Блок оптического сканирования, проектор изображений, включающий в себя его, автомобильное устройство отображения на ветровом стекле и мобильный телефон - RU2464603C1

Чертежи

Показать все 41 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к блоку оптического сканирования и проектору изображений, включающему в себя его. В частности, оно относится к проектору изображений, который создает двухмерные изображения на плоскости проекции путем двухмерного сканирования световым пучком с использованием оптического дефлектора, и который можно устанавливать в малоразмерном электронном устройстве, например в мобильном телефоне или автомобильном дисплее на ветровом стекле.

Уровень техники

К настоящему времени получил широкое распространение проектор изображений, который содержит осветительную систему, включающую в себя источник света, пространственный модулятор света, модулирующий силу света из осветительной системы, и проекционную линзу, формирующую изображение с помощью света, модулируемого пространственным модулятором света. Существует возрастающая потребность в уменьшении размеров проектора изображений.

Кроме того, в качестве источника света приобрели популярность СИД и ЛД (лазерный диод), и было разработано малоразмерное электронное устройство, например мобильный телефон, включающий в себя проектор изображений.

Была предложена другая разновидность проектора изображений, использующего блок оптического сканирования. В этом блоке оптического сканирования оптический дефлектор отклоняет в двух измерениях световой пучок от источника света для двухмерного сканирования плоскости проекции пятнами и формирования двухмерного изображения с использованием эффектов остаточного изображения. В таком блоке оптического сканирования применяется многоугольное зеркало, гальванозеркало, устройства MEMS, изготовленные по технологии MEMS (Micro Electro Mechanical System) и т.п. для оптического дефлектора, отклоняющего световой пучок из источника света.

Такой блок оптического сканирования сталкивается с той трудностью, что проецируемые изображения могут иметь различные виды деформаций вследствие двухмерного сканирования. Для решения этой проблемы предпринимались различные попытки.

Одним примером является система оптического сканирования в виде линзы поворотно-асимметричной формы f-арксинус θ для достижения постоянной скорости сканирования и корректировки деформации изображения, которая раскрыта, например, в японской патентной заявке, не прошедшей экспертизу, 2006-178346 (Ссылка 1).

Другим примером является система оптического сканирования, имеющая поворотно-асимметричную отражающую поверхность для корректировки трапецеидальных деформаций или телевизионных искажений, которая раскрыта, например, в японской патентной заявке, не прошедшей экспертизу, 2005-234 157 (Ссылка 2).

Еще одним примером является система оптической коррекции в виде столбчатой линзы с вогнутой поверхностью, которая корректирует неравномерность яркости изображения, обусловленную углами сканирования, которая раскрыта, например, в международной патентной заявке WO 2005/083493 (Ссылка 3).

Существует возрастающая потребность в проекторе изображений, установленном в малоразмерном электронном устройстве, например мобильном телефоне, для осуществления проекции на очень малых расстояниях, в котором более крупные двухмерные изображения формируются на очень малых расстояниях от устройства до плоскости проекции. Проекция на очень малых расстояниях включает в себя не только вертикальную проекцию (на плоскость, ортогональную направлению распространения светового пучка сканирования) на очень малых расстояниях, но и проекцию двухмерного изображения 62 на плоскость 61, где располагается мобильный телефон 60, например, согласно фиг. 29. Мобильный телефон 60 включает в себя проектор изображений в качестве ультракомпактного проекционного устройства. Проектор изображений должен иметь возможность проецировать хорошие двухмерные изображения на плоскость 61 и быть оптической системой относительно простой конструкции в отличие от современных, конструкция которых сложна ввиду миниатюризации.

Однако существует ограничение на угол отклонения θ оптического дефлектора, входящего в состав устройства MEMS и т.п. Например, при максимальном угле отклонения θ оптического дефлектора ±8 градусов, угол сканирования светового пучка будет составлять ±16 градусов, в связи с чем получаемые изображения ограничиваются изображениями с полным углом поля 32 градуса. Для формирования проецируемого изображения размером А4 с использованием оптического дефлектора, малоразмерному электронному устройству потребуется длинное расстояние свыше 50 см.

Таким образом, необходимо отклонять световой пучок с увеличенным углом с помощью оптического дефлектора для достижения проекции на очень малых расстояниях в блоке оптического сканирования посредством двухмерного сканирования.

Однако системы оптического сканирования, раскрытые в ссылках 1 и 2, являются столь сложными и большими структурами, что они не пригодны для малоразмерных электронных устройств, например мобильного телефона. Они не пригодны для достижения сокращения размера и, одновременно, проецирования изображений на очень малых расстояниях.

Кроме того, система оптического сканирования, раскрытая в Ссылке 3, корректирует угол отклонения света для обеспечения постоянной скорости сканирования пятна в плоскости изображения (плоскости проекции) для достижения однородного распределения яркости. Однако в этой ссылке не раскрыта компактная система сканирования, способная проецировать большое изображение на плоскость на очень малых расстояниях.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение блока оптического сканирования, который обеспечивает большой угол сканирования с использованием оптического дефлектора с малым углом отклонения, проектора изображений, который может проецировать большие двухмерные изображения на очень малых расстояниях, и автомобильного дисплея на ветровом стекле и мобильного телефона, включающего в себя проектор изображений.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения блок оптического сканирования содержит источник света; элемент преобразования расходящегося светового пучка, имеющий такую положительную силу, чтобы преобразовывать расходящийся световой пучок из источника света в сходящийся световой пучок для формирования пятна на плоскости проекции; оптический дефлектор, отклоняющий свет из элемента преобразования расходящегося светового пучка в первое направление сканирования и второе направление сканирования, которое ортогонально первому направлению сканирования; и элемент преобразования угла отклонения, имеющий такую отрицательную силу, чтобы преобразовывать угол отклонения света, отклоняемого оптическим дефлектором. Положительная сила означает оптическую силу линзы, позволяющую преобразовывать параллельный световой пучок в сходящийся световой пучок, а отрицательная сила означает оптическую силу линзы, позволяющую преобразовывать параллельный световой пучок в расходящийся световой пучок.

В одних признаках вышеозначенного аспекта элемент преобразования угла отклонения выполнен в виде одиночной линзы.

В других признаках вышеозначенного аспекта элемент преобразования угла отклонения выполнен в виде совокупности линз, сформированных из разных стеклянных материалов.

В других признаках вышеозначенного аспекта оптический дефлектор состоит из первого участка дефлектора, который отклоняет свет из элемента преобразования расходящегося светового пучка в первом направлении сканирования, и второго участка дефлектора, который отклоняет свет из элемента преобразования расходящегося светового пучка во втором направлении сканирования; и первый и второй участки дефлектора сформированы как единое целое.

В других признаках вышеозначенного аспекта оптический дефлектор включает в себя зеркальный участок, который способен поворачиваться первым и вторым участками дефлектора, и угол падения между нормальным направлением зеркального участка и направлением распространения света, излучаемого из источника света и проходящего через элемент преобразования расходящегося светового пучка, задан равным 45 градусам или менее в первом и втором направлениях сканирования.

В других признаках вышеозначенного аспекта блок оптического сканирования дополнительно содержит делитель пучка между оптическим дефлектором и элементом преобразования угла отклонения, который делает направление распространения света, излучаемого из источника света и проходящего через элемент преобразования расходящегося светового пучка, совпадающим с нормальным направлением зеркального участка в опорной позиции в первом и втором направлениях сканирования, и оптический дефлектор включает в себя зеркальный участок, который способен поворачиваться первым и вторым участками дефлектора.

В других признаках вышеозначенного аспекта оптический дефлектор состоит из оптического вибрационного элемента, который совершает возвратно-поступательное движение вокруг опорной штанги в первом и втором направлениях сканирования. Кроме того, когда опорная оптическая ось является направлением распространения света, отклоняемого оптическим вибрационным элементом, когда оптический вибрационный элемент находится в опорной позиции, угол отклонения θ является углом распространения света, отклоняемого оптическим дефлектором, относительно опорной оптической оси, и угол сканирования α является углом распространения света, преобразованного элементом преобразования угла отклонения, относительно опорной оптической оси, элемент преобразования угла отклонения преобразует угол отклонения падающего света, проходящего по опорной оптической оси, для выполнения условия θ=α, и преобразует угол отклонения падающего света, не проходящего по опорной оптической оси, для выполнения условия θ<α.

В других признаках вышеозначенного аспекта элемент преобразования расходящегося светового пучка и элемент преобразования угла отклонения являются поворотно-симметричными линзами.

В других признаках вышеозначенного аспекта элемент преобразования угла отклонения является поворотно-асимметричной линзой.

В других признаках вышеозначенного аспекта, по меньшей мере, одна поверхность элемента преобразования угла отклонения выполнена в асферической форме.

В других признаках вышеозначенного аспекта направление оптической оси от оптического дефлектора к элементу преобразования угла отклонения наклонено относительно плоскости проекции, которая подвергается двухмерному сканированию светом, отклоняемым в первом и втором направлениях сканирования оптическим дефлектором и излучаемым через элемент преобразования угла отклонения.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения проектор изображений содержит вышеуказанный блок оптического сканирования и блок управления, управляющий блоком оптического сканирования, причем блок управления содержит схему управления источником света, которая управляет световым излучением источника света, схему регулировки угла отклонения, которая управляет углом отклонения оптического дефлектора, и схему обработки изображения, которая надлежащим образом корректирует полученные данные изображения и выводит скорректированные данные изображения на схему регулировки угла отклонения и схему управления источником света.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения автомобильное устройство отображения на ветровом стекле содержит вышеуказанный проектор изображений.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения мобильный телефон содержит вышеуказанный проектор изображений.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схема конструкции проектора изображений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - схема конструкции оптического дефлектора.

Фиг. 3A - сходящийся световой пучок вдоль опорной оптической оси Lb, и фиг. 3B - сходящийся световой пучок с углом наклона (углом отклонения θ) относительно опорной оптической оси Lb, когда сходящийся световой пучок проходит через элемент преобразования угла отклонения.

Фиг. 4A-4C - графики, демонстрирующие измеренные значения в присутствие и в отсутствие элемента преобразования угла отклонения, фиг. 4A - изменение угла сканирования (угла отклонения), фиг. 4B - изменение скорости сканирования, и фиг. 4C - изменение скорости сканирования, полученное из фиг. 4B согласно нормализованным максимальным значениям.

Фиг. 5A - график, демонстрирующий величину прогиба и изменение величины прогиба на поверхности падения относительно радиуса от оптической оси элемента преобразования угла отклонения, и фиг. 5B - график, демонстрирующий те же величины на выходной поверхности.

Фиг. 6 - схема проектора изображений с отражательным элементом, отличным от показанного на фиг. 1.

Фиг. 7 - схема проектора изображений с отражательным элементом, отличным от показанных на фиг. 1 и 6.

Фиг. 8 - схема проектора изображений согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 9 - схема проектора изображений согласно третьему варианту осуществления.

Фиг. 10 демонстрирует ухудшение цветного изображения в плоскости проекции и его коррекцию.

Фиг. 11 - схема автомобильного устройства отображения на ветровом стекле согласно четвертому варианту осуществления.

Фиг. 12 - соотношение между размером пучка на зеркальном участке и элементе преобразования расходящегося светового пучка.

Фиг. 13 - оптические пути, полученные путем моделирования с использованием оптимально сконструированной оптической системы (блока оптического сканирования).

Фиг. 14 - схема конструкции блока оптического сканирования в модификации проектора изображений согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 15A-15F - пятна на экране, сформированные модификацией проектора изображений под углами падения φ 0, 15, 30, 45, 60, 75 градусов соответственно.

Фиг. 16 - демонстрирует формирование пятен на фиг. 15A-15F.

Фиг. 17 - схема конструкции блока оптического сканирования в модификации проектора изображений согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 18 - вид в разрезе первого элемента преобразования расходящегося светового пучка в модификации проектора изображений (блока оптического сканирования) согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 19 - вид в разрезе второго элемента преобразования расходящегося светового пучка в модификации проектора изображений (блока оптического сканирования) согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 20 - вид в разрезе блока объединения оптических путей в модификации проектора изображений (блока оптического сканирования) согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 21 - вид в разрезе фокусирующей линзы в модификации проектора изображений (блока оптического сканирования) согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 22 - вид в разрезе элемента преобразования угла отклонения в модификации проектора изображений (блока оптического сканирования) согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 23 - схема конструкции проектора изображений согласно пятому варианту осуществления.

Фиг. 24 - схема другого блока оптического сканирования для сравнения с блоком оптического сканирования проектора изображений согласно пятому варианту осуществления.

Фиг. 25A, 25B - схемы пятен на плоскости изображения, когда оптический дефлектор поворачивается на 5 градусов вокруг оси X блоком оптического сканирования согласно пятому варианту осуществления и блоком оптического сканирования, показанным на фиг. 24 соответственно.

Фиг. 26 - схема конструкции блока оптического сканирования в модификации проектора изображений согласно пятому варианту осуществления.

Фиг. 27A - схема пятен на плоскости изображения, когда оптический дефлектор находится в опорной позиции (стационарной позиции), повернутой на 0 градусов (амплитуда=0), и фиг. 27B - то же самое, когда оптический дефлектор повернут на 15 градусов (амплитуда=15 градусов) в модификации блока оптического сканирования согласно пятому варианту осуществления.

Фиг. 28A - вид сбоку мобильного телефона на плоскости согласно шестому варианту осуществления, и фиг. 28B - мобильный телефон, показанный на фиг. 28A, если смотреть по стрелке A.

Фиг. 29 - иллюстративный мобильный телефон, включающий в себя проектор изображений.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Первый вариант осуществления

На фиг. 1 показана схема проектора 1 изображений согласно первому варианту осуществления, и на фиг. 2 показана схема конструкции оптического дефлектора 13. Согласно фиг. 1 угол между главным лучом, отклоняемым оптическим дефлектором 13, и опорной оптической осью Lb определяется как угол отклонения θ, тогда как угол между главным лучом, прошедшим через элемент 14 преобразования угла отклонения, и опорной оптической осью Lb определяется как угол сканирования α. Опорная оптическая ось - это направление распространения главного луча, отклоняемого (отражаемого) оптическим дефлектором 13, когда оптический дефлектор 13 находится в опорной позиции (стационарной позиции:θ=α=0), что описано ниже.

В первом варианте осуществления проектор 1 изображений содержит блок оптического сканирования 10 и блок управления 20. Блок оптического сканирования 10 в основном содержит источник света 11, элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка (собирающая линза), оптический дефлектор 13 (оптический вибрационный элемент) и элемент 14 преобразования угла отклонения, которые образуют оптическую проекционную систему для проецирования изображений на экран Sc.

Источник света 11 представляет собой монохромный источник света, например полупроводниковый лазер, излучающий красный световой пучок с центральной длиной волны 638 нм в настоящем варианте осуществления. Источник света 11 и оптический дефлектор 13 излучают под управлением блока управления 20, описанного ниже.

Элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка приспособлен иметь положительную силу для преобразования расходящегося светового пучка (далее, светового пучка P), излучаемого источником света 11, в сходящийся световой пучок. Таким образом, элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка преобразует угол расхождения светового пучка P из источника света 11 в угол схождения для формирования пятен S с заранее определенным размером на экране Sc.

Оптический дефлектор 13 отклоняет, для сканирования, световой пучок P в качестве сходящегося светового пучка из элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка в первом и втором направлениях сканирования, которые ортогональны друг другу в двух измерениях. Первое и второе направления сканирования содержатся в плоскости проекции (на экране Sc), и, согласно фиг. 1, они представляют собой направление, ортогональное плоскости чертежа (см. стрелку x), и вертикальное направление (см. стрелку y), если смотреть спереди.

Согласно фиг. 2 оптический дефлектор 13 в основном содержит прямоугольную внешнюю раму 13a (первый участок дефлектора), прямоугольную внутреннюю раму 13b (первый участок дефлектора), размещенную внутри внешней рамы 13a, и подвижный прямоугольный зеркальный участок 13c, расположенную внутри внутренней рамы 13b. Зеркальный участок 13c включает в себя зеркальную поверхность, отражающую световой пучок и поддерживается с возможностью вращения внутренней рамой 13b с помощью пары опорных штанг 13d. Внутренняя рама 13b поддерживается с возможностью вращения внешней рамой 13a с помощью пары опорных штанг 13e, которые проходят ортогонально относительно опорных штанг 13d. Таким образом, зеркальный участок 13c поворачивается в горизонтальном направлении вокруг пары опорных штанг 13d, тогда как внутренняя рама 13b поворачивается в вертикальном направлении, например, вокруг пары опорных штанг 13e. Одно из направлений вращения является первым направлением сканирования, и другое является вторым направлением сканирования.

Такой оптический дефлектор 13 может состоять из известного зеркала MEMS, выполненного из кристаллов кремния. Например, в этом зеркале MEMS, зеркальный участок 13c и внутренняя рама 13b формируются над нижней поверхностью подложки кристалла кремния путем травления.

В зеркале MEMS не показанные два электрода формируются на нижней подложке зеркального участка, соответствующие правому и левому участкам зеркального участка 13c. При подаче напряжения между электродом зеркального участка 13c и двумя электродами на нижней подложке, электростатические силы действуют на пару опорных штанг 13d и наклоняют зеркальный участок 13c.

Кроме того, в зеркале MEMS не показанные два электрода формируются на нижней подложке внутренней рамы 13b, соответствующие верхнему и нижнему участкам внутренней рамы 13b. При подаче напряжения между электродом внутренней рамы 13b и двумя электродами на нижней подложке, электростатические силы действуют на пару опорных штанг 13e и наклоняют внутреннюю раму 13b.

Зеркальный участок 13c может быть приспособлен так, чтобы включать в себя магнитный элемент на своей задней поверхности и наклоняться магнитной силой, создаваемой катушкой на нижней подложке, или он может быть приспособлен так, чтобы наклоняться силой деформации пьезоэлектрического элемента. Он не подлежит ограничению первым вариантом осуществления.

Для отклонения светового пучка таким зеркалом MEMS с высокой скоростью, зеркальный участок 13c должен приводиться в движение вблизи точки резонанса. Вследствие этого угол отклонения или угол наклона зеркального участка 13c должен изменяться по синусоидальному закону относительно времени. Зеркальный участок 13c имеет чрезвычайно малый размер около 1 мм, и его вращательный момент очень мал, благодаря чему его первичная резонансная частота может увеличиваться в направлении деформации согласно толщине или ширине (конструкции) пары опорных штанг 13d. Можно легко получить высокую первичную резонансную частоту вокруг опорных штанг 13d (горизонтальное направление). В настоящем варианте осуществления вращение вокруг опорных штанг 13d или горизонтальное сканирование устанавливается в направлении высокоскоростного сканирования (основном направлении сканирования), тогда как вращение вокруг опорных штанг 13e или вертикальное сканирование устанавливается во вспомогательном направлении сканирования.

Трудно достигнуть увеличения амплитуды зеркального участка 13c обычным методом возбуждения и стабилизировать его движения в силу неоднородной движущей силы, сопротивления воздуха и т.п. Однако зеркало MEMS согласно настоящему варианту осуществления может стабильно двигаться с амплитудой, достаточно большой для сканирования всего экрана Sc, поскольку зеркальный участок 13c возбуждается вблизи первичной резонансной частоты. Кроме того, необходимо увеличивать амплитуду внутренней рамы 13b, которая вращается/вибрирует в направлении (вокруг опорных штанг 13e), ортогональном направлению вращения/вибрации зеркального участка 13c, для достижения проекции на очень малых расстояниях. Однако поскольку это вспомогательное направление сканирования, внутренняя рама 13b должна возбуждаться во вспомогательном направлении сканирования на низкой частоте, которая зависит от количества кадров изображения в секунду (например, 30, 60 или 120 Гц для генерации изображения 30, 60 или 120 кадров в секунду). Для возбуждения внутренней рамы 13b на низкой частоте за счет резонанса между внутренней рамой 13b и опорными штангами 13e, необходимо формировать очень тонкие опорные штанги 13e в качестве осей вращения, но это не практично, поскольку тонкие штанги не могут обладать достаточной ударостойкостью и легко могут быть разбиты. Для увеличения толщины опорных штанг 13e резонансная частота A вращения (вибрации) вокруг опорных штанг 13e должна быть установлена равной высокому значению. Поскольку резонансная частота B внутренней рамы 13b устанавливается равной низкому значению, и резонансные частоты A, B не совпадают друг с другом, резонанс здесь нельзя использовать. В заключение, необходимо использовать увеличенную силу для получения нужной амплитуды зеркального участка 13c. Для возбуждения зеркального участка посредством резонанса во вспомогательном направлении сканирования, двухосное сканирование (например, раскрытое в японской патентной заявке, прошедшей экспертизу 2005-5262899) может быть хорошим способом генерации изображений вместо растрового сканирования. Посредством двухосного сканирования зеркальный участок 13c может возбуждаться резонансными колебаниями с высокой амплитудой в основном и вспомогательном направлениях сканирования, что позволяет осуществлять проекцию на очень малых расстояниях с малой мощностью.

Сходящийся световой поток, отклоняемый оптическим дефлектором 13, образованным вышеописанным зеркалом MEMS, и проходящий через элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка, сканирует в двухмерно ортогональных направлениях, первом (горизонтальном) направлении сканирования и втором (вертикальном) направлении сканирования.

В первом варианте осуществления первый и второй участки дефлектора сформированы как единое целое, однако их можно формировать независимо. Например, можно использовать два датчика MEMS в качестве одноосного вращающегося элемента, или плоское зеркало может быть присоединено к выходному валу шагового двигателя и вращаться с постоянной угловой скоростью.

Кроме того, оптический дефлектор приспособлен для двухмерного сканирования; однако он может быть приспособлен для одномерного сканирования.

Другая проблема, подлежащая решению, связанная с вышеописанной оптической проекционной системой, состоит в том, что для проецирования больших изображений на экран Sc на очень малых расстояниях нужно дополнительно увеличить амплитуду зеркального участка 13c.

Однако при увеличении амплитуды зеркальный участок 13c невозможно стабильно возбуждать в силу неоднородной движущей силы или сопротивления воздуха. Очень трудно генерировать движущую силу, достаточно большую для достижения большой амплитуды в первом месте. В частности, чем больше резонансная частота, тем труднее добиться большой амплитуды. Для решения этой проблемы вес зеркального участка 13 можно снизить путем уменьшения его толщины или его размера.

Однако утончение и сокращение размера зеркального участка 13c приводит к проблеме. При более тонком зеркальном участке 13c величина деформации может увеличиваться, что приводит к разрушению оптического дефлектора 13, или отражение света деформированным зеркальным участком 13c может увеличивать оптическую аберрацию, что препятствует стабильной генерации пятен S на экране Sc и снижает разрешение проецируемых изображений. С другой стороны, при сокращении размера зеркального участка 13c элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка должен фокусировать сходящийся световой пучок до меньшего размера пучка на зеркальном участке 13c, и для достижения меньшего размера пучка требуется более высокая точность сборки и изготовления компонентов. Однако поскольку NA (числовая апертура) элемента преобразования расходящегося светового пучка 12 определяется для формирования заранее определенного размера пятен S на экране Sc на основании светового пучка P из источника света 11, как описано выше, расстояние (оптический путь) от элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка до зеркального участка 13c (оптического дефлектора 13) должно увеличиваться согласно фиг. 12 для сокращения размера пучка на зеркальном участке 13c. Это препятствует сокращению размера всей оптической системы. Напротив, когда расстояние между ними установлено равным малому значению, размер пучка светового пучка из элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка будет больше эффективной отражающей поверхности зеркального участка 13c. Это может препятствовать эффективному использованию светового пучка из источника света 11.

С учетом вышеозначенных проблем, амплитуда зеркального участка 13c задается равной ±7,5 градусов в настоящем варианте осуществления. Другими словами, максимальное значение угла отклонения θ светового пучка P, отклоняемого оптическим дефлектором 13, составляет ±15 градусов. С использованием только оптического дефлектора 13 (без элемента 14 преобразования угла отклонения), например, для получения двухмерного изображения размером А4 (210 мм × 297 мм), может потребоваться дальность проекции около 560 мм, и для получения двухмерного изображения размером 14 дюймов потребуется дальность проекции около 500 мм. Это большие расстояния. Таким образом, с использованием лишь оптического дефлектора 13, проектор изображений не может проецировать изображения на очень малых расстояниях.

Согласно проектору 1 изображений настоящего варианта осуществления элемент 14 преобразования угла отклонения и элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка имеют оптимальную конструкцию с учетом размера, габарита и амплитуды зеркального участка 13c оптического дефлектора 13. Элемент 14 преобразования угла отклонения приспособлен быть элементом увеличения угла отклонения, который преобразует угол отклонения θ светового пучка, отклоняемого оптическим дефлектором 13, в угол сканирования α, превышающий угол отклонения θ. В настоящем варианте осуществления элементом 14 преобразования угла отклонения является одиночная линза, например, выполненная из одного стеклянного материала. На фиг. 13 показаны оптические пути, полученные путем моделирования с использованием оптимально сконструированной оптической системы (блока оптического сканирования 10). На фиг. 13 схематически показаны оптический путь среди линейно размещенных компонентов оптической системы от источника света 11 до элемента 14 преобразования угла отклонения, и оптические пути, полученные в результате моделирования, когда зеркальный участок 13c наклонен на заранее определенный угол. В этой модели предполагается, что световой пучок с длиной волны 530 нм излучается из источника света 11.

В первом варианте осуществления (также в модели, показанной на фиг. 13) фокусное расстояние элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка задано равным 3,91 мм, и расстояние от источника света 11 до первой поверхности (противоположной источнику света 11) элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка задано равным 3 мм. Его центральная толщина равна 2,4 мм, и он выполнен из стеклянного материала с показателем преломления n_CL=1,5196. Расстояние от второй поверхности элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка до отражающей поверхности оптического дефлектора 13 задано равным 18,354 мм, тогда как расстояние от отражающей поверхности оптического дефлектора 13 до первой поверхности элемента 14 преобразования угла отклонения задано равным 8 мм. Элемент 14 преобразования угла отклонения имеет центральную толщину 3 мм и выполнен из стеклянного материала с показателем преломления n_EXP=1,5196. Эта оптическая система (блок оптического сканирования 10) призвана фокусировать свет от источника света 11 в позиции 200 мм в сторону от второй поверхности элемента 14 преобразования угла отклонения.

Обе поверхности линзы элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка являются асферической. Ее асферическая форма выражается нижеследующей формулой (1) на основании соотношения между расстоянием z поверхностей линзы в направлении оптической оси и радиусом h в прямоугольной системе координат, где направление оптической оси света от источника света 11 к оптическому дефлектору 13 является направлением оси Z, и вершины Q1, Q2 поверхностей линзы являются точками отсчета.

где c - параксиальная кривизна (c=1/r, где r - радиус кривизны), k - коническая константа, A, B, C, D, E, F, G... - асферические коэффициенты. Заметим, что "SQRT(Q)" обозначает квадратный корень из Q в формуле (1).

В нижеследующей Таблице 1 приведены данные по соответствующим поверхностям элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка. В таблице 1 "E-0n" обозначает 10^-n.

Сходящийся световой пучок из элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка направляется к элементу 14 преобразования угла отклонения через оптический дефлектор 13. На фиг. 3A-3C показано, как сходящийся световой поток, отклоняемый оптическим дефлектором 13, проходит через элемент 14 преобразования угла отклонения. Согласно фиг. 3A сходящийся световой пучок распространяется вдоль опорной оптической оси Lb, и согласно фиг. 3B сходящийся световой пучок наклонен под углом (углом отклонения θ) относительно опорной оптической оси Lb. На фиг. 3A-3B условные обозначения 14a, 14b представляют поверхность падения и выходную поверхность элемента 14 преобразования угла отклонения соответственно, которые будут описаны ниже.

Элемент 14 преобразования угла отклонения приспособлен иметь отрицательную силу и преобразовывать сходящийся световой потоковой пучок из элемента преобразования расходящегося светового пучка 12 в более слабый сходящийся световой потоковой пучок для его фокусировки (уменьшения размера пучка до величины, меньшей заранее определенного размера пучка) на экране Sc. Кроме того, элемент 14 преобразования угла отклонения преобразует падающий свет с углом отклонения θ в исходящий световой пучок с углом сканирования α, который является углом относительно опорной оптической оси, согласно фиг. 3B. В первом варианте осуществления конструкция и размещение элемента 14 преобразования угла отклонения определяется для выполнения условия угол отклонения θ=угол сканирования α, когда световой пучок падает по опорной оптической оси Lb, и для выполнения условия угол отклонения θ< угол сканирования α, когда световой пучок не падает по опорной оптической оси Lb. Кроме того, элемент 14 преобразования угла отклонения сконструирован и размещен так, чтобы преобразовывать падающий световой пучок с углом отклонения θ 10 градусов в исходящий световой пучок с углом сканирования α 20 градусов, и световой пучок с максимальным углом отклонения θ 15 градусов в световой пучок с углом сканирования α 31,3 градусов. Таким образом, он всегда удваивает размер светового пучка. Максимальный угол отклонения θ падающего светового пучка составляет ±15 градусов, поскольку световой пучок отклоняется зеркальным участком 13c оптического дефлектора 13, максимальная амплитуда которого задана равной ±7,5 градусов.

