TWI408413B - 二維掃描反射裝置 - Google Patents

Description

二維掃描反射裝置

本提案係關於一種掃描反射裝置，特別是一種二維掃描反射裝置。

在目前電子產品的主流就是輕薄短小可攜式，幾乎所有的元件都走向微型化，所以微型投影機就孕育而生。目前微型投影機可區分為三大不同技術，一是雷射微型投影技術，以雷射做為光源，並運用MEMS工藝製造出極其微小的微型掃瞄反射鏡(Micro Scanning Mirror)，微型掃瞄反射鏡可以做水平、垂直兩個軸向的掃瞄，以高速、精確的方式反射雷射光形成投影成像。二是數位光源處理(DLP)技術，影像是由數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device，DMD)產生的，DMD是在半導體晶片上佈置一個由微鏡片(精密、微型的反射鏡)所組成的矩陣，每一個微鏡片控制投影畫面中的一個像素。三是反射式矽基液晶色彩序列型(LCoS CS)技術，使用一個晶片表面上的固定光鏡，並通過液晶陣列來控制光線反射的強弱，來投射最終構成的畫面。

相較於DLP、LCoS微型投影技術，雷射微型投影技術的優點包括：耗電量最少(嵌入式投影模組用電量不到1W)，可投射影像尺寸最大(可超過100吋)、無須對焦。並且，雷射微型投影技術可提供1080P超優畫質。相較之下，DLP、LCoS微型投影產品畫質目前分別僅支援480x320畫素或VGA640x480畫素。

微型投影機的關鍵技術之一是反射鏡的旋轉角度要大，以及旋轉頻率要高，以800x600畫素而言，要達到一秒30個畫面，則快軸需要有18kHz以上的速度。

為了達到快速的掃描速度，現在雷射微型投影技術的反射鏡驅動方式，習知技術提出了電磁式、靜電式等方式，以因應各種驅動方式而改變反射鏡的設計。電磁式驅動方式會在反射鏡上增加線圈，提高勞倫茲力，以增大電磁式的掃瞄角度。不過增加線圈數卻會增加熱變形問題，造成投影失真。靜電式會增加梳狀電極的密度，提高靜電力。但也因其出力較小，造成掃瞄角度較小。

鑒於以上的問題，本提案係提出一種二維掃描反射裝置。此二維掃描反射裝置適於掃描式投影機，二維掃描反射裝置包括振動構件與掃描構件。

振動構件具有一自由端。振動構件接收一複頻訊號並依複頻訊號在自由端產生振動。複頻訊號包括第一頻率與第二頻率。掃描構件包括框架體、質量塊與反射鏡。框架體連接於振動構件的自由端並具有一第一容置空間。質量塊位於第一容置空間。質量塊藉由一第一連接桿與框架體連接，質量塊具有一第二容置空間。反射鏡位於第二容置空間，並藉由第二連接桿與質量塊連接。反射鏡具有第二自然頻率，第二自然頻率對應第二頻率。

其中，反射鏡的第二質心與第二連接桿之間具有第二偏心距離。

其中，質量塊與反射鏡的第一質心與第一連接桿之間具有一第一偏心距離。質量塊與反射鏡具有一第一自然頻率，第一自然頻率對應第一頻率，質量塊與反射鏡沿著第一連接桿以第一頻率共振。

其中，第二頻率高於該第一頻率。第一連接桿的一第一軸向與第二連接桿的一第二軸向係為實質上互相垂直。

藉由偏心的結構，本提案可達到大的掃描角度。並且本提案所提出之二維掃描反射裝置僅只用單一振動器，即可達到雙軸掃描之功效，因此可用相當簡單的結構即可實現。

以下在實施方式中係進一步詳細說明本提案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本提案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本提案相關之目的及優點。

請參照『第1圖』，係為應用本提案之光學掃描投影系統的架構示意圖。二維掃描反射裝置10可應用於行動投影裝置，例如但不限於手機或個人數位助理。行動投影裝置可包括但不限於掃描光源組件102與二維掃描反射裝置10。

