CN106415361B - 用于装有万向接头的扫描镜阵列的耦接方案 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫描设备(64,220,230)，该扫描设备包括基板(68)和围绕两个或更多个平行旋转构件(102)的万向支架(72,232)，其中该基板被蚀刻以限定旋转构件的阵列。第一铰链(106,234)将万向支架连接至基板并且限定第一旋转轴，该万向支架围绕该第一旋转轴相对于基板旋转。第二铰链(74)将旋转构件连接至支撑件并且限定旋转构件相对于支撑件的相应的第二相互平行的旋转轴，该相应的第二相互平行的旋转轴不平行于第一轴。

Description

用于装有万向接头的扫描镜阵列的耦接方案
技术领域
本发明整体涉及微机械系统，并且具体地涉及使用此类系统进行光学扫描。
背景技术
在现有技术中已知用于光学3D测绘的各种方法，即通过处理对象的光学图像来生成对象的表面的3D轮廓。这种3D轮廓也被称为3D图、深度图或深度图像，并且3D测绘也被称为深度测绘。
PCT国际公开WO 2012/020380(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于测绘的包括照明模块的设备。该模块包括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内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，以便产生在感兴趣的区域上延伸的点的图案。成像模块被配置为捕获被投射到感兴趣的区域中的对象上的图案的图像。处理器被配置为处理图像，以便构造对象的三维(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的3D表示的方法，其包括利用相机来捕获受检对象的2D图像。该方法还包括在受检对象上扫描经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来扫描照明光束，并使用光电探测器来测量调制方面。该方法还包括基于针对每个目标区域所测量的调制方面来计算深度方面，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在成像体积中检测用户输入。关于所检测的用户输入的视觉图像用户反馈被呈现。
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机电系统(MEMS)(可并入扫描设备中)的方法。
美国专利申请公开2013/0207970(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种扫描深度引擎，其包括发出包含光的脉冲的光束的发射器以及被配置为在场景上在预定义的扫描范围内扫描光束的扫描器。该扫描器可包括使用微机电系统(MEMS)技术制备的微镜。接收器接收从场景反射的光并生成用于指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间的输出。耦接处理器以控制扫描器并处理接收器的输出，以便生成场景的3D图。
使用MEMS技术的另一渡越时间扫描器为由Fraunhofer Institute for PhotonicMicrosystems(IPMS)(Dresden,Germany)制备的Lamda扫描器模块。该Lamda模块是基于由相同扫描镜元件组成的分段式MEMS扫描器设备而构造的。经校准的发射光束的单个扫描镜平行于接收器光学器件的分段式扫描镜设备而振荡。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了改进型扫描设备，以及使用这种设备进行3D测绘的设备与方法。
