JPWO2017221528A1 - 透明スクリーン、及び、映像表示システム - Google Patents

Abstract

透明スクリーン（２０）は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタ（１０）から投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、透明な第１の基材（２１）と、拡散部材（２２）と、透明な第２の基材（２３）と、複数の光吸収材（２４）とを備える。拡散部材（２２）は、第１の基材（２１）の内部に配置され、映像光を拡散させる。第２の基材（２３）は、第１の基材（２１）のプロジェクタ（１０）と反対側に配置されている。複数の光吸収材（２４）は、第２の基材（２３）の内部において、第２の基材（２３）の主面と平行な配列方向（Ｙ）に沿って、それぞれ平行に配列されている。

Description

本開示は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーン、及び、その透明スクリーンを備えた映像表示システムに関する。

近年、背景光を透過させる透明性を有しつつ、プロジェクタから投写された映像光を拡散反射または拡散透過させて映像を表示する透明スクリーンが提案されている。この透明スクリーンを用いれば、例えば、高層ビルの窓に夜景と投写された映像とを重畳して表示したり、店舗の展示ウィンドウに商品と投写された映像とを重ねて表示したりできる。このように、プロジェクタによる新しい映像表現を実現するキーデバイスとして、透明スクリーンは期待されている。

透過型の透明スクリーンとして、特殊な拡散微粒子を含む透過型の透明スクリーンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この拡散微粒子は、透過型の透明スクリーンの内部に微量分散されている。この透過型の透明スクリーンは、映像光の一部を大きく拡散させて映像を表示するとともに、背景光を直進透過させる。

また、拡散された光の一部は、透明スクリーンの裏面と空気との界面で反射する。そのため、上記の構成の透過型の透明スクリーンは、反射型の透明スクリーンとしても使用できる。

さらに、反射型の透明スクリーンとして、以下の反射型の透明スクリーンが提案されている。反射型の透明スクリーンの一例は、複数の凸部と、複数の凸部に設けられた選択反射層と、その選択反射層の表面を被覆する透明材料とを有する。選択反射層は、特性の波長の右円偏光または左円偏光のレーザ光を選択的に反射する（特許文献２参照）。また、反射型の透明スクリーンの別の一例は、透明基材に部分的に設けられた、光を反射する領域を有する（特許文献３参照）。

観察者は、このような透過型または反射型の透明スクリーンを用いて、背景を観察しつつ、映像を鑑賞することができる。

特許第５２１４５７７号公報 特開２０１４−７１２５０号公報 特開２００６−１１９４８９号公報

本開示は、不要像の発生を抑制できる透明スクリーン、及び、映像表示システムを提供する。

本開示に係る透明スクリーンは、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、透明な第１の基材と、拡散部材と、透明な第２の基材と、複数の光吸収材とを備える。拡散部材は、第１の基材の内部に配置され、映像光を拡散させる。第２の基材は、第１の基材のプロジェクタと反対側に配置されている。複数の光吸収材は、第２の基材の内部において、第２の基材の主面と平行な配列方向に沿って、それぞれ平行に配列されている。

本開示によれば、不要像の発生を抑制できる。これにより、観察者は、透明スクリーンに表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

図１は、実施の形態１に係る映像表示システムの概要図である。 図２Ａは、基材および光吸収材の断面概要図である。 図２Ｂは、入射角と透過率との関係を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る他の映像表示システムの概要図である。 図４は、実施の形態１に係るさらに他の映像表示システムの概要図である。

（本開示に至った経緯）
従来、透明スクリーンが背景光を透過する為には、透明スクリーンへの入射光のうちの少なくとも一部は透明スクリーンを直進透過する必要が有る。透明スクリーンの応用には、通常は透明性が優先されることが多い。透明性が優先される場合、透明スクリーンは入射光のうちの５０％〜８０％の光を直進透過させる。また、透明スクリーンと空気との界面である透明スクリーンの表面に凹凸があると、光は拡散されて、透明スクリーンを直進透過しない。ゆえに、光が透明スクリーンを直進透過するために、透明スクリーンの表面は平滑である必要が有る。

