DE102016111531A1

DE102016111531A1 - Optischer Scanner

Info

Publication number: DE102016111531A1
Application number: DE102016111531.2A
Authority: DE
Inventors: Cristian Tulea; Lazar Bochvarov; Achim Lenenbach; Georg Meineke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: WO2017220510A1; DE102016111531B4; EP3475754A1

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen optischer Scanner (100) zum Ablenken eines Strahls, der ein Spiegelelement (110) mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Vorderseite ausgebildet ist, um den Strahl abzulenken, einen ersten Rahmen (130), der bezogen auf einen zweiten Rahmen (140) um eine Drehachse (150) wenigstens verschwenkbar ist, der mit dem Spiegelelement (110) mechanisch gekoppelt ist und eine Ausnehmung (170) aufweist, und eine Lorentzkraft-Antriebseinheit (180) aufweist, die teilweise in der Ausnehmung (170) des ersten Rahmens (130) angeordnet und ausgebildet ist, um ein Drehmoment auf den ersten Rahmen (130) bezogen auf die Drehachse (150) auszuüben, wobei der Scanner (100) ausgebildet ist, um einem Sensor (420) einen unmittelbaren Zugriff auf wenigstens einen Teil der Rückseite des Spiegelelements (110) zu ermöglichen. Hierdurch kann es möglich sein, einen Kompromiss eines optischen Scanners (100) hinsichtlich der erzielbaren Scangeschwindigkeit, des durch diesen ablenkbaren Strahldurchmessers, seiner Genauigkeit, seiner Stabilität, der erzielbaren Ablenkwinkel sowie des benötigten Bauraums zu verbessern.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele befassen sich mit einem optischen Scanner und einem optischen Scannersystem, wie sie beispielsweise zur gezielten Ablenkung elektromagnetischer Strahlen verwendet werden können.
Hintergrund
In vielen Gebieten der Technik besteht ein Bedarf daran, Laserstrahlen oder auch andere elektromagnetische Strahlen kontrolliert abzulenken. Hierzu zählt unter anderem die Materialbearbeitung, bei der mit entsprechend hochenergetischer Strahlung beispielsweise mittels eines gesteuerten Laserstrahls Materialien geschnitten oder verschweißt werden können. Ebenso werden entsprechende optische Scanner bei der Beschriftung oder Gravur von Werkstücken eingesetzt. Aber auch in anderen Fertigungsverfahren besteht beispielsweise zur Ausrichtung, Vermessung oder anderer Zwecke die Notwendigkeit, einen elektromagnetischen Strahl gezielt und kontrolliert veränderbar abzulenken. Andere Beispiele entsprechender Anwendungen kommen beispielsweise aus der Medizintechnik, wo mit Hilfe der Lasertherapie oder auch -chirurgie Patienten behandelt werden können. Darüber hinaus werden optische Scanner auch in der Messtechnik eingesetzt, um beispielsweise eine Oberflächenbeschaffenheit oder auch Abstände von unterschiedlichen Objekten zu bestimmen, um nur einige Beispiele zu nennen. Optische Scanner werden so häufig in Gebieten der Technik eingesetzt, bei denen eindimensionale oder auch zweidimensionale Muster auf ein Werkstück, ein Objekt oder eine andere entsprechende Struktur übertragen werden muss.
Optische Scanner sind hierbei stark unterschiedlichen Randbedingungen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, ihrer Betriebssicherheit und auch ihrer Stabilität unterworfen. So kann es beispielsweise erstrebenswert sein, eine hohe Scangeschwindigkeit zu ermöglichen, um so auch großflächigere und komplexere Muster gezielt ansteuern zu können. Häufig ist es hierbei erstrebenswert, dies mit einer möglichst hohen Genauigkeit zu ermöglichen, was beispielsweise durch das mechanische System negativ beeinflusst werden kann, jedoch auch durch die Qualität der optischen Komponenten. So kann es beispielsweise im Bereich der optischen Komponenten aufgrund mechanischer Vibrationen oder anderer auftretender Kräfte dazu kommen, dass diese dynamischen Verzerrungen unterworfen sind. Ebenso kann es gegebenenfalls passieren, dass die optischen Komponenten bei beispielsweise besonders stark belasteten Komponenten bei einer ungünstigen Auslegung bereits eine statistische Verzerrung des abzulenkenden Strahls hervorrufen. Je nach Anwendung kann es darüber hinaus interessant sein, vergleichsweise große Strahldurchmesser mit Hilfe des entsprechenden optischen Scanners ablenken zu können. Ebenso kann hier ein möglichst großer optischer Ablenkwinkel erstrebenswert sein. Aufgrund der oben bereits beschriebenen, großen Anzahl unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete kann es darüber hinaus ratsam sein, den optischen Scanner hierbei möglichst mechanisch stabil auszulegen, sodass dieser auch unter ungünstigeren Betriebsbedingungen sicher handzuhaben ist. Hierbei kann es ferner erstrebenswert sein, den Bauraum eines solchen optischen Scanners möglichst klein zu halten.
Viele von diesen angestrebten Eigenschaften eines optischen Scanners führen konventionell zu unterschiedlichen, anderen Entwicklungszielen widersprechenden Lösungen. Um beispielsweise eine höhere mechanische Stabilität zu erzielen, wird konventionell eine mechanisch stabilere Auslegung des optischen Scanners implementiert. Diese geht jedoch mit einem Massezuwachs einher, der wiederum auf die Scangeschwindigkeit und die Genauigkeit einen negativen Einfluss nehmen kann.
Die US 6,982,504 B2 beschreibt beispielsweise einen Galvanometermotor mit einer zusammengesetzten Statoranordnung. Die US 5,430,666 beschreibt ein automatisiertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration eines Laserscanners in einer Lasersintervorrichtung zur selektiven Bestrahlung. Die DE 10 2006 036 499 B4 beschreibt ein mikromechanisches Bauelement, das ebenso wie der optische Abtastspiegel in dem Dokument EP 2 128 681 A1 auf einer Halbleiter-basierten Implementierung beruht. Die WO 2004/061904 A2 beschreibt eine verdrehbar aufgehängte Vorrichtung mit Unterstützungsankern, mit dessen Hilfe beispielsweise spiegelnde Oberflächen aufgehängt werden können. Die US 5,606,477 beschreibt ein viskoelastisch gedämpftes Schlittenaufhängungssystem, welches beispielsweise in der magnetischen Aufzeichnungstechnik bei Festplatten oder anderen Massenspeichern eingesetzt werden kann. Die ID 694 32 250 T2 beschreibt einen planaren Galvanospiegel und dessen Herstellungsverfahren. Die US 7,391,222 B2 beschreibt schließlich einen Deflektor und die US 2012/0194891 A1 eine optische Strahlkontrolle basierend auf einer federnd gelagerten Anordnung.
Zusammenfassung
Es besteht somit ein Bedarf daran, einen Kompromiss eines optischen Scanners hinsichtlich der erzielbaren Scangeschwindigkeit, des durch diesen ablenkbaren Strahldurchmessers, seiner Genauigkeit, seiner Stabilität, der erzielbaren Ablenkwinkel sowie des benötigten Bauraums zu verbessern.
Diesem Bedarf tragen ein optischer Scanner gemäß Patentanspruch 1 Rechnung.
Ein optischer Scanner zum Ablenken eines Strahls gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Spiegelelement mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Vorderseite ausgebildet ist, um den Strahl abzulenken, einen ersten Rahmen, der bezogen auf einen zweiten Rahmen um eine Drehachse wenigstens verschwenkbar ist, der mit dem Spiegelelement mechanisch gekoppelt ist und eine Ausnehmung aufweist, sowie eine Lorentzkraft-Antriebseinheit, die teilweise in der Ausnehmung des ersten Rahmens angeordnet und ausgebildet ist, um ein Drehmoment auf den ersten Rahmen bezogen auf die Drehachse auszuüben, wobei der Scanner ausgebildet ist, um einem Sensor einen unmittelbaren Zugriff auf wenigstens einen Teil der Rückseite des Spiegelelements zu ermöglichen.
Durch den Einsatz eines solchen optischen Scanners kann es möglich sein, den vorgenannten Kompromiss hinsichtlich der erzielbaren Scangeschwindigkeit, des durch den optischen Scanner ablenkbaren Strahldurchmessers, seiner Genauigkeit, der Stabilität, des erzielbaren Ablenkwinkels sowie des benötigten Bauraums dadurch zu verbessern, dass durch die wenigstens teilweise Anordnung der Lorentzkraft-Antriebseinheit in der Ausnehmung des ersten Rahmens die auf den ersten Rahmen ausübbaren Kräfte verstärkt werden können, sodass entsprechend auch höhere Drehmomente auf den ersten Rahmen und damit das Spiegelelement einwirkbar sind. Hierdurch können die dynamischen Eigenschaften des optischen Systems verbessert werden, eine mechanisch stabilere Implementierung des optischen Scanners gewählt werden oder ein Kompromiss hinsichtlich dieser und anderer Aspekte verbessert werden.
Eine Lorentzkraft-Antriebseinheit ist hierbei eine Antriebseinheit, bei der die zum Antrieb notwendigen Kräfte und Drehmomente auf Basis der Lorentzkraft erzeugt werden. Fließt ein Strom durch einen Leiter, der sich in einem Magnetfeld einer bestimmten magnetischen Flussdichte befindet, so wirkt die Lorentzkraft auf diesen mit einer Stärke, die proportional zu der Stromstärke des Stroms, der magnetischen Flussdichte und dem Sinus des Winkels zwischen der Richtung des Stroms und der Richtung des magnetischen Felds ist. Die Lorentzkraft steht hierbei sowohl auf dem Magnetfeld wie auch auf der Richtung des Stroms senkrecht.
Hierbei umfasst die Möglichkeit der Verschwenkbarkeit neben einer reinen Verschwenkbarkeit um bis zu einem maximalen Drehwinkel ebenfalls auch eine vollständige Drehbarkeit, also eine Rotation um 360°.
Die Vorderseite des Spiegelelements ist hierbei typischerweise ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Frequenz oder eines Frequenzbands zu reflektieren. Der Strahl umfasst so die entsprechende elektromagnetische Strahlung, die hierbei kohärent, teilkohärent oder inkohärent sein kann. Sie kann ferner beispielsweise dem infraroten, dem sichtbaren oder auch dem ultravioletten Spektrum angehören. Ein Strahl kann hierbei wenigstens eine gewisse Ausrichtung aufweisen, also wenigstens teilweise, wenn nicht sogar vollständig gerichtet sein. Die Vorderseite des Spiegelelements wird so auch als Spiegeloberfläche oder als Spiegelfläche bezeichnet.
Sowohl die Vorderseite wie auch die Rückseite des Spiegelelements stellen hierbei Oberflächen, also äußere Begrenzungsflächen des Spiegelelements dar. Unabhängig voneinander können die Vorderseite und die Rückseite, die beispielsweise bei einer flachen Ausgestaltung des Spiegelelements einander gegenüber liegen können, vollständige, teilweise oder auch eine rein diffuse Reflexion in dem oder den betreffenden spektralen Bereichen gemäß dem Brechungsgesetz bewirken. Gerade bei der Vorderseite kann eine möglichst gute Reflexionsgüte gemäß dem Reflexionsgesetz sinnvoll sein, um eine möglichst genaue Ablenkung und damit eine hohe Ablenkungsgüte zu erreichen. Je nach eingesetztem Sensorkonzept kann dies ebenfalls für die Rückseite des Spiegelelements gelten.
Das Spiegelelement kann beispielsweise dem Reflexionsgesetz folgend einen reflektierten bzw. ausfallenden Strahl unter einem Winkel senkrecht zu einer Oberfläche des Spiegelelements reflektieren, der dem Winkel des einfallenden Strahls bezüglich der Senkrechten auf dem Spiegelelement entspricht. Das Spiegelelement kann so beispielsweise ein metallisches Spiegelelement umfassen, bei dem beispielsweise an seiner Oberfläche eine entsprechende reflektierende Metallschicht angeordnet ist, die beispielsweise aus Gold oder einem anderen entsprechenden Material bestehen kann. Ebenso kann es sich bei dem Spiegelelement jedoch auch um ein dielektrisches Spiegelelement handeln oder ein solches umfassen, bei dem beispielsweise durch eine entsprechende Anordnung dielektrischer Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Bragg-Spiegel gebildet werden kann.
Ein metallischer Werkstoff kann beispielsweise ein Metall, das selbstverständlich herstellungsbedingt Verunreinigungen umfassen kann, oder eine Metalllegierung sein. Metalllegierungen umfassen typsicherweise wenigstens eine weitere Legierungskomponente neben einer metallischen Legierungskomponente, also beispielsweise einem metallischen Element. Die weitere Legierungskomponente kann beispielsweise wiederum ein Metall oder metallisches Element, jedoch auch ein nichtmetallischer Werkstoff oder nichtmetallisches Element sein, also beispielsweise Kohlenstoff, wie er bei Stahl verwendet wird. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Legierungskomponenten verwendet werden, wie dies beispielsweise im Stahlbereich üblich ist. Auch im Falle von Metalllegierungen kann ferner eine Faserverstärkung implementiert werden. Es können jedoch so auch andere Komponenten einem solchen Werkstoff beigefügt werden, etwa in Form von Fasern, also beispielsweise Kohlefasern oder Glasfasern, Mineralien oder Füllstoffen, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Selbstverständlich können all diese Materialien darüber hinaus Verunreinigungen aufweisen. Beispiele für eine Legierung stellen so Stahl und Messung dar.
Eine kraftschlüssige oder reibschlüssige Verbindung kommt durch Haftreibung, eine stoffschlüssige Verbindung durch molekulare oder atomare Wechselwirkungen und Kräfte und eine formschlüssige Verbindung durch eine geometrische Verbindung der betreffenden Verbindungspartner zustande. Die Haftreibung setzt somit im Allgemeinen eine Normalkraftkomponente zwischen den beiden Verbindungspartnern voraus.
Eine mechanische Kopplung zweier Komponenten umfasst sowohl eine unmittelbare, wie auch eine mittelbare Kopplung, also beispielsweise eine Kopplung über eine weitere Struktur, ein weiteres Objekt oder eine weitere Komponente.
Optional kann ein solcher optischer Scanner ferner den Sensor umfassen, wobei der Sensor ein kapazitiver Sensor sein kann, der eine Elektrode und eine Gegenelektrode umfasst, die so angeordnet sind, dass eine Verdrehung des Spiegelelements zu einer Veränderung eines Abstands der Elektrode von der Gegenelektrode führt, wobei das Spiegelelement an seiner Rückseite die Elektrode umfasst und/oder wenigstens ein Teil des Spiegelelements die Elektrode des Sensors bildet. Ergänzend oder alternativ hierzu kann der Sensor ein magnetischer Sensor sein, der eine ein Magnetfeld erzeugende Struktur und eine magnetische Sensorstruktur umfasst, die so angeordnet sind, dass eine Verdrehung des Spiegelelements zu einer von der Sensorstruktur detektierbaren Veränderung des erzeugten Magnetfeldes führt, wobei die das Magnetfeld erzeugende Struktur oder die Sensorstruktur an der Rückseite des Spiegelelements angeordnet ist. Hierdurch kann es möglich sein, die jeweilige Auslenkung des Spiegelelements zu bestimmen.
Alternativ oder auch ergänzend kann der optischer Scanner ferner den Sensor umfassen, wobei der Sensor ein optischer Sensor sein kann, der eine eine Strahlung bereitstellende Lichtquelle und wenigstens ein optisches Sensorelement umfasst, die so angeordnet sind, dass das wenigstens eine Sensorelement die Strahlung der Lichtquelle nach einer Reflexion unmittelbar an der Rückseite des Spiegelelements empfängt und dass eine Verdrehung des Spiegelelements zu einer von dem wenigstens einen optischen Sensorelement detektierbaren Veränderung der Strahlung führt. Hierdurch kann es möglich sein, die jeweilige Auslenkung des Spiegelelements zu bestimmen, ohne die Masse des Spiegelelements zu erhöhen.
