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Dokumentenidentifikation DE602004006284T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001668397
Titel LASERSTRAHLABTASTER
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder WILLEMSEN, Oscar H., NL-5656 AA Eindhoven, NL;
HOLTSLAG, Antonius H., NL-5656 AA Eindhoven, NL;
IJZERMAN, Willem L., NL-5656 AA Eindhoven, NL;
DE ZWART, Siebe T., NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Volmer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52066 Aachen
DE-Aktenzeichen 602004006284
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.07.2004
EP-Aktenzeichen 047445101
WO-Anmeldetag 07.07.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/IB2004/051149
WO-Veröffentlichungsnummer 2005006052
WO-Veröffentlichungsdatum 20.01.2005
EP-Offenlegungsdatum 14.06.2006
EP date of grant 02.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G02B 26/08(2006.01)A, F, I, 20061107, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 26/10(2006.01)A, L, I, 20061107, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweidimensionale Scanningvorrichtung zur Verwendung in einer Projektionsanzeige, welche eine Fläche umfasst, die an mindestens zwei Torsionselementen aufgehängt ist, welche eine Torsionsachse festlegen, und die einen ersten Aktor umfasst, um die Fläche um die Torsionsachse herum zu schwenken.

Kürzlich ist vorgeschlagen worden, kleine in der Hand tragbare elektronische Geräte, wie z.B. Mobiltelefone oder Minicomputer, mit Bildprojektoren auszustatten. Die Fähigkeit zur Darstellung von Informationen auf einer weit größeren Fläche als den derzeitigen Bildschirmen wird den Weg für Aktivitäten, wie das Betrachten von Echtzeit-Videos, das Ausführen von Spielen, den gemeinsamen Zugriff auf Bilder, ebnen.

Eine derartige Projektionsanzeigevorrichtung muss kompakt, preiswert, leicht, energiesparend und robust sein. Für die Anzeige von Video-Informationen sollte die Bildwiederholfrequenz höher als oder gleich 50 Hz sein. Die Zeilenfrequenz hängt von der Bildfrequenz, der Anzahl der dargestellten Zeilen und davon ab, ob das Bild fortschreitend oder mit Zeilensprung gescannt wird. Eine grobe Abschätzung der in einem derartigen Scanner benötigten Frequenz ist 16 kHz.

Das Konzept einer Video-Anzeige auf Basis des Laserscannens ist vom Stand der Technik her gut bekannt, und es schließt üblicherweise eine Laserdiode und zwei einzelne Scanningspiegel ein, von denen einer gewöhnlich ein rotierender Polygonspiegel ist. Dieses Konzept weist den Nachteil auf, dass schwerwiegende Rasterverzerrungen verursacht werden, da die Ablenkungspunkte für die horizontale und die vertikale Richtung nicht an dem gleichen Punkt positioniert sind. Anders als die Rasterverzerrungen, die in einer Kathodenstrahlröhre auftreten, weisen derartige Verzerrungen keine Quadrantensymmetrie auf und sind folglich schwerer elektronisch zu korrigieren. Es gibt auch eine Anzahl von praktischen Problemen. Die Scanningspiegel weisen eine Reflexionsfläche von 5·5 mm2 auf, was sie zu sperrig macht, um in einem kleinen in der Hand tragbaren elektronischen Gerät verwendet zu werden. Zusätzlich muss der Spiegel für die Schnellabtastrichtung über seine Resonanzfrequenz hinaus angetrieben werden, was eine übermäßige Eingangsleistung für den Scanner zur Folge hat.

