DE102008054784A1

DE102008054784A1 - Mikrospiegel

Info

Publication number: DE102008054784A1
Application number: DE102008054784A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: DE102008054784B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrospiegel mit einer Halterung (14, 16, 22), einem ersten Spiegelelement (10) und einem zweiten Spiegelelement (12), wobei die Halterung (14, 16, 22) so ausgebildet ist und das erste Spiegelelement (10) und das zweite Spiegelelement (12) so an die Halterung (14, 16, 22) angekoppelt sind, dass ein an dem ersten Spiegelelement (10) reflektierter Lichtstrahl (20) direkt oder indirekt auf das zweite Spiegelelement (12) ablenkbar ist, und einer Antriebsvorrichtung (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b), welche dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) gegenüber der Halterung (14, 16, 22) um eine erste Drehachse (36) und das zweite Spiegelelement (12) gegenüber der Halterung (14, 16, 22) um eine zweite Drehachse (36) zu verstellen, wobei die zweite Drehachse (36) parallel zu der ersten Drehachse (36) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrospiegel.
Stand der Technik
Ein als Mikrospiegel ausgebildetes mikromechanisches Bauteil weist in der Regel einen Antrieb zum Verstellen mindestens eines Spiegelelements um mindestens eine Drehachse auf. Beispielsweise kann der Antrieb ein elektromagnetischer, ein piezoelektrischer und/oder ein elektrostatischer Antrieb sein. Ein Package eines Mikrospiegels mit einem elektromagnetischen Antrieb ist jedoch technisch vergleichsweise aufwendig. Deshalb wird zum Verstellen des mindestens einen Spiegelelements häufig ein elektrostatischer Antrieb bevorzugt.
Herkömmlicherweise werden zwei verschiedene Betriebsmoden eines elektrostatischen Antriebs zum Verstellen des mindestens einen Spiegelelements aus einer spannungslosen Ausgangsstellung angewandt. Man unterscheidet zwischen einem resonanten Betriebsmodus und einem quasistatischen Betriebsmodus.
Bei dem resonanten Betriebsmodus wird das mindestens eine Spiegelelement mit einer Frequenz, welche der Eigenfrequenz des mindestens einen Spiegelelements entspricht, zu Schwingungen um die Drehachse angeregt. Der resonante Betriebsmodus ermöglicht eine vergleichsweise große Auslenkung des mindestens einen Spiegelelements aus seiner Ausgangsstellung bei einer relativ geringen Energieeinkopplung.
Allerdings weist der resonante Betriebsmodus bei einem Mikrospiegel mit einem verstellbaren Spiegelelement den Nachteil auf, dass die Frequenz des in Schwingungen versetzten Spiegelelements auf einen Bereich um die Resonanzfrequenz des Spiegelelements eingeschränkt ist. Bei einem um zwei Drehachsen verstellbaren Spiegelelement liegen die Eigenfrequenzen relativ nah beieinander, was zu zusätzlichen Problemen führt. Zusätzlich ent spricht die momentane Auslenkung des schwingenden Spiegelelements einer sinus-ähnlichen Funktion.
Bei einer Projektion eines Bilds auf eine Bildfläche mittels des resonanten Betriebsmodus bewirkt die sinus-ähnliche momentane Auslenkung des schwingenden Spiegelelements eine schlechte Verteilung der Bildintensität, da der mittels des schwingenden Spiegelelements abgelenkte Lichtstrahl die Mitte der Bildfläche vergleichsweise schnell und den Rand der Bildfläche vergleichsweise langsam überstreicht. Zusätzlich ist, aufgrund der geringen Differenz zwischen den Eigenfrequenzen der zwei Drehachsen des verstellbaren Spiegelelements, eine Projektion des Bilds in Zeilen kaum möglich. Stattdessen ist beim Projizieren eines Bildes in der Regel eine Lissajous-Figur erforderlich. Dies bedeutet bei der Projektion des Bilds einen großen rechnerischen Aufwand zur Steuerung des Projektionslasers. In der Regel erreicht die Auflösung eines auf diese Weise erzeugten Bilds nicht die Werte, die sich bei einer Projektion einer einzelnen Zeile ergeben. Zusätzlich wirkt das auf diese Weise projizierte Bild auf einen Betrachter häufig chaotisch, da bei einer Relativbewegung zwischen dem Betrachter und der Bildebene oft der Eindruck entsteht, dass das Bild „auseinander fällt”.
Der quasistatische Betriebsmodus ist nur bei einem elektrostatischen Antrieb anwendbar, dessen Stator-Elektrode und Aktor-Elektrode in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Bei einer Anordnung der Stator-Elektrode und der Aktor-Elektrode in unterschiedlichen Ebenen unterscheidet man zwischen einer parallelen Anordnung der beiden Elektroden (Out-Of-Plane-Anordnung) und einer geneigten Anordnung der beiden Elektroden (Angular-Vertical-Anordnung). Die geneigte Anordnung ist beispielsweise realisierbar, indem die Elektroden in zwei zueinander parallel liegenden Ausgangsebenen hergestellt werden und anschließend eine der zwei Elektroden aus ihrer Ausgangsebene herausgedreht wird. Das Herausdrehen kann beispielsweise durch eine mechanische Einflussnahme, vorzugsweise beim Verpacken, oder durch einen Verformungsschritt geschehen.
