DE102017120678A1

DE102017120678A1 - Scaneinheit mit Robustheit gegenüber Schock

Info

Publication number: DE102017120678A1
Application number: DE102017120678.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Aufgabe ist es, eine Scaneinheit (100) für Licht mit Robustheit gegenüber Schock bereitzustellen. Dies wird in verschiedenen Beispielen durch die Verwendung einer Reihenschaltung von Federelementen (111-1, 111-2, 112-1, 112-2) und / oder einen Anschlag (153) erreicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im Allgemeinen eine Scaneinheit, z.B. für einen Scanner eines LIDAR-Systems. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere die Implementierung einer Aufhängung eines Umlenkelements der Scaneinheit durch eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Federelementen.
HINTERGRUND
Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.
Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird z.B. gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.
Es sind verschiedene Techniken bekannt, um das Licht zu scannen. Zum Beispiel können mikroelektromechanische (MEMS)-Techniken verwendet werden. Dabei wird ein Mikrospiegel in einer Rahmenstruktur freigestellt, z.B. durch reaktives lonenstrahlätzen von Silizium. Siehe z.B. EP 2 201 421 B1 .
Solche Techniken weisen aber oftmals den Nachteil auf, dass der Scanwinkel vergleichsweise beschränkt ist. Dies bedeutet, dass die Umlenkung des Lichts vergleichsweise limitiert ist. Außerdem kann die Fertigung kompliziert sein. Das Scanmodul kann aufgrund der Rahmenstruktur auch vergleichsweise viel Platz benötigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um Licht zu scannen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der voranstehend genannten Nachteile beheben oder lindern.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Eine Vorrichtung umfasst ein Umlenkelement. Das Umlenkelement ist eingerichtet, um Licht umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch mindestens ein erstes Federelement und mindestens ein zweites Federelement. Die Vorrichtung umfasst auch ein Zwischenelement. Das Zwischenelement ist zwischen dem mindestens einen ersten Federelement und die mindestens einen zweiten Federelement angeordnet. Die Vorrichtung umfasst auch eine Basis. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Aktuator, der eingerichtet ist, um eine Bewegung des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements zur Auslenkung des Umlenkelements anzuregen. Das Umlenkelement ist dabei über eine Reihenschaltung des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements elastisch mit der Basis gekoppelt. Die Reihenschaltung wird durch das Zwischenelement bereit gestellt.
Die Vorrichtung kann beispielsweise eine Scaneinheit eines Scanners sein. Ein Scanner kann eine oder zwei oder mehr Scaneinheiten umfassen.
Das Zwischenelement kann biegesteif sein. Das kann bedeuten, dass eine Elastizität des Zwischenelements signifikant geringer ist, als eine Elastizität des ersten und zweiten Federelements. Z.B. könnte die Elastizität des Zwischenelements um nicht weniger als einen Faktor 10 oder 100 oder 1000 geringer sein, als die Elastizität der Federelemente. Biegesteif kann bedeuten, dass das Zwischenelement eine verschwindende oder geringe Krümmung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements im Bereich angrenzend an das Zwischenelement bewirkt. Biegesteif kann bedeutet, dass das Zwischenelement keine signifikante maximale Krümmung aufweist, d.h. z.B. wesentlich geringer als die maximale Krümmung der Federelemente.
Ein Verfahren umfasst das elastische Koppeln eines Umlenkelements mit einer Basis mittels einer Reihenschaltung aus mindestens einem ersten Federelement und mindestens einem zweiten Federelement.
Ein Verfahren umfasst das Ansteuern eines Aktuators zum Erzeugen eines Magnetfelds im Bereich eines magnetischen Materials. Das magnetische Material ist an einem Zwischenelement angebracht. Das Zwischenelement verbindet mindestens ein erstes elastisches Federelement mit mindestens einem zweiten elastischen Federelement.
Eine Vorrichtung umfasst ein Umlenkelement, das eingerichtet ist, um Licht umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch eine Basis und mindestens ein Federelement, das sich zwischen einem Endstück und der Basis erstreckt, wobei das Endstück mit dem Umlenkelement verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst auch einen Anschlag, der am Endstück angebracht ist.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
2 ist eine Perspektivansicht einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele, wobei 2 auch eine Schnittansicht zur Illustration der Torsion einer Aufhängung der Scaneinheit beinhaltet.
3 ist eine Perspektivansicht der Scaneinheit aus 2.
4 ist eine Perspektivansicht der Scaneinheit aus 2.
5 ist eine Aufsicht und eine Schnittansicht einer Aufhängung einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
6 illustriert schematisch eine Ätzmaske zum Herstellen einer Aufhängung einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
7 ist eine Perspektivansicht einer Scaneinheit mit Aktuator gemäß verschiedener Beispiele.
8 ist eine Perspektivansicht der Scaneinheit aus 7.
9 illustriert schematisch ein LIDAR-System mit Scanner gemäß verschiedener Beispiele.
10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
11 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
12 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das 1-D oder 2-D Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch ein Umlenkelement einer Scaneinheit einmal oder mehrfach umgelenkt werden. Das Umlenkelement kann dazu zeitveränderlich ausgelenkt werden, z.B. transversal oder rotatorisch.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, die ein zielgerichtetes Scannen mittels einer Torsion einer Aufhängung ermöglichen. Übermäßige transversale Auslenkungen des Umlenkelements werden vermieden. Dies kann erfolgen durch (i) große Federhärten für die transversale Bewegung eines Federelements, und/oder (ii) Vorsehen eines Anschlags für die transversale Auslenkung.
Das Umlenkelement kann beispielsweise durch einen Spiegel ausgebildet sein. Das Umlenkelement könnte auch ein Prisma anstelle des Spiegels umfassen. Eine Spiegelfläche kann vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Umlenkelement ein Prisma oder einen Spiegel umfassen. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein.
Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 0,05 µm - 0,1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 µm oder 50 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 µm bis 75 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12 mm aufweisen oder insbesondere 8 mm. Der Spiegel weist eine Spiegelfläche auf. Die gegenüberliegende Rückseite kann strukturiert sein, z.B. mit Rippen oder anderen Versteifungsstrukturen.
Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Dazu können sequentiell unterschiedliche Abstrahlwinkel implementiert werden. Die Abfolge von Abstrahlwinkeln kann durch eine Überlagerungsfigur festgelegt sein, wenn z.B. zwei Freiheitsgrade der Bewegung zeitlich - und optional örtlich - überlagert zum Scannen verwendet werden. Z.B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen. Größere Scanbereiche entsprechen dabei größeren Scanwinkeln. In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines Federelements erfolgen. Dann wird ein 2-D Scanbereich erhalten. Dazu könnten z.B. zwei in Reihe geschaltete Scaneinheiten verwendet werden, die sequentiell vom Licht durchlaufen werden. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel durch die elastische, reversible Bewegung mindestens eines Federelements umgesetzt werden, beschreiben.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen, z.B. insbesondere 1550 nm oder 950 nm. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB-Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben - beispielsweise rot, grün, blau oder cyan, magnta, gelb, schwarz - abgedeckt wird.
