微型投影装置、用于微型投影装置的控制信号及其产生方法.pdf

本发明提供一种微型投影装置、用于微型投影装置的控制信号以及控制信号的产生方法。微型投影装置包含一扫描模块以及一控制模块。扫描模块包含一微反射镜及与微反射镜连接的至少一扫描轴，而控制模块连接扫描模块，用以输出至少一扫描轴控制信号至扫描模块。该扫描轴控制信号为一周期信号，且具有一包含一实质线性部及一非线性部的波形，且实质线性部占波形的比例大于非线性部占波形的比例。藉此，便可抑制微型投影装置的微反射镜的非预期振动产生。

权利要求书一种控制信号，用于一微型投影装置，该控制信号为一周期信号且具有一波形，该波形包含一实质线性部及一非线性部，该实质线性部的一端连接该非线性部，且该实质线性部占该波形的比例大于该非线性部占该波形的比例。
根据权利要求1所述的控制信号，其特征在于，该非线性部包含至少一正弦曲线。
根据权利要求2所述的控制信号，其特征在于，该至少一正弦曲线的一最大频率小于300Hz。
根据权利要求2所述的控制信号，其特征在于，该至少一正弦曲线包含一第一正弦曲线及一第二正弦曲线。
根据权利要求4所述的控制信号，其特征在于，该第一正弦曲线的一最大频率小于180Hz，且该第二正弦曲线的一最大频率小于300Hz。
根据权利要求1所述的控制信号，其特征在于，该实质线性部占该波形的比例至少为十分之八。
一种微型投影装置，包含：
一扫描模块，包含一微反射镜及至少一扫描轴，该至少一扫描轴连接该微反射镜；以及
一控制模块，连接该扫描模块，用以输出至少一扫描轴控制信号至该扫描模块；
其中，该扫描轴控制信号为一周期信号，且具有一波形，该波形包含一实质线性部及一非线性部，该实质线性部的一端连接该非线性部，且该实质线性部占该波形的比例大于该非线性部占该波形的比例。
根据权利要求7所述的微型投影装置，其特征在于，该非线性部系包含至少一正弦曲线。
根据权利要求8所述的微型投影装置，其特征在于，该微反射镜具有一临界共振频率，且该至少一正弦曲线的一最大频率小于该临界共振频率。
根据权利要求8所述的微型投影装置，其特征在于，该至少一正弦曲线包含一第一正弦曲线及一第二正弦曲线。
根据权利要求10所述的微型投影装置，其特征在于，该微反射镜具有一临界共振频率，该第一正弦曲线的一最大频率小于该临界共振频率，且该第二正弦曲线的一最大频率小于该临界共振频率。
根据权利要求7所述的微型投影装置，其特征在于，该实质线性部占该波形的比例至少为十分之八。
一种控制信号的产生方法，其包含步骤如下：
在一第一时间区段中，产生一第一控制信号，该第一信号的振幅与时间的关系形成一第一非线性部；
在一第二时间区段中，产生一第二控制信号，该第二控制信号的振幅与时间的关系形成一实质线性部，该实质线性部的一端连接该第一非线性部；
在一第三时间区段中，产生一第三控制信号，该第三控制信号的振幅与时间的关系形成一第二非线性部，该实质线性部的另一端连接该第二非线性部；以及
重复上述三个该步骤，以形成具多个相同波形的周期信号；
其中，该第一时间区段及该第三时间区段皆短于该第二时间区段。
根据权利要求13所述的控制信号的产生方法，其特征在于，该第一非线性部及该第二非线性部各包含至少一正弦曲线。
根据权利要求14所述的控制信号的产生方法，其特征在于，该至少一正弦曲线的一最大频率小于300Hz。
根据权利要求14所述的控制信号的产生方法，其特征在于，该至少一正弦曲线包含一第一正弦曲线及一第二正弦曲线。
根据权利要求16所述的控制信号的产生方法，其特征在于，该第一正弦曲线的一最大频率小于180Hz，且该第二正弦曲线的一最大频率小于300Hz。
根据权利要求13所述的控制信号的产生方法，其特征在于，该第二时间区段至少为该第一时间区段的八倍，且该第二时间区段至少为该第三时间区段的八倍。

说明书微型投影装置、用于微型投影装置的控制信号及其产生方法
【技术领域】
本发明有关于一种投影装置、用于投影装置的控制信号及其产生方法，更详细来说，系关于一种微型投影装置、用于微型投影装置的控制信号及其产生方法。
【背景技术】
