专利名称：激光束扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于投影显示的二维扫描装置，它包括由至少两个扭转元件(它们限定了扭转轴线)悬挂的表面，和使该表面绕扭转轴线转动的第一致动器。
背景技术：
近来有人建议开发带有图象投影器的小型手持电子装置，比如移动电话或PDA。这种能在比目前显示器大得多的显示面积上显示信息的能力，将为观看实时视频、玩游戏和共享图象等活动扫清道路。
这类投影显示装置必须是小型、廉价、重量轻、功耗小而且结实。为了显示视频信息，图象的刷新速度必须高于或等于50Hz。行频与图象速度、显示行数、以及图象是逐行还是隔行扫描有关。粗略估计这类扫描器所需的频率为16kHz。
业内对于以激光扫描为基础的视频显示原理都非常熟悉，它通常包括一个激光二极管和两个单独的扫描镜，其中一个一般是旋转多角镜。这种原理的缺点是光栅畸变很严重，因为水平和垂直方向偏转点不在同一点上。不象CRT中产生的光栅畸变，这种畸变没有四重对称性，因而电子校正比较困难。此外还有一些实际问题。扫描镜的反射面积约为5*5mm2，用在小型手持电子装置中显得太大。另外，用于快速扫描方向的镜必须激励在其谐振频率以上，这将使扫描器需要过大的输入功率。
另一些试图克服这些问题的扫描器的例子有扭转扫描器(例如见US5,629,790)和悬臂扫描器(例如见EP875,780)。扭转扫描器包括一个由两个扭杆(弹簧)悬挂在底座凹坑上的镜。工作时此镜绕扭杆的轴线转动。悬臂扫描器包含一个在悬臂梁上的镜，此梁固定在其一个短端内的底座上。工作时悬臂梁弯曲，且其自由端将因而绕垂直于其长度方向的轴线旋转。在两种情况下，都设置一个致动器来使镜及其机械安装座以谐振频率振动。此致动器例如可以是静电的(在镜和底座之间加上电压差)，双晶致动器，或压电致动器。
将两种扭转扫描器结合起来可以获得一种二维扫描器，如US5,629,790中所示。美国专利申请2001/0022682中介绍了一种带静电致动器的二维扭转扫描器。
所提出的这些扫描器具有较大的反射表面，因而质量较大。大的质量结合刚性的扭杆或悬臂，可使镜在快速扫描方向上的谐振频率满足视频应用的要求。但是，对于刚性的悬臂或扭杆，镜的光学扫描角典型值约为5度，这对近距离应用的投影显示来说是太小了。此外，为避免空气的阻尼，这些扫描器都工作在真空内，因而要求昂贵的封装步骤。若采用较弱的扭杆或悬臂，光学扫描角度可以增大，但与此同时，谐振频率对于以适于视频应用的图象速度进行的扫描来说就太低了。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述问题，并提供适于投影显示的改进型二维扫描装置。
按照本发明，上述和其它一些目标是通过引言中所述的那类扫描装置来实现的，此装置还包括悬臂梁，它的一端相对于上述表面固定，而相反一端安置成围绕一条不平行于扭转轴线的轴线弯曲；在该悬臂梁上还提供了反射表面；第二致动器使该悬臂梁以其谐振频率振动。
此表面和第一致动器形成一个扭转扫描器，它工作在第一频率范围，此频率包含但决不只限于扭转扫描器的谐振频率。然后在这个扫描器的表面上安放悬臂型第二扫描器，后者在远高于第一扫描器频率的谐振频率上振动。因为第二扫描器的反射表面可以绕两条不同的轴线旋转，故它可以用作二维扫描器。
慢扭转扫描器和较快的悬臂扫描器相组合可提供一个二维扫描器，它能按光栅方式扫描激光束以投影图象。
优选地，悬臂梁具有这样的质量和尺寸，使得其谐振频率在10kHz-100kHz的范围，最好是在15kHz-35kHz范围。这对实现视频投影是一个适当的频率范围。实际上，在用硅或氮化硅做的悬臂梁上提供100μm*100μm量级尺寸的反射表面，就可以达到此要求。另外，悬臂的厚度最好能允许弯曲至少10度的范围，最好是大于25度的范围，以提供一个两倍于此范围的光学扫描角，即最好大于50度。
按照本发明的一个实施例，悬臂梁具有两个支脚(每个相对于此表面固定)，且反射表面延伸至将两个支脚相连。在这种结构中，反射区域比臂更不易弯曲。因而弯曲区域或多或少是与反射区域分开的。另外，悬臂在扭转方向上(即沿长度方向的旋转)做得更坚固。因此杠杆的弯曲不太受扭转造成的梁位移的影响。反射区域的形状最好是矩形，使得孔阑形状因子较小，从而减小反射束内的角向分散。
