(57)【要約】  単一パネルスクロールカラー型投影システム用の光エンジンはスクロール処理前の段階において光源の出力スペクトルから非所望の成分をフィルタ処理によって排除するための主フィルタ、および再結合フィルタの角度感度によって生じるビームステアリング効果を排するように設定されたフィルタ性能を有するビーム分離フィルタ、を有する。この光エンジンはスクロール処理の間、安定な発色を維持する色縞を作り出し、低い角度感度を有する分離フィルタおよび再結合フィルタは使用しない。
2005513545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクロールカラー型投影システムのための光エンジンであって：
出力ビームを提供するための光源；
前記出力ビームを、高波長端および低波長端を有する赤、緑および青の成分に分離するためのフィルタ端を有する第1および第2分離フィルタ；
前記赤、緑および青の成分を赤、緑および青のビームにするためのフィールドレンズ；
前記赤、緑および青のビームをスクロール処理するための第1、第2および第3回転プリズム；
前記赤、緑および青のビームを再結合するためのフィルタ端を有する第1および第2再結合フィルタ；ならびに、
スクロール処理前の段階で前期出力ビームから非所望の成分を排除するため少なくともひとつのフィルタ端を有する少なくともひとつの主フィルタ；
を有し、
前記分離フィルタの前記フィルタ端が前記再結合フィルタへのビームステアリング効果を排するように選択されることを特徴とする、光エンジン。
【請求項２】
請求項1に記載の光エンジンであって、前記第1および第2分離フィルタの前記フィルタ端が、前記第1および第2再結合フィルタの前記フィルタ端の対応している領域を超える前記赤色成分の前記低波長端、および前記青色成分の前記高波長端をカットオフするように選択され、その結果、前記透過した赤および青の成分が、前記再結合フィルタの前記フィルタ端によってそれ程影響を受けないようにされ、また前記主フィルタの前記フィルタ端が、前記出力ビームから、前記赤色成分の前記低波長端と前記青色成分の前記高波長領域の間の波長領域成分を消去するように選択されることを特徴とする光エンジン。
【請求項３】
請求項1に記載の光エンジンであって：
前記第1分離フィルタが前記光源からの赤色光を反射し、緑色光および青色光を透過し；
前記第2分離フィルタが緑色光を反射し、青色光を透過し；
前記第1再結合フィルタが緑色光を反射し、赤色光を透過し；
前記第2再結合フィルタが赤色光および緑色光を反射し、青色光を透過する；
ことを特徴とする光エンジン。
【請求項４】
前記主フィルタが前記第1分離フィルタと第2分離フィルタ間に設置されている請求項3に記載の光エンジン。
【請求項５】
前記主フィルタがローパスフィルタである請求項4に記載の光エンジン。
【請求項６】
請求項5に記載の光エンジンであって：
前記光源がUHPランプであり；
前記主フィルタが568nm程度のカットオフを有し；
前記第1分離フィルタが593から604nm程度のカットオフを有し；
前記第2分離フィルタが501nm程度のカットオフを有し；
前記第1再結合フィルタが574から579nm程度のカットオンを有し；および
前記第2再結合フィルタが518nm程度のカットオフを有する；
ことを特徴とする光エンジン。
【請求項７】
前記第1分離フィルタが赤およびオレンジ両方の光を反射し、前記主フィルタが前記第1分離フィルタと前記第1再結合フィルタの間に設置されている請求項4に記載の光エンジン。
【請求項８】
前記主フィルタがノッチフィルタである請求項1に記載の光エンジン。
【請求項９】
前記光源がキセノンランプである請求項1に記載の光エンジン。
【請求項１０】
スクロールカラー型投影システムであって：
光変調パネル；
前記パネルを照射するための請求項1に記載の光エンジン；
表示信号に従って前記光変調パネルを駆動する駆動手段；ならびに
表示面に変調された照射を投影する投影レンズ；
を有するスクロールカラー型投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光エンジンおよびこの光エンジンを利用した投影表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
