JP4282396B2 - Color wheel unit and projection display device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、時分割あるいは色順次によりカラー表示を行うためのカラーホイールユニットとそれを用いた投写型表示装置に関する。 The present invention relates to a color wheel unit for performing color display by time division or color sequential and a projection display device using the color wheel unit.
従来より、赤、緑、青の三色光を時分割に取り出してスクリーン等に投写してカラー表示を行う基本構造を持つ時分割方式画像投写装置が提供されている。例えば、特許文献1に開示されているように、半導体メモリーセル上に各々の傾きが制御可能な数十万のミラーエレメントを取り付けたデジタルミラーデバイス(以下、DMDと称する)を利用し、各ミラーエレメントの傾きを制御して反射状態を制御し、画像を形成するDMDプロジェクタが知られている。図8に示すように、このDMDプロジェクタは、光源101から出射した光を反射鏡102で反射し、赤、緑、青の光を選択的に通過させるカラーフィルタが組み合わされたカラーホイール110の一点に集光レンズ103で集光させる。カラーホイール110は高速で回転されており、カラーホイール110に集光された光は赤、緑、青の色光として時分割的に透過される。この透過光をインテグレータロッド(ロッド状光導波路)104を透過させて均一化し、集光レンズ105で平行光束として全反射プリズム106で反射してDMDパネル107に照射する。このDMDパネル107においてはDMDパネル107に与えられた画像信号に応じて投写する画像パターンに対応してミラーエレントの傾きが選択的に制御され、DMDパネル107で反射される光は画像光として光変調されることになり、この画像光をズーム投写レンズ108を介して図には表れないスクリーン上に投影することを特徴としている。このような方式は、フィールド・シーケンシャル・カラー方式(Field Sequential Color 、以下、FSC方式と称する)と呼ばれている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a time-division image projection apparatus having a basic structure for performing color display by extracting red, green, and blue three-color lights in a time division manner and projecting them on a screen or the like has been provided. For example, as disclosed in
また、近年では前記FSC方式よりも光効率を約40%向上させることができる、シーケンシャル・カラー・リキャプチャー方式(Sequential Color Recapture r 、以下、SCR方式と称する)が提案されている。このSCR方式では、両端面を半透過面等の準反射面とするインテグレータロッドとスパイラル状のRGB(赤、緑、青)パターンを設けたカラーホイールで光学系を構成する。図9に示すように、SCR方式のDMDプロジェクタは、光源201から出射した光を反射鏡202で反射し、インテグレータロッド204の入射側端面に集光レンズ203により焦点を結ぶ。SCRインテグレータロッド204を進んだ光は、その出射側端面から出てスパイラル状のRGBパターンを設けたカラーホイール210へ入射する。このカラーホイール210へ入射され、高速回転するカラーホイール210によって時分割された赤、緑、青の各色光は集光レンズ205で平行光束として全反射プリズム206を介してDMDパネル207に照射される。DMDパネル207に照射された光はDMDパネル207に与えられた画像信号に応じて反射され、光変調される。DMD207で変調された光は、画像を表す光(投写光)として全反射プリズム206と投写レンズ208を介して投写され、これにより画像が図には表れないスクリーン等に表示される。
In recent years, a sequential color recapture method (hereinafter referred to as the SCR method) has been proposed that can improve the light efficiency by about 40% compared to the FSC method. In this SCR system, an optical system is configured by an integrator rod having both end faces as semi-reflective surfaces such as a semi-transmissive surface and a color wheel provided with a spiral RGB (red, green, blue) pattern. As shown in FIG. 9, the SCR type DMD projector reflects light emitted from the
このとき、カラーホイール210で反射された一部の光はインテグレータロッド203の出射側端面から再入射する。この再入射した光は、インテグレータロッド204の入射側端面にまで進みここで再び反射され、光源201からの光と一緒になってインテグレータロッド204の出射側端面から出射され、カラーホイール210へ入射する。ここで再び同様のことが繰り返される。このようにして、インテグレータロッド204の入射端面とカラーホイール210との間での多重反射により光強度が強められ、同時に明るさ分布が均一光となった照明光となって全反射プリズム206を介してDMDパネル207を照射する。
At this time, a part of the light reflected by the
