CN100447612C - 光扫描设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用在激光投影设备(LPD)中的扫描镜。该扫描镜由基本上平面构件构成，该构件包括通过切分铰链连接在一起的可动反射区域和基底区域。基座通过至少一个在它们之间延伸的压电元件与基底区域连接，从而压电元件的运动通过切分铰链传递给可动反射区域。

Description

光扫描设备

技术领域

本发明大体上涉及激光投影装置(LPD)，更具体地说涉及采用了可以由压电装置促动的扫描镜的LPD。

背景技术

在LPD领域中，可以使用一个或多个反射镜来将一束或多束激光重新引导和/或扫描到投影表面上。这些反射镜必须能够进行快速高度受控运动以便将激光束精确地定位在投影表面上。在反射镜运动以水平和/或垂直地扫描激光束时，在反射镜的定位方面的任何不精确性将导致激光束不精确地设置在投影表面上。因此，将使由LPD投影的任何图像扭曲。在一些情况中，在投影表面和反射镜之间的距离可以相当大，从而在反射镜的定位中的甚至相对较小的不精确性也会产生出在投影表面上的巨大没有正确定位的激光束。

本发明涉及克服或者至少减少上面提出的问题中的一个或多个。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了光扫描设备，它包括：可以绕轴转动的反射区域，该反射区域使入射在其上的光反射；基底区域；以及沿着轴分隔开的、且连接在基底区域和反射区域之间的一对扭转铰链，用于支撑反射区域以便绕轴转动，该设备的特征在于：每一个扭转铰链都是切分扭转铰链，并且具有多个部分和在所述多个部分之间延伸的偏置部分；并且多个压电元件用于直接移动基底区域，该基底区域移动使得反射区域绕轴转动，从而扫描入射光。

附图说明

参照结合附图给出的以下说明可以理解本发明，其中相同的参考标号表示相同的元件，其中：

图1为本发明一个实施方案的顶视图的风格方框图；

图2为在图1中所示的观看表面的风格图；

图3A和3B显示出扫描装置在其操作期间的各个时刻的顶视图；

图4显示出可以由在图1中所示的控制器执行的控制程序的流程图的一个实施方案；

图5显示出在图1中所示的反射镜的一个实施方案的风格透视图；

图6A和6B显示出在各个操作阶段中的图5的反射镜的端视图；

图7A和7B显示出在图1中所示的反射镜的可选实施方案的顶视图和放大顶视图；

图8显示出具有叉形推压片的在图1中所示的反射镜的另一个可选实施方案的顶视图；并且

图9显示出具有安装桥形件的在图1中所示的反射镜的另一个可选实施方案的顶视图。

虽然本发明可以有各种变型和可选形式，但是其特定实施方案已经以实施例的方式显示在这些附图中，并且在这里进行详细说明。但是，应该理解的是，这些特定实施方案的其中说明并不打算将本发明限制于所披露的特定形式，而是相反，本发明要覆盖落入在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等同方案和可选方案。

具体实施方式

下面将对本发明的示例性实施方案进行说明。为了清楚起见，在该说明书中没有说明实际应用方案的所有特征。当然要理解的是，在任意这些实际实施方案的开发中，必须作出许多专用于应用的判断以实现开发者的特定目标，例如满足与系统相关和商业相关的约束条件，这些条件将根据应用而相互不同。而且，要理解的是，这种开发努力是复杂而耗时的，但是不过是具有该公开内容的益处的那些本领域普通技术人员的常规任务。

下面的共同未决申请由此其全文在这里被引用作为参考：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”。

现在参照附图并且尤其参照图1，显示出根据本发明一个实施方案的激光投影显示器(LPD)100的风格方框图。在所示的实施方案中，LPD100包括三个激光器102、104、106，每个能够发射由独特颜色例如红色、绿色或蓝色构成的光束108、110、112。本领域普通技术人员将理解的是，从中发射出的激光束和光颜色可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行改变。

