JP2005326678A

JP2005326678A - カラーホイール

Info

Publication number: JP2005326678A
Application number: JP2004145414A
Authority: JP
Inventors: Takashi Watanabe; 貴志渡辺
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】フィルタを確実に保持するとともに、照明効率の低下を抑えたカラーホイールを提供する。
【解決手段】カラーホイール１７は、それぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光のみを透過させるＲフィルタ２４、Ｇフィルタ２５、Ｂフィルタ２６と、これらのフィルタ２４、２５、２６を保持するフレーム２３とから構成される。フレーム２３は、ハブ３３、リム３４、ハブ３３とリム３４を連結する３本のスポーク３５、３６、３７から構成される。各スポーク３５、３６、３７は、フィルタ間の接合面２７、２８、２９に沿って配置される。照射される白色光の集光角度をθ、各フィルタの厚みをｔとするとき、各スポーク３５、３６、３７は、その回転方向における幅Ａが、「Ａ≦２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」を満たすよう形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、照射される白色の照明光を時分割で色分離するカラーホイールに関するものである。

照射される白色の照明光を時分割で色分離し、異なる色の照明光を順次に出射するカラーホイールが知られている。このカラーホイールは、出射した照明光を表示デバイスに照射して画像光とし、この画像光をスクリーン上に投写するカラー画像装置等に備えられている。

カラーホイールは、分光透過特性が異なる複数のカラーフィルタと、これらのカラーホイールを回転方向に配列して保持するとともにモータの回転軸に固定された保持部材とから構成される。カラーホイールは非常に高速に回転し、各カラーフィルタには大きな遠心力が働くため、保持部材は各カラーフィルタを十分大きな保持力で保持しなければならない。

特許文献１に記載されたカラーホイールでは、各カラーフィルタが、円盤状の支持体（保持部材）の支持体表面に接着剤により接着される。

特開平１０−４８５４２号公報

しかし、上記のように、各カラーフィルタを接着剤で支持体表面に接着するだけでは、その接着力に限界があるため、遠心力に対して十分な保持力を発生させることができず、各カラーフィルタが支持体表面から離脱し破損するおそれがあった。

各カラーフィルタを確実に保持するためには、各カラーフィルタを外周側から保持することが望ましい。例えば、保持部材を、配列したカラーフィルタの中央部を保持するハブ、配列したカラーフィルタの外周面を保持するリム、ハブとリムとを連結しリムを安定して回転させる複数のスポークから構成することが考えられる。しかしながら、各カラーフィルタ及び保持部材が回転し、カラーフィルタ上に照射した白色の照明光が各カラーフィルタを順に透過する際、スポークが照明光を遮ってしまい、カラーフィルタから出射する照明光の照明効率が低下するという問題が生じる場合がある。

本発明では、各カラーフィルタを確実に保持するとともに、照明効率の低下を抑えたカラーホイールを提供することを目的とする。

本発明は、回転方向に配列して保持部材に保持されており、分光透過特性が異なり各々が扇形状をした複数のカラーフィルタを、集光する白色の照明光を横切るように回転させ、異なる色の照明光を順次出射するカラーホイールに関し、前記保持部材は、配列したカラーフィルタの中央部を保持する中央保持部、配列したカラーフィルタの外周面を保持する外周保持部、カラーフィルタ間の境界領域に沿ってカラーフィルタの出射側に配置され、前記中央保持部と前記外周保持部とを連結する複数の連結部、から構成され、前記白色の照明光の集光角度をθ、各カラーフィルタの厚みをｔとするとき、前記連結部の回転方向における幅Ａは、「Ａ≦２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」の条件を満たすことを特徴とする。

前記外周保持部は、その断面が略Ｌ字状になるよう形成され、各カラーフィルタの外周面を保持するとともに、各カラーフィルタの出射面の外周領域を保持することが好ましい。

本発明のカラーホイールによれば、各カラーフィルタを保持する保持部材は、配列したカラーフィルタの中央部を保持する中央保持部、配列したカラーフィルタの外周面を保持する外周保持部、カラーフィルタ間の境界領域に沿ってカラーフィルタの出射側に配置され、中央保持部と外周保持部とを連結する複数の連結部、から構成され、白色の照明光の集光角度をθ、各カラーフィルタの厚みをｔとするとき、連結部の回転方向における幅Ａは、「Ａ≦２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」の条件を満たすので、各連結部は、白色の照明光が各カラーフィルタを順に透過する際に、カラーフィルタ間の境界面（境界領域）が照明光を遮って影が生じる範囲内に配置されるため、各カラーフィルタを確実に保持するとともに、出射する照明光の照明効率の低下を抑えることができる。また、各カラーフィルタを確実に保持することができるため、各カラーフィルタの接合面の面積を小さくすることができ、カラーホイールのサイズを小さくすることができる。

