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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element und ein Verfahren zum Auslenken desselben aus seiner Ruhelage oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung, wie z. B. einen schwingfähig aufgehängten Mikrospiegel.
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Für eine ganze Reihe von Anwendungen, allen voran in der Lasermaterialbearbeitung, werden Scannereinheiten benötigt, die hohe Laserleistung gegenüber einer Werkstückoberfläche für eine flächige Bearbeitung benötigen. Konventionelle Spiegeleinheiten sind jedoch teuer und erreichen auch keine hohen Scannerfrequenzen oberhalb von f = 2–3 kHz. Mikrotechnisch hergestellte Spiegel erreichen diese hohen Frequenzen zwar und können preiswert produziert werden, sind allerdings im Hinblick auf deren Spiegelgröße sehr begrenzt. Zudem sind Mikrospiegel nur für vergleichsweise niedrige Laserleistungen einsetzbar.
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US 2002/0017834 A1 zeigt eine akustisch aktuierte MEMS-Vorrichtung mit einem akustischen Wellengenerator zur Erzeugung einer akustischen Welle. Die akustische MEMS-Vorrichtung kann so betrieben werden, dass eine Emission einer akustischen Welle durch einen akustischen Wandler ein MEMS-Element bewegt und ein an dem MEMS-Element angeordnetes Ventil bezüglich eines Durchgangs bewegbar ist.
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US 2003/0119220 A1 zeigt eine mikromechanische piezoelektrische Vorrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf einem piezoelektrischen Material bei einer angelegten elektrischen Spannung eine Bewegung, d. h. eine Verformung auszuführen.
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US 2005/0009303 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Selbstmontage von Funktionsblöcken an einem Substrat unterstützt von Elektrodenpaaren mit einer Anordnung der Funktionsblöcke an dem Substrat, wenn die Funktionsblöcke von einem Transportfluid verteilt werden. Eine zufällige Bewegung der Funktionsblöcke bezüglich des Substrates kann durch eine mechanische Aufwühlung des Transportfluides beeinflusst werden.
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Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zum Auslenken eines schwingfähig aufgehängten optischen Elementes aus seiner Ruhelage oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung, das es ermöglicht, sowohl mit hohen Frequenzen als auch im quasistatischen Betrieb hohe optische Leistungen handhaben zu können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element und ein Verfahren zum Auslenken desselben oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung zu schaffen, so dass hohe optische Leistungen mit hohen Frequenzen handhabbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht deshalb dann, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass die Energie für das Versetzen des schwingfähig aufgehängten optischen Elements in eine Schwingung respektive zur Auslenkung desselben aus seiner zu einem Zeitpunkt möglicherweise zu ändernden Position einem vorbeiströmenden Fluid entnommen wird, indem ein Aktuator die vorbeiströmende Fluidströmung beeinflussen kann. Dadurch wirkt das vorbeiströmende Fluid gleichzeitig als Kühlmittel und als Energiereservoir für die Schwingungs- und/oder Bewegungserzeugung. Die Vorrichtung ist miniaturisierbar und durch die Wärmeableitung mittels des Fluids sind große Wärmemengen abführbar, so dass die Vorrichtung in der Lage ist, große optische Leistungen zu handhaben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Aktuator an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element angebracht. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Aktuator jenseits des schwingfähig aufgehängten Elements angeordnet und gegenseitig beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element. In dem letzteren Fall kann beispielsweise eine Kontaktierung des Aktuators einfacher realisierbar sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ansteuerung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes alleinig von einem Fluidstrom ausgeführt werden, ohne dass ein Aktuator verwendet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element;
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2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element mit einer zu 1 alternativen Aktuatoranbindung;
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3 eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element, welches um Kühlrippen erweitert ist und einer zu vorigen Figuren alternativen Aktuatoranbringung;
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4 eine schematische Aufsicht auf ein schwingfähig aufgehängtes optisches Element mit zwei Torsionsachsen;
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5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element;
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6 ein schematisches Blockschaltbild eines optischen Scanners als Beispiel einer möglichen Anwendung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements;
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7 eine schematische Seitenschnittansicht eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elements;
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8 eine schematische Darstellung eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes mit einem direkt justierbaren Fluidstrom;
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9 eine schematische Darstellung eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes mit einem indirekt justierbaren Fluidstrom; und
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10 eine schematische Seitenschnittansicht eines aktuatorlosen fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes;
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11 schematische Seitenschnittansichten einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element, dessen Hauptseiten voneinander verschiedene laterale Ausdehnungen umfassen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12, wobei die Vorrichtung 10 mindestens einen Aktuator 14 aufweist, der ausgebildet ist, um eine an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 vorbeiströmende Fluidströmung 16 so zu beeinflussen, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 in Schwingung versetzt respektive aus seiner zu einem Zeitpunkt möglicherweise zu ändernden Position ausgelenkt wird.
