JP2006106547A

JP2006106547A - カラーホイールとそれを用いた投写型表示装置

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Publication number: JP2006106547A
Application number: JP2004295917A
Authority: JP
Inventors: Hideki Omae; 秀樹大前
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP4186905B2

Abstract

【課題】高階調と高輝度を両立する表示を実現する投写型表示装置とそれに用いるためのカラーホイールを提供する。
【解決手段】本発明のカラーホイール１は、複数のＲＧＢ色領域に分割された円盤状カラーフィルタからなり、色フィルタＲ１、色フィルタＲ２および色フィルタＧ１、色フィルタＧ２および色フィルタＢ１、色フィルタＢ２および低濃度色フィルタＧ３の７つのセグメント領域から構成されている。このとき色フィルタＲ１、色フィルタＧ１、色フィルタＢ１、低輝度色フィルタＧ３の中心角の和と色フィルタＲ２、色フィルタＧ２、色フィルタＢ２の中心角の和を各々１８０°とすれば、色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と色フィルタＲ２と色フィルタＢ１の境界が直線形状となり、ランプの点灯周波数切り替えや１フレーム期間開始を両方の境界で行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調素子の表示を拡大投影する投写型表示装置において、時分割、色順次でカラー表示を行うためのカラーホイール、およびこのカラーホイールを用いた投写型表示装置に関するものである。

ホームシアター、プレゼンテーションにおける大画面表示が最近注目を集めており、小型の液晶パネルやＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）などの空間光変調素子の表示画像を投写レンズなどにより拡大投影し、大画面の表示画像を得る投写型表示装置が商品化されている。

ＤＭＤは米国テキサス・インスツルメント社が開発した空間光変調素子の１例であり、主に投写型表示装置として用いられる。ＤＭＤは１画素に相当する極めて微小なミラーを、１個のチップに数十万から百万枚以上配置して構成される。このミラーを傾斜させて、ミラーへ入射する光線の出射角度を変えることで、オン／オフを制御する。

投写型表示装置の方式として、主に空間光変調素子を３枚用いる３板式と、１枚のみ用いる単板式とがある。特に単板式投写型表示装置の例としては、時分割で周期的に色の切り替えを行い、目にはそれぞれの色が加法混色されて見える現象を利用した色順次方式を採用している。具体的には空間光変調素子のそれぞれの画素は時系列的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の値を有し、それぞれのフレーム期間中において、そのフレームの諸画素はＲ、Ｇ、次にＢのデータにより、順次アドレス指定される。一方でこれらと同じ色のフィルタが円盤状に構成され、少なくとも３つの異なる色領域を有するカラーホイールが、このデータに同期され、それによって、それぞれの色に対するデータが空間光変調素子により表示される。以上のように時分割でカラー表示が可能となり、６０画像毎秒の標準ディスプレイ速度以上に時分割レートが速くなれば、目は画像を本来の色を有するものとして知覚する。

このような時分割色順次方式の投写型表示装置において、カラーホイールの色周期（１フィールド間に出現するＲＧＢの回数や色順で、例えばＲＧＢＲＧＢＲＧＢのようにＲＧＢの順で周期的に３回繰り返す、以下色シーケンスと呼ぶ）や色分割速度、フィルタの色純度が、その表示画像の品位や明るさなどに非常に大きな影響を及ぼす。

以下に従来のカラーホイールを用いた投写型表示装置を例に挙げて説明する。

従来、投写型表示装置は特許文献１に記載されたものが知られている。図１１にその概略図を示す。図１１において１１１はカラーホイール、１１２はＤＭＤ、１１３はランプ、１１４は投写レンズ、１１５はスクリーン、１１６はフィールドレンズ、１１７は凹面鏡である。

従来の投写型表示装置の動作について説明する。ランプ１１３はキセノン、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯などの放電タイプの高出力ランプであり、凹面鏡１１７のほぼ焦点位置に配置し、ランプ１１３より出射する白色光が楕円形状の凹面鏡１１７によりカラーホイール１１１のカラーフィルタ上に集光するように配置する。カラーホイール１１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の色フィルタが円盤状に配置されるように構成され、一定の速度で回転する。その際に各色フィルタがランプより出射する白色光線を遮って時分割でＲ、Ｇ、Ｂに色分離するのに同期してＤＭＤ１１２は光線の色に対応する画像フレームを表示する。単一画像フレームは、通常１／６０秒に対してカラーホイール１１１を画像フレーム毎に１回転、または毎分３６００回転で回転している。この様なシステムでは、１フレーム周波数間に３つのカラーサブフレームが存在し、その各々はＲ、Ｇ、Ｂであって、このように色分離された光線がフィールドレンズ１１６により平行光となってＤＭＤ１１２に照射される。それぞれの色に対してＤＭＤ１１２は非常に高速に表示画像を切り替え、変調された各色光線は投写レンズ１１４を用いてスクリーン１１５に拡大投影される。スクリーンに投写された表示は１／６０秒の間にＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像が順次表示されるため、目では残像として見え、フルカラーの映像が認識される。

