DE102022111185B3

DE102022111185B3 - Mikroscanner mit einem ablenkelement und zu diesem hin gewölbten federelementen zur schwingungsfähigen aufhängung des ablenkelements

Info

Publication number: DE102022111185B3
Application number: DE102022111185.7A
Authority: DE
Inventors: Fabian Schwarz
Original assignee: Oqmented GmbH
Current assignee: Oqmented GmbH
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2042-05-06
Also published as: WO2023213618A1

Abstract

Ein Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld weist auf: ein Ablenkelement mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur; und (iii) eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Die Federeinrichtung weist eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement herum angeordneten Federelementen auf, die jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur verankert und andererseits mittelbar oder unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt an dem Ablenkelement verankert sind. Dazwischen weisen sie jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf derart auf, dass dieser bogenförmige Verlauf in Richtung zum Ablenkelement hin gewölbt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld.
Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „microscanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror" bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-optoelektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels rotatorisch erfolgt. Bei Mikroscannern wird die Modulation, in Abgrenzung gegenüber Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken mehrerer Spiegel erfolgt, über einen einzelnen Spiegel erzeugt.
Mikroscanner können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.
Mikroscanner bestehen in vielen Fällen aus einem Ablenkelement (Spiegel bzw. Spiegelplatte), das seitlich an elastisch verformbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse beweglich aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln.
Sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion dient ein Mikroscanner dazu, elektromagnetische Strahlung wie z.B. einen Laserstrahl oder aber einen geformten Strahl einer beliebigen anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung mindestens eindimensional, z.B. horizontal und/oder vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes zumindest abschnittsweise abzutasten bzw. auszuleuchten. insbesondere kann dies so erfolgen, dass der gescannte Laserstrahl eine rechteckige Fläche auf einer Projektionsfläche im Projektionsfeld überstreicht. Somit kommen bei diesen Anwendungsfällen Mikroscanner mit zumindest zweiachsigem Spiegel oder im optischen Pfad hintereinandergeschaltete einachsige Spiegel zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich der abzulenkenden Strahlung kann grundsätzlich aus dem gesamten Spektrum von kurzwelliger UV-Strahlung, über den VIS-Bereich, NIR-Bereich, IR-Bereich, FIR-Bereich bis hin zu langwelliger Terraherz- und Radarstrahlung ausgewählt sein.
Häufig werden Mikroscanner mit den Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. Basierend auf Halbleiterwafer-Substraten, insbesondere Siliziumwafer-Substraten, dienen Schichtabscheidung, Fotolithografie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Substrat auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren, insbesondere als ein Chip. Außer Silizium sind auch andere Halbleitermaterialien möglich.
In vielen bekannten Fällen handelt es sich bei Mikroscanner-basierten Laser-Projektions-Displays um sogenannte Rasterscan-Displays, bei denen eine erste Strahlablenkachse bei hoher Frequenz in Resonanz (typisch 15 kHz bis 30 kHz) betrieben wird (schnelle Achse), um die Horizontalablenkung zu erzeugen und eine zweite Achse bei niedriger Frequenz (typisch 30 Hz bis 60 Hz) quasistatisch (=nichtresonant) betrieben wird, um die Vertikalablenkung zu erzeugen. Ein fest vorgegebenes rasterförmiges Linienmuster (Trajektorie) wird dabei typischerweise 30 bis 60-mal pro Sekunde reproduziert.
Ein anderer Ansatz wird in den sogenannten Lissajous-Mikroscannern, insbesondere auch bei Lissajous-Scan-Displays verwendet. Dort werden beide Achsen üblicherweise in Resonanz, d.h. durch Anregung mit zumindest einer Resonanzfrequenz des Spiegels, betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajous-Figur erzeugt. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen. insbesondere die Vertikalablenkung kann daher sehr viel größer sein als bei einem Rasterscanner. Entsprechend kann bei einem Lissajous-Mikroscanner, insbesondere einem Lissajous-Scan-Display, meist eine deutlich höhere optische Auflösung erzielt werden als bei einem Raster-Scan-Display, insbesondere in vertikaler Richtung.
Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, zur Erzeugung der Lissajous-Figuren einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse umzulenken.
DE 10 2011 104 556 A1 offenbart eine Ablenkvorrichtung für einen Scanner mit Lissajous-Abtastung mit einem in mindestens zwei Ablenkachsen schwingenden Mikrospiegel, der einen Rahmen und eine über eine Aufhängung beweglich angeordnete Spiegelplatte aufweist, und mit einer Ansteuervorrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für einen resonanten Betrieb des Mikrospiegels in den mindestens zwei Ablenkachsen. Die Aufhängung der Spiegelplatte weist mindestens eine Feder auf, die einerseits mit der Spiegelplatte und andererseits mit dem feststehenden Rahmen verbunden ist. Die Frequenzen der Ansteuersignale für den resonanten Betrieb des Mikrospiegels in den mindestens zwei Ablenkachsen sind im Wesentlichen gleich, aber unterscheiden sich mindestens um die vorgegebene Abtastwiederholrate. In ihrer Höhe sind die Resonanzfrequenzen der Ablenkachsen und damit die Frequenzen der Ansteuersignale durch eine vorgegebene Auflösung der Abtastung und eine vorgegebene Abtastwiederholrate bestimmt.
US 2020/0 386 985 A1 zeigt mikroelektromechanische Systeme (MEMS), insbesondere ein Spiegelsystem, das beispielsweise in LiDAR (Light Detection and Ranging) eingesetzt wird. Das MEMS-Spiegelsystem der Erfindung verwendet vier Aufhängungen, von denen jede mit einem Reflektorkörper an zwei separaten Verbindungspunkten verbunden ist, die unabhängig voneinander durch piezoelektrische Aktoren verschoben werden können. Durch Betätigung benachbarter und gegenüberliegender Paare von piezoelektrischen Aktoren kann der Reflektorkörper zu Schwingungen um zwei orthogonale Achsen angeregt werden.
US 2021/0 223 539 A1 zeigt eine Mikrospiegelvorrichtung. Sie umfasst: einen Spiegelabschnitt, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, die einfallendes Licht reflektiert; einen ersten Aktuator, der eine ringförmige Form aufweist und um den Spiegelabschnitt herum angeordnet ist; einen zweiten Aktuator, der eine ringförmige Form aufweist und um den ersten Aktuator herum angeordnet ist; einen ersten Verbindungsabschnitt, der den Spiegelabschnitt und den ersten Aktuator auf einer ersten Achse verbindet, die in einer Ebene liegt, die die reflektierende Oberfläche des Spiegelabschnitts in einem stationären Zustand einschließt, und der den Spiegelabschnitt drehbar um die erste Achse trägt; einen zweiten Verbindungsabschnitt, der den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator auf einer zweiten Achse verbindet, die in einer Ebene liegt, die die reflektierende Oberfläche des Spiegelabschnitts in einem stationären Zustand einschließt und orthogonal zu der ersten Achse ist, und der den ersten Aktuator um die zweite Achse drehbar trägt; einen dritten Verbindungsabschnitt, der mit einem äußeren Umfang des zweiten Aktuators auf der zweiten Achse verbunden ist; und einen festen Abschnitt, der mit dem dritten Verbindungsabschnitt verbunden ist und den zweiten Aktuator durch den dritten Verbindungsabschnitt trägt.
