DE102015103164B4 - Scanvorrichtung mit wenigstens einer eindimensional scannenden Scaneinheit - Google Patents

Abstract

Scanvorrichtung, enthaltend wenigstens eine Scaneinheit (0) zur eindimensionalen Ablenkung eines optischen Strahles mit einem Galvomotor (1) und einer Abtriebswelle (2), die eine Drehachse (2.1) verkörpert, einer mit der Abtriebswelle (2) verbundenen, um die Drehachse (2.1) drehbaren Ablenkeinheit (3) sowie einer mit dem Galvomotor (1) in Verbindung stehenden Steuereinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (3) eine zur Drehachse (2.1) fluchtend angeordnete Symmetrieachse (3.1) aufweist und durch einen Rahmen (4) und einen in diesem über zwei Torsionsfedern (5) gehaltenen Spiegel (6) gebildet ist, wobei die Torsionsfedern (5) auf der Symmetrieachse (3.1) angeordnet sind, sodass der Spiegel (6) durch eine zeitgleiche Auslenkung in einem quasistatischen Betriebsmodus mit der Drehachse (2.1) gegenüber einer Nullposition und in einem resonanten Betriebsmodus gegenüber der Drehachse (2.1) um einen resultierenden Auslenkwinkel (γ) auslenkbar ist.