二維掃描反射裝置10反射的反射光120以掃描方式反射而分別獲得投影畫面84。

在本實施例中，掃描光源組件102可包括但不限於次光源50、次光源60、次光源70、測光器51、測光器61、測光器71、分光鏡43與分光鏡44。次光源50可發射紅色次光束52，次光源60可發射綠色次光束62，次光源70可發射藍色次光束72，次光源50、次光源60與次光源70可為但不限於半導體雷射。也就是說，次光源50、次光源60與次光源70亦可為固態雷射。部分紅色次光束52可入射內建於次光源50中的測光器51，其餘的紅色次光束52可完全穿透分光鏡43與分光鏡44。綠色次光束62入射分光鏡43時，可為但不限於百分之五的綠色次光束62可穿透分光鏡43並入射測光器61，可為但不限於百分之九十五的綠色次光束62可被分光鏡43反射並穿透分光鏡44。藍色次光束72入射分光鏡44時，可為但不限於百分之五的藍色次光束72可穿透分光鏡44並入射測光器71，可為但不限於百分之九十五的藍色次光束72可被分光鏡44反射。

請參照『第2A圖』，『第2A圖』係為本提案二維掃描反射裝置之俯視圖。

二維掃描反射裝置10包括振動構件20與掃描構件30。

振動構件20可接收一複頻訊號。複頻訊號可為具有第一頻率的交流訊號與具有第二頻率的交流訊號所疊加而成。具有第一頻率的交流訊號與具有第二頻率的交流訊號亦可個別被輸入至振動構件20，而形成複頻訊號，振動構件20具有一固定端20a及一自由端20b，固定端20a可以固定在一相對不動之基材22上，例如但不限於機殼。振動構件20在接收複頻訊號後，即會在自由端20b產生複頻的振動(亦即由第一頻率及第二頻率的振動疊加)。在本實施例中，振動構件20因振動而有z 方向位移u _z ，其現象與樑的撓曲(deflection)相似，因此振動構件的振動現象可由樑的波動方程式(wave equation)來解釋：

其中t 為時間，E (x )為揚氏係數(Young’s modulus)，I (x )為樑截面之截面慣量(area moment of inertia)，ρ(x )為密度，A (x )樑之截面積，f (x ,t )為作用於樑之橫向力(lateral force per unit length)。在振動學中，樑的內部因撓曲而有力矩M 產生，其關係為

力矩為一向量，在此實施例中，力矩M 的方向與y軸平行。樑的撓曲u _z 以波的形式傳遞到掃描構件30，因此掃描構件30內部也產生y方向的力矩。

掃描構件30包括框架體32、質量塊34與反射鏡38。

框架體32連接於振動構件20。振動構件20設置於框架體32與基材22之間。框架體32具有第一容置空間33。第一容置空間33可為貫穿框架體32的一空間，或是從框架體32一表面挖空而成的溝槽。

質量塊34位於第一容置空間33。質量塊34藉由第一連接桿36與框架體32連接。第一連接桿36係可設置於質量塊34的雙側。若是第一連接桿36具有足夠強度時，第一連接桿36係可僅設置於質量塊34的單側。質量塊34具有第二容置空間37。第二容置空間37可為貫穿質量塊34的空間，或是從質量塊34一表面挖空而成的溝槽。

反射鏡38位於第二容置空間37。反射鏡38藉由第二連接桿39與質量塊34連接。第二連接桿39係可設置於質量塊34的雙側。若是第二連接桿39具有足夠強度時，第二連接桿39係可僅設置於反射鏡38的單側。

其中，質量塊34與反射鏡38整體結構的質心點為第一質心A。第一連接桿36所延伸之線段至第一質心A的距離係為第一偏心距離W1。也就是說，第一質心A的位置係不在第一連接桿36上。質量塊34、反射鏡38與第一連接桿36三者的整體結構具有一個自然頻率。經過適當的設計(容後詳述)，此自然頻率可對應於第一頻率，也就是說自然頻率與第一頻率之間可以是相同頻率或者是相互間為倍頻的關係。

在本發明之一實施例中，框架體32、質量塊34、第一連接桿36與第二連接桿39的表面具有一吸光材質。也就是說，框架體32、質量塊34、第一連接桿36與第二連接桿39會吸收掃描光源組件102所發出的雷射光。除了利用上述方式以外，亦可讓雷射光束截面積小於反射鏡38的面積，同時透過精確組裝對位，使雷射光不會照射到反射鏡38以外的區域。

請參照『第2B圖』，『第2B圖』係為『第2A圖』的局部放大圖。反射鏡38的質心為第二質心B。第二連接桿39所延伸之線段至第二質心B的距離係為第二偏心距離W2。反射鏡38與第二連接桿39具有另一個自然頻率。經過適當的設計，此另一自然頻率可對應於第二頻率。

