二維成像裝置的製作方法
2023-10-09 01:43:29
專利名稱：二維成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及二維成像裝置，具體涉及電視接收機、圖像投影機等圖像顯示裝置和半導體曝光裝置等的成像裝置。
背景技術：
圖7示明已有的雷射顯示器的概略結構。
此雷射顯示器100具有對應於RGB三色的雷射光源101a～101c、將雷射光源101a～101c輸出的雷射La～Lc對應於輸入圖像信號的原色信號Sa～Sc進行強光調製的光調製器106a～106c。雷射顯示器100具有將光調製器106a調製的雷射反射的反射鏡103，將光調製器106b調製的雷射Lb與反射鏡103反射的雷射La進行合波的分光鏡102a，將光調製器106b調製的雷射Lb與來自分光鏡102a的雷射進行合波的分光鏡102b。此外，上述雷射顯示器100還具有將分光鏡102b合波的雷射聚光的聚光透鏡107，沿X方向掃描聚光透鏡107會聚的雷射的多面掃描器104，為使來自多面掃描器104的光於屏面108形成二維圖像而沿Y方向掃描的電掃描器105。
下面說明有關操作。
來自與RGB三色對應的雷射源101a～101c的雷射La～Lc，根據輸入圖像信號各原色信號Sa～Sc而為光調製器106a～106c進行強度調製，由反射鏡103與分光鏡102a、102b組成的光學系統合波。此外，為聚光透鏡107會聚的雷射由多面掃描器104沿X方向掃描，由電掃描器105沿Y方向掃描，於屏面108上形成二維圖像。
如上所述，在已有的雷射顯示器上，由於從各個RGB的雷射光源101a～101c照射的光是單色光，通過採用適當波長的雷射光源，所以獲得顏色純度高的鮮明圖像顯示。
但是上述那種已有的雷射顯示器由於對光源採用了輸出幹涉性高的光的雷射光源，就會有產生所謂光譜噪聲的問題。這種光譜噪聲是雷射於屏面108上散射之際，屏面108各部分上散射的散射光相互幹涉而產生的細小噪聲。
除去這種噪聲的方法例如特開平7-297111號公報中所示，此公報中描述了於聚光光學系統的光路上設置擴散板，通過轉動此擴散板來除去上述光譜噪聲的方法。
但由於要有用來轉動擴散板的機構存在著加大了裝置規模的問題，此外還有因擴散板導致了光損耗而降低了屏面上所顯示圖像的亮度的問題。
發明內容
本發明正是鑑於存在上述各問題而提出的，目的在於獲得當通過擴散板消除光譜噪聲所致圖像惡化能防止裝置規模過大，同時能有效的抑制因擴散板產生的散射光的損耗，而可進行清晰的圖像顯示的二維成像裝置。
本發明權利要求1所述的二維成像裝置，它是通過光調製形成二維圖像的裝置，包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；擺動上述擴散板的擴散板擺動部；鄰近上述擴散板設置且對該擴用板擴散的來自上述相干光源的光進行調製的空間光調製元件，上述擴散板擺動部以滿足在上述擴散板的粒子尺寸d與擺動上述擴散板的速度V之間成立的下式V＞d×30(mm/sec)的速度，來擺動上述擴散板。
這樣就能減小投影到屏面上的圖像中存在的光譜噪聲，使高質量的圖像顯示成為可能。
本發明權利要求2所述的二維成像裝置，它是通過調製形成二維圖像的裝置，包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，而上述擴散板則根據上述照明光學系統的實際數值孔徑與上述投影透鏡的亮度來決定其擴散角。
這樣，擴散板的擴散角、照明光學系統的實際數值孔徑與投影透鏡的亮度可有合適的關係，能有效地防止因投影透鏡移動導致光損耗，可清晰地顯示圖像。
本發明權利要求3所述的二維成像裝置是在上述權利要求2所述的二維成像裝置中，使上述擴散板的擴散角、上述照明光學系統的實際數值孔徑NAin與上述投透鏡亮度與之間成立關係式θ/2+sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f)。
由此就能防止因投影透鏡擺動所致的光損耗而能實現清晰的圖像顯示。