Optional kann bei einem solchen optischen Scanner der Sensor eine Autokollimatoranordnung umfassen. Hierdurch kann es möglich sein, eine kompaktere Anordnung zu realisieren und/oder eine genauere Erfassung der Auslenkung des Spiegelelements zu erfassen, wenn in einem nicht ausgelenkten Zustand des Spiegelelements der an dem Spiegelelement reflektierte Strahl im Wesentlichen auf seinem Weg zu dem Spiegelelement zurückläuft. Eine Autokollimatoranordnung umfasst hierbei einen Strahlteiler, der so angeordnet ist, dass die Strahlung der Lichtquelle nach dem Passieren des Strahlteilers und die an der Rückseite des in einer unausgelenkten Lage befindlichen Spiegelelements reflektierten Strahlung im Wesentlichen auf dem gleichen Weg, jedoch in umgekehrte Richtungen laufen. Der Strahlteiler ist hierbei typischerweise derart ausgebildet und ausgerichtet, dass eine auf den Strahlteiler auftreffende Strahlung zu einem vorbestimmten Anteil den Strahlteiler als passierender Anteil passiert und zu einem weiteren vorbestimmten Anteil an diesem als abgelenkter Anteil abgelenkt wird, dass die von der Lichtquelle unmittelbar ausgesendete, also nicht an dem Spiegelelement reflektierten Strahlung zum einen zu dem Spiegelelement gelangt und zum anderen von dem wenigstens einen optischen Sensorelement weggeleitet wird, und dass die an dem Spiegelelement reflektierte Strahlung zu dem wenigstens einen optischen Sensorelement gelangt. Hinsichtlich der Leistung entspricht natürlich die Leistung der Summe aus passierendem Anteil und abgelenktem Anteil höchstens der Leistung der auf den Strahlteiler treffenden Strahlung.
Das Leiten der Strahlung kann hier durch ein Passieren, Brechen oder Reflektieren der jeweiligen Strahlung an dem Strahlteiler geschehen. So können beispielsweise die Lichtquelle, der Strahlteiler und das wenigstens eine optische Sensorelement derart ausgebildet angeordnet sein, dass der passierende Anteil der Strahlung der Lichtquelle auf das Spiegelelement gelenkt wird, der abgelenkte Anteil der Strahlung der Lichtquelle weg von dem Spiegelelement und dem wenigstens einen optischen Sensorelement gelenkt wird, und der passierende Anteil der an dem Spiegelelement reflektierten Strahlung zu dem wenigstens einen Sensorelement geleitet wird. Auch eine entsprechend umgekehrte Anordnung kann implementiert werden. Optional kann der abgelenkte Anteil der an dem Spiegelelement reflektierten Strahlung weg von dem Spiegelelement und/oder dem wenigstens einen optischen Sensorelement und/oder der Lichtquelle gelenkt werden. Optional kann so der Strahlteiler beispielsweise so ausgerichtet sein, dass der passierende Anteil der Strahlung der Lichtquelle und der abgelenkte Anteil der Strahlung einen rechten Winkel miteinander einschließen. Ebenso kann der an dem unausgelenkten Spiegelelement reflektierte passierende Anteil der Strahlung und der entsprechend abgelenkte Anteil der Strahlung einen rechten Winkel miteinander einschließen.
Optional kann bei einem optischen Scanner das wenigstens eine Sensorelement ein Position Sensing Device (PSD), einen CCD-Sensor, eine Photo-Lateraldiode, einen 2-Quadranten-Photosensor und/oder einen 4-Quadranten-Photosensor umfassen. Hierdurch kann mit Hilfe kompakter Sensorelemente eine genauere Bestimmung der Auslenkung des Spiegelelements erfolgen.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner das wenigstens eine Sensorelement und die Lichtquelle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Hierdurch kann es möglich sein, den optischen Sensor leichter herstellbar zu machen. So kann gegebenenfalls das wenigstens eine Sensorelement und die Lichtquelle in dem gemeinsamen Gehäuse, das so auch als Sensorkopf bezeichnet werden kann, vormontiert werden.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner die Lichtquelle und das wenigstens eine Sensorelement so angeordnet sein, dass die Strahlung schräg zu einer Flächennormalen der Rückseite des Spiegelelements auf das Spiegelelement fällt und dort reflektiert wird. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, eine kompaktere Bauform des optischen Scanners zu implementieren, indem das optische Sensorelement räumlich von der Lichtquelle getrennt wird.
Ergänzend oder alternativ können bei einem optischen Scanner der erste Rahmen, der zweite Rahmen und das Spiegelelement derart angeordnet sein, dass die Drehachse auf Höhe der Vorderseite des Spiegelelements liegt. Hierdurch kann es möglich sein, eine genauere Bestimmung der Ablenkung zu ermöglichen.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischer Scanner die Ausnehmung des ersten Rahmens ausgebildet sein, um dem Sensor den unmittelbaren Zugriff auf wenigstens den Teil der Rückseite des Spiegelelements zu ermöglichen. Ergänzend oder alternativ kann der erste Rahmen eine weitere Ausnehmung aufweisen, die ausgebildet ist, um dem Sensor den unmittelbaren Zugriff auf wenigstens den Teil der Rückseite des Spiegelelements zu ermöglichen.
Optional kann bei einem optischen Scanner der erste Rahmen einen Steg aufweisen, der wenigstens teilweise eine Außenkante des ersten Rahmens bildet und die Außenkante von der Ausnehmung trennt. Die Lorentzkraft-Antriebseinheit kann einen ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweisen, wobei der erste Permanentmagnet in der Ausnehmung und der zweite Permanentmagnet gegenüber dem ersten Permanentmagneten außerhalb des Steges angeordnet sind. Der Steg kann ferner eine Leiterbahnstrecke aufweisen, die ausgebildet ist, um einen Strom zu tragen. Durch diese Anordnung wenigstens zweier Permanentmagneten, die durch den Steg des ersten Rahmens getrennt sind, kann es so gegebenenfalls möglich sein, eine hohe magnetische Flussdichte im Bereich der Leiterbahnstrecke auf dem Steg zu erzeugen, um so die von der Lorentzkraft-Antriebseinheit erzeugten Kräfte und Momente weiter zu steigern.
Der Steg kann hierbei sowohl gerade wie auch gebogen ausgestaltet sein. Ebenso kann er hinsichtlich einzelner Konturen oder Abschnitte sowohl gerade als auch gebogen ausgestaltet sein. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, darauf hinzuweisen, dass – sofern nicht eine klar abweichende Formulierung verwendet wurde oder sich implizit aus der Beschreibung etwas anderes ergibt – die Verwendung des Worts „oder” stets im Sinne auch einer Kombinierbarkeit zu verstehen ist. Der Begriff „oder” kann so als „und/oder” verstanden werden, sofern sich nicht aus der expliziten Formulierung oder implizit aus der Beschreibung etwas anderes ergibt.
Der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet können so beispielsweise aus dem gleichen Material gefertigt sein und/oder sich sonst hinsichtlich aller oder einiger ihrer Paramenter nicht unterscheiden.
Ein Permanentmagnet kann beispielsweise ein Magnet sein, der aus einem Stück eines hartmagnetischen Materials gefertigt ist. Entsprechende hartmagnetische Materialien können so beispielsweise Legierungen aus Eisen, Kobalt, Nickel oder anderen entsprechenden Substanzen umfassen. So können der erste Permanentmagnet und/oder der zweite Permanentmagnet beispielsweise ein Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnet (NdFeB) sein. Ein hartmagnetisches Material ist hierbei beispielsweise auch von einem weichmagnetischen Material zu unterscheiden, bei denen Hystereseverluste typischerweise klein gehalten werden. Zu den weichmagnetischen Werkstoffen zählen so Eisen, Stähle mit niedrigem Kohlenstoffanteil, Stähle mit Silizium-Zusatz, Nickel-Eisen-Legierungen (FeNi), Kobalt-Eisen-Legierungen (FeCo) sowie andere Legierungen, wie beispielsweise FeAl und FeAlSi sowie Ferrite.
Optional kann bei einem solchen optischen Scanner der erste und der zweite Permanentmagnet in einer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse jeweils an einer dem Steg zugewandten Seite eine gekrümmte Außenkontur mit einem Krümmungsradius aufweisen, der einem Abstand der jeweiligen Außenkontur von der Drehachse entspricht. Hierdurch kann es möglich sein, auch bei einer Auslenkung des ersten Rahmens aus einer Ruheposition den Winkel zwischen der magnetischen Flussdichte der Permanentmagneten und der Stromrichtung, die durch die Richtung der Leiterbahnstrecke gegeben ist, zu verbessern, sodass die von der Lorentzkraft-Antriebseinheit erzeugte Kraft hinsichtlich ihrer Richtung ein höheres Drehmoment bewirken kann. Der erste Permanentmagnet kann so bezogen auf seine dem Steg zugewandte Kontur eine konvexe Form, der zweite Permanentmagnet eine entsprechende konkave Form aufweisen.
Ergänzend oder alternativ können bei einem optischen Scanner der erste und der zweite Permanentmagnet magnetisch über wenigstens ein Joch miteinander verbunden sein. Hierdurch kann es möglich sein, die magnetische Flussdichte der Permanentmagneten in ihrem Zwischenraum, also im Bereich der Leiterbahnstrecke aufgrund des Hopkinsonschen Gesetz verstärkt werden. Dies kann dazu führen, dass höhere Lorentzkräfte und damit höhere Drehmomente durch die Lorentzkraft-Antriebseinheit erzeugt werden können. Das Joch kann so beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) oder einem Ferrit gefertigt sein.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten senkrecht zu der Drehachse höchstens einem 1.1-fachen einer Breite des Stegs senkrecht zu der Drehachse entsprechen. Hierdurch kann es möglich sein, die durch die wenigstens zwei Permanentmagneten hervorgerufene magnetische Flussdichte im Bereich der Leiterbahnstrecke durch eine Verringerung des Abstands des ersten und des zweiten Permanentmagneten zu steigern. Je nach konkreter Implementierung kann auch hier ein geringerer Abstand als das 1.1-fache der Breite des Stegs zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten senkrecht zu der Drehachse höchstens einem 1.08-fachen oder auch höchstens einem 1.05-fachen der Breite des Stegs senkrecht zu der Drehachse entsprechen.
Ergänzend oder alternativ kann ein optischer Scanner eine weitere Lorentzkraft-Antriebseinheit aufweisen, die bezogen auf die Drehachse an einer der Lorentzkraft-Antriebseinheit gegenüberliegenden Seite des ersten Rahmens angeordnet und ausgebildet ist, um ein Drehmoment gleicher Richtung auf den ersten Rahmen bezogen auf die Drehachse wie die Lorentzkraft-Antriebseinheit auszuüben. Hierdurch kann es möglich sein, das auf den ersten Rahmen wirkende Drehmoment weiter zu steigern.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner der erste Rahmen im Wesentlichen spiegelsymmetrisch oder sogar vollständig spiegelsymmetrisch zu der Drehachse sein. Hierdurch kann es möglich sein, Unwuchten und andere Asymmetrien zu reduzieren und so den zuvor genannten Kompromiss beispielsweise hinsichtlich der erzielbaren Genauigkeit, gegebenenfalls jedoch auch hinsichtlich der erzielbaren Ablenkwinkel, der Scangeschwindigkeit oder auch des Strahldurchmessers oder der Stabilität weiter zu verbessern. Hierbei können gegebenenfalls fertigungsbedingt oder auch absichtlich leichte Abweichungen von der Spiegelsymmetrie implementiert sein.
Ergänzend oder alternativ können bei einem optischen Scanner der erste Rahmen und der zweite Rahmen nicht-monolithisch miteinander gekoppelt sein. Hierdurch kann es möglich sein, durch eine geeignete Materialwahl oder Ausgestaltung der Kopplung des ersten und des zweiten Rahmens den zuvor genannten Kompromiss weiter zu verbessern. So kann es beispielsweise möglich sein, größere Verdrehwinkel oder sogar eine vollständige Drehbarkeit des ersten bezogen auf den zweiten Rahmen zu ermöglichen. Ergänzend oder alternativ hierzu kann es ebenfalls möglich sein, die mechanische Stabilität des optischen Scanners gerade in Bezug auf Erschütterungen zu verbessern, die die Aufhängung bzw. Führung des ersten Rahmens zu dem zweiten Rahmen gefährden könnten.
Hierbei werden unter einer monolithischen Struktur, einem monolithischen Bauteil oder einem monolithischen Objekt wird ein solches verstanden, das aus einer einheitlichen, nicht trennbaren Einheit besteht, also aus einem Stück gefertigt ist. Es bildet eine untrennbare Einheit, die beispielsweise zusammenhängend und fugenlos sein kann. Synonym zu dem Begriff „monolithisch” kann so gegebenenfalls auch der Begriff „einstückig” verwendet werden. Eine einstückig ausgebildete Komponente kann beispielsweise eine solche sein, die genau aus einem zusammenhängenden Materialstück gefertigt ist. Im Gegensatz hierzu kann beispielsweise eine einteilig gefertigte, bereitgestellte oder hergestellte Komponente oder Struktur oder auch eine integral mit wenigstens einer weiteren Komponente oder Struktur gefertigte, bereitgestellte oder hergestellte Komponente oder Struktur eine solche sein, die ohne eine Zerstörung oder Beschädigung einer der wenigstens zwei beteiligten Komponenten nicht von der wenigstens einen weiteren Komponente getrennt werden kann. Ein monolithisches oder einstückiges Bauteil oder eine einstückige Komponente stellt so auch wenigstens ein integral mit einer anderen Struktur des betreffenden Bauteils oder der betreffenden Komponente gefertigtes oder einteiliges Bauteil bzw. gefertigte oder einteilige Komponente dar. Ein Bauteil kann hierbei beispielsweise nahtlos sein, wenn dieses entlang eines geschlossenen Pfads um eine vorbestimmte Richtung, beispielsweise eine axiale Richtung oder eine Symmetrieachse, keine Naht aufweist, an der durch eine entsprechende Verbindungstechnik, beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindungstechnik, wie Schweißen, Löten oder Verkleben, das Bauteil mit sich selbst oder einem anderen Bauteil verbunden ist.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner der erste Rahmen und der zweite Rahmen über wenigstens ein Torsionselement, beispielsweise einen Torsionssteg miteinander verdrehbar gekoppelt sein. Das Torsionselement kann hierbei starr, also insbesondere nicht verdrehbar mit dem ersten und dem zweiten Rahmen verbunden werden. Hierdurch kann es möglich sein, mit konstruktiv einfachen Mitteln einen optischen Scanner zu implementieren, bei dem eine Verdrehung des ersten Rahmens bezogen auf den zweiten Rahmen zu einem rückstellenden Moment führt. Hierdurch kann gegebenenfalls eine Ansteuerung und/oder eine Herstellung eines optischen Scanners vereinfachen kann. Beispielsweise im Zusammenhang mit einer nicht-monolithischen Kopplung des ersten und des zweiten Rahmens kann so beispielsweise eine sehr flexible, an die jeweiligen Anwendungsbedingungen anpassbare Implementierung eines optischen Scanners vorgenommen werden.
Optional kann bei einem solchen optischen Scanner das Torsionselement ein Material, beispielsweise Beryllium (Be), Kupfer (Cu), einen Federstahl oder einen anderen metallischen Werkstoff umfassen, das von dem des ersten Rahmens und/oder dem des zweiten Rahmens verschieden ist. Hierdurch kann es möglich sein, die Torsionseigenschaften des Torsionselements gezielter an die späteren Einsatzbedingungen anzupassen und so beispielsweise den zuvor genannten Kompromiss hinsichtlich des verwertbaren Auslenkwinkels, der auftretenden Kräfte und Momente oder anderer dynamischer Parameter und/oder der mechanischen Stabilität und Robustheit zu verbessern.
Ergänzend oder alternativ können bei einem optischen Scanner der erste Rahmen und der zweite Rahmen über wenigstens ein Lager, beispielsweise ein Wälzlager, ein Gleitlager oder ein Magnetlager, miteinander wenigstens verdrehbar gekoppelt sein. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, auftretende Kräfte und Momente zu reduzieren und so dynamische Eigenschaften des optischen Scanners weiter zu verbessern. Ebenso kann es gegebenenfalls möglich sein, größere Verdrehwinkel, wenn nicht sogar eine vollständige Verdrehbarkeit zu realisieren. Auch kann so gegebenenfalls ein optischer Scanner implementiert werden, bei dem gerade keine rückstellenden Kräfte oder Momente hervorgerufen werden.