优选地，扭转扫描器的悬臂梁和表面用一个衬底做成，悬臂梁从该表面内开口的一侧伸出。这种设计不需要将两个分离的扫描装置对准。扭转扫描器的表面和扭杆可通过刻蚀硅或氮化硅衬底而形成。
第二致动器是压电致动器。它可以直接安置在枢轴转动的表面上，或与此表面分开。压电致动器的机械激励将引起悬臂的振动。
第一致动器可以是各种类型，如电流致动器或静电致动器。或者第一致动器也可以包括权利要求8，这类致动器本身对本领域是一种新技术，并能很好地用于各种类型的扭转扫描器，包括与本申请所述不同的其它类型的扭转扫描器。
根据本发明的第二方面，上述目标是用一种包含上述扫描装置的投影装置来实现。
现在参照展示本发明目前的一些优选实施例的附图，来详细说明本发明的这些和其它一些方面。
图1是适合实施本发明扫描装置的一种投影装置示意图。
图2是按本发明第一实施例的一种悬臂扫描器透视图。
图3a和3b分别是按本发明第二和第三实施例的悬臂扫描器顶视图。
图4是按本发明第一实施例的扫描装置剖视图。
图5是按本发明第二实施例的扫描装置顶视图。
具体实施例方式
图1是实施本发明的一种扫描器的投影装置1的示意图。该装置能将激光束2投影到一个表面(如壁，未示出)上，装置的尺寸可用于移动应用中，如移动电话或PDA。这意味着尺寸一般为10mm*10mm量级。
在图1所示的投影装置1中，通过按视频信号确定的比来组合红、蓝和绿激光束3a、3b、3c，可以得到所需的颜色。然后让组合后的激光束2射向扫描装置13，并在屏14上扫描而得到彩色图象。
优选利用分别发射红和蓝波长区光线的激光二极管4a、4b来产生红和蓝色激光束。虽然目前已有商用红和蓝色激光二极管，但眼下还没有绿色二极管(虽然预期将来会有)。因此在图示的投影器中，绿光是通过一个二极管泵5产生的，它将红外光送到晶体6，后者将两个红外光子转换成一个绿光光子。另一种选择(未示出)是利用升频转换纤维，它在被UV激光二极管泵浦时起激光器的作用。还有一种选择是利用产生绿(和蓝)光的光泵浦半导体激光器(OPSL)。若绿光不能通过调制二极管泵5而以视频调制，则可在绿色束光路中引入一个光调制器7。
驱动器8用来接收包含视频信息的视频信号，并按此信息调制激光束3a、3b、3c。此装置还包括一组安置在分色镜11附近的透镜10a、10b、10c，及安置在分色镜和本发明扫描装置13之间的另一个透镜12。分色镜11可以是大家熟知的LCD投影器内的一种分色立方体，其优点是小巧而便宜。
通过透镜10a、10b、10c、12和分色镜11后，激光束3a、3b、3c相会合并被准直为一个平行束2供给扫描装置13。例如，从红激光二极管4a来的光由第一透镜10a聚焦，然后会合在分色镜11内并由小透镜12准直。透镜的详细结构、它们的相互距离和光焦度可由专业技术人员确定。
为了在两个方向工作，扫描装置13包含两个一维扫描器，一个第一(慢)扫描器，和一个第二(快)扫描器。第一扫描器是一个扭转扫描器，且包含一个平板形区域，该平板形区域由两根杆或弹簧悬挂在周围材料上。用适当的致动器驱动此平板，可让它围绕该杆确定的轴线旋转。第二扫描器是一个悬臂扫描器，它包含一个悬臂梁，梁上有一个镜面，其一端与衬底相连接。用一个适当致动器驱动此梁，梁将围绕垂直于其长度方向的轴线弯曲，并可以其谐振频率振动。重要的是，为了提供二维扫描器，悬臂扫描器的振动方向应不同于扭转扫描器的旋转方向。优选地，当实行光栅型扫描模式时，悬臂扫描器的振动方向精确地垂直于扭转扫描器的旋转方向，而且悬臂扫描器的镜面区域精确地位于扭转扫描器的旋转轴线上。为尽可能降低扫描器的封装成本，所有的实施例最好都在空气中工作。下面将更详细地说明按本发明的扫描装置13。
首先参照图2-3说明悬臂扫描器。按图2所示的最简单的形式，悬臂20为矩形梁21，其厚度为T，宽度为W，长度为L，梁从底座22伸出，一个自由振动梁悬臂的谐振频率(f)是f=0.162·Eρ·TL2,]]>式中T是厚度，L是长度，E是杨氏模量，ρ是悬臂的密度。注意悬臂的宽度不影响谐振频率。
