TW201416791A

TW201416791A - 李沙育雙軸掃描元件及其掃描頻率產生方法

Info

Publication number: TW201416791A
Application number: TW101138329A
Authority: TW
Inventors: Chung-De Chen; Pin Chang; Yao-Hui Lee; Yu-Jen Wang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-05-01
Also published as: TWI509343B

Abstract

實施例揭露一種李沙育雙軸掃描元件及其掃描頻率產生方法，其中李沙育雙軸掃描元件係以一快軸共振頻率與一慢軸共振頻率進行掃描，該頻率產生方法首先係根據該雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率；接著根據一系統頻率以及該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率決定複數個快軸正整數以及複數個慢軸正整數；再根據該複數個快軸正整數以及該複數個慢軸正整數決定該快軸頻率與該慢軸頻率之一最簡整數比，其中該最簡整數比係為該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率之比值，該比值係小於10；最後根據該最簡整數比決定一掃描軌跡重複頻率，俾使該雙軸掃描元件根據該掃描軌跡重複頻率進行掃描，其中該掃描軌跡重複頻率大於24 Hz。

Description

李沙育雙軸掃描元件及其掃描頻率產生方法

所揭露之實施例係關於一種李沙育雙軸掃描元件及其掃描頻率產生方法。

微型投影裝置可分為微型投影機與口袋型投影機，微型投影機更小更輕，主要是用來與行動裝置整合，可以內嵌在行動裝置中，如手機、超級移動電腦(Ultra-Mobile PC，UMPC)、數位相機等，並透過行動裝置的電池提供電源，或可獨立式微型投影機；口袋型投影機與傳統投影機相似，但重量與體積更為輕薄。

目前已經相繼開發出厚度只有數毫米，大小數公分行動電話用微型投影機。微型投影機需要一雙軸掃描元件或兩個一軸掃描元件，以將雷射光掃描投影至二維屏幕上。雙軸掃描投影可大致分為兩類：循序掃描(raster scan)與李沙育掃描(Lissajous scan)。雙軸掃描一般又分成快軸與慢軸。循序掃描的慢軸必須保持在60 Hz，快軸一般大於18 kHz以上，其優點在於投影畫面品質較佳，畫面不閃爍且解析度高。掃描元件之共振頻率無法達到如60 Hz之低頻，因此採用強制驅動(forced actuation)的方式，以準靜態(quasi-static)的方式，使元件以60 Hz的頻率振動。

準靜態之出力與掃描角度之關係為：。

其中T為驅動力所造成之力矩，K為扭轉軸之剛性，θ為掃描角度。由前述的公式可得知，大出力才能達到大角度，兩者呈現正比關係。此外，降低K值可提高掃描角度，但卻造成了元件強度不足，扭轉軸較容易斷裂。過大之K值雖可增加元件強度，但相對應的，驅動力也必須增加，耗能也增加。

李沙育掃描的慢軸不限制在60 Hz，可根據掃描結構，設定其共振頻率。當致動器驅動在共振頻率時，掃描角度為如下之關係為：，其中Q為元件之品質因子(quality factor)，一般掃描元件之材料為矽，其Q值一般大於1500，因此利用共振效應可有效放大振動位移，即使出力較小，亦可達成大角度掃描，元件耗能也較小，例如小於50 mW。因此李沙育掃描元件可根據需求，設計共振頻率，在結構設計上較有彈性。

總而言之，循序式掃描元件耗能較大但畫面線條平行，且畫面比較不會閃爍，掃描線密度覆蓋率較高。李沙育掃描元件由於水平與垂直皆驅動於共振頻率，具有低耗能之優勢，但掃描軌跡較為複雜，不容易預測，必須開發相關技術分析與預測掃描軌跡。此外，李沙育掃描的畫面是否閃爍與掃描線密度以及頻率比值有關。

實施例揭露一種李沙育雙軸掃描元件之掃描頻率產生方法，其中李沙育雙軸掃描元件係以一快軸共振頻率與一慢軸共振頻率進行掃描，該頻率產生方法首先係根據該雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率；接著根據一系統頻率以及該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率決定複數個快軸正整數以及複數個慢軸正整數；再根據該複數個快軸正整數以及該複數個慢軸正整數決定該快軸頻率與該慢軸頻率之一最簡整數比，其中該最簡整數比係為該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率之比值，該比值係小於10；最後根據該最簡整數比決定一掃描軌跡重複頻率，俾使該雙軸掃描元件根據該掃描軌跡重複頻率進行掃描，其中該掃描軌跡重複頻率大於24 Hz。