Beispiele für alternative Scanner, die zum Überwinden dieser Probleme vorgesehen sind, sind die Torsions-Scanner (siehe z.B. US 5,629,790) und die Ausleger-Scanner (siehe z.B. EP 875 780). Ein Torsions-Scanner enthält einen Spiegel, der durch zwei Torsionsstifte (Federn) über einer Aussparung in einem Sockel aufgehängt ist. Wenn er angesteuert wird, dann schwenkt der Spiegel um die Achse der Torsionsstifte. Ein Ausleger-Scanner enthält einen Spiegel auf einem Auslegerarm, der in einem seiner kurzen Enden am Sockel angebracht ist. Wenn er angesteuert wird, dann wird sich der Auslegerarm verbiegen, und sein freies Ende dreht sich somit um eine Achse, die senkrecht zu seiner Längsausdehnung ist. In beiden Fällen wird ein Aktor angeordnet, um ein Schwingen des Spiegels und seiner mechanischen Halterung bei der Resonanzfrequenz zu verursachen. Der Aktor kann zum Beispiel elektrostatisch sein, wobei er eine Spannung zwischen dem Spiegel und dem Sockel bereitstellt, er kann ein Bimorph-Aktor oder ein piezoelektrischer Aktor sein.

Durch Kombination von zwei Torsions-Scannern kann ein zweidimensionaler Scanner erhalten werden, wie in US 5,629,780 dargestellt ist. Ein zweidimensionaler Torsions-Scanner mit einem elektrostatischen Aktor ist in der US-Patentanmeldung 2001/0022682 offenbart.

Diese vorgeschlagenen Scanner weisen eine relativ große Reflexionsfläche und somit eine große Masse auf. Durch Kombination der großen Masse mit steifen Torsionsstiften oder Auslegern kann die Resonanzfrequenz des Spiegels in der Schnellabtastrichtung die Anforderungen für Video-Anwendungen erfüllen. Ein steifer Ausleger oder Torsionsstift hat jedoch zur Folge, dass der optische Abtastwinkel des Spiegels üblicherweise in der Größenordnung von fünf Grad liegt, was für den Einsatz in einer Projektionsanzeige, die bei einer nahen Entfernung betrieben wird, zu klein ist. Außerdem werden die Scanner im Vakuum betrieben, um eine Luftdämpfung zu vermeiden, so dass ein kostspieliger Kapselungsschritt erforderlich ist. Werden stattdessen schwächere Torsionsstifte oder Ausleger verwendet, dann kann der Abtastwinkel vergrößert werden, aber das ist mit einer Resonanzfrequenz verbunden, die zu gering ist, um den Strahl bei einer Bildfrequenz zu scannen, die für Video-Anwendungen geeignet ist.

In US 6,201,629 wird eine zweidimensionale Scanningvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Probleme zu bewältigen und eine verbesserte zweidimensionale Scanningvorrichtung bereitzustellen, die für eine Projektionsanzeige geeignet ist.

Erfindungsgemäß werden diese und andere Aufgaben durch eine Scanningvorrichtung der Art gelöst, wie sie einführend erwähnt wurde, wobei sie ferner umfasst: einen Auslegerarm, der ein bezüglich der Fläche befestigtes Ende und ein gegenüberliegendes Ende aufweist, das eingerichtet ist, sich um eine Achse zu biegen, die nicht parallel zu der Torsionsachse ist; eine Reflexionsfläche, die auf dem Auslegerarm vorgesehen ist, und einen zweiten Aktor, um den Auslegerarm dazu zu bringen, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen.

Die Fläche und der erste Aktor bilden einen Torsions-Scanner, der in einem ersten Frequenzbereich arbeitet, welcher die Resonanzfrequenz des Torsions-Scanners einschließen kann, aber keineswegs darauf beschränkt ist. Dieser Scanner trägt dann auf seiner Fläche einen zweiten Scanner vom Auslegertyp, der eingerichtet ist, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen, die bedeutend höher ist als die Frequenz des ersten Scanners. Da die Reflexionsfläche des zweiten Scanners um zwei unterschiedliche Achsen geschwenkt oder gedreht werden kann, kann er als zweidimensionaler Scanner verwendet werden.

