CN102105831B - 光学扫描单元、包括该光学扫描单元的图像投影器、车辆平视显示装置和移动电话 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描单元(10)被配置为包括光源(11)、发散光转变元件(12)、光学偏转器(13)、以及偏转角转变元件(14)，发散光转变元件(12)具有使得来自所述光源(11)的发散光转变成会聚光以在投影平面(Sc)上形成光斑的正光焦度，光学偏转器(13)将来自所述发散光转变元件(12)的光束在第一扫描方向上和第二扫描方向上偏转，所述第二扫描方向与所述第一扫描方向正交，偏转角转变元件(14)具有使得由所述光学偏转器(13)偏转的光的偏转角转变的负光焦度。

Description

光学扫描单元、包括该光学扫描单元的图像投影器、车辆平视显示装置和移动电话

技术领域

本发明涉及一种光学扫描单元和包括该光学扫描单元的图像投影器。特别地，本发明涉及一种通过使用光学偏转器，用光束的二维扫描在投影平面上创建二维图像并且适合于安装在诸如移动电话或车辆平视显示器的小尺寸电子装置上的图像投影器。

背景技术

至今，图像投影器已经被广泛普及，其包括照明***、空间光调制器和投影聚光透镜，其中该照明***包括光源，空间光调制器对来自照明***的光的强度进行调制，投影透镜使被空间光调制器调制过的光成像。减小图像投影器的尺寸的日益增长的需要已经存在。

并且，作为光源，LED和LD(激光二极管)已经普及，并且已经开发了合并有图像投影器的诸如移动电话的小尺寸电子装置。

另外一种使用光学扫描单元的图像投影器已经被提出。在该光学扫描单元中，光学偏转器将来自光源的光束二维偏转以用光斑二维扫描投影平面，并使用余像效果来形成二维图像。这样的光学扫描单元采用多角镜、电流镜(galvano mirror)、利用MEMS(微电子机械***)技术制造的MEMS装置等用于使来自光源的光束偏转的光学偏转器。

这样的光学扫描单元具有投影图像可能具有由二维扫描导致的各种变形的问题。考虑到解决该问题，已经做出了各种尝试。

一个实例是作为非旋转对称的形状中的f反正弦θ透镜以实现恒速扫描和修正图像变形的光学扫描***，例如，如日本未经审查的专利申请第2006-178346号公报(参考文献1)所公开的。

另一个实例是具有非旋转对称的反射表面以修正梯形变形或TV畸变的光学扫描***，例如，如日本未经审查的专利申请第2005-234157号公报(参考文献2)所公开的。

又一个实例是作为具有修正由扫描角引起的图像的亮度中的不均匀的凹状表面的柱状透镜的光学修正***，例如，如国际专利申请第WO2005/083493号公报(参考文献3)所公开的。

对于安装在诸如移动电话的小尺寸电子装置中以执行近距离投影的图像投影器，存在日益增长的需要，在该近距离投影中，在从装置到投影平面的极近的距离内形成较大的二维图像。该近距离投影不仅包括近距离中的垂直投影(在与扫描光束的行进方向正交的平面上)，还包括在放置移动电话60的平面61上投影二维图像62，例如，如图29所示。移动电话60合并了作为超紧凑型投影引擎的图像投影器。图像投影器需要能够将优良的二维图像投影在平面61上，并且该图像投影器需要成为具有相对简单的结构的光学***，而不同于考虑到小型化但具有复杂结构的现有技术中的图像投影器。

然而，对包括在MEMS装置等中的光学偏转器的偏转角θ存在限制。例如，在光学偏转器的最大偏转角θ是±8度时，光束的扫描角将是±16度，以致可获得的图像被局限于具有32度的总视场角的图像。为了使用光学偏转器形成A4尺寸的投影图像，小尺寸电子装置将需要超过50cm的长距离。

因此，为了在进行二维扫描的光学扫描单元中实现近距离投影，必须用光学偏转器使光束以增大的角度偏转。

然而，参考文献1和2中公开的光学扫描***是复杂的和大型的结构，以致于它们不适用于例如移动电话的小尺寸电子装置。它们不适用于同时实现尺寸减小和近距离图像投影。

进一步，参考文献3中公开的光学扫描***修正光的偏转角以使得光斑扫描速度在像平面(投影平面)上是恒定的，以实现均匀亮度分布的目的。然而，它并没有公开或教导能够在极近距离内的平面上投影大的图像的紧凑扫描***。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用具有小的偏转角的光学偏转器来实现大的扫描角的光学扫描单元，能够在极近的距离内投影大的二维图像的图像投影器和合并了该图像投影器的车辆平视显示器和移动电话。

根据本发明的一个方面，一种光学扫描单元包括光源；发散光转变元件，具有使得来自该光源的发散光转变成会聚光以在投影平面上形成光斑的正光焦度；光学偏转器，使来自该发散光转变元件的光在第一扫描方向上和第二扫描方向上偏转，该第二扫描方向与该第一扫描方向正交；以及偏转角转变元件，具有使得由该光学偏转器偏转的光的偏转角转变的负光焦度。正光焦度指的是将平行光转变为会聚光的这样的透镜光焦度，而负光焦度指的是将平行光转变为发散光的这样的透镜光焦度。

在上述方面的一个特征中，该偏转角转变元件由单透镜构成。

在上述方面的另一个特征中，该偏转角转变元件由多个透镜构成，该多个透镜由不同的玻璃材料制成。

在上述方面的另一个特征中，该光学偏转器包括第一偏转器部分和第二偏转器部分，该第一偏转器部分使来自该发散光转变元件的光在该第一扫描方向上偏转，该第二偏转器部分使来自该发散光转变元件的光在该第二扫描方向上偏转；以及该第一和第二偏转器部分被一体形成。

在上述方面的另一个特征中，该光学偏转器包括镜部分，该第一和第二偏转器部分能够使该镜部分旋转；以及在第一和第二扫描方向上，从该光源发射并且透射通过该发散光转变元件的行进光相对于该镜部分的法线方向的入射角被设定为45度以下。

在上述方面的另一个特征中，该光扫描单元进一步包括位于该光学偏转器和该偏转角转变元件之间的光束分离器，该光束分离器使得，在第一和第二扫描方向上，从该光源发射并且透射通过该发散光转变元件的光的行进方向与处于基准位置的镜部分的法线方向重合，其中，该光学偏转器包括镜部分，该第一和第二偏转器部分能够使该镜部分旋转。

在上述方面的另一个特征中，该光学偏转器包括光学摆动元件，该光学摆动元件在该第一和第二扫描方向上围绕支撑轴往复运动。进一步，其中，参考光轴是当该光学摆动元件处于基准位置时该光学摆动元件所偏转的光的行进方向，偏转角θ是由该光学偏转器所偏转的行进光相对于该参考光轴的角度，以及扫描角α是由该偏转角转变元件转变的行进光相对于该参考光轴的角度，该偏转角转变元件使得已经在该参考光轴上经过的入射光的偏转角转变以满足θ＝α，并且使得未在参考光轴上经过的入射光的偏转角转变以满足θ＜α。

在上述方面的另一个特征中，该发散光转变元件和该偏转角转变元件是旋转对称的透镜。

在上述方面的另一个特征中，该偏转角转变元件是非旋转对称的透镜。

在上述方面的另一个特征中，该偏转角转变元件的至少一个表面被形成为非球面的形状。

在上述方面的另一个特征中，从该光学偏转器到该偏转角转变元件的光轴方向相对于投影平面倾斜，用由该光学偏转器在该第一和第二扫描方向上偏转的并经由该偏转角转变元件发射的光，二维地扫描该投影平面。

根据本发明的另一个方面，一种图像投影器包括上面提到的的光学扫描单元；以及控制单元，控制该光学扫描单元，其中该控制单元包括光源控制电路、偏转角控制电路和图像处理电路，该光源控制电路控制该光源的光发射，该偏转角控制电路控制该光学偏转器的偏转角，该图像处理电路适当地修正获得的图像数据并且将修正后的图像数据输出至该偏转角控制电路和该光源控制电路。

根据本发明的又一个方面，一种车辆平视显示装置包括上述的图像投影器。

根据本发明的又一个方面，一种移动电话包括上述的图像投影器。

附图说明

图1示意地显示根据本发明的第一实施例的图像投影器的结构。

图2示意地显示光学偏转器的结构。

图3A显示沿着参考光轴Lb的会聚光，图3B显示当会聚光透射通过偏转角转变元件时相对于参考光轴Lb具有倾斜角(偏转角θ)的会聚光。

图4A到4C是显示具有和不具有偏转角转变元件的测量值，图4A显示扫描角(偏转角)的变化，图4B显示扫描速度的变化，以及图4C显示通过归一化最大值从图4B获得的扫描速度的变化。

图5A是显示与从偏转角转变元件的光轴开始的半径相关的入射面上的垂度量和垂度量的变化的图，图5B是显示与从偏转角转变元件的光轴开始的半径相关的出射面上的垂度量和垂度量的变化的图。

图6示意地显示具有与图1中不同的反射构件的图像投影器。

图7示意地显示具有与图1和图6中不同的反射构件的图像投影器。

图8示意地显示根据第二实施例的图像投影器。

图9示意地显示根据第三实施例的图像投影器。

图10显示投影平面上的彩色图像的劣化以及对它的修正。

图11示意地显示根据第四实施例的车辆平视显示装置。

图12显示镜部分上的光束尺寸和发散光转变元件之间的关系。

图13显示利用最佳设计的光学***(光学扫描单元)在仿真中获得的光程。

图14示意地显示根据第一实施例的图像投影器的变形例的光学扫描单元的结构。图15A到15F显示分别在入射角

15、30、45、60、75度，通过图像投影器的变形例所形成的屏幕上的光斑。

图16显示图15A到15F中的光斑是如何形成的。

图17示意地显示根据第二实施例的图像投影器的变形例的光学扫描单元的结构。

图18是根据第二实施例的图像投影器(光学扫描单元)的变形例的第一发散光转变元件的横截面图。

图19是根据第二实施例的图像投影器(光学扫描单元)的变形例的第二发散光转变元件的横截面图。

图20是根据第二实施例的图像投影器(光学扫描单元)的变形例的光路组合器单元的横截面图。

图21是根据第二实施例的图像投影器(光学扫描单元)的变形例的聚焦透镜的横截面图。

图22是根据第二实施例的图像投影器(光学扫描单元)的变形例的偏转角转变元件的横截面图。

图23示意地显示根据本发明的第五实施例的图像投影器的结构。

图24示意地显示用于与根据第五实施例的图像投影器进行对比的另一个光学扫描单元。

图25A、25B显示当通过根据第五实施例的光学扫描单元和通过图24中的光学扫描单元分别使光学偏转器围绕X轴旋转5度时图像平面上的光斑图。

图26示意地显示根据第五实施例的图像投影器的变形例的光学扫描单元的结构。

图27A是在根据第五实施例的光学扫描单元的变形例中，当光学偏转器处于旋转0度(振幅＝0度)的基准位置(静止位置)时的图像平面上的光斑图，图27B是在根据第五实施例的光学扫描单元的变形例中，当该光学偏转器旋转15度(振幅＝15度)时的图像平面上的光斑图。

图28是在根据第六实施例的平面上的移动电话在侧视图，而图28B显示从箭头A方向看时的图28A中的移动电话。

图29显示合并了图像投影器的移动电话的实例。

具体实施方式

以下，将参照附图具体描述本发明的实施例。

[第一实施例]

图1示意地显示了根据第一实施例的图像投影器1，以及图2示意地显示光学偏转器13的结构。在图1中，由光学偏转器13偏转的主光线和参考光轴Lb之间的角被定义为偏转角θ，而已经透射通过偏转角转变元件14的主光线和参考光轴Lb之间的角被定义为扫描角α。参考光轴指的是当光学偏转器13位于后面描述的基准位置(静止位置：θ＝α＝0)时由光学偏转器13偏转(反射)的主光线的行进方向。

在第一实施例中，图像投影器1包括光学扫描单元10和控制单元20。光学扫描单元10主要包括构成光学投影***以在屏幕Sc上投影图像的光源11、发散光转变元件(耦合透镜)12、光学偏转器13(光摆动元件)和偏转角转变元件14。