US 2019/0 068 934 A1 zeigt eine MEMS-Vorrichtung mit einer festen Struktur, einer beweglichen Struktur und verformbaren Strukturen, die sich dazwischen erstrecken. Die verformbaren Strukturen haben erste Enden, die entlang der X- und Y-Achse der festen Struktur verankert sind, und zweite Enden, die versetzt zu den X- und Y-Achsen der festen Struktur verankert sind. Die verformbaren Strukturen sind so geformt, dass sie sich von ihren Verankerungspunkten entlang der beweglichen Struktur zurück zur beweglichen Struktur krümmen, sich entlang des Umfangs der beweglichen Struktur erstrecken und sich dann von der beweglichen Struktur weg und zu ihren Verankerungspunkten entlang der festen Struktur krümmen. Jede verformbare Struktur hat zwei piezoelektrische Elemente, die sich entlang der Länge dieser verformbaren Struktur erstrecken, wobei ein piezoelektrisches Element eine größere Länge als das andere piezoelektrische Element aufweist.
Zum Antrieb eines Mikroscanners, d.h. der Oszillationen seines Ablenkelements bzw. Spiegels, werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch oder resonant erfolgen. Letzteres kann insbesondere dazu genutzt werden, um größere Schwingungsamplituden, größere Auslenkungen und höhere optische Auflösungen zu erreichen. Außerdem lassen sich im resonanten Betrieb grundsätzlich auch der Energieverbrauch minimieren oder Vorteile insbesondere in Bezug auf Stabilität, Robustheit, Fertigungsausbeute, etc. erzielen. Typisch sind Scanfrequenzen von 0 Hz (quasistatisch) bis hin zu über 100 kHz (in Resonanz).
Verschiedene wünschenswerte Eigenschaften von Mikroscannern für einen beidachsig resonanten Lissajous-Betrieb sind dabei jedoch oft schwierig miteinander in Einklang zu bringen. Insbesondere ist es herausfordernd, Mikroscanner mit Spiegeldurchmessern zwischen 0,5mm und 30 mm zu realisieren, die einerseits große optische Scanwinkel (z.B. im Bereich von mindestens 20° bis 90°) zu erzielen erlauben, andererseits hohe Scanfrequenzen (z.B. zwischen 2 kHz und 90 kHz) zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr MEMS-Chip-Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers.
Häufig besitzen hochleistungsfähige MEMS-Spiegel-Chips Kantenlängen, die 4-10-mal so groß sind wie der Spiegeldurchmesser, was nicht nur teuer ist in der Herstellung, sondern auch die möglichen Applikationen stark einschränken kann, etwa dann, wenn es um den Einbau in ein mobiles Consumer-Endprodukt geht. Die geschilderte Problematik erhöht sich insbesondere dann, wenn nicht nur ein einachsiger MEMS-Spiegel, sondern ein zwei- oder mehrachsiger Spiegel entworfen werden soll.
Um die großen Scanwinkel trotz hoher erforderlicher Scanfrequenzen zu erzielen, steht der MEMS-Designer vor dem Problem, zur schwingungsfähigen Aufhängung des Spiegels sehr lange breite Federn realisieren und auf dem MEMS-Chip unterbringen zu müssen. Sehr breite Federn (z.B. mit einer Breite und Dicke zwischen jeweils 50µm und 1500µm sowie einer Länge von 500µm bis 10.000µm) sind häufig erforderlich, um die Spiegel trotz großer Scanwinkel und Spiegeldurchmesser auf hohe Resonanzfrequenzen und Scanfrequenzen zu bringen.
Das Ziel hohe Scanfrequenzen zu realisieren, führt in Verbindung mit der Voraussetzung möglichst wenig Chipfläche zu belegen unweigerlich zur Benutzung sehr steifer Federstrukturen. Insbesondere in Bereichen, in welchen die Struktur der Aufhängung enge Radien aufweisen entstehen im Betrieb des Spiegels durch die Verformung der Aufhängung jedoch regelmäßig hohe mechanische Spannungen.
Ein weiteres Problem, welches bei solchen Spiegeln auftritt, die hohe Scanfrequenzen mit geringer Baugröße verbinden sollen, ist mechanisches Übersprechen zwischen den Achsen, insbesondere bei Spiegeln, bei denen die Spiegelbewegung in beide Achsen durch Verformung derselben Federstruktur zustande kommt („Gimballess“ Design), da hier die Auslenkung des Spiegels in eine Richtung eine Vorspannung der Aufhängung mit sich bringt, welche Einfluss auf die Bewegung des Spiegels in der anderen Achse hat (und umgekehrt).
Die Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten starren, massiven Gimbals (Gimbal = kardanische Aufhängung) kann zwar dieses mechanische Übersprechen zumindest weitgehend verhindern, da es die Aufhängungen der beiden Achsen separiert. Die hohe Masse eines solchen Gimbals sorgt aber dafür, dass die Scan-Achse, welche durch die Bewegung des Gimbals selbst zustande kommt, nur verhältnismäßig geringe Scanfrequenzen realisieren kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mikroscanner anzugeben, welcher hohe Scanfrequenzen, große Scanwinkel, eine kleine Bauform und mechanisch, zumindest weitgehend, unabhängige Achsen vereint.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre des unabhängigen Anspruchs erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der hier vorgestellten Lösung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld. Der Mikroscanner weist auf: (i) ein Ablenkelement mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; (ii) eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur, die insbesondere rahmenförmig, sein kann und insbesondere aus einem Halbleitersubstrat gefertigt sein kann; und (iii) eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Die Federeinrichtung weist eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement herum angeordneten Federelementen, insbesondere vier solcher Federelemente, auf. Die Federelemente sind jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur verankert und andererseits (i) mittelbar, insbesondere über eine Torsionsfeder (nachfolgend auch als „erste“ Torsionsfeder bezeichnet), oder (ii) unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt an dem Ablenkelement verankert. Dazwischen, (d.h. zwischen dem jeweiligen ersten Verankerungspunkt und dem jeweiligen zweiten Verankerungspunkt) weisen sie jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf derart auf, dass dieser bogenförmige Verlauf in Richtung zum Ablenkelement hin gewölbt ist (also von diesem aus gesehen konvex ist).
