微软AR/VR专利介绍小尺寸且低功率运行的谐振扫描镜系统
具有“适当小尺寸并且可以以适当低功率运行”的谐振扫描镜系统
（映维网Nweon 2023年12月04日）显示系统可以利用谐振扫描镜系统来扫描来自光源的光以形成用于显示的图像。在谐振扫描镜系统中，通过反射镜的谐振振荡运动，来自光源的光以较高的速率在第一方向（例如水平方向）扫描，并根据锯齿波状控制信号以较低的速率在第二方向（例如垂直方向）扫描。通过控制反射镜的角度，以及每一个或多个光源（例如红、绿、蓝光源）的光输出强度，就能产生可见图像。
对于XR头显，紧凑的外形和低功耗操作是设计的优先事项之一，所以扫描镜系统的尺寸和功耗值得关注。所以在名为“Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror”的专利申请中，微软介绍了一种具有“适当小尺寸并且可以以适当低功率运行”的谐振扫描镜系统。
在一个实施例中，发明描述的扫描反射镜系统包括反射镜部分、从反射镜部分伸出的弯曲臂和压电致动器支撑部分。压电致动器包括用于驱动反射镜部分的谐振运动的压电致动器。
扫描镜系统同时包括延伸在柔性臂和压电致动器支撑部分之间的传动臂，其中传动臂通过间隙至少部分地与压电致动器支撑部分分开。所述扫描镜系统进一步包括锚定部分，锚定部分通过第二间隙至少部分地与所述压电致动器支撑部分分离。
第一和第二间隙允许将压电驱动器支撑部分配置为在谐振振荡期间匹配扫描镜的模态形状。这有助于减少机械阻尼和增加机电耦合，苍耳允许相对较低的驱动电压。
另外，与其它反射镜系统相比，发明描述的反射镜部分可包括相对较小的扫描角度。所以扫描镜系统在谐振振荡运动期间可以经历较少的空气阻尼，从而进一步允许使用较低的驱动电压。使用较低的驱动电压可以允许使用比当前谐振扫描镜系统更小的电池。微软表示，这有助于减少头显的大小和重量。
同时，发明包括变细的锥形传动臂，可以帮助提供更紧凑的扫描镜系统，同时保持弯曲臂长度和传动臂刚度。
图2示出包括扫描镜系统202的示例性显示设备200。显示设备200包括向扫描镜系统202输出光的一个或多个光源204。扫描镜系统202配置为以较高的共振扫描频率在第一扫描方向206扫描所述光，并以较低的扫描频率在第二扫描方向208扫描所述光。
扫描反射镜系统202可包括在水平和垂直方向驱动的单个反射镜，或分别在水平和垂直方向驱动的两个反射镜。可以将所得到的图像提供给输出210进行显示。
在图3中，扫描镜系统300包括主体302，主体302包括由柔性臂306、308支撑的镜面部分304。主体302同时包括连接到柔性臂306的传动臂310和312，以及连接到柔性臂308的传动臂314和316。
主体302同时包括压电致动器支撑部分320、322、324、326，各支撑压电致动器330、3332、3334、336的压电薄膜和电极。压电致动器330、332,334,336可以通过连接到电极的导体通电，以引起压电薄膜的构象，从而致使谐振扫描镜系统300的机械运动。
压电致动器330、332、334和336的压电薄膜包括如压电致动器334上的338所示的切口轮廓。每个切口轮廓可以根据主体302在镜像振荡期间所经历的应力建模来成形。切口轮廓可以帮助避免将压电膜放置在主体302的区域，从而帮助减少镜像运动的机械阻尼。在其它示例中，可以省略这样的切口轮廓。
在图3的实施例中，主体302包括锚定部分340、342和框架部分348，其配置为将扫描镜系统300锚定到另一结构，例如电路板。在其它示例中，可以省略框架部分348。
图4描绘了扫描镜系统300的底部视图，并显示了将锚定部分340和342以及框架部分348粘合到底层结构的粘合剂402。图5示出通过粘合剂402安装在电路板502的扫描镜系统300的侧视图。锚定部分340和342以及框架部分348包括比主体302其余部分更厚的轮廓，如表示主体302其他部分的底面的虚线504所示。
主体302可以由任何合适的材料制成。在一个实施例中，主体302可以通过蚀刻半导体晶圆形成，例如硅/氧化硅/硅多层晶圆。在所述结构中，镜面部分304、压电致动器支撑部分320、322、324、326、柔性臂306、308、传动臂310、312、314、316以及其他组件形成在称为器件层的上层。
如图3所示，压电致动器支撑部分通过间隙至少部分地与传动臂和锚定部分分开。例如，传动臂310通过间隙350至少部分地与压电致动器支撑部分320分开。另外，锚定部分340通过间隙351与压电致动器支撑部分320至少部分分离。
同样，压电致动器支撑部分322通过间隙352与传动臂312至少部分分离，并且通过间隙353与锚定部分342至少部分分离。
继续，压电致动器支撑部分324通过间隙354与传动臂314至少部分分离，并且通过间隙355与锚定部分342至少部分分离。
同时，压电致动器支撑部分326通过间隙356与传动臂316至少部分分离，并且通过间隙357与锚定部分340至少部分分离。间隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357从扫描镜系统300的外周向内定向。
在图3所示的实施例中，间隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357包括具有相对均匀宽度的线性狭缝。在其他实施例中，可以使用包括任何其他合适形状的间隙。