光源11是单色光源，如本实施例中发射具有634nm的中心波长的红光束的半导体激光器。光源11和光学偏转器13由后面描述的控制单元20控制发射。

发散光转变元件12被配置为具有正光焦度以使得从光源11发射出的发散光(以下光束P)转变成会聚光。也就是说，发散光转变元件12将来自光源11的光束P的发散角转变成会聚角以致在屏幕Sc上形成预定尺寸的光斑S。

为了扫描，光学偏转器13使来自发散光转变元件12的作为会聚光的光束P在第一和第二扫描方向上偏转，该第一和第二扫描方向彼此二维正交。该第一和第二扫描方向被包括在投影平面(屏幕Sc)内，并且，在图1中它们是与图面正交的方向(参见箭头X)和从正面看的垂直方向(参见箭头Y)。

在图2中，光学偏转器13主要包括矩形外框架13a(第一偏转器部分)、放置在外框架13a内的矩形内框架13b(第一偏转器部分)和放置在内框架13b内的活动的矩形镜部分13c。镜部分13c包括反射光束并且经由一对支撑轴13d而被内框架13b可旋转地支撑的镜表面。内框架13b经由相对于支撑轴13d正交地延伸的一对支撑轴13e而被外框架13a可旋转地支撑。如此，举例来说，镜部分13c围绕一对支撑轴13d在水平方向上旋转，而内框架13b围绕一对支撑轴13e在垂直方向上旋转。旋转方向中的一个是第一扫描方向，而另一个是第二扫描方向。

这样的光学偏转器13可以由公知的MEMS镜构成，公知的MEMS镜由硅晶体制成。例如，在该MEMS镜中，镜部分13c和内框架13b通过蚀刻被形成在硅晶体衬底的底部上。

在该MEMS镜中，未显示的两个电极被形成在对应于镜部分13c的左右部分的镜部分的底部衬底上。通过在镜部分13c的电极和底部衬底上的两个电极之间施加电压，静电力作用于一对支撑轴13d，并且使镜部分13c倾斜。

并且，在MEMS镜中，未显示的两个电极被形成在对应于内框架13b的顶部和底部的内框架13b的底部衬底上。通过在内框架13b的电极和底部衬底上的两个电极之间施加电压，静电力作用于一对支撑轴13e，并且使内框架13b倾斜。

镜部分13c可以被配置为在它的背表面上包括磁性元件，并且通过来自底部衬底上的线圈的磁力而倾斜，或者它可以被配置为通过压电元件的变形力而倾斜。它不应该被限于第一实施例中的镜部分。

为了用这样的MEMS镜以高速偏转光束，镜部分13c必须在谐振点附近被驱动。因此，镜部分13c的偏转角或倾斜角必须相对于时间以正弦波形变化。镜部分13c尺寸非常小，大于为1mm，它的转矩非常小，以致它的一次谐振频率能够根据一对支撑轴13d的厚度或宽度(设计)在变形方向上增加。可以容易地获得围绕支撑轴13d(水平方向)的高的一次谐振频率。在本实施例中，围绕支撑轴13d的旋转或者水平扫描被设定为高速扫描方向(主扫描方向)，而围绕支撑轴13e的旋转或垂直扫描被设定为副扫描方向。

通过一般的驱动技术难以实现镜部分13c的振幅的增加，并且由于不均匀的驱动力、空气阻力等难以使镜部分13c的运动稳定。然而，由于镜部分13c在一次谐振频率附近被驱动，根据本实施例的MEMS镜能够以足够大的振幅稳定地运动，以扫描整个屏幕Sc。进一步，为了极近距离投影的目的，必须增加沿与镜部分13c的旋转/摆动方向正交的方向(围绕支撑轴13e)旋转/摆动的内框架13b的振幅。然而，由于它是副扫描方向，内框架13b必须以非常低的频率在副扫描方向上被驱动，该低的频率取决于每秒图像的帧的数量(例如，30、60或120Hz对应于每秒30、60或120帧的图像生成)。为了通过内框架13b和支撑轴13e之间的谐振以低的频率驱动内框架13b，必须形成非常细的作为旋转轴的支撑轴13e，但是这是不实际的，因为细的轴不具有足够的抗冲击力并且容易断裂。为了增加支撑轴13e的厚度，围绕支撑轴13e旋转(摆动)的谐振频率A必须被设定为高的值。由于内框架13b的谐振频率B被设定为低的值，并且谐振频率A、B并不彼此重合，因此这里不能利用谐振。总之，必须使用大的光焦度以获得镜部分13c的所需要的振幅。为了在副扫描方向上以谐振来驱动镜部分，双轴扫描(例如，日本审查专利申请第2005-5262899号公报中所揭示的)可以是生成图像的好方法，以取代光栅扫描。通过双轴扫描，镜部分13c可以用谐振摆动在主扫描方向上和副扫描方向上两者以高振幅被驱动，能够用小功率来近距离投影。

由上述MEMS镜构成的光学偏转器13偏转并且透射通过发散光转变元件12的会聚光在二维正交方向上，第一扫描(水平)方向上和第二(垂直)扫描方向上扫过。

在第一实施例中，第一和第二偏转器部分被一体形成，然而，它们也可以被独立地形成。例如，能够使用作为单轴旋转元件的两个MEMS传感器或者能够将平面镜附接于步进马达的输出轴并且以恒定角速度旋转。

进一步，光学偏转器被配置为用于二维扫描；然而，它可以被配置为用于一维扫描。

关于上述光学投影***，要处理的另一个难题是，为了在极近距离内的屏幕Sc上投影大的图像，镜部分13c的振幅需要进一步增加。

然而，具有了增大的振幅，由于不均匀的驱动力或者空气阻力，不能稳定地驱动镜部分13c。首先难以产生足够大的驱动力以实现大振幅。特别地，谐振频率越高，越难达到大的振幅。为了解决该问题，能够通过使得镜部分13的厚度变薄或者减小它的尺寸来减少镜部分13的重量。

然而，镜部分13c的薄化和尺寸减小引起了问题。具有了变薄的镜部分13c，变形量可能增加，使得光学偏转器13损坏，或者变形的镜部分13c的反射光可能增加光学像差，妨碍屏幕Sc上光斑S的稳定生成并且减小投影图像的分辨率。另一方面，具有尺寸减小的镜部分13c，发散光转变元件12需要将会聚光以更小的光束尺寸聚焦在镜部分13c上，并且为了实现更小的光束尺寸，需要提高组件的组装和制造精度。然而，由于发散光转变元件12的NA(数值孔径)被确定为基于如上所述的来自光源11的光束P在屏幕Sc上形成预定尺寸的光斑S，因此为了减少镜部分13c上的光束尺寸，从发散光转变元件12到镜部分13c(光学偏转器13)的距离(光路)必须如图12所示地被延长。这将妨碍整个光学***的尺寸减小。相反，当两者之间的距离被设定为短的值时，来自发散光转变元件12的光束的光束尺寸将比镜部分13c的有效反射表面更大。这妨碍了来自光源11的光束的有效利用。

考虑到上述问题，在本实施例中，镜部分13c的振幅被设定为±7.5度。换句话说，由光学偏转器13偏转的光束P的偏转角θ的最大值是±15度。在只使用光学偏转器13(而不使用偏转角转变元件14)的情况下，举例来说，为获得A4尺寸的二维图像(210mm×297mm)，将需要大约560mm的投影距离，为获得14英寸的尺寸的二维图像，将需要大约500mm的投影距离。这些是大的距离。如此，仅仅具有光学偏转器13，图像投影器不能在极近距离投影中投影图像。

根据本实施例的图像投影器1，偏转角转变元件14和发散光转变元件12是考虑了光学偏转器13的镜部分13c的大小、尺寸和振幅的最佳设计。偏转角转变元件14被配置成偏转角放大元件，其将由光学偏转器13偏转的光束的偏转角θ转变为比偏转角θ更大的扫描角α。在本实施例中，偏转角转变元件14是由例如单玻璃材料制成的单透镜。图13显示利用最佳设计的光学***(光学扫描单元10)的仿真中获得的光路。图13示意地显示光学***的成线状地排列的组件之中从光源11到偏转角转变元件14的光路以及当镜部分13c倾斜预定角度时作为仿真结果的光路。在该仿真中，假定从光源11中发射出波长530nm的光束。

在第一实施例中(也在图13的仿真中)，发散光转变元件12的焦距被设定为3.91mm，从光源11到发散光转变元件12的第一表面(与光源11相对)的距离被设定为3mm。它的中心厚度是2.4mm并且它由折射率n_CL是1.5196的玻璃材料制成。从发散光转变元件12的第二表面到光学偏转器13的反射表面的距离被设定为18.354mm，而从光学偏转器13的反射表面到偏转角转变元件14的第一表面的距离被设为8mm。偏转角转变元件14具有3mm的中心厚度，并且由折射率n_EXP是1.5196的玻璃材料制成。光学***(光学扫描单元10)被设计成将来自光源11的光聚焦在远离偏转角转变元件14的第二表面200mm的位置上。

发散光转变元件12的两个透镜表面都是非球面的。它的非球面形状由下面的基于在光轴方向上的透镜表面的距离z和正交坐标系中的半径h之间的关系的公式(1)表示，在上述正交坐标系中，从光源11到光学偏转器13的光的光轴方向是Z轴方向，并且透镜表面的顶点Q1、Q2是原点。

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\mathrm{SQRT}[1-(1+k)c^2{h}^2]}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}+{\mathrm{Hh}}^{18}+{\mathrm{Jh}}^{20}$

h²＝x²+y²                                        …(1)

其中，c是近轴曲率(c＝1/r，这里r是曲率半径)，k是圆锥常数，A、B、C、D、E、F、G...是非球面系数。注意“SQRT(Q)”表示公式(1)中的Q的平方根。

下面的表1显示发散光转变元件12的各个表面上的数据。在表1中，“E-0n”表示10^-n。

表1

	第一表面	第二表面
			r	11.305091	-2.298941
k	0	0
			A	-1.44724E-02	4.64187E-03
B	-1.31006E-04	4.18303E-04
			C	1.27580E-04	6.37029E-05
D	4.06654E-05	2.07440E-05

来自发散光转变元件12的会聚光通过光学偏转器13被引导至偏转角转变元件14。图3A到3C显示被光学偏转器13偏转的会聚光是如何透射通过偏转角转变元件14的。在图3A中，会聚光沿着参考光轴Lb行进，并且在图3B中，会聚光相对于参考光轴Lb倾斜一角度(偏转角θ)。在图3A到3B中，数字代号14a、14b分别表示偏转角转变元件14的入射表面和出射表面，这将在后面描述。

偏转角转变元件14被配置为具有负光焦度，并且将来自发散光转变元件12的会聚光转变成更弱的会聚光光束(将光束尺寸减小到比预定光束尺寸更小)以使它在屏幕Sc上聚焦。并且，偏转角转变元件14将具有偏转角θ的入射光转变成具有扫描角α的出射光，该扫描角α是相对于参考光轴的角，如图3B所示。在第一实施例中，偏转角转变元件14的设计和排列被确定，以使得当光束在参考光轴Lb上入射时，满足偏转角θ＝扫描角α，并且当光束未在参考光轴Lb上入射时，满足偏转角θ＜扫描角α。并且，偏转角转变元件14被设计和排列以使得它将具有10度的偏转角θ的入射光束转变成具有20度的扫描角α的出射光束，并且将具有15度的最大偏转角θ的光束转变成具有31.3度的扫描角α的出射光束。也就是说，它差不多使得光束的尺寸加倍。由于光束通过最大振幅被设定为±7.5度的光学偏转器13的镜部分13c被偏转，因此入射光束的最大偏转角θ是±15度。

偏转角转变元件14包括非球面的第一表面(在光学偏转器13侧上)和球面的第二表面。它的非球面形状由上面的基于在光轴方向上的透镜表面的距离z和正交坐标系中的半径h之间的关系的公式(1)表示，在上述正交坐标系中，连接第一和第二表面的顶点Q1’、Q2’的直线，或者从光源11到屏幕Sc的光的光轴方向是Z轴方向。第一和第二透镜表面上的数据在下面的表2中显示。

