光扫射装置、照明装置、投射装置及光学元件的制作方法

本发明涉及将相干光用作光源的光扫射装置、照明装置、投射装置及光学元件。

背景技术：

在半导体激光的高输出化及价格降低以及用于使相干光发生反射的mems(microelectromechanichalsystem：微机电系统)镜的性能提高等背景下，将半导体激光用作光源的投射装置正在普及。

但是，存在从相干光源出射的相干光在投射屏幕上产生斑点的问题。斑点(speckle)是当对散射面照射激光等相干光时出现的斑点状的纹样，如果斑点产生在屏幕上则会作为斑点状的亮度不匀(明亮度不匀)被观察到，会成为对观察者造成生理上的不良影响的原因。认为在使用相干光的情况下产生斑点的理由如下：在屏幕等散射反射面的各部分发生了反射的相干光由于其极高的相干性而互相干渉，由此而产生斑点。

本发明的发明人此前发明了一种照明装置，该照明装置在利用相干光对被照明区域lz进行照明时，通过光扫射装置使相干光进行扫射并使其入射至光学元件，通过光学元件对被照明区域lz反复进行照明，由此，使被照明区域lz内的斑点变得不显眼，并且，还发明了一种投射装置，该投射装置在使用这种照明装置将光调制图像投射到屏幕上时，能够使产生在屏幕上的斑点也变得不显眼(参照日本特开2012-58481号公报)。

技术实现要素：

光扫射装置由具有反射面的mems镜等构成，使反射面在1轴或者2轴方向上以规定的振动角转动，来切换相干光的反射方向。被反射面反射的相干光直接或者间接地入射至光学元件。从削减斑点的观点考虑，期望相干光在光学元件上尽可能密集地进行扫射。这是由于在这种情况下，入射到被照明区域lz的相干光的角度多重度、即角度的密度变大，并通过使其兼具使入射方向连续变化的作用，由此能够最大限度地提高斑点的削减效果。但是，要想使相干光在光学元件上尽可能密集地进行扫射，必须精密且高速地驱动光扫射装置的反射面，光扫射装置变得大规模，设备成本也增加。

此外，在稳定且长时间工作的光扫射装置中，大多数情况下设有共振机构，控制信号的波形为大致正弦波。正弦波在各个周期的每一个内具有正的峰值和负的峰值，在这些峰值处，由于切换旋转方向，反射面会暂时停止。这即意味着在各个扫射周期内会产生2次相干光的扫射速度几乎为零的位置。在相干光的扫射速度变慢并几乎变为零的期间，斑点的削减程度变弱。

这样，如果使光扫射装置的反射面以规定的振动角转动，则斑点的削减程度根据时间而变化，无法提高平均的斑点削减效果。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的是提供能够不使结构复杂化而提高斑点的削减效果的光扫射装置、照明装置、投射装置及光学元件。

为了解决上述课题，在本发明的一个方式中，提供一种光扫射装置，其特征在于，

该光扫射装置具备：

扩散部件，其具有各向异性扩散面；以及

旋转轴部件，在来自光源的相干光照射到所述各向异性扩散面上的状态下，该旋转轴部件使所述各向异性扩散面旋转，

照射到所述各向异性扩散面上的相干光从所述各向异性扩散面以线状扩散，并且根据所述各向异性扩散面的旋转，所述以线状扩散的相干光在规定的平面上描绘出使线状光束旋转的轨道。

