JP2001242416A

JP2001242416A - 投影装置用の逐次色再捕獲

Info

Publication number: JP2001242416A
Application number: JP2000376680A
Authority: JP
Inventors: Duane Scott Dewald; スコットドワルドドアン; Steven M Penn; エム、ペンスチーブン; Michael T Davis; ティ、デービスマイケル
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2001-09-07
Also published as: TW508953B; EP1098536A3; ATE478523T1; EP1098536A2; EP1098536B1; DE60044840D1

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な光学機器を用いて低コストのフルカラー
表示装置を製作する方法と装置を提供する。【解決手段】白色光源２０２を用いて映像面２１４上に
フルカラー映像を生成する逐次色表示装置である。ダイ
ナミック・フィルタ２０６は空間光変調器２１０の面上
を掃引する一連の原色の光のビームを生成する。ダイナ
ミック・フィルタ２０６により拒否された光は光再循環
器２０４に入り、ダイナミック・フィルタ２０６に再び
当てられる。ダイナミックフィルタ２０６は全ての３原
色を同時に作る。ダイナミック・フィルタ２０６の照ら
された部分は変調器２１０上に投影され、コントローラ
２１６は変調器２１０の各部毎に変調器面上の原色帯域
の掃引と同期して該当する映像データを与える。空間光
変調器２１０は原色帯域を変調して、変調光を映像面２
１４上に収束させる。視聴者はフレーム期間中に映像面
２１４の各部に到着する光を統合してフルカラー映像を
知覚する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表示装置の分野に関
するもので、特に単一光変調器を用いるフルカラー表示
装置、より詳しくはフォーリング・ラスタ（ｆａｌｌｉ
ｎｇｒａｓｔｅｒ）またはスクローリング・カラー
（ｓｃｒｏｌｌｉｎｇｃｏｌｏｒ）と呼ぶ方法を用い
る逐次フルカラー表示装置（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｔ
ｕｌｌｃｏｌｏｒｄｉｓｐｌａｙｓｙｓｔｅｍ）
に関する。

【０００２】

【従来の技術】視聴者は、映像の大きさ、解像度、コン
トラスト比、カラー純度、明るさなどの多くの判定基準
に基づいて表示装置を評価する。多くの表示装置市場に
おいて映像の明るさは特に重要な測度である。なぜな
ら、利用可能な明るさは投影される映像の大きさを制限
し、また周囲の光のレベルが高いときは映像の見え具合
を左右するからである。投影表示装置の設計者は、映像
を形成するのに用いる光源を強くすることにより所定の
投影表示装置の明るさを大きくする。しかし光源を強く
すると、表示装置のコストも大きさも重さも大きくな
る。また光源が大きいほど発熱も大きく、表示装置はこ
れを放散しなければならない。

【０００３】表示装置が生成する映像の明るさに影響す
る要因は他にも多い。主な要因の１つは、映像を生成す
るのに用いる光を変調する変調器の数である。ディジタ
ル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ；商標）などの応答の
速い変調器を用いる表示装置では、１個の変調器を用い
てフルカラー映像を作ることができる。他の表示装置で
は、３個の液晶表示（ＬＣＤ）パネルやＤＭＤなどの変
調器を用いてフルカラー映像を作る。

【０００４】マイクロミラーを用いる表示装置は一般に
ディジタル方式すなわち双安定方式でマイクロミラーを
操作する。ディジタル操作では所定のマイクロミラーを
第１の位置または第２の位置に一杯に振らせる。表示装
置の照明機器はマイクロミラー・セルのアレイ全体を照
らす。第１の位置に振れたマイクロミラーは光を第１の
光路に偏向させ、第２の位置に振れたマイクロミラーは
光を第２の光路に偏向させる。表示装置の投影機器は第
１の位置のミラーからの光を集めて、光を映像面に収束
させる。第２の位置のミラーにより反射された光は映像
面に到達しないようにする。第１の位置にあるミラーに
関連する映像画素は明るく照らされるが、第２の位置に
あるミラーに関連する映像画素は照らされない。

【０００５】パルス幅変調を用いると、ディジタル・マ
イクロミラー装置または他の空間光変調器でグレースケ
ール強さを知覚することができる。パルス幅変調を用い
るとき、所定のマイクロミラー要素はディジタル強度語
に応じて迅速にオンオフする。ミラーのデューティーサ
イクルは映像画素に貢献する光の全量を決定する。画素
の脈動が十分速い場合は、人の目は画素の平均強度は正
確に測定するが脈動は検出しない。またフルカラー映像
は、人の目の応答が比較的遅いことを利用して作る。各
フレーム期間を少なくとも３つの期間に分けて、各期間
中に原色映像を生成する。原色映像を高速で連続して生
成すると、目は単一のフルカラー映像を知覚する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】逐次色表示装置に代わ
るものは３個の変調器を用いる表示装置である。３変調
器の表示装置は逐次色表示装置によく似ており、両方と
も３原色の映像を組み合わせてフルカラー映像を形成す
る。３変調器の表示装置の欠点は、光源からの白色光ビ
ームを３原色光ビームに分解するためと変調された原色
光ビームを再結合するために、３個の変調器と複雑な光
学機器が必要でコストが高いことである。１個の変調器
を用いる逐次色表示装置の欠点は映像が余り明るくない
ことである。白色光源を３原色光ビームに時分割するの
で、任意の時刻にほとんどの光が用いられない。例え
ば、青原色映像を形成するときは、白色光源の緑および
赤の出力を光ビームから濾波して除去する。逐次色表示
装置は一般に３変調器の表示装置に比べて安価である
が、光源が生成する光の使用効率が悪い。

