DE102007047010B4

DE102007047010B4 - Mikromechanisches Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung und optisches System mit demselben

Info

Publication number: DE102007047010B4
Application number: DE200710047010
Authority: DE
Inventors: Thomas Egloff; Jens Knobbe; Heinrich GRÜGER; Christian Drabe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: DE102007047010A1; WO2009046904A1

Abstract

Ein mikromechanisches Bauelement (100) mit:
einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte (1) mit einer Modulationsstruktur gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt, wobei die Modulationsstruktur durch eine Hadamard- oder eine Simplexmatrix beschrieben wird; und
einer Einrichtung (5) zum lateralen Auslenken (12, 13) der Platte (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung und ein optisches System mit demselben. Das mikromechanische Bauelement beinhaltet zur Modulation der elektromagnetischen Strahlung eine Modulationsstruktur.
Das technische Einsatzgebiet der hier beschriebenen Erfindung ist die Modulation der Intensitätsverteilung bzw. der Amplitudenverteilung von elektromagnetischer Strahlung in einer Bildebene z. B. bei einer digitalen Kamera. Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich um Licht aus dem ultravioletten Spektralbereich bis hin zum infraroten Spektralbereich handeln, also um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 1 nm bis zu einer Wellenlänge von 1 mm. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei hinsichtlich ihrer Phase, ihrer Amplitude, der Wellenlänge oder ihrer Polarisation oder einer Kombination aus diesen über den Strahlquerschnitt moduliert werden.
Die örtliche Modulation über dem Strahlquerschnitt von elektromagnetischer Strahlung wird gegenwärtig durch zwei prinzipielle Anordnungen bzw. Bauelementtypen realisiert. Eine Möglichkeit, welche eine vielfältige Modulation elektromagnetischer Strahlung über dem Strahlquerschnitt zulässt, besteht aus diskret aufgebauten Systemen.
Diese Systeme bestehen aus einer strukturierten Maske, deren Bewegung mit Hilfe unterschiedlicher Aktuationsprinzipien realisiert wird. Dabei werden für die Erzeugung des Modulationsmusters der strukturierten Maske häufig lithographische Strukturierungsverfahren eingesetzt. Aufgrund des diskreten Aufbaus solcher Systeme sind allerdings der Miniaturisierbarkeit und den erreichbaren Modulationsfre quenzen deutliche Grenzen gesetzt. Beschränkte Modulationsfrequenzen führen aufgrund der zeitlichen Variation der Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung zu einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Zusätzlich erfordern diskret aufgebaute Systeme einen höheren Herstellungs, Kosten-, und Justageaufwand.
Eine weitere anzutreffende Realisierungsmöglichkeit besteht in bildelementweise (pixelweise) ansteuerbaren, als Matrix (Array) ausgeführten räumlichen Lichtmodulatoren, sogenannte Spatial Light Modulators (SLM). Bei diesen kann jedes Pixel einzeln angesteuert werden. Deshalb benötigen diese als Modulator eine aufwendige Ansteuerung, weshalb lediglich niedrige Modulationsfrequenzen erzielt werden können. Unvorteilhaft ist zudem der moderate Füllfaktor, wie er sich aus der pixelweisen Anordnung des räumlichen Lichtmodulators ergibt und der zu einem erhöhten Fremdlichtanteil führt. Dies hat ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge. Weitere Nachteile sind die hohen Fertigungskosten und die eingeschränkten Möglichkeiten, elektromagnetische Strahlung hinsichtlich bestimmter Eigenschaften, wie z. B. Wellenlänge oder Polarisation modulieren oder filtern zu können.
In der Patentschrift US 2005/0156481 A1 ist eine optische Vorrichtung zum Scannen beschrieben. Diese Vorrichtung weist eine schwingungsfähig aufgehängte Platte mit mindestens einem Beugungsgitter, welches auf der Platte ausgebildet ist, auf. Die Platte ist mit mindestens einer flexiblen Struktur an einer Abstützung befestigt und kann mit mindestens einem Aktuator in einer „in-plane” schwingenden Bewegung rotatorisch oder translatorisch angetrieben werden. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um bei einer Kopplung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls mit der Bewegung der Platte ein ordnungsgemäßes Scannen mit Hilfe des gebeugten Strahls zu ermöglichen.
Das Patent US 6 686 639 B1 zeigt ein Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) mit zwei Siliziumbauteilschichten. Die erste Schicht weist eine ortsfeste elektrostatische Kammantriebsstruktur auf; und die zweite Schicht ein bewegliches funktionales Bauelement mit einer beweglichen Kammantriebsstruktur, welche mittels mindestens einer Siliziumfederstruktur mit ortsfesten Bondpads verbunden ist. Bei dem funktionalen Bauelement kann es sich um einen Mikrospiegel handeln, wie er beim Scannen eingesetzt wird. Durch Anlegen einer Spannung an den elektrostatischen Kammantrieb kann der Mikrospiegel in der Substratebene translatorisch ausgelenkt werden und so ein Scannen ermöglicht werden.
Ferner ist in dem US-Patent US 5 025 346 A ein weiteres mikromechanisches Bauelement gezeigt, welches in einer Substratebene, in der das Bauelement ausgebildet ist, mittels eines elektrostatischen Kammantriebes lateral ausgelenkt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromechanisches Bauelement und ein optisches System mit demselben zur aktiven Modulation von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das mikromechanische Bauelement nach Anspruch 1 und dem optischen System nach Anspruch 19 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt; und eine Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte aufweist.
Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das mikromechanische Bauelement eine integrierte Modulationsstruktur aufweist, die aktiv die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung im Strahlprofil ändert, moduliert oder/und filtert und einen integrierten Aktuator aufweist, der die mechanischen Bewegungen dieser Struktur ermöglicht. Dadurch kann ein miniaturisiertes, kostengünstiges Bauelement zur aktiven Modulation von elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt werden. Aufgrund der Herstellung z. B. in einer Siliziumtechnologie werden bei großen Stückzahlen eine hohe Kostenreduktion im Vergleich zu herkömmlichen Systemen und eine gute Miniaturisierbarkeit erreicht. Weiterhin kann die Modulationsmaske und somit die Art der Modulation herstellungsbedingt mit sehr geringem Aufwand an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Dabei können Amplituden bzw. Intensitäts-, Phasen-, Wellenlängen oder/und Polarisationsverteilung örtlich moduliert werden. Das Bauelement kann dabei Bestandteil eines komplexen optischen oder optoelektronischen Systems sein, in dem das Bauelement die aktive Modulation der örtlichen Eigenschaften der Strahlungsverteilung übernimmt. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement bei Einsatz in unterschiedlichen optischen Systemen prinzipbedingt die Verwendung kostengünstiger Einzeldetektoren. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine bessere laterale Auflösung in Anwendungsgebieten wie etwa der Spektroskopie und der ortsauflösenden Spektroskopie realisiert werden. Bei Verwendung eines Arraydetektors in Kombination mit dem Modulator kann auch die Auflösung des Arraydetektors verbessert werden.
Weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich bei dem mikromechanischen Bauelement aus der Integration eines optischen Funktionselementes, z. B. der Modulationsstruktur und dem mikromechanischen Antrieb. Da die Fertigung in einer Siliziummikrotechnologie möglich ist, kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei gleichzeitiger Kostenreduktion erreicht werden. Außerdem ist keine zusätzliche Montage und Justage, wie etwa bei diskret aufgebauten Systemen erforderlich. Weitere wesentliche Verbesserungen stellen die Miniaturisierbarkeit, ein hoher Füllfaktor von nahezu 100% und daraus resultierend ein geringerer Streulichtanteil, hohe erreichbare Modulationsfrequenzen und eine im Vergleich zu räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) einfache Ansteuerung dar. Die Fertigungstechnologie erlaubt außerdem eine flexible Anpassung der Modulationsstruktur und des Aktuatorwirkprinzips für den mikromechanischen Antrieb an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a die Aufsicht einer Prinzipskizze eines elektrostatisch angetriebenen mikromechanischen Bauelementes, das als eindimensionaler Modulator ausgebildet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1b eine Detailansicht der Prinzipskizze des elektrostatischen Kammantriebes aus 1a für den eindimensionalen Modulator;
1c eine Detailansicht der Kammelektroden aus 1b;
2a eine schematische Querschnittsdarstellung des mikromechanischen Bauelementes entlang der A-A' Linie.
2b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Querschnittsdarstellung des mikromechanischen Bauelementes entlang der A-A' Linie.
3 die Aufsicht einer Prinzipskizze eines elektrostatisch angetriebenen zweidimensionalen Modulators gemäß ei nem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Detailansicht der Maskenstruktur mit der zugehörigen Modulationsfläche für den zweidimensionalen Modulator aus 3;
5a die Aufsicht einer Prinzipskizze zu einem elektromagnetisch angetriebenen eindimensionalen Modulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5b die Detailansicht einer die elektromagnetische Kraft erzeugenden Spulenstruktur hergestellt in einer lithographischen Technologie für den mikromechanischen Antrieb des eindimensionalen Modulators aus 4a;
6 die Prinzipskizze eines optischen Systems mit dem mikromechanischen Bauelement mit elektrostatischem Linearaktuator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 die Prinzipskizze eines optischen Systems mit zwei zueinander gekreuzt angeordneten eindimensionalen Modulatoren zur zweidimensionalen Modulation von elektromagnetischer Strahlung;
8 die Prinzipskizze eines optischen Systems für eine zweidimensionale Modulation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 eine weitere Prinzipskizze für ein optisches System für einen zweidimensionalen Modulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Bezug nehmend auf 1a wird in Folge nun detailliert das mikromechanische Bauelement zur Modulation für elektromagnetische Strahlung dargestellt. Das mikromechanische Bauelement 100 mit einem Substrat 99, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte 1 gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt; und einer Einrichtung 5 zum lateralen Auslenken 12 der Platte 1.
In dem in 1a beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die eigentliche Modulationsstruktur, bestehend aus einer beispielsweise in Silizium erzeugten Maskenstruktur in der Platte bzw. Membran 1 an einem inneren Rahmen 2 aufgehängt. Die Maskenstruktur der Platte 1 kann beispielsweise als Hadamard- oder Simplexmatrix (S-Matrix) strukturierte Maske ausgeführt sein, wie es von M. Harwit in dem Buch „Hadamard Transform Optics”, 1979 beschrieben ist. Die Bewegung solch einer strukturierten Maske im Strahlprofil einer elektromagnetischen Strahlung führt zu einer mathematischen Faltung von dessen Transmissionsfunktion mit der Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung in der Bildebene. Durch eine zeitsequentielle Detektion der Gesamtintensität mit einem Einzeldetektor kann dann mit Hilfe der inversen Matrix der Modulatorstrukturmatrix die Intensitätsverteilung berechnet werden. Die als Hadamard oder S-Matrix strukturierte Maske 1 ist dabei mit einem, innerhalb des genutzten Spektralbereiches der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung gut absorbierenden oder reflektierenden Material beschichtet. Die Beschichtung kann aus einer oder mehreren Schichten oder Schichtsystemen bestehen und kann die strukturierte Maske zumindest teilweise bedecken. Während die Löcher oder Schlitze 1a der Maske 1 die Strahlung transmittieren, absorbiert oder reflektiert die Maskenbeschichtung 1b die Strahlung und ermöglicht so eine Amplitudenmodulation über dem Strahlquerschnitt 3. Ein äußerer Rahmen 4 in dem Substrat ist über eine Parallelführung mit integrierten Federstrukturen 6 an den inneren Rahmen 2 gekoppelt, wodurch eine Lateralbewegung 12 der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die Platte 1 kann also direkt oder indirekt über ein Federelement oder ein Getriebe an eine Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte gekoppelt sein.
In 1b ist die Teilansicht der integrierten Federstruktur 6 und dem dazugehörigen elektrostatischen Kammantrieb 8 dargestellt. Eine definierte Biegung der Federstruktur wird durch die Verjüngungen in den Balken der Parallelführung 7 erreicht. Die laterale Kraft zum Auslenken der Membranstruktur 1 wird mittels seriell hintereinander angeordneter Linearaktuatoren mit elektrostatischem Kammantrieb 8 realisiert. Gegenüberliegende Kammelektroden 8 werden zur Krafterzeugung also bei Aktuation auf unterschiedliches elektrisches Potential gelegt. Die so entstehenden elektrostatischen Kräfte führen zu einer lateralen Auslenkung 12 der Modulationsmaske 1. Die Platte 1 oder die Modulationsstruktur kann also durch eine geeignete Ansteuerung der elektrostatischen Kammelektroden lateral also in der Rahmenebene oder Substratebene gezielt ausgelenkt werden. Dadurch kann eine Bewegung der Lichtmodulatorstruktur gegenüber einem Strahlquerschnitt, in der 1a mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet, erreicht werden.
In 1c ist eine Detailansicht der Kammelektroden 9a und 9b des elektrostatischen Kammantriebs 8 dargestellt. Die Kammelektroden können mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagt werden, d. h. sie können auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden. Beispielsweise kann die Kammelektrode 9a ein negatives Potential aufweisen und die Kammelektrode 9b ein positives. Durch die Potentialdifferenz entsteht eine elektrostatische Kraft. Diese elektrostatische Kraft kann über die oben beschriebene pa rallele Führung 7 der Federstruktur 6 zur lateralen Auslenkung der Platte bzw. Membran 1 verwendet werden. Die Kammelektroden 9a und 9b greifen, wie schematisch in 1c durch die Pfeile gezeigt so ineinander, dass sie sich nicht berühren. Die Kammelektroden 9a, b können sich also in einer Translationsrichtung lateral erstrecken und sich mit den freien Enden quer zur Translationsrichtung lateral versetzt gegenüber liegen, so dass bei einer lateralen Ausrichtung der Platte 1 in der Translationsrichtung die freien Enden in der Translationsrichtung in den Zwischenraum gegenüberliegender Kammelektroden eintauchen können.
