CN118043717A - 双轴束扫描系统和具有多束扫描仪的显示系统 - Google Patents

Abstract

显示系统包括：显示屏幕；光源，该光源用于生成根据图像数据而调制的光束；以及束扫描模块，该束扫描模块用于接收光束并将该光束引导到显示屏幕的相关联的显示区域上。该束扫描模块包括：谐振镜，该谐振镜被配置成使光束在相关联的显示区域上沿着第一扫描方向进行扫描；线性扫描镜，该线性扫描镜用于使光束在相关联的显示区域上沿第二扫描方向进行扫描。束扫描模块还包括集成的折叠镜，该集成的折叠镜被定位成将来自光源的光束反射到谐振镜。

Description

双轴束扫描系统和具有多束扫描仪的显示系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年9月29日提交的美国申请序列第17/489,304号的权益。在先申请的公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分(并且该在先申请通过引用并入)。

背景技术

本文件涉及扫描光束显示系统。

在扫描光束显示系统中，光束可以在屏幕上扫描以在屏幕上形成图像。一些显示屏幕包括荧光材料，并且光束使部分荧光材料发出荧光以形成图像。一些这样的扫描光束显示系统包括可以在接收表面上的两个垂直方向上扫描光束的双轴扫描仪系统。例如，双轴扫描仪系统可以包括水平扫描镜和竖向扫描镜。水平扫描和垂直扫描以及利用图像数据的光束的调制彼此同步，以将图像投影在屏幕上。

发明内容

描述了提供包括组成显示区域的显示屏幕的技术和显示系统的示例和实现方式，其中，每个显示区域由单独的扫描束引擎进行寻址。

一方面，显示系统包括：显示屏幕；光源，所述光源用于生成根据图像数据而调制的光束；以及束扫描模块，所述束扫描模块用于接收所述光束并将所述光束引导到所述显示屏幕的相关联的显示区域上。在一些实现方式中，所述束扫描模块包括：谐振镜，所述谐振镜被配置成使所述光束在相关联的显示区域上沿着第一扫描方向进行扫描；线性镜芯片，所述线性镜芯片被配置成使所述光束在所述相关联的显示区域上沿第二扫描方向进行扫描，和折叠镜，所述折叠镜覆盖所述外部支撑结构的部分。所述线性镜芯片包括：(i)外部支撑结构，所述外部支撑结构具有形成在所述外部支撑结构上的电路；以及(ii)线性镜，所述线性镜以可枢转的方式联接到所述外部支撑结构，所述线性镜被布置成对来自所述谐振镜的光束进行重新引导。被折叠镜覆盖的部分在所述线性镜芯片上沿所述谐振镜的扫描方向定位在所述线性镜的一侧，所述折叠镜定位成将来自所述光源的光束反射到所述谐振镜。

显示器的实现方式可以包括以下可选特征中的一者或更多者。线性镜可以通过扭力臂以可枢转的方式联接到外部支撑结构。折叠镜可以覆盖扭力臂的至少一部分。显示屏幕可以包括荧光材料，并且光束可以是用于使荧光材料的部分发荧光的激发束。荧光材料可以包括沿着第二扫描方向延伸的荧光材料的平行带状件。谐振镜可以绕第一轴线枢转。线性镜可以绕第二轴线枢转。第一轴线可以与第二轴线正交。折叠镜可以被布置成沿着没有任何中间光学部件的路径将光束直接反射到谐振镜。折叠镜可以被布置成将光束反射成基本上垂直于所述第一轴线。所述外部支撑结构的被所述折叠镜覆盖的部分可以被配置成对所述线性镜的枢转运动进行控制。折叠镜可以是平面的，并且折叠镜平行于外部支撑结构的平面。折叠镜可以被配置成将光束仅反射到所述谐振镜的外周内。

另一方面，本公开涉及一种双轴扫描仪系统，该双轴扫描仪系统包括：谐振镜，该谐振镜被配置成直接接收来自折叠镜的光束以及使光束沿第一扫描方向扫描；线性镜芯片，该线性镜芯片被配置成从谐振镜接收光束以及使光束沿第二扫描方向扫描；以及折叠镜。该线性镜芯片包括：(i)外部支撑结构；和(ii)线性镜，该线性镜通过扭力臂以可枢转的方式联接到该外部支撑结构。该折叠镜被定位成对外部支撑结构的下述部分进行覆盖，所述外部支撑结构的所述部分在线性镜芯片上沿谐振镜的扫描方向位于线性镜的一侧上。

双轴扫描仪系统的实施方式可以包括以下可选特征中的一者或更多者。折叠镜可以覆盖扭力臂的至少一部分。谐振镜可以绕第一轴线枢转。线性镜可以绕第二轴线枢转。第一轴线可以与第二轴线正交。折叠镜可以被布置成使光束反射成与第一轴线正交。外部支撑结构的被折叠镜覆盖的部分被配置成对线性镜的枢转运动进行控制。折叠镜可以是平面的，并且该折叠镜可以平行于外部支撑结构的平面。

在另一方面，本公开涉及用于显示系统的光引擎。该光引擎包括：光源，所述光源用于生成根据图像数据而调制的光束；以及双轴束扫描系统，所述双轴束扫描系统用于接收来自所述光源的光束以及将所述光束引导到显示屏幕上。所述双轴束扫描系统包括：谐振镜，所述谐振镜被配置成接收来自折叠镜的光束并且使所述光束沿第一扫描方向扫描；线性镜芯片，所述线性镜芯片被配置成从所述谐振镜接收光束以及使所述光束沿第二扫描方向扫描；以及折叠镜。该线性镜芯片包括：外部支撑结构和线性镜，该线性镜通过扭力臂以可枢转的方式联接到外部支撑结构。该折叠镜被定位成覆盖扭力臂的至少一部分。

