CN101981486B - 二维扫描投影仪 - Google Patents

Abstract

一种二维扫描投影仪，包括：用于在第一方向上偏转光束的第一偏转器以及设置在所述第一偏转器和扫描面之间的扫描光学系统。所述扫描光学系统被构造成组成所述扫描光学系统的光学部件的中心轴与所述扫描光学系统的光轴共线，并且所述光学部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率。所述扫描面的中心在第二方向上从包括扫描面的平面与所述光轴的交点偏离。所述第一偏转器被设置成使其旋转轴在包括所述光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角度。从所述光源发出的光束斜入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线与所述光轴形成第二角度。

Description

二维扫描投影仪

技术领域

本发明涉及一种二维扫描投影仪，其将通过使光源发出的光束进行二维扫描来产生的图像放大和投影到预定的扫描面上。 

背景技术

近来，一种将通过使光源发出的光束进行二维扫描来产生的图像放大和投影到诸如屏幕之类的扫描面上的二维扫描投影仪是已知的。此外，对于二维扫描投影仪，被配置成使扫描光学系统的光轴相对于屏幕倾斜的设备是已知的。上述配置的二维扫描投影仪将图像从设置在屏幕下方的图像产生单元投影到整个屏幕上。这样配置的二维扫描投影仪能够进行所谓的上投(shooting-up)投影(也称为倾斜投影，以及意味着“行进到屏幕中心的光线相对于屏幕倾斜的投影”)，其中图像从设置在屏幕下方的图像产生单元投影到整个屏幕上。能够执行上投投影的设备与扫描光学系统的光轴基本垂直于屏幕的常规的非上投(non-shooting-up)型投影仪相比可以节省空间。 

但是存在这样的问题：通过能够进行上投投影的设备投影的图像与通过非上投投影仪投影的图像相比具有较大的TV畸变(TV distortion)和梯形畸变。这里所说的TV畸变指的是投影到屏幕上的图像畸变。特别地，TV畸变通过投影图像的长边向投影图像的短边的畸变的数值来表示。例如，日本专利临时公开No.2004-138719A中公开了一种用于降低投影仪中的TV畸变的技术。 

专利公开2004-138719A中公开了一种二维扫描投影仪，其中扫描光学系统设置在光源和屏幕之间。在该投影仪中，扫描光学系统被设置成偏轴的(decentered)。通过这种配置，投影仪的设计者试图通过对投影光学系统赋予变形效应(anamorphic effect)来校正TV畸变等等。 

但是，由于专利公开2004-138719A中描述的投影仪被配置为扫描光学系统是偏轴的(decentered)，投影仪的配置不可避免地变得复杂。 另外，需要对透镜进行高精度的定位。 

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种二维扫描投影仪，其能够进行所谓的上投投影并且能够有效地补偿诸如TV畸变和梯形畸变之类的图像质量下降，而无需采用复杂且具有高精度要求的配置。 

为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种二维扫描投影仪，其使从光源发出的光束在第一方向上和与第一方向垂直的第二方向上扫描以在扫描面上投影二维图像，包括：第一偏转器，所述第一偏转器在第一方向上偏转光束；以及扫描光学系统，所述扫描光学系统设置在所述第一偏转器和所述扫描面之间。所述扫描光学系统被配置成组成所述扫描光学系统的光学部件的中心轴彼此共线以限定所述扫描光学系统的光轴，并且所述光学部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率，所述扫描面的中心在所述第二方向上偏离所述光轴与包括所述扫描面的平面的交点，所述第一偏转器被设置成所述第一偏转器的旋转轴在包括所述光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角度，从所述光源发出的光束入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线斜入射到所述第一偏转器上以相对于所述光轴形成第二角度。 

