具有浮動平衡環(huán)的微型掃描儀及包含該微型掃描儀的激光投影裝置的制作方法

本實用新型涉及一種微型掃描儀，尤其涉及一種由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)驅(qū)動的微型掃描儀及包含此類微型掃描儀的激光投影裝置。

背景技術(shù)：

微型掃描儀或微型掃描反射鏡是用于動態(tài)光調(diào)制的微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS，Micro-Opto-Electro-Mechanical System)?；谖⑿蛼呙鑳x的類型，單一反射鏡的調(diào)節(jié)運(yùn)動可以是為實現(xiàn)移動相位的平移運(yùn)動，或可以是為實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)而繞一根軸或兩根軸的振動。

微型掃描儀反射鏡可以通過熱電、靜電、壓電、及電磁等方式驅(qū)動。然而，熱電式驅(qū)動僅適合于低頻率準(zhǔn)靜態(tài)的掃描，靜電、壓電和電磁式驅(qū)動適合于低頻率和高頻率掃描。電磁性式驅(qū)動可以用于驅(qū)動一維或二維的微機(jī)電系統(tǒng)掃描反射鏡，并且無論在靜態(tài)和動態(tài)操作下，傾斜角度和所施加的信號幅度之間具有良好的線性關(guān)系。由電磁性驅(qū)動的微機(jī)電系統(tǒng)掃描儀的另一特征在于電壓低且耗電量小。

采用間接驅(qū)動的雙軸微型掃描儀通常包括一掃描反射鏡板，該掃描反射鏡板通過由兩個內(nèi)部扭臂所形成的一旋轉(zhuǎn)軸與一平衡環(huán)連接。該平衡環(huán)通過垂直于內(nèi)部扭臂的兩個外部扭臂所形成的另一旋轉(zhuǎn)軸與一基底連接。平衡環(huán)和掃描反射鏡板具有不同的共振頻率。當(dāng)驅(qū)動微型掃描儀時，平衡環(huán)繞著由外部扭臂所限定的軸振動或傾斜，而反射鏡板繞著由內(nèi)部扭臂所限定的軸以不同的頻率振動或傾斜，從而實現(xiàn)高頻行內(nèi)掃描和低頻逐行列掃描。

為了獲得高分辨率的視頻投影，微型掃描儀具有高掃描頻率是有利的。微型掃描儀具有大掃描角度也是有利的。理想的是，微型掃描儀能夠承受在高頻率和大振幅驅(qū)動狀態(tài)下工作。同樣地，理想的是，微型掃描儀能夠精確地投射光束。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種微型掃描儀。該微型掃描儀能夠在高掃描頻率和大振幅驅(qū)動狀態(tài)下工作。另外，本實用新型所述的微型掃描儀能夠準(zhǔn)確地投射光束，從而獲得高分辨率的投影效果。此外，本實用新型所述的微型掃描儀的應(yīng)用范圍廣，例如，其可以作為高分辨率寬屏投影裝置中的掃描反射鏡，又例如，其可以作為高分辨率光學(xué)傳感器中的掃描儀。

為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提供了一種微型掃描儀，其包括：一基底，其具有一主表面和形成于主表面內(nèi)的一腔體；一平衡環(huán)組件，其位于所述基底的腔體內(nèi)；以及一場磁體，其鄰近于所述基底且被設(shè)置為在所述基底的腔體內(nèi)產(chǎn)生一不均勻磁場，該不均勻磁場與所述磁體相互作用，以為在所述基底的腔體內(nèi)的所述平衡環(huán)組件形成一平衡位置。同時，該平衡環(huán)組件包括：一掃描板，其具有基本平行于所述基底的主表面的一主要表面；一平衡環(huán)，其基本平行于所述基底的主表面且包圍所述掃描板；一第一扭力臂和一第二扭力臂將所述掃描板機(jī)械耦合至所述平衡環(huán)；以及一磁體，其裝于所述平衡環(huán)。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的所述微型掃描儀中，所述平衡環(huán)組件還包括設(shè)置于所述掃描板的主要表面上的一反射鏡。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述反射鏡包括沉積于所述掃描板的主要表面上的一鉑層。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的所述微型掃描儀中，所述平衡環(huán)組件還包括設(shè)置于所述平衡環(huán)上的一閉合電路線圈。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述平衡環(huán)具有一第一面和與第一面彼此相對的一第二面，且所述磁體設(shè)置于所述平衡環(huán)的所述第一面上。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述閉合電路線圈設(shè)置于所述平衡環(huán)的所述第二面上。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述閉合電路線圈設(shè)置于所述平衡環(huán)的所述第一面上。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述閉合電路線圈包圍所述磁體。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述磁體包圍所述閉合電路線圈。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，在所述基底的主表面內(nèi)的腔體包括位于所述基底內(nèi)的一通孔，該通孔具有包圍所述平衡環(huán)組件的一側(cè)壁。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，在所述基底的主表面內(nèi)的腔體包括位于所述基底內(nèi)的一凹陷部分，該凹陷部分具有包圍所述平衡環(huán)組件的一側(cè)壁和與側(cè)壁連接的一底部。

