DE4008394A1 - Swivelling light beam from comb-shaped electrodes - deflecting adjacent electrodes stepwise to provide swivelable, part-mirrored surface - Google Patents
Swivelling light beam from comb-shaped electrodes - deflecting adjacent electrodes stepwise to provide swivelable, part-mirrored surfaceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schwenken eines Lichtstrahls nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to a method for pivoting a Light beam according to the preamble of claim 1 and an arrangement for carrying out the method according to the preamble of claim 4.
Die Erfindung ist insbesondere für den Infrarotbereich an wendbar, z. B. für eine Wellenlänge von 10 µm.The invention is particularly for the infrared range reversible, e.g. B. for a wavelength of 10 microns.
Zum Schwenken eines Lichtstrahls insbesondere in diesem Wellenlängenbereich ist es bekannt, mechanische Schwenksy steme, z. B. rotierende und/oder schwingende Spiegel, zu verwenden. Solche Systeme besitzen in nachteiliger Weise aufgrund der bewegten (Spiegel-)Massen eine relativ nied rige obere Grenzfrequenz, so daß insbesondere bei einem optischen oder quasioptischen Radarsystem keine ausrei chende Überwachung eines Gebietes möglich ist. Es ist z. B. keine genügende Überwachung mehrerer bewegter Ziele mög lich.For swiveling a light beam in particular in this Wavelength range, it is known mechanical Schwenksy systems, e.g. B. rotating and / or vibrating mirrors use. Such systems are disadvantageous due to the moving (mirror) masses a relatively low Rige upper limit frequency, so that especially in one optical or quasi-optical radar system none appropriate monitoring of an area is possible. It is Z. B. insufficient monitoring of several moving targets is possible Lich.
Es ist naheliegend, für eine derartige Strahlschwenkung eine oder mehrere Bragg-Zellen zu verwenden, welche den elektro-optischen Effekt ausnutzen. Eine solche Bragg- Zelle hat den Nachteil, daß nur ein kleiner Schwenkbereich von einigen Grad möglich ist.It is obvious for such a beam swing to use one or more Bragg cells which the Take advantage of the electro-optical effect. Such a Bragg Cell has the disadvantage that only a small swivel range of a few degrees is possible.
Aus der Druckschrift Kurt E. Petersen "Dynamic Micromecha nics on Silicon: Techniques and Devices", IEEE Transacti ons on Electron Devices, Vol. ED-25, No. 10, October 1978, Seiten 1241 bis 1250, ist es weiterhin bekannt, aus ein kristallinem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, durch in der Halbleitertechnologie derzeit übliche Techno logie mikromechanische Elemente herzustellen, mit denen eine Schwenkung eines Lichtstrahls möglich wird.From the publication Kurt E. Petersen "Dynamic Micromecha nics on Silicon: Techniques and Devices ", IEEE Transacti ons on Electron Devices, Vol. ED-25, No. October 10, 1978, Pages 1241 to 1250, it is also known from a crystalline semiconductor material, preferably silicon, through techno currently common in semiconductor technology to produce micromechanical elements with which a swiveling of a light beam becomes possible.