In verschiedenen Beispielen kann es möglich sein, zum Scannen von Licht ein oder mehrere Federelemente zu verwenden. Diese können eine Form- und/oder materialinduzierte Elastizität aufweisen und damit nicht biegesteif ausgebildet sein. Deshalb könnten die ein oder mehreren Federelemente auch als Stützelemente oder elastische Aufhängungen bezeichnet werden. An einem beweglichen Ende zumindest eines der Federelemente kann das Umlenkelement angebracht sein. Durch Torsion und/oder eine transversale Bewegung des Federelements kann dadurch eine Verdrehung und/oder Verkippung, d.h. Auslenkung, des Umlenkelements erfolgen. Dadurch können unterschiedliche Abstrahlwinkel implementiert werden. Grundsätzlich ist eine resonante Bewegung von Federelementen und/oder eine stufenweise nichtresonante Bewegung von Federelementen möglich.
Die verwendeten Federelemente können eine Länge aufweisen, die beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 8 mm liegt, beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 6 mm. Die verwendeten Federelemente können gerade ausgebildet sein, in der Ruhelage. Die verwendeten Federelemente können einen Durchmesser von ca. 50 - 250 µm aufweisen. Die Federelemente könnten aus Silizium hergestellt sein.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die ein oder mehreren Federelemente mittels MEMS-Techniken hergestellt werden. Dies bedeutet, dass geeignete Lithographie-Prozessschritte und Ätz-Prozessschritte auf einen Wafer angewendet werden können, um Federelemente zu erzeugen. Zum Beispiel könnte reaktives lonenstrahlätzen verwendet werden. Es könnte ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer verwendet werden. Dabei könnten beispielsweise die Ausmaße der Federelemente senkrecht zu Längsachse definiert werden, wenn der Isolator als Ätzstopp verwendet wird.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen wäre es möglich, dass sich die Federelemente von einer Umfangsseite einer Spiegelfläche erstrecken. Die Federelemente können sich z.B. in der Spiegelfläche erstrecken. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass sich die Federelemente unter einem Winkel gegenüber der Spiegelfläche erstrecken, z.B. einem Winkel im Bereich von 30° - 90°, optional 45°. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass sich die Federelemente von einer Rückseite des Umlenkelements, die gegenüber einer Spiegelfläche liegt, erstrecken.
Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker und Laser-Scanning-Mikroskope. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts zwischen dem Spiegel, dem Objekt und einem Detektor umfassen. Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts umfassen.
Im Zusammenhang mit einer LIDAR-Technik kann es möglich sein, die Scaneinheit sowohl zum Aussenden von Laserlicht, als auch zum Detektieren von Laserlicht zu verwenden. Dies bedeutet, dass die Detektorapertur auch über das Umlenkelement der Scaneinheit definiert sein kann. Solche Techniken werden manchmal als Ortsraumfilterung (engl. spatial filtering) bezeichnet: Durch die Ortsraumfilterung kann es möglich sein, ein besonders hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erlangen, weil selektiv Licht aus derjenigen Richtung eingesammelt wird, in die der Laserlicht auch ausgesendet wird. Dadurch wird vermieden, Hintergrundstrahlung aus anderen Bereichen, aus denen kein Signal erwartet wird, einzusammeln. Durch das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis können besonders große Reichweiten erreicht werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Implementierung großer Scanbereiche bzw. zur Implementierung großer Scanwinkel oftmals Federelemente mit großer Elastizität erstrebenswert sind. Verschiedenen Beispielen liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass große Elastizität typischerweise durch besonders lange Federelemente erzeugt werden kann. Dabei wurde jedoch beobachtet, dass die Federhärte für eine transversale Bewegung eines Federelements bei zunehmender Länge des Federelements stärker abnimmt, als die Federhärte für eine Torsion des Federelements. Wenn die gezielte Torsion des Federelements verwendet wird, um das Umlenkelement zum Scannen von Licht zu bewegen, dann kann eine transversale Bewegung des Federelements oftmals unerwünscht sein. Aufgrund der starken Abnahme der Federhärte für die transversale Bewegung wurde jedoch beobachtet, dass für vergleichsweise lange Federelemente die transversale Bewegung des Federelements unerwünscht starke Amplituden - beispielsweise aufgrund von externem Schock, etc. - aufweisen kann.
Mittels der hierin beschriebenen Techniken kann es möglich sein, geringe Federhärten für die Torsion zu implementieren; gleichzeitig jedoch vergleichsweise große Federhärten für die transversale Bewegung zu implementieren. Dies bedeutet, dass große Scanwinkel aufgrund von Torsion ermöglicht werden; gleichzeitig jedoch die transversale Bewegung bzw. Auslenkung effektiv unterdrückt werden kann.
In verschiedenen Beispielen wird dies durch die Verwendung von mindestens einem ersten Federelement, sowie von mindestens einem zweiten Federelement erreicht. Das mindestens eine erste Federelement ist getrennt von dem mindestens einen zweiten Federelement, beispielsweise durch ein Zwischenelement. Ein Umlenkelement kann dann über eine Reihenschaltung des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements mit einer Basis gekoppelt sein. Dies bedeutet, dass die Aufhängung des Umlenkelements durch eine Kombination des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements gebildet werden kann. Dies bedeutet, dass die Aufhängung des Umlenkelements durch die Reihenschaltung des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements gebildet werden kann.
Durch solche Techniken wird erreicht, dass in Bezug auf eine Torsion die Federhärte durch die kombinierte Länge des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements bestimmt wird; dies bedeutet, dass die Federhärte für die Torsion der Aufhängung des Umlenkelements vergleichsweise gering ist. Damit können große Scanwinkel aufgrund von Torsion der Aufhängung erreicht werden. Durch solche Techniken wird aber andererseits erreicht, dass in Bezug auf eine transversale Bewegung die Federhärte durch die einzelnen Längen des mindestens einen ersten Federelements und des mindestens einen zweiten Federelements bestimmt wird; dies bedeutet, dass die Federhärte für die transversale Bewegung der Aufhängung des Umlenkelements vergleichsweise groß ist. Damit kann eine transversale Bewegung der Aufhängung - beispielsweise aufgrund von externem Schock - effektiv reduziert werden.
1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100. Die Scaneinheit 100 umfasst eine Basis 141. Die Basis 141 definiert ein Referenzkoordinatensystem. Zum Beispiel könnte die Basis 141 und eine Lichtquelle für Licht 180 (in 1 ist die Lichtquelle nicht gezeigt) ortsfest im Referenzkoordinatensystem angeordnet sein.
Die Scaneinheit 100 umfasst auch ein Federelement 111 und ein weiteres Federelement 112. Das Federelement 111 ist mit dem Federelement 112 über ein Zwischenelement 155 verbunden. Das Federelement 111, dass Zwischenelement 155 und das Federelement 112 implementieren eine elastische Aufhängung 119 für ein Umlenkelement 150, beispielsweise einen Spiegel. Das Umlenkelement 150 ist eingerichtet, um das Licht 180 umzulenken. In 1 ist der Umlenkwinkel 181 dargestellt.
Die Aufhängung 119 ist eingerichtet, um eine Verdrehung des Umlenkelements 150 gegenüber der Basis 141 bzw. im Referenzkoordinatensystem und z.B. entlang der Zentralachse der Aufhängung 119 zu erzielen. Dies erfolgt durch Torsion der Federelemente 111, 112. Beispielsweise könnte eine Torsionsmode der Aufhängung 119 resonant angeregt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Torsion auch stufenweise implementiert werden, d.h. nicht-resonant. Dadurch wird das Licht 180 um einen veränderlichen Winkel 181 umgelenkt, der den Abstrahlwinkel definiert.
