CN1826557A - 二维成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的二维成像装置包括：激光源(1a)～(1c)、扩散光的扩散板(6a)～(6c)、将激光源(1a)～(1c)的光照射到扩散到(6a)～(6c)上的照明光学系统、摆动扩散板(6a)～(6c)的扩散板摆动部(13a)～(13c)、邻近扩散板(6a)～(6c)设置而调制上述扩散板(6a)～(6c)扩散的上述激光源(1a)～(1c)的光的空间光调制元件(7a)～(7c)，通过使扩散板摆动部(13a)～(13c)以满足扩散板粒度d与扩散板(6a)～(6c)的摆动速度V之间成立V＞d×30(mm/sec)的关系的速度摆动扩散板(6a)～(6c)，能有效地减少投影到屏面(11)上的图像中存在的光谱噪声。

Description

二维成像装置
技术领域
本发明涉及二维成像装置，具体涉及电视接收机、图像投影机等图像显示装置和半导体曝光装置等的成像装置。
背景技术
图7示明已有的激光显示器的概略结构。
此激光显示器100具有对应于RGB三色的激光光源101a～101c、将激光光源101a～101c输出的激光La～Lc对应于输入图像信号的原色信号Sa～Sc进行强光调制的光调制器106a～106c。激光显示器100具有：将光调制器106a调制的激光反射的反射镜103，将光调制器106b调制的激光Lb与反射镜103反射的激光La进行合波的分光镜102a，将光调制器106b调制的激光Lb与来自分光镜102a的激光进行合波的分光镜102b。此外，上述激光显示器100还具有：将分光镜102b合波的激光聚光的聚光透镜107，沿X方向扫描聚光透镜107会聚的激光的多面扫描器104，为使来自多面扫描器104的光于屏面108形成二维图像而沿Y方向扫描的电扫描器105。
下面说明有关操作。
来自与RGB三色对应的激光源101a～101c的激光La～Lc，根据输入图像信号各原色信号Sa～Sc而为光调制器106a～106c进行强度调制，由反射镜103与分光镜102a、102b组成的光学系统合波。此外，为聚光透镜107会聚的激光由多面扫描器104沿X方向扫描，由电扫描器105沿Y方向扫描，于屏面108上形成二维图像。
如上所述，在已有的激光显示器上，由于从各个RGB的激光光源101a～101c照射的光是单色光，通过采用适当波长的激光光源，所以获得颜色纯度高的鲜明图像显示。
但是上述那种已有的激光显示器由于对光源采用了输出干涉性高的光的激光光源，就会有产生所谓光谱噪声的问题。这种光谱噪声是激光于屏面108上散射之际，屏面108各部分上散射的散射光相互干涉而产生的细小噪声。
除去这种噪声的方法例如特开平7-297111号公报中所示，此公报中描述了于聚光光学系统的光路上设置扩散板，通过转动此扩散板来除去上述光谱噪声的方法。
但由于要有用来转动扩散板的机构存在着加大了装置规模的问题，此外还有因扩散板导致了光损耗而降低了屏面上所显示图像的亮度的问题。
发明内容
本发明正是鉴于存在上述各问题而提出的，目的在于获得当通过扩散板消除光谱噪声所致图像恶化能防止装置规模过大，同时能有效的抑制因扩散板产生的散射光的损耗，而可进行清晰的图像显示的二维成像装置。
本发明权利要求1所述的二维成像装置，它是通过光调制形成二维图像的装置，包括：相干光源；扩散光的扩散板；将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；摆动上述扩散板的扩散板摆动部；邻近上述扩散板设置且对该扩用板扩散的来自上述相干光源的光进行调制的空间光调制元件，上述扩散板摆动部以满足在上述扩散板的粒子尺寸d与摆动上述扩散板的速度V之间成立的下式V＞d×30(mm/sec)的速度，来摆动上述扩散板。
这样就能减小投影到屏面上的图像中存在的光谱噪声，使高质量的图像显示成为可能。
本发明权利要求2所述的二维成像装置，它是通过调制形成二维图像的装置，包括：相干光源；扩散光的扩散板；将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行调制的空间光调制元件；将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，而上述扩散板则根据上述照明光学系统的实际数值孔径与上述投影透镜的亮度来决定其扩散角。