Je zwei der Federelemente, deren zweite Verankerungspunkte (an dem Ablenkelement) nicht zusammenfallen, weisen einen gemeinsamen Verlaufsabschnitt auf, in dem die beiden Federelemente miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind. Dieser Verlaufsabschnitt bildet eine (zweite) Torsionsfeder, anhand der diese beiden Federelemente gemeinsam an zumindest einem zugeordneten ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur aufgehängt sind.
Unter dem Begriff „Ablenkelement“, wie hier verwendet, ist insbesondere ein Körper zu verstehen, der eine reflektierende Fläche (Spiegelfläche) aufweist, die glatt genug ist, dass reflektierte elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das Ablenkelement kann insbesondere als Spiegelplatte mit zumindest einer Spiegelfläche ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Insbesondere kann die Spiegelfläche selbst aus einem anderen Material bestehen, z.B. aus einem, insbesondere abgeschiedenen, Metall, als der sonstige Körper des Ablenkelements.
Unter dem Begriff „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“, wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.
Unter dem Begriff „Lissajous-Projektion“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale harmonische Schwingungen (Oszillationen) einer die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkeinrichtung, insbesondere eines einzelnen Ablenkelements oder einer Kombination von zumindest zwei Ablenkelementen, bewirkt wird.
Unter dem Begriff „bogenförmiger Verlauf (eines Federelementes) in Richtung zum Ablenkelement hin gewölbt“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist insbesondere ein solcher Verlauf der Form des Federelements zu verstehen, bei dem der Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade durch die beiden Wende- bzw. Endpunkte und durch den Scheitelpunkt des Bogen verlaufende Gerade durch das Ablenkelement, insbesondere durch dessen geometrischen Mittelpunkt oder Massenschwerpunkt verläuft.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ sein, eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon), wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist zu verstehen, dass eine diesbezügliche Vorrichtung oder Komponente davon bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Bei einem lösungsgemäßen Mikroscanner findet eine Separierung der achsenabhängigen mechanischen Spannungen auf unterschiedliche Bereiche der Federeinrichtung statt. So ergibt sich eine, jedenfalls weitgehende, Entkopplung der beiden Schwingungsachsen in dem Sinne, dass eine Wechselwirkung („Übersprechen“) zwischen beiden Schwingungsachsen reduziert und weitgehend eliminiert ist. Auf diese Weise lassen sich diese Vorteile eines starren Gimbals erreichen, ohne jedoch einen solchen verwenden zu müssen. So lässt sich insbesondere auch eine besonders kompakte Bauform der Aufhängung und somit des Mikroscanners als Ganzem erreichen.
Durch die spezielle Bogenform der Federeinrichtungen sind deren Massen besonders nahe an den Schwingungsachsen angeordnet, wodurch sich insbesondere ein besonders geringes Trägheitsmoment der Federeinrichtung bzgl. der beiden Schwingungsachsen erreichen lässt. Dies wiederum fördert bzw. ermöglicht bei einem gegebenen Antrieb hohe Scanfrequenzen und Scanwinkel.
Zudem ergeben sich Vorteile bezüglich der Variabilität des vorgenannten Mikroscannerdesigns, insbesondere zum Zwecke der Anpassung an verschiedene vorgesehene Frequenzverhältnisse (d.h. Verhältnisse der Resonanzfrequenz der ersten, insbesondere „schnelleren“, Schwingungsachse und der Resonanzfrequenz der zweiten, insbesondere „langsameren“, Schwingungsachse. Ein bestimmtes gewünschtes Frequenzverhältnis kann dabei vergleichsweise leicht, je nach gewünschtem Einsatz des Mikroscanners, durch eine entsprechende Auslegung des Designs während der Designphase des Mikroscanners erreicht werden. Die Konfiguration der Resonanzfrequenzen der beiden Achsen und somit des Frequenzverhältnisses kann dabei insbesondere durch Anpassung von Längen, Krümmungen der Bogenform, und/oder Steifigkeiten der Federelemente, insbesondere mittels Geometrieanpassungen, vorgenommen werden. Auch bezüglich der o.g. zweiten Torsionsfeder(n) ergibt sich als Vorteil, dass über die Wahl von deren Länge auf einfache Weise eine Abstimmung der Resonanzfrequenz der zugehörigen Schwingungsachse, im Rahmen des Mikroscannerdesigns vorgenommen werden kann.
Insbesondere sind beispielhafte Ausführungsformen solcher Mikroscanner möglich, die für doppeltresonanten Lissajous-Betrieb bei Spiegeldurchmessern von kreis- oder ringförmigen Mikrospiegeln zwischen 0,5 mm und 30 mm einerseits große optische Scanwinkel im Bereich von mindestens 20° und beispielsweise bis zu 90° und andererseits Scanfrequenzen zwischen 2 kHz und 90 kHz zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr (Chip-)Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers. Somit ist auch eine breite Verwendung in verschiedensten möglichen Applikationen eröffnet, etwa dann, wenn es um den Einbau des Mikroscanners in ein mobiles Consumer-Endprodukt, wie etwa in ein Smartphone, einen tragbaren Computer oder gar in ein sog. „Wearable“-Device (z.B. „Smart-Watch“) geht.
Nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Mikroscanners beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weisen die Federelemente untereinander dieselbe Form auf und ihre kranzförmige Anordnung bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des Ablenkelements weist eine Rotationssymmetrie auf. Mittels eines derart symmetrischen Aufbaus wird die Komplexität der Auslegung des Mikroscanners bei dessen Design, insbesondere im Hinblick auf gewünschte Resonanzfrequenzen der Schwingungsachsen und/oder deren Frequenzverhältnis oder Frequenzdifferenz, vereinfacht. Zudem kann so ein besonders stabiles Schwingungsverhalten mit einer besonders guten Entkopplung der beiden Schwingungsachsen erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen sind je zwei der Federelemente an einem nicht mit ihren ersten Verankerungspunkten zusammenfallenden Punkt (i) miteinander mechanisch verbunden oder (ii) zusammen einstückig ausgebildet und von einem zwischen ihren ersten Verankerungspunkten, insbesondere mittig dazwischen, liegenden Koppelpunkt aus mittelbar anhand einer ersten Torsionsfeder gemeinsam an dem Ablenkelement verankert sind. Der Koppelpunkt kann im Fall (i) insbesondere mit einem Verbindungspunkt, an dem die beiden Federelement miteinander mechanisch verbunden sind, zusammenfallen.
