激光图像显示器和用在该激光图像显示器中的光学积分器和激光光源封装

摘要

一种激光图像显示器，包括：发射激光的激光光源；束偏转元件，用于接收所述激光并且偏转其前进方向；束偏转元件控制部分，用于控制通过束偏转元件部分的偏转程度；光学积分器，用于接收和导引所偏转的激光，以从输出端面上输出所偏转的激光；伪表面光源元件，用于散射所偏转的激光；以及调制元件，用于接收和调制通过所述伪表面光源元件散射的激光。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在图像显示装置中使用的激光光源封装、一种用于导引来自光源的光的光学积分器、以及诸如电视和图像投影仪之类的一种图像显示装置。具体地，本发明涉及一种能够发射多个波长的激光的激光光源封装、一种适用于所述激光的光学积分器、以及一种使用它们的激光图像显示器。

背景技术

当前，盛行各种方法的图像显示装置。在这种图像显示装置中使用的一种图像显示方法是投影显示方法，其中将已调制的光源光投影到屏幕上以显示图像。通常，在使用这种方法的图像显示装置中采用的光源是灯光源。然而，该灯光源具有以下问题：寿命短、色彩再现区受限、以及光使用效率低。

为了解决灯光源中的这些问题，近来已经实验将激光光源用作投影显示器的光源。在本申请中，将使用激光光源作为光源的图像显示装置称作激光图像显示器。在激光图像显示器中使用的激光光源具有比灯光源更长的寿命，并且由于激光的强方向性而易于提高光使用效率。另外，从激光光源发射的激光在单色性上非常优秀。与通过灯光源实现的色彩再现区相比，它放大了色彩再现区，并且能够显示更鲜艳的彩色图像。

然而，激光图像显示器具有斑点噪声的问题。斑点噪声是由于用于显示图像的激光的高相干性而导致的噪声。这种问题不存在于其中使用灯光源的图像显示装置中。当具有高相干性的激光在屏幕上散射并且到达观看者时，所散射的激光彼此干涉，并且观看者识别出微小的不均匀噪声。斑点噪声表现为其尺寸由观看者眼睛的F值(光圈数)和激光光源的波长限定的颗粒噪声，并且随机排列。当观看者观看图像显示屏幕上的图像时，斑点噪声抑制了观看者识别图像显示屏幕上的图像，并且引起严重的图像退化。为了减小斑点噪声，已经提出了涉及激光图像显示方法和激光图像显示器的各种技术。

专利文献1(JP 06-208089 A)公开了一种配备有用于执行旋转运动的漫射元件的显示装置。将通过用于执行旋转运动的漫射元件的激光用于这种显示装置中的调制元件的照射。用于执行所述旋转运动的漫射元件在时间上有效地改变了照射光相对于调制元件的入射角度。因此，激光相对于图像显示屏幕的入射角度也随时间改变，因此在图像显示屏幕上产生的斑点图案也随时间改变。因此，因为观看者观看到其中斑点图案可变地变化并且时间平均，减小了观看者识别的斑点噪声。

专利文献2[JP-10-293268A]公开了一种配备有光偏转器和蝇眼透镜的激光显示装置。从光源发射的激光通过光偏转器进入这种激光图像显示装置中的蝇眼透镜。所述蝇眼透镜形成与相同配置的元件相同个数的次级光源。从所述次级光源阵列出射的激光进入空间调制器，形成图像，并且将图像显示在屏幕上。因此，在这种显示装置中，照射空间调制器的光源图像实质上是点光源阵列。当将形成上述光源图像的光源用作光源时，难以充分地去除所述斑点噪声。

专利文献3(JP-2003-98476A)公开了一种配备有漫射器和蝇眼(苍蝇眼睛)积分器的激光投影类型显示系统，并且还提出了可移动的漫射器和蝇眼积分器的优化结构。

专利文献4(JP-2004-144936 A)公开了一种其中将漫射元件设置在光源和所照射的对象本体之间的图像显示装置。在这种图像显示装置中，通过与漫射元件相连的振动施加装置振动所述漫射元件，实现了斑点噪声的减小。该文献还提出设置除了所述漫射元件之外的另一个漫射装置。

如上所述，可以通过移动诸如漫射器和漫射片之类的漫射元件并且改变照射光的角度来减小斑点噪声。然而，在这种结构中实际上难以执行照射光角度的精确控制。具有这种结构的装置具有用于将从调制元件发射的光投影到图像显示屏幕上的投影光学系统的光使用效率的问题。

在使用诸如半导体激光器之类的激光光源的图像显示装置领域，很少提出这样的建议：通过具有改进的光使用效率的投影光学系统来改进光使用效率。

在涉及其中采用激光光源的显示器(激光图像显示器)的光学系统的传统建议中，主要关注斑点噪声的减小。在这种传统的建议中几乎看不到以改进包括投影光学系统在内的整个装置的光学系统中的光使用效率为出发点的建议。还没有发现以高水平实现下述两点的技术建议：充分的斑点噪声减小效果和确保较高的光使用效率。

专利文献1：JP06-208089 A

专利文献2：JP10-293268 A

专利文献3：JP2003-098476 A

专利文献4：JP2004-144936 A

发明内容

[本发明要解决的问题]

考虑现有的问题，本发明的目的是提出一种图像显示装置，其中实现了充分的斑点噪声减小效果并且确保较高的光使用效率。

另外，本发明的目的还在于提出一种图像显示装置，能够在图像显示屏幕的包括外围区域在内的每一个区域中显示具有均匀亮度的图像。

为了解决本申请所提出的问题，本发明的目标在于提出一种光学积分器，可以在所述激光图像显示器中有利地使用。

为了解决本申请所提出的问题，本发明的目标在于提出一种激光光源封装，可以在所述激光图像显示器中有利地使用。

[解决问题的手段]

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种激光图像显示器，包括：激光光源，发射激光；束偏转元件部分，接收所述激光并且使激光的前进方向偏转；束偏转元件控制部分，控制通过束偏转元件部分的偏转程度；光学积分器，接收和导引所偏转的激光，并且从出射端面上发射激光；伪表面光源元件，散射所偏转的激光；以及调制元件，接收和调制通过所述伪表面光源元件散射的激光。

在本发明的一个方面中，优选地，所述光学积分器的出射端面的形状与所述调制元件的有效表面的形状具有相似性。

在本发明的一个方面中，优选地，所述光学积分器的出射端面的形状与所述调制元件的有效表面的形状具有相似性。

在本发明的一个方面中，优选地，将所述伪表面光源元件沿激光的光路设置在所述光学积分器的出射端面和所述调制元件之间。

在本发明的一个方面中，束偏转元件控制部分通过控制束偏转元件部分，按照时间序列可变地控制偏转程度。

在本发明的一个方面中，优选地，所述伪表面光源至少依赖于激光进入的位置或入射角度来向所述激光提供不同的相位。

在本发明的一个方面中，优选地，所述束偏转元件部分是这样一种元件：其对于激光的偏转操作将以与包括所述束偏转元件部分在内的光学系统的光轴平行的方向入射的激光的光路改变至相对于所述光轴形成了0°至θ₁°之间的角度θ的方向，优选地，所述伪表面光源元件是这样一种元件：其对以与所述光轴平行的方向入射的激光进行半值散射角度₁的散射操作，以及优选地θ₁和₁满足关系θ₁＞₁。

在本发明的一个方面中，优选地，所述激光图像显示器还包括：投影光学系统，沿激光的前进方向设置在所述伪表面光源元件和所述调制元件之间，使所接收到的激光进入所述调制元件；以及投影光学系统，沿激光的前进方向设置在所述调制元件的下游，扩大已调制的激光，其中优选地满足等式1：