这样，扩散板的扩散角、照明光学系统的实际数值孔径与投影透镜的亮度可有合适的关系，能有效地防止因投影透镜移动导致光损耗，可清晰地显示图像。
本发明权利要求3所述的二维成像装置是在上述权利要求2所述的二维成像装置中，使上述扩散板的扩散角、上述照明光学系统的实际数值孔径NAin与上述投透镜亮度与之间成立关系式θ/2+sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f)。
由此就能防止因投影透镜摆动所致的光损耗而能实现清晰的图像显示。
本发明权利要求4所述的二维成像装置，它是通过光调制形成二维图像的装置，包括：相干光源；扩散光的扩散板；将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行光调制的空间光调制元件；将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，而上述空间光调制元件与上述扩散板则基于上述扩散板的扩散角、上述照明光学系统的实际数值孔径、以及上述空间光调制元件对角方向画面尺寸所决定的距离分开设置。
这样，在扩散板的扩散角，照明光学系统的实际数值孔径以及空间光调制元件对角方向的画面尺寸之间就会有合适的关系，能防止扩散板将光散射到空间光调制元件的图像显示部分外侧，可有效地减少从相干光源到屏面上的光传输路径上的总的光损耗。
权利要求5所述的二维成像装置是在上述权利要求4所述的二维成像装置中，使上述扩散板的扩散角θ、上述照明光学系统的实际数值孔径NAin、上述空间光调制元件与上述扩散板之间的距离L、以及上述空间光调制元件对角方向的画面尺寸D之间，成立关系式(θ/2+Sin-1(NAin)×L＜D/3。
这样可以有效地减少从相干光源到屏面的光传输路径上总的光损耗。
本发明权利要求6所述的二维成像装置，它是通过光调制形成二维图像的装置，包括：相干光源；扩散光的扩散板；将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行光调制的空间光调制元件；将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，而上述空间光调制元件与上述扩散板则根据上述扩散板的透过率不稳定节距与上述照明光学系统实际的数值孔径确定的距离分开设置。
这样，扩散板的扩散角、扩散板的透过率不稳定节距、照明光学系统的实际数值孔径以及扩散板与空间光调制元件的距离可有合适的关系，能有效地防止扩散板局部透过率不稳定导致图像恶化而可以有高质量的图像显示。
本发明权利要求7所述的二维成像装置是使权利要求6所述二维成像装置中，在上述扩散板的透过率不稳节距P、上述照明光学系统实际的数值孔径NAin、上述空间光调制元件与上述扩散板之间距离L之间成立关系式：L×NAin＞P。
由此能有效防止扩散板局部透过率不稳定致图像恶化，可以进行高质量的图像显示。
本发明权利要求8所述的二维成像装置是使权利要求1～7中任一项所述的二维成像装置中所述的照明光学系统包括光积分器。
这样能有效地于空间光调制元件上实现均匀的照明。
本发明权利要求9所述的二维成像装置是在权利要求8所述的二维成像装置中，使上述光积分器由至少两片透镜阵列组成。
这样能有效地实现无明暗不匀。
权利要求10所述的二维成像装置是在权利要求8所述的二维成像装置中，使上述光积分器由棒型光积分器组成。
这样就有效于由简单的结构实现空间光调制元件上的均匀照明。
权利要求11所述的二维成像装置是在权利要求1～7任一项所述的二维成像装置中，使上述扩散板由表面加工成可获得所需扩散角的准随机扩散板组成。
这样就能在可实现均匀的扩散角与透过率，更低噪声的清晰图像显示。
权利要求12所述的二维成像装置是在权利要求11所述的二维成像装置中，上述准随机扩散板是通过加工透明基板，使其表面分成格子状的小区且相邻小区的高度相异而构成的。
这样就可通过小区的大小严格地控制通过扩散板的光，能有效地提高光的利用效率。
本发明权利要求13所述的二维成像装置是在权利要求12所述的二维成像装置中，使加工上述透明基板所成的准随机扩散板其相邻小区的高度差设定成为让通过这些小区的光的相位只相差π/4。
由此能制成使扩散角恒定的扩散板，可有效地提高光的利用效率。
本发明权利要求14所述的二维成像装置是在权利要求11所述的二维成像装置中，使上述准随机扩散板具有其表面高度连续变化的凹凸表面形状。
