TWI442160B - 光學掃描系統、包含該光學掃描系統之投影機、汽車抬頭式顯示裝置及行動電話 - Google Patents

光學掃描系統、包含該光學掃描系統之投影機、汽車抬頭式顯示裝置及行動電話 Download PDF

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Description

光學掃描系統、包含該光學掃描系統之投影機、汽車抬頭式顯示裝置及行動電話
本發明係關於光學掃系統及包含其之投影機。特別地，關於投影機，其藉由使用光偏轉器以光束二維地掃描而在投影平面上產生二維影像，以及，適合安裝於例如行動電話或汽車抬頭式顯示裝置中。
投影機一直廣為使用，其包括包含光源的照明系統、調變來自照明系統的光強度之空間光調變器、及將空間光調變器調變的光成像之投影透鏡。一直需要縮小投影機的尺寸。
另外，關於光源，LED及LD(雷射二極體)已廣泛使用，已開發具有投影機的小型電子裝置，例如行動電話。
已提出另一種使用光學掃描系統的投影機。在此光學掃描單元中，光偏轉器將來自光源的光束二維地偏轉，以便以光點二維地掃描投影平面以及使用後像效應而形成二維影像。此光學掃描系統採用多邊鏡、電流鏡、以MEMS(微機電系統)技術製造的MEMS裝置、等等以用於光偏轉器，以偏轉來自光源的光束。
此光學掃描系統具有投射影像因為二維掃描而具有不同種類的變形問題。為了解決此問題，已作過不同的嘗試。
舉例而言，如同日本未審查專利申請公開號2006- 178346(參考文獻1)中揭示般，一實施例是光學掃描系統，以旋轉不對稱形狀的f-反正弦θ透鏡以取得固定速度掃描及校正影像變形。
舉例而言，如同日本未審查專利申請公開號2005-234157(參考文獻2)中揭示般，另一實施例是具有旋轉不對稱反射面以校正梯形變形或TV失真。
舉例而言，如同國際專利申請公開號WO 2005/083493(參考文獻3)中揭示般，仍然又另一實施例為關於具有凸面的柱狀透鏡之光學校正系統，校正掃描角度所造成的影像亮度不均勻。
愈來愈需要安裝於例如行動電話等小型電子裝置中的投影機，以執行近距離投影，其中，較大的二維影像形成於從裝置至投影平面之非常近距離範圍中。舉例而言，如圖29所示，近距離投影不僅包含近距離的垂直投影(投影至與掃描光束的行進方向正交的平面上)，也將二維影像62投影至平面61上，在平面61上設有行動電話60。行動電話60將投影機併入以作為超小型投影引擎。投影機需要能夠將良好的二維影像投影於平面61上，以及成為具有相當簡單的結構之光學系統，不似考慮微小化而具有複雜結構之先前技術的投影機。
但是，對於包含於MEMS裝置或類似者中的光偏轉器的偏轉角θ有限制。舉例而言，在±8度之光偏轉器的最大偏轉角時，光束的掃描角將為±16度，以致於可取得的影像不限於具有32度的視野全角度之影像。為了使用光偏轉器以形成A4尺寸的投射影像，小尺寸電子裝置將需要超過50cm長距離。
因此，需要以光偏轉器，以增加的角度偏轉光束，以在二維地掃描之光學掃描系統中取得近距離投影。
但是，參考文獻1及2中揭示的光學掃描系統是如此複雜且大的結構，以致於它們不適用於例如行動電話等小尺寸電子裝置。它們不適用於同時取得尺寸縮小及近距離投影。
此外，參考文獻3中揭示的光學掃描系統為了取得均勻的亮度分佈，校正光的偏轉角度，以使影像平面上之光點掃描速度固定。但是，其未揭示或教示能夠在非常近距離內將影像投射於平面上之小型掃描系統。
本發明的目的是提供使用具有小偏轉角的光偏轉器以實現大掃描角度之光學掃描系統、在非常近距離中投射大的二維影像之投影機、及具有投影機的抬頭式顯示裝置和行動電話。
根據本發明的一態樣，光學掃描系統包括：光源；發散光轉換元件，具有正放大率，將來自光源的發散光轉換成收歛光以在投影平面上形成光點；光偏轉器，在第一掃描方向及與第一掃描方向正交的第二掃描方向上，將來自發散光轉換元件的光偏轉；以及，偏轉角轉換元件，具有負放大率，以轉換光偏轉器偏轉的光的偏轉角。正放大率意指將平行光轉換成收歛光的透鏡放大率，而負放大率意指將平行光轉換成發射光的透鏡放大率。
在上述態樣的一特點中，偏轉角轉換元件是由單一透鏡製成。
在上述態樣的其它特點中，偏轉角轉換元件由複數個由不同玻璃材料形成的透鏡製成。
在上述態樣的其它特點中，光偏轉器包括第一偏轉器部及第二偏轉器部，第一偏轉器部將第一掃描方向上來自發散光轉換元件的光偏轉，第二偏轉器部將第二掃描方向上來自發散光轉換元件的光偏轉；以及，第一及第二偏轉器部是一體地形成。
在上述態樣的其它特點中，光偏轉器包含可由第一及第二偏轉器部旋轉的鏡部，以及，相對於鏡部(13c)的法線方向，從光源發射且透射過發散光轉換元件的行進光的入射角在第一及第二掃描方向上設定為45度或更少。
在上述態樣的其它特點中，光學掃描系統又包括位於光偏轉器與偏轉角轉換元件之間的分光器，以使光源發射且透射過光轉換元件的光的行進方向與第一及第二掃描方向上參考位置中的鏡部的法線方向一致，以及，光偏轉器包含可由第一及第二偏轉器部旋轉的鏡部。
在上述態樣的其它特點中，光偏轉器包括光學振盪元件，在第一及第二掃描方向上圍繞支撐軸往復地移動。此外，當光學振盪元件在參考位置時，參考光軸是由光學振盪元件偏轉的光的行進方向，偏轉角θ是相對於參考光軸由光偏轉器偏轉之行進光的角度，以及，掃描角α是相對於參考光軸之由偏轉角轉換元件轉換的行進光的角度，偏轉角轉換元件將參考光軸上通過的入射光的偏轉角轉換成滿足θ=α，以及，將未於參考光軸上通過的入射光的偏轉角轉換成滿足θ<α。
在上述態樣的其它特點中，發散光轉換元件及偏轉角轉換元件是旋轉對稱透鏡。
在上述態樣的其它特點中，偏轉角轉換元件是旋轉非對稱透鏡。
在上述態樣的其它特點中，偏轉角轉換元件的至少一面是以非球狀形成。
在上述態樣的其它特點中，從光偏轉器至偏轉角轉換元件之光軸方向相對於投影平面傾斜，投影平面由光偏轉器在第一及第二掃描方向上偏轉的光二維地掃描並經由偏轉角轉換元件發射。
根據本發明的另一態樣，投影機包括上述光學掃描系統及控制光學掃描系統的控制單元，其中，控制單元包括：光源控制電路，控制光源的光發射；偏轉角控制電路，控制光偏轉器的偏轉角；以及，影像處理電路，適當地校正取得的影像資料及將經過校正的影像資料輸出至偏轉角控制電路以及光源控制電路。
根據本發明的仍然又另一態樣，汽車抬頭式顯示裝置包括上述投影機。
根據本發明的仍然又另一態樣，行動電話包括上述投 影機。
於下，將參考附圖，詳述本發明的實施例。
〔第一實施例〕
圖1顯示根據第一實施例之投影機1，圖2顯示光偏轉器13的結構。在圖1中，由光偏轉器13偏轉的主光線與參考光軸之間的角度定義為偏轉角θ，而透射過偏轉角轉換元件14的主光線與參考光軸Lb之間的角度定義為掃描角α。如稍後所述般，參考光軸意指當光偏轉器13在參考位置(靜止位置：θ=α=0)時由光偏轉器13偏轉的主光線的行進方向。
在第一實施例中，投影機1包括光學掃描系統10及控制單元20。光學掃描系統10主要包括光源11、發散光轉換元件(耦合透鏡)12、光偏轉器13(光振盪元件)、及偏轉角轉換元件14，這些元件構成光學投射系統以將影像投射於螢幕SC上。
在本發明中，光源11是單色光源，例如發射中心波長638nm的紅光之半導體雷射光。光源11及光偏轉器13受稍後說明的控制單元20控制以發光。
發散光轉換元件12配置成具有正放大率以將光源11發射的發散光(此後稱為光束P)轉換成收歛光。亦即，發散光轉換元件12將來自光源11的光束P的發散角收歛至 收歛角以在螢幕Sc上形成預定尺寸的光點S。
在彼此二維地正交之第一及第二掃描方向上，光偏轉器13將來自發散光轉換元件12之作為收歛光的光束P偏轉以用於掃描。第一及第二掃描方向包含於投影平面(螢幕Sc)中，以及，在圖1中，它們是正交於圖式(請參見箭頭x)之方向以及從前方觀視為垂直方向(請參見箭頭y)。
在圖2中，光偏轉器13主要包括長方形外框13a(第一偏轉器部)、配置於外框13a之內的長方形內框13b(第二偏轉器部)、以及配置於內框13b之內的可移動的長方形鏡部13c。鏡部13c包含反射光束的鏡面以及經由成對支撐軸13d而由內框13b可旋轉地支撐。內框13b經由成對支撐軸13e而由外框13a可旋轉地支撐，成對支撐軸13e相對於支撐軸13d正交地延伸。如此，舉例而言，鏡部13c圍繞成對的支撐軸13d而於水平方向上旋轉，而內框13b圍繞成對的支撐軸13e而於垂直方向上旋轉。旋轉方向之一是第一掃描方向，而另一方向是第二掃描方向。
此光偏轉器13可以包括由矽晶體製成之已知的MEMS鏡。舉例而言，在此MEMS鏡中，藉由蝕刻，鏡部13c及內框13b形成於矽晶體基底的底部上方。
在MEMS鏡中，未顯示的二電極顯示於對應於鏡部13c的右及左部之鏡部的底部基底上。藉由在鏡部13c的電極與底部基底上的二電極之間施加電壓，靜電力作用於成對的支撐軸13d上及使鏡部13c傾斜。
而且，在MEMS鏡中，未顯示的二電極形成於對應於內框13b的頂部及底部之內框13b的底部基底上。藉由在內框13b的電極與底部基底上的二電極之間施加電壓，靜電力作用於成對的支撐軸13e上及使內框13b傾斜。
鏡部13c可以配置成其背面上包含磁性元件以及受來自底部基底上的線圈之磁力而傾斜，或者，其可以配置成受壓電元件的變形力而傾斜。不應侷限於第一實施例中的元件。
為了以此MEMS鏡高速地偏轉光束，需要在約共振點，驅動鏡部13c。因此，鏡部13c的偏轉角或傾斜角必須相對於時間而以正弦波形式變化。鏡部13c的尺寸相當小，約1mm，以及，其旋轉動量非常小以致於其主共振頻率可以根據成對支撐軸13d的厚度或寬度(設計)而在變形方向上增加。能夠容易地取得圍繞支撐軸13d(水平方向)之高的主共振頻率。在本實施例中，圍繞支撐軸13d的旋轉或水平掃描設定為高速掃描方向(主掃描方向)，而圍繞支撐軸13e的旋轉或垂直掃描設定為副掃描方向。
以一般的驅動技術，難以增加鏡部13c的振幅，以及，因為其非均勻驅動力、空氣阻力等而難以穩定其移動。但是，由於以約主共振頻率驅動鏡部13c，所以，根據本實施例的MEMS鏡可以以大至足以掃描整個螢幕Sc的振幅穩定地移動。此外，為了取得非常近距離的投影，需要增加內框13b的振幅，內框13b係以與鏡部13c的旋 轉/振動方向正交的方向(圍繞支撐軸13e)旋轉/振動。但是，由於其為副掃描方向，所以，必須以取決於每秒的影像圖框數之低頻(舉例而言，對於30、60或120圖框/秒的影像產生為30、60、或120Hz)，在副掃描方向上驅動內框13b。為了藉由內框13b與支撐軸13e之間的共振而以低頻驅動內框13b，需要形成非常薄的支撐軸13e作為旋轉軸，但是，由於薄軸無法具有足夠的抗衝擊力且容易破裂，所以，這是不實際的。為了增加支撐軸13e的厚度，圍繞支撐軸13e的旋轉(振盪)之共振頻率A必須被設定在高值。由於內框13b的共振頻率B設定在低值，以及，共振頻率A、B彼此不一致，所以，此處無法利用共振。總之，需要使用更大的放大率以取得所需的鏡部13c的振幅。為了在副掃描方向上以共振驅動鏡部，雙重軸掃描(舉例而言，日本審查專利申請公開號2005-5262899中所揭示者)可為產生影像的良好方法而非逐線掃描。藉由雙重軸掃描，在主及副掃描方向上，以具有高振幅的共振振盪，驅動鏡部13c，而能夠以小放大率實施矩距離投影。
