CN113767330A - 光束放射装置以及使用该光束放射装置的光束投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光束放射装置以及光束投影装置，能够小型化，并且结构简单，不会产生颜色不均并且使影像输出信号的定时调整等复杂的影像信号的处理变得简单。光束放射装置具有：多个光源；以及聚光部件，从所述多个光源射出的各个光束的射出点所处的所述多个光源的排列方向的范围在从所述多个光源的相对于所述聚光部件位于最中心的射出点射出的光束刚通过所述聚光部件之后的光束的所述排列方向的尺寸内。

Description

光束放射装置以及使用该光束放射装置的光束投影装置
技术领域
本发明涉及光束放射装置以及使用该光束放射装置的光束投影装置，例如，提供能够小型化且结构简单的光束放射装置以及光束投影装置。
背景技术
以往，在用于使用颜色不同的多个光束来投影彩色影像的光束投影装置中，提出了如下装置：设置合波器而将各光束合波为1束，对该合波光束进行二维扫描而将影像投影到屏幕等(例如，参照专利文献1)。
另一方面，从很久以前就已知有不将多个光束合波而直接扫描来得到影像的方法(例如，参照专利文献2至专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5817022号
专利文献2：日本特开2003-21800号公报
专利文献3：欧洲注册专利3054676
专利文献4：欧洲注册专利2977808
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在如专利文献1那样使用合波器的光束投影装置中，需要用于合波的部件，装置结构复杂，存在装置自身的小型化困难的缺点。
另一方面，如专利文献2至专利文献4那样，在不对多个光束进行合波而投影影像的光束投影装置中，装置结构变得简单，但由于光束未被1条化，因此存在产生颜色不均，难以得到高精细的影像的缺点。因此，存在需要影像输出信号的定时调整等复杂的影像信号的处理的缺点(例如，参照专利文献3以及专利文献4)。
因此，本发明的目的在于提供一种在不对多个光束进行合波而投影影像的光束投影装置中，不产生颜色不均，并且影像输出信号的定时调整等复杂的影像信号的处理简单的光束放射装置以及使用该光束放射装置的光束投影装置。另外，在本发明中，“光束放射装置”是指仅放射多个光束的装置，“光束投影装置”是指通过光扫描镜等使从“光束放射装置”放射的光束进行扫描，并将影像投影到屏幕等上的装置。
用于解决课题的手段
在一个方式中，光束放射装置具有：多个光源；以及聚光部件，从所述多个光源射出的各个光束的射出点所处的所述多个光源的排列方向的范围进入从所述多个光源的相对于所述聚光部件位于最中心的射出点射出的光束刚通过所述聚光部件之后的光束的所述排列方向的尺寸内。
在其他方式中，光束投影装置具有：上述的光束放射装置；以及反射镜，其配置在来自所述光束放射装置的所述光束的会聚点并且能够进行二维光扫描。
发明效果
作为一个方面，在光束放射装置以及使用了该光束放射装置的光束投影装置中，由于不使用合波器，因此光束投影装置的结构变得简单，并且即使增加光束的光焦度也能够应对。因此，影像品质不会劣化，能够实现光束投影装置的小型化和高光焦度化。
附图说明
图1是本发明的实施方式的光束放射装置的结构说明图。
图2是光源发生了位置偏移的情况下的说明图。
图3是示出光源的横向移动量与光束的截面形状的扁平率的关系的模拟结果的说明图。
图4是影像的死区的问题的说明图。
图5是扫描像的各死区(光束21基准的情况)的说明图。
图6是以往复方式形成影像的情况下的光栅扫描的概念图。
图7是本发明的实施例1的光束放射装置的概念性结构图。
图8是本发明的实施例2的光束放射装置的概念性结构图。
图9是本发明的实施例3的光束放射装置的概念性结构图。
图10是本发明的实施例4的光束放射装置的概念性结构图。
图11是本发明的实施例5的光束放射装置的概念性俯视图。
图12是本发明的实施例6的光束放射装置的概念性结构图。
图13是本发明的实施例7的光束放射装置的概念性俯视图。
图14是本发明的实施例8的光束放射装置的概念性侧视图。
图15是本发明的实施例9的光束放射装置的概念性俯视图。
图16是本发明的实施例10的光束放射装置的概念性结构图。
图17是本发明的实施例11的光束放射装置的概念性结构图。
图18是本发明的实施例12的光束放射装置的概念性结构图。
图19是本发明的实施例13的光束投影装置的概念性结构图。
图20是本发明的实施例14的光束放射装置的概念性结构图。
图21是本发明的实施例15的光束放射装置的概念性结构图。
图22是本发明的实施例15的光束放射装置的光学结构的说明图。
图23是本发明的实施例16的光束放射装置的概念性结构图。
图24是本发明的实施例17的光束放射装置的概念性结构图。
图25是本发明的实施例18的光束放射装置的概念性结构图。
图26是本发明的实施例19的光束放射装置的概念性结构图。
图27是本发明的实施例20的光束放射装置的主视图。
图28是本发明的实施例20中的扫描像的各死区的说明图。
图29是本发明的实施例20中的通过往复来形成影像的情况下的光栅扫描的概念图。
具体实施方式
这里，参照图1至图6，对本发明的实施方式的光束放射装置进行说明。图1是本发明的实施方式的光束放射装置的结构说明图，图1的(a)是俯视图，图1的(b)是侧视图。另外，在图1中将光源设为3个，但光源的数量是任意的。
配置多个光源11～13、由单个聚光部件5构成光束射出装置。另外，作为该情况下的聚光部件5，示出了使用聚光透镜的情况。从光源11～13的射出点31～33射出的光束21～23在光束21～23的形状扩展的同时朝向聚光部件5行进，使得光的中心轴的光迹41～43相互平行。
然后，由聚光部件5聚光，在由聚光部件5聚光之后，作为准直光束，以从各个光源11～13射出的光的中心轴的光迹41～43相交的方式行进。另外，准直后的光束是指光束直径不变化地行进的光束。将此光的中心轴的光迹41～43相交的点称为会聚点6。该会聚点6与作为聚光部件5的聚光透镜之间的距离在数学上不需要与聚光透镜的焦距相等。
