(57)【要約】  トーション軸（Ｂ）を定める少なくとも２つのトーション素子（５５）によって懸架される表面（５３）と、トーション軸の周りで表面を旋回するための第一アクチュエータ（６０，６１）と、を有する投影ディスプレイにおける使用のための二次元走査装置。スキャナは、表面に対して固定された一端部と、前記トーション軸（Ｂ）と非平行な屈曲軸（Ａ）の周りで屈曲するよう配置された反対端部とを有するカンチレバービーム（５１）をさらに含む。カンチレバービーム（５１）は反射表面を備え、カンチレバービームをその共振周波数で振動させるために、第二アクチュエータ（５８）が配置されている。低速トーションスキャナと高速カンチレバースキャナとの組み合わせは、映像を投影するためにラスタパターンでレーザビームを走査し得る二次元スキャナをもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーション軸を定める少なくとも２つのトーション素子によって懸架される表面と、前記トーション軸の周りで前記表面を旋回するための第一アクチュエータと、を有する投影ディスプレイにおける使用のための二次元走査装置であって、
前記表面に対して固定された一端部と、前記トーション軸と非平行な屈曲軸の周りで屈曲するよう配置された反対端部とを有するカンチレバービームと、
該カンチレバービーム上に設けられた反射表面と、
前記カンチレバービームをその共振周波数で振動させるための第二アクチュエータと、
を有することを特徴とする走査装置。
【請求項２】
前記カンチレバービームは、その共振周波数が１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲、好ましくは、１５ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲にあるような質量及び寸法を有する、請求項１に従った走査装置。
【請求項３】
前記カンチレバービームは、少なくとも１５°の範囲、好ましくは、５０°より大きな範囲内の屈曲軸の周りで屈曲可能であるような寸法を有する、請求項１に従った走査装置。
【請求項４】
前記カンチレバービームは２つの脚部を有し、各脚部は前記表面に対して固定され、前記反射表面は前記２つの脚部を結合するために延びる、請求項１に従った走査装置。
【請求項５】
前記カンチレバービーム及び前記表面は１つの基板から形成され、前記カンチレバービームは、前記表面内の開口の１つの側面から延びる、請求項１に従った走査装置。
【請求項６】
前記表面及び前記トーションバーは、ケイ素又は窒化ケイ素の基板をエッチング処理することによって形成される、請求項１に従った走査装置。
【請求項７】
前記第二アクチュエータは圧電アクチュエータである、請求項１に従った走査装置。
【請求項８】
前記第一アクチュエータは、電磁石を含むガルバニックアクチュエータである、請求項１に従った走査装置。
【請求項９】
前記第一アクチュエータは２つの導電性コイルを有する、請求項１乃至５に従った走査装置。
【請求項１０】
請求項１に従った走査装置を含む投影装置。
【請求項１１】
複数のレーザビームを発生するための手段と、
前記レーザビームを変調するためのドライバと、
前記ビームを平行化し且つ混合し、該混合されたビームを前記スキャナ上に向けるための手段と、
をさらに有する請求項に従った投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影ディスプレイにおける使用のための二次元走査装置に関し、トーション軸を定める少なくとも２つのトーション素子によって懸架される表面と、トーション軸の周りで表面を旋回するための第一アクチュエータとを含む。
【背景技術】
【０００２】
映像プロジェクタを備えた携帯電話又はＰＤＡ（携帯情報端末）のような小型の電子装置を提供することが近年提案されている。現在のディスプレイよりも大きな領域に情報を表示する能力は、実時間のビデオ、ゲーム、映像の共有のような活動に道を開いている。
【０００３】
そのような投影ディスプレイ装置は、コンパクト、軽量、低コスト、低電力、且つ、頑丈でなければならない。ビデオ情報を表示するために、映像のリフレッシュ速度は５０Ｈｚ以上でなければならない。線周波数は、映像速度、表示される線の数、映像が順次走査であるか或いは飛越し走査されるかに依存する。そのようなスキャナにおいて必要とされる周波数の概ねの推定値は１６ｋＨｚである。
