CN101120284B - 二维图像形成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种既能够降低斑点杂讯，又可以减少光的损失，还能够使光学系统小型化的二维图像形成装置，它包括，作为相干光源的激光光源(1)、使从激光光源(1)射出的射束的前进方向发生改变的棱镜阵列(2)、使棱镜阵列(2)旋转的驱动部(3)、使在棱镜阵列(2)被偏向的射出束一边在其内部反射一边导向射出端的柱状积分器(4)、将柱状积分器(4)的射出端面投影到二维空间光调制元件(7)上的投影光学系统(5)、将来自二维空间光调制元件(7)的射出光投影到空间中的某一表面上的投射透镜(8)。

Description

二维图像形成装置

技术领域

本发明涉及一种使用相干(Coherent)光源作为光源的二维图像形成装置。更具体地来说，是涉及一种具有用于降低出现在显示器内的斑点杂讯(Speckle Noise)的手段的二维图像形成装置。

背景技术

图16所示的是以往的激光显示器的概略结构。来自RGB3色的激光光源101a～101c的各光束(Light Beam)，经扩束器(Beam Expander)102而被放大，通过光线整合器(Light Integrator)103照射二维空间光调制元件107。此光线整合器103，是将长方形的单位透镜(Unit lens)进行二维配置而成的蝇眼透镜(Fly-Eye Lens)，大体上呈高斯(Gauss)分布的光强度分布，在二维空间光调制元件107上成为大体一样的长方形，以同样的强度照射二维空间光调制元件107。在二维空间光调制元件107的前面配置有扩散板105，通过扩散板摇动部112在其面内旋转。通过了二维空间光调制元件107的各束光，经分色棱镜(Dichroic Prism)110而被合波，通过投射透镜109作为全色映像被投射在屏幕108上。

这种激光显示器的特征在于，光源采用了单色性较强的激光光源。在使用了灯的投影机中，由于是将灯光源的具有连续光谱的光分解成RGB3色，所以，RGB各自的光也具有连续的光谱分布，因而不能显示纯粹的单色。与此相对，在激光显示器中，由于使用单色光源，因此能够显示色纯度较高、色彩鲜艳的图像。

然而，在这种显示器中，会出现由于作为光源使用了干涉性较高的激光光源而产生的所谓斑点杂讯的问题。斑点杂讯是激光在屏幕108上被散射时，来自屏幕108上各部分的散射光彼此相互干涉而产生的微小的不规则的杂讯。为了抑制此斑点杂讯，在以往提出的激光显示器中，如图16所述的那样，采用了摇动扩散板105的结构。

即，扩散板105，是将表面进行磨研、加工成玻璃状的扩散板，对射入的光施加随机的相位调制。射入到扩散板105的平行光束变成在一定角度内随机扩散的发散光。通过了扩散板105的光，在二维空间光调制元件107上产生随机的斑点杂讯。通过在扩散板105的表面内摇动该扩散板，二维空间光调制元件107上的斑点杂讯高速地发生变化，同样，投射在屏幕108上的图像的斑点杂讯也高速地发生变化。当用眼睛观察时，所看到的是高速变化的斑点杂讯已被进行时间平均、没有杂讯的光滑的图像。

然而，在上述结构中所存在的问题是，被扩散板105散射了的光的一部分会损失。以下详细说明其情况。

为了更有效地抑制斑点杂讯，只要使在扩散板105的光的扩散角变大就可以。这时，照射二维空间光调制元件107的光的入射角变大，进而照射屏幕108的光的指向屏幕108方向的入射角也变大。瞬间产生的斑点图案，由于是依赖于向屏幕108方向的入射角，所以通过以较大的角度射入，会产生更多的斑点图案，从而能更有效地平均化。

如上所述，在使扩散角变大时，照射到二维空间光调制元件107的图像框外的光和被投射透镜109的瞳孔挡掉(kick)的光会增加，从而造成光的损失。通过使二维空间光调制元件107和扩散板105之间的距离变小，虽然可以减少照射到二维空间光调制元件107的图像框外的光，但反过来，扩散板105的粒子图案会在屏幕108上成像而成为斑点杂讯以外的杂讯。为此，有必要使二维空间光调制元件107和扩散板105之间的距离保持有一定的间隔，这样则不能杜绝偏离到二维空间光调制元件107的图像框外的光。

另一方面，如果将在扩散板105的扩散角设在投射透镜109的亮度(F值)以下，虽然也可以防止被投射透镜109挡掉所引起的光的损失，但是，通常、扩散板105的扩散特性是相对于扩散角其射出的光强度分布呈高斯函数状的分布，随着取的扩散角的增大，被投射透镜109挡掉的光会增加。

而且，在上述的激光显示器中，由于是利用光线整合器103对射束的光强度进行均一化，所以在光线整合器103中需要有一定的光路长度，这样光线整合器103的长度则变长。而且，由于射入到光线整合器103的射束经由扩束器102而被放大，因此射束径也变大，扩束器102及光线整合器103均需要使用有较大径的器件。其结果，由于扩束器102及光线整合器103大型化而使得光学系统变大，从而难以将激光显示器进行小型化。

