-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Umlenkung von Licht.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf mikromechanische Lichtumlenkvorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf mikromechanische Spiegel oder synonym MEMS-Spiegel in LiDAR-Systemen beschrieben.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf optisch transparente Abdeckungen beliebiger Art anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf optisch transparente Abdeckungen in Form von Deckgläsem beschrieben.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf elektromagnetische Wellen beliebiger Wellenlänge anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf sichtbares Licht beschrieben.
-
Stand der Technik
-
Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtungen werden unter anderem in LiDAR-Systemen genutzt. Diese nutzen beispielsweise den Lichtstrahl eines Lasers, der um- oder abgelenkt wird, um einen bestimmten Bereich zu bestrahlen. Trifft dieser auf ein Objekt in dem Bereich, kann beispielsweise ein Abstand des Objektes zu dem LiDAR-System anhand des zurückgestreuten Lichts, genauer der Lichtlaufzeit zwischen LiDAR-System und Objekt ermittelt werden. Hierzu können beispielsweise mikromechanische Spiegelsysteme - MEMS-Spiegelsysteme - eingesetzt werden, die einen Lichtstrahl entsprechend um- oder ablenken. Üblicherweise wird eine derartige MEMS-Spiegelvorrichtung durch eine lichtdurchlässige Abdeckung geschützt und hermetisch verschlossen, damit ein darin beweglich angeordneter mikromechanischer Spiegel vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Darüber hinaus kann die MEMS-Spiegelvorrichtung bei Unterdruck betrieben werden, was die erreichbaren Auslenkungswinkel für den MEMS-Spiegel erhöht. Es ist bekannt geworden, das Deckglas parallel oder leicht schräg zur Nullstellung des MEMS-Spiegels anzuordnen.
-
Aus der
US 2015/0370085 A1 ist ein mikromechanisches Spiegelsystem mit MEMS-Spiegeln und einer Abdeckung bekannt geworden. Dabei ist in die Abdeckung ein Piezo-Aktor integriert, der mit einer transparenten Schicht zur Verformung derselben verbunden ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung bereit, umfassend ein bewegliches strahlumlenkendes Element, welches ausgebildet ist, einen Eingangslichtstrahl in einen Ausgangslichtstrahl umzulenken, und eine statische strahlumlenkende Einrichtung mit mehreren unterschiedlich orientierten Flächen, welche im Strahlenweg von Licht für das bewegliche strahlumlenkende Element so angeordnet ist, dass der Eingangslichtstrahl für das bewegliche strahlumlenkende Element und/oder der Ausgangslichtstrahl vom beweglichen strahlumlenkenden Element durch zwei der unterschiedlich orientierten Flächen der statischen strahlumlenkenden Einrichtung hindurchtritt.
-
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Umlenkung von Licht bereit, wobei mittels eines beweglichen strahlumlenkenden Elements ein Eingangslichtstrahl in einen Ausgangslichtstrahl umgelenkt wird, und eine statische strahlumlenkende Einrichtung, welche mit mehreren unterschiedlich orientierten Flächen versehen wird, so im Strahlenweg von Licht für das bewegliche strahlumlenkende Element angeordnet wird, dass ein Eingangslichtstrahl für das bewegliche strahlumlenkende Element und/oder ein Ausgangslichtstrahl vom beweglichen strahlumlenkenden Element durch zwei der unterschiedlich orientierten Flächen der statischen strahlumlenkenden Einrichtung hindurchtritt.
-
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass dabei statische und nichtstatische Reflexe, die insbesondere durch eine Abdeckung, wie beispielsweise ein Deckglas entstehen, vermieden werden. Unter statischen Reflexen sind hier diejenigen Reflexe bezeichnet, die sich nicht bei einer Bewegung des beweglichen strahlumlenkenden Elements mit diesem mit bewegen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung einfach herzustellen ist und hohe Kippwinkel einer Abdeckung ermöglicht, was ein großes Sichtfeld - Field of View - ermöglicht. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass bei einem Betrieb der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung unter Unterdruck, Strahlprofiländerungen durch Verformung des beweglichen strahlumlenkenden Elements zumindest teilweise kompensiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass Mehrfachreflexionen vermieden werden.