【０００４】
レーザ走査に基づくビデオディスプレイの概念は当業界において周知であり、レーザダイオードと２つの個別の走査ミラーとを含むのが典型的であり、走査ミラーの１つは回転する多角形ミラーであるのが普通である。この概念は、水平方向及び垂直方向のための偏向地点が同一地点に位置しないので、深刻なラスタ歪みが引き起こされるという不利点を有する。ＣＲＴにおいて生じるラスタ歪みと異なり、そのような歪みは四分円対称を有さず、故に、電子的に矯正するのがより困難である。多くの実際的な問題もある。走査ミラーは約５×５ｍｍ２の反射領域を有し、それらを過度に嵩張らせて小型の手持ち電子装置で使用し得なくする。加えて、高速走査方向のためのミラーはその共振周波数よりも上で駆動されなければならず、その結果、スキャナのための過剰な入力電力を招く。
【０００５】
これらの問題を克服することが意図された代替的なスキャナの例は、トーションスキャナ（例えば米国特許第５，６２９，７９０号を参照）及びカンチレバースキャナ（例えば欧州特許第８７５７８０号を参照）である。トーションスキャナは、２つのトーションバー（バネ）によってベース内の凹部上に懸架されたミラーを含む。活性化されると、ミラーはトーションバーの周りで旋回する。カンチレバースキャナは、短端部の１つにおいてベースに取り付けられたカンチレバービーム上にミラーを有する。活性化されると、カンチレバースキャナは屈曲し、よって、その自由端はその縦方向の延出部に対して直交する軸の周りで回転する。双方の場合において、ミラー及びその機械的取付を共振周波数で振動させるために、アクチュエータが配置される。アクチュエータは例えば静電的であってよく、ミラーと、ベース、バイモルフアクチュエータ、又は、圧電アクチュエータとの間に電圧差をもたらす。
【０００６】
２つのトーションスキャナを組み合わせることによって、米国特許第５，６２９，７９０号に示されるように、二次元スキャナを得ることができる。静電アクチュエータを備えた二次元トーションスキャナが米国特許出願公開第２００１／００２２６８２号に開示されている。
【０００７】
これらの提案されたスキャナは比較的大きな反射領域、よって、大きな質量を有する。大きな質量を堅固なトーションバー又はカンチレバーと組み合わせることによって、高速走査方向におけるミラーの共振周波数はビデオ用途のための要件を満足し得る。しかしながら、堅固なカンチレバー又はトーションバーは、ミラーの光学走査角度が典型的には５度のオーダであることを暗示し、それは近接距離で走査される投影ディスプレイにおける使用には小さ過ぎる。その上、空気制動を回避するために、スキャナは真空中で操作され、よって、高価な実装ステップを必要とする。より弱いトーションバー又はカンチレバーを代わりに用いることによって、光学的走査角度を拡大し得るが、これはビデオ用途のための映像速度でビームを走査するには低く過ぎる共振周波数によって達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は上記の問題点を克服することであり、投影ディスプレイに適した改良された二次元走査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、これらの及び他の目的は、導入部の方法によって述べられた種類の走査装置によって達成され、表面に対して固定された一端部とトーション軸と非平行な軸の周りで屈曲するよう配置された反対端部とを有するカンチレバービームと、カンチレバービーム上に設けられた反射表面と、カンチレバービームをその共振周波数で振動させるための第二アクチュエータとをさらに含む。
【００１０】
表面及び第一アクチュエータはトーションスキャナを形成し、トーションスキャナの共振周波数を含み得る範囲の第一周波数で動作するが、決してそれに限定されない。その表面上で、このスキャナは次にカンチレバー型の第二スキャナを支持し、第二スキャナは、第一スキャナの周波数よりも著しく速いその共振周波数で振動するよう配置される。第二スキャナの反射表面を２つの異なる軸の周りで旋回又は回転し得るので、それを二次元スキャナとして用い得る。
