JP6322829B2

JP6322829B2 - マルチカラー照明装置

Info

Publication number: JP6322829B2
Application number: JP2014045690A
Authority: JP
Inventors: サイモンガスリー
Original assignee: クリスティデジタルシステムズユーエスエイインコーポレイテッド
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: EP2778741B1; CN104049446A; JP2014174555A; US20140268066A1; EP2778741A1; US9146452B2; EP3223056A1; CN104049446B

Description

本発明は、一般的な投影システムに関するものであり、特に、投影システムにおける蛍光カラーホイールを照明するマルチイルミネーションソースの使用に関するものである。

単一光源からマルチカラー光を生成する技術が知られている。例えば、蛍光カラーホイールは、ホイールの複数の異なる領域で第の１波長の明るい光によるカラー化された光を生成するために用いられ、これらの領域の少なくとも１つは、第１の波長の光で照明されるとき、第２の波長で蛍光を発する蛍光体を含む。ホイールの異なる領域を順次照明するように、固定された光源に対してホイールを回転することにより、異なる色がホイールにより生成される。

従来の蛍光カラーホイールは、透過性（つまり、色フィルタ）又は反射性である赤、緑及び青セグメントを含む。一例として、青励起光が使用されると、ホイールの１つは、透明（又は反射性）になる一方で、２つの他の領域は、青色励起波長を吸収する蛍光体を含み、それぞれ、赤及び緑波長で光を再放出する。よって、光源によって生成された光のわずかな部分のみがカラーホイールを通じて送信される。したがって、蛍光カラーホイールにより生成されうる光の量は、ホイールでの励起光入射の光束限界、及び光を他の波長に変換するホイールの効率によって制限される。ホイールの寿命は、ホイールの入射光の強度を制限する所定の温度範囲内に維持されない場合、蛍光体が、直ぐに減衰するということによって低下される。

カラーホイールは、１９４７年２月２５日発行のＣｏｌｕｍｂｉａＢｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍによる米国特許第２４１６３０１号、２０１０年１月２６日発行のＯｐｔｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｅｓによる米国特許第７６５１２４３号、及び２０１２年２月６日に提出されたＩｎｔｅｍａｔｉｘＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる係属中の米国特許公開ＵＳ２０１２／０２０１０３０号に記載されるような多数の用途を有する。

このような用途の１つは、カラーデジタルプロジェクタにおけるマルチカラー光の生成である。デジタルライトプロセッシング（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＬＰ））は、画像をスクリーンに投影するために、デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ））を使用するプロジェクタ技術をいう。典型的なＤＬＰプロジェクタは、ランプ、照明系、及びスピニング蛍光カラーホイールと組み合わせたＤＭＤを有する光エンジンを含む。単一チップＤＭＤ光エンジンについて、カラーホイールは、光がスピニングカラーホイールを照明するとき、光（色）の異なる波長は、ホイールを通過し、ホイールの１回転のコースに亘る異なる時間でＤＭＤを通過するような、異なる色のフィルタセグメント（例えば、吸収フィルタ又は干渉フィルタ）を有する。

ＤＭＤは、所定の角度で各ミラーを独立して素早く動かすことにより光を変調するマイクロスコピックミラーの大きなアレイからなるマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ））デバイスである。ＤＭＤは、ビデオフレームの間にいくつかの時間でミラーをオン・オフすることにより光を変調する。フレームは、ビットシーケンス及びフレームレートに基づいて、異なる期間の約２０から６０ビットプレーンに分割される。与えられたビットプレーンの間に、スクリーン上の各ピクセルは、単一ビットにより制御され、プレーンの全体の期間に対して‘ＯＮ’又は‘ＯＦＦ’で駆動される。“ＯＮ”時間の回数、期間及び位置は、光レベルを制御するフレームのタイミングに対して調整される。与えられたピクセルについての“ＯＮ”時間を組み合わせることは、ピクセルにその適切な強度を与える。

従来のフィルタホイールの例（蛍光カラーホイールとは反対の）は、米国特許第７，８６２，１８２号、“ＯＰＴＩＣＡＬＳＹＳＴＥＭＦＯＲＡＰＲＯＪＥＣＴＯＲ，ＡＮＤＣＯＲＲＥＳＰＯＮＤＩＮＧＰＲＯＪＥＣＴＯＲ” （Ｔｈｏｌｌｏｔｅｔａｌ．）、米国特許第７，８７１，１６８号、“ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＦＯＲＤＵＡＬ−ＬＡＭＰＰＲＯＪＥＣＴＯＲ” （Ｌｉｕｅｔａｌ．）、及び米国特許第６，１４７，７２０号、“ＴＷＯＬＡＭＰ，ＳＩＮＧＬＥＬＩＧＨＴＶＡＬＶＥＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭ” （Ｇｕｅｒｉｎｏｔｅｔａｌ．）で説明される。