这里，多个光源11～13在排列方向上的间隔D被设定为等于或小于来自配置在最中心的光源11的光束21刚通过聚光部件5之后的光束21的尺寸Q的范围。该情况下的光束21的直径设为，使光束近似于高斯光束，光焦度成为相对于中心轴上的值为1/e2(e：纳皮尔数)的直径。另外，所谓光束21刚通过聚光部件5后的光束21的尺寸Q，在聚光部件5为透镜的情况下是刚透过透镜后的光束直径，在聚光部件5由反射体构成的情况下是刚被反射体反射后的光束直径。
这样，能够实现：
a.在将影像投影到屏幕等的情况下，能够减小扫描画面的两侧的死区，其结果，能够高效地生成影像。
b.例如，为了得到彩色影像，因放射红、蓝、绿的光束的光源的射出光点的位置不同而产生的影像信号的定时的调整变得容易。即，通过对信号赋予与各个射出点的位置之差大致成比例的单纯的时间偏差，能够在不进行复杂的信号处理的情况下得到没有颜色不均、颜色偏差的彩色影像，因此参照图2至图6对该情况进行说明。另外，即使在多个光源11～13的光束21～23刚通过聚光部件5之后的光束直径不同的情况下，也使用配置在最中心的光源11的光束直径。
图2是光源发生了位置偏移的情况下的说明图，图2的(a)是光源发生了位置偏移的情况下的俯视图，图2的(b)是侧视图，图2的(c)是截面形状的变化的说明图。如图所示，在使从光源1射出的光束2通过聚光部件5(在图的情况下为单透镜)成为准直光束的情况下，若使光源1沿横向(光源的排列方向：在图中为纵向)移动，则光束2如图2(a)所示的那样变形。特别是，在光束2各向同性地射出的情况下，如图2(c)所示，光束2的截面形状从圆形变为椭圆。
图3是模拟光源的横向移动量与光束的截面形状的扁平率的关系的图。这里，将准直光束的直径(与图1的Q对应)设为1mm，将单透镜的焦距设为6mm，将单透镜的口径设为4mm来进行模拟。由图3可知，在横向移动量为0.5mm附近，若扁平率超过10％且大于0.5mm，则扁平率急剧变大。通常，为了不使光束品质劣化，扁平率优选在1位数以内使用。需要说明的是，扁平率用扁平率＝1-椭圆率来表示，椭圆率用椭圆的短径与长径之比来表示。
该结果表示若超过图1中的范围Q(-0.5mm～0.5mm的范围)地配置光源1，则该光束2的形状大幅劣化。另外，该条件与聚光透镜的种类、光束的直径、透镜的焦距、光源1的放射角无关，另外，即使在横向移动后的光源1的放射角与原来的位置处的光源1的放射角不同的情况下，在实用的条件时(光源1的放射角为30deg以内，准直光束直径为5mm以内)，大致一般成立。
另外，即使在放射角不是各向同性的、从光源1射出的光束2的截面形状原本为椭圆的情况下，只要使用光源的结构方向(横向)的光束直径就可以说是相同的。由此可知，优选从多个光源射出的各个光束的射出点所处的光源的排列方向的范围D进入光束2刚通过聚光部件5之后的光源的排列方向的光束的直径的范围Q内。
接着，参照图4和图5说明影像的死区的问题。在图4A中，当光源为3个时，从光源11～13射出的光束21～23通过聚光透镜5变为准直光时的关系由以下表达式表示。
dLDS＝(1/2)(tan((1/2)θdead)/tanθLD)×db
其中，dLDS表示光源11与光源12的射出点间的间隔，θLD表示从光源11射出的光束的放射角的一半，db表示光源11通过聚光透镜5后的准直后的光束的直径，θbAX表示光源12的光束的中心轴的光迹42与通过聚光透镜5后的光源11的光束的中心轴(光迹41)所成的角度，
θdead＝2θbAX。θdead表示与使用一个扫描镜使光束在横向上扫描时在屏幕上3条光束未全部到达的死区对应的角度的合计。在图5中，在以光束21为基准的情况下，去除反复的角度，图中所示的扫描像的各死区θdead1的合计成为θdead(θdead1+θdead1＝θdead)。这里，将扫描镜表示为具有可动镜部29的MEMS镜装置。
研究的结果是，与死区对应的角度的合计至少比从光源射出的光束的扩散角2θLD小时(θdead＜2θLD)，影像信号的定时的调整变得格外容易，因此需要满足dLDS＜db/2。另外，两侧的死区小在高效地生成影像这一点上是有效的，这是不言而喻的。即，根据以上，D＝2dLDS以及Q在该情况下成为db，因此D＜Q成为结构上优选的范围。
这些结果在实用的条件时(光源的放射角：30deg以内、准直光束直径：5mm以内)大致一般成立。另外，即使在光源为3个以上的情况下，也优选所配置的最外侧的光源进入到配置于最正中的光源的Q的范围内。
另外，会聚点6不需要与聚光部件5的焦距一致，也可以比聚光部件5的焦距短。为此，相对于配置在中央的光源11，使配置在两侧的光源12、13向内侧倾斜即可。因此，在会聚点6放置光扫描镜的情况下，具有能够减小光束投影装置的尺寸的优点。
通常，半导体激光器的层叠结构根据半导体材料而不同，因此具有不同发光波长的光源(半导体激光器)11～13的射出点31～33在高度方向上的中心位置不同。当通过光扫描镜使来自在高度方向上具有不同中心位置的射出点31～33的光束21～23进行扫描并且在屏幕等上形成光栅扫描图像(横向的高速扫掠和高度方向的低速扫掠的光栅扫掠)时，出现颜色不均匀和颜色偏移。
图6是以往复方式形成影像的情况下的光栅扫描的概念图，光栅扫描(Rasterscan)是指如下方法：首先在点处一维地扫描二维的影像而得到线(称为扫描线(scan line))，接着在其直角方向上以该线进行扫描，在二维面得到影像。
为了消除上述颜色不均匀和颜色偏移，可以将光源11～13设置在具有台阶的台座上，并且可以使射出点31～33的中心的高度(与光源的排列方向垂直的方向)之差在Δh内。Δh是与在屏幕等上通过光栅扫描而得的影像中在横向上反复扫描的用于最接近的影像生成的扫描线的间隔的二分之一对应的值。即，如果使射出点的位置在高度方向上变化Δh，则在屏幕上变化扫描线的间隔的二分之一。这里，横向高速扫掠扫描线是在光源的排列方向(横向)上使光束扫描而得到的。另外，在与光源的排列方向垂直的方向上使光束扫描，得到高度方向低速扫掠的光栅扫掠。因此，在通过使光束21～23扫描来投影图像的情况下，可以获得没有颜色不均匀和颜色偏移的高质量图像。需要说明的是，根据需要，也可以在台座的前表面形成台阶，使得从射出点31～33射出的光束21～23不会被台座晕影。另外，Dbeam是以1/e2全宽表示的光束直径。
