KR100860987B1 - 2차원 마이크로 광스캐너 - Google Patents

Abstract

개시된 2차원 마이크로 광스캐너는, 제1요동방향으로 요동되는 제1반사경을 구비하는 제1스캐너와, 제2요동방향으로 요동되는 제2반사경을 구비하는 제2스캐너와, 제1스캐너에 의하여 주사된 광을 제2스캐너로 입사시키는 것으로서 곡면반사면을 갖는 광경로변환부재를 구비한다.

Description

2차원 마이크로 광스캐너{Two-dimensional micro scanner}

도 1은 본 발명에 따른 2차원 마이크로 광스캐너의 일 실시예의 개략적 사시도.

도 2는 반사경을 요동시키기 위한 구조의 일 예의 평면도.

도 3은 도 2의 A-A' 단면도.

도 4a는 평면반사경을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 입체도.

도 4b는 평면반사경을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 평면도.

도 5a는 곡면반사경으로서 원통형 반사경을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 입체도.

도 5b는 곡면반사경으로서 원통형 반사경을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 평면도.

도 6은 평면반사경을 채용한 경우와 곡면반사경을 채용한 경우의 2차원 마이크로 광스캐너의 크기를 비교한 평면도.

도 7은 스크린 상에서 왜곡된 이미지와 보정된 이미지를 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10......제1스캐너 11......제1반사경

12......제1지지축 13......구동전극

20......제2스캐너 21......제2반사경

22......제2지지축 30......광경로변환부재

31......곡면반사경 40......프레임

41, 43......제1, 제2도전층 42......절연층

50......기판 51......고정전극

H......제1요동방향 V......제2요동방향

본 발명은 마이크로 광스캐너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개의 반사경을 서로 다른 방향으로 요동시킴으로써 광을 2차원적으로 주사하는 2차원 마이크로 광스캐너에 관한 것이다.

마이크로 광스캐너는 광 스캔을 이용하는 디스플레이장치, 프린터, 측정장비 및 정밀가공분야에 널리 이용된다. 마이크로 광스캐너는 일반적으로 MEMS(micro-electro-mechanical system)기술을 이용하여 광을 반사시키는 반사경과, 이 반사경을 지지하는 지지축, 및 반사경을 요동시키기 위한 구동수단을 단일의 칩 형태로 구성한 것을 지칭한다.

광을 2차원적으로 주사하기 위한 2차원 마이크로 광스캐너는 하나의 반사경 을 수직 및 수평방향으로 요동시키는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조의 2차원 마이크로 광스캐너는 소형화가 가능하다는 장점을 가지는 반면에, 반사경의 수평 및 수직방향의 요동간의 커플링(coupling)이 발생되어 정밀한 제어가 어렵다. 따라서, 고속, 광각 구동 및 고해상도 구동에 불리하다.

또, 2차원 마이크로 스캐너는 수평과 수직방향으로 각각 요동되는 두 개의 반사경(수평반사경과 수직반사경)을 구비할 수 있다. 이러한 구조를 취함으로써 반사경의 수평 및 수직방향의 요동간의 커플링(coupling) 문제를 해결할 수 있으나, 수평방향으로 발산된 광을 다시 수직방향으로 발산시켜야 하기 때문에 수직반사경의 크기가 커진다. 따라서, 광스캐너 자체의 크기가 커질 뿐 아니라 수직 반사경의 관성이 크기 때문에 큰 구동전압이 필요하다. 또, 외부로부터 가해지는 충격에 의하여 수직 반사경의 지지축이 파손될 우려도 커진다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 소형화가 가능한 신뢰성 높은 2차원 마이크로 광스캐너를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차원 마이크로 광스캐너는, 제1요동방향으로 요동되는 제1반사경을 구비하는 제1스캐너; 제2요동방향으로 요동되는 제2반사경을 구비하는 제2스캐너; 상기 제1스캐너에 의하여 주사된 광을 상기 제2스캐너로 입사시키는 것으로서, 곡면반사면을 갖는 광경로변환부재;를 구비한다.

일 실시예로서, 상기 곡면반사면은 상기 제1스캐너에 의하여 주사된 광의 주 사각을 줄여서 상기 제2반사경으로 입사시킨다.