In 1 ist auch ein Aktuator 172 vorgesehen. Der Aktuator 172 ist eingerichtet, um Bewegung des Federelements 111 sowie des Federelements 112 anzuregen. Z.B. könnte die Bewegung der Federelemente 111 und 112 gekoppelt bzw. phasenkohärent angeregt werden. Dadurch kann eine kohärente Bewegung der Aufhängung 119 erzielt werden. Der Aktuator 172 kann also gezielt die Bewegung beider Federelemente 111, 112 bewirken. Die Bewegung beider Federelemente können in etwa gleich stark zur Auslenkung des Umlenkelements 150 beitragen. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Bewegung des Federelements 111 im Bereich von 20 - 80 % zur Auslenkung des Umlenkelements 150 beiträgt, und die Bewegung des Federelements 112 entsprechend den übrigen Anteil, d.h. im Bereich von 80 % - 20 % zur Auslenkung des Umlenkelements 150 beiträgt. Bei mehr Federelementen kann sich der Beitrag zur Auslenkung des Umlenkelements 150 entsprechend zu gleichen oder vergleichbaren Anteilen auf die vorhandenen Federelemente verteilen, d.h. z.B. bei vier Federelementen könnte jedes Federelement zu 25 % zur Auslenkung beitragen. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass der Aktuator 172 eingerichtet sein kann , um die Bewegung des mindestens einen Federelements 111 derart anzuregen, dass ein Anteil der Bewegung des mindestens einen Federelements 111 an der Auslenkung des Umlenkelements im Bereich von 20 % - 180 % eines Anteils der Bewegung des mindestens einen Federelements 112 an der Auslenkung des Umlenkelements liegt, optional im Bereich von 70 % - 130 %, weiter optional im Bereich von 90 % - 110. Insbesondere werden hierin Techniken beschrieben, in denen die angeregte Bewegung eine Torsion umfasst; jedoch z.B. keine transversale Bewegung. Dann könnte könnte ein Torsionswinkel des Federelements 111 in etwa gleich einem Torsionswinkel des Federelements 112 sein.
Grundsätzlich können in den verschiedenen hierin beschriebenen Techniken unterschiedliche Aktuatoren 172 verwendet werden, um die Torsion der Aufhängung 119 zu erzeugen. Beispielsweise könnten Piezoaktuatoren verwendet werden. Es könnte aber auch ein magnetischer Aktuator verwendet werden, der eingerichtet ist, um ein Magnetfeld im Bereich eines Magneten zu erzeugen, der an der Aufhängung 119 angebracht ist. Wenn eine AC-Komponente des Magnetfelds vorhanden ist, die abgestimmt ist auf die Resonanzkurve der Torsionsmode der Aufhängung 119, so kann resonantes Scannen von Licht mit hohen Wiederholfrequenzen ermöglicht werden, z.B. im Bereich von 100 Hz - 2 kHz. Alternativ oder zusätzlich kann das Magnetfeld auch eine DC-Komponente umfassen, um eine stufenweise Torsion der Aufhängung 119 zu erzeugen. Eine solche stufenweise Torsion der Aufhängung 119 kann beispielsweise dann hilfreich sein, wenn ein um einen bestimmten Abstrahlwinkel zentriertes resonantes Scannen erwünscht ist. Zur Ansteuerung des Aktuators 172 kann eine Steuerung 171 vorgesehen sein. Beispielsweise könnte die Steuerung 171 implementiert sein durch einen FPGA oder Applikations-spezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC).
Das Zwischenelement 155 hilft dabei, die Auslenkung des Umlenkelements 150 durch Anpassung der Federeigenschaften der Aufhängung 119 maßgeschneidert einzustellen. Das Zwischenelement 155 kann beispielsweise eine Erhöhung der Federhärte in Bezug auf transversale Bewegung (im Vergleich zu einem Szenario, bei dem ein einzelnes Federelement mit einer Länge, die der Summe der Längen der Federelemente 111, 112 entspricht, verwendet wird) bewirken. Gleichzeitig kann keine oder keine signifikante Erhöhung der Federhärte in Bezug auf eine Torsion erfolgen (im Vergleich zum Szenario, bei dem ein einzelnes Federelement mit einer Länge, die der Summe der Längen der Federelemente 111,112 entspricht, verwendet wird). Dadurch kann die transversale Bewegung bei einem externen Schock einer spezifischen Größe, beispielsweise 50-fache Erdbeschleunigung, reduziert werden. Dies macht das Scannen des Lichts weniger anfällig gegenüber externem Schock.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf die Scaneinheit 100. 2 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften strukturellen Implementierung der Scaneinheit 100. Die Scaneinheit 100 könnte z.B. aus Silizium hergestellt sein, z.B. unter Verwendung von MEMS-Techniken oder Micromachining-Ansätzen.
In dem Beispiel der 2 umfasst die Scaneinheit 100 einen Spiegel 150 als Umlenkelement. Der Spiegel 150 hat eine reflektierende Vorderseite als Spiegelfläche (in der Darstellung der 2 verdeckt), sowie eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite 152. Der Spiegel 150 weist eine Rückseitenstrukturierung auf, mit Rippen und Gräben. Dadurch kann das Massenträgheitsmoment des Spiegels 150 durch geeignete geometrische Ausgestaltung der Rückseitenstrukturierung angepasst werden. Dadurch kann die Resonanzfrequenz der Torsionsmode der Aufhängung 119 variiert werden. Durch die Rückseitenstrukturierung kann außerdem eine Verformung der Spiegelfläche bei Torsion der Aufhängung 119 vermieden werden.
Im Beispiel der 2 erstrecken sich insgesamt vier Federelemente 111-1, 111-2, 111-3, 111-4 zwischen dem Zwischenelement 155 und der Basis 141. Es erstrecken sich auch insgesamt vier Federelemente 112-1, 112-2, 112-3, 112-4 zwischen dem Zwischenelement 155 und einem Endstück 142 der Aufhängung 119, wobei das Endstück 142 am Spiegel 152 angebracht ist. Das Endstück 142 umfasst auch einen Anschlag 153, der übermäßige Auslenkung des Spiegels 150 durch Eingriff in eine korrespondierende Anschlagsfläche (in 2 nicht dargestellt) vermeidet.
Der Anschlag 153 kann im Allgemeinen Haken-förmig ausgebildet sein. Dadurch kann die transversale Auslenkung des Spiegels 150 bzw. transversale Bewegung der Federelemente begrenzt werden; gleichzeitig kann aber die Torsion stattfinden.
Dabei erstrecken sich die Federelemente 112-1 - 112-4 weg von der Rückseite 152 des Spiegels 150. Beispielsweise können die Federelement 112-1 - 112-4 über das Endstück 142 im Mittelpunkt der Rückseite 152 angebracht sein. Dadurch wird Unwucht vermieden. Die Federelemente 112-1 - 112-4 erstrecken sich weg von der Rückseite 152 hin zu dem Zwischenelement 155. Die Federelemente 111-1 - 111-4 erstrecken sich dann von dem Zwischenelement 155 hin zu der Basis 141.
In 2 ist die Ebenennormale 151A der Spiegelfläche dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Ebenennormale 151A einen Winkel von in etwa 45° mit einer Zentralachse 119A der durch die Federelemente 111-1 - 111-4, 112-1 - 112-4 ausgebildeten Aufhängung 119 einschließt. Dadurch kann Periskop-artiges Scannen von Licht 180 mittels Torsion der Aufhängung 119 ermöglicht werden, wenn das Licht z.B. kollinear mit der Zentralachse 119A auf die Spiegelfläche auftrifft.