請參照『第3圖』，『第3圖』係為本提案二維掃描的反射裝置之俯視圖。當振動構件20以第一頻率與第二頻率振動時，質量塊34與反射鏡38會以第一頻率共振，且沿著第一連接桿36的軸向(『第2A圖』中X軸的方向)產生扭力振動(torsional vibration)。並且，反射鏡38會以第二頻率共振，且沿著第二連接桿39的軸向(『第2A圖』中Y軸的方向)產生扭力振動。在此實施例中，第一連接桿36的軸向與第二連接桿39的軸向係為實質上互相垂直。

更詳細地說，由於振動構件20有Z軸方向位移，帶動框架體32有Z軸方向位移。再利用偏心的原理，Z軸方向位移可轉化為X軸方向的力矩，使得質量塊34與反射鏡38以第一連接桿36為軸產生扭轉振動。當第一頻率等於此扭轉振動的自然頻率時，因共振使得扭轉角度最大。因此，若無偏心，第一頻率無法驅動質量塊34產生大角度的振動。

第二頻率所產生的共振，使得反射鏡38以第二連接桿39為軸產生扭轉振動。其振動的機制，除了Z軸方向位移加上偏心所產生的力矩之外，還有振動構件因撓曲產生y軸方向的力矩直接傳遞至反射鏡38，可使反射鏡38產生扭轉振動。反射鏡38若有偏心，則有兩個力矩：一為Z軸方向位移加上偏心所產生的力矩，另一為振動構件20因撓曲所產生的力矩直接傳遞至反射鏡38。反射鏡38若無偏心，則只有振動構件20彎曲所直接傳遞至反射鏡38的力矩。

請參照『第4圖』，『第4圖』係為本提案扭力振動示意圖。以反射鏡38為例，反射鏡38藉由第二連接桿39與質量塊34連接。第二連接桿39與與反射鏡38的質量質心有一偏心量w，外圍結構(質量塊34)有垂直於質量塊34平面之振動量z ₀ cosωt (源自於振動構件20的z方向位移)以及旋轉振動量θ₀ cosωt (源自於振動構件20因撓曲所產生的y方向力矩)，其中ω為振動頻率，t為時間，z ₀ 為振動位移振幅θ₀ 為振動角度振幅。質量對於其質心，沿著連結桿方向之質量慣性矩為I_c ，根據振動學原理，質量可因w 所造成力矩而產生以連結桿為軸心之扭力振動，其運動方程式為

其中k為連結桿之旋轉剛性，Θ為質量之旋轉位移。若加入阻尼項，上式之解為

其中ζ為阻尼比，φ為相位差，。當ω等於ω _n 時，即為共振時，上式為

上式代表反射鏡在共振時的扭轉振動角度，等式右邊第一項cos(ωt -Φ )係由出平面振動z ₀ 加上偏心w 所產生，等式右邊第二項cos(ωt -Φ )係由振動構件因撓曲所產生的力矩所驅動。因此可看出偏心可增加反射鏡的扭轉振動角度。

若以質量塊34與反射鏡38為例，其振動方程式的推導與單獨反射鏡38類似，由於振動構件20僅提供z方向位移，因此振動角度的表示式與上式類似，只需將θ₀ 設定為零即可。

當振動構件20同時輸入兩個頻率為ω₁ 及ω₂ 的訊號，根據振動學的模態疊加原理，反射鏡38同時有x及y軸向的扭力振動。並且，第二頻率ω₂ 高於第一頻率ω₁ 。反射鏡38可以x及y軸的其中一個為快軸，另一個為慢軸，在雙軸上以不同的頻率振動。當雷射光打到反射鏡38時，反射鏡38反射雷射光並投影到螢幕上，即可進行二維掃描。

請參照『第5A圖』，『第5A圖』係為本提案振動構件之第一實施例之側視圖。振動構件20係包括第一壓電層(piezoelectricity layer)24a與連接板25。連接板25，具有一第一表面25a。第一壓電層24a，配置於第一表面25a並具有自由端20b。

當振動構件20輸入頻率為第一頻率ω₁ 與第二頻率ω₂ 的訊號時，振動構件20因為壓電效應而產生形變，振動構件20與框架體32相連接處有一Z軸方向平移振動。由於振動構件20之固定端20a連接至基材22，且自由端20b連接至掃描構件30。因此平移振動會造成一力矩作用於掃描構件30，以使掃描構件30產生振動。

