KR20050085737A - 4원색들을 포함하는 컬러-순차 투사 시스템 - Google Patents

Abstract

투사 디스플레이 장치는 조명 빔을 제공하는 광원을 갖는 조명 시스템, 조명 빔의 상이한 컬러화된 부분들로 영상 디스플레이 패널을 주사하기 위해 4개의 상이한 원색들 각각에 대응하는 4개의 상이한 컬러 필터 세그먼트들을 포함하는 컬러 필터 수단, 및 조명 빔의 컬러화된 부분들을 영상 정보로 변조하여 영상을 스크린상에 투사하기 위한 상기 영상 디스플레이 패널을 포함하는 영상 디스플레이 시스템을 포함한다. 이 장치는 상기 4원색들 중 적어도 3개로 상기 영상 디스플레이 패널을 동시에 주사할 수 있도록 컬러 필터 세그먼트들을 배열되는 것을 특징으로 한다.

Description

4원색들을 포함하는 컬러-순차 투사 시스템{COLOUR-SEQUENTIAL PROJECTION SYSTEM COMPRISING FOUR PRIMARY COLOURS}

본 발명은 조명 빔을 제공하는 광원을 갖는 조명 시스템(illumination system), 영상 디스플레이 패널을 조명 빔의 상이한 컬러화된 부분들로 주사하기 위해 4개의 상이한 원색들 각각에 대응하는 4개의 상이한 컬러 필터 세그먼트들을 포함하는 컬러 필터 수단, 및 조명 빔의 컬러화된 부분들을 영상 정보로 변조하여 영상을 스크린상에 투사하기 위한 상기 영상 디스플레이 패널을 포함하는 영상 디스플레이 시스템을 포함하는 투사 디스플레이 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 이와 같은 투사 디스플레이 장치에 사용하기 위한 컬러 필터 휠(colour filter wheel)에 관한 것이다.

본 발명은 또한 이와 같은 영상 투사 장치에 사용하기 위한 영상 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또한 이와 같은 투사 디스플레이 장치를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

시각(vision)은 눈들에 의해 실현되는 감각이며, 이에 의해 물체의 외관을 구성하는 물체의 품질들(가령, 색, 광도, 형상 및 크기)이 인지된다. 명도, 색조 및 선명도(colourfulness)는 시력의 3가지 감각 파라미터들이다. 명도는 표면에서 방출되는 광량을 특징으로 하며, 색조는 청색, 녹색, 황색, 적색, 자주색 등의 색들을 명명하며, 검사된 색과 명도 및 색조가 동일하다면, 선명도(또는 채도)는 인지된 색이 백색과 순수 스펙트럼 색 간에 위치될 수 있는 곳을 추정하도록 작용한다. 채도는 통상, 예를 들어 연녹색, 파스텔 블루, 암적색, 옅은 황색 등에 첨부된 형용사들(adjectives)로 주어진다.

상이한 파장들의 단색성 광에 대한 정상적인 사람의 눈의 상대 응답은, 국제 조명 위원회(International Commission on Illumination)(CIE-Commission Internationale de1'Eclairage)에 의한 실험을 통해서 결정되고, 도1에 도시된 포토픽 비시감도 함수(photopic spectral luminous efficiency function)(V(λ))로 알려져 있다. 이 도면으로부터, 다양한 파장들(색들)의 가시광(ca. 400-800nm)에 대한 눈의 응답은 일반적으로 대략 가우스 분포에 따라 가변하여 570-580nm, 즉 황색광에서 피크가 된다는 것이 판명되었다.

게다가, CIE는 기준 색 자극들(colour stimuli)의 표준 세트와 이를 위한 3자극값들(tristimulus values)의 표준 세트를 정하였다. 이들 데이터는 CIE 1931 측색 표준 관측자(CIE 1931 standard colorimetric observer)를 구성한다. 기준 색 자극은 적색 자극(R)을 위한 파장 700nm의 광, 녹색 자극(G)을 위한 파장 546.1nm의 광 및 청색 자극(B)를 위한 파장 435.8nm의 광이다.

이들 3개 색들의 3자극값들이 선택되어 전형적인 백색과 매칭한다. 그러나, 3개의 대응하는 양들(녹색 양이 가장 크고 청색 양이 훨씬 적다)면에서 불균형이 존재한다.

적색, 녹색 및 청색은 때때로 원색들로서 선택되는데, 적절한 양들의 원색들을 결합시켜 부가적인 색들을 생성시킬 수 있다. 상이한 컬러들에 대한 원색 3자극 값들의 상이한 조합들은 실험을 통해서 결정되었다. 3개의 자극들이 각 색에 할당될 때, 이에 따라 3원색들의 조합이 생성되면, 각 색의 실제 좌표들을 그래픽적으로 표시하기 위한 3차원 좌표 시스템이 필요했다. (명도의 손실 댓가로)그래픽적인 데이터 표현을 간단화하기 위하여, 좌표 변환 및 부가적인 계산들이 수행되어 상이한 색들간의 관계들을 도2에 도시된 2차원 CIE 색도 다이어그램으로 표현한다.

색도 좌표들이라 칭하는 x 및 y 좌표들은 이하의 수학식들에 따라 원래의 3자극 값들(X, Y 및 Z)로부터 계산될 수 있다:

스펙트럼 색들(스펙트럼 궤적)의 위치들은 곡선으로 도시되고 대응하는 파장들은 nm로 제공된다. 비스펙트럼(엷은) 색들을 표시하는 지점들은 곡선에 의해 범위가 정해진 영역 내부에 있다. 챠트의 바닥에서의 직선(자주색 선)은 적색 및 청색 스펙트럼 색들을 접속시켜, 적색 및 청색의 비스펙트럼 색들(예를 들어, 자주색, 보라색, 등)을 이 선을 따라서 위치시킨다. 일루미넌트(illuminant)(정상적인 백색을 표시하는 지점)는 중간에 위치되고 D로 표시된다.