根据本发明，优选的是，所述二维扫描投影仪满足下面两个条件。在这种情况下，H代表所述交点与所述屏幕的下边中点之间的距离，D代表所述交点与所述屏幕的下边的一个端点之间的距离，H”代表所述交点与所述屏幕的上边中点之间的距离，D”代表所述交点与所述屏幕的上边的一个端点之间的距离，f代表所述扫描光学系统的焦距，α代表所述第一方向上的半视角，ρ代表所述第一角度，β代表所述第二角度，ω代表所述第二方向上的半视角。 

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≥H^{\′\′}\frac{\tan (D^{\′\′}/f)}{D^{\′\′}}....\left(1\right)$

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≤H\frac{\tan (D/f)}{D}....\left(2\right)$

根据本发明，优选的是，根据权利要求2所述的二维扫描投影仪 进一步满足下面的条件。在这种情况下，H’代表所述交点与所述屏幕的中心之间的距离，D’代表所述交点与所述屏幕的侧边中点之间的距离。 

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}\≤H^{\′}\frac{\tan {(D}^{\′}/f)}{D^{\′}}....\left(3\right)$

根据本发明，所述二维扫描投影仪可以进一步包括：第二偏转器，所述第二偏转器设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并在所述第二方向上偏转所述光束；以及中继光学系统，所述中继光学系统设置在所述第一偏转器与所述第二偏转器之间，并使从所述第二偏转器射出的光束对准所述第一偏转器。 

根据本发明的二维扫描投影仪，所述光源可包括在与所述第二方向对应的方向上对齐的多个发光单元，所述二维扫描投影仪可进一步包括：聚光光学系统，所述聚光光学系统设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并被配置成使所述多个发光单元发出的多个光束同时入射到所述第一偏转器上。在这种情况下，通过使所述多个光束同时在扫描面上沿所述第一方向扫描来实现二维扫描。 

根据本发明的二维扫描投影仪，优选的是，所述第一角度和所述第二角度被设定为具有相同的符号以及被设定成在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到所述第一偏转器上的所述主光线和与所述第一偏转器的所述旋转轴垂直相交的平面之间所形成的角度小于所述第二角度。 

根据本发明的二维扫描投影仪，所述扫描光学系统可具有有助于保持所述扫描面上的恒定扫描速度的至少一个反射镜。 

优选的是，安装在所述二维扫描投影仪上的所述扫描光学系统具有负畸变，所述负畸变被限定在满足f(β+ω)≤H”≤ftan(β+ω)的fθ特性与ftanθ特性之间。 

根据所述二维扫描投影仪，即使当投影仪被配置成上投投影型投影仪时，也可以有效地抑制TV畸变和梯形畸变，而无需使用常规复杂的高精度扫描光学系统。 

附图说明

[图1]图1是显示根据本发明的实施例的二维扫描投影仪的总体配置的辅助扫描剖面。 

[图2]图2显示了根据本发明的实施例的二维扫描投影仪中的展开光路。 

[图3]图3是用于解释根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的相关参数的示意图。 

[图4]图4是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。 

[图5]图5是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。 

[图6]图6是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。 

[图7]图7是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。 

[图8]图8显示了根据对比例的二维扫描投影仪的展开光路。 

[图9]图9显示了通过根据本发明的实例1的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。 

[图10]图10显示了通过根据本发明的实例2的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。 

[图11]图11显示了通过根据对比例的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。 

[图12]图12是图2中显示的横向偏转器周围的光学系统的放大图。 

[图13]图13显示了根据本发明的变形的二维扫描投影仪的展开光路。 

具体实施方式

图1显示了根据本发明的实施例的上投投影型二维扫描投影仪100的总体配置。投影仪100在壳体50中具有投影光学系统10、第一反光镜M1和第二反光镜M2以及屏幕S。 

图2显示了二维扫描投影仪100中的展开光路。在图2中，第一 反光镜M1和第二反光镜M2的反射光路被展开。如图2所示，投影光学系统10具有光源单元1、第二偏转器2、中继光学系统(relaying optical system)3、第一偏转器4以及扫描光学系统5。用点划线表示的轴AX为扫描光学系统5的光轴。 

