CN103597399B - 图像显示装置 - Google Patents

Abstract

提供不使装置大型化就能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。该图像显示装置具备：光扫描部，其使从光源射出的光借助于该光的反射面的往复的旋转运动在像面的第一方向和第二方向上扫描；光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，其中，该光学系统在光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在像面一侧具有自由曲面反射镜。第一方向的长度比第二方向的长度长，配置自由曲面反射镜以使所述第一方向与第一平面大致平行，所述第一平面由当光扫描部静止在扫描范围的中央时的自由曲面反射镜的入射光线和反射光线定义。

Description

图像显示装置

技术领域

本发明涉及图像显示装置。

背景技术

近年来，提出了安装光扫描装置并利用该装置使激光在像面（例如屏幕）上扫描来绘制图像的图像显示装置（参考专利文献1、2），其中上述光扫描装置使按照图像信号进行光强度调制（以下称为调制）后的激光在二维方向上扫描。

已有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-139687号公报

专利文献2：日本特开2006-178346号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

根据专利文献1，存在像面上的扫描坐标的移动轨迹为正弦波状导致线性不佳的问题。此外，根据专利文献2，存在反射镜前后的间隔需要保持较大、光学系统整体大型化的问题。

因此，本发明的目的为提供不使装置大型化也能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。

用于解决技术问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明期望的方式之一如下所述。该图像显示装置配备：光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和第二方向上扫描；和光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，其中，所述光学系统在所述光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在所述像面一侧具有自由曲面反射镜。

发明的效果

通过本发明，能够提供不使装置大型化就能够具有线性良好的扫描特性的图像显示装置。

附图说明

图1是包含图像显示装置的系统图。

图2是从上方观察图1的系统的图。

图3是实施例1的光线图。

图4是实施例1的另一光线图。

图5是实施例1的自由曲面透镜的详细视图。

图6是实施例1的三维光线图。

图7是表示实施例1的透镜数据的图。

图8是表示实施例1的自由曲面系数的公式与具体值的图。

图9是实施例1的失真性能图。

图10是表示实施例1的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。

图11是表示实施例1的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。

图12是表示主光线的坐标所存在的光线范围的图。

图13是表示长边方向的截面上的光线图。

图14是表示短边方向上的自由曲面透镜以及反射镜的形状的图。

图15是实施例2的光线图。

图16是实施例2的另一光线图。

图17是实施例2的自由曲面透镜的详细视图。

图18是表示实施例2的透镜数据的图。

图19表示实施例2的自由曲面系数的具体值的图。

图20是实施例2的失真性能图。

图21是实施例3的光线图。

图22是实施例3的另一光线图。

图23是实施例3的自由曲面透镜的详细视图。

图24是表示实施例3的透镜数据的图。

图25表示实施例3的自由曲面系数的具体值的图。

图26是实施例3的失真性能图。

图27是实施例4的光线图。

图28是实施例4的光线图。

图29是实施例4的光线图。

图30是实施例4的光线图。

图31是实施例4的光线图。

图32是实施例4的光线图。

图33是实施例4的光线图。

图34是用于说明实施例4的原理的图。

图35是表示像面上的扫描的图。

图36是使用半导体激光器作为光源的图。

图37是用于说明实施例4的原理的图。

图38是表示像面上的扫描的图。

图39是表示像面上的扫描的图。

图40是表示像面上的扫描的图。

图41是表示具有发光光谱的光的一例的图。

图42是用表来表示图41的激光的性质的图。

图43是用xy值表示图41的激光的性质的图。

图44是表示具有发光光谱的光的一例的图。

图45是用表来表示图44的激光的性质的图。

图46是用xy值表示图44的激光的性质的图。

图47是表示配置了多台图像显示装置的状况的图。

图48是表示自由曲面反射镜反射面的模具加工的加工顺序的图。

图49是表示自由曲面反射镜反射面的模具加工的加工顺序的图。

图50是表示自由曲面反射镜反射面的模具加工的加工顺序的图。

图51是表示自由曲面反射镜反射面的模具加工的加工顺序的图。

图52是表示自由曲面反射镜反射面的模具加工的加工顺序的图。

图53是自由曲面反射镜模具的镜面加工机的示意图。

图54是表示自由曲面反射镜模具的镜面加工法的示意图。

图55是表示自由曲面反射镜模具的镜面粗糙度的图。

图56是表示自由曲面反射镜模具的镜面粗糙度的图。

图57是表示自由曲面反射镜模具的镜面粗糙度的图。

图58是表示自由曲面反射镜模具的镜面粗糙度的图。

图59是包括现有的图像显示装置的系统图。

图60是光扫描部的放大图。

图61是以往的旋转角与扫描位置的关系图。

图62是以往的相位导致的偏转角的变化图。

图63是表示以往的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。

图64是表示以往的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。

图65是表示显示像素与水平扫描频率的关系的图。

具体实施方式

为了与本实施例比较，以下首先针对以往技术进行说明。图59是包含以往的图像显示装置的系统图。

图像显示装置10’的光扫描部1通过具有旋转轴的反射镜反射来自光源4的激光，并使其在像面（屏幕）20上扫描。沿着扫描轨迹202’二维地扫描各像素201’。

图60是光扫描部的放大图。光扫描部1由使激光按反射角度偏转的反射镜1a、与反射镜1a连结的第一扭簧1b、与第一扭簧1b连结的保持部件1c、与保持部件1c连结的第二扭簧1d、以及未图示的永磁铁和线圈所构成。