ところで、前述のFSC方式とSCR方式のいずれにおいても、カラーホイールは3000rpm から10000rpmで高速回転しているため、カラーホイールは空気流の影響をうけて振動し、このカラーホイールの振動はインテグレータロッドとカラーホイールの間隔の変動や照明光のカラーホイールへの入射角度の変化を引き起こす。FSC方式の場合には、照明光はカラーホイールを透過するだけで、カラーホイールからの反射光を利用していないので、インテグレータロッドとカラーホイールの間隔の変動や照明光のカラーホイールへの入射角度の変化は、DMDへ入射する照明光の強度への影響はあまり無い。一方、SCR方式の場合には、インテグレータロッド入射端面とカラーホイールとの間での多重反射において、インテグレータロッドとカラーホイールの間隔の変動や照明光のカラーホイールへの入射角度の変化は、多重反射の条件を変化させることになる。その結果として、インテグレータロッドから出射される照明光の照度が間隔の変動に同期した変調を受てしまう。したがって、DMDで変調された投写光は強度変動(照度変動)を持った光として投写レンズを介して投写され、これにより画像がちらついてしまうと言う問題があった。 By the way, in both the FSC method and the SCR method described above, the color wheel rotates at a high speed from 3000 rpm to 10000 rpm, so the color wheel vibrates due to the influence of the air flow. It causes fluctuations in the color wheel spacing and changes in the incident angle of illumination light on the color wheel. In the case of the FSC system, the illumination light only passes through the color wheel and does not use the reflected light from the color wheel, so the fluctuation of the distance between the integrator rod and the color wheel and the incident angle of the illumination light to the color wheel. This change does not significantly affect the intensity of illumination light incident on the DMD. On the other hand, in the case of the SCR method, in the multiple reflection between the integrator rod incident end face and the color wheel, the change in the distance between the integrator rod and the color wheel and the change in the incident angle of the illumination light to the color wheel are caused by the multiple reflection. Will change the conditions. As a result, the illuminance of the illumination light emitted from the integrator rod undergoes modulation that is synchronized with the variation in the interval. Therefore, the projection light modulated by the DMD is projected through the projection lens as light having intensity fluctuations (illuminance fluctuations), thereby causing a problem that the image flickers.
なお、特許文献2には、長い運転時間にわたって高い光学特性および機械特性を再生可能に有するようにするため、円環状の光透過性の領域が保持ウェブのような支持体エレメントによっては中断されないように形成され、フィルタセグメントが回転軸線とは反対側に向けられたストリップ状の接着ゾーン内で支持体に面状に接着されてフィルタセグメントが貫通部を有していないカラーホイールユニットの技術が開示されている。しかし、開示されている技術はSCR方式を考慮していないので、カラーホイールの高速回転時における振動に関しては効果がない。 In Patent Document 2, an annular light-transmitting region is not interrupted by a support element such as a holding web in order to reproducibly have high optical characteristics and mechanical characteristics over a long operation time. The color wheel unit technology is disclosed in which the filter segment is bonded to the support in a planar manner in a strip-shaped adhesive zone with the filter segment facing away from the rotation axis, and the filter segment does not have a through portion. Has been. However, since the disclosed technology does not consider the SCR system, it has no effect on the vibration when the color wheel rotates at a high speed.
