JP4811634B2 - カラーホイールを備えた分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、時分割型の分光装置のフィルタ素子として好適なカラーホイールを備えた分光装置に関する。

近年、投射型の画像表示装置において、例えばデジタルマイクロミラーデバイスなどの高速スイッチング可能な単一のライトバルブ素子に、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を順次入射し、そのライトバルブ素子を入射光の切り替えに同期させて駆動することによりＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を時系列的に生成して順次スクリーン等に投射する、時分割型の単板方式が広く使用されるようになってきている。この場合、画像の色合成はいわゆる残像効果により観察者の視覚系において実行されるものである。この方式は、比較的単純な光学系を用いて装置の小型化、軽量化を達成できるため、投射型の画像表示装置を低コストで実現する上で好適な方式である。カラーホイールは、このような画像表示装置において、白色光源から出射する光を、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの波長帯域の光に順次分光する時分割型分光装置用のフィルタ素子として好適に使用されるものである。

このようなカラーホイールを備えた時分割型の分光装置の例を図５に示す。図５におい
て、分光装置２００はカラーホイール１００と、モータ１０６とを備えている。カラーホイール１００は、たとえば光学ガラスなどの光透過性材料からなる円盤状の基板１０１上に、たとえばＲ光のみを透過させるフィルタ領域１０２、Ｇ光のみを透過させるフィルタ領域１０３、Ｂ光のみを透過させるフィルタ領域１０４が形成され、モータ１０６の構成部材であるハブ１０５に対し、カラーホイール１００が固定されている。この分光装置２００は、モータ１０６の回転につれてカラーホイール１００が高速回転し、カラーホイール１００に入射する白色光Ｓの入射面に対するフィルタ領域がＲ透過フィルタ領域１０２、Ｇ透過フィルタ領域１０３、Ｂ透過フィルタ領域１０４と順次切り替ることによって、入射白色光ＳをそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光に順次分光するものである。

一般に、カラーホイールには、別々に作成された複数のカラーフィルタセグメントを同心円状に配列して互いに固定することにより構成された「セグメントタイプ」のカラーホイールと、円盤状の単一の基板上にそれぞれのカラーフィルタとして機能する複数の領域を形成してなる「モノリシックタイプ」のカラーフィルタとが存在する。

例えば、図６の平面図および図７の分解断面図に示す「セグメントタイプ」のカラーホイール１６０は、複数（図６では４つ）の独立したカラーフィルタセグメント１１２、１１４、１１６、１１８を、支持体１２０および保持リング１２２を用いて固定することによって、カラーホイール１６０を構成したものである。ここで、保持リング１２２は、カラーホイールをモータ１０６のハブ１０５へと接合する機能も有しており、当初から一体のディスク上に各カラーフィルタが形成されているため支持体１２０を要しない「モノリシックタイプ」のカラーホイールの場合であっても、通常、カラーホイールをハブ１０５に対して固定するために保持リング１２２と同様の結合部材が使用される。

このようなカラーホイールを使用した分光装置では、上述したように、適切な画像を生成するためにライトバルブ素子の動作と同期させてカラーホイールを回転させる必要があるため、カラーホイールの回転位置を検出する検出器を備えており、例えば、カラーホイール上に検出光を出射し、カラーホイールの回転に伴う反射光の変動を検知して、その回転位置を検出する光学的な回転位置検出器が使用されている。この場合、図６に示すように、保持リング１２２の一部に、回転位置検出用のマーキング１２５としてテープ部材等により高反射領域または低反射領域を形成すると共に、回転位置検出器を、その検出光が保持リング１２２上に入射するように設定し、マーキング１２５部分と保持リング１２２上のその他の部分との反射光の強弱の差異を検出することによって、カラーホイールの回転位置を検出することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−４８５４２号公報（図２）

しかしながら、従来のカラーホイールおよび分光装置では、保持リング上に低反射領域または高反射領域のマーキング部分を形成するために、塗装またはテープ部材の貼着等の付加的な部材および工程が必要となり、製造コストの増大を招くという問題があった。