光引擎的实现方式可以包括以下可选特征中的一者或更多者。光引擎还可以包括控制器，该控制器被配置成：接收图像数据，该图像数据包括表示像素的强度值的像素数据；以及根据该图像数据来调制光束。谐振镜的振荡和线性镜的枢转运动的组合可以生成光束穿过的弯曲路径。谐振镜可以被布置成围绕第一轴线振荡。线性镜可以围绕与第一轴线正交的第二轴线枢转。折叠镜可以被布置成成在无需任何中间光学元件的情况下将所述光束直接反射到所述谐振镜并且将所述光束反射成与所述第一轴线正交。

潜在优势可以包括(且不限于)以下中的一者或更多者。

扫描显示系统的深度(例如，显示系统所需的屏幕后方的最小距离)可以被减小，而不会显著增加，甚至在降低成本时也不会显著增加。

在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书中可以看出其他方面、特征和优点。

附图说明

图1A是具有多个组成显示区域的显示屏幕的示例的示意性正视图。

图1B是用于对显示屏幕的多个显示区域进行寻址的多个扫描束的示例的示意性立体图。

图1C是图1A的显示屏幕的控制系统的示例的示意性图。

图2A是使用多束扫描仪对显示屏幕的多个显示区域进行寻址的显示系统的一个示例的示意性侧视图。

图2B是使用多束扫描仪对显示屏幕的多个显示区域进行寻址的显示系统的另一示例的示意性侧视图。

图3是示例扫描激光显示系统的示意性立体图，其具有由激光可激发的发光材料(例如，磷光体)制成的发光屏幕，以用于在携带要显示的图像信息的扫描激光束的激发下发出彩色光。

图4A和图4B分别是在图2中屏幕上具有平行发光带状件和彩色像素的结构的一个示例屏幕结构的示意性截面侧视图和示意性俯视图。

图5是扫描光束显示系统的示例性实施方式的示意图。

图6是扫描光束显示系统的示例性实施方式中的光路的顶视图(平面图)的示意图。

图7A是可以与图6的扫描光束显示系统一起使用的示例性双轴扫描仪的示意图。

图7B示出了从另一个视角观看的图7A的双轴扫描仪。

图8是可以用作图7A和图7B的X/Y扫描仪的一部分的示例性线性镜芯片和示例性折叠反射镜的示意性顶视图。

具体实施方式

大型显示器(也称为大尺寸格式显示器或大屏幕显示器)可用作“地板到天花板”显示器，其可以具有8平方英尺或更大的成像表面。一般来说，期望大型显示器是薄的，以便在安装显示器的区域中保留可用的平方英尺。

在一些显示系统中，特别是大型显示器中，显示屏幕可以具有由单独的扫描束进行单独寻址的区域。一般来说，扫描束寻址的区域越大，显示系统所需的深度就越大。即使使用传统的复杂光路也可能无法完全缓解这个问题。然而，通过将折叠镜集成到如本文所述的双轴扫描仪中，可以减小显示系统的深度，而不会显著增加，甚至在降低成本使也不会显著增加。另外，本文描述的双轴扫描仪有利地提供扫描束，而不需要复杂的分束光学器件或多面镜扫描仪。例如，扫描镜之一可以是传统的线性镜，而另一扫描镜可以是相对低成本的谐振镜。因此，可以实现显示系统的深度减小，同时降低成本。此外，通过将折叠镜放置在束扫描仪之一的一部分上，光束可以以接近垂直入射的方式撞击每个扫描镜，从而将束点保持为基本圆形并减少光学畸变效应梯形效应，从而提高图像质量。

图1A示出了显示屏幕101的示例，在显示屏幕101上由多个扫描束引擎生成了多个组成显示区域110，每个扫描束引擎包括一个或更多个光源。显示区域110布置在阵列中，例如矩形阵列。每个显示区域110可以是四边形的，例如，通常是矩形的，然而，这不是必需的。显示区域110可以邻接或稍微地交叠。

参考图1A和图1B，显示屏幕101可以是扫描束显示系统100的部分。如图1B所示，对于每个显示区域110，存在相关联的扫描束引擎180。每个扫描束引擎180包括生成激发束或扫描束320(例如光束(包括IR和/或UV光)，诸如，激光束)的光源，每个扫描束引擎180在显示屏幕101的相关联的显示区域110上进行扫描，例如，光栅扫描或双向光栅扫描(即，沿相反的方向扫描每个连续行)。在一些实施方式中，扫描可以具有例如箭头A所示的快速扫描方向和例如垂直于快速扫描方向的慢速扫描方向。

图1C示出了图1中的显示屏幕101的控制系统的示例。在该示例中，每个组成显示区域110具有其自己的显示控制器220，该显示控制器220控制每个显示区域110的操作。用于显示器100的中央控制器210与组成显示区域110的显示控制器220通信连接。中央控制器210可以接收例如来自计算机等的图像数据，并将图像数据划分为若干部分，所述若干部分被引导至每个显示控制器220，这使得相关联的显示区域110显示由显示屏幕100显示的完整图像的小部分。可选地，显示器系统可以仅包括直接联接到每个扫描束引擎180的单个控制器210。

参照图2A，每个扫描束引擎180将具有视场102，在该视场中可以将图像有效地投影到显示屏幕101上。视场102所对向的角度通常受到例如物理部件的最大偏转和/或光学部件的孔径尺寸的限制。这样，扫描束引擎180到屏幕101的距离、以及因此显示器100的深度D1，将依赖于组成显示区域110区域的宽度W1或高度。