輸入頻率訊號，振動構件20即會產生變形。因為振動構件20有不只一個自然頻率。當輸入不同的訊號，振動構件20產生的不同頻率的共振，且振動構件20變形的模態也不同。

請參照『第5B圖』至『第5E圖』，『第5B圖』至『第5E圖』係為本提案振動構件之振動模態之示意圖。『第5B圖』至『第5E圖』分別對應四種不同自然頻率的振動模態。在『第5B圖』至『第5E圖』所對應的自然頻率係由低至高。

這些振動模態皆會使振動構件彎曲，其內部有力矩存在(方向沿著Y軸)，在振動構件端點有橫向(即沿Z軸方向)位移。

當輸入交流訊號時，交流訊號的頻率若接近振動構件的其中一個自然頻率時，因共振原理會激發出對應的模態，振動構件20即會產生較大的振動量。

其中，當自然頻率較高時(『第5D圖』與『第5E圖』)，除了會有沿著Y軸的力矩以外，亦會有沿著X軸方向的力矩存在。也就是說，在『第5D圖』與『第5E圖』中，振動構件20會在二個不同軸向上產生振動。

特別要注意的是，『第5B圖』至『第5E圖』係只針對一特別尺寸或是一特別形狀的振動構件20的振動模態。不同尺寸或是不同形狀的振動構件20，則會具有不同的振動模態與自然頻率。也就是說，振動構件20的振動模態與自然頻率並不以『第5B圖』至『第5E圖』為限。

請參照『第6圖』，『第6圖』係為本提案振動構件之第二實施例之立體示意圖。振動構件20係包括第一壓電層24a、第二壓電層24b與連接板25。連接板25位於第一壓電層24a與第二壓電層24b之間。連接板25本身可為導電材料，此導電材料可接地。此外也可在連接板25的上下表面鍍上電極，並同時接地。第一壓電層24a的上表面與第二壓電層24b的下表面鍍有電極，且第一壓電層24a的電極與第二壓電層24b的電極係互相電性連接。此外，第一壓電層24a與第二壓電層24b的極化方向係相同。因此，第一壓電層24a與第二壓電層24b係可朝同一個方向振動，而使掃描構件30產生振動。

請參照『第7圖』，『第7圖』係為本提案振動構件之第三實施例之立體示意圖。振動構件20係成U字型。振動構件20包括第一振動臂26a、第二振動臂26b與連接板25。第一振動臂26a包括第一壓電層24a’與第二壓電層24b’，連接板25位於第一壓電層24a’與第二壓電層24b’之間。第二振動臂26b包括第一壓電層24a”與第二壓電層24b”，連接板25位於第一壓電層24a”與第二壓電層24b”之間。

第一壓電層24a’、第一壓電層24a”的上表面具有電極，第二壓電層24b’、第二壓電層24b”的下表面具有電極。第一壓電層24a’與第二壓電層24b’的電極係互相電性連接，第一壓電層24a”與第二壓電層24b”的電極係互相電性連接。因此可以在第一振動臂輸入第一頻率ω₁ 的訊號，且在第二振動臂輸入第二頻率ω₂ 的訊號：或在第二振動臂輸入第一頻率ω₁ 的訊號，且在第一振動臂輸入第二頻率ω₂ 的訊號。如此可使振動構件20以第一頻率ω₁ 與第二頻率ω₂ 振動。

請參照『第8圖』，『第8圖』係為本提案振動構件之第三實施例之俯視圖。第一振動臂26a與第二振動臂26b係連接於掃描構件30。因此，掃描構件30以第一頻率ω₁ 與第二頻率ω₂ 進行振動。

