JP5842529B2 - スクリーン及び投射システム - Google Patents

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）。なお、反射型のスクリーンについての技術ではないが、光の拡散を制御可能な光制御板として、散乱すべき光の入射角度を連続的に変化させるもの及びその製造方法が知られている（特許文献２参照）。

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て所定の角度範囲に拡散分布を有するように制御することで、光を拡散させつつもより明るい画像を映し出すことができる。さらに、光制御層の拡散角度と反射層の角度を制御することにより、スクリーンに対して所定の角度で入射するプロジェクターからの光を観察者のいる方向に向かわせ、かつ、プロジェクターからの光とは異なる角度で入射する外光を観察者のいない方向に向かわせることができ、スクリーンに表示される画像のコントラストを高めることができる。しかしながら、明るくコントラストの高い画像を観察できる領域は、スクリーンに対する角度だけでなく、スクリーンからの距離（観察距離）の影響も受けて定まる。上記特許文献１のようなスクリーンの場合、スクリーンで反射された画像光の拡散範囲を制限することになるので、例えば観察者がスクリーンに近づいて、スクリーンのうち中央側から射出される画像光の拡散範囲内であるが周辺側から射出される画像光の拡散範囲外である位置に達すると、スクリーン中央側の画像に比べて、周辺側の画像が急激に暗くなったり、見えなくなったりすることになる。また、そのような位置は、スクリーンを反射した外光の到達範囲にも入りうるため、画像の視認性が格段に悪くなることがある。このため、光制御層において画像光の拡散範囲を広げることも考えられるが、拡散範囲を広げるほど、光制御層を多くの層を積層した構造とする必要があるため、スクリーンが厚く、かつ、重くなってしまう。なお、上記のような光制御層を用いず、一般的なマット特性のスクリーンを用いれば拡散領域が広がってスクリーンにある程度近づいても上記のようなことは生じにくくなるが、画像光を広い範囲で拡散させるため、観察者にとっては暗い画像となる。

また、上記特許文献２は、上記のように散乱すべき光の入射角度を変化させるような光制御板の技術については開示があるが、この光制御板を、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に適用することについての開示や示唆はない。

特開２００４−６９８３６号公報 特開平２−５１１０１号公報

本発明は、画像の明るさを維持しつつ観察距離を調整することができる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、（ｂ１）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、（ｂ２）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（ｂ）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を含むとともに基板の主面に垂直な機能断面において、光反射層に入射する光を通過させるとともに、光反射層で反射された反射光を拡散させる光制御層と、を備えるスクリーンであって、（ｄ）光制御層が、基板の主面上の所定の制御方向に関する位置に応じて、反射光の拡散分布を異なるものとしている。

上記スクリーンでは、光制御層において、光の拡散制御を行う所定の制御方向に関して、反射光の拡散分布が基板の主面上の位置によって異なるものとなっている。これにより、反射光を拡散させることでスクリーン表面から射出される画像光の拡散分布をスクリーン上の位置に応じて調整できるので、例えば拡散される角度範囲の大きさは変えることなくその方向を想定される観察者の位置に応じたものとすることで、画像の明るさを維持しつつ観察距離を調整することができる。

本発明の具体的な側面では、光制御層が、所定の制御方向に対応する機能断面において他の方向に対応する別の断面よりも大きい角度で拡散する拡散特性を示し、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。この場合、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て、効率的に光の透過及び拡散の制御をすることができる。

本発明の別の側面では、光制御層が、基板の主面上の所定の制御方向に関する位置に応じて第１の角度領域を連続的に変化させている。この場合、拡散範囲の変化を滑らかにして拡散の度合の境目ができることを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層が、基板の主面上の所定の制御方向に関する位置に応じて複数に分割される部分領域で構成され、各部分領域内では同一で部分領域間では互いに異なる第１の角度領域を有し、段階的に変化させている。この場合、複数の部分領域を個別に作製することで、構造を簡略化することができる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層は、所定の制御方向に対応する機能断面において第１の角度領域の中心となる拡散中心軸が射出方向の先側で狭まる方向に向くように第１の角度領域を変化させている。この場合、特定の方向にいる観察者に対して画像光を集中させることができる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層は、拡散中心軸が一点で交差するように第１の角度領域を変化させている。この場合、より特定された狭い範囲にいる観察者に対して画像光を集中させることができる。

