DE102016220934A1 - Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil, einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil (1), das mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz (f) mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3f) mit einer zweiten Mode schwingt. Dabei ist die zweite Resonanzfrequenz (3f) um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz (f).Die Erfindung betrifft weiterhin einen Resonanzscanner (16) umfassend das resonant anregbare Bauteil (1) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils (1).

Description

• Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil, einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils.
• Resonanzscanner werden zur schnellen Bildgebung und Abtastung abzubildender Bereiche eingesetzt. Um mittels eines Resonanzscanners einen Bereich beispielsweise eines Objekts oder einer Probe abzubilden, wird ein Abtaststrahl mittels des Resonanzscanners (fortan auch kurz: Scanner) über den abzubildenden Bereich geführt. Dabei führt der Scanner sinusförmige Scanbewegungen aus. Eine Abbildung erfolgt durch eine Aneinanderreihung von einzelnen Bildelementen (Pixeln).
• Solche Resonanzscanner sind beispielsweise aus der DE 10 2009 058 762 A1 bekannt. In dieser ist eine Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld offenbart. Die Ablenkeinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken. Die Ablenkeinrichtung umfasst eine Ablenkeinheit zur Erzeugung von Schwingungen um die Ablenkachsen und eine Steuervorrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Ablenkeinheit mit einer ersten und zweiten Ansteuerfrequenz, die im Wesentlichen den Resonanzfrequenzen der Ablenkeinheit entspricht. Die Ablenkeinheit weist einen Gütefaktor von > 3.000 auf. Die Ansteuervorrichtung umfasst einen Regelkreis, der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer gemessenen Phasenlage der Schwingungen der Ablenkeinheit die erste und/oder die zweite Ansteuerfrequenz so zu regeln, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in dem Resonanzbereich der Ablenkeinheit verbleibt.
• Aus der DE 10 2012 222 988 A1 ist eine mikromechanische Resonatoranordnung bekannt, die insbesondere als ein Mikrospiegel-Scanner ausgebildet ist. Die Resonatoranordnung ist mit einem inneren Aktuator, der einen über mindestens eine Achse schwingfähigen Schwingkörper aufweist, und einem äußeren Aktuator mit einem schwingenden Teil ausgebildet. Innerer und äußerer Aktuator bilden ein gekoppeltes Schwingungssystem. Der äußere Aktuator wird von einem externen Antrieb angetrieben, dessen Antriebsfrequenz derart gewählt wird, dass der Schwingkörper des inneren Aktuators mit einer seiner Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmode schwingt. Der innere Aktuator ist als mindestens ein vakuumgekapselter Mikroaktuator-Chip ausgebildet, der auf dem schwingenden Teil des äußeren Aktuators befestigt ist.
• Die EP 1 419 411 B1 offenbart eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld mit folgenden Merkmalen: einer Ablenkeinrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls um eine erste Ablenkachse und um eine zweite Ablenkachse, um den Lichtstrahl über das Bildfeld zu bewegen; und einer Modulationseinrichtung zum Modulieren einer Intensität des Lichtstrahls abhängig von dem zu projizierenden Bild und dem augenblicklichen Projektionsort des Lichtpunktes auf dem Bildfeld, wobei sich die erste und die zweite Ablenkfrequenz um weniger als eine Größenordnung unterscheiden. Die Ablenkeinrichtung ist derart ausgebildet, dass der Lichtstrahl um die erste Ablenkachse mit einer ersten Ablenkfrequenz f1 und um die zweite Ablenkachse mit einer zweiten Ablenkfrequenz f2 abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtung Mittel aufweist, die das Frequenzverhältnis auf f1 : f2 = n:m, mit m und n ungleichen Ganzzahlen, einstellt, so dass der Lichtstrahl auf dem Bildfeld eine Lissajous-Figur beschreibt und dieselbe mit einer Wiederholfrequenz fr von fr = f1/ n = f2/m wiederholt durchläuft. Ein Zusammenhang zwischen der Zeit und den Ablenkwinkeln kann als eine sinusförmige Funktion beschrieben werden.
• Ein sinusförmiger Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel und Zeit tritt bei der Mehrheit der bekannten Resonanzscanner auf. Der sinusförmige Zusammenhang beinhaltet dabei einige Nachteile. So beschreibt jede Ablenk- oder Scanbewegung eine sinusförmige Bewegungskurve, wobei die Bewegungskurve durch eine Position oder ein Winkel des Abtaststrahls über die Schwingungsperiode darstellbar ist.
• Aufgrund der Form einer sinusförmigen Bewegungskurve verläuft diese nicht oder weitgehend nichtlinear. Das hat zur Folge, dass die abzubildenden Pixel mit unterschiedlichen Pixelzeiten abgetastet und erfasst werden. Außerdem treten unterschiedliche Pixelabstände in verschiedenen Regionen des abzubildenden Bereichs auf.
• Im Ergebnis zeigen die verschiedenen Regionen voneinander abweichende Rauschstatistiken. Außerdem erhalten die Regionen aufgrund der sich stetig verändernden Abtastgeschwindigkeit und Pixelzeiten voneinander verschiedene Dosen der zur Bildgebung verwendeten Beleuchtungsstrahlung, infolgedessen die Bleichwirkung über die Regionen differiert.
• Wird die bereichsweise oder vollständig abzubildende Probe bewegt, werden Bleichmuster, beispielsweise sogenannte Bleichzylinder, in der Probe sichtbar. Bei quantitativen Auswertungen der Abbildungen muss die unterschiedliche Bleichrate in verschiedenen Regionen ermittelt und berücksichtigt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes mindestens abschnittsweise linearisiert bewegbares und resonant anregbares Bauteil sowie einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil vorzuschlagen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird hinsichtlich des resonant anregbaren Bauteils durch die Gegenstände des Anspruchs 1, hinsichtlich eines Resonanzscanners durch die Gegenstände des Anspruchs 6 und hinsichtlich des Verfahrens durch den Anspruch 12 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
• Das resonant anregbare Bauteil ist zur Schwingung mittels eines Anregungssignals mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar. In einem angeregten Zustand schwingt das Bauteil bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz mit einer zweiten Mode, wobei die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3 höher als die erste Resonanzfrequenz ist. Die erste Resonanzfrequenz wird auch als Grundfrequenz bezeichnet.