其中a是投影光学系统的放大率，F是所述投影光学系统的光圈数。

在本发明的一个方面中，优选地，所述伪表面光源元件实质上随机改变进入所述伪表面光源元件的入射激光的偏振方向。

在本发明的一个方面中，优选地，所述伪表面光源元件由相对于与包括所述伪表面光源元件在内的光学系统的光轴垂直的方向具有不均匀厚度分布的双折射材料构成。

在本发明的一个方面中，优选地，所述调制元件包括相对于激光的前进方向处于上游的微透镜，所述微透镜使进入包含在所述调制元件中的像素的激光偏转。

在本发明的一个方面中，优选地，所述激光光源包括半导体激光器；所述调制元件具有矩形形状的有效面积；以及所述半导体激光器的有源层的厚度方向和所述矩形形状的长边方向平行。

在本发明的一个方面中，优选地，所述半导体激光器的条宽大于或等于所激射的激光波长的10倍。

在本发明的一个方面中，优选地，所述激光光源包括：第一激光光源单元，能够发射具有第一波长的第一激光；以及第二激光光源单元，能够发射具有比第一波长长的第二波长的第二激光；以及第一激光至所述调制元件的光程长度比第二激光至所述调制元件的光程长度短。

根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种光学积分器，包括：导引激光的光学积分器上游部分和光学积分器下游部分；以及散射激光的伪表面光源元件，其中将所述伪表面光源元件设置为夹在所述光学积分器上游部分的光导引部分和所述光学积分器下游部分的光导引部分之间。

在本发明的另一个方面中，优选地，所述光学积分器下游部分的端面的形状是具有实质上4∶3的水平垂直比的矩形形状；所述端面能够发射激光，并且是与靠近所述伪表面光源元件的端面相对侧的面，所述光学积分器下游部分的光轴通过所述端面，并且所述端面是能够发射所导引的激光的部分。

在本发明的一个方面中，优选地，所述光学积分器下游部分的端面的形状是具有实质上16∶9的水平垂直比的矩形形状；所述端面能够发射激光，并且是与靠近所述伪表面光源元件的端面相对侧的面，所述光学积分器下游部分的光轴通过所述端面，并且所述端面是能够发射所导引的激光的部分。

根据本发明的另外一个方面，本发明提出了一种激光光源封装，包括：第一激光光源单元，能够发射具有第一波长的第一激光；以及第二激光光源单元，能够发射具有比第一波长短的第二波长的第二激光；其中，所述第一激光光源单元是具有第一条宽的半导体激光光源，所述第二激光光源单元是具有第二条宽的半导体激光光源，第一条宽大于或等于第一波长的10倍，以及第二条宽大于或等于第二波长的10倍。

在本发明的另外一个方面中，优选地，第一条宽比第二条宽宽。

[本发明的有益效果]

根据本发明的图像显示装置可以以较高的光使用效率显示图像，其中去除了斑点噪声。

根据本发明的图像显示装置可以在图像显示屏幕的包括外围区域在内的每一个区域中显示具有均匀亮度的图像。

根据本发明的图像积分器可以以较高的光使用效率向调制元件提供均匀亮度的照射光。另外，在通过根据本发明的光学积分器投影的图像中减小了斑点噪声。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的激光图像显示器的结构图。

图2A是束偏转元件部分和光学积分器的操作图。

图2B是伪表面光源元件的操作图。

图2C是伪表面光源元件的散射角度分布特性的图。

图3A是在表面上具有随机的凹凸图案的伪表面光源元件的图。

图3B是包括微透镜阵列的伪表面光源的图。

图3C是按照散射方式具有与基底材料不同的折射率的颗粒的伪表面光源元件的图。

图4A是通过夹入伪表面光源元件所配置的光学积分器的特定示例的图。

图4B是通过夹入伪表面光源元件所配置的光学积分器的特定示例的图。

图4C是通过夹入伪表面光源元件所配置的光学积分器的特定示例的图。

图4D是通过夹入伪表面光源元件所配置的光学积分器的特定示例的图。

图4E是通过夹入伪表面光源元件所配置的光学积分器的特定示例的图。

图5A是描述了光学积分器的表面的图。

图5B是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5C是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5D是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5E是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5F是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5G是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5H是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5I是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5J是光学积分器的入射端面或出射端面的平面图。

图5K是光学积分器的入射端面的平面图。

图5L是光学积分器的入射端面的平面图。

图5M是光学积分器的侧面的平面图。

图5N是光学积分器的侧面的平面图。

图5O是光学积分器的侧面的平面图。

图5P是光学积分器的侧面的平面图。

图5Q是光学积分器的侧面的平面图。

图6是束偏转元件部分的透视图。

图7是束偏转元件部分的变体的图。

图8是激光图像显示器的图像质量评估结果的图。

图9是照射光学系统的变体的示意性结构图。

图10A是透镜阵列的侧视图。

图10B是透镜阵列的平面图。

图10C是通过使两个双凸透镜彼此垂直形成的透镜阵列的图。

图10D是全息元件的图。

图11是激光光源和调制元件的结构图。

图12是激光光源封装结构示例1的图。

图13是激光光源封装结构示例2的图。

图14是根据第二实施例的照射光学系统的图。

图15是根据第三实施例的激光图像显示器的结构图。

[符号和数字说明]

1R    红光激光光源

1G    绿光激光光源

1B    蓝光激光光源

1C    激光光源控制部分

2     照射光学系统

3     束偏转元件部分

3a    双凸透镜阵列(lenticular lens array)

3b    双凸透镜阵列

3c    双凸透镜阵列的变体

3C    束偏转元件部分控制部分

3M    振动镜

4     光学积分器

5     伪表面光源元件

6     投影光学系统

7     调制元件

7C    调制元件控制部分

8     投影光学系统

10    屏幕

21    二向色镜

22    透镜

41    透明胶

55    光学积分器的入射端面

57    光学积分器的出射端面

59    光学积分器的侧面

71    空心电动机

100    激光图像显示器

200    激光图像显示器

202    照射光学系统

206    投影光学系统

208    投影光学系统

209    二向色棱镜

210    屏幕

261    反射镜

262    场透镜

271    具有微透镜阵列的二维光学调制元件

1101   有源层

1103   条

1401   多棒积分器

1403   双折射伪表面光源元件

1405   在多棒积分器1401上形成的透镜阵列

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

本发明的第一实施例是激光图像显示器。所述激光图像显示器是投影显示器(激光显示器)。图1是根据本发明第一实施例的激光图像显示器100的示意性结构图。

激光图像显示器100包括：三种颜色的激光光源，红光(R)激光光源1R、绿光(G)激光光源1G和蓝光(B)激光光源1B；激光光源控制部分1C，执行激光光源1R、1G和1B的驱动控制；二向色镜21，反射或透射所述激光；透镜22(例如，发散透镜)；束偏转元件部分3，使激光的前进方向偏转；束偏转元件控制部分3C，驱动和控制束偏转元件部分3；光学积分器4，导引激光；伪表面光源元件5，优选地配置在光学积分器4内部或者配置为由光学积分器4的不同部分夹住；投影光学系统6，具有放大率a并且将激光投影到调制元件7；调制元件7，调制激光并且形成图像；调制元件控制部分7C，驱动和控制调制元件7；投影光学系统8，具有光圈数(F值)F，并且将从调制元件7发射的激光投影到屏幕10上；以及屏幕10，显示图像。可以将伪表面光源元件5配置为与光学积分器4分离，并且相对于来自激光光源1R、1G和1B的激光的前进方向配置在光学积分器4和调制元件7之间。

