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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine zweidimensionale Scanningvorrichtung
zur Verwendung in einer Projektionsanzeige, welche eine Fläche umfasst,
die an mindestens zwei Torsionselementen aufgehängt ist, welche eine Torsionsachse
festlegen, und die einen ersten Aktor umfasst, um die Fläche um die
Torsionsachse herum zu schwenken.
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Kürzlich ist
vorgeschlagen worden, kleine in der Hand tragbare elektronische
Geräte,
wie z.B. Mobiltelefone oder Minicomputer, mit Bildprojektoren auszustatten.
Die Fähigkeit
zur Darstellung von Informationen auf einer weit größeren Fläche als
den derzeitigen Bildschirmen wird den Weg für Aktivitäten, wie das Betrachten von
Echtzeit-Videos, das Ausführen
von Spielen, den gemeinsamen Zugriff auf Bilder, ebnen.
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Eine
derartige Projektionsanzeigevorrichtung muss kompakt, preiswert,
leicht, energiesparend und robust sein. Für die Anzeige von Video-Informationen
sollte die Bildwiederholfrequenz höher als oder gleich 50 Hz sein.
Die Zeilenfrequenz hängt von
der Bildfrequenz, der Anzahl der dargestellten Zeilen und davon
ab, ob das Bild fortschreitend oder mit Zeilensprung gescannt wird.
Eine grobe Abschätzung
der in einem derartigen Scanner benötigten Frequenz ist 16 kHz.
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Das
Konzept einer Video-Anzeige auf Basis des Laserscannens ist vom
Stand der Technik her gut bekannt, und es schließt üblicherweise eine Laserdiode
und zwei einzelne Scanningspiegel ein, von denen einer gewöhnlich ein
rotierender Polygonspiegel ist. Dieses Konzept weist den Nachteil
auf, dass schwerwiegende Rasterverzerrungen verursacht werden, da
die Ablenkungspunkte für
die horizontale und die vertikale Richtung nicht an dem gleichen Punkt
positioniert sind. Anders als die Rasterverzerrungen, die in einer
Kathodenstrahlröhre
auftreten, weisen derartige Verzerrungen keine Quadrantensymmetrie
auf und sind folglich schwerer elektronisch zu korrigieren. Es gibt
auch eine Anzahl von praktischen Problemen. Die Scanningspiegel
weisen eine Reflexionsfläche
von 5·5
mm2 auf, was sie zu sperrig macht, um in
einem kleinen in der Hand tragbaren elektronischen Gerät verwendet
zu werden. Zusätzlich
muss der Spiegel für
die Schnellabtastrichtung über
seine Resonanzfrequenz hinaus angetrieben werden, was eine übermäßige Eingangsleistung
für den
Scanner zur Folge hat.
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Beispiele
für alternative
Scanner, die zum Überwinden
dieser Probleme vorgesehen sind, sind die Torsions-Scanner (siehe
z.B.
US 5,629,790 ) und die
Ausleger-Scanner
(siehe z.B.
EP 875 780 ).
Ein Torsions-Scanner enthält
einen Spiegel, der durch zwei Torsionsstifte (Federn) über einer
Aussparung in einem Sockel aufgehängt ist. Wenn er angesteuert wird,
dann schwenkt der Spiegel um die Achse der Torsionsstifte. Ein Ausleger-Scanner
enthält
einen Spiegel auf einem Auslegerarm, der in einem seiner kurzen
Enden am Sockel angebracht ist. Wenn er angesteuert wird, dann wird
sich der Auslegerarm verbiegen, und sein freies Ende dreht sich
somit um eine Achse, die senkrecht zu seiner Längsausdehnung ist. In beiden
Fällen
wird ein Aktor angeordnet, um ein Schwingen des Spiegels und seiner
mechanischen Halterung bei der Resonanzfrequenz zu verursachen.
Der Aktor kann zum Beispiel elektrostatisch sein, wobei er eine
Spannung zwischen dem Spiegel und dem Sockel bereitstellt, er kann
ein Bimorph-Aktor oder ein piezoelektrischer Aktor sein.