专利文献1：日本专利公开公报特开平7-297111号

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维图像形成装置，既能够降低斑点杂讯，又可以减少光的损失，并且，还能够使光学系统小型化。

本发明所提供的二维图像形成装置包括：至少一个激光光源、使从上述激光光源射出的光束的前进方向改变的射束偏向单元、为使从上述射束偏向单元射出的光束的前进方向随时间变化而驱动上述射束偏向单元的驱动单元、使通过上述射束偏向单元而被偏向的光束一边在其内部反射一边导向射出端的柱状积分器(Rod Integrator)、将从上述柱状积分器射出的光束进行投影的第1投影光学系统、对从上述第1投影光学系统射出的光束进行调制的二维空间光调制元件、以及将从上述二维空间光调制元件射出的光投影到指定的面上的第2投影光学系统。上述射束偏向单元包括其光轴基本上互相呈直角配置的柱状透镜，所述柱状透镜将从所述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向，并将从所述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向。

在此二维图像形成装置中，既能够降低斑点杂讯，又可以减少光的损失，并且，还能够使光学系统小型化。

附图说明

图1是本发明第一实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图2是用于主要说明图1所示的棱镜阵列的结构的模式立体图。

图3是本发明第二实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图4是本发明第三实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图5是用于主要说明图4所示的柱状透镜的结构的模式立体图。

图6是本发明第四实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图7是图6所示的二维图像形成装置中的柱状透镜的凹凸形状的配置的示意图。

图8是本发明第五实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图9是本发明第六实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图10是图9所示的二维图像形成装置中使用的随机模拟扩散板的平面构成的示意图。

图11是本发明第七实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图12是本发明第八实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图13是本发明第九实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图14是本发明第十实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图15是本发明第十一实施例的二维图像形成装置的概略结构图。

图16是以往的激光显示器的概略结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的各实施例的二维图像形成装置进行说明。

(第一实施例)

图1是本发明第一实施例的二维图像形成装置的概略结构图。图1所示的二维图像形成装置包括：激光光源1、棱镜阵列(Prism Array)2、驱动部3、柱状积分器(RodIntegrator)4、投影光学系统5、场透镜(Field Lens)6、二维空间光调制元件7、投射透镜8。

从作为相干光源的激光光源1射出的光束，通过棱镜阵列2，射入柱状积分器4。在柱状积分器4内反复进行内部反射而到达了射出端的光束，通过投影光学系统5、介于场透镜6而被投射到透过型的二维空间光调制元件7上。二维空间光调制元件7由液晶快门(Shutter)等构成，通过根据从信号处理电路(图示省略)输出的图像数据来控制各个快门的开关动作，对从投影光学系统5射出的射束，按照应该显示的图像进行调制并导出到投射透镜8。投射透镜8，将从二维空间光调制元件7射出的光投影到屏幕(图示省略)上。

通过投影光学系统5而被投影到二维空间光调制元件7上的光束，如图1所示成为基本上发散的射束，场透镜6则将基本上发散的射束转换为收束射束，使得通过了二维空间光调制元件7的光高效率地射入投射透镜8。

图2是用于主要说明图1所示的棱镜阵列的结构的模式立体图。如图2所示，棱镜阵列2，由微小的棱镜二维配置而成、例如，由微小的单位棱镜2a在圆周上排列而成的圆板构成，通过由电动机等构成的驱动部3旋转，光束连续地通过不同的单位棱镜2a而被偏向。每个单位棱镜2a，其表面朝向互不相同的方向，光束通过不同的单位棱镜2a而被偏向不同的方向。

这样，光束通过棱镜阵列2的旋转而在每单位时间内通过多个单位棱镜2a，由于是偏向各个方向，所以在柱状积分器4的输出端面，射束位置高速地变化，单位时间的平均光照射功率在输出端面内变成一样。为了进一步提高一样性，可以将各个单位棱镜2a的表面设成凹透镜形状，使被偏向的光束变成略微发散的射束，使柱状积分器4的输出端面的光束成为一定以上的大小即可。

这时，照射二维空间光调制元件7的光束的入射角时时刻刻在发生变化，其结果，由于照射屏幕的光束指向屏幕方向的入射角发生变化，因此，斑点杂讯高效率地受到抑制。

本实施例的光学系统的要点在于，由于将棱镜阵列2用于光束的偏向，所以能够正确地设计光束的偏向角。例如，投影光学系统5的放大倍率为2倍，投射透镜8的亮度为2.5时，如果使从柱状积分器4射出的光的F值在1.25以下，光束则能全部通过投射透镜8的瞳孔内侧，从而可以实现没有因挡掉而引起的光损失的光学系统。

在此，由于柱状积分器4是长方体的光学棱镜，光在通过内部反射从射入端传播到射出端时，光的倒角得以保存，因此可以设计棱镜阵列2的偏向角，使射入柱状积分器4的光束的倒角也成为相当于F值1.25的角度以下。