线圈以大致平行于反射镜1a的方式形成，在反射镜1a为静止状态时，产生与反射镜1a大致平行的磁场。当使电流流过线圈时，根据弗莱明左手定律，产生与反射镜1a大致垂直的洛伦兹力。

反射镜1a旋转到洛伦兹力与扭簧1b和1d的恢复力相平衡的位置。通过按照反射镜1a所具有的共振频率向线圈提供交流电流，反射镜1a进行共振动作，扭簧1b旋转。或者，通过按照使反射镜1a与保持部件1c一起的共振频率向线圈提供交流电流，反射镜1a、扭簧1b和保持部件1c进行共振动作，扭簧1d旋转。这样在两个方向上实现了基于不同共振频率的共振动作。此外，作为基于共振频率的共振动作，也可以采用并非共振动作的、正弦波状的驱动。

图61是以往的旋转角度与扫描位置的关系图。若令光扫描部1的旋转角度为β/2，则作为反射光线角度的扫描角度为β。在此，在光扫描部1与像面20之间未配置任何光学元件的情况下，扫描角度β与像面20上的入射角α相等。因此，相对于一定投影距离的扫描像的大小由旋转角β/2决定。

图62为以往的反射镜面的偏转角的变化图。偏转角θ在±β/2的范围中以正弦波状变化。

图63是表示以往的像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。图64是表示以往的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。图63呈与图64相似的正弦波状。

在此展示使用旋转角度为±5.3度的光扫描部1的情况下的例子。即，扫描角度为±10.6度，像面上的入射角也为±10.6度。

此外，光扫描部1的驱动方式除了成正弦波状的旋转角度变化的共振型反射镜外，还存在呈锯齿波状的旋转角度变化的电控光束扫描镜（Galvano mirror），而驱动频率较高的共振型反射镜适合高分辨率的图像显示。

在此，与电视的扫描线对应的二维扫描中，在垂直方向上进行一次往返扫描的期间，在水平方向上进行垂直方向的像素数量的次数的扫描。这样进行一次扫描线的扫描。例如，为了以垂直频率60Hz进行水平800像素、垂直600像素的显示，需要300次往返，需要能够以60×300＝18000Hz这样高速的频率驱动。而且，显示的分辨率（像素数）越大，需要以越高的频率驱动。

图65是表示显示像素与水平扫描频率（水平扫描次数）的关系的图。对应水平1920像素、垂直1080像素的HD需要38.9kHz，需要进一步高速化。

另一方面，为了在一定的投影距离实现较大的扫描像，需要增大光扫描部1的旋转角度。

如果更高速地以大旋转角度驱动光扫描部1，则作为可动部分的机构部件的扭簧1b、1d的负担增大。因此，共振型反射镜中难以同时实现高速的频率和大旋转角度。

此外，光扫描部1的正弦波状的旋转中，反射镜1a的角度变化周期性地出现快、慢。在仅依靠该旋转使激光在像面20上扫描的情况下，反射镜的角度变化快时在像面上的扫描位置的变化也变快，角度变化慢时在像面上的扫描位置的变化也变慢。因此，在像面上产生与正弦波对应的明暗。

在时间上等间隔地对激光进行调制的情况中也同样，反射镜1a的角度变化快时像面上的像素被配置得较疏，角度变化慢时像面上的像素被配置得较密，称为线性大幅度劣化的二维像。

此外，若在像素分布密且正弦波状的明亮部分中进行降低激光占空比的电路处理，可只对像面上的明暗加以改善，但无法改善二维像的线性，电路规模增大，光量降低。如果与像面上的像素的配置的时序一致地对激光进行调制则也能够对线性加以改善，但电路规模进一步地增大。

因此，虽然可以考虑在反射镜之外再另外使用多个反射面的方法，但在发生制造上的光学部件的形状误差、偏心、倾斜的情况下，由于与作为透射面的透镜相比，反射镜的光线角度的变动为约两倍，因此大量使用反射镜的光学系统的制造变得困难。进一步地，使用多个反射镜的光学系统中，为了确保反射镜上激光反射前后的光路，需要使反射镜前后的间隔保持得较大，使得光学系统整体大型化。

此外，光源是激光器的情况下，产生的光是相干光，所以在一般的像面（粗糙面）上反射时，会被附加随机的相位，反射光成为散射光。在粗糙面的不同场所散射的光因空间传播而重叠干涉，由此产生随机的干涉条纹即斑纹，画质降低。并且，在光源是发光点较小的半导体激光器等的情况下，在连结光源与观察者的瞳孔的立体角内，照射超过容许值的能量的激光时，存在烧伤视网膜的危险性。从而，光量存在限制，不能得到必要的亮度。

实施例1

下面针对实施例进行说明。利用图1至图14针对实施例1进行说明。图1是包含图像显示装置的系统图。在此，将从纸面左往右的方向定义为X方向，将从像面20下往上的方向定义为Y方向，将从纸面外往内的方向定义为Z方向。图2、图34、图37、图59、图61使用与图1相同的坐标系。但对于上述之外的图，采用以光轴为Z方向的局部坐标系。

该系统包含图像显示装置10、保持图像显示装置10的结构体30、以及像面20。此外，图像显示装置10具备：光源4；使来自光源4的激光呈二维状偏转的光扫描部1；使被光扫描部1偏转的激光透射、折射的自由曲面透镜2；以及反射来自自由曲面透镜2的激光并导向像面20的自由曲面反射镜3。自由曲面反射镜3包含凸面反射镜。通过这些光学部件，获得线性改善和广角化的作用（后述），在像面20上显示矩形且光量分布一致的二维扫描像。