表2

	第一表面	第二表面
			r	-6.267876	19.975324
k	0	0
			A	8.78931E-04	0
B	-2.92949E-04	0
			C	6.96796E-05	0
D	-6.36735E-06	0

在第一实施例中，偏转角转变元件14被配置为包括非球面的第一表面和球面的第二表面；然而，本发明不限于此。取决于屏幕Sc上的光斑或投影图像的所要求的等级，第一和第二表面两者都可以是非球面的，或者它们可以是球面的。

偏转角转变元件14和发散光转变元件12的透镜表面被形成为旋转对称形状。因此，这些元件都可以容易地被加工。此外，由于制造容差或调整容差可以被设定成较大的值，因此它们可以被容易地组装。在偏转角转变元件14和发散光转变元件12的透镜表面中，只有光透射通过的那些透镜表面(Ie)必须是旋转对称的。当它们由树脂材料等制成时，考虑到组装、调整或其它，它们的整个外部形态可以是非旋转对称的，如图3C所示。

参照图4A到4C，描述偏转角转变元件14的效果。图4A到4C是具有和不具有偏转角转变元件14的测量值的图表。在图4A到4C中，代号Ci是具有偏转角转变元件14的扫描角的特征曲线，而代号Ct是不具有偏转角转变元件14的扫描角的特征曲线。并且，在图中，横轴指示时间，镜部分13c的中心角作为时间轴中的零点，其中最大值是偏转角θ或扫描角α到达最大振幅(谐振周期的一半或者1/4周期)并且被归一化为1和-1。在图4A中，纵轴指示扫描角α(或者不具有偏转角转变元件14时的偏转角θ)，代号Ci1、Ct1是扫描角α的特征曲线。在图4B中，纵轴指示光束P(屏幕Sc上的光斑S的)的扫描速度，代号Ci2、Ct2是扫描速度的特征曲线。图4C是基于图4B的，并且其中，纵轴指示由最大值归一化的光束P的扫描速度，并且特征值Ci3、Ct3实质上与Ci2、Ct2相同。MEMS镜(光学偏转器13的镜部分13c)在如上所述的-7.5到+7.5的角度范围内旋转，以致偏转角θ在-15到+15度之间变化。

从图4A和图13中的仿真结果明显地看出，使用偏转角转变元件14时的扫描角α(曲线Ci1)比不使用偏转角转变元件14时的扫描角α(曲线Ct1)更大。具有偏转角转变元件14，在镜部分13c的最大振幅是±7.5度时，扫描角α最大是大约±30度(曲线Ci1)，从图像投影器到屏幕Sc的形成A4尺寸图像所需的距离将大约是240mm，实现了极近距离投影。相反，不具有偏转角转变元件14，扫描角α最大是等于±15度(曲线Ct1)的偏转角θ，所需的距离将大约是560mm。

从图4B、4C明显地看出，扫描速度在时间轴中的零点处是最快的，也就是说，在扫描角α(偏转角θ)为0时，无论是否使用偏转角转变元件14，当扫描角增加，扫描速度也增加。将特征曲线Ci2、Ci3(具有偏转角转变元件14)和Ct2、Ct3(不具有偏转角转变元件14)分别比较，Ci2、Ci3显示，对于扫描速度的相同的改变量，Ci2、Ci3所花的时间比Ct2、Ct3更多，这意味着，Ci2、Ci3中的扫描速度比Ct2、Ct3中的扫描速度在更长的时间内被认为是常数。具有偏转角转变元件14，扫描速度的变化较小的时间范围比不具有偏转角转变元件14的时间范围更大，并且在那个时间范围内实现了恒定速度。从而，具有偏转角转变元件14，可以修正图像变形，均衡光束的照度并且减少图像的亮度的不均匀。

接下来，描述偏转角转变元件14的入射表面14a和出射表面14b的形状。入射表面14a和出射表面14b被形成为围绕光轴旋转对称。图5A、5B是在纵轴中显示垂度(sag)量(mm)(特征曲线Cs)和垂度量变化(μm)(特征曲线Ca)，在横轴中显示从偏转角转变元件14的光轴开始的半径(mm)的图。图5A显示入射表面14a的特征，而图5B显示出射表面14b的特征。注意垂度量指的是，当光轴方向是z轴方向时半径位置中的各个表面上的Z坐标(入射侧：+，出射侧：-)，并且光轴上的坐标在z轴方向上为0。并且，变化量指的是与沿半径方向的单位变化量相关的垂度量的变化，并且是沿半径方向的特征曲线Cs的一阶微分量子(first-order differential quantum)。

图5A、5B显示变化量(绝对值)从光轴到入射表面14a和出射表面14b的***增加。将入射表面14a形成为使得变化量从光轴到***增加的形状，这可以使得当入射位置从光轴向***远离时偏转角转变元件14能够以更大的扫描角α发射光束。此外，通过将入射表面14a形成为非球面的，可以使屏幕Sc上的光斑S的尺寸减小。这对于出射表面14b也适用，并且以上述方式形成的出射表面14b可以实现同样的效果。在第一实施例中采用偏转角转变元件14，光斑S的尺寸可以是1mm或更小。然而，采用含平坦透镜表面的偏转角转变元件，举例来说，光斑S的尺寸将是3mm或更大，并且屏幕Sc上的投影图像将变模糊。

如图1所示，控制单元20包括作为偏转角控制电路的光学偏转器控制单元21和作为光源控制电路的光发射量控制单元22。控制单元20接收作为原始图像信号23的图像数据G(i，j)，图像数据G(i，j)是在像素位置(i，j)的图像数据。在控制单元20中，光学偏转器控制单元21根据用于同步检测的镜位置信号Mp完全地控制光学偏转器13，而光发射量控制单元22根据图像数据G(i，j)和镜位置信号Mp控制光源11。光学偏转器控制单元21通过输出旋转控制信号Wc控制光学偏转器13，而光发射量控制单元22通过输出发射控制信号Lc控制光源11。镜位置信号Mp是从光学偏转器13输出的信号，并且指示图1中的摆动镜部分13c的位移。当电磁致动器驱动光学偏转器13时，通过检测由镜摆动引起的反电动势(back EMF)来获得镜位置信号Mp。当压电致动器驱动光学偏转器13时，通过检测压电中产生的反电动势来获得镜位置信号Mp。另外，在适当的位置设置光束接收单元28以接收被镜部分13c偏转的光束，能够使用与镜部分13c的位移相关联的来自光接收单元28的信号来获得镜位置信号Mp，如图7所示。进一步，虽然在图中未显示，可以在位移部分(这里，镜部分13c)以及不受位移影响的预定位置设置电极以检测随位移变化的静电电容。在第一实施例中，光发射量控制单元22根据光学偏转器控制单元21对光学偏转器13的控制来控制光源11。

例如，为了在屏幕Sc上投影作为水平方向第i个以及垂直方向第j个的像素，光发射量控制单元22与镜位置信号Mp同步地将光发射量控制信号输出至光源11，当镜部分13c被倾斜以在屏幕Sc上对应于像素位置(i，j)的位置(i’，j’)处形成光斑S时，发射用于图像数据G(i，j)的量的光束。利用能够通过步进马达而被非谐振地驱动的光学偏转器，光学偏转器控制单元21与光发射量控制信号同步地输出驱动控制信号至光学偏转器，以在屏幕Sc上对应于像素位置(i，j)的位置(i’，j’)处形成光斑S。

从而，光源11将用于图像数据G(i，j)的量的发散光发射至发散光转变元件12，发散光转变元件12将发散光转变成会聚光，并且将它发射至光学偏转器13。

会聚光在水平和垂直方向上被处于适当角度的镜部分13c偏转至偏转角转变元件14，以在屏幕Sc上与像素位置一致的位置(i’，j’)处形成光斑S。偏转角转变元件14将入射的会聚光的偏转角θ转变成扫描角α，并将它发射至作为投影平面的屏幕Sc。这在屏幕Sc上的位置(i’，j’)处形成光斑S。上述操作根据原始图像信号23上的所有的图像数据G(i，j)以扫描顺序被依序执行，从而在屏幕Sc上生成与二维原始图像数据相关联的二维图像。

如上所述，使用偏转角转变元件14，即使当光学偏转器13的偏转角较小时，光学扫描单元10(图像投影器1)也能够获得大的扫描角，并且能够在近距离的投影平面(屏幕Sc)上投影大的图像。在本实施例中，虽然光学偏转器13的偏转角θ最大是±15度，但光束的扫描角α最大可以是±30度。因此，它能够在大约240mm的投影距离内投影A4尺寸的图像。

进一步，使用偏转角转变元件14，光学扫描单元10(图像投影器1)可以在某个范围内维持恒定扫描速度，以致与没有偏转角转变元件14的光学扫描单元相比，它更能够修正变形和亮度的不均匀。

此外，由于光学扫描单元10(图像投影器1)能够用包括偏转角转变元件14的简单结构实现上述效果，因此光学扫描单元10(图像投影器1)对于减小尺寸非常有利。

光学扫描单元10(图像投影器1)被配置为用偏转角转变元件14来增加扫描角α，以致光学偏转器13的镜部分13c能够被稳定地旋转，用于抑制投影图像的分辨率的下降。并且，它能够有效地利用来自光源11的光束，而无需增加它的部件和组件的制造和组装精度，对单元的尺寸减小做出贡献。

进一步，发散光转变元件12能够具有变形的非球面的表面或者形状不规则的弯曲表面，原因如下所示。通常，来自半导体激光器的光束的强度分布是高斯分布，光束的扩散角在相对于半导体激光器的激活层的平行方向和垂直方向上是不同的。因此，通过旋转对称的发散光转变元件12的光束将是椭圆形的。然而，为使得椭圆形光束成形而设置具有圆形开口的光束成形板，可能引起渐晕，导致光损耗的增加、额外的功率消耗和由椭圆形的光斑引起的屏幕Sc上的投影图像的劣化。这就是为什么发散光转变元件12可以包括在相对于半导体激光器的水平方向和垂直方向上具有不同的焦距的变形的非球面的表面或形状不规则的弯曲表面的原因。从而，可以防止光损耗并且在屏幕上形成圆形光斑。进一步，采用具有相同的焦距的变形的非球面的表面或形状不规则的弯曲表面，当镜静止时，形成的光斑的形状将是在水平方向上长度更短的椭圆形，而当镜处于旋转时，由于扫描方向中的余像效应，它在像素中接近于圆形。

由于发散光转变元件12的功能只是将来自光源11的光转变成会聚光以在屏幕Sc上形成光斑S，它可以被图6中的反射元件24代替。反射元件24具有形状不规则的弯曲反射表面，以致它能够防止光损耗并且形成圆形光斑。

偏转角转变元件14也可以用图7中的反射元件25代替，只要反射元件25能够将光学偏转器13所偏转的光束的偏转角θ转变至更大的扫描角α。反射元件25包括形状不规则的弯曲反射表面，如同反射元件24那样。如上所述，图7中的光学扫描单元10(图像投影器1)被配置为用光接收单元28来接收镜部分13c所偏转的光束，以根据来自光接收单元28的信号生成指示镜部分13c的位移的镜位置信号Mp，该光接收单元28用于同步检测。

进一步，在光学偏转器13的偏转速度或振幅在水平和垂直方向上不同的情形中，发散光转变元件12和偏转角转变元件14可以是上述具有变形的非球面的表面或形状不规则的弯曲表面的反射元件，以便于区分符合光学偏转器13的偏转速度或振幅的水平和垂直方向的光的会聚或发散的量。

[第一实施例的变形例]

接下来，描述根据第一实施例的图像投影器的变形例。该变形实施例使用图像投影器1t以通过实验找出屏幕Sc的图像的变形是如何根据镜部分13c上的光的入射角的变化而变化的。图像投影器1t的结构基本上和图像投影器1的结构相同，以致对同样的组件和功能赋予与第一实施例相同的数字代号，并且省略对它们的详细说明。图14示意地显示图像投影器1t的光学扫描单元10t和在入射角

