[发明专利]光学多环扫描元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学多环扫描元件，尤指一种于镜面与外环间再增加至少一个环状结构的光学多环扫描元件，该环状结构与镜面同一扭转轴心，通过特殊的模态设计与电磁力驱动后，具备同时进行水平与垂直方向二维扫描的能力，可产生放大扫描角度与降低镜面操作温度的效果。

背景技术

移动电子装置如手机已成为人类最重要的随身装置，预估2010年手机需求将超过12亿只，而2012年后约15亿只手机中，更将有5％以上(约7500万只)的手机将内建微型投影模块。微型投影模块的关键元件即为微光学扫描面镜，其可整合于如手机、数字相机、笔记本电脑、个人数字助理、游戏机等3C移动电子装置内，或应用于大型激光投影机、激光电视、头戴显示器、条码读取装置、光通讯开关、车用抬头显示器等产业领域。

目前微型投影模块依光源可分为激光与发光二极管两种投影技术，两者间具有明显的差异，包含：第一、激光光源的色域更广，色彩饱和度表现更佳，故可达到最极致的鲜艳画质！第二、核心的MEMS(微机电系统)双轴反射镜构造简单，只有单一镜面，而发光二极管投影机所使用DLP(数字光源处理)技术在单一元件中必须制作百万颗以上的微振镜；此外可运用半导体微机电工艺进行批次量产(Batch Process)，故具有高成品率、低成本的特性！第三、激光光束可在包含弯曲表面的任何平面进行投影，单位面积亮度高、指向性强，故不需复杂昂贵的光学聚焦与对焦镜组，光机结构更简单，可以最小的模块体积内建于电子装置中！故不论在尺寸、成本、性能等重要指标的比较上，激光投影均具备绝佳的市场优势。

微机电扫描反射镜为微型激光投影模块的关键元件，发展至今主要可分为电磁式、静电式、压电式、热电式等致动原理，但是彼此间都具有不易克服的缺点；利用静电力驱动的微振镜，通常在非共振态时的扫描角度不足，且需要超过80伏特以上的大电压驱动，元件侧壁间亦容易发生吸附效应更使得元件损坏，复杂的结构设计也让工艺成品率低；电磁力驱动的微扫描面镜则通常需要电镀复杂的电流绕线于镜面上，镜面上的电流导线亦会产生热累积导致镜面变形的可能；热电式驱动则有热效应问题，以致扫描频率不高，无法实用；压电式则有体积过大的问题，致动时的低位移量，亦使其扫描角度过小。因此如何选择一适合于移动投影的最佳致动方案是元件设计最重要的任务。

目前国际间最成功的微型激光投影模块的扫描元件驱动方式，是以电磁式致动为主，即为在微面镜上电镀金属线圈以产生劳伦兹力驱动，但如前所述，电磁式虽然具有大扫描角度、低操作电压、线性的控制角度与高画面解析度等优点，但复杂的电镀金属线圈常需十几道的光刻步骤，导致工艺难度高，成品率不易控制，此外当镜面上的线圈通电后，亦可能会因为热累积效应造成镜面温度太高而变形；因此如何解决上述问题即是目前产业间重要研究的方向。

电磁式扫描元件最常使用的致动原理为在镜面上电镀金属线圈，通过线圈中的电流与置放于元件两侧的永久磁铁所产生的磁场，相互作用后所生成的劳伦兹力来致动，例如美国发明专利公开号20050253055“MEMS device havingsimplified drive”，其于硅基镜面的快慢双轴上电镀金属线圈，让两轴均运用劳伦兹力为驱动力，虽然此方法具有提升驱动力以增加扫描角度的优点，但镜面电镀金属线圈的方式易造成操作时镜面温度升高的结果，很可能因为热累积导致产生镜面变形的问题。

关于运用静磁力来驱动镜面的公知技艺，例如美国发明专利6965177号“Pulse drive of resonant MEMS devices”，其致动方式为在镜面两轴的边缘粘贴永久磁铁，并在元件下方放置数个通上交流电的螺线管，故螺线管将会产生切换磁场，并可与镜面的永久磁铁产生吸斥作用而驱使镜面依据所通入的电流频率振荡。此方式的困难点在于不易粘贴磁铁，将增加组装人力成本，无法量产，且在薄弱的镜面上承载磁铁，会对微振镜的共振频率与耐用度造成影响。

此外，例如美国发明专利公开号20070047046“Micro-Mirror Device AndArray Therefor”，其同样采用电镀金属线圈产生劳仑兹力的传统电磁式驱动，该案公开一种于镜面外部设有一内环及一外环的双环结构，其内环与镜面之间设有互相连结的增强结构(Reinforcement rim)，该内环的目的单纯是为达到稳定镜面的效果，其镜面与内环之间并不会产生相对运动，亦即其镜面与内环同步震动，并不会有放大角度的模态与效果产生，而其增加内环的设计，亦会增加元件面积，但实际上对于镜面稳定效果极为有限。