2 illustriert auch Aspekte in Bezug auf die Dynamik der Aufhängung 119. Insbesondere illustriert 2 Aspekte in Bezug auf die Torsion der Aufhängung 119.
In 2 ist auch ein Schnitt entlang der Achse A - A dargestellt. Darin ist ersichtlich, dass die Federelemente 111-1 - 111-4 mit einer vierzähligen Rotationssymmetrie in Bezug auf die Zentralachse 119A der Aufhängung 119 angeordnet sind, nämlich insbesondere an den Ecken eines gedachten Quadrats, das in der Zeichenebene der Schnittansicht angeordnet ist. Dies reduziert nicht-lineare Effekte. In dem Schnitt ist auch die Torsion 501 illustriert. Dabei zeigen die durchgezogenen Linien die Ruhelage der Federelemente 111-1 - 111-4 und die gestrichelten Linien zeigen die um einen Torsionswinkel 502 ausgelenkte Position der Federelemente 111-1 - 111-4.
Dabei könnte bei einer Torsion der Auslenkung 119 der Torsionswinkel 502 für die Federelemente 111-1 - 111-4 in etwa gleich sein zum Torsionswinkel 502 für die Federelemente 112-1 - 112-4. D.h. der Anteil der Torsion der Federelemente 111-1 - 111-4 zur Auslenkung / Torsion des Spiegels 150 könnte im Bereich von 20 % - 180 % eines Anteils der Torsion der Federelemente 112-1 - 112-4 zur Auslenkung der Torsion des Spiegels 150 liegen.
Aus 2 ist auch ersichtlich, dass Federelemente 111-1 und 111-2 in der Ruhelage in einer Ebene 988 angeordnet sind. In der selben Ebene 988 sind auch die Federelemente 112-1 und 112-2 angeordnet.
Die Federelemente 111-3 und 111-4 sind in einer weiteren Ebene 989 angeordnet. In der selben weiteren Ebene 989 sind auch die Federelemente 112-3, 112-4 angeordnet. Die weitere Ebene 989 der Federelemente 111-3, 111-4, 112-3, 112-4 ist versetzt und parallel zur Ebene 988 der Federelemente 111-1, 111-2, 112-1, 112-2.
Der Abstand der Ebenen 988, 989 ist durch das Zwischenelement 155 fest vorgegeben.
Das Federelement 111-1 erstreckt sich in der selben Ebene wie das Federelement 112-1; diese Federelemente 111-1, 112-1 weisen auch kollineare Zentralachsen auf. Entsprechendes gilt auch für das Paar von Federelementen 111-2 und 112-2; für das Paar von Federelementen 111-3 und 112-3; sowie für das Paar von Federelementen 111-4 und 112-4. Dies spiegelt sich auch in der geraden und durchgängigen Ausbildung der Zentralachse 119A der Aufhängung 119 wieder.
Durch eine solche symmetrische Anordnung der Federelemente 111-1 - 111-4 zwischen der Basis 141 und dem Zwischenelement 155 und der Federelemente 112-1 - 112-4 zwischen dem Zwischenelement 155 und der Umlenkeinheit 150 kann erreicht werden, dass Nichtlinearitäten bei der Torsion 501 reduziert werden. Dies ermöglicht große Scanwinkel. Außerdem kann eine große Biegesteifigkeit für das Zwischenelement 155 ermöglicht werden: Aus 2 ist ersichtlich, dass sich das Zwischenelement 155 zwischen der Ebene 988 der Federelemente 111-1, 111-2, 112-1, 112-2 und der weiteren Ebene 989 der Federelemente 111-3, 111-4, 112-3, 112-4 erstreckt. Der Abstand der Ebenen 988, 989 könnte z.B. im Bereich von 300 µm bis 1500 µm liegen, insbesondere im Bereich von 600 µm bis 1100 µm. Durch die Verbindung der in den unterschiedlichen Ebenen 988, 989 angeordneten Federelemente durch das Zwischenelement 155 wird erreicht, dass die Krümmung der Federelemente an der Grenze zum Zwischenelement 155 gleich null ist (nur eine Parallelverschiebung der an das Zwischenelemente 155 angrenzenden Enden der Federelemente ist möglich, weil der Abstand der Ebenen 988, 989 durch das Zwischenelement 155 fest vorgegeben ist); damit wird erreicht, dass dort eine große Federhärte vorliegt, d.h. die Biegesteifigkeit wird für das Zwischenelement 155 erreicht.
In 2 ist auch die Länge 111A der Federelement 111-1 - 111-4 dargestellt; außerdem ist die Länge 112A der Federelemente 112-1 - 112-4 dargestellt. Ein Beispiel der 2 ist die Länge 111A gleich der Länge 112A. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Länge 111A im Bereich von 50 % - 150 % der Länge 112A liegt, optional im Bereich von 80 % - 120 %, weiter optional im Bereich von 98 % - 102 %.
Durch eine solche symmetrische Anordnung des Zwischenelements 155 kann erreicht werden, dass die Federhärte für die transversale Bewegung der Aufhängung 119 besonders stark heraufgesetzt wird.
Die Länge 155A des Zwischenelements 155 ist - im Vergleich zu den Längen 11A, 112A - vergleichsweise kurz. Dies hat den Vorteil, dass die Scaneinheit 100 besonders kleine Außenabmessungen aufweisen kann. Außerdem wird das Massenträgheitsmoment der Aufhängung 119 bei einer kurzen Länge 155A nur vergleichsweise wenig heraufgesetzt, so dass die Resonanzfrequenz für die Torsionsmode 501 vergleichsweise groß ist. Trotzdem wird eine Reihenschaltung der Federelemente 111-1 - 111-4 sowie der Federelemente 112-1 - 112-4 erzielt.
Nachfolgend wird plausibilisiert, wie so durch die Verwendung des Zwischenelements 155 eine vergleichsweise starke Vergrößerung der Federhärte für die transversale Bewegung erzielt werden kann. Dazu wird als Modell der einseitig aufgehängte Biegebalken mit Länge L betrachten, was in guter Näherung auch die Dynamik des vorliegenden Systems beschreibt.
Die Federhärte für die transversale Bewegung: D_W ∝ 1/L³.
Die Federhärte für die Torsion: D_T ∝ 1/L.
Bei einer Halbierung der Länge L nimmt damit D_W stärker zu als D_T , nämlich um einen Faktor 4. Bei einer Verdoppelung der Länge L nimmt damit Dw stärker ab als D_T , nämlich um einen Faktor 4.
Dieser Effekt kann durch das Zwischenelement 155 ausgenutzt werden.
Bei einem Zwischenelement mit vernachlässigbarer Länge 155A ergibt sich die Federhärte von zwei Federnelementen in Reihenschaltung zu: $\frac{1}{D} = \frac{1}{D_{1}} + \frac{1}{D_{2}} .$
Durch die Reihenschaltung zweier Federelemente halber Länge L/2 ergibt sich: $D_{W} \propto (\frac{1}{{(\frac{L}{2})}^{- 3}} + \frac{1}{{(\frac{L}{2})}^{- 3}}) = \frac{2}{L^{3}}$
$D_{T} \propto (\frac{1}{{(\frac{L}{2})}^{- 1}} + \frac{1}{{(\frac{L}{2})}^{- 1}}) = \frac{1}{L}$
Dies bedeutet, dass die Federhärte für die transversale Bewegung D_W durch das Zwischenelement 155 mit der dritten Potenz wird, während die Federhärte für die Torsion D_T nicht oder nicht signifikant geändert wird.
