭い光源を用いた場合に生じるスペックルノイズを除去し、高品位で色あせない画像を表示できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を変調して画像を表示する装置および表示装置のスクリーンに関するものである。

画像表示装置として、スクリーン上に画像を映し出すプロジェクションディスプレイ（プロジェクター）が普及している。プロジェクターは、光源からの光を液晶パネルなどの変調素子で変調し、変調された画像をスクリーンに投射する。従来、プロジェクターの光源にはランプ光源が用いられているが、ランプ光源は、寿命が短く、色再現領域が制限されるとともに、光利用効率が低いという問題点がある。

ランプ光源の問題を解決するため、プロジェクターの光源としてレーザ光源を用いることが試みられている。レーザ光源は、ランプに比べて寿命が長く、指向性が強いため光利用効率を高めやすい。また、レーザ光源は単色性を示すため、色再現領域が大きく、鮮やかな画像の表示が可能である。

しかしレーザ光源を用いたプロジェクターでは、レーザの干渉性が高いことから生じるスペックルノイズが問題となる。スペックルノイズとは、レーザ光がスクリーンで散乱される際に、散乱光同士が干渉することによって生じる微細なムラ状のノイズである。

プロジェクターの投影画像を表示するスクリーンには、大きく分けて反射型と透過型がある。反射型スクリーンは、スクリーン前方から光を投写し、スクリーンの反射拡散面の反射光により画像を表示する。透過型スクリーンは、スクリーン背面から光を投写し、スクリーンの拡散透過光により画像を表示する。

画像表示スクリーンでは、外光の映りこみが問題となる。透過型スクリーンでは、レンチキュラーレンズシートとブラックストライプからなる遮光部を設けたスクリーンが提案され、実用化されている。

透過型スクリーンでは、フレネルレンズシートと前記したレンチキュラーレンズシートとブラックストライプと用いながら、好ましい光拡散特性を得るため、特許第３６０６８６２号公報ではシート毎の拡散部の分離、特開２００２−２３６３１９号公報では拡散層の積層が提案されている。
特許第３６０６８６２号公報 特開２００２−２３６３１９号公報

これまでのプロジェクション方式の画像表示スクリーンおよび画像表示装置は、ランプ光源に最適化された遮光性および光拡散特性に対して数多くの提案がなされているが、レーザ光源等のスペクトル幅の狭い光源を用いた場合のスペックルノイズ対策や外光に対する色表示に関する提案はほとんどない。

本発明は、スペクトル幅が狭い光源を用いたプロジェクターに関して、スペックルノイズを除去し、かつ外光照明下でも自然で鮮やかな色表示が可能な画像表示スクリーンおよび画像表示装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決するために、スペクトル幅の狭い光源からの光を変調した画像を表示するスクリーンに、主拡散層と、光の入出射両側に主拡散層と分離された副拡散層を有し、主拡散層と副拡散層との間隔ｄが、光源の出力ピーク波長λと出力波長半値幅Δλに対して、ｄ×Δλ＞λ^２、ｄ＜５ｍｍの関係を有する。

本構成によれば、スペクトル幅の狭い光源を用いた場合に生じるスペックルノイズを除去し、高品位の画像を表示できる。

本発明の画像表示スクリーンおよび画像表示装置によれば、スペックルノイズが除去された色鮮やかな高品位の画像を常に表示することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における画像表示スクリーンの概略断面図である。透過型画像表示スクリーン１は、画像光の入射側から、副拡散層１１、分離層２１、主拡散層１０、分離層２２、副拡散層１２からなる。分離層２２は、光吸収層１６を含む構成となっている。画像投写装置２からスペクトル幅の狭い光源の光を変調した画像光をスクリーンに投写し、視聴者はスクリーンの像を図右から観察する。