このような投写型表示装置においてＤＭＤの応答速度に依存して階調特性が制限される課題に対して開発されたシステムの１例が特許文献２に示されている。図１２は前記特許文献２に記載のカラーホイールの模式図である。このカラーホイールはＲ、Ｇ、Ｂの色フィルタが円周方向に所定の割合で配置されており、なかでも各色フィルタの領域に透過率の低い低輝度フィルタ領域Ｒ＋ＮＤＦ、Ｇ＋ＮＤＦ、Ｂ＋ＮＤＦを設けることにより高階調表示を実現するものである。このカラーホイールを用いた場合も図１１で示した投写型表示装置と同様にランプから出射する白色光を時分割でＲ、Ｇ、Ｂに色分離してＤＭＤを照明し、色順次表示を行う。ＤＭＤはミラーのオン、オフの２値表示であるから階調はパルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、以下略してＰＷＭ）駆動を行っている。映像信号１ビット（ＬＳＢ）の時間はミラーの応答速度に依存しているため高階調表示は困難であった。そこでカラーホイールに低輝度フィルタ領域ＮＤＦを設けることで光強度を低下させ光学的にＬＳＢを作り出すことによって高階調を実現するものである。具体的には低輝度フィルタ領域の透過率が通常フィルタ領域の１／２の場合、ミラーのオン時間が同じであっても、低輝度フィルタ領域を通って表示される輝度は通常フィルタ領域を通って表示される輝度の１／２となり、映像信号としてはさらに下位のＬＳＢ表示が可能となる。

但し、低輝度フィルタ領域を増やすとシステムの明るさが低下するため、実用的には図１３に示すカラーホイールのように最も視感度の高いＧのみ低輝度フィルタ領域Ｇ１’を設ける。さらに１フィールド内のＲＧＢ出現回数である色順次回数が小さいとカラーセパレーションと呼ばれる不要な色づき現象が表示に発生するので、一般的には図１３に示すように１枚のカラーホイールに中心角度が各色で等しくなるようＲＧＢフィルタが２枚ずつ１対になって配置される。このようにすればカラーホイールの回転数に対して２倍の色順次回数が実現可能である。実際には１０８００ｒｐｍで回転することで１フィールド内にＲＧＢが６回切り替わる（以下このような色シーケンスを６ｘと呼ぶ）。このとき低輝度フィルタＧ’は１フィールド内に３回出現するので、Ｇのみ下位ビットが表現可能となる。
特開平８−２１９７７号公報特開平９−１４９３５０号公報

図１３に示すようなカラーホイールを用いた投写型表示装置では、例えば光源として交流点灯タイプの超高圧水銀ランプを使用する場合、ある一定の点灯周波数でパルス駆動させる必要がある。ランプは駆動のパルス極性が反転する際にオーバーシュートと呼ばれる過渡現象が発生して、極めて短い時間ではあるが異常な強度の光出力を出射する。そのためオーバーシュートが発生するタイミングをカラーホイールの色切り替えのタイミングと同期させることで、表示期間内にオーバーシュートで表示のリニアリティを損なうことがないようにする。なぜなら色フィルタの切り替わりでは２色の混色を防ぐ目的で表示素子を強制的にオフする駆動方式が採られているからである。しかしながらランプの点灯周波数が例えば１８０Ｈｚの場合には６ｘ色シーケンスではＲＧＢ１ｘ毎にランプ点灯周波数切り替えが必要となりその度にオーバーシュートが発生する。従っていずれか２ヶ所の回転対称となる位置でランプの点灯周波数切り替えを行わなければならないが、図１３に示すようなカラーホイールでは適当な位置は見当たらない。例えばＲフィルタとＢフィルタの境界を最初のランプ点灯周波数切り替え位置とすると次の周波数切り替え位置は低輝度フィルタのほぼ中央辺りとなり、オーバーシュートの影響で表示の均一性が失われてしまう。