而且，如果让柱状积分器4和棱镜阵列2之间的距离充分接近，使因单位棱镜2a的偏向而引起的在柱状积分器4的射入端面的射束位置偏移小于柱状积分器4的射入端面的尺寸，通过棱镜阵列2而被偏向的光束则全部射入柱状积分器4，照射二维空间光调制元件7。为此，不会发生如以往的例子中所出现的那样照射到二维空间光调制元件7的图像框外而成为损失的光，从而可实现光的损失非常小的光学系统。

如上所述，在本实施例中，由于不会出现在投射透镜8的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件7的图像框外而成为损失的光，所以能够实现光的损失非常小的光学系统。

而且，在本实施例中，由于从激光光源1射出的光束没有被放大，利用小型的柱状积分器4可使光束的强度分布为一定，所以不需要使用大型的扩束器及光线整合器，可使光学系统小型化，从而二维图像形成装置也能够小型化。

(第二实施例)

图3是本发明第二实施例的二维图像形成装置的概略结构图。图3所示的二维图像形成装置和图1所示的二维图像形成装置的不同点在于，附加有偏振光射束分束器(Polarizing Beam Splitter)9，并且透过型的二维空间光调制元件7被更换为反射型的二维空间光调制元件7a，投射透镜8被配置在偏振光射束分束器9的上部，其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，因此在此对相同的部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

反射型的二维空间光调制元件7a，例如可以由在硅基板上配置强感应液晶、被称为所谓的LCOS(Liquid Crystal On Silicon)设备的二维空间光调制元件构成。在LCOS二维空间光调制元件中，光学开关呈二维排列，基于输入信号其反射光的偏振光方向得以旋转。因此，被偏振光射束分束器9反射的入射光中，射入到处于ON状态的光学开关的光，其偏振光方向被旋转而反射，通过偏振光射束分束器9而射入投射透镜8。

在此光学系统中，如果应用象以往的例子那样将扩散板配置在反射型的二维空间光调制元件7a的附近来防止斑点杂讯的方法时，则在图3中用虚线的长方形所表示的位置上配置扩散板。怎么说呢，因为如果在反射型的二维空间光调制元件7a和投射透镜8之间配置扩散板，投射在屏幕上的图像就会变模糊，因此不能在来自反射型的二维空间光调制元件7a的反射光通过的光路中配置扩散板。

为此，在扩散板和反射型的二维空间光调制元件7a之间就存在有偏振光射束分束器9，由于其光路变长，由扩散板扩散的光许多偏离到反射型的二维空间光调制元件7a的图像框外。这样，在组合使用反射型的二维空间光调制元件7a和扩散板时，光的损失尤其会变大。与此相对，在本实施例中，除了第一实施例的效果，还由于不需要把扩散板放置在反射型的二维空间光调制元件7a的跟前，所以能够防止光量的降低，本发明在使用反射型二维空间光调制元件时特别有效。

(第三实施例)

图4是本发明第三实施例的二维图像形成装置的概略结构图。图5是用于主要说明图4所示的柱状透镜的结构的模式立体图。本实施例中，在激光光源1至柱状积分器4之间，配置通过2个驱动部3a、3b而被旋转的2个柱状透镜(Lenticular Lens)10a、10b，使光束偏向。其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同的部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

在本实施例中使用的柱状透镜10a、10b，是通过在圆盘状的基板上的圆环区域中形成波浪状的光滑的凹凸形状而形成的柱状透镜，凹凸形状被配置成其凹凸形状的方向朝向圆盘基板的半径方向。因此，柱状透镜10a、10b，其截面呈波浪状光滑的凹凸形状，使射入的光束偏向与凹凸形状呈直角的方向。

柱状透镜10a、10b，以圆盘基板的中心为旋转中心，在其面内分别通过由电动机等构成的驱动部3a、3b而旋转。每当射入的光束穿过柱状透镜10a、10b的凹凸形状时，光束被反复偏向与凹凸形状相垂直的方向。这时，使用2个柱状透镜10a、10b，柱状透镜10a、10b如图所示被配置成一个柱状透镜10a使入射光偏向水平方向，而另一个柱状透镜10b使入射光偏向垂直方向。每个柱状透镜10a、10b的凹凸形状的深度或周期，被设计成其倾斜角为使得由投射透镜8带来的挡掉不会发生。

本实施例的二维图像形成装置的特长是，柱状透镜10a、10b的表面由连续的面构成，因为没有不连续点，因此不存在由于光的散乱而引起的损失。例如，在第一实施例中使用的棱镜阵列2中，在棱镜和棱镜邻接的边界线处其表面形状为不连续，光束照射在此不连续的线上时，虽然微少但光被散乱而成为损失。与此相对，在柱状透镜10a、10b中，因其表面形状光滑，没有边界线引起的光的散乱，因此可实现损失较少的光学系统。

