CN104597596A - 用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其包括外围框架、设置在外围框架内的内框架、连接外围框架和内框架的竖直扫描扭转梁、设置在内框架内的微反射镜及一对磁体，外围框架具有悬臂，内框架通过竖直扫描扭转梁连接至外围框架的悬臂上，悬臂上设置有悬臂驱动线圈，内框架上设置有内框架驱动线圈，一对磁体分别相对设置在悬臂的两侧，磁体所产生的磁感线垂直于悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈通电后的电流方向，该微镜实现两个方向扫描的两组驱动线圈独立控制，降低两个方向间的相互干扰，容易获得较大的扭转角度，另外可提高磁场利用率，简化了驱动方案。

Description

用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜

技术领域

本发明涉及一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜。

背景技术

激光扫描显示技术是指利用可动反射镜完成水平方向和竖直方向的激光束扫描，在屏幕形成扫描图像，其扫描方式类似传统阴极射线管(CRT，Cathode RayTube)电视，不同之处在于用激光束代替了电子束。为实现高分辨率的图像，微镜在水平方向的扫描频率(行频)需要在20KHz以上，在竖直方向的扫描频率(帧频)一般为60Hz。激光扫描显示技术使用RGB三基色激光束形成彩色图像，得到的图像色域更加宽广，色彩更加逼真。由于激光的特性，可以在任何形状表面显示不失真的图像。微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)微镜具有体积小、成本低、能耗低等优点，使用微机电系统微镜可以实现微型激光扫描显示模块。这种微型激光扫描显示模块具有巨大的市场应用前景。

如Microvision公司所公开的电磁驱动二维微镜，其结构上使用万向节实现二维扫描，中间悬空框架上做有一组电磁驱动线圈，外加磁场与内外两对扭转梁均成45°夹角。驱动线圈中通入实现水平扫描的高频信号与实现竖直扫描的低频信号的叠加信号，在磁场中产生洛伦兹力，通过扭转梁及万向节结构的机械转换，实现微镜的水平扫描与竖直扫描。水平方向可以在21.3kHz的谐振频率下获得65°的光学扫描角，竖直方向可以在60Hz的非谐振频率下获得53°的光学扫描角。然而，这种特定的结构存在一些弊端限制了性能的进一步提高，磁场和通电导线夹角45°降低了磁场强度的利用率；在同一驱动线圈通入叠加信号产生两个方向的扫描，两个方向的扫描性能存在相互影响；信号需要叠加处理，使得驱动电路复杂化。

又如美国专利申请第US20040012460号公开的一种结合悬臂梁结构的电磁驱动二维扫描微镜，其结构上使用反射镜上面的电磁线圈驱动实现绕Y轴的扭转扫描，使用做有电磁驱动线圈的四根悬臂梁实现绕X轴的扭转扫描。反射镜上直接做有电磁线圈，容易使镜面变形，而且使反射镜面积和质量增大，相对较难实现高频扭转。做有电磁线圈的悬臂梁驱动反射镜绕X轴扭转，悬臂梁和扭转万向结直接相连，并且离扭转轴位置较远，结构上的制约，使反射镜很难得到较大的扭转角度。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电磁驱动二维扫描微镜，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其可降低两个方向间的相互干扰，容易获得较大的扭转角度，且可提高磁场利用率，简化了驱动方案。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，包括外围框架、设置在外围框架内的内框架、连接所述外围框架和内框架的竖直扫描扭转梁、设置在所述内框架内的微反射镜及一对磁体，所述外围框架具有悬臂，所述内框架通过竖直扫描扭转梁连接至外围框架的悬臂上，所述悬臂上设置有悬臂驱动线圈，所述内框架上设置有内框架驱动线圈，所述一对磁体分别相对设置在悬臂的两侧，所述磁体所产生的磁感线垂直于悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈通电后的电流方向。

进一步的，所述微反射镜与内框架为分体设置，所述用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜还包括将所述微反射镜固定在内框架上的水平扫描扭转梁。

进一步的，所述水平扫描扭转梁为相对设置在微反射镜两侧的两根，所述微反射镜为以水平扫描扭转梁为轴线的轴对称形状。

进一步的，所述水平扫描扭转梁与竖直扫描扭转梁垂直设置。

进一步的，所述竖直扫描扭转梁与所述内框架、外围框架之间的连接处采用圆角结构过渡；所述水平扫描扭转梁与所述内框架、微反射镜之间的连接处采用圆角结构过渡。

进一步的，所述悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈均为通过电镀工艺镀金制成的双层线圈结构。

进一步的，所述悬臂为相对设置在内框架两侧的两个。

进一步的，所述悬臂为四个，所述四个悬臂分成相对设置在内框架的两侧的两组，其中每个悬臂具有自由端，所述自由端与竖直扫描扭转梁连接。

进一步的，所述内框架驱动线圈呈H型或长方形。

进一步的，所述磁体为采用钕铁硼永磁材料所制成的永磁磁铁。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：由于外围框架和内框架通过竖直扫描扭转梁连接，微反射镜设置在内框架内，外围框架的悬臂和内框架上分别设置悬臂驱动线圈和内框架驱动线圈，磁体的磁感线垂直于悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈通电后的电流方向，从而实现两个方向扫描的两组驱动线圈独立控制，降低两个方向间的相互干扰；又悬臂通过振动波驱动内侧微反射镜做谐振扭转，容易获得较大的扭转角度；另外，由于磁体的磁感线垂直于悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈通电后的电流方向，从而可提高磁场利用率，简化了驱动方案。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜的结构示意图；

