投影机的制作方法

本发明涉及一种投影机(projector)。

背景技术：

已知有一种投影机，其将红色成分(R)的激光(laser)、绿色成分(G)的激光及蓝色成分(B)的激光予以合成，将合成的激光一边扫描一边照射至投影面，由此，在投影面上投影出彩色(color)的图像(例如参照专利文献1)。

以往的投影机具备：第1激光二极管(laser diode)，发出红色成分的激光；第2激光二极管，发出绿色成分的激光；第3激光二极管，发出蓝色成分的激光；第1准直透镜～第3准直透镜(collimate lens)，供来自第1激光二极管～第3激光二极管的激光分别入射；以及分色镜(dichroic mirror)，将从第1准直透镜～第3准直透镜分别出射的激光予以合成。第1准直透镜～第3准直透镜分别用于将从第1激光二极管～第3激光二极管分别而来的激光由发散光转换为平行光。

一般而言，来自激光二极管的激光的光束(beam)形状(即，相对于光轴而垂直的剖面形状)为椭圆形状。若将具有此种椭圆形状的光束形状的激光直接照射至投影面，则图像的显示精度有可能下降。因此，在所述以往的投影机中，配置有整形棱镜(prism)，该整形棱镜用于将从分色镜出射的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011-197217号公报

技术实现要素：

[发明所要解决的问题]

但是，在所述以往的投影机中，整形棱镜的尺寸相对较大，因此产生下述问题：包含整形棱镜的光学系统整体大型化，从而相应地导致投影机整体大型化。

本发明欲解决所述问题，其目的在于提供一种既能实现光学系统整体的小型化，又能对激光的光束形状进行整形的光学元件以及具备该光学元件的投影机。

[解决问题的技术手段]

为了达成所述目的，本发明的一形态的光学元件是一种投影机，其包括：光源，发出激光；光学元件，供来自光源的激光穿过；以及投影部，将从光学元件出射的激光一边扫描一边照射至投影面，由此将图像投影至投影面。光学元件包括：入射面，供来自光源的激光入射；以及出射面，供入射至入射面的激光出射。在入射面及出射面中的其中一个上，形成有第1面，用于通过使来自光源的激光产生像散，而将来自光源的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。在入射面及出射面中的另一个上，形成有第2面，用于将来自光源的激光由发散光转换为平行光。

根据本形态，在入射面及出射面中的其中一个上，形成有用于将来自光源的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状(光束整形功能)的第1面，在入射面及出射面中的另一个上，形成有用于将来自光源的激光由发散光转换为平行光(准直功能)的第2面。这样，一个光学元件同时具有光束整形功能及准直功能，因此与如以往般将整形棱镜独立于准直透镜而配置的情况相比，能够减少包含光学元件的光学系统整体的零件个数。其结果，既能实现所述光学系统整体的小型化，又能对激光的光束形状进行整形。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1面与第2面是在光轴方向上彼此朝向相反侧而配置。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1面将来自光源的激光的光束形状在短轴方向上予以放大，由此将来自光源的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。

根据本形态，第1面在将来自光源的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状时，将激光的光束形状在短轴方向予以放大，因此既能确保光束直径整体的大小，又能对激光的光束形状进行整形。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：所述第1面是形成于入射面，所述第2面是形成于出射面。或者，例如，第1面是形成于出射面，第2面是形成于入射面。

根据本形态，第2面是形成于出射面，因此能够提高第2面对激光的聚光性。或者，第1面是形成于出射面，因此能够提高第1面对激光的聚光性。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为，所述第1面的形状为圆柱面形状，所述第2面的形状为球面形状或非球面形状。

根据本形态，第1面具有圆柱面形状，因此能够使第1面具备光束整形功能。而且，第2面具有球面形状或非球面形状，因此能够使第2面具备准直功能。

例如，本发明的一形态的光学元件中，第1面在与光轴方向正交的第1方向上具有曲率，在与方向和所述第1方向正交的第2方向上不具有曲率。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：所述第1面的形状为双锥形(biconic)面形状，所述第2面的形状为球面形状或非球面形状。

