激光图像显示装置和激光图像显示屏幕的制作方法

专利名称：激光图像显示装置和激光图像显示屏幕的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像显示装置或用于显示图像的装置及其图像显 示屏幕。具体地，本发明涉及一种使用激光光源作为光源形成图像的激 光图像显示装置，以及所述激光图像显示装置使用的激光图像显示屏幕。
背景技术：
当前广泛地采用使用各种方法的图像显示装置。在这么多种图像显 示装置中使用的一种图像显示方法是投影显示方法，其中将来自调制光 源的光投影到屏幕上并且显示图像。通常，在使用这种方法的图像显示 装置中采用的光源是灯光源。然而，灯光源具有寿命短、色彩再现区域 有限以及光使用效率低的问题。
为了解决灯光源中的问题，近来试验将激光光源用作投影显示器的 光源。在该应用中，将使用激光光源作为光源的图像显示装置称为激光 图像显示装置，并且类似地，将使用激光光源作为光源显示图像的屏幕 称为激光图像显示屏幕。激光图像显示装置的激光光源具有比灯光源更 长的寿命，并且由于激光的强方向性而易于提高光使用效率。另外，激 光光源发射的激光单色性极佳，与灯光源相比扩大了颜色再现区域，并 且能够实现彩色图像显示。
然而，激光图像显示装置散斑噪声的问题。散斑噪声是一种由图像 显示器中使用的激光的高相干性引起的噪声。这种问题在使用灯光源的 图像显示装置中不存在。当具有高相干性的激光在屏幕上散射并且到达 观察者时，散射的激光彼此干涉，并且观察者识别出精细的不均匀噪声。 已经建议了涉及激光图像屏幕和激光图像显示装置的各种技术用于减小 散斑噪声。
专利文献l (日本公开专利出版物No. 55-65940)公幵了一种通过使激光图像显示屏幕振动来去除散斑噪声的方法。然而，当对于较大的 激光图像显示屏幕采用这种方法时，用于使激光图像显示屏幕振动的驱 动单元必须较大，因此驱动单元的体积和功耗增加。
专利文献2 (日本公开专利出版物No. 2003-98601)公开了一种激 光图像显示屏幕，可以用在背投型激光图像显示装置中，其中从与观察 者相对一侧的激光图像显示屏幕的背面投影图像、并且通过透射的激光 向观察者提供图像。在专利文献2中公开的激光图像显示屏幕通过使用 包括两种类型光漫射板的结构减小了散斑噪声。
图1是在专利文献2中公开的激光图像显示屏幕的示意图。激光图 像显示屏幕包括第一和第二漫射板28a和29b。该图是描述了由激光图 像显示屏幕相对于两个激光束25和27产生的光路长度差的视图，所述 两个激光束以相同的角度进入第一漫射板29a，透射通过所述第一漫射 板，并且到达视网膜上在观察者V识别时认为是相同的一个区域。进入 第一光漫射层29a的激光被第一漫射板29a漫射，并且沿各个方向传播。 已经从第一光漫射板层29a出射的至少一部分激光进一步进入第二光漫 射层29b，被漫射，并且从该层出射到达观察者V。该屏幕是用于背投型 激光图像显示装置的激光图像显示屏幕，目的在于通过使用具有不同漫 射效果的两个漫射板29a和2%减小散斑噪声。
当将这种屏幕用于激光图像显示屏幕时，沿各个方向漫射的无穷数 目的激光束从屏幕出射。这无穷数目的激光束包括激光束25和27。激 光束25和27从图的右侧以相同的入射角度进入第一漫射板29a。由于 第一散射板29a的漫射效应，激光束25以相对于漫射板29a和29b的主 表面e角度从第一漫射板29a出射，然后进入第二漫射板29b，其中由于 第二漫射板29b的漫射效应，光路返回到与相对于第一漫射板29a的入 射角度相同的方向，并且到达观察者V的眼睛。另一方面，激光束27 以与激光束25相同的入射角度进入第一漫射板29，通过与激光束27进 入所述板时的光路相同方向的光路，透射第一和第二漫射板29a和29b， 从所述板出射并且到达观察者V的眼睛。
激光束25和激光束27的光路长度差近似为T((l/cos6)-1)，其 中T是第一漫射板29a和第二漫射板29b之间的距离，9是第一漫射层
29a的漫射角度。当e接近0时，激光束25和27在观察者V的视网膜 处彼此强烈地干涉。在这种情况下，光路长度差逐渐接近0。因此，观 察者V可识别的散斑噪声仍然具有较强强度。
在专利文献2中，没有针对由两种类型光漫射板引起的诸如多重反 射等问题进行描述，这被认为是应该进行的。
不可能将在专利文献2中公开的激光图像显示屏幕用于正面投影类
型的激光图像显示装置，其中从与观察者相同的一侧(即激光图像显示 屏幕的正面)投影图像，并且通过反射激光向观察者提供图像。
在专利文献1中公开的方法可应用于正面投影类型的激光图像显示 装置。然而如上所述，在专利文献l中公开的方法难以在用于显示大图 像的大激光图像显示屏幕上实现。
