(57)【要約】投影ディスプレイ（２０）と、少なくとも一つの光源（１０）と、少なくとも一つの光源から放出された光束の変化を検知し及び補償するセンサ手段とを有する投影システムが記載されている。この場合、センサ手段は、投影システムの光学素子（１１）の入射面を包囲する領域に導かれる光源からの光の成分（Ｍ）を検知する少なくとも一つのセンサ配置（３０；３１，３２；３３，３４）を具える。光源（１０）からの光のこれら成分（Ｍ）と実際に投影ディスプレイ（２０）に到達する光のその他の成分（Ｉ）との間に非常に良好な関係があることを見つけ、これが意味することは、光源（１０）用の給電ユニット（１０ｃ）及び／又は投影ディスプレイ（２０）を駆動する駆動ユニット（２０ａ）を適切な方法で制御することによって、例えば不安定なアーク放電の結果として生じる明るさの変動を非常に有効に抑制することができる。
2005533286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影ディスプレイと、少なくとも一つの光源と、前記少なくとも一つの光源から放出した光束の変化を検知し及び補償するセンサ手段とを具える投影システムであって、前記センサ手段が、前記投影システムの光学素子の入射面を包囲する領域に導かれる前記光源からの光の成分を検知する少なくとも一つの線さ配置を有することを特徴とする投影システム。
【請求項２】
前記投影ディスプレイを駆動する駆動手段が、前記光束の変動を補償するために前記センサ配置によって制御できることを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの光源の給電ユニットが、前記高速の変動を補償するために前記センサ配置によって制御できることを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項４】
前記センサ配置が、前記光学素子の周辺に沿って配置されるとともに前記光源に向けられた複数のセンサによって形成されたことを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項５】
前記センサ配置が、前記光源からの入射光に結合するために前記光学素子を包囲する光導波構造と、結合された光を検知する少なくとも一つのセンサとによって形成されたことを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項６】
前記センサ配置が、前記光源から到来する入射光を散乱するために前記光学素子を包囲する表面と、散乱された光を検知するセンサとによって形成されたことを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項７】
前記センサが、前記光源によって発生した光の伝播方向に垂直な方向で前記光源にほぼ隣接して配置されたことを特徴とする請求項６記載の投影システム。
【請求項８】
前記光学素子を、前記光源によって発生した光を均一にするロッドインテグレータとしたことを特徴とする請求項１記載の投影システム。
【請求項９】
連続的なカラー表示を行うカラーディスプレイと、交流電流によって動作させる光源としての少なくとも一つの高圧ガス放電ランプとを有する請求項１記載の投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影ディスプレイと、少なくとも一つの光源と、前記少なくとも一つの光源から放出した光束の変化を検知し及び補償するセンサ手段とを具える投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
投影システムの光源として、一般的には一つ以上の高圧ガス放電ランプ（高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ又はultra high performance(ＵＨＰ)ランプ）が用いられている。原理的には、この種のランプを、直流電流と交流電流の両方で操作することができる。両方の操作モードに対する利点及び欠点がある。交流電流を用いることによって、電極の急速な腐食を防止するとともにランプの効率を向上することができるが、極性の変化に起因にｓ手アーク放電がしばしば不安定になり、したがって、明るさの周期的な変動又は投影された画像に対する他の欠陥が生じる。しかしながら、直流電流で操作したランプを用いたとしても、例えば、電極間のギャップが非常に大きくなることに起因する、特にランプの寿命の終端に向かうアーク放電の不安定を取り除くことができない。