上記課題に鑑みて、本発明は、カラーフィルタと保持体との組合せのみにより光学的に回転位置検出可能なカラーホイールを使用した分光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る分光装置は、円環状に配置される複数のカラーフィルタと、前記円環の中心部に位置するＣリング形状の保持体とを有するカラーホイールを備えた分光装置であって、前記カラーホイールを回転させるモータと、前記カラーホイールの回転位置を光学的に検出する回転位置検出器とを有し、前記保持体は、Ｃリング形状の切断部分が前記複数のカラーフィルタのうちの一つ上に位置するように配置され、前記回転位置検出器は、前記切断部分が位置するカラ−フィルタの透過波長と一致する波長を有する検出光を、前記カラーホイールの回転に伴って前記保持体の切断部分に間歇的に入射する位置に出射し、前記検出光の反射光を利用して前記カラーホイールの回転位置を検出することを特徴とする。

さらに、前記回転位置検出器は、前記検出光が、前記保持体の切断部分に入射した際に前記カラーフィルタ上に集光されるように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る分光装置におけるカラーホイールによれば、保持体をＣリング形状とすることによって、その切断部分をカラーフィルタ上に配置することにより、反射テープを貼着する等の付加的な部材および工程を要することなく、カラーホイール上に光学的に検出可能なマーキングを形成することが可能となる。

また、本発明に係る分光装置によれば、回転位置検出器からの出射光が、カラーホイールの回転に伴って保持体の切断部分に間歇的に入射するように構成することによって、保持体の上面の反射率と切断部分に存在するカラーホイールの反射率との差異を検知することが可能となり、それによってカラーホイールの回転位置を検出することができる。

さらに、本発明に係る分光装置によれば、Ｃリング形状の保持体の上面とその切断部分に対応するカラーフィルタとの間には段差が存在し、回転位置検出器の出射光学系からの距離が異なるため、検出光がカラーフィルタ上に集光されるように構成することによって、反射光のビーム径や単位面積当たりの強度等の反射形態の差異により、カラーホイールの回転位置の検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るカラーホイールの第１の実施形態を示す平面図である。カラーホイール１０は、セグメントタイプのカラーホイールであり、同心円状に配置される複数の扇形カラーフィルタセグメント１２、１４、１６（以下、単に「セグメント」ともいう。）と、この同心円の中心部に位置する保持体１８とで構成され、保持体１８にはバランス調整孔１７が形成されている。各カラーフィルタセグメント１２、１４、１６上には、それぞれ異なる波長帯域の光を透過するカラーフィルタ１２Ａ、１４Ａ、１６Ａが形成されており、本実施形態では、これらのカラーフィルタは、誘電体多層膜からなるダイクロイックフィルタとする。

また、本実施形態において、保持体１８は、例えばアルミニウム等の金属または樹脂材料によりＣリング状に形成されており、その切断部分がセグメント１６上に位置するように配置され、接着または機械的手段あるいはそれらの組合せにより各セグメント１２、１４、１６に固着されている。保持体１８をこのように配置することによって、カラーホイール１０上には、Ｃリング状の保持体１８の上面１８ａと、保持体１８の切断部分にカラーフィルタ１６Ａによって形成される領域Ｄからなる円環領域１９が形成されることになる。
なお、本発明は、保持体１８と各セグメント１２、１４、１６との固着手段に限定されるものではないが、例えば、保持体１８から突出する凸部を設けると共に、各セグメント１２、１４、１６に保持体１８の凸部を受け入れるための凹部を形成し、これらの凸部と凹部とを一致させて接着固定してもよい。

次に、図２を参照して、本発明に係る分光装置の第１の実施形態を説明する。図２は、図１に示すカラーホイール１０を備えた分光装置２０の要部を示す側面図であり、説明のため、カラーホイール１０は、図１に示すＡ−Ｂ切断線による断面図として示されている。図２において、分光装置２０は、カラーホイール１０と、カラーホイール１０を回転させるモータ２２と、カラーホイール１０の回転位置を検出する回転位置検出器２６とを備え、カラーホイール１０は、接着または機械的手段（圧入、ネジ止め等）あるいはそれらの組合せによって、モータ２２のハブ２４に固着されている。
なお、図２に示す分光装置２０では、ハブ２４とカラーホイール１０とが直接接続されているが、例えば、保持体１８と共にカラーホイール１０を狭着して支持するための支持部材をカラーホイール１０に結合し、この支持部材とハブ２４とを結合するものであってもよい。