为45度时的光路。

这里，入射光轴Li指的是从光源11发射并透射通过发散光转变元件12t的主光线的行进方向。入射角

指的是入射光轴Li相对于位于基准位置(静止位置)的镜部分13c(光学偏转器13)的反射表面的法线的角。

如图14所示，除了发散光转变元件12t和偏转角转变元件14t以外，光学扫描单元10t和光学扫描单元10相同。具体地，光源11发射具有530nm的波长的光束，发散光转变元件12t的焦距被设定为3.89mm，从光源11到发散光转变元件12t的第一表面(面对光源11)的距离是3mm。发散光转变元件12t由具有1.5196的折射率nCL和2.4mm的中心厚度的玻璃材料制成。从发散光转变元件12t的第二表面到光学偏转器13的反射表面的距离被设定为18.354mm，而且从光学偏转器13的反射表面到偏转角转变元件14t的第一表面(面对光学偏转器13)的距离被设为8mm。偏转角转变元件14t由具有3mm的中心厚度和1.5196的折射率n_EXP的玻璃材料制成。光学***(光学扫描单元10t)被配置为将来自光源11的光束在远离偏转角转变元件14t的第二表面(面对屏幕Sc)200mm的位置上聚焦。

发散光转变元件12t的两个表面都是非球面的，并且由上述公式(1)表示。这些表面的数据如下面的表3所示。

表3

	第一表面	第二表面
			r	11.048116	-2.291852
k	0	0
			A	5.82336E-03	9.26966E-03
B	2.88669E-02	4.76865E-03
			C	7.12105E-02	3.75871E-03
D	-6.67302E-02	1.78366E-03

偏转角转变元件14t的两个表面也都是非球面的，并且由上面的公式(1)表示。这些表面的数据如下面的表4所示。

表4

	第一表面	第二表面
			r	3.810490	65.526384
k	0	0
			A	-3.78571E-04	-5.10841E-05
B	7.74024E-06	1.31502E-05
			C	-2.79002E-05	-9.19009E-07
D	4.40239E-07	1.33105E-08

使用这样的光学扫描单元10t，在预定的条件下以0、15、30、45、60和75度的入射角在屏幕Sc上形成光斑。图15A到15F示意地显示屏幕Sc上的光斑位置。图16显示光斑是如何被形成的。

在图中，从正面看，垂直方向是x轴方向，水平方向是y轴方向。图15A到15F显示分别以0、15、30、45、60和75度的入射角形成光斑S0到S6的位置。为了方便比较，图15A到15F用同样的比例尺寸显示。

光斑S0到S6以下面的方式形成。光学偏转器13的镜部分13围绕两根彼此正交的轴旋转(摆动)。两根轴中的一根是x’轴，另一根是y’轴，并且x’轴位于与屏幕Sc的x轴相同的平面内，y’轴位于与屏幕Sc的y轴相同的平面内(图16)。x’和y’轴被设定成使得入射角

在与x’轴正交的平面内变化(图14)。

当镜部分13c只围绕x’轴旋转时，光斑的位置只在x轴方向上变化(由图16中从镜部分13c到光斑Sx的虚线表示)。当镜部分13c只围绕y’轴旋转时，光斑的位置只在y轴方向上变化(由图16中从镜部分13c到光斑Sy的双点划线表示)。在图15A到15F中的屏幕Sc的xy坐标系中，使得光斑位置在x轴方向和y轴方向上分别移动的镜部分13c围绕y’轴和x’轴的旋转被设定为+y’轴和+x’轴方向。光学偏转器13被布置成支撑内框架13b的一对支撑轴13将作为x’轴。

在图15A到15F中，用由静止的镜部分13c(围绕x’轴和y’轴两者都旋转0度)反射的光束形成光斑S0。类似地，当镜部分13c围绕x’轴旋转+5度和围绕y’轴旋转+10度时，围绕x’轴旋转+5度和围绕y’轴旋转0度时，围绕x’轴旋转+5度和围绕y’轴旋转-10度时，围绕x’轴旋转-5度和围绕y’轴旋转+10度时，围绕x’轴旋转-5度和围绕y’轴旋转0度时，以及围绕x’轴旋转-5度和围绕y’轴旋转-10度时，分别形成光斑S1到S6。请注意，为了更好地理解图像变形的差异，图中光斑S1到S6用直线连接以包围光斑S0。

在图15A中的入射角

为0处，镜部分13c处于静止位置并且它面对屏幕Sc，以致由入射角

所引起的投影图像的变形是最小的。从图15A到15F很明显地看出，入射角

越大，屏幕Sc上的图像变形越大。具体地，不考虑入射角

y轴方向上的光斑的位置大体上是相同的。相反，对于x轴方向上的光斑的位置，入射角

越大，与镜部分13c围绕y’轴的旋转相关的光斑位置的变化量越小。在光学扫描单元10t中，在与x’轴正交的平面中变化入射角的过程中，由于光的振幅在大致垂直方向(镜部分13c的y’轴旋转方向和屏幕Sc上的x轴方向)将变大成大约倍，因此随着入射角

增大，投影图像变形以根据

的值在x轴方向上缩小(变小成

倍)。

因此，为了以更大的入射角

来形成预定尺寸的图像，需要增加镜部分13c的(围绕y’轴)振幅。但是，这非常难实现。为此，有利的是利用本实施例中这样的偏转角转变元件14t来将光学偏转器13所偏转的光束的偏转角θ转变成更大的扫描角α。

即使使用了偏转角转变元件14t，为了生成所希望的尺寸的图像，入射角

应该优选地被设定为非常小的值，等于0或接近于0。然而这要求光学扫描单元包括光束分离器(后面在第五实施例中描述)，这带来了部件和组件的数量以及制造成本的增加以及部件排列的自由度的减小。然而，如上所述，由于所形成的图像的尺寸随着入射角

增加而

倍数减小，在45度的入射角

能够形成与0度的入射角能够形成的图像相比较约70％尺寸的图像。用这样的方式，可以不需要光束分离器而形成尺寸接近于想要的尺寸的图像。

在图15A到15F中，在屏幕Sc上的y轴方向上，光斑S1到S3的坐标的绝对值不同于光斑S4到S6的坐标的绝对值，因为镜部分13c围绕x’轴的旋转角的差异实质上与入射角

的差异相同地影响光束位置。此外，在光学扫描单元10t中，偏转角转变元件14t被***在光路中，以致变形量完全不是与入射角相关的

倍数增大的值。然而，在光路上不具有偏转角转变元件14的仿真中，非常接近于该增大的值。下面的表5中显示该仿真的实例。下面的表5显示在镜部分13c只围绕y’轴旋转10度(围绕x’轴旋转0度)时入射角为0、15、30、45、60和75度时的屏幕Sc上的光斑S的x坐标。注意表5中的括号中的值是通过将0度的入射角处的x坐标(由入射角导致的最小变形)乘以而得到的。并且，镜部分不围绕x’轴旋转；因此，y坐标总是为0(在x轴上)。

表5

[第二实施例]

接下来，参照图8描述根据第二实施例的图像投影器1A。图像投影器1A是彩色图像投影器，它的结构基本上和第一实施例中的图像投影器1的结构相同，以致对同样的功能和组件赋予与第一实施例相同的数字代号，并且省略对它们的详细说明。

图像投影器1A包括光学扫描单元10A，该光学扫描单元10A包括三个光源11a、11b、11c和三个发散光转变元件12a、12b、12c。光源11a、11b、11c分别是用于彩色图像投影的红、绿、蓝的单色光源。使用这样的单色光，图像投影器1A能够利用高的色纯度生成明亮的彩色图像。单色光源可以是具有适当的波长的激光器。在第二实施例中，光源11a是具有638nm的波长的红光的半导体激光器，光源11b是具有波长1060nm的绿光的半导体激光器并且使用560nm的二次谐波，以及光源11c是具有波长445nm的蓝光的半导体激光器。功能与第一实施例中的12相同的发散光转变元件12a、12b、12c被设置为将来自光源的光束聚焦成会聚光，并且它们具有相同的非球面的表面。

光学扫描单元10A被配置为在从发散光转变元件12a到光学偏转器13的光路上包括光路组合器单元16a、16b，以将从光源11a发射并且透射通过发散光转变元件12a、12b、12c的光束组合成一束。

在本实施例中，光路组合器单元16由电介质多层滤光器制成，并且具有反射预定波长范围的光而使该波长范围以外的光透射通过的特性。对应于光源11b的光路组合器单元16a反射95％以上的波长范围从510nm到570nm的绿光，并且使得90％以上的该范围以外的波长的光透射。对应于光源11c的光路组合器单元16b反射95％以上的波长范围从400nm到490nm的蓝光，并且使得90％以上的该范围以外的波长的光透射。

在图像投影器1A中，光源11a、11b、11c在控制单元20(光发射量控制单元22)的控制下适当地发射光束。来自红光源11a的光束被发散光转变元件12a转变成会聚光，并且通过光路组合器单元16a、16b透射至光学偏转器13。该束光的光路被设定为参考光路Pb。来自绿光源11b的光束被发散光转变元件12b转变成会聚光，被参考光路Pb上的光路组合器单元16a反射并且通过光路组合器单元16b透射到光学偏转器13。来自蓝光源11c的光束被发散光转变元件12c转变成会聚光，被参考光路Pb上的光路组合器单元16b反射至光学偏转器13。

如此，从光源11a、11b、11c发射的光束被发散光转变元件12a、12b、12c分别转变为会聚光，被光路组合器单元16a、16b组合并被引导至光学偏转器13。

如同第一实施例的图像投影器1，被组合的光束被光学偏转器13以偏转角θ偏转，被偏转角转变元件14转变成比偏转角θ更大的扫描角α的光束，并且在屏幕Sc上形成光斑S。光学偏转器13的镜部分13c在控制单元20(光学偏转器控制单元21)的控制下被驱动以反射会聚光并且二维地改变它的行进方向(偏转角θ)，从而在屏幕Sc上二维地形成光斑。为了光学扫描，根据图像数据(每一个像素(i，j)处的图像数据G(i，j))适当地控制光源11a、11b、11c的发射时刻、光强和发射时段，以在屏幕Sc上生成彩色图像。

如同根据第一实施例的图像投影器1，根据本实施例的图像投影器1A即使用具有较小的偏转角的光学偏转器13，也能够以较大的扫描角发射光束。因此，它能够在极近距离内投影图像并且在预定范围内维持恒定扫描速度以修正变形或者亮度的不均匀。

进一步，图像投影器1A包括单色光源11a、11b、11c，以致它能够形成高对比度和高色纯度的彩色图像。另外，图像投影器1A被配置为，直接对各个像素着色，并且根据暗的图像数据G(i，j)而不需要来自激光器的光发射对像素(i，j)着色。这能够防止图像的暗的部分变得太明亮并且与使用诸如液晶的微显示器的图像投影器相比提高了图像对比度。

进一步，根据本实施例的图像投影器1A，发散光转变元件12a、12b、12c被形成为同样的非球面形状。然而，本发明不限于此。根据半导体激光器的二次谐波的发散光，它们能够最佳地设计成具有彼此不同的焦距或者形状，以用来自单色光源的光束在屏幕Sc上形成所希望的光斑。

[第二实施例的变形例]

接下来，参照图17到22描述作为图像投影器1A的变形例的图像投影器1At(光学扫描单元10At)。图像投影器1At(光学扫描单元10A)是小尺寸的彩色图像投影器的另一个实例。它的结构基本上与第二实施例中的图像投影器1A相同，以致对同样的功能和组件赋予同样的数字代号，并且省略对它们的说明。图17示意地显示图像投影器1At的结构，但是为简单起见省略了控制单元20的显示。图18显示图像投影器1At中使用的第一发散光转变元件12At1的横截面，图19显示第二发散光转变元件12At2的横截面，图20显示光路组合器单元16At的横截面，图21显示聚焦透镜70的横截面，以及图22显示第二发散光转变元件12At2的横截面。在下文中，各个光学元件的光路的光轴方向(主光线)被设定为Z轴。然而，在图17到22中，光源11At的第一光源11At1的出射光轴方向被设定为Z轴，与Z轴正交的方向被设定为Y轴，与两个轴都正交的方向被设定为X轴。并且，在图18到22中，各个光学元件的光轴方向被设定为z轴，与图正交的方向被设定为x轴，与x-z平面正交的方向被设定为y轴。在下文中，将使用X、Y、Z轴(以下，全局轴)的正交坐标系来描述图像投影器1At的位置关系和结构，而将使用x、y、z轴(以下局部轴)的正交坐标系来描述各个光学元件的结构(透镜数据等)。