图2是图1沿A-A向剖面示意图；

图3是图1沿B-B向的剖面示意图；

图4是图1在圆圈C的放大示意图；

图5是图2在圆圈D的放大示意图；

图6是图3在圆圈E的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图6，本发明一较佳实施例所述的一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜100(以下简称微镜)包括外围框架1、设置在外围框架1内的内框架2、连接外围框架1和内框架2的竖直扫描扭转梁3、设置在内框架2内的微反射镜4及一对磁体5。所述外围框架1具有架体11、由架体11围设形成的腔体12和横跨在腔体12上的悬臂13，所述内框架2通过竖直扫描扭转梁3连接至外围框架1的悬臂13上，所述悬臂13上设置有悬臂驱动线圈6。在本实施例中，该悬臂13的数量为四个，以提高灵敏度。四个悬臂13分成两组，相对设置在内框架2的两侧，其中每组中两个悬臂13分别自架体11的一侧朝腔体12内相向延伸，每个悬臂13具有与架体11衔接的固定端(未标号)和远离架体11的自由端131，自由端131与竖直扫描扭转梁3连接。诚然，该悬臂13也可以为其他数量，如一个或者为相对设置在内框架2两侧的两个。

所述微反射镜4与内框架2为分体设置，内框架2上设置有内框架驱动线圈7，该微镜100还包括将微反射镜4固定在内框架2上的水平扫描扭转梁8，由于微反射镜4与内框架2分体设置，且内框架驱动线圈7设置在内框架2上，从而防止线圈应力对微反射镜4造成变形。为了使该微镜100在较低的电压下，同时实现水平方向的高频最大扭转角度扫描和竖直方向的低频静态大扭转角度扫描，该水平扫描扭转梁8与竖直扫描扭转梁3垂直设置。该微反射镜4使用半导体镀膜技术在上面制作金属反光薄膜，用来反射光束，金属反光薄膜的种类根据反射光束的波长以及反射率进行选择，可以是金、银、铝等。该水平扫描扭转梁8为相对设置在微反射镜4两侧的两根，微反射镜4为以水平扫描扭转梁8为轴线的轴对称形状，在本实施例中，所述微反射镜4的形状为圆形，当然，其他实施方式中，该微反射镜4的形状还可以为其他以水平扫描扭转梁8为轴线的轴对称形状。由于微反射镜4为以水平扫描扭转梁8为轴线的轴对称形状，所以微反射镜4可以围绕扭转梁实现水平扫描，该水平扫描扭转梁8的形状尺寸根据扭转固有频率做出调整。

上述外围框架1、内框架2、竖直扫描扭转梁3及水平扫描扭转梁8均制作在同一片硅底板上，其各部分的厚度依据微镜100的性能调整。所述竖直扫描扭转梁3与内框架2、外围框架1之间的连接处采用圆角结构9过渡；所述水平扫描扭转梁8与内框架2、微反射镜4之间的连接处采用圆角结构9过渡，以此可以减小应力集中。所述内框架驱动线圈7的作用是给竖直扫描提供驱动，内框架驱动线圈7的形状为H形环状，其可增加切割磁感线的内框架驱动线圈7导线长度增大驱动力，当然该内框架驱动线圈7还可以为长方形，所述内框架2的尺寸形状依据其上设置的内框架驱动线圈7的形状设置，当内框架驱动线圈7形成为H形环状，则内框架2同样为H形环状。所述悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7均为双层线圈结构，双层线圈结构包括顶层线圈10和底层线圈20，该顶层线圈10和底层线圈20通过聚酰亚胺层的通口连接形成连接点30。当然，该悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7还可以是一层或多层，层数越多产生相等大小的力所需电流值越小，具体层数根据微镜100性能要求以及工艺水平做选择。该悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7通过电镀工艺镀金制成，材料可以是金、铜以及铝等。悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7的结构以及悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7的层数可以依据微镜100性能做出调整。

所述磁体5的N极(未标号)和S极(未标号)分别相对设置在悬臂13的两侧以形成磁场，磁体5的磁感线(图中箭头B所示)垂直于悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7通电后的电流方向(I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆)。该对磁体5分别紧贴在外围框架1两侧以产生高强度磁场，磁感线垂直于竖直扫描扭转梁3，使通入电流后的内框架2上的内框架驱动线圈7产生绕竖直扫描扭转梁3的扭矩，同时使附有悬臂驱动线圈6的悬臂13产生上下位移以形成高度差，当悬臂13振动频率和微反射镜4绕水平扫描扭转梁8的扭转固有频率相等时，微镜100实现水平谐振扫描。所述磁体5为永磁磁铁，其采用高磁场强度磁铁材料，如钕铁硼永磁材料。

