JP3625050B2 - 投影表示システム及び投影表示方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射空間光変調器を使用する投影表示システム、より詳細には、光の2つの偏光状態を用いて色画像を生成して投影表示するシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は、液晶光バルブ(LCLV)とも呼ばれる液晶ディスプレイ(LCD)パネル形状の3個の反射型空間光変調器を有する従来の投影表示システムの一例を示す概略図である。この従来技術のシステム(全体を10で示す)は、光源12と、光を集めて液晶ディスプレイによる光バルブに集中させる照明機構(全体を14で示す)と、偏光効果を用いて変調する光バルブに対し光を偏光させる偏光機構(全体を16で示す)と、照明光を3つの色バンドに分離して3個のカラー光バルブを別々に照明する分割機構(全体を18で示す)と、各々の光バルブで反射した3つの光成分を再結合させる再結合機構(全体を20で示す)と、結合画像を画面に投影する投影機構(全体を22で示す)とから構成されている。
【0003】
ランプ24とランプ反射鏡26はこのシステムに用いる光を発生して集光する。第1群の直列配置ダイクロイックフィルタ28,30は、ランプ24からの光を赤,緑,青の成分に分離するために使用される。3つの光成分又は光路(チャンネル)は、各々、偏光ビームスプリッター(PBS)32,34,36によって偏光され、3個の液晶ディスプレイ(LCD)38,40,42を照射する。各々のLCDは、反射光の偏光を選択的に変更し、光の一部がPBS32,34,36を逆方向から通過する。第2群の直列配置ダイクロイックフィルタ44,46は変調光を再結合し、投影レンズ48を通して3個のLCDの全画像を画面に投影させる。
【0004】
図3に示す機能的構造は、投影表示システム製品の実装にこれまで用いられてきたものである。しかしながら、かようなシステムの1つの欠陥は、効率が悪く、光源からの光の半分しか利用していないことである。これは、ディスプレイの表示が暗くなりがちなので、特に問題であり、かようなディスプレイを用いて明るい画像を生成することが望まれる。偏光変換器は、光源からのランダムに偏光した光を単一偏光状態に変換して光学系の出力を改善するために使用されてきた。しかしながら、かような偏光変換器は、効率が十分でなく、偏光度が低下する作用によってコントラストに影響し、複雑度が増し追加コストを要する。
【0005】
かようなシステムのもう1つの欠点は、投影画像の明るさを改善するために色バランスをしばしば犠牲にすることである。カラーディスプレイの場合、画質を決定する1つの要素に色温度がある。これは、白の“白色度”によって示される主観的な評価である。写真フィルム産業の調査によると、色温度の好みは、或る特定の地理的パターンに従うものとされる。例えば、米国人は青みがかった白を好み、一方、欧州人は“忠実な”肌色の色調を提示するような色温度を好むようである。カラー表示システムは、所与のマーケットにおいて好まれる色温度を提示できることが望まれる。従来、フィルタ処理を追加して特定色成分の強度を低減して光源における不均衡を修正することにより、目的の色バランスを達成してきた。しかしながら、従来の表示システムにおいては、画像の明るさが既に問題であるので、より望ましい色温度を達成するために明るさをさらに低減させることは、好ましくない場合が多い。
【0006】
従来技術の他の欠点は、図3に示した構造が多数の構成品を含み複雑で、システムの物理的な寸法も比較的大きいことである。このシステムの最も重大な欠点は、投影レンズの背後に大きな作動距離を必要とすることである。