悬臂可以沿长度方向绕轴线A弯曲，且悬臂的尺寸和材料选成让其弯曲角α对它打算应用的场合是足够的。优选地，最大弯曲角α为30度左右，它提供一个60度的扫描角(入射角将达30度)。即使对于小的反射表面，这也能提供足够的分辨率。
悬臂的最佳尺寸取决于应用所要求的谐振频率。为简单起见，设悬臂是一块厚度为60nm的均匀氮化硅片，则可算出241μm的长度对应于16kHz的谐振频率。悬臂的宽度选择所受的限制较小，因为它不影响谐振频率。
为增加杠杆的反射系数，可将它的一部分涂以反射材料23，如金或铝。实际上在500nm的氮化硅层上涂以50nm的铝就可以。在反射区的下面加多一些氮化硅可以使悬臂的反射区更坚固。
悬臂可以用几种方法激励，以使它以谐振频率振动。激励可以用机械方式完成，例如用压电晶体。此晶体可以与悬臂所在的衬底集成一体，但在原理上可以离得很远，只要振动波能达到悬臂梁即可。将压电元件激发在悬臂的谐振频率，只有悬臂的基频弯曲模式被激发，并将以大的振幅振动。或者，可以将一个薄的压阻层涂在悬臂梁上，并在此层上加上电压，这样来引发梁弯曲。另一种很相近的方法是淀积一层与悬臂热膨胀系数不同的材料。通过用电流加热该层而使悬臂弯曲。
在悬臂的背面提供一个磁性层并以谐振频率激励一个置于附近的线圈，可以完成非机械激励。当然应该小心这个层很薄，由于质量增加所引起的悬臂谐振频率的变化很小。由于扫描器可以在空气中工作，悬臂梁的声学激励也是可能的。在这种情况下，(超)声是由扬声器产生的，并通过空气传输给扫描器。
根据悬臂梁的另一个实施例(图3a和3b)，它包括两个将反射区31、34与底座32、35相连的支脚30a、30b、33a、33b。图3a中的悬臂是V字形，反射区31位于两支脚30a、30b的相交处。图3b中的悬臂具有矩形反射区34和两个基本平行的支脚33a、33b。
对于图3a和3b的实施例，较难找出杠杆谐振频率的方程式。但是，如认为图3b中的悬臂是两个具有相同谐振频率的互相连接的独立杠杆，则相互连接的质量应该降低谐振频率。因此，对于给定的谐振频率，图3a和3b中的悬臂长度将比图2中的悬臂长度小。
在按本发明的二维扫描器13的第一实施例(图4)中，如上所述的悬臂扫描器41被支撑结构42连至普通电流驱动的扭转扫描器的枢轴板43上。此枢轴板43由扭杆49悬挂并提供一块磁铁45，通过将电流施加到围绕芯47设置的线圈46而感生一个电磁场。当感生场与磁铁45相互作用时产生一个力，使板43枢轴转动。
也能用另外一些扭转扫描器，包括静电驱动扫描器，这时电极装在板上和底座上。将电压加到电极上，可以产生吸力或排斥力，使板枢轴转动。
如上所述，悬臂扫描器41被例如压电元件48等激励而以谐振频率振动。为了最有效的激励，最好把压电元件48直接放在悬臂41的支撑结构42的下面。为使激励最佳，此结构应很紧地固定在压电元件上。
悬臂41与压电元件48的结合是如此之小，以致可以将它连至扭转扫描器的枢轴板43上而不显著影响此扫描器的谐振频率。因此只需对此扫描器的驱动电路作很小的调整。
在本发明的二维扫描器13的第二实施例(图5)中，悬臂梁51(这里为示于图3a的那种类型)形成在扭转扫描器54本身的枢轴板53内，而且安置成使它的弯曲轴线A垂直于扭杆55的扭转轴线B。优选地，通过刻蚀硅或氮化硅衬底56来形成悬臂梁51和扭杆55。
包括有悬臂支撑和悬臂的板的尺寸是这样选定的，使得谐振频率远高于预期的板频率。这样就可以用没有任何反馈的锯齿形信号来驱动慢扫描方向。此外，可以采用一些附加信号来补偿板扫描方向的非线性效应。
图5的扫描器比图4扫描器的主要优点是两个方向的扫描器是完全成一整体的，因此不需要进行对准。
如上所述，悬臂51是通过激励装置而以谐振频率振动的。如用压电元件58来激励悬臂，可以把它放在板53外面的衬底56上。
扭转扫描器的板53可以用几种方法驱动，包括上面对第一实施例所述的那些方法。一种对本行业是新的驱动扭转扫描器的方法，是以洛仑兹力为基础。