単パネルスクロールカラー型投影表示システムは個々の像成分または画素のラスターを有する液晶表示（LCD）パネルのような単一光変調パネルによって特徴づけられ、このパネルは水平方向に伸長された赤、緑、青の照射帯または照射縞によって照射される。照射縞はパネルを横切るように縦方向に連続してスクロールされ、一方、画素列はそのときの投射縞の色に対応するよう表示情報を伴った状態で同調して配列される。変調された赤、緑および青のスクロール縞はその後、表示画面上に投影され、視覚的に統合されたフルカラー表示が生み出される。例えば、ジャッセン（P.  Janssen）による1994年3月25日に発行された米国特許5,410,370の”Single  panel  color  projection  video  display  improved  scanning”、およびジャッセン（P.  Janssen）らによる1995年3月16日に発行された米国特許5,416,514の”  Single  panel  color  projection  video  display  having  control  circuitry  for  synchronizing  the  color  illumination  system  with  reading/writing  of  the  light  valve”を参照されたい。
【０００３】
この単パネルシステムは従来の３パネルシステム、すなわち赤、緑および青に分離された各ビームを完全照射し、分離パネルによって変調するシステム、とは区別される。変調されたビームはその後、表示画面上に重ね合わされ、フルカラー表示が発現する。例えば、ハタナカによる1999年6月29日に発行された米国特許5,917,561の”Liquid-crystal  image  projection  apparatus  having  a  color  purity  correction  filter”を参照されたい。
【０００４】
単パネルおよび3パネルカラー投影表示システムいずれにおいても通常、光エンジンには明るい表示に必要な強度レベルを発現させるため、高強度アークランプが利用される。これは変調のためランプ光を赤、緑および青の構成成分に分離し、その後、表示のために構成成分を再結合する二色性フィルタにおいても同様である。
【０００５】
双方のシステムにおける問題は二色性フィルタのカットオフ波長の角度感度によって生じる、画像を横切る色変動である。すなわち、二色性フィルタ表面から反射される光の波長は反射光の入射角度とともに変化してしまう。この問題は、スペクトル出力内に放射ピークを有するような高効率アークランプを使用したシステムにおいて顕著に現れることになる。例えば、強オレンジ色成分を有する超高圧（UHP）ランプ、およびオレンジおよび青、双方のスペクトル領域において顕著なエネルギーを有するキセノンランプなどである。
【０００６】
この問題に対して3パネルシステムの場合は米国特許5,917,561において、補正フィルタを光路内に10度の角度となるように挿入することによって対処しており、これによって逆の角度シフト効果（第5段落、33行目以下参照）が発生し、二色性フィルタ上の角度シフトが補正されるといわれている。しかしながら、単パネルシステムにおいての角度シフトは、概略的に図1A乃至1Cに示すように、いわゆる「ビームステアリング効果」によって逆に顕著化されてしまう。
【０００７】
これらの図においては単一のカラービームがパネルを横切ってスクロール処理されるように表示されているが、実際は赤、緑および青の各カラービームは分離した光路を介してスクロール処理される。縞状のビーム10を形成する線の束12はガラスプリズム16によって屈折され、図面の面に対し垂線方向の軸について回転され、その後、フィールドレンズ18、20および22によって、また再結合二色性フィルタCおよびD、および偏光プリズム24を介してパネル26へ導かれる。
【０００８】