곡선 및 자주색 선에 의해 범위가 정해지고 지점(D)을 통해서 진행하는 가상의 직선 상에 놓이는 영역 내부의 지점에 할당된 임의의 색은, 직선과 곡선 또는 자주색 선들 각각의 인터섹션(intersection)에 의해 제공된 스펙트럼 색 및 백색(D)의 부가에 의해 혼합될 수 있다. 인터섹션 지점이 자주색 라인 상에 위치되면, 적색 및 청색의 가중된 혼합(weighted mixture)이 스펙트럼 색 대신에 사용되어야 한다.

색도 다이어그램은 3자극 값들의 비율들 만을 도시하기 때문에, 동일한 3자극 비율들을 갖는 밝고 흐릿한 색들은 동일한 지점에 속한다. 이 때문에, 일루미넌트 지점(D)은 또한 회색들을 표시하고, 오렌지 색 및 갈색은 예를 들어, 서로에 대해 유사한 위치들에서 플롯팅(plot)되는 경향이 있다. 루미넌스가 부가적인 정보로서 제공되어야만 이유는 특정 색을 명백히 정의하기 위한 것이다.

컬러 디스플레이들에서, 디스플레이가능한 색역(colour gamut)은 색 트라이앵글(colour triangle)로 제한되는데, 이는 3원색들, 예를 들어, (도2에 도시된 바와 같이)적색, 녹색 및 청색에 의해 스패닝(span)된다. 이 색 트라이앵글 밖의 색들, 예를 들어, 황금색 및 청록색(원색들이 적색, 녹색 및 청색인 경우)은 디스플레이될 수 없기 때문에, 결국, 디스플레이될 있는 색들, 예를 들어 더욱 불포화된 황색 및 더욱 하늘색을 향하여 클립핑(clip)된다. 하나 이상의 부가적인 원색들을 대부분의 현재 애플리케이션들에서 사용되는 3원색들에 부가하면 디스플레이가능한 색역을 확장시킬수 있다는 것이 알려져 있다.

부가적인 원색들을 선택할 때, 디스플레이의 루미넌스 및 색역에 대한 영향이 고려되어야 한다. 루미넌스 만을 고려할 때, 트라이앵글 황색-백색-녹색에서 고 루미넌스를 지닌 원색이 바람직하게 나타난다. 색역과 관련하여, 즉 가능한 색역을 확장시키기 위하여, 높게 포화된 황색, 청록색, 자홍색이 바람직하다.

게다가, 황색은 훨씬 높은 밝기를 지닌 색이기 때문에, 컬러 부재(colour absence)가 손십게 검출된다. 보다 높게 포화된 황색을 부가하는 이유는 일반적으로, 인지 시점에서 대부분 인식되기 때문이다. 모든 요구조건들을 고려하면, 적색, 녹색 및 청색들(RGB-디스플레이)만을 지닌 종래 디스플레이 시스템에서 부가적인 원색으로서 황색을 선택하는 것이 최선이다.

사람의 눈은 황색 광(570 내지 580nm)에 매우 민감한데, 이는 RGB-디스플레이에서 디스플레이된 영상 및 영상 품질을 주로 개선시키는데 황색을 부가하는 이유이다.

그럼에도 불구하고, 일부 특수한 유형의 영상들을 디스플레이하고 하는 경우, 황색 이외의 색이 적절한 제4 원색이 될 수 있다. 예를 들어, 다양한 바다들의 영상들 만을 보여주는 디스플레이인 경우, 하늘색의 원색을 부가하는 것이 바람직하다.

디스플레이 기술에서, 루미넌스 신호는 주로 밝기에 대해 제어하는 신호로서 규정된다. 이 색 신호(색도 신호)는 색 정보를 운반하는 신호로서 규정된다.

현재의 디스플레이 시스템은 전형적으로 3개의 단일 컬러 영상들을 투사함으로써 순색 투사된 영상들(full-colour projected images)을 생성한다. 시청자의 눈은 이들 단일 컬러 영상들을 통합하여 단일 순색 영상을 인지한다. 3개의 분리된 변조기들 또는 제어가능한 광원들은 종종, 원색 영상들을 동시에 발생시키는데 사용된다. 3개의 액정 디스플레이(LCD) 패널들 또는 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 어레이들 및 적절한 이색성 필터들은 예를 들어 단일 광원을 사용하여 3개의 원색 영상들을 생성할 수 있거나, 음극선관에서의 3개의 전자선들은 예를 들어 변조기 및 광원 기능들을 수행하여 3개의 원색 영상들을 생성할 수 있다.

대안적으로, 단일 변조기는 순차적인 컬러 광원에 사용되어 3개의 원색 영상들을 순차적으로 생성시킨다. 광원이 원색들을 충분히 고속으로 순차 통과시키면, 순차적인 광원은 일반적으로 백색원을 컬러 휠과 같은 필터링 수단과 결합함으로써 형성된다.

본 발명은 상술된 단일 변조기 원리를 사용하는 컬러 투사 디스플레이, 특히 컬러 필터 휠과 같은 컬러 필터 수단을 갖는 컬러 투사 시스템들에 관한 것이다.

투사 디스플레이 장치들은 후면 및 전면 영상 투사 시스템들 둘 다에 사용될 수 있다. 후면 투사 시스템에서, 투사 디스플레이 장치는 영상 표현하는 텔레비젼 또는 데이터 그래픽 정보를 확산 투과 스크린(diffusing transparent screen)상에 투사하며, 이 스크린의 전면이 시청자로 향한다. 전면 투사 시스템에서, 투사 디스플레이 장치는 영상 표현하는 텔레비젼 또는 데이터 그래픽 정보를 반사 스크린의 전면 상에 투사하는데, 이 전면은 시청자로 향한다.