根据本形态，第1面具有双锥形面形状，因此能够使第1面具备光束整形功能。而且，第2面具有球面形状或非球面形状，因此能够使第2面具备准直功能。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1面在与光轴方向正交的第1方向上具有第1曲率半径，在与光轴方向和第1方向正交的第2方向上具有与第1曲率半径不同的第2曲率半径。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1曲率半径与第2曲率半径之比为1∶5以上。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1曲率半径为+130mm，第2曲率半径为+1380mm。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：所述光学元件的数值孔径为0.47以上。

根据本形态，光学元件的数值孔径为0.47以上，因此，例如当使用以约50°的放射角来发出激光的通常的激光二极管来作为光源时，能够使来自激光二极管的激光效率良好地入射至入射面。其结果，能够提高激光的利用效率。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：所述光学元件的透镜有效直径为3.5mm以下。

根据本形态，光学元件的透镜有效直径为3.5mm以下，因此既能确保光学元件与光源之间的距离，又能使光学系统整体小型化。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：从所述光学元件的所述入射面直至所述出射面为止的透镜厚度为1.75mm以下。

根据本形态，光学元件的透镜厚度为1.75mm以下，因此既能确保光学元件与光源之间的距离，又能使光学系统整体小型化。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1面在与光轴方向正交的第1方向上的曲率半径为100mm以上。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：第1面的第1方向与激光的光束形状的长轴方向一致，且第1面的第2方向与激光的光束形状的短轴方向大致一致。

例如，本发明的一形态的光学元件中，也可构成为：光源及光学元件分别设有多个，多个光源分别发出彼此不同色的波长的激光，多个光学元件分别对应于多个光源的各个而配置。

根据本形态，如上所述，一个光学元件同时具有光束整形功能及准直功能，因此与如以往般另行配置整形棱镜的情况相比，能够减少包含光学元件的光学系统整体的零件个数。其结果，既能实现光学系统整体的小型化，又能对激光的光束形状进行整形。

根据本形态，多个光学元件分别对应于多个光源的各个而配置，因此能够在对分别来自多个光源的激光的光束形状进行整形且将激光由发散光转换为平行光之后，将各激光予以合成。

[发明的效果]

根据本发明的一形态的光学元件，既能实现光学系统整体的小型化，又能对激光的光束形状进行整形。

附图说明

图1是用于对搭载有实施方式1的投影机的平视显示器(head up display)装置的结构进行说明的图。

图2是表示图1的平视显示器装置的图像显示例的图。

图3是简略地表示实施方式1的投影机的结构的方块图。

图4是表示实施方式1的第1光学元件的立体图。

图5是表示实施方式1的第1光学元件的侧面图。

图6是表示在出射面上形成有第2透镜面时的聚光性、与在入射面上形成有第2透镜面时的聚光性的比较结果的图表。

图7是表示第1光学元件的透镜厚度、透镜有效直径与第2透镜面的曲率半径的关系的图表。

图8是表示实施方式2的第1光学元件的侧面图。

图9是表示实施方式3的第1光学元件的立体图。

图10是表示实施方式3的第1光学元件的侧面图。

附图标记说明：

2：投影机；

4：平视显示器装置；

6：汽车；

8：合成仪；

10：图像；

12：仪表板；

14：前挡玻璃；

16：驾驶员；

18：景色；

20：第1激光二极管；

22：第2激光二极管；

24：第3激光二极管；

26、26A、26B：第1光学元件；

28：第2光学元件；

30：第3光学元件；

32：第1分色镜；

34：第2分色镜；

36：聚光透镜；

38：反射镜；

40：投影部；

42：第1MEMS反射镜；

44：第2MEMS反射镜；

46：控制部；

48、48B：入射面；

50、50A：出射面；

52、52B：第1透镜面；

54、54A：第2透镜面；

B：蓝色成分；

D：透镜有效直径；

G：绿色成分；

R：红色成分；

T：透镜厚度；

WD：距离；

θ：放射角。

具体实施方式

以下，使用附图来详细说明本发明的实施方式。另外，以下说明的实施方式均表示包括性的或具体性的示例。以下的实施方式中所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态等仅为一例，并不意图限定本发明。而且，对于以下的实施方式中的构成要素中，未在独立项中记载的构成要素，则作为任意的构成要素进行说明。各图未必严格示出各尺寸或各尺寸比等。