本発明の画像光はＲＧＢ３色からなり、少なくとも１色の光源からの光は、色鮮やかな画像を形成するため、出力ピーク波長λとしたとき、出力波長半値幅Δλが１０ｎｍ未満となっている。色鮮やかな画像を形成するため、好ましくは全ての色の光源の出力波長半値幅Δλが１０ｎｍ未満となっている。

分離層で隔てられた副拡散層１１と主拡散層１０の距離ｄ１と、副拡散層１２と主拡散層１０の距離ｄ２は、５ｍｍ未満であり、少なくも１色の光源出力波長λと出力波長半値幅Δλに対して、ｄ×Δλ＞λ^２を満たす（ｄ１、ｄ２どちらも）。

主拡散層と副拡散層の拡散効果は、光拡散剤の分散や表面の凹凸形状などから得られ、本発明では主拡散層の拡散が最も大きく、視聴者は主拡散層の拡散光を中心に画像を観察する。スペックルノイズは、レーザ光などの可干渉光が拡散体を通過および反射するとき、ランダムに散乱され、観察する面（網膜）で散乱波が重なり、きらきら輝く明暗の斑点模様が観察されることで生じる。本発明のスクリーンでは、拡散層を分離することにより各層で生じる散乱波の干渉性を低下させるとともに、主拡散層の拡散による最も大きいスペックルノイズを低減するように副拡散層が働く。

入射側副拡散層は、主拡散層を照明する画像光の角度分布が多様化し、主拡散層のスペックルパターンを多様化させ、ノイズを低減する。また出射側副拡散層は、主拡散層からの拡散光を重ね合わせることでスペックルパターンの重畳化によりノイズを低減する。

主・副拡散層で生じる散乱波の干渉性を低減するため、本発明では拡散層の間隔ｄ（ｄ１、ｄ２）は、ｄ×Δλ＞λ^２を満たし、コヒーレンス長よりも間隔ｄを大きくすることで、各拡散層からの散乱波の合成で生じるスペックルノイズを低減する。

拡散層を分離した場合、画像の焦点、多重化が問題となるが、本発明では主拡散層が副拡散層の間にあるため、画像光のピントを主拡散層に合わせることで主画像を形成し、両側の副拡散層の像と一緒に観察することで、画像の品質を保つことができる。主拡散層に主画像を形成した場合でも、拡散層間の距離ｄを５ｍｍ以上とした場合は、画像のボケが生じるためｄは５ｍｍ未満とする。

本発明の画像表示スクリーンは、前記構成とすることにより、スペックルノイズが除去された色鮮やかで高品位な画像を提供することができる。

主拡散層と副拡散層の拡散度を表すヘーズ値Ｈｍ、Ｈｓが、４０％＜Ｈｓ＜Ｈｍであることが好ましい。ヘーズ値は、拡散透過率を全光線透過率で割った値である。主拡散層は、拡散効果が最も高くヘーズ値は、副拡散層に比べて大きい。拡散層のヘーズ値が４０％以下の場合、拡散度が低く十分に画像を映し出すことができないため、副拡散層のヘーズ値も４０％以上であることが求められる。

透過型スクリーン１の拡散層のヘーズ値は、主拡散層８５％、副拡散層（１１、１２ともに）６４％であり、高品位の画像を検出することができた。透過型スクリーン１では、副拡散層に片面に拡散剤をコーティングし凹凸がある拡散フィルムを用いコーティング面を表面となるようにし、主拡散層には拡散剤を充填した厚み１．５ｍｍの拡散板を用いた。

分離層は、透明樹脂材料などから形成され、主・副拡散層の間隔を保っている。分離層は、接着剤などで拡散層と接着されている。また間隔を保てれば、空気層としてもよい。また実施の形態１のように光吸収層の機能を有し、特定の波長光を吸収する色素や顔料を含んでもよい。

