CN110741305B - 扫描型显示装置及扫描型显示系统 - Google Patents

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Abstract

扫描型显示装置具备：光源，其出射投影显示用的激光；聚光部，其将自光源出射的激光聚光；光扫描部，其扫描通过了聚光部的激光；及光扩散部，其具有二维地排列的多个光扩散通道，使由光扫描部扫描的激光扩散。在将激光的波长设为λ，将光扫描部的有效开口直径设为M，将光扫描部至光扩散部的距离设为L，将多个光扩散通道的排列间距设为P时，光扩散部以排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)而设定的值的方式构成。

Description

扫描型显示装置及扫描型显示系统
技术领域
本发明涉及一种扫描型显示装置及扫描型显示系统。
背景技术
已知有一种扫描型显示装置，其具备：光源，其出射投影显示用的激光；光扫描部，其扫描自光源出射的激光；及光扩散部，其使由光扫描部扫描的激光扩散(例如，参照专利文献1)。作为光扩散部，例如使用透过型的微透镜阵列等具有二维地排列的多个光扩散通道的光学元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-133700号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在如上所述的扫描型显示装置中，由激光为相干光引起而有在显示的影像产生亮度不均(包含不规则的亮度不均(斑点)、规则的亮度不均)的情况。
本发明的目的在于，提供一种可抑制在显示的影像产生亮度不均的扫描型显示装置及扫描型显示系统。
解决问题的技术手段
本发明的一方面的扫描型显示装置，具备：光源，其出射投影显示用的激光；聚光部，其将自光源出射的激光聚光；光扫描部，其扫描通过了聚光部的激光；及光扩散部，其具有二维地排列的多个光扩散通道，使由光扫描部扫描的激光扩散；在将激光的波长设为λ，将光扫描部的有效开口直径设为M，将光扫描部至光扩散部的距离设为L，将多个光扩散通道的排列间距设为P时，光扩散部以排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)而设定的值的方式构成。
根据该扫描型显示装置，可将光扩散部中的激光的聚光尺寸设为光扩散通道的排列间距以下。因此，根据该扫描型显示装置，可抑制在显示的影像产生亮度不均。
在本发明的一方面的扫描型显示装置中，光扩散部也可以排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M而设定的值的方式构成。由此，即使在光扫描部中在激光引起衍射，也可将光扩散部的激光的聚光尺寸设为光扩散通道的排列间距以下，因而可抑制在显示的影像产生亮度不均。
在本发明的一方面的扫描型显示装置中，光扫描部也可为MEMS镜。由此，可高速且高精度地实现激光对光扩散部的扫描。
在本发明的一方面的扫描型显示装置中，在将MEMS镜的镜面的曲率半径设为φ时，光扩散部也可以排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))而设定的值的方式构成。由此，即使在MEMS镜的镜面产生形变，也可将光扩散部的激光的聚光尺寸设为光扩散通道的排列间距以下，因而可抑制在显示的影像产生亮度不均。
在本发明的一方面的扫描型显示装置中，光扩散部也可为透过型的微透镜阵列。由此，可可靠且容易地实现二维地排列的多个光扩散通道的激光的扩散。
本发明的一方面的扫描型显示系统，具备：光源，其出射投影显示用的激光；聚光部，其将自光源出射的激光聚光；光扫描部，其扫描通过了聚光部的激光；及光扩散部，其具有二维地排列的多个光扩散通道，使由光扫描部扫描的激光扩散；在将激光的波长设为λ，将光扫描部的有效开口直径设为M，将光扫描部至光扩散部的距离设为L，将多个光扩散通道的排列间距设为P时，光扩散部以排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)而设定的值的方式构成。
根据该扫描型显示系统，可将光扩散部的激光的聚光尺寸设为光扩散通道的排列间距以下。因此，根据该扫描型显示系统，可抑制在显示的影像产生亮度不均。
本发明的一方面的扫描型显示系统也可还具备配置于光扩散部的后段的光学系统。此时，也可抑制在显示的影像产生亮度不均。
