EP3545332A2 - Mems scanmodul für einen lichtscanner - Google Patents

Mems scanmodul für einen lichtscanner

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Publication number
EP3545332A2
EP3545332A2 EP17808314.3A EP17808314A EP3545332A2 EP 3545332 A2 EP3545332 A2 EP 3545332A2 EP 17808314 A EP17808314 A EP 17808314A EP 3545332 A2 EP3545332 A2 EP 3545332A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
support
base
support element
mirror
mirror surface
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17808314.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Petit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Blickfeld GmbH
Original Assignee
Blickfeld GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Blickfeld GmbH filed Critical Blickfeld GmbH
Publication of EP3545332A2 publication Critical patent/EP3545332A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • 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
    • G02B26/0858Optical 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 piezoelectric means
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/105Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04Optical MEMS
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/003Bistatic lidar systems; Multistatic lidar systems

Definitions

  • the invention generally relates to a scanning module for a light scanner.
  • the invention relates to a scanning module having at least one elastic support member extending between a base and an interface member for fixing a mirror surface and having an extension perpendicular to the mirror surface which is not smaller than 0.7 mm. This allows resonant scanning.
  • BACKGROUND Distance measurement of objects is desirable in various fields of technology. For example, in the context of autonomous driving applications, it may be desirable to detect objects around vehicles and, in particular, to determine a distance to the objects.
  • One technique for measuring the distance of objects is the so-called LIDAR technology (light detection and ranging, sometimes also LADAR).
  • LIDAR technology light detection and ranging, sometimes also LADAR.
  • pulsed laser light is emitted by an emitter.
  • the objects in the environment reflect the laser light. These reflections can then be measured.
  • determining the transit time of the laser light a distance to the objects can be determined.
  • MEMS Microelectromechanical
  • a mirror is typically connected to a substrate via lateral spring elements.
  • the mirror and the spring elements are manufactured in one piece or integrated with the substrate.
  • the mirror is released from a wafer by suitable etching processes.
  • the scan angle is often comparatively limited and is, for example, of the order of magnitude from 20 ° - 60 °.
  • the usable mirror surface is often limited; typical mirrors can have a side length of 1 mm - 3 mm. Therefore, with LIDAR techniques, the detector aperture may be limited; This ensures that only comparatively close objects can be reliably measured.
  • a scan module for a light scanner includes a base and an interface element.
  • the interface element is arranged to fix a mirror surface.
  • the scan module also includes at least one elastic support member extending between the base and the interface member and having an extension perpendicular to the mirror surface that is not less than 0.7 mm.
  • the base, the interface element and the at least one support element are integrally formed. Because the at least one support element is elastic, it may also be referred to as a spring element. As a result, at least one degree of freedom of movement of the at least one support element can be excited resonantly. This corresponds to the resonant operation of the light scanner (English, resonant scanner).
  • the at least one support element has an extension perpendicular to the base that is not smaller than 1 mm, optionally not smaller than 3.5 mm, further optional not smaller than 7 mm. Because the at least one support element has a significant extent perpendicular to the mirror surface, it can be called a vertically oriented support element, unlike the lateral spring elements in the prior art. By means of such an arrangement, particularly large scan angles can be generated, for example in the range of 120 ° -180 °.
  • the scan module it would be possible for the scan module to have at least two support elements.
  • the scanning module could comprise at least three support elements, optionally at least four support elements. This makes it possible to generate particularly robust and less susceptible to vibration scan modules.
  • the longitudinal axes of the at least two support elements in each case include pairs of angles which are not greater than 45 °, optionally not greater than 10 °, further optionally not greater than 1 °.
  • the at least two support elements can be arranged parallel or substantially parallel to each other.
  • the at least two support elements could have an arrangement with rotational symmetry with respect to a central axis. It would be possible for the rotational symmetry to be n-counted, where n denotes the number of at least two support elements. This makes it possible to avoid non-linear effects during resonant operation of the light scanner.
  • At least one degree of freedom of movement of the at least one support element can be excited.
  • the at least one degree of freedom of the movement could comprise a transverse mode and a torsional mode, wherein the natural frequency of the lowest transverse mode is greater than the natural frequency of the lowest torsional mode.