上述した米国特許第７，８６２，１８２号は、ＤＬＰプロジェクタとは反対の分極−ベース液晶イメージャを用いるカラーホイールを説明している。米国特許第７，８６２，１８２号の図３は、反射性の実施形態（つまり、ＬＣＯＳデバイスを用いる）を示している一方で、米国特許第７，８６２，１８２号の図４は、透過性実施形態（つまり、ＬＣＤを用いる）を示している。液晶イメージャは、上述したような、偏光された（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）光の使用を必要としており、ＤＬＰ技術では良好に機能しない。

イメージ−タイリング（ｉｍａｇｅ−ｔｉｌｉｎｇ）のような用途では、２又はそれ以上のプロジェクタからの画像は、隣接して又はわずかに重複するように投影され、それにより大きな‘タイル状（ｔｉｌｅｄ）’画像を生成する。このようなマルチプロジェクタシステムでは、原色（ｐｒｉｍａｒｙｃｏｌｏｒｓ）間の異なるカラーバランス、及び予測できず、変化する量により互いに遅れる独立な光源の結果として、個々の非同調（ｕｎ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）の光源及びカラーホイールにより、色及び／又は輝度の非常に好ましくないバリエーションが隣接するプロジェクタ間で生じうる。

ホイールの異なる部分を照明することにより上記に示される光束限界の問題を解決するＤＬＰ投影システムのための光エンジンを提供することが本発明の一態様である。一つの実施では、蛍光カラーホイールの同心円状に反対の領域は、蛍光体が、他の位置で再度照明される前に、冷却することができるように照明される。別の実施では、蛍光体の同心リングは、各リングが、ホイールの回転ごとに１つの照明イベントのみに露出されるように、用いられる。このように、蛍光体は、照明イベント間で緩和及び冷却されることができる。その結果、蛍光体ホイールは、より多くの光を出力することが可能になる。

別の態様によれば、タイル状のプロジェクタにおける色及び／又は輝度の望まれないバリエーションの問題は、色が時間及び強度に同期されるように、単一のカラーホイール及び複数のビームに分割される単一の光源を用いることにより解決される。

上記様態及び利点は、後で明らかになる他の様態及び利点と共に、本明細書の一部を形成する添付図面を参照しながら、以下でさらに十分に記載され且つクレームされるような構成及び動作の細部に存在し、全体を通じて類似した符号は類似した部品を指す。

図１は、従来のカラーＤＬＰデジタルプロジェクタの概要図である。図２は、第１の実施形態に係る、複数の光源により照明されるカラーホイールの概要図である。図３ａは、第２の実施形態に係る蛍光カラーホイールの概要図である。図３ｂは、複数の光源により照明される図３ａの蛍光カラーホイールの概要図である。図４は、第３の実施形態に係る、分光源による蛍光カラーホイールの概要図である。

図１は、従来のカラーＤＬＰデジタルプロジェクタを示す。キセノンランプ及び放射状リフレクタのような、スピニング蛍光カラーホイール３０上の集光レンズ２０により焦点合わせされる光のビームを生成する光源を備える。ホイール３０からの色付けされた（ｃｏｌｏｒｅｄｌｉｇｈｔ）は、符号４０で指定される、形状を均質にするために一又はそれ以上の光学系のセットにより矩形状となり、そして、ＤＭＤ、ＬＣＤ又はグレーティング光バルブ（ｇｒａｔｉｎｇｌｉｇｈｔｖａｌｖｅ（ＧＬＶ））のような空間光変調器（ｓｐａｔｉａｌｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｏｒ（ＳＬＭ））５０にリレーされ、画像を生成するために、スクリーン７０に投影するための投影レンズ６０に反射される。当業者は、光源１０が、レーザ又は他の適切な照明のソースであってもよいことを理解する。例えば、光源が青色レーザである場合、青セグメント（Ｂ）は、クリアとなることができ、緑蛍光コーティングは、緑セグメント（Ｇ）に適用され、かつ赤蛍光コーティングは、赤セグメント（Ｒ）に適用される。また、上述したように、ホイール３０のセグメントは、透過性ではなく反射性となる。

