(57)【要約】【課題】カラードラム面のカラーバンドの幅を適切に調節してカラーシフトを防止し、波長別の光を効率よくパネルにスクロールすることで簡単な構成の投射光学系を提供する。【解決手段】本発明によるカラードラムを用いた投射光学系は、光を入射して、入射された光をドラム面にある所定の個数のカラーバンドを経て出力するカラードラムを備えた投射光学系において、前記入射された光を出力する光出射面の先端から出力される光が前記カラーバンドに至る角度が３０°以下であり、前記カラードラムのカラーバンドの数は６個であることを特徴とする。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入射させて、入射された光をドラム面にある所定の個数のカラーバンドを経て出力するカラードラムを備えてディスプレイする投射光学系において、
前記入射した光を出力する光出射面の先端から出力される光が前記カラーバンドに至る角度が３０°以下であることを特徴とするカラードラムを用いた投射光学系。
【請求項２】
前記投射光学系は
光源と、
光源から光を入力し、入力された光を内部の前記光出射面を備えて出力するロッドレンズと、
カラードラム面に所定の個数のカラーバンドを備え、前記光出射面から出力された光を入射され、入射された光をカラーバンドを通して光を出力するカラードラムと、
前記カラードラムから出力された光を入射させ、グレーレベルに従って前記入力した光を変調して出力するパネルと、
前記パネルから変調した光が照射されてディスプレイするスクリーンと
を備えることを特徴とする請求項１記載のカラードラムを用いた投射光学系。
【請求項３】
前記カラードラムのカラーバンドの数は６個以上であることを特徴とする請求項２記載のカラードラムを用いた投射光学系。
【請求項４】
前記投射光学系は前記光源から光を入射して均質化させるＦＥＬをさらに含むことを特徴とする請求項２記載のカラードラムを用いた投射光学系。
【請求項５】
前記投射光学系は前記カラードラムを介して出力された光を偏光させて出力するＰＢＳアレイをさらに含むことを特徴とする請求項２記載のカラードラムを用いた投射光学系。
【請求項６】
前記投射光学系は前記ＰＢＳアレイから出力された光を入力して、偏光に従って反射させるか又は透過させていずれか一方を前記パネルに送るＰＢＳをさらに含むことを特徴とする請求項５記載のカラードラムを用いた投射光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラードラムを用いた投射光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、衛星放送やデジタル放送の本格化に伴い、高解像度を有する大画面のディスプレイに対する需要や関心が増加することにより、プロジェクション及びプロジェクターに対する期待や役割が非常に重要視されている。また、高解像度と共に高輝度、高鮮明な画像情報に対する要求が更に強くなってきており、光効率が高く且つ低廉な光学システムに対する研究も多方面で進められている。
【０００３】
しかしながら、従来の製品においては、ほとんどが三板式のものを使用しており、それが価格上昇の最も大きな原因となっているので、単板式の利用が試みられている。
【０００４】
図１は従来技術による単板式の投射光学系の装置構成図である。
光源１のランプから放出される光は５０％のＰ波と５０％のＳ波とから構成されており、ＦＥＬ（Ｆｌｙ　Ｅｙｅ　Ｌｅｎｓ：２）を介して均質化させる。
反射型ＬＣＤで構成されたシステムではＰ波やＳ波を利用しているが、普通は光特性に優れていることからＳ波が主に使用されている。
従って、光効率を増加させるためにＰＢＳアレイ３を通過させ、７５％のＳ波と２５％のＰ波とに変える。もちろん、Ｓ波１００％に形成すると光効率が最も増加するが、現在の部品技術としては約７５％にしかすることができない。
ＰＢＳ５の面からＳ波のみが反射してパネル７に入り込み、Ｐ波は通過して捨てられる。
パネル７に入り込むＳ波は液晶により変調されることでグレーレベルが実現されて反射される。この反射された光がＰＢＳ５を通過し投射レンズ８を通過してスクリーン９に映像が結ばれる。これが従来の１プロジェクションシステムの例である。
【０００５】
かかる単板式のシステムにおいては、一つのパネルのみが使用されるので費用面で三板式のものに比べて有利であるものの、カラーフィール又はカラースイッチの色分離手段６を通して順次Ｒ，Ｇ，Ｂを送るようになっているので、光利用効率がせいぜい三板式の１／３に過ぎず明るさが劣る。そこで、三板式のものと同一の明るさを実現するためには大容量のランプ（光源）を使用しなければならないが、ランプの容量が増加することで寿命が急激に減少するという問題を抱えていた。
【０００６】
更に、カラーフィールやカラースイッチを使用する場合、パネルの全画素にデータ（グレーレベル）を与えるのに必要な時間と液晶が反応する時間の間はランプ光をパネルに照射してはならないことを考慮すべきである。また、捨てられる２５％のＰ波を使用できないので、実際の光利用の効率は１／５以下に落ちる。
