KR100695175B1 - 주사선의 사행에 대한 보정 구조를 갖는 맴스 스캐너 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면 맴스 스캐너가 개시된다. 개시된 맴스 스캐너는 일축에 대해 저주파 수직주사 함수로 진동되는 제1 프레임, 제1 프레임과 동축으로 회동가능하게 지지된 제2 프레임, 제1 프레임과 제2 프레임 사이에 배치된 것으로 제1 프레임에 대해 제2 프레임을 고주파 수직주사 함수로 진동하는 가진 소자 및 제2 프레임의 수직주사 운동을 전달받고 동시에 다른 축에 대해 고주파 수평주사 함수로 구동되면서 입사광을 화면상에 2차원적으로 주사하는 맴스 미러를 포함한다. 본 발명에 따르면, 주사선 사이의 간격이 주사방향으로 균등하게 보정됨으로써 화면위치에 관계없이 픽셀 간격이 일정하게 유지되고, 화면의 수직 방향 해상도가 향상되어 고 해상도의 화질이 구현되는 맴스 스캐너가 제공된다.

Description

주사선의 사행에 대한 보정 구조를 갖는 맴스 스캐너{A Mems scanner having a structure for correcting declined progress of scan line}

도 1a 및 도 1b는 종래 주사방식을 설명하기 위한 도면으로, 화면상에 2차원으로 주사되는 주사빔에 있어, 각각 수평방향 및 수직방향의 주사각도 변화를 보여주는 도면들이다.

도 1c는 각각 도 1a 및 도 1b의 수평주사 함수 및 수직주사 함수가 적용되어 화면상에 출력된 2차원 주사 경로이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 맴스 스캐너의 평면 구조를 보여주는 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 맴스 스캐너의 수직 단면도로서, 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 단면도이다.

도 4a 및 도 4b는 가진 소자의 서로 다른 지지 구조를 설명하기 위한 단면도들이다.

도 5는 본 발명에 적용될 수 있는 수평주사 함수를 도시한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 적용될 수 있는 저주파 수직주사 함수 및 고주파 수직주사 함수를 도시한 도면들이다.

도 6c는 도 6a의 저주파 수평주사 함수와 도 6b의 고주파 수직주사 함수가 합성되어 만들어진 수직주사 함수를 도시한 도면이다.

도 6d는 도 6c의 일부에 대한 확대 도면이다.

도 7은 도 5의 수평주사 함수와 도 6d의 수직주사 함수가 적용되어 화면상에 출력된 2차원 주사 경로를 도시한 도면이다.

도 8은 도 2에 도시된 맴스 스캐너의 수직주사 진동에 대한 상사 시스템을 도시한 도면이다.

도 9a 및 도 9b는 도 8에 도시된 상사 시스템에서 가진력 F0 및 Fpzt의 프로파일을 도시한 도면이다.

도 9c는 도 8에 도시된 상사 시스템의 해석결과로서 병진변위 x2를 도시한 도면이다.

도 9d는 도 8에 도시된 상사 시스템의 해석결과로서 병진변위 x0를 도시한 도면이다.

도 9e는 도 8에 도시된 상사 시스템의 해석결과로서 병진변위 x1을 도시한 도면이다.

도 10은 고주파 수직주사 함수의 일 형태를 도시한 도면이다.

도 11은 본 발명의 다른 측면에 따른 맴스 스캐너의 수직 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 외곽 프레임 110 : 제1 프레임

115 : 가진 소자 120 : 제2 프레임

130 : 맴스 미러 181 : 수직 진동축

183 : 수평 진동축 200 : 회로기판

210 : 2차원 스캐너 220 : 보정 스캐너

230 : 반사 미러

본 발명은 맴스 스캐너에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 주사선 사이의 간격이 주사방향으로 균등하게 보정되고, 화면의 수직 방향 해상도가 향상되는 맴스 스캐너에 관한 것이다.

상기 맴스 스캐너는 광원으로부터 입사된 빔을 소정의 화면영역에 대해 주사하여 영상을 구현하는 디스플레이 또는 소정의 화면영역에 대해 광을 주사하고 반사된 광을 수광하여 화상 정보를 읽어들이는 스캐닝 등에 적용되는 광주사 장치의 일종이며, 마이크로 머시닝 기술을 적용하여 소형화, 집적화된 형태로 가공된다.

맴스 스캐너의 일 형태에서는 입사광을 반사하기 위한 반사면이 구비되고, 상기 반사면이 서로 다른 진동축에 대해 요동되면서 광원으로부터 입사된 광을 소정의 화면영역에 대해 수평 및 수직방향으로 주사한다. 상기 반사면에 의해 편향된 빔은 수평방향으로 일정한 주사각 범위를 반복하면서 화면상에 다수의 주사선들을 형성하게 되는데, 수평방향으로의 주사각 변화는 도 1a에 도시된 바와 같이 고주파로 왕복 진동하는 정현파로 나타낼 수 있다. 도면에서 가로축은 시간을, 세로축은 주사각을 각각 나타낸다. 한편, 빔 스폿위치를 화면의 상단부에서 하단부로 이동시 키며, 일 화면에 대한 주사가 종료되면 빔 스폿위치를 화면의 상단으로 다시 되돌리기 위해 주사빔은 화면의 수직방향으로도 일정한 주사각도 범위에서 반복하게 되는데, 수직방향으로의 주사각 변화는 도 1b에 도시된 바와 같이 하강 램프로 나타낼 수 있다. 여기서, 도시된 하강 램프는 일 화면이 구성되는 동안의 주사각 변화를 표시하는 것이며, 다수의 화면들이 구성되는 동안의 주사각 변화는 상기 하강 램프의 종료와 동시에 원위치로 복귀하는 급격한 상승 램프가 추가된 톱니파 함수로 표시된다.