此外，光扫描部1可通过一个反射面（反射镜1a）实现长边方向和短边方向上的扫描，也可与各方向相应地配备各自的反射面。

在此，将非旋转对称且具有如图8、图19、图25所示的参数的形状称为自由曲面。

图2是从上方观察图1的系统的图。

以下，由于像面20中相当于X方向的边比相当于Y方向的边长，因此将前者称为长边，将后者称为短边。并且，反射面的偏转角度较大的方向对应长边方向，较小的方向对应短边方向。

配置自由曲面反射镜3，使得长边与第一平面（XZ平面）大致平行，其中，上述第一平面由当光扫描部1静止在扫描范围的中央时的自由曲面反射镜3的入射光线和反射光线定义。其理由为，通过相对于扫描量大的长边侧的光线倾斜地配置自由曲面反射镜3，以成规定的旋转角的两倍的扫描角进行扫描的光线被自由曲面反射镜3反射后的坐标范围变大，自由曲面反射镜3的形状自由度增大。

图3是光线图，表示从图像显示装置10出射的光线到达像面20上的5×5分割点的情形。图4是另一光线图，表示从光源4出射的激光因光扫描部1的旋转而偏转后、经过自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3到达像面20的情形。进一步地，图5为自由曲面透镜2的详细视图，由第一自由曲面透镜2a和第二自由曲面透镜2b所构成。

第二自由曲面透镜2b的对应于扫描画面的长边方向的激光通过的部分，与对应于短边方向的激光通过的部分相比物理长度更长。并且，自由曲面反射镜3的使对应于扫描画面的长边方向的激光反射的部分，与使对应于短边方向的激光反射的部分相比，向着扫描画面凸面形状增强。图4和图5中，光学要素的形状以更易于理解的方向表示。

图6是三维的光线图。由于在图3中不易看出被自由曲面反射镜3反射的光线不再照射到自由曲面透镜2，因此在图6中为了看出未发生光路干涉而进行展示。

图7是表示从作为第0面的光源4到作为光扫描部1的MEMS（Micro ElectroMechanical Systems）反射镜（水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋转）、自由曲面透镜、自由曲面反射镜的透镜数据的图，图8是表示自由曲面形状的自由曲面系数的公式和具体值的图。然后图9是失真性能图。在此展示了由长边方向（主扫描方向）的旋转角为±5.3度和短边方向（副扫描方向）的旋转角为±2.9度的光扫描部1产生的扫描角的光线每隔10度相位到达像面20上的坐标以及将扫描范围分割为19×19详细地进行评价后的结果。

由于从图7所示的自由曲面反射镜3开始的投影距离为100mm、扫描范围在像面20上为600×450mm，因此可知实现了广角化。

下面，针对线性的改善和广角化的结果，根据像面上的入射角度和入射坐标利用图10到图14、图63和图64进行说明。

在表示以往例的图63和图64中，不存在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3。入射角度在作为5.3度的两倍的值的±10.6度的范围中正弦波状地变化，入射坐标也在±26.6mm范围中正弦波状地变化。

另一方面，在实施例1中，图10是表示像面上的光线的入射角度与相位的关系的图。图11是表示实施例1的像面上的光线的入射坐标与相位的关系的图。在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3的作用下，使入射角度发生较大变化，在像面20上±300mm的范围中实现三角波状的入射坐标。即，相对于在以往的方式中扫描范围为±26.6mm，实施例1中为±300mm，实现了10倍以上的大幅度的广角化。此外，若令相当于长边的水平尺寸为X、投影距离为L，则由于X＝600mm、L＝100mm，L/X为0.17，实现了非常小的值。

此外，投影距离定义为，从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。但在优先图像显示装置的小型化的用途中，可在L/X的值不超过1的范围中增大。

作为比较，基于上面的专利文献1中水平方向上左右对称的视角为±18.9度的记载来计算L/X的值，L/X＝1/2/tan18.9＝1.46，为较大的值，广角化不足。

接着，利用图12到图14，针对自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3的特征进行说明。

图12表示作为自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3中的光线控制结果的、主光线的坐标所存在的光线范围。因为光扫描部1的长边方向比短边方向大，所以作为第一自由曲面透镜2a的入射面的第四面上的主光线的范围为横向较长的区域。

可知按每依次通过第一自由曲面透镜2a的出射面、第二自由曲面透镜2b时主光线的范围向纵向较长的区域变化的情况。

此外，在作为自由曲面反射镜3的第八面上成为纵向较长的区域，但并非在第八面上使长边方向（图12的横向）极端地变窄，而是使在第八面上的纵向尺寸作为自由度而增大的结果。对于其理由利用图13进行说明。

图13是长边方向的截面上的光线图，为同时展示光学系统整体的光线图和自由曲面透镜2的放大图的图。由于光扫描部1的旋转，通过图13的X轴的正侧的光线L1被自由曲面反射镜3反射，到达像面20的坐标轴P1。另一方面，通过X轴的负侧的光线L2被自由曲面反射镜3反射，到达像面20的坐标P2。在此，需要使通过自由曲面透镜2b的光线L2与被自由曲面反射镜3反射的光线L1的光路不在自由曲面透镜2b中发生干涉。为此，需要减小自由曲面反射镜3上光线L1以及光线L2形成的宽度。这是自由曲面反射镜3上的光线通过范围的水平方向的尺寸较小的理由。