Die laterale Größe der Maskenstruktur 1 in Bewegungsrichtung 12 kann beispielsweise das Doppelte des zu modulierenden Strahlquerschnitts 3 betragen. Das mikromechanische Bauelement bzw. der Modulator 100 können, um eine hohe Energieeffizienz und niedrige elektrische Versorgungsspannungen für den elektrostatischen Kammantrieb einzusetzen, als resonanter Kammantrieb ausgeführt sein. Die laterale Bewegung der Platte 1 mit Hilfe der parallelgeführten Federstruktur und dem elektrostatischen Kammantrieb kann als Schwingung beschrieben werden, und dementsprechend können im resonanten Betriebsfall periodische Spannungen mit einer für das ordnungsgemäße Betreiben des mikromechanischen Bauelementes nötigen Frequenz an die elektrostatischen Kammelektroden 8 angelegt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der elektrostatische Kammantrieb 8 aber ebenfalls statisch oder quasistatisch betrieben werden.
Da das in 1a, 1b und 1c beschriebene Ausführungsbeispiel beispielsweise in einer Siliziumtechnologie hergestellt werden kann, können einige der oben beschriebenen Teile des Bauelementes aus Silizium bestehen, wodurch eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit des mikromechanischen Bauelementes gewährleistet werden kann. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise in der sogenannten Silicon-On-Insulator (SOI) Technologie hergestellt werden.
Das mikromechanische Bauelement kann also einen „in plane”-Aktuator aufweisen, der geeignet ist, eine laterale Kraft so auf die Platte 1 auszuüben, dass die Platte 1 eine definierte laterale Bewegung ausführen kann. Das mikromechanische Bauelement mit integriertem „in plane”-Aktuator, der eine laterale Bewegung, der als codierte Maske ausgebildeten Platte erzeugt, kann beispielsweise durch eine als Hadamard-Matrix oder Simplexmatrix ausgeführten Modulationsstruktur, eine mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkende elektromagnetische Strahlung aktiv ändern, modulieren oder/und filtern. Bei der Simplexmatrix handelt es sich um eine Matrix mit einer zufälligen Verteilung von Nullen und Einsen, die die Verteilung von transmittierenden und absorbierenden Bereichen auf der Maskenstruktur beschreiben. Die Platte ist lateral auslenkbar und lateral strahlungsmodulierend bzw. lateral strahlungsmodulierend für elektromagnetische Strahlung. Unter Ausnutzung eines geeigneten Aktuationsprinzips z. B. elektrostatisch, elektromagnetisch, thermisch, piezo-elektrisch, pneumatisch, fluidisch oder magnetostriktiv wird das optische Funktionselement, also die Platte 1 mit der Modulationsstruktur hinsichtlich seiner Bewegungsrichtung linear oder/und rotatorisch bewegt. Die Auslenkung der Platte kann dabei quasistatisch, statisch, dynamisch oder resonant erfolgen. Das optische Funktionselement kann entweder direkt oder über ein Federelement oder ein Getriebe an dem Aktuator, also dem mikromechanischen Antrieb gekoppelt sein. Das optische Funktionselement 1 kann beispielsweise als lateral strukturierte Amplituden- und/oder Phasenmaske ausgeführt sein. Durch die laterale Bewegung der Platte mit der Maskenstruktur kann eine räumliche Modulation der Amplitude bzw. der Intensität der Phase, der Wellenlänge und/oder des Polarisationszustandes einer mit dem Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung über dem Strahlquerschnitt erreicht werden. Geeignete Modulationsfunktionen ermöglichen dabei den Einsatz kostengünstiger Strahlungsdetekto ren, bei zusätzlich gutem Signalrauschverhältnis und einer Erhöhung der lateralen Auflösung.
2a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes entlang der eingezeichneten A-A' Linie in 1a. Das Substrat 99 des mikromechanischen Bauelementes 100 weist wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt entlang der A-A' Linie die Platte 1 und den inneren Rahmen 2 auf. Der äußere Rahmen 4 kann beispielsweise bereits durch das Substrat 99 ausgebildet sein. Die Platte 1 kann in diesem Ausführungsbeispiel aus demselben Material bestehen wie das Substrat, also beispielsweise aus Silizium. Durch eine Unterätzung beispielsweise im Rahmen einer SOI-Technik ist die Platte dann nur über die in 1a gezeigten Rahmenstrukturen mit dem Substrat verbunden. Die bei der Unterätzung entstehenden Hohlräume können von der Substratseite aus, die der Substratseite, an der die Platte 1 gebildet ist, gegenüberliegt, geöffnet werden, wie das in 2a auch exemplarisch gezeigt ist, so dass sich in dem lateralen Teil des Substrates 99, in dem sich die Platte befindet, eine entlang der Dicke des Substrates 99 durchgehende Öffnung 99a befindet, wodurch die Anordnung auch bei Durchlichtanwendungen effektiv verwendbar ist. Die Platte 1 kann zudem mit einer Schicht 98 oder einem Schichtstapel beschichtet sein, so dass Teile der Platte strahlungsreflektierend, strahlungsabsorbierend oder strahlungstransmittierend oder eine Kombination dieser drei Möglichkeiten auf eine mit der Platte wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung wirken. Die Platte kann also aus Silizium ausgebildet sein, deren Oberfläche teilweise mit reflektierendem Aluminium beschichtet ist. Andere Teile der Oberfläche können beispielsweise mit einem strahlungabsorbierenden Polymer, wie z. B. PSK 2000 beschichtet sein.
2b zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung entlang der eingezeichneten A-A' Linie in 1a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelementes. Das Substrat 99 des mikromechanischen Bauelementes 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel wieder die Platte 1 und den inneren Rahmen 2 auf. Die Platte 1 und der Rahmen 2 können in diesem Ausführungsbeispiel jedoch aus einem im Vergleich zum Substrat 99 unterschiedlichen Material bestehen. Die Platte kann beispielsweise aus Aluminium und Quarzglas bestehen. Diese kann beispielsweise durch Aufbringen einer Aluminium- oder Quarzglasschicht (SiO₂) 98 auf das Substrat 99 und einer aus dem Substrat gebildeten Platte und einem anschließenden Wegätzen der aus dem Substrat gebildeten Platte hergestellt werden, so dass eine freistehende Aluminium- oder Quarzglasplatte zurückbleibt. Die Platte 1 – beispielsweise aus Aluminium oder Quarzglas – kann zudem mit einer weiteren Schicht 97 oder einem Schichtstapel beschichtet sein, so dass Teile dieser Platte wieder strahlungsreflektierend, strahlungsabsorbierend oder strahlungstransmittierend oder eine Kombination dieser drei Möglichkeiten auf eine mit der Platte wechselwirkenden eelektromagnetischen Strahlung wirken. Unterhalb der Platte 1 weist das Substrat 99 eine Ausnehmung auf, so dass die Platte beweglich ist, wobei die Ausnehmung wie in 2b exemplarisch dargestellt als eine entlang der Dicke des Substrates 99 durchgehende Öffnung 99a ausgebildet sein kann, wodurch die Anordnung nach 2b auch bei Durchlichtanwendungen effektiv verwendbar ist.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel in 1a für einen eindimensionalen Modulator kann ein zweidimensionaler Modulator 100 mit zwei zueinander senkrecht angeordneten Aktuatoren 5a und 5b realisiert werden. Dazu wird der lineare Aktuator 5a, der die zweidimensionale (2D) Maskenstruktur 1 in eine Richtung 13 auslenkt, von einem senkrecht dazu angeordneten Linearaktor 5b in einer zur Auslenkungsrichtung 13 senkrechten Richtung 12 beispielsweise statisch ausgelenkt. Die Maskenstruktur 1 und deren Größe und Ausdehnung ist zu dem vorhergehenden.