도 1c에는 상기 정현파로 주어지는 수평 주사함수와 하강 램프로 주어지는 수직 주사함수가 합성되어 화면상에 출력된 2차원 주사 경로를 보여준다. 도시된 바와 같이, 화면영역에는 소정의 영상을 구성하는 다수의 주사선들이 형성되는데, 일 라인 분의 영상 데이터에 따라 변조된 광이 화면상에 라인 형상으로 결상되면서 유효화면 영역에서 소정의 영상이 구현된다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 주사선들은 개시 측에서 종단 측으로 가면서 하향 경사를 갖고 사선 형태로 기울어진 지그-재그 패턴을 갖는다. 이로 인하여, 인접한 두 주사선 사이의 간격은 주사 방향을 따라 일정하게 유지되지 못하고, 일단에서 타단으로 가면서 점차 감소하거나 또는 증가하게 되며, 수직방향으로 인접된 두 주사선들은 에지 부분을 형성하게 된다. 이렇게 주사선 사이의 간격이 균등하게 유지되지 못하고 주사 방향을 따라 변화되는 것은 수평 라인의 주사가 이루어지는 동안에 수직주사도 동시에 진행되기 때문으로, 화면 중앙에서 외곽으로 가면서 의도했던 이상적인 영상과는 다른 모습으로 화면이 왜곡되는 현상이 발생되고, 수직 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 간격 이 일정하게 유지되지 못하고 외곽으로 가면서 점차 멀어지게 되며, 화면의 수직 해상도가 떨어지는 문제가 발생된다.

본 발명의 목적은 수평 주사선 사이의 간격이 주사방향으로 균등하게 보정됨으로써 화면위치에 관계없이 픽셀 간격이 일정하게 유지되는 맴스 스캐너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 화면의 수직 방향 해상도가 향상되어 고 해상도의 화질이 구현되는 맴스 스캐너를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 목적이 달성되면서도 주사 패턴의 보정을 위한 추가 구성요소를 종래 구조와 일체로 형성함으로써 경박단소화에 부담을 주지 않는 맴스 스캐너를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 맴스 스캐너는, 일축에 대해 저주파 수직주사 함수로 진동되는 제1 프레임, 상기 제1 프레임과 동축으로 회동가능하게 지지된 제2 프레임, 상기 제1 프레임과 제2 프레임 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임을 고주파 수직주사 함수로 진동하는 가진 소자 및 상기 제2 프레임의 수직주사 운동을 전달받고, 동시에 다른 축에 대해 고주파 수평주사 함수로 구동되면서 입사광을 화면상에 2차원적으로 주사하는 맴스 미러를 포함한다.

본 발명에 있어, 상기 저주파 수직주사 함수 및 고주파 수직주사 함수는 각 각 길이가 서로 다른 상승-하강 구간이 반복되면서 저주파수 및 고주파수로 왕복 진동하는 톱니파일 수 있다. 또한, 상기 고주파 수평주사 함수는 고주파로 왕복 진동하는 정현파일 수 있는데, 상기 맴스 미러는 상기 고주파 수평주사 함수를 따라 공진모드로 진동될 수 있다. 바람직하게, 상기 고주파 수직주사 함수는 상기 수평주사 함수에 비해 2배의 주파수를 갖는다.

본 발명에 있어 바람직하게, 상기 제2 프레임은 상기 제1 프레임의 저주파 수직주사 성분과 상기 가진 소자에 의한 고주파 수직주사의 리플 성분이 중첩된 다수의 계단 함수로 진동한다. 이 경우, 일 화면이 구성되는 동안, 상기 맴스 미러에 의한 주사빔은 수직방향으로 단계적으로 하강하는 주사 패턴을 갖는다. 이것은 주사선이 전개되는 수평 주사구간에서 수직주사는 중단되고, 각 주사선의 종료 부근에서 계단형으로 하강하는 수직주사가 이루어짐을 의미한다.

한편, 본 발명에 있어, 상기 제1 프레임과 함께 회동되도록 동축으로 연결된 외곽 프레임이 더 구비될 수 있고, 상기 외곽 프레임과 연결된 액츄에이터에 의해 상기 제1 프레임은 저주파 수직주사 함수로 진동될 수 있다.

한편, 본 발명에 있어, 상기 맴스 미러를 수평주사 함수로 진동하는 가진 토오크는 상기 맴스 미러에 대해 직접 가해지지 않고, 상기 제1 프레임 외곽에 추가로 배치된 외곽 프레임을 통하여 간접적으로 전달될 수 있다.