这样就能避免由于扩散板表面相邻的凹凸部间的阶梯形生成大的角度散射而发生高次衍射光，从而不会有因投影透镜的移动造成的光损耗，得以提高光的利用率。
附图说明
图1说明本发明实施形式1的二维成像装置。
图2说明本发明实施形式1的二维成像装置的照明光学系统。
图3(a)示明上述实施形式1的二维成像装置中照明光的数值孔径、空间光调制元件的出射光的数值孔径，扩散板与空间光调制元件间的距离。
图3(b)示明上述实施形式1的二维成像装置中扩散板的扩散角。
图4(a)示明本发明实施形式2的二维成像装置中扩散板的扩散角。
图5说明本发明实施形式3的二维成像装置，示明了此二维成像装置所用的准模拟扩散板。
图6(a)说明本发明实施形式4的二维成像装置，同时是说明此二维成像装置所用准随机扩散板的平面图。
图6(b)是说明上述实施形式4的二维成像装置所用准随机扩散板的剖面图。
图7概示已有二维成像装置的结构。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施形式。
(实施形式1)
图1概示本发明实施形式1的二维成像装置的结构。
图1所示的二维成像装置110具有：与RGB三色各原色信号对应的相干光源激光源1a～1c；扩散光的扩散板6a～6c；将上述激光源1a～1c输出的激光L1a～L1c分别照射到上述扩散板6a～6c上的照明光学系统。此外，二维成像装置110还有摆动上述各扩散板6a～6c的扩散板摆动部13a～13c，调制上述扩散板6a～6c扩散的来自上述各激光源1a～1c的光且是由液晶板等构成的空间光调制元件7a～7c，将通过上述各空间光调制元件7a～7c的光合波的二向棱镜9，将上述二向棱镜9合波的光投影到屏面11上的投影透镜10。
这里，激光源1a是输出红色激光L1a的红色激光源，激光源1b是输出绿色激光L1b的绿色激光源，激光源1c是输出蓝色激光L1c的蓝色激光源。至于激光源1a～1c可采用He-Ne激光器、He-Cd激光器、Ar激光器等气体激光器、AlGaInP系或GeN系半导体激光器，或是以固体激光器的输出光为基波的SHG(次谐波振荡)激光器等。
对应上述红色激光源的照明光学系统具有将上述激光源1a的光扩大的光束扩展器2a，将此光束扩展器2a扩大的光作二维区分而扩大投影的光积分器3a。此光学系统还有将上述光积分器3a放大投影的光聚光的聚光透镜12a，反射所聚的光的反射镜15a，变换该反射镜15a的反射光且照射到扩散板6a上的向场透镜8a。此向场透镜8a是用来为了让光更有效地通过上述投影透镜10的孔径，而将通过上述扩散板6a入射到上述空间光调制元件7a的光变换为聚焦光束的。
对应上述绿色激光源1b的照明光学系统具有将上述激光源1b的光扩大的光束扩展器2b，将此光束扩展器2b扩大的光作二维区分扩大投影的光积分器3b。此光学系统还有将上述光积分器3b放大投影的光聚光的聚光透镜12b、变换所聚的光且照射到扩散板6b上的滤光镜8b。此滤光镜8b是用来为了让光更有效地通过上述投影透镜10的孔径，而将通过上述扩散板6b入射到上述空间光调制元件7b的光变换为聚焦光束的。
对应上述蓝色激光源1c的照明光学系统具有将上述激光源1c的光扩大的光束扩展器2c，将此光束扩展器2c扩大的光作二维区分扩大投影的光积分器3c。此光学系统还有将上述光积分器3c放大投影的光聚光的聚光透镜12b，反射所聚的光的反射镜15c，变换该反射镜15c的反射光且照射到扩散板6c上的滤光镜8c。此滤光镜8c是用来为了让光更有效地通过上述投影透镜10的孔径，而将通过上述扩散板6c入射到上述空间光调制元件7c的光变换为聚焦光束的。
下面说明与上述红色激光源1a对应的照明光学系统的原理。
图2是将图1所示的二维成像装置中红色激光源1a对应的照明光学系统简化示明的模式图。图2中与图1内相同的标号表示相同的内容，对应绿色激光源1b的照明光学系统和对应于蓝色激光源1c的照明光学系统它们与对应红色光源1a的照明光学系统有相同的结构。
光束扩展器2a包括使光源的光入射的放大镜21以及使该放大镜21的出射光成为平行光束的准直透镜22。