【０００３】
放電ランプの全寿命に亘って最適かつ欠陥のない画像を確実にするために、これら両方の動作モードにおいて、放出された光束をモニタするとともに短期間の変動及び長期間の低下を適切に補償するセンサを設ける必要がある。
【０００４】
この種の変動は、sequential color recaptureを用いる投影ディスプレイ（単一パネルディスプレイ）に出現するときに特に厄介である。このタイプのディスプレイは、例えば、３原色がカラーバーの形態で順次スクリーン上に広がるＬＣＯＳディスプレイ（これに関連して、２００１年に刊行されたSID 01 Digest of Technical Papers, Vol. XXXIIの１０７２〜１０７５頁に記載されたShimizuによる”Scrolling Color LCOS for HDTV Rear Projection”参照）及びＳＣＲ−ＤＭＤ投影ディスプレイ（これに関連して、２００１年に刊行されたSID 01 Digest of Technical Papers, Vol. XXXIIの１０７６〜１０７９頁に記載されたDewald, Penn, Davisによる”Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering: A Method of Scrolling Color”参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
３原色の光を発生するために、この種のシステムは、光源と、システムの明るさを著しく変動することができるディスプレイとの間に配置されたカラーモジュレータ(color modulator)を有する。これによって、上記センサがそのような変動を検出すべきでないという不都合が生じる。実際には、センサが行うべきことは、光学的な統合(optical integration)後に時間平均としてディスプレイに入射される光束に理想的には比例する信号を発生することである。しかしながら、光学的な統合及び色変調が、上記投影システムにおいて互いに近接し、かつ、互いに相関するので、いかなる不都合なく上記光束を検知することができる適切なセンサ位置を見つけるのが比較的困難である。
【０００６】
白黒投影システムにおいても、周期的に変動し又はランプの寿命中に低下する光束によって、画像に欠陥が生じ、これは少なくとも不所望なものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、光源から放出された光束の故意でない変化によって生じた画像の品質の悪影響が少なくとも大幅に回避される、上記第１段落で指定した種類の投影システムを提供することである。
【０００８】
本発明の目的は、特に、特に不安定なアーク放電に起因する変動のような光束の変動によって生じた画像の品質の悪影響が少なくとも大幅に回避される、少なくとも一つの高圧ガス放電ランプを有する投影システムを提供することである。
【０００９】
最後に、本発明の目的は、特に交流電流によって操作される一つ以上の高圧ガス放電ランプが光源として用いられた場合に、光源から放出された光束の故意でない変化に起因するカラーアーチファクトが少なくとも大幅に回避される、sequential color recaptureを用いる投影システムを提供することである。
【００１０】
請求項１に挙げたように、目的は、投影ディスプレイと、少なくとも一つの光源と、前記少なくとも一つの光源から放出した光束の変化を検知し及び補償するセンサ手段とを具える投影システムであって、前記センサ手段が、前記投影システムの光学素子の入射面を包囲する領域に導かれる前記光源からの光の成分を検知する少なくとも一つの線さ配置を有することを特徴とする投影システムによって達成される。
【発明の効果】
【００１１】
この解決の特別な利点は、光の上記成分を検知することができる投影システムのセンサ配置の適切な位置を見つけるのが比較的容易なことである。