Die Kombination aus einem langsamen Torsions-Scanner und einem schnelleren Ausleger-Scanner liefert einen zweidimensionalen Scanner, der in der Lage ist, einen Laserstrahl in einem Rastermuster zu scannen, um ein Bild zu projizieren.

Vorzugsweise weist der Auslegerarm eine derartige Masse und derartige Abmessungen auf, dass seine Resonanzfrequenz im Bereich von 10 kHz–100 kHz und vorzugsweise im Bereich von 15 kHz–35 kHz liegt. Das ist ein geeigneter Frequenzbereich für Video-Projektionsausführungen. In der Praxis kann das erreicht werden, indem eine Reflexionsfläche mit Abmessungen in der Größenordnung von 100 &mgr;m mal 100 &mgr;m vorliegt, die auf einem Auslegerarm vorgesehen ist, der aus Silizium oder Siliziumnitrid angefertigt ist. Ferner weist der Ausleger vorzugsweise eine solche Dicke auf, dass er einen Biegebereich von mindestens 10 Grad und vorzugsweise mehr als 25 Grad erlaubt, wodurch ein optischer Abtastwinkel bereitgestellt wird, der zweimal so groß wie dieser Bereich, d.h. mehr als 50 Grad, ist.

Gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung weist der Auslegerarm zwei Schenkel auf, von denen jeder bezüglich der Fläche fixiert ist und wobei sich die Reflexionsfläche so erstreckt, dass sie die zwei Schenkel verbindet. In dieser Bauform ist der Reflexionsbereich biegesteifer als die Arme. Somit ist der Biegebereich mehr oder weniger vom Reflexionsbereich getrennt. Ferner ist der Ausleger in der Torsionsrichtung (d.h. der Drehung entlang der Längenachse) steifer. Somit wird die Biegung des Auslegers durch die Verschiebung des Arms infolge Torsion weniger gestört. Die Form der Reflexionsfläche ist vorzugsweise rechteckig, was eine Verringerung des Apertur-Formfaktors bewirkt, wodurch die Winkelstreuung im reflektierten Strahl verringert wird.

Vorzugsweise sind der Auslegerarm und die Oberfläche des Torsions-Scanners aus einem Substrat ausgebildet, wobei sich der Auslegerarm von der einen Seite einer Öffnung in der Fläche erstreckt. Diese Bauform umgeht die Notwendigkeit, zwei getrennte Scanningvorrichtungen aufeinander auszurichten. Die Oberfläche und die Torsionsstifte des Torsions-Scanners können durch Ätzen eines Substrats aus Silizium oder Siliziumnitrid ausgebildet sein.

Der zweite Aktor kann ein piezoelektrischer Aktor sein. Er kann unmittelbar auf der Schwenkfläche oder von dieser Fläche getrennt angeordnet sein. Die mechanische Erregung vom piezoelektrischen Aktor verursacht die Schwingung des Auslegers.

Der erste Aktor kann unterschiedlichen Typs, zum Beispiel ein galvanischer Aktor oder ein elektrostatischer Aktor, sein. Alternativ kann der erste Aktor [Anspruch 8] umfassen. Ein derartiger Aktor ist an sich vom Stand der Technik her neu und kann vorteilhaft in verschiedenen Typen von Torsions-Scannern, einschließlich anderer Typen als der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen, realisiert werden.

Entsprechend einer zweiten Ausbildung der Erfindung können die obigen Aufgaben durch eine Projektionsvorrichtung gelöst werden, die eine Scanningvorrichtung in Übereinstimmung mit oben umfasst.

Diese und andere Ausbildungen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigen.

1 ist eine schematische Ansicht einer Projektionsvorrichtung, welche vorteilhaft eine Scanningvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung implementiert.