본 발명에 있어, 상기 가진 소자는 정전기적 방식, 전자기적 방식, 또는 압전 방식 중에서 선택된 구동 방식을 이용하여 상기 제2 프레임을 진동시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 맴스 미러를 둘러싸도록 그 외측으로 가면서 상기 제2 프레임, 제1 프레임 및 외곽 프레임이 순차로 배치되고, 상기 맴스 미러와 상기 제2 프레임은 수평 진동축에 의해 상호 연결되며, 상기 제1 프레임과 외곽 프레임은 수직 진동축에 의해 동축으로 지지된다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 맴스 스캐너는 서로 다른 축에 대해 진동되는 반사면을 갖고 광원에서 입사된 광을 화면에 대해 수평방향 및 수직방향으로 편향 주사하는 것으로, 상기 반사면은 일축에 대해 고주파 수평주사 함수로 진동되고, 다른 축에 대해 저주파 수직주사 함수로 진동되는 2차원 스캐너, 상기 2차원 스캐너와 병렬적으로 배치되고, 고주파 수직주사 함수로 진동되는 반사면을 갖는 보정 스캐너 및 상기 2차원 스캐너와 보정 스캐너 사이를 광학적으로 연결하기 위한 반사 미러를 포함한다.

본 발명에 있어, 광 진행방향으로, 상기 2차원 스캐너가 상류에 배치되고, 상기 보정 스캐너가 하류에 배치될 수 있고, 또는 이와 반대로, 상기 보정 스캐너가 상류에 배치되고, 상기 2차원 스캐너가 하류에 배치될 수 있다.

화면상에서 상기 수직주사는 2차원 스캐너에 의한 저주파 수직주사 성분과 상기 보정 스캐너에 의한 고주파 수직주사 성분이 합성되면서 단계적으로 하강하는 패턴을 갖는 것이 바람직하다.

상기 2차원 스캐너와 보정 스캐너는 동일 평면상에 놓여질 수 있고, 상기 스캐너들 상측으로는 상기 반사 미러가 배치될 수 있다. 바람직하게, 상기 2차원 스캐너 및 보정 스캐너는 단일 칩으로 패키징된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도 2에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 맴스 스캐너의 평면 구조가 도시되어 있다. 상기 맴스 스캐너는 입사광을 피주사면 상에 수직 및 수평방향으로 주사하기 위해 서로 다른 2 축에 대해 요동하는 중앙의 맴스 미러(130)와, 상기 맴스 미러(130)의 외측에서 동심을 이루면서 진동축들(181,183)을 통하여 직접 또는 간접으로 상기 맴스 미러(130)를 지지하는 프레임들(100,110,120)을 포함한다. 상기 맴스 미러(130)는 미도시된 광원으로부터 반사면을 향해 입사되는 광을 수평주사하기 위해 수평 진동축(183)을 중심으로 회동한다. 이러한 맴스 미러(130)의 수평주사 운동은 맴스 미러(130)를 최외곽에서 둘러싸는 외곽 프레임(100)이 고주파수로 가진되면서 이루어질 수 있다. 즉, 상기 외곽 프레임(100)은 미도시된 발진 액츄에이터에 의해 수직 진동축(181)과 수평 진동축(183) 사이를 가르는 사선, 예를 들어, 45도 경사선을 중심으로 진동될 수 있다. 이때, 상기 액츄에이터에 의한 가진 토오크(M)는 수평 진동축(183)과 평행한 성분(Mh) 및 수직 진동축(181)과 평행한 성분(Mv)으로 분해될 수 있는데, 상기 수평 진동축과 평행한 성분(Mh)에 의해 상기 맴스 미러(130)가 고주파로 진동되면서 입사광을 편향시켜 피주사면 상에 수평주사한다. 상기 맴스 미러(130)는 예를 들어, 25kHz로 진동되는데, 공진모드로 진동할 수 있도록 상기 맴스 미러(130)의 치수 및 중량, 그리고 수평 진동축(183)의 탄성 강도 등이 적절하게 선택되는 것이 바람직하다.

이렇게 가진 토오크(M)의 수평 진동축과 평행한 성분(Mh)은 상기 맴스 미러(130)에 대해 공진을 일으키는데 반하여, 가진 토오크(M)의 수직 진동축(Mv)과 평행한 성분은 맴스 스캐너의 이방성 진동 특성에 의해 진동을 거의 일으키지 못하고 소멸된다. 이것은 수직 진동축(181)에 대해 진동 가능한 최외곽 프레임(100)이나 제1 프레임(110)은 저주파대역의 공진 주파수를 갖도록 설계되므로, 고주파대역의 가진 주파수에 대해서는 응답 특성이 급격히 저하되며, 거의 반응하지 못하기 때문이다.

한편, 상기 맴스 미러(130)는 일 주사선에 대한 수평주사의 종료와 동시에 주사위치를 다음 주사 라인으로 수직 이동시키기 위해 수직 진동축(181)을 중심으로도 진동하게 된다. 이를 위해, 상기 맴스 미러(130)의 외측에는 상기 맴스 미러(130)를 동심으로 둘러싸는 프레임들(100,110,120)이 형성되며, 이들 프레임들(100,110,120)은 수직 진동축(181)에 대해 진동하면서 맴스 미러(130)를 가진한다. 이하에서는 이에 대해 상세히 설명하기로 한다.

