DE4403297C2

DE4403297C2 - Device for deflecting optical rays

Info

Publication number: DE4403297C2
Application number: DE4403297A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Schwesinger; Ulf Heim; Helmut Prof Dr Wurmus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: DE59406500D1; DE4403297A1; KR960700456A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablen kung optischer Strahlen, vorzugsweise zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit an einem antreibbaren Rota tionskörper angeordneten Spiegelflächen
Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Realisie rung der Ablenkung von Laserstrahlen, die eine kon tinuierliche Strahlenablenkung für größere Winkel und hohe Ablenkgeschwindigkeit erfordern, rotato risch angetriebene Polygonspiegel zu verwenden. Nachteilig ist dabei, daß der extreme Fertigungs aufwand dieser Spiegel zu außerordentlich hohen Ko sten führt. Außerdem kann bei den bekannten Poly gonspiegeln die Verkippungsfreiheit der einzelnen Spiegelsegmente bezüglich der Drehachse nicht ge währleistet werden.The invention relates to a device for deflecting optical rays, preferably for deflecting laser beams, with mirror surfaces arranged on a drivable rotary body
In the prior art, it is known to implement the deflection of laser beams, which require a continuous beam deflection for larger angles and high deflection speed, to use rotatory-driven polygon mirrors. The disadvantage here is that the extreme manufacturing costs of this mirror leads to extremely high costs. In addition, the tilting freedom of the individual mirror segments with respect to the axis of rotation cannot be guaranteed in the known poly gon mirrors.

Aus dem Gebiet der Mikrotechnik sind weiterhin Ablenkspiegelanordnungen für optische Strahlen be kannt, bei denen an Torsionsbändern aufgehängte Spiegelflächen um eine Drehachse kippen können oder bei denen die Spiegelflächen am Ende von bewegli chen Zungenstrukturen angeordnet sind. Für derar tige Systeme werden elektrostatische, piezzoelek trische oder elektrothermische Antriebe eingesetzt, die generell mit der Mechanik funktionsintegriert sind.Are still from the field of microtechnology Deflecting mirror arrangements for optical rays be knows who hung on torsion bands Can tilt mirror surfaces around an axis of rotation or where the mirror surfaces at the end of movable Chen tongue structures are arranged. For derar systems become electrostatic, piezzoelek trical or electrothermal drives are used, which are generally functionally integrated with the mechanics are.

Mit derartigen Anordnungen sind zwar Strahlablen kungen von ± 100 realisierbar, die zugehörigen Spiegelflächen sind jedoch nur im Bereich zwischen 50×50 µm² bis 500×500 µm² herstellbar. Als sehr problematisch erweist sich bei den bisher bekannten Systemen das dynamische Verhalten. Bei hohen Fre quenzen nimmt der erreichbare Ablenkwinkel dra stisch ab, da die zur beschleunigten Bewegung der Spiegelfläche notwendigen Kräfte durch die gewähl ten Antriebsprinzipien nicht mehr aufgebracht wer den können. Es treten außerdem Schwingungsmodi auf, die zur Verwölbung der Spiegelflächen führen. Um eine sichere Bewegung der Spiegelflächen auch bei höheren Frequenzen zu ermöglichen, muß deren Masse drastisch reduziert werden, was bei gegebener Spie gelfläche nur durch eine Verringerung der Dicke möglich ist. Dies führt jedoch zu einer verstärkten Ausbildung von Schwingungen auf der Spiegeloberflä che und damit zu Funktionsstörungen. With such arrangements beamables are admittedly realizations of ± 100 can be realized, the associated However, mirror surfaces are only in the area between 50 × 50 µm² to 500 × 500 µm² can be produced. As very problematic with the previously known Systems the dynamic behavior. With high fre the achievable deflection angle dra dra stisch from, because the accelerated movement of the Mirror surface necessary forces through the chosen drive principles are no longer applied that can. There are also vibration modes which lead to warping of the mirror surfaces. Around a safe movement of the mirror surfaces also To enable higher frequencies, their mass must be be drastically reduced, what for a given game gel area only by reducing the thickness is possible. However, this leads to an increased Formation of vibrations on the mirror surface che and thus to malfunctions.

Die Druckschrift Xerox Disclosure Journal, Volume 15, Number 3, May/June 1990 beschreibt eine Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen mit einem drehbaren Polygonspiegel. Dieser Polygonspiegel kann u. a. durch anisotropes Ätzen von einkristal linem Silizium hergestellt werden.The publication Xerox Disclosure Journal, Volume 15 , Number 3 , May / June 1990 describes a device for deflecting optical rays with a rotatable polygon mirror. This polygon mirror can be produced, inter alia, by anisotropic etching of single-crystal linear silicon.