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Bei dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 kann es sich beispielsweise um einen optischen Spiegel handeln. Andere Beispiele wären optische Gitter, transparente optische Elemente, wie z. B. Prismen oder dergleichen. Obwohl es in 1 angedeutet ist, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 eine Platte 20 aufweist, die über eine Feder 22 aufgehängt ist, sind andere Beispiele ebenfalls möglich. Bei der Feder 22 kann es sich um jedwede Feder handeln, wie z. B. eine Torsionsfeder, eine Biegefeder oder dergleichen. Obwohl in 1 das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 so dargestellt ist, dass es zu Drehschwingungen und/oder -bewegungen 18 anregbar ist, ist es gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ebenfalls möglich, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element so aufgehängt ist, dass es andere Schwingungsbewegungen ausführt, wie z. B. translatorische Bewegungen, Kippbewegungen oder dergleichen.
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Wie es in 1 ebenfalls gezeigt ist, können mehrere Aktuatoren 14a und 14b vorgesehen sein, um die Beeinflussung der Fluidströmung 16 zu bewirken. Alternativ kann auch lediglich ein Aktuator verwendet werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Aktuatoren verwendet werden oder kein Aktuator, wie es bezüglich 10 erläutert wird. Durch Änderung ihrer Form bewirken die Aktuatoren 14a und 14b eine Umlenkung der Strömung 16, die dazu führt, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Wie es in 1 gezeigt ist, können die Aktuatoren 14a und 14b an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 angebracht sein, so dass Auf- und/oder Abtrieb, die durch die Formänderung der Aktuatoren 14a und 14b bewirkt werden, unmittelbar an dem optischen Element 12 angreifen und dasselbe aus seiner Ruhelage bewegen. Durch Ansteuern der Aktuatoren 14a und 14b in einer geeigneten Frequenz ändern die Aktuatoren ihre Form in einer Frequenz, die in einem Resonanzfrequenzbereich des optischen Elements 12 liegen kann, so dass ein Resonanzerhöhungseffekt ausgenutzt werden kann. Alternativ können die Aktuatoren in einem statischen Zustand verharren, um das schwingfähig aufgehängte optische Element möglicherweise für einen Zeitraum bewegungslos in einer Position verharren zu lassen oder möglicherweise nur eine langsame Bewegung ausführen zu lassen. In anderen Worten ausgedrückt kann die Vorrichtung 10 auch ausgebildet sein, nicht in einem Schwingungsbetrieb sondern in einem quasistatischen Betrieb zu arbeiten.
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Eine weitere Möglichkeit der Strömungsbeeinflussung, sei es zu Zwecken der Schwingungsanregung oder quasistatischen Auslenkung, bieten Plasmaaktuatoren anstelle der hier bisher gezeigten Piezoaktuatoren, wobei die durch Wechselwirkung zwischen von den Aktuatoren gebildetem Plasma und der Fluidströmung 16 Kräfte entstehen, die eine Strömungsänderung und hierdurch wiederum eine Krafteinwirkung auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 bewirken, um es aus seiner Ruhelage auzulenken.
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Wird die Vorrichtung 10 von 1 dazu verwendet, optische Leistung in Form von beispielsweise einem Laserstrahl 24 umzulenken, so ist es möglich, dass die Fluidströmung 16 die in dem optischen Element 20 auftretende absorbierte Wärme abtransportiert. Zudem müssen die Aktuatoren 14 nur so viel Energie liefern, wie es notwendig ist, um die Formänderung respektive Plasmabildung herbeizuführen und/oder beizubehalten, die zu den Strömungsänderungen führen, während die Energie für die Schwingungs- und Bewegungserzeugung des optischen Elements 20 aus der Fluidströmung 16 selbst entstammt. Dadurch ist es möglich, dass Spannungen und Ströme zur Ansteuerung der Aktuatoren 14 in verhältnismäßig kleinem Rahmen bleiben und dennoch relativ hohe Auslenkungen des optischen Elements 20 erzielbar sind.
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Nachdem im Vorhergehenden in 1 eher im Allgemeinen beschrieben worden ist, wird im Folgenden die in 1 illustrierte Ausführungsform für die Anordnung der Aktuatoren in dem Zusammenspiel mit dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 und die Wirkweise exemplarisch näher beschrieben.
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Die Aktuatoren 14a und 14b können in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden, der eine stromaufwärts und der andere stromabwärts relativ zu einer Drehachse 32 und mit gegenphasigen Ansteuersignalen angesteuert werden, um auf der einen Seite der Drehachse 32 ein abtreibendes Moment 26 und auf der anderen Seite ein auftreibendes Moment 28 und umgekehrt zu erzeugen.
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Ein das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 umgebende Substrat 30a und 30b kann als Befestigungsstelle für den dem schwingungsfähig aufgehängten optischen Element abgewandten Befestigungspunkt des Federelements 22 genutzt werden. Insbesondere können das Substrat 30 und das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 einstückig gefertigt sein, wie z. B. in einem Halbleitersubstrat.
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Die Drehachse 32, die hier exemplarisch eine Drehbewegung 18 ermöglicht, liegt in 1 deckungsgleich mit dem beispielhaft als Torsionsfeder ausgeprägten Federelement 22. Das Federelement könnte allerdings auch an einer anderen Stelle angebracht sein. Obwohl hier lediglich ein Federelement 22 dargestellt ist, ist auch eine andere Anzahl von Federelementen denkbar, beispielsweise zwei in einer Drehachse, dabei eines auf jeder Seite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes. Prinzipiell ist auch eine beliebige Anzahl von Federelementen denkbar.