因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种包括基板的扫描设备，该基板被蚀刻以限定两个或更多个平行旋转构件的阵列和围绕旋转构件的万向支架。第一铰链将万向支架连接至基板并且限定第一旋转轴，该万向支架围绕该第一旋转轴相对于基板旋转。第二铰链将旋转构件连接至万向支架并且限定旋转构件相对于万向支架的相应的第二相互平行的旋转轴，该相应的第二相互平行的旋转轴不平行于第一旋转轴。
在一些实施方案中，该万向支架被配置为利用足以使旋转构件围绕相应第二轴的振荡同步的耦接强度来将两个或更多个平行旋转构件耦接在一起。通常，旋转构件、万向支架和铰链被蚀刻以便限定具有品质因数Q的振荡的模式，该品质因数Q和耦接强度γ满足关系：1/Q＜＜|γ|＜＜1，其中振荡的模式被限定成使得γ>0，并且旋转构件围绕相应第二轴同相旋转。
除此之外或另选地，该设备包括耦接装置，该耦接装置连接至旋转构件以便使旋转构件围绕相应第二轴的振荡同步。在一个实施方案中，该耦接装置被配置为通过在旋转构件之间施加电磁力来使旋转构件的振荡同步。该耦接装置可包括被固定到旋转构件的永磁体。在另一个实施方案中，该耦接装置包括带子，该带子从基板蚀刻并具有分别附接到旋转构件中的第一旋转构件和第二旋转构件的第一端部和第二端部，以便使旋转构件围绕相应第二轴的振荡同步。
在本发明所公开的实施方案中，该旋转构件包括板，并且该设备包括被施加于板上的基板的反射涂层，由此该板充当微镜。
通常，基板是硅晶圆的一部分。
在一些实施方案中，该设备包括电磁驱动器，该电磁驱动器被耦接以驱动万向支架和旋转构件分别围绕第一轴和第二轴旋转。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种扫描设备，该扫描设备包括基板，该基板被蚀刻以限定两个或更多个平行旋转构件的阵列、围绕旋转构件的支撑件，以及将旋转构件连接至支撑件的相应铰链，从而限定旋转构件相对于支撑件的相应平行旋转轴。耦接装置连接至旋转构件，以便使旋转构件围绕相应轴的振荡同步。
在一个实施方案中，该耦接装置包括带子，该带子从基板蚀刻并具有分别附接到旋转构件中的第一旋转构件和第二旋转构件的第一端部和第二端部。
在另一个实施方案中，该耦接装置被配置为通过在旋转构件之间施加电磁力来使旋转构件的振荡同步。该耦接装置可包括被固定到旋转构件的永磁体。
该耦接构件可被配置为使得旋转构件同相振荡，使得旋转构件在振荡期间具有相同的角取向，或者以便使得旋转构件反相振荡。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于制造扫描设备的方法。该方法包括蚀刻基板以便限定两个或更多个平行旋转构件的阵列、围绕该旋转构件的支撑件、以及将旋转构件连接至支撑件的相应的铰链，从而限定旋转构件相对于支撑件的相应平行旋转轴。向旋转构件施加耦接力，以便使旋转构件围绕相应轴的振荡同步。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于制造扫描设备的方法。该方法包括蚀刻基板，以便限定两个或更多个平行旋转构件的阵列、围绕该旋转构件的万向支架、以及第一铰链，该第一铰链将万向支架连接至基板并限定第一旋转轴，万向支架围绕该第一旋转轴相对于基板旋转。蚀刻第二铰链，该第二铰链将旋转构件连接至万向支架并且限定旋转构件相对于万向支架的相应的第二相互平行的旋转轴，该相应的第二相互平行的旋转轴不平行于第一旋转轴。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于扫描的方法，该方法包括提供基板，该基板被蚀刻以限定两个或更多个平行微镜的阵列以及围绕该微镜的万向支架。驱动微镜以围绕相应平行第一旋转轴相对于万向支架旋转，同时驱动万向支架以围绕第二轴相对于基板旋转。向微镜施加耦接力，以便使微镜围绕相应轴的振荡同步。在微镜和万向支架旋转的同时，向微镜阵列引导光束，以便使得微镜在场景上扫描该光束。
在本发明所公开的实施方案中，引导光束包括朝微镜阵列引导光的脉冲，并且该方法包括通过来自微镜阵列的反射来接收从场景反射的光，并生成用于指示往返于该场景中的点的脉冲的渡越时间的输出。在光束扫描期间处理输出，以便生成场景的三维图。