図１に示すように、プロジェクタ２は、光源装置３、インテグレータロッド４、リレーレンズ５、ＴＩＲ（ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム６、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）７、投映レンズ８から構成される。

光源装置３は、光源から発された白色光を時分割で色分離して３原色光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）とし、各原色光を順次インテグレータロッド４の入射面４ａに照射する。光源装置３の詳細は後述する。

インテグレータロッド４は、入射した各原色光を内部で全反射させ、ムラのない均一な光として出射する。インテグレータロッド４から出射した各原色光は、リレーレンズ５を透過して平行光とされ、ＴＩＲプリズム６の入射面１２ａに照射される。

ＴＩＲプリズム６は第１プリズム１２と第２プリズム１３とからなる。第１プリズム１２と第２プリズム１３との間にはエアギャップが設けられており、第１プリズム１２の入射面１２ａから入射した各原色光は反射面１２ｂで全反射してＤＭＤ７へと照射される。ＤＭＤ７には、一辺が１０数ミクロンのマイクロミラーがマトリクス状に多数配列されている。各マイクロミラーは、各原色光が第２プリズム１３を透過して投映レンズ８に入射するように反射するオン状態と、各原色光が光吸収体（図示なし）に入射するように反射するオフ状態とに切り替えられる。マイクロミラーがオン状態になる時間によって投映画像の１画素の輝度が決まる。各原色光は、ＴＩＲプリズム６、ＤＭＤ７を経ることで、画像情報を伴った原色画像光となる。投映レンズ８は、ＴＩＲプリズム６から出射された各原色画像光をスクリーン（図示なし）に投映する。スクリーン上では、各原色画像が高速に切り換えられ、カラー画像として認識される。

光源装置３は、光源１４、リフレクタ１５、コンデンサレンズ１６、カラーホイール１７、モータ１８から構成される。光源１４は白色の照明光を発する。光源１４には、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ等が用いられる。リフレクタ１５は、その反射面１５ａが放物面形状であり、光源１４から発された白色光を反射して略平行光とする。コンデンサレンズ１６は、リフレクタ１５に反射されて略平行光となった白色光を集光し収束光とする。

モータ１８は、回転軸線まわりに回転するモータ軸部１８ａを有している。モータ軸部１８ａはカラーホイール１７へモータ１８の回転力を伝達する。なお、モータ１８はＤＭＤ７と同期して駆動するように制御される。

図２、図３に示すように、カラーホイール１７は、それぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光のみを透過させるＲフィルタ２４、Ｇフィルタ２５、Ｂフィルタ２６と、これらのフィルタ２４、２５、２６を保持するフレーム（保持部材）２３とから構成される。各フィルタ２４、２５、２６は中心角度が１２０°の扇形状の透明板であり、各フィルタ２４、２５、２６の側面が互いに接合されるとドーナツ状のディスク（図５参照）となる。Ｒフィルタ２４とＧフィルタ２５との間には接合面（接合領域）２７が形成され、Ｇフィルタ２５とＢフィルタ２６との間には接合面２８が形成され、Ｂフィルタ２６とＲフィルタ２４との間には接合面２９が形成される。各フィルタ２４、２５、２６の入射面２４ａ、２５ａ、２６ａから白色光が順次入射し、出射面２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ（図３参照）から各原色光が順次出射する。

図４に示すように、フレーム２３は、ハブ（中央保持部）３３、リム（外周保持部）３４、ハブ３３とリム３４を連結する３本のスポーク（連結部）３５、３６、３７から構成される。ハブ３３は円盤状に形成されており、その中央部には、ネジ穴３３ａが形成されている。ハブ３３は、ネジ３９によりモータ軸部１８ａに固定される。リム３４は、リング状に形成され、その断面がＬ字状になっている。３本のスポーク３５、３６、３７は、それぞれ柱状に形成されており、一端がハブ３３の外周縁に固定され、他端がリム３４の内周縁に固定されている。各スポーク３５、３６、３７は、その幅（回転方向における幅）が、後述する条件式の範囲内になるように形成されている。ハブ３３、リム３４、スポーク３５、３６、３７は、一体に形成してもよいし、別々に形成した後に組み立ててもよい。