상기 외곽 프레임(100)은 미도시된 액츄에이터에 의해 수직 진동축(181)을 중심으로 진동되는데, 예를 들어, 60Hz의 저주파수로 가진될 수 있다. 상기 외곽 프레임(100)의 내측에는 외곽 프레임(100)과 수직 진동축(181)을 통하여 연결된 제1 프레임(110)이 마련된다. 상기 제1 프레임(110)은 상기 수직 진동축(181)을 통하여 외곽 프레임(100)의 저주파 진동을 거의 그대로 전달받게 된다.

상기 제1 프레임(110)과 그 내측에 배치된 제2 프레임(120)은 가진 소자(115)를 통하여 서로 연결된다. 상기 가진 소자(115)는 예를 들어, 압전 효과를 이용한 PZT 소자로 이루어질 수 있으며, 수직 진동축(181)을 중심으로 제1 프레임(110)에 대해 제2 프레임(120)을 가진하는데, 예를 들어, 50kHz의 고주파수로 가진한다. 이에 따라, 상기 제2 프레임(120)에는 제1 프레임(110)의 진동에 더하여, 상기 가진 소자(115)에 의한 추가적인 진동이 제공된다. 즉, 앞서 설명한 바대로 외곽 프레임(100)의 저주파 진동을 전달받은 상기 제1 프레임(120)의 진동에 더하여, 가진 소자(115)에 의한 고주파 진동이 추가되면서. 상기 제2 프레임(120)은 저주파의 수직 진동과 고주파의 수직 진동이 중첩된 스캔 운동을 하게 된다. 도 3은 도 2에 도시된 맴스 스캐너에 대한 단면도로서, Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 수직 단면도이다. 외곽 프레임(100)에 저주파수 진동을 부여하고, 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120) 사이의 가진 소자(115)를 고주파수로 가동하면, 상기 제2 프레임(120)은 저주파수 진동에 고주파수의 리플 성분이 부가된 복합 진동을 하게 된다. 상기 맴스 미러(130)와 이를 지지하는 프레임들(100,120,130)은 반도체 제조공정을 적용하여 일체로 형성될 수 있는데, 주로 실리콘 기판을 소정 패턴으로 에칭하여 일체로 형성된다. 상기 가진 소자(115)는 이렇게 에칭된 실리콘 기판상에 장착될 수 있으며, 도 4a 및 도 4b에서 볼 수 있듯이, 상기 가진 소자(115)를 지지하는 지지부재(116)는 프레임(110,120)과 동일한 두께로 마련되거나, 또는 가진 소자의 진동에 대해 보다 신속한 반응을 유도하기 위해 프레임(110,120)보다 얇은 두께로 형성됨으로써 지지부재(116)의 유연성을 도모할 수도 있다. 한편, 상기 가진 소자(115)는 압전층(115c)을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 두 개의 금속전극(115a,115b)을 포함하여 구성될 수 있으나, 주어진 구동펄스에 의해 기계적인 진동을 생성할 수 있는 한, 상기 가진 소자(115)의 구동방식은 압전 효과(piezo effect)를 이용하는 외에, 예를 들아, 정전기적 방식, 또는 전자기적 등이 적용될 수 있다.

도 5에는 피주사면 상에 수평주사를 구성하기 위한 수평주사 함수의 일 형태가 도시되어 있다. 도면에서 가로축은 시간을, 세로축은 수평방향으로의 주사각도를 각각 나타낸다. 도시된 수평주사 함수는 +12도,-12도를 상한과 하한으로 갖고, 25kHz로 왕복 진동하는 정현파(sinusoidal wave)로 이루어지며, 정현파의 반 주기 동안에 일 주사선에 해당되는 수평주사가 이루어진다. 즉, 맴스 미러(130)에 의해 반사된 주사빔은 +12도에서 -12도 사이를 왕복 진동하면서 주사선을 형성하는데, 각각의 극한은 일 주사선에서의 일단부와 타단부에 해당된다.

도 6a 및 도 6b는 수직주사를 구성하는 저주파 함수와 고주파 함수를 각각 도시한 도면이다. 하나의 화면이 구성되는 동안 상기 저주파 함수는 단순한 하강 램프로 나타나는데, 다수의 화면들로 동영상을 구현하기 위한 전체적인 저주파 함수는 하강 구간 및 하강 구간의 종료와 동시에 신속히 복귀되는 급상승 구간을 갖는 톱니파로 이루어지며, 예를 들어, +6.78도 및 -6.78도를 각각 상한과 하한으로 갖고, 60Hz로 진동될 수 있다. 상기 저주파 함수는 피주사면 상에서 주사위치를 수직 방향으로 이동시키기 위한 기본적인 주사운동을 생성한다.