本発明のさらに別の側面では、光制御層において、所定の制御方向が、入射する光の中心光束である基準光の光路方向を基板の主面に正射影した基準方向に対して平行である。この場合、光制御層の制御方向を、例えばプロジェクター等の画像投射装置からの投射光に対応させることができ、投射光を効率的に利用して表示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、所定の制御方向が、基板の長手方向に対して垂直な方向である。この場合、例えば横長のスクリーンに対して縦方向を所定の制御方向として下方投射や上方投射による画像投射を行うことができる。

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、画像の明るさを維持しつつ観察距離を調整することができる。

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）は、光制御層の動作について説明するための図であり、（Ｂ）は、比較例の図である。 （Ａ）は、スクリーンの動作についての一実施例を示す図であり、（Ｂ）は、比較例のスクリーンの動作についての一実施例を示す図である。 第２実施形態に係るスクリーンを説明するための図である。 第３実施形態に係るスクリーンを説明するための図である。 第４実施形態に係るスクリーン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。

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の中央部分についての断面において、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を含むとともに基板の主面に垂直な断面にお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。本実施形態の場合、図示のように、制御方向Ｄ１は、基準方向ＳＤに平行すなわちＹ方向に沿っているものとする。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Ｄ１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Ｄ１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。さらに、光制御層３において、光を拡散透過させるか直進透過させるかの境界となる角度の大きさすなわち拡散させる範囲の幅については一定である（例えば３０°）ものとするが、その向きすなわち一定の角度範囲の設定を法線ＺＸの方向を０°として仰角と俯角とに何度ずつとするかについては、制御方向Ｄ１に関する位置によって連続的に変化するものとなっている。具体的には、例えばスクリーン１０の中央においては、制御方向Ｄ１すなわちＹ方向に関して、当該角度範囲の設定が均等になっている、つまり、法線ＺＸの方向を０°として仰角１５°かつ俯角１５°となっている。これに対して、スクリーン１０の＋Ｙ側（上端側）においては、当該角度範囲の設定が仰角０°かつ俯角３０°となっており、−Ｙ側（下端側）においては、当該角度範囲の設定が仰角３０°かつ俯角０°となっており、その中間では当該角度範囲が連続的に変化していくものとなっている。なお、このような構造を有する光制御層３の作製の詳細については、特許文献２に記載があるが、光制御層３を構成する規則構造を形成させるための光の照射において、その照射方向を変化させることで所望の構造が作製できる。また、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。

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。図５は、中心軸ＬＸに沿った断面でありスクリーン１０の反射拡散の機能を示す機能断面ＤＳを示している。つまり、この機能断面ＤＳは、ＹＺ面に平行な面であり、制御方向Ｄ１を含む面となっており、かつ、スクリーン１０の主面１ａに対して垂直な面である。この場合、光制御層３は、制御方向Ｄ１に対応する機能断面ＤＳにおいて、他の方向に対応する別の断面よりも大きい角度で拡散する拡散特性すなわち上記のようなドラスティックな変化を示すものとなる。

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。ここで、反射面ＰＳの傾斜角度αは、例えば図２に示す＋Ｙ側の領域Ｐ１と中央側の領域Ｐ２と−Ｙ側の領域Ｐ３とで異なる値となっている、すなわち、傾斜角度αは、入射光ＰＬの入射角のみならず光制御層３の構造にも対応して、Ｙ方向すなわち制御方向Ｄ１に沿って変化している。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、図５に示すように、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＋Ｚ側に射出される。

以下、図６等により、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、スクリーン１０のうち中央部分において制御方向Ｄ１に沿った断面の一部分を拡大した図である。