フルカラー画像の提供を追求した従来技術による投影表示システムは、これらの欠点に正しく対処していない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、両方の偏光状態の光が効率よく投影表示システムを透過して明るい画像を生み出し、偏光度の低下作用を受けることなく所望の色温度を達成し、構成品の数が少なく、システムの物理的寸法が小さく、投影レンズの後方作動距離が比較的短い、液晶投影表示システムを提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の技術手段は、第1の色成分と第2の色成分と第3の色成分を有する非偏光光を発生する光源と、前記第2の色成分及び第3の色成分を互いに異なる透過時間で選択的に透過させる少なくとも1つの色選択装置と、前記第1の色成分の一方の偏光状態の光について画像生成を行う第1の偏光変調器と、前記第1の成分の他方の偏光状態の光について画像生成を行う第2の偏光変調器と、前記第2の色成分と第3の色成分の一方の偏光状態の光について画像生成を行う第3の偏光変調器と、前記第2の色成分と第3の色成分の他方の偏光状態の光について画像生成を行う第4の偏光変調器と、各前記偏光変調器で生成された画像を投影する投影レンズとを含んで成ることを特徴としたものである。
【0009】
第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記第1ないし第3の色成分のうちの1つの色成分の一部が、他の色成分の一部と重なることを特徴としたものである。
【0010】
第3の技術手段は、第1の技術手段において、前記第1ないし第3の色成分のうちの各色成分は、他の色成分と重ならないことを特徴としたものである。
【0011】
第4の技術手段は、第1の技術手段において、前記色選択装置は、カラーホイールであることを特徴としたものである。
【0012】
第5の技術手段は、第1の技術手段において、前記色選択装置は、光学スイッチであることを特徴としたものである。
【0013】
第6の技術手段は、第1の技術手段において、特定の色成分の偏光方向を回転させる色成分選択回転子をさらに含んでいることを特徴としたものである。
【0014】
第7の技術手段は、第1の技術手段において、前記色選択装置は、前記第2の色成分を第1時間の間透過させるとともに、前記第3の色成分を第2時間の間透過させ、前記第1時間が前記第2時間と異なっていることを特徴としたものである。
【0015】
第8の技術手段は、第1の技術手段において、前記色選択装置に同期した駆動電子装置(ドライブエレクトロニクス)をさらに含んでいることを特徴としたものである。
【0016】
第9の技術手段は、第8の技術手段において、前記駆動電子装置は、前記第及び第2偏光変調器の対と前記第3及び第4の偏光変調器の対とを異なるフレームレートで駆動することを特徴としたものである。
【0031】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来技術の欠点を克服するために、第1の実施形態として、少なくとも2つの偏光状態を有し、少なくとも第1色成分と第2色成分と第3色成分を含む光を発生する光源を含んで成る投影表示システムを提供する。このシステムは、第2色成分と第3色成分のどちらか1つを異なる透過時間で選択的に透過させる少なくとも1つの色成分選択装置を有する。このシステムは少なくとも4つの偏光変調器を有する。その中の2つの偏光変調器は、各々、第1色成分の各偏光状態に関する画像を生成する。他の2つの偏光変調器は各々、色成分選択装置により伝送された第2色成分と第3色成分のいずれかの色成分の各偏光状態に関する画像を生成する。このシステムは、偏光変調器からの画像を投影する投影レンズを有している。
【0032】
本発明の第2の実施形態による投影表示システムは、少なくとも3つの色成分を有する非偏光光を発生する光源を含んで成る。色選択装置が異なる色成分を異なる透過時間で選択的に伝送する。偏光分離器は、第1偏光状態の光用の第1光路と第2偏光状態の光用の第2光路を有している。各光路は3つの色成分の各成分用の画像を生成する。投影レンズは画像を投影する。
【0033】
本発明の他の実施形態として、色画像を表示する方法を提供する。先ず、少なくとも2つの偏光状態と少なくとも3つの色成分を有する光を発生する。第2及び第3色成分は、異なる透過時間で選択的に伝送する。第1色成分の各々の偏光状態に関する画像を生成する。第2及び第3色成分の各々の偏光状態に関する各々の画像を各々異なる透過時間で生成する。画像は次に投影レンズで投影する。
【0034】
