CN105929530A - 具有浮动平衡环的微型扫描仪及包含该微型扫描仪的激光投影装置 - Google Patents

Abstract

具有浮动平衡环的微型扫描仪及包含该微型扫描仪的激光投影装置。一微型扫描仪(10)包括一扫描板(22)和一围绕并通过一对扭力臂(26，28)与扫描板(22)耦合的一平衡环(24)。一场磁体(42)产生一不均匀磁场(41)，该不均匀磁场(41)与装于平衡环(24)的一磁体(36)相互作用，以此在一基底(12)的一腔体(15)内形成平衡环(24)的一稳定平衡位置(45)。一激光发射模块(104)发射入射到扫描板(22)的一激光束(121)。一扫描驱动模块(106)产生一变化的磁场(127)，该变化的磁场(127)在装于平衡环(24)的一闭合电路线圈(34)中感应生成一变化的感应电流。变化的感应电流与不均匀磁场(41)相互作用，以产生作用于平衡环(24)的一变化的力矩，从而驱动扫描板(22)按序以一光栅格式反射入射激光束(121)。

Description

具有浮动平衡环的微型扫描仪及包含该微型扫描仪的激光投影装置

技术领域

本发明涉及一种微型扫描仪，尤其涉及一种由微机电系统(MEMS)驱动的微型扫描仪及包含此类微型扫描仪的激光投影装置。

背景技术

微型扫描仪或微型扫描反射镜是用于动态光调制的微光机电系统(MOEMS，Micro-Opto-Electro-Mechanical System)。基于微型扫描仪的类型，单一反射镜的调节运动可以是为实现移动相位的平移运动，或可以是为实现光束偏转而绕一根轴或两根轴的振动。

微型扫描仪反射镜可以通过热电、静电、压电、及电磁等方式驱动。然而，热电式驱动仅适合于低频率准静态的扫描，静电、压电和电磁式驱动适合于低频率和高频率扫描。电磁性式驱动可以用于驱动一维或二维的微机电系统扫描反射镜，并且无论在静态和动态操作下，倾斜角度和所施加的信号幅度之间具有良好的线性关系。由电磁性驱动的微机电系统扫描仪的另一特征在于电压低且耗电量小。

采用间接驱动的双轴微型扫描仪通常包括一扫描反射镜板，该扫描反射镜板通过由两个内部扭臂所形成的一旋转轴与一平衡环连接。该平衡环通过垂直于内部扭臂的两个外部扭臂所形成的另一旋转轴与一基底连接。平衡环和扫描反射镜板具有不同的共振频率。当驱动微型扫描仪时，平衡环绕着由外部扭臂所限定的轴振动或倾斜，而反射镜板绕着由内部扭臂所限定的轴以不同的频率振动或倾斜，从而实现高频行内扫描和低频逐行列扫描。

为了获得高分辨率的视频投影，微型扫描仪具有高扫描频率是有利的。微型扫描仪具有大扫描角度也是有利的。理想的是，微型扫描仪能够承受在高频率和大振幅驱动状态下工作。同样地，理想的是，微型扫描仪能够精确地投射光束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型扫描仪。该微型扫描仪能够在高扫描频率和大振幅驱动状态下工作。另外，本发明所述的微型扫描仪能够准确地投射光束，从而获得高分辨率的投影效果。此外，本发明所述的微型扫描仪的应用范围广，例如，其可以作为高分辨率宽屏投影装置中的扫描反射镜，又例如，其可以作为高分辨率光学传感器中的扫描仪。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种微型扫描仪，其包括：一基底，其具有一主表面和形成于主表面内的一腔体；一平衡环组件，其位于所述基底的腔体内；以及一场磁体，其邻近于所述基底且被设置为在所述基底的腔体内产生一不均匀磁场，该不均匀磁场与所述磁体相互作用，以为在所述基底的腔体内的所述平衡环组件形成一平衡位置。同时，该平衡环组件包括：一扫描板，其具有基本平行于所述基底的主表面的一主要表面；一平衡环，其基本平行于所述基底的主表面且包围所述扫描板；一第一扭力臂和一第二扭力臂将所述扫描板机械耦合至所述平衡环；以及一磁体，其装于所述平衡环。

进一步地，在本发明所述的所述微型扫描仪中，所述平衡环组件还包括设置于所述扫描板的主要表面上的一反射镜。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述反射镜包括沉积于所述扫描板的主要表面上的一铂层。

更进一步地，在本发明所述的所述微型扫描仪中，所述平衡环组件还包括设置于所述平衡环上的一闭合电路线圈。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述平衡环具有一第一面和与第一面彼此相对的一第二面，且所述磁体设置于所述平衡环的所述第一面上。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述闭合电路线圈设置于所述平衡环的所述第二面上。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述闭合电路线圈设置于所述平衡环的所述第一面上。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述闭合电路线圈包围所述磁体。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述磁体包围所述闭合电路线圈。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，在所述基底的主表面内的腔体包括位于所述基底内的一通孔，该通孔具有包围所述平衡环组件的一侧壁。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，在所述基底的主表面内的腔体包括位于所述基底内的一凹陷部分，该凹陷部分具有包围所述平衡环组件的一侧壁和与侧壁连接的一底部。