  • the at least one degree of freedom of movement could comprise a transverse mode and a torsional mode, wherein the lowest transverse mode is degenerate with the lowest torsional mode. This can be achieved that the scan module is particularly robust against external stimuli.
  • the torsional mode may correspond to a twist of the at least two support elements.
  • the torsional mode may denote a twist of each individual support element along the respective longitudinal axis.
  • the torsional mode may also designate a twist of several support elements into one another.
  • the distance between two adjacent support elements of the at least two support elements can be in the range of 2% to 50% of the length of at least one of the at least two support elements, optionally in the range of 10% to 40%, further optionally in the range of 12. 20%. This can allow a compact design and an adapted frequency of the torsional mode.
  • the at least two support elements have lengths that do not deviate from each other by more than 10%, optionally not more than 2%, further optionally not more than 0.1%.
  • the scan module may have a balance weight.
  • the balance weight may be attached to at least one of the at least one interface element.
  • the balancing weight can in particular be formed integrally with the at least one interface element.
  • the balancing weight can be implemented by a change in the cross-sectional area along the longitudinal axis of the at least one interface element.
  • the balance weight can be used to change the mass moment of inertia.
  • the frequency of the torsional mode of the at least one interface element can be adapted to the frequency of the transverse modes of the at least one interface element.
  • the scanning module includes a first bending piezoactuator, a second bending piezoactuator, and the base disposed between the first bending piezoactuator and the second bending piezoactuator.
  • the Biegepiezoaktuatoren could thus stimulate the at least one support element coupled via the base.
  • the first Biegepiezoaktuator could have an elongated shape along a first longitudinal axis and the second Biegepiezoaktuator could have an elongated shape along a second longitudinal axis.
  • the first longitudinal axis and the second longitudinal axis could include an angle smaller than 20 °, optionally less than 10 °, further optionally less than 1 °.
  • the first longitudinal axis and / or the second longitudinal axis could include an angle with a longitudinal axis of the at least one support member that is less than 20 °, optionally less than 10 °, further optionally less than 1 °.
  • the base could have a longitudinal extent along a first longitudinal axis of the first bending piezoactuator that is in the range of 2 to 20% of the length of the first bending piezoactuator along the first longitudinal axis, optionally in the range of 5 to 15%. In this way, particularly large scan angles can be achieved and efficient excitation of different degrees of freedom of movement of the at least one support element.
  • the base could have a longitudinal extent along a second longitudinal axis of the second bending piezoactuator that is in the range of 2 to 20% of the length of the second bending piezoactuator along the second longitudinal axis, optionally in the range of 5 to 15%. It can thereby be achieved that the bending piezoactuator can apply a sufficiently large force to the base for the efficient excitation of different degrees of freedom of the movement of the at least one support element.
  • the first bending piezoactuator could have an elongated shape along a first longitudinal axis.
  • the second bending piezoactuator could also have an elongated shape along a second longitudinal axis.
  • the first bending piezoactuator could extend along the first longitudinal axis and the second bending piezoactuator could extend along the second longitudinal axis along a longitudinal axis of the at least one support member to a freely movable end of the at least one support member.
  • the device could also include a driver configured to drive the first bending piezoactuator with a first waveform and to drive the second bending piezoactuator with a second waveform.
  • the first signal form and the second signal form could have antiphase signal contributions.
  • the second signal form could have in-phase further signal contributions, which are optionally amplitude-modulated.
  • the amplitude of the in-phase signal contributions during the time period could be the scanning of the Scanning range is needed (correlated with the refresh rate), monotonically increase or decrease.
  • a linear time dependence of the envelope would be possible.
  • the signal contributions could have a first frequency, the further signal contributions having a second frequency, the first frequency being in the range of 95-105% of the second frequency or being in the range of 45-55% of the second frequency.
  • first signal form and / or the second signal form prefferably have a DC component.
  • One method involves defining an etch mask by lithography on a wafer.
  • the method also includes etching the wafer using the etch mask to obtain at least one etched structure that forms a scan module.
  • the method further comprises fixing a mirror surface mirror to an interface element of the scan module.
  • the method may be used to fabricate a scanning module according to various examples described herein. Because the scan module is made from a wafer, such as a silicon wafer or silicon on insulator (SOI) wafer, such techniques may also be referred to as MEMS techniques.