• Dabei schwingt mindestens ein Abschnitt oder ein Teilbereich des resonant anregbaren Bauteils, nachfolgend auch kurz nur als Bauteil bezeichnet, mit der ersten Mode und ein weiterer Abschnitt oder ein Teilbereich des Bauteils mit der zweiten Mode.
• Der Faktor 3 zwischen erster und zweiter Resonanzfrequenz kann mit einer zulässigen Abweichung realisiert sein.
• Kern der Erfindung ist die durch umfangreiche Simulationen und Versuche gewonnene Erkenntnis, dass eine von dem mit der zweiten Mode schwingenden Abschnitt oder Teilbereich des Bauteils durchlaufene Bewegungskurve in einem Nutzbereich der Bewegungskurve eine Linearität aufweist, die gegenüber Abschnitten oder Teilbereichen, die lediglich mit einer ersten Mode schwingen, verbessert ist. Es ist dabei als erfindungswesentlich erkannt worden, dass die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die erste Resonanzfrequenz sein muss. Das resonant anregbare Bauteil ist dazu ausgebildet, mit einer Grundfrequenz und mit einer Harmonischen zu schwingen, deren Frequenz dreifach größer als die Grundfrequenz ist.
• Ein Anregungssignal umfasst vorteilhaft mehrere Frequenzen, insbesondere mehrere Resonanzfrequenzen, sodass das Bauteil gleichzeitig mit mehreren Frequenzen, insbesondere mit mehreren Resonanzfrequenzen, angeregt wird.
• In weiteren Ausführungen des Bauteils umfasst das Anregungssignal weitere Resonanzfrequenzen, die um einen Faktor 5 oder 7, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die Grundfrequenz beziehungsweise größer als die erste Resonanzfrequenz ist.
• In weiteren Ausführungen des Bauteils ist dieses zur Schwingung mit einer dritten Resonanzfrequenz oder mit einer dritten und vierten Resonanzfrequenz ausgebildet. Die dritte Resonanzfrequenz ist um den Faktor 5, die vierte Resonanzfrequenz um den Faktor 7, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die erste Resonanzfrequenz.
• Eine Schwingungsperiode des Bauteils umfasst je eine Hin- und eine Rückbewegung (Halbschwingungen) des mit der zweiten Mode schwingenden Abschnitts oder Teilbereichs des Bauteils.
• Die sinusförmige Bewegungskurve weist einen Nutzbereich je Halbschwingung auf. Über den Nutzbereich, der auch als ein Nutzzeitraum oder eine Nutzperiode verstanden werden kann, wird von dem abzubildenden Bereich kommende Strahlung erfasst und zur Bildgebung verwendet. Der Nutzbereich ist an seinen beiden Enden jeweils von einem Anteil eines Umkehrbereichs begrenzt. In einem Umkehrbereich ändert die Bewegungskurve ihre Richtung.
• Vorteilhaft durchläuft daher mindestens ein Abschnitt oder ein Teilbereich, fortan vereinfachend als Abschnitt bezeichnet, des resonant anregbaren oder angeregten und mit der ersten und zweiten Mode schwingenden Bauteils während einer Halbschwingung eine Bewegungskurve, die eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung und/oder Positionsänderung beschreibt. Dabei weist die Bewegungskurve einen Nutzbereich auf, der von je einem Anteil eines Umkehrbereichs begrenzt ist und in dem Nutzbereich die Bewegungskurve eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung mit konstanter Geschwindigkeit durchläuft.
• In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Bauteils ist die erste Resonanzfrequenz eine erste Torsionsresonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz eine zweite Torsionsresonanzfrequenz. Durch eine solche Ausführung ist es beispielsweise ermöglicht, dass die mit den unterschiedlichen Moden resonant schwingenden oder resonant anregbaren Abschnitte in Form eines Torsionsstabs ausgebildet sind. Dieser kann entlang wenigstens einer Torsionsachse die Abschnitte des Bauteils aufweisen.
• So kann beispielsweise ein Bauteil in Form eines Torsionsstabs aus mehreren miteinander verbundenen Abschnitten gebildet sein. Die Abschnitte können dabei unterschiedliche Dimensionierungen wie unterschiedliche Längen, Durchmesser, Querschnitte und/oder Formen aufweisen. Außerdem können die Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien und/oder Materialverbünden bestehen. Die Abschnitte können miteinander stoffschlüssig verbunden sein und beispielsweise miteinander verlötet, verschweißt und/oder verklebt sein. Der Torsionsstab kann auch monolithisch ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, das einige oder alle Abschnitte des Bauteils form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise ineinander eingesteckt und/oder verpresst sein.
• Das Bauteil kann in weiteren Ausführungen als ein Doppel-Torsionsstab ausgebildet sein. Dieser kann hinsichtlich seiner Dimensionierung und/oder Materialzusammensetzung hinsichtlich seiner Abschnitte und/oder hinsichtlich einer Längsachse des Doppel-Torsionsstabs symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein.
• Ein Bauteil, insbesondere ein Torsionsstab, kann an einem seiner Enden eingespannt sein. In einer weiteren möglichen Ausführung des Bauteils als Doppel-Torsionsstab können die Enden frei sein und beispielsweise zueinander gegenphasig schwingen.
• In vorteilhaften Ausführungen ist das Bauteil, insbesondere in Form eines Torsionsstabs, an Bereichen gelagert, beispielsweise gehalten und/oder abgestützt, an denen im angeregten Fall sogenannte Schwingungsknoten auftreten, also keine oder keine wesentlichen Schwingungen auftreten.
• Das Bauteil kann in möglichen Ausführungen als ein mechanisches Schwingungssystem mit Federkräften und schwingenden Massen ausgebildet sein.
• Die beiden um den Faktor 3 unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden sind im Wesentlichen durch unterschiedliche Federkonstanten, z. B. durch unterschiedliche Längen und/oder Dicken oder unterschiedliche Materialien der Federn bestimmt.
• Zusätzlich oder alternativ sind die beiden um den Faktor 3 unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden im Wesentlichen durch unterschiedliche Massen, Trägheitsmomente, durch unterschiedliche Größe oder Form oder Materialien der Abschnitte des Bauteils und/oder des Scanners erzeugt.
• Entsprechendes gilt für um den Faktor 5 und/oder 7 und/oder weitere unterschiedliche Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden.
• Der Nutzbereich eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils beträgt vorteilhaft mindestens 80%, beispielsweise mindestens 85%, der Bewegungskurve.