Элемент 14 преобразования угла отклонения включает в себя асферическую первую поверхность (на стороне оптического дефлектора 13) и сферическую вторую поверхность. Ее асферическая форма выражается вышеозначенной формулой (1) на основании соотношения между расстоянием z поверхности линзы в направлении оптической оси и радиусом h в прямоугольной системе координат, где прямая линия, соединяющая вершины Q1', Q2' первой и второй поверхностей, или направление оптической оси света от источника света 11 к экрану Sc является направлением оси Z. Данные по первой и второй поверхностям линзы указаны в нижеследующей таблице 2.

В первом варианте осуществления элемент 14 преобразования угла отклонения приспособлен включать в себя асферическую первую поверхность и сферическую вторую поверхность; однако настоящее изобретение этим не ограничивается. Обе поверхности, первая и вторая, могут быть асферическими или сферическими в зависимости от требуемого уровня пятен или проецируемых изображений на экране Sc.

Поверхности линз элемента 14 преобразования угла отклонения и элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка формируются в поворотно-симметричной форме. Вследствие этого оба элемента можно легко изготавливать путем механической обработки. Кроме того, их легко собирать, поскольку допуск на изготовление или допуск на сборку можно устанавливать равным большому значению. Среди поверхностей линз элемента 14 преобразования угла отклонения и элемента 12 преобразования расходящегося светового пучка только те (Ie), через которые проходит свет, должны быть поворотно-симметричными. Когда они выполнены из полимерных материалов и т.п., их общие внешние формы могут быть поворотно-асимметричными с учетом сборки, регулировки и пр., согласно фиг. 3C.

Опишем, со ссылкой на фиг. 4A-4C, эффекты 14 элемента преобразования угла отклонения. На фиг. 4A-4C представлены графики измеренных значений в присутствие или в отсутствие элемента 14 преобразования угла отклонения. На фиг. 4A-4C Ci обозначает характеристическую кривую угла сканирования с элементом 14 преобразования угла отклонения, а Ct - то же самое без элемента 14 преобразования угла отклонения. Кроме того, на чертежах по горизонтальной оси отложено время, причем центральный угол зеркального участка 13c соответствует нулю на оси времени, где максимальным значением является время, когда угол отклонения θ или угол сканирования α достигают максимальной амплитуды (половина резонансного периода или 1/4 периода), нормализованное до 1 и -1. На фиг. 4A по вертикальной оси отложен угол сканирования α (или угол отклонения θ без элемента 14 преобразования угла отклонения), Ci1, Ct1 это характеристические кривые угла сканирования α. На фиг. 4B по вертикальной оси отложена скорость сканирования (пятен S на экране Sc) светового пучка P, и Ci2, Ct2 это характеристические кривые скорости сканирования. Фиг. 4C основана на фиг. 4B, и в ней по вертикальной оси отложена скорость сканирования светового пучка P, нормализованная максимальным значением, и характеристические значения Ci3, Ct3 практически равны Ci2, Ct2. Зеркало MEMS (зеркальный участок 13c оптического дефлектора 13) поворачивается в диапазоне углов от -7,5 до +7.5 градусов, как описано выше, так что угол отклонения θ изменяется от -15 до +15 градусов.

Как следует из фиг. 4A и результатов моделирования на фиг. 13, угол сканирования α, при использовании элемента 14 преобразования угла отклонения (кривая Ci1), больше, чем в случае, когда он не используется (кривая Ct1). При наличии элемента 14 преобразования угла отклонения, при максимальной амплитуде зеркального участка 13c, составляющей ±7.5 градусов, угол сканирования α составляет максимально около ±30 градусов (кривая Ci1), и необходимое расстояние от проектора изображений до экрана Sc для формирования изображения размером А4 будет составлять около 240 мм, обеспечивая проекцию на очень малых расстояниях. Напротив, без элемента 14 преобразования угла отклонения угол сканирования α равен углу отклонения θ максимально ±15 градусов (кривая Ct1), и необходимое расстояние будет составлять около 560 мм.

Как следует из фиг. 4B, 4C, скорость сканирования максимальна в нуле на оси времени, т.е. при угле сканирования α (угол отклонения θ равен нулю, и уменьшается с увеличением угла сканирования независимо от использования элемента 14 преобразования угла отклонения. Сравнение характеристических кривых Ci2, Ci3 (с элементом 14 преобразования угла отклонения) и Ct2, Ct3 (без элемента 14 преобразования угла отклонения) соответственно, Ci2, Ci3 показывает, что для одного и того же изменения скорости сканирования требуется больше времени, чем в Ct2, Ct3, и это означает, что скорость сканирования в Ci2, Ci3 считается постоянной в течение более долгого времени, чем в Ct2, Ct3. При наличии элемента 14 преобразования угла отклонения диапазон времени, в течение которого изменение скорости сканирования мало, больше, чем в отсутствие элемента 14 преобразования угла отклонения, и постоянная скорость достигается в этом диапазоне времени. Соответственно, при наличии элемента 14 преобразования угла отклонения можно корректировать деформацию изображения, выравнивать освещенность светового пучка и снижать неравномерность яркости изображения.

Теперь опишем формы поверхности падения 14a и выходной поверхности 14b элемента 14 преобразования угла отклонения. Поверхности падения и выхода 14a, 14b формируются поворотно-симметричными относительно оптической оси. На фиг. 5A, 5B представлены графики, демонстрирующие величину прогиба (мм) (характеристическая кривая Cs) и изменение величины прогиба (мкм) (характеристическая кривая Ca) по вертикальным осям, и демонстрирующие радиус (мм) от оптической оси элемента 14 преобразования угла отклонения по горизонтальным осям. На фиг. 5A показаны характеристики поверхности падения 14a, а на фиг. 5b показаны характеристики выходной поверхности 14b. Заметим, что величина прогиба выражается координатой z (сторона падения: +, выходная сторона: -) на соответствующих поверхностях в позиции радиуса, когда направление оптической оси является направлением оси z и координата на оптической оси в направлении оси z равна нулю. Кроме того, величина изменения означает изменение величины прогиба относительно единичной величины изменения в направлении радиуса и является дифференциалом первого порядка характеристической кривой Cs в направлении радиуса.

На фиг. 5A, 5B показано, что величина изменения (абсолютное значение) увеличивается от оптической оси до периферии поверхностей падения и выхода 14a, 14b. Формирование поверхности падения 14a такой формы, что величина изменения возрастает от оптической оси к периферии, позволяет элементу 14 преобразования угла отклонения излучать световой пучок при большом угле сканирования α при перемещении позиции падения от оптической оси к периферии. Кроме того, благодаря формированию асферической поверхности падения 14a размер пятен S на экране Sc можно сократить. Это справедливо для выходной поверхности 14b, и выходная поверхность 14b, сформированная вышеозначенным образом, может достигать тех же эффектов. С элементом 14 преобразования угла отклонения в первом варианте осуществления размер пятен S может составлять 1 мм или менее. Однако при наличии плоской поверхности линзы, например, размер пятен S будет составлять 3 мм или более, и проецируемое изображение будет размытым на экране Sc.

Согласно фиг. 1 блок управления 20 содержит блок 21 управления оптическим дефлектором в качестве схемы регулировки угла отклонения и блок 22 регулировки количества светового излучения в качестве схемы управления источником света. Блок управления 20 принимает в качестве сигнала 23 исходного изображения данные изображения G(i, j), которые представляют собой данные изображения в позиции пикселя (i, j). В блоке управления 20 блок 21 управления оптическим дефлектором надлежащим образом управляет оптическим дефлектором 13 согласно сигналу позиции зеркала Mp для синхронного детектирования, тогда как блок 22 регулировки количества светового излучения управляет источником света 11 согласно данным изображения G(i, j) и сигналу позиции зеркала Mp. Блок 21 управления оптическим дефлектором управляет оптическим дефлектором 13, выводя сигнал управления вращением Wc, тогда как блок 22 регулировки количества светового излучения управляет источником света 1, выводя сигнал управления излучением Lc. Сигнал позиции зеркала Mp это сигнал, выводимый из оптического дефлектора 13, указывающий перемещение вибрирующего зеркального участка 13c на фиг. 1. Когда оптический дефлектор 13 возбуждается электромагнитным активатором, сигнал позиции зеркала Mp получается путем детектирования обратной ЭДС вследствие вибрации зеркала. Когда оптический дефлектор 13 возбуждается пьезоэлектрическим активатором, сигнал позиции зеркала Mp получается путем детектирования обратной ЭДС, генерируемой в пьезоэлементе. Дополнительно, благодаря обеспечению элемента 28 приема светового пучка, в надлежащей позиции для приема светового пучка, отклоняемого зеркальным участком 13c, сигнал позиции зеркала Mp можно получать с использованием сигналов от светочувствительного элемента 28 совместно с перемещением зеркального участка 13c, согласно фиг. 7. Кроме того, хотя это не показано на чертеже, электрод можно предусмотреть на участке смещения (здесь, зеркальном участке 13c), а также в заранее определенной позиции, не подверженной перемещению, для определения электростатической емкости, изменяющейся с перемещением. В первом варианте осуществления блок 22 регулировки количества светового излучения управляет источником света 11 в соответствии с управлением оптическим дефлектором 13 блоком 21 управления оптическим дефлектором.

Например, для проецирования пикселя в качестве i-го в горизонтальном направлении и j-го в вертикальном направлении на экране Sc, блок 22 регулировки количества светового излучения выводит сигнал управления количеством светового излучения на источник света 11 синхронно с сигналом позиции зеркала Mp, для излучения светового пучка в количестве для данных изображения G(i, j), когда зеркальный участок 13c наклонен для формирования пятна S на экране Sc в позиции (i', j'), соответствующей позиции пикселя (i, j). С использованием оптического дефлектора, который может нерезонансно возбуждаться шаговым двигателем и т.п., блок 21 управления оптическим дефлектором выводит сигнал управления возбуждением на оптический дефлектор синхронно с сигналом управления количеством светового излучения для формирования пятна S на экране Sc в позиции (i', j'), соответствующей позиции пикселя (i, j).

Соответственно, источник света 11 излучает расходящийся световой пучок в количестве для данных изображения G(i, j) на элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка, который преобразует расходящийся световой пучок в сходящийся световой пучок и излучает его к оптическому дефлектору 13.

Сходящийся световой пучок отклоняется к элементу преобразования угла отклонения в горизонтальном и вертикальном направлениях 14 зеркальным участком 13c, который располагается под надлежащим углом для формирования пятна S на экране Sc в позиции (i', j') в соответствии с позицией пикселя. Элемент 14 преобразования угла отклонения преобразует угол отклонения θ падающего сходящегося светового пучка в угол сканирования α и излучает его на экран Sc в качестве плоскости проекции. Это формирует пятно S в позиции (i', j') на экране Sc. Вышеописанная операция последовательно осуществляется в порядке сканирования на основании всех данных изображения G(i, j) на сигнале 23 исходного изображения, чтобы, таким образом, генерировать двухмерное изображение на экране Sc в связи с двухмерными исходными данными изображения.

Как описано выше, с использованием элемента 14 преобразования угла отклонения, блок оптического сканирования 10 (проектор 1 изображений) может достигать большого угла сканирования даже при малом угле отклонения оптического дефлектора 13, и может проецировать большое изображение на плоскость проекции (экран Sc) на очень малых расстояниях. В настоящем варианте осуществления угол сканирования α светового пучка может составлять максимально ±30 градусов, хотя угол отклонения θ оптического дефлектора 13 максимально составляет ±15 градусов. Таким образом, он может проецировать изображение размером А4 при дальности проекции около 240 мм.

Кроме того, с использованием элемента 14 преобразования угла отклонения блок оптического сканирования 10 (проектор 1 изображений) может поддерживать постоянную скорость сканирования в определенном диапазоне, что позволяет ему корректировать деформацию изображения и неравномерность яркости в большей степени, чем без элемента 14 преобразования угла отклонения.

Кроме того, блок оптического сканирования 10 (проектор 1 изображений) имеет большие преимущества в отношении уменьшения размеров, поскольку он может достигать вышеупомянутых эффектов с помощью простой конструкции, включающей в себя элемент 14 преобразования угла отклонения.

Блок оптического сканирования 10 (проектор 1 изображений) приспособлен увеличивать угол сканирования α с элементом преобразования угла отклонения 14, благодаря чему зеркальный участок 13c оптического дефлектора 13 может устойчиво вращаться для подавления снижения разрешения проецируемого изображения. Кроме того, он может эффективно использовать световой пучок из источника света 11 без увеличения точности изготовления и сборки их деталей и компонентов, способствуя уменьшению размеров устройства.

Кроме того, элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка может иметь анаморфотную асферическую поверхность или искривленную поверхность произвольной формы по следующим причинам. В общем случае распределение интенсивности светового пучка из полупроводникового лазера является гауссовым распределением, и угол расширения светового пучка различается в параллельном направлении и в вертикальном направлении относительно активного слоя полупроводникового лазера. Вследствие этого световой пучок через поворотно-симметричный элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка будет эллиптическим. Однако обеспечение пластины формообразования пучка с круглым отверстием для придания формы эллиптическому пучку может вызывать виньетирование, приводящее к увеличению потери света, паразитному потреблению мощности и ухудшению проецируемых изображений на экране Sc вследствие эллиптических пятен. Вот почему элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка может включать в себя анаморфотную асферическую поверхность или искривленную поверхность произвольной формы, которая имеет разные фокусные расстояния в горизонтальном и вертикальном направлениях относительно активного слоя полупроводникового лазера. Таким образом, можно препятствовать потере света и формировать круглые пятна на экране. Кроме того, при анаморфотной асферической поверхности или искривленной поверхности произвольной формы, имеющей одно и то же фокусное расстояние, формируемые пятна будут иметь вид эллипса, короткая ось которого ориентирована в горизонтальном направлении, когда зеркало неподвижно, но будут приближаться к круглой форме в пикселе вследствие эффектов остаточного изображения в направлении сканирования, когда зеркало вращается.

Элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка можно заменить отражательным элементом 24, показанным на фиг. 6, поскольку его единственной функцией является преобразование света из источника света 11 в сходящийся световой пучок для формирования пятен S на экране Sc. Отражательный элемент 24 имеет искривленную отражающую поверхность произвольной формы, что позволяет ему препятствовать потере света и формировать круглые пятна.

Элемент 14 преобразования угла отклонения также можно заменить отражательным элементом 25, показанным на фиг. 7, при условии, что отражательный элемент 25 может преобразовывать угол отклонения θ светового пучка, отклоняемого оптическим дефлектором 13, в больший угол сканирования α. Отражательный элемент 25 включает в себя искривленную отражающую поверхность произвольной формы, как и отражательный элемент 24. Блок оптического сканирования 10 (проектор 1 изображений), показанный на фиг. 7, приспособлен принимать световой пучок, отклоняемый зеркальным участком 13c, с помощью светочувствительного элемента 28 для синхронного детектирования для генерации сигналов позиции зеркала Mp, указывающих перемещение зеркального участка 13c в соответствии с сигналами от светочувствительного элемента 28, как описано выше.