In dem Beispiel der 2 wird die Biegesteifigkeit des Zwischenelements 155 durch dessen geometrische Ausgestaltung erreicht. Das Zwischenelement 155 verbindet die beiden Ebenen 988, 989; damit wird als Randbedingung für die Biegelinie der Zwischenelemente 111-1 - 111-4 sowie 112-1 - 112-4 vorgegeben, dass an den Ansatzpunkten am Zwischenelement 155 bzw. im Bereich des Zwischenelements 155 keine bzw. keine signifikante Krümmung vorliegt. Also wird die Biegesteifigkeit des Zwischenelements 155 dadurch bereitgestellt, dass dieses die in der Ebene 988 angeordneten Federelemente 111-1, 111-2, 112-1, 112-2 mit den in der Ebene 989 angeordneten Federelementen 111-3, 111-4, 112-3, 112-4 verbindet. Durch die Anordnung der Federelemente 111-1 - 111-4, sowie 112-1 - 112-4 in den mehreren Ebenen kann also die Elastizität des Zwischenelements 155 gegenüber der Elastizität der Federelemente 111-1 - 111-4, sowie 112-1 - 112-4 stark herabgesetzt werden. Dies fördert die Biegesteifigkeit der Federelemente 111-1 - 111-4, sowie 112-1 - 112-4.
Die Biegesteifigkeit des Zwischenelements 155 wird optional durch dessen Volumenmaterial (engl. bulk) weiter gefördert: im Gegensatz zu den angrenzenden Federelementen 111-1 - 111-4, sowie 112-1 - 112-4 ist der Durchmesser des Zwischenelements 155 vergleichsweise groß, z.B. um einen Faktor 5 - 20 größer. Dadurch ist dessen Elastizität herabgesetzt bzw. die Biegesteifigkeit im Gegensatz zu den angrenzenden Federelementen gegeben.
Eine solche Bulk-Ausgestaltung des Zwischenelements 155 ist aber optional. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Masse des Zwischenelements 155 recht klein dimensioniert ist, z.B. nicht größer als die 30-fachen der Masse eines einzelnen Federelements 111-1 - 111-4 und 112-1 - 112-4, optional nicht größer als die 10 - fache Masse eines einzelnen Federelements 111-1 - 111-4 und 112-1 - 112-4. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Biegesteifigkeit durch das Zwischenelement 155 bereits durch die Verbindung der mehreren Federelemente 111-1 - 111-4 und 112-1 - 112-4 bereit gestellt werden kann, was die Krümmung in diesem Bereich in guter Näherung auf null zwingt; während eine große Masse des Zwischenelements 155 nicht notwendigerweise gebraucht wird, um die Biegesteifigkeit für das Zwischenelement 155 zu ermöglichen. Eine Verringerung der Masse des Zwischenelements 155 kann z.B. durch Verwendung von Stegen oder balkenförmigen Strukturen für das Zwischenelement 155 gefördert werden.
2 illustriert auch Aspekte in Bezug auf die Aktuierung der Aufhängung 119. 2 illustriert auch, dass magnetisches Material 610 im Bereich des Zwischenelements 155 vorhanden ist. Zum Beispiel könnte ferromagnetische das Material 610 wie Nickel, Eisen, eine Legierung, etc. verwendet werden. Zum Beispiel könnte eine Permalloy-Legierung aus Nichel und Eisen verwendet werden. Im Beispiel der 2 ist das Material 610 im Wesentlichen entlang der gesamten Länge 155A auf einer Seitenfläche des Zwischenelements 155 angeordnet. Es werden aber auch andere Anordnungen des Materials 610 denkbar. Das Material 610 könnte aufgedampft oder abgeschieden oder implantiert werden. Durch einen Aktuator (in 2 nicht dargestellt) kann im Bereich des Materials 610 ein Magnetfeld erzeugt werden. Das Magnetfeld kann zum Beispiel eine Magnetfeldstärke im Bereich von 5 mT bis 130 mT, optional im Bereich von 20 mT bis 50 mT aufweisen. Dadurch kann die Torsion 501 der Aufhängung 119 bewirkt werden. Die Torsion 501 kann stufenweise bewirkt werden, wenn ein Magnetfeld mit einer DC-Komponente verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Torsion 501 auch resonant bewirkt werden, wenn ein Magnetfeld mit einer Frequenz-abgestimmten AC-Komponente gewendet wird.
Durch das Vorsehen des Materials 610 im Bereich des Zwischenelements 155 kann der Kraftfluss vom Aktuator 172 parallel auf die Federelemente 111, 111-1 - 111-4 auf der einen Seite des Zwischenelements 155 und auf die Federelemente 112, 112-1 - 112-4 übertragen werden. Dies ermöglicht eine gleichförmige Anregung der Bewegung der Federelemente.
Im dargestellten Beispiel ist das magnetische Material 610 auf einer bestimmten Seite des Zwischenelements 155 angebracht; es wäre aber möglich - z.B. je nach Orientierung der Magnetisierung des Materials 610 - dass das Material 610 auf einer anderen Seite oder weiteren Seiten des Zwischenelements 155 angebracht ist. Z.B. könnte auf einer Seite ein Material 610 mit einer in-plane Orientierung der Magnetisierung verwendet werden, und in einer dazu senkrechten Seite ein weiteres Material mit einer out-of-plane Orientierung der Magnetisierung.
Indem das Material 610 im Bereich des Zwischenelements 155 angebracht wird, können verschiedene vorteilhafte Effekte erzielt werden: erstens kann vergleichsweise viel Material 610 verwendet werden, sodass der Kraftfluss zwischen Aktuator und Aufhängung 119 groß dimensioniert ist. Damit können große Scanwinkel erzeugt werden. Zweitens kann der Aktuator nahe an das Material 610 gebracht werden. Insbesondere kann der Aktuator zwischen der Rückseite 152 und der Basis 141 angeordnet werden. Dadurch kann eine große Magnetfeldstärke im Bereich des Materials 610 erzeugt werden. Dadurch kann der Kraftfluss zwischen Aktuator und Aufhängung 119 groß dimensioniert werden. Dadurch werden große Scanwinkel ermöglicht.
3 - 4 sind weitere Perspektivansichten der Scaneinheit 100 des Beispiels der 2.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf die Aufhängung 119. 5 (links) ist eine Aufsicht auf die Aufhängung 119. 5 (rechts) zeigt auch eine Schnittansicht entlang der Linie A -A.
Aus 5 ist ersichtlich, dass die Zentralachsen 112-1A, 112-2A, 111-1A, 111-2A allesamt parallel zueinander verlaufen. Die Federelemente 112-1, 112-2, 111-1, 111-2 sind gerade. Die Federelemente 111-1 und 112-1 sind kollinear. Die Federelemente 111-2 und 112-2 sind kollinear. Die Federelemente 111-3 und 112-3 sind kollinear. Die Federelemente 111-4 und 112-4 sind kollinear.
5 illustriert insbesondere auch Aspekte in Bezug auf die Herstellung der Aufhängung 119. Im Zusammenhang mit der Schnittansicht in 5 (rechts) ist ersichtlich, dass die in der oberen Ebene angeordneten Federelemente 112-1, 112-2, 111-1, 112-2 einstückig ausgebildet sind; und dass die in der unteren Ebene angeordneten Federelemente 111-3, 112-3, sowie 111-4, 112-4 (in 5 verdeckt) auch einstückig ausgebildet sind. Die Federelemente 112-1, 112-2, 111-1, 112-2 sind aber nicht einstückig mit den Federelementen 111-3, 112-3, sowie 111-4, 112-4 ausgebildet.