副拡散層は、３層以上用いてもよく、３層以上の場合副拡散層間も分離層で分離されている。

画像表示スクリーンは、主拡散層の観察者側に可視光吸収波長ピークが５５０〜６１０ｎｍである選択光吸収層を有することが好ましい。スクリーン１では、光吸収層１６に可視光吸収波長ピークが５５０〜６１０ｎｍである色素が拡散されており、選択光吸収層として機能している。選択光吸収層は、スクリーンに外光が映り込み画像品質が低下することを防ぐ。特に、蛍光灯や電球の照明光によって色褪せた画像となるのを防ぐ。照明光が混入することにより画像の色は、混色による白色化と色温度の低下が生じる。選択光吸収層は、視感度の高い５５０〜６１０ｎｍの光を吸収することによって黒い画像が明るくなることを防ぐとともに、色温度の維持を可能とする。照明光があると、色温度が低下し画像が黄ばむが、選択光吸収層は黄色〜橙色の光を選択的に吸収するため、この黄ばみを防ぐことができる。

画像表示スクリーンは、主拡散層の観察者側に可視短波〜紫外吸収層を有することが好ましい。スクリーン１では、光吸収層１６を構成する樹脂材料が４３０ｎｍよりも短波の光を吸収し、可視短波〜紫外吸収層として機能している。具体的に可視短波〜紫外光とは、視感度が０．０２未満で波長が３００ｎｍ以上の光を指し、可視短波〜紫外吸収層は前記波長を吸収する。可視短波〜紫外吸収層は、視感度が低く有害な光が投写光および外光から視聴者に届くのを防ぐとともに、外光による色ずれを防ぐ。

画像表示スクリーンは、主拡散層の観察者側に可視長波〜近赤外吸収層を有することが好ましい。スクリーン１では、光吸収層１６に６７０ｎｍよりも長波長の光を吸収する色素が拡散されており、可視長波〜近赤外吸収層として機能している。具体的に可視長波〜近赤外光とは、７００〜１３００ｎｍ前後の波長の光であり、白熱電球などに多く含まれる。可視長波〜近赤外吸収層は前記波長を吸収し、白熱電球の照明下で特に大きい画像の色温度の低下を防ぐ。特に画像表示装置の光源にＳＨＧレーザ光源を用いた場合、基本波である近赤外光を可視長波〜近赤外吸収層により吸収し、視聴者に届くのを遮断する役割を果たす。

透過型画像表示スクリーン１では、光吸収層１６が、選択光吸収層、可視短波〜紫外吸収層と可視長波〜近赤外吸収層を兼ねていたが、別々の層に機能を分離して、３層構造としてもよい。実施の形態１では、光吸収層を主拡散層と入射側副拡散層の間に設けたが、主拡散層よりも観察者側に設ければよく、最表面に持ってきてもよい。また入射側副拡散層に、選択光吸収層、可視短波〜紫外吸収層、可視長波〜近赤外吸収層の機能を付与しても構わない。

視聴者への外光の影響をより少なくするためには、画像表示スクリーンの視聴者側の表面にＡＲコートを付与することが好ましい。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における画像表示スクリーンの断面と画像表示装置の構成の概略図である。図１と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明する。

波された後、ビーム偏向手段３１、光インテグレータ３２を経て、変調素子３３に導かれる。変調素子３３では、画像表示のための変調を行い、変調された画像光が投写レンズ３４により透過型画像表示スクリーン１００に映し出される。

ビーム偏向手段はビーム角度を時間的に制御し角度変化を与えることで、光インテグレータと合わせて、ビーム強度分布の矩形均一化とスペックルノイズの低減を行う。レーザ光源ｒ、ｇ、ｂは、順次に出射され変調素子３３を時間分割して使用し、スクリーン上で時間平均的加法混色することでカラー画像を表示する。実施の形態２の変調素子３３は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）からなる反射型２次元変調素子を用いている。