更進(jìn)一步地，本實用新型所述的微型掃描儀還包括形成于所述基底的腔體的底部的一基架，且該基架具有與所述掃描板接觸的一端部。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述磁體包括一環(huán)形磁體。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述磁體包括若干沿所述平衡環(huán)的一周長離散設(shè)置的磁體。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述磁體被設(shè)置為產(chǎn)生一磁場，該磁場在所述磁體內(nèi)具有基本垂直于所述基底的主表面的一方向；并且由所述場磁體產(chǎn)生的位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，由所述場磁體產(chǎn)生的位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量的方向與由所述磁體在所述磁體內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向相同；并且位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，由所述場磁體產(chǎn)生的位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量的方向與由所述磁體在所述磁體內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向相反；并且位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，由所述場磁體產(chǎn)生的位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場具有垂直于所述基底的主表面的一第一分量和平行于所述基底的主表面的一第二分量。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述場磁體的一磁北極較之所述磁體的一磁南極更接近所述磁體的一磁北極；所述場磁體的一磁南極較之所述磁體的磁北極更接近所述磁體的磁南極；并且位于所述基底的主表面的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的微型掃描儀中，所述場磁體的一磁北極較之所述磁體的一磁北極更接近所述磁體的一磁南極；所述場磁體的一磁南極較之所述磁體的磁南極更接近所述磁體的磁北極；并且位于所述基底的主表面的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

本實用新型的另一目的在于提供一種激光投影裝置。該激光投影裝置可以在高掃描頻率和大振幅驅(qū)動狀態(tài)下工作。此外，由本實用新型所述的激光投影裝置獲得的投影圖像的分辨率高且成像性好。

為了達(dá)到上述實用新型目的，本實用新型旨在提供一種激光投影裝置，其包括：一微型掃描儀；一視頻信號處理器，其具有用于輸出一數(shù)字像素色彩和強(qiáng)度信號的一第一輸出口和用于輸出一數(shù)字像素掃描信號的一第二輸出口；一激光發(fā)射模塊，其與所述視頻信號處理器的第一輸出口耦合，且該激光發(fā)射模塊被設(shè)置為發(fā)射入射到所述微型掃描儀的所述掃描板上的一連續(xù)波激光束；以及一掃描驅(qū)動模塊，其與所述視頻信號處理器的第二輸出口耦合，且該掃描驅(qū)動模塊被設(shè)置為在所述微型掃描儀的所述平衡環(huán)周圍產(chǎn)生一變化的磁場，以感應(yīng)生成一變化的磁偶極子與所述場磁體的不均勻磁場相互作用，由此產(chǎn)生作用于所述微型掃描儀的所述平衡環(huán)上的一變化的力矩。具體地，該微型掃描儀包括一基底，其具有一形成于其內(nèi)的腔體；一掃描板，其具有一主要表面；一平衡環(huán)，其包圍所述掃描板；一扭力臂，其將所述掃描板耦合至所述平衡環(huán)；一磁體，其裝于所述平衡環(huán)；以及一場磁體，其鄰近于所述基底，且該場磁體被設(shè)置為產(chǎn)生與所述磁體相互作用的一不均勻磁場，以為在所述基底的腔體內(nèi)的所述平衡環(huán)形成一平衡位置，其中，所述微型掃描儀的所述掃描板被設(shè)置為響應(yīng)作用于所述平衡環(huán)上的變化的力矩，從而按序以一光柵格式反射所述激光發(fā)射模塊的連續(xù)波激光束。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀還包括設(shè)置于所述平衡環(huán)上的一閉合電路線圈，其中，由所述掃描驅(qū)動模塊產(chǎn)生的變化的磁場在所述閉合電路線圈中產(chǎn)生一變化的感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生變化的磁偶極子。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述磁體包括裝于所述平衡環(huán)上的一環(huán)形磁體。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述磁體包括沿所述平衡環(huán)的一周長離散設(shè)置的若干磁體。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述磁體在所述磁體內(nèi)產(chǎn)生基本垂直于所述掃描板的一磁場；并且由所述微型掃描儀的所述場磁體產(chǎn)生的不均勻磁場具有垂直于所述掃描板的一第一分量和平行于所述掃描板的一第二分量。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，由所述微型掃描儀的所述場磁體產(chǎn)生的不均勻磁場的第一分量的方向與由所述磁體在所述磁體內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向相同；并且位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，由所述微型掃描儀的所述場磁體產(chǎn)生的不均勻磁場的第一分量的方向與由所述磁體在所述磁體內(nèi)產(chǎn)生的磁場方向相反；并且位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，由所述微型掃描儀的所述場磁體產(chǎn)生的位于所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場具有垂直于所述掃描板的一第一分量和平行于所述掃描板的一第二分量。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述場磁體的一磁北極較之所述磁體的一磁南極更接近所述磁體的一磁北極；所述微型掃描儀的所述場磁體的一磁南極較之所述磁體的磁北極更接近所述磁體的磁南極；并且位于所述微型掃描儀的所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在接近腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述場磁體的一磁北極較之所述磁體的一磁北極更接近所述磁體的一磁南極；所述微型掃描儀的所述場磁體的一磁南極較之所述磁體的磁南極更接近所述磁體的磁北極；并且位于所述微型掃描儀的所述基底的腔體內(nèi)的不均勻磁場的第一分量在腔體內(nèi)的一位置處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述激光發(fā)射模塊包括：一激光驅(qū)動器，其與所述視頻信號處理器的第一輸出口耦合，且該激光驅(qū)動器被設(shè)置為產(chǎn)生一模擬驅(qū)動信號；以及一激光模塊，其與所述激光驅(qū)動器耦合，且該激光模塊被設(shè)置為響應(yīng)模擬驅(qū)動信號以發(fā)射連續(xù)波激光束。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述激光模塊包括：若干激光管，其與所述激光驅(qū)動器耦合，且該激光管被設(shè)置為響應(yīng)模擬驅(qū)動信號以產(chǎn)生若干激光束；以及一光學(xué)元件，其被設(shè)置為組合所述若干激光束以產(chǎn)生入射到所述微型掃描儀的所述掃描板上的連續(xù)波激光束。