Für ein Auslenken eines an die Aktor-Elektrode angekoppelten Spiegelelements aus seiner spannungslosen Ausgangsstellung wird beim quasistatischen Betriebsmodus jedoch eine vergleichsweise hohe Antriebspannung zum Erreichen des notwendigen Drehmoments benötigt. Die Erzeugung, Regelung, Zuleitung und Abschirmung dieser hohen Antriebspannung stellt besondere Anforderungen an den verwendeten Mirkospiegel. Zwar ist das zum Verstellen des Spiegelelements erforderliche Drehmoment reduzierbar, indem die Torsionssteifigkeit der mindestens einen Feder, über welche das Spiegelelement mit einer Halterung verbunden ist, verringert wird. Eine niedrigere Torsionssteifigkeit der mindestens einen Feder hat jedoch den Nachteil, dass der Mikrospiegel auf äußere mechanische Belastungen empfindlicher reagiert und, beispielsweise bei einem Fall des Mikrospiegels, leichter zerstört wird. Zusätzlich führt die Reduzierung der Torsionssteifigkeit der mindestens einen Feder zu einer Erweiterung der Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Mikrospiegels.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft einen Mikrospiegel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Mikrospiegel, mit welchem ein Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, um mindestens eine Achse ablenkbar ist, weist mindestens zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Spiegelelemente auf. Die auf diese Weise mögliche Gesamt-Strahlablenkung ist damit die Summe der mittels der verschiedenen Spiegelelemente möglichen Einzel-Strahlablenkung. Die vorliegende Erfindung gewährleistet somit eine signifikante Steigerung der Gesamt-Strahlablenkung. Auf diese Weise ist es möglich, selbst bei einem vergleichsweise kleinen maximalen Verstellwinkel der einzelnen Spiegelelemente den Lichtstrahl um einen relativ großen Winkel abzulenken.
Der Kern der Erfindung ist somit die Vervielfachung der Strahlablenkung durch mindestens zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Spiegelelemente, welche um parallel zueinander ausgerichtete Drehachsen verstellbar sind. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Anzahl von zwei mittels der Antriebvorrichtung verstellbaren Spiegelelementen beschränkt ist.
Die Antriebvorrichtung ist dabei so ausgelegt, dass zumindest das erste Spiegelelement um die erste Drehachse und das zweite Spiegelelement um die zweite Drehachse gegenüber einer Halterung automatisch verstellbar sind. Unter einer parallelen Ausrichtung der zweiten Drehachse gegenüber der ersten Drehachse wird auch ein Liegen der zweiten Drehachse auf der ersten Drehachse verstanden.
Wird der Strahl an mehreren geneigten Spiegelflächen reflektiert, so addieren sich die Strahlablenkwinkel. Bei einem geeigneten Strahlengang können prinzipiell auch mehr als zwei Reflexionen an geneigten Spiegelflächen konstruiert werden. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vervielfachung des Strahlablenkwinkels.
Durch die „Addition” der Verstellwinkel der mindestens zwei Spiegelelemente verringern sich die notwendigen maximalen Verstellwinkel für die einzelnen Spiegelelemente signifikant. Als Folge ist die mechanische Belastung (Materialspannung) der Federelemente deutlich reduzierbar. Dies erlaubt ein robusteres Design der Bauelemente und einen größeren Sicherheitsabstand zur Bruchdehnungsgrenze des Federmaterials. Die Federn können somit eine vergleichsweise große Torsionssteifigkeit aufweisen.
Aufgrund der vergleichsweise kleinen notwendigen Einzelauslenkungen der mindestens zwei Spiegelelemente, über welche dennoch eine relativ große Gesamtablenkung erzielbar ist, ist die Dämpfung der Torsionsbewegung der Torsionsfedern, über welche die Spiegelelemente mit einer Halterung verbunden sind, und die Dämpfung der Torsionsbewegung der mindestens zwei Spiegelelemente reduzierbar. Insbesondere bei schnellen Spiegelbewegungen ist dies vorteilhaft und effektiv.