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Eine Vorrichtung 54, die dazu ausgebildet ist, den Fluidstrom 16 in seiner Ausbreitung zu beeinflussen, ist oberhalb des Fluidstromes 16 dargestellt, wobei das Fluid zwischen der Vorrichtung 54 und dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 strömt. Denkbar ist, dass die Vorrichtung 54 möglicherweise als transparente Platte ausgeführt werden kann, die sich beispielsweise parallel zum Substrat 30 und/oder dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 in seiner Ruhelage erstreckt. Ebenfalls ist denkbar, dass die als transparente Platte ausgeführte Vorrichtung mit einer Neigung oder einem Winkel bezüglich des Substrates 30 angeordnet ist, um beispielsweise an der Platte entstehende Reflektionen der optischen Leistung in eine vorbestimmte, von einer parallelen Ausrichtung der Platte verschiedenen Richtung zu lenken, um so möglicherweise Fehler in einer, die optische Leistung verarbeitenden Auswerteeinheit zu vermeiden.
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Nachdem im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine mögliche Anordnung der Aktuatoren 14 an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 dargelegt worden ist, wird nachfolgend dargelegt, dass eine Anbringung der Aktuatoren 14 auch beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 erfolgen kann.
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Das Fluid 16 kann das schwingfähig aufgehängte Element 12 prinzipiell auf jeder Seite und an einer oder mehreren seiner Seiten umströmen. Ferner ist es möglich, dass der Fluidstrom nicht wie bisher dargestellt, lateral an dem optischen Element vorbeiströmt, sondern direkt auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 trifft, wie z. B. von unten bzw. von der Substratebene aus.
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2 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12, wobei die Vorrichtung 10 mindestens einen Aktuator 14 aufweist, welcher beispielhaft an dem das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 umgebenden Substrat 30a und 30b und somit jenseits des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 angeordnet ist. Werden also beispielsweise die Aktuatoren 14 von Vorrichtung 10 in 2 verwendet, um den Fluidstrom 16 umzulenken, so wird im Gegensatz zur möglichen Konfiguration in 1 keine direkte Kraft durch den an den Aktuatoren 14 vorbeifließenden Fluidstrom 16 auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 induziert, sondern vielmehr Bereiche höheren respektive niedrigeren Druckes des Fluidstroms 16 erzeugt. Diese Bereiche unterschiedlichen Drucks wiederum führen zu angreifenden Kräften 26 und 28, die das schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 aus der Ruhelage bewegen und – durch periodische Umlenkung – eine Schwingung 18 um die Drehachse 32 auslösen. Diese mögliche Konfiguration birgt den Vorteil, dass ein Transfer von Spannungen und Strömen zum Betrieb der Aktuatoren 14 auf das schwingfähig und somit beweglich aufgehängte optische Element 12, welches lediglich über das Federelement 22 mit dem umliegenden Substrat 30 verbunden ist, entfallen kann. Auch kann so der Einfluss des absorbierten Anteils der optischen Leistung 24, beispielsweise in Form von Verlustwärme, welche an das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 abgegeben wird, auf die Aktuatoren 14 reduziert werden. Wie bereits erwähnt, kann der Verzicht auf eine dynamische Anregung der Aktuatoren dazu führen, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element in einer Position gehalten wird und so ein quasistatischer Betrieb erfolgen kann.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Oberfläche der Unterseite des optischen Elementes 20, also beispielsweise die Seite, die einer mit einem optischen Strahl angestrahlten Vorderseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 abgewandt ist, vergrößert ist, wie z. B. durch Kühlrippen 56. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, eine größere Wärmemenge an das in diesem Beispiel ebenfalls an der Unterseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 vorbeiströmende Fluid 16 abzugeben. Wie gesagt, ist ein Anströmen auf die Unterseite ebenfalls möglich, wie es unten noch erläutert wird. Dies kann eine Handhabung größerer optischer Leistungen ermöglichen.
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Nachdem die vorangegangenen Ausführungsbeispiele unterschiedliche mögliche Anbringungsorte der Aktuatoren 14 in den 1 und 2 aufführten, zeigt nachfolgende 4 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die zuvor erläuterte Drehachse 32 um eine weitere, zur Drehachse 32 senkrecht stehende Drehachse 36 erweitert ist, das heißt, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element um zwei Drehachsen 32 und 36 schwingfähig gelagert ist.
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Das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 von 4 umfasst eine zweistufig aufgebaute Platte mit einem inneren und einem äußerem Bereich. Dabei ist der innere Bereich 34 um eine Drehachse 32 und der äußere Bereich 35 um eine Drehachse 36 drehbar gelagert, wobei die beiden Drehachsen senkrecht zu einander stehen. Der innere Bereich 34 ist mit Federelementen 38a und 38b, die beispielhaft deckungsgleich mit der Drehachse 36 liegen, mit dem äußerem Bereich 35 verbunden, der eine Art Rahmen für den inneren Bereich 34 darstellt. Der äußere Bereich 35 ist über Federelemente 39a und 39b mit den Befestigungspunkten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 verbunden und besteht beispielsweise aus dem Substrat, wie in den 1 oder 2 gezeigt. Denkbar ist, dass äußerer und innerer Bereich des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes sowie die Federelemente 38 und 39 einstückig gefertigt werden. Es ist auch denkbar, dass der äußere Bereich, der innere Bereich oder ein oder mehrere Federelemente 38 und 39 separat gefertigt werden und mit dem restlichen Aufbau des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes verbunden werden.