在一些实现方式中，显示区域110的面积可以与由快速光学扫描仪(例如水平扫描仪)和慢速扫描仪(例如竖向扫描仪)所扫描的两个光学角中的较大角乘以系统的光学深度成比例。光学深度是从扫描仪到显示屏幕101的表面的距离。光学深度是光源(例如激光二极管)和显示屏幕101之间光学系统放大率的函数。

仍然参考图2A和图2B，通过减小组成显示区域110的宽度(在图2B中由宽度W2示出)，扫描束引擎180到屏幕101的距离也可以减小，因此，显示器100的深度D2也将减小。

值得注意的是，在保持显示屏幕101的相同大小的同时减小显示区域110的大小将需要更大数量的显示区域110，从而需要更大数量的扫描束引擎180。例如，如果显示区域的尺寸减半，则扫描束引擎的数量增加到四倍。通常，这样的方法是违反直觉的，因为束扫描部件的数量的扩大将使成本过高。然而，使用伺服反馈系统可以使得能够使用较低精度和较低成本的扫描部件，例如共振扫描镜。因此，显示系统的深度可以减小，而不会显著增加，甚至当降低成本时也不会显著增加。

回到图1A和图1B，在扫描束显示系统100中，屏幕101的每个显示区域110可以包括发光材料或荧光材料，这些材料在来自相关联的扫描束320的激发下发出光。在一些实现方式中，三种不同颜色的磷光体由激光束进行光学地激发，以分别产生适于形成彩色图像的红色、绿色和蓝色的光，该三种不同颜色的磷光体可以在屏幕上形成为像素点或平行重复的红、绿和蓝磷光体带状件。

磷光体材料是荧光材料的一种类型。然而，可以使用其他的光学可激发的、发光的、非磷荧光体的荧光材料。例如，量子点材料在适当的光学激发下发出光，因此可用作本申请中的系统和设备的荧光材料。更具体地说，半导体化合物，例如，尤其是CdSe和PbS，可以以粒子的形式制造，所述粒子的直径与化合物的激子玻尔半径的量级相当，作为量子点材料来发出光。为了产生不同颜色的光，可以使用具有不同能带间隙结构的不同量子点材料以在相同的激发光下发出不同的颜色。一些量子点的大小在2到10纳米之间，并包含大约数十个原子，例如10到50个原子。量子点可以分散并混合在各种材料中以形成液体溶液、粉末、胶冻状基质材料和固体(例如，固溶体)。可以在基板上形成量子点膜或膜带状件，作为本申请中的系统或设备的屏幕。在一个实施方式中，例如，可以设计和精心安排三种不同的量子点材料，使其作为光泵由扫描激光束光学地激发，以产生适合于形成彩色图像的红色、绿色和蓝色的光。这样的量子点可以在屏幕上形成为以平行线布置的像素点(例如，重复顺序的红像素点线、绿像素点线和蓝像素点线)。

扫描束显示系统使用至少一个扫描束320来激发沉积在屏幕上的彩色发光材料以产生彩色图像。扫描束被调制成在红色、绿色和蓝色通道中携带图像信息，并扫描束被控制成：扫描束分别以针对红色、绿色和蓝色磷光体中的每一者的图像信息来激发红色、绿色和蓝色发光材料。因此，扫描束携带图像信息，但是不直接产生观看者看到的可见光。取而代之的是，屏幕上的发光荧光材料吸收扫描束的能量，并发出红色、绿色和蓝色的可见光，以生成观看者看到的实际彩色图像。当然，显示系统100可以使用不同和/或附加的颜色和/或彩色磷光体。

图3示出扫描束显示系统100的示例。该系统包括扫描束引擎180，该扫描束引擎180包括光源310(例如，激光模块)，以产生至少一个扫描束320(例如，激光束)并投影到屏幕101的显示区域110上。显示系统100被配置为后扫描系统，其中观看者和扫描束引擎180位于屏幕101的相对侧。尽管该系统100仅示出了单个扫描束引擎180，但是以下讨论可以应用于每个扫描束引擎180和屏幕101的每个显示区域。

扫描束320提供光学激发束以激发屏幕中的荧光材料。在一些实现方式中，每个扫描束引擎180仅生成单个光学激发束320。每个扫描束引擎180被配置成在快速扫描方向(例如水平)和慢速扫描方向(例如，竖向)上对扫描束320进行驱动，该慢速扫描方向可以基本上垂直于快速扫描方向。快速扫描方向上的扫描频率(每秒遍历屏幕的次数)可以比慢速扫描方向上的扫描频率快三十到一百倍。因此，光学激发束可以在快扫描方向上对屏幕101上的荧光材料进行激发，同时也可以在慢扫描方向上行进，从而覆盖屏幕101的整个显示区域。

使用具有足以引起荧光材料发出光或发冷光的能量的一个或更多个激光束对荧光材料进行激光激发是光学激发的各种形式之一。在其他实施方式中，光学激发可以由非激光光源生成，该非激光光源具有足够的能量以激发屏幕中使用的荧光材料。非激光激发光源的示例包括各种发光二极管(LED)、照明灯和其他光源，它们产生处于某波长或光谱带的光以激发荧光材料，该荧光材料将较高能量的光转换为在可见范围内较低能量的光。

对屏幕上的荧光材料进行激发的激发光束的频率或光谱范围可以比荧光材料发出的可见光的频率高。因此，在一些实现方式中，激发光学束/光束可以在紫色光谱范围和紫外(UV)光谱范围内，例如波长在420nm以下。在以下描述的示例中，紫色或紫外(UV)激光束用作磷光体材料或其他荧光材料的激发光的示例，并且可以是处于其他波长(例如，440nm至460nm)的光。

