CN104520750B - 双轴式扫描镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学装置(64)，该光学装置包括定子组件(47)，该定子组件包括包含气隙的芯(78、90、91)和一个或多个线圈(80、92、94、116、120)，该一个或多个线圈包括导线，该一个或多个线圈卷绕在芯上以使芯响应于导线中流动的电流而形成穿过气隙的磁路。扫描镜组件(45、83、85、130)包括支撑结构(68)、被安装成相对于支撑结构围绕第一轴线旋转的基部(72)以及被安装成相对于基部围绕第二轴线旋转的镜(46)。至少一个转子(76、132)包括一个或多个永磁体，该一个或多个永磁体固定到扫描镜组件并定位在气隙中以响应于磁路而移动。驱动器(82)被耦合成在一个或多个线圈中生成电流。

Description

双轴式扫描镜

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2012年7月26日提交的美国临时专利申请61/675,828和2013年6月17日提交的美国临时专利申请61/835,655的权益。本专利申请还涉及2013年2月14日提交的美国专利申请13/766,801，2013年3月13日提交的美国专利申请13/798,251。所有以上相关的申请均以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及光学扫描。

背景技术

在本领域中存在已知用于光学3D标测的各种方法，即，通过处理物体的光学图像来产生物体表面的3D轮廓。这种3D轮廓也称为3D图、深度图或深度图像，3D标测也称为深度标测。

PCT专利申请PCT/IB2011/053560描述包括照明模块的用于标测的装置，该PCT专利申请转让给了本专利申请的受让人并且其公开内容以引用方式并入本文。此模块包括了被配置为发射辐射束的辐射源以及被配置为在所选择的角度范围上方接收和扫描光束的扫描器。照明光学器件被配置为投射所扫描的光束以便产生在所关注的区域上方延伸的光斑图案。成像模块被配置为捕获被投射到所关注的区域中物体上的图案的图像。处理器被配置为处理图像以便构造物体的三维(3D)图。

美国专利申请公开2011/0279648(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于构造受检对象3D表示的方法，包括利用摄像机捕获受检对象的2D图像。该方法还包括在受检对象上扫描调制的照明光束以一次一个地照射受检对象的多个目标区域，以及测量来自从每个目标区域反射的照明光束的光的调制方面。使用移动镜光束扫描器扫描照明光束，并使用光电探测器测量调制方面。该方法还包括基于为每个目标区域测量的调制方面计算深度方面，以及将深度方面与2D图像的对应像素相关联。

美国专利8,018,579(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种三维成像和显示系统，其中根据其相移，通过测量调幅扫描光束的路径长度，以光学方式检测成像体积中的用户输入。给出了关于所检测的用户输入的视觉图像用户反馈。

美国专利7,952,781(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种扫描光束的方法和一种制造微型机电系统(MEMS)(可以并入到扫描设备中)的方法。在公开的实施例中，用安装在其上的永磁材料形成具有至少一个微镜的转子组件，并且定子组件具有用于在至一个微镜上施加预先确定的力矩的线圈布置。

另外的带有磁驱动器的MEMS镜组件例如在美国专利申请公布US 2008/0143196、US 2009/0284817和US 2010/0046054中描述。

发明内容

以下所描述的本发明的实施例提供了带有增强的性能和能力的光学扫描器。

因此，根据本发明的实施例来提供光学装置，这种光学装置包括定子组件，定子组件包括包含气隙的芯和包括导线的一个或多个线圈，该一个或多个线圈卷绕在芯上以使芯响应于导线中流动的电流而形成穿过气隙的磁路。扫描镜组件包括支撑结构、被安装成相对于支撑结构围绕第一轴线旋转的基部以及被安装成相对于基部围绕第二轴线旋转的镜。至少一个转子包括固定到扫描镜组件并定位在气隙中以响应于磁路而移动的一个或多个永磁体。驱动器被耦合成以所选择的一个或多个频率在一个或多个线圈中生成电流，使得至少一个转子的运动响应于磁路而使基部以第一频率围绕第一轴线旋转，同时使镜以第二频率围绕第二轴线旋转。

在一个实施例中，该镜围绕至少第一轴线不对称地负重，以使镜围绕第一轴线的第一旋转耦合到基部围绕第二轴线的第二旋转。通常，第二频率是镜围绕第二轴线的旋转的谐振频率，并且驱动器被耦合成以第一频率生成电流。

在一些实施例中，该芯包括了第一对极片和第二对极片，从而限定气隙，并且至少一个转子包括了第一转子和第二转子，该第一转子和第二转子分别固定到基部的相对的第一侧和第二侧并且分别被定位在位于第一对极片和第二对极片之间的气隙中。在公开的实施例中，驱动电路被配置为以第一频率利用第一电流以及以第二频率利用第二电流来驱动该一个或多个线圈。通常，该一个或多个线圈包括邻近第一对中的极片卷绕的第一线圈和邻近第二对中的极片卷绕的第二线圈，并且驱动电路被配置为以第一频率同相地以及以第二频率反相地驱动第一线圈和第二线圈。

在某些公开的实施例中，芯包括齿状物，齿状物在极片之间突起并具有邻接且包含气隙的上端。通常，该芯包括基部，极片和齿状物从该基部朝向该气隙突起。该一个或多个线圈可以包括邻近这些极片卷绕的第一线圈和卷绕在齿状物上的第二线圈，其中驱动电路被配置为以第一频率驱动第一线圈并且以第二频率驱动第二线圈。在一个实施例中，该芯包括多个指状物，该多个指状物围绕该齿状物并朝向位于齿状物与极片之间的气隙突起。