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Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit liegt in der mehrdimensionalen Bewegungsmöglichkeit des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 34, nämlich in der Möglichkeit zur Anregung zu Rotationsbewegungen um die Achsen 32 und 36. In diesem Ausführungsbeispiel können die Aktuatoren 14 so angeordnet sein, dass sich die Krafteinwirkung des Fluidstroms 16 in mindestens zwei Raumrichtungen steuern lassen kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können zur Ermöglichung der zusätzlichen Bewegungsrichtungen zusätzlich zu den Federelementen 39a und 39b weitere Federelemente 38a und 38b verwendet werden. Bei diesen zusätzlichen Federn kann es sich um jedwede Art von Federn handeln, wie beispielsweise Torsionsfedern, Biegefedern oder dergleichen.
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Exemplarisch werden in 4 zwei Aktuatoren 14a und 14b dargestellt, die von der Fluidströmung 16 angeströmt werden, wobei jeweils ein Aktuator auf dem inneren Bereich 34 und ein Aktuator auf dem äußeren Bereich 35 befestigt ist und je ein Aktuator dazu ausgebildet ist, den mit ihm verbundenen Bereich 34 respektive 35 um die dazugehörige Drehachse 32 respektive 36 aus der Ruhelage heraus zu bewegen, also der an dem Rahmen 35 angebrachte Aktuator den Rahmen 35 um die Achse 32, um die der Rahmen 35 gegenüber den äußeren Ankerpunkten drehbar gelagert ist, und der an dem inneren Bereich 34 angebrachte Aktuator den Bereich 34 um die Achse 36, um die der innere Bereich 34 gegenüber dem Rahmen 35 drehbar gelagert ist. So bewegt der Aktuator 14a den äußeren Bereich um die Drehachse 32 und der Aktuator 14b den inneren Bereich um die Drehachse 36. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Aktautoren 14 jeweils außerhalb der Drehachse 32 und 36 angebracht. Jedoch ist es denkbar, dass ein Aktuator 14 auf der Drehachse 32 und/oder 36 lokalisiert ist. Auch ist es denkbar, dass eine andere Anzahl von Aktuatoren 14 verwendet wird, beispielsweise lediglich ein Aktuator oder mehr als zwei. Auch eine Bewirkung einer Auslenkung oder Schwingung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 durch Einstellen einer Stärke oder anderen Beeinflussung des Fluidstroms selbst, ohne die Verwendung eines Aktuators, ist möglich, wie es später bezüglich 10 erläutert wird. Ferner ist es ebenfalls denkbar, dass die Aktuatoren 14 beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 angebracht sind, wie es exemplarisch in 2 dargestellt ist. Prinzipiell kann eine Bewegung um eine zweite Drehachse genutzt werden, um zusätzliche Anwendungsfälle wie etwa Rasterscanner oder Lissajous-Scanner durch eine mehrdimensionale Bewegung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 zu ermöglichen. Obwohl das schwingfähig aufgehängte optische Element 34 hier quadratisch dargestellt ist, sind auch andere Geometrien denkbar, beispielsweise runde, ovale, rechteckige, oder polygone Formen. Auch asymmetrische Formen wären prinzipiell denkbar.
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Erweiternd zu den vorangegangenen und nachfolgenden Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung auch wie in 5 dargestellt durch einen Sensor 40 und/oder durch eine Elektronik 42 erweitert werden. Dabei kann der Sensor 40 in der Lage sein, die Position wie zum Beispiel die Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 durch ein Sensorsignal auszugeben. Hierbei kann es sich um jedwede Art von Sensoren handeln, die entweder an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 angebracht sind, wie etwa Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungs-, Neigungs- oder Positionsaufnehmer respektive Piezosensoren, die im gleichen Herstellungsprozess wie die möglicherweise verwendeten Piezoaktuatoren realisiert werden können, oder die eine kontaktlose Positionserfassung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 vornehmen, das heißt, jenseits des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes angebracht sind, wie beispielsweise Laservibrometer oder Lasertriangulatoren. Eine möglicherweise eingesetzte Elektronik 42 kann das von dem Sensor 40 ausgegebene Signal verwenden, um die Ansteuerung der Aktautoren 14 zu beeinflussen oder zu übernehmen. So kann eine Steuerung, eine Regelkette oder eine aktive Kontrolle des schwingfähig aufgehängten optischen Elements ermöglicht werden, die möglicherweise einen Betrieb des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 in einer Resonanzfrequenz oder einen quasistatischen Betrieb vereinfacht.