在一些实施方案中，基板被蚀刻以限定相应第一铰链，该相应第一铰链将微镜连接到万向支架，从而限定微镜相对于万向支架的相应平行第一旋转轴。一个或多个柔性耦接构件连接至微镜，以便使微镜围绕相应第一轴的振荡同步，并且第二铰链沿第二轴将万向支架连接至基板。
在本发明所公开的实施方案中，驱动该镜包括向电磁驱动器施加电流，该电磁驱动器耦接到微镜阵列以便使微镜以第一频率围绕第一轴旋转，该第一频率为旋转的谐振频率，同时使万向支架以第二频率围绕第二轴旋转，该第二频率低于第一频率。
在一个实施方案中，施加耦接力包括蚀刻基板以限定被连接在微镜之间的一个或多个柔性耦接构件。在另一个实施方案中，施加耦接力包括使得电磁力被施加于微镜之间。除此之外或另选地，该基板被蚀刻使得万向支架以足以使振荡同步的耦接强度向微镜施加耦接力。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种扫描设备，该扫描设备包括基板，该基板被蚀刻以限定两个或更多个平行旋转构件的阵列、围绕旋转构件的支撑件、以及将旋转构件连接至支撑件的相应铰链，从而限定旋转构件相对于支撑件的相应平行旋转轴。耦接装置连接至旋转构件并且被配置为在旋转构件之间施加电磁力以便使旋转构件围绕相应轴的振荡同步。
在一个实施方案中，该耦接装置包括被固定到旋转构件的永磁体。
结合附图从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更完全地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方案的光学扫描头的示意性图示；
图2是示出根据本发明的实施方案的MEMS扫描器的示意性图示；
图3是根据本发明的实施方案的装有万向接头的微镜阵列的示意性后视图；
图4是示出图3的微镜阵列元件的示意性详细视图；
图5是图3的微镜阵列工作中的示意性前视图；
图6是示出根据本发明的实施方案的装有万向接头的微镜阵列的工作原理的示意图；
图7是根据本发明的另选实施方案的装有万向接头的微镜阵列的示意性后视图；
图8是根据本发明的另一个实施方案的装有万向接头的微镜阵列的示意性前视图。
具体实施方式
上述美国专利申请公开2013/0207970描述了通过测量扫描光束的渡越时间来生成3D测绘数据的深度引擎。光发射器诸如激光器朝扫描镜引导短的光脉冲，该扫描镜在感兴趣的场景上扫描光束。接收器诸如敏感高速光电二极管(例如，雪崩光电二极管)接收经由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的所发射的光和所接收得光脉冲之间的时间延迟。该延迟指示光束行进的距离，从而指示该点处的对象的深度。处理电路使用在产生场景的3D图时如此提取的深度数据。
为了实现紧凑性、低成本和低功耗，可使用MEMS技术来生产这种扫描系统中的扫描镜(可能借助上述美国专利7,952,781中描述的各种技术)。为了增强系统的灵敏性，有利的是，镜尽可能大(通常具有在5mm2-25mm2范围内的有源区域)。同时，为了进行3D测绘以及其他扫描应用，希望镜在大角度上(通常为±10°-25°)以高频(通常为2kHz-25kHz)围绕至少一个轴进行机械扫描。(围绕第二扫描轴的扫描范围可更大，但扫描频率通常更低。)对高扫描频率和范围的需求与增大镜尺寸的需要有冲突，并且在制造扫描器的材料(诸如硅晶圆)有限制的情况下，制造期望尺寸、范围和频率能力的单个扫描镜可能是不可行的。
本文描述的一些实施方案寻求通过使用多个相邻镜的阵列克服这些设计约束。镜相互同步地进行扫描，从而在光学上的行为好像它们是尺寸等于整个阵列的尺寸的单个镜一样。术语“同步”在常规意义上用于本描述和权利要求，以表示镜在相同频率下一致地进行扫描。通常，镜扫描的相位和幅度也相同。当然，完美绝对的同步在现实的机械系统中是无法实现的。因此，本领域的普通技术人员应理解，声明镜利用相同频率、幅度和/或相位进行扫描意味着其相应的振荡之间的任何差异小于阵列用于其中的系统的总角公差。