此外，在图13中，被自由曲面反射镜3反射后到像面的光线L1的光路长度大于光线L2的光路长度。因此，为了线性的改善，需要在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3中使光路L1的光路长度小于光路L2的光路长。

因此，为了使通过自由曲面2的光线L1的换算到空气的光路长度比光线L2的值小，需要使光线L1所通过的一侧的透镜厚度增大，即需要“模拟棱镜化”。

此外，本实施例的光学系统中，并非是映射关系，而是概念上类似广角转换，因此优选通过针对放大侧上的L1＞L2使在物体侧为L1＜L2，来减小光路整体的光路长的差。

另一方面，使自由曲面透镜2的透镜形状棱镜化的情况下，透镜材料分散（折射率因光的波长而不同）。即，按每种光的波长，像面20上的到达距离不同，产生倍率的色像差。

为了减轻该色像差，使通过自由曲面透镜2的光线L1的换算为空气的光路长度小于光线L2的换算为空气的光路长度即可。然后，在模拟中发现，如果光线L1通过的一侧的透镜厚度与光线L2通过的一侧的透镜厚度的比是3倍以下，则能够减少至实用上没有问题的水平的倍率色像差。如果是2倍以下，则能够得到更加良好的成像性能。

这样，通过设计自由度大的自由曲面反射镜3的形状优化、和自由曲面透镜2的形状优化（屈光力分配），能够充分地减少色像差。

接着，针对短边方向上的特征，利用作为短边方向的各光学元件中的弛垂度的图的图14进行说明。图14是表示短边方向的自由曲面透镜和反射镜的形状的图。

在图14中，短边方向上的第一自由曲面透镜2a和第二自由曲面透镜2b分别为凹透镜状，具有负的光焦度。而自由曲面反射镜3中央部分由于为凹面而具有正的光焦度，边缘部分由于为凸面而具有负的光焦度。实施例1的透镜数据使短边方向上为平面对称的配置是其原因，由于通过改变面对称的条件即配置关系，正的光焦度的部分和负的光焦度的部分发生改变，因此可以说自由曲面反射镜3上存在正的光焦度的部分和负的光焦度的部分。

如上所述，通过在规定的条件下配置自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3，不需要增大作为光扫描部1的MEMS反射镜的旋转角度，就能够在不破坏MEMS反射镜的机械上的可靠性下实现10倍以上的广角化和线性的改善。

实施例2

下面，利用图15到图20针对实施例2进行说明。图15是实施例2的光线图，图16是实施例2的另一光线图，图17是实施例2的自由曲面透镜的详细视图，图18是表示实施例2的透镜数据的图，图19是表示实施例2的自由曲面系数的具体值的图，图20是实施例2的失真性能图。

与实施例1的不同点在于自由曲面透镜2为一个，在实施例2中由于X＝600mm、L＝100mm，所以L/X为0.17，能够实现非常小的值。

实施例3

下面利用图21到图26针对实施例3进行说明。

图21为实施例3的光线图，图22是实施例3的另一光线图，图23是实施例3的自由曲面透镜的详细视图，图24表示实施例3的透镜数据，图25是表示实施例3的自由曲面系数的具体值的图，图26是实施例3的失真性能图。

与实施例1的不同点在于配合原本的宽屏画面使图像尺寸为16:9，使光扫描部1的旋转角（水平±5.3度、垂直±2.9度的共振旋转）为800×450mm的二维范围这一点。图26的作为失真性能的线性相比表示作为实施例1的失真性能的线性的图9得到改善，对于原本为了扫描16:9的像面而开发的光扫描部1，作为组合扫描16:9的像面更佳。此外，以16:9开发的扫描反射镜也能够适用于4:3的像面，这无需明言。

在实施例3中由于X＝800mm、L＝100mm，所以L/X为0.135，能够实现非常小的值。

实施例4

接着，说明光利用效率的改善和抑制斑纹产生的实施例。图27～33是光线图。图27～29表示了从图像显示装置10射出的光线到达像面20上的5×5的分割点的状况。此外，图像显示装置10配置在像面20的上部的像面20的长边方向上。

为了使图像显示装置10与激光不重叠，使图像显示装置10附近的有效扫描范围从有效振动的范围（用点划线30表示）起仅在X轴方向缩小。结果，图像显示装置10的设置自由度增大，并且即使图像显示装置10的尺寸增大，在实际使用状态下组件也不会遮挡图像，易用性提高。

图27的下方表示了从上方看到的图的侧面。图像显示装置10即使位于像面20上的扫描画面显示范围（图27下方用区域X表示）的上部（例如桌面投影），也不会遮挡扫描画面显示范围。此外，也可以将图像显示装置10配置在像面20的下方向。

图28中，在2个不同的位置分别配置图像显示装置10-1和10-2。此外，也可以在2个以上的不同位置分别配置多台。这样，能够通过用多台图像显示装置10重合图像作为同一图像显示而实现高亮度化。

此外，能够通过使同一分辨率的多台图像显示装置10的扫描图像位置故意错开而模拟地增加分辨率，或者通过根据隔行扫描而不同的每个场的图像信息使画面重合，来提高分辨率。此外，也可以如图29所示配置多台图像显示装置10。

此外，也能够使图像显示装置10-1的激光为一方的偏振光（例如P光），使图像显示装置10-2的激光为另一方的偏振光（例如S光），分别作为右眼用影像和左眼用影像在画面上重合，并使用偏振光眼镜实现立体图像。同样，也能够使右眼用影像和左眼用影像在画面上重合，并使用具有时间分割地切换进入左右眼的图像的功能的特殊眼镜实现立体图像。