そこで図１４のように低輝度フィルタＧ１’と対称となるように低輝度フィルタＧ２’を設けると、どの色フィルタの切り替え位置においても回転対称となり、ランプのオーバーシュートによる表示均一性の課題は解決するが、低輝度フィルタ領域が大きくなるために明るさが低下する課題があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、ランプの点灯周波数や垂直同期周波数に制約を受ける場合においても、高階調と高輝度を両立する表示を実現する投写型表示装置とそれに用いるためのカラーホイールを提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明のカラーホイールは、
特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールにおいて、
２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置する構成となる。

本発明の第１の投写型表示装置は、
特定の点灯周波数で交流駆動する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールであり、２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置され、前記光源の点灯周波数切り替えが前記カラーホイールの略１８０°となる境界線と同期するものである。

また本発明の第２の投写型表示装置は、
白色光を出射する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、
画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールであり、２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置され、空間光変調素子が表示する信号の１フレーム毎の切り替えが前記カラーホイールの略１８０°となる境界線上で交互に同期するものである。

さらに本発明の第３の投写型表示装置は、
白色光を出射する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、
画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールにおいて、主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、透過率の異なる色フィルタと同じ波長帯域の主色の色フィルタとは隣接して配置され、その境界が光線を通過する間も空間光変調素子をオンするものである。

以上の説明のとおり、本発明のカラーホイールおよびこれを用いた投写型表示装置によれば、１つのカラーホイール内に主色であるＲＧＢの領域を２組設けることで、カラーホイールを高速回転させなくても表示に不要な色分れ現象を抑制可能である。さらに低輝度フィルタ領域を設けることで高階調表示が可能である。しかしながらこのように１つのカラーフィルタの色分割数を増やすと色切り替わりでオフ期間が発生し、光利用効率を低下させることになる。本発明のカラーホイールでは高階調表示と高輝度化の両立が可能となる。

特に投写型表示装置において、交流点灯のランプの周波数切り替え時や入力信号の１フレーム毎の切り替え時に本発明のカラーホイールを用いることで高階調表示と高輝度化の両立が可能となる。

さらに本発明の投写型表示装置では低輝度色フィルタと同じ波長帯域の通常色フィルタとを隣接させて、その色切り替え時にはオフ期間を取らずオンすることで高輝度化を実現できる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、本発明はこれによって限定を受けるものではない。

（実施の形態１）
本発明における第１の実施形態であるカラーホイールの概略図を図１に示す。カラーホイール１は１枚のガラス基板上にＲ、Ｇ、Ｂの色フィルタが光学薄膜としてコートされた構成である。ＲＧＢ各色フィルタは略扇形形状で円周方向にそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｂ１、Ｂ２と、さらに色フィルタＲ１と色フィルタＧ１の間に低輝度フィルタＧ３が配置され、７つの領域に分割されている。さらに色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界は一直線になるように構成されている。すなわち扇形の色フィルタＲ１、Ｇ３、Ｇ１、Ｂ１の中心角の和が１８０°となるようにそれぞれ色フィルタが角度配分されている。これらの色フィルタＲ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｂ１、Ｂ２には透過した白色光がそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの光に変調され、１フィールドにＲＧＢが６回切り替わるようにモータなどによって１０８００ｒｐｍの一定速度にて回転することで順次表示される。

さらに図１のカラーホイールを用いた投写型表示装置を図２に示す。図２において２１はカラーホイール、Ｒ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｂ１、Ｂ２は色フィルタ、２２はフィールドレンズ、２３はインテグレータ、２４は凹面鏡を含むランプ、２５はリレーレンズ系、２６は反射鏡、２７はＤＭＤ素子、２８は投写レンズ、２９はスクリーンである。ＤＭＤ素子２７は空間光変調素子の１つであり、１つの微小ミラーが１画素に対応し、これがマトリクス状に配列された構成で、映像信号によって高速でミラーの傾きが変化して表示の切り替えが可能である。ビデオレートの動画を表示するためには１フィールド内に６０フレームの映像を表示できることが必要であり、例えばＤＭＤ素子は高速応答可能な液晶パネルであっても構わない。そのためには液晶の応答速度としては少なくとも１／６０＝１６．７ｍ秒以下、好ましくはさらにこの間にＲＧＢ３色の表示が可能であるためには、応答速度として５．６ｍ秒以下が要求される。このような高速応答の液晶は例えば強誘電液晶、反強誘電液晶、ＯＣＢ（ＯｐｔｉｃａｌｌｙＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｅｎｄ）液晶などが挙げられる。