Auf diese Weise könnten die Richtung und die Resonanzfrequenz einer der Schwingungsachsen, im Wesentlichen durch die erste(n) Torsionsfeder(n) bestimmt sein. So lassen sich aufgrund der konstruktionsbedingt nah an der Schwingungsachse liegenden Massenverteilung der Torsionsfedern besonders geringe Trägheitsmomente und somit hohe Resonanzfrequenzen (und somit entsprechende Scanfrequenzen im resonanten Betrieb) und große Scanwinkel bezüglich dieser Schwingungsachse erreichen. Diese Schwingungsachse kann somit insbesondere als die schneller der beiden Schwingungsachsen ausgelegt sein, wenn sich deren Resonanzfrequenzen unterscheiden.
Zudem lässt sich beim Design des Mikroscanners das Trägheitsmoment der durch die ersten Torsionsfedern bestimmten Schwingungsachse, die im Falle unterschiedlicher Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsachsen insbesondere als die langsame Achse ausgelegt sein bzw. werden kann, stark auf dem Wege einer Längenanpassung beeinflussen und damit eine Anpassung der Resonanzfrequenz der Schwingungsachse hin zu einem gewünschten Frequenzverhältnis beider Schwingungsachsen, genauer von deren Resonanzfrequenzen, vorzunehmen. Die Länge der ersten Torsionsfedern ist also im Rahmen des Designs weitgehend frei wählbar. Diese Möglichkeit erlaubt es, ungünstige Frequenzverhältnisse zu vermeiden, welche unter anderem auch zu mechanischem Übersprechen führen könnten.
Auch lässt sich so eine hohe Resistenz bezüglich mechanischen Stresses erreichen, da der Stress gut entlang des jeweiligen Verlaufs der Federelemente verteilt wird, da kleinere Krümmungsradien, insbesondere an Wendepunkten des kurvenförmigen Verlaufs der Federelemente leichter vermieden werden können als im Falle ihrer unmittelbaren Verankerung am Ablenkelement.
Bei einigen Ausführungsformen ist der bogenförmige Verlauf zumindest eines, insbesondere sämtlicher, der Federelemente kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig. Diese Formgebung ist insbesondere im Hinblick auf eine hohe Resistenz bezüglich mechanischen Stresses vorteilhaft, da der Stress hier gut entlang des jeweiligen Verlaufs der Federelemente verteilt wird, da kleinere Krümmungsradien, vermieden werden können. Zudem haben kreis- oder ellipsenförmige Bogenverläufe im Rahmen des Entwurfs eines Mikroscannerdesigns den Vorteil, dass sie meist leichter zu simulieren sind als komplexere Formgebungen.
Bei einigen dieser Ausführungsformen spannt der bogenförmige Verlauf des Federelements auf einen Mittelpunkt des Kreisbogens bzw. einen Brennpunkt des Ellipsenbogens bezogen einen Winkel zwischen 0° und 360°, insbesondere zwischen 65° und 115°, auf. Aus platztechnischen Gründen stellen insbesondere Winkel aus dem Bereich zwischen 85° und 95° ca. 90° hierbei eine zweckmäßige Größenordnung dar, bei der noch ausreichend Federlänge vorhanden ist, um auch sehr große Auslenkwinkel des Ablenkelements und somit sehr große Scanwinkel, insbesondere bis zu 180° oder sogar darüber, zu ermöglichen.
Bei einigen Ausführungsformen weist zumindest eines der Federelemente, insbesondere sämtliche, jeweils eine entlang seines bogenförmigen Verlaufs variable Stärke, insbesondere bezüglich zumindest einer räumlichen Dimension (Breite und/oder Dicke) auf, die zumindest im Bereich des bogenförmigen Verlaufs des jeweiligen Federelements monoton, insbesondere gleichmäßig (d.h. linear) entlang des Verlaufs zu- oder abnimmt.
Bei einigen Ausführungsformen (i) definiert ein Lot auf die Spiegelfläche des Ablenkelements, wenn sich dieses schwingungsfrei in seiner stabilen Ruhelage relativ zur Tragestruktur befindet, eine erste Richtung und (ii) bei zumindest einem der Federelemente ist dessen entlang seines bogenförmigen Verlaufs bestimmte maximale und/oder durchschnittliche Stärke („Breite“) in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene größer als seine maximale bzw. durchschnittliche Stärke („Dicke“) entlang der ersten Richtung. Insbesondere können dabei die Stärke in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene und/oder die Stärke entlang der ersten Richtung auch konstant sein. Diese Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass prozessbedingte auf die Breite bezogene Toleranzen bei Strukturierung bei breiten Federn im Hinblick auf die Einhaltung von angestrebten Federeigenschaften weniger relevant sind als bei schmäleren Federn. Die Dicke der Federelemente kann insbesondere durch eine Schichtdicke oder Substratdicke eines Halbleiterkörpers (z.B. Wafer, beispielsweise mit 80 µm Dicke) bestimmt sein, aus dem die Federeinrichtung und optional auch das Ablenkelement und die Tragestruktur mittels Strukturierung, insbesondere durch Ätzen, ausgebildet werden. Bei solchen Ätzprozessen ist jedoch oftmals die Seitenwandrauhigkeit der mittels Ätzen hergestellten Strukturen weniger gut zu beeinflussen als deren Oberflächenrauhigkeit. Bei Federelementen deren Dicke geringer ist als ihre Breite, kann der beim Betrieb des Mikroscanners in den Federelementen auftretende mechanische Stress gut in die bezüglich ihrer genauen Form, insbesondere Oberflächenrauhigkeit, beherrschbare glatte Oberfläche verlegt werden, wodurch die Bruchfestigkeit des bzw. der Federelemente erhöht werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen ist die der Federeinrichtung derart ausgelegt, insbesondere hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder ihres Materials, dass die zweite Schwingungsachse durch die Lage der zweiten Verankerungspunkte an dem Ablenkelement definiert ist, insbesondere mit einer Verbindungsgerade durch die zweiten Verankerungspunkte zusammenfällt oder parallel dazu verläuft, und bezüglich ihrer rotatorische Oszillation eine höhere Resonanzfrequenz (bzw. gleichbedeutend: Eigenfrequenz) aufweist als die dazu orthogonale erste Schwingungsachse bezüglich deren rotatorischen Oszillation.
Insbesondere ist bei einigen dieser Ausführungsformen das Verhältnis der höheren zur niedrigeren der Resonanzfrequenzen nicht ganzzahlig, weicht aber um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert ab. In solchen Fällen ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie im Beobachtungsfeld, beziehungsweise auf einer im Beobachtungsfeld quer zur optischen Achse der Projektion liegenden Objektfläche (z.B. Leinwand), die in sehr kurzer Zeit das Bildfeld füllen bzw. ausleuchten kann, insbesondere im Rahmen einer digitalen Abbildung jeder Pixel des Bildfelds abbilden kann. Die dafür benötigte Zeitspanne maßgeblich durch die Wahl der Resonanzfrequenzen bestimmt. Der nächstliegende ganzzahlige Wert kann dabei insbesondere 1, 2, 3, 4 oder 5 sein.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements um die beiden Schwingungsachsen. Als Antriebe kommen insbesondere elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass der MEMS-Spiegel in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt.
