圖像顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供不使裝置大型化就能夠具有線性良好的掃描特性的圖像顯示裝置。該圖像顯示裝置具備：光掃描部，其使從光源射出的光借助于該光的反射面的往復的旋轉運動在像面的第一方向和第二方向上掃描；光學系統，其放大被掃描的光的掃描角度，其中，該光學系統在光掃描部一側具有自由曲面透鏡，在像面一側具有自由曲面反射鏡。第一方向的長度比第二方向的長度長，配置自由曲面反射鏡以使所述第一方向與第一平面大致平行，所述第一平面由當光掃描部靜止在掃描范圍的中央時的自由曲面反射鏡的入射光線和反射光線定義。
【專利說明】圖像顯示裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像顯示裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，提出了安裝光掃描裝置并利用該裝置使激光在像面(例如屏幕)上掃描來繪制圖像的圖像顯示裝置(參考專利文獻1、2)，其中上述光掃描裝置使按照圖像信號進行光強度調制(以下稱為調制)后的激光在二維方向上掃描。
[0003]已有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開號公報
[0006]專利文獻2:日本特開號公報

【發明內容】

[0007]發明要解決的技術問題
[0008]根據專利文獻1，存在像面上的掃描坐標的移動軌跡為正弦波狀導致線性不佳的問題。此外，根據專利文獻2，存在反射鏡前后的間隔需要保持較大、光學系統整體大型化的問題。
[0009]因此，本發明的目的為提供不使裝置大型化也能夠具有線性良好的掃描特性的圖
像顯示裝置。
[0010]用于解決技術問題的技術手段
[0011]為了解決上述問題，本發明期望的方式之一如下所述。
[0012]該圖像顯示裝置配備:光掃描部，其使從光源射出的光，借助于該光的反射面的往復的旋轉運動，在像面的第一方向和第二方向上掃描；和光學系統，其放大被掃描的光的掃描角度，其中，所述光學系統在所述光掃描部一側具有自由曲面透鏡，在所述像面一側具有自由曲面反射鏡。
[0013]發明的效果
[0014]通過本發明，能夠提供不使裝置大型化就能夠具有線性良好的掃描特性的圖像顯
示裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是包含圖像顯示裝置的系統圖。
[0016]圖2是從上方觀察圖1的系統的圖。
[0017]圖3是實施例1的光線圖。
[0018]圖4是實施例1的另一光線圖。
[0019]圖5是實施例1的自由曲面透鏡的詳細視圖。
[0020]圖6是實施例1的三維光線圖。[0021]圖7是表示實施例1的透鏡數據的圖。
[0022]圖8是表示實施例1的自由曲面系數的公式與具體值的圖。
[0023]圖9是實施例1的失真性能圖。
[0024]圖10是表示實施例1的像面上的光線的入射角度與相位的關系的圖。
[0025]圖11是表示實施例1的像面上的光線的入射坐標與相位的關系的圖。
[0026]圖12是表示主光線的坐標所存在的光線范圍的圖。
[0027]圖13是表示長邊方向的截面上的光線圖。
[0028]圖14是表示短邊方向上的自由曲面透鏡以及反射鏡的形狀的圖。
[0029]圖15是實施例2的光線圖。
[0030]圖16是實施例2的另一光線圖。
[0031]圖17是實施例2的自由曲面透鏡的詳細視圖。
[0032]圖18是表示實施例2的透鏡數據的圖。
[0033]圖19表示實施例2的自由曲面系數的具體值的圖。
[0034]圖20是實施例2的失真性能圖。
[0035]圖21是實施例3的光線圖。
[0036]圖22是實施例3的另一光線圖。
[0037]圖23是實施例3的自由曲面透鏡的詳細視圖。
[0038]圖24是表示實施例3的透鏡數據的圖。
[0039]圖25表示實施例3的自由曲面系數的具體值的圖。
[0040]圖26是實施例3的失真性能圖。
[0041]圖27是包含以往的圖像顯示裝置的系統圖。
[0042]圖28是光掃描部的放大圖。
[0043]圖29是以往的旋轉角與掃描位置的關系圖。
[0044]圖30是以往的相位導致的偏轉角的變化圖。
[0045]圖31是表示以往的像面上的光線的入射角度與相位的關系的圖。
[0046]圖32是表示以往的像面上的光線的入射坐標與相位的關系的圖。