-
Ein weiterer Vorteil ist durch die nahezu vollständige Unterdrückung statischer Reflexe eine erhöhte Augensicherheit bei einer Verwendung von LiDAR-Systemen. Darüber hinaus ist deren Betrieb mit höherer Leistung möglich, sodass eine größere Reichweite eines darauf basierenden LiDAR-Systems ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass dynamische Reflexe zumindest teilweise unterdrückt werden, sodass Geisterbilder unterdrückt werden, was in geringeren Fehlerraten und einer erhöhten Sicherheit resultiert. Ebenso ist eine einfache und kostengünstige Herstellung, beispielsweise mittels Aufbau-und-Verbindungstechnik AVT möglich. Darüber hinaus kann Licht auf einfache Weise eingekoppelt werden, sodass eine einfache Justage respektive größere Fertigungstoleranzen möglich sind.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die statische strahlumlenkende Einrichtung zwei optisch getrennte Bereiche auf. Mittels zweier optisch getrennter Bereiche ist eine Unterteilung der statischen strahlumlenkenden Einrichtung möglich, sodass Lichtwege zwischen den Bereichen zuverlässig getrennt, beziehungsweise unterdrückt werden und so Reflexionen vermieden werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die statische strahlumlenkende Einrichtung als Abdeckung für das bewegliche strahlumlenkende Element ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung bei gleichzeitig zuverlässigem Schutz des beweglichen strahlumlenkenden Elements. Darüber hinaus kann eine separate Abdeckung für das bewegliche strahlumlenkende Element entfallen, was die Herstellungskosten senkt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die statische strahlumlenkende Einrichtung in Form zumindest eines Prismas ausgebildet. Mittels eines Prismas, welches ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann, lassen sich statische und dynamische Reflexe nahezu vollständig unterdrücken. Aufgrund des Keilwinkels des zumindest einen Prismas können sich durch Mehrfachreflexionen keine parallelen Strahlen mehr bilden. Mit anderen Worten wird ein Hin- und Herreflektieren von Licht zwischen den planparallelen Flächen des zumindest einen Prismas unterdrückt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die statische strahlumlenkende Einrichtung in Form eines Doppelprismas, umfassend zwei einzelne Prismen, ausgebildet, wobei die beiden einzelnen Prismen symmetrisch zueinander angeordnet sind. Mittels eines Doppelprismas können statische Reflexe auf einfache und besonders zuverlässige Weise kontrolliert bzw. unterdrückt werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die statische strahlumlenkende Einrichtung auf einer optisch transparenten Abdeckung für das bewegliche strahlumlenkende Element angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine mechanische Stabilisierung der optisch transparenten Abdeckung ermöglicht wird. Beispielsweise kann einer Wölbung einer optisch transparenten Abdeckung in Form eines Deckglases bei Betrieb des beweglichen strahlumlenkenden Elements bei Unterdruck entgegengewirkt werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die statische strahlumlenkende Einrichtung mittels eines Klebers auf der optisch transparenten Abdeckung festgelegt, wobei das statische strahlumlenkende Element, Kleber und optisch transparente Abdeckung für zumindest einen Wellenlängenbereich den im wesentlichen gleichen Brechungsindex aufweisen. Auf diese Weise lassen sich weitere Reflexionen an den Materialübergängen zwischen statischem strahlumlenkenden Element, Kleber und optisch transparenter Abdeckung vermeiden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die optisch transparente Abdeckung antireflektierend ausgebildet, insbesondere mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen. Damit werden Reflexionen weiter reduziert.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein strahlformendes Element für den Eingangslichtstrahl und/oder Ausgangslichtstrahl angeordnet, insbesondere auf der statischen strahlumlenkenden Einrichtung. Mittels einer derartigen Strahlformungsoptik, beispielsweise mit sphärischen, asphärischen oder beliebig geformten Linsen, kann eine zusätzliche optische Komponente für eine Strahlformung von Eingangs- und/oder Ausgangslichtstrahl vermieden werden, was geringere Herstellungskosten ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das bewegliche strahlumlenkende Element in Form eines Mikrospiegels ausgebildet. Mittels eines Mikrospiegels kann auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein Lichtstrahl umgelenkt werden.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in schematischer Form eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 2 eine bekannte mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt in schematischer Form eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 ist eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 10 gezeigt. Diese umfasst einen mikromechanischen Spiegel 5, der mittels eines Deckglases 4 geschützt ist.
-
Der mikromechanische Spiegel 5, kurz Mikrospiegel, ist um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene sowie um eine Achse parallel zur Zeichenebene der 1, um einen Winkel, wie die gestrichelten Linien andeuten, drehbar und kann so einen einfallenden Lichtstrahl 2 von einer Lichtquelle 1, beispielsweise einem Laser, einer Leuchtdiode, etc. umlenken. Ausgehend von der Lichtquelle 1 trifft der Eingangslichtstrahl 2 über ein erstes Prisma 3 und ein Deckglas 4 auf den Mikrospiegel 5. Der Eingangslichtstrahl 2 wird vom Mikrospiegel 5 reflektiert, um einen bestimmten Winkel umgelenkt und tritt als Ausgangslichtstrahl 2' über das Deckglas 4 und ein zweites Prisma 6 in einen Objektraum ein. Zwischen den beiden Prismen 3, 6 ist eine Absorptionsschicht 7 angeordnet. Insgesamt ist somit auf der Abdeckung 4 ein Doppelprisma 3, 6 angeordnet. Die Lichtquelle 1 koppelt dabei den Eingangslichtstrahl 2 frontal von vorne auf die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 10 ein, was eine größere Justagetoleranz beim Einkoppeln des Eingangslichtstrahls 2 ermöglicht. Die Prismen 3, 6 weisen hierbei einen Keilwinkel 11 von ca. 35° auf, was Mehrfachreflexionen durch parallele Strahlen unterdrückt.
