專利名稱：壓電促動掃描鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及激光投影裝置(LPD)，更具體地說涉及采用了可以由壓電裝置促動的掃描鏡的LPD。
背景技術(shù)：
在LPD領(lǐng)域中，可以使用一個或多個反射鏡來將一束或多束激光重新引導(dǎo)和/或掃描到投影表面上。這些反射鏡必須能夠進(jìn)行快速高度受控運(yùn)動以便將激光束精確地定位在投影表面上。在反射鏡運(yùn)動以水平和/或垂直地掃描激光束時，在反射鏡的定位方面的任何不精確性將導(dǎo)致激光束不精確地設(shè)置在投影表面上。因此，將使由LPD投影的任何圖像扭曲。在一些情況中，在投影表面和反射鏡之間的距離可以相當(dāng)大，從而在反射鏡的定位中的甚至相對較小的不精確性也會產(chǎn)生出在投影表面上的巨大沒有正確定位的激光束。
本發(fā)明涉及克服或者至少減少上面提出的問題中的一個或多個。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種設(shè)備。該設(shè)備包括可動反射區(qū)域、通過切分鉸鏈與可動反射區(qū)域連接的基底區(qū)域、基座和至少一個在基座和基底區(qū)域之間延伸的壓電元件，從而壓電元件的運(yùn)動通過切分鉸鏈傳遞給可動反射區(qū)域。


參照結(jié)合附圖給出的以下說明可以理解本發(fā)明，其中相同的參考標(biāo)號表示相同的元件，其中圖1為本發(fā)明一個實施方案的頂視圖的風(fēng)格方框圖；
圖2為在圖1中所示的觀看表面的風(fēng)格圖；圖3A和3B顯示出掃描裝置在其操作期間的各個時刻的頂視圖；圖4顯示出可以由在圖1中所示的控制器執(zhí)行的控制程序的流程圖的一個實施方案；圖5顯示出在圖1中所示的反射鏡的一個實施方案的風(fēng)格透視圖；圖6A和6B顯示出在各個操作階段中的圖5的反射鏡的端視圖；圖7A和7B顯示出在圖1中所示的反射鏡的可選實施方案的頂視圖和放大頂視圖；圖8顯示出具有叉形推壓片的在圖1中所示的反射鏡的另一個可選實施方案的頂視圖；并且圖9顯示出具有安裝橋形件的在圖1中所示的反射鏡的另一個可選實施方案的頂視圖。
雖然本發(fā)明可以有各種變型和可選形式，但是其特定實施方案已經(jīng)以實施例的方式顯示在這些附圖中，并且在這里進(jìn)行詳細(xì)說明。但是，應(yīng)該理解的是，這些特定實施方案的其中說明并不打算將本發(fā)明限制于所披露的特定形式，而是相反，本發(fā)明要覆蓋落入在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有變型、等同方案和可選方案。
具體實施例方式
下面將對本發(fā)明的示例性實施方案進(jìn)行說明。為了清楚起見，在該說明書中沒有說明實際應(yīng)用方案的所有特征。當(dāng)然要理解的是，在任意這些實際實施方案的開發(fā)中，必須作出許多專用于應(yīng)用的判斷以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如滿足與系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束條件，這些條件將根據(jù)應(yīng)用而相互不同。而且，要理解的是，這種開發(fā)努力是復(fù)雜而耗時的，但是不過是具有該公開內(nèi)容的益處的那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的常規(guī)任務(wù)。
下面的共同未決申請由此其全文在這里被引用作為參考MikStern等人的“Method and Apparatus for Controllably ReducingPower Delivered by a Laser Projection Display”；Narayan Nambudiri等人的“Method and Apparatus for Displaying Information inAutomotive Application Using a Laser Projection Display”；NarayanNambudiri等人的“Method and Apparatus for Providing an InterfaceBetween a Liquid Crystal Display Controller and a Laser