由上述MEMS鏡構成的光偏轉器13偏轉且透射過發散光轉換元件12之收歛光，在二維地正交方向上(第一掃描(水平)方向及第二(垂直)掃描方向)掃描。
在第一實施例中，第一及第二偏轉器部一體地形成，但是，它們可以獨立地形成。舉例而言，可以使用二個MEMS感測器作為單軸旋轉元件，或者，平面鏡可以附著 至步進馬達的輸出軸以及以固定的角速度旋轉。
此外，光偏轉器配置成用於二維掃描，但是，其可以配置成用於一維掃描。
關於上述光學投影系統之要說明的另一議題是為了在非常近距離的範圍中於螢幕Sc上投射大的影像，鏡部13c的振幅需要進一步增加。
但是，藉由增加的振幅，由於非均勻的驅動力或空氣阻力，鏡部13c無法穩定地驅動。首先，非常難以產生大至足以取得大振幅的驅動力。具體而言，共振頻率愈高，則愈難以取得大的振幅。為了解決此問題，藉由薄化鏡部13的厚度或降低其尺寸，可以降低鏡部13的重量。
但是，鏡部13c的薄化及尺寸縮小會產生問題。根據薄化的鏡部13c，變形量增加，造成光偏轉器13破裂，或者，根據變形的鏡部13c之反射光會增加光學像差，防礙在螢幕Sc上產生穩定的光點S，以及降低投射的影像的解析度。另一方面，根據尺寸縮減的鏡部13c，發散光轉換元件12需要以更小的光束尺寸來將收歛光聚焦，以及，為了取得更小的光束尺寸，需要改進元件的組合及製造精度。但是，如上所述般，由於決定發散光轉換元件12的NA(數值孔徑)以根據來自光源11的光束P而在螢幕Sc上形成光點S的預定尺寸，所以，為了縮減鏡部13c上的光束尺寸，從發散光轉換元件12至鏡部13c(光偏轉器13)的距離(光路徑)必須如圖12所示般加長。這將阻礙整個光學系統的尺寸縮減。相反地，當二者之間的距離設定為短值時，來自發散光轉換元件12的光束的光束尺寸將大於鏡部13c的有效反射面。來自光源11的光束的有效率使用會受防礙。
將上述問題列入考慮，在本實施例中，將鏡部13c的振幅設定為±7.5度。換言之，由光偏轉器13偏轉的光束P的偏轉角θ的最大值為±15度。舉例而言，藉由僅使用光偏轉器13(無偏轉角轉換元件14)，為了取得A4尺寸(210mm x 297mm)的二維影像，將需要約560mm的投影範圍，為了取得14吋尺寸的二維影像，將需要約500mm的投影範圍。這些是大的距離。如此，僅藉由光偏轉器13，投影機無法在非常近距離範圍投影中投射影像。
根據本實施例的投影機1，將光偏轉器13的鏡部13c的大小、長寬高及振幅列入考量，而最佳地設定偏轉角轉換元件14及發散光轉換元件12。偏轉角轉換元件14配置成偏轉角放大元件，將光偏轉器13偏轉的光束的偏轉角θ轉換成大於偏轉角θ的掃描角α。在本實施例中，舉例而言，偏轉角轉換元件14是由單一玻璃材料製成的單一透鏡。圖13顯示藉由使用最佳化設計的光學系統(光學掃描系統10)而模擬地取得的光學路徑。圖13顯示從光源11至偏轉角轉換元件14之光學系統的線性配置元件之間的光學路徑以及當鏡部13c以預定角度傾斜時之模擬結果的光學路徑。在此模擬中，假定具有530nm的波長的光束從光源11發射。
在第一實施例中(也是在圖13的模擬中)，發散光轉換元件12的焦距設定為3.91mm，從光源11至發散光轉換元件12的第一面(與光源11相對立)的距離設定為3mm。其中心厚度為2.4mm，以及，其由折射率nCL 為1.5196的玻璃材料製成。從發散光轉換元件12的第二面至光偏轉器13的反射面之距離設定為18.354mm，而從光偏轉器13的反射面至偏轉角轉換元件14的第一面之距離設定為8mm。偏轉角轉換元件14具有3mm的中心厚度且由折射率nEXP 為1.5196的玻璃材料製成。此光學系統(光學掃描系統10)設計成將來自光源11的光聚焦於離偏轉角轉換元件14的第二表面200mm的位置處。
發散光轉換元件12的透鏡面是非球形的。其非球狀以下述公式(1)表示，公式(1)係根據正交座標系統中半徑h與光軸方向上的透鏡面的距離z與之間的關係，其中，從光源11至光偏轉器13之光的光軸方向為Z軸方向且透鏡面的頂點Q1、Q2為原點。
其中，c是近軸曲率(c=1/r，r是曲率半徑)，k為二次曲線常數，A、B、C、D、E、F、G、...為非球形係數。注意，「SQRT(Q)」表示公式(1)中Q的平方根。
下述表1顯示關於發散光轉換元件12的各別表面之資料。在表1中，「E-0n」表示10-n 。
來自發散光轉換元件12的收歛光被導引經過光偏轉器13而至偏轉角轉換元件14。圖3A至3C顯示被光偏轉器13偏轉的收歛光如何透射過偏轉角轉換元件14。在圖3A中，收歛光延著參考光軸Lb行進，在圖3B中，收歛光相對於參考光軸Lb成傾斜一角度(偏轉角θ)。在圖3A至3B中，代號14a、14b分別代表偏轉角轉換元件14的入射面及離去面，稍後將說明之。
偏轉角轉換元件14配置成具有負放大率且將來自發散光轉換元件12的收歛光束轉換成較弱的收歛光束以將其聚焦(降低光束尺寸至小於預定光束尺寸)於螢幕Sc上。又如圖3B所示，偏轉角轉換元件14將具有偏轉角θ的入射光轉換成具有掃描角α的離去光束，掃描角α是相對於參考光軸之角度。在第一實施例中，將偏轉角轉換元件14的設計及配置決定成當光束入射於參考光軸Lb時滿足偏轉角θ=掃描角α，以及當光束未入射於參考光軸Lb時滿足偏轉角θ<掃描角α。偏轉角轉換元件14也設計及配置成將具有10度的偏轉角θ之入射光束轉換成具有20度的掃描角α之離去光，以及，將具有15度的最大偏轉角θ之光束轉換成具有31.3度的掃描角α之光束。亦即，其將光束的尺寸變成幾乎二倍。由於光束由最大振幅設定為±7.5度之光偏轉器13的鏡部13c偏轉，所以，入射光束的最大偏轉角θ為±15度。
偏轉角轉換元件14包含非球形第一面(在光偏轉器13的側邊上)以及非球形第二面。其非球形狀以上述公式(1)表示，上述公式(1)係根據正交座標系統中半徑h與光軸方向上的透鏡面的距離z與之間的關係，其中，連接第一及第二面之頂點Q1’、Q2’的直線、或是從光源11至螢幕Sc的光的光軸方向為Z軸方向。關於第一及第二透鏡面的資料顯示於表2中。
在第一實施例中，偏轉角轉換元件14配置成包含非球形一面及球形第二面，但是，本發明不限於此。第一及第二面可以都為非球形，或者，它們可以視螢幕Sc上的光點或投射影像的所需等級而為球形。
偏轉角轉換元件14及發散光轉換元件12的透鏡面以旋轉對稱狀形成。因此，此二元件可以容易加工。此外，由於製造寬容度或調整寬容度可以設定至大值，所以，它們可以容易組裝。在偏轉角轉換元件14及發散光轉換元件12的透鏡面之中，僅有光透射過者(Ie)必須是旋轉對稱的。如圖3C所示，當它們由樹脂材料或類似者製成時，將組裝、調整等列入考慮時，其整體外形可以是旋轉非對稱的。
參考圖4A至4C，說明偏轉角轉換元件14的效應。圖4A至4C是具有及不具有偏轉角轉換元件14之測量值的圖形。在圖4A至4C中，碼Ci是具有偏轉角轉換元件14的掃描角的特徵曲線，而碼Ct是不具偏轉角轉換元件14之掃描角的特徵曲線。而且，在圖式中，水平軸表示時間，以鏡部13c的中心角為時間軸的零，其中，最大值是用於偏轉角θ或掃描角α達到最大振幅(共振週期的一半或1/4週期)的時間且被歸一化為1及-1。在圖4A中，垂直軸表示掃描角α(或不具偏轉角轉換元件14的偏轉角θ)，碼Ci1、Ct1是掃描角α的特徵曲線。在圖4B中，垂直軸表示光束P的(螢幕Sc上的光點S的)掃描速度，Ci2及Ct2是掃描速度的特徵曲線。圖4C是根據圖4B，其中，垂直軸代表由最大值歸一化的光束P的掃描速度，特徵曲線Ci3、Ct3實際上與Ci2、Ct2相同。如上所述，MEMS鏡(光偏轉器13的鏡部13c)在-7.5至+7.5度的角度範圍中旋轉，以致於偏轉角θ會在-15至+15度之間變化。
從圖4A及圖13中的模擬結果清楚可知，當使用偏轉角轉換元件14(曲線Ci1)時的掃描角α大於未使用其時的掃描角α(曲線Ct1)。藉由偏轉角轉換元件14，在鏡部13c的最大振幅為±7.5度時，掃描角α最大約為±30度(曲線Ci1)，以及，要形成A4尺寸影像之從投影機至螢幕Sc的所需距離將約為240mm，實現非常近距離範圍的投影。相反地，沒有偏轉角轉換元件14時，掃描角α等於最大±15度的偏轉角(曲線Ct1)，以及，所需距離將約為560mm。
從圖4B、4C清楚可見，在時間軸的零時，亦即，在掃描角α(偏轉角θ)為零時，掃描速度最快，以及，無論是否使用偏轉角轉換元件14，其隨著掃描角增加而降低。分別比較特徵曲線Ci2、Ci3(具有偏轉角轉換元件14)與Ct2、Ct3(不具偏轉角轉換元件14)，顯示對於相同的掃描速度變化量，Ci2、Ci3比Ct2、Ct3花費更長的時間，這意指Ci2、Ci3中的掃描速度比Ct2、Ct3中的掃描速度有更長的時間保持不變。具有偏轉角轉換元件14之掃描速度變化小的時間範圍大於不具有偏轉角轉換元件14之掃描速度變化小的時間範圍，且在該時間範圍中取得固定速度。因此，具有偏轉角轉換元件14，能夠校正影像變形、等化光束亮度、及降低影像亮度不均勻。
接著，說明偏轉角轉換元件14的入射面14a及離去面14c的形狀。入射及離去面14a、14b形成為圍繞光軸旋轉地對稱。圖5A、5B於垂直軸顯示下沈量(mm)(特徵曲線Cs)及下沈量變化(μm)(特徵曲線Ca)，以及，於水平軸顯示始於偏轉角轉換元件14的光軸之半徑(mm)。圖5A顯示入射面14a的特徵曲線，而圖5b顯示離去面14b的特徵曲線。注意，下沈量意指當光軸方向為z軸方向以及z軸方向上的光軸上的座標為零時半徑位置處各別面上的z座標(入射側：+，離去側：-)。而且，變化量意指相對於半徑方向上的單位變化量之下沈量變化，且為半徑方向上特徵曲線Cs的第一階微分量。
圖5A、5B顯示變化量(絕對值)從光軸至入射及離去面14a、14b的周圍增加。以變化量從光軸至周圍增加的形狀來形成入射面14a，使偏轉角轉換元件14能夠隨著入射位置離開光軸至周圍而以更大的掃描角α發射光束。此外，藉由將入射面14a形成為非球形，可以降低螢幕Sc上的光點S的尺寸。對於離去面14b，這同樣為真，以及，以上述方式形成的離去面14b可以取得相同的效果。在第一實施例中具有偏轉角轉換元件14，光點S的尺寸可為1mm或更小。但是，舉例而言，具有平坦透鏡面的情形，光點S的尺寸將為3mm或更大，且投射的影像將於螢幕上模糊不清。