  • a wafer such as a silicon wafer or silicon on insulator (SOI) wafer
  • SOI silicon on insulator
  • Fixing the mirror to the interface element may include at least one of the following techniques: bonding; anodic bonding; Direct bonding; eutectic bonding; Thermo-compression bonding; adhesive bonding.
  • the method could further include connecting a plurality of etched structures forming the scan module prior to fixing the mirror.
  • Appropriate techniques may be used to join the etched structures described above in connection with fixing the mirror, i.e.: gluing; anodic bonding; Direct bonding; eutectic bonding; Thermo-compression bonding; adhesive bonding.
  • a large number of structures can be defined per wafer, so that a multiplicity of scanning modules can be obtained per wafer.
  • a parallel processing At wafer level, this allows the individual handling of individual scan modules to be avoided. At a certain point of the processing, it is possible to crop individual structures, for example by cutting or sawing the wafer. Then, processing can be carried out at the scan module level.
  • the interconnection of the multiple etched structures forming the scan module it would be performed at wafer level, ie, before clipping individual scan modules.
  • the interconnection of the several etched structures to be carried out at the scan module level - ie after the individual scan module has been blanked out.
  • Each of the plurality of etched structures may include a base, an interface member, and at least one support member extending between the respective base and the respective interface member. Then, the joining of the plurality of etched structures to the bases and the interface elements of the plurality of etched structures may occur.
  • connection can be made directly or via spacers.
  • a scanning module for a resonantly operated light scanner comprises a mirror.
  • the mirror has a mirror surface.
  • the mirror also has a back side.
  • the back is opposite the mirror surface.
  • the scan module also includes at least one resilient support member extending away from the backside.
  • the at least one elastic support element is manufactured by means of MEMS techniques.
  • the at least one elastic support element is produced by wafer etching and lithography from a silicon or SOI wafer. This may mean, for example, that the at least one elastic support element is formed of monocrystalline material and thus can tolerate particularly large tensions.
  • FIG. 1A schematically illustrates a scan module for a light scanner according to various examples, wherein the scan module in the example of FIG. 1A has two mutually parallel support elements, and a non-integrally formed mirror.
  • FIG. 1 B schematically illustrates a scan module for a light scanner according to various examples, wherein the scan module in the example of FIG. 1 B has two mutually parallel support elements, and an integrally formed mirror.
  • FIG. 1C schematically illustrates a scan module for a light scanner according to various examples, wherein the scan module in the example of FIG. 1 C has two mutually parallel support elements, and a mirror surface, which is applied to an interface element of the scanning module.
  • FIG. 2 schematically illustrates a scanning module for a light scanner according to various examples, wherein the scanning module has two support elements arranged parallel to one another, as well as a non-integrally formed mirror, which is tilted with respect to the longitudinal axis of the support elements.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a scanning module according to various examples, including a base, an interface element, and two support members extending between the base and the interface element.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a scanning module according to various examples, including a base, an interface element, and two support members extending between the base and the interface element, the base having two edge portions adapted to be connected to piezoactuators.
  • FIG. 5A is a schematic plan view of a scan module according to various examples, wherein the base is connected to two bending piezoactuators.
  • FIG. 5B is a schematic plan view of a scan module according to various examples, wherein the base is connected to two bending piezoactuators.
  • FIG. 6A is a schematic side view of bending piezoactuators according to various examples.
  • FIG. 6B is a schematic plan view of a scan module according to various examples wherein the base is connected to two bending piezoactuators.
  • FIG. 7 schematically illustrates a light scanner according to various examples.
  • FIG. 8 schematically illustrates antiphase waveforms that may be used to operate bending piezoactuators according to various examples.
  • FIG. 9 schematically illustrates in-phase waveforms that may be used to operate bending piezoactuators according to various examples.
  • FIG. FIG. 10 schematically illustrates DC phase anti-phase waveforms that may be used to drive bending piezoactuators according to various examples.
  • FIG. FIG. 1 illustrates schematically dc-mode in-phase waveforms that may be used to drive bending piezoactuators according to various examples.
  • FIG. 12 schematically illustrates amplitude modulation of in-phase waveforms as a function of time according to various examples.
  • FIG. 13 schematically illustrates a superimposition figure for two degrees of freedom of movement of at least one support element and a scan area defined by the overlay figure according to various examples.