本発明の投写型表示装置の動作について説明する。ランプ２４はメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどの放電タイプの高出力ランプであり、凹面鏡のほぼ焦点位置に配置し、ランプ２４より出射する白色光が楕円形状の凹面鏡によりカラーホイール２１の色フィルタ上に集光するように配置される。カラーホイール２１はＲ、Ｇ、Ｂの色フィルタが円盤状に配置されるように構成され、ランプ２４より出射する白色光線がそれぞれの色フィルタを透過することで所定の波長の光線に分離される。特定の波長帯域の色光線はインテグレータ２３で均一化され、リレーレンズ系２５を通してＤＭＤ素子２７を照明する。照射される色光線に同期してＤＭＤ素子２７はその色に対応する画像フレームを表示する。単一画像フレーム、通常は１／６０秒に対してカラーホイール２１を画像フレーム毎に３回転、または毎分１０８００回転（ｒｐｍ）でモータ（図示せず）により回転させている。この様なシステムでは、１フレーム周波数間に６つのカラーサブフレームが存在し、その各々は赤、緑、青であって、それぞれの色に対してＤＭＤ素子２７は非常に高速に表示画像を切り替え、変調された各色光線は投写レンズ２８を用いてスクリーン２９に拡大投影される。スクリーンに投写された表示は１／６０秒の間にＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像が順次表示されるため、目ではこれらは残像として見え、フルカラーの映像が認識される。

ＤＭＤ素子２７はミラーのオンオフを切り替えて表示を行うデジタル変調素子であるため階調表示はＰＷＭと呼ばれる駆動方式が用いられる。すなわちミラーがオンしている積算時間で階調を表示するもので、一般的には２のべき乗で表すビットごとに定められた時間をオンするものである。赤色表示を例に挙げてＤＭＤの色表示方法を詳細に説明する。本発明の投写型表示装置において１フレーム周波数期間に赤のサブフレームは６回出現する。但し他の色である緑や青も時系列的に出現するので、この場合連続ではなく間歇的に６回出現することとなる。この６回のサブフレーム期間全体でＤＭＤのＰＷＭ８ビット階調表示を行うので、ＭＳＢや大きなビットは複数のサブフレームに分割されて表示される。ＬＳＢはミラーの応答速度に依存して決まり、これ以下には分割できないために６回のサブフレームのいずれかで表示を行う。概ね青色表示についても同様である。

緑色表示は他の赤、青とは異なり低輝度フィルタＧ３を有するので１０ビット階調表示が可能である。本発明の投写型表示装置において１フレーム周波数期間に色フィルタＧ１、Ｇ２を透過した光線が形成する通常緑のサブフレームが６回と低輝度フィルタＧ３を透過する光線が形成する低輝度緑のサブフレームが３回出現する。そのうち通常緑のサブフレームは上記赤表示と同様にして８ビット階調表示を行うのでここでは再度の説明を省略する。低輝度フィルタＧ３は通常フィルタＧ１、Ｇ２の１／４の透過率であるため、ＤＭＤがＬＳＢで表示を行うと低輝度フィルタを通過した光線は２ビットの高分解能の表示が可能である。低輝度緑のサブフレームが１フレームに３回出現するが、ＤＭＤが各フレームでＬＳＢの表示を行うことでそのうち１回はそのまま１ビット（ＬＳＢ）となり、残り２回は合わせて２ビットとなる。通常緑のサブフレームのうちＤＭＤがＬＳＢ表示を行うとき３ビットとなり、そのままＭＳＢでは１０ビットとなる。このようにして１０ビット階調表示が可能となる。

本発明のようなカラーホイール２１を高速回転させるためにはモータを用いる。モータはボールベアリングタイプのＤＣブラシレスモータを一般的にはよく用いるが、より高速な回転数が要求される場合は、オイルや空気などの流体軸受けモータを用いてもよい。カラーホイール２１はそれぞれＲＧＢ所定の光学特性を有する色フィルタをあらかじめ配分された中心角度を有する扇形形状に切り取られ、円形のハブに所定の色順で接着剤などにより固着された構造である。この円形のハブの中心をモータのロータ部に固定させて回転させる。一方、他のカラーホイールはドーナツ状のガラス基板１枚に選択蒸着手法で構成されるために、軽く、飛び散る危険性が少ないので、接着剤などで直接モータのロータ部へ貼り付けて回転させてもよい。当然ながらロータ部と接合されたカラーホイール２１も一緒に回転する。