Durch die Reduktion der notwendigen Verstellwinkel der einzelnen Spiegelelemente ist auch eine vorteilhafte geringe Verformung der Spiegelelemente (aufgrund der Wirkung der tordierenden Federrückstellkräfte) gewährleistet. Somit wird verhindert, dass es aufgrund einer signifikanten Verformung eines Spiegelelements zu nicht gewünschten Bildverzerrungen kommt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Antriebvorrichtung einen elektrostatischen Antrieb, welcher in einem quasistatischen Betriebsmodus dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement um die erste Drehachse und/oder das zweite Spiegelelement um die zweite Drehachse zu verstellen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Gesamt-Strahlablenkung bei relativ kleinen Verstellwinkeln der mindestens zwei Spiegelelemente sind zum Verstellen der mindestens zwei Spiegelelemente nur relativ niedrige Antriebspannungen notwendig. So ist beispielsweise bei einer halbierten Auslenkung nur die Hälfte des Drehmoments für die Aktivierung der jeweiligen einzelnen Spiegelelemente erforderlich. Somit ermöglicht die Ausstattung eines Mikrospiegels mit zwei Spiegelelementen eine signifikante Verringerung der notwendigen Antriebspannung und damit eine kostengünstigere Ausstattung des Mikrospiegels hinsichtlich der Erzeugung, Regelung, Zuleitung und Abschirmung der Antriebspannung. Das Anwenden des quasistatischen Betriebsmodus ist deshalb bei dieser Ausführungsform besonders vorteilhaft. Da der elektrostatische Antrieb zum Gewährleisten eines vergleichsweise großen Gesamt-Strahlablenkwinkels die Spiegelelemente nur um relativ kleine Verstellwinkel verstellen muss, benötigt der elektrostatische Antrieb, trotz seiner Aus bildung für den quasistatischen Betriebsmodus, nur vergleichsweise geringe Antriebspannungen.
Die Reduzierung der einzelnen Verstellwinkel der mindestens zwei Spiegelelemente erlaubt zusätzlich die Anordnung der Interdigitalelektroden in einem größeren Abstand von der jeweiligen Drehachse. Die Steigerung des Abstandes der Interdigitalelektroden von der Drehachse bewirkt ein größeres Drehmoment bei gleichbleibender Antriebspannung. Dies gewährleistet eine zusätzliche Reduzierung der notwendigen Antriebspannung.
Des Weiteren können bei höheren erzielten Drehmomenten steifere Torsionsfedern verwendet werden, die technologisch mit engeren Fertigungstoleranzen herstellbar sind. Zusätzlich vereinfacht dies das Herstellungsverfahren für den Mikrospiegel.
In einer Weiterbildung kann die Antriebvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement gegenüber der Haltung um mindestens eine dritte Drehachse, welche geneigt zu der ersten Drehachse ausgerichtet ist, zu verstellen. Die dritte Drehachse kann dabei senkrecht zu der ersten Drehachse ausgerichtet sein. Somit ist die vorliegende Erfindung auch auf Spiegelelemente und eine Antriebvorrichtung anwendbar, mit welcher die Spiegelelemente um zwei Drehachsen verstellt werden.
Vorteilhafterweise ist der elektrostatische Antrieb in einem resonanten Betriebsmodus dazu ausgelegt, das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement um mindestens die dritte Drehachse zu verstellen. Die Strahlablenkung erfolgt in diesem Fall um eine erste Achse mit einer langsamen Ablenkfrequenz und um eine zweite Achse mit einer schnellen Ablenkfrequenz. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Torsionsamplituden der mindestens zwei Spiegelelemente bzgl. der langsamen und/oder der schnellen Achse unterschiedlich groß sein können.
Insbesondere kann der elektrostatische Antrieb in dem resonanten Betriebsmodus dazu ausgelegt sein, das erste Spiegelelement um die dritte Drehachse und das zweite Spiegelelement um eine zu der dritten Drehachse parallel ausgerichtete vierte Drehachse gleichphasig zu verstellen. Gleichzeitig können die mindestens zwei Spiegelelemente für die langsame vertikale Strahlablenkung quasistatisch ausgelenkt werden. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Spiegelelemente dazu kardanisch aufgehängt. Die Torsion, mit der die Ablenkung um die schnelle Achse erfolgt, ist somit bei beiden Spiegelelementen gleichfrequent und gleichphasig. Die resultierende Gesamtstrahlablenkung ist in beiden Raumrichtungen, wel che durch die Drehachsen definiert sind, gleich der Summe der Verstellwinkel der mindestens zwei Spiegelelemente.
In einer Ausführungsform des Mikrospiegels ist mindestens eine reflektierende Fläche in der Halterung so angeordnet, dass der an dem ersten Spiegelelement reflektierte Lichtstrahl über eine Reflexion an der mindestens einen reflektierenden Fläche auf das zweite Spiegelelement ablenkbar ist. Die beiden Spiegelelemente können somit über ein Herausätzen aus einer Materialschicht kostengünstig hergestellt werden.
In einer weiteren kostengünstigen Ausführungsform sind das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement Teilflächen einer zusammenhängenden Spiegelfläche und die erste Drehachse liegt auf der zweiten Drehachse. Ein an der ersten Teilfläche der Spiegelfläche reflektierter Lichtstrahl wird mittels mindestens einer reflektierenden Fläche auf eine zweite Teilfläche der Spiegelfläche abgelenkt. Da anstelle eines Verstellens von zwei getrennt ausgebildeten Spiegelelementen lediglich eine Spiegelfläche bei dieser Ausführungsform verstellt wird, ist ein verlässliches und einfach ausführbares Betreiben der Ausführungsform gewährleistet.