如圖1所示，控制單元20包括光偏轉器控制單元21作為偏轉角控制電路21以及發光量控制單元22作為光源控制電路22。控制單元20接收像素位置(i,j)處的影像資料G(i,j)作為原始影像訊號23。在控制單元20中，光偏 轉器控制單元21根據用於同步偵測之鏡位置訊號Mp，適當地控制光偏轉器13，而發光量控制單元22根據影像資料G(i,j)及鏡位置訊號Mp，控制光源11。光偏轉器控制單元21藉由輸出旋轉控制訊號Wc以控制光偏轉器13，而發光量控制單元22藉由輸出發光控制訊號Lc而控制光源11。鏡位置訊號Mp是從光偏轉器13輸出的訊號以及代表圖1中的振盪鏡部13c的位移。當光偏轉器13由電磁致動器驅動時，藉由偵測導因於鏡振動的逆EMF，取得鏡位置訊號Mp。當光偏轉器13由壓電致動器驅動時，藉由偵測壓電裝置中產生的逆EMF而取得鏡位置訊號Mp。此外，如圖7所示，藉由在適當位置設置光束接收元件28以接收鏡部13c偏轉的光束，藉由使用與鏡部13c的位移相關連之來自光接收元件28的訊號，可以取得鏡位置訊號Mp。此外，雖然圖式中未顯示，但是，電極可以設於位移部(此處為鏡部13c)與不受位移影響的預定位置處，以偵測隨著位移變化的靜電電容。在第一實施例中，發光量控制單元22根據光偏轉器控制單元21對於光偏轉器13的控制而控制光源11。
舉例而言，為了將水平方向上第i個且垂直方向上第j個之像素投影於螢幕Sc上，發光量控制單元22輸出發光量控制訊號給與鏡位置訊號Mp同步之光源11，當鏡部13c傾斜以在對應於像素位置(i,j)的位置(i’,j’)之螢幕Sc上形成光點S時，以用於影像資料G(i,j)的量發射光束。藉由使用可以由步進馬達等非共振地驅動之光偏轉器，光偏轉器控制單元21與發光量控制訊號同步地輸出驅動控制訊號給光偏轉器，以在對應於像素位置(i,j)的位置(i’,j’)處，於螢幕Sc上形成光點S。
因此，光源11以用於影像資料G(i,j)的量發射發散光束給將發散光轉換成收歛光的發散光轉換元件12，以及，將其發射至光偏轉器13。
收歛光由鏡部13c偏轉至水平及垂直方向上的偏轉角轉換元件14，偏轉角轉換元件14以適當角度而根據像素位置以在位置(i’,j’)處於螢幕Sc上形成光點S。偏轉角轉換元件14將入射收歛光的偏轉角θ收歛成掃描角α以將其發射至作為投影平面的螢幕Sc。根據原始影像訊號23上的所有影像資料G(i,j)，依掃描順序，依序地執行上述操作，藉以在螢幕Sc上產生與二維原始影像資料相關連的二維影像。
如上所述，藉由使用偏轉角轉換元件14，即使光偏轉器13的偏轉角小時，光學掃描系統10(投影機1)仍然可以取得大的掃描角，以及，其可以在近距離範圍內，將大影像投射於投影平面(螢幕Sc)上。在本實施例中，雖然光偏轉器13的偏轉角最大為±15度，但是，光束的掃描角α最大可為±30度。因此，其可以在約240mm的投影範圍內，投射A4尺寸的影像。
此外，藉由使用偏轉角轉換元件14，光學掃描系統10(投影機1)可以將固定掃描速度維持在某範圍內，以致於相較於不具偏轉角轉換元件14的光學掃描系統，其可以校正更多影像變形及亮度不均勻。
此外，以尺寸縮小的觀點而言，由於光學掃描系統10(投影機1)可以以包含偏轉角轉換元件14的簡單結構取得上述效果，所以，其是非常有利的。
光學掃描系統10(投影機1)配置成以偏轉角轉換元件14增加掃描角α，以致於光偏轉器13的鏡部13c可以穩定地旋轉以用於抑制投射影像的解析度降低。而且，其可以有效率地使用來自光源11的光束，而不用增加其構件及元件的製造及組裝精度，有助於縮小系統尺寸。
此外，基於下述理由，發散光轉換元件12具有歪像非球形面或任意形態曲面。一般而言，來自半導體雷射之光束的強度分佈是高斯分佈，以及，相對於半導體雷射的主動層，光束的散佈角在平行方向及垂直方向上是不同的。因此，經過旋轉對稱的發散光轉換元件12之光束將是橢圓的。但是，設置具有圓形開口的光束整形板以將橢圓光束整形可能造成周邊暗角，導致光損失增加、額外的功率損耗、及導因於橢圓光點的螢幕Sc上的投射影像劣化。這是發散光轉換元件12為何包含相對於半導體雷射的主動層而於水平及垂直方向上具有不同焦距之歪像非球形面或任意形態曲面的理由。因此，能夠防止光損耗以及在螢幕上形成圓形光點。此外，藉由具有相同焦距的歪像面或任意形態曲面，當鏡不動時，所形成的光點的形狀將為水平方向上具有較短長度的橢圓，當鏡旋轉時，由於掃描方向上的後影效應，其在像素中將接近圓形。
由於發散光轉換元件12僅作為將來自光源11的光收歛以在螢幕Sc上形成光點S，所以，其可以由圖6中的反射元件24取代。反射元件24具有任意形態反射面，以致於其可以防止光損耗及形成圓形光點。
只要反射元件25可以將光偏轉器13偏轉的光束的偏轉角θ轉換成更大的掃描角α，偏轉角轉換元件14也可以由圖7中的反射元件25取代。反射元件25如同反射元件24般具有任意形態反射面。如上所述，圖7中的光學掃描系統10(投影機1)配置成以光接收元件28接收由鏡部13c偏轉的光束，以用於同步偵測，而根據來自光接收元件28的訊號，產生代表鏡部13c的位移之鏡位置訊號Mp。
此外，在光偏轉器13的偏轉速度或振幅於水平及垂直方向上不同之情形中，發散光轉換元件12及偏轉角轉換元件14可為上述具有歪像非球形面或任意形態曲面之反射元件，以區別與光偏轉器13的偏轉速度或振幅一致之用於水平及垂直方向之光的收歛或發散之量。
〔第一實施例的修改〕
接著，說明根據第一實施例之投影機的修改。本修改實施例使用投影機1t以經由實驗找出螢幕Sc上的影像變形如何根據鏡部13c上的光的入射角φ的變化而改變。投影機1t的結構基本上與投影機1的結構相同，以致於相同的元件及功能以同於第一實施例的代號表示，並省略其 詳細說明。圖14顯示投影機1t的光學掃描系統10t以及入射角φ為45度時的光學路徑。
此處，入射光軸Li代表從光源11發射且透射過發散光轉換元件12t的主光線的行進方向。入射角φ意指相對於處於參考位置(靜止位置)之鏡部13c(光偏轉器13)的反射面的法線之角度。
如圖14所示，除了發散光轉換元件12t及偏轉角轉換元件14t之外，光學掃描系統10t與光學掃描系統10相同。具體而言，光源11發射波長530nm的光束，發散光轉換元件12t的焦距設定為3.89mm，光源11至發散光轉換元件12t的第一面(面對光源11)之距離為3mm。發散光轉換元件12t由折射率nCL 為1.5196的玻璃材料製成且中心厚度為2.4mm。從其第二面至光偏轉器13的反射面之距離設定為18.354mm，而從光偏轉器13的反射面至偏轉角轉換元件14t的第一面(面對光偏轉器13)之距離設定為8mm。偏轉角轉換元件14t具有3mm的中心厚度且由折射率nEXP 為1.5196的玻璃材料製成。光學系統(光學掃描系統10)配置成將來自光源11的光束聚焦於離偏轉角轉換元件14t的第二面(面對螢幕Sc)200mm的位置處。
發散光轉換元件12t的二個面是非球形的且以上述公式(1)表示。關於這些面之資料，顯示於下述表3中。
偏轉角轉換元件14t的二個面也為非球形的且以上述公式(1)表示。關於這些面之資料，顯示於下述表4中。
藉由使用此光學掃描系統10t，在預定條件下，以入射角φ為0、15、30、45、60、及75度，於螢幕Sc上形成光點。圖15A至15F顯示螢幕上的光點。圖16顯示光點如何形成。
在圖式中，垂直方向是x軸方向，水平方向是y軸方向。圖15A至15F分別顯示在入射角φ為0、15、30、45、60、及75度時形成光點S0至S6的位置。為了比 較，圖15A至15F以相同的比例尺寸顯示。
以下述方式形成光點S0至S6。光偏轉器13的鏡部13c圍繞彼此正交的二軸旋轉(振動)。二軸之一為x’軸，另一軸為y’軸，x’軸與螢幕Sc的x軸位於相同平面，y’軸與螢幕Sc的y軸位於相同平面(圖16)。x’及y’軸設定成入射角φ在與x’軸正交的平面中改變(圖14)。
當鏡部13c僅圍繞x’軸旋轉時，光點的位置僅在x軸方向(圖16中從鏡部13c至光點Sx之虛線所示)上改變。當鏡部13c僅圍繞y’軸旋轉時，光點的位置僅在y軸方向(圖16中從鏡部13c至光點Sy之二點鏈虛線所示)上改變。在圖15A至15F中的螢幕Sc的xy座標中，分別在x軸方向及y軸方向上移動光點位置之圍繞y’軸和x’軸之鏡部13c的旋轉設定為+y’軸及+x’軸方向。光偏轉器13配置成支撐內框13b的成對支撐軸13e為x’軸。
在圖15A至15F中，光點S0由靜止的鏡部13c(圍繞x’軸及y’軸0度)所反射的光束形成。類似地，當鏡部13c分別以+5度圍繞x’軸以及以+10度圍繞y’軸時、以+5度圍繞x’軸以及以0度圍繞y’軸時、以+5度圍繞x’軸以及以-10度圍繞y’軸時、以及以-5度圍繞x’軸以及以+10度圍繞y’軸時、以-5度圍繞x’軸以及以0度圍繞y’軸時、以及以-5度圍繞x’軸以及以-10度圍繞y’軸時，形成光點S1至光點S6。注意，在圖式中，為了便於瞭解影像變形的差異，光點S1至S6由直線連接以圍繞光點S0。
在圖15A中入射角φ為0時，鏡部13c處於靜止位置且其面對螢幕Sc，以致於導因於入射角φ之投射影像的變形為最小的。如同圖15A至15F中清楚可見般，入射角φ愈大，則螢幕Sc上的影像變形愈大。具體而言，不論入射角φ為何，在y軸上之這些光點的位置實質上相同。相反地，關於x軸上之這些光點的位置，入射角φ愈大，則相對於圍繞y’軸的鏡部13c的旋轉之光點的位置的變化量愈小。在改變光學掃描系統10t中與x’軸正交的入射角φ時，當入射角φ增加時，由於光的振幅於實質上垂直方向(鏡部13c的y’軸旋轉方向及螢幕Sc上的x軸方向)上約大cosφ倍，所以，投射影像根據φ的值而變形縮小(小cosφ倍)。
因此，為了以預定尺寸形成影像，在較大的入射角φ時，需要增加鏡部13c(圍繞y’軸)的振幅。但是，這是非常難以達成。基於此理由，如同在本實施例中般，藉由使用偏轉角轉換元件14t，將光偏轉器13偏轉的光束的偏轉角θ轉換成較大的掃描角α。
即使藉由使用偏轉角轉換元件14t，入射角φ應較佳地設定為零在接近零之非常小的值，以產生具有所需尺寸的影像。但是，這要求光學掃描系統包含分光器(稍後於第五實施例中說)，這會增加構件及元件的數目及製造成本以及降低構件配置的自由度。但是，如上所述，由於入射角φ增加時所形成的影像的尺寸是小cosφ倍，所以，在45度的入射角φ時，可以形成的影像尺寸為0度的入射角時形成的影像尺寸的約70%。依此方式，不用分光器，能夠形成尺寸接近所需尺寸的影像。
在圖15A至15F中，由於圍繞x’軸的鏡部13c的旋轉角之差實際上如同入射角φ之差一般地影響光束位置，所以，在螢幕Sc上y軸方向上，光點S1至S3的座標的絕對值不同於光點S4至S6的座標的絕對值。此外，在光學掃描系統10t中，偏轉角轉換元件14t插入於光學路徑中，以致於相對於入射角φ，變形量遠離cosφ倍的值。但是，在光學路徑上無偏轉角轉換元件14之模擬中，變成非常接近較大的值。此模擬的實施例顯示於下述表5中。下述表5顯示當鏡部13c僅以10度圍繞y’軸(以0度圍繞x’軸)旋轉時，在入射角φ為0、15、30、45、60、及75度時，螢幕Sc上的光點S的x座標。注意，將0度入射角φ時的x座標(導因於入射角之最小變形)乘以cosφ，取得表5中括弧內的值。而且，鏡部未圍繞x’軸旋轉，因此，y座標總是為零(在x-軸上)。
[第二實施例]
接著，參考圖8，說明根據第二實施例之投影機1A。投影機1A是彩色投影機且其結構基本上與第一實施例中的投影機1的結構相同，所以，相同的代號代表相同的功能及元件並省略其說明。