ここで、回転位置検出器２６は、光学的にカラーホイール１０の回転位置を検出するものであり、カラーホイール１０上に検出光２８を出射し、その反射光を受光して、カラーホイール１０の回転に伴う反射光の変動を検知することによって、その回転位置を検出するものである。本実施形態において、回転位置検出器２６は、検出光２８が保持体１８の配置面側からカラーホイール１０に入射し、その（カラーホイール１０の）半径方向の入射位置は、図１に示す円環領域１９に含まれるように構成されている。このような構成によって、検出光２８の入射位置は、カラーホイール１０の回転に伴って円環領域１９内を移動し、その移動の過程で間歇的に領域Ｄに入射することになる。
さらに、図示は省略するが、回転位置検出器２６の出射光学系は、例えば光学レンズ等の集光手段を備え、図２に模式的に示すように、領域Ｄに入射した検出光２８がカラーフィルタ１６Ａ上に集光されるように構成されているものとする。

以上のように構成された本実施形態におけるカラーホイール１０および分光装置２０によれば、次のような作用・効果を得ることができる。
例えば、検出光２８をＲ光とし、カラーフィルタ１６ＡをＲ透過フィルタとした場合、カラーホイール１０の回転に伴って検出光２８が領域Ｄに入射すると、Ｒ光である検出光は領域Ｄを完全に透過してその反射率はほぼ０％となる。一方、このように極めて低い反射率は金属または樹脂等の一般の単体材料では得られないため、検出光２８は、保持体１８の上面１８ａに入射している間は、材料に応じた所定の反射率でもって反射されており、回転位置検出器２６は、この反射率の差異によって生じる反射光の強度差を検出することができる。

参考例として、検出光２８をＲ光とし、カラーフィルタ１６ＡをＲ透過フィルタ以外のカラーフィルタ（例えば、Ｇ透過フィルタまたはＢ透過フィルタ）とした場合には、カラーホイール１０の回転に伴って検出光２８が領域Ｄに入射すると、Ｒ光である検出光の領域Ｄからの反射率はほぼ１００％となる。一方、このように極めて高い反射率は、金属または樹脂等の一般の単体材料では得られないため、上述した場合と同様に、回転位置検出器２６は、この反射率の差異によって生じる反射光の強度差を検出することができる。

このように、本実施形態におけるカラーホイール１０では、反射率の差異を形成するための付加的な部材および工程を何ら要することなく、各セグメント１２、１４、１６と保持体１８との固着と同時に、保持体１８を含む円環領域１９に、光学的回転位置検出のためのマーキングとして機能する領域Ｄが形成されることになり、分光装置２０を使用することによって、このマーキングを光学的に検出し、カラーホイール１０の回転位置を確実に検出することができる。

ここで、誘電体多層膜によるダイクロイックフィルタは、その分光特性について上述したような極めて高い波長選択性を有するため、本発明に係るカラーフィルタとして好適なものであるが、本発明に係るカラーフィルタは、保持体１８を構成する材料表面の反射率と、使用されるカラーフィルタの形成面の反射率との間に検出可能な差異が存在する限り、任意のカラーフィルタを使用することができる。また、上述した例では、いずれの場合も検出光２８をＲ光として説明したが、検出光の波長とその波長に対して透過性または反射性のカラーフィルタとの組合せは、使用するカラーフィルタ、保持体、または回転位置検出器の仕様等に応じて適宜選択することができる。

さらに別の例として、本実施形態では、領域Ｄに入射した検出光２８がカラーフィルタ１６Ａ上に集光されるように構成され、かつ、保持体１８の上面１８ａとカラーフィルタ１６Ａとの間には少なくとも保持体１８の厚み分の段差が存在するため、保持体１８の上面１８ａを反射面とする反射光と、カラーフィルタ１６Ａを反射面とする反射光では、そのビーム径または単位面積当たりの強度等の反射形態に、回転位置検出器２６の出射光学系からの距離に応じた差異が生じる。したがって、仮に、領域Ｄの反射率と保持体１８の上面１８ａの反射率との間に検出可能な差異がない場合でも、回転位置検出器２６は、これらの反射形態の差異を検知することによって、カラーホイール１０の回転位置を検出することができる。また、これらの反射形態の差異と上述した反射率の差異とを組み合わせて使用して、より確実に回転位置を検出することもできる。
なお、この場合、検出のダイナミックレンジを大きくするには、保持体１８の上面１８ａとカラーフィルタ１６Ａとの距離は大きい方が好ましいため、カラーホイール１０において、保持体１８を配置する面とは反対側の面に、カラーフィルタ１６Ａを形成するものであってもよい。

