CN102789055A - 扫描型投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描型投影装置，能够以简单的结构投影分辨率高且明亮的图像。在使从激光光源出射的光束扫描的扫描型投影装置中，在准直透镜（102）与扫描元件（110）之间配置光束缩小整形棱镜，通过将椭圆形光束的长轴方向缩小来进行光束整形，由此使光束保持在扫描元件（110）中的偏转反射镜（120）的有效直径内，从而能够高效地反射光束，投影明亮的图像，并通过光束整形的效果提高分辨率。

Description

扫描型投影装置

技术领域

本发明涉及扫描型投影装置。

背景技术

作为本发明的背景技术，例如在专利文献1中记载了这样的内容，“提供一种光扫描型投影仪，其不受使用环境影响，即使在狭小的空间中，即使保持小型化，也能够以高分辨率、高画质显示宽视角图像”。

专利文献1：日本特开2010-32797

发明内容

近年来实现了使从半导体激光光源出射的光束在画面上二维扫描来显示图像的扫描型投影装置。该扫描型投影装置由于使用的是激光光源，所以与以往的投影装置相比能够扩大颜色还原范围，并且由于能够小型化，因此作为下一代的显示器件备受期待。

扫描型投影装置中为了投影明亮的图像，存在需要使光束的能量尽量高效地从壳体出射的问题。

此外，在扫描型投影装置的情况下，一束光束在屏幕上形成的一个光斑相当于一个像素。为了使图像上下方向和左右方向的分辨率一致，理想情况下屏幕上的光斑为圆形。但是，由于从半导体激光器出射的光束的远场光强分布（下面称为FFP）为椭圆形，屏幕上的光斑也为椭圆形。因此，存在图像上下方向和左右方向的分辨率变得不一致的问题。

对于上述问题，在专利文献1中提出了一种光学***，其使用2个棱镜来扩大上述椭圆形的FFP中短轴方向上的光斑直径，使FFP大致为圆形，从而使图像上下方向和左右方向的分辨率一致。然而，该方案存在这样的问题，即当扩大光束的短轴方向时光束的能量密度降低，导致效率劣化，无法投影明亮的图像。

本发明的目的在于，提供一种能够以简单的结构投影分辨率高且明亮的图像的扫描型投影装置。

上述目的通过权利要求中记载的技术方案来实现。

即，本发明提供一种扫描型投影装置，使光束在被投影面上扫描而投影二维图像，其特征在于，包括：使上述光束以发散光出射的激光光源；将上述光束变换成大致平行光或弱会聚光的准直透镜；使上述光束在上述被投影面上扫描的扫描元件；和在上述光束的光束截面的规定方向上将光束缩小整形的光束缩小整形元件。

根据以上技术方案，本发明能够提供以简单的结构投影分辨率高且明亮的图像的扫描型投影装置。

附图说明

图1是实施例1中的扫描型投影装置100的结构图。

图2是实施例1中的光束缩小整形棱镜107的说明图。

图3是不设置实施例1中的光束缩小整形棱镜107的情况下偏转反射镜120上的光束的截面图。

图4是设置了专利文献1中的光束整形棱镜的情况下偏转反射镜120上的光束的截面图。

图5是实施例1中通过光束缩小整形棱镜107后的偏转反射镜120上的光束的截面图。

图6是实施例1中的扫描型投影装置200的结构图。

图7是实施例1中的扫描型投影装置300的结构图。

图8是实施例2中的扫描型投影装置400的结构图。

图9是实施例3中的扫描型投影装置500的结构图。

图10是实施例4中的扫描型投影装置600的结构图。

附图标记说明

101、103、105……激光光源，102、104、106……准直透镜，107……光束缩小整形棱镜，108、109……光合成元件，110……扫描元件，120……偏转反射镜，111……透明盖

