CN1749804A - 光栅扫描显示系统 - Google Patents

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CN1749804A CNA2005100905531A CN200510090553A CN1749804A CN 1749804 A CN1749804 A CN 1749804A CN A2005100905531 A CNA2005100905531 A CN A2005100905531A CN 200510090553 A CN200510090553 A CN 200510090553A CN 1749804 A CN1749804 A CN 1749804A
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Abstract

在此公开一种光栅扫描显示系统。光栅扫描显示系统包括微反射镜和电流反射镜。微反射镜在两个水平方向中旋转并通过反射输入光形成水平光束。电流反射镜在两个垂直方向中旋转并通过反射水平光束，形成二维扫描区。

Description

光栅扫描显示系统
技术领域
本发明涉及投影型扫描图像显示系统，操作用于反射输入光的反射镜，从而调制空间中反射光的路径，从而形成图像。
背景技术
光栅扫描显示系统提供用于扫描从光源发射到预定一维(线性)或二维(平面)区域上的光束，从而表示信息，诸如图像的装置。此外，与光传感器，诸如光电二极管或光电检测器集成的光栅扫描显示系统能应用于扫描和读取在一维或二维区域上形成的信息的扫描仪。
根据本发明的扫描微反射镜(micro mirror)能应用于扫描从光源发射到预定一维(线性)或二维(平面)区域上的光束以及显示信息，诸如图像，或读取数据，诸如位置或图像的激光打印机、共焦显微镜、扫描显示器、各种传感器等等。此外，根据本发明的扫描微反射镜除扫描设备外，能应用于要求反射光的静态定向调制的光开关设备。
近年来，随着光设备技术的发展，已经开发了将光用于输入和输出信息级以及作为信息传送的媒介的各种技术。扫描和利用从光源发出的光束的方法也是这些技术中的一种，以及该方法的典型例子包括条码扫描仪和扫描激光显示器的基本水平线(basic level)。这种光束扫描技术要求由应用而定的各种扫描速度和范围，以及使用电流反射镜(galvanic mirror)或旋转型多面反射镜的方法主要用在现有的光束扫描技术中。多面反射镜适合于要求几十赫兹(Hz)的扫描速度的应用，以及多面反射镜能实现几千赫(kHz)的扫描速度。
近年来，随着各种技术的发展，继续努力以便将光束扫描技术应用于新设备，或进一步改进采用光束扫描技术的现有应用的性能。使用激光扫描、头安装型显示器和激光打印机的高分辨率投影显示系统是很好的例子。要求高质量光束扫描的系统通常要求能实现快速扫描速度和大角度位移的扫描仪。另外，包括有使用传统的多面反射镜的方法以便将多面反射镜安装在高速旋转马达上。因此，该方法具有逐渐增加的扫描速度的限制，以及不利之处在于难以降低系统的整体大小以及功耗。此外，必须降低由马达产生的噪声，以及难以降低由于复杂结构的成本。
图1是表示使用多面反射镜和电流反射镜的传统扫描仪的透视图。
传统的扫描仪包括光源1、光学系统2、多面反射镜3和马达4。
参考图1，从光源1发出的输入光11通过由各种透镜组成的光学系统2，并由多面反射镜3反射。因此，通过使用位于多面反射镜3下的马达4旋转多面反射镜，能在垂直于多面反射镜3的旋转方向12的方向中扫描反射光14。尽管使用多面反射镜的扫描仪能实现相对快速的扫描，但在高分辨率显示器的应用中，该扫描仪有限制。
发明内容
因此，注意到在现有技术中出现的上述问题，做出了本发明，以及本发明的目的是提供光学扫描系统。
本发明的另一目的是提供通过集成多个致动反射镜，使光学扫描系统轻且小型的方法。
为实现上述目的，本发明的光学扫描显示系统包括竽在两个水平方向中旋转，以及通过反射输入光，形成水平光束的微反射镜，以及用于在两个垂直方向中旋转，以及通过反射水平光束，形成二维扫描区的电流反射镜。
本发明的另一光栅扫描显示系统包括用于在两个水平方向中旋转的微反射镜，以及在两个垂直方向中旋转的电流反射镜的内侧上提供的微反射镜，从而形成二维扫描区。