• Innerhalb des Nutzbereichs wird eine linearisierte Bewegungskurve erreicht. Vergleicht man beispielsweise Bewegungskurven gemäß dem Stand der Technik mit Bewegungskurven, die mittels eines erfindungsgemäßen Bauteils oder Scanners erhalten werden miteinander, so liegen im Nutzbereich Abweichungen von einer linearen Beziehung von Winkeländerung beziehungsweise Positionsänderungen über den zeitlichen Verlauf einer Halbschwingung bei den Bewegungskurven gemäß dem Stand der Technik etwa um einen Faktor 2,6 höher als bei den Bewegungskurven, die mittels eines erfindungsgemäßen Bauteils oder Scanners erhalten werden. Wird das Bauteil derart ausgelegt, dass dieses mit einer dritten Resonanzfrequenz schwingt, die um den Faktor 5 größer als die erste Resonanzfrequenz ist, verringern sich die Abweichungen um einen weiteren Faktor 2,3.
• Die Qualität der Linearisierung kann beispielsweise anhand der Abweichungen der Bewegungskurve von einer Soll-Gerade in Pixeln als ein relatives Gütekriterium angegeben werden. Dabei steht die jeweils gewählte Pixelgröße mit der absoluten Güte der Linearisierung in Beziehung. Eine im Wesentlichen parallel zu einer Soll-Geraden gewählte Bewegungskurve wird als neue Soll-Gerade verstanden.
• Das Bauteil kann in einem Resonanzscanner, fortan auch kurz als Scanner bezeichnet, verwendet sein und beispielsweise eine Grundstruktur des Scanners bilden.
• Ein Scanner ist beispielsweise gebildet, wenn das resonant anregbare Bauteil wenigstens ein strahllenkendes Element sowie optional einen Antriebsbereich aufweist.
• Unter einem strahllenkenden Element wird beispielsweise eine reflektierende Oberfläche, ein Spiegel und/oder ein optisches Element wie eine Linse oder auch eine planparallele transparente Platte verstanden, mittels dem eine zur Abtastung der abzubildenden Region vorgesehene Beleuchtungsstrahlung lenkbar, insbesondere reflektierbar, ist.
• In einer möglichen Ausführung umfasst der Resonanzscanner einen sich entlang einer ersten Achse, beispielsweise in Richtung einer Z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, erstreckendes resonant anregbares Bauteil in Form eines Torsionsstabs, einen an dem Torsionsstab ausgebildeten Antriebsbereich und ein an dem Torsionsstab angeordnetes strahllenkendes Element beispielsweise in Form eines Spiegels, der als Scanspiegel dient. Dabei schwingt der Resonanzscanner bei einer ersten Torsionsresonanzfrequenz mit einer ersten Torsionsmode um die erste Achse. Der Antriebsbereich und der Scanspiegel schwingen im Wesentlichen gleichphasig, wobei eine Phasenverschiebung und/oder ein Nachlauf innerhalb zulässiger Grenzen auftreten können beziehungsweise kann. Der Resonanzscanner schwingt bei einer zweiten Torsionsresonanzfrequenz mit einer zweiten Torsionsmode um die erste Achse. Der Antriebsbereich und der Scanspiegel schwingen bei der zweiten Torsionsresonanzfrequenz im Wesentlichen gegenphasig, wobei ein geringer gleichschwingender Anteil zulässig ist, falls die Schwingungen nicht exakt gegenphasig erfolgen.
• Die Ausführungen des Bauteils werden vorteilhaft so gestaltet, dass die zweite Torsionsresonanzfrequenz exakt beziehungsweise ausreichend genau, dreimal so hoch ist wie die erste Torsionsresonanzfrequenz.
• Ausreichend genau sind die Resonanzfrequenzen beziehungsweise die Torsionsresonanzfrequenzen der ersten und zweiten Torsionsmoden dann abgeglichen, wenn sich ein Anregungssignal findet, für das sowohl die Resonanzamplitude der ersten Torsionsmode bei Anregung mit einer Grundfrequenz f_a ausreichend hoch ist, als auch die Resonanzamplitude der zweiten Torsionsmode bei Anregung mit einer dreifachen Grundfrequenz f_a ausreichend hoch ist. Die Höhe der Resonanzamplitude hängt von der Ablage des Anregungssignals von der jeweils betrachteten Resonanzfrequenz beziehungsweise Torsionsresonanzfrequenz, also von der Güte der betreffenden Resonanz ab. Eine hohe Güte ist vorteilhaft, da bei hoher Güte und Anregung auf der Resonanzfrequenz eine geringe Energiezufuhr ausreicht, um eine gewünschte Schwingungsamplitude beizubehalten. Andererseits ist eine hohe Güte nachteilig, weil bei hoher Güte die Resonanzfrequenz sehr genau getroffen werden muss, um bei gegebener Energiezufuhr eine ausreichende Amplitude zu erreichen.
• Das Bauteil beziehungsweise der Scanner muss bei der zweiten Resonanzfrequenz nur mit einer geringen Amplitude schwingen. An die Güte der zweiten Mode beziehungsweise der zweiten Torsionsmode braucht daher vorteilhafterweise keine hohen Anforderungen gestellt werden. Eine geringere Güte unterstützt beispielsweise den Ausgleich herstellungs- und/oder temperaturbedingt auftretender Frequenzschwankungen.
• Die Güte der beiden Torsionsmoden wird also vorteilhafterweise so eingestellt, dass sich ein vertretbarer Kompromiss zwischen benötigter Präzision bei der Abstimmung beider Resonanzfrequenzen und der benötigten Energiezufuhr für ausreichende Schwingungsamplituden ergibt. Dabei ist es möglich, die Güte beider Torsionsmoden getrennt zu optimieren.
• Der Scanner kann in möglichen Ausführungen derart ausgebildet sein, dass der Antriebsbereich und der Scanspiegel, beziehungsweise ein den Scanspiegel tragender Abschnitt des Bauteils, mit gleicher Form und Größe ausgebildet sind.
• Der Antriebsbereich und der Scanspiegel beziehungsweise der den Scanspiegel tragende Abschnitt des Bauteils bestehen in weiteren Ausführungen aus gleichen Materialien, was eine monolithische Ausbildung des Bauteils unterstützt. Eine monolithische Ausführung ist kostengünstig herstellbar und hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens mit einer hohen Präzision zu simulieren und zu produzieren.
• Die erste Resonanzfrequenz beziehungsweise die erste Torsionsresonanzfrequenz des Bauteils und/oder des Scanners ist eine Frequenz aus einem Bereich von 2 - 10 kHz, beispielsweise 3 - 10 kHz oder 3,5 - 10 kHz. In weiteren Ausführungen des Bauteils und/oder des Scanners können auch höhere Frequenzen vorgesehen sein.
• Die zweite Resonanzfrequenz beziehungsweise die zweite Torsionsresonanzfrequenz des Bauteils und/oder des Scanners ist eine Frequenz aus einem Bereich von 7 bis 25 kHz.
• In besonderen Ausführungen des Bauteils und/oder des Resonanzscanners ist das Verhältnis der Länge eines Abschnitts des Torsionsstabs zwischen einem eingespannten beziehungsweise einzuspannenden Ende und dem Antriebsbereich einerseits und einem Abschnitts des Torsionsstabs zwischen Antriebsbereich bis einschließlich des Scannerspiegels aus einem Verhältnis von 2:1 bis einschließlich 3:1 ausgewählt.