Das Wälzlager kann beispielsweise ein Kugellager, Nadellager, Kegelrollenlager oder Zylinderrollenlager umfassen. Das Gleitlager kann beispielsweise ein schmierstofffreies, ein mit einem Feststoff geschmiertes oder gegebenenfalls auch mit einem flüssigen Schmierstoff geschmiertes Lager umfassen. So kann es sich beispielsweise bei einem schmierstofffreien Lager um ein Keramiklager handeln, bei dem beispielsweise eine oder mehrere der Gleitflächen einen keramischen Werkstoff und/oder einen Kunststoff mit guten Gleiteigenschaften, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), umfassen. Ebenso kann das Lager ein Magnetlager sein, das passiv sein kann oder auch aktiv geregelt sein kann. Je nach konstruktiver Ausgestaltung kann ein solches Lager beispielsweise einen oder mehrere Elektromagneten und/oder einen oder mehrere Permanentmagneten umfassen. Selbstverständlich kann auch eine Kombination verschiedener Lagertechniken sowie eine Kombination eines Lagers und eines Torsionselements im Rahmen eines optischen Scanners eingesetzt werden.
Ergänzend oder alternativ kann bei einem optischen Scanner das Spiegelelement mit dem ersten Rahmen entweder nicht-monolithisch steif, monolithisch steif, nicht-monolithisch federnd oder monolithisch federnd mechanisch gekoppelt sein. Im Falle einer monolithischen Kopplung, also einer monolithisch steifen oder monolithisch federnden Kopplung, kann es so möglich sein, die Implementierung des Spiegelelements an dem ersten Rahmen zu vereinfachen. Im Falle einer nicht-monolithischen Kopplung, also einer nicht-monolithisch steifen oder nicht-monolithisch federnden Kopplung, kann es hingegen möglich sein, andere Parameter des zuvor genannten Kompromisses weiter zu verbessern. So kann beispielsweise im Falle einer federnden Kopplung, gleich ob diese monolithisch oder nicht-monolithisch ausgestaltet ist, das Spiegelelement und seine Kopplung gegenüber plötzlich auftretenden Beschleunigungen, Stößen oder anderen schlagartigen mechanischen Belastungen gegebenenfalls verbessert werden. Im Falle einer steifen Kopplung, gleich ob diese monolithisch oder nicht-monolithisch ausgeführt ist, kann hingegen eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und/oder der erzielbaren Genauigkeiten möglich sein. Die Begriffe „federnd” und „flexibel” können gegebenenfalls synonym verwendet werden.
Ergänzend oder alternativ können bei einem optischen Scanner der erste Rahmen und das Spiegelelement über wenigstens ein Verbindungselement, also beispielsweise einen Verbindungssteg, miteinander gekoppelt sein. Das wenigstens eine Verbindungselement umfasst hierbei ein Material, das von einem Trägermaterial des Spiegelelementes und/oder einem Material des ersten Rahmens verschieden ist. Hierdurch kann es möglich sein, das Spiegelelement mit dem ersten Rahmen in einer sehr flexiblen, auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogenen Art und Weise zu fixieren. Durch die Gestaltung des Verbindungselements können so unterschiedliche Verbindungscharakteristiken realisiert werden, mit deren Hilfe der vorgenannte Kompromiss hinsichtlich eines oder mehrerer Aspekte verbessert werden kann. So kann es beispielsweise möglich sein, durch eine weniger steife Auslegung die mechanische Stabilität und Robustheit des optischen Scanners zu verbessern, während eine steifere Auslegung gegebenenfalls eine Genauigkeit der Strahlablenkung verbessern kann.
Ergänzend oder alternativ kann ein optischer Scanner ferner einen dritten Rahmen aufweisen, der bezogen auf den zweiten Rahmen um eine weitere Drehachse wenigstens verschwenkbar ist. Die weitere Drehachse und die Drehachse können hierbei linear unabhängig voneinander sein, also beispielsweise einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Hierdurch kann es möglich sein, mit konstruktiv einfachen Mitteln nicht nur eine Ablenkung des Strahls in einer Dimension, sondern in zwei Dimensionen zu realisieren.
Optional kann ein solcher optischer Scanner eine weitere Lorentzkraft-Antriebseinheit aufweisen, die teilweise in einer Ausnehmung des zweiten Rahmens angeordnet und ausgebildet ist, um ein Drehmoment auf den zweiten Rahmen bezogen auf die weitere Drehachse auszuüben. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, auch im Hinblick auf die weitere Drehachse die zuvor beschriebene Verbesserung des vorgenannten Kompromisses zu erzielen.
So kann optional bei einem Scanner der zweite Rahmen einen Steg aufweisen, der wenigstens teilweise eine Außenkante des zweiten Rahmens bildet und seine Außenkante von der Ausnehmung des zweiten Rahmens trennt, wobei die weitere Lorentzkraft-Antriebseinheit einen ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Permanentmagnet der weiteren Lorentzkraft-Antriebseinheit in der Ausnehmung des zweiten Rahmens und der zweite Permanentmagnet der weiteren Lorentzkraft-Antriebseinheit gegenüber dem ersten Permanentmagneten der weiteren Lorentzkraft-Antriebseinheit außerhalb des Stegs des zweiten Rahmens angeordnet ist. Der Steg des zweiten Rahmens kann ferner eine Leiterbahnstrecke aufweisen, die ausgebildet ist, um einen Strom zu tragen. Hierdurch kann es möglich sein, höhere Drehmomente auch auf den zweiten Rahmen auszuüben, um so auch hinsichtlich der weiteren Drehachse die zuvor beschriebenen Verbesserungen hinsichtlich des vorgenannten Kompromisses zu erzielen. So kann es beispielsweise möglich sein, durch die so höheren Drehmomente die dynamischen Eigenschaften des optischen Scanners bezüglich der weiteren Drehachse zu verbessern, die mechanische Stabilität des optischen Scanners im Hinblick auf die weitere Drehachse und die Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Rahmen zu verbessern oder einen Kompromiss hinsichtlich dieser und/oder anderer Parameter zu verbessern.
Darüber hinaus können optional alle implementierungsspezifischen Details, wie sie beispielsweise zuvor beschrieben worden sind oder noch weiter unten für die Lorentzkraft-Antriebseinheit beschrieben werden, ebenso entsprechend auf die weitere Lorentzkraft-Antriebseinheit und ihre Positionierung im optischen Scanner umgesetzt werden.
Ein optisches Scannersystem kann einen ersten optischen Scanner, wie dieser zuvor beschrieben wurde, und einen zweiten optischen Scanner umfassen, wie dieser zuvor beschrieben wurde, wobei die Drehachse des ersten optischen Scanners und die Drehachse des zweiten optischen Scanners linear unabhängig voneinander sind, also beispielsweise einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Der erste und der zweite optische Scanner können hierbei derart zueinander angeordnet und ausgerichtet sein, dass bei einem Verschwenken des Spiegelelements des ersten optischen Scanners um seine Drehachse ein auf das Spiegelelement des ersten optischen Scanners einfallender Strahl entlang der Drehachse des zweiten optischen Scanners auf seinem Spiegelelement verschwenkt wird.
Hierdurch kann es möglich sein, durch eine einfache Kombination zweier beispielsweise eindimensional ausgestalteter optischer Scanner ebenfalls einen mehrdimensionalen, also beispielsweise zweidimensionalen Scanner zu implementieren.
Optional kann bei einem solchen optischen Scannersystem der erste optische Scanner und der zweite optische Scanner so zueinander ausgerichtet sein, dass ein auf den ersten optischen Scanner einfallender, von dem ersten optischen Scanner reflektierten und auf den zweiten optischen Scanner gelenkter Zwischenstrahl sowie ein von dem zweiten optischen Scanner reflektierter Ausgangsstrahl in einer gemeinsamen Ebene liegen, wenn der erste optische Scanner und der zweite optische Scanner jeweils in ihren jeweiligen Ruhepositionen bzw. Nullpositionen liegen. Hierdurch kann es möglich sein, auch mit Hilfe beispielsweise eindimensionaler Scanner einen sehr kompakten zweidimensionalen Scanner zu implementieren.
Die Ruheposition oder Nullposition eines optischen Scanners ist hierbei die Position, bei der ein von der oder den Lorentzkraft-Antriebseinheiten erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen parallel zu einer Hauptoberfläche des ersten Rahmens liegt. In einem solchen Fall kann auch eine reflektierende Oberfläche des Spiegelelements im Falle einer parallelen Ausrichtung der reflektierenden Oberfläche zu der Hauptoberfläche des ersten Rahmens parallel zu dem Magnetfeld der Lorentzkraft-Antriebseinheiten liegen. m der Ruhe- oder Nullposition kann so das Spiegelelement in einem unausgelenkten Zustand vorliegen. Sind die betreffenden Rahmen, also beispielsweise der erste und der zweite Rahmen bzw. auch der zweite und der dritte Rahmen derart miteinander mechanisch gekoppelt, sodass auf den ersten Rahmen bzw. den zweiten Rahmen durch die mechanische Kopplung eine Rückstellkraft oder ein Rückstellmoment ausgeübt wird, so handelt es sich bei der Ruheposition oder Nullposition unter idealen Umständen um eine Position, bei der die Lorentzkraft-Antriebseinheit/-en kein Drehmoment auf den ersten bzw. zweiten Rahmen ausüben. Diese können beispielsweise hinsichtlich ihrer Leiterbahnstrecken stromlos sein.
Figurenkurzbeschreibung
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen optischen Scanner;
1b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch den in 1a gezeigten optischen Scanner;
2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem differenziellen kapazitiven Sensor;
3 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem optischen Sensor auf Basis eines Autokollimators;
4 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem optischen Sensor auf Basis eines schrägen Einfallswinkels;
5 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem optischen Sensor auf Basis eines Sensorkopfs;
6 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem magnetischen Sensor;
7 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit einem weiteren magnetischen Sensor;
8 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen optischen Scanner mit zwei Lorentzkraft-Antriebseinheiten;
9a zeigt eine Seitenansicht des in 8 gezeigten optischen Scanners in seiner Ruheposition;
9b zeigt eine Querschnittsdarstellung des in den 8 und 9a gezeigten optischen Scanners in einer ausgelenkten Position;
10 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner mit gebogenen Permanentmagneten;
11 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner, bei dem die Permanentmagneten über ein Joch magnetisch gekoppelt sind;
12 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines optischen Scanners mit gekrümmten Permanentmagneten, die durch ein magnetisches Joch miteinander magnetisch gekoppelt sind;
13 zeigt einen zweidimensionalen optischen Scanner;
14 zeigt eine perspektivische Darstellung eines optischen Scannersystems mit zwei optischen Scannern;
15 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein optisches Scannersystem mit zwei optischen Scannern, bei denen der einfallende Strahl, der Zwischenstrahl und der ausfallende Strahl in den Ruhepositionen der optischen Scanner in einer Ebene verläuft; und
16a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen optischen Scanners mit Lagern;
16b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch den in 16a gezeigten optischen Scanner; und
17 zeigt eine schematische Darstellung einer Lorentzkraft-Antriebseinheit auf Basis eines Halbach-Arrays.
Beschreibung
Verschiedene Beispiele eines optischen Scanners werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Beispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet werden, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
Beispiele können auf verschiedene Weisen modifiziert und abgeändert werden, von denen lediglich einige in den Figuren dargestellt und hier ausführlich beschrieben werden. Beispiele sind so nicht nur auf die jeweils offenbarten Formen beschränkt, sondern dass Beispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die im Bereich der Erfindung liegen. Zur Vereinfachung der Darstellung bezeichnen gleiche Bezugszeichen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
Im Folgenden werden Beispiele eines optischen Scanners, der auch als optischer Abtaster oder optischer Ablenker bezeichnet wird, und eines optischen Scannersystems sowie ihre technischen Anwendungsgebiete näher beschrieben. Optische Scanner und optische Scansysteme können beispielsweise eine quasistatische Ablenkung hochenergetischer elektromagnetischer Strahlen ermöglichen. Der Aufbau eines solchen optischen Scanners kann dem eines Spiegelgalvanometers ähnlich sein, mit dessen Hilfe jedoch ein Kompromiss hinsichtlich Kompaktheit, Stoßfestigkeit und Dynamik gegebenenfalls verbessert werden kann.
Optische Scanner sind Vorrichtungen zur Ablenkung von Laserstrahlung und werden in vielen Bereichen der Technik, beispielsweise in der Lasermaterialbearbeitung, der Laserbeschriftung, Lasergravur, in laserbasierten Fertigungsverfahren, in der Lasertherapie oder -chirurgie und in der Lasermesstechnik eingesetzt, um die Laserstrahlung gezielt abzulenken und in einem definierten ein- oder zweidimensionalen Muster auf der Werkstück-, Gewebeoberfläche oder dem Messobjekt zu bewegen. Mit Ausnahme von akustooptischen und elektrooptischen Deflektoren basieren optische Scanner auf bewegbaren oder aktuierbaren Kippspiegeln, die um eine oder zwei Drehachsen drehbar gelagert sind und durch Auslenkung oder Drehung des Spiegels eine Strahlablenkung bewirken. Hierdurch wird der vom Spiegel umgelenkte oder zurück reflektierte Strahl gescannt.
Quasistatische optische Scanner sind optische Scanner, die gezielt Koordinaten ansteuern können. Das heißt, dass die Kippspiegel um einen definierten Winkel ausgelenkt werden und diese Auslenkung solange beibehalten wird, bis sie ein neues Positionssignal bekommen. Derartige zweidimensionale Scanner, die auch XY-Scanner genannt werden, können beispielsweise beim Beschriften mit Lasern oder in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden. Sie können so ausgelegt sein, dass gerade keine rückstellenden Momente oder Kräfte von den Scannern auf ihre Spiegelkomponenten ausgeübt werden.
Zur zweidimensionalen Strahlablenkung in der Lasermaterialbearbeitung werden optische Scanner mit einem um zwei Drehachsen auslenkbaren Kippspiegel oder mit zwei eindimensional auslenkbaren Kippspiegeln in geeigneter Anordnung verwendet. Entsprechend der eingesetzten Laserwellenlänge und Laserleistung werden die meist planen Spiegelflächen mit sogenannten Hoch-Reflexions- oder HR-Beschichtungen versehen, deren Reflexionsgrad weit über 99% liegt und die typischerweise Zerstörschwellen von einigen 10 J/cm² aufweisen.
Grundsätzlich gibt es drei Typen von optischen Scannern, die auf Kippspiegelanordnungen basieren, jedoch unterschiedliche Antriebsprinzipien nutzen:

1. Galvanometerscanner mit elektromagnetischem Antrieb,
2. MOEMS Scanner (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems; optisch-elektronisches-mechanisches Mikrosystem) mit elektrostatischem oder elektromagnetischem Antrieb,
3. Piezoscanner mit piezoelektrischem Antrieb.

Einige Parameter, die für optische Scanner im praktischen Einsatz relevant sind, sind:

• der optischer Scanwinkel φ_max,opt, welcher dem doppelten Auslenkwinkel des Spiegels um seine Drehachse entspricht,
• die Scangeschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit dφ/dt,
• die maximale Scanfrequenz f_sc, welche winkelabhängig sein kann,
• die maximale Scanfrequenz bei Ausnutzung des vollen Scanwinkels f_sc(φ_max,opt),
• die effektive Apertur d des optischen Scanners, welche dem maximalen Strahldurchmesser eines kollimierten Strahls entspricht, der ohne Vignettierung um den maximalen Scanwinkel in einer oder in zwei Dimensionen gescannt werden kann,
• der Bauraum V des optischen Scanners, welcher dem Volumen entspricht, den die Vorrichtung beim Einbau in ein Gesamtsystem, beispielsweise eine Laserbeschriftungsanlage, einnimmt.

Die dynamischen Eigenschaften Scanwinkel φ, Scangeschwindigkeit und Scanfrequenz f_sc bei gegebenen Bauraum V und gegebener Apertur d, werden nicht zu Letzt von folgenden Kenngrößen des Antriebsprinzips wenigstens mitbestimmt:

• Kraft F, die der Antrieb ausübt,
• Drehmoment D, das sich aus der Kraft F ergibt,
• Massenträgheitsmoment J der bewegten Teile des optischen Scanners,

Wichtig für eine hohe Dynamik ist das Verhältnis R von Drehmoment M zu Trägheitsmoment J (R = D/J). Dieses sollte bei vielen Anwendungen so groß wie möglich sein.
Anforderungen aus der Lasermaterialbearbeitung, der Lasertherapie und -chirurgie sowie der Lasermesstechnik an die Scanner zielen auf eine Miniaturisierung des Bauraums V beispielsweise auf Werte von weniger als 100 cm³ möglichst bei gleichzeitiger Steigerung der Scangeschwindigkeit um mehr als das Vierfache der Geschwindigkeit aktuell verwendeter Scanner auf 2000°/s < dφ/dt < 10000°/s. Dabei sollte eine Mindestgröße für die Scannerapertur von d = 10 mm und den optischen Scanwinkel von φ_max = 10° bei einigen Anwendungen nicht unterschritten werden.