在一些实施方案中，阵列中的镜之间的耦接装置对镜的振荡进行耦接，从而保持它们之间的同步。该耦接装置可包括任何合适类型的联接件，诸如镜之间的机械耦接件或电磁力所施加的联接件，该联接件可在镜之间没有机械接触的情况下工作。通常，只要耦接装置施加弱耦接力以便产生所需的同步便足够，尤其是在驱动镜以其旋转谐振频率或近似旋转谐振频率进行扫描的情况下。此外，如果阵列中的镜被单个驱动，则可调节施加于各个镜的相应驱动信号的相对幅度和相位，以便补偿镜旋转的幅度和相位上的任何差异。
另选地，可使用一个镜来反射和扫描发射光束，而另一镜(或更大阵列中的两个或更多个镜)反射从朝接收器的场景所接收的光。这样，可使独立的发射镜和接收镜同步，例如在于2014年11月26日提交的美国专利申请14/554,086中所描述的，其公开内容以引用方式并入本文。
在下述实施方案中，将镜同时安装在支撑件中，该支撑件从与镜自身相同的基板(诸如半导体晶片)蚀刻的。该支撑件自身可被配置作为旋转万向支架。该万向支架通常由限定第一旋转轴的铰链连接至基板，其中支架围绕该第一旋转轴相对于基板旋转。该镜由第二铰链连接至万向支架(或其他支撑件)，该第二铰链限定镜相对于万向支架的相应第二相互平行的旋转轴。通常，该第二轴垂直于(或以其他方式非平行于)第一轴。因此，例如可在MEMS工艺中制备微型装有万向接头的镜阵列。这种装有万向接头的阵列结构不仅可被应用于镜，而且还可被应用于其他类型的旋转构件，诸如微机械旋转元件。
在一些本发明所公开的实施方案中，该支撑件自身被配置为利用足以使镜围绕相应轴的振荡同步的耦接强度来将两个或更多个平行旋转构件耦接在一起。为此，在这些实施方案中，通常将支撑件设计成具有足够的柔韧性和适当的机械特性，以实现期望的同步程度。例如，可选择支撑件的机械特性以便利用品质因数和高至足以产生旋转构件的期望的同步的耦接强度来限定系统振荡模式和谐振频率。下文将详细说明此类万向支架的特定属性和设计标准。
在大多数图中所示的实施方案中，同步的镜阵列包括同相工作并被安装于装有万向接头的基部上以用于进行两轴扫描的两个微镜。(本文使用术语“微镜”仅表示非常小的镜，其通常不超过几毫米，尽管可将本发明的某些原理应用于更大的镜。)可替代地，这种镜阵列可包括更大数量的镜，并且可部署有或不部署万向支架。作为另外一种选择或除此之外，可通过镜和它们之间的耦接的适当设计来实现其他形式的同步，诸如阵列中镜的反相旋转。
出于清晰性和完整性考虑，尽管下文所述的实施方案具体涉及微镜，但这些实施方案的原理可被加以必要的变更类似地应用于根据这些原理制备并配置的其他类型的微机械旋转构件。在本发明所公开的实施方案中，这些旋转构件具有从基板蚀刻的板的形式，在该基板上涂覆反射涂层以便形成微镜。然而，利用本文所述的技术来同步具有其他形状和形式的旋转构件也在本发明的范围内。
图1示意性地示出了根据本发明的实施方案的包括装有万向接头的微镜阵列100的光学扫描头40的元件。除了微镜阵列自身之外，光学扫描头40类似于上述美国专利申请公开2013/0207970中描述的光学扫描头。发射器44朝偏振分束器60发射光脉冲。通常，分束器中的位于发射器44的光路正下方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(或甚至针对其具有抗反射涂层)，以允许所返回的光通过，以到达接收器48。来自发射器44的光从分束器60反射回来，然后从折叠式反射镜62朝微镜阵列100反射。MEMS扫描器64以期望的扫描频率和幅度在X方向和Y方向上扫描微镜阵列。在以下图中示出了微镜阵列和扫描器的详情。
从场景返回的光脉冲入射到微镜阵列100上，该微镜阵列经由折叠式反射镜62通过分束器60反射光。为了限制到达接收器48的不必要的环境光的量，可在接收器路径中可能在与分束器60相同的基板上结合带通滤波器(未示出)。接收器48感测所返回的光脉冲并生成对应的电脉冲。控制器30驱动发射器44和扫描器64，并分析发射脉冲和来自接收器48的对应脉冲之间的时间延迟，以便测量每个脉冲的渡越时间。基于该渡越时间，控制器计算场景中的被扫描头40扫描的每个点的深度坐标，从而生成场景的深度图。