在激光图像显示器100中，按照与每一种颜色的激光的发射定时同步的时分方式使用单独的调制元件7，以调制来自每一个激光光源1R、1G和1B的激光。激光光源控制部分1C可以驱动和控制激光光源1R、1G和1B，使得激光光源1R、1G和1B按照时间序列顺序地发射激光。将包括分别从激光光源1R、1G和1B出射的R(红光)、G(绿光)和B(蓝光)的三种颜色的激光通过一个或更多二向色镜21分别导引至透镜22(发散透镜)等中。二向色镜21可以对三种颜色的激光进行适当的波组合，以利用一个调制元件7调制三种颜色的激光。然后，三种颜色的激光进入包含在激光图像显示器100的照射光学系统2中的束偏转元件3。

照射光学系统2是这样一种光学系统：从激光光源1R、1G和1B接收激光；将这些激光改变为在截面上具有实质上均匀的光强分布并且具有预定截面形状的激光；并且发射所述激光。在激光图像显示器100的照射光学系统2中，从投影光学系统6发射具有预定截面形状和均匀光强分布的激光，并且照射调制元件7。下面将描述在照明光学系统2中包含的部件及其操作细节和效果。

将在调制元件7中进行调制之后反射的已调制激光通过投影光学系统8进行放大，并且投影到屏幕10上，以及将每一种颜色的已调制激光按照时间平均方式附加地混合到屏幕10上，从而在屏幕10上形成彩色图像。观看者观看所形成的多彩彩色图像。可以将诸如数字微镜器件(DMD)之类的反射型二维调制元件用作激光图像显示器100的调制元件7。然而，本发明并不将调制元件7局限于反射型二维调制元件。本发明可以使用各种类型的调制元件。例如，本发明可以使用透射型调制元件作为调制元件7。本发明还可以使用一维调制元件作为调制元件7。另外，本发明并不限制于以单一元件配置调制元件7，也可以使用多个调制元件来配置。在这种情况下，激光图像显示器100可以包括针对来自激光光源1R、1G和1B的每一种激光的调制元件。本发明不排除使用从激光光源1R、1G或1B的至少一个中暂时地和连续地发射的激光。

<照射光学系统2>

现在详细描述激光图像显示器100的照射光学系统2。

<照射光学系统2的结构>

激光图像显示器100的照射光学系统2包括：束偏转元件部分3、光学积分器4、伪表面光源元件5和投影光学系统6。

《束偏转元件部分3》

束偏转元件3相对于来自激光光源1R、1G和1B的激光的前进方向设置在光学积分器4的上游，并且包括具有接收从激光光源1R、1G和1B的至少一个发射的激光并且偏转其前进方向的功能的元件。束偏转元件控制部分3C控制进入束偏转元件部分3的激光所受的偏转操作的程度(与下文中所述的束偏转角度相对应)，以按照需要进行改变。通过束偏转元件部分3将其前进方向朝向预定方向偏转的激光进入设置在前进方向下游的光学积分器4。

《光学积分器4》

来自激光光源的激光受到束偏转元件部分3的偏转操作，并且进入光学积分器4。光学积分器4具有预定形状的入射端面和预定形状的出射端面，并且容许在光学积分器4的内部边界表面处的内反射的同时，将已经进入的激光导引至出射端面。光学积分器4的入射端面的形状可以是任意形状，但是优选地将其配置为有利于从束偏转元件部分3发射的激光的恢复、并且具有尽可能大的恢复量。类似地，光学积分器4的出射端面的形状可以是任意形状，但是优选地具有矩形形状。更优选地，光学积分器4的出射端面形状与将与用于图像形成的调制有关的元件实际上设置在调制元件7中的区域(即调制元件的将要利用激光辐射以进行图像显示的区域)的形状具有相似性关系。可选地，优选地实现了与在屏幕10上实际上形成的图像形状的相似性关系。可以通过提供与光学积分器4的出射端面的相似性关系，抑制对于照射调制元件7的激光的图像形成实际上没有贡献的激光量。例如，如果激光图像显示器100的调制元件7的所述区域具有水平垂直比为4∶3的矩形形状，优选地，光学积分器4的出射端面形状也具有水平垂直比为4∶3的矩形形状。可选地，如果将激光图像显示器100设计为显示具有水平垂直比为4∶3的矩形形状的图像，优选地，将光学积分器4的出射端面的形状设计为具有水平垂直比为4∶3的矩形形状。理想地，将光学系统配置为使得调制元件7的该区域与照射该区域的激光一致。光学积分器4的侧面的形状可以具有任意形状，但是优选地具有允许适当地和有效地执行内反射、并且高效率地将入射激光导引至出射端面的形状。当使用诸如液晶之类的用于执行偏振控制的元件作为调制元件7时，理想地将侧面形成为使得用于执行内反射的内部边界表面(反射表面)与入射激光的偏振方向垂直或平行。如果光学积分器4的入射端面和出射端面的形状不同，所述侧面形状可以具有与照射光学系统2的光轴不平行的平面或曲面。也可以采用使光学积分器4中的光轴弯曲的形状。

<伪表面光源元件5>

伪表面光源元件5本身是一种用于散射和发射入射激光的元件。通常，所述激光是平行光。伪表面光源元件5通过伪表面光源元件5的散射操作，将入射的平行激光改变为实质上发散的光。只需要将伪表面光源元件5相对于激光的前进方向设置从光学积分器4的一部分的下游。根据这种结构，伪表面光源元件5可以对通过激光图像显示器100中的光学积分器4的光导引部分导引的激光施加散射操作。优选地，设置为比伪表面光源元件5更靠近上游的光学积分器4的那部分的光导引部分沿光轴比预定长度长。所述预定长度实质上与通过光学积分器4导引的激光均匀地进入伪表面光源元件5所需的长度的最小值相同。

优选地，将伪表面光源元件5设置为沿激光的前进方向的上游部分和下游部分处紧邻光学积分器4的光导引部分。术语“紧邻”包括：其中各个部分彼此接触的状态、通过粘胶等相连的状态、彼此分离但是具有足够近的位置关系的状态等。在这种情况下，将伪表面光源元件5设置为使得其两侧被紧邻的光学积分器4夹住。术语“夹住”包括：其中不包括光学积分器4的边缘的那部分具有伪表面光源元件5功能的情况，以及其中将伪表面光源元件5插入到光学积分器4内部的情况。换句话说，术语“夹住”包括这样的状态：其中将光学积分器4的光导引部分、伪表面光源元件5和光学积分器4的光导引部分沿激光的前进方向按照彼此紧邻的顺序排列。优选地，沿激光光路定位于伪表面光源元件5的下游一侧中的光学积分器4的后一半的光导引部分的长度大于或等于预定长度。所述长度通过测量沿照射光学系统2的光轴的距离来定义。所述预定长度依赖于伪表面光源元件5的结构而不同，但是实质上与元件5的图像从光学积分器4的出射端面的图像消失所需长度的最小值相匹配。伪表面光源元件5可以设置为与光学积分器4相分离，相对于来自激光光源1R、1G和1B的激光的前进方向，位于光学积分器4和投影光学系统6之间。如果光学积分器4是如下文中所述的空心光学积分器，光学积分器4的光导引部分实质上匹配所述空心部分。

《投影光学系统6》

投影光学系统6是用于将从光学积分器4出射的激光投影到调制元件7上的光学系统。投影光学系统6是具有放大率a的光学系统，可以将所述投影光学系统6配置为具有一个透镜或一个透镜组或更多透镜组，使得从光学积分器4出射的激光适当地进入调制元件7。可以将投影光学系统6配置为像变系统(anamorphic system)。在这种情况下，投影光学系统6是这样一种光学系统：使从光学积分器4的出射端面发射的激光变形，并且将已变形的激光导引至调制元件7的有效表面。在这种情况下，考虑投影光学系统6对激光的变形来设计光学积分器4的出射端面的形状。

《照射光学系统2的操作和效果》

现在将详细描述照射光学系统2的操作和效果。图2A、2B和2C是描述了光学积分器4和伪表面光源元件5的操作的图。首先，图2A是示出了其中已经进入光学积分器4的激光21c等通过光学积分器4传播的状态图。