Insbesondere kann die Antriebseinrichtung gemäß einiger dieser Ausführungsformen zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweisen, der auf einem der Federelement angeordnet ist, um dieses in Schwingung zu versetzen. Dies stellt eine besonders platzsparende und zudem aufgrund der direkten Kopplung des Piezoaktuators mit dem Federelement besonders effektive und insbesondere auch energieeffiziente Möglichkeit zur Implementierung einer Antriebseinrichtung für den Mikroscanner dar.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann. Die Aktuatorik kann dazu insbesondere einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen oder daraus bestehen. Die ermöglicht einen besonders energiearmen Betrieb des Mikroscanners sowie große Scanwinkel und je nach Wahl der Resonanzfrequenzen auch hohe Scanfrequenzen.
Bei einigen dieser Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis f₁/f₂ nahe bei 1, 2, 3, bzw. 4, usw.
Die Verstimmung v kann insbesondere so erreicht werden, dass sich nur eine der beiden Schwingungsfrequenzen oder aber beide jeweils von der jeweiligen Resonanzfrequenz zur zugehörigen Schwingungsachse unterscheidet bzw. unterscheiden. Dabei spielt die Verstimmung v gegenüber einem ganzzahligen Frequenzverhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz legt fest, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu.
Bei einer nichtganzzahligen Verstimmung v > 0 beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern, und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung v gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit, mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate (vollständige Phasendurchläufe/Zeit), z.B. aus dem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Insbesondere beim Einsatz von Phasenregelkreisen oder anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen). Auf Basis einer derart gewählten Verstimmung v lässt sich insbesondere auch eine verbesserte, d.h. zumindest im zeitlichen Mittel, erhöhte Liniendichte erreichen.
Bei einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt: die Federeinrichtung, Verlaufs der Federelemente verteilt die Tragestruktur. insbesondere kann es sich bei dem Substrat um ein Halbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat, handeln, aus dem zumindest zwei, bevorzugt sämtliche der vorgenannten Funktionselemente gefertigt sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Mikroscanner, beziehungsweise die genannten Funktionselemente davon im Rahmen einer selben Substratprozessierung hergestellt werden können, anstatt zunächst in getrennten Prozessen als separate Komponenten hergestellt und nachfolgend zu Mikroscanner zusammengefügt zu werden. Zum anderen erlaubt gerade die Herstellung des Mikroscanners bzw. der genannten Funktionselemente aus einem einzigen Substrat einen besonders Raum- bzw. Flächen effiziente Lösung, da hier die aus der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik bekannt Herstellungsprozesse genutzt werden können, die insbesondere die gezielte Herstellung kleinster Strukturen erlauben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:

1 schematisch eine erste Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners mit einer Federeinrichtung mit vier Federelementen und zwei am Ablenkelement verankerten Torsionsfedern;
2 schematisch eine zweite Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, mit einer Federeinrichtung mit vier Federelementen und zwei (weiteren) an der Tragestruktur verankerten Torsionsfedern;
3 schematisch eine dritte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, bei der die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente jeweils einen spitzen Winkel kleiner 90°, insbesondere von 32°, einschließen; und
4 schematisch eine dritte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, bei der die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente jeweils einen Winkel von mehr als 90°, insbesondere von 160°, einschließen.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche, ähnliche oder einander entsprechende Elemente. 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 werden. in den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können insbesondere als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
1 zeigt schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Lösung. Der Mikroscanner 10 ist als MEMS aus einem plattenförmigen Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat wie etwa einem Siliziumsubstrat gefertigt, insbesondere anhand einer Strukturierung des Substrats, typischerweise mithilfe von Lithographie und Ätzprozessen.
Der Mikroscanner 10 weist ein Ablenkelement 1 in Form einer Spiegelplatte auf, das mittels einer Federeinrichtung, welche vier insgesamt kranzförmig um das Ablenkelement angeordnete Federelemente 4 aufweist, an einer das Ablenkelement 1 allseitig umgebenden, rahmenförmigen ebenen Tragestruktur 7 um zwei zueinander orthogonal verlaufende Schwingungsachsen 8a und 8b schwingungsfähig aufgehängt ist. Die Federelemente 4 weisen jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmig zum Ablenkelement 1 hin gewölbten Verlauf auf und sind jeweils mit einem ihrer Enden an einem jeweiligen ersten Verankerungspunkt 6 an der Tragestruktur 7 individuell verankert. Die Bogenform kann dabei insbesondere kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig sein.
Der Verlauf der Form jedes Federelements 4 ist dabei so gewählt, dass sein jeweiliger Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist (wobei beim Mikroscanner 10 jeder Bogen durch einen Endpunkt des jeweiligen Federelements 4 an seinem Verankerungspunkt 6 am Chiprahmen und durch einen Wendepunkt an der anderen Seite des Bogens gegeben ist), und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade 4a durch die beiden Wendepunkte und durch den Scheitelpunkt 4b des Bogens verlaufende Gerade 4c (oder eine lotrechte Projektion davon auf die durch den Chiprahmen 7 definierte Ebene) durch das Ablenkelement 1, insbesondere durch dessen geometrischen Mittelpunkt oder dessen Massenschwerpunkt verläuft.
Die Breite der Federelemente (in der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene), insbesondere die Breite ihrer bogenförmigen Abschnitte, kann dabei insbesondere größer gewählt werden als ihre (orthogonal zu der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene gemessene) Dicke. Insgesamt weist hier die kranzförmige Anordnung der Federelemente 4 bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des (hier beispielhaft kreisflächenförmigen) Ablenkelements 1 eine Rotationssymmetrie auf, speziell eine vierzählige.
Die Tragestruktur 7, die auch als Chiprahmen bezeichnet werden kann, weist eine hohe Steifigkeit auf, sodass sie bei Schwingungsbewegungen des Ablenkelements 1 im Wesentlichen als starre Struktur zur Verankerung der Federeinrichtung wirkt. Sie kann insbesondere eine rechteckige Form aufweisen. insbesondere im Falle einer rotationssymmetrischen (z.B. vierzähligen Rotationssymmetrie) kann sie, wie in 1 gezeigt, speziell quadratisch sein.