일 실시예로서, 상기 곡면반사면은 상기 제1스캐너에 의하여 주사되는 광을 상기 제2반사경에 집광시킨다. 상기 곡면반사면은 원통형이다. 상기 원통형 곡면반사면의 중심축은 상기 제1반사경의 요동축과 일치된다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차원 마이크로 광스캐너는, 동일한 기판 상에 형성되며, 서로 다른 방향으로 요동되는 제1, 제2반사경; 상기 제1반사경에 의하여 주사된 광의 주사각을 줄여서 상기 제2반사경으로 입사시키는 곡면반사면;을 구비한다.

일 실시예로서, 상기 곡면반사면은 상기 제1스캐너에 의하여 주사되는 광을 상기 제2반사경에 집광시키는 원통형 반사면이다.

일 실시예로서, 상기 원통형 곡면반사면의 중심축은 상기 제1반사경의 요동축과 일치된다.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 2차원 마이크로 광스캐너의 일 실시예를 도시한 개략적인 사시도이다. 도 1을 보면, 제1, 제2스캐너(10)(20)가 개시되어 있다. 제1스캐너(10)은 제1반사경(11)과 제1지지축(12)을 구비한다. 제2스캐너(20)는 제2반사경(21)과 제2지지축(22)을 구비한다. 제1반사경(11)은 제1지지축(12)을 요동축으로 하여 제1요동방향(H)으로 요동되며, 제2반사경(21)은 제2지지축(22)을 요동축으로 하여 제2요동방향(V)으로 요동된다. 광경로변경수단(30)은 제1반사경(21)에서 반사 된 광을 제2반사경(21)에 입사시킨다. 상부커버(60)에는 제1, 제2광창(61)(62)이 마련된다. 제1광창(61)을 통하여 입사된 광(L)은 제1스캐너(10)에 의하여 예를 들어 수평스캔되고, 광경로변경부재(30)에 의하여 제2스캐너(20)로 입사된 후에 수직스캔되어 제2광창(62)를 통하여 출사된다.

도 2는 제1, 제2반사경(11)(21)을 요동시키기 위한 구조의 일 예를 도시한 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 단면도이다. 이하에서는 정전기력을 이용하여 제1반사경(11)을 요동시키는 예에 관하여 설명한다.

도 1, 도 2, 및 도 3을 보면, 프레임(40)은 기판(50) 상에 차례로 적층된 제1도전층(41), 절연층(42), 제2도전층(43)으로 구성된다. 제1반사경(11)과 제1지지축(12) 및 복수의 구동전극(13)은 제2도전층(43)을 기초로 하여 형성된다. 예를 들어 제2도전층(43)을 소정 형태로 식각하여 도 2에 도시된 바와 같은 형태의 제1반사경(11)과 제1지지축(12) 및 복수의 구동전극(13)을 형성한다. 이에 의하여 제1반사경(11)은 제1지지축(12)에 의하여 프레임(40)에 지지된 형태가 된다. 복수의 고정전극(51)은 제1도전층(41)을 기초로 하여 형성된다. 예를 들어, 제1도전층(41)을 소정 형태로 식각하여 복수의 구동전극(13)과 교번으로 배열된 복수의 고정전극(51)을 형성할 수 있다.

복수의 고정전극(51)에는 제1도전층(41)을 통하여 구동전압이 인가된다. 복수의 구동전극(13)에는 제2도전층(43) 및 제1지지축(12)을 통하여 구동전압이 인가된다. 예를 들어, 복수의 구동전극(13)에는 직류구동전압이 인가되며, 복수의 고정전극(51)에는 교류전압이 인가된다. 그러면, 복수의 고정전극(51)과 복수의 구동전 극(13) 사이의 정전기력에 의해, 제1반사경(11)이 수kHz 내지 수십kHz의 고주파로 시이소 운동을 하게 된다. 제1지지축(12)은 제1반사경(11)의 요동축의 역할을 하는 동시에 제1반사경(11)에 탄성 복원력을 부여한다. 이와 같은 구성에 의하여, 제1반사경(11)을 제1요동방향(H)으로 요동시켜 광을 수평스캔할 수 있다.