在图3所示的示例扫描束显示系统100中，屏幕101具有在竖向方向上延伸的平行彩色磷光体带状件150。成对的相邻磷光体带状件150由发出不同颜色光的不同磷光体材料制成。在所示示例中，红色磷光体150a吸收激光以发出红光，绿色磷光体150b吸收激光以发出绿光，而蓝色磷光体150c吸收激光以发出蓝光。相邻的三色磷光体带状件具有三种不同的颜色。图1显示了带状件的一个特定空间颜色顺序，即红色、绿色和蓝色。也可以使用其他颜色顺序。扫描束引擎180的快扫描方向可以垂直于彩色磷光体带状件，并且扫描束引擎180的慢扫描方向可以平行于彩色磷光体带状件。

激发束320的波长在彩色磷光体的光学吸收带宽范围内，通常激发束320的波长短于彩色图像的可见蓝光以及绿光和红光。例如，彩色磷光体可以是吸收420nm以下光谱范围内UV光的磷光体，从而产生所需的红光、绿光和蓝光。

光源310可以包括：一个或更多个激光器(例如，UV二极管激光器)以生成一个或更多个光束320；束扫描机构(例如，如本文进一步描述的X/Y扫描仪)，该束扫描机构使束320在水平方向上以及在竖向方向上进行扫描，以在屏幕101上一次渲染一个图像帧；以及信号调制机制，该信号调制机制对束320进行来调制(例如，使用脉冲宽度调制或脉冲幅度调制)以根据图像数据携带对于红色、绿色和蓝色而言的图像通道的信息。

每个扫描束引擎180可以包括激光源以生成激发屏幕101上的磷光体材料的扫描激光/光束。激光源可以是单模式激光器或多模式激光器。激光器还可以是沿垂直于磷光体带状件的伸长方向的方向的单模式，以具有受每个荧光体带状件的宽度限制且小于每个荧光体带状件的宽度的束扩展。沿着磷光体带状件的伸长方向，该激光束320可以具有多模式以在比在穿过磷光体带状件的方向上传播的束更大的区域上传播。利用如下的激光束：该激光束在一个方向上的单模式会在屏幕101上具有较小的束覆盖区，而在垂直方向上的多模式会在屏幕上具有较大的覆盖区，允许束被成形以适合屏幕101上伸长的彩色子像素，并经由多模式在束中提供足够的激光功率，以确保屏幕101有足够的亮度。

尽管上面描述了磷光体带状件，但是可选地，显示屏幕101可以包括对屏幕上的图像像素进行限定的彩色像素化发光区域。

图4A示出了图3中的屏幕101的示例性设计。屏幕101可以包括后基板401，该后基板对扫描光束320是透明的并且面向光源310以接收扫描光束320。前基板402相对于后基板401固定并且用后扫描配置方式面向观看者。

彩色磷光体带状件层403放置在基板401和基板402之间，并且包括磷光体带状件。用于发出红色、绿色和蓝色的彩色磷光体带状件分别用“R”、“G”和“B”表示。前基板402对于由磷光体带状件发出的红色、绿色和蓝色是透明的。基板401和基板402可以由各种材料中的一种或更多种材料制成，包括玻璃或塑料面板。后基板401可以是薄膜层，并且可以配置成将可见能量朝着观看者反射。在一些实现方式中，使用前基板；彩色磷光体带状件层被暴露。

每个彩色像素包括在水平方向上的三个相邻的彩色磷光体带状件的部分，并且其竖向尺寸由扫描束320在竖向方向上的束扩散来限定。因此，每个彩色像素包括三种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的三个子像素。模块180使扫描束320沿着快速方向进行扫描，例如从左到右和/或从右到左，以沿着慢速方向一次形成一条线，例如，从上到下来填充屏幕101图4B进一步在沿垂直于屏幕101的表面的方向B-B的视图中示出了屏幕101的操作。由于每个颜色带状件150是纵向形状，因此束320的覆盖区的截面可以成形为沿着彩色带状件的方向伸长，以使像素的每个彩色带状件内的束的填充因子最大化。在一些实现方式种，这可以通过在扫描束引擎180中使用束成形光学元件来实现。

图5示出了来自扫描束引擎阵列的单个扫描束引擎180的示例性实现方式。扫描束引擎180包括激发光源310，以生成单个激发光束320来扫描屏幕101。在一些实现方式中，激发光束320可以是激光束，并且激发光源310可以是激光器或二极管激光器。

在一些实施方式中，扫描束引擎180还可以包括伺服光源310以生成单个伺服束130来扫描屏幕101。伺服束130可以具有与激发束320不同的波长。例如，激发束130可以在紫外范围内，而伺服束130可以在红外范围内。伺服光束130可以是激光束，伺服光源310可以是激光器或二极管激光器。在一些实现方式中，伺服光源312是IR激光器并且激发光310源是UV激光器。在一些实现方式中，使用监测激发光束的位置的其他方式(例如，使用相机、使用一个或更多个光电检测器等)可以排除对伺服束130位于激发束320旁边的需要。

因此，在该实现方式中，扫描束引擎恰好生成两个扫描束512，即激发束320和伺服束130。在一些实现方式中，监视激发束位置的其他形式(例如相机或光电检测器)可以排除伺服光束130位于激发束320旁边的需要。

各种部件，例如伺服光源312、中继光学模块530和扫描投影模块610，可以被配置为使得伺服束130与激发束320共线。在一些实现方式中，这些部件被配置为使得伺服束130沿着与激发束320平行的路径行进。具体地，伺服束130在屏幕上的路径可以与激发束320在屏幕上的路径共线。伺服束130可以沿着快扫描行进方向(例如，方向A)在空间和/或时间上稍微领先或落后于激发束320(例如，10mm-15mm)。然而，伺服束130与激发束320的间隔不大于伺服线之间的间距。