各フィルタ２４、２５、２６をフレーム２３に固定する際には、フレーム２３の表面に接着剤を塗布し、その塗布面と各フィルタ２４、２５、２６の出射面２４ｂ、２５ｂ、２６ｂが対面するようにして、各フィルタ２４、２５、２６をフレーム２３に嵌め込む。図２、図３に示すように、各フィルタ２４、２５、２６の出射面２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの中央部がハブ３３に接着される。また、各フィルタ２４、２５、２６の出射面２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの外周領域及び外周面２４ｃ、２５ｃ、２６ｃがリム３４に接着される。各フィルタ２４、２５、２６の出射面２４ｂ、２５ｂ、２６ｂの接合面２７、２８、２９に沿った領域は各スポーク３５、３６、３７に重なる。

モータ１８及びカラーホイール１７は、コンデンサレンズ１６とインテグレータロッド４との間に配置される。カラーホイール１７のフィルタ２４、２５、２６上の所定領域には、コンデンサレンズ１６によって集光され収束光となった照明光が照射される。この所定領域を照射領域４１と呼ぶことにする。

以下では、フレーム２３の各スポーク３５、３６、３７の回転方向における幅について説明する。各スポーク３５、３６、３７の回転方向における幅は、条件式によってその範囲が定められている。各スポーク３５、３６、３７の回転方向における幅をＡとおくと、条件式は、「Ａ≦２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」で表される。ただし、コンデンサレンズ１６からの白色の照明光の集光角度をθとし、各フィルタ２４、２５、２６の厚みをｔとしている。ここで「集光角度」とは、白色の照明光を集光させるコンデンサレンズ１６の光軸４２を含む平面上において、照明光のうち最も外側の光線同士がなす角度である（図６参照）。

例えば、白色の照明光の集光角度θが７０°、各フィルタ２４、２５、２６の厚みｔが１ｍｍである場合には、各スポーク３５、３６、３７は、その幅Ａが１．４ｍｍ以下の長さとなるよう形成される。

図５〜図８を用いて、条件式の導出過程を説明する。図５は照明光が照射されながら回転する各フィルタ２４、２５、２６（フレーム２３は図示せず）を示しており、照明光の照射領域４１内に入る直前の接合面２７を実線で表し、照射領域４１外へ出た直後の接合面２７を二点鎖線で表している。接合面２７が照射領域４１内に含まれると、照明光の一部が接合面２７に照射され、接合面２７に照射された照明光は乱反射する。そのため、接合面２７が照射領域４１内に入ってから光軸４２を横切るまでの間に、出射面２４ｂ上の領域４３（図６参照）の一部には影が生じる。この領域４３の回転方向における幅は「ｔ・ｔａｎ（θ／２）」と表すことができる。また、接合面２７が光軸４２を横切ってから照射領域４１外へ出るまでの間に、出射面２５ｂ上の領域４４（図７参照）の一部には影が生じる。この領域４４の回転方向における幅は「ｔ・ｔａｎ（θ／２）」と表すことができる。

接合面２７が照射領域４１内に入ってから出るまでの間に、フィルタ２４、２５の出射面２４ｂ、２５ｂ上において、領域４３と領域４４を足し合わせた領域４５（図８参照）の一部には影が生じることとなる。この領域４５の回転方向における幅は「２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」と表すことができる。

フィルタ２４、２５の出射面２４ｂ、２５ｂ上の領域４５の一部に影が生じる現象は、構造上不可避なものである。そこで、この領域４５内にスポーク３５を配置すれば、スポーク３５を設けることによって生じる照明光の照明効率の低下はごく僅かに抑えることができる。特に、接合面２７が照射領域４１内に入ってから出るまでの期間を、光源１４から照明光を発せず照明光をフィルタ２４、２５に照射しないブランキング期間とする場合には、スポーク３５を設けることによって生じる照明光の照明効率の低下は全くなくなる。

出射面２４ｂ、２５ｂ上の領域４５内にスポーク３５を配置するためには、スポーク３５の回転方向における幅を、領域４５の幅以下の長さにすればよく、上述した条件式が導出される。なお、条件式の導出過程の説明では、スポーク３５を例に挙げて説明したが、スポーク３６、３７も同様である。