このときカラーホイール２１で形成されるカラーバンドの色と、ＤＭＤ素子２７の表示する映像とが同調しなければならない。信号インターフェースは、様々な種類の入力信号を受けることができ、例えばここでは水平および垂直同期成分を有する標準ビデオ信号であるものと仮定する。以下に説明されるように、垂直同期信号は、カラーホイール２１の速度を調節するための基準信号として用いられる。入力信号はＰＣなどのグラフィックスデータでもよく、基準信号は他の信号源から来るものでもかまわない。

但し、本発明では１フレーム間における色切り替えの回数、あるいは色出現の順序、色フィルタの角度配分に関しては、特に限定するものではないし、以下の実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
本発明の投写型表示装置を図３に示す。図３において３１は実施の形態１にて説明したカラーホイール、Ｒ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｂ１、Ｂ２は色フィルタ、３２はフィールドレンズ、３３はインテグレータ、３４は凹面鏡を含むランプ、３５はリレーレンズ系、３６は反射鏡、３７はＤＭＤ素子、３８は投写レンズ、３９はスクリーンである。ＤＭＤ素子３７上に入射する光は、回転するカラーホイール３１を通して送られる。それぞれの色に対するデータはシーケンス化され、前記データの表示は、ＤＭＤ素子３７へ送られつつある光を通過させているカラーホイール３１の部分が、表示されている前記データに対応するように、同期せしめられる。本説明の例においては、それぞれの画素はＲＧＢデータ値によって表され、これは、それぞれの画素が赤値、緑値、および青値を有することを意味する。フレーム内の全画素の、それぞれの色に対する値が表示されつつある時、カラーホイール３１は、光が対応する赤、青、または緑のフィルタを通過するように回転する。これら３つの値の組合せが、それぞれの画素に対する所望の色を生じる。

本発明の投写型表示装置の動作について説明する。基本的な動作は本発明の第１の実施の形態で説明したものと同じであるので省略し、異なる部分についてのみ説明する。ランプ３４より出射する白色光線は凹面鏡によりカラーホイール３１の色フィルタ上に集光するが、ランプの発光体は有限の大きさであるので色フィルタ上にできる光源像も有限の大きさを有する。従って異なる色のフィルタの境界を光源像が横切る際に２色のフィルタを同時に光線が透過する期間（以下、スポークタイムと呼ぶ）が存在し、この期間は２色が混色してしまうので基本的には単色では純度の高い表示ができないため、ＤＭＤ素子３７は強制的にオフ期間となる。

カラーホイール３１はモータ４０で回転駆動され、このモータ４０はカラーホイール制御回路４２によって位相と回転数が制御されている。カラーホイール制御回路４２ではカラーホイール３１からカラーホイール位相信号４８を受けるとともに、ＤＭＤ素子３７のドライバ回路４３から受けるカラーホイール制御信号４７と位相比較してモータ制御信号４９でカラーホイール３１をコントロールする。一方、画像を表示するＤＭＤ素子３７は信号インターフェースで入力信号４４を受け、ドライバ回路４３でＤＭＤ素子３７の時分割駆動に応じた信号形式に変換する。さらにこのデータをディスプレイメモリに蓄えて、所定のタイミングでＤＭＤ素子３７へデータ４５を出力する。

このときランプ３４はランプ電源４１からの信号により交流点灯駆動で発光している。ドライバ回路４３からランプ電源４１へ送られるランプ位相信号４６によってランプ駆動信号５０でランプ３４は駆動される。図４にランプの駆動電流波形と出力光強度、ならびにカラーホイールの色シーケンスのタイミングチャートを示す。図４のように１８０Ｈｚの一定周期で駆動電流波形がランプに印加されるとき、そのパルスの極性切り替わりで過渡現象が発生し、一時的に光出力強度が増加する。この現象をランプのオーバーシュートと呼ぶが、オーバーシュートで発生した光線は定常状態の光線とは強度が異なるために表示に使用するとリニアリティが崩れてしまう。従ってオーバーシュートの発生タイミングをカラーホイールのスポークタイムに同期させることで表示はオフ期間となるのでオーバーシュートの影響をできるだけ少なくすることが可能となる。具体的には回転するカラーホイール３１の色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と、色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界において、それぞれ光線が横切るタイミングとランプ３４の交流点灯周波数切り替えのタイミングを同期させる。このようにするとランプ３４で発生するオーバーシュートを色フィルタＲ１と色フィルタＢ２間のスポークタイム、ならびに色フィルタＢ１と色フィルタＲ２間のスポークタイム期間にもってくることが可能で、ＤＭＤ素子３７でオフ表示となるのでオーバーシュートの影響を受けることがなく均一性の高い表示が実現できる。

