JP2005301063A - カラーホイール、照明装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ安価に多原色を生成し、映像観察者の違和感や疲労感を軽減し、更にカラーホイール上の境界部を利用し光利用効率を低下させずかつ表示色の彩度を向上させること。
【解決手段】白色の光７１を発生する光源部１２と、光源部１２からロッドインテグレータ２０を介して入射される白色の光７１のうち、４色以上の多原色における１つの色の光を透過しかつ他の色の光を反射する複数の半透過膜が形成されており、複数の半透過膜が、多原色に対応させてｘｙ色度図における隣り合う色の順番で配置されたカラーホイール４０と、カラーホイール４０から出力された各色の光束７１Ｒ〜７１Ｐを画像データにより変調するライトバルブ５２と、ライトバルブ５２からの表示光７４をスクリーン５８に投射する投射レンズ５３とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カラーホイール、照明装置およびプロジェクタに関するものであり、特に、小型かつ安価に多原色を生成することができ、映像観察者の違和感や疲労感を軽減することができるカラーホイール、照明装置およびプロジェクタに関するものである。

従来より、１つの光源からの光を時分割して変調する光学系を備えた単板式のプロジェクタは、回転式のカラーフィルタであって、白色光を選択的に透過または吸収させてＲＧＢ（赤緑青）３原色に時分割するカラーホイール（カラーフィルタ）と、光の強度分布を均一にするインテグレータとを備えており、図１２に示したようにＲＧＢに時分割された色の光束をマイクロミラーデバイスなどのライトバルブで色変調し、スクリーンに投射してカラー画像を合成している。

ここで、図１３に示したｘｙ色度図において、上述した従来の色順次型単板変調式のプロジェクタ（ＲＧＢ３原色）で色再現の範囲は、色順次光線を生成するカラーフィルタに施された透過特性である波長透過特性を頂点とした色度特性となる。すなわち、色域は、三角形の破線で示したＡ１である。これに対して、人間の眼が知覚できる色域は、色域Ａ１よりも広いＡ２である。このように、従来のプロジェクタでは、人間の眼が知覚できる色域Ａ２の一部である色域Ａ１しか表示できないため、彩度が高い色を再現することが不可能である。

そこで、近時では、ＲＧＢ３原色と、このＲＧＢ３原色と異なる他の３原色など（以下、他３原色という）とからなる多原色（例えば６原色）を用いて、自然色に忠実な色再現を行うための多原色プロジェクタが提案されている（非特許文献１および２参照）。なお、本願の明細書及び特許請求の範囲では、カラーホイールに用いる色を原色というものとする。

多原色プロジェクタは、ＲＧＢ３原色を生成するための第１のカラーフィルタを搭載した第１のプロジェクタと、他３原色を生成するための第２のカラーフィルタを搭載した第２のプロジェクタとから構成されている。

この多原色プロジェクタでは、第１のプロジェクタおよび第２のプロジェクタのそれぞれから同一のスクリーンに６原色（ＲＧＢ３原色＋他３原色）を投射することで、ｘｙ色度図の色域を多角形とし、人間の眼が知覚できる色域Ａ２に近づけ、彩度が高い色を再現している。

「マルチスペクトル撮影と多原色表示の概念」 http://www.akasaka.tao.go.jp/index-j.html 多原色プロジェクタの提案 SID 2003 10.2 Wide Gamut,High Brightness Multiple Primaries Single Panel Projection Displays

ところで、従来の多原色プロジェクタにおいては、第１のプロジェクタおよび第２のプロジェクタから構成されているため、大かがりな装置構成になるとともにコストが高くつき、しかも、独立した２台のプロジェクタのセットアップに高い技術を要するという問題点があった。従って、従来の多原色プロジェクタは、一般ユーザに手が届きにくい存在となっていた。

