JP2007531023A - 投影システム内のマイクロミラーの変位の特定 - Google Patents

Abstract

本発明は光源（２）、殊にレーザ光源を有する投影システムに関する。ここでは、前記光源（２）から出発して振動ミラー（１）を介して投影光束（６）が生成される。本発明では、投影光束（６）の縁部領域内に配置された、少なくとも１つの光センサ（３）が振動ミラー（１）の位置を検出するために設けられている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された投影システムに関する。

この種の投影システム、殊にレーザ投影システムは有利には小型化された投影機器のもとで使用される。

一方では携帯機器が一般的に小型化し、さらに他方では表示すべきデータ量が常に増えた結果、将来的には、これらの２つの発展を例えば携帯電話内に適応させるのはますます困難になる。携帯電話との相互作用におけるその使用に対する投影機器の小型化は、このような矛盾からの打開策を意味し得る。

将来性のあるミニ投影器の構造は、マイクロミラーを介して偏向されるレーザビームによる投影である。この場合にはビームは、陰極線管における電極放射と類似して、投影面を行毎にスキャンする。

このようなマイクロミラーまたは一般的なマイクロアクチュエータの構成および作用を以下で簡単に説明する。

マイクロアクチュエータを製造するために、有利には次の技術が使用される。すなわち、シリコンプレーナ技術でマイクロエレクトロニクス構成素子を製造する時に有効であることが実証され、経済的な製造を可能にする技術が使用される。これには、殊に層形成のための析出プロセス、構造転記のためのホトリソグラフィプロセスおよび構造化のためのエッチングプロセスが含まれる。マイクロメカニカル技術によって製造されたアクチュエータと相応に集積された電子的駆動制御部ないし信号処理部とをモノリシックまたはハイブリッドに組み合わせることによって、従来のシステムと比べて非常に小さい寸法、より高い信頼性および拡大されたないしは新規の機能を有するマイクロシステムが生じる。

このようなマイクロシステムを製造する場合には、次のようなアクチュエータを使用することが前提条件となる。すなわち、ＩＣコンパチブルな電圧で作動可能であるアクチュエータを使用することが前提条件となる。これは特にこのシステムが携帯機器内での使用に対応するべきであることを鑑みても前提条件となる。

一般的に、マイクロメカニカル技術によるスキャナミラーとは、光のコントロールされた偏向に使用されるマイクロアクチュエータのことである。できるだけ大規模の小型化を実現するために、このアクチュエータはもはや従来の精密機械製造方法では製造されずに、上述の方法がマイクロ構造化に使用される。

このようなアクチュエータの基本的な構造は、実質的に反射性ミラープレートから成る。このミラープレートはねじりばねまたは曲げ状態ばねを介して、ミラー面を取り囲んでいるフレームに懸架される。多数の駆動制御方法の中から、以下に幾つかを挙げる：
・磁気励起
ここではミラー面に取り付けられた導体ループ内に電流が印加される。この導体ループ内の電流が変わると、外部から加えられた磁界によって、ミラープレート上にねじりモーメントが生じる。
・熱機械励起
この方法において、アクチュエータを強制的に変位させるために、ミラー面が２つのバイメタルストリップを介して懸架される。このストリップを加熱するために、電流が一方のストリップを介して案内され、別のストリップを介して戻される。
・ピエゾ電気励起
横断ピエゾ電気効果がミラープレートを変位させるために使用される。ピエゾ電気層は、２つの電極の間に位置する。電圧が印加されると、ミラープレートの前部に機械的な応力が伝達される。この応力はこの領域内で曲げを生じさせる。従って電圧Ｕの符号に依存して、上方または下方への変位が得られる。
・静電励起
この駆動制御原理は、これまで、マイクロメカニカル技術によるスキャンミラーを使用するために最も頻繁に記載されてきた方法である。この方法は、電圧印加時の電極および対向電極の静電引力に基づく。例えば１次元スキャンミラーの場合には、反射性ミラープレート自体が電極であり、２つの対向電極が層によってこのプレートの下方に構成される。

種々異なる使用領域に基づいて、マイクロミラーの静電的な偏向のための励起形式は大まかに２つのグループに分けられる。

第１のグループは、光の準静的な偏向のためのミラーを含む。これはしばしば材料処理のためのレーザの場合である。ミラーの永久変位は印加された電圧の高さに依存するので、任意の低い振動周波数（Schwingungsfrequenzen）も実現可能である。

光の継続的な、バランスの良い偏向のためのミラーは第２のグループを構成する。この駆動制御形式は主に、バーコードのための読み取りシステムで使用される。

ここでミラー振動の励起は共振で行われる。ここではシステムの機械的な質の良さに相応して、準静的励起でのものよりも高い変位角度が実現される。振動周波数はここでは機械的な構造に依存し、数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚに達する。

２次元スキャンミラーのカルダン−マウントによって、２つの駆動制御形式の利点を１つのチップ内に統合することができる。ミラープレート自体はここで迅速な共振運動を実行し、２つのシリコンねじりばねを介して内部フレームに固定されている。これによって緩慢な、準静的振動が行われ、同じように２つのニッケルねじりばねによって外部フレームと接続される。

ここで画像データがレーザ放射に変調されることによって画像が生じる。このように変調されたレーザ放射はスキャナミラーによって扇状に広げられ（aufgefaechert）、光束として投影される。

画像情報をレーザ放射に変調するために、投影のどの箇所にこれが位置するのかを知っておく必要がある。陰極線管から既知のようにこのためには、（行の始めに対して）水平な同期パルスと、（画像の始まりに対して）垂直な同期パルスが必要である。これらはミラー運動から導出される。

