DE60019353T2 - Optische Vorrichtung mit magnetisch betriebenen Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln - Google Patents

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Valerian Koniachkine
Vito Lambertini
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/085Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by electromagnetic means
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    • G02OPTICS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung mit Mikrover schlüssen oder Mikrospiegeln.
  • Kleindimensionierte, elektrostatische Motoren und solche mit niedriger Leistung, geeignet zur Verwendung als Aktuatoren in Mikro-Technologie-Anwendungen, sind bereits in der Vergangenheit zum Betätigen von mechanischen Vorrichtungen, und dergleichen, unter Bedingungen vorgeschlagen worden, wo Vibrationen auftreten, wie beispielsweise auf dem Kraftfahrzeuggebiet. Die elektrostatischen Acutatoren machen von elektrisch leitenden, flexiblen Platten Gebrauch, wobei jede davon ein Ende, das einem Stator zugeordnet ist, besitzt, und wobei sich das gegenüberliegende Ende angrenzend an einen Translator befindet. Das Anlegen von Spannungsimpulsen zwischen den Platten und einer Elektrode, zugeordnet zu dem Translator, bewirkt eine Adhäsion durch einen elektrostatischen Effekt der Platten an dem Translator, mit der darauffolgenden Bewegung des letzteren in Bezug auf den Stator.
  • Ein Aktuator des Typs, auf den vorstehend Bezug genommen ist, z.B., in Dyatlov V.L., Konyaskin V.V., Potapov B.S., und Pyankov Y.A., „Prospects of the Employment of Synchrotron Radiation in Film Electrostatic Actuator Technology", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 359 (1995), Seiten 394–395, beschrieben.
  • Der vorliegende Anmelder hat in parallel anhängigen Patentanmeldungen die Verwendung von elektrostatischen Platten zum Herstellen von optischen Elementen, die, z. B. in Infrarot-Sichtsystemen für Kraftfahrzeuge, oder auch in Anzeigesystemen für ein sich im Fahrzeug befindliches Instrumentarium, verwendet werden können, vorgeschlagen. Gemäß den Vorschlägen ist eine Matrix aus Platten in der Form von optischen Mikrospiegeln oder Mikroverschlüssen auf einem Substrat angeordnet, wobei jede Platte an einem Ende mit dem Substrat verbunden ist und durch einen elektrostatischen Effekt zwischen einem Ruhezustand, in dem sie gekrümmt ist, so dass sich das freie Ende der Platte unter einem Abstand von dem Substrat befindet, und einem gerade ausgerichteten Zustand, in dem die Platte an den Substraten anhaftet, verschiebbar ist. Die Verschiebung jeder Platte von dem Ruhezustand zu dem gerade ausgerichteten Zustand wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Platte und einer Elektrode, die dazu zugeordnet ist, die durch das Substrat getragen wird, erhalten. Wenn der Spannungsimpuls angelegt wird, haftet die Platte an dem Substrat durch einen elektrostatischen Effekt an, wogegen dann, wenn die Spannung unterbrochen wird, die Platte zu deren Ruhezustand aufgrund ihrer Eigenelastizität zurückkehrt.
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Typ einer optische Vorrichtung mit Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln vorzuschlagen, die auf einem unterschiedlichen Betriebsprinzip beruht.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung mit Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln geschaffen, die aufweist:
    ein Substrat; und
    eine Matrix aus Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln in der Form von Dünnfilmplatten, angeordnet auf dem Substrat, wobei jede der Platten ein Ende verbunden mit dem Substrat und das andere Ende frei besitzt, und wobei jede zwischen einem gekrümmten, ruhenden Zustand, in dem sich das freie Ende unter einem Abstand von dem Substrat befindet, und einem gerade ausgerichteten Zustand, in dem die Platte an dem Substrat anhaftet, verschiebbar ist,
    wobei das Substrat aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material gebildet ist, und wobei die Platten aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind und wobei magnetisch betätigte Steuereinrichtungen zum Steuern einer Verschiebung der Platten von dem Ruhezustand zu dem Zustand, in dem sie an dem Substrat anhaften, vorgesehen sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Platten aus einem Material hergestellt, das aus Nickel, Eisen, superelatischen Legierungen und feromagnetischen Polymeren ausgewählt ist. Die Platten können in einer passiven Art und Weise arbeiten, d. h. können polarisiert sein und sich aufgrund eines äußeren, magnetischen Felds, erhalten mit Elektromagneten, positioniert in einer solchen Art und Weise, um das Feld in einer punktweisen oder gleichförmigen Art zu steuern, um so in der Lage zu sein, die Platten wahlweise zu steuern oder alle Platten gleichzeitig zu steuern, bewegen. Alternativ können die Platten in einer aktiven Art und Weise verwendet werden, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das durch einen elektrischen Strom durchquert wird. In diesem letzteren Fall ermöglicht die Wechselwirkung mit dem Material des Substrats – das aus einem feromagnetischen Material bestehen kann oder ein Permanentmagnet sein kann oder mit einer elektromagnetischen Einrichtung ausgestattet sein kann -, dass die Position der Platten gesteuert wird, auch in einer selektiven Art und Weise, entsprechend zu Reihen und Spalten.