在下文中，在包括扫描光学系统5的光轴AX和第一偏转器4的旋转轴的截面中定义的扫描光学系统5的光轴AX的法向被定义为纵向，与光轴AX和法向两者都垂直的方向被定义为横向。例如，当整个外形被当成大致的长方体的二维扫描投影仪100被置于水平面上时，横向平行于放置二维扫描投影仪100的水平面并且等于第一方向，纵向与竖直方向重合并且等于第二方向。在下文中，第一偏转器4和第二偏转器2分别被称为横向偏转器4和纵向偏转器2。 

在图1和图2中，横向被表示为Y方向，纵向被表示为Z方向。与Y方向和Z方向两者垂直的方向，即与作为扫描面的屏S垂直的设备的深度方向被定义为X方向。 

在实际中存在这样的情况，除了第一反光镜M1和第二反光镜M2之外，还在投影光学系统10中放置反光镜(未显示)来折叠投影仪100中的光路。但是，在下文中，不考虑每个反光镜对光路的折叠，在解释每个部件时假设光路是展开的。 

图2中显示的光源单元1发射激光，根据诸如图像信号之类的外部输入信号对激光进行开/关(on/off)调制。光源单元1发出的激光入射到纵向偏转器2上。 

纵向偏转器2被配置成能够绕与图2的纸面垂直的中心轴转动。也就是说，纵向偏转器2是用于使激光在屏幕S的纵向上扫描的偏转器。 

被纵向偏转器2的偏转面偏转的激光然后通过中继光学系统3入射到横向偏转器4上。在图2中，为了便于图示，仅显示了横向偏转器4的中心轴。根据该实施例的中继光学系统3包括具有透镜L31至L34的前透镜组(front group)以及具有透镜L35至L38的后透镜组(rear group)。在图2中，位于中继光学系统3的中部的虚线表示形成中间图像的位置。在该实施例中，中继光学系统3中的轴向光束入射到屏S上的大致中心位置上。也就是说，中继光学系统3中的轴向光束产生 投影图像的中心区域。 

横向偏转器4被配置为能够绕与图2的纸面平行的中心轴转动。也就是说，横向偏转器4是用于使入射激光在屏S的横向上扫描的偏转器。 

激光在与横向偏转器4的转动状态对应的角度连续被偏转并入射到扫描光学系统5上。应注意，在该实施例中，扫描光学系统5包括四个透镜L51至L54，总体上具有fθ特性。但是，构成扫描光学系统5的透镜的数量是一个示例。扫描光学系统5的每个透镜L51至L54不偏轴。也就是说，透镜的中心轴互相重合，并构成扫描光学系统5的光轴AX。每个透镜L51至L54具有关于光轴AX旋转对称的放大率(power)。 

从扫描光学系统5出射的激光沿横向方向在屏幕S上进行扫描。如上所述，根据本发明的二维扫描投影仪100被配置为上投投影型的。因此，如图2所示，屏幕S的中心Sc沿纵向(即Z方向)偏离光轴AX与包括屏S的平面(Y-Z面)的交点P。 

在二维扫描投影仪100中，在横向偏转器4沿横向进行的每次扫描中，纵向偏转器2转动预定量。该预定量被限定为与在屏幕S上扫描时同时使用的激光束的数目和每个激光束在屏幕S上形成的光斑的尺寸相乘所得到的长度对应的量。通过重复扫描，在屏幕S上形成二维图像。也就是说，与可转动的感光鼓不同，作为该实施例中的扫描面的屏幕S相对于扫描光学系统5是固定的。 

在如上文所述配置的二维扫描投影仪100中，横向偏转器4被设置成偏转器4的中心轴4a相对于Z方向倾斜。也就是说，横向偏转器4被设置成其本身的中心轴与Z方向之间形成的角度(以后称为第一角度ρ)取除0°以外的值。当中心轴与Z方向重合时，该角度(第一角度ρ)是0°，图12所示的箭头表示的方向(逆时针方向)被定义成正向。图12是显示横向偏转器4周围的光学系统的放大图。 