更进一步地，本发明所述的微型扫描仪还包括形成于所述基底的腔体的底部的一基架，且该基架具有与所述扫描板接触的一端部。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述磁体包括一环形磁体。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述磁体包括若干沿所述平衡环的一周长离散设置的磁体。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述磁体被设置为产生一磁场，该磁场在所述磁体内具有基本垂直于所述基底的主表面的一方向；并且由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相同；并且位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相反；并且位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁南极更接近所述磁体的一磁北极；所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁北极更接近所述磁体的磁南极；并且位于所述基底的主表面的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

更进一步地，在本发明所述的微型扫描仪中，所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁北极更接近所述磁体的一磁南极；所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁南极更接近所述磁体的磁北极；并且位于所述基底的主表面的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

本发明的另一目的在于提供一种激光投影装置。该激光投影装置可以在高扫描频率和大振幅驱动状态下工作。此外，由本发明所述的激光投影装置获得的投影图像的分辨率高且成像性好。

为了达到上述发明目的，本发明旨在提供一种激光投影装置，其包括：一微型扫描仪；一视频信号处理器，其具有用于输出一数字像素色彩和强度信号的一第一输出口和用于输出一数字像素扫描信号的一第二输出口；一激光发射模块，其与所述视频信号处理器的第一输出口耦合，且该激光发射模块被设置为发射入射到所述微型扫描仪的所述扫描板上的一连续波激光束；以及一扫描驱动模块，其与所述视频信号处理器的第二输出口耦合，且该扫描驱动模块被设置为在所述微型扫描仪的所述平衡环周围产生一变化的磁场，以感应生成一变化的磁偶极子与所述场磁体的不均匀磁场相互作用，由此产生作用于所述微型扫描仪的所述平衡环上的一变化的力矩。具体地，该微型扫描仪包括一基底，其具有一形成于其内的腔体；一扫描板，其具有一主要表面；一平衡环，其包围所述扫描板；一扭力臂，其将所述扫描板耦合至所述平衡环；一磁体，其装于所述平衡环；以及一场磁体，其邻近于所述基底，且该场磁体被设置为产生与所述磁体相互作用的一不均匀磁场，以为在所述基底的腔体内的所述平衡环形成一平衡位置，其中，所述微型扫描仪的所述扫描板被设置为响应作用于所述平衡环上的变化的力矩，从而按序以一光栅格式反射所述激光发射模块的连续波激光束。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪还包括设置于所述平衡环上的一闭合电路线圈，其中，由所述扫描驱动模块产生的变化的磁场在所述闭合电路线圈中产生一变化的感应电流，从而产生变化的磁偶极子。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述磁体包括装于所述平衡环上的一环形磁体。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述磁体包括沿所述平衡环的一周长离散设置的若干磁体。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述磁体在所述磁体内产生基本垂直于所述扫描板的一磁场；并且由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场具有垂直于所述扫描板的一第一分量和平行于所述扫描板的一第二分量。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相同；并且位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相反；并且位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述扫描板的一第一分量和平行于所述扫描板的一第二分量。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁南极更接近所述磁体的一磁北极；所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁北极更接近所述磁体的磁南极；并且位于所述微型扫描仪的所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在接近腔体内的一位置处达到一最小强度。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁北极更接近所述磁体的一磁南极；所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁南极更接近所述磁体的磁北极；并且位于所述微型扫描仪的所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述激光发射模块包括：一激光驱动器，其与所述视频信号处理器的第一输出口耦合，且该激光驱动器被设置为产生一模拟驱动信号；以及一激光模块，其与所述激光驱动器耦合，且该激光模块被设置为响应模拟驱动信号以发射连续波激光束。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述激光模块包括：若干激光管，其与所述激光驱动器耦合，且该激光管被设置为响应模拟驱动信号以产生若干激光束；以及一光学元件，其被设置为组合所述若干激光束以产生入射到所述微型扫描仪的所述扫描板上的连续波激光束。

进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述扫描驱动模块包括：一扫描驱动器，其与所述视频信号处理器的第二输出口耦合，且该扫描驱动器被设置为产生一模拟电流信号；以及一扫描感应线圈，其与所述扫描驱动器耦合，该扫描感应线圈设置在所述微型扫描仪的周围，且该扫描感应线圈被设置为响应所述扫描驱动器的模拟电流信号以在所述微型扫描仪的所述平衡环的周围产生变化的磁场。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述扫描板具有绕一第一轴振动的一第一共振频率和一第一增幅系数；所述微型扫描仪的所述平衡环具有绕垂直于第一轴的一第二轴振动的一第二共振频率和一第二增幅系数，第二共振频率不同于第一共振频率；并且由所述扫描驱动器产生的模拟电流信号具有与第一共振频率发生共振的一第一频率分量和与第二共振频率发生共振的一第二频率分量。

更进一步地，在本发明所述的激光投影装置中，所述微型扫描仪的所述扫描板被设置为反射所述激光发射模块的连续波激光束，响应所述扫描板在第一共振频率下绕第一轴振动，以按序产生一像素行内的若干像素点，并响应所述平衡环在第二共振频率下绕第二轴振动，以产生若干像素行。