• An dem Bauteil und/oder dem Scanner ist in weiteren Ausführungen an dem Scanspiegel und/oder an dem Antriebsbereich eine Zusatzmasse angebracht oder anbringbar, um das Schwingungsverhalten des Bauteils beziehungsweise des Scanners zu beeinflussen.
• Der Resonanzscanner kann zum Scannen, also einem zeitlich periodischen Abtasten, wenigstens einer Region des Objekts verwendet werden. Der Resonanzscanner kann insbesondere in einem Scanning-Mikroskop, beispielsweise in einem Laserscanningmikroskop, verwendet werden.
• Die Aufgabe wird in einem Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils gelöst. Bei der Ausführung des Verfahrens wird das Bauteil mittels eines Anregungssignals zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen angeregt und es wird zur Schwingungsanregung ein Anregungssignal umfassend mindestens eine Anregungsfrequenz gewählt, bei der das Bauteil bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Mode schwingt. Das mittels dem Anregungssignal angeregte Bauteil schwingt mit einer zweiten Resonanzfrequenz mit einer zweiten Mode, wobei die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3, gegebenenfalls mit einer zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, höher als die erste Resonanzfrequenz (Grundfrequenz) gewählt wird.
• Das Anregungssignal kann eine Anregungsfrequenz umfassen, die der ersten Resonanzfrequenz entspricht.
• In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Anregungssignal derart gewählt, dass das Bauteil bei der ersten Resonanzfrequenz mit der ersten Mode schwingt, wobei Abschnitte des Bauteils im Wesentlichen gleichphasig schwingen und das Bauteil bei der zweiten Resonanzfrequenz mit der zweiten Mode schwingt, wobei die Abschnitte des Bauteils im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
• Die Anregung des Bauteils wird in einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens gesteuert, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve eines Abschnitts des Bauteils als Ist-Werte erfasst werden und Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll-Bewegungskurve ermittelt werden. In Abhängigkeit der ermittelten Differenzen werden Steuersignale generiert, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen des Anregungssignals derart verändert werden, dass der Abschnitt des Bauteils die Soll-Bewegungskurve durchläuft und mittels der generierten Steuersignale Mittel zur Anregung des Bauteils angesteuert werden.
• Mittels des erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils lässt sich die Scanbewegung von Resonanzscannern über wenigstens einen Nutzbereich nahezu linearisieren und damit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile deutlich reduzieren.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils mit einer ersten Mode schwingend;
• 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils mit einer ersten Mode schwingend;
• 3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners, der ein resonant anregbares Bauteil umfasst und mit einer zweiten Mode schwingt;
• 4 eine schematische Darstellung einer Bewegungskurve eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils eines Resonanzscanners;
• 5 eine schematische Darstellung einer Bewegungskurve eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit einer Schwingungsmode gemäß dem Stand der Technik und in einer Betriebsart mit zwei kombinierten Moden gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren und
• 6 eine schematische Darstellung von Abweichungen einer Bewegungskurve von einer linearen Bewegung bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit einer Schwingungsmode gemäß dem Stand der Technik und Abweichungen einer Bewegungskurve von einer linearen Bewegung bei Verwendung des erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit zwei kombinierten Moden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind schematisch dargestellt. Dabei kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente, falls dies nicht anders vermerkt ist. In den Abbildungen sind Indizes nicht tiefgestellt angegeben.
• Ein erstes Ausführungsbeispiel eines resonant anregbaren Bauteils 1 ist in der 1 als ein Torsionsstab 2 ausgebildet, der entlang einer ersten Achse 3 einen ersten Abschnitt 4 mit einem Antriebsbereich 5 und einen zweiten Abschnitt 6 mit einem T-förmigen Bereich 7 an seinem einen Ende aufweist. Die erste Achse 3 verläuft in Richtung der Z-Achse Z eines kartesischen Koordinatensystems mit einer X-Achse X, einer Y-Achse Y und der Z-Achse Z.
• Das Bauteil 1 ist derart ausgebildet, dass dieses mittels eines Anregungssignals A zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz f_a mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz 3f_a mit einer zweiten Mode schwingt, wobei die zweite Resonanzfrequenz 3f_a um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz f_a ist.
• Das Bauteil 1 ist an seinem anderen Ende mit dem ersten Abschnitt 4 in einer Einspannung 8 gehalten. Mittels eines Antriebs 9, der mit einer Steuereinheit 10 verbunden und durch diese ansteuerbar ist, ist das Bauteil 1 resonant anregbar, indem mittels des Antriebs 9 durch magnetische Wechselwirkungen mit dem Anregungssignal A ein Drehmoment auf den Antriebsbereich 5 übertragbar ist.
• Über den Antrieb 9, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Antriebsmagneten umfasst, kann elektromagnetisch das Drehmoment eingekoppelt werden.
• Das Bauteil 1 schwingt im resonant angeregten Zustand mit der ersten Resonanzfrequenz f_a in einer ersten Mode, bei welcher der Antriebsbereich 5 und der T-förmige Bereich 7 im Wesentlichen gleichphasig schwingen. Eine Torsion des resonant schwingenden Bauteils 1 um die ersten Achse 3 ist durch den schrägen Verlauf von schematisch dargestellten Bändern B visualisiert. Der Antriebsbereich 5 und der T-förmige Bereich 7 sind beispielhaft in einer um einen ersten Torsionswinkel σ1 beziehungsweise einen zweiten Torsionswinkel σ2 ausgelenkten Lage gezeigt. Eine um einen negativen ersten Torsionswinkel -σ1 beziehungsweise einen negativen zweiten Torsionswinkel -σ2 ausgelenkte Lage von Antriebsbereich 5 und T-förmigen Bereich 7 ist durch die mit unterbrochenen Strichlinien angedeutet gezeigten Rahmen symbolisiert.