本發明權利要求4所述的二維成像裝置，它是通過光調製形成二維圖像的裝置，包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行光調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，而上述空間光調製元件與上述擴散板則基於上述擴散板的擴散角、上述照明光學系統的實際數值孔徑、以及上述空間光調製元件對角方向畫面尺寸所決定的距離分開設置。
這樣，在擴散板的擴散角，照明光學系統的實際數值孔徑以及空間光調製元件對角方向的畫面尺寸之間就會有合適的關係，能防止擴散板將光散射到空間光調製元件的圖像顯示部分外側，可有效地減少從相干光源到屏面上的光傳輸路徑上的總的光損耗。
權利要求5所述的二維成像裝置是在上述權利要求4所述的二維成像裝置中，使上述擴散板的擴散角θ、上述照明光學系統的實際數值孔徑NAin、上述空間光調製元件與上述擴散板之間的距離L、以及上述空間光調製元件對角方向的畫面尺寸D之間，成立關係式(θ/2+Sin-1(NAin)×L＜D/3。
這樣可以有效地減少從相干光源到屏面的光傳輸路徑上總的光損耗。
本發明權利要求6所述的二維成像裝置，它是通過光調製形成二維圖像的裝置，包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行光調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，而上述空間光調製元件與上述擴散板則根據上述擴散板的透過率不穩定節距與上述照明光學系統實際的數值孔徑確定的距離分開設置。
這樣，擴散板的擴散角、擴散板的透過率不穩定節距、照明光學系統的實際數值孔徑以及擴散板與空間光調製元件的距離可有合適的關係，能有效地防止擴散板局部透過率不穩定導致圖像惡化而可以有高質量的圖像顯示。
本發明權利要求7所述的二維成像裝置是使權利要求6所述二維成像裝置中，在上述擴散板的透過率不穩節距P、上述照明光學系統實際的數值孔徑NAin、上述空間光調製元件與上述擴散板之間距離L之間成立關係式L×NAin＞P。
由此能有效防止擴散板局部透過率不穩定致圖像惡化，可以進行高質量的圖像顯示。
本發明權利要求8所述的二維成像裝置是使權利要求1～7中任一項所述的二維成像裝置中所述的照明光學系統包括光積分器。
這樣能有效地於空間光調製元件上實現均勻的照明。
本發明權利要求9所述的二維成像裝置是在權利要求8所述的二維成像裝置中，使上述光積分器由至少兩片透鏡陣列組成。
這樣能有效地實現無明暗不勻。
權利要求10所述的二維成像裝置是在權利要求8所述的二維成像裝置中，使上述光積分器由棒型光積分器組成。
這樣就有效於由簡單的結構實現空間光調製元件上的均勻照明。
權利要求11所述的二維成像裝置是在權利要求1～7任一項所述的二維成像裝置中，使上述擴散板由表面加工成可獲得所需擴散角的準隨機擴散板組成。
這樣就能在可實現均勻的擴散角與透過率，更低噪聲的清晰圖像顯示。
權利要求12所述的二維成像裝置是在權利要求11所述的二維成像裝置中，上述準隨機擴散板是通過加工透明基板，使其表面分成格子狀的小區且相鄰小區的高度相異而構成的。
這樣就可通過小區的大小嚴格地控制通過擴散板的光，能有效地提高光的利用效率。
本發明權利要求13所述的二維成像裝置是在權利要求12所述的二維成像裝置中，使加工上述透明基板所成的準隨機擴散板其相鄰小區的高度差設定成為讓通過這些小區的光的相位只相差π/4。
由此能製成使擴散角恆定的擴散板，可有效地提高光的利用效率。
本發明權利要求14所述的二維成像裝置是在權利要求11所述的二維成像裝置中，使上述準隨機擴散板具有其表面高度連續變化的凹凸表面形狀。
這樣就能避免由於擴散板表面相鄰的凹凸部間的階梯形生成大的角度散射而發生高次衍射光，從而不會有因投影透鏡的移動造成的光損耗，得以提高光的利用率。
圖1說明本發明實施形式1的二維成像裝置。
圖2說明本發明實施形式1的二維成像裝置的照明光學系統。
圖3(a)示明上述實施形式1的二維成像裝置中照明光的數值孔徑、空間光調製元件的出射光的數值孔徑，擴散板與空間光調製元件間的距離。
圖3(b)示明上述實施形式1的二維成像裝置中擴散板的擴散角。
圖4(a)示明本發明實施形式2的二維成像裝置中擴散板的擴散角。
圖5說明本發明實施形式3的二維成像裝置，示明了此二維成像裝置所用的準模擬擴散板。