Ausführungsbeispiel (1a) hinsichtlich der Auslenkung, der Modulationsfläche 3 und der Struktur der Maske 1 angepasst. Als Modulationsstruktur 1 können verschiedene mathematisch vorteilhafte zweidimensionale Matrizen eingesetzt werden, wie z. B. die bereits oben erwähnten Hadamard-Matrizen oder Simplexmatrizen. Die Maske bzw. Platte 1 besitzt dazu anstelle von Schlitzen, wie in 1a dargestellt, quadratische Löcher 15 oder transmittierende Bereiche (siehe 4). Durch eine zweidimensionale Bewegung der Maskenstruktur 1 in x-Richtung 13 und y-Richtung 12 ergibt sich eine Faltung der Transmissionsfunktion der Maske mit der Amplituden- bzw. Intensitätsverteilung in der Maskenebene. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Aktoren 5a und 5b beispielsweise derart ausgeführt, dass die Maske 1 in eine Richtung beispielsweise in x-Richtung dynamisch bzw. resonant ausgelenkt werden kann und in der anderen Richtung (der y-Richtung) quasistatisch bewegt werden kann. Auch diese Ausführungsvariante des mikromechanischen Bauelementes 100 kann in einer Siliziummikrotechnologie hergestellt werden. Bei den Aktuatoren 5a und 5b kann es sich wieder um gestapelte Linearaktuatoren mit elektrostatischem Kammantrieb handeln. Dabei werden wieder gegenüberliegende Kammelektroden bei Aktuation auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gelegt. Die so entstehenden elektrostatischen Kräfte können zu einer entsprechenden zweidimensionalen Auslenkung der Modulationsmaske 10 genutzt werden.
Die Aktuatoren 5a und 5b können wie bereits zu 1a beschrieben eine definierte Biegung der Federstruktur durch Verjüngungen in dem Balken der Parallelführung 7 erreichen. Die Maskenstruktur 1 ist wiederum in einer inneren Rahmenstruktur 2 aufgehängt. Ein äußerer Rahmen 4 ist über eine Parallelführung 7 mit integrierten Federstrukturen 6 an einem mittleren Rahmen 11 gekoppelt, der seinerseits wiederum über eine Parallelführung mit integrierten Federstrukturen an den inneren Rahmen 2 gekoppelt ist, wodurch eine Lateralbewegung 12 bzw. 13 der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die Maske bzw. Modulationsstruktur 1 besitzt anstelle von Schlitzen, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1a, quadratische Löcher 15 bzw. transmittierende quadratische Bereiche (siehe 4) und Bereiche 14, welche mit einer reflektierenden oder absorbierenden Schicht oder einem entsprechenden Schichtsystem versehen sind.
In 5a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eines mikromechanischen Bauelementes zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. In dieser Ausführungsvariante ist die Modulationsstruktur 1 ebenfalls in einem inneren Rahmen 2 aufgehängt. Dieser Rahmen beinhaltet elektromagnetisch aktivierbare Strukturen 20 und ist über Parallelführungen 7 mit integrierten Federelementen 6 mit einem äußeren Rahmen 4 verbunden, wodurch die Lateralbewegung 12 (beispielsweise in y-Richtung) der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die die elektromagnetische Kraft erzeugenden Strukturen 20 sind spulenförmig derart gestaltet, dass ein sie durchfließender Strom ein Magnetfeld 21 parallel zur gewünschten lateralen Bewegungsrichtung, also beispielsweise in y-Richtung 12 erzeugt. Dieses Magnetfeld 21 erzeugt in Kombination mit beispielsweise einem externen Permanentmagneten eine Kraft, die zur lateralen Auslenkung der Modulationsmaske 1 führt. Wie in 5a dargestellt, können aber auch eine oder mehrere zusätzliche spulenförmige Strukturen 20 im Bereich des äußeren Rahmens 4 das erforderliche Basismagnetfeld 21 erzeugen. Die Magnetfelder der Spulen im äußeren und im inneren Rahmen können dabei kolinear mit gleichsinniger oder entgegengesetzter Orientierung ausgerichtet sein.
Durch den mikromechanischen Aktuator, in diesem Ausführungsbeispiel den elektromagnetischen Linearantrieb, kann dann die Platte 1 durch laterale Kraftkomponenten des elektromagnetischen Linearantriebes lateral ausgelenkt werden. Diese Auslenkung kann wiederum resonant dynamisch quasistatisch oder statisch erfolgen. Die laterale Größe der strukturierten Platte 1 in Bewegungsrichtung kann wieder ungefähr das doppelte des zu modulierenden Strahlquerschnitts 3 betragen.
Es ist auch denkbar, dass die die elektromagnetische Kraft erzeugenden Strukturen 20 so zu einer Platte 1, welche beispielsweise auch eine runde Form aufweisen kann, angeordnet sind, das die resultierende elektromagnetische Kraft eine zur Platte 1 tangentiale Kraftkomponente in der Substratebene aufweist und so eine rotatorische Bewegung der Platte um eine Plattennormale erzielt werden kann. In anderen Worten die Platte kann auch so ausgelenkt werden, dass sie eine Drehbewegung in der Substratebene ausführen kann. Die Kraft die dazu benötigt wird, kann allgemein von Aktoren erzeugt werden, die auf dem elektrostatischen, dem elektromagnetischen, dem thermischen, dem piezoelektrischen, dem pneumatischen, dem fluidischen oder dem magnetostriktiven Prinzip beruhen.