また、従来の単板式のプロジェクタにおいては、図１２に示したようにＲＧＢの３原色がスクリーン上に繰り返し順次表示され見かけ上１色の表示とされるが、映像観察者によっては、ＲＧＢの３原色をそれぞれ感知するというカラーブレイクアップ現象が生じることにより、違和感や疲労感を与えるという問題もあった。また、従来では、多原色にカラーフィルタを分割することで、色純度を優先した場合カラーホイール上の境界部分での投影ができなくなり、結果、時間開口率を低下させ輝度を低下させてしまうという問題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ安価に多原色を生成することができ、映像観察者の違和感や疲労感を軽減することができ、更にカラーホイール上の境界部を利用し光利用効率を低下させずかつ表示色の彩度を向上させることができるカラーホイール、照明装置およびプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入射される白色の光のうち、白を除く４色以上の多原色における１つの色の光を透過しかつ他の色の光を反射する複数の半透過膜が形成されており、前記複数の半透過膜が、前記多原色に対応させてｘｙ色度図における隣り合う色の順番で配置されていること、を特徴とする。この発明によれば、小型かつ安価に多原色を生成し、表示色は、色度図の隣り合う色順に表示されることから、映像観察者の違和感や疲労感の原因となるカラーブレイクアップ現象を軽減することができ、色彩度を向上させつつ、光利用効率の低下を防止することができる。

また、本発明は、上記発明において、半透過膜同士が隣り合う隣接部分は、各半透過膜の端が重畳されていることを特徴とする。この発明によれば、隣接部分で各半透膜を透過した２つの色の光が合成され、中間色の光が生成されるため、更にカラーブレイクアップ現象を軽減することができ、映像観察者の違和感や疲労感を軽減し、色彩度を向上させつつ、光利用効率の低下を防止することができる。

また、本発明は、上記発明において、半透過膜同士が隣り合う隣接部分には、反射機能膜（例えば、金属反射膜や多層反射膜）が形成されていることを特徴とする。この発明によれば、例えば、SCR方式（非特許文献 SID 2000 40.2/Dewald Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering : A Method of Scrolling Color 参照 ）では、境界部分の光線をリキャプチャ光線として活用することにより、光利用効率の向上に寄与する。

また、本発明は、前記白色の光を発生する光源と、上記発明のカラーホイールと、を備えたことを特徴とする。この発明によれば、小型かつ安価に多原色を生成することができ、映像観察者の違和感や疲労感を軽減することができる照明装置を得ることができる。

また、本発明は、上記発明の照明装置と、前記カラーホイールから出力された各色の光束を画像データにより変調するライトバルブと、前記ライトバルブからの光を投射するレンズと、を備えたことを特徴とする。この発明によれば、小型かつ安価に多原色を生成することができ、映像観察者の違和感や疲労感を軽減することができるプロジェクタを得ることができる。

以下に、本発明にかかるカラーホイール、照明装置およびプロジェクタの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成を示す側面図である。同図に示したプロジェクタ１は、カラーリキャプチャ方式の照明装置１０と、照明装置１０から色分離されて出力された各色の光束７１Ｒ（赤色）、光束７１Ｏ（オレンジ色）、光束７１Ｙ（黄色）、光束７１ＹＧ（黄緑色）、光束７１Ｇ（緑色）、光束７１ＬＢ（水色）、光束７１Ｂ（青色）および光束７１Ｐ（紫色）を伝達するリレーレンズ５１と、このリレーレンズ５１からの光束７１Ｒ〜７１Ｐを画像データにより変調する反射型ミラーデバイスであるDMD（テキサツインスツルメント社登録商標）や、反射型液晶光変調装置、透過型液晶光変調デバイスなどのライトバルブ５２と、このライトバルブ５２から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５３とを備えている。

また、照明装置１０は、キセノンランプなどから白色の光７１を発生する光源部１２と、中空で反射性の内周面２４と光線をリキャプチャさせる反射面２１を備えた角柱状のインテグレータとなるロッドインテグレータ２０と、白色の光７１を時分割するカラーホイール４０とを備えており、これらが順番に配置されている。このカラーホイール４０は、インテグレータ２０（図１参照）の出射側の開口２３に対面するように適度なギャップをおいて配置されており、モータＭにより回転駆動される。

図２は、図１に示したカラーホイール４０の構成を示す正面図であって、ロッドインテグレータ２０側から見た図である。図５は、図２に示したＡ−Ａ’線視断面図である。図５に示したように、カラーホイール４０は、円盤状のガラス基板９１が支持部材として採用されており、その裏面側、すなわちライトバルブ５２（図１参照）に面する側に、ＡＲコート（反射防止膜）９２が施されている。

一方、図２に示したカラーホイール４０の表面側、すなわち、インテグレータ２０の出射側の開口２３に面する側には、周方向に８分割されるように、薄膜のダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｏ、４１Ｙ、４１ＹＧ、４１Ｇ、４１ＬＢ、４１Ｂおよび４１Ｐ（半透過膜）がコーティングされている。これらのダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｏ、４１Ｙ、４１ＹＧ、４１Ｇ、４１ＬＢ、４１Ｂおよび４１Ｐは、図３に示したように一部が重なるようなスペクトル（波長−透過率特性）を有している。