而且，本实施例的二维图像形成装置的其他特长，是通过柱状透镜10a、10b的光的偏振光的方向不会变化。例如，在二维空间光调制元件7中使用液晶二维空间光调制元件的情况下，在射入二维空间光调制元件7的前后，光束通过偏振光分离元件。

例如，在图3的结构中，邻接反射型的二维空间光调制元件7a，设置偏振光射束分束器9。只有一个方向的偏振光成分被偏振光射束分束器9反射而射入反射型二维空间光调制元件7a中，按照输入信号，其偏振光方向发生变化。偏振光方向发生了变化的光，透过偏振光射束分束器9从投射透镜8投射到屏幕上。在此，从柱状积分器4射入偏振光射束分束器9中的光并不是直线偏振光，在不需要的偏振光成分包含于其中时，不需要的偏振光成分如图3中的虚线所示，通过偏振光射束分束器9而不射入反射型二维空间光调制元件7a，成为光的损失

而且，如图4所示，在使用透过型的二维空间光调制元件7时，由于在使用液晶二维空间光调制元件的情况下，偏光镜(Polarizer)(图示省略)被配置在液晶二维空间光调制元件的射入侧和射出侧，所以不需要的偏振光成分被射入侧的偏光片吸收，与使用了反射型的液晶二维空间光调制元件7a的情况同样，不需要的偏振光成分成为光的损失。与此相对，来自激光光源1的光，例如是水平方向的直线偏振光，由于上述二个柱状透镜10a、10b表面的倾斜方向为垂直方向及水平方向，因此在被柱状透镜10a、10b偏向时偏振光方向不发生变化，直线偏振光的光射入二维空间光调制元件7，没有损失的光学系统得以实现。在图16所示的以往的例子的光学系统中，通过了扩散板105的光，由于其偏振光方向稍微被扰乱，就会产生不需要的偏振光成分，所以成为光的损失。

(第四实施例)

图6是本发明第四实施例的二维图像形成装置的概略结构图。图7是图6所示的二维图像形成装置中柱状透镜的凹凸形状的配置的示意图。另外，图7所示的背面表示的是从柱状透镜10c的表面即柱状积分器4一侧所见到的状态。

在本实施例中，柱状透镜10c是通过在圆盘状基板的表面(柱状积分器4一侧的表面)和背面(激光光源1一侧的表面)上的圆环区域中形成波浪状的光滑的凹凸形状而形成的2个柱状透镜，其光轴方向如图7所示相互垂直地配置。并且，配置柱状透镜10c的表面及背面的凹凸形状的方向，使其分别相对柱状透镜10c的半径方向(图7所示的虚线方向)倾斜45度(从柱状积分器4一侧看，表面凹凸形状的方向顺时针倾斜45度，背面凹凸形状的方向逆时针倾斜45度)。柱状透镜10c以圆盘状基板的中心为旋转中心(旋转轴RA)，在其面内，通过由电动机等构成的驱动部3c而被旋转。其他方面因与图4及图5所示的二维图像形成装置相同，所以对相同部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

在此结构中，光束通过柱状透镜10c表面的柱状透镜而被偏向水平方向，通过背面的柱状透镜而被偏向垂直方向，其结果，从柱状透镜10c射出来的光，其射出方向被二维地偏向。

根据上述结构，本实施例的二维图像形成装置，由于柱状透镜10c是由1块基板构成，所以能够削减零部件件数，并且由于将旋转柱状透镜10c的旋转轴RA统一成一个，所以又能够简化作为旋转机构的驱动部3c。

而且，在本实施例中，连结柱状透镜10c的旋转轴RA和柱状透镜10c上的光束射入的点BI的方向(图6所示虚线方向)被配置在相对柱状积分器4为45度的方向。而且，配置射入的光束，使其成为偏光方向为水平方向或者垂直方向的直线偏振光。根据此结构，被柱状透镜10c偏向的光束的偏光方向不发生变化，不会产生射入二维空间光调制元件7的不需要的偏向成分，从而损失较少的光学系统得以实现。

(第五实施例)

图8是本发明第五实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在本实施例中，使用了普通的旋转对称的透镜11来替代柱状透镜，其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

使用旋转对称的透镜11的情况与使用柱状透镜有所不同，需要将透镜11向二维方向(图中的箭头方向)摇动，通过由以步进电动机(stepping morter)等作为驱动源的XY工作台等构成的驱动部3d，向二维方向摇动透镜11。这时，透过了透镜11的光也偏向透镜11被移动的方向，与旋转柱状透镜的时候同样，使射入二维空间光调制元件7的光的角度发生变化，发挥抑制斑点杂讯的效果。而且，在本实施例的二维图像形成装置中，可以使用比柱状透镜更小型的透镜11，从而具有可以实现小型的光学系统的效果。

(第六实施例)

图9是本发明第六实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在本实施例中使用了扩散板12来替代柱状透镜，其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同部分标注了相同的符号并省略其详细的说明。