光积分器的光学系统3a由两块二维透镜阵列4与5组成。透镜阵列4由排列成矩阵列的多个元件41组成，透镜阵列5由排列成矩阵列形的多个元件51组成。此透镜阵列4与5分别由各元件透镜排列成，使得通过空间光调制元件侧的元件透镜51让光源侧元件透镜41的像全部于空间光调制元件7a上成像，由准直透镜22准直的光分布成在该透镜阵列4上的中央附近明亮而在其周边上变暗。透镜阵列4与5以相当于透镜阵列4微小区域的各元件透镜41切取照射到透镜阵列4上的光，通过使各元件透镜41切取的光全部于空间光调制元件7a上重合，能使空间光调制元件7上的光强分布均匀。
上述扩散板摆动部13a是为了减少投影到屏面上的图像中存在的光谱噪声用来摆动扩散板的，能通过设定摆动扩散板6的工作条件有效地减少光谱噪声。
下面说明有关操作。
从红、绿、蓝激光源1a、1b、1c出射的激光L1a、L1b、L1c经各自对应的照明光学系统，入射到扩散板6a～6c上而为其扩散。与各扩散板6a～6c相邻配置的空间光调制元件7a～7c为扩散板6a～6c扩散的激光照明，在各空间光调制元件7a～7c上形成二维图像。然后，通过各空间光调制元件7a～7c的光由二向棱镜9合波，合波而成的光经投影透镜10投影到屏面11上。
这里的与红色激光源1a对应的照明光学系统中，将此激光源1a的光由光束扩展器2a放大，此放大的光由光积分器3a作二维区分，放大投影。此外在该照明光学系统中，由上述光积分器3a放大投影的光通过聚光透镜12a聚光，再经反射镜15a和向场透镜8a入射到扩散板6a中。此时，上述向场透镜8a为使光高效地通过上述投影透镜10的孔层内，将通过上述扩散板入射到上述空间光调制元件7a的光变换为聚焦光束。
对应于绿色激光源1b的照明光学系统与对应红色激光源1a的照明光学系不同，由聚光透镜12b会聚的光直接入射到向场透镜8a之上。在蓝色激光源1c对应的照明光学系统中，从激光源1c输出的光与对应红色激光源1a的照明光学系统完全相同，导引到扩散板6c上。
扩散板摆动部13a～13c在将调制的激光投影到屏面上的状态下，将对应的扩散板6a～6c各个摆动，亦即使它们定向地进行往复运动。
下面用图3说明上述扩散板的工作条件。
图3(a)以对应于本实施形式1的二维成像装置110中红色激光源1a对应的照明光学系统为例，此图示明了照明光学系统的数值孔经NAin，空间光调制元件7a的出射光的数值孔径NAout，扩散板6a与空间光调制元件7a用的距离L。图3(b)示明扩散板的扩散角，在这两个图中，与图1相同的标号表示相同的内容，至于对应绿色激光源1b的照明光学系统和对应蓝色激光源1c的照明光学系统中，其扩散板的工作条件与对应红色激光源1a的照明光学系统中的相同。
首先说明扩散板6a～6c的摆动速度。
通过扩散板6a的光照射到光间光调制元件7a上后，在该空间光调制元件7a之上形成了与扩散板的粒状性质对应的光谱图案。光谱噪声通过应用扩散板摆动部13a摆动扩散板6a而抑制。这就是说，扩散板6a的摆动使光谱图案相对于空间光调制元件7a平行移动，使观察图像中的光谱平均化。此时，扩散板6a的摆动速度由其粒状性质规定。具体地说，扩散板6a的摆动速度是能使由扩散板6a的粒状性质决定的粒度d，例如扩散板6a的随机表面形状中峰与峰或谷与谷的距离d，在人眼特性的残留图像时间(约1/30秒)内移动的速度。因此，扩散板6a的摆动速度V(mm/sec)最好满足条件：
V＞d×30         (1)
具体地说，通常的扩散板6a由于具有粒度为5～100(μm的粒状性质，因而扩散板6a的摆动速度最好为数百μm/sec到数mm/sec)。
扩散板6b、6c的摆动速度也与上述扩散板6a的摆动速度作同样地规定。
其次说明扩散板6a～6c的扩散角。
扩散板6a～6c的扩散角θ由投影投镜10的f值限定，也即相对于投影透镜10的f值以超过1/f弧度的角度入射的光为投影透镜10遮光。因此，为了充分保证光的利用效率，需使空间光调制元件7a的出射孔的数值孔径NAout在1/f以下。这就是说，扩散板6a的扩散角θ，包含光积分器3a的照明光学系统的实际数值孔径NAin以及投影透镜10的亮度f之间，最好成立下述关系式：
θ/2+Sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f)       (2)
这里的扩散角定义为当以与扩散板平行的光入射时，出射光强为中心光强1/2的角度(全角)。
例如当采用扩散角θ(θ＝10°)的扩散板与数值孔径NAin(NAin＝0.1)的光积分器时，投影透镜10最好用约为f5的。
简单地说，将上式(2)变形，得以下式(2a)：
