专利名称：扫描型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及扫描型图像显示装置，特别涉及通过使偏转反射镜旋转而使光束2维扫描，以在屏幕等上投影显示图像的扫描型图像显示装置。
背景技术：
近年来，人们提出了一种利用偏转单元使从光源发出的光束(激光光束)2维偏转以使其在屏幕上扫描，利用其视觉暂留效应(余像效应)在屏幕上投影显示2维图像的扫描型图像显示装置。这样的扫描型图像显示装置中，使用3原色(R，G，B)的激光，将它们合成而作为光源，利用MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems,微电子机械系统)反射镜等偏转单元使从光源发出的光在屏幕上扫描。该结构中，因为只使合成的I束激光光束扫描，所以扫描系统能够简化，但是由于激光是发散角很小的平行光，若照射到屏幕前的激光 进入人眼，则有烫伤视网膜的危险。所以为了确保激光对人眼的安全性，对合成的I束激光光束的功率(能量)设置上限值。这样，显示图像的亮度就受到了限制。对此，专利文献I中记载了这样的内容，S卩，为了在确保激光光束的安全性的同时，使显示图像变得明亮，将照射的激光光束分割为多束光束，使分割后的激光光束以在屏幕的大致相同位置上具有时间差的方式对屏幕进行照射，使大致相同位置上的激光光束强度分散降低。此外，专利文献2中记载了这样的结构，S卩，为了利用简单的结构使用多束光束显示图像，包括供给多束光束的光源部，和使以各自不同的入射角度入射的多束光束在第一方向和与第一方向大致正交的第二方向上扫描的扫描部。专利文献I :日本特开2005-031529号公报专利文献2 :日本特开2007-140010号公报
发明内容
激光产品的安全标准(IEC60825，JISC6802)中，基于最大允许照射量(MPE :Maximum Permissible Exposure)对激光产品分级。S卩，规定了( I)同时入射到规定尺寸的开口部(窗口(aperture):相当于人眼的瞳孔直径)中的激光光束强度(单脉冲)的上限值(AEL :可达放射极限)，和(2)反复入射到规定尺寸的窗口中的激光光束强度(反复脉冲)的上限值。专利文献I中，通过将激光光束分割，使多个脉冲有时间差地照射，能够降低同时入射到窗口中的光束强度。但是，专利文献I记载的技术中，当分割后的多个脉冲的间隔比规定时间Ti (按波段规定)短时，标准上将这些脉冲的组视为单脉冲，各脉冲的光束强度被合计，因此不能获得分割光束的效果。例如设想使分割后的多束光束，在光束的扫描方向(2维方向中高速进行扫描的画面水平方向)错开窗口孔径AP以上配置的情况。设水平扫描频率fH为25kHz时，多个脉冲的间隔是远小于水平扫描时间(I/(2fH) =20 μ sec)的值(数μ sec)，所以比规定时间Ti (波长400 1050nm下， =18μ sec)短，分割光束被视为单脉冲。因此，难以通过光束分割而使安全性提高，或者使光束强度增大因光束分割而产生的与安全标准之间的富余的量以使显示图像变亮。此外，专利文献2中，公开了使多束光束在画面水平方向和垂直方向上错开配置的结构，但是没有考虑到激光光束的安全性，因此其时间差并不是基于安全性而规定的。鉴于以上状况，本发明的目的在于，考虑到激光光束的安全性的基准，提供一种能够确保安全性并提高显示图像的亮度的扫描型图像显示装置。即，本发明提供一种扫描型图像显示装置，将激光光束投影到屏幕上，使该激光光束在该屏幕上2维扫描而显示图像，包括分别产生红色、绿色、蓝色的激光光束的多个激光光源；将多个激光光束合成而生成第一、第二激光光束的光学系统；和通过偏转反射镜的旋转而使第一、第二激光光束2维扫描的偏转反射镜装置。上述光学系统被设定成，第一、第二激光光束的出射方向在上述屏幕的垂直方向上具有角度差Θ，第一、第二 激光光束的垂直方向上的间隔d,在激光光束的安全标准中规定的自激光光束的出射口距离M的位置上比安全标准中规定的窗口孔径AP大。其中，优选上述第一激光光束由绿色光束生成，上述第二激光光束由红色光束和蓝色光束生成。另外，优选上述第一激光光束由绿色光束和红色光束生成，上述第二激光光束由绿色光束和蓝色光束生成。根据本发明，能够提供一种确保激光光束的安全性并提高显示图像的亮度的扫描型图像显示装置。