2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausleger-Scanners gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

3a und 3b sind Draufsichten von Ausleger-Scannern gemäß einer zweiten bzw. einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

4 ist eine Schnittansicht einer Scanningvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

5 ist eine Draufsicht einer Scanningvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist eine Projektionsvorrichtung 1 schematisch dargestellt, in der ein erfindungsgemäßer Scanner implementiert ist. Die Vorrichtung ist in der Lage, einen Laserstrahl 2 auf eine Fläche, wie z.B. eine (nicht dargestellte) Wand zu projizieren, und die Abmessungen der Vorrichtung sind derart, dass sie in einer mobilen Anwendung, z.B. einem Mobiltelefon oder einem Minicomputer, verwendet werden kann. Üblicherweise bedeutet das in der Größenordnung von 10 mm mal 10 mm.

In der dargestellten Projektionsvorrichtung 1 wird eine gewünschte Farbe durch Vereinigen von roten, blauen und grünen Laserstrahlen 3a, 3b, 3c in einem Verhältnis erhalten, das durch ein Videosignal festgelegt ist. Der vereinigte Laserstrahl 2 wird dann auf eine Scanningvorrichtung 13 ausgerichtet und über einen Schirm 14 gescannt, um ein Farbbild zu erhalten.

Die Laserstrahlen in roter und blauer Farbe werden vorzugsweise durch Laserdioden 4a, 4b erzeugt, die Licht im roten bzw. blauen Wellenlängenbereich emittieren. Während rote und blaue Laserdioden gegenwärtig handelsüblich sind, sind es grüne Laserdioden gegenwärtig nicht (obwohl es für die Zukunft erwartet wird). In dem dargestellten Projektor wird das grüne Licht deshalb durch eine Diodenpumpe 5 erzeugt, die einem Kristall 6 Infrarotlicht zuführt, der zwei Infrarotphotonen in ein Photon des grünen Lichts umwandelt. Eine andere (nicht dargestellte) Option besteht in der Verwendung einer Upconversion-Faser, die als ein Laser wirkt, wenn sie mit einer UV-Laserdiode gepumpt wird. Noch eine weitere Option ist die Verwendung eines optisch gepumpten Halbleiterlasers (OPSL) für die Erzeugung des grünen (und blauen) Lichts.

Wenn das grüne Licht bei der Videofrequenz nicht durch Modulieren der Diodenpumpe 5 moduliert werden kann, dann kann ein Lichtmodulator 7 in den Strahlengang des grünen Strahls eingesetzt werden.

Ein Treiber 8 ist eingerichtet, das Video-Informationen enthaltende Videosignal zu empfangen und die Laserstrahlen 3a, 3b, 3c entsprechend diesen Informationen zu modulieren. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Satz von Linsen 10a, 10b, 10c, die um einen dichroitischen Spiegel 11 herum angeordnet sind, und eine weitere Linse 12, die zwischen dem dichroitischen Spiegel und einer erfindungsgemäßen Scanningvorrichtung 13 angeordnet ist. Der dichroitische Spiegel 11 kann ein dichroitischer Würfel von einer Art sein, die aus LCD-Projektoren gut bekannt ist, und er ist vorteilhaft ganz klein und somit billig.

Dadurch dass die Laserstrahlen 3a, 3b, 3c die Linsen 10a, 10b, 10c und den dichroitischen Spiegel 11 durchlaufen, werden sie zu einem parallelen Strahl 2 vereinigt und kollimiert, welcher auf die Scanningvorrichtung 13 passt. Zum Beispiel wird das Licht aus der roten Laserdiode 4a durch eine erste Linse 10a fokussiert, wonach es in dem dichroitischen Spiegel 11 vereinigt und mit einer kleinen Linse 12 kollimiert wird. Die Details zu den Linsen, ihren Abständen voneinander und ihren Stärken können von einem Fachmann bestimmt werden.