【００１２】
驚くべきことには、光のこれら成分と、実際に画像を発生するのに用いられるその他の成分との間に高い相関があることも見つけた。これは、例えば不安定なアーク放電によって生じうるとともに約１０％までになりうる明るさの変動の通常の範囲を約１％の変動の範囲まで減少できることを意味し、約１％の変動は、もはや見えないものと考えることができる。
【００１３】
従属項は、本発明の好適例に関連する。
請求項２及び３に挙げた例は、センサ配置によって検知された光束の変動を比較的容易に補償することができる。
【００１４】
請求項４〜７は、特別な破壊なく光の前記成分を検知することができるセンサ配置の好適例に関する。請求項８は、センサ配置の周辺で入射面が好適に配置された光学素子に関する。
【００１５】
最後に、請求項９は、本発明によるセンサ手段を用いるのに特に適切な投影システムを規定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のこれら及び他の態様を、後に説明する実施の形態を参照しながら明らかにする。
本発明を、ＳＣＲ−ＤＭＤ(sequential color recapture-digital micro mirror)ディスプレイを有する投影システムを参照することによって以下で説明する。この種の投影システムの設計及び動作は、２００１年に刊行されたSID 01 Digest of Technical Papers, Vol. XXXIIの１０７６〜１０７９頁の表題が”Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering: Method of Scrolling Color”であるDewald, Penn及びDavisによる文献に詳細に記載されている。この文献は、本明細書に参照することによって組み込まれる。
【００１７】
図１は、この種の投影システムの照明部の一般的な配置を示す。このケースにおいて示すものは、主要な光学素子、例えば、ロッドインテグレータ(rod integrator)（光共振器）１１と共同する、リフレクタ１０ａを有する光源１０と、カラーホイール１２と、リレーレンズ（投影レンズ）１３と、駆動手段２０ａによって駆動されるＤＭＤディスプレイ２０とである。
【００１８】
光源１０は、一つ以上の高圧ガス放電ランプと、光１０ｂのコーンをロッドインテグレータ１１の入射面に導く一つ以上のリフレクタ１０ａとを具える。電源ユニット１０ｃは、光源１０を給電するのに用いられる。
【００１９】
図２は、図１を矢印Ａの方向にみた入射面の端部立面図である。入射面は、中央に存在する透明で略円形の第１領域１１１と、第１領域１１１を包囲するミラー領域１１２とから構成され、ミラー領域１１２の面積を、入射面の全面積の約２／３にする。
【００２０】
入射面のサイズは、投影される光の効率が最適となるように選択される。それは一般にランプの大きさ及び配置全体に依存する。
【００２１】
ロッドインテグレータ１１は、光ガイド１１４を包囲するガラス製の高反射シェル１１３を具える。この光ガイドを、キャビティ又は適切な光導電材料によって形成することができる。光ガイド１１４に結合された光は、シェル１１３で複数回反射され、ロッドインテグレータ１１が十分長い場合には均一化され、したがって、インテグレータ１１の入射面(emergent face)で光をほぼ一様に分布した強度にする。
【００２２】
カラーホイール１２（カラーモジュレータ）は、透明な赤色、緑色及び青色コーティングを有し、コーティングの各々は、ダイクロイックに反射を行い、これらコーティングは、アルキメデス渦線のＲＧＢパターンの形態にレイアウトされる。このパターンは、任意のときに一つ以上のカラー渦線がインテグレータの入射面の断面領域をカバーするようにサイズが設定される。パターンが有する特性は、カラーホイール１２をターンする際に赤色、緑色及び青色間の境界が半径方向に一定速度で移動する。その結果、ＲＧＢパターンは、一定に近い速度でロッドインテグレータの入射面を横切って移動する。ロッドインテグレータ１１の入射面とカラーホイール１２との間の距離を、光損失を回避するためにできるだけ小さく保持する必要がある。
【００２３】
