DE112006001670T5

DE112006001670T5 - Anordnung für und Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung aufgrund elektrischer Interferenz

Info

Publication number: DE112006001670T5
Application number: DE112006001670T
Authority: DE
Inventors: Carl Wittenberg; Dmitry Yavid
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US7307650B2; CN101583905A; JP2008547055A; JP4674313B2; WO2007001681A2; US20060290774A1; CN101583905B; WO2007001681A3

Abstract

Eine Anordnung zur Verringerung der Bildverzerrung in einem projizierten Bild, die Folgendes aufweist:
a) eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls;
b) ein Paar oszillierbarer Scanspiegel;
c) eine Antriebsanordnung zum Oszillieren der Scanspiegel um zueinander orthogonale Achsen, um ein Rastermuster von Scanlinien auf einer Projektionsoberfläche zu bilden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, wobei die Antriebsanordnung einen Antrieb umfasst, der mit einer Antriebsfrequenz zum Bewegen von einem der Scanspiegel in einer Umfangsrichtung um eine der Achsen mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsgeschwindigkeit betätigbar ist, wobei der eine Scanspiegel mit einer Resonanzfrequenz in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung um die eine Achse mit einer Rückstellgeschwindigkeit rückführbar ist, die größer als die Antriebsgeschwindigkeit ist;
d) eine Steuervorrichtung um zu bewirken, dass ausgewählte Pixeln in den Scanlinien durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf der Projektionsoberfläche zu bilden; und
e) Mittel zum Anpassen der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Anordnung für und ein Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung aufgrund elektrischer Interferenz, insbesondere zur Verwendung in einem Farbbildprojektionssystem, das betriebsbereit ist, um ein zweidimensionales Bild in Farbe zu projizieren, während ein geringer Leistungsverbrauch, eine hohe Auflösung, eine kompakte Miniaturgröße, ein leiser Betrieb und eine minimale Vibration aufrechterhalten werden.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einem Bildschirm basierend auf einem Paar von Scanspiegeln zu projizieren, die durch entsprechende Antriebe in zueinander orthogonalen Richtungen oszillieren, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster hinweg zu scannen. Die bekannten Bildprojektionanordnungen projizieren jedoch das Bild mit begrenzter Auflösung, typischerweise mit weniger als einem Viertel der VGA-Qualität (VGA = Video-Graphics-Array) von 640×480 Pixeln, verbrauchen eine relativ große Menge an elektrischer Leistung und sind relativ schwergewichtig und belegen ein relativ großes Volumen, wodurch sie unpraktisch für die Verwendung in handgehaltenen, batteriebetriebenen Miniaturanwendungen gemacht werden. Das Bild leidet außerdem unter elektrischer Interferenz.
Der Antrieb für einen der Scanspiegel umfasst beispielsweise einen Permanentmagnet, der gemeinsam mit dem Spiegel bewegbar ist. Der Magnet und der Spiegel sind auf einem Biegeelement angebracht, das die Oszillation um eine Achse ermöglicht. Eine elektromagnetische Spule wird durch ein periodisches Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz erregt und erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches mit dem permanenten Feld des Magneten interagiert, um das Biegeelement zu biegen und um zu bewirken, dass der Magnet und seinerseits der Scanspiegel sich in einer Richtung um die Achse mit einer konstanten Antriebsgeschwindigkeit bewegen. Der Scanspiegel ist mit einer Resonanzfrequenz in einer entgegengesetzten Richtung um die Achse mit einer Rückstellgeschwindigkeit, die größer als die Antriebsgeschwindigkeit ist, selbstrückstellend.
Obwohl für seine vorgesehenen Zwecke zufriedenstellend, ist der oben beschriebene, elektromagnetische Antrieb für das Projizieren eines unverzerrten Bilds nicht ideal. Die Antriebsfrequenz des Antriebssignals und/oder eine Wechselstromversorgungsleitungsfrequenz zur Erregung des Antriebs und/oder Oberschwingungen (Harmonische) der Antriebsfrequenz und die Leitungsfrequenz können elektrisch mit der Resonanzfrequenz und miteinander interferieren, wodurch die konstante Antriebsgeschwindigkeit korrumpiert wird und wodurch die Bildverzerrung entsteht.
Demgemäß ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, eine Anordnung für und ein Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung vorzusehen, insbesondere zur Verwendung in einem Bildprojektionssystem, das ein scharfes und klares, zweidimensionales Farbbild über einen ausgedehnten Bereich von Entfernungen von dem System hinweg projiziert.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die elektrische Interferenz zwischen der Antriebsfrequenz und der Resonanzfrequenz eines Antriebs zu verringern, der in einem derartigen System verwendet wird.
Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die elektrische Interferenz zwischen der Versorgungsleitungsfrequenz und der Resonanzfrequenz eines Antriebs zu verringern, der in derartigen Systemen verwendet wird.
Ein zusätzliches Ziel ist es, eine kompakte, leichtgewichtige, energieeffiziente, und tragbare Miniaturfarbbildprojektionsanordnung vorzusehen, die in zahlreichen Instrumenten unterschiedlicher Formfaktoren, insbesondere tragbaren bzw. handgehaltenen Instrumenten, nützlich ist.
In Übereinstimmung mit diesen Zielen und anderen, die im Folgenden offensichtlich werden, besteht ein Merkmal dieser Erfindung kurz gesagt in einer Anordnung für und ein Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung in einem projizierten Bild durch Minimieren der elektrischen Interferenz, wie unten detailliert beschrieben.
Eine Lichtquelle, beispielsweise ein einzelner Laser, ist betriebsbereit, um einen Laserstrahl zu erzeugen, um ein monochromatisches Bild zu erzeugen. Für ein Farbbild umfasst die Lichtquelle eine Vielzahl von Lasern unterschiedlicher Wellenlängen (rot, blau und grün), die als ein zusammengesetzter Strahl angeordnet sind.
Eine Antriebsanordnung ist betriebsbereit, um ein Paar von Scanspiegeln um zueinander orthogonale Achsen zu oszillieren, um ein Rastermuster von Scanlinien auf einer Projektionsoberfläche zu bilden, wie beispielsweise einem Bildschirm, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt. Die Antriebsanordnung umfasst einen Antrieb, der manchmal hierin als ein Y-Antrieb bezeichnet wird, der mit einer Antriebsfrequenz betätigbar ist, um einen der Scanspiegel zu bewegen, die hierin manchmal als Y-Spiegel bezeichnet werden, und zwar in einer Umfangsrichtung um eine der Achsen mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsgeschwindigkeit. Der Y-Spiegel ist mit einer Resonanzfrequenz in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung um die eine Achse mit einer Rückstellgeschwindigkeit selbstrückstellend, die größer als die Antriebsgeschwindigkeit ist.
Eine Steuervorrichtung, vorzugsweise ein programmierter Mikroprozessor, ist betriebsbereit, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel in den Scanlinien durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf der Projektionsoberfläche zu bilden. Das Bild ist zweidimensional, und der Y-Antrieb ist verantwortlich für das „Zeichnen" des Bilds mit der Antriebsfrequenz, d.h. der Videorahmenrate, zwischen einer oberen Scanlinie und einer unteren Scanlinie des Rastermusters. Genauer gesagt, treibt wie oben beschrieben der Y-Antrieb den Y-Spiegel mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsgeschwindigkeit von der oberen Scanlinie zu der unteren Scanlinie an, und daraufhin kehrt der Y-Spiegel selbst von der unteren Scanlinie zu der oberen Scanlinie mit einer schnelleren Rückstellgeschwindigkeit zurück, die manchmal als die Zeilensprunggeschwindigkeit bezeichnet wird.