進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述掃描驅(qū)動模塊包括：一掃描驅(qū)動器，其與所述視頻信號處理器的第二輸出口耦合，且該掃描驅(qū)動器被設(shè)置為產(chǎn)生一模擬電流信號；以及一掃描感應(yīng)線圈，其與所述掃描驅(qū)動器耦合，該掃描感應(yīng)線圈設(shè)置在所述微型掃描儀的周圍，且該掃描感應(yīng)線圈被設(shè)置為響應(yīng)所述掃描驅(qū)動器的模擬電流信號以在所述微型掃描儀的所述平衡環(huán)的周圍產(chǎn)生變化的磁場。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述掃描板具有繞一第一軸振動的一第一共振頻率和一第一增幅系數(shù)；所述微型掃描儀的所述平衡環(huán)具有繞垂直于第一軸的一第二軸振動的一第二共振頻率和一第二增幅系數(shù)，第二共振頻率不同于第一共振頻率；并且由所述掃描驅(qū)動器產(chǎn)生的模擬電流信號具有與第一共振頻率發(fā)生共振的一第一頻率分量和與第二共振頻率發(fā)生共振的一第二頻率分量。

更進(jìn)一步地，在本實用新型所述的激光投影裝置中，所述微型掃描儀的所述掃描板被設(shè)置為反射所述激光發(fā)射模塊的連續(xù)波激光束，響應(yīng)所述掃描板在第一共振頻率下繞第一軸振動，以按序產(chǎn)生一像素行內(nèi)的若干像素點，并響應(yīng)所述平衡環(huán)在第二共振頻率下繞第二軸振動，以產(chǎn)生若干像素行。

附圖說明

圖1和圖2分別示意性地顯示了根據(jù)本實用新型的一微型掃描儀的立體圖和俯視圖。

圖3和圖4分別示意性地顯示了圖1和圖2所示的微型掃描儀沿一A-A橫截面和一B-B橫截面的剖視圖。

圖5A、5B、5C和5D示意性地顯示了在本實用新型不同實施例中一微型掃描儀中的安裝于一平衡環(huán)的一磁體和一場磁體之間的關(guān)系。

圖6示意性地顯示了根據(jù)本實用新型一實施例的一微型掃描儀的剖視圖。

圖7A、7B、7C、7D和7E示意性地顯示了本實用新型不同實施例中設(shè)置于一平衡環(huán)上的一磁體和一線圈。

圖8示意性地顯示了根據(jù)本實用新型一實施例的一激光投影裝置。

具體實施方式

下面將參照附圖闡述本實用新型的不同實施例。各圖中相似結(jié)構(gòu)或具有類似功能的元素會以相同的附圖標(biāo)記表示。需要注意的是，附圖旨在便于闡述本實用新型的優(yōu)選實施例。它們并不旨在全面描述本實用新型進(jìn)行詳盡描述，或限定本實用新型的范圍。另外，附圖并不一定根據(jù)實際尺寸按比例繪制。此外，應(yīng)理解的是，諸如頂部、底部、上、下、左、右、前、后、垂直、水平等詞語是為了參照附圖便于描述本實用新型的不同元素。它們并不旨在對本實用新型中不同元素的方向或各元素之間的空間關(guān)系有所限定。除此之外，若在本實用新型的說明書和權(quán)利要求中出現(xiàn)“基本的”或“基本地”等詞語，則表示與一明確的數(shù)值或一元素的狀態(tài)之間存在微小的變化或偏差，但這種變化或偏差并不會影響元素的功能或產(chǎn)生改變元素的特征。

本實用新型提供了一種微型掃描儀，其能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率、高分辨率、大角度的掃描。根據(jù)本實用新型的一微型掃描儀具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，根據(jù)本實用新型的一微型掃描儀可以作為在一高分辨率投影裝置中的一掃描反射鏡，用來以一光柵格式偏轉(zhuǎn)一激光束。又例如，根據(jù)本實用新型的一微型掃描儀可以作為一高分辨率光學(xué)傳感器中的一掃描儀。

圖1、圖2、圖3及圖4為描述根據(jù)本實用新型一實施例的一微型掃描儀10在不同視角下的示意圖。通過實施例來說明，微型掃描儀10通過半導(dǎo)體制造工藝制成在一半導(dǎo)體晶片上制成。例如，該晶片可以是硅體(Bulk Silicon)晶片或絕緣底上的硅(SOI)晶片。圖1至圖4示出了作為一半導(dǎo)體基底12的半導(dǎo)體晶片的一部分。一腔體15形成于基底12的一頂部主表面11內(nèi)。根據(jù)一實施例，腔體15是位于基底12的一通孔，該通孔具有如圖3所示的一側(cè)壁14。根據(jù)另一實施例，腔體15是位于基底12的一凹陷或一凹槽，該凹陷或凹槽具有如圖4所示的一側(cè)壁14和與側(cè)壁14連接的一底部16。