Ein solches Element ist in Fig. 1 dargestellt. Auf dem plattenförmigen Substrat 1, z. B. Silizium, werden eine elektrisch leitfähige Schicht, die Substratelektrode 2, eine Isolatorschicht 3 sowie eine Elektrode 4 aufgebaut. Die Elektrode 4 wird auf der Isolatorschicht, z. B. SiO2, als Metallschicht abgeschiedenen, z. B. Gold, die das Licht gut reflektiert. Durch in der Halbleitertechnologie übliche Ätzverfahren wird der Raum 5 unter der Elektrode 4 bis auf die Substratelektrode 2 weggeätzt, so daß dieser eine Höhe dmax besitzt. Außerdem entsteht eine streifen förmig geätzte Elektrode 4, welche die Länge L besitzt und welche einseitig an der Isolatorschicht 3 befestigt ist. Wird nun zwischen die Elektrode 4 und die beispielsweise geerdete Substratelektrode 2 eine genügend hohe elektri sche Spannung U gelegt, so entstehen elektrostatische Kräfte, so daß sich die streifenförmige Elektrode 4 biegt und mit ihrem freien Ende auf die Substratelektrode 2 zu bewegt. Diese Biegebewegung wird ausgenutzt, um einen auf die gut reflektierende Metallschicht der Elektrode 4 ge richteten Lichtstrahl zu schwenken.Such an element is shown in Fig. 1. On the plate-shaped substrate 1 , for. B. silicon, an electrically conductive layer, the substrate electrode 2 , an insulator layer 3 and an electrode 4 are built up. The electrode 4 is on the insulator layer, for. B. SiO 2 , deposited as a metal layer, for. B. Gold, which reflects the light well. By usual in semiconductor technology, etching of the space is etched away 5 of the electrode 4 down to the substrate electrode 2, so that this has a height d max has. In addition, a strip-shaped etched electrode 4 is formed , which has the length L and which is attached on one side to the insulator layer 3 . If a sufficiently high electrical voltage U is now placed between the electrode 4 and the, for example, grounded substrate electrode 2 , then electrostatic forces arise, so that the strip-shaped electrode 4 bends and moves with its free end toward the substrate electrode 2 . This bending movement is used to swivel a light beam directed onto the highly reflective metal layer of the electrode 4 .
Bei einer solchen Anordnung ist der maximale Ablenkungs winkel aufgrund der erreichbaren geometrischen Anordnung, z. B. L = 100 µm, dmax = 10 µm, in nachteiliger Weise sehr klein, z. B. ungefähr 6°. Aus der Druckschrift ist außerdem bekannt, mehrere solcher Anordnungen nebeneinander (senk recht zur Zeichenebene) anzuordnen, um damit und einem zu sätzlichen mechanisch angeregten Schwingspiegel eine An ordnung zur Darstellung eines leuchtenden Schriftzuges herzustellen.In such an arrangement, the maximum deflection angle due to the achievable geometric arrangement, for. B. L = 100 microns, d max = 10 microns, disadvantageously very small, z. B. about 6 °. From the publication it is also known to arrange several such arrangements next to each other (perpendicular to the plane of the drawing) in order to produce an arrangement for displaying a luminous lettering and an additional mechanically excited oscillating mirror.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge mäßes Verfahren anzugeben, das insbesondere im Infrarotbe reich angewendet werden kann, das eine kontinuierliche Schwenkung eines Lichtstrahls über einen großen Winkelbe reich ermöglicht und das eine möglichst schnelle Schwen kung des Lichtstrahls ermöglicht. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durch führung des Verfahrens anzugeben.The invention has for its object a genus according to the procedure, especially in the infrared can be applied richly, which is a continuous Swiveling a light beam over a large Winkelbe rich and enables the fastest possible turn light beam. The invention lies also based on the task of an arrangement for through state the conduct of the procedure.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 4 angegebenen Merkmale. This problem is solved by the in the characterizing Parts of claims 1 and 4 specified features.