CN100483179C

CN100483179C - 共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置

Info

Publication number: CN100483179C
Application number: CNB2007101351185A
Authority: CN
Inventors: 刘文景; 王保平; 汤勇明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: CN101149476A

Abstract

本发明提供一种使用共振型微镜实现光栅扫描的激光投影显示方法。由视频处理模块，控制模块，共振型扫描微镜，激光机及调制器，光纤混色器组成。视频信号经过视频处理模块后得到需显示的信号序列，将这一序列加到激光调制器上，实现灰度控制。将调制后的三束激光引入光纤实现混色。以实现彩色显示。出射光照在微反射镜上。控制模块负责控制微镜实现行扫和列扫。

Description

共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置

技术领域

本发明涉及一种激光投影显示***，特别涉及一种使用共振型微镜实现光栅扫描的激光投影显示器。

背景技术

大屏幕一直是显示技术发展的重大方向之一，CRT在大屏幕化的进程中逐渐被淘汰，未来屏幕会更大，那么LCD技术就会面临生产线成本极高的瓶颈。但大屏幕化的趋势不可逆转，人们所要寻找的是一种新的方案。

投影显示是实现大屏幕的最廉价，最有效的方案。传统投影技术有寿命短，亮度底，发热量大，体积大等缺点。在目前家用大屏幕显示领域的竞争却处于劣势。

MEMS技术是随着集成电路技术的发展，于20世纪80年代出现的新兴交叉学科，现在在生物、电子、医疗、传感等领域展露强劲潜力并取得许多重大成果。MEMS技术的优势在于体积小、重量轻、稳定性好、能耗小。将MEMS技术引进投影技术的重大成果之一就是DLP技术。

激光技术是随着人类对光的本质探究的深入，于上世纪60年代发展起来的新兴技术，它的特殊性质是以前任何一种光源所不能比拟的。将激光技术运用于显示技术，首先能极大地提高发光效率。实现小功耗，高亮度。其次是更好地重现自然色彩，据统计，传统的使用磷光体和灯泡的显示器只能表达出人眼所见自然色彩的30％，而激光显示能表达出83％。

在这样的背景下，将MEMS技术和激光技术应用于显示领域显然是今后的一个趋势。

发明内容

本发明提供一种有助于提高***可靠性并能够增大驱动力矩，相应减小驱动力的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置。

本发明采用如下技术方案：

一种共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，由红、绿、蓝激光器、光纤混色器、扫描微镜、第二反射镜、静态镜及屏幕组成，红、绿、蓝激光器发出的光经光纤混色器、扫描微镜、第二反射镜及静态镜，投射到屏幕上，扫描微镜采用共振型扫描微镜，该共振型扫描微镜包括：下基板及上透光板，在下基板与上透光板之间设有镜面及静电驱动器且上透光板位于镜面的上方，在下基板上设有支架，镜面通过设在镜面左右两端的转动臂与支架连接，上述静电驱动器包括动极板及定极板，动极板与定极板相面对，动极板与镜面的侧面连接。

本发明的优点在于

1.本显示***由于采用激光作为光源，激光具有最饱和的颜色，可以很有效地扩展色三角形的区域，与使用荧光粉或是弧光灯做光源的微反射镜投影***相比，本***具有更宽阔的色阈。

2.相对于线性矩阵或是面矩阵式的微反射镜激光投影技术，比如利用DLP芯片的激光投影等，激光光栅扫描方式在不改变微反射镜结构设计的情况下非常容易提高分辨率，使得***能实现极高的分辨率，而矩阵式微反射镜激光投影技术却要求重新设计芯片，并且随着矩阵数目的加大以及矩阵单元结构小型化，对制造工艺也是一种挑战。所以光栅扫描式结构的扩容性更好，具有极小的形状系数。