图I是表示本发明的扫描型图像显示装置的第一实施例的结构图。图2是表示第一实施例的信号控制电路的图。图3是表示各激光光源的激光驱动信号的图。图4是说明空白期间的设定的图。图5是说明激光光束强度的评价条件的图。图6是表示通过窗口的光束扫描线的图。图7是表示第一实施例的分割光束的配置的图。图8是表示显示白色时的R、G、B光的光通量(强度比)的图。图9是表示入射到窗口中的分割光束的时间变化的图。图IOA是表不各种光束分割方式的图(单光束方式)。图IOB是表示各种光束分割方式的图(水平分割)。图IOC是表不各种光束分割方式的图(垂直分割)。图IOD是表示各种光束分割方式的图(垂直分割)。图IlA是表示图IOA中入射光束的时间变化的图(单光束方式)。图IlB是表示图IOB中入射光束的时间变化的图(水平分割)。图IlC是表示图IOC中入射光束的时间变化的图(垂直分割)。图IlD是表示图IOD中入射光束的时间变化的图(垂直分割)。图12是表示第一实施例的光束通量(光束的光通量)增大效果的图。
图13是表示本发明的扫描型图像显示装置的第二实施例的结构图。图14是表示本发明的扫描型图像显示装置的第三实施例的结构图。图15是表示第三实施例的光束强度增大效果的图。附图标记说明11，11a，11b，12，13......激光光源；14,14a, 14b......偏转反射镜装置；15，16......分色镜；
17，17a，17b......壳体，18......屏幕，20......控制电路，21，22，23，24，25，26……激光光束(光束)。
具体实施例方式以下，使用
本发明的实施方式。[实施例I]图I是表示本发明的扫描型图像显示装置的第一实施例的结构图。壳体17中收纳有以下光学部件。激光光源11出射波长510nm波段的绿色光束(G光)21，激光光源12出射波长640nm波段的红色光束(R光)22，激光光源13出射波长440nm波段的蓝色光束(B光)23。各光束21、22、23，以与图像信号的各颜色成分的信号相应的强度出射。分色镜(二向色镜)15使G光束21透射，使R光束22反射。分色镜16使G光束21与R光束22透射，使B光束23反射。在分色镜15、16上透射或反射的各光束21、22、23中，使G光束21作为单独的光束(第一光束)行进，使R光束22与B光束23合成(以下记为R/B光)为I束光束24 (第二光束)行进。此时第一光束21和第二光束24，其光束行进方向在垂直方向上彼此偏离角度差Θ。为了实现该角度差Θ，对各激光光源11、12、13的光轴的倾斜和位置，以及分色镜15、16的倾斜进行调整。第一光束21和第二光束24，入射到光束扫描用的偏转反射镜装置14。偏转反射镜装置14，具有使入射的2束光束21、24反射的I个反射镜(偏转反射镜)和将该偏转反射镜2维地旋转驱动的驱动机构，使入射的光束21、24反射，投影到离开规定距离的屏幕18上。偏转反射镜在驱动机构的作用下，绕与图中的Z轴大致平行的旋转轴31和与X-Y平面大致平行的旋转轴32，分别以规定角度(偏转角)周期性地进行反复旋转运动。偏转反射镜装置14，例如使用MEMS反射镜和电控反射镜等构成。从偏转反射镜装置17出射的2束光束21、24的出射方向在垂直方向上偏离角度差Θ，所以照射到屏幕18上的光束位置也在垂直方向(V方向)上隔开间隔D。然后，通过偏转反射镜装置14的偏转动作，在屏幕18上，在水平方向(H方向)和垂直方向(V方向)上扫描。此时，与屏幕18上光束21、24的扫描位置同步地，分别独立地调制各激光光源11、12、13的光输出，利用人眼的视觉暂留现象在屏幕18上显示二维状的彩色图像。像这样，本实施例中，通过将投影到屏幕18上的光束分割为第一光束(R) 21和第二光束(R/B) 24，并使它们在屏幕18上在垂直方向偏离间隔D照射，降低了作为单一光束的强度，提高了激光光束的安全性。本实施例中，考虑到R、G、B光的强度比(显示白色时的强度比)，将最大强度的G光作为第一光束21，使另外的R光与B光合成为第二光束24。即使光束出射方向的角度差Θ是固定的，由于屏幕18上光束间的间隔D的大小依赖于到屏幕18的投影距离，所以不能统一地规定。考虑到在激光光束的安全标准中，是使用从光束的出射口离开规定距离M (IOOmm)的位置上通过规定尺寸的开口部(窗口)的光束强度来进行评价的，因此将光束配置成，在从光束的出射位置起离开规定距离M的位置上使2个光束21、24的间隔d比窗口孔径AP大。