このような従来技術の蛍光カラーホイールの１つの問題は、上述したように、ホイール３０での励起光入射（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｌｉｇｈｔｉｎｃｉｄｅｎｔ）の光束限界である。

図２を参照すると、一対の光ビーム（Ｂ_１及びＢ_２）は、蛍光カラーホイール３０を照明するために用いられる。図示された実施形態では、２つのビームにより照明されるホイール３０の部分３２は、輪状であり、中央領域３４は、使用されない。しかし、カラーホールの照明された部分は、輪状ではなく図１の従来のカラーホールのように‘パイ形状’となるが、このような従来の設計は、より多くの蛍光体を使用し、したがって、よりコストがかかることを当業者は理解する。入射ビームＢ_１及びＢ_２は、実質的に同一に提供され、出力ビームＲ_１，Ｇ_１，Ｂ_１及びＲ_２，Ｇ_２，Ｂ_２は、高度に同期され、ＲＧＢのスペクトラム及びバランスを含む、実質的に同様の測色を示す。ビームＲ_１，Ｇ_１，Ｂ_１及びＲ_２，Ｇ_２，Ｂ_２は、その後、独立空間光変調（ｓｐａｔｉａｌｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ（ＳＬＭｓ））に集中されうる、もしくは、ホイール３０は、１８０度離れた２つの点が同一色であるように、６つのセグメントで構成されることができ、ビームは、同一のＳＬＭに集中されうる。

別の実施形態によれば、図３ａに示されるように、蛍光カラーホイール３０には、追加輪状部３６が設けられ、これは、図３ｂに示されるように、各部分３２及び３６が、それぞれビームＢ_１及びＢ_２により独立に照明されるように、輪状部３２内に同心円状に位置付けられる。全ての別の態様では、図３ａ及び図３ｂの実施形態は、図２の実施形態と同様に動作する。特に、部分３２及び３６のＲＧＢ区分における蛍光体は、照明イベント間で緩和及び冷却し、それにより、ホイール３０が、単一光により照明される図１のカラーホイールよりも多くの光を出力するように、蛍光体の劣化を低減する。追加の環状部分３６の包含は、カラーホイール３０からの光出力を効果的に二倍にする。上述したように、当業者は、環状部分３２及び３６が、透過性ではなく反射性であることを理解する。反射性蛍光ホイール３０の場合には、２つの環状部分３２及び３６は、ホイールの反対側及び同一側にあってもよい。

上述したように、第２の問題は、複数のＤＬＰプロジェクタが、合成タイル状画像を生成するために配置されたときに生じ、ここで２つのプロジェクタは、独立な光源（つまり、相関性がない）及び一致するのが困難な光学経路を有する。図４の実施形態に示されるように、光ビームＢは、半透過（５０／５０）リフレクタ／トランスミッター、偏光ビームスプリッタ、又は他の同様のデバイスのようなビームスプリッタ８０を用いて、別々であるが高度に相関するビームＢ_１及びＢ_２に分割され、環状蛍光部３２の正反対側の位置に通過する。ビームＢ_１及びＢ_２が、同一の蛍光体を用いてフィルタされるため、放出される主要な色（ビームＲ_１，Ｇ_１，Ｂ_１及びＲ_２，Ｇ_２，Ｂ_２）は同一であり、色の相対的な重みは同一であり、したがって、原色間のカラーバランス（及び白色点）が同一である。例えば、単一青照明光源Ｂの場合、得られる時系列化されたＲＧＢビームは、同一である。一実施形態では、図４のスプリット光源を有するカラーホイールは、Ｒ_１，Ｇ_１，Ｂ_１及びＲ_２，Ｇ_２，Ｂ_２が独立な光経路に沿って投影されるように、単一のプロジェクタハウジングに組み込まれてもよい。それに替えて、Ｒ_１，Ｇ_１，Ｂ_１及びＲ_２，Ｇ_２，Ｂ_２ビームは、例えば、光ファイバ又は他の適切な光学結合機構を介して、複数のプロジェクタに結合されうる。