上述的微镜100的工作原理如下：请参见图1，施加60Hz的驱动电流至内框架2上的内框架驱动线圈7，内框架驱动线圈7上施加垂直磁场B方向的两侧线圈导线中的电流为I₁和I₂，产生方向相反的洛伦兹力F₁和F₂，参见图2，产生绕竖直扫描扭转梁3的扭矩，使微反射镜4以60Hz的频率扭转振动，工作在非谐振态，完成竖直扫描动作。竖直扫描的频率与显示图像的帧频有关，一般取50Hz、60Hz或其它频率。施加一定频率的电流至悬臂13的悬臂驱动线圈6中，根据不同性能要求通常取二十几KHz频率，四个悬臂13上的悬臂驱动线圈6的端部线圈导线会分别有电流I₃，I₄和I₅，I₆通过，其中I₃和I₄同向，I₅和I₆同向，并且都垂直于磁场B。在I₃和I₄电流流过的驱动线圈部位产生方向相同的洛伦兹力F₃和F₄，参见图3，同理I₅和I₆电流流过的驱动线圈部位产生方向与F₃和F₄相反的洛伦兹力F₅和F₆。在这F₃和F₄、F₅和F₆的共同作用下，使两对悬臂13产生相反方向的振动，振动波通过竖直扫描扭转梁3传递至微反射镜4，使微反射镜4绕水平扫描扭转梁8产生扭转振动，当振动频率与水平扭转谐振频率相等时，发生谐振，扭转角度放大，实现水平扫描。

综上所述，上述微镜100具有如下优点：

1、由于外围框架1和内框架2通过竖直扫描扭转梁3连接，微反射镜4设置在内框架2内，外围框架1的悬臂13和内框架2上分别设置悬臂驱动线圈6和内框架驱动线圈7，磁体5的磁感线又垂直于悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7通电后的电流方向，从而实现两个方向扫描的两组驱动线圈独立控制，降低了两个方向间的相互干扰；

2、由于设置悬臂13，且悬臂13上设置悬臂驱动线圈6，所以，悬臂13通过振动波驱动内侧微反射镜4做谐振扭转，容易获得较大的扭转角度；

3、由于磁体5的磁感线垂直于悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7通电后的电流方向，从而可提高磁场利用率，简化了驱动方案。

4、由于采用竖直扫描扭转梁3和水平扫描扭转梁8结构，从而避免使用复杂精密的光机系统组装两个一维扭转反射镜实现二维扫描，且解决了已公开的万向节扭转梁结构的电磁驱动二维扫描微镜的磁场利用率低，驱动信号复杂的缺点；

5、通过磁体5与悬臂驱动线圈6、内框架驱动线圈7实现电磁驱动，同时实现竖直方向的静态大扭转角度扫描和水平方向的高频谐振态大扭转角度扫描，从而避免了其它驱动方式的缺点，例如静电驱动的驱动力小，驱动电压高，压电驱动的驱动位移小，电热驱动的响应时间慢等缺点；

6、由于微反射镜4与内框架2为分体设置，内框架驱动线圈7设置在内框架2上，使得线圈没有直接放置在微反射镜4上，解决了线圈应力对镜面造成的变形问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：包括外围框架、设置在外围框架内的内框架、连接所述外围框架和内框架的竖直扫描扭转梁、设置在所述内框架内的微反射镜及一对磁体，所述外围框架具有悬臂，所述内框架通过竖直扫描扭转梁连接至外围框架的悬臂上，所述悬臂上设置有悬臂驱动线圈，所述内框架上设置有内框架驱动线圈，所述一对磁体分别相对设置在悬臂的两侧，所述磁体所产生的磁感线垂直于悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈通电后的电流方向。

2.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述微反射镜与内框架为分体设置，所述用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜还包括将所述微反射镜固定在内框架上的水平扫描扭转梁。

3.根据权利要求2所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述水平扫描扭转梁为相对设置在微反射镜两侧的两根，所述微反射镜为以水平扫描扭转梁为轴线的轴对称形状。

4.根据权利要求3所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述水平扫描扭转梁与竖直扫描扭转梁垂直设置。

5.根据权利要求2至4项中任意一项所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述竖直扫描扭转梁与所述内框架、外围框架之间的连接处采用圆角结构过渡；所述水平扫描扭转梁与所述内框架、微反射镜之间的连接处采用圆角结构过渡。

6.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述悬臂驱动线圈、内框架驱动线圈均为通过电镀工艺镀金制成的双层线圈结构。

7.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述悬臂为相对设置在内框架两侧的两个。

8.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述悬臂为四个，所述四个悬臂分成相对设置在内框架的两侧的两组，其中每个悬臂具有自由端，所述自由端与竖直扫描扭转梁连接。

9.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述内框架驱动线圈呈H型或长方形。

10.根据权利要求1所述的用于激光扫描显示的电磁驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述磁体为采用钕铁硼永磁材料所制成的永磁磁铁。