在一些实施例中，至少一个转子的一个或多个永磁体包括在镜的相对侧上的固定到基部的第一永磁体和第二永磁体。在一个实施例中，第一永磁体和第二永磁体都具有矩形形状。除此之外或作为另外一种选择，第一永磁体和第二永磁体中的每一者包括相应的上片和下片，该上片和下片被安装到基部的相对表面上，使得第一永磁体和第二永磁体的质量中心位于第一轴线上。

另外，除此之外或作为另外一种选择，至少一个转子的一个或多个永磁体可以包括固定到镜的至少第三永磁体。该至少第三永磁体可以凹入镜的表面内。

在公开的实施例中，该扫描镜组件包括形成为微机电系统(MEMS)设备的硅晶圆，MEMS设备包括从硅晶圆蚀刻的沿第一轴线将基部连接到衬底的第一心轴和从硅晶圆蚀刻的沿第二轴线将镜连接到基部的第二心轴。通常，第二心轴被形成为使得镜以第二频率围绕第二轴线谐振旋转，而第一心轴被形成为使得基部围绕第一心轴的旋转是非谐振旋转。晶圆可在第一心轴附近变薄，以便增加第一心轴的柔韧性。

在公开的实施例中，该装置包括发射器，该发射器被配置为当镜和基部旋转时引导光的脉冲从镜反射，由此在场景上方扫描该光。接收器被配置为接收从该场景反射的光的脉冲以便测量脉冲的渡越时间。

根据本发明的实施例还提供光学装置，光学装置包括镜组件，该镜组件包括安装成相对于支撑结构围绕轴线旋转的镜。电容传感器包括至少第一板和第二板，该至少第一板和第二板在该轴线的相对侧上定位在镜附近并且相对于支撑结构的平面成角度，使得这些板在邻近轴线的位置处最靠近该平面并且在距轴线较远的位置处远离该平面倾斜。

在公开的实施例中，该镜被安装成围绕互相垂直的第一轴线和第二轴线旋转，并且该电容传感器的至少第一板和第二板包括四个板，所述四个板一起限定棱锥形状，该棱锥形状具有与这些轴线相交处的中心点相邻的顶点。

根据本发明的实施例另外提供一种用于扫描的方法，这种方法包括：提供定子组件，定子组件包括包含气隙的芯和包括导线的一个或多个线圈，该一个或多个线圈卷绕在芯上以使芯响应于导线中流动的电流而形成穿过气隙的磁路。提供了扫描镜组件，该扫描镜组件包括支撑结构、被安装成相对于支撑结构围绕第一轴线旋转的基部以及被安装成相对于基部围绕第二轴线旋转的镜。至少一个转子固定到扫描镜组件，该至少一个转子包括一个或多个永磁体。扫描镜组件安装在定子组件上，使得一个或多个永磁体定位在气隙中，以便响应于磁路而移动。该一个或多个线圈以所选择的一个或多个频率利用电流进行驱动，使得至少一个转子的运动响应于磁路而使基部以第一频率围绕第一轴线旋转，同时使镜以第二频率围绕第二轴线旋转。

根据本发明的实施例还提供一种用于监测的方法，这种方法包括将镜安装成相对于支撑结构围绕轴线旋转。将电容传感器的至少第一板和第二板在该轴线的相对侧上定位在镜附近，同时使得板相对于支撑结构的平面成角度，从而使得这些板在邻近轴线的位置处最靠近该平面并且在距轴线较远的位置处远离该平面倾斜。测量板与镜之间的电容的改变，以便监测镜的旋转。

通过以下具体实施方式以及结合附图，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的实施例的光学扫描头的示意性图解；

图2是根据本发明的实施例的MEMS扫描器的示意性图解；

图3A是根据本发明的实施例的微镜组件的示意性底视图；

图3B是根据本发明的另一个实施例的微镜组件的一部分的示意性前视图；

图4是根据本发明的实施例的从下方来看的MEMS扫描器的示意性图解；

图5是根据本发明的实施例的示出MEMS扫描器的定子和转子的示意性图解；

图6是根据本发明的另一个实施例的示出MEMS扫描器的定子和转子的细节的示意性图解；

图7是根据本发明的实施例的图5的定子之一的示意性侧视图，该图包括指示由该定子生成的磁矢量场的箭头；

图8-10是根据本发明的实施例的用于驱动MEMS扫描器的定子的电流波形的示意性图；

图11A和11B是根据本发明的实施例的图6的定子和转子的示意性侧视图，该图示出用于驱动定子的电流和因此生成的场方向；

图12是根据本发明的实施例的扫描微镜的示意性剖面图；

图13是根据本发明的另选实施例的MEMS扫描器的定子的示意性图解；

图14A是根据本发明的实施例的图13的定子的一部分的示意性侧视图，该图示出由定子生成的磁场；

图14B是根据本发明的另一个实施例的定子的示意性侧视图；

图15是根据本发明的另一个实施例的微镜组件的示意性底视图；

图16是根据本发明的实施例的MEMS心轴的示意性细部图；以及

图17是根据本发明的实施例的带有电容传感器的微镜组件的示意性底视图。

具体实施方式

综述

上述美国专利申请13/766,801描述了这样的深度引擎：通过测量扫描光束的渡越时间来生成3D标测数据。诸如激光器的光发射器向扫描镜引导光的短脉冲，扫描镜在所关注的场景上方扫描光束。诸如敏感高速光电二极管(例如，雪崩光电二极管)的接收器接收通过同一扫描镜从场景返回的光。处理电路测量在扫描中的每个点处发射光脉冲和接收光脉冲之间的时间延迟。这一延迟指示光束行进的距离，从而指示该点处物体的深度。处理电路在产生场景的3D图时使用如此提取的深度数据。