来自激光光源1的光束，照射到设置在柱状积分器4入射端附近的扩散板12。扩散板12有随机的表面形状，具有使透过的光扩散的作用。向各个角度方向扩散的光，在柱状积分器4中反复地进行全反射而到达柱状积分器4的射出端，通过投影光学系统5照射二维空间光调制元件7。在这个光学系统中，也与使用了象柱状透镜那样的射束偏向单元的光学系统相同，照射二维空间光调制元件7的光以各种各样的角度射入，具有抑制斑点杂讯的效果。即，通过由驱动部3e摇动扩散板12，使发生的斑点杂讯的图案高速地发生变化，在观察时，那些高速变化的斑点杂讯图案在时间上被平均化而以没有杂讯的图像被识别。

而且，通过使扩散板12的扩散表面接近柱状积分器4的入射端，可使从扩散板12射出的光没有损失地射入柱状积分器4，从而实现光损失较少的光学系统。而且，通过控制扩散板12的凹凸的深度或粒状的大小等其表面形状，能够控制光的扩散角。这样，可控制射入二维空间光调制元件7的光的入射角，从而可实现因在投射透镜8被挡掉而引起的光损失为较少的光学系统。

而且，在本实施例中，因为作为射束偏向单元而使用了扩散板12，所以能够使扩散板12的摇动速度减少。通常，柱状透镜的大小为0.5至5毫米左右，与此相对，扩散板12具有从5微米至50微米的粒状的表面形状。为此，为了让斑点杂讯充分高速地发生变化而使屏幕上发生的斑点杂讯被观察到时被时间平均，所需要的扩散板12的摇动速度，相对柱状透镜的摇动速度在其1/10左右就可以。根据实验，当以每秒5mm的摇动速度摇动扩散板12时，可以观测到斑点杂讯被充分抑制的没有杂讯的图像。

另外，作为本实施例中使用的扩散板，并不特别限定于上述之例，也可以使用如图10所示的模拟随机扩散板12a，在这种情况下，有进一步减少光的损失的效果。扩散板通常是通过将玻璃和树脂等透明基板表面随机的弄粗糙制作而成，与此相对，图10所示的模拟随机扩散板12a却是通过在透明基板的表面形成格子状的凹凸而制成的。模拟随机扩散板12a的表面被分割成二维的格子状单元CE(Cell)，凹凸的深度被设定得使通过每个单元CE的光的相位随机地移动。最大的深度可以为λ/(n-1)。

使用如图10所示的模拟随机扩散板12a的优点是，通过模拟随机扩散板12a的光的扩散角度可以由单元CE的大小严格地控制。即，若设格子状单元CE的单元间距(cell pitch)为d，角度为θ，则具有满足

I(θ)＝{sin(α)/α}²(α＝θ×d/(π·λ))

关系的强度分布的光被扩散。例如，要制作扩散角的半值全角(Full Width at HalfMaximum)为10度的扩散板，在上式中(θ)＝1/2，可以得到相对波长λ的单元间距d。在使用蓝、绿、红的波长分别为λ＝0.473、0.532、0.640微米的光源时，单元间距d分别按照2.4、2.7、3.2微米制作就可以。

通常的扩散板，由于其表面形状是随机的，因而会存在以下的问题：(1)因位置不同而导致局部的扩散角度不同，使光利用效率下降，(2)因位置不同而导致穿透率变化，使图像中产生强度分布不均匀，(3)因位置不同而导致难以稳定地进行制作而使扩散角度固定等。并且，通常的扩散板，还存在当取的散射角很大时偏向方向出现混乱的问题。图10中的模拟随机扩散板12a则能够解决这些问题。

图10中的模拟随机扩散板12a，可以通过采用通常的半导体工艺所使用的微影技术(Photolithography)和蚀刻法在玻璃板上形成凹凸图形制作而成。这时，如图10所示，若预先选择相位移动为0、π/2、π、3π/2，则可以通过适合π/2、π的相位移动的2次蚀刻法而很容易地制作而成。

(第七实施例)

图11是本发明第七实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在上述的各实施例中，说明了作为射束偏向单元，使用了棱镜阵列2、柱状透镜10a～10c、透镜11、扩散板12等利用了光的折射的装置的结构，但也可以使用包括作为射束偏向单元的镜部和作为驱动镜部的驱动单元的驱动部的可动镜，来进行同样的动作。在本实施例中，作为可动镜的一个例子，使用了MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)镜13，来替代柱状透镜，其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同的部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

二维MEMS镜13，是由10微米左右的厚度的硅结晶构成的可动镜，通过蚀刻法技术，中央镜部13a被保持在从底面基板向上浮出的位置上。中央镜部13a从上下方向通过梁部件而与镜保持部13b连接。并且，镜保持部13b从左右方向通过梁部件而得以支撑。