従って、拡散透過あるいは拡散反射の要素が透明スクリーンの表面にある場合でも、５０％以上の透明スクリーンの表面が平滑である必要がある。また、拡散の要素が透明スクリーンの内部にある場合は、透明スクリーンの全表面は一般に平滑である。

そして、平滑な表面への入射光は、その表面で鏡面反射する。プロジェクタから投写された映像光は局所的に指向性が高いため、映像光の鏡面反射光は高い輝度を有する。そのため、映像を観察する観察者が、鏡面反射光を直接観察すると、幻惑されて、映像を観察することが不可能になる。従って、想定される観察範囲に鏡面反射光が向かわないように、天井から下方へ、或いは、足元から上方へと大きい角度で映像光を投写することが好ましい。

しかしながら、天井から下方へ映像光を投写した場合は、透明スクリーン付近の足元に透明スクリーンを透過した映像光による不要像が発生する。また、足元から上方に映像光を投写した場合は、透明スクリーン付近の天井に透明スクリーンを透過した映像光による不要像が発生する。この天井、または足元に発生する不要像は、観察者にとって目障りである。さらに、観察者が不要像を認識することによって、観察者は透明スクリーンに表示された映像がプロジェクタから投写された映像であることを意識してしまう。

本開示は、不要像の発生を抑制できるスクリーン、及び、映像表示システムを提供する。これにより、観察者は、スクリーンに表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る映像表示システム３０の概要図である。

映像表示システム３０は、映像光を投写するプロジェクタ１０と、スクリーン２０とを備える。

プロジェクタ１０は、超短焦点プロジェクタであり、スクリーン２０の前方足元に配置される。もし、映像を観察する観察者９０が、スクリーン２０の表面での鏡面反射光を直接観察すると、眩しく感じる。すなわち、鏡面反射光は、映像観察および背景観察の障害になる。そのため、プロジェクタ１０は、大きい角度でスクリーン２０に映像光を投写する。更に、超短焦点プロジェクタを用いることで、スクリーン２０の近傍の空スペースを有効に使うことができる。本開示において、背景とは、スクリーン２０に対して、観察者９０と反対側の景色である。すなわち、観察者９０は、スクリーン２０を通して、背景を観察する。また、背景光とは、背景側からスクリーン２０を通して、観察者９０に到達する光である。

プロジェクタ１０からスクリーン２０へ投写された映像光の入射角は、以下のように設定されている。ここで、映像光の入射角とは、映像光の入射方向と、スクリーン２０の法線方向とのなす角である。スクリーン２０の下端への入射角θ１が２７°に、スクリーン２０の中央への入射角θ２が５２°に、スクリーン２０の上端への入射角θ３が６４°に設定されている。

スクリーン２０は、入射光の一部を直進透過させ、入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタ１０から投写された映像光を拡散反射させて映像を表示するスクリーンである。すなわち、スクリーン２０は、反射型の透明スクリーンである。スクリーン２０は、透明な基材２１（第１の基材）と、拡散微粒子２２（拡散部材の一例）と、透明な基材２３（第２の基材）と、複数の光吸収材２４とを備える。基材２１の両主面は、平滑である。拡散微粒子２２は、基材２１の内部に添加されている。拡散微粒子２２は、入射光のうちの約１０％を拡散反射させる。スクリーン２０は、入射光のうちの残りの約９０％を透過する。拡散微粒子２２は、基材２１の内部に均一に分散されている。そのため、映像光は、スクリーン２０で拡散反射されて、映像として観察可能となる。

また、スクリーン２０の両主面は平滑である。そのため、スクリーン２０を透過する透過光は、スクリーン２０の厚み方向に拡散されることなく直進する。そのため、観察者９０は背景を鮮明に観察することができる。