如图17所示，图像投影器1At的光学扫描单元10At被配置为包括第一和第二光源11At1、11At2，以及第一和第二发散光转变元件12At1、12At2。

第一光源11At1是混合激光器(HBLD)，在该混合激光器中，具有640nm的中心波长的半导体激光器芯片11ta(以下，红LD芯片)和具有445nm的中心波长的半导体激光器芯片11tb(以下，蓝LD芯片)在单个封装中在Y轴方向上排列。在第一光源11At1中，红LD芯片11ta的光发射点和蓝LD芯片11tb的光发射点之间(出射光轴两者之间)的距离被设定为0.9mm。光源11At1和第一发散光转变元件12At1的位置被确定以使得红LD芯片11ta的出射光轴与后面描述的第一发散光转变元件12At1的第一透镜表面12ta1的光轴12tc重合，以及红和蓝LD芯片11ta、11tb的出射光轴、光轴12tc、第一发散光转变元件12At1的第二透镜表面12ta2的光轴12td处于相同的表面内。来自红和蓝LD芯片11ta、11tb的光束(线性偏振发散光)透射通过保护玻璃11tc并且被引导至第一发散光转变元件12At1。

第一发散光转变元件12At1由具有n₆₄₀＝1.506643、n₄₄₅＝1.519219的折射率的玻璃材料制成，并且功能是使得来自红和蓝LD芯片11ta、11tb的光束变成大致平行的光束。如图18所示，第一发散光转变元件12At1包括面对第一光源11At1的第一表面12ta和面对后面描述的光路组合器单元16At的第二表面12tb。

第一发散光转变元件12At1的第一表面12ta包括第一透镜表面12ta1和第二透镜表面12ta2。第一透镜表面12ta1是旋转对称的非球面的表面，并且功能是耦合来自红LD芯片11ta的发散光。在正交坐标系(图18中的箭头x、y、z)中，旋转对称的非球面的表面可以由上述公式(1)表示，在该正交坐标系中，第一透镜表面12ta1的光轴12tc(旋转轴)上的点Q3是原点，从后面描述的光路组合器单元16At到红LD芯片11ta的方向是+z轴，图18中的水平方向的右侧是+y轴，从图的正面到背面的方向并且与z和y轴正交的方向是+x轴。透镜表面12ta1的上的数据在下面的表6中显示。

表6

	第一透镜表面12ta1
		r	-1.8945
k	-1.36684
		A	4.36388E-03
B	8.23972E-02
		C	-5.41640E-01
D	2.06620E+00
		E	-3.32445E+00
F	5.71337E-01
		G	4.54194E+00
H	-5.06044E+00
		J	1.67894E+00

第二透镜表面12ta2是非旋转对称的变形的非球面的表面，并且功能是耦合来自蓝LD芯片11tb的发散光。在正交坐标系(图18中的箭头x、y、z)中，变形的非球面的表面在x-y平面内在光轴方向上的距离z(平行于z轴的平面的垂度量)由下面的公式(2)表示，在该正交坐标系中，第二透镜表面12ta2的光轴12td(旋转轴)上的点Q4是原点，从后面描述的光路组合器单元16At到蓝LD芯片11tb的方向是+z轴。

公式(2)

$z=\frac{\mathrm{CUX}{x}^2+\mathrm{CUY}{y}^2}{1+\mathrm{SQRT}\{1-(1+\mathrm{KX})\mathrm{CU}{X}^2{x}^2-(1+\mathrm{KY}){\mathrm{CUY}}^2{y}^2\}}$

$+\mathrm{AR}{\{(1-\mathrm{AP})x^2+(1+\mathrm{AP})y^2\}}^2+\mathrm{BR}{\{(1-\mathrm{BP})x^2+(1+\mathrm{BP})y^2\}}^3$

$+\mathrm{CR}{\{(1-\mathrm{CP})x^2+(1+\mathrm{CP})y^2\}}^4+\mathrm{DR}{\{(1-\mathrm{DP})x^2+(1+\mathrm{DP})y^2\}}^3\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

这里CUX表示x方向的曲率(＝1/RDX，这里RDX是在x方向上的曲率半径)，CUY表示y方向的曲率(＝1/RDY，这里RDY是在y方向上的曲率半径)，KX表示X方向的圆锥系数，KY表示Y方向的圆锥系数，AR、BR、CR、DR分别是变形系数和第四、第六、第八、第十次旋转对称部分，以及AP、BP、CP、DP分别是变形系数和第四、第六、第八、第十次非旋转对称部分。

公式(2)的各个系数在下面的表7中显示。在表7中“E-0n”表示“10^-n”。

表7

	第二透镜表面12ta2
		RDY	-1.87285
RDX	-1.88279
		KY	-2.47171
KX	-3.14941
		AR	-2.70533E-06
BR	1.12256E-02
		CR	1.69715E-02
DR	-2.43464E-13
		AP	-3.06876E+01
BP	2.54510E-01
		CP	-7.31530E-02
DP	1.99910E+02

第一发散光转变元件12At1的第二表面12Atb是旋转对称的非球面的表面，并且它的旋转轴与第一表面12ta的第一透镜表面12ta1的光轴12tc重合。在正交坐标系(图18中的x、y、z)中，旋转对称的非球面的表面由上述公式(1)表示，在该正交坐标系中第二表面12tb的光轴12tc(旋转轴)的点Q5是原点，从后面描述的光路组合器单元16At到第一光源11At1的方向是+z轴。第二表面12tb上的数据在下面的表8中显示。

表8

	第二表面12Atb
		r	6.72201
k	-96.775174
		A	1.73436E-02
B	-3.73549E-03
		C	-8.57595E-05
D	4.33127E-05
		E	4.29861E-05
F	1.57947E-05
		G	-1.02243E-05
H	2.68002E-07
		J	7.83204E-08

第一透镜表面12ta1的厚度(在光轴12tc上从Q3到Q5)是1.5mm，第二透镜表面12ta2的厚度(在光轴12td上从Q4到Q5)是1.5mm。在y轴方向上，第一透镜表面12ta1的光轴12tc和第二透镜表面12ta2的光轴12td之间的距离是0.93mm。光轴12tc、12td位于Y-Z平面(全局轴)内。在图17中，第二光源11At2被设置为发射光，该光连同由第一发散光转变元件12At1转变的两条大致平行的光一起用于彩色图像投影。

第二光源11At2是具有1060nm的中心波长并且发射具有被转变的530nm的中心波长的SHG激光束的半导体激光器。来自第二光源11At2的出射点(实际发射点11te)的光束透射通过保护玻璃11td并且被引导至第二发散光转变元件12At2。

第二发散光转变元件12At2由具有在530nm的波长处的折射率n₅₃₀＝1.51199的玻璃材料制成，并且功能是使得来自第二光源11At2的光束变成大致平行的光束。如图19所示，它具有面对第二光源11At2的第一表面12te和面对光路组合器单元16At的第二表面12tf。

它的第一和第二表面12te、12tf是具有相同的光轴12tg(旋转轴)的旋转对称的非球面的表面。在正交坐标系(图19中的x、y、z)中，第一表面12te由上述公式(1)表示，在该正交坐标系中，光轴光轴12tg的点Q6是原点，从光路组合器单元16At到第二光源11At2的方向是+z轴，图19中的垂直方向的上侧是+y轴，从图的正面到背面的方向并且与z和y轴正交的方向是+x轴。类似地，在正交坐标系(图19中的x、y、z)中，第二表面12tf由上述公式(1)表示，在该正交坐标系中，光轴12tg上的点Q7是原点，从光路组合器单元16At到第二光源11At2的方向是+z轴。第一和第二表面上的数据在下面的表9中显示。

表9

	第一表面12te	第二表面12tf
			r	-16.1264	-1.44657
k	117.47157	-1.588621
			A	-8.65693E-02	-6.15995E-02
B	-4.93648E-02	-7.53448E-03
			C	5.92904E-02	1.25281E-02
D	-1.72890E-01	-3.16739E-02

在光轴12tg上，第二发散光转变元件12At2从Q7到Q8的厚度是1.5mm。如图17所示，光路组合器单元16At被设置为将来自第二和第一发散光转变元件12At2、12At1的不同波长的光束组合成一束。从而，被组合的光束透射通过聚焦透镜70并且被引导至光学偏转器13，用于扫描。光路组合器单元16At是如图20所示的板状棱镜，并且包括面对第一发散光转变元件12At1的第一表面16ta和面对第二发散光转变元件12At2的第二表面16tb。

第一表面16ta的法线(na)和第二表面16tb的法线在同样的平面内是不平行的，并且沿着相同表面的光路组合器单元16At的横截面是楔形。楔形的顶角β被设定为0.8度。第一和第二表面16t、16tb各自都包含具有波长选择特性的薄膜。在该变形实施例中，例如，第一表面16At的薄膜对于入射角为45±1.5度、波长为640nm±10nm的光具有95％的反射率和5％的透射率，对于入射角为45±1.5度、波长为530nm±5nm的光具有99％的透射率，以及对于入射角为46.5±2.5度、波长为445nm+10nm/5nm的光具有99％以上的透射率。第二表面16tb的薄膜对于入射角为43.5±1.5度、640nm±10nm的波长的光具有99％以上的透射率，对于入射角为46.5±1.5度、波长为530nm±5nm的光具有95％的透射率，以及对于入射角为46.5±1.5度、波长为445nm+10nm/-5nm的光具有5％的透射率。第一和第二表面16ta、16tb的薄膜被设定为使来自第一和第二发散光转变元件12At1、12At2的具有三种波长的大约5％的光束量透射(至后面描述的图17中的光接收元件71)。

光路组合器单元16At由具有折射率n₆₄₀＝1.514846，n₅₃₀＝1.519584，n₄₄₅＝1.525786的玻璃材料制成。在图20中，第一表面16ta的光心是点Q8，它在点Q8上的法线和第二表面16tb的交点是点Q9。

点Q8位于第一发散光转变元件12At1的第一表面12ta的第一透镜表面12ta1的光轴12tc上(图18中的Z轴方向)。光轴12tc与光路组合器单元16At的第一表面16ta成45度角，光路组合器单元16At的第一表面16ta垂直于包括光轴12tc、12td(图17、18中的Y-Z平面(全局轴))的平面。光路组合器单元16At的中心厚度(Q8和Q9之间)被设定为1.1mm。

从而，来自红LD芯片11ta的光束被第一发散光转变元件12At1耦合成线性偏振发散光。然后，主光线以45度的入射角入射在第一表面16ta的点Q8上，从而被聚焦透镜70反射。反射光的光路是从聚焦透镜70到光学偏转器13的组合的光束(后面描述)的单光路。如上所述，被第一发散光转变元件12At1耦合的大约5％的光束量透射通过光路组合器单元16并且行进至后面描述的光接收元件71。

来自蓝LD芯片11tb的光束被第一发散光转变元件12At1耦合成线性偏振发散光，入射在第一表面16ta上并再次被第二表面16tb反射至第一表面16ta，并与另一光束组合。如上所述，来自第一发散光转变元件12At1的大约5％的光束量透射通过光路组合器单元16At，并且行进至后面描述的光接收元件71。

类似地，来自第二光源11At2的光束被第二发散光转变元件12At2耦合成线性偏振发散光，入射在第二表面16tb至第一表面16ta上，并与另一光束组合。如上所述，来自第二发散光转变元件12At2的大约5％的光束量被光路组合器单元16At的第二表面16tb反射至后者描述的光接收元件71。

由光路组合器单元16At组合的具有三个波长的光束(激光束)透射通过孔元件72，并且被引导至聚焦透镜70。孔元件72包括开口，该开口的尺寸比光学偏转器13的镜部分13c的尺寸更小，以防止光束入射在除镜部分13c以外的部分。在该变形的实例中，孔元件72的开口的直径被设定为0.96mm，并且它的中心与光路的轴(组合光束的主光线)重合。孔元件72能够防止由入射在除镜部分13c以外的部分上的光引起的闪光的发生，该闪光可能引起彩色图像质量的劣化。

