用来降低显示器系统里散斑效应的装置的制作方法

专利名称：用来降低显示器系统里散斑效应的装置的制作方法
用来降低显示器系统里散斑效应的装置
技术领域：
本发明通常涉及一个投影数字图像的装置，特别涉及一种去散斑(de-speckling) 装置和方法，其能够降低或去除激光投影仪形成图像里的散斑(speckle)。
背景技术：
我们总是在接收视觉信息，如看电影。如今，由于消费电子如数码相机的易用性， 产生了大量的视觉信息。类似地，对于我们从中接收视觉信息的显示器，也有大量的需求。显示器技术的发展异常迅速，而且出现越来越多的显示图像的不同方法，如阴极射线管 (CRT)显示器、液晶装置(LCD)显示器、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED) 显示器、平视显示器(HUD)、激光扫描投影(LSP)显示器和投影仪。在本发明里，无论何时提到图像，同样也适用于被称为视频的动态图像。人类视觉对噪声很敏感，因而一个无噪声的高质量图像是非常令人期待的。有一种噪声被称为散斑(speckle)，对具有相干光源(coherent lightsource)的显示器，如在使用激光的显示器中，如HUD、或LSP显示器，这类型的散斑噪声是很常见的。例如，在激光为光源的投影仪的例子里，投影到屏幕上的图像里将出现散斑，因为激光被如图1所示的屏幕表面反射。当与可视光波长比较时，任何屏幕的表面都可以看作是粗糙的，因此发生散射。从屏幕表面上的各个独立散射区域到达观察者眼睛的反射光线有相对相位差 (relative phase difference)，并互相干扰，产生颗粒状亮暗图案，称为散斑。已经有多种方法通过破坏激光束的相干性以降低散斑。如果破坏了激光束的相干性，散斑被平均，因为散斑效应不再有关。对N个独立的散斑，降低系数可以通过以下等式 ⑴来计算R = ^N(1)这些方法包括提供角度分集、波长分集、偏振分集或基于屏幕的解决方案。如 Joseph W. Goodman 在“光学散斑现象理论和应用”(Englewood，Colo. =Roberts & Co., 02007)里所讨论的，之前已经尝试提供各种去斑的解决方案。在业界，一些方法已经成为习惯做法，如(1)使用几个激光作为照明光源；(2)从不同角度照明光源；(3)照明时产生波长分集；(4)使用不同偏振状态的激光；(5)使用一个专门设计的屏幕来最小化产生散斑，如活动屏幕；和(6)使用一个旋转漫射器。这些用来降低散斑的解决方案各有其优缺点。有些需要额外部件，如将在系统里提供一个漫射器，这会使系统小型化面临挑战，例如，为了减少散斑，漫射器将引导漫射的激光到一个摆动镜，如在美国专利4，155，630标题为“通过随机空间相位调制来消除散斑” 里所述，或者如在美国专利5，313，479标题为“使用相干光线的无散斑显示器系统”里所述的一个旋转漫射器。使用额外部件还可能进一步加大将散斑降低方案集成到现有系统的难度，而且有些甚至需要外部的致动器，这会产生额外的能耗。例如，欧洲专利申请EP1，949，166描述使用致动器电极(actuator pad)朝向这些致动器电极方向来驱动一个铝涂敷的微加工薄膜； 铝涂敷的微加工薄膜使一个平面镜发生变形，其使光发生散射以降低散斑。这个致动机制也限制了平面镜朝着一个单方向变形。还有一些解决方案，需要一个活动屏幕，这不仅使图像不能显示在任何静止的屏幕上，而且当屏幕尺寸增大时很难找到一个合适的装置来移动屏幕。例如，在美国专利 5，272，473标题为“降低散斑的显示器系统”里所描述的换能器(transducer)将很难用于一个大型屏幕，其中换能器需要连接到一个显示屏幕以产生横过显示屏幕的表面声波。在美国专利6，122，023标题为“无散斑的液晶投影显示器”里，有另一种类型的活动显示器， 其在显示器屏幕上提供一层液晶分子，在高于60Hz的频率上轻微振动。现有技术里，仍有需要降低显示时的散斑。