また、特許文献3においては、カラーホイールおよびモータを密閉したケース内に収容することにより、高速回転時の安全性を確保し、さらにランプからの輻射熱、不要光の吸収による熱などにより密閉されたカラーホイールケースの温度上昇を抑制する技術が開示されている。この技術では、高速回転時における問題として安全性を挙げ、これを解決するために密閉したケース内に収容しているが、カラーホイールの振動についての記載はなく、さらに、カラーホイールと収容ケースとの設置関係(位置関係)についての記載がないので、SCR方式におけるカラーホイールの振動による投写画像のちらつきを解決することは出来なかった。なお、特許文献3においては、カラーホイールのケース本体とケース蓋との間に緩衝材としてのOリングを挟み込む構成が提案されている。また、ケースとカラーホイールモータの嵌合部に緩衝材を設けた構成が提案されている。このようにOリングや緩衝材を配設することにより、カラーホイールを回転駆動するモータの振動がケース本体からケース蓋に伝達することを抑制するこことは可能であるが、カラーホイール自身の振動を抑制することに対しては、またカラーホイールの振動に伴ってカラーホイールケースが振動することを抑制することに対しては十分な効果を得ることは難しい。
本発明は、SCR方式における投写型表示装置において、カラーホイールの振動によってインテグレータロッドとカラーホイール間での多重反射条件の変動が原因で投射画像がちらつくことを解決するカラーホイールユニットとそれを用いた投写型表示装置を提供することにある。 The present invention provides a projection shooting display device that put the SCR method, a color wheel unit and its resolve that variations in multiple reflection conditions between the integrator rod and the color wheel by the vibration of the color wheel the projection image due flickers It is an object to provide a projection display device using the above.
本発明は、それぞれ異なる色光を透過あるいは反射する複数のカラーフィルタを回転に伴って後記開口部に順次露出されるように配置したカラーホイールと、カラーホイールを回転駆動させるモータと、カラーホイールを収納しその一部にカラーホイールの一部を露出させるための開口部が設けられたカラーホイールケースとから構成されるSCR方式のカラーホイールユニットであって、カラーホイールケースはカラーホイールを包囲する円盤容器状に形成されており、開口部の円周方向の寸法がカラーホイールケースの円周寸法に対してなす角度が180度以下であり、周壁の内面とカラーホイールの周面との間隙を1mm以下とする。さらには、カラーホイールの前後面とカラーホイールケースのそれぞれ対向する前壁部及び後壁部との間隙を1mm以下とする。 The present invention accommodates a color wheel in which a plurality of color filters that transmit or reflect light of different colors are sequentially exposed to an opening described later with rotation, a motor that rotates the color wheel, and a color wheel. An SCR type color wheel unit comprising a color wheel case provided with an opening for exposing a part of the color wheel to a part of the color wheel, wherein the color wheel case surrounds the color wheel. Jo is formed, the angle at which the circumferential dimension of the opening with respect to the circumferential dimension of the color wheel case is not more than 180 degrees, 1 mm gap between the peripheral surface of the peripheral wall of the inner surface and the color wheel The following. Further, the gap between the front and rear surfaces of the color wheel and the front wall portion and the rear wall portion facing each other of the color wheel case is set to 1 mm or less.
本発明のカラーホイールユニットによれば、カラーホイールを包囲する円盤容器状のカラーホイールケースの開口部の円周方向の寸法がカラーホイールケースの円周寸法に対してなす角度を180度以下とし、周壁の内面とカラーホイールの周面との間隙を1mm以下とし、またカラーホイールの前後面とカラーホイールケースのそれぞれ対向する前壁部及び後壁部との間隙を1mm以下としているので、カラーホイールが高速回転された場合でも、カラーホイール及びカラーホイールケースにおける振動振幅を抑制することができ、本発明の投写型表示装置におけるカラーホイールユニットから光源方向に向けての戻り光が安定し、スクリーンに投写された画像の照度変動を抑制して画像品質の高い表示を行うことが可能になる。 According to the color wheel unit of the present invention, the angle formed by the circumferential dimension of the opening of the disc container-shaped color wheel case surrounding the color wheel with respect to the circumferential dimension of the color wheel case is 180 degrees or less, the gap between the peripheral surface of the peripheral wall of the inner surface and the color wheel and 1mm or less, also than that of the gap between the front wall and the rear wall portion of each opposed front and rear surfaces and a color wheel case of the color wheel as a 1mm or less, Ca Even when the color wheel is rotated at a high speed, the vibration amplitude in the color wheel and the color wheel case can be suppressed, and the return light from the color wheel unit in the projection display device of the present invention toward the light source direction is stabilized, It becomes possible to perform display with high image quality by suppressing fluctuations in illuminance of the image projected on the screen.
