JP2005156607A - 色分離装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 色フィルタの劣化を効果的に防止し、色分離装置の長寿命化を図る。
【解決手段】 第２モータ８３の回転駆動力を駆動変換伝達機構８４によって直線駆動力に変換してカラーホイール８０に伝達し、カラーホイール８３をその径方向に所定周期で移動させることによって、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷへの光の入射位置を変更し、同一箇所にのみ光が集中して照射されることを回避する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過波長帯域が異なる２以上の色フィルタを用いて、光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の少なくとも３色の光に分離する色分離装置に関するものである。

上記のような色分離装置は、例えばプロジェクタや画像ディスプレイシステムなどに使用されている。そこで、図５に従来の色分離装置の概略を示し、図６に、図５に示す色分離装置を使用した画像ディスプレイシステムの一例として、特許文献１に開示されている画像ディスプレイシステムの概略を示す。

図５に示すように、従来の色分離装置は、入射した光のうち赤色光のみを透過させる色フィルタＲ、緑色光のみを透過させる色フィルタＧ、青色光のみを透過させる色フィルタＢ、入射した光をそのまま透過させる透明フィルタＷの４つのフィルタが周方向に均等に配置されたカラーホイール１００と、そのカラーホイール１００の中心に回転軸１０１の一端が固定されたモータ１０２とを備えている。使用時には、カラーホイール１００が不図示の光源から出射された光の光路を略垂直に横切るように配置されると共に、カラーホイール１００がモータ１０２によって周方向に回転させられる。この結果、各色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷが上記光路を順次横切り、光源から出射された白色光が赤色光、緑色光、青色光、白色光に時分割で色分離される。

図６に示す画像ディスプレイシステムでは、光源２００から出射された白色光がレンズ２０１ａ、色分離装置のカラーホイール１００、レンズ２０１ｂ、インテグレータ２０２を順次通過してデジタル・マイクロミラー・デバイス（テキサス・インスツルメンツ（ＴＩ）社の登録商標であり、以下「ＤＭＤ２０３」と呼ぶ）のようなマイクロミラー型光変調装置に照射され、ＤＭＤ２０３からの反射光によってスクリーン上に画像が表示される。色分離装置は、カラーホイール１００がレンズ２０１ａとレンズ２０１ｂとの間に位置するように配置され、タイミングユニット２０４から出力されるタイミング信号に基づいて動作するモータ１０２によって周方向に回転させられる。従って、光源２００から出射された白色光は、赤色光、緑色光、青色光、白色光に時分割で色分離された後にレンズ２０１ｂを介してインテグレータ２０２に入射し、インテグレータ２０２から出射された各色の光がＤＭＤ２０３に順次照射される。

ここで、ＤＭＤ２０３とは、傾斜角度を個別に制御可能な多数のマイクロミラーを有しており、各マイクロミラーがスクリーン上に表示される画像の各画素に対応している。従って、各マイクロミラーの傾斜角度を制御し、所定方向に反射された光のみを画像光として利用することによって、任意の画像をスクリーン上に表示することができる。具体的には、あるマイクロミラーについては、その反射光がスクリーンから外れるように、又は外部に出射されないように角度制御を行い、またあるマイクロミラーについては、その反射光がスクリーン上の対応する画素位置に照射されるように角度制御を行なうことによって、スクリーン上に所望の画像を表示することができる。各マイクロミラーの角度制御は、図６に示すディスプレイメモリ２０５に格納されている画像データに基づいて選択的に行なわれる。ディスプレイメモリ２０５には、インタフェース２０６を介して外部から入力されたビデオ再生信号やＲＧＢ再生信号などに対してプロセッサ２０７が所定の処理（Ｒ・Ｇ・Ｂデータへの変換、インタレース処理されたフィールドを修復する処理など）を施すことによって生成された画像データが格納されている。尚、ＤＭＤ２０３の各マイクロミラーの角度制御は、タイミングユニット２０４から出力されるタイミング信号に基づいて行なわれている。すなわち、色分離装置のモータ１０２の駆動（カラーホイール１００の回転）と、各マイクロミラーの角度制御とは同期がとられている。また、インテグレータ２０２は、ＤＭＤ２０３に照射される光の光軸に垂直な平面内における輝度分布を均一化させる働きを有する。

