Линза ввода-вывода, осветительное устройство и электронное устройство
Линза ввода-вывода предназначена для ввода-вывода первого света, имеющего первую длину волны, от первого источника света, совместно со вторым светом, имеющим вторую длину волны, от второго источника света, расположенного рядом с первым источником света. Линза содержит первую поверхность, обращенную к первому и второму источникам света. Первая поверхность включает первую и вторую области, первая область имеет кривизну первой области, и вторая область имеет кривизну второй области. Вторая поверхность расположена на противоположной стороне от первой поверхности и имеет кривизну второй поверхности. Положение центра кривизны первой области отличается от положения центра кривизны второй области. Центр кривизны второй поверхности и центр кривизны первой области расположены на оптической оси первого или второго источника света. Технический результат - повышение эффективности использования света и повышение качества волнового фронта световых потоков. 3 н. 17 з.п. ф-лы, 26 ил.
По этой заявке испрашивается приоритет заявки №2008-321135 на патент Японии, поданной 17 декабря 2008 года, раскрытие которой полностью включено в эту заявку, основанную на указанной выше заявке.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к осветительному устройству, сконфигурированному для объединения модулируемого света, излучаемого от множества источников света, и для излучения объединенного света в одном направлении. Настоящее изобретение также относится к линзе ввода-вывода, используемой в осветительном устройстве, установке воспроизведения изображений проекционного типа, такой как лазерный проектор сканирующего типа, и т.п., имеющей осветительное устройство, и электронному устройству, такому как мобильный телефон и что-либо подобное, в котором расположена установка воспроизведения изображений проекционного типа.
Уровень техники
Совсем недавно была разработана установка воспроизведения изображений проекционного типа (в дальнейшем называемая проектором) с использованием светоизлучающего диода, лазера или аналогичного элемента, и ожидается разработка портативного проектора небольшого размера.
В частности, был разработан малогабаритный проектор сканирующего типа, объединяющий лазеры трех основных цветов и зеркало на основе микроэлектромеханической системы (МЭМС), для которого требуется небольшое количество частей или компонентов и который допускает возможность микроминиатюризации (см., например, патент Японии №4031481).
На фиг.22 показан такой обычный проектор сканирующего типа, имеющий лазеры трех основных цветов и зеркало на основе микроэлектромеханической системы. Проектор, показанный на фиг.22, имеет полупроводниковые лазеры 1-R, 1-G и 1-В, сконфигурированные для излучения лазерного света, красного R, зеленого G и синего В соответственно, линзы 2-R, 2-G и 2В, сконфигурированные для фокусирования лазерного света, излучаемого от полупроводниковых лазеров 1-R, 1-G и 1-В соответственно, дихроичные зеркала 3R, 3G и 3В, сконфигурированные для отражения только красного света, зеленого света и синего света соответственно, и пропускания света других цветов, зеркальное устройство 501 на основе микроэлектромеханической системы, имеющее зеркало, сконфигурированное для получения переменного угла наклона, и управляющее устройство 502, выполненное с возможностью управления вращением или поворотом зеркального устройства 501 на основе микроэлектромеханической системы в горизонтальном и вертикальном направлениях и излучением лазерного света полупроводниковых лазеров 1-R, 1-G и 1-В, интенсивность света которых модулируется в соответствии с входными видеосигналами.
Управляющее устройство 502 имеет секцию управления зеркалом и секцию модуляции, и изображение формируется на экране 503 путем модуляции интенсивности лазерного света синхронно с углом поворота зеркального устройства 501 на основе микроэлектромеханической системы.
В таком способе объединения света различных цветов фокусирующая линза необходима для каждого лазера, так что число частей и компонентов возрастает и невозможно получать малогабаритное и легкое устройство.
На фиг.23 показан пример, в котором световые потоки от трех цветных источников света, красного 601R, зеленого 601G и синего 601В, объединяются дихроичной призмой 602 и фокусируются фокусирующей линзой 603 (см., например, публикацию №2001-154607 заявки на патент Японии).
Хотя в такой конфигурации использована только одна фокусирующая линза, источники света расположены таким образом, что направления излучения источников света отличаются друг от друга, вследствие чего недостаток заключается в невозможности получения малогабаритного и легкого устройства.
На фиг.24 показан пример, в котором световые потоки от двух источников света излучаются в по существу одном и том же направлении и вводятся-выводятся одной линзой ввода-вывода, а объединяются и излучаются по одному световому пути объединяющей два пучка призмой, и поэтому свет от множества источников света объединяется и излучается по одному световому пути.
Этот пример относится к системе оптического считывания с оптического диска, и излучения полупроводникового лазера 1011 с длиной волны 660 нм и полупроводникового лазера 1012 с длиной волны 780 нм превращаются в по существу параллельные световые потоки коллимирующей линзой 1020, и, чтобы обеспечить ввод в объектив, объединяющая два пучка призма 1031 сконфигурирована для согласования друг с другом оптических осей светового потока 660 нм и светового потока 780 нм.
Что касается коллимирующей линзы, использованной при считывании света с оптического диска, то для точной фокусировки света в пятно на рабочей поверхности оптического диска (1061, 1062) без вариации необходимо гарантировать достаточную интенсивность в распределении интенсивности света, падающего на край объектива 1050, относительно пиковой интенсивности источника лазерного света, так что фокусное расстояние коллимирующей линзы нельзя уменьшать.
Когда фокусное расстояние коллимирующей линзы является большим (около 10 мм или больше), эффективность ввода-вывода света от источника света уменьшается и эффективность использования света снижается.
Кроме того, вследствие большого фокусного расстояния невозможно сдерживать большой размер установки. Если фокусное расстояние коллимирующей линзы задавать небольшим, становится трудно исключать астигматизм, создающийся в свете, отражающемся на задней поверхности объединяющей два пучка призмы, при практических условиях, таких как интервал между двумя источниками света и толщина объединяющей два пучка призмы. В соответствии с этим трудно объединять световые потоки от двух источников света одной коллимирующей линзой с небольшим фокусным расстоянием. Обычная технология также описана в публикации №2002-207110 заявки на патент Японии.
Как описывалось выше, используя одну коллимирующую линзу с небольшим фокусным расстоянием, трудно объединять световые потоки от множества источников света с хорошим волновым фронтом на одном световом пути с помощью объединяющей два пучка призмы при излучении световых потоков двумя источниками света в по существу одинаковых направлениях и при использовании для ввода-вывода световых потоков одной линзы ввода-вывода, как это описано в известной технологии.
Сущность изобретения
В основном настоящее изобретение направлено на создание осветительного устройства, получение малогабаритного устройства, повышение эффективности использования света и на повышение качества волнового фронта световых потоков.
Для решения указанных выше задач предложена линза ввода-вывода согласно осуществлению настоящего изобретения, предназначенная для ввода-вывода первого света, имеющего первую длину волны, который излучается от первого источника света, совместно со вторым светом, имеющим вторую длину волны, который излучается от второго источника света, расположенного рядом с первым источником света, при этом первый и второй свет излучаются в по существу одном и том же направлении. Линза ввода-вывода включает в себя первую поверхность, расположенную с обращением к первому и второму источникам света, при этом первая поверхность включает в себя первую область, через которую проходит первый свет, и вторую область, через которую проходит второй свет, первая область имеет кривизну первой области и вторая область имеет кривизну второй области, и вторую поверхность, расположенную на противоположной стороне от первой поверхности и имеющую кривизну второй поверхности. Положение центра кривизны первой области, относящегося к кривизне первой области в первой области, отличается от положения центра кривизны второй области, относящегося к кривизне второй области во второй области. Центр кривизны второй поверхности, относящийся к кривизне второй поверхности на второй поверхности, и центр кривизны первой области расположены на оптической оси первого или второго источника света.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно первому осуществлению настоящего изобретения;
фигуры 2А и 2В - виды, показывающие расположение в пространстве центров кривизны первой и второй поверхностей линзы ввода-вывода;
фиг.3 - вид, показывающий оптическую систему с использованием обычной линзы ввода-вывода;
фиг.4 - вид, показывающий оптическую систему с использованием линзы ввода-вывода согласно осуществлению настоящего изобретения;
фиг.5 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно второму осуществлению настоящего изобретения;
фиг.6 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно третьему осуществлению настоящего изобретения;
фиг.7 - пояснительный вид, показывающий числовую апертуру линзы ввода-вывода в четвертом осуществлении настоящего изобретения;
фиг.8 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно пятому осуществлению настоящего изобретения;
фиг. 9А и 9В - виды, показывающие условия размещения источников света с точки зрения выделения теплоты;
фиг.10 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства, основанную на расчете, в случае, когда первая и вторая области имеют отличающиеся друг от друга фокусные расстояния;
фиг.11 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно седьмому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.12 - схематический вид, показывающий конфигурацию осветительного устройства согласно девятому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.13 - схематический вид, показывающий конфигурацию линзы ввода-вывода согласно десятому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.14 - схематический вид, показывающий еще одну конфигурацию линзы ввода-вывода согласно десятому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.15 - вид, показывающий зависимость между числовой апертурой линзы ввода-вывода и эффективностью ввода-вывода;
фиг.16 - схематический вид, показывающий конфигурацию установки воспроизведения изображений проекционного типа согласно двенадцатому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.17 - перспективный вид, показывающий конфигурацию зеркала на основе микроэлектромеханической системы в качестве сканирующего устройства;
фиг.18 - перспективный вид, показывающий использованную структуру мобильного телефона в качестве электронного устройства, в котором размещена установка воспроизведения изображений проекционного типа согласно тринадцатому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.19 - схематический вид, показывающий конфигурацию в случае, когда установка воспроизведения изображений проекционного типа использована в качестве индикатора на ветровом стекле транспортного средства;
фиг.20 - схематический вид, показывающий конфигурацию в случае, когда установка воспроизведения изображений проекционного типа использована в качестве оптической системы записи;
фиг.21 - схематический вид, показывающий осветительное устройство в случае, когда источники света (полупроводниковые лазеры) трех цветов, синего, зеленого и красного, заключены в одном модуле;
фиг.22 - схематический вид, показывающий обычную конфигурацию проектора сканирующего типа, имеющего лазеры трех основных цветов и зеркало на основе микроэлектромеханической системы;
фиг.23 - схематический вид, показывающий обычную конфигурацию, в которой свет от источников света трех основных цветов объединяется дихроичной призмой и фокусируется фокусирующей линзой; и
фиг.24 - схематический вид, показывающий обычную конфигурацию, в которой свет от множества источников света объединяется на один световой путь с помощью объединяющей два пучка призмы.