【０００７】光の損失は表示装置が生成する映像の明る
さを減少させるだけでなく、光を捨てることにより表示
装置にいくつかの問題が生じる。光ビームから濾波して
除かれた光は一般に散乱光になるので、これが映像面に
届かないように、また表示された映像のコントラストを
劣化させないように、表示装置は制御しなければならな
い。原色以外の光は一般に熱に変わる。熱は大きなファ
ンを用いて放散しなければならないが、これにより表示
装置の騒音が大きくなり、また表示装置の寸法が大きく
なる。必要なのは、効率は３変調器の表示装置と同じで
あるが簡単な光学機器と低コストの１変調器の表示装置
を利用することのできる、効率的な照明装置である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的と利点は明
らかであって、後で説明するように、逐次色再捕獲のた
めの方法と装置を提供する本発明により達成される。本
発明の１つの実施の形態は次の構成要素を備える表示装
置を提供する。すなわち、白色光のビームを生成する光
源と、白色光のビームを均質化するインテグレータ（統
合器）と、均質化された白色光のビームを濾波濾過して
前記均質化された白色光のビームを第１の光路を進む或
る原色の光のビームと第２の光路を進む残りの光のビー
ムとに分離するフィルタと、第１の光路を進む光を選択
的に変調して映像を形成する第１の光路上の空間光変調
器とを含み、残りの光のビームの一部はフィルタの第２
の領域に入射して第１の光路を進む。

【０００９】本発明の第２の実施の形態は次の構成要素
を備える表示装置を提供する。すなわち、白色光のビー
ムを生成する光源と、白色光のビームを均質化するイン
テグレータと、均質化された白色光のビームを濾波して
前記均質化された白色光のビームを第１の光路を進む或
る原色の光のビームと第２の光路を進む残りの光のビー
ムとに分離するフィルタと、第１の光路を進む光を受け
て第１の光路を進む光を選択的に変調して映像を形成す
る第１の光路上の空間光変調器を含み、前記残りの光の
ビームはインテグレータに再入射し、インテグレータを
再び透過してフィルタに進み、残りの光のビームの一部
はフィルタの第２の領域に入射して第１の光路を進む。

【００１０】本発明の第３の実施の形態は映像を生成す
る方法を提供する。この方法は次のステップを含む。す
なわち、白色光のビームを供給し、白色光のビームをダ
イナミック・フィルタの第１の領域に当て、ダイナミッ
ク・フィルタの第１の領域は第１の原色部を透過させま
た残りの光のビームを拒否し、第１の原色部を変調し、
残りの光のビームの一部を前記ダイナミック・フィルタ
の第２の領域に当て、前記ダイナミック・フィルタの第
２の領域は残りの光のビームの第２の原色部を透過さ
せ、光のビームの第２の原色部を変調し、光のビームの
変調された第１および第２の原色部を映像面に収束させ
る。

【００１１】本発明の技術的利点は照明の効率が非常に
高いことである。光のビームの全ての色成分を常に用い
るので、本発明の装置と方法は１個の変調器パネルだけ
を用いて３個の変調器パネルを用いる装置と同じ効率を
達成する。効率が高いので、運転寿命が長くて発熱の少
ない低コストの光源を用いることができる。本発明を実
現するのに必要な装置のコストは、３パネルの表示装置
を実現するのに必要な光学機器および変調器パネルのコ
ストよりはるかに低い。発熱が少ないため冷却ファンと
エア・ダクトの必要度が小さいので、表示装置の全体の
寸法は小さくて済む。

【００１２】

【発明の実施の形態】逐次色表示装置の光学的効率を大
幅に改善する新しい光学装置と方法を開発した。本装置
は、照明ビームが横方向に色を変えるフォーリング・ラ
スタまたはスクローリング・カラーと呼ぶ逐次色の概念
を用いる。逐次フィルタから拒否された光を再循環させ
て（すなわち、集めて）フィルタに再び与えることによ
り装置の効率を高める。所定の時刻に１つ以上の色を表
示するので、１つのフィルタ・セグメントから拒否され
た光は、別の適当なフィルタ・セグメントにうまく導け
ばそのフィルタ・セグメントを通ることができる。

【００１３】図１は逐次色表示装置１００の透視図であ
る。図１の表示装置１００では、光源１０２からの光は
回転するカラー・ホイール１０４上に収束する。回転す
るカラー・ホイール１０４は、高速で連続して原色が次
々に変わる光のビームを生成する。原色の光のビームは
空間光変調器１０６（この場合はＤＭＤ）に当たる。

【００１４】コントローラ１０８はビデオ信号を受け
て、カラー・ホイール１０４と同期して映像データを空
間光変調器１０６に送る。映像の赤の部分を表す映像デ
ータは赤色フィルタが光のビームを通す期間中に送る。
変調された赤い光のビームは投影レンズ１１２により映
像面１１０上に収束して赤の映像を形成する。緑フィル
タと青フィルタが光のビームを通すとき同じ過程を繰り
返す。視聴者の目は３原色の映像を統合して１つのフル
カラー映像を知覚する。

【００１５】図２は、本発明の１つの実施の態様に係る
逐次色再循環装置のブロック図である。図２において、
光源２０２は光のビームを光再循環器２０４に与える。
光再循環器２０４はランプ・ハウジングすなわち反射器
を備えることが多く、光のビームを均質化してダイナミ
ック・フィルタ２０６に送る。ダイナミック・フィルタ
は一般に一組の動くダイクロイック・フィルタ（例え
ば、カラー・ホイール）である。ダイナミック・フィル
タ内の各フィルタは波長の或る範囲の光を選択する（こ
の場合は透過させる）或る帯域幅を持ち、帯域幅以外の
光を拒否する（この場合は反射させる）。

【００１６】ダイナミック・フィルタ２０６を透過した
光はレンズ２０８により空間光変調器２１０上に収束す
る。空間光変調器２１０は該光を変調して映像を形成
し、光のビームはレンズ２１２により映像面２１４上に
収束する。図１と同様に、コントローラ２１６は映像デ
ータを受けて、ダイナミック・フィルタ２０６と同期し
て原色の映像データを変調器２１０に送る。上に説明し
たように、ダイナミック・フィルタはその帯域幅内の光
を透過させ、帯域幅外の光を拒否する。図２は、光再循
環器２０４に戻る拒否光路を示す。光再循環器２０４は
拒否された光を受け、これをまた反射してダイナミック
・フィルタ２０６に戻す。再循環光が異なる帯域幅を有
するフィルタに当たると、これを透過してレンズ２０８
に進む。この再循環光の一部が拒否されると再び光再循
環器２０４により再循環してダイナミック・フィルタ２
０６に当たる。この過程は、光が光再循環器２０４に吸
収されるか、ダイナミック・フィルタ２０６に受け入れ
られるか、または光再循環器２０４から脱出するまで続
く。