以上の構成を有する画像ディスプレイシステムでは、ＤＭＤ２０３によって生成された各色の画像光がスクリーン上に順次連続して拡大投射される。しかし、人間の目には、残像現象によって、それら各画像光によって表示された各色の画像が合成され、カラー画像として認識される。
特開平９−１６３３９１号公報

従来の一般的な色分離装置では、カラーホイールの回転中心は不動である。従って、カラーホイールへの光の入射位置は、カラーホイールの回転中心を中心とする一定半径（ｒ）の円周上から外れることはない。この結果、色フィルタ及び透明フィルタには毎回同じ位置に光が照射され続け、その部分のみが集中的に劣化する。また、色分離装置の色フィルタや透明フィルタの劣化は、その色分離装置を備えているプロジェクタ等の映像機器によって表示される画像の色彩に悪影響を及ぼす。

本発明の色分離装置では、カラーホイールをその周方向に回転させる回転手段に加えて、カラーホイールへの光の入射時間が所定時間を超える度にカラーホールをその径方向に移動させる移動手段を設けることによって、カラーホイールへの光の入射位置を一定時間毎にカラーホイールの径方向に移動させる。これによって、色フィルタ及び透明フィルタに対する光の入射位置が一定時間毎にカラーホイールの径方向に沿って変更される。

本発明の色分離装置には、一定周期で信号を出力するタイマ手段を設け、タイマ手段から出力される信号の数をカウントし、カウント数が所定数に達する度にカラーホイールをその径方向に移動させることができる。この場合、カラーホイールへの光の入射位置を予め設定された最適時間間隔で正確に変更される。また、上記所定数の設定を変更するだけでカラーホイールの移動タイミングを変更することもできる。

尚、カラーホイールの径方向への一回の移動量をｄ（mm）、カラーホイールに入射する光のスポット径をｒ（mm）とした場合、ｄ≧ｒ（mm）の関係が成立するように上記ｄ（mm）を設定すれば、カラーホイールの移動の前後で光の入射位置が重複することがない。また、カラーホイールを径方向に移動させる移動手段の一例としては、駆動源としてのモータの回転運動を直線運動に変換してカラーホイールに伝達することによって、カラーホイールの回転中心をカラーホイールの径方向に移動させる手段が考えられる。もっとも、カラーホイールをその径方向へ移動させて光の入射位置を一定時間毎に変更させることが可能であれば、移動手段の構成は特に限定されない。

本発明の色分離装置によれば、カラーホイールに設けられている色フィルタ及び透明フィルタの全面が有効に利用され、色フィルタや透明フィルタの一部のみが集中的に劣化することが確実に防止される。また、色フィルタ及び透明フィルタの集中的な劣化が防止される結果、色分離装置の長寿命化が図られ、長期間に亘って美しい画像を表示可能な映像機器の実現も可能となる。

以下、本発明のプロジェクタの一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。本例のプロジェクタは、図１に示すように、照明光学系１０と、反射ミラー３０と、ＤＭＤ５０と、投写光学系７０とを備えている。

照明光学系１０は、ランプ部１１と、集光レンズ１２と、色分離装置１３（図１にはカラーホイール８０のみ図示）と、ライトトンネル１４と、第１〜第３のコンデンサレンズ１５〜１７とを備えている。ランプ部１１は、光源としてのランプ１８と、回転楕円面形状の反射面を有するリフレクタ１９とを有している。ランプ１８は、リフレクタ１９の反射面の第１焦点近傍に配置されている。従って、ランプ１８から出射された光は、リフレクタ１９の反射面によって反射されて該反射面の第２焦点に向かって集光されつつ進み、集光レンズ１２に入射する。尚、本例では、ランプ１８に高圧水銀灯を用いているが、メタルハライドランプなどの他の高圧放電灯を用いることもできる。

集光レンズ１２は、入射した光（ランプ１８から出射された光）を色分離装置１３のカラーホイール８０近傍において収束させ、カラーホイール８０に入射する光のスポット径を小さくする役割を果たす。もっとも、集光レンズ１２は必須ではなく省略することもできる。