  • Einer der Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung, verglichen mit einer Vorrichtung mit elektrostatisch betätigten Platten, liegt in der Tatsache, dass das magnetische Feld sowohl dazu verwendet werden kann, die Platten von dem ruhenden, d. h. gekrümmten, Zustand zu dem gerade ausgerichteten Zustand zu aktivieren, wo die Platten an dem Substrat anhaften, und um sie in der umgekehrten Richtung so zu drücken, dass es ausreichend für diesen Zweck ist, das aktivierende, magnetische Feld entsprechend zu steuern.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nur als ein nicht einschränkendes Beispiel vorgesehen sind, und in den:
  • 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Vorrichtung der 1;
  • 3 stellt eine Variante der 1 dar; und
  • 4 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren Varianten dar.
  • In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 als ganzes eine Matrix aus ferromagnetischen Mikroverschlüssen gemäß der Erfindung. Wie auch 2 zeigt, weist die Vorrichtung 1 ein Substrat 2 auf, das, in dem Fall, der dargestellt ist, aus einer Glasplatte oder einer Kunststoffplatte 3, die für Licht transparent ist, und zwar in dem erwünschten Wellenlängenband, besteht, und besitzt eine Dicke von ein paar Millimetern oder Zentimetern. Auf der Bodenfläche des Substrats 3 ist eine Schicht 4 eines paramagentischen Materials aufgebracht. Aufgebracht auf der Oberseite des Substrats 2 ist eine Mehrzahl von Platten, hergestellt aus einem ferromagnetischen Material, ausgewählt unter Materialen wie beispielsweise Nickel, Eisen, superelastischen Legierungen und ferromagnetischen Polymeren, in der Form eines Films, der eine Dicke zwischen ein paar Bruchteilen eines Mikron und ein paar Mikron besitzt. Jede Platte, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 5, ist an einem ihrer Enden an der Oberfläche des Substrats 2 befestigt. Ein Film wird verwendet, der einen bestimmten Krümmungsradius besitzt, in einer solchen Art und Weise, dass, in dem Ruhezustand, der Film, der jede Platte 5 bildet, nach oben gekrümmt verbleibt, oder in jedem Fall angehoben verbleibt, wobei sich das freie Ende unter einem Abstand von dem Substrat 2 befindet. In diesem Zustand können Lichtstrahlen L frei durch die Matrix der Mikroverschlüsse 5 und durch das Substrat 2 hindurchdringen.
  • Die Platten 5 können in einen ausgebreiteten Zustand gebracht werden, in dem sie vollständig an dem Substrat 2 (wie in dem rechten Teil der 2 gesehen werden kann) durch einen magnetischen Effekt anhaften. Genauer gesagt werden in der Ausführungsform, die in den 1 und 2 dargestellt ist, die Platten aktiv verwendet, indem sie durch einen elektrischen Strom in einer solchen Art und Weise durchdrungen werden, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das eine Adhäsion der Platten 5 an dem Substrat 2 bewirkt. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 6, als ganzes, eine elektronische Steuereinrichtung zum Steuern einer Zufuhr eines elektrischen Stroms zu den Platten 5. Natürlich ist es möglich, eine Anwendung vorzusehen, bei der alle Platten 5 gleichzeitig mit einem elektrischen Strom in einer Art und Weise versorgt werden, in der alle Platten der Matrix gleichzeitig in der Lage sind, sich von dem Ruhezustand zu dem Zustand zu verschieben, in dem sie an dem Substrat anhaften. Entsprechend einer Varianten kann die Möglichkeit eines Zuführens eines elektrischen Stroms wahlweise zu den verschiedenen Mikroverschlüssen 5 in einer Art und Weise vorgesehen werden, mit der zu jedem Zeitpunkt nur ein Teil der Mikroverschlüsse 5 offen verbleibt, um so ein Durchgang des Lichtflusses L zuzulassen, wogegen ein anderer Teil (der Teil rechts in 2) geschlossen verbleibt. Eine optische Vorrichtung des Typs, auf den vorstehend Bezug genommen ist, kann vorteilhaft für, z. B., Infrarotsichtsysteme des Typs vewendet werden, der den Gegenstand einer parallel anhängigen Patentanmeldung der vorliegenden Unterlagen bildet, oder in Anzeigesystemen für Anzeigetafeln in Motorfahrzeugen, oder für adaptive, optische Vorrichtungen, oder für andere, ähnliche Anwendungen.