Weiterhin werden bei optischen Scannern immer höheren Anforderungen an die Robustheit ausgesetzt. Gefordert wird häufig, dass ein optischer Scanner im Betrieb aus 0.5 m bis 1 m Höhe fallengelassen werden und danach noch funktionstüchtig sein soll. Darüber hinaus wird häufig ein Reflexionsvermögen von über 99% bei typischen mittleren Strahlungsleistungen von bis zu 100 W gefordert.
Zur Zeit ist kein Scanner bekannt, der alle vier genannten Spezifikationen, die Robustheitsanforderung sowie die Anforderungen an das Reflexionsvermögen gleichzeitig erfüllt. Dies liegt nicht zu Letzt an den derzeit verfügbaren Antriebstechnologien, bei denen eine Miniaturisierung bei gleichzeitiger Erhöhung der Scangeschwindigkeit ohne Einbußen bei der Größe des Spiegeldurchmessers und des Scanwinkels aufgrund prinzipieller Beschränkungen, insbesondere des erreichbaren Drehmoments bei gegebenem bauartbedingten Trägheitsmoment, nur schwer möglich ist.
Mit Hilfe der hier beschriebenen optischen Scanner kann so ein Kompromiss hinsichtlich der zuvor genannten Parameter implementiert werden. Dieser kann beispielsweise als elektromagnetisch angetriebener, quasistatischer optischer 2D-Scanner mit verbessertem Verhältnis R von Drehmoment M zu Trägheitsmoment J, verbesserter Robustheit und kompakterer Bauweise implementiert werden.
Bei einem konventionellen elektromagnetischen Galvanometerscanner wird an einem Rotor ein um eine Drehachse drehbarer Spiegel befestigt. Hierbei werden drei Bauweisen unterschieden. Bei allen drei Bauweisen wird ein planer Spiegel auf einem stabförmigen Rotor befestigt und über elektromagnetische Kräfte um die Stabachse gedreht.
Bei der Bauweise mit bewegtem Eisenkern, wird der plane Spiegel auf einem Rotor aus einem weichmagnetischen Werkstoff befestigt, der mit vier Magnetpolen in Wechselwirkung tritt. Zwei der Pole werden von stromdurchflossen Spulen gebildet, wobei die Größe und Richtung des Stromes die Größe und Richtung des magnetischen Flusses und damit des auf den Rotor wirkenden Moments bestimmt.
Bei der zweiten Bauweise, einer Anordnung mit bewegter Spule, deren grundlegender Aufbau seit dem 19ten Jahrhundert als Drehspulgalvanometer verwendet wird, wird von einem oder maximal zwei Permanentmagneten ein konstantes äußeres Magnetfeld erzeugt. In diesem Magnetfeld befindet sich der Rotor, auf den eine Spule gewickelt ist. Durch Anlegen eines Stromes, kann der Rotor um seine Drehachse gedreht werden.
Die dritte Bauweise mit bewegtem Permanentmagneten ist die bei modernen Galvanometerscannern am häufigsten anzutreffende Bauweise. Hierbei wird ein stabförmiger Rotor aus einem Permanentmagneten verwendet, welcher orthogonal zu seiner Drehachse magnetisiert ist. Zwei am Stator befestigte stromdurchflossene Spulen erzeugen ein, durch Stromrichtung und Stromstärke variables äußeres Magnetfeld, welches eine Drehung des Rotors bewirkt.
Bei einigen Bauarten ist der Rotor mittels Torsionsfedern aufgehängt und besitzt eine Rückstellkraft, andere Bauarten verwenden Lager, vorzugsweise Kugellager ohne Rückstellkonstante. Ein zweidimensionaler Scanner kann basierend auf jeder der drei oben genannten Bauweisen eines eindimensionalen Galvanometerscanners implementiert werden. Allerdings ist eine Verkleinerung des Bauraums einer zweidimensionalen Anordnung auf unter 100 cm³ schon wergen des Platzbedarfs der Rotoren kaum möglich. Der Platzbefarf ergibt sich aus der Mindestlänge der stabförmigen Rotoren, die erforderlich sind, um das notwendige Drehmoment aufzubringen.
Kleinere Bauvolumina können basierend auf den Bauformen der MOEMS-Scanner und der Piezoscanner erreicht werden. Piezoscanner erreichen jedoch typischerweise nur Ablenkwinkel von unter 1°, was für die viele Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung nicht genügt, weshalb diese hier nicht weiter betrachtet werden.
Bei elektrostatischen MOEMS-Scannern, die aus einkristallinem Silizium mit Halbleiterverfahren hergestellt werden, kommen typischerweise kardanische Aufhängungen zum Einsatz, bei denen eine Spiegelplatte aus Silizium drehbar mittels Torsionsbalken mit einer Rahmenstruktur verbunden ist. Diese ist um mindestens eine, meistens jedoch um zwei, eine innere und eine äußere Drehachse, drehbar aufgehängt. Neben kardanischen Anordnungen, bei denen der Spiegel über zwei orthogonal zueinander angeordnete Drehachsen, eine innere und eine äußere Drehachse, verschwenkbar ist, weisen zwei gegeneinander bewegliche Rahmenstrukturen mit Kammantrieben für jede Drehachse auf.
Bei Bauformen, die keine kardanische Anordnung aufweisen, werden zur Erzeugung von zweidimensionalen Scanmustern Anordnungen aus zwei eindimensionalen Scannern verwendet, die denen von Galvanometerscannern gleichen, jedoch deutlich platzsparender sind, weil der Rotor der Siliziumstruktur nicht stabförmig sondern flach ist, und Dicken von typischerweise unter 1 mm aufweisen. Bei der Fertigung der Strukturen mit ihren Spiegel, Torsionsfeder und Rahmen kommen meist halbleiterbasierte Fertigungstechniken zum Einsatz, beispielsweise DRIE-Prozess (Depp Reactive Ion Etching; tiefes reaktives Ionenätzen) und/oder Halbleiterlithografieprozesse. Die über die Torsionsfedern mit dem Rahmen verbundenen Spiegel stellen eine monolithische Silizium-Struktur dar.
Bei elektromagnetischen MOEMS-Scannern bzw. elektromagnetisch angetriebenen MO-EMS-Scannern wird das gleiche Prinzip einer monolithischen Anordnung aus Silizium oder einem metallischen Material verwendet. Der Antrieb basiert jedoch auf magnetischer Anziehung bzw. Abstoßung oder der Lorentzkraft. So werden bei Scannern kleine Permanentmagneten an der Unterseite des Spiegels in einem definierten Abstand zur Drehachse befestigt. Unterhalb dieser Permanentmagneten befinden sich Zylinderspulen, die je nach Stromstärke und Stromrichtung ein anziehendes oder abstoßendes externes Magnetfeld variabler Stärke erzeugen, wodurch der Spiegel um die jeweilige Drehachse ausgelenkt werden kann. Das Antriebsprinzip basiert daher auf der Anziehung bzw. Abstoßung zweier Magnetfelder, von denen eines statisch von Permanentmagneten erzeugt wird, und einem variablen Feld, das von Spulen erzeugt wird.
Ebenso wird eine vertauschte Anordnung von Spule und Permanentmagnet verwendet. Hierbei befinden sich die Permanentmagneten unterhalb des Spiegels, während die Spule in Form einer Leiterbahnschleife an der Spiegelfläche oder im mitbewegten Rahmen befestigt ist oder mittels Halbleiterlithografieprozessen in den Rahmen strukturiert wird.
Bei den oben genannten Bauformen, die auf der Anziehung oder Abstoßung von Magnetfeldern beruhen, werden inhomogene Magnetfelder erzeugt, welche die von der Spiegelfläche definierte Ebene durchfluten. Ebenso werden Antriebskonzepte eingesetzt, die auf der Lorentzkraft beruhen. Hier wird ein externes Magnetfeld parallel zur Spiegelfläche angeordnet. Dadurch kann auf Teilstrecken entlang einer Leiterbahnschleifen eine Lorentzkraft erzeugt werden, die orthogonal zur Spiegelfläche wirkt. Elektromagnetische Scanner, deren Antrieb die Lorentzkraft zugrunde liegt, weisen ebenfalls die für MOEMS typischen monolithischen Aufhängungen mit Leiterbahnschleifen oder Spulen auf den Spiegeln oder den mitbewegten Rahmenteilen auf. So wird beispielsweise bei einem Scanner die Siliziumstruktur in einem homogenen Magnetfeld angeordnet, welches parallel zur Spiegelfläche ausgerichtet ist und durch zwei außen angebrachte Permanentmagneten erzeugt wird.
Dennoch ermöglicht keines dieser Konzepte, einen optischen Scanner zu implementieren, der vorgenannten Kompromiss verbessern kann und gegebenenfalls sogar die zuvor angegebenen Spezifikationen hinsichtlich Robustheit und anderer Paramente erfüllen kann. So sind zwar Galvanometerscannern mit zylinderförmigem Rotor robust, erreichen Scangeschwindigkeiten weit über 5000°/s und können große Spiegelflächen mit Durchmessern bis zu mehreren Zentimetern bewegen, sie sind jedoch bauartbedingt kaum miniaturisierbar, da der Spiegel auf einem zylinderförmigen Rotor befestigt wird. Die Länge des Rotors skaliert mit dem Spiegeldurchmesser, da schon mit steigendem Trägheitsmoment des Spiegels zur Drehmomentsteigerung größere Spulen und Magneten benutzt werden müssen. Dadurch steigt jedoch auch das Trägheitsmoment des Rotors, sodass Verhältnisse von Drehmoment zu Trägheitsmoment typischerweise auf Werte von R < 10⁵ s^–2 limitiert sind. Bauartbedingt weisen so Galvanometerscanner mit Spiegeldurchmessern von über 10 mm Rotoren von mehr als 50 mm Länge auf. Darüber hinaus lässt sich ein Galvanometerkippspiegel vom Rotor nur um eine Achse drehen, sodass die Miniaturisierung einer zweidimensionalen Ablenkeinheit auf unter 100 cm³ sich mit typischen Galvanometerscannern kaum erreichen lässt.
Elektrostatische MOEMS-Scanner können aufgrund der geringen elektrostatischen Kräfte selbst bei hohen Spannungen im Kilovolt-Bereich meist nur resonant betrieben werden, weil das Drehmoment viel geringer ist, als die typischen Richtkonstanten der Silizium-Torsionsfedern. Daher können solche Scanner kaum als XY-Scanner betrieben werden. Das bedeutet, dass sie in einem Scanfeld Koordinaten nicht quasistatisch ansteuern können. Durch Erhöhung der Torsionsfederlänge oder Verringerung des Torsionsfederdurchmessers kann zwar die Richtkonstante erniedrigt werden, jedoch steigt dadurch die Bruchempfindlichkeit deutlich an, da der im Vergleich zur Torsionsfeder große und schwere Spiegel von ihr getragen werden muss. Daher ist konventionell kaum mit einem elektrostatischen 2D-MOEMS.Scannern mit Spiegelaperturen von über 10 mm zu rechnen.
MOEMS-Scanner, die auf der Abstoßung und Anziehung von Magnetfeldern beruhen, die von Spulen und Permanentmagneten erzeugt werden, basieren darauf, dass inhomogene Magnetfelder sich gegeneinander bewegen. Das erzeugte Drehmoment hängt also vom jeweiligen Ablenkwinkel ab. Bei Systemen mit mitbewegten Permanentmagneten sind zudem die Trägheitsmomente häufig zu groß, um die anvisierten Scangeschwindigkeiten zu erreichen. Durch die geringen Drehmomente können nur ferner nur Systeme mit Spiegeldurchmessern von wenigen Millimetern (typischerweise höchstens 5 mm) statisch ausgelenkt werden. Darüber hinaus haben auch elektromagnetische MOEMS-Scanner die zuvor genannten Probleme bezüglich Bruchempfindlichkeit und geringer Spiegelapertur.
Auch bei Magnetscannern mit konventionellem Lorentzkraft-Antrieb sind die Drehmomente zu gering, um beispielsweise Spiegelflächen mit einem Durchmesser von 10 mm um 10° hinreichend schnell quasistatisch auszulenken.
Bei monolithischen Verbindungen des Spiegels mit dem Rahmen, wie sie bei allen MOEMS-Scannern verwendet werden, hängen Stegabmessungen und Spiegelabmessung voneinander ab, sodass diese nicht voneinander entkoppelt werden können. Werden die Stege dünner ausgelegt, um zum Beispiel geringere Richtkonstanten zu erreichen, so wird das ganze Substrat also auch die Spiegelfläche dünner. Typischer Weise überschreiten MOEMS-Scannersubstrate eine Dicke von 100 μm nicht. Dadurch sind die Trägheitsmomente der MOEMS-Scanner im Vergleich zu denen von Galvanometerscannern um bis zu vier Größenordnungen geringer. Bei schnellen Schwingungen und Scanbewegungen der Kippspiegel kann jedoch es jedoch aufgrund der geringen Dicke zu dynamischen Deformation kommen, wodurch sich das Strahlprofil des reflektierten Laserstrahls auf inakzeptable und unkontrollierbare Weise verändern kann. Dynamische Deformationen sind insbesondere bei Scannern von Bedeutung, bei denen mitbewegte Permanentmagneten direkt an der Unterseite des Spiegels befestigt sind.
Zusätzlich zur dynamischen Deformation können bei MOEMS-Scannern ebenso aufgrund der geringen Dicke statische Deformation auftreten, wenn die Spiegelfläche mit einer hoch reflektierenden dielektrischen Schicht versehen wird. Aus diesem Grund kommen MOEMS-Scanner im Wesentlichen nur in messtechnischen Anwendungen zum Einsatz und nicht in der Lasermaterialbearbeitung oder Lasertherapie mit Laserleistungen von über 50 W.
Ferner können MOEMS-Scanner eine deutlich geringere Robustheit aufweisne, die vor allem auf die dünnen Torsionsstege zurückzuführen ist. Derzeit sind keine MOEMS-Scanner bekannt, die ohne spezielle stoßdämpfende Hülle aus 1 m Höhe fallengelassen werden können und danach noch funktionsfähig sind. Meist bricht in einem solchen Fall der Torsionssteg. Je nach Implementierung kann bereits das ganze Substrat nach Fallenlassen aus 10 cm Höhe auf eine Hartholzplatte brechen.
Bei elektromagnetischen Kippspiegelvorrichtungen stehen sich so bei den wichtigsten konventionellen Systemen kaum miteinander vereinbare Probleme gegenüber. Bei Galvanometerscanner mit hinreichend großen und hinreichend dicken Kippspiegeln, welche den Robustheitsanforderungen genügen und trotz dielektrischer Beschichtung keine dynamische oder statische Deformation aufweisen, müssen zwangsweise große Trägheitsmomente bewegt werden, sodass diese daher große Rotoren haben. Dadurch ist der Bauraum groß oder die Scangeschwindigkeit zu gering.
Bei MOEMS-Scannern hingegen sind zwar die Bauvolumina und die Trägheitsmomente klein, die Scanner sind jedoch sehr bruchempfindlich. Darüber hinaus ist die elektrostatische oder elektromagnetische Energieeinkopplung in das mechanische System so gering, dass kaum hinreichend großen Spiegeldurchmesser beispielsweise für Hochleistungsanwendungen hinreichend schnell quasistatisch bewegt werden können.
Scanner mit Piezoantrieben ermöglichen hier nur sehr geringe Ablenkwinkel von typischerweise unter 1° und sind typischerweise ferner langsamer als 1000°/s.
Hierbei ist gleichzeitig eine genaue Bestimmung der Ablenkung des Strahls aufgrund der konventionellen Baukonzepte sehr schwierig.
So besteht ein Bedarf daran, einen optischen Scanner, der auch als Ablenkvorrichtung bezeichnet wird, für Laserstrahlung mit einer elektromagnetisch angetriebenen Kippspiegelanordnung zu schaffen, welcher eine Implementierung der zuvor beschriebenen Spezifikationen und gleichzeitig eine genauere Bestimmung der Ablenkung des Strahls ermöglichen kann. Wie nachfolgend erläutert wird, kann dies dadurch erreicht werden, dass der Scanner bezüglich seiner dynamischen Eigenschaften konventionelle Lösungen aufgrund eines hohen Verhältnisses von Drehmoment zu Trägheitsmoment übertrifft und zudem robust und kompakt ausgelegt werden kann.