本発明の種々な実施形態は、下記に挙げる利点の中の1つ又はそれ以上を有する。投影表示システムは、入射光の両偏光状態を利用することにより高い光効率(即ち、より明るい出力)を得る利点を有する。かように、このシステムは、単一光源からの光伝送を改善することによりより明るい投影画像を提供する。さらに、このシステムは、偏光変調器により出光量に影響を与えコントラストを減少させる偏光度の低下作用を生じることがない。本発明の他の利点は、所望の色温度を必ずしも有さない光源を使用できることである。これにより、熱、寸法、価格及び全光出力強度のような色温度以外のファクタに基いて光源を選択できる。本発明のさらなる他の利点は、色温度を異なる市場ごとに顧客の好みに合わせられることである。一般に、所望の色温度は、異なる色成分が投影ディスプレイシステムを介して伝送する時間量を決定することにより達成できる。さらに、このディスプレイシステムは、比較的小さい物理的寸法を有し、比較的短い投影レンズの後方動作距離を持つように製作できる。
【0035】
本発明の上述及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照し下述する本発明の説明を読めば容易に理解されよう。
【0036】
(実施例1)
本発明は、光源からの光の両方の偏光状態を同時に利用し、2つの液晶ディスプレイ(LCD)で光の2つの色成分を時間により変調し、一方で2つの追加LCDを光の第3色成分で照射することにより、画像を再構築する。この発明の1つの利点は、光源より発生した白色光(即ち、ランダム偏光光又は自然光)における2つの偏光状態を使用して画像を生成することである。光の両偏光状態を利用することにより、システムの光効率が増大して、より明るい出力が得られる。
【0037】
図1は、本発明の投影表示システムの一実施例を説明するための図で、図3と同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付けて示している。図1の投影表示システムは、不規則に偏光した白色光を発する光源112を有している。回転カラーホイール(rotating color wheel)114は、異なる選択時間に異なる色成分を透過させることにより、この白色光を異なる色成分に分離する。ここで用いるように、色成分は、赤,青,緑の光成分のような異なる色又はスペクトル帯域に関係する。色成分に関しては、要望に応じて任意の波長範囲の組が用いられることは理解されよう。異なる色成分の波長範囲は、互いに重なり合ってもよいし、重なり合わなくてもよい。要望に応じて、任意数の色成分を同様に用いることもできる。回転カラーホイール114は異なるセグメントに分割されており、各セグメントは、異なる色成分を透過し、フィルタ処理して、回転カラーホイール114の回転に伴い、異なる色成分を異なる透過時間で伝送する。
【0038】
図1に示した実施例において、回転カラーホイール114は2つの異なるセグメント、即ち、黄色(緑と赤)のセクション116とシアン(緑と青)のセクション118に分割されている。回転カラーホイール114は、白色光が回転カラーホイール114を透過し、緑色成分が両方の色セグメント116と118を常に透過するように回転する。しかしながら、赤色成分は回転カラーホイール114の黄色セグメント116のみを透過し、青色成分は回転カラーホイール114のシアンセグメント118のみを透過する。従って、回転カラーホイール114は少なくとも2つの色成分を時間的に変調する。回転カラーホイール114を通る出射光の偏光は変化しない。
【0039】
回転カラーホイール114を透過する光は次にセパレータ120に入る。この偏光分離器はランダムに偏光した白色光を取り出して、その光の1つの偏光成分が1つの光路に向かい、他の偏光成分をもう1つの光路に向かうように分離する。異なる偏光状態は、好ましくは、“s”及び“p”の直交偏光状態のように互いに90度異なる方向であるが、望むならば、任意の他の適当な角度又は関係を有する偏光としてもよい。また、右及び左円偏光状態も使用できる。
【0040】
図1に示す実施例において、偏光ビームスプリッタ122は、s成分を反射し、p成分を透過させて、入射光を2つの偏光成分に分割する。以下にs成分の光路を説明する。偏光ビームスプリッタ122では、s偏光を有する全色成分が反射し、この反射光はs偏光のみを透過する偏光子124を透過する。偏光子124の機能は、偏光ビームスプリッタ122で偶然に反射した、所望の偏光成分を持たない光を除去することによりシステムのコントラストを改善することである。
【0041】