(2×Tan((θ/2+Sin-1(NAin))/2)-1＞f     (2a)
于式(2a)的左边以10代入变数θ，以0.1代入NAin后，即得
(2×Tan((5°+Sin-1(0.1))/2))-1＝5.7
因此，若投影透镜10的亮度f若为5时能满足式(2)的关系。
扩散板6b、6c的扩散角也与上述扩散板6a的扩散角作同样的设定。
为了能高效地利用扩散板6a，除规定上述的扩散板6c的摆动速度与扩散角外，还需规定扩散板6a与空间光调制元件7a的间距。在此，若空间光调制元件7a与扩散板6a的间距大，则为扩散板6a散射的光的一部分散射到空间光调制元件7a的图像显示部分外侧。成为总的光损耗。为将此光损耗抑制到一定值以下，扩散板6a与空间光调制元件7a的间距L最好要在扩散板6a的扩散角θ，包含光积分器3a的照明光学系统实际的数值孔径NAin、扩散板6a与空间光调制元件7a的间距L以及空间光调制元件7a的图像显示范围的对角线长度D之间，按成立关系式
(θ/2+NAin)×L＜D/3     (3)
设定。
对于采用表面上形成随机凹凸图案结构的扩散板6a时，局部的扩散角与透过率会因扩散板6a上的场所而异。于是，当扩散板6a位于空间光调制元件7a邻近时，由于此透过率的偏差，空间光调制元件7a上的光强分布也产生波动，而与扩散板6a的运动相对应的亮度不稳定的波动也会出现于屏面上。而这将重叠到图像上，为了防止这种现象，将扩散板6a设置到离空间光调制元件7a大于一定距离。在扩散板6a上由于构成光积分器3a的透镜阵列5各元件透镜的光分别由不同方向入射，若充分加大扩散板6a与空间光调制元件7a的距离，则能使扩散板6a扩散的各元件透镜的光的照度不匀性平均化。亦即最好将扩散板6a与空间光调制元件7a的间距L，在扩散板6a的透过率的不稳定节距P，光积分器3a的实际数值孔径NAin与此间距L之间设定成满足关系式
L＞P/NAin    (4)
此外，为了更有效地利用扩散板6a，根据式(3)与(4)，扩散板6a与空间光调制元件7a的间距L最好按照满足关系式
P/NAin＜L＜D/(3×(θ/2+NAin))    (5)
设定。
通常的扩散板的透过率的不稳定性节距P是在扩散板6a的粒状性质d的10倍以下。因而例如在采用包含数值孔径0的光积分器3a的照明光学系统时，若是扩散板6a的粒状性质为5～100μm时，扩散板6a与空间光调制元件7a之间最好离开数百μm～10mm以上。
至于扩散板6b与空间光调制元件7b的距离以及扩散板6c与空间光调制元件7c的距离都与上述扩散板6a和空间光调制元件7a的距离作同样地设定。
这样，在本实施形式1中通过具备RGB三色的激光光源1a～1c，扩散光的扩散板6a～6e，使上述激光光源1的光照射到上述扩散板上的照明光学系统，使上述扩散板6a～6c摆动的扩散板摆动部13a～13c，与上述扩散板6a～6c邻近设置对该扩散板6a～6c扩散的上述激光源1a～1c的光进行调制的空间光调制元件7a～7c，再对摆动上述扩散板6a～6c的工作条件作出规定，就能实现清晰的无噪声的高质量图像显示。
亦即在本实施形式1中，由于将上述扩散板6a～6c的摆动速度在扩散板的粒度d与摆动扩散板6a～6c的速度V之间按照成立V＞d×30(mm/sec)的关系设定，从而可以有效地减少投影到屏面上的图像中存在的光谱噪声。
此外，在本实施形式1中由于是根据照明光学系统的实际的数值孔径NAin与上述投影透镜的亮度来决定扩散板6a～6c的角度θ，扩散板的扩散角，照明光学系统的实际数值孔径，投影透镜的亮度就会有合适的关系，故可防止投影投镜移动导致的光损耗而能有清晰的图像显示。
在本实施形式1中，由于是将上述空间光调制元件7a～7c与扩散板6a～6c的间距L根据上述扩散板的扩散角θ，光学系统的实际数值孔径NAin与空间光调制元件对角方向画面尺寸D确定，因而扩散板的扩散角，照明光学系统的实际数值孔径，空间光调制元件的对角方向的画面尺寸能有合适的关系，于是能防止扩散板导致光散射到空间光调制元件的图像显示部分的外侧，而可减少从激光光源到屏面上的光的传输路径上总的光损耗。
在本实施形式1中，由于空间光调制元件7a～7c与扩散板6a～6c的间距L是根据扩散板的透过率不稳定节距与照明光学系统实际的数值孔径NAin决定，从而扩散板的扩散角，扩散板的透过率不稳定性节距，照明光学系统的实际数值孔径以及扩散板与空间光调制元件的距离之间能有合适的关系，因而可以防止扩散板局部透过率不稳定导致图像恶化，能够进行高质量的图像显示。