また、本発明では、カラーホイールケースの少なくとも一部に制振部材を一体的に設けたこと、あるいは、カラーホイールケースの少なくとも一部が制振効果の高い部材で形成することが好ましい。 In the present invention, it is provided at least in part on the damping member of the color wheel case integrally, or arbitrary preferred that at least a portion of the color wheel casing to form a high damping effect member.
また、本発明の投写型表示装置は、光源と、カラーホイールユニットと、入力画像信号に応じて光を変調する光変調素子と、光変調素子で変調された光を結像してスクリーン等に投写する投写レンズとを備え、カラーホイールユニットに前記本発明のカラーホイールユニットを用いる。 The projection display device of the present invention includes a light source, a color wheel unit, a light modulation element that modulates light according to an input image signal, and images light modulated by the light modulation element to form a screen or the like. A projection lens for projecting, and the color wheel unit of the present invention is used as the color wheel unit.
次に、本発明の実施例1を図面を参照して説明する。図1は本発明のカラーホイールを用いたSCR方式の投写型表示装置の概略構成を示す斜視図、図2はその平面図である。これらの図に示すように、光源1に反射鏡2が備え付けられている。反射鏡2として楕円面鏡を用いている。また、光源1としては超高圧水銀ランプを用いた。この他に、キセノンランプ、メタルハロイドランプ、ハロゲンランプ等の高輝度白色光源を使用することができる。光源1からの光は、反射鏡2によって反射され、集光レンズ3によって集光されてインテグレータロッド4の入射端面に焦点を結び、インテグレータロッド4内に入射される。インテグレータロッド4は石英等の耐熱ガラスを角柱状に加工したものであり、これを照明光学系に組み込むことによって照明光束の照度を均一に保つことができる。このインテグレータロッド4の入射端面には、図には表れないが金属製の絞りが作り込まれており、絞りの中心は反射防止コートされたガラス材が露出しており、その周囲は金属面となっている。
Next,
前記インテグレータロッド4に入射された光は、カラーホイールユニット10に入射され、透過されたときに時分割で赤、緑、青の色分解が行われ、それぞれの色に分解された赤、緑、青の色光が集光レンズ5により全反射プリズム6に入射される。一方、カラーホイールユニット10に入射された一部の光は反射してインテグレータロッド4の出射側端面から再入射する。この再入射した光は、インテグレータロッド4の入射側端面にまで進みここで再び反射され、光源1からの光と一緒になってインテグレータロッド4の出射側端面から出射され、カラーフィルターホイールユニット10へ入射される。ここで再び同様のことが繰り返される。
When the light incident on the
全反射プリズム6は、くさび型プリズムを2つ組み合わせて接合したもので、接合面では光の全反射が起きるように微小なエアギャップが設けられている。よって、全反射プリズム6に入射した各色光は全反射されてDMDパネル7に到達する。DMDパネル7に入射した光はDMDパネル7に与えられた画像信号に応じて変調され、画像を表す光(投写光)として再び全反射プリズム6を通って投写レンズ8に向かい、この投写レンズ8によって結像が行われ、結像された画像が図には表れないスクリーン等に表示される。
The
前記カラーホイールユニット10について詳細に説明する。図3(a),(b)は前記カラーホイールユニットの実施例1の正面図とa−a線断面図である。モータ11に取りつけられたカラーホイール12が、カラーホイールケース13に収納されている。カラーホイール12は、緑、赤、青(R、G、B)の扇形のカラーフィルタを、直径35mmの厚さ0.8mmのガラス板に取りつけたものである。また、カラーホイールケース13は薄型をした円盤容器状のケースとして構成されており、その円周一部が扇状に切り欠かれた開口部14を備えている。そのため、カラーホイール12は回転に伴って円周一部が開口部14において露出され、この露出された領域において前記インテグレータロッド4の出射端面に対峙される。
The