当使用这类用于3D标测的扫描系统以及其他扫描应用程序时，希望镜以高频(例如，在2-30kHz的范围内)并且大角度上(通常±10-25°)围绕至少一个轴线进行机械扫描。围绕第二扫描轴线的扫描范围可甚至更大，但扫描频率通常低得多(例如，在15-100Hz范围内)。两个扫描方向协同生成光栅图案，这个光栅图案覆盖所扫描的区域。上述专利申请描述可在这类光栅生成中使用的万向式微镜支座和磁驱动布置。

本文所述本发明的实施例使在实现在高频扫描方向上、在广角范围上的有效扫描方面尤其有用的这些磁驱动布置得到增强。在公开的实施例中，微镜安装在微型万向式基部上，使得基部是相对于支撑结构在低频(缓慢)扫描方向上旋转，而微镜本身是相对于基部在高频(快速)扫描方向上旋转。(本文使用术语“微镜”仅表示非常小的镜，它们通常不超过几毫米，尽管可以将本发明的原理应用于更大的镜。)可以使用相同的磁驱动器来为快速扫描和缓慢扫描提供动力。可以通过镜与基部之间的机械耦合来将能量耦合到快速扫描方向中。除此之外或作为另外一种选择，该驱动器的磁场可以是动态成形的，其方法是提供适当的驱动电流，以便以不同频率且在不同方向上对镜和基部施加交变磁力，从而赋予期望的运动图案。

系统描述

图1示意性地示出上述美国专利申请13/766,801中描述的系统中所使用的光学头40的元件。如下文所述可以通过结合入利用磁驱动的万向式镜来增强这个光学头的性能。发射器44向偏振分束器60发射光脉冲。通常，分束器的仅正好在发射器44光路中的小区域被涂布用于反射，而分束器的其余部分在所发射波长范围中完全透明(或甚至为它涂布减反射层)，以允许返回的光通过，到达接收器48。来自发射器44的光从分束器60反射出来，然后从折叠式镜62反射出来，朝向扫描微镜46。例如，微镜面积可为约12mm²。MEMS扫描器64以期望的扫描频率和振幅在X和Y方向上扫描微镜。微镜和扫描器的细节在以下图中示出。

从场景返回的光脉冲入射到微镜46，微镜46经由折叠式镜62将光反射通过分束器60。接收器48感测返回的光脉冲并生成对应的电脉冲。为了增强检测的灵敏性，希望有效的镜尺寸、分束器60的总面积和接收器48的孔显著大于发射光束的面积。为了限制到达接收器48的不必要环境光的量，可以在接收器路径中，可能在与分束器60相同的衬底上结合入带通滤波器(未示出)。

在此以举例的方式描述图1中所示的光学头的特定机械设计和光学设计，实施类似原理的替代设计被视为在本发明范围之内。

图2是示出根据本发明的实施例的MEMS扫描器64的示意性图解。这个扫描器的制造和操作的原理类似于上述美国专利7,952,781中描述的那些，但实现了单个微镜46的二维扫描。(可以使用图示布置并加以必要的变更来驱动微镜阵列，如上述美国专利申请13/798,251中所述)。通过适当蚀刻半导体衬底68以将微镜与基部72(也称为万向架)分开，并将基部与用作支撑结构的其余衬底68分开，来制造包括微镜46的微镜组件45。在蚀刻后，微镜46(合适的反射涂层被施加到其上)能够相对于支撑体72在心轴70上围绕X轴旋转(以便在Y方向上扫描反射光斑)，而基部72相对于衬底68在心轴74上围绕Y轴旋转(以便在X方向上扫描光斑)。

微镜46和基部72安装在包括永磁体的一对转子76上。(在此图中仅可见转子中的一个。)转子76悬浮在定子组件47(也简称为扫描器64的定子)中的磁芯78的极片之间的相应气隙中。芯78卷绕有导线的相应线圈80，从而产生电磁定子组件。尽管为了简单起见在图2中示出每个芯的单个线圈，但作为另外一种选择，可以在每个芯上卷绕两个或更多个线圈；可以在芯上的不同地方卷绕线圈；并且还可使用不同的芯形状，如在以下图中示出。

驱动电路82(简称为驱动器)驱动电流通过线圈80，以便穿过芯78生成穿过气隙的磁路。通常，驱动电路82包括以期望的一个或多个频率生成电信号的频率发生器以及合适的放大器，放大器用于向线圈提供期望的电流电平。在线圈的气隙中生成的磁场与转子76的磁化相互作用，并因此使得转子在气隙内移动。

具体地讲，在该实施例中，可以利用高频差动电流驱动线圈80，以使微镜46以高频(如上所述，通常在2-30kHz的范围内)围绕心轴70往复谐振旋转。这种谐振旋转生成来自光学头40的输出光束的高速Y方向光栅扫描。同时，以较低频率来共同驱动线圈80，以便通过围绕心轴74在期望的扫描范围上旋转基部72来驱动X方向扫描。(根据围绕轴线旋转的对应的速度，本文所述实施例中的X轴线也称为“快轴”，而Y轴线也称为“慢轴”。)另选地，其中一些在以下图中示出的其它定子配置和驱动方案也可以用于这些目的。X旋转和Y旋转一起生成微镜46的总体光栅扫描图案。