Um in zwei Dimensionen zu arbeiten, umfasst die Scanningvorrichtung 13 zwei eindimensionale Scanner: einen ersten, langsamen Scanner, der mit einem zweiten, schnellen Scanner versehen ist. Der erste Scanner ist ein Torsions-Scanner, und er umfasst einen plattenförmigen Bereich, der an dem umliegenden Material aus durch zwei Stifte oder Federn angehängt ist. Durch Ansteuern der Platte unter Verwendung eines geeigneten Aktors kann die Platte dazu gebracht werden, um die Achse zu schwenken, die durch die Stifte festgelegt ist. Der zweite Scanner ist ein Ausleger-Scanner, und er umfasst einen mit einer spiegelnden Fläche versehenen Auslegerarm, der an einem Ende an einem Substrat befestigt ist. Durch Ansteuern des Arms unter Verwendung eines geeigneten Aktors wird sich der Arm um eine Achse biegen, die senkrecht zu seiner Längsausdehnung ist, und er kann dazu gebracht werden, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Es ist wichtig, dass sich die Schwingungsrichtung des Ausleger-Scanners von der Drehrichtung des Torsions-Scanners unterscheidet, um einen zweidimensionalen Scanner bereitzustellen. Wenn ein Scanningmuster vom Rastertyp realisiert wird, dann ist die Schwingungsrichtung des Ausleger-Scanners vorzugsweise genau senkrecht zur Drehrichtung des Torsions-Scanners, und der spiegelnde Bereich des Ausleger-Scanners ist genau auf der Drehachse des Torsions-Scanners angeordnet. Um die Kapselungskosten des Scanners zu minimieren, werden alle Ausführungsformen möglichst in Luft betrieben. Die erfindungsgemäße 13 wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Mit Bezugnahme auf die 23 wird als erstes der Ausleger-Scanner beschrieben. In seiner einfachsten Form, die in 2 dargestellt ist, ist ein Ausleger 20 als ein rechteckiger Arm 21 mit einer Dicke T, einer Breite W und einer Länge L ausgebildet, der von einem Sockel 22 absteht. Die Resonanzfrequenz (f) eines frei schwingenden Armauslegers ist gegeben durch:

wobei T die Dicke, L die Länge, E der Elastizitätsmodul und &rgr; die Dichte des Auslegers ist. Es ist zu beachten, dass die Breite des Auslegers keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat.

Der Ausleger kann in der Längsrichtung um eine Achse A gebogen werden, und die Abmessungen sowie das Material des Auslegers sind so gewählt, dass sie einen Biegewinkel &agr; ermöglichen, der für die beabsichtigte Anwendung ausreichend ist. Vorzugsweise ist der maximale Biegewinkel &agr; ungefähr 30 Grad, was einen Abtastwinkel von 60 Grad ergibt (der Einfallswinkel ist bis zu 30 Grad groß). Das stellt selbst für eine kleine Reflexionsfläche eine ausreichende Auflösung bereit.

Die am stärksten bevorzugte Größe des Auslegers hängt von der Resonanzfrequenz ab, die für die Anwendung erforderlich ist. Wird der Einfachheit halber angenommen, das der Ausleger ein homogenes Stück aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von 600 nm ist, dann kann errechnet werden, dass eine Länge von 241 &mgr;m einer Resonanzfrequenz von 16 kHz entspricht. Die Breite des Auslegers kann mit weniger Einschränkungen gewählt werden, da sie die Resonanzfrequenz nicht beeinflusst.

Um die Reflexionskoeffizienten des Auslegers zu erhöhen, kann ein Teil von ihm mit einem reflektierenden Material 23, wie z.B. Gold oder Aluminium, beschichtet werden. In der Praxis wird eine Aluminiumschicht von 50 nm auf einer Siliziumnitridschicht von 500 nm angemessen sein. Der Reflexionsbereich des Auslegers kann steifer gemacht werden, indem mehr Siliziumnitrid auf der unteren Seite des Reflexionsbereiches hinzugefügt wird.