偏光子124を透過した光は、次に、色成分選択回転子126を通る。この色成分選択回転子126は、回転カラーホイール114により時間変調された2つの色成分に対応する色成分の偏光を回転させる。即ち、色成分選択回転子は、特定波長域に対するλ/2波長板として機能する。例えば、図2のシステムにおいて、色成分選択回転子126は、赤/青回転子であり、赤と青の色成分の偏光状態をs偏光状態からp偏光状態に回転させる。光の特定の波長又は色成分のみを回転させる色成分選択回転子は、コロラド州ボールダー市のカラーリンク社又はマサチューセッツ州ケンブリッジ市のケンブリッジ・リサーチ・アンド・インスツルメンテーション社より入手できる。勿論、他の実施例において、この色成分選択回転子126は、図1に示したような2つの時間変調色成分ではなく、緑色成分のような単色成分のみを回転させることも可能である。
【0042】
色成分選択回転子126を透過した3つの色成分は、次に偏光ビームスプリッタ128に入射する。偏光ビームスプリッタ128は、s偏光の光を再び反射し、p偏光光を透過させる。この時点で、図1の実施例においては、緑色成分のみがs偏光状態であり、赤と青の色成分はp偏光状態にある。偏光ビームスプリッタ128で反射した緑色光を、反射型LCDパネル130を用いて結像させる。この反射した緑色成分はp偏光状態であり、その後、偏光ビームスプリッタ128を透過する。同様に、赤と青の色成分は、偏光ビームスプリッタ128を透過して反射型LCDパネル132に入り、青色及び赤色の画像を生成する。反射した青及び赤の色成分画像は、s偏光状態であり、その後、偏光ビームスプリッタ128によって反射される。反射型LCDパネルは入射光の偏光状態を回転させるので、駆動電子装置(ドライブエレクトロニクス)は、偏光変調によりグレーレベルを生成する。
【0043】
反射型LCDの駆動電子装置は回転カラーホイール114の回転速度に同期して、LCDパネルの1つを(例えば、赤/青LCDパネル132)をもう1つのLCDパネル(例えば、緑のLCDパネル130)のフレームレートの2倍のフレームレートに多重させるように設定されている。すなわち、回転カラーホイール114の1回転又は1サイクルの間に、駆動電子装置は緑色成分画像を生成するLCDパネル130を用いて単一の画像を生成する。同一サイクル中に、駆動電子装置は、赤色成分が回転カラーホイール114を透過する際にLCDパネル132を用いて赤色画像を生成し、青色成分が回転カラーホイール114を透過する際にLCDパネル132を用いて青色画像を生成する。
【0044】
反射型LCDパネル130,132によって生成された各々の画像は、もう1つの色成分選択回転子134を透過する。この色成分選択回転子134は、色成分選択回転子126と同様に、色成分が再び同一の偏光状態となるように、変調色成分の偏光状態を回転させる。そして色成分選択回転子から出射した光は、次にアナライザ136を通過する。このアナライザは、偏光子124と同様、もう1つの偏光フィルタであり、望ましくない偏光成分の光を除去するために使用するものであり、画像のコントラストの改善に有効である。3つの色成分は、次に、偏光ビームスプリッタ138を透過して投影レンズ140に達し、この投影レンズ140が各々の画像を投影する。
【0045】
偏光ビームスプリッタ122に戻り説明を続ける。偏光ビームスプリッタ122を透過したp偏光状態の光は、同様な光路上を進行する。3つの色成分は偏光子142と色成分選択回転子144を通過し、その際、光は、回転カラーホイール114を常時透過する色成分が1つの偏光状態をもち、回転カラーホイール114により変調された色成分がもう1つの偏光状態をもつように分割される。すなわち、図1に示すように、緑色成分はp偏光状態であり、赤と青の色成分はs偏光状態である。偏光ビームスプリッタ146はp偏光状態の緑色成分を透過させ、s偏光状態の赤と青の色成分を反射する。かように、緑色成分は透過して反射型LCDパネル148に達し、赤と青の色成分は反射型LCDパネル150の方向に反射する。反射型LCDパネル148,150で反射した画像は、偏光ビームスプリッタ146により、色成分回転子152とアナライザ154に向けられ、その後、偏光ビームスプリッタ138に入射する。色成分回転子152では、変調色成分の偏光状態が回転し、アナライザ154が所望の偏光状態でない光を除去する。
【0046】