Кроме того, в случае, когда скорость или амплитуда отклонения оптического дефлектора 13 различна в горизонтальном и вертикальном направлениях, элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка и элемент 14 преобразования угла отклонения могут представлять собой вышеупомянутые отражательные элементы с анаморфотной асферической поверхностью или искривленной поверхностью произвольной формы для различения величины схождения или расхождения светового пучка в горизонтальном и вертикальном направлениях в соответствии со скоростью или амплитудой отклонения оптического дефлектора 13.

Модификация первого варианта осуществления

Теперь опишем модификацию проектора изображений согласно первому варианту осуществления. Этот модифицированный вариант осуществления использует проектор 1t изображений для экспериментального определения, как деформация изображений на экране Sc изменяется в соответствии с изменением угла падения φ света на зеркальном участке 13c. Конструкция проектора 1t изображений в основном такая же, как у проектора 1 изображений, поэтому одинаковые компоненты и функции указаны теми же условными обозначениями, что и в первом варианте осуществления, и подробное их описание опущено. На фиг. 14 схематически показан блок оптического сканирования 10t проектора 1t изображений и оптические пути при угле падения φ, равном 45 градусов.

Здесь оптическая ось падения Li означает направление распространения главного луча, испускаемого из источника света 11 и проходящего через элемент 12t преобразования расходящегося светового пучка. Угол падения φ означает угол оптической оси падения Li относительно нормали к отражающей поверхности зеркального участка 13c (оптического дефлектора 13), которая находится в опорной позиции (стационарной позиции).

Согласно фиг. 14 блок оптического сканирования 10t идентичен блоку оптического сканирования 10 за исключением элемента 12t преобразования расходящегося светового пучка и элемента 14t преобразования угла отклонения. В частности, источник света 11 излучает световой пучок с длиной волны 530 нм, фокусное расстояние элемента 12t преобразования расходящегося светового пучка задано равным 3,89 мм, и расстояние от источника света 11 до первой поверхности (обращенной к источнику света 11) элемента 12t преобразования расходящегося светового пучка равно 3 мм. Элемент 12t преобразования расходящегося светового пучка выполнен из стеклянного материала с показателем преломления n_CL=1,5196 и центральной толщиной 2,4 мм. Расстояние от второй его поверхности до отражающей поверхности оптического дефлектора 13 задано равным 18,354 мм, и расстояние от отражающей поверхности оптического дефлектора 13 до первой поверхности (обращенной к оптическому дефлектору 13) элемента 14t преобразования угла отклонения задано равным 8 мм. Элемент 14t преобразования угла отклонения выполнен из стеклянного материала с центральной толщиной 3 мм и показателем преломления n_EXP=1,5196. Оптическая система (блок оптического сканирования 10t) приспособлена фокусировать световой пучок из источника света 11 в позиции, удаленной на 200 мм от второй поверхности (обращенной к экрану Sc) элемента 14t преобразования угла отклонения.

Обе поверхности элемента 12t преобразования расходящегося светового пучка являются асферическими и выражаются вышеприведенной формулой (1). Данные по поверхности указаны в нижеследующей таблице 3.

Обе поверхности элемента преобразования угла отклонения 14t также являются асферическими и выражаются вышеприведенной формулой (1). Данные по поверхности указаны в нижеследующей таблице 4.

С использованием такого блока оптического сканирования 10t пятна формируются на экране Sc под углами падения φ 0, 15, 30, 45, 60 и 75 градусов при заранее определенном условии. На фиг. 15A-15F схематически показаны позиции пятен на экране Sc. На фиг. 16 показано, как формируются пятна.

На чертежах вертикальное направление является направлением оси x и горизонтальное направление является направлением оси y, если смотреть спереди. На фиг. 15A-15F показаны позиции, где формируются пятна S0-S6 под углом падения φ 0, 15, 30, 45, 60 и 75 градусов соответственно. В целях сравнения, фиг. 15A-15F изображены в одинаковом масштабе.

Пятна S0-S6 формируются следующим образом. Зеркальный участок 13 оптического дефлектора 13 поворачивается (колеблется) вокруг двух осей, ортогональных друг другу. Одна из двух осей является осью x', а другая - осью y', и ось x' располагается в той же плоскости, что и ось x экрана Sc, и ось y' располагается в той же плоскости, что и ось y экрана Sc (фиг. 16). Оси x' и y' заданы так, что угол падения φ изменяется в плоскости, ортогональной оси x' (фиг. 14).

Когда зеркальный участок 13c поворачивается только вокруг оси x', позиция пятна изменяется только в направлении оси x (указано штриховой линией от зеркального участка 13c к пятну Sx на фиг. 16). Когда зеркальный участок 13c поворачивается только вокруг оси y', позиция пятна изменяется только в направлении оси y (указано двухточечно-штриховой линией от зеркального участка 13c к пятну Sy на фиг. 16). В координатах xy экрана Sc на фиг. 15A - 15F повороты зеркального участка 13c вокруг оси y' и оси x', которые перемещают позиции пятен в направлении оси x и в направлении оси y, соответственно, задаются как направления оси +y' и оси +x'. Оптический дефлектор 13 расположен так, что пара опорных штанг 13, поддерживающих внутреннюю раму 13b, ориентирована по оси x'.

Согласно фиг. 15A-15F пятно S0 формируется световым пучком, отраженным неподвижным зеркальным участком 13c (0 градусов относительно оси x' и оси y'). Аналогично пятна S1-S6 формируются, когда зеркальный участок 13c поворачивается вокруг оси x' на +5 градусов и вокруг оси y' на +10 градусов, вокруг оси x' на +5 градусов и вокруг оси y' на 0 градусов, вокруг оси x' на +5 градусов и вокруг оси y' на -10 градусов, вокруг оси x' на -5 градусов и вокруг оси y' на +10 градусов, вокруг оси x' на -5 градусов и вокруг оси y' на 0 градусов, и вокруг оси x' на -5 градусов и вокруг оси y' на -10 градусов соответственно. Заметим, что, на чертежах пятна S1-S6 соединены прямыми линиями, окружая пятно S0 для лучшего понимания различия в деформации изображения.

При угле падения φ, равном 0 на фиг. 15A, зеркальный участок 13c находится в стационарной позиции и обращен к экрану Sc, что позволяет минимизировать деформацию проецируемого изображения вследствие угла падения φ. Из фиг. 15A-15F следует, что чем больше угол падения φ, тем больше деформация изображений на экране Sc. В частности, позиции пятен, по существу, одинаковы в направлении оси y независимо от угла падения φ. Напротив, в отношении позиций пятен в направлении оси x, чем больше угол падения φ, тем меньше величина изменения позиций пятен относительно поворота зеркального участка 13c вокруг оси y'. При изменении угла падения φ в плоскости, ортогональной оси x' в блоке оптического сканирования 10t, с увеличением угла падения φ, проецируемое изображение деформируется, сокращаясь (с коэффициентом косинус φ) в направлении оси x согласно значению φ, поскольку амплитуда света будет примерно в косинус φ раз больше в, по существу, вертикальном направлении (в направлении оси вращения y' зеркального участка 13c и в направлении оси x на экране Sc).

Таким образом, для формирования изображения заранее определенного размера при большем угле падения φ необходимо увеличивать амплитуду зеркального участка 13c (вокруг оси y'). Однако этого очень трудно добиться. По этой причине предпочтительно преобразовывать угол отклонения θ светового пучка, отклоняемого оптическим дефлектором 13, в больший угол сканирования α с использованием элемента 14t преобразования угла отклонения согласно настоящему варианту осуществления.

Предпочтительно задавать угол падения φ равным очень малому значению, равному или близкому к нулю, для генерации изображений нужного размера, даже с использованием элемента 14t преобразования угла отклонения. Однако для этого требуется, чтобы блок оптического сканирования включал в себя делитель пучка (описанный ниже в пятом варианте осуществления), что приводит к увеличению количества деталей и компонентов и производственных затрат, а также к снижению гибкости в размещении деталей. Однако, как описано выше, при угле падения φ = 45 градусов может формироваться около 70% размера изображения в сравнении со случаем угла падения φ=0, поскольку размер формируемого изображения уменьшается с коэффициентом косинус φ с ростом угла падения φ. Таким образом, можно формировать изображения размером, близким к нужному размеру, без делителя пучка.

Согласно фиг. 15A-15F абсолютные значения координат пятен S1-S3 отличаются от абсолютных значений координат пятен S4-S6 в направлении оси y на экране Sc, поскольку различие в угле поворота зеркального участка 13c вокруг оси x' влияет на позиции пучка практически так же, как различие в угле падения φ. Кроме того, в блоке оптического сканирования 10t элемент 14t преобразования угла отклонения вставлен на оптическом пути, благодаря чему величина деформации более чем в косинус φ раз больше относительно угла падения φ. Однако в модели без элемента 14 преобразования угла отклонения на оптическом пути она оказывается очень близка к более высокому значению. Пример этой модели указан в нижеследующей таблице 5. В нижеследующей таблице 5 показаны координаты x пятен S на экране Sc при угле падения φ 0, 15, 30, 45, 60 и 75 градусов, когда зеркальный участок 13c поворачивается только вокруг оси y' на 10 градусов (0 градусов вокруг оси x'). Заметим, что значения в скобках в таблице 5 получены умножением координат x (наименьшей деформации вследствие угла падения) при угле падения φ=0 градусов на косинус φ. Кроме того, зеркальный участок не поворачивается вокруг оси x'; таким образом, координаты y всегда равны нулю (на оси x).

Второй вариант осуществления

Теперь опишем проектор 1A изображений согласно второму варианту осуществления со ссылкой на фиг. 8. Проектор 1A изображений является проектором цветных изображений, и его конструкция в основном такая же, как у проектора 1 изображений в первом варианте осуществления, поэтому одинаковые функции и компоненты указаны теми же условными обозначениями, и подробное их описание опущено.

Проектор 1A изображений включает в себя блок оптического сканирования 10A, содержащий три источника света 11a, 11b, 11c и три элемента 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка. Источники света 11a, 11b, 11c являются монохроматическими источниками света красного, зеленого, синего цвета, соответственно для проецирования цветного изображения. Используя такие монохроматические источники света, проектор 1A изображений способен генерировать яркие цветные изображения с высокой чистотой цвета. Монохроматические источники света могут представлять собой лазеры с надлежащими длинами волны. Во втором варианте осуществления источник света 11a представляет собой полупроводниковый лазер с длиной волны 638 нм для красного света, источник света 11b представляет собой полупроводниковый лазер с длиной волны 1060 нм для зеленого света и использует вторую гармонику 560 нм, и источник света 11c представляет собой полупроводниковый лазер с длиной волны 445 нм для синего света. Элементы 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка, которые функционируют так же, как 12 в первом варианте осуществления, предусмотрены для фокусировки световых пучков из источников света с образованием сходящихся световых пучков, и они имеют одинаковые асферические поверхности.

Блок оптического сканирования 10A приспособлен включать в себя блоки 16a, 16b объединения оптических путей на оптическом пути от элемента 12a преобразования расходящегося светового пучка к оптическому дефлектору 13 для объединения световых пучков, испускаемых из источников света 11a, 11b, 11c и проходящих через элементы 12, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка, в один.

В настоящем варианте осуществления блок 16 объединения оптических путей выполнен в виде диэлектрического многослойного фильтра и имеет характеристику отражения света в заранее определенном диапазоне длин волны и пропускания света вне этого диапазона длин волны. Блок 16a объединения оптических путей, соответствующий источнику света 11b, отражает более 95% зеленого света с диапазоном длин волны от 510 нм до 570 нм и пропускает более 90% света с диапазоном длин волны, отличным от этого диапазона. Блок 16b объединения оптических путей, соответствующий источнику света 11c, отражает более 95% синего света с диапазоном длин волны от 400 нм до 490 нм и пропускает более 90% света с диапазоном длин волны, отличным от этого диапазона.

В проекторе 1A изображений источники света 11a, 11b, 11c излучают световые пучки надлежащим образом под управлением блока управления 20 (блока 22 регулировки количества светового излучения). Световой пучок от источника 11a красного света преобразуется в сходящийся световой пучок элементом 12a преобразования расходящегося светового пучка и проходит через блоки 16a, 16b объединения оптических путей к оптическому дефлектору 13. Оптический путь этого пучка света задается как опорный оптический путь Pb. Световой пучок от источника 11b зеленого света преобразуется в сходящийся световой пучок элементом 12b преобразования расходящегося светового пучка, отражается блоком 16a объединения оптических путей на опорном оптическом пути Pb и проходит через блок 16b объединения оптических путей к оптическому дефлектору 13. Световой пучок от источника 11c синего света преобразуется в сходящийся световой пучок элементом 12c преобразования расходящегося светового пучка и отражается блоком 16b объединения оптических путей на опорном оптическом пути Pb к оптическому дефлектору 13.

Таким образом, световые пучки, исходящие из источников света 11a, 11b, 11c, преобразуются в сходящиеся световые пучки элементами 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка, соответственно, объединяются блоками 16a, 16b объединения оптических путей и направляются к оптическому дефлектору 13.

Объединенный световой пучок отклоняется оптическим дефлектором 13 на угол отклонения θ, преобразуется в световой пучок под углом сканирования α, превышающим угол отклонения θ, элементом 14 преобразования угла отклонения и формирует пятна S на экране Sc, как в проекторе 1 изображений первого варианта осуществления. Зеркальный участок 13c оптического дефлектора 13 возбуждается под управлением блока управления 20 (блока 21 управления оптическим дефлектором) для отражения сходящегося светового пучка и двухмерного изменения его направления распространения (угла отклонения θ), таким образом формируя пятна в двух измерениях на экране Sc. Для оптического сканирования хронирование излучения, сила света и период излучения источников света 11a, 11b, 11c надлежащим образом регулируются на основании данных изображения (данных изображения G(i, j) в каждом пикселе (i, j)) для генерации цветных изображений на экране Sc.

Проектор 1A изображений согласно настоящему варианту осуществления может излучать световой пучок с большим углом сканирования, даже когда оптический дефлектор 13 имеет малый угол отклонения, как и проектор 1 изображений согласно первому варианту осуществления. Вследствие этого он может проецировать изображения на очень малых расстояниях и поддерживать постоянную скорость сканирования в заранее определенном диапазоне для корректировки деформации изображения или неравномерности яркости.

Кроме того, проектор 1A изображений включает в себя монохроматические источники света 11, 11b, 11c, что позволяет ему формировать цветные изображения с высокой контрастностью и с высокой чистотой цвета. Кроме того, проектор 1A изображений приспособлен непосредственно визуализировать каждый пиксель и визуализировать пиксели (i, j) согласно данным черного изображения G(i, j) без светового излучения из лазера. Он может препятствовать тому, чтобы черная часть изображения становилась слишком яркой, и повышать контрастность изображения по сравнению с проектором изображений, использующим микродисплей, например жидкий кристалл.

