专利名称：扫描型图像显示装置和扫描型投影装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用扫描反射镜使光束二维地扫描以在屏幕上显示图像的扫描型图像显示装置和扫描型投影装置。
背景技术：
近年来，人们实现了利用扫描反射镜(偏转反射镜)使从半导体激光光源出射的光束在画面上二维地扫描以显示图像的扫描型图像显示装置和扫描型投影装置。作为这种扫描型图像显示装置，例如专利文献1、2中记载的那样，具有激光光源和使从激光光源发射的激光反射而在被投影面上扫描的偏转扫描元件(例如MEMS (Micro Electro MechanicalSystems，微电子机械系统)反射镜装置)，使反射镜面旋转以使从光源出射的光束二维地扫描。此时所采用的结构中，包括使来自反射镜的反射光透射而投射(投影)到投影对象上的偏振分束器(PBS)(或称为偏振分束立方体、偏振棱镜),和配置在偏振分束器与MEMS反射 镜装置之间的、对透射的光进行偏振调制的1/4波片。专利文献I的图6和专利文献2的图20表示使光束对扫描反射镜的入射方向为大致垂直方向(入射角大约为O)的结构，并记载了相对于反射镜面的旋转角可获得更大的光束的偏转角(偏转效率)的内容。此时，由于扫描反射镜的入射光与反射光的光路是共同的，因此采用使投射的光束为直线偏振光，在光路中使用偏振分束器(PBS)与1/4波片以分离入射光与反射光的结构。专利文献I :日本特开2006-189573号公报专利文献2 :日本特表2009-533715号公报
发明内容
在扫描型图像显示装置中，已知屏幕上的显示图像中产生的失真依赖于光束对扫描反射镜的入射角，在光束从倾斜方向入射的情况下图像失真会增大。因此，通过使去往扫描反射镜的光束的入射方向为垂直入射，能够减小图像的失真。然而，在垂直入射的情况下，为了分离入射光与反射光，需要偏振分束器(PBS)。PBS为在大致立方体形状的偏振棱镜的对角线方向上设置有多层膜(下面称为PBS膜)的结构，主要具有透过P偏振光并反射S偏振光的性质。扫描型图像显示装置所投影的图像尺寸由扫描反射镜的偏转角度所决定。上述专利文献1、2中记载的光学系统结构中，由于需要使来自扫描反射镜的反射光全部通过偏振分束器内，因此若偏转角度变大，则必须增大偏振分束器的体积。然而，当偏振分束器的体积增大时，存在壳体整体大型化、部件价格也增加的问题。此外，当使用偏振分束器(PBS)时，由于PBS内表面的反射，存在在投影图像的大致中央部分产生亮点，导致画质降低的问题。本发明的目的在于，提供一种能够以简单的结构投影大尺寸图像的、小型且价格低廉的、不会产生不必要的亮点的画质良好的扫描型图像显示装置和扫描型投影装置。
本发明提供一种使光束扫描而在屏幕上显示图像的扫描型图像显示装置，其特征在于，包括出射光束的光源；光源驱动电路，根据图像信号控制从上述光源出射的光束的强度；扫描反射镜，使上述光束大致垂直地入射到反射镜面，将该光束大致垂直地反射；扫描反射镜驱动电路，以规定的扫描角度二维地反复旋转驱动该扫描反射镜的反射镜面；和偏振棱镜，使从上述光源入射的光束反射并经1/4波片入射到上述扫描反射镜，并且使被该扫描反射镜反射且通过上述1/4波片后的光束透射而向上述屏幕的方向出射，其中，该偏振棱镜呈六面体形状，使上述光束反射或者透射的偏振分束膜(PBS膜)配置在上述六面体的大致对角方向上，该偏振棱镜中，当令去往上述屏幕的光束出射方向(下面称为Y方向)上的尺寸为A,来自上述光源的光束入射方向(下面称为X方向)上的尺寸为B时,存在A < B的关系。此外，本发明一种扫描型投影装置，使光束在被投影面上扫描而投影二维图像，其特征在于，包括激光光源，作为发散光出射上述光束；准直透镜，将上述光束变换成大致平行光或弱会聚光；偏转扫描元件，使上述光束在上述被投影面上扫描；和分束器，配置在上述准直透镜与上述偏转扫描元件之间，将通过上述准直透镜后的上述光束反射到上述偏转扫描元件的方向，并使被偏转扫描元件反射后的光束透射到上述被投影面的方向，其中， 上述分束器中，通过上述准直透镜后的上述光束所入射的第一面的面积，小于被上述偏转扫描元件反射后的光束所入射的第二面的面积。利用本发明，可实现一种能够以简单的结构投影大尺寸图像的、小型且价格低廉的扫描型图像显示装置和扫描型投影装置。
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整体结构图。图2是表示实施例I中的偏振棱镜的形状的图。图3是表示偏振棱镜的第二实施例的形状的图。图4是表不偏振棱镜的第三实施例的形状的图。图5是表示偏振棱镜的第四实施例的形状的图。图6是表示用于对比的以往的偏振棱镜的形状的图。图7是表示本发明的扫描型投影装置的第五实施例的结构图。图8是实施例5中的分束器的结构图。图9是求取分束器的宽度的说明图。图10是表示作为比较例的使用了以往的分束器的扫描型投影装置的结构的图。图11是表示实施例5的变形例的扫描型投影装置的结构图。图12是表示分束器的第六实施例的立体图。图13是表示分束器的第七实施例的立体图。图14是表示分束器的第八实施例的俯视图。图15是表示本发明的扫描型图像显示装置的第九实施例的整体结构图。图16是说明扫描画面上产生不必要的杂散光的原理的图。图17是表示透射偏振选择元件的其它结构例的图。图18是表示透射偏振选择元件的另一结构例的图。