圖1和圖2所示的扭力臂26，28是直的且具有與掃描板22和平衡環(huán)24相同的厚度。應(yīng)理解的是，這并不旨在限制本實用新型的范圍。根據(jù)本實用新型的不同實施例，扭力臂26，28可以具有諸如彎曲或蛇形等不同形狀，并且在不同的截面具有不同的寬度。此外，扭力臂26，28還可以具有不同的厚度。對扭力臂的形狀、寬度及厚度進(jìn)行選擇可滿足扭力臂不同的質(zhì)量分布、剛度和其他機(jī)械性能的要求。例如，根據(jù)本實用新型的一可選實施例，如圖3，圖5A-5D和圖7A-7E所示的扭力臂26，28的厚度小于掃描板22和平衡環(huán)24的厚度。

一平衡環(huán)組件20位于腔體15內(nèi)，并被側(cè)壁14包圍。平衡環(huán)組件20包括通過扭力臂26，28與一平衡環(huán)24連接的一掃描板22。根據(jù)本實用新型一優(yōu)選實施例，掃描板22，平衡環(huán)24及扭力臂26，28采用與基底12相同的半導(dǎo)體材料制成。一反射鏡32設(shè)置于掃描板22的一頂面21。根據(jù)本實用新型一優(yōu)選實施例，反射鏡32包括沉積于掃描板22的頂面21的一鉑金反射面。一閉合電路線圈34設(shè)置于平衡環(huán)24的頂面23。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，線圈34包括具有一導(dǎo)電材料(例如，金，銅或鋁等)的一閉合電路繞組。

平衡環(huán)組件20還包括設(shè)置于平衡環(huán)24的一底面27的一磁體36。根據(jù)本實用新型的不同實施例，磁體36可以包括與平衡環(huán)24基本共形的一環(huán)形磁體，或沿平衡環(huán)24的一周長離散設(shè)置的若干磁體。此外，磁體36優(yōu)選地在磁體36內(nèi)產(chǎn)生與平衡環(huán)組件20的一主表面基本垂直的一磁場37。根據(jù)一優(yōu)選實施例，磁體36取向為其磁北極位于上端接近平衡環(huán)24的底面27，而其磁南極位于下端遠(yuǎn)離平衡環(huán)24。因此，如圖5A和圖5B所示，磁體36在磁體36內(nèi)產(chǎn)生的磁場37方向向上。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，磁體36取向為其磁南極位于上端接近平衡環(huán)24的底面27，而其磁北極位于下端遠(yuǎn)離平衡環(huán)24。因此，如圖5C和圖5D所示，磁體36在磁體36內(nèi)產(chǎn)生的磁場37的方向向下。

微型掃描儀10還包括一個或多個鄰近于基底12的場磁體42。場磁體42可以設(shè)置在基底12之上，之下和/或周圍。場磁體42在腔體15內(nèi)產(chǎn)生一磁場41。磁場41圍繞著平衡環(huán)組件20。磁場41具有垂直于基底12的主表面11的一垂直分量和平行于基底12的主表面11的一水平分量。

根據(jù)圖5A所示的一優(yōu)選實施例，磁體36內(nèi)磁場37在的方向向上，且磁場41的垂直分量在腔體15內(nèi)的方向向下。場磁體42的一磁北極相較于磁體36的磁南極更接近其磁北極。同樣地，場磁體42的一磁南極相較于磁體36的磁北極更接近其磁南極。位于腔體15內(nèi)的磁場41是非均勻的。特別地，當(dāng)上下移動離開如圖5A所示的位置45時，磁場41的垂直分量強(qiáng)度增大。也就是說，較之于在基底12的腔體15內(nèi)緊鄰位置45的一位置，磁場41的垂直分量在位置45之上或之下一段距離的一位置處的強(qiáng)度更大。腔體15內(nèi)磁場41的垂直分量在位置45處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

磁場41的向下垂直分量向安裝于平衡環(huán)24的磁體36的磁北極和磁南極分別施加一向下作用力和一向上作用力。磁場41的垂直分量的空間非均勻性為平衡環(huán)組件20在位置45處形成一平衡位置，在該位置，磁場41的垂直分量在磁體36上施加一零磁合力。當(dāng)平衡環(huán)組件20向上偏離位置45時，較之于其磁南極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁北極處的磁力更大。因此，磁場41的向下垂直分量向磁體36施加一向下合力，朝位置45向下推動平衡環(huán)組件20。當(dāng)平衡環(huán)組件20向下偏離位置45時，較之于其磁南極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁北極處的磁力更小。因此，磁場41的向下垂直分量向磁體36施加一向上合力，朝位置45向上推動平衡環(huán)組件20。因而，在圖5A中，位置45是位于磁場41中的平衡環(huán)組件20的一穩(wěn)定平衡位置。