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6 zeigt eine denkbare mögliche Verwendung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele in einem optischen Scanner. Die Figur zeigt eine Lichtquelle 44 deren Lichtausstoß 46 teilweise oder vollständig von der Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element z. B. reflektiv, transmittiv und/oder per Beugung oder Brechung umgelenkt und auf eine Projektionsfläche 48 gerichtet wird. Der Lichtausstoß 46 kann für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden, beispielsweise zum Bearbeiten der Projektionsfläche 48 im Sinne eines Werkstückes oder gemäß anderen Anwendungsmöglichkeiten zur Darstellung von Mustern oder Bildern. Der Lichtausstoß 46 kann weiterhin auch zum Abtasten oder Erfassen der Oberfläche der Projektionsfläche 48 genutzt werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 44 und/oder die Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 10 von einer Steuerung 50 angesteuert werden. Die Steuerung 50 kann dabei eine oder mehrere Aufgaben übernehmen. So kann sie beispielsweise dazu eingesetzt werden, eine Synchronisation zwischen einer eventuellen Modulation der Lichtintensität der Lichtquelle 44 und der Position und/oder der Schwingung oder Bewegung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 der Vorrichtung 10 zu übernehmen. So könnte die Steuerung 50 beispielsweise Signale mit gewünschten Lichtintensitätswerten, welche an der Projektionsfläche 48 dargestellt werden sollen, durch einen Signaleingang 52 erhalten.
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Ergänzend zu den vorangegangenen Ausführungsmöglichkeiten zeigt 7, dass es gemäß aller obigen Ausführungsbeispiele möglich ist, die Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element in Kombination mit einer Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung zu betreiben. Die Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung kann dazu genutzt werden, um den Fluidstrom 16 zu erzeugen, welcher die Anströmung des Aktuators 14 mit dem inhärenten Abtransport von auf dem schwingfähig aufgehängten optischen Element befindlicher Wärmemenge übernimmt. Dabei kann die die Vorrichtung 60 einen turbulenten oder laminaren Fluidstrom 16 erzeugen bzw. in dem Zusammenhang mit einer turbulenten oder laminaren Strömung verwendet werden. Wie beschrieben kann dieser Fluidstrom 16 dazu genutzt werden, das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 in Schwingung und/oder Bewegung zu versetzen. Der Fluidstrom kann bspw. dazu genutzt werden, einen quasistatischen Betrieb und/oder einen Schwingungsbetrieb z. B. eines Zeilenscanners oder eines Lissajous-Scanners zu ermöglichen. Auch kann der Fluidstrom 16 möglicherweise dazu genutzt werden, das schwingfähig aufgehängte optische Element in seiner Position zu halten. Soll das schwingfähig aufgehängte optische Element quasistatisch bewegt oder statisch in seiner Position gehalten werden, so kann beispielsweise eine laminare Strömung der Vorrichtung 60 zur Anströmung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes genutzt werden. Wird das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 hingegen in einem beispielsweise resonanten Schwingungsbetrieb bewegt, kann das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 mit einer turbulenten Strömung angeströmt werden, um Resonanzschwingungen anzuregen, oder aber auch mit einer laminaren Strömung. Die Vorrichtung 60 kann beispielsweise einen Rotor oder Propeller aufweisen.
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Daneben ist es denkbar, dass die Bewegung und Ausbreitung des Fluidstroms 16 durch eine oder mehrere weitere Vorrichtungen 54 gesteuert wird, die starr bzw. passiv angebracht sind und ausgebildet sind, um beispielsweise Druckverläufe und Strömungsgeschwindigkeiten zu beeinflussen oder möglicherweise eine Ausbreitung des Fluidstroms 16 in manche Bereiche zu verhindern. Unter Berücksichtigung dieser Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Vorrichtung 54 zur Beeinflussung des Fluidstroms 16 an manchen oder allen Stellen teilweise oder vollständig transparent auszugestalten, um eine Transmission des von einer Lichtquelle erzeugten Lichts 46 zu ermöglichen. Denkbar ist, dass es sich bei der Vorrichtung 54 um eine lichtdurchlässige Platte handelt, die oberhalb des Fluidstromes 16 angebracht ist, um eine Ausbreitung des Fluidstromes 16 nach oben zu verhindern.
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Weiterhin ist es denkbar, dass der Aktuator 14 zum Umlenken des Fluidstroms 16 an der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung angebracht ist, wie es beispielhaft und schematisch durch 8 gezeigt wird, oder sich zumindest stromabwärts relativ zum Düsenausgang der Vorrichtung 60 befindet. Auch hier ist der Aktuator analog zum Ausführungsbeispiel in 2 jenseits des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes angebracht. Eine Möglichkeit, zusätzliche Kühlwirkung an dem optischen Element 20 zu erhalten, ist es, mit der Vorrichtung 60 eine Fluidströmung 16 zu erzeugen, die innerhalb der Vorrichtung 60 gegenüber dem Umgebungsdruck einen höheren Druck aufweist, wobei der Druck möglicherweise abnimmt, sobald das Fluid die Vorrichtung 60 an einem Element 62, welches in der Lage ist, die Richtung des Fluidstromes 16 zu beeinflussen, verlassen hat. Das Element 62 kann möglicherweise in Form einer Düse umgesetzt sein. Durch diese Druckabnahme, die beispielsweise bei gasförmigen Fluiden in Form einer Dekompression oder Ausdehnung/Expansion erfolgen kann, besteht die Möglichkeit, dass sich das Fluid abkühlt und eine größere Wärmemenge von dem optischen Element abtransportieren kann.