所述各向异性扩散面可以是在第1轴方向上曲率连续变化、在与所述第1轴交叉的第2轴方向上曲率固定的面。

所述各向异性扩散面可以是柱面。

所述旋转轴部件可以使所述各向异性扩散面不偏心地旋转。

所述旋转轴部件可以使所述各向异性扩散面偏心并使其旋转。

在本发明的另一实施方式中，提供一种照明装置，其特征在于，

该照明装置具备：

扩散部件，其具有各向异性扩散面；

旋转轴部件，在来自光源的相干光照射到所述各向异性扩散面上的状态下，该旋转轴部件使所述各向异性扩散面旋转；以及

光学元件，其使被所述各向异性扩散面扩散的相干光进一步扩散，

被所述各向异性扩散面扩散的相干光以线状扩散，该线状的扩散光线根据所述各向异性扩散面的旋转而在所述光学元件上描绘出朝向一个方向旋转的轨道。

该照明装置可以具备准直透镜，该准直透镜将被所述各向异性扩散面扩散的相干光转换为平行光，

被所述准直透镜转换的平行光入射至所述光学元件。

该照明装置可以具备聚光光学系统，该聚光光学系统将被所述光学元件扩散的相干光聚光，并反复对规定的区域进行照明。

该照明装置可以具备均匀化光学系统，该均匀化光学系统配置于所述规定的区域或者所述规定的区域的光轴后方，使入射的相干光在内壁发生全反射并传播之后将其出射。

可以具备：

上述的照明装置；

光调制器，其配置于所述规定的区域或者所述规定的区域的光轴后方，并且被通过所述规定的区域的相干光照明而生成调制图像；以及

投射光学系统，其将所述调制图像投射到规定的投射部件上。

在本发明的另一实施方式中，提供一种光学元件，其特征在于，该光学元件将来自上述光扫射装置的所述各向异性扩散面的光作为入射光而使其扩散。

该光学元件可以具备包含多个单元透镜的透镜阵列，

所述多个单元透镜分别将来自所述各向异性扩散面的光作为入射光而使其扩散。

该光学元件可以具备将来自所述各向异性扩散面的光作为入射光而使其扩散的全息图记录介质。

根据本发明，能够不使结构复杂化而提高斑点的削减效果。

附图说明

图1是示出投射装置的概略结构的框图，该投射装置具备基于本发明的一个实施方式的照明装置。

图2是对图1的扫射器件65所进行的激光的扫射进行说明的图。

图3是示出图2的线状激光束lb1的轨迹的俯视图。

图4是示出具备使柱面66偏心并旋转的扫射器件65的投射装置的一例的框图。

图5是对图4的扫射器件65所进行的激光的扫射进行说明的图。

图6是示出图5的线状激光束lb2的轨迹的俯视图。

图7是示出设有反射部件的本公司的装置的概略结构的框图。

图8是示出基于图1的一个变形例的投射装置的概略结构的框图。

图9是示出对图8追加了中继光学系统的投射装置的概略结构的框图。

图10是示出将全息图记录介质55用作光学元件50的投射装置20的一例的框图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细的说明。另外，在本说明书的附图中，为了便于图示和易于理解，根据各个实物对缩小比例尺以及纵横的尺寸比等进行适当变更或夸大。

此外，本说明书中使用的对形状及几何学的条件以及它们的程度进行特定的例如“平行”、“垂直”、“相同”等词语及长度及角度的值等并不局限于严格的意思，可将其解释为包含能够期待同样的功能的程度的范围。

图1是示出投射装置的概略结构的框图，该投射装置具备基于本发明的一个实施方式的照明装置。图1的投射装置20具备：照射装置60、准直透镜90、光学元件50、聚光透镜(聚光光学系统)70、光调制器30以及投射光学系统80。由光学元件50与照射装置60构成照明装置40。

光学元件50例如由透镜阵列53构成。另外，如后述那样，光学元件50也可以由透镜阵列53以外的扩散元件、例如全息图记录介质构成。在使用全息图记录介质的情况下，可以不需要准直透镜90。此外，在作为光学元件50使用透镜阵列53的情况下，准直透镜90也不是必须的，但是，以下，主要对使用准直透镜90与透镜阵列53的例子进行说明。

照射装置60对透镜阵列53照射相干光，以使得相干光对透镜阵列53内的多个单元透镜54的表面进行扫射。照射装置60具有：激光光源61，其放射相干光；以及扫射器件65，其使从激光光源61放射的相干光在透镜阵列53内的多个单元透镜54的表面上进行扫射。

照射装置60内的激光光源61可以使用例如分别放射不同的波段的激光的多个激光光源61。在使用多个激光光源61的情况下，来自各激光光源61的激光照射到扫射器件65上。由此，利用混合了各激光光源61的照明色的再现照明光对透镜阵列53进行照明。