此外，二维扫描投影仪100被配置成通过中继光学系统3的光束斜入射到横向偏转器4上。特别的，二维扫描投影仪100被配置成，当光束入射到横向偏转器4上时，在入射到横向偏转器4上的光束中，会通过屏幕S的中心Sc的光束的主光线L相对于光轴AX在X-Z面内 形成第二角度β。应注意的是，第二角度β取除0°以外的值。当入射到横向偏转器4上的主光线L位于X-Y面内时，第二角度β为0°。在图12中，箭头所表示方向(逆时针方向)被定义为正向。 

如上所述，根据该实施例的二维扫描投影仪100被配置成横向偏转器4倾斜且光束斜入射到横向偏转器4上。通过这种配置，可以获得下列优点。 

首先，可以将上投投影型投影仪中会出现的TV畸变适当地抑制到基本等于非上投投影型投影仪的TV畸变的水平。一般而言，在与横向偏转器4的中心轴垂直的平面(为方便起见，称之为旋转截面)中扫描的光束不会导致扫描线弯曲(bow)。此外，特别是在包括光轴AX的旋转截面中扫描的光束的情况中，光束不会导致纵向方向上的弯曲。因此，横向偏转器4倾斜，从而旋转截面和屏幕S上的投影图像互相接近。也就是说，由于可以通过在旋转截面附近扫描的光学上合适的光束来形成投影图像，可以适当地抑制TV畸变。换言之，可以使主光线L相对于横向偏转器4(旋转截面)的入射角比第二角度β小。因此，可以适当地抑制扫描线的弯曲，具有较小程度的TV畸变的图像可以被投影到屏幕S上。 

第二，可以将上投投影型投影仪中会出现的梯形畸变抑制到非上投投影型投影仪的梯形畸变的水平。特别的，通过倾斜横向偏转器4，通过横向偏转器4形成的图像(通过横向偏转器4的反射图像)也是倾斜的。也就是说，通过使横向偏转器4倾斜适当的角度，可以给予图像能够抵消由于上投投影引起的梯形畸变的畸变。 

第三，通过倾斜横向偏转器4，可以增大表观视角(apparent angle of view)。因此，与横向偏转器4不倾斜的情况相比，可以加宽屏幕S上的特定高度处的扫描范围。 

第四，可以抑制一些由于光束倾斜入射到横向偏转器4而出现的现象。一般而言，当入射到横向偏转器4上的光束的倾斜量增大时，即，当横向偏转器4上的入射角增大时，入射光束在横向偏转器4的偏转面上形成的光斑的直径增大。由于光斑的直径增大，在反射时很大程度上导致光束旋转(beam rotation)(在屏幕S上形成的束斑根据被横向偏转器4反射的光束的偏转角转动的现象)。通过将横向偏转器 4设置成倾斜的，可以减小光束在横向偏转器4处的倾斜角。因此，可以有效地抑制上述现象。 

为了增强上文所述的第四个优点的效果，根据该实施例的二维扫描投影仪100被配置成第一角度ρ和第二角度β具有相同的符号。 

为了获得上文所述的优点，二维扫描投影仪100被配置成满足下面的条件(1)和(2)。在这种情况下，H代表交点P与屏幕S的下边中点之间的距离，D代表交点P与屏幕S的下边的一个端点之间的距离，H”代表交点P与屏幕S的上边中点之间的距离，D”代表交点P与屏幕S的上边的一个端点之间的距离，f代表扫描光学系统5的焦距，α代表横向的半视角(half angle of view)，ρ代表第一角度，β代表第二角度，ω代表纵向的半视角。图3中显示了这些参数。 

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≥H^{\′\′}\frac{\tan (D^{\′\′}/f)}{D^{\′\′}}....\left(1\right)$

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≤H\frac{\tan (D/f)}{D}....\left(2\right)$