一种用作这种驱动的致动器包含两个导电路径，最好是由淀积在衬底上的金属形成。第一路径60围绕板53的周边延伸，第二路径61沿着环绕衬底56的内边界延伸。在两条路径上施加上电流，就在线圈之间产生吸力或斥力，造成板转动。应注意必须把两个线圈在Z方向稍微分开，否则两导体之间的力不产生任何扭矩。为此可在淀积路径(之一)之前刻蚀出一些沟槽，或者将一条路径淀积在衬底一侧，而另一条路径淀积在衬底的另一侧。
在图5中，两条路径60、61被合并成一个图形，因而只需要一个电流源62。当然，也可以用其它的图形，而且两条路径也可以分开。另外，每条路径多绕一些绕组会将降低驱动电流，不过驱动电压要增加。
本发明所有二维光束扫描器的实施例有一个共同点，即第一扫描器(悬臂)是在谐振点被驱动的。这意味着激活该运动所需的功率相比起产生光所需的功率可以忽略。另外，在慢扫描方向的功率可以相当小。即使对于图4那样很大电流的扭转扫描器，功率也远低于100mW。因此，整个装置的输入功率对于移动应用而言应该是足够小的。
权利要求
1.一种用于投影显示的二维扫描装置，包括表面(43；53)和第一致动器(45、46、47；60、61)，该表面(43；53)由至少两个扭转元件(49、55)悬挂，所述至少两个扭转元件(49；55)限定了扭转轴线(B)，第一致动器(45、46、47；60、61)用于使所述表面(43、53)围绕扭转轴线(B)旋转，其特征在于-悬臂梁(41；51)，其一端相对于所述表面固定，相反一端安置成绕不与扭转轴线(B)平行的弯曲轴线(A)弯曲；-提供在该悬臂梁(41；51)上的反射表面(31；34)；及-第二致动器(48；58)，用来使该悬臂梁以其谐振频率振动。
2.如权利要求1所述的扫描装置，其中悬臂梁(41；51)所具有的质量和尺寸使得其谐振频率在10kHz-100kHz范围内，且优选在15kHz-35kHz的范围内。
3.如权利要求1所述的扫描装置，其中悬臂梁(41；51)的尺寸使其能绕弯曲轴线(A)在至少15度的范围内弯曲，且优选是大于50度。
4.如权利要求1所述的扫描装置，其中悬臂梁具有两个支脚(30a、30b；33a、33b)，每个都相对于表面(43；53)固定，所述反射表面(31；34)延伸至将两支脚(30a、30b；33a、33b)连在一起。
5.如权利要求1所述的扫描装置，其中悬臂梁(51)和表面(53)是由一个衬底形成的，该悬臂梁(51)从所述表面(53)内的开口的一侧伸出。
6.如权利要求1所述的扫描装置，其中表面(53)和扭杆(55)是通过刻蚀硅或氮化硅衬底而形成的。
7.如权利要求1所述的扫描装置，其中第二致动器是压电致动器(48)。
8.如权利要求1所述的扫描装置，其中第一致动器是包含电磁体的电流致动器。
9.如权利要求1-5所述的扫描装置，其中第一致动装置包括两个导电线圈。
10.一种投影装置(1)，包含按权利要求1的扫描装置(13)。
11.如权利要求10所述的投影装置，还包括-用来产生多个激光束(3a、3b、3c)的装置(4a、4b、5、6)；-用来调制所述激光束的驱动器(8)；及-用来准直和组合所述光束并将已组合的光束指向到扫描器(13)上的装置(10a、10b、10c、11、12)。
全文摘要
一种用于投影显示的二维扫描装置，包括至少由两个扭转元件(55)(它们确定扭转轴线(B))悬挂的表面(53)，和使该表面(53)绕扭转轴线转动的第一致动器(60、61)。此扫描器还包含一个悬臂梁(51)，梁的一端相对于该表面固定，相反一端安置成绕不与扭转轴线(B)平行的弯曲轴线(A)弯曲。此悬臂梁(51)上有一反射表面，且第二致动器(58)使该悬臂梁以其谐振频率振动。一个慢扭转扫描器和一个较快的悬臂扫描器的组合提供一个二维扫描器，它能按光栅模式扫描激光束，以投影一个图象。
文档编号G02B26/10GK1823290SQ200480020276
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月7日 优先权日2003年7月14日
发明者O·H·威伦森, A·H·M·霍尔特斯拉, W·L·伊扎曼, S·T·德兹瓦特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司