スクリーン２０は、基材２１の背景側に配置された透明な基材２３を有している。すなわち、基材２３は、基材２１のプロジェクタ１０と反対側に配置されている。基材２３の内部において、複数の光吸収材２４が基材２３の主面と平行な配列方向Ｙに沿って、ルーバー状に配列されている。すなわち、複数の光吸収材２４は、基材２３の内部において、基材２３の主面と平行な配列方向Ｙに沿って、それぞれ平行に配列されている。配列方向Ｙは、例えば鉛直方向であってもよい。基材２１と基材２３とは、透明材料からなる透明粘着層２５によって機械的に接合されている。基材２１と基材２３とは、それぞれ、互いにほぼ同じ屈折率を有する透明材料からなる。基材２１と基材２３とは、透明粘着層２５により空気界面を介さずに接合されているので、光学的にも結合されている。

複数の光吸収材２４は、基材２１及び基材２３の主面の法線方向Ｘに沿って延伸している。そのため、光吸収材２４は、法線方向Ｘから入射する背景光を効率的に透過すると共に、斜め方向から入射する光を効果的に吸収する。なお、本実施の形態において、光吸収材２４の長手方向は、法線方向Ｘおよび配列方向Ｙと直交する方向である。すなわち、光吸収材２４の長手方向は、例えば水平方向であってもよい。また、配列方向Ｙから見た光吸収材２４の形状は、例えば矩形である。また、複数の光吸収材２４の各々は、基材２３の一方の主面から、基材２３の他方の主面まで延伸していてもよい。

このような基材２３およびルーバー構造の光吸収材２４は、以下のようにして得られる。透明材料からなる基材２３と、黒色顔料を透明材料に添加した材料からなる薄い光吸収材２４とを交互に積層してインゴットを形成して、そのインゴットをスライスする。これによって、基材２３およびルーバー構造の光吸収材２４を得ることができる。

図２Ａは、基材２３および光吸収材２４の断面概要図である。図２Ａにおいて、拡散微粒子２２および透明粘着層２５を省略している。図２Ａにおいて、長さＤは、光吸収材２４の法線方向Ｘの長さを示している。配列間隔Ｐは、複数の光吸収材２４の配列間隔を示している。入射角θａは、光線の入射角を示している。光線角度θｂは、基材２３内の光線の進行方向と法線方向Ｘとのなす角である。すなわち、光線角度θｂは、基材２３内の光線の進行角度を示している。変位Ｈは、光線が基材２３を透過する際の配列方向Ｙの変位を示している。以上のように、図２Ａにおいて、光線は、基材２１の主面において屈折している。

ここで、議論を分かりやすくするために、光吸収材２４の厚みがゼロであり、光吸収材２４の光吸収率が１００％であり、光線が空気界面で反射しない理想状態を仮定する。この仮定に基づいて、スクリーン２０に入射角θａで入射する光の透過率Ｔを算出する。

まず、法線方向Ｘから入射する光は、光吸収材２４に吸収されることなく透過する。すなわち、入射角が０°の場合、光の透過率Ｔは１００％である。

入射角θａでスクリーン２０に入射した光は、基材２３内を光線角度θｂで進行する。その際に、光の一部は光吸収材２４に吸収され、残りの光は基材２３を透過する。光線角度θｂは、以下の式１で算出される。

θｂ＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎ（θａ）／ｎ｝ ・・・ （式１）
ここで、ｎは透明な基材２３の屈折率である。

光線角度θｂで進行する光の基材２３における透過率Ｔは、以下の式２で算出される。

Ｔ＝（Ｐ−Ｈ）／Ｐ＝１−Ｄ／Ｐ×ｔａｎ（θｂ） ・・・ （式２）
ただし、この式２で透過率Ｔが０％以下となる場合は、透過率Ｔを０％とする。

図２Ｂは、比率Ｄ／Ｐ毎の、入射角θａと透過率Ｔとの関係を示す図である。ここで、基材２３の屈折率ｎを透明材料において一般的な１．５としている。また、比率Ｄ／Ｐは、配列間隔Ｐに対する、長さＤの比率である。