In 5b ist eine Ausführungsvariante der spulenförmigen Struktur 20, welche in der verwendeten so genannten Silizium-auf-Isolator-(Bonded-Silicon-On-Insulator)Membrantechnologie erzeugt wurde, dargestellt. Dafür wird die Platte 22 bis zum vergrabenen Oxid (Buried Oxid (BOX)) mit gefüllten Isolationsgräben 23 durchtrennt, wodurch elektrisch voneinander isolierte längliche Potentialbereiche entstehen. Diese werden auf ihrer Oberfläche mit einer isolierenden Schicht 24, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂) versehen und über Kreuz elektrisch mit Metallbahnen 25, z. B. aus AlSiCu verbunden, wodurch die spulenförmige Struktur 20 entsteht. An den beiden Enden der seriell gestalteten Struktur erfolgt dann die Stromeinleitung zur Ausbildung des Magnetfeldes. Es entsteht also eine spulenförmige Struktur, die beim Anlegen einer Spannung und durch dementsprechenden Stromfluss ein laterales Magnetfeld 21, welches im Spuleninneren verläuft, erzeugt. Mit Hilfe dieser spulenförmigen Struktur 20 kann dann, wie oben beschrieben, gezielt so eine Kraft erzeugt werden, dass die Maske 1 mit ihrer Modulationsstruktur lateral bewegt werden kann.
Das mikromechanische Bauelement kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiels eine Platte aufweisen, welche als Photonischer Kristall ausgebildet ist. D. h. die Platte kann periodische Strukturen mit einer Periodenlänge in der Größenordnung einer mit der Platte wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Bei den Strukturen kann es sich beispielsweise um dielektrische Strukturen oder metallische Strukturen handeln. Die Platte, die als photonischer Kristall ausgebildet ist, kann so ausgebildet sein, dass photonische Bandstrukturen entstehen die Bereiche verbotener Energie aufweisen, so dass sich elektromagnetische Wellen innerhalb bestimmter Raumrichtungen in dem Kristall bzw. der Platte nicht ausbreiten können. Sie kann also eine Bandlücke für elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereiches des elektromagnetischen Spektrums aufweisen. Die Platte kann als ein-, zwei- oder dreidimensionaler Photonischer Kristall ausgebildet sein, wobei sich dies auf die Anzahl der möglichen Raumrichtungen die beim Lichteinfall eine Bandlücke aufweisen bezieht. Die Platte kann also je nach Wellenlänge der wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung periodische Strukturen in einer Größenordnung der wechselwirkenden Strahlung aufweisen. Also kann die Struktur beispielsweise regelmäßig angeordnete Strukturen in einer Größenordnung von 100 nm bis 10 μm aufweisen. Bei den Strukturen kann es sich beispielsweise um Löcher, Schlitze oder Aussparungen handeln, die beispielsweise mittels lithographischer Methoden hergestellt werden können. Ein mikromechanisches Bauelement kann also in einem Ausführungsbeispiel eine Platte aufweisen, bei der die Strahlungsmodulation durch Ausführung der Modulationsstruktur als Photonischer Kristall ein effektives Modulieren der Strahlung ermöglicht.
In 6 ist ein optisches System 90 dargestellt, welches ein mikromechanisches Bauelement 100, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit 1a oder mit 5a beschrieben ist, aufweist. Ferner weist das optische System ein Objek tiv bzw. eine Optik 32 auf, welches ein Objekt 30 in den Schärfentiefebereich in die Ebene der Membran des mikromechanischen Bauelementes 100 abbildet. Ferner kann das optische System 90 eine Bildfeldblende (nicht dargestellt in 6) aufweisen, welche in dem Strahlengang des Objektivs 31 oder in dem mikromechanischen Bauelement 100 integriert ist, welche so ausgebildet ist, das Bildfeld des Objektes 30 zu begrenzen. Außerdem weist das optische System 90 eine dem mikromechanischen Bauelement 100 zugeordnete Detektoroptik 33 zur Abbildung, der durch das mikromechanische Bauelement 100 strahlungsmodulierten elektromagnetischen Strahlung auf einen Detektor auf. Der Detektor ist so ausgebildet, die Gesamtenergie der auf dem Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell zu detektieren und als Signal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das optische System 90 eine Optik 32 aufweisen, welche ein Objekt 30 in die Nähe einer Blenden-/Aperturebene in der das mikromechanische Bauelement angeordnet ist, abbildet. Dieses optische System besäße beispielsweise ein oder mehrere mikromechanische Bauelemente der oben erörterten Ausführungsbeispiele, das bzw. die in oder benachbart zu einer Aperturebene des optischen Systems oder in oder benachbart zu einer dazu konjugierten Ebene angeordnet wäre bzw. wären, und einen Detektor zum Erfassen einer aus Richtung des einen oder der mehreren Bauelemente eintreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei der Detektor beispielsweise direkt hinter dem einen oder den mehreren mikromechanischen Bauelementen angeordnet sein könnte, oder hinter einer zusätzlichen Optik zum Refokussieren oder hinter einer Optik und einer Detektoroptik angeordnet sein könnte.
Das optische System oder die Hadamard-Transformations-Zeilen-Kamera kann ein mikromechanisches Bauelement mit einer eindimensionalen Amplitudenmodulationsmaske aufweisen, wobei die Platte beispielsweise als Hadamard-Matrix oder als Simplexmatrix strukturiert ist. In anderen Worten die Struktur ist durch eine Hadamard Matrix oder eine Simplexmatrix definiert oder beschreibbar. Mit dem oben beschriebenen eindimensionalen Amplitudenmodulator 100, mit einer als Hadamard-Matrix oder S-Matrix strukturierten Maske, einer Detektoroptik 33, einem Einzeldetektor 34 und einer Bildfeldblende, nicht in 6 dargestellt, lässt sich ein Hadamard-Zeilendetektor aufbauen. In Kombination mit einem Objektiv 32, das an das Bildfeld des Amplitudenmodulators 100 angepasst ist, entsteht so eine „Hadamard-Transformations-Zeilen-Kamera”.
Das Objektiv 32 bildet die Umwelt bzw. das Objekt 30 in die Modulatorebene des mikromechanischen Bauelementes ab. Das Bildfeld wird durch eine zusätzliche oder eine in den Modulator integrierte Bildfeldblende begrenzt. Die Platte des mikromechanischen Bauelementes transmittiert und reflektiert oder absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 31. Durch eine Bewegung 12 der Maskenstruktur bzw. der Membran mittels des integrierten Linearaktuators 5 ergibt sich die zeitsequentielle aufgenommene Gesamtenergie als Faltung der Transmissionsfunktion der Maske mit der Identitätsverteilung des Bildes. Durch Multiplikation der in Abhängigkeit der Zeit aufgenommenen Signale mit der inversen Matrix der Modulationsstruktur wird die örtliche Intensitätsverteilung reproduziert.
Insbesondere im nahen infraroten Wellenlängenbereich bzw. im infraroten und ultravioletten Wellenlängenbereich kann so bei gleichzeitig erhöhter Auflösung ein kostengünstiger Ersatz zu den bisher eingesetzten Detektormatrizen (Detektorarrays) geschaffen werden. Insbesondere das bei geringen Signalstärken dominierende Rauschen, verursacht durch den Multiplexer und die Abtasthalteschaltung (Sample-and-Hold Schaltung) in einem Zeilendetektor, kann so z. B. durch einen Transimpedanzverstärker, der präzise Messungen kleiner Ströme ermöglicht, stark minimiert werden.