（実施の形態３）
本発明における第３の実施形態であるカラーホイールの概略図を図５に示す。図５においてＲＧＢ各色フィルタは略扇形形状で円周方向にそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｂ１、Ｂ２と、さらに色フィルタＲ１と色フィルタＧ１の間に低輝度フィルタＧ３が配置され、７つの領域に分割されている。さらに色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界は一直線になるように構成されている。すなわち扇形の色フィルタＲ１、Ｇ３、Ｇ１、Ｂ１の中心角の和が１８０°となるようにそれぞれ色フィルタが角度配分されている。詳細な角度配分として色フィルタＲ１、Ｒ２の中心角度は６５°、色フィルタＢ１、Ｂ２は６０°、色フィルタＧ１は４０°、Ｇ２は５５°、Ｇ３は１５°であるが、これはランプを含む光学系全体の分光透過率特性によって最適な角度を決めるものであり本発明ではこの角度に依存するものではない。

本発明のカラーホイールのように同じ色のフィルタ領域をほぼ等分にすることで、色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界および色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界のいずれからシーケンスを開始してもほぼ同じＤＭＤ素子の駆動で可能となる。また本発明のような色フィルタ構成とすることで、同色の各サブフレームにおいてほぼ同じＤＭＤ駆動シーケンスが取れるので動画擬似輪郭低減が可能となる。

（実施の形態４）
本発明における第４の実施形態である投写型表示装置の概略図を図６に示す。図６において６１は図５に示したカラーホイール、Ｒ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｂ１、Ｂ２は色フィルタ、６２はフィールドレンズ、６３はインテグレータ、６４は凹面鏡を含むランプ、６５はリレーレンズ系、６６は反射鏡、６７はＤＭＤ素子、６８は投写レンズ、６９はスクリーンである。

本発明の投写型表示装置の動作について説明する。基本的な動作は本発明の第１の実施の形態で説明したものと同じであるので省略し、異なる部分についてのみ説明する。本発明の投写型表示装置は入力信号７４の垂直同期信号周波数が６０Ｈｚの場合は実施の形態１と同様に１フレーム周波数期間に各色６つのサブフレームから構成され、それに対応してＤＭＤ素子６７が表示を行う。一方、入力信号７４の垂直同期信号周波数が５０Ｈｚの場合は、上記同様に１フレーム周波数期間に各色６つのサブフレームから構成しようとすると、カラーホイール６１の回転数を１０８００ｒｐｍから９０００ｒｐｍへ変化させる必要がある。ＮＴＳＣ信号とＰＡＬ信号が混在するような地域ではそのたびにカラーホイール６１の回転数を変えて対応しなければならず、どうしても回転数が一定になるまで数秒程度の遅れが生じ、その間は表示が乱れる課題があった。

本発明ではこのような課題を鑑み、入力信号７４の垂直同期周波数が６０Ｈｚ、５０Ｈｚいずれにおいても、ドライバ回路７３からのカラーホイール制御信号７７はカラーホイール６１の回転数を９０００ｒｐｍ一定のままでコントロールするとともに、入力信号７４の垂直同期信号周波数が５０Ｈｚの場合は１フレーム周波数期間に各色６つのサブフレームから構成するようにドライバ回路７３からＤＭＤ素子６７の駆動信号７５を変化させ、入力信号７４の垂直同期信号周波数が６０Ｈｚの場合は１フレーム周波数期間に各色５つのサブフレームから構成するようにＤＭＤ素子６７の駆動信号７５を変化させることで改善が図れた。

カラーホイール６１はモータ７０で回転駆動され、このモータ７０はカラーホイール制御回路７２によって位相と回転数が制御されている。カラーホイール制御回路７２ではカラーホイール６１からカラーホイール位相信号７８を受けるとともに、ＤＭＤ素子６７のドライバ回路７３から受けるカラーホイール制御信号７７と位相比較してモータ制御信号７９でカラーホイール６１をコントロールする。垂直同期信号周波数が５０Ｈｚのときは偶数のサブフレームとなるので本発明のようにカラーホイール６１内に２個１対の色フィルタを有する場合はこれまで説明したように同じ位置でフレーム同期が取れる。一方６０Ｈｚのときは奇数のサブフレームになるので、図５に示すように光源像がカラーホイール６１の色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界位置に来るときにフレーム同期を取ると、次のフレーム同期はその位置とは１８０°反対の位置で取らなければならない。本発明のカラーホイールでは色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界位置で取ることが可能となる。