如图1中所示，从离散的光学部件和机械部件组装光学头40需要精确的对准，并且可能费用高昂。在另选的实施例中，可以在硅光具座(SiOB)上的单个集成封装中组合需要精确放置和对准的所有部件(诸如光发射器、接收器和关联的光学器件)。这种方法能够节省成本并且可以使光学头更易于处理。这些类的各种另选的设计在上述美国专利申请13/766,801中示出。

使用机械不对称性的扫描耦合

图3A是根据本发明的实施例的微镜组件83的示意性底视图，该图示出一种用于机械地驱动微镜46的高速Y方向扫描的方案。磁性转子76在此图中呈现为矩形结构，这与图2所示圆柱形的转子不同，但执行了相同功能。图3A中的心轴70对准如图2所示的X轴，而与Y轴对准的心轴74在图3A中被转子76遮住。

一对重物84附接到微镜46的底部的相对拐角处。重物可以包括任何合适的材料，并且可以紧固到(例如，使用合适的胶水)微镜中的适当位置。另选地，可以通过使用标准蚀刻工艺(例如，诸如DRIE或湿法蚀刻)蚀刻掉镜的背侧的适当部分来形成重量不对称性。这些重物的目的是引入围绕微镜的旋转轴线的机械不对称性。图3A中的重物的特定形状和位置因此仅仅以举例的方式示出，并且可类似地使用提供围绕轴线的适当不对称重量分布的任何设计。

不对称重量分布通过改变微镜46的旋转惯性的轴线来使旋转轴线之间机械耦合。因此针对快速扫描方向而形成的新的惯性轴线并不精确地垂直于缓慢扫描的轴线。因此，当基部72因磁驱动的操作而围绕Y轴旋转时，重物84将使微镜46在心轴70上围绕X轴摆动。微镜、心轴和重物的机械设计被选择为在这些条件下赋予期望的扫描频率和振幅。针对快速扫描旋转以谐振频率将高频电驱动添加到微镜将使显著的机械能被传输到此扫描方向，因此生成微镜的期望的二维扫描。

图3B是根据本发明另一个实施例的微镜组件85的一部分的示意性前视图。在这种情况下，不对称的重量分布通过以下方式形成：在光刻生产工艺过程中适当地蚀刻微镜46的形状，以便提供不对称的重量分布。在这种情况下镜的成形提供快速旋转轴线和缓慢旋转轴线之间的期望机械耦合。

电磁驱动方案

以下所述的图示出根据本发明的若干不同实施例，可以用来驱动微镜的双轴扫描的各种方案。为简洁和清楚起见，这些实施例是参考以上所呈现的微镜46和相关联的MEMS结构进行描述。然而，这些实施例的这些原理同样可加以必要的变更而适用于其它类的双轴式扫描镜，诸如以上背景部分中引用的参考文献中描述的其中一些设备。

图4是示出根据本发明的另一个实施例的MEMS扫描器64的示意性底视图。在该实施例中，一对磁条86、88固定到微镜46的下侧。这些条具有相反极性，如图中箭头所指示，其中条86的南极向下取向，而条88的南极向上取向。在这类的实施例中可以有利的是，使条86、88凹入微镜的体积内，使得该微镜的质量中心靠近心轴70所限定的轴线。这类的实施例在图15中示出。

以微镜的谐振频率驱动线圈80的电流包括差动分量，即，以此频率驱动线圈的波形彼此180°异相。这个差动分量致使在芯78之间沿Y轴产生一个磁场分量，该磁场分量在X方向上是不均匀的且以驱动频率在方向上交变。换句话讲，在给定的时间点，该场可以在磁条86上指向正Y方向并且在磁条88上指向负Y方向，其中指向方向以谐振频率交变。该磁场与磁条86、88的磁化的相互作用致使围绕心轴70在微镜46上施加交变的旋转力，因此使得微镜如图所示那样旋转。

更一般地，可通过其它手段对线圈和驱动电流配置进行适配，以形成在预期方向上的净力和扭矩。磁或铁磁材料可以其它几何形状(在图中示出的具体几何形状之外的)施加于镜本身，而驱动力是由静止线圈形成。存在带有任何合适极性的一个或多个此类磁体、或铁磁材料(没有固有极性)。在每种情况下可调节驱动电磁场以形成在适当方向上的驱动力，如本领域的技术人员在阅读本专利申请后将显而易见的。磁体和驱动器的所有此类另选的配置均被认为在本发明的范围内。

图5是根据本发明的另一个实施例的示出MEMS扫描器64的元件的示意性图解。在该实施例中，为了视觉上清楚起见，省略了微镜46本身，并且其位置由转子76A和76B指示，这些转子附接到微镜的万向式基部72的下侧，如先前的图中所示。MEMS扫描器的定子组件包括两个芯90、91，所述两个芯各自具有一对极片，这对极片限定气隙，对应的转子76A或76B悬浮在该气隙中。(术语“极片”在本说明书中和在权利要求中以常规的意义使用，以指示磁芯的邻近气隙的部分)。每个芯90、91在芯的气隙的相对侧上卷绕有两个线圈92、94。在生成用于驱动转子的运动的磁路中，这类布置的作用在以下的图中示出。

图6示意性地示出根据本发明的另一个实施例的用于磁驱动的一个定子芯90和转子76的结构的细节。这是一对转子和芯之一，如先前的实施例中那样。线圈和微镜从图中省略，以便清楚观看芯的形状，包括这些极之间的气隙和呈突起的“齿状物”100的形式的附加极，该齿状物的上端从下方邻接且包含了气隙。该齿状物的功能在以下进行解释。