【０００７】
このような短所を克服するために、回転するプリズムを用いてシステムの光効率を増加させようとする試みが行われているが、光学系が複雑であって信頼性が落ち且つ、光学系の構成上実際に光利用の効率がそれほど高くないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、カラードラム面にカラーバンドの幅を適切に調節してカラーシフトを防止し、波長別の光を効率よくパネルにスクロールすることで簡単な構成の投射光学系を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明によるカラードラムを用いた投射光学系は、光を入射して、入射された光をドラム面にある所定の個数のカラーバンドを経て出力するカラードラムを備えている投射光学系において、前記入射された光を出力する光出射面の先端から出力される光が前記カラーバンドに至る角度が３０°以下であり、前記カラードラムのカラーバンドの数は６個であることを特徴とする。
【００１０】
前記投射光学系は光源と、光源から光を入力し、入力した光を内部の前記光出射面を備えて出力するロッドレンズと、前記光出射面から出力された光を入射して、入射された光をカラードラム面に所定の個数のカラーバンドを備え、カラーバンドを通過して光を出力するカラードラムと、前記カラードラムから出力された光を入射させ、グレーレベルに従って前記入力した光を変調させて出力するパネルと、前記パネルから変調した光を入射してディスプレイするスクリーンとを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記投射光学系は前記光源から光を入射して均質化させるＦＥＬをさらに含み、前記カラードラムを介して出力された光を偏光させて出力するＰＢＳアレイをさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
前記投射光学系は前記ＰＢＳアレイから出力された光を入力して、偏光に従って反射及び透過して前記パネルに入力するＰＢＳをさらに含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の特徴による作用によればカラードラムの内部の光出射面の先端からカラーバンドの反対側の先端までの角度が３０°を超えないようにカラーバンドの個数を定めてカラーシフトを防止することで、容易にカラードラムを用いた投射光学系を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるカラードラムを用いた投射光学系の望ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図２は本発明によるカラードラムを用いた投射光学系の装置構成図である。
投射光学系は光源１０と、その光源１０からの光を均質化させるＦＥＬ１１と、そのＦＥＬ１１から均質化された光を通過させるレンズ１２と、そのレンズからの光を光出射面１３−２から射出するロッドレンズ１３と、カラードラム面１４−１に所定の個数のカラーバンドを備え、光出射面１３−２から出力された光をカラーバンドを通過させて光を出力するカラードラム１４と、そのカラードラム１４から出力された光を通過させるレンズ１５と、そのレンズ１５からの光を偏光させて出力するＰＢＳアレイ１６と、そのＰＢＳアレイ１６から出力された光を偏光に従って反射及び透過するＰＢＳ１７と、そのＰＢＳ１７から出力された光を入射させ、グレーレベルに従って入力した光を変調して出力するパネル１８と、そのパネル１８から変調した光を入射して、投射レンズ１９を介してディスプレイするスクリーン２０とを備えている。
【００１６】
本発明によるカラードラムを用いた投射光学系の動作原理は次の通りである。
【００１７】
光源（ランプ）１０から放出される白色光をＦＥＬ１１を介して均質化させる。均質化した光はレンズ１２を介してロッドレンズ１３へ入射させる。
ロッドレンズ１３へ入射した光はミラー１３−１で反射され、ロッドレンズ１３部の先端にある光出射面１３−２を介して出力する。その出力した光が、図３のように多数のＲ，Ｇ，Ｂカラーバンドから構成された回転するドラム１４を通過する。
ドラム１４を通過した光はレンズ１５を経てＰＢＳアレイ１６を介してほとんどがＳ波に変わった後、ＰＢＳ１７のＰＢＳ面１７−１から透過及び反射され、偏光に従ってパネル１８に入り込む。パネル１８でグレーレベルに従って変調されたＰ波とＳ波とに分けられ、再び反射して放出される。
【００１８】
このとき、Ｓ波はＰＢＳ面（１７−１）で反射してランプ１０側に入り込み、Ｐ波のみ透過して投射レンズ１９を介してスクリーン２０に入射される。ここで、パネル１８の液晶により変調したＰ波の量によってＲ，Ｇ，Ｂのグレーレベルが決定される。
ロッドレンズ１３の光出射面１３−２の位置はロッドレンズ１３の設計に基づいてカラードラム１４の内部の任意の所とすることができ、又、そのサイズをも多様に変化させることができる。
光出射面１３−２からカラードラム１４の表面への入射角度（θ）に従ってミラー１３−１を介して反射される波長、つまり、色相が変わるカラーシフト現象が起こる。