另一光栅扫描显示系统包括微反射镜，用于在两个水平方向中旋转，以及通过反射输入光，形成水平光束，以及电磁驱动的扫描反射镜，用于在两个垂直方向中旋转，以及通过反射水平光束，形成二维扫描区。
另一光栅扫描显示系统包括用于在两个方向中旋转的微反射镜，在两个垂直方向中旋转，从而形成二维扫描区的电磁驱动的扫描反射镜的内侧，提供微反射镜。
在本发明中，通过悬臂梁或扭转梁连接微反射镜。
在本发明中，电磁驱动的扫描反射镜包括线圈或磁体，用于在预定位置电磁驱动。
在本发明中，反射镜的旋转轴垂直于彼此。
附图说明
从结合附图的下述详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，其中：
图1是表示使用多面反射镜和电流反射镜的传统扫描仪的透视图；
图2是表示根据本发明的实施例，使用微反射镜和电流反射镜的光栅扫描显示系统的透视图；
图3是表示根据本发明的实施例的光栅扫描显示系统的透视图，
其中，微反射镜安装在电流反射镜上；
图4是表示根据本发明的实施例的静电驱动扫描反射镜的透视图；
图5A和5B是表示根据本发明的实施例的静电驱动扫描微反射镜的透视图；
图6是表示使用根据本发明的实施例的微反射镜和静电驱动扫描反射镜的光栅扫描显示系统的透视图；
图7是表示根据本发明的实施例的扫描仪的透视图，其中，微反射镜安装在静电驱动扫描反射镜上；以及
图8A和8B是表示根据本发明的实施例的光栅扫描显示系统的框图。
具体实施方式
参考下述附图，详细地描述本发明的优选实施例。在不同图中，使用相同的标记表示相同或类似的部件。当确定非常公知的功能或结构的详细描述不必要以及使本发明的要点不清楚时，将省略详细描述。
图2是表示根据本发明的实施例的光栅扫描显示系统的结构的视图。
在实施例中，光栅扫描显示系统包括微反射镜6和电流反射镜5。
实施例示意性地示例说明使用微反射镜6和电流反射镜5，执行二维扫描的方法。
参考图2，从光源1发出的输入光11通过由各种透镜组成的光学系统2，以及入射在微反射镜6上，即高速扫描仪。在图2中示为例子的微反射镜6具有能在双方向中旋转的结构，从而，在两个方向13-1中扫描反射光，从而形成水平光束14。由高速扫描改变其光学路径的线性光束14由电流反射镜5，即低速扫描仪反射。在这种情况下，电流反射镜5的旋转轴垂直于微反射镜6的旋转轴，以及由两个反射镜的驱动扫描的整个扫描区17具有正方形形状。当使用双轴扫描仪实现扫描图像显示系统时，光栅扫描显示系统可以进一步包括光学系统，其中，在光源1和微反射镜6间、高速扫描仪和低速扫描仪间以及低速扫描仪和形成图像的屏幕的平面间，组合光学部件，诸如透镜和全反射反射镜。
图3是表示根据本发明的实施例的光栅扫描显示系统的视图。
在第二实施例中，光栅扫描显示系统包括结合成单个设备的微反射镜6和电流反射镜5。
第二实施例示意性地示例说明获得二维扫描区的方法。
参考图3，微反射镜6，即高速扫描仪，安装在电流反射镜5上以便微反射镜6的旋转轴垂直于电流反射镜5的旋转轴。微反射镜6通过弹性、柔性结构与电流反射镜5连接。最好，使用悬臂梁或扭转梁实现弹性柔性结构。
第二实施例的操作原理与图2相同。微反射镜6执行双轴中的旋转运动，其中，微反射镜6的旋转方向18与电流反射镜5的旋转方向15连接，以便从光源1发出的光束通过光学系统2，由微反射镜6反射，因此，用光栅方式扫描二维区。因此，电流反射镜5的反射表面不反射光。
例如，假定60Hz图形需要构成单个图形，电流反射镜每秒往复60次。相反，微反射镜6根据扫描像素的数量，以预定速度往复运动。
图4是表示根据本发明的实施例的微反射镜的例子的透视图。
在该实施例中，微反射镜包括镜面201、扭转梁202、可移动梳齿状电极203，以及固定梳齿状电极204和205。
该例子示意性地示例说明使用静电，旋转微反射镜的方法。
参考图4，使用微机电系统(MEMS)技术或显微机械加工制成的微反射镜充当调制反射光的光程的扫描仪，用这种方式，在其上形成反射面的镜面201在预定方向210中执行高速旋转运动。由在镜面201的两侧形成的扭转梁202支撑镜面201并充当旋转轴。电势差交替地施加到在镜面201的两端旁形成的可移动梳齿状电极203和在衬底上形成的固定梳齿状电极204和205，以便由静电驱动镜面201。如上所述，用梳齿状形成电极的原因在于仅使用小的电压，能获得旋转力。