近年来，随着投影显示技术日新月异，已发展出一种微型投影装置，可内嵌在行动装置中，如高阶手机、笔记型计算机及数位相机等。目前微型投影装置依据投影技术的不同大致上可分为三大主流，分别是数字光源处理(Digital Light Processing，DLP)、反射式液晶(Liquid Crystal on Silicone，LCoS)及扫描激光束(Scanning laser beam)。其中，扫描激光束虽为较新的技术，但具有分辨率高与免对焦距等优点而颇受瞩目。
一般而言，扫描激光束是通过一微机电装置来实现。详言之，该微机电装置具有一微反射镜，一激光光线可射至该微反射镜上，然后被微反射镜反射至一目标投影区域上；通过控制微反射镜沿着两个相互垂直的轴摆动，可使被反射的激光光线在投影面上沿着一预定轨迹移动而构成一影像。
该两个相互垂直的轴分别称为一快扫描轴(fast scan axis)及一慢扫描轴(slow scan axis)，而施加至微机电装置以使微反射镜沿着快扫描轴旋转的控制信号称为一快轴信号，使微反射镜沿着慢扫描轴旋转的控制信号称为一慢轴信号。
快轴信号主要是让微反射镜沿着快速扫描轴摆动，以使激光光线在目标投影区域的水平方向上，来回地移动。慢轴信号则是让微反射镜沿着慢速扫描轴摆动，以使激光光线在目标投影区域的垂直方向，来回地移动。于实际操作时，快轴信号及慢轴信号系同步被输入至微机电装置，以使激光光线于目标投影区域中由左移动至右(或右至左)的同时，由上往下移动。当激光束向下移动至一特定处而形成所欲构成的影像后，慢轴信号会驱使激光束快速地向上拉回至所欲构成的影像的最上方。
由于现有技术所使用的慢轴信号多具有三角波型态的波形，因此容易于具有三角波型态波形的波峰处产生不必要的谐波信号而导致快轴信号及慢轴信号之间发生谐波干扰问题。也可以说，微反射镜沿着快扫描轴或慢扫描轴摆动时，其摆动的频率可能会激发出微反射镜非预期的共振模态，进而导致非预期的微反射镜的摆动角度以及频率。此举可能会影响成像的分辨率，更严重会造成微反射镜损坏。
请参阅图1，系为现有微型投影装置的投影画面的示意图。由于上述的谐波干扰或共振等缺失，现有微型投影装置所投射于投影区域12上的的投影画面10，容易出现多条明显地亮线14，影响投影画面10的观赏质量。
为了改善上述缺失，现有微型投影装置往往于控制系统中使用复杂的比例‑积分‑微分(PID)控制器作回授控制，以尽可能抑制微反射镜被激发出非预期的共振模态。然而，若回授控制运作稍有不慎，仍可能导致微反射镜因非预期的机械振动而损坏。
有鉴于此，如何更有效地抑制微反射镜的非预期振动，仍是业界亟力达到的目标。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一微型投影装置、一用于微型投影装置的控制信号及其产生方法，该控制信号可有效地抑制微型投影装置的微反射镜的非预期振动，使得微反射镜不易损坏，并使得微型投影装置所投出的影像分辨率不易降低。
为达前述目的，本发明揭露一种控制信号，用于一微型投影装置，该控制信号为一周期信号且具有一波形。该波形包含一实质线性部及一非线性部，该实质线性部的一端连接该非线性部，且该实质线性部占该波形的比例大于该非线性部占该波形的比例。
为达前述目的，本发明另揭露一种微型投影装置，包含：一扫描模块，包含一微反射镜及至少一扫描轴，该至少一扫描轴连接该微反射镜；以及一控制模块，连接该扫描模块，用以输出至少一扫描轴控制信号至该扫描模块。其中，该扫描轴控制信号为一周期信号，且具有一波形，该波形包含一实质线性部及一非线性部，该实质线性部的一端连接该非线性部，且该实质线性部占该波形的比例大于该非线性部占该波形的比例。
为达前述目的，本发明另揭露一种控制信号的产生方法，包含：在一第一时间区段中，产生一第一控制信号，该第一控制信号的振幅与时间的关系形成一第一非线性部；在一第二时间区段中，产生一第二控制信号，该第二控制信号的振幅与时间的关系形成呈一实质线性部，该实质线性部的一端连接该第一非线性部；在一第三时间区段中，产生一第三控制信号，该第三控制信号的振幅与时间的关系形成一第二非线性部，该实质线性部的另一端连接该第二非线性部；以及重复上述三个该步骤，以形成具多个相同波形的周期信号。其中，该第一时间区段及该第三时间区段皆短于该第二时间区段。