1a zeigt eine schematische Aufsicht auf und 1b eine schematische Querschnittsdarstellung von der Seite durch einen optischen Scanner 100 mit einem Spiegelelement 110, der so ausgelegt ist, dass wenigstens eine Frequenz oder ein Frequenzbereich eines einfallenden elektromagnetischen Strahls reflektiert werden kann. Je nach Anwendung kann es sich bei dem Spiegelelement beispielsweise um einen metallischen Spiegel handeln, bei dem auf eine Spiegeloberfläche eine reflektierende Metallschicht, beispielsweise eine Goldschicht (Au) aufgebracht ist. Die Spiegeloberfläche wird auch als Vorderseite 120 des Spiegelelements 110 bezeichnet. Ihr gegenüber liegt eine Rückseite 125 des Spiegelelements, die identisch zu der Vorderseite 120, jedoch auch abweichend ausgeführt sein kann. Die Rückseite 125 des Spiegelelements kann unter anderem der Bestimmung der Auslenkung des Spiegelelements 110 dienen, wie weiter unten noch erläutert wird.
Bei anderen Implementierungen kann es sich bei dem Spiegelelement auch um ein dielektrisches Spiegelelement, also beispielsweise einen Bragg-Spiegel handeln. Bei diesem sind mehrere dielektrische Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes und Dicken aufeinander aufgetragen. Handelt es sich beispielsweise um Hochreflektivitätsspiegel für hochenergetische Anwendungen, kann es gegebenenfalls ratsam sein, ein entsprechendes dielektrisches Spiegelelement 110 einzusetzen, um so beispielsweise eine Beschädigung oder Zerstörung des Spiegelelements 110 durch den einfallenden hochenergetischen Strahl zu vermeiden.
Der optische Scanner 100 umfasst ferner einen ersten Rahmen 130, der bezogen auf einen zweiten Rahmen 140 um eine Drehachse 150 wenigstens verschwenkbar angeordnet ist. Die Drehachse 150 kann hierbei beispielsweise auf Höhe einer Vorderseite 120 liegen, also in der Ebene der Vorderseite 120, jedoch bei einer anderen Aufhängung auch entfernt von dieser.
Der erste und der zweite Rahmen 130, 140 können beispielsweise über ein oder mehrere Torsionselemente 160 miteinander gekoppelt sein, sodass die Torsionselemente 160 bei einer Verdrehung der beiden Rahmen 130, 140 zueinander tordiert werden. Hierdurch kann eine entsprechende Rückstellkraft bzw. ein Rückstellmoment durch die Torsionselemente 160 bezüglich der Drehachse 150 erzeugt werden. Die Torsionselemente 160 können beispielsweise als Torsionsstege implementiert sein, die vollständig, abschnittsweise oder auch nur bezüglich einer Kontur gerade oder auch gebogen ausgeführt sein können. Ebenso kann anstelle eines oder mehrerer Torsionselemente 160 ebenso ein Lager, beispielsweise ein Wälzlager, ein Gleitlager oder auch ein Magnetlager zum Einsatz kommen, wie dies später noch erläutert wird.
Der erste Rahmen 130 ist hierbei mit dem Spiegelelement 110 mechanisch gekoppelt und weist eine Ausnehmung 170 auf, in der teilweise eine Lorentzkraft-Antriebseinheit 180 angeordnet ist. Diese ist so ausgestaltet, dass diese bei dem Betrieb ein Drehmoment auf den ersten Rahmen 130 bezogen auf die Drehachse 150 ausüben kann, sodass der erste Rahmen 130 bezogen auf den zweiten Rahmen 140 wenigstens verschwenkt werden kann, wenn nicht sogar vollständig gedreht werden kann.
Die Lorentzkraft-Antriebseinheit 180 weist hierbei einen ersten Permanentmagneten 190 und einen zweiten Permanentmagneten 200 auf, wobei der erste Permanentmagnet 190 in der Ausnehmung 170 angeordnet ist, wohingegen der zweite Permanentmagnet 200 außerhalb der Ausnehmung 170 angeordnet ist. Der erste Rahmen 130 weist hierbei einen Steg 210 auf, bei dem es sich um einen Abschnitt des ersten Rahmens 130 handelt, der zwischen einer Außenkante des ersten Rahmens 130 und der Ausnehmung 170 angeordnet ist. Auf dem Steg 210 verläuft eine Leiterbahnstrecke 220, über die ein Strom derart geleitet werden kann, sodass ein von den beiden Permanentmagneten 190, 200 erzeugtes Magnetfeld, welches in einer Ruheposition oder Nullposition des optischen Scanners 100 im Wesentlichen parallel zu einer Hauptoberfläche des ersten Rahmens 130 und damit häufig auch parallel zu der Vorderseite 120 des Spiegelelements 110 liegt, eine Lorentzkraft erfahren kann, die zu einem Drehmoment um die Drehachse 150 führt. Die Ruhe- oder Nullposition des optischen Scanners 100 entspricht so einer im Wesentlichen unausgelenkten Lage des Spiegelelements 110.
Anders ausgedrückt sind die beiden Permanentmagneten 190, 200 der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180 gerade so angeordnet, dass zumindest in der Ruheposition oder Nullposition des optischen Scanners 100 das von diesen erzeugte magnetische Feld im Bereich des Stegs 210 im Wesentlichen in der Ebene der Leiterbahnstrecke 220 auf dem Steg 210, jedoch senkrecht zu der Streckung der Leiterbahnstrecke 220 verläuft.
Hierbei ist in den 1a und 1b die Leiterbahnstrecke 220 als geschlossene Leiterschleife gezeichnet, kann jedoch bei anderen Beispielen eines optischen Scanners auch anders ausgestaltet sein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hier elektrische Kontaktierungsstellen und andere elektrische Schaltungsteile nicht in den Figuren gezeigt.
Um möglichst hohe Lorentzkräfte und damit ein möglichst hohes Drehmoment erzielen zu können, kann es gegebenenfalls ratsam sein, einen Abstand zwischen den beiden Permanentmagneten 190, 200 nur gering zu halten. So kann es beispielsweise möglich sein, den Abstand zwischen den beiden Permanentmagneten 190, 200 senkrecht zu der Drehachse 150 in der Ebene des Magnetfeldes beispielsweise derart zu beschränken, dass dieser höchstens 110% einer Breite des Stegs 210 senkrecht zu der Drehachse 150 in der betreffenden Ebene entspricht. Bei anderen Beispielen kann der betreffende Wert gegebenenfalls weiter reduziert werden, beispielsweise auf höchstens 108% oder auch auf höchstens 105%. So kann bei einem Scanner 100 mit einem beschränkten Verschwenkwinkel der Abstand der beiden Permanentmagneten 190, 200 beispielsweise so gewählt werden, dass bei einer leichten Überschreitung des maximalen Verschwenkwinkels oder bereits bei seinem Erreichen der Steg 210 in Anlage zu einem oder beiden Magneten gerät.
Grundsätzlich kann der erste Rahmen 130 ebenso wie der zweite Rahmen 140 aus jedem beliebigen Material gefertigt werden. So kann beispielsweise Quarzglas, epitaktisches Silizium oder ein Verbundmaterial für den ersten Rahmen 130 und/oder für den zweiten Rahmen 140 verwendet werden. Im Falle einer Implementierung eines oder mehrerer Torsionselemente 160 kann dieses beispielsweise aus einem Material gefertigt sein, welches eine gewisse Torsionsfähigkeit aufweist. So kann das Torsionselement 160 beispielsweise aus Beryllium (Be), Kupfer (Cu), einem Federstahl oder einem anderen metallischen Werkstoff gefertigt sein. Selbstverständlich können auch entsprechende Werkstoffe eingesetzt werden, die beispielsweise Beryllium oder Kupfer umfassen. Das Material des Torsionselements 160 kann sich hierbei wenigstens von dem Material des ersten Rahmens 130 oder dem Material des zweiten Rahmens 140 unterscheiden. Es ist jedoch möglich, wie bereits die zuvor beschriebene Materialaufzählung gezeigt hat, dass das Material des Torsionselements 160 sowohl von dem Material des ersten wie auch von dem Material des zweiten Rahmens 130, 140 verschieden ist.
Wie 1b darüber hinaus zeigt, ist bei dem optischen Scanner 100 ein unmittelbarer Zugriff auf wenigstens einen Teil der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 möglich. Zu diesem Zweck weist der erste Rahmen 130 eine weitere Ausnehmung 230 auf, über die wenigstens ein Teil der Rückseite des Spiegelelements 110 zugänglich ist. Bei anderen Ausführungen eines entsprechenden optischen Scanner 100 kann auch die Ausnehmung 170 hierfür verwendet werden.
So weist der optische Scanner 100 einen Sensor 240 auf, der so angeordnet ist, dass er mit der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 in Wechselwirkung zu treten vermag. Der Sensor 240 ist beispielsweise so angeordnet, dass dieser entlang einer Senkrechten auf der Vorderseite 120 des Spiegelelements durch die Drehachse 150 mit der Rückseite 125 in Wechselwirkung treten kann. Der Sensor 240 kann beispielsweise einen kapazitiven, einen magnetischen und/oder einen optischen Sensor 240' umfassen und von einem solchen gebildet sein. Im Zusammenhang mit den weiteren 2 bis 5 werden einige beschrieben.
1a und 1b zeigen so einen optischen Scanner 100, bei dem der erste Rahmen 130 und der zweite Rahmen 140 nicht-monolithisch miteinander gekoppelt sind. Um dennoch eine starre oder fixe Verbindung des oder der Torsionselemente 160 mit den beiden Rahmen 130, 140 zu ermöglichen, können diese beispielsweise stoffschlüssig miteinander verbunden werden. So können die betreffenden Elemente beispielsweise verklebt, verschweißt, gesintert oder aneinander angeschmolzen werden. So kann beispielsweise als Klebstoff ein mittels UV-Strahlung (ultravioletter Strahlung) aushärtbarer Kleber zum Einsatz kommen. Ebenso ist ein Verschweißen mittels Laserstrahlung möglich. Neben diesen stoffschlüssigen Verbindungstechniken können jedoch auch formschlüssige Verbindungstechniken eingesetzt werden. So können beispielsweise nicht vollständig rotationssymmetrische Ausnehmungen in die beiden Rahmen 130, 140 eingebracht werden, sodass ein entsprechend geformtes Torsionselement 160 deinen entsprechenden Formschluss mit den beiden Rahmen 130, 140 verbunden wird.
Im Falle des Einsatzes von Torsionselementen 160 können diese so im Wesentlichen starr oder fix mit den beiden Rahmen 130, 140 verbunden werden, sodass bei einer Verdrehung der beiden Rahmen 130, 140 ein rückstellendes Moment von dem oder den Torsionselementen 160 aufgebracht wird.
Der erste Rahmen 130 weist bei dem hier gezeigten Beispiel eine im Wesentlichen rechteckige äußere Form auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen können jedoch auch andere Formen, beispielsweise polygonale oder auch quadratische Außenkonturen zum Einsatz kommen. Auch kann, wie beispielsweise 8 noch zeigen wird, eine im Wesentlichen ringförmige Struktur mit einer einzigen zentralen Ausnehmung 170 verwendet werden. Auch diese kann polygonal, rechteckig oder quadratisch ausgestaltet sein. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, wenn auch entsprechenden Permanentmagneten 190, 200 beispielsweise eine entsprechende Krümmung in der in 1a gezeigten Ebene aufweisen. In einem solchen Fall können auch ovale, kreisförmige oder anders gebogene Außenkonturen für die Rahmen 130, 140 zum Einsatz kommen.
Das Spiegelelement 110 kann über verschiedene Verbindungstechniken mit dem ersten Rahmen 130 mechanisch verbunden sein. So kann das Spiegelelement 110 beispielsweise wenigstens teilweise als Teil des ersten Rahmens 130 ausgeführt sein. Dies ist beispielsweise möglich, wenn der erste Rahmen unmittelbar als Träger für die Vorderseite 120 (Spiegeloberfläche) des Spiegelelements 110 dient. Handelt es sich bei dem ersten Rahmen 130 beispielsweise um einen aus epitaktischem Silizium, kann so gegebenenfalls unter Verwendung von Pufferschichten die metallische Schicht oder auch das Schichtpaket der dielektrischen Schichten unmittelbar auf das Silizium (Si) des ersten Rahmens 130 aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe physikalischer und/oder chemischer Verfahren geschehen.
Ebenso kann es jedoch möglich sein, das Spiegelelement 110 beispielsweise in einer Ausnehmung in dem Rahmen 130 einzusetzen, um beispielsweise im Falle einer separaten Herstellung des Spiegelelements 110 trotzdem eine möglichst gute Zentrierung auf dem ersten Rahmen 130 zu erreichen. Auch hier können wiederum bereits zuvor genannten stoffschlüssigen Verbindungstechniken, also beispielsweise Kleben oder auch Schweißen zur Befestigung des Spiegelelements 110 herangezogen werden. Auch können, wie später noch erläutert werden wird, ein oder mehrere Stege zur Verbindung des Spiegelelements 110 mit dem ersten Rahmen 130 verwendet werden. Bei der Verwendung mehrerer Verbindungsstege können diese beispielsweise unterhalb des Spiegelelements verlaufen, jedoch auch in einem Randbereich des Spiegelelements 110 enden und so lediglich eine mechanische Fixierung von jeweils einer Seite her bewirken.
2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem differenziellen kapazitiven Sensor 240. Der Sensor 240 umfasst so eine Elektrode 250, die von dem Spiegelelement 110 gebildet wird. Die Elektrode 250 ist so über eine entsprechende Zuleitung 260 elektrisch kontaktierbar. Bei anderen Ausführungsformen kann die Elektrode 250 auch auf der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 aufgebracht sein, sodass dieses die Elektrode 250 umfasst.
Der kapazitive Sensor 240 umfasst ferner wenigstens eine Gegenelektrode 270, die über eine entsprechende Zuleitung 280 ebenfalls elektrisch kontaktierbar ist. Da es sich bei dem hier gezeigten Sensor 240 um einen differenziellen Sensor handelt, weist dieser wenigstens zwei Gegenelektroden 270-1, 270-2 auf, die symmetrisch bezogen auf die Drehachse 150 angeordnet sind. Über diese kann eine Abstandsänderung der Elektrode 250, also des Spiegelelements 110 mit Hilfe einer entsprechenden Messschaltung erfasst werden. Diese kann beispielsweise eine Veränderung der Eigenfrequenz eines entsprechenden Schwingkreises verwenden, um nur ein Beispiel zu nennen. Anstelle der differenziellen Anordnung kann auch ein einfacher kapazitiver Sensor verwendet 240 werden.
3 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem optischen Sensor 240 auf Basis einer Autokollimatoranordnung 270. Der Sensor 240 umfasst hier eine Lichtquelle 280, bei der es sich beispielsweise um eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder auch um einen Lichtwellenleiter (Glasfaser) handeln kann, über die eine Strahlung 290 bereitgestellt wird, die auf die Rückseite 125 des Spiegelelements 110 geleitet wird. Von dort aus wird die an der Rückseite 125 reflektierte Strahlung dann auf wenigstens ein optisches Sensorelement 300 geleitet. Die Strahlung 290 der Lichtquelle 280 sowie die an der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 reflektierte Strahlung passieren hierbei einen Strahlteiler 310, der die jeweils auf ihn einfallende Strahlung in wenigstens einen passierenden Anteil und einen abgelenkten Anteil aufteilt, die hinsichtlich ihrer Gesamtleistung natürlich nicht über der Leistung der einfallenden Strahlung liegt.
In der hier gezeigten Anordnung von Lichtquelle 280 und dem wenigstens einen Sensorelement 300 wird die Strahlung 290 der Lichtquelle 280 zunächst von dem Strahlteiler 310 in einen abgelenkten Anteil aufgeteilt, der – über eine optionale Linse 320 – auf die Rückseite 125 des Spiegelelements 110 abgelenkt bzw. durch die Linse 320 fokussiert wird. Der passierende Anteil der Strahlung 290 von der Lichtquelle 280 geht verloren.