可通过下式得到横向的半视角α。在这种情况下，Ys代表屏幕在Y方向上的长度。 

α＝(Ys/f)/cos(β+ρ) 

可通过下式得到纵向的半视角ω。在这种情况下，Zs代表屏幕S在Z方向上的长度。 

ω＝Zs/f 

条件(1)是用于设计投影仪使得位于屏幕S的上边处的扫描线变成直线或具有朝中心Sc凸出的曲线的条件。条件(2)是用于设计投影仪使得位于屏幕S的下边处的扫描线变成直线或具有朝中心Sc凸出的曲线的条件。更特别地，当每个上述条件(1)和(2)具有等号关系时，投影图像是矩形的。也就是说，在这种情况下，屏幕S的下边处的扫描线和屏幕S的上边处的扫描线基本上都变成直线。在其他情况下，投影图像是所谓的线轴形的(spool-like shape)。当投影图像是矩形的或线轴形的时，可以投射出具有与屏幕S对应的矩形形状的图像，而不会导致没有扫描线存在的区域(即非显示区)的出现。 

通过进一步满足下面的条件(3)，可以增强上文所述的优点的效果。在这种情况下，H’代表交点P与屏幕S的中心之间的距离，D’代 表交点P与屏幕S的侧边中点之间的距离。 

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}\≤H^{\′}\frac{\tan {(D}^{\′}/f)}{D^{\′}}....\left(3\right)$

条件(3)是用于屏幕S的中心处的减小TV畸变的条件。满足条件(3)可以使二维扫描投影仪100投射出接近于非上投投影型所投射的图像的高质量图像。此外，通过在满足条件(3)的范围内增大第一角度ρ，可以在确保大的视角的同时减小设备的厚度，并增强校正梯形畸变的功能。 

接下来，参考图4至图7解释推导上文所述的条件(1)至条件(3)的过程。图4显示了横向偏转器4处于旋转截面4p与水平面平行的状态的情形。也就是说，在图4中，横向偏转器4被设置成中心轴4a与Z方向平行。让我们考虑这样的情况：从横向偏转器4反射的光束相对于横向偏转器4的旋转截面4p以角度(β+ω)前进。在这种情况下，我们假设横向偏转器4不转动。也就是说，光束不被横向偏转器4偏转，并且光束在包括扫描光学系统5的光轴AX的X-Z面上前进。 

让我们考虑沿图4中显示的光束的光路从横向偏转器4偏离恒定距离(例如1)的点A。点A的坐标(X，Y，Z)可表示成如下形式： 

X…cos(β+ω) 

Y…0 

Z…sin(β+ω) 

图5显示了横向偏转器4从图4所示的状态转动了特定量且光束被偏转角度α(即横向的半视角)的状态。如图5所示，当光束被偏转角度α时，点A移动到点A’。点A’的坐标(X，Y，Z)可表示成如下形式： 

X…cosαcos(β+ω) 

Y…sinαcos(β+ω) 

Z…sin(β+ω) 

图6显示了横向偏转器4在保持图5所示状态的同时倾斜预定量的状态。特别地，图6所示的横向偏转器4被设置成偏转器4的中心轴4a在X-Z面中相对于Z方向倾斜第一角度ρ。因此，倾斜的横向偏转器4的旋转截面4p’相对于旋转截面4p(水平面)倾斜。在图6中，与X方向、Y方向和Z方向对应的方向分别被定义为x方向、y方向 和z方向。 

如图6所示，当横向偏转器4倾斜时，点A’的坐标(X，Y，Z)如下表示： 

X…cosρcosαcos(β+ω)-sinρsin(β+ω) 

Y…sinαcos(β+ω) 

Z…sinρcosαsin(β+ω)+cosρsin(β+ω) 

基于上述解释，推导出用于在屏幕S上投影不具有TV畸变和梯形畸变的高质量图像的条件(1)。图7是用于推导条件(1)的示意图。在图7中，假设点A’位于屏幕S的上边的一端附近。 

