CN117369203A - 一种投影显示装置 - Google Patents

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山影明广
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Abstract

本发明涉及一种投影显示装置。在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，期待实现一种小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。该投影显示装置具备：多个半导体激光器；准直透镜，对所述多个半导体激光器输出的多个激光束进行准直化；积分器照明系统，使被所述准直透镜准直化后的多个激光束叠加而形成矩形照明区域；偏转器件，被配置在比通过所述积分器照明系统形成所述矩形照明区域的位置更靠近所述准直透镜的位置；转映光学系统，将通过所述偏转器件被进行偏转扫描的所述矩形照明区域放大转映到反射式光调制器件上；以及投影镜头，对所述反射式光调制器件输出的图像光进行投影。

Description

一种投影显示装置
技术领域
本发明涉及具备光源装置的投影显示装置。
背景技术
一直以来，已知一种使用激光的投影显示装置。
专利文献1中公开了一种投影显示装置，其具备：激光光源；声光调制器，根据图像信号对激光进行光调制；多边形反射镜，对调制后的激光进行水平扫描；以及检流计反射镜，进行垂直扫描。
专利文献1：日本专利公开2000-180759号公报
在专利文献1所记载的投影显示装置中，具备同时使用进行水平扫描的多边形反射镜和进行垂直扫描的检流计反射镜的光学扫描单元，由于对水平和垂直这两个方向在光学上进行扫描，因此需要大的光路空间，存在装置大型化的问题。
因此，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，期待实现一种小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
发明内容
本发明的第一方面是一种投影显示装置，其特征在于，具备：多个半导体激光器；准直透镜，对所述多个半导体激光器输出的多个激光束进行准直化；积分器照明系统，使被所述准直透镜准直化后的多个激光束叠加而形成矩形照明区域；偏转器件，被配置在比通过所述积分器照明系统形成所述矩形照明区域的位置更靠近所述准直透镜的位置；转映光学系统，将通过所述偏转器件被进行偏转扫描的所述矩形照明区域放大转映到反射式光调制器件；以及投影镜头，对所述反射式光调制器件输出的图像光进行投影。
根据本发明，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，能够实现小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。
图2的(a)是用于示出激光模组LM中包含的半导体激光器与准直透镜的一个配对的典型图；图2的(b)是示出排列有4×2个半导体激光器11与准直透镜 102的配对的激光模组LM的典型图。
图3的(a)是示例出半导体激光器11的输出光的近场图案(Near-Field Pattern)的图；图3的(b)是示例出半导体激光器11的输出光的远场图案(Far-Field Pattern) 的图。
图4的(a)是示出针对平行方向的光束扩展的图；图4的(b)是示出针对正交方向的光束扩展的图。
图5的(a)是从一个方向观察积分器照明系统INT的图；图5的(b)是从与图5的(a)相正交的方向观察积分器照明系统INT的图；图5的(c)是示出微透镜阵列对的图；图5的(d)是示出矩形照明区域IM1的图。
图6的(a)是示出偏转器210的一例的外观的立体图；图6的(b)是偏转器210的侧视图。
图7的(a)是用于对偏转器210的反射面的位置与倾斜角进行说明的剖视图；
图7的(b)是用于对偏转器210的反射面的位置与倾斜角进行说明的图表。
图8的(a)是示出偏转器210与矩形照明区域IM1之间的位置关系的图；图 8的(b)是反射面的光束照射位置214附近的放大图；图8的(c)是示出蓝色的矩形照明区域IM1在DB方向上被进行偏转扫描的图。
图9的(a)是用于对前侧转映透镜201与后侧转映透镜202的作用进行说明的典型图；图9的(b)是示出反射式光调制器件340的画面与矩形的激光束扫描范围SA之间的关系的图；图9的(c)是以横轴作为时间轴来示出矩形的B光束、 G光束、R光束分别对反射式光调制器件340的画面进行照射的状况的图。
图10是示出实施方式2所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。
图11是用于对实施方式3所涉及的积分器照明系统进行说明的图。
图12的(a)是从一个方向观察实施方式3所涉及的积分器照明系统INT的图；图12的(b)是从与图12的(a)相正交的方向观察实施方式3所涉及的积分器照明系统INT的图；图12的(c)是示出矩形照明区域IM1的图。
图13的(a)是示出在积分器照明系统中使用的实心(バルク)光棒的图；