ProjectionDisplay”；Paul Dvorkis等人的“A Color Laser Projection Display”；Chinh Tan等人的“Method and Apparatus for Capturing ImagesUsing A Color Laser Projection Display”；Fred Wood等人的“Methodand Apparatus for Conserving Power in a Laser Projection Display”；Ron Goldman等人的A Laser Projection Display；Carl Wittenberg等人的“Method and Apparatus for Controllably Compensating forDistortions in a Laser Projection Display”；以及Dmitriy Yavid等人的“Method and Apparatus for Controllably Modulating a Laser in aLaser Projection Display”。
現(xiàn)在參照附圖并且尤其參照圖1，顯示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的激光投影顯示器(LPD)100的風(fēng)格方框圖。在所示的實施方案中，LPD100包括三個激光器102、104、106，每個能夠發(fā)射由獨(dú)特顏色例如紅色、綠色或藍(lán)色構(gòu)成的光束108、110、112。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，從中發(fā)射出的激光束和光顏色可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行改變。
激光器102、104、106布置在共同板114中，并且光束108、110、112彼此相對地傾斜取向以落入在位于第一掃描裝置例如第一掃描鏡118上的基本上共同位置116上，從那里它們作為光束120、122、124反射。在所示的實施方案中，第一掃描鏡118以相對較高的速度(例如，20-30kHz)在軸線120上振蕩。第一掃描鏡118的轉(zhuǎn)動或振蕩使得光束108、110、112運(yùn)動。也就是說，隨著第一掃描鏡118的角度位置改變，因此光束120、122、124從第一掃描鏡118反射的角度也變化。因此，隨著掃描鏡振蕩，使反射的光束120、122、124掃描以使光束120、122、124沿著二維顯示器的一個部件進(jìn)行運(yùn)動。
二維顯示器的第二部件由第二掃描裝置例如反射鏡126產(chǎn)生。在所示的實施方案中，第二反射鏡126在樞接位置130處與電機(jī)128連接以便產(chǎn)生出繞著與第一反射鏡118的旋轉(zhuǎn)軸線基本上垂直的軸線的旋轉(zhuǎn)或振蕩運(yùn)動。光束120、122、124作為光束132、134、136反射離開第二反射鏡126，并且射向觀看表面138。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，觀看表面可以采取各種形式的任一種。
與第一反射鏡118的速度(例如60Hz)相比，第二反射鏡以相對較慢的速度振蕩或轉(zhuǎn)動。因此，要理解的是，如圖2所示，光束132、134、136大體上遵循在顯示表面138上的路徑140。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，該路徑140在形狀和概念上類似于在陰極射線管電視機(jī)和計算機(jī)監(jiān)視器中所通常采用的光柵掃描。
雖然在這里在采用了單獨(dú)的第一和第二掃描鏡118、126的實施方案方面對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，可以通過采用單個反射鏡來產(chǎn)生出類似的路徑140。單個反射鏡能夠繞著兩根旋轉(zhuǎn)軸線運(yùn)動以提供沿著兩個垂直軸的快速和慢速振蕩運(yùn)動。