【具體實施方式】
[0047]為了與本實施例比較，以下首先針對以往技術進行說明。圖27是包含以往的圖像顯示裝置的系統圖。
[0048]圖像顯示裝置10’的光掃描部I通過具有旋轉軸的反射鏡反射來自光源4的激光，并使其在像面(屏幕)20上掃描。沿著掃描軌跡202’ 二維地掃描各像素201’。
[0049]圖28是光掃描部的放大圖。
[0050]光掃描部I由使激光按反射角度偏轉的反射鏡la、與反射鏡Ia連結的第一扭簧lb、與第一扭簧Ib連結的保持部件1C、與保持部件Ic連結的第二扭簧Id、以及未圖示的永磁鐵和線圈所構成。
[0051]線圈以大致平行于反射鏡Ia的方式形成，在反射鏡Ia為靜止狀態時，產生與反射鏡Ia大致平行的磁場。當使電流流過線圈時，根據弗萊明左手定律，產生與反射鏡Ia大致垂直的洛倫茲力。[0052]反射鏡Ia旋轉到洛倫茲力與扭簧Ib和Id的恢復力相平衡的位置。通過按照反射鏡Ia所具有的共振頻率向線圈提供交流電流，反射鏡Ia進行共振動作，扭簧Ib旋轉。或者，通過按照使反射鏡Ia與保持部件Ic 一起的共振頻率向線圈提供交流電流，反射鏡la、扭簧Ib和保持部件Ic進行共振動作，扭簧Id旋轉。這樣在兩個方向上實現了基于不同共振頻率的共振動作。
[0053]此外，作為基于共振頻率的共振動作，也可以采用并非共振動作的、正弦波狀的驅動。
[0054]圖29是以往的旋轉角度與掃描位置的關系圖。若令光掃描部I的旋轉角度為β /2，則作為反射光線角度的掃描角度為β。在此，在光掃描部I與像面20之間未配置任何光學元件的情況下，掃描角度β與像面20上的入射角α相等。因此，相對于一定投影距離的掃描像的大小由旋轉角β /2決定。
[0055]圖30為以往的反射鏡面的偏轉角的變化圖。偏轉角Θ在土 β /2的范圍中以正弦波狀變化。
[0056]圖31是表示以往的像面上的光線的入射角度與相位的關系的圖。圖32是表示以往的像面上的光線的入射坐標與相位的關系的圖。圖32呈與圖31相似的正弦波狀。
[0057]在此展示使用旋轉角度為±5.3度的光掃描部I的情況下的例子。即，掃描角度為±10.6度，像面上的入射角也為±10.6度。
[0058]此外，光掃描部I的驅動方式除了成正弦波狀的旋轉角度變化的共振型反射鏡夕卜，還存在呈鋸齒波狀的旋轉角度變化的電控光束掃描鏡(Galvano mirror)，而驅動頻率較高的共振型反射鏡適合高分辨率的圖像顯示。
[0059]在此，與電視的掃描線對應的二維掃描中，在垂直方向上進行一次往返掃描的期間，在水平方向上進行垂直方向的像素數量的次數的掃描。這樣進行一次掃描線的掃描。例如，為了以垂直頻率60Hz進行水平800像素、垂直600像素的顯不，需要300次往返，需要能夠以60X300 = 18000Hz這樣高速的頻率驅動。而且，顯示的分辨率(像素數)越大，需要以越高的頻率驅動。另一方面，為了在一定的投影距離實現較大的掃描像，需要增大光掃描部I的旋轉角度。
[0060]如果更高速地以大旋轉角度驅動光掃描部1，則作為可動部分的機構部件的扭簧IbUd的負擔增大。因此，共振型反射鏡中難以同時實現高速的頻率和大旋轉角度。
[0061]此外，光掃描部I的正弦波狀的旋轉中，反射鏡Ia的角度變化周期性地出現快、慢。在僅依靠該旋轉使激光在像面20上掃描的情況下，反射鏡的角度變化快時在像面上的掃描位置的變化也變快，角度變化慢時在像面上的掃描位置的變化也變慢。因此，在像面上產生與正弦波對應的明暗。
[0062]在時間上等間隔地對激光進行調制的情況中也同樣，反射鏡Ia的角度變化快時像面上的像素被配置得較疏，角度變化慢時像面上的像素被配置得較密，稱為線性大幅度劣化的二維像。
[0063]此外，若在像素分布密且正弦波狀的明亮部分中進行降低激光占空比的電路處理，可只對像面上的明暗加以改善，但無法改善二維像的線性，電路規模增大，光量降低。如果與像面上的像素的配置的時序一致地對激光進行調制則也能夠對線性加以改善，但電路規模進一步地增大。[0064]因此，雖然可以考慮在反射鏡之外再另外使用多個反射面的方法，但在發生制造上的光學部件的形狀誤差、偏心、傾斜的情況下，由于與作為透射面的透鏡相比，反射鏡的光線角度的變動為約兩倍，因此大量使用反射鏡的光學系統的制造變得困難。進一步地，使用多個反射鏡的光學系統中，為了確保反射鏡上激光反射前后的光路，需要使反射鏡前后的間隔保持得較大，使得光學系統整體大型化。
[0065]實施例1