In 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein optisches System 90, welches als zweidimensionale Transformations-Kamera durch Kombination von zwei mikromechanischen Bauelementen 100 mit elektrostatischen Linearaktuatoren gebildet wird, dargestellt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 6 für eine Hadamard-Transformations-Zeilen-Kamera kann eine zweidimensionale Transformations-Kamera beispielsweise durch zwei zueinander gekreuzt angeordnete eindimensionale Modulatoren 100 realisiert werden. Dadurch kann ein Modulator eine Bewegung 12 ausführen und der zweite Modulator eine unabhängige Bewegung 13, die lateral senkrecht zur Bewegungsebene der Bewegung 12 verläuft. Die Modulatoren sind zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, siehe 6 hinsichtlich ihrer Auslenkung 12, 13 der Modulationsfläche und Struktur der Platte 1 angepasst. Als Modulationsstruktur der in dem mikromechanischen Bauelement 100 integrierten Membran bieten sich wieder verschiedene mathematisch vorteilhafte Sequenzen an, wie z. B. die oben bereits erwähnten Hadamard-Matrizen oder Simplexmatrizen. In dem Ausführungsbeispiel von 7 sind die zwei zueinander gekreuzt angeordneten Mikrobauelemente 100 mit ihren eindimensionalen Modulatorstrukturen nahezu direkt hintereinander angeordnet, so dass beide Masken im bildseitigen Tiefenschärfebereich des Objektivs 32 liegen. Das optische System 90 enthält wie bereits im Zusammenhang mit 6 beschrieben wieder ein Objektiv 32 sowie eine Detektoroptik 33 und einen entsprechend dazu angeordneten Einzeldetektor 34, welcher in dem Spektralbereich, der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung empfindlich ist. Es ist auch denkbar, dass anstelle des Einzeldetektors mehrere Einzeldetektoren oder ein Einzeldetektorarray eingesetzt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 8 dargestellt ist, ist ein optischen Systems 90 als zweidimensionale Transformations-Kamera durch eine Kombination von zwei mikromechanischen Bauelementen mit einer entsprechenden Modulationsstruktur ausgebildet. Das optische Sys tem 90 in 8 weist wiederum ein Objektiv 32 auf, welches die Umwelt oder das Objekt 30 abbildet. In diesem Ausführungsbeispiel weist das optische System jedoch zwei in einem Abstand gekreuzt angeordnete eindimensionale Modulatorstrukturen 100 auf. Die Modulatorstrukturen 100 können wieder in Richtung 12 und 13 ausgelenkt werden. Um eine Abbildung des Objekts in der jeweiligen Modulatorebene der beabstandet angeordneten eindimensionalen Modulatoren 100' erzielen zu können, weist das optische System eine Relayoptik 35 auf, wobei diese Relayoptik 35 beispielsweise mit einer sogenannten Offner-Konfiguration (1:1 Imaging Relay) oder einer modifizierten Offner-Anordnung realisbar ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Objekt durch das Objektiv 32 in der jeweiligen Modulatorebene abgebildet wird. Die Bewegungen der eindimensionalen Modulatorstruktur 100 führen wieder zu einer Faltung von der jeweiligen Transmissionsfunktion mit der Intensitätsverteilung in der jeweiligen Bildebene. Durch das zeitsequentielle Detektieren der Gesamtintensität durch den nachgeschalteten Detektor 34, welche das die beiden Modulationsstrukturen 100 passierende Licht durch eine Detektoroptik 33 empfängt, lässt sich mit Hilfe der inversen Matrizen der Modulationsstrukturen des mikromechanischen Bauelements 100 die Intensitätsverteilung berechnen. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt in der Substitution von zweidimensionalen Detektorarrays durch Einzeldetektoren, was insbesondere im nahen Infrarot (NIR) bzw. im Infrarot (IR) zu einem großen Leistungs- und Kostenvorteil führen kann. Andererseits kann bei Verwendung eines zweidimensionalen Detektorarrays 34, in Kombination mit dem Modulator eine Auflösungsverbesserung erreicht werden. Dies gilt sowohl für ein- als auch für zweidimensionale Transformations-Kameras, wie sie im Zusammenhang zu 6 bis 9 dargestellt sind.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Transformations-Kamera dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das optische System 90 ein Objektiv 32 auf, welches die Umwelt oder ein Objekt 30 in die mit einer zweidimensionalen Matrix strukturierten Modulatorebene des mikromechanischen Bauelementes 100, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit 3 und 4 beschrieben wurde, abgebildet wird. Das Bildfeld wird wieder durch eine zusätzliche oder eine in dem Modulator integrierte Bildfeldblende, welche nicht in 9 dargestellt ist, begrenzt. Die zweidimensionale Maskenstruktur des mikromechanischen Bauelementes 101 transmittiert und reflektiert oder absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 31. Durch die zweidimensionale Bewegung 12 und 13 der Maskenstruktur mittels der integrierten Linearaktuatoren 5a und 5b (siehe 3) ergibt sich die zeitsequentiell aufgenommene Gesamtenergie als Faltung der Transmissionsfunktion der zweidimensionalen Maske mit der Intensitätsverteilung des Bildes. Eine dem mikromechanischen Bauelement 1 nachgeschaltete bedeckte Optik 33 kann dann die elektromagnetische Strahlung auf einen Einzeldetektor 34 für die elektromagnetische Strahlung abbilden, der so ausgebildet ist, dass die Gesamtenergie der auf den Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell detektiert und als Signal zur Verfügung gestellt werden kann. Durch eine Multiplikation der in Abhängigkeit der Zeit aufgenommenen Signale mit der inversen Matrix der Modulationsstruktur des mikromechanischen Bauelementes 101 kann die örtliche Intensitätsverteilung reproduziert werden. Das mikromechanische Bauelement 100 weist wieder eine Platte auf, die eine Struktur aufweist, welche mittels mathematisch vorteilhafter zweidimensionalen Matrizen, wie z. B. den Hadamard-Matrizen oder den Simplexmatrizen berechnet wurde. Die Maske kann dazu anstelle von Schlitzen quadratische Löcher besitzen, wie es beispielsweise in 4 dargestellt ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist das mikromechanische Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung mindestens eine, integrierte Strukturmerkmale aufweisende und lateral beweglich ausgeführte Platte auf, wobei die Auslenkung der Platte mittels eines elektrostatischen, elektromagnetischen, thermischen, piezoelektrischen oder magnetorestriktiven Antriebs erfolgt. Die Auslenkung der Platte durch den Antrieb kann resonant erfolgen, quasistatisch oder statisch. Das mikromechanische Bauelement kann dadurch gekennzeichnet sein, dass mindestens eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise als Spiegel, welcher aus einer Schicht oder einem Schichtstapel aufgebaut ist ausgeführt ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das