投影機1A包含光學掃描系統10A，光學掃描系統10A包括三個光源11a、11b、11c及三個發散光轉換元件12a、12b、12c。光源11a、11b、11c分別為用於彩色投影的紅、綠、藍單色光源。使用此單色光，投影機1A能夠產生具有高色彩純度之明亮的彩色影像。單色光源可以是具有適當波長的單色光源。在第二實施例中，光源11a是具有波長638nm的紅光半導體雷射，光源11b是具有波長1060nm的綠光半導體雷射且使用560nm的第二諧波，光源11c是具有波長445nm的藍光半導體雷射。設置作用與第一實施例中的發散光轉換元件12相同的發散光轉換元件12a、發散光轉換元件12b、及發散光轉換元件12c以將來自光源的光束聚焦成為收歛光，且它們具有相同的非球形面。
光學掃描系統10A配置成在從發散光轉換元件12a至光偏轉器13的光學路徑上包含光學路徑合倂單元16a、16b，以將自光源11a、11b、11c發射且通過發散光轉換元件12a、發散光轉換元件12b、及發散光轉換元件12c的光束合倂為一光束。
在本實施例中，光學路徑合倂單元16由介電多層濾光器製成且具有反射預定波長範圍內的光及使波長範圍之外的光透射過的特徵曲線。對應於光源11b的光學路徑合倂單元16a反射95%以上波長範圍510nm至570nm的綠光以及使此範圍以外的波長範圍的光的90%以上透射。對應於光源11c的光學路徑合倂單元16c反射95%以上波長範圍400nm至490nm的藍光以及使此範圍以外的波長範圍的光的90%以上透射。
在投影機1A中，在控制單元20(發光量控制單元22)的控制之下適當地發射光束。來自紅光源11a的光束由發散光轉換元件12a轉換成收歛光，以及透射過光學路徑合倂單元16a、16b而至光偏轉器13。此光束光的光學路徑被設定為參考光學路徑Pb。來自綠光源11b的光束由發散光轉換元件12b轉換成收歛光，以及由參考光學路徑Pb上的光學路徑合倂單元16a反射，以及透射過光學路徑合倂單元16b至光偏轉器13。來自藍光源11c的光束由發散光轉換元件12c轉換成收歛光，以及由參考光學路徑Pb上的光學路徑合倂單元16b反射至光偏轉器13。
如此，從光源11a、11b、11c發射的光束分別由發散光轉換元件12a、12b、12c轉換成收歛光，由光學路徑合倂單元16a、16b合倂及被導向至光偏轉器13。
如同第一實施例的投影機1一般，合倂的光束由光偏轉器13以偏轉角θ偏轉、由偏轉角轉換元件14以大於偏轉角θ的掃描角α轉換成光束、以及第一實施例的投影機1一般在螢幕Sc上形成光點S。在控制單元20(光偏轉器控制單元21)的控制下，驅動光偏轉器13的鏡部13c，以反射收歛光及二維地改變其行進方向(偏轉角θ)，藉以在螢幕上二維地形成光點。為了光學掃描，根據影像資料(在每一像素(i,j)之影像資料G(i,j))，適當地控制光源11a、11b、11c的發光時機、光強度、及發光週期，以在螢幕Sc上產生彩色影像。
如同根據第一實施例的投影機1一般，根據本實施例的投影機1A即使使用具有小偏轉角的光偏轉器13，仍然可以以大掃描角發射光束。因此，其可以在非常近距離範圍內投射影像以及將固定掃描速度維持在預定範圍以校正影像變形或亮度不均勻。
此外，投影機1A包含單色光源11a、11b、11c，以致於其可以形成高對比及高色彩純度的彩色影像。再者，投影機1A配置成直接造成每一像素，以及在無來自雷射的發光之下，根據黑影像資料G(i,j)造成像素(i,j)。相較於使用例如液晶顯示器等微顯示裝置之投影機，其可以防止影像的黑色部份變成太亮以及增進影像對比。
此外，根據本實施例的投影機1A，以相同的非球狀，形成發散光轉換元件12a、12b、12c。但是，本發明不限於此。可以根據半導體雷射的第二諧波的發散光，將它們最佳化地設計成具有彼此不同的焦距或形狀，以藉由來自單色光源的光束而在螢幕Sc上形成所需的光點。
[第二實施例的修改]
參考圖17至22，說明投影機1A的修改之投影機1At(光學掃描系統10At)。投影機1At(光學掃描系統10A)是較小尺寸的彩色投影機的另一實施例。其結構基本上與第二實施例中的投影機1A的結構相同，以致於相同的功能及元件以相同代號表示並省略其詳細說明。圖17顯示投影機1A的結構，但是為了簡明起見而省略顯示控制單元20。圖18顯示投影機1At中使用的第一發散光轉換元件12At1的剖面，圖19顯示第二發散光轉換元件12At2的剖面，圖20顯示光學路徑合倂單元16At的剖面，圖21顯示聚焦透鏡70的剖面，圖22顯示第二發散光轉換元件12At2的剖面。在下述中，每一光學元件的光學路徑的光軸方向(主光線)設定為Z軸。但是，在圖17至22中，光源11At的第一光源11At1的離去光軸方向設定為Z軸，與Z軸正交的方向設定為Y軸，與此二軸正交的方向設定為X軸。而且，在圖18至22中，每一光學元件的光軸方向設定為z軸，與圖式正交的方向設定為x軸，與x-z平面正交的方向設定為y軸。在下述中，將使用X、Y、Z軸(此後稱為通用軸)的正交座標系統以說明投影機1A的位置關係及結構，使用x、y、z軸(此後稱為區域軸)的正交座標系統以說明每一光學元件的結構(透鏡資料等)。
如圖17所示，投影機1At的光學掃描系統10At配置成包含第一及第二光源11At1、11At2以及第一及第二發散光轉換元件12At1、12At2。
第一光源11At1是混合雷射(HBLD)，其中，具有640nm的中心波長之半導體雷射晶片11ta(此後稱為紅光LD晶片)、以及具有445nm的中心波長之半導體雷射晶片11tb(此後稱為藍光LD晶片)配置於單一封裝上的Y軸方向上。在第一光源11At1中，紅光LD晶片11ta的發光點與藍光LD晶片11tb的發光點之間(二離去光軸之間)的距離設定為0.9mm。光源11At1與第一發散光轉換元件12At1的位置決定成紅光LD晶片11ta的離去光軸與第一發散光轉換元件12At1的稍後說明的第一透鏡面12ta1的光軸12tc一致，以及，紅光及藍光LD晶片11ta、11tb的離去光軸、光軸12tc、第一發散光轉換元件12At1的第二透鏡面12ta2的光軸12td配置於相同平面中。來自紅光及藍光LD晶片11ta、11tb的光束(線性極化的發散光)透射過遮蓋玻璃11tc以及被導至第一發散光轉換元件12At1。
第一發散光轉換元件12At1由折射率n640 =1.506643、n445 =1.519219的玻璃材料製成，以及能夠作用而使來自紅光及藍光LD晶片11ta、11tb的光束成為實質上平行的光束。如圖18所示，第一發散光轉換元件12At1包含面對第一光源11At1的第一面12ta以及面對稍後說明的光學路徑合倂單元16At之第二面12tb。
第一發散光轉換元件12At1的第一面12ta包含第一透鏡面12ta1及第二面透鏡12ta2。第一透鏡面12ta1是旋轉對稱非球形面以及作用以耦合來自紅光LD晶片11ta的發散光。旋轉對稱非球形面可以以正交座標系統(圖18中的箭x,y,z)中的上述公式(1)表示，其中，第一透鏡面12ta1的光軸12tc上的點Q3(旋轉軸)是原點，從稍後說明的光學路徑合倂單元16At至紅光LD晶片11ta之方向是+z軸，圖18中的水平方向是+y軸，以及，從前圖式的前方至背後且與z及y軸正交的方向是+x軸。關於透鏡面12ta1的資料顯示於下述表6中。
第二透鏡面12ta2是旋轉非對稱歪像非球形面以及作用以耦合來自藍光LD晶片11tb的發散光。在光軸方向上的x-y平面中的歪像非晶面的距離z(平行於z軸的平面之下沈量)以下述正交座標系統(圖18中的x,y,z箭頭)中的公式(2)表示，其中，第二透鏡面12ta2的光軸12td(旋轉軸)上的點Q4是原點，從稍後說明的光學路徑合倂單元16At至藍光LD晶片11tb之方向為+z軸。
其中，CUX代表x方向上的曲率(=1/RDX，其中，RDX是X方向上的曲率半徑)，CUY代表y方向上的曲率(=1/RDY，其中，RDY是Y方向上的曲率半徑)，KX代表X方向上的二次曲線係數，KY代表Y方向上的二次曲線係數，AR、BR、CR、DR是變形係數且分別為第四、第六、第八、第十階旋轉對稱部份，AP、BP、CP、DP是變形係數且分別為第四、第六、第八、第十階旋轉非對稱部份。
公式(2)的每一係數顯示於下述表7中。在表7中，「E-ON」表示「10-n 」。
第一發散光轉換元件12At1的第二面12Atb是旋轉對稱非球形面且其旋轉軸與第一面12ta的第一透鏡面12ta1的光軸12tc一致。旋轉對稱非球形面以上述正交座標系統(圖18中的x、y、z)中的公式(1)表示，其中，第二面12tb的光軸12tc(旋轉軸)點Q5是原點，以及，從稍後說明的光學路徑合倂單元16At至第一光源11At1的方向是+z軸。關於第二面12Atb的資料顯示於下述表8中。
第一透鏡面12ta1的厚度(從光軸12tc上的Q3至Q5)是1.5mm，而第二透鏡面12ta2的厚度(從光軸12td上的Q4至Q5)是1.5mm。第一透鏡面12ta1的光軸12tc與第二透鏡面12ta2的光軸12td之間的距離在y軸方向上為0.93mm。光軸12tc、12td配置於Y-Z平面中(通用軸)。在圖17中，設置第二光源11At2以發射光，與發散光轉換元件12At1轉換的二實質平行光一起用於彩色影像投射。
第二光源11At2是中心波長1060nm的半導體雷射，且發射經過轉換之中心波長530nm的SHG雷射光束。來自第二光源11At2的離去點(虛發射點11te)的光束透射過遮蓋玻璃11td以及被引導至第二發散光轉換元件12At2。
第二發散光轉換元件12At2由在波長530nm的折射率n530 =1.51199之玻璃材料製成，以及使來自第二光源11At2的光束成為實質平行光束。如圖19所示，其具有面對第二光源11At2的第一面12te以及面對光學路徑合倂單元16At的第二面12tf。
其第一及第二面12te、12tf是具有相同光軸12tg(旋轉軸)的旋轉對稱非球形面。第一面12te以上述正交座標系統(圖19中的x、y、z)中的公式(1)表示，其中，光軸12tg上的點Q6是原點，從光學路徑合倂單元16At至第二光源11At2的方向是+z軸，圖19中的垂直方向的上側是+y軸，從圖式的前方至背面且與z和y軸正交的方向是+x軸。類似地，第二面12tf由上述正交座標系統(圖19中的x,y,z)中的公式(1)表示，其中，光軸12tg上的點Q7是原點，從光學路徑合倂單元16At至第二光源11At2的方向是+z軸。關於第一及第二面的資料顯示於下述表9中。
從光軸12tg上的Q7至Q8之第二發散光轉換元件12At2的厚度是1.5mm。如圖17所示，設置光學路徑合併單元16At以將來自第二及第一發散光轉換元件12At2、12At1之具有不同波長的光束合併為一光束。因此，合併的光透射過聚焦透鏡70且被引導至光偏轉器13以用於掃描。如圖20所示，光學路徑合併單元16At是板狀稜鏡，以及包含面對第一發散光轉換元件12At1的第一面及面對第二發散光轉換元件12At2之第二面12tb。