色分離装置１３は、入射した光を時分割で色分離する。図２に色分離装置１３の構成概略を示し、図３に色分離装置１３の機能ブロック図を示す。色分離装置１３は、円盤状のカラーホイール８０と、カラーホイール８０をその中心を回転中心として周方向に回転させるための第１モータ８１と、タイミングユニット８８から出力されるタイミング信号に基づいて第１モータ８１を制御する第１モータ制御部８２と、カラーホイール８０の回転中心を該カラーホイール８０の径方向に移動させる駆動源としての第２モータ８３と、第２モータ８３の回転駆動力を直線駆動力に変換してカラーホイール８０へ伝達するための駆動変換伝達機構８４と、第２モータ８３を制御する第２モータ制御部８５と、ランプ１８（図１）の発光中、一定周期で信号を出力するタイマ部８６と、を備えている。

図２に示すように、カラーホイール８０は、周方向に沿って区分された４つの扇形の領域に、それぞれ透過波長帯域が異なる３つの色フィルタと、１つの透明フィルタとが形成されたものである。色フィルタＲは、赤色の波長帯域の光（以下「赤色光」）のみを透過させ、その他の波長帯域の光を反射又は吸収する。色フィルタＧは、緑色の波長帯域の光（以下「緑色光」）のみを透過させ、その他の波長帯域の光を反射又は吸収する。色フィルタＢは、青色の波長帯域の光（以下「青色光」）のみを透過させ、その他の波長帯域の光を反射又は吸収する。また、透明フィルタＷは、ランプ１８から出射された光（以下「白色光」）をそのまま透過させ、如何なる波長帯域の光も反射又は吸収しない。カラーホイール８０は、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷに集光レンズ１２によって集光された光が入射可能な位置及び向きで配置されている（図１参照）。換言すれば、集光レンズ１２を透過した光の光路が色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷの表面（入射面）と直交する位置及び向きで配置されている。そして、カラーホイール８０の中心に第１モータ８１の回転軸８７が固定されている。従って、第１モータ８１が駆動されると、カラーホイールが８０その中心を回転中心として周方向に一定速度で回転し、集光レンズ１２によって集光された光の光路を色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷが一定周期で横切る。この結果、図１に示すランプ１８から出射され、集光レンズ１２によってカラーホイール８０上に集光された光は、赤色光、緑色光、青色光、白色光に時分割で色分離される。

ここで、図２に示す第１モータ８１の回転軸８７は軸受け部材９０によって回転自在に支持されている。この軸受け部材９０は、細長角棒状の形状を有し、長手方向一端側の側面には、ベアリングを備えた軸受け部（不図示）が設けられており、第１モータ８１の回転軸８７はこの軸受け部によって回転自在に支持されている。また、図４（ａ）に示すように、軸受け部材９０の底面には、長手方向に対して一定角度で傾斜したギア９１（図２では省略）が長手方向に沿って複数形成されている。さらに、軸受け部材９０の長手方向他端側には、第２モータ８３が配置され、この第２モータ８３の回転軸９２には細長丸棒状のシャフト９３が固定されている。加えて、シャフト９３の外周面には、ギヤ９１に噛み合う螺旋状のギヤ溝９４が軸方向に沿って形成されている。従って、第２モータ８３が駆動されると、ギヤ９１とギヤ溝９４とからなる駆動変換伝達機構８４によって第２モータ８３の回転運動が直線運動に変換され、第２モータ８３の回転方向に従って、軸受け部材９０が図中の矢印Ａ方向又は矢印Ｂ方向に移動する。これに伴って、軸受け部材９０によって支持されている第１モータ８１の回転軸８７が第１モータ８１ごと同方向に移動し、カラーホイール８０の回転中心も同方向へ移動する（図４（ｂ）（ｃ）には、同図（ａ）に示すカラーホイール８０の回転中心が矢印Ａ方向に移動する過程が図示されている）。この結果、カラーホイール８０への光の入射位置Ｘがカラーホイール８０の径方向に移動する。