图2是表示本实施例的扫描型图像显示装置的信号控制电路的图。控制电路20，对各激光光源11、12、13发送图像信号的输出时刻的控制信号和空白(blanking)处理信号。此外，控制电路20接收偏转反射镜装置14的位置检测信号，与图像信号同步地发送使偏转反射镜在水平方向和垂直方向上反复旋转的控制信号。图3是表不各激光光源的激光驱动信号的图。表不使光束照射到屏幕上的某一点时的R、G、B信号的输出时刻。设从光束出射口离开规定距离M (IOOmm)的位置上的垂直方向上的光束偏移为d，垂直方向上的扫描速度为Vv。在第一光束21 (G光)比第二光束24(R/B光)在垂直方向上先扫描的情况下，使R信号和B信号的输出时刻相对于G信号延迟时间差AT=d/Vv。其结果，显示在屏幕的一点上的R、G、B的各信号不会产生时间上的偏离(色差)。图4是说明空白期间的设定的图。在利用光束的2维扫描进行图像显示时，存在为了实现帧的切换而使光束扫描位置从画面下端返回上端的期间(空白期间)，该期间中停止图像的显示(信号输出)。本实施例中，由于将光束分割并使它们在垂直方向上错开配置，因此在画面上下端会产生一方的光束没有照射的无效区域(相当于时间差AT)。于是通过进行使该区域包括在上述空白期间内的处理，避免了画面上下端图像的紊乱。图5是说明激光光束强度的评价条件的图。激光光束的安全标准中，以从激光光源(或者装置的出射口)离开距离M (IOOmm)的位置上，通过窗口孔径AP (7mm)的光束强度来进行评价。该大小AP相当于人的瞳孔直径,从光源对窗口的对向角为Θ ap=4deg。同时入射到该AP内的光束为单一光束(单脉冲)，对其强度规定了上限值(AEL :可达放射极限)。图6是表示通过窗口的光束扫描线的图。光束扫描，是以左右往返的水平扫描(频率fH=25kHz)和垂直扫描(频率fV=60Hz)进行的。一次的垂直扫描中，通过窗口孔径AP的扫描线的数量N，由垂直扫描线数量Nv、垂直扫描角度Θ V、对窗口的对向角0ap决定，例如Νν=768线，Θ v=36deg, Θ ap=4deg时,通过线数N=86线。此外,如果设水平扫描角度Θ h=46deg,贝丨J I根扫描线横穿窗口的时间Tp,在画面中央为O. 956 μ sec。图7是表不本实施例的分割光束的配置的图。使分割后的第一光束(G)和第二光束(R/B )，在从光束出射口离开距离M的位置上，以在垂直方向上偏离比窗口孔径AP大的间隔d的方式配置。换言之，使出射的2束光束的垂直方向上的角度差Θ，比窗口的对向角0ap (4deg)大。然后，在保持该间隔d (或者角度差Θ )的同时使光束对在水平方向上扫描。其结果，2束光束不会同时入射到窗口中。图中，采用了使第一光束(G)比第二光束(R/B)在垂直方向上先行进(配置在下方)的结构，但也可以采用使第二光束(R/B)先行进的结构。该情况下，使图3的各信号的输出时刻反过来即可。图8是表示显示白色时从激光光源出射的R、G、B光的光通量(强度比)的图。最大的G光(510nm)为67. 7%，接着R光(637nm)为30. 8%，最小的B光(445nm)为I. 5%。另夕卜，根据所使用的波长的选择，该强度比会稍有偏差。考虑到光束分割后的光束强度的平衡，使最大强度的G光作为第一光束，将另外的R光与B光合成为第二光束，是最简单的分割方法。图9是表示入射到窗口中的分割光束的时间变化的图。首先，N个(例如86个)第一光束(G)的脉冲序列入射到窗口中。各脉冲的时间宽度Tp=O. 956 μ sec，间隔Th=20 μ sec。然后，在这些脉冲序列之后，N个第二光束(R/B)的脉冲序列入射。