图30中，将图像显示装置10配置在像面20的下部。形成像面20的激光，通过具有使光折射的作用的光路变更部61而向与像面20大致垂直的方向折射，向图像观看侧出射。此处使用菲涅尔透镜作为光路变更部61。特别是斜向投影光学系统的情况下，优选菲涅尔中心从像面20偏离的偏心菲涅尔透镜。

图31中，使用在透镜面上具有光反射面的偏心线性菲涅尔透镜作为光路变更部61。图32中，表示了将图像显示装置10配置在像面20的上部，光路变更部61是菲涅尔透镜的例子。图33中，将图像显示装置10配置在像面20的上部，光路变更部61使用偏心线性菲涅尔透镜。

光路变更部61如果进而采用全反射方式，则能够减少入射面上的反射损失，能够得到反射损失少的优良的图像。

接着，说明使像面的亮度均匀的技术。图34是用于说明本实施例的原理的图，图35是表示像面上的扫描的图，图36是使用半导体激光器作为光源的图。

激光具有特定大小的光点尺寸201，如图35所示，使激光204在像面20上的水平方向上沿着箭头202扫描（第一扫描），接着，沿着反方向的箭头203扫描（第二扫描）。从而，与隔行扫描方式不同，没有回扫期间，扫描时间中没有损失，所以不会损害分辨率。

激光源例如半导体激光器如图36所示，由被电极401和404夹着的包层402和在包层402内部存在的活性区域403构成，激光的光点形状是以与活性区域403正交的方向（图中Y轴）为长边方向的椭圆形状。因此，通过对于图像显示装置10使椭圆的光点形状的短边与像面20上距离较远的方向（图中为长边方向）一致，能够减轻因倾斜入射引起的光点形状的恶化。

现有方式中，如果决定了激光的光点尺寸，则根据由扫描反射镜的偏转角决定的像面尺寸唯一地决定分辨性能。另一方面，本实施例中，因为光学系统的最终面用反射面构成，所以用光扫描部1（扫描反射镜）扫描偏转的激光，在自由曲面反射镜的反射面上进行入射角度的2倍量的偏转，所以能够相对于光扫描部1的位移量更大地偏转。进而，以自由曲面反射镜的反射角因像面20的对应位置而不同的方式，使分别对应的自由曲面反射镜面的法线角度不同。

因此，本实施例中与现有方式不同，不是仅由激光的光点尺寸和扫描反射镜的偏转角决定分辨率。

本实施例中，激光在像面20上的各位置以不同的入射角度入射。在长边方向上，与像面20的中央部分对应的扫描光束对自由曲面（凸面）反射镜3的入射角度，大于与像面20的周边部分对应的扫描光束对自由曲面反射镜的入射角度，在短边方向上，扫描光束对自由曲面反射镜3的距光扫描部1近的部分的入射角度，小于对自由曲面反射镜的距光扫描部1远的部分的入射角度。这样，与扫描位置相应地使激光的光点尺寸、亮度或密度进行单独或组合的变化。接着，说明实现上述内容的技术手段。图37是用于说明本实施例的原理的图，图38至图40是表示像面上的扫描的图。

图37中，图像显示装置10具备多个激光源（此处为2种）。第一光源部4a和第二光源部4b的激光由颜色合成部5a合成，因光扫描部1的转动而扫描偏转后，在自由曲面透镜2和自由曲面反射镜3上折射反射而到达像面20。颜色合成部5例如是偏振合成棱镜，来自第一光源部4a的激光是P偏振光，来自第二光源部4b的激光是S偏振光，由此能够效率良好地合成激光。

与像面20上的位置相应地，使从第一光源部4a和第二光源部4b射出的激光的输出功率变化，由此能够提高画面整体的亮度的均匀性。

此处，激光半导体的情况下，发光能量因施加电流而变化，但超过容许值继续流过电流时，发光效率降低变暗，并且寿命也缩短。为了避免该情况，通过在特定周期（ms）程度的时间中脉冲式地输入超过容许值的电流值（通常的2～3倍程度），能够不缩短寿命地得到高亮度的激光输出。

倾斜投影光学系统中，在监视侧反射的光的能量因扫描速度的场所差异和对像面的光线入射角而不同，所以画面的亮度难以变得均匀。但是，通过使用PWM控制与画面的位置对应地控制亮度，能够提高整个画面区域的亮度的均匀性。

此外，合成后的激光的光点直径也可以与来自各光源的激光输出同步地变化。此外，如图37所示，如果设置磁屏蔽罩10b，则具有磁屏蔽效果。进而，如果在壳体的一部分上设置电磁体（固定装置）10c，则能够实现可在金属性的板或壁面上简单地装卸的图像显示装置。

图38中，使像面垂直方向的分辨率更精细，沿着箭头202进行第一扫描，沿着反方向的箭头203-1和箭头203-2进行第二扫描。此时，在箭头203-1和箭头203-2（图中虚线表示）的区域中不使激光发光（振荡）。结果，能够相对地提高图38的左侧的画面亮度。图39中，在像面垂直方向上使激光扫描。