回転プリズムによって縞はパネル26を横切り、上から下までスクロールするが、これによってフィルタCおよびD上の縞の入射角にビームステアリング効果が発生し、これが光弁の範囲を超える変化を及ぼし、3パネルシステムにおいてビーム位置を定めるため設置した幅よりも大きな幅になってしまう。例えば図2Aに示すような照射経路において、ビームステアリング効果によってフィルタCおよびDではそれぞれ入射角が±8.1度および±5.3度変化してしまうこととなる。典型的な例である-1.4nm/度の角度感度の場合、このような変化は結果として23nmまでのカットオフ波長の変化に影響し、これは透過したスペクトルに顕著な影響を及ぼす。
【０００９】
このビームステアリングの問題のひとつの解決例が米国特許5,999,321、1999年12月7日のブラッドリー（Bradley）の“Dichroic  filters  with  low  nm  per  degree  sensitivity”に示されている。しかしながらこれらのフィルタのために調製された薄膜誘電体スタックは波長の1/16しかない厚さの層を有しており、高い精度で加工しなければならない。
【特許文献１】米国特許第5,410,370号明細書  米国特許第5,416,514号明細書  米国特許第5,917,561号明細書  米国特許第5,999,321号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、ビームステアリング効果を低減させ、低角度感度を有する二色性フィルタの使用を必要としない光エンジンおよび投影表示システムを提供することである。
【００１１】
この目的は請求項1に記載の発明および請求項10に記載の投影表示システムに対応した照射装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
スクロールカラー型投影システムのための光エンジンは、ビームステアリング効果に影響される前の光源のスペクトル出力から非所望の構成成分を排除するための少なくともひとつの主フィルタ、および再結合二色性フィルタに及ぼすビームステアリング効果を排するように選択されたフィルタ性能を有するビーム分離フィルタを有する。
【００１３】
一般に分離フィルタのカットオフ波長は、再結合フィルタが対応できるフィルタ端を超えるような赤スペクトルの低端側および青スペクトルの高端側をカットオフするように選定されており、透過した赤および青のスペクトル成分は再結合フィルタのフィルタ端の変化に比較的影響されにくい。これは結果として緑スペクトルを比較的ブロードにさせる。緑スペクトルは赤および青の間の残りの波長によって定められるからである。緑スペクトル成分の高波長端および低波長端はその後、赤および青の波長領域間での照射から光を排除するための、ひとつあるいは二つ以上の追加的な「主」フィルタを使用することによって取り除かれる。
【００１４】
その最大範囲の態様において光エンジンは：
出力ビームを提供するための光源；
出力ビームを赤、緑および青の成分に分離するための第1および第2分離フィルタ；
赤、緑および青の成分をビームにするためのフィールドレンズ；
赤、緑および青のビームをスクロールさせるための第1、第2および第3回転プリズム；
赤、緑および青のビームを再結合するための第1および第2再結合フィルタ；ならびに、
スクロール処理前の段階で出力ビームから非所望のスペクトル成分を排除するための少なくともひとつのフィルタ；
を有し、
分離フィルタのフィルタ端が再結合フィルタへのビームステアリング効果を排するように選択されることを特徴とする。
【００１５】
別の実施例においては；
第1分離フィルタが光源からの赤色光を反射し、緑色光および青色光を透過し；
第2分離フィルタが緑色光を反射し、青色光を透過し；
第1再結合フィルタが緑色光を反射し、赤色光を透過し；
第2再結合フィルタが赤色光および緑色光を反射し、青色光を透過する。
【００１６】
上記実施例において、顕著なオレンジ色成分を有するUHPランプが光源として選択された場合にはフィルタの好ましい性能は以下のようになる。すなわち
光源がUHPランプであって；
主フィルタが568nm程度のカットオフを有し；
第1分離フィルタが593から604nm程度のカットオフを有し；
第2分離フィルタが501nm程度のカットオフを有し；
第1再結合フィルタが574から579nm程度のカットオンを有し；および
第2再結合フィルタが518nm程度のカットオフを有する。
【００１７】