【００１９】
図４は本発明によって光出射面１３−２がカラードラム１４の中心に位置する場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
図４に示すように、カラードラム１４の中心にある極小の光出射面１３−２に対して入射角度（θ１）に従うカラーシフトを測定するために、カラードラム１４の外面にディレクター２１を置き、θ１による波長変化を測定すると図５のような結果が得られる。
【００２０】
図５は図４の光出射面からカラードラムに入射される角度によるＲ，Ｇ，Ｂ波長変化のグラフである。
図５に示すＲ，Ｇ，Ｂ各カラーバンドは光学系で使用しているＲ，Ｇ，Ｂの波長範囲、つまり、許容可能な波長範囲を示しており、実線は光出射面１３−２から出力される光の入射角度（θ１）に従って前記カラードラム面（１４−１）を介して出力される光の中心波長を示すものである。図４に示す装置を用いてＲ，Ｇ，Ｂの中心波長を測定する。
【００２１】
図５に示すように、θ１に従う波長変化はＲ，Ｇ，Ｂによって異なって表れ、Ｒの場合、θ１が４５°を超えると、カラードラム１４のカラードラム面１４−１の物質がＲカラーバンドを有しても、Ｒ波長の光でない他の波長の光が出力される。
同様に、Ｇの場合θ１が４０°、Ｂの場合θ１が３５°を超えると、それぞれＧ、Ｂ波長の光ではない他の波長の光が出力される。
【００２２】
また、図２の投射光学系を介してパネル１８に入射する各Ｒ，Ｇ，Ｂカラーの波長はある程度の波長範囲を有するので、図５で許容可能な入射角度（θ１）はＢの場合３０°、Ｇは３５°、Ｒは３８〜３９°以下になるべきである。
入射角度の範囲が最も小さいＢの波長である場合の入射角度を最大値にしてＲ，Ｇ，Ｂが入射する場合、３５°以下になるべきである。
【００２３】
従って、図４，５の測定結果によって図３のカラードラム１４が有するカラーバンドの数は３６０°／６０°＝６、つまり、６個以上に定めることができる。
【００２４】
図４のように光出射面１３−２がカラードラム１４の中心（Ｏ）にあり、光出射面１３−２の横幅がほぼ無視できる程度である場合、カラードラム１４のカラーバンドの幅（Ｌ）は次のような計算により定められる。
【数１】
2004004497.tif 000003
【００２５】
図６は本発明によって光出射面１３−２がカラードラム１４の中心（Ｏ）から外れて位置する場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
図６のように、極小の光出射面１３−２の位置がカラードラム１４の中心（Ｏ）を外れてカラードラム面１４−１側に移動する場合には、図４の入射角度（θ１）により定められたカラーバンドを用いると、カラーシフト許容範囲を外れて光出射面１３−２から出力された波長ではない、カラーシフトされた波長がカラードラム面１４−１を介して出力される。
【００２６】
即ち、光出射面１３−２がカラードラム１４の中心から外れると、入射角度（θ２）が入射角度（θ１）より大きくなるので、カラーシフト許容可能な範囲を外れるようになる。従って、カラーシフトを最小化するためには、カラーバンドの数を増加させ、入射角度の許容範囲が最も小さいＢカラーの入射角度を３０°以下に制限させる。
カラードラム１４内に位置するロッドレンズ１３の位置、つまり、光出射面１３−２の位置によってカラーシフト許容可能な範囲、つまり、カラードラム１４のカラーバンドの幅（Ｌ）が変わる。
【００２７】
図６のように、光出射面１３−２がカラードラム１４の中心（Ｏ）からｘだけ離れる場合、カラードラムの幅（Ｌ）は次のような計算により定められる。
【数２】
2004004497.tif 000004
Ｒ：カラードラムの半径
【００２８】
また、光出射面１３−２の位置や横幅、縦幅に従ってミラー１３−１を介して反射される波長、つまり、色相が変わるカラーシフトが起こるので、これも考慮しなければならない。
【００２９】
図７は本発明によって光出射面１３−２がカラードラム１４の中心（Ｏ）に位置し、光出射面の幅がＷの場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
図７のＡのように、投射光学系で光出射面１３−２の大きさは一定のサイズ（横幅Ｗ）を有するが、光出射面１３−２の幅（Ｗ）の一方から他方のカラードラム１４の表面に入射する角度のθ２及びθ３が、Ｂカラーを基準に３０°を超えられないので、この際のカラーバンドの高さはＨ以下であり、角度は必ず３０°未満であるべきである。
このとき、適当なカラーバンドの大きさは図４の極小の光出射面（横幅Ｗが極端に小さい）の場合より小さいので、必要なカラーバンドの数が増加する。即ち、カラーバンドの数は６個を超過する。
【００３０】
光出射面１３−２が横幅Ｗを有する場合、カラードラムの幅（Ｌ）は次のような計算により定められる。
【数３】
2004004497.tif 000005
Ｒ：カラードラムの半径
Ｆ：焦点距離　Ｆ＝√３／２Ｗ
【００３１】