さらなる問題は、レーザ投影時の製品保証である。不動ミラーの場合には、投影ビームは偏向されずに投影機器から出射し、従って法的な放射境界値を越える恐れがある。従って、ミラーが振動しているか否かを確実に知っていなければならない。従って、ミラーが振動していない場合には、レーザはスイッチオフされ得る。

可能な方法は、振動しているマイクロミラーの容量を測定し、ミラーの変位に関する情報、ひいてはレーザビームの位置に関する情報を得ることである。しかし容量変動は通常は１_ＰＦを下回る領域で動くので、この方法は回路技術的に非常にコストがかかり、かつ不正確である。なぜならこの測定は、ミラー用の重畳した、高い励起電圧によって、強く妨害されてしまうからである。

本発明の課題は、マイクロ振動ミラーの確実かつ信頼できる位置特定を伴う、投影システムを提供することである。

上述の課題は本発明と相応に、請求項１に記載された特徴部分の構成によって解決される。

以下で本発明を、図示された実施例に基づいて詳細に説明する。

図１：光学的な位置識別部を伴う本発明の投影システム
図２：説明のためのダイヤグラム
本発明の位置特定は、確実かつ妨害されずに光路上で行われる。

図１には、投影システムが示されている。この投影システムは実質的に、光源としてのレーザ２とマイクロ振動ミラー１をハウジング４内に有する。光源はＬＥＤまたはＩＲ−ＬＥＤによっても実現可能である。レーザ２および振動ミラー１は、制御回路７によって駆動制御される。ミラー１へ配向されたレーザビームは、ミラーによって２次元に偏向され、投影光ビーム６ないし投影束としてハウジング４内の投影開口部５を通って出力される。

本発明では、投影光ビーム６の縁部領域内に感光性構成素子３が取り付けられる。この構成素子は光ビームが入射すると相応のフィードバックを制御電子回路７に与える。ビームガイドのゲオメトリは既知であるので、このパルスを介して一方ではミラー１の位置が識別され、他方ではミラー１が振動しているか否かが確認される。

実現させるために、投影ハウジング４内では、投影開口部５の縁部に感光性センサ３が配置されている。これは、例えばＣＣＤ／ＣＭＯＳセンサまたは他のホト素子であり得る。投影ビームがセンサ３に入射すると、これはパルスを供給する。これは同期信号として、ひいてはマイクロミラー１の制御のための位置特定のために制御回路７内で使用される。

図１ではセンサ３が、投影開口部５の両側に取り付けられている。投影方法に応じては、１つの側の唯一のホト素子３でも充分である。

さらに、図１では次のような配置構成が示されている。すなわち、レーザ２から出力された光ビームと、投影光ビーム６の間の角度が約９０°である配置構成が示されている。レーザ２が投影開口部５の近傍に位置する配置構成も可能である。この場合には、レーザ２から出力された光ビームと、投影光ビーム６の間の角度は約３０°になる。

本発明の投影システムの利点は投影ビームが同時に位置特定のためにも使用されることである。従って投影の間にも常に、ミラーが振動しているか否かがコントロールされる。

ミラーの振動が投影動作外、例えば投影装置のスイッチオン後に確認されるべき場合には、放射保護境界値の超過を回避するために、レーザは低減された出力で作動されなければならない。出力低下は例えば、レーザビームのパルス幅変調によって生じる。

本発明の発展形態では、実際のミラーポジションの測定は光電素子ないしは画像縁部の感光センサ３および光源の輝度変調によって行われる。この変調はランダムパターンであり得るが、特定の経過を伴う規則的な信号であってもよい。変調は制御回路７内で閉ループ制御される。

ここでこの経過は例えばカウンタ内容または行番号によって定められ得る。有利には投影光束６の変調は定常状態において、画像縁部内のアクティブ領域外でのみ使用される。

図２には、例えば投影開口部５での投影光束６の時間的なシーケンス、およびセンサ３内で生成された検出器信号が示されている。自明な図から分かるように、検出器位置でのセンサ３によって、投影ビーム６の変位に依存して検出器信号が変化する。この場合には制御部７によって、ミラー１の振動振幅が相応に制御される。すなわち、場合によって大きくされる、または小さくされる。

この発展形態の意図は、光電素子に対する光ビーム６の位置を時間的に識別することである。この素子は容易に、通常は画素だけでなく、複数の行における画素の領域を捉える。受信された信号に対する変調信号の相互関係によって、このキャリブレーション受信機に対する画像部分の正確な位置が確認され、これによって投影装置が同期され、画像サイズが正確に調整（ausregeln）される。

さらにこの変調信号は、パワーアップ時に光ビームのエネルギー密度を低く維持するためにも使用される。これは振動しているミラーの偏向による拡張がまだ確実でない場合である。

本発明の発展形態は、振動ミラー１のより良好な同期を提供し、ひいては偏向ミラー投影システムでの正確な画像サイズ調整を提供する。さらに本発明の発展形態は、偏向機能の危険のない始動および常時監視を可能にし、大きすぎる、ひいては光ビームの危険なエネルギー密度が阻止される。

光学的な位置識別部を伴う本発明の投影システム 説明のためのダイヤグラム

Claims (2)

1. 光源（２）、殊にレーザ光源を有する投影システムであって、
   前記光源（２）から出発して振動ミラー（１）を介して投影光束（６）が生成される形式のものにおいて、
   前記振動ミラー（１）の位置を検出するために少なくとも１つの光センサ（３）が前記投影光束（６）の縁部領域内に配置されている、
   ことを特徴とする投影システム。
2. 前記投影光束（６）は少なくとも、投影される画像の部分領域において、その輝度において変調され、
   前記投影光束（６）の変調と光センサ（３）からの検出器信号の変調の相互関係によって、前記振動ミラー（１）の位置が特定される、請求項１記載の投影システム。

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