图6-7示出包括锥形狭缝的间隙的扫描镜系统600。具体地说，扫描镜系统600包括主体602，该主体602包括由柔性臂606、608支撑的镜部604。主体602同时包括连接到柔性臂606的传动臂610和612，以及连接到柔性臂608的传动臂614和616。
主体602进一步包括压电致动器支撑部分620、622、624、626，各支撑压电致动器630、632、634、636的压电薄膜和电极。压电致动器支撑部分620、622、624、626至少部分地与传动臂610、612、614、616和锚定部分640、642在主体602中间隔650、6551、6552、6553、6554、6555、656和657分开。
如图6所示，间隙650、652、654和656各包括锥形狭缝。间隙650、651、652、653、654、655、656和657从扫描镜系统600的外周向内定向。
扫描镜系统600省略了扫描镜系统300的框架。这样，主体602配置为通过锚定部分640、642的粘合剂安装到另一结构。这允许在操作期间压电致动器支撑部分的更大运动幅度，从而提供更少的阻尼和更低的功率操作。
图7示出通过粘合剂704安装在电路板702的扫描镜系统600的侧视图。锚定部分640和642包括比主体602的其余部分更厚的轮廓。
回到图3，如上所述，每个压电致动器330、332、334和336包括设置在一对电极之间的压电膜。压电致动器330、332、334、336的压电膜分别将电能转换为机械能。当通过电极对每个压电薄膜施加合适的电压时，压电薄膜所经历的晶格变化导致体302变形，从而使镜面部分304倾斜。
传动臂310、312从各自的压电致动器支撑部分320、322向柔性臂306传递运动。同样，传动臂314、316将运动从各自的压电致动器支撑部分324、326传递到柔性臂308。通过以合适的相位关系和合适的频率调制施加到压电致动器330、3332、3334、336的每个压电膜上的电压，可以实现镜面部分304的谐振振荡。
在谐振频率下，主体302可根据主体的振动模式进行变形。因此在谐振振荡期间，压电致动器330、332、334、336的压电膜的周长遵循体302的模态振型轮廓。这有助于防止主体302运动的阻尼和/或增加机电耦合，因此允许用比其他谐振镜系统更低的功率驱动反射镜。
主体302的模态振型可以至少部分地由压电致动器支撑部分320、322、324、326的形状和/或刚度确定，其受间隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357的影响。在压电致动器支撑部分和相应的锚定部分340、342之间使用间隙351、353、355、357，与不包括这种间隙的谐振镜系统相比，这可以帮助减轻主体302的运动阻尼，并且可以改善使用期间的机电耦合。更少的阻尼可以允许使用更低的驱动电压来操作扫描镜系统300，从而有助于降低功耗。
当扫描镜振荡时，扫描镜系统可能会经历空气阻尼。尽管可以通过密封扫描镜系统来减轻空气阻尼，但密封可能会增加成本。因此，与其它扫描镜系统相比，扫描镜系统300可以通过使用相对较小的反射镜来实现较少的空气阻尼。
在共振振荡期间，镜面部分304旋转，在弯曲臂306、308中造成扭转应变。较大的扫描角度和/或较短的弯曲长度时，扭转应变可能更大。因此，扫描镜系统300包括有助于在保持刚度的同时实现合适的挠曲长度的功能。
与其他反射镜系统相比，保持刚度有助于实现更好地将机械动力从执行器传递到反射镜。如图3所示，传动臂310、312、314、316包括锥形段，与没有锥形段的示例相比，这有助于增加弯曲臂长度。
例如，传动臂310沿着从压电致动器支撑部分320到弯曲臂306的方向在段360中变细。通过锥形段360，与未锥形段360的例子相比，弯曲臂306的长度更长。较长的挠曲长度可能有助于保持挠曲臂306中的应力较低，从而提高设备的可靠性。
在一个实施例中，扫描镜系统可包括相对较小的扫描角度以减轻弯曲臂中的应力。对于给定的器件尺寸，减小反射镜扫描角度可以减小反射镜振荡时的动态变形，提高器件的可靠性。另外，相对较小的扫描角度有助于减少由于空气阻尼造成的功率损失。对于给定的应力极限和驱动电压，如果减小扫描角度，则可以减小扫描镜系统的总体尺寸。因此，使用较低的扫描角度有助于实现更紧凑的扫描镜系统。
通过避免由于阻尼造成的功率损失，扫描镜系统300可以提供相对较高的质量因子。降低阻尼和提供更高的质量因子可以降低驱动电压和降低功耗。
相关专利：Microsoft Patent | Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror
名为“Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror”的微软专利申请最初在2022年5月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
需要注意的是，一般来说，美国专利申请接收审查后，自申请日或优先权日起18个月自动公布或根据申请人要求在申请日起18个月内进行公开。注意，专利申请公开不代表专利获批。在专利申请后，美国专利商标局需要进行实际审查，时间可能在1年至3年不等。