《照射光学系统2的操作》

在根据本发明的激光图像显示器100中，通过束偏转元件部分3相对于前进路径进行偏转操作的激光进入光学积分器4。

入射激光21c相对于光轴21a以角度θ进入光学积分器4。光轴21a是照射光学系统2的光轴。角度θ是束偏转元件部分3的束偏转角度。束偏转角度θ是当与光轴21a平行的激光21受到束偏转元件部分3的偏转操作时形成的光路与光轴21a形成的角度。束偏转角度θ满足关系0≤|θ|≤θ₁。θ₁是最大束偏转角度，并且是当与光轴21a平行的激光21受到束偏转元件部分3的偏转操作、然后出射时形成的束偏转角度θ的最大值。可以通过束偏转元件控制部分3C实时地将束偏转角度θ控制在0°和θ₁°之间。在下文中，将使用示例描述所述控制方法。

因此，所述激光按照各种束偏转角度θ(0≤|θ|≤θ₁)进入光学积分器4，并且在光学积分器4的内部边界表面处反射的同时传播至图左侧。在传播期间，一部分入射激光在内边界表面处重复内反射多次，从而放大波束形状，并且最后成为实质上与光学积分器4的光导引部分的截面匹配的波束形状，并且充满所述光学积分器4。

在这种情况下，在光学积分器4的光导引部分的截面处，通过光学积分器4导引的激光的光源图像是由与激光在光学积分器4中内反射的次数相同个数的多个点光源组成的图像。

然后，已经成为充满光学积分器4的光导引部分的形状的激光(即具有由多个点光源组组成的光源图像的激光)进入伪表面光源元件5。

现在将参考图2B和2C描述伪表面光源元件5的操作。图2B是示出了伪表面光源元件5对入射激光的散射操作的图。

伪表面光源元件5向入射的激光施加散射操作，并且按照各种散射角度和依赖于散射角度的预定强度分布来发射入射激光。当进入伪表面光源元件5的光是平行光时，待发射的激光出射所述元件5，成为具有预定强度分布的发散光。

当已经成为充满光学积分器4的光导引部分的形状的激光(即具有由多个点光源组组成的光源图像的激光)进入伪表面光源元件5时，将该激光改变为实质上的发散光，所述发散光具有包括表示实质均匀光强分布的表面光源的光源图像。所述激光在内反射的同时再次通过光学积分器4进行导引，然后作为具有与光学积分器4的出射端面的形状实质上相同的形状、并且具有均匀光强分布的激光，从光学积分器4出射。

图2C是描述了半值散射角₁的定义的图，所述半值散射角₁在数量上表示了伪表面光源元件5的伪表面光源操作(散射操作)程度。将半值散射角₁定义为当与光轴21a(图2A)平行的平行激光21x(图2B)进入伪表面光源元件5时，具有从另一端出射的发散激光的最大光强的半值(I_1/2)的激光的传播方向和光轴21a(平行激光21x的光路)形成的角度。

理想地，伪表面光源元件5包括依赖于激光进入并且传输通过其中的位置或入射角度的至少一个而向入射激光提供不同相位的元件，并且发射激光。因为伪表面光源元件5依赖于激光的入射位置或入射角度的至少一个向入射激光提供不同的相位，从伪表面光源元件5出射的激光流将具有非平面的复杂相平面，并且因此将减小激光流的相干性。在这种情况下，发射激光流的伪表面光源元件5的出射端面配置伪表面光源，并且将具有不同相位的激光按照发散方式从截面的不同位置以各种角度发射。

从伪表面光源元件5发射的以及从光学积分器4发射的激光的光源图像可以在投影光学系统6的出射光瞳处观看。

将具有均匀光强和减小的相干性的、伪表面光源处理过的激光流从投影光学系统6发射至调制元件7，并且在调制元件7中进行调制，使得已调制的激光流按照通过投影光学系统8放大的形式到达屏幕10，从而形成图像。

《照射光学系统2的效果》

首先，通过其中随时间改变束偏转元件部分3的操作程度的偏转操作和通过光学积分器4的上游部分导引的光形成的内反射效果，从激光光源1R、1G和1B的至少一个发射的激光的光源图像变为由多个点光源组成的光源图像，所述点光源的结构随时间改变。根据伪表面光源元件5和光学积分下游部分的操作，由多个点光源组成的光源图像变为伪表面光源处理过的光源图像。伪表面光源处理过的激光流通过多个实质上发散的激光进行配置，所述发散激光的主要前进方向对应于随时间改变的多个点光源图像的变化而随时间改变。

这样，通过其入射角度随时间变化的激光照射所述调制元件7。在屏幕10上产生的斑点图案根据配置照射调制元件7的激光流的激光的入射角度的时间变化而改变。观看者观看时对斑点噪声进行平均，并且通过驱动和控制束偏转元件部分3以便引起比观看者识别斑点图案所需的时间更快的角度变化，减小了观看者识别的斑点噪声。这样，观看者将在屏幕10上显示的图像识别为无斑点噪声的清晰图像。

另外，伪表面光源处理过的光源图像具有比由多个点光源组成的光源图像放大得多的光源图像面积。在激光图像显示器100中，激光的光源图像相对于图像显示器的放大与显示配置屏幕10上的图像的每一个像素的有效光源面积的放大相对应。通常，光源相对于每一个像素的显示的有效光源面积的放大降低了斑点噪声图案的对比度。在激光图像显示器100中，由于通过上述光源图像的时间改变导致了具有斑点噪声减小效果的促进效应，进一步减小了观看者识别的斑点噪声。

根据本发明的激光图像显示器100通过斑点噪声的时间平均和由扩大有效光源面积而导致的斑点噪声图案的对比度降低这两种效果的促进效应，有效地去除了斑点噪声。

另外，通过使光学积分器4的出射端面(光学积分器4下游部分上的出射端面)具有与调制元件7的形状类似的形状，可以将从光学积分器4的出射端面发射的激光流的绝大部分用于图像显示，从而提高了激光图像显示器100的光使用效率。

<结构示例>

优选地，伪表面光源元件5形成于光学积分器中。可选地，优选地将其设置在调制元件7的上游。这里“调制元件7的上游”指的是从光学积分器的出射端面向上至用于调制激光流的调制元件7的区域。可以用于照射调制元件7的激光流的光源图像是一个连续的图像，通过在相关区域内设置伪表面光源元件来代替多个点光源的集合。通过在其中激光流的截面形状具有与调制元件7类似或者与实质上发散的激光流类似的矩形形状的位置处设置伪表面光源元件5，将照射激光流的光源图像形成为实质上的连续图像。然而，当在调制元件7的上游中设置伪表面光源元件5时，优选地，将其与光学积分器的出射端面间隔开大于或等于1mm，使得由伪表面光源元件5产生的图像不会在调制元件7上成像。

优选地，将伪表面光源元件5设置为比已经进入光学积分器4的激光充满光学积分器4的整个光导引部分的位置更靠近下游。

图3A、3B和3C是示出了伪表面光源元件5的结构示例图。伪表面光源元件包括：伪表面光源元件5IR(图3A)，在表面上具有随机的凹凸图案；伪表面光源元件5AL(图3B)，包括利用各种类型的透镜形成的微透镜阵列；以及伪表面光源元件5PA(图3C)，包括具有按照散射方式与基底材料不同的折射率的颗粒。可以通过附加到反射镜等上，将伪表面光源元件5用作反射元件。

另外，优选地，对伪表面光源元件5进行与激光的波长相对应的抗反射处理，以防止透射过其中的激光量的损失。优选地，当设置在调制元件7的上游时执行抗反射涂敷。此外，优选地，伪表面光源元件5使用具有全息图案的全息漫射器以控制半值散射角₁。伪表面光源元件5可以在与光轴垂直的截面处呈现出非均匀的半值散射角₁。