(实施方式1)

以下，对实施方式1的光学元件及具备该光学元件的投影机进行说明。

[1-1.平视显示器装置的结构]

实施方式1的投影机2例如被搭载于平视显示器装置4中。首先，参照图1及图2来说明平视显示器装置4的结构。图1是用于对搭载有实施方式1的投影机2的平视显示器装置4的结构进行说明的图。图2是表示图1的 平视显示器装置4的图像10的显示例的图。

如图1所示，平视显示器装置4例如被搭载于汽车6中，具备投影机2及合成仪(combiner)8(以下也称作“投影面8”)。投影机2用于将图像10投影至合成仪8，被设置在汽车6的仪表板(dashboard)12的内部。合成仪8例如包含半透反射镜(half mirror)等，被设置在汽车6的前挡玻璃(front glass)14上。

由投影机2所投影的图像10被合成仪8反射向驾驶员16。由此，如图2所示，驾驶员16可在前挡玻璃14前方的景色18上重叠看到作为虚像的图像10。其结果，驾驶员16在汽车6的驾驶过程中无须让视线离开前方，便能够看到规定的信息。

另外，图2所示的示例中，在合成仪8上，与汽车导航(car navigation)相关的信息(例如表示距当前位置前方1.0km的地点处，道路分支为大阪方向的路线与神户方向的路线的信息)作为图像10而显示。

[1-2.投影机的整体结构]

接下来，参照图3来说明实施方式1的投影机2的整体结构。图3是简略表示实施方式1的投影机2的结构的方块图。

实施方式1的投影机2是如下所述的激光投影机，即，将红色成分(R)的激光、绿色成分(G)的激光及蓝色成分(B)的激光予以合成，将合成的激光一边扫描一边照射至投影面8，从而将彩色的图像10(参照图2)投影至投影面8。

如图3所示，投影机2具备第1激光二极管20、第2激光二极管22、第3激光二极管24、第1光学元件26、第2光学元件28、第3光学元件30、第1分色镜32、第2分色镜34、透镜36、反射镜(mirror)38及投影部40。

第1激光二极管20、第2激光二极管22及第3激光二极管24各自为发出特定波长的单色色成分的激光的光源的一例。具体而言，第1激光二极管20发出红色成分的激光，第2激光二极管22发出绿色成分的激光，第3激光二极管24发出蓝色成分的激光。另外，如后述的图5所示，从第1激光二极管20、第2激光二极管22及第3激光二极管24各自发出的激光为发散光，其光束形状为椭圆形状。另外，在本说明书中，所谓“椭圆形状”，并不仅指严格的椭圆形状，也包括近似椭圆形状的形状。

第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30各自为具有光束整形功能及准直功能的光学元件(透镜)的一例。光束整形功能是指将激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状的功能。准直功能是指将激光由发散光转换为平行光的功能。另外，本说明书中，所谓“圆形状”，并不仅指严格的圆形状，也包括近似圆形状的形状。

第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30分别对应于第1激光二极管20、第2激光二极管22及第3激光二极管24而配置。即，第1光学元件26将来自第1激光二极管20的激光由发散光转换为平行光，且将来自第1激光二极管20的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。同样，第2光学元件28将来自第2激光二极管22的激光由发散光转换为平行光，且将来自第2激光二极管22的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。而且，第3光学元件30将来自第3激光二极管24的激光由发散光转换为平行光，且将来自第3激光二极管24的激光的光束形状由椭圆形状整形为圆形状。另外，实施方式1的投影机2中，第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30的各结构具有特征。后文将详述这些结构。