第一面16ta的法線(na)與第二面16tb的法線在相同平面中並非平行，而延著相同平面之光學路徑合併單元16At的剖面為楔狀。楔狀的頂角β設定為0.8度。第一及第二面16ta和16tb均具有膜，所述膜具有波長選擇特徵。在本修改實施例中，第一面16At的膜具有95%的反射率，以及，相對於入射角為45±1.5度而波長為640nm±10nm的光，具有5%的透射率，相對於入射角為45±1.5度而波長為530nm±5nm的光，具有99%或更高的透射率，相對於入射角為46.5±2.5度而波長為445nm +10nm/-5nm的光，具有99%或更高的透射率。第二面16tb的膜相對於入射角為43.5±1.5度而波長為640nm±10nm的光，具有99%或更高的透射率，相對於入射角為46.5±1.5度而波長為530nm±5nm的光，具有95%的透射率，相對於入射角為46.5±1.5度而波長為445nm +10nm/-5nm的光，具有5%的透射率。第一及第二面16ta、16tb的膜設定為使來自第一及第二發散光轉換元件12At1、12At2(至圖17中稍後說明的光接收元件71)之具 有三波長的多個光束的量的約5%透射。
光學路徑合併單元16At由折射率n640 =1.514846、n530 =1.519584、n445 =1.525786的玻璃材料製成。在圖20中，第一面16ta的光學中心是點Q8，在點Q8上的其法線na與第二面16tb的交叉為點Q9。
點Q8位於發散光轉換元件12At1的第一面12ta的第一透鏡面12ta1的光軸12tc(圖18中的Z軸方向)上。光軸12tc與光學路徑合併單元16At的第一面16ta形成45度角，第一面16ta與包含光軸12tc、12td的平面(圖17、18中的Y-Z平面(通用軸))垂直。光學路徑合併單元16At(在點Q8與Q9之間)的中心厚度設定為1.1mm。
因此，來自紅光LD晶片的光束由第一發散光轉換元件12At1耦合至線性極化發散光。然後，主光線以45度入射角入射於第一面16ta的點Q8，以及因而被反射至聚焦透鏡70。反射光的光學路徑是從聚焦透鏡70至光偏轉器13之合併光束的單一光學路徑。如上所述，由第一發散光轉換元件12At1耦合的光束量的約5%透射過光學路徑合併單元17及行進至稍後說明的光接收元件71。
來自藍光LD晶片的光束由第一發散光轉換元件12At1耦合至線性極化光、入射於第一面16ta上以及再由第二面16tb反射至第一面16ta，而與其它光束合併。如上所述，來自第一發散光轉換元件12At1的光束量的約5%透射過光學路徑合併單元16At且行進至稍後說明的光接收元件71。
類似地，來自第二光源11At2的光束由第二發散光轉換元件12At2耦合成為線性極化發射光、入射於第二面16tb至第一面16ta、以及與其它光束合倂。如上所述，來自發散光轉換元件12At2的光束量的約5%由光學路徑合倂單元16At的第二面16tb反射至稍後說明的光接收元件71。
由光學路徑合倂單元16At合倂之具有三波長的光束(雷射光束)透射過孔徑元件72且被導引至聚焦透鏡70。孔徑元件72包含開口，開口的尺寸小於光偏轉器13的鏡部13c的尺寸，以防止光束入射於鏡部13c以外的部份上。在本修改實施例中，孔徑元件72的開口的直徑設定為0.96mm且其中心與光學路徑(合倂的光束之主光線)的軸一致。孔徑元件72可以防止因為光入射於鏡部13c以外的部份而造成模糊不清，模糊不清會使彩色影像品質劣化。
聚焦透鏡70將具有三波長的平行光束收歛以在螢幕Sc上形成具有預定尺寸的光點S(在圖8及其它圖中)。其由折射率n640 =1.514846、n530 =1.519584、n445 =1.525786的玻璃材料製成。聚焦透鏡70包含面對孔徑元件72的第一面70a及面對光偏轉器13的第二面70b，第一面70a及第二面70b均為曲率中心在軸70c上的非球形。第一面70a的曲率半徑為6.65277mm，而。第二面70b的曲率半徑為3.3mm。光軸方向上的聚焦透鏡70(在第一及第二面70a、70b的軸70c上的Q10與Q11之間)的厚度為2.0mm。聚焦透鏡70配置成軸70c與單一光學路徑的光軸(孔徑元件72的開口的中心)一致。合倂的光束被導引經過聚焦透鏡70而至光偏轉器13。
光偏轉器13配置成與根據第一及第二實施例之光學掃描系統10(圖2)、10A的光偏轉器相同。在光學掃描系統10At中，光偏轉器13配置成鏡部13c的中心13f在單一光學路徑的光軸上，靜止狀態的鏡部13c的法線與光學路徑的光軸形成30度角(入射角=30度)，以及，y’軸(圖17中的箭頭y’)在包含第一和第二發散光轉換元件12At1、12At2的光軸12tc、12tg(以及光學路徑的光軸)的平面中。光偏轉器13的x’軸(圖17中的箭頭x’)是垂直於圖式的方向。光偏轉器13配置成圍繞x’軸(副掃描方向)緩慢地旋轉以及圍繞y’軸(主掃描方向)快速地旋轉。光速由光偏轉器13反射至偏轉角轉換元件14At。
偏轉角轉換元件14At由折射率n640 =1.506643、n530 =1.51199、n445 =1.519219的玻璃材料製成。如圖22所示，偏轉角轉換元件14At是具有負放大率的透鏡且包含面對光偏轉器13的第一面14ta以及面對螢幕Sc(圖8及其它)的第二面14tb。第一面14ta是曲率中心在軸14tc上的球形，而第二面14tb是非球形且圍繞軸14tc旋轉對稱。偏轉角轉換元件14配置成軸14tc與靜止狀態的鏡部13c所偏轉的光束的主光線一致。其於軸14tc上的厚度(從Q12至Q13)是1.3mm。第一面14ta以上述正交座標系統(圖22中的箭頭x、y、z)中的公式(1)表示，其中，軸14tc上的點Q12是原點，從光偏轉器13至螢幕Sc的方向是+軸，與+z軸正交的方向的上側是+y軸，從圖式的前方至背面且與z及y軸正交的方向是+x軸。第二面14tb以上述正交座標系統中的公式(1)表示，其中，軸14tc上的點Q13是原點，從光偏轉器13至螢幕Sc的方向是+z軸。關於第一及第二面的資料顯示於下述表10中。
入射光束由偏轉角轉換元件14轉換成具有較大的掃描角之光束且投影至螢幕Sc上。
在光學掃描系統10At中，發散光轉換元件12At2的光軸12tg位於與點Q8相距0.37mm處，點Q8作為-Z軸方向(通用軸，在藍光LD晶片11tb的離去軸上從第一光源11At1至光學路徑合倂單元16At)上光學路徑合倂單元16At的第一面16ta的中心。第二光源11At2的離去點(具有中心波長530nm的SHG光的虛發光點11te)位於-Z軸方向上與點Q8相距0.33mm處。
聚焦透鏡70的第一面70b的點Q11與鏡部13c的中心位置13f之間的距離設定為2.5mm。鏡部13c的中心位置13f與偏轉角轉換元件14的第一面14ta的點Q12之間的距離設定為3.0mm。
如圖17所示，光學掃描系統10At包括光接收元件71，光接收元件71將位準根據收到的光束量之接收訊號輸出給控制單元20(圖8)。光學路徑合倂單元16At使具有三波長的光束量的約5%透射。光接收元件71配置成其光接收面接收由光學路徑合倂單元16At的第一及第二面16ta、16tb反射或透射過它們之光束。
在光學掃描系統10At中，控制單元20(圖8)使用來自光接收元件71的接收訊號，控制用於第一及第二光源11At1、11At2之驅動電流(回饋控制)，以將其發射的光量調整至預定量。因此，光學掃描系統10At可以形成良好的彩色影像，但亮度或色彩平衡不會因環境溫度變化等而變。此外，其它實施例可以採用使用光接收元件71之回饋控制以及取得與本實施例相同的效果。
光學掃描系統10At可以取得與第二實施例中的光學掃描系統10A相同的效果。此外，其以混合雷射(HBLD)用於第一光源11At1，其在單一封裝中具有紅及藍光LD晶片11ta、11tb，藉以縮小用於彩色投影機的光學模組之尺寸。
[第三實施例]
參考圖9，說明根據第三實施例之投影機1B。投影機1B包括增加的功能，以比根據第二實施例之投影機1A形成更佳的彩色影像。投影機1B的結構與投影機1A的結構相同；因此，其相同的功能及結構以相同的代號表示並省略其詳細說明。
投影機1B包含控制單元203，控制單元203包含影像處理單元26(影像處理單元)以及光偏轉器控制單元21及發光量控制單元22。為了將良好影像投射於螢幕Sc上，影像處理單元26根據控制單元203收到的原始影像訊號23以校正影像資料G(i,j)，以及，將經過校正的影像資料G’(i,j)輸出至光偏轉器控制單元21以及發光量控制單元22。藉由影像資料校正，能夠校正導因於光學投影系統的光學特徵(舉例而言，發散光轉換元件12a、12b、12c及偏轉角轉換元件14的光學特徵、及光偏轉器13的掃描速度特徵)之螢幕Sc上的彩色影像的劣化。
於下述中說明影像校正的型式
(變形校正)
圖10顯示螢幕Sc上的變形影像及校正影像。在圖10中，根據螢幕Sc上的原始影像訊號23(圖9)，適當地形成長方形231，而長方形232因為光學系統而變形。
變形的長方形232被校正成為螢幕Sc上的長方形231。具體而言，變形的長方形232上的每一點被轉換成長方形231上的適當點，以根據原始影像訊號23而將彩色影像正確地投影於螢幕上。此處，在光偏轉器控制單元21的控制下，光點S的位置由光偏轉器13的振幅決定。因此，發光量控制單元22配置成根據光偏轉器13的振幅以控制光源11a、11b、11c的發光時機及光量。這些光源受控制，以參考儲存於未顯示的記憶體中顯示光偏轉器13的角度與光點位置(i,j)之間的關係的查詢表，依照根據光偏轉器13的角度與像素(i,j)處的影像資料G(i,j)之光量而發光。此外，預先取得將變形長方形232轉換成適當長方形231之轉換函數，以將影像資料G(i,j)轉換成影像資料G’(i,j)。根據光偏轉器13的操作，執行對光源的發光控制，以在螢幕Sc上形成經過轉換的影像資料G’(i,j)。當藉由改變光源的發射時機以校正變形的長方形232時，在長方形231的外面之變形的長方形232的部份未被照明。因此，長方形231上整體的光量小於變形的長方形232。因此，光源受控以比形成變形的長方形232的光量更增加的光量來發光，以形成長方形231，而維持光量。
在投影機1B中，當控制單元203接收原始影像訊號23時，影像處理單元26適當地校正原始影像訊號23，以及，光偏轉器控制單元21及發光量控制單元22根據校正過的原始影像訊號23，控制光源11a、11b、11c、及光偏轉器13。這能夠以很小的變形，在螢幕Sc上產生良好影像。
(不規則形校正)
影像變形可能因其它因素而發生。舉例而言，當投影機1B及螢幕Sc彼此相對地傾斜時，投射的彩色影像可能在螢幕Sc上包含不規則變形。影像處理單元26或未顯示的等效處理單元可以以同於上述變形的方式，校正不規則變形。
日本未審查專利申請公開號2006-178346及2006-234157揭示校正技術，藉由設定光學系統以實現預定校正量，以校正不規則變形。但是，由於不規則變形是由投影機1B與螢幕Sc之間的位置關係所引起，所以，變形的量及方向(頂部與底部之間的關係)將根據二者的位置關係而變。特別地，在以具有投影機1B之行動裝置投影時，變形的量及方向的改變是顯著的。將上述列入考慮，根據第三實施例的投影機1B配置成能夠以影像處理單元26或等效的處理單元，調整不規則變形校正的量。舉例而言，其可以配置成允許使用者觀視投射的影像時經由操作搖桿或按鍵來調整校正量。在此情形中，藉由儲存用於不規則變形的轉換函數及根據校正量而改變轉換函數或其係數，投影機1B能夠根據調整的校正量來投射經過校正的影像。如此，投影機1B可以形成具有很小變形的彩色影像。