图5A和5B是表示根据本发明的实施例的电磁驱动的扫描微反射镜的透视图。
在该实施例中，电磁驱动的扫描微反射镜包括镜面101，在镜面101的外侧上形成线圈102、扭转梁103、永磁体104-1和104-2，以及框架106。
该实施例示意性地示例说明通过控制电流，旋转反射镜的设备。
参考图5A，在其上形成或安装线圈102的镜面102由扭转梁103(或轴)支撑并安装在框架106中。在垂直于扭转梁103的方向中，在框架106中安装永磁体104-1和104-2，以及由永磁体104-1和104-2生成的磁场使镜面101通过为由通过线圈的电流的方向和大小而定的相互作用力的Lorenz力旋转。镜面101的旋转角由Lorenz力引起的转矩和由镜面101的旋转生成的扭转梁103的恢复转矩间的平衡点确定。
图5B是表示电磁驱动扫描微反射镜的操作原理的示意图。
参考图5B，相对于外磁场，作用在镜面101上的力F1和F2的方向彼此相反，因为流过在镜面101的预定区上提供的线圈102的电流i的方向在上下部分中彼此相反，以致在图5B所示的方向111中，绕扭转梁103的旋转轴旋转镜面101。电流的方向以预定时间间隔改变，因此，能往复运动镜面101。
不同地放置安置在框架106上下的永磁体104-1和104-2，以便能形成上下方向磁场，以及最好，框架106由具有高导磁率的材料制成，从而增加能量效率。
此外，可以在镜面101中形成永磁体或磁体，以及可以在预定位置提供线圈来面对永磁体或磁体，以便磁场用上述方式，往复地旋转镜面。
图6和7是将电磁驱动的扫描反射镜用作低速扫描仪的双轴扫描仪的透视图。除将用电磁驱动的扫描反射镜替代的电流反射镜用于低速扫描仪外，部件与图2和3的双轴扫描仪相同，以及扫描仪的原理也与图2和3相同。
图8A和8B是表示根据本发明的光栅扫描显示系统的框图。
光栅扫描显示系统的每一个包括光源、高速扫描仪、低速扫描仪和屏幕。
图8A表示使高速扫描仪和低速扫描仪彼此分离的情形。
当从光源发出的光通过光学系统并由高速扫描仪反射时，反射光通过另一光学系统，然后由低速扫描仪反射。由低速扫描仪反射的光通过另一预定光学系统，然后在屏幕上扫描。根据应用，可以省略一些光学系统。图2和6所述的光栅扫描显示系统对应于图8A的系统。
图8B是高速扫描仪和低速扫描仪彼此结合的情形。
从光源发出的光通过光学系统，然后由结合高速扫描仪和低速扫描仪的设备反射。此后，反射光通过另一光学系统，然后在屏幕上扫描。根据应用，可以省略一些光学系统。图3和7所述的光栅扫描显示系统对应于图8B的系统。
如上所述，根据本发明的扫描系统能应用于将从光源发出的光束扫描到预定区上，并显示信息，诸如图像的图像显示设备，或能应用于信息输入设备，诸如扫描仪，其中，反转光程的方向，以及读取从图像平面反射的数据，诸如位置或图像。
在扫描系统应用于图像显示设备的情况下，能实现使用点光源的扫描图像显示系统，以及能应用于在使用小型和轻的系统的大屏幕形式中实现的各种显示系统，或具有使用现有的投影系统难以实现的、使用激光光源的良好的原色表示。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代是可能的，而不背离如在附加权利要求中公开的本发明的范围和精神。

Claims (23)

1.一种扫描显示系统，包括：
微反射镜单元，用于通过反射输入光，同时在双方向中往复旋转，形成线性扫描区；以及
电流反射镜，用于通过接收和反射所述线性扫描区，同时在双方向中往复旋转，生成二维扫描区。
2.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元和所述电流反射镜单元具有相互垂直的轴。
3.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元包括用于反射所述输入光同时在双方向中往复旋转的微反射镜、用于在所述微反射镜的往复旋转期间，支撑所述微反射镜的框架，以及用于将所述微反射镜连接到所述框架的连接构件。