图7中显示的角度θ被定义为屏幕的法线(即光轴AX)与前进到点A’的光线之间形成的角度。通过下式得到角度θ： 

θ＝D”/f    .....(4) 

可通过下式(5)得到tanθ。 

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{(Y^2+Z^2)}}{X}.....\left(5\right)$

假设h代表点A’和交点Q之间的距离，其中交点Q是从交点P沿Y方向延伸的虚线i1和从点A’沿z方向向下延伸的虚线i2之间的交点。可以通过下列的条件(6)得到距离h。 

$h=D^{\′\′}\frac{Z}{\sqrt{(Y^2+Z^2)}}=D^{\′\′}\frac{Z}{X\tan \mathrm{\θ}}.....\left(6\right)$

式(6)中的Z/X可用参考图6得到的坐标通过下式(7)表示。 

$\frac{Z}{X}=\frac{\sin \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})+\cos \mathrm{\ρ}\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})}{\cos \mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})-\sin \mathrm{\ρ}\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})}$

把右边的项消去cosρcosαcos(β+ω)，得到下式： 

$\frac{Z}{X}=\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}.....\left(7\right)$

把由式(5)和式(7)得到的值代入式(6)，得到下面的关于h的式(8)： 

$h=\frac{D^{\′\′}}{\tan (D^{\′\′}/f)}\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}.....\left(8\right)$

当距离h等于交点P和屏幕S的上边中点之间的距离H”时，扫描线变成直线。当距离h小于距离H”时，扫描线没有达到屏幕S的上边 的端点。也就是说，在这种情况下，在屏幕S的上边的端点处造成非显示区(non-display area)。因此，为了减小TV畸变并防止非显示区的出现，距离h和距离H”被设成满足下面的关系。 

h≥H” 

将式(8)的值代入上面的关系中，并将两项都乘以tan(D”/f)/D”，从而得到上文描述的条件(1)。 

关于条件(2)和条件(3)，通过改变图7中显示的点A’的位置，可以像条件(1)的情况中那样进行推导。 

下面，解释根据该实施例的二维扫描投影仪100的两个具体实例。图2中显示了二维扫描投影仪100的每个实例的配置。 

表1显示了组成根据每个实例1和实例2的投影光学系统10的中继光学系统3的具体的数值配置。表2显示了组成根据每个实例1和实例2的投影光学系统10的扫描光学系统5的具体的数值配置。 

表1 

表2 

在每个表1和表2中，r代表每个光学元件的表面的曲率半径(单位：mm)，d代表光学元件的厚度或光学元件之间的距离(单位：mm)，n代表折射率。 

每个实例1和实例2中的纵向偏转器2在纵向上相对于中继光学系统3的光轴的±30.2°范围内偏转入射光束。 

根据实例1的横向偏转器4被设置成当考虑与中继光学系统3的光轴垂直的参考轴时，中心轴4a相对于参考轴倾斜17°。根据实例2的横向偏转器4被设置成中心轴4a相对于参考轴倾斜11°。 

当考虑在X-Z面中与扫描光学系统5的光轴AX垂直的参考轴时，偏转器4被设置成中心轴4a相对于参考轴倾斜8°。根据实例2的横向偏转器4被设置成中心轴4a相对于参考轴倾斜14°。 

表3中显示了如上文所述配置的根据实例1的二维扫描投影仪100中的上述条件的参数。表4中显示了根据实例2的二维扫描投影仪100中的上述条件的参数。 

表3 

表4 

如表3所示，根据实例1的二维扫描投影仪100同时满足条件(1)和条件(2)。如图4所示，根据实例2的二维扫描投影仪100同时满足全部的条件(1)至(3)。表3和表4中显示的“屏幕投射量”是从光轴(或穿过投影光学系统的中心的屏幕的法线)到屏幕的中心。在图2所示的情况下，“屏幕投射量”是从点P到点Sc的距离。 

