（映維網Nweon 2023年12月04日）顯示系統可以利用諧振掃描鏡系統來掃描來自光源的光以形成用於顯示的圖像。在諧振掃描鏡系統中，通過反射鏡的諧振振蕩運動，來自光源的光以較高的速率在第一方向（例如水平方向）掃描，並根據鋸齒波狀控制信號以較低的速率在第二方向（例如垂直方向）掃描。通過控制反射鏡的角度，以及每一個或多個光源（例如紅、綠、藍光源）的光輸出強度，就能產生可見圖像。
對於XR頭顯，緊湊的外形和低功耗操作是設計的優先事項之一，所以掃描鏡系統的尺寸和功耗值得關注。所以在名為「Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror」的專利申請中，微軟介紹了一種具有「適當小尺寸並且可以以適當低功率運行」的諧振掃描鏡系統。
在一個實施例中，發明描述的掃描反射鏡系統包括反射鏡部分、從反射鏡部分伸出的彎曲臂和壓電致動器支撐部分。壓電致動器包括用於驅動反射鏡部分的諧振運動的壓電致動器。
掃描鏡系統同時包括延伸在柔性臂和壓電致動器支撐部分之間的傳動臂，其中傳動臂通過間隙至少部分地與壓電致動器支撐部分分開。所述掃描鏡系統進一步包括錨定部分，錨定部分通過第二間隙至少部分地與所述壓電致動器支撐部分分離。
第一和第二間隙允許將壓電驅動器支撐部分配置為在諧振振蕩期間匹配掃描鏡的模態形狀。這有助於減少機械阻尼和增加機電耦合，蒼耳允許相對較低的驅動電壓。
另外，與其它反射鏡系統相比，發明描述的反射鏡部分可包括相對較小的掃描角度。所以掃描鏡系統在諧振振蕩運動期間可以經歷較少的空氣阻尼，從而進一步允許使用較低的驅動電壓。使用較低的驅動電壓可以允許使用比當前諧振掃描鏡系統更小的電池。微軟表示，這有助於減少頭顯的大小和重量。
同時，發明包括變細的錐形傳動臂，可以幫助提供更緊湊的掃描鏡系統，同時保持彎曲臂長度和傳動臂剛度。
圖2示出包括掃描鏡系統202的示例性顯示設備200。顯示設備200包括向掃描鏡系統202輸出光的一個或多個光源204。掃描鏡系統202配置為以較高的共振掃描頻率在第一掃描方向206掃描所述光，並以較低的掃描頻率在第二掃描方向208掃描所述光。
掃描反射鏡系統202可包括在水平和垂直方向驅動的單個反射鏡，或分別在水平和垂直方向驅動的兩個反射鏡。可以將所得到的圖像提供給輸出210進行顯示。
在圖3中，掃描鏡系統300包括主體302，主體302包括由柔性臂306、308支撐的鏡面部分304。主體302同時包括連接到柔性臂306的傳動臂310和312，以及連接到柔性臂308的傳動臂314和316。
主體302同時包括壓電致動器支撐部分320、322、324、326，各支撐壓電致動器330、3332、3334、336的壓電薄膜和電極。壓電致動器330、332,334,336可以通過連接到電極的導體通電，以引起壓電薄膜的構象，從而致使諧振掃描鏡系統300的機械運動。
壓電致動器330、332、334和336的壓電薄膜包括如壓電致動器334上的338所示的切口輪廓。每個切口輪廓可以根據主體302在鏡像振蕩期間所經歷的應力建模來成形。切口輪廓可以幫助避免將壓電膜放置在主體302的區域，從而幫助減少鏡像運動的機械阻尼。在其它示例中，可以省略這樣的切口輪廓。
在圖3的實施例中，主體302包括錨定部分340、342和框架部分348，其配置為將掃描鏡系統300錨定到另一結構，例如電路板。在其它示例中，可以省略框架部分348。
圖4描繪了掃描鏡系統300的底部視圖，並顯示了將錨定部分340和342以及框架部分348粘合到底層結構的粘合劑402。圖5示出通過粘合劑402安裝在電路板502的掃描鏡系統300的側視圖。錨定部分340和342以及框架部分348包括比主體302其餘部分更厚的輪廓，如表示主體302其他部分的底面的虛線504所示。
主體302可以由任何合適的材料製成。在一個實施例中，主體302可以通過蝕刻半導體晶圓形成，例如矽/氧化矽/矽多層晶圓。在所述結構中，鏡面部分304、壓電致動器支撐部分320、322、324、326、柔性臂306、308、傳動臂310、312、314、316以及其他組件形成在稱為器件層的上層。
如圖3所示，壓電致動器支撐部分通過間隙至少部分地與傳動臂和錨定部分分開。例如，傳動臂310通過間隙350至少部分地與壓電致動器支撐部分320分開。另外，錨定部分340通過間隙351與壓電致動器支撐部分320至少部分分離。
同樣，壓電致動器支撐部分322通過間隙352與傳動臂312至少部分分離，並且通過間隙353與錨定部分342至少部分分離。
繼續，壓電致動器支撐部分324通過間隙354與傳動臂314至少部分分離，並且通過間隙355與錨定部分342至少部分分離。
同時，壓電致動器支撐部分326通過間隙356與傳動臂316至少部分分離，並且通過間隙357與錨定部分340至少部分分離。間隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357從掃描鏡系統300的外周向內定向。
在圖3所示的實施例中，間隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357包括具有相對均勻寬度的線性狹縫。在其他實施例中，可以使用包括任何其他合適形狀的間隙。
