以微振鏡雷射掃描為機制之二維顯示器研究

Abstract

本論文利用三層多晶矽表面微機械方法製作之微振鏡致動系統及General Scanning Incorporation提供之CX660 scanner分別做系統垂直、水平掃描機制，加上可調變的雷射二極體光源，構成二維掃描顯示系統。本研究建構一光學量測系統，對已製作完成之微振鏡致動系統做動態特性檢測，實驗結果顯示，微振鏡在0.8V~2V正弦波週期驅動下，微振鏡做線性掃描，轉動角度約4.3度，掃描重現性良好，最高掃描頻率經初步驗證高於100Hz。利用檢測結果設計本系統之驅動電路，為使系統各組成元件做同步動作，我們以兩顆Altera FLEX10K10LC84-4 CPLD、D/A轉換器及控制雷射二極體光源亮度之APC電路，配合處理雷射光源之光學系統做為本掃描系統之驅動電路設計。經由光學系統量測可知，當微振鏡、振鏡掃描頻率分別操作在600Hz、30Hz，以平均畫素大小考量下，可得12x20之畫面解析度。

The thesis demonstrates a 2-D raster-scanning display system. The system consists of a micromirror, a CX660 scanner, a laser diode and a set of optical parts. The micromirror, designed and fabricated by using three-layer polysilicon surface micromaching technology, is used as a vertically scanning mechanism. The CX660 scanner, produced by General Scanning Incorporation, is used as a horizontally scanning mechanism. In order to demonstrate the dynamic characteristics of scanning micromirror, we used a CCD linear sensor to construct the measurement system. Experiments indicated that scan angle of the micromirror is varied linearly within 0.8~2V sinusoid signal with maximum 4.3°rotating angle. When the maximum scan frequency of micromirror is under 600Hz, the scan repeatability performance is reasonably well. According to the measured results, we designed and implemented our driving circuits. Two Altera CPLDs were used to synchronize all the devices and an APC circuit was used to accommodate the output power of laser diode. When micromirror and CX660 mirror are operated at 600Hz and 30Hz respectively, we obtained a 12*20 resolution per frame judging from its average pixel size. 英文摘要………………………………………………………………...………………ii 誌謝………………………………………………………………………...…………...iii 目錄…………………………………………………………………………...………...iv 表目錄…………………………………………………………………………...……..vii 圖目錄………………………………………………………...……………………….viii 符號說明………………………………………………………...……………………..xii 第一章 緒論…………….………………………………………...…………………...1 1.1 研究背景……….…………………..………………………...………………..1 1.2 研究動機………………………………………...……...……………………..2 1.3 論文架構…………………………………………………...…...……………..3 第二章 製程及設計規範………………………………..…………...………………..5 2.1 三層多晶矽製程介紹…………………………………………..……………..5 2.2 設計規範……………………………...…………………………...…………13 2.3 總結…...………………………………...……………………………………15 第三章 系統介紹……………………...…………………..…………………………16 3.1 雷射掃描系統架構……………...…………………………...………………16 3.1.1 掃描系統架構……………...…………………………………..……..16 3.1.2 掃描原理簡介………………...………………………………..……..17 3.2 光源系統………………………………...………………………...…………22 3.2.1 雷射二極體簡介.………………...………………………...…………22 3.2.2 光學系統……….………………...………………………...…………26 3.3 微振鏡致動系統之設計及探討…………...………...………………………27 3.3.1 前推式微振鏡致動系統設計.…...………………………...…………27 3.3.2 設計後推式微振鏡致動系統之因………………………...…………29 3.3.3 整體架構……….………………...………………………...…………30 3.3.4 微鏡面………….………………...………………………...…………30 3.3.5 微致動器陣列….………………...………………………...…………31 3.3.6 微樞紐………….………………...………………………...…………32 3.3.7 止動微結構…….………………...………………………...…………32 3.3.8 完成之微振鏡致動系統.………...………………………...…………35 3.4 振鏡(CX660)構造及原理..……………………...…...………………………36 3.5 總結………………….………………...………………………...…………. .37 第四章 微振鏡動態特性之量測系統建立………………...………..………………38 4.1 量測系統設計……………………………...………...………………………38 4.1.1 系統架構……….………………...………………………...…………38 4.1.2 探針平台……….………………...………………………...…………39 4.1.3 光學系統……….………………...………………………...…………39 4.1.4 CCD週邊驅動及量測電路.……...………………………...…………40 4.1.5 電腦中斷程式規劃……….……...………………………...…………44 4.2 實驗結果分析與討論…………………………………..……………………47 4.2.1 量測系統實體架構圖………………………..…...…………………..47 4.2.2 微振鏡之初始角度驗證……………………..…...…………………..47 4.2.3 微振鏡動態特性驗證…………………..…………...………………..49 4.2.3.1 CCD掃描頻率決定………………..…….…...………………..49 4.2.3.2 啟動電壓驗證……………………..…….…...………………..49 4.2.3.3 微振鏡線性掃描結果驗證………..…….…...………………..50 4.3 總結……………………………………………………………..……………58 第五章 系統驅動電路設計及掃描結果驗證…………………………...……..……59 5.1 系統與使用者介面設計…………………………………………...…...……59 5.2 驅動電路設計………………………………………………...…...…………61 5.2.1 光源之驅動電路-APC電路設計..…………………..…...…………..62 5.2.2 微振鏡與振鏡之驅動電路設計…………………………...…..……..67 5.3 掃描實驗結果…………………………………………………….….………69 5.3.1 完成之掃描系統…………………………………………...…..……..69 5.3.2 二維掃描圖形……………………………………………...…..……..70 5.4 掃描結果討論…………………………………………………….….………72 5.5 總結……………………………………………………………….….………75 第六章 結論與未來展望………………..………………………………...…………65 6.1 結論……………………………………………………………….….………76 6.2 未來展望………………………………………………………….….………78 參考文獻……………………………………………………………………...………..79 附錄一…………………………………………………………………...……………..81