まず、光制御層３は、第１の角度領域ωｖ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。つまり、第１の角度領域ωｖは、光を拡散させる角度範囲を示している。ここでは、第１の角度領域ωｖは、法線ＺＸの方向を基準の入射角０°として、制御方向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から上方側である仰角すなわち＋Ｙ側についての角度ωＨの領域と、法線ＺＸから下方側である俯角すなわち−Ｙ側についての角度ωＬの領域とで構成されているものとする。つまり、角度ωＨの大きさが上方側についての拡散透過させる範囲である臨界角度を示し、角度ωＬの大きさが下方側についての拡散透過させる範囲である臨界角度を示すものとなっている。なお、図６は、スクリーン１０のうち中央部分であり、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、その絶対値すなわち角度ωＨと角度ωＬとの大きさは等しい又はほぼ等しいものとなっている。つまり、角度ωＨ，ωＬの大きさは、ともに約１５°となっている。なお、詳しくは後述するが、スクリーン１０の周辺に向かって角度ωＨと角度ωＬとは、その合計である第１の角度領域ωｖの大きさを約３０°に保ちつつ変化している。

以上のような光制御層３において、入射角ξの入射光ＰＬが直進透過するか拡散透過するかについては、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、入射角ξは、第１の角度領域ωｖ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ように調整されているものとする。つまり、入射角ξは、角度εの分だけ第１の角度領域ωｖ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。この角度γは、傾斜角度αの調整によって臨界角度ωＨよりマージン角度Δωの分だけ小さいものになっている。つまり、反射光ＲＬの光制御層３への入射角度である角度γが、マージン角度Δωの分だけ第１の角度領域ωｖの範囲内の角度となっていることで、反射光ＲＬは、光制御層３の通過時において確実に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。なお、以上では、図６に示すスクリーン１０のうち中央部分について説明しているが、中央部分よりも＋Ｙ側や−Ｙ側の周辺部分においても傾斜角度αが適宜調整されていることにより、反射光ＲＬの光制御層３への入射角度である角度γがマージン角度Δωの分だけ第１の角度領域ωｖの範囲内の角度となるようにできる。

ここで、マージン角度Δωの値の最小値は、５°以上とすることが望ましい。つまり、反射光ＲＬの光制御層３への入射角度が、第１の角度領域ωｖの上限より５°以上の差を有し、第１の角度領域ωｖに対して十分なマージンがあることで、光制御層３への外部からの通過時において、確実に拡散されるものとなる。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・構造等によって適宜定めることができる。なお、入射時の入射角ξについては、第１の角度領域ωｖの臨界角度ωＨより角度εだけ大きいものとしているが、角度εについても、例えば５°以上とすることで、十分なマージンがとれ、確実に直進透過するものとなる。

〔Ｄ．光制御層の制御方向に関する反射光の拡散分布の変化〕
以上のように、本スクリーン１０では、入射光ＰＬを反射して反射光ＲＬとし、この反射光ＲＬを適度に拡散させて投影画像光ＦＬとなって射出することで画像が認識される。このため、反射光ＲＬの拡散分布を決定することすなわち第１の角度領域ωｖによって定まる光を拡散させる角度範囲を決定することで、スクリーン１０における観察可能な範囲が定まる。

特に、本実施形態では、図７（Ａ）に一例を示すように、制御方向Ｄ１すなわちＹ方向に関してスクリーン１０の位置に応じて第１の角度領域ωｖの向きを変化させている。つまり、図６を用いて説明したように、第１の角度領域ωｖの大きさは保ちつつ仰角の臨界角度ωＨと俯角の臨界角度ωＬとの割合を変化させている。これによって、スクリーン１０における観察可能な範囲がより広くなっている。より具体的に説明すると、図７（Ａ）に示すように、まず、光制御層３において、第１の角度領域ωｖは、スクリーン１０の位置を問わず、拡散の大きさ或いは範囲は、３０°となっている。また、スクリーン１０の中央側である中心Ｏでは、第１の角度領域ωｖの内訳が、仰角の領域である臨界角度ωＨについても、俯角の領域である臨界角度ωＬについても１５°であり、等しく分配されている。これに対して、スクリーン１０のうち上端ＵＥ側すなわち＋Ｙ側では、第１の角度領域ωｖの内訳が、臨界角度ωＬが３０°であり、臨界角度ωＨが０°であるものとなっている。つまり、第１の角度領域ωｖが、臨界角度ωＬと等しくなるように傾いている。一方、スクリーン１０のうち下端ＢＥ側すなわち−Ｙ側では、第１の角度領域ωｖの内訳が、臨界角度ωＬが０°であり、臨界角度ωＨが３０°であるものとなっている。つまり、第１の角度領域ωｖが、臨界角度ωＨと等しくなるように傾いている。さらに、光制御層３のうち上記した中心Ｏ及び上端ＵＥ、下端ＢＥの中間位置では、第１の角度領域ωｖの傾き度合は、制御方向Ｄ１に沿って連続的に変化している。すなわち、中心Ｏから上端ＵＥ側に向かって、臨界角度ωＬが徐々に増加し、かつ、臨界角度ωＨが減少している。逆に、中心Ｏから下端ＢＥ側に向かって、臨界角度ωＬが徐々に減少し、かつ、臨界角度ωＨが増加している。なお、この際、図２等に示す光反射層２において、複数の反射面ＰＳの傾斜角度αは、上記のような光制御層３の内部構造に応じてそれぞれ調整されている。つまり、図７（Ａ）において角度γが適宜調整されている。以上のような構造を有することによって、スクリーン１０は、上方側の画像についてより下方側に拡散させ、下方側の画像についてより上方側に拡散させることで、スクリーン映像が均一に認識できる範囲を広げている。逆に言うと、均一に認識できない領域を減らしている。