상기 투사 디스플레이 장치는 일반적으로 영상 디스플레이 패널을 갖는 영상 디스플레이 시스템 및 조명 시스템을 포함하여 조명 시스템에 의해 공급될 조명 빔을 영상 정보로 변조한다. 조명 시스템은 일반적으로 광원 및 인터그레이터 시스템(integrator system)을 포함하여 조명 빔을 형성하지만, 다수의 파장들을 포함하는 백색 광을 반드시 필요로 하는 것은 아니다.

컬러 휠과 같은 컬러 필터 수단은 전형적으로 광원 및 인터그레이터 시스템 간에 제공되는데, 상기 컬러 휠은 원색들, 전형적으로 적색, 녹색 및 청색 필터들 각각을 위한 하나 이상의 필터를 포함한다. 적색 , 녹색 및 청색 광은 적색, 녹색 및 청색 필터들 각각을 통해서 투과되는 반면, 다른 파장들의 광은 반사된다.

컬러 휠은 전형적으로 이색성 컬러 필터들의 디스크 형상의 어셈블리이다. 도3은 4개의 컬러 필터 영역들(적색, 녹색, 청색, 황색)을 포함하는 종래 기술의 컬러 휠을 도시하는데, 이는 컬러 휠의 4개의 각도 세그먼트들을 점유한다.

동작중, 투과 또는 반사중 어느 하나인 컬러 휠의 이색성 필터들은 백색 광을 필터링 하여 휠의 각속도에 비례하는 속도로 전형적으로 적색에서 녹색으로, 청색에서 황색으로 그리고 황색에서 적색, 등으로 색들을 변화시키는 원색 광빔을 형성한다.

각 필터가 백색 광 빔이 컬러 휠에 충돌하는 지점을 통과하도록 컬러 휠을 스피닝(spinning)하는 것은 순차적인 원색 광 빔을 발생시킨다. 컬러 휠은 전형적으로, 비디오 영상의 각 프레임 동안 각 원색을 위하여 하나 이상의 원색 주기를 생성할 정도로 충분히 고속으로 스핀된다. 휠을 보다 고속으로 스피닝하거나 원색들 중 하나 이상의 원색을 위한 다수의 필터 세그먼트들을 사용하면, 시청자가 디스플레이 시스템의 순차적인 색 특성을 검출하도록 하는 색 분리 아티팩트들(colour separation artefacts)을 감소시킬 수 있다.

디스플레이 패널 상에 입사되는 조명 빔의 색의 대응하는 영상 정보에 따라서 디스프레이 패널은 컬러화된 조명 빔을 변조한다. 광 효율을 개선시키기 위하여, 반사 편광기(reflective polarizer)는 컬러 필터 휠 및 디스플레이 시스템 간에 제공될 수 있다. 반사 편광기는 편광을 갖는 조명 빔의 일부를 제1 방향으로 투과시키고 제2 편광을 갖는 조명빔의 일부를 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 반사시킨다. 게다가, 광 재생 수단은 투사 디스플레이 장치에 제공되어 반사 편광기로부터 반사된 광을 재사용할 수 있다. 이색성 필터는 또한 컬러 필터 휠에 사용되어 바람직하지 않은 색을 갖는 조명빔의 일부를 반사시킨다.

순차적인 컬러 디스플레이 시스템은 전형적으로 동시 컬러 디스플레이 시스템보다 비용이 덜 들지만, 순차적인 필터링된 컬러 디스플레이 시스템에 의해 생성된 영상들은 동일한 광원을 사용하는 동시 컬러 디스플레이 시스템들에 의해 생성된 영상들 만큼 밝지 않은데, 그 이유는 광원에 의해 발생된 광의 일부 만이 어떤 주어진 시간에서 영상을 형성하도록 사용되기 때문이다. 4개의 색 동일-세그먼트 휠을 사용할 때, 각 순색은 이 시간의 단지 1/4에 발생된다. 게다가, 컬러 휠과 같은 순차적인 필터가 사용될 때, 통상 스포크 시간들(spoke times)이라 칭하는 필터 트랜지션들(filter transitions) 동안의 광은 변화되는 2개의 필터들의 가변 혼합에 들어가고 나갈것이다. 이 혼합된 색의 광은 통상 사용되지 않는데, 그 이유는 혼합된 컬러 광을 사용하면 생성된 컬러의 컬러 순도에 나쁜 영향을 미치기 때문이다. 더 많은 순색들의 부가는 통상, 필터 트랜지션들의 수를 증가시키는데, 이는 동작 동안 컬러 아티팩트들을 초래할 수 있다.

심지어 황색 광을 수용하는 투사기들이 최근에 시장에 나왔다. 이들 투사기들에서, 스펙트럼의 황색 부분은 적색 채널에 가해져, 적색을 오렌지로 변화시킨다. 이는 광 출력을 대략 20% 내지 30% 만큼 증가시키지만, 이들 투사기들이 비디오 애플리케이션들에 부적합하게 된다.

고 영상 밝기는 투사 디스플레이 시장에서 고객들의 주요 요구사항들 중 하나이다. 그러므로, 투사된 영상의 밝기를 증가시키는 방법 및 시스템이 필요로 된다.

광원으로부터의 황색 광을 사용하는 많은 이점들에도 불구하고, 종래의 투사 디스플레이 장치들은 색들의 수반된 불포화로 인해 황색 광을 사용하지 않는다. 따라서, 증가된 밝기를 얻기 위하여 황색 광을 사용하면 색들의 불포화를 초래하는 것이 문제로 되는데, 이것이 증가된 밝기를 획득하는 다른 방법들을 개발하고자 하는 이유이다.