Wenn eine Oberschwingung der Antriebsfrequenz (typischerweise ist eine Videorahmenrate von 60 Hz oder 85 Hz üblich, aber andere Rahmenraten in der ge wöhnlichen Verwendung sind 56 Hz, 72 Hz und 75 Hz) und/oder wenn eine Oberschwingung der Wechselstromversorgungsleitungsfrequenz (typischerweise 50 Hz oder 60 Hz), die verwendet wird, um den Y-Antrieb zu erregen, eng mit der Resonanzfrequenz des Y-Spiegels übereinstimmt, dann besteht eine Wahrscheinlichkeit der elektrischen Interferenz, in der eine sinusförmige Störgröße auf die im Wesentlichen konstante Antriebsgeschwindigkeit des Y-Spiegels überlagert wird, was zu einer unerwünschten Bildverzerrung führt. Gemäß dieser Erfindung wird die Resonanzfrequenz des Y-Spiegels angepasst, um nicht harmonisch in Beziehung zu den Antriebs- und Leitungsfrequenzen zu sein. Die Resonanzfrequenz wird so ausgewählt, dass sie kein ganzzahliges Vielfaches der Antriebs- und Leitungsfrequenzen ist. Die Resonanzfrequenz sollte so hoch wie möglich, um eine rasche Rückkehr sicherzustellen, aber so niedrig wie möglich sein, um einen minimalen Energieverbrauch sicherzustellen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Y-Antrieb ein elektromagnetischer Antrieb mit einem gespannten Biegeelement, das auf einer Halterung angebracht ist. Das Biegeelement wird durch Magnetfeldinteraktion gebogen. Ein Permanentmagnet ist auf dem Biegeelement angebracht, und eine elektromagnetische Spule ist auf der Halterung angebracht. Ansprechend auf ein periodisches Antriebssignal, das an die Spule angelegt wird, wird ein periodisches, elektromagnetisches Feld erzeugt, das mit einem permanenten Magnetfeld des Magneten interagiert.
Der Magnet und der Scanspiegel sind vorzugsweise auf einem Trageteil des Biegeelements zwischen den Torsionsteilen angebracht. Das Biegeelement besitzt Endteile, die entlang der Achse voneinander beabstandet sind. Einer der Endteile ist auf der Halterung verankert. Der andere der Endteile sieht das Mittel zur Spannung des Biegeelements in einen Spannungszustand vor. Vorzugsweise ist eine elastische Lasche in dem anderen Endteil gebildet. Diese Lasche drückt elastisch gegen die Halterung und drückt die Endteile axial weg von einander in den Spannungszustand.
Im Betrieb wird der Magnet durch die oben beschriebene Magnetfeldinteraktion oszilliert. Dies bewirkt, dass der Trageteil des Biegeelements und der Scanspiegel sich in einer Umfangsrichtung bewegen, wodurch sich die Torsionsteile in einer Umfangsrichtung verdrehen. Die in den verdrehten Torsionsteilen gespeicherte Energie wird dann freigesetzt, wodurch sich die Torsionsteile in der entgegengesetzten Umfangsrichtung entwinden bzw. aufdrehen. Das Biegeelement wird konstant durch die Lasche während dieser Verdrehungsbewegungen gespannt, wodurch sichergestellt wird, dass keine erratischen, ungewollten Biegeelementbewegungen auftreten. Vibrationsdämpfer können verwendet werden, um unerwünschte Vibrationen abzuschwächen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Resonanzfrequenz angepasst um in nicht harmonischer Beziehung zu den Antriebs- und Leitungsfrequenzen zu stehen, und zwar durch Steuern der Querausdehnung jedes Torsionsteils. Beispielsweise wird die Dicke der Querausdehnung derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz des Y-Spiegels kein ganzzahliges Vielfaches der Antriebs- oder Leitungsfrequenzen ist. Die Dicke der Querausdehnung wird vorzugsweise durch chemisches Ätzen gesteuert, um einen hohen Grad an Genauigkeit zu erreichen. Die Resonanzfrequenz kann ebenfalls durch Anpassen der Masse des Y-Spiegels, die Masse des Permanentmagneten, oder das für das Biegeelement verwendete Material gesteuert werden. Es ist jedoch bevorzugt, die Masse des Y-Spiegels und des Magneten, ebenso wie das Biegeelementmaterial gleich zu halten, und nur die Dicke der Torsionsteile zu steuern.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines handgehaltenen Instruments, das ein unverzerrtes Bild bei einem Arbeitsabstand von diesem projiziert;
2 ist eine vergrößerte, perspektivische Überkopfansicht einer Bildprojektionsanordnung zur Installation in dem Instrument der 1;
3 ist eine Draufsicht der Anordnung der 2;
4 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Trägheitsantriebs zur Verwendung in der Anordnung der 2;
5 ist eine perspektivische Rückansicht des Trägheitsantriebs der 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer praktischen Implementierung der Anordnung der 2;
7 ist eine Elektroschemablockdiagramm, das den Betrieb der Anordnung der 2 darstellt;
8 ist eine Explosionsansicht eines kompakten Antriebs gemäß dieser Erfindung, wie er in dem System der 6 verwendet wird;
9 ist eine zusammengesetzte Ansicht des Antriebs der 8;
10 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die entlang der Linie 10-10 der 9 genommen ist;
11 ist ein Diagramm, das die Geschwindigkeit versus der Zeit für den Antrieb der 8 unter Bedingungen keiner elektrischen Interferenz zeigt;
12 ist ein Diagramm analog zu 11, das aber die Effekte der elektrischen Interferenz zeigt;
13 ist eine Antriebsschaltung für das Antreiben des Antriebs der 8; und
14 ist eine weitere Antriebsschaltung für das Antreiben des Antriebs der 8.
Das Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im Allgemeinen ein handgehaltenes Instrument, beispielsweise einen PDA, in dem eine leichtgewichtige, kompakte Bildprojektionsanordnung 20, wie in 2 gezeigt, angebracht und betriebsbereit ist, um ein zweidimensionales Farbbild mit einer variablen Distanz von dem Instrument zu projizieren. Als Beispiel ist ein Bild 18 innerhalb eines Arbeitsbereichs von Entfernungen relativ zu dem Instrument 10 gelegen.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich das Bild 18 über einen optischen, horizontalen Scanwinkel A, der sich entlang der horizontalen Richtung erstreckt, und über einen optischen, vertikalen Scanwinkel B, der sich entlang der vertikalen Richtung des Bilds erstreckt. Wie unten beschrieben, besteht das Bild aus beleuchteten und unbeleuchteten Pixeln auf einem Rastermuster von Scanlinien, über die ein Scanner in der Anordnung 20 hinwegstreicht.