图13的(b)是示出在积分器照明系统中使用的空心光棒的图。
图14是示出实施方式3所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。
图15是示出实施方式3中的偏转器与矩形照明区域IM1之间的位置关系的图。
图16是示出实施方式4所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。
图17的(a)是从一个方向观察可在各实施方式中使用的变形光学系统的图；
图17的(b)是从与图17的(a)相正交的方向观察可在各实施方式中使用的变形光学系统的图。
附图标记说明
11……半导体激光器
12……发光部
100B……B光源
100G……G光源
100R……R光源
102……准直透镜
103、104……微透镜阵列
106……聚光透镜
190……投影屏幕
201……前侧转映透镜
202……后侧转映透镜
210……偏转器
210B……B用偏转器
210G……G用偏转器
210R……R用偏转器
211……基体
212……电机
213……反射面
214……光束照射位置
220……光合成部
221、222……二向色镜
310a……扩散板
320……第二转映光学系统
321……第一照明透镜
322……第二照明透镜
330……光路转换镜
340……反射式光调制器件
350……TIR棱镜
360……投影镜头
400……光源
400B……B光源
400G……G光源
400R……R光源
401……聚光透镜
402……扩散器件
403……光棒
406……中继透镜
406a……前侧凸透镜
406b……后侧凸透镜
407a……凹透镜
407b……凸透镜
1000、1001、1002、1003……投影显示装置
具体实施方式
下面参考附图，对作为本发明实施方式的投影显示装置进行说明。
另外，以下所示的实施方式为举例说明，例如，对于细节部分的技术方案，在不脱离本发明宗旨的范围内，本领域技术人员可以适当加以变更来实施。另外，在以下的实施方式和说明所参考的附图中，只要没有特别说明，则附以相同参考编号来表示的单元具有同样的功能。另外，图中的光学元器件被典型地示出，因此实际的形状和结构不一定被忠实地示出。例如，即便在附图中被描绘为单透镜，只要没有特别说明，则也可以由多枚透镜构成。
在以下的说明中，例如，当记为正X方向时，指向与图示的坐标系中的X轴箭头所指的方向相同的方向，当记为负X方向时，指向与图示的坐标系中的X轴箭头所指的方向成180度而相反的方向。此外，当仅记为X方向时，是指其为与X轴平行的方向，而不论与图示的X轴箭头所指的方向是否相同。对于除X之外的方向也同样。
此外，在以下的说明中，有时将红色记载为“R”，将绿色记载为“G”，将蓝色记载为“B”。因此，例如，R光与红色光、G光源与绿色光源、B激光器与蓝色激光器分别是同义的。
[实施方式1]
图1是示出实施方式1所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。为了便于说明，在该图中省略了用于设置光学元器件的机械结构、机身、电气布线等。
[整体结构]
投影显示装置1000具备B光源100B、G光源100G、R光源100R、B用偏转器210B、G用偏转器210G、R用偏转器210R、光合成部220、光路转换镜330、内部全反射(TIR，TotalInternal Reflection)棱镜350、反射式光调制器件340、投影镜头360。另外，在各种颜色的光源与各种颜色的偏转器之间配置有前侧转映透镜201，在光合成部220与光路转换镜330之间配置有后侧转映透镜202。光合成部220具备二向色镜221和二向色镜222。任意地，投影显示装置1000可以具备投影屏幕190。
分别地，B光源100B具备发出B光的半导体激光器，G光源100G具备发出 G光的半导体激光器，R光源100R具备发出R光的半导体激光器。关于光源，将在后面详细描述。
B用偏转器210B是使B光源100B发出的B光向DB方向偏转的偏转器。同样，G用偏转器210G是使G光源100G发出的G光向DG方向偏转的偏转器，R 用偏转器210R是使R光源100R发出的R光向DR方向偏转的偏转器。关于偏转器，将在后面详细描述。
光合成部220具备二向色镜221和二向色镜222。二向色镜221具备使G光透射而反射B光的光学特性。二向色镜222具备使G光和B光透射而反射R光的光学特性。各光学元器件被配置为，使B光用的前侧转映透镜201的光轴中心与 G光用的前侧转映透镜201的光轴中心在二向色镜221上重叠。另外，各光学元器件被配置为，使B光用的前侧转映透镜201的光轴中心、G光用的前侧转映透镜201的光轴中心、以及R光用的前侧转映透镜201的光轴中心在二向色镜222 上重叠。
通过光合成部220，B光(虚线)、G光(实线)、R光(单点划线)的行进方向全部被统一为正Z方向，但是这些光以在任何时刻都相互不重叠的方式被合成。这是因为对B用偏转器210B、G用偏转器210G、R用偏转器210R的偏转扫描时机(偏转的相位)进行了控制，以使B光、G光、R光中的每一个在反射式光调制器件340的画面上相互不重叠。关于扫描方法，将在后面详细描述。