図２Ｂに示すように、透過率Ｔは、０°の入射角から、入射角θａの増加に従ってほぼリニアに低下する。このとき、比率Ｄ／Ｐ毎に低下の傾きが異なる。

そして、比率Ｄ／Ｐが１．２以上の場合、比率Ｄ／Ｐ毎のカットオフ角度θｃで透過率Ｔが０％になる。さらに、カットオフ角度θｃ以上の入射角θａにおいて、透過率Ｔは０％となる。比率Ｄ／Ｐが１．０の場合、入射角θａの増加とともに透過率Ｔは低下するが、カットオフ角度θｃは発生しない。カットオフ角度θｃは、比率Ｄ／Ｐが１．１２未満のとき発生しない。

このように、比率Ｄ／Ｐを大きくすると、光吸収材２４は、斜め入射の光を吸収して、光の透過を防止する。これにより、後述する不要透過像の発生を低減することができる。しかしながら、比率Ｄ／Ｐを大きくすると、透過率Ｔの角度依存性が大きくなる。すなわち、斜め下方あるいは斜め上方の背景光が、スクリーン２０を透過し難くなる。従って、適切な比率Ｄ／Ｐを設定する必要が有る。

次に、ルーバー状の光吸収材２４を備えないスクリーン２０を透過した映像光による不要像の発生について説明する。

図１に示すように、プロジェクタ１０から投写された映像光（実線の矢印）の一部は、スクリーン２０で拡散反射されて、映像として視認可能になる。映像光の残りの一部は、スクリーン２０を直進透過する。直進透過した光（二点鎖線の矢印）は、図１に示すように、天井８０へ向かう。スクリーン２０の下側での直進透過光の入射角は小さい。また、スクリーン２０の下側での直進透過光の天井８０までの到達距離は長い。すなわち、スクリーン２０の下側での直進透過光は拡散するため、映像の鮮鋭度及び輝度が低下する。そのため、観察者９０は、直進透過光による不要像について気にならない。また、スクリーン２０の左端部および右端部での直進透過光も天井８０までの到達距離が長い。すなわち、映像の鮮鋭度及び輝度が低下する。そのため、観察者９０は、直進透過光による不要像について気にならない。

しかしながら、スクリーン２０の上端近傍での直進透過光は、スクリーン２０の直上の天井８０に入射する。更に、プロジェクタ１０の焦点深度は深いため、スクリーン２０の直上付近の天井８０に向かって直進透過した光は焦点が合っている。そのため、従来技術のようにルーバー状の光吸収材２４を用いない場合、スクリーン２０付近の天井８０に不要像が表示されてしまう。観察者９０は、スクリーン２０での映像鑑賞時に、この不要像を目障りに感じる。

また、映像光の入射角θが大きくなるほど、スクリーン２０に投写された映像の微小面積ｄＳｓに対応する天井８０で発生した透過像の微小面積ｄＳｒは小さくなる。ここで、ｄＳｒ／ｄＳｓは、ｔａｎ（θ）の３乗に反比例する。従って、映像照度が均一な場合、入射角θが大きいほど、直進透過光は天井８０において小さい面積に集中する。すなわち、スクリーン２０の上端部付近に対応する天井８０において、直進透過光の光束は小さい面積に集中する。そのため、スクリーン２０の上端部に対応する透過像の照度が高くなる。