Вариант осуществления изобретения
Ниже предпочтительные осуществления этого изобретения будут описаны подробно на основании чертежей.
На фиг.1 показано осветительное устройство, имеющее линзу ввода-вывода, согласно первому осуществлению настоящего изобретения. Осветительное устройство включает в себя первый источник 1 света, сконфигурированный для излучения первого света, имеющего первую длину λ1 волны, второй источник 2 света, расположенный рядом с первым источником 1 света и сконфигурированный для излучения второго света, имеющего вторую длину λ2 волны, и линзу 5 ввода-вывода, сконфигурированную для ввода-вывода первого света совместно со вторым светом. Первый свет и второй свет излучаются в по существу одном и том же направлении. Линза 5 ввода-вывода имеет первую поверхность 5А, обращенную к первому и второму источникам 1, 2 света, и вторую поверхность 5В, расположенную на противоположной стороне относительно первой поверхности 5А и имеющую кривизну второй поверхности. Первая поверхность 5А включает в себя первую область 6, через которую проходит первый свет, и вторую область 7, через которую проходит второй свет. Первая область 6 имеет кривизну второй области, и вторая область 7 имеет кривизну второй области. Положение центра кривизны первой области, относящегося к кривизне первой области в первой области 6, отличается от положения центра кривизны второй области, относящегося к кривизне второй области во второй области 7. Центр кривизны второй поверхности, относящийся к кривизне второй поверхности на второй поверхности 5В, и центр кривизны первой области расположены на оптической оси первого 1 или второго 2 источника света. Первый и второй источники 1, 2 света установлены рядом друг с другом на одном и том же держателе 3 в виде одного модуля 4.
В качестве первого источника 1 света можно использовать полупроводниковый лазер, сконфигурированный для излучения света, имеющего длину волны в диапазоне красного участка спектра (в дальнейшем «красный лазерный диод»), и в качестве второго источника 2 света - полупроводниковый лазер, сконфигурированный для излучения света, имеющего длину волны в диапазоне синего участка спектра (в дальнейшем «синий лазерный диод»).
Диапазон синего участка спектра и диапазон красного участка спектра могут быть от 400 нм до 480 нм и от 600 нм до 700 нм соответственно. Можно использовать красный лазерный диод, излучающий красный свет, например, с длиной λ1 волны 640 нм, и синий лазерный диод, излучающий синий свет, например, с длиной λ2 волны 445 нм, и в нижеследующих примерах используются эти длины волн. Хотя в этом осуществлении красный лазерный диод 1 и синий лазерный диод 2 образованы на отдельных кристаллах и установлены на одном и том же держателе 3, красный лазерный диод 1 и синий лазерный диод 2 могут быть образованы на одном кристалле.
Осветительное устройство может включать в себя формирующий световой путь элемент, сконфигурированный для согласования светового пути первого света со световым путем второго света. Формирующим световой путь элементом может быть клиновидная призма.
Красный свет 11, излучаемый от красного лазерного диода 1, и синий свет 12, излучаемый от синего лазерного диода 2, вводятся-выводятся одной оптической системой ввода-вывода (в дальнейшем линзой ввода-вывода) 5 и далее направляются к клиновидной призме 13 в качестве формирующего свет элемента. На фиг.1 схематически показаны световые пути света каждого цвета.
Красный свет 11 и синий свет 12 входят в клиновидную призму 13, объединяются и излучаются по одному световому пути. В соответствии с этим осветительное устройство сконфигурировано таким образом, что свет двух видов в диапазонах длин волн синего и красного участков спектра излучается по одному световому пути.
Хотя в приведенном выше пояснении использовались диапазон длин волн красного участка спектра для первого источника света и диапазон длин волн синего участка спектра для второго источника света, можно использовать другие диапазоны длин волн.
Клиновидная призма 13 представляет собой плоскую пластинку, включающую в себя первую поверхность 20 призмы, через которую проходит свет в диапазоне длин волн синего участка спектра, и вторую поверхность 21 призмы, сконфигурированную для отражения света в диапазоне длин волн синего участка спектра. Первая поверхность призмы и вторая поверхность призмы, относящиеся к клиновидной призме 13, образованы на клиновидной плоской пластинке и относительно наклонены под углом α.
Красный свет 11 и синий свет 12 поступают на первую поверхность 20 призмы и отражаются на первой и второй поверхностях призмы и далее излучаются от них соответственно. Первая и вторая поверхности призмы, которые сконфигурированы для избирательного отражения или пропускания света в зависимости от длины волны, соответственно, могут быть образованы оптическими многослойными пленками, которые называют дихроичными фильтрами.
Далее будет конкретно пояснена линза 5 ввода-вывода. Первая поверхность 5А линзы 5 ввода-вывода, которая является поверхностью на стороне источников света, то есть поверхностью стороны источников света, имеет первую область 6, через которую проходит только красный свет 11, и вторую область 7, через которую проходит только синий свет 12.
Центр кривизны поверхности линзы в первой области 6 находится на месте, показанном позицией 8 на фиг.1, а центр кривизны поверхности линзы во второй области 7 находится на месте, показанном позицией 9 на фиг.1, то есть два центра кривизны находятся на местах 8, 9, которые отличаются друг от друга.
Вторая поверхность 5В линзы 5 ввода-вывода, которая находится на противоположной стороне относительно первой и второй областей 6, 7, образована как одна поверхность.
Относительные положения центров кривизны первой и второй поверхностей 5А, 5В линзы 5 ввода-вывода показаны на фиг. 2А и 2В. Свет излучается в направлении z, которое является направлением оптической оси каждого источника света. Оптические оси первого и второго источников 1, 2 света показаны позициями 30, 31.
На фиг.2А центр кривизны второй поверхности 5В линзы 5 ввода-вывода находится на месте, показанном позицией 32, и центр кривизны первой области 6 первой поверхности 5А находится на месте, показанном позицией 8.
Оба центра 8, 32 кривизны находятся на оптической оси первого источника 1 света, а поверхность линзы в первой области 6, относящейся к первой поверхности 5А линзы 5 ввода-вывода, и вторая поверхность 5В сконфигурированы так, что находятся в состоянии, в котором они не сдвинуты относительно друг друга. В соответствии с этим линзы легко рассчитывать без необходимости учета ухудшения характеристик вследствие сдвига поверхностей.
На фиг.2В показан случай, когда центры 9, 32 кривизны находятся на оптической оси второго источника 2 света. В этом примере первая область показана позицией 7 и вторая область показана позицией 6.
Будет показан пример конкретного расчета линзы ввода-вывода согласно настоящему изобретению.
Пример конкретного расчета настоящего изобретения показан в таблице 1 совместно с другим расчетом в качестве сравнительного примера, где поверхность на стороне источника света, то есть поверхность стороны источника света, образована как одна поверхность.
Конфигурацией, показанной на фиг.3, представлена оптическая система, полученная в соответствии с обычным проектированием системы, где поверхность линзы 5 ввода-вывода на стороне источников света образована как одна поверхность.
В конфигурации, показанной на фиг.3, позицией 1 обозначен источник света с длиной волны 640 нм, позицией 2 - источник света с длиной волны 445 нм и позицией 18 обозначено покровное стекло модуля 4, показанного на фиг.1.
Свет, излучаемый от одного из первого и второго источников света, который проходит через центр кривизны первой области, относящийся к первой области первой поверхности, и центр кривизны второй поверхности, может быть сконфигурирован для отражения на передней поверхности клиновидной призмы, и свет, излучаемый от другого из первого и второго источников света, может быть сконфигурирован для прохождения через вторую область первой поверхности и отражения на задней поверхности клиновидной призмы.
