CN112748568B - Mems扫描镜及激光投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MEMS扫描镜及激光投影仪。该MEMS扫描镜的一具体实施方式包括反射镜、角度传感器、驱动器和用作悬臂的致动器，所述致动器用于在所述驱动器的驱动下使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述角度传感器用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度并向所述控制单元输出信号，该MEMS扫描镜还包括控制单元，所述控制单元包括差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接所述角度传感器的输出端、第二输入端连接所述驱动器的驱动信号输出端、输出端连接所述致动器的驱动信号输入端。该实施方式可降低驱动的品质因数，改善对于驱动信号的跟踪性能。

Description

MEMS扫描镜及激光投影仪

技术领域

本发明涉及激光投影技术领域。更具体地，涉及一种MEMS扫描镜及激光投影仪。

背景技术

采用MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)扫描镜的激光投影仪，具有低成本、小型化等优点，具有广阔的市场前景。

传统的MEMS扫描镜常采用扭杆致动方式，反射镜被两个、三个或更多的支撑该反射镜的扭杆带动倾斜并扭转，以执行光学扫描，采用谐振驱动来实现大的扫描角度，需要通过结构设计将反射镜倾斜运动的谐振频率与驱动频率相匹配。

在驱动MEMS扫描镜或监控反射镜角度时，为了维持谐振状态，目前的方式是设置用于感测反射镜偏转角度的角度传感器，驱动器根据角度传感器输出的信号控制施加到致动器的驱动电压或驱动频率，来驱动反射镜旋转。对于传统的扭杆型MEMS扫描镜，角度传感器为在扭杆边缘位置设置的采用压电效应或压阻效应的角度传感器。

如上所述，为了实现大的扫描角度，MEMS扫描镜以与共振频率匹配的频率(共振驱动)驱动。另一方面，在二维MEMS扫描镜中，使用组合共振驱动和非共振驱动的双轴驱动。假设驱动力是恒定的，此方式是通过降低非共振驱动中的弹簧常数来实现大角度扫描。因此，非共振驱动轴的机械共振频率低。另外，在二维MEMS扫描镜中，通常采用的是以频率60Hz左右的锯齿波驱动信号驱动非共振驱动轴的光栅扫描，其中，由于锯齿波驱动信号引起的阶跃响应，非共振驱动轴的共振频率模式被叠加，则对于锯齿波驱动信号的跟随性能变差。

其中，二维MEMS扫描镜的结构如下：对于相对较低的驱动频率的应用，需要采用较低的共振频率，为此，现有技术提出了一种采用形成弯曲形悬臂(即折叠弹簧结构，板状铰链)的外部压电致动器的方案，作为适合于低频驱动的设计，以降低谐振频率。其结构例如，如图1所示，二维MEMS扫描镜包括：反射镜10；可动支撑件11(内部可动框)，可动支撑件11包围反射镜10以通过一对扭杆12a和12b来支承反射镜10；第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b(可合称为内部压电致动器)，第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b分别固定在可动支撑件11与扭杆12a和12b之间并且分别用作悬臂，用于通过扭杆12a和12b使反射镜10绕X轴旋转；固定支撑件14(外部固定框)，固定支撑件14包围可动支撑件11；以及第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b(可合称为外部压电致动器)，第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b分别固定在固定支撑件14与可动支撑件11之间并且分别用作弯曲形悬臂，用于通过可动支撑件11使反射镜10绕Y轴旋转(Y轴垂直于X轴)，从而实现二维扫描，其中，驱动第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b的驱动信号通常为频率20kHz以上的正弦波或矩形波信号，驱动第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b的驱动信号通常为频率60Hz左右的锯齿波信号(即X轴为快轴，Y轴为慢轴)，实现二维MEMS扫描镜的快速横向扫描及慢速纵向扫描。

因此，需要提供一种新的MEMS扫描镜及激光投影仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS扫描镜及激光投影仪，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜、角度传感器、驱动器和用作悬臂的致动器，所述致动器用于在所述驱动器的驱动下使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述角度传感器用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度并向所述控制单元输出信号，该MEMS扫描镜还包括控制单元，所述控制单元包括差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接所述角度传感器的输出端、第二输入端连接所述驱动器的驱动信号输出端、输出端连接所述致动器的驱动信号输入端。