根據(jù)圖5B所示的另一優(yōu)選實施例，磁體36內(nèi)磁場37的方向向上，且磁場41的垂直分量在腔體15內(nèi)的方向向上。場磁體42的一磁南極相較于磁體36的磁南極更接近其磁北極。同樣地，場磁體42的一磁北極相較于磁體36的磁北極更接近其磁南極。位于腔體15內(nèi)的磁場41是非均勻的。特別地，當(dāng)上下移動離開如圖5B所示的位置45時，磁場41的垂直分量強(qiáng)度減小。也就是說，較之于在基底12的腔體15內(nèi)緊鄰位置45的一位置，磁場41的垂直分量在位置45之上或之下一段距離的一位置處的強(qiáng)度更小。腔體15內(nèi)磁場41的垂直分量在位置45處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

磁場41的向上垂直分量向安裝于平衡環(huán)24的磁體36的磁北極和磁南極分別施加一向上作用力和一向下作用力。磁場41的垂直分量的空間非均勻性為平衡環(huán)組件20在位置45處形成一平衡位置，在該位置處，磁場41的垂直分量在磁體36上施加一零磁合力。當(dāng)平衡環(huán)組件20向上偏離位置45時，較之于其磁南極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁北極處的磁力更小。因此，磁場41的向上垂直分量向磁體36施加一向下合力，朝位置45向下推動平衡環(huán)組件20。當(dāng)平衡環(huán)組件20向下偏離位置45時，較之于其磁南極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁北極處的磁力更大。因此，磁場41的向上垂直分量向磁體36施加一向上合力，朝位置45向上推動平衡環(huán)組件20。因而，在圖5B中，位置45是位于磁場41中的平衡環(huán)組件20的一穩(wěn)定平衡位置。

根據(jù)圖5C所示的又一優(yōu)選實施例，磁體36內(nèi)磁場37的方向向下，且磁場41的垂直分量在腔體15內(nèi)的方向向下。場磁體42的磁北極相較于磁體36的磁北極更接近其磁南極。同樣地，場磁體42的磁南極相較于磁體36的磁南極更接近其磁北極。位于腔體15內(nèi)的磁場41是非均勻的。特別地，當(dāng)上下移動離開如圖5C所示的位置45時，磁場41的垂直分量強(qiáng)度減小。也就是說，較之于在基底12的腔體15內(nèi)緊鄰位置45的一位置，磁場41的垂直分量在位置45之上或之下一段距離的一位置處的強(qiáng)度更小。腔體15內(nèi)磁場41的垂直分量在位置45處達(dá)到一最大強(qiáng)度。

磁場41的向下垂直分量向安裝于平衡環(huán)24的磁體36的磁南極和磁北極分別施加一向上作用力和一向下作用力。磁場41的垂直分量的空間非均勻性為平衡環(huán)組件20在位置45處形成一平衡位置，在該位置處，磁場41的垂直分量在磁體36上施加一零磁合力。當(dāng)平衡環(huán)組件20向上偏離位置45時，較之于其磁北極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁南極處的磁力更小。因此，磁場41的向下垂直分量向磁體36施加一向下合力，朝位置45向下推動平衡環(huán)組件20。當(dāng)平衡環(huán)組件20向下偏離位置45時，較之于其磁北極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁南極處的磁力更大。因此，磁場41的向下垂直分量向磁體36施加一向上合力，朝位置45向上推動平衡環(huán)組件20。因而，在圖5C中，位置45是位于磁場41中的平衡環(huán)組件20的一穩(wěn)定的平衡位置。

根據(jù)圖5D所示的另外一優(yōu)選實施例，磁體36內(nèi)磁場37的方向向下，且磁場41的垂直分量在腔體15內(nèi)的方向向上。場磁體42的一磁南極相較于磁體36的磁北極更接近其磁南極。同樣地，場磁體42的一磁北極相較于磁體36的磁南極更接近其磁北極。位于腔體15內(nèi)的磁場41是非均勻的。特別地，當(dāng)上下移動離開如圖5D所示的位置45時,磁場41的垂直分量強(qiáng)度增大。也就是說，較之于在基底12的腔體15內(nèi)緊鄰位置45的一位置，磁場41的垂直分量在位置45之上或之下一段距離的一位置處的強(qiáng)度更大。腔體15內(nèi)磁場41的垂直分量在位置45處達(dá)到一最小強(qiáng)度。

磁場41的向上垂直分量向安裝于平衡環(huán)24的磁體36的磁南極和磁北極分別施加一向下作用力和一向上作用力。磁場41的垂直分量的空間非均勻性為平衡環(huán)組件20在位置45處形成一平衡位置，在該位置處，磁場41的垂直分量在磁體36上施加一零磁合力。當(dāng)平衡環(huán)組件20向上偏離位置45時，較之于其磁北極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁南極處的磁力更大。因此，磁場41的向上垂直分量向磁體36施加一向下合力，朝位置45向下推動平衡環(huán)組件20。當(dāng)平衡環(huán)組件20向下偏離位置45時，較之于其磁北極，磁場41的垂直分量在磁體36的磁南極處的磁力更小。因此，磁場41的向上垂直分量向磁體36施加一向上合力，朝位置45向上推動平衡環(huán)組件20。因而，在圖5D中，位置45是位于磁場41中的平衡環(huán)組件20的一穩(wěn)定平衡位置。