此外，在使用聚光透镜作为聚光部件的情况下，可以通过改变从多个光源11～13射出的各个光束21～23的射出点31～33的光的行进方向上的位置或光束21～23的射出方向来校正从光源11～13射出的光束21～23的波长差异引起的色像差，使得所有光束21～23在会聚点的1点处相交。
例如，从中心的光源11的射出点31射出红色的光束21，从光源12的射出点22射出蓝色的光束22，从光源13的射出点33射出绿色的光束23。这里，通过将光束21～23的射出点31～33在光的行进方向上的位置配置成按照长波长的红色、绿色和蓝色的顺序稍微远离聚光透镜，可以校正单个聚光透镜的色差，使得所有光束21～23在会聚点6的1点处相交。
此外，除了改变光束21～23的射出点31～33在光的行进方向上的位置的方法之外，来自光源12的蓝色光束22的射出方向可以略微朝向外侧，并且来自光源13的绿色光束23可以略微朝向外侧。此外，在改变光束21～23的射出点31～33在光束的光行进方向上的位置的同时，可以通过改变光束21～23的射出方向来校正色差。在上述的例子中，说明了红色、蓝色、绿色的光束21～23的情况，但在使用其他波长的光源的情况下，当然也能够通过同样的结构来校正色像差。
另外，作为聚光部件5，也可以代替单一的聚光透镜而使用聚光用的凹面反射镜，基本的光源等的结构与使用了聚光透镜的情况相同，但通过使用聚光用的凹面反射镜，消除因使用了聚光透镜而产生的色像差的问题是优点。
在这种情况下，根据配置凹面反射镜的位置，可以采用侧面反射型或上反射型，并且光束21～23通过凹面反射镜弯曲的角度可以是直角或直角以外的角度，并且可以根据应用来确定。进而，即使代替凹面反射镜而使用聚光用的全息透镜或反射板，也能够得到相同的效果。
另外，在图1的说明中，对准直后的光束21～23进行了说明，但也可以是使用了在比聚光部件5靠前的位置聚光的聚光光束的光束放射装置。另外，作为光源11～13，典型的是半导体激光器，但也可以使用发光二极管(LED)。作为波长，典型的是由红色光、绿色光、蓝色光构成的3原色，但也可以使用黄色光、红外光或紫外光等。
在构成光束投影装置的情况下，只要使光扫描镜的镜面的中心与光束放射装置的会聚点对齐即可。这样，通过使会聚点与镜面的中心一致，能够减小镜面的面积，其结果是，能够实现光束投影装置的小型化。
在本发明的实施方式中，由于不使用合波器，因此光束放射装置的结构变得简单，能够实现光束投影装置的小型化。另外，能够实现尽管不使用合波器将光束汇集为1根，但影像品质也不会劣化的光束投影装置。并且，在增加光束的光焦度的情况下，仅增加光源的数量即可，因此能够实现不易产生故障等的光束投影装置。
实施例1
接着，参照图7对本发明的实施例1的光束放射装置进行说明。图7是本发明的实施例1的光束放射装置的概念性结构图，图7的(a)是俯视图，图7的(b)是侧视图。以0.2mm的间隔平行地配置发光波长为635nm的红色半导体激光器201、发光波长为450nm的蓝色半导体激光器202以及发光波长为520nm的绿色半导体激光器203。该情况下的各半导体激光器的放射光束的扩散角在1/e2全宽下为10deg。另外，所谓1/e2全宽，是指将来自各半导体激光器的放射光束近似为高斯光束，光焦度相对于中心轴上的值变为1/e2(e：纳皮尔数)的直径。
聚光透镜24例如使用口径为
Figure BDA0003275062560000081
焦距为5.72mm的单透镜。另外，选择单透镜的原因在于，能够使结构简单，并且能够廉价地制作装置，在这一点上是有利的。来自各半导体激光器的光束211～213一边扩散一边向聚光透镜24行进。然后，被聚光透镜24聚光，通过聚光透镜24之后，作为准直的光束，以从各个光源射出的光的中心轴的光迹221～223相交的方式行进。另外，该情况下的准直光束直径为
Figure BDA0003275062560000082
准直后的光束是指光束直径不变化地行进的光束。
此各光束的中心轴的光迹221～223在会聚点25处相交。该会聚点25与聚光透镜24的中心点之间的距离与聚光透镜24的焦距大致相等。此时，从红色半导体激光器201至绿色半导体激光器203射出的各个光束211～213的射出点所处的光源排列方向的范围D进入从中央的射出点231射出的光束212刚通过聚光透镜24之后的光束在光源排列方向上的尺寸Q(1mm)内。
另外，由于与影像的死区对应的角度的合计至少比从光源射出的光束的扩散角小，因此影像信号的定时的调整变得格外容易。另外，其结果，能够得到长度为10mm的小型的光束放射装置，能够实现使用了该光束放射装置的高精细投影装置。另外，光源的排列顺序并不固定于本实施例的顺序，当然能够进行变更。另外，在以下的实施例中，在各实施例中记述的光源的排列的顺序也不固定为该顺序。
实施例2
接着，参照图8对本发明的实施例2的光束放射装置进行说明。图8是本发明的实施例2的光束放射装置的概念性结构图，图8的(a)是俯视图，图8的(b)是侧视图，除了各光源的结构以外与上述实施例1相同。
即，将发光波长为635nm的红色半导体激光器201、发光波长为450nm的蓝色半导体激光器202和发光波长为520nm的绿色半导体激光器203以间隔0.2mm平行地配置，并且将蓝色半导体激光器202和绿色半导体激光器203相对于红色半导体激光器201的光轴倾斜地配置。
该情况下的会聚点25的位置成为距聚光透镜24的中心3mm的位置，比聚光透镜24的焦距(26)的5.72mm更靠近聚光透镜24。因此，能够得到长度为7.3mm的比上述实施例1更小型的光束放射装置，能够实现使用该光束放射装置的高精细投影装置。
实施例3