(亮度不均勻校正)
在投影機1B中，為了形成光點S，光偏轉器13的鏡部13c正弦地振動，以致於光束的掃描角α(偏轉角θ)相對於時間正弦地變化。因此，如圖4B、4C所示，在時間軸的零或掃描角α(偏轉角θ)為零時，掃描速度最快，以及，掃描角α(偏轉角θ)愈大，掃描速度愈慢。亦即，每像素的光的整體光量視掃描角α而變。在以具有某亮度位準的光束，掃描投影平面時，由於光束以高掃描速度通過，所以，被以最小掃描角α掃描的投影平面的區域將因每一光素小的整體光量而為黑的。相反地，由於光束以低掃描速度通過，所以，由大掃描角α掃描的投影平面的區域將因每一像素相當大的整體光量而為明亮的。
類似於根據第一實施例修改的投影機1A，投影機1B顯示固定的掃描速度在某範圍內且增進光束強度的均勻度。但是，進一步校正增進的均勻度會導致增進投射的彩色影像的品質。藉由調整光源11a、11b、11c的發光量之影像處理單元26或未顯示的等效處理單元，亮度分佈的均勻度是可以校正的。為達此目的，影像處理單元從鏡位置訊號Mp(鏡部13c的角度)決定光點的像素位置(i,j)，以及，以根據像素位置(i,j)而校正的強度，發射光束。達成亮度均勻度的校正，以致於當光源受控制而以相當高強度或相當長的發光時間，將光發射至影像的中心，光源也受控制而以相當低的強度或是相當短的發射時間，將光發射至影像的周圍。藉由參考儲存於未顯示的記憶體中且顯示像素位置(i,j)與校正量(經過校正的光強度)之間的關係之查詢表，則在像素(i,j)的強度是可校正的。而且，藉由像素(i,j)與校正量的函數，可以校正光強度。因此，投影機1B可以形成具有很小的亮度不均勻之影像。
(變形校正2)
如上所述，由於伴隨掃描角α(偏轉角θ)增加，掃描速度降低，所以，彩色影像中發生變形。以影像處理單元26或未顯示的等效處理單元，以同於上述變形的方式，可以校正此影像變形。因此，投影機1B可以形成具有很小的變形的影像。
(色彩校正)
圖9中的投影機1B配置成將來自光源11a、11b、11c的具有不同波長的三光束(紅、綠、藍)合併為一，以及，由光偏轉器13將光偏轉並由單一偏轉角轉換元件14將光的偏轉角θ轉換成掃描角α。由於合併的光的不同波長，發生色差且被轉換的光的掃描角α視波長而變，造成螢幕Sc上根據相同影像資料G(i,j)而形成的光點S的色彩偏移。
藉由對每一波長(紅光、綠光、藍光)測量或設計，可以取得此色彩偏移量，以致於藉由校正來自光源11a、11b、11c的光束的光點位置S，可以校正色彩偏移。如此，影像處理單元26或等效處理單元控制光源11a、11b、11c以在根據光偏轉器13的鏡部13c的移動之時間點發射光束。舉例而言，影像處理單元26可以獨立地根 據用於三顏色的光點位置之偏移量，調整光源11a、11b、11c的發光時機。因此，可以在螢幕Sc上形成不具色彩偏移的影像。
此外，因為例如組裝誤差及條件誤差、構件及元件差異、以及因為溫度的變化或暫時變化等光源11a、11b、11c以及光學路徑合併單元16的不同因素，而產生這些色彩偏移。因此，較佳地，當影像處理單元26或等效處理單元適當時，色彩偏移的校正量是可改變的。舉例而言，藉由設置校正操作單元(未顯示)，可以根據從校正操作單元的輸入，調整校正量。因此，投影機1B可以形成具有很小色彩偏移的彩色影像。
(第四實施例)
接著，參考圖11，說明根據第一至第三實施例中的任一實施例，說明具有投影機1的汽車抬頭式顯示裝置。
車輛用抬頭式顯示裝置30(汽車抬頭式顯示裝置30)設於汽車內，且主要包括投影機31及反射來自投影機31的擋風玻璃。
投影機31是根據第一及第三實施例中的任一投影機1，其將影像投射至光軸方向上的預定位置。投影機31配置成其光軸(光源11或光源11a至11c的發光方向)被引導至擋風玻璃32且擋風玻璃32將光朝向駕駛人33的頭部之方向反射。
未塗著的擋風玻璃32具有如同玻璃反射率般之約數%的反射率，以便能夠將光反射至足以投射影像。由於其 包含部份反射面32a以反射來自光源11(11a至11c)的光束以及顯示增進的反射率，所以，投影機31可以以更低的光源亮度來形成影像。為了增進反射率，藉由塗著或汽相沈積，部份反射表面32a可以包含薄金屬膜、介電多層等等。或者，部份反射面32a可以包含微結構，微結構係藉由塗著樹脂於標的區域及以已知技術來壓印所述區域而形成的。此外，微結構可以直接地形成於擋風玻璃的模中。較佳地，將部份反射面32a配置成有效率地僅反射具有特定波長的光束，特別是當光源如上所述般為發射相當小頻帶的單色光之雷射或LED時。這能夠增強投射的影像的對比及可觀視度。此外，以雷射用於光源，能夠增加設計具有極化選擇特徵之層及微結構的自由度。部份反射面32a可以使週圍光透射及將來自光源11的光束反射至駕駛座上的駕駛人33的眼睛。
部份反射面32a設於汽車內，以致於可以保護上述層或微結構免於風或雨刷的摩擦。此外，在與部份反射面32a對應的位置上，於擋風玻璃的外表面上設置抗反射層，能夠抑制來自外面的反射，防止形成重疊影像以及增進投射影像的品質。
藉由驅動投影機31，光束發射至部份反射面32a及被其反射至駕駛人33的眼睛。此時，虛影像Vi形成於擋風玻璃32前方。駕駛人33看見部份反射面32a投影之虛影像Vi。
第四實施例說明車輛用抬頭式顯示裝置30(汽車抬 頭式顯示裝置30)(圖11)的實施例，其藉由部份反射面32a以反射來自投影機31的光束，以將影像投射於作為虛投影平面之擋風玻璃的前方上。但是，本發明不限於此配置。只要將根據第一至第三實施例中任一實施例的投影機併入，抬頭式顯示裝置可以以任意方式配置。舉例而言，其可以配置成投影機31將影像投射於設置在儀錶板上方的螢幕(螢幕Sc)，以及，駕駛人33經由部份反射面32a看見投射的影像。在此情形中，在擋風玻璃32的前方看見投射於螢幕上的影像之虛影像。另一實施例是影像直接投射於擋風玻璃32的部份反射面32a上。
此外，根據車輛用抬頭式顯示裝置30(汽車抬頭式顯示裝置30)，投影機31可為根據下述第五實施例之投影機1C以及根據根據第一至第三實施例中任一實施例之投影機。
(第五實施例)
接著，參考圖23，說明根據第五實施例之投影機1C。投影機1C包分光器，以允許鏡部上的光的入射角φ(請參見第一實施例的修改)幾乎為零。投影機1C基本上與第二實施例中的投影機1A相同，以致於相同的元件及功能以相同代號表示並省略其說明。注意，為簡明起見，圖23省略顯示控制單元20(控制單元203)。
投影機1C包含光學掃描系統10C，光學掃描系統10C包括位於光偏轉器13與偏轉角轉換元件14之間的分光器50及聚焦透鏡51。在光學掃描系統10C中，光源11a發射中心波長為640nm之線性極化發散光，光源11b發射中心波長為530nm之線性極化發散光，光源11c發射中心波長為450nm之線性極化發散光。這些發散光分別由發散光轉換元件12a、12b、12c轉換成實質平行光，且它們透射過光學路徑合倂單元16a、16b以及被導引至分光器50。
分光器50包括稜鏡，稜鏡包含極化分離膜50a及相位板52。極化分離膜50a用於極化分離且被設定為反射來自光學路徑合倂單元16a、16b之中心波長640、530、450nm的線性極化平行光。相位板由平面λ/4板製成以助於極化分離膜50a的極化分離。分光器50的稜鏡由具有高折射率的玻璃材料製成；因此，其允許光偏轉器13偏轉的光束以固定角入射至極化分離膜50a。
在第五實施例中，由SCHOTT AG製造的玻璃材料SF11(折射率n640 =1.777781、n530 =1.795226、n450 =1.819054)用於分光器50的稜鏡。包含相位板52的分光器50形成為邊長4mm的正方體。極化分離膜50a相對於相位板52傾斜45度，且其具有與分光器50相同的折射率。分光器50配置成極化分離膜50a反射與相位板52的垂直線一致的方向上來自光學路徑合倂單元16a、16b之線性極化平行光。由極化分離膜50a反射的平行光由相位板52收歛成圓形極化光。在經過收歛的平行光之行進方向上，設置聚焦透鏡51。
聚焦透鏡51的透鏡面具有第一實施例中的公式(1)表示的非球形且其中心厚度為1.8mm。聚焦透鏡51使圓形極化平行光成為圓形極化收歛光。光偏轉器13設於圓形極化收歛光的行進方向上以面對聚焦透鏡。圓形極化光由以預定角度旋轉的鏡部13c偏轉而再度入射至聚焦透鏡15，以及，入射於相位板52上及分光器50上。經由相位板12，圓形極化收歛光被轉換成線性極化光，其相位相對於極化分離膜50a反射的的線性極化平行光的相位為旋轉90度。藉此，入射的收歛光再度透射過極化分離膜50a。偏轉角轉換元件14設於收歛光的行進方向上且具有xy多項式非球狀，所述非球狀為任意形態、旋轉非對稱面，由下述正交座標系統中的公式(3)表示，其中，從光偏轉器13至偏轉角轉換元件14的光軸方向為+Z軸方向。中心厚度為2mm。
其中，SQRT(Q)代表Q的平方根，z代表與Z軸平行的平面的下沈，c代表近軸曲率(c=1/r，其中，r為曲率半徑)，k為二次曲線常數，Cj為xm yn (Cl=K)的係數。
聚焦透鏡51包含面對光偏轉器13的第一面51a以及面對分光器50的第二面51b(相位板52)。關於第一及第二面51a、51b的資料顯示於下述表11中。而且，偏轉角轉換元件14包含面對分光器50的第一面14a及在相反側上的第二面14b。關於第一及第二面14a、14b的資料顯示於下述表12中。在表11、12中，「E-0n」表示10-n 。
在第五實施例中，聚焦透鏡51及偏轉角轉換元件14由SCHOTT AG製造的玻璃材料(折射率n640 =1.514846、n530 =1.519584、n450 =1.525320)製成。光軸上分光器50與聚焦透鏡51之間的距離為0.2mm，而聚焦透鏡51與光偏轉器13(鏡部13c)之間的距離為0.5mm，分光器50與偏轉角轉換元件14之間的距離為1.5mm。慮及投影機的尺寸縮小，發散光轉換元件12及分光器50應較佳地配置為彼此接近。
將參考圖24，說明光學掃描系統10C’以與光學掃描系統10C相比較，圖24中，為了簡明起見，也省略顯示控制單元20(控制單元203)。光學掃描系統10C與光學掃描系統10C’相同，但是，其未包含分光器50及聚焦透鏡51與偏轉角轉換元件14之間的距離為2.2mm除外。這是為了適當地窄化光尺寸而無分光器50。此外，反射面50b具有與極化分離膜50a等同的極化分離，以及，設置光學掃描系統10C的相位板52。
圖23、24中的光學掃描系統10C、10C’均設計成將光束聚焦於離偏轉角轉換元件14的第二面205mm位置處。圖25A、25B顯示當光學掃描系統10C、10C’的光偏轉器13分別以5度圍繞x軸旋轉時影像平面上的光點圖。
在圖25A中，光學掃描系統10C幾乎在相同位置形成三顏色(R、G、B)的光點，而光學掃描系統10C’在不同位置形成三顏色。因此，包含分光器50光學掃描系統10C可以校正色差。