In 6 ist eine entsprechende Ätzmaske für die Herstellung der Aufhängung 119 basierend auf einem Wafer dargestellt. Das Ätzen kann bis zu einem Ätzstopp erfolgen, z.B. einer Isolator-Schicht eines SOI-Wafers. Auch der Anschlag 153 könnte durch die Ätzmaske definiert werden (in 6 nicht dargestellt).
In 6 ist ersichtlich, dass auch der Anschlag 153 durch die Ätzmaske definiert wird und damit mit den übrigen Teilen, insbesondere dem Endstück 142 einstückig ausgebildet ist.
In 6 ist die Ätzmaske für die Herstellung der einstückigen Federelemente 111-1, 112-1, 111-2, 112-2 dargestellt. Die Ätzmaske für die Herstellung der einstückigen Federelemente 111-3, 112-3, 111-4, 112-4 ist identisch oder zumindest korrespondierend. Dies ermöglicht eine Verbindung der beiden Ätzstrukturen über Kontaktflächen.
Wieder Bezug nehmend auf 5: nach dem Ätzen können zwei - beispielsweise noch nicht aus dem Wafer freigestellten - Aufhängungen 119 miteinander an Kontaktflächen 160 verbunden werden. Dies kann mittels Kleben oder Wafer-Bonden erfolgen. Z.B. kann anodisches Bonden verwendet werden. Dabei kann die Verbindung für viele Aufhängungen 119 gleichzeitig auf Wafer-Level geschehen. Die Größe der Kontaktfläche 160 kann die minimale Größe des Zwischenelements 155 begrenzen. Durch eine solche Herstellung durch Verbinden an den Kontaktflächen 160 kann eine 3-D Strukturierung erreicht werden. Dadurch kann eine große Federhärte für die transversale Bewegung erzielt werden. Nichtlineare Effekte werden vermieden.
7 ist eine Perspektivansicht einer Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. Die Scaneinheit 100 umfasst auch einen Aktuator. Der Aktuator umfasst magnetische Polschuhe 211, 212 bzw. im Allgemeinen Flussleitstücke. Die Endflächen der Polschuhe 211, 212 - in 7 ist nur die Endfläche 221 des Polschuhs 211 sichtbar - sind angrenzend an das Zwischenelement 155 bzw. das magnetische Material 610 angeordnet. Durch den kleinen Luftspalt zwischen dem magnetischen Material 610 und den Endflächen 221 kann eine besonders große Magnetfeldstärke im Bereich den magnetischen Materials 610 erzeugt werden. Die Endflächen 221 sind insbesondere zwischen der Rückseite 152 und der Basis 141 angeordnet. Dies fördert eine platzsparende Integration der Scaneinheit 100.
8 ist eine weitere Perspektivansicht der Scaneinheit 100 gemäß dem Beispiel der 7. In 8 ist insbesondere der Eingriff des Anschlags 153 bzw. einer Anschlagsfläche 153B des Anschlags 153 in eine korrespondierende Anschlagsfläche 153A - die ortsfest in Bezug auf die Basis 141 angeordnet ist - dargestellt. Der Anschlag kann einstückig mit dem Endstück 142 ausgebildet sein. Der Anschlag 153 ist nicht einstückig mit dem Spiegel 150 ausgebildet.. Durch das Vorsehen des Anschlags 153 nahe beim Spiegel 150 kann die Auslenkung des Spiegels 150 durch transversale Bewegung effektiv vermieden werden.
Der Anschlag 153 ist angrenzend an die Rückseite 151 angeordnet. Außerdem ist der Anschlag 153 nahe des Zentrums des Spiegels 150 angeordnet - insbesondere im Vergleich zu Anschlägen, die nahe des Umfangs 151B des Spiegels 150 angeordnet sind, kann dadurch eine verbesserte Limitierung der transversalen Auslenkung erfolgen. Z.B. könnte ein radialer Abstand des Anschlags 153 vom Zentrum der Spiegelfläche 151 nicht größer als 30 % des Radius der Spiegelfläche 151 sein, optional nicht größer als 20 %.
Aus 8 ist ersichtlich, dass der Anschlag 153 und die Anschlagfläche 153A selektiv in einer Ruhestellung der Federelemente 111-1 - 111-4 und 112-1 - 112-4 eingreift. D.h. bei einem genügen großen Torsionswinkel 502 der Aufhängung 119 liegt kein Eingriff vor. Dies ermöglicht eine leichte und kompakte Ausgestaltung des Anschlags 153. Außerdem kann gewährleistet werden, dass im unausgelenkten Ruhezustand d.h. Nicht-Betriebszustand (engl. non-operational state) - z.B. also während der Herstellung oder Integration in ein System in einer Fabrik - vergleichsweise große Kräfte wirken können, ohne dass es zu einer übermäßigen Auslenkung kommen kann.
Aus einem Vergleich der 8 und 5/6 ist ersichtlich, dass die Anschlagsfläche 153B und 153A senkrecht zur Kontaktfläche 160 steht. Die Anschlagsflächen 153A, 153B erstrecken sich parallel zu den Längsachsen 111-1A, 112-1A, 111-2A, 112-2A bzw. zur Zentralachse 119A und weisen eine Tiefe senkrecht zu dieser auf. Dies ermöglicht die Integrierte Herstellung des Anschlags 153 mit der Aufhängung 119 durch eine geeignete Ätzmaske und Ätzprozess.
9 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst einen Scanner 90. Der Scanner 90 kann eine oder zwei oder mehr Scaneinheiten 100 umfassen (in 11 nicht dargestellt). Zwei Scaneinheiten 100 können Licht sequentiell zweimal umlenken, um 2-D Scannen zu ermöglichen.
Das LIDAR-System 80 umfasst auch eine Lichtquelle 82. Beispielsweise könnte die Lichtquelle 82 als Laserdiode ausgebildet sein, die gepulstes Laserlicht 180 im Infrarotbereich mit einer Pulslänge im Bereich von Nanosekunden aussendet.
Das Licht 180 der Lichtquelle 80 kann dann auf einer oder mehreren Spiegelflächen 151 des Scanners 90 auftreffen. Je nach Orientierung des Umlenkelement (s) wird das Licht 180 unter unterschiedlichen Winkeln 181 umgelenkt. Das von der Lichtquelle 80 ausgesendete Licht wird oftmals auch als Primärlicht bezeichnet. Dadurch werden unterschiedliche Scanwinkel implementiert.
Das Primärlicht 180 kann dann ein Umfeldobjekt des LIDAR-Systems 80 treffen. Dass derart reflektierte Primärlicht wird als Sekundärlicht bezeichnet. Das Sekundärlicht kann von einem Detektor 82 des LIDAR-Systems 80 detektiert werden. Basierend auf einer Laufzeit - die als Zeitversatz zwischen dem Aussenden des Primärlicht durch die Lichtquelle 81 und dem Detektieren des Sekundärlichts durch den Detektor 82 bestimmt werden kann - , kann mittels einer Steuerung 171 ein Abstand zwischen der Lichtquelle 82 bzw. dem Detektor 81 und dem Umfeldobjekt bestimmt werden.