如图1所示，通过设置伪表面光源元件5夹在光学积分器4之间，可以消除由于通过伪表面光源元件5的散射操作而引起的调制元件7上的图像失真所导致的光量损失。现在将描述如图1所示的优选实施例。图4A、4B、4C、4D和4E是示出了通过光学积分器夹住伪表面光源元件5的特定结构示例的图。

特定示例1：将利用具有与光学积分器上游部分4a的下游端面和光学积分器下游部分4b的上游端面实质上相同形状的抗反射涂层实现的伪表面光源元件5AR紧密地粘附和固定，以便通过光学积分器的两个截面夹住(图4A)。

特定示例2：利用透明胶41，将具有与光学积分器上游部分4a的下游端面和光学积分器下游部分4b的上游端面实质上相同形状的伪表面光源元件5粘附到光学积分器的两个截面4a和4b(图4B)。

特定示例3：向光学积分器下游部分4b(或者光学积分器上游部分4a)的截面设置凹凸形状，并且将具有与伪表面光学元件类似功能的部分4S形成于光学积分器4b(或4a)处，并且利用透明胶41，将其粘附到光学积分器上游部分4a(或4b)(图4C)。

特定示例4：向光学积分器下游部分4b(或者光学积分器上游部分4a)的截面设置凹凸形状，在所述凹凸形状上执行抗反射涂敷，将具有与伪表面光源元件类似功能的部分4SAR形成于光学积分器4b(或4a)中，并且将其紧密地粘附和固定到抗反射涂敷的光学积分器上游部分4a(或4b)(图4D)。

特定示例5：将抗反射涂敷的伪表面光源元件5AR插入到空心的光学积分器4H的内部(图4E)。

只要其可以设置为通过光学积分器夹住，伪表面光源元件5的结构并不局限于以上结构。另外，当将伪表面光源元件5设置为通过光学积分器夹住时，可以省略由透镜等组成的投影光学系统6，并且可以将光学积分器4的出射端面的图像直接形成于调制元件7上。在这种情况下，使光学积分器4和调制元件7彼此接近，并且利用从积分器4的出射端面发射的激光照射调制元件7，或者利用通过场透镜的发射激光照射调制元件7。

光学积分器4可以使用由棒状玻璃构成的棒积分器、空心积分器、或具有矩形出射部分的光纤或空心光纤。优选地，光学积分器4的入射端面和出射端面可以进行抗反射涂敷，以防止通过反射导致的光量损失，或者是空心类型的。图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H、5I、5J、5K、5L、5M、5N、5O、5P和5Q是描述了光学积分器4的入射端面、出射端面和侧面的形状示例的图。

参考图5A，激光51在入射端面55处进入光学积分器4，以及激光53从出射端面57出射。入射端面55和出射端面57代表从光轴方向观察的平面视图中的形状，并且侧面59代表将入射端面55和出射端面57相连的光学积分器4的外表面从与光轴垂直的方向观察的平面视图中的形状。

例如，入射端面55或出射端面57的至少一个是矩形的，具有水平垂直比为4∶3的矩形(图5B)，具有水平垂直比为16∶9的矩形(图5C)，或者具有适当的水平垂直比的矩形。水平垂直比包括1∶1(正方形)。理想地，入射端面55和出射端面57具有彼此全等的或类似的形状，以便抑制光学积分器4的制造成本。理想地，端面55和57具有包括平行边的形状。入射端面55和出射端面57的大小关系是任意的，但是通过让入射端面55比出射端面57大可以将激光的损耗抑制为最小。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有包括曲线的形状，例如，以直线连接半圆而形成的形状(图5D)。可以利用其形状与进入光学积分器4的激光的波束形状(包括当对来自不同光源的激光进行波组合时形成的波束形状)相对应的端面来有效地恢复所述激光。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有梯形形状(图5E)。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有椭圆(包括理想的圆)形状(图5F)。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有包括5个或更多顶点的多边形形状，例如，八边形等(图5G)。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有包括超过180°的一个或更多顶角的多边形形状，例如，星形形状等(图5H)。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有实质上的一维椭圆形状，其中水平垂直比非常不同(图5I)。

入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有实质上的一维矩形形状，其中水平垂直比非常不同(图5J)。入射端面55或出射端面57的至少一个可以具有水平垂直比实质上为1∶∞的矩形形状，即实质上的线。

入射端面55可以具有其中将两个或更多椭圆(包括完美的圆形)一维相连的形状(图5K)。

入射端面55可以具有其中将三个或更多椭圆(包括完美的圆形)二维相连的形状(图5L)。

另外，可以将反射涂层设置在入射端面55的一个部分处。这防止了不需要的光的进入，或者使得能够使用通过将激光向出射端面57一侧反射而反向通过积分器4的激光。

侧面形状59没有特别的限制，但是理想地，具有通过光学积分器4中的内反射将激光有效地导引至出射端面一侧的形状。

侧面形状59可以具有梯形形状(图5M)。

侧面形状59可以具有从入射端面55至光学积分器4的中间部分逐渐放大、并且随后与出射端面57平行的形状(图5N).

侧面形状59可以具有从入射端面55至光学积分器4的中间部分非线性地放大的形状(图5O)。

侧面形状59可以具有其中在光学积分器4的中间部分的一个点处宽度突变的形状(图5P)。

侧面形状59可以具有使光轴在光学积分器4的中间部分处弯曲的形状。图5Q示出了L形状的侧面形状59。在这种情况下，光轴实质上垂直弯曲。可以使用图5M、5N、5O、5P和5Q所示的光学积分器4，但对入射端面55和出射端面57进行相互交换。

现在将描述束偏转元件部分3的结构示例。图6是示出了束偏转元件部分3的结构的图。

根据本发明的激光图像显示器100通过随时间改变照射光源的光源图像来向斑点噪声图案提供时间变化。这样，期望将束偏转元件部分3用于随时间控制进入光学积分器4的激光的前进方向(束偏转方向)。在激光图像显示器100中，将双凸透镜阵列3a和3b以及束偏转元件控制部分3C配置用于控制进入光学积分器(棒积分器)4的激光61的前进方向。通过旋转双凸透镜阵列3a和3b来随时间改变激光的前进方向。双凸透镜阵列3a将激光61的前进方向相对于图6所示的棒积分器(光学积分器4)的长边方向偏转，并且双凸透镜阵列3b将激光61的前进方向相对于棒积分器(光学积分器4)的短边方向偏转。双凸透镜阵列3a和3b是沿半径方向具有实质上均匀的截面形状的透镜阵列。激光61通过每一个透镜的凸起形状(或凹入形状)偏转，并进入棒积分器(光学积分器4)。

图7是束偏转元件部分7的双凸透镜的变体。双凸透镜3c是沿一个方向具有实质上均匀的截面并且具有圆形的外围部分的圆形双凸透镜。圆形双凸透镜3c在外围部分处通过空心电动机71紧夹，并且可基于束偏转元件控制部分3C，利用空心电动机71旋转。斑点73示出了其中来自激光光源的激光透射通过圆形双凸透镜的位置。通过圆形双凸透镜3c的旋转来沿即刻改变的方向偏转所述激光。此时给出的束偏转角度θ和最大偏转角度θ₁通过圆形双凸透镜3c的数值孔径(NA)来限定。