聚焦透镜70使具有三个波长的平行光束会聚，以在屏幕Sc上形成预定尺寸的光斑S(在图8和其它中)。它由具有折射率n₆₄₀＝1.514846，n₅₃₀＝1.519584，n₄₄₅＝1.525786的玻璃材料制成。聚焦透镜70包括面对孔元件72的第一表面70a和面对光学偏转器13的第二表面70b，这两个表面都是曲率中心在轴70c上的非球面。第一表面70a的曲率半径是6.65277mm，而第二表面70b的曲率半径是3.3mm。聚焦透镜70在光轴方向上(分别在第一和第二表面70a、70b的光轴70c上的Q10和Q11之间)的厚度是2.0mm。聚焦透镜70被布置成轴70c与单光路的光轴(孔元件72的开口的中心)重合。被组合的光束透过聚焦透镜70被引导至光学偏转器13。

光学偏转器13被配置为与根据第一和第二实施例的光学扫描单元10(图2)、10A相同。在光学扫描单元10At中，光学偏转器13被放置成镜部分13c的中心13f在单光路的光轴上，使得处于静止状态的镜部分13c的法线与光路的光轴成30度角(入射角＝30度)，并且y’轴(图17中的箭头y’)在包括第一和第二发散光转变元件12At1、12At2的光轴12tc、12tg(和光路的光轴)的平面内。光学偏转器13的x’轴(图17中的箭头x’)是垂直于图的方向。光学偏转器13被配置为围绕x’轴缓慢地旋转(副扫描方向)并且围绕y’轴快速地旋转(主扫描方向)。光束被光学偏转器13偏转至偏转角转变元件14At。

偏转角转变元件14At由具有折射率n₆₄₀＝1.506643，n₅₃₀＝1.51199，n₄₄₅＝1.519219的玻璃材料制成。如图22所示，偏转角转变元件14At是具有负光焦度的透镜并且包括面对光学偏转器13的第一表面14ta和面对屏幕Sc的第二表面14tb(图8和其它)。第一表面14ta是曲率中心在轴14tc上的球面，而第二表面14tb是非球面的且围绕轴14tc旋转对称。偏转角转变元件14被布置成使得轴14tc与被处于静止状态的镜部分13c偏转的光束的主光线重合。它的在轴14tc上的(从Q12到Q13)厚度是1.3mm。在正交坐标系(图22中的箭头x、y、z)中，第一表面14ta由上述公式(1)表示，在该正交坐标系中，轴14tc上的点Q12是原点，从光学偏转器13到屏幕Sc的方向是+z轴，与+z轴正交的方向的上侧是+y轴，从图的正面到背面的方向并且与z和y轴正交的方向是+x轴。在正交坐标系中，第二表面14tb用上述公式(1)表示，正交坐标系中轴14tc上的点Q13是原点，从光学偏转器13到屏幕Sc的方向是+z轴。第一和第二表面上的数据在下面的表10中显示。

图10

	第一表面14ta	第二表面14tb
			r	-3.06894	-0.00822
k	0	-1553036.915
			A	0	-7.15587E-04
B	0	2.14538E-04
			C	0	-2.92748E-05
D	0	1.47948E-06

入射光束被偏转角转变元件14转变(放大)成具有更大扫描角并且被投影至屏幕Sc的光束。

在光学扫描单元10At中，第二发散光转变元件12At2的光轴12tg位于在-Z轴方向上(全局轴，在蓝LD芯片11tb的出射光轴上从第一光源11At1到光路组合器单元16At)与点Q8相距0.37mm的位置，点Q8作为光路组合器单元16At的第一表面16ta的中心。第二光源11At2的出射点(具有530nm的中心波长的SHG光的实质发射点)位于在-Z轴方向上与点Q8相距0.33mm的位置。

聚焦透镜70的第一表面70b的点Q11和镜部分13c的中心位置13f之间的距离被设定为2.5mm。镜部分13c的中心位置13f和偏转角转变元件14的第一表面14ta的点Q12之间的距离被设定为3.0mm。

如图17所示，光学扫描单元10At包括光接收元件71，该光接收元件71以与所接收的光束的量相符的等级将接收信号输出至控制单元20(图8)。光路组合器单元16At使具有三个波长的光束的大约5％的光量透射通过它。光接收元件71被布置成使得它的光接收表面接收被光路组合器单元16At的第一和第二表面16ta、16tb反射的光束或者透射通过该第一和第二表面16ta、16tb的光束。

在光学扫描单元10At中，利用来自光接收元件71的接收信号，控制单元20(图8)控制(反馈控制)用于第一和第二光源11At1、11At2的驱动电流以将从第一和第二光源11At1、11At2处发射的光量调整至预定量。从而，光学扫描单元10At能够形成良好的、不存在由于周围温度变化等引起亮度或者颜色平衡的变化的彩色图像。并且，其它实施例可以采用使用光接收元件71的反馈控制并且获得与本实施例同样的效果。

光学扫描单元10At能够获得与第二实施例中的光学扫描单元10A同样的效果。另外，使用用作第一光源11At1的混合激光器，第一光源11At1在单个封装中合并了红和蓝LD芯片11ta、11tb，从而减小了彩色图像投影器的光学模块的尺寸。

[第三实施例]

参照图9描述根据第三实施例的图像投影器1B。图像投影器1B包括形成比根据第二实施例的图像投影器1A更好的彩色图像的附加功能。图像投影器1B的结构与图像投影器1A的相同；因此，对同样的功能和组件赋予同样的数字代号，并且省略对它们的详细说明。

图像投影器1B包括控制单元203，除了光学偏转器控制单元21和光发射量控制单元22之外，该控制单元203还包括图像处理单元26(图像处理电路)。为了在屏幕Sc上投影良好的图像，图像处理单元26根据控制单元203所接收到的原始图像信号23来修正图像数据G(i，j)，并且将修正后的图像数据G’(i，j)输出至光学偏转器控制单元21和光发射量控制单元22。通过图像数据修正，能够修正屏幕Sc上的由于光学投影***的光学特性(举例来说，发散光转变元件12a、12b、12c和偏转角转变元件14的光学特性，以及光学偏转器13的扫描速度特性)引起的彩色图像的劣化。

下文描述图像修正的类型。

(变形修正)

图10显示屏幕Sc上变形的图像和被修正的图像。在图10中，根据原始图像信号23

(图9)在屏幕Sc上适当地形成矩形231，而矩形232由于光学***而变形。

变形的矩形232被修正为屏幕Sc上的矩形231。具体地，变形的矩形232上的各个点被转换为矩形231上的适当的点，以按照原始图像信号23准确地在屏幕上投影彩色图像。这里，光斑S的位置在光学偏转器控制单元21的控制下由光学偏转器13的振幅来确定。因此，光发射量控制单元22被配置为按照光学偏转器13的振幅来控制光源11a、11b、11c的发射时刻和发射量。光源被控制为，通过参照存储在未显示的存储器中的对照表，根据光学偏转器13的角度和在像素(i，j)处的图像数据G(i，j)以一强度发射光，该对照表显示光学偏转器13的角度和光斑位置(i，j)之间的关系。进一步，在将图像数据G(i，j)变换成图像数据G’(i，j)之前，获得将变形的矩形232变换成适当的矩形231的变换函数。按照光学偏转器13的操作来执行光源对光发射的控制以将变换的图像数据G’(i，j)形成在屏幕Sc上。当通过改变光源的发射时刻而修正变形的矩形232时，矩形231以外的变形的矩形232的部分未被照亮。因此，矩形231上的累积光量小于变形的矩形232。从而，光源被控制为发射与形成变形的矩形232的光量相比增加的光量来形成矩形231，以维持光量。

在图像投影器1B中，当控制单元203接收原始图像信号23时，图像处理单元26适当地修正原始图像信号23，并且光学偏转器控制单元21和光发射量控制单元22根据被修正的原始图像信号23控制光源11a、11b、11c和光学偏转器13。这使得能够在屏幕Sc上生成具有非常小的变形的良好的图像。

(梯形变形修正)

其它因素也可以引起图像变形的发生。例如，当图像投影器1B和屏幕Sc相对于彼此倾斜时，投影的彩色图像屏幕Sc上可能包含梯形变形。图像处理单元26或未显示的等效处理单元能够以与上述变形同样的方式修正梯形变形。

日本未经审查的专利申请第2006-178346号公报和第2006-234157号公报公开了一种通过设定光学***以对其实现预定修正量来修正梯形变形的技术。然而，由于梯形变形是由图像投影器1B和屏幕Sc之间的位置关系引起的，变形的量和方向(顶边和底边之间的关系)将根据两者的位置关系而变化。特别地，变形的量和方向的变化在用合并有图像投影器1B的移动装置投影的情形中是显著的。有了上述考虑，根据第三实施例的图像投影器1B被配置为能够用图像处理单元26或等效的处理单元调节梯形变形修正的量。例如，它能够被配置为允许用户通过在观察投影图像的同时对慢进转盘或按钮的操作来调节修正量。在该情况中，对于图像投影器1B来说可以通过存储用于梯形变形的变换函数并且根据修正量改变它的变换函数或系数，按照调节的修正量来投影修正后的图像。如此，图像投影器1B能够形成具有非常小的变形的彩色图像。

(亮度不均匀的修正)

在图像投影器1B中，光学偏转器13的镜部分13c正弦地摆动，用于形成光斑S，以致光束的扫描角α(偏转角θ)相对于时间正弦地变化。因此，在时间轴的零点处或者扫描角α(偏转角θ)为0处，扫描速度是最快的，并且如图4B、4C所示地，扫描角α(偏转角θ)越大，扫描速度越慢。也就是说，每个像素的累积光量根据扫描角α变化。在用具有某个亮度水平的光束扫描投影平面的情形中，由于光束以高扫描速度经过以小的扫描角α扫描的投影平面的区域，该区域将由于每个像素的较小的累积光量而较暗。相反，由于光束以低扫描速度经过以大的扫描角α扫描的投影平面的区域，该区域将由于每个像素的相对较大的累积光量而较亮。

与根据第一实施例的变形例的图像投影器1A类似，图像投影器1B显示处在某个范围内的恒定扫描速度以及光束强度的改善的均匀性。然而，进一步修正改善的均匀性导致投影的彩色图像的提高的质量。调节光源11a、11b、11c的发射量的图像处理单元26或未显示的等效处理单元能修正亮度分布的不均匀。为此目的，图像处理单元从镜位置信号Mp(镜部分13c的角度)确定光斑的像素位置(i，j)并且控制光源按照像素位置(i，j)发射具有修正过的强度的光束。完成亮度的不均匀的修正，以致光源被控制成用相对较低的强度或在相对较短的发射时间内发射光至图像的***，同时被控制为以相对较高的强度或者在相对较长的发射时间内发射光至图像的中心。通过参照存储在未显示的存储器中并且显示像素位置(i，j)和修正量(修正后的光强)之间的关系的对照表，能够修正像素(i，j)处的光强。并且，通过用于像素的函数和修正量能够修正光强。从而，图像投影器1B能够形成具有非常小的亮度不均匀的图像。

(变形修正2)

如上所述，在彩色图像中发生由于伴随扫描角α(偏转角θ)增大而减小的扫描速度所导致的变形。图像处理单元26或未显示的等效处理单元用与上述变形同样的方式能够修正这样的图像变形。从而，图像投影器1B能够形成具有非常小的失真的彩色图像。

(颜色修正)

图9的图像投影器1B被配置为将来自光源11a、11b、11c的具有不同波长的三束光束(红、绿、蓝)组合成一束，并且用光学偏转器13偏转该光，用单个偏转角转变元件14将该光的偏转角θ转变成扫描角α。归因于组合的光的不同的波长，色差出现，并且光的转变的扫描角α根据波长变化，这可能导致根据同样的图像数据G(i，j)在屏幕Sc上形成的光斑S中的色移。

通过对每个波长(红、绿、蓝)进行测量或设计能够获得这样的色移的量，以致能够通过修正来自光源11a、11b、11c的光束的光斑位置S来修正色移。如此，图像处理单元26或等效的处理单元控制光源11a、11b、11c以在按照光学偏转器13的镜部分13c的移动的时刻发射光束。例如，图像处理单元26能够根据三种颜色的光斑位置的移动量来独立地调节光源11a、11b、11c的发射时刻。从而，能够在屏幕Sc上形成没有色移的图像。