3.相对于LCOS激光投影技术的液晶透射结构，本***的反射结构的光学效率更高。降低了对光源亮度的要求，从而降低了***设计要求，降低成本。

4.相对于传统的非共振型双扫描投影装置，本***的突出有点在于机械效率高。在共振条件下，很小的驱动电压就可以产生很大的摆幅。

5.本***中的新型共振型微反射镜的优点在于，拉大梳状静电驱动器部分与转动轴之间的距离，这样产生相同的力矩只要用更小的力，即仅需要更小的静电引力，从而降低了驱动电压的要求，而连接梳状静电驱动器部分的那一部分和镜面是同样的材料，就意味着加大了垂直于转动轴方向的镜面面积，而这部分面积很有意义，可以降低入射激光束对准的精度要求，原来需要对准正中，现在即使偏一些也在允许范围内。这使得在***处于振动等外部不利条件下仍可以保持可靠性。

6.本***中的新型共振型微反射镜采用梳状静电驱动器的优点在于增加两电极之间的有效面积，从而增加电容。使得在相同的驱动电压条件下在电极两端产生更多的电荷，从而增大静电引力。

7.本***中的新型共振型微反射镜的生产工艺过程简单，成品尺寸大小在几个毫米左右，镜面大小只有一个毫米，可以在一片原片上制造若干，可以将成本降至极低。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明共振型微反射镜的结构示意图。

图3是本发明共振型微反射镜的制备工艺流程图。

具体实施方式

一种共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，由红、绿、蓝激光器1、光纤混色器2、扫描微镜3、第二反射镜4、静态镜5及屏幕6组成，红、绿、蓝激光器1发出的光经光纤混色器2、扫描微镜3、第二反射镜4及静态镜5，投射到屏幕6上，扫描微镜3采用共振型扫描微镜，该共振型扫描微镜包括：下基板311及上透光板312，在下基板311与上透光板312之间设有镜面32及静电驱动器且上透光板312位于镜面32的上方，在下基板311上设有支架33，镜面32通过设在镜面32左右两端的转动臂321与支架33连接，上述静电驱动器包括动极板41及定极板42，动极板41与定极板42相面对，动极板41与镜面32的侧面连接，动极板41可以采用1个并与镜面32的单个侧面连接，动极板41也可以采用2个并与镜面32的上下两个侧面连接。所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，动极板41采用梳状电极板。所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，其特征在于定极板42采用梳状电极板。所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，在动极板41与镜面32的侧面之间设有用于增大驱动力矩的电极支撑臂322。所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，电极支撑臂322由镜面32延伸形成。

下面参照附图，对本发明作出更为具体的说明：

本发明采用的结构如附图1

本显示***由视频处理模块，控制模块5，共振型扫描微镜，第二反射镜，激光器及调制器，光纤混色器组成。

首先，视频信号经过视频处理模块后得到需显示的信号序列，将这一序列加到激光调制器上，实现灰度控制。

将调制后的三束激光引入光纤实现混色。以实现彩色显示。出射光照在共振型微反射镜上，实现行扫。然后光束射向第二反射镜，实现列扫。

控制模块负责控制微镜实现行扫和列扫。不同制式的微镜共振频率如下表：

显示类型	QVGA	VGA	SVGA	XGA	SXGA	UXGA	HDTV
显示类型	QVGA	VGA	SVGA	XGA	SXGA	UXGA	HDTV	水平分辨率	320	640	800	1024	1280	1600	1920
垂直分辨率	240	480	600	768	1024	1200	1080	水平分辨率	320	640	800	1024	1280	1600	1920
垂直分辨率	240	480	600	768	1024	1200	1080	行扫频率(Hz)	8000	16000	20000	25600	34133	40000	36000

传统结构的扫描镜在这样的频率条件下，驱动难度极大，需要很高的驱动电压，才能实现较宽的偏转角度。数值模拟表明，在外部驱动电压不变的条件下，改变驱动频率，相同器件在共振的条件下与不共振的条件下的振幅相差达到数千倍。因为传统的扫描镜尺寸较大，共振频率只有几百赫兹，不能实现本***的设计目的。