  • FIG. 14 illustrates a spectrum of the excitation of at least one support element
  • FIG. 14 illustrates a degeneracy between a torsional mode and a transverse mode according to various examples.
  • FIG. FIG. 15 illustrates a spectrum of the excitation of at least one support element, FIG.
  • FIG. 15 illustrates a degenerate degeneracy between a torsional mode and a transverse mode according to various examples.
  • FIG. 16 schematically illustrates a scanning module for a light scanner according to various examples, wherein the scanning module in the example of FIG. 15 has two mutually parallel support elements with respective balancing weight.
  • FIG. 17 is a perspective view of a scan module for a light scanner according to various examples, wherein the scan module has two pairs of support members in different planes.
  • FIG. 18 schematically illustrates a torsional mode for the scan module according to the example of FIG. 17th
  • FIGs. 19 and 20 schematically illustrate a transverse mode of a scanning module having a single support member according to various examples.
  • FIGs. 21 and 22 schematically illustrate a transverse mode of a scanning module having two parallel support members according to various examples.
  • FIG. FIG. 23 schematically illustrates a scanning module for a light scanner according to various examples, wherein the scanning module in the example of FIG. 23 has two mutually parallel support elements with respective piezo material.
  • FIG. 24 is a flowchart of an exemplary method of manufacturing a scan module.
  • FIG. 25 schematically illustrates the fabrication of a scan module according to various examples.
  • FIG. FIG. 26 is a sectional view of the scanning module of FIG. 25th
  • Scanning may refer to repeated emission of the light at different angles of radiation.
  • the light can be deflected by a deflection unit.
  • the scanning may indicate the repeated scanning of different points in the environment by means of the light.
  • the amount of different points in the environment and / or the amount of different radiation angles may define a scan area.
  • the scanning of light by the temporal superposition and optionally a local superimposition of two resonant-driven movements corresponding to different degrees of freedom at least one movable support element can take place.
  • a superposition figure can be traversed in various examples.
  • the overlay figure is also referred to as a Lissajous figure.
  • the overlay figure can describe a sequence with which different radiation angles are converted by the movement of the support element.
  • laser light it is possible to scan laser light.
  • coherent or incoherent laser light can be used.
  • polarized or unpolarized laser light it would be possible for the laser light to be pulsed.
  • short laser pulses with pulse widths in the range of femtoseconds or picoseconds or nanoseconds can be used.
  • a pulse duration can be in the range of 0.5-3 nanoseconds.
  • the laser light may have a wavelength in the range of 700-1800 nm.
  • broadband light sources or RGB light sources RGB light sources herein generally refer to light sources in the visible spectrum, wherein the color space is covered by superposition of several different colors - for example, red, green, blue or cyan, magenta, yellow, black.
  • At least one support element will be used to scan light having a shape and / or material induced elasticity. Therefore, the at least one support element could also be referred to as a spring element. Then at least one degree of freedom of movement of the at least one support element can be excited, for example a torsional mode and / or a transverse mode. That There is a resonant excitation of the corresponding mode. Thereby, a mirror, which is connected to a movable end of the at least one support element, are moved. Therefore, the movable end of the at least one support element defines an interface element. This allows light to be scanned. For example, it would be possible to use more than a single support element, e.g. two or three or four support elements. These may optionally be arranged symmetrically with respect to each other.
  • the movable end could be moved in one or two dimensions.
  • One or more actuators can be used for this purpose.
  • the movable end is tilted relative to a fixing of the at least one support element; this results in a curvature of the at least one support element.
  • This may correspond to a first degree of freedom of the movement; this can be referred to as transversal mode (or sometimes as wiggle mode).
  • the movable end it would be possible for the movable end to be rotated along a longitudinal axis of the support element (torsion mode). This may correspond to a second degree of freedom of movement.
  • a deflection unit such as a mirror may be provided.
  • This allows an environment to be scanned with the laser light.
  • scan areas of different sizes can be implemented.
  • the deflection unit can be implemented as a prism or mirror.
  • the mirror could be through a wafer, such as a silicon wafer, or a Be implemented glass substrate.
  • the mirror could have a thickness in the range of 0.05 ⁇ - 0, 1 mm.
  • the mirror could have a thickness of 25 ⁇ or 50 ⁇ .