• In der 2 ist das zu 1 beschriebene Bauteil 1 an zwei Stellen entlang der ersten Achse 3 mittels Lagerungen 11 gehalten, die an dem ersten Abschnitt 4 und dem zweiten Abschnitt 6 an Stellen angeordnet sind, an denen im Anregungsfall Schwingungsknoten 12 auftreten. Das Bauteil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht an einem seiner Enden eingespannt.
• Das angeregte Bauteil 1 schwingt bei einer zweiten Resonanzfrequenz 3f_a , die hier eine zweite Torsionsresonanzfrequenz ist, in einer zweiten Mode, wobei der T-förmige Bereich 7 gegenüber dem ersten Abschnitt 4 und dem Antriebsbereich 5 gegenläufig schwingt, wie dies in der 3 schematisch dargestellt ist.
• Das in der 3 gezeigte Bauteil 1 ist an dem T-förmigen Bereich 7 mit einem Spiegel 13 versehen, entspricht ansonsten aber dem in 1 dargestellten Bauteil 1. Der Spiegel 13 dient der Ablenkung eines Strahlenbündels einer auf den Spiegel 13 gerichteten Beleuchtungsstrahlung 14. Die Beleuchtungsstrahlung 14 ist auf ein nicht näher dargestelltes Objekt, beispielsweise eine abzubildende Probe, lenkbar. Infolge der periodischen Schwingungen des Bauteils 1 und des Spiegels 13 ist das Objekt mittels der Beleuchtungsstrahlung 14 mindestens über Bereiche seiner Ausdehnung abtastbar. Die vom Objekt reflektierte Beleuchtungsstrahlung 14_ref und/oder eine mittels der Beleuchtungsstrahlung 14 angeregte Strahlung, beispielsweise eine Fluoreszenzstrahlung, ist als eine Detektionsstrahlung erfassbar und kann zur Abbildung des abgetasteten Bereichs des Objekts genutzt werden.
• Das mit dem Spiegel 13 versehene Bauteil 1 bildet einen Resonanzscanner 15.
• Der erste Abschnitt 4 ist als ein erster Torsionsstab 2.1 ausgebildet, der aus Stahl besteht und einen Durchmesser von 2,6 mm und einer Länge von 15 mm aufweist und an einem Ende fest eingespannt ist. An seinem anderen Ende ist der Antriebsbereich 5 als ein T-förmiger Magnet ausgebildet, der zur Drehmomenteinkopplung in Wechselwirkung mit als Antrieb 9 steht.
• Auf den Antriebsbereich 5 ist in Verlängerung des ersten Torsionsstabs 2.1 ein zweiter Torsionsstab 2.2 vorhanden. Dieser besteht ebenfalls aus Stahl und weist ebenfalls einen Durchmesser von 2,6 mm auf. Seine Länge beträgt im Ausführungsbeispiel 6,64 mm. Der Spiegel 13 hat die gleiche Form wie der Antriebsmagnet und besteht aus ähnlichem oder dem gleichen Material, beispielsweise aus polierten, beschichteten oder verspiegelten Stahl.
• Das resonant anregbare Bauteil 1 weist eine Anzahl von Eigenmoden auf. Zur Ablenkung der Beleuchtungsstrahlung 14, insbesondere zum Scannen des Objekts, werden beispielsweise die dritte und sechste Eigenmode genutzt, die einer ersten beziehungsweise einer zweiten Torsionsmode entsprechen. Bei der ersten Torsionsmode schwingen die beiden im Wesentlichen durch den Antriebsbereich 5 und den T-förmigen Bereich 7 gebildeten Schwungmassen im Wesentlichen gleichphasig, bei der zweiten Torsionsmode gegenphasig.
• Die Bewegungen des T-förmigen Bereichs 7 und des Spiegels 13 dienen dazu, die reflektierte Beleuchtungsstrahlung 14_ref zeitlich periodisch so im Winkel zu beeinflussen, dass das Objekt, beispielsweise zeilenweise, abgetastet wird. Für die schnelle Zeilenbewegung kann dafür vorteilhafterweise der beschriebene resonant auf mehr als einer Schwingungsmode schwingende Resonanzscanner 15 benutzt werden.
• Das Scannen eines Objekts mit einem Lichtstrahl, hier der reflektierten Beleuchtungsstrahlung 14ref, wird typischerweise dazu benutzt, um ein Bild des Objekts Pixel für Pixel aufzunehmen. Der sich zeitlich periodisch ändernde zweite Torsionswinkel σ2 des Spiegels 13 kann dann als Pixelposition einer Abbildung aufgefasst werden.
• Für eine effiziente und qualitativ hochwertige Abbildung ist es besonders vorteilhaft, wenn sich diese Pixelposition linear über die Zeit ändert, wenn sich also die Position der vom Scanner 15 abgelenkten Beleuchtungsstrahlung 14_ref in oder auf dem Objekt zumindest über einen zu erfassenden Bereich des Objekts mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Bei einer periodischen Scanbewegung, beispielsweise mit einem sich periodisch abwechselnden Hin- und Rückscan, kann diese Geschwindigkeit nur in einem bestimmten Teil der Schwingungsperiode SP konstant gehalten werden. Die restliche Zeit wird zum Abbremsen und Beschleunigen des Scanspiegels 13 in umgekehrter Richtung genutzt. Der zeitliche Anteil der Schwingungsperiode SP des Scanners 15 mit konstanter oder annähernd konstanter Geschwindigkeit ist der Nutzbereich NB, der Bereich zum Abbremsen und Beschleunigen ist der nicht genutzte Umkehrbereich UB der Schwingungsperiode SP (4).
• Wird die Anregung des erfindungsgemäßen Bauteils 1 des Resonanzscanners 15 so gewählt, dass die erste und zweite Mode erzwungen werden und das Bauteil 1 dauerhaft mit dem richtigen Amplitudenverhältnis und der richtigen Phasenbeziehung schwingen, wird eine Bewegungskurve BK2 erhalten, die in der 4 schematisch gezeigt ist.
• In der 4 ist eine Bewegungskurve BK2 gezeigt, durch die eine Schwingungsperiode SP eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils 1 dargestellt, das in einem Resonanzscanner 15 verwendet ist. Eine Schwingungsperiode SP umfasst zwei Halbschwingungen HS, die jeweils einen Nutzbereich NB aufweisen und an jedem ihrer Enden einen Anteil eines Umkehrbereichs UB umfassen. Die jeweiligen Grenzen zwischen Nutzbereichen NB und Umkehrbereiche UB sind durch Bildgrenzen BG veranschaulicht. Im gezeigten Beispiel nimmt der Nutzbereich NB etwa 85% der Schwingungsperiode SP ein. Die Abszisse gibt den zeitlichen Verlauf der Schwingungsperiode SP in Pixelzeiten t_pix wieder. Eine Schwingungsperiode SP dauert 1200 Pixelzeiten t_pix .
• Wird der Scanner 15 gemäß dem Stand der Technik nur in einer ersten Mode mit der Grundfrequenz f_a schwingend benutzt, so schwingt er nahezu sinusförmig. Die Abweichung von einer idealen Dreiecksbewegung, die in den 4 bis 6 jeweils durch Volllinien veranschaulicht sind, ist im Nutzbereich NB größer als bei einem erfindungsgemäßen Betrieb des resonant anregbaren Bauteils 1 mit zwei aufeinander abgestimmten Schwingungsmoden der Frequenzen f_a und 3f_a .
• Dieser Unterschied ist beispielhaft in der 5 gezeigt. Die Bewegungskurve BK1 ist die eines mit lediglich der ersten Mode und der Grundfrequenz f_a schwingenden Bauteils 1. Die Abweichungen der Bewegungskurve BK1 über die Zeit sind durch die mit ΔBK1 bezeichneten Kurve dargestellt.