【００１１】
低速のトーションスキャナとより高速なカンチレバースキャナとの組み合わせは、映像を投影するためにラスタパターンでレーザビームを走査し得る二次元スキャナをもたらす。
【００１２】
カンチレバービームは、その共振周波数が１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、好ましくは、１５ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲内にあるような質量及び寸法を有するのが好ましい。これはビデオ投影用途のために適切な周波数範囲である。実際上は、ケイ素又は窒化ケイ素から成るカンチレバービーム上に設けられた１００μｍ×１００μｍのオーダの寸法を備える反射表面を有することによって、これを達成し得る。さらに、カンチレバーは、少なくとも１０度、好ましくは、２５度以上の屈曲範囲を許容し、それによって、この範囲の２倍の光学走査角、即ち、好ましくは、５０度より大きな光学走査角をもたらすような厚さを有するのが好ましい。
【００１３】
本発明の１つの実施態様によれば、カンチレバービームは２つの脚部を有し、各脚部は表面に対して固定され、反射表面は２つの脚部を結合するために延びる。この設計において、反射領域はアーム部よりも屈曲に対してより剛的である。よって、屈曲領域は反射領域から多かれ少なかれ分離されている。さらに、カンチレバーはトーション方向（即ち、長手軸に沿った回転）でより剛的にされている。よって、レバーの屈曲は、捩れ（トーション）に起因するビーム位置ずれによって余り阻害されない。反射領域の形状は好ましくは長方形であり、開口形状係数をより小さくし、それによって、反射ビーム内の角伝搬を低減する。
【００１４】
好ましくは、カンチレバービーム及びトーションスキャナの表面は１つの基板から形成され、カンチレバービームは表面内の開口の１つの側面から延出する。この設計は２つの別個の走査装置を整列する必要を取り除く。ケイ素又は窒化ケイ素の基板をエッチング処理することによって、表面及びトーションスキャナのトーションバーを形成し得る。
【００１５】
第二アクチュエータは圧電アクチュエータであり得る。それは旋回表面上に直接的に配置され得るし、或いは、この表面から分離され得る。圧電アクチュエータからの機械的励起はカンチレバーを振動させる。
【００１６】
第一アクチュエータは様々な種類であってよく、例えば、ガルバニックアクチュエータ又は静電アクチュエータである。代替的に、第一アクチュエータは［請求項８］を含み得る。そのようなアクチュエータはそれ自体が当該技術分野において新規であり、本発明に記載されたもの以外の種類を含む様々な種類のトーションスキャナで有利に実施し得る。
【００１７】
本発明の第二の特徴によれば、上記目的は上記に従った走査装置を含む投影装置によって達成される。
【００１８】
本発明の現時点における好適実施態様を示す添付の図面を参照して、本発明のこれらの及び他の特徴を以下により詳細に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１には、本発明に従ったスキャナを実施する投影装置１が概略的に描写されている。装置は壁（図示せず）のような表面にレーザビーム２を投影することができ、装置は携帯用途例えば携帯電話又はＰＤＡで用い得るような寸法にされている。典型的には、これは１０ｍｍ×１０ｍｍのオーダにあることを意味する。
【００２０】
描写されている投影装置１において、所望のカラーは赤色、青色、及び、緑色のレーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃをビデオ信号によって定められる比率で混合することによって得られる。次に、混合されたレーザビーム２は走査装置１３の方向に向けられ、カラー映像を得るために、スクリーン１４上で走査される。
【００２１】