各スポーク３５、３６、３７は、その幅Ａが条件式を満たすように形成される。この条件式を満たす範囲内において幅Ａを大きくするに従い、フレーム２３が各フィルタ２４、２５、２６を保持する保持力も大きくなる。なお、上述したブランキング期間を設けた場合には、照明効率の低下は全くなくなるため、「Ａ＝２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」とすることが好ましい。

以下では、上記構成による作用について説明する。光源１４から発された白色の照明光は、リフレクタ１５、コンデンサ１６を経て集光され、カラーホイール１７の各フィルタ２４、２５、２６上に順次照射する。各フィルタ２４、２５、２６にはフレーム２３を介してモータ１８の回転力が伝達され、各フィルタ２４、２５、２６は一定速度で高速に回転している。ここで、各フィルタ２４、２５、２６は、リム３４を有するフレーム２３に外周側から保持されているため、各フィルタ２４、２５、２６はフレーム２３に確実に保持される。

各フィルタ２４、２５、２６上に照射した白色の照明光は、Ｒフィルタ２４、Ｇフィルタ２５、Ｂフィルタ２６を順に透過し、それぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光の原色光として各フィルタ２４、２５、２６から出射する。この動作は高速で繰り返される。この際、フレーム２２の各スポーク３５、３６、３７が照明光の照射領域４１を遮って移動する。しかし、各スポーク３５、３６、３７は、接合面２７、２８、２９が照明光を遮って影が生じる範囲内に配置されるため、出射する照明光の照射効率の低下はごく僅かに抑えられる。なお、上述したブランキング期間を設けた場合には、スポーク３５を設けることによって生じる照明光の照明効率の低下は全くなくなる。

各フィルタ２４、２５、２６から出射した各原色光は、リレーレンズ５、ＴＩＲプリズム６を経てＤＭＤ７に照射される。各原色光はＤＭＤ７で画像情報を伴った光となり、投映レンズ８によりスクリーン上でカラー映像となる。

なお、上記実施形態では、各フィルタは中心角度が１２０°の扇形状の透明板としたが、中心角度を変化させ、いずれかのフィルタの面積を広くまたは狭くしてもよい。また、３原色光以外の色光、例えば白色光を透過させるフィルタを加えたものであってもよい。なお、この場合には、各フィルタ間の接合面の場所が変化するのに応じてスポークを移動させたり、本数を増加させる必要がある。

上記実施形態では、表示デバイスとしてＤＭＤを用いたが、この替わりに反射型液晶素子等を用いてもよい。また、上記実施形態では、カラーホイールをプロジェクタに用いたが、異なる色の光を印画紙に照射するプリンタ等に用いてもよい。

本発明の実施形態に係るカラーホイールを用いたプロジェクタの概略構成図である。カラーホイールを入射面側から見た図である。図２のIII −III 線に沿うカラーホイール及びモータの要部断面図である。フレームを入射面側から見た図である。フィルタ間の接合面が照明光の照射領域に入る瞬間及び照射領域から出る瞬間を示す図である。図５のＶI −ＶI 線に沿う断面図である。図５のＶII−ＶII線に沿う断面図である。フィルタの出射面上においてスポークを配置することが可能な領域を示す図である。

符号の説明

１７カラーホイール
２３フレーム
２４Ｒフィルタ
２５Ｇフィルタ
２６Ｂフィルタ
２７、２８、２９接合面
３５、３６、３７スポーク
４５領域

Claims

回転方向に配列して保持部材に保持されており、分光透過特性が異なり各々が扇形状をした複数のカラーフィルタを、集光する白色の照明光を横切るように回転させ、異なる色の照明光を順次出射するカラーホイールにおいて、
前記保持部材は、配列したカラーフィルタの中央部を保持する中央保持部、配列したカラーフィルタの外周面を保持する外周保持部、カラーフィルタ間の境界領域に沿ってカラーフィルタの出射側に配置され、前記中央保持部と前記外周保持部とを連結する複数の連結部、から構成され、
前記白色の照明光の集光角度をθ、各カラーフィルタの厚みをｔとするとき、前記連結部の回転方向における幅Ａは、「Ａ≦２ｔ・ｔａｎ（θ／２）」の条件を満たすことを特徴とするカラーホイール。
前記外周保持部は、その断面が略Ｌ字状になるよう形成され、各カラーフィルタの外周面を保持するとともに、各カラーフィルタの出射面の外周領域を保持することを特徴とする請求項１記載のカラーホイール。