为了提高检测的灵敏度，分束器60和接收器48孔径的总面积显著大于发射束的面积。还希望微镜阵列100中的微镜在由扫描器施加的惯性约束内尽可能大。例如，每个微镜的面积大约可为5mm2-15mm2，并且微镜阵列的总面积大约可为10mm2-30mm2。
在此以举例的方式描述图1中所示的光学头的特定机械和光学设计，并且实施类似原理的替代设计被视为在本发明范围内。如前所述，在一些另选的设计中，阵列100中的不同微镜可用于发射和接收。
图2是示出根据本发明的实施方案的MEMS扫描器64的示意性图示。以类似于上述美国专利7,952,781中所述的那些原理制造并操作这种扫描器，但启用微镜阵列100的二维扫描。通过适当蚀刻半导体基板68以从支撑件72分开阵列中的微镜102并从基板68的其余部分分开支撑件来制造微镜阵列。在蚀刻之后，微镜102(在其上涂布适当的反射涂层)能够相对于铰链106上的支撑件72在Y方向上旋转，而支撑件72相对于铰链74上的基板68在X方向上旋转，该铰链74耦接到支撑件72的翼104。(此类铰链还可被称为主轴或枢轴。)
在支撑件72自身能够诸如以上述方式旋转的情况下，支撑件也可被称为万向支架。然而，本描述和权利要求中所使用的术语“支撑件”和“万向支架”并不完全是可互换的：可将本文所述实的施方案的各个方面应用于旋转元件的阵列，诸如被安装在非旋转支撑件中的微镜102。可将本发明的实施方案的其他方面应用于装有万向接头的旋转元件阵列，其中万向支架自身或万向支架的至少某些元件未必是从与旋转元件相同的基板蚀刻的。
微镜102和支撑件72被安装在包括永磁体的一对转子76上。(在此图中转子中的仅一个转子可见。)转子76悬浮于磁芯78的相应气隙中。磁芯78利用导电线的相应线圈80缠绕，从而产生电磁定子组件。尽管为了简单起见，在图2中示出每个磁芯具有单个线圈，但可另选地在每个磁芯上缠绕两个或更多个线圈；可将线圈缠绕在磁芯上的不同位置处；并且还可使用不同的磁芯形状。例如，于2013年7月25日提交的PCT专利申请PCT/IB2013/056101中示出了另选的磁芯和线圈设计，其以引用方式并入本文。
驱动电流通过线圈80在气隙中生成磁场，该磁场与转子76的磁化进行交互，从而使得转子在气隙内旋转或以其他方式移动。具体地，利用高频差动电流来驱动线圈80，从而导致微镜46以高频(如上所述，通常在2kHz-25kHz的范围内)围绕铰链70往复谐振旋转。这种谐振旋转生成来自引擎22的输出束的高速Y方向光栅扫描。同时，以较低频率同时驱动线圈80以通过围绕铰链74通过期望的扫描范围旋转支撑件72来驱动X方向扫描。另选地，可将其他定子配置和驱动方案用于这些目的，例如如上述PCT专利申请PCT/IB2013/056101中所述的。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中所示的，从离散的光学和机械部件组装光学头40需要精确的对准，并且可能费用昂贵。在另选的实施方案中，可在硅光具座(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分(诸如光发射器、接收器和相关联的光学器件)。这种方法可节省成本并且可使得深度引擎更易于处理。这些种类的各种替代设计在上述美国专利申请公开2013/0207970中被示出，并且也可被调整以与微镜阵列一起使用。
除此之外或另选地，如上所述，该光学头可被配置有独立的发射通道和接收通道，例如上述美国专利申请14/554,086中所述的。在这种情况下，可使用一个微镜102来反射和扫描发射器44的光束输出，而另一微镜(或更大阵列中的两个或更多个微镜)反射从朝向接收器48的场景所接收的光。