圖6(a)說明本發明實施形式4的二維成像裝置，同時是說明此二維成像裝置所用準隨機擴散板的平面圖。
圖6(b)是說明上述實施形式4的二維成像裝置所用準隨機擴散板的剖面圖。
圖7概示已有二維成像裝置的結構。
具體實施例方式
下面參照
本發明的實施形式。
(實施形式1)圖1概示本發明實施形式1的二維成像裝置的結構。
圖1所示的二維成像裝置110具有與RGB三色各原色信號對應的相干光源雷射源1a～1c；擴散光的擴散板6a～6c；將上述雷射源1a～1c輸出的雷射L1a～L1c分別照射到上述擴散板6a～6c上的照明光學系統。此外，二維成像裝置110還有擺動上述各擴散板6a～6c的擴散板擺動部13a～13c，調製上述擴散板6a～6c擴散的來自上述各雷射源1a～1c的光且是由液晶板等構成的空間光調製元件7a～7c，將通過上述各空間光調製元件7a～7c的光合波的二向稜鏡9，將上述二向稜鏡9合波的光投影到屏面11上的投影透鏡10。
這裡，雷射源1a是輸出紅色雷射L1a的紅色雷射源，雷射源1b是輸出綠色雷射L1b的綠色雷射源，雷射源1c是輸出藍色雷射L1c的藍色雷射源。至於雷射源1a～1c可採用He-Ne雷射器、He-Cd雷射器、Ar雷射器等氣體雷射器、AlGaInP系或GeN系半導體雷射器，或是以固體雷射器的輸出光為基波的SHG(次諧波振蕩)雷射器等。
對應上述紅色雷射源的照明光學系統具有將上述雷射源1a的光擴大的光束擴展器2a，將此光束擴展器2a擴大的光作二維區分而擴大投影的光積分器3a。此光學系統還有將上述光積分器3a放大投影的光聚光的聚光透鏡12a，反射所聚的光的反射鏡15a，變換該反射鏡15a的反射光且照射到擴散板6a上的向場透鏡8a。此向場透鏡8a是用來為了讓光更有效地通過上述投影透鏡10的孔徑，而將通過上述擴散板6a入射到上述空間光調製元件7a的光變換為聚焦光束的。
對應上述綠色雷射源1b的照明光學系統具有將上述雷射源1b的光擴大的光束擴展器2b，將此光束擴展器2b擴大的光作二維區分擴大投影的光積分器3b。此光學系統還有將上述光積分器3b放大投影的光聚光的聚光透鏡12b、變換所聚的光且照射到擴散板6b上的濾光鏡8b。此濾光鏡8b是用來為了讓光更有效地通過上述投影透鏡10的孔徑，而將通過上述擴散板6b入射到上述空間光調製元件7b的光變換為聚焦光束的。
對應上述藍色雷射源1c的照明光學系統具有將上述雷射源1c的光擴大的光束擴展器2c，將此光束擴展器2c擴大的光作二維區分擴大投影的光積分器3c。此光學系統還有將上述光積分器3c放大投影的光聚光的聚光透鏡12b，反射所聚的光的反射鏡15c，變換該反射鏡15c的反射光且照射到擴散板6c上的濾光鏡8c。此濾光鏡8c是用來為了讓光更有效地通過上述投影透鏡10的孔徑，而將通過上述擴散板6c入射到上述空間光調製元件7c的光變換為聚焦光束的。
下面說明與上述紅色雷射源1a對應的照明光學系統的原理。
圖2是將圖1所示的二維成像裝置中紅色雷射源1a對應的照明光學系統簡化示明的模式圖。圖2中與圖1內相同的標號表示相同的內容，對應綠色雷射源1b的照明光學系統和對應於藍色雷射源1c的照明光學系統它們與對應紅色光源1a的照明光學系統有相同的結構。
光束擴展器2a包括使光源的光入射的放大鏡21以及使該放大鏡21的出射光成為平行光束的準直透鏡22。
光積分器的光學系統3a由兩塊二維透鏡陣列4與5組成。透鏡陣列4由排列成矩陣列的多個元件41組成，透鏡陣列5由排列成矩陣列形的多個元件51組成。此透鏡陣列4與5分別由各元件透鏡排列成，使得通過空間光調製元件側的元件透鏡51讓光源側元件透鏡41的像全部於空間光調製元件7a上成像，由準直透鏡22準直的光分布成在該透鏡陣列4上的中央附近明亮而在其周邊上變暗。透鏡陣列4與5以相當於透鏡陣列4微小區域的各元件透鏡41切取照射到透鏡陣列4上的光，通過使各元件透鏡41切取的光全部於空間光調製元件7a上重合，能使空間光調製元件7上的光強分布均勻。
上述擴散板擺動部13a是為了減少投影到屏面上的圖像中存在的光譜噪聲用來擺動擴散板的，能通過設定擺動擴散板6的工作條件有效地減少光譜噪聲。
下面說明有關操作。