在中央镜部13a下侧的底面基板中，形成有被左右分开的电极(图示省略)，通过向中央镜部13a和底面基板上的电极之间施加电压，则因其静电力，中央镜部13a在梁部件上产生扭曲的方向、即以上下旋转轴为中心左右方向倾斜。在与镜保持部13b对应的底面基板上，形成由被上下分开的电极(图示省略)，通过向镜保持部13b和底面基板上的电极之间施加电压，因其静电力，镜保持部13b在梁部件上产生扭曲的方向、即以左右旋转轴为中心上下方向倾斜。通过同时控制这两个轴方向的倾斜，可以在二维方向自由地设定中央镜部13a的倾斜。

由于中央镜部13a的大小约为1mm的四角形，很小，其旋转力矩也很小，所以能够通过梁部的厚度或幅度的设计，来提高扭曲方向的1次谐振频率，从而可以在左右方向的旋转轴中心很容易地得到较高的1次谐振频率。在中央镜部13a为1mm的四角形，梁的幅度为50微米，梁的长度为200微米时，1次谐振频率约为15kHz，Y方向的谐振频率约为4kHz，从而能够以足够高的频率偏向光束。

根据上述的结构，在本实施例中，因为可以通过MEMS镜13正确地控制光束的偏转角，因而不会出现在投射透镜8的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件7的图像框外而成为损失的光，从而能够实现光的损失非常小的光学系统。

(第八实施例)

图12是本发明第八实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在上述的实施例中，作为可动镜，使用了MEMS镜13，但也可以使用多面镜(Polygon Mirror)或检流镜(Galvanometer Mirror)，让其进行同样的动作。在本实施例中，作为可动镜的一个例子使用了多面镜14及检流镜15来替代柱状透镜。其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

多面镜14反射从激光光源1射出的光束而使其偏向X方向，检流镜15再进一步反射被多面镜14反射的光束而使其偏向Y方向(与X方向垂直的方向)，从而进行二维的射束偏向。

根据上述的结构，在本实施例中，因为也可以通过多面镜14及检流镜15正确地控制光束的偏向角，因而不会产生在投射透镜8的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件7的图像框外而成为损失的光，所以能够实现光的损失非常小的光学系统。

(第九实施例)

图13是本发明第九实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在上述的实施例中，作为可动镜，使用了多面镜14及检流镜15，但也可以使用2个检流镜来进行同样的动作。在本实施例中，作为可动镜的一个例子使用了2个检流镜15、16来替代柱状透镜，其他方面因与图1所示的二维图像形成装置相同，所以对相同部分标注相同的符号并省略其详细的说明。

检流镜16反射从激光光源1射出的光束使其偏向X方向，检流镜15再进一步反射被检流镜16反射的光束使其偏向Y方向，从而进行二维的射束偏向。

根据上述的结构，在本实施例中，因为也可以通过检流镜15、16正确地控制光束的偏向角，因而不会产生在投射透镜8的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件7的图像框外成为损失的光，所以能够实现光的损失非常小的光学系统。另外，在本实施例中，使用了2个检流镜，但用2个多面镜也能得到同样的效果。

(第十实施例)

图14是本发明第十实施例的二维图像形成装置的概略结构图。在上述的各实施例中，使用了一个激光光源，但在利用红、绿、蓝的单个激光光源来形成全色的图像时，本发明也能够适用。在本实施例中，利用红色激光光源1a、绿色激光光源1b、蓝色激光光源1c来显示彩色图像。

从红色激光光源1a、绿色激光光源1b、及蓝色激光光源1c射出的各束光束，分别通过棱镜阵列2a～2c和柱状积分器4a～4c而成为在柱状积分器4a～4c的射出端面具有一样强度分布的射束。另外，在每个棱镜阵列2a～2c中，与第一实施例相同，设置有使各棱镜阵列2a～2c旋转的驱动部，但为了易于图示，在图14中省略。

从柱状积分器4a射出的光束，通过了投影光学系统5a后被镜17a反射，介于场透镜6a来照明二维空间光调制元件7a，从柱状积分器4b射出的光束，通过了投影光学系统5b后被导向场透镜6b来照明二维空间光调制元件7b，从柱状积分器4c射出的光束，通过了投影光学系统5c后被镜17c(应该是“17b”)反射，介于场透镜6c来照明二维空间光调制元件7c。

分色镜18，具有将从图面上侧射入的红色光向左方向反射、将从图面下侧射入的蓝色光向图面的左方向反射、而让从图面右侧射入的绿色光透过的功能。3个二维空间光调制元件7a～7c上的图像全部通过投射透镜8而被重叠投影到屏幕19上。这时，在3个二维空间光调制元件7a～7c中，分别被输入与红色、绿色、蓝色相对应的视频信号，在屏幕19上则显示出全色的映像。

根据上述的结构，在本实施例中，既可以得到与第一实施例相同的效果，又可以显示全色的映像，而且，因为各颜色的光共同使用投射透镜8，所以能够削减零部件件数。另外，在本实施例中，作为射束偏向单元使用了棱镜阵列，但也可以使用柱状透镜、扩散板、旋转对称的透镜、检流镜、多面镜、以及其他的射束偏向单元。