上記実施例において、フィルタOが、フィルタAおよびBの間の、緑色／青色光路内に適切に設置されると、単純なローパスフィルタを用いてオレンジ色ピークを除去することが可能となる。別の方法として、フィルタAが赤およびオレンジのスペクトル領域双方を再変向するように設計されていると仮定した場合は、フィルタOを光路のうち赤色の領域に設置することもまた可能である。ノッチフィルタは標準のローパスフィルタあるいは高透過フィルタに比べて一般に高い挿入損失を有するが、二色性ノッチフィルタを光路に挿入し、オレンジ色ピークを遮断することもまた可能である。
【００１８】
このような短パネルスクロールカラー型表示システムのための光エンジンはスクロール処理前の段階で光源ランプの出力スペクトルから非所望の成分をフィルタ処理によって排除するための主フィルタ、および再結合フィルタの角度感度によって生じるビームステアリング効果を排するように選択されたフィルタ特性を有するビーム分離フィルタを有し、スクロール処理の間、低い角度感度を有する分離フィルタおよび再結合フィルタを使用しなくても安定に色を維持することが可能な色縞を作り出す。
【００１９】
スクロールカラー型表示システムには以下の光変調器パネルが組み込まれている。すなわち、パネルを照射させるための請求項1に記載の光エンジン、表示信号と一致するように光変調器パネルを稼動させるための駆動手段、表示部表面で変調された照射を投影するための投影レンズである。このような本発明の光エンジンを取り入れた表示システムによってパネルを横切る色の単一性を改良することができる。
【００２０】
別の利点を有する実施例は対応する請求項に記載されている。本発明に関するこれらのおよび他の態様は本部分以降に記載の実施例から明らかとなり、またこれらの実施例を参照することによって理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここで図2Aおよび2Bを参照すると、従来のスクロールカラー型光エンジンの場合、および本発明の一実施例としてのスクロールカラー型光エンジンの場合の光路がそれぞれ概略的に示されている。両方の配置においてランプL、これは顕著なオレンジ色成分を有する超高圧（UHP）アークランプであるが、ここからの出力ビーム20は集光レンズ22を通過し、ビーム分離二色性フィルタAおよびBに入る。これらはビーム20を赤、緑および青の成分に分離する。フィールドレンズ24および26はこれらの成分をビームにし、これらのビームはプリズムR、GおよびBでの回転によってスクロール処理される。スクロール処理されたビームはフィールドレンズ28乃至36によってさらに定形化され、再結合二色性フィルタCおよびDによって再度結合される。
【００２２】
上記配置のいずれの場合も、光素子に対する小型化の要求のため、非テレセントリックなひとみ配列状態でフィルタCおよびDを配置することが必要となり、その結果、すでに記載したビームステアリング効果が発生することとなる。本発明と一致するように、スクロール処理の前段階でランプのスペクトル出力から非所望の構成成分を除去するようにフィルタOをビーム経路内に配置し、かつ再結合二色性フィルタCおよびDへのビームステアリング効果を排するように分離フィルタAおよびBのカットオフ波長を選択することによって、前記の効果は著しく抑制され、米国特許5,999,321にあるような特殊なフィルタよりも高い角度感度を有する二色性フィルタを使用することが可能になる。
【００２３】
図2Aの本来の経路において、フィルタAは青を反射し、赤および緑を透過する一方、フィルタBは緑を反射し、赤を透過する。これに対して図2Bに示す修正経路においてはフィルタAは赤を反射し、緑と青を透過し、フィルタBは緑を反射し、青を透過する。本発明の原理は、図2Bに示すように赤と青の経路を取り替えた両配置のいずれにも適用することが可能であり、青／緑経路において単純なローパスフィルタを利用することによってオレンジ色のピークを排除することができる。
【００２４】
図2Bの修正経路の場合の二色性フィルタの基礎的な機能を、実験的に測定された角度感度およびカットオフ波長とともに下の表1に記載した。第1フィルタAは光のうちの赤色波長を反射するように、あるいは、もしランプの位置を調節するなら、赤色波長を透過するように選択することができる。赤色を通すことが可能なフィルタは、一般に赤色を反射するフィルタに比べて角度変化に対する感度が低い。図2Bの配置において表1のフィルタを使用すると、色安定性△C＜0.015に表されるように、パネルを横切る均一な原色が得られる。ここで△CはCIE1960色度座標(u,ν)における色の二乗平均平方根偏差である。