セパレータ120の各光路上の光(各偏光状態の光)には、全ての色情報(即ち、赤,青,緑の色成分)が含まれている。セパレータ120の各光路では、画像を独立して生成できるが、2つの光路が共に2つの偏光状態を利用するために、本発明はより明るい画像を生成し、より高い偏光利用率を得ることができる。
【0047】
(実施例2)
図2は、本発明の投影表示システムの他の実施例を説明するための図で、1つの色成分を絶えず透過しながら他の2つの色成分を変調する電気的で非機械的な方法を提供する実施例を示すものである。セパレータ120′の入力としてシアン(緑と青の色成分)又は黄色(緑と赤の色成分)を透過させるために、実施例1の回転カラーホイールの使用に代えて、電気的にアドレスできる偏光選択色フィルタスイッチ(以下光学スイッチとする)156,158をセパレータ120′に使用する。かような装置は、コロラド州ボールダー市のカラーリンク社、マサチューセッツ州ケンブリッジ市のケンブリッジ・リサーチ・アンド・インスツルメンテーション社及びコロラド州ロングモンド市ディスプレイテク社より入手できる。セパレータ120’は、光学スイッチ156,158の追加を除いて、図1のセパレータ120と同じ構成を有する。光学スイッチ156,158は、各々、適当な直線偏光子を有し、異なる時間に異なる色成分を選択的に透過させる。光学スイッチ156,158は、各々、LCDパネルと同期しており、LCDパネルによって生成される色成分画像に対応する色成分を透過させる。
【0048】
図2に示す実施例においては、光学スイッチ156,158は黄色又はシアン波長の何れかを透過させ、青/赤LCDパネル132,150が赤色情報を表示する時は黄色(緑と赤の色成分)を透過させるように同期し、青/赤LCDパネル132,150が青情報を表示する時はシアン色(緑と青の色成分)を透過させるように切り替わる。かように、光学スイッチ156,158は、緑色成分を連続透過し、赤と青の色成分を時間変調する。
【0049】
上述した各実施例の場合、青と赤の色成分の変調選択並びに緑色成分の連続透過は、本発明を説明するために選択したもので、色/波長の他の組み合わせも、この光学的方法に同様に適用できる。図1のような機械的システムを使用するか、図2のような電気光学的システムを使用するかは、性能条件と製品設計条件により決定される。
【0050】
本発明は、色温度の最適化と投影ディスプレイシステムの光効率の改善が得られる重要な利点を有している。色バランスは、各色成分の他の色成分に対する相対的な透過時間を変化させることにより達成できる。かように、異なる色成分は、異なる時間長さの間表示できる。1つの色成分が不足している光源の場合、システムは連続してその色成分を透過させながら、2つの他の色成分を時間変調する。例えば、図1に示すシステムにおいて、光源が緑色成分を欠いている場合、システムは赤と青の色成分を変調する間中、緑色成分を連続的に透過させる方法で、より快適な色温度を提供する。
【0051】
さらに、回転カラーホイール114のセグメント116,118の面積を変化させることによる他の調節法も実行可能である。例えば、青色成分に対する赤色成分の量を増すことによって、より快適な色温度を達成することが望まれる場合は、黄色セグメント116の面積を増大し、シアンセグメント118の面積を減少させ、かつ、LCDパネル132,150に対する駆動電子装置を調整してLCDパネルを種々の色成分の透過に同期させる。かように、セグメントの相対面積を調節することにより、色温度を調節することができる。さらに、追加のフィルタセグメントを加えて、所定の時間において1色成分のみを透過させるか、又は光を出射させないようにすることにより、色温度をさらに調節することも可能である。
【0052】
図2に示した実施形態において、色バランスは光学スイッチ156,158が1つ色成分を他の色成分より長い時間透過させるように光学スイッチ156,158に対する電気駆動装置を調節することにより達成できる。例えば、光学スイッチ156,158が赤色成分を青色成分より長い時間透過させる。LCDパネル132,150に対する駆動電子装置を、赤と青の色成分が透過中に赤と青の画像が生成されるように調節する。異なる色成分を透過させる相対時間量を調節し、LCDパネルの駆動電子装置を調節することにより、所望の色バランスを得ることができる。