接着，参照图9对本发明的实施例3的光束放射装置进行说明。图9是本发明的实施例3的光束放射装置的概念性结构图，图9的(a)是主视图，图9的(b)是俯视图，图9的(c)是侧视图。在实施例3中，在设置有台阶的台座上设置各光源，其他结构与上述实施例1相同。另外，这里，省略了聚光透镜的图示。
实施例3中的台座30通过使用蚀刻掩模的选择性气相蚀刻来形成，该蚀刻掩模通过接触曝光法形成厚度1mm的Si基板31。在设置有该台阶321～323的台座30上安装红色半导体激光器201、蓝色半导体激光器202和发光波长为520nm的绿色半导体激光器203使它们的射出点231～233一致。
在这种情况下，如图所示，设置在具有台阶的台座30上，使各个射出点231～233的中心的台阶一致在Δh以内。当通过光扫描镜使从射出点231～233射出的光束进行扫描并且在屏幕等上形成光栅扫描像(横向高速扫掠和高度方向低速扫掠的光栅扫掠中，横向扫掠是排列方向)时，Δh是与在横向上反复扫描并且用于生成图像的最接近的扫描线之间的间隔的1/2相对应的值，并且这里，各个射出点231～233的中心的高度之差在3μm内。由此，在通过使光束进行扫描来投影影像的情况下，能够得到没有颜色不均、颜色偏移的高品质的影像。
实施例4
接着，参照图10对本发明的实施例4的光束放射装置进行说明。图10是本发明的实施例4的光束放射装置的概念性结构图，图10的(a)是俯视图，图10的(b)是侧视图。在实施例4中，在设置有台阶的台座30的射出端面侧还设置有台阶部33，其他结构与上述实施例3相同。
以这种方式，由于台阶部33形成在台座30的射出端面侧，因此可以防止从射出点射出并向下扩展的光束被台座30晕影。通过使用设置有具有该台阶的台座的光束放射装置，能够实现720P规格(1280×720像素)的高精细投影装置。
实施例5
接着，参照图11对本发明的实施例5的光束放射装置进行说明。图11是本发明的实施例5的光束放射装置的概念性俯视图，改变了从多个光源射出的各个光束的射出点的光的行进方向的位置和光束的射出方向，其他结构与上述的实施例3相同。
这里，相对于红色半导体激光器201，将绿色半导体激光器203配置成其射出方向稍微朝向外侧，并且其射出点233比红色半导体激光器201的射出点231更接近聚光透镜。相对于红色半导体激光器201，将蓝色半导体激光器202配置成其射出方向稍微朝向外侧，并且其射出点232比绿色半导体激光器203的射出点233更接近聚光透镜。
通过这样配置，射出点231～233按照波长长的红、绿、蓝的顺序稍微远离聚光透镜，并且射出方向倾斜，因此能够校正单一的聚光透镜的色像差，使全部的光束211～213在会聚点的1点相交。另外，这里，改变了光束的射出点的光的行进方向的位置和光束的射出方向这两者，但即使在仅改变某一方的情况下，也能够进行色像差的校正。另外，在该情况下，也与上述的实施例4同样地，也可以在台座30的射出端面侧进一步设置台阶部32。
实施例6
接着，参照图12，对本发明的实施例6的光束放射装置进行说明。图12是本发明的实施例6的光束放射装置的概念性结构图，图12的(a)是俯视图，图12的(b)是侧视图。在实施例6中，除了使用全息透镜41作为聚光部件以外，与上述实施例1相同。
实施例7
接着，参照图13对本发明的实施例7的光束放射装置进行说明。图13是本发明的实施例7的光束放射装置的概念性俯视图，除了使用聚光凹面镜代替聚光透镜作为聚光部件以外，与上述的实施例1相同。
聚光凹面镜27的凹面镜表面的形状为，从红色半导体激光器201的射出点231射出的光的中心轴的光迹221被直角地向侧方反射，从绿色半导体激光器203的射出点233射出的光的中心轴的光迹223和从蓝色半导体激光器202的射出点232射出的光的中心轴的光迹222被聚光凹面镜27反射后，在会聚点25相交。这里，配置成从红色半导体激光器201的射出点231射出的光的中心轴的光迹221到达聚光凹面镜27的凹面镜表面的距离为2.3mm。从红色半导体激光器201的射出点231射出的光的中心轴的光迹221以直角向侧方反射后的反射面与会聚点25的距离为3.4mm。即，红色半导体激光器201的射出点231与会聚点25的光路长度为5.7mm(＝2.3mm+3.4mm)。在这种情况下，由聚光凹面镜27反射的光束211～213全部是准直光束。
在本发明的实施例7中，能够得到向长度为9mm的侧方反射光束的小型的光束放射装置，通过使用该光束放射装置，能够实现高精细投影装置。另外，通过使用聚光凹面镜作为聚光部件，能够消除由于使用透镜而产生的色像差的问题。
实施例8
接着，参照图14对本发明的实施例8的光束放射装置进行说明。图14是本发明的实施例8的光束放射装置的概念性侧视图，除了向上方反射并在上方得到会聚点25以外，与上述的实施例7相同。在该实施例8的情况下，能够得到在长度为9mm的上方反射光束的小型的光束放射装置，通过使用该光束放射装置，能够实现高精细投影装置。
实施例9
接着，参照图15对本发明的实施例9的光束放射装置进行说明。图15是本发明的实施例9的光束放射装置的概念性俯视图，除了使用全息反射板42代替聚光凹面镜作为反射部件以外，与上述实施例7相同。在该实施例9的情况下，也与实施例7同样地，能够得到向长度为9mm的侧方反射光束的小型的光束放射装置，通过使用该光束放射装置，能够实现高精细投影装置。
实施例10
接着，参照图16对本发明的实施例10的光束放射装置进行说明。图16是本发明的实施例10的光束放射装置的概念性结构图。在该实施例10中，代替准直后的光束，在比聚光透镜24靠前的位置进行聚光，在全部的光源(201～203)中，将聚光透镜24的中心与聚光点的距离设为10cm，其他的结构与上述实施例1相同。然而，光源(201～203)和聚光透镜24之间的间隔大于实施例1中的间隔。
在本发明的实施例10中，能够得到长度为10mm的小型的光束放射装置，通过使用该光束放射装置，能够实现高精细投影装置。
实施例11
