CN103597398A - 图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供不使装置大型化就能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。该图像显示装置具备：光扫描部，其使从光源射出的光借助于该光的反射面的往复的旋转运动在像面的第一方向和第二方向上扫描；光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，其中，该光学系统在光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在像面一侧具有自由曲面反射镜。第一方向的长度比第二方向的长度长，配置自由曲面反射镜以使所述第一方向与第一平面大致平行，所述第一平面由当光扫描部静止在扫描范围的中央时的自由曲面反射镜的入射光线和反射光线定义。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明涉及图像显示装置。

背景技术

近年来，提出了安装光扫描装置并利用该装置使激光在像面（例如屏幕）上扫描来绘制图像的图像显示装置（参考专利文献1、2），其中上述光扫描装置使按照图像信号进行光强度调制（以下称为调制）后的激光在二维方向上扫描。

已有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-139687号公报

专利文献2：日本特开2006-178346号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

根据专利文献1，存在像面上的扫描坐标的移动轨迹为正弦波状导致线性不佳的问题。此外，根据专利文献2，存在反射镜前后的间隔需要保持较大、光学系统整体大型化的问题。

因此，本发明的目的为提供不使装置大型化也能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。

用于解决技术问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明期望的方式之一如下所述。

该图像显示装置配备：光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和第二方向上扫描；和光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，其中，所述光学系统在所述光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在所述像面一侧具有自由曲面反射镜。

发明的效果

通过本发明，能够提供不使装置大型化就能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。

附图说明

图1是包含图像显示装置的系统图。

图2是从上方观察图1的系统的图。

图3是实施例1的光线图。

图4是实施例1的另一光线图。

图5是实施例1的自由曲面透镜的详细视图。

图6是实施例1的三维光线图。

图7是表示实施例1的透镜数据的图。

图8是表示实施例1的自由曲面系数的公式与具体值的图。

图9是实施例1的失真性能图。

图10是表示实施例1的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。

图11是表示实施例1的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。

图12是表示主光线的坐标所存在的光线范围的图。

图13是表示长边方向的截面上的光线图。

图14是表示短边方向上的自由曲面透镜以及反射镜的形状的图。

图15是实施例2的光线图。

图16是实施例2的另一光线图。

图17是实施例2的自由曲面透镜的详细视图。

图18是表示实施例2的透镜数据的图。

图19表示实施例2的自由曲面系数的具体值的图。

图20是实施例2的失真性能图。

图21是实施例3的光线图。

图22是实施例3的另一光线图。

图23是实施例3的自由曲面透镜的详细视图。

图24是表示实施例3的透镜数据的图。

图25表示实施例3的自由曲面系数的具体值的图。

图26是实施例3的失真性能图。

图27是包含以往的图像显示装置的系统图。

图28是光扫描部的放大图。

图29是以往的旋转角与扫描位置的关系图。

图30是以往的相位导致的偏转角的变化图。

图31是表示以往的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。

图32是表示以往的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。

具体实施方式

为了与本实施例比较，以下首先针对以往技术进行说明。图27是包含以往的图像显示装置的系统图。

图像显示装置10’的光扫描部1通过具有旋转轴的反射镜反射来自光源4的激光，并使其在像面（屏幕）20上扫描。沿着扫描轨迹202’二维地扫描各像素201’。

图28是光扫描部的放大图。

光扫描部1由使激光按反射角度偏转的反射镜1a、与反射镜1a连结的第一扭簧1b、与第一扭簧1b连结的保持部件1c、与保持部件1c连结的第二扭簧1d、以及未图示的永磁铁和线圈所构成。

线圈以大致平行于反射镜1a的方式形成，在反射镜1a为静止状态时，产生与反射镜1a大致平行的磁场。当使电流流过线圈时，根据弗莱明左手定律，产生与反射镜1a大致垂直的洛伦兹力。

反射镜1a旋转到洛伦兹力与扭簧1b和1d的恢复力相平衡的位置。通过按照反射镜1a所具有的共振频率向线圈提供交流电流，反射镜1a进行共振动作，扭簧1b旋转。或者，通过按照使反射镜1a与保持部件1c一起的共振频率向线圈提供交流电流，反射镜1a、扭簧1b和保持部件1c进行共振动作，扭簧1d旋转。这样在两个方向上实现了基于不同共振频率的共振动作。