发明的效果
根据本发明，可提供一种能够抑制在显示的影像产生亮度不均的扫描型显示装置及扫描型显示系统。
附图说明
图1是一实施方式的扫描型显示系统的构成图。
图2是图1所示的扫描型显示系统具备的扫描型显示装置的构成图。
图3是显示自光扫描部经由光扩散部而到达眼的光路的图。
图4是用于说明光的聚光状态的图。
图5是用于说明光的衍射现象的图。
具体实施方式
以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行详细的说明。另外，对各图中相同或相当部分附注相同符号，并省略重复的说明。
如图1所示，扫描型显示系统10是例如搭载于汽车的激光扫描型投影显示器，且将影像显示(投影显示)于汽车的挡风玻璃100。扫描型显示系统10具备扫描型显示装置1与光学系统11。光学系统11具有多个平面镜11a、11b、凹面镜11c、及挡风玻璃100。挡风玻璃100在光学系统11中作为最后段的光学元件发挥功能。自扫描型显示装置1出射的投影显示用的光L2由平面镜11a、平面镜11b、凹面镜11c及挡风玻璃100依次反射并入射至观察者的眼E。
如图2所示，扫描型显示装置1具备光源2、聚光部6、光扫描部3、及光扩散部4。光源2出射投影显示用的激光L1。更具体而言，光源2具有多个光出射部。例如，多个光出射部分别为红色激光二极管、绿色激光二极管、蓝色激光二极管。各光出射部出射具有可视域的波长的激光L1。自各光出射部出射的激光L1入射至聚光部6。聚光部6将自各光出射部出射的激光L1聚光。聚光部6是例如聚光透镜。自各光出射部出射的激光L1在自聚光部6到达光扫描部3的期间，通过例如分色镜而合成。
光扫描部3扫描通过了聚光部6的激光L1(合成的激光L1)。更具体而言，光扫描部3是反射并扫描通过了聚光部6的激光L1的MEMS镜。MEMS镜是由MEMS(Micro ElectroMechanical Systems(微机电系统))技术制造的驱动镜，且其驱动方式有电磁驱动式、静电驱动式、压电驱动式、热驱动式等。光扫描部3具有平坦的镜3a。镜3a可在彼此正交的二轴周围摆动，且在一轴周围以共振频率位准高速地摆动。MEMS镜即光扫描部3对光扩散部4扫描激光L1。
光扩散部4具有二维地排列的多个光扩散通道4a，使由光扫描部3扫描的激光L1扩散。更具体而言，光扩散部4是透过型的微透镜阵列。即，光扩散部4使由光扫描部3扫描的激光L1透过并扩散。光扩散通道4是例如排列成矩阵状的多个微透镜的各个。由光扩散部4扩散的激光L1中构成影像的光作为投影显示用的光L2而入射至配置于光扩散部4的后段的光学系统11(参照图1)。另外，光扩散部4的光入射面由与多个微透镜对应的多个凸面构成。另一方面，光扩散部4的光出射面是平坦面。
如以上所述构成的扫描型显示装置1通过控制部(省略图示)而以如下方式动作。首先，控制部当接收到投影显示开始的输入信号时，使光源2的各光出射部的输出开始。由此，自光源2出射激光L1。大致与此同时，控制部使光扫描部3的动作开始。由此，在光扫描部3中，镜3a的摆动开始，对光扩散部4扫描自光源2出射且通过了聚光部6的激光L1。此时，控制部对应于光扩散部4内的激光L1的扫描位置而使自光源2的各光出射部出射的激光L1的比率变化。由此，投影显示用的光L2(即，由光扩散部4扩散的激光L1中构成影像的光)由平面镜11a、平面镜11b、凹面镜11c及挡风玻璃100依次反射并入射至观察者的眼E。
此处，针对在显示的影像产生亮度不均(包含不规则的亮度不均(斑点)、规则的亮度不均)的原理进行说明。图3是显示自光扫描部3经由光扩散部4到达眼E的光路的图。为便于说明，在图3中，将光扫描部3、光扩散部4及眼E显示于一直线上，省略光学系统11的图示。
如图3所示，若由光扫描部3反射的激光L1入射于多个光扩散通道4a中彼此相邻(具体而言，在激光L1的水平扫描方向、垂直扫描方向上彼此相邻)的任意一对光扩散通道4a、4a，则由一光扩散通道4a扩散的光L2的一部分通过光路A而入射至眼E，由另一光扩散通道4a扩散的光L2的一部分通过光路B而入射至眼E。于是，入射至眼E的光L2通过晶状体C而聚光于网膜R上。此时，若通过光路A而入射至眼E的光L2与通过光路B而入射至眼E的光L2在网膜R上重叠，则产生干涉，可能在显示的影像产生亮度不均。因此，若将光扩散部4中的激光L1的聚光尺寸设为多个光扩散通道4a的排列间距(自垂直于多个光扩散通道4a二维地排列的平面的方向观察的情况下的“彼此相邻的(至少在激光L1的扫描方向上彼此相邻的)光扩散通道4a的中心间距离”)以下，则不会在显示的影像产生亮度不均。