한편, 도 6b에 도시된 고주파 함수는 고주파로 왕복 진동하는 톱니파로 이루어지고, 상대적으로 미소한 주사각 범위를 갖는데, 예를 들어, 0도 및 +0.0162도를 각각 그 상한과 하한으로 가질 수 있다. 또한, 상기 고주파 함수는 도시된 대로 상대적으로 완만한 상승 구간과 급격한 하강 구간이 반복되는 패턴을 가질 수 있다. 상기 고주파 힘수는 저주파 주사에 의한 주사선 왜곡을 보정하기 위한 수직주사운동을 생성한다. 상기 고주파 수직주사 함수는 수평주사 함수에 비해 2 배의 주파수를 갖는 것이 바람직한데, 예를 들어, 수평주사 함수가 25kHz의 주파수를 가질 때, 상기 고주파 수직주사 함수는 그 2 배에 해당되는 50kHz의 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 맴스 스캐너에서, 상기 외곽 프레임(100)을 도 6a의 저주파 함수에 따라 진동시키고, 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120) 사이에 배치된 가진 소자(115)에 대해 도 6b에 도시된 고주파 함수에 대응되는 구동펄스를 인가함으로써 상기 제2 프레임(120)을 상기 저주파 함수와 고주파 함수가 중첩된 형태로 진동시킬 수 있다. 이때, 고주파 함수는 외곽 프레임 및 제1 프레임에는 전달되지 않는다.

도 6c에는 각각 도 6a 및 도 6b에 도시된 하강램프 형상의 저주파 성분과 톱니파형의 고주파 성분이 합성되어 만들어진 수직주사 함수가 도시되어 있으며, 도6d에는 도 6c의 A 부분에 대한 확대 도면이 도시되어 있다. 도시된 수직 주사 함수는 대체로 저주파 성분의 하강 램프를 추종하되, 도 6d에 도시된 확대 도면에서 볼 수 있듯이, 고주파의 리플 성분이 추가되면서 다수의 계단 함수(step function)가 연속적으로 이어져서 단계적으로 하강하는 패턴을 갖는다.

도 7에는 도 5에 도시된 정현파의 수평주사와 도 6d에 도시된 단계적으로 하강하는 수직주사에 의해 화면상에 형성되는 2차원 주사 경로가 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 유효화면 영역에서는 소정 화상을 구성하기 위해 다수의 수평 주사선들이 전개된다. 상기 수평 주사선들 사이의 간격은 대체로 균등하게 유지 되는데, 이것은 수직주사가 불연속적인 계단 함수들로 이루어짐으로써 수평주사 구간 동안에는 수직주사가 이루어지지 않게 되므로, 수평 주사선들이 적어도 수평에 근접하는 평행도를 유지하기 때문이다. 수평주사를 통하여 하나의 주사선이 형성된 이후, 즉, 상기 유효화면 영역을 벗어난 외곽에서 비로소 수직주사가 이루어지면서 주사위치가 일정한 피치만큼 수직 하강하고, 다시 수평주사가 수행되면서 다음 주사선이 형성된다.

도 8에는 도 2에 도시된 맴스 스캐너의 수직주사 진동에 대한 상사 시스템이 도시되어 있는데, 맴스 스캐너에서 수직주사를 위한 1차원 회전 진동이 상기 상사 시스템에서는 1차원의 병진 진동으로 모델링되었다. 보다 구체적으로, 각 회전요소인 외곽 프레임(100), 제1 프레임(110) 및 제2 프레임(120)은 각각 집중질량 m0, m1, m2로 모델링되었으며, 회전요소들의 회전변위는 집중질량에 대한 병진변위 x0.x1.x2에 각각 대응된다. 참고적으로, 제2 프레임(120)과 그 내측에 연결된 맴스 미러(130)는 동일한 수직주사 운동을 하게 되므로, 제2 프레임(120)에 대응되는 병진변위 x2는 맴스 미러(130)에 대한 변위도 동시에 나타내게 된다. 한편, 각 프레임들을 서로 연결하는 수직 진동축(181)은 상기 집중질량들 m0,m1,m2 사이에 개재된 탄성체들 k0,k1,k2 및 댐핑요소들 c0,c1,c2로 모델링된다.

이하의 수식들은 도 8에 도시된 상사 시스템의 진동 방정식들을 나타낸다.

도 8에 도시된 시스템에 대한 구체적인 수치해석을 위하여, 상기 질량 m0,m1,m2, 탄성계수 k0,k1,k2 및 댐핑상수 c0,c1,c2를 포함하는 제 시스템 변수에 대한 구체적인 수치가 요구된다. 상기 질량 및 탄성강도와의 상관관계에 의해 결정되는 공진 주파수에 있어 예를 들어, 질량 m1,m2는 8kHz의 공진 주파수를 갖도록, 질량 m0는 800Hz의 공진 주파수를 갖도록 시스템 변수들이 결정될 수 있다. 이와 함께, 상기 댐핑상수와 연관되어 있는 Q 값에 있어 질량 m0,m1,m2의 Q 값이 예를 들어, 모두 25로 설정되도록 상기 시스템 변수들이 설정될 수 있다.

질량 m0은 가진력 F0에 의해 저주파수로 진동하고, 질량 m1 및 m2는 가진력 -Fpzt와 Fpzt에 의해 고주파수로 진동한다. 이때, 질량 m1와 m2에는 작용-반작용에 의해 서로 반대 방향인 동일한 크기의 가진력(-Fpzt와 Fpzt)이 작용된다. 질량 m2에는 m0의 저주파 진동과 m1의 고주파 진동이 전달되고, 이에 따라 질량 m2는 저주파 진동에 고주파의 리플 성분이 중첩된 형태로 진동된다.