此外，作为基于共振频率的共振动作，也可以采用并非共振动作的、正弦波状的驱动。

图29是以往的旋转角度与扫描位置的关系图。若令光扫描部1的旋转角度为β/2，则作为反射光线角度的扫描角度为β。在此，在光扫描部1与像面20之间未配置任何光学元件的情况下，扫描角度β与像面20上的入射角α相等。因此，相对于一定投影距离的扫描像的大小由旋转角β/2决定。

图30为以往的反射镜面的偏转角的变化图。偏转角θ在±β/2的范围中以正弦波状变化。

图31是表示以往的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。图32是表示以往的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。图32呈与图31相似的正弦波状。

在此展示使用旋转角度为±5.3度的光扫描部1的情况下的例子。即，扫描角度为±10.6度，像面上的入射角也为±10.6度。

此外，光扫描部1的驱动方式除了成正弦波状的旋转角度变化的共振型反射镜外，还存在呈锯齿波状的旋转角度变化的电控光束扫描镜（Galvano mirror），而驱动频率较高的共振型反射镜适合高分辨率的图像显示。

在此，与电视的扫描线对应的二维扫描中，在垂直方向上进行一次往返扫描的期间，在水平方向上进行垂直方向的像素数量的次数的扫描。这样进行一次扫描线的扫描。例如，为了以垂直频率60Hz进行水平800像素、垂直600像素的显示，需要300次往返，需要能够以60×300＝18000Hz这样高速的频率驱动。而且，显示的分辨率（像素数）越大，需要以越高的频率驱动。另一方面，为了在一定的投影距离实现较大的扫描像，需要增大光扫描部1的旋转角度。

如果更高速地以大旋转角度驱动光扫描部1，则作为可动部分的机构部件的扭簧1b、1d的负担增大。因此，共振型反射镜中难以同时实现高速的频率和大旋转角度。

此外，光扫描部1的正弦波状的旋转中，反射镜1a的角度变化周期性地出现快、慢。在仅依靠该旋转使激光在像面20上扫描的情况下，反射镜的角度变化快时在像面上的扫描位置的变化也变快，角度变化慢时在像面上的扫描位置的变化也变慢。因此，在像面上产生与正弦波对应的明暗。

在时间上等间隔地对激光进行调制的情况中也同样，反射镜1a的角度变化快时像面上的像素被配置得较疏，角度变化慢时像面上的像素被配置得较密，称为线性大幅度劣化的二维像。

此外，若在像素分布密且正弦波状的明亮部分中进行降低激光占空比的电路处理，可只对像面上的明暗加以改善，但无法改善二维像的线性，电路规模增大，光量降低。如果与像面上的像素的配置的时序一致地对激光进行调制则也能够对线性加以改善，但电路规模进一步地增大。

因此，虽然可以考虑在反射镜之外再另外使用多个反射面的方法，但在发生制造上的光学部件的形状误差、偏心、倾斜的情况下，由于与作为透射面的透镜相比，反射镜的光线角度的变动为约两倍，因此大量使用反射镜的光学系统的制造变得困难。进一步地，使用多个反射镜的光学系统中，为了确保反射镜上激光反射前后的光路，需要使反射镜前后的间隔保持得较大，使得光学系统整体大型化。

实施例1

下面针对实施例进行说明。利用图1至图14针对实施例1进行说明。图1是包含图像显示装置的系统图。在此，将从纸面左往右的方向定义为X方向，将从像面20下往上的方向定义为Y方向，将从纸面外往内的方向定义为Z方向。图2、图27、图9使用与图1相同的坐标系。但对于上述之外的图，采用以光轴为Z方向的局部坐标系。

该系统包含图像显示装置10、保持图像显示装置10的结构体30、以及像面20。此外，图像显示装置10具备：光源4；使来自光源4的激光呈二维状偏转的光扫描部1；使被光扫描部1偏转的激光透射、折射的自由曲面透镜2；以及反射来自自由曲面透镜2的激光并导向像面20的自由曲面反射镜3。通过这些光学部件，获得线性改善和广角化的作用（后述），在像面20上显示矩形且光量分布一致的二维扫描像。

此外，光扫描部1可通过一个反射面（反射镜1a）实现长边方向和短边方向上的扫描，也可与各方向相应地配备各自的反射面。

在此，将非旋转对称且具有如图8、图19、图25所示的参数的形状称为自由曲面。

图2是从上方观察图1的系统的图。

以下，由于像面20中相当于X方向的边比相当于Y方向的边长，因此将前者称为长边，将后者称为短边。并且，反射面的偏转角度较大的方向对应长边方向，较小的方向对应短边方向。

