CN104011583B - 微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微镜，其具有第一层(200)和第二层(300)，所述第一层具有第一主延伸层面，所述第二层具有第二主延伸层面，其中所述第一主延伸层面与所述第二主延伸层面相互平行地设置；其中所述第一层(200)与所述第二层(300)通过至少一个连接区域(23)局部地相互连接；其中在所述第一层(200)中构造有至少一个弹簧元件(202)；其中在所述第二层(300)中构造有可移动地悬挂的镜板(305)；其中所述镜板(305)在平行于所述主延伸层面的第一侧(30)上具有镜面并且在相对置的第二侧(20)上通过所述连接区域(23)与所述弹簧元件(202)的固定部(210)连接：其中所述弹簧元件(202)的一部分能够相对于所述镜板(305)移动地设置在所述镜板(305)的第二侧(20)上。本发明也涉及一种具有这样的微镜的2镜系统。

Description

微镜

背景技术

对于借助逐行描绘投影面(英语：“flying spot：飞点”)的图像结构而言，至少在一个轴线上需要具有高频率的运动。为了使需要的频率达到10千赫兹以上直至50千赫兹，仅仅考虑谐振装置。近些年提出了大量的微镜。一部分实现了在仅仅一个轴线上振动的镜，一部分开发了万向悬挂的镜，其或者在两个轴线方向上谐振振动或者在一个方向上准静态地工作。

在公开文献“MEMS Scanners for Display and Imaging Applications”(SPIE会议记录，第5604卷)中描述了由镜大小和偏转的乘积(所谓的西塔D乘积(Theta-D-Produkt))和频率对于微扫描仪的图像质量的意义。

除三个参数——镜大小、偏转和频率以外，在高频率的情况下振荡的微镜的镜变形仅仅是所使用的激光的波长的约1/10。在更大的变形的情况下，点可能扩大，这使图像的分辨率变差。由于镜自身的惯性和作用在镜板上的反力(如由在偏转镜时张紧的弹簧施加反力)，这是很难满足的要求。迄今，通过悬挂点的优化试图在镜板的尽可能小的动态变形方面优化由板的自身惯性引起的变形和由弹簧配合引起的变形。

对于微镜的反射表面通常使用优选由银或铝构成的金属化部。在此微镜的承载装置例如由硅构成。因此，整个镜板是双金属的。这导致镜的取决于温度的静态变形。

发明内容

本发明的任务是实现一种改进的具有转动轴线的谐振的微镜。

对于由分别具有一个转动轴线的两个镜、即作为所谓的2×1D方案构造的2D扫描仪而言，需要一个谐振镜，其在光路中作为第二镜放置在第一镜后面。激光射束在其到达第二镜上之前已经通过第一镜在第一y方向上偏转。需要具有近似方形横截面的第二镜，其中y方向(转动轴线方向上的维度)上的延展比至今所提出的现有技术中的镜大得多。

通过射束首先到达准静态的第一镜上，射束必须如此平地入射，使得其在谐振镜上的反射之后虽然在此发生扩宽但在准静态芯片的外缘处从旁经过。所述平的入射导致谐振镜上的激光点的椭圆变形，所述椭圆变形大于在万向悬挂的2D镜中必须预期的椭圆变形。在万向悬挂的镜中，同样不允许射束任意倾斜地入射。在反射之后，在考虑所有偏转的情况下，出射的射束必须从旁经过入射射束。这在1毫米的激光点大小时可能导致垂直于轴线的方向上的约1.5毫米的镜直径。由于2×1D方案的光学装置的几何需求，所述镜在1毫米的点直径的情况下必须展开基本上方形的面，其垂直于转动轴线具有1.8毫米至2.2毫米的延展并且平行于转动轴线具有约2.4毫米的延展。能够仅仅借助非常坚硬的、但同时非常长的弹簧达到这些边界条件以及对具有少量的λ/10变形的镜的要求，如以下示出的那样：