前記カラーホイールケース13の周壁部13aをシュラウドと称し、カラーホイール12の前側と後側の各面を覆うカラーホイールケースの各側面を前壁部13b、後壁部13cと称する。そして、前記モータ11は後壁部13cに一体的に取着されている。また、カラーホイール12とカラーホイールケース13の内面との隙間の寸法が適切に設定されており、これによりカラーホイール12が高速回転したときの空気流によるカラーホイールケース13の振動を抑制することを可能にしている。すなわち、ここでは周壁部としてのシュラウド13aとカラーホイール12の周縁部との隙間を「A」で示している。また、カラーホイール12と前壁部13b、後壁部13cの各隙間を「B」,「C」で示している。さらに、前記開口部14の中心角はカラーホイール12の円周に対する割合として定義され、「D」で示している。
The
そして、カラーホイール12とシュラウド13aとの隙間「A」を変化させたときのカラーホイール12の振動振幅をLDV(レーザドップラー)を用いる変位計で測定した。カラーホイール12は前述のように直径35mm、板圧が0.8mmのガラス製で、回転数は3600rpmとした。また、カラーホイール12とカラーホイールケース13の前壁部13b及び後壁部13cとの隙間は2.0mm(B=C=2.0mm)、開口部14の中心角は45度(D=45度)と180度(D=180度)の2つの場合について測定した。図4にカラーホイール12の振動振幅のカラーホイール12とシュラウド13aとの間隙Aの依存性を示す。振動振幅はこのカラーホイールとシュラウドとの間隙Aが3mmの場合で規格化している。同図より、カラーホイール12とシュラウド13aとの間隙「A」を1mm以下にするとカラーホイール12の振動振幅が小さくなることが判った。また、開口部14の値Dが狭いと振動振幅の抑制効果が大きいこと、さらに、開口部14が180度であっても振動振幅の抑制効果があることが分かる。
Then, the vibration amplitude of the
同様にして、カラーホイール12の振動振幅のカラーホイール12とカラーホイールケース13の前壁部13b、後壁部13cとの間隙「B=C」の依存性を前述のようにLDVを用いる変位計で測定した。カラーホイール12は直径35mm、板圧が0.8mmのガラス製で、回転数は3600rpmとした。また、カラーホイール12とシュラウド13aとの隙間は、1.0mm(A=1.0mm)、開口部14の中心角は45度(D=45度)と180度(D=180度)とした。図5より、振動振幅は、カラーホイール12とカラーホイールケース13との間隙が3mm(B=C=3mm)の場合で規格化している。同図よりカラーホイール12とカラーホイールケース13の前壁部13bと後壁部13cとの間隙を1mm以下にするとカラーホイール12の振動振幅が小さくなることが分かる。また、開口部14が狭いと振動振幅の抑制効果が大きいこと、さらに、開口部14が180度であっても振動振幅の抑制効果があることが分かる。
Similarly, the dependence of the vibration amplitude of the
因みに、本発明による投写型表示装置では、カラーホイールユニット10として、カラーホイール12とシュラウド13aとの間隙を0.5mmに、カラーホイール12と前壁部13b、後壁部13cとの間隙を0.8mmにして作製したカラーホイールユニット10を用いることにより、カラーホイール12の振動は相当に抑制され、インテグレータロッド4への戻り光が安定し、スクリーンに投写された画像の照度変動は生じなかった。
Incidentally, in the projection display device according to the present invention, as the
図6は本発明の実施例2の投写型表示装置の斜視図である。この実施例2では、実施例1のカラーホイールケース13の前壁部13bの中央部分には可及的に広い面積にわたって、カラーホイールケース13の振動を抑制するためのダンピング部材15が貼り付けてある。このダンピング部材15はここでは厚さ0.3mmのステンレス板をゴム系の接着剤で接着した構造である。このような構造をとることにより、例えばカラーホイールケース13を樹脂等によって形成した場合でも、カラーホイールケース13の機械特性はダンピング部材15によってダンピング定数が大きくされ、カラーホイールケース13に生じた振動が迅速に減衰されるようになる。
FIG. 6 is a perspective view of a projection display apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment, a damping
この結果から、実施例2におけるカラーホイールユニットでは、カラーホイール12が高速回転したときに生じる空気流の影響をうけてカラーホイール12が振動し、これに追従してカラーホイールケース13が振動する状況が生じても、実施例1と同様にカラーホイール12とカラーホイールケース13との間隙寸法を1mm以下に設定することによってカラーホイール12の振動が防止されるのと同時に、前壁部13bに貼り付けたダンピング部材15のダンピング作用によって、カラーホイールケース13での振動が減衰される。したがって、カラーホイール12の振動振幅及びカラーホイールケース13の振動振幅が小さくなり、インテグレータロッド4から出射される色光の照度が間隔の変動に同期した変調を受けるようなことはなく、画像がちらつくという問題を解消することが助長できる。また、これと同時にカラーホールケース13が振動することによって発生する騒音を小さくする効果もある。