После того как свет от источников света 1, 2 связывается друг с другом линзой 5 ввода-вывода, свет 640 нм отражается на передней поверхности (в данном случае первой поверхности призмы) клиновидной призмы 13 и свет 445 нм отражается на задней поверхности (в данном случае второй поверхности призмы) клиновидной призмы 13. Угол при вершине клиновидной призмы 13 равен α, а позицией 19 обозначен световой поток света, который образуется объединением света с двумя длинами волн.
Конфигурацией, показанной на фиг.4, представлена оптическая система в разработанной системе, основанной на настоящем изобретении, где первая поверхность 5А линзы 5 ввода-вывода, которая находится на стороне источников света, разделена на первую область 6 и вторую область 7. Свет с длиной волны 640 нм сконфигурирован для прохождения через первую область 6 и свет с длиной волны 445 нм сконфигурирован для прохождения через вторую область. Иначе говоря, использована такая же конфигурация, как конфигурация, показанная на фиг.1.
В таблице 1 значение волновой аберрации получено для случая прохождения апланатического света со стороны первой поверхности 20 призмы, относящейся к клиновидной призме 13, то есть в направлении y, и фокусирования на стороне источников света.
Хотя при фактическом применении свет входит в клиновидную призму 13 со стороны источников света, полную аберрацию оптической системы можно оценивать этим способом.
Обратимся к результатам относительно волновой аберрации, показанным в таблице 1, для случая, когда поверхность линзы 5 ввода-вывода на стороне источников света образована как одна поверхность, при этом свет 640 нм является по существу апланатическим, а свет 445 нм имеет волновую аберрацию 0,17λ, так что конфигурация не находится на уровне практического применения.
С другой стороны, в случае, когда поверхность на стороне источников света, то есть первая поверхность 5А линзы 5 ввода-вывода согласно этому осуществлению настоящего изобретения, образована первой областью 6 и второй областью 7, свет 640 нм является по существу апланатическим, а свет 445 нм имеет волновую аберрацию 0,0352λ, так что конфигурация имеет волновую аберрацию, сниженную до практического уровня.
Волновая аберрация на практическом уровне составляет около 0,07λ (среднеквадратичное значение - СКЗ) или меньше.
Второе осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг.5.
Свет, излучаемый от источника света, который имеет оптическую ось, проходящую через положения центра 32 кривизны второй поверхности 5В линзы 5 ввода-вывода, которая находится на противоположной стороне относительно первой поверхности 5А, и центра 8 кривизны первой области 6 первой поверхности 5А линзы 5 ввода-вывода, отражается на передней поверхности 20 клиновидной призмы 13.
Световой поток, отражающийся на задней поверхности 21 клиновидной призмы 13, имеет астигматизм, а световой поток, отражающийся на передней поверхности 20 клиновидной призмы 13, не имеет аберрации в случае, когда отражающая поверхность 20 является идеальной плоской поверхностью. В соответствии с этой конфигурацией можно получать хорошие оптические свойства в случае, когда свет, проходящий через находящиеся на противоположных сторонах поверхности линзы 5 ввода-вывода без относительного сдвига, отражается на передней поверхности 20 клиновидной призмы 13.
С другой стороны, вторая поверхность 5В линзы 5 ввода-вывода, которая находится на противоположной стороне относительно первой поверхности 5А, и поверхность линзы из второй области 7 первой поверхности 5А линзы 5 ввода-вывода сдвинуты относительно друг друга так, что создается астигматизм. Можно устранять астигматизм, образующийся в линзе 5 ввода-вывода, и астигматизм, образующийся в случае, когда свет отражается на задней поверхности 21 клиновидной призмы 13, путем оптимизации конфигурации линзы (толщины, кривизны, асферичности, показателя преломления и т.п.), конфигурации клиновидной призмы (толщины, угла α при вершине, показателя преломления и т.п.) и положения точки свечения.
В соответствии с конфигурацией этого осуществления световые пути света от двух источников 1, 2 света можно объединять, чтобы формировать световой поток, имеющий небольшую аберрацию.
Третье осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг.6.
Осветительное устройство согласно этому осуществлению в дополнение к первому и второму источникам 1, 2 света, описанным в первом осуществлении (см. фиг.1), также включает в себя третий источник 14 света.
Более конкретно, третий источник 14 света расположен так, что излучает третий свет, имеющий третью длину волну, в направлении, которое отличается от направления излучения первого света от первого источника 1 света и второго света от второго источника 2 света. В этом осуществлении третий свет излучается в направлении, по существу перпендикулярном к первому и второму свету. В качестве третьего источника 14 света можно использовать источник зеленого света, сконфигурированный для излучения третьего света, имеющего длину волны в диапазоне длин волн зеленого участка спектра от 500 нм до 550 нм. В качестве источника зеленого света предпочтительно использовать полупроводниковый лазер. Однако в настоящее время фактически отсутствует зеленый полупроводниковый лазер, который можно использовать непрерывно, и поэтому используют гармоники твердотельного лазера или инфракрасного полупроводникового лазера.
Конкретная конфигурация источника зеленого света будет описана ниже, а в этом осуществлении использован источник света с длиной λ3 волны 530 нм.
Осветительное устройство также включает в себя добавочную линзу ввода-вывода или добавочную оптическую систему ввода-вывода (в дальнейшем «вторую линзу ввода-вывода») 15, сконфигурированную для ввода-вывода зеленого третьего света от источника 14 зеленого света и далее направления зеленого третьего света к клиновидной призме 13. Третий свет, проходящий через добавочную линзу ввода-вывода, может быть сконфигурирован для прохождения через клиновидную призму, а световой путь третьего света может быть сконфигурирован для согласования со световыми путями первого и второго света. Красный свет 11, синий свет 12 и зеленый свет 16, которые попадают на клиновидную призму 13, объединяются на одном световом пути и излучаются. Как описывалось выше, осветительное устройство сконфигурировано так, что световые потоки из диапазонов длин волн синего, красного и зеленого участков спектра излучаются по одному световому пути.
Как описывалось выше, хотя диапазон длин волн красного участка спектра использован для первого источника света, диапазон длин волн синего участка спектра использован для второго источника света и диапазон длин волн зеленого участка спектра использован для третьего источника света, можно использовать другие диапазоны длин волн. Источник света, который сконфигурирован для излучения объединенного света, красного, синего и зеленого света, является наиболее предпочтительным, поскольку такой источник света можно использовать для проектора сканирующего типа.
Как описывалось выше, поскольку трудно использовать полупроводниковый лазер в качестве источника зеленого света, то нелегко расположить источник зеленого света на одном держателе совместно с другими источниками света. В соответствии с этим конфигурация, в которой первый источник света является источником красного или синего света, второй источник света является источником синего или красного света и третий источник света является зеленым, предпочтительна для легкого изготовления.
Клиновидная призма 13 представляет собой плоскую пластинку, имеющую первую поверхность 20 призмы, сконфигурированную для отражения света диапазона длин волн красного участка спектра и пропускания света диапазонов длин волн синего и зеленого участков спектра, и вторую поверхность 21, сконфигурированную для отражения света диапазона длин волн синего участка спектра и пропускания света диапазона длин волн зеленого участка спектра. Клиновидная призма 13 имеет клиновидную плоскую пластинку, в которой первая и вторая поверхности клиновидной призмы 13 наклонены относительно друг друга.
Потоки 11, 12 красного и синего света, которые попадают на первую поверхность 20 призмы, отражаются на первой и второй поверхностях клиновидной призмы 13 и далее излучаются, соответственно. Поток 16 зеленого света попадает на вторую поверхность 21 призмы, проходит через вторую и первую поверхности 21, 20 призмы и далее излучается. Первая и вторая поверхности 20, 21 призмы сконфигурированы для избирательного отражения или пропускания светового потока в зависимости от длины волны светового потока и могут быть образованы оптическими многослойными пленками, которые называют дихроичными зеркалами.
Четвертое осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг. 1 и 7.
Интенсивность света, относящаяся к свету, излучаемому от источника света, который может выводиться линзой ввода-вывода, определяется числовой апертурой оптической системы.
Линза ввода-вывода может быть образована из множества материалов, имеющих показатели преломления, отличающиеся друг от друга.
Числовая апертура NA на фиг.7 определяется следующим уравнением (1):
NA=sinθ (1).
Позицией 101 обозначен источник света, позиция 102 соответствует линзе ввода-вывода, 103 соответствует положению кардинальной точки передней стороны, θ соответствует половине угла, при котором свет от источника света входит в линзу ввода-вывода, f является фокусным расстоянием линзы ввода-вывода и D является эффективным диаметром линзы ввода-вывода.