再有，在本实施形式1中由于上述照明光学系统包含光积分器，故可于空间光调制元件上实现均匀的照明。
(实施形式2)
图4(a)与4(b)说明本发明的实施形式2的二维成像装置，图4(a)示明照明光的数值孔径NAin与空间光调制元件7a的出射光的数值孔径NAout，图4(b)示明扩散板6a的扩散角θ，这两个图中的与图3中相同或相当的结构要素采用相同标号而略去其说明。
本实施形式2的二维成像装置120的红色激光源1a所对应的照明光学系统中，取代前述，实施形式1的二维成像装置110的红色激光源所对应的照明光学系统的光积分器3a与聚光透镜12a，而设置有棒型光积分器14a与投影透镜15a。
上述棒型光积分器14a例如是由玻璃等制成具有矩形剖面的透明介质且于其内部形成有反射光的反射面，通过将放大透镜21放大的光反射到内部，于其出射侧端面上将其光强分布作为均匀分布出射。
上述投影透镜15a使上述棒型光积分器14a的光一一对应于其出射侧端面相对的空间光调制元件7a的图像显示部分而投影到空间光调制元件7上。
此外，图中虽未示明，本实施例2的二维成像装置120的绿色激光源1b与蓝色激光源1c两者所对应的照明光学系统，与此实施形式2的红色激以源1a对应的照明光学系统相同，取代上述实施形式1的二维成像装置110的绿色激光源1b与蓝色激光源1c分别对应的照明光学系统的光积分器3b、3c与聚光透镜12b、12c，而设置有棒型光积分器与投影透镜。
下面说明有关操作。
在本实施形式2的二维成像装置120中，与实施形式1的二维成像装置110相同，从红色、绿色、蓝色激光光源出射的光分别经对应的照明光学系统入射到扩散板上而由扩散板扩散。由扩散板扩散的激光照明空间光调制元件，于各空间光调制元件上形成二维图像。然后，通过各空间光调制元件的光由二向棱镜合波，合波的光径投影透镜投影到屏面上。
在与红色激光源1a对应的照明光学系统中，来自此激光源1a的光径放大透镜21入射到棒型光积分器14a上，于棒型光积分器14a内反复进行内部反射，于其出射侧端面以均匀的光强分布出射。出射的光通过投影透镜15a使其出射侧端面相对于空间光调制元件7a的图像显示部分成一一对应地投影到空间光调制元件7a上。由此，照明空间光调制元件7a的光源具有均匀的光强分布。
与绿色激光源相对应的照明光学系统与红色激光源1a对应的照明光学系统不同，如图1所示，通过聚光透镜12b会聚的光直接入射到向场透镜8a。在与蓝色激光源1c对应的照明光学系统中，从该激光源1c输出的光与对应于红色激光源1a的照明光学系统完全相同，导向扩散板6c。
这样，在本实施形式2中，通过设定摆动上述扩散板6a～6c的工作条件，可以获得清晰而无噪声的高质量的图像显示。
此外，在此实施形式2中，由于是把照明光学系统作为包含具有矩形剖面的玻璃等透明介质组成的棒型光积分器的结构，来取代实施形式1中两片二维阵列透镜f与5组成的光积分器，故能有效的以简单的结构在空间光调制元件上实施均匀的照明。
(实施形式3)
图5说明本发明实施形式3的二维成像装置，其中示明了构成该二维成像装置的扩散板。
实施形式3与上述实施形式1、2的不同处是，在实施形式1、2之中作为扩散板采用的是表面上具有随机凹凸状的磨破玻璃型的扩散板，而在实施形式3中则采用表面具有规则的凹凸形状的准随机扩散板18。
实施形式1与2的扩散板通常是把玻璃或树脂等透明基板表面进行随机则地糙化处理制成，与此相反，实施形式3的准随机扩散板则是把透明基板的表面分成格子状，将各个分出的小区加工成使其高度与相邻小区的高度不同，由此于其表面区域上形成凹凸。具体地说，此准随机扩散板18的表面分割成二维的格子状小区19，将其高度随机地设定以使通过各小区的光的相位随机的变化。凹凸的最大深度d在通过凹部与凸部的光的相位差为λ时，由于扩散板的折射率为n而空气的折射率为1，从而成立d×(n-1)＝λ的关系式。于是凹凸的最大深度d可以是λ/(n-1)。
下面说明其作用与效果。
此实施形式3的二维成像装置与实施形式1和2的二维成像装置的不同点只是把准随机扩散板用作扩散板1故下面只说明采用准随机扩散板的优点。
具体地说，采用图5所示准随机扩散板18的优点是，通过扩散板18的光的扩散区可以根据小区的大小进行严格的控制。也即通过准随机扩散板18的光是以下式(6)所示的光强分布扩散：