圖6-7示出包括錐形狹縫的間隙的掃描鏡系統600。具體地說，掃描鏡系統600包括主體602，該主體602包括由柔性臂606、608支撐的鏡部604。主體602同時包括連接到柔性臂606的傳動臂610和612，以及連接到柔性臂608的傳動臂614和616。
主體602進一步包括壓電致動器支撐部分620、622、624、626，各支撐壓電致動器630、632、634、636的壓電薄膜和電極。壓電致動器支撐部分620、622、624、626至少部分地與傳動臂610、612、614、616和錨定部分640、642在主體602中間隔650、6551、6552、6553、6554、6555、656和657分開。
如圖6所示，間隙650、652、654和656各包括錐形狹縫。間隙650、651、652、653、654、655、656和657從掃描鏡系統600的外周向內定向。
掃描鏡系統600省略了掃描鏡系統300的框架。這樣，主體602配置為通過錨定部分640、642的粘合劑安裝到另一結構。這允許在操作期間壓電致動器支撐部分的更大運動幅度，從而提供更少的阻尼和更低的功率操作。
圖7示出通過粘合劑704安裝在電路板702的掃描鏡系統600的側視圖。錨定部分640和642包括比主體602的其餘部分更厚的輪廓。
回到圖3，如上所述，每個壓電致動器330、332、334和336包括設置在一對電極之間的壓電膜。壓電致動器330、332、334、336的壓電膜分別將電能轉換為機械能。當通過電極對每個壓電薄膜施加合適的電壓時，壓電薄膜所經歷的晶格變化導致體302變形，從而使鏡面部分304傾斜。
傳動臂310、312從各自的壓電致動器支撐部分320、322向柔性臂306傳遞運動。同樣，傳動臂314、316將運動從各自的壓電致動器支撐部分324、326傳遞到柔性臂308。通過以合適的相位關係和合適的頻率調製施加到壓電致動器330、3332、3334、336的每個壓電膜上的電壓，可以實現鏡面部分304的諧振振蕩。
在諧振頻率下，主體302可根據主體的振動模式進行變形。因此在諧振振蕩期間，壓電致動器330、332、334、336的壓電膜的周長遵循體302的模態振型輪廓。這有助於防止主體302運動的阻尼和/或增加機電耦合，因此允許用比其他諧振鏡系統更低的功率驅動反射鏡。
主體302的模態振型可以至少部分地由壓電致動器支撐部分320、322、324、326的形狀和/或剛度確定，其受間隙350、3551、352、3553、3554、3555、3556、357的影響。在壓電致動器支撐部分和相應的錨定部分340、342之間使用間隙351、353、355、357，與不包括這種間隙的諧振鏡系統相比，這可以幫助減輕主體302的運動阻尼，並且可以改善使用期間的機電耦合。更少的阻尼可以允許使用更低的驅動電壓來操作掃描鏡系統300，從而有助於降低功耗。
當掃描鏡振蕩時，掃描鏡系統可能會經歷空氣阻尼。儘管可以通過密封掃描鏡系統來減輕空氣阻尼，但密封可能會增加成本。因此，與其它掃描鏡系統相比，掃描鏡系統300可以通過使用相對較小的反射鏡來實現較少的空氣阻尼。
在共振振蕩期間，鏡面部分304旋轉，在彎曲臂306、308中造成扭轉應變。較大的掃描角度和/或較短的彎曲長度時，扭轉應變可能更大。因此，掃描鏡系統300包括有助於在保持剛度的同時實現合適的撓曲長度的功能。
與其他反射鏡系統相比，保持剛度有助於實現更好地將機械動力從執行器傳遞到反射鏡。如圖3所示，傳動臂310、312、314、316包括錐形段，與沒有錐形段的示例相比，這有助於增加彎曲臂長度。
例如，傳動臂310沿著從壓電致動器支撐部分320到彎曲臂306的方向在段360中變細。通過錐形段360，與未錐形段360的例子相比，彎曲臂306的長度更長。較長的撓曲長度可能有助於保持撓曲臂306中的應力較低，從而提高設備的可靠性。
在一個實施例中，掃描鏡系統可包括相對較小的掃描角度以減輕彎曲臂中的應力。對於給定的器件尺寸，減小反射鏡掃描角度可以減小反射鏡振蕩時的動態變形，提高器件的可靠性。另外，相對較小的掃描角度有助於減少由於空氣阻尼造成的功率損失。對於給定的應力極限和驅動電壓，如果減小掃描角度，則可以減小掃描鏡系統的總體尺寸。因此，使用較低的掃描角度有助於實現更緊湊的掃描鏡系統。
通過避免由於阻尼造成的功率損失，掃描鏡系統300可以提供相對較高的質量因子。降低阻尼和提供更高的質量因子可以降低驅動電壓和降低功耗。
相關專利：Microsoft Patent | Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror
名為「Piezoelectrically-actuated resonant scanning mirror」的微軟專利申請最初在2022年5月提交，並在日前由美國專利商標局公布。
需要注意的是，一般來說，美國專利申請接收審查後，自申請日或優先權日起18個月自動公布或根據申請人要求在申請日起18個月內進行公開。注意，專利申請公開不代表專利獲批。在專利申請後，美國專利商標局需要進行實際審查，時間可能在1年至3年不等。