专利名称：二维扫描投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二维扫描投影仪，其将通过使光源发出的光束进行二维扫描来产 生的图像放大和投影到预定的扫描面上。
背景技术：
近来，一种将通过使光源发出的光束进行二维扫描来产生的图像放大和投影到诸 如屏幕之类的扫描面上的二维扫描投影仪是已知的。此外，对于二维扫描投影仪，被配置成 使扫描光学系统的光轴相对于屏幕倾斜的设备是已知的。上述配置的二维扫描投影仪将图 像从设置在屏幕下方的图像产生单元投影到整个屏幕上。这样配置的二维扫描投影仪能够 进行所谓的上投(shooting-up)投影，其中图像从设置在屏幕下方的图像产生单元投影到 整个屏幕上。能够执行上投投影的设备与扫描光学系统的光轴基本垂直于屏幕的常规的非 上投(non-shooting-up)型投影仪相比可以节省空间。但是存在这样的问题通过能够进行上投投影的设备投影的图像与通过非上投投 影仪投影的图像相比具有较大的TV畸变(TVdistortion)和梯形畸变。这里所说的TV畸 变指的是投影到屏幕上的图像畸变。特别地，TV畸变通过投影图像的长边向投影图像的短 边的畸变的数值来表示。例如，日本专利临时公开No. 2004-138719A中公开了一种用于降 低投影仪中的TV畸变的技术。专利公开2004-138719A中公开了一种二维扫描投影仪，其中扫描光学系统设置 在光源和屏幕之间。在该投影仪中，扫描光学系统被设置成偏轴的(decentered)。通过这 种配置，投影仪的设计者试图通过对投影光学系统赋予变形效应(anamorphic effect)来 校正TV畸变等等。但是，由于专利公开2004-138719A中描述的投影仪被配置为扫描光学系统是偏 轴的(decentered)，投影仪的配置不可避免地变得复杂。另外，需要对透镜进行高精度的定 位。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种二维扫描投影仪，其能够进行所谓的上 投投影并且能够有效地补偿诸如TV畸变和梯形畸变之类的图像质量下降，而无需采用复 杂且具有高精度要求的配置。为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种二维扫描投影仪，其使从光源发出的 光束在第一方向上和与第一方向垂直的第二方向上扫描以在扫描面上投影二维图像，包 括第一偏转器，所述第一偏转器在第一方向上偏转光束；以及扫描光学系统，所述扫描光 学系统设置在所述第一偏转器和所述扫描面之间。所述扫描光学系统被配置成组成所述扫 描光学系统的光学部件的中心轴彼此共线以限定所述扫描光学系统的光轴，并且所述光学 部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率，所述扫描面的中心在所述第二方 向上偏离所述光轴与包括所述扫描面的平面的交点，所述第一偏转器被设置成所述第一偏转器的旋转轴在包括所述光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角 度，从所述光源发出的光束入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方 向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线斜入射到所述第一偏转器上以相 对于所述光轴形成第二角度。 根据本发明，优选的是，所述二维扫描投影仪满足下面两个条件。在这种情况下，H 代表所述交点与所述屏幕的下边中点之间的距离，D代表所述交点与所述屏幕的下边的一 个端点之间的距离，H”代表所述交点与所述屏幕的上边中点之间的距离，D”代表所述交点 与所述屏幕的上边的一个端点之间的距离，f 代表所述扫描光学系统的焦距，a代表所述 第一方向上的半视角，P代表所述第一角度，0代表所述第二角度，《代表所述第二方向 上的半视角。
_9] tanp + tan^ + coj/cosoc ^ /7 tan(Z)"//)...⑴
1 - tanp tan(j8 + co)/cos aD"tanp + tan(^-6>)/cosQr ￡jftan(i)//).. . (2) 1 - tan p tan(/ - <y)/cos a D根据本发明，优选的是，根据权利要求2所述的二维扫描投影仪进一步满足下面 的条件。在这种情况下，H’代表所述交点与所述屏幕的中心之间的距离，D’代表所述交点 与所述屏幕的侧边中点之间的距离。