すなわち、ダイクロイック膜４１Ｒは、Ｒ（赤色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１Ｏは、Ｏ（オレンジ色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１Ｙは、Ｙ（黄色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１ＹＧは、ＹＧ（黄緑色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１Ｇは、Ｇ（緑色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１ＬＢは、ＬＢ（水色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１Ｂは、Ｂ（青色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。ダイクロイック膜４１Ｐは、Ｐ（紫色）の光を透過し、他の色の光を反射する特性を有している。

このため、カラーホイール４０の周方向の適当な位置に面するようにインテグレータ２０を配置し、カラーホイール４０を回転させることにより、インテグレータ２０の出射側の開口２３に位置するダイクロイック膜、言い換えれば色の順番が、図４に示したように時間で入れ替わる。また、図２に示したカラーホイール４０におけるダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｏ、４１Ｙ、４１ＹＧ、４１Ｇ、４１ＬＢ、４１Ｂおよび４１Ｐの配置は、図１３に示したｘｙ色度図で隣接する色の順番（Ｒ（赤色）、Ｏ（オレンジ色）、Ｙ（黄色）、ＹＧ（黄緑色）、Ｇ（緑色）、ＬＢ（水色）、Ｂ（青色）、Ｐ（紫色））とされている。カラーホイールの境界部を用いない場合においても、スクリーンに投影される画像色は、図１３に示したｘｙ色度図で隣接する色の順番であり、観察者から見て徐々に投影される色が変化する。従って、一実施例では、視覚疲労の原因となるカラーブレイクアップ現象を軽減することができることとなる。

また、図２に示したカラーホイール４０において、隣接部分４１ＲＯ、４１ＯＹ、４１Ｙ・ＹＧ、４１ＹＧ・Ｇ、４１Ｇ・ＬＢ、４１ＬＢ・Ｂ、４１ＢＰおよび４１ＰＲは、隣接する異なる色のダイクロイック膜の端部が重なり合うように形成されている。具体的には、隣接部分４１ＲＯでは、図５に示したように、ダイクロイック膜４１Ｒの端部とダイクロイック膜４１Ｏの端部とが重ねられている。従って、図５に示したように隣接部分４１ＲＯが開口２３に位置した場合、隣接部分４１ＲＯでは、図３に示したようにＲ（赤色）の光とＯ（オレンジ色）の光とが透過するためＲ（赤色）とＯ（オレンジ色）との中間色の光が生成される。

隣接部分４１ＯＹでは、ダイクロイック膜４１Ｏの端部とダイクロイック膜４１Ｙの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１ＯＹでは、図３に示したように、Ｏ（オレンジ色）の光とＹ（黄色）の光とが透過するため、Ｏ（オレンジ色）とＹ（黄色）との中間色の光が生成される。隣接部分４１Ｙ・ＹＧでは、ダイクロイック膜４１Ｙの端部とダイクロイック膜４１ＹＧの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１Ｙ・ＹＧでは、図３に示したように、Ｙ（黄色）の光とＹＧ（黄緑色）の光とが透過するため、Ｙ（黄色）とＹＧ（黄緑色）との中間色の光が生成される。

隣接部分４１ＹＧ・Ｇでは、ダイクロイック膜４１ＹＧの端部とダイクロイック膜４１Ｇの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１ＹＧ・Ｇでは、図３に示したように、ＹＧ（黄緑色）の光とＧ（緑色）の光とが透過するため、ＹＧ（黄緑色）とＧ（緑色）との中間色の光が生成される。隣接部分４１Ｇ・ＬＢでは、ダイクロイック膜４１Ｇの端部とダイクロイック膜４１ＬＢの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１Ｇ・ＬＢでは、図３に示したように、Ｇ（緑色）の光とＬＢ（水色）の光とが透過するため、Ｇ（緑色）とＬＢ（水色）との中間色の光が生成される。