【００１７】図２に示す装置の重要な要素の１つはダイ
ナミック・フィルタ２０６である。ダイナミック・フィ
ルタは各原色フィルタの１つ以上のセグメントを常に光
ビームに提供して、全ての再循環光が、自分が通るフィ
ルタを見つけることができるようにしなければならな
い。各色のフィルタの大きさは同じである必要はない
が、再循環操作を効率的に行うためには、フィルタの大
きさを不均一にしても利点はない。

【００１８】図３と図４は多セグメント・カラー・ホイ
ールの２つの実施の形態の平面図を示す。図３と図４に
示すカラー・ホイールは共に多数の小さなセグメントを
有する。各セグメントは１つの原色を透過させ、他の２
つの原色を拒否する。カラー・ホイールからの光を空間
光変調器上に投影するとき、各フィルタは空間光変調器
の別々の部分を照らす。図５は、３色ダイナミック・フ
ィルタ２０６からの光が投影された空間光変調器２１０
を示す。

【００１９】一般に、変調器は多くの同じ操作信号とバ
イアス電圧を受ける変調器セルを水平な行に配列したも
のなので、原色セグメントの境界が水平で行から行へと
垂直に動くと変調器の動作は非常に効率的になる。変調
器要素は列を垂直なグループに配列してもよい。この場
合は、原色セグメントの境界は垂直で、列から列に水平
に動く。図３に示すようなカラー・ホイールは、パイの
形をした、セグメントの間に傾斜した境界を持つ原色セ
グメントを作ることが多い。カラー・ホイールの半径が
大きくなるに従って、セグメントの間の角度は小さくな
る。カラー・ホイールは大きくない方がよい。大きいと
装置の寸法が大きくなり、回転させるモータが大きくな
り、その慣性が大きいのでカラー・ホイールの速度を変
えてカラー・ホイールをビデオ信号に合わせることが一
層困難になるからである。

【００２０】図１１は図３のカラー・ホイール１１００
の平面図であって、カラー・ホイールと表示装置の光路
の断面１１０２との関係を示す。光路の断面１１０２
は、図８に示すインテグレータ・ロッド８１０から出る
光が照らす領域である。インテグレータ・ロッドは一般
にカラー・ホイールのごく近くに置いて、カラー・ホイ
ールが反射する光をインテグレータ・ロッドが再捕獲で
きるようにする。また、図１１に示す光路の断面１１０
２が通るカラー・ホイール１１００の部分は変調器に投
影されるので、光路の断面１１０２はカラー・ホイール
１１００と変調器のアラインメントを示す。図１１のカ
ラー・ホイールの直径は７０ｍｍであり、４０組の一般
に赤、緑、青の原色フィルタを有し、全部で１２０フィ
ルタ・セグメントである。カラー・ホイールが９０ｒｐ
ｍで回転するとフレーム速度は６０ｈｚになる。ただし
一時的な影（ａｒｔｉｆａｃｔ）を減らすには速度を大
きくする必要がある。

【００２１】ここに開示する照明装置の１つの利点は、
カラー・ホイールの回転が非常に低速度でよいことであ
る。カラー・ホイールの回転は遅い方が安全である。な
ぜなら、低速で回転するカラー・ホイール（ガラスが多
い）の破片は高速で回転するカラー・ホイールの破片よ
り運動量が小さいからである。また低速のカラー・ホイ
ールは騒音が小さい。これは多くの表示装置において望
ましい特性である。また低速のカラー・ホイールに用い
るモータは小さくてよいので、高速のカラー・ホイール
ほど正確にバランスをとる必要がない。

【００２２】図４に示す渦巻き型カラー・ホイールを用
いると、カラー・ホイールの寸法が小さくなり、変調器
とカラー・ホイールの照らされるセグメントとのアライ
ンメントが良くなる。図４に示す渦巻き型カラー・ホイ
ールは、境界が「アルキメデスの渦巻き」を形成する色
フィルタを有する。アルキメデスの渦巻きは次式で定義
される。ｒ＝ａθ ただし、ｒは半径（すなわち、中心から前記境界線まで
の距離）、ａは定数、θは前記境界線と基準線の間の弧
を定義する。２つのフィルタの間の境界毎に別の基準線
を用いる。

【００２３】図１５は、基準線１５０２とθと半径ｒの
関係を示す。アルキメデスの渦巻きを用いると、各境界
は光弁を通って滑る傾斜面を近似する。境界は直線では
ないので、変調器要素の行に平行にはならない。しかし
境界は変調器要素の行の接線となる非常に浅い曲線を形
成し、またこの境界は小さなフィルタ・ホイールを用い
るときでも変調器の全面にわたって同じ曲線と速度を保
持する。渦巻きは隣接するセグメントの間の境界の接線
が空間光変調器の行にほぼ水平になるように設計して、
空間光変調器に対して位置合わせする。渦巻き型カラー
・ホイールが回転すると、光のビームを通す渦巻きの部
分が渦巻きに沿って移動して、セグメントと変調器の間
の良いアラインメントを保持する。

【００２４】図１２は、図４に示すカラー・ホイールと
同様な渦巻き型カラー・ホイール１２００の一部の平面
図で、渦巻き型カラー・ホイールと表示装置の光路の断
面１１０２とのアラインメントを示す。図４と図１２の
渦巻き型カラー・ホイールのフィルタ・セグメントは、
カラー・ホイールの回転に従って光路断面１１０２に対
して水平にまた垂直に動く。これにより、フィルタ・セ
グメントと変調器要素の水平な行とのアラインメントは
変調器アレイ全体にわたって改善される。図１２のカラ
ー・ホイールは２４組の原色フィルタを有し、全部で７
２フィルタ・セグメントである。各フレームを形成する
のに１０組のフィルタが必要であると仮定して、カラー
・ホイールを２５Ｈｚで回転するとフレーム速度は６０
Ｈｚになる。

