专利名称：压电微镜芯片作偏转的激光投影机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光投影机，尤其涉及一种压电微镜芯片作偏转的激光投影机。
背景技术：
激光投影是一个古老的话题。但其动辄70万、80万的市场价格使它与普通大众无 缘。 中国在激光领域处于世界前列，尤其是中科院长春光机所在固态激光器方面的成 就斐然。中科院长春光机所05年以来已经研制出60英寸——140英寸激光显示器，07年 索尼推出55英寸激光电视，08年三菱型号为LaserVue的65英寸激光背投在美国销售，三 星、日立、东芝纷纷加入激光电视研制行业。预测，09年 ——12年是激光电视导入期至成熟 期，将逐步取代液晶、等离子平板电视机。 技术方面，以长春光机所、Symbo1公司用高速旋转反射棱镜实现水平、垂直扫描直 接生成图像；三菱用红、绿、蓝3原色激光混合成白色激光，作为液晶、DLP背投光源，取代原 来的UHP灯；SONY和柯达采用美国Microvision公司GEMS (grating Electro-Mechanical System栅电机系统)对激光进行亮度调节，然后再扫描成 1080线高清图像。 归纳激光投影方式主要有3种 1)激光取代方式用激光只是替代现有的UHP高压灯作光源，其它液晶、DLP的图
像生成器不变动，如三菱的08年推出在美国销售的65英寸背投电视，据称它的色域提高到
200%，耗电200瓦，仅为液晶、等离子平板电视的二分之一，价格6999美元，明显高于现有
的液晶、等离子电视。由于激光束极细，需要通过光纤导入一个光学扩散器，使激光面积放
大百倍以上，重新聚光以后投射到液晶、DLP的匿D芯片上，投影成像。 2)激光阵列方式把RGB三色激光分别做成3个大规模激光阵列，三个激光阵列
分别对准三个液晶芯片，由每一个液晶片放射出各色的图像信息，然后经光学棱镜汇聚成
为一幅完整的图像投影到屏幕。 3)激光扫描方式利用激光特有的光谱单一性产生出极细的激光束，射到一个高 速旋转的反光镜片或反光棱镜表面，完成水平、垂直扫描，直接投射出图像，跟传统电视显 像管工作原理一样。如长春光机所、Symbol激光投影机。这种扫描方式无需液晶、DLP、LCOS 等芯片作中间图像生成载体——而这个中间载体占有成本的大部分。直接扫描方式节约了 成本，发挥了激光的本体特性，这种特性是其它任何光源不可实现的。但它对旋转机构、镜
片加工的要求极高。 从上面三种激光投影方式可以看出，第3)种激光扫描方式更为合理，更有优势。 但问题在于现在所有直接扫描成像的激光投影机都是采用这种高速旋转扫描镜 片完成的，许多大公司并不看好这种方式，唯有Symbol等少数公司情有独钟。 能否不需要旋转圆柱体的反射镜片就有能直接扫描成像的器件呢？
发明内容本实用新型提供一种压电微镜芯片作偏转的激光投影机，其核心——压电微镜， 是根据压电材料的反压电效应原理，给压电材料加上正向电压时，压电材料在极化方向上 产生正向力；给压电材料加上反向电压时，压电材料在极化方向上产生反向力，两个相反力 的作用使压电材料产生机械扩张、压縮变形，实现电——机械运动转换。该压电微镜由水平 偏转压电片和垂直偏转压电片叠加组成一组双重结构，在最上层压电材料的表面抛光处理 成为镜面，使其成为激光束扫描的偏转面从图像的正面看，左右方向上的偏转完成水平方 向的扫描，上下方向上的偏转完成垂直方向上的扫描。RGB——即红、绿、蓝三束激光通过一 个光学棱镜汇集成一束激光，射到压电微镜反光镜面上，压电微镜受控制电路的控制使激 光作水平、垂直扫描，完成一帧帧图像。 