《最大束偏转角度θ₁和半值散射角₁等的理想关系》

优选地，通过束偏转控制元件3偏转的激光相对于光轴的束偏转角度的最大值θ₁、以及伪表面光源元件5相对于平行激光的平均散射角度₁满足θ₁＞₁。优选地，伪表面光源元件5的散射角度具有与高斯分布类似的散射角度分布，以表现出有效的伪表面光源效果。期望投影到调制元件7或屏幕10的激光的角度分布是均匀的，以便有效地减小斑点噪声，并且理想地，所述角度分布是达到投影光学系统8的光圈数F的角度分布，以消除投影光学系统8的损耗。为了满足这些期望，理想地，照射调制元件7的激光的角度分布是与顶盖(top hat)形状类似的角度分布。为了获得这种所需的角度分布，优选地通过能够执行精确的角度分布控制的束偏转控制元件3进行的角度控制有效地保持在照射激光中。为此目的，理想地满足关系θ₁＞₁。θ₁＞2·₁是理想的以便更精确地执行角度控制。

优选地，本发明的图像显示装置100的投影光学系统8的光圈数F、投影光学系统6的放大率a、束偏转控制元件3的最大束偏转角度θ₁、以及伪表面光源元件5的半值散射角₁满足等式2的关系：

当满足关系1时，光量损耗较小，并且当将所述光投影到屏幕10上时，有效地去除了斑点噪声。

<图像等同性评估结果>

使用图像显示装置100执行图像质量评估。评估目标是到达屏幕10的光量大小和斑点噪声的数量。利用功率计测量到达屏幕的光量。通过利用各种视觉摄像机对屏幕10照相来评估斑点噪声。将正面投影无光泽屏幕(matt screen)用作屏幕10。视觉摄像机包括与眼睛相对应的透镜、用于放大CCD上的虚拟视网膜上的斑点的透镜、以及CCD。在评估斑点噪声时，只从绿光激光光源1G发射绿光激光，将均匀的图像显示在屏幕10上，并且使用均匀图像的CCD光接收量平均值X与通过斑点噪声而导致的强度变化的标准偏差σ的比率σ/X。将可旋转双凸透镜用于控制束偏转角度，并且使用具有不同NA的双凸透镜来改变束偏转角度θ₁(＝sin^-1(NA))。在伪表面光源元件5中，利用抗反射涂敷形成具有全息图案的随机凹凸图案的元件，并且将其夹入和固定在两个棒积分器之间。使用具有不同的半值散射角₁的多个伪表面光源元件5。投影光学系统的放大率a是2，并且投影光学系统的光圈数F是2.5。

图8中示出了评估结果。为了比较，在条件10中获得了其中停止双凸透镜的转动并且使得用于照射的激光的光源图像在时间上静止的状态。条件11示出了当未将伪表面光源元件5插入到棒积分器中时获得的结果，其中在这种情况下到达屏幕的光量是1，并且执行所述光量(功率)的比较。

在条件10、11中，可以发现：10％或更多的噪声引起强度波动时，观看者可通过视觉识别斑点噪声，而在条件1至10中，将噪声减小为小于10％。根据结果比较，当照射激光是伪表面光源处理过的并且所述光源图像随时间改变时，发现减小了斑点噪声。

当使得通过束偏转控制元件3引起的最大束偏转角度θ₁小于或等于表面光源装置的半值散射角₁(θ₁≤₁，条件7、8、9)时，发生大于或等于10％的光量(功率)损耗，但是如果对于相同的最大束偏转角度θ₁θ₁＞₁，整个光学系统的束角度控制成为可能，其中在条件1至4和6中，光量(功率)损耗较小并且减小了斑点噪声。另外，在满足0.7·tan^-1(1/2F)＜[(θ₁)²+(₁)²]^1/2/a的关系时(条件2至6)，斑点噪声具有观看者几乎不能识别的小于或等于5％的强度波动，并且因此执行了包括投影光学系统8在内的照射光的充分角度变化控制。另外，在满足[(θ₁)²+(₁)²]^1/2/a＜1.2·tan^-1(1/2F)时(条件2至4和6)，光量(功率)损失较小，并且实现了包括投影光学系统8在内的较高效率。

<照射光学系统2的变体>

图9是照射光学系统2的变体的示意性结构图。

从激光光源发射的光通过透镜22、一维振动镜3M和透镜阵列3AL，通过重复地受到具有矩形出射端面的空心光学积分器4H的内反射，形成为具有矩形形状的实质上均匀的波束形状，并且随后进入伪表面光源元件5AR。将伪表面光源元件5AR插入到空心棒积分器4H中。

在该变体中，执行进入光学积分器4H的激光的束偏转角度控制，使得激光的光源图像通过使用振动镜3M和透镜阵列3AL的组合而随时间改变。具体地，在该变体中，通过仅沿一维方向振动所述振动镜3M，向所述激光提供一维偏转角度变化，以及通过透镜阵列3AL，向所述激光提供二维偏转角度变化。

图10A、10B、10C和10D是示出了当使用一维振动镜3M时使用的透镜阵列3AL和透镜阵列3AL的可选示例的图。图10A是从与光轴垂直的方向看到的透镜阵列3AL的图。图10B是从光轴方向看到的透镜阵列3AL的图。当一维振动镜3M在激光进入处振动光斑101时，透镜阵列3AL沿箭头103的方向移动。透镜阵列3AL具有相对于箭头103排列成Z字形形式的球面透镜，以便在如图所示的上下方向提供与通过一维振动镜3M移动光斑不同的偏转角度。透镜阵列3AL为这样移动光斑101而形成的激光提供了随时间改变的二维束偏转角度。

图10C是示出了透镜阵列3AL的可选示例的图。该可选示例是具有与双凸透镜正交叠置的透镜形状的透镜阵列3LL。透镜阵列3LL包括沿与绘图平面垂直的方向的两个双凸透镜阵列。第一双凸透镜阵列相对于光斑101的移动方向(箭头)103形成+45°角，而第二双凸透镜阵列相对于箭头103形成-45°角。在包括在平面图中正交的两个双凸透镜阵列的透镜阵列3LL中，通过振动镜3M对光斑101的移动来提供随时间改变的二维束偏转角度。

图D是示出了另一个透镜阵列3AL的可选示例的图。该可选实施例是包括表面浮雕全息元件的全息元件3SR。浮雕全息元件3SR通过非周期性的表面凹凸图案提供二维偏转角度(偏转特性)。通过让光线沿箭头103的方向随时间移动的同时进入元件3SR，随时间改变使得二维相位不同的光源图像出射。

当可以通过透镜的数值孔径(NA)和振动镜的摆动角度精确地控制束偏转角度时，透镜阵列3AL和3LL是优选的。

为了具有二维均匀的束偏转角度，使得透镜阵列3AL等的偏转角度变化相对于振动镜的摆动角方向(箭头103的方向)较小，并且优选地，使得通过透镜阵列3AL和振动镜3M提供给激光的总的束偏转角度沿箭头103的方向和沿与箭头103垂直的方向相等。

只需要将透镜阵列3AL、3LL和全息元件3SR设置在光学棒积分器4的入射侧上，并且可以将其附加到入射端面上，或者在空心棒积分器4H的情况下，结合到入射侧内部。

当使用一维振动镜3M时，优选地，将用于提供具有二维各向异性的漫射角度的元件用于待插入到光学积分器4中的伪表面光学元件5AR(图9)，以便使束偏转角度的二维分布(与箭头103平行和垂直的方向)相等。具体地，表面浮雕全息图像形成于伪表面光源元件5AR的表面上，并且所述表面浮雕图案具有沿振动镜3M的振动方向比沿与振动方向垂直的方向更大的凹凸周期，以理想地减小振动方向的漫射角度。

在该变体中使用一维振动镜3M，但是可以使用二维振动的振动镜。当使用二维振动镜时，可以独立地向激光提供二维改变的束偏转角度，或者可以结合透镜阵列等控制激光的束偏转角度。