Jedes der Federelemente 4 ist mit seinem anderen Ende mit einem zugeordneten zweiten Federelement 4 an einem Koppelpunkt 9 verbunden, sodass der Mikroscanner 10 insgesamt zwei jeweils zwei Federelemente 4 aufweisende separate Federstrukturen aufweist (in 1 bilden die beiden Federelemente links der Achse 8a zusammen eine erste Federstruktur und die beiden Federelemente rechts der Achse 8a eine zweite Federstruktur). Die Aufhängung des Ablenkelements 1 wird bei jeder der beiden Federstrukturen mittels einer jeweiligen Torsionsfeder 3 erreicht, die sich zwischen dem jeweiligen Kopplungspunkt 9 und dem Ablenkelement 1 erstreckt, an dem sie an einem jeweiligen zweiten Verankerungspunkt 2 verankert ist. Die jeweiligen beiden Federelemente 4 und die jeweilige Torsionsfeder 9 jeder der Federstrukturen können insbesondere auch integral, d. h. zusammen einstückig, ausgebildet sein. Dies kann insbesondere durch entsprechende Strukturierung eines gemeinsamen Substrats, aus dem der Mikroscanner 10 gefertigt ist, bedingt sein. Zusätzlich können auch das Ablenkelement 1 und/oder die Tragestruktur 7 integral mit den Federstrukturen ausgebildet sei, insbesondere so, dass dann die in 1 gezeigte Struktur des Mikroscanners 10 insgesamt einstückig ist.
Das Ablenkelement 1 kann einerseits um eine erste Schwingungsachse 8a rotatorisch oszillieren, wobei neben dem Ablenkelement 1 auch die beiden Federstrukturen und die beiden Torsionsfedern 3 gegenüber der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene ausgelenkt werden. Die Federkraft für diese erste Oszillation wird vor allem durch eine Verformung der Federelemente 4, insbesondere von deren rahmennahen Abschnitten bewirkt.
Andererseits kann das Ablenkelement 1 ebenfalls um die zweite Schwingungsachse 8b rotatorisch oszillieren, wobei vor allem das Ablenkelement 1 gegenüber der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene ausgelenkt wird und vor allem die beiden Torsionsfedern 9 sowie die sich daran anschließenden Abschnitte der Federelemente 4 die für diese zweite Oszillation erforderliche Federkraft liefern. Der Mikroscanner 10 kann insbesondere so ausgelegt sein, dass die Schwingungsachse 8a langsamer ist als die Schwingungsachse 8b, d.h. dass sie Letzterer gegenüber eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist. Das Design des Mikroscanners 10 begünstigt eine solche Zuordnung von schneller und langsamer Achse insbesondere dadurch, dass die neben dem Ablenkelement 1 maßgeblich schwingenden Torsionsfedern 9 im Wesentlichen auf beziehungsweise sehr nah an der Schwingungsachse 8b liegen und daher ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen. Dagegen oszillieren bei einer Schwingung um die Schwingungsachse 8a die gesamten Federstrukturen, die sich zum Teil relativ weit von der Schwingungsachse 8a entfernt befinden und somit bezüglich dieser Achse 8a ein größeres Trägheitsmoment aufweisen. Um jedoch auch bei dieser langsameren Schwingungsachse absolut gesehen hohe Schwingungsfrequenzen und somit Scanfrequenzen zu ermöglichen, weisen die Federelemente 4 die genannten zum Ablenkelement 1 hin gewölbten bogenförmigen Abschnitte auf. So wird erreicht, dass ein möglichst großer Teil der Masse der Federelemente 4 in Richtung der Schwingungsachse 8a verlagert und somit das Trägheitsmoment insgesamt verringert ist.
Die durch die Federeinrichtung, d. h. die beiden Federstrukturen, bereitgestellte Aufhängung des Ablenkelements 1 wirkt wie ein Gimbal (kardanische Aufhängung), indem durch die Separierung der achsenabhängigen mechanischen Spannungen, so dass sie, zumindest weitgehend, in unterschiedlichen Abschnitten der Federelemente 4 auftreten, eine Minimierung des mechanischen Übersprechens zwischen beiden Schwingungen beziehungsweise Schwingungsachsen 8A und 8b, erreicht wird. Diese Art der Aufhängung des Ablenkelements 1 mit weitgehender Entkopplung der Achsen wirkt als Feder und unterscheidet sich schon deshalb grundlegend von bekannten Aufhängungen mittels eines, insbesondere starren, Gimbals.
Bei einer möglichen Variante des Mikroscanners 10 sind die Federelemente 7 jeweils individuell an dem Ablenkelement 1 verankert. Anstelle einer einzigen Torsionsfeder 9 je Federstruktur bilden hier die unmittelbar am Ablenkelement 1 verankerten, in 1 gestrichelt eingezeichneten Abschnitte 3a der Federelemente 4 jeweils eine Torsionsfeder. Diese Variante kann insbesondere ebenfalls auf die im weiteren gezeigten Ausführungsformen aus den 2 bis 4 angewandt werden.
Zu seinem Antrieb kann der Mikroscanner 10 insbesondere ein oder mehrere Piezoelemente (der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt) aufweisen. Sie können insbesondere auf einem oder mehreren, insbesondere sämtlichen, der Federelemente 4 angeordnet sein, um diese bei einer entsprechenden Ansteuerung gezielt zu verformen und somit mit Energie zum Antrieb der Oszillationen zu versehen. Um eine möglichst geringe Auswirkung auf das Trägheitsmoment der Federelemente 4 bezüglich der Schwingungsachsen zu erreichen, können die Piezoelemente insbesondere dort auf den bogenförmigen Abschnitten der Federelemente 4 angeordnet werden, wo sie die größte Nähe zum Mittelpunkt, Massenschwerpunkt oder Rand des Ablenkelements 1 aufweisen, also im Falle eines kreisflächenförmigen Ablenkelements 1 dort, wo der bogenförmige Abschnitt dem Ablenkelement 1 am nächsten kommt (vgl. Spitze des Pfeils zum Bezugszeichen 4).
Die beschriebene Art der Aufhängung bewirkt, dass sich die zwei zueinander senkrechten Schwingungsachsen 8a und 8b ergeben, um die das Ablenkelement 1 in beiden Achsen resonant schwingen kann. Dieser Betriebsmodus kann insbesondere vorteilhaft in Laser-Projektions-Displays und bildgebenden Sensoren wie 3D-Kameras, LIDAR-Sensoren (LIDAR = englisch: Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging), OCT-Geräten (OCT = optische Kohärenztomographie) etc. sowie in der Laser-Material-Bearbeitung eingesetzt werden.
2 zeigt schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Lösung. Der Mikroscanner 20 entspricht weitgehend dem Mikroscanner 10, sodass im Folgenden nur auf die maßgeblichen Unterschiede eingegangen wird und ansonsten das zu 1 bzw. zum Mikroscanner 10 Gesagte auch für den Mikroscanner 20 gilt. Gleiches gilt auch im Weiteren im Hinblick auf die 3 und 4.