相对于图像显示装置10在像面20上使椭圆的光点形状的短边与距离较远的方向对应，由此能够减轻倾斜入射引起的光点形状的恶化，这一点与上述同样。

此外，为了使像面20内的亮度均匀，例如在图39所示的区域A的扫描范围和区域B的扫描范围中使长边方向的扫描间隔变化，由此能够相对地提高像面20的左侧的画面亮度。

根据图37～40，使像面20的一部分（例如右侧和上下部）的亮度变化和使亮度的变化量带有倾斜，都能够通过在像面垂直方向的扫描范围中自由地控制使激光发光（振荡）的区域而实现。

接着，说明减轻像面20的斑纹的技术。斑纹是因为激光这样的相干光在扩散面上散射时斑纹图案的光的强度因散射光的干涉具有分布而产生的。为了减轻该斑纹，将该激光变换为时间、空间上不规则的光是有效的。具体而言，以下所示的4个方法是有效的。

（1）提高偏振多重度。即，成为仅特定的偏振光不存在的状态。

（2）在像面或投影光学系统中设置形成随机的反射模式的部分。

（3）提高波长的多重性。即，不是特定的单波长，而是多个波长的激光混合。

（4）通过改变多个激光的入射角度对像面入射而得到随机的散射光。

实现上述（1）和（3）的方法之一，与图37的说明同样，得到的激光中同时存在P光、S光，所以能够减少斑纹。此外，使第一光源部4a和第二光源部4b的激光成为具有图41所示的光谱的蓝色发光激光（振荡中心波长460nm）、绿色发光激光（振荡中心波长532nm）、红色发光激光（振荡中心波长635nm），用颜色合成部5a合成，则能够实现图42所示的颜色再现范围和亮度。图42表示了图41所示的激光单独进行激光振荡输出光，分别显示单色和合成三色显示白色的情况下的扫描图像的颜色。图43对于该激光用色度图上的xy值表示了通过模拟计算求出的结果。

此外，使第二激光光源部4b的激光为具有图44所示的发光光谱的蓝色发光激光（振荡中心波长450nm）、绿色发光激光（振荡中心波长515nm）、红色发光激光（振荡中心波长645nm）并进行混色时，能够实现如图45所示的广范围的颜色再现区域，能够减少斑纹。

接着，说明图42和图45所示的表的含义。表中的混色比相对地表示上述单色激光（假设发光颜色和能量强度为图44所示的实施模拟）分别以何种强度发光，各色激光单色以相对强度100%发光的情况下记载为1，以相对强度5%发光的情况下记载为0.05。通过混色得到的结果用亮度（用相对值表示，数值越大则越亮）和图43所示的色度图上的坐标值表示。

通过在第一光源部4a和第二光源部4b中使用不同波长的单色激光从而在颜色合成部5a合成后得到的单色激光，与合成同一波长的激光的情况相比能够减轻斑纹。

进而，如图42中记载，与对于NTSC播送方式中决定的蓝色、绿色、红色（在图42中记载了色度坐标值）使各色激光单独发光的情况相比，例如在蓝色激光发光时使绿色激光和红色激光以规定的比率发光并合成，能够不缩小颜色再现范围并增加亮度。发明人通过模拟求出图42记载的单色激光中使多色的激光混色提高亮度的情况下色相的变化，与图42所示的表示McAdam等颜色识别区域的图比较，结果确认了各色在等色区域内，没有实用上的问题。

如上所述，通过使多色的激光以特定比率混色，能够不缩小颜色再现范围地实现提高亮度和减少斑纹。

另一方面，关于上述（4），通过优化颜色合成部5的合成面（棱镜）的角度和对合成面的各入射位置，能够在像面20上使来自2个光源的不同入射角度的光合成，能够减轻斑纹。

通过如图47所示使组合以上叙述的光源和倾斜投影光学系统构成的图像显示装置排列多台（图4）使用，能够实现在实现实用上充分的颜色再现范围的同时提高亮度、减少斑纹的图像显示装置。

接着，说明上述（2）。图37中，发明人根据实验发现通过控制自由曲面反射镜表面的面粗糙度能够减少激光的斑纹。为了得到自由曲面反射镜而与设计形状相应地加工模具，使用得到的模具使塑料成型，在其表面设置反射膜，由此实现。因此，反射镜的反射面的面粗糙度是模具表面的面粗糙度几乎原样转印的，所以通过按反射面的位置优化模具表面的面粗糙度能够减轻斑纹。

图48～52表示决定自由曲面反射镜反射面的面粗糙度的模具加工的加工方向（加工顺序）与激光的扫描方向的关系。

图52是图50所示的自由曲面反射镜反射面的模具的垂直截面。自由曲面反射镜的模具加工例如如图53所示，使用X轴、Y轴、Z轴、加工轴的旋转轴即C轴、和工件的旋转轴即B轴的5轴控制的加工机。在C轴上安装单晶金刚石刀具，利用称为飞切的加工法切削模具表面，由此得到所要求的形状精度和面粗糙度。使加工机的刀具如图48所示往复移动进行自由曲面反射镜的模具加工。

该加工轨迹与激光的光点301的尺寸相比充分小，通过使模具加工的轨迹的方向和粗糙度成为所要求的值，能够控制反射镜上的反射光的散射状态。因此，使激光的扫描方向与反射镜模具的加工方向一致的图48所示的实施例，和使扫描方向与反射镜模具的加工方向正交的图51所示的实施例中，成型后得到的反射镜表面的面粗糙度的图案不同，激光的散射程度不同，所以减轻斑纹的效果也不同。

