文|史这样滴
编辑|史这样滴
前言在现代，高速偏转激光束的能力使共振MEMS反射镜在成像应用和早期的激光投影显示器应用中变得有吸引力,基于MEMS扫描镜的投影显示器是一种优雅的解决方案，可以克服手机.
有数码相机或媒体播放器等便携式电子设备由于屏幕尺寸原因导致大小受到了限制,无论是小到足以直接集成到这些便携式设备中，还是用作附件模块，基于MEMS扫描镜的投影显示器都可以提供比便携式设备本身大几倍的屏幕尺寸。
除了用于消费类产品外，微型激光扫描投影显示器还特别适用于汽车平视显示器和仪表板显示器。
MEMS扫描镜是由硅镜板组成，硅镜板通过横向扭转弯曲可移动悬挂,在激光投影显示器中，激光束需要在两个垂直轴上扫描,两个扫描轴可以通过两个独立的单轴反射镜芯片或使用万向节安装配置在单个硅芯片上实现。
这种双轴扫描仪的内快速轴执行水平线扫描，而外云台轴执行缓慢垂直偏转,红色、绿色和蓝色激光器的发散输出光束首先被透镜准直，然后组合成指向双轴扫描镜的单个激光束,MEMS反射镜在投影屏幕上以两个轴扫描激光束。
它可以精确控制与双轴MEMS反射镜运动同步的激光输出，可以逐像素投射全彩色图像,与使用DLP或LCOS的基于调制器矩阵的投影机相比，这种扫描激光束投影仪不需要任何聚焦光学器件，因为投影图像始终在任何距离上聚焦。
现在主要有两种主要不同的扫描和投影概念：基于光栅扫描的投影和基于李萨如扫描的投影,在光栅扫描概念中，MEMS反射镜的快轴以共振振荡，而慢轴通常执行具有锯齿特性的非共振扫描。
这将占空比定义为锯齿函数的线性上升时间与其回溯时间之比，希望实现尽可能高的占空比，因为它对应于最低的快速轴频率要求,反过来说，低占空比对应于快速轴的高频要求。
因为我们需要在更短的时间内预测总线数,除了满足快速轴的频率要求外，设计和制造能够在高占空比、低线性误差和足够大的倾斜角度下执行锯齿状扫描的慢轴MEMS反射镜极具挑战性。
在投影机中，双轴MEMS扫描镜的两个轴都以共振或接近共振的方式驱动,一方面，谐振致动有助于实现慢轴所需的扫描角度，但另一方面，它也增加了快轴的频率要求。
所以无论选择哪种概念，为了满足相关的显示分辨率要求，MEMS扫描系统都需要实现非常大的偏转角,扫描光束激光显示器分辨的像素数N与总光学扫描角度成正比θ选择。
并且与投影屏幕上的光斑尺寸成反比,最小光斑尺寸与激光束直径成反比，因此受反射镜直径D的限制。
此次重点是介绍MEMS反射镜概念和相应的制造技术，以满足已经提出的高分辨率显示需求,可实现的光学分辨率始终受到MEMS反射镜所经历的阻尼强度的限制。
MEMS反射镜概念与制造技术在大气压下由于气体分子的阻尼比固有阻尼机制占主导地位,到目前为止，所以我们已经尝试仅通过增加驱动功率来改变分辨率限制，以增加作用在MEMS镜轴上的扭矩。
因此，静电驱动MEMS反射镜的驱动电路必须处理不利的高驱动电压，或者在电磁驱动反射镜的情况下，驱动电流和功耗不利地高。
因此本文提出的MEMS反射镜概念是减少气体阻尼，而不是进一步增加功耗,通过谐振驱动MEMS反射镜的真空封装，可以有效地减少阻尼,由于芯片级真空封装过于昂贵和耗时。
其中，建立晶圆级真空封装技术是概念的一部分,基于堆叠垂直梳状驱动器的静电驱动是所选的驱动概念。