Als Alternative dazu kann das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement an einen Zwischenrahmen gekoppelt sein, welcher mittels der Antriebvorrichtung um die erste Drehachse, auf welcher die zweite Drehachse liegt, verstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die vertikale Bewegung beider Spiegelelemente um die gemeinsame Drehachse mechanisch gekoppelt ist. Die Spiegelelemente können bei dieser Ausführungsform in ihren Abmessungen minimiert werden. Zusätzlich ist der elektrostatische Antrieb zum Verstellen des Zwischenrahmens um die gemeinsame Drehachse leichter ausführbar.
Insbesondere kann das erste Spiegelelement über mindestens eine erste Feder und das zweite Spiegelelement über mindestens eine zweite Feder mit dem Zwischenrahmen verbunden sein, wobei die erste Feder und die zweite Feder so ausgelegt sind, dass das erste Spiegelelement gegenüber dem Zwischenrahmen um die dritte Drehachse und das zweite Spiegelelement gegenüber dem Zwischenrahmen um die vierte Drehachse verstellbar sind. Auch diese Ausführungsform lässt sich auf einfache Weise mit einer hohen Verlässlichkeit betreiben.
Es ist auch ein Betriebsmodus denkbar, bei welchem das erste Spiegelelement nur um einen geringen Verstellwinkel verstellt wird. Der größte Teil der Strahlablenkung erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Spiegelelements. Dieser Betriebsmodus kann insbesondere bzgl. des Strahlengangs vorteilhaft sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Mikrospiegels;
2A bis 2E jeweils eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Funktionsweise einer zweiten Ausführungsform des Mikrospiegels;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Mikrospiegels;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Mikrospiegels; und
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Mikrospiegels.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Mikrospiegels.
Der schematisch dargestellte Mikrospiegel umfasst ein erstes Spiegelelement 10 und ein zweites Spiegelelement 12. Jedes der Spiegelelemente 10 und 12 ist über mindestens eine Feder 10a oder 12a mit einer Halterung 14 verbunden. Die mindestens zwei Federn 10a und 12a können als Torsionsfedern ausgebildet sein. Die beiden Spiegelelemente 10 und 12 sind um jeweils eine (nicht skizzierte) Drehachse, welche aus der Ebene der 1 herausragt, aus einer Ausgangsstellung verstellbar. Dabei sind die Drehachsen der beiden Spiegelelemente 10 und 12 parallel zueinander ausgerichtet. Beispielsweise verlaufen die Federn 10a und 12a parallel zueinander entlang der jeweiligen Drehachse, um welche das zugehörige Spiegelelement 10 oder 12 verstellbar ist.
Das Verstellen der Spiegelelemente 10 und 12 aus ihren Ausgangsstellungen erfolgt mittels einer (nicht dargestellten) Antriebvorrichtung. In dem Beispiel der 1 ist das erste Spiegelelement 10 um einen Verstellwinkel α1 und das zweite Spiegelelement 12 um einen Verstellwinkel α2 ungleich dem Verstellwinkel α1 aus seiner jeweiligen Ausgangsstellung verstellt. Somit ist die Antriebvorrichtung dazu ausgelegt, die beiden Spiegelelemente 10 und 12 um verschiedene Verstellwinkel α1 und α2 zu verstellen. Auf eine mögliche Ausführungsform für eine derartige Antriebvorrichtung wird unten noch genauer eingegangen.
Vorzugsweise sind die beiden Spiegelelemente 10 und 12 in ihren Ausgangsstellungen parallel zueinander angeordnet. Beispielsweise sind die reflektierenden Oberflächen der Spiegelelemente 10 und 12 in ihren Ausgangsstellungen parallel zu der Halterung 14 ausgerichtet. Die Halterung 14 mit den beiden Spiegelelementen 10 und 12 ist beispielsweise herstellbar, indem die Komponenten 10 bis 14 und die mindestens zwei Federn 10a und 12a aus einer Halbleiterschicht herausgeätzt werden.
Ein Gehäuse des nur schematisch wiedergegebenen Mikrospiegels weist ein Lichtfenster 16, beispielsweise einen Glasdeckel, auf. Das Lichtfenster 16 kann so an dem Gehäuse angeordnet sein, dass die Spiegelelemente 10 und 12 in ihren Ausgangsstellungen parallel zu einer Grenzfläche des Lichtfensters 16 verlaufen.
Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass das Lichtfenster 16 auch eine Grenzfläche aufweisen kann, welche geneigt zu den Ausgangsstellungen der Spiegelelemente 10 und 12 ausgerichtet ist. Der Neigungswinkel der Grenzfläche des Lichtfensters 16 gegenüber den Spiegelelementen 10 und 12 ist in diesem Fall ungleich 0° und ungleich 180°. Auf diese Weise ist verhinderbar, dass eine Reflexion eines einfallenden Lichtstrahls 18 an der äußeren Grenzfläche des Lichtfensters 16 auf eine Projektionsebene, auf welche der einfallende Lichtstrahl 18 über eine Reflexion an den Spiegelelementen 10 und 12 abgelenkt wird, trifft.