发明概述本发明的一个目的是提供一个镜和一个照明源，其使用一个简单的光学系统能够有效地抑制散斑噪声。本发明提供一个MEMS (微电机械系统)装置，其有一个活动板连接到固定框架。活动板有一个区域能够发散入射激光束。在运行期间，活动板在各个方向上发生振动，该振动使得入射激光束周期性地以不同入射角射于活动板，因此，这些激光束从活动板不同时间地以不同反射角反射。接着， 这些时间不相干的反射激光束可以被用作为一个具有抑制激光散斑效应的光源。本发明提供的MEMS装置可以批量制造，这样能够降低单位制造成本。MEMS制造工艺产生一个小型装置外观，这在许多便携式电子产品里是极度受欢迎的。此外，依照本发明，通过使用MEMS装置，能够实现高光效，无需任何漫射器，并且本发明MEMS装置所提供的反射表面特性是可控的。由于不需要外部的活动致动器或漫射器，本发明具有较低的能耗。本发明的MEMS装置允许一个可控的振幅或频率，从而可以进行参数微调以获得一个优化的激光去斑效应。振幅是通过改变MEMS装置的输入驱动电压进行调整的，而振动频率是通过设计MEMS装置致动部件的尺寸进行微调的，例如，通过改变扭杆尺寸。本发明提供一个强健结构，与MEMS扫描镜制作有类似工艺流程，从而使去斑装置能够集成在MEMS 扫描镜内。本发明的一个方面是提供一个MEMS装置来降低激光扫描投影显示器里的散斑效应，其包括一个活动板，活动板可围绕第一旋转轴旋转，也可围绕第二旋转轴旋转，第一旋转轴垂直于第二旋转轴；一个或多个第一致动器，其用来沿着至少第一方向移动活动板； 以及一个或多个第二致动器，其用来沿着至少第二方向移动活动板。第一致动器和第二致动器能够移动活动板，活动板的垂直、横向和旋转运动组合使得在不同时间使用活动板的不同区域，得以不同角度反射激光束。在不同方向上的运动组合使入射激光束以不同角度射于扫描活动板镜，从而形成一个入射点的圆轨迹。一个致动器的实施例是一个静电梳状结构、一个磁致动器、和一个压电致动器。
本发明的另一个方面是制造一个双轴扫描镜，其能够沿着活动板上的两个垂直轴进行旋转。依照另一个方面，在活动板顶部上的双轴扫描镜被涂敷一发散层，并且发散层的表面被涂敷一反射涂层。另外，发散层的表面被粗化，是一个被图案化的绝缘膜，或在其表面有一个聚合物结构。本发明的另一个方面是提供一个反射涂层在双轴扫描镜顶部和发散层之间。在此例子里，发散层是由一种不均勻的相变聚合物构成。本发明的一个方面是提供一个光学系统，其使用一个具有如上所述活动板的MEMS 装置，其包括一个发出一个或多个激光束的照明源，一个或多个激光束被射到MEMS装置的活动板上，从而发生反射；以及一个双轴MEMS镜，其接收由MEMS装置反射的激光束，并以扫描方式反射激光以产生一个图像在屏幕上。本发明的另一个方面是提供一个光学系统，其使用具有如上所述活动板的MEMS 装置，其包括一个发射一个或多个激光束的照明源，一个或多个激光束被射到MEMS装置的活动板上，从而发生反射；至少一个额外的MEMS装置被安置以接收和反射由MEMS装置反射的激光束；以及一个双轴MEMS镜，其接收由额外MEMS装置反射的激光束，并以扫描方式反射激光束以产生一个图像在屏幕上。本发明的另一个方面是提供一个光学系统，其使用具有如上所述活动板的MEMS 装置，其中活动板的顶部制作有一个双轴MEMS镜，其包括一个发射一个或多个激光束的照明源，一个或多个激光束被射到MEMS装置的活动板上，从而发生反射；以及至少一个额外 MEMS装置，其被安置以使用双轴MEMS镜来接收并以扫描方式反射来自MEMS装置的反射激光束，从而产生一个图像在屏幕上。本发明的另一个方面是提供一个光学系统，其使用具有如上所述活动板的MEMS 装置，其中活动板的顶部有一个双轴MEMS镜，其包括一个发射一个或多个激光束的照明源，一个或多个激光束被射到MEMS装置的双轴MEMS镜上，从而以扫描方式被反射以产生一个图像在屏幕上。同样，本发明的其它方面通过以下实施例进行披露。