进而，相对于使激光的扫描方向与反射镜模具的加工方向一致的图48，例如如图49所示在刀具加工的往路（图中用303表示）和返路（图中用304表示）的往返中，使加工条件变化，故意制造粗糙度不同的面。进而，如图50所示，在刀具加工的往路（图中用303表示）和返路（图中用304表示）、以及往路（图中用305表示）的往返中使加工条件多次变化，故意制造粗糙度不同的面。此外，通过使该加工条件不规则地变化，能够得到更复杂的模式的表面粗糙度，能够减少斑纹。

接着说明模具加工的方法。用上述5轴加工机切削模具表面得到设计中想要的加工面的情况下，在模具表面会残留飞切加工的痕迹（该加工痕迹记作图中303）。该飞切中残留的痕迹如图54所示加工精度因对模具（加工物）的加工方向而不同，所以存在因加工物的尺寸和模具的表面形状、特别是模具形状使刀具干涉而切削本来的加工位置以外的可能性，所以需要分别使用。

图55表示图54（B）所示的加工法形成的切削面。为了计测得到的加工面的粗糙度而评价与加工方向正交的方向的面粗糙度的结果在图56中表示。Ra最大值为3nm，10点平均面粗糙度为4nm，能够得到相对于光的波长也足够的表面粗糙度。

另一方面，图57表示图54（A）所示的加工法形成的切削面。为了计测得到的加工面的粗糙度而评价与加工方向正交的方向的面粗糙度的结果在图58中表示。Ra最大值为5nm，10点平均面粗糙度为6nm，相对于图54（B）的加工法得到的表面粗糙度较大。

这样，不需加工物的固定台（工件台）的移动，使用加工机本来的加工轴进行刀具的移动时，能够得到反射镜的反射面的良好的面粗糙度。

根据上述实施例，在超短投影光学系统中，能够扩大用扫描反射镜（光扫描部）的转动得到的扫描偏转角，所以能够在将图像显示装置配置在桌上的状态下直接将扫描图像投影到桌上。此外，连接光源与光扫描部的光轴和光扫描部，以45度以下的角度配置，使自由曲面透镜和自由曲面反射镜从该光轴偏心地配置，由此即使充分缩短自由曲面反射镜与像面的距离，也能够以在自由曲面反射镜上反射的光不会再次入射到自由曲面透镜的方式配置，能够实现装置的小型化。

此外，不是红色、绿色、蓝色的各单色激光光源，而是并用分别接近的波长的多个光源，能够使激光的相干性降低，抑制斑纹。进而，使自由曲面反射镜的表面成为粗糙面而具有部分散射特性，由此模拟地扩大发光点的面积，进行二次光源化，由此能够在满足安全规格的同时增加光量。

符号的说明

1…光扫描部，2…自由曲面透镜，3…自由曲面反射镜，4…光源，10…图像显示装置，20…像面，30…结构体。

Claims (16)

1.一种图像显示装置，其特征在于，具备：

光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光扫描部的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和第二方向上扫描；和

光学系统，其放大被扫描的光的扫描角度，

所述光学系统在所述光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在所述像面一侧具有自由曲面反射镜，

所述第一方向的长度比所述第二方向的长度长，

配置所述自由曲面反射镜以使所述第一方向与第一平面平行，其中，所述第一平面由当所述光扫描部静止在扫描范围的中央时的所述自由曲面反射镜的入射光线和反射光线定义，

在所述第一方向，所述第一平面上，从所述自由曲面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离长的一侧的光线L1通过所述自由曲面透镜的光路长度，小于从所述自由曲面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离短的一侧的光线L2通过所述自由曲面透镜的光路长度，

并且，使所述自由曲面透镜中所述光线L1通过的一侧的透镜厚度比所述光线L2通过的一侧的透镜厚度更厚，由此，从所述自由曲面透镜到所述自由曲面反射镜，所述光线L1的光路长度比所述光线L2的光路长度更短，

在所述第二方向上，所述自由曲面透镜形成为凹透镜状，具有负的光焦度，所述自由曲面反射镜在中央部形成为凹面，具有正的光焦度，所述中央部的边缘部形成为凸面，具有负的光焦度，

使所述自由曲面反射镜上所述光线L1和所述光线L2形成的光线通过范围的水平方向的宽度变小，使通过所述自由曲面透镜的所述光线L2与被所述自由曲面反射镜反射的所述光线L1的光路不在所述自由曲面透镜中发生干涉，

所述自由曲面反射镜的使对应于所述第一方向的激光反射的部分，与使对应于所述第二方向的激光反射的部分相比，向着所述像面凸面形状增强。

2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光扫描部具有一个反射面，该一个反射面具有两个扫描方向。

3.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光扫描部具有两个反射面，该两个反射面分别具有一个扫描方向。

4.如权利要求1至3中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

两个扫描方向中的反射面的偏转角度大的方向对应于所述第一方向，两个扫描方向中的反射面的偏转角度小的方向对应于所述第二方向。

5.如权利要求1至3中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

当令所述第一方向的长度为X，投影距离为L时，L/X为1以下，其中，所述投影距离为从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。

6.如权利要求1至3中任一项所述的图像显示装置，其特征在于：

当令所述第一方向的长度为X，投影距离为L时，L/X为0.2以下，其中，所述投影距离为从透镜数据中用于定义自由曲面反射镜的配置位置的基准位置向像面垂下的垂线的长度。

7.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光源射出至少两种束状的光：一种束状的光是S偏振的多色光；另一种束状的光是P偏振的多色光，