Der einfallende Lichtstrahl 18 transmittiert durch das Lichtfenster 16 und trifft auf das erste Spiegelelement 10. Der an dem Spiegelelement 10 abgelenkte Lichtstrahl 20 ist auf eine reflektierende Fläche 22 gerichtet. Die reflektierende Fläche 22 kann beispielsweise ein Umlenkspiegel sein. Vorzugsweise wird die reflektierende Fläche 22 hergestellt, indem eine Grenzfläche des Lichtfensters 16 mit einem reflektierenden Material beschichtet wird.
Der an der reflektierenden Fläche 22 abgelenkte Lichtstrahl 24 trifft auf das zweite Spiegelelement 12. Auf diese Weise wird nach einer Reflexion des einfallenden Lichtstrahls 18 an den Spiegelelementen 10 und 12 und an der reflektierenden Fläche 22 ein reflektierter Lichtstrahl 26 bereitgestellt. Der reflektierte Lichtstrahl 26 transmittiert durch das Lichtfenster 16 und trifft auf eine Projektionsfläche, auf welcher mittels des Mikrospiegels ein Bild erzeugt wird.
Die beiden um einen maximalen Verstellwinkel aus ihren Ausgangsstellungen verstellbaren Spiegelelemente 10 und 12 weisen gegenüber einem einzelnen Spiegelelement 10 oder 12 mit dem gleichen maximalen Verstellwinkel den Vorteil auf, dass der einfallende Lichtstrahl 18 als reflektierter Lichtstrahl 26 um einen Gesamtverstellwinkel ablenkbar ist, welcher deutlich größer als der maximale Verstellwinkel ist. Somit ist auch bei vergleichsweise kleinen maximalen Verstellwinkeln der reflektierte Lichtstrahl 26 um einen relativ großen Verstellbereich ablenkbar.
Aufgrund der Tatsache, dass bereit vergleichsweise kleine maximale Verstellwinkel der Spiegelelemente 10 und 12 einen relativ großen Verstellbereich des reflektierten Lichtstrahls 26 gewährleisten, muss der Mikrospiegel lediglich für das Erzeugen kleiner Drehmomente ausgebildet werden. Somit können die beiden Spiegelelemente 10 und 12 mittels eines kostengünstigen elektrostatischen Antriebs in einem quasistatischen Betriebsmodus verstellt werden. Es ist ausreichend, den elektrostatischen Antrieb lediglich für das Anlegen relativ kleiner Spannungen auszubilden. Der hier beschriebene Mikrospiegel eignet sich damit besonders gut zum Projizieren eines Bilds.
2A bis 2E zeigen jeweils eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Funktionsweise einer zweiten Ausführungsform des Mikrospiegels.
Bei der schematisch wiedergegebenen Ausführungsform ist jedes der beiden Spiegelelement 10 und 12 kardanisch an der Halterung 14 aufgehängt. Dazu ist jedes der Spiegelelemente 10 und 12 über je zwei Federn 10a oder 12b mit einem gemeinsamen Zwischenrahmen 30 verbunden. Die beiden Federn 10a, welche das erste Spiegelelement 10 mit dem Zwischenrahmen 30 verbinden, verlaufen entlang einer ersten Drehachse 32, um welche das erste Spiegelelement 10 gegenüber dem Zwischenrahmen 30 verstellbar ist. Entsprechend sind auch die Federn 12a entlang einer zweiten Drehachse 34 ausgerichtet, um welche das zweite Spiegelelement 12 gegenüber dem Zwischenrahmen 30 verstellbar ist. Die zweite Drehachse 34 ist parallel zu der ersten Drehachse 32 ausgerichtet.
Der Zwischenrahmen 30 ist mittels zweier Federn 30a mit der Halterung 14 verbunden. Dabei verlaufen die beiden Federn 30a entlang einer dritten Drehachse 36, um welche der Zwischenrahmen 30 gegenüber der Halterung 14 verstellbar ist. Die beiden Spiegelelemente 10 und 12 sind somit zusätzlich um die dritte Drehachse 36 gegenüber der Halterung 14 verstellbar. Die dritte Drehachse 36 kann senkrecht zu der ersten Drehachse 32 ausgerichtet sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Ausrichtung der dritten Drehachse 36 gegenüber der ersten Drehachse 32 beschränkt ist. Auf eine Ausführungsform für eine Antriebvorrichtung zum Verstellen der Spiegelelemente 10 und 12 um die Drehachsen 32 bis 36 wird unten noch genauer eingegangen.
Die hier beschriebene Ausführungsform umfasst eine reflektierende Fläche 22, welche so angeordnet ist, dass der an dem ersten Spiegelelement 10 abgelenkte Strahl 20 auf die reflektierende Fläche 22 trifft. Der an der reflektierenden Fläche 22 abgelenkte Lichtstrahl 24 trifft anschließend auf das zweite Spiegelelement 12. Somit wird für einen einfallenden Lichtstrahl 18 ein reflektierter Lichtstrahl 26, welcher an beiden Spiegelelementen 10 und 12 reflektiert wird, bereitgestellt.