Свет, излучаемый из линзы 102 ввода-вывода, является параллельным светом. Необходимо, чтобы множество световых потоков вводилось-выводилось единственной линзой 102 ввода-вывода, и в случае, когда свет используют для освещения, каждый из диаметров световых потоков, излучаемых из линзы ввода-вывода, является по существу одним и тем же. Диаметр Φ света, излучаемого из линзы 102 ввода-вывода, получают в соответствии со следующим уравнением (2):
Φ=2×f×NA (2).
В соответствии с этим в случае, когда углы входа множества световых потоков являются по существу одинаковыми, то есть числовая апертура NA является по существу одной и той же, необходимо, чтобы фокусные расстояния линзы 102 ввода-вывода для множества световых потоков были по существу одинаковыми. В случае, когда длины волн источников света являются различными, показатели преломления материалов в линзе 102 ввода-вывода должны быть различными. Соответственно, в первом осуществлении, показанном на фиг.1, в поверхности линзы 5 ввода-вывода на стороне источника света радиусы кривизны первой области 6, через которую проходит только первый свет первой длины волны, и второй области 7, через которую проходит только второй свет второй длины волны, можно изменять для обеспечения возможности конфигурирования фокусного расстояния, чтобы фокусное расстояние единственной линзы ввода-вывода было по существу одинаковым для двух световых потоков, имеющих различные длины волн.
Результаты примера расчета линзы показаны в таблице 2. Радиусы кривизны первой и второй областей сконфигурированы так, что отличаются друг от друга, и в таком случае оптическая система может иметь одинаковое фокусное расстояние и одинаковую числовую апертуру для разного света, имеющего различные длины волн.
Пятое осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг. 1, 4, 7, 8, 9А и 9В. На фиг.8 те же самые позиции использованы для таких же конфигураций, как конфигурации на фиг.4. Поскольку в четвертом осуществлении радиус кривизны первой области 6 линзы 5 ввода-вывода задан отличающимся от радиуса кривизны второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, для света, имеющего различные длины волн, можно получать одно и то же фокусное расстояние и одну и ту же числовую апертуру, и поэтому световые потоки, излучаемые из линзы 5 ввода-вывода, могут иметь одинаковый диаметр.
В данном случае, если картины распределения интенсивности света (диаграмма направленности в дальней зоне: ДНДЗ) световых потоков, излучаемых от двух источников 1, 2 света, являются по существу одинаковыми, можно определить, что оптическая система находится в состоянии, в котором «световые потоки имеют по существу одинаковый диаметр».
Диаграмма направленности в дальней зоне полупроводникового лазера, который обычно используют в качестве источника света, является разной в зависимости от типа полупроводникового лазера. При рассмотрении различий диаграмм направленности в дальней зоне необходимо, чтобы в идеальном случае диаметр был одинаковым.
Чтобы установить одинаковыми диаметры световых потоков после прохождения через линзу 5 ввода-вывода в случае, когда источники 1, 2 света имеют отличающиеся друг от друга диаграммы направленности в дальней зоне, требуется только определить числовую апертуру линзы с тем, чтобы задать интенсивность света, входящего в линзу 5 ввода-вывода при максимальном угле.
В случае, когда диаметр D светового потока, который входит в линзу ввода-вывода, является постоянным, показанным на фиг.7, изменение числовой апертуры NA соответствует изменению фокусного расстояния линзы ввода-вывода.
Если для фиг.4 задать соотношение А<В, где А (в градусах) является диаграммой направленности в дальней зоне первого источника 1 света, измеряемой по полной ширине на половине максимума, и В (в градусах) является диаграммой направленности в дальней зоне второго источника 2 света, и к тому же f1>f2, где f1 представляет собой фокусное расстояние первой области линзы 5 ввода-вывода для света, проходящего через область 6 на фиг.4, и f2 представляет собой фокусное расстояние второй области линзы 5 ввода-вывода для света, проходящего через область 7 на фиг.4, распределения интенсивностей двух световых пучков 19, объединяемых клиновидной призмой 13, могут быть по существу одинаковыми.
На фиг.8 показаны световой путь и форма линзы 5 ввода-вывода, рассчитанной так, чтобы соблюдалось f1>f2, а в таблице 3 показаны результаты для разработанной конфигурации. В результате при изменении фокусных расстояний первой и второй областей 6, 7 положения первого и второго источников 1, 2 света отклоняются друг от друга в направлении z, что показано посредством Δd на фиг.8.
На фиг. 9А и 9В показано состояние, в котором точки излучения (источники света) 1, 2 расположены на держателе 3. Когда источники 1, 2 света излучают свет, источники 1, 2 света выделяют теплоту, и необходимо отводить теплоту, чтобы предотвращать ухудшение характеристик, снижение срока службы изделия и т.п. Держатель 3 выполнен с возможностью отвода теплоты, выделяемой источниками 1, 2 света, и предпочтительно, чтобы контактный участок между источниками 1, 2 света и держателем 3 был большим.
В соответствии с этим, когда два источника 1, 2 света разносят в направлении z на фиг. 9А, 9В, один источник света нельзя смещать от держателя 3 вперед в направлении излучения, и поэтому его смещают к задней стороне держателя 3.
На фиг.9А представлен вид, иллюстрирующий состояние, в котором источник 1 света смещен на держателе 3 к задней стороне. В этом состоянии нет проблемы с отводом теплоты. Однако, как показано на фиг.9В, наблюдаемой с направления y, если источник света чрезмерно сместить к задней стороне, участок на стороне держателя 3 в направлении x на фиг.9В в пределах света, излучаемого от источника 1 света, дойдет до держателя 3 или будет затеняться держателем 3, так что возможно искажение распределения излучаемого света.
В соответствии с этим предпочтительно, чтобы точки излучения двух источников 1, 2 света находились по существу в одном положении по направлению z на фиг.9В.
Толщина линзы в первой области может отличаться от толщины линзы во второй области.
Если места точек излучения первого и второго источников 1, 2 света располагать по существу на одной позиции в направлении излучения, один источник света не будет отнесен от держателя 3, так что можно получать эффективный отвод теплоты от источников света. Кроме того, нет необходимости располагать один источник света на задней поверхности держателя, так что можно предотвращать затенение держателем света, излучаемого от источника света. В случае, когда фокусное расстояние f1 первой области линзы 5 ввода-вывода отличается от фокусного расстояния f2 второй области линзы 5 ввода-вывода, отклонение двух точек 1, 2 излучения компенсируют заданием толщины первой области линзы ввода-вывода, отличающейся от толщины второй области линзы 5 ввода-вывода.
На фиг.10 показаны световой путь и форма линзы 5 ввода-вывода, а в таблице 4 показаны результаты для рассчитанной конфигурации. Показано, что отклонение точек 1, 2 излучения в направлении z можно уменьшить при таком фокусном расстоянии, такой числовой апертуре и волновой аберрации линзы, как показанные на фиг.8 и в таблице 3.
Далее будет пояснено шестое осуществление настоящего изобретения.
Если длина волны светового потока изменяется, угол преломления светового потока, отражающегося на задней поверхности клиновидной призмы 13, изменяется, так что угол отражения изменяется. С другой стороны, отсутствует изменение угла преломления светового потока, отражающегося на передней поверхности клиновидной призмы 13, поскольку световой поток отражается без преломления света.
Длина волны полупроводникового лазера изменяется вследствие изменения выходной мощности излучения, температуры или аналогичных факторов. В общем случае изменение длины волны красного полупроводникового лазера на один разряд больше, чем изменение длины волны синего полупроводникового лазера.
В связи с этим свет, излучаемый из красного полупроводникового лазера, длина волны которого изменяется в значительной степени, конфигурируют для отражения на передней поверхности клиновидной призмы 13, а свет, излучаемый из синего полупроводникового лазера, длина волны которого изменяется меньше, конфигурируют для отражения на задней поверхности клиновидной призмы 13. В соответствии с этим, даже если длина волны изменяется вследствие изменения температуры, можно уменьшить изменение угла света, отражающегося на клиновидной призме 13.
Далее будет пояснено седьмое осуществление настоящего изобретения.
Чтобы повысить эффективность ввода-вывода света от источника света, то есть эффективность использования света, необходимо увеличить числовую апертуру линзы 5 ввода-вывода, то есть повысить значение NA в уравнении (2).
Как описывалось в четвертом осуществлении, когда диаметр светового потока, который входит в линзу ввода-вывода, показанный как D на фиг.7, является постоянным, при изменении NA изменяется фокусное расстояние линзы 5 ввода-вывода. Кроме того, в этом случае увеличение NA соответствует уменьшению фокусного расстояния.
Эффективное фокусное расстояние каждой из первой и второй областей 6, 7 может быть 5 мм или меньше.
На фиг.11 и в таблице 4 показаны результаты для рассчитанной конфигурации в случае, когда фокусное расстояние составляет 5 мм. Когда фокусное расстояние становится малым, ухудшение характеристик в части волновой аберрации света, проходящего через поверхность линзы, относящейся ко второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, становится значительным. Чтобы ослабить ухудшение, поверхность линзы, относящуюся ко второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, предпочтительно делать асферической поверхностью.