附图说明

图1和图2分别示意性地显示了根据本发明的一微型扫描仪的立体图和俯视图。

图3和图4分别示意性地显示了图1和图2所示的的微型扫描仪沿一A-A横截面和一B-B横截面的剖视图。

图5A、5B、5C和5D示意性地显示了在本发明不同实施例中一微型扫描仪中的安装于一平衡环的一磁体和一场磁体之间的关系。

图6示意性地显示了根据本发明一实施例的一微型扫描仪的剖视图。

图7A、7B、7C、7D和7E示意性地显示了本发明不同实施例中设置于一平衡环上的一磁体和一线圈。

图8示意性地显示了根据本发明一实施例的一激光投影装置。

具体实施方式

下面将参照附图阐述本发明的不同实施例。各图中相似结构或具有类似功能的元素会以相同的附图标记表示。需要注意的是，附图旨在便于阐述本发明的优选实施例。它们并不旨在全面描述本发明进行详尽描述，或限定本发明的范围。另外，附图并不一定根据实际尺寸按比例绘制。此外，应理解的是，诸如顶部、底部、上、下、左、右、前、后、垂直、水平等词语是为了参照附图便于描述本发明的不同元素。它们并不旨在对本发明中不同元素的方向或各元素之间的空间关系有所限定。除此之外，若在本发明的说明书和权利要求中出现“基本的”或“基本地”等词语，则表示与一明确的数值或一元素的状态之间存在微小的变化或偏差，但这种变化或偏差并不会影响元素的功能或产生改变元素的特征。

本发明提供了一种微型扫描仪，其能够实现高频率、高分辨率、大角度的扫描。根据本发明的一微型扫描仪具有广泛的应用领域。例如，根据本发明的一微型扫描仪可以作为在一高分辨率投影装置中的一扫描反射镜，用来以一光栅格式偏转一激光束。又例如，根据本发明的一微型扫描仪可以作为一高分辨率光学传感器中的一扫描仪。

图1、图2、图3及图4为描述根据本发明一实施例的一微型扫描仪10在不同视角下的示意图。通过实施例来说明，微型扫描仪10通过半导体制造工艺制成在一半导体晶片上制成。例如，该晶片可以是硅体(Bulk Silicon)晶片或绝缘底上的硅(SOI)晶片。图1至图4示出了作为一半导体基底12的半导体晶片的一部分。一腔体15形成于基底12的一顶部主表面11内。根据一实施例，腔体15是位于基底12的一通孔，该通孔具有如图3所示的一侧壁14。根据另一实施例，腔体15是位于基底12的一凹陷或一凹槽，该凹陷或凹槽具有如图4所示的一侧壁14和与侧壁14连接的一底部16。

图1和图2所示的扭力臂26，28是直的且具有与扫描板22和平衡环24相同的厚度。应理解的是，这并不旨在限制本发明的范围。根据本发明的不同实施例，扭力臂26，28可以具有诸如弯曲或蛇形等不同形状，并且在不同的截面具有不同的宽度。此外，扭力臂26，28还可以具有不同的厚度。对扭力臂的形状、宽度及厚度进行选择可满足扭力臂不同的质量分布、刚度和其他机械性能的要求。例如，根据本发明的一可选实施例，如图3，图5A-5D和图7A-7E所示的扭力臂26，28的厚度小于扫描板22和平衡环24的厚度。

一平衡环组件20位于腔体15内，并被侧壁14包围。平衡环组件20包括通过扭力臂26，28与一平衡环24连接的一扫描板22。根据本发明一优选实施例，扫描板22，平衡环24及扭力臂26，28采用与基底12相同的半导体材料制成。一反射镜32设置于扫描板22的一顶面21。根据本发明一优选实施例，反射镜32包括沉积于扫描板22的顶面21的一铂金反射面。一闭合电路线圈34设置于平衡环24的顶面23。根据本发明的一优选实施例，线圈34包括具有一导电材料(例如，金，铜或铝等)的一闭合电路绕组。

平衡环组件20还包括设置于平衡环24的一底面27的一磁体36。根据本发明的不同实施例，磁体36可以包括与平衡环24基本共形的一环形磁体，或沿平衡环24的一周长离散设置的若干磁体。此外，磁体36优选地在磁体36内产生与平衡环组件20的一主表面基本垂直的一磁场37。根据一优选实施例，磁体36取向为其磁北极位于上端接近平衡环24的底面27，而其磁南极位于下端远离平衡环24。因此，如图5A和图5B所示，磁体36在磁体36内产生的磁场37方向向上。根据另一优选实施例，磁体36取向为其磁南极位于上端接近平衡环24的底面27，而其磁北极位于下端远离平衡环24。因此，如图5C和图5D所示，磁体36在磁体36内产生的磁场37的方向向下。

微型扫描仪10还包括一个或多个邻近于基底12的场磁体42。场磁体42可以设置在基底12之上，之下和/或周围。场磁体42在腔体15内产生一磁场41。磁场41围绕着平衡环组件20。磁场41具有垂直于基底12的主表面11的一垂直分量和平行于基底12的主表面11的一水平分量。

根据图5A所示的一优选实施例，磁体36内磁场37在的方向向上，且磁场41的垂直分量在腔体15内的方向向下。场磁体42的一磁北极相较于磁体36的磁南极更接近其磁北极。同样地，场磁体42的一磁南极相较于磁体36的磁北极更接近其磁南极。位于腔体15内的磁场41是非均匀的。特别地，当上下移动离开如图5A所示的位置45时，磁场41的垂直分量强度增大。也就是说，较之于在基底12的腔体15内紧邻位置45的一位置，磁场41的垂直分量在位置45之上或之下一段距离的一位置处的强度更大。腔体15内磁场41的垂直分量在位置45处达到一最小强度。