從紅、綠、藍雷射源1a、1b、1c出射的雷射L1a、L1b、L1c經各自對應的照明光學系統，入射到擴散板6a～6c上而為其擴散。與各擴散板6a～6c相鄰配置的空間光調製元件7a～7c為擴散板6a～6c擴散的雷射照明，在各空間光調製元件7a～7c上形成二維圖像。然後，通過各空間光調製元件7a～7c的光由二向稜鏡9合波，合波而成的光經投影透鏡10投影到屏面11上。
這裡的與紅色雷射源1a對應的照明光學系統中，將此雷射源1a的光由光束擴展器2a放大，此放大的光由光積分器3a作二維區分，放大投影。此外在該照明光學系統中，由上述光積分器3a放大投影的光通過聚光透鏡12a聚光，再經反射鏡15a和向場透鏡8a入射到擴散板6a中。此時，上述向場透鏡8a為使光高效地通過上述投影透鏡10的孔層內，將通過上述擴散板入射到上述空間光調製元件7a的光變換為聚焦光束。
對應於綠色雷射源1b的照明光學系統與對應紅色雷射源1a的照明光學系不同，由聚光透鏡12b會聚的光直接入射到向場透鏡8a之上。在藍色雷射源1c對應的照明光學系統中，從雷射源1c輸出的光與對應紅色雷射源1a的照明光學系統完全相同，導引到擴散板6c上。
擴散板擺動部13a～13c在將調製的雷射投影到屏面上的狀態下，將對應的擴散板6a～6c各個擺動，亦即使它們定向地進行往復運動。
下面用圖3說明上述擴散板的工作條件。
圖3(a)以對應於本實施形式1的二維成像裝置110中紅色雷射源1a對應的照明光學系統為例，此圖示明了照明光學系統的數值孔經NAin，空間光調製元件7a的出射光的數值孔徑NAout，擴散板6a與空間光調製元件7a用的距離L。圖3(b)示明擴散板的擴散角，在這兩個圖中，與圖1相同的標號表示相同的內容，至於對應綠色雷射源1b的照明光學系統和對應藍色雷射源1c的照明光學系統中，其擴散板的工作條件與對應紅色雷射源1a的照明光學系統中的相同。
首先說明擴散板6a～6c的擺動速度。
通過擴散板6a的光照射到光間光調製元件7a上後，在該空間光調製元件7a之上形成了與擴散板的粒狀性質對應的光譜圖案。光譜噪聲通過應用擴散板擺動部13a擺動擴散板6a而抑制。這就是說，擴散板6a的擺動使光譜圖案相對於空間光調製元件7a平行移動，使觀察圖像中的光譜平均化。此時，擴散板6a的擺動速度由其粒狀性質規定。具體地說，擴散板6a的擺動速度是能使由擴散板6a的粒狀性質決定的粒度d，例如擴散板6a的隨機表面形狀中峰與峰或谷與谷的距離d，在人眼特性的殘留圖像時間(約1/30秒)內移動的速度。因此，擴散板6a的擺動速度V(mm/sec)最好滿足條件V＞d×30 (1)具體地說，通常的擴散板6a由於具有粒度為5～100(μm的粒狀性質，因而擴散板6a的擺動速度最好為數百μm/sec到數mm/sec)。
擴散板6b、6c的擺動速度也與上述擴散板6a的擺動速度作同樣地規定。
其次說明擴散板6a～6c的擴散角。
擴散板6a～6c的擴散角θ由投影投鏡10的f值限定，也即相對於投影透鏡10的f值以超過1/f弧度的角度入射的光為投影透鏡10遮光。因此，為了充分保證光的利用效率，需使空間光調製元件7a的出射孔的數值孔徑NAout在1/f以下。這就是說，擴散板6a的擴散角θ，包含光積分器3a的照明光學系統的實際數值孔徑NAin以及投影透鏡10的亮度f之間，最好成立下述關係式
θ/2+Sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f) (2)這裡的擴散角定義為當以與擴散板平行的光入射時，出射光強為中心光強1/2的角度(全形)。
例如當採用擴散角θ(θ＝10°)的擴散板與數值孔徑NAin(NAin＝0.1)的光積分器時，投影透鏡10最好用約為f5的。
簡單地說，將上式(2)變形，得以下式(2a)(2×Tan((θ/2+Sin-1(NAin))/2)-1＞f (2a)於式(2a)的左邊以10代入變數θ，以0.1代入NAin後，即得(2×Tan((5°+Sin-1(0.1))/2))-1＝5.7因此，若投影透鏡10的亮度f若為5時能滿足式(2)的關係。
擴散板6b、6c的擴散角也與上述擴散板6a的擴散角作同樣的設定。