色鮮やかな画像を表示するため、ＲＧＢ３色の独立光源ｒ、ｇ、ｂの出力波長半値幅Δλは、１０ｎｍ未満であるとともに、加法混色により様々な色を表示するため、ｒ、ｇ、ｂの出力ピーク波長λｒ、λｇ、λｂは、６２０ｎｍ＜λｒ＜６７０ｎｍ、５００ｎｍ＜λｇ＜５５０ｎｍ、４３０ｎｍ＜λｂ＜４８０ｎｍ、であることを特徴としている。本発明の画像表示装置は、前記するＲＧＢ３色の独立光源を有するため色鮮やかでかつ広い色範囲を表示することができる。

特に実施の形態２の画像表示装置の光源は、レーザ光源であるため単色性に優れ、非常に彩度の高い３原色を表示することができる。

ＲＧＢ各光源の出力ピーク波長が、６２５ｎｍ＜λｒ＜６６０ｎｍ、５１０ｎｍ＜λｇ５４５ｎｍ、４３５ｎｍ＜λｂ＜４７０ｎｍであり、各光源波長の半値幅Δλが５ｎｍ未満であることがより好ましい。このとき、人間が目にする物体色のほとんどを表示することができかつ、各光源の視感度が低くなることを避けることができる。実施の形態２の各色のレーザ光源波長は、λｒ：６３９ｎｍ、λｇ：５３２ｎｍ、λｂ：４５４ｎｍであり、各半値幅は、Δλｒ：１．４ｎｍ、Δλｇ：０．２ｎｍ、Δλｂ：３．６ｎｍ、であった。ｒ，ｂのレーザ光源は半導体レーザ、ｇのレーザ光源は１０６４ｎｍを基本波としたＳＨＧレーザである。図３に画像表示装置Ａの色表示範囲を示す色度図を示す。代表的な画像表示装置であるＣＲＴの表示色範囲であるｓＲＧＢ規格の色範囲を比較のため示す。画像表示装置Ａは、ＣＲＴに比べ非常に広い色範囲が表示できることがわかる。また３色の光源による視感度（刺激値）が低くならずに同じ明るさを表示するときのエネルギーロスを避けることができる。

本発明のレーザ光源は、半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、およびこれらの波長変換をしたＳＨＧレーザを用いることができる。特にＳＨＧレーザは、近赤外光を波長変換することにより、様々な波長のレーザ発振が可能となり、多様な色表示が可能となることから画像表示装置の光源として好ましい。

透過型画像表示スクリーン１００は、光入射側から副拡散層１３、フレネルレンズシート２３、レンチキュラーレンズシート２４、ブラックストライプ層２５、主拡散層１０、分離層２１、副拡散層１４、光吸収層１６からなる。視聴者は、透過型画像表示スクリーンの透過拡散光を図右から観察する。

スクリーン１００では、フレネルレンズシート２３により画像光を略平行化し、水平方向に並んだレンチキュラーレンズシートにより水平方向に発散する。ブラックストライプ層は、レンチキュラーレンズの焦点面近傍に設けられ、外光を吸収するとともに投写光のみを通過させるストライプ状の遮光層であり、明所コントラストを向上させる。本発明のスクリーンでは、レンチキュラーレンズシートとブラックストライプ層は入射側副拡散層と主拡散層の分離層の効果を兼ねるとともに、明所コントラストを向上させる効果を持つ。ブラックストライプ層の外光吸収効果を高めて、遮光部の面積を広く取るため、本発明では主拡散層よりも画像光の入射光側に設けられる。

スクリーン１００の入射側副拡散層と主拡散層の間隔ｄ１と、主拡散層と出射側副拡散層の間隔ｄ２は、ｄ１＝ｄ２＝３ｍｍであり、ｄ＜５ｍｍでありかつＲＧＢ全ての波長に対してｄ×Δλ＞λ^２を満たし、スペックルノイズがなく高品位の画像を表示することができた。