在该实施例和其它实施例中转子76的矩形轮廓可以是有利的，尤其在于，这种矩形轮廓致使转子围绕Y轴的旋转力矩随着旋转角度从图中所示的中心位置增长而增长，旋转角度的增长是由于受到位于转子的任一侧上的定子芯的极片的吸引。这个旋转力矩抵消随着转子围绕心轴(Y)轴线转动而增大的心轴74的弹簧力，并且因此减小在使镜围绕心轴74旋转的过程中必须施加的力。另选地，可以使用转子和定子芯的其它几何形状设计来产生期望的旋转特性。

图7是根据本发明的实施例，如图5图解性地示出的芯90的示意性侧视图。在该实施例中，芯90包括放大的基部96，其中线圈92和94卷绕在基部上方的芯上。芯91(图5)将具有类似的形式和行为。图7还包括了箭头，这些箭头指示当用适当的电流驱动线圈时，在该图的平面内的磁路的通量(包括在芯90的极之间的气隙中的通量)。然而，另选地，可以使用其它芯和线圈配置并且这些配置均被认为在本发明的范围内，如早前所指出。

如箭头所指示，芯90中和周围所生成的高频磁场包括在芯的极之间的气隙中的竖直(Z方向)分量。该磁场分量以驱动线圈92和94的电流的频率在方向上交变。芯91上的线圈92和94以与芯90的配对线圈92和94中的电流反相地进行驱动，使得芯90和91的气隙中的任何力矩处的Z方向场分量同样相反。因此，该场将向上推动转子76A、而向下推动转子76B，反之亦然，从而以高频波形的驱动频率交变。转子的这些相反的Z方向移动使得微镜46在心轴70上以此相同频率旋转，这个频率通常被选择为微镜的谐振频率。(更精确地，就牛顿定律而言，惯性使得在基部72移动时，微镜46趋于保持在适当的位置，从而形成通过心轴70的扭力臂，从转子到微镜的弹性能量传递；此原理是本文所述多个实施例的操作中所依据的。同时，同相地驱动通过所有线圈92和94的低频电流分量(即，在所有线圈中，电流在相同方向上流动)致使在气隙内产生交变的X方向磁场，因此使得转子76A、76B围绕Y轴旋转且以此方式旋转基部72。

图8-10示意性地示出根据本发明的实施例的用于驱动线圈92和94的典型电流波形。如上指出，所有线圈在低频波形下(诸如图7所示锯齿形的)均被同相地驱动。这些线圈在高频波形下(诸如图8所示正弦形的)均被反相地驱动。每个芯上的线圈92和94相对于彼此以异相180°驱动；并且芯90上的每个线圈92、94相对于其在芯91上的配对线圈92、94以异相180°驱动。每个线圈因此是由图9所示波形的叠加而驱动，其中线圈之间在高频分量的相位上有所不同，因此使用静止的一组线圈来生成微镜的围绕两个轴线的旋转。

施加到线圈92和94的电流(以及类似地，在本发明的其它实施例中施加的电流)可以使用本领域已知的任何合适技术来生成和控制，包括开环控制和闭环控制。在后一类别中，驱动电路82可以接收关于镜扫描的振幅和/或频率的反馈，并可相应地控制电流。例如，图17所示的新型电容感测方案可以用于这个目的，但也可另选地使用本领域已知的其它类的感测方案，诸如上述美国专利7,952,781中描述的使用各种类的传感器的闭环方案。

图11A和11B是根据本发明的实施例的图6的定子芯90和转子76的示意性侧视图，该图示出用于驱动定子的电流和因此生成的场方向。如图11A中的箭头101和102所示，低频(慢轴)电流同相地流过两个定子芯上的线圈92和94，从而产生穿过气隙的水平(X方向)磁通量，如箭头103所指示。这个X方向场以同相电流的频率交变，并且使得两个转子围绕Y轴旋转。

另一方面，如图11B所示，高频(快轴)电流反相地流过线圈92和94，如箭头104和箭头105所指示。这些电流产生交变的竖直(Z方向)磁通量(如箭头106所指示)，这使得转子76A和76B沿Z轴在相反方向上移动并且因此驱动微镜的高频扫描。在气隙下方突起的齿状物100增强该场并因此增强用于围绕X轴快速旋转的驱动力。

图12是根据本发明的实施例的扫描微镜46和微镜组件的相关联部件的示意性剖面图。该图示出图11B所示的电流和场如何驱动微镜46的快速旋转。定子芯90的气隙中的交变Z方向通量使得转子76A和76B以交变电流的频率沿Z轴以反相上下振动。因此，心轴74在相反方向上弯曲，使得基部72也发生振动，如图所示。因为振动频率等于或接近于微镜46的围绕心轴70的谐振旋转频率，所以因基部72的振动所造成的心轴的扭曲使得微镜围绕X轴以高振幅往复旋转。

图13是根据本发明的另一个实施例的定子110的示意性图解。定子110包括中心齿状物100，在该实施例中，中心齿状物100卷绕有其自己的线圈120。这个线圈被通电，以驱动微镜46的快轴旋转。定子110是基于磁芯的，该磁芯包括位于基部114上的两对支柱112，连同齿状物100。支柱112的顶部处的极片118与齿状物100一起限定气隙，在操作中，微镜组件的转子位于该气隙中。支柱112上的线圈116以万向式基部72的慢轴旋转的频率利用交变电流被同相地驱动，并且因此在气隙的处于极片118之间的区域中转动转子。

然而，线圈120以微镜的(谐振)快轴旋转的高得多的频率被驱动。因此，齿状物100生成高频磁场，这个高频磁场与安装在微镜46本身上的一个或多个磁体相互作用并且因此使得微镜相对于基部72围绕心轴70旋转。图15示出在此上下文中可使用的微镜46的配置，其中合适的磁体安装在微镜的背侧上。