【００２５】図１３は、各組の原色フィルタにオプショ
ンの白色フィルタ・セグメント１３００を加えた図を示
す。白色セグメントを用いると逐次色装置全体の明るさ
が増加するが、映像の彩度が減少するというマイナス面
がある。再循環操作の効率は１００％でないので（理由
は後で説明する）、白色セグメントを用いると照明装置
の効率は２５％向上する。

【００２６】現在のＤＭＤ設計では変調器要素をグルー
プ化して多数の完全な行を含むリセット・グループにし
ているが、将来の設計では変調器要素を要素の多数の完
全な列を含むグループにしてよい。要素のグループ化を
変えると図１２に示す光弁の外形１１０２の方向を変え
る必要があり、フィルタ・セグメントの境界とリセット
・グループとの一致は良くなる。上に説明したように、
アルキメデスの渦巻きを用いる色セグメントではセグメ
ントの間の境界が曲線になる。曲線であるために、リセ
ット・グループとフィルタ境界との完全なアラインメン
トができない。境界のセグメントを長く照らすほど、湾
曲のアラインメントへの影響が大きくなる。変調器を図
１２に示す方向から９０度回転させると境界の短い部分
を用いることになるので、特に１６：９ＨＤＴＶ方式な
どの広画面方式で用いるときには、大きなフィルタ・セ
グメントを用いることが可能になる。

【００２７】カラー・ホイールが回転すると、空間光変
調器上に投影する３原色セグメントは空間光変調器の表
面を動く。図６は、空間光変調器２１０の表面上を下に
移動した図５の３原色セグメントを示す。図６から分か
るように、１つの原色セグメントが空間光変調器の表面
から外に出始めると、すぐ同じ色の別のセグメントが入
り始める。図７は、１セグメントの幅だけ移動した後の
図５の３原色セグメントを示す。

【００２８】任意の時点に各色は変調器の異なる領域に
現れるので、変調器に与えられる映像データは３原色全
てのデータの混合である。例えば、変調器の１つの領域
が赤のデータを用いて動作しているとき、変調器の他の
領域は緑と青のデータを用いて動作している。アドレス
指定回路からの制限と、空間光変調器全体の領域間の境
界の掃引を正確に制御する機能からの制限のために、空
間光変調器の行を一般に複数のグループに分割し、各グ
ループは単一の原色のデータを受ける。２つの領域の間
の境界が行の所定のグループを横切って掃引する間は、
グループをオフにしまたは用いて、スポーク光再捕獲
（ｓｐｏｋｅｌｉｇｈｔｒｅｃａｐｔｕｒｉｎｇ）
と呼ぶ方法を用いて白色成分を生成する。

【００２９】図８は逐次色再循環表示装置の１つの実施
の形態の側面図である。図８で、アーク・ランプ８０４
からの光８０２は反射器８０６で反射して、反射アパー
チャ（開口）板８１２内のアパーチャを通ってインテグ
レーティング（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ）・ロッド（統
合ロッド）８１０に入る。種々のインテグレーティング
・ロッド８１０が用いられる。例えば、インテグレーテ
ィング・ロッド８１０は反射内面を持つ中空構造かまた
は内部全反射を用いて通過光を保持する中実ロッドでよ
い。インテグレーティング・ロッド８１０に入る光は、
インテグレーティング・ロッド８１０を通って進むビー
ムの断面が均一になるまで、インテグレーティング・ロ
ッドの表面で数回反射する。

【００３０】インテグレーティング・ロッド８１０を出
た光は、カラー・ホイール８１４として図８に示すダイ
ナミック・フィルタに当たる。カラー・ホイール８１４
に当たる光の一部は、ビームにより照らされる３つ以上
のセグメントをそれぞれ通る。各セグメントは入力光の
一部を透過させ、残りを反射させる。カラー・ホイール
８１４を透過した光は空間光変調器８１６上に収束す
る。

【００３１】カラー・ホイール８１４に拒否された光は
インテグレーティング・ロッド８１０を通って戻る。図
８に示す実施の形態では、光はインテグレーティング・
ロッドから出てランプ反射器８０６で反射して、またイ
ンテグレーティング・ロッド８１０に入る。図２を再び
参照すると、光再循環器２０４は図８のインテグレーテ
ィング・ロッド８１０と反射器８０６を含む。再循環光
８１８はインテグレーティング・ロッド８１０で再び均
質化された後、ダイナミック・フィルタ８１４に当た
る。図８の再循環光８１８は同じフィルタに２度当たっ
てまた拒否される確率が１／３、第２のフィルタに当た
って拒否される確率が１／３、第２のフィルタに当たっ
て透過する確率が１／３である。

【００３２】通過できるダイナミック・フィルタの部分
に光が到達するまで、または光が光再循環器で吸収され
るかまたはそれから脱出するまで、再循環過程は続く。
再循環光は反射器８０６の表面被覆で吸収されることも
あり、アーク・ランプの電極に達したときに吸収される
こともある。

【００３３】図１４は、通過する光を再循環させるよう
設計されたインテグレータ（ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）・
ロッド（統合ロッド）９０２の１つの実施の形態の透視
図である。図９は、図１４のインテグレータ・ロッド９
０２の断面である。光源からの光９０４は、ロッド９０
２の鏡付き入り口端内のアパーチャを通ってロッドに入
る。アパーチャの面積はロッド端の面積の約１／３であ
る。高出力光源より一般にアークが小さい低出力光源と
組み合わせる場合は、小さいアパーチャの方がよい。ス
クローリング色再循環表示装置にインテグレータ・ロッ
ド９０２を用いると装置全体の効率が大幅に向上するの
で、装置の所定の明るさレベルを保持するには低出力光
源でよい。