In dem Beispiel der 2A befinden sich die Spiegelelemente 10 und 12 in ihren Ausgangsstellungen, welche senkrecht zu einer Bildebene 28 und parallel zu der x-Achse der Bildebene 28 ausgerichtet sind. Die Bildebene 28 ist gegenüber dem Mikrospiegel so angeordnet, dass der an den in ihren Ausgangsstellungen vorliegenden Spiegelelementen 10 und 12 reflektierte Lichtstrahl 26 mittig auf die Bildebene 28 trifft.
In 2B sind die beiden Spiegelelemente 10 und 12 aus ihren Ausgangsstellungen um die Drehachsen 32 und 34 in die negative y-Richtung verstellt. Die beiden Spiegelelemente 10 und 12 können um gleiche oder um verschiedene Verstellwinkel verstellt sein. Der reflektierte Lichtstrahl 26 wird somit auf eine Auftreffposition 38 projiziert, welche beabstandet von der Mitte der Bildebene 28 ist und in dem positiven y-Bereich liegt.
Entsprechend sind in 2C die beiden Spiegelelemente 10 und 12 aus ihren Ausgangsstellungen in die positive y-Richtung um die Drehachsen 32 und 34 gedreht. In diesem Fall wird der reflektierte Lichtstrahl 26 auch horizontal abgelenkt. Die Auftreffposition 38 liegt auf der y-Achse in dem negativen y-Bereich.
In den 2D und 2E sind die Auswirkungen eines Verstellens des Zwischenrahmens 30 um die dritte Drehachse 36 bildhaft dargestellt. Der reflektierte Lichtstrahl 26 ist somit über ein Drehen des Zwischenrahmens 30 in die positive x-Richtung in den negativen x-Bereich (2D) und über ein Drehen des Zwischenrahmens 30 in die negative x-Richtung in den positiven x-Bereich (2D) ablenkbar.
Wie beim Vergleich der 2A bis 2E zu erkennen ist, bewirken bereits vergleichsweise kleine Verstellwinkel der Spiegelelemente 10 und 12 gegenüber der Halterung 14 eine deutliche Strahlablenkung des reflektierten Lichtstrahls 26 von einem Mittelpunkt der Bildebene 28.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Mikrospiegels.
Der schematisch dargestellte Mikrospiegel umfasst ein erstes um die Drehachsen 32 und 36 verstellbares Spiegelelement 10 und ein zweites um die Drehachsen 34 und 36 verstellbares Spiegelelement 12. Beide Spiegelelemente 10 und 12 sind an einem gemeinsamen Zwischenrahmen 30 und an eine gemeinsame Halterung 14 gekoppelt, wobei die Anordnung der Federn 10a, 12a und 30a der vorhergehenden Ausführungsform entspricht. Die zusätzlich in dem Mikrospiegel angebrachte reflektierende Fläche 22 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
Der anhand der 3 dargestellte Mikrospiegel weist zwei Spiegelelemente 10 und 12 auf, welche als Spiegelplatten mit kreisrunden, gleichgroßen Spiegelflächen ausgebildet sind. Je nach Strahldurchmesser, Einfallswinkel und Spiegelauslenkung kann die Form der einzelnen Spiegelflächen jedoch variiert werden.
Zum Verstellen der Spiegelelemente 10 und 12 um die zugehörigen Drehachsen 32, 34 und 36 gegenüber der Halterung 14 weist der Mikrospiegel einen elektrostatischen Antrieb auf. Dabei sind an dem Spiegelelement 10 mehrere Elektroden 40a fest angebracht. Benachbart zu den Elektroden 40a des Spiegelelements 10 weist der Zwischenrahmen 30 Gegenelektroden 40b auf. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 40a und 40b mittels einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung wird das Spiegelelement 10 um die Drehachse 32 verstellt. Entsprechend kann auch das zweite Spiegelelement 12 durch Anlegen einer Spannung zwischen den fest an dem zweiten Spiegelelement 12 angebrachten Elektroden 42a und den benachbart zu den Elektroden 42a an dem Zwischenrahmen 30 befestigten Elektroden 42b um die parallel zu der ersten Drehachse 32 ausgerichtete zweite Drehachse 34 gedreht werden.
Des Weiteren sind an den Außenflächen des Zwischenrahmens 30, welche der Halterung 14 zugewandt sind, senkrecht zu der dritten Drehachse 36 ausgerichtete Aktor-Elektroden 44a angebracht. An den zu den Aktor-Elektroden 44a benachbarten Innenflächen der Halterung 14 sind Stator-Elektroden 44b angeordnet, welche parallel zu den Aktor-Elektroden 44a ausgerichtet sind. Über das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 44a und 44b kann der Zwischenrahmen 30 in Bezug auf die Halterung 14 um die dritte Drehachse 36 gedreht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Mikrospiegel nicht auf die hier dargestellte Anzahl und Anordnung der Elektroden 40a, 40b, 42a, 42b, 44a oder 44b beschränkt ist. Da der Verlauf der Leitungen zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 40a, 40b, 42a, 42b, 44a und 44b für einen Fachmann durch die 3 nahegelegt ist, wird hier nicht darauf eingegangen.