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Durch
Kombination von zwei Torsions-Scannern kann ein zweidimensionaler
Scanner erhalten werden, wie in
US
5,629,780 dargestellt ist. Ein zweidimensionaler Torsions-Scanner
mit einem elektrostatischen Aktor ist in der
US-Patentanmeldung 2001/0022682 offenbart.
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Diese
vorgeschlagenen Scanner weisen eine relativ große Reflexionsfläche und
somit eine große
Masse auf. Durch Kombination der großen Masse mit steifen Torsionsstiften
oder Auslegern kann die Resonanzfrequenz des Spiegels in der Schnellabtastrichtung
die Anforderungen für
Video-Anwendungen erfüllen.
Ein steifer Ausleger oder Torsionsstift hat jedoch zur Folge, dass
der optische Abtastwinkel des Spiegels üblicherweise in der Größenordnung
von fünf
Grad liegt, was für
den Einsatz in einer Projektionsanzeige, die bei einer nahen Entfernung
betrieben wird, zu klein ist. Außerdem werden die Scanner im
Vakuum betrieben, um eine Luftdämpfung
zu vermeiden, so dass ein kostspieliger Kapselungsschritt erforderlich
ist. Werden stattdessen schwächere
Torsionsstifte oder Ausleger verwendet, dann kann der Abtastwinkel
vergrößert werden,
aber das ist mit einer Resonanzfrequenz verbunden, die zu gering
ist, um den Strahl bei einer Bildfrequenz zu scannen, die für Video-Anwendungen
geeignet ist.
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In
US 6,201,629 wird eine zweidimensionale Scanningvorrichtung
entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Probleme
zu bewältigen
und eine verbesserte zweidimensionale Scanningvorrichtung bereitzustellen,
die für
eine Projektionsanzeige geeignet ist.
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Erfindungsgemäß werden
diese und andere Aufgaben durch eine Scanningvorrichtung der Art
gelöst,
wie sie einführend
erwähnt
wurde, wobei sie ferner umfasst: einen Auslegerarm, der ein bezüglich der
Fläche
befestigtes Ende und ein gegenüberliegendes
Ende aufweist, das eingerichtet ist, sich um eine Achse zu biegen,
die nicht parallel zu der Torsionsachse ist; eine Reflexionsfläche, die
auf dem Auslegerarm vorgesehen ist, und einen zweiten Aktor, um
den Auslegerarm dazu zu bringen, bei seiner Resonanzfrequenz zu
schwingen.
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Die
Fläche
und der erste Aktor bilden einen Torsions-Scanner, der in einem
ersten Frequenzbereich arbeitet, welcher die Resonanzfrequenz des Torsions-Scanners
einschließen
kann, aber keineswegs darauf beschränkt ist. Dieser Scanner trägt dann
auf seiner Fläche
einen zweiten Scanner vom Auslegertyp, der eingerichtet ist, bei
seiner Resonanzfrequenz zu schwingen, die bedeutend höher ist als
die Frequenz des ersten Scanners. Da die Reflexionsfläche des
zweiten Scanners um zwei unterschiedliche Achsen geschwenkt oder
gedreht werden kann, kann er als zweidimensionaler Scanner verwendet
werden.
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Die
Kombination aus einem langsamen Torsions-Scanner und einem schnelleren
Ausleger-Scanner liefert einen zweidimensionalen Scanner, der in
der Lage ist, einen Laserstrahl in einem Rastermuster zu scannen,
um ein Bild zu projizieren.
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Vorzugsweise
weist der Auslegerarm eine derartige Masse und derartige Abmessungen
auf, dass seine Resonanzfrequenz im Bereich von 10 kHz–100 kHz
und vorzugsweise im Bereich von 15 kHz–35 kHz liegt. Das ist ein
geeigneter Frequenzbereich für
Video-Projektionsausführungen.
In der Praxis kann das erreicht werden, indem eine Reflexionsfläche mit
Abmessungen in der Größenordnung
von 100 μm
mal 100 μm
vorliegt, die auf einem Auslegerarm vorgesehen ist, der aus Silizium
oder Siliziumnitrid angefertigt ist. Ferner weist der Ausleger vorzugsweise
eine solche Dicke auf, dass er einen Biegebereich von mindestens
10 Grad und vorzugsweise mehr als 25 Grad erlaubt, wodurch ein optischer Abtastwinkel
bereitgestellt wird, der zweimal so groß wie dieser Bereich, d.h.
mehr als 50 Grad, ist.