Асферическая форма выражается следующим уравнением (3):
где:
- радиус параксиальной кривизны;
- коническая постоянная;
- коэффициенты асферичности.
Результаты для рассчитанной конфигурации, в которой поверхность линзы, относящаяся ко второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, образована как асферическая поверхность, показаны в таблице 6. Волновая аберрация света, проходящего через поверхность линзы, относящуюся ко второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, улучшена. В случае, когда требуется, чтобы фокусное расстояние было небольшим для улучшения характеристик и повышения эффективности ввода-вывода, в дополнение ко второй области 7 линзы 5 ввода-вывода первую область 6 и вторую поверхность 5В также образуют как асферические поверхности, так что можно получать хороший волновой фронт.
Далее будет пояснено восьмое осуществление настоящего изобретения.
Как описывалось во втором осуществлении, поверхность (вторая поверхность) 5В на противоположной стороне относительно первой поверхности 5А линзы 5 ввода-вывода и поверхность линзы, относящаяся ко второй области 7 первой поверхности 5А, сдвинуты относительно друг друга так, что создается астигматизм, и свет отражается на задней поверхности 21 клиновидной призмы 13 так, что создается астигматизм.
Вторая область линзы ввода-вывода может быть образована цилиндрической поверхностью, тороидальной поверхностью или анаморфотной асферической поверхностью.
Линза для коррекции астигматизма может быть тороидальной линзой, имеющей поверхности с различной кривизной в направлениях, перпендикулярных друг другу. В таблице 7 показан расчетный пример тороидальной линзы. По сравнению с таблицей 1 снижена волновая аберрация света, проходящего через вторую область.
В других случаях поверхность линзы 5 ввода-вывода, в которой кривизны поверхностей являются перпендикулярными друг другу, может быть тороидальной асферической поверхностью или анаморфотной асферической поверхностью.
Тороидальная асферическая поверхность определяется следующим образом. Направления x, y, z показаны на фиг.1. Профиль в плоскости y-z определяется асферической поверхностью, представляемой уравнением (4):
В уравнении (4)
c - кривизна на вершине поверхности;
k - коническая постоянная;
A, B, C, D,… - коэффициенты асферичности.
Далее профиль, полученный с помощью уравнения (4), поворачивают в плоскости y-z вокруг оси, проходящей через центр кривизны в направлении x. В соответствии с этим поверхность будет асферической в плоскости y-z и круговой в плоскости x-z. Поверхность определяется как тороидальная асферическая поверхность y.
Аналогичным образом тороидальная асферическая поверхность x определяется асферической поверхностью, которую получают, используя уравнение (4) для профиля плоскости x-z (y заменяют на x). Затем профиль плоскости x-z поворачивают вокруг оси x, проходящей через центр кривизны в направлении y. В соответствии с этим поверхность является асферической в плоскости x-z и круговой в плоскости y-z. В случае конфигурации, показанной на фиг.1, световой поток в плоскости x-z является симметричным относительно оси z и световой поток в плоскости y-z является асимметричным относительно оси z, и поэтому в большей степени необходимо корректировать конфигурацию в плоскости y-z. В соответствии с этим в случае, когда поверхность является тороидальной асферической поверхностью, тороидальная асферическая поверхность y является более эффективной. Расчетный пример тороидальной асферической поверхности y показан в таблице 8. По сравнению с таблицей 7 дополнительно снижена волновая аберрация света, проходящего через вторую область.
Анаморфотная асферическая поверхность определяется следующим уравнением (5):
В уравнении (5)
CUX - кривизна в направлении оси x;
CUY - кривизна в направлении оси y;
KX - коническая постоянная x;
KY - коническая постоянная y;
AR - коэффициент вращательной симметрии четвертого порядка;
BR - коэффициент вращательной симметрии шестого порядка;
CR - коэффициент вращательной симметрии восьмого порядка;
DR - коэффициент вращательной симметрии десятого порядка;
AP - коэффициент вращательной асимметрии четвертого порядка;
BP - коэффициент вращательной асимметрии шестого порядка;
CP - коэффициент вращательной асимметрии восьмого порядка;
DP - коэффициент вращательной асимметрии десятого порядка.
Асферическая поверхность является симметричной относительно осей x и y.
Расчетный пример анаморфотной асферической поверхности показан в таблице 9. По сравнению с расчетным примером тороидальной поверхности y, показанным в таблице 8, дополнительно снижена волновая аберрация света, проходящего через вторую область.
Что касается описанного выше, то показаны расчетные примеры таких форм поверхностей, как сферическая поверхность, асферическая поверхность, тороидальная поверхность, тороидальная асферическая поверхность и анаморфотная поверхность. Используемую форму поверхности можно определять с учетом оптической конфигурации, например, фокусного расстояния, интервала между источниками света, толщины и угла при вершине клиновидной призмы, требуемой волновой аберрации и возможности обработки линзы и т.п.
Девятое осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг. 4 и 12 и таблицам 10, 11 и 12.
Длина волны полупроводникового лазера изменяется вследствие изменения уровня выходной мощности и температуры. Когда длина волны изменяется, показатель преломления материала линзы изменяется, так что изменяется фокусное расстояние.
Кроме того, даже когда используют полупроводниковые лазеры, имеющие одинаковую длину волны, длины волн полупроводниковых лазеров имеют вариации. Что касается линзы с фокусным расстоянием 7 мм, показанным в таблице 2, то вариации места фокусировки света для случая, когда свет входит в клиновидную призму 13, показанную на фиг.3, со стороны передней поверхности 20, вычислены и показаны в таблице 10.
| Таблица 10 | |||||
| Длина волны | нм | 640 | 660 | 445 | 465 |
| Место фокусировки в направлении z | мм | 0 | 0,009 | 0 | 0,027 |
Когда длина волны изменяется на 20 мм, место фокусировки изменяется на 9 мкм в случае красного света и 27 мкм в случае синего света. Что касается рассмотрения влияния изменения на осветительное устройство, то степень расходимости и сходимости формируемого света, показанного на фиг.3, изменяется вследствие изменения длины волны, так что световой поток, имеющий заданный диаметр, не может быть излучен, и поэтому разрешающая способность освещения ухудшается.
Кроме того, поскольку степень расходимости или сходимости формируемого света изменяется вследствие изменения длины волны, возникает размытие цвета. Чтобы уменьшить изменение фокусного расстояния (места фокусировки света) вследствие изменения длины волны, линзу ввода-вывода, показанную на фиг.12, образуют из множества материалов, отличающихся друг от друга. Линзу ввода-вывода можно образовывать из множества материалов, имеющих показатели преломления, отличающиеся друг от друга. Те же самые позиции использованы для конфигураций или частей, аналогичных конфигурациям или частям, показанным на фиг.4. Первая поверхность 5А в первой области 6 и второй области 7 линзы 5 ввода-вывода образована из линзового стеклянного материала 51, а вторая поверхность линзы 5 ввода-вывода образована из линзового стеклянного материала 52. В этом примере стеклянным материалом 51 является F2 и стеклянным материалом 52 является BK7.
Пример линзы 5 ввода-вывода, рассчитанной в соответствии с конфигурацией настоящего осуществления, показан в таблице 12. Отклонения от места фокусировки света, обусловленные вариацией или изменением длины волны, линзой согласно настоящему примеру показаны в таблице 12. В связи с тем, что линза 5 ввода-вывода образована из материалов двух типов, отличающихся друг от друга, то по сравнению со случаем, когда линза 5 ввода-вывода образована из одного материала, отклонение места фокусировки света при изменении длины волны на 20 нм можно уменьшить с 9 мкм до 5 мкм для красного света и с 27 мкм до 9 мкм. Поскольку в таблице 11 расчетные примеры отклонения мест фокусировки света показаны без принятия мер относительно волновой аберрации при расчете, волновая аберрация света, проходящего через вторую область, является большой, такой как 0,1078λ. При образовании поверхности в виде асферической поверхности, тороидальной поверхности или аналогичной волновую аберрацию можно снизить.
| Таблица 12 | |||||
| Длина волны | нм | 640 | 660 | 445 | 465 |
| Место фокусировки в направлении z | мм | 0 | 0,005 | 0 | 0,009 |
Десятое осуществление настоящего изобретения будет пояснено при обращении к фиг. 12 и 13.
Как показано в девятом осуществлении, величина отклонения места фокусировки света вследствие вариации или изменения длины волны варьируется в зависимости от цвета света даже в случае, когда степень изменения длины волны является одной и той же. Кроме того, величины изменения или вариаций длины волны вследствие фактического изменения выходного уровня или температуры также изменяются в зависимости от цвета света. Когда первая область 6 линзы 5 ввода-вывода образована из стеклянного материала 53, отличающегося от стеклянного материала 54 второй области 7 линзы 5 ввода-вывода, или, как показано на фиг.14, первая и вторая области образованы из разных стеклянных материалов 56, 57 соответственно, отклонение места фокусировки света вследствие изменений двух длин волн двух полупроводниковых лазеров можно уменьшить, а величины отклонений можно почти согласовать друг с другом.