제2반사경(21)을 요동시키기 위한 구조도 상술한 바와 동일하다. 상술한 반사경을 요동시키는 구조에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 반사경을 요동시키기 위하여는 예를 들어 압전소자를 이용하는 방법, 전자기력을 이용하는 방법 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.

제1반사경(11)에 입사된 광은 제1요동방향(H)으로 요동되는 제1반사경(11)에 의하여 예를 들어 수평방향으로 주사(scan)된다. 광경로변경부재단(30)는 수평주사광을 제2반사경(21)에 입사시킨다. 수평주사광은 제2요동방향(V)으로 요동되는 제2반사경(21)에 의하여 수직방향으로 주사된다. 이에 의하여 2차원 광스캐너가 구현된다. 본 발명의 광경로변경부재(30)는 제1스캐너(10)로부터 출사되는 광을 반사시켜 제2스캐너(20)로 입사시키는 곡면반사면(31)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 광경로변환부재(30)는 칩(chip) 형태의 2차원 마이크로 광스캐너의 상부커버(60)에 마련된다.

제1스캐너(10)로부터 출사되는 광을 반사시켜 제2스캐너(20)로 입사시키기 위하여, 단지 반사기능만을 가지는 평면반사경(도 4a의 100)을 채용할 수 있다. 도 4a와 도 4b는 평면반사경(100)을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 입체도 및 평면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1반사경(11)에 의하여 소정의 주사각(SA)으로 수평스캔된 광을 수직스캔하기 위하여 제2반사경(21a)은 소정의 길이(Lv)를 가져야 한다. 길이(Lv)는 제1반사경(11)과 제2반사경(21a) 사이의 광경로의 길이와, 주사각(SA)에 비례하여 커져야 한다.

본 발명에 따른 2차원 마이크로 광스캐너는 곡면반사면(31)을 채용한 것을 특징으로 한다. 곡면반사면(31)은 제1반사경(11)에 의하여 주사된 광의 주사각(SA)을 줄여서 제2반사경(21)으로 입사시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위하여 예를 들어 곡면반사면(31)은 광을 수렴시키는 오목반사면의 형태일 수 있다. 오목반사면의 형태의 곡면반사면(31)을 채용함으로써 제2반사경(21)의 길이를 줄일 수 있다. 이에 의하여, 제2반사경(21)의 무게를 줄일 수 있어, 충격에 의한 제2지지축(22)의 파손위험을 낮출 수 있으며, 낮은 구동전압에서 구동되는 2차원 마이크로 광스캐너의 구현이 가능하다. 또, 관성이 낮아지므로 고속 구동이 가능하며, 제2반사경(21)의 길이를 줄임으로써 광각구동이 가능하다. 또, 소형화된 칩 형태의 2차원 마이크로 광스캐너의 구현이 가능하다. 또, 2차원 마이크로 광스캐너는 MEMS기술일 이용하여 제조되는데, 웨이퍼 당의 칩 수가 증가되므로 원가경쟁력이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게는 곡면반사면(31)은 제1스캐너(10)에 의하여 주사되는 광을 제2스캐너(20)의 제2반사경(21)에 집광시키기 위한 원통형 반사면일 수 있다. 도 5a와 도 5b는 원통형 곡면반사면(31)을 채용한 경우의 광경로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 입체도 및 평면도이다. 도 5a와 도 5b를 보면, 제1스캐너(10)에 의하여 소정의 주사각(SA)으로 수평스캔된 광은 곡면반사면(31)에 의하여 제2반사경(21)에 집 광된다. 따라서, 제2반사경(21)의 크기를 제1반사경(11)과 거의 동일하게 할 수 있다.

제1, 제2반사경(11)(21)은 동일 평면상에 위치된다. 따라서, 원통형 곡면반사면(31)을 채용하는 경우에 광의 이동거리를 최소화하기 위하여는 원통형 곡면반사면(31)의 중심축은 제1반사경(11)의 요동축과 일치되는 것이 바람직하다.