  • the mirror could have a thickness in the range of 25 ⁇ to 75 ⁇ .
  • the mirror could be square, rectangular or circular.
  • the mirror could have a diameter of 3 mm to 12 mm, or in particular 8 mm.
  • LIDAR techniques can be used.
  • the LIDAR techniques can be used to perform a spatially resolved distance measurement of objects in the environment.
  • the LIDAR technique may include transit time measurements of the laser light between the mirror, the object, and a detector.
  • LIDAR techniques can be used to scan light in a wide variety of applications. Examples include endoscopes and RGB projectors and printers.
  • LIDAR techniques can be used.
  • the LIDAR techniques can be used to perform a spatially resolved distance measurement of objects in the environment.
  • the LIDAR technique may include transit time measurements of the laser light.
  • Various examples are based on the finding that it may be desirable to carry out the scanning of the laser light with a high accuracy with respect to the emission angle.
  • spatial resolution of the distance measurement may be limited by inaccuracy of the emission angle.
  • a higher (lower) spatial resolution is achieved the more accurate (less accurate) the radiation angle of the laser light can be determined.
  • a scan module which comprises a support element.
  • the support element is integrally formed with a base and an interface element which is adapted to fix the mirror surface.
  • integrally forming can be achieved that a particularly large power flow can be transmitted through the base to the support member.
  • one or more degrees of freedom of movement of the support element can be excited particularly efficiently.
  • the support element with a movement performs a particularly large amplitude.
  • This allows large scan angles to be implemented.
  • an adhesive or other connecting means - which would have to be used in the non-integral training - tears or yields and thus the scan module is damaged.
  • the scan module could be made by etching techniques from a wafer.
  • the wafer may e.g. 500 ⁇ be thick.
  • techniques of wet chemical etching or dry etching could be used, for example, reactive ion etching (RIE), e.g. dry RIE (engl., dry RIE, DRIE).
  • RIE reactive ion etching
  • the wafer may be, for example, a silicon wafer or a silicon on insulator (SOI) wafer.
  • SOI silicon on insulator
  • the insulator could be arranged about 100 ⁇ below a surface of the wafer.
  • the insulator may act as an etch stop, for example.
  • the support element has an extension perpendicular to the mirror surface which is not smaller than 0.7 mm. Therefore, compared to conventional MEMS-based micromirrors, the support element does not extend only in the plane of the mirror surface, but also has a significant extension vertical to the mirror surface.
  • the support element could be rod-shaped along a longitudinal axis, wherein the longitudinal axis has a component perpendicular to the mirror surface.
  • the support member could have local variations in cross-sectional area to implement a balance weight.
  • FIG. 1A illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 includes a base 141, two support members 101, 102, and an interface member 142.
  • the base 141, support members 101, 102, and interface member 142 are integral educated.
  • the support members 101, 102 are formed in a plane (drawing plane of FIG. 1A).
  • the support elements 101, 102 are straight, ie have no curvature and no kink at rest.
  • the base 141, the support members 101, 102, and the interface member 142 may be obtained by MEMS processes by etching a silicon wafer (or other semiconductor substrate).
  • the base 141, the support elements 101, 102, as well as the interface element 142 may be formed in particular monocrystalline.
  • the distance between two adjacent support elements 101, 102 prefferably be in the range of 2% -50% of the length 21 1 of at least one of the at least two support elements, optionally in the range of 10% -40%, further optional in the range of 12 - 20%. It is possible that the at least two support members have lengths 211 that do not deviate from each other by more than 10%, optionally not more than 2%, further optionally not more than 0.1%. As a result, a particularly large amplitude of corresponding degrees of freedom of the movement can be achieved.
  • the longitudinal axes 11, 112 of the support elements 101, 102 it would be possible for the longitudinal axes 11, 112 of the support elements 101, 102 to enclose in pairs each other wrenches which are not greater than 45 °, optionally not greater than 10 °, further optionally not greater than 1 °.
  • the support elements 101, 102 have an arrangement with rotational symmetry with respect to a central axis 220. In the example of FIG. 1A is a twofold rotational symmetry. It would also be possible for the scan module 100 to have only a single support element or to have more than two support elements.
  • FIG. 1A also illustrates aspects relating to a laser scanner 99.