第二光束的脉冲序列的时间宽度Tp和间隔Th与第一光束相同。此时，由于第一光束和第二光束的垂直方向间隔d设定为比窗口孔径AP大，因此二者的开始入射的时间差AT比第一光束的所有脉冲通过所花费的时间大，第一光束和第二光束的脉冲序列在时间上哪怕是一部分也不会重合。通过这样进行光束分割，同时入射到窗口的单脉冲的最大值降低至第一光束(G)入射时的光通量67.7%，提高了对激光光束的安全性。此外，由于脉冲序列的间隔为Th (20μ sec)，比对反复脉冲规定的规定时间Ti (18μ sec)长，所以光束强度不会被合计而视为单脉冲，光束分割是有效的。接着，对于本实施例的光束分割方式的优势，与其他方式比较着进行说明。图IOA 图IOD和图IlA 图11D，是表示各种光束分割方式和与其对应的入射光束的时间变化关系的图，其中图IOD和图IlD是本实施例的情况。图IOA和图IIA表示现有的单光束方式，将R、G、B整体合成生成I束光束。该情况下，由于单脉冲的强度存在上限值，因此整体的光通量不能增大。图IOB和图IlB表示水平分割方式，是使第一光束和第二光束以在水平方向上错开比窗口孔径AP大的间隔d的方式配置的情况。该情况下，2束光束不会同时入射到窗口中。但是，邻接的2个脉冲(第一光束与第二光束)较近，包含在规定时间Ti (Wysec)中，因此被视为单脉冲，第一光束与第二光束的光束强度被合计。其结果，需要与图IOA和图IlA的单光束方式同样对待。图IOC和图IlC是垂直分割方式，但采用了使第一光束和第二光束以在垂直方向上错开比窗口孔径AP小的间隔d’的方式配置的情况。该情况下，第一光束与第二光束的开始入射的时间差AT’较短，所以第一光束的脉冲序列还未全部通过时，第二光束的脉冲序列就已经入射，在时间上发生重合。即，产生了 2束光束同时入射到窗口中的期间，其结果，需要与图IOA和图IlA的单光束方式同样对待。图IOD和图IlD是垂直分割方式，是使第一光束和第二光束以在垂直方向上错开比窗口孔径AP大的间隔d的方式配置的情况。如图9所示，2束光束不会同时入射到窗口中，并且邻接的脉冲的间隔始终比规定时间Ti长，所以也不会被视为单脉冲。因此，能够通过光束分割来可靠地降低单脉冲的光束强度。图12是表示本实施例的光束通量增大效果的图。纵轴表示根据安全标准的上限值确定的激光光束的允许光通量(相对值)。设现有的单光束方式的上限值为100时，在分割光束方式下，由于反复脉冲数增加为2倍，因此进行修正，上限值(AEL)降低至84. I。第一光束(G)的光通量设定成最多使用至上限值84. 1，与此相应地对第二光束(R/B)根据图8所示的强度比进行分配，R光为38.3，B光为1.8。其结果，能够使激光光束出射光通量合计增大至124. 2，提高显示图像的亮度。[实施例2]
图13是表示本发明的扫描型图像显示装置的第二实施例的结构图。基本结构与实施例I (图I)相同，但米用了使分割后的第一光束21和第二光束24的位置在垂直方向上错开间隔d配置时，在水平方向上也错开Ad的结构。其结果，投影到屏幕18上的光束位置在倾斜方向上偏离D’。当存在水平方向的偏离Ad时，显示画面的左右端会产生一方的光束没有照射的区域，所以并不理想，即使通过光学系统(激光光源11、12、13和分色镜15、16)的调整，也存在仍然残留微小的偏离Ad的情况。该情况下，在上述图2的控制电路20中，通过使第一光束21和第二光束24的图像信号的输出时刻偏离相当于Ad的时间来进行修正。即，在上述图3的激光驱动信号中，付与时间差Λ T=d/Vv+Λ d/Vh (Vh :水平扫描速度)。其结果，在屏幕上显示的R、G、B的信号不会发生时间上的偏离(色差)。[实施例3]