• Weiterhin ist die Bewegungskurve BK2 eines in der ersten und der zweiten Mode mit den Frequenzen f_a und 3f_a schwingenden Bauteils 1 gezeigt. Die Abweichungen dieser Bewegungskurve BK2 über die Zeit sind durch die mit ΔBK2 bezeichneten Kurve dargestellt.
• Wird das Bauteil 1 derart ausgebildet, dass dieses im angeregten Zustand in drei - oder in weiteren möglichen Ausführungen sogar mehr - Moden, hier insbesondere Torsionsmoden, schwingt, verringern sich die Abweichungen weiter. Jede der Bewegungskurven BKn (mit n = 2, 3, ..., n) mit den Resonanzfrequenzen 3f_a , 5f_a , ... entspricht mit der zunehmenden Anzahl an berücksichtigen Moden zunehmend einer idealen Dreiecksbewegung.
• Die Abweichungen von einer linearen Bewegung über die Nutzbereiche NB sowie die Abweichungen von einer Dreiecksbewegung über eine Schwingungsperiode SP sind am Beispiel dreier Torsionsmoden beispielhaft in der 6 dargestellt. Die mit ΔBK1 und ΔBK2 bezeichneten Kurven entsprechen den Abweichungen der in 5 gezeigten Bewegungskurven BK1 beziehungsweise BK2. Die Kurve ΔBK3 veranschaulicht die auftretenden Abweichungen, wenn einer nicht dargestellten Bewegungskurve BK3 drei Moden mit je einer Resonanzfrequenz 3f_a , 5f_a zugrunde gelegt sind. Man beachte die unterschiedlichen Skalierungen der 4 und 5 und der 6.
• Die gezeigten Bewegungskurven BK1, BK2 der 4 und 5 entsprechen einer Scanbewegung zur Erzeugung einer Abbildung mit 512 Pixeln (Min-Max Amplitude der Dreiecksbewegung im Nutzbereich). Die maximalen Abweichungen bei einer Nutzung von erster und zweiter Mode betragen ± 10 Pixel, das entspricht somit ±2% Linearitätsfehler.
• Bei einer Nutzung von drei Moden wird bei einem Nutzbereich von 85% der Schwingungsperiode eine Linearitätsabweichung von ca. 0,9% erreicht (6).
• Wird dagegen wie im Stand der Technik eine reine Sinusschwingung, also nur die erste Mode, im Nutzbereich NB verwendet, beträgt die Linearitätsabweichung ca. ±6% oder ± 30 Pixel. Eine solche Abweichung verursacht eine sehr deutliche Verzeichnung in der Abbildung.
• Die Bewegungskurven BK1 bis BKn sowie die zur Realisierung der Bewegungskurven BK1 bis BKn erforderlichen Steuersignale können aufgrund theoretischer Überlegungen und/oder erfasster Messwerte ermittelt werden.
• Die kleinsten Abweichungen der Bewegungskurven BK1 bis BKn von einer idealen Dreiecksbewegung werden bei bestimmten Amplitudenverhältnissen und Phasenbeziehungen der einzelnen Frequenzkomponenten erreicht. Diese optimalen Amplitudenverhältnisse entsprechen in etwa den ersten Koeffizienten der Fourier-Reihenentwicklung einer Dreieckskurve.
• Für eine Abbildung mit beispielsweise 512 Pixeln im Nutzbereich NB der Schwingungsperiode SP ergibt sich folgende Fourierreihenentwicklung: $$\text{PixelPos}\left(\text{t}\right)=300\text{Pixel*8/}{\mathrm{\pi }}^2*\left(1/1^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*1*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+1/3^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*3*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+1/5^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*5*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+\mathrm{...}\right)$$
• Dabei ist t_pix die Pixelzeit. Eine Schwingungsperiode SP dauert 1200 Pixelzeiten t_pix . Der zeitliche Nutzbereich NB ist im bidirektionalen Modus 2 x 512 Pixelzeiten t_pix lang (512 Pixel im Hin- und 512 Pixel im Rückscan).
• Eine weiter verbesserte Lösung lässt sich mit leicht geänderten Amplituden-Koeffizienten des Nutzbereichs NB finden. Die Abweichung im Umkehrbereich UB können vernachlässigt werden.
• Diese optimierten Koeffizienten sind auch von der Ausdehnung des Nutzbereichs NB abhängig. Im Beispiel sind die Koeffizienten auf einen Nutzbereich NB optimiert, der 85% der Schwingungsperiode SP beträgt.
• Ein funktioneller Zusammenhang von Pixelposition und Zeit beziehungsweise Pixelzeit t_pix ist wie folgt darstellbar: $$\text{PixelPos}\left(\text{t}\right)=300\text{Pixel*8/}{\mathrm{\pi }}^2*\left({\text{a}}_1/1^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*1*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+{\text{a}}_3/3^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*3*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+{\text{a}}_5/5^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*5*1/1200*2*\mathrm{\pi }\right)+\mathrm{...}\right)$$
• Die optimierten Koeffizienten sind beispielsweise annähernd a₁ = 0,97 und a₃ = 0,73.
• Die Phasenbeziehung der einzelnen Schwingungsmoden entspricht einer Fourier-Reihenentwicklung. Bei einer um Null symmetrischen Schwingung entsprechen die einzelnen Schwingungsmoden reinen Cosinus-Schwingungen mit Phase Null für alle verwendeten Moden.
• Damit der Scanner 15 auf beiden Schwingungsmoden amplituden- und phasenrichtig schwingt, muss die Anregung entsprechend gewählt werden. Der Scanner 15 weist ein spezifisches frequenzabhängiges Übertragungsverhalten für Amplitude und Phase auf. In der Resonanzüberhöhung ist die Amplitude entsprechend der Güte des Systems überhöht und die Phase entspricht beispielsweise einer Phasenverzögerung von etwa 90°.
• Der Scanner 15 verhält sich typischerweise näherungsweise linear. Bei einem linearem System ergibt sich die gewünschte Bewegungskurve BK1 bis BKn, wenn bei der Anregung die entsprechende Amplitudenüberhöhungen und Phasenverzögerungen kompensiert werden.
• Zum Beispiel kann eine näherungsweise optimale Bewegung erreicht werden, wenn die mittels des Antriebs 9 auf den Anregungsbereich 5 übertragene Anregungskraft auch eine Summe aus z. B. zwei Cosinuskurven darstellt. Das Verhältnis der beiden Frequenzen ist dabei 1:3 (f_a und 3f_a ).
• Der Amplitudenfaktor für die erste Cosinusfunktion entspricht dem Reziproken einer Amplitudenübertragungsfunktion bei der Frequenz f_a . Der Amplitudenfaktor für die zweite Cosinusfunktion entspricht dem Reziproken einer Amplitudenübertragungsfunktion bei der Frequenz 3f_a . Die Phasenverschiebung für die erste Cosinusfunktion entspricht dem negativen der Phasenverschiebung der Phasenübertragungsfunktion bei der Frequenz f_a . Die Phasenverschiebung für die zweite Cosinusfunktion entspricht dem Negativen der Phasenverschiebung der Phasenübertragungsfunktion bei der Frequenz 3f_a .