以下将参照附图，详细描述本发明的目的、方面和实施例，其中图1显示一个激光束在一个表面上的发散。图2显示本发明一个实施例一个能够旋转的活动板。图3显示本发明一个实施例的一个活动板，其一个或多个边缘上有梳齿。图如显示本发明一个实施例一个活动板的垂直振动。图4b显示本发明一个实施例一个活动板的横向振动。图如显示本发明一个实施例一个活动板的旋转振动。图4d显示本发明一个实施例一个三角形活动板。图如显示本发明一个实施例三角形活动板的梳状结构的放大示意图。图4f显示本发明一个实施例通过三角形活动板的一个激光投影。图fe显示本发明一个实施例在一个活动板顶部上的一个粗化发散层。
图恥显示本发明一个实施例在一个活动板顶部上的一个图案化发散层。图5c显示本发明一个实施例在一个活动板顶部上的一个不均勻材料发散层。图5d显示本发明一个实施例在一个活动板顶部上的一个聚合物结构发散层。图6显示本发明一个实施例去斑效应的示意图。图7a显示本发明一个实施例一个光学系统的模块示意图，其使用一个具有双轴 MEMS装置的活动板。图7b显示本发明一个实施例一个光学系统的模块示意图，其使用一个或多个活动板。图7c显示本发明一个实施例一个光学系统的模块示意图，其使用一个或多个活动板以及一个独立双轴MEMS镜。
发明详述图2描述本发明一个实施例的一个激光去斑装置200。去斑装置200包括活动板 230，其通过支撑弹簧235由支撑框架240支撑。支撑弹簧235也可以是扭杆(torsional bar)。这种扭杆或支撑弹簧可以被设计成各种尺寸以符合活动板230的振荡频率。活动板 230能够在活动板平面的方向上振动，也可以在垂直于活动板平面的方向上振动。活动板 230的振动是周期性的，因此，入射到任何由活动板支撑的装置上的光根据入射时间以不同入射角到达。所以，一个入射激光束由活动板支撑的装置反射和/或发散，具有时变特征 (temporally varied properties)，降低了相干性。被反射的激光束形成一个具有降低激光散斑效应的照明源。对同样需要激光扫描的降低的激光散斑的应用(如显示器、投影仪)，该激光去斑装置可以包括一个扫描装置，其安置在振动活动板230里。从而，一个简单、小型外观的元件能够同时提供扫描和去斑。在图2的实施例里，一个活动板230有一个集成在内的双轴MEMS镜(也被称为双轴0D)MEMS镜)。在该示范实施例里，使用的是双轴MEMS镜，但是，在本发明的活动板里可以使用任何镜。由于双轴MEMS镜在活动板230振动时进行扫描，图2装置提供相干性降低的扫描光束。双轴MEMS镜包括中心镜210和环绕周围的平衡环220 (gimbal)。因此，活动板230变成平衡环220的支撑框架。镜210通过一对扭杆215绕镜轴旋转。平衡环220通过一对扭杆225绕平衡环轴旋转。镜210和平衡环220分别是圆形的。平衡环轴和镜轴几乎是相互垂直的。在镜210和平衡环220的外缘，制作梳齿式转子252。在平衡环220和框架230的内缘，制作梳齿式定子251。梳齿式定子251和梳齿式转子252是垂直式静电梳齿 (verticalelectrostatic combs)0镜210的旋转是由垂直式静电梳齿驱动的，围绕镜轴的旋转表示为x-方向旋转。 平衡环220的旋转也是由垂直式静电梳齿驱动的，围绕平衡环轴的旋转表示为y_方向旋转。镜轴在平衡环的平面上，使得镜轴顺从平衡环的旋转。从而通过一个平衡环结构，使镜 210能够在χ-和y_方向上发生离面旋转(out-of-plane rotation)。在一个实施例里，活动板230是一个长方形。活动板的四个角通过支撑弹簧235 被连接到支撑框架240上。在另一个实施例里，长方形活动板，标记为310，在其一个或多个外缘上制作有致动器，如图3所示的可动梳齿340。支撑框架320的一个或多个内缘上制作