还具备使偏振的所述至少两种束状的光合成的颜色合成部。

8.如权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于：

所述一种束状的光至少包括红色、绿色、蓝色波段的光，红色、绿色、蓝色波段的光的中心波长分别为R1、G1、B1(nm)的情况下，所述另一种束状的光至少包括红色、绿色、蓝色波段的光中的一个波段的光，该光的中心波长与所述R1、G1、B1(nm)不同。

9.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

从所述光源射出的光是椭圆形状，配置所述光源和所述像面，以使得当所述光扫描部静止在扫描范围的中央时所述椭圆的短轴方向与所述第一方向一致。

10.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

所述自由曲面反射镜在来自所述光源的光的与所述自由曲面反射镜的扫描方向相同的方向上或者与扫描方向正交的方向上，形成多个表面粗糙度不同的带状表面，各所述带状表面的宽度小于来自所述光源的光点的尺寸。

11.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

还具备光路变换部，其使从所述光源射出的光在与由所述第一方向和所述第二方向这2个方向形成的二维的扫描面垂直的方向上射出。

12.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

具备多个所述光扫描部。

13.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：

在能够磁屏蔽的结构体内屏蔽所述光扫描部，

在所述光扫描部或者该图像显示装置的壳体的一部分上设置永磁铁或电磁铁。

14.一种图像显示装置，其特征在于，包括：

光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光扫描部的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和与该第一方向正交的第二方向上扫描；和

光学系统，其放大被扫描的扫描光束的扫描角度，

所述光学系统在所述光扫描部一侧具有自由曲面透镜，在所述像面一侧具有凸面反射镜，

所述第一方向的长度比所述第二方向的长度长，

配置所述凸面反射镜以使所述第一方向与第一平面平行，其中，所述第一平面由当所述光扫描部静止在扫描范围的中央时的所述凸面反射镜的入射光线和反射光线定义，

在所述第一方向，所述第一平面上，从所述凸面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离长的一侧的光线L1通过所述自由曲面透镜的光路长度，小于从所述凸面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离短的一侧的光线L2通过所述自由曲面透镜的光路长度，

并且，使所述自由曲面透镜中所述光线L1通过的一侧的透镜厚度比所述光线L2通过的一侧的透镜厚度更厚，由此，从所述自由曲面透镜到所述凸面反射镜，所述光线L1的光路长度比所述光线L2的光路长度更短，

在所述第二方向上，所述自由曲面透镜形成为凹透镜状，具有负的光焦度，所述凸面反射镜在中央部形成为凹面，具有正的光焦度，所述中央部的边缘部形成为凸面，具有负的光焦度，

使所述凸面反射镜上所述光线L1和所述光线L2形成的光线通过范围的水平方向的宽度变小，使通过所述自由曲面透镜的所述光线L2与被凸面反射镜反射的所述光线L1的光路不在所述自由曲面透镜中发生干涉，并且，

在所述第一方向上，与所述像面的中央部分对应的所述扫描光束对所述凸面反射镜的入射角度，大于与所述像面的周边部分对应的所述扫描光束对所述凸面反射镜的入射角度，

在所述第二方向上，所述扫描光束对所述凸面反射镜的距所述光扫描部近的部分的入射角度，小于对所述凸面反射镜的距所述光扫描部远的部分的入射角度。

15.如权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于：

所述光扫描部具备MEMS反射镜。

16.一种图像显示装置，其特征在于，包括：

光扫描部，其使从光源射出的光，借助于该光扫描部的反射面的往复的旋转运动，在像面的第一方向和与该第一方向正交的第二方向上扫描；和

光学系统，其放大被扫描的扫描光束的扫描角度，

所述光学系统在所述光扫描部一侧具有两个自由曲面透镜，在所述像面一侧具有凸面反射镜，

所述第一方向的长度比所述第二方向的长度长，

配置所述凸面反射镜以使所述第一方向与第一平面平行，其中，所述第一平面由当所述光扫描部静止在扫描范围的中央时的所述凸面反射镜的入射光线和反射光线定义，

所述两个自由曲面透镜沿光线的行进方向配置成列，

在所述第一方向，所述第一平面上，从所述凸面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离长的一侧的光线L1通过所述两个自由曲面透镜的光路长度，小于从所述凸面反射镜上的反射位置到所述像面上的扫描位置的距离短的一侧的光线L2通过所述两个自由曲面透镜的光路长度，

并且，使所述两个自由曲面透镜中所述光线L1通过的一侧的透镜厚度比所述光线L2通过的一侧的透镜厚度更厚，由此，从所述两个自由曲面透镜到所述凸面反射镜，所述光线L1的光路长度比所述光线L2的光路长度更短，

在所述第二方向上，所述两个自由曲面透镜形成为凹透镜状，具有负的光焦度，所述凸面反射镜在中央部形成为凹面，具有正的光焦度，所述中央部的边缘部形成为凸面，具有负的光焦度，

使所述凸面反射镜上所述光线L1和所述光线L2形成的光线通过范围的水平方向的宽度变小，使通过所述两个自由曲面透镜的所述光线L2与被凸面反射镜反射的所述光线L1的光路不在所述两个自由曲面透镜中发生干涉，并且，

在所述第一方向上，与所述像面的中央部分对应的所述扫描光束对所述凸面反射镜的入射角度，大于与所述像面的周边部分对应的所述扫描光束对所述凸面反射镜的入射角度，

在所述第二方向上，所述扫描光束对所述凸面反射镜的距所述光扫描部近的部分的入射角度，小于对所述凸面反射镜的距所述光扫描部远的部分的入射角度。