미국 특허 6,324,006호는 컬러 휠의 스포크들을 통과하는 광을 사용하는 방법 및 디스플레이 시스템을 개시한다. 이 광은 혼합되고 신속하게 광을 변화시킨다. 모든 스포크 시간들을 부가하면 백색을 발생시키지만, 서브셋을 부가하면 컬러 아티팩트들을 생성시킨다. 모든 스포크 시간들이 디스플레이의 백색 지점을 변경함이 없이 동시에 부가될 수 있는 것은 아니다. 스포크 시간들은 순차적으로 부가되고, 이 순서는 동일한 픽셀에 대해서 시간에 걸쳐서 변경되어, 인접 스포크 비트 픽셀들을 부가시키는데, 넷(net) 스포크 광은 백색에 수렴된다. 이 패턴들은 또한 변화되어, 더 많은 스포크 비트 주기들이 턴온되도록 하며, 넷 스포크 광이 백색에 수렴되도록 한다. 각 스포크 비트 주기는 백색광 강도의 n-LSBs를 부가하여, 각 스포크 비트 주기가 부가될 때, 백색광의 n-1 LSBs가 백색 데이터로부터 감산되도록 한다.

상술된 특허 출원들을 따른 시스템 및 방법은 많은 결점들, 단점들 및 제한들을 갖고 있다. 색역이 확장되지 않으며, 밝기 증가가 완만하며, 이와 같은 디스플레이 시스템의 구성이 복잡하고 값비싸고 이와 같은 디스플레이의 제조 및 동작 방법은 귀찮고 값비싸다.

도1은 포토픽 비시감도 함수(photopic spectral luminous efficiency function)(V(λ))를 도시한 도면.

도2는 색도를 도시한 도면.

도3은 4개의 컬러 필터 영역들을 포함하는 컬러 휠을 도시한 도면.

도4는 2개의 UHP 램프들의 스펙트럼 특성들을 도시한 도면.

도5는 영상 투사 시스템의 개요도.

도6은 광학 바의 입구 표면의 정면도.

도7은 제1의 대안적인 실시예를 따른 투사 디스플레이의 관련 부분을 도시한 도면.

도8은 제2의 대안적인 실시예를 따른 투사 디스플레이의 관련 부분을 도시한 도면.

도9는 본 발명의 제1 실시예를 따른 컬러 필터 휠을 도시한 도면.

도10은 직사각형 조명 윈도우와 결합된 컬러 필터 휠을 도시한 도면.

본 발명의 목적은 종래 기술의 투사 디스플레이 장치와 비교하여 증가된 밝기를 지닌 투사 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 조명 빔을 제공하는 광원을 포함하는 조명 시스템, 영상 디스플레이 패널을 조명 빔의 상이한 컬러화된 부분들로 주사하기 위해 4개의 상이한 원색들 각각에 대응하는 4개의 상이한 컬러 필터 세그먼트들을 포함하는 컬러 필터 수단, 및 조명 빔의 컬러화된 부분들을 영상 정보로 변조하여 영상을 스크린상에 투사하기 위한 영상 디스플레이 패널을 포함하는 영상 디스플레이 시스템을 포함하는 투사 디스플레이 장치에 있어서, 컬러 필터 세그먼트들은 디스플레이 패널을 4개의 원색들 중 적어도 3개로 동시에 주사할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 투사 디스플레이 장치에 의해 달성된다.

청구항 2 내지 7에 규정된 방법들은 특히 본 발명의 바람직한 실시예들을 구성한다.

본 발명은 또한 이와 같은 투사 디스플레이 장치에 사용하기 위한 컬러 필터 휠에 관계한다.

청구항 9 내지 10에 규정된 방법들은 특히 컬러 휠의 바람직한 실시예들을 구성한다.

본 발명은 또한 이와 같은 투사 디스플레이 장치에 사용하기 위한 영상 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술의 방법과 비교하여 증가된 밝기를 지닌 투사 디스플레이 장치를 동작시키는 방법을 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 12에 규정된 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 이들 및 다른 양상들은 이하에 서술된 실시예들과 관련하여 명백하게 되고 설명될 것이다.

일반적으로, 본 발명은 디스플레이 패널에 걸쳐서 이동 영상들을 발생시키는 나선형 컬러 휠을 갖는 투사 디스플레이 장치에 관한 것인데, 여기서 적색, 청색 및 녹색 필터 세그먼트들 이외에도, 컬러 휠은 황색 필터 세그먼트를 포함한다. 본 발명을 따른 장치에서, 황색 광을 독립적으로 변조시키고 램프로부터의 광의 큰 부분을 사용하도록 하는 방식으로 황색 세그먼트를 컬러 휠에 결합시키는 것이 제안되었다.

본 발명은 신규하고 산업상 이용 가능성이 있는데, 여기서 황색 필터 수단의 세그먼트는 제1 종류의 영상을 제공할 때 그러나 제2 종류의 영상을 제공하지 않을 때 황색 광을 사용하는 스크롤링 컬러-기반으로 한 투사 시스템에서 제4 칼럭 대역으로서 부가된다. 따라서, 황색 광의 강도는 적색 광의 광도와 독립적으로 제어될 수 있다. 비디오 영상들이 투사될 때, 모든 황색은 필터링 제거 또는 차단되는데, 이것이 색을 적절하게 재현한다. 데이터 영상들이 투사될 때, 황색 신호에는 적색 신호와 동일한 정보가 공급되며, 이는 밝기를 더욱 크게한다.

도4는 2개의 UHP 램프들의 스펙트럼 특성들을 도시한 도면이다. 이 도면은 120W UHP 램프 및 150W UHP 램프에 대한 파장 함수(nm)로서 방출된 강도(a.u.)를 도시한 것이다. 투사 램프의 방출 광 스펙트럼은 투사 시스템 내의 모든 스펙트럼 성분들을 설계하는데 매우 중요한 인지이다.