I(θ)＝{sin(α)/α}2(α＝θ×dc/(πλ)    (6)
上式中dc为格子状小区19的小区间距，θ为扩散角。
例如在制作准随机扩散板18的扩散角的半值全角为10°的扩散板18时，于式(6)中代入I(θ)＝1/2、θ＝10(2π/360)即可，当采用蓝、绿、红光波长分别为λ＝0.473、0.532、0.640μm的激光源时，小区间距dc分别可按2.4、2.7、3.2μm制作。
作为准随机扩散板18的制作方法可以采用通常的半导体工艺中可用的光刻法与蚀刻法在玻璃板上形成凹凸图案的方法。此时，如图5所示，将格子状小区19的深度分别设定为相当于相移0、π/4、π/2、3π/4的深度，通过将玻璃板表面作两次蚀刻处理，即相当于π/4与相移深度的蚀刻处理和相当于π/2相移深度的蚀刻处理，就可容易地制成准随机扩散板18。
通过这样地制作扩散板，就能解决通常的扩散板上因表面形状随机而产生的问题。
这就是说，图5所示的准随机扩散板18能解决：(1)局部的扩散角因场所而异，(2)透过率因场所而变化而于图像中产生光强分布不匀，(3)为难以制作扩散板使扩散角恒定，(4)取大的扩散角时偏转方向紊乱等问题。
这样，由于在本实施形式3中是将准随机扩散板18用作扩散板，就能实现均匀的扩散角与透过率，可使噪声更少和进行清晰的图像显示。
在本实施形式3中，由于是将上述准随机扩散板18的表面区分成格子的小区加工成相邻小区的高度不同，就可借助小区的大小来严格地控制通过扩散板18的光的扩散角，而能有效地提高光的利用率。
此外，由于本实施形式3中是把上述准随机扩散板18表面的相邻小区的高度差设定成使通过这些小区的光的相位只相移π/4，故能稳定地制成使扩散角恒定的扩散板，可有效提高光的利用率。
(实施形式4)
图6(a)与6(b)说明本发明实施形式4的二维成像装置，图6(a)是示明构成上述二维成像装置的扩散板的平面图，图6(b)示明图6(c)的AA’剖面。
此实施形式4的二维成像装置是取代了实施形式3的二维成像装置中的准随机扩散板18，而采用表面凹凸变化平滑结构的准随机扩散板20。
下面说明其作用与效果。
此实施形式4中的二维成像装置，由于只是在采用表面形状与实施形式3的二维成像装置中扩散板不同的准随机扩散板20这一点上与实施形式3不同，故下面只说明利用这一准随机扩散板20的优点。
图6所示的准随机扩散板20中不会产生因扩散板表面邻接的凹凸部阶差造成大角度散射的高次衍射光，故可提高光的利用率。
衍射光的衍射角与凹凸状粒状性质的尺寸d有关。当这种粒状形尺寸d大时，衍射角小；而当粒状性尺寸d小时，衍射角度大。在本实施形式4中，通过将粒状性尺寸d设定到一定值以下可将衍射角抑制到一定值之下，结果不会有超过投影透镜10的f值的光线，提高了光的利用率。
制备具有平滑变化凹凸形的准随机扩散板20的方法是，首先将玻璃基板表面加工成具有随机的面向分布的阶梯形，也即成为有阶梯部随机分布的表面形状。
具体地说，于玻璃基板表面上旋涂的光刻胶，由光刻法制成具有随机面内分布的光刻胶图案。将制成的光刻胶图案用离子蚀刻、湿蚀刻等方法复制玻璃基板表面形状。这样制成的玻璃基板表面便成为凹部与凸部随机分布的阶梯形状。
然后将此玻璃基板表面进行研磨处理使其表面的凸凹变化平滑化。此时将软皮等柔性材料用作研磨板，如图6(b)所示，基板表面的凹部与凸部成为随机分布的阶梯形，而表面的高度变化则成为缓变的凹凸形。由于研磨之际基板表面的凹部涂度会减小，于是为了获得所需的凹部深度Dx，最好将通过蚀刻制成的基板表面的凹部深度为所需凹部深度Dx的2～3倍。
这样，本实施形式4中由于将表面的凹凸变化取平滑结构的准随机扩散板20用作扩散板，就能避免产生因扩散板表面相邻凹凸部之间阶梯差产生的大角度而散射的高次衍射光，于是不会有因投影透镜10移动所致的光损耗，可以提高光的利用率。
在以上说明中虽然是举彩色图像投影装置为例，但本发明也可用于单色激光图像投影装置，例如也可用于半导体曝光装置等。
此外在上述各实施形式中，二维成像装置是就投影光学系统与屏面相独立的投影型显示器的情形进行说明，但这种二维成像装置也可以是投影光学系统与透过型屏面相组合的背面投射型二维成像装置。
本发明的二维成像装置能进行明晰的，无噪声的高质量图像显示，可用于电视接收机，图像投影机等图像显示装置以及半导体曝光装置等成像装置中。

Claims (14)

1.一种二维成像装置，用于通过光调制形成二维图像，其特征在于包括：