Die an der Rückseite 125 reflektierte Strahlung trifft dann – erneut über die optionale Linse 320 – auf den Strahlteiler 310, wo die Strahlung erneut in einen passierenden Anteil, der auf das wenigstens eine optische Sensorelement 300 fällt, und einen abgelenkten Anteil aufgeteilt wird. Dieser wird wieder in Richtung Lichtquelle 280 abgelenkt. Bei der hier gezeigten Anordnung 270 sind die Lichtquelle 280 und das wenigstens eine Sensorelement 300 in einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet. Eine aktive Fläche des Strahlteilers 310 wird, die die eigentliche Aufteilung der Strahlung bewirkt, wird hier von jeweils einer unter 45° verlaufenden Fläche zweier Prismen 330-1, 330-2 gebildet. Hierdurch weisen die jeweils passierenden Anteile im Wesentlichen die gleiche Richtung wie die einfallende Strahlung auf, während die abgelenkten Anteile um jeweils etwa 90° abgelenkt werden. Es können jedoch auch andere Autokollimatoranordnungen 270 verwendet werden, bei denen beispielsweise Lichtquelle 280 und Sensorelemente 300 vertauscht sind. Ebenso können andere Winkelverhältnisse verwendet werden.
Bei der hier gezeigten Autokollimatoranordnung 270 kommen zwei optische Sensorelemente 300-1, 300-2 zum Einsatz. Bei diesen kann es sich beispielsweise um Photodioden handeln. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Photodioden kann so ein 2-Quadranten-Sensor implementiert werden, bei dem die Position der auf ihn fallenden Strahlung aus einem Intensitätsquotienten der beiden Photodioden bestimmt werden kann. Neben einer solchen Implementierung können aber auch Position Sensing Devices (PSD; Optischer Positionssensor), 4-Quadranten-Sensoren oder ähnliche Sensoren und Detektoren zum Einsatz kommen. PSDs können beispielsweise auf Basis von Lateralphotodioden als kontinuierliche Bauteile oder Strukturen, jedoch auch als Array von photosensitiven Bauteilen oder Strukturen implementiert werden. 4-Quadranten-Sensoren können beispielsweise auf Basis von drei, vier oder mehr Photodioden realisiert werden.
4 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem optischen Sensor 240 auf Basis eines schrägen Einfallswinkels. Auch dieser Sensor 240 umfasst wieder eine Lichtquelle 280, die hier als Lichtwellenleiter umgesetzt ist und die Strahlung 290 direkt auf die Rückseite 125 des Spiegelelements 110 richtet. Hierbei können weitere, in 4 nicht dargestellte optische Bauteile und Elemente zum Einsatz kommen, wie etwa Linsen oder Filter.
Die Strahlung wird dann im Wesentlichen dem Brechungsgesetz folgend an der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 reflektiert und gelangt von dort aus zu dem wenigstens einen optischen Sensorelement 300. In der in 4 gezeigten Implementierung sind wiederum zwei Sensorelemente 300-1, 300-2 gezeigt, die einen 2-Quadranten-Sensor bilden. Aber auch andere Sensorelemente und deren Anordnung oder Verschaltung können hier zum Einsatz kommen, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform liegt die Drehachse 150 auf Höhe der Rückseite 125 des Spiegelelements 110. Je nach konkreter Implementierung kann diese so auf verschiedenen Höhen liegen und ist hierbei nicht auf die beiden bisher im Rahmen der vorliegenden Beschreibung genannten Stellen beschränkt.
5 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem optischen Sensor 240 auf Basis eines Sensorkopfs 340. Der Sensorkopf 340 stellt ein gemeinsames Gehäuse dar, in dem bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über Lichtwellenleiter 350-1, 350-2, 350-3 zwei Photodioden 360-1, 360-2 sowie eine Lichtquelle 370 angeschlossen sind. Die Lichtwellenleiter 350-1, 350-3 bilden über ihre im Sensorkopf umfassten Eintrittsöffnungen somit zusammen mit den beiden Photodioden 360-1, 360-2 die beiden optischen Sensorelemente 300-1, 300-2 bei dieser Ausgestaltung. Es können anstelle der Photodioden 360 auch andere photosensitive Sensorelemente oder Sensoranordnungen verwendet werden. Ebenso kann die Zahl der photosensitiven Sensorelemente und – unabhängig hiervon – gegebenenfalls auch die Anzahl der Lichtwellenleiter abweichen.
Der Scanner 100 umfasst ferner die Lichtquelle 370, die über den Lichtwellenleiter 350-2 mit dem Sensorkopf 340 verbunden und dort über die Austrittsfläche des Lichtwellenleiters 350-2 die Lichtquelle 280 bildet. Diese sendet die Strahlung 290 auf die Rückseite 125 des Spiegelelements 110, von wo das Licht zum Sensorkopf 340 und seinen Sensorelementen 300 zurückkehrt.
6 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem magnetischen Sensor 240. Bei diesem ist in einem Abstand senkrecht zur Drehachse 150 der magnetische Sensor 240 angeordnet. Dieser umfasst eine ein Magnetfeld erzeugende Struktur 380, beispielsweise einen Permanentmagneten, eine Spule mit oder ohne Kern, eine Kombination dieser Optionen. Ihr gegenüber liegt eine magnetische Sensorstruktur 390, die an der Rückseite 125 des Spiegelelements 110 angeordnet ist. Die magnetische Sensorstruktur kann beispielsweise ein oder mehrere magnetoresistive Sensorelemente umfassen, die auch als xMR-Sensorelemente bezeichnet werden. Die Abkürzung „MR” steht hierbei für „Magnetwiderstand” (engl. magnetic resistor), während das „x” ein Platzhalter für die verschiedenen Typen von magnetoresistiven Sensorelementen bzw. die diesen zugrunde liegenden Effekten steht. So kann das oder die Sensorelemente beispielsweise auf Basis des anisotropen magnetoresistiven Effekts (AMR), des gigantischen magnetoresistiven Effekts (GMR) oder auch des außergewöhnlichen magnetoresistiven Effekts (EMR; extraordinary magneto resitance) arbeiten. Ebenso können jedoch Hall-Sensorelemente oder andere hinsichtlich der Richtung des Magnetfelds und/oder seiner Stärke empfindliche Sensorelemente zum Einsatz kommen. Ebenso können Sensorelemente zum Einsatz kommen, die auf eine entsprechende zeitliche Änderung einer oder beider Größen reagieren und so eine Bestimmung der Änderung der Auslenkung des Spiegelelements 110 ermöglicht.
7 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch einen optischen Scanner 100 mit einem magnetischen Sensor 240, bei der die Anordnungen von Magnetfeld erzeugende Struktur 380 und magnetische Sensorstruktur 390 vertauscht sind. Hier ist die Magnetfeld erzeugende Struktur 380 auf der Rückseite 150 des Spiegelelements 110 angeordnet, während die magnetische Sensorstruktur 390 nicht mit dem Spiegelelement 110 mechanisch verbunden ist, sodass eine Auslenkung des Spiegelelements 110 zu einer von der magnetischen Sensorstruktur 390 erfassbaren Änderung des auf sie einwirkenden Magnetfelds führt. Die das Magnetfeld erzeugende Struktur 380 kann beispielsweise wiederum eine permanentmagnetische Struktur oder auch eine komplexere Struktur umfassen, die ein entsprechendes Magnetfeld hervorruft. Eine solche Magnetfeld erzeugende Struktur 380 kann beispielsweise eine entsprechende Dünnschichtstruktur umfassen oder aus einer solchen gebildet sein, die auf der Rückseite 125 des Spiegelelements angeordnet ist.
8 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein weiteres Beispiel eines optischen Scanners 100, anhand dessen schematisch das Funktionsprinzip weiter dargestellt werden soll. 9a zeigt eine entsprechende Seitenansicht mit Blickrichtung entlang seiner Drehachse 150. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird hier auf die Beschreibung der 1a und 1b verwiesen, wobei im Weiteren nicht zuletzt die Unterschiede der beiden Beispiele hervorgehoben werden.
Bei dem optischen Scanner 100 aus den 8 und 9a handelt es sich um einen, bei dem zwei Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180-1, 180-2 zum Einsatz kommen. Entsprechend weist der optische Scanner 100 auch jeweils einen ersten Permanentmagneten 190 und einen zweiten Permanentmagneten 200 für jede der beiden Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 auf. Im Unterschied zu den 1a und 1b sind in den 8 und 9a die Feldrichtungen mit eingezeichnet, wobei „N” den magnetischen Nordpol und „S” den magnetischen Südpol der betreffenden Permanentmagnete 190, 200 bezeichnet. In 8 ist hierbei das Magnetfeld auch mit B bezeichnet, obwohl B typischerweise das Formelzeichen der magnetischen Flussdichte ist.
Die Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-2 ist so aufgrund der spiegelsymmetrischen Ausgestaltung des ersten Rahmens 130 bezogen auf die Drehachse 150 an einer der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-1 gegenüberliegenden Seite des ersten Rahmens 130 angeordnet. Selbstverständlich können alle Implementierungsdetails hinsichtlich der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-1 auch im Rahmen der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-2 implementiert werden.
Darüber hinaus handelt es sich bei dem ersten Rahmen 130 um einen rechteckigen, jedoch ringförmigen Rahmen, auf dem umlaufende Leiterbahnen 220 aufgebracht sind, über die ein in 8 auch eingezeichneter Strom eingebracht werden kann, sodass eine entsprechende Lorentzkraft durch die beiden Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 hervorgerufen werden kann, die aufgrund der Versetzung von der Drehachse 150 zu einem entsprechenden Drehmoment und somit zu einer entsprechenden Verdrehung um die Drehachse 150 führt. Wie bereits im Zusammenhang mit den 1a und 1b ist auch hier ein optischer Scanner 100 gezeigt, bei dem der erste Rahmen 130 und der zweite Rahmen 140 über Torsionselemente 160 miteinander verbunden sind. Diese sind über entsprechende Fügestellen 400 mit dem ersten und zweiten Rahmen 130, 140 verbunden.
Bei dem hier gezeigten Beispiel ist das auch als Spiegelplatte bezeichnete Spiegelelement 110 über eine feste Verbindung in Form eines Verbindungselements 410 mit dem ersten Rahmen 130 verbunden. Zu diesem Zweck sind die Verbindungselemente 410 breit ausgestaltet, sodass schon aufgrund ihrer Geometrie eine Verwindung und damit eine zusätzliche Torsion um die Drehachse 150 reduziert werden. Die Verbindungselemente 410 können hierbei monolithisch bzw. einstückig mit dem ersten Rahmen 130 gefertigt sein, wie dies in 8 auch gezeigt ist, es kann jedoch bei anderen Beispielen ebenso nicht-monolithisch ausgestaltet sein und beispielsweise als separates Bauteil über eine entsprechende Fügestelle mit dem ersten Rahmen 130 verbunden sein. Auch hier können wiederum stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindungstechniken zum Einsatz kommen. Je nach geometrischer Ausgestaltung des oder der Verbindungselemente 410 werden diese auch als Verbindungsstege bezeichnet.
Handelt es sich um ein monolithisches Verbindungselement, kann so der erste Rahmen 130 auch als ein Rahmen betrachtet werden, der zwei durch das Verbindungselement 410 voneinander getrennte Ausnehmungen 170-1, 170-2 aufweist, in denen jeweils der erste Permanentmagnet 190 der beiden Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180-1, 180-2 angeordnet ist.
Bei anderen Beispielen eines optischen Scanners können jedoch auch andere Verbindungselemente 410 zum Einsatz kommen, beispielsweise einer oder mehrere Verbindungsstege, die die mechanische Verbindung zwischen dem Spiegelelement 110 und dem ersten Rahmen 130 herstellen. Auch hier können diese gegebenenfalls aus einem anderen Material gefertigt sein, als das Trägermaterial des Spiegelelements 110 und/oder das Material des ersten Rahmens 130. Je nach konkreter Ausgestaltung des Verbindungselements bzw. des oder der Verbindungsstege kann so die Verbindung zwischen dem Spiegelelement 110 und dem ersten Rahmen 130 auch federnd bzw. flexibel ausgestaltet sein, um beispielsweise starke, kurzzeitig auftretende mechanische Beschleunigungen abfangen zu können, ohne eine Zerstörung des optischen Scanners befürchten zu müssen.
Der optische Scanner 100 umfasst so das Spiegelelement 110, das auch als Spiegelsubstrat bezeichnet wird und ein beliebiges Material aufweisen kann. Das Material kann beispielsweise das zuvor schon erwähnte Silizium oder Quarzglas sein. Das Spiegelelement 110 ist hier über die Verbindung in Form des Verbindungselements 410 flexibel oder starr, in monolithischer Ausgestaltung oder nicht-monolithisch Ausgestaltung mit dem inneren rechteckigen ersten Rahmen 130 verbunden. Dieser ist verdrehbar über runde oder eckige Torsionsstege als Torsionselemente 160, die entlang einer Drehachse 150 angeordnet sind, mit dem äußeren, unbeweglichen zweiten Rahmen 140 verbunden. Die Torsionselemente 160 sind an den Fügestellen 400 am inneren ersten Rahmen 130 und am äußeren unbeweglichen zweiten Rahmen 140 befestigt.
An der Unterseite, wahlweise auch an der Oberseite des ersten drehbaren Rahmens 130, wie dies in 8 dargestellt ist, ist eine plane Leiterbahnschleife angebracht, die die Leiterbahnstrecken der beiden Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 bildet. Die Leiterbahnschleife kann beispielsweise über eine Gasabscheidung, beispielsweise einen PVD-Prozess (Physical Vapor Deposition; Physikalische Gasabscheidung) oder auch galvanisch auf den ersten Rahmen 130 aufgebracht werden. Ebenso kann sie jedoch auch als Luftspule aus Draht realisiert werden, die an dem Rahmen 130 angebracht ist. Weiterhin zeigt 8 eine Anordnung von wenigstens vier planen scheibenförmigen Permanentmagneten 190, 200, die senkrecht zur Scheibenfläche magnetisiert sind.
Die Permanentmagneten 190, 200 können aus einem hartmagnetischen Material gefertigt sein, beispielsweise NdFeB, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Permanentmagneten 190, 200 sind bei dem hier gezeigten optischen Scanner 100 jeweils paarweise an gegenüberliegenden Kanten des ersten Rahmens 130 angeordnet. Die Anordnung ist so gewählt, dass die Permanentmagneten 190, 200 in ihrem jeweiligen Zwischenraum ein näherungsweise homogenes Magnetfeld B erzeugen, welches zumindest in der Ruheposition des ersten Rahmens 130 parallel zu seiner Rahmenebene und senkrecht zu den Leiterbahnen 220 verläuft. Die linke Kante des ersten Rahmens 130 befindet sich im Zwischenraum von dem von den Permanentmagneten 190, 200 gebildeten Magnetpaar der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-1, während die rechte Kante im Zwischenraum des Magnetpaars 190, 200 der weiteren Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-2 liegt. Durch diese Anordnung kann es möglich sein, dass sich jede der beiden Leiterbahnteilstrecken 220 in jeweils einem homogenen Magnetfeld befindet, welches von jeweils zwei Permanentmagneten 190, 200 erzeugt wird. Selbstverständlich können aber auch mehrere Permanentmagneten zum Einsatz kommen.
Der Abstand der beiden Magneten 190, 200 eines Magnetpaares kann beispielsweise nur geringfügig größer gewählt ist als die Breite des ersten Rahmens 130. Die Flussdichte B des Magnetfeldes B im Zwischenraum eines Magnetpaares 190, 200 kann hierdurch sehr viel größer sein, als bei konventionellen Anordnungen mit insgesamt lediglich zwei Magneten, die außen am Rahmen angebracht sind und deren Abstand der Kantenlänge des Rahmens entspricht.
Bei dem hier gezeigten optischen Scanner wird ferner eine nicht-monolithische Verbindung zwischen dem bewegten inneren ersten Rahmen 130 und dem statischen zweiten Rahmen 140, der auch als Halterahmen bezeichnet wird, über die Torsionselemente 160 in Form der Torsionsstege aus einem beliebigen Material umgesetzt. Das Material kann beispielsweise ein gut federndes Material mit hoher Bruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit sein, also beispielsweise Kupfer-Beryllium oder Federstahl.