【００３４】インテグレータ・ロッド９０２は一般に中
実ガラス棒であるが、他の材料を用いてもよい。例え
ば、或るインテグレータ・ロッドは内部に鏡面を持つ中
空構造である。一般にインテグレータ・ロッドは、表示
装置に用いられる変調器と同じ断面アスペクト比を有す
る。インテグレータ・ロッド９０２の鏡付き端面は、図
１４に示すアパーチャ１４００以外のインテグレータ・
ロッドに当たる光を反射させる。この光は反射してラン
プと反射器に戻り、アパーチャ１４００を透過すること
のできる位置と角度でまたインテグレータに戻る確率が
高い。図１４に示す反射アパーチャは８乃至１５パーセ
ントの明るさ利得を与えることが分かっている。

【００３５】ロッドに入る光は、ロッドの中を進むに従
って数回反射する。ロッド９０２の出口端から出ると、
光はダイナミック・フィルタの第１のセグメント９０６
に当たり、光の第１の帯域９０７が通過する。残りの光
９０８はダイナミック・フィルタの第１のセグメント９
０６で反射してインテグレータ・ロッドの中を反対方向
に進む。残りの光９０８はインテグレータ・ロッド９０
２の入り口端にあるミラー９１０で反射して、またロッ
ド９０２の中を最初の方向に進む。最終的に再循環光９
１２はダイナミック・フィルタの第２のセグメント９１
４に当たり、第２の帯域９１６が通過する。残りの光は
また再循環して、最終的にダイナミック・フィルタの第
３のセグメント９１８に当たり、第３の帯域が通過す
る。

【００３６】図９と図１４のインテグレータ・ロッド９
０２を用いると、入り口アパーチャ１４００の面積がロ
ッドの端の面積の１／３なので、第１のセグメント９０
６で反射された光の１／３はインテグレータ・ロッドか
ら出てランプおよび反射器に戻る。この光は反射器の第
２の焦点に非常に近い点からランプに向かって進むの
で、アークの近くを通って反射器で収束して入力アパー
チャ１４００に入る確率が高い。

【００３７】第１のセグメント９０６で反射した光の残
りの２／３（インテグレータ・ロッドの鏡付き端９１０
で反射した部分）は、第２のフィルタ・セグメント９１
４または第３のフィルタ・セグメント９１８に当たる確
率が２／３である。当該光は２原色成分だけ含み、第３
の原色成分は第１のフィルタ・セグメントをすでに通過
しているので、第２および第３のフィルタ・セグメント
に当たる光の５０％はフィルタ・セグメントに受け入れ
られてカラー・ホイールを通過する。残りの部分はまた
再循環してカラー・ホイールに向かう。反射損失がない
と仮定すると、かかる装置の理論的効率は次式の通りで
ある。効率＝（１／３）［１＋（２／３）^２＋（２／３）
^４＋（２／３）^６＋．．．］≒ ［１．７８］

【００３８】言い換えると、ランプ面積（ｅｔｅｎｄｕ
ｅ）が十分小さいとき、この装置の効率はフィールド逐
次照明装置に比べて最大１．８倍高くなる可能性を有す
る。反射する度に５％という大きな損失があると仮定す
ると、上記の効率級数は１．６５倍の効率利得に収束す
る。上の効率計算ではランプおよび反射器に戻る光は損
失になると仮定した。上に述べたように、入力アパーチ
ャ１４００を通過する再循環光はランプおよび反射器組
立体に戻り、また入力アパーチャに戻る可能性が十分あ
る。モデルによると、ランプおよび反射器組立体から入
力アパーチャに戻る光は照明装置の効率を上に述べた値
より最大２０％向上させる。しかし実際には、ランプお
よび反射器を通って多くの光が再循環することを測定に
よって確かめにくいので、ランプおよび反射器を通って
再循環する光ははるかに少ないようである。しかし、イ
ンテグレータ・ロッドの鏡付き端を取り外して全ての再
循環光を反射器に戻すことは可能である。したがって、
反射器は図２の光再循環器２０４の一部と考えられる。

【００３９】インテグレータ・ロッドの鏡付き端のアパ
ーチャの大きさは装置の全体効率に大きな影響を与え
る。一般に、アパーチャが大きいほど光収集装置の効率
は高いが、再循環の効率は低い。同様に、アパーチャが
小さいほど再循環の効率は高いが、インテグレータ・ロ
ッドに入る光の量は少ない。図１７〜１９はアークの大
きさとアパーチャの大きさが光収集装置の効率に与える
影響を示す。

【００４０】図１７は、モデルによる収集効率と収集ア
パーチャの直径との関係を種々のランプ・アークの大き
さと反射器の設計についてプロットしたものである。図
１７で、ｘ軸はアパーチャの直径をミリメートルで表
し、ｙ軸はｆ／１収集分数（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｆ
ｒａｃｔｉｏｎ）を表す。アークの大きさは０．７ｍｍ
から１．５ｍｍまでの範囲である。実線は長円形のコレ
クタの収集効率を表す。破線は放物線形の反射器の収集
効率を表す。

【００４１】図１８は、６．４ｍｍｘ４．８ｍｍのイン
テグレータ・ロッドで実現される再循環利得を鏡付き入
力アパーチャの大きさの或る範囲にわたってプロットし
たものである。図１８で、ｘ軸は入力アパーチャの直径
をミリメートルで表し、ｙ軸は再循環利得を表す。図１
８では、インテグレータ・ロッドを通る度に７％の反射
損失があると仮定している。図１９は図１７と図１８の
データを組み合わせてプロットしたもので、複数のラン
プ・アークの大きさにおいて、入力アパーチャの大きさ
の或る範囲にわたる全照明効率を示す。図１９はｙ軸を
照明効率（ルーメン／ワット）、ｘ軸を入力アパーチャ
の直径としてプロットしているが、この図が示すよう
に、ランプ・アークが大きいほどインテグレータ・ロッ
ドの最適入力アパーチャは大きい。