第1分色镜32及第2分色镜34各自具有下述光学性质，即：仅反射特定波长的激光，而使其他波长的激光穿过。具体而言，第1分色镜32仅反射绿色成分的激光，而使其他色成分的激光穿过。第2分色镜34仅反射红色成分的激光，而使其他色成分的激光穿过。

第1分色镜32被配置在激光的光路的上游侧，第2分色镜34被配置在激光的光路的下游侧。来自第2激光二极管22的绿色成分的激光穿过第2光学元件28之后被第1分色镜32反射。另一方面，来自第3激光二极管24的蓝色成分的激光穿过第3光学元件30之后，穿过第1分色镜32。由此，绿色成分的激光与蓝色成分的激光在第1分色镜32合成。

进而，来自第1激光二极管20的红色成分的激光穿过第1光学元件26之后被第2分色镜34反射。另一方面，如上所述般经合成的绿色成分的激光及蓝色成分的激光穿过第2分色镜34。由此，红色成分的激光、绿色成分的激光及蓝色成分的激光在第2分色镜34被合成。

透镜36是用于对从第2分色镜34出射的激光进行聚光的聚光透镜。反射镜38是用于将经透镜36聚光的激光向投影部40反射的反射板。

投影部40用于将由反射镜38所反射的激光一边扫描，一边照射至投影面8，由此来将图像10投影至投影面8。投影部40具有第1微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)反射镜42及第2MEMS反射镜44。

第1MEMS反射镜42在水平方向上相对较高速地摆动。第2MEMS反射镜44在垂直方向上相对较低速地摆动。第1MEMS反射镜42及第2MEMS反射镜44各自将入射的激光向与自身的偏摆角相应的方向反射。由所述反射镜38所反射的激光在由第1MEMS反射镜42反射之后，由第2MEMS反射镜44予以反射。通过第1MEMS反射镜42及第2MEMS反射镜44分别在水平方向及垂直方向上摆动，由此来将激光一边沿水平方向及垂直方向(即二维)扫描一边照射至投影面8，从而将图像10投影至投影面8。

如图3所示，投影机2还具备控制部46。控制部46基于从外部发送而来的图像数据，对被分别供给至第1激光二极管20、第2激光二极管22及第3激光二极管24的驱动电流进行控制，并且对第1MEMS反射镜42及第2MEMS反射镜44各自的偏摆角进行控制。

[1-3.光学元件的结构]

接下来，参照图4及图5来说明实施方式1的第1光学元件26的结构。图4是表示实施方式1的第1光学元件26的立体图。图5是表示实施方式1的第1光学元件26的侧面图。另外，第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30的各结构相同，因此，以下仅对第1光学元件26的结构进行说明。

如图4及图5所示，第1光学元件26具有供来自第1激光二极管20的激光入射的入射面48与供入射至入射面48的光出射的出射面50，且例如由透明树脂等所形成。入射面48及出射面50是以在光轴方向(Z轴方向)上彼此朝向相反侧的方式而配置。另外，第1光学元件26在光轴方向上的透镜厚度T(即，从入射面48直至出射面50为止的厚度)例如为1.48mm。而且，第1光学元件26的透镜有效直径D例如为3.5mm，第1光学元件26的数值孔径(Numerical Aperture，NA)例如为0.47。

如图4及图5所示，在入射面48上，形成有凸面状的第1面52(实施例中以第1透镜面52作为说明例)。第1透镜面52的形状是在第1方向(Y轴方向)上具有曲率且在与第1方向正交的第2方向(X轴方向)上不具有曲 率的、所谓的圆柱面形状。第1透镜面52在第1方向上的曲率半径优选为+100mm以上，例如为+130mm。另外，在图4中，对第1透镜面52标注的十字实线是用于通俗易懂地表达圆柱面形状的假想线。