為了能高效地利用擴散板6a，除規定上述的擴散板6c的擺動速度與擴散角外，還需規定擴散板6a與空間光調製元件7a的間距。在此，若空間光調製元件7a與擴散板6a的間距大，則為擴散板6a散射的光的一部分散射到空間光調製元件7a的圖像顯示部分外側。成為總的光損耗。為將此光損耗抑制到一定值以下，擴散板6a與空間光調製元件7a的間距L最好要在擴散板6a的擴散角θ，包含光積分器3a的照明光學系統實際的數值孔徑NAin、擴散板6a與空間光調製元件7a的間距L以及空間光調製元件7a的圖像顯示範圍的對角線長度D之間，按成立關係式(θ/2+NAin)×L＜D/3 (3)設定。
對於採用表面上形成隨機凹凸圖案結構的擴散板6a時，局部的擴散角與透過率會因擴散板6a上的場所而異。於是，當擴散板6a位於空間光調製元件7a鄰近時，由於此透過率的偏差，空間光調製元件7a上的光強分布也產生波動，而與擴散板6a的運動相對應的亮度不穩定的波動也會出現於屏面上。而這將重疊到圖像上，為了防止這種現象，將擴散板6a設置到離空間光調製元件7a大於一定距離。在擴散板6a上由於構成光積分器3a的透鏡陣列5各元件透鏡的光分別由不同方向入射，若充分加大擴散板6a與空間光調製元件7a的距離，則能使擴散板6a擴散的各元件透鏡的光的照度不勻性平均化。亦即最好將擴散板6a與空間光調製元件7a的間距L，在擴散板6a的透過率的不穩定節距P，光積分器3a的實際數值孔徑NAin與此間距L之間設定成滿足關係式L＞P/NAin(4)此外，為了更有效地利用擴散板6a，根據式(3)與(4)，擴散板6a與空間光調製元件7a的間距L最好按照滿足關係式P/NAin＜L＜D/(3×(θ/2+NAin))(5)設定。
通常的擴散板的透過率的不穩定性節距P是在擴散板6a的粒狀性質d的10倍以下。因而例如在採用包含數值孔徑0的光積分器3a的照明光學系統時，若是擴散板6a的粒狀性質為5～100μm時，擴散板6a與空間光調製元件7a之間最好離開數百μm～10mm以上。
至於擴散板6b與空間光調製元件7b的距離以及擴散板6c與空間光調製元件7c的距離都與上述擴散板6a和空間光調製元件7a的距離作同樣地設定。
這樣，在本實施形式1中通過具備RGB三色的雷射光源1a～1c，擴散光的擴散板6a～6e，使上述雷射光源1的光照射到上述擴散板上的照明光學系統，使上述擴散板6a～6c擺動的擴散板擺動部13a～13c，與上述擴散板6a～6c鄰近設置對該擴散板6a～6c擴散的上述雷射源1a～1c的光進行調製的空間光調製元件7a～7c，再對擺動上述擴散板6a～6c的工作條件作出規定，就能實現清晰的無噪聲的高質量圖像顯示。
亦即在本實施形式1中，由於將上述擴散板6a～6c的擺動速度在擴散板的粒度d與擺動擴散板6a～6c的速度V之間按照成立V＞d×30(mm/sec)的關係設定，從而可以有效地減少投影到屏面上的圖像中存在的光譜噪聲。
此外，在本實施形式1中由於是根據照明光學系統的實際的數值孔徑NAin與上述投影透鏡的亮度來決定擴散板6a～6c的角度θ，擴散板的擴散角，照明光學系統的實際數值孔徑，投影透鏡的亮度就會有合適的關係，故可防止投影投鏡移動導致的光損耗而能有清晰的圖像顯示。
在本實施形式1中，由於是將上述空間光調製元件7a～7c與擴散板6a～6c的間距L根據上述擴散板的擴散角θ，光學系統的實際數值孔徑NAin與空間光調製元件對角方向畫面尺寸D確定，因而擴散板的擴散角，照明光學系統的實際數值孔徑，空間光調製元件的對角方向的畫面尺寸能有合適的關係，於是能防止擴散板導致光散射到空間光調製元件的圖像顯示部分的外側，而可減少從雷射光源到屏面上的光的傳輸路徑上總的光損耗。
在本實施形式1中，由於空間光調製元件7a～7c與擴散板6a～6c的間距L是根據擴散板的透過率不穩定節距與照明光學系統實際的數值孔徑NAin決定，從而擴散板的擴散角，擴散板的透過率不穩定性節距，照明光學系統的實際數值孔徑以及擴散板與空間光調製元件的距離之間能有合適的關係，因而可以防止擴散板局部透過率不穩定導致圖像惡化，能夠進行高質量的圖像顯示。
再有，在本實施形式1中由於上述照明光學系統包含光積分器，故可於空間光調製元件上實現均勻的照明。
(實施形式2)圖4(a)與4(b)說明本發明的實施形式2的二維成像裝置，圖4(a)示明照明光的數值孔徑NAin與空間光調製元件7a的出射光的數值孔徑NAout，圖4(b)示明擴散板6a的擴散角θ，這兩個圖中的與圖3中相同或相當的結構要素採用相同標號而略去其說明。
