JP2007079330A - 直流方式の高圧放電灯による画像投射システム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーの好みに合わせて自由に色調を調整することができる、画像投射システムを提供する。
【解決手段】直流方式の高圧放電灯１と前記高圧放電灯から照射された光束Φ１を複数の色に分離する回転式のカラーフィルタ３と、このカラーフィルタを通過した光束Φ２に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子４と、前記高圧放電灯を直流電流で駆動させる直流点灯手段５と、この光学素子によって反射された光束Φ３をスクリーン上に投影する投影レンズ系６と、前記カラーフィルタの回転を検出して同期信号Ｓを発生させる同期信号発生装置９とを含む画像投射システムであって、前記同期信号発生装置９は、前記カラーフィルタの回転と同期した複数のオンオフパターンからなる同期信号Ｓを発生させると共に、そのオンオフパターンと一対一に対応する所定の電力レベル（例えば、Ｌ１〜Ｌ４）を一定のタイミングで前記高圧放電灯に出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学素子とカラーフィルタを搭載した画像投射システムに関する。

画像投射システムは高速で回転するカラーフィルタに光を照射して例えば三原色（すなわちR（赤）・G（緑）・B（青））を時分割に取り出し、デジタル・マイクロミラー・デバイス「通称DMD（登録商標）」と呼ばれる反射型の光学素子を用いて画像パターンを作り、投影レンズ系を介してスクリーン上にカラー画像を投射するシステムであり、ホームシアターやRPTV（リヤプロジェクションテレビ）などに利用されている。

画像投射システムの光源として用いられる高圧放電灯は、駆動電流の波形により、矩形波の交流電流によって点灯する方式（交流方式）と、直流電流によって点灯する方式（直流方式）の２種類に分類される。初期のシステムは交流方式が主流であり、カラーフィルタもＲ・Ｇ・Ｂの３原色のみで構成された単純なものが一般的であった。

投射されたカラー画像の色調をユーザーの好みに応じて変化させることは重要である。これに関し、例えば特許文献１には、カラーセグメントがＲ・Ｇ・Ｂの３種類で構成されるカラーフィルタを備えた画像投射システムにおいて、特定のカラー（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に応じて光源を駆動するのに用いられる出力パワーを変化させて自由に色調を変化させることができる画像投射装置が開示されている（但し、実施例はいずれも交流方式の光源による。）。

このように、DMD（登録商標）のようなデジタル光学素子を備えた画像投射システムにおいて、特定のカラーセグメントと同期しながら高圧放電灯の駆動電流の大きさを制御することは、再現性の良い色調に調整したり、ユーザーの好みに応じて例えば鮮やかな赤色を表現したり等、豊かな表現力を与えることのできる技術の一つとして注目されている。

特表平８−５０５０３１号公報

ところで、高圧放電灯の電極部には、電子を放出する陰極（カソード）と、カソードから放出された電子を受け取る陽極（アノード）が存在する。陽極は電界により加速された電子が衝突するため、高温に加熱され、蒸発により消耗する。交流方式の高圧放電灯は極性が一定周期で変化するため、陰極と陽極が周期的に入れ替わる。その結果、両方の電極が消耗する。

図４（ａ）は、一般的な交流方式の高圧放電灯の電極構造１０１ａ、１０１ｂとアーク放電Ａ１００の状態を示している。この図のように、交流方式の場合、電極の消耗が均一になるように、２つの電極が同形同大に設計されている。交流ランプ電流は、正の半サイクルと負の半サイクルとで電流の向きが入れ替わる。 例えば、正の半サイクルにおける電流の向きが矢印Ｃ１であったとすると、その間の陰極（カソード）は１０１ａ、陽極（アノード）は１０１ｂとなる。このとき、アークの輝点はカソード近傍に発生するので、Ｋ１０１の辺りに表れる。一方、負の半サイクルにおける電流の向きは矢印Ｃ２となり、今度は陰極が１０１ｂ、陽極が１０１ａとなり、アークの輝点はＫ１０２の辺りに表れる。

電極部の消耗がなるべく均一になるようにして、交流方式の高圧放電灯の寿命特性を劣化させないためには、光源に供給される平均電力がプラスとマイナスとで等しくなるように調整することが必要である。しかし、豊かな表現力を得るためにセグメント単位で駆動電流の大きさを変えることによって高圧放電灯への入力電流波形を操作した場合、電流波形の対称性を維持することが難しい。