例えば、図７（Ｂ）に示す第１の角度領域ωｖの向きが変化することなく一定である比較例の場合では、図７（Ａ）に示す場合と比べると、スクリーン１０の周辺側である上端ＵＥ側或いは下端ＢＥ側から射出される画像光を観察できない領域が広くなる。具体的には、図７（Ａ）と図７（Ｂ）とについて、例えば上端ＵＥ側から下方へ向かう拡散限界を示す臨界角度ωＬの下端側を延長した下方臨界線ＬＬを比較すると、第１の角度領域ωｖが下方に向いている図７（Ａ）の方が、第１の角度領域ωｖの変化がない図７（Ｂ）よりも下方に向けて大きな角度となっている。また、下端ＢＥ側から上方へ向かう拡散限界を示す臨界角度ωＨの上端側を延長した下方臨界線ＨＬを比較すると、第１の角度領域ωｖが上方に向いている図７（Ａ）の方が、第１の角度領域ωｖの変化がない図７（Ｂ）よりも上方に向けて大きな角度となっている。この場合、下方臨界線ＬＬより＋Ｙ側の領域が上端ＵＥを見ることのできる限界領域を示し、上方臨界線ＨＬより−Ｙ側の領域が下端ＢＥを見ることのできる限界領域を示すものとなるため、各臨界線ＬＬ，ＨＬを結んだ点を交点ＸＸとすると、この交点ＸＸからスクリーン１０までの観察距離Ｌがスクリーン１０の全体を観察可能な限界点を示すものとなる。この場合、上記のことから、図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すると、図７（Ａ）の方が観察距離Ｌをより短くすることができるものであることが分かる。すなわち、観察可能な範囲をスクリーン１０側により近づけることができる。

なお、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が、これに対して、本実施形態のスクリーン１０では、投射点ＳＳに近い側ほど、第１の角度領域ωｖを−Ｙ側に偏った側に向けるものとなっているため、スクリーン１０のどこにおいても十分な値の角度ε（図６参照）を確保でき、入射光を確実に直進透過させることができる。

以下、図８（Ａ）等を用いて本実施形態の一実施例について説明する。ここで、図８（Ａ）は、図７（Ａ）に対応する実施例である。なお、図８（Ｂ）は、図７（Ｂ）の比較例に対応する実施例である。図８（Ａ）では、図示のように、中心点Ｏが地上から垂直方向（Ｙ方向）に１．４ｍとなる位置にスクリーン１０を配置している。また、プロジェクター５０からの入射光ＰＬの入射角度は、法線ＺＸを基準すなわち角度０°として、上端ＵＥ側において２６．３°、下端ＢＥ側において６５．４°となっている。なお、既述のように、光制御層３について、第１の角度領域ωｖの大きさを３０°とし、上端ＵＥ側において臨界角度ωＬが３０°であり、臨界角度ωＨが０°であり、下端ＢＥ側において臨界角度ωＬが０°であり、臨界角度ωＨが３０°である。なお、中心点Ｏから上端ＵＥ側に向かって、臨界角度ωＬが徐々に増加するように連続的に変化しており、中心点Ｏから下端ＢＥ側に向かって、臨界角度ωＨが徐々に増加するように連続的に変化しているものとする。この場合、スクリーン１０から交点ＸＸまでの観察距離Ｌは、１．４ｍとなる。一方、図８（Ｂ）の実施例では、スクリーン１０の構造が図７（Ｂ）の比較例のものとなっていることを除いて、図８（Ａ）と同様に設計されており、この場合、観察距離Ｌは、５．２３ｍとなる。