从光合成部220射出的B光、G光、R光被光路转换镜330变更前进路线至正X方向而入射至TIR棱镜350。
TIR棱镜350例如是组合两个棱镜而构成的内部全反射棱镜，其使照明光(B 光、G光、R光)在气隙面发生全反射而以既定角度入射至反射式光调制器件340。如前所述，B光、G光、R光以相互不重叠的方式分别对反射式光调制器件340的画面的一部分进行照明。
反射式光调制器件340例如使用以阵列状设置有微镜器件的数字微镜器件 (DMD，Digital Micromirror Device)。与各显示像素对应的微镜根据图像信号的亮度级被驱动，使得其反射方向通过脉冲宽度调制而变更。但也可以使用诸如反射式液晶器件之类的其他种类的反射式光调制器件。
用B光进行照明的画面区域的像素根据图像信号的B分量的亮度级被驱动，将B图像光以既定角度朝向TIR棱镜350反射。同样地，用G光进行照明的画面区域的像素根据图像信号的G分量的亮度级被驱动，将G图像光以既定角度朝向 TIR棱镜350反射。另外，用R光进行照明的画面区域的像素根据图像信号的R 分量的亮度级被驱动，将R图像光以既定角度朝向TIR棱镜350反射。这样，反射式光调制器件的调制运转与B用偏转器210B、G用偏转器210G、R用偏转器 210R的偏转扫描同步进行。
图像光(B图像光、G图像光、R图像光)从TIR棱镜350透射而被引导至投影镜头360，并被投影为彩色图像。投影镜头360由单个或多个透镜构成，也可以具备自动焦点调节功能和变焦功能。
投影屏幕190在构成背投式显示装置时使用。此外，虽然往往在正投式的情况下也设置，但是在用户向任意墙面等进行投影时不一定需要设置。
[光源]
下面对B光源100B、G光源100G、R光源100R进行说明。分别地，B光源 100B具备激光模组LM-B，G光源100G具备激光模组LM-G，R光源100R具备激光模组LM-R，其中，激光模组LM-B包括发出B光的半导体激光器和准直透镜，激光模组LM-G包括发出G光的半导体激光器和准直透镜，激光模组LM-R包括发出R光的半导体激光器和准直透镜。除了半导体激光器的发光波长之外，各种颜色的光源的基本结构是相同的，因此在下文中有时不按每种颜色光进行区分，而仅作为光源100来进行说明。
(激光模组)
光源100具备激光模组LM，激光模组中以一维或二维阵列状排列有半导体激光器与准直透镜的配对。
图2的(a)是用于示出激光模组LM中包含的半导体激光器与准直透镜的一个配对的典型图。11是半导体激光器，12是半导体激光器11的发光部。另外，在图2的(a)中，按照图1的B光源100B的配置来显示XYZ坐标系的方向。在图2的(a)中，图示出发光部12的长边方向H与Y方向平行，从发光部12射出的光的行进方向与Z方向平行。
发光部12的长边方向H典型地是在构成半导体激光器11的半导体芯片的侧面上夹在P型包层与N型包层之间的活性层延伸的方向。如图2的(a)所示，在以后的说明中，有时将与半导体激光器11的发光部12的长边方向H平行的方向记为“平行方向”或慢(Slow)轴，将与发光部12的长边方向正交的方向记为“正交方向”或快(Fast)轴。直线偏光的光从半导体激光器11射出，其电场的振动方向是平行方向(Y方向)。
已知半导体激光器11的输出光的角度特性根据出射方向而不同，在图3的(a) 中示例出输出光的近场图案，在图3的(b)中示例出输出光的远场图案。
如图3的(a)所示，在近场图案中，可以看出这是反映发光部形状(长边、短边)的光束剖面。另一方面，随着光束的行进，如图3的(b)的远场图案所示例的那样，光束逐渐扩展。即，如果从平行方向来看，可知从半导体激光器11射出的光束扩展较小，在窄角度范围内以强度分布均匀的图案行进。另一方面，如果从正交方向来看，可知从半导体激光器11射出的光束成为强度分布为山形的图案(高斯)，随着行进其在比平行方向宽的角度范围内扩展。这是因为半导体激光器的活性层在正交方向上的厚度小，所以在射出时受到衍射的较大影响。也可以将在远场图案中看到的扩展小的平行方向称为慢轴，将扩展大的正交方向称为快轴。
在本实施方式中，如图2的(a)所示，使用准直透镜102(第一准直透镜) 对从半导体激光器11输出的激光束进行成形。即，从长边方向的长度为Hy1的发光部12射出的光被准直透镜102准直化，成为截面为椭圆形状的光束而向Z方向行进。此外，椭圆形状的长径与X方向平行，短径与Y方向平行。
即使从准直透镜102通过，光束也不会与光轴(Z方向)完全平行，光束的扩展方式在平行方向(发光部的长边方向)与正交方向(发光部的短边方向)上不同。参考图4的(a)和图4的(b)，对从准直透镜102通过后的光束的扩展方式的不同进行说明。图4的(a)示出针对平行方向的扩展，图4的(b)示出针对正交方向的扩展。
如图4的(a)所示，如果从平行方向来看，虽然光束强度的顶部是平坦的，但是随着向Z方向前进，光束直径扩展，因此不能说发散角(ダイバージェンス) 是良好的。与此相对，如图4的(b)所示，如果从正交方向来看，可以看出即使距准直透镜102的距离发生变化，光束强度分布和光束直径的变化也很小。即，从准直透镜102透射后的激光束在正交方向(半导体激光器的快轴)上比在平行方向(半导体激光器的慢轴)上平行性高，发散角良好。