激光光源61既可以是单色的激光光源61，也可以是发光色不同的多个激光光源61。例如，可以使用红色、绿色、蓝色这样的多个激光光源61构成。在使用多个激光光源61的情况下，如果配置各激光光源61以使得来自各激光光源61的相干光照射到扫射器件65上，则以与来自各激光光源61的相干光的入射角度相应的反射角度被反射，并入射到透镜阵列53上，并从透镜阵列53分别聚光/发散，在被照明区域(规定区域)lz上重合而成为合成色。例如，在使用红色、绿色、蓝色这样的多个激光光源61而构成的情况下成为白色。或者，也可以对各个激光光源61设置单独的扫射器件65。

另外，也存在如下情况，例如在以白色进行照明的情况下，另行设置以红绿蓝以外的颜色发光的激光光源61、例如以黄色发光的激光光源61，这种方式能够再现出更接近白色的颜色。因此，设于照射装置60内的激光光源61的种类没有特别限定。

在从激光光源61出射的激光的光束直径较大的情况下，可以在利用未图示的聚光透镜使激光的光束直径缩小之后使其入射至扫射器件65。

扫射器件65使入射的激光的反射角度在一定周期内可变，并使被反射的激光在透镜阵列53上进行扫射。更具体而言，扫射器件65具有：扩散部件67，其具有进行各向异性扩散的柱面66；旋转轴部件68，其使柱面66不偏心地旋转。旋转轴部件68沿着相对于扩散部件67的底面垂直的方向延伸。这里，“不偏心地旋转”是指，在进行激光的扫射的期间，该旋转轴部件68使柱面66始终以一定的方向、一定的旋转速度旋转。

这里，柱面66是指在第1轴方向上曲率连续变化，在与第1轴交叉的第2轴方向上曲率固定的各向异性扩散面。来自激光光源61的激光具有某一光束直径，并入射至柱面66上的曲率连续变化的位置。关于激光入射的位置，只要是柱面66上的曲率连续变化的位置，则可以是任何位置。入射至该位置的激光转瞬间以线状扩散。并且，通过使旋转轴部件68旋转，该以线状扩散的激光描绘出旋转的轨迹。以线状扩散是指任意的线宽的光束光的扩散，是也包含矩形形状的扩散或存在稍微偏移的扩散在内的概念。此外，曲率是指曲面的弯曲程度。

在柱面66以线状扩散的激光直接或者间接地入射至准直透镜90。这里，间接是指被反射镜等反射之后入射至准直透镜90的意思。

准直透镜90将在柱面66以线状扩散的激光转换为平行光。另外，准直透镜90不是必须的构成部件。在配置于准直透镜90的光轴后方的光学元件不需要平行光的入射的情况下，能够省略准直透镜90。

被准直透镜90平行化的激光或者在柱面66以线状扩散的激光入射至光学元件50。本实施方式的光学元件50例如具有由多个单元透镜54组成的透镜阵列53。多个单元透镜54分别是例如凹面透镜。或者，多个单元透镜54也可以分别是凸面透镜。在由多个凹面透镜或者凸面透镜构成透镜阵列53的情况下，可以将这些凹面透镜或者凸面透镜并列配置在与各透镜的光轴垂直的面上。多个单元透镜54既可以在一维方向上并列配置，也可以在二维方向上并列配置。

各个单元透镜54分别使入射的激光扩散。被各单元透镜54扩散的激光入射至聚光透镜70。聚光透镜70使被各单元透镜54扩散的激光聚光，并生成对被照明区域lz反复进行照明的照明光。由此，被照明区域lz内的整个区域被均匀的光量照明。

光调制器30配置于被照明区域lz或者被照明区域lz的光轴后方。光调制器30接受被照明区域lz的照明光并生成调制图像。

作为光调制器30，能够使用反射型的微型显示器。这种情况下，由光调制器30处的反射光形成调制图像。在反射型的微型显示器中，从照明装置40向光调制器30照射激光的面与由光调制器30生成的调制图像的影像光(反射光)的出射面是相同的面。作为这样的利用反射光的光调制器30，也能够使用dmd(digitalmicromirrordevice：数字微镜元件)等mems(microelectromechanicalsystems：微机电系统)元件。