【００４２】白色セグメントを用いて効率利得を上げる
と、表示投影機の全効率は最大１２０％（２．２倍）ま
で上がる。この効率利得により、従来は３変調器の表示
装置を必要とする応用に１変調器の表示装置を用いるこ
とができる。または、はるかに低出力ランプを用いて、
スクローリング色再循環を用いない装置と同等の明るさ
を与えることができる。効率の向上は投影機の全熱負荷
に直接影響する。なぜなら、使われない光が熱として吸
収されずに再循環されるからである。

【００４３】これまで説明した実施の形態ではカラー・
ホイールのパイ型または渦巻き型のセグメントを用いた
が、多くの他の実施の形態が考えられる。例えば、種々
のフィルタ・ドラム、ベルト、その他の機器も同様に用
いることができる。図１０は、フィルタ・ベルトを用い
る照明路の１つの実施の形態の透視図である。図１０
で、光源１０００は白色光のビームをインテグレータ・
ロッド１００２に与える。インテグレータ・ロッドは白
色光のビームを均質化して、回転するフィルタ・ベルト
１００４に光のビームを与える。フィルタ・ベルト１０
０４により拒否された光はインテグレータ・ロッドを通
って戻り、再循環される。フィルタ・ベルトを通過した
光はミラー１００６で反射して、レンズ１００８により
空間光変調器１０１０上に収束する。前の実施の形態と
同様に、拒否された光を再捕獲して再循環するには注意
深い光学設計が必要がある。例えば、ダイナミック・フ
ィルタを一般にインテグレータ・ロッドのすぐ近くに置
いて、ダイナミック・フィルタにより拒否された光の大
部分がインテグレータ・ロッドに再び入るようにする。

【００４４】１パネル（単一ＬＣＤ、ＤＭＤ、その他の
変調器）の表示装置で逐次色再循環を実現するとき最大
の効率利得が得られる。上に説明した逐次色再循環法お
よび装置により、単一パネルの装置を用いて従来に比べ
てはるかに優れた効率を達成することができる。しかし
ここに開示した方法と装置の応用は単一パネルの表示装
置に限定されるものではない。同じ方法は２パネルおよ
び３パネルの表示装置にも適用できる。しかし一般に表
示装置はかなり高価になる。

【００４５】米国特許番号第５，６１２，７５３号は、
第１のパネルを用いて２つの原色の映像を逐次生成し、
第２のパネルを用いて第３の原色の映像を生成する、と
いう２パネル装置を開示している。スクローリング色再
捕獲の概念は、図１６に示す２パネルの表示装置に適用
することができる。図１６で、渦巻き型カラー・ホイー
ル１６０２は、光源１６０４から出てインテグレータ・
ロッド１６０６により均質化された光を濾波する。渦巻
き型カラー・ホイール１６０２は多くの色フィルタの対
を含み、モータ１６０８により回転する。各フィルタは
２つの原色を通し、１つの原色を拒否する。フィルタ
は、どちらも原色の１つを通すように選択される。他の
原色のうちの１つはフィルタの１つを通過し、別の原色
は別のフィルタを通過する。例えば、第１のフィルタは
マゼンタ光（赤と青の原色から成る光）を通し、別のフ
ィルタは黄光（赤と緑の原色から成る光）を通す。濾波
された光はＴＩＲプリズム組立体１６１０に入り、ここ
で反射した光は色分離プリズム組立体１６１２に入る。
色分離プリズム組立体１６１２内の２個のプリズムの中
間面にあるダイクロイック（２色性）・フィルタは２つ
のフィルタを通った原色と他の２つの原色を分離する。
例えば、赤色光はダイクロイック・フィルタを通ってＤ
ＭＤ１６１４により変調される。他の２つの原色はダイ
クロイック・フィルタで反射して、ＤＭＤ１６１６で変
調される。

【００４６】変調器１６１４で濾波された光は必ず赤色
光であり、青色光と緑色光は変調器１６１６をスクロー
ルする。カラー・ホイールのフィルタ・セグメントによ
り拒否された光は青と緑の成分から成り、再循環され
る。空間光変調器により変調された光は色プリズムを通
ってその光路を戻る。ＤＭＤは変調光の角度を変えるの
で、変調光はＴＩＲプリズムの中間面で反射せずに中間
面を通過する。変調光は投影レンズ１６１８により映像
面１６２０上に収束して映像を形成する。

【００４７】これまではダイナミック・フィルタは動く
ダイクロイック・フィルタとして説明したが、他の型と
設計のフィルタも有用である。例えば、一組の静止フィ
ルタと、変調器の表面上で原色ビームを掃引する装置と
を組み合わせると別の形のダイナミック・フィルタが得
られる。同様に、別の実施の形態では固体色スイッチ
（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅｃｏｌｏｒｓｗｉｃｈ）
を用いてもよい。

【００４８】上に説明した装置の白色点と色の全領域と
を調整するには複数の方法がある。第１に、各原色を作
るのに用いる映像データを基準化していくつかの原色成
分の最大強さを下げることができる。または、可変フィ
ルタ密度を用いて、変調の前にいくつかの原色光成分の
明るさを減らすことができる。更に、再循環装置の効率
は１００％ではないので、光の或る原色成分がフィルタ
に受け入れられる確率を高めることにより、色フィルタ
の相対的な大きさを調整して表示装置の白色点を変える
ことができる。受け入れられる所定の原色成分の確率を
高めると、反射を繰り返す度に生じる損失が減り、また
反射器に逃げてインテグレータ・ロッドに戻らない光に
よる損失が減る。

【００４９】上に述べたように、カラー・ホイールは変
調器上を動くパイ型の色セグメントを生成することが多
い。セグメント間の境界の角度は、カラー・ホイールか
らの光が変調器の面上を動くに従って変わる。アルキメ
デスの渦巻き型設計を用いると、色セグメントが変調器
上を動くときに境界の角度を一定に保つことができる
が、境界は湾曲するので製作が困難である。色が変わる
光や原色の混合である光は用いるのが難しい。混合光を
用いて二次色すなわち白色を作ることにより表示装置の
明るさを増すことはできるが、色の純度は悪くなる。ま
たは、要素が受けた光の色が変わる間は変調器要素をオ
フにすればスポーク光が除かれる。