可选地，所述控制单元还包括低频噪声滤除电路，所述低频噪声滤除电路的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端。

可选地，所述低频噪声滤除电路包括放大器、混频器、本地振荡器和低通滤波器；所述放大器的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述混频器的第一输入端，所述本地振荡器的输出端分别连接所述混频器的第二输入端和所述角度传感器的调制输入端，所述低通滤波器的输入端连接所述混频器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端。

可选地，所述致动器为压电致动器。

可选地，所述致动器为外部致动器，该MEMS扫描镜还包括用于支撑所述反射镜的可动支撑件。

可选地，所述外部致动器形成弯曲形悬臂。

可选地，所述可动支撑件包括用于支撑所述反射镜的扭杆，该MEMS扫描镜还包括用作悬臂的内部致动器，所述内部致动器用于通过所述扭杆使所述反射镜绕第二旋转轴旋转。

本发明第二方面提供了一种激光投影仪，包括本发明第一方面提供的MEMS扫描镜。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案通过差分放大器实现反馈控制，可以降低驱动的品质因数(Q值)，改善对于驱动信号的跟踪性能，有利于实现稳定的驱动。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出现有的二维MEMS扫描镜的结构示意图。

图2示出本发明实施例提供的MEMS扫描镜中的控制单元的示意图。

图3示出包括低频噪声滤除电路的控制单元的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一个实施例提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜、角度传感器、驱动器和用作悬臂的致动器，所述致动器用于在所述驱动器的驱动下使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述角度传感器用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度并向所述控制单元输出信号，该MEMS扫描镜还包括控制单元，所述控制单元包括差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接所述角度传感器的输出端、第二输入端连接所述驱动器的驱动信号输出端(即第二输入端接入驱动信号)、输出端连接所述致动器的驱动信号输入端。

本实施例提供的MEMS扫描镜通过差分放大器实现反馈控制，可以降低驱动的品质因数(Q值)，改善对于驱动信号的跟踪性能，有利于实现稳定的驱动。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述控制单元还包括低频噪声滤除电路，所述低频噪声滤除电路的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述低频噪声滤除电路包括放大器、混频器、本地振荡器和低通滤波器；所述放大器的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述混频器的第一输入端，所述本地振荡器的输出端分别连接所述混频器的第二输入端和所述角度传感器的调制输入端，所述低通滤波器的输入端连接所述混频器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述致动器为压电致动器。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述致动器为外部致动器，该MEMS扫描镜还包括用于支撑所述反射镜的可动支撑件。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述外部致动器形成弯曲形悬臂。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述可动支撑件包括用于支撑所述反射镜的扭杆，该MEMS扫描镜还包括用作悬臂的内部致动器，所述内部致动器用于通过所述扭杆使所述反射镜绕第二旋转轴旋转。

上述实现方式中，在致动器为外部致动器的情况下，致动器根据所述控制单元的控制使反射镜绕第一旋转轴旋转应理解为致动器根据所述控制单元的控制使可动支撑件带动反射镜绕第一旋转轴旋转。另外，本实施例提供的MEMS扫描镜中的控制单元，可适用于多种类型及各种安装位置的角度传感器，且不限于MEMS扫描镜的其他结构(例如致动器的类型、致动器形成的悬臂的类型等)，例如，对于一维MEMS扫描镜，其也可采用本实施例提供的MEMS扫描镜结构，即，可在一维MEMS扫描镜设置包括差分放大器的控制单元，以通过差分放大器实现反馈控制。