根据以上的见解，在扫描型显示系统10进而扫描型显示装置1中，若将激光L1的波长(自各光出射部出射的激光L1的中心波长中最长的波长)设为λ，将光扫描部3的有效开口直径(镜3a的直径)设为M，将光扫描部3至光扩散部4的距离(光扫描部3至光扩散部4的光路的长度)设为L，将多个光扩散通道4a的排列间距设为P，则以满足P≧(4λL)/(πM)的方式构成光扩散部4。具体而言，以满足P≧(4λL)/(πM)的方式，设定光扩散通道4a的排列间距。由此，光扩散部4的激光L1的聚光尺寸为光扩散通道4a的排列间距以下。
其理由如下所述。如图4所示，在通过聚光透镜将激光聚光的情况下，若将激光的波长设为λ，将聚光位置上的光点直径设为2ω，将聚光透镜的焦点距离设为F，将聚光透镜的光圈直径设为D，则2ω＝(4λF)/(πD)成立。该式显示聚光位置上的光点直径依赖于像侧的NA(激光相对于聚光位置聚光的角度)。NA越大，则聚光位置上的光点直径越小。NA通过聚光透镜中的激光的直径及聚光透镜的焦点距离决定。上述式中的F/D因为表示“激光相对于聚光位置聚光的角度”，因而若由相似的关系假定“光扫描部3的镜3a上的激光L1的光点直径”＝“光扫描部3的有效开口直径”，则可视为D＝M、F＝L。因此发现，若以满足P≧(4λL)/(πM)的方式设定光扩散通道4a的排列间距，则光扩散部4的激光L1的聚光尺寸为光扩散通道4a的排列间距以下。
光扩散部4中的激光L1的聚光尺寸(：(4λL)/(πM))越小，则分辨率越高，而可抑制干涉的产生。若仅考虑该点，则光扫描部3至光扩散部4的距离(：L)优选为较小，光扫描部3的有效开口直径(：M)优选为较大。但是，若减小光扫描部3至光扩散部4的距离(：L)，则为了确保激光L1相对于光扩散部4的扫描范围，必须增大镜3a的摆动范围。另外，若增大光扫描部3的有效开口直径(：M)，则因为镜3a大型化，因而难以使镜3a高速且稳定地摆动。在使用MEMS镜作为光扫描部3的情况下，因为存在这样的制约，因而特别重要的是，考虑光扫描部3至光扩散部4的距离(：L)及光扫描部3的有效开口直径(：M)，以满足P≧(4λL)/(πM)的方式，设定光扩散通道4a的排列间距。
另外，为了确保激光L1的利用效率，优选为期望“光扫描部3的镜3a上的激光L1的光点直径”＝“光扫描部3的有效开口直径”。但是，实际上，有镜3a作为光圈发挥功能的情况。此时，在由镜3a反射激光L1时在激光L1引起衍射。如图5所示，若将激光的波长设为λ，将光圈的有效开口直径设为D，将自光圈至聚光位置的距离设为L，则光圈的衍射的扩展宽度S表示为S＝Lλ/D(其中，假定至1次衍射光为止显著地影响)。因此，在扫描型显示系统10进而扫描型显示装置1中，假定在光扫描部3中在激光L1引起衍射，而以满足P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M的方式构成光扩散部4。具体而言，以满足P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M的方式，设定光扩散通道4a的排列间距。另外，在镜3a未作为光圈发挥功能的情况(即，“光扫描部3的镜3a上的激光L1的光点直径”<“光扫描部3的有效开口直径”的情况)下，以满足P≧(4λL)/(πM)的方式，设定光扩散通道4a的排列间距即可。
再者，在光扫描部3中，有在镜3a的镜面产生形变的情况。由该镜面的形变引起的激光L1的扩展半径(光扩散部4的激光L1的聚光尺寸的扩展半径)E若将镜面的形变近似为球形状并将其曲率半径设为φ，则表示为E＝Ltan(2tan-1(M/(2φ)))。因此，在光扫描部3中在镜3a的镜面产生形变的情况下，在扫描型显示系统10进而扫描型显示装置1中，以满足P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))的方式构成光扩散部4。具体而言，以满足P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))的方式设定光扩散通道4a的排列间距。