實施例亦揭露一種李沙育雙軸掃描元件，包括有一對快軸、一對慢軸、一反射鏡、一質量塊以及一框架，其中該反射鏡透過該對快軸連接於該質量塊，該質量塊透過該對慢軸連接於該框架，當該雙軸掃描元件被驅動時，該等快軸係以一快軸共振頻率扭轉，該等慢軸係以一慢軸共振頻率扭轉，其特徵在於：該雙軸掃描元件被驅動時，該雙軸掃描元件係以一掃描軌跡重複頻率大於24 Hz以及由一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率之一比值進行掃描，其中該比值小於10；其中該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率係根據該雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定。

以上之關於實施例內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋實施例之精神與原理，並且提供專利申請範圍更進一步之解釋。

實施例提出一種李沙育雙軸掃描元件及掃描頻率產生方法，可使李沙育掃描投影畫面同時兼顧覆蓋率以及畫面閃爍之要求，並提昇掃描線密度與解析度。

以下在實施方式中詳細敘述實施例之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解實施例之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解實施例相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明實施例之觀點，但非以任何觀點限制實施例之範疇。

『第1圖』所示為實施例所揭露之李沙育雙軸掃描元件，特別說明的是，圖中元件的形狀、大小以及尺寸僅為說明示意之用，並非實際限定元件的形狀、大小以及尺寸。『第1圖』所示之李沙育雙軸掃描元件包括有快軸11、12、慢軸15、16、一反射鏡13、一質量塊14以及一框架17，反射鏡13設置中央，透過該對快軸11、12連接於質量塊14，而質量塊14透過該對慢軸15、16連接於該框架17，雷射光照射到反射鏡13，然後反射到屏幕。當雙軸掃描元件被致動器驅動時，快軸係以一快軸共振頻率扭轉，帶動反射鏡13掃描做快軸掃描，慢軸係以一慢軸共振頻率扭轉，帶動反射鏡13以慢軸掃描。由於快慢軸互相垂直，因此可掃描出投影畫面。

『第1圖』所示之李沙育雙軸掃描元件，當其被驅動時，該雙軸掃描元件係以一掃描軌跡重複頻率大於24 Hz以及由一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率之一比值進行掃描，其中該比值小於10，其中該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率係根據該雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定。關於掃描軌跡重複頻率大於24 Hz以及比值小於10之細節將於後續配合『第2圖』進行說明。

在一實施例中，雙軸掃描元件可以壓電式、靜電式或電磁式來驅動。在一實施例中，雙軸掃描元件係以壓電材料製作。

『第2圖』所示為實施例所揭露之李沙育雙軸掃描元件之掃描方法。李沙育雙軸掃描元件具有兩個共振頻率f _x0以及f _y0。李沙育掃描元件使用共振原理使掃描角度放大，當驅動頻率為f _x=f _x0、f _y=f _y0時，掃描角度最大。

實際操作時，可允許驅動頻率偏離共振頻率，雖然會使掃描角度稍微變小，但相對的驅動頻率的選擇也較有彈性。因此，可以根據掃描角度最大的共振頻率來選定快軸偏離共振頻率以及慢軸偏離共振頻率。

首先根據該李沙育雙軸掃描元件之快軸共振頻率以及慢軸共振頻率決定一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率(步驟20)，這邊將共振頻率定義為f _x0、f _y0。快軸偏離共振頻率(快軸驅動頻率)、慢軸偏離共振頻率(慢軸驅動頻率)分別定義為f _x、f _y。接著根據一系統頻率以及快軸偏離共振頻率與慢軸偏離共振頻率決定複數個快軸正整數M以及複數個慢軸正整數N(步驟21)。根據選定的快軸偏離共振頻率f _x與慢軸偏離共振頻率f _y，並依據系統頻率f _clk找出複數組整數。在一實施例中係根據以及找出快慢軸頻率。依據上述的公式，找出所有可能的M、N，假設M有i個，以M ₁,M ₂,...,M _i表示，N有j個，以N ₁,N ₂,...,N _j表示，則所有可能的頻率組合，共有i ^＊ j個。選定兩個正整數M,N使得f _x=a．M，f _y=a．N，a為任意數。則。

共振頻率與偏離共振頻率的關係為：

其中△f _x為「快軸頻率偏移量」，△f _y為「慢軸頻率偏移量」，可得：

亦即：

根據上式可找出複數個M與複數個N。

接著根據複數個快軸正整數以及複數個慢軸正整數決定快軸頻率與慢軸頻率之一最簡整數比，其中最簡整數比係為該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率之比值，該比值係小於10(步驟22)。在所找找出頻率組合的最簡分數中，每個頻率組合皆有一個最簡分數m/n。最後根據最簡整數比m/n以及決定一掃描軌跡重複頻率f _rep(步驟23)，其值必須大於24 Hz，同時提高慢軸頻率，使m/n降低，則可同時兼顧掃描畫面不閃爍以及高畫面覆蓋率。最後雙軸掃描元件根據該掃描軌跡重複頻率進行掃描，其中掃描軌跡重複頻率大於24 Hz(步驟24)。