Кроме того, согласно проектору 1A изображений настоящего варианта осуществления, элементы 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка сформированы в одной и той же асферической форме. Однако настоящее изобретение этим не ограничивается. Их можно сконструировать оптимальным образом, чтобы они отличались друг от друга фокусным расстоянием или формой в соответствии с расходящимся световым пучком второй гармонической волны полупроводникового лазера для формирования нужных пятен на экране Sc световым пучком из монохроматических источников света.

Модификация второго варианта осуществления

Теперь, со ссылкой на фиг. 17-22, опишем проектор 1At изображений (блок оптического сканирования 10At) в качестве модификации проектора 1A изображений. Проектор 1At изображений (блок оптического сканирования 10A) является другим примером проектора цветных изображений уменьшенного размера. Его конструкция в основном такая же, как у проектора 1A изображений во втором варианте осуществления, поэтому одинаковые функции и компоненты указаны теми же условными обозначениями, и подробное их описание опущено. На фиг. 17 показана схема конструкции проектора 1At изображений, но для простоты не показан блок управления 20. На фиг. 18 показан вид в разрезе первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка, используемого в проекторе 1At изображений, на фиг. 19 показан вид в разрезе второго элемента 12At2 преобразования расходящегося светового пучка, на фиг. 20 показан вид в разрезе блока 16At объединения оптических путей, на фиг. 21 показан вид в разрезе фокусирующей линзы 70, и на фиг. 22 показан вид в разрезе второго элемента 12At2 преобразования расходящегося светового пучка. В дальнейшем направление оптической оси (главного луча) оптического пути каждого оптического элемента задается как ось Z. Однако на фиг. 17-22 направление выходной оптической оси первого источника света 11At1 источника света 11At задается как ось Z, направление, ортогональное оси Z, задается как ось Y, и направление, ортогональное обеим осям, задается как ось X. Кроме того, на фиг. 18-22 направление оптической оси каждого оптического элемента задается как ось z, направление, ортогональное плоскости чертежа, задается как ось x, и направление, ортогональное плоскости x-z, задается как ось y. В дальнейшем, позиционное соотношение и конструкция проектора 1At изображений будет описано с использованием прямоугольной системы координат осей X, Y, Z (далее глобальных осей), тогда как конструкция (данные линз и т.п.) каждого оптического элемента будет описана с использованием прямоугольной системы координат осей x, y, z (далее локальных осей).

Блок оптического сканирования 10At проектора 1At изображений приспособлен включать в себя первый и второй источники света 11At1, 11At2 и первый и второй элементы 12At1, 12At2 преобразования расходящегося светового пучка, согласно фиг. 17.

Первый источник света 11At1 представляет собой гибридный лазер (HBLD), в котором полупроводниковый лазерный кристалл 11ta с центральной длиной волны 640 нм (далее красный кристалл ЛД) и полупроводниковый лазерный кристалл 11tb с центральной длиной волны 445 нм (далее синий кристалл ЛД) расположены в направлении оси y на едином узле. В первом источнике света 11At1, расстояние от светоизлучающей точки красного кристалла ЛД 11ta и расстояние от светоизлучающей точки синего кристалла ЛД 11tb (между обеими выходными оптическими осями) задано равным 0,9 мм. Позиции источника света 11At1 и первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка определяются так, чтобы выходная оптическая ось красного кристалла ЛД 11ta совпадала с оптической осью 12tc описанной ниже первой поверхности 12ta1 линзы первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка, а также чтобы выходные оптические оси красного и синего кристаллов ЛД 11ta, 11tb, оптическая ось 12tc, оптическая ось 12td второй поверхности 12ta2 линзы первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка располагались в одной плоскости. Световые пучки (расходящийся световой пучок линейной поляризации) из красного и синего кристаллов ЛД 11ta, 11tb проходят через покровное стекло 11tc и направляются к первому элементу 12At1 преобразования расходящегося светового пучка.

Первый элемент 12At1 преобразования расходящегося светового пучка выполнен из стеклянного материала с показателями преломления n₆₄₀=1,506643, n₄₄₅=1,519219 и служит для того, чтобы сделать световые пучки из красного и синего кристаллов ЛД 11ta, 11tb, по существу, параллельными световыми пучками. Согласно фиг. 18 первый элемент 12At1 преобразования расходящегося светового пучка включает в себя первую поверхность 12ta, обращенную к первому источнику света 11At1, и вторую поверхность 12tb, обращенную к описанному ниже блоку 16At объединения оптических путей.

Первая поверхность 12ta первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка включает в себя первую поверхность 12ta1 линзы и вторую поверхность 12ta2 линзы. Первая поверхность 12ta1 линзы является вращательно-симметричной асферической поверхностью и предназначена для собирания расходящегося светового пучка из красного кристалла ЛД 11ta. Вращательно-симметричная асферическая поверхность может выражаться вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат (стрелки x, y, z на фиг. 18), где точка Q3 на оптической оси 12tc (оси вращения) первой поверхности 12ta1 линзы является точкой отсчета, направление от описанного ниже блока объединения оптических путей 16At к красному кристаллу ЛД 11ta является осью +z, правая сторона горизонтального направления на фиг. 18 является осью +y и направление спереди назад чертежа и ортогональное осям z и y является осью +x. Данные по поверхности 12ta1 линзы указаны в нижеследующей таблице 6.

Вторая поверхность 12ta2 линзы является поворотно-асимметричной анаморфотной асферической поверхностью и предназначена для собирания расходящегося светового пучка из синего кристалла ЛД 11tb. Расстояние z (величина прогиба плоскости, параллельной оси z) анаморфотной асферической поверхности в плоскости x-y в направлении оптической оси выражается нижеследующей формулой (2) в прямоугольной системе координат (стрелки x, y, z на фиг. 18), где точка Q4 на оптической оси 12td (оси вращения) второй поверхности 12ta2 линзы является точкой отсчета, и направление от описанного ниже блока объединения оптических путей 16At к синему кристаллу ЛД 11tb является осью +z.

Формула (2)

где CUX выражает кривизну (=1/RDX, где RDX - радиус кривизны в направлении оси x) в направлении оси x, CUY выражает кривизну (=1/RDY, где RDY - радиус кривизны в направлении оси y) в направлении оси y, KX - конический коэффициент в направлении оси x, KY - конический коэффициент в направлении оси y, AR, BR, CR, DR - коэффициенты деформации и поворотно-симметричные члены четвертого, шестого, восьмого, десятого порядков соответственно, и AP, BP, CP, DP - коэффициенты деформации и повротно-асимметричные члены четвертого, шестого, восьмого, десятого порядков соответственно.

Каждый коэффициент формулы (2) указан в нижеследующей таблице 7. В таблице 7 "E-0n" обозначает "10^-n".

Вторая поверхность 12Atb первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка является вращательно-симметричной асферической поверхностью и ее ось вращения совпадает с оптической осью 12tc первой поверхности 12ta1 линзы первой поверхности 12ta. Вращательно-симметричная асферическая поверхность выражается вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат (x, y, z на фиг. 18), где точка Q5 на оптической оси 12tc (оси вращения) второй поверхности 12tb является точкой отсчета, и направление от описанного ниже блока объединения оптических путей 16At к первому источнику света 11At1 является осью +z. Данные по второй поверхности 12Atb указаны в нижеследующей таблице 8.

Толщина (от Q3 до Q5 на оптической оси 12tc) первой поверхности 12ta1 линзы равна 1,5 мм, и толщина (от Q4 до Q5 на оптической оси 12td) второй поверхности линзы 12ta2 равна 1.5 мм. Расстояние между оптической осью 12tc первой поверхности 12ta1 линзы и оптической осью 12td второй поверхности 12ta2 линзы равно 0,93 мм в направлении оси y. Оптические оси 12tc, 12td располагаются в плоскости Y-Z (глобальная ось). Согласно фиг. 17 второй источник света 11At2 обеспечен для излучения света для проецирования цветного изображения совместно с двумя, по существу, параллельными световыми пучками, преобразованными первым элементом 12At1 преобразования расходящегося светового пучка.

Второй источник света 11At2 представляет собой полупроводниковый лазер с центральной длиной волны 1060 нм и излучает преобразованный лазерный пучок SHG с центральной длиной волны 530 нм. Световой пучок из точки выхода (виртуальной излучающей точки 11te) второго источника света 11At2 проходит через покровное стекло 11td и направляется ко второму элементу 12At2 преобразования расходящегося светового пучка.

Второй элемент 12At2 преобразования расходящегося светового пучка выполнен из стеклянного материала с показателем преломления n₅₃₀=1,51199 на длине волны 530 нм и предназначен для того, чтобы сделать световой пучок из второго источника света 11At2 по существу параллельным световым пучком. Согласно фиг. 19 его первая поверхность 12te обращена ко второму источнику света 11At2, и его вторая поверхность 12tf обращена к блоку 16At объединения оптических путей.

Его первая и вторая поверхности 12te, 12tf являются вращательно-симметричными асферическими поверхностями, имеющими одну и ту же оптическую ось 12tg (ось вращения). Первая поверхность 12te выражается вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат (x, y, z на фиг. 19), где точка Q6 на оптической оси 12tg является точкой отсчета, направление от блока 16At объединения оптических путей до второго источника света 11At2 является осью +z, и верхняя сторона вертикального направления на фиг. 19 является осью +y, и направление спереди назад чертежа и ортогональное осям z и y является осью +x. Аналогично вторая поверхность 12tf выражается вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат (x, y, z на фиг. 19), где точка Q7 на оптической оси 12tg является точкой отсчета, направление от блока 16At объединения оптических путей до второго источника света 11At2 является осью +z. Данные по первой и второй поверхностям указаны в нижеследующей таблице 9.

Толщина второго элемента 12At2 преобразования расходящегося светового пучка от Q7 до Q8 на оптической оси 12tg равна 1,5 мм. Согласно фиг. 17 блок 16At объединения оптических путей обеспечен для объединения световых пучков с разными длинами волны из второго и первого элементов 12At2, 12At1 преобразования расходящегося светового пучка в один. Таким образом, объединенный свет проходит через фокусирующую линзу 70 и направляется к оптическому дефлектору 13 для сканирования. Блок 16At объединения оптических путей представляет собой пластинчатую призму согласно фиг. 20 и включает в себя первую поверхность 16ta, обращенную к первому элементу 12At1 преобразования расходящегося светового пучка, и вторую поверхность 16tb, обращенную ко второму элементу 12At2 преобразования расходящегося светового пучка.

Нормаль (na) к первой поверхности 16ta и нормаль ко второй поверхности 16tb не параллельны в одной плоскости, и вид в разрезе блока 16At объединения оптических путей в одной плоскости имеет форму клина. Угол P при вершине в форме клина задан равным 0.8 градуса. Первая и вторая поверхности 16ta, 16tb имеют пленку с характеристикой, избирательной по длине волны. В этом модифицированном варианте осуществления пленка первой поверхности 16At имеет, например, коэффициент отражения 95% и коэффициент пропускания 5% для света с длиной волны 640 нм ± 10 нм при угле падения 45±1,5 градусов, коэффициент пропускания 99% или более для света с длиной волны 530 нм ±5 нм при угле падения 45±1,5 градусов, и коэффициент пропускания 99% или более для света с длиной волны 445 нм +10 нм/-5 нм при угле падения 46,5±2,5 градусов. Пленка второй поверхности 16tb имеет коэффициент пропускания 99% или более для света с длиной волны 640 нм ±10 нм при угле падения 43,5±1,5 градусов, коэффициент пропускания 95% для света с длиной волны 530 нм ±5 нм при угле падения 46,5±1,5 градусов, и коэффициент пропускания 5% для света с длиной волны 445 нм +10 нм/-5 нм при угле падения 46,5±1,5 градусов. Пленки первой и второй поверхностей 16ta, 16tb предназначены для пропускания около 5% количества световых пучков с тремя длинами волны из первого и второго элементов 12At1, 12At2 преобразования расходящегося светового пучка (к описанному ниже светочувствительному элементу 71 на фиг. 17).

Блок 16At объединения оптических путей выполнен из стеклянного материала с показателями преломления n₆₄₀=1,514846, n₅₃₀=1,519584, n₄₄₅=1,525786. Согласно фиг. 20 оптическим центром первой поверхности 16ta является точка Q8, и ее нормаль na в точке Q8 пересекается со второй поверхностью 16tb в точке Q9.

Точка Q8 располагается на оптической оси 12tc (направление оси Z на фиг. 18) первой поверхности 12ta1 линзы первой поверхности 12ta первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка. Оптическая ось 12tc образует угол 45 градусов с первой поверхностью 16ta блока 16At объединения оптических путей, которая перпендикулярна плоскости, включающей в себя оптические оси 12tc, 12td (плоскости Y-Z (глобальная ось) на фиг. 17, 18). Центральная толщина блока 16At объединения оптических путей (между Q8 и Q9) задана равной 1,1 мм.

Соответственно, световой пучок из красного кристалла ЛД 11ta собирается первым элементом 12At1 преобразования расходящегося светового пучка в расходящийся световой пучок линейной поляризации. Затем главный луч падает в точку Q8 первой поверхности 16ta под углом падения 45 градусов и отражается таким образом на фокусирующую линзу 70. Оптический путь отраженного света представляет собой единичный оптический путь объединенного светового пучка (описанный ниже) от фокусирующей линзы 70 к оптическому дефлектору 13. Как описано выше, примерно 5% количества светового пучка, собранного первым элементом 12At1 преобразования расходящегося светового пучка, проходит через блок 16 объединения оптических путей и достигает описанного ниже светочувствительного элемента 71.

Световой пучок из синего кристалла ЛД 11tb собирается первым элементом 12At1 преобразования расходящегося светового пучка в расходящийся световой пучок линейной поляризации, падающий на первую поверхность 16ta и отражающийся второй поверхностью 16tb снова к первой поверхности 16ta, и объединяется с другими световыми пучками. Как описано выше, примерно 5% количества светового пучка от первого элемента 12At1 преобразования расходящегося светового пучка проходит через блок 16At объединения оптических путей и достигает описанного ниже светочувствительного элемента 71.

Аналогично световой пучок из второго источника света 11At2 собирается вторым элементом 12At2 преобразования расходящегося светового пучка в расходящийся световой пучок линейной поляризации, падающий на вторую поверхность 16tb, на первую поверхность 16ta, и объединяется с другими световыми пучками. Как описано выше, примерно 5% количества светового пучка от второго элемента 12At2 преобразования расходящегося светового пучка отражается второй поверхностью 16tb блока 16At объединения оптических путей к описанному ниже светочувствительному элементу 71.

Световой пучок (лазерный пучок) с тремя длинами волны, объединенный блоком 16At объединения оптических путей, проходит через апертурный элемент 72 и направляется на фокусирующую линзу 70. Апертурный элемент 72 включает в себя отверстие меньшего размера, чем зеркальный участок 13c оптического дефлектора 13, чтобы световой пучок не падал на участки помимо зеркального участка 13c. В этом модифицированном примере диаметр отверстия апертурного элемента 72 задан равным 0,96 мм, и его центр совпадает с осью оптического пути (главным лучом объединенного светового пучка). Апертурный элемент 72 позволяет предотвращать возникновение вспышек вследствие падения света на участок, отличный от зеркального участка 13c, что может приводить к снижению качества цветного изображения.