7有致动器，如固定梳齿330。活动板310通过多个支撑杆325由支撑框架320支撑。如图如所述，在固定梳齿330和可动梳齿340之间的静电作用使活动板310相对支撑框架320垂直振动。如图4b所述，在固定梳齿330和可动梳齿340之间的静电作用也使活动板310相对支撑框架320横向振动。如图如所述，在固定梳齿330和可动梳齿340 之间的静电作用也使活动板310相对支撑框架320旋转振动。固定梳齿330及其对应的可动梳340被看作是一个梳状组件。每个振动类型可以是由活动板310 —侧上的一个梳状组件与活动板310相对侧上的另一个梳状组件一起产生。在活动板310的相对两侧上的这两个梳状组件构成一组梳状组件。长方形活动板310有两组梳状组件，其中一组垂直于另一组。因此，这两组梳状组件能够使活动板310在两个相互垂直的方向上横向运动。换言之，如果活动板310的四个侧边被顺序标记为第一、第二、第三和第四侧边的话，第一和第三侧边上的可动梳齿提供一个方向上的横向运动，而第二和第四侧边上的可动梳齿提供一个垂直方向上的横向运动。这两个正交方向上的横向运动相互独立。类似地，对旋转运动，两组梳状组建可以使活动板310围绕两个互相垂直的轴进行旋转。换言之，如果活动板310的四个侧边被顺序标记为第一、第二、第三和第四侧边，第一和第三侧边上的可动梳齿提供一个方向的旋转，而第二和第四侧边上的可动梳齿提供一个垂直方向上的旋转。这两个正交方向的旋转相互独立。在其它实施例里，静电驱动可以由其它致动类型代替或协助，如磁致动或压电致动。活动板有一个规则形状。在另一个实施例里，活动板310的形状是不规则的。除了上述的长方形形状，任何多边形形状都适用于活动板310。例如，在图4d里，活动板310 的形状是三角形。有一个扭杆415、425和435，从三角形活动板400的每个角延伸出来。三角形活动板400的每个侧边有一个梳状结构410、420和430。作为致动器的梳状结构410在图如里被放大。扭杆的形状和尺寸被设计以调整三角形活动板400的振动频率，从而优化去斑效果。每个梳状结构的齿的排列、形状和尺寸也被设计以调整三角形活动板400的振动频率，从而优化去斑效果。关于梳状结构，可以改变各种参数，如齿数目、齿长度、齿宽度和齿间间隙。多个致动器，在此为示例的梳状结构，被排列在三角形活动板400边界的周围。沿着三角形活动板400的第一侧边，梳状结构410由一个驱动信号V1驱动。沿着三角形活动板400的第二侧边，梳状结构420由一个驱动信号V2驱动。沿着三角形活动板400的第三侧边，梳状结构430由一个驱动信号V3驱动。驱动信号V1J2和V3相互有相位差。三角形活动板400以这样方式被驱动，即三角形活动板400在不同时间朝不同方向倾斜(tilt)，从而三角形活动板400产生一个球形旋转运动，使得入射激光束以不同角度(如θ” θ2)投射在双轴扫描镜上，从而形成入射点的一个圆形轨迹，如图4f所示。在该示范实施例里，使用了双轴扫描，但是，可以使用任何镜在本发明的三角形活动板400里。当激光源450的激光被三角形活动板400里的一个镜反射时，被投影到屏幕470上的图案将是一个圆形，如图 4f所示。在一个示范实施例里，每两个相邻梳状结构之间的相位差是60度。如果调整信号电压\、\和V3的振幅，将改变投影到屏幕470上的圆直径。这有助于模糊单光斑，从而降低投影到屏幕470上2D图像图案的散斑效应。信号电压被设置为40V，三角形活动板400 的驱动频率被设置成200Hz到1600Hz的范围。对三角形活动板400，扭杆435的厚度是 20 μ m，齿数目是200，齿长度是100 μ m,齿宽度是5 μ m,齿间间隙是5 μ m。在运行期间，活动板310可以在垂直方向和横向方向的组合上发生振动。这种振动与双轴MEMS镜装置的偏转重叠。不同振动的组合使每个入射激光束以周期性不同入射角射于双轴MEMS镜，或在另一个实施例里，在活动板上没有双轴MEMS镜时，以周期性不同入射角射于活动板区域。因此，每个激光束被镜210以不同时间上的不同反射角反射。不同于被反射成一个单光斑610在屏幕上，或在其它实施例里，另一个活动板310、一个反射镜或一个双轴MEMS镜，每个被反射的激光束产生一个更大的光斑630，其是在不同时间被反射到屏幕不同位置上的几个初始较小光斑620的平均，如图6所示。更大的光斑630产生得足够快，使得观看屏幕上图像的观察者仅能够感觉到较大的光斑630。在该示范实施例里，使用了双轴MEMS镜，但是可以使用任何镜在本发明的活动板310里。在一个实施例里，一发散层被应用到活动板上的镜的顶部，以提高反射角的时间区别性(temporal distinctiveness)。