附图标记说明I......光模块部2......控制电路3……视频信号处理电路4......激光光源驱动电路5……扫描反射镜驱动电路6……前监测器信号检测电路 9......屏幕11、12、13......激光光源21,22......波长选择性反射镜30......偏振棱镜31……PBS (偏振分束)膜32......(偏振棱镜的)入射面33......(偏振棱镜的)出射面34……(偏振棱镜的)第一侧面35......(偏振棱镜的)第二侧面36......(偏振棱镜的)上表面37……(偏振棱镜的)下表面40......1/4 波片50……扫描反射镜60……散斑消减元件70......前监测器90、90a、90b……透射偏振选择元件101、103、105......激光光源102、104、106......准直透镜107、108......光合成元件109、600、700、800......分束器110......1/4 波片111……偏转扫描元件112......透明盖116......(分束器的)第一侧面117......(分束器的)第二侧面118……(分束器的)第三侧面
具体实施例方式下面基于图示的实施例进行详细说明，但本发明并不限定于这些实施例。[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整体结构图。图中的点划线表示光束的光轴。光模块部I具有绿(G)/红(R)/蓝(B)三色激光光源11、12、13，将从各激光光源发出的光束合成的光合成部，将所合成的光束投射到屏幕9上的投射部，以及使投射的光束在屏幕9上二维地扫描的扫描部。光合成部中包含波长选择性反射镜21、22等,投射部中包含具有PBS (偏振分束)膜31的偏振棱镜(偏振分束器)30、1/4波片40、散斑消减元件60等，扫描部中包含扫描反射镜(偏转反射镜)50等。要显示的图像信号经由包含电源等的控制电路2输入到视频信号处理电路3中。视频信号处理电路3对图像信号实施各种处理，分离成R/G/B三色信号，发送到激光光源驱动电路4。激光光源驱动电路4中，根据R/G/B各信号的亮度值对光模块部I内的对应的激光光源11、12、13供给发光用的驱动电流。其结果,激光光源11、12、13按照显不时刻(display timing)出射与R/G/B信号的亮度值相应的强度的光束。此外，视频信号处理电路3从图像信号中提取同步信号发送到扫描反射镜驱动电路5。扫描反射镜驱动电路5根据水平/垂直同步信号对光模块部I内的扫描反射镜50供给使反射镜面二维地反复旋转的驱动信号。由此扫描反射镜50的反射镜面以规定的角度周期性地反复旋转而反射光束，使光束在屏幕9上沿水平方向和垂直方向扫描以显示图 像。前监测器信号检测电路6被输入来自光模块部I内的前监测器70的信号，检测从激光光源11、12、13出射的R/G/B各自的输出电平(output level)。所检测到的输出电平被输入到视频信号处理电路3中，控制激光光源11、12、13的输出以使其成为规定的输出。下面针对光模块部I的内部结构进行说明。激光光源11产生G光(波长520nm波段)光束，激光光源12产生R光(波长640nm波段)光束，激光光源13产生B光(波长440nm波段)光束。各色光束由准直透镜变换成大致平行的光束。波长选择性反射镜(Dirichlet反射镜)21使G光透射并使R光反射。而波长选择性反射镜22使G光和R光透射并使B光反射。对于G、R、B光各光束，通过调整它们的光轴的倾角和位置，使得各光束的截面互相重合，成为一束合成后的光束行进。此外，在此所示的G光、R光、B光的配置是考虑到各光束的传播效率后决定的，但它们的配置并不限定于此，可适当地进行变更。合成后的光束入射到偏振棱镜30中，被PBS膜31反射，在通过1/4波片40后，大致垂直地入射到扫描反射镜(偏转扫描元件)50。扫描反射镜50例如由MEMS反射镜或电流计式反射镜等构成，通过使其反射镜面二维地以规定扫描角度反复旋转，使入射的光束在扫描角度的范围内大致垂直地反射。被反射的光束在通过1/4波片40后从偏振棱镜30的PBS膜31透射，入射到散斑消减元件60。散斑消减元件60是用于消减激光与来自所通过的光学部件的返回光(反馈光)相干涉而产生的散斑噪声的元件，例如由液晶元件构成。通过散斑消减元件60后的光束被投射到屏幕9上显示画面。此外，可省略散斑消减元件60。下面针对将去往扫描反射镜50的入射光与来自扫描反射镜50的反射光分离的偏振棱镜30的形状和动作进行说明。为了使说明简单，令从激光光源入射到偏振棱镜30的光束的入射方向为X方向，被扫描反射镜50反射而向屏幕9出射的光束的中心轴方向为Y方向，与它们正交且与纸面垂直的方向为Z方向。屏幕9上将图像显示为X方向与Z方向的二维形状。首先，针对以往的偏振棱镜的形状进行说明。图6中，为了比较而给出了以往的偏振棱镜30的形状，Ca)是俯视图(从Z方向观察的图)，(b)是侧视图(从X方向观察的图)。