<激光光源结构示例1>

图11是示出了激光光源的结构示例的视图。在图11中，图像显示装置100的红光激光光源1R是半导体激光器，并且调制元件7具有矩形形状的有效表面(实际上用于图像显示的区域)。在本发明中，优选地，具有矩形有效表面的调制元件的有效表面的长边方向1109和半导体激光器的有源层的厚度方向1105彼此平行。

调制元件7的有效表面具有与待显示的图像形状相对应的矩形形状，并且具体地具有水平∶垂直＝4∶3或16∶9的宽高比。在激光图像显示器100中，通过投影光学系统对从有效表面出射的激光进行扩大，并且将其投影到屏幕10上。半导体激光元件通常具有分层结构，其中至少将覆盖层/有源层1101/覆盖层堆叠到衬底上，并且从所述有源层1101的端面发射激光。从半导体激光元件的有源层1101发射的激光的扩展角度在层的厚度方向1105和与所述层平行的方向之间不同，并且沿所述层的厚度方向扩展得更多。这样，当无浪费地使用发射激光时，甚至当准直所述激光时，可以使用具有沿有源层的厚度方向1105较长的椭圆形状的激光。

在图像显示器中，必须实质上均匀地照射调制元件7的有效表面。为了将从激光光源发射的激光均匀地照射到具有矩形有效表面的调制元件7上，以使用光学积分器4和全息元件将其整形为矩形形状的波束形状来执行照射。将光学系统配置为：使调制元件7的长边方向1109和半导体激光器的有源层的厚度方向1105平行，以均匀的照射激光强度和增强的激光有效使用效率来执行所述照射。例如，当将使用内反射的棒积分器用于光学积分器4时，照射激光的均匀程度依赖于内反射的次数。在这种情况下，当使用从光源发射的激光的扩展角度在垂直和水平方向上相同的激光时，激光沿长边方向的内反射次数变小，并且激光强度的均匀化变得困难。这样，将棒积分器4的出射端面的长边方向和调制元件7的长边方向设置为平行，并且使有源层的厚度方向1105与所述长边方向平行，使得沿长边方向具有较大扩展角度的激光容易地进入棒积分器4，使得沿棒积分器的出射端面的长边方向的内反射次数约与出射端面的短边方向达到相同的程度，并且可以容易地获得均匀的照射激光。当将入射激光波束整形为矩形时，即使将蝇眼积分器或全息元件用于光学积分器4，沿长边方向的均匀化也变得困难，但是可以通过配置有源层的厚度方向与长边方向平行，将沿光学积分器4的长边方向较长的椭圆激光用作照射到光学积分器4的波束，这样可以无损地使照射激光的强度均匀。

半导体激光光源只需是具有分层结构的半导体激光器，而与出射波长无关。类似地，在使用其中使用了多个半导体激光元件的多芯片阵列的情况下，理想地将每一个芯片的有源层的厚度方向配置为与调制元件的长边方向平行。类似地，对于在有源层中包括多个光发射点的多条以及对于在元件中包括多个有源层的叠层结构，理想地将有源层的厚度方向和调制元件的长边方向设置为平行。

根据本发明的激光图像显示器100具有以下特征：半导体激光器的条1103的宽度1107大于或等于输出波长的10倍。当使用其中有效表面是矩形的二维调制元件时，将波束形状整形为实质均匀强度的矩形，以实质上均匀地照射，其中可以通过让条1103的宽度1107大于或等于输出波长的10倍来执行有效的波束整形。

半导体激光器的条是用于限制有源层中电流扩展的结构，并且通过电极、绝缘层和有源层的形状来产生，其中通过电流注入只激发有源区的条区域，将光沿所述条区域导引，并且将所述光从端面出射。条宽是注入电流的有源层的宽度，并且具体地与在本发明中出射激光的端面的条宽有关。在本发明中，通过让条宽大于或等于输出波长的10倍，使得所发射激光的近场图案为沿横向极大扩展的形状。因此，使得所述激光沿与所发射的激光的有源层平行的方向的扩展半角度小于或等于约1/10(弧度)。从半导体激光器发射的激光具有实质上均匀的矩形形状，因此进入包括光学积分器和全息元件的波束整形元件，但是通过使沿所发射的激光在一个方向上的扩展角较小，可以只控制有源层的厚度方向，来实现从激光光源到束整形元件的光学设计。具体地，因为从光源到束整形元件的距离是几毫米至几十个毫米，当扩展角小于或等于1/10(弧度)时，扩展误差变得小于或等于1毫米，这样可以无需特殊控制元件地执行光学设计。另外，为了有助于光学系统的设计，更优选地使条宽大于或等于输出波长的20倍。通过使其为20倍或以上，可以将所发射的激光设计为相对于与激光元件的层平行的方向实质上平行的光。

另外，当使用单独的调制元件7并且执行激光图像显示器100(参见图1)中的多个波长(颜色)的激光光源1B、1G和1R的调制时，优选地将发射最短波长激光的激光光源设置为最接近调制元件。图像显示设备100包括蓝光、绿光和红光波长的激光光源1B、1G和1R，并且将具有最短波长的光的蓝光激光光源1B设置为最接近调制元件7。

在具有将多波长激光导引至单独的调制元件7的结构的激光图像显示器的情况下，由于光学部件对激光吸收和反射而导致的损耗在短波长激光中最大。这样，相对于短波长激光的光学材料选择和涂层规范变得最困难。使作用于短波长激光的光学部件的个数小于作用于较长波长激光的作用光学部件的个数，并且通过将发射最短波长激光的激光光源设置为最接近调制元件(使其光程变得最短)，减小了短波长激光的光量损耗。具体地，当从激光光源发射的激光的波长的最短波长是峰值小于460nm的波长时，本发明的效果变得显著。

<激光光源结构示例2>

激光图像显示器100的激光光源可以如图1所示单独设置每一光源，但是也可以使用一个激光光源封装。所述激光光源封装包括实质上在一个外壳中的用于发射多个波长的激光光源。图12和13示出了激光光源封装的结构示例。在图12和13中，为使附图清楚，省略了封装外壳的图示。

图12所示的封装示例1是包括红光半导体激光光源1R、绿光SHG激光光源1Ga和蓝光半导体激光光源1B的激光光源封装。在激光图像显示器100中，本封装将每一个激光光源1R或1B设置为使有源层的厚度方向1105与调制元件7的长边方向1109(图11)平行。将半导体激光光源底座(未示出)设置在半导体激光光源的两侧上，并且可以将SHG激光光源设置为朝向半导体激光器的激光出射方向的背侧。可以将三个激光光源1R、1Ga和1B形成为一个封装，使得可以省略诸如二向色镜21等之类的用于波组合的光学系统，可以简化光学系统，优选地半导体激光器1R和1B发射具有椭圆形状的激光，以有助于照射激光强度相对于调制元件7的均匀化。优选地，在红光激光光源1R的条宽R_W和蓝光激光光源的条宽B_W之间满足R_W＞B_W的关系。通过满足这种关系，红光激光的形状和蓝光激光的形状变得彼此类似。这样，可以实现在照射调制元件7时易于控制激光的优点。

图13所示的封装示例2是使用绿光半导体激光光源1Gb的激光光源封装示例。在本封装示例中，激光光源1R、1Gb和1B的有源层的厚度均朝向相同的方向，并且这种厚度方向与激光图像显示器100中的调制元件7的长边方向1109(图11)平行。在这种情况下，除了关系R_W＞B_W之外，优选地针对绿光激光光源1Gb的条宽G_W，满足关系R_W＞G_W。红光激光的形状和绿光激光的形状变得彼此类似，并且通过按照这种方式配置封装可以实现易于控制的优点。另外，理想地，三种半导体激光光源的条宽满足关系R_W＞G_W＞B_W。

