[发明专利]无源对准方法及其在微投影装置中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及具有至少一个光源、波束分离器、至少一个MEMS扫描反射镜和至少一个波片的微扫描和投影装置。其还涉及组装这样的微投影系统的方法。

背景技术

光系统的独立组件通常需要对准以使得系统有效工作，而各组件彼此之间微小的不对准会在光路中引起严重的效率损失或误差。当前有两种主要技术来将多个光组件组装在一起：“无源”和“有源”对准技术。

经典的光组件对准包括使用复杂外部机械结构来精确固定每个独立组件在其位置。该固定系统也被称为无源对准方法。无源对准方法广泛应用于成像光器件，其中光组件的位置在初始固定后不再需要调整。取决于光系统的复杂性、尺寸和精确性，这种机械固定结构的制造可能会过于复杂以至于不能用通常的机械技术制造。而且，制造产量会大幅下降，从而增加关于组装这样的光系统的相关成本。

对于精确的光组件对准，大多数时候需要使用有源装配技术，其中每个组件被依次放置并且在系统运行时调整它们的位置。有源对准方法广泛应用于使用相干辐射的小组件的场合，例如激光二极管和其它半导体光元件。

但是，如果更多的组件必须一起对准以形成完整的光系统，有源对准方法会变得非常耗时和增加成本。

授予Adreasch Wolfgang的美国专利5,833,202描述了一种机械固定系统，其中标准微光元件被初始安装于各个单片框架中，其可依次固定在安装片上的位置。该固定系统包括复杂的组装步骤而提供的对准能力差。

授予Remy de Graffenried的WO 99/26754描述了一种用于通过焊接接头将小型化组件固定于基盘上的方法。所公开的方法运作非常昂贵并且对于对准精确性提供较差的结果。

文件US 7238621描述了用于制造光装置和微机械装置的方法，其中两装置都和衬底被整体集成。光学表面和微机械装置的每个都在适于形成该装置的一蚀刻步骤中形成。所公开的实施例使得光学表面和微机械装置可以不受限于衬底表面上的严峻的表面状况而制造。该方法中需要的蚀刻步骤要求特别昂贵的设备且包括复杂的制造工艺。

US 6649435公开了微反射镜阵列向微反射镜设备以及微反射镜设备向显示系统对准的系统和方法。所述系统和方法通过使用一组一致的精度参考区域改进了微反射镜阵列到显示系统的对准。微反射镜设备衬底连接在模片安装操作中安装的模片的对准固定部分，而在被安装在显示系统中时连接到类似的固定物。设备衬底由在两边的预定区域以及在顶表面上的三个预定区域固定。当在该设备中安装所述装置时，可为X-Y平面对准使用光学技术。设备或插槽的使用增加了系统的复杂性并且明显地降低了精确度。

WO2007/120831A2描述了一种集成光子模块，其中用对准框架对多个光学组件进行支撑和对准。

通常来说，所有这些文件包括以复杂的步骤为特征的方法和系统，并且没有提供所有组件的精确和可靠的对准。

对于微投影应用，必须使用高精度组装和对准方法，对于基于微反射镜的扫描投影系统特别是这样。

具有共振微反射镜的微机电系统(MEMS)当前被用于投影目的。投影可通过使用沿着两个中央和垂直轴轴移动(二自由度2DOF)的单反射镜，或沿着一个中央轴移动(一自由度1DOF)彼此呈90度放置的两个反射镜来完成。图1和图2示出了所述两种投影方案。在图1A中，图像通过将由激光器101产生的准直激光束置于框架105中的2DOF微反射镜表面102的中间而产生。激光束在两个方向被反射和偏移，从而在投影表面104投影扫描图像。在图1B中，被投影的图像通过将准直激光束置于第一1DOF微反射镜表面102的中间而产生。通过相对于第一1DOF微反射镜90度放置的转动轴，激光被反射到第二1DOF微反射镜表面103。在反射镜运转期间，准直激光束可以特定频率脉动以产生具有明亮、黑暗和灰度部分的图像。当使用单色激光源时，单色图像被投影。当同时使用多个不同单色激光源时，多色图像被投影。

根据上述投影系统设计，在激光源和微反射镜之间需要精确的对准。举例来说，当微反射镜的反射和移动部分具有1平方毫米的尺寸和在1/e强度直径为0.5毫米的高斯分布激光束必须对准以击中反射镜的中央，最大对准偏差可为50-100μm级别。

光学系统中的不对准的一个后果是光路中的光损耗，其导致较暗的投影图像并且这会增加投射系统内部的温度。这种不对准的另一个后果是投影图像中的较低的光均匀性。

对于投影应用的具有光学组件的MEMS微反射镜不对准的另一个后果是投影图像的变形。