该式成立的理由如下所述。首先，假定为“在镜面为平坦面的情况下，几何光学性地聚光于1次像面(光扩散部4)上的1点”、“镜面的形变是能够以曲率半径φ表现的球形状，且在镜面的整个区域中均匀”(实际上，也有镜面的形变不是球形状，或在整个区域中不均匀的情况)。在包含曲率半径φ的中心及镜面的中心的截面中，几何光学性地考虑激光L1的光路。将“连结镜面的外缘与曲率半径φ的中心的直线”与“连结镜面的中心与曲率半径φ的中心的直线”所成的角设为θ时，若M＜＜φ，则θ＝tan-1(M/(2φ))。根据相似的关系，与在镜最外缘点上的镜形变圆自镜形变曲率中心垂下的直线垂直的直线、与连结镜最外缘点彼此的直线所成的角为θ。在镜面的外缘反射的激光L1与镜面为平坦面的情况相比，反射角度因镜面的形变而仅偏移2θ。相隔距离L的1次像面(光扩散部4)的距理想的聚光点的偏移量E表示为E＝Ltan(2θ)。由于该偏移量E为距理想的聚光状态的激光L1的扩展半径，因而由镜面的形变引起的激光L1的扩展半径E表示为E＝Ltan(2tan-1(M/(2φ)))。
如以上说明的那样，根据扫描型显示装置1(及扫描型显示系统10)，可将光扩散部4的激光L1的聚光尺寸设为光扩散通道4a的排列间距以下。因此，根据扫描型显示装置1，可抑制在显示的影像产生亮度不均。
另外，在扫描型显示装置1中，以满足P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M的方式构成光扩散部4。由此，即使在光扫描部3中在激光L1引起衍射，也可将光扩散部4的激光L1的聚光尺寸设为光扩散通道4a的排列间距以下，因而可抑制在显示的影像产生亮度不均。
另外，在扫描型显示装置1中，光扫描部3是MEMS镜。由此，可高速且高精度地实现激光L1对光扩散部4的扫描。
另外，在扫描型显示装置1中，在光扫描部3中在镜3a的镜面产生形变的情况下，若将镜面的曲率半径设为φ，则以满足P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))的方式构成光扩散部4。由此，即使在光扫描部3中在镜3a的镜面产生形变，也可将光扩散部4的激光L1的聚光尺寸设为光扩散通道4a的排列间距以下，因而可抑制在显示的影像产生亮度不均。
另外，在扫描型显示装置1中，光扩散部4是透过型的微透镜阵列。由此，可可靠且容易地实现二维地排列的多个光扩散通道4a的激光L1的扩散。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并非限定于上述的一实施方式。
例如，光源2只要是可出射相干光(激光)的光源，则并不限定于激光二极管(半导体激光)，也可为面发光激光、SLD(超发光二极管)等。另外，光扫描部3只要是可扫描激光的光扫描部，则并不限定于MEMS镜，也可为检流计镜等。另外，光扩散部4并不限定于使激光透过并扩散，也可为使激光反射并扩散。即，光扩散部4若为具有二维地排列的多个光扩散通道4a的光扩散部，则并不限定于透过型的微透镜阵列，也可为反射型的微透镜阵列、微镜阵列、衍射光栅、光纤板等。另外，在光扩散部4为透过型的微透镜阵列的情况下，光扩散部4的光入射面为平坦面，另一方面，也可通过与多个微透镜对应的多个凸面而构成光扩散部4的光出射面。另外，替代多个凸面，也可使多个凹面以与多个微透镜对应的方式形成。
另外，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)设定的值的方式构成。例如，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距满足P≧(4λL)/(πM)±20μm的方式构成。另外，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M设定的值的方式构成。例如，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距满足P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M±20μm的方式构成。另外，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))设定的值的方式构成。例如，光扩散部4也可以光扩散通道4a的排列间距满足P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))±20μm的方式构成。即，不需要在所有光扩散通道4a中，满足P≧(4λL)/(πM)这样的条件。该情况对P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M这样的条件、及P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))这样的条件也同样。另外，多个光扩散通道4a的排列间距不需要为一定，也可为例如随机。