_2] tanp + tan^/cosa ￡j/,tan(D'//)....⑴
l-tanptany^/cosorD'根据本发明，所述二维扫描投影仪可以进一步包括第二偏转器，所述第二偏转器 设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并在所述第二方向上偏转所述光束；以及中继光 学系统，所述中继光学系统设置在所述第一偏转器与所述第二偏转器之间，并使从所述第 二偏转器射出的光束对准所述第一偏转器。根据本发明的二维扫描投影仪，所述光源可包括在与所述第二方向对应的方向上 对齐的多个发光单元，所述二维扫描投影仪可进一步包括聚光光学系统，所述聚光光学系 统设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并被配置成使所述多个发光单元发出的多个光 束同时入射到所述第一偏转器上。在这种情况下，通过使所述多个光束同时在扫描面上沿 所述第一方向扫描来实现二维扫描。根据本发明的二维扫描投影仪，优选的是，所述第一角度和所述第二角度被设定 为具有相同的符号以及被设定成在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到所述第 一偏转器上的所述主光线和与所述第一偏转器的所述旋转轴垂直相交的平面之间所形成 的角度小于所述第二角度。根据本发明的二维扫描投影仪，所述扫描光学系统可具有有助于保持所述扫描面 上的恒定扫描速度的至少一个反射镜。优选的是，安装在所述二维扫描投影仪上的所述扫描光学系统具有负畸变，所述 负畸变被限定在满足f ( 0 + )彡H”彡ftan ( 0 + co)的f 0特性与ftan 0特性之间。根据所述二维扫描投影仪，即使当投影仪被配置成上投投影型投影仪时，也可以 有效地抑制TV畸变和梯形畸变，而无需使用常规复杂的高精度扫描光学系统。
图1是显示根据本发明的实施例的二维扫描投影仪的总体配置的辅助扫描剖面。图2显示了根据本发明的实施例的二维扫描投影仪中的展开光路。图3是用于解释根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的相关参 数的示意图。图4是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。图5是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。图6是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。图7是用于推导根据本发明的实施例的二维扫描投影仪所满足的条件的示意图。图8显示了根据对比例的二维扫描投影仪的展开光路。图9显示了通过根据本发明的实例1的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。图10显示了通过根据本发明的实例2的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。图11显示了通过根据对比例的二维扫描投影仪投影的图像的畸变状态。图12是图2中显示的横向偏转器周围的光学系统的放大图。图13显示了根据本发明的变形的二维扫描投影仪的展开光路。
具体实施例方式图1显示了根据本发明的实施例的上投投影型二维扫描投影仪100的总体配置。 投影仪100在壳体50中具有投影光学系统10、第一反光镜Ml和第二反光镜M2以及屏幕 So图2显示了二维扫描投影仪100中的展开光路。在图2中，第一反光镜Ml和第二 反光镜M2的反射光路被展开。如图2所示，投影光学系统10具有光源单元1、第二偏转器 2、中继光学系统(relaying optical system) 3、第一偏转器4以及扫描光学系统5。用点 划线表示的轴AX为扫描光学系统5的光轴。在下文中，在包括扫描光学系统5的光轴AX和第一偏转器4的旋转轴的截面中定 义的扫描光学系统5的光轴AX的法向被定义为纵向，与光轴AX和法向两者都垂直的方向 被定义为横向。例如，当整个外形被当成大致的长方体的二维扫描投影仪100被置于水平 面上时，横向平行于放置二维扫描投影仪100的水平面并且等于第一方向，纵向与竖直方 向重合并且等于第二方向。在下文中，第一偏转器4和第二偏转器2分别被称为横向偏转 器4和纵向偏转器2。在图1和图2中，横向被表示为Y方向，纵向被表示为Z方向。与Y方向和Z方向 两者垂直的方向，即与作为扫描面的屏S垂直的设备的深度方向被定义为X方向。在实际中存在这样的情况，除了第一反光镜Ml和第二反光镜M2之外，还在投影光 学系统10中放置反光镜(未显示)来折叠投影仪100中的光路。但是，在下文中，不考虑 每个反光镜对光路的折叠，在解释每个部件时假设光路是展开的。图2中显示的光源单元1发射激光，根据诸如图像信号之类的外部输入信号对激 光进行开/关(on/off)调制。光源单元1发出的激光入射到纵向偏转器2上。纵向偏转器2被配置成能够绕与图2的纸面垂直的中心轴转动。也就是说，纵向 偏转器2是用于使激光在屏幕S的纵向上扫描的偏转器。