配置自由曲面反射镜3，使得长边与第一平面（XZ平面）大致平行，其中，上述第一平面由当光扫描部1静止在扫描范围的中央时的自由曲面反射镜3的入射光线和反射光线定义。其理由为，通过相对于扫描量大的长边侧的光线倾斜地配置自由曲面反射镜3，以成规定的旋转角的两倍的扫描角进行扫描的光线被自由曲面反射镜3反射后的坐标范围变大，自由曲面反射镜3的形状自由度增大。

图3是光线图，表示从图像显示装置10出射的光线到达像面20上的5×5分割点的情形。图4是另一光线图，表示从光源4出射的激光因光扫描部1的旋转而偏转后、经过自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3到达像面20的情形。进一步地，图5为自由曲面透镜2的详细视图，由第一自由曲面透镜2a和第二自由曲面透镜2b所构成。

图6是三维的光线图。由于在图3中不易看出被自由曲面反射镜3反射的光线不再照射到自由曲面透镜2，因此在图6中为了看出未发生光路干涉而进行展示。

图7是表示从作为第0面的光源4到作为光扫描部1的MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）反射镜（水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋转）、自由曲面透镜、自由曲面反射镜的透镜数据的图，图8是表示自由曲面形状的自由曲面系数的公式和具体值的图。然后图9是失真性能图。在此展示了由长边方向（主扫描方向）的旋转角为±5.3度和短边方向（副扫描方向）的旋转角为±2.9度的光扫描部1产生的扫描角的光线每隔10度相位到达像面20上的坐标以及将扫描范围分割为19×19详细地进行评价后的结果。

由于从图7所示的自由曲面反射镜3开始的投影距离为100mm、扫描范围在像面20上为600×450mm，因此可知实现了广角化。

下面，针对线性的改善和广角化的结果，根据像面上的入射角度和入射坐标利用图10到图14、图31和图32进行说明。

在表示以往例的图31和图32中，不存在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3。入射角度在作为5.3度的两倍的值的±10.6度的范围中正弦波状地变化，入射坐标也在±26.6mm范围中正弦波状地变化。

另一方面，在实施例1中，图10是表示像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。图11是表示实施例1的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3的作用下，使入射角度发生较大变化，在像面20上±300mm的范围中实现三角波状的入射坐标。即，相对于在以往的方式中扫描范围为±26.6mm，实施例1中为±300mm，实现了10倍以上的大幅度的广角化。此外，若令相当于长边的水平尺寸为X、投影距离为L，则由于X＝600mm、L＝100mm，L/X为0.17，实现了非常小的值。

此外，投影距离定义为，从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。但在优先图像显示装置的小型化的用途中，可在L/X的值不超过1的范围中增大。

作为比较，基于上面的专利文献1中水平方向上左右对称的视角为±18.9度的记载来计算L/X的值，L/X＝1/2/tan18.9＝1.46，为较大的值，广角化不足。

接着，利用图12到图14，针对自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3的特征进行说明。

图12表示作为自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3中的光线控制结果的、主光线的坐标所存在的光线范围。因为光扫描部1的长边方向比短边方向大，所以作为第一自由曲面透镜2a的入射面的第四面上的主光线的范围为横向较长的区域。

可知按每依次通过第一自由曲面透镜2a的出射面、第二自由曲面透镜2b时主光线的范围向纵向较长的区域变化的情况。

此外，在作为自由曲面反射镜3的第八面上成为纵向较长的区域，但并非在第八面上使长边方向（图12的横向）极端地变窄，而是使在第八面上的纵向尺寸作为自由度而增大的结果。对于其理由利用图13进行说明。

图13是长边方向的截面上的光线图，为同时展示光学系统整体的光线图和自由曲面透镜2的放大图的图。由于光扫描部1的旋转，通过图13的X轴的正侧的光线L1被自由曲面反射镜3反射，到达像面20的坐标轴P1。另一方面，通过X轴的负侧的光线L2被自由曲面反射镜3反射，到达像面20的坐标P2。在此，需要使通过自由曲面透镜2b的光线L2与被自由曲面反射镜3反射的光线L1的光路不在自由曲面透镜2b中发生干涉。为此，需要减小自由曲面反射镜3上光线L1以及光线L2形成的宽度。这是自由曲面反射镜3上的光线通过范围的水平方向的尺寸较小的理由。

此外，在图13中，被自由曲面反射镜3反射后到像面的光线L1的光路长度大于光线L2的光路长度。因此，为了线性的改善，需要在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3中使光路L1的光路长度小于光路L2的光路长。