In manchen Beispielen kann die Emitterapertur gleich der Detektorapertur sein. Dies bedeutet, dass derselbe Scanner 90 dazu verwendet werden kann, um die Detektorapertur zu scannen. Beispielsweise können dieselben Umlenkelemente verwendet werden, um Primärlicht auszusenden und Sekundärlicht zu detektieren. Dann kann ein Strahlteiler vorgesehen sein, um Primär- und Sekundärlicht zu trennen. Solche Techniken können es ermöglichen, eine besonders hohe Sensitivität zu erzielen. Dies ist der Fall, da die Detektorapertur auf die Richtung ausgerichtet und begrenzt werden kann, aus welcher das Sekundärlicht eintrifft. Umgebungslicht wird durch die Ortsraumfilterung reduziert, weil die Detektorapertur kleiner dimensioniert werden kann.
Außerdem kann zusätzlich zu dieser Abstandsmessung auch eine laterale Position des Umfeldobjekts bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuerung 171. Dies kann durch Überwachung der Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente des Scanners 90 erfolgen. Dabei kann die Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente im Moment des Auftreffens des Lichts 180 einem Umlenkwinkel 181 entsprechen; daraus kann auf die laterale Position des Umfeldobjekts zurückgeschlossen werden.
10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. 10 illustriert Aspekte in Bezug auf die Herstellung einer Scaneinheit. Beispielsweise könnten gemäß dem Verfahren der 10 Scaneinheiten hergestellt werden, wie sie im Zusammenhang mit den voranstehend beschriebenen FIGs. illustriert sind.
Zunächst wird in Block 5011 in einem ersten Ätzprozess ein erster Wafer bearbeitet. In dem ersten Ätzprozesse wird mindestens ein erstes Federelement und mindestens ein zweites Federelement erzeugt. Das mindestens eine erste Federelement ist mit dem mindestens einen zweiten Federelement über ein Zwischenelement verbunden. Das Zwischenelement weist eine geringere Elastizität auf, als das mindestens eine erste Federelement und das mindestens eine zweite Federelement. Das mindestens eine erste Federelement und das mindestens eine zweite Federelement können sich in einer Ebene erstrecken.
Dann wird in Block 5012 in einem zweiten Ätzprozess ein zweiter Wafer bearbeitet. In dem zweiten Ätzprozess wird mindestens ein weiteres erstes Federelement und mindestens ein weiteres zweites Federelement erzeugt. Das mindestens eine weitere erste Federelement ist mit dem mindestens einen weiteren zweiten Federelement über ein weiteres Zwischenelement verbunden. Das weitere Zwischenelement weist eine geringere Elastizität auf, als das mindestens eine weitere erste Federelement und das mindestens eine weitere zweite Federelement. Das mindestens eine weitere erste Federelement und das mindestens eine weitere zweite Federelement könnten sich in einer Ebene erstrecken.
Dann erfolgt in Block 5013 das Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer. Dadurch wird die Aufhängung definiert. Die Federelemente können über Kontaktflächen verbunden werden. Außerdem könnten zwei oder mehr Einzelteile von Zwischenelementen miteinander über Kontaktflächen verbunden werden.
In Block 5014 erfolgt anschließend das Freistellen der Aufhängung aus den gebondeten Wafern.
Schließlich kann in Block 5014 die Aufhängung mit dem Umlenkelement verbunden werden. Das Umlenkelement kann separat hergestellt werden, beispielsweise in einem weiteren Ätzprozess.
11 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Dabei erfolgt in Block 5021 das elastische Koppeln eines Umlenkelements mit einer Basis. Das Koppeln erfolgt über eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Federelementen. Dadurch kann eine Scaneinheit implementiert werden. Durch die Reihenschaltung weist die transversale Bewegung einer entsprechenden Aufhängung eine große Federhärte auf. Zur weiteren Limitierung der transversalen Bewegung könnte ein Anschlag vorgesehen sein. Der Anschlag kann z.B. angrenzend an eine Rückseite des Umlenkelements vorgesehen sein.
12 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Dabei erfolgt in Block 5031 das Ansteuern eines Aktuators zum Erzeugen eines Magnetfelds im Bereich eines magnetischen Materials. Das magnetische Material ist an einem Zwischenelement angebracht. Das Zwischenelement verbindet mindestens ein erstes elastisches Federelement mit mindestens einem zweiten elastischen Federelement. Derart kann ein Umlenkelement über eine durch das Zwischenelement, das mindestens eine erste elastische Federelement und das mindestens eine zweite elastische Federelement ausgebildete Aufhängung mit einer Basis verbunden werden. Die Aufhängung kann eine Reihenschaltung des mindestens einen ersten elastischen Federelements und des mindestens einen zweiten elastischen Federelements definieren.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, bei denen über eine Reihenschaltung von Federelementen eine Aufhängung ausgebildet wird. Die Aufhängung kann eine Torsion eines Umlenkelements, beispielsweise eines Spiegels, ermöglichen. Durch die Reihenschaltung kann erreicht werden, dass die Federhärte für eine transversale Bewegung der Aufhängung vergleichsweise groß dimensioniert ist; derart kann die Aufhängung eine große Robustheit gegenüber externem Schock aufweisen. Robustheit gegenüber externen Schock kann - alternativ oder zusätzlich zur Reihenschaltung der Federelemente - auch durch einen Anschlag im Bereich der Rückseite eines Umlenkelements bereitgestellt werden.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise wurden voranstehend Techniken illustriert, bei welchen die Biegesteifigkeit des Zwischenelements durch dessen geometrische Ausgestaltung erreicht wird. Beispielsweise wurden Szenarien illustriert, bei denen das Zwischenelement als Volumenmaterial ausgebildet ist und Federelemente, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, miteinander verbindet. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, die Biegesteifigkeit des Zwischenelements durch andere Techniken bereitzustellen. Beispielsweise könnte die Biegesteifigkeit des Zwischenelements - alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Form-induzierten Biegesteifigkeit - auch durch das Material induziert werden. Beispielsweise könnte das Zwischenelement aus einem anderen oder einem anders behandelten Material gefertigt sein, als die angrenzenden Federelemente. Zum Beispiel könnte durch Implantierung etc. die Biegesteifigkeit erzielt werden.
Ferner wurden voranstehend insbesondere Techniken beschrieben, bei denen das Zwischenelement jeweils mehr als eine Federelement mit jeweils mehr als einem Federelement bindet. Beispielsweise wurden Techniken beschrieben, bei denen das Zwischenelement vier erste Federelemente mit vier zweiten Federelementen verbindet. In anderen Beispielen könnte das Zwischenelement aber auch eine größere oder kleinere Anzahl von Federelementen miteinander verbinden. Beispielsweise könnte das Zwischenelement acht erste Federelemente - von denen beispielsweise jeweils vier in einer Ebene angeordnet sind - mit acht zweiten Federelementen - von denen wiederum jeweils vier in einer Ebene angeordnet sind - verbinden. Es wäre aber auch möglich, dass das Zwischenelement nur ein einzelnes Federelement mit einem weiteren einzelnen Federelement verbindet. Insbesondere in einem solchen Fall könnte die Biegesteifigkeit des Zwischenelements Material-induziert sein.
Ferner wurden voranstehend Techniken beschrieben, bei denen die Reihenschaltung von Federelementen mittels eines einzigen Zwischenelements implementiert wird. Dies bedeutet, dass voranstehend Techniken beschrieben wurden, bei denen mindestens ein erstes Federelement mit mindestens einem zweiten Federelement die Reihenschaltung implementiert. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die Reihenschaltung mehr als zwei Abschnitte, die durch die entsprechenden Federelemente gebildet werden, umfasst. Zum Beispiel könnte die Reihenschaltung zwei Zwischenelemente umfassen, wobei dann insgesamt drei Abschnitte vorhanden sind, wobei jeder der drei Abschnitte ein oder mehr Federelemente aufweisen kann.