ＲＧＢパターンは、最終的にはリレーレンズ１３によってＤＭＤディスプレイ２０に投影される。カラーホイール２０が回転すると、このＲＧＢパターンは、ＤＭＤディスプレイ２０上を連続的に移動する。
【００２４】
この間に、カラーホイール１２上の関連のコーティング（例えば、照明された領域の２／３）によってそのとき通過するのを許容されない二つの色成分は、反射されてロッドインテグレータ１１に戻され、複数の反射によってここで更に均一にされる。ロッドインテグレータ１１の入射面に到達する際に、光強度の１／３は、光源１０の方向でロッドインテグレータ１１を通り過ぎ、それに対して、光強度の２／３は、ミラーの第２領域１１２で反射され、複数の反射によって入射面に戻される。光源１０からロッドインテグレータ１１の入射面に入射した全ての光が、カラーホイール１２までの経路を形成し、吸収され、又は再び入射面の第１領域１１１を通じてロッドインテグレータ１１を通り過ぎるまで、これらプロセスが複数回繰り返される。
【００２５】
したがって、光源１０から出射した光Ｌは、入射面の透明な第１領域１１１を通じてロッドインテグレータ１１に入射する第１成分Ｉと、入射面のミラーの第２領域１１２で反射される第２成分Ｒと、入射面で当たり損ね、一般的に黒である入射面周辺によって吸収される第３成分Ｍとによって構成される。適用する式は、以下の通りである。
Ｌ＝Ｉ＋Ｒ＋Ｍ
【００２６】
ロッドインテグレータ１１の入射面に位置する光源１０の焦平面が変化すなわちシフトすると、例えば放電ランプのアーク放電が不安定であるので、光の３成分Ｉ，Ｒ及びＭの相対比(relative proportion)も変化する。
【００２７】
これは、図３に示す状況である。光強度が垂直軸方向に沿ってプロットされ、それに対して、水平軸を、ロッドインテグレータ１１の入射面の径を横切るようにとる。入射面の中央の透明な第１領域１１１は、値−０．６と値＋０．６との間にほぼ存在し、ミラーの第２領域１１２は、第１領域１１１まで接続し、−１及び＋１の値でこれらのポイントから入射面の外周まで延在する。
【００２８】
実線は、光源１０の焦平面がロッドインテグレータ１１の入射面の中心に収束される（通常の）ケースの光強度の曲線である。それに対して、放電ランプの電極間のアーク放電が、不安定が原因で互いに相違する位置に飛ぶ場合、焦平面にも変化が生じ、したがって、それは、例えば、図３に破線で示した偏移位置を仮定する。
【００２９】
これによってロッドインテグレータ１１の入射面の透明な第１領域１１１を通じて入射する光の第１成分Ｉに生じる減少は、画像の明るさの任意の変動を防止するために検出され及び補償される必要がある。
【００３０】
ロッドインテグレータ１１での複数の反射及びカラーホイール１２の影響のために、光の第１成分Ｉを直接検知することができず、又はその価値がないことを証明した。しかしながら、驚くべきことには、ロッドインテグレータ１１の入射面に当たり損ねて入射面包囲領域に導かれる光の第３成分Ｍが光の第１成分Ｉとの間で十分高い相関を示すことを見つけた。
【００３１】
図４は、センサ信号のレベルを垂直軸に沿ってプロットするとともに光の第１成分Ｉによってディスプレイ上に生じた明るさを水平軸に沿ってプロットしたグラフの当該関係を示す。この図は、光の第１成分Ｉに変化がある場合に光の第２成分Ｒを検出するセンサからの信号がほとんど変化しないことを示し、それに対して、光の第１成分Ｉの変化と光の第３成分Ｍを検知するセンサからの信号の変化との間に仮想的な線形関係が存在することを示す。
【００３２】
検知される光の第３成分Ｍの一部のみである場合でもこのような後者の線形関係が当てはまり続けることも見つけた。
【００３３】
光のこの第３成分Ｍを検知できるようにするために、図２に示すように、好適には入射面の領域にロッドインテグレータ１１の周辺に沿って配置されるとともに光源１０に導かれた複数の個別のセンサ３０の形態のセンサ配置を設ける。
【００３４】
光の第１成分Ｉの変化と光の第３成分Ｍを検知するセンサからの信号との間の関係をできるだけ線形にするために、上記第３成分Ｍを、できるだけ等しい重み付けを以ってロッドインテグレータ１１の全周辺に沿って検知する必要がある。したがって、図２に示すように、センサ３０は、周辺に沿ってできるだけ一様に配置される。
【００３５】