如后所述，在本发明中，利用从光源100输出的光束的发散角在正交方向(矩形的短边方向)上优异(光束的平行度高)的性质，沿着正交方向使光束偏转扫描来对光调制器件进行照明。这是因为沿着发散角优异的方向使光束偏转扫描有利于防止在光调制器件的画面上B、G、R各种颜色照明区域的重叠。
光源100具备激光模组LM，激光模组LM包含多个半导体激光器与准直透镜 102(第一准直透镜)的配对。图2的(b)是示出排列有4×2个半导体激光器11 与准直透镜102的配对的激光模组LM的典型图。此外，在图2的(b)中，按照图1的B光源100B来显示XYZ坐标系的方向。
在激光模组LM中，多个半导体激光器被配置为沿着Y方向以等间隔排列。另外，无论哪个半导体激光器都以发光部12的长边方向沿着Y方向的方向配置。虽然示出使用4×2器件的半导体激光器的示例，但是器件数量并不限于此例。激光模组LM也可以设为将多个半导体激光器沿着Y方向仅排列成一列或排列成三列以上的结构。即使是具备一列或三列以上沿着Y方向的半导体激光器的器件列的光源100，所输出的光束也是在发光部的短边方向上比在长边方向上发散角良好。
(积分器照明系统/光学重叠单元)
本实施方式的光源100具备积分器照明系统INT，该积分器照明系统INT用于将从激光模组LM射出的多个激光束叠加而形成矩形照明区域。参考图5的(a)～图5的(d)，对积分器照明系统INT进行说明。
从激光模组LM中包含的半导体激光器11中的每一个射出的激光束在准直透镜102的作用下变为大致平行，关于发散角则如已经说明的那样。为了形成图5 的(d)所示的矩形照明区域IM1，本实施方式的光源具备将从各半导体激光器射出的激光束叠加的积分器照明系统INT。
如图5的(a)、图5的(b)所示，积分器照明系统INT具备微透镜阵列103、微透镜阵列104、聚光透镜106。微透镜阵列103和微透镜阵列104成对构成。
如图5的(c)所示，当沿着激光束的行进方向(在该图中为Z方向)观察时，在各微透镜阵列中，在X方向上尺寸V0且在Y方向上尺寸H0的微透镜沿着XY 平面以二维方式排列。微透镜阵列103的各微透镜的入射面和微透镜阵列104的各微透镜的出射面是球面形状。另外，微透镜阵列103的各微透镜的出射面和微透镜阵列104的各微透镜的入射面是平坦面。微透镜阵列103的各微透镜和微透镜阵列104的各微透镜的焦距被设定为能够相互成像在对方的球面位置。
从微透镜阵列103和微透镜阵列104通过的激光束被聚光透镜106聚光，如图5的(d)所示，形成X方向的长度为V1且Y方向的长度为H1的矩形照明区域IM1。
半导体激光器11与灯泡光源等相比发散角良好，因此，例如如果将微透镜的排列间距设为0.05mm以上且0.5mm以下的范围内，则能够得到V1或H1在1mm～ 2mm左右的矩形照明区域IM1。矩形照明区域IM1的长边方向与平行方向(半导体激光器的慢轴方向)相对应，短边方向与正交方向(半导体激光器的快轴方向) 相对应。从光源100输出的光束在矩形的短边方向上比在长边方向上发散角良好。在本实施方式中，采用了将具备球面和平坦面的微透镜排列成阵列状的微透镜阵列对，但根据情况，也可以使用将入射侧和出射侧都为曲面的透镜排列成阵列状的复眼透镜对。或者，在光源的发散角良好(NA小)的情况下，也可以使用单板而非一对的微透镜阵列。
(偏转器)
如图1所示，在光源100(B光源100B、G光源100G、R光源100R)与各自照射的矩形照明区域IM1之间配置有偏转器(B用偏转器210B、G用偏转器210G、 R用偏转器210R)。
下面对B用偏转器210B、G用偏转器210G、R用偏转器210R进行说明。它们虽然是用于使不同颜色的激光束偏转扫描的偏转器件，但是由于基本结构相同，因此在下文中有时不特别指定颜色而是作为偏转器210来进行说明。
图6的(a)是示出偏转器210的一例的外观的立体图，图6的(b)是偏转器210的侧视图。
偏转器210具备能够旋转的圆板状的基体211和以旋转轴AX为中心使基体 211旋转的电机212。在圆板状的基体211的主面上，沿着圆周设置有作为带状光学面的反射面213。这里，为了指定反射面的位置，如图6的(a)所示，以旋转轴AX为中心沿逆时针旋转来设定角度坐标(图中示出了0°、90°、180°、270°)。另外，图中所示的轴BX是与旋转轴AX平行并从反射面213通过的轴。作为光束照射位置214示出的是从光源100输出的光束在到达矩形照明区域IM1之前被反射时的光束位置。
带状反射面213扭曲为相对于轴BX(即，旋转轴AX)的角度随着位置而变化。参考图7的(a)和图7的(b)，对反射面的角度进行说明。在图7的(a) 和图7的(b)中，作为反射面的位置示出的是由图6的(a)所说明的角度坐标规定的位置。另外，作为反射面的倾斜角示出的是以圆板状的基体211的主面(即，与轴BX正交的面)为基准时的、反射面的倾斜角。
如图7的(b)所示，反射面213被构成为，使反射面的倾斜角相对于反射面的位置线性地变化。如图6的(a)、图7的(b)所示，在反射面的位置为0°(360°) 时，反射面的倾斜角是不连续的，因此为了便于说明，在图7的(a)中示出了反射面的位置为1°和359°时的倾斜角。