Die US-A-4 938 551 beschreibt einen Bar-Code-Leser mit einem Polygonspiegel mit vertieft liegenden Spiegelflächen, der auf einem als Motor ausgebildeten Träger oder einem oszillierenden Träger montiert ist. Hierdurch sollen mehrere, in der Richtung unterschiedliche Abtastorte geschaffen werden, d. h. der Bar code soll in unterschiedlichen Richtungen abgetastet werden. Die Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Bar-Code-Lesers ist relativ niedrig.US-A-4 938 551 describes a bar code reader with one Polygon mirror with recessed mirror surfaces on the a carrier designed as a motor or an oscillating one Carrier is mounted. This is supposed to make several, in the direction different sampling locations are created, d. H. the bar code should be scanned in different directions. The rotation speed of such a bar code reader is relatively low.

Die US-A-S 235 454 betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls. Der Spiegel besitzt eine einzige Spiegel oberfläche und soll mit hoher Drehzahl angetrieben werden. Der den Spiegel tragende Rotor besteht aus einem scheiben artigen Grundkörper und wird durch eine elektrostatische Kraft angetrieben, die dadurch erzeugt wird, daß selektiv eine Span nung an Statorelektroden angelegt wird, über denen der Rotor berührungslos abläuft, wobei die axiale Abstützung des Rotors durch abstoßende Kräfte von Permanentmagneten erfolgt, die im Achsbereich des Stators bzw. am Ende der Rotorwelle angeordnet sind. Die radiale Abstützung erfolgt durch einen Viskositäts widerstand der zwischen die radialen Lagerflächen eingeblasenen Luft. US-A-S 235 454 relates to a deflection device of a laser beam. The mirror has a single mirror surface and should be driven at high speed. The rotor carrying the mirror consists of a disc like body and is driven by an electrostatic force driven, which is generated by selectively a chip voltage is applied to stator electrodes over which the rotor runs without contact, the axial support of the rotor by repulsive forces of permanent magnets, which in Axis area of the stator or at the end of the rotor shaft are. The radial support is provided by a viscosity resistance of the air blown between the radial bearing surfaces Air.

Die US-PS 3 874 778 betrifft einen Drehspiegelscanner zur Ab lenkung eines Lichtstrahls eines mechanisch angetriebenen Spiegels. Auch hier erfolgt die axiale Abstützung des Rotors berührungslos durch die abstoßenden Kräfte von Permanentmag neten, die im Stator bzw. Rotor angeordnet sind. Die radiale Abstützung erfolgt wiederum durch ein dynamisches Luftlager.The US-PS 3 874 778 relates to a rotary mirror scanner for Ab steering a light beam from a mechanically driven Mirror. Here, too, the rotor is axially supported non-contact due to the repulsive forces of Permanentmag neten, which are arranged in the stator or rotor. The radial one Support is again provided by a dynamic air bearing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ablenkung optischer Strahlen zu schaffen, die eine hohe Ab lenkfrequenz bei großen Ablenkwinkeln und für große Spiegel flächen ermöglicht, eine Verkippungsfreiheit der Einzelsegmente bezüglich der Drehachse gewährleistet und kostengünstig her gestellt werden kann.The invention has for its object a device for Deflection of optical rays to create a high Ab steering frequency for large deflection angles and for large mirrors surfaces allows the individual segments to be free from tilting guaranteed with respect to the axis of rotation and inexpensive can be put.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Danach erfolgt sowohl die axiale als auch die radiale Abstützung auf magnetischem Wege, wobei diese magnetische Lagerung selbstzentrierend ist und einen reibungsfreien Lauf mit hohen Drehzahlen ermöglicht.The task is solved by the totality of the Claim 1 specified features. Then both the axial as well as the radial support on magnetic Ways, this magnetic bearing is self-centering and enables smooth running at high speeds.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen 2 bis 5. Embodiments of the invention result from the Unteran sayings 2 to 5.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich insbe sondere durch folgende Vorteile aus:The arrangement according to the invention is particularly notable the following advantages:

- Realization of high deflection frequencies also for relatively large light beam diameters,
- Manufacture of mirror surfaces with high pre precision,
- Inexpensive manufacture in mass production tion, because in micromechanics the advantageous Technologies of batch processes in microelectronics can be used
Freedom of tilting of the segments relative to one another,
- High reflectivity of the mirror surfaces the intended materials.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zuge hörigen Zeichnung zeigen:The invention is based on Exemplary embodiments explained in more detail. In the zuge show proper drawing:

Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Vor richtung, bei der sich die Spiegelflächen am Rotationskörper in einer Vertiefung befinden, und Fig. 1 and 2 according to the invention before direction, the mirror surfaces are located in the rotary body in a recess, and

Fig. 3 und 4 eine erfindungsgemäße Vor richtung, bei der sich die Spiegelflächen an einer auf dem Rotationskörper angebrachten Me sastruktur befinden. Fig. 3 and 4 according to the invention before direction, the mirror surfaces are at a sastruktur when mounted on the rotary body Me.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anord nung enthält der Grundkörper 1 eine Aussparung 1.1, die in ihren Abmessungen größer als der scheiben förmige Rotationskörper 2 ist. Der Rotationskörper 2 besteht aus einem einkristallinen Material, vor zugsweise aus Silizium, und enthält eine zentrisch angeordnete polygonförmige Vertiefung 2.1. Die Ver tiefung 2.1 wird durch Kristallebenen des Rotati onskörpers 2 seitlich begrenzt, welche die Spiegel flächen 2.2 darstellen. Auf der Oberseite des Rota tionskörpers 2 befindet sich eine ringförmige, seg mentierte hartmagnetische Schicht 2.3, deren Zen trum die Drehachse des Rotationskörpers 2 definie ren. Der Grundkörper 1, in dessen Aussparung 1.1 sich der Rotationskörper 2 befindet, wird an der Oberseite durch eine Deckplatte 3 aus Glas herme tisch abgeschlossen. Auf dieser Deckplatte befindet sich ein Ringmagnet 4 und eine Anzahl von Spulen paaren 3.1 mit integrierten Flußleitstücken 3.2. An der Unterseite des Grundkörpers ist ein Gegenpolma gnet 5 angeordnet.In the arrangement shown in FIGS . 1 and 2, the base body 1 contains a recess 1.1 , which is larger in its dimensions than the disk-shaped rotary body 2 . The rotary body 2 consists of a single-crystalline material, preferably silicon, and contains a centrally arranged polygonal recess 2.1 . The deepening 2.1 is laterally limited by crystal planes of the rotary body 2 , which represent the mirror surfaces 2.2 . On the top of the Rota tion body 2 there is an annular, seg mented hard magnetic layer 2.3 , the center of which define the axis of rotation of the rotary body 2. The base body 1 , in the recess 1.1 of which the rotary body 2 is located, is on the top by a cover plate 3 hermetically sealed from glass. On this cover plate there is a ring magnet 4 and a number of coils 3.1 pairs with integrated flux guide 3.2 . On the underside of the base body a Gegenpolma gnet 5 is arranged.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen die Fig. 3 und 4. Hierbei ist auf dem scheibenförmigen Rotationskörper 2 eine po lyedrische Mesastruktur 2.4 zentrisch angeordnet. Die Mesastruktur 2.4 wird durch Kristallebenen des Rotationskörpers 2 seitlich begrenzt, welche die Spiegelflächen 2.2 darstellen. Auf der Oberseite des Rotationskörpers 2 befinden sich ringförmig an geordnete Hartmagnete 2.3, deren Zentrum die Drehachse des Rotationskörpers definieren. Der Grundkörper 1, in dessen Aussparung 1.1 sich der Rotationskörper 2 befindet, ist an seiner Oberseite wiederum durch eine Deckplatte 3 hermetisch abge schlossen.A further embodiment of the device according to the invention is shown in FIGS . 3 and 4. Here, a polyhedral mesa structure 2.4 is arranged centrally on the disk-shaped rotating body 2 . The mesa structure 2.4 is laterally delimited by crystal planes of the rotating body 2 , which represent the mirror surfaces 2.2 . On the top of the rotating body 2 there are annular hard magnets 2.3 , the center of which define the axis of rotation of the rotating body. The base body 1 , in the recess 1.1 of the rotary body 2 , is in turn hermetically closed at its top by a cover plate 3 .