以往的偏振棱镜30大致为立方体形状，各边的长度A (Y方向)、B (X方向)、C (Z方向)相等。为了实现下述的扫描角度，需要其尺寸例如为A=B=C=S. 4mm。PBS膜31在俯视图(a)中配置在将偏振棱镜30的对角位置e、f连结的面上，PBS膜31的膜面与偏振棱镜30的外表面所成角度大致为45°。在侧视图(b)中，PBS膜31配置在偏振棱镜30的内部的整个面上。从激光光源11、12、13出射并合成后的激光光束81作为S偏振光沿X方向入射到偏振棱镜30中。为了使入射光的偏振为S偏振,可在各激光光源或各准直透镜的出射部分设置偏振片，或者将激光光源本身旋转再安装。偏振棱镜30的PBS膜31在倾斜45°的方向上配置，具有反射S偏振光而透过P偏振光的特性。因此，S偏振的光束81被PBS膜31反射，沿Y方向行进，入射到1/4波片40。S偏振的光束81被1/4波片40变换为大致圆偏振的光束，大致垂直地入射到扫描反射镜50。扫描反射镜50将光束反射到+Y方向，该反射光束82以规定的扫描角度(X方向θχ，Ζ方向θζ)摆动。该扫描角度的大小对应于显不画面尺寸,例如使θχ (水平方向)= ±15°，θζ (垂直方向)=±12°。光束82因再次通过1/4波片40而被从圆偏振光变换成P偏振的光束，入射到偏振棱镜30中。P偏振的光束82透过PBS膜31，从偏振棱镜30·向着屏幕9出射。在图6的偏振棱镜30的情况下，有进一步使偏振棱镜小型化的余地。在俯视图Ca)中，PBS膜31中光束81发生反射的仅为PBS膜31中央部的一点，光束82透过的是附图标记g h的部分,其外侧部分e g、h f没有被利用。同样地在侧视图(b)中,光束81、82发生反射或透射的是附图标记82之间的区域，附图标记82外侧部分没有被利用。因此，通过去除该光束不通过的部分，能够在不破坏偏振棱镜30的功能的情况下缩小棱镜的尺寸。下面，利用附图对缩小化后的偏振棱镜的几个实施例进行说明。其中，为了区分形成偏振棱镜30的6个外表面，将来自扫描反射镜50的光束82的入射面称为“入射面32”，将去往屏幕9的光束82的出射面称为“出射面33”，将来自激光光源的光束81的入射面称为“第一侧面34”，将与第一侧面34相对的相反侧的面称为“第二侧面35”，将在Z方向上相对的面称为“上表面36”、“下表面37”。这些面的位置如图所示。图2表示实施例I中的偏振棱镜30的形状，(a)是俯视图，(b)是侧视图。本实施例中，在俯视图(a)中去除偏振棱镜30的入射面32侧，并随之去除其它3个面(出射面33侦U、第一侧面34侧、第二侧面35侧)。此外，在侧视图(b)中去除上表面36侧和下表面37侦U。S卩，若令各边的尺寸为A’(Y方向)、B’(X方向)、C’(Z方向)，与去除之前的尺寸A、B、C (A=B=C)相比，A’ < A，B’ < B, C’ < C。进一步地，去除后的偏振棱镜30为长方体形状(XY截面是长方形形状)，存在有A’ <B’的关系。由此，PBS膜31配置在将从入射面32的角(端部)向内侧偏移的位置f’与出射面33的角(端部)e’连结的面上。若用XY截面形状来说明，则PBS膜31的一端以长方形截面的顶点位置e’为起点，另一端以从长方形截面的顶点起在入射面32上向内侧偏移的位置f’为终点，并配置成使得该PBS膜31与入射面32以大致45°的角度交叉。将偏振棱镜30的去除部分与去除前的上述图6对比着进行说明。在俯视图(a)中，去除偏振棱镜30的入射面32侧直到图6中的虚线j的位置。去除位置j是由光束82不透过的PBS膜31的区域所决定的，设定在PBS膜31与光束82的交叉位置h的附近。由于去除了入射面32侧，1/4波片40和扫描反射镜50能够向偏振棱镜30侧移动去除的量。其结果，对于从扫描反射镜50入射的光束82，即使扫描角度θ X相同，PBS膜31上的通过区域(X方向的宽度)也变窄。因此，由与光束82的交叉位置所决定的去除位置j进一步地向Y方向前进，重复该操作直到决定最终位置。接着，由于光束82的通过区域变窄，对于第一侧面34侧与第二侧面35侧也产生光束82不通过的部分，去除直到虚线m、n的位置。此外，对于出射面33侧，以光束82全部通过出射面33内出射为条件来决定不必要的部分，去除直到虚线k的位置。其结果，去除后的偏振棱镜30的Y方向的尺寸(进深)缩小到A’，X方向的尺寸(宽度)缩小到B’。具体例子如下，在扫描角度ΘΧ=±15°的情况下，以往的尺寸A=B=8. 4mm，去除后的尺寸缩小到A’ =6. 6mm、B’ =7. 8mm。此时由于有A’ < B’的关系，因此PBS膜31不是以入射面32的角(端部)位置为起点，而是以向内侧偏移尺寸A’与B’之差Δχ=1. 2mm的位置f’为起点来配置。A’和B’的尺寸依赖于扫描角度ΘΧ，但A’<B’的关系始终成立。并且，扫描角度ΘΧ越大，Α’与B’之差ΛΧ也越大。因此，在增大扫描角度ΘΧ提高显示图像的分辨率的情况 下，Α’与B’之差Δ X变大，能够较大地发挥尺寸缩小效果。此外在侧视图(b)中，去除偏振棱镜30的上表面36侧和下表面37侧直到图6中虚线P、q所示的位置。