また、図８（Ａ）の実施例では、傾斜角度α（図２等参照）を適宜調整することで、角度γの値が、法線ＺＸを基準として上端ＵＥ側において−５°、下端ＢＥ側において２５°となっている。つまり、マージン角Δω（図６参照）の値を最小限の５°としている。これにより、不要光である外光ＯＬの分離性を高めたものとなっている。具体的には、例えば図示のように、地上から垂直方向（Ｙ方向）に２．４ｍで、水平方向（Ｚ方向）にスクリーン１０から３．０ｍの位置に外光ＯＬの光源である天井照明ＣＥがあるものとすると、外光ＯＬの入射角度は、上端ＵＥ側において１４．５°となり、下端ＢＥ側において３４°となる。これに対して、上記のように角度γが設定されている（すなわち図２等に示す傾斜角度αが調整されている）ことで、外光ＯＬの反射角度は、上端ＵＥ側において６．３°、下端ＢＥ側において５３°となる。この場合、上端ＵＥ側に入射した外光ＯＬの反射成分は観察者ＰＥ側に向かわない。また、観察者ＰＥ側に比較的向きやすい下端ＢＥ側に入射した外光ＯＬの反射成分でついても観察者ＰＥに届きにくいものとなっている。具体的には、図示のように、例えば地上から１．４ｍにある中心点Ｏの高さを観察者ＰＥの基準の高さ位置とすると、観察者ＰＥは、外光ＯＬの反射成分を受けることなくスクリーン１０から０．７ｍの距離まで近づくことができるものとなる。これに対して、図８（Ｂ）に示す例の場合、第１の角度領域ωｖが一定であるので、角度γも位置に関係なく常に一定となる。なお、図８（Ｂ）に示す場合では、上端ＵＥ側であるか下端ＢＥ側であるかを問わず、常に臨界角度ωＬが２０°で、臨界角度ωＨが１０°であり、マージン角を５°として角度γが５°に設定されている。この場合、図８（Ａ）の実施例と同様の天井照明ＣＥがあると、観察者ＰＥは、スクリーン１０から１．６４ｍの距離以内に近づくと、下端ＢＥ側に入射した外光ＯＬの反射成分を受けることになる。

以上のように、本実施形態では、不要光である外光ＯＬの反射光が観察者ＰＥの眼に直接飛び込んでしまうという現象が発生する領域を狭めるよう調整することができる。

上記の投射システム１００のように部屋の天井側といった上方から斜方投射を可能とするタイプのものは、人や物がスクリーン１０側にある程度近づいても、これらが画像投影の際の投射光を遮らないものとなるので、例えばプレゼンテーションや教室での授業において、プレゼンター等の話者がスクリーン１０側に近づいた位置に立って説明をするといった使用態様に適したものとなる。しかしながら、外光ＯＬが直接的に反射するすなわち正反射すると、その成分が話者の眼に飛び込んでしまうと、上記のような使用態様ができなくなる。これに対して本実施形態では、上記のような外光の制御についても可能とすることで、例えば投射システム１００を用いてプレゼンテーションを行うといった場合に、外光ＯＬの正反射を気にすることなくプレゼンターがスクリーン１０側に近づくことが可能となる。

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において、光の拡散制御を行う制御方向Ｄ１に関して、反射光ＲＬの拡散分布を定める第１の角度領域ωがスクリーン１０上の位置によって異なるものとなっている。これにより、スクリーン１０の表面から射出される画像光の拡散分布をスクリーン１０上の位置に応じて上端ＵＥ側ほど下方側に傾け、下端ＢＥ側ほど上方側に傾けるように調整することで、例えば拡散される角度範囲の大きさは３０°のまま変えることなく、画像光の拡散射出される方向を想定される観察者の位置に応じたものとし、画像の明るさを維持しつつ投影画像を観察させることができ、かつ、観察距離Ｌを短くするように調整できる。