磁场41的向下垂直分量向安装于平衡环24的磁体36的磁北极和磁南极分别施加一向下作用力和一向上作用力。磁场41的垂直分量的空间非均匀性为平衡环组件20在位置45处形成一平衡位置，在该位置，磁场41的垂直分量在磁体36上施加一零磁合力。当平衡环组件20向上偏离位置45时，较之于其磁南极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁北极处的磁力更大。因此，磁场41的向下垂直分量向磁体36施加一向下合力，朝位置45向下推动平衡环组件20。当平衡环组件20向下偏离位置45时，较之于其磁南极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁北极处的磁力更小。因此，磁场41的向下垂直分量向磁体36施加一向上合力，朝位置45向上推动平衡环组件20。因而，在图5A中，位置45是位于磁场41中的平衡环组件20的一稳定平衡位置。

根据图5B所示的另一优选实施例，磁体36内磁场37的方向向上，且磁场41的垂直分量在腔体15内的方向向上。场磁体42的一磁南极相较于磁体36的磁南极更接近其磁北极。同样地，场磁体42的一磁北极相较于磁体36的磁北极更接近其磁南极。位于腔体15内的磁场41是非均匀的。特别地，当上下移动离开如图5B所示的位置45时，磁场41的垂直分量强度减小。也就是说，较之于在基底12的腔体15内紧邻位置45的一位置，磁场41的垂直分量在位置45之上或之下一段距离的一位置处的强度更小。腔体15内磁场41的垂直分量在位置45处达到一最大强度。

磁场41的向上垂直分量向安装于平衡环24的磁体36的磁北极和磁南极分别施加一向上作用力和一向下作用力。磁场41的垂直分量的空间非均匀性为平衡环组件20在位置45处形成一平衡位置，在该位置处，磁场41的垂直分量在磁体36上施加一零磁合力。当平衡环组件20向上偏离位置45时，较之于其磁南极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁北极处的磁力更小。因此，磁场41的向上垂直分量向磁体36施加一向下合力，朝位置45向下推动平衡环组件20。当平衡环组件20向下偏离位置45时，较之于其磁南极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁北极处的磁力更大。因此，磁场41的向上垂直分量向磁体36施加一向上合力，朝位置45向上推动平衡环组件20。因而，在图5B中，位置45是位于磁场41中的平衡环组件20的一稳定平衡位置。

根据图5C所示的又一优选实施例，磁体36内磁场37的方向向下，且磁场41的垂直分量在腔体15内的方向向下。场磁体42的磁北极相较于磁体36的磁北极更接近其磁南极。同样地，场磁体42的磁南极相较于磁体36的磁南极更接近其磁北极。位于腔体15内的磁场41是非均匀的。特别地，当上下移动离开如图5C所示的位置45时，磁场41的垂直分量强度减小。也就是说，较之于在基底12的腔体15内紧邻位置45的一位置，磁场41的垂直分量在位置45之上或之下一段距离的一位置处的强度更小。腔体15内磁场41的垂直分量在位置45处达到一最大强度。

磁场41的向下垂直分量向安装于平衡环24的磁体36的磁南极和磁北极分别施加一向上作用力和一向下作用力。磁场41的垂直分量的空间非均匀性为平衡环组件20在位置45处形成一平衡位置，在该位置处，磁场41的垂直分量在磁体36上施加一零磁合力。当平衡环组件20向上偏离位置45时，较之于其磁北极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁南极处的磁力更小。因此，磁场41的向下垂直分量向磁体36施加一向下合力，朝位置45向下推动平衡环组件20。当平衡环组件20向下偏离位置45时，较之于其磁北极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁南极处的磁力更大。因此，磁场41的向下垂直分量向磁体36施加一向上合力，朝位置45向上推动平衡环组件20。因而，在图5C中，位置45是位于磁场41中的平衡环组件20的一稳定的平衡位置。

根据图5D所示的另外一优选实施例，磁体36内磁场37的方向向下，且磁场41的垂直分量在腔体15内的方向向上。场磁体42的一磁南极相较于磁体36的磁北极更接近其磁南极。同样地，场磁体42的一磁北极相较于磁体36的磁南极更接近其磁北极。位于腔体15内的磁场41是非均匀的。特别地，当上下移动离开如图5D所示的位置45时,磁场41的垂直分量强度增大。也就是说，较之于在基底12的腔体15内紧邻位置45的一位置，磁场41的垂直分量在位置45之上或之下一段距离的一位置处的强度更大。腔体15内磁场41的垂直分量在位置45处达到一最小强度。

磁场41的向上垂直分量向安装于平衡环24的磁体36的磁南极和磁北极分别施加一向下作用力和一向上作用力。磁场41的垂直分量的空间非均匀性为平衡环组件20在位置45处形成一平衡位置，在该位置处，磁场41的垂直分量在磁体36上施加一零磁合力。当平衡环组件20向上偏离位置45时，较之于其磁北极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁南极处的磁力更大。因此，磁场41的向上垂直分量向磁体36施加一向下合力，朝位置45向下推动平衡环组件20。当平衡环组件20向下偏离位置45时，较之于其磁北极，磁场41的垂直分量在磁体36的磁南极处的磁力更小。因此，磁场41的向上垂直分量向磁体36施加一向上合力，朝位置45向上推动平衡环组件20。因而，在图5D中，位置45是位于磁场41中的平衡环组件20的一稳定平衡位置。