偏轉角轉換元件14是具有負放大率的透鏡且將來自傾斜的光偏轉器13的光折射成為發散的(以離開光軸的方向發射)。其將具有更短波長的入射光折射更大。在光學掃描系統10C’中這是顯著的。相反地，在包含分光器50的光學掃描系統10C中，分光器50根據波長而將入射光束分光，以及，在接近光軸的方向上，發射具有更短波長的光束。
如上所述，由於將具有不同波長的光束的折射率差列入考慮而設定分光器50及偏轉角轉換元件14的特徵，所以，光學掃描系統10C可以降低色差。
藉由使用分光器50，在光學掃描系統10C中，能夠將鏡部13c上的光的入射角φ設定為零，以致於其可以免於導因於入射角之影像變形。
接著，參考圖26，說明第五實施例中投影機1的修改之投影機1Ct。在投影機1Ct中，偏轉角轉換元件14t5包括複數個(在本實施例中為二個)由彼此不同的玻璃材料製成的透鏡。投影機1Ct的結構基本上與第五實施例中的投影機1C的結構相同，以致於相同的元件與功能由相同的代號表示，並省略其詳細說明。注意，為了簡明起見，圖26省略顯示控制單元20(控制單元203)。
偏轉角轉換元件14t5包含第一透鏡14A及第二透鏡14B。第一透鏡14A由HOYA公司製造的玻璃材料LaF2(折射率n640 =1.740080、n530 =1.749756、n450 =1.762083)製成。第一透鏡14A包含面對分光器50t5的非球形第一面14Aa及球形第二面14Ab。關於第一及第二面的資料顯示於下述表13中。
第二透鏡14B由SCHOTT AG製造之上述玻璃材料SF11製成。第二透鏡14B包含面對第一透鏡14A的球形第一面14Ba及非球形第二面14Bb。關於第一及第二面的資料顯示於下述表14中。
在投影機1Ct中，分光器50t5與聚焦透鏡51t5的光學資料及尺寸與第五實施例中投影機1C中的不同。
分光器50t5包括由SCHOT AG製造之玻璃材料SF11製成的邊長5mm的正立方體稜鏡以及厚度0.5mm的相位板52t5。相位板52t5具有折射率n640 =1.515、n530 =1.520、n450 =1.525。
聚焦透鏡51t5由上述SCHOTT AG製造的玻璃材料BK7製成且具有由第一實施例中的公式(1)表示的非球形。中央厚度為1.8mm。聚焦透鏡51t5包含面對光偏轉器13之第一面51ta以及面對分光器50t5之第二面51tb。關於第一及第二面的資料顯示於下述表15中。在表15中，「E-0n」表示10-n 。
圖27A顯示當光學掃描系統10Ct中光偏轉器13處於參考位置(靜止位置，旋轉角=0，搖擺角=0)時影像平面上的光點圖，而圖27B顯示當光偏轉器13圍繞軸之一以15度(搖擺角=15度)旋轉時影像平面上的光點圖。
在圖27A中，當光偏轉器13未旋轉時R、G、B色的光點位置幾乎彼此一致，以及，在圖27B中，它們是在接近影像平面的中心之很小區域中。從圖27A、27B可見，藉由使用包括由不同玻璃材料製成的第一及第二透鏡14A、14B之偏轉角轉換元件14t5，光學掃描系統10Ct可以降低色差。較佳地，將分光器50t5或其它光學元件列入考慮，最佳化地選擇或設定第一及第二透鏡14A、14B的玻璃材料或光學資料。此外，雖然未顯示於圖式中，但是，當光偏轉器13以15度(偏轉角θ=30度)旋轉時，通過偏轉角轉換元件14t5的光束的掃描角α約為45度。因此，確認偏轉角轉換元件14t5具有偏轉角轉換(放大)功能。
[第六實施例]
將參考圖28A、28B，說明具有根據第一至第三及第五實施例之一實施例的投影機之行動電話40。圖28是側視圖，顯示例如平面上的行動電話40，而圖28B顯示從箭頭A觀視之圖28A的行動電話40。
根據第六實施例之行動電話40包括具有操作鍵部41a的電話本體41、包含未顯示的螢幕顯示器之蓋部42、以及可旋轉地連接電話本體41與蓋部42之軸43。雖然圖式中未顯示，但是，行動電話40具有可折(關閉)狀態，其中，電話本體41及蓋部42以預定角度彼此相離。
在行動電話40中，蓋部42包含投影機44，投影機44包括根據本發明的投影機以及將影像投射至光軸方向上的預定位置。在本實施例中，投影機44配置成將影像46投射於平面45上，在平面45上，設置有開啟狀態的行動電話40(蓋部42垂直於電話本體41)。
光軸方向Lb(光源11或光源11a至11c的發光方向)相對於平面45傾斜，以致於光被從立於平面45上之蓋部42的頂表面42a導引至平面45。
由於光軸Lb與平面45傾斜45度，所以，以同於上述實施例的方式，由投影機44投射於平面45上的影像可能具有不規則變形(圖28B中由鏈雙虛線表示的46’)。可以如下述般校正不規則變形。
行動電話40的尺寸及行動電話40中的投影機44的位置是預定的。因此，可以根據行動電話40的投影模式及行動電話40與投影平面之間的位置關係，決定從投影機44(上述實施例中的偏轉角轉換元件)的發光點至投影平面之距離或它們的位置。在本實施例中，根據從投影機44的發光點至平面45之距離、相對於平面45之光軸的入射(投影)角、及平面45上的電話本體41的位置，決定要投射於平面45上的影像的位置。因此，能夠預先知道相對於適當的長方形影像46，影像於平面45上不規則地變形多少。在行動電話40中，校正根據影像資料之光點位置以根據原始影像資料來形成適當的長方形影像。以同於第三實施例中的方式，執行行動電話中的變形校正，因而省略其詳細說明。
在行動電話40的投影模式中，以預定方式(在本實施例中為開啟狀態)置放電話本體41，以將影像投射至所需地點(平面45)。行動電話40根據來自光源11(11a至11c)的光束，將影像46投射於平面45上。藉由倂入根據本發明的可以執行近距離範圍投影之投影機，行動電話40可以將大影像投射於平面45上，舉例而言，在離偏轉角轉換元件14約240mm的範圍內投射A4尺寸的影像。藉由使用目前流行的平均尺寸的行動電話作為行動電話40，非常容易將光軸方向上投影機44的發光點至平面45之距離(或者，從發光點至投射的影像之最大距離)設定在約240mm或更多。因此，行動電話40可以將至少約A4尺寸之良好的大影像投射於平面45上而無不規則變形。如此，行動電話40可以提供很有用的投影機功能，以將約A4尺寸的影像投射於其所處的例如桌子上。
此外，歸功於光軸方向Lb相對於平面45傾斜，以行動電話40的投影機44可以增進非常近距離範圍的大投射影像之可觀視力。這是因為藉由相對於平面45傾斜的光軸方向Lb，當觀看者觀看投射的影像時，行動電話40可以置於觀看者的視野以外的位置。然而，藉由垂直或幾乎垂直於投射平面之光軸方向Lb，行動電話40會阻礙觀看者的視野。
在根據第六實施例的行動電話40中，電話本體41處於用於投射影像於平面45上之開啟狀態，但是，只要投影機功能可以在用於所需投影平面之預定狀態下執行，本發明即不限於此。行動電話的投影平面不須為其所處的平面，舉例而言，其可以為懸掛在壁上的螢幕。而且，在此情形中，即使在很近距離投射範圍內，仍然能夠投射大尺寸影像。
如同上述實施例所述般，在根據本發明的光學掃描系統中，偏轉角轉換元件具有負放大率，以將光偏轉器偏轉的光束的偏轉角轉換成大掃描角。因此，即使藉由使用具有小振幅的可旋轉鏡，不論振幅的上限為何，仍然能夠以光束寬廣地掃描，以及，在近距離範圍內投射影像。
此外，偏轉角轉換元件可以由單一透鏡製成，以致於更容易縮小以高角度場掃描之光學掃描系統的尺寸，有助於縮小倂有光學掃描系統之投影機的尺寸。
此外，偏轉角轉換元件包括複數個由不同玻璃材料製成的透鏡。這能夠藉由使用複數個光源而降低所形成的彩色影像的色差，以及，提供可以形成高品質影像而無色差之投影機。
光偏轉器包括彼此整合成一體的第一偏轉器部及第一偏轉器部。這能夠縮小光偏轉器的尺寸，導致整體光學掃描系統的尺寸縮小。
此外，光偏轉器13包含可由第一及第二偏轉器部旋轉之鏡部，以及，通過發散光轉換元件之光束的入射角相對於鏡部的法線設定為45度或更少。這可以降低導因於入射角的量值之影像變形。
此外，光學掃描系統包含可旋轉的鏡部及分光器，以致於其可以降低使用複數個光源形成的彩色影像的色差，以及產生不因入射角的量值而變形的影像。因此，能夠提供可以形成高品質而無色彩偏移的彩色影像之投影機。
此外，根據本發明，光偏轉器的偏轉角愈大，則掃描角愈大。因此，即使藉由使用具有小振幅之可旋轉的鏡部，不論振幅的上限為何，仍然能夠以光束寬廣地掃描，以及，可以在很近距離範圍內投射影像。也能夠將固定的掃描速度維持更長的時間，以校正影像變形及亮度不均勻。
此外，根據本發明，發散光轉換元件及偏轉角轉換元件均包含圍繞光軸旋轉對稱的透鏡面。由於其製造誤差及組裝誤差可以設定為大值，所以，這利於發散光轉換元件及偏轉角轉換元件的加工及組裝。
此外，偏轉角轉換元件可以是旋轉非對稱的透鏡，以致於其有助於降低以傾斜光軸投影的投影平面上的影像變形或失真。也能夠增進例如光點尺寸及光點強度等光點的品質。
根據本發明，偏轉角轉換元件包含至少一非球面。因此，其可以以較大的掃描角發射光束而不會放大投影平面上的光點尺寸。
根據本發明，具有上述尺寸縮小的光學掃描系統之投影機可以在很近距離範圍內投射具有小變形的大影像。其可以控制光源的發光時機或光量，以及，以小的不規則變形、小的彩色偏移、及小的亮度不均勻但不降低影像解析度，將良好影像投射於投影平面上。
此外，根據本發明，具有上述尺寸縮小的投影機之汽車抬頭式顯示裝置可以在很短的距離範圍內形成大的影像，以及，提供具有高可觀視度之良好影像給駕駛人。
此外，尺寸縮小的汽車抬頭式投影機可以執行近距離範圍的投影，以致於其可以置於汽車的不同區域中。
根據本發明，具有上述投影機的行動電話可以在很近距離範圍內投射良好的大影像而不會增加其尺寸，以及將它們以高的可觀視度提供給使用者。
雖然以舉例說明的實施例來說明本發明，但是，其不限於此。應瞭解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之本發明的範圍之下，習於此技藝者可以對所述的實施例執行變異。
1．．．投影機
1A．．．投影機
1B．．．投影機
1C．．．投影機
1t．．．投影機
1At．．．投影機
10．．．光學掃描系統
10A．．．光學掃描系統
10C．．．光學掃描系統
10t．．．光學掃描系統
10At．．．光學掃描系統
11．．．光源
11a．．．光源
11b．．．光源
11c．．．光源
11ta．．．半導體雷射晶片
11tb．．．半導體雷射晶片
11tc．．．遮蓋玻璃
11td．．．遮蓋玻璃
11At．．．光源
11AT1．．．第一光源
11AT2．．．第二光源
12．．．發散光轉換元件
12a．．．發散光轉換元件
12b．．．發散光轉換元件
12c．．．發散光轉換元件
12t．．．發散光轉換元件
12ta．．．第一面
12tb．．．第二面
12tc．．．光軸
12td．．．光軸
12te．．．第一面
12tf．．．第二面
12tg．．．光軸
12ta1．．．第一透鏡面
12ta2．．．第二透鏡面
12Atb．．．第二面
12At1．．．第一發散光轉換元件
12At2．．．第二發散光轉換元件