120W 전력에서, 방출된 적색 광의 강도는 방출된 청색 광의 광도보다 낮다. 대부분의 유리 재료들이 적색 광을 투과시키는 것보다 상대적으로 청색 광을 투과시키는 것이 낮기 때문에, 청색 광 및 적색 광 간의 광 출력은 대부분의 투사 시스템들에서 균형을 맞출 수 있다. 이와 같은 균형 배열들과 관련된 문제는 너무 많은 녹색 광에 의해 여전히 투사된다는 것이다.

전면 투사 시스템의 경우에, 색을 적절하게 재현하는데 최고 가능한 밝기가 바람직하다. 그러므로, 전문가 용도의 많은 전면 투사기들은 투사 렌즈로부터 나오는 녹색 광의 강도가 가능한 높게되도록 설계되는데, 이것이 투사된 컬러 영상들을 부정확하게 재현시킨다. 이와 같은 시스템에 의해 사람의 얼굴이 투사될 때, 예를 들어 녹색으로 보일 것이다.

비디오 애플리케이션들 경우에, 적절한 색들을 얻는 것이 극히 중요하고, 종종 높은 밝기를 얻는 것보다 더 중요하다. 비디오 애플리케이션들을 위한 투사기들에서, 각 컬러 채널들의 광 강도는 이에 따라서 조정된다. 120W UHP 램프의 경우에, 이는 광 강도의 약 40%가 적절한 색을 얻도록 손실될 수 있다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명은 투사 디스플레이 장치를 동작시키는 방법에 관한 것인데, 이 방법은 적어도 제공될 제1 유형의 영상 및 제2 유형의 영상간을 판별하는 단계를 포함하는데, 상기 제1 유형의 영상에 대해서, 컬러 필터 수단의 제1 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사하고, 상기 제2 유형의 영상에 대해서, 컬러 필터 수단의 제2 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사한다. 제1 및 제2 유형들의 영상들이 데이터 영상들 및 비디오 영상들 각각일 때 그리고 데이터 영상들이 모두 상기 4개의 상이한 원색들을 사용하여 디스플레이될 때 그리고 비디오 영상들이 상기 4개의 원색들 중 3개의 원색들을 사용하여 디스플레이될 때 특히 바람직한 방법이 실현된다.

게다가, 방출된 전자기 스펙트럼의 일부분들이 투사 시스템에서 사용되지 않는다. 자외선(UV) 및 적외선(IR) 광은 사람의 눈에 보이지 않음으로, 광학 시스템에서 수명 문제들 및 열 문제들 만을 야기시킨다. 전자기 스펙트럼의 이들 부분들은 가능한 초기 단계에서 광 빔이 이상적으로 필터링 제거된다.

게다가, UHP 램프는 575nm(황색 광)에서 매우 좋치않은 피크를 갖는다. 이 광은 통상적으로, 사용될 수 없는데, 그 이유는 단지 녹색 및 적색을 불포화시키기 때문이다. 게다가, 상기 황색 피크는 이색성 미러들과 같은 필터 수단에 대한 허용한계로 인해 녹색 또는 적색 방향 중 어느 한 방향에서 색을 시프트시키는 많은 광을 포함한다.

황색 피크와 관련된 이들 부정적인 부작용들을 방지하기 위하여, 상기 황색 광은 광 경로에서 주의깊게 필터링 제거될 필요가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 광학 부품들의 수를 크게 증가시킴이 없이 황색을 사용할 수 있는 스크롤링 컬러 아키텍쳐이다. 나선형 컬러 휠을 기반으로 한 스크롤링 컬러 시스템들이 가장 적절한데, 그 이유는 단지 황색 나선형 필터만이 컬러 휠에 부가될 필요가 있기 때문이다.

컬러-순차 "스크롤링 컬러(scrolling colour)" 유형의 투사 시스템들에 사용될 스크롤링 컬러 바 주사기들을 설명하는 여러 가지 해결책들이 존재한다. 당업자가 인지하는 바와 같이, 재료 내용 및 콤팩트(compactness)와 관련하여 매력적인 컬러 휠들을 지닌 해결책들이 존재한다. 이 특허 출원은 4개의 원색 나선형 설계를 설명한다.

도5는 조명 빔을 공급하는 조명 시스템(3) 및 조명 빔을 변조하는 영상 디스플레이 시스템(5)을 포함하는 영상 투사 시스템(1)을 개략적으로 도시한 것이다. 조명 시스템(3)은 광원(7), 반사기(9), 콘덴서 렌즈(11) 및 도광 수단(13), 예를 들어 광 투과 재료로 이루어진 바를 포함한다. 광원은 제어 유닛(8)에 전기적으로 결합된다. 반사기는 조명 시스템으로부터 벗어난 방향으로 광원(7)에 의해 방출된 광의 많은 부분이 영상 디스플레이 시스템(5)에 도달되도록 한다. 조명 시스템(3)에 의해 발생된 조명 빔은 영상 디스플레이 시스템(5)상에 입사된다. 영상 디스플레이 시스템(5)은 반사 디스플레이 패널(27), 편광 빔-분할(PBS) 프리즘, 릴레이 렌즈들(15, 17, 19), 미러(21) 및 투사 렌즈(33)를 포함한다. 영상 투사 시스템(1)은 또한 제어 수단(35) 및 전기 모터 드라이브(31)에 결합되는 컬러 필터 휠(29)을 포함한다. 컬러 필터 휠(29)은 광학 바(13)의 출구 윈도우 및 영상 디스플레이 시스템(5) 간에 위치된다. 직사각형 윈도우(30)는 컬러 필터 휠(29) 및 영상 디스플레이 시스템(5) 간에 위치되어 컬러 휠(29)상에서 나선형 컬러 필터와 결합되어 직사각형 컬러화된 주사 조명 빔을 반사 디스플레이 패널(27)상에 제공한다. 게다가, 영상 투사 시스템(1)은 반사 편광기, 예를 들어, 모스텍(Moxtek)으로부터 입수할 수 있는 유선 그리드 편광기(28)를 포함한다. 반사 디스플레이 패널(27)은 예를 들어, 반사 액정 실리콘(LCOS) 디스플레이 패널이다.