为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文系以较佳实施例配合所附图式进行详细说明。
【附图说明】
图1为现有微型投影装置的投影画面的示意图；
图2为本发明微型投影装置的较佳实施例的示意图；
图3为本发明微型投影装置的较佳实施例对一目标投影区域的投射轨迹图；
图4为本发明微型投影装置的较佳实施例的投影画面的示意图；
图5为本发明微型投影装置的较佳实施例的扫描模块的示意图；
图6为应用于本发明微型投影装置较佳实施例的慢扫描轴控制信号的波形示意图；及
图7为本发明控制信号的产生方法流程图。
【主要组件符号说明】
10   投影画面
12   目标投影区域
14   亮线
20   微型投影装置
22   激光束产生模块
220  激光束
24   控制模块
241  快扫描轴控制信号
242  慢扫描轴控制信号
26   扫描模块
28   目标投影区域
30   循序扫描画面
301  第一扫描线轨迹
302  第二扫描线轨迹
40  投影画面
50  微反射镜
501 镜面结构
52  快扫描轴
54  慢扫描轴
60  波形
62  非线性部
621 第一非线性部
622 第二非线性部
621a、622a  第一正弦曲线
621b、622b  第二正弦曲线
64  实质线性部
T   周期时间区段
t1  第一时间区段
t2  第二时间区段
t3  第三时间区段
100、102、104、106  步骤
【具体实施方式】
本发明提出一微型投影装置、一用于微型投影装置的控制信号以及控制信号的产生方法。控制信号包含经波形预先修正法所形成之一预设驱动波形，藉以抑制微型投影装置的微反射镜被激发出非预期的共振模态。
本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定环境、应用或特殊方式方能实施。在以下说明中，所述图式均为简化或稍夸大比例的示意图，所显示的组件并非实施时的数目、形状及尺寸比例，而仅为一种选择性设计，故实际组件布局形态可能更为复杂，于此合先叙明。
首先，请先参阅图2至图5，图2为本发明微型投影装置的较佳实施例的示意图，图3为本发明微型投影装置的较佳实施例对一目标投影区域的投射轨迹图，图4为本发明微型投影装置的较佳实施例的投影画面的示意图，而图5为本发明微型投影装置的较佳实施例的扫描模块的示意图。微型投影装置20包含一激光束产生模块22、一控制模块24以及一扫描模块26。
激光束产生模块22用来输出一经过调变与聚焦控制的激光束220至扫描模块26。控制模块24系电性连接至扫描模块26，用以至少输出一快扫描轴控制信号241及一慢扫描轴控制信号242至扫描模块26。扫描模块26依据快扫描轴控制信号241及慢扫描轴控制信号242将原本呈点状的激光束220转换为对一目标投影区域28进行二维扫描的扫描线。
如图3所示，扫描模块26可使激光光线220同时对目标投影区域28的水平方向(即X方向)及垂直方向(即Y方向)作持续地扫描，以呈现出一循序扫描画面30。循序扫描画面30包含第一扫描线轨迹301与第二扫描线轨迹302。
快扫描轴控制信号241及慢扫描轴控制信号242系同步输入至扫描模块26，以使激光光线220在目标投影区域28同时由左移动至右(或右至左)以及由上往下移动，以持续扫动来形成第一扫描线轨迹301。当激光束220向下移动至一特定处而形成所欲构成的影像后，慢扫描轴控制信号242会驱使激光束220快速地由特定处向上拉回至所欲构成的影像的最上方，来形成第二扫描线轨迹302。
扫描模块26可为双轴微镜面装置，其包含有一微反射镜50、一快扫描轴52及一与快扫描轴52相互垂直的慢扫描轴54，其中微反射镜50包含一镜面结构501。镜面结构501用于反射激光束220，快扫描轴52固定地连接该微反射镜50，而慢扫描轴54固定地连接该微反射镜50。
扫描模块26可依据快扫描轴控制信号241的频率，驱动镜面结构501以快扫描轴52为旋转轴，交替地朝顺时针方向及逆时针方向进行摆动；扫描模块26另可依据慢扫描轴控制信号242的频率，驱动镜面结构501以慢扫描轴54为旋转轴，交替地朝顺时针方向及逆时针方向进行向摆动。