[0066]下面針對實施例進行說明。利用圖1至圖14針對實施例1進行說明。圖1是包含圖像顯示裝置的系統圖。在此，將從紙面左往右的方向定義為X方向，將從像面20下往上的方向定義為Y方向，將從紙面外往內的方向定義為Z方向。圖2、圖27、圖9使用與圖1相同的坐標系。但對于上述之外的圖，米用以光軸為Z方向的局部坐標系。
[0067]該系統包含圖像顯示裝置10、保持圖像顯示裝置10的結構體30、以及像面20。此夕卜，圖像顯示裝置10具備:光源4 ;使來自光源4的激光呈二維狀偏轉的光掃描部I ;使被光掃描部I偏轉的激光透射、折射的自由曲面透鏡2 ；以及反射來自自由曲面透鏡2的激光并導向像面20的自由曲面反射鏡3。通過這些光學部件，獲得線性改善和廣角化的作用(后述)，在像面20上顯示矩形且光量分布一致的二維掃描像。
[0068]此外，光掃描部I可通過一個反射面(反射鏡Ia)實現長邊方向和短邊方向上的掃描，也可與各方向相應地配備各自的反射面。
[0069]在此，將非旋轉對稱且具有如圖8、圖19、圖25所示的參數的形狀稱為自由曲面。
[0070]圖2是從上方觀察圖1的系統的圖。
[0071]以下，由于像面20中相當于X方向的邊比相當于Y方向的邊長，因此將前者稱為長邊，將后者稱為短邊。并且，反射面的偏轉角度較大的方向對應長邊方向，較小的方向對應短邊方向。
[0072]配置自由曲面反射鏡3，使得長邊與第一平面(XZ平面)大致平行，其中，上述第一平面由當光掃描部I靜止在掃描范圍的中央時的自由曲面反射鏡3的入射光線和反射光線定義。其理由為，通過相對于掃描量大的長邊側的光線傾斜地配置自由曲面反射鏡3，以成規定的旋轉角的兩倍的掃描角進行掃描的光線被自由曲面反射鏡3反射后的坐標范圍變大，自由曲面反射鏡3的形狀自由度增大。
[0073]圖3是光線圖，表示從圖像顯示裝置10出射的光線到達像面20上的5X5分割點的情形。圖4是另一光線圖，表示從光源4出射的激光因光掃描部I的旋轉而偏轉后、經過自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3到達像面20的情形。進一步地，圖5為自由曲面透鏡2的詳細視圖，由第一自由曲面透鏡2a和第二自由曲面透鏡2b所構成。
[0074]圖6是三維的光線圖。由于在圖3中不易看出被自由曲面反射鏡3反射的光線不再照射到自由曲面透鏡2，因此在圖6中為了看出未發生光路干涉而進行展示。
[0075]圖7是表示從作為第O面的光源4到作為光掃描部I的MEMS (Micro ElectroMechanical Systems)反射鏡(水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋轉)、自由曲面透鏡、自由曲面反射鏡的透鏡數據的圖，圖8是表示自由曲面形狀的自由曲面系數的公式和具體值的圖。然后圖9是失真性能圖。在此展示了由長邊方向(主掃描方向)的旋轉角為±5.3度和短邊方向(副掃描方向)的旋轉角為±2.9度的光掃描部I產生的掃描角的光線每隔10度相位到達像面20上的坐標以及將掃描范圍分割為19X 19詳細地進行評價后的結果。[0076]由于從圖7所示的自由曲面反射鏡3開始的投影距離為100mm、掃描范圍在像面 20上為600X450mm，因此可知實現了廣角化。
[0077]下面，針對線性的改善和廣角化的結果，根據像面上的入射角度和入射坐標利用 圖10到圖14、圖31和圖32進行說明。
[0078]在表示以往例的圖31和圖32中，不存在自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3。 入射角度在作為5.3度的兩倍的值的±10.6度的范圍中正弦波狀地變化，入射坐標也在 ±26.6mm范圍中正弦波狀地變化。
[0079]另一方面，在實施例1中，圖10是表示像面上的光線的入射角度與相位的關系的 圖。圖11是表示實施例1的像面上的光線的入射坐標與相位的關系的圖。在自由曲面透 鏡2和自由曲面反射鏡3的作用下，使入射角度發生較大變化，在像面20上±300mm的范 圍中實現三角波狀的入射坐標。即，相對于在以往的方式中掃描范圍為±26.6mm,實施例1 中為±300mm，實現了 10倍以上的大幅度的廣角化。此外，若令相當于長邊的水平尺寸為 X、投影距離為L，則由于X = 600mm、L = 100mm, L/X為0.17，實現了非常小的值。