例えば、図４（ｂ）は、交流方式の画像投射装置において、「赤のパルスの振幅（正及び負のパルス共に）を青のパルスの振幅よりも大きく、青のパルスの振幅は緑のパルスの振幅よりも大きい」ように、光源の駆動電流を変化させた例を示しているが（上掲特許文献１の図２ｂ参照）、このような駆動電流波形を実現するためには、それぞれのカラーセグメントと駆動電流とを適切に同期しなければならず、実現が極めて困難である。なお、特許文献１の「発明の詳細な説明」には、「正のパルスのパワーが負のパルスのパワーに等しくなるように動作する必要がある。」とのみ記載され、具体的な同期信号の取り方などは明らかでない。

さらに、交流方式は正の半サイクルと負の半サイクルとで高圧放電灯内の電極間における電子放出の向きが切り替わるため、アーク放電の輝点（発光位置）が正の半サイクルと負の半サイクルとでわずかに移動する。そのため、デジタル光学素子に入力される光量が微妙に変動し、階調が乱れる原因ともなる。

以上のように、交流方式の高圧放電灯に対し、セグメント単位で駆動電流を変動させようとすると、カラーセグメントと駆動電流の同期をとることが難しい。また、交流方式の高圧放電灯は、輝点位置が周期的に変動するといった交流方式に特有の本質的な問題を内在している。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、セグメント単位で駆動電流の大きさを変更しても高圧放電灯の駆動電流とカラーセグメントとを確実に同期させることができる新規な同期方式を取り入れた画像投射システムを提供することを主たる目的とする。

本発明に係る画像投射システムは、直流方式の高圧放電灯１と前記高圧放電灯から照射された光束Φ１を複数の色に分離する回転式のカラーフィルタ３と、このカラーフィルタを通過した光束Φ２に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子４と、前記高圧放電灯を直流電流で駆動させる直流点灯手段５と、この光学素子によって反射された光束Φ３をスクリーン上に投影する投影レンズ系６と、前記カラーフィルタの回転を検出して同期信号Ｓを発生させる同期信号発生装置９とを含む画像投射システムであって、
前記同期信号発生装置９は、前記カラーフィルタの回転と同期した複数のオンオフパターンからなる同期信号Ｓを発生させると共に、そのオンオフパターンと一対一に対応する所定の電力レベル（例えば、Ｌ１〜Ｌ４）を一定のタイミングで前記高圧放電灯に出力することを特徴とする。

このように本発明では、同期信号Ｓのオンオフパターン（具体的には、オン時間の異なる矩形パルスＴｓ１〜Ｔｓ４）と、高圧放電灯に出力される電力レベル（Ｌ１〜Ｌ４）とが一対一に対応するように予め設定しておき、所定のパターンの同期信号Ｓを受け取った次のカラーセグメントのタイミングでそれに対応する電力レベル（Ｔｓ１に対してＬ１というように）を高圧放電灯に出力する。この出力のタイミングは、同期信号の立ち上がり時刻を基準として一定時間Ｔ０経過した後に設定すれば、カラーフィルタの回転（すなわちカラーセグメント）と同期信号とを正確に同期させることができる。

本システムにおいては、電力レベルの最大値Ｌ４が電力レベルの最小値Ｌ１の１．１倍以上に設定されていることがアークジャンプに起因するフリッカを抑制する点で好ましい。

また、本システムでは、高圧放電灯の電極は、陽極（アノード）が陰極（カソード）よりも質量が大きく構成されていることが好ましい。電力レベルの最大値（Ｌ４）を大きくすればするほど陽極の消耗（加熱による蒸発）が起こりやすいので、陽極の質量を予め大きくしておくことで、電力レベルの最大値（Ｌ４）と最小値（Ｌ１）の比を大きくしても高圧放電灯の寿命を劣化させにくくすることができるからである。

本発明によると、各カラーセグメントに供給する高圧放電灯の異なる供給電力との同期を正確にとることができる。また、ビデオフィールドの各カラーセグメントに自由に異なる電力レベルを供給できると共にフリッカを抑制し安定したアークを維持することができる。