本實施形式2的二維成像裝置120的紅色雷射源1a所對應的照明光學系統中，取代前述，實施形式1的二維成像裝置110的紅色雷射源所對應的照明光學系統的光積分器3a與聚光透鏡12a，而設置有棒型光積分器14a與投影透鏡15a。
上述棒型光積分器14a例如是由玻璃等製成具有矩形剖面的透明介質且於其內部形成有反射光的反射面，通過將放大透鏡21放大的光反射到內部，於其出射側端面上將其光強分布作為均勻分布出射。
上述投影透鏡15a使上述棒型光積分器14a的光一一對應於其出射側端面相對的空間光調製元件7a的圖像顯示部分而投影到空間光調製元件7上。
此外，圖中雖未示明，本實施例2的二維成像裝置120的綠色雷射源1b與藍色雷射源1c兩者所對應的照明光學系統，與此實施形式2的紅色激以源1a對應的照明光學系統相同，取代上述實施形式1的二維成像裝置110的綠色雷射源1b與藍色雷射源1c分別對應的照明光學系統的光積分器3b、3c與聚光透鏡12b、12c，而設置有棒型光積分器與投影透鏡。
下面說明有關操作。
在本實施形式2的二維成像裝置120中，與實施形式1的二維成像裝置110相同，從紅色、綠色、藍色雷射光源出射的光分別經對應的照明光學系統入射到擴散板上而由擴散板擴散。由擴散板擴散的雷射照明空間光調製元件，於各空間光調製元件上形成二維圖像。然後，通過各空間光調製元件的光由二向稜鏡合波，合波的光徑投影透鏡投影到屏面上。
在與紅色雷射源1a對應的照明光學系統中，來自此雷射源1a的光徑放大透鏡21入射到棒型光積分器14a上，於棒型光積分器14a內反覆進行內部反射，於其出射側端面以均勻的光強分布出射。出射的光通過投影透鏡15a使其出射側端面相對於空間光調製元件7a的圖像顯示部分成一一對應地投影到空間光調製元件7a上。由此，照明空間光調製元件7a的光源具有均勻的光強分布。
與綠色雷射源相對應的照明光學系統與紅色雷射源1a對應的照明光學系統不同，如圖1所示，通過聚光透鏡12b會聚的光直接入射到向場透鏡8a。在與藍色雷射源1c對應的照明光學系統中，從該雷射源1c輸出的光與對應於紅色雷射源1a的照明光學系統完全相同，導向擴散板6c。
這樣，在本實施形式2中，通過設定擺動上述擴散板6a～6c的工作條件，可以獲得清晰而無噪聲的高質量的圖像顯示。
此外，在此實施形式2中，由於是把照明光學系統作為包含具有矩形剖面的玻璃等透明介質組成的棒型光積分器的結構，來取代實施形式1中兩片二維陣列透鏡f與5組成的光積分器，故能有效的以簡單的結構在空間光調製元件上實施均勻的照明。
(實施形式3)圖5說明本發明實施形式3的二維成像裝置，其中示明了構成該二維成像裝置的擴散板。
實施形式3與上述實施形式1、2的不同處是，在實施形式1、2之中作為擴散板採用的是表面上具有隨機凹凸狀的磨破玻璃型的擴散板，而在實施形式3中則採用表面具有規則的凹凸形狀的準隨機擴散板18。
實施形式1與2的擴散板通常是把玻璃或樹脂等透明基板表面進行隨機則地糙化處理製成，與此相反，實施形式3的準隨機擴散板則是把透明基板的表面分成格子狀，將各個分出的小區加工成使其高度與相鄰小區的高度不同，由此於其表面區域上形成凹凸。具體地說，此準隨機擴散板18的表面分割成二維的格子狀小區19，將其高度隨機地設定以使通過各小區的光的相位隨機的變化。凹凸的最大深度d在通過凹部與凸部的光的相位差為λ時，由於擴散板的折射率為n而空氣的折射率為1，從而成立d×(n-1)＝λ的關係式。於是凹凸的最大深度d可以是λ/(n-1)。
下面說明其作用與效果。
此實施形式3的二維成像裝置與實施形式1和2的二維成像裝置的不同點只是把準隨機擴散板用作擴散板1故下面只說明採用準隨機擴散板的優點。
具體地說，採用圖5所示準隨機擴散板18的優點是，通過擴散板18的光的擴散區可以根據小區的大小進行嚴格的控制。也即通過準隨機擴散板18的光是以下式(6)所示的光強分布擴散I(θ)＝{sin(α)/α}2(α＝θ×dc/(πλ)(6)上式中dc為格子狀小區19的小區間距，θ為擴散角。
例如在製作準隨機擴散板18的擴散角的半值全形為10°的擴散板18時，於式(6)中代入I(θ)＝1/2、θ＝10(2π/360)即可，當採用藍、綠、紅光波長分別為λ＝0.473、0.532、0.640μm的雷射源時，小區間距dc分別可按2.4、2.7、3.2μm製作。