(第十一实施例)

图15是本发明第十一实施例的二维图像形成装置的概略结构图。本实施例中，在棱镜阵列2的入射侧的前面设置分色棱镜20，利用红色激光光源1a、绿色激光光源1b、蓝色激光光源1c来显示彩色图像。

从红色激光光源1a、绿色激光光源1b、和蓝色激光光源1c射出的各光束，在射入棱镜阵列2及柱状积分器4之前通过分色棱镜20而被合波，所有颜色的光束一起沿着相同的光路射入棱镜阵列2而被偏向。另外，在棱镜阵列2中，与第一实施例相同，设置有使棱镜阵列2旋转的驱动部，但为了易于图示，在图15中省略。

此后，被棱镜阵列2偏向的光束，经由柱状积分器4而被转换为具有相同的强度分布的光束，在到达屏幕8(应该是“19”)之前的各光束的动作与第一实施例相同。本实施例与第一实施例的不同之处如以下所述的那样，在于采用了被称为所谓依次点灯的控制方式。

在二维空间光调制元件7中，红色用、绿色用、蓝色用的视频信号被依次切换输入，与各视频信号同步，使红色激光光源1a、绿色激光光源1b、蓝色激光光源1c依次点灯。其结果，各种颜色的映像被依次投影在屏幕19上。这样，通过进行高速切换，红色、绿色、蓝色以视频信号的每帧为单位分别依次点灯数次，因此各种颜色的映象则被重叠观察到，从而感觉到的是全色的映像。

在本实施例中，既可以得到与第十实施例相同的效果，又由于棱镜阵列2、驱动部、柱状积分器4、投射透镜5、场透镜6、二维空间光调制元件7全部被共同使用于红色用、绿色用、蓝色用，因而可使光学零部件件数变得更少，从而具有以小型的结构即可显示全色映像的效果。

另外，在上述的各实施例中，用投影光学系统5和屏幕为分开的部件的投影式显示器的例子进行了说明，但本发明也可适用于由投影光学系统5和透过型屏幕组合成的背投式二维图像形成装置。并且，还举例说明了彩色图像的投影设备，但本发明也可以用于单色激光的图像投影设备，例如半导体曝光设备等。

如上所述，本发明所提供的二维图像形成装置包括：至少一个激光光源、使从上述激光光源射出的光束的前进方向改变的射束偏向单元、为使从上述射束偏向单元射出的光束的前进方向随时间变化而驱动上述射束偏向单元的驱动单元、使通过上述射束偏向单元而被偏向的光束一边在其内部反射一边导向射出端的柱状积分器、将从上述柱状积分器射出的光束进行投影的第1投影光学系统、对从上述第1投影光学系统射出的光束进行调制的二维空间光调制元件，将从上述二维空间光调制元件射出的光投影到指定的表上的第2投影光学系统。

在此二维图像形成装置中，从激光光源射出的光束，通过射束偏向单元及驱动单元随着时间以不同的角度偏向，被偏向的光束通过柱状积分器一边在其内部反射一边导向射出端，从柱状积分器射出的光束，通过第1投影光学系统被投影到二维空间光调制元件上，从二维空间光调制元件射出的光，通过第2投影光学系统被投影到指定的面上。此时，由于不用在二维空间光调制元件的正前面配置扩散板，通过配置在激光光源和柱状积分器之间的射束偏向单元，使光束可以随时间以不同的角度偏向，所以能够降低照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，在光的损失非常小的光学系统中实现斑点杂讯的降低。而且，还由于不放大从激光光源射出的光束，用小型的柱状积分器来固定光束的强度分布，所以不需要使用大型的扩束器及光线整合器，从而可以使光学系统小型化。其结果，既能够降低斑点杂讯，又可以减少光的损失，并且，还能够使光学系统小型化。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述射束偏向单元包括由微小的棱镜二维配置而成的棱镜阵列。此时，因为能够通过棱镜阵列正确地控制光束的偏向角，所以可以降低在第2投影光学系统的透镜的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，从而能够实现光的损失非常小的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述射束偏向单元包括光轴基本上互相呈直角配置的柱状透镜。此时，因为能够通过柱状透镜正确地控制光束的偏向角，所以可以降低在第2投影光学系统的透镜被瞳孔挡掉的光或照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，从而能够实现光的损失非常小的光学系统。而且，还因为柱状透镜的表面形状光滑，没有像棱镜那样因边界线所导致的光的散乱，所以能够实现损失更少的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述柱状透镜包括形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向的第1柱状透镜的第1基板，和形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向的第2柱状透镜的第2基板。此时，由于通过第1及第2柱状透镜的光的偏振光方向不变，因而可抑制不需要的偏振光成分的发生，使直线偏振光的光以较少的损失射入二维空间光调制元件，从而能够实现损失更少的光学系统。