接下来提供一种二维扫描投影仪300，该二维扫描投影仪300是用来证实二维扫描投影仪100的优点的对比例。图8显示了根据对比例 的二维扫描投影仪300。根据对比例的二维扫描投影仪300具有与每个实例1和实例2相同的配置，除了横向偏转器4的中心轴4a垂直于扫描光学系统5的光轴AX以外，即横向偏转器4不倾斜。因此，在图8中，与图2中相同的元件使用与图2相同的附图标记。表1和表2中显示的具体的数值配置也被用来作为构成根据对比例的二维扫描投影仪300的投影光学系统的具体的数值配置。 

在根据对比例的二维扫描投影仪300中，横向偏转器4被设置成当考虑与中继光学系统3的光轴垂直的参考轴时，中心轴4a相对于参考轴倾斜25°。此外，对比例中的横向偏转器4被设置成中心轴4a垂直于扫描光学系统5的光轴AX。 

对于对比例，表5显示了上述条件涉及的参数。 

表5 

如表5所示，根据对比例的二维扫描投影仪300只满足条件(1)和条件(2)的其中之一(即条件(2))。 

图9-11分别是显示根据实例1和实例2的二维扫描投影仪100以及根据对比例的二维扫描投影仪300投影的图像的畸变状态的图形。在每幅图中，实线表示投影仪100或300投影的图像的畸变状态。虚 线表示在每个实例中非上投的投影类型的投影仪投影的图像的畸变状态，在该非上投的投影类型的投影仪中，投影光学系统的光轴被配置为大致在屏幕的中心垂直于屏幕。 

从图9、10和11之间的对比可以看出，当使用根据每个实例1和实例2的二维扫描投影仪100时，所获得的图像的TV畸变可被充分降低到可以和非上投投影仪的得到的TV畸变比较而更有优势的程度。通过对比可以理解，在二维扫描投影仪300中会引起较大的TV畸变和梯形畸变。 

上文已经解释了本发明的实施例。根据本发明的二维扫描投影仪不限于上述实施例的配置，在实现与上述实施例相同的优点的同时可进行各种变化。 

例如，在上述实施例中，组成扫描光学系统5的全部部件都是透镜。根据本发明的二维扫描投影仪可以采用具有有助于入射光束保持恒定速度的反射面的扫描光学系统，例如fθ反光镜。在像本发明这样的上投投影仪的情况下，用于折叠光路的反射面是非常重要的。因此，通过用fθ作为扫描光学系统的一部分，可以共享部件，从而减少部件的数量。因此，可以提高整个设备的生产率。 

由于具有fθ特性的扫描光学系统5的关系，通过倾斜横向偏转器4校正TV畸变的作用会某种程度上过大。因此，扫描光学系统5被配置成在校正作用的范围内具有小于fθ特性的负畸变(negative distortion)的光学系统。例如，通过将扫描光学系统5配置成具有被限定在满足f(β+ω)≤H”≤ftan(β+ω)的fθ特性与ftanθ特性之间的负畸变，可以抑制具有大的负畸变透镜的扫描光学系统需要特有的大视角的问题，同时保持校正TV畸变的效果。作为结果，可以缩小整个扫描光学系统的尺寸。 

在上述实施例中，通过两个偏转器实现二维扫描。根据本发明的二维扫描投影仪不限于这种配置。作为根据本发明的二维扫描投影仪的变形，图13显示了一种二维扫描投影仪100z，在该二维扫描投影仪100z中通过一个偏转器来实现二维扫描。与图2类似，图13显示了二维扫描投影仪100z中的展开光路。在图13中，与图2中基本相同的元件采用与图2相同的附图标记。如图13所示，二维扫描投影仪100z中的投影光学系统10z包括阵列光源1’、横向偏转器4、扫描光学系统 5、以及聚光光学系统(collecting optical system)6。阵列光源1’例如是包括沿着与屏幕S的纵向对应的方向排列的多个发光单元的光源。聚光光学系统6被排列和配置成从光源1’发出的多束光束全部进入横向偏转器4。从沿纵向排列成阵列的每个发光单元发出的光束在屏幕S上形成沿从屏幕S的上边延伸到下边的纵线对齐的束斑。因此，通过横向偏转器4使从发光单元发出的光束在横向上扫描一次，可以在屏幕S上投影出整个图像。因此可以实现二维扫描。 