從圖1看出，由于激光器102、104、106的角度定位，所以即使激光器102、104、106已經(jīng)在機(jī)械和光學(xué)上布置成發(fā)射光束108、110、112在相同平面114內(nèi)并且在反射鏡118上的相同位置處(在旋轉(zhuǎn)軸線120上)，但是每個都具有不同的反射角度，這使得光束120、122、124散射。控制器142設(shè)置用來可控地給激光器102、104、106供能以有效地使得光束120、122、124共線，從而它們反射離開第二反射鏡126，并且與觀看表面138離第二反射鏡126的距離相對獨(dú)立地傳輸?shù)皆谟^看表面138上的相同位置處。
現(xiàn)在參照圖3A和3B，這些圖描繪出控制器142使得光束120、122、124共線的操作。為了簡化說明，在圖3中只是顯示出兩個激光器102、104，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，在這里所描述的概念可以延伸至三個或多個激光器，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。如圖3A所示，如果同時給激光器102、104供能，則反射的光束120、122散射。但是，如圖3B所示，如果在稍微不同的時刻給激光器102、104供能，則能夠使光束120、122遵循單個共同路徑(即，光束120、122共線)。例如，如果在第一時刻t1給激光器102供能，則反射鏡118將處于如由實線所示的第一位置，并且光束108將作為光束120反射離開反射鏡118。隨后，如果在第二時刻t2給激光器104供能，則反射鏡118將處于如由虛線所示的第二位置處，并且光束110將作為光束122反射離開反射鏡118。通過精確控制時刻t2，從而反射鏡118將處于能夠使光束122沿著與光束120基本上相同路徑精確反射的位置中。
因此，通過控制器142的操作，光束120、122基本上共線，但是在實際上稍微偏離。也就是說，光束120、120現(xiàn)在將都投射到在顯示表面138上的基本上相同位置上，但是在稍微不同的時刻。但是，由于人眼的持續(xù)性，該定時差異不能檢測到。也就是說，在圖1描繪的三個激光器系統(tǒng)的情況中，激光器102、104、106的每一個在相對較短的時間窗口內(nèi)將具有獨(dú)特顏色和強(qiáng)度的激光可控地傳送至在觀看表面132上的基本上相同位置。人眼將不會檢測到三種單獨(dú)顏色，而是將察覺到三種光束的混合，從而在觀看表面上的那個位置處出現(xiàn)恒定所期望的灰度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，該過程可以沿著路徑140重復(fù)多次以在觀看表面132上重現(xiàn)圖像。
現(xiàn)在參照圖4，該圖顯示出可以用在控制器142中的控制程序400的一個實施方案。該程序在方框401處開始，其中控制器142確定出每個激光器的強(qiáng)度。也就是說，為了正確顯示出畫面，控制器142能夠確定將要投影到觀看表面上的那一小部分畫面的畫面灰度。為了再現(xiàn)正確的灰度，控制器142確定每個激光器的強(qiáng)度。該確定過程可以按照各種傳統(tǒng)方式的任一種借助數(shù)學(xué)算法等實現(xiàn)，例如通過查詢表。
在方框402中，控制器142確定將要給每個激光器供能的時間。定時的確定可以通過數(shù)學(xué)算法等按照各種傳統(tǒng)方式的任一種例如借助查詢表實現(xiàn)。通常，該定時是相對固定的。也就是說，通過工廠技術(shù)人員在制造過程的最后建立該定時，之后，控制器可以簡單地使用這些工廠確定的設(shè)定值。
但是，可以讓技術(shù)人員或者甚至消費(fèi)者來對該定時進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)以計及在系統(tǒng)100中由于環(huán)境條件例如溫度或苛刻處理出現(xiàn)的機(jī)械變化。由于可以通過在非易失性存儲器中存儲定時要求來實現(xiàn)這些定時變化，所以可以建立程序以讓這些設(shè)定值能夠根據(jù)需要改變。這是軟件程序，它可以用來將預(yù)選定的調(diào)諧圖案(例如每個顏色激光器的交叉圖案)投射到觀看表面上。維修技術(shù)人員或消費(fèi)者然后向控制器指出(通過按壓預(yù)定的按鍵序列)，需要調(diào)節(jié)調(diào)諧圖案以使得它們正確重疊。控制器142然后使用技術(shù)人員或消費(fèi)者提供的信息來改變激光器的定時。
最后，在方框403中，控制器142使用針對每個激光器確定的定時和強(qiáng)度，并且可控地給激光器供能以在觀看表面上的當(dāng)前位置處產(chǎn)生出所期望的灰度。對沿著路徑140的許多位置連續(xù)重復(fù)控制程序400以在觀看表面上有效地再現(xiàn)畫面。