Description

• Scanvorrichtungen werden insbesondere in optischen Geräten eingesetzt, in denen ein optischer Strahl ein- oder zweidimensional abgelenkt wird, um ein Objekt entweder eindimensional entlang einer Scanlinie in einer Scanrichtung oder zweidimensional innerhalb eines Scanfelds abzutasten. Bevorzugt erfolgt ein Abtasten eines Scanfeldes durch die Überlagerung einer Strahlablenkung in einer Scanrichtung (auch schnelle Scanrichtung genannt) mit einer Strahlablenkung in Richtung eines Vorschubes (auch langsame Scanrichtung oder Vorschubrichtung genannt) entlang zueinander leicht versetzter Scanlinien.
• In Abhängigkeit von den Anforderungen, die an die Scanvorrichtung gestellt werden, wie maximaler Auslenkwinkel und Frequenz der Ablenkbewegung, kommen hier insbesondere quasistatische Galvoscanner, Galvo-Resonanzscanner oder resonante Microscanner als Scaneinheiten zum Einsatz.
• Üblicherweise wird eine eindimensional scannende Scaneinheit alternativ entweder durch einen quasistatischen Galvoscanner, einen Galvo-Resonanzscanner oder einen resonanten Mikroscanner gebildet. Zum zweidimensionalen Scannen werden zwei solcher Scaneinheiten so zueinander angeordnet, dass deren Drehachsen senkrecht zueinander stehen. Im Falle der resonanten Mikroscanner kann ein einzelner resonanter Mikroscanner auch so ausgeführt sein, dass er ein zweidimensionales Scannen ermöglicht.
• Quasistatische Galvoscanner bestehen aus einem Galvomotor mit einer rotierbaren starren Abtriebswelle, auf der ein Planspiegel so angeordnet ist, dass dessen Flächennormale senkrecht zur Abtriebswelle steht. Die Abtriebswelle ist drehbar gelagert und fest mit einem Dauermagneten verbunden, der innerhalb einer stromdurchflossenen Spule angeordnet ist. Da die Winkelauslenkung der Abtriebswelle proportional zu einem durch die Spule fließenden Ansteuerstrom ist, kann der Galvomotor so angesteuert werden, dass der Planspiegel periodisch (dynamisch) oder aber nach einem frei wählbaren Zeitregime (statisch) ausgelenkt wird. Dabei kann die dynamische Winkelauslenkung von einer Nulllage aus erfolgen, bei der die Stromstärke gleich Null ist, oder aber nach statischer Winkelauslenkung von einer Offsetlage aus, bei der eine bestimmte mittlere Stromstärke anliegt und die Abtriebswelle gegenüber der Nulllage um einen Offsetwinkel verdreht ist.
• Die Offsetlage lässt sich auch zeitgleich während der dynamischen Winkelauslenkung durch eine Überlagerung mit einer statischen Winkelauslenkung verschieben.
• Damit ergibt sich die Möglichkeit, eine einzelne Scanlinie, bei einer eindimensionalen Abtastung, bzw. das Scanfeld, bei einer zweidimensionalen Abtastung, zu verschieben (Panning). Durch eine Aneinanderreihung mehrerer Scanfelder kann ein größerer Bereich bzw. können nur ausgewählte Bereiche eines Objektes abgetastet werden.
• Die Winkelauslenkung lässt sich zeitlich linear ansteuern, das heißt die Winkelgeschwindigkeit lässt sich so an den sich zeitlich ändernden Auslenkwinkel anpassen, dass das Objekt mit einer konstanten Aufenthaltsdauer pro Subbereich abgetastet wird.
• Bei einer Verwendung von quasistatischen Galvoscannern kann es nachteilig sein, dass eine periodische Auslenkung mit hohen Winkelauslenkungen und folglich hohen Amplituden nur bis zu einer Anregungsfrequenz von ca. 500 Hz möglich ist. Mit darüber hinaus zunehmend höherer Anregungsfrequenz wird der maximale Auslenkwinkel so gering, dass er für eine Strahlablenkung insbesondere entlang einer Scanlinie nicht mehr ausreichend ist.
• Wenn im Stand der Technik von einem Galvoscanner gesprochen wird, ist in der Regel von einem quasistatischen Galvoscanner die Rede, bei welchem ein Spiegel auf einer verwindungssteifen Achse sitzt, deren Winkelauslenkung der Verdrehung eines mit ihr koaxial verbundenen Dauermagneten entspricht.
• Bei einem Galvo-Resonanzscanner wird die Abtriebswelle des Galvomotors durch einen den Dauermagneten einschließenden Torsionsstab gebildet, der jeweils nahe am Dauermagneten gelagert ist. Angeregt durch das elektrische Wechselfeld des Galvomotors mit einer Anregungsfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der Torsionsstab-Spiegel-Baugruppe wird der Spiegel um eine Nulllage, gleich der Stellung der unausgelenkten Torsionsstäbe, sinusförmig ausgelenkt. Der Torsionsstab ist an zwei Stellen fixiert, diese Befestigungen sind symmetrisch zur Spule des Antriebs angeordnet. Da der Spiegel an dem einen freien Ende des Torsionsstabs und ein entsprechendes Gegengewicht am anderen freien Ende des Torsionsstabes angebracht sind, neigen der Spiegel und das Gegengewicht bei einer Amplitudenüberhöhung der Winkelauslenkung zu einer Kippbewegung aus der Drehachse der Abtriebswelle heraus. Schwingungstechnisch wirkt der Torsionsstab mit dem Dauermagneten wie ein mittig angetriebener Torsionsstab. Die Einkopplung der Antriebskraft erfolgt damit im Vergleich zu einer Einkopplung am Ende des Torsionsstabs sehr ineffizient, was vergleichsweise über eine höhere Resonanzüberhöhung ausgeglichen wird, womit der für die Anregung geeignete Frequenzbereich sehr schmal wird. Zwei solcher Galvo-Resonanzscanner zu einer zweidimensionalen Scanvorrichtung zu kombinieren, ist praktisch kaum möglich, da die Anregungsfrequenzen innerhalb der schmalen geeigneten Frequenzbereiche nicht aneinander anpassbar oder aufeinander abstimmbar sind. Aufgrund der notwendigen starken Resonanzüberhöhung werden diese Scanner häufig in Eigenresonanz angetrieben, somit exakt bei der Resonanzfrequenz betrieben. Weiterhin kann ein Zeilenvorschub mit einer Kombination aus zwei Galvo-Resonanzscannern nicht realisiert werden.