扫描模块26驱动镜面结构501的驱动力系可为电磁力、静电力或是由其它适合的驱动力等。一般而言，镜面结构501沿快扫描轴52摆动时，是处于共振模态，而沿着慢扫描轴34摆动时，是处于非共振模态。
此外，镜面结构501在水平方向上的摆动角度与时间的关系会对应快扫描轴控制信号241的波形，因此若快扫描轴控制信号241为一具有固定频率的正弦信号，镜面结构501在水平方向上的摆动角度与时间的关系也会对应地呈正弦关系。
另一方面，镜面结构501在垂直方向上的摆动角度与时间的关系也会对应慢扫描轴控制信号242的波形。慢扫描轴控制信号242的波形系经特殊设计，以减少镜面结构501的非预期的振动。请配合参阅图4所示，在镜面结构501的非预期振动有效地减少后，微型投影装置所投射出的投影画面40将不易有明显的亮线。如此，对于使用者而言，投影画面40的观赏质量比起现有的投影画面(例如图1所示)，可大幅地改善。而慢扫描轴控制信号242的波形的特殊设计，将详细说明如下。
请参考图6，为应用于本发明微型投影装置较佳实施例的慢扫描轴控制信号的波形示意图。图6的振幅可代表控制信号的电压，故图6亦可视为慢扫描轴控制信号的电压与时间图。
慢扫描轴控制信号242为一周期信号，其具有一类正弦图案的波形60。波形60包含一实质线性部64及与实质线性部64连接之一非线性部62。实质线性部64与非线性部62系皆可由至少一种正弦波波形、至少一种方波波形、至少一种三角波波形、至少一种线性波形、或至少一种阶梯波波形图案等中选择性地组合而成。
请配合参阅图3，实质线性部64系用以与快扫描轴控制信号241配合，使激光光线220沿着第一扫描线轨迹301移动，其中激光光线220于垂直方向移动距离与时间关系亦呈一实质线性关系，以达成等间距扫描的目的；而非线性部62用以与快扫描轴控制信号241配合，使激光光线220沿着第二扫描线轨迹302移动。
非线性部62可包含相连接之一第一非线性部621及一第二非线性部622，而第一非线性部621及第二非线性部622又分别连接实质线性部64的两端。第一及第二非线性部621、622各包含至少一正弦曲线，以本实施例而言，第一非线性部621具有不同型态之一第一正弦曲线621a及一第二正弦曲线621b，而第二非线性部622同样亦具有不同型态之一第一正弦曲线及622a及一第二正弦曲线622b。
波形60相应于一周期时间区段T而沿一时间坐标轴延伸分布。周期时间区段T可区分为一第一时间区段t1、一第二时间区段t2及一第三时间区段t3，实质线性部64对应第二时间区段t2而分布，且第一及第二非线性部621、622系分别对应第一时间区段t1及第三时间区段t3而分布。
本实施例中，第一时间区段t1占周期时间区段T的比例不大于十分之一，第二时间区段t2占周期时间区段T的比例至少为十分之八，第三时间区段t3占周期时间区段T的比例不大于十分之一；换言之，实质线性部64占波形60的比例大于非线性部62占波形60的比例。
为避免使微反射镜50产生非预期的共振模态，快慢扫描轴所使用的快慢扫描轴控制信号的频率差距较佳地应越大。此外，慢扫描轴控制信号242的频率应小于微反射镜50之一临界共振频率，以避免微反射镜50在临界共振频率上振动。这是因为，当微反射镜50在临界共振频率上振动时，其所呈现的共振模态易造成微反射镜50破坏；而微反射镜50的临界共振频率可通过仿真计算(例如有限元素法)等方式来得知。
当临界共振频率得知后，即可将慢扫描轴控制信号242的实质线性部64及非线性部62的频率设计成低于临界共振频率。如此，第一正弦曲线621a、622a的一最大频率会小于临界共振频率，而第二正弦曲线621b、622b的一最大频率也会小于临界共振频率。
于本较佳实施例中，快扫描轴控制信号241的固定频率界于17KHz至19KHz之间，而微反射镜50相应的临界共振频率约为300Hz；此时慢扫描轴控制信号242的复合频率应小于300Hz，故第一正弦曲线621a、622a对应的一最大频率较佳地为180Hz，且第二正弦曲线621b、622b对应的一最大频率较佳地为300Hz。
以上为微型投影装置及用于微型投影装置的控制信号的说明，接着将说明用于本发明微型投影装置较佳实施例的慢扫描轴控制信号的产生方法。请配合参阅图6及图7，图7为本发明控制信号的产生方法流程图，该控制信号的产生方法可包含：