Ein maßgeblicher Unterschied zwischen den Ausführungsformen 10 und 20 besteht darin, dass bei dem Mikroscanner 20 auf jeder relevanten Seite des Chiprahmens 7 (in 2 also oben und unten) die Federstrukturen beziehungsweise ihre Federelemente 4 nicht mehr individuell, sondern gemeinsam über einen gemeinsamen Federabschnitt 5, der eine (zweite) Torsionsfeder bildet, an dem Chiprahmen 7 an einem jeweiligen (ersten) Verankerungspunkt verankert sind. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind hier die beiden in der 2 oberen Enden der beiden Federstrukturen, d. h. die beiden oberhalb der Schwingungsachse 8b liegenden Federelemente 4 im eine (zweite) Torsionsfeder bildenden Abschnitt 5 miteinander verbunden oder integral ausgeführt und gemeinsam am Chiprahmen 7 verankert. Das gleiche gilt für die beiden unterhalb der Schwingungsachse 8b liegenden Federelemente 4 entsprechend.
Mit dieser Ausführungsform 20 lässt sich insbesondere eine weitere Minimierung des mechanischen Stresses in den Federelementen 4 und folglich eine erhöhte Robustheit und Lebensdauer des Mikroscanners fördern. Der Gefahr, dass der Microscanner, insbesondere dessen filigrane Federelemente 4, bei einem Betrieb mit hohen Frequenzen und/oder großen Auslenkungen in die Nähe seiner bzw. ihrer Bruchgrenze(n) kommt bzw. kommen, kann somit effektiv begegnet werden. Andersherum betrachtet erlaubt es. Ein solches Design eines Mikroscanners, die Federstrukturen entsprechend filigraner und somit mit geringerer Masse auszuführen, was wiederum im Hinblick auf hohe Betriebsfrequenzen und große Auslenkwinkel vorteilhaft ist.
Auch können bei einem solchen Design die Federkennlinien der Torsionsfedern 5 in weiten Bereichen als linear angenommen werden, was eine Ansteuerung des Mikroscanners zu dessen Betrieb erleichtert, da weniger komplexe Steuerungen eingesetzt werden können.
Eine weitere Änderung gegenüber dem Design des Mikroscanners 10 aus 1 kann wahlweise darin bestehen, die Form der Tragestruktur beziehungsweise des Chiprahmens sieben des 7 anzupassen, insbesondere eine von einem Quadrat abweichende rechteckige Form zu wählen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine geeignete Wahl der Länge der zweiten Torsionsfeder 5 im Hinblick auf eine Abstimmung der Resonanzfrequenz, insbesondere der Schwingungsachse 8a, vorteilhaft.
3 illustriert schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Lösung, die einer speziellen Auslegung des Mikroscanners 10 aus 1 entspricht, entsprechend jedoch auch auf den Mikroscanner 20 aus 2 anwendbar ist.
Sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente 4 jeweils einen spitzen Winkel Φ < 90°, insbesondere beispielhaft von 32°, einschließen. Derartige Varianten zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass im Verlauf der Federelemente 4 starke Krümmungen weitgehend vermieden werden können, was im Hinblick auf eine hohe Bruchgrenze und somit eine hohe Robustheit und Lebensdauer vorteilhaft ist.
4 illustriert schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 40 gemäß einer noch weiteren, vierten Ausführungsform der vorliegenden Lösung, die wiederum einer speziellen Auslegung des Mikroscanners 10 aus 1 entspricht, entsprechend jedoch auch auf den Mikroscanner 20 aus 2 anwendbar ist.
Sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente 4 jeweils einen stumpfen Winkel Φ > 90°, insbesondere beispielhaft von 160°, einschließen. Derartige Varianten zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der stark ausgeprägte bogenförmige Verlauf der Federelemente 4 eine Massenverteilung fördert, bei der die Masse der Federelemente besonders nah an der Schwingungsachse 8a liegt. Folglich lassen sich hier besonders gut hohe Resonanzfrequenzen bezüglich dieser Schwingungsachse erreichen.
Aus platztechnischen Gründen stellen Winkel Φ im Bereich von 85° bis 95°, insbesondere Φ ≈ 90°, hierbei eine zweckmäßige Größenordnung dar, bei dem noch ausreichend Federlänge vorhanden ist, um große Auslenkwinkel zu ermöglichen.
Die nachfolgenden Erläuterungen sind, soweit nicht anders angegeben, unabhängig von einer speziellen Ausführungsform eines lösungsgemäßen Mikroscanners und daher insbesondere auf sämtliche Ausführungsformen 10 bis 40 aus den 1 bis 4 und deren genannte Varianten anwendbar, auf die nachfolgend zum Zwecke der Erläuterung auch weiterhin Bezug genommen wird.
Besonders vorteilhaft sind, insbesondere für einen beidachsig resonanten Lissajous-Betrieb, Microscanner mit zwei schnellen Achsen, bei denen die Resonanzfrequenz f₁ für die schnellere der Achsen und f₂ für die langsamere der Achsen zueinander beinahe aber nicht exakt ein ganzzahliges Verhältnis bilden. Also: f₁/f₂ = 1, 2, 3, 4, 5 usw., denn immer dann kommt es zu einer Lissajous-Trajektorie, die in vorteilhafter Weise das Bildfeld in sehr kurzer durch die Wahl der Resonanzfrequenzen selbst einstellbaren Zeit effizient füllen kann.
Ein lösungsgemäßer Mikroscanner kann bei seinem Entwurf leicht auf verschiedene Frequenzverhältnisse angepasst werden. Dabei kann man z.B. für ein bestimmtes Frequenzverhältnis eine Differenzfrequenz der beiden Schwingungsachsen 8a und 8b so einstellen, dass diese Differenz unabhängig von dem ganzzahligen Verhältnis der gewünschten Bildwiederholrate entspricht. Beispielsweise kann für ein Frequenzverhältnis f₁/f₂ ≈ 2 die langsamere erste Achse 8a auf 10 kHz abgestimmt sein und die schnellere zweite Achse 8b auf 20,2 kHz, um eine Bildwiederholrate von 200 Hz zu realisieren. Ebenso könnte zum Beispiel ein Frequenzverhältnis f₁/f₂ ≈ 3 realisiert werden, indem die Achsen auf f₁ = 5 kHz und f₂ = 15,2 kHz abgestimmt werden. Für ein Frequenzverhältnis f₁/f₂ ≈ 4 würde man zum Beispiel die Achsen auf f₁ = 5 kHz und f₂ = 20,2 kHz auslegen (usw.).