作為準隨機擴散板18的製作方法可以採用通常的半導體工藝中可用的光刻法與蝕刻法在玻璃板上形成凹凸圖案的方法。此時，如圖5所示，將格子狀小區19的深度分別設定為相當於相移0、π/4、π/2、3π/4的深度，通過將玻璃板表面作兩次蝕刻處理，即相當於π/4與相移深度的蝕刻處理和相當於π/2相移深度的蝕刻處理，就可容易地製成準隨機擴散板18。
通過這樣地製作擴散板，就能解決通常的擴散板上因表面形狀隨機而產生的問題。
這就是說，圖5所示的準隨機擴散板18能解決(1)局部的擴散角因場所而異，(2)透過率因場所而變化而於圖像中產生光強分布不勻，(3)為難以製作擴散板使擴散角恆定，(4)取大的擴散角時偏轉方向紊亂等問題。
這樣，由於在本實施形式3中是將準隨機擴散板18用作擴散板，就能實現均勻的擴散角與透過率，可使噪聲更少和進行清晰的圖像顯示。
在本實施形式3中，由於是將上述準隨機擴散板18的表面區分成格子的小區加工成相鄰小區的高度不同，就可藉助小區的大小來嚴格地控制通過擴散板18的光的擴散角，而能有效地提高光的利用率。
此外，由於本實施形式3中是把上述準隨機擴散板18表面的相鄰小區的高度差設定成使通過這些小區的光的相位只相移π/4，故能穩定地製成使擴散角恆定的擴散板，可有效提高光的利用率。
(實施形式4)
圖6(a)與6(b)說明本發明實施形式4的二維成像裝置，圖6(a)是示明構成上述二維成像裝置的擴散板的平面圖，圖6(b)示明圖6(c)的AA』剖面。
此實施形式4的二維成像裝置是取代了實施形式3的二維成像裝置中的準隨機擴散板18，而採用表面凹凸變化平滑結構的準隨機擴散板20。
下面說明其作用與效果。
此實施形式4中的二維成像裝置，由於只是在採用表面形狀與實施形式3的二維成像裝置中擴散板不同的準隨機擴散板20這一點上與實施形式3不同，故下面只說明利用這一準隨機擴散板20的優點。
圖6所示的準隨機擴散板20中不會產生因擴散板表面鄰接的凹凸部階差造成大角度散射的高次衍射光，故可提高光的利用率。
衍射光的衍射角與凹凸狀粒狀性質的尺寸d有關。當這種粒狀形尺寸d大時，衍射角小；而當粒狀性尺寸d小時，衍射角度大。在本實施形式4中，通過將粒狀性尺寸d設定到一定值以下可將衍射角抑制到一定值之下，結果不會有超過投影透鏡10的f值的光線，提高了光的利用率。
製備具有平滑變化凹凸形的準隨機擴散板20的方法是，首先將玻璃基板表面加工成具有隨機的面向分布的階梯形，也即成為有階梯部隨機分布的表面形狀。
具體地說，於玻璃基板表面上旋塗的光刻膠，由光刻法製成具有隨機面內分布的光刻膠圖案。將製成的光刻膠圖案用離子蝕刻、溼蝕刻等方法複製玻璃基板表面形狀。這樣製成的玻璃基板表面便成為凹部與凸部隨機分布的階梯形狀。
然後將此玻璃基板表面進行研磨處理使其表面的凸凹變化平滑化。此時將軟皮等柔性材料用作研磨板，如圖6(b)所示，基板表面的凹部與凸部成為隨機分布的階梯形，而表面的高度變化則成為緩變的凹凸形。由於研磨之際基板表面的凹部塗度會減小，於是為了獲得所需的凹部深度Dx，最好將通過蝕刻製成的基板表面的凹部深度為所需凹部深度Dx的2～3倍。
這樣，本實施形式4中由於將表面的凹凸變化取平滑結構的準隨機擴散板20用作擴散板，就能避免產生因擴散板表面相鄰凹凸部之間階梯差產生的大角度而散射的高次衍射光，於是不會有因投影透鏡10移動所致的光損耗，可以提高光的利用率。
在以上說明中雖然是舉彩色圖像投影裝置為例，但本發明也可用於單色雷射圖像投影裝置，例如也可用於半導體曝光裝置等。
此外在上述各實施形式中，二維成像裝置是就投影光學系統與屏面相獨立的投影型顯示器的情形進行說明，但這種二維成像裝置也可以是投影光學系統與透過型屏面相組合的背面投射型二維成像裝置。
本發明的二維成像裝置能進行明晰的，無噪聲的高質量圖像顯示，可用於電視接收機，圖像投影機等圖像顯示裝置以及半導體曝光裝置等成像裝置中。
權利要求
1.一種二維成像裝置，用於通過光調製形成二維圖像，其特徵在於包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；擺動上述擴散板的擴散板擺動部；鄰近上述擴散板設置且對該擴用板擴散的來自上述相干光源的光進行調製的空間光調製元件，上述擴散板擺動部以滿足在上述擴散板的粒子尺寸d與擺動上述擴散板的速度V之間成立的下式V＞d×30(mm/sec)的速度，來擺動上述擴散板。