도 9a 및 도 9b에는 각각 질량 m0와 질량 m2에 작용되는 가진력 F0와 Fpzt의 프로파일이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, F0는 60Hz의 저주파로 진동하는 톱니 파형으로 주어질 수 있고, Fpzt는 50kHz의 고주파로 진동하는 톱니 파형으로 주어질 수 있다.

도 9c에는 수치 해석의 결과로서 병진변위 x2의 변화가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 질량 m2는 대체로 가진력 F0의 저주파 진동(도 9a 참조)을 따라 왕복 진동하는데, 하측의 확대 도면에서 볼 수 있듯이, 단순한 하강 램프가 아니라 가진력 Fpzt의 리플 성분이 추가되어 하강-유지가 반복되면서 단계적으로 하강하는 램프를 따라 진동하게 된다. 도시된 시스템과 상사관계에 있는 도 2의 맴스 스캐너에 있어 저주파 진동과 고주파 진동을 중첩시킴으로써 불연속적으로 하강하는 수직주사를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 도 9d 및 도 9e에는 수치해석의 결과로서 병진변위 x0 및 병진변위 x1의 변화가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 병진변위 x0 및 x1은 가진력 F0의 저주파 수직주사 함수를 따라 왕복 진동하며, 하측의 각 확대 도면들에서 볼 수 있듯이, 가진력 Fpzt의 고주파 리플 성분은 포함하지 않는다. 이러한 해석결과로부터, 도 2에 도시된 맴스 스캐너에서 가진소자(115)에 의한 고주파 수직주사 함수는 외곽 프레임(100) 및 제1 프레임(110)으로 전달되지 않는다는 것을 알 수 있다.

한편, 도 10에는 고주파 수직주사를 구성하는 함수를 도시한 도면으로, 소정의 고주파수로 왕복 진동하는 톱니파가 도시되어 있다. 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 수직방향으로 주사각의 변화를 나타낸다. 상기 톱니파 함수는 상대적으로 완만한 상승 구간과 이어지는 급격한 하강 구간이 일정한 주기로 반복되는 패턴을 가지며, 상기 톱니 파형의 진폭(A)은 이하와 같은 수식으로 계산될 수 있다.

여기서, 상기 fh와 fv는 수평주사/수직주사에서의 주파수를 나타내고, rh와 rv는 수평주사/수직주사에서의 듀티비를 나타내는데, 각각의 하첨자 h와 v는 수평주사와 고주파 수직주사를 구성하는 함수를 의미하기 위해 부여되었다. 정현파형으로 왕복 진동하는 수평주사에서 상기 듀티비(rh)는 전체 진폭에 대해 유효화면 영역 내를 스윕하기 위한 부분의 상대적인 비율로 정의될 수 있다. 또한, 톱니 파형으로 왕복 진동하는 고주파의 수직주사에서 상기 튜티비(rv)는 전체 주기(T1+T2)에 대해 실질적인 보정 작용을 하는 상승 구간(T1)의 상대적인 비율로 정의될 수 있다. 또한, 상기 수식에서 a는 저주파 수직주사 함수에서의 진폭(amplitude)을 나타내고, 일반적으로 ±a로 표시된다.

이하에서는 본 발명의 다른 측면에 따른 맴스 스캐너의 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다. 도 11에는 맴스 스캐너의 바람직한 일 실시예에 대한 수직단면 구조가 도시되어 있다. 도시된 맴스 스캐너는 광원(미도시)과, 상기 광원에서 출사된 빔(L)을 화면상에 2차원적으로 주사하기 위한 2차원 스캐너(210)와, 상기 2차원 스캐너(210)에 의한 주사 패턴에 고주파 성분을 추가하기 위한 보정 스캐너(220)를 구비하며, 상기 2차원 스캐너(210)와 보정 스캐너(220) 사이를 광학적으로 이어주기 위한 반사 미러(230)를 포함한다. 상기 2차원 스캐너(210)와 보정 스캐너(220)는 동일한 회로기판(200) 상에 병렬적으로 접속될 수 있으며, 상기 회로 기판(200)으로부터 제어된 구동신호를 제공받을 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 광원에서 출사된 광(L)은 주사위치에 대응되는 영상 데이터에 따라 변조되며, 이를 위해 상기 광원과 스캐너(210,220) 사이에는 광변조 장치가 마련될 수 있다.

상기 2차원 스캐너(210)는 맴스 미러(215) 및 상기 맴스 미러(215)를 서로 다른 회동축에 대해 진동 구동하는 구동부(211)를 갖는다. 상기 맴스 미러(215)는 광원에서 비스듬히 입사된 입사광(L)을 화면상에 수평주사 및 수직주사하는데, 수평방향으로는 도 5에 도시된 바와 같이 25kHz의 정현 파형을 따라 공진되면서 화면상에 라인 형상의 주사선을 형성할 수 있다. 또한, 상기 맴스 미러(215)는 수직방향으로 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이 60Hz의 저주파로 비공진 구동되면서, 화면상에서 주사위치를 수직방향으로 이동시킬 수 있다. 상기 맴스 미러(215) 및 이를 지지하기 위한 플레이트(미도시)는 실리콘 기판상에 소정패턴을 에칭함으로써 일체로 형성될 수 있으며, 맴스 미러(215)의 구체적인 사이즈나 물성치(material property) 등은 예를 들어, 25kHz의 공진 주파수를 갖도록 선택될 수 있다.