• Bei drei genutzten Frequenzkomponenten ergibt sich folgendes Anregungssignal A (Anregung(t)): $$\text{Anregung}\left(\text{t}\right)=300*8/{\mathrm{\pi }}^2*({\text{A}}_1*{\text{a}}_1/1^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*1*1/1200*2*\mathrm{\pi }+{\text{P}}_1\right)+{\text{A}}_3*{\text{a}}_3/3^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*3*1/1200*2*\mathrm{\pi +}{\text{P}}_3\right)+{\text{A}}_5*{\text{a}}_5/5^2*\text{Cos}\left(\text{t}/{\text{t}}_{\text{pix}}*5*1/1200*2*\mathrm{\pi +}{\text{P}}_5\right).$$
• Dabei sind: $${\text{A}}_1=1/\text{Amp}\left({\text{f}}_{\text{a}}\right),{\text{ A}}_3=1/\text{Amp}\left(3{\text{f}}_{\text{a}}\right){\text{ und A}}_5=1/\text{Amp}\left(5{\text{f}}_{\text{a}}\right)\text{ sowie}$$ $${\text{P}}_1=-\text{Phas}\left({\text{f}}_{\text{a}}\right),{\text{ P}}_3=-\text{Phas}\left(3{\text{f}}_{\text{a}}\right){\text{ und P}}_5=-\text{Phas}\left(5{\text{f}}_{\text{a}}\right).$$
• Amp(f) ist die Amplitudenübertragungsfunktion vom Anregungssignal A beziehungsweise Anregung (t) zur Scanbewegung und Phas(f) ist die Phasenübertragungsfunktion vom Anregungssignal zur Scanbewegung jeweils im eingeschwungenen Zustand des resonant anregbaren Bauteils 1. Die Grundfrequenz des Anregungssignals ist mit f_a bezeichnet.
• Mit einer solchen Anregung schwingt der Scanner 15 erzwungen nahezu dreiecksförmig mit der Grundfrequenz f_a und mit mindestens einer ihrer Harmonischen.
• Durch geringe Änderungen der Übertragungsfunktionen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, ist es vorteilhaft, die Koeffizienten A1, A3, A5 und/oder P1, P3 und P5 fortlaufend anzupassen.
• Dazu wird beispielsweise die Anregung des Bauteils 1 gesteuert, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve BK eines Abschnitts 4, 6 des Bauteils 1 als Ist-Werte erfasst werden. Es werden Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll-Bewegungskurve ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen werden Steuersignale generiert, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen der Anregungsfrequenz derart verändert werden, dass der Abschnitt 4, 6 des Bauteils 1 die Soll-Bewegungskurve durchläuft oder diese angenähert durchläuft. Die generierten Steuersignale werden verwendet, um Mittel zur Anregung des Bauteils 1 wie den Antrieb 9, anzusteuern.
• In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird über ein Positionserfassungssystem die Änderung des T-förmigen Bereichs 7 und/oder eines Auftreffpunkts der Beleuchtungsstrahlung 14 auf dem Objekt erfasst, um sie dann zu korrigieren. Das Positionserfassungssystem kann z. B. die Amplitude und Phase der einzelnen Frequenzkomponenten der Spiegelbewegung ermitteln. Bei einer beispielhaften Vergrößerung der Amplitude der zweiten Frequenzkomponente (f = 3f_a ) wird z. B. der entsprechende Amplitudenfaktor A₃ des Anregungssignals A proportional verringert. Genauso kann bei einer Änderung der Phasenverschiebung einer Frequenzkomponente die Phase der entsprechenden Komponente im Anregungssignal Anregung(t) angepasst werden.
• Eine solche Erfassung der Positionsparameter der einzelnen Frequenzkomponenten erfolgt beispielsweise über eine zeitliche Detektion der Position eines z. B. von der Rückseite des Spiegels 13 oder des T-förmigen Bereichs 7 abgelenkten Messlichtstrahls. Das so erfasste zeitliche Positionssignal kann dann in seine Frequenzanteile zerlegt und entsprechend ausgewertet werden. Um stochastisch auftretende Schwankungen auszugleichen, wird das Signal oder die ermittelten Parameter über mehrere Schwingungsperioden SP gemittelt.
• Zur Positionserfassung beziehungsweise zur Erfassung einer Änderung der Übertragungsfunktion kann beziehungsweise können zusätzlich oder alternativ auch die Bewegungen eines anderen Teils des Bauteils 1 oder des Scanners 15 ausgewertet werden.
• Da die benötigten Schwingungsamplituden mit zunehmender Nummer der Oberwelle (höhere Harmonische) stark abnehmen, ist es ab einer bestimmten Oberwelle möglich den Spiegel 13 auch ohne mechanisch unterstützte Resonanzüberhöhung auf höheren Oberwellen schwingen zu lassen.
• Beispielsweise können bei einem mechanischen 3-fach Resonator, welcher eine Resonanzüberhöhung für die Grundfrequenz f_a , die dreifache Grundfrequenz 3f_a und die fünffache Grundfrequenz 5f_a hat, die Oberwelle 7f_a und höhere (beispielsweise 9f_a , 11f_a ) ohne Resonanzüberhöhung mit gewünschter Amplitude zum Schwingen gebracht werden, wenn diese Frequenzen mit ausreichend hoher Amplitude in das Anregungssignal A gegeben werden.
• Diese Möglichkeit ist beispielsweise anhand eines mechanischen Resonators beschrieben. Ein solcher Resonator wie das Bauteil 1 ist mit drei Resonanzfrequenzen bei f_a , 3f_a und 5f_a resonant in Schwingung versetzbar.
• Die Resonanzfrequenzen seien f_a = 5,00 kHz; 3f_a = 15,03 kHz und 5f_a = 24,80 kHz. Die Faktoren betragen aufgrund von intrinsischen Einflüssen wie Material- und Fertigungsfehlern und/oder extrinsischen Einflüssen wie einer Temperaturdrift nicht exakt Faktor 3 und 5.
• Die Güten Q der Resonanzen betragen: Q1 = 500 für die Grundfrequenz f_a , Q3 = 300 für die dritte Oberwelle 3f_a und Q5 = 100 für die fünfte Oberwelle 5f_a .
• Die Halbwertsbreiten der Resonanzen betragen: HWB1 = 10 Hz für die Grundfrequenz f_a , HWB3 = 50 Hz für die dritte Oberwelle 3f_a und HWB5 = 250 Hz für die fünfte Oberwelle 5f_a .
• Bei einem Betrieb bei f_a = 5,01 kHz betragen 3f_a = 15,03 kHz; 5f_a = 25,05 kHz; 7f_a = 35,07 kHz und 9f_a = 45.09 kHz.
• Die Ablagen von der Grundfrequenz f_a = 5,01 kHz betragen: df_a = 10 Hz, 3df_a = 0 Hz und 5df_a = 250 Hz.
• Die für eine optimal dreiecksförmige Bewegungskurve innerhalb des Nutzbereichs NB benötigten Amplituden relativ zur Amplitude der Grundfrequenz f_a sind z. B. bei einem Nutzbereich NB einer Breite von 85% der Schwingungsperiode SP und neun genutzter Oberwellen etwa: A1 = 1,0; A3 = 0,10; A5 = 0,03; A7 = 0,01 und A9 = 0,04.
• Die benötigten Anregungsamplituden (Anregungskraftkurve) relativ zur Grundwelle betragen: K1 = 1; K3 = 0,25; K5 = 0,75; K7 = 18 und K9 = 8.
• Durch eine 18-fache Überhöhung der Amplitude der Anregungskraftkurve kann die siebte Oberwelle auch ohne mechanische Resonanzüberhöhung mit optimaler Schwingungsamplitude angeregt werden. Bei der neunten Oberwelle reicht eine 8-fache Überhöhung aus.
• Anstelle von Torsionsmoden können natürlich auch andere resonante Schwingungsmoden benutzt werden. Insbesondere bei MEMS-Scannern sind übliche Biegeschwingungen sinnvoll.
• Bezugszeichenliste