根据本发明如上参照图5A、5B、5C和5D所述，安装于平衡环24的磁体36和设置于基底12的腔体15周围的场磁体42之间的相互作用为平衡环组件20形成了稳定平衡位置45。在该位置处，磁场41作用于磁体36的磁北极和磁南极的磁力大小相等且方向相反，从而使得作用于磁体36上的总磁力为零。当平衡环组件20沿向上或向下的方向偏离位置45时，由场磁体42产生的磁场41向磁体36施加沿朝着位置45的一方向的一合力，从而推动平衡环组件20回到位置45。因此，平衡环组件20能够在基底12的腔体15内的稳定平衡位置45处悬浮于磁场41中，而无需与基底12物理接触或机械连接。

图6为显示根据本发明的另一优选实施例中一微型扫描仪10的示意图。微型扫描仪10与上文所述的微型扫描仪10在结构上相似。在基底12的腔体15的基部或底部16上，形成具有一端部或尖端66的一基架64。端部或尖端66在位于或靠近平衡环组件20的扫描板22的中心位置处与扫描板22的底面29接触。在扫描操作中，扫描板22能够绕着基架64的尖端66倾斜。根据本发明的一优选实施例，磁场41作用于磁体36上的磁合力接近于零但不为零，且其方向向下，从而轻微地推动平衡环组件20抵住基架64。也就是说，如上参照图5A、5B、5C和5D所述的平衡环组件20的平衡位置45略低于图6所示的支撑在基架64上的平衡环组件20的位置。该微小的向下推力确保扫描板22和形成于基底12的腔体15的底部16的基架64的尖端66之间的物理接触，并为微型扫描仪10创造了一稳定的操作状态。

图7A、7B、7C、7D和7E显示根据本发明闭合电路线圈34和磁体36位于平衡环组件20上的不同的可选择设置方式。如图7A和图7B所示，平衡环组件20具有线圈34和磁体36，两者均设置于平衡环24的顶面23上。其中一实施例中的线圈34包围或围绕着磁体36，而另一实施例中的线圈34相对于磁体36位于平衡环24的内部。如图7C和图7D所示，平衡环组件20具有线圈34和磁体36，两者均设置于平衡环24的底面27上。其中一实施例中的磁体36相对于线圈34位于平衡环24的内部，而另一实施例中的磁体36包围或围绕着线圈34。如图7E所示，平衡环组件20具有线圈34和磁体36，线圈34设置于平衡环24的底面27上，而磁体36设置于平衡环24的顶面23上。

如上参照附图所述的闭合电路线圈34包括一个具有多匝的闭合电路线圈。根据本发明，线圈34可以包括一闭合电路线圈或若干闭合电路线圈，每一线圈具有一匝或多匝圈数。在线圈34包括一个以上的闭合电路线圈的实施例中，不同的线圈可以设置在平衡环24的不同部位处。

扫描板22的质量分布和扭力臂26，28的刚度决定了扫描板22绕与扭力臂26，28重合的一轴振动或倾斜的一第一共振频率和一第一增幅系数(增幅系数也可以被称之为增幅因子或增幅因数)。同样地，扫描板22，扭力臂26，28和平衡环24的组合质量以及它们的质量分布决定了平衡环24绕正交或垂直于扭力臂26，28的一轴振动或倾斜的一第二共振频率和一第二增幅系数。通过选择在平衡环组件20中的不同元件合适的质量分布以及适合的扭力臂26，28的刚度，可大范围设置绕两根轴振动的共振频率和增幅系数。根据本发明，扫描板22和平衡环24可以包括肋部、突出部、凹槽和槽口(未示出于附图中)以调节它们的质量分布。根据本发明的一优选实施例，绕平行于扭力臂26，28的一轴振动的第一共振频率显著地高于绕垂直于扭力臂26，28的一轴振动的第二共振频率。

根据本发明，如上所述的微型扫描仪10可以应用制造于半导体微机电系统(MEMS)制造工艺制造。制造过程可包括光刻(photolithography)、蚀刻(etching)、掺杂(doping)、注入(inplantation)、扩散(diffusion)、沉积(deposition)、溅射(sputtering)、电镀(plating)、化学和机械抛光(chemical and mechanical polishing)、粘接(bonding)和熔接(fusion)等工艺。根据本发明，线圈34采用金、铜、铝、镍或前述材料的任意组合制成。优选地，磁体36和场磁体42由铁磁体和/或亚铁磁材料制成。

根据一优选实施例，在微型扫描仪10的制造过程中，平衡环24通过一个或多个细薄杆件(未示出于附图中)与基底12物理连接。在制造过程中，平衡环24和基底12之间的物理连接将平衡环组件20保持在腔体15内。在场磁体42被装配到基底12后，其在腔体15内产生磁场41，且磁体36悬浮于磁场41中。平衡环组件20能够位于或靠近平衡位置45处悬浮于腔体15内。可以用短促且猛烈的气流来断开扫描板22和基底12之间的物理连接，并从腔体15内消除断开连接的残余物质。