상기 구동부(211)는 맴스 미러(215)가 서로 다른 지지축에 대해 진동하도록 가진력을 부여한다. 예를 들어, 상기 구동부(211)는 정전기적 방식이나 전자기적 방식 등으로 상기 맴스 미러을 진동 구동할 수 있는데, 주어진 입력펄스에 대응되는 기계적 진동을 유도할 수 있는 한, 다양한 구동방식이 제한없이 채용될 수 있다.

상기 2차원 스캐너(210)에 의해 주사된 광은 상측의 반사 미러(230)에 의해 하측으로 다시 반사되면서 보정 스캐너(220)로 입사된다. 상기 보정 스캐너(220)는 보정 미러(225) 및 상기 보정 미러(225)를 회동축에 대해 진동 구동하는 구동부(221)를 포함한다. 상기 보정 스캐너(220)는 상기 2차원 스캐너(210)와 별개로 마련됨으로써 서로 간의 진동이 독립적으로 이루어지도록 한다. 상기 보정 스캐너(220)는 상기 2차원 스캐너(210)에 의한 저주파 수직주사에 추가적으로 고주파 수직성분을 부여하기 위한 것으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 50kHz의 톱니 파형으로 비공진 구동될 수 있다. 이렇게 2차원 스캐너(210)의 저주파 성분과 보정 스캐너(220)의 고주파 성분이 더해지면서, 도 6d에 도시된 바와 같이 다수의 계단 함수로 이루어진 수직주사 패턴이 합성될 수 있다. 이에 따라, 직선상의 수평주사가 이루어지는 동안에는 수직주사가 이루어지지 않고, 주사선은 적어도 수평에 근접하게 형성되며 왜곡 없는 주사 패턴이 얻어질 수 있다.

본 발명에서는 상기 2차원 스캐너(210)와 보정 스캐너(220)가 각각 별개로 분리되어 마련되므로, 서로에 대해 전혀 영향을 받지 않고 독립적인 진동이 가능하다. 따라서, 2차원 스캐너(210)에 의한 저주파 수직주사와 보정 스캐너(220)에 의한 고주파 수직주사가 서로에 대해 악영향을 미치지 않고 이상적인 형태로 이루어질 수 있고, 이에 따라, 정확하게 원하는 파형의 수직주사 파형을 얻을 수 있는 장점이 있다. 한편, 상기 2차원 스캐너(210)와 보정 스캐너(220)가 함께 단일 칩으로 집적 패키징됨으로써 단일 칩의 맴스 스캐너가 구현될 수 있다.

한편, 본 발명의 맴스 스캐너에서는 상기 2차원 스캐너(210)와 보정 스캐너(220)가 전후 순서에 관계없이 자유롭게 배치될 수 있다. 따라서, 도시된 일례에 서는 광 진행방향을 따라 먼저 2차원 스캐너(110)가 배치되고, 이후에 보정 스캐너(120)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 광원에서 근접한 쪽에 보정 스캐너(220)가 먼저 배치되고, 2차원 스캐너(210)가 나중에 배치될 수도 있다.

본 발명의 맴스 스캐너에 의하면, 화면상에서 주사빔의 결상 위치를 수직방향으로 이동시키기 위한 기본적인 저주파 수직주사 운동에 추가적으로 사선 형태의 주사선을 보정하기 위한 고주파 수직주사 운동을 합성시킴으로써 멀티 스탭형의 수직주사가 이루어지게 한다. 이렇게 함으로써, 하나의 주사선이 전개되는 수평 주사구간 동안에는 수직주사가 정지되므로, 적어도 수평상태에 근접하는 주사선들이 형성되고, 이에 따라 인접한 주사선들 사이의 간격이 화면상의 위치에 관계없이 균등하게 유지될 수 있으며, 픽셀들 사이의 간격이 일정하게 유지되어 화면 왜곡 현상이 방지될 수 있다. 또한, 동일 화면을 구성하는 주사선의 수를 증가시킬 수 있으므로, 화면의 수직방향 해상도가 향상된다. 특히, 본 발명에서는 주사선의 보정을 위해 별도의 보정 미러를 두는 대신에, 하나의 반사면에 대해 두 가지의 서로 다른 수직주사 운동을 부여함으로써 경박단소화에 유리한 맴스 스캐너가 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 맴스 스캐너에 의하면, 상기 저주파 수직 주사와 고주파 수직주사가 서로에 대해 악영향을 주지 않고, 각각 독립적으로 제어될 수 있으므로, 이상적인 주사 패턴을 형성하기 위한 정밀한 진동 제어가 가능하 다. 또한, 2차원 스캐너와 보정 스캐너가 단일 칩으로 패키징 될 경우, 보정 기능이 추가된 단일 칩의 맴스 스캐너가 제공될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (22)

1. 일축에 대해 저주파 수직주사 함수로 진동되는 제1 프레임;