Die beiden kardanisch aufgehängten Spiegelelemente 10 und 12 sind im Strahlengang hintereinander angeordnet. Für eine Horizontalablenkung eines reflektierten Lichtstrahls 26 werden die elektrostatischen Antriebe vorzugsweise so angesteuert, dass beide Spiegelelemente 10 und 12 mit der gleichen Frequenz gleichphasig um die zugehörige Drehachse 32 oder 34 schwingen. Das Verstellen der beiden Spiegelelemente 10 und 12 erfolgt somit vorteilhafterweise in einem resonanten Betriebsmodus. Eine Vertikalablenkung des reflektierten Lichtstrahls 26 ist über ein Verstellen des Zwischenrahmens 30 in Bezug auf die Halterung 14 möglich. Vorzugsweise erfolgt das Variieren der an die Elektroden 44a und 44b angelegten Spannung jedoch mit einer langsameren Frequenz, welche beispielsweise einer vertikalen Strahlablenkungsfrequenz oder einer gewünschten Bildwiederholungsfrequenz, entspricht. Für das Verstellen der beiden Spiegelelemente 10 und 12 um die Drehachse 36 wird somit der quasistatische Betriebsmodus bevorzugt.
Selbstverständlich ist es ebenso möglich, die beiden Spiegelelemente 10 und 12 in einem quasistatische Betriebsmodus um die zugehörige Drehachse 32 oder 34 und/oder in einem resonanten Betriebsmodus um die Drehachse 36 zu verstellen. Die Geometrie der Aufhängung (des Zwischenrahmens 30 und der Federn 10a, 12a und 30a) kann in allen Fällen so gewählt werden, dass eine gewünschte Resonanzfrequenz für die Drehachsen 32, 34 und 36 vorliegt. Auch über die Massen der Spiegelelemente 10 und 12 und über die Steifigkeit der Federn 10a, 12a und 30a ist die Resonanzfrequenz für die Drehachsen 32, 34 und 36 variierbar.
Entsprechend dem angewendeten Betriebsmodus können die zusammenwirkenden Elektroden 40a, 40b, 42a, 42b, 44a und 44b in der In-Plane-Anordnung, der Angular-Vertical-Anordnung und/oder der Out-Of-Plane-Anordnung zueinander angeordnet werden. Sind die Elektroden 40a, 42a oder 44a in ihrer spannungslosen Ausgangsstellung parallel zu den zusammenwirkenden Elektroden 40b, 42b oder 44b angeordnet, so erfolgt das Anlegen der Spannung lediglich auf einer Seite einer zugehörigen Drehachse 32, 34 oder 36.
Der in 3 schematisch wiedergegebene Mikrospiegel kann beispielsweise über ein Herausätzen der dargestellten Komponenten 10 bis 14 und 30 bis 44b aus einer Halbleiterschicht mit geeigneter Schichtdicke eines SOI-Wafers (Silicon-On-Isolator) hergestellt werden. Vor der Strukturierung der Komponenten 10 bis 14 und 30 bis 44b kann unter den später beweglichen Komponenten 10 bis 14 und 30 bis 44b das Substratmaterial herausgeätzt werden. Beispielsweise erfolgt dies über ein KOH-Ätzen oder über ein Trench-Ätzen. Eine vorteilhafte Beweglichkeit der Komponenten 10 bis 14 und 30 bis 44b ist auch gewährleistet, wenn der SOI-Wafer eine dicke als Ätzstoppschicht dienende Oxidschicht oder Lackschicht (welche über eine rückseitige Kaverne einbringbar ist) aufweist, welche später entfernt wird.
In einem anderen Verfahrensschritt kann eine reflektierende Beschichtung auf die späteren Spiegelelemente 10 und 12 einseitig oder beidseitig aufgebracht werden, beispielsweise nach einer Freistellung der Spiegelelemente 10 und 12 mithilfe einer Schattenmaske.
Anhand der oberen Absätze ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche Modifizierungsmöglichkeiten des beschriebenen Herstellungsverfahrens. Es wird hier deshalb darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf ein derartiges Herstellungsverfahren beschränkt ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Mikrospiegels.
Der in 4 dargestellte Mikrospiegel weist die bereits beschriebenen Komponenten 10 bis 14, 30 und 30a auf. Im Unterschied zu den Ausführungsformen der 2 und 3 haben die Spiegelelemente 10 und 12 jedoch Spiegelflächen mit unterschiedlichen Größen. Insbesondere kann das im Strahlengang hinter dem ersten Spiegelelement 10 angeordnete zweite Spiegelelement 12 einen größeren Durchmesser haben. Auf diese Weise ist die Größe des ersten Spiegelelements 10 minimierbar.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Mikrospiegels.