以下進一步詳細說明上述的流程，特別是比值係小於10以及掃描軌跡重複頻率大於24 Hz之決定。

李沙育掃描以時間t為參數，其掃描軌跡之定義如下：x(t)=A sin(2πf _x t)

其中A、B為常數，f _x為快軸頻率，f _y為慢軸頻率，為相位差。根據掃描軌跡之定義方程式，掃描軌跡形成一個面積為(2A)×(2B)=4×A×B的投影畫面。

在一實施例中，採用除頻(divider)方式來產生頻率，亦即一系統頻率f _clk，藉由計數器(counter)，即可產生f _x及f _y，其方式如下：取，其中M、N為整數，係為計數器所產生，則、。因此f _x與f _y的比值可寫成。

其中m/n為比值r之最簡分數，亦即m、n為一對互質之整數，而r為有理數。雖然上述以除頻方式來產生頻率，但頻率產生方式並不限於除頻，任何產生頻率的方式，只要能夠使頻率比值r為有理數即可。

在另一實施例中，也可使用直接數位合成(Direct digital synthesizer，DDS)的方式來決定，取，q為任意指定之正整數，M、N由計數器決定，則，。

在另一實施例中，也可使用相位鎖定迴路(phase lock loop，PLL)的方式，取，p為整數，由計數器決定，M、N也由計數器決定，則，。

因此，可將藉由上述方法將頻率公式代入以及，就可得到不同的M、N範圍。

當時間t=t ₀時，掃描位置為定義如下：

由於頻率比值r為有理數，因此在有限的時間內掃描軌跡將重複。

考慮t=τ，掃描軌跡回到t=t ₀，可得如下：

掃描軌跡重複的頻率。由三角函數的週期性得知：

其中α、β為正整數。上式可再化簡為

亦即。由於的最簡整數比為m/n，因此可取α=m、β =n。再利用，可得到：

由於人眼的視覺暫留，f _rep必須大於24 Hz，投影畫面才不會閃爍。

『第3圖』為李沙育掃描軌跡繪於x-y平面之情形，掃描軌跡與x=A之相切點以方格表示，與y=B之相切點以三角形表示。定義方格的個數為m，三角形的個數為n。掃描線條交織所形成的圖案，越靠近畫面中央，越接近菱形。在畫面中央附近的近似菱形，如圖中之陰影區域，其對角線長度分別為以及，可得。因此當頻率比值r越大，此近似菱形越呈現扁平狀。

『第3圖』中之陰影區域之大小可做為掃描覆蓋率的指標，如圖中之L，可表示為，將上述的長度代入可得

因此由上式可知，m、n越大，則L越小，亦即掃描覆蓋率越高。另外從可知，在給定的f _rep之下，當m、n越大，則所需頻率f _x、f _y也越高。以一般用於投影之微機電掃描元件，典型的快軸f _x約15 kHz以上。以f _x=20 kHz為例，若要求f _rep達24 Hz以上，最高m值大約為833。

『第4A圖』至『第4D圖』係繪示不同m、n值的情況下的掃描軌跡，此『第4A圖』至『第4D圖』之m皆為651，n分別為22、44、68、226，頻率比m/n可以10為界，『第4A圖』、『第4B圖』之頻率比較大，L ₁/L ₂也較大，投影畫面在視覺效果上呈現疏密狀。疏密的情況隨著頻率比值降低而越不明顯，如『第4C圖』、『第4D圖』所示。由圖中可知，m/n為10以下時，疏密的情況已經開始不明顯，特別是m/n為5以下時，疏密的情況改善得非常良好。根據前述的說明，快軸共振頻率大於15 kHz，以m/n為10的情況，慢軸頻率則大於1.5 kHz，若是5以下，慢軸共振頻率則大於3 kHz。

『第5A圖』為『第4B圖』之局部放大，可清楚看出扁平狀菱形造成疏密之投影畫面，而『第5B圖』為『第4D圖』之局部放大，菱形之細長比(aspect ratio)較低，因此不會出現疏密之投影畫面。

最後參考『第6圖』，係說明實施例之特點，實施例提昇慢軸的頻率。由圖中可以看出提昇慢軸頻率對L ^＊的影響。在此L ^＊為L之無因次表示式，亦即令A=B=1，。當快軸f _x0=24.5 kHz，慢軸f _y0為1、2、5、10、15、20 kHz時，△f _x=△f _y=5 Hz。針對特定之f _x及f _y配對，在△f _x=△f _y=5 Hz之頻率範圍內，可發現慢軸頻率升高，有助於降低L ^＊(提昇1/L ^＊)，進而提高掃描覆蓋率。