本实用新型利用激光发光频谱的单一性所产生的极细的激光束，经过压电微镜扫 描直接生成图像，完全不需要液晶、数字微镜匿D、 LCOS等图像生成器作中间载体，简化了 整体方案及结构，大幅度降低成本，使之成为市场容易接受，可以广泛推广的激光投影机。 本实用新型的技术方案是 1、压电微镜芯片作为激光束偏转、扫描的核心器件。该芯片的基本结构由两层压 电材料组成。其中，上层由2片压电片平行排列，2片压电片之间有电气隔离，其中一片压电 片施加正向电压和电流，另一片压电片施加反向电压和电流，组成"推一挽"式结构，当交变 电流流经两个电流方向不同的压电片时，其中一片压电片作向上运动，而另一片压电片作 向下运动，类似于"跷跷板"运动；反之亦然。同理，当图像扫描的锯齿波电流流经这两片压 电片时，"跷跷板"即按照锯齿波电流的规律作锯齿波运动； 2、在两片压电片之上有一层反光层，反光层作高光镜面处理，当激光束射向反光
层镜面时，激光束便随着"跷跷板"的运动作偏转扫描，直接投向投影屏幕； 3、在上述两片压电片的下面有一层隔离层，隔离层下面就是第2层压电材料层，
该层也有2片压电片，2片压电片平行排列，它们之间也有电气隔离，其中一片压电片施加
正向电压和电流，另一片压电片施加反向电压和电流，组成"推一挽"式结构，当图像扫描的
锯齿波电流流经第二层的两片不同电流方向的压电片时，该层压电片即按照锯齿波电流的
规律作锯齿波运动； 上、下两层压电片:互呈90°角度，以共同完成图像的水平、垂直扫描； 4、将上述两层压电片及其附件组成为一体，装入一个封闭的芯片内，芯片顶端有 光学玻璃覆盖在压电层的反光镜面之上，必要时抽成真空；压电片工作的引脚线从芯片内 引出。 5、激光选用可以线性调节的激光，R(红)、G(绿)、蓝(B)三束激光经由一组光学 棱镜汇聚成为一束激光； 6、控制电路包括二个部分1)R、 G、 B三色激光的线性调节。其调节跟随图像信号 中的色彩信号、亮度信号的变化而变化；2)压电微镜片的锯齿波驱动电路。锯齿波驱动电 路由图像视频的行同步、帧同步、消隐脉冲信号所决定^ 本实用新型的有用效果是 1、激光束扫描直接生成图像利用激光发光频谱的单一性所产生的极细的激光束，经过扫描直接生成图像，完全不需要液晶、数字微镜DMD、 LCOS等图像生成器作中间载 体，大大简化了整体方案及结构，大大降低成本，而这些图像生成器成本占整个投影机成本 的主要成分，它们的技术复杂性、加工难度随着高清技术标准的不断推出呈几何级数增加， 以致达到现今技术的极限。DLP由于加工难度大，成品率低，至今还只有单片式占据市场， 与尽管有缺陷的液晶不分仲伯，并没有将3LCD液晶挤出市场之外；3片式DLP投影机价格 太高，市场无法接受，主流市场基本无货可供；对LC0S抱有极大希望，投资也巨大，但除了 JVC、索尼少量推出外，目前还无法与液晶、DLP相抗衡。因此省掉这一块，即省掉了主要成 本、研制投资和时间。利用极细的激光束扫描直接生成图像的效率最高、成本最低、时间最 短，无疑是最佳方案。反之，若把激光当作UHP高压灯、LED发光二极管等普通散光光源来 用，则根本没有发挥激光的特点，这样的投影机只能称为"激光作光源的投影机"，而不是真 正意义的"激光投影机"。 其次，UHP高压灯、LED为散光光源，只有聚焦收敛成为一束，才能进入比光源面积 更小约0. 7英寸的LCD、DLP、LC0S芯片的窗口 ，才能充分利用好光源的光能，否则造成光的 损失；与此相反，由于激光束太细，仅约lmm的直径，必须"扩光"几百倍，才能覆盖整个0. 7 英寸的窗口。 