专利文献l: JP No. 55-6540 A
专利文献2: JP No. 2003-9801 A

发明内容
本发明要解决的问题
考虑到以上问题，本发明目的在于提供一种激光图像显示装置及其 激光图像显示屏幕，该激光图像显示装置能够向观察者提供具有任意尺 寸、且去除或至少减小了散斑噪声的彩色高质量图像。
解决问题的手段
在一个方面中，本发明提出了一种用于投影激光的激光图像显示屏
幕，所述激光图像显示屏幕包括散射和反射激光的反射散射体；以及
半透射漫射层，与反射散射体实质上平行设置，其中半透射漫射层反射 至少一部分激光，并且透射其余的激光，并且漫射和输出透射的激光。
在本发明的一个方面中，优选地，与半透射漫射层在反射散射体相
对一侧的边界与反射散射体之间的距离大于等于50微米，并且小于等于 2毫米。
在本发明的一个方面中，优选地，半透射漫射层包括纸材料。 在另一个方面中，本发明提出了一种激光图像显示装置，包括发
射激光的激光光源以及投影激光的激光图像显示屏幕，其中激光图像显 示屏幕包括散射和反射激光的反射散射体以及与反射散射体实质上平 行设置的半透射漫射层，其中半透射漫射层反射至少一部分激光，并且 透射其余的激光，并且漫射和输出透射的激光。
在本发明的另一个方面中，优选地，还将接收激光并且输出激光同 时偏转前进方向的光偏转元件设置在激光光源和激光图像显示屏幕之间。
在本发明的另一个方面中，优选地，半透射漫射层在反射散射体相 对一侧的边界与反射散射体之间的距离d、激光发射的激光的中心波长X 和激光的半宽度AX之间的关系满足2d X delta lambda > lambda2。
本发明的效果
根据本发明的激光图像显示装置及其激光图像显示屏幕是便宜的， 并且可以与任意尺寸的图像显示相适应，并且可以显示其中去除或至少 减小散斑噪声的彩色高质量图像。


图1是由专利文献2的激光图像显示屏幕提供给激光的光路长度差 的图。
图2A是根据本发明第一实施例的屏幕的部分截面示意图。
图2B是提供本发明的屏幕提供给激光的光路长度差的图。
图3是根据本发明第一实施例的屏幕的变体的部分截面示意图。
图4是根据本发明第一实施例的激光图像显示装置和图像评估装置 的示意图。
图5是根据本发明第二实施例的屏幕的部分截面示意图。
图6是根据本发明第三实施例的激光图像显示装置和图像评估装置 的示意图。
图7A是旋转柱面透镜的平面图。
图7B是旋转柱面透镜的操作的透视图。
图7C是具有两片结构的旋转柱面透镜的操作的透视图。
图7D是旋转柱面透镜的变体的平面图。
图8是根据本发明第四实施例的激光光源的结构示意图。
图9A是根据本发明第四实施例的红色激光光源的特征曲线。 图9B是根据本发明第四实施例的绿色激光光源的特征曲线。 图9C是根据本发明第四实施例的蓝色激光光源的特征曲线。
数字或符号的解释10、 100、 101 激光图像显示屏幕
11、 110 反射散射体2、 120 半透射漫射层12A、 12C 半透射纸12B、 13 树脂膜41R 红色激光光源41G 绿色激光光源41B 蓝色激光光源42 棒状积分器43 照明光学系统44 空间光调制元件
46 投影透镜
47 视觉相机
51 旋转柱面透镜
51a 旋转柱面透镜的变体
53 驱动单元
71 柱面透镜元件
71a 柱面透镜元件的变体
81 红色激光光源
83 激光二极管芯片阵列
85 光纤
87 多模光纤
811 激光二极管芯片812 激光二极管芯片
813 激光二极管芯片
814 激光二极管芯片
815 激光二极管芯片
816 激光二极管芯片
817 激光二极管芯片
818 激光二极管芯片
具体实施例方式
现在参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)
根据本发明的第一实施例涉及在正面投影型激光图像显示装置中 使用的激光图像显示屏幕。图2A是根据第一实施例的激光图像显示屏幕 IO的部分截面示意图。激光图像显示屏幕10包括反射散射体11和半透射 漫射层12。在以下描述中，将"激光图像显示屏幕"简称为"屏幕"。
激光图像显示装置通过调制由激光光源发射的激光来形成图像。在 正面投影型激光图像显示装置中，将形成图像的激光投影到屏幕10正面 上，即观察者V—侧的屏幕10上。
半透射漫射层12在观察者V—侧的边界处反射至少一部分入射光LI (组成图像的激光)，并且透射其余的光。观察者V—侧的反射是散射反 射(也称为漫反射)，图2A中用正面散射和反射光LFR表示，并且透射的 其余激光在透射通过半透射漫射层12同时被漫射，图2A中用漫射光LS来 表不。
反射散射体11散射并且反射从半透射漫射层12—侧的边界进入的 全部或至少大多数激光。