Die Parallelepided-Form des Instruments 10 stellt nur einen Formfaktor eines Gehäuses dar, in welchem die Anordnung 20 implementiert sein kann. Das Instru ment kann als ein Füller bzw. Stift, ein Mobiltelefon, eine Muschelschale oder eine Armbanduhr geformt sein, wie beispielsweise in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/090,653 , eingereicht am 4. März 2002, gezeigt, die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Anordnung weniger als ungefähr 30 Kubikzentimeter im Volumen. Diese kompakte Miniaturgröße ermöglicht es, dass die Anordnung 20 in den Gehäusen vieler unterschiedlicher Formen, groß oder klein, tragbar oder stationär, einschließlich einigen angebracht wird, die eine On-board-Anzeige 12, eine Tastatur 14 und ein Fenster 16 umfassen, durch welches das Bild projiziert wird.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 umfasst die Anordnung 20 einen Halbleiterlaser 22, der bei Erregung einen hellen, roten Laserstrahl von ungefähr 635–655 Nanometern emittiert. Die Linse 24 ist eine biasphärisch konvexe Linse mit einer positiven Brennweite und die betriebsbereit ist, um nahezu die gesamte Energie in dem roten Strahl zu sammeln und einen beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 26 ist eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite. Die Linsen 24, 26 werden durch nicht dargestellte, entsprechende Linsenhaltevorrichtungen getrennt auf einer Tragevorrichtung (aus Klarheitsgründen nicht in 2 dargestellt) innerhalb des Instruments 10 gehalten. Die Linsen 24, 26 formen das Profil des roten Strahls über die Arbeitsentfernung hinweg.
Ein weiterer Halbleiterlaser 28 ist auf der Tragevorrichtung angebracht und emittiert bei Erregung einen beugungsbegrenzten blauen Laserstrahl von ungefähr 475–505 Nanometern. Eine weitere biasphärisch konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden eingesetzt, um das Profil des blauen Strahls in einer zu den Linsen 24, 26 analogen Art und Weise zu formen.
Ein Grünlaserstrahl mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 530 Nanometern wird nicht durch einen Halbleiterlaser erzeugt, sondern stattdessen durch ein grünes Modul 34 mit einer gepumpten YAG-Kristalllaserdiode im Infrarotbe reich, deren Ausgabestrahl 1060 Nanometer beträgt. Ein nicht-linearer Frequenzdopplungskristall ist in dem Infrarotlaserhohlraum zwischen den beiden Laserspiegeln enthalten. Da die Infrarotlaserleistung innerhalb des Hohlraums viel größer als die Leistung die außerhalb des Hohlraums gekoppelt ist, erzeugt der Frequenzdoppler effizienter das Doppelfrequenzgrünlicht innerhalb des Hohlraums. Der Ausgabespiegel des Lasers reflektiert die 1060 nm Infrarotstrahlung und ist durchlässig gegenüber dem gedoppelten 530 nm Grünlaserstrahl. Da der korrekte Betrieb des Festkörperlasers und des Frequenzdopplers eine präzise Zeitsteuerung erfordern, wird eine Halbleitervorrichtung verwendet, die sich auf den Peltier-Effekt stützt, um die Temperatur des Grünlasermoduls zu steuern. Die thermoelektrische Kühlvorrichtung kann die Vorrichtung entweder erwärmen oder abkühlen, und zwar abhängig von der Polarität des angelegten Stroms. Ein Thermistor ist Teil des Grünlasermoduls, um seine Temperatur zu überwachen. Die Ausgabe von dem Thermistor wird in die Steuervorrichtung eingespeist, welche den Steuerstrom an die thermo-elektrische Kühlvorrichtung demgemäß anpasst.
Wie unten beschrieben, werden die Laser im Betrieb mit Frequenzen in der Größenordnung von 100 MHz pulsiert. Die roten und blauen Halbleiterlaser 22, 28 können mit derart hohen Frequenzen pulsiert werden, die gegenwärtig verfügbaren grünen Festkörperlaser können dies jedoch nicht. Als eine Folge davon wird der grüne Laserstrahl, der aus dem grünen Modul 34 austritt, mit einem akustooptischen Modulator (AOM) 36 pulsiert, der eine akustische, stehende Welle innerhalb eines Kristalls zur Beugung des grünen Strahls erzeugt. Der AOM 36 erzeugt jedoch einen nicht beugenden Strahl 38 nullter Ordnung und einen pulsierten, gebeugten Strahl 40 erster Ordnung. Die Strahlen 38, 40 divergieren voneinander und um sie zu trennen, um den unerwünschten Strahl 38 nullter Ordnung zu beseitigen, werden die Strahlen 38, 40 entlang eines langen, gefalteten Pfads mit einem Faltspiegel 42 geführt. Alternativ kann der AOM entweder außerhalb oder innerhalb des grünen Lasermoduls verwendet werden, um den grünen Laserstrahl zu pulsieren. Andere mögliche Wege, den grünen Laserstrahl zu modulieren, umfassen die Elektroabsorptionsmodulation oder den Mach-Zender-Interferometer. Der AOM ist schematisch in 2 gezeigt.
Die Strahlen 38, 40 werden durch die positiven und negativen Linsen 44, 46 geführt. Es wird jedoch zugelassen, dass nur der gebeugte grüne Strahl 40 wird auf den Faltspiegel 48 auftrifft und von diesem reflektiert wird. Der nicht gebeugte Strahl 38 wird durch einen Absorber 50, der vorzugsweise auf dem Spiegel 48 angebracht ist, absorbiert.
Die Anordnung umfasst ein Paar von dichroitischen Filtern 52, 54, die angeordnet sind, um die grünen, blauen und roten Strahlen so kollinear wie möglich zu machen, bevor sie eine Scananordnung 60 erreichen. Der Filter 52 ermöglicht es, dass der grüne Strahl 40 durch diesen passiert, aber der blaue Strahl 56 von dem blauen Laser 28 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird. Der Filter 54 ermöglicht es, dass die grünen und blauen Strahlen 40, 56 durch diesen passieren, aber der rote Strahl 58 von dem roten Laser 22 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird.
Die nahezu kollinearen Strahlen 40, 56, 58 werden zu einem stationären Aufprallspiegel 62 geleitet und von diesem reflektiert. Die Scananordnung 60 umfasst einen ersten Scanspiegel 64, der durch einen Trägheitsantrieb 66 (isoliert in 4-5 gezeigt) mit einer ersten Scanrate oszillierbar ist, um die von dem Aufprallspiegel 62 reflektierten Laserstrahlen über den ersten horizontalen Scanwinkel A hinwegzustreichen, und ein zweiter Scanspiegel 68 ist durch einen elektromagnetischen Antrieb 70 mit einer zweiten Scanrate oszillierbar, um die Laserstrahlen, die von dem ersten Scanspiegel 64 reflektiert werden über den zweiten vertikalen Scanwinkel B hinwegzustreichen. In einer abweichenden Konstruktion können die Scanspiegel 64, 68 durch einen einzelnen Zweiachsenspiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 66 ist eine Hochgeschwindigkeitskomponente mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878 , eingereicht am 13. März 2003, und die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen sind und hierin durch Bezugnahme enthalten sind, gefunden werden. Die Verwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch der Scananordnung 60 auf weniger als ein Watt und in dem Fall des Projizieren eines Farbbilds, wie unten beschrieben, auf weniger als zehn Watt.