相干光源；
扩散光的扩散板；
将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；
摆动上述扩散板的扩散板摆动部；
邻近上述扩散板设置且对该扩用板扩散的来自上述相干光源的光进行调制的空间光调制元件，
上述扩散板摆动部以满足在上述扩散板的粒子尺寸d与摆动上述扩散板的速度V之间成立的下式
V＞d×30(mm/sec)
的速度，来摆动上述扩散板。
2.一种二维成像装置，它是通过调制形成二维图像的装置，其特征在于包括：
相干光源；
扩散光的扩散板；
将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；
邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行调制的空间光调制元件；
将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，
上述扩散板根据上述照明光学系统的实际数值孔径与上述投影透镜的亮度来决定其扩散角。
3.根据权利要求2所述的二维成像装置，其特征在于，上述扩散板的扩散角θ，上述照明光学系统的实际数值孔径NAin与上述投透镜亮度f之间成立关系式
θ/2+Sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f)。
4.一种二维成像装置，用于通过光调制形成二维图像的装置，其特征在于包括：
相干光源；
扩散光的扩散板；
将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；
邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行光调制的空间光调制元件；
将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，
上述空间光调制元件与上述扩散板则仅隔开基于上述扩散板的扩散角、上述照明光学系统的实际数值孔径、以及上述空间光调制元件对角方向画面尺寸所决定的距离而设置。
5.根据权利要求4所述的二维成像装置，其特征在于，在上述扩散板的扩散角θ、上述照明光学系统的实际数值孔径NAin、上述空间光调制元件与上述扩散板之间的距离L、以及上述空间光调制元件对角方向的画面尺寸D之间，成立关系式(θ/2+sin-1(NAin)×L＜D/3。
6.一种二维成像装置，用于通过光调制形成二维图像，其特征在于包括：
相干光源；
扩散光的扩散板；
将上述相干光源的光照射到扩散板上的照明光学系统；
邻近上述扩散板设置且对该扩散板扩散的来自上述相干光源的光进行光调制的空间光调制元件；
将上述空间光调制元件进行光调制后所得到的图像投影到空间中某个面上的投影透镜，
上述空间光调制元件与上述扩散板则仅隔开根据上述扩散板的透过率不稳定节距与上述照明光学系统实际的数值孔径确定的距离而设置。
7.根据权利要求6所述二维成像装置，其特征在于，在上述扩散板的透过率不稳节距P、上述照明光学系统实际的数值孔径NAin、上述空间光调制元件与上述扩散板之间距离L之间成立关系式：L×NAin＞P。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的二维成像装置，其特征在于，所述照明光学系统包括光积分器。
9.根据权利要求8所述的二维成像装置中，其特征在于，上述光积分器由至少两片透镜阵列组成。
10.根据权利要求8所述的二维成像装置中，其特征在于，上述光积分器由棒型光积分器组成。
11.根据权利要求1～7任一项所述的二维成像装置，其特征在于，上述扩散板由表面加工成可获得所需扩散角的准随机扩散板组成。
12.根据权利要求11所述的二维成像装置，其特征在于，上述准随机扩散板是通过加工透明基板，使其表面分成格子状的小区且相邻小区的高度相异而构成的。
13.根据权利要求12所述的二维成像装置，其特征在于，加工上述透明基板所成的准随机扩散板其相邻小区的高度差设定为让通过这些小区的光的相位只相差π/4。
14.根据权利要求11所述的二维成像装置，其特征在于，上述准随机扩散板具有其表面高度连续变化的凹凸表面形状。
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