步骤100：在一第一时间区段t1中，产生一第一控制信号，第一控制信号的振幅与时间的关系形成一第一非线性部621，该第一非线性部621包含一第一正弦曲线621a及与第一正弦曲线621a连接的一第二正弦曲线621b。
详言的，为形成慢扫描轴控制信号242所需的波形60，第一控制信号需使用一复合信号，并依序包含使用至少二种以上具不同数值的复合频率，藉此使第一非线性部621包含一第一正弦曲线621a及与第一正弦曲线621a连接的一第二正弦曲线621b。
第一正弦曲线621a及第二正弦曲线621b系属于两相异的波形型态，而第一正弦曲线621a及第二正弦曲线621b的较佳连接方式为平滑地连接。上述平滑连接作法的目的在于：使慢扫描轴控制信号242于执行傅立叶转换进行谐波分析时，可有效避免产生不必要的杂散谐波信号，并降低第一正弦曲线621a及第二正弦曲线621b连接处的相应频率落入快扫描轴控制信号241的共振频率范围的可能性。
需说明的是，由于步骤100中的第一正弦曲线621a具有较低频率，因此第一正弦曲线621a于单位时间内振幅增加的幅度较大；相对地，由于步骤100中的第二正弦曲线621b具有较高频率，因此第二正弦曲线621b于单位时间内振幅增加的幅度较小。于此情况下，第二正弦曲线621b于接近波形60的波峰处可形成一较为平缓的曲线。此平缓的曲线除了有利于与实质线性部64作平滑地连接，更可减少不必要的谐波信号产生。
步骤102：在一第二时间区段t2中，产生一第二控制信号，第二控制信号的振幅与时间的关系呈一实质线性部64，实质线性部64的一端(起始端)平滑地连接第一非线性部621。
详言的，第二控制信号系决定波形60的实质线性部64为一线性区段，可通过使用多种具不同波形型态(例如是正弦波波形、方波波形、三角波波形、线性波形、或阶梯波波形等)来合成。
步骤104：在一第三时间区段t3中，产生一第三控制信号，第三控制信号的振幅与时间的关系形成一第二非线性部622，实质线性部64的另一端(终止端)平滑地连接第二非线性部622。
详言之，类似于第一控制信号的原理，第三控制信号可为一复合信号，并依序包含使用至少二种以上具不同数值的复合频率。第二非线性部622的一第一正弦曲线622a及与第一正弦曲线622a平滑地连接的一第二正弦曲线622b分别对应复合信号中的不同数值频率。
于此情况下，慢扫描轴控制信号242的一个标准波形将可由第一时间区段t1的第一非线性部621、第二时间区段t2的实质线性部64及第三间区段t3的第二非线性部622所建构成。其中，第二时间区段t2至少为第一时间区段t1的八倍，且第二时间区段t2至少为第三时间区段t3的八倍；亦即是第一时间区段t1及第三时间区段t3皆短于第二时间区段t2。
步骤106：重复上述三个步骤，以形成具多个相同波形的周期性信号。
详言之，前述步骤100至步骤104已清楚揭示慢扫描轴控制信号242的一个标准波形的形成步骤，而步骤106系重复地形成多个波形以建构出一可用于扫描用途的连续周期性信号。
以上为本发明较佳实施例的微型投影装置、用于微型投影装置的控制信号以及控制信号的产生方法说明，而本发明可具有以下特点：
1、本发明可抑制微反射镜被激发出非预期的共振模态，以避免微反射镜、快扫描轴及慢扫描轴因非预期的机械振动而遭破坏；
2、由于微反射镜、快扫描轴及慢扫描轴不易产生非预期的机械振动，微型投影装置可不需使用复杂的PID控制器来监控微反射镜的旋转角度，使得微型投影装置可通过开回路方式来控制，大幅简化了控制系统的设计及节省控制系统的成本；
3、本发明用于驱动微型投影装置的慢扫描轴控制信号的波形，可避免慢扫描轴控制信号的频率因落入快扫描轴控制信号的共振频率范围，而使反射镜形成多重共振态；及
4、本发明用于微型投影装置的慢扫描轴控制信号的预设驱动波形因具有较大比例的实质线性部，以及较低比例的非线性部，故可改善第一扫描线轨迹的垂直扫描间距，并提高循序扫描画面的画面质量。
上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以申请专利范围为准。