mikromechanische Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise als absorbierende Schicht oder ein absorbierendes Schichtsystem ausgeführt ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das mikromechanische Bauelement, wie es oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte zumindest teilweise transparent ist. Die Platte des mikromechanischen Bauelementes kann als Phasenmaske mit beliebigen Strukturmustern ausgeführt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Platte des mikromechanischen Bauelementes als Lochmaske mit einem beliebigen Strukturmuster ausgeführt ist. Die zumindest teilweise reflektierende oder zumindest teilweise absorbierende oder teilweise transparente Platte kann in einem anderen Ausführungsbeispiel wellenlängenselektiv sein und/oder Einfluss auf die Polarisation der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung nehmen. Des Weiteren kann das mikromechanische Bauelement derart ausgebildet sein, dass es aktiv die Eigenschaften einer elektromagnetischen Strahlung im Spektralbereich zwischen „ultraviolett”, „sichtbar” und „infrarot” beeinflussen kann. Das heißt, das Bauelement kann so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung, mit der das Bauelement wechselwirkt, Licht im Spektralbereich zwischen „ultraviolett”, „sichtbar” und „infrarot” sein kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das mikromechanische Bauelement bzw. das optische System zusätzlich mindestens einen Positionssensor zur Erfassung einer Information über die Position und/oder die Frequenz und/oder die Phasenlage der Plattenbewegung aufweisen. Mit anderen Worten, der Positionssensor kann die aktuelle Position der Platte und da mit der Modulationsstruktur, monitoren bzw. überwachen und gegebenenfalls Signale zu einer Änderung der Bewegung der Platte zur Verfügung stellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das mikromechanische Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass die Platte bzw. die Membran mit mehreren diskreten Aperturen unterschiedlicher und/oder gleicher Form und/oder Größe strukturiert ist und deren Position in Verbindung mit einem quasistatischen Antrieb änderbar ist, wodurch eine Modulation der Amplitude über den Strahlquerschnitt ermöglicht wird und/oder eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur oder Aperturen ermöglicht wird.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein optisches System eine zweite Apertur oder das Bild einer Apertur vor, hinter oder in der Ebene der Platte des mikromechanischen Bauelementes aufweisen. Das optische System kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Platte mit mehreren diskreten Aperturen unterschiedlicher und/oder gleicher Form und/oder Größe strukturiert ist und deren Position in Verbindung mit einem quasistatischen Antrieb änderbar ist, wodurch eine Modulation der Amplitude über den Strahlquerschnitt ermöglicht wird und/oder eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur oder Aperturen ermöglicht wird. Die laterale Position der zweiten Apertur kann gegenüber dem mikromechanischen Bauelement fixiert und/oder beweglich angeordnet sein, so dass jeweils nur eine oder ein Teil der Aperturen eine wechselwirkende elektromagnetische Strahlung transmittiert und so eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur und/oder Aperturen und/oder eine Änderung von deren resultierender Form und/oder Größe ermöglicht. Das Bauelement kann somit als diskret änderbare Blende genutzt werden.
Das mikromechanische Bauelement kann in verschiedenen Systemen eingesetzt werden. Das Bauelement kann dabei Bestandteil eines komplexen optischen, oder optoelektronischen Systems sein, in dem das mikromechanische Bauelement die aktive Modulation der örtlichen Eigenschaften einer Strahlungsverteilung übernimmt. Das mikromechanische Bauelement lässt sich in den verschiedensten Systemen nach altbekannten Messprinzipien, wie z. B. in der Hadamard-Transformationsoptik bzw. in Spektrometern, in ortsauflösenden Spektrometern (Imaging Spectrometer), zur Laserstrahlcharakterisierung, als so genannter Knife-Edge Laser Profiler zur Laserstrahlcharakterisierung oder in ortsauflösenden Ellipsometern usw. einsetzen. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise zur Bilderfassung eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, dass das mikromechanische Bauelement für die ortsaufgelöste Spektroskopie oder spektrale Bilderfassung oder für so genannte Multi-, Hyper- oder Ultra-Spectral Imaging eingesetzt wird. Bei diesen liefern spektrale Bildaufnahmesensoren gleichzeitig aus unterschiedlichen Spektralbereichen spektrale und örtliche Informationen über ein Untersuchungsobjekt. Das mikromechanische Bauelement kann, wie oben bereits erwähnt in der Hadamard-Transformations-Spektroskopie eingesetzt werden. Außerdem ist die Verwendung des Bauelementes in Systemen zur Laserstrahlmanipulation und/oder Charakterisierung denkbar. Das Bauelement kann auch in Systemen zur Manipulation oder zur Charakterisierung von Strahlungsquerschnitten eingesetzt werden.
Das Bauelement kann auch in Systemen zur Erfassung der Polarisation oder zur ortsaufgelösten Erfassung der Polarisation bzw. in Ellipsometern oder ortsaufgelösten Ellipsometern eingesetzt werden. Beim Einsatz in unterschiedlichen optischen Systemen ermöglicht das mikromechanische Bauelement eine prinzipbedingte Verwendung kostengünstiger Detektoren. Weiterhin lassen sich bessere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und eine verbesserte laterale Auflösung realisieren. Durch den Einsatz des mikromechanischen Bauelementes können zweidimensionale Detektorarrays durch Einzeldetektoren ersetzt werden, was insbesondere im nahen Infrarot bzw. im Infrarot zu einem großen Leistungs- und Kostenvorteil führt. Andererseits kann bei der Verwendung eines zweidimensionalen De tektorarrays in Kombination mit dem mikromechanischen Bauelement eine Auflösungsverbesserung erreicht werden.
Obwohl in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Aktuator immer „in-plane”, also in der Ebene der Platte integriert ist, kann in anderen Ausführungsbeispielen der Aktuator beispielsweise oberhalb oder unterhalb der Platten- bzw. Membranebene ausgebildet sein. Allgemein ist der Aktuator der Platte so zugeordnet, dass er die Platte lateral auslenken kann.
Bei einer lateralen Auslenkung der Platte kann die Platte in einer Richtung (z. B. x-Richtung) oder in zwei Richtungen (z. B. x-, y-Richtung) translatorisch, oder auch rotatorisch um eine Achse parallel zur Substrat- bzw. zur Plattennormalen ausgelenkt werden. Allgemein ist auch eine Kombination aus diesen Bewegungen, also eine Kombination aus Rotation und einer ein- oder zweidimensionalen Translation als laterale Auslenkung zu verstehen.