現(xiàn)在參照圖5，該圖顯示出可以用作掃描鏡118、126的反射鏡的一個實施方案。在所示的實施方案中，采用壓電元件502、504來促動非諧振掃描鏡500。通過在非?？拷瓷溏R500的旋轉(zhuǎn)軸線的位置處施加由壓電元件產(chǎn)生出的力來克服壓電元件的特征行程限制。因此，在不依靠高機(jī)械Q因素的情況下可以實現(xiàn)相對較大的掃描角度。
反射鏡500可以由基本上平板材料500例如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體等形成?；旧洗┻^該材料板500的狹縫或溝槽將該材料板500分成兩個基本區(qū)域，即可動反射區(qū)域502和基底區(qū)域504，它們在所示的實施方案中基本上包圍著可動反射區(qū)域502?？蓜臃瓷鋮^(qū)域502保持通過一對切分扭轉(zhuǎn)鉸鏈(split torsion hinge)506與基底區(qū)域504連接。切分扭轉(zhuǎn)鉸鏈506由狹縫或溝槽形成，它們基本上延伸穿過材料板500并且與可動反射表面502的旋轉(zhuǎn)軸線508基本上對準(zhǔn)。
可動反射表面502通常如此自由地繞著軸線508轉(zhuǎn)動，從而射到可動反射表面502上的激光能夠以各種角度從中反射出。通過一組壓電元件510、512、514、516來實現(xiàn)可動反射表面502的可控定位。通常，壓電元件510、512、514、516在基底區(qū)域504和基座例如印刷電路(PC)板之間延伸。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，雖然本發(fā)明的所示實施方案使用了四個壓電元件，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，根據(jù)其中正在使用該反射鏡的應(yīng)用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可以采用更少或更多的元件。
切分鉸鏈506提供回復(fù)力，它有助于使可動反射區(qū)域502返回到其初始未受偏壓的位置。每個鉸鏈506還用作聯(lián)接件，用來從壓電元件510、512、514、516將力傳遞給反射鏡500。由于這些力偏心施加，所以它們產(chǎn)生出力矩，該力矩迫使可動反射區(qū)域轉(zhuǎn)動。
在圖5中所示的實施方案在采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)構(gòu)造出反射鏡500時尤為有效，因此切分鉸鏈506可以非常窄，并且在形成鉸鏈506的狹縫之間的距離可以非常小。
現(xiàn)在參照圖6A和6B，以各種操作模式顯示出反射鏡500的剖面端視圖。在圖6A中，已經(jīng)成對510、512；514、516給壓電元件供電以沿著由箭頭600、602所示的方向施加力。這些力600、602施加在基底區(qū)域504上，然后通過切分鉸鏈506傳遞給可動反射區(qū)域502。通過切分鉸鏈506施加的力使得可動反射區(qū)域502如由箭頭604所示一樣沿著第一方向轉(zhuǎn)動。通過控制由壓電元件510、512、514、516施加的力的大小，可以精確控制轉(zhuǎn)動量。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，可以通過改變施加在壓電元件510、512、514、516上的信號的電參數(shù)來控制由壓電元件510、512、514、516輸送的力的大小。例如，可以通過改變電壓、電流、頻率、負(fù)載循環(huán)或其組合來控制由壓電元件510、512、514、516產(chǎn)生出的力的大小?？蛇x的是，在一些應(yīng)用中可以通過各種壓電元件510、512、514、516來施加不均等的力。