（第１の実施形態）
−システム構成について−
図１は本発明に係る画像投射システムのシステム構成を説明するブロック図の一例を示している。本システムは直流方式の高圧放電灯１及びリフレクター２より構成される光源Ｅと、複数のカラーセグメント３ａ〜３ｆを備えたカラーフィルタ３と、光学素子４と、投影レンズ系６とから構成される。高圧放電灯１から照射された光束Φは、直接又はリフレクター２に反射されて、カラーフィルタ３に光束Φ１が照射され、光学素子４によって光変調された後、所定の画像パターンが投影レンズ系６を介してスクリーン７に投影される。

カラーフィルタ３は可視光の波長を選択的に通過させる性質を持つダイクロイックフィルタよりなる複数のカラーセグメントを備えている。図１におけるカラーフィルタ３はＲ・Ｇ・Ｂ・Ｙ・Ｍ・Ｃ（赤・緑・青・黄・マゼンタ・シアン）の６色よりなる（３ａ〜３ｆ）。

光学素子４はＤＭＤ（登録商標）のような反射型のデジタル光変調素子よりなり、カラーセグメント３ａ〜３ｆを通過してそれぞれの色に分離された光束Φ２を反射し、光学素子駆動装置１４より供給される映像信号（例えばビデオ信号など）により光変調を行うためのデバイスである。

なお、ＤＭＤ（登録商標）とは、具体的にはカラーフィルタを通過した各セグメントの光に明度を与えて階調付けを行うと共に映像信号による変調を行うための光学素子（光変調素子）であり、例えば半導体メモリーセル上に多数のミラーエレメントが取り付けられたものである。その一つ一つのミラーエレメントの傾きは光学素子駆動装置１４により制御され、各ミラーエレメントにおける光の通過と遮断をスイッチングすることにより所定のパターンを作り出すことができる。

直流点灯手段５は直流電源回路と複数の電力レベルを同期信号に応じて選択的に出力させる制御回路を内蔵しており、高圧放電灯１を点灯させるためのランプ電流を供給する装置である。高圧放電灯への駆動電流パターンの詳細については後述する。

投影レンズ系６は光学素子４の表面で反射された光束Φ３をスクリーン（７）上に投射するための光学レンズである。

カラーフィルタ駆動装置８はカラーフィルタ３を回転させるための駆動装置であり、カラーフィルタ３を一定速度で回転させる働きをする。例えば１フレームの周波数６０Ｈｚ（１画面が毎秒６０回で変化すること）のビデオ信号の場合で、カラーフィルタは上記１フレームの周波数の整数倍（例えば２倍、すなわち周波数１２０Ｈｚ）の速度で回転する。

光源Ｅからの照射された光束Φ１は定速回転しているカラーフィルタ３の各セグメント３ａ〜３ｆを透過したときに時分割で色分解される。それぞれの色に分解された光束Φ２はライトパイプ（図示を省略する）などを介して光学素子（４）に入射される。

カラーフィルタ３には、タイミングを検出するための位置指標３ｇが設けられている。例えば、フォトセンサーが位置指標３ｇを検知することにより、カラーフィルタの1回転のタイミングを検出してタイミング基準信号Ｓ０を発生させる。この基準信号Ｓ０は同期信号発生装置９に入力され、基準信号Ｓ０を基準として、各カラーセグメントと同期した複数の同期信号が直流点灯手段５に入力される。

−電流駆動パターンについて−
図２は本発明に係る画像投射システムにおけるカラーフィルタのセグメントの状態（上段）と直流ランプ電流波形Ｉ_Ｌ（２段目）と同期信号Ｓの波形（３段目）と高圧放電灯１から照射された光束Φ１の信号強度を同一時間軸で例示したものである。ここでは、図１に示したようなＲ・Ｇ・Ｂ・Ｙ・Ｍ・Ｃ（赤・緑・青・黄・マゼンタ・シアン）の６つのセグメントを含むカラーフィルタを、１フレームの周波数の２倍速で回転した例（１フレーム６０Ｈｚ、ビデオフィールド１２０Ｈｚ）を示している。なお、実際にはカラーセグメントの境界の影響を吸収するためスポークタイムが設定されていることもあるが過渡特性については説明を省略する。

電力レベルは低い順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の４種を設定した例を示し、それぞれ同期信号Ｓのオン時間の長い順にＴｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３，Ｔｓ４によって識別する。予め設定された上記複数の電力レベルのいずれか１つの電流強度を同期信号の立ち上がり時刻を基準として一定時間Ｔ０経過した後に出力する。