동작시, 광원(7) 및 반사기(9)로부터의 광은 렌즈(11) 및 입구 표면을 통해서 광학 바(1)에 결합되고 출구 표면을 통해서 광학 바에서 결합 해제된다. 광학 바의 입구 표면의 정면도가 도6에 도시되어 있다.

도6은 광학 바(13)의 입구 표면을 도시한다. 입구 표면은 광학 바(13)의 종축 주위의 원형 개구(41)를 제외하면 반사층(39)으로 덮여져 있다. 반사층 내의 개구 면적 및 반사층의 면적의 비는 5:1 보다 큰 것이 바람직하다. 이 비는 예를 들어, 백열 광원의 아크 길이에 좌우되고 영상 투영 시스템91)의 광 출력을 최적화함으로써 당업자가 실험을 통해서 구할 수 있다. 광학 바(13)는 출구 표면에서 조명 빔을 형성한다. 조명 빔은 컬러 휠(29)의 이색성 필터 부분 상에 입사된다.

나선형의 이색성 컬러 필터(29) 및 직사각형 조명 윈도우(30)를 회전 배열하면 이 조명빔의 전파 방향에서 직사각형 단면을 지닌 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들을 갖는 조명 빔을 제공하여, 모든 라인들이 조명 빔의 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들에 의해 연속적으로 조명되도록 디스플레이 패널(27)의 하나 이상의 라인들을 동시에 주사하도록 한다. 컬러 휠(29)은 적색, 녹색, 청색 및 황색 광을 동시에 투과시키는 4개의 필터 부분들을 포함한다. 컬러 휠(29)의 이색성 필터 부분은 적절한 색을 갖지 않은 조명빔의 바람직하지 않은 부분을 광학 바(13)의 출구 표면으로 반사시킨다. 광학 바(13) 내부에 이 반사된 광의 많은 부분이 입구 표면에서 반사층(39)에 의해 반사되어 또 다시 사용될 수 있다. 제1 투사 장치(1)에서, 바람직한 특성들을 갖지 않는 조명 빔의 부분은 재생되고 LCOS 패널(27)의 조명을 위하여 또 다시 사용될 수 있다.

컬러 필터 휠(29)의 이색성 필터 부분은 소정 색을 갖는 조명 빔의 부분을 반사 편광기(28)로 투과시킨다. 반사 편광기(28)는 제1 방향으로 지향된 편광을 갖는 빔의 일부만을 PBS 프리즘(23)으로 투과시키고 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 지향된 편광을 갖는 조명 빔의 일부를 컬러 필터 휠(29)을 통해서 광학 바(13)를 향하여 다시 반사시킨다. 이 배열에서, 바람직한 특성을 갖지 않는 조명 빔의 일부는 재생되고 나서 LCOS 디스플레이(27)의 조명을 위하여 또 다시 사용될 수 있다. 재생 효율을 개선시키기 위하여, 1/4 플레이트(32)가 컬러 휠(29) 및 반사 편광기(28) 간에 배치되어 조명 빔의 반사된 부분의 편광을 제1 편광 장치로 회전시킨다. 릴레이 렌즈들(15, 17, 19)은 조명 빔의 소정 부분을 PBS 프리즘(23)의 입구측을 향하도록 안내한다. PBS 프리즘(23)의 빔분할 층(25)은 제1 방향에서 편광을 갖는 조명 빔의 부분을 LCOS 패널(27)을 향하여 반사시킨다. LCOS 패널(27)은 조명을 PBS 프리즘(23)으로 다시 반사시키고 조명 빔의 조명 빔의 인스턴트 컬러(instant colour)에 관계된 영상 정보와 일치하여 편광 방향을 회전시킨다. 편광 빔 분할층(25)은 투사 렌즈(33)를 향하여 반사되어 변조된 조명 빔의 제1 부분을 투과시키고 반사된 조명빔의 제2 부분을 다시 광학 바(13)로 반사시킨다. 영상 패널(27)에 의해 변조된 광은 간결성을 위하여 단일 투사 렌즈(33)로 도시된 투사 렌즈 시스템에 의해 스크린(도시되지 않음) 상에 투사된다.

반사 액정 디스플레이 패널 대신에, 알려진 투과성 액정 디스플레이 패널(127) 및 폴딩 미러(125)는 투사 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 도7은 릴레이들(119) 및 투사 렌즈(33) 간에 위치된 투과성 액정 디스플레이 패널(127) 및 폴딩 미러(125)의 배열을 포함하는 투사 디스플레이 장치의 관련 부분을 도시한 것이다. 투과성 액정 디스플레이 패널(127) 및 폴딩 미러(125)는 도5에 도시된 바와 같은 투사 디스플레이 장치에서 반사 LCOS 패널(27) 및 빔분할 프리즘(25)을 재배치한다. 동작시, 회전 나선형 이색성 컬러 필터(29) 및 직사각형 윈도우(30)를 배열하면, 조명 빔의 전파 방향에서 직삭각형 단면을 갖는 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들을 지닌 조명 빔을 제공하여 모든 라인들이 조명 빔의 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들에 의해 연속적으로 조명되도록 디스플레이 패널(27)의 하나 이상의 라인들을 동시에 주사하도록 한다. 투과성 액정 디스플레이 패널 상에 동시에 입사되는 조명 빔의 부분들은 영상 정보와 일치하여 변조된다. 조명 빔의 변조된 부분들은 투사 렌즈(33)에 의해 스크린(도시되지 않음) 상에 투사된다.