当电机使基体211沿R方向旋转时，反射面213也围绕旋转轴AX旋转，因此在图6的(a)所示的光束照射位置214处，被激光束照射的部位的角度坐标以 0°→90°→180°→360°(＝0°)→90°……的方式连续变化。
即使反射面旋转而使被激光束照射的反射面的部位发生了变化，如图7的(a) 所示，入射光束也总是相对于轴BX以α的角度入射到反射面213。另一方面，根据反射面的位置，反射面的倾斜角在从-θ到+θ的范围内变化。因此，如图7的(a) 所示，当以轴BX为基准时，被反射面213反射的激光束的方向在从(α-2×θ)到 (α+2×θ)的4θ的角度范围内变化。也就是，倾斜角被构成为，在使光学面(反射面)以一定速度连续旋转时，使激光束在一定方向上以一定的偏转速度递归地偏转。
换言之，如图6的(b)所示，偏转器210能够使出射光束在从RD1(相对于轴BX(α-2×θ))到RD2(相对于轴BX(α+2×θ))的角度范围内偏转扫描。在沿图6的(a)的R方向使反射面213连续旋转时，出射光束从图6的(b)的RD1 朝向RD2连续偏转(扫描)，在达到RD2时瞬间回归到RD1，再次朝向RD2偏转(扫描)。另外，如果使反射面213与R方向相反地旋转，则出射光束会从图6 的(b)的RD2朝向RD1连续偏转(扫描)，在达到RD1时瞬间回归到RD2，再次朝向RD1偏转(扫描)。
这样，利用偏转器210，能够以使旋转体以一定速度连续旋转这样简单的驱动方法来使激光束在既定方向上以相等速度递归地偏转扫描。如后所述，通过控制电机212与反射式光调制器件340的驱动时序(或输入到反射式光调制器件340 的图像信号)同步地旋转，从而能够使照明光在反射式光调制器件340的画面中在V方向上进行扫描。
此外，在实施本发明时，还可以使用检流计反射镜来代替具备旋转体的偏转器210。但是，在使用检流计反射镜的情况下，预计会造成装置的大型化、振动的产生、成本的增大等，因此优选使用具备旋转体的偏转器210。
在图8的(a)中示出偏转器210与矩形照明区域IM1之间的位置关系。坐标系以B光源100B为基准示出。另外，在图8的(b)示出反射面的光束照射位置 214附近的放大图。在与矩形照明区域IM1相比以距离L更靠近光源侧处配置有反射面的光束照射位置214。如图8的(c)所示，蓝色的矩形照明区域IM1随着偏转器210的旋转而在DB方向上被进行偏转扫描。
此外，对偏转器210的制造方法进行附带说明，沿着圆周设置有带状反射面 213的圆板状的基体211例如可以通过使用冲压工艺对金属母材进行加工来低成本地制造。如图7的(a)所示例的那样，在反射面213附近存在从基体211的主面突出的部分和凹陷的部分，为了使旋转平衡良好，优选在从旋转轴AX通过的截面观察时无论哪个位置的截面都设为截面积相等的形状。另外，为了降低风切音，从基体211的主面突出的最大高度和从主面凹陷的最大深度优选设为平均板厚的 3/4以下。具体而言，基体211的平均板厚优选为0.7mm以上且2mm以下，θ优选为3°以上且6°以下。
利用以上说明的偏转器，如图1所示，由B、G、R的激光束形成的各种颜色的矩形照明区域IM1分别在DB、DG、DR的方向上被进行偏转扫描。
(光合成部)
通过光合成部220，各种颜色的激光束的行进方向被统一，关于光合成部220 的作用则如已经在整体结构项中说明的那样。
(转映光学系统)
通过由各种颜色用的前侧转映透镜201和后侧转映透镜202构成的第一转映透镜200(第一转映光学系统)，由各种颜色的激光束形成的矩形照明区域IM1 被放大转映到反射式光调制器件340的画面上。前侧转映透镜201和后侧转映透镜202均为具有正光焦度的凸透镜。
图9的(a)是用于对前侧转映透镜201和后侧转映透镜202的作用进行说明的典型图。如图所示，矩形照明区域IM1被放大转映为矩形的二次转映像IM2。如图1所示，矩形的二次转映像IM2被设定在反射式光调制器件340的画面位置。将矩形照明区域IM1放大到矩形的二次转映像IM2的转映倍率例如为6倍(V1:V2 ＝1:6)左右。
在图9的(b)中示出反射式光调制器件340的画面与矩形的激光束扫描范围SA之间的关系。若将反射式光调制器件340的画面尺寸设为H(水平方向)×V(垂直方向)，则矩形的激光束扫描范围SA覆盖比画面尺寸大的H’×V’的区域。此外，相对于矩形照明区域IM1通过偏转器210而被扫描的扫描范围，矩形的激光束扫描范围SA以上述的转映倍率被放大。
图9的(c)是以横轴作为时间轴来示出矩形的B光束、G光束、R光束分别对反射式光调制器件340的画面进行照射的状况的图。B光束、G光束、R光束沿着扫描方向SD对反射式光调制器件340的画面进行垂直扫描，以一帧时间完成一个画面的扫描。B光束、G光束、R光束被构成为相互不重复，以免在各种颜色区域的边界部分发生混色，各光束的垂直方向的宽度V2必然被构成为V’的1/3以下。各光束的垂直方向的宽度可以被设定为反射式光调制器件340的画面的垂直方向的宽度的1/6以上且1/3以下。
如上所述，本实施方式的投影显示装置针对每种不同颜色光设置有照明组件，且具备光合成部，所述照明组件具备多个半导体激光器、准直透镜、积分器照明系统以及偏转器件，所述光合成部对不同颜色光的照明组件输出的照明光进行合成，不同颜色光的照明组件中的每一个输出的矩形照明区域以相互不重叠的方式被进行偏转扫描，并且被放大转映到反射式光调制器件上。