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Gemäß der einen
Ausführungsform
der Erfindung weist der Auslegerarm zwei Schenkel auf, von denen
jeder bezüglich
der Fläche
fixiert ist und wobei sich die Reflexionsfläche so erstreckt, dass sie die
zwei Schenkel verbindet. In dieser Bauform ist der Reflexionsbereich
biegesteifer als die Arme. Somit ist der Biegebereich mehr oder
weniger vom Reflexionsbereich getrennt. Ferner ist der Ausleger
in der Torsionsrichtung (d.h. der Drehung entlang der Längenachse)
steifer. Somit wird die Biegung des Auslegers durch die Verschiebung
des Arms infolge Torsion weniger gestört. Die Form der Reflexionsfläche ist
vorzugsweise rechteckig, was eine Verringerung des Apertur-Formfaktors
bewirkt, wodurch die Winkelstreuung im reflektierten Strahl verringert
wird.
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Vorzugsweise
sind der Auslegerarm und die Oberfläche des Torsions-Scanners aus einem
Substrat ausgebildet, wobei sich der Auslegerarm von der einen Seite
einer Öffnung
in der Fläche
erstreckt. Diese Bauform umgeht die Notwendigkeit, zwei getrennte
Scanningvorrichtungen aufeinander auszurichten. Die Oberfläche und
die Torsionsstifte des Torsions-Scanners können durch Ätzen eines Substrats aus Silizium
oder Siliziumnitrid ausgebildet sein.
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Der
zweite Aktor kann ein piezoelektrischer Aktor sein. Er kann unmittelbar
auf der Schwenkfläche
oder von dieser Fläche
getrennt angeordnet sein. Die mechanische Erregung vom piezoelektrischen Aktor
verursacht die Schwingung des Auslegers.
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Der
erste Aktor kann unterschiedlichen Typs, zum Beispiel ein galvanischer
Aktor oder ein elektrostatischer Aktor, sein. Alternativ kann der
erste Aktor [Anspruch 8] umfassen. Ein derartiger Aktor ist an sich
vom Stand der Technik her neu und kann vorteilhaft in verschiedenen
Typen von Torsions-Scannern, einschließlich anderer Typen als der
in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen, realisiert werden.
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Entsprechend
einer zweiten Ausbildung der Erfindung können die obigen Aufgaben durch
eine Projektionsvorrichtung gelöst
werden, die eine Scanningvorrichtung in Übereinstimmung mit oben umfasst.
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Diese
und andere Ausbildungen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher
mit Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, welche die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zeigen.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Projektionsvorrichtung, welche vorteilhaft
eine Scanningvorrichtung gemäß vorliegender
Erfindung implementiert.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausleger-Scanners gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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3a und 3b sind
Draufsichten von Ausleger-Scannern gemäß einer zweiten bzw. einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine Schnittansicht einer Scanningvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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5 ist
eine Draufsicht einer Scanningvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
eine Projektionsvorrichtung 1 schematisch dargestellt,
in der ein erfindungsgemäßer Scanner implementiert ist. Die Vorrichtung ist
in der Lage, einen Laserstrahl 2 auf eine Fläche, wie z.B.
eine (nicht dargestellte) Wand zu projizieren, und die Abmessungen
der Vorrichtung sind derart, dass sie in einer mobilen Anwendung,
z.B. einem Mobiltelefon oder einem Minicomputer, verwendet werden kann. Üblicherweise
bedeutet das in der Größenordnung
von 10 mm mal 10 mm.
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In
der dargestellten Projektionsvorrichtung 1 wird eine gewünschte Farbe
durch Vereinigen von roten, blauen und grünen Laserstrahlen 3a, 3b, 3c in
einem Verhältnis
erhalten, das durch ein Videosignal festgelegt ist. Der vereinigte
Laserstrahl 2 wird dann auf eine Scanningvorrichtung 13 ausgerichtet
und über
einen Schirm 14 gescannt, um ein Farbbild zu erhalten.