Далее будет пояснено одиннадцатое осуществление.
В случае, когда диаметры световых пучков, подлежащих вводу-выводу, являются одинаковыми, при небольшом фокусном расстоянии линзы ввода-вывода количество света, подводимого к линзе для ввода-вывода, является большим, так что эффективность ввода-вывода может быть повышена.
Если эффективность ввода-вывода повышается, интенсивность излучаемого света можно снижать, так что можно предотвращать или сдерживать образование теплоты в источнике света.
На фиг.15 показана зависимость между числовой апертурой NA линзы ввода-вывода и эффективностью ввода-вывода для случая, когда угол расходимости света источника света удовлетворяет условию θ//=12° и θ⊥=18°. Когда числовая апертура равна 0,1 или большей величине, можно гарантировать эффективность ввода-вывода 30% или более высокую.
Когда диаметр светового пучка, подлежащего вводу-выводу, составляет Φ=1 мм, необходимо фокусное расстояние 5 мм или меньшее, чтобы гарантировать числовую апертуру 0,1 или большую. В таблице 13 показан пример расчета для числовой апертуры 0,1, фокусного расстояния 4,75 мм и диаметра светового потока 0,96 мм. Волновые аберрации света, проходящего через первую и вторую области, в достаточной степени подавляются, и две точки излучения света находятся в одинаковом положении в направлении x, показанном на фиг.11.
Далее будет пояснено двенадцатое осуществление настоящего изобретения.
На фиг.16 показана конфигурация установки воспроизведения изображений проекционного типа. Установка воспроизведения изображений проекционного типа может включать в себя осветительное устройство согласно осуществлению настоящего изобретения, такому как описанные выше осуществления с первого по одиннадцатое, и может быть проектором сканирующего типа. Проектор сканирующего типа может также включать в себя сканирующее устройство, сконфигурированное для двумерного сканирования поверхности, подлежащей сканированию, светом, излучаемым от осветительного устройства, и управляющее устройство, выполненное с возможностью управления выходной мощностью первого и второго источников света или источников света с первого по третий синхронно с перемещением сканирующего устройства.
Для примера будет пояснен проектор сканирующего типа с использованием показанного на фиг.6 осветительного устройства, имеющего три источника света. Те же самые позиции использованы для конфигураций или частей, аналогичных показанным на фиг.6. Проектор сканирующего типа, показанный на фиг.16, также включает в себя сканирующее устройство 60, сконфигурированное для двумерного сканирования поверхности, подлежащей сканированию, светом, излучаемым от осветительного устройства, и управляющее устройство 61, выполненное с возможностью управления сканирующим устройством 60 и источниками света осветительного устройства.
Управляющее устройство 61 выполнено с возможностью модуляции источника света таким образом, что заданное изображение может добавляться синхронно с перемещением сканирующего устройства 60. Сканирующее устройство 60 сконфигурировано для качания или поворота отражающих поверхностей в направлении, показанном стрелкой 62 на фиг.16, и для качания или поворота отражающих поверхностей вокруг оси 63 в направлении, показанном стрелкой 64 на фиг.16.
Таким образом, двумерное спроецированное изображение образуется на экране 65 как поверхности, подлежащей сканированию.
В качестве сканирующего устройства можно использовать гальванометрическое зеркало, многоугольное зеркало и зеркало на основе микроэлектромехнической системы, изготовленное с использованием технологии производства полупроводниковых приборов. В частности, зеркало на основе микроэлектромехнической системы предпочтительно использовать в проекторе небольшого размера вследствие его небольшого размера и низкой потребляемой мощности.
Хотя на фиг.16 показано зеркало, которое является подвижным вокруг двух осей, можно использовать два зеркала, каждое из которых является подвижным вокруг одной оси.
На фиг.17 показана конфигурация зеркала на основе микроэлектромехнической системы, которое можно использовать в качестве еще одного примера сканирующего устройства. Зеркало 90 на основе микроэлектромехнической системы имеет структуру, в которой микрозеркало 91 поддерживается торсионными стержнями 92, 93. Микрозеркало 91 выполнено с возможностью резонансного возвратно-вращательного движения по существу вокруг оси 94 при кручении торсионного стержня 92. Микрозеркало 91 также выполнено с возможностью резонансного возвратно-поступательного движения по существу вокруг оси 95 при кручении торсионного стержня 93. При резонансном возвратно-поступательном движении вокруг обеих осей 94, 95 направление нормали отклоняемой поверхности микрозеркала 91 изменяется в двух измерениях.
Таким образом, направление отражения светового потока, который попадает на микрозеркало 91, изменяется так, что поверхность, подлежащая сканированию, может сканироваться световым потоком в двумерных направлениях.
При использовании для источников света микрозеркала небольшого размера можно осуществлять микроминиатюризацию установки воспроизведения изображений проекционного типа, имеющей описанную выше конфигурацию.
Далее будет пояснено тринадцатое осуществление настоящего изобретения.
На фиг.18 показан пример электронного устройства, в которое встроена микроминиатюрная установка воспроизведения изображений проекционного типа согласно тринадцатому осуществлению. На фиг.18 показан пример, в котором установка воспроизведения изображений проекционного типа размещена в мобильном телефоне 70. Установка 71 воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения размещена в мобильном телефоне 70, а для формирования изображения экран сканируется в двух измерениях светом 72 осветительного устройства. Что касается экрана 73, то нет необходимости изготавливать специальный экран, и доску или стену можно использовать в качестве экрана.
Далее будет пояснен пример, в котором установка воспроизведения изображений проекционного типа использована для индикации на ветровом стекле транспортного средства.
На фиг.19 представлен пояснительный вид, предназначенный для пояснения примера устройства 300 индикации на ветровом стекле.
Устройство 300 индикации на ветровом стекле транспортного средства расположено в транспортном средстве и выполнено так, что включает в себя в основном проектор 301, а ветровому стеклу 302 придана конфигурация, обеспечивающая отражение проецируемого света, излучаемого из проектора 301.
Проектор 301 образован в соответствии с установкой воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения и сконфигурирован для формирования спроецированного изображения на заданном месте в направлении оптической оси.
Проектор 301 расположен так, что ветровое стекло 302 находится на заданном месте в направлении оптической оси, а водитель 303 находится на заданном месте в направлении отражения от ветрового стекла 302.
На ветровом стекле 302 образована отдельная отражающая поверхность 302а, сконфигурированная для отражения светового потока, излучаемого от источника света проектора 301. Для повышения коэффициента отражения каждого светового потока от источников света на внутренней поверхности отдельной отражающей поверхности 302а можно образовать металлическую тонкую пленку, диэлектрический мультислой или что-либо аналогичное. Отдельная отражающая поверхность 302а пропускает свет с наружной стороны и выполнена с возможностью отражения светового потока, излучаемого от источника света, к заданному месту на высоте глаз водителя 303 на сиденье водителя.
Когда в устройстве 300 индикации на ветровом стекле транспортного средства проектор 301 включен, световые потоки, излучаемые от источников света, направляются к отдельной отражающей поверхности 302а и далее световые потоки, отражающиеся на отдельной отражающей поверхности 302а, направляются к глазам водителя 303 на месте водителя. В это время посредством отдельной отражающей поверхности 302а из спроецированного изображения на передней стороне ветрового стекла 302 формируется виртуальное изображение Vi, основанное на каждом световом потоке. Таким образом, спроецированное изображение каждого светового потока, отражающегося на отдельной отражающей поверхности 302а, воспроизводится для водителя 303 как виртуальное изображение Vi.
Кроме того, хотя в этом осуществлении настоящего изобретения описано устройство 300 индикации на ветровом стекле, имеющее конфигурацию, при которой проекционное изображение световых потоков, отражающихся на отдельной отражающей поверхности 302а, фокусируется на сетчатку глаза в заданное место в виде виртуального проекционного объекта на внешней стороне в направлении, в котором световые потоки, излучаемые из проектора 301, направляются к отдельной отражающей поверхности 302а, оно не ограничено этим и можно применять устройство индикации на ветровом стекле транспортного средства с использованием установки воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения.
Например, можно использовать конфигурацию, в которой экран расположен на верхней стороне приборной панели (приборного щитка), при этом проекционное изображение проецируется на экран проектором 301 и проекционное изображение, проецируемое на экран, воспроизводится для водителя 303 через посредство отдельной отражающей поверхности 302а.
В этом случае проекционное изображение, проецируемое на экран, воспроизводится как виртуальное изображение на внешней стороне ветрового стекла 302.
Хотя здесь были описаны примеры, в которых установка воспроизведения изображений проекционного типа была встроена в мобильный телефон и устройство индикации на ветровом стекле транспортного средства, она может быть встроена в цифровую камеру, носимый компьютер, персональный цифровой ассистент и т.п.
В дополнение к этому установку воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения можно использовать в оптической системе записи, показанной на фиг.20. Световой поток проецируется из установки 701 воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения и отражается на поворотном зеркале 702, и поверхность (фоторецептор) 703, подлежащая сканированию, сканируется светом, отражающимся на поворотном зеркале 702, для формирования изображения на фоторецепторе 703.