[0080]此外，投影距離定義為，從透鏡數據中用于定義自由曲面反射鏡的配置位置的基 準位置向像面垂下的垂線的長度。但在優先圖像顯示裝置的小型化的用途中，可在L/X的 值不超過I的范圍中增大。
[0081]作為比較，基于上面的專利文獻I中水平方向上左右對稱的視角為±18.9度的記 載來計算L/X的值，L/X = l/2/tanl8.9 = 1.46，為較大的值，廣角化不足。
[0082]接著，利用圖12到圖14，針對自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3的特征進行說 明。
[0083]圖12表示作為自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3中的光線控制結果的、主光線 的坐標所存在的光線范圍。因為光掃描部I的長邊方向比短邊方向大，所以作為第一自由 曲面透鏡2a的入射面的第四面上的主光線的范圍為橫向較長的區域。
[0084]可知按每依次通過第一自由曲面透鏡2a的出射面、第二自由曲面透鏡2b時主光 線的范圍向縱向較長的區域變化的情況。
[0085]此外，在作為自由曲面反射鏡3的第八面上成為縱向較長的區域，但并非在第八 面上使長邊方向(圖12的橫向)極端地變窄，而是使在第八面上的縱向尺寸作為自由度而增 大的結果。對于其理由利用圖13進行說明。
[0086]圖13是長邊方向的截面上的光線圖，為同時展示光學系統整體的光線圖和自由 曲面透鏡2的放大圖的圖。由于光掃描部I的旋轉，通過圖13的X軸的正側的光線LI被 自由曲面反射鏡3反射，到達像面20的坐標軸Pl。另一方面，通過X軸的負側的光線L2被 自由曲面反射鏡3反射，到達像面20的坐標P2。在此，需要使通過自由曲面透鏡2b的光線 L2與被自由曲面反射鏡3反射的光線LI的光路不在自由曲面透鏡2b中發生干涉。為此， 需要減小自由曲面反射鏡3上光線LI以及光線L2形成的寬度。這是自由曲面反射鏡3上 的光線通過范圍的水平方向的尺寸較小的理由。
[0087]此外，在圖13中，被自由曲面反射鏡3反射后到像面的光線LI的光路長度大于光 線L2的光路長度。因此，為了線性的改善，需要在自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3中 使光路LI的光路長度小于光路L2的光路長。
[0088]因此，為了使通過自由曲面2的光線LI的換算到空氣的光路長度比光線L2的值小，需要使光線LI所通過的一側的透鏡厚度增大，即需要“模擬棱鏡化”。
[0089]此外，本實施例的光學系統中，并非是映射關系，而是概念上類似廣角轉換，因此優選通過針對放大側上的LI > L2使在物體側為LI < L2，來減小光路整體的光路長的差。
[0090]接著，針對短邊方向上的特征，利用作為短邊方向的各光學元件中的弛垂度的圖的圖14進行說明。圖14是表示短邊方向的自由曲面透鏡和反射鏡的形狀的圖。 [0091]在圖14中，短邊方向上的第一自由曲面透鏡2a和第二自由曲面透鏡2b分別為凹透鏡狀，具有負的光焦度。而自由曲面反射鏡3中央部分由于為凹面而具有正的光焦度，邊緣部分由于為凸面而具有負的光焦度。實施例1的透鏡數據使短邊方向上為平面對稱的配置是其原因，由于通過改變面對稱的條件即配置關系，正的光焦度的部分和負的光焦度的部分發生改變，因此可以說自由曲面反射鏡3上存在正的光焦度的部分和負的光焦度的部分。
[0092]如上所述，通過在規定的條件下配置自由曲面透鏡2和自由曲面反射鏡3，不需要增大作為光掃描部I的MEMS反射鏡的旋轉角度，就能夠在不破壞MEMS反射鏡的機械上的可靠性下實現10倍以上的廣角化和線性的改善。
[0093]實施例2
[0094]下面，利用圖15到圖20針對實施例2進行說明。圖15是實施例2的光線圖，圖 16是實施例2的另一光線圖，圖17是實施例2的自由曲面透鏡的詳細視圖，圖18是表示實施例2的透鏡數據的圖，圖19是表示實施例2的自由曲面系數的具體值的圖，圖20是實施例2的失真性能圖。
[0095]與實施例1的不同點在于自由曲面透鏡2為一個，在實施例2中由于X = 600mm、 L = 100mm，所以L/X為0.17，能夠實現非常小的值。
[0096]實施例3
[0097]下面利用圖21到圖26針對實施例3進行說明。
