CN102650736B - 二维扫描反射装置 - Google Patents

Abstract

二维扫描反射装置，包括振动构件与扫描构件。振动构件具有一自由端。扫描构件包括框架体、质量块与反射镜。框架体连接于振动构件的自由端。反射镜的自然频率对应第二频率。质量块以偏心方式设置于框架体，且质量块与反射镜的自然频率对应第一频率。振动构件接收具有第一频率与第二频率的复频信号时，反射镜以第一频率在一轴向上振动，且以第二频率在另一轴向上振动。

Description

二维扫描反射装置

技术领域

本发明涉及一种扫描反射装置，特别涉及一种二维扫描反射装置。

背景技术

在目前电子产品的主流就是轻薄短小可携式，几乎所有的元件都走向微型化，所以微型投影机就孕育而生。目前微型投影机可区分为三大不同技术，一是激光微型投影技术，以激光做为光源，并运用MEMS工艺制造出极其微小的微型扫瞄反射镜(Micro Scanning Mirror)，微型扫瞄反射镜可以做水平、垂直两个轴向的扫瞄，以高速、精确的方式反射激光形成投影成像。二是数字光源处理(DLP)技术，影像是由数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)产生的，DMD是在半导体芯片上布置一个由微镜片(精密、微型的反射镜)所组成的矩阵，每一个微镜片控制投影画面中的一个像素。三是反射式硅基液晶色彩序列型(LCoS CS)技术，使用一个芯片表面上的固定光镜，并通过液晶矩阵来控制光线反射的强弱，来投射最终构成的画面。

相较于DLP、LCoS微型投影技术，激光微型投影技术的优点包括：耗电量最少(嵌入式投影模块用电量不到1W)，可投射影像尺寸最大(可超过100英寸)、无须对焦。并且，激光微型投影技术可提供1080P超优画质。相较之下，DLP、LCoS微型投影产品画质目前分别仅支持480x320像素或VGA640x480像素。

微型投影机的关键技术之一是反射镜的旋转角度要大，以及旋转频率要高，以800x600像素而言，要达到一秒30个画面，则快轴需要有18kHz以上的速度。

为了达到快速的扫描速度，现在激光微型投影技术的反射镜驱动方式，现有技术提出了电磁式、静电式等方式，以因应各种驱动方式而改变反射镜的设计。电磁式驱动方式会在反射镜上增加线圈，提高劳伦兹力，以增大电磁式的扫瞄角度。不过增加线圈数却会增加热变形问题，造成投影失真。静电式会增加梳状电极的密度，提高静电力。但也因其出力较小，造成扫瞄角度较小。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的目的在于提出一种适于扫描式投影机的二维扫描反射装置。

为了实现上述目的，本发明提供的二维扫描反射装置适于扫描式投影机，二维扫描反射装置包括振动构件与扫描构件。

振动构件具有一自由端。振动构件接收一复频信号并依复频信号在自由端产生振动。复频信号包括第一频率与第二频率。扫描构件包括框架体、质量块与反射镜。框架体连接于振动构件的自由端并具有一第一容置空间。质量块位于第一容置空间。质量块通过一第一连接杆与框架体连接，质量块具有一第二容置空间。反射镜位于第二容置空间，并通过第二连接杆与质量块连接。反射镜具有第二自然频率，第二自然频率对应第二频率。

其中，反射镜的第二质心与第二连接杆之间具有第二偏心距离。

其中，质量块与反射镜的第一质心与第一连接杆之间具有一第一偏心距离。质量块与反射镜具有一第一自然频率，第一自然频率对应第一频率，质量块与反射镜沿着第一连接杆以第一频率共振。

其中，第二频率高于该第一频率。第一连接杆的一第一轴向与第二连接杆的一第二轴向为实质上互相垂直。

本发明的功效在于，通过偏心的结构，本发明可达到大的扫描角度。并且本发明所提出的二维扫描反射装置仅只用单一振动器，即可达到双轴扫描的功效，因此可用相当简单的结构即可实现。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为应用本发明的光学扫描投影系统的架构示意图；