当微型扫描仪10未工作或未处于扫描操作时，扫描板22的顶面21优选地平行于基底12的主表面11。此外，扫描板22的顶面21优选地基本平行且共面于平衡环24的顶面23。同样地，扫描板22的底面29优选地基本平行且共面于平衡环24的底面27。在如下所述的一扫描操作中，平衡环组件20振动。扫描板22相对于平衡环24的方向随着时间而变化，且平衡环24相对于基底12的主表面11的方向也随着时间而变化。

图8为描述根据本发明一实施例的一激光投影装置100的示意图。激光投影装置100包括一微型扫描仪110。微型扫描仪110被设置为反射一激光模块122的一激光束121，从而以一光栅格式产生一反射激光束123。投影装置100还包括位于反射激光束123光径上的一成像模块126。举例而言，如上所述的微型扫描仪10能够作为激光投影装置100中的微型扫描仪110。因此，在如下对激光投影装置100的描述中，有可能需参照上述对微型扫描仪10描述的相关附图。

激光投影装置100包括一视频信号处理器102，其接收来自于一视频信号源(未示出于图8中)的一数字视频信号101。举例而言，数字视频信号101包含诸如一视频图像中每一像素的色彩、亮度及位置等信息。视频信号处理器102处理视频信号101，以产生一数字激光驱动信号103和一数字扫描驱动信号107。数字激光驱动信号103包含视频图像中一像素的色彩和亮度信息，该信号也可以被称为一像素色彩和亮度信号。数字扫描驱动信号107包含涉及像素位置的信息，该信号也可以被为一像素扫描信号。

激光投影装置100还包括一激光发射模块104。激光发射模块104包括一激光驱动器112和一激光模块122。激光驱动器112具有与视频信号处理器102耦合以接收数字激光驱动信号103的一输入口和与激光模块122耦合的一输出口。响应激光驱动信号103，激光驱动器112产生一模拟驱动信号以驱动激光模块122中的一激光管。根据一优选实施例，激光模块122包括一根红色激光管、一根绿色激光管和一根蓝色激光管。根据另一优选实施例，激光模块122包括一根红色激光管、两根绿色激光管和一根蓝色激光管。根据又一优选实施例，激光模块122包括两根红色激光管、两根绿色激光管和一根蓝色激光管。根据本发明，在激光模块122中的激光管接收激光驱动器112的模拟驱动信号，并根据模拟驱动信息发射相应强度的激光束。另外，激光模块122包括光学元件，例如，透镜和反射镜(未示出于图8中)将若干激光束组合成一个单一的组合激光束121，该激光束的色彩和亮度信息对应视频图像中的一像素。

激光投影装置100还包括一扫描驱动模块106。扫描驱动模块106包括与视频信号处理器102耦合以接收数字扫描驱动信号107的一扫描驱动器114。扫描驱动模块106还包括与扫描驱动器114耦合的一扫描感应线圈124(也可以被称之为扫描信号感应线圈124)。扫描感应线圈124设置在微型扫描仪110的基底12的周围。响应由视频信号处理器102产生的扫描驱动信号107，扫描驱动器114产生发送至扫描感应线圈104的一模拟电流信号。根据本发明的一优选实施例，扫描驱动器114的模拟电流信号包括至少两个频率分量。其中一频率分量优选地与扫描板22绕平行于扭力臂26，28的轴振动或倾斜的共振频率产生共振，另一频率分量优选地与平衡环24绕垂直于扭力臂26，28的轴振动或倾斜的共振频率产生共振。

扫描信号感应线圈124邻近于微型扫描仪110。当一模拟电流信号发送给扫描信号感应线圈124时，扫描信号感应线圈124在腔体15内的平衡环组件20的周围产生一变化的磁场125。变化的磁场125在设置于平衡环24上的闭合电路线圈34内产生一变化的感应电流。在线圈34内的变化的感应电流产生一变化的磁偶极子，该变化的磁偶极子与场磁体42的磁场41相互作用，以在平衡环24上产生一振动力矩。根据本发明的一优选实施例，振动力矩主要由平行于基底12的主表面11的磁场41的水平分量和闭合电路线圈34中的变化的感应电流之间的相互作用而产生。如同在扫描信号感应线圈124中的模拟电流信号，作用于平衡环24上的振动力矩也包括至少一与扫描板22绕平行于扭力臂26，28的轴振动的共振频率产生共振的频率分量，以及另一与平衡环24绕垂直于扭力臂26，28的轴振动的共振频率产生共振的频率分量。

振动力矩驱动扫描板22和平衡环24绕着相互垂直的两根轴振动。设置于扫描板22的顶面21上的反射镜32同样振动并反射入射激光束121，以一光栅格式产生反射激光束123。特别地，扫描板22以一高频率绕平行于扭力臂26，28的轴振动，从而产生一像素行内的多个像素点，并且平衡环24以一低频率绕垂直于扭力臂26，28的轴振动，从而产生若干像素行。闭合电路线圈34中感应电流的时间形态和磁场41的水平分量的空间分布决定了平衡环组件20的扫描板22和平衡环24的振动模式。

成像模块126格式化反射激光束123并生成一格式化的扫描光束127，从而形成一成像性好的视频图像。根据本发明，成像模块126可以包括一透镜或一反射镜以调节反射激光束123，从而形成具有格式化的扫描光束127，以获得一成像性好的扫描图像。