4.如权利要求3所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
5.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，
所述微反射镜单元包括用于反射所述输入光同时在双方向中往复旋转的微反射镜、用于在所述微反射镜旋转时，支撑所述微反射镜的衬底，以及用于将所述微反射镜连接到所述衬底的连接构件；以及
在所述微反射镜和所述衬底的两端，形成电极，以便通过由所施加的电压产生的电势差生成的静电力，往复旋转所述反射镜。
6.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，所述电流反射镜单元包括形成线圈的电流反射镜、具有磁体并在所述电流反射镜的往复旋转期间，支撑所述电流反射镜的框架，以及将所述电流反射镜连接到所述框架的连接构件。
7.如权利要求6所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
8.如权利要求6所述的扫描显示系统，其中，所述磁体放置在垂直于所述连接构件的方向的方向中。
9.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，所述电流反射镜单元包括形成磁体的电流反射镜、具有线圈并在所述电流反射镜的往复旋转期间，支撑所述电流反射镜的框架，以及将所述电流反射镜连接到所述框架的连接构件。
10.如权利要求9所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
11.如权利要求9所述的扫描显示系统，其中，所述磁体放置在垂直于所述连接构件的方向的方向中。
12.如权利要求1所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元执行对应于每分钟形成一个图形所需的帧数的多次往复旋转。
13.一种扫描显示系统，包括：
电流反射镜，配置成在双方向中往复旋转；以及
反射镜单元，位于所述电流反射镜内，并配置成通过反射输入光同时在双方向中往复旋转，形成二维扫描区。
14.如权利要求13所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元和所述电流反射镜单元具有相互垂直的轴。
15.如权利要求13所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元包括用于反射所述输入光同时在双方向中往复旋转的微反射镜、用于在所述微反射镜的往复旋转期间，支撑所述微反射镜的框架，以及用于将所述微反射镜连接到所述框架的连接构件。
16.如权利要求15所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
17.如权利要求13所述的扫描显示系统，其中，所述电流反射镜单元包括安装所述微反射镜单元并形成线圈的电流反射镜、具有磁体并在所述电流反射镜的往复旋转期间，支撑所述电流反射镜的框架，以及将所述电流反射镜连接到所述框架的连接构件。
18.如权利要求17所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
19.如权利要求17所述的扫描显示系统，其中，所述磁体位于垂直于所述连接构件的方向的方向中。
20.如权利要求13所述的扫描显示系统，其中，所述电流反射镜单元包括安装所述微反射镜单元并形成磁体的电流反射镜、具有线圈并在所述电流反射镜的往复旋转期间，支撑所述电流反射镜的框架，以及将所述电流反射镜连接到所述框架的连接构件。
21.如权利要求20所述的扫描显示系统，其中，所述连接构件是悬臂梁、扭转梁、弹性和柔性结构或轴。
22.如权利要求20所述的扫描显示系统，其中，所述磁体位于垂直于所述连接构件的方向的方向中。
23.如权利要求13所述的扫描显示系统，其中，所述微反射镜单元执行对应于每分钟形成一个图形所需的帧数的多次往复旋转。
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