提供信号调制控制器520来控制和调制激发束320。例如，调制控制器520可以控制和调制激发光源310，使得激发光束320被调制以携带要在显示器101上的对应显示区域110中显示的图像。信号调制控制器520可以包括生成用于三个不同颜色通道的数字图像激发信号的数字图像处理器。信号调制控制器520可以包括生成携带数字图像信号或图像数据的控制信号的激光驱动器电路。然后施加控制信号来调制光源310，例如激光二极管的电流。

束扫描可以通过束扫描模块610(本文也称为“双轴扫描仪”、“X/Y扫描仪系统”或简称为“X/Y扫描仪”)来实现。扫描模块610使扫描束512在显示屏幕101的水平方向(“X”方向)和显示屏幕101的竖向方向(“Y”方向)上进行扫描。水平扫描是以比竖向扫描的速度(或频率)更高的速度(或频率)执行的。

在一些实现方式中，中继光学模块530，例如反射镜(mirror)、聚焦透镜等，可以用于将激发束320和伺服束130引导至扫描模块610。激发束320和伺服束130可以具有它们自己的单独的透镜而不是普通透镜。每个透镜的焦点可以在屏幕101的表面上，例如面板上(而不是在下面讨论的扫描镜上)。

在所描绘的实现方式中，扫描模块610包括折叠镜540、第一反射镜扫描仪550(例如，水平扫描仪550)和第二反射镜扫描仪560(例如，竖向扫描仪560)。光束512进入扫描模块610并首先撞击折叠镜540。折叠镜540将光束512反射到水平扫描仪550。水平扫描仪550的振荡镜又将光束512反射到竖向扫描仪560。竖向扫描仪560的振荡镜又将光束512反射到显示屏幕101。水平扫描仪550和竖向扫描仪560的反射镜的同时组合振荡致使在显示屏幕101上光束512双轴扫描。

折叠镜540、水平扫描仪550和竖向扫描仪560被紧凑地布置。具体地，包括折叠镜540允许水平扫描仪550和竖向扫描仪560彼此靠近地定位。为了实现这一点，折叠镜540被安装为邻近竖向扫描仪560的支撑结构，如下文进一步描述的。将折叠镜540设置在竖向扫描仪560的支撑结构上或邻近竖向扫描仪560的支撑结构的这种布置有利地促进了整个扫描模块610的紧凑性。这种布置还允许扫描束512以接近垂直入射的方式撞击水平扫描镜550，从而减少光学畸变效应的梯形效应，从而提高图像质量。

为了沿着显示屏幕101的整个二维X/Y表面扫描束512，水平扫描仪550和竖向扫描仪560各自围绕各自的轴线振荡，如下文进一步描述的。水平扫描仪550的振荡提供光束在显示屏幕101上的水平扫描。竖向扫描仪560的振荡提供光束在显示屏幕101上的竖向扫描。在操作中，水平扫描仪550振荡比竖向扫描仪560更快。

图6提供了中继光学模块530、扫描束引擎180和显示屏幕101的另外的示意图。所描绘的扫描束引擎180的实现方式包括发射激发束的光源310、中继光学模块530(此处由多个折叠镜532、534和536表示)和扫描模块610。从光源310发射的激发束例如以大约45°的入射角接近第一折叠镜532。第一折叠镜532将激发束以相对于入射激发束约90°反射至第二折叠镜534。在一些实现方式中，第二折叠镜534例如以大约3°至4°的角度将激发束反射到第三折叠镜536。在一些实现方式中，第三折叠镜536例如以大约36°至37°的角度将激发束反射到扫描模块610。第一折叠镜532可以比第二折叠镜534沿着深度或Z轴更靠近扫描模块610。类似地，第二折叠镜534可以比第三折叠镜534沿深度或Z轴更靠近扫描模块610。激发束512主要在X-Z平面中行进。

所描绘的具有三个折叠镜532、534和536的中继光学模块530只是可以被包括在中继光学模块530中的光学元件类型的一个示例。另外或替代地，其他类型的光学元件(例如，一个或更多个透镜、滤光器、棱镜、其他类型的反射镜等)可以沿着中继光学模块530中的激发束的光学路径被包括。然而，所描绘的配置避免了来自扫描模块610的光的阻挡，同时沿Z轴仍然较浅，以便与扫描束引擎180到显示屏幕110的距离兼容。

图7A和图7B提供了扫描模块610的附加示意图。扫描模块610包括折叠镜540、水平扫描仪550和竖向扫描仪560。

水平扫描仪550包括悬挂在外部支撑结构554上的第一反射镜552(也称为水平扫描镜)。第一反射镜552以可枢转的方式附接到外部支撑结构554。具体地，反射镜552可相对于外部支撑结构554围绕第一轴线551枢转。水平扫描仪550可以驱动扫描镜552围绕第一轴线551振荡。即，振荡镜552相对于外部支撑结构554围绕第一轴线551振荡(如双箭头553所示)。然而，当第一反射镜552处于其中立位置时，反射镜552的平面表面可以平行于外部支撑结构554的前表面554a，例如共面。水平扫描仪550可以是例如谐振扫描镜，并且可以由使用MEMS(“微机电系统”)技术制造的谐振扫描镜芯片来提供。

MEMS扫描镜，例如本文描述的扫描镜，可以使用各种致动模式来操作。在一些实现方式中，MEMS扫描镜可以使用静电致动来操作。MEMS扫描镜可以使用电磁致动进行操作。此外，在一些实现方式中，MEMS扫描镜可以使用薄膜压电(PZT，锆钛酸铅(Pb))技术来操作。