因为它与密封晶圆级真空封装完全兼容,它与高温晶圆键合工艺兼容，因为它不需要使用膨胀系数不匹配的其他材料，例如用于电磁驱动器高密度平面线圈的厚金属层。
而共振MEMS扫描镜的真空封装是一种可用于光栅扫描显示器以及李萨如扫描激光显示器的技术,在李萨如方法中，两个谐振镜轴都可以从阻尼减少中受益。
其中显示器既可以配置为两个单轴真空封装扫描镜的串联排列，也可以通过选择真空封装的双轴万向节安装设计在单芯片解决方案中配置。
然而，在光栅扫描MEMS概念中，阻尼的减少对非谐振慢轴是不利的，因为它很难抑制寄生谐振激励引起的过冲,因此，光栅扫描系统的最佳设置采用真空封装的快轴扫描镜和在大气压下工作的慢轴MEMS镜。
由于MEMS封装内的阻尼非常低，以至于高频扫描镜在没有激励信号的情况下持续振荡数秒,对于在单个芯片上实现的三种谐振器设计#2、#3和#4，最高谐振频率与最低测量的Q值一致，反之亦然,这四种不同MEMS扫描仪的相应频率响应图。
因为呈现非线性谐振特性,所有扫查器都表现出弹簧刚度效应，因此有必要将振荡器从较低频率驱动到较高频率进行共振,然而，设计#2和#3在总光学扫描角度大于20度时显示出相当低的刚度效应。
对应于大于1度的机械倾斜角幅度,设计#1在梳状电极排列方面主要与其他三种设计不同,电极靠近扭转轴放置，从而可以在较大的角度范围内与定子电极重叠,其他三个谐振器的电极指沿镜边位于与扭转轴较远的距离处。
因此，电极指重叠的角度范围很短,设计#86在30.8kHz下实现了0度的总光学扫描角度,由于镜面孔径尺寸为8.17毫米，因此θ-D乘积（计算为3.720毫米×度,这对于具有HD13分辨率的光栅扫描显示器来说已经足够了。
这四种不同的单轴MEMS反射镜必须预期的动态反射镜变形已通过有限元分析应用公式给出的加速度计算得出,为了尽量减少分辨率损失，动态变形不应超过波长的十分之一,这意味着变形应小于50nm。
由于反射镜直径和更高的扫描频率，变形增加得更快,镜面平整度可以通过增加镜板的厚度或使用更复杂的镜子安装来改善。
由于Q系数高，真空封装的2D-MEMS扫描镜的频率响应表现出极窄的谐振峰值和陡峭的相频依赖性,这导致振荡幅度对温度变化的高度敏感,由于在激光视频投影中。
在不断变化的激光功率会永久导致反射镜及其悬浮液的温度变化，因此有必要通过单独的独立相位控制回路来控制每个扫描轴，以保持恒定的扫描幅度,因此，专用传感梳状电极提供电容相位反馈。
从而能够监测和稳定两个轴的扫描幅度、光位置反馈和施加驱动信号的瞬态信号,双轴谐振扫描镜的相位控制导致李萨如扫描模式，快速轴和慢轴的频率可变。
因此需要一个额外的控制环路来控制投影线的密度，该密度可以根据两个振荡轴的频率比而变化。
我们发现李萨如轨迹的非均匀线密度导致一个现有的干扰伪影，图21的图片没有显示,在500Hz慢轴振荡的一个周期内，投影出两个17.8行的交错图像。
因此投影512线的整个图像至少需要云台轴的14.3次振荡,这意味着完整的图像在28.8毫秒后投影，对应于35Hz的帧速率。
但是，要实现60Hz的标准视频帧速率，需要在16.7毫秒内投影整行数,除了低帧速率外，快轴和慢轴频率的比率也是不利的，因为它会导致线密度不同的扫描模式,在图像投影的模拟中。
这样可以显示1/60秒后的扫描模式,投影的图像被黑暗图案严重破坏,在使用真正的李萨如激光投影仪的现场视频演示中，这些图案变得可见。