激光器102、104、106布置在共同板114中，并且光束108、110、112彼此相对地倾斜取向以落入在位于第一扫描装置例如第一扫描镜118上的基本上共同位置116上，从那里它们作为光束120、122、124反射。在所示的实施方案中，第一扫描镜118以相对较高的速度(例如，20-30kHz)在轴线120上振荡。第一扫描镜118的转动或振荡使得光束108、110、112运动。也就是说，随着第一扫描镜118的角度位置改变，因此光束120、122、124从第一扫描镜118反射的角度也变化。因此，随着扫描镜振荡，使反射的光束120、122、124扫描以使光束120、122、124沿着二维显示器的一个部件进行运动。

二维显示器的第二部件由第二扫描装置例如反射镜126产生。在所示的实施方案中，第二反射镜126在枢接位置130处与电机128连接以便产生出绕着与第一反射镜118的旋转轴线基本上垂直的轴线的旋转或振荡运动。光束120、122、124作为光束132、134、136反射离开第二反射镜126，并且射向观看表面138。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，观看表面可以采取各种形式的任一种。

与第一反射镜118的速度(例如60Hz)相比，第二反射镜以相对较慢的速度振荡或转动。因此，要理解的是，如图2所示，光束132、134、136大体上遵循在显示表面138上的路径140。本领域普通技术人员将理解的是，该路径140在形状和概念上类似于在阴极射线管电视机和计算机监视器中所通常采用的光栅扫描。

虽然在这里在采用了单独的第一和第二扫描镜118、126的实施方案方面对本发明进行了说明，但是本领域普通技术人员要理解的是，可以通过采用单个反射镜来产生出类似的路径140。单个反射镜能够绕着两根旋转轴线运动以提供沿着两个垂直轴的快速和慢速振荡运动。

从图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已经在机械和光学上布置成发射光束108、110、112在相同平面114内并且在反射镜118上的相同位置处(在旋转轴线120上)，但是每个都具有不同的反射角度，这使得光束120、122、124散射。控制器142设置用来可控地给激光器102、104、106供能以有效地使得光束120、122、124共线，从而它们反射离开第二反射镜126，并且与观看表面138离第二反射镜126的距离相对独立地传输到在观看表面138上的相同位置处。

现在参照图3A和3B，这些图描绘出控制器142使得光束120、122、124共线的操作。为了简化说明，在图3中只是显示出两个激光器102、104，但是本领域普通技术人员将理解的是，在这里所描述的概念可以延伸至三个或多个激光器，而不会脱离本发明的精神和范围。如图3A所示，如果同时给激光器102、104供能，则反射的光束120、122散射。但是，如图3B所示，如果在稍微不同的时刻给激光器102、104供能，则能够使光束120、122遵循单个共同路径(即，光束120、122共线)。例如，如果在第一时刻t1给激光器102供能，则反射镜118将处于如由实线所示的第一位置，并且光束108将作为光束120反射离开反射镜118。随后，如果在第二时刻t2给激光器104供能，则反射镜118将处于如由虚线所示的第二位置处，并且光束110将作为光束122反射离开反射镜118。通过精确控制时刻t2，从而反射镜118将处于能够使光束122沿着与光束120基本上相同路径精确反射的位置中。

因此，通过控制器142的操作，光束120、122基本上共线，但是在实际上稍微偏离。也就是说，光束120、120现在将都投射到在显示表面138上的基本上相同位置上，但是在稍微不同的时刻。但是，由于人眼的持续性，该定时差异不能检测到。也就是说，在图1描绘的三个激光器系统的情况中，激光器102、104、106的每一个在相对较短的时间窗口内将具有独特颜色和强度的激光可控地传送至在观看表面132上的基本上相同位置。人眼将不会检测到三种单独颜色，而是将察觉到三种光束的混合，从而在观看表面上的那个位置处出现恒定所期望的灰度。本领域普通技术人员将理解的是，该过程可以沿着路径140重复多次以在观看表面132上重现图像。