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Ein Aktuator 14, hier beispielsweise jenseits des schwingfähig aufgehängten Elementes angebracht, kann derart genutzt werden, dass er in der Lage ist, die Austrittsrichtung des von der Vorrichtung 60 erzeugten Fluids direkt an der Austrittsstelle des Fluids 62 bzw. am Auftreffpunkt, der von dem Fluidstrom angeströmt wird, auf dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 zu ändern. Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit liegt in einem möglichen quasistatischen Betrieb des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12, wo möglicherweise keine dynamische Schwingung sondern eine über einen gewissen Zeitraum unveränderliche Position des schwingfähig aufgehängten Elementes erzeugt werden soll. Der auf das optische Element 20 auftreffende Fluidstrom 16 ermöglicht eine Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12, hier beispielhaft dargestellt als eine Auslenkung des optischen Elementes 20 um eine Drehachse 32 entlang eines Federelementes 22 aus der Ruhelage des optischen Elementes 20 heraus, wobei der Fluidstrom 16 während des Vorbeiströmens am schwingfähig aufgehängten optischen Element eine Kraft 28a und/oder 28b erzeugen kann. Wie gesagt sind andere Auslenkungen ebenfalls denkbar, wie z. B. translatorische oder Kippbewegungen. Der Abstand 64 zwischen der Austrittsöffnung des Elementes 62 der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung zum schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 kann dabei entsprechend der jeweiligen Anwendung so gewählt werden, dass ein eventueller Druckabfall entlang der Fließrichtung des Fluidstromes 16, der möglicherweise in einer Dekompression resultiert, derart genutzt werden kann, dass die abtransportierte Wärmemenge einen optimalen Umfang erreichen kann. Ein möglicher maximaler Abstand 64 könnte das Doppelte des größten Abstandes zweier Punkte des optischen Elementes 20 sein.
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Auch ist es denkbar und in Form eines Ausführungsbeispiels in 9 gezeigt, dass die Richtungsänderung des Fluidstromes 16 alternativ zum Ausführungsbeispiel in 8 derart erfolgen kann, dass eine möglicherweise in Form einer Stellklappe ausgebildete Vorrichtung 58 von einem Aktuator 14 derart justiert werden kann, dass durch diese Justierung eine Umlenkung des Fluidstromes 16 erfolgt, wohingegen die Vorrichtung 60 zur Erzeugung eines Fluidstromes 16 diesen möglicherweise mit einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck in Richtung der Stellvorrichtung 58 abgibt. Die Erzeugung des Druckes kann bspw. in Form einer Düse geschehen. Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit gegenüber der 8 könnte in einer reduzierten Komplexität der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung liegen. Der Abstand 64 bezeichnet in diesem Ausführungsbeispiel den Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung respektive einer an der Vorrichtung möglicherweise angebrachten Führung des Fluidstromes und dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12. Analog 8 kann der Abstand 64 dabei entsprechend der jeweiligen Anwendung so gewählt werden, dass ein eventueller Druckabfall entlang der Fließrichtung des Fluidstromes 16, der möglicherweise in einer Dekompression resultiert, derart genutzt werden kann, dass die abtransportierte Wärmemenge einen optimalen Umfang erreichen kann. Ein möglicher maximaler Abstand 64 könnte das Doppelte des größten Abstandes zweier Punkte des optischen Elementes 20 sein.
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Prinzipiell ist es für alle Ausführungsbeispiele denkbar, dass die Aktuatoren 14 als Piezoelemente ausgeführt sind. Auch jedwede andere Form der Ausbildung der Aktautoren 14 ist denkbar, beispielsweise in Form elektrostatischer oder elektrodynamischer Motoren oder anderen Elementen, die ansteuerbar sind, ihre Form zu ändern und somit den sie umströmenden Fluidstrom umzulenken. Insbesondere können die Aktuatoren 14 als Plasmaaktuatoren realisiert sein, die ausgebildet sind, keine Formänderung oder Bewegung auszuführen. In diesem Fall können die Aktuatoren 14 derart ausgebildet sein, dass eine Hochspannung zwischen zwei, von einem Dielektrikum beabstandeten, Elektroden benachbarte Gasschichten ionisiert, sodass ein schwach geladenes Plasma erzeugt wird, welches ausgebildet ist, mit der Fluidströmung 16 zu interagieren und sie abzulenken. Das Plasma ist ferner so ausgebildet, dass die durch die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und der Fluidströmung 16 entstehenden Kräfte eine Krafteinwirkung auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 bewirken, um es aus seiner Ruhelage auzulenken.
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Wird der Aktuator 14 als Plasmaaktuator ausgeführt und an der Stellvorrichtung 62 angeordnet, so ist denkbar, dass das Ausbilden eines Plasmas in variierendem Maße eine variierende Ablenkung des Fluidstromes 16 an der Stellvorrichtung 58 bewirkt, womit direkt die Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes beeinflusst werden kann.