如图5所示，在出射面50上，形成有凸面状的第2面54(实施例中以第1透镜面52作为说明例)。第2透镜面54的形状为非球面形状。第2透镜面54的曲率半径例如为-1.33mm，圆锥常数例如为-0.93，4次非球面系数例如为-0.026，6次非球面系数例如为2.825×10-3，8次非球面系数例如为-2.494×10-3，10次非球面系数例如为9.922×10-5。另外，通过将第2透镜面54的形状设为非球面形状，能够降低因第1透镜面52的形状为圆柱面形状而产生的多余的象差。

第1光学元件26相对于第1激光二极管20的方向被固定为，第1透镜面52的第1方向与激光的光束形状的长轴方向一致，且第1透镜面52的第2方向与激光的光束形状的短轴方向大致一致。另外，第1光学元件26与第1激光二极管20之间的距离WD例如为1.465mm。

如图5所示，来自第1激光二极管20的激光例如一边以放射角θ＝约50°而发散，一边入射至第1光学元件26的第1透镜面52。此时，通过将第1光学元件26的数值孔径设为0.47，能够使从第1激光二极管20以放射角θ＝约50°发散的激光效率良好地入射至第1透镜面52，从而能够提高激光的利用效率。

如图5所示，入射至第1透镜面52的激光的光束形状通过利用第1透镜面52使激光产生像散，而在短轴方向上得以放大。这是因为，因第1透镜面52的形状为圆柱面形状，因而第1透镜面52在第2方向上的聚光性低于第1方向上的聚光性。由此，入射至第1透镜面52的激光的光束形状将由椭圆形状被整形为圆形状。

随后，经第1透镜面52整形的激光入射至第2透镜面54，由此由发散光被转换为平行光。这样，从第2透镜面54出射的激光成为具有圆形状的光束形状的平行光。

[1-4.效果]

接下来，对通过实施方式1的第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30而获得的效果进行说明。如上所述，第1光学元件26、第2光 学元件28及第3光学元件30各自同时具有光束整形功能及准直功能。由此，与如以往般将整形棱镜独立于准直透镜而配置的情况相比，能够减少包含第1光学元件26、第2光学元件28及第3光学元件30的光学系统整体的零件个数。其结果，既能实现所述光学系统整体的小型化，又能对激光的光束形状进行整形。

[1-5.对于第2透镜面的配置的探讨]

实施方式1中，在入射面48形成有第1透镜面52，且在出射面50形成有第2透镜面54，但也可与此相反地，在入射面48形成第2透镜面54，且在出射面50形成第1透镜面52。

此处，一边参照图6，一边探讨在出射面50形成有第2透镜面54时的聚光性与在入射面48形成有第2透镜面54时的聚光性的比较。图6是表示在出射面50形成有第2透镜面54时的聚光性与在入射面48形成有第2透镜面54时的聚光性的比较结果的图表。

图6所示的比较结果中，使用纵轴的相位偏移量来作为表示聚光性的指标。即，可以说：屏幕(screen)位置0mm处的相位偏移量越接近0，聚光性越高。因此，如图6所明示般，可理解：在出射面50形成有第2透镜面54时的聚光性比在入射面48形成有第2透镜面54时的聚光性高。

[1-6.对于光学元件的参数的探讨]

接下来，参照图7来探讨第1光学元件26的参数。图7是表示第1光学元件26的透镜厚度T、透镜有效直径D与第2透镜面54的曲率半径的关系的图表。其中，图7所示的图表中，将第1光学元件26与第1激光二极管20之间的距离WD设为固定值(3.7mm)。

例如在第1光学元件26的数值孔径为0.47，且第1光学元件26与第1激光二极管20之间的距离WD为3.7mm的情况下，为了满足图7的图表的关系，优选将第1光学元件26的透镜厚度T设为1.75mm以下，或者将第1光学元件26的透镜有效直径D设为3.5mm以下。通过如上所述般设定第1光学元件26的参数(parameter)，既能确保距离WD，又能实现光学系统整体的小型化。