根據(jù)本實用新型如上參照圖5A、5B、5C和5D所述，安裝于平衡環(huán)24的磁體36和設(shè)置于基底12的腔體15周圍的場磁體42之間的相互作用為平衡環(huán)組件20形成了穩(wěn)定平衡位置45。在該位置處，磁場41作用于磁體36的磁北極和磁南極的磁力大小相等且方向相反，從而使得作用于磁體36上的總磁力為零。當(dāng)平衡環(huán)組件20沿向上或向下的方向偏離位置45時，由場磁體42產(chǎn)生的磁場41向磁體36施加沿朝著位置45的一方向的一合力，從而推動平衡環(huán)組件20回到位置45。因此，平衡環(huán)組件20能夠在基底12的腔體15內(nèi)的穩(wěn)定平衡位置45處懸浮于磁場41中，而無需與基底12物理接觸或機(jī)械連接。

圖6為顯示根據(jù)本實用新型的另一優(yōu)選實施例中一微型掃描儀10的示意圖。微型掃描儀10與上文所述的微型掃描儀10在結(jié)構(gòu)上相似。在基底12的腔體15的基部或底部16上，形成具有一端部或尖端66的一基架64。端部或尖端66在位于或靠近平衡環(huán)組件20的掃描板22的中心位置處與掃描板22的底面29接觸。在掃描操作中，掃描板22能夠繞著基架64的尖端66傾斜。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，磁場41作用于磁體36上的磁合力接近于零但不為零，且其方向向下，從而輕微地推動平衡環(huán)組件20抵住基架64。也就是說，如上參照圖5A、5B、5C和5D所述的平衡環(huán)組件20的平衡位置45略低于圖6所示的支撐在基架64上的平衡環(huán)組件20的位置。該微小的向下推力確保掃描板22和形成于基底12的腔體15的底部16的基架64的尖端66之間的物理接觸，并為微型掃描儀10創(chuàng)造了一穩(wěn)定的操作狀態(tài)。

圖7A、7B、7C、7D和7E顯示根據(jù)本實用新型閉合電路線圈34和磁體36位于平衡環(huán)組件20上的不同的可選擇設(shè)置方式。如圖7A和圖7B所示，平衡環(huán)組件20具有線圈34和磁體36，兩者均設(shè)置于平衡環(huán)24的頂面23上。其中一實施例中的線圈34包圍或圍繞著磁體36，而另一實施例中的線圈34相對于磁體36位于平衡環(huán)24的內(nèi)部。如圖7C和圖7D所示，平衡環(huán)組件20具有線圈34和磁體36，兩者均設(shè)置于平衡環(huán)24的底面27上。其中一實施例中的磁體36相對于線圈34位于平衡環(huán)24的內(nèi)部，而另一實施例中的磁體36包圍或圍繞著線圈34。如圖7E所示，平衡環(huán)組件20具有線圈34和磁體36，線圈34設(shè)置于平衡環(huán)24的底面27上，而磁體36設(shè)置于平衡環(huán)24的頂面23上。

如上參照附圖所述的閉合電路線圈34包括一個具有多匝的閉合電路線圈。根據(jù)本實用新型，線圈34可以包括一閉合電路線圈或若干閉合電路線圈，每一線圈具有一匝或多匝圈數(shù)。在線圈34包括一個以上的閉合電路線圈的實施例中，不同的線圈可以設(shè)置在平衡環(huán)24的不同部位處。

掃描板22的質(zhì)量分布和扭力臂26，28的剛度決定了掃描板22繞與扭力臂26，28重合的一軸振動或傾斜的一第一共振頻率和一第一增幅系數(shù)(增幅系數(shù)也可以被稱之為增幅因子或增幅因數(shù))。同樣地，掃描板22，扭力臂26，28和平衡環(huán)24的組合質(zhì)量以及它們的質(zhì)量分布決定了平衡環(huán)24繞正交或垂直于扭力臂26，28的一軸振動或傾斜的一第二共振頻率和一第二增幅系數(shù)。通過選擇在平衡環(huán)組件20中的不同元件合適的質(zhì)量分布以及適合的扭力臂26，28的剛度，可大范圍設(shè)置繞兩根軸振動的共振頻率和增幅系數(shù)。根據(jù)本實用新型，掃描板22和平衡環(huán)24可以包括肋部、突出部、凹槽和槽口(未示出于附圖中)以調(diào)節(jié)它們的質(zhì)量分布。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，繞平行于扭力臂26，28的一軸振動的第一共振頻率顯著地高于繞垂直于扭力臂26，28的一軸振動的第二共振頻率。

根據(jù)本實用新型，如上所述的微型掃描儀10可以應(yīng)用制造于半導(dǎo)體微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造工藝制造。制造過程可包括光刻(photolithography)、蝕刻(etching)、摻雜(doping)、注入(inplantation)、擴(kuò)散(diffusion)、沉積(deposition)、濺射(sputtering)、電鍍(plating)、化學(xué)和機(jī)械拋光(chemical and mechanical polishing)、粘接(bonding)和熔接(fusion)等工藝。根據(jù)本實用新型，線圈34采用金、銅、鋁、鎳或前述材料的任意組合制成。優(yōu)選地，磁體36和場磁體42由鐵磁體和/或亞鐵磁材料制成。