藉由偏心的結構，本提案可達到大的掃描角度。並且本提案所提出之二維掃描反射裝置僅只用單一振動器，即可達到雙軸掃描之功效，因此可用相當簡單的結構即可實現。

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

10．．．二維掃描反射裝置

102．．．掃描光源組件

20．．．振動構件

20a．．．固定端

20b．．．自由端

22．．．基材

24a．．．第一壓電層

24a’．．．第一壓電層

24b．．．第二壓電層

24b’．．．第二壓電層

25．．．連接板

26a．．．第一振動臂

26b．．．第二振動臂

30．．．掃描構件

32．．．框架體

33．．．第一容置空間

34．．．質量塊

36．．．第一連接桿

37．．．第二容置空間

38．．．反射鏡

39．．．第二連接桿

43．．．分光鏡

44．．．分光鏡

50．．．次光源

51．．．測光器

52．．．紅色次光束

60．．．次光源

61．．．測光器

62．．．綠色次光束

70．．．次光源

71．．．測光器

72．．．藍色次光束

84．．．投影畫面

A．．．第一質心

B．．．第二質心

W1．．．第一偏心距離

W2．．．第二偏心距離

『第1圖』係為應用本提案之光學掃描投影系統的架構示意圖；

『第2A圖』係為本提案二維掃描反射裝置之俯視圖；

『第2B圖』係為『第2A圖』的局部放大圖；

『第3圖』係為本提案二維掃描的反射裝置之俯視圖；

『第4圖』係為本提案扭力振動示意圖；

『第5A圖』係為本提案振動構件之第一實施例之側視圖；

『第5B圖』至『第5E圖』係為本提案振動構件之震動模態之示意圖；

『第6圖』係為本提案振動構件之第二實施例之立體示意圖；

『第7圖』係為本提案振動構件之第三實施例之立體示意圖；以及

『第8圖』係為本提案振動構件之第三實施例之俯視圖。

10．．．二維掃描反射裝置

20．．．振動構件

22．．．固定端

30．．．掃描構件

32．．．框架體

33．．．第一容置空間

34．．．質量塊

36．．．第一連接桿

37．．．第二容置空間

38．．．反射鏡

39．．．第二連接桿

A．．．第一質心

W1．．．第一偏心距離

Claims (13)

1. 一種二維掃描反射裝置，包括：一振動構件，該振動構件具有一自由端，該振動構件接收一複頻訊號並依該複頻訊號在該自由端產生振動，該複頻訊號包括一第一頻率與一第二頻率；以及一掃描構件，包括：一框架體，該框架體連接於該振動構件的該自由端並具有一第一容置空間；一質量塊，位於該第一容置空間，該質量塊藉由一第一連接桿與該框架體連接，該質量塊具有一第二容置空間；以及一反射鏡，位於該第二容置空間，並藉由一第二連接桿與該質量塊連接，該反射鏡具有一第二自然頻率，該第二自然頻率對應該第二頻率；其中，該質量塊與該反射鏡的一第一質心與該第一連接桿之間具有一第一偏心距離，該質量塊與該反射鏡具有一第一自然頻率，該第一自然頻率對應該第一頻率，該質量塊與該反射鏡沿著該第一連接桿以該第一頻率共振。
2. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，該反射鏡的一第二質心與該第二連接桿之間具有一第二偏心距離。
3. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該第二頻率高於該第一頻率。
4. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該第一連接桿的一第一軸向與該第二連接桿的一第二軸向係為實質上互相垂直。
5. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該振動構件係包括：一連接板，具有一第一表面；以及一第一壓電層，配置於該連接板的該第一表面之一端並具有該自由端，該第一壓電層接收該複頻訊號並依據該複頻訊號而於該自由端產生振動。
6. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該振動構件係包括一第一壓電層、一第二壓電層與一連接板，該連接板位於該第一壓電層與該第二壓電層之間，該第一壓電層與該第二壓電層接收該複頻訊號並以該第一頻率與該第二頻率振動。
7. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該振動構件係包括一第一振動臂與一第二振動臂，該第一振動臂與該第二振動臂連接於該固定端與該框架體之間，該第一振動臂根據該複頻訊號以該第一頻率振動，且該第二振動臂根據該複頻訊號以該第二頻率振動。
8. 如請求項1所述之二維掃描反射裝置，其中該框架體與該質量塊表面具有一吸光材質。
9. 6或7所述之二維掃描反射裝置，其中該振動構件一端連接至一基材，該振動構件的另一端連接至該掃描構件。
10. 如請求項7所述之二維掃描反射裝置，其中該振動構件為U字型。
11. 如請求項7所述之二維掃描反射裝置，其中該第一振動臂與該第二振動臂包括一第一壓電層、一第二壓電層與一連接層。
12. 如請求項6或11所述之二維掃描反射裝置，其中該第一壓電層的一上表面與該第二壓電層的一下表面分別鍍有一電極，且該二電極係互相電性連接。
13. 6或11所述之二維掃描反射裝置，其中該連接板為一導電材料。