雷射投影之掃描元件必須有快慢兩個頻率，形成李沙育掃描。實施例提供一種李沙育掃描頻率組合，可使李沙育掃描投影畫面同時兼顧覆蓋率以及畫面閃爍之要求。

先前技術中並未提及慢軸所扮演的角色，大部分的先前技術所揭露的運作機制必須運作在高頻率比(亦即低頻率之慢軸)之下，因此本實施例係將慢軸頻率提昇以提高投影畫面解析度。

此外，畫面更新率與掃描線密度彼此之間不可同時兼得，當快軸頻率/慢軸頻率>10時，掃描線密度偏低，而根據本實施例所揭露之方法，當比值小於10，尤其是小於5時，掃描線密度明顯提昇。

根據實施例，降低快軸/慢軸比值以提昇慢軸的頻率，因此在相同的畫面更新率之下，可增加掃描線密度(1/L ^＊)，畫面解析度更高，而且，可提昇畫面更新率，畫面更穩定而不閃爍。透過本實施例，李沙育掃描也可投影出極佳之畫面品質，配合李沙育掃描其他優點，如驅動耗能低等，可兼顧性能與成本。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

11‧‧‧快軸

12‧‧‧快軸

13‧‧‧反射鏡

14‧‧‧質量塊

15‧‧‧慢軸

16‧‧‧慢軸

17‧‧‧框架

L‧‧‧陰影區域邊長

L1‧‧‧對角線長度

L2‧‧‧對角線長度

第1圖所示為實施例所揭露之李沙育雙軸掃描元件。

第2圖所示為實施例所揭露之李沙育雙軸掃描元件之掃描方法。

第3圖所示為實施例所揭露之李沙育掃描軌跡。

第4A圖至第4D圖係繪示不同m、n值的情況下的掃描軌跡。

第5A圖為第4B圖之掃描軌跡之局部放大。

第5B圖為第4D圖之掃描軌跡之局部放大。

第6圖係說明慢軸頻率對於掃描密度的影響。

Claims

一種李沙育雙軸掃描元件之掃描頻率產生方法，其中該李沙育雙軸掃描元件係以一快軸共振頻率與一慢軸共振頻率進行掃描，包括有：根據該李沙育雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率；根據一系統頻率以及該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率決定複數個快軸正整數以及複數個慢軸正整數；根據該複數個快軸正整數以及該複數個慢軸正整數決定一最簡整數比，其中該最簡整數比係為該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率之比值，該比值係小於10；根據該最簡整數比決定一掃描軌跡重複頻率；以及該雙軸掃描元件根據該掃描軌跡重複頻率進行掃描，其中該掃描軌跡重複頻率大於24 Hz。
如請求項1所述之掃描頻率產生方法，其中該快軸共振頻率與該慢軸共振頻率係為掃描角度最大之共振頻率。
如請求項1所述之掃描頻率產生方法，其中該快軸共振頻率係大於15 kHz。
如請求項3所述之掃描頻率產生方法，其中該慢軸共振頻率係大於1.5 kHz。
如請求項1所述之掃描頻率產生方法，其中該比值係小於5。
如請求項5所述之掃描頻率產生方法，其中該快軸共振頻率係大於15kHz。
如請求項6所述之掃描頻率產生方法，其中該慢軸共振頻率係大於3 kHz。
一種李沙育雙軸掃描元件，包括有一對快軸、一對慢軸、一反射鏡、一質量塊以及一框架，其中該反射鏡透過該對快軸連接於該質量塊，該質量塊透過該對慢軸連接於該框架，當該李沙育雙軸掃描元件被驅動時，該等快軸係以一快軸共振頻率扭轉，該等慢軸係以一慢軸共振頻率扭轉，其特徵在於：該李沙育雙軸掃描元件被驅動時，該李沙育雙軸掃描元件係以一掃描軌跡重複頻率大於24 Hz以及由一快軸偏離共振頻率與一慢軸偏離共振頻率之一比值進行掃描，其中該比值小於10；其中該快軸偏離共振頻率與該慢軸偏離共振頻率係根據該李沙育雙軸掃描元件之該快軸共振頻率以及該慢軸共振頻率決定。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該快軸共振頻率與該慢軸共振頻率係為掃描角度最大之共振頻率。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該李沙育雙軸掃描元件係以壓電式驅動。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該李沙育雙軸掃描元件係以靜電式驅動。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該李沙育雙軸掃描元件係以電磁式驅動。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該快軸共振頻率係大於15 kHz。
如請求項13所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該慢軸共振頻率係大於1.5 kHz。
如請求項8所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該比值係小於5。
如請求項15所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該快軸共振頻率係大於15 kHz。
如請求項16所述之李沙育雙軸掃描元件，其中該慢軸共振頻率係大於3 kHz。