Der Antrieb 66 umfasst einen beweglichen Rahmen 74 zum Tragen des Scanspiegels 64 mittels einer Anlenkung, die ein Paar von kollinearen Anlenkungsteilen 76, 78 umfasst, die sich einlang einer Anlenkungsachse 65 erstrecken und zwischen gegenüberliegenden Bereichen des Scanspiegels 64 und gegenüberliegenden Bereichen des Rahmens verbunden sind. Der Rahmen 74 muss den Scanspiegel 64 nicht umgeben, wie es gezeigt ist.
Der Rahmen, die Anlenkungsteile und der Scanspiegel werden aus einem einstückigen, im Allgemeinen planaren Siliciumsubstrat gebildet, welches ungefähr 150μ dick ist. Das Silicium wird geätzt, um omegaförmige Schlitze zu bilden, die obere parallele Schlitzbereiche, untere parallele Schlitzbereiche und U-förmige, mittlere Schlitzbereiche besitzen. Der Scanspiegel 64 besitzt vorzugsweise eine ovale Form und kann sich frei in den Schlitzbereichen bewegen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel belaufen sich die Abmessungen entlang der Achsen des ovalförmigen Scanspiegels auf 749μ × 1600μ. Jeder Anlenkungsteil misst 27μ in der Breite und 1130μ in der Länge. Der Rahmen besitzt eine rechteckige Form und misst 3100μ in der Breite und 4600μ in der Länge.
Der Trägheitsantrieb ist auf einer im Allgemeinen planaren gedruckten Leiterplatte 80 angebracht und ist betriebsbereit, um direkt den Rahmen zu bewegen und durch Trägheit indirekt den Scanspiegel 64 um die Anlenkungsachse zu oszillieren. Ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsantriebs umfasst ein Paar von piezoelektrischen Transducern bzw. Wandlern 82, 84, die sich senkrecht auf der Platte 80 und in Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 auf beiden Seiten des Anlenkungsteils 76 erstrecken. Ein Klebstoff kann verwendet werden, um einen dauerhaften Kontakt zwischen einem Ende jedes Wandlers und jedem Rahmenteil sicherzustellen. Das gegenüberliegende Ende jedes Wandlers ragt aus der Rückseite der Platte 80 hervor und ist elektrisch durch die Drähte 86, 88 mit einer periodischen alternierenden Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden.
Im Gebrauch legt die Antriebsschaltung ein periodisches Antriebsspannungssignal an jeden Wandler an und veranlasst den jeweiligen Wandler sich abwechselnd in der Länge auszudehnen und zusammenzuziehen. Wenn sich der Wandler 82 ausdehnt, zieht sich der Wandler 84 zusammen und umgekehrt, wodurch die beabstandeten Rahmenteile simultan geschoben und gezogen werden und bewirkt wird, dass sich der Rahmen um die Anlenkungsachse verdreht. Das Antriebsspannungssignal besitzt eine Antriebsfrequenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des Scanspiegels entspricht. Der Scanspiegel wird von seiner ursprünglichen Ruheposition bewegt, bis er ebenfalls um die Anlenkungsachse mit der mechanischen Resonanzfrequenz oszilliert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und der Scanspiegel ungefähr 150μ dick und der Scanspiegel besitzt einen hohen Q-Faktor. Eine Bewegung in der Größenordnung von 1μ durch jeden Wandler kann die Oszillation des Scanspiegels mit Scanraten von mehr als 20 kHz bewirken.
Ein weiteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 90, 92 erstreckt sich senkrecht zu der Platte 80 und in dauerhaften Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an beiden Seiten des Anlenkungsteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen als Rückkopplungsvorrichtungen, um die Oszillationsbewegung des Rahmens und folglich des Scanspiegels 64 zu überwachen und um elektrische Rückkopplungssignale zu erzeugen und entlang der Drähte 94, 96 zu einer Rückkopplungssteuerschaltung zu leiten (nicht gezeigt).
Alternativ können anstelle der Verwendung piezoelektrischer Wandler 90, 92 zur Rückkopplung, eine magnetische Rückkopplung verwendet werden, wo ein Permanentmagnet auf der Rückseite des Hochgeschwindigkeitsspiegels angebracht ist und eine externe elektromagnetische Spule verwendet wird, um das sich verändernde Magnetfeld, das durch den oszillierenden Magneten erzeugt wird, aufzunehmen.
Obwohl Licht von der Außenoberfläche des Scanspiegels reflektiert werden kann, ist es wünschenswert die Oberfläche des Spiegels 64 mit einer spiegelnden Be schichtung, die aus Gold, Silber, Aluminium oder einer speziell ausgelegten, hochreflektiven, dielektrischen Beschichtung besteht, zu beschichten.
Der elektromagnetische Antrieb 70, umfasst einen Permanentmagneten der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 68 angebracht ist, und eine elektromagnetische Spule 72, die betriebsbereit ist, um ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebssignals zu erzeugen. Die Spule 72 ist benachbart zu dem Magnet, so dass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten Feld des Magneten interagiert und bewirkt, dass der Magnet und seinerseits der zweite Scanspiegel 68 oszillieren.
Der Trägheitsantrieb 66 oszilliert den Scanspiegel 64 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate, die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere in der Größenordnung von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer unhörbaren Frequenz, wodurch Geräusche und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 70 oszilliert den Scanspiegel 68 mit einer langsameren Scanrate in der Größenordnung von 40 Hz, was ausreichend schnell ist, um es zu ermöglichen, dass das Bild auf einer menschlichen Augennetzhaut ohne übermäßiges Flimmern bleibt.
Der schnellere Spiegel 64 streicht über eine horizontale Scanlinie hinweg, und der langsamere Spiegel 68 streicht über die horizontale Scanlinie vertikal hinweg, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Netz oder eine Sequenz annähernd paralleler Scanlinien ist, aus denen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung besitzt vorzugsweise die XGA-Qualität von 1024×768 Pixeln. Über einen begrenzten Arbeitsbereich können wir einen hochauflösenden Fernsehstandard, bezeichnet als 720p, von 1270×720 Pixeln anzeigen. In einigen Anwendungen ist eine einhalbfache VGA-Qualität von 320×480 Pixeln oder eine einviertelfache VGA-Qualität von 320×240 Pixeln ausreichend. Minimal ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln erwünscht.
Die Rollen der Spiegel 64, 68 könnten umgekehrt werden, so dass der Spiegel 68 schneller und der Spiegel 64 langsamer ist. Der Spiegel 64 könnte ebenfalls aus gelegt sein, um über die vertikale Scanlinie hinwegzustreichen, in welchem Fall der Spiegel 68 über die horizontale Scanlinie hinwegstreichen würde. Der Trägheitsantrieb kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegel 68 anzutreiben. In der Tat könnte jeder der beiden Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Der langsame Spiegel wird in einem Hinwegstreichmodus mit konstanter Geschwindigkeit betrieben, in welcher Zeit das Bild angezeigt wird. Während der Rückkehr des Spiegels wird der Spiegel zurück in die Ausgangsposition mit seiner natürlichen Frequenz, die signifikant höher ist, geschwenkt. Während der Rückkehrstrecke des Spiegels können die Laser abgeschaltet werden, um den Leistungsverbrauch der Vorrichtung zu verringern.