Фокусирующая линза 70 собирает параллельные световые пучки с тремя длинами волны для формирования заранее определенного размера пятен S на экране Sc (на фиг. 8 и др.). Она выполнена из стеклянного материала с показателями преломления n₆₄₀=1,514846, n₅₃₀=1,519584, n₄₄₅=1,525786. Фокусирующая линза 70 включает в себя первую поверхность 70a, обращенную к апертурному элементу 72, и вторую поверхность 70b, обращенную к оптическому дефлектору 13, которые обе являются асферическими с центром кривизны на оси 70c. Радиус кривизны первой поверхности 70a равен 6,65277 мм, а радиус кривизны второй поверхности 70b равен 3,3 мм. Толщина фокусирующей линзы 70 в направлении оптической оси (между Q10 и Q11 на оси 70c первой и второй поверхностей 70a, 70b соответственно) равна 2,0 мм. Фокусирующая линза 70 располагается так, что ось 70c совпадает с оптической осью единичного оптического пути (центром отверстия апертурного элемента 72). Объединенный световой пучок направляется к оптическому дефлектору 13 через фокусирующую линзу 70.

Оптический дефлектор 13 имеет такую же конфигурацию, как в блоках оптического сканирования 10 (фиг. 2), 10A согласно первому и второму вариантам осуществления. В блоке оптического сканирования 10At оптический дефлектор 13 расположен так, что центр 13f зеркального участка 13c находится на оптической оси единичного оптического пути, нормаль зеркального участка 13c в стационарном состоянии образует угол 30 градусов с оптической осью оптического пути (угол падения=30 градусов), и ось y' (стрелка y' на фиг. 17) находится в плоскости, включающей в себя оптические оси 12tc, 12tg первого и второго элементов 12At1, 12At2 преобразования расходящегося светового пучка (и оптическую ось оптического пути). Ось x' (стрелка x' на фиг. 17) оптического дефлектора 13 направлена перпендикулярно плоскости чертежа. Оптический дефлектор 13 приспособлен медленно поворачиваться вокруг оси x' (вспомогательного направления сканирования) и быстро поворачиваться вокруг оси y' (основного направления сканирования). Световой пучок отклоняется оптическим дефлектором 13 к элементу 14At преобразования угла отклонения.

Элемент преобразования угла отклонения 14At выполнен из стеклянного материала с показателями преломления n₆₄₀=1,506643, n₅₃₀=1,51199, n₄₄₅=1,519219. Элемент преобразования угла отклонения 14At представляет собой линзу, имеющую отрицательную силу, и включает в себя первую поверхность 14ta, обращенную к оптическому дефлектору 13, и вторую поверхность 14tb, обращенную к экрану Sc (фиг. 8 и др.), согласно фиг. 22. Первая поверхность 14ta является сферической с центром кривизны на оси 14tc, тогда как вторая поверхность 14tb является асферической и поворотно-симметричной относительно оси 14tc. Элемент 14 преобразования угла отклонения располагается так, что ось 14tc совпадает с главным лучом светового пучка, отклоняемым зеркальным участком 13c, в стационарном состоянии. Его толщина (от Q12 до Q13) на оси 14tc составляет 1.3 мм. Первая поверхность 14ta выражается вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат (стрелки x, y, z на фиг. 22), где точка Q12 на оси 14tc является точкой отсчета, направление от оптического дефлектора 13 к экрану Sc является осью +z, верхняя сторона направления, ортогонального к оси +z, является осью +y, и направление спереди назад чертежа и ортогональное осям z и y является осью +x. Вторая поверхность 14tb выражается вышеозначенной формулой (1) в прямоугольной системе координат, где точка Q13 на оси 14tc является точкой отсчета, и направление от оптического дефлектора 13 к экрану Sc является осью +z. Данные по первой и второй поверхностям указаны в нижеследующей таблице 10.

Падающий световой пучок преобразуется (увеличивается) элементом 14 преобразования угла отклонения в световой пучок с увеличенным углом сканирования и проецируется на экран Sc.

В блоке оптического сканирования 10At оптическая ось 12tg второго элемента 12At2 преобразования расходящегося светового пучка располагается в 0.37 мм от точки Q8 в качестве центра первой поверхности 16ta блока 16At объединения оптических путей в направлении оси -Z (глобальной оси, от первого источника света 11At1 к блоку 16At объединения оптических путей на выходной оптической оси синего кристалла ЛД 11tb). Точка выхода (виртуальная точка 11te излучения света SHG

с центральной длиной волны 530 нм) второго источника света 11At2 располагается в 0,33 мм от точки Q8 в направлении оси -Z.

Расстояние между точкой Q11 первой поверхности 70b фокусирующей линзы 70 и центральной позицией 13f зеркального участка 13c устанавливается равным 2,5 мм. Расстояние между центральной позицией 13f зеркального участка 13c и точкой Q12 первой поверхности 14ta элемента 14 преобразования угла отклонения устанавливается равным 3,0 мм.

Согласно фиг. 17 блок оптического сканирования 10At содержит светочувствительный элемент 71, который выводит сигнал приема на блок управления 20 (фиг. 8), уровень которого соответствует количеству принятого светового пучка. Блок 16At объединения оптических путей пропускает около 5% количества световых пучков с тремя длинами волны. Светочувствительный элемент 71 располагается так, что его светочувствительная поверхность принимает световой пучок, отраженный или пропущенный первой и второй поверхностями 16ta, 16tb блока 16At объединения оптических путей.

В блоке оптического сканирования 10At блок управления 20 (фиг. 8) управляет (по схеме обратной связи) током возбуждения для первого и второго источников света 11At1, 11At2 для регулировки количества излучаемого света до заранее определенной величины с использованием сигнала приема от светочувствительного элемента 71. Соответственно, блок оптического сканирования 10At может формировать хорошие цветные изображения без изменения яркости или цветового баланса в силу изменения температуры окружающей среды и т.п. Кроме того, другие варианты осуществления могут предусматривать управление с обратной связью с использованием светочувствительного элемента 71 и достигать тех же эффектов, что и настоящий вариант осуществления.

Блок оптического сканирования 10At может достигать тех же эффектов, что и блок оптического сканирования 10A во втором варианте осуществления. Дополнительно он использует гибридный лазер (HBLD) для первого источника света 11At1, который включает в себя красный и синий кристаллы ЛД 11ta, 11tb в едином узле, таким образом уменьшая размеры оптического модуля для проектора цветных изображений.

Третий вариант осуществления

Проектор 1B изображений согласно третьему варианту осуществления описан со ссылкой на фиг. 9. Проектор 1B изображений содержит дополнительную функцию для формирования цветных изображений более высокого качества, чем проектор 1A изображений согласно второму варианту осуществления. Конструкция проектора 1B изображений такая же, как у проектора 1A изображений; таким образом, их одинаковые функции и компоненты указаны одними и теми же условными обозначениями, и подробное их описание опущено.

Проектор 1B изображений включает в себя блок управления 203, который включает в себя блок 26 обработки изображения, (схему обработки изображения), помимо блока 21 управления оптическим дефлектором и блока 22 регулировки количества светового излучения. Для проецирования хорошего изображения на экране Sc блок 26 обработки изображения корректирует данные изображения G(i, j) на основании сигнала 23 исходного изображения, принятого блоком управления 203, и выводит скорректированные данные изображения G'(i, j) на блок 21 управления оптическим дефлектором и блок 22 регулировки количества светового излучения. Благодаря коррекции данных изображения можно корректировать ухудшение цветного изображения на экране Sc, обусловленное оптическими характеристиками оптической проекционной системы (например, элемента 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка и элемента 14 преобразования угла отклонения и характеристикой скорости сканирования оптического дефлектора 13).

Ниже описаны типы коррекции изображения.

Коррекция деформации

На фиг. 10 показаны деформированное изображение и скорректированное изображение на экране Sc. На фиг. 10 прямоугольник 231 правильно сформирован на основании сигнала 23 исходного изображения (фиг. 9) на экране Sc, а прямоугольник 232 деформирован оптической системой.

Деформированный прямоугольник 232 корректируется в прямоугольник 231 на экране Sc. В частности, каждая точка деформированного прямоугольника 232 преобразуется в соответствующую точку прямоугольника 231 для верного проецирования цветного изображения на экране в соответствии с сигналами 23 исходного изображения. Здесь, позиции пятен S определяются амплитудой оптического дефлектора 13 под управлением блока 21 управления оптическим дефлектором. Таким образом, блок 22 регулировки количества светового излучения приспособлен управлять хронированием излучения и мощностью источников света 11a, 11, 11c в соответствии с амплитудой оптического дефлектора 13. Интенсивность излучения света от источников света регулируется на основании угла оптического дефлектора 13 и данных изображения G(i, j) в пикселе (i, j), в соответствии с поисковой таблицей, хранящейся в непоказанной памяти, где указано соотношение между углом оптического дефлектора 13 и позицией пятна (i, j). Кроме того, функция преобразования, которая преобразует деформированный прямоугольник 232 в правильный прямоугольник 231, заранее обеспечивается для преобразования данных изображения G(i, j) в данные изображения G'(i, j). Управление световым излучением источников света осуществляется в соответствии с работой оптического дефлектора 13 для формирования преобразованных данных изображения G'(i, j) на экране Sc. При корректировке деформированного прямоугольника 232 путем изменения хронирования излучения источников света часть деформированного прямоугольника 232 за пределами прямоугольника 231 не освещается. Вследствие этого интегральное количество света на прямоугольнике 231 меньше, чем на деформированном прямоугольнике 232. Соответственно, источник света регулируется для излучения увеличенного количества света для формирования прямоугольника 231 по сравнению с количеством света для формирования деформированного прямоугольника 232, для поддержания количества света.

В проекторе 1B изображений, когда блок управления 203 принимает сигнал 23 исходного изображения, блок 26 обработки изображения надлежащим образом корректирует сигнал 23 исходного изображения, и блок 21 управления оптическим дефлектором и блок 22 регулировки количества светового излучения управляют источниками света 11a, 11b, 11c и оптического дефлектора 13 на основании скорректированного сигнала 23 исходного изображения. Это позволяет генерировать хорошие изображения с очень малой деформацией на экране Sc.

Коррекция трапецеидальной деформации

Деформация изображения может возникать вследствие других факторов. Например, когда проектор 1B изображений и экран Sc наклонены относительно друг друга, проецируемое цветное изображение может включать в себя трапецеидальную деформацию на экране Sc. Блок 26 обработки изображения или не показанный эквивалентный блок обработки может корректировать трапецеидальную деформацию таким же образом, как вышеописанную деформацию.

В японских патентных заявках, не прошедших экспертизу 2006-178346 и 2006-234157 раскрыт способ коррекции трапецеидальной деформации путем настройки оптической системы для обеспечения заранее определенной величины ее коррекции. Однако поскольку трапецеидальная деформация обусловлена позиционным соотношением между проектором 1B изображений и экраном Sc, величина и направление (соотношение между верхней стороной и нижней стороной) деформации будет изменяться согласно их позиционному соотношению. В частности, изменение величины и направления деформации заметно в проекции, когда мобильное устройство включает в себя проектор 1B изображений. С учетом вышесказанного, проектор 1B изображений согласно третьему варианту осуществления имеет возможность регулировать величину коррекции трапецеидальной деформации с помощью блока обработки изображения 26 или эквивалентного блока обработки. Например, он может быть приспособлен так, чтобы пользователь мог регулировать величину коррекции, манипулируя колесиком или кнопками, просматривая проецируемое изображение. В этом случае проектор 1B изображений может проецировать скорректированное изображение в соответствии с отрегулированной величиной коррекции путем сохранения функции преобразования для трапецеидальной деформации и изменения функции преобразования или ее коэффициентов согласно величине коррекции. Таким образом, проектор 1B изображений может формировать цветные изображения с очень малой деформацией.

Коррекция неравномерности яркости

В проекторе 1B изображений зеркальный участок 13c оптического дефлектора 13 совершает синусоидальные колебания для формирования пятен S, так что угол сканирования α (угол отклонения θ) светового пучка синусоидально изменяется относительно времени. По этой причине скорость сканирования максимальна в нуле на оси времени или угол сканирования α (угол отклонения θ) равен нулю, и чем больше угол сканирования α (угол отклонения θ), тем меньше скорость сканирования, как показано на фиг. 4B, 4C. Таким образом, интегральное количество света в расчете на пиксель различается в зависимости от угла сканирования α. При сканировании плоскости проекции световым пучком, имеющим определенный уровень яркости, область плоскости проекции, которая сканируется при малом угле сканирования α, будет темной по причине малого интегрального количества света в расчете на пиксель, поскольку световой пучок проходит через нее с высокой скоростью сканирования. Напротив, область плоскости проекции, которая сканируется при большом угле сканирования α, будет яркой по причине относительно большого интегрального количества света в расчете на пиксель, поскольку световой пучок проходит через нее с низкой скоростью сканирования.

Аналогично проектору 1A изображений согласно модификации первого варианта осуществления проектор 1B изображений демонстрирует постоянную скорость сканирования в определенном диапазоне и улучшенную равномерность интенсивности светового пучка. Однако дополнительная корректировка улучшенной равномерности приводит к повышению качества проецируемого цветного изображения. Неравномерность в распределении яркости корректируется блоком 26 обработки изображения или не показанным эквивалентным блоком обработки, который регулирует интенсивность излучения источников света 11a, 11b, 11c. С этой целью блок обработки изображения определяет позицию пикселя (i, j) пятна из сигнала позиции зеркала Mp (угла зеркального участка 13c) и управляет источниками света для излучения световых пучков при корректировке интенсивности в соответствии с позицией пикселя (i, j). Коррекция неравномерности яркости производится так, что источники света регулируются для излучения света на периферию изображения с относительно низкой интенсивностью или в относительно короткое время излучения, в то время как они регулируются для излучения света в центр изображения с относительно высокой интенсивностью или в относительно долгое время излучения. Сила света в пикселе (i, j) корректируется в соответствии с поисковой таблицей, хранящейся в непоказанной памяти и указывающей соотношение между позицией пикселя (i, j) и величинами коррекции (скорректированной силой света). Кроме того, силу света можно корректировать посредством функции для пикселя (i, j) и величин коррекции. Соответственно, проектор 1B изображений может формировать изображения с очень малой неравномерностью яркости.

Коррекция деформации 2

Как описано выше, деформация возникает в цветном изображении вследствие снижения скорости сканирования при увеличении угла сканирования α (угла отклонения θ). Такая деформация изображения корректируется таким же образом, как вышеупомянутая деформация, блоком 26 обработки изображения или не показанным эквивалентным блоком обработки. Соответственно, проектор 1B изображений может формировать изображения с очень малым искажением.