图2A示出了在反射散射体11的半透射漫射层12—侧的边界处反射 的激光作为内部散射和反射光LRR。为了简化说明起见，省略了从激光光 源(未示出)到反射散射体11的内部散射和反射光LRR的光路。内部散射 和反射光LRR再次进入半透射漫射层12，并且在透射通过半透射漫射层12
同时受到漫射效应。图中，将漫射的内部散射和反射光LRR称为内部散射、
反射和漫射光LRS。内部散射、反射和漫射光LRS以预定的强度分布出射， 如同来自半透射漫射层12的观察者V—侧的边界的面积微元S的发散激 光。反射散射体ll对激光的散射反射不局限于沿附图平面内的方向的散 射反射，而是可以沿着包括朝向附图平面外部方向的各种方向。
从激光光源(未示出)出射并且到达半透射漫射层12的激光的一部 分在半透射漫射层12的观察者V—侧的边界处被散射和反射，如同正面散 射和反射光LFR，并且其余激光进入半透射漫射层12，在透射同时被漫射， 当到达反射散射体ll时被散射和反射，再次进入半透射漫射层12，在透 射的同时被漫射，并且从半透射漫射层12的观察者V—侧的边界出射。因 此，屏幕10至少利用反射散射体11的两个表面以及半透射漫射层12的观 察者V—侧的边界，散射和反射组成图像的激光。在实现本发明目的时， 反射激光的表面不局限于两个表面。本发明不排除具有如下结构的激光 图像显示屏幕在三个或更多表面处反射激光，以便激光到达观察者V 的眼睛。
在反射散射体11处朝着观察者V散射和反射的激光在从激光光源到 反射散射体ll的光路(光路的前一半)以及从反射散射体11到观察者V 的光路(光路的后一半)上受到半透射漫射层12的漫射效应。在光路的 前一半中，设置半透射漫射层12，因此进入半透射漫射层12的激光被半 透射散射层12漫射，并且与当省略半透射漫射层12时相比，所述激光以 各种角度进入反射散射体11的半透射漫射层12—侧的边界。因此，受到 进行调制以通过激光形成图像的最小调制单元(例如在调制装置中包含 的像素)的任意单元(一个像素)调制的激光，以各种入射角度到达反 射散射体ll。换句话说，在空间上接近的相干激光以各种角度进入反射 散射体ll,由于反射散射体ll，激光的反射角度的分布包括更多数量的 角度，即提供了更好的多样化，从而可以使散射和反射光对于观察者V 的光路长度不同。因此，可以防止在观察者V的视网膜上在散射和反射光 之间发生干涉。
反射散射体ll具有以下效果通过激光进入的位置和/或入射角度中的轻微差别，极大地并且非线性地改变反射激光的方向。如上所述， 由于光路的前一半中半透射漫射层12的漫射效应，由一个任意调制单元 调制的激光能够以不同的入射角度到达反射散射体ll。与省略了半透射 漫射层12时相比，由于半透射漫射层12的效应，可以更加可靠和有效地 向激光提供反射散射体ll的散射效应。
光路的后一半中半透射漫射层12对于激光的漫射效应防止了由反 射散射体ll散射和反射的激光(例如内部散射和反射光LRR)直接到达观 察者V。
在光路的后一半中，例如，内部散射和反射光LRR受到半透射漫射 层12的漫射效应(例如，如所示的内部散射、反射和漫射光LRS)，并且 有效光源面积增加。这里所指的有效光源面积是指观察者V识别的光源图 像的面积。光的干涉通常随着光源面积的增加而降低。因此，可以通过 增加有效光源面积减小散斑噪声。
例如，己经从反射散射体11的一点出射的内部散射和反射光LRR通 过半透射漫射层12改变为相对于观察者V具有面积微元S的有效光源面积 的内部散射、反射和漫射光LRS。
通常，当相干光散射并且进入人眼，并且通过不同路径到达人的视 网膜上的一个点并且彼此干涉时，产生散斑噪声。根据本发明的屏幕IO 通过增加激光相对于观察者V的有效光源面积并且减小激光的相干性，减 小了观察者V识别的散斑噪声。在已经从激光光源出射的激光中，被半透 射漫射层12反射并且到达观察者V (未示出)的激光的存在有助于减小激 光的相干性。被半透射漫射层12反射向观察者V的(没有到达反射散射体 ll)激光与被反射散射体ll反射并且到达观察者V的激光一起到达观察者 V。因此，相对于观察者V的有效光源面积具有比上述面积微元S大的面积， 因此进一步增强了散斑噪声减小效应。因此，屏幕10具有去除观察者V 识别的散斑噪声的效应。
图2B是描述了由屏幕10的反射散射体11提供的相对于两个激光束 21和23的光路长度差的视图，这两个激光束以相同的角度进入反射散射 体ll上彼此非常靠近的位置，然后被反射，并且到达视网膜上就观察者
的识别而言认为是相同的一个区域。在图中为了简化描述起见，省略了 屏幕10的半透射漫射层12。
如上所述，当散射光在观察者v的视网膜上干涉时产生散斑噪声。