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Ist hingegen der Aktuator 14 an der Stellvorrichtung 62 als Plasmaaktuator ausgeführt, so kann beispielsweise die Stellvorrichtung 62 unbeweglich ausgestaltet und der Aktuator 14 ausgebildet sein, durch ein variierend ausgebildetes Plasma eine Änderung der Strömung des Fluidstromes 16 innerhalb oder an der Stellvorrichtung 62 herbeizuführen. Der Aktuator 14 kann beispielsweise als Ringaktuator an einer Innenseite der Stellvorrichtung 62 oder der Vorrichtung 60 angeordnet sein.
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Obwohl in den meisten Ausführungsbeispielen zwei Aktuatoren 14 dargestellt wurden, ist prinzipiell jede andere Anzahl an Aktuatoren denkbar. So kann auch lediglich ein Aktuator verwendet werden oder eine Anzahl größer zwei.
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Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen stets von einer Verwendung eines Aktautors 14 ausgegangen wurde, ist es, wie in 10 dargestellt, ebenfalls denkbar, dass der von der Vorrichtung 60 erzeugte Fluidstrom 16 gleichzeitig das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 aus seiner Ruhelage bewegt, ohne dass analog zu den 1 und 2 ein Aktuator umströmt wird, indem ein An- und/oder Ausschalten bzw. eine Variation der Intensität der Fluidströmung direkt eine Auslenkung aus der Ruhelage bewirkt, oder sogar eine Schwingung.
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Obwohl die schwingfähig aufgehängten optischen Elemente 12 und 34 meist quadratisch dargestellt worden sind, sind auch andere, prinzipiell alle, Geometrien denkbar, beispielsweise eine runde, ovale, rechteckige, oder polygone Formen.
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Die 11a und 11b zeigen schematische Seitenschnittansichten einer Vorrichtung, deren, von der Vorrichtung umfasstes schwingfähig ausgehängte optische Element ausgebildet ist, durch Fluidströmungen ausgelenkt zu werden, wobei die Auslenkung durch die Geometrie des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes definiert wird, ohne dass ein Aktuator umströmt wird.
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11a zeigt eine Vorrichtung, bei der das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 zwei Hauptseiten umfasst, wobei die beiden Hauptseiten eine voneinander verschiedene laterale Ausdehnung aufweisen und wobei die in axialer Richtung dem Substrat 30 zugewandte Hauptseite eine geringere laterale Ausdehnung aufweist. Zwischen den Hauptseiten angeordnete Nebenseiten bilden zur in axialer Richtung dem Substrat 30 abgewandten Hauptseite Winkel α und β. Die dem Substrat 30 in axialer Richtung abgewandte Hauptseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes ist in axialer Richtung gegenüber einer Oberfläche 68a respektive 68b mit einem Abstand 72a respektive 72b derart versetzt, dass laterale Fluidströmungen 74a respektive 74b an den Oberflächen 68a respektive 68b entlang geführt werden können, und im weiteren jeweiligen lateralen Verlauf die Nebenseiten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes umströmen.
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Die Fluidströmung 74a bewirkt aufgrund der aerodynamische Effekte nutzenden Geometrie des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 ein auslenkendes Moment derart, dass die dem Substrat 30a zugewandte Nebenseite, welche den Winkel α umfasst, in axialer Richtung vom Substrat 30a wegbewegt wird und der Abstand 72a vergrößert wird. Die Fluidströmung 74b bewirkt bei Abwesenheit der Fluidströmung 74a hingegen, dass die dem Substrat 30b zugewandte Nebenseite mit dem Winkel β in axialer Richtung vom Substrat 30b wegbewegt wird und der Abstand 72b vergrößert wird.
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Umströmen beide laterale Fluidströmungen gleichzeitig das schwingfähig aufgehängte optische Element, so ist bezüglich des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 eine Bewegungsrichtung und Amplitude der Bewegung davon abhängig, welche Momente und Kräfte die Fluidströmungen an der jeweiligen Nebenseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 induzieren. Dabei können beispielsweise die Winkel α und β oder die Strömungsgeschwindigkeit der lateralen Fluidströmungen 74a und 74b von einander verschieden sein.
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11b zeigt eine zu 11a alternative Ausführungsform des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12, bei der die dem Substrat 30 in axialer Richtung abgewandte Hauptseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes eine kleinere laterale Ausdehnung als die dem Substrat 30 in axialer Richtung zugewandte Hauptseite umfasst. Winkel α' und β' sind größer als 90°. Die laterale Fluidströmung 74a lenkt das schwingfähig aufgehängte optische Element derart aus, dass sich der Abstand 72a zuerst verkleinert, ggf. zu Null wird, um sich unter Fortführung der Bewegung anschließend wieder zu vergrößern. Die in lateraler Richtung entgegengesetzt gerichtete laterale Fluidströmung 74b bewirkt eine Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes in die entgegengesetzte Richtung.
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Werden die lateralen Fluidströmungen 74a und 74b abwechselnd und mit einer Wechselfrequenz, die der Resonanzfrequenz des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 entspricht, zur Anströmung des optischen Elementes genutzt, so kann das schwingfähig aufgehängte optische Element dadurch in eine Resonanzschwingung versetzt werden. Werden die lateralen Fluidströmungen 74a und 74b in einer anderen Frequenz wechselnd zur Anströmung genutzt, so kann auch eine andere Frequenz der Verkippung des optischen Elementes erreicht werden.