根據(jù)一優(yōu)選實施例，在微型掃描儀10的制造過程中，平衡環(huán)24通過一個或多個細(xì)薄桿件(未示出于附圖中)與基底12物理連接。在制造過程中，平衡環(huán)24和基底12之間的物理連接將平衡環(huán)組件20保持在腔體15內(nèi)。在場磁體42被裝配到基底12后，其在腔體15內(nèi)產(chǎn)生磁場41，且磁體36懸浮于磁場41中。平衡環(huán)組件20能夠位于或靠近平衡位置45處懸浮于腔體15內(nèi)?？梢杂枚檀偾颐土业臍饬鱽頂嚅_掃描板22和基底12之間的物理連接，并從腔體15內(nèi)消除斷開連接的殘余物質(zhì)。

當(dāng)微型掃描儀10未工作或未處于掃描操作時，掃描板22的頂面21優(yōu)選地平行于基底12的主表面11。此外，掃描板22的頂面21優(yōu)選地基本平行且共面于平衡環(huán)24的頂面23。同樣地，掃描板22的底面29優(yōu)選地基本平行且共面于平衡環(huán)24的底面27。在如下所述的一掃描操作中，平衡環(huán)組件20振動。掃描板22相對于平衡環(huán)24的方向隨著時間而變化，且平衡環(huán)24相對于基底12的主表面11的方向也隨著時間而變化。

圖8為描述根據(jù)本實用新型一實施例的一激光投影裝置100的示意圖。激光投影裝置100包括一微型掃描儀110。微型掃描儀110被設(shè)置為反射一激光模塊122的一激光束121，從而以一光柵格式產(chǎn)生一反射激光束123。投影裝置100還包括位于反射激光束123光徑上的一成像模塊126。舉例而言，如上所述的微型掃描儀10能夠作為激光投影裝置100中的微型掃描儀110。因此，在如下對激光投影裝置100的描述中，有可能需參照上述對微型掃描儀10描述的相關(guān)附圖。

激光投影裝置100包括一視頻信號處理器102，其接收來自于一視頻信號源(未示出于圖8中)的一數(shù)字視頻信號101。舉例而言，數(shù)字視頻信號101包含諸如一視頻圖像中每一像素的色彩、亮度及位置等信息。視頻信號處理器102處理視頻信號101，以產(chǎn)生一數(shù)字激光驅(qū)動信號103和一數(shù)字掃描驅(qū)動信號107。數(shù)字激光驅(qū)動信號103包含視頻圖像中一像素的色彩和亮度信息，該信號也可以被稱為一像素色彩和亮度信號。數(shù)字掃描驅(qū)動信號107包含涉及像素位置的信息，該信號也可以被為一像素掃描信號。

激光投影裝置100還包括一激光發(fā)射模塊104。激光發(fā)射模塊104包括一激光驅(qū)動器112和一激光模塊122。激光驅(qū)動器112具有與視頻信號處理器102耦合以接收數(shù)字激光驅(qū)動信號103的一輸入口和與激光模塊122耦合的一輸出口。響應(yīng)激光驅(qū)動信號103，激光驅(qū)動器112產(chǎn)生一模擬驅(qū)動信號以驅(qū)動激光模塊122中的一激光管。根據(jù)一優(yōu)選實施例，激光模塊122包括一根紅色激光管、一根綠色激光管和一根藍(lán)色激光管。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，激光模塊122包括一根紅色激光管、兩根綠色激光管和一根藍(lán)色激光管。根據(jù)又一優(yōu)選實施例，激光模塊122包括兩根紅色激光管、兩根綠色激光管和一根藍(lán)色激光管。根據(jù)本實用新型，在激光模塊122中的激光管接收激光驅(qū)動器112的模擬驅(qū)動信號，并根據(jù)模擬驅(qū)動信息發(fā)射相應(yīng)強(qiáng)度的激光束。另外，激光模塊122包括光學(xué)元件，例如，透鏡和反射鏡(未示出于圖8中)將若干激光束組合成一個單一的組合激光束121，該激光束的色彩和亮度信息對應(yīng)視頻圖像中的一像素。

激光投影裝置100還包括一掃描驅(qū)動模塊106。掃描驅(qū)動模塊106包括與視頻信號處理器102耦合以接收數(shù)字掃描驅(qū)動信號107的一掃描驅(qū)動器114。掃描驅(qū)動模塊106還包括與掃描驅(qū)動器114耦合的一掃描感應(yīng)線圈124(也可以被稱之為掃描信號感應(yīng)線圈124)。掃描感應(yīng)線圈124設(shè)置在微型掃描儀110的基底12的周圍。響應(yīng)由視頻信號處理器102產(chǎn)生的掃描驅(qū)動信號107，掃描驅(qū)動器114產(chǎn)生發(fā)送至掃描感應(yīng)線圈104的一模擬電流信號。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，掃描驅(qū)動器114的模擬電流信號包括至少兩個頻率分量。其中一頻率分量優(yōu)選地與掃描板22繞平行于扭力臂26，28的軸振動或傾斜的共振頻率產(chǎn)生共振，另一頻率分量優(yōu)選地與平衡環(huán)24繞垂直于扭力臂26，28的軸振動或傾斜的共振頻率產(chǎn)生共振。