奇数のサブフィールドで表示する際に本発明のカラーホイール６１では奇数フィールドと偶数フィールドで低輝度フィルタＧ３が出現する回数が異なる。具体的にはＲＧＢの色シーケンスが１フレームに５回出現する場合に、奇数フレームでは低輝度フィルタ領域Ｇ３は３回出現するが、偶数フレームでは低輝度フィルタ領域Ｇ３は２回しか出現しない。図７に低輝度フィルタＧ３におけるＤＭＤ素子のオン時間を模式的に示す。横軸は時間軸であり、１ｘ〜５ｘはＲＧＢを基本単位とする色シーケンスの出現回数を示す。図７のようにＤＭＤ素子６７の駆動を奇数フィールドと偶数フィールドでＰＷＭシーケンスを変えて対応する。奇数フィールドでは低輝度フィルタの緑サブフレームが３回出現するが、各サブフレームでＤＭＤ素子６７はＬＳＢ（単位時間ｔ）でミラーをオンする。そのうち１つはビット０となるが、他の２つは合わせてビット１を表示する。一方偶数フィールドでは低輝度の緑サブフレームが２回出現するが、１つのサブフレームでＤＭＤ素子６７はＬＳＢでミラーをオンしてビット０を表示するが、もう１つのサブフレームではＬＳＢの２倍の時間でミラーをオンしてビット１を表示する。

（実施の形態５）
本発明における第５の実施形態である投写型表示装置について説明する。概略図は図２に示す投写型表示装置と同じであるので説明を省略する。

本発明の投写型表示装置の動作について説明する。基本的な動作は本発明の第１の実施の形態で説明したものと同じであるので省略し、異なる部分についてのみ説明する。図８に本発明の投写型表示装置のカラーホイール色切り替え時におけるＤＭＤ素子の駆動パターンを模式的に示す。本発明のカラーホイールは低輝度色フィルタＧ３を有し、同色の通常色フィルタＧ１と隣り合って領域が形成されている。異なる色のフィルタの境界を光源像が横切る際にスポークタイムを設けて、ＤＭＤ素子２７を強制的にオフ期間とすることで混色を防止するが、本発明の投写型表示装置では低輝度色フィルタＧ３と同色の色フィルタＧ１とが隣り合うように配置し、その間のスポークタイムは設けずにＤＭＤ素子の有効表示期間としてミラーをオンさせる。但し低輝度色フィルタＧ３は色フィルタＧ１の透過率の１／４となるので、スポークタイム期間はその間の透過率になるのでビット幅すなわちミラーのオン時間を調整する必要がある。低輝度色フィルタＧ３ではＬＳＢであるビット０を表示し、低輝度色フィルタＧ３から色フィルタＧ１へ切り替わる遷移期間ではビット３を表示し、色フィルタＧ１へ完全に切り替わってからビット４を表示する。本発明ではフィルタからフィルタへ切り替わる遷移期間であるスポークタイムを有効に利用することが目的であって、どのような重み付けのビットを配置するかは問題ではない。

（実施の形態６）
本発明における第６の実施形態であるカラーホイールの概略図を図９に示す。図９においてＲＧＢ各色フィルタは略扇形形状で円周方向にそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｂ１、Ｂ２と、さらに色フィルタＲ１と色フィルタＧ１の間にホワイトセグメントＷ１が配置され、７つの領域に分割されている。さらに色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と色フィルタＢ１と色フィルタＲ２の境界は一直線になるように構成されている。すなわち扇形の色フィルタＲ１、Ｗ１、Ｇ１、Ｂ１の中心角の和が１８０°となるようにそれぞれ色フィルタが角度配分されている。詳細な角度配分として色フィルタＲ１、Ｒ２の中心角度は６５°、色フィルタＢ１、Ｂ２は６０°、色フィルタＧ１は４０°、Ｇ２は５５°、ホワイトセグメントＷ１は１５°であるが、これはランプを含む光学系全体の分光透過率特性によって最適な角度を決めるものであり本発明ではこの角度に依存するものではない。