被纵向偏转器2的偏转面偏转的激光然后通过中继光学系统3入射到横向偏转器 4上。在图2中，为了便于图示，仅显示了横向偏转器4的中心轴。根据该实施例的中继光 学系统3包括具有透镜L31至L34的前透镜组(front group)以及具有透镜L35至L38的 后透镜组(rear group)。在图2中，位于中继光学系统3的中部的虚线表示形成中间图像 的位置。在该实施例中，中继光学系统3中的轴向光束入射到屏S上的大致中心位置上。也 就是说，中继光学系统3中的轴向光束产生投影图像的中心区域。横向偏转器4被配置为能够绕与图2的纸面平行的中心轴转动。也就是说，横向 偏转器4是用于使入射激光在屏S的横向上扫描的偏转器。激光在与横向偏转器4的转动状态对应的角度连续被偏转并入射到扫描光学系 统5上。应注意，在该实施例中，扫描光学系统5包括四个透镜L51至L54，总体上具有f 9 特性。但是，构成扫描光学系统5的透镜的数量是一个示例。扫描光学系统5的每个透镜 L51至L54不偏轴。也就是说，透镜的中心轴互相重合，并构成扫描光学系统5的光轴AX。 每个透镜L51至L54具有关于光轴AX旋转对称的放大率(power)。从扫描光学系统5出射的激光沿横向方向在屏幕S上进行扫描。如上所述，根据 本发明的二维扫描投影仪100被配置为上投投影型的。因此，如图2所示，屏幕S的中心Sc 沿纵向(即Z方向)偏离光轴AX与包括屏S的平面(Y-Z面)的交点P。在二维扫描投影仪100中，在横向偏转器4沿横向进行的每次扫描中，纵向偏转器 2转动预定量。该预定量被限定为与在屏幕S上扫描时同时使用的激光束的数目和每个激 光束在屏幕S上形成的光斑的尺寸相乘所得到的长度对应的量。通过重复扫描，在屏幕S 上形成二维图像。也就是说，与可转动的感光鼓不同，作为该实施例中的扫描面的屏幕S相 对于扫描光学系统5是固定的。在如上文所述配置的二维扫描投影仪100中，横向偏转器4被设置成偏转器4的 中心轴4a相对于Z方向倾斜。也就是说，横向偏转器4被设置成其本身的中心轴与Z方向 之间形成的角度(以后称为第一角度P)取除0°以外的值。当中心轴与Z方向重合时，该 角度(第一角度P)是0°，图12所示的箭头表示的方向(逆时针方向)被定义成正向。 图12是显示横向偏转器4周围的光学系统的放大图。此外，二维扫描投影仪100被配置成通过中继光学系统3的光束斜入射到横向偏 转器4上。特别的，二维扫描投影仪100被配置成，当光束入射到横向偏转器4上时，在入 射到横向偏转器4上的光束中，会通过屏幕S的中心Sc的光束的主光线L相对于光轴AX 在X-Z面内形成第二角度0。应注意的是，第二角度0取除0°以外的值。当入射到横向 偏转器4上的主光线L位于X-Y面内时，第二角度0为0°。在图12中，箭头所表示方向 (逆时针方向)被定义为正向。如上所述，根据该实施例的二维扫描投影仪100被配置成横向偏转器4倾斜且光 束斜入射到横向偏转器4上。通过这种配置，可以获得下列优点。首先，可以将上投投影型投影仪中会出现的TV畸变适当地抑制到基本等于非上 投投影型投影仪的TV畸变的水平。一般而言，在与横向偏转器4的中心轴垂直的平面(为 方便起见，称之为旋转截面)中扫描的光束不会导致扫描线弯曲(bow)。此外，特别是在包 括光轴AX的旋转截面中扫描的光束的情况中，光束不会导致纵向方向上的弯曲。因此，横 向偏转器4倾斜，从而旋转截面和屏幕S上的投影图像互相接近。也就是说，由于可以通过