因此，为了使通过自由曲面2的光线L1的换算到空气的光路长度比光线L2的值小，需要使光线L1所通过的一侧的透镜厚度增大，即需要“模拟棱镜化”。

此外，本实施例的光学系统中，并非是映射关系，而是概念上类似广角转换，因此优选通过针对放大侧上的L1＞L2使在物体侧为L1＜L2，来减小光路整体的光路长的差。

接着，针对短边方向上的特征，利用作为短边方向的各光学元件中的弛垂度的图的图14进行说明。图14是表示短边方向的自由曲面透镜和反射镜的形状的图。

在图14中，短边方向上的第一自由曲面透镜2a和第二自由曲面透镜2b分别为凹透镜状，具有负的光焦度。而自由曲面反射镜3中央部分由于为凹面而具有正的光焦度，边缘部分由于为凸面而具有负的光焦度。实施例1的透镜数据使短边方向上为平面对称的配置是其原因，由于通过改变面对称的条件即配置关系，正的光焦度的部分和负的光焦度的部分发生改变，因此可以说自由曲面反射镜3上存在正的光焦度的部分和负的光焦度的部分。

如上所述，通过在规定的条件下配置自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3，不需要增大作为光扫描部1的MEMS反射镜的旋转角度，就能够在不破坏MEMS反射镜的机械上的可靠性下实现10倍以上的广角化和线性的改善。

实施例2

下面，利用图15到图20针对实施例2进行说明。图15是实施例2的光线图，图16是实施例2的另一光线图，图17是实施例2的自由曲面透镜的详细视图，图18是表示实施例2的透镜数据的图，图19是表示实施例2的自由曲面系数的具体值的图，图20是实施例2的失真性能图。

与实施例1的不同点在于自由曲面透镜2为一个，在实施例2中由于X＝600mm、L＝100mm，所以L/X为0.17，能够实现非常小的值。

实施例3

下面利用图21到图26针对实施例3进行说明。

图21为实施例3的光线图，图22是实施例3的另一光线图，图23是实施例3的自由曲面透镜的详细视图，图24表示实施例3的透镜数据，图25是表示实施例3的自由曲面系数的具体值的图，图26是实施例3的失真性能图。

与实施例1的不同点在于配合原本的宽屏画面使图像尺寸为16:9，使光扫描部1的旋转角（水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋转）为800×450的二维范围这一点。图26的作为失真性能的线性相比表示作为实施例1的失真性能的线性的图9得到改善，对于原本为了扫描16:9的像面而开发的光扫描部1，作为组合扫描16:9的像面更佳。此外，以16:9开发的扫描反射镜也能够适用于4:3的像面，这无需明言。

在实施例3中由于X＝800mm、L＝100mm，所以L/X为0.135，能够实现非常小的值。

符号的说明

1…光扫描部，2…自由曲面透镜，3…自由曲面反射镜，4…光源，10…图像显示装置，20…像面，30…结构体，1a…反射镜，1b…第一扭簧，1c…保持部件，1d…第二扭簧，1e…保持部件。

Claims (10)

1.一种图像显示装置，其特征在于，具备：

光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和第二方向上扫描；和

光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，

所述光学系统在所述光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在所述像面一侧具有自由曲面反射镜。

2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

所述第一方向的长度比所述第二方向的长度长，

配置所述自由曲面反射镜以使所述第一方向与第一平面大致平行，其中，所述第一平面由当所述光扫描部静止在扫描范围的中央时的所述自由曲面反射镜的入射光线和反射光线定义。

3.如权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光扫描部具有一个反射面，该一个反射面具有两个扫描方向。

4.如权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光扫描部具有两个反射面，该两个反射面分别具有一个扫描方向。

5.如权利要求1至4中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

两个扫描方向中的反射面的偏转角度大的方向对应于所述第一方向，两个扫描方向中的反射面的偏转角度小的方向对应于所述第二方向。

6.如权利要求1至5中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

所述第一平面上，从所述自由曲面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离长的一侧的光线通过所述自由曲面透镜的光路长度，大于从所述自由曲面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离短的一侧的光线通过所述自由曲面透镜的光路长度。

7.如权利要求1至6中任一项所述的图像显示装置，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镜具有负的光焦度。

8.如权利要求1至6中任一项所述的图像显示装置，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镜的边缘部具有负的光焦度。

9.如权利要求1至8中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

当令所述第一方向的长度为X，投影距离为L时，L／X为1以下，其中，所述投影距离为从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。

10.如权利要求1至8中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

当令所述第一方向的长度为X，投影距离为L时，L／X为0.2以下，其中，所述投影距离为从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。

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