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Obwohl, wie in 11a gezeigt, die Winkel α und β gleiche Winkel aufweisen können, womit das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 die Form eines symmetrischen Trapezes annimmt, ist ebenfalls vorstellbar, dass, wie in 11b gezeigt, die Winkel α' und β' voneinander verschiedene Winkel aufweisen. Bei betragsmäßig gleichem Energiegehalt der lateralen Fluidströmungen 74a und 74b lässt sich dadurch eine richtungsweise unterschiedliche Amplitude der Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes erreichen. Damit kann beispielsweise der Arbeitsbereich eines Mikrospiegels eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können bezüglich des Energiegehaltes voneinander verschiedene laterale Fluidströmungen 74a und 74b durch Justage der Winkel α und β respektive α' und β' derart kompensiert werden, dass trotz unterschiedlichen Energiegehalts eine in beiden Richtungen symmetrische Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes stattfindet.
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Zusätzlich kann das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 quasistatisch ausgelenkt werden, indem eine der beiden lateralen Fluidströmungen 74a oder 74b das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 dauerhaft anströmt und die jeweils andere laterale Fluidströmung 74a oder 74b zumindest betragsmäßig kleinere Auslenkungen, konstante hervorruft oder das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 zu einem Zeitpunkt nicht anströmt.
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Obwohl in den 11a und 11b die Winkel α und β respektive α' und β' stets von 90° verschiedene Winkel aufweisen, ist es ebenfalls denkbar, dass eine der beiden Winkel α oder β respektive α' oder β' einen Winkel von 90° aufweist. Dies ist insbesondere dann denkbar, wenn das schwingfähig aufgehängte optische Element nur in eine Richtung ausgelenkt werden soll und lediglich die Anströmung mit einer lateralen Fluidströmung 74a oder 74b erfolgt. Die unangeströmte Nebenseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 kann einen beliebigen Winkel, auch 90°, zu einer oder beiden Hauptseiten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 umfassen.
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Ebenfalls ist denkbar, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 derart bezüglich der Substrate 30a und 30b angeordnet ist, dass in einem Ruhezustand die Abstände 72a und 72b einen Wert von Null aufweisen. Alternativ können, wie in den 11 beschrieben, die Abstände 72a und 72b in einem Ruhezustand einen von Null verschiedenen Wert aufweisen.
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In anderen Worten beschreiben obige Ausführungsbeispiele ein neues Konzept für den Betrieb von Mikro- und Minispiegeln. Dabei erfolgt der Betrieb des Spiegels durch ein strömendes Gas, in der Regel gefilterte Druckluft, welches über das Bauelement strömt. Dadurch wird zum einen der Wärmeabtransport vom Spiegel drastisch gesteigert was wiederrum die Handhabung deutlich größerer Laserleistungen ermöglicht. Zum anderen treibt der Gasstrom den Spiegel an und versetzt den Spiegel durch die Einwirkung von Strömung in Schwingungen. Zwar kann der Mikrospiegel auf diese Weise direkt in seiner Eigenresonanz betrieben werden, jedoch erlaubt diese Konfiguration keine aktive Steuerung und Kontrolle der Spiegelposition.
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Hier können piezoelektrische Aktuatoren zur aktiven Beeinflussung des Gasstromes integriert werden. Diese Aktuatoren steuern den Spiegel nicht direkt, sondern manipulieren über kleine Strömungsklappen die Anströmung auf den Spiegel und sorgen so auf indirektem Weg für den Antrieb des Spiegels.
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Auf diesem Umweg können die wesentlich größeren Kräfte der Gasströmung genutzt werden, um den Spiegel anzutreiben. Ein Vorteil obiger Ausführungsbeispiele ist somit auch, dass Spiegel oder andere optische Elemente im Bereich von 10 mm und mehr hinreichend schnell und mit großer Amplitude betrieben werden können.
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Neben den Aktuatoren können auch Sensoren integriert werden, um die aktuelle Position des Spiegels zu erfassen und kontrollieren zu können. Dabei liegt es nahe, piezoelektrische Elemente sowohl zur Sensorik und auch zur Aktuatorik zu verwenden. Sensor-Piezos können im gleichen Herstellungsgang wie die piezoelektrischen Strömungsaktuatoren realisiert werden. Eine geeignete Elektronik kann das Signal der Sensoren auswerten und die Strömungsklappen ansteuern. Damit ist eine aktive Kontrolle der Lage des Spiegels möglich.
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Durch den Einsatz dieser Strömungsklappen können wie in 4 gezeigt auch zweiachsige Spiegelanordnungen betrieben werden. Dabei sind grundsätzlich Scanner vorstellbar wie etwa Rasterscanner oder Lissajous-Scanner.
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Obwohl in vorangehenden Ausführungen stets von Fluiden zur Bildung des Fluidstromes 16 gesprochen wurde, wurden die Formulierungen dabei meist mit Blick auf die Verwendung eines Gases genutzt, speziell um eine Dekompression jenseits einer der Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung möglicherweise beinhalteten Düse zu ermöglichen. Mögliche Gase wären beispielsweise gefilterte Druckluft oder Edelgase. Prinzipiell ist es jedoch denkbar, jegliche Fluidform zu nutzen, also bspw. auch flüssige Formen.