図８は本発明によって光出射面１３−２がカラードラム１４の中心に位置し、光出射面の幅がＷより更に大きいＷ’の場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
図８に示すように、焦点の距離がカラードラム面１４―１に更に近づくようになるので、図７のカラーバンドの高さＨより低いＨ’を有し、角度も図７より更に小さい。
従って、適当なカラーバンドの大きさは図７における極小の光出射面（横幅Ｗが極に小さい）の場合より小さいので、必要なカラーバンドの数が増加する。
即ち、カラーバンドの数は６個を超過すべきである。
そして、必要なカラードラムの高さＨ’がＨより低くなり、図７の例より多数のカラーバンドが必要である。
【００３２】
図示していないが、光出射面１３−２が横幅Ｗ’を有し、カラードラム１４の中心（Ｏ）からＸだけ離れる場合、カラードラムの幅（Ｌ）は次のような計算により定められる。
【数４】
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Ｒ：カラードラムの半径
Ｆ：焦点距離　Ｆ＝√３／２Ｗ
【００３３】
図７，８のように一定の幅（Ｗ，Ｗ’）を有する光出射面１３−２がカラードラム１４の中心から外れてカラードラム面１４−１に移動するように設計する場合には、幅（Ｗ，Ｗ’）の一方から他方のカラードラム面１４−１に入射する角度のθ２及びθ３が出会って形成する焦点Ｆの位置をカラードラム１４の内部に存在する距離までのみ移動させられ、カラードラム面１４−１に近づくほどカラーバンドの数が増加する。その場合、カラードラムの製作費用が増加するという短所がある。
【００３４】
従って、光出射面１３−２をカラードラム面１４−１へ十分に移動させ、投射光学系を構成するためには、光出射面１３−２の幅（Ｗ，Ｗ’）を小さくし、光出射面１３−２の一地点からの光の散乱角度を３０°より更に小さく、例えば、１５〜２０°以下に制限できるように光学系のＦ数を調整すべきであり、カラーバンドの数を増加させる必要がある。
【００３５】
構造の簡単なカラードラム１４を使用してＲ，Ｇ，Ｂを順次にスクロールできるようにすることで、アドレシングタイムにも光を照射することができ、単板式であっても光利用効率の減少が最小化される。
このような方式を適用すると光利用効率を１／３まで増加させられるので、既存の単板式より光効率が高くて、プロジェクションＴＶだけでなくプロジェクター用の光学系としても利用が可能であり、高輝度、高鮮明な画像の実現が可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によるカラードラムを用いた投射光学系は次のような効果がある。
【００３７】
光出射面の大きさ、光出射面の位置、光学系の特性及び光学系の構成方法に従ってカラーシフトされない範囲の最適なカラーバンド個数の下限値を決定し、その下限値（６個）以上のカラーバンドの数を決定してカラーシフトの影響を最小化し、簡単でコストの低廉なカラードラムを用いたスクロール光学系から効率的に光を入射させると共に画質の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による単板式の投射光学系の装置構成図である。
【図２】本発明によるカラードラムを用いた投射光学系の装置構成図である。
【図３】本発明によるカラードラムの実施形態の斜視図。
【図４】本発明によって光出射面がカラードラムの中心に位置する場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
【図５】前記図４の光出射面からカラードラムに入射される角度によるＲ，Ｇ，Ｂ波長変化のグラフである。
【図６】本発明によって光出射面がカラードラムの中心から外れて位置する場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
【図７】本発明によって光出射面がカラードラムの中心に位置し、光出射面の幅がＷである場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
【図８】本発明によって光出射面がカラードラムの中心に位置し、前記図７の光出射面より幅の大きい光出射面の場合、カラードラム面を通過する光波長を検出するための装置を示すものである。
【符号の説明】
１０：光源
１１：ＦＥＬ
１２：レンズ
１３：ロッドレンズ
１３−１：ミラー
１３−２：光出射面
１４：カラードラム
１４−１：カラードラム面
１５：レンズ
１６：ＰＢＳアレイ
１７：ＰＢＳ
１７−１：ＰＢＳ面
１８：パネル
１９：投射レンズ
２０：スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004004497.tif 000011
【図６】
2004004497.tif 000012
【図７】
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【図８】
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