• Mikroscanner, resonante Mikroscanner oder MEMS-Scanner bzw. MOEMS-Scanner genannt, werden in der Regel im resonanten Betriebsmodus betrieben. Sie bestehen häufig aus einem Antrieb, einem Rahmen und einem Planspiegel, der gegenüber dem Rahmen mittels des Antriebs ausgelenkt werden kann. Um einen optischen Strahl eindimensional auslenken zu können, ist der Planspiegel um eine Drehachse gegenüber dem Rahmen auslenkbar, die z. B. durch zwei Torsionsfedern verkörpert wird, welche den Planspiegel mit dem Rahmen verbinden und über welche der Planspiegel im unausgelenkten Zustand der Torsionsfedern in einer Ebene des Rahmens liegt. Die zur Bewegung des Planspiegels erforderlichen Antriebskräfte können durch elektromagnetische, piezoelektrische, thermodynamische und am häufigsten durch elektrostatische Antriebe erzeugt werden. Sie alle regen alternativ den Resonanzscanner zu einer Schwingung um seinen unausgelenkten Zustand an und der statische Teil des Antriebs ist stets mit dem Rahmen verbunden. Es sind sehr hohe Winkelauslenkungen und damit Amplituden mit einem nur geringen Energieeintrag, insbesondere bei einem Betreiben im Bereich der Eigenresonanz, erzeugbar. Darüber hinaus sind resonante Mikroscanner vergleichsweise sehr klein und insbesondere bei einer Herstellung aus einem Stück - monolithische Bauweise - nahezu ohne Montageaufwand kostengünstig herstellbar.
• Als nachteilig kann sich ergeben, dass mit resonanten Mikroscannern kein Offsetwinkel einstellbar ist, dass heißt ein Verschieben (Panning) des Scanfeldes, wie es bei einem quasistatischen Galvoscanner über dessen Ansteuerung möglich ist, ist hier nicht möglich. Auch wird die Scanbewegung zwingend immer durch eine sinusförmige Winkelauslenkung bestimmt.
• Wie vorangestellt aufgezeigt, stellt ein quasistatischer Galvoscanner grundsätzlich eine eindimensionale Scanvorrichtung dar, während ein Mikroscanner praktisch sowohl als eine eindimensionale als auch eine zweidimensionale Scanvorrichtung ausgeführt sein kann.
• Die EP 1 628 155 A1 offenbart ein abtastendes Anzeigesystem, umfassend eine Mikrospiegeleinheit zur Bildung eines linearen Abtastbereichs durch Reflexion von einfallendem Licht, wobei die Mikrospiegeleinheit eine Rotation in zwei Richtungen ausführen kann. Das Anzeigesystem umfasst weiterhin einen galvanischen Spiegel zum Bilden eines zweidimensionalen Abtastbereichs durch Empfangen und Reflektieren des von der Mikrospiegeleinheit reflektierten Lichts, wobei der galvanische Spiegel eine Rotation in zwei Richtungen ausführen kann.
• Ein aus der US 2004 / 0263959 A1 bekanntes optisches Abbildungssystem für die makroskopische Abbildung eines Objekts umfasst eine Beleuchtungsquelle, die einen Lichtstrahl erzeugt, eine Abtastlinse, die eine Flüssigkeits-Immersions- Linse und zum Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Objektebene ausgelegt ist, einen Scanner zum Abtasten des Lichtstrahls in einem vorbestimmten Abtastmuster auf der Objektebene und einen Detektor, der so angeordnet ist, dass er Licht von der Objektebene empfängt. Das Abbildungssystem umfasst darüber hinaus eine Anzeige, um ein Signal von dem Detektor zu erzeugen.
• Die US 6 392 220 B1 offenbart eine monolithisch gefertigte Mikrostruktur, die einen Referenzrahmen mit einer dynamischen Platte oder einem zweiten Rahmen zur Drehung der Platte oder des zweiten Rahmens in Bezug auf den Referenzrahmen verbindet. Durch die Verbindung des Rahmens mit der Platte oder dem zweiten Rahmen soll die Leistung von Torsionsschwingern oder Scannern, die eine Mikrostruktur umfassen, gesteigert werden.
• In der DE 103 39 220 B4 ist ein Spiegel für eine Ablenkeinheit in einem Lasersystem beschrieben, bestehend aus einem flachen Spiegelsubstrat, welches aus Diamant besteht und zumindest auf einer Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist. Das Spiegelsubstrat ist aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Diamantsegmenten gebildet.
• Ein Mikrospiegel-Scanner mit einem inneren Aktuator und einem äußeren Aktuator ist aus der DE 10 2012 222 988 A1 bekannt. Der innere Aktuator und der äußere Aktuator bilden ein gekoppeltes Schwingungssystem und der äußere Aktuator wird von einem externen Antrieb angetrieben, dessen Antriebsfrequenz derart gewählt wird, dass ein Schwingkörper des inneren Aktuators mit einer seiner Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmode schwingt. Der Schwingkörper weist vorteilhaft zwei zueinander senkrechte Schwingungsachsen auf, sodass ein Laserstrahl mit dem Mikrospiegel-Scanner in zwei Dimensionen abgelenkt und gescannt werden kann.