该去除位置P、q，在图2 (a)的俯视图所示的去除后的偏振棱镜30中，可根据光束82与出射面33交差的位置决定。其结果，去除后的偏振棱镜30的Z方向的尺寸(高度)缩小到C’。具体例子如下，在扫描角度ΘΖ=±12°的情况下，以往的尺寸C=8. 4mm,去除后的尺寸缩小到C’=6. 8_。此外,该尺寸C’依赖于扫描角度0 2,与尺寸八’、B’的大小关系由Θ z的大小决定。[实施例2]图3表示偏振棱镜30的第二实施例的形状，(a)是俯视图，(b)是侧视图。本实施例为进一步地对上述第一实施例(图2)的偏振棱镜进行去除后的结构，在俯视图(a)中，将偏振棱镜30的第一侧面34和第二侧面35沿着光束82的行进方向倾斜地切除。即，XY截面形状成为梯形形状，入射面32上的尺寸(宽度)B”比出射面33上的尺寸(宽度)B’小，缩小到B” =5. 5mm。PBS膜31配置在将入射面32的角f’与出射面33的角e’连结的面上。若用XY截面形状来说明，则PBS膜31的一端以梯形的短边(入射面32)侧的顶点位置f’为起点，另一端以梯形的长边(出射面33)侧的顶点位置e’为终点，并配置成使得该PBS膜31与短边和长边以大致45°的角度交叉。关于侧视图(b)，与上述第一实施例(图2)相同。本实施例中，通过倾斜地切除偏振棱镜30的侧面，能够进一步地缩小尺寸。此外在本实施例中，由于倾斜地切除来自激光光源的光束81所入射的第一侧面34，因此入射到偏振棱镜30后的光束81的光路会发生变化。因此,修正激光光源侧的光轴方向使得偏振棱镜30内的光路不变。[实施例3]图4表示偏振棱镜30的第三实施例的形状，Ca)是俯视图，(b)是侧视图。本实施例为进一步地对上述第二实施例(图3)的偏振棱镜进行去除后的结构，在侧视图(b)中，将偏振棱镜30的上表面36和下表面37沿着光束82的行进方向倾斜地切除。由此，使入射面32上的尺寸(高度)C”比出射面33上的尺寸(高度)C’小，缩小到C”=5mm。本实施例中，通过倾斜地切除偏振棱镜30的上下表面，能够立体地使偏振棱镜小型化。此外在本实施例中，也修正激光光源侧的光轴方向使得偏振棱镜30内的光路不变。[实施例4]图5表示偏振棱镜30的第四实施例的形状，(a)是俯视图，(b)是侧视图。本实施例是在上述第三实施例(图4)的偏振棱镜中，不对来自激光光源的光束81所入射的第一侧面34进行倾斜切除，将其恢复到与图2相同的平面的结构。由此，入射到偏振棱镜30后的光束81的光路不发生变化，不需要修正激光光源侧的光轴方向。根据上述实施例I 4，通过去除偏振棱镜中不参与投射光生成的部分，能够缩小偏振棱镜的尺寸，实现扫描型图像显示装置的小型化。该小型化的效果在增大扫描角度进行高分辨率的图像显示的情况下能够更好地得到发挥。此外，对于上述的实施例，单独实施或者组合实施都是有效的，偏振棱镜被去除的部分可适当地选择。
[实施例5]图7是本发明的扫描型投影装置的第五实施例的结构图。本实施例中，偏振棱镜的尺寸比上述各实施例进一步缩小。在此给出了包括缩小后的分束器(偏振棱镜)109的扫描型投影装置100 (即相当于图I中的光模块部I)的结构。激光光源101是出射G光(波长520nm波段)光束的半导体激光器，激光光源103是出射R光(波长640nm波段)光束的半导体激光器，激光光源105是出射B光(波长440nm波段)光束的半导体激光器。从各激光光源101、103、105出射的激光光束分别由准直透镜102、104、106变换成平行光束乃至弱会聚光束。光合成元件107是使G光光束透射、R光光束反射的波长选择性反射镜，R光光束的行进方向被变换为图中y方向。并且，对光合成元件107或者激光光源101、103以及准直透镜102、104进行调整，使得G光光束与R光光束的光轴大致一致。光合成元件108是使G光光束和R光光束透射、B光光束反射的波长选择性反射镜，B光光束的行进方向被变换为图中y方向。并且，对光合成元件108或者激光光源105以及准直透镜106进行调整，使得B光光束与G光和R光光束的光轴大致一致。从半导体激光器出射的光束一般为线偏振光。因此，从激光光源101、103、105出射的光束也为线偏振光。本实施例中分别旋转调整激光光源101、103、105，使得透过光合成元件108的三束光束的偏振方向与图中z方向大致平行。合成后的3色的光束入射到分束器(偏振棱镜)109中。在构成分束器109的面中，重点关注光束所入射的面(第一侧面)116，在与偏转扫描元件111之间出射、入射的面(第二侧面)117，向被投影面出射(投射)的面(第三侧面)118。此外，与上述实施例I 4 (图2 5)的偏振棱镜30对应来说，第一侧面116相当于上述第一侧面34，第二侧面117相当于上述入射面32，第三侧面118相当于上述出射面33。在本实施例中，令第一侧面116的宽度(图中X方向长度)比第二侧面117、第三侧面118的宽度(图中y方向长度)小，且令高度(图中z方向的长度)相等。即，分束器109呈扁平的形状。此外，在分束器109的大致中心形成有偏振选择性反射膜(PBS膜)120。偏振选择性反射膜120具有使与图中z方向平行的偏振成分反射、使与图中y方向平行的偏振成分透射的性质。