图2A为本发明二维扫描反射装置的俯视图；

图2B为图2A的局部放大图；

图3为本发明二维扫描的反射装置的俯视图；

图4为本发明扭力振动示意图；

图5A为本发明振动构件的第一实施例的侧视图；

图5B至图5E为本发明振动构件的震动模式的示意图；

图6为本发明振动构件的第二实施例的立体示意图；

图7为本发明振动构件的第三实施例的立体示意图；以及

图8为本发明振动构件的第三实施例的俯视图。

其中，附图标记

10二维扫描反射装置

102扫描光源元件

20振动构件

20a固定端

20b自由端

22基材

24a第一压电层

24a’第一压电层

24b第二压电层

24b’第二压电层

25连接板

26a第一振动臂

26b第二振动臂

30扫描构件

32框架体

33第一容置空间

34质量块

36第一连接杆

37第二容置空间

38反射镜

39第二连接杆

43分光镜

44分光镜

50次光源

51测光器

52红色次光束

60次光源

61测光器

62绿色次光束

70次光源

71测光器

72蓝色次光束

84投影画面

A第一质心

B第二质心

W1第一偏心距离

W2第二偏心距离

具体实施方式

以下在实施方式中进一步详细说明本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求范围及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

请参照图1，为应用本发明的光学扫描投影系统的架构示意图。二维扫描反射装置10可应用于移动投影装置，例如但不限于手机或个人数字助理。移动投影装置可包括但不限于扫描光源元件102与二维扫描反射装置10。

二维扫描反射装置10反射的反射光120以扫描方式反射而分别获得投影画面84。

在本实施例中，扫描光源元件102可包括但不限于次光源50、次光源60、次光源70、测光器51、测光器61、测光器71、分光镜43与分光镜44。次光源50可发射红色次光束52，次光源60可发射绿色次光束62，次光源70可发射蓝色次光束72，次光源50、次光源60与次光源70可为但不限于半导体激光。也就是说，次光源50、次光源60与次光源70也可为固态激光。部分红色次光束52可入射内建于次光源50中的测光器51，其余的红色次光束52可完全穿透分光镜43与分光镜44。绿色次光束62入射分光镜43时，可为但不限于百分之五的绿色次光束62可穿透分光镜43并入射测光器61，可为但不限于百分之九十五的绿色次光束62可被分光镜43反射并穿透分光镜44。蓝色次光束72入射分光镜44时，可为但不限于百分之五的蓝色次光束72可穿透分光镜44并入射测光器71，可为但不限于百分之九十五的蓝色次光束72可被分光镜44反射。

请参照图2A，图2A为本发明二维扫描反射装置的俯视图。

二维扫描反射装置10包括振动构件20与扫描构件30。

振动构件20可接收一复频信号。复频信号可为具有第一频率的交流信号与具有第二频率的交流信号所迭加而成。具有第一频率的交流信号与具有第二频率的交流信号也可分别被输入至振动构件20，而形成复频信号，振动构件20具有一固定端20a及一自由端20b，固定端20a可以固定在一相对不动的基材22上，例如但不限于机壳。振动构件20在接收复频信号后，即会在自由端20b产生复频的振动(也即由第一频率及第二频率的振动迭加)。在本实施例中，振动构件20因振动而有z方向位移u_z，其现象与梁的挠曲(deflection)相似，因此振动构件的振动现象可由梁的波动方程式(wave equation)来解释：

$\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}\left[E\left(x\right)I\left(x\right)\frac{{\∂}^2{u}_z(x,t)}{{\∂x}^2}\right]+\mathrm{\ρ}\left(x\right)A\left(x\right)\frac{{\∂}^2{u}_z(x,t)}{{\∂t}^2}=f(x,t)$

其中t为时间，E(x)为扬氏系数(Young’s modulus)，I(x)为梁截面的截面惯量(area moment of inertia)，ρ(x)为密度，A(x)梁的截面积，f(x，t)为作用于梁的横向力(lateral force per unit length)。在振动学中，梁的内部因挠曲而有力矩M产生，其关系为

$M(x,t)=E\left(x\right)I\left(x\right)\frac{{\∂}^2{u}_z(x,t)}{{\∂x}^2}$

力矩为一向量，在此实施例中，力矩M的方向与y轴平行。梁的挠曲u_z以波的形式传递到扫描构件30，因此扫描构件30内部也产生y方向的力矩。

扫描构件30包括框架体32、质量块34与反射镜38。

框架体32连接于振动构件20。振动构件20设置于框架体32与基材22之间。框架体32具有第一容置空间33。第一容置空间33可为贯穿框架体32的一空间，或是从框架体32一表面挖空而成的沟槽。