Der schematisch wiedergegebene Mikrospiegel weist Spiegelelemente 10 und 12 auf, welche als Teilflächen einer zusammenhängenden Gesamt-Spiegelfläche 46 ausgebildet sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Spiegelelemente 10 und 12, welche Teilflächen der zusammenhängenden Gesamt-Spiegelfläche 46 sind, um eine gemeinsame Drehachse 48 um den gleichen Verstellwinkel verstellt werden. Dies erleichtert somit das Ansteuern des zum Verstellen der zusammenhängenden Gesamt-Spiegelfläche 46 verwendeten Antriebs. Zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform die Anzahl der notwendigen Federn 46a der Aufhängung der zusammenhängenden Gesamt-Spiegelfläche 46 reduzierbar.
Da mögliche Ausführungsformen für einen Antrieb zum Verstellen der zusammenhängenden Gesamt-Spiegelfläche 46 für einen Fachmann anhand der oberen Beschreibungen nahegelegt sind, wird hier nicht darauf eingegangen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Spiegelelemente 10 und 12 so zueinander im Strahlengang angeordnet, dass ein an dem ersten Spiegelelement 10 reflektierter Lichtstrahl 20 über eine reflektierende Fläche 22, beispielsweise über einen Umlenkspiegel, auf das zweite Spiegelelement 12 gerichtet wird. Als Alternative dazu können die Spiegelelemente 10 und 12 auch so zueinander angeordnet sein, dass ein an dem ersten Spiegelelement 10 reflektierter Lichtstrahl 20 direkt auf das zweite Spiegelelement 12 fällt. Die anhand der oberen Absätze beschriebenen Ausführungsformen sind auch auf eine derartige Anordnung der beiden Spiegelelemente 10 und 12 übertragbar. Es wird hier deshalb auf diese Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht genauer eingegangen.

Claims

Mikrospiegel mit: einer Halterung (14, 16, 22); einem ersten Spiegelelement (10) und einem zweiten Spiegelelement (12), wobei die Halterung (14, 16, 22) so ausgebildet ist und das erste Spiegelelement (10) und das zweite Spiegelelement (12) so an die Halterung (14, 16, 22) angekoppelt sind, dass ein an dem ersten Spiegelelement (10) reflektierter Lichtstrahl (20) direkt oder indirekt auf das zweite Spiegelelement (12) ablenkbar ist; und einer Antriebvorrichtung (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b), welche dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) gegenüber der Haltung (14, 16, 22) um eine erste Drehachse (36) und das zweite Spiegelelement (12) gegenüber der Haltung (14, 16, 22) um eine zweite Drehachse (36) zu verstellen; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehachse (36) parallel zu der ersten Drehachse (36) ausgerichtet ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, wobei die Antriebvorrichtung (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) einen elektrostatischen Antrieb (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) umfasst, welcher in einem quasistatischen Betriebsmodus dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) um die erste Drehachse (36) und/oder das zweite Spiegelelement (12) um die zweite Drehachse (36) zu verstellen.
Mikrospiegel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antriebvorrichtung (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) zusätzlich dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) und/oder das zweite Spiegelelement (12) gegenüber der Haltung (14, 16, 22) um mindestens eine dritte Drehachse (32, 34), welche geneigt zu der ersten Drehachse (36) ausgerichtet ist, zu verstellen.
Mikrospiegel nach Anspruch 3, wobei der elektrostatische Antrieb (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) in einem resonanten Betriebsmodus dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) und/oder das zweite Spiegelelement (12) um mindestens die dritte Drehachse (32, 34) zu verstellen.
Mikrospiegel nach Anspruch 4, wobei der elektrostatische Antrieb (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) in dem resonanten Betriebsmodus dazu ausgelegt ist, das erste Spiegelelement (10) um die dritte Drehachse (32) und das zweite Spiegelelement (12) um eine zu der dritten Drehachse (32) parallel ausgerichtete vierte Drehachse (34) gleichphasig zu verstellen.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine reflektierende Fläche (22) in der Halterung (14, 16, 22) so angeordnet ist, dass der an dem ersten Spiegelelement (10) reflektierte Lichtstrahl (20) über eine Reflexion an der mindestens einen reflektierenden Fläche (22) auf das zweite Spiegelelement (12) ablenkbar ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 6, wobei das erste Spiegelelement (10) und das zweite Spiegelelement (12) Teilflächen einer zusammenhängenden Spiegelfläche (46) sind und die erste Drehachse (36) auf der zweiten Drehachse (36) liegt.
Mikrospiegel nach Anspruch 6, wobei das erste Spiegelelement (10) und das zweite Spiegelelement (12) an einen Zwischenrahmen (30) gekoppelt sind, welcher mittels der Antriebvorrichtung (40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b) um die erste Drehachse (36), auf welcher die zweite Drehachse (36) liegt, verstellbar ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 8, wobei das erste Spiegelelement (10) über mindestens eine erste Feder (10a) und das zweite Spiegelelement (12) über mindestens eine zweite Feder (12a) mit dem Zwischenrahmen (30) verbunden sind, und wobei die erste Feder (10a) und die zweite Feder (12a) so ausgelegt sind, dass das erste Spiegelelement (10) gegenüber dem Zwischenrahmen (30) um die dritte Drehachse (32) und das zweite Spiegelelement (12) gegenüber dem Zwischenrahmen (30) um die vierte Drehachse (34) verstellbar sind.