【００２５】
【表１】
2005513545.tif 000003
上記フィルタの使用によって得られるパネルの上部、中央部および底部での照射の色度座標は図6にCIE1960色度座標(u,ν)における標準ITU709色域と対比させて示されている。これから明らかなように、本発明のフィルタによって容易に標準ITUを取り込んだ色域を得ることが可能となる。
【００２６】
より厳しい色安定性（△C<0.01）も表2に示すフィルタを用いることで達成することができる。
【００２７】
【表２】
2005513545.tif 000004
上記フィルタ特性はMathCadソフトウエアを用いて解析するためのモデルケースとして選定された。モデルにおいては、様々な透過および反射の二色性フィルタスペクトルがパネル上の縞位置の関数として重ね合わされ、各二色性フィルタにおける光学的ビームのF数が考慮される。モデルにはさらに角度感度、フィルタカットオフ波長、フィルタ端幅、およびパネル上の縞位置の関数としての各二色性フィルタにおける入射角が要求される。モデルではまた、照射ひとみを横切る強度分布が一定であること、およびフィルタ端より外側では100％、透過あるいは反射することが仮定される。モデルにおいては原色縞が透過したスペクトル特性をパネル位置の関数として予測する。
【００２８】
パネル位置（上部：場所1、底部：場所2）の関数として、赤、緑および青の各原色における二色性透過スペクトルに及ぼす効果は図3、4および5に示す理論曲線によって表示される。これらのプロットを得るため表1に示すフィルタ特性が使用される。
【００２９】
図3にはフィルタBの場合；場所1および2に対するフィルタDの場合；場所1および2の場合をCMA1、CMA2として示した、フィルタBとDを組み合わせた場合；の青色の透過スペクトル示す。D,1およびD,2の曲線はそれぞれ、パネルの上部、底部においてDのカットオフフィルタ端がシフトすることを表している。フィルタDにおいて、有効スペクトル内のシフトは青色の場合、全透過スペクトルに対して最小の影響しか発生させない。これはフィルタBのカットオフ波長がフィルタDのカットオフ波長の最小値より小さいためである。このように安定な青の原色スペクトルを実現することができる。
【００３０】
図4にはフィルタAの場合；場所1および2に対するフィルタCの場合；場所1および2の場合をCMB1、CMB2として示した、フィルタAとCを組み合わせた場合；の赤色の透過スペクトル示す。C,1およびC,2の曲線はそれぞれ、パネルの上部、底部においてCのカットオフフィルタ端がシフトすることを表している。フィルタCにおいて、有効スペクトル内のシフトは赤色の場合、全透過スペクトルに対して最小の影響しか発生させない。これはフィルタAのカットオフ波長がフィルタCのカットオフ波長の最大値より大きいためである。このように安定な赤の原色スペクトルを実現することができる。
【００３１】
図5には場所1および2に対するフィルタCの場合；場所1および2に対するフィルタDの場合；場所1および2の場合をCMC1、CMC2として示した、フィルタCとDの場合；フィルタOの場合；の緑色の透過スペクトル示す。青および赤の原色スペクトルは、原色の透過帯端を決定づける少なくとも一方の固定フィルタ端の存在を確保することによって有効に定められた。しかし、フィルタCおよびDを組み合わせたフィルタ端のシフトの場合、有効緑波長透過帯の低波長側と高波長側双方に許容できない色シフトが起こる可能性がある。
【００３２】
120ワットUHPランプのパワースペクトル照射検査では550nm近傍のスペクトルピークが緑色主要部に対応していることを示している。低波長端の透過帯シフトは、550nmのピークに比べてこの領域では比較的小さな光エネルギーしか存在しないため、投影される色にはほとんど変化を生じさせていない。しかしながら、580nm近傍のオレンジ色ピークから透過帯の高波長端には顕著なエネルギーが存在する。フィルタCとDを組み合わせた高波長フィルタ端における効果的なシフトによって、緑色透過帯のこの側に顕著な色変化が形成されている。しかしローパスフィルタOが残りの緑のスペクトルピークをそれ程落とさずに、高波長フィルタ端におけるこのシフトを遮断している。