另外，扫描型显示系统10也可不具备配置于光扩散部4的后段的光学系统11。此时，也可抑制在显示的影像产生亮度不均。
另外，上述的扫描型显示装置1并不限定于车载型，可使用于头盔内置型、眼镜型等各种场景。
符号的说明
1…扫描型显示装置、2…光源、3…光扫描部、4…光扩散部、4a…光扩散通道、6…聚光部、10…扫描型显示系统、11…光学系统、L1…激光。

Claims (14)

1.一种扫描型显示装置，其特征在于，
具备：
光源，其出射投影显示用的激光；
聚光部，其将自所述光源出射的所述激光聚光；
光扫描部，其扫描通过了所述聚光部的所述激光；及
光扩散部，其具有二维地排列的多个光扩散通道，使由所述光扫描部扫描的所述激光扩散，
在将所述激光的波长设为λ，将所述光扫描部的有效开口直径设为M，将所述光扫描部至所述光扩散部的距离设为L，将所述多个光扩散通道的排列间距设为P时，所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)而设定的值的方式构成。
2.如权利要求1所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扩散部以所述排列间距为基于(4λL)/(πM)≦P≦(4λL)/(πM)+Lλ/M而设定的值的方式构成。
3.如权利要求1所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+Lλ/M而设定的值的方式构成。
4.如权利要求1所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扫描部是MEMS镜。
5.如权利要求2所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扫描部是MEMS镜。
6.如权利要求3所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扫描部是MEMS镜。
7.如权利要求4所述的扫描型显示装置，其特征在于，
在将所述MEMS镜的镜面的曲率半径设为φ时，所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))而设定的值的方式构成。
8.如权利要求5所述的扫描型显示装置，其特征在于，
在将所述MEMS镜的镜面的曲率半径设为φ时，所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))而设定的值的方式构成。
9.如权利要求6所述的扫描型显示装置，其特征在于，
在将所述MEMS镜的镜面的曲率半径设为φ时，所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)+2Ltan(2tan-1(M/(2φ)))而设定的值的方式构成。
10.如权利要求1～9中任一项所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述光扩散部是透过型的微透镜阵列。
11.如权利要求1～9中任一项所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述多个光扩散通道的所述排列间距是随机的。
12.如权利要求10所述的扫描型显示装置，其特征在于，
所述多个光扩散通道的所述排列间距是随机的。
13.一种扫描型显示系统，其特征在于，
具备：
光源，其出射投影显示用的激光；
聚光部，其将自所述光源出射的所述激光聚光；
光扫描部，其扫描通过了所述聚光部的所述激光；及
光扩散部，其具有二维地排列的多个光扩散通道，使由所述光扫描部扫描的所述激光扩散，
在将所述激光的波长设为λ，将所述光扫描部的有效开口直径设为M，将所述光扫描部至所述光扩散部的距离设为L，将所述多个光扩散通道的排列间距设为P时，所述光扩散部以所述排列间距为基于P≧(4λL)/(πM)而设定的值的方式构成。
14.如权利要求13所述的扫描型显示系统，其特征在于，
还具备配置于所述光扩散部的后段的光学系统。
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