偏振选择性反射膜120以规定的角度配置，使得反射后的光束沿规定的方向行进。例如在图7的例子中，该偏振选择性反射膜120相对于面116和面118成大致45度倾斜，以使反射后的光束从面117大致垂直地出射。入射到面116的三色光束由于如上所述地被调整成为偏振方向与图中Z方向大致平行的线偏振光，因此偏振选择性反射膜120将三色光束反射向面117的方向。从分束器109的面117出射的光束入射到1/4波片110。1/4波片110中三色光束被变换成圆偏振光。接着，光束入射到偏转扫描元件(扫描反射镜)111。偏转扫描元件111以图中Z方向和图中y方向为扫描轴，具有通过围绕各扫描轴进行偏转驱动而使得光束在被投影面上二维扫描的功能。偏转扫描元件111例如可以由MEMS反射镜或电流计式反射镜等实现。被偏转扫描元件111反射的光束再次入射到1/4波片110。光束在此被变换成图中I方向的线偏振光。接着，光束再次通过分束器109的面117，入射到偏振选择性反射膜120上。由于光束的偏振方向已经被1/4波片110变换成与图中y方向平行，所以在此光束透过偏振选择性反射膜120。第二侧面117与第三侧面118形成为规定的面积，使得即使在偏转扫描元件111为规定的最大偏转角度的情况下，被偏转的光束也通过分束器109内，不过这一点在图中并未不出。此外，在被偏转扫描的光束未入射到分束器109的偏振选择性 反射膜120而是通过其外侧的情况下，等同于光束单纯地从透明平板透射的情况，允许该情况存在。接着，光束入射到设置在扫描型投影装置100的上表面的透明盖112。透明盖112假定是三色光束的透射率极高的透明玻璃盖或者塑料盖，能够防止粉尘等进入装置100内引起光学部件的透射率劣化或偏转扫描元件111发生故障等。透明盖112也形成为规定的面积，使得即使在偏转扫描元件111为规定的最大偏转角度的情况下，被偏转的光束也没有损失地通过透明盖112。通过透明盖112后的三色光束，在设置于外部的被投影面上的相同位置上重叠地形成3个光斑。即，在被投影面上被识别为I个光斑。如上所述，本实施例的扫描型投影装置100只需至少包括激光光源101、103、105，准直透镜102、104、106，光合成元件107、108，分束器109，1/4波片110，偏转扫描元件111和透明盖112即可，在中途可追加衍射光栅或波片等光学元件，或采用利用反射镜使光路曲折的结构。此外，在透明盖112与偏转扫描元件111之间的光路中，可以追加具有变换偏转扫描元件111的扫描角度的功能的光学元件等。图8是表示实施例5中的分束器109的具体结构的立体图。在此，作为一个例子，令分束器109为长方体形状的情况。该分束器109在玻璃201与玻璃202的接合面上形成有偏振选择性反射膜120，通过切割成长方体而制造。由于其制造工序与专利文献I的偏振分束立方体的制造工序相同，因此易于制造。令分束器109的沿着图中X方向的长度为宽度Lx，沿着图中y方向的长度为宽度Ly，沿着图中z方向的长度为宽度Lz。在此，针对分束器109的宽度Lx、Ly、Lz的具体关系式进行说明。图9是求取分束器109的宽度Ly的示意图。并且为了简化起见，仅描绘了分束器109和偏转扫描元件111。分束器109的第二侧面117和第三侧面118具有规定的面积，使得即使被偏转扫描元件111偏转扫描的光束的入射角度发生变化，入射的光束也全部通过分束器109内。令偏转扫描元件111以通过其中心且与图中z方向平行的直线为轴旋转时的最大偏转角度为土 Qmax。在此，以纸面上的顺时针方向为负,逆时针方向为正。令偏转扫描元件111的偏转角度为O的情况下反射光束的光轴为光轴113，偏转角度为+ Θ max的情况下反射光束的光轴为光轴114，偏转角度为-Θ max的情况下反射光束的光轴为光轴115。光轴113与光轴114之间的角度为+2 · Θ max，光轴113与光轴115之间的角度为_2 · Θ max,光束的最大偏转扫描角度为±2 · Θ max ο令分束器109的面11 7与偏转扫描元件111之间的距离为距离D，分束器109的折射率为折射率n，则第三侧面118上达到最大偏转扫描角度的光束所入射的沿着图中y轴的最大宽度L’由式(I)给出。L，=2X (D+Lx/n) · tan (2 · Θ max) (I)令光束的束径为S，为了使以光轴114与光轴115之间的偏转角度入射的光束全部通过第三侧面118，宽度Ly需要满足式(2)。Ly > S+L，=S+2X (D+Lx/n) · tan (2 · Θ max) (2)此外，可同样地求得第三侧面118沿着图中z方向的宽度Lz，不过图中并未示出。令偏转扫描元件111以通过其中心且与图中y方向平行的直线为轴旋转时的最大偏转角度为土 (imax。为了使光束全部通过第三侧面118,宽度Lz需要满足式(3)。Lz > S+2X (D+Lx/n) · tan (2 · <J>max) (3)另一方面，入射到第一侧面116的光束是向偏转扫描兀件111行进的去路光束，其偏转角度不变化。因此，第一侧面116的宽度Lx可使用束径S根据式(4)求得。Lx > S (4)如上所述，决定本实施例的分束器109的宽度Ly、Lz、Lx使得它们满足式(2)、(3)、