Claims (7)

1.一种二维扫描投影仪，其使从光源发出的光束在第一方向上和与第一方向垂直的第二方向上扫描以在扫描面上投影二维图像，包括：

第一偏转器，所述第一偏转器在第一方向上偏转光束；以及

扫描光学系统，所述扫描光学系统设置在所述第一偏转器和所述扫描面之间，

其中：

所述第一偏转器被设置成所述第一偏转器的旋转轴在包括所述扫描光学系统的光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角度；以及

从所述光源发出的光束入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线斜入射到所述第一偏转器上以相对于所述光轴形成第二角度，

其中：

所述扫描光学系统被配置成组成所述扫描光学系统的光学部件的中心轴彼此共线以限定所述扫描光学系统的光轴，并且所述光学部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率；

所述扫描面的中心在所述第二方向上偏离所述光轴与包括所述扫描面的平面的交点，

所述二维扫描投影仪进一步满足下面两个条件：

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≥H^{\′\′}\frac{\tan (D^{\′\′}/f)}{D^{\′\′}}....\left(1\right)$

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})/\cos \mathrm{\α}}\≤H\frac{\tan (D/f)}{D}....\left(2\right)$

其中H代表所述交点与所述扫描面的下边中点之间的距离，D代表所述交点与所述扫描面的下边的一个端点之间的距离，H”代表所述交点与所述扫描面的上边中点之间的距离，D”代表所述交点与所述扫描面的上边的一个端点之间的距离，f代表所述扫描光学系统的焦距，α代表所述第一方向上的半视角，ρ代表所述第一角度，β代表所述第二角度，ω代表所述第二方向上的半视角。

2.如权利要求1所述的二维扫描投影仪，进一步满足下面的条件：

$\frac{\tan \mathrm{\ρ}+\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}{1-\tan \mathrm{\ρ}\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α}}\≤H^{\′}\frac{\tan (D^{\′}/f)}{D^{\′}}....\left(3\right)$

其中H’代表所述交点与所述扫描面的中心之间的距离，D’代表所述交点与所述扫描面的侧边中点之间的距离。

3.如权利要求1或2所述的二维扫描投影仪，进一步包括：

第二偏转器，所述第二偏转器设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并在所述第二方向上偏转所述光束；以及

中继光学系统，所述中继光学系统设置在所述第一偏转器与所述第二偏转器之间，并使从所述第二偏转器射出的光束对准所述第一偏转器。

4.如权利要求1或2所述的二维扫描投影仪，

其中所述光源包括在与所述第二方向对应的方向上对齐的多个发光单元，

其中所述二维扫描投影仪进一步包括：

聚光光学系统，所述聚光光学系统设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并被配置成使所述多个发光单元发出的多个光束同时入射到所述第一偏转器上，以及

其中通过使所述多个光束同时在扫描面上沿所述第一方向扫描来实现二维扫描。

5.如权利要求1或2所述的二维扫描投影仪，

其中所述第一角度和所述第二角度被设定为具有相同的符号以及被设定成在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到所述第一偏转器上的所述主光线和与所述第一偏转器的所述旋转轴垂直相交的平面之间所形成的角度小于所述第二角度。

6.如权利要求1或2所述的二维扫描投影仪，其中所述扫描光学系统具有有助于保持所述扫描面上的恒定扫描速度的至少一个反射镜。

7.如权利要求1所述的二维扫描投影仪，其中所述扫描光学系统具有负畸变，所述负畸变被限定在满足f(β+ω)≤H”≤ftan(β+ω)的fθ特性与ftanθ特性之间。

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