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Die
Laserstrahlen in roter und blauer Farbe werden vorzugsweise durch
Laserdioden 4a, 4b erzeugt, die Licht im roten
bzw. blauen Wellenlängenbereich
emittieren. Während
rote und blaue Laserdioden gegenwärtig handelsüblich sind,
sind es grüne Laserdioden
gegenwärtig
nicht (obwohl es für
die Zukunft erwartet wird). In dem dargestellten Projektor wird
das grüne
Licht deshalb durch eine Diodenpumpe 5 erzeugt, die einem
Kristall 6 Infrarotlicht zuführt, der zwei Infrarotphotonen
in ein Photon des grünen Lichts
umwandelt. Eine andere (nicht dargestellte) Option besteht in der
Verwendung einer Upconversion-Faser, die als ein Laser wirkt, wenn
sie mit einer UV-Laserdiode
gepumpt wird. Noch eine weitere Option ist die Verwendung eines
optisch gepumpten Halbleiterlasers (OPSL) für die Erzeugung des grünen (und
blauen) Lichts.
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Wenn
das grüne
Licht bei der Videofrequenz nicht durch Modulieren der Diodenpumpe 5 moduliert werden
kann, dann kann ein Lichtmodulator 7 in den Strahlengang
des grünen
Strahls eingesetzt werden.
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Ein
Treiber 8 ist eingerichtet, das Video-Informationen enthaltende
Videosignal zu empfangen und die Laserstrahlen 3a, 3b, 3c entsprechend
diesen Informationen zu modulieren. Die Vorrichtung umfasst ferner
einen Satz von Linsen 10a, 10b, 10c, die
um einen dichroitischen Spiegel 11 herum angeordnet sind,
und eine weitere Linse 12, die zwischen dem dichroitischen
Spiegel und einer erfindungsgemäßen Scanningvorrichtung 13 angeordnet
ist. Der dichroitische Spiegel 11 kann ein dichroitischer
Würfel
von einer Art sein, die aus LCD-Projektoren gut bekannt ist, und
er ist vorteilhaft ganz klein und somit billig.
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Dadurch
dass die Laserstrahlen 3a, 3b, 3c die
Linsen 10a, 10b, 10c und den dichroitischen Spiegel 11 durchlaufen,
werden sie zu einem parallelen Strahl 2 vereinigt und kollimiert,
welcher auf die Scanningvorrichtung 13 passt. Zum Beispiel
wird das Licht aus der roten Laserdiode 4a durch eine erste Linse 10a fokussiert,
wonach es in dem dichroitischen Spiegel 11 vereinigt und
mit einer kleinen Linse 12 kollimiert wird. Die Details
zu den Linsen, ihren Abständen
voneinander und ihren Stärken
können von
einem Fachmann bestimmt werden.
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Um
in zwei Dimensionen zu arbeiten, umfasst die Scanningvorrichtung 13 zwei
eindimensionale Scanner: einen ersten, langsamen Scanner, der mit
einem zweiten, schnellen Scanner versehen ist. Der erste Scanner
ist ein Torsions-Scanner, und er umfasst einen plattenförmigen Bereich,
der an dem umliegenden Material aus durch zwei Stifte oder Federn
angehängt
ist. Durch Ansteuern der Platte unter Verwendung eines geeigneten
Aktors kann die Platte dazu gebracht werden, um die Achse zu schwenken, die
durch die Stifte festgelegt ist. Der zweite Scanner ist ein Ausleger-Scanner,
und er umfasst einen mit einer spiegelnden Fläche versehenen Auslegerarm, der
an einem Ende an einem Substrat befestigt ist. Durch Ansteuern des
Arms unter Verwendung eines geeigneten Aktors wird sich der Arm
um eine Achse biegen, die senkrecht zu seiner Längsausdehnung ist, und er kann
dazu gebracht werden, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen.