赤色及び青色に着色されたレーザビームはレーザダイオード４ａ，４ｂによって創成されるのが好ましく、それぞれ赤色及び青色の波長領域で光を放射する。赤色及び青色のレーザダイオードは現在商業的に入手可能であるが、緑色のレーザダイオードは現在入手可能ではない（将来あることが期待されてはいる）。従って、描写されたプロジェクタでは、緑色光は、二光子の赤外線を一光子の緑色光に転換する結晶６に赤外線光を供給するダイオードポンプ５によって創成される。他の選択肢（図示せず）は、紫外線レーザダイオードでポンプされるときにレーザとして作用するアップコンバージョン繊維を用いることである。さらに他の選択肢は、緑色（及び青色）光の発生のために選択的にポンプされる半導体レーザ（ＯＰＳＬ）を使用することである。もし緑色光がダイオードポンプによって変調することによってビデオ周波数で変調され得ないならば、緑色ビームの光路内に光変調器７を含め得る。
【００２２】
ビデオ情報を包含するビデオ信号を受信し、レーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃをこの情報に従って変調するために、ドライバ８が配置されている。装置は、二色性ミラー１１の周りに配置され、且つ、二色性ミラーと本発明に従った走査装置１３との間に配置された一組のレンズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃをさらに含む。二色性ミラー１１はＬＣＤプロジェクタから周知の種類の二色性キューブであってよく、有利に極めて小型であり、よって、安価である。
【００２３】
レンズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ及び二色性ミラー１１を通過することによって、レーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃは混合され、且つ、走査装置に適合する平行ビーム２に平行化される。例えば、赤色レーザダイオード４ａからの光は、第一レンズ１０ａによって集束され、然る後、それは二色性ミラー１１内で混合され、小型レンズ１２で平行化される。レンズの詳細、それらの相互距離、及び、それらの強度は当業者によって決定され得る。
【００２４】
二次元で動作するために、走査装置１３は、２つの一次元スキャナ、即ち、第二の高速スキャナを備えた、第一の低速スキャナを含む。第一スキャナはトーションスキャナであり、２つのバー又はバネによって囲繞材料から懸架された板形状領域を含む。適切なアクチュエータを用いて板を活性化することによって、板はバーによって定められる軸の周りで旋回させられ得る。第二スキャナはカンチレバースキャナであり、一端で基板に取り付けられたミラー面を備えるカンチレバービームを含む。適切なアクチュエータを用いてビームを活性化することによって、ビームはその縦方向の延出部に対して直交する軸の周りで屈曲し、その共振周波数で振動させられ得る。二次元スキャナを提供するためには、カンチレバースキャナの振動方向がトーションスキャナの回転方向と異なることが重要である。ラスタ型の走査パターンを実施するとき、カンチレバースキャナの振動方向はトーションスキャナの回転方向に対して正に直角であり、カンチレバースキャナのミラー領域がトーションスキャナの正に回転軸上に位置することが好ましい。スキャナの実装コストを最小限化するために、全ての実施態様は空中で動作されるのが最も好ましい。以下に、本発明に従った走査装置１３をさらに詳細に記載する。
【００２５】
カンチレバースキャナを図２乃至３を参照して先ず記載する。図２に示される最も単純な形態において、カンチレバー２０は、ベース２２から突出する厚さＴ、幅Ｗ、及び、長さＬを備える長方形ビーム２１として成形されている。自由に振動するビームカンチレバーの共振周波数（ｆ）は以下によって与えられる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ここで、Ｔは厚さであり、Ｌは幅であり、Ｅはヤング率であり、ρはカンチレバーの密度である。カンチレバーの幅は共振周波数に影響を及ぼさないことに留意すべきである。
【００２８】
カンチレバーを軸Ａの周りで縦方向に屈曲し、意図される用途に十分な屈曲角αを許容するようカンチレバーの寸法及び材料を選択し得る。最大屈曲角は約３０度であるのが好ましく、それは６０度の走査角をもたらす（入射角は３０度までである）。これは小さな反射面のためにさえも十分な解像度をもたらす。
【００２９】