From this result, in the color wheel unit in Example 2, the
ここで、本発明の実施例3におけるカラーホイールについて、図7(a),(b)の正面図とb−b線断面図を参照して説明する。なお、同図において実施例1の形態と等価な部分には同一符号を付してある。同図に示すように、カラーホイールケース13に設ける開口部14Aは前壁部13bと後壁部13cを通して部分的に貫通した窓として構成してもよい。この実施例での開口部14Aの広さは、図7(a)において「E」で示したように、カラーホイール12の回転中心と開口部14Aの周囲との接線が成す角度と、カラーホイール12の円周との割合として定義される。
Here, the color wheel in Example 3 of this invention is demonstrated with reference to the front view and bb sectional drawing of FIG. 7 (a), (b). In the figure, parts equivalent to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. As shown in the figure, the
詳細な説明は省略するが、実施例3のカラーホイールユニットについて実施例1と同様な振動振幅の測定を行ったところ、図4及び図5に示したとほぼ同様な特性を得ることが確認されている。この場合でも開口部の広さ「E」の値により振動振幅の抑制効果に若干の差は生じているが、カラーホイール12とシュラウド13aとの隙間を1mm以下に、あるいはカラーホイール12と前壁部13b及び後壁部13cとの隙間を1mm以下にすることで、顕著な振動振幅の抑制効果を得ることが可能である。この実施形態においても開口部14Aの広さ「E」の中心角が180度であっても、振動振幅の抑制効果があることが確認されている。なお、この実施例3においても、図7に二点鎖線で示すように、第2の実施形態と同様にカラーホイールケース13の一部にダンピング部材15を貼り付けるようにしてもよい。
Although detailed description is omitted, when the vibration amplitude of the color wheel unit of Example 3 was measured in the same manner as in Example 1, it was confirmed that substantially the same characteristics as those shown in FIGS. 4 and 5 were obtained. Yes. Even in this case, although there is a slight difference in the suppression effect of the vibration amplitude depending on the value of the opening size “E”, the gap between the
前記実施例2、ならびに実施例3の場合には、カラーホイールケースの一部にダンピング部材、すなわち振動振幅の抑制効果の高い制振部材を一体的に貼り付けた構成を説明したが、カラーホイールケース全体、あるいはカラーホイールケースの一部を制振部材で構成するようにしてもよい。 In the case of the second embodiment and the third embodiment, the configuration in which the damping member, that is, the damping member having a high vibration amplitude suppressing effect is integrally attached to a part of the color wheel case has been described. You may make it comprise the whole case or a part of color wheel case with a damping member.
さらに、本発明のカラーホイールユニットは、インテグレータロッドから出射された光を異なる色光として反射する構成のカラーホイールを備えるユニットであっても同様に適用できる。 Furthermore, the color wheel unit of the present invention can be similarly applied to a unit including a color wheel configured to reflect the light emitted from the integrator rod as different color light.
1 光源
2 反射鏡
3 集光レンズ
4 (FSC用)インテグレータロッド
5 集光レンズ
6 全反射プリズム
7 DMDパネル
8 投写レンズ
10 カラーホイールユニット
11 モータ
12 カラーホイール
13 カラーホイールケース
14,14A 開口部
15 ダンピング部材
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