Es ist wichtig, dass sich die Schwingungsrichtung des Ausleger-Scanners
von der Drehrichtung des Torsions-Scanners unterscheidet, um einen zweidimensionalen
Scanner bereitzustellen. Wenn ein Scanningmuster vom Rastertyp realisiert
wird, dann ist die Schwingungsrichtung des Ausleger-Scanners vorzugsweise
genau senkrecht zur Drehrichtung des Torsions-Scanners, und der
spiegelnde Bereich des Ausleger-Scanners ist genau auf der Drehachse
des Torsions-Scanners angeordnet. Um die Kapselungskosten des Scanners
zu minimieren, werden alle Ausführungsformen möglichst
in Luft betrieben. Die erfindungsgemäße 13 wird nachfolgend ausführlicher
beschrieben.
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Mit
Bezugnahme auf die
2–
3 wird
als erstes der Ausleger-Scanner beschrieben. In seiner einfachsten
Form, die in
2 dargestellt ist, ist ein Ausleger
20 als
ein rechteckiger Arm
21 mit einer Dicke T, einer Breite
W und einer Länge
L ausgebildet, der von einem Sockel
22 absteht. Die Resonanzfrequenz
(f) eines frei schwingenden Armauslegers ist gegeben durch:
wobei T die Dicke, L die
Länge,
E der Elastizitätsmodul
und ρ die
Dichte des Auslegers ist. Es ist zu beachten, dass die Breite des
Auslegers keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat.
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Der
Ausleger kann in der Längsrichtung
um eine Achse A gebogen werden, und die Abmessungen sowie das Material
des Auslegers sind so gewählt,
dass sie einen Biegewinkel α ermöglichen,
der für
die beabsichtigte Anwendung ausreichend ist. Vorzugsweise ist der
maximale Biegewinkel α ungefähr 30 Grad,
was einen Abtastwinkel von 60 Grad ergibt (der Einfallswinkel ist
bis zu 30 Grad groß).
Das stellt selbst für
eine kleine Reflexionsfläche
eine ausreichende Auflösung
bereit.
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Die
am stärksten
bevorzugte Größe des Auslegers
hängt von
der Resonanzfrequenz ab, die für die
Anwendung erforderlich ist. Wird der Einfachheit halber angenommen,
das der Ausleger ein homogenes Stück aus Siliziumnitrid mit einer
Dicke von 600 nm ist, dann kann errechnet werden, dass eine Länge von
241 μm einer
Resonanzfrequenz von 16 kHz entspricht. Die Breite des Auslegers
kann mit weniger Einschränkungen
gewählt
werden, da sie die Resonanzfrequenz nicht beeinflusst.
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Um
die Reflexionskoeffizienten des Auslegers zu erhöhen, kann ein Teil von ihm
mit einem reflektierenden Material 23, wie z.B. Gold oder
Aluminium, beschichtet werden. In der Praxis wird eine Aluminiumschicht
von 50 nm auf einer Siliziumnitridschicht von 500 nm angemessen
sein. Der Reflexionsbereich des Auslegers kann steifer gemacht werden,
indem mehr Siliziumnitrid auf der unteren Seite des Reflexionsbereiches
hinzugefügt
wird.
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Der
Ausleger kann auf verschiedenen Wegen erregt werden, um den Ausleger
zu einer Schwingung bei der Resonanzfrequenz zu bringen. Die Erregung
kann mechanisch, z.B. durch einen piezoelektrischen Kristall, erfolgen.
Der Kristall kann mit dem Substrat integriert werden, auf dem der
Ausleger ausgebildet ist, er kann aber prinzipiell weiter weg angeordnet
sein, so lange wie die Oszillationswellen den Auslegerarm erreichen
können.
Indem das Piezoelement bei der Resonanzfrequenz des Auslegers betrieben
wird, wird nur die Fundamental-Biegemode des Auslegers erregt, und
er wird mit einer großen
Amplitude schwingen. Alternativ kann eine dünne piezoresistive Schicht
auf dem Auslegerarm aufgeschichtet werden, und an diese Schicht kann
eine Spannung angelegt werden, so dass ein Verbiegen des Armes hervorgerufen
wird. Eine weitere eng verwandte Option besteht in dem Abscheiden
einer Schicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der sich von jenem des Auslegers unterscheidet. Durch Erhitzen der
Schicht mit einem Strom wird ein Verbiegen des Auslegers hervorgerufen.