Der Ausleger kann auf verschiedenen Wegen erregt werden, um den Ausleger zu einer Schwingung bei der Resonanzfrequenz zu bringen. Die Erregung kann mechanisch, z.B. durch einen piezoelektrischen Kristall, erfolgen. Der Kristall kann mit dem Substrat integriert werden, auf dem der Ausleger ausgebildet ist, er kann aber prinzipiell weiter weg angeordnet sein, so lange wie die Oszillationswellen den Auslegerarm erreichen können. Indem das Piezoelement bei der Resonanzfrequenz des Auslegers betrieben wird, wird nur die Fundamental-Biegemode des Auslegers erregt, und er wird mit einer großen Amplitude schwingen. Alternativ kann eine dünne piezoresistive Schicht auf dem Auslegerarm aufgeschichtet werden, und an diese Schicht kann eine Spannung angelegt werden, so dass ein Verbiegen des Armes hervorgerufen wird. Eine weitere eng verwandte Option besteht in dem Abscheiden einer Schicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich von jenem des Auslegers unterscheidet. Durch Erhitzen der Schicht mit einem Strom wird ein Verbiegen des Auslegers hervorgerufen.

Eine nicht mechanische Erregung kann ausgeführt werden, indem auf der Rückseite des Auslegers eine magnetische Schicht vorgesehen wird und eine dicht daneben angeordnete Spule bei der Resonanzfrequenz betrieben wird. Natürlich sollte beachtet werden, dass die Schicht sehr dünn ist, so dass die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Auslegers infolge der hinzugefügten Masse gering ist. Da der Scanner in Luft betrieben werden kann, kann auch eine akustische Erregung des Auslegerarms in Betracht gezogen werden. In diesem Falle wird durch einen Lautsprecher (Ultra-)Schall erzeugt und über die Luft auf den Scanner übertragen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Auslegerarmes, die in den 3a und 3b dargestellt ist. umfasst er zwei Schenkel 30a, 30b, 33a, 33b, welche den Reflexionsbereich 31, 34 mit dem Sockel 32, 35 verbinden. Der Ausleger in 3a ist V-förmig mit einem Reflexionsbereich 31, der an dem Schnittpunkt der beiden Schenkel 30a, 30b angeordnet ist. Der Ausleger in 3b weist einen rechteckigen Reflexionsbereich 34 und zwei weitgehend parallele Schenkel 33a, 33b auf.

Es ist schwieriger, eine Gleichung für die Resonanzfrequenz des Auslegers der Ausführungsformen in den 3a und 3b zu finden. Wenn jedoch der Ausleger in 3b als zwei getrennte Schenkel mit einer gleichen Resonanzfrequenz angesehen wird, die miteinander verbunden sind, dann sollte die Masse der Verbindung die Resonanzfrequenz herabsetzen. Folglich wird für eine gegebene Resonanzfrequenz die Länge des Auslegers in den 3a und 3b kleiner sein als die des Auslegers in 2.

In einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform des zweidimensionalen Scanners 13, die in 4 dargestellt ist, ist ein Ausleger-Scanner 41, wie er oben beschrieben ist, durch eine Haltestruktur 42 auf der Schwenkplatte 43 eines herkömmlichen galvanisch angetriebenen Torsions-Scanners 44 angebracht. Die Schwenkplatte 43 ist mittels Torsionsstiften 49 aufgehängt und mit einem Permanentmagnet 45 versehen, und es wird ein elektromagnetisches Feld induziert, indem ein Strom an eine Spule 46 angelegt wird, die um einen Kern 47 herum angeordnet ist. Wenn das induzierte Feld mit dem Magneten 45 wechselwirkt, dann wird eine Kraft erzeugt, und die Platte 43 wird geschwenkt.

Es sind auch andere Torsions-Scanner, einschließlich elektrostatisch angetriebener Scanner, möglich, wo die Elektroden auf der Platte und auf dem Sockel vorgesehen sind. Durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden können Anziehungs- oder Abstoßungskräfte erzeugt werden, die ein Schwenken der Platte verursachen.