本发明的原理可加以必要的变更在其他类型的扫描器(包括基于其他MEMS设计和其他类型的驱动器的扫描器)中类似地被实现。例如，可修改Hah等人在“Theory andExperiments of Angular Vertical Comb-Drive Actuators for ScanningMicromirrors”(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 10:3(2004年5月/6月)，505-513页)中描述的微镜和致动器，以在微镜阵列的上下文中工作。
图3是根据本发明的实施方案的装有万向接头的微镜阵列100的示意性后视图。图3中所示的阵列100在形状和取向的一些细节上与图1和图2中所示的微镜阵列不同，但其元件和工作原理相同。如前所述，阵列100包括两个平行的微镜102，该两个平行的微镜通过相应的铰链106连接到支撑件72。磁性转子76附接到支撑件72的翼104，该翼通过铰链74耦接到基板68并垂直于铰链106。在工作时，转子76悬浮于磁芯78的气隙内，如图2中所示并如上文所述。通过包括带子108形式的柔性耦接构件的耦接装置将镜102彼此机械地链接，如将在下文中说明的。
图4是示出了带子108中的一个带子的详情的微镜102的放大详细视图。以从基板68蚀刻分离镜及其铰链相同的光刻工艺来生产这种带子。因此带子108包括通常大约为10μm-100μm宽的薄硅条，该薄硅条由从一侧上的支撑件72并且从另一侧上的微镜102蚀刻通过基板的沟槽分开。带子的厚度(即垂直于晶片表面的维度)可以是晶片的完整厚度。可替代地，可减薄带子108以改变带子连接刚度并实现带子的除图5中所示的扭转模式之外的弯曲模式和展宽模式。带子108的每一端连接至微镜中的相应一个微镜。任选地，可在中心枢转点110处将带子锚定到支撑件72。
在图4和5中所示的实施方案中，带子108在垂直于铰链106的方向上在微镜102之间径直延伸。在其他实施方案中，带子和其他耦接装置可在不同点处被附接，和/或在相对于微镜和铰链的不同方向上延伸。例如，带子的端部可附接至铰链自身，而非附接至如图4所示的微镜。除此之外或另选地，该带子可变成以S构型或X构型在微镜之间的空间内延伸。尽管在附图中未详细示出这些替代配置，但在阅读本发明的具体实施方式之后，它们对本领域的技术人员来说将是显而易见的并被视为在本发明的范围内。
图5是由如上所述的MEMS扫描器推动的工作中的阵列100的示意图。该MEMS扫描器驱动两个微镜102，以同时围绕X轴旋转(如图2中定义的那样)。由带子108施加的弹性力将两个微镜的运动耦接到一起，使得它们同相同步旋转并在振荡期间具有相同的角取向(如上所述，在系统公差的限制范围内)。即使由带子施加的实际的力很小，也足以维持机械锁相，从而使具有大致相同谐振频率的两个相邻振子(即微镜)同步。因此，阵列100的光学行为如同是其中尺寸等于两个微镜102在一起的组合尺寸的单个振荡镜一样。
从物理上讲，铰链106充当扭转弹簧，并且带子108向系统添加第三弹簧，从而将大量的微镜102耦接到一起。在经由该第三弹簧使大量微镜耦接的情况下，可能出现两种运动模式：一种是大量微镜在相同方向上移动，并且另一种是大量微镜在相反方向上移动。(与没有耦接构件时两个镜的单独频率相反，每种模式具有由两个镜共享的其自身的频率。)可调节第三弹簧的刚度，甚至到达带子108为基本弹簧的点，从而施加比枢轴106更大的力。
图6是示出根据本发明的实施方案的装有万向接头的微镜阵列200的工作原理的示意图。该图示出了如何可将上述原理扩展到三个微镜202,204,206(标记为M1、M2和M3)或更多微镜的阵列。被表示为弹簧K3、K4、K5的镜M1、M2和M3B被安装于枢轴208(诸如上述种类的铰链)上。如上所述，镜M1、M2和M3或弹簧K3、K4和K5(或两者)由被表示为弹簧K1和K2的耦接装置210链接。可使用这种布置，以与上述两个镜的实施方案相同的方式使三个镜的旋转同步。三个(或更多个)镜可同样地一起被安装于装有万向接头的支撑件上。
不论阵列包括两个、三个还是更多镜，均可将弹簧实现为前面图中所示种类的枢轴和带子，或使用可通过现有技术中已知的任何适用技术制造的其他种类的耦接装置。此类耦接装置可包括例如柔性机械元件、弹性机械元件，诸如带子108或万向支架自身的部件。另选地或除此之外，该耦接装置可包括电磁部件。