质量块34位于第一容置空间33。质量块34通过第一连接杆36与框架体32连接。第一连接杆36可设置于质量块34的双侧。若是第一连接杆36具有足够强度时，第一连接杆36可仅设置于质量块34的单侧。质量块34具有第二容置空间37。第二容置空间37可为贯穿质量块34的空间，或是从质量块34一表面挖空而成的沟槽。

反射镜38位于第二容置空间37。反射镜38通过第二连接杆39与质量块34连接。第二连接杆39可设置于质量块34的双侧。若是第二连接杆39具有足够强度时，第二连接杆39可仅设置于反射镜38的单侧。

其中，质量块34与反射镜38整体结构的质心点为第一质心A。第一连接杆36所延伸的线段至第一质心A的距离为第一偏心距离W1。也就是说，第一质心A的位置不在第一连接杆36上。质量块34、反射镜38与第一连接杆36三者的整体结构具有一个自然频率。经过适当的设计(容后详述)，此自然频率可对应于第一频率，也就是说自然频率与第一频率之间可以是相同频率或者是相互间为倍频的关系。

在本发明的一实施例中，框架体32、质量块34、第一连接杆36与第二连接杆39的表面具有一吸光材质。也就是说，框架体32、质量块34、第一连接杆36与第二连接杆39会吸收扫描光源元件102所发出的激光。除了利用上述方式以外，也可让激光束截面积小于反射镜38的面积，同时通过精确组装对位，使激光不会照射到反射镜38以外的区域。

请参照图2B，图2B为图2A的局部放大图。反射镜38的质心为第二质心B。第二连接杆39所延伸的线段至第二质心B的距离为第二偏心距离W2。反射镜38与第二连接杆39具有另一个自然频率。经过适当的设计，此另一自然频率可对应于第二频率。

请参照图3，图3为本发明二维扫描的反射装置的俯视图。当振动构件20以第一频率与第二频率振动时，质量块34与反射镜38会以第一频率共振，且沿着第一连接杆36的轴向(图2A中X轴的方向)产生扭力振动(torsionalvibration)。并且，反射镜38会以第二频率共振，且沿着第二连接杆39的轴向(2A图中Y轴的方向)产生扭力振动。在此实施例中，第一连接杆36的轴向与第二连接杆39的轴向为实质上互相垂直。

更详细地说，由于振动构件20有Z轴方向位移，带动框架体32有Z轴方向位移。再利用偏心的原理，Z轴方向位移可转化为X轴方向的力矩，使得质量块34与反射镜38以第一连接杆36为轴产生扭转振动。当第一频率等于此扭转振动的自然频率时，因共振使得扭转角度最大。因此，若无偏心，第一频率无法驱动质量块34产生大角度的振动。

第二频率所产生的共振，使得反射镜38以第二连接杆39为轴产生扭转振动。其振动的机制，除了Z轴方向位移加上偏心所产生的力矩之外，还有振动构件因挠曲产生y轴方向的力矩直接传递至反射镜38，可使反射镜38产生扭转振动。反射镜38若有偏心，则有两个力矩：一为Z轴方向位移加上偏心所产生的力矩，另一为振动构件20因挠曲所产生的力矩直接传递至反射镜38。反射镜38若无偏心，则只有振动构件20弯曲所直接传递至反射镜38的力矩。

请参照图4，图4为本发明扭力振动示意图。以反射镜38为例，反射镜38通过第二连接杆39与质量块34连接。第二连接杆39与反射镜38的质量质心有一偏心量w，外围结构(质量块34)有垂直于质量块34平面的振动量z₀cosωt(源自于振动构件20的z方向位移)以及旋转振动量θ₀cosωt(源自于振动构件20因挠曲所产生的y方向力矩)，其中ω为振动频率，t为时间，z₀为振动位移振幅θ₀为振动角度振幅。质量对于其质心，沿着连结杆方向的质量惯性矩为I_c，根据振动学原理，质量可因w所造成力矩而产生以连结杆为轴心的扭力振动，其运动方程式为