现在参照图4，该图显示出可以用在控制器142中的控制程序400的一个实施方案。该程序在方框401处开始，其中控制器142确定出每个激光器的强度。也就是说，为了正确显示出画面，控制器142能够确定将要投影到观看表面上的那一小部分画面的画面灰度。为了再现正确的灰度，控制器142确定每个激光器的强度。该确定过程可以按照各种传统方式的任一种借助数学算法等实现，例如通过查询表。

在方框402中，控制器142确定将要给每个激光器供能的时间。定时的确定可以通过数学算法等按照各种传统方式的任一种例如借助查询表实现。通常，该定时是相对固定的。也就是说，通过工厂技术人员在制造过程的最后建立该定时，之后，控制器可以简单地使用这些工厂确定的设定值。

但是，可以让技术人员或者甚至消费者来对该定时进行周期性调节以计及在系统100中由于环境条件例如温度或苛刻处理出现的机械变化。由于可以通过在非易失性存储器中存储定时要求来实现这些定时变化，所以可以建立程序以让这些设定值能够根据需要改变。这是软件程序，它可以用来将预选定的调谐图案(例如每个颜色激光器的交叉图案)投射到观看表面上。维修技术人员或消费者然后向控制器指出(通过按压预定的按键序列)，需要调节调谐图案以使得它们正确重叠。控制器142然后使用技术人员或消费者提供的信息来改变激光器的定时。

最后，在方框403中，控制器142使用针对每个激光器确定的定时和强度，并且可控地给激光器供能以在观看表面上的当前位置处产生出所期望的灰度。对沿着路径140的许多位置连续重复控制程序400以在观看表面上有效地再现画面。

现在参照图5，该图显示出可以用作扫描镜118、126的反射镜的一个实施方案。在所示的实施方案中，采用压电元件502、504来促动非谐振扫描镜500。通过在非常靠近反射镜500的旋转轴线的位置处施加由压电元件产生出的力来克服压电元件的特征行程限制。因此，在不依靠高机械Q因素的情况下可以实现相对较大的扫描角度。

反射镜500可以由基本上平板材料500例如金属、陶瓷、半导体等形成。基本上穿过该材料板500的狭缝或沟槽将该材料板500分成两个基本区域，即可动反射区域502和基底区域504，它们在所示的实施方案中基本上包围着可动反射区域502。可动反射区域502保持通过一对切分扭转铰链(split torsion hinge)506与基底区域504连接。切分扭转铰链506由狭缝或沟槽形成，它们基本上延伸穿过材料板500并且与可动反射表面502的旋转轴线508基本上对准。

可动反射表面502通常如此自由地绕着轴线508转动，从而射到可动反射表面502上的激光能够以各种角度从中反射出。通过一组压电元件510、512、514、516来实现可动反射表面502的可控定位。通常，压电元件510、512、514、516在基底区域504和基座例如印刷电路(PC)`板518之间延伸。本领域普通技术人员将理解的是，虽然本发明的所示实施方案使用了四个压电元件，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，根据其中正在使用该反射镜的应用设计标准可以采用更少或更多的元件。

切分铰链506提供回复力，它有助于使可动反射区域502返回到其初始未受偏压的位置。每个铰链506还用作联接件，用来从压电元件510、512、514、516将力传递给反射镜500。由于这些力偏心施加，所以它们产生出力矩，该力矩迫使可动反射区域转动。

在图5中所示的实施方案在采用微机电系统(MEMS)技术构造出反射镜500时尤为有效，因此切分铰链506可以非常窄，并且在形成铰链506的狭缝之间的距离可以非常小。

现在参照图6A和6B，以各种操作模式显示出反射镜500的剖面端视图。在图6A中，已经成对510、512；514、516给压电元件供电以沿着由箭头600、602所示的方向施加力。这些力600、602施加在基底区域504上，然后通过切分铰链506传递给可动反射区域502。通过切分铰链506施加的力使得可动反射区域502如由箭头604所示一样沿着第一方向转动。通过控制由压电元件510、512、514、516施加的力的大小，可以精确控制转动量。本领域普通技术人员将理解的是，可以通过改变施加在压电元件510、512、514、516上的信号的电参数来控制由压电元件510、512、514、516输送的力的大小。例如，可以通过改变电压、电流、频率、负载循环或其组合来控制由压电元件510、512、514、516产生出的力的大小。可选的是，在一些应用中可以通过各种压电元件510、512、514、516来施加不均等的力。