通过以下给出机械振荡器的谐振：

其中k表示弹簧刚度，而I表示振荡器的惯性。

因此，方形的板的惯性

以尺寸的三次幂在垂直于转动轴线的方向上增大。

在公开文献“Fabrication and characterization of a dynamically flathigh resolution micro-scanner”(Journal of Optics.A(2008)，编号10，论文044005，8页)中通过以下给出圆镜的变形：

其中D表示镜直径，f表示镜频率，Θ表示偏转角，而t表示镜厚度。对于正方形的镜而言，已经示出动态镜变形与镜大小的近似的高相关性。

为了在高谐振频率下运行的大的镜不具有过大的动态变形，镜板应具有大的厚度，其中目标度量>100微米、优选200微米。

镜板的惯性以一次幂随着厚度的增加而增大，如公式(2)中示出的那样。为了实现>10千赫兹的谐振频率、优选20千赫兹的频率，需要非常坚硬的弹簧。

通过以下给出具有方形横截面的扭转弹簧的刚度：

其中w表示更小的维度，b表示方形横截面的更大的维度，l表示弹簧的长度而G表示剪切模型(Schermodul)。

通过以下给出具有方形横截面的弯曲弹簧的刚度：

其中w表示弯曲到的维度，b表示横向于弯曲的维度，l表示弹簧的长度，而E表示E模型。

不论使用扭转弹簧还是弯曲弹簧，为了具有高刚度，弹簧在横截面的维度上必须具有大的尺寸。

镜板的倾斜角应尽可能大，然而至少10°。这需要一定的弹簧长度，从而使弹簧中的应力不过大。由弯曲弹簧的经典情形已知，弹簧表面的应力随着曲率以及表面与中性纤维的间距的增大而增大。当需要大的弯曲角和高的刚度时，可以仅仅通过更大的弹簧长度l减小弹簧中的应力。因此需要具有大的横截面的长的弹簧，以便实现坚硬的弹簧，所述弹簧在大的偏转时不会折断。同时，芯片面积应尽可能小，因为由此成本正比地增加。

谐振装置相对于不期望的模式应具有高稳健性。为了即使在制造波动的情况下在频带中也不发生模式相互偏移，干扰模式应位于有用模式尽可能上方以及与所述有用模式尽可能远的间距上。此外值得期望的是，在弹簧在镜板上的配合点的选择方面存在设计自由度，以便能够相互补偿动态变形。

本发明的优点

本发明涉及一种微镜，其具有第一层和第二层，所述第一层具有第一主延伸层面，所述第二层具有第二主延伸层面，其中第一主延伸层面和第二主延伸层面相互平行地设置，其中第一层和第二层通过至少一个连接区域局部地相互连接，其中在第一层中构造有至少一个弹簧元件，其中在第二层中构造有可移动地悬挂的镜板，其中所述镜板在平行于主延伸方向的第一侧上具有镜面，而在相对置的第二侧上通过连接区域与弹簧元件的固定部连接，其中所述弹簧元件的一部分可相对于镜板移动地设置在镜板的第二侧上。在这种微镜中，虽然对于镜板的可移动的悬挂所需的弹簧长度，但仍可以有利地实现紧凑的结构方式。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，连接区域由第一层和第二层之间的中间层构成。有利地，这样的微镜可以容易地由多层衬底、尤其由SOI衬底制造。