Die Einstellung der Resonanzfrequenzen zu den beiden Schwingungsachsen 8a und 8b, insbesondere deren Verhältnis und ggf. Verstimmung gegenüber einem ganzzahligen Verhältnis, kann insbesondere erreicht werden, indem (soweit bei dem jeweiligen Mikroscannerdesign verfügbar):

- die Länge der (ersten) Torsionsfedern 3 (bzw. 3a) am Ablenkelement 1 und damit das Trägheitsmoment, welches auf die dazu quer stehende Achse 8a wirkt, angepasst wird.
- die Breite der (ersten) Torsionsfedern 3 (bzw. 3a) am Ablenkelement 1 und damit deren Steifigkeit angepasst wird (dasselbe gilt gegebenenfalls für die zweite Torsionsfeder 5 zur Aufhängung an der Tragestruktur 7).
- die Breite der Federelemente 4, insbesondere von deren bogenförmigen Abschnitten, und damit deren Steifigkeit variiert wird.
- die Dicke und damit die Steifigkeit der Federelemente 4 variiert wird.
- gegebenenfalls die Geometrie einer Stützstruktur auf der der Spiegelfläche gegenüberliegenden Seite des Ablenkelements 1 und damit dessen Trägheitsmoment angepasst wird.

Als Antriebe für die Mikroscanner kommen elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die den Mikroscanner von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass das Ablenkelement 1 in einer oder beiden Schwingungsachsen 8a bzw. 8b zu schwingen beginnt. Wie schon erwähnt, können piezoelektrische Aktuatoren besonders vorteilhaft auf den Federelementen selbst angeordnet werden, wo sie die Schwingung des Ablenkelements 1 besonders (energie-)effizient anregen können.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
2: zweiter Verankerungspunkt, an Spiegelplatte
3: (erste) Torsionsfeder, an Spiegelplatte verankert
3a: unmittelbar ab Ablenkelement verankerter Abschnitt eines Federelements 4
4: Federelement mit bogenförmigem Abschnitt
4a: Gerade durch die den Bogen begrenzenden Wende- bzw. Endpunkte
4b: Scheitelpunkt des Bogens
4c: Gerade durch den Scheitelpunkt 4b und orthogonal zur Gerade 4a
5: (zweite) Torsionsfeder, an der Tragestruktur (Chiprahmen) verankert
6: erste(r) Verankerungspunkt(e), an der Tragestruktur (Chiprahmen)
7: Tragestruktur, insbesondere starrer Chiprahmen
8a: erste (insbesondere langsamere) Schwingungsachse
8b: zweite (insbesondere schnellere) Schwingungsachse
9: Koppelpunkt
10: erste Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners
20: zweite Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners
30: dritte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners
40: vierte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners
Φ: durch bogenförmigen Abschnitt eines Federelements aufgespannter Winkel

Claims

Mikroscanner (10; 20; 30; 40) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, wobei der Mikroscanner (10; 20; 30; 40) aufweist: ein Ablenkelement (1) mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine das Ablenkelement (1) zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur (7); und eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement (1) so an der Tragestruktur (7) schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse (8a) sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse (8b) ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement (1) einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; wobei die Federeinrichtung eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement (1) herum angeordneten Federelementen aufweist, die jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt (6) an der Tragestruktur (7) verankert sind und andererseits mittelbar oder unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt (2) an dem Ablenkelement (1) verankert sind und dazwischen einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf derart aufweisen, dass dieser bogenförmige Verlauf in Richtung zum Ablenkelement (1) hin gewölbt ist und somit von diesem aus gesehen konvex ist; und wobei je zwei der Federelemente, deren zweite Verankerungspunkte (2) nicht zusammenfallen, einen gemeinsamen Verlaufsabschnitt aufweisen, in dem die beiden Federelemente (4) miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind, wobei dieser Verlaufsabschnitt eine zweite Torsionsfeder (5) bildet, anhand der diese beiden Federelemente (4) gemeinsam an zumindest einem zugeordneten ersten Verankerungspunkt (6) an der Tragestruktur (7) aufgehängt sind.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (4) untereinander dieselbe Form aufweisen und ihre kranzförmige Anordnung bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des Ablenkelements (1) eine Rotationssymmetrie aufweist.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei je zwei der Federelemente (4) an einem nicht mit ihren ersten Verankerungspunkten (6) zusammenfallenden Punkt miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind und von einem zwischen ihren ersten Verankerungspunkten (6) liegenden Koppelpunkt aus mittelbar anhand einer ersten Torsionsfeder (3) gemeinsam an dem Ablenkelement (1) verankert sind.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der bogenförmige Verlauf zumindest eines der Federelemente (4) kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig ist.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 4, wobei der bogenförmige Verlauf des Federelements (4) auf einen Mittelpunkt des Kreisbogens bzw. einen Brennpunkt des Ellipsenbogens bezogen einen Winkel zwischen 0° und 360°aufspannt.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Federelemente (4) jeweils eine entlang seines bogenförmigen Verlaufs variable Stärke aufweist, die zumindest im Bereich des bogenförmigen Verlaufs des jeweiligen Federelements (4) monoton entlang des Verlaufs zu- oder abnimmt, wobei die Stärke eine Breite oder Dicke des Federelements ist.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: ein Lot auf die Spiegelfläche des Ablenkelements (1), wenn sich dieses schwingungsfrei in seiner stabilen Ruhelage relativ zur Tragestruktur (7) befindet, eine erste Richtung definiert; und bei zumindest einem der Federelemente (4) dessen entlang seines bogenförmigen Verlaufs bestimmte maximale und/oder durchschnittliche Breite in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene größer ist als seine maximale bzw. durchschnittliche Dicke entlang der ersten Richtung.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die der Federeinrichtung derart ausgelegt ist, dass die zweite Schwingungsachse (8b) durch die Lage der zweiten Verankerungspunkte (2) an dem Ablenkelement (1) definiert ist, und bezüglich ihrer rotatorische Oszillation eine höhere Resonanzfrequenz aufweist als die dazu orthogonale erste Schwingungsachse (8a) bezüglich deren rotatorischen Oszillation.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis der höheren zur niedrigeren der Resonanzfrequenzen nicht ganzzahlig ist aber um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert abweicht.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 9, wobei der nächstliegende ganzzahlige Wert 1, 2, 3, 4 oder 5 ist.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements (1) um die beiden Schwingungsachsen.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 11, wobei die Antriebseinrichtung zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweist, der auf einem der Federelemente (4) angeordnet ist, um dieses in Schwingung zu versetzen.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement (1) in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 13, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement (1) derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.
Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt sind: die Federeinrichtung, das Ablenkelement, die Tragestruktur (7).