接着，参照图17对本发明的实施例11的光束放射装置进行说明。图17是本发明的实施例11的光束放射装置的概念性结构图。在该实施例11中，除了将光源设为6个以外，与上述实施例1相同。
将振荡波长为635nm的2个红色半导体激光器201-1、201-2、振荡波长为450nm的2个蓝色半导体激光器202-1、202-2、以及振荡波长为520nm的2个绿色半导体激光器203-1、203-2以0.15mm的间隔平行地配置。在该情况下，置于最端部的蓝色半导体激光器202-1与绿色半导体激光器203-2之间的射出点的元件排列方向的范围D也进入到刚通过配置在最靠近聚光透镜24的中心的位置的红色半导体激光器201-1的聚光透镜24后的光束范围Q(从红色半导体激光器201-1起的光束横向范围：1mm)内。另外，作为排列的方法，从聚光透镜24侧开始，例如可以是蓝、红、绿、蓝、红、绿的顺序，可以是任意的顺序。
在本发明的实施例11中，由于不使用合波器，因此6个半导体激光器的结构变得容易，与实施例1的情况相比，能够得到2倍的强度的光束，能够实现高亮度光束投影装置。
实施例12
接着，参照图18对本发明的实施例12的光束放射装置进行说明。图18是本发明的实施例12的光束放射装置的概念性结构图。在该实施例12中，除了将光源加上红外光和紫外光而设为5个以外，与上述实施例1相同。
以0.15mm的间隔依次平行地配置振荡波长为635nm的红色半导体激光器201、振荡波长为450nm的蓝色半导体激光器202、振荡波长为520nm的绿色半导体激光器203、振荡波长为830nm的红外光半导体激光器204、以及振荡波长为375nm的紫外光半导体激光器205。在该情况下，置于最端部的红色半导体激光器201的射出点231与紫外光半导体激光器205之间的射出点235的元件排列方向的范围D也进入刚通过绿色半导体激光器203的聚光透镜24后的光束范围Q内。另外，排列方式可以在聚光透镜24的中心放置任意的半导体激光器，并且可以是任意的顺序。
在本发明的实施例12中，由于不使用合波器，因此通过使用振荡波长不同的5个半导体激光器，与实施例1的情况相比，能够实现由从红外光到紫外光的宽范围的波长区域的多重光束构成的小型的光束投影装置。
实施例13
接着，参照图19说明本发明的实施例13的光束投影装置。图19是本发明的实施例13的光束投影装置的概念性结构图。在该实施例13中，将MEMS镜装置28的可动镜部29的镜面的中心置于上述实施例1的光束投影装置的会聚点25，使镜面相对于从绿色半导体激光器203射出的光束213的中心轴的光迹223倾斜45°。
MEMS镜装置28的尺寸(芯片尺寸为7mm×5mm×0.7mm(进深(Length)×宽度(Width)×高度(Height)的顺序)。MEMS镜装置28的可动镜部29的尺寸为
Figure BDA0003275062560000131
MEMS镜装置28使用Si作为基材，使用Al膜作为可动镜部29的材料。
通过以压电驱动方式以最大驱动电压±15V驱动该可动镜部29，以高速(水平)轴驱动频率35KHz、高速(水平)轴摆角±15deg(镜摆角)、低速(垂直)轴驱动频率60Hz、低速(垂直)轴摆角±15deg(镜摆角)进行二维光扫描。这里，设为使用压电效应的压电驱动方式，但也可以是静电驱动方式或电磁驱动方式的驱动装置。
通过本发明的实施例13的光束投影装置，能够实现720P规格(1280×720像素)的高精细投影装置。另外，这里，使用了能够进行二维光扫描的MEMS镜装置，但即使连续使用2台不是能够进行二维扫描而是能够进行一维扫描的单体的MEMS镜装置，也能够得到影像。
实施例14
接着，参照图20对本发明的实施例14的光束放射装置进行说明。图20是本发明的实施例14的光束放射装置的概念性结构图，图20的(a)是俯视图，图20的(b)是侧视图，除了使用由自由曲面构成的聚光透镜50作为聚光透镜以外的基本结构与上述实施例1相同。
将发光波长为635nm的红色半导体激光器201、发光波长为450nm的蓝色半导体激光器202以及发光波长为520nm的绿色半导体激光器203以间隔0.2mm平行地配置，但从各光源射出的光束的截面形状为椭圆形。作为由自由曲面构成的聚光透镜50，这里，在射出的光束的截面为各向异性的形状的情况下，使用能够将通过透镜后的光束的截面构造修正为各向同性的圆形的透镜。
此各光束的中心轴的光迹221～223在会聚点25处相交。此时，从红色半导体激光器201～绿色半导体激光器203射出的各个光束211～213的射出点所处的光源排列方向的范围D进入从中心射出点231射出的光束212刚通过由自由曲面形成的聚光透镜50之后的光束的光源排列方向的尺寸Q内。
在本发明的实施例14中，作为聚光透镜，使用由自由曲面构成的聚光透镜，因此在从各光源射出的光束的截面形状为椭圆形的情况下，能够修正为各向同性的圆形，并且能够改善投影的影像的颜色不均等，得到良好的影像。另外，即使在来自各光源的光束的射出角在每个光源以及纵、横方向上不同的情况下，也能够转换为比较良好的圆形的光束。
实施例15
接着，参照图21以及图22，对本发明的实施例15的光束放射装置进行说明。图21是本发明的实施例15的光束放射装置的概念性结构图，图21的(a)是俯视图，图21的(b)是侧视图，除了使用由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜作为聚光透镜以外，基本结构与上述实施例14相同。另外，图22是本发明的实施例15的光束放射装置的光学结构的说明图，图22的(a)是俯视图，图22的(b)是侧视图。
以0.2mm的间隔平行地配置发光波长为635nm的红色半导体激光器201、发光波长为450nm的蓝色半导体激光器202以及发光波长为520nm的绿色半导体激光器203。该情况下的各半导体激光器的放射光束的截面呈在高度方向上较长的椭圆形，其扩展角在高度(纵)方向上为20deg，在横向上为10deg。另外，扩展角由射束的1/e2全宽定义。所谓1/e2全宽，是指将来自各半导体激光器的放射光束近似为高斯光束，光焦度相对于中心轴上的值为1/e2(e：纳皮尔数)的直径。