根据本发明的微镜的另一种有利构型提出，连接区域由第一层或也第二层的经结构化的部分区域构成。有利地，可以特别简单地、即基本上由仅仅两个层构造这种微镜。有利地，可以特别厚地实施这种连接区域。在此特别有利地，能够实现可移动的镜板的大的偏转角。在此特别有利地，也能够实现大的镜板，虽然偏转但弹簧元件的大部分可以设置在所述镜板下方。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，所述固定部设置在镜板的面重心下方。在此，经过面重心的面法线也延伸经过固定部。有利的是，在这一位置处最小的力矩导入镜中，因此避免所述镜的由偏转引起的变形。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，弹簧元件具有垂直于第一主延伸层面的第一延展和平行于第一主延伸层面的第二延展，其中第一延展以因数2、优选因数10大于第二延展。有利地，当主层面中的面积消耗同时较小时，这样的弹簧元件可以在扭转负荷中实现高刚度。在此有利地，可以设置多个弹簧元件或者特别长或也多的弹簧接板(Stege)或者折叠的弹簧元件。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，弹簧元件的主要部分可相对于镜板移动地设置在镜板的第二侧上。因此，能够有利地实现微镜的特别紧凑的结构形式。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，镜板可围绕转动轴线运动并且弹簧元件具有至少一个平行于转动轴线设置的接板。因此，能够有利地实现镜板借助扭转弹簧的悬挂。根据本发明的一种特别有利地构型提出，弹簧元件具有至少三个平行于转动轴线设置的接板。由此能够有利地实现特别长的弹簧长度，这在扭转时在机械上较低强度地加载弹簧。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，微镜具有至少两个弹簧元件，它们与一个共同的固定部连接。

根据本发明的微镜的另一种有利构型提出，微镜具有至少两个弹簧元件，它们分别与自身的固定部连接。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，微镜具有至少两个弹簧元件。由此有利地，对称地并且在不存在弹簧垂直于主层面的弯曲负载的情况下悬挂所述镜。

根据本发明的微镜的一种有利构型提出，在第一层中构造有第一框并且弹簧元件与所述第一框连接。由此有利地，弹簧元件可以悬挂在第一层中，并且微镜由此得到特别平的结构形式。根据本发明的微镜的一种特别有利的构型提出，在第二层中构造有第二框，所述第二框通过连接区域与所述第一框连接。由此有利地，可以增强所述框。

本发明也涉及一种2镜系统，其具有第一镜并且至少具有根据以上权利要求中任一项所述的第二微镜，其中所述布置是2D扫描仪，其中第一镜具有第一转动轴线并且第二微镜具有第二转动轴线，所述第二转动轴线垂直于所述第一转动轴线，其中所述第二微镜如此相对于第一镜设置，使得照射两个镜的激光射束可在两个方向上偏转。

附图说明

图1示出根据本发明的微镜的第一实施例；

图2示出根据本发明的微镜的第二实施例，其中在中央实施第一弹簧与镜板的连接；

图3以横截面图示出偏转状态中的根据本发明的微镜；

图4和5示出具有平行于转动轴线的多个弹簧元件的布置的根据本发明的微镜的另外两个实施例；

图6和7示出具有磁驱动的根据本发明的微镜的另外两个实施例；

图8示出具有根据本发明的微镜的2镜系统；

图9示出根据本发明的微镜的一个实施例，其中弹簧元件位于镜下方。

具体实施方式

图1示出根据本发明的微镜的第一实施例。示出了具有第一层200和第二层300的微镜，所述第一层具有第一主延伸层面，所述第二层具有第二主延伸层面，其中第一主延伸层面和第二主延伸层面相互平行地设置并且其中第一层200和第二层300通过至少一个连接区域23局部地相互连接。在第一层200中构造有至少一个弹簧元件，在所述示例中构造有两个弹簧元件202。在第二层300中构造有可移动地悬挂的镜板305，其中镜板305在平行于主延伸层面的第一侧30上具有镜面并且在相对置的第二侧20上通过连接区域23与弹簧元件202的固定部210连接。在此，弹簧元件202的一部分(通过连接区域23间隔开地)可相对于镜板305移动地设置在镜板305的第二侧20上。所述微镜具有第一框205，弹簧元件202同样如此固定(verankern)在所述第一框上，使得镜板305借助弹簧元件202可相对于第一框205移动地固定在所述第一框上。在所述实施例中，在第二层300中也构造有第二框，其通过连接区域23与第一框205连接。