在这种情况下，由于彼此干涉的散射光之间的光路长度差，散斑噪声的 对比度改变。干涉光的对比度变得越强，光路长度差变得越小。并且因 此，观察者V识别的散斑噪声增加。另一方面，光路长度差变得越大，干 涉光的对比度变得越弱，并且观察者越不可能将这种干涉光识别为散斑
噪声。参考图2B，激光束21和23进入具有凹凸形状的反射散射体11上的 两个不同点。激光束21进入反射散射体11的凹凸形状(耦合波形状)的 倾斜部分，即连接顶点和相邻顶点并且在精细观点看来相对于反射散射 体ll的主表面倾斜的那部分，而激光束23进入凹凸形状(耦合波形状) 的顶点，即按照精细观点相对于反射散射体11的主表面倾斜为0或者实质 为0的那部分。进入倾斜部分的激光束21在倾斜部分的一个点处反射，并 且在相邻倾斜部分的一个点处再次反射，并且到达观察者V的眼睛。另一 方面，激光束23在其已经进入的顶点的一个点处反射，并且到达观察者V 的眼睛。因为反射散射体11提供相对于激光束21和23之间的光波长足够 大的光路长度差，观察者V识别的干涉光的强度变得非常小。
如图2B所示，根据本发明的屏幕10通过反射散射体11的散射反射 (漫反射)，提供与图l中所示屏幕相比具有较大光程长度差的激光，即 使对于通过反射散射体ll从屏幕上的两个接近点出射、并且以实质上相 同的角度到达观察者V的激光。在反射散射体ll的散射反射(参见图2B) 时，以相同的角度从屏幕10上的两个接近点出射并且到达观察者V的眼睛 的激光通过完全不同的路径。因此获得了较大的光路长度差。除了反射 入射激光之外，反射散射体l 1具有向以相同角度进入接近位置的激光提 供光路长度差的效应，这在传统示例中不能获得。
根据本发明的屏幕10的反射散射体11具有如图2B所示的凹凸形状 图案(耦合波形状图案)，用于产生散射反射的目的。关于表面平面内的 任意方向，反射散射体ll的凹凸形状图案从凸起部分(凹入部分)的顶 点到相邻凸起部分(凹入部分)的顶点的节距小于等于10毫米，更优选
地小于等于l毫米。凹凸形状的投影顶点(凸起部分的顶点)与相对一侧 的投影(下陷的)顶点(凹入部分的顶点)之间的阶梯差大于等于l微米， 优选地大于等于10微米，更优选地大于等于50微米。凹凸形状只需要是用于漫射反射入射光的形状。凹凸形状理想地包括通过组合多个波形或 间歇形状形成的形状之一，间歇形状即在精细观点来看与反射散射体ll 的主平面实质垂直倾斜的倾斜部分。
反射散射体ll只需要包含用于散射反射激光的材料。反射散射体ll可以包括在使用普通灯光源的投影仪中所使用的珠(bead)型屏幕或布 (mat)型屏幕。另外，只要可以散射和反射构成图案的激光，还可以使 用包括除了以上材料之外材料的屏幕。因此，反射散射体ll可以包含诸 如纸材料或壁材料之类的材料，或者可以具有配置为包括塑料、玻璃、 金属等的粗糙表面。
由于漫射效应，与只配置反射散射体ll时相比，根据本发明的屏幕 10的半透射漫射层12包含较宽的视角。
半透射漫射层12在观察者V—侧和反射散射体11一侧的两个边界部 分处都包含具有漫射效应的材料，其中两个边界中观察者V—侧的边界在 其至少一部分中具有漫射表面。优选地，半透射漫射层12的反射散射体 ll一侧的边界具有漫射表面。
关于要使用的激光，优选地半透射漫射层12中，进入至少一个边界 的激光从另一边界出射的比率，即透射率大于等于10%。如果小于10%， 激光不会足够地到达反射散射体ll，亮度降低，并且散斑噪声减小效应 也变小，因此不是理想的。为了获得高屏幕亮度的屏幕和散斑噪声减小 效应，优选地半透射漫射层12的透射率大于等于30%。更优选地，半透射 漫射层12的透射率大于等于50%。
优选地，半透射漫射层12的霾(haze)值(朦胧(cloudiness)值) 大于等于20%。更优选地大于等于40%，最优选地大于等于60%。
优选地，半透射漫射层12的反射率大于等于3%。更优选地大于等于 10%，以及最优选地大于等于20%。
半透射漫射层12可以由单一材料构成。另外，半透射漫射层12可以具有包括多个漫射表面的多层结构。在多层结构的情况下，可以通过以 粘合剂、树脂膜等进行堆叠来在正面和背面形成具有漫射表面的材料。 如果半透射漫射层12的边界之一形成相对于进入的激光的镜面，理想地 使用具有实质上等于半透射漫射层12的折射率的粘合剂，将形成镜面的 边界粘附到反射散射体ll，以防止镜面反射激光。此外，如果半透射漫
射层12具有多层结构，理想地使用类似的粘合剂配置多层结构，以防止
每一层之间形成镜面。
半透射漫射层12在边界的至少一部分上包括漫射表面。因此，半透 射层12去除了多层结构中表面反射的激光和由反射散射体11反射的光的 干涉图案噪声。