カンチレバーの最も好適なサイズは、用途のために必要とされる共振周波数に依存する。単純化のために、もし我々がカンチレバーを６００ｎｍの厚さを備える窒化ケイ素の均一な小片と仮定すると、我々は２４１μｍの長さは１６ｋＨｚの共振周波数に対応すると計算し得る。カンチレバーの幅をより少ない制約で選択し得る。何故なら、それは共振周波数に影響を及ぼさないからである。
【００３０】
レバーの反射係数を増大するために、その一部を金又はアルミニウムのような反射性材料２３で被覆し得る。実際上、５００ｍｎの窒化ケイ素層上の５０ｍｎのアルミニウム層が十分であろう。より多くの窒化ケイ素を反射領域の下方側に加えることによって、カンチレバーの反射領域をより剛的にし得る。
【００３１】
カンチレバーを共振周波数で振動させるために、多くの方法でカンチレバーを励起し得る。例えば、圧電結晶によって、機械的励起を達成し得る。結晶はカンチレバーが形成される基板と一体化され得るが、振動波がカンチレバービームに到達し得る限り、原則的にはさらに離れて位置し得る。圧電素子をカンチレバーの共振周波数で駆動することによって、カンチレバーの基本的屈曲モードのみが励起され、大きな振幅で振動する。代替的に、薄いピエゾ抵抗層をカンチレバービーム上に被覆し、電圧をこの層に印加可能であり、よって、ビームの屈曲を引き起こす。他の密接に関連する選択肢は、カンチレバーの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を備える層を蒸着することである。電流で層を加熱することによって、カンチレバーの屈曲が引き起こされる。
【００３２】
カンチレバーの背面上に磁気層を提供し、且つ、近接して位置するコイルを共振周波数で駆動することによって、非機械的励起を達成し得る。追加された質量に起因するカンチレバーの共振周波数におけるシフトが小さいよう、層は極めて薄いよう配慮されるべきである。スキャナは空中で動作され得るので、カンチレバービームの音響的励起も想定され得る。この場合には、（超）音波がスピーカによって発生され、空気を介してスキャナに伝達される。
【００３３】
図３ａ及び３ｂに示されるカンチレバービームのさらなる実施態様によれば、それは反射領域３１，３４をベース３２，３５と接続する２つの脚部３０ａ，３０ｂ，３３ａ，３３ｂを含む。図３ａ中のカンチレバーはＶ字形状であり、２つの脚部３０ａ，３０ｂの交差点に位置する反射領域３１を有する。図３ｂ中のカンチレバーは、長方形の反射領域３４と、２つの本質的に平行な脚部３３ａ，３３ｂとを有する。
【００３４】
図３ａ及び３ｂ中の実施態様のためのレバーの共振周波数のための方程式を見出すことはより困難である。しかしながら、図３ｂ中のカンチレバーが、相互接続された同一の共振周波数を備える２つの別個のレバーと見做されるならば、相互接続の質量は共振周波数を低減するはずである。それ故に、所与の共振周波数のために、図３ａ及び３ｂ中のカンチレバーの長さは、図２中のカンチレバーの長さよりも短い。
【００３５】
図４に示される本発明に従った二次元スキャナ１３の第一実施態様において、上記に記載されたようなカンチレバースキャナ４１は、支持構造４２によって、従来的なガルバニック的に駆動されるトーションスキャナ４４の旋回板４３上に取り付けられる。旋回板４３はトーションバー４９によって懸架され、永久磁石４５を備え、コア４７の周りに配置されたコイル４６に電流を加えることによって電磁界が誘起される。誘起された磁界が磁石４５と相互作用するとき、力が発生し、板４３が旋回する。
【００３６】
他のトーションスキャナも可能であり、電極が板上及びベース上に設けられた静電的に駆動されるスキャナを含む。電圧を電極に印加することによって、引付力又は反発力を発生し、板を旋回し得る。
【００３７】
上記に記載されたように、例えば、圧電素子４８によって共振周波数で振動するために、カンチレバースキャナ４１は励起される。最も効率的な励起のために、好ましくは、圧電素子はカンチレバー４１の支持構造４２の直接下に位置すべきである。最適な励起のために、構造は圧電素子上に極めて強固に固定されるべきである。
【００３８】
カンチレバー４１と圧電素子４８との組立体は小さいので、トーションスキャナの共振周波数に著しく影響を及ぼすことなしに、それをトーションスキャナの旋回板４３に取り付け可能である。従って、このスキャナの駆動回路中の小さな適合のみが必要である。