因此，为了增加线密度并使其即使在快速变化的激光功率的冲击下也能保持稳定，有两种主要选择,快轴和慢轴的频率比可以选择尽可能高，这意味着需要提高双轴扫描仪的快轴频率。
而慢轴应降低到60Hz的图像刷新率,作为替代方案，也可以选择尽可能低的频率比，这意味着快轴频率和慢轴频率仅因60Hz的图像刷新率而异,通过高频比实现最佳覆盖范围,然而缺点就是MEMS器件变得更加脆弱。
并且由于慢轴的低谐振频率而对振动更敏感,因此，对于汽车显示器应用，基于MEMS反射镜的第二个概念可能是一个非常强大的替代方案，该反射镜具有两个几乎相同谐振频率的快速轴。
而另一个必要且已经实现的改进是抑制亮点，这是由于入射激光束直接反射在振荡镜前方的玻璃窗上引起的,为了避免这种令人不安的亮点，有两种选择：MEMS反射镜相对于平面窗口在腔内永久倾斜。
第二种是将玻璃盖相对于镜子在其非偏转位置倾斜,这两种解决方案都将投影图像与亮点在空间上分开，前提是倾斜角度大于机械倾斜角度幅度,带有倾斜玻璃窗口的封装MEMS反射镜的原理图横截面。
其中，部分入射激光束不会进入MEMS镜腔，因为它在两个玻璃界面之一处反射,该寄生光束被反射到与可用于激光图像投影的角度范围在空间上分离的方向。
现在玻璃成型技术已经得到了进一步发展，可以制造包含数百个倾斜光学窗口的玻璃晶圆,这种玻璃盖晶圆已成功应用于晶圆级真空封装,通过投影证明了对亮点的成功抑制。
而紧凑型激光投影显示器特别适用于汽车平视显示器以及嵌入手机或数码相机的微型投影仪等消费类产品,惯性传感器等其他MEMS产品已经表明，晶圆级封装已成为低成本大规模生产的必需品。
而且密封晶圆级封装可有效保护MEMS器件免受各种污染,因此用于微型投影仪的MEMS反射镜也需要封装在晶圆级,这自动意味着需要为透明界面产生的反射找到解决方案,此次我们提出了一种解决方案，该解决方案应用玻璃窗的倾斜，这是通过在晶圆级玻璃成型工艺实现的。
应用晶圆级真空封装技术可实现高达145000的高Q系数,有效降低气体阻尼使MEMS促动器能够在高振荡频率下实现大振幅，同时将驱动电压和功耗降至最低。
在实验中，微型扫描仪在86.30kHz的共振频率下实现了8度的总光学扫描角度，满足HD720分辨率的要求,此外还发现了一种新的基于晶圆的玻璃成型技术的结果，该技术用于制造具有倾斜光学窗口的三维形状玻璃盖。
由于现代显示器的分辨率要求迅速提高，MEMS扫描镜必须满足HD720和HD1080的技术规格，即高达22.5毫米×度的大型θ-d产品，以及超过40kHz的扫描频率,低功耗是MEMS器件必须为所有移动应用展示的另一个重要特性。
为了满足所有这些要求，此次提出了增加Q因数而不是增加功耗的概念,并且又提出了一种真空封装的MEMS反射镜，该反射镜在86.30kHz的扫描频率下实现了8度的光学扫描角，可以满足HD720的频率和扫描角度要求。
然而，有限元仿真表明在大于10度的光学扫描角度下，该反射镜的动态变形将超过λ/65,基于MEMS反射镜的真空封装，不再有原理障碍来实现HD1080分辨率的倾斜角度和扫描频率要求。
不过，这种显示器需要设置为两个单轴扫描镜的串联排列，所以无论是作为光栅投影仪还是在李萨如扫描概念中。
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