【００５０】以上のように逐次色再捕獲のための方法と
装置の特定の実施の形態を開示したが、特許請求の範囲
に示すものを除いて、かかる特定の例は本発明の範囲を
制限するものではない。また、特定の実施の形態に関し
て本発明を説明したが、当業者に理解されるようにこれ
らは更に変更することができるものであって、かかる変
更は全て特許請求の範囲に含まれる。

【００５１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）表示装置であって、白色光のビームを生成する
光源と、白色光の前記ビームを均質化するインテグレー
タと、前記均質化された白色光のビームを濾波するフィ
ルタであって、前記フィルタの第１の領域は前記均質化
された白色光のビームを第１の光路を進む或る原色の光
のビームと第２の光路を進む残りの光のビームとに分離
する、フィルタと、前記第１の光路上の空間光変調器で
あって、前記第１の光路を進む光を受けて前記第１の光
路を進む前記光を選択的に変調して映像を形成する、空
間光変調器と、を備え、前記残りの光のビームの一部は
前記フィルタの第２の領域に入射して前記第１の光路を
進む、表示装置。

【００５２】（２）前記残りの光のビームは再び均質
化された後で前記フィルタの前記第２の領域に入射す
る、第１項に記載の表示装置。（３）前記インテグレータは前記再均質化を行う、第
２項に記載の表示装置。（４）前記インテグレータは反射容器である、第１項
に記載の表示装置。（５）前記インテグレータはガラス・ロッドである、
第１項に記載の表示装置。

【００５３】（６）前記インテグレータは鏡付きガラ
ス・ロッドである、第１項に記載の表示装置。（７）前記インテグレータは中空のシリンダである、
第１項に記載の表示装置。（８）前記インテグレータは反射する中空の方形シリ
ンダである、第１項に記載の表示装置。（９）前記インテグレータは反射する入り口アパーチ
ャを有する、第１項に記載の表示装置。

【００５４】（１０）前記インテグレータは再反射す
る入り口アパーチャを有する、第１項に記載の表示装
置。（１１）前記第１光路を進む光は前記変調器を満た
す、第１項に記載の表示装置。（１２）前記フィルタはカラー・ホイールである、第
１項に記載の表示装置。（１３）前記フィルタは３色のカラー・ホイールであ
る、第１項に記載の表示装置。

【００５５】（１４）前記フィルタは３原色および白
色のカラー・ホイールである、第１項に記載の表示装
置。（１５）前記フィルタは複数のフィルタ・セグメント
を有するカラー・ホイールである、第１項に記載の表示
装置。（１６）前記フィルタは渦巻き型に配置された複数の
フィルタ・セグメントを有するカラー・ホイールであ
る、第１項に記載の表示装置。（１７）前記残りの前記光のビームの部分を均質化す
る再均質化器を更に備える、第１項に記載の表示装置。

【００５６】（１８）映像を生成する方法であって、
白色光のビームを生成し、前記白色光のビームをダイナ
ミック・フィルタの第１の領域に当て、前記ダイナミッ
ク・フィルタの前記第１の領域は前記光のビームの第１
の原色部を空間光変調器に通しまた残りの前記光のビー
ムを拒否し、前記光のビームの前記第１の原色部を変調
し、前記残りの前記光のビームの一部を前記ダイナミッ
ク・フィルタの第２の領域に当て、前記ダイナミック・
フィルタの前記第２の領域は前記残りの前記光のビーム
の第２の原色部を透過させ、前記光のビームの前記第２
の原色部を変調し、前記光のビームの前記変調された第
１および第２の原色部を映像面に収束させる、ステップ
を含む、映像を生成する方法。

【００５７】（１９）前記白色光のビームをダイナミ
ック・フィルタの第１の領域に当てる前記ステップは、
前記白色光のビームを回転するカラー・フィルタの第１
の領域に当てるステップを含む、第１８項に記載の映像
を生成する方法。（２０）前記白色光のビームをダイナミック・フィル
タの第２の領域に当てる前記ステップは、前記白色光の
ビームを回転するカラー・フィルタの第２の領域に当て
るステップを含む、第１８項に記載の映像を生成する方
法。

【００５８】（２１）前記残りの前記光のビームの一
部を前記ダイナミック・フィルタの第２の領域に当てる
前記ステップは、第２の残りの部分を拒否するステップ
を更に含み、また、前記第２の残りの部分をダイナミッ
ク・フィルタの第３の領域に当て、前記ダイナミック・
フィルタの前記第３の部分は前記光のビームの第３の原
色部を透過させ、前記光のビームの前記第３の原色部を
変調し、前記光のビームの前記変調された第３の原色部
を前記映像面に収束させる、ステップを更に含む、第１
８項に記載の映像を生成する方法。

【００５９】（２２）白色光源（２０２）を用いて映
像面（２１４）上にフルカラー映像を生成する逐次色表
示装置である。ダイナミック・フィルタ（２０６）は一
般に一連の動くダイクロイック・フィルタであって、空
間光変調器（２１０）の面上を掃引する一連の原色の光
のビームを生成する。ダイナミック・フィルタ（２０
６）により拒否された光は光再循環器（２０４）に入
り、ダイナミック・フィルタ（２０６）に再び当てられ
る。光再循環器は一般に１つ以上の反射面であって、光
再循環器（２０４）とダイナミック・フィルタ（２０
６）を分離するアパーチャに光が進むように配置した
鏡、バッフル、容器、ランプ反射器、ＴＩＲ面、特殊な
被覆材料を含む。ダイナミックフィルタ（２０６）は全
ての３原色を同時に作る。ダイナミック・フィルタ（２
０６）の照らされた部分は変調器（２１０）上に投影さ
れ、コントローラ（２１６）は変調器（２１０）の各部
毎に変調器面上の原色帯域の掃引と同期して該当する映
像データを与える。空間光変調器（２１０）は原色帯域
を変調して、変調光をレンズ（２１２）により映像面
（２１４）に収束させる。視聴者はフレーム期間中に映
像面（２１４）の各部に到着する光を統合してフルカラ
ー映像を知覚する。