Цветовая коррекция

Проектор 1B изображений на фиг. 9 приспособлен объединять три световых пучка (красный, зеленый, синий) с разными длинами волны от источников света 11a, 11b, 11c в один и отклонять свет с помощью оптического дефлектора 13 и преобразовывать угол отклонения θ света в угол сканирования α с помощью единого элемента 14 преобразования угла отклонения. Вследствие наличия разных длин волны объединенного света возникает хроматическая аберрация, и преобразованный угол сканирования α света различается в зависимости от длины волны, что может приводить к сдвигам цвета в пятнах S, сформированных на основании одних и тех же данных изображения G(i, j) на экране Sc.

Величину таких сдвигов цвета можно получить, измеряя или задавая каждую из длин волны (красного, зеленого, синего света), чтобы сдвиги цвета можно было корректировать путем коррекции позиций пятен S световых пучков из источников света 11a, 11b, 11c. Таким образом, блок 26 обработки изображения или эквивалентный блок обработки управляет источниками света 11a, 11b, 11c для излучения световых пучков с хронированием в соответствии с движением зеркального участка 13c оптического дефлектора 13. Например, блок 26 обработки изображения может независимо регулировать хронирование излучения источников света 11a, 11b, 11c согласно величинам сдвига позиций пятен для трех цветов. Таким образом, на экране Sc могут формироваться изображения без сдвигов цвета.

Кроме того, такие сдвиги цвета могут возникать вследствие различных факторов источников света 11a, 11b, 11c и блок 16 объединения оптических путей, например погрешности сборки и погрешности настройки, различий в их деталях и компонентах и изменения по причине температурного или временного изменения. Таким образом, предпочтительно, чтобы величину коррекции цветовых сдвигов можно было изменять по мере необходимости в блоке 26 обработки изображения или эквивалентном блоке обработки. Например, при обеспечении рабочего блока коррекции (не показан), величину коррекции можно регулировать в соответствии с входным сигналом от рабочего блока коррекции. Соответственно, проектор 1B изображений может формировать цветные изображения с очень малым сдвигом цвета.

(Четвертый вариант осуществления)

Теперь, со ссылкой на фиг. 11, опишем устройство отображения на ветровом стекле для автомобиля 30, включающее в себя проектор изображений согласно вариантам осуществления с первого по третий.

Устройство 30 отображения на ветровом стекле обеспечено внутри автомобиля и в основном содержит проектор 31 и ветровое стекло 32, которое отражает свет от проектора 31.

Проектор 31 представляет собой один из проекторов изображений согласно первому и третьему вариантам осуществления, который проецирует изображение в заранее определенную позицию в направлении оптической оси. Проектор 31 располагается так, что его оптическая ось (направление излучения источника света 11 или источников света 11a-11c) направлена к ветровому стеклу 32, и ветровое стекло 32 отражает свет по направлению к голове водителя 33.

Ветровое стекло 32 без покрытия имеет коэффициент отражения в несколько % как коэффициент отражения поверхности стекла, что позволяет отражать достаточно света для проецирования изображения. Поскольку оно включает в себя частично отражающую поверхность 32a для отражения светового пучка от источника света 11 (11a-11c) и демонстрирует повышенный коэффициент отражения, проектор 31 может формировать изображения при более низкой светимости источника света. Для повышения коэффициента отражения частично отражающая поверхность 32a может включать в себя тонкую металлическую пленку, диэлектрическое многослойное покрытие и т.п., образованное путем покрытия или осаждения из паровой фазы. Альтернативно частично отражающая поверхность 32a может включать в себя микроструктуру, которая может формироваться путем нанесения смолы на нужный участок и импринтинга участка известным методом. Кроме того, микроструктуру можно формировать непосредственно при отливке ветрового стекла. Предпочтительно, чтобы частично отражающая поверхность 32a эффективно отражала только световой пучок с конкретной длиной волны, особенно когда источником света является лазер или СИД, излучающий монохроматический световой пучок в относительно малом диапазоне, как в вышеописанных вариантах осуществления. Это может повышать контрастность и видимость проецируемых изображений. Кроме того, используя лазер в качестве источника света, можно более гибко конструировать слои и микроструктуру с поляризационно-избирательной характеристикой. Частично отражающая поверхность 32a может пропускать внешний свет и отражать световой пучок от источника света 11 в глаза водителя 33, сидящего в кресле.

Частично отражающая поверхность 32a обеспечена внутри автомобиля, благодаря чему вышеописанные слои или микроструктура защищены от ветра или трения со стеклоочистителями. Кроме того, обеспечение противоотражательного слоя на внешней поверхности ветрового стекла в соответствующей позиции частично отражающей поверхности 32a позволяет подавлять отражение от внешней поверхности, препятствовать формированию перекрывающихся изображений и повышать качество проецируемых изображений.

Благодаря управлению проектором 31, световой пучок излучается к частично отражающей поверхности 32a и отражается, таким образом, в направлении глаз водителя 33. При этом перед ветровым стеклом 32 формируется виртуальное изображение Vi. Водитель 33 видит проецируемое изображение, благодаря частично отражающей поверхности 32a, как виртуальное изображение Vi.

В четвертом варианте осуществления описано в порядке примера устройство 30 отображения на ветровом стекле (фиг. 11), которое отражает световой пучок от проектора 31 посредством частично отражающей поверхности 32a для проецирования изображения на передней части ветрового стекла в качестве виртуальной плоскости проекции. Однако настоящее изобретение не ограничивается такой конфигурацией. Устройство отображения на ветровом стекле может иметь любую конфигурацию при условии, что она включает в себя проектор изображений согласно вариантам осуществления с первого по третий. Например, оно может быть приспособлено так, чтобы проектор 31 проецировал изображение на экран (экран Sc), обеспеченный над инструментальной панелью (приборной панелью), и водитель 33 видит проецируемое изображение через частично отражающую поверхность 32a. В этом случае виртуальное изображение изображения проецируемого на экран, наблюдается перед ветровым стеклом 32. Согласно другому примеру изображение непосредственно проецируется на частично отражающую поверхность 32a ветрового стекла 32.

Кроме того, согласно автомобильному устройству 30 отображения на ветровом стекле, проектор 31 может представлять собой проектор 1C изображений согласно нижеследующему пятому варианту осуществления в дополнение к проектору изображений согласно вариантам осуществления с первого по третий.

Пятый вариант осуществления

Теперь, со ссылкой на фиг. 23, опишем проектор 1C изображений согласно пятому варианту осуществления. Проектор 1C изображений включает в себя делитель пучка, обеспечивающий почти нулевой угол падения φ (см. модификацию первого варианта осуществления) света на зеркальном участке. Конструкция проектора 1C изображений в основном такая же, как у проектора 1A изображений во втором варианте осуществления, поэтому одинаковые компоненты и функции указаны теми же условными обозначениями, и подробное их описание опущено. Заметим, что для простоты на фиг. 23 не показан блок управления 20 (блок управления 203).

Проектор 1C изображений включает в себя блок оптического сканирования 10C, который содержит делитель пучка 50 и фокусирующую линзу 51 между оптическим дефлектором 13 и элементом 14 преобразования угла отклонения. В блоке оптического сканирования 10C источник света 11a излучает расходящийся световой пучок линейной поляризации с центральной длиной волны 640 нм, источник света 11b излучает такой же пучок с центральной длиной волны 530 нм, и источник света 11c излучает такой же пучок с центральной длиной волны 450 нм. Расходящиеся световые пучки преобразуются в, по существу, параллельные световые пучки элементами 12a, 12b, 12c преобразования расходящегося светового пучка соответственно, и они проходят через блоки 16a, 16b объединения оптических путей и направляются на делитель пучка 50.

Делитель пучка 50 состоит из призмы, включающей в себя пленку поляризационного разнесения 50a и фазовую пластинку 52. Пленка поляризационного разнесения 50a предназначена для поляризационного разнесения и отражения линейно поляризованных параллельных световых пучков с центральными длинами волны 640, 530, 450 нм из блоков 16a, 16b объединения оптических путей. Фазовая пластинка выполнена в виде плоской четвертьволновой пластины, чтобы способствовать поляризационному разнесению пленки поляризационного разнесения 50a. Призма делителя пучка 50 выполнена из стеклянного материала с высоким показателем преломления; таким образом, она позволяет световому пучку, отклоняемому оптическим дефлектором 13, падать под постоянным углом на пленку поляризационного разнесения 50a.

В пятом варианте осуществления стеклянный материал SF11 производства SCHOTT AG (показатели преломления n₆₄₀=1,777781, n₅₃₀=1,795226, n₄₅₀=1,819054) используется для призмы делителя пучка 50. Делитель пучка 50, включающий в себя фазовую пластинку 52, сформирован в виде куба со стороной 4 мм. Пленка поляризационного разнесения 50a наклонена под углом 45 градусов к фазовой пластинке 52 и имеет такой же показатель преломления, как у делителя пучка 50. Делитель пучка 50 располагается так, что пленка поляризационного разнесения 50a отражает линейно поляризованный параллельный световой пучок из блоков 16a, 16b объединения оптических путей в направлении, совпадающем с перпендикуляром к фазовой пластинке 52. Параллельный световой пучок, отраженный пленкой поляризационного разнесения 50a, преобразуются фазовой пластинкой 52 в поляризованный по кругу световой пучок. В направлении распространения преобразованного параллельного светового пучка обеспечена фокусирующая линза 51.

Поверхность линзы для фокусирующей линзы 51 имеет асферическую форму, выраженную формулой (1) в первом варианте осуществления, и ее центральная толщина равна 1,8 мм. Фокусирующая линза 51 преобразует поляризованный по кругу параллельный световой пучок в сходящийся световой пучок круговой поляризации. Оптический дефлектор 13 обеспечен в направлении распространения сходящегося светового пучка круговой поляризации к поверхности фокусирующей линзы 51. Сходящийся световой пучок круговой поляризации отклоняется зеркальным участком 13c, поворачивающимся в заранее определенном диапазоне углов, вновь падая на фокусирующую линзу 51 и падая на фазовую пластинку 52 и делитель пучка 50. Посредством фазовой пластинки 12, сходящийся световой пучок круговой поляризации преобразуется в линейно поляризованный свет, фаза которого повернута на 90 градусов относительно фазы линейно поляризованного параллельного светового пучка, отраженного пленкой поляризационного разнесения 50a. Таким образом, падающий сходящийся световой пучок снова проходит через пленку поляризационного разнесения 50a. Элемент 14 преобразования угла отклонения обеспечен в направлении распространения сходящегося светового пучка и имеет асферическую форму, выражаемую полиномом относительно xy, которая является поворотно-асимметричной поверхностью произвольной формы, выражаемой нижеследующей формулой (3) в прямоугольной системе координат, где направление оптической оси от оптического дефлектора 13 к элементу 14 преобразования угла отклонения является направлением оси +Z. Его центральная толщина равна 2 мм.

где SQRT(Q) обозначает квадратный корень из Q, z - прогиб плоскости, параллельной оси Z, c - параксиальная кривизна (c=1/r, где r - радиус кривизны), k - коническая константа, и Cj - коэффициент при x^myⁿ (C1=k).

Фокусирующая линза 51 включает в себя первую поверхность 51a, обращенную к оптическому дефлектору 13, и вторую поверхность 51b, обращенную к делителю пучка 50 (фазовой пластинке 52). Данные по первой и второй поверхностям 51a, 51b указаны в нижеследующей таблице 11. Кроме того, элемент 14 преобразования угла отклонения включает в себя первую поверхность 14a, обращенную к делителю пучка 50, и вторую поверхность 14b на противоположной стороне. Данные по первой и второй поверхностям 14a, 14b указаны в нижеследующей таблице 12. В таблицах 11, 12 "E-0n"обозначает 10^-n.

В пятом варианте осуществления фокусирующая линза 51 и элемент 14 преобразования угла отклонения выполнены из стеклянного материала BK7 производства SCHOTT AG (показатели преломления n₆₄₀=1,514846, n₅₃₀=1,519584, n₄₅₀=1,525320). Расстояние между делителем пучка 50 и фокусирующей линзой 51 на оптической оси равно 0,2 мм, и расстояние между фокусирующей линзой 51 и оптическим дефлектором 13 (зеркальным участком 13c) равно 0,5 мм, и расстояние между делителем пучка 50 и элементом 14 преобразования угла отклонения равно 1,5 мм. С точки зрения уменьшения размеров проектора изображений элемент 12 преобразования расходящегося светового пучка и делитель пучка 50 предпочтительно располагать вблизи друг друга.

Опишем блок оптического сканирования 10C' для сравнения с блоком оптического сканирования 10C со ссылкой на фиг. 24, где также, для простоты, не показан блок управления 20 (блок управления 203). Блок оптического сканирования 10C идентичен блоку оптического сканирования 10C' за исключением того, что он не включает в себя делитель пучка 50, и расстояние между фокусирующей линзой 51 и элементом 14 преобразования угла отклонения равно 2,2 мм. Это позволяет надлежащим образом сокращать размер пятна без делителя пучка 50. Кроме того, обеспечена отражающая поверхность 50b, имеющая поляризационное разнесение, эквивалентное пленке поляризационного разнесения 50a и фазовой пластинке 52 блока оптического сканирования 10C.

Блоки оптического сканирования 10C, 10C' на фиг. 23, 24 предназначены для фокусировки светового пучка в позиции, отстоящей на 205 мм от второй поверхности 14 элемента 14 преобразования угла отклонения. На фиг. 25A, 25B показаны схемы пятен на плоскости изображения, когда оптические дефлекторы 13 блоков оптического сканирования 10C, 10C' повернуты вокруг оси x на 5 градусов соответственно.

Согласно фиг. 25A блок оптического сканирования 10C формирует пятна трех цветов (R, G, B) в почти одной и той же позиции, тогда как блок оптического сканирования 10C' формирует их в разных позициях. Соответственно, блок оптического сканирования 10C, включающий в себя делитель пучка 50, может корректировать хроматическую аберрацию.

Элемент 14 преобразования угла отклонения представляет собой линзу, имеющую отрицательную силу и преломляющую световой пучок от наклоненного оптического дефлектора 13 для его расхождения (излучения в направлении от оптической оси). Он сильнее преломляет падающий свет с более короткой длиной волны. Это заметно в блоке оптического сканирования 10C'. Напротив, в блоке оптического сканирования 10C, включающем в себя делитель пучка 50, делитель пучка 50 расщепляет падающий световой пучок в соответствии с длиной волны и излучает световой пучок с более короткой длиной волны в направлении оптической оси.

Как описано выше, блок оптического сканирования 10C может снижать хроматическую аберрацию, поскольку характеристики делителя пучка 50 и элемента 14 преобразования угла отклонения установлены с учетом разницы в показателе преломления световых пучков с разными длинами волны.

С использованием делителя пучка 50 можно установить нулевой угол падения φ света на зеркальном участке 13c в блоке оптического сканирования 10C, чтобы избавиться от деформации изображения вследствие угла падения.