图14是表示本发明的扫描型图像显示装置的第三实施例的结构图。本实施例中改变激光光束的分割方法，将G光分为Gl光和G2光，生成由Gl光与R光合成的第一光束，和由G2光与B光合成的第二光束。即，通过将光束强度比比较大的G光分为2束，使第一光束和第二光束的强度(光通量)一致。装置具备2个壳体(光学系统)。壳体17a中具有Gl光的激光光源IIa和R光的激光光源12，将Gl光束21a和R光束22合成为第一光束(G1/R) 25，在第一偏转反射镜装置14a上反射后投影到屏幕18上。壳体17b中具有G2光的激光光源Ilb和B光的激光光源13，将G2光束21b和B光束23合成为第二光束(G2/B) 26，在第二偏转反射镜装置14b上反射后投影到屏幕18上。然后，通过调整各光学系统的位置，与实施例I同样地使第一光束25和第二光束26的出射方向在垂直方向上错开。即，配置为在从光束的出射位置离开规定距离M (IOOmm)的位置上，使两个光束在垂直方向上偏离间隔d，该间隔d比窗口孔径 AP (7mm)大。图15是表示本实施例的光束强度增大效果的图。纵轴表示激光光束的允许光通量。当设现有的单光束方式的上限值为100时，在分割光束方式下，进行反复脉冲数量的修正，上限值成为84. I。第一光束(G1/R)和第二光束(G2/B)的光通量均设定成最多使用至上限值84. I。然后对各颜色光的光通量以上述图8所示的强度比进行分配，于是Gl光为32. 3，G2光为81. 6，R光为51. 8，B光为2. 5。其结果，激光光束的光通量合计增大至168. 2，能够进一步提闻显不图像的売度。根据以上所述的各实施例，使投影到屏幕的激光光束分割为第一光束和第二光束，并使它们在垂直方向上错开间隔d配置。通过使间隔d比激光光束安全标准中规定的窗口孔径AP大，2束光束不会同时入射到窗口中，能够降低作为单脉冲的光束强度。此外由于使入射到窗口中第一光束和第二光束的时间间隔比基准中规定的规定时间Ti长，所以不会被视为单脉冲而将二者的光束强度合计。从而，能够通过降低作为单脉冲的光束强度来提高安全性。进而，通过降低单脉冲的光束强度而在与安全标准(允许值)之间产生富余，能够使整体的光束通量增大，提高显示图像的亮度。
权利要求
1.一种扫描型图像显示装置，将激光光束投影到屏幕上，使该激光光束在该屏幕上2维扫描而显示图像，其特征在于，包括 分别产生红色、绿色、蓝色的激光光束的多个激光光源； 将该多个激光光束合成而生成第一、第二激光光束的光学系统；和 通过偏转反射镜的旋转而使该第一、第二激光光束2维扫描的偏转反射镜装置， 所述光学系统被设定成，所述第一、第二激光光束的出射方向在所述屏幕的垂直方向上具有角度差Θ，该第一、第二激光光束的垂直方向上的间隔d，在激光光束的安全标准中规定的自激光光束的出射口距离M的位置上比安全标准中规定的窗口孔径AP大。
2.如权利要求I所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 所述第一激光光束由绿色光束生成，所述第二激光光束由红色光束和蓝色光束生成。
3.如权利要求I所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 所述第一激光光束由绿色光束和红色光束生成，所述第二激光光束由绿色光束和蓝色光束生成。
4.如权利要求I 3中任意一项所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 具有控制电路，对于所述第一激光光束和所述第二激光光束的图像信号，使输出时刻错开时间差Λ T而输出， 其中，该时间差AT是在垂直方向上扫描所述间隔d所需要的时间。
全文摘要
本发明提供一种扫描型图像显示装置，考虑到激光光束的安全性标准，在确保安全性的同时提高显示图像的亮度。激光光源(11、12、13)分别产生绿色(G)、红色(R)、蓝色(B)的光束，被分色镜(15、16)合成而生成第一光束(G)(21)、和第二光束(R/B)(24)。偏转反射镜装置(14)，通过偏转反射镜的旋转使第一、第二光束2维扫描。第一、第二光束(21、24)被设定成，出射方向在屏幕(18)的垂直方向上具有角度差(θ)，它们的间隔(d)比激光安全标准中规定的窗口孔径(AP)大。
文档编号G03B21/20GK102841495SQ20121021053
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月20日 优先权日2011年6月22日
发明者保坂宪生, 坪野英二, 仲尾武司, 春名史雄 申请人:日立视听媒体股份有限公司