【００６０】関連出願の相互参照以下の特許および／ま
たは共通に譲渡された特許出願を参照として挙げる。特許番号出願日発行日５，１９２，９４６１９９１年５月３０日１９９３年３月９日ディジタル化されたカラー・ビデオ表示装置（ＤｉｇｉｔｉｚｅｄＣｏｌｏｒＶｉｄｅｏＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍ）５，４４８，３１４１９９４年１月７日１９９５年９月５日逐次カラー映像化用の方法と装置（ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＣｏｌｏｒＩｍａｇｉｎｇ）５，５９２，１８８１９９５年１月４日１９９７年１月７日逐次ＤＭＤビデオ装置の強化白色表示領域を強調する方法と装置（ＭｅｔｈｏｄＡｎｄＳｙｓｔｅｍＦｏｒＡｃｃｅｎｔｕａｔｉｎｇＩｎｔｅｎｓｅＷｈｉｔｅＤｉｓｐｌａｙＡｒｅａｓＩｎＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＤＭＤＶｉｄｅｏＳｙｓｔｅｍｓ）５，６１２，７５３１９９５年１月２７日１９９７年３月１８日２個の光変調器を用いるフルカラー投影表示装置（ｆｕｌｌ−ＣｏｌｏｒＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍＵｓｉｎｇＴｗｏＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒｓ）５，７６０，９７６１９９７年４月１５日１９９８年６月２日運動学的な統合光学機器の取付け（ＫｉｎｅｍａｔｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｉｎｇＯｐｔｉｃＭｏｕｎｔ）ＴＩ−２９９１４フォーリング・ラスタ表示装置とカラー・ホイール（ＦａｌｌｉｎｇＲａｓｔｅｒＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍＡｎｄＣｏｌｏｒＷｈｅｅｌ）

【図面の簡単な説明】

本発明とその利点をよく理解するため、添付の図面と共
に詳細な説明を参照していただきたい。

【図１】従来の逐次色表示装置の透視図。

【図２】本発明の１つの実施の形態に係る、色フィルタ
により拒否された光を再循環することのできるスクロー
リング色表示装置のブロック図。

【図３】開示された再循環スクローリング色照明装置用
として適したカラー・ホイールの第１の実施の形態の平
面図。

【図４】開示された再循環スクローリング色照明装置用
として適したカラー・ホイールの第２の実施の形態の平
面図。

【図５】濾波されて３つの横向きの原色セグメントにな
った光のビームにより照らされた空間光変調器の平面
図。

【図６】図５の空間光変調器上を３原色セグメントがシ
フトした空間光変調器の平面図。

【図７】図５の空間光変調器上を３原色セグメントが更
にシフトした空間光変調器の平面図。

【図８】本発明の１つの実施の形態に係る、再循環する
スクローリング色照明装置の側面図。

【図９】開示された再循環するスクローリング色照明装
置と共に用いるインテグレータ・ロッドの１つの実施の
形態の側面図。

【図１０】色フィルタ・ベルトを用いる本発明の１つの
実施の形態に係る、再循環するスクローリング色照明装
置の側面図。

【図１１】カラー・ホイールと表示装置の光路の断面と
の関係を示す、図３のカラー・ホイールの平面図。

【図１２】渦巻き型カラー・ホイールと表示装置の光路
の断面とのアラインメントを示す、図４のカラー・ホイ
ールと同様な渦巻き型カラー・ホイールの一部の平面
図。

【図１３】図１２のカラー・ホイール内の各組の原色フ
ィルタにオプションの白色フィルタ・セグメントを追加
した図。

【図１４】通過する光を再循環させるよう設計されたイ
ンテグレータ・ロッドの１つの実施の形態の透視図。

【図１５】フィルタ・セグメントの湾曲の詳細を示す、
図４のカラー・ホイールの一部の平面図。

【図１６】本発明の１つの実施の形態に係る、２個の変
調器を用いたスクローリング色再捕獲表示装置の平面
図。

【図１７】アパーチャの大きさの或る範囲における、種
々のアークの大きさに対する収集効率のプロット。

【図１８】種々の入力アパーチャの直径に対する、鏡面
入力面を有するインテグレータ・ロッドのモデル化され
た再循環効率のプロット。

【図１９】鏡面インテグレータ・ロッドのアパーチャの
大きさの或る範囲に対するモデル化された反射器とイン
テグレータの全体の再循環効率のプロット。

【符号の説明】

２０２白色光源２０４光再循環器２０６ダイナミック・フィルタ２１０変調器２１４像平面２１６コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｖ (72)発明者マイケルティ、デービスアメリカ合衆国テキサス、リチャードソン、イーストスプリングバレイ 1709

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光のビームを生成する光源と、白色光の前記ビームを均質化するインテグレータと、前記均質化された白色光のビームを濾波するフィルタで
あって、前記フィルタの第１の領域は前記均質化された
白色光のビームを第１の光路を進む或る原色の光のビー
ムと第２の光路を進む残りの光のビームとに分離する、
フィルタと、前記第１の光路上の空間光変調器であって、前記第１の
光路を進む光を受けて前記第１の光路を進む前記光を選
択的に変調して映像を形成する、空間光変調器と、を備
え、前記残りの光のビームの一部は前記フィルタの第２の領
域に入射して前記第１の光路を進む、表示装置。
【請求項２】映像を生成する方法であって、白色光のビームを供給し、前記白色光のビームをダイナミック・フィルタの第１の
領域に当て、前記ダイナミック・フィルタの前記第１の
領域は前記光のビームの第１の原色部を空間光変調器に
通しかつ残りの前記光のビームを拒否し、前記光のビームの前記第１の原色部を変調し、前記残りの前記光のビームの一部を前記ダイナミック・
フィルタの第２の領域に当て、前記ダイナミック・フィ
ルタの前記第２の領域は前記残りの前記光のビームの第
２の原色部を透過させ、前記光のビームの前記第２の原色部を変調し、前記光のビームの前記変調された第１および第２の原色
部を映像面に収束させる、ステップを含む、映像を生成
する方法。