Позицией 704 показана линия сканирования. Фоторецептор 703 вращается в направлении, показанном стрелкой 705, двумерное изображение формируется на фоторецепторе 703, и затем изображение переносится на бумагу или на что-либо подобное. В случае, когда установку воспроизведения изображений проекционного типа согласно осуществлению настоящего изобретения используют в оптической системе записи, задают одинаковой длину волны световых потоков от двух или трех источников света, а места на фоторецепторе 703, подлежащие освещению двумя или тремя источниками света, смещают относительно друг друга в направлении вращения фоторецептора 703 так, что две или три линии сканирования могут быть получены одновременно, и поэтому может быть достигнуто высокое быстродействие оптической сканирующей системы.
Ниже будет пояснено осуществление линзы ввода-вывода и осветительного устройства для случая, когда источник света 14, показанный на фиг.6, выполнен в виде полупроводникового лазера, а источники 1, 2 и 14 света расположены внутри одного модуля.
На фиг.21 показан пример конфигурации для случая, когда источник 14 света, показанный на фиг.6, выполнен в виде полупроводникового лазера, а источники 1, 2 и 14 расположены в одном модуле.
Осветительное устройство согласно этому осуществлению включает в себя первый источник 101 света, сконфигурированный для излучения первого света первой длины λ1 волны, второй источник 102 света, сконфигурированный для излучения второго света второй длины λ2 волны, и третий источник 103 света, сконфигурированный для излучения третьего света третьей длины λ3 волны, и эти источники установлены на одном держателе 104 в состоянии, в котором источники света расположены рядом друг с другом с образованием одного модуля 105.
Направления излучения света от источников 101, 102, 103 света с первого по третий являются по существу одинаковыми направлениями.
В качестве первого источника 101 света может использоваться полупроводниковый лазер, сконфигурированный для излучения света в диапазоне длин волн синего участка спектра (в дальнейшем называемый синим лазерным диодом), в качестве второго источника 102 света - полупроводниковый лазер, сконфигурированный для излучения света в диапазоне длин волн зеленого участка спектра (в дальнейшем называемый зеленым лазерным диодом), и в качестве третьего источника 103 света - полупроводниковый лазер, сконфигурированный для излучения света в диапазоне длин волн красного участка спектра (в дальнейшем называемый красным лазерным диодом).
Диапазон длин волн синего участка спектра, диапазон длин волн зеленого участка спектра и диапазон длин волн красного участка представляют собой диапазон длин волн от 400 нм до 480 нм, от 500 нм до 550 нм и от 600 нм до 700 нм соответственно. Например, длину λ1 волны 445 нм можно использовать для синего лазерного диода, длину λ2 волны 530 нм можно использовать для зеленого лазерного диода и длину λ3 волны 640 нм можно использовать для красного лазерного диода.
В нижеследующем примере использованы описанные выше длины волн. Хотя в данном случае описывается пример, для которого синий лазерный диод 101, зеленый лазерный диод 102 и красный лазерный диод 103 были образованы на отдельных кристаллах, соответственно, и затем установлены на один держатель 105, синий лазерный диод 101, зеленый лазерный диод 102 и красный лазерный диод 103 можно формировать на одном кристалле.
Синий свет 114 от синего лазерного диода 101, зеленый свет 115 от зеленого лазерного диода 102 и красный свет 116 от красного лазерного диода 103 вводятся-выводятся оптической системой 106 ввода-вывода (в дальнейшем называемой линзой ввода-вывода), которая является единственной оптической системой ввода-вывода и далее направляется к формирующему световой путь элементу 117. На фиг.21 схематически показан световой путь каждого света.
Как описывалось выше, осветительное устройство сконфигурировано таким образом, что свет в диапазонах длин волн синего, красного, зеленого участков спектра излучается по одному и тому же световому пути.
Хотя в описанных выше примерах диапазон длин волн синего участка спектра использован для первого источника света, диапазон длин волн зеленого участка спектра использован для второго источника света и диапазон длин волн красного участка спектра использован для третьего источника света, диапазоны длин волн могут отличаться от диапазонов длин волн, использованных в приведенных выше примерах. Источник света, сконфигурированный для излучения света при объединении света трех цветов, то есть красного, синего и зеленого, и далее формирования света, может быть предпочтительно используемым и наиболее полезным, поскольку источник света можно применять для проектора сканирующего типа.
Формирующий световой путь элемент 117 представляет собой плоскую пластинку, включающую в себя первую отражающую поверхность 118, сконфигурированную для отражения света диапазона длин волн красного участка спектра и пропускания света диапазонов длин волн синего и зеленого участков спектра, вторую отражающую поверхность 120, сконфигурированную для пропускания света диапазона длин волн синего участка спектра и отражения света диапазона длин волн зеленого участка спектра, и третью отражающую поверхность 119, сконфигурированную для отражения света диапазона длин волн синего участка спектра. Формирующий световой путь элемент 117 представлен в виде клиновидной плоской пластинки, при этом первая и вторая отражающие поверхности наклонены относительно друг друга под углом β, а вторая и третья отражающие поверхности наклонены относительно друг друга под углом γ.
Красный свет 116 и зеленый свет 115 попадают на первую отражающую поверхность и отражаются на первой и второй отражающих поверхностях и далее излучаются, соответственно. Синий свет 114 попадает на первую и вторую отражающие поверхности и отражается на третьей отражающей поверхности и далее излучается. Первая и вторая отражающие поверхности сконфигурированы для избирательного отражения или пропускания света в зависимости от длины волны света. Такая поверхность может быть образована оптическими многослойными пленками, называемыми дихроичными зеркалами.
Линза 106 ввода-вывода будет пояснена более конкретно. Линза 106 ввода-вывода имеет первую поверхность 106А на стороне источников света, а первая поверхность 106А имеет первую область 107, сконфигурированную для пропускания света только первой длины волны, вторую область 108, сконфигурированную для пропускания света только второй длины волны, и третью область 109, сконфигурированную для пропускания света только третьей длины волны.
Центр кривизны поверхности линзы в первой области 107 находится на месте, показанном позицией 110, центр кривизны поверхности линзы во второй области 108 находится на месте, показанном позицией 111, и центр кривизны поверхности линзы в третьей области 109 находится на месте, показанном позицией 112. Центры кривизны поверхностей линзы в трех областях находятся на различных местах.
Вторая поверхность 106В линзы ввода-вывода, на противоположной стороне относительно первой области 107, вторая область 108 и третья область 109 образованы как единственная поверхность. Функция и результаты применения этой конфигурации такие же, как функция и результаты применения описанных выше конфигураций.
Что касается конфигурации осветительного устройства, то радиусы кривизны первой, второй и третьей областей линзы ввода-вывода могут отличаться друг от друга. Функция и результаты применения этой конфигурации такие же, как функция и результаты применения описанных выше конфигураций.
Толщины линзы в первой, второй и третьей областях линзы ввода-вывода могут отличаться друг от друга.
Центр кривизны второй поверхности линзы ввода-вывода на противоположной стороне относительно первой поверхности и центр кривизны первой области первой поверхности могут находиться в заданном месте на оптической оси первого, второго или третьего источника света.
Формирующим световой путь элементом может быть клиновидная комбинированная призма, имеющая три отражающие поверхности, например, переднюю поверхность, промежуточную поверхность и заднюю поверхность клиновидной комбинированной призмы. Кроме того, формирующему световой путь элементу можно придавать такую конфигурацию, при которой свет от источника света, имеющего оптическую ось, проходящую через центр кривизны второй поверхности, находящейся на противоположной стороне относительно первой поверхности, и центр кривизны первой области первой поверхности, отражается на промежуточной поверхности клиновидной призмы, свет, проходящий через вторую область первой поверхности, отражается на передней поверхности клиновидной призмы, и свет, проходящий через вторую область первой поверхности, отражается на задней поверхности клиновидной призмы.
Длина волны света, отражающегося на передней поверхности клиновидной призмы, может быть в пределах от 600 до 700 нм, длина волны света, отражающегося на промежуточной поверхности клиновидной призмы, может быть в пределах от 400 до 480 нм, и длина волны света, отражающегося на задней поверхности клиновидной призмы, может быть в пределах от 500 до 550 нм.
Красный свет, длина волны которого изменяется относительно широко, сконфигурирован так, что он отражается на передней поверхности без преломления.
Области с первой по третью линзы ввода-вывода образованы асферической поверхностью, тороидальной поверхностью или анаморфотной асферической поверхностью.
В случае, когда три источника света включены в один модуль, то поскольку два источника света не располагаются на оптической оси второй поверхности линзы ввода-вывода, при прохождении света через линзу ввода-вывода создается астигматизм. Кроме того, астигматизм создается вследствие того, что два световых потока отражаются на внутренней стороне клиновидной призмы. То есть для всех трех световых потоков существует причина создавать астигматизм, и поэтому для снижения астигматизма области с первой по третью линзы ввода-вывода образованы одной поверхностью из числа асферической поверхности, цилиндрической поверхности, тороидальной поверхности и анаморфотной асферической поверхности.