至止，应领会到本发明提供了一种具有一浮动平衡环组件的微型扫描仪。根据本发明，平衡环组件包括一平衡环和通过两个扭力臂与平衡环机械耦合的一扫描板。一场磁体形成一围绕着平衡环组件的不均匀磁场，并向安装于平衡环的一磁体施加一磁力，从而为在不均匀磁场中的平衡环组件建立一稳定平衡位置。因此，平衡环组件浮动或悬浮于不均匀磁场中，而无需与微型扫描仪的一基部或基底物理连接。微型扫描仪还包括一扫描驱动感应线路，其在设置于平衡环上的一闭合电路线圈内产生一变化的感应电流。该变化的感应电流与场磁体的磁场相互作用，以驱动扫描板绕扭力臂在一频率下振动，从而产生一像素行内的多个像素点，并驱动平衡环绕垂直于扭力臂的一轴在另一频率下振动，从而产生多个像素行。

根据本发明，在微型扫描仪中平衡环和围绕其周围的基底或框架之间没有物理连接。此类物理连接，例如，一对扭力杆，会对平衡环的振动频率和振动幅度构成明显的约束和限制。因此，在此类微型扫描仪中要实现高分辨率和/或大角度的扫描是困难的。在一磁场中悬浮一平衡环组件，无需平衡环和周围框架之间的物理连接，由此大大提高了扫描仪在高扫描频率、高扫描分辨率及大扫描角度等方面的扫描性能。根据本发明的微型扫描仪能够在高频率和大振幅驱动状态下工作。根据本发明的微型扫描仪具有广泛的应用范围。例如，根据本发明的微型扫描仪能够作为一高分辨率及大角度投影装置中的一扫描反射镜，用来以一光栅格式偏转一激光束。又例如，根据本发明的微型扫描仪能够作为一高分辨率且大视野光学传感器中的一扫描仪。

虽然对于本发明结合不同实施例并参照相关附图进行了描述，但是本领域的普通技术人员能够基于本发明的上述描述做出不同的修改。例如，平衡环和扫描板可以具有诸如圆形、椭圆形和矩形等不同形状。在平衡环和扫描板上可以具有用于调节质量分布的特征。此外，根据本发明的激光投影装置可以包括用于验证投影图像和输入视频信号之间一致性的传感和反馈电路。

Claims (35)

1.一种微型扫描仪，其特征在于：所述微型扫描仪包括：

一基底，其具有一主表面和形成于主表面内的一腔体；

一平衡环组件，其位于所述基底的腔体内，且该平衡环组件包括：

一扫描板，其具有基本平行于所述基底的主表面的一主要表面；

一平衡环，其基本平行于所述基底的主表面且包围所述扫描板；

一第一扭力臂和一第二扭力臂将所述扫描板机械耦合至所述平衡环；以及

一磁体，其装于所述平衡环；以及

一场磁体，其邻近于所述基底且被设置为在所述基底的腔体内产生一不均匀磁场，该不均匀磁场与所述磁体相互作用，以为在所述基底的腔体内的所述平衡环组件形成一平衡位置。

2.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：所述平衡环组件还包括设置于所述扫描板的主要表面上的一反射镜。

3.如权利要求2所述的微型扫描仪，其特征在于：所述反射镜包括沉积于所述扫描板的主要表面上的一铂层。

4.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：所述平衡环组件还包括设置于所述平衡环上的一闭合电路线圈。

5.如权利要求4所述的微型扫描仪，其特征在于：所述平衡环具有一第一面和与第一面彼此相对的一第二面，且所述磁体设置于所述平衡环的所述第一面上。

6.如权利要求5所述的微型扫描仪，其特征在于：所述闭合电路线圈设置于所述平衡环的所述第二面上。

7.如权利要求5所述的微型扫描仪，其特征在于：所述闭合电路线圈设置于所述平衡环的所述第一面上。

8.如权利要求7所述的微型扫描仪，其特征在于：所述闭合电路线圈包围所述磁体。

9.如权利要求7所述的微型扫描仪，其特征在于：所述磁体包围所述闭合电路线圈。

10.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：在所述基底的主表面内的腔体包括位于所述基底内的一通孔，该通孔具有包围所述平衡环组件的一侧壁。

11.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：在所述基底的主表面内的腔体包括位于所述基底内的一凹陷部分，该凹陷部分具有包围所述平衡环组件的一侧壁和与侧壁连接的一底部。

12.如权利要求11所述的微型扫描仪，其特征在于：所述微型扫描仪还包括形成于所述基底的腔体的底部的一基架，且该基架具有与所述扫描板接触的一端部。

13.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：所述磁体包括一环形磁体。

14.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：所述磁体包括沿所述平衡环的一周长离散设置的若干磁体。