图14A是根据本发明的实施例的定子110的一部分的示意性侧视图，其中缺少线圈116，该图示出因齿状物100上的线圈120中的电流而在定子的气隙中生成的磁路。在该图中位于支柱112之间的空间中的标记表示该空间中每个点处的磁场的方向和大小。

齿状物100和支柱112的几何形状布置使得齿状物周围的磁场具有“喷泉”的一般形式，其中磁力的线从齿状物朝向支柱向外“喷射”。当该场的方向交变时，由于驱动穿过线圈120的交变电流，围绕心轴70的轴线而施加在微镜46上的磁力的方向同样交变，因此使得微镜以交变电流的频率旋转。该图中示出的向上(Z方向)场与安装在微镜46上的磁体(如图15所示)的Y方向磁化相互作用，以驱动微镜围绕心轴70所限定的快(X方向)轴旋转。

图14B是根据本发明的另一个实施例的定子125的示意性侧视图。定子125的结构类似于定子110的结构，其中添加了两个或更多个辅助性指状物126，这些辅助性指状物126围绕齿状物100定位在基部114上。指状物126还界定和限定定子芯的位于极118之间的气隙，并且对磁场线128进行约束，使得气隙中的场的竖直(Z方向)分量得到增强。因此，相对于驱动电流而言，微镜的快轴旋转的振幅也得到增强。

图15示意性地示出根据本发明的实施例的硅扫描微镜组件130。组件130在该图中是从底部来看，即，从邻近定子的那侧(例如，其可具有定子110的形式)。在该视图中，微镜46的反射(向上)侧朝向页面内。组件130可例如以上述方式而由定子110的磁力来驱动。

组件130中的微镜46通过心轴70连接到万向式基部72，而基部72通过心轴74连接到衬底68，如先前的实施例中那样。然而，与图2和3所示实施例的简化图解相比，组件130中的磁性转子132各自包括上片138和下片140，该上片和下片直接附接到基部72的两侧。因此，微镜46是平衡介于转子132之间，而非安装在转子的上方。(上述实施例也可以类似的平衡方式实施。)因此，微镜和其基部的平面将位于定子组件的两个芯之间，而非如先前的实施例中那样(例如，如在图2中看到的)，位于芯的上方。微镜的这种平衡配置就机械稳定性而言是有利的，因为基部72的由心轴74限定的旋转轴线穿过组件130的质量中心。

磁体134固定到微镜46的下侧并与定子的齿状物100所生成的交变磁场(如图14A所示)相互作用。磁体134沿Y轴极化，如图中箭头所指示。这种磁化与图14A所示Z方向场的相互作用提供了力，该力使得微镜46围绕心轴70的轴线(X轴，即，快轴)旋转。

为了增强组件130的机械稳定性，将磁体134安装在微镜46的背侧中所形成的缺口136内。可例如通过硅的湿法蚀刻或通过硅的深度反应离子蚀刻(DRIE)形成该凹痕。因此，在磁体134安装在缺口内的情况下，微镜的由心轴70限定的旋转轴线靠近微镜的质量中心而穿过。虽然可能无法将质量中心和旋转惯性中心精确放置在旋转轴线上，但以上述方式减少这些点之间的距离对改进旋转中微镜的平衡性和动态稳定性仍是有用的。

镜旋转的增强和监测

图16是根据本发明的实施例的心轴74的示意性细部图。为了减小使基部72相对于衬底68旋转(通常并非谐振旋转)所必须施加的力，希望心轴74尽可能是旋转柔性的。因此，例如通过湿法蚀刻工艺来使基部72的围绕心轴74的区域中的硅晶圆变薄。随后，通过光刻来限定并从变薄的晶圆切割出心轴的形状。为了加强心轴以防断裂、同时仍保持期望的旋转柔韧性，围绕心轴74的间隙可填充合适的填充材料，诸如柔性聚合物，如美国临时专利申请61/781,086中所述，该申请以引用方式并入本文。使用该方法，可以使缓慢心轴74的设计考虑脱离快速心轴70的设计考虑。

在图16所示的该类的设计中，用于使晶圆变薄的工艺可以是关键的。一些工艺可能趋于在硅晶圆中引起微小裂缝和粗糙度，这会使心轴变弱；因此，不期望使用此类工艺来使心轴变薄。然而，湿法蚀刻工艺使得表面平滑，这有益于产生开裂的可能性减小的稳健心轴。

图17示意性地示出根据本发明实施例的用于感测微镜46的旋转的电容传感器150。传感器150包括呈四个扇形板的形式的感测板152、153、154和155，其通常是由导电材料制成。当基部72围绕心轴74(即，围绕慢轴)旋转时，如图所示，微镜46与扇形板154和155之间的电容增大，而微镜与扇形板152和153之间的电容减小。当基部向后朝向其运动的相反极端旋转时，微镜与扇形板152和153之间的电容增大，而微镜与扇形板154和155之间电容减小。