除了仅涂敷一发散层在活动板530顶部的镜上，在一些实施例里发散层520的表面被粗化或被抛光，并有一反射涂层510被涂敷在发散层520 的抛光表面上，如图fe所示。反射涂层510的一些例子包括铝和金。作为应用一发散层 520的一个替代方案，通过抛光活动板530顶部上的镜，可以获得粗糙表面，接着，在其上应用一反射涂层510以使活动板530顶部上的镜具有反射性。依照本发明的另一个实施例，如图恥所述，发散层520是一图案化的绝缘膜，如氧化硅SiA和氮化硅Si3N4，其有一反射涂层510涂敷在发散层520的图案化表面上。作为应用一发散层520的另一个替代方案，通过将活动板530顶部的镜图案化，可以获得图案化的表面，接着，在其上应用一反射涂层510以使活动板530的顶部具有反射性。依照本发明的另一个实施例，如图5c所述，一反射涂层510涂敷在活动板530顶部的镜上，接着，一不均勻相变聚合物的发散层520如液晶被应用到反射涂层510的顶部上。依照本发明的另一个实施例，如图5d所述，聚合物结构的发散层520被应用到活动板530顶部上的镜，并在发散层520的聚合物结构上涂敷一反射涂层510。一些聚合物结构的例子包括聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚对二甲苯基聚合材料、SU-8光阻和各种其它光阻。图7a显示本发明一个实施例一个使用一个具有双轴MEMS装置的活动板的光学系统的模块示意图。双轴MEMS镜被集成制作在活动板里，并顺从活动板的各种振动模式以在反射来自照明源710的激光时降低散斑效应。活动板720上的双轴MEMS镜利用其围绕两个正交轴的旋转扫描激光以产生一个图像在屏幕730上。光学系统还可以包括各种部件， 如在激光行进路径各个点上的反射镜和透镜。在该示范实施例里，使用了双轴MEMS镜，但是，可以使用任何镜在本发明的活动板里。图7b显示本发明一个实施例一个使用一个或多个活动板的光学系统的模块示意图。为了进一步提高激光的反射角区别性和相位差，提供一个或多个活动板(没有双轴 MEMS镜装置)，使得一个较大的激光光斑被反射到另一个活动板上，它又产生一个比之前更大的激光光斑在其它表面之上。在激光路径上的第一活动板被看作是主活动板740，而其它被看作是次活动板750。除了光学系统里的其它透镜和镜，有一个双轴扫描MEMS镜760以扫描方式反射激光，其围绕两个垂直轴发生旋转运动。因此，来自照明源710的激光到达屏幕730时，降低了散斑效应。图7c显示本发明一个实施例一个使用一个或多个活动板和一个独立双轴MEMS镜的光学系统的模块示意图。不同于有一个单独的双轴MEMS镜用于激光扫描，该双轴MEMS 镜被制作在活动板770内。一个照明源710的激光束在由一个主活动板740反射之后，将被散开成一个更大的激光光斑，主活动板740在垂直和横向方向上有不同振动。这个更大的激光光斑将射到双轴MEMS镜上，其以扫描方式反射以产生一个图像在屏幕730上。由于双轴MEMS镜随着次活动板振动，双轴MEMS镜的扫描与次活动板产生的散斑降低效应结合在一起。在一个实施例里，在活动板上制作有一个扫描镜。设计和制作这个扫描镜的例子如在 Yick Chuen CHAN 等的"Design and Fabrication of aMEMS Scanning Mirror with and without Comb Offet" (Proceedings of the2010 5th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered andMolecular Systems, January 20-23 2010, Xiamen, China)里所述，在此，其通过引用结合到本文。尽管已经描述了本发明的特别实施例，但应该明白，本发明不受限于在此所述的精确构造，从以上的描述，各种修改、变化和改变是显而易见的。并且，这些修改、变化和改变被看作是如以下权利要求所阐述的本发明范围的一部分。
10
权利要求