(4)即可。接着针对本实施例的分束器109的效果进行说明。图10表示作为比较例的使用以往的分束器的情况下的扫描型投影装置400的结构图。例如为采用专利文献I中记载的Xy截面为正方形的偏振分束立方体401的情况。如图所示,为了使最大偏转角度±2 · Θ max的光束透过偏振分束立方体401，需要增大偏振分束立方体401的体积。并且，为了使用扫描型投影装置投影大尺寸的图像，需要进一步地增大最大偏转角度，随之偏振分束立方体401的体积也进一步增大。此外，偏振分束立方体401的体积的增加不仅会带来扫描型投影装置400整体大型化的问题，还会导致部件价格提高的问题。通常，具有偏振依赖性的光学部件由玻璃制造。如果假定偏振分束立方体401也由玻璃制造，则部件越大型化，从一块玻璃基板所制得的部件数目变少，部件价格将提高。因此，扫描型投影装置400的整体价格中，偏振分束立方体400所产生的影响变得非常大。本实施例的扫描型投影装置100的分束器109的结构中，使向着偏转扫描元件111行进的入射角度基本不变的去路光束所入射的第一侧面116的面积，小于被偏转扫描元件111扫描、入射角度变化较大的归路光束所入射的第二侧面117、第三侧面118的面积。通过采用该结构，能够使分束器109的厚度变得很薄，能够大幅度地减小体积。由此，不仅能够使扫描型投影装置100整体小型化，并且由于从一块玻璃基板所制得的部件数目增加，因此具有大幅度降低部件价格的效果。在为了增大投影图像的尺寸而增大光束的最大偏转角度的情况下，也只需使宽度Ly和宽度Lz变长，而宽度Lx可保持不变。即，即使增大光束的最大偏转角度，分束器109的厚度也不变化。因此，能够防止分束器109的部件体积过分增大。由此，可获得扫描型投影装置100的小型化以及价格降低的效果。并且，由于仅使用分束器109就能够实现小型化以及价格降低，因此不会增加光学部件或者导致光学系统复杂化。如上所述，本实施例的扫描型投影装置100能够使用尺寸较小的分束器109投影大尺寸图像，能够实现装置小型化和低价化。 此外，本实施例的扫描型投影装置可有如下变形例。将G、R、B三色光束合成的光合成元件107和108假定为波长选择性反射镜。但在如本实施例的扫描型投影装置中，只需为将三色光束合成的结构即可，可为使用2个波长选择性棱镜来代替2个波长选择性反射镜的结构。此外，可以如图11所示的扫描型投影装置500那样，使用兼具光合成元件107和108的功能的光合成元件501进行三色光束的合成，之后利用I个准直透镜502将三色光束一起变换成平行光。另外，还可使用液晶投影仪等中通常使用的I个波长选择性正交棱镜来代替光合成元件501,不过图中并未示出。·此外，绿色、红色、蓝色的激光光源的配置并不由本实施例所限定，也可以不同。此外，偏转扫描元件111也可由分别单独具有大致垂直的旋转轴的2枚偏转反射镜构成。此外，本实施例的分束器109不一定必须由玻璃构成，也可以由透明的塑料构成。[实施例6]图12是表示分束器的第六实施例的立体图。上述的分束器109只需为使通过光合成元件108后的光束向偏转扫描元件111反射的结构即可。因此，如图12所示的分束器600那样，形成在玻璃201与玻璃202的接合面203上的偏振选择性反射膜120，只需设置在包括从激光光源入射到接合面203的去路光束204的入射位置及其附近的有限的面积上。此外，图中偏振选择性反射膜120的形状为四边形，但并不限定于此，可为大致圆形或多边形等。此外，上述分束器109、600只需为使通过光合成元件108后的去路光束向偏转扫描元件111反射、使被偏转扫描元件111反射的归路光束向被投影面透射的结构即可。例如，可采用这样的结构，即，使用与偏振选择性反射膜120具有相反功能的，使偏振方向与图中y轴(X轴)方向大致平行的偏振光束反射、偏振方向与图中z方向大致平行的偏振光束通过的偏振选择性反射膜，并旋转调整激光光源101、103、105使得通过光合成元件108后的光束的偏振方向与图中y方向(X方向)平行。[实施例7]图13是表示分束器的第七实施例的立体图。上述的分束器109呈长方体形状，偏转角度为O的光束相对于第一 第三侧面116、117、118垂直入射，但并不限定于此。例如可如图13所示的分束器700那样，光束倾斜地入射到各个面。即，第二侧面117与下表面702之间的角度Λ 1，或第一侧面116与下表面702之间的角度Λ 2可不成90°。此外，1/4波片110也可以以图中ζ方向或图中I方向为轴旋转地安装。由此可获得下述效果。通常，光学部件在其入射或透射面上会产生被反射的微小杂散光束。例如，被偏振选择性反射膜120反射后、未透过第二侧面117而是被反射的杂散光束，或者未透过1/4波片110而是被反射的杂散光束，向着被投影面直线行进。这种情况下，预先设置分束器109的角度Al或者△ 2的倾斜角度或者倾斜地设置1/4波片，使得杂散光束的光轴角度在投影图像的光束的最大扫描角度±2 · Qmax或±2 · (tmax以上，能够防止杂散光束入射到投影的图像内。进一步地，也较容易追加在不对投影图像的光束产生影响的情况下仅遮蔽杂散光束的入射的光学部件。由此能够防止杂散光束带来的图像的劣化。[实施例8]图14是表不分束器的第八实施例的俯视图。被偏转扫描兀件111反射并通过分束器109的光束中，通过偏振选择性反射膜120的光束相对于通过其外侧区域的光束产生微小的能量损失。因此，如图14所示的分束器800那样，在第三侧面118上，在偏转角度比通过偏振选择性反射膜120的端部的光束801和802更大的光束所入射的规定位置，形成具有与偏振选择性反射膜120的透射率大致相等的透射率的膜803、804。其结果，从分束器800的第三侧面118出射的光束的强度能够在所有偏转角度上保持一定。由此，能够防止投影的图像中由通过偏振选择性反射膜120的光束所形成的一部分区域变暗，能够防止图像的劣化。