대안적으로, 반사 디스플레이 패널 및 프리즘(25) 대신에, 알려진 디지털 마이크로미러 디스플레이(DMD) 패널 및 총 내부 반사(TIR) 프리즘이 사용될 수 있다. 도8은 릴레이들(119) 및 투사 렌즈 간에 위치된 DMD 디스플레이 패널(227) 및 TIR 프리즘(225)을 포함하는 투사 디스플레이 장치의 관련 부분을 도시한 것이다. DMD 디스플레이 패널(227) 및 TIR 프리즘(225)은 도5에 도시된 바와 같은 투사 디스플레이 장치에서 반사 액정 디스플레이 장치(27) 및 프리즘(25)을 재배치한다. 동작시, DMD 패널 상에 동시에 입사되는 조명 빔의 부분들은 영상 정보와 일치하여 편향된다. 조명 빔의 편향된 부분들은 투사 렌즈(33)에 의해 스크린(도시되지 않음) 상에 투사된다. DMD 기반으로 한 투사 시스템의 경우에, 편광기(28) 및 회전 소자(32)는 생략될 수 있다.

도9는 본 발명의 제1 실시예를 따른 컬러 휠을 개략적으로 도시한 것이다. 도9의 컬러 휠은 적색, 녹색, 청색 및 황색 광을 투과시키는 이색성 컬러 필터들(91, 92, 93, 94)을 갖는 4개의 세그먼트들을 포함한다. 황색 세그먼트는 투사된 영상의 밝기를 향상시키는 이점을 갖는다. 본 발명은 나선형 이색성 미러들로부터 제조되는 컬러 휠들을 사용한다. 필터 부들(91, 92, 93, 94)의 인터섹션들(95, 96, 97, 98)은 수학식 2를 적용하여 각 인터섹션을 위한 위상(Φ₁, Φ₂, Φ₃, 및 Φ₄)을 이하의 수학식 2에서 각각 0°, 90°, 180°, 270°로 설정함으로써 구해질 수 있다.

여기서, R_x는 인터섹션로부터 컬러들 간의 휠의 중심까지의 거리, D₀는 조명 윈도우 및 휠의 중심간의 거리, α는 상수, Φ는 휠의 각도 및 Φ_x는 인터섹션(x)의 위상이다.

각 개별적인 인터섹션은 상기 수학식에서 또 다른 위상(Φ_x)을 취함으로써 구해질 수 있다. 개별적인 인터섹션들을 설계하기 위하여 수학식 2를 사용하면, 개별적인 색이 조명 윈도우에 걸쳐서 동일한 높이를 얻는 이점을 갖는다.

4개의 개별적인 색들의 스트라이프들은 높이면에서 동일하고 및/또는 크기 및/또는 형상면에서 대칭되어야 한다. 컬러 필터 세그먼트들의 설계는 결국 백색 균형, 밝기, 색 표현 및 시스템 효율성에 관계하는 상황들을 포함하는 최적화 문제이다.

도10은 직사각형 조명 윈도우(103)와 결합하는 컬러 필터 휠(29)을 도시한 것이다. 동작시, 회전하는 나선형 이색성 컬러 필터 부들(91, 92, 93, 94) 및 직사각형 조명 윈도우(30)의 배열은 조명 빔의 전파 방향에서 직사각형 단면을 지닌 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들을 갖는 조명 빔을 제공하여, 모든 픽셀들이 조명 빔의 적색, 녹색, 청색 및 황색 부분들에 의해 연속적으로 조명되도록 디스플레이 패널(27)의 하나 이상의 라인들을 동시에 주사하도록 한다.

또한, 적색, 녹색, 청색, 청록색 또는 적색, 녹색, 청색, 황색, 청록색 또는 적색, 녹색, 청색, 황색, 청록색, 및 자홍색 세그먼트들이 이루어질 수 있다.

손쉽게 제조될 수 있는 컬러 필터를 제공하기 위하여, 이색성 필터들은 콜레스테릭 층들(cholesteric layers)을 포함한다. 이는 콜레스테릭 컬러 필터들이 컬러 필터 휠을 제조하는데 상대적으로 값싼 방법이기 때문에 유용하다. 콜레스테릭 필터들은 패터닝(pattern)된 컬러 필터들을 제조하는 방법을 서술하고 있는 WO 00/34808에 알려져 있다. 이 방법은 a) 비가역 및 가역 상태에서 콜렉스테릭적으로 순서화된 재료의 피치를 결정하는 일정량의 가역성 화합물을 포함하는 콜레스테릭적으로 순서화된 재료의 층을 상기 화합물을 조사에 의해 가역시키는 상이한 정도로 제공하는 단계, b) 층의 조사된 부분들에서 가역성 화합물의 적어도 일부를 가역하도록 소정의 나선형 패턴에 따라서 층을 조사하는 단계, c) 3차원 중합체를 형성하기 위하여 콜렉스테릭적으로 순서화된 재료를 중합 및/또는 가교하는 단계를 포함한다. 가역성 화합물은 이성질성 카이랄 화합물(isomerizable chiral compound)을 포함하는 것이 바람직하다. 중합화 및/또는 가교는 바람직하게는, 전자빔 방사 또는 화학선 방사를 사용하여 조사함으로써 발생된다.

예를 들어 회전 드럼들 또는 다각형들(다각형 미러들)과 같은 다른 형상들의 "컬러 휠들(colour wheels)"이 가능하다. SID 02 DIGEST pp.1-4에 공개되고 본원에 참조된 메튜 에스. 브렌숄츠(Mattew S. Brennsholtz)가 발표한 문헌 "51.4: 회전 드럼을 갖는 컬러-순차 LcoS 투사기(Color-Sqeuential LcoS Projector with a Rotating Drum)"은 컬러 휠을 회전 컬러 드럼으로 대체한 투사 시스템들을 설명한다. 회전 방향을 따른 회전 드럼의 단면은 원형 또는 다각형이 바람직하지만, 다른 형상들이 또한 고려될 수 있다.