この様に、図１の構成では、スクリーン２０の上端部近くに大きな入射角で入射する映像光ほど、不要像としての明るさが明るく、目触りとなる。

これらを考慮して、比率Ｄ／Ｐを１．２以上２．０以下、言い換えると、カットオフ角度θｃを４２°以上７４°以下に設定するのが望ましい。このとき、長さＤは７２μｍ以上３００μｍ以下であり、配列間隔Ｐは６０μｍ以上１５０μｍ以下である。また、法線方向Ｘから見た場合において、基材２３の面積に対する、複数の光吸収材２４の面積の比率は、１％以上１０％以下である。例えば、配列間隔Ｐが１００μｍのとき、光吸収材２４の配列方向Ｙの長さは１μｍ以上１０μｍ以下であり、基材２３の配列方向Ｙの長さは９０μｍ以上９９μｍ以下である。

比率Ｄ／Ｐを１．２より小さくすると（例えば比率Ｄ／Ｐを１．０にすると）、光吸収材２４は、スクリーン２０の上端部に入射する映像光を充分に吸収することができない。そのため、不要像の低減効果が小さい。

一方、比率Ｄ／Ｐを２．０より大きくすると（例えば比率Ｄ／Ｐを４．０にすると）、２１°以上の入射角の光は全て吸収される。すなわち、２１°以上の入射角の光について、全ての直進透過光が吸収されるため、不要像の発生が抑制される。しかし、斜め入射の背景光も吸収されるために、背景視認性が低下する。

上記構成により、実施の形態１に係る映像表示システム３０は、映像の表示と背景光の透過を実現しながら、直進透過光による不要像の発生を抑制できる。これにより、観察者９０は、スクリーン２０に表示された映像が投写された映像であることを意識しないで、映像を観察することができる。

なお、本実施の形態において、プロジェクタ１０は超短焦点プロジェクタである。超短焦点プロジェクタを用いた場合、プロジェクタ１０は、スクリーン２０への映像光の最大入射角である、上端部の入射角が６０°以上７５°以下になるように配置されていることが多い。そこで、ルーバー構造の比率Ｄ／Ｐを１．２以上に設定する。これにより、スクリーン２０は、最大入射角以下の映像光の透過率を大幅に抑制できる。

また、超短焦点プロジェクタを用いた場合、プロジェクタ１０は、スクリーン２０の中央への映像光の入射角が４０°以上５０°以下に配置されていることが多い。スクリーン２０の中央より下端側の透過光は、不要透過像になりにくい。そこで、ルーバー構造の比率Ｄ／Ｐを２．０以下に設定する。これにより、スクリーン２０は、中央入射角以上の映像光の透過率を大幅に抑制できる。

なお、本実施の形態において、基材２１と基材２３とは、透明粘着層２５によって接合されている。これにより、各基材と空気との界面を減らすことができる。そのため、各基材と空気との界面での反射損失で背景光の透過率が低下することを抑制できる。さらに、透過像の射出側表面反射による二重像の発生を光吸収材２４によって抑制できる。しかし、透明粘着層２５を用いずに空気層を介して基材２１および基材２３を配置しても、直進透過光による不要像の発生は同様に抑制される。

なお、本実施の形態において、スクリーン２０は基材２１の内部に配置された拡散微粒子２２を有するが、本開示はこれに限定されない。図３に変形例の映像表示システム３６を示す。映像表示システム３６は、スクリーン２０に代えて、スクリーン２６を備える。スクリーン２６は、基材２１の内部に配置され、微細な凹凸形状を有するミラー層２７（拡散部材の別の一例）を備える。ミラー層２７は、例えば、入射光の約１０％を反射して、入射光の残りの約９０％を透過するハーフミラーである。ミラー層２７は微細な凹凸形状を有するように形成されている。そのため、映像光は、スクリーン２６でマクロ的に拡散反射され、映像として観察可能となる。