根据本实施方式，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，能够实现小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
[实施方式2]
图10是示出实施方式2所涉及的投影显示装置的光学系统的概要结构的图。为了便于说明，在该图中省略了用于设置光学元器件的机械结构、机身、电气布线等。对于与实施方式1共同的事项，简化或省略说明。
[整体结构]
本实施方式的投影显示装置1001在具备B光源100B、G光源100G、R光源 100R、B用偏转器210B、G用偏转器210G、R用偏转器210R、由前侧转映透镜 201和后侧转映透镜202构成的第一转映透镜200、光合成部220、光路转换镜330、 TIR棱镜350、反射式光调制器件340、投影镜头360这一点上与实施方式1是共同的。
本实施方式的投影显示装置1001还具备：扩散板310a，被配置在后侧转映透镜202与光路转换镜330之间；以及第二转映光学系统320，由隔着光路转换镜330配置的前侧转映透镜321和后侧转映透镜322构成。
实施方式1的第一转映透镜200将矩形照明区域IM1放大转映到反射式光调制器件340的画面上，而本实施方式的第一转映透镜200(第一转映光学系统)在扩散板310a的位置形成二次转映像IM2。然后，被扩散板310a散射的二次转映像 IM2被第二转映光学系统320(第二转映光学系统)作为三次转映像IM3而放大转映到反射式光调制器件340的画面上。每个像的大小典型地设定为下述关系。
IM1：IM2：IM3＝1：2：6
根据具有这样的结构的本实施方式，易于控制对反射式光调制器件340进行照明的照明光的F值。
此外，在图10中，设为扩散板310a固定在固定位置的方式，但也可以设为例如通过使扩散板旋转或进行直线往复运动等来使扩散板上的激光的照射位置随时间移动的方式。根据这种方式，能够抑制激光引起的照明光的闪烁。
根据本实施方式，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，能够实现小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
[实施方式3]
在实施方式1和实施方式2中，光源具备积分器照明系统INT，该积分器照明系统INT用于将从激光模组LM射出的多个激光束叠加而形成矩形照明区域。本实施方式在具备用于形成矩形照明区域的积分器照明系统INT这一点上也是共同的，但是实施方式1和实施方式2的积分器照明系统具备微透镜阵列，与此相对，本实施方式的积分器照明系统具备棒形光学积分器(ロッドインテクレータ)，这一点是不同的。对于与实施方式1共同的事项，简化或省略说明。
图11是用于对实施方式3所涉及的光源、即具备棒形光学积分器的积分器照明系统进行说明的图。本实施方式所涉及的积分器照明系统具备激光模组LM、聚光透镜401、扩散器件402、光棒403、中继透镜406，从而形成矩形照明区域IM1。关于激光模组LM所具备的半导体激光器、半导体激光器的发光部12、准直透镜 102等，由于与参考图2的(a)～图4的(b)所说明的实施方式1同样，因此在此省略说明。
从激光模组LM中包含的半导体激光器中的每一个射出的激光束在准直透镜102的作用下变为大致平行，关于发散角则如已经说明的那样。从激光模组LM输出的被大致准直化后的激光束通过聚光透镜401向光棒403的入射面INP被聚光。在该图中，聚光透镜401以一枚凸透镜来表示，但为了抑制像差等目的，也可以由多枚透镜构成。
在光棒403的入射面INP附近配置有扩散器件402，经扩散器件402扩散后的激光束从入射面INP入射到光棒403。由于从激光模组LM输出的光束在矩形的短边方向上比在长边方向上发散角良好，因此能够抑制在光棒403的入射面INP上的光的捕获损耗，从而能够提高利用效率。入射到光棒403的光在侧面反复发生全反射后从出射面EXP射出，通过适当设定扩散器件402的扩散能力(扩散角) 和光棒403的长度，能够使出射面EXP上的照度分布均匀化。
通过用中继透镜406转映从光棒403的出射面EXP射出的像，从而能够得到照度均匀性高的矩形照明区域IM1。通过适当设定中继透镜的转映倍率，从而能够得到缩小或等倍或放大的期望尺寸的照明区域IM1。此外，在图11中，中继透镜406由前侧凸透镜406a和后侧凸透镜406b这两枚透镜构成，但中继透镜406 的结构并不限于此例。
图12的(a)是在能够观察到半导体激光器的发光部12的短边方向(X方向) 的方向上示出包括积分器照明系统INT的光源400的图。图12的(b)是在能够观察到半导体激光器的发光部12的长边方向(Y方向)的方向上示出包括积分器照明系统INT的光源400的图。
光棒403只要是能够使入射的光在其侧面发生全反射的光学器件即可，例如可以使用图13的(a)所示的光学器件或图13的(b)所示的光学器件。优选地，光棒403被构成为使得入射面INP的形状、出射面EXP的形状以及光棒部分的截面形状相同。