すなわち、Ｔｓ１のパルス幅を検出したとき次の駆動電流Ｉ_ＬをＬ１のレベルに設定し、Ｔｓ２のパルス幅を検出したとき次の駆動電流Ｉ_ＬをＬ２のレベルに設定し、Ｔｓ３のパルス幅を検出したとき次の駆動電流Ｉ_ＬをＬ３のレベルに設定し、Ｔｓ４のパルス幅を検出したときは次の駆動電流Ｉ_ＬをＬ４のレベルに設定するのである。

例えば、Ｔｓ１＝１００μｓ、Ｔｓ２＝１５０μｓ、Ｔｓ３＝２００μｓ、Ｔｓ４＝２５０μｓ、Ｔ０＝３００μｓと設定し、これに対応して予めＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を設定しておく。なお、カラーセグメント６色で4倍速を考慮しても１セグメントあたり約６９０μｓ（＝１／６０Ｈｚ／４倍／６セグメント）である。Ｔ０（＝３００μｓ）の大きさは、この値よりも小さいので上記の設定値はいずれも妥当な設定値である。

なお、カラーセグメントの誤差に対する微調整をするには、同期信号発生装置９内の制御回路で、このタイミングを調整するだけで良く、直流点灯手段５は変更を要しない。また、各カラーセグメントの角度が変更になったり、フレーム周波数が例えば５０Ｈｚに変更になったり、カラーフィルタの回転数が変更になったとしても、この同期信号のタイミングを変更するだけで良い。

例えば、図２（ａ）の直流ランプ電流波形（２段目）の例では、電力レベルが小さいものから順に、
Ｌ１・・・緑（Ｇ）
Ｌ２・・・青（Ｂ）、マゼンタ（Ｍ）
Ｌ３・・・黄（Ｙ）、シアン（Ｃ）
Ｌ４・・・赤（Ｒ）
と対応付けている。

このように設定すると、全体的にはやや色温度の低い色合いの画像が得られる。逆に、例えば図２（ｂ）の直流ランプ電流波形（１段目）のように、Ｂ（青）とＲ（赤）とを入れ替えて、
Ｌ１・・・緑（Ｇ）
Ｌ２・・・赤（Ｒ）、マゼンタ（Ｍ）
Ｌ３・・・黄（Ｙ）、シアン（Ｃ）
Ｌ４・・・青（Ｂ）
と対応づけるようにすると、全体的にはやや色温度の高い色合いの画像が得られる。

その際必要なことは、同期信号Ｓを図２（ｂ）の下段に示すように変更して、Ｒ（赤）とＢ（青）の電力レベルを選択するための同期信号のパターンを入れ替えるだけである。

このように、本発明にかかる画像投射システムによると、同期信号のパターンを変更するだけでユーザーの好みに応じて様々な色合いを表現することができる。しかも、点灯手段の回路等を変更する必要がないため、システム設計の自由度が極めて高い。

なお、本発明にかかる画像投射システムは光源となる高圧放電灯が直流方式によるため、交流方式のように極性の切り替えを考慮する必要がなく、同期信号の種類に応じて同期信号を受け取った次のセグメントで上記のような電流波形を発生させることは容易である。ちなみに、交流方式の場合、対称性などを考慮しなければならないため制限が大きいが、本システムでは電力レベル（Ｌ１〜Ｌ４）を自由に配置できるという利点がある。

なお、上記実施例では、カラーセグメント数が６つ（ＲＧＢＹＭＣ）で電力レベル数は４段階（Ｌ１〜Ｌ４）として説明してきたが、これらは一例にすぎず、同期信号と電力レベルの対応関係を変更すれば自由にセグメント数や電力レベル数を変更できることはいうまでもない。

そして、本システムは高圧放電灯の駆動が直流方式によるため、アークの輝点が陰極側の一方向に固定されるので階調が乱れにくい。なお、直流電流にパルス電流を重畳するとアークジャンプを抑制することができることが知られている（例えば特開２００４−２１２８９０号公報）が、本システムの駆動電流波形は直流電流に同極性のパルスを重畳したものと等価であるから、ビデオフィールドの中で一定程度以上の電力レベルの差（Ｌ１〜Ｌ４）を付けておけば、アークジャンプに起因するフリッカを抑制する効果も期待される。実験によると、電力レベルの最大値（Ｌ４）と最小値（Ｌ１）との差が、最大値／最小値の比で１．１倍以上あるときフリッカの抑制効果が確認された。