15.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：

所述磁体被设置为产生一磁场，该磁场在所述磁体内具有基本垂直于所述基底的主表面的一方向，并且

由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

16.如权利要求15所述的微型扫描仪，其特征在于：

由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相同；并且

位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

17.如权利要求15所述的微型扫描仪，其特征在于：

由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相反；并且

位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

18.如权利要求1所述的微型扫描仪，其特征在于：由所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

19.如权利要求18所述的微型扫描仪，其特征在于：

所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁南极更接近所述磁体的一磁北极；

所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁北极更接近所述磁体的磁南极；并且

位于所述基底的主表面的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

20.如权利要求18所述的微型扫描仪，其特征在于：

所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁北极更接近所述磁体的一磁南极；

所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁南极更接近所述磁体的磁北极；

位于所述基底的主表面的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

21.一种激光投影装置，其特征在于：所述激光投影装置包括：

一微型扫描仪，其包括：

一基底，其具有形成于其内的一腔体；

一扫描板，其具有一主要表面；

一平衡环，其包围所述扫描板；

一扭力臂，其将所述扫描板耦合至所述平衡环；

一磁体，装于所述平衡环；以及

一场磁体，其邻近于所述基底且被设置为产生与所述磁体相互作用的一不均匀磁场，以为在所述基底的腔体内的所述平衡环形成一平衡位置；

一视频信号处理器，其具有用于输出一数字像素色彩和强度信号的一第一输出口和用于输出一数字像素扫描信号的一第二输出口；

一激光发射模块，其与所述视频信号处理器的第一输出口耦合且被设置为发射入射到所述微型扫描仪的所述扫描板上的一连续波激光束；以及

一扫描驱动模块，其与所述视频信号处理器的第二输出口耦合且被设置为在所述微型扫描仪的所述平衡环周围产生一变化的磁场，以感应生成一变化的磁偶极子与所述场磁体的不均匀磁场相互作用，由此在所述微型扫描仪的所述平衡环上产生一变化的力矩，

其中，所述微型扫描仪的所述扫描板被设置为响应作用于所述平衡环上的变化的力矩，从而按序以一光栅格式反射所述激光发射模块的连续波激光束。

22.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：所述微型扫描仪还包括设置于所述平衡环上的一闭合电路线圈，其中，由所述扫描驱动模块产生的变化的磁场在所述闭合电路线圈中产生一变化的感应电流，从而产生变化的磁偶极子。

23.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：所述微型扫描仪的所述磁体包括装于所述平衡环上的一环形磁体。

24.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：所述微型扫描仪的所述磁体包括若干沿所述平衡环的一周长离散设置的磁体。

25.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：

所述微型扫描仪的所述磁体在所述磁体内产生基本垂直于所述扫描板的一磁场；并且

由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场具有垂直于所述扫描板的一第一分量和平行于所述扫描板的一第二分量。

26.如权利要求25所述的激光投影装置，其特征在于：

由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相同；并且

位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

27.如权利要求25所述的激光投影装置，其特征在于：

由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的不均匀磁场的第一分量的方向与由所述磁体在所述磁体内产生的磁场方向相反；并且

位于所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

28.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：由所述微型扫描仪的所述场磁体产生的位于所述基底的腔体内的不均匀磁场具有垂直于所述扫描板的一第一分量和平行于所述扫描板的一第二分量。

29.如权利要求28所述的激光投影装置，其特征在于：

所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁南极更接近所述磁体的一磁北极；

所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁北极更接近所述磁体的磁南极；并且

位于所述微型扫描仪的所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最小强度。

30.如权利要求28所述的激光投影装置，其特征在于：

所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁北极较之所述磁体的一磁北极更接近所述磁体的一磁南极；

所述微型扫描仪的所述场磁体的一磁南极较之所述磁体的磁南极更接近所述磁体的磁北极；并且

位于所述微型扫描仪的所述基底的腔体内的不均匀磁场的第一分量在腔体内的一位置处达到一最大强度。

31.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：所述激光发射模块包括：

一激光驱动器，其与所述视频信号处理器的第一输出口耦合且被设置为产生一模拟驱动信号；以及

一激光模块，其与所述激光驱动器耦合且被设置为响应模拟驱动信号以发射连续波激光束。

32.如权利要求31所述的激光投影装置，其特征在于：所述激光模块包括：

若干激光管，其与所述激光驱动器耦合且被设置为响应模拟驱动信号以产生若干激光束；以及

一光学元件，其被设置为组合所述若干激光束以产生入射到所述微型扫描仪的所述扫描板上的连续波激光束。

33.如权利要求21所述的激光投影装置，其特征在于：所述扫描驱动模块包括：

一扫描驱动器，其与所述视频信号处理器的第二输出口耦合且被设置为产生一模拟电流信号；以及

一扫描感应线圈，其与所述扫描驱动器耦合，该扫描感应线圈设置在所述微型扫描仪的周围且被设置为响应所述扫描驱动器的模拟电流信号以在所述微型扫描仪的所述平衡环的周围产生变化的磁场。

34.如权利要求33所述的激光投影装置，其特征在于：

所述微型扫描仪的所述扫描板具有绕一第一轴振动的一第一共振频率和一第一增幅系数；

所述微型扫描仪的所述平衡环具有绕垂直于第一轴的一第二轴振动的一第二共振频率和一第二增幅系数，第二共振频率不同于第一共振频率；并且

由所述扫描驱动器产生的模拟电流信号具有与第一共振频率发生共振的一第一频率分量和与第二共振频率发生共振的一第二频率分量。

35.如权利要求34所述的激光投影装置，其特征在于：所述微型扫描仪的所述扫描板被设置为反射所述激光发射模块的连续波激光束，响应所述扫描板在第一共振频率下绕第一轴振动，以按序产生一像素行内的若干像素点，并响应所述平衡环在第二共振频率下绕第二轴振动，以产生若干像素行。