【0053】
なお、本明細書において採用した用語と表現は、限定のためではなく説明のためのに用いたものであり、かような用語と表現の使用にあたって、図面を含めた明細書に記載した特徴又は部分を表わす同等の用語と表現を排除する意図は全くなく、本発明の範囲は、特許請求範囲にのみ規定され制限されることを確認する。
【0054】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、両方の偏光状態の光が効率よく投影表示システムを透過して明るい画像を生み出し、偏光度の低下作用を受けることなく所望の色温度を達成し、構成品の数が少なく、システムの物理的寸法が小さく、投影レンズの後方作動距離が比較的短い、液晶投影表示システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による投影表示システムの一実施例を説明するための概略図である。
【図2】本発明による投影表示システムの他の実施例を説明するための概略図である。
【図3】従来の投影表示システムの一例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
10…投影表示システム、12,112…光源、14…照明機構、16…偏光機構、18…分割機構、20…再結合機構、22…投影機構、24…ランプ、26…反射鏡、28,30,44,46…ダイクロイックフィルタ、32,34,36,122,128,138,146…偏光ビームスプリッタ(PBS)、38,40,42,130,132,148,150…液晶ディスプレイ(LCD)、48、140…投影レンズ、114…回転カラーホイール、116…黄色セグメント、118…シアンセグメント、120,120′…セパレータ、124,142…偏光子、126,134,144…色成分選択回転子、136,154…アナライザ、156,158…光学スイッチ。
Claims (9)
- 第1の色成分と第2の色成分と第3の色成分を有する非偏光光を発生する光源と、前記第2の色成分及び第3の色成分を互いに異なる透過時間で選択的に透過させる少なくとも1つの色選択装置と、前記第1の色成分の一方の偏光状態の光について画像生成を行う第1の偏光変調器と、前記第1の成分の他方の偏光状態の光について画像生成を行う第2の偏光変調器と、前記第2の色成分と第3の色成分の一方の偏光状態の光について画像生成を行う第3の偏光変調器と、前記第2の色成分と第3の色成分の他方の偏光状態の光について画像生成を行う第4の偏光変調器と、各前記偏光変調器で生成された画像を投影する投影レンズとを含んで成ることを特徴とする投影表示システム。
- 前記第1ないし第3の色成分のうちの1つの色成分の一部が、他の色成分の一部と重なることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記第1ないし第3の色成分のうちの各色成分は、他の色成分と重ならないことを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記色選択装置は、カラーホイールであることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記色選択装置は、光学スイッチであることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 特定の色成分の偏光方向を回転させる色成分選択回転子をさらに含んでいることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記色選択装置は、前記第2の色成分を第1時間の間透過させるとともに、前記第3の色成分を第2時間の間透過させ、前記第1時間が前記第2時間と異なっていることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記色選択装置に同期した駆動電子装置をさらに含んでいることを特徴とする請求項1に記載の投影表示システム。
- 前記駆動電子装置は、前記第1及び第2偏光変調器の対と前記第3及び第4の偏光変調器の対とを異なるフレームレートで駆動することを特徴とする請求項8に記載の投影表示システム。
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