控制器(图中未示出)通过本领域已知的测量方法连续测量电容的这些变化。基于电容的变化，控制器能够监测基部72围绕慢轴的旋转的频率和振幅(即，角度范围)。

同样，微镜42围绕心轴70的旋转也将使微镜与扇形板152和154之间的电容相对于扇形板153和155而变化；并且同样可测量这些变化以监测微镜围绕快轴的旋转。

虽然可以将用于此目的的电容传感器的元件安装在平行于衬底68的平面中，但是这种安装方案可能限制微镜46的运动范围，除非这些传感器元件被安装成远离微镜(在这种情况下，电容并且因此用于测量旋转的有用信号都急剧减小)。为了克服该缺陷，扇形板152、153、154和155是成角度的，如图17所示，使得扇形板在微镜的旋转轴线的区域中最接近衬底68的平面并在远离该轴线的位置处远离该平面倾斜。在如图所示的配置中，扇形板152和153互相平行，扇形板154和155也是如此，因此限定一个“屋顶”，其脊线在心轴74的轴线附近。虽然在该实施例中，传感器150是在双轴扫描微镜组件的上下文中示出，但是这类屋顶形的传感器配置同样可用来感测单轴式扫描器的旋转。

另选地，扇形板152和153也可以是相对于彼此成角度的，并且扇形板154和155同样如此，使得四个扇形板一起限定棱锥形状，其顶点在微镜的中心附近，旋转轴线相交于该中心处。

虽然为了清楚起见，参考微镜46描述了电容传感器150，但是这类的传感器可加以必要的变更而类似地应用于感测和跟踪其它类型的扫描镜的运动，诸如以上背景部分中引用的参考文献中所描述的那些。同样，以上针对用于驱动扫描镜的技术而描述的其它具有创造性的特征可类似地应用于其它镜设计。

应当理解，上文所描述的实施例以举例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出或描述的内容。相反，本发明的范围包括本领域的技术人员在阅读以上描述时会想到且在现有技术中未公开的上文所述各种特征的组合和子组合，以及其变型和修改。

Claims (38)

1.光学装置，包括：

定子组件，所述定子组件包括：

芯，所述芯包括一对极片，从而限定气隙、并且所述芯包括齿状物，所述齿状物在所述极片之间突起并具有邻接且包含所述气隙的上端；以及

包括导线的一个或多个线圈，所述一个或多个线圈卷绕在所述芯上以使所述芯响应于所述导线中流动的电流而形成穿过所述气隙的磁路；

扫描镜组件，所述扫描镜组件包括：

支撑结构；

基部，所述基部被安装成相对于所述支撑结构围绕第一轴线旋转；以及

镜，所述镜被安装成相对于所述基部围绕第二轴线旋转；

至少一个转子，所述至少一个转子包括一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体固定到所述扫描镜组件并定位在所述气隙中以便响应于所述磁路而移动；以及

驱动器，所述驱动器被耦合成以所选择的一个或多个频率在所述一个或多个线圈中生成所述电流，使得所述至少一个转子的运动响应于所述磁路而使所述基部以第一频率围绕所述第一轴线旋转，同时使所述镜以第二频率围绕所述第二轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述镜围绕至少所述第二轴线不对称地负重，以使所述镜围绕所述第二轴线的第二旋转耦合到所述基部围绕所述第一轴线的第一旋转。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二频率是所述镜围绕所述第二轴线的旋转的谐振频率，并且其中所述驱动器被耦合成以所述第一频率生成所述电流。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述芯还包括第二对极片，从而限定所述气隙，并且

其中所述至少一个转子包括第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子分别固定到所述基部的相对的第一侧和第二侧并且分别被定位在位于所述一对极片和所述第二对极片之间的所述气隙中。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述驱动电路被配置为以所述第一频率利用第一电流以及以所述第二频率利用第二电流来驱动所述一个或多个线圈。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述一个或多个线圈包括邻近所述一对极片中的所述极片卷绕的第一线圈和邻近所述第二对极片中的所述极片卷绕的第二线圈，并且

其中所述驱动电路被配置为以所述第一频率同相地以及以所述第二频率反相地驱动所述第一线圈和所述第二线圈。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述芯包括基部，并且其中，所述极片和所述齿状物从所述芯的所述基部朝向所述气隙突起。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个线圈包括邻近所述极片卷绕的第一线圈和卷绕在所述齿状物上的第二线圈，并且

其中所述驱动电路被配置为以所述第一频率驱动所述第一线圈以及以所述第二频率驱动所述第二线圈。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述芯包括多个指状物，所述多个指状物围绕所述齿状物并朝向位于所述齿状物与所述极片之间的所述气隙突起。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中所述至少一个转子的所述一个或多个永磁体包括在所述镜的相对侧上的固定到所述基部的第一永磁体和第二永磁体。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一永磁体和所述第二永磁体具有矩形形状。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一永磁体和所述第二永磁体中的每一者包括相应的上片和下片，所述上片和下片被安装到所述基部的相对表面上，使得所述第一永磁体和所述第二永磁体的质量中心位于所述第一轴线上。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个转子的所述一个或多个永磁体包括固定到所述镜的至少第三永磁体。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述至少第三永磁体凹入所述镜的表面内。

15.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中所述扫描镜组件包括形成为微机电系统MEMS设备的硅晶圆，所述MEMS设备包括从所述硅晶圆蚀刻的沿所述第一轴线将所述基部连接到所述支撑结构的第一心轴和从所述硅晶圆蚀刻的沿所述第二轴线将所述镜连接到所述基部的第二心轴。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述第二心轴被形成为使得所述镜以所述第二频率围绕所述第二轴线谐振旋转。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一心轴被形成为使得所述基部围绕所述第一心轴的旋转是非谐振旋转，并且其中所述晶圆在所述第一心轴附近变薄，以便增加所述第一心轴的柔韧性。

18.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，并且包括电容传感器，所述电容传感器包括至少第一板和第二板，所述至少第一板和第二板在所述第一轴线的相对侧上定位在所述镜附近并且相对于所述支撑结构的平面成角度，使得所述板在邻近所述第一轴线的位置处最靠近所述平面并且在距所述第一轴线较远的位置处远离所述平面倾斜。