隣接部分４１ＬＢ・Ｂでは、ダイクロイック膜４１ＬＢの端部とダイクロイック膜４１Ｂの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１ＬＢ・Ｂでは、図３に示したように、ＬＢ（水色）の光とＢ（青色）の光とが透過するため、ＬＢ（水色）とＢ（青色）との中間色の光が生成される。隣接部分４１ＢＰでは、ダイクロイック膜４１Ｂの端部とダイクロイック膜４１Ｐの端部とが重ねられている。従って、隣接部分４１ＢＰでは、図３に示したように、Ｂ（青色）の光とＰ（紫色）の光とが透過するため、Ｂ（青色）とＰ（紫色）との中間色の光が生成される。隣接部分４１ＰＲでは、ダイクロイック膜４１Ｐの端部とダイクロイック膜４１Ｒの端部とが重ねられている。

上記構成において、モータＭによりカラーホイール４０が回転駆動された状態で、照明装置１０の光源部１２から白色の光７１が照射されると、光７１は、ロッドインテグレータ２０で、ライトバルブ５２の形状に合わせて強度分布が均一化され、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力される。すなわち、カラーホイール４０からは、光束７１Ｒ（赤色）、光束７１Ｏ（オレンジ色）、光束７１Ｙ（黄色）、光束７１ＹＧ（黄緑色）、光束７１Ｇ（緑色）、光束７１ＬＢ（水色）、光束７１Ｂ（青色）および光束７１Ｐ（紫色）が時間的および空間的に分離されて出力される。なお、図６に示したように、開口２３が隣接部分４１ＲＯや、他の隣接部分に位置した場合には、カラーホイール４０からは、前述したように中間色の光が出力される。

光束７１Ｒ（赤色）、光束７１Ｏ（オレンジ色）、光束７１Ｙ（黄色）、光束７１ＹＧ（黄緑色）、光束７１Ｇ（緑色）、光束７１ＬＢ（水色）、光束７１Ｂ（青色）および光束７１Ｐ（紫色）は、順次（図４参照）、リレーレンズ５１を介してライトバルブ５２に導かれた後、各色に対応する画像データにより変調され、投射レンズ５３を介して表示光７４としてスクリーン５８に投射される。これにより、スクリーン５８では、彩度が高いカラー画像が得られる。

図７〜図１０は、図２に示したカラーホイール４０の製造プロセスを説明する図である。先ず、図７に示したように、ガラス基板９１の表面に、赤色のダイクロイック膜４１Ｒが蒸着により薄膜状に多層膜コーティングされ、その上に、レジスト層９９がパターニングされる。次に、図８に示したように、ＣＨＦ₃またはフッ素系ガスをエッチャントとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching 反応性イオンエッチング）加工され赤色のダイクロイック膜４１Ｒがパターニングされる。

つぎに、図９では、ガラス基板９１の表面で、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの隣にオレンジ色のダイクロイック膜４１Ｏが形成される。この際には、既存の赤色のダイクロイック膜４１Ｒの隣（本図では右側で、後に紫色のダイクロイック膜４１Ｐ（図２参照）を形成する領域）と、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの表面を覆うように犠牲層９８を設ける。なお、犠牲層９８は、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの同図左端に形成されない。次に、犠牲層９８の上には、オレンジ色のダイクロイック膜４１Ｏがコーティングされる。したがって、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの上に、一部に犠牲層９８を挟んで、オレンジ色のダイクロイック膜４１Ｏが重ねられた状態とされる。

その後、図１０に示したように、ＣＨＦ₃またはＯ₂をエッチャントとして、ＲＩＥ加工され、オレンジ色のダイクロイック膜４１Ｏが加工される。この際に、隣接部分４１ＲＯは、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの端の部分に、オレンジ色のダイクロイック膜４１Ｏが乗るように重なって形成され、隙間があくことはない。同様に、赤色のダイクロイック膜４１Ｒの隣（本図では右側）に、紫色のダイクロイック膜４１Ｐが形成される。

なお、一実施例においては、図１１に示したように、本例のカラーホイール４０で、例えば、各々のダイクロイック膜４１Ｏおよびダイクロイック膜４１Ｒに対応する隣接部分４１ＲＯ（図１０参照）を互いに重ねるのではなく、この隣接部分４１ＲＯに直接、アルミニウムなどの反射膜４３を設けて、隣接部分４１ＲＯの反射率を上げるように構成してもよい。反射膜４３は、金属反射膜や多層反射膜等であり、アルミ合金、ＡｌＮｄ等、Ａｇ、Ａｇ合金などを用いることができる。さらに、一実施例では、隣接部分４１ＲＯに反射膜として、ＳｉＯ₂とＴａなど屈折率の異なる材料を多層に積層し、多層膜を形成し、螺旋状（アルキメデススパイラル型）カラーホイールを形成できる。なお、アルキメデススパイラル型カラーホイールの用途については後述する。