以下、図３および図４を参照して、本発明に係るカラーホイールおよび分光装置の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態におけるカラーホイールおよび分光装置の基本的な構成およびその作用・効果は、上述した第１の実施形態と同様のものであるため、以下の説明では、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
図３は、本発明に係るカラーホイールの第２の実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ｂ断面図である。本実施形態におけるカラーホイール３０において、保持体３８は、切断部分を有する環状座部３８ｂと、前記切断部分に連接する切断部分を有し、その中央部に延在する小径円筒部３８ｃとからなるＣリングとして形成され、保持体３８の内周面によって開口部３９が定められている。また、各カラーフィルタセグメント１２、１４、１６は、それぞれの内周辺が小径円筒部３８ｃの外周面回りに集合するように配置されて、保持体３８に固着されている。

図４は、本発明に係る分光装置の第２の実施形態として、図３に示すカラーホイール３０を備えた分光装置４０の要部を示す側面図であり、説明のため、カラーホイール３０は、図３（ｂ）に示すＡ−Ｂ断面図として示されている。本実施形態におけるカラーホイール３０は、図４に示すように、結合されるモータ４２のハブ４４に回転軸等の凸部４６が設けられている場合に特に好適なものである。すなわち、分光装置４０において、カラーホイール３０とモータ４２とは、上述した第１の実施形態と同様に、接着または機械的接合方法（圧入、ねじ止等）により固着されるものであるが、その際、保持体３８中央の開口部３９は、モータ４２の凸部４６を受け入れて嵌合するための軸穴として機能する。本実施形態では、この保持体３８をＣリング形状としているため、開口部３９への凸部４６の圧入が容易になると共に圧入後の嵌合が確実になり、カラーホール１０の抜け止めを確実に行うことができる。

以上の説明を通じて、カラーホイールはセグメントタイプのものとしたが、モータとの結合部材を有するモノリシックタイプのカラーホイールにおいても、その結合部材を本発明に係る保持体としてＣリング形状とし、同様の作用・効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態におけるカラーホイールを示す平面図である。 本発明の第１の実施形態における分光装置の要部を示す側面図であり、カラーホイールを図１のＡ−Ｂ断面図として示した図である。 本発明の第２の実施形態におけるカラーホイールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ｂ断面図である。 本発明の第２の実施形態における分光装置の要部を示す側面図であり、カラーホイールを図３に示すＡ−Ｂ断面図として示した図である。 カラーホイールを使用した従来の分光装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 従来のセグメントタイプのカラーホイールを示す平面図である。 図６に示すカラーホイールの分解断面図である。

符号の説明

１２Ａ，１４Ａ，１６Ａ：カラーフィルタ、１０，３０：カラーホイール、１８，３８：保持体、２０，４０：分光装置、２２，４２：モータ、２６：回転位置検出器、２８：検出光

Claims (3)

1. 円環状に配置される複数のカラーフィルタと、前記円環の中心部に位置するＣリング形状の保持体とを有するカラーホイールを備えた分光装置であって、
   前記カラーホイールを回転させるモータと、前記カラーホイールの回転位置を光学的に検出する回転位置検出器とを有し、
   前記保持体は、Ｃリング形状の切断部分が前記複数のカラーフィルタのうちの一つ上に位置するように配置され、前記回転位置検出器は、前記切断部分が位置するカラ−フィルタの透過波長と一致する波長を有する検出光を、前記カラーホイールの回転に伴って前記保持体の切断部分に間歇的に入射する位置に出射し、前記検出光の反射光を利用して前記カラーホイールの回転位置を検出することを特徴とする分光装置。
2. 前記回転位置検出器は、前記保持体の切断部分に入射した前記検出光が、前記カラーフィルタ上に集光されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
3. 前記保持体の内周面によって定められる開口部と前記モータの凸部とを嵌合させたことを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。

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