上記の変形として、複数の個別のセンサ３０をロッドインテグレータ１１の周辺に沿って配置するのではなく、図５に示すように、例えば僅かに不透明なプラスチック材料から形成した光ガイド構造３１を設けることができる。この構造３１に入射する光の一部は、構造中で散乱され、光の強度を検知できるように光がセンサ３２に出くわすまで、全反射で導く角度で構造に沿って伝播する。センサ３２は、このケースでは一般に構造３１内に配置され、明瞭のために図５では単に構造から分離して示す。構造３１を形成する材料の不透明度は、ロッドインテグレータ１１の周辺で一様な感度となるように選択される。
【００３６】
最後に、図６は、図１と同様に示した第３の実施の形態の側面である。この図においても、高反射シェル１１３及びそれによって包囲された光ガイド１１４によって形成されるロッドインテグレータ１１と共同する、リフレクタ１０ａを有する光源１０を見ることができる。光源１０は、光１０ｂのコーンをロッドインテグレータ１１の入射面に再び導く。
【００３７】
光の第３成分Ｍを検知できるようにするために、図５に示すような光ガイド構造３１の代わりにロッドインテグレータ１１の入射面の周辺に配置された（ランベルト）散乱面３３と、光源１０の横側で光１０ｂのコーンの著しく外側に配置されたセンサ３４とが存在する。
【００３８】
散乱面３３は、特に、白い表面を有するリングの形態をとることができ、ロッドインテグレータ１１の入射面を包囲するように配置することができ、したがって、センサ３４に戻る光の第３成分Ｍの少なくとも一部を散乱する。この場合、センサからの信号は、散乱リングに入射する光の量に比例し、したがって、光の第３成分Ｍのサイズに比例する。
【００３９】
入射面の第２領域１１２から反射して戻る光によって生成される光の第２成分Ｒは、入射面の第１領域１１１から新たな出口を形成する任意の光と同様に、光源からの光１０ｂのコーン内に存在したままであり、このために、センサ３４を仕切るために更なるステップを必要としない。
【００４０】
しかしながら、熱的な理由のために、センサ３４を光源１０に非常に近接して置くべきでない。できるだけ離間して、ロッドインテグレータ１１のミラーの第２領域１１２の外側区域にブラックコーティングを施すこともできる。
【００４１】
図６に示すように、散乱面３３の互いに相違する領域を、センサ３４から互いに相違する距離で配置することができる。散乱面３３の全ての領域に対して、領域が配置される特定の距離に依存しない光の第３成分Ｍに対する等しい感度を与えるために、表面３３の散乱特性は、好適には、この距離の関数として互いに相違するように設定される。これは、例えば、センサ３４から更に離間した領域の幅を更に広くすることによって達成される。この変形として、及び／又は、これに加えて、散乱カラーコーティングの厚さを、適切に変化するように設定することができる。
【００４２】
ロッドインテグレータ１１に入射する光の第１成分Ｉの要求されるサイズを、以下の式を用いて一つ以上のセンサ３０，３２，３４によって検知される光の第３成分Ｍのレベルからの線形補間によって見つけることができる。
Ｉ＝−（Ｍ−ｂ）／ａ
【００４３】
関連の光学配置に対する定数ａ及びｂを、実験によって決定する必要があり、この配置を持ちうる全ての投影システムに対して用いることができる。定数は、例えば、入射面の反射性の第２領域１１２の性質、ロッドインテグレータ１１のサイズ及び形状、並びにロッドインテグレータ１１を包囲する散乱又は再反射区域のサイズに依存する。
【００４４】
式の負の符号は、光の第１成分Ｉの減少によって光の第３成分Ｍが増大することを表す。
【００４５】
最後に、光の第１成分Ｉに対して実際に生じる約１０％の変動範囲に対して、上記式から計算された変化によって示される誤差が約１％未満であることを見つけた。非常に小さい誤差は、任意の種類の投影システムに対して許容されることができる。その理由は、１％の強度の変化が見えないからであり、実際には、１０％を超える光の第１成分Ｉの変化は生じない。したがって、画像の明るさに変動が生じるアーク放電の不安定性を、少なくとも１０：１の比に抑制することができる。
【００４６】