6 ist eine praktische Implementierung der Anordnung 20 in der gleichen Perspektive wie der der 2. Die zuvor erwähnten Komponenten werden auf einer Tragevorrichtung angebracht, die eine obere Abdeckung 100 und eine Trageplatte 102 umfasst. Haltevorrichtungen 104, 106, 108, 110, 112 halten jeweils die Faltspiegel 42, 48, die Filter 52, 54 und den Abprallspiegel 62 in gegenseitiger Ausrichtung. Jede Haltevorrichtung besitzt eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zur Aufnahme von Positionierungspfosten, die stationär auf der Tragevorrichtung angebracht sind. Auf diese Weise sind die Spiegel und Filter in korrekter Weise positioniert. Wie gezeigt, gibt es drei Pfosten, wodurch zwei Winkelanpassungen und eine seitliche bzw. laterale Anpassung ermöglicht werden. Jede Haltevorrichtung kann in ihrer Endposition verklebt werden.
Das Bild wird durch selektive Beleuchtung der Pixel in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten in größerem Detail mit Bezugnahme auf 7 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung 114, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster beleuchtet werden, und durch die drei Laserstrahlen sichtbar gemacht werden. Beispielsweise leiten rote, blaue und grüne Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 jeweils elektrische Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern 22, 28, 34, um letztere zu erregen, um die jeweiligen Lichtstrahlen bei je dem ausgewählten Pixel zu emittieren und leiten keine elektrischen Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern, um letztere zu enterregen, um die anderen, nicht ausgewählten Pixel nicht zu beleuchten. Das entstehende Muster von beleuchteten und nicht beleuchteten Pixeln weist das Bild auf, welches jegliche Anzeige einer menschen- oder maschinenlesbaren Information oder Graphik sein kann.
Bezug nehmend auf 1 ist das Rastermuster in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend bei einem Endpunkt werden die Laserstrahlen durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem gegenüberliegenden Endpunkt hinweggestrichen, um eine Scanlinie zu bilden. Daraufhin werden die Laserstrahlen durch den elektromagnetischen Antrieb 70 entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu einem anderen Endpunkt hinweggestrichen, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung aufeinander folgender Scanlinien schreitet in der gleichen Art und Weise voran.
Das Bild wird in dem Rastermuster durch Erregen oder An- und Aus-Pulsieren des Lasers zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung des Mikroprozessors 114 oder der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 erzeugt. Die Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur angeschaltet, wenn ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll. Die Farbe jedes Pixels wird durch eine oder mehrere der Farben der Strahlen bestimmt. Jegliche Farbe im Spektrum des sichtbaren Lichts kann durch selektive Überlagerung von einem oder mehreren der roten, blauen und grünen Laser gebildet werden. Das Rastermuster ist ein Netz, das aus mehreren Pixeln auf einer Linie und mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine Bitmap ausgewählter Pixel. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jegliche graphische Darstellung oder Logo, und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmapbild abgebildet werden.
Wie in 7 gezeigt, wird ein eingehendes Videosignal mit vertikalen und horizontalen Synchronisationsdaten, ebenso wie Pixel- und Clock- bzw. Taktungsdaten, zu den roten, blauen und grünen Puffern 122, 124, 126 unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 gesendet. Die Speicherung eines vollständigen VGA- Rahmens erfordert viele Kilobytes und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in den Puffern für zwei vollständige Rahmen zu besitzen, um zu ermöglichen, dass ein Rahmen geschrieben wird, während ein weiterer Rahmen bearbeitet und projiziert wird. Die gepufferten Daten werden an einen Formatierer 128 unter der Steuerung eines Geschwindigkeits-Profilers 130 und zu roten, blauen und grünen Nachschlagtabellen (LUTs = Look Up Tables) 132, 134, 136 gesendet, um inhärente, interne Verzerrungen zu korrigieren, die durch das Scannen verursacht werden, ebenso wie geometrische Verzerrungen, die durch den Winkel der Anzeige des projizierten Bilds verursacht werden. Die resultierenden roten, blauen und grünen digitalen Signale werden in rote, blaue und grüne analoge Signale durch Digital-zu-Analog-Wandler (DACs = Digital to Analog Converters) 138, 140, 142 umgewandelt. Die roten und blauen analogen Signale werden den roten und blauen Laserantrieben (LDs = Laser Drivers) 144, 146 zugeführt, die ebenfalls mit den roten und blauen Leistungssteuervorrichtungen 116, 118 verbunden sind. Das grüne analoge Signal wird dem AOM-Hochfrequenzantrieb (RF = Radio Frequency) 150 und seinerseits dem grünen Laser 34 zugeführt, der ebenfalls mit einem grünen Laserantrieb 148 und mit der grünen Leistungssteuervorrichtung 120 verbunden ist.
Die Rückkopplungssteuerungen sind ebenfalls in 7 gezeigt, einschließlich der roten, blauen und grünen Photodiodenverstärker 152, 154, 156 verbunden mit roten, blauen und grünen Analog-zu-Digital-(ND)Wandlern 158, 160, 162 und ihrerseits mit dem Mikroprozessor 114. Die Wärme wird durch einen Thermistorverstärker 164, verbunden mit einem A/D-Wandler 166 und dieser seinerseits mit dem Mikroprozessor überwacht.
Die Scanspiegel 64, 68 werden durch die Antriebsvorrichtungen 168, 170 angetrieben, die mit analogen Antriebssignale von den DACs 172, 174 versorgt werden, die ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden sind. Die Rückkopplungsverstärker 176, 178 detektieren die Position der Scanspiegel 64, 68 und sind mit den Rückkopplungs-A/Ds 180, 182 und diese ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden.
Eine Leistungsmanagementschaltung 184 ist betriebsbereit, um die Leistung zu minimieren, während schnelle Einschaltzeiten ermöglicht werden, vorzugsweise indem der grüne Laser zu allen Zeiten angeschaltet bleibt und durch Halten des Stroms der roten und blauen Laser gerade unterhalb der Laserschwelle.
Ein Lasersicherheitsabschaltschaltung 186 ist betriebsbereit, um die Laser abzuschalten, wenn detektiert wird, dass einer der beiden Scanspiegel 64, 68 sich in einer Fehlposition befindet.
Sich jetzt dem elektromagnetischen Antrieb 70 der 8–9 zuwendend, umfasst das oben beschriebene Biegeelement 200 einen planaren Halterungs- bzw. Trageteil 202, ein Paar planerer, kolinearer Torsionsteile 204, 206 und ein Paar planerer Endteile 208, 210. Das Biegeelement ist ein einzelnes, langgestrecktes Stück elastischen Materials, vorzugsweise eines getemperten, rostfreien Stahls mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,027 mm. Die Breite der Torsionsteile liegt in der Größenordnung von 0,122 mm und obwohl es möglich ist, das Biegeelement mit derartigen Abmessungen maschinell herzustellen, ist es bevorzugt, das Biegeelement für diesen Zweck chemisch zu ätzen. Es ist die Querabmessung der Torsionsteile, die gesteuert wird, um die Resonanzfrequenz des Scanspiegels 68 zu steuern, wie unten beschrieben. Die Torsionsteile sind dünne, lange, drahtartige Stränge, die sich wie Torsionsstangen verhalten, wie unten beschrieben.