   상기 제1 프레임과 동축으로 회동가능하게 지지된 제2 프레임;

   상기 제1 프레임과 제2 프레임 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 프레임에 대해 상기 제2 프레임을 고주파 수직주사 함수로 진동하는 가진 소자; 및

   상기 제2 프레임의 수직주사 운동을 전달받고, 동시에 다른 축에 대해 고주파 수평주사 함수로 구동되면서 입사광을 화면상에 2차원적으로 주사하는 맴스 미러;를 포함하는 맴스 스캐너.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저주파 수직주사 함수는 길이가 서로 다른 상승-하강 구간이 반복되면서 저주파수로 왕복 진동하는 톱니파인 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
3. 제1항에 있어서,

   상기 고주파 수직주사 함수는 길이가 서로 다른 상승-하강 구간이 반복되면서 고주파수로 왕복 진동하는 톱니파인 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
4. 제1항에 있어서,

   상기 고주파 수평주사 함수는 고주파로 왕복 진동하는 정현파인 것을 특징으 로 하는 맴스 스캐너.
5. 제1항에 있어서,

   상기 맴스 미러는 상기 고주파 수평주사 함수를 따라 공진모드로 진동하는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
6. 제1항에 있어서,

   상기 고주파 수직주사 함수는 상기 수평주사 함수에 비해 2배의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 프레임은 상기 제1 프레임의 저주파 수직주사 성분과 상기 가진 소자에 의한 고주파 수직주사의 리플 성분이 중첩된 다수의 계단 함수로 진동하는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
8. 제1항에 있어서,

   일 화면이 구성되는 동안, 상기 맴스 미러에 의한 주사빔은 수직방향으로 단계적으로 하강하는 주사 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
9. 제1항에 있어서,

   주사선이 전개되는 수평 주사구간에서 수직주사는 중단되고, 각 주사선의 종료 부근에서 계단형으로 하강하는 수직주사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제1 프레임과 함께 회동되도록 동축으로 연결된 외곽 프레임이 더 구비되고, 상기 외곽 프레임과 연결된 액츄에이터에 의해 상기 제1 프레임은 저주파 수직주사 함수로 진동되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
11. 제1항에 있어서,

    상기 맴스 미러를 수평주사 함수로 진동하는 가진 토오크는 상기 맴스 미러에 대해 직접 가해지지 않고, 상기 제1 프레임 외곽에 추가로 배치된 외곽 프레임을 통하여 간접적으로 전달되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
12. 제1항에 있어서,

    상기 가진 소자는 정전기적 방식, 전자기적 방식, 또는 압전 방식 중에서 선택된 구동 방식을 이용하여 상기 제2 프레임을 진동시키는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
13. 제1항에 있어서,

    상기 맴스 미러를 둘러싸도록 그 외측으로 가면서 상기 제2 프레임, 제1 프레임 및 외곽 프레임이 순차로 배치되고, 상기 맴스 미러와 상기 제2 프레임은 수평 진동축에 의해 상호 연결되며, 상기 제1 프레임과 외곽 프레임은 수직 진동축에 의해 동축으로 지지되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
14. 서로 다른 축에 대해 진동되는 반사면을 갖고 광원에서 입사된 광을 화면에 대해 수평방향 및 수직방향으로 편향 주사하는 것으로, 상기 반사면은 일축에 대해 고주파 수평주사 함수로 진동되고, 다른 축에 대해 저주파 수직주사 함수로 진동되는 2차원 스캐너;

    상기 2차원 스캐너와 병렬적으로 배치되고, 고주파 수직주사 함수로 진동되는 반사면을 갖는 보정 스캐너; 및

    상기 2차원 스캐너와 보정 스캐너 사이를 광학적으로 연결하기 위한 반사 미러;를 포함하는 맴스 스캐너.
15. 제14항에 있어서,

    화면상에서 상기 수직주사는 2차원 스캐너에 의한 저주파 수직주사 성분과 상기 보정 스캐너에 의한 고주파 수직주사 성분이 합성되면서 단계적으로 하강하는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
16. 제14항에 있어서,

    상기 저주파 수직주사 함수와 고주파 수직주사 함수는 각각 저주파수와 고주파수로 왕복 진동하는 톱니파인 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
17. 제14항에 있어서,

    상기 고주파 수평주사 함수는 고주파수로 왕복 진동하는 정현파인 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
18. 제14항에 있어서,

    상기 고주파 수직주사 함수는 상기 수평주사 함수에 비해 2 배의 진동 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
19. 제14항에 있어서,

    광 진행방향으로, 상기 2차원 스캐너가 상류에 배치되고, 상기 보정 스캐너가 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
20. 제14항에 있어서,

    광 진행방향으로, 상기 보정 스캐너가 상류에 배치되고, 상기 2차원 스캐너가 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
21. 제14항에 있어서,

    상기 2차원 스캐너와 보정 스캐너는 동일 평면상에 놓여지고, 상기 스캐너들 상측으로는 상기 반사 미러가 배치되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.
22. 제14항에 있어서,

    상기 2차원 스캐너 및 보정 스캐너는 단일 칩으로 패키징되는 것을 특징으로 하는 맴스 스캐너.

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