由图21的(a)的俯视图以及图21的(b)的侧视图可知，由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51的透镜的光源侧的表面呈横向的圆筒状，透镜的会聚点25侧的表面呈纵向的圆筒状。各半导体激光器的放射光束的截面呈在高度方向上较长的椭圆形，因此光源侧的表面的圆筒的方向与来自光源的放射光束的椭圆形的截面的长轴垂直，会聚点25侧的表面的圆筒的方向与放射光束的椭圆形的截面的短轴垂直。
来自各半导体激光器的光束211～213一边扩散一边向由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51行进。之后，通过由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51聚光，通过由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51之后，作为准直后的光束，以从各个光源射出的光的中心轴的光迹221～223在会聚点25相交的方式行进。另外，该情况下的准直光束直径大致为
Figure BDA0003275062560000141
此时，从红色半导体激光器201～绿色半导体激光器203射出的各个光束211～213的射出点所处的光源排列方向的范围D进入从中央的射出点231射出的光束212刚通过由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51之后的光束的光源排列方向的尺寸Q(1mm)内。
另外，由于与影像的死区对应的横向的角度的合计至少比从光源射出的光束的横向扩展角小，因此影像信号的定时的调整变得格外容易。其结果，能够得到小型的光束放射装置，能够实现使用了该光束放射装置的高精细投影装置。另外，由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51的柱面透镜面基本上是圆筒形状，仅在纵向或横向上聚光，当然，在与它们垂直的方向上也导入曲面，能够产生校正的聚光效果。另外，也可以在圆筒形状的长度方向上改变圆筒的曲率等，根据位置改变焦距，对聚光效果施加校正。进而，柱面透镜面的截面构造也可以不是单纯的圆筒形状，而是使用例如环面那样的模拟圆筒形状。
另外，这里的聚光透镜由入射侧的聚光面和射出侧的聚光面构成，但也可以分别制作并设置具有入射侧的聚光面和射出侧的聚光面的聚光要素。或者，也可以将两者结合而形成一个透镜。在该情况下，也可以在2个聚光要素之间存在空气层。
接着，参照图22，说明针对从中心的半导体激光器201射出的光束，使用由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜51的情况下的光学结构。半导体激光器201的放射光束的截面呈在高度方向上较长的椭圆形，其扩展角在高度(纵)方向上为20deg，在横向上为10deg，因此，使用焦距Ffront为2.8mm的透镜面作为距光源较近的透镜面，使用焦距Frear为5.7mm的透镜面作为距光源较远的透镜面。其结果，透过透镜后的光束在高度(纵)方向和横向上成为大致相同的1mm的直径，得到了圆形的准直光束。对于中心以外的半导体激光器202和203，由于D＜Q，因此得到了大致相同的圆形的准直光束。
实施例16
接着，参照图23对本发明的实施例16的光束放射装置进行说明。图23是本发明的实施例16的光束放射装置的概念性结构图，图23的(a)是俯视图，图23的(b)是侧视图，除了使用由柱面透镜面和凸透镜面构成的聚光透镜52作为聚光透镜以外，基本结构与上述实施例14相同。
以0.2mm的间隔平行地配置发光波长为635nm的红色半导体激光器201、发光波长为450nm的蓝色半导体激光器202以及发光波长为520nm的绿色半导体激光器203。该情况下的各半导体激光器的放射光束的截面呈在高度方向上较长的椭圆形，其扩展角在高度(纵)方向上为20deg，在横向上为10deg。
由图21的(a)的俯视图以及图21的(b)的侧视图可知，由柱面透镜面和凸透镜面构成的聚光透镜52的透镜的光源侧的表面呈横向的圆筒状，透镜的会聚点25侧的表面呈凸透镜的形状。各半导体激光器的放射光束的截面呈在高度方向上较长的椭圆形，因此光源侧的表面的圆筒的方向与来自光源的放射光束的椭圆形的截面的长轴垂直，会聚点25侧的表面的圆筒的方向与放射光束的椭圆形的截面的短轴垂直。
作为离光源近的透镜面，使用焦距Ffront为2.8mm的透镜面，作为离光源远的透镜面，使用焦距Frear为5.7mm的透镜面。来自各半导体激光器的光束211～213一边扩散一边向由柱面透镜面和凸透镜面构成的聚光透镜52行进。然后，通过由柱面透镜表面和凸透镜表面构成的聚光透镜52聚光，通过由柱面透镜表面和凸透镜表面构成的聚光透镜52之后，作为准直光束，以从各个光源射出的光的中心轴的光迹221～223在会聚点25处相交的方式行进。另外，该情况下的准直光束直径大致为
Figure BDA0003275062560000161
在该情况下，由于远离光源的透镜面为凸透镜的形状，因此在射出的光束中产生像散，但在影像投影时不会产生较大的影响。
另外，上述的柱面透镜面基本上是圆筒形状，仅在纵向或横向上聚光，当然，在与它们垂直的方向上也导入曲面，能够产生校正的聚光效果。另外，也可以在圆筒形状的长度方向上改变圆筒的曲率等，根据位置改变焦距，对聚光效果施加校正。进而，柱面透镜面的截面构造也可以不是单纯的圆筒形状，而是使用例如环面那样的模拟圆筒形状。这一点在凸透镜面也相同，能够使用非球面透镜。另外，这里的聚光透镜由入射侧的聚光面和射出侧的聚光面构成，但也可以分别制作并结合具有入射侧的聚光面和射出侧的聚光面的聚光要素，作为一个透镜。在该情况下，也可以在2个聚光要素之间存在空气层。