Der Antrieb 70 umfasst eine geformte Kunststoffhalterung mit einer oberen Platte 212 und einer unteren Platte 214 zwischen denen die Spule 72 angeordnet ist. Die obere Platte besitzt ein langgestrecktes, ausgenommenes Fach 216 mit einer oberen Öffnung, ein Paar von aufrechten, zylindrischen Positionierungsstiften 218, 220, die in einer flachen, im Allgemeinen rechteckigen Ausnehmung 222 angebracht sind, und einen aufrechten Vorsprung 224, der in einer flachen Ausnehmung 226 angebracht ist.
Das Biegeelement 200 ist auf der oberen Platte 212 angebracht und überspannt in Längsrichtung die obere Öffnung des Fachs 216. Der Magnet 71 ist auf der Unter seite des Trageteils 202 angebracht und liegt zumindest teilweise innerhalb des Fachs 216, wodurch der Magnet 71 dichter an der Spule als bis dahin positioniert wird, und die vertikale Gesamthöhe, die für den Antrieb erforderlich ist, verkürzt wird.
Der Endbereich 208 ist E-förmig und besitzt ein Paar von Ausschnitten 228, 230 zur geschützten bzw. einfachen Aufnahme der Stifte 220, 218. Einlasslöcher 232, 234 ermöglichen die Einführung eines Flüssigklebstoffs, um den Endbereich 208 fest in der flachen Ausnehmung 222 zu verankern.
Der Endbereich 210 ist als ein Rechteck geformt und ist inwändig mit zwei in Längsrichtung verlaufenden Schnitten 236, 238 und einem in Querrichtung verlaufenden Schnitt 240 gebildet, wodurch eine rechteckige Lasche 242 festgelegt und erzeugt wird. Die Lasche 242 liegt in der gleichen Ebene wie der Endbereich 210. Zu Zwecken der Klarheit der Darstellung ist die Lasche 242 in 8 jedoch in ihrem gekrümmten, komprimierten oder geknickten Zustand, wie unten beschrieben, gezeigt, um ihre frei Kante 244 besser darzustellen, die sich in dem gespannten Zustand über der Ebene des Endbereichs 210 befindet. Die Lasche 242 ist drehbar an dem Endbereich 210 an ihrer zusammenklappbaren Kante 246, die parallel zu der freien Kante 244 ist, angebracht.
Wenn der Endbereich 210 auf der oberen Platte 212 angebracht ist, steht eine obere Oberfläche 250 des zuvor erwähnten Vorsprungs 224 in Eingriff mit der Unterseite der Lasche 242, die benachbart der freien Kante 244 ist, und drückt die Lasche, um die dargestellte, gekrümmte Form anzunehmen. Während die Lasche gebogen wird, gibt sie einen rechteckigen Ausschnitt 248 in dem Endbereich 210 frei. Der Vorsprung 224 besitzt ebenfalls eine gekrümmte Oberfläche 252, die eine im Allgemeinen komplementäre Kontur zu der Krümmung der gebogenen Lasche 242 besitzt. Tatsächlich ist die gekrümmte Oberfläche 252 ausgelegt, um sicherzustellen, dass die gebogene Lasche 242 nicht über ihre Streckgrenze hinaus während des Zusammenbaus gedehnt wird, selbst wenn das Biegeelement manuell mit der Hilfe eines Werkzeugs, wie beispielsweise einer Pinzette, installiert wird. Mit anderen Worten ist es nicht erwünscht, eine dauerhafte Biegung an die Lasche zu übermitteln, da eine derartige permanente Deformierung der Lasche des Vorsehens der notwendigen Spannung an das Biegeelement, wie unten beschrieben, berauben könnte. Zusätzlich stellt eine begrenzte Ausnehmung zwischen der gekrümmten Oberfläche 252 und der gekrümmten Lasche 242 sicher, dass eine permanente Biegung nicht auf die Lasche im Fall eines Sturzereignisses ausgeübt wird, d.h. wenn die Anordnung einen plötzlichen Schock und Verzögerungskräfte erfährt, wenn sie unbeabsichtigt auf den Boden oder eine andere harte Oberfläche auftrifft.
Sobald der Endbereich 210 flach auf der oberen Platte 212 angeordnet ist, wie in der zusammengesetzten Ansicht der 9, wird die freie Kante 244 mit einem Schnappvorgang in einer Ecke 254 gefangen, die zwischen einer aufrechten, vertikalen Oberfläche 256 und der gekrümmten Oberfläche 252 des Vorsprungs 250 gebildet ist. Der Vorsprung 224 wirkt mit der elastischen Lasche 242 zusammen, um in Längsrichtung Spannung an das Biegeelement anzulegen, d.h. der Endbereich 210 wird weg von dem Endbereich 208 gedrückt. Diese Spannung wird nicht durch zusätzliche, diskrete Komponenten wie im Stand der Technik erreicht, sondern stattdessen durch die Lasche, die integral mit dem Biegeelement gebildet ist. Es ist die Kompression oder das Knicken der Lasche, das eine Reaktionskraft erzeugt, um die Torsionsteile des Biegeelements zu spannen.
Das gespannte Biegeelement wirkt als eine Rückführfeder für den Scanspiegel 68, der darauf angebracht ist. Während der Erregung der Spule 72 mit einem periodischen Antriebssignal wird ein periodisches, elektromagnetisches Feld ausgebreitet, welches mit dem permanenten Feld des Magneten 71 interagiert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Magnet in einer Umfangsrichtung entlang einer Achse bewegt, entlang derer sich die Torsionsteile 204, 206 erstrecken. Der Magnet bewegt den Trageteil 202 und den Scanspiegel 68 und verdreht die Torsionsteile 204, 206 in einer Umfangsrichtung um die Achse relativ zu den befestigten Endteilen 208, 210 zu einer Endbegrenzungsscanposition. Daraufhin wird die Energie, die in den verdrehten Torsionsteilen gespeichert ist, freigesetzt, wodurch der Trageteil 202 und der Scanspiegel 68 bewegt und die Torsionsteile in der entgegengesetzten Umfangsrichtung um die Achse relativ zu den befestigten Endteilen 208, 210 aufzudrehen. Diese Energiefreisetzung kann durch die interagierenden Magnetfelder unterstützt werden. In jedem Fall hält die Bewegung des Trageteils 202 und des Scanspiegels mit einer Resonanzfrequenz an und die Torsionsteile 204, 206 werden verdreht, dieses Mal entlang der entgegengesetzten Umfangsrichtung zu einer anderen Endbegrenzungsscanposition. Dieser Zyklus wird wiederholt, wodurch der Scanspiegel 68 oszilliert und jeder Lichtstrahl, der auf den Scanspiegel 68 zwischen den Endbegrenzungsscanpositionen auftrifft, hinweggestrichen wird. Durch Sicherstellen, dass das Biegeelement gespannt ist, ist die Scanbewegung des Spiegels wiederholbar, zuverlässig und unempfänglich gegenüber Variationen der Umgebungstemperatur, welche die Expansion und Kontraktion des Metallbiegeelements verursachen.
Ein Paar von Vibrationsdämpfern 258, 260 haftet an dem Endbereich 210 und der oberen Platte 212. Die Dämpfer fungieren als viskoelastische Dämpfer, die ausgelegt sind, um jegliche Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich abzuschwächen. Die Dämpfer fungieren auch als ein zusätzlicher mechanischer Anker für den Endbereich 210, um zu verhindern, dass das Biegeelement von dem Vorsprung 224 während eines Sturzereignisses entfernt wird.