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.Appropriate refinements and / or further training are the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es mit mehre ren nebeneinander angeordneten streifenförmigen Elementen gemäß Fig. 1 möglich ist, eine eindimensionale Schwenkan ordnung, d. h. Schwenkung des Lichtstrahles in einer Ebene, herzustellen, die alle die in der Aufgabe gestellten For derungen erfüllt.The invention is based on the knowledge that it is possible with several ren arranged strip-shaped elements according to FIG. 1, a one-dimensional Schwenkan arrangement, ie pivoting the light beam in one plane, which meets all the requirements set in the task.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs beispieles näher erläutert. Die Fig. 2 bis 5 zeigen ver schiedene Ansichten des nicht maßstäblich dargestellten Beispiels. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 1.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. Figs. 2 to 5 show different views of the ver example shown not to scale. The reference numerals correspond to those in FIG. 1.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 6 (Fig. 1) auf eine Anordnung, bei der mehrere Einzelelemente ge mäß Fig. 1 nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden 4 einzeln ansteuerbar. Es ist möglich, an be nachbarte Elektroden unterschiedliche Spannungen, bezogen auf die Substratelektrode 2, anzulegen. Die einzelnen Elektroden 4 haben eine Breite b, die klein ist gegenüber der Wellenlänge λ des Lichts des zu schwenkenden Licht strahls 7. Die Breite b liegt z. B. in einem Bereich von 0,1 λ bis 0,2 λ. Der (Raster-)Abstand d der Elektroden 4 ist ebenfalls klein gegenüber der Wellenlänge λ. Der Ab stand d ist so gewählt, daß der Zwischenraum d-b zwi schen den Elektroden 4 ebenfalls klein ist gegenüber der Wellenlänge λ. Der Zwischenraum d-b beträgt z. B. 0,1 λ. Ist die an den Elektroden 4 anliegende Spannung U gleich Null, so liegen alle Elektroden 4 in einer einzigen Ebene, die parallel zur Substratoberfläche verläuft. Fällt unter diesen Bedingungen ein Lichtstrahl 7, dessen Durchmesser D groß ist gegenüber der Wellenlänge λ, z. B. D < 10 λ, unter dem Einfallswinkel ϕe auf eine Vielzahl der optisch reflektierenden Elektroden 4, so entsteht an jeder Elektrode, gemäß dem Hüygens′schen Prinzip eine optische Kugelwelle, deren Wellenfronten sich so überlagern (inter ferieren), daß eine Reflexion des Lichtstrahls unter dem Ausfallswinkel ϕr erfolgt. Dabei liegt die Einfallsebene in der Zeichenebene. Das Einfallslot 8 steht senkrecht auf der Oberfläche der Elektroden 4. Fig. 2 shows a view in the direction of arrow 6 ( Fig. 1) on an arrangement in which several individual elements according to Fig. 1 are arranged side by side. The electrodes 4 can be controlled individually. It is possible to apply different voltages, based on the substrate electrode 2 , to adjacent electrodes. The individual electrodes 4 have a width b, which is small compared to the wavelength λ of the light of the light beam to be pivoted 7th The width b is z. B. in a range of 0.1 λ to 0.2 λ. The (raster) distance d of the electrodes 4 is also small compared to the wavelength λ. From the stand d is chosen so that the gap db between the electrodes 4 is also small compared to the wavelength λ. The space db is z. B. 0.1 λ. If the voltage U applied to the electrodes 4 is zero, all the electrodes 4 lie in a single plane which runs parallel to the substrate surface. If a light beam 7 falls under these conditions, its diameter D is large compared to the wavelength λ, e.g. B. D <10 λ, at the angle of incidence ϕ e on a plurality of the optically reflective electrodes 4 , so an optical spherical wave is formed on each electrode, according to the Hüygens principle, the wave fronts of which overlap (inter fer) that a reflection of the light beam occurs at the angle of reflection ϕ r . The plane of incidence lies in the plane of the drawing. The incident solder 8 is perpendicular to the surface of the electrodes 4 .