一方面3LCD、或DLP、LC0S的成本很高无法降下来，另一方面又加上激光及光 学扩光、混光的高成本，使得总体成本上升，其结果是得不偿失！而唯一可以得到的是激 光的色彩比UHP、LED灯更为丰富、艳丽，更节电而已，但却付出更高成本的代价，是一个"削 脚适履"的笨办法。 本实用新型方案的优势在于充分利用激光所具有的独有特性，以极细的激光束 直接扫描生成图像，如同电视显像管用电子扫描在荧光屏上显示图像一样，而这又是UHP 高压灯、LED发光二极管等任何光源都是不可能做到的。 2、扫描的核心器件——压电微镜芯片 本实用新型没有采用长春光机所和Symbol公司的在圆柱体贴满光学镜片的旋转 镜的办法，而是根据压电材料的反压电原理，给压电材料加上正向电压时，压电材料在极化 方向上产生正向力；给压电材料加上反向电压时，压电材料在极化方向上产生反向力，两个 相反力的作用使压电材料产生机械扩张、压縮变形，成为"跷跷板"，实现电——机械运动转 换。 压电材料种类很多，其加工工艺也相当成熟。以"机——电"转换或"电——机"转 换的压电器件在电子领域早已经广泛应用。它的加工工艺远没有需要纳米加工技术的匿D 芯片、液晶、LC0S等那样的高精密、高难度、高成本，而芯片的合格率却比起它们高得多。 在体积方面，由于激光光束极细，该压电微镜的面积可以縮小在1平方厘米以内， 厚度薄到仅几个毫米，如同一片光可改写的存储器EPROM芯片一般大小，引脚只有几根；完 全抛弃了旋转圆柱体的结构形状，更不需要微电机驱动，无机械旋转运动，在压电微镜芯片 的弹性形变范围内工作，寿命极长，并且无噪音、无磨损、无发热、环保。 成本方面，由于液晶、DMD、LC0S芯片的成本和加工难度与其像素的多少直接相关， 以n个像素的成本为N计算，则只有一片的压电微镜芯片的成本只有它们的N分之一 ！这 还不包括前者全部像素及其复杂的驱动线路和驱动元件在内。故，压电微镜的制造成本远 远低于液晶、DMD、 LC0S的制造成本。 3、与3LCD —样，RGB三色激光的汇聚采用光学棱镜，将红、绿、蓝三色激光汇聚成
5为一束激光，投射到压电微镜芯片上。由于激光束的直经极小，约lmm左右。若以激光束的 直径lmm计，棱镜体积可以小于4X 4X 4 (mm)以内，这对于目前0. 7英时的3LCD液晶投影 棱镜来说，3色激光汇聚棱镜体积仅为3片液晶汇聚棱镜的几百分之一！ 4、光效率液晶透光方式和它的窗口面积是液晶投影光效低的致命缺点。光线透 过液晶体时将损失大部分光源，再由于窗口面积挡住了另一部分光，所以液晶投影的光效 最低，只有采用3片液晶之后才能弥补液晶光效的不足；DLP投影的DMD芯片光效比液晶芯 片高得多，但它的各个像素之间存在间隙，不可能达到全反射；单片DLP还需要色轮，使DLP 投影机的光效只能达到1/3，为此DLP又采取多色轮才能使光效有所改善；压电微镜反射镜 片仅只有一片，可以达到全反射的光效，故其光效率最高。 5、高清制式的制约随着显示图像越来越向数字高分辨率、高色域发展，新的高清 标准不断提出，给制造液晶、DLP、 LC0S芯片的难度越来越大，成本越来越高；而采用激光 扫描直接生成的激光投影方式不会造成大的影响，而且由于激光投影是一种开放式扫描成 像，它不同于显像管封闭式扫描成像，显像管由于受到显像管屏幕尺寸和内部的高压限制， 屏幕越大成本越高，而以压电微镜激光扫描直接成像的投影机将不会受到制式和高清发展 的影响。
图1是压电微镜工作原理图。其中1——压电片1 ;2——压电片2 ;12——反光镜 面；15——活动连接器1 ;9——内部连线1 图2是压电微镜结构图。其中1——压电片1;2——压电片2;3——压电片3;