Wie oben erwähnt wurde, wird der Ausleger-Scanner 41 durch z.B. ein Piezoelement 48 erregt, um bei der Resonanzfrequenz zu schwingen. Für eine höchst effiziente Erregung sollte das Piezoelement 48 vorzugsweise direkt unterhalb der Haltestruktur 42 des Auslegers 41 angeordnet werden. Die Struktur sollte für eine optimale Erregung sehr dicht auf dem Piezoelement befestigt sein.

Die Kombination von Ausleger 41 und Piezoelement 48 ist so klein, dass sie an der Schwenkplatte 43 des Torsions-Scanners angebracht werden kann, ohne die Resonanzfrequenz dieses Scanners erheblich zu beeinflussen. Deshalb sind nur kleine Anpassungen in der Treiberschaltung dieses Scanners nötig.

In einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform des zweidimensionalen Scanners 13, die in 5 dargestellt ist, ist der Ausleger-Scanner 51, hier von dem in 3a dargestellten Typ, in der Schwenkplatte 53 des Torsions-Scanners 54 selbst ausgebildet, und er ist eingerichtet, dass er seine Biegeachse A senkrecht zur Torsionsachse B der Torsionsstifte 55 hat. Vorzugsweise werden der Auslegerarm 51 und die Torsionsstifte 55 durch Ätzen eines Substrats 56 aus Silizium oder Siliziumnitrid ausgebildet.

Die Abmessungen der Platte einschließlich der Auslegerhalterung und des Auslegers werden derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz bedeutend höher ist als die vorgesehene Plattenfrequenz. Auf diese Weise ist es möglich, die Langsamabtastrichtung mit einem sägezahnförmigen Signal ohne irgendeine Rückkopplung zu betreiben. Darüber hinaus können zusätzliche Signale eingesetzt werden, um Nichtlinearitätseffekte in der Richtung des Plattenscannings zu kompensieren.

Der Hauptvorteil des Scanners in 5 gegenüber dem Scanner in 4 ist, dass die Scanner für beide Richtungen vollständig integriert sind, so dass die Notwendigkeit einer Ausrichtung entfällt.

Wie oben erwähnt wurde, wird der Ausleger 51 durch ein Erregungsmittel dazu gebracht, bei der Resonanzfrequenz zu schwingen. Wird ein Piezoelement 58 zur Erregung des Auslegers verwendet, dann kann es auf dem Substrat 56 außerhalb der Platte 53 angeordnet werden.

Die Platte 53 des Torsions-Scanners kann auf eine Anzahl von Wegen angetrieben werden, einschließlich solcher, die oben bezüglich der ersten Ausführungsform erwähnt wurden. Ein weiterer Ansatz zum Antreiben des Torsions-Scanners, der in der Technik neuartig ist, beruht auf der Lorentz-Kraft.

Ein Aktor, der für einen solchen Antrieb geeignet ist, umfasst zwei Leiterbahnen, die vorzugsweise durch ein Metall ausgebildet werden, das auf einem Substrat abgeschieden wird. Eine erste Bahn 60 erstreckt sich um den Umfang der Platte 53 herum, und eine zweite Bahn 61 erstreckt sich entlang der inneren Grenze des umliegenden Substrats 56. Durch Anlegen von Strömen an die zwei Bahnen wird eine Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den Spulen erzeugt, was ein Schwenken der Platte hervorruft. Zu beachten ist, dass die zwei Spulen in der Höhe z etwas abgetrennt sein müssen, da die Kraft zwischen den Leitern sonst keinerlei Drehmoment erzeugt. Das kann erreicht werden, indem vor dem Abscheiden von (einer der) Bahnen Furchen geätzt werden oder indem eine Bahn auf der einen Seite des Substrats und die andere Bahn auf der anderen Seite des Substrats abgeschieden wird.