  • Alternativ ist es möglich, die Platten 5 in einer solchen Art und Wiese vorzusehen, dass sie Mikrospiegel bilden, die in dem Zustand betreibbar sind, in dem sie an dem Substrat anhaften.
  • 3 stellt eine Variante dar, in der die Platten 5 so hergestellt sind, um in einer passiven Art und Weise zu arbeiten; d.h. sie werden durch ein externes, magnetisches Feld, erhalten durch die Wicklungen 7, die die Vorrichtung 1 umgeben, oder Wicklungen 8 (4), die der Basis 4 zugeordnet sind, polarisiert. Wenn die Wicklungen 8 durch einen elektrischen Strom durchflossen werden, erzeugen sie ein magnetisches Feld, das die Platten 5 polarisiert. Die Wicklungen können in einer solchen Art und Weise angeordnet sein, um in der Lage zu sein, die Platten 5 wahlweise zu steuern oder alle davon gleichzeitig zu steuern. Zum Beispiel können, in dem Fall, der in 4 dargestellt ist, die verschiedenen Wicklungen 8 wahlweise mit elektrischem Strom so versorgt werden, um in der Lage zu sein, die Platten 5 entsprechend zu Reihen und Spalten zu steuern. Auch können die Zwischenbereiche der Platten entweder dynamisch oder statisch durch geeignetes Kalibrieren des magnetischen Felds verwendet werden, um stabile Zwischenpositionen zu erhalten.
  • Natürlich können, ungeachtet des Prinzips der Erfindung, die Details eines Aufbaus und der Ausführungsformen in weitem Umfang in Bezug auf das, was hier beschrieben und nur dargestellt ist, variieren, um ein Beispiel zu erhalten.

Claims (4)

  1. Optische Vorrichtung mit Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln, die aufweist: ein Substrat (2); und eine Matrix aus Mikroverschlüssen oder Mikrospiegeln (5) in der Form von Dünnfilmplatten, angeordnet auf dem Substrat (2), wobei jede der Platten ein Ende verbunden mit dem Substrat (2) und das andere Ende frei besitzt, und wobei jede zwischen einem gekrümmten, ruhenden Zustand, in dem sich das freie Ende unter einem Abstand von dem Substrat (2) befindet, und einem gerade ausgerichteten Zustand, in dem die Platte an dem Substrat (2) anhaftet, verschiebbar ist, wobei das Substrat (2) eine Schicht aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material umfasst, und wobei die Platten (5) aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind und wobei magnetisch betätigte Steuereinrichtungen (6; 7; 8) zum Steuern einer Verschiebung der Platten (5) von dem Ruhezustand zu dem Zustand, in dem sie an dem Substrat anhaften, vorgesehen sind.
  2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen elektromagnetische Einrichtungen (7; 8) zum Erzeugen eines magnetischen Felds, ausgelegt so, um die Platten zu polarisieren und um sie auf dem Substrat (2) zu aktivieren, umfassen.
  3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (6) so ausgelegt sind, um einen elektrischen Strom zu den Platten (5) in einer solchen Art und Weise zuzuführen, um sie zu magnetisieren.
  4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (6; 7; 8) so ausgelegt sind, um die Platten (5) selektiv zu steuern, und dass die elektronischen Steuereinrichtungen (6) zum Steuern der Steuereinrichtungen vorgesehen sind.
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