1: Maskenstruktur bzw. Platte
2: Innerer Rahmen
3: Strahlquerschnitt
4: Äußerer Rahmen
5: Mikromechanischer Aktor bzw. Antrieb
5a: Mikromechanischer Aktor bzw. mikromechanischer Antrieb
5b: Mikromechanischer Aktor bzw. Antrieb
6: Federstruktur
7: Parallelführung
8: Elektrostatischer Kammantrieb
9a, b: Kammelektroden
10: Zweidimensionale Maskenstruktur
11: Mittlere Rahmenstruktur
12: Bewegungsrichtung in y-Richtung
13: Bewegungsrichtung in x-Richtung
1a: Schlitze, Löcher oder transmittierende Bereiche der Maskenstruktur
1b: Maskenstrukturbereiche
14: Maskenstrukturbereiche
15: Quadratische Löcher oder quadratische transmittierende Bereiche
20: Elektromagnetischer Aktor
21: Magnetfeld
22: Durchtrennte Platte
23: Isolationsgraben
24: Isolationsschicht
25: Metallbahnen, Leiterbahnen
30: Objekt
31: Strahlengang
32: Objektiv
33: Detektoroptik
34: Detektor
35: Relayoptik
97: 2. Schicht
98: 1. Schicht
99: Substrate
100: Mikromechanisches Bauelement

Claims

Ein mikromechanisches Bauelement (100) mit: einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte (1) mit einer Modulationsstruktur gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt, wobei die Modulationsstruktur durch eine Hadamard- oder eine Simplexmatrix beschrieben wird; und einer Einrichtung (5) zum lateralen Auslenken (12, 13) der Platte (1).
Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Platte so lateral strahlungsmodulierend wirkt, dass eine mit der Modulationsstruktur der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung hinsichtlich der Phase der Amplitude, der Wellenlänge, der Polarisation oder einer Kombination aus diesen lateral unterschiedlich verändert wird.
Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Platte mit der Modulationsstruktur so ausgebildet ist, dass sie lateral strahlungsmodulierend auf eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten, dem infraroten oder dem sichtbaren Spektralbereich ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise mit einer Schicht oder einem Schichtstapel beschichtet ist, der strahlungsreflektierend für eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise mit einer Schicht oder einem Schichtstapel beschichtet ist, der strahlungsabsorbierend für eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung ist.
Das mikromechanische Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulationsstruktur eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungstransmittierenden Bereichen (1a; 15) und eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungsabsorbierenden oder strahlungsreflektierenden Bereichen (1b; 14) aufweist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Anspruch bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte als mikromechanischer Aktor, der auf dem elektrostatischen, dem elektromagnetischen, dem thermischen, dem piezoelektrischen, dem pneumatischen, dem fluidischen oder dem magnetostriktiven Prinzip beruht, ausgebildet ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte so angeordnet ist, dass über eine Federstruktur oder ein Magnetfeld zur lateralen Auslenkung eine quasistatische Kraft, eine periodische Kraft resonant oder eine statische Kraft an die Platte anlegbar ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte unterhalb, oberhalb oder in dem Substrat so angeordnet ist, dass eine laterale Kraftkomponente an die Platte zur Auslenkung der Platte anlegbar ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat, die Plat te und der mikromechanische Antrieb in einem gemeinsamen Chip integriert sind.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zusätzlich mindestens einen Positionssensor aufweist, welcher ausgebildet ist, Signale zur Verfügung zu stellen, welche die Position der Platte und/oder die Frequenz und/oder die Phasenlage der Auslenkung der Platte charakterisieren.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitet und leitfähige spulenförmige Strukturen mit einer sich lateral erstreckenden Spulenachse aufweist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitet und mehrere ineinander greifende, mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagbare Kammelektroden aufweist, die so angeordnet sind, dass sie bei einer Auslenkung der Platte aus der Ruhelage ineinander greifen.
Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 13, bei dem sich die mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagbaren Kammelektroden in einer Translationsrichtung lateral erstrecken, und sich mit freien Enden quer zur Translationsrichtung lateral versetzt gegenüber liegen, so dass bei einer lateralen Ausrichtung der Platte in der Translationsrichtung die freien Enden in der Translationsrichtung in den Zwischenraum gegenüberliegender Kammelektroden eintauchen.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte über eine parallel zur Platte geführte Federstruktur mit der Platte gekoppelt ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte mehrere diskrete Aperturen mit unterschiedlicher und/oder gleicher Form und/oder Größe aufweist, deren Position durch die laterale Auslenkung änderbar ist, so dass eine Modulation der Amplitude über den Strahlungsquerschnitt einer mit der Platte wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung möglich ist und/oder eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlungsbegrenzenden Apertur oder Aperturen einstellbar ist.
Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte in einer oder in zwei Dimensionen translatorisch oder rotatorisch um eine Achse parallel zur Plattennormalen oder in einer Kombination aus einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung auslenkbar ist.
Ein Bauelement mit einem mikromechanischen Bauelement gemäß Anspruch 17, das so ausgebildet ist, dass eine zweite Apertur oder das Bild einer Apertur vor, hinter oder in der Ebene der Platte angeordnet ist, deren laterale Position gegenüber der Platte fixiert oder veränderbar ist, so dass jeweils nur eine oder ein Teil der mehreren diskreten Aperturen der Platte oder der zweiten Apertur eine mit dem Bauelement wechselwirkende elektromagnetische Strahlung transmittiert und damit eine Auswahl der wirksamen, für die elektromagnetische Strahlung strahlbegrenzende Apertur einstellbar ist.
Ein optisches System (90) mit folgenden Merkmalen: einem oder mehreren mikromechanischen Bauelementen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17; einer Optik (32), welche ein Objekt (30) in einem Schärfetiefebereich der Optik abbildet, in dem sich die Platte (1) befindet; einer dem mikromechanischen Bauelement zugeordneten Detektoroptik (33) zur Abbildung der durch das mikromechanische Bauelement strahlungsmodulierten elektromagnetischen Strahlung (31) auf einen Detektor für die elektromagnetische Strahlung, der so ausgebildet ist, die Gesamtenergie, der auf den Detektor (34) einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell zu detektieren und als Signal zur Verfügung zu stellen.
Das optische System gemäß Anspruch 19, das ferner eine Bildfeldblende aufweist, welche im Strahlengang (31) der Optik (32) oder in dem mikromechanischen Bauelement (100) integriert ist und so ausgebildet ist, das Bildfeld des Objektes (30) zu begrenzen.
Das optische System gemäß einem der Ansprüche 19 bis 20, welches zwei gekreuzt angeordnete mikromechanische Bauelemente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.
Das optische System gemäß Anspruch 21, das ferner eine Relayoptik zwischen den zwei gekreuzt angeordneten mikromechanischen Bauelementen (100) aufweist.
Ein optisches System mit folgenden Merkmalen: einem oder mehreren mikromechanischen Bauelementen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das eine oder die mehreren mikromechanischen Bauelemente in oder benachbart zu einer Aperturebene des optischen Systems oder in oder benachbart zu einer dazu konjugierten Ebene angeordnet ist oder sind; und einem Detektor zum Erfassen einer aus der Richtung des einen Bauelementes oder der mehreren Bauelemente eintreffenden elektromagnetischen Strahlung.