Wie zuvor bemerkt, wird der kompakte Antrieb dieser Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als der vertikale oder Y-Antrieb bei der Erzeugung des Rastermusters verwendet. Dies bedeutet, dass der Lichtstrahl, der auf den Scanspiegel auftrifft, eine Scanlinie ist, deren Länge sich entlang der horizontalen oder X-Richtung des Rastermusters erstreckt. Um die Gesamtlänge der Scanlinie unterzubringen, besitzt der Scanspiegel 68, wie in 8–9 gezeigt, eine lange Länge und kurze Höhe. Ein langer Scanspiegel erhöht jedoch die Gesamtlänge des Antriebs und folglich um die Gesamtlänge zu verringern und dadurch eine kompakte Konstruktion zu erreichen, ist der Scanspiegel so ausgelegt, dass er zumindest teilweise die Torsionsteile 204, 206 überlappt. Zu diesem Zweck besitzt, wie in 10 gezeigt, die Rückseite des Scanspiegels 68 eine Längsausnehmung 262, so dass die Torsionsteile 204, 206 den Scanspiegel in dem überlappenden Bereich nicht kontaktieren.
Der Scanspiegel 68 besitzt, wie in 10 gezeigt, einen T-förmigen Querschnitt und ist vorzugsweise ein extrudiertes Stück Kunststoff oder ein gezogenes Glasstück, auf das eine reflektierende Spiegelbeschichtung beschichtet ist. Eine lange Extrusion kann hergestellt, und dann poliert, beschichtet und für die Verwendung in dem Antrieb geschnitten werden.
Wie graphisch in 11 dargestellt, wird der Scanspiegel 68 in einem Antriebsmodus mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsgeschwindigkeit während eines Teils des Antriebszyklus durch den elektromagnetischen Antrieb 70 angetrieben, während in dieser Zeit ein Rahmen des Bilds angezeigt wird. Dies stellt beispielsweise die Bewegung der Scanlinie von ihrer obersten Position zu ihrer untersten Position in dem Rastermuster und umgekehrt dar. 11 zeigt ebenfalls einen Spiegelrückkehrmodus, in dem der Scanspiegel während des verbleibenden Teils des Antriebszyklus zurückkehrt. Dies stellt die Rückkehrbewegung der Scanlinie von ihrer untersten Position zu ihrer obersten Position in dem Rastermuster und umgekehrt dar. Die Rückkehr wird mit der Resonanzfrequenz des Scanspiegels 68 ausgeführt, um elektrische Leistung einzusparen, und ist, wie gezeigt, schneller als die Antriebsfrequenz des Antriebs 70 während des Antriebsmodus.
Wie zuvor mittels eines numerischen Beispiels erwähnt, beträgt eine typische Antriebsfrequenz, d.h. Rahmenraten, 60 Hz oder 86 Hz, aber andere Antriebsfrequenzen, wie beispielsweise 56 Hz, 72 Hz und 75 Hz werden ebenfalls oft verwendet. Die Wechselstromleitungsfrequenz zur Erregung der elektromagnetischen Spule 70 beträgt typischerweise 50 Hz oder 60 Hz. Wenn eine Oberschwingung der Antriebsfrequenz oder der Leitungsfrequenz eng mit der Resonanzfrequenz des Scanspiegels 68 übereinstimmt, dann gibt es eine elektrische Interferenz, und eine sinusförmige Störgröße, wie sie beispielsweise in 12 dargestellt ist, wird auf den Teil konstanter Geschwindigkeit des Geschwindigkeit versus Zeit Diagramms überlagert. Ein unverzerrtes Bild erfordert, dass die Geschwindigkeit während des Antriebsmodus im Wesentlichen konstant ist. Die Störgröße bewirkt jedoch Variationen in der Geschwindigkeit, wodurch das Bild in einer ungesteuerten, unvorhersagbaren Art und Weise verzerrt wird.
Gemäß dieser Erfindung wird die Resonanzfrequenz angepasst, um so entfernt wie möglich von den Oberschwingungen der Antriebs- und Leitungsfrequenzen zu sein, unter der Einschränkung bestimmter Kompromisse. Die Resonanzfrequenz sollte so hoch wie möglich sein, um eine schnelle Rückkehr des Scanspiegels 68 sicherzustellen, aber sollte so niedrig wie möglich sein, um den elektrischen Leistungsverbrauch durch den Antrieb 70 zu minimieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Resonanzfrequenz so ausgewählt, dass sie in einem Bereich von 270–280 Hz liegt.
Die Resonanzfrequenz des Scanspiegels 68 sollte durch Verändern von solchen Faktoren, wie der Masse des Spiegels 68 und/oder der Masse des Magneten 71 und/oder des Materials des Biegeelements 200 anpassbar sein. Es ist jedoch bevorzugt, derartige Faktoren konstant zu halten und stattdessen die Dicke und/oder die Breite der Torsionsteile 204, 206 zu variieren. Wie zuvor bemerkt, liegt die nominale Dicke der Torsionsteile in der Größenordnung von 0,027 mm und ihre Breite liegt in der Größenordnung von 0,122 mm. Chemisches Ätzen zur Erreichung dieser Querabmessungen ist bevorzugt, um zu erreichen, dass die erwünschte Resonanzfrequenz ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Antriebs- und Leitungsfrequenzen ist.
13 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Antriebsschaltung dar, die betriebsbereit ist, um den Scanspiegel 68 mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit in einer Umfangsrichtung anzutreiben, was eine schnelle Rückwärtsrückkehrbewegung mit seiner Resonanzfrequenz in der entgegengesetzten Umfangsrichtung ermöglicht. Die Rückkopplungseinheit 300 extrahiert die Geschwindigkeits- und Positionsinformation aus einem Rückkopplungssignal und erzeugt ein Geschwindigkeitssignal zur Eingabe in einen Fehlerverstärker 304, sowie ein Positionssignal zur Eingabe in eine Vergleichsvorrichtung 306. Die Rückkopplungseinheit 300 umfasst typischerweise eine Rückkopplungsspule, die in der Nähe des Magneten 71 angebracht und betriebsbereit ist, um das Rückkopplungssignal zu erzeugen, das das Antriebssignal verfolgt, welches durch die Antriebsspule 72 erzeugt wird.
Eine Spiegelsteuervorrichtung 302 stellt eine erwünschte Geschwindigkeit ein und gibt ein Referenzgeschwindigkeitssignal an den Fehlerverstärker 304 zum Vergleich mit dem Spiegelgeschwindigkeitssignal aus. Die Ausgabe des Scanverstärkers 304 wird an eine Spiegelantriebsvorrichtung 308 übertragen, die einen Ausgabeantriebsstrom an die Antriebsspule 72 liefert, zur kontinuierlichen Anpassung der Geschwindigkeit des Scanspiegels, um mit der durch die Steuervorrichtung 302 eingestellten Referenzgeschwindigkeit übereinzustimmen.