13．．．光偏轉器
13a．．．長方形外框
13b．．．長方形內框
13c．．．鏡部
13d．．．支撐軸
13e．．．支撐軸
13f．．．中心位置
14．．．偏轉角轉換元件
14a．．．入射面
14b．．．離去面
14t．．．偏轉角轉換元件
14ta．．．第一面
14tb．．．第二面
14tc．．．軸
14t5．．．偏轉角轉換元件
14A．．．第一透鏡
14B．．．第二透鏡
15．．．聚焦透鏡
16．．．光學路徑合倂單元
16a．．．光學路徑合倂單元
16b．．．光學路徑合倂單元
16At．．．光學路徑合倂單元
16ta．．．第一面
16tb．．．第二面
20．．．控制單元
21．．．光偏轉器控制單元
22．．．發光量控制單元
24‧‧‧反射元件
25‧‧‧反射元件
28‧‧‧光接收元件
30‧‧‧車輛用抬頭式顯示裝置(汽車抬頭式顯示裝置)
31‧‧‧投影機
32‧‧‧擋風玻璃
32a‧‧‧部份反射面
33‧‧‧駕駛人
40‧‧‧行動電話
41‧‧‧電話本體
41a‧‧‧操作鍵部
42‧‧‧蓋部
42a‧‧‧頂表面
43‧‧‧軸
44‧‧‧投影機
45‧‧‧平面
46‧‧‧長方形影
50‧‧‧分光器
50a‧‧‧極化分離膜
50t5‧‧‧分光器
51‧‧‧聚焦透鏡
51a‧‧‧第一面
51b‧‧‧第二面
51ta‧‧‧第一面
51tb‧‧‧第二面
51t5‧‧‧聚焦透鏡
52‧‧‧相位板
52t5‧‧‧相位板
70‧‧‧聚焦透鏡
70a‧‧‧第一面
70b‧‧‧第二面
70c‧‧‧軸
71‧‧‧光接收元件
72‧‧‧孔徑元件
203‧‧‧控制單元
231‧‧‧長方形
232‧‧‧長方形
圖1顯示根據本發明的第一實施例之投影機的結構。
圖2顯示光偏轉器的結構。
圖3A顯示延著參考光軸Lb的收歛光，以及，圖3B顯示當收歛光透射過偏轉角轉換元件時相對於參考光軸Lb具有傾斜角(偏轉角θ)之收歛光。
圖4A至4C顯示具有及不具有偏轉角轉換元件之測量值，圖4A顯示掃描角(偏轉角)的變化，圖4B顯示掃描速度的變化，圖4C顯示藉由歸一化最大值而從圖4B取得的掃描速度的變化。
圖5A顯示入射面上的下沈量及下沈量變化相對於離偏轉角轉換元件的光軸之半徑，圖5B顯示離去面上的下沈量及下沈量變化相對於離偏轉角轉換元件的光軸之半徑。
圖6顯示具有不同於圖1中的反射構件之投影機。
圖7顯示具有不同於圖1及6中的反射構件之投影機。
圖8顯示根據第二實施例之投影機。
圖9顯示根據第三實施例之投影機。
圖10顯示投影平面上的彩色影變之劣化及用於其的校正。
圖11顯示根據第四實施例之汽車抬頭式顯示裝置。
圖12顯示鏡部上的光束大小與發散光轉換元件之間的關係。
圖13顯示藉由使用最佳化設計光學系統(光學掃描系統)而模擬地取得的光學路徑。
圖14顯示根據第一實施例之投影機的修改的光學掃描系統的結構。
圖15A至15F分別顯示在入射角φ為0、15、30、45、60、及75度時藉由修改投影機而形成之螢幕上的光點。
圖16顯示圖15A至15F中的光點如何形成。
圖17顯示根據第二實施例之投影機的修改的光學掃描系統的結構。
圖18是根據第二實施例之投影機(光學掃描系統)的修改的第一發散光轉換元件的剖面視圖。
圖19是根據第二實施例之投影機(光學掃描系統)的修改的第二發散光轉換元件的剖面視圖。
圖20是根據第二實施例之投影機(光學掃描系統)的修改的光學路徑結合器單元的剖面視圖。
圖21是根據第二實施例之投影機(光學掃描系統)的修改的聚焦透鏡的剖面視圖。
圖22是根據第二實施例之投影機(光學掃描系統)的修改之偏轉角轉換元件的剖面視圖。
圖23顯示根據第五實施例之投影機的結構。
圖24顯示另一光學掃描系統，用於與根據第五實施例之投影機的光學掃描系統比較。
圖25A、25B分別顯示當光偏轉器由根據第五實施例之光學掃描系統及由圖24中的光學掃描系統圍繞X軸旋轉5度時影像平面上的光點。
圖26顯示根據第五實施例之投影機的修改的光學掃描系統的結構。
圖27A是根據第五實施例之光學掃描系統的修改中當光偏轉器在旋轉0度(振幅=0)的參考位置(靜止位置)時影像平面上的光點圖，圖27B是根據第五實施例之光學掃描系統的修改中當光偏轉器旋轉15度(振幅=15度)時影像平面上的光點圖。
圖28A是根據第六實施例之平面上的行動電話的側視圖，圖28B顯示從箭頭A觀視之圖28A中的行動電話。
圖29顯示具有投影機的行動電話的實施例。
1．．．投影機
10．．．光學掃描系統
11．．．光源
12．．．發散光轉換元件
13．．．光偏轉器
13c．．．鏡部
14．．．偏轉角轉換元件
14a．．．入射面
14b．．．離去面
20．．．控制單元
21．．．光偏轉器控制單元
22．．．發光量控制單元
Lb．．．參考光軸
Lc．．．輸出發光控制訊號
Mp．．．鏡位置訊號
P．．．光束
Q1、Q1’、Q2、Q2’．．．頂點
S．．．光點
Sc．．．螢幕
Wc．．．輸出旋轉控制訊號

Claims (15)

  1. 一種光學掃描系統，包括：第一發散光轉換元件(12ta1)，具有正放大率以將來自第一光源(11ta)的發散光轉換成收歛光，以在投影平面(Sc)上形成光點，該第一光源(11ta)發射第一色光；第二發散光轉換元件(12ta2)，具有正放大率以將來自第二光源(11tb)的發散光轉換成收歛光，以在投影平面(Sc)上形成光點，該第二光源(11tb)發射第二色光；第三發散光轉換元件(12At2)，具有正放大率以將來自第三光源(11te)的發散光轉換成收歛光，以在投影平面(Sc)上形成光點，該第三光源(11te)發射第三色光；光學路徑合併單元(16At)，其將入射的來自該第一發散光轉換元件(12ta1)的光和來自該第二發散光轉換元件(12ta2)的光和來自該第三發散光轉換元件(12At2)的光分別向第一方向和第二方向出射；光偏轉器(13)，其設置於該第一方向的光路上，在第一掃描方向及與該第一掃描方向正交的第二掃描方向上，將該光學路徑合併單元(16At)向第一方向出射的光偏轉；偏轉角轉換元件(14)，具有負放大率，以轉換該光偏轉器(13)偏轉的光的偏轉角；以及光接收元件(71)，其設置於該第二方向的光路上，並接收該光學路徑合併單元(16At)向第二方向出射的光，並且輸出根據所接收的光束量生成之接收訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該 光接收元件(71)根據所接收的光束量生成之接收訊號輸出給外部控制裝置(20)，使該外部控制裝置(20)根據該接收訊號控制該第一光源(11ta)、該第二光源(11tb)及該第三光源(11te)之發光。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該光學路徑合併單元(16At)具有相對的第一面(16ta)及第二面(16tb)，該光學路徑合併單元(16At)配置為，來自該第一發散光轉換元件(12ta1)的光及來自該第二發散光轉換元件(12ta2)的光由該第一面(16ta)入射，並且來自該第三發散光轉換元件(12At2)的光由該第二面(16tb)入射，該第一發散光轉換元件(12ta1)的光軸與該第二發散光轉換元件(12ta2)的光軸相互平行，該第一面(16ta)之法線與該第二面(16tb)之法線位於同一平面中，該光學路徑合併單元(16At)為沿著該相同平面之剖面呈楔狀之稜鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該偏轉角轉換元件(14)由單一透鏡製成。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該偏轉角轉換元件(14)由複數個由不同玻璃材料形成的透鏡製成。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該光偏轉器(13)包括第一偏轉器部(13a)及第二偏轉器部(13b)，該第一偏轉器部(13a)將該第一掃描方向上來自該光學路徑合併單元(16At)的光偏轉，該第二偏轉器部(13b)將 該第二掃描方向上來自該光學路徑合併單元(16At)的光偏轉；以及該第一及該第二偏轉器部(13a,13b)是一體地形成。
  7. 如申請專利範圍第6項之光學掃描系統，其中，該光偏轉器(13)包含可由該第一及該第二偏轉器部(13a、13b)旋轉的鏡部(13c)；以及，相對於該鏡部(13c)的法線方向，從該光學路徑合併單元(16At)出射的光的入射角在該第一及該第二掃描方向上設定為45度或更少。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學掃描系統，其中，該光偏轉器(13)包括光學振盪元件，在該第一及該第二掃描方向上圍繞支撐軸往復地移動；以及，其中，當該光學振盪元件在參考位置時參考光軸是由該光學振盪元件偏轉的光的行進方向，偏轉角θ 是相對於該參考光軸之由該光偏轉器偏轉之行進光的角度，以及，掃描角α 是相對於該參考光軸之由該偏轉角轉換元件轉換的行進光的角度，該偏轉角轉換元件將該參考光軸(Lb)上通過的入射光的偏轉角轉換成滿足θ =α ，以及，將未於該參考光軸(Lb)上通過的入射光的偏轉角轉換成滿足θ <α 。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該第一發散光轉換元件(12ta1)、該第二發散光轉換元件(12ta2)、該第三發散光轉換元件(12At2)及該偏轉角轉換元件均具有旋轉對稱透鏡。
  10. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該偏轉角轉換元件(14)是旋轉對稱透鏡面。
  11. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，該偏轉角轉換元件(14)的至少一面形成為非球狀。
  12. 如申請專利範圍第1項之光學掃描系統，其中，從該光偏轉器(13)至該偏轉角轉換元件(14)之光軸方向相對於投影平面傾斜，該投影平面係以由該光偏轉器(13)在該第一及該第二掃描方向上偏轉並經由該偏轉角轉換元件(14)發射的光而被二維地掃描。
  13. 一種投影機(1)，包括：如申請專利範圍第1項之光學掃描系統(10At)；以及，控制單元(20)，控制該光學掃描系統(10At)，其中，該控制單元(20)包括：光源控制電路(22)，控制該第一光源(11ta)、該第二光源(11tb)及該第三光源(11te)的光發射；偏轉角控制電路(21)，控制該光偏轉器(13)的偏轉角；以及，影像處理單元(26)，適當地校正取得的影像資料及將經過校正的影像資料輸出至該偏轉角控制電路(21)以及該光源控制電路(22)。
  14. 一種汽車抬頭式顯示裝置(30)，包括如申請專利範圍第13項之投影機(1)。
  15. 一種行動電話(40)，包括如申請專利範圍第13項之投影機(1)。
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