具体实施方式

下面基于图示的实施例详细地进行说明，但并非以此对本发明进行限定。

［实施例1］

针对本发明的实施例1使用附图进行说明。

图1是本发明实施例1的扫描型投影装置100的说明图。图中点划线表示光束的光轴。

激光光源101例如为出射520nm波段的绿色光束的半导体激光器。从激光光源101出射的绿色光束由准直透镜102变换成平行光束或弱会聚光束。

接着，绿色光束入射到光束缩小整形棱镜107中。由于激光光源101假定为半导体激光器，所以从半导体激光器出射的光束的FFP呈椭圆形。因此，入射到光束缩小整形棱镜107的绿色光束的截面为也呈椭圆形。在此假定对激光光源101进行了旋转调整使得上述FFP的椭圆形的长轴方向为与纸面水平的方向（平行于纸面）。光束缩小整形棱镜107中，在与纸面平行的方向上，绿色光束的入射面侧与光束大致垂直，出射面侧相对于光束为斜面，另一方面，在与纸面垂直的方向上，绿色光束的入射面侧、出射面侧都与光束大致垂直。该光束缩小整形棱镜107具有仅缩小绿色光束的截面形状的长轴方向，将截面形状整形为大致圆形的功能。光束缩小整形棱镜107的细节在下面说明。

激光光源103例如为出射640nm波段的红色光束的半导体激光器。从激光光源103出射的红色光束由准直透镜104变换成平行光束或弱会聚光束。

激光光源105例如为出射440nm波段的蓝色光束的半导体激光器。从激光光源105出射的蓝色光束由准直透镜106变换成平行光束或弱会聚光束。

光合成元件108是使绿色光束透射并使红色光束反射的波长选择性反射镜。进一步地，其被调整成使得绿色光束与红色光束的光轴大致一致。

光合成元件109是使绿色光束和红色光束透射并使蓝色光束反射的波长选择性反射镜。进一步地，其被调整成使得蓝色光束与绿色以及红色光束的光轴大致一致。

合成后的三色光束入射到扫描元件110中。扫描元件110由偏转反射镜120和用于驱动偏转反射镜120的驱动电极等（图中未示出）构成。偏转反射镜120具有水平扫描轴和垂直扫描轴，通过绕各扫描轴对偏转反射镜120进行偏转驱动，来使光束在屏幕上进行二维扫描。偏转反射镜120例如可通过Micro Electro Mechanical Systems（微电子机械***，下面简称为MEMS）反射镜、电流计镜（galvanometer mirror）等实现。此外，扫描元件110也可由两片偏转反射镜构成，第一片偏转反射镜具有垂直扫描轴，第二片偏转反射镜具有水平扫描轴。

通过扫描元件110后的三色光束入射到设置在扫描型投影装置100的下表面的透明盖111上。透明盖111假定为三色光束的透射率非常高的透明玻璃或者塑料的盖体，能够防止进入到扫描型投影装置100内的灰尘等引起光学部件的透射率劣化或扫描元件110故障等。

通过透明盖111后的三色光束在设置于外部的屏幕上的相同位置上重叠地形成三个光斑。即，被识别为屏幕上的一个光斑。本实施例的扫描型投影装置100的情况下，一个光斑相当于图像的一个像素。

如上所述，本实施例的扫描型投影装置100至少由激光光源101、准直透镜102、激光光源103、准直透镜104、激光光源105、准直透镜106、光束缩小整形棱镜107、光合成元件108、109、扫描元件110、透明盖111构成，也可以在中间增加衍射光栅或波片等光学元件，或为利用反射镜使光路弯折。此外，在透明盖111和扫描元件110之间的光路中，也可以增加具有改变扫描元件110的扫描角度的功能的光学元件。

接着利用图2对光束缩小整形棱镜107的细节进行说明。

图2是光束缩小整形棱镜107的说明图。图中点划线表示光束的光轴。光束的行进方向为纸面右方。图中φ1、φ2为光束在垂直于纸面的方向上的截面的光束直径。其中，光束直径指的是光束的光强度成为光轴上的光强度的1/exp(2)时的直径。