在图6B中，按照沿着与在图6A中所示的力相反的由箭头600、602所示的方向施加力的方式成对510、512；514、516给压电元件供能。然而，将力600、602施加在基底区域504上，然后通过切分铰链506传递给可动反射区域502。通过切分铰链506施加的力使得可动反射区域502如由箭头604所示一样沿着第二方向转动。通过控制由压电元件510、512、514、516施加的力的大小，从而可以精确控制转动量。本领域普通技术人员将理解的是，可以通过改变施加在压电元件510、512、514、516上的信号的电参数来控制由压电元件510、512、514、516输送的力的大小。例如，可以通过改变电压、电流、频率、负载循环或其组合来控制由压电元件510、512、514、516产生出的力的大小。可选的是，在一些应用中可以通过各种压电元件510、512、514、516来施加不均等的力。

另外，在一些应用中，可以通过首先给第一对压电元件510、512供能以转动第一转动范围然后给第二对514、516相反供能并且同时产生出第二更大的转动范围来控制转动程度。也就是说，给第一对510、512供能可以用来产生出在0-2°的范围内的转动，而给两对510、512；514、516相反地并且同时供能产生出在2-5°的范围内的转动。本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以采用各种压电元件510、512、514、516的供能方案来产生出可动反射区域502的各种所期望的旋转运动。

现在参照图7-9，这些图显示出反射镜500的结构的可选实施方案。具体地说，图7-9显示出在切分铰链506的形成中的变型。图7A和7B显示出包括多个具有偏置的铰链的反射镜500的顶视图和放大顶视图。虽然在图7中所示的实施方案显示出位于反射镜的每一侧上的两对切分铰链，但是本领域普通技术人员将理解的是，可以使用任意数量的具有偏置的铰链对。另外，偏置量可以具有任意数值，从0直至铰链宽度或可能超过铰链宽度(图7显示出偏置量大约等于铰链宽度)。

如图8所示，用来安装铰链的推压片800可以分叉以允许在铰链长度方向上具有一些顺应性或柔性，并且因此补偿铰链由于其扭转而产生出的伸展。

另外，如图9所示，位于铰链两侧上的推压片900、902可以通过桥形件904连接以便于反射镜操纵和安装。在安装反射镜之后，桥形件904可以拆除或如果它们足够薄从而不会产生出明显阻力则可以保持。

上面给出的具体实施方案只是举例说明，因为本领域普通技术人员在这里给出的教导下可以按照不同但是等效的方式改变和实施本发明。另外，不打算对在这里所示的结构或设计的细节进行限定，除了在下面权利要求中所述的之外。因此显然在本发明的精神和范围内可以改变或改进上面给出的具体实施方案并且想到所有这些变型。

Claims (4)

1.一种光扫描设备，它包括：

可以绕轴(508)转动的反射区域(502)，该反射区域使入射在其上的光反射；

基底区域(504)；以及

沿着轴(508)分隔开的、且连接在基底区域(504)和反射区域(502)之间的一对扭转铰链，用于支撑反射区域(502)以便绕轴(508)转动，

该设备的特征在于：

每一个扭转铰链都是切分扭转铰链，并且具有多个部分和在所述多个部分之间延伸的偏置部分；并且

多个压电元件(510，512，514，516)用于直接移动基底区域(504)，该基底区域(504)移动使得反射区域(502)绕轴(508)转动，从而扫描入射光。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，反射区域(502)、基底区域(504)和扭转铰链由基本上平板材料形成。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，基底区域(504)包围反射区域(502)。

4.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括印刷电路板(518)，其中，压电元件(510，512，514，516)在基底区域(504)和印刷电路板(518)之间延伸。

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