スクリーン１００の拡散層のヘーズ値は、主拡散層８５％、入射側副拡散層６５％、出射側副拡散層７５％であり、主拡散層は厚み１．５ｍｍの拡散板、各副拡散層は厚み０．５ｍｍの拡散板を用いた。全ての拡散層のヘーズ値が４０％以上であるとともに、主拡散層のヘーズ値が最も高く、十分な拡散効果からスペックルノイズを除去すると共に、広い垂直視野角と主拡散層を中心とした画像を表示することができた。

光吸収層１６は、実施の形態１と同じく、選択光吸収層、可視短波〜紫外吸収層、可視長波〜赤外吸収層の効果を併せ持つ。画像表示装置Ａは、Δλが５ｎｍ未満であり、５１０ｎｍ＜λｇ＜５４５ｎｍ、６２５ｎｍ＜λｒ＜６６０ｎｍを満たし、ＧとＲのスペクトルが分離されかつ間隔が広いため、選択光吸収層の吸収波長域が広くとも投写光の吸収が起こらず、良好な選択光吸収ができる。またＢｌｕｅの光源波長が４３５ｎｍ＜λｂ＜４７０ｎｍの場合は、４７０ｎｍ〜５１０ｎｍの光を吸収する層を付加してもよい。

光吸収層１６は、ブラックストライプ層２５と合わせて用いることで、いかなる照明下でもコントラストが高く、色あせない画像を提供することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における画像表示スクリーンの断面図である。図１と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明する。反射型画像表示スクリーン２００は、表面から、光吸収層１６、副拡散層１１、分離層２１、反射型主拡散層１５からなる。画像投写装置２から波長幅の狭く色鮮やかな波長半値幅Δλ＝１０ｎｍ未満の光源の光を変調した画像光をスクリーンに投写し、主に主拡散層で反射された光により視聴者はスクリーンの像を図右から観察する。画像光は、副拡散層で拡散された後、主拡散層で反射され、再度副拡散層を通過して拡散作用を受け、視聴者に届き、１層の副拡散層が入射側副拡散層と出射側副拡散層を兼ねている。

反射型主拡散層１５は反射拡散面からなり光を反射拡散させる。反射型主拡散層には、ランプ光源のフロントプロジェクターで用いられるビーズ状やマット状のスクリーン材質を用いることができる。副拡散層１１は、透過型の拡散板や拡散フィルムからなり、主に透過拡散させる効果をもつが、一部の画像光を反射して反射拡散させてもよい。

反射型画像表示スクリーン２００は、具体的に、副拡散層はヘーズ値６５％の樹脂製拡散板（０．５ｍｍｔ）からなり、反射型主拡散層はビーズ状スクリーン、分離層は２ｍｍｔの透明樹脂板からなり主拡散層と副拡散層に接着され間隔ｄ（２ｍｍ）を保っている。反射型主拡散層のヘーズ値は、反射拡散光と全光線反射率の比を用いて求めた結果、９３％であった。また画像光の出力波長半値幅Δλに対し、ｄ×Δλ＞λ^２を満たす。

反射型画像表示スクリーンは、各拡散層の拡散効果も大きく、ｄ×Δλ＞λ^２を満たしているため、色鮮やかなスペクトル幅の狭い光線で生じるスペックルノイズを除去することができる。実施の形態２と同じく、レーザ光源を用いた場合、本発明のスクリーンはスペックルノイズを除去できるため非常に適する。またｄ＜５ｍｍであり、主拡散層のヘーズ値が副拡散層よりも高いため、高品位の画像を提供できる。

光吸収層１６は、透過型画像表示スクリーン１と同様に、選択光吸収層、可視短波〜紫外吸収層、可視長波〜赤外吸収層の効果を併せ持ち、照明光により画像の色が褪せることを防ぐことができる。光吸収層に用いる材料は、特定領域の波長を吸収できれば、有機、無機それぞれの材料を用いることができる。