-
Die Prismen 3, 6 sind hierbei im Einzelnen wie folgt aufgebaut: im Querschnitt bilden beide Prismen 3, 6 rechtwinklige Dreiecke mit den Seiten 31, 32, 33, 61, 62, 63. Die Seite 32, 62 ist die Hypotenuse des jeweiligen Dreiecks und hierbei jeweils um den Keilwinkel 9 von 35° gegenüber der Ebene des Deckglases 4 geneigt. Die Seite 33, 63, also die jeweilige Gegenkathete 33, 63 zum Keilwinkel 11, ist zu dem jeweils anderen Prisma 3, 6 parallel angeordnet. Zwischen diesen beiden Seiten 33, 63 ist die Absorptionsschicht 7 angeordnet. Die Seiten 31, 61, also die Ankatheten, sind parallel zur Ebene des Deckglases 4 auf dem Deckglas 4 angeordnet, insbesondere mittels eines optischen Klebeverfahrens, beispielsweise eines UV-Klebers, eines Epoxidharzes, etc. mit dem Deckglas 4 verkittet. Die Prismen 3, 6 können mittels Spritzgießen von Kunststoff oder Blankpressen von Gläsern hergestellt werden, was geringe Kosten bei gleichzeitig komplexen Bauformen ermöglicht.
-
Das Deckglas 4 in 1 ist hierbei eben ausgebildet und nicht gegenüber der Nullstellung des Mikrospiegels 5 gekippt. Auf diesem Deckglas 4 sind wie bereits ausgeführt, die beiden Prismen 3, 6 angeordnet, vorzugsweise sind diese auf die Oberfläche des Deckglases 4 geklebt. Das erste Prisma 3, auf welches der Eingangslichtstrahl 2, ausgehend von der Lichtquelle 1, trifft, besitzt hierbei eine möglichst gut reflektierende Dachfläche 32 und lichtundurchlässige bzw. möglichst absorbierende Seitenflächen 33, 63. Beide Prismen 3, 6 sind voneinander optisch getrennt mittels der Absorptionsschicht 7. Das Deckglas 4 kann dabei mittels Walzen hergestellt werden, was geringere Kosten und eine hohe Stückzahl ermöglicht.
-
Das Deckglas 4 in der 1 kann auch weggelassen werden. Mit anderen Worten können die beiden Prismen 3, 6 auch ohne Deckglas 4 direkt auf ein Gehäuse des Mikrospiegels 5 aufgebracht, insbesondere geklebt, werden und dessen Funktion mit übernehmen. Darüber hinaus können der Keilwinkel 11 der Prismen 3, 6 und/oder das Material der Prismen 3, 6 in Bezug auf den Brechungsindex angepasst werden, um Material und/oder Kosten zu sparen und die Herstellung zu vereinfachen. Allgemein sind beispielsweise auch Keilwinkel 11 zwischen 0° und 75°, insbesondere zwischen 10° und 50°, möglich.
-
Des Weiteren kann, wie in 1 gezeigt, auf der Oberfläche 32 des ersten Prismas 3 ein strahlformendes Element 8, beispielsweise eine sphärische Linse angeordnet sein oder einstückig mit dem ersten Prisma 3 ausgebildet werden. Auf zusätzliche strahlformende Elemente kann dann verzichtet werden. Ebenso können ein oder mehrere strahlformende Elemente 8 auf dem zweiten Prisma 6 angeordnet werden.
-
In 2 ist eine bekannte mikromechanische Umlenkvorrichtung gezeigt. Ein Eingangslichtstrahl 2 wird dabei durch einen Mikrospiegel 5 nach Hindurchtritt durch ein Deckglas 4 umgelenkt. Schaut man sich nun eine gedachte Auffangfläche 9, die im wesentlichen halbkreisförmig um den Spiegel 5 angeordnet ist, an, sind deutlich Reflexe 12 zu erkennen, die insbesondere durch den großen Kippwinkel des Deckglases 4 gegenüber der gezeigten Nullstellung des Mikrospiegels 5, auftreten.
-
Zusammenfassend weist die vorliegende Erfindung, insbesondere zumindest eine ihrer Ausführungsformen die folgenden Vorteile auf:
- ● Unterdrückung statischer Reflexe.
- ● Zumindest teilweise Unterdrückung dynamischer Reflexe.
- ● Einfache, kostengünstige Herstellung.
- ● Modularer Aufbau möglich.
- ● Mechanische Stabilisierung eines Deckglases oder allgemein einer Abdeckung möglich.
- ● Einfache Einkopplung von Licht in die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung.
- ● Einfacher Herstellungsprozess für Abdeckung und statischem strahlumlenkendem Element, insbesondere Prisma.
- ● Größere Toleranzen und damit einfachere Justage.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2015/0370085 A1 [0007]