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Eine
nicht mechanische Erregung kann ausgeführt werden, indem auf der Rückseite
des Auslegers eine magnetische Schicht vorgesehen wird und eine
dicht daneben angeordnete Spule bei der Resonanzfrequenz betrieben
wird. Natürlich
sollte beachtet werden, dass die Schicht sehr dünn ist, so dass die Verschiebung
der Resonanzfrequenz des Auslegers infolge der hinzugefügten Masse
gering ist. Da der Scanner in Luft betrieben werden kann, kann auch
eine akustische Erregung des Auslegerarms in Betracht gezogen werden.
In diesem Falle wird durch einen Lautsprecher (Ultra-)Schall erzeugt
und über die
Luft auf den Scanner übertragen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Auslegerarmes, die in den 3a und 3b dargestellt
ist. umfasst er zwei Schenkel 30a, 30b, 33a, 33b,
welche den Reflexionsbereich 31, 34 mit dem Sockel 32, 35 verbinden.
Der Ausleger in 3a ist V-förmig
mit einem Reflexionsbereich 31, der an dem Schnittpunkt
der beiden Schenkel 30a, 30b angeordnet ist. Der
Ausleger in 3b weist einen rechteckigen
Reflexionsbereich 34 und zwei weitgehend parallele Schenkel 33a, 33b auf.
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Es
ist schwieriger, eine Gleichung für die Resonanzfrequenz des
Auslegers der Ausführungsformen
in den 3a und 3b zu
finden. Wenn jedoch der Ausleger in 3b als
zwei getrennte Schenkel mit einer gleichen Resonanzfrequenz angesehen
wird, die miteinander verbunden sind, dann sollte die Masse der
Verbindung die Resonanzfrequenz herabsetzen. Folglich wird für eine gegebene Resonanzfrequenz
die Länge
des Auslegers in den 3a und 3b kleiner
sein als die des Auslegers in 2.
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In
einer erfindungsgemäßen ersten
Ausführungsform
des zweidimensionalen Scanners 13, die in 4 dargestellt
ist, ist ein Ausleger-Scanner 41, wie er oben beschrieben
ist, durch eine Haltestruktur 42 auf der Schwenkplatte 43 eines
herkömmlichen galvanisch
angetriebenen Torsions-Scanners 44 angebracht. Die Schwenkplatte 43 ist
mittels Torsionsstiften 49 aufgehängt und mit einem Permanentmagnet 45 versehen,
und es wird ein elektromagnetisches Feld induziert, indem ein Strom
an eine Spule 46 angelegt wird, die um einen Kern 47 herum
angeordnet ist. Wenn das induzierte Feld mit dem Magneten 45 wechselwirkt,
dann wird eine Kraft erzeugt, und die Platte 43 wird geschwenkt.
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Es
sind auch andere Torsions-Scanner, einschließlich elektrostatisch angetriebener
Scanner, möglich,
wo die Elektroden auf der Platte und auf dem Sockel vorgesehen sind.
Durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden können Anziehungs- oder Abstoßungskräfte erzeugt
werden, die ein Schwenken der Platte verursachen.
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Wie
oben erwähnt
wurde, wird der Ausleger-Scanner 41 durch z.B. ein Piezoelement 48 erregt,
um bei der Resonanzfrequenz zu schwingen. Für eine höchst effiziente Erregung sollte
das Piezoelement 48 vorzugsweise direkt unterhalb der Haltestruktur 42 des
Auslegers 41 angeordnet werden. Die Struktur sollte für eine optimale
Erregung sehr dicht auf dem Piezoelement befestigt sein.
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Die
Kombination von Ausleger 41 und Piezoelement 48 ist
so klein, dass sie an der Schwenkplatte 43 des Torsions-Scanners
angebracht werden kann, ohne die Resonanzfrequenz dieses Scanners erheblich
zu beeinflussen. Deshalb sind nur kleine Anpassungen in der Treiberschaltung
dieses Scanners nötig.