在圖6B中，按照沿著與在圖6A中所示的力相反的由箭頭600、602所示的方向施加力的方式成對510、512；514、516給壓電元件供能。然而，將力600、602施加在基底區(qū)域504上，然后通過切分鉸鏈506傳遞給可動反射區(qū)域502。通過切分鉸鏈506施加的力使得可動反射區(qū)域502如由箭頭604所示一樣沿著第二方向轉(zhuǎn)動。通過控制由壓電元件510、512、514、516施加的力的大小，從而可以精確控制轉(zhuǎn)動量。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，可以通過改變施加在壓電元件510、512、514、516上的信號的電參數(shù)來控制由壓電元件510、512、514、516輸送的力的大小。例如，可以通過改變電壓、電流、頻率、負(fù)載循環(huán)或其組合來控制由壓電元件510、512、514、516產(chǎn)生出的力的大小?？蛇x的是，在一些應(yīng)用中可以通過各種壓電元件510、512、514、516來施加不均等的力。
另外，在一些應(yīng)用中，可以通過首先給第一對壓電元件510、512供能以轉(zhuǎn)動第一轉(zhuǎn)動范圍然后給第二對514、516相反供能并且同時產(chǎn)生出第二更大的轉(zhuǎn)動范圍來控制轉(zhuǎn)動程度。也就是說，給第一對510、512供能可以用來產(chǎn)生出在0-2°的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動，而給兩對510、512；514、516相反地并且同時供能產(chǎn)生出在2-5°的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以采用各種壓電元件510、512、514、516的供能方案來產(chǎn)生出可動反射區(qū)域502的各種所期望的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
現(xiàn)在參照圖7-9，這些圖顯示出反射鏡500的結(jié)構(gòu)的可選實施方案。具體地說，圖7-9顯示出在切分鉸鏈506的形成中的變型。圖7A和7B顯示出包括多個具有偏置的鉸鏈的反射鏡500的頂視圖和放大頂視圖。雖然在圖7中所示的實施方案顯示出位于反射鏡的每一側(cè)上的兩對切分鉸鏈，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，可以使用任意數(shù)量的具有偏置的鉸鏈對。另外，偏置量可以具有任意數(shù)值，從0直至鉸鏈寬度或可能超過鉸鏈寬度(圖7顯示出偏置量大約等于鉸鏈寬度)。
如圖8所示，用來安裝鉸鏈的推壓片800可以分叉以允許在鉸鏈長度方向上具有一些順應(yīng)性或柔性，并且因此補(bǔ)償鉸鏈由于其扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生出的伸展。
另外，如圖9所示，位于鉸鏈兩側(cè)上的推壓片900、902可以通過橋形件904連接以便于反射鏡操縱和安裝。在安裝反射鏡之后，橋形件904可以拆除或如果它們足夠薄從而不會產(chǎn)生出明顯阻力則可以保持。
上面給出的具體實施方案只是舉例說明，因為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在這里給出的教導(dǎo)下可以按照不同但是等效的方式改變和實施本發(fā)明。另外，不打算對在這里所示的結(jié)構(gòu)或設(shè)計的細(xì)節(jié)進(jìn)行限定，除了在下面權(quán)利要求中所述的之外。因此顯然在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以改變或改進(jìn)上面給出的具體實施方案并且想到所有這些變型。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，它包括可動反射區(qū)域；通過切分鉸鏈與可動反射區(qū)域連接的基底區(qū)域；基座；以及至少一個在基座和基底區(qū)域之間延伸的壓電元件，從而壓電元件的運(yùn)動通過切分鉸鏈傳遞給可動反射區(qū)域。
全文摘要
提供一種用在激光投影設(shè)備(LPD)中的掃描鏡。該掃描鏡由基本上平面構(gòu)件構(gòu)成，該構(gòu)件包括通過切分鉸鏈連接在一起的可動反射區(qū)域和基底區(qū)域。基座通過至少一個在它們之間延伸的壓電元件與基底區(qū)域連接，從而壓電元件的運(yùn)動通過切分鉸鏈傳遞給可動反射區(qū)域。
文檔編號G06K7/10GK1947051SQ200580013107
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月30日
發(fā)明者福萊得里克·F.·伍德 申請人:訊寶科技公司