2.一種二維成像裝置，它是通過調製形成二維圖像的裝置，其特徵在於包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，上述擴散板根據上述照明光學系統的實際數值孔徑與上述投影透鏡的亮度來決定其擴散角。
3.根據權利要求2所述的二維成像裝置，其特徵在於，上述擴散板的擴散角θ，上述照明光學系統的實際數值孔徑NAin與上述投透鏡亮度f之間成立關係式θ/2+Sin-1(NAin)＜2×Tan-1(1/2f)。
4.一種二維成像裝置，用於通過光調製形成二維圖像的裝置，其特徵在於包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行光調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，上述空間光調製元件與上述擴散板則僅隔開基於上述擴散板的擴散角、上述照明光學系統的實際數值孔徑、以及上述空間光調製元件對角方向畫面尺寸所決定的距離而設置。
5.根據權利要求4所述的二維成像裝置，其特徵在於，在上述擴散板的擴散角θ、上述照明光學系統的實際數值孔徑NAin、上述空間光調製元件與上述擴散板之間的距離L、以及上述空間光調製元件對角方向的畫面尺寸D之間，成立關係式(θ/2+sin-1(NAin)×L＜D/3。
6.一種二維成像裝置，用於通過光調製形成二維圖像，其特徵在於包括相干光源；擴散光的擴散板；將上述相干光源的光照射到擴散板上的照明光學系統；鄰近上述擴散板設置且對該擴散板擴散的來自上述相干光源的光進行光調製的空間光調製元件；將上述空間光調製元件進行光調製後所得到的圖像投影到空間中某個面上的投影透鏡，上述空間光調製元件與上述擴散板則僅隔開根據上述擴散板的透過率不穩定節距與上述照明光學系統實際的數值孔徑確定的距離而設置。
7.根據權利要求6所述二維成像裝置，其特徵在於，在上述擴散板的透過率不穩節距P、上述照明光學系統實際的數值孔徑NAin、上述空間光調製元件與上述擴散板之間距離L之間成立關係式L×NAin＞P。
8.根據權利要求1～7中任一項所述的二維成像裝置，其特徵在於，所述照明光學系統包括光積分器。
9.根據權利要求8所述的二維成像裝置中，其特徵在於，上述光積分器由至少兩片透鏡陣列組成。
10.根據權利要求8所述的二維成像裝置中，其特徵在於，上述光積分器由棒型光積分器組成。
11.根據權利要求1～7任一項所述的二維成像裝置，其特徵在於，上述擴散板由表面加工成可獲得所需擴散角的準隨機擴散板組成。
12.根據權利要求11所述的二維成像裝置，其特徵在於，上述準隨機擴散板是通過加工透明基板，使其表面分成格子狀的小區且相鄰小區的高度相異而構成的。
13.根據權利要求12所述的二維成像裝置，其特徵在於，加工上述透明基板所成的準隨機擴散板其相鄰小區的高度差設定為讓通過這些小區的光的相位只相差π/4。
14.根據權利要求11所述的二維成像裝置，其特徵在於，上述準隨機擴散板具有其表面高度連續變化的凹凸表面形狀。
全文摘要
本發明的二維成像裝置包括雷射源(1a)～(1c)、擴散光的擴散板(6a)～(6c)、將雷射源(1a)～(1c)的光照射到擴散到(6a)～(6c)上的照明光學系統、擺動擴散板(6a)～(6c)的擴散板擺動部(13a)～(13c)、鄰近擴散板(6a)～(6c)設置而調製上述擴散板(6a)～(6c)擴散的上述雷射源(1a)～(1c)的光的空間光調製元件(7a)～(7c)，通過使擴散板擺動部(13a)～(13c)以滿足擴散板粒度d與擴散板(6a)～(6c)的擺動速度V之間成立V＞d×30(mm/sec)的關係的速度擺動擴散板(6a)～(6c)，能有效地減少投影到屏面(11)上的圖像中存在的光譜噪聲。
文檔編號G02B27/18GK1826557SQ20048002101
公開日2006年8月30日 申請日期2004年7月22日 優先權日2003年7月22日
發明者笠澄研一, 水內公典, 山本和久 申請人:松下電器產業株式會社