• Aus der DE 10 2012 017 041 A1 ist eine Scanvorrichtung bekannt, bei der ein Galvoscanner und ein Mikroscanner so miteinander kombiniert werden, dass die Scanvorrichtung eine zweidimensionale Strahlführung erlaubt. Anstelle eines Planspiegels ist bei dieser Scanvorrichtung der Mikroscanner auf der Abtriebswelle des Galvomotors angebracht, wobei die Flächennormale des Planspiegels des Mikroscanners einen Winkel von ungleich 90°, bevorzugt 35° bis 60°, mit der Abtriebswelle des Galvomotors einschließt und die Drehachse des Mikroscanners orthogonal zur Abtriebswelle des Galvomotors steht. Die Strahlablenkung entlang einer ersten Richtung erfolgt durch die Auslenkung bzw. Verdrehung der Abtriebswelle des Galvomotors. Die Strahlablenkung in einer zweiten Richtung erfolgt durch die Auslenkung bzw. Verdrehung der Drehachse des Mikroscanners über den Antrieb des Mikroscanners. Als Vorteil der beschriebenen Scanvorrichtung ist in der vorgenannten DE 10 2012 017 041 A1 angegeben, dass im Vergleich zur Verwendung von zwei Galvomotoren keine zusätzliche Korrekturoptik erforderlich sei, da die Drehpunkte für die Strahlablenkung um die beiden Achsen zusammenfallen.
• Aus der JP 2005 017642 A ist ein konfokales Mikroskop bekannt, bei dem ein Laserstrahl über eine Probe zweidimensional durch einen ersten und einen zweiten Galvospiegel, die zueinander senkrecht angeordnete Drehachsen (dort Vibrationsachsen) aufweisen, gescannt wird. Bei einem der beiden Galvospiegel ist, vergleichbar mit der vorgenannten DE 10 2012 017 041 A1 , anstelle eines bei Galvoscannern üblichen Planspiegels ein Mikrospiegel mit einem eigenen Antrieb und mit einer um eine senkrecht zur Drehachse des Galvomotors vibrierbaren Achse offenbart.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Scanvorrichtung mit wenigstens einer eindimensional scannenden Scaneinheit zu schaffen, mit der mit einer hohen Anregungsfrequenz eine Scanzeile um eine gegenüber einer Nulllage verschiebbare Offsetlage abgetastet werden soll.
• Darüber hinaus soll mit einer solchen Scaneinheit sowohl eine schnelle sinusförmige Scanbewegung (resonanter Betriebsmodus) als auch eine langsame, frei wählbare Scanbewegung (quasistatischer Betriebsmodus) möglich sein.
• Die Aufgabe der Erfindung wird für eine Scanvorrichtung, enthaltend wenigstens eine Scaneinheit zur eindimensionalen Ablenkung eines optischen Strahles mit einem Galvomotor und einer Abtriebswelle, die eine Drehachse verkörpert, einer mit der Abtriebswelle verbundenen, um die Drehachse drehbaren Ablenkeinheit sowie einer mit dem Galvomotor in Verbindung stehenden Steuereinheit gelöst, wobei die Ablenkeinheit eine zur Drehachse wenigstens annähernd fluchtend angeordnete Symmetrieachse aufweist und durch einen Rahmen und einen in diesem über zwei Torsionsfedern gehaltenen Spiegel gebildet ist. Dabei sind die Torsionsfedern auf der Symmetrieachse angeordnet, wodurch der Spiegel durch eine zeitgleiche Auslenkung in einem quasistatischen Betriebsmodus mit der Drehachse gegenüber einer Nullposition und in einem resonanten Betriebsmodus gegenüber der Drehachse um einen resultierenden Auslenkwinkel auslenkbar ist.
• Es ist von Vorteil, wenn die Ablenkeinheit monolithisch aus einem Stück gefertigt ist.
• Die Verbindung zwischen der Abtriebswelle und der Ablenkeinheit ist vorteilhaft durch eine Halterung gegeben, an der Stützen ausgebildet sind, welche am Rahmen über dessen Höhe entlang der Symmetrieachse anliegen und diesen stabilisieren.
• Für eine geregelte Steuerung der Scanvorrichtung kann die wenigstens eine Scaneinheit einen Positionsdetektor zur Erfassung der Winkelposition des Spiegels, bestimmt durch den resultierenden Auslenkwinkel, aufweisen, der mit der Steuereinheit in Verbindung steht.
• Mit zwei dieser Scaneinheiten, deren Drehachsen in zueinander parallelen Ebenen orthogonal aufeinander stehend angeordnet sind, wird eine zweidimensionale Scanvorrichtung geschaffen.
• Vorteilhaft sind die Steuereinheiten der beiden Scaneinheiten so ausgelegt, dass die resultierenden Auslenkwinkel, die Phasen und die Frequenzen der Auslenkbewegungen der beiden Spiegel aneinander anpassbar sind.
• Besonders vorteilhaft kann die Scanvorrichtung in einem Laser-Scanning-Mikroskop, bevorzugt in einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop, verwendet werden.
• Ein ganz besonderer Vorteil ergibt sich für eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung mit zwei Scaneinheiten aus der Möglichkeit einer gleichzeitigen quasistatischen Ansteuerung, zur Bewirkung einer Auslenkbewegung in Vorschubrichtung durch beide Scaneinheiten, und resonanten Ansteuerung, zur Bewirkung einer Auslenkbewegung in Auslenkrichtung durch beide Scaneinheiten.
• Bei quasistatischer Ansteuerung erfolgt eine periodische Ansteuerung für die Anregung mit einer sogenannten Vorschubfrequenz, die zu einer Winkelauslenkung um einen quasistatischen resultierenden Auslenkwinkelanteil führt. Hierbei ist die periodische Winkelauslenkung vorzugsweise eine dreieckförmige oder sägezahnförmige Bewegung.
• Die resonante Ansteuerung erfolgt mit einer sogenannten Scanfrequenz, die zu einer Winkelauslenkung um einen resonanten resultierenden Auslenkwinkelanteil führt.
• Mit einer Überlagerung der Vorschubfrequenz und der Scanfrequenz ergibt sich der resultierende Auslenkwinkel als Summe des quasistatischen resultierenden Auslenkwinkelanteils und des resonanten resultierenden Auslenkwinkelanteils, wobei der quasistatische resultierende Auslenkwinkelanteil oder der resonante resultierende Auslenkwinkelanteil auch Null sein kann.
• Die Vorschubfrequenz ist bestimmend für die Bildaufnahmerate und die Scanfrequenz ist im Verhältnis zur Vorschubfrequenz bestimmend für die Anzahl der Scanlinien eines Scanfeldes.