【００３９】
図５に示される本発明に従った二次元スキャナ１３の第二実施態様において、ここでもしカンチレバービーム５１が図３ａに示される種類であるならば、カンチレバービーム５１はトーションスキャナ５４自体の旋回板５３内に形成され、トーションバー５５のトーション軸Ｂに対して直交する屈曲軸Ａを有するよう配置される。カンチレバービーム５１及びトーションバー５５は、ケイ素又は窒化ケイ素の基板５６をエッチング処理することによって形成されるのが好ましい。
【００４０】
カンチレバー支持及びカンチレバーを含む板の寸法は、共振周波数が意図される板周波数よりも大幅に高いように選択される。このようにして、如何なるフィードバックなしに鋸歯形状の信号を用いて低速走査方向を駆動することが可能である。加えて、板走査方向における非直線性効果を補償するために、余分な信号を加え得る。
【００４１】
図４中のスキャナに対する図５中のスキャナの主要な利点は、両方向のための走査が十分に統合され、よって、整列の必要を排除することである。
【００４２】
上記に記載されたように、カンチレバー５１は励起手段によって共振周波数で振動させられる。もし圧電素子５８がカンチレバーを励起するために用いられるならば、それを板５３の外側で基板５６上に位置付け得る。
【００４３】
第一実施態様に関連して上記に記載されたものを含め、トーションスキャナの板５３を多くの方法で駆動し得る。トーションスキャナを駆動するためのさらなるアプローチは、当該技術分野では新規であり、ローレンツ力に基づく。
【００４４】
そのような駆動のために適用されるアクチュエータは、２つの導電路を含み、基板上に蒸着される金属によって形成されるのが好ましい。第一経路６０は板５３の周縁に沿って延在し、第二経路６１は基板５６を囲繞する内部境界に沿って延在する。２つの経路に電流を加えることによって、コイル間に引付力又は反発力が発生し、板を旋回させる。２つのコイルはｚレベルで僅かに分離されなければならないことに留意すべきである。何故ならば、さもなければ、導体間の力は如何なるトルクも発生しないからである。経路（の１つ）の蒸着前にトレンチをエッチング処理することによって、或いは、１つの経路を基板の一方の側面に蒸着し、他の経路を基板の他方の側面に蒸着することによって、これを達成し得る。
【００４５】
図５では、２つの経路６０，６１は１つのパターンに統合され、１つの電流供給のみを必要とする。当然のこととして、他のパターンも可能であり、２つの経路を分離してもよい。さらに、各経路により多くの巻線を加えることは、駆動電圧を犠牲にして駆動電流を低減する。
【００４６】
本発明に従った二次元ビームスキャナのための全ての実施態様は、高速スキャナ（カンチレバー）が共振で駆動されることを共通して有する。これは、光を発生するのに必要な電力と比較するとき、動作を励起するのに必要な入力電力は無視可能であることを暗示する。低速走査方向のための電力も極めて小さくあり得る。図４中の極めて嵩張るガルバニックトーションスキャナのためにさえ、電力は実質的に１００ｍＷ未満である。それ故、完全な装置の入力電力は携帯用途のためにおそらく十分に小さいであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に従った走査装置を有利に実施する投影装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第一実施態様に従ったカンチレバースキャナを示す斜視図である。
【図３】ａは、本発明の第二実施態様に従ったカンチレバースキャナを示す上面図であり、ｂは、本発明の第三実施態様に従ったカンチレバースキャナを示す上面図である。
【図４】本発明の第一実施態様に従った走査装置を示す断面図である。
【図５】本発明の第二実施態様に従った走査装置を示す上面図である。
【図１】
2007519023.tif 000004
【図２】
2007519023.tif 000005
2007519023.tif 000006
【図４】
2007519023.tif 000007
【図５】
2007519023.tif 000008
【国際調査報告】
2007519023.tif 000009
2007519023.tif 000010