既に説明した光の第３成分Ｍを検知するセンサ配置３０；３１，３２；３３，３４とともに、センサ手段も、好適には、光源から放出された光束の変動がセンサからの信号によって補償される（図示しない）回路を有する。このために、グレーステップの明るさを補正するために投影ディスプレイ２０の駆動回路２０ａを制御し、及び／又は、放出した光束を補正するために少なくとも一つの光源の電源ユニット１０ｃを制御するように回路を配置して、画像の明るさを適切な方法で補正し、かつ、変動がこのようにして補正される。
【００４７】
当然、代案として、センサ３０；３２；３４が直接接続されるように駆動手段２０ａ及び／又は電源ユニット１０ｃを配置することができる。
【００４８】
上記実施の形態の場合において、リフレクタ１０ａに放電ランプが存在すると仮定され、放電ランプの電極の先端は、リフレクタのほぼ長手軸線に沿って、すなわち、光が放射される方向で互いに離間している。したがって、アーク放電もほぼこの方向に延在し、それに垂直なアークの飛び出しによって、図３に示すロッドインテグレータの入射面の光の強度を規定する曲線のシフトが生じる。
【００４９】
しかしながら、本発明による原理を、電極の先端がリフレクタの長手軸線に垂直な方向に互いに離間されるとともにアーク放電もほぼこの方向に延在する場合に適用することもできる。これは、例えば、電極先端を適切な方法でランプに配置し又は９０°回転した位置でランプをリフレクタ１０ａに装着することによって達成される。
【００５０】
この場合には、不安定なアーク放電によって、リフレクタの長手軸線に沿って飛び出すアークとなることがある。この結果、図３に示す光強度の横方向のシフトが生じるのではなく、図３に示す実線の形状から平坦になって広がる収束ずれが生じる。これは、一般に、本発明によるセンサ配置に入射する光の強度を増大するので、この場合においても、変動が検知され、変動は、既に説明したような方法でディスプレイ及び／又はランプの電源ユニットを制御することによって補償される。
【００５１】
例えば年数に起因する、ランプから放出された光束の低下を補償する必要がある場合も同様である。この種の低下によって、図３に示す実線の曲線は、比例量によって更に小さくなるとともに更に狭くなり、したがって、センサ配置に入射する光の強度の減少も存在する。そのような低下も、ディスプレイ及び／又はランプの電源ユニットを制御することによって補償される。
【００５２】
光の変動及び長期間に亘る低下の両方の検知も、センサからの信号のフィルタ処理によって可能であり、このフィルタ処理は、要求される場合には適切に時間に基づくものである。
【００５３】
最後に、電極先端が反射器の長手軸線に沿って互いに離間しているときに、ランプから放出した光束のこの種の長期間の低下を、最初に既に説明したような方法で補償することを意図する場合も、ロッドインテグレータの入射面の周辺に沿って配置した複数の個別のセンサが存在する図２に示した第１の実施の形態が、この目的に適切である。
【００５４】
個別のセンサからの信号を分析することによって、高強度の光があるセンサに入射されるとともに低強度の光がその逆に配置されたセンサに入射される図３に示す場合（アークの飛び越し）を、ランプからの光の量の放出の減少に起因して全てのセンサが低強度の光にさらされる場合と区別することができる。したがって、説明した補償動作をこれらの場合にも行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】カラー投影システムの一般的な配置を示す側面図である。
【図２】図１の矢印Ａの方向から見た第１の実施の形態の図である。
【図３】ランプの焦平面の光強度の互いに相違する曲線を示す。
【図４】センサ信号の変化と強度の実際の変化との間の互いに相違する相関を示す。
【図５】図１の矢印Ａの方向から見た第２の実施の形態の図である。
【図６】第３の実施の形態の側面図である。
【図１】
2005533286.tif 000003
【図２】
2005533286.tif 000004
【図３】
2005533286.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005533286.tif 000007
【図６】
2005533286.tif 000008
【国際調査報告】
2005533286.tif 000009
2005533286.tif 000010