图13的(a)所示的光棒403例如是由光学玻璃或透光性树脂之类的光学材料构成的实心的四棱柱状器件，作为端面的入射面INP及出射面EXP的形状为长边为H0、短边为V0的矩形。优选地，预先使入射面INP及出射面EXP具有防反射膜(AR涂层)。
另外，图13的(b)所示的光棒403是空心的四棱柱，即筒形状的器件，在筒的内表面形成有例如以铝等为材料的反射面。作为筒的开口部的入射面INP及出射面EXP的形状为长边为H0、短边为V0的矩形。例如，通过在玻璃制或金属制的板状基板上蒸镀铝膜等反射膜后，将基板粘在一起而组装成筒状，从而能够以比较低廉的价格来制造。
光棒403的入射面INP及出射面EXP的形状如上所述为长边为H0、短边为 V0的矩形，通过中继透镜406，形成图12的(c)所示的长边为H1、短边为V1 的矩形照明区域IM1。矩形照明区域IM1的长边与平行方向(半导体激光器的慢轴方向)对应，短边与正交方向(半导体激光器的快轴方向)对应。例如，如果将光棒403的入射面INP及出射面EXP的形状设为X方向(短边V0)为0.33mm、 Y方向(长边H0)为1.67mm的矩形，且将中继透镜406的倍率设为1.2倍，则能够得到V1为0.4mm、H1为2mm左右的矩形照明区域IM1。
图14示出实施方式3所涉及的投影显示装置1002的光学系统的概要结构。为了便于说明，在该图中省略了用于设置光学元器件的机械结构、机身、电气布线等。本实施方式将参考图1所说明的实施方式1所涉及的投影显示装置1000的 B光源100B、G光源100G、R光源100R置换为使用棒形光学积分器的B光源400B、 G光源400G、R光源400R。对于与实施方式1所涉及的投影显示装置1000共同的事项，省略说明。
图15是与实施方式1中的图8的(a)对应的图，示出了偏转器与矩形照明区域IM1之间的位置关系。坐标系以B光源400B为基准示出。
本实施方式的投影显示装置针对每种不同颜色光设置有照明组件，且具备光合成部，所述照明组件具备多个半导体激光器、准直透镜、积分器照明系统以及偏转器件，所述光合成部对不同颜色光的照明组件输出的照明光进行合成，不同颜色光的照明组件中的每一个输出的矩形照明区域以相互不重叠的方式被进行偏转扫描，并且被放大转映到反射式光调制器件上。
根据本实施方式，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，能够实现小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
[实施方式4]
图16示出实施方式4所涉及的投影显示装置1003的光学系统的概要结构。为了便于说明，在该图中省略了用于设置光学元器件的机械结构、机身、电气布线等。本实施方式将参考图10所说明的实施方式2所涉及的投影显示装置1001的B光源100B、 G光源100G、R光源100R置换为实施方式3中说明的使用棒形光学积分器的B光源 400B、G光源400G、R光源400R。对于与实施方式2所涉及的投影显示装置1001 共同的事项，省略说明。
与实施方式2同样，本实施方式的第一转映透镜200(第一转映光学系统)在扩散板310a的位置形成二次转映像IM2。然后，被扩散板310a散射的二次转映像IM2 被第二转映光学系统320(第二转映光学系统)作为三次转映像IM3而放大转映到反射式光调制器件340的画面上。每个像的大小典型地设定为下述关系。
IM1：IM2：IM3＝1：2：6
根据具有这样的结构的本实施方式，易于控制对反射式光调制器件340进行照明的照明光的F值。
此外，在图16中，设为扩散板310a固定在固定位置的方式，但也可以设为例如通过使扩散板旋转或进行直线往复运动等来使扩散板上的激光的照射位置随时间移动的方式。根据这种方式，能够抑制激光引起的照明光的闪烁。
根据本实施方式，在根据图像信号对激光进行调制并投影的投影式图像显示装置的领域中，能够实现小型、驱动控制容易、且光利用效率高的装置。
[其他实施方式]
此外，本发明不限于以上说明的实施方式，在本发明的技术思想内可以进行多种变形。
例如，在积分器照明系统INT中，可以配置衍射式扩散器件(所谓的顶帽器件)来代替成对的微透镜阵列103和微透镜阵列104。如果是在X方向和Y方向上具有不同扩散角的顶帽器件，则不一定需要设置两枚，也可以由一枚来构成。
或者，代替将具有球面形状的微透镜二维排列形成的微透镜阵列103和微透镜阵列104，还可以独立设置X方向的条纹状微透镜(柱面透镜)的阵列和Y方向的条纹状微透镜(柱面透镜)的阵列。如果设为这样的结构，则能够与条纹间距无关地设定焦距及阵列间隔，因此能够抑制由于阵列分割数不足而引起的捕获 (取り込み)不稳定，并且容易生成更细长且均匀的矩形光斑。
另外，关于光棒403，举出了入射面INP的形状、出射面EXP的形状以及光棒部分的截面形状相同的结构为例，但也可以使用像所谓的锥形光棒那样入射面 INP的形状与出射面EXP的形状不同的光棒。
另外，在实施方式1～实施方式4中，用于对像进行转映的转映光学系统、即第一转映透镜200(第一转映光学系统)、第二转映光学系统320、中继透镜406 优选被构成为两侧为远心，但是除此之外也可以。这些转映光学系统之中的一个以上可以采用例如在光轴周围的两个截面上具有不同光学特性的所谓变形光学系统(变形透镜)。