在一个具体示例中，结合上述实现方式，以本实施例提供的MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜进行进一步说明：在如图1所示的现有的二维MEMS扫描镜的基础上，如图2所示，本示例的二维MEMS扫描镜包括反射镜装置100和控制单元200，其中，反射镜装置100包括可动内框架(图中未示出)和固定外框架(图中未示出)，可动内框架包括可动支撑件(图中未示出)、扭杆(图中未示出)、反射镜(图中未示出)和内部压电致动器(图中未示出)，固定外框架包括固定支撑件(图中未示出)、外部压电致动器110和角度传感器120，外部压电致动器110用于通过可动支撑件使反射镜绕Y轴旋转，基于压电效应的角度传感器120用于感测反射镜绕Y轴(非共振驱动轴，慢轴)旋转的偏转角度并向控制单元200输出信号。控制单元200包括差分放大器210，其中，差分放大器210的第一输入端连接基于压电效应的角度传感器120的输出端、第二输入端连接驱动器的驱动信号输出端(即第二输入端接入频率为60Hz左右的锯齿波驱动信号)、输出端连接外部压电致动器110的驱动信号输入端，差分放大器210用于通过计算驱动器输出的锯齿波驱动信号与基于压电效应的角度传感器120的输出信号之间的差值并放大，实现反馈控制，以降低驱动的Q值，改善对于驱动信号的跟踪性能。

进一步，如图3所示，控制单元200还包括低频噪声滤除电路220，低频噪声滤除电路220包括放大器221、混频器222、本地振荡器223和低通滤波器224，其中，放大器221的输入端连接基于压电效应的角度传感器120的输出端、输出端连接混频器222的第一输入端，本地振荡器223的输出端分别连接混频器22的第二输入端和基于压电效应的角度传感器120的调制输入端，低通滤波器224的输入端连接混频器222的输出端、输出端连接差分放大器210的第二输入端，低频噪声滤除电路220用于滤除基于压电效应的角度传感器120的低频噪声，以提升信噪比(SNR)，其中，本地振荡器223的输出端分别连接混频器22的第二输入端和基于压电效应的角度传感器120的调制输入端以实现本地振荡器223分别用于解调放大器221的输出和调制基于压电效应的角度传感器120的输出。

本示例中，反射镜由用作振动板的单晶硅支承层、用作反射器的金属层以及硬掩模层制成。可动支撑件由单晶硅有源层和二氧化硅层构成。内部压电致动器、基于压电效应的角度传感器、外部压电致动器分别由振动板、下电极、压电体(PZT)和上电极构成。固定支撑件由单晶硅层、中间硅层、单晶硅有源层、二氧化硅层和硬掩模层构成。

本发明的另一个实施例提供了一种激光投影仪，包括上述实施例提供的MEMS扫描镜，此外，还包括激光光源、准直整形等光学器件及激光驱动电路、MEMS扫描镜驱动电路等。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种MEMS扫描镜，包括反射镜、角度传感器、驱动器和用作悬臂的致动器，所述致动器用于在所述驱动器的驱动下使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述角度传感器用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度并向控制单元输出信号，其特征在于，该MEMS扫描镜还包括控制单元，所述控制单元包括差分放大器，所述差分放大器的第一输入端连接所述角度传感器的输出端、第二输入端连接所述驱动器的驱动信号输出端、输出端连接所述致动器的驱动信号输入端；

所述控制单元还包括低频噪声滤除电路，所述低频噪声滤除电路的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端；

所述差分放大器用于通过计算所述驱动器输出的锯齿波驱动信号与所述角度传感器的输出信号之间的差值并放大，实现反馈控制，以降低驱动的品质因数。

2.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述低频噪声滤除电路包括放大器、混频器、本地振荡器和低通滤波器；所述放大器的输入端连接所述角度传感器的输出端、输出端连接所述混频器的第一输入端，所述本地振荡器的输出端分别连接所述混频器的第二输入端和所述角度传感器的调制输入端，所述低通滤波器的输入端连接所述混频器的输出端、输出端连接所述差分放大器的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述致动器为压电致动器。

4.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述致动器为外部致动器，该MEMS扫描镜还包括用于支撑所述反射镜的可动支撑件。

5.根据权利要求4所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述外部致动器形成弯曲形悬臂。

6.根据权利要求4所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述可动支撑件包括用于支撑所述反射镜的扭杆，该MEMS扫描镜还包括用作悬臂的内部致动器，所述内部致动器用于通过所述扭杆使所述反射镜绕第二旋转轴旋转。

7.一种激光投影仪，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的MEMS扫描镜。