19.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，并且包括：

发射器，所述发射器被配置为当所述镜和所述基部旋转时引导光的脉冲从所述镜反射，由此在场景上方扫描所述光；以及

接收器，所述接收器被配置为接收从所述场景反射的所述光的所述脉冲，以便测量所述脉冲的渡越时间。

20.一种用于扫描的方法，包括：

提供定子组件，所述定子组件包括芯和包括导线的一个或多个线圈，所述芯包括一对极片，从而限定气隙、并且所述芯包括齿状物，所述齿状物在所述极片之间突起并具有邻接且包含所述气隙的上端，所述一个或多个线圈卷绕在所述芯上以使所述芯响应于所述导线中流动的电流而形成穿过所述气隙的磁路；

提供扫描镜组件，所述扫描镜组件包括支撑结构、被安装成相对于所述支撑结构围绕第一轴线旋转的基部以及被安装成相对于所述基部围绕第二轴线旋转的镜；

将至少一个转子固定到所述扫描镜组件，所述至少一个转子包括一个或多个永磁体；

将所述扫描镜组件安装在所述定子组件上，使得所述一个或多个永磁体被定位在所述气隙中以便响应于所述磁路而移动；以及

以所选择的一个或多个频率利用电流来驱动所述一个或多个线圈，使得所述至少一个转子的运动响应于所述磁路而使所述基部以第一频率围绕所述第一轴线旋转，同时使所述镜以第二频率围绕所述第二轴线旋转。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述镜围绕至少所述第二轴线不对称地负重，以使所述镜围绕所述第二轴线的第二旋转耦合到所述基部围绕所述第一轴线的第一旋转。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第二频率是所述镜围绕所述第二轴线的旋转的谐振频率，并且驱动所述一个或多个线圈包括以所述第一频率向所述一个或多个线圈施加所述电流。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述芯还包括第二对极片，从而限定所述气隙，并且

其中固定所述至少一个转子包括将第一转子和第二转子分别固定到所述基部的相对的第一侧和第二侧，使得所述第一转子和所述第二转子分别被定位在位于所述一对极片和所述第二对极片之间的所述气隙中。

24.根据权利要求23所述的方法，其中驱动所述一个或多个线圈包括以所述第一频率向所述线圈施加第一电流以及以所述第二频率向所述线圈施加第二电流。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个线圈包括邻近所述一对极片中的所述极片卷绕的第一线圈和邻近所述第二对极片中的所述极片卷绕的第二线圈，并且

其中驱动所述一个或多个线圈包括以所述第一频率同相地驱动所述第一线圈和所述第二线圈，同时以所述第二频率反相地驱动所述第一线圈和所述第二线圈。

26.根据权利要求20所述的方法，其中所述芯包括基部，并且其中，所述极片和所述齿状物从所述芯的所述基部朝向所述气隙突起。

27.根据权利要求20所述的方法，其中所述一个或多个线圈包括邻近所述极片卷绕的第一线圈和卷绕在所述齿状物上的第二线圈，并且

其中驱动所述一个或多个线圈包括以所述第一频率向所述第一线圈施加第一电流以及以所述第二频率向所述第二线圈施加第二电流。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述芯包括多个指状物，所述多个指状物围绕所述齿状物并朝向位于所述齿状物与所述极片之间的所述气隙突起。

29.根据权利要求20-28中任一项所述的方法，其中固定所述至少一个转子包括在所述镜的相对侧上将第一永磁体和第二永磁体固定到所述基部。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一永磁体和所述第二永磁体具有矩形形状。

31.根据权利要求29所述的方法，其中固定所述第一永磁体和所述第二永磁体包括将所述第一永磁体和所述第二永磁体中的每一者的相应的上片和下片安装到所述基部的相对表面上，使得所述第一永磁体和所述第二永磁体的质量中心位于所述第一轴线上。

32.根据权利要求29所述的方法，其中固定所述至少一个转子包括将至少第三永磁体安装在所述镜上。

33.根据权利要求32所述的方法，其中安装所述至少第三永磁体包括将所述至少第三永磁体固定在所述镜的表面内的凹陷部中。

34.根据权利要求20-28中任一项所述的方法，其中提供所述扫描镜组件包括将微机电系统MEMS工艺应用至硅晶圆以便从所述晶圆蚀刻所述支撑结构和所述镜，同时蚀刻沿所述第一轴线将所述基部连接到所述支撑结构的第一心轴和沿所述第二轴线将所述镜连接到所述基部的第二心轴。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第二心轴被形成为使得所述镜以所述第二频率围绕所述第二轴线谐振旋转。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述第一心轴被形成为使得所述基部围绕所述第一心轴的旋转是非谐振旋转，并且其中应用所述MEMS工艺包括使所述晶圆在所述第一心轴附近变薄，以便增加所述第一心轴的柔韧性。

37.根据权利要求20-28中任一项所述的方法，并且包括邻近所述扫描镜组件安装电容传感器，所述电容传感器包括至少第一板和第二板，所述安装通过以下方式进行：将所述板在所述第一轴线的相对侧上定位在所述镜附近，同时使得所述板相对于所述支撑结构的平面成角度，从而使得所述板在邻近所述第一轴线的位置处最靠近所述平面并且在距所述第一轴线较远的位置处远离所述平面倾斜。

38.根据权利要求20-28中任一项所述的方法，并且包括：

当所述镜和所述基部旋转时引导光的脉冲从所述镜反射，由此在场景上方扫描所述光；以及

接收从所述场景反射的所述光的所述脉冲以便测量所述脉冲的渡越时间。