ホワイトセグメントＷ１は透過率の高いガラス基板からできているが、光の透過面に反射防止コーティングがなされている。あるいは不要な波長帯域の光を反射させる選択的な反射コートでも構わない。ホワイトセグメントは表示の白色領域の明るさを増大させる目的に使用される。

（実施の形態７）
本発明における第７の実施形態であるカラーホイールの概略図を図１０に示す。図１０においてＲＧＢ各色フィルタは略扇形形状で円周方向にそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｂ１、Ｂ２と、さらに色フィルタＲ１と色フィルタＧ１の間に低輝度色フィルタＧ３が、色フィルタＲ２と色フィルタＧ２の間に低輝度色フィルタＲ３がそれぞれ配置され、８つの領域に分割されている。さらに色フィルタＲ１と色フィルタＢ２の境界と色フィルタＢ３と色フィルタＲ２の間の境界は一直線になるように構成されている。すなわち扇形の色フィルタＲ１、Ｗ１、Ｇ１、Ｂ１の中心角の和が１８０°となるようにそれぞれ色フィルタが角度配分されている。

本発明では投写レンズを用いた投写型ディスプレイを色順次表示装置の例に挙げたが、投写レンズの代わりに接眼レンズを用いた直視型の色順次表示装置であっても構わない。

本発明にかかるカラーホイールとそれを用いた投写型表示装置は高輝度と高階調性能を両立するプロジェクタあるいはプロジェクションテレビとして有用である。

本発明のカラーホイールにおける第１の実施形態を説明する概略図本発明の投写型表示装置における第１の実施形態を説明する概略図本発明の投写型表示装置における第２の実施形態を説明する概略図ランプの駆動電圧波形と出力光強度ならびにカラーホイールの色シーケンスのタイミングチャートを示す概略図本発明のカラーホイールにおける第３の実施形態を説明する概略図本発明の投写型表示装置における第４の実施形態を説明する概略図本発明の投写型表示装置におけるＤＭＤ駆動シーケンスを説明する概略図本発明の投写型表示装置におけるカラーホイール色切り替え時のＤＭＤ素子の駆動パターンを説明する模式図本発明のカラーホイールにおける第６の実施形態を説明する概略図本発明のカラーホイールにおける第７の実施形態を説明する概略図従来の投写型表示装置を説明する概略図従来のカラーホイールを説明する概略図従来のカラーホイールを説明する他の概略図従来のカラーホイールを説明する他の概略図

符号の説明

１、２１カラーホイール
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｂ１、Ｂ２カラーフィルタ
２３インテグレータ
２４ランプ
２５リレーレンズ系
２６反射鏡
２７ＤＭＤ素子
２８投写レンズ
２９スクリーン

Claims

特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールにおいて、
２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置することを特徴とするカラーホイール。
透過率の異なる色フィルタはいずれか主色の色フィルタに対して透過率が低いことを特徴とする請求項１記載のカラーホイール。
透過率の異なる色フィルタは白色光線を透過させることを特徴とする請求項１記載のカラーホイール。
異なる波長帯域において透過率の低い色フィルタを２枚以上含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の低い色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域に第１の主色の色フィルタ領域に含まれる波長帯域とは異なる透過率の低い色フィルタを加えた領域との境界線が略１８０°となるように配置することを特徴とする請求項１記載のカラーホイール。
特定の点灯周波数で交流駆動する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、
画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールであり、２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置され、前記光源の点灯周波数の極性切り替えが前記カラーホイールの略１８０°となる境界線と同期することを特徴とする投写型表示装置。
白色光を出射する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、
画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールであり、２枚１対の主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、第１の主色の色フィルタ領域に透過率の異なる色フィルタを加えた領域と第２の主色の色フィルタ領域との境界線が略１８０°となるように配置され、空間光変調素子が表示する信号の１フレーム毎の切り替えが前記カラーホイールの略１８０°となる境界線上で交互に同期することを特徴とする投写型表示装置。
白色光を出射する光源と、
光源より出射する白色光線を複数の波長帯域の色光に分解して時系列で周期的に変換する色変換手段と、
画像を形成する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子に形成された画像をスクリーンへ拡大投影する投写光学系と、
を具備し、
前記色変換手段は特定波長領域の光線を透過する色フィルタを円周方向に複数配置したカラーホイールにおいて、主色の色フィルタに対して透過率の異なる色フィルタを少なくとも１枚含み、透過率の異なる色フィルタと同じ波長帯域の主色の色フィルタとは隣接して配置され、その境界が光線を通過する間も空間光変調素子をオンすることを特徴とする投写型表示装置。