Der zweite Rahmen 140 kann beispielsweise im Falle eines eindimensionalen optischen Scanners 100, der also lediglich eine Ablenkung eines einfallenden Strahls 420 entlang einer Raumrichtung als ausfallender oder reflektierter Strahl 430 ermöglicht, auch als statischer Halterahmen bezeichnet werden. Bei dem in den 8 und 9a gezeigten optischen Scanner 100 ist dies der Fall. Der zweite Rahmen 140 wird hier über ein Gehäuse oder eine Halterung 440 mechanisch fixiert. Die Halterung 440 kann zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung einer magnetischen Beeinflussung der Magnetfelder des optischen Scanners 100 aus einem paramagnetischen oder einem diamagnetischen Material gefertigt sein. Die Halterung 440 kann so beispielsweise aus Aluminium (Al), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Quarzglas, um nur einige Beispiele zu nennen. Unabhängig von dem verwendeten Material kann es gegebenenfalls ratsam sein, den ersten Rahmen 130 im Vergleich zum Abstand der Permanentmagneten 190, 200 voneinander von der Halterung 440 weiter weg anzuordnen.
Die Vorderseite 120 des Spiegelelements 110 ist bei dem hier gezeigten optischen Scanner 100 derart beschaffen, sodass sie hochreflektierend für die zu scannende Strahlung ist. Dies kann beispielsweise durch eine dielektrische Hochleistungsbeschichtung erreicht werden. In der Seitenansicht der 9a ist so der einfallende (Licht-)Strahl 420 gezeigt, der gemäß dem Reflexionsgesetz von der Vorderseite 120 des Spiegelelements 110 in der Einfallsebene umgelenkt wird und als reflektierter Lichtstrahl 430 weiterläuft.
9b zeigt die 9a entsprechende Seitenansicht des optischen Scanners 100, dessen Spiegelelement 110 in Ruhelage (durchgezogene Linie) und in einem ausgelenkten Zustand (punktierte Linie) eingezeichnet ist. Werden die Leiterbahnen 220 mit einem Strom beaufschlagt, so wirkt auf diese aufgrund des Magnetfelds B der Permanentmagneten 190, 200 die Lorentzkraft. Die Richtung der Lorentzkraft ist im Zwischenraum des Magnetpaars 190, 200 der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-1 der Richtung der Lorentzkraft entgegengesetzt, die im Zwischenraum des Magnetpaars 190, 200 der weiteren Lorentzkraft-Antriebseinheit 180-2 wirkt. In 9b wirkt so das Drehmoment auf der linken Seite nach oben und das Drehmoment auf der rechten Seite nach unten. Beide Drehmomente addieren sich zu einem gemeinsamen Drehmoment, welches den ersten Rahmen 130 um die Drehachse 150 in Rotation versetzt. Das links von der Drehachse befindliche Teilstück des ersten Rahmens 130 bewegt sich nach oben und das rechte Teilstück nach unten. Der aus der Ruhelage ausgelenkte erste Rahmen ist in 9a mit dem Bezugszeichen 130' bezeichnet. Entsprechend ist das mit dem ersten Rahmen 130 verbundene Spiegelelement 110' um denselben Winkel wie der erste Rahmen 130 rotiert, sodass der ausgelenkte Spiegel 110' zum ausgelenkten ersten Rahmen 130' zu jedem Zeitpunkt denselben Winkel aufweist wie das nicht ausgelenkte Spiegelelement 110 zum nicht ausgelenkten ersten Rahmen 130.
Die Torsionselemente 160 in Form der Torsionsstege bewirken hier ein rückstellendes Drehmoment, welches dem auslenkenden Drehmoment entgegengerichtet ist. Der Betrag des rückstellenden Drehmoments hängt von den Richtkonstanten der Torsionselemente 160 ab, die wiederum vom Schubmodul des Materials und den Abmessungen der Elemente 160, also beispielsweise der Stege abhängig sind. Der maximale Auslenkwinkel des ersten Rahmens 130 ist dann erreicht, wenn die Rückstellkraft und das maximal auslenkende Drehmoment im Gleichgewicht sind.
Der bei ausgelenktem Spiegelelement 110' reflektierte Lichtstrahl 430' erfährt gegenüber dem bei nicht ausgelenktem Spiegel 110 reflektierten Lichtstrahl 430 eine Ablenkung. Dieser Ablenkwinkel entspricht dem doppelten Auslenkwinkel des Rahmens 130'. Der Ablenkwinkel kann durch Wahl der Stromstärke und Stromrichtung gesteuert werden.
Mit dem in den 8, 9a und 9b gezeigten optischen Scanner 100 ist somit ein quasistatisches wie auch eine resonantes eindimensionales Scannen bzw. kontrolliertes Ablenken des Lichtstrahls 420 möglich, um den reflektierten Lichtstrahl 430, 430' zu erhalten.
Bei einem solchen oder auch einem anderen optischen Scanner 100, wie er hier beschrieben ist, können so die Torsionselemente 160 aus einem anderen Material als der erste Rahmen 130 gefertigt sein. Sie können so beispielsweise nicht-monolithisch mit dem zweiten Rahmen 140 über die Fügestellen 400 verbunden sein. Die Abmessungen der Torsionselemente 160 können daher von den Abmessungen des ersten und/oder des zweiten Rahmens 130, 140 entkoppelt werden. Insbesondere kann so die Dicke der Torsionselemente 160 senkrecht zu der Ebene des ersten Rahmens 130 (Ebene des Magnetfelds in der Ruheposition) unabhängig von der Dicke des ersten und/oder zweiten Rahmens 130, 140 gewählt werden. Auch können runde Torsionselemente 160 mit eckigen Rahmen 130, 140 verbunden werden. Die Richtkonstante wird von den Stegabmessungen beeinflusst, während das Trägheitsmoment durchaus entscheidend von der Dicke des ersten Rahmens 130 und des Spiegelelements 110 beeinflusst werden kann. Diese beiden Größen sind nun nicht mehr aneinander gekoppelt.
Durch eine solche nicht-monolithische Verbindung können auch die Abmessungen, insbesondere die Dicken des inneren, beweglichen ersten Rahmens 130 und des Spiegelelements 110 sowie des äußeren, unbeweglichen zweiten Rahmens 140 voneinander unabhängig gewählt werden.
Der optische Scanner 100 weist so eine Anordnung mit je wenigstens zwei Permanentmagneten 190, 200 je Leiterbahnteilstrecke 220 bzw. je Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 auf, wobei der Abstand der Magneten 190, 200 hierdurch ungefähr der Rahmenbreite des ersten Rahmens 130 und nicht etwa der Kantenlänge des Rahmens entspricht. In dieser Anordnung werden im Wesentlichen zwei homogene Magnetfelder erzeugt, die aufgrund des geringeren Abstandes jeweils eine höhere magnetische Flussdichte B haben als bei konventionellen Anordnungen.
Durch die Verwendung von jeweils wenigstens zwei Permanentmagneten 190, 200 je Leiterbahnteilstrecke 200 bzw. je Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 mit einem Abstand, der nur geringfügig größer als die Rahmenbreite des ersten Rahmens 130 ist, kann gegebenenfalls eine Erhöhung des maximalen Drehmoments um einen Faktor 2 oder darüber erzielt werden. Dadurch können größere maximale Ablenkwinkel und/oder höhere Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten erreicht werden.
Die Entkopplung der Abmessungen der Torsionselemente 160 von den Rahmenabmessungen des ersten Rahmens 130 kann dazu verwendet werden, dass dünnere Stege oder Elemente 160 verwendet werden, die geringere Richtkonstanten haben, wobei dennoch dicken Rahmen 130 und Spiegel 110 zum Einsatz kommen können. Dem Effekt der dynamischen Deformation, der besonders bei dünnen Rahmen und Spiegeln auftritt, kann somit entgegengewirkt werden, was die Genauigkeit verbessern kann. Auch die statische Deformation bei dielektrischer Beschichtung kann dadurch verringert werden.
Ebenso ist eine freiere Wahl des Materials der verwendeten Torsionselemente 160 möglich. Hierdurch kann es möglich sein, für das Spiegelelement 110 und den Rahmen 130 besonders steife Materialien zu wählen, während die Torsionselemente 160 aus besonders elastischem Material gefertigt werden können. Auch dies kann zur Folge haben, dass die dynamischen Eigenschaften des optischen Scanners 100 verbessert werden, während die dynamische Deformation verringerbar ist.
Auch kann die Robustheit des optischen Scanners 100 dadurch verbessert, dass die Torsionselemente 160 aus besonders elastischem Material gefertigt werden. Bei monolithischen Siliziumstrukturen stellen die dünnen Siliziumstege häufig den bruchempfindlichsten Teil dar. Diese wesentliche Schwachstelle von konventionellen elektromagnetischen MOEMS-Scannern kann so beseitigt, zumindest jedoch reduziert werden. So kann das Verhältnis R von erzielbarem Drehmoment M zu vorherrschendem Trägheitsmoment J durch die Magnetfeldanordnung der Lorentzkraft-Antriebseinheit 180, gegebenenfalls unterstützt durch die Entkopplung der Abmessungen der Torsionselemente 160 verbessert werden.
Im weiteren Verlauf der vorliegenden Beschreibung werden weitere Ausgestaltungen von optischen Scannern 100 beschrieben, bei denen jedoch der Fokus auf den Veränderungen gegenüber den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen liegt. Ebenso werden bauraumsparende Anordnungen zweier eindimensionaler optischer Scanner zu einem zweidimensionalen optische Scanner bzw. Scannersystem gezeigt. Hierbei wird auch ein zweidimensionaler optischer Scanner mit einem einzigen Pivot- oder Drehpunkt beschrieben.
10 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines optischen Scanners 100 mit einem radialen Magnetfeld. Wie bereits zuvor in 9b beziehen sich hier die gestrichenen Bezugszeichen (z. B. 110') auf das jeweilige Objekt (z. B. Spiegelelement 110) in ihrem verkippten bzw. verdrehten Zustand.
Während bei der in den 8, 9a und 9b gezeigten Implementierung ein Magnetpaar 190, 200 ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld erzeugt, kommt bei der in 10 gezeigten Implementierung eines optischen Scanners 100 ein im Wesentlichen radiales Magnetfeld B zum Einsatz. Im Fall des homogenen Magnetfeldes ist dieses für einen nicht ausgelenkten ersten Rahmen 130, also die Ruheposition, parallel zur Rahmenebene des ersten Rahmens 130 angeordnet. Wenn sich der Rahmen allerdings aus der Ruhelage bewegt, also ausgelenkt wird, schließen die Feldlinien und die Rahmenebene einen Winkel ein, der dem Auslenkwinkel entspricht. Die Lorentzkraft ist dann nicht mehr senkrecht zur Rahmenfläche gerichtet, sondern schließt ebenfalls den Auslenkwinkel mit dieser ein. Der effektive Betrag der Lorentzkraft, welcher das Drehmoment bewirkt, verringert sich so durch den Cosinus des Auslenkwinkels. Mit der in 10 dargestellten Ausgestaltung, kann dies ausgeglichen werden.
Bei der in 10 dargestellten Form sind die Permanentmagneten 190, 200 in Richtung zu der Drehachse 150 hin gekrümmt sind. Die ersten Permanentmagneten 190 weisen so je eine der Drehachse 150 abgewandte Außenkontur auf, die zu einer konvexen Form der ersten Permanentmagneten 190 an der dem Steg 210 zugewandten Seite führt. Entsprechend weist der zweite Permanentmagnet 200 an der dem Steg 210 und der Drehachse 150 zugewandten Seite eine konkave Außenkontur auf. Der Krümmungsradius an den dem Steg 210 zugewandten Seite entspricht bei jedem der Magneten 190, 200 im Wesentlichen seinem Abstand zur Drehachse 150.
Ein Magnetpaar 190, 200 in dieser Anordnung erzeugt ein im Wesentlichen radiales Magnetfeld im Zwischenbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten 190, 200, welches unabhängig vom Auslenkwinkel stets parallel zur Rahmenfläche ausgerichtet ist. Somit ist der Beitrag der Lorentzkraft, der das Drehmoment bewirkt, konstant und insbesondere für jeden Auslenkwinkel maximal.
11 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines optischen Scanners 100 mit einem Joch zur Verstärkung der magnetischen Flussdichte B. Im Unterschied zu dem in den 8, 9a und 9b gezeigten optischen Scanner 100 sind bei diesem Scanner 100 die ersten und zweiten Permanentmagneten jeweils auf einem Schenkel 460 bzw. 470 angeordnet, die über das Joch 450 magnetisch miteinander verbunden bzw. gekoppelt sind. Das Joch 450 und die Schenkel 460, 470 können beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material, wie etwa Eisen (Fe), gefertigt sein, weshalb das Joch auch als Eisenjoch bezeichnet wird, obwohl auch andere Materialien als Eisen zum Einsatz kommen können. Die Schenkel 460, 470 und das Joch 450 können hierbei einteilig oder auch integral geformt sein. Sie können jedoch auch aus mehreren, beispielsweise U-förmigen Blechen gefertigt sein.
Die von dem Zwischenraum abgewandten Flächen der Permanentmagnete 190, 200 sind so über das Eisenjoch 450 magnetisch kurzgeschlossen sind. Die Magnetfeldlinien B' im inneren des Eisenjochs 450 sind dichter als im entsprechenden Luftvolumen ohne Eisenjoch 450. Dies hat zur Folge, dass auch die Flussdichte des Magnetfeldes B im Zwischenraum höher ist. Dieser Effekt kann durch das Hopkinsonsche Gesetz erklärt werden, das besagt, dass der magnetische Fluss B umgekehrt proportional zum magnetischen Widerstand ist. Das Eisenjoch 450 verringert den Widerstand im Außenraum. Da die magnetischen Widerstände im Zwischenraum und im Außenraum eines Magnetpaares 190, 200 einer Reihenschaltung von Widerständen entsprechen, verringert sich dadurch der Gesamtwiderstand, was zur Erhöhung der Flussdichte B im Zwischenraum führt. Damit kann die Lorentzkraft vergrößert werden, was letztlich zu größeren Scanwinkeln und größeren Scangeschwindigkeiten führt.
12 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines optischen Scanners 100 mit einer Kombination eines Jochs 450 mit gekrümmten Permanentmagneten 190, 200. Hierbei ist das Joch 450 ebenfalls entsprechend gekrümmt, um das radiale Magnetfeld B zu verstärken. Genauer gesagt sind die Schenkel 460, 470 so ausgeformt, dass diese das Magnetfeld B über das Joch 450 effektiv kurzschließen können, also hinsichtlich ihrer Form an die Form der Permanentmagnete 190, 200 an den dem Steg 210 abgewandten Seiten angelehnt bzw. entsprechend ausgeformt.
Während zuvor im Wesentlichen optische Scanner 100 mit einer festen Verbindung zwischen dem ersten Rahmen 130 und dem Spiegelelement 110 beschrieben wurden, kann diese Verbindung nicht zuletzt auch flexibel ausgebildet werden. Die beispielsweise in 8 gezeigten Verbindungselemente 410 zwischen dem Spiegelelement 110 und Rahmen 130 können so ebenfalls nicht steif, sondern flexibel oder federnd ausgelegt werden, was ein leichtes Überschwingen bzw. Ausschwingen des ausgelenkten Spiegelelements 110 gegenüber dem ausgelenkten Rahmen 130 bei einem abrupten Abbremsen oder einer abrupten Richtungsänderung erlaubt. Dieses Ausschwingen erlaubt die Durchführung von Richtungsänderungen mit besonders großer Beschleunigung, ohne Beschädigungen beispielsweise in Form von Mikrorissen oder dynamische Deformation zu verursachen.
13 zeigt eine vereinfachte Aufsicht auf einen optischen Scanner 100 für zweidimensionale Ablenkungen. Sie weist eine kardanische Aufhängung auf, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Auch hier ist der innere bewegliche erste Rahmen 130, der um eine Drehachse 150 wenigstens verdreh- oder verkippbar über die Torsionselemente 160 in Form von Torsionsstegen in Bezug auf den äußeren beweglichen zweiten Rahmen 140 verbunden. Die Torsionselemente 160 sind auch hier entlang der Drehachse 150 angebracht.
Allerdings umfasst der optische Scanner einen dritten Rahmen 480, der beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse oder einem nicht dargestellten Halter gekoppelt sein kann und so bezüglich dieser als fest oder unbeweglich angesehene werden kann. Der äußere bewegliche zweite Rahmen 140 kann so um eine zweite oder weitere Drehachse 490 wenigstens verdreh- oder verschwenkbar gelagert oder verbunden sein. Die erste Drehachse 150 und die zweite Drehachse 490 können hierbei – als Vektoren aufgefasst – voneinander linear unabhängig, also beispielsweise orthogonal (90°) zueinander angeordneten sein. Die weitere Drehachse 490 kann über weitere Torsionselemente 500, beispielsweise in Form von Torsionsstegen, die mit dem äußeren unbeweglichen dritten Rahmen 480 und dem zweiten Rahmen 140 verbunden sind, gebildet werden.