尚、軸受け部材９０の底面にラックギヤを形成し、第２モータ８３の回転軸９２にピニオンギヤを装着し、ラック＆ピニオンの原理で第２モータ８３の回転運動を直線運動に変換してカラーホイール８０を上記のように移動させることもできる。この場合、軸受け部材９０の底面に形成されるラックギヤは、軸受け部材９０の長手方向に対して傾斜している必要はない。また、第２モータ８３は、回転軸９２が軸受け部材９０の長手方向と直交する向きで配置されることになる。

いずれにしても、第２モータ８３は、図３に示す第２モータ制御部８５によって駆動制御されており、所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦされる。より具体的には、第２モータ制御部８５には、図１に示すランプ１８に電源を供給する電源ユニットがＯＮ状態の間（ランプ１８が発光中の間）、一定周期で信号を出力するタイマ部８６から信号が入力される。そして、第２モータ制御部８５は、入力された信号の数（パルス数）を積算し、積算数が所定数に達すると、第２モータ８３を所定時間だけＯＮしてカラーホイール８０をその径方向に移動させた後に第２モータ８３をＯＦＦし、積算をリセットする、といった動作を繰り返す。さらに第２モータ制御部８５は、第２モータ８３のＯＮ／ＯＦＦ回数（ｎ）が所定数となるまでは、第２モータ８３を毎回同方向に回転させ、ＯＮ／ＯＦＦ回数（ｎ）が所定数に達すると、次回からは回転方向を反転させる。

ここで、一回当たりのカラーホイール８０の移動量をｄ[mm]、カラーホイール８０に入射する光のスポット径をｒ[mm]とした場合、ｄ≧ｒの関係が成立するように、第２モータ８３の一回当たりの駆動時間が設定されている。従って、カラーホイール８０の移動の前後で入射光のスポットが重なり合うことはない。また、カラーホイール８０の同一方向への最大移動量（ｄ×ｎ＝ｄｎ[mm]）は、カラーホイール８０の径方向における色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷの幅L[mm]（図４（ａ）参照）を超えないように設定されている。このため、プロジェクタの起動時には、入射光のスポット位置Ｘがカラーホイール８０の回転中心に最も近い位置（図４（ａ））、又はスポット位置Ｘが回転中心から最も遠い位置（図４（ｃ））の何れかとなるようにカラーホイール８０が位置合わせされる。そして、図４（ａ）に示す位置にスポット位置Ｘが位置合わせされる場合には、カラーホイール８０の最初の移動方向が図中の矢印Ａ方向となるように第２モータ８０の回転方向が設定され、図４（ｃ）に示す位置にスポット位置Ｘが位置合わせされる場合には、カラーホイール８０の最初の移動方向が図４（ａ）の矢印Ｂ方向となるように第２モータ８３の回転方向が設定される。これによって、カラーホイール８０がその径方向に最大限に移動した場合もスポット位置Ｘが色フィルタＲ、Ｇ、Ｂ及び透明フィルタＷから外れることはない。

再び図１を参照すると、色分離装置１３の後段にはライトトンネル１４が配置されている。ライトトンネル１４は、４枚のガラス板からなる角筒であり、色分離装置１３によって色分離された各色の光が長手方向一方の開口部から入射する。ライトトンネル１４内に入射した光は、全反射を繰り返しながらライトトンネル１４内を進み、長手方向他方の開口部から出射する。ライトトンネル１４から出射された光は、ライトトンネル１４内で全反射を複数回繰り返す間に、光線の角度分布が均一化され、光軸と垂直な平面内における輝度ムラが低減されている。

ライトトンネル１４の後段には、第１コンデンサレンズ１５、第２コンデンサレンズ１６、第３コンデンサレンズ１７が順次配置されている。第１コンデンサレンズ１５は、ランプ１８の２次光源像を離散的に形成し、第３コンデンサレンズ１７は、離散的に形成されたランプ１８の２次光源像を重ね合わせる。これにって、ランプ１８から出射された光の輝度ムラがより一層低減される。尚、第２コンデンサレンズは、第１コンデンサレンズ１５から出射した光を第３コンデンサレンズ１７に導くリレーレンズとして機能している。また、これらコンデンサレンズは、ライトトンネル１４の出射面とＤＭＤ５０との倍率関係を保持する役割も果たしている。