所提出的微镜由两个经结构化的层200、300和一个中间层250组成，所述经结构化的层优选以硅构成，所述中间层在所期望的位置上连接在两个层中实现的元件。在第一层200中，例如通过开槽工艺实现使镜板与框205连接的弹簧元件202。所述第一层200的背向于第二层300的表面201称为前侧201。在第二层300中例如通过开槽工艺实现镜面。镜表面位于第一层200的表面的相对置的侧上并且称为第一侧30或也称为背侧。为了在芯片面积同时尽可能小的情况下产生“尽可能多的”弹簧，尽可能厚地设计第一层200。这一层的厚度与最宽的弹簧元件的宽度的比例至少为因数2、优选因数10。因此，弹簧元件202具有垂直于第一主延伸层面的第一延展和平行于第一主延伸层面的第二延展，其中第一延展以因数2、优选以因数10大于第二延展。

除中间层250以外也能够由第一层200或也第二层300的经结构化的部分区域构成连接区域23。

弹簧元件202例如在允许镜倾斜的位置处位于镜305下方。在转动轴线50的区域中是这种情况。在镜与框之间可以放置其他的弹簧元件区域。

在所述实施例中，镜305通过宽的连接块210与第一层200连接，在所述第一层中实现弹簧元件。弹簧元件的第一区域配合在所述连接块210上，所述第一区域同时是与其余弹簧系统202的连接。通过镜的倾斜使弹簧元件的第一区域和所有其他区域扭转，其轴线平行于镜的转动轴线50。因此，扭转分布到弹簧元件202的所有平行于镜板305的转动轴线50的区域的总长度上。所述区域称作接板。

在所述实施例中示出了根据本发明的微镜的第一变型方案，其中通过平行于转动轴线的两次弯折()实现弹簧元件的平行于转动轴线50的、对于总扭转所需的区域。根据图1，相应的弯折由仅仅一个具有两个接板的回环组成，所述两个接板平行于转动轴线50。但也能够实现任何数量的回环。为了避免不平衡，弹簧系统的布置应平行于转动轴线50定向。这也适于提出的其他布置。不仅适合布置的总扭转的自由的弹簧元件202而且固定部210形式的连接元件位于镜下方，其中中间层作为连接区域保持存在。固定部210从前侧201看具有比弹簧元件、但至少比弹簧元件的位于镜下方的区域更宽的度量。由此能够实现在牺牲蚀刻工艺期间同时实现弹簧元件的两个区域。通过连接部配合在镜板的外缘上，可以在镜板的动态变形方面优化所述布置。

图2示出根据本发明的微镜的第二实施例，其中在中央实施弹簧元件与镜板的连接。

在图2a中示出相似于在图1中示出的、但具有中央的镜悬挂部的变型方案。在此，唯一的中央的固定部210位于镜板305的面重心下方。在图2b中示出了根据本发明的微镜的一种变型方案，其具有两个借助一个弹簧元件相互连接的镜悬挂部。在此，两个固定部210相对于穿过镜板305的面重心的面法线对称并且相对靠近所述面法线地设置。相对于2a在变型方案2b中有利的是，弹簧元件的多个可扭转的区域设置在镜下方，由此能够实现对于可供使用的弹簧长度而言在总体上更好的面积充分利用。中央悬挂首先在动态镜变形方面具有明显的优点，因为所施加的力矩在所述位置处是最小的。

图3以横截面图示出偏转状态中的根据本发明的微镜。示出了倾斜如何逐渐从弹簧元件延伸至弹簧元件，从而镜可以倾斜总共>10°，其中每一个弹簧元件经历总扭转的按百分比计算的扭转。在每一侧上轴线平行地设置2个弹簧元件并且在镜下方设置有一个弹簧，约10°角的扭转分布在这些弹簧上。

图4和5示出具有平行于转动轴线50的多个弹簧元件的布置的根据本发明的微镜的另外两个实施例。所述实施例的特征在于，至少3个弹簧元件平行于转动轴线设置，在镜偏转的情况下总扭转分布到所述至少3个弹簧元件上。