【００３３】
別の方法として、フィルタAが赤およびオレンジ色のスペクトル両方の領域に再変向されるように設計されていると仮定した場合、フィルタOは光路の赤領域に設置することもまた可能である。さらに、ノッチフィルタは一般にローパスあるいは高透過フィルタに比べて高い挿入損失を有するが、二色性ノッチフィルタをオレンジ色ピークを遮断するように光路に入れることもまた可能である。
【００３４】
図7にはパネル場所1および2に照射される赤、青および緑原色の出力スペクトルをUHPランプの出力スペクトルと対比して示す。ビームステアリング効果が最小限に抑制され、その結果、比較的安定な原色出力が得られることがわかる。赤と緑のピーク間においてUHPランプの出力成分は、青と緑のピーク間と同様、大きく抑制され、580-590nm付近では実質的に消滅している。
【００３５】
図8には単パネルスクロールカラー型投影表示システムを構成するブロック図を示す。LCDパネル80は赤、緑および青の原色縞でスクロールするように照射され、このスクロールする縞は本発明の開示例と一致した光エンジン82によって生成される。LCDパネル80は表示駆動装置84からの表示信号に従って縞からの照射を変調する。パネルからの変調された光は表示レンズ86によって表示面に透過される。
【００３６】
本発明は、止むを得ず、限られた数の実施例についてのみ記載されている。本記載から別の実施例や実施例の変化型が優れたものとして明らかになることもあり、またこれらは本発明の態様および添付の請求項を完全に取り込むことを意図するものである。例えばUHPランプとは別の高強度光源、例えばキセノンランプ、を採用することも可能であり、この場合、適切な主フィルタによってフィルタ処理された高強度の青色成分を有するオレンジ色成分を追加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】スクロールカラー型光エンジンのひとつの色縞についての光ビーム経路の概略図であり、光変調器パネルの中心部への照射を示す図である。
【図１Ｂ】スクロールカラー型光エンジンのひとつの色縞についての光ビーム経路の概略図であり、光変調器パネルの上部への照射を示す図である。
【図１Ｃ】スクロールカラー型光エンジンのひとつの色縞についての光ビーム経路の概略図であり、光変調器パネルの底部への照射を示す図である。
【図２Ａ】単パネルカラー投影システムのための従来のスクロールカラー型光エンジンの概略配置図である。
【図２Ｂ】単パネルカラー投影システムのための本発明によるスクロールカラー型光エンジンの概略配置図である。
【図３】図2Bの配置図における青色の二色性スペクトルが示す透過スペクトルの図である。
【図４】図2Bの配置図における赤色の二色性スペクトルが示す透過スペクトルの図である。
【図５】図2Bの配置図における緑色の二色性スペクトルが示す透過スペクトルの図である。
【図６】本発明による光エンジンの照射の色度座標およびITU709色域を示す図である。
【図７】本発明による光エンジンの原色出力スペクトルを光源の出力スペクトルと併せて示した透過スペクトル図である。
【図８】本発明によるスクロールカラー型光エンジンに組み入れられた単パネルカラー投影表示システムの概略配置図である。
【図１Ａ】
2005513545.tif 000005
【図１Ｂ】
2005513545.tif 000006
【図１Ｃ】
2005513545.tif 000007
【図２Ａ】
2005513545.tif 000008
【図２Ｂ】
2005513545.tif 000009
【図３】
2005513545.tif 000010
【図４】
2005513545.tif 000011
【図５】
2005513545.tif 000012
【図６】
2005513545.tif 000013
【図７】
2005513545.tif 000014
【図８】
2005513545.tif 000015
【国際調査報告】
2005513545.tif 000016
2005513545.tif 000017