如上所述，实施例5 8的的扫描型投影装置100仅以采用尺寸较小的分束器109、600、700、800的简单结构，能够投影大尺寸图像，并实现装置小型化和低价格。[实施例9]图15是表示本发明的扫描型图像显示装置的第九实施例的整体结构图。实施例9为在上述实施例I (图I)的光模块部I中，在从偏振棱镜(偏振分束器，PBS) 30去往屏幕9的光束出射侧配置了透射偏振选择元件90的结构。通过设置偏振选择元件90，能够防止因PBS30内表面上的反射而在屏幕9上的投影图像的大致中央部分产生亮点。此外，在上述实施例5 (图7)中也同样地，可以在从分束器109去往被投影面的光束出射侧配置透射偏振选择元件90。首先通过图16说明使用PBS30时在扫描画面上产生不必要的杂散光的原理。来自光源11、12、13的光束作为入射光BOOl入射到PBS30。入射光被设定为相对于PBS30的反射面(PBS膜)31为S偏振，被该反射面31反射。反射光B002的大部分通过PBS30的侧面32而去往扫描反射镜50，但大约O. 1%左右的光束被PBS30的侧面32的内表面反射。由于被PBS30的侧面32的内表面反射的光束的偏振状态不发生变化，因此其大部分被PBS30的反射面31反射，作为反射光B003向光源方向行进，但约O. 1%到约1%的光束会作为透射光B004向屏幕9的方向行进。虽然透射光B004的光量相对于形成图像的扫描光B005 (P偏振光)极其微小，但由于其位置固定在画面的大致中央，存在作为由不必要的杂散光引起的亮点而被识别到的问题。因此本实施例中，为了去除上述亮点以提高画质，配置了透射偏振选择元件90。透射偏振选择元件90为仅使特定的偏振方向的光束直线行进而透射的元件，可使用所谓的偏振滤光镜。由于形成图像的扫描光B O O 5和形成亮点的透射光B O O 4的偏振方向彼此正交，因此只要设定偏振选择元件90的光学轴，使得仅有扫描光B005的偏振光透过，就能够屏蔽形成由不必要的杂散光引起的亮点的透射光B004。图17是表示透射偏振选择元件90的其它结构例的图。透射偏振选择元件90a上形成了折射率或光学相位发生变化的周期结构，对于入射光COOI，特定的偏振方向(在此为P偏振成分)的光束直线行进而成为出射光C002，特定的偏振方向(在此为S偏振方向)的光束被衍射,行进方向发生变化,成为出射光C003。利用该元件，使产生由不必要的杂散光引起的亮点的偏振方向(S偏振)的光束偏转，能够防止亮点的产生。在该图中，展示了一个方向的所谓衍射光栅，也可以在二维的方向上组合而使其发生衍射。图18是表示透射偏振选择元件90另一个结构例的图。在透射偏振选择元件90b上形成了折射率或光学相位发生变化的大致同心圆状的周期结构，对于入射光C001，特定的偏振方向(在此为S偏振成分)的光束被衍射，成为出射光C003而辐射状地扩散。利用该元件，使产生由不必要的杂散光引起的亮点的偏振方向的光束扩散。
这样，通过实施例9，能够消除因使用偏振分束器(PBS)而在投影图像的大致中央部分产生的亮点，防止画质降低。此外，透射偏振选择元件90也可以形成组合图17和图18而得的周期结构。此外，图18中形成周期结构的区域限定于元件中央部分，但周期结构的形成区域也可以为元件整体，或者仅限定为相当于入射光束直径的区域。
权利要求
1.一种使光束扫描而在屏幕上显示图像的扫描型图像显示装置，其特征在于，包括 出射光束的光源； 光源驱动电路，根据图像信号控制从所述光源出射的光束的强度； 扫描反射镜，使所述光束大致垂直地入射到反射镜面，将该光束大致垂直地反射； 扫描反射镜驱动电路，以规定的扫描角度二维地反复旋转驱动该扫描反射镜的反射镜面；和 偏振棱镜，使从所述光源入射的光束反射并经1/4波片入射到所述扫描反射镜，并且使被该扫描反射镜反射且通过所述1/4波片后的光束透射而向所述屏幕的方向出射，其中， 该偏振棱镜呈六面体形状，使所述光束反射或者透射的偏振分束膜(PBS膜)配置在所述六面体的大致对角方向上， 该偏振棱镜中，当令去往所述屏幕的光束出射方向(下面称为Y方向)上的尺寸为A，来自所述光源的光束入射方向(下面称为X方向)上的尺寸为B时,存在A < B的关系。
2.如权利要求I所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 所述偏振棱镜呈长方体形状，在来自所述扫描反射镜的光束入射的面上，将所述PBS膜的一端配置在从该入射面的端部向内侧偏移所述尺寸A、B的差(A-B)的位置上，并使得该PBS膜与该入射面以大致45°的角度交叉。