도 6은 평면반사경(100)을 구비하는 경우와 원통형 곡면반사면(31)을 구비하는 경우의 2차원마이크로 광스캐너의 크기를 비교하기 위하여 2차원 마이크로 광스캐너를 촬영한 사진다. 도 6을 참조하면, 곡면반사면(31)을 채용한 본원 2차원 마이크로 광스캐너의 소형화 효과를 단적으로 확인할 수 있다.

제1, 제2스캐너(10)(20)는 동일한 기판(50) 상에 형성되는 것이 바람직하나, 제1, 제2스캐너(10)(20)는 따로 제조되어 서로 조립될 수도 있다.

곡면반사면(31)은 2차원 스캔된 광의 왜곡을 보정하기 위한 보정미러로서의 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 스크린에 투사되는 이미지는 평면미러를 채용한 경우에는 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 수직 및 수평방향으로 왜곡된다. 곡면반사면(31)은 이 왜곡을 교정하기 위하여 구면 또는 비구면 형태의 곡면을 가질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 곡면반사면(31)을 구비하는 광경로변환부재(30)를 구비함으로써 고속구동, 광각구동, 저전력구동이 가능한 소형화된 2차원 마이크로 광스캐너의 구현이 가능할 뿐 아니라, 칩 형태의 2차원 마이크로 광스캐너 패키지 내에 이미지 보정을 위한 광학수단을 함께 구비함으로써 더욱 컴팩 트한 2차원 마이크로 광스캐너의 구현이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 2차원 마이크로 광스캐너에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 제1스캐너에 의하여 주사된 광의 주사각을 줄임으로써 제2반사경의 길이를 줄일 수 있다. 따라서, 제1, 제2스캐너의 광각구동이 가능하며, 고해상도의 2차원 광스캐너를 구현할 수 있다.

둘째, 제2반사경의 관성이 작아지므로 제2반사경의 고속구동이 가능하며, 제2반사경의 구동제어가 용이하고, 구동에 소요되는 전력소비를 줄일 수 있다.

셋째, 제2반사경의 관성이 작아지므로 제2반사경을 지지하는 지지축의 충격에 의한 파손위험을 줄일 수 있으며 광스캐너의 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

넷째, 2차원 마이크로 광스캐너를 제조하는데 있어서 웨이퍼 당의 칩 수가 증가되므로 원가경쟁력이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

다섯째, 칩 형태의 2차원 마이크로 광스캐너 패키지 내에 이미지 보정을 위한 광학수단을 함께 구비함으로써 더욱 컴팩트한 2차원 마이크로 광스캐너의 구현이 가능하다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims (8)

1. 제1요동방향으로 요동되는 제1반사경을 구비하는 제1스캐너;

   제2요동방향으로 요동되는 제2반사경을 구비하는 제2스캐너;

   상기 제1스캐너에 의하여 주사된 광을 상기 제2스캐너로 입사시키는 것으로서, 곡면반사면을 갖는 광경로변환부재;를 구비하며,

   상기 제1스캐너의 요동축의 방향은 상기 제1스캐너 및 상기 제2스캐너로 진행되는 광의 진행방향과 동일하며,

   상기 제2스캐너의 요동축의 방향은 상기 제1스캐너의 요동축의 방향과 직각이며,

   상기 곡면반사면은 상기 제1스캐너에 의하여 주사된 광의 주사각을 줄여서 상기 제2반사경으로 입사시키는 2차원 마이크로 광스캐너.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 곡면반사면은 상기 제1스캐너에 의하여 주사되는 광을 상기 제2반사경에 집광시키는 것을 특징으로 하는 2차원 마이크로 광스캐너.
4. 제3항에 있어서,

   상기 곡면반사면은 원통형인 것을 특징으로 하는 2차원 마이크로 광스캐너.
5. 제4항에 있어서,

   상기 원통형 곡면반사면의 중심축은 상기 제1반사경의 요동축과 일치되는 것 을 특징으로 하는 2차원 마이크로 광스캐너.
6. 제1항 또는 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1스캐너와 상기 제2스캐너는 동일한 기판에 형성되는 2차원 마이크로 광스캐너.
7. 삭제
8. 삭제

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