• Durch die Überlagerung der Ablenkbewegungen beider Scaneinheiten kann bei gleichzeitiger resonanter Ansteuerung eine um einen beliebigen Winkel gegenüber einer der Auslenkrichtungen gedrehte Scanlinie abgetastet werden. Über die gleichzeitige quasistatische Ansteuerung beider Scaneinheiten können hierzu ein Vorschub und eine zweidimensional verschiebbare Offsetlage erzeugt werden. Somit kann mit nur zwei Scaneinheiten, die jeweils nur einen Antrieb und einen Spiegel aufweisen, ein Scanfeld abgetastet werden, welches innerhalb einer Scanebene verschoben und gedreht werden kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze einer Scanvorrichtung mit einer Scaneinheit,
• 2 eine Prinzipskizze einer Scanvorrichtung mit zwei Scaneinheiten,
• 3 eine perspektivische Ansicht einer Scaneinheit,
• 4 eine perspektivische Ansicht zweier zueinander angeordneter Scaneinheiten,
• 5a eine Halterung für eine Ablenkeinheit in Seitenansicht,
• 5b eine Halterung für eine Ablenkeinheit in Draufsicht,
• 6 die maximale Winkelauslenkung der Abtriebswelle eines Galvomotors als Funktion der Vorschubfrequenz,
• 7 die maximale Winkelauslenkung eines Spiegels einer über eine Achse mechanisch angeregten Ablenkeineinheit als Funktion der Scanfrequenz,
• 8 die maximale resultierende Winkelauslenkung des Spiegels einer erfindungsgemäßen Scaneinheit als Funktion der Anregungsfrequenz, die durch die Frequenzmodulation der Vorschubfrequenz mit der Scanfrequenz gebildet ist,
• 9 eine Darstellung der Entstehung einer der Scanzeilen eines gedrehten Scanfeldes,
• 10 eine Darstellung der Entstehung des Vorschubs eines gedrehten Scanfeldes und
• 11 eine Darstellung der Entstehung eines Scanfeldes, gebildet durch eine Vielzahl zueinander versetzter Scanlinien.
• Eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung umfasst eine Scaneinheit 0 für eine Ausführung als eindimensionale Scanvorrichtung, siehe 1, bzw. zwei gemäß dem Stand der Technik zueinander angeordnete Scaneinheiten 0 für eine Ausführung als zweidimensionale Scanvorrichtung, siehe 2. Die Scaneinheiten 0 sind jeweils mit einer Steuereinheit 8 verbunden und weisen vorteilhaft jeweils einen Positionsdetektor 9 auf, mit dem ein resultierender Auslenkwinkel γ eines Spiegels 6 der jeweiligen Scaneinheit 0 erfasst und als Regelgröße für die Steuereinheit 8 verwendet werden kann. Erfindungswesentlich für die Scanvorrichtung ist die prinzipielle Ausführung der Scaneinheit 0.
• Jeweils eine der Scaneinheiten 0, gezeigt in 3, enthält einen Galvomotor 1 mit einer Abtriebswelle 2, die eine Drehachse 2.1 verkörpert, sowie eine mit der Abtriebswelle 2 fest verbundene, um die Drehachse 2.1 drehbare Ablenkeinheit 3. Die Ablenkeinheit 3 ist durch einen Rahmen 4 und einen in diesem über zwei drehelastische Elemente, insbesondere Torsionsfedern 5, gehaltenen Spiegel 6 gebildet. Der Rahmen 4 weist eine mit der Drehachse 2.1 zusammenfallende Symmetrieachse 3.1 auf, entlang derer sich die beiden Torsionsfedern 5 erstrecken.
• Die Ablenkeinheit 3 stellt ein passives, drehbar schwingendes System, welches auch als resonanter Schwinger bezeichnet werden kann, dar. Sie kann aus diskret gefertigten Bauteilen montiert sein, ist jedoch vorteilhaft, wie bei Mikroscannern, die eine gleiche Ablenkeinheit aufweisen können, bekannt, monolithisch aus einem Stück gefertigt, z. B. aus Silizium. Letzteres erlaubt eine weitaus kostengünstigere Fertigung und ermöglicht ein quasi verschleißfreies Betreiben, da keine Reibung auftritt.
• Auch kann eine monolithische Ablenkeinheit 3 materialextensiver gefertigt werden. Sie ist damit vergleichsweise kompakter, leichter, bewirkt ein geringeres Trägheitsmoment und weist folglich eine höhere Resonanzfrequenz des Spiegels 6 auf.
• Die Verbindung zwischen der Abtriebswelle 2 und der Ablenkeinheit 3 ist vorteilhaft so ausgeführt, dass der Rahmen 4 möglichst großflächig fixiert ist. Insbesondere wenn die Ablenkeinheit 3 ein monolithisches Bauteil ist, welches für eine geringe Verwindungssteifigkeit der Torsionsfedern 5 zwischen dem Rahmen 4 und dem Spiegel 6 aus einem dünnen Flachmaterial bzw. Wafer, z. B. aus Silizium, Siliziumdioxid, Germanium, Beryllium, Stahl, Bronze oder einem III/V-Halbleiter, ausgeführt ist, muss vermieden werden, dass der Rahmen 4 in Schwingung gerät.
• In 4 ist eine Scanvorrichtung mit zwei Scaneinheiten 0 dargestellt. Die Symmetrieachsen 3.1 sind in zwei zueinander parallel liegenden Ebenen mit einem Abstand zueinander angeordnet und schließen einen rechten Winkel miteinander ein. Gleich gattungsgleichen Scanvorrichtungen des Standes der Technik ist der Winkelauslenkung jeweils einer der Spiegel 6 um einen resultierenden Auslenkwinkel γ jeweils eine senkrecht zur jeweiligen Drehachse 2.1 ausgerichtete Auslenkrichtung R zugeordnet. Das heißt ein auf den jeweiligen Spiegel 6 gerichteter, aus einer konstanten Richtung kommender optischer Strahl beschreibt während dessen Winkelauslenkung um einen resultierenden Auslenkwinkel γ eine Auslenkbewegung entlang einer Auslenkrichtung R. Zusätzlich kann zwischen den zwei Scanvorrichtungen eine Optik angeordnet sein, die so ausgeführt ist, dass die Spiegel 6 in optisch zueinander konjugierten Ebenen stehen, dass heißt dass die Spiegel 6 ineinander abgebildet werden. Damit wird der laterale Versatz des Strahls auf dem zweiten Spiegel korrigiert, der bei Änderung des Ablenkwinkels vom ersten Spiegel hervorgerufen wird.
• In den 5a und 5b ist eine vorteilhafte Halterung 7 gezeigt, die entweder am freien Ende der Abtriebswelle 2 ausgebildet oder dort fest angebracht ist. In den 3 und 4 wurde die Halterung 7 nicht dargestellt.