图7是根据本发明的另选实施方案的装有万向接头的微镜阵列220的示意性后视图。在上述实施方案中，阵列220可代替阵列100来使用。该阵列220的机械元件类似于之前实施方案中的机械元件，并且这些元件标记有与前附图中相同的标号。
然而，在阵列220中，相比于在前实施方案，该耦接装置通过在微镜102之间施加电磁力而工作。为此，该耦接装置包括固定到微镜102的永磁体222，但另选地，其他电气元件和/或磁性元件也可用于此目的。磁体222之间的电磁力使旋转微镜102的振荡同步。此力可包括以类似于由带子108所施加的机械弹力的方式工作的磁引力。该磁引力产生可被视为相当于连接在微镜之间的弹簧的力。
可通过阵列220的适当设计来调节微镜102之间的磁力，以便赋予期望的同步属性。此力取决于包括磁体222的尺寸和极性以及它们之间距离等因素。此外，磁体222之间的力将由这些磁体距磁性转子76和磁芯78的距离，以及它们与磁性转子76和磁芯78、与组件的其他磁致激活元件(诸如被施加于磁芯的驱动电流)的相互作用来调整。
在其他实施方案中(在附图中未示出)，在阵列中的微镜之间工作的耦接装置可施加其他类型的电磁力以使微镜同步。在该上下文中，术语“电磁力”在广义上使用，该术语在物理学中被理解为涉及来源于电磁场的任何力。因此，除了永磁体之间的引力和/或斥力，该耦接装置还可使用例如带电体之间的电磁力或载流导体之间的感应磁力。所有这些替代具体实施被视为在本发明的范围内。
图8是根据本发明的另一个实施方案的装有万向接头的微镜阵列230的示意性前视图。在上述实施方案中，阵列230同样可代替阵列100来使用。阵列230的类似于之前实施方案中的机械元件标记有与前附图中相同的标号。
阵列230中的微镜102通过铰链234连接至万向支架232，该铰链限定微镜的旋转轴。万向支架232包括横梁236，铰链234的两端连接到该横梁。对万向支架232的包括横梁236的结构进行选择，使得柔性、弹性的万向支架自身以足以使它们围绕相应旋转轴的振荡同步的耦接强度来将微镜102的运动耦接在一起。设计并蚀刻阵列230的部件以便限定阵列230(同时包括万向支架232和镜102)的总体振荡的谐振模式，从而具有高至足以使镜以谐振频率同步地旋转的品质因数Q。
将横梁236结合到万向支架234中仅为提供期望耦接的柔性万向支架结构的类型的一个示例，在阅读本公开之后，具有类似属性的其他结构对本领域的技术人员来说将是显而易见的。在MEMS设计的现有技术中已知的工具和技术诸如有限元分析可用于优化阵列230的特征结构以达目标振荡频率和幅度。
在设计MEMS系统诸如具有N个微镜102的阵列230时，每个微镜被视为振荡器i，该振荡器具有围绕其铰链振荡的其自身的谐振频率ωi0和品质因数Qi。通常，
其中Ki为铰链的机械刚度，并且Ji为微镜的惯性矩。将各个振荡器(微镜)机械地设计成以相互接近的谐振频率并以相同幅度和相位旋转-尽管由于制造公差，各个谐振频率之间几乎总是存在一定差值。
每个振荡器i通过机械耦接常数rij耦接至每个其他振荡器j，该机械耦接常数可为正值或负值。一些这种类型的系统可利用rij＝1来设计，在这种情况下振荡器将以相同幅度、频率和相位完全同步。然而，这样的设计在本文所述类型的MEMS微镜阵列中可能很难实现或无法实现。因此，为了保持低惯性并支持以这种阵列中微镜的各个谐振频率的振荡，在一些实施方案中使用弱耦接，即|γij|＜＜1。
松耦接振荡器的这种系统将具有系统谐振频率ω0，其由以下公式给出：
和总体品质因数Q，其由以下公式给出：
为了所有微镜在没有严重阻尼的情况下以系统谐振频率ω0共同可靠地振荡，共有谐振模式的总体Q因数必须足够高并且微镜之间的耦接必须足够强以克服各个谐振频率ωi0和系统频率ω0之间的差值。Q因数和耦接强度也应足够高以将期望的共有谐振模式与其他系统模式分开，否则可能具有寄生效应。
上述条件可由以下关系来表示，对于每个微镜i满足：