1

Bauteil (resonant anregbar)

2

Torsionsstab

2.1

erster Torsionsstab

2.2

zweiter Torsionsstab

3

erste Achse

4

erster Abschnitt

5

Antriebsbereich

6

zweiter Abschnitt

7

T-förmiger Bereich

8

Einspannung

9

Antrieb

10

Steuereinheit

11

Lagerung

12

Schwingungsknoten

13

Scanspiegel

14

Beleuchtungsstrahlung

14ref

reflektierte Beleuchtungsstrahlung

15

Resonanzscanner

A

Anregungssignal

B

Band

BG

Bildgrenzen

BK

Bewegungskurve

BK1

Bewegungskurve

BK2

Bewegungskurve

ΔBK1

Abweichungen (der Bewegungskurve BK1)

ΔBK2

Abweichungen (der Bewegungskurve BK2)

ΔBK3

Abweichungen (einer Bewegungskurve BK3)

f_a

Grundfrequenz/erste Resonanzfrequenz

3f_a

zweite Resonanzfrequenz

HS

Halbschwingung

NB

Nutzbereich

SP

Schwingungsperiode

t_pix

Pixelzeit

UB

Umkehrbereich

σ1

erster Torsionswinkel

σ2

zweiter Torsionswinkel

X

X-Achse

Y

Y-Achse

Z

Z-Achse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009058762 A1 [0003]
• DE 102012222988 A1 [0004]
• EP 1419411 B1 [0005]

Claims (14)

1. Resonant anregbares Bauteil (1),das mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz (f_a) mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3f_a) mit einer zweiten Mode schwingt, wobei die zweite Resonanzfrequenz (3f_a) um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz (f_a) ist.
2. Resonant anregbares Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des resonant angeregten Bauteils (1) eine Bewegungskurve (BK1, BK2) durchläuft, die eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung und/oder Positionsänderung beschreibt, wobei die Bewegungskurve (BK1, BK2) einen Nutzbereich (NB) aufweist der an jedem seiner Enden einen Anteil eines Umkehrbereichs (UB) umfasst, und in dem Nutzbereich (NB) die Bewegungskurve (BK1, BK2) eine zur Zeit lineare Winkeländerung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit aufweist.
3. Resonant anregbares Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Resonanzfrequenz (f_a) eine erste Torsionsresonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz (3f_a) eine zweite Torsionsresonanzfrequenz ist.
4. Resonant anregbares Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzbereich (NB) mindestens 80% der Bewegungskurve (BK1, BK2) beträgt.
5. Resonant anregbares Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein mechanisches Schwingungssystem mit mittels Federn gehaltenen und/oder schwingfähigen Körpern, wobei die erste und die zweite Resonanzfrequenz (f_a, 3f_a) durch Wirkung der resultierenden Federkonstanten der Federn und/oder Körper bedingt sind.
6. Resonanzscanner (15) umfassend ein resonant anregbares Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Resonanzscanner (15) nach Anspruch 6, umfassend einen sich entlang einer ersten Achse (3) erstreckenden Torsionsstab (2), einen an dem Torsionsstab (2) ausgebildeten Antriebsbereich (5) und einen an dem Torsionsstab (2) angeordneten Spiegel (13), wobei er Resonanzscanner (15) bei einer ersten Torsionsresonanzfrequenz (f_a) mit einer ersten Torsionsmode um die erste Achse (3) schwingt und der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) im Wesentlichen gleichphasig schwingen, der Resonanzscanner (15) bei einer zweiten Torsionsresonanzfrequenz (3f_a) mit einer zweiten Torsionsmode um die erste Achse (3) schwingt und der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
8. Resonanzscanner (15) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (2) an seinem dem Spiegel (13) gegenüberliegenden Ende eingespannt ist und/oder der Torsionsstab (2) an mindestens einem Abschnitt (4, 6) gehalten ist, an dem bei Schwingungen mit der ersten und der zweiten Torsionsmode Schwingungsknoten (12) auftreten.
9. Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) aus gleichen Materialien bestehen.
10. Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige Abweichung ≤ 5% des Faktors ist.
11. Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge eines ersten Abschnitts (4) des Torsionsstabs (2) zwischen einem seiner Enden und einschließlich des Antriebsbereichs (5) sowie eines zweiten Abschnitts (6) des Torsionsstabs (2) zwischen Antriebsbereich (5) und einschließlich des Spiegels (13) ein Verhältnis aus einem Bereich von 2:1 bis einschließlich 3:1 aufweist.
12. Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Bauteil (1) mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen angeregt wird und zur Schwingungsanregung ein Anregungssignal (A) gewählt wird, bei dem das Bauteil (1) bei einer ersten Resonanzfrequenz (f_a) mit einer ersten Mode schwingt, das Bauteil (1) bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3f_a) mit einer zweiten Mode schwingt und die zweite Resonanzfrequenz (3f_a) um den Faktor 3 höher als die erste Resonanzfrequenz (f_a) ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (A)derart gewählt wird, dass Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1) bei der ersten Resonanzfrequenz (f_a) mit der ersten Mode schwingen, wobei die Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1) im Wesentlichen gleichphasig schwingen und das Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1) bei der zweiten Resonanzfrequenz (3f_a) mit der zweiten Mode schwingen und im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Bauteils (1) gesteuert wird, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve (BK1, BK2) eines Abschnitts (4, 6) des Bauteils (1) als Ist-Werte erfasst werden, Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll-Bewegungskurve ermittelt werden, in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen Steuersignale generiert werden, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen des Anregungssignals (A) derart verändert werden, dass der Abschnitt (4, 6) des Bauteils (1) die Soll-Bewegungskurve durchläuft und mittels der generierten Steuersignale Mittel zur Anregung des Bauteils (1) angesteuert werden.

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