In beiden Ausführungen wird der Rotationskörper 2 durch die Segmente des hartmagnetischen Materials auf seiner Oberseite, durch die Kraft des Ringma gneten 4, des Gegenpolmagneten 5 sowie durch das Magnetfeld der Spulen 3.1 in der Aussparung des Grundkörpers 1 schwebend gehalten. Die ringförmige Ausbildung der Magnete erzwingt die Zentrierung des Rotationskörers 2. Durch geeignete Ansteuerung der auf dem Grundkörper 1 angeordneten Spulenpaare 3.1 wird über die Flußleitschichten 3.2 ein magneti sches Feld erzeugt, das im Zusammenwirken mit den hartmagnetischen Segmenten auf dem Rotationskör per 2 ein Drehmoment bewirkt. Der Rotationskörper 2 kann dadurch bei einer Mehrpolanordnung in eine taumelfreie Rotationsbewegung versetzt werden.In both versions, the rotating body 2 is held in suspension by the segments of the hard magnetic material on its upper side, by the force of the ring magnet 4 , the counter-pole magnet 5 and by the magnetic field of the coils 3.1 in the recess of the base body 1 . The ring-shaped design of the magnets forces the centering of the rotating body 2 . By suitable control of the coil pairs 3.1 arranged on the base body 1 , a magnetic field is generated via the flux-conducting layers 3.2 , which causes a torque in cooperation with the hard magnetic segments on the rotary body 2 . The rotary body 2 can be set in a multi-pole arrangement in a wobble-free rotational movement.

Ein auf eine Spiegelfläche 2.2 des Rotationskör pers 2 fallender Lichtstrahl kann durch die Drehbe wegung der Spiegelfläche um eine Drehachse bis zu einem Winkel von ca. 60° abgelenkt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt sehr hohe Drehzahlen, weil durch das selbstzentrierende Magnetlager Reibungseffekte fast vollständig ver hindert sowie Unwuchten minimiert werden können.A falling on a mirror surface 2.2 of the Rotationskör pers 2 light beam can be deflected by the rotation movement of the mirror surface about an axis of rotation up to an angle of approximately 60 °. The device according to the invention allows very high speeds, because the self-centering magnetic bearing prevents friction effects almost completely and unbalances can be minimized.

BezugszeichenlisteReference list

1 Grundkörper
1.1 Aussparung
2 Rotationskörper
2.1 Vertiefung
2.2 Spiegelflächen
2.3 hartmagnetische Schicht
2.4 Mesastruktur
3 Deckplatte
3.1 Spulenpaare
3.2 Flußleitstücke
4 Ringmagnet
5 Gegenpolmagnet 1 basic body
1.1 recess
2 rotating bodies
2.1 deepening
2.2 mirror surfaces
2.3 hard magnetic layer
2.4 Mesa structure
3 cover plate
3.1 Coil pairs
3.2 Flow directors
4 ring magnet
5 opposite pole magnet

Claims

1. Device for deflecting optical beams, in particular laser beams, with the following features:

- In a recess ( 1.1 ) of a base body ( 1 ), a disc-shaped rotary body ( 2 ) is rotatable;
- The recess ( 1.1 ) is closed by a cover plate ( 3 ) made of glass;
- The rotating body ( 2 ) carries in a rotationally symmetrical arrangement mirror surfaces ( 2.2 ) which are inclined with respect to the axis of rotation;
- On the top of the rotating body ( 2 ) are in an annular arrangement hard magnetic segments ( 2.3 ), the center of which defines the axis of rotation of the rotating body ( 2 );
- On the cover plate ( 3 ) there is at least one ring magnet ( 4 );
- Below the rotating body ( 2 ) is arranged on the base body ( 1 ), a counter-pole magnet ( 5 );
- On the cover plate ( 3 ) coils ( 3.2 ) are arranged which, with suitable control, generate a magnetic field which, in cooperation with the field of the hard magnetic segments ( 2.3 ), exerts a torque on the rotary body ( 2 ) and interact with them with the field of the ring magnets ( 4 ) and the field of the opposing pole magnets ( 5 ) in the recess ( 1.1 ) keeps floating.

2. Device according to claim 1, characterized in that the rotary body ( 2 ) has a central recess ( 2.1 ) in which the mirror surfaces ( 2.2 ) are located.

3. Device according to claim 1, characterized in that the rotary body ( 2 ) consists of a crystalline material.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that a polyhedral mesa structure ( 2.4 ) is arranged centrally on the single-crystalline rotary body ( 2 ), the side surfaces of which form the mirror surfaces.

5. The device according to claim 1, characterized in that the coils ( 3.1 ) are equipped with integrated flux guide pieces ( 3.2 ).