光束缩小整形棱镜107，在与纸面水平的方向上，入射面侧大致垂直于光束的行进方向，出射面侧相对于光束的行进方向为斜面。另一方面，在与纸面垂直的方向上，入射面和出射面都与光束大致垂直。

如上所述，从激光光源101出射的光束的FFP即截面形状为椭圆形，并假定对激光光源101进行了旋转调整使得其光束的FFP的长轴方向为与纸面平行的方向。

在光束截面形状的长轴方向上，由于入射到光束缩小整形棱镜107时光束与入射面侧大致垂直，因此保持原样直线行进。然而，在光束从光束缩小整形棱镜107出射时，由于出射面侧相对于光束为斜面，所以光束被折射。此时如图所示，光束的光束直径被缩小。

另一方面，在光束截面的短轴方向上，由于入射面侧和出射面侧都与光束大致垂直，所以光束不被折射，而是保持原样出射。因此，光束的短轴方向的光束直径不被缩小，原样地通过。

由此，光束缩小整形棱镜107通过缩小光束的长轴方向（上的光束直径）而在短轴方向上使光束原样通过，使光束的截面形状从椭圆形变成大致圆形。

下面针对光束缩小整形棱镜107的图中所示的顶角α的设计方法进行说明。

令光束缩小整形棱镜107的折射率为折射率n。令图中虚线所示的光束缩小整形棱镜107出射面的法线与入射到出射面上的光束之间的角度为角度θ1，与从出射面出射的光束之间的角度为角度θ2。令在光束缩小整形棱镜107的出射面上沿着出射面的方向上的光束截面的光束直径为光束直径A，则可得到下式。

（公式1）

$\sin \mathrm{\θ}1=\sqrt{1-{(\mathrm{\φ}1/A)}^2}$

（公式2）

$\sin \mathrm{\θ}2=\sqrt{1-{(\mathrm{\φ}2/A)}^2}$

此外，根据斯涅尔定律，已知有（公式3）的关系。

（公式3）

n·sinθ1＝sinθ2

将（公式1）、（公式2）代入（公式3），可求得角度θ1。

（公式4）

$\mathrm{\θ}1={\sin }^{-1}\sqrt{\frac{{\mathrm{\φ}1}^2-{\mathrm{\φ}2}^2}{n^2\·{\mathrm{\φ}1}^2-{\mathrm{\φ}2}^2}}$

根据附图可知，由于顶角与角度θ1相等，因此能够利用（公式4）求出顶角α。

（公式5）

$\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}1={\sin }^{-1}\sqrt{\frac{{\mathrm{\φ}1}^2-{\mathrm{\φ}2}^2}{n^2{\mathrm{\φ}1}^2-{\mathrm{\φ}2}^2}}$

在光束缩小整形棱镜107的玻璃材料为BK7，光束的波长为520nm，将光束直径φ1=1.5mm缩小为光束直径φ2=1.0mm的情况下，由（公式5），可知顶角α=33°。

下面针对光束缩小整形棱镜107的效果进行说明。

图3是未配置光束缩小整形棱镜107的情况下的偏转反射镜120上的光束的光束直径121的概要图。图中的虚线圆表示偏转反射镜120的有效直径。通常偏转反射镜具有大致圆形的有效直径。在未配置光束缩小整形棱镜107的情况下，光束的光束直径121为椭圆形（光束截面为椭圆形）。光束直径的长轴方向的长度相当于图2中的光束直径φ1。当光束直径121的长轴方向比偏转反射镜120的有效直径大时，未被偏转反射镜120反射的光束的面积的能量成为了损失，效率劣化。即投影的图像的亮度降低。进一步地，如图所示，由于在偏转反射镜120上反射的光束的区域也呈椭圆形，所以形成在屏幕上的光斑也为椭圆形，屏幕上的左右和上下方向的分辨率不一致，其中的一方劣化。