Линза ввода-вывода образована из множества материалов, которые имеют показатели преломления, отличающиеся друг от друга.
Области с первой по третью линзы ввода-вывода образованы из материалов, которые имеют показатели преломления, отличающиеся друг от друга.
Каждая из раздельных трех областей линзы ввода-вывода имеет эффективное фокусное расстояние 5 мм или меньше.
Полезный результат изобретения
В соответствии с осуществлением настоящего изобретения одной линзе можно придавать такую конфигурацию, при которой она имеет две области, и конструкцию можно оптимизировать для каждой области, так что аберрацию в отраженном свете можно снижать для каждого света, отражающегося на передней или задней поверхности формирующего световой путь элемента, такого как клиновидная призма.
В то же время, поскольку одной из двух областей можно придать такую конфигурацию, при которой отражение на первой и второй поверхностях происходит без децентрирования линзы ввода-вывода, можно легко создавать конструкцию с улучшенными характеристиками линзы.
В соответствии с осуществлением настоящего изобретения можно использовать световой путь, на котором астигматизм не создается. Можно разработать конфигурацию, в которой астигматизм, создаваемый при децентрировании линзы ввода-вывода, и астигматизм, создаваемый при отражении на задней поверхности формирующего световой путь элемента, такого как клиновидная призма, компенсируют друг друга. В соответствии с этим можно снижать волновую аберрацию, возникающую при прохождении света через первую и вторую области.
В соответствии с осуществлением настоящего изобретения получаются следующие полезные результаты.
Поскольку можно формировать и излучать свет трех цветов, можно создавать полноцветное осветительное устройство.
Поскольку для двух областей фокусные расстояния изменяют по желанию, эффективность ввода-вывода может быть по существу одинаковой даже в случае, когда величины расходимости отличаются друг от друга.
Поскольку фокусные расстояния областей отличаются друг от друга, светоизлучающие места в направлении излучения от источников света могут представлять собой одно и то же место.
Можно получать конфигурацию, в которой отсутствует изменение угла вследствие преломления для света в диапазоне длин волн от 600 до 700 нм, которое значительно изменяется в зависимости от длины волны.
Можно снижать аберрацию, создаваемую при децентрировании линзы ввода-вывода, и аберрацию, создаваемую при отражении на задней поверхности клиновидной призмы.
Можно исключать изменение фокусного расстояния вследствие изменения длины волны, которое создается при изменении выходной мощности источника света или температуры, при этом диаметр освещающего света может быть стабильным, и можно исключать снижение разрешающей способности изображения и потерю четкости изображения.
Изменение фокусного расстояния вследствие изменения длины волны, которое создается изменением выходной мощности источника света и температуры, можно уменьшать путем использования оптимального стеклянного материала независимо для каждого светового пути. В дополнение к этому диаметр освещающего света может быть стабильным, и снижение разрешающей способности изображения и потерю четкости изображения можно исключать.
Эффективность ввода-вывода может быть 30% или больше, так что излучаемую энергию источника света можно снижать и сдерживать выделение теплоты.
Можно получать малогабаритную установку воспроизведения изображений проекционного типа.
Из электронного устройства данные о неподвижном изображении, видеоизображении или аналогичном можно непосредственно проецировать на экран, и поэтому информация может быть легкодоступной для множества людей. В дополнение к этому можно получать малогабаритное устройство индикации на ветровом стекле транспортного средства или быстродействующий блок записи.
1. Линза ввода-вывода для ввода-вывода первого света, имеющего первую длину волны, который излучается от первого источника света, совместно со вторым светом, имеющим вторую длину волны, который излучается от второго источника света, расположенного рядом с первым источником света, первый и второй свет излучаются в, по существу, одном и том же направлении, при этом линза ввода-вывода содержит:
первую поверхность, расположенную с обращением к первому и второму источникам света; при этом первая поверхность включает в себя первую область, через которую проходит первый свет, и вторую область, через которую проходит второй свет, первая область имеет кривизну первой области и вторая область имеет кривизну второй области; и
вторую поверхность, расположенную на противоположной стороне от первой поверхности и имеющую кривизну второй поверхности,
в которой положение центра кривизны первой области, относящейся к кривизне первой области в первой области, отличается от положения центра кривизны второй области, относящегося к кривизне второй области во второй области; и
центр кривизны второй поверхности, относящейся к кривизне второй поверхности на второй поверхности, и центр кривизны первой области расположены на оптической оси первого или второго источника света.
2. Линза ввода-вывода по п.1, в которой радиус кривизны первой области отличается от радиуса кривизны второй области.
3. Линза ввода-вывода по п.1, в которой толщина линзы в первой области отличается от толщины линзы во второй области.
4. Линза ввода-вывода по п.1, где линза ввода-вывода образована множеством материалов, при этом каждый имеет отличающийся показатель преломления от каждого другого.
5. Линза ввода-вывода по п.1, в которой материал первой области отличается от материала второй области.
6. Линза ввода-вывода по п.1, в которой эффективное фокусное расстояние каждой из первой и второй областей составляет 5 мм или меньше.
7. Осветительное устройство, содержащее:
первый источник света, сконфигурированный для излучения первого света, имеющего первую длину волны;
второй источник света, расположенный рядом с первым источником света и сконфигурированный для излучения второго света, имеющего вторую длину волны, при этом первый свет и второй свет излучаются в, по существу, одном и том же направлении: и
линзу ввода-вывода, сконфигурированную для ввода-вывода первого света совместно со вторым светом, при этом линза ввода-вывода имеет первую поверхность, обращенную к первому и второму источникам света, и вторую поверхность, расположенную на противоположной стороне от первой поверхности и имеющую кривизну второй поверхности,
в котором первая поверхность включает в себя первую область, через которую проходит первый свет, и вторую область, через которую проходит второй свет, при этом первая область имеет кривизну первой области и вторая область имеет кривизну второй области;
положение центра кривизны первой области, относящегося к кривизне первой области в первой области, отличается от положения центра кривизны второй области, относящегося к кривизне второй области во второй области; и
центр кривизны второй поверхности, относящийся к кривизне второй поверхности на второй поверхности, и центр кривизны первой области расположены на оптической оси первого или второго источника света.
8. Осветительное устройство по п.7, дополнительно содержащее формирующий световой путь элемент, сконфигурированный для согласования светового пути первого света со световым путем второго света, в котором формирующий световой путь элемент является клиновидной призмой.
9. Осветительное устройство по п.8,
в котором свет, излучаемый от одного из первого и второго источников света, который проходит через центр кривизны первой области в первой области первой поверхности и центр кривизны второй поверхности, сконфигурирован для отражения на передней поверхности клиновидной призмы, и свет, излучаемый от другого из первого и второго источников света, сконфигурирован для прохождения через вторую область первой поверхности и отражения на задней поверхности клиновидной призмы.
10. Осветительное устройство по п.9, дополнительно содержащее:
третий источник света, сконфигурированный для излучения третьего света, имеющего третью длину волны, в направлении, которое отличается от направления излучения первого и второго света; и
добавочную линзу ввода-вывода, сконфигурированную для ввода-вывода третьего света,
в котором третий свет, проходящий через добавочную линзу ввода-вывода, сконфигурирован для прохождения клиновидной призмы, а световой путь третьего света сконфигурирован для согласования со световыми путями первого и второго света.
11. Осветительное устройство по п.9, в котором радиус кривизны первой области отличается от радиуса кривизны второй области.
12. Осветительное устройство по п.9, в котором толщина линзы в первой области отличается от толщины линзы во второй области.
13. Осветительное устройство по п.9, в котором свет, отражающийся на передней поверхности клиновидной призмы, имеет длину волны от 600 до 700 нм, и свет, отражающийся на задней поверхности клиновидной призмы, имеет длину волны от 400 до 480 нм.
14. Осветительное устройство по п.9, в котором вторая область линзы ввода-вывода образована асферической по форме.
15. Осветительное устройство по п.9, в котором вторая область линзы ввода-вывода образована цилиндрической поверхностью.
16. Осветительное устройство по п.9, в котором вторая область линзы ввода-вывода образована тороидальной поверхностью.
17. Осветительное устройство по п.9, в котором линза ввода-вывода образована множеством материалов, при этом каждый имеет отличающийся показатель преломления от каждого другого.
18. Осветительное устройство по п.9, в котором материал первой области отличается от материала второй области.
19. Осветительное устройство по п.9, в котором эффективное фокусное расстояние каждой из первой и второй областей составляет 5 мм или меньше.
20. Установка воспроизведения изображений проекционного типа, содержащая:
осветительное устройство по п.7;
сканирующее устройство, сконфигурированное для двумерного сканирования поверхности, подлежащей сканированию, светом, излучаемым от осветительного устройства; и
управляющее устройство, выполненное с возможностью управления выходной мощностью первого и второго источников света или источников света с первого по третий синхронно с перемещением сканирующего устройства.