图12和13所示的半导体激光器具有单条结构，其中对于一个芯片形成一个条，但是如果每一个半导体激光器的有源层的厚度方向1105与调制元件7的长边方向1109(图11)平行，还可以使用其中在有源层中形成多个条的多条结构的半导体激光器、其中在一个芯片中设置了多个有源层的多叠层结构的半导体激光器、或者其中通过多个芯片构成一个光源的多芯片结构的半导体激光器。

(第二实施例)

图14是示出了根据本发明的激光图像显示器中的照射光学系统的另一个示例的示意图。在该示例中，从激光光源发射的激光通过透镜22和能够按照振荡方式振动的振动镜3M，并且进入具有矩形出射端面的多降积分器1401。多棒积分器1401具有夹住双折射伪表面光源元件1403的结构，并且具有位于入射端面处的透镜阵列1405。

第二实施例的照射光学系统执行多棒积分器1401(光学积分器)的入射激光的束偏转角度控制，使得激光的光源图像通过形成在多棒积分器1401上的振动镜3M和透镜阵列1405的协同操作而随时间改变。在该照射光学系统中，由振动镜3M的摆动角度θ₂和构成透镜阵列的透镜的数值孔径(NA)给出最大束偏转角度θ₁。在图14的结构中，通过振动镜3M和透镜阵列1405的协同操作实现了比振动镜3M的摆动角度θ₂大的角度的束偏转。这样，因为可以使振动镜3M的摆动角度θ₂小于所需的最大束偏转角度θ₁，实现了有助于控制的优点。在该示例中，透镜阵列1405和棒积分器1401具有集成的结构。这样，由于光学部件的集成，该结构是能够提高效率的优选结构。

优选地，根据本发明的图像显示器包括偏振分解装置(polarization resolving means)，所述偏振分解装置是一种用于使照射光学系统中的激光的偏振随机化的装置。在图14的示例中，通过双折射伪表面光源元件1403来分解所述偏振。通过分解偏振，随机地改变了线偏振激光的偏振表面。充分随机化的激光是非偏振光。斑点噪声是通过激光的干涉产生的，但是因为偏振方向正交的激光不发生干涉，减小了斑点噪声。优选地，将由相对于光轴具有非均匀厚度分布的双折射材料构成的元件用作分解偏振的装置。不需要将偏振分解装置设置在光学积分器中，通过与透镜和反射镜类似地，将其插入或设置在激光的光路上，仍然可以获得其效果。当照射光学系统包括这种偏振分解装置时，优选地，将诸如DMD之类的微镜器件用于调制元件7。

在本发明中使用的伪表面光源元件由具有双折射的材料构成，并且沿与光轴实质上垂直的平面具有厚度分布，并且优选地包括偏振分解装置。双折射伪表面光源元件1403由双折射材料构成，并且具有平面厚度分布(恒定倾斜等)，并且由于通光位置在厚度方向的差别，在激光中产生不同方向的偏振，以分解偏振。具体地，伪表面光源元件1403由诸如聚碳酸酯之类具有双折射的有机材料构成，其中在伪表面光源处理表面上形成凹凸图案或者混合漫射颗粒。将伪表面光源元件1403设置为使得在塑模时定义的光轴相对于激光的偏振方向倾斜，并且通过具有平面厚度分布来分解偏振。优选地，与第一实施例类似，将双折射伪表面光源元件1403设置在光学积分器1401中。如果将双折射伪表面光源元件1403设置在光学积分器1401中，可以将由于双折射伪表面光源元件1403的厚度分布所导致的失真和通过响应于伪表面光源操作的散射操作而引起的照射调制元件7的激光的损耗抑制为最小。具体地，将在一侧具有倾斜的双折射伪表面光源元件1403插入和固定在具有倾斜端面的棒积分器和具有垂直端面的棒积分器之间。即使使用具有凹凸图案的双折射材料，凹凸图案的厚度分布仍然可分解所述偏振。

第二实施例的多棒积分器1401是其中集成了光均匀化、伪表面光源处理、偏振分解和束偏转功能，并因此减少了光学部件个数的优选模式。

通常，对于激光光源，已经提出了通过蝇眼透镜使照射均匀并形成矩形形状，但是因为当将伪表面光源元件插入到蝇眼透镜照射光学系统中将发生不能在调制元件上成像的巨大光量损耗，更优选地，使用具有矩形出射端面的内反射积分器(棒积分器)。

在本发明的激光图像显示器中使用的束偏转元件部分可以使用可移动的漫射片。然而，更优选地使用可移动透镜阵列或振动镜。可以通过使用可移动透镜阵列或振动镜，实现包括束偏转角度的角度分布在内的精确控制。这样，如果使用可移动透镜阵列或振动镜，提供了利用角度变化控制在投影光学系统8的全部投影可能角度内的均匀角度分布，并且这是优选的。还有助于光学积分器中的内反射次数的控制。当使用可移动漫射片时，存在这样的缺点：束偏转相对较小的部件变多，并且当试图增加束偏转角度时，散射损耗增加。

(第三实施例)

图15是根据本发明第三实施例的激光图像显示器100的示意图。在图15中，将相同的参考符号用于与图1中相同的部件。

将从RGB三色激光光源1R、1G和1B发射的激光分别导引至照射光学系统202，所述照射光学系统202是用于发射用于照射具有微透镜阵列的二维调制元件271的激光的光学系统。照射光学系统202包括：构成束偏转元件部分的可旋转双凸透镜阵列3a、3b、光学积分器4、伪表面光源元件5、以及投影光学系统206，其中将具有实质上矩形和均匀强度分布的激光照射到调制元件271上。投影光学系统206包括反射镜261和场透镜262。在具有微透镜阵列的空间调制元件271中，对每一种颜色的激光进行调制，在二向色棱镜209中进行波组合，并且将其投影到屏幕210上，从而通过空间加性色彩混合来显示彩色图像。可以将伪表面光源元件5设置在反射镜261等上。

调制元件271具有这样的结构：其中针对用于调制激光的每一个像素，将一个微透镜形成于照射光学系统202的上游侧，并且设置成阵列形式。在本发明的激光图像显示器200中，调制元件271包括位于照射光学系统202上游一侧的针对每一个元件的微透镜，并且作为用于扩大束偏转的装置。通过可旋转双凸透镜阵列3a和3b随时间变化稳定地控制束偏转角度，但是调制元件271的微透镜进一步地扩大了这种束偏转角度。例如，可旋转双凸透镜提供θr的束偏转角度，并且通过微透镜阵列，将该激光图像显示器中的最大束偏转角度θ₁扩大为θ₁＝θr+a·sin^-1(NAm)，其中投影光学系统206的放大率是a，微透镜的数值孔径是NAm。这样，即使通过束偏转元件部分的随时间改变的部分(在该实施例中是可旋转双凸透镜阵列3a和3b)产生的束偏转角度相对较小，调制元件271的微透镜阵列仍可扩大束偏转角。这样，激光图像显示器200具有这样的优点：可以提供相对较大的最大束偏转角度，并且有助于控制。

具体地，通过透射液晶元件和偏振片的组合实现调制元件271，并且将微透镜阵列形成在液晶元件上。微透镜阵列收集用于操作液晶元件的电极部分处的未能通过的光，以增强元件的数值孔径，并且这样是有利的。

该实施例不局限于所示结构，并且可以在使用单色激光光源的激光图像显示器中使用，或者可以在使用三色或更多颜色的激光光源的激光图像显示器中使用。本发明的每一种颜色的激光光源均可由发射实质上相同波长光的多个激光元件组成，或者可以由单一元件组成。

可以将根据本发明的激光图像显示器用在使用散射反射屏幕的正面透射显示器中，或者用在使用透射屏幕的背投显示器中。

工业实用性

已经使用将图像显示在屏幕上的模式描述了根据本发明的激光图像显示器，但是也可以将其应用于将图像显示在除屏幕以外的其他情况。例如，可以将其用在半导体曝光设备中。