可以利用各种粘合剂将半透射漫射层12和反射散射体11进行粘合， 使得屏幕10具有一体结构。通过将半透射漫射层12和反射散射体11利用 之间插入的树脂膜进行粘附，来维持半透射漫射层12和反射散射体11之 间的间隔恒定，这也是有利的。在半透射漫射层12与观察者V相对一侧的 边界上形成反射散射体ll，并且形成一体结构的屏幕IO。
当使用诸如树脂膜之类具有平滑表面的材料时，优选地，使用折射 率与具有平滑表面的材料的折射率实质相同的粘合剂等，紧密地粘附半 透射漫射层12和反射散射体11的边界以及树脂膜。因此，即使使用树脂 膜等，也防止了由于相关表面处的反射引起的干涉图案噪声。
优选地，半透射漫射层12的观察者一侧的边界和反射散射体之间的 距离d大于等于50微米并且小于等于2毫米。如果小于50微米，半透射漫 射层12的观察者V—侧的边界处的有效光源面积(与图2A中的面积微元S 相对应的面积)不会变得足够大，从而散斑噪声减小效应变得不够，并 且因此该结构不是理想的。如果大于2微米，有效光源面积变得太大。在 这种情况下，图像的分辨率退化，从而观察者V观察到的图像可能会模糊， 因此该结构不是理想的。距离d变大，散斑噪声减小效应提高，但是图像 质量的退化是必然的。更优选地，距离d小于等于l微米，以便再现所需 高分辨率图像。
优选地，半透射漫射层12在观察者V—侧的边界和反射散射体之间
的距离d中，半透射漫射层12占据的比例大于等于5%，更优选地大于等于
20%。 即，优选地半透射漫射层12的厚度大于等于0.05Xd，更优选地大 于等于0.20Xd。通过增加半透射漫射层的占据比例，多重散射更容易发 生，这有助于散斑噪声进一步减小。
图3示出了第一实施例的屏幕的变体。屏幕100包括具有堆叠结构 的半透射漫射层120，所述堆叠结构包括半透射纸12A和树脂膜12B;以及 包括珠型屏幕11A的反射散射体110，其中使用粘合剂将半透射漫射层120 和反射散射体110附在一起。
在本变体100中，与屏幕10类似，半透射漫射层120具有相对于透射 光的反射效应和漫射效应，并且反射散射体110具有相对于入射光的散射 反射效应。 一部分入射光31被半透射漫射层120反射，而透射光被漫射并 且到达反射散射体IIO。反射散射体110散射并且反射透射光，以便再次 将光输入半透射漫射层120，并且将光以实质上的发散光的形式从面积微 元S输出。光33U和33L示出了以实质上的发散光的形式从面积微元S出射 的光。
在本变体中，优选地半透射漫射层120至少包括半透射纸12A。半透 射纸12A可以获得正面和背面漫射表面，并且实现适当的透射率。另外， 在成本方面与制造专用漫射板和透镜相比也是非常有利的。可以将诸如 日本纸、描图纸(tracing paper)等纸材料用作半透射纸12A。
通过使用屏幕100来执行散斑噪声减小效应的评估。图4是激光图像 显示装置和用于评估的视觉相机(观看相机)47和屏幕100的图。激光图 像显示装置包括红色、绿色和蓝色的激光光源41R、 41G和41B;棒状积 分器42;照明光学系统43;空间光调制元件44; 二向棱镜45和投影透镜。 视觉相机47包括光瞳透镜(眼睛透镜)47a;放大透镜47b;和CCD47c。 在该评估中使用的屏幕100使用描图纸作为半透射纸12A并且使用聚酯膜 作为树脂膜12B。半透射漫射层120的激光入射表面和反射散射体110之间 的距离d是200微米(um)。
将从RGB三种颜色的激光光源41R、 41G、 41B出射的激光引导到棒状 积分器42中。激光在棒状积分器42中重复地内部反射直到到达出射端为止，然后通过照射光学系统43 (中继透镜、反射镜43a、场透镜43b等)， 并且以具有矩形截面的光束的形式投影到空间光调制元件44上，在所述 矩形截面中光强度分布是均匀的。空间光调制元件44调制光束，并且形 成二维图像。RGB三色已调制激光是通过二向棱镜45组合的波，并且通过 投影透镜46投影到屏幕100上作为全色二维图像。
视觉相机47包括与人眼相对应的光瞳透镜47a;放大透镜47b，用 于放大在CCD 47c上的虚拟视网膜上产生的图像(包括散斑噪声)；以及 CCD47c。使用视觉相机47，基于CCD43的光接收量来测量和评估在人的 视网膜上形成的图像中包含的散斑噪声。
在评估时，通过绿色激光光源41G只出射绿色激光，将均匀的图像 显示在屏幕100上，并且使用从均匀图像接收光的CCD元件中的光接收量 的平均值X与散斑噪声所引起的均匀图像的强度变化的标准偏差o的比 率o/X。作为比较示例，示出了其中使用普通珠型屏幕来代替屏幕IOO 的情况。
评估结果
第一实施例变体(屏幕100): o/X=5. 1%
比较示例(珠型屏幕)o/X=14.6%