其中|γi|＝max{|γij|，j＝1，N}。对于两个微镜的阵列的情况，如在阵列230中，该关系变为：
其中Δω12＝ω10-ω20为两个微镜的各个本征频率之间的差值，并且γ≡γ12。在这种情况下，选择γ为正值对应于施加于一个微镜的静态扭矩导致两个微镜围绕它们的轴同相旋转使得旋转微镜在振荡期间具有相同的角取向的模式。当γ为负值时，被施加于一个微镜的静态扭矩导致另一微镜在相反方向上旋转，即微镜反相旋转。
必要条件在以共有振荡模式的阻尼为代价的情况下可放宽，使得该模式宽至足以克服频率分隔Δω12。在这种情况下，系统谐振通过系数Q/q进行减幅，其中q＝ω0/Δω12，这意味着需要更多的外部能量来保持给定振荡幅度。
尽管上文主要在光学头40和3D测绘的上下文中描述了微镜阵列100,220和230的操作，但可针对需要紧凑高频谐振扫描器的基本任何应用来在其他类型的光学扫描器中类似地应用这些阵列的原理。可通过磁性方式来驱动此类扫描器，如上述实施方案中那样，或者使用现有技术中已知的任何其他适当种类的驱动机构，例如包括各种磁性驱动器和静电驱动器。此外，如上所述，可耦接并驱动该镜，使得在以相同频率旋转时，镜在其相应扫描期间以不同角度进行取向。该后一种操作模式可能在同步的多束扫描系统中是有用的。尽管阵列100,220和230中的旋转构件被涂覆以便充当镜，但此类涂覆并非本发明的必要部分，并且本文所述的原理可类似地被应用于针对其他目的形成旋转构件的阵列。
因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征、以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种扫描设备，包括：
基板，所述基板被蚀刻以限定：
两个或更多个平行旋转构件的阵列；
围绕所述旋转构件的支撑件；和
相应铰链，所述相应铰链将所述旋转构件连接到所述支撑件，从而限定所述旋转构件相对于所述支撑件的相应平行旋转轴；和
永磁体，所述永磁体被固定到所述旋转构件并且被配置成使得所述永磁体之间的电磁力使所述旋转构件围绕相应轴的振荡同步。
2.根据权利要求1所述的设备，其中使所述振荡同步的所述电磁力包括被固定到所述旋转构件的所述永磁体之间的磁引力。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述永磁体被配置为使得所述旋转构件同相振荡，使得所述旋转构件在振荡期间具有相同的角取向。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述永磁体被配置为使得所述旋转构件反相振荡。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述旋转构件包括板，并且所述设备包括在所述板上被施加于所述基板的反射涂层，由此所述板充当微镜。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述基板是硅晶圆的一部分。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，还包括电磁驱动器，所述电磁驱动器被耦接以驱动所述旋转构件围绕相应平行轴振荡。
8.一种用于制造扫描设备的方法，所述方法包括：
蚀刻基板以便限定：
两个或更多个平行旋转构件的阵列；
围绕所述旋转构件的支撑件；和
相应铰链，所述相应铰链将所述旋转构件连接到所述支撑件，从而限定所述旋转构件相对于所述支撑件的相应平行旋转轴；和
将永磁体固定到所述旋转构件，使得所述永磁体之间的电磁力使所述旋转构件围绕相应轴的振荡同步。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述基板是硅晶圆的一部分。
10.根据权利要求8所述的方法，其中使所述振荡同步的所述电磁力包括被固定到所述旋转构件的所述永磁体之间的磁引力。
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