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、周辺側において角度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おり、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、光制御層３の構造のみならず、この入射角ξにも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±Ｘ方向についていずれにも極端に傾くことなく確実に略＋Ｚ側に折り返される。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側に折り返されるものにできる。

〔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２００は、第１実施形態の投射システム１００の変形例であるので、全体の詳細な説明については省略する。また、第１実施形態の同符号のものについては、特に説明をする場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。

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、光を拡散させる角度範囲を示す第１の角度領域ωｖを、より狭い範囲に限っている。つまり、第１実施形態の例示では、拡散範囲をある程度確保するため、第１の角度領域ωｖの大きさの一例を約３０°としていたが、本実施形態では、これよりも狭いものとすることができる。さらに、図示のように、制御方向Ｄ１に関して各位置に応じて異なった傾きを有する第１の角度領域ωｖにおいて、第１の角度領域ωｖの中心となる拡散中心軸ωｃが、射出方向である＋Ｚ方向に進むにつれてすなわち射出方向の先側で狭まる方向に向いており、全ての拡散中心軸ωｃが、観察者ＰＥの眼ＥＹの位置の一点で交差するものとなっている。図示の場合、眼ＥＹがスクリーン１１０の中心Ｏから法線方向すなわち＋Ｚ方向に延長した線上であって、スクリーン１１０から距離ＬＫの位置にあるものと想定し、これに合わせて光制御層１０３の第１の角度領域ωｖの大きさや拡散中心軸ωｃの方向を設定している。具体的には、Ｙ方向について、中央である位置Ｍでは、中心軸ωｃが法線ＺＸに沿っているのに対して、＋Ｙ側である位置Ｈ及び−Ｙ側である位置Ｌでは、中心軸ωｃが法線ＺＸから同じ傾斜角βの大きさで位置Ｈでは下向きに傾いており、位置Ｌでは上向きに傾いている。つまり、観察者ＰＥの眼ＥＹの位置に合わせて調整することができるものとなっている。この場合、想定した観察者ＰＥの眼ＥＹの特定位置に絞って画像光を射出させることができる。

本実施形態の場合、第１の角度領域ωｖの拡散範囲をより狭くすることで、対象となる観察者ＰＥにのみ画像を提供し、対象となる観察者ＰＥ以外に画像を見せないようにすることができる。また、この場合、拡散範囲を狭くすることで、明るい画像を提供しやすくなる、または、光源が比較的小さくても十分な明るさを得ることができる。

〔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３００は、第１実施形態の投射システム１００の変形例であるので、全体の詳細な説明については省略する。また、第１実施形態の同符号のものについては、特に説明をする場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。

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において、光制御層２０３は、制御方向Ｄ１に関して、スクリーン１０の位置に応じて＋Ｙ側と中央側と−Ｙ側とで３つに分割される部分領域１０Ｈ，１０Ｍ，１０Ｌで構成されている。各部分領域１０Ｈ，１０Ｍ，１０Ｌ内では、それぞれ第１の角度領域ωｖが変化することなく一定の向きに揃っているが、部分領域１０Ｈ，１０Ｍ，１０Ｌ間では、第１の角度領域ωｖの向きが互いに異なるものとなっている。具体的には、まず、中央側に位置する部分領域１０Ｍでは、第１の角度領域ωｖの内訳が、仰角の領域である臨界角度ωＨについても、俯角の領域である臨界角度ωＬについても１５°であり、等しく分配されている。これに対して、＋Ｙ側に位置する部分領域１０Ｈでは、第１の角度領域ωｖの内訳が、臨界角度ωＬが３０°であり、臨界角度ωＨが０°であるものとなっている。つまり、第１の角度領域ωｖが、臨界角度ωＬと等しくなるように傾いている。一方、−Ｙ側に位置する部分領域１０Ｌでは、第１の角度領域ωｖの内訳が、臨界角度ωＬが０°であり、臨界角度ωＨが３０°であるものとなっている。つまり、第１の角度領域ωｖが、臨界角度ωＨと等しくなるように傾いている。