进一步，由于诸如组装误差和条件误差，它的部件和组件的差异以及由于温度或时间变化导致的变化的光源11a、11b、11c和光路组合器单元16的多种因素，可能出现这样的色移。因此，优选的是图像处理单元26或等效处理单元中用于色移的修正量在适当时是可变的。例如，设置了修正操作单元(未显示)，能够按照来自修正操作单元的输入来调节修正量。从而，彩色图像投影器1B能够形成具有非常小的色移的彩色彩色图像。

(第四实施例)

接下来，参照图11描述合并了根据第一到第三实施例中任意一个的图像投影器的用于车辆的平视显示装置30。

平视显示装置30被设置在车辆内部，主要包括投影器31和反射来自投影器31的光的挡风玻璃32。

投影器31是根据第一和第三实施例的图像投影器中的任意一种，并且将图像投影在光轴方向上的预定位置。投影器31被布置成使得它的光轴(光源11或光源11a到11c的发射方向)被指向挡风玻璃32，挡风玻璃32在指向驾驶员33的头部的方向上反射光。

没有覆层的挡风玻璃32的反射率是能够反射足以投影图像的光的玻璃表面反射率的大约百分之几。由于它包括反射来自光源11(11a到11c)的光束并显示出改进的反射率的局部反射表面32a，投影器31能够用较低的光源照度来形成图像。为了提高反射率，局部反射表面32a能够通过涂敷或汽相淀积来包括薄的金属膜、电介质多层等。替代地，局部反射表面32a可以通过已知的技术来包括能够通过在目标区域上涂敷树脂或者压印该区域而形成的微结构。另外，能够在挡风玻璃的模具上直接形成微结构。优选的是将局部反射表面32a配置成仅仅有效地反射具有特定波长的光束，特别是当光源是如同上面的实施例那样的发射相对窄的带宽的单色光束的激光器或者LED时。这能够提高投影图像的对比度和可见度。进一步，通过使用用作光源的激光器，它能够增加设计具有偏振选择特性的层和微结构的自由度。局部反射表面32a能够使环境光透射通过它，并且将来自光源11的光束反射至驾驶座中的驾驶员33的眼睛。

局部反射表面32a被设置在车辆内部以致上述层或微结构能够免于被风挡刮水器缠绕或摩擦。进一步，在与局部反射表面32a对应的挡风玻璃的外表面上设置反射保护层，可以抑制外表面的反射，防止重叠图像的形成并提高投影图像的质量。

通过驱动投影器31，光束被发射至局部反射表面32a，并且被反射至驾驶员33的眼睛的方向。此时，在挡风玻璃32的前面形成虚像Vi。驾驶员33通过局部反射表面32a看见作为虚像Vi的投影图像。

第四实施例描述作为实例的平视显示装置30(图11)，该平视显示装置30用局部反射表面32a反射来自投影器31的光束以在作为虚的投影平面的挡风玻璃的前面投影图像。然而，本发明不限于这样的构造。平视显示装置能够以任意方式配置，只要它合并了根据第一到第三实施例中的任意一个即可。例如，能够配置成，投影器31在仪表板上方设置的屏幕(屏幕Sc)上投影图像，驾驶员33经由局部反射表面32a看到投影图像。在该情况中，投影在屏幕上的图像的虚像在挡风玻璃32的前方被看到。另一个实例是图像直接投影在挡风玻璃32的局部反射表面32a上。

此外，根据车辆平视显示装置30，除了根据第一到第三实施例的图像投影器之外，投影器31能够是根据下面的第五实施例的图像投影器IC。

(第五实施例)

接下来，参照图23描述根据第五实施例的图像投影器1C。图像投影器1C包括允许镜部分上的光的入射角

(参见第一实施例的变形例)差不多为0的光束分离器。图像投影器1C的结构基本上和第二实施例中的图像投影器1A的结构相同，以致对同样的组件和功能赋予与第一实施例相同的数字代号，并且省略对它们的详细说明。注意，为了简化起见，图23省略了控制单元20(控制单元203)的显示。

图像投影器1C包括光学扫描单元10C，该光学扫描单元10C包括在光学偏转器13和偏转角转变元件14之间的光束分离器50和聚焦透镜51。在光学扫描单元10C中，光源11a发射具有640nm的中心波长的线性偏振发散光，光源11b发射具有530nm的中心波长的线性偏振发散光，光源11c发射具有450nm的中心波长的线性偏振发散光。发散光被发散光转变元件12a、12b、12c分别转变成大致平行的光，并且它们透射通过光路组合器单元16a、16b并被引导至光束分离器50。

光束分离器50包括棱镜，该棱柱包括偏振分离膜50a和相位片52。偏振分离膜50a用于偏振分离，并且被设定为反射来自光路组合器单元16a、16b的具有640、530、450nm的中心波长的线性偏振平行光。相位片由λ/4片制成，以协助偏振分离膜50a的偏振分离。光束分离器50的棱镜由具有高折射率的玻璃材料制成；因此，它允许光学偏转器13所偏转的光束以恒定角度入射在偏振分离膜50a上。

在第五实施例中，由SCHOTT AG制造的玻璃材料SF11(折射率n₆₄₀＝1.777781，n₅₃₀＝1.795226，n₄₅₀＝1.819054)被用于光束分离器50的棱镜。包括相位片52的光束分离器50形成为具有4mm的边的立方体。偏振分离膜50a相对于相位片52倾斜45度，并且它具有与光束分离器50相同的折射率。光束分离器50被布置成使得偏振分离膜50a在与相位片52的垂直线重合的方向上反射来自光路组合器单元16a、16b的线性偏振平行光。偏振分离膜50a反射的平行光由相位片52被转变为圆偏振光。在被转变的平行光的行进方向上设置了聚焦透镜51。

聚焦透镜51的透镜表面具有由第一实施例的公式(1)表示的非球面的形状，并且它的中心厚度是1.8mm。聚焦透镜51使得圆偏振的平行光变成圆偏振的会聚光。光学偏转器13被设置在圆偏振的会聚光的行进方向上以面对聚焦透镜51。圆偏振的会聚光被在预定角范围内旋转的镜部分13c偏转以再次入射在聚焦透镜51上，并且入射在相位片52和光束分离器50上。通过相位片12，圆偏振的会聚光被转变成线性偏振光，该线性偏振光具有相对于由偏振分离膜50a所反射的线性偏振平行光的相位旋转90度的相位。从而，入射的会聚光再次透射通过偏振分离膜50a。偏转角转变元件14被设置在会聚光的行进方向上，并且在正交坐标系中具有由下面的公式(3)表示的形状不规则的、非旋转对称的xy多项式非球面形状，在该正交坐标系中，从光学偏转器13到偏转角转变元件14的光轴方向是+Z轴方向。它的中心厚度是2mm。

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\mathrm{SQRT}[1-(1+k)c^2{h}^2]}+\underset{j=2}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^m{y}^n,j=[{(m+n)}^2+m+3n]/2+1\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

h²＝x²+y²

其中SQRT(Q)表示Q的平方根，z表示与Z轴平行的平面的垂度，c表示近轴曲率(c＝1/r，其中r是曲率半径)，k是圆锥常数，Cj是x^myⁿ(C1＝k)的系数。

聚焦透镜51包括面对光学偏转器13的第一表面51a和面对光束分离器50(相位片52)的第二表面51b。第一和第二表面51a、51b上的数据在下面的表11中显示。并且，偏转角转变元件14包括面对光束分离器50的第一表面14a和相对侧上的第二表面14b。第一和第二表面14a、14b上的数据在下面的表12中显示。在表11、12中，“E-0n”代表10^-n。

表11

	第一表面51a	第二表面51b
			Y曲率半径	-19.27821	-7.81898
圆维常数(K)	0	0
			第4次系数(A)	-1.03837E-02	-7.72978E-03
第6次系数(B)	2.60615E-02	1.99134E-03
			第8次系数(C)	-1.15980E-01	-2.83959E-03
第10次系数(D)	1.78671E-01	1.06423E-03

表12

	第一表面14a	第二表面14b
			Y曲率半径	-2.61282	-21.37601
C1	-6.37139E-02	-6.32679E+01
			C2	1.36565E-02	1.58637E-02
C3	-1.92926E-02	-3.26041E-02
			C4	-9.95952E-03	-4.88315E-02
C5	-8.77081E-04	-6.86162E-04
			C6	-5.71051E-03	-4.48665E-02
C7	3.83616E-03	3.07467E-03
			C8	1.96274E-03	2.32631E-03
C9	9.95785E-05	-1.75772E-04
			C10	-8.56356E-04	1.95995E-04
C11	5.61833E-03	2.15677E-03
			C12	-2.51097E-06	5.05552E-04
C13	8.70872E-06	-1.18958E-03
			C14	1.23661E-04	7.97527E-05
C15	6.18582E-04	-5.65857E-04
			C16	1.11484E-03	3.92203E-04

在第五实施例中，聚焦透镜51和偏转角转变元件14由SCHOTTAG制作的玻璃材料BK7(折射率n₆₄₀＝1.514846，n₅₃₀＝1.519584，n₄₅₀＝1.525320)制成。光束分离器50和聚焦透镜51之间在光轴上的距离是0.2mm，聚焦透镜51和光学偏转器13(镜部分13c)在光轴上的距离是0.5mm，光束分离器50和偏转角转变元件14之间在光轴上的距离是1.5mm。考虑到图像投影器的尺寸减小，发散光转变元件12和光束分离器50优选地应该被布置成彼此接近。

为了与光学扫描单元10C相对比，参照图24描述光学扫描单元10C’，为了简化起见，图24也省略了对控制单元20(控制单元203)的显示。光学扫描单元10C与光学扫描单元10C’相同，除了它不包括光束分离器50以及聚焦透镜51和偏转角转变元件14之间的距离是2.2mm之外。这使得不需要光束分离器50就适当地使得斑点尺寸变窄。进一步，设置了反射面50b，该反射面50b具有与光学扫描单元10C的偏振分离膜50a和相位片52等效的偏振分离。

图23、24中的光学扫描单元10C、10C’都被设计成将光束聚焦在与偏转角转变元件14的第二表面14相距205mm的位置处。图25A、25B显示当光学扫描单元10C、10C’的光学偏转器13分别围绕x轴旋转5度的时候图像平面上的光斑图。

在图25A中，光学扫描单元10C在差不多相同的位置形成三种颜色的光斑(R、G、B)，而光学扫描单元10C’在不同的位置形成三种颜色的光斑。从而，包括光束分离器50的光学扫描单元10C能够修正色差。

偏转角转变元件14是具有负光焦度的透镜，并且折射来自倾斜的光学偏转器13的发散(在远离光轴的方向上发射)的光束。它更大地折射具有较短的波长的入射光。这在光学扫描单元10C’中是显著的。相反，在包括光束分离器50的光学扫描单元10C中，光束分离器50按照波长使入射光束***，并且在接近光轴的方向上发射较短波长的光束。

如上所述，由于光束分离器50和偏转角转变元件14的特性被设定成考虑到具有不同波长的光束的折射率的差异，因此光学扫描单元10C能够减少色差。

使用了光束分离器50，可以将光学扫描单元10C中的镜部分13c上的光的入射角

设定为0以致它能够避免由于入射角引起的图像变形。

接下来，参照图26描述作为第五实施例中的图像投影器的变形例的图像投影器1Ct。在图像投影器1Ct中，偏转角转变元件14t5包括由彼此不同的玻璃材料制成的多个透镜(在本实施例中是2个)。图像投影器1Ct的结构基本上和第五实施例中的图像投影器1C的结构相同，以致对同样的组件和功能赋予与第一实施例相同的数字代号，并且省略对它们的详细说明。注意，为了简化起见，图26省略了控制单元20(控制单元203)的显示。

偏转角转变元件14t5包括第一透镜14A和第二透镜14B。第一透镜14A由HOYA有限公司制造的玻璃材料LaF2(折射率n₆₄₀＝1.740080，n₅₃₀＝1.749756，n₄₅₀＝1.762083)制成。第一透镜14A包括面对光束分离器50t5的非球面的第一表面14Aa和球面的第二表面14Ab。第一和第二表面上的数据在下面的表13中显示。