第一实施例变体的屏幕100的o /X减小为小于等于比较示例的o /X 的一半，表明实现了去除散斑噪声的效果。与比较示例相比较，屏幕IOO 可以提供较宽的观看角度。尽管屏幕100是多层结构，没有发现干涉图案 噪声等的产生。因此显而易见的是根据本发明的激光图像显示屏幕具有 优秀的散斑噪声去除特性。
根据本发明的屏幕IO、 100不要求用于驱动屏幕的驱动单元。因此， 有利的是可以安装在任何安装位置，并且可以将其用在各种尺寸的屏幕 中，而无需功耗。
使用根据本发明的激光图像显示屏幕的激光图像显示装置可以显 示减小了散斑噪声的图像。
(第二实施例)
图5示出了根据本发明第二实施例的激光图像显示屏幕101的部分截面示意图。具体地，屏幕101是在成本方面优越并且易于携带的简化结 构的激光图像显示屏幕。屏幕101包括作为半透射漫射层的半透射纸12C 和作为反射散射体的普通纸111，其中将树脂膜13插入在半透射漫射层和 反射散射体之间。树脂膜13和半透射纸12C和普通纸111用粘合剂进行粘 附，使得树脂膜的平滑表面导致的表面反射不会发生。
半透射纸12C使用与在第一实施例中描述的半透射漫射层中使用的 材料相似的材料。
普通纸lll只需要相对于在图像显示中使用的激光具有散射反射效 果的材料，并且可以使用通常使用的普通纸。优选地，普通纸lll不包含 荧光剂，以便从激光光源获得生动地彩色图像。
可以利用与所谓的层压纸类似的步骤制造屏幕IOI，并且因此在制 造成本方面是有利的。在制造中使用的材料只包括易于获得的材料，并 且因此可以非常廉价的制造，在成本方面是有利的。可以用普通书写材 料将文本和图绘制在屏幕上。屏幕101非常轻，并且便于携带。
示出了屏幕101的制造示例和散斑噪声去除效应的评估测量结果。 在评估测量中使用的屏幕101由用作半透射纸12C的描图纸、用作树脂膜 13的厚度为80um的聚酯膜以及用作普通纸lll的绘图纸构成。示例IOI 与屏幕10类似，半透射纸12C相对于透射光具有反射效应和漫射效应，并 且普通纸111相对于入射光具有散射反射效应。一部分入射光51被半透射 纸12C反射，透射光被漫射并且到达普通纸lll。普通纸lll散射并且反射 透射光，以便再次将光输入到半透射纸12C，并且将光以实质上的发散光 的形式从面积微元S输出。光53U和53L示出了以实质的发散光的形式从面 积微元S出射的光。本示例中在半透射漫射层的激光入射表面和反射散射 体之间的距离d是150微米。与第一实施例类似，评估屏幕101的散斑噪声， 并且发现o /X=5. 4%，因此可以说与比较示例相比极大地减小了散斑噪 声。
另外，形成以下两种类型的屏幕(第一和第二屏幕，用于比较距离 d)，并且与以上所述类似地执行评估测量以研究由于距离d的差别导致的 散斑噪声去除效应的变化。用于比较距离d的第一屏幕
通过将表面上具有凹凸图案的薄漫射树脂膜(厚度30微米)附到珠 型屏幕上来形成该屏幕。在这种情况下，d = 40微米。
对用于比较距离d的第一屏幕的评估测量结果
作为与以上类似地使用激光图像显示装置和视觉相机47执行评估
的结果，获得了 o /X=8. 1%。认识到与比较示例的屏幕(o /X二14. 6%)相比 减小了散斑噪声。然而，评估测量的结果并不具备本发明的前述屏幕结 果的质量。这表明了当距离d是40微米时，即当没有满足以上条件 (d≥50um)时，所获得的散斑噪声减小效应相对较弱。
用于比较距离d的第二屏幕
将描图纸附到具有2毫米厚度的丙烯酸板上，并且将珠型屏幕附到 与丙烯酸板相对一侧的表面上。在这种情况下，d = 2. l毫米。
对用于比较距离d的第二屏幕的评估测量结果
作为与以上类似使用激光图像显示装置和视觉相机47的评估的结 果，获得了 o /X二4. 2%。认识到与比较示例的屏幕(o /X=14. 6%)相比减小 了散斑噪声。
此外，使用视觉相机测量其中针对每一个像素重复打开/关闭的测 试图案图像。(关闭像素的亮度)/ (打开像素的亮度)的亮度比率小于 50%，并且识别出图像分辨率的退化。这表明了当距离d是2. l毫米时即当 不满足以上条件(d≤2.0mm)时图像质量降低。
(第三实施例)
本发明的第三实施例是激光图像显示装置，其中可以使用本发明前 述实施例的屏幕。图6示出了根据第三实施例的激光图像显示装置的结构 示意图。在图6中，将与图4相同的参考符号用于与图4相同的部件，并且 将省略其描述。
根据本实施例的激光图像显示装置包括光源41R等和棒状积分器42 之间的旋转柱面(lenticular)透镜。从RGB三色激光光源41R、 41G、 41B 出射的光被旋转柱面透镜51偏转，并且被引导到棒状积分器42中。旋转 柱面透镜51是具有使入射光的出射方向发生偏转的功能的光偏转元件的