• Bei einer Ausbildung an der Abtriebswelle 2 wird die Halterung 7 geschaffen, indem deren freies Ende entlang deren Durchmessers mit einem Schlitz zur Aufnahme des Rahmens 4 versehen ist. Vorteilhaft ist der Schlitz so tief, dass der Rahmen 4 in seiner gesamten Höhe in Richtung der Symmetrieachse 3.1 von dem Schlitz eingeschlossen ist. Um dem im Rahmen 4 gehaltenen Spiegel 6 Bewegungsfreiheit zu geben, ist die Abtriebswelle 2 beidseitig des Schlitzes so geöffnet, dass lediglich an dem Rahmen 4 anliegende Stützen erhalten bleiben. Vorteilhaft befinden sich diese an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 4, sodass bei wechselnder Richtung eines auf die Ablenkeinheit 3 wirkenden Drehmomentes der Rahmen 4 immer auch an eine der Stützen angedrückt wird. Die Halterung 7 kann an einer abgesetzten Abtriebswelle 2, oder aber an einer Abtriebswelle 2 mit einem über deren Länge konstanten Durchmesser ausgebildet sein. Eine diskret ausgebildete Halterung 7 ist vorteilhaft aus einem Zylinderstück geschaffen, welches an einem seiner beiden Enden, gleich der beschriebenen Halterung 7, ausgebildet ist und an seinem anderen Ende vorteilhaft eine Aussparung aufweist, in welche das freie Ende der Abtriebswelle 2 eingeführt und drehsicher fixiert werden kann.
• Eine erfindungsgemäße Scaneinheit 0 vereint die Vorteile eines quasistatischen Galvoscanners mit denen eines resonanten Mikroscanners, wie sie eingangs erläutert wurden, und führt zu weiteren Vorteilen.
• In 6 ist eine Funktion des maximalen Auslenkwinkels α_max der Abtriebswelle 2 eines Galvomotors 1 in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt. Wie eingangs erläutert, verringert sich der maximale Auslenkwinkel α_max bereits bei einer Frequenz f von ca. 600 Hz und ist bei höheren Frequenzen f für eine Strahlablenkung insbesondere zur Erzeugung einer Scanlinie L nicht mehr geeignet.
• In 7 ist eine Funktion des maximalen Auslenkwinkels β_max des Spiegels 6 einer mechanisch um ihre Symmetrieachse 3.1 angeregten Ablenkeinheit 3 in Abhängigkeit von der Frequenz f, dargestellt, die hier zum besseren Verständnis der nachfolgend erläuterten Funktion des maximalen resultierenden Auslenkwinkels γ_max aufgezeigt wird. Diese Funktion entspricht nicht der eines Mikroscanners, bei dem der Antrieb grundsätzlich mit dem Rahmen 4 und nicht mit der Achse verbunden ist.
• 8 zeigt die Funktion des maximalen resultierenden Auslenkwinkels γ_max für eine erfindungsgemäße Scaneinheit 0, der sich aus dem Produkt des maximalen Auslenkwinkels α_max der Abtriebswelle 2 des Galvomotors 1 nach 6 und des maximalen Auslenkwinkels β_max des Spiegels 6 einer mechanisch angeregten Ablenkeinheit 3 nach 7 ergibt. Es ergeben sich für niedere Frequenzen f bis ca. 600 Hz und für hohe Frequenzen f, je nach Trägheitsmoment des Spiegels 6, im Bereich zwischen 6.000 und 20.000 Hz hohe maximale resultierende Auslenkwinkel γ_max.
• Die Scaneinheiten 0 können somit jeweils in einem für quasistatisch üblichen Frequenzbereich (statischer Betriebsmodus) von kleiner 4,5 kHz angesteuert werden, wobei die Winkelauslenkung für die Ablenkbewegung in der jeweiligen Auslenkrichtung R entweder um eine Nulllage oder um eine Offsetlage erzeugt wird, die höchstens geringfügig über der Winkelauslenkung eines herkömmlichen quasistatischen Galvoscanners bei gleicher Frequenz f liegt. Der Spiegel 6 der Ablenkeinheit 3 folgt dieser Frequenz f wenigstens nahezu aufgrund seines Trägheitsmomentes. Mittels einer mit dem Galvomotor 1 verbundenen Steuereinheit 8 kann die Ansteuerung nach einem frei wählbaren Zeitregime oder vorteilhaft so, dass sich der Spiegel 6 der Ablenkeinheit 3 mit einer Dreiecks- oder Sägezahnform bewegt, erfolgen. Dabei ist die Geschwindigkeit im überwiegenden Teil der Bewegung konstant. Grundsätzlich kann mit jeder der Scaneinheiten 0 einzeln eine Auslenkbewegung für ein Offset, die Vorschubbewegung oder die Scanbewegung erzeugt werden.
• Wird die Vorschubbewegung mit der einen und die Scanbewegung mit der anderen Scaneinheit 0 bewirkt, entsteht eine Vielzahl von Scanlinien L, die einen nur sehr geringen Winkel mit der Auslenkrichtung R der Scaneinheit 0 einschließen, welche die Scanbewegung ausführt. Ein damit beschriebenes Scanfeld F ist begrenzt durch gedachte Geraden, die parallel zu den senkrecht aufeinander stehenden Auslenkrichtungen R stehen.
• Dadurch, dass mit jeder Scaneinheit auch zeitgleich die Vorschubbewegung und die Scanbewegung ausgeführt werden kann, können durch die Überlagerung der Ablenkbewegungen in beide Auslenkrichtungen R das Offset, die Vorschubbewegung und auch die Scanbewegung durch eine Überlagerung von Ablenkbewegungen realisiert werden.
• Das heißt, im Unterschied zu herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Scaneinheiten, bei denen mit einer von zwei Scaneinheiten in einer Auslenkrichtung (langsame Scanrichtung) der Vorschub und mit der anderen von zwei Scaneinheiten in der anderen Auslenkrichtung (schnelle Scanrichtung) die eigentliche Scanbewegung ausgeführt wird, können hier die eigentliche Scanbewegung und der Vorschub V sowie ein Offset über beide Scaneinheiten 0 nicht nur alternativ sondern auch zeitgleich durch Überlagerung der Ablenkbewegungen ausgeführt werden. Das ermöglicht das Abtasten eines beliebig in einer Scanebene liegenden, also nicht nur über ein Offest verschobenen sondern auch gedrehten Scanfeldes F.