[0098]圖21為實施例3的光線圖，圖22是實施例3的另一光線圖，圖23是實施例3的自由曲面透鏡的詳細視圖，圖24表示實施例3的透鏡數據，圖25是表示實施例3的自由曲面系數的具體值的圖，圖26是實施例3的失真性能圖。
[0099]與實施例1的不同點在于配合原本的寬屏畫面使圖像尺寸為16:9，使光掃描部I 的旋轉角(水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋轉)為800X450的二維范圍這一點。圖 26的作為失真性能的線性相比表示作為實施例1的失真性能的線性的圖9得到改善，對于原本為了掃描16:9的像面而開發的光掃描部1，作為組合掃描16:9的像面更佳。此外，以 16:9開發的掃描反射鏡也能夠適用于4:3的像面，這無需明言。
[0100]在實施例3中由于X = 800mm、L = 100mm，所以L/X為0.135，能夠實現非常小的值。
[0101]符號的說明
[0102]I…光掃描部，2…自由曲面透鏡,3…自由曲面反射鏡,4…光源，10…圖像顯不裝置，20…像面，30…結構體，Ia…反射鏡，Ib…第一扭簧，Ic…保持部件，Id…第二扭簧，Ie… 保持部件。
【權利要求】
1.一種圖像顯示裝置，其特征在于，具備: 光掃描部，其使從光源射出的光，借助于該光的反射面的往復的旋轉運動，在像面的第一方向和第二方向上掃描；和 光學系統，其放大被掃描的光的掃描角度， 所述光學系統在所述光掃描部一側具有自由曲面透鏡，在所述像面一側具有自由曲面反射鏡。
2.如權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 所述第一方向的長度比所述第二方向的長度長， 配置所述自由曲面反射鏡以使所述第一方向與第一平面大致平行，其中，所述第一平面由當所述光掃描部靜止在掃描范圍的中央時的所述自由曲面反射鏡的入射光線和反射光線定義。
3.如權利要求1或2所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 所述光掃描部具有一個反射面，該一個反射面具有兩個掃描方向。
4.如權利要求1或2所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 所述光掃描部具有兩個反射面，該兩個反射面分別具有一個掃描方向。
5.如權利要求1至4中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 兩個掃描方向中的反射面的偏轉角度大的方向對應于所述第一方向，兩個掃描方向中的反射面的偏轉角度小的方向對應于所述第二方向。
6.如權利要求1至5中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 所述第一平面上，從所述自由曲面反射鏡上的反射位置到所述像面上的掃描位置的距離長的一側的光線通過所述自由曲面透鏡的光路長度，大于從所述自由曲面反射鏡上的反射位置到所述像面上的掃描位置的距離短的一側的光線通過所述自由曲面透鏡的光路長度。
7.如權利要求1至6中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 在所述像面的所述第二方向上所述自由曲面透鏡具有負的光焦度。
8.如權利要求1至6中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 在所述像面的所述第二方向上所述自由曲面反射鏡的邊緣部具有負的光焦度。
9.如權利要求1至8中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 當令所述第一方向的長度為X，投影距離為L時，L / X為I以下，其中，所述投影距離為從透鏡數據中用于定義自由曲面反射鏡的配置位置的基準位置向像面垂下的垂線的長度。
10.如權利要求1至8中任一項所述的圖像顯示裝置，其特征在于: 當令所述第一方向的長度為X，投影距離為L時，L / X為0.2以下，其中，所述投影距離為從透鏡數據中用于定義自由曲面反射鏡的配置位置的基準位置向像面垂下的垂線的長度。
【文檔編號】H04N5/74GK103597398SQ201180071068
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2011年6月10日 優先權日:2011年6月10日
【發明者】谷津雅彥, 平田浩二 申請人:日立麥克賽爾株式會社