一种模式。
图7A是旋转柱面透镜51的平面图。旋转柱面透镜51沿圆周方向包括 多个柱面透镜元件71，其中每一个元件71沿与径向平行的方向具有实质 上均匀的截面。图7B是与旋转柱面透镜51相连的驱动单元53的图。驱动 单元53可旋转地驱动旋转轴A，并且旋转柱面透镜51也执行旋转移动。由 于这种旋转，在点P1处进入棒状积分器的光的出射角度随时间改变。因 为光的偏转方向在旋转柱面透镜51中随时间改变，进入空间调制元件44
中包含的任意一个像素(单元)的光的入射角度随时间改变。结果，进 入与屏幕101上的任意一个像素相对应的一个区域的光的入射角度也随
时间改变。
类似地，因为对于屏幕101的入射角度随时间改变，从第三实施例 的屏幕101到达观察者的光随时间改变。观察者将随时间重复改变的光对
视网膜的刺激在时间上进行积分，并且将其识别。因此，屏幕的有效光 源面积与没有改变角度时相比变大。通过使用利用半透射漫射层和反射 散射体的本发明的屏幕101，可以进一步增大有效光源面积。结果，可以 将散斑噪声减小为观察者根本不可能识别的水平。
优选地，从屏幕看照射角度的改变量在数值孔径NA方面大于等于NA 0.001。如果NA小于O.Ol，角度的改变量较小，并且不会获得散斑噪声减 小效应。当NA大于等于O. 002时，可以获得更优选的角度改变量，以将散 斑噪声减小为观察者根本不能识别的水平。
与前述实施例类似，仅使绿色激光光源41G输出，使用视觉相机， 将绿色均匀图像显示在屏幕101上，并且执行评估。从第三实施例的屏幕 101看到的入射角度改变量是NA0.003。在这种情况下，o/X=3.3%，并且 实质上去除了散斑噪声。还视觉评估了散斑噪声，但是没有识别出来。
本发明的激光图像显示装置通过配置屏幕101以及驱动单元53去除 了散斑噪声，所述屏幕101包括半透射漫射层和反射散射体，所述驱动单 元53控制进入与屏幕101上的一个像素相对应的区域的光的入射角度，使 得可以随时间改变入射角度。将旋转柱面透镜51的旋转速度设定为使得 将偏转周期设定为观察者不能识别散斑噪声的速度。具体地，理想地以大于等于60HZ的速度改变偏转角度。然而，取决于待显示图像的内容， 可以改变下限值。
如图7C所示，相对于激光串联排成一行的旋转柱面透镜51的结构也 是有效的。在这种情况下，激光在点P1和点P2处进入柱面透镜元件71。 激光在点P1处沿与图平面垂直的方向偏转，并且在点P2处沿与图平面水 平的方向偏转，并且偏转方向分别随时间改变。可以通过按照这种方式 配置旋转柱面透镜51，来按照复杂的方式二维地改变进入空间光调制元 件45的每一个像素的光的入射角度。
附加地或代替地，还可以有利的使用旋转柱面透镜变体51a，其中 配置柱面透镜元件71a以便相对于径向形成预定角度a ，如图7D所示。在 变体51a中，可以通过角度a自由地控制光的偏转方向随时间改变的方 向。
在第三实施例中，进行控制使得通过使用旋转柱面透镜51进入屏幕 IOI的光的入射角度随时间改变，但是只要获得类似效果，可以使用其他 元件。具体地，可以使用具有如下结构的元件将激光导引到光纤中并 且使光纤振动；移动漫射板、反射镜等。
(第四实施例)
本发明的第四实施例是一种可以在本发明的激光图像显示装置中 使用的激光光源。图8是根据本实施例的红色激光光源81的示意图。红色 激光81包括具有多个激光二极管(LD)芯片811至818的激光二极管(LD) 芯片阵列83，其中通过耦合到多模光纤87的光纤85引导LD芯片811至818 的输出光，并且将从多模光纤87出射的激光引入到激光图像显示装置的 光学系统中。该图示出了红色激光光源作为示例，但是可应用于其他颜 色的激光光源。
当使用多个LD芯片811至818时，使用组合波的中心波长来表示从输 出单色光的激光光源输出的激光的波长入。激光波长的半宽度Δ入通过 组合激光的半宽度来表示。通过使用多个LD芯片811至818，红色激光光 源81与当使用单个激光二极管相比增加了Δ入。
图9A是红色激光光源81发射的红色激光的特征图。因为使用多个LD芯片811至818，出现了其中叠加了多个峰的宽峰。这种激光具有634.8 纳米的中心波长，以及1.9纳米的半宽度A入R。
图9B是可以用于本发明的激光图像显示装置中的绿色激光发射的 绿色激光的特征图。绿色激光光源使用从多个激光光源发射的激光作为 基波，并且利用一个或多个波长转换元件转换基波的波长，并且使用诸 如多模光纤之类的适当光学系统将己转换的波组合到相同的轴上。该激 光具有540.2纳米的中心波长以及1.2纳米的半宽度A入G。