1.一种MEMS装置，用来降低激光扫描显示器里散斑效应，包括一个活动板，其被设置以在活动板的至少一个水平平面上周期性地振动，和/或在活动板的至少一个垂直平面上周期性地振动；一个或多个第一致动器，其被设置以在至少第一方向上周期性地移动活动板； 一个或多个第二致动器，其被设置以在至少第二方向上周期性地移动活动板；和一个镜，其被集成制作在活动板内，用于反射一入射激光束，使得入射激光束依照入射时间以不同角度射于该镜，导致入射光束被反射和/或发散，具有时变特性，降低了被反射和/或被发散的入射光束的相干性。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中 致动器是静电梳状结构。
3.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中 致动器是磁致动器。
4.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中 致动器是压电致动器。
5.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中 活动板是三角形形状。
6.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中 所述镜是一个双轴扫描镜。
7.根据权利要求5所述的MEMS装置，其中第一致动器在不同时间沿着第一方向移动活动板的每个侧边，使得入射激光束以不同角度射于所述镜，从而形成一个反射激光束的圆形轨迹。
8.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中一个或多个第一梳齿沿着活动板的一个外缘排列，并沿着活动板的一个相对外缘排列。
9.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中在活动板顶部上的镜的至少一部分被涂敷有一发散层。
10.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中 发散层的表面被涂敷有一反射涂层。
11.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中 发散层的表面被粗化。
12.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中 发散层是一图案化的绝缘膜。
13.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中 发散层在其表面至少有一聚合物结构。
14.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中在双轴扫描镜顶部和发散层之间提供一反射涂层。
15.根据权利要求9所述的MEMS装置，其中 发散层是由不均勻的相变聚合物构成。
16.一个使用如权利要求1所述MEMS装置的光学系统，还包括一个照明源，其发射一个或多个激光束，一个或多个激光束被射到MEMS装置的镜上， 从而以扫描方式被反射以产生一个图像在显示器上。
17. 一个使用如权利要求1所述MEMS装置的光学系统，还包括 一个照明源，其发射一个或多个激光束，一个或多个激光束被射到一个MEMS装置的周期性振动活动板上，从而被反射；至少一个额外的MEMS装置，该MEMS装置是权利要求1所述的MEMS装置，其被安置以接收并以扫描方式反射从周期性振动活动板反射出的激光束，以产生一个图像在显示器上。
全文摘要
本发明涉及一种用于降低激光扫描显示器里散斑噪声的方法和装置。特别地，提供一种MEMS装置，其能够重叠振动在一个双轴扫描镜上以降低散斑效应。
文档编号G02B26/08GK102207634SQ20111005570
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月9日 优先权日2011年2月16日
发明者冯耀军, 李致淳, 陈奕泉, 陈浩然 申请人:香港应用科技研究院有限公司