Werden nun gemäß Fig. 3 an die einzelnen Elektroden 4 un terschiedliche Spannungen gelegt, derart, daß die Spannung in X-Richtung ansteigt, so ist erreichbar, daß benachbarte Elektroden 4 eine Teilspiegelfläche bilden, die gegenüber der Substratebene um den Winkel β geneigt ist. In der Fig. 3 bilden jeweils z. B. fünf Elektroden 4 eine Teilspiegel fläche. Aus Fig. 3 und im Zusammenhang mit den angegebenen Werten für b und d geht hervor, daß der Winkel β sehr groß werden kann, z. B. 60°. Das ist ungefähr zehnmal so groß wie der gemäß Fig. 1 erläuterte maximale Auslenkwinkel ei ner einzelnen Elektrode 4. Es ist ersichtlich, daß der ma ximale Wert des Winkels β von der Anzahl der Elektroden 4 abhängt, die zu einer Teilspiegelfläche zusammengefaßt sind. Bei den Teilspiegelflächen muß für deren Periode Xp in X-Richtung die BedingungIf now in Fig. 3 applied to the individual electrodes 4 un terschiedliche voltages such that the voltage in the X direction increases, so can be reached that adjacent electrodes 4 form a part of the mirror surface, which is opposite to the substrate plane inclined β to the angle. In FIG. 3 each form z. B. five electrodes 4 a partial mirror surface. From Fig. 3 and in connection with the specified values for b and d it can be seen that the angle β can be very large, z. B. 60 °. This is approximately ten times as large as the maximum deflection angle of a single electrode 4 as shown in FIG. 1. It can be seen that the maximum value of the angle β depends on the number of electrodes 4 , which are combined to form a partial mirror surface. For the partial mirror surfaces, the condition for their period Xp in the X direction must be met
Xp = nλ/(sin (ϕe + 2β) - sin ϕe)X p = nλ / (sin (ϕ e + 2β) - sin ϕ e )
mit n = 1, 2, 3... eingehalten werden, damit eine phasen richtige Überlagerung aller an den Teilspiegelflächen re flektierten optischen Teilwellen zu einem reflektierten Lichtstrahl erfolgt, der um den Ausfallswinkel ϕr mit ϕr < ϕe abgelenkt wird. Dieser Sachverhalt ist auch in Fig. 5 dargestellt. Hat der reflektierte Strahl einen Reflexionswinkel ϕr ϕe, so muß die Auslenkung der Elektroden 4, die zu einer Teilspiegelfläche gehören, in erster Näherung so erfolgen, daß die Verbindungslinie ih rer Mittelpunkte auf einer Geraden liegen, die mit der Substratoberfläche einen Winkel β = (ϕr-ϕe)/2 bildet.with n = 1, 2, 3 ... are adhered to, so that a phase-correct superimposition of all optical partial waves reflected on the partial mirror surfaces takes place to form a reflected light beam which is deflected by the angle of reflection ϕ r with ϕ r <ϕ e . This fact is also shown in FIG. 5. If the reflected beam has a reflection angle ϕ r ϕ e , the deflection of the electrodes 4 , which belong to a partial mirror surface, must take place in a first approximation so that the connecting line of their center points lie on a straight line that forms an angle β = with the substrate surface (ϕ r -ϕ e ) / 2 forms.
Liegt eine Elektrode i im IntervallIs an electrode i in the interval
m · Xp Xi (m + 1) · Xp mit m = Int(Xi/Xp),mX p X i (m + 1) X p with m = Int (X i / X p ),
so berechnet sich die zugehörige Auslenkung δi in y-Rich tung (Fig. 3) zuthe associated deflection δ i in the y direction is calculated ( FIG. 3)
δi = (Xi-m · Xp) · tan β.δ i = (X i -m · X p ) · tan β.
Mit Hilfe dieser Gleichung läßt sich die zugehörige Span nung Ui, die an die Elektrode i angelegt werden muß, expe rimentell bestimmen und/oder aus den einmal bestimmten Biegeeigenschaften einer Elektrode berechnen.With the help of this equation, the associated voltage U i , which must be applied to the electrode i, can be determined experimentally and / or calculated from the once determined bending properties of an electrode.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß Fig. 3, wobei lediglich einige Elektroden 4 dargestellt sind. Bei dieser Anordnung besteht die Substratelektrode 2 aus mehreren elektrisch leitenden Streifen 9, deren Längsrich tung senkrecht ist zu derjenigen der Elektroden 4. Die Streifen 9 haben z. B. eine Breite von 1 µm bis 2 µm. Der Zwischenraum zwischen den Streifen 9 beträgt z. B. ebenfalls 1 µm bis 2 µm. FIG. 4 shows a top view of an arrangement according to FIG. 3, only a few electrodes 4 being shown. In this arrangement, the substrate electrode 2 consists of a plurality of electrically conductive strips 9 , the longitudinal direction of which is perpendicular to that of the electrodes 4 . The strips 9 have z. B. a width of 1 micron to 2 microns. The space between the strips 9 is z. B. also 1 micron to 2 microns.