掃描信號感應(yīng)線圈124鄰近于微型掃描儀110。當(dāng)一模擬電流信號發(fā)送給掃描信號感應(yīng)線圈124時，掃描信號感應(yīng)線圈124在腔體15內(nèi)的平衡環(huán)組件20的周圍產(chǎn)生一變化的磁場125。變化的磁場125在設(shè)置于平衡環(huán)24上的閉合電路線圈34內(nèi)產(chǎn)生一變化的感應(yīng)電流。在線圈34內(nèi)的變化的感應(yīng)電流產(chǎn)生一變化的磁偶極子，該變化的磁偶極子與場磁體42的磁場41相互作用，以在平衡環(huán)24上產(chǎn)生一振動力矩。根據(jù)本實用新型的一優(yōu)選實施例，振動力矩主要由平行于基底12的主表面11的磁場41的水平分量和閉合電路線圈34中的變化的感應(yīng)電流之間的相互作用而產(chǎn)生。如同在掃描信號感應(yīng)線圈124中的模擬電流信號，作用于平衡環(huán)24上的振動力矩也包括至少一與掃描板22繞平行于扭力臂26，28的軸振動的共振頻率產(chǎn)生共振的頻率分量，以及另一與平衡環(huán)24繞垂直于扭力臂26，28的軸振動的共振頻率產(chǎn)生共振的頻率分量。

振動力矩驅(qū)動掃描板22和平衡環(huán)24繞著相互垂直的兩根軸振動。設(shè)置于掃描板22的頂面21上的反射鏡32同樣振動并反射入射激光束121，以一光柵格式產(chǎn)生反射激光束123。特別地，掃描板22以一高頻率繞平行于扭力臂26，28的軸振動，從而產(chǎn)生一像素行內(nèi)的多個像素點，并且平衡環(huán)24以一低頻率繞垂直于扭力臂26，28的軸振動，從而產(chǎn)生若干像素行。閉合電路線圈34中感應(yīng)電流的時間形態(tài)和磁場41的水平分量的空間分布決定了平衡環(huán)組件20的掃描板22和平衡環(huán)24的振動模式。

成像模塊126格式化反射激光束123并生成一格式化的掃描光束127，從而形成一成像性好的視頻圖像。根據(jù)本實用新型，成像模塊126可以包括一透鏡或一反射鏡以調(diào)節(jié)反射激光束123，從而形成具有格式化的掃描光束127，以獲得一成像性好的掃描圖像。

至止，應(yīng)領(lǐng)會到本實用新型提供了一種具有一浮動平衡環(huán)組件的微型掃描儀。根據(jù)本實用新型，平衡環(huán)組件包括一平衡環(huán)和通過兩個扭力臂與平衡環(huán)機(jī)械耦合的一掃描板。一場磁體形成一圍繞著平衡環(huán)組件的不均勻磁場，并向安裝于平衡環(huán)的一磁體施加一磁力，從而為在不均勻磁場中的平衡環(huán)組件建立一穩(wěn)定平衡位置。因此，平衡環(huán)組件浮動或懸浮于不均勻磁場中，而無需與微型掃描儀的一基部或基底物理連接。微型掃描儀還包括一掃描驅(qū)動感應(yīng)線路，其在設(shè)置于平衡環(huán)上的一閉合電路線圈內(nèi)產(chǎn)生一變化的感應(yīng)電流。該變化的感應(yīng)電流與場磁體的磁場相互作用，以驅(qū)動掃描板繞扭力臂在一頻率下振動，從而產(chǎn)生一像素行內(nèi)的多個像素點，并驅(qū)動平衡環(huán)繞垂直于扭力臂的一軸在另一頻率下振動，從而產(chǎn)生多個像素行。

根據(jù)本實用新型，在微型掃描儀中平衡環(huán)和圍繞其周圍的基底或框架之間沒有物理連接。此類物理連接，例如，一對扭力桿，會對平衡環(huán)的振動頻率和振動幅度構(gòu)成明顯的約束和限制。因此，在此類微型掃描儀中要實現(xiàn)高分辨率和/或大角度的掃描是困難的。在一磁場中懸浮一平衡環(huán)組件，無需平衡環(huán)和周圍框架之間的物理連接，由此大大提高了掃描儀在高掃描頻率、高掃描分辨率及大掃描角度等方面的掃描性能。根據(jù)本實用新型的微型掃描儀能夠在高頻率和大振幅驅(qū)動狀態(tài)下工作。根據(jù)本實用新型的微型掃描儀具有廣泛的應(yīng)用范圍。例如，根據(jù)本實用新型的微型掃描儀能夠作為一高分辨率及大角度投影裝置中的一掃描反射鏡，用來以一光柵格式偏轉(zhuǎn)一激光束。又例如，根據(jù)本實用新型的微型掃描儀能夠作為一高分辨率且大視野光學(xué)傳感器中的一掃描儀。

雖然對于本實用新型結(jié)合不同實施例并參照相關(guān)附圖進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠基于本實用新型的上述描述做出不同的修改。例如，平衡環(huán)和掃描板可以具有諸如圓形、橢圓形和矩形等不同形狀。在平衡環(huán)和掃描板上可以具有用于調(diào)節(jié)質(zhì)量分布的特征。此外，根據(jù)本實用新型的激光投影裝置可以包括用于驗證投影圖像和輸入視頻信號之間一致性的傳感和反饋電路。