本***中的核心部件是共振型微反射镜。微镜由悬臂、镜面、梳状静电驱动器电极支撑臂四部分组成，结构如附图2

微镜的工作原理为，在静电驱动器上施加电压后，静电力相对于悬臂轴有一个力矩，使得微镜转动某个角度。若电压周期性改变，则可实现微镜的周期性扭转振动。从而实现光束扫描的作用。

微镜的设计目标是在显示***做要求的行扫频率与列扫频率下，以较小的驱动电压达到较大的摆幅，以实现宽视角。换句话说就是以较少的电磁能量输入得到较大的机械效应。研究表明只有使得微镜的扭转共振频率与所要求的行扫频率、列扫频率相一致。才能达到这个目的，我们称之为共振型微反射镜。

微镜的共振频率满足以下方程

ω_{0} = 2 π f_{0} = \sqrt{\frac{k}{I}}

k是指弹性常数，I是指转动惯量，ω₀是自然频率

I = \underset{i}{Σ} Δ A_{i} r_{i}^{2} = &Integral; &Integral; r^{2} dA

k = \frac{2 G w_{s}^{3} t_{s}}{3 l_{s}} [1 - \frac{192}{π^{5}} \frac{w_{s}}{t_{s}} \tanh (\frac{π t_{s}}{2 w_{s}})]

t_s为弹性梁的厚度，w_s为弹性梁的宽度，l_s为弹性梁的长度。

按照此关系，镜面形状，镜面形状，都会影响到转动惯量。而悬臂的长度、宽度、高度、材质都会影响到k。

而驱动部件的位置与结构则影响到驱动电压的大小，是能不能降低驱动电压的关键之一。

综上所诉，微镜的设计过程是的实证的过程，类似于寻找一个平衡点的过程。任何参数的变化都会使得共振这一条件不再成立。

我们所设计的微镜，镜面长2600微米左右，宽1000微米，悬臂长为1000微米，宽为100微米。厚度为70微米。通过这种参数的微反射镜与传统结构的反射镜相比的最主要特征就是尺寸小。不能通过传统的制造方式得到。

微镜的制造使用淀积工艺，制作过程如附图：

首先是上半部分的制作：首先在玻璃上制作穿孔，然后键合一层多晶硅并抛光，之后制作信号线以及用于与下半部连接的部件。再之后腐蚀出梳状驱动部件。

其次是下半部分的制作：首先在硅衬底上键和一层隔离层，通常选用phosphosilicate glass。将隔离层腐蚀成所需的形状，再在其上淀积一层多晶硅，之后再腐蚀出我们做需要的镜面形状。然后有选择地去除隔离层。

将上下两部分连在一起，就得到本发明的核心部件。过程如附图3。

Claims

1、一种共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，由红、绿、蓝激光器(1)、光纤混色器(2)、扫描微镜(3)、第二反射镜(4)、静态镜(5)及屏幕(6)组成，红、绿、蓝激光器(1)发出的光经光纤混色器(2)、扫描微镜(3)、第二反射镜(4)及静态镜(5)，投射到屏幕(6)上，其特征在于扫描微镜(3)采用共振型扫描微镜，该共振型扫描微镜包括：下基板(311)及上透光板(312)，在下基板(311)与上透光板(312)之间设有镜面(32)及静电驱动器且上透光板(312)位于镜面(32)的上方，在下基板(311)上设有支架(33)，镜面(32)通过设在镜面(32)左右两端的转动臂(321)与支架(33)连接，上述静电驱动器包括动极板(41)及定极板(42)，动极板(41)与定极板(42)相面对，动极板(41)与镜面(32)的侧面连接，在动极板(41)与镜面(32)的侧面之间设有用于增大驱动力矩的电极支撑臂(322)。

2、根据权利要求1所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，其特征在于动极板(41)采用梳状电极板。

3、根据权利要求1或2所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，其特征在于定极板(42)采用梳状电极板。

4、根据权利要求1所述的共振型微镜光栅扫描式激光投影显示装置，其特征在于电极支撑臂(322)由镜面(32)延伸形成。