图4是设置了专利文献1中记载的光束整形棱镜的情况下偏转反射镜120上的光束直径122。专利文献1中记载的光束整形棱镜仅扩大光束直径的短轴方向。由此，能够使光斑大致为圆形，提高分辨率。然而，由于长轴方向的光束直径在偏转反射镜120的有效区域之外，能量受到损失，效率仍然劣化。因此无法投影明亮的图像。

另一方面，图5是设置了本发明的光束缩小整形棱镜107的情况下的偏转反射镜120上的光束的光束直径123的概要图。光束直径123的长轴方向由光束缩小整形棱镜107缩小到光束直径φ2。由于光束全部入射到偏转反射镜120的有效直径内，所以能够使几乎全部的光束被偏转反射镜反射，能够使光束高效率地从壳体出射。即，能够投影明亮的图像。进一步地，通过配置光束缩小整形棱镜107，能够使光束为大致圆形。因此，屏幕上的光斑也为大致圆形，屏幕上左右与上下方向的分辨率大致一致，能够提高分辨率。

由此，当配置了光束缩小整形棱镜107时，不仅能够投影明亮的图像，还能够获得提高分辨率的效果。

此外，光束缩小整形棱镜107的形状假定为入射面与光束大致垂直，出射面相对于光束为斜面的情况，但并不限定于这种形状的棱镜，例如入射面和出射面可以都相对于光束为斜面。

此外，由于人眼的视觉灵敏度对绿色最高，绿色光束在屏幕上形成的光斑的亮度和分辨率对画质的影响最大。因此，在本实施例中假定为仅在准直透镜102与光合成元件108之间配置提高绿色光束的效率与分辨率的光束缩小整形棱镜107的结构。由此能够防止部件数目的增加，获得降低部件成本的效果。但也可以在准直透镜104与光合成元件108之间配置提高红色光束的效率与分辨率的光束缩小整形棱镜，在准直透镜106与光合成元件109之间配置提高绿色光束的效率与分辨率的光束缩小整形棱镜。

此外，也可如图6所示的扫描型投影装置200那样，在光合成元件109与扫描元件110之间设置光束缩小整形棱镜。此时，能够利用一个光束缩小整形棱镜对三个光束进行光束缩小整形。但由于光束缩小整形棱镜的色差，绿色、红色、蓝色光束各自的折射角度不同，因此从光束缩小整形棱镜出射的三色光束的角度分别不同。此时，可调整光合成元件108、109的角度或者各激光光源以及准直透镜的位置，使得从光束缩小整形棱镜出射的三色光束的角度一致。

此外，在本实施例中，绿色、红色、蓝色的三色光束是利用作为波长选择性反射镜的光合成元件108和109来将光轴合成的。然而，在本实施例的扫描型投影装置中，只要将三色光束合成即可，也可采用使用两个波长选择性棱镜来代替两个波长选择性反射镜的结构。此外，绿色、红色、蓝色的激光光源的配置也可以不同。另外，也可使用一个在液晶投影仪等中通常使用的波长选择性正交棱镜。

此外，本实施例中假定了有三个准直透镜102、104、106，但也可以由一个微透镜阵列构成。

另外，本实施例中假定出射绿色、红色、蓝色光束的激光光源在不同的封装内，但也可以在同一封装内。

本实施例为使用三个准直透镜将三色光束变换为平行光后利用两个光合成元件将三色光束合成的结构。但也可以像图7所示的扫描型投影装置300那样，在利用光合成元件503将三色光束合成后通过一个准直透镜502将其变换成平行光。此时也同样只需紧接着准直透镜之后配置光束缩小整形棱镜，并调整激光光源使得通过光束缩小整形棱镜后的三色光束的角度一致即可。

如上所述，本实施例的扫描型投影装置110，利用光束缩小整形棱镜107使光束的截面形状为大致圆形，不仅能够提高效率也能够提高分辨率。

［实施例2］

下面，使用附图对本发明的实施例2进行说明。

图8是实施例2的扫描型投影装置400的说明图。

扫描型投影装置400将实施例1中的扫描型投影装置100的光束缩小整形棱镜107和光合成元件108替换为光束缩小整形棱镜201。

其它光学部件与扫描型投影装置100相同，以相同编号表示。此外省略其详细说明。

光束缩小整形棱镜201与扫描型投影装置100的光束缩小整形棱镜107呈相同的形状。另外，在从激光光源101出射的绿色光束的出射面即斜面202上，形成有使绿色光束通过并使红色光束反射的波长选择性反射膜。