（第２の実施形態）
図３は一般的な直流方式の高圧放電灯の電極構造１ａ、１ｂとアーク放電Ａの状態を示している。この図に示すように本実施形態に示す直流方式の高圧放電灯は、陰極（カソード）１ａと比べて陽極（アノード）１ｂの質量が大きく構成されている。通常、この種の直流方式の高圧放電灯は陽極質量／陰極質量が、典型的には１．５〜２程度である。電流は図の矢印Ｒの方向に流れ、図のようなアーク放電Ａが発生する。この時、輝点Ｋは陰極１ｂの近傍に現れる。

実験では、陽極と陰極の質量比を通常より少し高めの２．５（２．３乃至２．７）程度に構成したところ、電力レベルの最大値（Ｌ４）は最小値（Ｌ１）の１５０％（１．５倍）まで設定することができた。これは調整できる色調の範囲が大きいことを意味する。なお、これ以上レベル差を大きくすると陽極側が激しく加熱されてタングステン電極が蒸発し、放電灯の寿命を短くするおそれがある。但し、放電灯の蒸気圧や電極形状等を最適化すれば、もう少しレベル差を大きく設定することも可能であろう。

なお、交流方式の場合は両電極が交互に陽極になったり陰極になったりするので、電力レベルの最大値（Ｌ４）に対して寿命特性を劣化させないためには適切に質量の大きい電極が必要であるとも考えられる。しかし、そうすると、陰極として動作する期間は逆に電極の温度が下がりすぎるため、アークが不安定になりやすい。このように、交流方式の場合、電極には相反する特性が求められるため、電力レベル差を大きくすることができないのである。従って、本実施例のように電極を非対称にすることは、本システムのような直流方式に適用して初めて大きな効果があるといえる。

本発明にかかる画像投射システムは、ビデオフィールドの各カラーセグメントに自由に異なる電力レベルを供給できると共にアークジャンプに起因するフリッカが抑制され、アークを安定に維持することができる。特に、陽極の質量を陰極よりも大きくすると、電力レベルの最大値と最小値のレベル差を例えば１５０％程度まで設定できるので、ユーザーの好みに合わせて変化できる色調の範囲が大きい。また、直流方式によるため、輝点位置が変動しないので、ビデオフィールド毎にカラーフィルタを照射する光束（Φ）に誤差が発生せず、安定な光束を出力し続けることができる。

本発明のブロック図 本発明のランプ電流波形と同期信号の関係を示す図 本発明の高圧放電灯の電極構造を示す図 （ａ）は従来の交流方式の高圧放電灯の電極構造を示す図（ｂ）は従来の交流方式の画像投射装置の駆動電流波形の一例を示す図

符号の説明

Ｉ_Ｌ 直流ランプ電流
Ｅ 光源
Ｓ 同期信号
Φ 光（光束）
１ 高圧放電灯
２ リフレクター
３ カラーフィルタ
３ａ〜３ｆ カラーセグメント
３ｇ 位置指標
４ 光学素子
５ 直流点灯手段
６ 投影レンズ系
７ スクリーン
８ カラーフィルタ駆動装置
９ 同期信号発生装置
１３ ビデオ入力部
１４ 光学素子駆動素子

Claims (3)

1. 直流方式の高圧放電灯（１）と前記高圧放電灯から照射された光束（Φ１）を複数の色に分離する回転式のカラーフィルタ（３）と、このカラーフィルタを通過した光束（Φ２）に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子（４）と、前記高圧放電灯を直流電流で駆動させる直流点灯手段（５）と、この光学素子によって反射された光束（Φ３）をスクリーン上に投影する投影レンズ系（６）と、前記カラーフィルタの回転を検出して同期信号（Ｓ）を発生させる同期信号発生装置（９）とを含む画像投射システムであって、
   前記同期信号発生装置（９）は、前記カラーフィルタの回転と同期した複数のオンオフパターンからなる同期信号（Ｓ）を発生させると共に、そのオンオフパターンと一対一に対応する所定の電力レベル（例えば、Ｌ１〜Ｌ４）を一定のタイミングで前記高圧放電灯に出力することを特徴とする画像投射システム。
2. 前記電力レベルの最大値（Ｌ４）が前記電力レベルの最小値（Ｌ１）の１．１倍以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載の画像投射システム。
3. 前記高圧放電灯の電極は、陽極（アノード）が陰極（カソード）よりも質量が大きく構成されていることを特徴とする請求項１記載の画像投射システム。

Images