竖向扫描仪560包括第二反射镜562(也称为竖向扫描镜)和外部支撑结构564。第二反射镜562以可枢转的方式附接到外部支撑结构564。具体地，第二反射镜562可相对于外部支撑结构564围绕第二轴线561枢转。轴线551和轴线561基本上彼此正交(例如，90°+/-5°)。在所描绘的实现方式中，轴线561水平地延伸。

折叠镜540定位在竖向扫描仪560上或邻近竖向扫描仪560，其中折叠镜540的表面平行于第二反射镜562的平面表面(当第二反射镜562处于其中立位置时)，并且折叠镜540的表面平行于外部支撑结构564的前表面564a。在所描绘的实现方式中，折叠镜540是平面的。

理想地，折叠镜540的反射表面应位于与竖向振荡镜562的中立位置相同的平面中。因此，折叠镜540的一个实施方式将由非常薄的基底制成，例如商业上可用作显微镜载玻片的“盖玻片”。可以对盖玻片进行涂层以使其具有足够的反射性。该盖玻片可以由非常薄的支座从竖向扫描仪560的表面564a支撑，或者由围绕并托抱外部支撑结构564的支架支撑，同时支撑盖玻片距表面564a仅几微米。折叠镜540的另外的实施方式可以为光学表膜；再次进行涂层，使其具有足够的反射性。

在操作中，从中继光学模块530入射的光束512a首先撞击到折叠镜540上。折叠镜540将光束512b反射到水平扫描仪550的振荡镜552。这些部件被定位成使得光束512a在基本上在第二轴线561上的位置处撞击折叠镜540，尽管沿Z轴偏移折叠镜位于第二轴线561上方的量。光束512a以方位角约50°、仰角约40°的入射角撞击折叠镜540。一旦被反射，光束512b就在与第二轴线561共面且垂直于第一轴线551的平面中行进。在所描绘的实现方式中，折叠镜540被布置成将光束512b直接反射到振荡镜552沿着没有任何干涉光学部件的路径。

水平扫描仪550的第一反射镜552将光束512c反射到竖向扫描仪560的第二反射镜562。在所描绘的实现方式中，水平扫描仪550被布置成沿着没有任何中间光学部件(intervening optical components)的路径将光束512c直接反射到竖向扫描仪560。竖向扫描仪560的第二反射镜562将光束512d反射到显示屏幕101。在所描绘的实现方式中，竖向扫描仪560被布置成沿着没有任何会折射或反射光学路径的中间光学部件(例如，没有透镜或反射镜)的路径将光束512d直接反射到显示表面。

假设第一反射镜552和第二反射镜562都处于“中立”位置，即平行于它们各自的支撑结构554和支撑结构564的表面，水平和竖向扫描仪被定向成使得光束512d基本上照射在光学引擎的显示区域110的中心。另一方面，当第二反射镜562处于“最大”偏转以将光束512d引导至显示区域110中的最上面的扫描线时，光束512d在通往显示屏幕101的路径中将恰好穿过水平扫描仪550的外部支撑结构554“下方”。

为了避免屏幕101处的弯曲扫描线，使入射到水平扫描镜552和竖向扫描镜562上的束正交于它们各自的旋转轴线(551和561)。

继续讨论第一反射镜552和第二反射镜562均处于“中立”位置，在所描绘的实现方式中，从折叠镜540向第一反射镜552反射的光束512b基本上垂直于第一轴线551撞击水平扫描仪550。从第一反射镜552向第二反射镜562反射的光束512c也基本上垂直于第一轴线551。另外，从第一反射镜552向第二反射镜562反射的光束512c基本上垂直于第二轴线561撞击竖向扫描仪。因此，光束512b和光束512c与轴线561共面。包含光束512b和光束512c以及轴线561的平面垂直于轴线551。

具有如所示出的定位的折叠镜540的扫描模块610的所描绘的布置有利地允许减小第一反射镜552与第二反射镜562之间的距离。这有利于扫描模块610和扫描模块610作为其一部分的显示系统的整体紧凑性。另外，所描绘的布置允许光束512a至光束512d的点图案或覆盖区变得更不椭圆(更圆)。更圆的点图案可以有利地避免或减少削波。为了将第一扫描镜552和第二扫描镜562上的投射束覆盖区保持为最小(因此整个束被反射而不被削波)，第一扫描镜552和第二扫描镜562上的入射角应当被最小化。折叠镜540用于将水平扫描镜(即，第一反射镜552)上的入射角最小化。折叠镜540的使用还使光束512d相对于第一反射镜552的入射角最小化。

另外，水平扫描仪550放置在正交于第二反射镜562的中立位置的平面上方(或下方)允许从竖向扫描仪560到显示屏幕101的直接、无遮挡的路径。在一些实现方式中，从竖向描仪560到显示屏幕101没有任何中间光学部件。替代地，在一些实现方式中，从竖向扫描仪560到显示屏幕101的路径可以包括一个或更多个反射镜(例如，单折叠镜)和/或透镜。

为了最大化投影屏幕面积，水平和竖向扫描角度被最大化。为了最大化水平扫描角度，将水平扫描镜552和竖向扫描镜562之间的距离最小化。

现在转向扫描操作，第一反射镜552围绕其轴线551的振荡导致光束512c在第二反射镜562上“水平”振荡，如双箭头565所示。具体地，光束512c在第二反射镜562上沿着第二反射镜562的轴线561振荡，例如沿着X轴。类似地，第二反射镜562的振荡导致光束512d例如沿着Y轴向上和向下(竖向)振荡。这可以导致光束512d在显示屏幕101上竖向扫描。

第一反射镜552和第二反射镜562的组合同时振荡使得光束512d水平和竖向地在显示屏幕101上扫描。在一些实现方式中，第一反射镜552和第二反射镜562的组合同时振荡使得光束512d穿过弯曲的路径。