从激光光源101发出的绿色光束入射到光束缩小整形棱镜201后，绿色光束长轴方向的光束直径被缩小，并通过光束缩小整形棱镜201。

另一方面，如图所示，从激光光源103发出的红色光束被光束缩小整形棱镜201的斜面202反射，与绿色光束合成。

即，光束缩小整形棱镜201为兼有扫描型投影装置100的光束缩小整形棱镜107和光合成元件108两者的功能的部件。

此时，如图所示，调整激光光源101、103和准直透镜102、104的位置，使得通过光合成元件109的蓝色光束、绿色光束、红色光束的光轴全部一致。因而，由三色合成的一束光束入射到扫描元件110中，扫描元件110使一束光束在屏幕上扫描。

通过安装光束缩小整形棱镜201来代替光束缩小整形棱镜107和光合成元件108，能够具有提高绿色光束的效率和分辨率的功能，并能够减少元件数目。

［实施例3］

下面针对本发明的实施例3使用附图进行说明。

图9是实施例3的扫描型投影装置500的说明图。

扫描型投影装置500将实施例1的扫描型投影装置100的光束缩小整形棱镜107替换成光束缩小整形棱镜301和光束缩小整形棱镜302。其它部件与扫描型投影装置100相同，以相同编号表示。此外省略其详细说明。

光束缩小整形棱镜301和光束缩小整形棱镜302是这样的棱镜，即在与纸面平行的方向上，入射面与光束的行进方向大致垂直，出射面相对于光束的行进方向为斜面；在与纸面垂直的方向上，入射面和出射面都与光束的行进方向大致垂直。

如上所述，由于激光光源101假定为激光光源，所以出射的光束的截面呈椭圆形，假定对激光光源101进行旋转调整使得其长轴方向为与纸面平行的方向。

因此，在光束通过光束缩小整形棱镜301和光束缩小整形棱镜302时，光束的短轴方向原样地通过，而长轴方向因棱镜的折射效果而缩小。由此，能够使光束的截面形状大致接近圆形。

即，光束缩小整形棱镜301、302是将实施例1的光束缩小整形棱镜107的功能划分给了两个光束缩小整形棱镜。

本实施例中，通过使用两个光束缩小整形棱镜301、302，能够使光束缩小整形棱镜前后的光束的光轴角度一致，能够使光学部件的配置进一步简化。

另外，由于使用两个光束缩小整形棱镜，具有与使用一个光束缩小整形棱镜的情况相比能够进一步缩小光束直径的优点。

此外，在本实施例中，与实施例2同样地，可以在光束缩小整形棱镜302的光束出射面上形成使绿色光束透射而使红色光束反射的波长选择性反射膜，来代替光合成元件108。此时，可以以通过波长选择性反射膜的光轴为中心（以通过波长选择性反射膜与红色光束的交点且垂直于纸面的轴为中心），一体地旋转激光光源103和准直透镜104，以使得绿色光束和红色光束的光轴一致。

［实施例4］

下面，针对本发明的实施例4使用附图进行说明。

图10是实施例4中的扫描型投影装置600的结构图。

扫描型投影装置600将实施例1的扫描型投影装置100的光束缩小整形棱镜107替换成光束缩小整形变形透镜（anamorphic lens）401。其它部件与扫描型投影装置100相同，以相同编号表示。此外省略其详细说明。

光束缩小整形变形透镜401的入射面、出射面都为圆柱形的透镜面。即，在与纸面平行的方向上，相对于光束的行进方向，入射面为具有规定曲率半径的凸面，出射面为具有规定曲率半径的凹面。另一方面，在与纸面垂直的方向上，入射面和出射面都与光束的行进方向大致垂直，为单纯的透明平板。