图9C是可以用于本发明的激光图像显示装置中的蓝色激光光源发 射的蓝色激光的特征图。蓝色激光光源具有与图8的红色激光光源81类似 的结构。在该光源中，使用发射蓝色区域激光的激光二极管。该激光具 有445.0nm的中心波长以及2. 9纳米的半宽度A入B。
在以上实施例中所述的半透射漫射层的光入射表面和反射散射体 之间的距离d与半宽度A A的关系是 2d x △入〉入2，
其中可以消除由半透射漫射层向观察者一侧反射的光与由反射散 射体反射的光之间的干涉，并且可以去除散斑噪声。这里AX是AAR、A入G 和AAB之一。
与前述评估测量类似，只从红色激光光源81输出红色激光，将红色 均匀图像显示在屏幕101上，并且执行。/X的评估以评估散斑噪声。在本 评估测量中，使用具有距离d二150um的屏幕101。评估测量的结果是 o /X二3. 5%。显而易见的是该结果在散斑噪声减小效应方面比绿色激光 51G (中心波长540nm，半宽度O. lnm)更好。因此，可以认识到红色激光 光源81在减小散斑噪声方面是有效的。还可以视觉上评估散斑噪声，但 是不会识别出来。
本发明的激光图像显示装置通过使半透射漫射层的光入射表面和 反射散射体之间距离的d与激光光源的波长和半宽度之间的关系为2d X A入〉入2，去除了散斑噪声。
当使用图8的多个激光和多模激光使得来自激光光源的激光的波长 的半宽度放大时，至少一种颜色的半宽度A入大于等于0.5nni
(△λ ≥ 5nm)是优选的，并且半宽度可以大于等于1纳米(△λ ≥ lnm) 是更优选的。此外，优选地半宽度可以小于10纳米(△λ 〈10nra)，以维 持激光振荡的效率和色纯度。
在激光图像显示装置中，使用RGB三色或更多颜色的光源，但是只 需要针对一种或更多种颜色满足以上关系，但是更优选地针对所有颜色 满足以上关系。
在第四实施例中，使用激光光源中的多个LD芯片来增加光的半宽度 △λ ，但是另外可以使用其中使用脉冲振荡或多模激光的增加△λ的方 法。通过在可以容忍图像质量的模糊范围内增加d，即使△λ较小也可以 满足以上关系。
本发明的激光光源可以仅仅是使用激光振荡的光源，可以使用通过 对半导体激光器、气体激光器、固体激光器等进行波长转换而获得的SHG 激光等。
在本发明的激光图像显示装置中，积分器、照明光学系统、调制元 件和投影光学系统不具体地局限于上述那些。可以适当地使用用于图像 显示的光学元件。
工业应用性
可以将本发明的激光图像显示屏幕和激光图像显示装置用于显示 运动画面和静止画面。
已经使用其中使用RGB三色的情况解释了本发明的激光图像显示装 置，但是所述装置可以是单色的显示装置。还使用二维空间调制元件进 行了描述，但是也可以将其应用于通过扫描一维调制元件和激光形成图 像的激光图像显示装置中。
权利要求
1.一种用于投影激光的激光图像显示屏幕，所述激光图像显示屏幕包括散射和反射激光的反射散射体；以及半透射漫射层，与反射散射体实质上平行设置，其中半透射漫射层反射至少一部分激光，并且透射其余的激光，并且漫射和输出透射的激光。
2. 根据权利要求1所述的激光图像显示屏幕，其中半透射漫射层在反射散射体相对一侧的边界与反射散射体之间的距离大于等于50微米，并且小于等于2毫米。
3. 根据权利要求1所述的激光图像显示屏幕，其中半透射漫射层包括纸材料。
4. 一种激光图像显示装置，包括发射激光的激光光源以及投影激光的激光图像显示屏幕，其中所述激光图像显示屏幕包括 散射和反射激光的反射散射体；以及半透射漫射层，与所述反射散射体实质上平行设置， 其中所述半透射漫射层反射至少一部分激光，并且透射其余的激光，并且漫射和输出透射的激光。
5. 根据权利要求4所述的激光图像显示装置，还包括接收激光并 且输出激光同时偏转前进方向的光偏转元件，其中将所述光偏转元件设置在所述激光光源和所述激光图像显示屏幕之间。
6. 根据权利要求4所述的激光图像显示装置，其中半透射漫射层在反射散射体相对一侧的边界与反射散射体之间的距离d、所述激光光源发射的激光的中心波长λ和激光的半宽度 λ之间的关系满足2d X λ>λ2。
全文摘要
一种激光图像显示装置和用于激光图像显示装置的激光图像显示屏幕。所述激光图像显示装置配置有用于发射激光束的激光光源和用于投影激光束的激光图像显示屏幕(10)。激光图像显示屏幕(10)配置有用于散射反射激光束的反射散射体(11)和与反射散射体(11)实质上平行设置的半透射漫射层(12)。半透射漫射层(12)反射至少一部分激光束，透射其余的激光束，漫射透射的激光束并且对其进行投影。
文档编号G03B21/60GK101176036SQ20068001690
公开日2008年5月7日 申请日期2006年5月15日 优先权日2005年5月17日
发明者杉田知也, 水岛哲郎, 笠澄研一 申请人:松下电器产业株式会社