Die Steuervorrichtung 302 stellt ebenfalls eine Endbegrenzungsposition ein und gibt ein Endpositionssignal an den Vergleicher 306 zum Vergleich mit dem Spiegelpositionssignal aus. Die Ausgabe des Vergleichers 306 wird ebenfalls der Spiegelantriebsvorrichtung 308 zugeführt. Wenn das Spiegelpositionssignal mit dem Endpositionssignal übereinstimmt, schaltet die Spiegelantriebsvorrichtung 308 in einen Hochimpendanzzustand, wodurch der Fluss des Ausgabeantriebsstroms zu der Antriebsspule 72 verhindert wird. Der Scanspiegel 68 wird freigelassen, mit seiner Resonanzfrequenz zurückzukehren, und zwar durch die Energie die in den verdrehten Torsionsteilen gespeichert ist. Wenn der Scanspiegel seine gegenüberliegende Endbegrenzungsposition erreicht, schaltet der Vergleicher 306 die Antriebsvorrichtung 308 wieder an und ein neuer Antriebszyklus beginnt.
Das Ausführungsbeispiel der 14 ist analog zu dem der 13 mit der Ausnahme, dass die Spiegelantriebsvorrichtung 308 unter vollständiger Kontrolle der Spiegelsteuervorrichtung 302 steht. In diesem Ausführungsbeispiel wiederholt anstelle eines kontinuierlichen Anpassens der Antriebsvorrichtung 308 die Steuervorrichtung 302 einen vordefinierten Zyklus, während kleine, inkrementelle Veränderungen für aufeinanderfolgende Zyklen vorgenommen werden. Optional wird die Steuervorrichtung 302 mit den vertikalen Synchronisationsimpulsen von einer Host-Steuervorrichtung synchronisiert.
Was als neu beansprucht und durch das Patent geschützt werden soll, ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
Die elektrische Interferenz zwischen den Resonanz-, Antriebs- und Leitungsfrequenzen in einem Antrieb wird durch Auswählen der Resonanzfrequenz, so dass sie in einer nicht-harmonischen Beziehung zu den Antriebs- und Leitungsfrequenzen steht, verringert. Der Antrieb besitzt eine vorteilhafte Verwendung in einem leichtgewichtigen, kompakten Bildprojektionsmodul, das betriebsbereit ist, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel in einem Rastermuster beleuchtet werden, um ein unverzerrtes Bild hoher Auflösung in VGA-Qualität in Farbe zu erzeugen.

Claims

Eine Anordnung zur Verringerung der Bildverzerrung in einem projizierten Bild, die Folgendes aufweist: a) eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls; b) ein Paar oszillierbarer Scanspiegel; c) eine Antriebsanordnung zum Oszillieren der Scanspiegel um zueinander orthogonale Achsen, um ein Rastermuster von Scanlinien auf einer Projektionsoberfläche zu bilden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, wobei die Antriebsanordnung einen Antrieb umfasst, der mit einer Antriebsfrequenz zum Bewegen von einem der Scanspiegel in einer Umfangsrichtung um eine der Achsen mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsgeschwindigkeit betätigbar ist, wobei der eine Scanspiegel mit einer Resonanzfrequenz in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung um die eine Achse mit einer Rückstellgeschwindigkeit rückführbar ist, die größer als die Antriebsgeschwindigkeit ist; d) eine Steuervorrichtung um zu bewirken, dass ausgewählte Pixeln in den Scanlinien durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf der Projektionsoberfläche zu bilden; und e) Mittel zum Anpassen der Resonanzfrequenz, so dass diese in einer nicht-harmonischen Beziehung zu der Antriebsfrequenz stehen, um die elektrische Interferenz zwischen den Resonanz- und Antriebsfrequenzen zu verringern und um der Bildverzerrung zu widerstehen.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ein Laser zum Emittieren eines Laserstrahls als dem Lichtstrahl ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Antrieb ein Biegeelement umfasst, auf dem der eine Scanspiegel angebracht ist, sowie Mittel zum Biegen des Biegeelements in zumindest einer der Umfangsrichtungen um die eine Achse, um zu bewirken, dass sich der eine Scanspiegel um die eine Achse bewegt.
Anordnung gemäß Anspruch 3, wobei das Biegeelement Längstorsionsteile besitzt, die sich entlang der einen Achsen erstrecken, wobei jeder Torsionsteil eine Querabmessung besitzt; und wobei die Resonanzfrequenz von der Querabmessung abhängig ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Antrieb durch eine Versorgungsleitungsfrequenz erregt wird, und wobei das Anpassungsmittel ebenfalls betriebsbereit ist, um die Resonanzfrequenz anzupassen, so dass sie in nicht-harmonischer Beziehung zu der Versorgungsleitungsfrequenz steht.
Anordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Versorgungsleitungsfrequenz entweder 50 Hz oder 60 Hz beträgt, und wobei die Antriebsfrequenz entweder 60 Hz oder 85 Hz beträgt, und wobei die Resonanzfrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Versorgungsleitungs- und Antriebsfrequenzen ist.
Ein Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung in einem projizierten Bild, das die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen eines Lichtstrahls; b) Oszillieren eines Paars von Scanspiegeln um zueinander orthogonale Achsen, um ein Rastermuster von Scanlinien auf einer Projektionsoberfläche zu bilden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln besitzt, wobei der Oszillationsschritt durch einen Antrieb ausgeführt wird, der mit einer Antriebsfrequenz für das Bewegen eines der Scanspiegel in einer Umfangsrichtung um eine der Achsen mit im Wesentlichen konstanter Antriebsgeschwindigkeit betätigbar ist, wobei der eine Scanspiegel mit einer Resonanzfrequenz in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung um die eine Achse mit einer Rückstellgeschwindigkeit rückkehrbar ist, die größer als die Antriebsgeschwindigkeit ist; c) Bewirken, dass ausgewählte Pixel in den Scanlinien durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild auf der Projektionsoberfläche zu bilden; und d) Anpassen der Resonanzfrequenz, so dass sie in einer nicht-harmonischen Beziehung zu der Antriebsfrequenz steht, um die elektrische Interferenz zwischen den Resonanz- und Antriebsfrequenzen zu verringern und um der Bildverzerrung zu widerstehen.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Lichtstrahl durch einen Laser erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Antrieb ein Biegeelement umfasst, auf dem der eine Scanspiegel angebracht ist, sowie den Schritt des Biegens des Biegeelements in zumindest einer der Umfangsrichtungen um die eine Achse, um zu bewirken, dass sich der eine Scanspiegel um die eine Achse bewegt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Biegeelement Längstorsionsteile besitzt, die sich entlang der einen Achse erstrecken, wobei jeder Torsionsteil eine Querabmessung besitzt; und wobei die Resonanzfrequenz von der Querabmessung abhängig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, sowie den Schritt des Erregens des Antriebs durch eine Versorgungsleitungsfrequenz, und wobei der Anpassungsschritt ebenfalls betriebsbereit ist, um die Resonanzfrequenz anzupassen, so dass sie in einer nicht-harmonischen Beziehung zu der Versorgungsleitungsfrequenz steht.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Versorgungsleitungsfrequenz entweder 50 Hz oder 60 Hz beträgt, und wobei die Antriebsfrequenz entweder 60 Hz oder 85 Hz beträgt, und wobei die Resonanzfrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Versorgungsleitungs- und Antriebsfrequenzen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Anpassungsschritt durch Ätzen der Querabmessung auf einen vorbestimmten Wert ausgeführt wird.