第３コンデンサレンズ１７から出射した光は後段の反射ミラー３０によって反射されてＤＭＤ５０に照射される。ＤＭＤ５０の構成については既述の通りなので、ここでは詳しい説明は省略するが、ＤＭＤ５０は、照射された光の反射角度を画像データに基づいて制御することによって、投写される画像を表す画像光を生成する。さらに、ＤＭＤ５０によって生成された画像光は、投写光学系７０に入射され、外部（通常はスクリーン）に向けて投写される。尚、図３に示すタイミングユニット８８は、ＤＭＤ５０に対してもタイミング信号を出力している。すなわち、カラーホイール８０とＤＭＤ５０の駆動は同期が取られている。

尚、本例では、タイマ手段から一定周期で出力される信号の数をカウントすることによってカラーホイールへの光の入射時間を検出する場合を説明したが、入射時間の検出方法は上記方法に限定されるものではない。例えば、カラーホイールの回転数を何らかの方法で検出し、その回転数が所定数に達した場合に、カラーホイールへの光の入射時間が所定時間に達したものと判断して、カラーホイールを径方向に移動させることもできる。カラーホイールの回転数は、回転手段としてのモータの回転数をカラーホイールの回転数と看做すことで容易に検出できる。また、カラーホイールが一回転する度にＯＮ／ＯＦＦされる光学センサ等を設けることもよっても検出することができる。

本発明のプロジェクタの構成例を示す概略図である。 本発明の色分離装置の構成例を示す模式的斜視図である。 図２に示す色分離装置の機能ブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、カラーホイールの径方向への移動過程を示す模式的平面図である。 従来の色分離装置の一例を示す模式的斜視図である。 図５に示す色分離装置を備えた画像ディスプレイシステムの構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ 照明光学系
１１ ランプ部
１２ 集光レンズ
１３ 色分離装置
１４ ライトトンネル
１５ 第１コンデンサレンズ
１６ 第２コンデンサレンズ
１７ 第３コンデンサレンズ
１８ ランプ
１９ リフレクタ
３０ 反射ミラー
５０ ＤＭＤ
７０ 投写光学系
８０カラーホイール
８１ 第１モータ
８２ 第１モータ制御部
８３ 第２モータ
８４ 駆動変換伝達機構
８５ 第２モータ制御部
８６ タイマ部
８７ 回転軸
８８ タイミングユニット
９０ 軸受け部材
９１ ギア
９２ 回転軸
９３ シャフト
９４ 螺旋溝
１００ カラーホイール

Claims (5)

1. 入射した光を赤色光、緑色光、青色光の少なくとも３色の光に時分割で分離する色分離装置であって、
   透過波長帯域が異なる２以上の色フィルタが周方向に沿って設けられたカラーホイールと、
   前記カラーホイールをその周方向に回転させる回転手段と、
   前記カラーホイールへの光の入射時間が所定時間を超える度に、前記カラーホールをその径方向に移動させる移動手段と、
   を有する色分離装置。
2. 一定周期で信号を出力するタイマ手段を有し、前記タイマ手段から出力された信号の数が所定数に達する度に、前記カラーホイールがその径方向に移動させられる請求項１記載の色分離装置。
3. 前記移動手段は、駆動源としてのモータと、前記モータの回転運動を直線運動に変換して前記カラーホイールに伝達する駆動変換伝達機構とを有する請求項１又は請求項２記載の色分離装置。
4. 前記移動手段による前記カラーホイールの径方向への一回の移動量をｄ（mm）、前記カラーホイールに入射する光のスポット径をｒ（mm）とした場合、ｄ≧ｒ（mm）の関係が成立する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の色分離装置。
5. 画像を投写して表示するプロジェクタであって、
   光源と、
   前記光源から出射された光を時分割で色分離する色分離装置と、
   前記色分離装置によって色分離された光が照射されると共に、入力された画像信号に応じて照射された光の反射方向を制御することによって、投写される画像を表す画像光を生成するマイクロミラー型光変調装置と、
   前記マイクロミラー型光変調装置から出射された画像光の表す画像を投写する投写光学系とを備え、
   前記色分離装置が、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された色分離装置であるプロジェクタ。

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