• Die Scaneinheit 0 kann in einem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz der Ablenkeinheit 3 mit einer nachfolgend sogenannten Scanfrequenz sinusförmig angeregt werden (resonanter Betriebsmodus). Dieser liegt üblicherweise bei einer Frequenz f zwischen 7 bis 24 kHz. Der Antrieb der Ablenkeinheit 3 erfolgt auch hierbei über die Abtriebswelle 2 des Galvomotors 1. Im Vergleich zu bekannten Mikroscannern, die eine gleichartige Ablenkeinheit 3 aufweisen, ist es zum einen von Vorteil, dass zu der Ablenkeinheit 3 keine elektrischen Verbindungen bestehen und diese auch leichter ist, da an der Ablenkeinheit 3 kein eigenständiger Antrieb und keine Steuereinheit 8 vorhanden sind. Die Resonanzfrequenz um die Mittelachse einer Torsionsfeder 5 setzt sich aus deren Steifigkeit und dem Trägheitsmoment des Spiegels 6 zusammen. Im resonanten Betriebsmodus wird der maximale Auslenkwinkel α_max der Abtriebswelle 2 durch die Resonanzüberhöhung der Ablenkeinheit 3 um einen Faktor von 50 bis zu 5.000 verstärkt, so dass der Spiegel 6 mit einem maximalen resultierenden Auslenkwinkel γ_max schwingt, wie sie ein herkömmlicher Galvoscanner maximal in einem Frequenzbereich bis zu 600 Hz erreicht.
• Es ist außerdem möglich, den Galvomotor 1 im resonanten Betriebsmodus über die Steuereinheit 8 geregelt so anzusteuern, dass dieser auch in einem die freie Resonanzfrequenz (auch Eigenfrequenz genannt) der Scaneinheit 0 ausschließenden Frequenzbereich angeregt werden kann. Die Ablenkeinheit 3 wird dann als getriebener Oszillator betrieben, womit die Resonanzfrequenz abweichend von der freien Resonanzfrequenz geändert werden kann. Damit können im resonanten Betriebsmodus die Scanfrequenzen der beiden Scaneinheiten 0 aufeinander abgestimmt werden.
• Im Unterschied hierzu besitzen resonante Microscanner nicht die notwendige Antriebsleistung, um den Betrieb bei nennenswertem Frequenzabstand zur Resonanzfrequenz zu ermöglichen. Durch deren elektrostatisches Antriebsprinzip erfolgt die Ansteuerung mit einer Rechteckfunktion. Damit lässt sich die Frequenz f nur geringfügig und nur zu hohen Frequenzen f variieren. Bei resonanten Galvoscannern reicht aufgrund des mechanischen Aufbaus die Antriebsleistung ebenfalls nicht aus, um diese abseits der Resonanzfrequenz zu betreiben. Diese werden üblicherweise durch einen Schwingkreis in Eigenresonanz betrieben (exakt bei der Resonanzfrequenz).
• Da die Scaneinheit 0 nicht zwingend um ihre Nulllage schwingen muss, sondern ebenso um eine beliebige Offsetlage schwingen kann, kann im resonanten Betriebsmodus eine sehr hohe Scanfrequenz auch um eine beliebige Offsetlage erreicht werden, was mit einem resonanten Mikroscanner nicht möglich ist. Es kann so die Lage der Scanlinie L verschoben werden, womit größere Objekte abgescannt bzw. ausgewählte Bereiche eines Objektes abgescannt werden können.
• In 9 ist die Entstehung einer der Scanzeilen eines gedrehten Scanfeldes F dargestellt. Wie bereits erläutert, sind beide Scaneinheiten 0 aufeinander so abgestimmt, dass die Spiegel 6 mit gleicher Scanfrequenz resonant schwingen. Mit einer gleichen Antriebsleistung angesteuert und folglich mit einem gleichen resonanten resultierenden Auslenkwinkelanteil γ_r schwingend würde die ergebende Scanlinie L einen Winkel von jeweils 45° mit den beiden Auslenkrichtungen R einschließen. Im dargestellten Beispiel sind die resonanten resultierenden Auslenkwinkelanteile γ_r aufgrund unterschiedlicher Antriebsleistungen unterschiedlich.
• Zeitgleich wird, wie in 10 dargestellt, über eine Ansteuerung im quasistatischen Modus mit einer Vorschubfrequenz für beide Scaneinheiten 0 die Winkellage, um die die Scaneinheit 0 resonant schwingt, (das kann die Nulllage oder eine Offsetlage sein) verschoben, womit der Vorschub V, bestimmt durch einen quasistatischen resultierenden Auslenkwinkelanteil γ_q realisiert wird. In Abhängigkeit von der Lage der Scanlinie L wird der Vorschub V hierzu senkrecht eingestellt.
• 11 zeigt für die beiden Scaneinheiten 0 die Überlagerung der Ablenkbewegungen mit der Vorschubfrequenz im resonanten und mit der Scanfrequenz im quasistatischen Betriebsmodus, die zu einer Vielzahl von zueinander geringfügig versetzten Scanlinien L führt, die gemeinsam ein Scanfeld F beschreiben. Die Anregungsfrequenz ergibt sich entsprechend durch eine Frequenzüberlagerung und stellt eine frequenzmodulierte Frequenz dar.
• Wie bereits erläutert, kann die Scaneinheit 0 auch alternativ betrieben werden. Das führt gegenüber der Anschaffung eines herkömmlichen quasistatischen Galvoscanners und eines herkömmlichen resonanten Mikroscanners nicht nur zu einem Preisvorteil sondern auch zu einer flexibleren Einsetzbarkeit der Scaneinheit 0.
• Dass auch im resonanten Betriebsmodus eine Ablenkbewegung um ein Offset möglich ist, ist ein echter technischer Vorteil gegenüber einem resonanten Mikroscanner, der grundsätzlich nur um seine Nulllage ausgelenkt werden kann.
• Neben einer sinusförmigen Anregung in Resonanz oder im quasistatischen Betriebsmodus können die Scaneinheiten 0 auch für die Ausführung einer frei wählbaren Ablenkbewegung angesteuert werden. Hierbei ist die Ablenkbewegung in den Offset, den Zeilenvorschub und die eigentliche Scanbewegung zerlegt.
• Bezugszeichenliste