$(I_c+{\mathrm{mw}}^2)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{k\θ}=({\mathrm{mw\ω}}^2{z}_0+k{\mathrm{\θ}}_0)\cos \mathrm{\ωt}$

其中k为连结杆的旋转刚性，θ为质量的旋转位移。若加入阻尼项，上式的解为

$\mathrm{\θ}=\frac{({\mathrm{mwz}}_0{\mathrm{\ω}}^2/k)+{\mathrm{\θ}}_0}{\sqrt{{[1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2]}^2+{\left[2\mathrm{\ζ}(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)\right]}^2}}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})$

其中ζ为阻尼比，为相位差，

当ω等于ω_n时，即为共振时，上式为

$\mathrm{\θ}=\left(\frac{\mathrm{mw}}{I_c+{\mathrm{mw}}^2}\right)\left(\frac{z_0}{2\mathrm{\ζ}}\right)\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})+\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2\mathrm{\ζ}}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})$

上式代表反射镜在共振时的扭转振动角度，等式右边第一项

是由出平面振动z₀加上偏心w所产生，等式右边第二项

是由振动构件因挠曲所产生的力矩所驱动。因此可看出偏心可增加反射镜的扭转振动角度。

若以质量块34与反射镜38为例，其振动方程式的推导与单独反射镜38类似，由于振动构件20仅提供z方向位移，因此振动角度的表示式与上式类似，只需将θ₀设定为零即可。

当振动构件20同时输入两个频率为ω₁及ω₂的信号，根据振动学的模式迭加原理，反射镜38同时有x及y轴向的扭力振动。并且，第二频率ω₂高于第一频率ω₁。反射镜38可以x及y轴的其中一个为快轴，另一个为慢轴，在双轴上以不同的频率振动。当激光光打到反射镜38时，反射镜38反射激光并投影到屏幕上，即可进行二维扫描。

请参照图5A，图5A为本发明振动构件的第一实施例的侧视图。振动构件20包括第一压电层(piezoelectricity layer)24a与连接板25。连接板25，具有一第一表面25a。第一压电层24a，配置于第一表面25a并具有自由端20b。

当振动构件20输入频率为第一频率ω₁与第二频率ω₂的信号时，振动构件20因为压电效应而产生形变，振动构件20与框架体32相连接处有一Z轴方向平移振动。由于振动构件20的固定端20a连接至基材22，且自由端20b连接至扫描构件30。因此平移振动会造成一力矩作用于扫描构件30，以使扫描构件30产生振动。

输入频率信号，振动构件20即会产生变形。因为振动构件20有不只一个自然频率。当输入不同的信号，振动构件20产生的不同频率的共振，且振动构件20变形的模式也不同。

请参照图5B至图5E，图5B至图5E为本发明振动构件的振动模式的示意图。图5B至图5E分别对应四种不同自然频率的振动模式。在图5B至图5E所对应的自然频率是由低至高。

这些振动模式均会使振动构件弯曲，其内部有力矩存在(方向沿着Y轴)，在振动构件端点有横向(即沿Z轴方向)位移。

当输入交流信号时，交流信号的频率若接近振动构件的其中一个自然频率时，因共振原理会激发出对应的模式，振动构件20即会产生较大的振动量。

其中，当自然频率较高时(图5D与图5E)，除了会有沿着Y轴的力矩以外，也会有沿着X轴方向的力矩存在。也就是说，在图5D与图5E中，振动构件20会在二个不同轴向上产生振动。

特别要注意的是，图5B至图5E只针对一特别尺寸或是一特别形状的振动构件20的振动模式。不同尺寸或是不同形状的振动构件20，则会具有不同的振动模式与自然频率。也就是说，振动构件20的振动模式与自然频率并不以图5B至图5E为限。

请参照图6，图6为本发明振动构件的第二实施例的立体示意图。振动构件20包括第一压电层24a、第二压电层24b与连接板25。连接板25位于第一压电层24a与第二压电层24b之间。连接板25本身可为导电材料，此导电材料可接地。此外也可在连接板25的上下表面镀上电极，并同时接地。第一压电层24a的上表面与第二压电层24b的下表面镀有电极，且第一压电层24a的电极与第二压电层24b的电极是互相电性连接。此外，第一压电层24a与第二压电层24b的极化方向为相同。因此，第一压电层24a与第二压电层24b是可朝同一个方向振动，而使扫描构件30产生振动。