Теперь, со ссылкой на фиг. 26, опишем проектор 1Ct изображений в качестве модификации проектора изображений в пятом варианте осуществления. В проекторе 1Ct изображений элемент 14t5 преобразования угла отклонения состоит из нескольких линз (двух в настоящем варианте осуществления), выполненных из разных стеклянных материалов. Конструкция проектора 1Ct изображений в основном такая же, как у проектора 1C изображений в пятом варианте осуществления, поэтому одинаковые компоненты и функции указаны теми же условными обозначениями, и подробное их описание опущено. Заметим, что для простоты на фиг. 26 не показан блок управления 20 (блок управления 203).

Элемент 14t5 преобразования угла отклонения включает в себя первую линзу 14A и вторую линзу 14B. Первая линза 14A выполнена из стеклянного материала LAF2 производства HOYA Co. Ltd. (показатели преломления n₆₄₀=1,740080, n₅₃₀=1,749756, n₄₅₀=1,762083). Первая линза 14A включает в себя асферическую первую поверхность 14Aa, обращенную к делителю пучка 50t5, и сферическую вторую поверхность 14Ab. Данные по первой и второй поверхностям указаны в нижеследующей таблице 13.

Вторая линза 14B выполнена из вышеупомянутого стеклянного материала SF11 производства SCHOTT AG. Вторая линза 14B включает в себя сферическую первую поверхность 14Ba, обращенную к первой линзе 14A, и асферическую вторую поверхность 14Bb. Данные по первой и второй поверхностям указаны в нижеследующей таблице 14.

В проекторе 1Ct изображений оптические данные и размеры делителя пучка 50t5 и фокусирующей линзы 51t5 отличаются от соответствующих параметров проектора 1C изображений согласно пятому варианту осуществления.

Делитель пучка 50t5 состоит из кубической призмы со стороной 5 мм, выполненной из стеклянного материала SF11 производства SCHOTT AG, и фазовой пластинки 52t5 толщиной 0,5 мм. Фазовая пластинка 52t5 имеет показатели преломления n₆₄₀=1,515, n₅₃₀=1,520, n₄₅₀=1,525.

Фокусирующая линза 51t5 выполнена из вышеупомянутого стеклянного материала BK7 производства SCHOTT AG и имеет асферическую форму, выраженную формулой (1) в первом варианте осуществления. Центральная толщина равна 1,8 мм. Фокусирующая линза 51t5 включает в себя первую поверхность 51ta, обращенную к оптическому дефлектору 13, и вторую поверхность 51tb, обращенную к делителю пучка 50t5. Данные по первой и второй поверхностям указаны в нижеследующей таблице 15. В таблице 15 "E-0n" обозначает 10^-n.

На фиг. 27A показана схема пятен на плоскости изображения, когда оптический дефлектор 13 находится в опорной позиции (стационарной позиции, угол поворота=0, угол качания=0) в блоке оптического сканирования 10Ct, а на фиг. 27B показана соответствующая схема, когда оптический дефлектор 13 повернут на 15 градусов (угол качания=15 градусов) вокруг одной из осей.

Согласно фиг. 27A позиции пятен цветов R, G, B почти совпадают друг с другом, когда оптический дефлектор 13 не повернут, и, согласно фиг. 27B, они находятся в очень малой области вблизи центра плоскости изображения. Согласно фиг. 27A, 27B, благодаря использованию элемента 14t5 преобразования угла отклонения, состоящего из первой и второй линз 14A, 14B, выполненных из разных стеклянных материалов, блок оптического сканирования 10Ct может снижать хроматическую аберрацию. Предпочтительно оптимально выбирать или устанавливать стеклянный материал или оптические данные первой и второй линз 14A, 14B с учетом делителя пучка 50t5 или других оптических элементов. Кроме того, хотя это не показано на чертеже, когда оптический дефлектор 13 поворачивается на 15 градусов (угол отклонения θ = 30 градусов), угол сканирования α светового пучка, проходящего через 14t5 элемент преобразования угла отклонения равен около 45 градусов. Соответственно, подтверждается, что элемент 14t5 преобразования угла отклонения может иметь функцию преобразования (увеличения) угла отклонения.

Шестой вариант осуществления

Опишем мобильный телефон 40, включающий в себя проектор изображений согласно одному из вариантов осуществления с первого по третий и пятого, со ссылкой на фиг. 28A, 28B. На фиг. 28 показан вид сбоку мобильного телефона 40, например на плоскости, а на фиг. 28B показан мобильный телефон 40, изображенный на фиг. 28A, если смотреть по стрелке A.

Мобильный телефон 40 согласно шестому варианту осуществления содержит корпус 41 телефона с участком 41a манипулирования кнопками, участком крышки 42, включающим в себя не показанный экран дисплея, и ось 43, соединяющую с возможностью вращения корпус 41 телефона и участок крышки 42. Хотя это не показано на чертежах, мобильный телефон 40 имеет сложенное (закрытое) состояние, в котором корпус 41 телефона и участок крышки 42 параллельны друг другу, и открытое состояние, в котором корпус 41 телефона и участок крышки 42 отстоят друг от друга на заранее определенный угол.

В мобильном телефоне 40 участок крышки 42 включает в себя проектор 44, который состоит из проектора изображений, отвечающего настоящему изобретению, и проецирует изображения в заранее определенной позиции в направлении оптической оси. В настоящем варианте осуществления проектор 44 приспособлен проецировать изображение 46 на плоскость 45, в которой располагается мобильный телефон 40 в открытом состоянии (участок крышки 42 перпендикулярен корпусу 41 телефона).

Направление оптической оси Lb (направление излучения источника света 11 или источников света 11a-11c) наклонено относительно плоскости 45, благодаря чему свет распространяется от верхней поверхности 42a участка крышки 42, стоящего на плоскости 45, к плоскости 45.

Изображения, проецируемые на плоскость 45 проектором 44 таким же образом, как в вышеозначенных вариантах осуществления, могут иметь трапецеидальную деформацию (46', указанную двухточечно-штриховой линией на фиг. 28B), поскольку оптическая ось Lb наклонена к плоскости 45. Трапецеидальную деформацию можно корректировать следующим образом.

Размер мобильного телефона 40 и позиция проектора 44 в мобильном телефоне 40 заранее определены. Таким образом, расстояние от светоизлучающей точки проектора 44 (элемента преобразования угла отклонения в вышеозначенных вариантах осуществления) до плоскости проекции или их позиции можно определить на основании настроек проекционного режима мобильного телефона 40 и позиционного соотношения между мобильным телефоном 40 и плоскостью проекции. В настоящем варианте осуществления позиция изображения, проецируемого на плоскость 45, определяется на основании расстояния от светоизлучающей точки проектора 44 до плоскости 45, угла падения (проекции) оптической оси относительно плоскости 45 и позиции корпуса 41 телефона на плоскости 45. Соответственно, это позволяет заранее знать степень трапецеидальной деформации изображения в плоскости 45 относительно правильного прямоугольного изображения 46. В мобильном телефоне 40 позиции пятен на основании данных изображения корректируются для формирования правильного прямоугольного изображения 46 на основании сигнала исходного изображения. Коррекция деформации в мобильном телефоне осуществляется таким же образом, как в третьем варианте осуществления, поэтому подробное ее описание опущено.

В проекционном режиме мобильного телефона 40 корпус 41 телефона располагается заранее определенным образом (в открытом состоянии в настоящем варианте осуществления) для проецирования изображения в нужное место (плоскости 45). Мобильный телефон 40 проецирует изображение 46 на плоскость 45 согласно световому пучку из источника света 11 (11a-11c). Благодаря наличию проектора изображений, отвечающего настоящему изобретению, который может осуществлять проецирование изображений на очень малых расстояниях, мобильный телефон 40 может проецировать большое изображение на плоскость 45, например изображение размером А4 на дальности около 240 мм от элемента преобразования угла отклонения 14. С использованием популярного в настоящее время мобильного телефона среднего размера в качестве мобильного телефона 40 очень легко устанавливать расстояние от светоизлучающей точки проектора 44 до плоскости 45 в направлении оптической оси (или кратчайшее расстояние от излучающей точки до проецируемого изображения) до около 240 мм или более. Соответственно, мобильный телефон 40 может проецировать большие изображения высокого качества размером, по меньшей мере, А4 на плоскость 45 без трапецеидальной деформации. Таким образом, мобильный телефон 40 может обеспечивать очень полезную функцию проектора для проецирования изображений размером приблизительно А4, например, на столешницу, на которой он располагается.

Кроме того, проектор 44 мобильного телефона 40 может улучшать видимость больших проецируемых изображений на очень малых расстояниях вследствие наклона направления оптической оси Lb относительно плоскости 45. Дело в том, что, когда направление оптической оси Lb наклонено к плоскости 45, мобильный телефон 40 может располагаться в позиции вне полей зрения наблюдателей, когда они рассматривают проецируемое изображение. Когда направление оптической оси Lb перпендикулярно или почти перпендикулярно плоскости проекции, мобильный телефон 40 блокирует поля зрения наблюдателей.

В мобильном телефоне 40 согласно шестому варианту осуществления корпус 41 телефона находится в открытом состоянии для проецирования изображения на плоскость 45, однако настоящее изобретение этим не ограничивается при условии, что функция проектора может осуществляться в заранее определенном состоянии для желаемой плоскости проекции. Плоскость проекции мобильного телефона не обязана быть плоскостью, на которой он располагается, и может быть, например, экраном, висящим на стене. Кроме того, в этом случае можно проецировать большой размер изображения даже при очень малой дальности проекции.

Как описано согласно вышеозначенным вариантам осуществления, в блоке оптического сканирования, отвечающем настоящему изобретению, элемент преобразования угла отклонения имеет отрицательную силу для преобразования угла отклонения светового пучка, отклоняемого оптическим дефлектором, в больший угол сканирования. Соответственно, даже с использованием поворотного зеркала с малой амплитудой можно производить сканирование световым пучком в широких пределах независимо от верхнего предела амплитуды и проецировать изображения на очень малых расстояниях.

Кроме того, элемент преобразования угла отклонения может состоять из одиночной линзы, что облегчает миниатюризацию блока оптического сканирования, сканирующего в большом диапазоне углов, способствуя уменьшению размеров проектора, включающего в себя блок оптического сканирования.

Кроме того, элемент преобразования угла отклонения может состоять из нескольких линз, выполненных из разных стеклянных материалов. Это позволяет снижать хроматическую аберрацию цветных изображений, формируемых с использованием нескольких источников света, и обеспечивать проектор изображений, который может формировать изображения высокого качества без сдвигов цвета.

Оптический дефлектор состоит из первого участка дефлектора, и первый участок дефлектора объединен с другим. Это позволяет уменьшить размеры оптического дефлектора, что приводит к уменьшению размеров всего блока оптического сканирования.

Кроме того, оптический дефлектор включает в себя зеркальный участок, вращаемый первым и вторым участками дефлектора, и угол падения светового пучка, проходящего через элемент преобразования расходящегося светового пучка, относительно нормали зеркального участка задан равным 45 градусов или менее. Это позволяет снижать деформацию изображения вследствие величины угла падения.

Кроме того, блок оптического сканирования включает в себя поворотный зеркальный участок и делитель пучка, что позволяет снижать хроматическую аберрацию цветных изображений, формируемых с использованием нескольких источников света и генерировать изображения без деформации вследствие величины угла падения. Соответственно, можно обеспечить проектор изображений, который формирует цветные изображения высокого качества без сдвигов цвета.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, чем больше угол отклонения оптического дефлектора, тем больше угол сканирования. Вследствие этого даже с использованием поворотного зеркального участка с малой амплитудой можно производить сканирование световым пучком в широких пределах независимо от верхнего предела амплитуды и проецировать изображения на очень малых расстояниях. Кроме того, можно поддерживать постоянную скорость сканирования в течение более долгого времени, чтобы корректировать деформацию изображения и неравномерность яркости.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, элемент преобразования расходящегося светового пучка и элемент преобразования угла отклонения включают в себя поверхности линзы, поворотно-симметричные относительно оптической оси. Это облегчает промышленное изготовление и сборку элемента преобразования расходящегося светового пучка и элемента преобразования угла отклонения, поскольку их погрешность изготовления и погрешность сборки можно устанавливать равным большому значению.

Кроме того, элемент преобразования угла отклонения может представлять собой поворотно-асимметричную линзу, что способствует уменьшению деформации или искажения изображений в плоскости проекции, проецируемых с наклонной оптической осью. Можно также повысить качество пятен, например размер пятна и интенсивность пятна.

Согласно настоящему изобретению элемент преобразования угла отклонения включает в себя, по меньшей мере, одну асферическую поверхность. Вследствие этого он может излучать световой пучок с увеличенным углом сканирования без увеличения размера пятна в плоскости проекции.

Согласно настоящему изобретению проектор изображений, включающий в себя вышеописанный миниатюризированный блок оптического сканирования, может проецировать большие изображения с малой деформацией на очень малых расстояниях. Он может управлять хронированием или величиной светового излучения источника света и проецировать хорошие изображения на плоскость проекции с малыми трапецеидальной деформацией, сдвигами цвета и неравномерностью яркости без снижения разрешения изображения.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, автомобильный дисплей на ветровом стекле, включающий в себя вышеописанный миниатюризированный проектор изображений, может формировать большие изображения на очень малых расстояниях и снабжать водителя хорошими изображениями с высокой видимостью.

Кроме того, миниатюризированный проектор изображений автомобильного дисплея на ветровом стекле может осуществлять проекцию на очень малых расстояниях, что позволяет размещать его в различных областях автомобиля.

Согласно настоящему изобретению мобильный телефон, включающий в себя вышеописанный проектор изображений, может проецировать большие изображения высокого качества на очень малых расстояниях без увеличения его размера и предоставлять их пользователю с высокой видимостью.

Хотя настоящее изобретение было описано применительно к иллюстративным вариантам осуществления, оно этим не ограничивается. Специалисты в данной области техники могут предложить различные разновидности описанных вариантов осуществления, не выходя за рамки объема настоящего изобретения, который задан нижеследующей формулой изобретения.

Реферат

Блок оптического сканирования содержит источник света; элемент преобразования расходящегося светового пучка; оптический дефлектор, отклоняющий свет из элемента преобразования расходящегося светового пучка в первом направлении сканирования и втором направлении сканирования, которое ортогонально первому направлению сканирования; элемент преобразования угла отклонения, имеющий такую отрицательную силу, чтобы преобразовывать угол отклонения света, отклоняемого оптическим дефлектором; и элемент объединения оптических путей, размещенный между элементом преобразования расходящегося светового пучка и элементом преобразования угла отклонения. Источник света представляет собой первый лазер, второй лазер и третий лазер с длинами волн, отличающимися друг от друга. Элемент объединения оптических путей представляет собой первый элемент объединения оптических путей, имеющий поверхность для отражения света из первого лазера, и второй элемент объединения оптических путей, имеющий поверхность для отражения света из второго лазера. Технический результат - снижение аберрации. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 42 ил.

Формула