或者，作为光调制器30，能够使用透射型的液晶微型显示器，例如lcos(liquidcrystalonsilicon：硅晶板液晶显示器)。这种情况下，被照明装置40以面状的方式照明的液晶微型显示器按照每个像素选择激光并使激光透射，由此，在液晶微型显示器上形成调制图像。这样得到的调制图像(影像光)借助投射光学系统80根据需要而改变倍数并被投射到扩散屏幕15上。由于投射到扩散屏幕15上的调制图像的斑点图样随时间而变化，因此，能够使斑点不可视。

此外，优选光调制器30的入射面具有与照明装置40照射激光的被照明区域lz相同的形状以及大小。这是由于在这种情况下，能够以较高的利用效率将来自照明装置40的激光利用于向扩散屏幕15的影像的显示。

将由光调制器30生成的调制图像投射至扩散屏幕15的投射光学系统80具有投影镜头81，由光调制器30生成的调制图像被投影镜头81折射而将调制图像投射到扩散屏幕15上。能够通过投影镜头81的直径、投影镜头81与光调制器30的距离以及投影镜头81与扩散屏幕15的距离来调整投影到扩散屏幕15上的调制图像的尺寸。图1的扩散屏幕15是透射型的，其将所投射的调制图像光扩散。另外，扩散屏幕15也可以是反射型的。

借助光调制器30能够生成各种调制图像，借助光调制器30生成调制图像，并通过被照明区域lz对调制图像进行照明，由此，能够将各种调制图像投射到扩散屏幕上。

在形成彩色的调制图像的情况下，考虑各种实现方法。在光调制器30由lcos等构成且针对各个像素的每一个而具有彩色滤光器的情况下，通过使被照明区域lz成为白色光，能够使由光调制器30生成的调制图像彩色化。

或者，例如，可以将生成红色的调制图像的光调制器30、生成绿色的调制图像的光调制器30以及生成蓝色的调制图像的光调制器30相邻配置，利用来自透镜阵列53的扩散光依次对3个被照明区域lz进行照明，所述3个被照明区域lz分别对这3个光调制器30进行照明。由此，将由3个光调制器30生成的3个颜色的调制图像合成，能够生成彩色的调制图像。也可以替代这样的分时驱动方式，使用棱镜等将由3个光调制器30同时生成的3个颜色的调制图像合成，从而生成彩色的调制图像。

上述投射光学系统80主要是为了将光调制器30的调制图像投影至扩散屏幕15而设置的。通过设置扩散屏幕15，斑点反复平均化，其结果是斑点变得不显眼。

如果考虑以被照明区域lz为基准，则激光不断地向被照明区域lz内的各区域入射，但由于始终使扫射器件65内的柱面66旋转，因此，激光向被照明区域lz的入射方向也始终持续变化。作为结果，由光调制器30的透射光或者反射光形成的调制图像光一边使光路随着时间经过而变化一边被投射到屏幕15上的特定的位置。

根据上述内容，如果使用本实施方式的照明装置40，则在显示影像的屏幕15上的各位置，激光的入射方向随时间而变化，并且，该变化是以人的眼睛无法分辨的速度进行的，作为结果，在人的眼睛中，不相关的激光的散射图样被多重化而被观察。因此，与各散射图样对应地生成的斑点反复被平均化，并被观察者观察到。由此，能够极其有效地使斑点对于对显示于屏幕15上的影像进行观察的观察者而言变得不显眼。

另外，在被人观察到的以往的斑点中，不仅产生由屏幕15上的激光的散射而导致的屏幕侧的斑点，还会产生由投射至屏幕之前的激光的散射而导致的投射装置侧的斑点。产生在该投射装置侧的斑点图样经由光调制器30投射至屏幕15上，由此，也会被观察者识别。但是，在本实施方式中，激光在光学元件50上连续扫射，并且入射至光学元件50的各个区域的激光分别对重叠有光调制器30的被照明区域lz的整个区域进行照明。即，光学元件50形成了与形成斑点图样之前的波面不同的新的波面，复杂且均匀地对被照明区域lz进行照明，进而，经由光调制器30对屏幕15进行照明。通过这样的光学元件50处的新波面的形成，产生在投射装置侧的斑点图样变得不可视。