원형 드럼들은 광이 인터그레이터 로드로 다시 바운스되는 조명 절차를 사용하여 성취될 수 있는 이점을 갖는다. 다각형 드럼은 제조하는데 용이한 이점을 갖는다.

따라서, 제2 유형의 영상에 대한 색 재현을 유지하면서 증가된 밝기가 바람직하게 되는 제1 유형의 영상을 위하여 증가된 밝기를 얻는 투사 디스플레이 장치 및 방법이 제공된다.

본 발명을 따른 장치는 예를 들어 분리된 독립형 유닛으로서 실현되거나 다른 장비에 포함되거나 결합될 수 있다.

본 발명이 주요 실시예와 관련하여 주로 설명되었다. 그러나, 서술된 것 이외의 실시예들이 첨부된 특허 청구범위에 규정된 바와 같이 본 발명의 영역 내에서 마찬가지로 가능하다. 청구범위에 사용된 모든 용어들은 본원에서 달리 명백하게 규정하지 않았지만 본 기술 분야에서 의미하는 통상적인 용어로 해석되어야 한다. "부정관사/정관사[소자, 수단, 부품, 멤버, 유닛, 단계 등]은 상기 소자, 수단, 부품, 멤버, 유닛, 단계, 등의 적어도 일예와 관련된 것으로 넓게 해석되어야 한다. 본원에 서술된 방법들의 단계들은 명백하게 규정되지 않았지만, 서술된 정확한 순서로 수행될 필요는 없다.

Claims (14)

1. 투사 디스플레이 장치로서,

   조명 빔을 제공하는 광원을 갖는 조명 시스템;

   영상 디스플레이 패널을 상기 조명 빔의 상이한 컬러화된 부분들로 주사하기 위해 4개의 상이한 원색들 각각에 대응하는 4개의 상이한 컬러 필터 세그먼트들을 포함하는 컬러 필터 수단; 및

   상기 조명 빔의 컬러화된 부분들을 영상 정보로 변조하여 영상을 스크린상에 투사하기 위한 상기 영상 디스플레이 패널을 포함하는 영상 디스플레이 시스템을 포함하는, 상기 투사 디스플레이 장치에 있어서,

   상기 컬러 필터 세그먼트들은 상기 영상 디스플레이 패널을 상기 4원색들 중 적어도 3개로 동시에 주사할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 투사 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 컬러 필터 수단은 상기 영상 디스플레이 패널을 상기 4원색들 중 적어도 4개로 동시에 주사할 수 있도록 배열되는, 투사 디스플레이 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컬러 필터 수단은 컬러 휠(colour wheel)인, 투사 디스플레이 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컬러 필터 수단은 컬러 드럼(colour drum)인, 투사 디스플레이 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컬러 필터 수단은 다각형 미러(polygon mirror)인, 투사 디스플레이 장치.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컬러 필터 세그먼트들은 나선형인, 투사 디스플레이 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원색들 중 3개는 적색, 녹색, 청색, 황색, 청록색 및 자홍색의 세트로부터 선택되는, 투사 디스플레이 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 청구된 투사 디스플레이 장치에서 상기 컬러 필터 수단으로서 사용하기 위한 컬러 필터 휠.
9. 제8항에 있어서, 상기 컬러 세그먼트들은 나선형인, 컬러 필터 휠.
10. 제9항에 있어서, 상기 투사 장치는 상기 조명빔을 상기 컬러 필터 세그먼트들에 투과시키는 조명 윈도우를 갖고, 2개의 인접 컬러 필터 세그먼트들 간의 인터섹션로부터 상기 컬러 휠의 중심 까지의 거리는 수학식 R_x=D₀+α(Φ+Φ_X)에 의해 결정되며,

    여기서, R_x는 인터섹션(x)로부터 컬러들 간의 휠의 중심까지의 거리, D₀는 조명 윈도우 및 휠의 중심간의 거리, α는 상수, Φ는 휠의 각도 및 Φ_x는 인터섹션(x)의 위상인, 컬러 필터 휠.
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구된 투사 디스플레이 장치에 사용하기 위한 영상 디스플레이 시스템에 있어서,

    상기 디스플레이 시스템은 제공될 적어도 제1 유형의 영상 및 제2 유형의 영상 간을 판별하도록 배열되며, 상기 제1 유형의 영상에 대해, 상기 컬러 필터 수단의 제1 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사하고, 상기 제2 유형의 영상에 대해, 상기 컬러 필터 수단의 제2 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사하는, 영상 디스플레이 시스템.
12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구된 투사 디스플레이 장치를 동작시키는 방법에 있어서,

    제공될 적어도 제1 유형의 영상 및 제2 유형의 영상 간을 판별하는 단계;

    상기 제1 유형의 영상에 대해, 상기 컬러 필터 수단의 제1 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사하는 단계;

    상기 제2 유형의 영상에 대해, 상기 컬러 필터 수단의 제2 세트의 원색들을 사용하여 영상을 투사하는 단계를 포함하는, 투사 디스플레이 장치 동작 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유형의 영상들은 각각 데이터 영상들 및 비디오 영상들인, 투사 디스플레이 장치 동작 방법.
14. 제13항에 있어서, 데이터 영상들은 상기 4개의 상이한 원색들 모두를 사용하여 디스플레이되며, 비디오 영상들은 상기 4원색들 중 3개를 사용하여 디스플레이되는, 투사 디스플레이 장치 동작 방법.