なお、本実施の形態において、映像表示システム３０は拡散反射型のスクリーン２０を備えるが、本開示はこれに限定されない。図４に示すように、変形例の映像表示システム３８は、拡散透過型のスクリーン２８を備えてもよい。この場合には、スクリーン２８は、プロジェクタ１０から投写された映像光を拡散透過させて映像を表示する。そして、スクリーン２８が背景光を透過するために、映像光もスクリーン２８を直進透過する。そのため、反射型の映像表示システム３０と同様に、映像光の一部は、スクリーン２８を直進透過して、不要透過像を発生させる。従って、図４に示すように、基材２１のプロジェクタ１０と反対側に基材２３および複数の光吸収材２４を配置することにより、天井８０における不要像の発生を抑制することができる。

本開示に係るスクリーンは、背景光の透過を実現しながら、スクリーンを透過した映像光による不要像の発生を抑制することができる。そのため、本開示に係るスクリーンは、プロジェクタから投写された映像光を拡散反射または拡散透過させて映像を表示するとともに、背景光を透過するスクリーンとして有用である。

１０ プロジェクタ
２０，２６，２８ スクリーン（透明スクリーン）
２１ 基材（第１の基材）
２３ 基材（第２の基材）
２２ 拡散微粒子（拡散部材）
２４ 光吸収材
２５ 透明粘着層（透明材料）
２７ ミラー層（拡散部材）
３０，３６，３８ 映像表示システム
８０ 天井
９０ 観察者
Ｘ 法線方向
Ｙ 配列方向

Claims (9)

1. 入射光の一部を直進透過させ、前記入射光の他の一部を拡散させることにより、プロジェクタから投写された映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンであって、
   透明な第１の基材と、
   前記第１の基材の内部に配置され、前記映像光を拡散させる拡散部材と、
   前記第１の基材の前記プロジェクタと反対側に配置された透明な第２の基材と、
   前記第２の基材の内部において、前記第２の基材の主面と平行な配列方向に沿って、それぞれ平行に配列された複数の光吸収材とを備える、
   透明スクリーン。
2. 前記複数の光吸収材は、前記主面の法線方向に沿って延伸している、
   請求項１に記載の透明スクリーン。
3. 前記複数の光吸収材の配列間隔に対する、前記複数の光吸収材の前記法線方向の長さの比率が、１．２以上２．０以下である、
   請求項２に記載の透明スクリーン。
4. 前記法線方向から見た場合において、前記第２の基材の面積に対する、前記複数の光吸収材の面積の比率は、１％以上１０％以下である、
   請求項２に記載の透明スクリーン。
5. 前記第１の基材と前記第２の基材とが、透明材料によって接合されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の透明スクリーン。
6. 映像光を投写するプロジェクタと、
   入射光の一部を直進透過させ、前記入射光の他の一部を拡散させることにより、前記映像光を拡散させて映像を表示する透明スクリーンとを備え、
   前記透明スクリーンは、
   透明な第１の基材と、
   前記第１の基材の内部に配置され、前記映像光を拡散させる拡散部材と、
   前記第１の基材の前記プロジェクタと反対側に配置された透明な第２の基材と、
   前記第２の基材の内部において、前記第２の基材の主面と平行な配列方向に沿って、それぞれ平行に配列された複数の光吸収材とを有する、
   映像表示システム。
7. 前記複数の光吸収材は、前記主面の法線方向に沿って延伸している、
   請求項６に記載の映像表示システム。
8. 前記プロジェクタは、前記透明スクリーンへの前記映像光の最大入射角が６０°以上７５°以下になるように、配置されており、
   前記複数の光吸収材の配列間隔に対する、前記複数の光吸収材の前記法線方向の長さの比率は、１．２以上である、
   請求項７に記載の映像表示システム。
9. 前記プロジェクタは、前記透明スクリーンの中央への前記映像光の入射角が４０°以上５０°以下になるように、配置されており、
   前記複数の光吸収材の配列間隔に対する、前記複数の光吸収材の前記法線方向の長さの比率は、２．０以下である、
   請求項７又は８に記載の映像表示システム。

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