图2是说明基于图1的扫射器件65的激光的扫射的图。扩散部件67的柱面66以旋转轴部件68为旋转轴中心向一个方向以一定的速度旋转。由于激光光源61的位置是固定的，因此，来自激光光源61的激光始终从相同的方向入射。柱面66在第1轴x方向上曲率连续变化，如果使柱面66旋转，则投射至柱面66的激光的束斑位置的曲率也随时变化。入射至具有任意的曲率的面的激光向根据其曲率的方向以线状扩散。如果使像柱面66那样曲率连续变化的面旋转，则如图2所示，以线状扩散的线状激光束lb1描绘出绕着其中心位置旋转的轨迹。

图3是示出准直透镜90上的线状激光束lb1的轨迹的俯视图。如图3所示，各线状激光束lb1描绘出共用中心位置而旋转的轨迹。由此，激光密集地扫射准直透镜90以及光学元件50的入射有效区域。激光越密集地扫射准直透镜90以及光学元件50的入射有效区域，则入射至被照明区域lz的激光的入射方向越细微地变化，照明装置侧的斑点越变得不容易被视觉确认。

此外，从图2以及图3可知，线状激光束lb1的轨迹始终朝向相同方向以相同速度旋转。因而，当像使扫射器件65在一轴或者二轴方向进行扫射的情况那样、切换扫射方向时，不会出现扫射速度接近零的情况，也不必担心周期性地产生斑点可被视觉确认的时间带。

在图1的扫射器件65中，使柱面66不偏心地旋转，但是，也可以使柱面66偏心并使其旋转。图4是示出具备使柱面66偏心并使其旋转的扫射器件65的投射装置的一例的框图。

图4的扫射器件65具有使扩散部件67的柱面66偏心并使其旋转的旋转轴部件68。旋转轴部件68沿着与扩散部件67的底面的法线方向不同的方向延伸。这里，“偏心并使其旋转”是指，如果使旋转轴部件68旋转，则柱面66不仅在旋转轴部件68的旋转方向上旋转，还进行相对于面方向朝向上下振动那样的动作。

图5是对图4的扫射器件65所进行的激光的扫射进行说明的图。照射至柱面66的激光与图2同样地，转瞬间成为以线状扩散的线状激光束lb2。如果使柱面66偏心并使其旋转，则如图5所示，以线状激光束lb2的一端侧的基准点为中心描绘出圆或者椭圆轨道的轨迹。

图6是示出图5的线状激光束lb2的轨迹的俯视图。如图6所示，线状激光束lb2以基准点o为中心描绘出圆或者椭圆轨道的轨迹，但是，在基准点侧设有线状激光束lb2不进行扫射的圆区域。

这样，如果使柱面66偏心并使其旋转，则线状激光束lb2描绘出除了圆或者椭圆的中心位置附近以外在其余的圆或者椭圆区域内密集地进行扫射的轨迹。

在图1以及图4中，使被扫射器件65的柱面66反射的激光直接入射至准直透镜90，但是也可以如图7所示，在使被柱面66反射的激光被反射镜等反射部件92反射之后入射至准直透镜90。存在如下情况：通过设置反射部件92，光学系统的设计变得容易，并且能够使扫射器件65与准直透镜90的配置位置靠近，能够使投射装置20小型化。

但是，为了使被照明区域lz内的照度分布尽量均匀化，期望在聚光透镜70与光调制器30之间设置均匀化光学系统。图8是示出图1的一个变形例的投射装置20的概略结构的框图。图8的投射装置20除了图1的结构之外，还具备配置于聚光透镜70与光调制器30之间的均匀化光学系统75。另外，也可以在图4那样的具有偏心并使其旋转的柱面66的投射装置20中设置均匀化光学系统75。此外，也可以设置与图7同样的反射部件92。

均匀化光学系统75例如能够使用积分棒(integratorrod)76而构成。积分棒76是筒状，使入射至其入射面的激光在棒内部发生全反射并向出射面方向传播。由此，光量在出射面内的整个区域内均匀的激光从均匀化光学系统75的出射面出射。这里，均匀化的程度根据各种使用方式而不同，但是，作为概略的指标，出射面上的亮度分布的偏差在10％以内。