(实施方式2)

接下来，参照图8来说明实施方式2的第1光学元件26A的结构。图8 是表示实施方式2的第1光学元件26A的侧面图。另外，以下所示的各实施方式中，对于与所述实施方式1相同的构成要素标注相同的符号，并省略其说明。

实施方式2的第1光学元件26A中，形成于出射面50的第2面54A(以下以第2透镜面54A作为说明例)的形状不同于所述实施方式1。即，如图7所示，第2透镜面54A的形状为球面形状。第2透镜面54A的曲率半径例如为-1.48mm。

此种结构下，也与所述实施方式1同样地，经第1透镜面52整形的激光通过入射至第2透镜面54A而由发散光转换为平行光。因此，在实施方式2的第1光学元件26A中，也能够获得与所述实施方式1同样的效果。

(实施方式3)

接下来，参照图9及图10，对实施方式3的第1光学元件26B的结构进行说明。图9是表示实施方式3的第1光学元件26B的立体图。图10是表示实施方式3的第1光学元件26B的侧面图。

实施方式3的第1光学元件26B中，形成于入射面48B的凸面状的第1面52B(以下以第1透镜面52B作为说明例)的形状不同于所述实施方式1。即，如图9及图10所示，第1透镜面52B的形状是在第1方向(Y轴方向)上具有第1曲率半径且在与第1方向正交的第2方向(X轴方向)上具有第2曲率半径R2的、所谓的双锥形面形状。第1曲率半径及第2曲率半径为互不相同的大小。第1曲率半径与第2曲率半径之比优选为1∶5以上，第1曲率半径例如为+130mm，第2曲率半径例如为+1380mm。另外，在图9中，对第1透镜面52B标注的十字实线是用于通俗易懂地表达双锥形面形状的假想线。

另外，形成于出射面50的第2面54(以下以第2透镜面54B作为说明例)的形状是与所述实施方式1同样，为非球面形状。第2透镜面54的曲率半径例如为-1.331mm，圆锥常数例如为-0.933，4次非球面系数例如为-0.026，6次非球面系数例如为2.921×10-3，8次非球面系数例如为-2.511×10-3，10次非球面系数例如为4.188×10-5。

第1光学元件26B相对于第1激光二极管20的方向被固定为，第1透镜面52B的第1方向与激光的长轴方向一致，且第2透镜面52B的第2方向与 激光的短轴方向一致。

与所述实施方式1同样，入射至第1透镜面52B的激光的光束形状通过利用第1透镜面52B使激光产生像散，而在短轴方向上得以放大。这是因为，因第1透镜面52B的形状为双锥形面形状，因而第1透镜面52B在第2方向上的聚光性低于第1方向上的聚光性。由此，入射至第1透镜面52B的激光的光束形状将由椭圆形状被整形为圆形状。进而，通过将第1透镜面52B的形状设为双锥形面形状，从而与所述实施方式1相比，能够进一步减轻因第1透镜面52B的形状与第2透镜面54的形状的差异引起的多余的象差的产生。

(其他变形例)

以上，对本发明的实施方式1～实施方式3的光学元件及投影机进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式1～实施方式3。例如，也可将所述实施方式1～实施方式3适当组合。

例如，所述各实施方式中，对将投影机2搭载于平视显示器装置4的示例进行了说明，但并不限定于此，例如也可使用投影机2来作为用于在设置于室内壁面等上的屏幕上投影图像的投影机等。

例如，所述各实施方式中，将平视显示器装置4搭载于汽车6中，但并不限定于此，例如可搭载于飞机或船舶等各种输送用设备中。

例如，所述各实施方式中，使第1面52(52B)及第2面54(54A)均形成为凸面状，但并不限定于此，也可使第1面52(52B)及第2面54(54A)中的至少一个形成为凹面状。

[工业上的可利用性]

本发明例如能够用作搭载于投影机中的光学元件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。