7在旋转截面附近扫描的光学上合适的光束来形成投影图像，可以适当地抑制TV畸变。换言 之，可以使主光线L相对于横向偏转器4(旋转截面)的入射角比第二角度0小。因此，可 以适当地抑制扫描线的弯曲，具有较小程度的TV畸变的图像可以被投影到屏幕S上。第二，可以将上投投影型投影仪中会出现的梯形畸变抑制到非上投投影型投影仪 的梯形畸变的水平。特别的，通过倾斜横向偏转器4，通过横向偏转器4形成的图像(通过 横向偏转器4的反射图像)也是倾斜的。也就是说，通过使横向偏转器4倾斜适当的角度， 可以给予图像能够抵消由于上投投影引起的梯形畸变的畸变。第三，通过倾斜横向偏转器4，可以增大表观视角(apparent angle of view) 0因 此，与横向偏转器4不倾斜的情况相比，可以加宽屏幕S上的特定高度处的扫描范围。第四，可以抑制一些由于光束倾斜入射到横向偏转器4而出现的现象。一般而言， 当入射到横向偏转器4上的光束的倾斜量增大时，即，当横向偏转器4上的入射角增大时， 入射光束在横向偏转器4的偏转面上形成的光斑的直径增大。由于光斑的直径增大，在反 射时很大程度上导致光束旋转(beam rotation)(在屏幕S上形成的束斑根据被横向偏转 器4反射的光束的偏转角转动的现象)。通过将横向偏转器4设置成倾斜的，可以减小光束 在横向偏转器4处的倾斜角。因此，可以有效地抑制上述现象。为了增强上文所述的第四个优点的效果，根据该实施例的二维扫描投影仪100被 配置成第一角度P和第二角度0具有相同的符号。为了获得上文所述的优点，二维扫描投影仪100被配置成满足下面的条件(1)和 ⑵。在这种情况下，H代表交点P与屏幕S的下边中点之间的距离，D代表交点P与屏幕S 的下边的一个端点之间的距离，H”代表交点P与屏幕S的上边中点之间的距离，D”代表交 点P与屏幕S的上边的一个端点之间的距离，f代表扫描光学系统5的焦距，a代表横向 的半视角(half angle of view), P代表第一角度，0代表第二角度，《代表纵向的半视 角。图3中显示了这些参数。
tanp + tan(" + at)/cos a > 丑丨’ tan(D"//)(丄)
1 - tan p tan(/ + <y)/cos orD"
tanp + tan(^ -co)/cosa < ^ tan(jD//)(2)
l-tan/7 tan(/0 - co)f cos aD可通过下式得到横向的半视角a。在这种情况下，Ys代表屏幕在Y方向上的长度。a = (Ys/f)/cos(^+p)可通过下式得到纵向的半视角《。在这种情况下，Zs代表屏幕S在Z方向上的长度。co = Zs/f条件(1)是用于设计投影仪使得位于屏幕S的上边处的扫描线变成直线或具有朝 中心Sc凸出的曲线的条件。条件(2)是用于设计投影仪使得位于屏幕S的下边处的扫描 线变成直线或具有朝中心Sc凸出的曲线的条件。更特别地，当每个上述条件(1)和(2)具 有等号关系时，投影图像是矩形的。也就是说，在这种情况下，屏幕S的下边处的扫描线和 屏幕S的上边处的扫描线基本上都变成直线。在其他情况下，投影图像是所谓的线轴形的 (spool-like shape)。当投影图像是矩形的或线轴形的时，可以投射出具有与屏幕S对应
8的矩形形状的图像，而不会导致没有扫描线存在的区域(即非显示区)的出现。通过进一步满足下面的条件(3)，可以增强上文所述的优点的效果。在这种情况 下，H’代表交点P与屏幕S的中心之间的距离，D’代表交点P与屏幕S的侧边中点之间的距离。tanp + tan^/cosor ￡ tan(Z)'//).... (3) l-tanyotanyff/cosa D'条件(3)是用于屏幕S的中心处的减小TV畸变的条件。满足条件(3)可以使二 维扫描投影仪100投射出接近于非上投投影型所投射的图像的高质量图像。此外，通过在 满足条件(3)的范围内增大第一角度P，可以在确保大的视角的同时减小设备的厚度，并 增强校正梯形畸变的功能。接下来，参考图4至图7解释推导上文所述的条件(1)至条件(3)的过程。图4 显示了横向偏转器4处于旋转截面4p与水平面平行的状态的情形。也就是说，在图4中， 横向偏转器4被设置成中心轴4a与Z方向平行。让我们考虑这样的情况从横向偏转器4 反射的光束相对于横向偏转器4的旋转截面4p以角度(0+03)前进。在这种情况下，我们 假设横向偏转器4不转动。也就是说，光束不被横向偏转器4偏转，并且光束在包括扫描光 学系统5的光轴AX的X-Z面上前进。让我们考虑沿图4中显示的光束的光路从横向偏转器4偏离恒定距离(例如1) 的点A。点A的坐标(X，Y，Z)可表示成如下形式X...cos(3+w)Y…0Z...sin(3+w)图5显示了横向偏转器4从图4所示的状态转动了特定量且光束被偏转角度 a (即横向的半视角)的状态。如图5所示，当光束被偏转角度a时，点A移动到点A’。点 A’的坐标(X，Y，Z)可表示成如下形式X...cos a cos(3+w)Y...sina cos(3+w)Z...sin(3+w)图6显示了横向偏转器4在保持图5所示状态的同时倾斜预定量的状态。特别地， 图6所示的横向偏转器4被设置成偏转器4的中心轴4a在X-Z面中相对于Z方向倾斜第 一角度P。因此，倾斜的横向偏转器4的旋转截面4p’相对于旋转截面4p (水平面)倾斜。 