図２の実施形態のように、２つの異なる青色光源が、ホイールを照明する場合、ＲＧビームは、同一になる。しかし、経路間の青の原色及び経路間の相対的な輝度のわずかな差が存在しうる。例えば、異なる青励起光源は、波長の差及び２つの光源間の強度を含む。波長の差は、最終的に投影される画像に現れる色の差をもたらす。したがって、最も良好な結果については、非常に類似する波長の青色レーザが使用される。赤（Ｒ）及び緑（Ｇ）光ビームについては、蛍光体の放出スペクトラムは、通常、照明波長における小さな差により影響されない。しかし、放出強度は、一般的に、励起強度に関連する。したがって、Ｒ１／Ｒ２及びＧ１／Ｇ２は、励起強度の差と同一の量により、強度のみが異なる。しかし、両方の経路が同一の蛍光セグメントを用いるので、蛍光セグメントのサイズのために、強度のバリエーションは存在し得ない。白色光の強度のバリエーションは、青励起源と同一であり、これは、ＲＧ放出に続く。しかし、強度は、フィードバックの単一補正が、任意のバリエーションを特定するために用いられるように、青光源に直接的にトラックする。いずれにしても、青原色への変化は、白の色に影響を与え、これは、図４の実施形態により克服され、単一の励起光源は、分割される。

当業者は、他の実施形態及び変形例を想定してもよい。２つの励起ビームよりもビームが多い実施形態では、ビームは、環に沿って互いに隔てられる蛍光カラーホイールの異なる位置を照明してもよい。さらに、本明細書に記載された実施形態では、青色レーザは、励起光源として用いられる。しかし、当業者は、他の波長が、蛍光体を励起するために許容できることを理解する。また、青色レーザは、励起光源として用いられ、異なる青励起波長は、青原色のために用いられてもよい（例えば、４４５ｎｍ又は４６５ｎｍ）これら及び他の変更及び変形例は、添付の特許請求の範囲の範囲内であるとみなされる。

Claims

少なくとも２つのプロジェクタを有するタイル状投影システムのためのマルチカラー照明装置であって、
複数のカラー蛍光部を有する蛍光カラーホイールと、
光のビームを生成する光源と、
同一の赤、緑及び青色光の少なくとも２つの時系列化されたビームを生成する前記蛍光カラーホイールを異なる位置で照明するために、前記光のビームを少なくとも２つの相関するビームに分割するビームスプリッタと、
タイル状の画像を生成するために、前記プロジェクタのそれぞれにおいて前記相関するビームを変調する空間光変調器と、
を備え、
前記蛍光カラーホイールは、前記複数のカラー蛍光部がそれぞれ１つの環に沿って互いに隔てられて前記異なる位置を構成する、環状蛍光部を備え、
前記２つの相関するビームは互いに前記蛍光カラーホイールの同心円状に反対の領域の前記環状蛍光部の位置に照明されるマルチカラー照明装置。
少なくとも２つのプロジェクタを有するタイル状投影システムのためのマルチカラー照明装置であって、
複数のカラー蛍光部を有する蛍光カラーホイールと、
光のビームを生成する光源と、
同一の赤、緑及び青色光の少なくとも２つの時系列化されたビームを生成する前記蛍光カラーホイールを異なる位置で照明するために、前記光のビームを少なくとも２つの相関するビームに分割するビームスプリッタと、
タイル状の画像を生成するために、前記プロジェクタのそれぞれにおいて前記相関するビームを変調する空間光変調器と、
を備え、
前記蛍光カラーホイールは、前記複数のカラー蛍光部がそれぞれ１つの環に沿って互いに隔てられて前記異なる位置を構成する、環状蛍光部を備え、前記相関するビームの一方により照明するための前記環状蛍光部の第１の環と、該第１の環内に同心円状に該第１の環から離れて配置され、前記相関するビームの他方により照明するための前記環状蛍光部の第２の環と、を備えるマルチカラー照明装置。
前記ビームスプリッタは、半透過ミラー又は偏光ビームスプリッタのいずれか１つである請求項１または２に記載のマルチカラー照明装置。
前記環は、透過性である請求項１または２に記載のマルチカラー照明装置。
前記環は、反射性である請求項１または２に記載のマルチカラー照明装置。
前記第１の環及び前記第２の環は、透過性である請求項２に記載のマルチカラー照明装置。
前記第１の環及び前記第２の環は、反射性である請求項２に記載のマルチカラー照明装置。
前記第１の環及び前記第２の環は、前記蛍光カラーホイールの反対側にある請求項７に記載のマルチカラー照明装置。
前記第１の環及び前記第２の環は、前記蛍光カラーホイールの同一側にある請求項７に記載のマルチカラー照明装置。