在一些实现方式中，水平扫描仪550包括谐振MEMS扫描镜微芯片。也就是说，振荡镜552可以是压电镜，其被配置为响应于水平扫描仪550的电激励(例如，通过施加AC电压)以谐振频率振荡。在一些实现方式中，振荡镜552的谐振频率在10kHz至50kHz之间、或25kHz至30kHz之间的范围内，但不限于此。在一些实现方式中，振荡镜552具有25kHz的标称谐振频率。这种谐振扫描仪依靠驱动信号来激发第一反射镜552的机械谐振模式。扫描仪的谐振模式由第一反射镜552的质量(mass)和尺寸以及在第一反射镜552和外部支撑结构554之间延伸的扭力臂的刚度控制。。因为MEMS设备如此小且轻，所以谐振频率通常在几十千赫兹。驱动信号可以是方波，但是驱动频率应当与第一反射镜552的自然谐振匹配。

振荡镜552由外部支撑结构554支撑，外部支撑结构554可以具有形成于其上的电子电路。在一些实现方式中，水平扫描仪550的尺寸(外部支撑结构554的外部轮廓)为约4mm×2.5mm(例如，高度约4mm且宽度约2.5mm)。在一些实现方式中，振荡镜552的尺寸直径范围为约1mm至约1.2mm。在一些实现方式中，振荡镜552可以以正弦方式从其中立位置振荡约+/-14°或更多。

在一些实现方式中，竖向扫描仪560包括单轴线性MEMS扫描镜微芯片(也称为线性扫描芯片、线性镜芯片或线性扫描组件)。在一些实现方式中，振荡镜562可以是压电镜，其被配置为响应于电信号而倾斜到受控位置。通过施加振荡电信号，第二反射镜562可以被驱动以执行围绕第二轴线561的振荡枢转运动。在一些实现方式中，递送到振荡镜562的电信号可以是具有下述频率范围的锯齿波的形式：在30Hz至1kHz的范围内、或在60Hz至270Hz之间，但不限于此。在一些实现方式中，递送到振荡镜562的电信号可以具有约60Hz的标称频率。第二反射镜562的运动遵循所施加的信号的形状。因此，三角波生成三角扫描；锯齿波生成锯齿扫描等。为了实现与驱动信号轮廓匹配的扫描轮廓，与谐振扫描仪的频率相比，频率必须非常低。

振荡镜562由外部支撑结构564支撑，外部支撑结构564可以具有形成于其上的电子电路(例如，蚀刻的硅晶片)。在一些实现方式中，竖向扫描仪560的尺寸(外部支撑结构564的外部轮廓)为约8mm×2.5mm(例如，高度约2.5mm且宽度约8mm)。在一些实现方式中，振荡镜562通常是矩形的并且具有大约2.5mm×1.5mm的尺寸。在一些实现方式中，振荡镜552可以以受控线性方式从其中立位置振荡约+/-8°或更多。

还参考图8，振荡镜562悬挂在由外部支撑结构564限定的空腔566之上或之中。振荡镜562通过一个或更多个扭力臂567(例如，所描绘的实现方式中的两个扭力臂567)联接至支撑结构564，或者振荡镜562可以通过一些其他支撑机构相对于支撑结构564保持就位。一个或更多个扭力臂567允许振荡镜562围绕沿着一个或更多个扭力臂567穿过的轴线561旋转。在一些实现方式中，竖向扫描仪560可包括一个或更多个感应线圈(未示出)，其可以被激励以使振荡镜562围绕轴561振荡。替代地，在一些实现方式中，电容控制或压电换能器控制可用于使振荡镜562围绕轴线561振荡。

折叠镜540包括平面反射表面。折叠镜540的反射表面可以被布置为在支撑结构564面向水平扫描仪550的一侧上平行于竖向扫描仪560的外部支撑结构564的平面表面564a(见图7A和图7B)。当振荡镜562处于其中立位置时，折叠镜540的平面反射表面平行于振荡镜562的平面反射表面。在一些实现方式中，折叠镜540稍微(例如，约50μm或更小)位于外部支撑结构564的表面上方(朝向水平扫描仪550)。

折叠镜540沿着光束512c的振荡的方向定位，如双箭头565所示。具体地，折叠镜540覆盖外部支撑结构564的一部分。在一些实现方式中，折叠镜540覆盖的外部支撑结构564的一部分是用于控制振荡镜562的振荡的活动部分。折叠镜540覆盖的外部支撑结构564的一部分定位在振荡镜562沿着从水平扫描仪550的振荡镜552反射的光束512c的扫描方向(参见箭头565)的一侧上。在一些实现方式中，折叠镜540定位成至少覆盖一个或更多个扭力臂567中一个扭力臂的一部分。

在一些实现方式中，折叠镜540被配置为仅将光束512b反射到水平扫描仪550的振荡镜552的外周内。在这种情况下，有利地防止光束512b击中外部支撑结构554的任何部分，这可能导致图像质量的损失。为此，在一些实现方式中，折叠镜540包括适当尺寸的反射中心部分和围绕反射镜552的光学吸收材料，例如黑色材料。替代地或附加地，在一些实现方式中，折叠镜540包括战略尺寸的孔径，以将从折叠镜540反射的光束512b的尺寸限制在振荡镜552的外周内。

在本说明书的一些部分中，讨论了光束的位置或移动。根据上下文，这可以指光束撞击在反射镜或屏幕上的点的位置或移动。

虽然本专利申请包含许多细节，但这些细节不应被解释为对发明的范围或可能要求保护的内容的限制，而是对特定于本发明特定实施例的特征的描述。在本专利申请中的单独的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中以组合的方式实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上述特征可以被描述为在某些组合中起作用，甚至最初如此要求保护，但是在某些情况下，可以从该组合中切除来自所要求保护的组合的一个或更多个特征，并且所要求保护的组合可以被定向为子组合或子组合的变体。