上述柱状透镜也可以包括在其一侧表面形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向的第1柱状透镜、而在其另一侧表面形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向的第2柱状透镜的基板。此时，由于通过柱状透镜的光的偏振光方向不变，因此可抑制不需要的偏振光成分的发生，使直线偏振光的光以较少的损失射入二维空间光调制元件，从而能够实现损失更少的光学系统，并且，由于可以用1个基板构成柱状透镜，所以既能够削减零部件件数，又可以简化驱动单元的结构。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述射束偏向单元包括扩散板。此时，由于不在二维空间光调制元件的正前面配置扩散板，而在激光光源和柱状积分器之间配置扩散板，使光束可以随着时间以不同的角度偏向，所以能够降低照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，从而可以实现光的损失较小的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述扩散板由模拟随机扩散板构成。此时，既能够减少照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，又由于能够减轻在第2投影光学系统透镜的瞳孔被挡掉的光，所以能够实现光的损失更小的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述射束偏向单元包括透镜。此时，由于通过二维地驱动透镜能够正确地控制光束的偏向角，所以可以减少在第2投影光学系统透镜的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，从而能够实现光的损失非常小的光学系统。而且，还由于使用了比柱状透镜更为小型的透镜，所以能够实现更小型的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述射束偏向单元及驱动单元包括二维地驱动镜部的可动镜。此时，由于通过二维地驱动镜部的可动镜能够正确地控制光束的偏向角，所以可以减少在第2投影光学系统透镜的瞳孔被挡掉的光或照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，从而能够实现光的损失非常小的光学系统。并且，在作为可动镜而采用了MEMS镜的情况下，因为MEMS镜比柱状透镜更小型，所以能够实现更为小型的光学系统。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述二维空间光调制元件是反射型的二维空间光调制元件。此时，由于不需要在反射型的二维空间光调制元件的正前面放置扩散板，所以能够防止光量的降低。

上述的二维图像形成装置较为理想的是，上述激光光源包括分别发出蓝色光、绿色光、红色光的3个激光光源，上述射束偏向单元、上述柱状积分器、上述第1投影光学系统、上述二维空间光调制元件分别与上述3个激光光源一一对应地予以配置。此时，既能够显示全色的映像，又因为各种颜色的光可以共用第2投影光学系统，所以可以削减零部件件数。

上述的二维图像形成装置还可以进一步包括光合成单元，其中上述激光光源包括分别发出蓝色光、绿色光、红色光的3个激光光源，上述光合成单元合成来自上述3个激光光源的光，由上述光合成单元合成的光被射入上述射束偏向单元。此时，既能够显示全色的映像，又因为各种颜色的光可以共用射束偏向单元、驱动单元、柱状积分器、第1投影光学系统、二维空间光调制元件及第2投影光学系统，所以能够削减零部件件数。

产业上的利用可能性

本发明所涉及的二维图像形成装置，不会发生照射到二维空间光调制元件的图像框外而成为损失的光，具有在光的损失很小的光学系统中能够实现降低斑点杂讯的效果，作为使用相干光源为光源的二维图像形成装置等是极为有用的。

Claims (6)

1.一种二维图像形成装置，其特征在于包括：

至少一个激光光源；

射束偏向单元，使从上述激光光源射出的光束的前进方向改变；

驱动单元，驱动上述射束偏向单元，使从上述射束偏向单元射出的光束的前进方向随时间而变化；

柱状积分器，使通过上述射束偏向单元而被偏向的光束一边向其内部反射一边导向射出端；

第1投影光学系统，将从上述柱状积分器射出的光束进行投影；

二维空间光调制元件，对从上述第1投影光学系统射出的光束进行调制；

第2投影光学系统，将从上述二维空间光调制元件射出的光投影到指定的面上，

上述射束偏向单元包括其光轴基本上互相呈直角配置的柱状透镜，所述柱状透镜将从所述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向，并将从所述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向。

2.根据权利要求1所述的二维图像形成装置，其特征在于，上述柱状透镜包括：

第1基板，形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向的第1柱状透镜，和

第2基板，形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向的第2柱状透镜。

3.根据权利要求1所述的二维图像形成装置，其特征在于，上述柱状透镜包括：

基板，在该基板的一侧面形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向水平方向偏向的第1柱状透镜，而在该基板的另一侧面形成有使从上述射束偏向单元射出的光束向垂直方向偏向的第2柱状透镜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的二维图像形成装置，其特征在于：上述二维空间光调制元件是反射型的二维空间光调制元件。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的二维图像形成装置，其特征在于：

上述激光光源包括分别发出蓝色光、绿色光、红色光的3个激光光源；

上述射束偏向单元、上述柱状积分器、上述第1投影光学系统、上述二维空间光调制元件，是针对上述3个激光光源而分别予以配置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的二维图像形成装置，其特征在于还包括：光合成单元，其中，

上述激光光源包括分别发出蓝色光、绿色光、红色光的3个激光光源；

上述光合成单元，合成来自上述3个激光光源的光；

由上述光合成单元合成的光，射入上述射束偏向单元。

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