In 5 werden die zwei Bahnen 60, 61 in ein Muster integriert, wodurch lediglich eine Stromversorgung 62 benötigt wird. Natürlich sind andere Muster möglich, und die zwei Bahnen können auch getrennt sein. Ferner wird durch Anbringen mehrerer Windungen in jeder Bahn der Treiberstrom auf Kosten der Treiberspannung herabgesetzt.

Alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen zweidimensionalen Strahlscanners haben gemeinsam, dass der schnelle Scanner (der Ausleger) bei Resonanz angetrieben wird. Das bedeutet, dass die Eingangsleistung, die benötigt wird, die Bewegung zu erregen, im Vergleich zu der Leistung vernachlässigbar ist, die zur Erzeugung des Lichts benötigt wird. Auch die Leistung für die Langsamabtastrichtung kann ziemlich gering sein. Selbst für den ziemlich sperrigen galvanischen Torsions-Scanner in 4 liegt die Leistung im Wesentlichen unter 100 mW. Folglich wird die Eingangsleistung der kompletten Vorrichtung für mobile Anwendungen ausreichend klein sein.


Anspruch[de]
Zweidimensionale Scanningvorrichtung zur Verwendung in einer Projektionsvorrichtung, mit einer Fläche (43; 53), die an mindestens zwei Torsionselementen (49; 55) aufgehängt ist, welche eine Torsionsachse (B) festlegen, und mit einem ersten Aktor (45, 46, 47; 60, 61) für das Schwenken der Fläche (43; 53) um die Torsionsachse (B) herum, gekennzeichnet durch

– einen Auslegerarm (41; 51), der ein bezüglich der Fläche befestigtes Ende und ein gegenüberliegendes Ende aufweist, das eingerichtet ist, sich um eine Achse (A) zu biegen, die nicht parallel zu der Torsionsachse (B) ist;

– eine Reflexionsfläche (31; 34), die auf dem Auslegerarm (41; 51) vorgesehen ist, und

– einen zweiten Aktor (48; 58), um den Auslegerarm dazu zu bringen, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen.
Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerarm (41; 51) eine derartige Masse und derartige Abmessungen aufweist, dass seine Resonanzfrequenz im Bereich von 10 kHz–100 kHz und vorzugsweise im Bereich von 15 kHz–35 kHz liegt. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerarm (41; 51) derartige Abmessungen aufweist, dass er um die Biegeachse (A) in einem Bereich von mindestens 15 Grad und vorzugsweise mehr als 50 Grad verbiegbar ist. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerarm zwei Schenkel (30a, 30b; 33a, 33b) aufweist, von denen jeder bezüglich der Fläche (43; 53) fixiert ist, und wobei sich die Reflexionsfläche (31; 34) so erstreckt, dass sie die zwei Schenkel (30a, 30b; 33a, 33b) verbindet. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerarm (51) und die Fläche (53) aus einem Substrat ausgebildet sind, wobei sich der Auslegerarm (51) von der einen Seite einer Öffnung in der Fläche (53) erstreckt. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (53) und die Torsionsstifte (55) durch Ätzen eines Substrats aus Silizium oder Siliziumnitrid ausgebildet sind. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Aktor ein piezoelektrischer Aktor (48) ist. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Aktor ein galvanischer Aktor ist, der einen Elektromagneten umfasst. Scanningvorrichtung nach Anspruch 1–5, wobei das erste Ansteuerungsmittel zwei elektrisch leitende Spulen umfasst. Projektionsvorrichtung (1) einschließlich einer Scanningvorrichtung (13) nach Anspruch 1. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend:

– Mittel (4a, 4b, 5, 6) zum Erzeugen einer Anzahl von Laserstrahlen (3a, 3b, 3c),

– einen Treiber (8) zum Modulieren der Laserstrahlen und

– Mittel (10a, 10b, 10c, 11, 12) zum Kollimieren und Vereinigen der Strahlen sowie zum Ausrichten des vereinigten Strahls (2) auf den Scanner (13).






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