4——压电片4 ;5——引脚线1 ;6——引脚线2 ;7——引脚线3 ;8——引脚线4 ;9——内部 连线l ;10——内部连线2 ;11——绝缘基板l ;12——反光镜面；13——绝缘基板2 ;15——
活动连接器1 ;16——活动连接器2 ;17——固定底座 图3是做成芯片的外形结构图，其中5——引脚线1 ;6——引脚线2 ;7——引脚线 3 ;8——引脚线4 ;19——压电微镜芯片；20——外壳；18——空脚； 图4是压电微镜激光投影机总体工作原理图。其中R——红色激光器；G——绿色 激光器；B——蓝色激光器；L——汇聚棱镜；19——压电微镜芯片；F——全反射凸透镜。
具体实施方式
1、压电微镜工作原理如图1所示。 在图1 一 1、图1 一 2中，压电片1(1)和压电片2(2)相隔在一个平面上，它们的 上面分别用活动连接器1 (15)与反光镜面(12)连接；如图1 一 3，当正电源由引脚线1 (5) 进入压电片1 (1)，出来后，再由内部连线1 (9)进入压电片2 (2)，流经压电片2 (2)并从弓I脚 线2(6)端引出，此时压电片(1)受正向电流向上变形被拉长，而压电片2(2)受到反向电流 向下变形被压縮，如图1 一 1中的虚线所示；由于反光镜面(12)都有活动连接器1(15)与 两块压电片连接，因而作顺时针偏转一个角度+ 9 ;反之，当正电源从压电片2(2)的引脚线 2(6)进入，出来之后，经内部连线1(9)又进入压电片l(l)，并从它的引脚线1(5)流出时， 压电片(1)受反向电流向下变形被压縮，而压电片2(2)受到正向电流向上变形被拉长，由 于反光镜面(12)都有活动连接器1(15)分别与两块压电片连接，因而作逆时针偏转一个角度-e ;当交变电流流经两块压电片时，反光镜面(12)即作+ e和-e交替偏转动作，如同 "跷跷板"一样，总偏转角度为2 e 。 在图1-3中，电源是从压电片的两侧面供给，而在图1-4中，电源是从压电片的顶、
底面供给，它们的功用原理上一样，这也是压电效应的另一大特点。 如果流经两片压电片的是锯齿波电流，则反光镜面(12)就作锯齿波偏转动作如 图l-5，当锯齿波电流T在tl阶段，压电片1(1)受反向电流驱动而压电片2(2)受正向电流 驱动时，反光镜面(12)作逆时针线性偏转；当锯齿波电流T在t2阶段，压电片1(1)受正向 电流驱动而压电片2(2)受反向电流驱动时，由于〖2<<〖1，反光镜面(12)作正时针瞬时 偏转，如此循环。 2、在图2中，行压电芯片组由压电片1(1)与压电片2(2)并行、相隔排列组成，并 固定在一块绝缘基板l(ll)上面，它们之间有一根内部连线1(9)作电气相连；压电片l(l) 和压电片2(2)的上面是活动连接器1(15)，活动连接上面连接反光镜面(12)，压电片1(1) 与压电片2(2)共同完成行扫描的偏转。 帧压电芯片组由压电片3(3)与压电片4(4)并行、相隔排列组成，并固定在一块绝 缘基板2(13)上面，它们之间有一根内部连线2(10)电气相连；压电片3(3)与压电片4(4) 的上面是两个活动连接器2(16);活动连接器2(16)与上层的绝缘基板l(ll)活动连接；压 电片3(3)与压电片4(4)共同完成帧扫描的偏转。 行压电芯片组与帧压电芯片组互呈90°角度，以共同完成图像的水平、垂直扫描。 实际上由于行偏转的角度比帧偏转的角度大得多，压电片1(1)与压电片2(2)可 以分别采用双层、或者多层压电片重叠，以加大行偏转角度。 绝缘基板2(13)与固定底座(17)安置在一起。 以上组装成压电微镜(19)整体。 