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In
einer erfindungsgemäßen zweiten
Ausführungsform
des zweidimensionalen Scanners 13, die in 5 dargestellt
ist, ist der Ausleger-Scanner 51, hier von dem in 3a dargestellten
Typ, in der Schwenkplatte 53 des Torsions-Scanners 54 selbst ausgebildet,
und er ist eingerichtet, dass er seine Biegeachse A senkrecht zur
Torsionsachse B der Torsionsstifte 55 hat. Vorzugsweise
werden der Auslegerarm 51 und die Torsionsstifte 55 durch Ätzen eines Substrats 56 aus
Silizium oder Siliziumnitrid ausgebildet.
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Die
Abmessungen der Platte einschließlich der Auslegerhalterung
und des Auslegers werden derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz
bedeutend höher
ist als die vorgesehene Plattenfrequenz. Auf diese Weise ist es
möglich,
die Langsamabtastrichtung mit einem sägezahnförmigen Signal ohne irgendeine
Rückkopplung
zu betreiben. Darüber
hinaus können
zusätzliche
Signale eingesetzt werden, um Nichtlinearitätseffekte in der Richtung des
Plattenscannings zu kompensieren.
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Der
Hauptvorteil des Scanners in 5 gegenüber dem
Scanner in 4 ist, dass die Scanner für beide
Richtungen vollständig
integriert sind, so dass die Notwendigkeit einer Ausrichtung entfällt.
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Wie
oben erwähnt
wurde, wird der Ausleger 51 durch ein Erregungsmittel dazu
gebracht, bei der Resonanzfrequenz zu schwingen. Wird ein Piezoelement 58 zur
Erregung des Auslegers verwendet, dann kann es auf dem Substrat 56 außerhalb
der Platte 53 angeordnet werden.
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Die
Platte 53 des Torsions-Scanners kann auf eine Anzahl von
Wegen angetrieben werden, einschließlich solcher, die oben bezüglich der
ersten Ausführungsform
erwähnt
wurden. Ein weiterer Ansatz zum Antreiben des Torsions-Scanners,
der in der Technik neuartig ist, beruht auf der Lorentz-Kraft.
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Ein
Aktor, der für
einen solchen Antrieb geeignet ist, umfasst zwei Leiterbahnen, die
vorzugsweise durch ein Metall ausgebildet werden, das auf einem
Substrat abgeschieden wird. Eine erste Bahn 60 erstreckt
sich um den Umfang der Platte 53 herum, und eine zweite
Bahn 61 erstreckt sich entlang der inneren Grenze des umliegenden
Substrats 56. Durch Anlegen von Strömen an die zwei Bahnen wird eine
Anziehungs- oder Abstoßungskraft
zwischen den Spulen erzeugt, was ein Schwenken der Platte hervorruft.
Zu beachten ist, dass die zwei Spulen in der Höhe z etwas abgetrennt sein
müssen,
da die Kraft zwischen den Leitern sonst keinerlei Drehmoment erzeugt.
Das kann erreicht werden, indem vor dem Abscheiden von (einer der)
Bahnen Furchen geätzt
werden oder indem eine Bahn auf der einen Seite des Substrats und
die andere Bahn auf der anderen Seite des Substrats abgeschieden
wird.
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In 5 werden
die zwei Bahnen 60, 61 in ein Muster integriert,
wodurch lediglich eine Stromversorgung 62 benötigt wird.
Natürlich
sind andere Muster möglich,
und die zwei Bahnen können
auch getrennt sein. Ferner wird durch Anbringen mehrerer Windungen
in jeder Bahn der Treiberstrom auf Kosten der Treiberspannung herabgesetzt.
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Alle
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen zweidimensionalen
Strahlscanners haben gemeinsam, dass der schnelle Scanner (der Ausleger)
bei Resonanz angetrieben wird. Das bedeutet, dass die Eingangsleistung,
die benötigt
wird, die Bewegung zu erregen, im Vergleich zu der Leistung vernachlässigbar
ist, die zur Erzeugung des Lichts benötigt wird. Auch die Leistung
für die
Langsamabtastrichtung kann ziemlich gering sein. Selbst für den ziemlich
sperrigen galvanischen Torsions-Scanner in 4 liegt
die Leistung im Wesentlichen unter 100 mW. Folglich wird die Eingangsleistung
der kompletten Vorrichtung für
mobile Anwendungen ausreichend klein sein.