在图6中，与X方向、Y方向和Z方向对应的方向分别被定义为x方向、y方向和z方向。如图6所示，当横向偏转器4倾斜时，点A’的坐标(X，Y，Z)如下表示X... cos p cos a cos +co) -sin p sin +co)Y...sina cos(3+w)Z... sin p cos a sin +co) +cos p sin +co)基于上述解释，推导出用于在屏幕S上投影不具有TV畸变和梯形畸变的高质量图 像的条件(1)。图7是用于推导条件(1)的示意图。在图7中，假设点A’位于屏幕S的上 边的一端附近。图7中显示的角度0被定义为屏幕的法线(即光轴AX)与前进到点A’的光线之间形成的角度。通过下式得到角度e
权利要求
一种二维扫描投影仪，其使从光源发出的光束在第一方向上和与第一方向垂直的第二方向上扫描以在扫描面上投影二维图像，包括第一偏转器，所述第一偏转器在第一方向上偏转光束；以及扫描光学系统，所述扫描光学系统设置在所述第一偏转器和所述扫描面之间，其中所述扫描光学系统被配置成组成所述扫描光学系统的光学部件的中心轴彼此共线以限定所述扫描光学系统的光轴，并且所述光学部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率；所述扫描面的中心在所述第二方向上偏离所述光轴与包括所述扫描面的平面的交点；所述第一偏转器被设置成所述第一偏转器的旋转轴在包括所述光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角度；以及从所述光源发出的光束入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线斜入射到所述第一偏转器上以相对于所述光轴形成第二角度。
2.如权利要求1所述的二维扫描投影仪，进一步满足下面两个条件 tan/ + tan(yg + a)/cos or ^ 丑,,tan(Z)"//)…⑴
3.如权利要求2所述的二维扫描投影仪，进一步满足下面的条件
4.如权利要求1至3任一项所述的二维扫描投影仪，进一步包括第二偏转器，所述第二偏转器设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并在所述第二 方向上偏转所述光束；以及中继光学系统，所述中继光学系统设置在所述第一偏转器与所述第二偏转器之间，并 使从所述第二偏转器射出的光束对准所述第一偏转器。
5.如权利要求1至3任一项所述的二维扫描投影仪，其中所述光源包括在与所述第二方向对应的方向上对齐的多个发光单元， 其中所述二维扫描投影仪进一步包括聚光光学系统，所述聚光光学系统设置在所述光源与所述第一偏转器之间，并被配置 成使所述多个发光单元发出的多个光束同时入射到所述第一偏转器上，以及其中通过使所述多个光束同时在扫描面上沿所述第一方向扫描来实现二维扫描。
6.如权利要求1至5任一项所述的二维扫描投影仪，其中所述第一角度和所述第二角度被设定为具有相同的符号以及被设定成在包括所 述光轴和所述第二方向的平面中，入射到所述第一偏转器上的所述主光线和与所述第一偏 转器的所述旋转轴垂直相交的平面之间所形成的角度小于所述第二角度。
7.如权利要求1至6任一项所述的二维扫描投影仪，其中所述扫描光学系统具有有助 于保持所述扫描面上的恒定扫描速度的至少一个反射镜。
8.如权利要求1至7任一项所述的二维扫描投影仪，其中所述扫描光学系统具有负畸 变，所述负畸变被限定在满足f ( 3 + )彡H”彡ftan⑶+ co)的f 0特性与ftan 0特性之 间。全文摘要
一种二维扫描投影仪，包括用于在第一方向上偏转光束的第一偏转器以及设置在所述第一偏转器和扫描面之间的扫描光学系统。所述扫描光学系统被构造成组成所述扫描光学系统的光学部件的中心轴与所述扫描光学系统的光轴共线，并且所述光学部件中的每一个都具有关于所述光轴旋转对称的放大率。所述扫描面的中心在第二方向上从包括扫描面的平面与所述光轴的交点偏离。所述第一偏转器被设置成使其旋转轴在包括所述光轴和所述第二方向的平面中相对于所述第二方向倾斜第一角度。从所述光源发出的光束斜入射到所述第一偏转器上，从而在包括所述光轴和所述第二方向的平面中，入射到投影图像的中心的所述光束的主光线与所述光轴形成第二角度。
文档编号G02B26/10GK101981486SQ200880128258
公开日2011年2月23日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年3月26日
发明者松冈祥平 申请人:Hoya株式会社