图17的(a)、图17的(b)是实施方式3或实施方式4中的中继透镜406 采用变形光学系统的示例，各图是从相互正交的方向进行观察的图。虽然是通过前侧凸透镜406a和后侧凸透镜406b的组合而转映出放大率为2倍的像的结构，但是通过追加仅在X方向上施加了曲率的柱面透镜(凹透镜407a和凸透镜407b) 使其成为无焦而构成变形光学系统，从而能够仅变更一个方向的倍率。在该示例中，是将从光棒403的出射面EXP出射的像转映为X方向为等倍且Y方向为2倍的矩形照明区域IM1的示例。当然，这是一个示例，放大或缩小的倍率是可以任意设定的。
这样，如果将第一转映透镜200(第一转映光学系统)、第二转映光学系统 320、中继透镜406等转映光学系统设为变形光学系统，则能够仅缩小或放大一个方向的倍率，因此能够调整NA及转映像的宽高比(アスペクト)，从而能够进一步提高光的利用效率。

Claims (9)

1.一种投影显示装置，其特征在于，具备：
多个半导体激光器；
准直透镜，对所述多个半导体激光器输出的多个激光束进行准直化；
积分器照明系统，使被所述准直透镜准直化后的多个激光束叠加而形成矩形照明区域；
偏转器件，被配置在比通过所述积分器照明系统形成所述矩形照明区域的位置更靠近所述准直透镜的位置；
转映光学系统，将通过所述偏转器件被进行偏转扫描的所述矩形照明区域放大转映到反射式光调制器件上；以及
投影镜头，对所述反射式光调制器件输出的图像光进行投影。
2.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，
所述偏转器件能够以旋转轴为中心旋转，并具备沿着以所述旋转轴为中心的圆周设置的光学面，
所述光学面被构成为，使相对于所述旋转轴的倾斜角沿着所述圆周变化，
所述倾斜角被构成为，在使所述光学面以一定速度连续旋转时，使所述激光束在一定方向上以一定的偏转速度递归地偏转。
3.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，
所述多个半导体激光器被配置为，慢轴的方向及快轴的方向一致，
所述矩形照明区域的长边方向是所述半导体激光器的慢轴的方向，
所述矩形照明区域的短边方向是所述半导体激光器的快轴的方向，
所述偏转器件沿着所述矩形照明区域的短边方向使所述激光束偏转扫描。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，
所述积分器照明系统具备：将球面的微透镜以二维方式排列而成的微透镜阵列、或者衍射式扩散器件、或者将条纹状微透镜排列而成的微透镜阵列中的任一个。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，
所述积分器照明系统具备：光棒；聚光透镜，将被所述准直透镜准直化后的多个激光束向所述光棒聚光；扩散器件，配置在所述光棒的入射面附近；以及中继透镜，对所述光棒的出射面的像进行转映。
6.根据权利要求5所述的投影显示装置，其特征在于，
所述光棒是由光学材料构成的棱柱、或者内表面为反射面的空心筒。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，
所述积分器照明系统、所述转映光学系统中的任一个包括变形透镜。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，所述转映光学系统具备：
第一转映光学系统，将所述矩形照明区域放大转映到扩散板上；以及
第二转映光学系统，将通过所述第一转映光学系统被放大转映到所述扩散板上的所述矩形照明区域放大转映到所述反射式光调制器件上。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，
针对每种不同颜色光设置有照明组件，所述照明组件具备所述多个半导体激光器、所述准直透镜、所述积分器照明系统以及所述偏转器件，
所述投影显示装置具备：光合成部，对所述不同颜色光的照明组件输出的照明光进行合成，
所述不同颜色光的照明组件中的每一个输出的所述矩形照明区域以相互不重叠的方式被进行偏转扫描，并且被放大转映到所述反射式光调制器件上。
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Applicant after: Sonoq (Suzhou) Optoelectronics Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 100029 room 227, NO.201, second floor, building 3, yard a 29, Middle North Third Ring Road, Xicheng District, Beijing

Applicant before: Sonoc (Beijing) Technology Co.,Ltd.

Country or region before: China