また、一実施例においては、カラーホイール４０（図２参照）として、周方向に分割するように、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｐを形成した構成例について説明したが、これに代えて、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｐを螺旋状（アルキメデススパイラル）に形成する構成例としてもよい。また、一実施例においては、図２に示したように、カラーホイール４０に周方向に等角で分割したダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｐを形成した構成例について説明したが、分割角度を任意とする構成例としてもよい。

以上説明したように、一実施例によれば、図２に示した構成のカラーホイール４０を採用したことにより、小型かつ安価に多原色を生成することができる。また、一実施例によれば、カラーホイール４０における隣接部分（例えば、隣接部分４１ＲＯ）で各半透膜を透過した２つの色（赤色およびオレンジ色）の光が合成され、中間色の光が生成されるため、カラーブレイクアップ現象を更に軽減することができ、色順次表示される映像が徐々に同系色で変化することから映像観察者の違和感や疲労感を軽減することができる。

次に、アルキメデススパイラル型カラーホイールの、境界部に反射機能膜を形成した形態について、図１を参照しつつ説明する。アルキメデススパイラル型カラーホイールの境界部に反射膜を設けた際、境界部に光源で発せられた光７１は、ロッドインテグレータ２０を通過し、図示しない、アルキメデススパイラル型カラーホイールの境界部に入射する。そして、境界部の反射機能膜で反射された光は、光源部１２の方向に進み、リキャプチャさせる反射面２１で反射し、再びリレーレンズ５１の方向に進む。

さらに、リレーレンズ５１の方向に進む上記光は、アルキメデススパイラル型カラーホイールの境界部でない個所に入射し、ダイクロイック膜で形成された高彩色の光線として前方に配置されたリレーレンズ５１に入射した後、DMDで構成されたライトバルブ５２（空間光変調素子）上に結像する。これにより、上記光線は、高彩度の色情報を持った光線として、ライトバルブ５２で変調され、前方に配置された投射レンズ５３を経て、スクリーン５７に投射される。この結果、高彩度でありながら高光利用効率を確保したプロジェクタを実現できる。

以上のように、本発明にかかるカラーホイール、照明装置およびプロジェクタは、多原色を小型かつ安価に生成する場合に有用である。

本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成図。 図１に示したカラーホイール４０の構成を示す正面図。 カラーホイール４０のスペクトル（波長−透過率特性）を示す図。 プロジェクタ１における色の繰り返しを説明する図。 図２に示したＡ−Ａ’線視断面図。 図１に示したカラーホイール４０の別の位置を示す正面図。 図２に示したカラーホイール４０の製造プロセスを説明する断面図。 図２に示したカラーホイール４０の製造プロセスを説明する断面図。 図２に示したカラーホイール４０の製造プロセスを説明する断面図。 図２に示したカラーホイール４０の製造プロセスを説明する断面図。 図２に示したカラーホイール４０の別の構成例を説明する断面図。 従来のプロジェクタにおける色の繰り返しを説明する図。 ｘｙ色度図を示す図。

符号の説明

１０ 照明装置、１２ 光源部、２０ ロッドインテグレータ、４０ カラーホイール、４１Ｒ、４１Ｏ、４１Ｙ、４１ＹＧ、４１Ｇ、４１ＬＢ、４１Ｂ、４１Ｐ ダイクロイック膜、５１ リレーレンズ、５３ 投射レンズ、５８ スクリーン

Claims (5)

1. 入射される白色の光のうち、白を除く４色以上の多原色における１つの色の光を透過しかつ他の色の光を反射する複数の半透過膜が形成されており、前記複数の半透過膜が、前記多原色に対応させてｘｙ色度図における隣り合う色の順番で配置されていること、
   を特徴とするカラーホイール。
2. 半透過膜同士が隣り合う隣接部分は、各半透過膜の端が重畳されていることを特徴とする請求項１に記載のカラーホイール。
3. 半透過膜同士が隣り合う隣接部分には、反射機能膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のカラーホイール。
4. 前記白色の光を発生する光源と、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載のカラーホイールと、
   を備えたことを特徴とする照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置と、
   前記カラーホイールから出力された各色の光束を画像データにより変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブからの光を投射するレンズと、
   を備えたことを特徴とするプロジェクタ。

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