3.如权利要求I所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 所述偏振棱镜中，在所述X方向上相对的两个面中的至少一个面上，将光束因在X方向上以规定的扫描角度反复旋转驱动所述扫描反射镜而通过的X方向的区域的外侧部分，沿着光束的行进方向倾斜地切除。
4.如权利要求I至3中任一项所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 所述偏振棱镜中，在与所述X方向和所述Y方向垂直的方向(下面称为Z方向)上相对的两个面中的至少一个面上，将光束因在Z方向上以规定的扫描角度反复旋转驱动所述扫描反射镜而通过的Z方向的区域的外侧部分，沿着光束的行进方向倾斜地切除。
5.一种偏振棱镜，呈六面体形状，其中使光束反射或者透射的偏振分束膜(PBS膜)配置在所述六面体的大致对角方向上，其特征在于 所述六面体形状中，包含所述光束反射或透射时的光轴的面上的截面形状为长方形，所述PBS膜的一端以该长方形的顶点位置为起点，另一端以从该长方形的顶点起在长边上向内侧偏移的位置为终点，且该PBS膜与该长边以大致45°的角度交叉。
6.一种偏振棱镜，呈六面体形状，其中使光束反射或者透射的偏振分束膜(PBS膜)配置在所述六面体的大致对角方向上，其特征在于 所述六面体形状中，包含所述光束反射或透射时的光轴的面上的截面形状为梯形，所述PBS膜的一端以该梯形的短边侧的顶点位置为起点，另一端以该梯形的长边侧的顶点位置为终点，且该PBS膜相对于该短边和该长边以大致45°的角度交叉。
7.一种扫描型投影装置，使光束在被投影面上扫描而投影二维图像，其特征在于，包括 激光光源，作为发散光出射所述光束； 准直透镜，将所述光束变换成大致平行光或弱会聚光；偏转扫描元件，使所述光束在所述被投影面上扫描；和 分束器，配置在所述准直透镜与所述偏转扫描元件之间，将通过所述准直透镜后的所述光束反射到所述偏转扫描元件的方向，并使被偏转扫描元件反射后的光束透射到所述被投影面的方向，其中， 所述分束器中，通过所述准直透镜 后的所述光束所入射的第一面的面积，小于被所述偏转扫描元件反射后的光束所入射的第二面的面积。
8.一种扫描型投影装置，使光束在被投影面上扫描而投影二维图像，其特征在于，包括 激光光源，作为发散光出射所述光束； 准直透镜，将所述光束变换成大致平行光或弱会聚光； 偏转扫描元件，使所述光束在所述被投影面上扫描；和 分束器，配置在所述准直透镜与所述偏转扫描元件之间，将通过所述准直透镜后的所述光束反射到所述偏转扫描元件的方向，并使被偏转扫描元件反射后的光束透射到所述被投影面的方向，其中， 所述分束器呈大致长方体的形状，形成该大致长方体的六个面中，与所述偏转扫描元件相对的两个面的各自的面积大于其它四个面的各自的面积。
9.如权利要求7或8所述的扫描型投影装置，其特征在于 在所述分束器与所述偏转扫描元件之间具有1/4波片， 该1/4波片具有以下功能将通过该1/4波片的光束的偏振方向旋转，使得被所述偏转扫描兀件反射而入射到所述分束器的第二光束的偏振方向与从所述激光光源发出而入射到所述分束器的第一光束的偏振方向大致正交， 所述分束器具有以下功能使从所述激光光源发出而入射到该分束器的光束中第一偏振方向的光反射，使与第一偏振方向正交的第二偏振方向的光透射。
10.如权利要求7或8所述的扫描型投影装置，其特征在于 所述分束器由至少两个透明板在规定的接合面接合而构成，在所述规定的接合面的整个面或者一部分上，形成有偏振选择性反射膜。
11.如权利要求I所述的扫描型图像显示装置，其特征在于 在从所述偏振棱镜去往所述屏幕的光束出射侧，配置有仅使特定的偏振方向的光束直线行进而透射的偏振选择元件。
12.如权利要求7或8所述的扫描型投影装置，其特征在于 在从所述分束器去往所述被投影面的光束出射侧，配置有仅使特定的偏振方向的光束直线行进而透射的偏振选择元件。
全文摘要
本发明提供扫描型图像显示装置和扫描型投影装置，减小构成扫描型图像显示装置的偏振棱镜的尺寸，实现装置的小型化。偏振棱镜(30)呈六面体形状，光束反射或者透射的PBS膜(31)配置在六面体的大致对角方向上。偏振棱镜(30)中，当令去往屏幕的光束(102)的出射方向(Y方向)上的尺寸为A，来自光源的光束(101)的入射方向(X方向)上的尺寸为B时，存在A＜B的关系。例如使偏振棱镜呈长方体形状，在光束从扫描反射镜(50)入射的面(32)上，将PBS膜(31)的一端配置在从入射面(32)的端部起向内侧偏移上述尺寸A、B的差(A-B)的位置上，并使该PBS膜(31)与该入射面成大致45°的角度交叉。
文档编号G02B5/30GK102854622SQ201210219959
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月27日 优先权日2011年7月1日
发明者田中哲平, 仲尾武司, 杉山雅人, 畑木道生, 川村友人, 喜田裕美, 大西邦一 申请人:日立视听媒体股份有限公司