0

Scaneinheit

1

Galvomotor

2

Abtriebswelle

2.1

Drehachse

3

Ablenkeinheit

3.1

Symmetrieachse

4

Rahmen

5

Torsionsfeder

6

Spiegel

7

Halterung

8

Steuereinheit

9

Positionsdetektor

L

Scanlinie

F

Scanfeld

V

Vorschub

R

Auslenkrichtung (einer der Scaneinheiten 0)

α

Auslenkwinkel (der Abtriebswelle 2)

αmax

maximaler Auslenkwinkel (der Abtriebswelle 2)

β

Auslenkwinkel (eines mechanisch angeregten Spiegels 6)

βmax

maximaler Auslenkwinkel (eines mechanisch angeregten Spiegels 6)

γ

resultierender Auslenkwinkel (des Spiegels 6)

γmax

maximaler resultierender Auslenkwinkel (des Spiegels 6)

γq

quasistatischer resultierender Auslenkwinkelanteil

γr

resonanter resultierender Auslenkwinkelanteil

f

Frequenz

Claims (7)

1. Scanvorrichtung, enthaltend wenigstens eine Scaneinheit (0) zur eindimensionalen Ablenkung eines optischen Strahles mit einem Galvomotor (1) und einer Abtriebswelle (2), die eine Drehachse (2.1) verkörpert, einer mit der Abtriebswelle (2) verbundenen, um die Drehachse (2.1) drehbaren Ablenkeinheit (3) sowie einer mit dem Galvomotor (1) in Verbindung stehenden Steuereinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (3) eine zur Drehachse (2.1) fluchtend angeordnete Symmetrieachse (3.1) aufweist und durch einen Rahmen (4) und einen in diesem über zwei Torsionsfedern (5) gehaltenen Spiegel (6) gebildet ist, wobei die Torsionsfedern (5) auf der Symmetrieachse (3.1) angeordnet sind, sodass der Spiegel (6) durch eine zeitgleiche Auslenkung in einem quasistatischen Betriebsmodus mit der Drehachse (2.1) gegenüber einer Nullposition und in einem resonanten Betriebsmodus gegenüber der Drehachse (2.1) um einen resultierenden Auslenkwinkel (γ) auslenkbar ist.
2. Scanvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (3) monolithisch aus einem Stück gefertigt ist.
3. Scanvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Abtriebswelle (2) und der Ablenkeinheit (3) durch eine Halterung (7) gegeben ist, an der Stützen ausgebildet sind, welche am Rahmen (4) über dessen Höhe entlang der Symmetrieachse (3.1) anliegen und diesen stabilisieren.
4. Scanvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Scaneinheit (0) einen Positionsdetektor (9) zur Erfassung der Winkelposition des Spiegels (6), bestimmt durch den resultierenden Auslenkwinkel (γ), aufweist und die Steuereinheit (8) mit dem Positionsdetektor (9) in Verbindung steht.
5. Scanvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dieser Scaneinheiten (0) vorhanden sind, deren Drehachsen (2.1) in zueinander parallelen Ebenen orthogonal aufeinander stehend angeordnet sind, womit eine zweidimensionale Scanvorrichtung geschaffen ist.
6. Scanvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (8) der beiden Scaneinheiten (0) so ausgelegt sind, dass die resultierenden Auslenkwinkel (γ), die Phasen und die Frequenzen (f) der Auslenkbewegungen der beiden Spiegel (6) aneinander anpassbar sind.
7. Scanvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung in einem Laser-Scanning-Mikroskop verwendet wird.

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