Ferner wurden voranstehend verschiedene Techniken beschrieben, bei denen sich die Federelemente nicht in der Spiegelfläche erstrecken. Es wäre in den verschiedenen Beispielen aber möglich, dass die Federelemente parallel zur Spiegelfläche verlaufen oder in der selben Ebene, wie die Spiegelfläche. Dies kann eine integrierte, einstückige Herstellung ermöglichen.
Ferner wurden voranstehend verschiedene Techniken beschrieben, bei denen zur Stabilisierung gegenüber transversale Bewegung eine Kombination einer (i) Reihenschaltung von Federelementen mit (ii) einem Anschlag verwendet werden. Diese Techniken (i) und (ii) könnten in manchen Beispielen aber auch isoliert verwendet werden. Z.B. könnte der Anschlag wie im Zusammenhang mit 7 und 8 diskutiert auch isoliert ohne Reihenschaltung verwendet werden, indem z.B. auf das Zwischenelement 155 verzichtet wird, und sich die Federelemente 111-1 - 111-4 zwischen der Basis 141 bis hin zum Endstück 142 erstrecken. In einem solchen Fall könnte das magnetische Material direkt am Spiegel oder auf den Federelementen angebracht sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2201421 B1 [0005]

Claims

Vorrichtung (90, 100), die umfasst: - ein Umlenkelement (150), das eingerichtet ist, um Licht (180) umzulenken, - mindestens ein erstes Federelement (111, 111-1 - 111-4), - mindestens ein zweites Federelement (112, 112-1 - 112-4), - ein Zwischenelement (155), welches zwischen dem mindestens einen ersten Federelement (111, 111-1 - 111-4) und dem mindestens einen zweiten Federelement (112, 112-1 - 112-4) angeordnet ist, - eine Basis (141), und - einen Aktuator (172), der eingerichtet ist, um eine Bewegung des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) zur Auslenkung des Umlenkelements (150) anzuregen, wobei das Umlenkelement (150) über eine durch das Zwischenelement (155) bereitgestellte Reihenschaltung des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) elastisch mit der Basis (141) gekoppelt ist.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine erste Federelement (111, 111-1 - 111-4) mehrere erste Federelemente (111, 111-1 - 111-4) umfasst und wobei das Zwischenelement (155) die mehreren ersten Federelemente (111, 111-1 - 111-4) miteinander verbindet; und/oder wobei das mindestens eine zweite Federelement (112, 112-1 - 112-4) mehrere zweite Federelemente (112, 112-1 - 112-4) umfasst und wobei das Zwischenelement (155) die mehreren zweiten Federelemente (112, 112-1 - 112-4) miteinander verbindet.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 2, wobei mehrere erste Federelemente (111, 111-1 - 111-4) in einer ersten Ebene (998) angeordnet sind und einstückig ausgebildet sind, wobei mehrere erste Federelemente (111, 111-1 - 111-4) in einer zweiten Ebene (999) angeordnet sind und einstückig ausgebildet sind, wobei die in der ersten Ebene (998) angeordnete mehreren ersten Federelemente (111, 111-1 - 111-4) nicht einstückig mit den in der zweiten Ebene (989) angeordneten mehreren ersten Federelemente (111, 111-1 - 111-4) sind, und/oder wobei mehrere zweite Federelemente (112, 112-1 - 112-4) in einer ersten Ebene (988) angeordnet sind und einstückig ausgebildet sind, wobei mehrere zweite Federelemente (112, 112-1 - 112-4) in einer zweiten Ebene (989) angeordnet sind und einstückig ausgebildet sind, wobei die in der ersten Ebene (988) angeordneten mehreren zweiten Federelemente (112, 112-1 - 112-4) nicht einstückig mit den in der zweiten Ebene (989) angeordneten mehreren zweiten Federelementen sind.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (172) eingerichtet ist, um die Bewegung des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) derart anzuregen, dass ein Anteil der Bewegung des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) an der Auslenkung des Umlenkelements (150) im Bereich von 20 % - 180 % eines Anteils der Bewegung des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) an der Auslenkung des Umlenkelements (150) liegt.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Länge (111A) des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) im Bereich von 50 % - 150 % einer Länge (112A) des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) liegt, optional im Bereich von 80 % - 120%, weiter optional im Bereich von 98 % - 102 %.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Länge (155A) des Zwischenelements (155) nicht größer ist als 20 % der Länge (111A) des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und/oder der Länge (112A) des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4), optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine erste Federelement (111, 111-1 - 111-4) und das mindestens eine zweite Federelement (112, 112-1 - 112-4) im Ruhezustand jeweils gerade und mit kollinearen Zentralachsen ausgebildet sind.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Umlenkelement (150) eine Spiegelfläche (151) und eine der Spiegelfläche (151) gegenüberliegende Rückseite (152) aufweist, wobei sich das mindestens eine zweite Federelement (112, 112-1 - 112-4) weg von der Rückseite (152) hin zum Zwischenelement (155) erstreckt, wobei sich das mindestens eine erste Federelement (111, 111-1 - 111-4) weg vom Zwischenelement (155) und hin zur Basis (141) erstreckt.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: - ein magnetisches Material (610), das am Zwischenelement (155) angebracht ist, wobei der Aktuator (172), der eingerichtet ist, um ein Magnetfeld im Bereich des magnetischen Materials (610) zum Erzeugen einer Torsion (501) des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) anzuwenden.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 9, wobei der Aktuator (172) eingerichtet ist, um das Magnetfeld mit einer AC-Komponente zur Anregung einer resonanten Torsionsmode (501) des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) zu erzeugen.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Aktuator (172) eingerichtet ist, um das Magnetfeld mit einer DC-Komponente zur stufenweisen Torsion (501) des mindestens einen ersten Federelements (111, 111-1 - 111-4) und des mindestens einen zweiten Federelements (112, 112-1 - 112-4) zu erzeugen.
Vorrichtung (90, 100) nach einem der Ansprüche 9-11, wobei der Aktuator (172) mindestens ein magnetisches Flussleitstück (211, 212) mit einer Endfläche (221) aufweist, wobei die Endfläche (221) zwischen dem Umlenkelement (150) und der Basis (141) angrenzend an das mindestens eine Zwischenelement (155) angeordnet ist.
Vorrichtung (90, 100), die umfasst: - ein Umlenkelement (150), das eingerichtet ist, um Licht (180) umzulenken, - eine Basis (141) - mindestens ein Federelement (111, 111-1 - 111-4, 112, 112-1 - 112-4), das sich zwischen einem Endstück (142) und der Basis (141) erstreckt, wobei das Endstück (142) mit dem Umlenkelement (150) verbunden ist, und - einen Anschlag (153), der am Endstück (142) angebracht ist.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 13, wobei der Anschlag (153) beabstandet von einem Umfang einer Spiegelfläche (151) des Umlenkelements angeordnet ist, wobei der Anschlag (153) angrenzend an eine der Spiegelfläche (151) gegenüberliegende Rückseite (152) des Umlenkelements (150) angeordnet ist.
Vorrichtung (90, 100) nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Anschlag (153) selektiv in einer Ruhestellung des mindestens einen Federelements (111, 111-1 - 111-4, 112, 112-1 - 112-4) in eine entsprechende Anschlagfläche (153A), die ortsfest in Bezug auf die Basis (141) angeordnet ist, eingreift.