在此，图4示出一种变型方案，其中放弃完全的轴线平行性。在面积消耗尽可能少的情况下弹簧尽可能多的要求方面，这样的布置可以提供优点。然而，必须通过相应的设计措施消除在这样的布置中分类为“更关键”的不平衡、干扰模式()以及正交效应。

在此，图5示出关于转动轴线完全对称的布置。在所述情形中存在位于转动轴线上的两个弹簧元件。当使镜偏转时，除镜下方的弹簧元件以外，使整个弹簧系统与框连接的两个元件也扭转。

可以通过不同方式——例如压电地、磁地或静电地实现微镜的驱动。在磁驱动时，在第一层面中与弹簧一起同时设有承载元件，在所述承载元件上敷设印制导线，所述印制导线在合适通电时在适合的B域中导致结构的谐振激励。

图6和7示出具有磁驱动的根据本发明的微镜的另外两个实施方式。

图6基于图5的布置。除弹簧系统以外，在第一层面中实现电磁驱动。相比于弹簧元件，相对坚硬地设计外框，从而使在所述外框上延伸的印制导线经历相对较小的扭曲。箭头说明电流方向。在所述第一实施方式中涉及具有相同循环方向的印制导线回路。在芯片层面上垂直于转动轴线延伸的单向磁场下，镜从所述层面倾斜。当在线圈上施加相应于镜的固有频率的交流电流时，谐振地驱动所述布置。

除电磁激励以外，也可以压电地、静电地或热机械地激励所述布置。尤其也可以使用外部激励、例如耦合到芯片或其封装上并且在激励时将其能量传递到镜系统的振动上的压电元件。

图7示出一种布置，其在弹簧系统方面相应于图5。相对于图6，所述结构从如同在未公开的德国专利申请DE102010062591.4中描述的轴对称的B域出发。在所述情形中使用4个线匝。通过箭头方向说明电流走向。

扭转弹簧和弹簧系统与镜板的连接部位于第一层面中。为了能够借助相同的工艺步骤制造二者，相应的元件必须具有确定的度量。在镜板的范围内，弹簧具有例如50微米的宽度。如需要，在各向同性地去除中间层时释放所述弹簧，即使当微镜在所述中间层下方位于第二承载层中时。连接部具有例如大于100微米的横向度量。在所述区域中，不完全地进行各向同性的蚀刻，从而保持机械稳定的连接。

当镜表面应具有尽可能高的反射性时，必须在粗糙度尽可能低的层面中实现所述镜。在在此描述的根据本发明的微镜中，在工艺过程中对背侧30进行抛光。因此，背侧30主要适于实现高光学品质的镜。因为所述镜位于第二层的背侧的层面中，所以可以实现第一镜和第二镜之间的小的间距，其倾斜方向例如垂直于第一镜的倾斜方向。相反也可设想的是，在第一层200的背侧、即在中间层250上或下方实现所述镜。在所述情形中，第一镜和第二镜之间的间距当然更大。

作为构造时的附加自由程度存在以下可能性：将弹簧系统的部件固定在表面上。这可以通过阳极键合实现。通过玻璃板的相应结构化，其中至少如此程度地蚀刻确定的区域，使得产生一些凹槽，当使玻璃板与弹簧系统的前侧连接时，在这些凹槽的位置处不发生连接。在玻璃板没有被深地蚀刻的位置处，将弹簧系统固定在玻璃板上。

图8示出具有根据本发明的微镜的2镜系统。以2×1D扫描仪的形式示出2镜系统，所述2×1D扫描仪具有一个第一镜500并且至少具有一个根据本发明的第二微镜，如以上所描述的那样。在此，第一镜具有平行于坐标轴x和第二微镜400的第一转动轴线以及平行于坐标轴y的第二转动轴线。第二转动轴线y垂直于第一转动轴线x设置。第二微镜400相对于第一镜500如此设置，使得照射两个镜400、500的激光射束100可在两个方向x和y上偏转。在此，第二微镜的方形镜面的延展如此选择，使得在维度x上斜入射的激光射束100的椭圆光斑具有足够的面积并且在维度y上提供用于由于通过第一镜500的偏转引起的光斑在第二镜400上的不同位置的足够面积。