Auf dem zweiten Rahmen 140 sind ebenfalls Leiterbahnen 220 strukturiert, die als Teil weiterer Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180-3, ..., 180-6 implementiert sind. Auch diese weisen entsprechend erste und zweite Permanentmagneten 190, 200 auf, von denen die ersten Permanentmagneten 190 in einer oder mehreren Ausnehmungen 510 des zweiten Rahmens 140 angeordnet sind. Die zugehörigen zweiten Permanentmagneten 200 sind entsprechend an einer Außenkontur des zweiten Rahmens angebracht, wie dies bereits im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen optischen Scannern 100 hervorgehoben wurde. Auch hier kann so über die entsprechenden Stege des zweiten Rahmens eine Lorentzkraft-Antriebseinheit 180 gebildet werden, wie diese bereits im Zusammenhang mit den eindimensionalen optischen Scannern 100 beschrieben wurde. Bei anderen optischen Scannern 100 kann natürlich sowohl die Anzahl der Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 zur Ausübung eines Drehmoments um die Drehachse 150 auf den ersten Rahmen 130 wie auch die Anzahl der Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180 zur Ausübung eines Drehmoments um die weitere Drehachse 490 auf den zweiten Rahmen 140 geändert werden. Anstelle von zwei bzw. vier entsprechender Antriebseinheiten 180 kann so jede beliebige Anzahl, beispielsweise auch lediglich eine einzige je Drehachse 150, 490 implementiert werden.
Die Teilstrecken der Leiterbahnen 220 sowie paarweisen Permanentmagneten 190, 200 sind gerade derart angebracht, dass sie in ihrem Zwischenraum ein homogenes Magnetfeld erzeugen. Die Ströme in den Leiterbahnen 220 auf dem inneren ersten Rahmen 130 und auf dem mittleren zweiten Rahmen 140 können von unterschiedlichen Stromquellen bereitgestellt werden. Damit können die Ablenkwinkel für beide Achsen unabhängig voneinander gesteuert werden. Mit dieser platzsparenden Bauweise kann eine zweidimensionale Strahlablenkung auf einem Pivot-Punkt erfolgen.
Ebenso können sowohl für die eine oder mehreren Antriebseinheiten 180 bezogen auf die Drehachse 150, wie auch auf die eine oder mehreren Antriebseinheiten 180 der weiteren Drehachse 490 andere Ausgestaltungen hinsichtlich der Permanentmagnete 190, 200 oder auch eines entsprechenden Jochs 450 unabhängig von den anderen Antriebseinheiten 180 implementiert werden.
Auch auf Basis eindimensionaler optischer Scanner 100 kann eine zweidimensionale Scannereinheit oder Scannersystem 570 implementiert werden. Ein solches kann beispielsweise zwei optische Scanner 100-1, 100-2, wie sie zuvor beschrieben wurden, umfassen. So werden im Folgenden weitere Möglichkeiten zur zweidimensionalen Strahlablenkung basierend auf zwei eindimensionalen optischen Scanner 100 kurz vorgestellt.
14 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Scannersystems 570, das einen ersten optischen Scanner 100-1 und einen zweiten optischen Scanner 100-2 in einer 90°-Umlenkungsanordnung umfasst. Entsprechend sind die Komponenten der beiden Scanner 100 auch durch nachgestellte Nummerierungen in 14 bezeichnet.
So zeigt 14 eine für Galvanometerscanner typische Anordnung, die unter Verwendung der optischen Scanner 100 implementiert ist, wie sie oben beschrieben wurde. Die beiden Drehachsen 150-1, 150-2 der beiden optischen Scanner 100-1, 100-2 stehen hierbei wiederum senkrecht aufeinander, können jedoch ebenso auf andere Art und Weise voneinander linear unabhängig sein.
Wegen der fehlenden Stabrotoren im Vergleich zu konventionellen Anordnungen kann das Scannersystem 570 deutlich platzsparender implementiert werden. Der erste Scanner 100-1 erzeugt so aus dem einfallenden Strahl 420 einen Zwischenstrahl 580 als von dem Scanner 100-1 reflektierten Strahl, der dann wiederum von dem zweiten Scanner 100-2 als reflektierter Strahl 430 auf ein Scanfeld 590 abgelenkt wird, bei dem es sich beispielsweise um die Bearbeitungsebene im Falle einer Werkzeugmaschine handeln kann. Hierbei erfährt der einfallende Lichtstrahl 420 eine 90°-Umlenkung nach Durchlaufen der zweidimensionalen Anordnung 570. Das Scanfeld 20 liegt daher nicht in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 420.
15 zeigt eine weitere mögliche Anordnung zweier optischer Scanner 100-1, 100-2, die ein optisches Scannersystem 570 bilden. Bei diesem liegen der einfallende Strahl 420, der Zwischenstrahl 580 und der reflektierte Strahl in einer Ebene, wenn die beiden optischen Scanner in ihrer Ruheposition sind. Bei dieser Anordnung der beiden optischen Scanner erfolgt keine Richtungsänderung, sondern lediglich ein Strahlversatz. Das Scannersystem 570 kann so beispielsweise in einem sehr kompakten Gehäuse 600 angeordnet sein, welches die zwei eindimensionalen optischen Scanner 100-1, 100-2 umschließt. Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit Strahlversatz, aber ohne Richtungsänderung des Strahls. Ein Scannersystem 570 kann bei Verwendung dieser Anordnung, im Vergleich zu der in Bild 14 gezeigten Anordnung, noch platzsparender gebaut werden. Auch eine Strahlquelle 610, also beispielsweise ein Laser, Laserdiode oder eine Diode, kann als Teil des Gehäuses 600 ausgeführt sein, auch wenn dies in 15 anders dargestellt ist.
16 zeigt eine 1 vergleichbare Darstellung eines optischen Scanners 100 mit zwei Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180-1, 180-2, die teilweise – genauer gesagt über ihre ersten Permanentmagneten 190 – in zwei Ausnehmungen 170-1, 170-2 des ersten Rahmens 130 angeordnet sind.
Darüber hinaus zeigt 16 einen optischen Scanner 100, bei dem der erst und der zweite Rahmen 130, 140 über Lager 670 miteinander wenigstens verdrehbar, wenn nicht sogar frei rotierbar gelagert sind. Als Lager 670 können beispielsweise Wälzlager, also beispielsweise Kugellager, Nadellager oder Zylinderrollenlager zum Einsatz kommen. Ebenso können jedoch auch Gleitlager, die schmierungsfrei, feststoffgeschmiert oder auch flüssig geschmiert sein können. So können beispielsweise Gleitlager auf PTFE- und/oder Keramikbasis verwendet werden. Es können aber auch Magnetlager als Lager 670 zum Einsatz kommen, die gesteuert oder geregelt, jedoch auch völlig ungesteuert sein können.
16 zeigt so einen weiteren optischen Scanner 100, bei dem die Torsionsstege bzw. Torsionselemente 160 durch ein oder mehrere Lager 670 ersetzt wurden. Dadurch entfällt das rücktreibende Drehmoment, wodurch im Prinzip beliebig große Winkel oder eine freie Rotierbarkeit des ersten Rahmens 130 erzielt werden kann. Die Geschwindigkeit wird in diesem Fall durch das Trägheitsmoment der bewegten Struktur und durch die Reibung der Lager 670 begrenzt. Statische Auslenkungen mit konstantem Winkel können beispielsweise durch Bremsen des oder der Lager 670 oder durch schnelles Umpolen des elektrischen Stroms erreicht werden. Selbstverständlich kann auch eine Kombination aus Lager 670 und Torsionselement 160 implementiert werden.
Durch den Einsatz eines oder mehrerer optischer Scanner 100 kann so ein miniaturisierter, stoßfester optischer Scanner 100 mit verbesserter Dynamik implementierbar sein. Scanner 100 können so bei einem Spiegeldurchmesser von 10–20 mm einen Gesamtaußendurchmesser von 25 mm aufweisen. Im Falle von Torsionsstegen 160 können diese eine Breite von beispielsweise 0.1 bis 0.2 mm aufweisen. Diese Werte stellen aber nur Beispiele dar. Eine Skalierung oder Veränderung der Abmessungen nach oben oder unten ist problemlos möglich und abhängig von der jeweiligen Anwendung.
17 zeigt noch eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit einer Lorentzkraft-Antriebseinheit 180, die als Halbach-Array ausgeführt ist. Diese ähnelt den in den 11 und 12 dargestellten Lorentzkraft-Antriebseinheiten 180. Allerdings sind die dort dargestellten und beschriebenen Joche 450 aus Permanentmagneten gefertigt, wodurch eine Implementierung von Schenkeln 460, 470 entfallen konnte. Allerdings weist das Hallbach-Array hier zusätzliche Eckmagnete 680 auf, die eine magnetische Umlenkung der Feldlinien bewirken und eine um 90° gedrehte Anordnung bezüglich der Nord- und Südpole im Vergleich zu dem Joch 450 und den Permanentmagneten 190, 200 aufweist. Das Joch 450 ist hierbei hinsichtlich seiner magnetischen Pole so angeordnet, dass es in seinem Inneren Magnetfeldlinien aufweist, die den Feldlinien im Bereich zwischen den beiden Magneten 190, 200 entgegengesetzt sind. Eine solche Hallbach-Array-Anordnung kann sowohl bei planaren Magneten 190, 200 wie auch den zuvor beschriebenen gekrümmten Magneten 190, 200 eingesetzt werden.
Durch den Einsatz eines optischen Scanners 100 oder eines optischen Scannersystems 570 kann es möglich sein, einen Kompromiss des optischen Scanners 100 hinsichtlich der erzielbaren Scangeschwindigkeit, des durch diesen ablenkbaren Strahldurchmessers, seiner Genauigkeit, seiner Stabilität, der erzielbaren Ablenkwinkel sowie des benötigten Bauraums zu verbessern.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6982504 B2 [0005]
US 5430666 [0005]
DE 102006036499 B4 [0005]
EP 2128681 A1 [0005]
WO 2004/061904 A2 [0005]
US 5606477 [0005]
ID 69432250 T2 [0005]
US 7391222 B2 [0005]
US 2012/0194891 A1 [0005]

Claims

Optischer Scanner (100) zum Ablenken eines Strahls (420) mit folgenden Merkmalen: einem Spiegelelement (110) mit einer Vorderseite (120) und einer Rückseite (125), wobei die Vorderseite (120) ausgebildet ist, um den Strahl abzulenken; einem ersten Rahmen (130), der bezogen auf einen zweiten Rahmen (140) um eine Drehachse (150) wenigstens verschwenkbar ist, der mit dem Spiegelelement (110) mechanisch gekoppelt ist und eine Ausnehmung (170) aufweist; und einer Lorentzkraft-Antriebseinheit (180), die teilweise in der Ausnehmung (170) des ersten Rahmens (130) angeordnet und ausgebildet ist, um ein Drehmoment auf den ersten Rahmen (130) bezogen auf die Drehachse (150) auszuüben, wobei der Scanner (100) ausgebildet ist, um einem Sensor (420) einen unmittelbaren Zugriff auf wenigstens einen Teil der Rückseite (125) des Spiegelelements (110) zu ermöglichen.
Optischer Scanner (100) nach Anspruch 1, der ferner den Sensor (420) umfasst, wobei der Sensor (420) ein kapazitiver Sensor ist, der eine Elektrode (250) und eine Gegenelektrode (260) umfasst, die so angeordnet sind, dass eine Verdrehung des Spiegelelements (110) zu einer Veränderung eines Abstands der Elektrode (250) von der Gegenelektrode (260) führt, wobei das Spiegelelement (110) an seiner Rückseite (125) die Elektrode (250) umfasst und/oder wenigstens ein Teil des Spiegelelements (110) die Elektrode (250) des Sensors (420) bildet; und/oder wobei der Sensor (420) ein magnetischer Sensor ist, der eine ein Magnetfeld erzeugende Struktur (380) und eine magnetische Sensorstruktur (390) umfasst, die so angeordnet sind, dass eine Verdrehung des Spiegelelements (110) zu einer von der Sensorstruktur (390) detektierbaren Veränderung des erzeugten Magnetfeldes führt, wobei die das Magnetfeld erzeugende Struktur (380) oder die Sensorstruktur (390) an der Rückseite (125) des Spiegelelements (110) angeordnet ist.
Optischer Scanner (100) nach Anspruch 1, der ferner den Sensor (420) umfasst, wobei der Sensor (420) ein optischer Sensor ist, der eine eine Strahlung (290) bereitstellende Lichtquelle (280) und wenigstens ein optisches Sensorelement (300) umfasst, die so angeordnet sind, dass das wenigstens eine Sensorelement (300) die Strahlung (290) der Lichtquelle nach einer Reflexion an der Rückseite (125) des Spiegelelements (110) empfängt und dass eine Verdrehung des Spiegelelements (110) zu einer von dem wenigstens einen optischen Sensorelement (300) detektierbaren Veränderung der Strahlung (290) führt.
Optischer Scanner (100) nach Anspruch 3, bei dem der Sensor (420) eine Autokollimatoranordnung (270) umfasst.
Optischer Scanner (100) nach Anspruch 4, bei dem das wenigstens eine Sensorelement (300) ein Position Sensing Device, einen CCD-Sensor, eine Photo-Lateraldiode, einen 2-Quadranten-Photosensor und/oder einen 4-Quadranten-Photosensor umfasst.
Optischer Scanner (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das wenigstens eine Sensorelement (300) und die Lichtquelle (280) in einem gemeinsamen Gehäuse (340) angeordnet sind.
Optischer Scanner (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Lichtquelle (280) und das wenigstens eine Sensorelement (300) so angeordnet sind, dass die Strahlung (290) schräg zu einer Flächennormalen der Rückseite (125) des Spiegelelements (110) auf das Spiegelelement (110) fällt und dort reflektiert wird.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Rahmen (130), der zweite Rahmen (140) und das Spiegelelement (110) derart angeordnet sind, dass die Drehachse (150) auf Höhe der Vorderseite des Spiegelelements (110) liegt.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausnehmung (170) des ersten Rahmens (130) ausgebildet ist, um dem Sensor den unmittelbaren Zugriff auf wenigstens den Teil der Rückseite (125) des Spiegelelements (110) zu ermöglichen, und/oder bei dem der erste Rahmen (130) eine weitere Ausnehmung (230) aufweist, die ausgebildet ist, um dem Sensor (420) den unmittelbaren Zugriff auf wenigstens den Teil der Rückseite des Spiegelelements (110) zu ermöglichen.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Rahmen (130) einen Steg (210) aufweist, der wenigstens teilweise eine Außenkante des ersten Rahmens (130) bildet und die Außenkante von der Ausnehmung (170) trennt, wobei die Lorentzkraft-Antriebseinheit (180) einen ersten Permanentmagneten (190) und einen zweiten Permanentmagneten (200) aufweist, wobei der erste Permanentmagnet (190) in der Ausnehmung (170) und der zweite Permanentmagnet (200) gegenüber dem ersten Permanentmagnet (190) außerhalb des Steges (210) angeordnet ist, und wobei der Steg (210) eine Leiterbahnstrecke (220) aufweist, die ausgebildet ist, um einen Strom zu tragen.
Optischer Scanner (100) nach Anspruch 10, bei dem der erste (130) und der zweite Permanentmagnet (140) in einer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse (150) jeweils an einer dem Steg (210) zugewandten Seite eine gekrümmte Außenkontur mit einem Krümmungsradius aufweist, der einem Abstand der jeweiligen Außenkontur von der Drehachse (150) entspricht.
Optischer Scanner (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der erste (190) und der zweite Permanentmagnet (200) magnetisch über wenigstens ein Joch (450) verbunden sind.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Rahmen (130) und der zweite Rahmen (140) nicht-monolithisch miteinander gekoppelt sind.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Rahmen (130) und der zweite Rahmen (140) über wenigstens ein Lager (670), beispielsweise ein Wälzlager, ein Kugellager, ein Gleitlager oder ein Magnetlager, miteinander wenigstens verdrehbar gekoppelt sind.
Optischer Scanner (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen dritten Rahmen (480) aufweist, der bezogen auf den zweiten Rahmen (140) um eine weitere Drehachse (490) wenigstens verschwenkbar ist, wobei die weitere Drehachse (490) und die Drehachse (150) linear unabhängig voneinander sind, also beispielsweise einen Winkel von 90° miteinander einschließen.