另外，与扫描型投影装置100相同，激光光源101出射的光束的截面为椭圆形，并被旋转调整以使得其长轴方向与纸面平面方向大致一致。光束从激光光源101作为发散光出射，由准直透镜102变换成大致平行光或弱会聚光。如图所示，光束缩小整形变形透镜401紧接着准直透镜102配置在后方，光束作为大致平行光入射到光束缩小整形变形透镜401中。

上述大致平行光或弱会聚光的光束入射到光束缩小整形变形透镜401时，在光束直径的长轴方向，首先由凸面的入射面变换成会聚光。然后，在通过出射面时，被出射面的凹面再次变换成大致平行光或弱会聚光。另一方面，在光束直径的短轴方向上，由于入射面和出射面相对于光束都为单纯的平板，因此保持原样通过。由此，光束直径仅在长轴方向上缩小，从椭圆形变成大致圆形。即，光束缩小整形变形透镜401为具有与光束缩小整形棱镜107相同功能的部件。

因此，安装了光束缩小整形变形透镜401的扫描型投影装置600与实施例1的扫描型投影装置100同样地，能够提高光束的效率，并进一步可提高分辨率。

此外，也可以将该光束缩小整形变形透镜401与准直透镜102一体化，使同一透镜兼有准直功能和光束缩小整形功能。这种情况下的准直透镜在与纸面平行的方向和与纸面垂直的方向上分别为倍率彼此不同的透镜面形状。

Claims (7)

1.一种扫描型投影装置，使光束在被投影面上扫描而投影二维图像，其特征在于，包括：

使所述光束以发散光出射的激光光源；

将所述光束变换成大致平行光或弱会聚光的准直透镜；

使所述光束在所述被投影面上扫描的扫描元件；和

在所述光束的光束截面的规定方向上将光束缩小整形的光束缩小整形元件。

2.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

通过所述光束缩小整形元件之前的光束的光束截面为椭圆形，

所述光束缩小整形元件在该光束的光束截面的长轴方向上进行缩小整形。

3.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

所述光束缩小整形元件由至少一个以上的光束缩小整形棱镜构成，所述光束缩小整形棱镜由梯形或者楔形的棱镜构成，

所述光束缩小整形棱镜中，所述光束的入射面上的所述光束的入射角比所述光束的出射面上的所述光束的出射角小。

4.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

具有出射不同波长的两束以上的光束的至少两个以上的激光光源，

所述光束缩小整形棱镜在所述光束的出射面上具有波长选择性反射膜，该波长选择性反射膜使具有规定波长的第一光束以规定的透射率透射、使具有与所述第一光束不同的波长的第二光束以规定的反射率反射，

使所述第一光束从所述光束缩小整形棱镜的入射面侧入射，并且使所述第二光束从所述光束缩小整形棱镜的出射面侧入射，

从所述光束缩小整形棱镜透射的所述第一光束和在所述光束缩小整形棱镜上反射的所述第二光束沿大致同一光路行进。

5.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

所述光束缩小整形元件由一个以上的光束缩小整形变形透镜构成，所述光束缩小整形变形透镜包括变形透镜，该变形透镜的规定方向的截面的曲率不同于与其垂直的截面的曲率，

所述光束作为平行光入射到所述光束缩小整形变形透镜中，

所述光束缩小整形变形透镜为将所述光束保持平行光出射的望远镜***。

6.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

所述光束缩小整形变形透镜是入射面和出射面都为圆柱状的透镜，

该光束缩小整形变形透镜，在第一规定方向的截面上，是入射面为具有规定曲率半径的凸面、出射面为具有规定曲率半径的凹面的凹凸透镜，在与第一规定方向大致垂直的第二规定方向的截面上，是入射面和出射面均与光束大致垂直的平板。

7.如权利要求1所述的扫描型投影装置，其特征在于：

所述准直透镜在规定方向的截面和与其垂直的截面上具有不同的倍率。

Images