本発明の画像表示スクリーンは、画像投写装置の画像光が視聴者に観察できればよく、平面状でなくとも、曲面状でもよく、形態も長方形などに限られない。

本発明の画像表示装置の変調手段は特に実施の形態に限定されず、透過型変調素子でもよく、またＲＧＢ３色に対し各色に変調素子を設けてもよい。また光源の出力を変調して、画像光の変調手段としてもよい。また画像投写装置の光学系なども特に実施の形態に限定されない。

本発明の画像表示スクリーンおよび画像表示装置は、動画や静止画などの表示および表示装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１におけるスクリーン概略断面図 本発明の実施の形態２におけるスクリーン概略断面図と画像表示装置構成図 本発明の実施の形態２における画像表示装置の表示色範囲を示す図 本発明の実施の形態３におけるスクリーン概略断面図

符号の説明

１，１００ 透過型画像表示スクリーン
２ 画像表示装置
１０ 主拡散層
１１，１２，１３，１４ 副拡散層
１５ 反射型主拡散層
１６ 光吸収層
２１，２２ 分離層
２３ フレネルレンズシート
２４ レンチキュラーレンズシート
２５ ブラックストライプ層
３１ ビーム偏向手段
３２ 光インテグレータ
３３ 変調素子
３４ 投写レンズ
２００ 反射型画像表示スクリーン
Ａ 画像表示装置
ｒ 赤色レーザ光源
ｇ 緑色レーザ光源
ｂ 青色レーザ光源
ｄ 主拡散層と副拡散層の間隔

Claims (11)

1. 光源からの光を変調した画像を投写する画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層と、主拡散層の光の入出射両側に主拡散層と分離された副拡散層を有し、
   主拡散層と副拡散層との間隔ｄはｄ＜５ｍｍであり、
   少なくとも１色の光源の出力ピーク波長λと出力波長半値幅Δλに対して、
   ｄ×Δλ＞λ^２、Δλ＜１０ｎｍ
   を満たすことを特徴とする画像表示スクリーン。
2. 前記主拡散層と副拡散層のヘーズ値Ｈｍ、Ｈｓが、
   ４０％＜Ｈｓ＜Ｈｍであることを特徴とする請求項１記載の画像表示スクリーン。
3. 請求項１または２記載の画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層よりも観察者側に選択光吸収層を有し、
   前記選択光吸収層の可視光吸収波長ピークが５５０〜６１０ｎｍであることを特徴とする画像表示スクリーン。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層よりも観察者側に可視短波〜紫外吸収層を有することを特徴とする画像表示スクリーン。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層よりも観察者側に可視長波〜近赤外吸収層を有することを特徴とする画像表示スクリーン。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層の光入射側副拡散層との間に、レンチキュラーレンズシートとブラックストライプ層を有することを特徴とする透過型画像表示スクリーン。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示スクリーンにおいて、
   主拡散層が反射拡散面からなり、１層の副拡散層が入射側副拡散層と出射側副拡散層を兼ねる反射型画像表示スクリーン。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像表示スクリーンと少なくともＲＧＢ３色の独立光源を有し、
   各光源からの光を変調した画像を表示する画像表示装置において、
   各光源の出力ピーク波長λｒ、λｇ、λｂが、
   ６２０ｎｍ＜λｒ＜６７０ｎｍ、５００ｎｍ＜λｇ＜５５０ｎｍ、４３０ｎｍ＜λｂ＜４８０ｎｍ
   であることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項８記載の画像表示装置において、
   ＲＧＢ各光源が、レーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。
10. 前記ＲＧＢ各光源の出力ピーク波長が、
    ６２５ｎｍ＜λｒ＜６６０ｎｍ、５１０ｎｍ＜λｇ＜５４５ｎｍ、４３５ｎｍ＜λｂ＜４７０ｎｍであり、
    各光源波長の半値幅Δλが５ｎｍ未満であることを特徴とする
    請求項８または９記載の画像表示装置。
11. 請求項８記載の画像表示装置において、ＲＧＢ各光源のうち少なくともひとつが、
    ＳＨＧレーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。

Images