请参照图7，图7为本发明振动构件的第三实施例的立体示意图。振动构件20是成U字型。振动构件20包括第一振动臂26a、第二振动臂26b与连接板25。第一振动臂26a包括第一压电层24a’与第二压电层24b’，连接板25位于第一压电层24a’与第二压电层24b’之间。第二振动臂26b包括第一压电层24a”与第二压电层24b”，连接板25位于第一压电层24a”与第二压电层24b”之间。

第一压电层24a’、第一压电层24a”的上表面具有电极，第二压电层24b’、第二压电层24b”的下表面具有电极。第一压电层24a’与第二压电层24b’的电极是互相电性连接，第一压电层24a”与第二压电层24b”的电极是互相电性连接。因此可以在第一振动臂输入第一频率ω₁的信号，且在第二振动臂输入第二频率ω₂的信号；或在第二振动臂输入第一频率ω₁的信号，且在第一振动臂输入第二频率ω₂的信号。如此可使振动构件20以第一频率ω₁与第二频率ω₂振动。

请参照图8，图8为本发明振动构件的第三实施例的俯视图。第一振动臂26a与第二振动臂26b是连接于扫描构件30。因此，扫描构件30以第一频率ω₁与第二频率ω₂进行振动。

通过偏心的结构，本发明可达到大的扫描角度。并且本发明所提出的二维扫描反射装置仅只用单一振动器，即可达到双轴扫描的功效，因此可用相当简单的结构即可实现。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种二维扫描反射装置，其特征在于，包括：

一振动构件，该振动构件具有一自由端，该振动构件接收一复频信号并依该复频信号在该自由端产生振动，该复频信号包括一第一频率与一第二频率；以及

一扫描构件，该扫描构件进一步包括：

一框架体，该框架体连接于该振动构件的该自由端并具有一第一容置空间；

一质量块，位于该第一容置空间，该质量块通过一第一连接杆与该框架体连接，该质量块具有一第二容置空间；以及

一反射镜，位于该第二容置空间，并通过一第二连接杆与该质量块连接，该反射镜具有一第二自然频率，该第二自然频率对应该第二频率；

其中，该质量块与该反射镜的一第一质心与该第一连接杆之间具有一第一偏心距离，该质量块与该反射镜具有一第一自然频率，该第一自然频率对应该第一频率，该质量块与该反射镜沿着该第一连接杆以该第一频率共振；

其中该反射镜的一第二质心与该第二连接杆之间具有一第二偏心距离。

2.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该第二频率高于该第一频率。

3.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该第一连接杆的一第一轴向与该第二连接杆的一第二轴向为互相垂直。

4.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该振动构件包括：

一连接板，具有一第一表面；以及

一第一压电层，配置于该连接板的该第一表面的一端并具有该自由端，该第一压电层接收该复频信号并依据该复频信号而于该自由端产生振动。

5.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该振动构件包括一第一压电层、一第二压电层与一连接板，该连接板位于该第一压电层与该第二压电层之间，该第一压电层与该第二压电层接收该复频信号并以该第一频率与该第二频率振动。

6.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该振动构件包括一第一振动臂与一第二振动臂，该第一振动臂与该第二振动臂连接于该固定端与该框架体之间，该第一振动臂根据该复频信号以该第一频率振动，且该第二振动臂根据该复频信号以该第二频率振动。

7.根据权利要求1所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该框架体与该质量块表面具有一吸光材质。

8.根据权利要求4、5或6所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该振动构件一端连接至一基材，该振动构件的另一端连接至该扫描构件。

9.根据权利要求6所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该振动构件为U字形。

10.根据权利要求6所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该第一振动臂与该第二振动臂包括一第一压电层、一第二压电层与一连接层。

11.根据权利要求5或10所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该第一压电层的一上表面与该第二压电层的一下表面分别镀有一电极，且该二电极为互相电性连接。

12.根据权利要求4、5或10所述的二维扫描反射装置，其特征在于，该连接板为一导电材料。

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