图9示出根据本发明的微镜的一个实施例，其中弹簧元件位于所述镜下方。所述布置的优点在于进一步改善的面积充分利用。连接区域23在所述示例中如此增大，使得在倾斜镜时镜与弹簧不相碰。

Claims (15)

1.一种微镜，其具有第一层(200)和第二层(300)，所述第一层具有第一主延伸层面，所述第二层具有第二主延伸层面，

其中，所述第一主延伸层面与所述第二主延伸层面相互平行地设置；

其中，所述第一层(200)与所述第二层(300)通过至少一个连接区域(23)局部地相互连接；

其中，在所述第一层(200)中构造有至少一个弹簧元件(202)；

其中，在所述第二层(300)中构造有可移动地悬挂的镜板(305)；

其中，所述镜板(305)在平行于所述主延伸层面的第一侧(30)上具有镜面并且在相对置的第二侧(20)上通过所述连接区域(23)与所述弹簧元件(202)的固定部(210)连接，所述固定部构造在第一层中，且从垂直于第一和第二主延伸层面的方向看，与镜板耦合的固定部的宽度大于弹簧元件在远离固定部的位置处的宽度，以最小化镜板处的力矩；

其中，所述弹簧元件(202)的一部分能够相对于所述镜板(305)移动地设置在所述镜板(305)的第二侧(20)上。

2.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述连接区域(23)由所述第一层(200)与所述第二层(300)之间的中间层构成。

3.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述连接区域(23)由所述第一层(200)的和/或所述第二层(300)的经结构化的部分区域构成。

4.根据以上权利要求中任一项所述的微镜，其特征在于，所述固定部(210)设置在所述镜板(305)的面重心下方。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的微镜，其特征在于，所述弹簧元件(202)具有垂直于所述第一主延伸层面的第一延展和平行于所述第一主延伸层面的第二延展，其中，所述第一延展以因数2大于所述第二延展。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的微镜，其特征在于，所述弹簧元件(202)的主要部分能够相对于所述镜板(305)移动地设置所述镜板(305)的第二侧(20)上。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的微镜，其特征在于，所述镜板(305)能够围绕转动轴线(50)运动并且所述弹簧元件(202)具有至少一个接板(202a，b，c)，所述至少一个接板平行于所述转动轴线(50)设置。

8.根据权利要求7所述的微镜，其特征在于，所述弹簧元件(202)具有至少三个接板(202a，b，c)，所述至少三个接板平行于所述转动轴线(50)设置。

9.根据权利要求1-3、8中任一项所述的微镜，其特征在于，所述微镜具有至少两个弹簧元件(202)，它们与一个共同的固定部(210)连接。

10.根据权利要求1-3、8中任一项所述的微镜，其特征在于，所述微镜具有至少两个弹簧元件(202)，它们分别与自身的固定部(210)连接。

11.根据权利要求1-3、8中任一项所述的微镜，其特征在于，在所述第一层(200)中构造有第一框(205)并且所述弹簧元件(202)与所述第一框连接。

12.根据权利要求11所述的微镜，其特征在于，在所述第二层(300)中构造有第二框，所述第二框通过所述连接区域(23)与所述第一框(205)连接。

13.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述至少一个连接区域是直接连接到第一层和第二层的中间层。

14.根据权利要求5所述的微镜，其特征在于，所述第一延展以因数10大于所述第二延展。

15.一种2镜系统，其具有第一镜(500)并且至少具有根据以上权利要求中任一项所述的微镜(400)，其中，所述2镜系统是2D扫描仪，其中，所述第一镜具有第一转动轴线x并且所述微镜(400)具有第二转动轴线y，所述第二转动轴线垂直于所述第一镜的第一转动轴线，其中，所述微镜相对于所述第一镜(500)如此设置，使得照射两个镜(400，500)的激光射束(100)能够在两个方向上偏转。