以上的实施例14至实施例16是透过型的聚光透镜的情况，但在图13所示的反射型的情况、图12所示的全息透镜、图15所示的全息反射板的情况下也是同样的。即，在反射型的情况下，在来自半导体激光器的射出光束为椭圆的情况下，通过使椭圆的长轴侧方向的反射镜焦距比椭圆的短轴侧方向的反射镜焦距小，能够使光束截面的椭圆形接近圆形。另外，在全息透镜、全息反射板的情况下，在来自半导体激光器的射出光束为椭圆的情况下，通过使椭圆的长轴侧方向的透镜或反射板的焦距比椭圆的短轴侧方向的透镜或反射板的焦距小，也能够使光束截面的椭圆形接近圆形。
实施例17
接着，参照图24对本发明的实施例17的光束放射装置进行说明。图24是本发明的实施例17的光束放射装置的概念性结构图，图24的(a)是主视图，图24的(b)是俯视图，图24的(c)是侧视图。在实施例17中，在作为基础台座的平坦台座30上，经由不同高度的副台座601、602、603设置各光源，半导体激光器201～203的射出点231～233的中心高度之差在Δh以内。其他结构与上述的实施例3相同。另外，这里，省略了聚光透镜的图示。
在该情况下，作为基础台座的台座30的材料，由于Si等半导体、CuW等金属从半导体激光器放出的热的传导率高，因此优选。另外，副台座601、602、603可以是在半导体工艺中容易调整高度的SiO2，但即使是其他电介质、半导体、金属，只要能够使高度之差在Δh以内一致即可。另外，该副台座601、602、603成为遍及整面地支承各半导体激光器的构造。
这里，使用厚度1mm的Si基板作为成为基础台座的台座30，副台座601、602、603在利用溅射法形成SiO2膜之后，通过使用了利用接触曝光法形成的蚀刻掩模的选择气相蚀刻来形成。在这些副台座601、602、603上安装红色半导体激光器201、蓝色半导体激光器202和绿色半导体激光器203，使其射出点231～233一致。此外，如果每个半导体激光器201～203的射出点231～233的中心距每个半导体激光器的下表面的高度已经在Δh内一致，则副台座601，602，603的高度可以相同。此外，在基础台座和副台座为相同的半导体材料、特别是Si的情况下，具有台座的制造工艺变得简单的特征。该制造工艺如下。
(1)首先，在Si基板上的副台座的区域形成耐热的掩模。
(2)接着，通过对Si基板整体进行热氧化或者水热氧化，形成与副台座的高度相当的厚度的氧化膜。
(3)接着，用氢氟酸系的蚀刻剂去除氧化膜，然后，去除掩模。
(4)在形成高度不同的副台座时，反复进行基于该掩模的热氧化工艺。若使用热氧化，则氧化膜的厚度控制容易，因此能够形成高度被精密地控制的副台座。此时，Si基板成为基础台座。
实施例18
接着，参照图25对本发明的实施例18的光束放射装置进行说明。图25是本发明的实施例18的光束放射装置的概念性结构图，图25的(a)是主视图，图25的(b)是俯视图，图25的(c)是侧视图。在实施例18中，在成为基础台座的平坦的台座30上经由高度不同的副台座611(612、613)设置各光源，使各半导体激光器201(202、203)的射出光点231(232、233)的中心的高度之差在Δh以内一致。另外，在此仅图示了与中心的红色半导体激光器201相关的结构。这里，也省略了聚光透镜的图示。在该实施例18中，作为副台座611(612、613)，采用仅支承各半导体激光器201(202、203)的两侧的构造。其他结构与上述的实施例17相同。
实施例19
接着，参照图26，对本发明的实施例19的光束放射装置进行说明。图26是本发明的实施例18的光束放射装置的概念性结构图，图26的(a)是主视图，图26的(b)是俯视图，图26的(c)是侧视图。在实施例19中，在成为基础台座的平坦的台座30上经由高度不同的副台座621(622、623)设置各光源，使各半导体激光器201(202、203)的射出光点231(232、233)的中心的高度之差在Δh以内一致。另外，在此仅图示了与中心的红色半导体激光器201相关的结构。这里，也省略了聚光透镜的图示。在该实施例19中，作为副台座621(622、623)，采用仅支承各半导体激光器201(202、203)的四角的构造。其他结构与上述的实施例17相同。
实施例20
接着，参照图27至图29，对本发明的实施例20的光束放射装置进行说明。图27是本发明的实施例20的光束放射装置的主视图，图28是本发明的实施例20中的扫描像的各死区的说明图，图29是本发明的实施例20中的通过往复形成影像的情况下的光栅扫描的概念图。如图27所示，这里，配置2组各色的高度不同的6个副台座601-1、601-2、602-1、602-2、603-1、603-2。这里，省略了俯视图、侧视图以及聚光透镜的图示。
如图27所示，使射出点231－1～233－1的中心的高度与水准1一致，并且使射出点231－1～233－1的中心的高度之差在Δh内。此外，使射出点231－2～233－2的中心的高度与水准2一致，并且使射出点231－2～233－2的中心的高度之差在Δh内。此外，如图29所示，即使在半导体激光器的数量成为2倍的情况下，Δh也是与扫描线的间隔的二分之一对应的值，该扫描线在屏幕等中被光栅扫描的影像中用于生成在横向上反复扫描的最接近的影像，这一点与图6的情况相同。此外，在该情况下，将水准1与水准2的高度之差Δd设定为相当于Δh的2倍。因此，仅从水准1或水准2射出的光束的扫描线的间隔成为Δh的4倍。
以这种方式，当通过光扫描镜使从射出点231－1～233－2射出的光束进行扫描并且在屏幕等上形成光栅扫描像(横向高速扫掠、高度方向低速扫掠的光栅扫掠中，横向扫掠是排列方向)时，在横向上反复扫描，用于影像生成的扫描线的数量在相同扫掠次数的情况下可以是射出点为231－1～233－1或者为231－2～233－2的情况的2倍。其结果，与仅使用半导体激光器201-1～203-1的情况相比，如果每单位时间的扫掠次数相同，则高度方向低速扫掠方向的分辨率成为2倍。另外，在相同分辨率的影像的情况下，能够使每单位时间的扫掠次数减半，能够减轻驱动电路的负担。