仅公开了一些实施方式。然而，可以基于本专利申请中描述和说明的内容来对所述实施方式和其他实施方式进行改变和优化。例如

·可以省略单独的伺服束，并且可以将激发束320用作伺服束。在这种情况下，屏幕101上的伺服参考标记可以对激发束320具有与对周围区域不同的反射率，从而产生反馈光132。

·单个显示区域110可以由一个以上的激发束320进行扫描。例如，多个激发束可以通过扫描投影模块610馈送，并且从多面镜和共振扫描镜来共同反射。

相应地，其他实施例在随附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种显示系统，所述显示系统包括：

显示屏幕；

光源，所述光源用于生成根据图像数据而调制的光束；以及

束扫描模块，所述束扫描模块用于接收所述光束并将所述光束引导到所述显示屏幕的相关联的显示区域上，所述束扫描模块包括：

谐振镜，所述谐振镜被配置成使所述光束在相关联的显示区域上沿着第一扫描方向进行扫描；

线性镜芯片，所述线性镜芯片被配置成使所述光束在所述相关联的显示区域上沿第二扫描方向进行扫描，以及所述线性镜芯片包括：(i)外部支撑结构，所述外部支撑结构具有形成在所述外部支撑结构上的电路；以及(ii)线性镜，所述线性镜以可枢转的方式联接到所述外部支撑结构，所述线性镜被布置成对来自所述谐振镜的光束进行重新引导；和

折叠镜，所述折叠镜覆盖所述外部支撑结构的部分，所述部分在所述线性镜芯片上沿所述谐振镜的扫描方向定位在所述线性镜的一侧，所述折叠镜定位成将来自所述光源的光束反射到所述谐振镜。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述线性镜通过扭力臂以可枢转的方式联接到所述外部支撑结构，并且其中所述折叠镜覆盖所述扭力臂的至少一部分。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述显示屏幕包括荧光材料，并且所述光束是用于使所述荧光材料的部分发荧光的激发束。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述荧光材料包括沿着所述第二扫描方向延伸的所述荧光材料的平行带状件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述谐振镜能够绕第一轴线枢转，其中，所述线性镜能够绕第二轴线枢转，并且其中，所述第一轴线与所述第二轴线正交。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述折叠镜被布置成将所述光束沿着没有任何中间光学部件的路径直接地反射到所述谐振镜。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述折叠镜被布置成将所述光束反射成基本上垂直于所述第一轴线。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述外部支撑结构的被所述折叠镜覆盖的部分被配置成对所述线性镜的枢转运动进行控制。

9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述折叠镜是平面的，并且所述折叠镜平行于所述外部支撑结构的平面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述折叠镜被配置成将所述光束仅反射到所述谐振镜的外周内。

11.一种双轴扫描仪系统，所述双轴扫描仪系统包括：

谐振镜，所述谐振镜被配置成直接接收来自折叠镜的光束以及使所述光束沿第一扫描方向扫描；

线性镜芯片，所述线性镜芯片被配置成从所述谐振镜接收所述光束以及使所述光束沿第二扫描方向扫描，所述线性镜芯片包括：(i)外部支撑结构；和(ii)线性镜，所述线性镜通过扭力臂以可枢转的方式联接到所述外部支撑结构；和

折叠镜，其中，所述折叠镜被定位成对所述外部支撑结构的下述部分进行覆盖：所述外部支撑结构的所述部分在所述线性镜芯片上沿所述谐振镜的扫描方向位于所述线性镜的一侧上。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述折叠镜覆盖所述扭力臂的至少一部分。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述谐振镜能够绕第一轴线枢转，其中，所述线性镜能够绕第二轴线枢转，并且其中，所述第一轴线与所述第二轴线正交。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述折叠镜被布置成使所述光束反射成与所述第一轴线正交。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的系统，其中，所述外部支撑结构的被所述折叠镜覆盖的部分被配置成对所述线性镜的枢转运动进行控制。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的系统，其中，所述折叠镜是平面的，并且所述折叠镜平行于所述外部支撑结构的平面。

17.一种用于显示系统的光引擎，所述光引擎包括：

光源，所述光源用于生成根据图像数据而调制的光束；以及

双轴束扫描系统，所述双轴束扫描系统用于接收来自所述光源的光束以及将所述光束引导到显示屏幕上，所述双轴束扫描系统包括：

谐振镜，所述谐振镜被配置成接收来自折叠镜的光束并且使所述光束沿第一扫描方向扫描；

线性镜芯片，所述线性镜芯片被配置成从所述谐振镜接收光束以及使所述光束沿第二扫描方向扫描，所述线性镜芯片包括：

(i)外部支撑结构和(ii)线性镜，所述线性镜通过扭力臂以可枢转的方式联接到所述外部支撑结构；和

折叠镜，其中，所述折叠镜定位成覆盖所述扭力臂的至少一部分。

18.根据权利要求17所述的光引擎，所述光引擎还包括控制器，所述控制器被配置成：接收图像数据，所述图像数据包括表示像素的强度值的像素数据；以及根据所述图像数据来调制所述光束。

19.根据权利要求17或18所述的光引擎，其中，所述谐振镜的振荡和所述线性镜的枢转运动的组合生成供所述光束穿过的弯曲路径。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的光引擎，其中，所述谐振镜被布置成围绕第一轴线振荡，其中，所述线性镜能够围绕与所述第一轴线正交的第二轴线枢转，并且其中，所述折叠镜被布置成在没有任何中间光学元件的情况下将所述光束直接反射到所述谐振镜并且将所述光束反射成与所述第一轴线正交。