3、图3中，压电微镜(19)装在外壳(20)内，8只引脚分别从压电微镜芯片(19)内 引出到外壳外面，其中4只为空脚(18)，另外4只分别是引脚线1 (5)、引脚线2 (6)、引脚线 3(7)、引脚线4(8)。 4、图4中，三色激光器——红色激光器(R)、绿色激光器(G)、蓝色激光器(B)分别 从3个角度对准射入光学汇聚棱镜(L)的3个光学面，汇聚棱镜(L)使3束激光汇聚成单 束激光，单束激光从第4个光学面射出到压电微镜芯片(19)上，压电微镜芯片(19)的作用 使激光形成扫描线，激光扫描线打到全反射凸透镜(F)上面，由于压电微镜的偏转角有限， 则全反射凸透镜(F)可以将微偏转角度进一步放大，投射到屏幕上。
权利要求一种压电微镜芯片作偏转的激光投影机，其特征是红色激光器(R)、绿色激光器(G)、蓝色激光器(B)三色激光器分别从3个角度对准光学汇聚棱镜(L)的3个光学面，汇聚棱镜(L)使3束激光汇聚成单束激光，单束激光从第4个光学面射出到压电微镜芯片(19)上，压电微镜芯片(19)的作用使激光形成扫描线，激光扫描线打到全反射凸透镜(F)上面，行压电芯片组由压电片1(1)与压电片2(2)并行、相隔排列组成，并固定在一块绝缘基板1(11)上面，它们之间有一根内部连线1(9)作电气相连，并使其中一片压电片施加正向电压和电流，另一片压电片施加反向电压和电流，组成“推一挽”式结构，当交变电流流经两个电流方向不同的压电片时，其中一片压电片作向上运动，而另一片压电片作向下运动；压电片1(1)和压电片2(2)的上面是活动连接器1(15)，活动连接上面连接反光镜面(12)，压电片1(1)与压电片2(2)共同完成行扫描的偏转；帧压电芯片组由压电片3(3)与压电片4(4)并行、相隔排列组成，并固定在一块绝缘基板2(13)上面，它们之间有一根内部连线2(10)电气相连，并使其中一片压电片施加正向电压和电流，另一片压电片施加反向电压和电流，组成“推--挽”式结构，当交变电流流经两个电流方向不同的压电片时，其中一片压电片作向上运动，而另一片压电片作向下运动；压电片3(3)与压电片4(4)的上面是两个活动连接器2(16)；活动连接器2(16)与上层的绝缘基板1(11)活动连接；压电片3(3)与压电片4(4)共同完成帧扫描的偏转；行压电芯片组与帧压电芯片组互呈90°角度，以共同完成图像的水平、垂直扫描；绝缘基板2(13)与固定底座(17)安置在一起，以上全部组装成压电微镜(19)整体，然后压电微镜(19)装在外壳(20)内，引脚分别从压电微镜芯片(19)内引出到外壳外面。
专利摘要一种压电微镜芯片作偏转的激光投影机，红、绿、蓝三色激光束通过一个光学棱镜汇集成一束激光，射到压电微镜反光镜面上，压电微镜由行压电芯片组和帧压电芯片组2部分重叠组成，行压电芯片组在帧压电芯片组之上，其最上面是反光镜面；行压电芯片组和帧压电芯片组各自由2块并排的压电材料、连接器组成，在每一压电芯片组内，其中一块压电材料的负端与另一块压电材料的正端相连形成电气上的“推-挽”工作状态，在锯齿波电流驱动下使最上面的反光镜面镜面作“跷跷板”运动使激光束行、帧偏转扫描，红、绿、蓝3色激光受控于图像处理器进行亮度调节，完成一帧、帧图像；由于省掉了液晶、数字微镜DLP、LCOS…图像生成器等中间载体，直接利用激光扫描生成图像，从而简化了整机方案和结构，大幅降低激光投影机成本。
文档编号G03B21/00GK201503516SQ20082022366
公开日2010年6月9日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者陈友余 申请人:陈友余