表13

	第一表面14Aa	第二表面14Ab
			r	-3.81443	-57.69500
k	0	0
			A	4.96976E-04	0
B	2.37495E-04	0
			C	-2.17429E-05	0
D	1.23840E-06	0

第二透镜14B由上述由SCHOTT AG的玻璃材料SF11制成。第二透镜14B包括面对第一透镜14A的球面的第一表面14Ba和非球面的第二表面14Bb。第一和第二表面上的数据在下面的表14中显示。

表14

	第一表面14Ba	第二表面14Bb
			r	55.69676	-21.45130
k	0	0
			A	0	5.65731E-04
B	0	-1.38671E-06
			C	0	-1.68803E-07
D	0	2.42731E-09

在图像投影器1Ct中，光束分离器50t5和聚焦透镜51t5的光学数据和尺寸不同于第五实施例中的图像投影器1C。

光束分离器50t5包括具有5mm的边的立方棱镜和厚度为0.5mm的相位片52t5，该立方棱镜由SCHOTT AG的玻璃材料SF11制成。相位片52t5具有n₆₄₀＝1.515、n₅₃₀＝1.520、n₄₅₀＝1.525的折射率。

聚焦透镜51t5由上述SCHOTT AG的玻璃材料BK7制成，并且具有由第一实施例中的公式(1)表示的非球面形状。中心厚度是1.8mm。聚焦透镜51t5包括面对光学偏转器13的第一表面51ta和面对光束分离器50t5的第二表面51tb。第一和第二表面上的数据在下面的表15中显示。在表15中，“E-0n”代表10^-n。

表15

	第一表面51ta	第二表面51tb
			r	11.95774	93.94806
k	0	0
			A	2.87818E-03	2.69767E-03
B	1.59861E-04	1.15924E-03
			C	7.04233E-05	1.91127E-03
D	2.00773E-05	-1.14693E-03

图27A显示当光学扫描单元10Ct中的光学偏转器13处于基准位置(静止位置，旋转角＝0，摇摆角＝0)时图像平面上的光斑图，而图27B显示当光学偏转器13围绕其中一根轴旋转15度(摇摆角＝15度)时图像平面上的光斑图。

在图27A中，当光学偏转器13不旋转时，R、G、B颜色的光斑位置差不多彼此重合，并且在图27B中，它们处于靠近图像平面的中心的非常小的区域中。从图27A、27B看，通过使用包括由不同玻璃材料制成的第一和第二透镜14A、14B的偏转角转变元件14t5，光学扫描单元10Ct能够减少色差。优选的是，第一和第二透镜14A、14B的玻璃材料或光学数据是最佳选择的或者考虑到了光束分离器50t5或其他光学元件而设定的。进一步，虽然图中未显示，但是当光学偏转器13旋转15度(偏转角θ＝30度)时，已经穿过偏转角转变元件14t5的光束的扫描角α是大约45度。从而，偏转角转变元件14t5能够具有偏转角转换(放大)功能是确定的。

[第六实施例]

参照图28A、28B描述合并了根据第一到第三和第五实施例的图像投影器的移动电话40。图28是例如在平面上的移动电话40的侧视图，而图28B显示从箭头A方向看时的图28A的移动电话40。

根据第六实施例的移动电话40包括具有键操作部件41a的电话主体41，包括未显示的屏幕显示器的盖部分42，和将电话主体41和盖部分42可旋转地连接的轴43。虽然在图中未显示，移动电话40具有折叠(闭合)状态和打开状态，在该折叠状态中，电话主体41和盖部分42彼此平行，在该打开状态中，电话主体41和盖部分42彼此远离预定角度。

在移动电话40中，盖部分42包括投影器44，该投影器44包括根据本发明的图像投影器并将图像沿光轴方向投影在预定位置。在本实施例中，投影器44被配置为在平面45上投影图像46，在该平面45上放置处于打开状态的移动电话40(盖部分42垂直于电话主体41)。

光轴方向Lb(光源11或光源11a至11c的发射方向)相对于平面45倾斜，以致光从在平面45上直立的盖部分42的顶表面42a指向平面45。

因为光轴Lb相对于平面45倾斜，由投影器44以与上面的实施例中同样的方式投影在平面45上的图像可能具有梯形变形(图28B中链式双点划线指示的46’)。梯形变形能够如下所述地被修正。

移动电话40的尺寸和移动电话40中投影器44的位置是预定的。因此，根据移动电话40的投影器模式的设定、以及移动电话40和投影平面之间的位置关系能够确定从投影器44的光发射点(上面的实施例中的偏转角转变元件)到投影平面的距离或者它们的位置。在本实施例中，根据从投影器44的光发射点到平面45的距离、光轴相对于平面45的入射(投影)角度和平面45上的电话主体41的位置，确定将被投影到平面45上的图像的位置。从而，能够预先知道相对于适当的矩形图像46，在平面45上的图像有多大程度的梯形变形。在移动电话40中，基于图像数据的光斑位置被修正以基于原始图像信号形成适当的矩形图像46。以与第三实施例相同的方式执行移动电话中的变形修正，对它的详细说明被省略。

在移动电话40的投影器模式中，电话主体41以预定方式被放置(在本实施例中处于打开状态)以将图像投影在所希望的地方(平面45)。移动电话40根据来自光源11(11a到11c)的光束将图像46投影在平面45上。通过合并根据本发明的能够执行近距离图像投影的图像投影器，移动电话40能够在平面45上投影大的图像，例如在距离偏转角转变元件14约240mm的距离内投影A4尺寸的图像。使用当前流行的平均尺寸的移动电话作为移动电话40，非常容易将从投影器44的光发射点到平面45在光轴方向上的距离(或者从发射点到投影图像的最短距离)设定为约240mm以上。从而，移动电话40能够在平面45上投影至少约A4尺寸的良好的、大的图像，而没有梯形变形。如此，移动电话40能够提供非常有用的投影器功能，以在例如在放置其的书桌上投影约A4尺寸的图像。

进一步，由于光轴方向Lb相对于平面45的倾斜，移动电话40的投影器44能够提高在极近距离内的大的投影图像的可见度。这是因为，采用相对于平面45倾斜的光轴方向Lb，在观看者看见投影图像的同时，移动电话40能够被放置在它们的视野外的位置。而采用垂直于或者差不多垂直于投影平面的光轴方向Lb，移动电话40阻挡观看者的视野。

在根据第六实施例的移动电话40中，为了在平面45上投影图像，电话主体41处于打开状态，然而，本发明不限于此，只要能够对于所希望的投影平面在预定状态中执行投影器功能即可。移动电话的投影平面不必是它被放置的平面，例如，它可以是悬挂在墙壁上的屏幕。并且，在该情形中，即使在极近的投影距离内，也可以投影大尺寸的图像。

如上面的实施例所描述的，在根据本发明的光学扫描单元中，偏转角转变元件具有负光焦度以将光学偏转器所偏转的光束的偏转角转变成更大的扫描角。从而，即使使用小振幅的可旋转的镜，也可以用光束广泛地扫描，而不管振幅的上限，并且可以在极近距离内投影图像。

进一步，偏转角转变元件能够由单透镜构成，以致它能够减小以高的视场角(fieldofangle)进行扫描的光学扫描单元的尺寸，对合并有该光学扫描单元的投影器的尺寸减小做出贡献。

进一步，偏转角转变元件可以包括由不同的玻璃材料制成的多个透镜。这可以减少使用多个光源所形成的彩色图像的色差，并且提供了能够形成高质量的、没有色移的图像的图像投影器。

光学偏转器包括彼此一体形成的第一偏转器部分和第一偏转器部分。这能够减小光学偏转器的尺寸，致使整个光学扫描单元的尺寸减小。

进一步，光学偏转器包括能够由第一和第二偏转器部分旋转的镜部分，并且已经穿过发散光转变元件的光束的入射角相对于镜部分的法线的角度被设定为45度以下。这能够减少由于入射角的过大(magnitude)导致的图像变形。

进一步，光学扫描单元包括可旋转的镜部分和光束分离器，以致它能够减少使用多个光源所形成的彩色图像的色差，并且生成没有由入射角的过大导致的变形的图像。从而，可以提供形成高质量的、没有色移的彩色图像的图像投影器。

进一步，根据本发明，光学偏转器的偏转角越大，扫描角越大。因此，即使使用小振幅的可旋转的镜部分，也可以用光束广泛地扫描，而不管振幅的上限，并且可以在极近距离内的投影图像。并且，可以在更长的时间内维持恒定的扫描速度，以修正图像变形和亮度中的不均匀。

进一步，根据本发明，发散光转变元件和偏转角转变元件各自都包括围绕光轴旋转对称的透镜表面。因为制造误差和组装误差能够被设定为较大的值，这为发散光转变元件和偏转角转变元件的加工和组装更便利。

进一步，偏转角转变元件可以是非旋转对称的透镜，以致用倾斜的光轴投影，帮助减少了投影平面上的图像的变形或失真。这也可以提高诸如光斑尺寸和光点强度的光斑的质量。

根据本发明，偏转角转变元件包括至少一个非球面的表面。因此，它能够以更大的扫描角发射光束，而不会放大投影平面上的光斑尺寸。

根据本发明，合并了上述尺寸减小的光学扫描单元的图像投影器能够在极近距离内投影具有很小变形的大图像。它能够控制光源的光发射时刻或光发射量，并且在投影平面上投影具有小的梯形变形、小的色移和小的亮度不均匀的良好的图像，而不降低图像分辨率。

进一步，根据本发明，合并了上述的尺寸减小的图像投影器的车辆平视显示器能够在极近距离内形成大的图像，并且为驾驶员提供高可见度的良好的图像。

进一步，车辆平视显示器的尺寸较小的图像投影器能够执行近距离投影以致它能够被放置在车辆的各种区域内。

根据本发明，合并了上述图像投影器的移动电话能够在无需增加它的尺寸的前提下在极近距离内投影良好的大图像，并且为用户提供高可见度。

虽然已经根据示例性的实施例描述了本发明，但是它不限于此。应该理解的是，在不脱离下面的权利要求所限定的本发明的范围的前提下，本领域普通技术人员能够对所描述的实施例做出变化。

Claims (4)

1.一种光学扫描单元(10)，其特征在于，包括：

三个光源，用于发出第一到第三不同颜色的光；

第一到第三发散光转变元件，具有使得来自所述三个光源的第一到第三颜色的发散光转变成会聚光以在投影平面上形成光斑的正光焦度；

控制单元，用于控制从所述光源发出的光；

光路组合器元件，在第一表面接收来自所述第一和第二发散光转变元件的光，在与所述第一表面相对的第二表面接收来自所述第三发散光转变元件的光，并且分别在第一和第二方向上发射光，所述第一表面使得一部分所述第一颜色的光和几乎全部所述第二和第三颜色的光透射，所述第二表面使得几乎全部所述第一颜色的光和一部分所述第二颜色的光透射并且反射部分所述第三颜色的光；

光学偏转器，设置在所述第一方向上的光路中，使来自所述光路组合器元件的光在第一扫描方向上和第二扫描方向上偏转，所述第二扫描方向与所述第一扫描方向正交；

偏转角转变元件，具有使得由所述光学偏转器偏转的光的偏转角转变的负光焦度；以及

光接收元件，设置在所述第二方向上的光路中，以根据所接收的光量向所述控制单元输出信号，其中，

所述控制单元配置成根据从所述光接收元件输出的信号来控制从所述光源发出的光。

2.一种图像投影器(1)，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的光学扫描单元(10)；以及

控制单元(20)，控制所述光学扫描单元(10)，其中

所述控制单元(20)包括光源控制电路(22)、偏转角控制电路(21)和图像处理电路(26)，所述光源控制电路(22)控制所述光源(10)的光发射，所述偏转角控制电路(21)控制所述光学偏转器(13)的偏转角，所述图像处理电路(26)适当地修正获得的图像数据并且将修正后的图像数据输出至所述偏转角控制电路(21)和所述光源控制电路(22)。

3.一种车辆平视显示装置(30)，其特征在于，包括如权利要求2所述的图像投影器(1)。

4.一种移动电话(40)，其特征在于，包括如权利要求2所述的图像投影器(1)。

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