本実施形態の場合、光制御層２０３が複数の部分領域１０Ｈ，１０Ｍ，１０Ｌを有することで、第１の角度領域ωｖを段階的に変化させることができ、これにより、画像の明るさを維持しつつ観察できる観察距離Ｌを近づけることができる。

なお、上記では一例として、光制御層２０３は、３つに分割された部分領域で構成されるものとしているが、分割する数は、これに限らず、例えばもっと多くの部分領域で構成するものとしてもよい。また、上記のような縦方向すなわちＹ方向についての分割に限らず、横方向すなわち＋Ｘ方向について分割してもよい。

〔第４実施形態〕
以下、図１１により、第４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１１に示すように、スクリーン１０の変形例であるスクリーン３１０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、光制御層３は、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入射角選択性を有するものとしているが、光制御層３は、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。光制御層３として、例えば反射光ＲＬの射出方向を基準として正規分布に従って光を拡散させるような性質を有するものを用いるものとしてもよい。この場合、入射角選択性を有する場合に比べて、拡散透過の変化がなだらかなものとなる。

また、上記では、例えば図９の拡散中心軸ωｃで示されるように、画像光が、全体として＋Ｚ方向に進むにしたがってスクリーン１０の中心Ｏから延びる法線ＺＸに集まるように射出されているが、これとは逆に、法線ＺＸから離れて周辺に広がっていくように第１の角度領域ωを調整することもできる。また、スクリーン１０の中心Ｏから延びる法線ＺＸ以外の方向や位置に集まるように第１の角度領域ωを調整することもできる。例えば、スクリーンが上方に位置し、観察者が見上げるようにしてスクリーンを観察する場合には、第１の角度領域ωが全体として下方に偏って変化するものであってもよい。

また、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、複数のプリズム部分２ａは、例えばフレネル形状といった同心円弧状としているが、これは、投射システム１００が近接投射であり、Ｘ方向について中央側と周辺側とで入射角が大きく異なるためになされるものである。従って、投射システム１００が近接でない投射の場合には、各プリズム部分２ａの形状を直線状（バー状）とすることもできる。

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１１に示す第４実施形態のスクリーン３１０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。

１０，１１０，２１０，３１０…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、 ３，１０３，２０３…光制御層、 ４…第２の光制御層 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…制御方向、 ＳＤ…基準方向、 ξ…入射角、 α…傾斜角度、 β…傾斜角、 ω…第１の角度領域、 η…第２の角度領域

Claims (7)

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を含むとともに前記基板の主面に垂直な機能断面において、前記光反射層に入射する光を通過させるとともに、前記光反射層で反射された反射光を拡散させる光制御層と、
   を備えるスクリーンであって、
   前記光制御層は、前記基板の主面上の前記所定の制御方向に関する位置に応じて、前記反射光の拡散分布を異なるものとしている、スクリーン。
2. 前記光制御層は、前記所定の制御方向に対応する前記機能断面において他の方向に対応する別の断面よりも大きい角度で拡散する拡散特性を示し、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、請求項１に記載のスクリーン。
3. 前記光制御層は、前記基板の主面上の前記所定の制御方向に関する位置に応じて前記第１の角度領域を連続的に変化させている、請求項２に記載のスクリーン。
4. 前記光制御層は、前記基板の主面上の前記所定の制御方向に関する位置に応じて複数に分割される部分領域で構成され、各部分領域内では同一で部分領域間では互いに異なる前記第１の角度領域を有し、段階的に変化させている、請求項２に記載のスクリーン。
5. 前記光制御層は、前記所定の制御方向に対応する前記機能断面において前記第１の角度領域の中心となる拡散中心軸が射出方向の先側で狭まる方向に向くように前記第１の角度領域を変化させている、請求項２から４までのいずれか一項に記載のスクリーン。
6. 前記光制御層は、前記拡散中心軸が一点で交差するように前記第１の角度領域を変化させている、請求項５に記載のスクリーン。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載のスクリーンと、
   投影画像となる入射光を前記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、を備える投射システム。

Images