Gemäß Fig. 4 sind alle Streifen 9 elektrisch miteinander verbunden, so daß es nur möglich ist, alle Streifen 9 auf dasselbe elektrische Potential zu legen. Alternativ dazu ist es jedoch möglich, die Streifen 9 elektrisch isoliert voneinander anzuordnen und jeden Streifen auf ein anderes elektrisches Potential zu legen. Mit einer solchen Anordnung kann ebenfalls eine kontinuierliche Auslenkung der Elektroden 4 erreicht werden.According to Fig. 4, all the strips 9 are electrically connected to each other, so that it is only possible to place all of the strips 9 to the same electrical potential. Alternatively, however, it is possible to arrange the strips 9 in an electrically insulated manner from one another and to put each strip at a different electrical potential. With such an arrangement, a continuous deflection of the electrodes 4 can also be achieved.
Weiterhin ist es möglich, das angelegte Potential und/oder die an die Elektroden angelegte Spannung U z. B. zeitlich zu steuern und/oder zu regeln, so daß z. B. eine Elektrode zunächst teilweise ausgelenkt wird und anschließend auf den Sollwert der Auslenkung gebracht wird. Damit kann z. B. ein mechanisches Schwingen der Elektroden vermieden wer den.It is also possible to apply the applied potential and / or the voltage applied to the electrodes U z. B. in time to control and / or regulate, so that z. B. an electrode is initially partially deflected and then on the setpoint of the deflection is brought. So z. B. mechanical vibration of the electrodes is avoided the.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der Elektroden 4 besteht darin, daß die Länge L zu etwa 10 λ, die Breite b zu etwa 0,1 λ bis 0,2 λ und der Abstand d kleiner als 0,6 λ ge wählt ist. Bei einer beispielhaften Lichtwellenlänge von n = 10 µm ergeben sich damit die Werte L ≈ 100 µm, b ≈ 2 µm, d ≈ 3 µm bis 6 µm.A useful embodiment of the electrodes 4 is that the length L is about 10 λ, the width b is about 0.1 λ to 0.2 λ and the distance d is less than 0.6 λ ge. With an exemplary light wavelength of n = 10 µm, the values L ≈ 100 µm, b ≈ 2 µm, d ≈ 3 µm to 6 µm are obtained.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend bar. So ist es für einen Fachmann ersichtlich, daß die be schriebene Anordnung derjenigen eines Reflexionsbeugungs gitters entspricht, so daß auch die diesem entsprechenden Anwendungsmöglichkeiten vorhanden sind.The invention is not based on the embodiment described example limited, but analogously to other applications bar. It is apparent to a person skilled in the art that the be written arrangement of those of a reflection diffraction lattice corresponds, so that the corresponding one Applications are available.
Claims (7)
- - daß mehrere benachbarte Elektroden (4) treppenför mig so ausgelenkt werden, daß eine bezüglich der Substratoberfläche schwenkbare Teilspiegelfläche entsteht,
- - daß mehrere Teilspiegelflächen nebeneinander ange ordnet werden und
- - daß die Teilspiegelflächen in Abhängigkeit von dem zu erzeugenden Reflexionswinkel des Lichtstrahles bezüglich der Substratoberfläche um einen Winkel ß geschwenkt werden.
- - That several adjacent electrodes ( 4 ) are steppenför shaped so that a pivotable with respect to the substrate surface partial mirror surface is formed,
- - That several partial mirror surfaces are arranged side by side and
- - That the partial mirror surfaces are pivoted by an angle β as a function of the reflection angle of the light beam to be generated with respect to the substrate surface.
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