接着，参照图28，说明本发明的实施例20中的扫描像的各死区。示出了从水准1高度的射出点231-1～233-1射出的3束光束和从水准2高度的射出点231-2～233-2射出的3束光束被MEMS镜装置28扫描而得到光栅扫描影像时的概念图，但基本原理与图5的情况相同。可知与单一水准的情况相比，扫描条数为2倍。另外，以满足D＜Q的条件的方式限定半导体激光器的横向设置范围。
接下来，参照图29，是本发明的实施例20中的通过往复来形成影像的情况下的光栅扫描的概念图，基本原理与图6的情况相同。可知从水准1的高度的射出点射出的3根光束的扫描线701和从水准2的高度的射出点射出的3根光束的扫描线702交替地形成。另外，在实施例20中，记述了在2个水准的位置使红、蓝、绿的光源的射出光点的中心一致的情况，但当然也可以设置2个以上的水准，进一步增加扫描线的条数。在该情况下，能够实现分辨率的进一步提高、或者每单位时间的扫描次数的进一步降低。
此外，上述的实施例1至实施例20的光源的排列的顺序是任意的，各实施例所记载的光源的排列的顺序并不固定，当然能够变更。
标号说明
1、11～13：光源；2、21～23：光束；3、31～33：射出点；4、41～43：光迹；5：聚光部件；6：会聚点；201、201-1、201-2：红色半导体激光器；202、202-1、202-2：蓝色半导体激光器；203、203-1、203-2：绿色半导体激光器；204：红外光半导体激光器；205：紫外光半导体激光器；211～215：光束；221～225：光迹；231～235：射出点；24：聚光透镜；25：会聚点；26：焦点；27：聚光凹面镜；28：MEMS镜装置；29：可动镜部；30：台座；31：Si基板；321～323：台阶；33：台阶部；41：全息透镜；42：全息反射板；50：由自由曲面构成的聚光透镜；51：由聚光方向垂直的柱面透镜面构成的聚光透镜；52：由柱面透镜面和凸透镜面构成的聚光透镜；601、601-1、601-2、602、602-1、602-2、603、603-1、603-2、611、621：副台座；701：基于从水准1的高度的射出点射出的3条光束的扫描线；702：基于从水准2的高度的射出点射出的3条光束的扫描线。

Claims (18)

1.一种光束放射装置，其具有：
多个光源；以及
聚光部件，
从所述多个光源射出的各个光束的射出点所处的所述多个光源的排列方向的范围进入从所述多个光源的相对于所述聚光部件位于最中心的射出点射出的光束刚通过所述聚光部件之后的光束的所述排列方向的尺寸内。
2.根据权利要求1所述的光束放射装置，其中，
从所述多个光源射出的各个光束的射出点的与排列方向垂直的方向的范围比在通过使所述光束进行光栅扫描而得到的影像中用于影像生成的横向扫描线的相邻的扫描线间隔的二分之一小，该横向扫描线是使光束沿所述光源的排列方向扫描而得到的。
3.根据权利要求1或2所述的光束放射装置，其中，
将所述多个光源设置在台座上，该台座设置有与所述多个光源对应的台阶。
4.根据权利要求3所述的光束放射装置，其中，
所述台座由基础台座和副台座构成，该基础台座的设置所述多个光源的区域是平坦的，该副台座载置在所述基础台座上并且具有与所述多个光源对应的高度。
5.根据权利要求3或4所述的光束放射装置，其中，
将所述多个光源以所述光源的射出点分为2个以上的水准的方式载置于所述台座。
6.根据权利要求5所述的光束放射装置，其中，
从以分为所述2个以上的水准的方式载置于所述台座的多个光源射出的光束按照各水准是红色光束、绿色光束以及蓝色光束。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述聚光部件是透过型的聚光透镜。
8.根据权利要求7所述的光束放射装置，其中，
所述透过型的聚光透镜具有将从所述多个光源射出的光束的截面形状转换为透过所述聚光透镜后的光束为圆形的形状的效果。
9.根据权利要求8所述的光束放射装置，其中，
具有将从所述多个光源射出的椭圆形的截面形状的光束转换为圆形的形状的效果的透过型的聚光透镜是具有聚光方向垂直的柱面透镜面的聚光透镜。
10.根据权利要求8所述的光束放射装置，其中，
具有将从所述多个光源射出的椭圆形的截面形状的光束转换为圆形的形状的效果的透过型的聚光透镜是具有柱面透镜面和凸透镜面的聚光透镜。
11.根据权利要求7至10中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述光束相交的会聚点与所述聚光透镜中心之间的距离小于所述聚光透镜的焦距。
12.根据权利要求7至11中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
通过改变从所述多个光源射出的光束的射出点的光的行进方向的位置或光束的射出方向，对从光源射出的光束的波长的不同而引起的色像差进行校正，以全部光束在会聚点的1点相交的方式配置光源。
13.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述聚光部件是反射镜。
14.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述聚光部件是聚光用的全息透镜或全息反射板中的任意一个。
15.根据权利要求1至14中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述光束是被准直后的激光束或在所述聚光部件之前的位置聚光的聚光激光束中的任意一个。
16.根据权利要求1至14中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述光源是半导体激光器或发光二极管中的任意一个。
17.根据权利要求1至16中的任意一项所述的光束放射装置，其中，
所述光束由红色光束、绿色光束以及蓝色光束构成。
18.一种光束投影装置，其具有：
权利要求1至17中的任意一项所述的光束放射装置；以及
反射镜，其配置在来自所述光束放射装置的所述光束的会聚点并且能够进行光扫描。
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