积分棒76定位于聚光透镜70与光调制器30之间，以使得被透镜阵列53扩散的激光的大半部分在棒内部发生全反射。

关于积分棒76的出射面，其整个区域内的照度分布是均匀的。因而，可以将该出射面作为被照明区域lz，这种情况下，光调制器30与积分棒76的出射面接近而配置。或者，也可以如图9所示，在积分棒76的出射面与投射光学系统之间设置中继光学系统77，在该中继光学系统77的更后方设置光调制器30。这种情况下，积分棒76的出射面位置与光调制器30的位置以成为共轭关系的方式被定位。

聚光光学系统70将被光学元件50扩散的激光聚光。均匀化光学系统75使被聚光光学系统70聚光的激光发生全反射并传播之后从出射面出射。由于均匀化光学系统75的出射面被均匀的光量照明，因此，能够将均匀化光学系统75的出射面作为面照明光来使用。在图1中，将均匀化光学系统75的出射面作为被照明区域lz。通过设置均匀化光学系统75，被照明区域lz内的整个区域被均匀的光量照明。

在图1中，对作为光学元件50使用透镜阵列53的例子进行了说明，但是，作为透镜阵列53的具体例，能够适用具有扩散功能的全反射型或者折射型的菲涅尔透镜(fresnellens)及复眼透镜(fly-eyelens)等。

此外，光学元件50不一定限于透镜阵列53，也可以使用例如全息图记录介质。图10是示出使用全息图记录介质55作为光学元件50的投射装置20的一例的框图。在图10的全息图记录介质中，形成有能够在被照明区域lz再现出散射板的像的干渉条纹。如果对全息图记录介质照射来自照射装置60的激光，则以干渉条纹衍射的激光成为发散光(扩散光)而放射。更详细而言，从照射装置60入射至全息图记录介质的各位置的激光在分别因全息图记录介质而衍射并通过聚光光学系统70之后，入射至积分棒76。

全息图记录介质既可以是使用光聚合物(photopolymer)的反射型的体积型全息图记录介质，也可以包含体积型全息图记录介质，该体积型全息图记录介质使利用包含银盐材料的感光介质来记录的类型。此外，光学元件50既可以包含透射型的体积型全息图记录介质，也可以包含浮雕型(压花型)的全息图记录介质。

或者，光学元件50也能够由扩散板构成。作为扩散板，可以考虑乳色玻璃或磨砂玻璃等玻璃部件、或者树脂扩散板等。与为了使被扫射器件65反射的激光扩散而使用全息图记录介质及透镜阵列53的情况同样地，扩散板能够从各种方向对被照明区域lz进行照明。另外，本实施方式中的光学元件50中的“扩散”是指使入射光向规定的方向成角度地扩展并出射，不仅包含通过衍射光学元件50及透镜阵列53等来充分控制扩散角的情况，还包含通过乳色玻璃等散射粒子来扩大出射角的情况。

这样，在本实施方式中，通过柱面66等各向异性扩散面使激光反射来形成线状激光束lb1，并且使各向异性扩散面向一个方向旋转，由此，使线状激光束lb1旋转。由此，能够使入射到光学元件上的线状激光束向一个方向旋转，激光密集地在光学元件上进行扫射。因而，入射至被照明区域lz的激光的入射方向极其细微地变化，产生在投射装置侧的斑点变得更不容易被视觉确认。

此外，在本实施方式中，由于只要通过旋转轴部件68使具有柱面66的扩散部件67旋转即可，因此，能够使扫射器件65的结构简化。此外，由于也不需要mems镜那样的高价的部件，因此，能够以低廉的成本制作扫射器件65。

本发明的方式不限于上述各个实施方式，也包含本领域技术人员能够想到的各种变形，本发明的效果也不限于上述内容。即，在不脱离能够从权利要求书中限定的内容及其等同物推出的本发明的概念性的思想与主旨的范围内，能够进行各种追加、变更以及部分性删除。