  • the laser scanner 99 includes the scan module 100 as well as a mirror 150.
  • the mirror 150 which has on the front side a mirror surface 151 with high reflectivity (for example greater than 95% at a wavelength of 950 ⁇ m, optional> 99%, further optional> 99.999%, eg aluminum or gold in a thickness of 80 ⁇ m). 250 nm) for light 180, not integrally formed with the base 141, the support elements 101, 102, and the interface element 142.
  • the mirror 150 could be glued to the interface element 142.
  • the interface member 142 may be configured to fix the mirror surface 151.
  • the interface element 142 for this purpose could have an abutment surface configured to to fix a corresponding contact surface of the mirror 150.
  • one or more of the following techniques could be used: gluing; Soldering.
  • gluing Between the interface element 142 and the mirror surface 151, a rear side 152 of the mirror 150 is arranged.
  • the interface element 142 is arranged on the rear side 152 of the mirror 150. From FIG. It can be seen that the support members extend away from the back 152 of the mirror 150 toward the base 141. This avoids space-consuming frame-like structures as in conventional MEMS approaches.
  • the mirror 150 can therefore be connected to the support elements 101, 102 via the interface element 142.
  • the support elements 101, 102 have an extension perpendicular to the mirror surface 151; this extension could be, for example, about 2 to 8 mm, in the example of FIG. 1A.
  • the support elements are in particular rod-shaped along corresponding longitudinal axes 11 1, 112 are formed.
  • the surface normal 155 of the mirror surface 151 is shown; the longitudinal axes 11 1, 12 are oriented parallel to the surface normal 155, ie they enclose an angle of 0 ° with this.
  • the extension of the support members 101, 102 perpendicular to the mirror surface 151 is equal to the length 211 of the support members 101, 102.
  • the length 21 1 of the support members 101, 102 is not shorter than 2 mm, optionally not shorter than 4 mm, further optional not shorter than 6 mm.
  • the length of the support members 101, 102 is not greater than 20 mm, optionally not greater than 12 mm, further optionally not greater than 7 mm. If multiple supports are used, they can all be the same length.
  • the extension of the support elements 101, 102 is shorter perpendicular to the mirror surface 151, as their length 211 (because only the projection parallel to Surface normal 155 is taken into account).
  • the extension of the support members 101, 102 perpendicular to the mirror surface 151 is not smaller than 0.7 mm. Such a value is larger than the typical thickness of a wafer from which the scan module 100 can be made. As a result, particularly large scanning angles for the light 180 can be implemented.
  • the support elements 101, 102 could, for example, have a rectangular cross-section.
  • the support elements 101, 102 could also have a square cross-section. But it would also other cross-sectional shapes, such as circular, triangular, etc., possible.
  • Typical side lengths of the cross section of the support elements 101, 102 may be in the range of 50 ⁇ to 200 ⁇ , optionally about 100 ⁇ amount.
  • the short side of the cross section generally could not be less than 50% of the long side of the cross section; this means that the support elements 101, 102 can not be formed as flat elements. In this way it can be ensured that the material in the region of the support elements 101, 102 can absorb sufficiently large stresses without being damaged.
  • a shape-induced elasticity of the material in the region of the support elements 101, 102 can assume sufficiently large values in order to enable a movement of the interface element 142 relative to the base 141.
  • a torsional mode and / or a transversal mode of the support members 101, 102 could be used to move the interface element 142 - and thus the mirror 150 -.
  • the scanning of light can be implemented (in FIG. 1A, the resting state of the support members 101, 102 is shown).
  • the scan module 102 includes support elements 101, 102 arranged in a plane (the plane of the drawing of FIG. 1A).
  • the scan module 100 can be implemented with a particularly high degree of robustness.
  • the voltage per support element 101, 102 can thereby be reduced.
  • FIG. 1B illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 comprises a base 141, two support elements 101, 102, and an interface element 142.
  • the base 141, the support elements 101, 102, and the interface element 142 are integrally formed.
  • the example of FIG. 1B basically corresponds to the example of FIG. 1A.
  • the mirror 150 is integrally formed with the interface element 142 or the support elements 101, 102 and the base 141.
  • a projection is provided over a central area of the interface element 142. As a result, it can be achieved that the force flow between the scan module 100 and the mirror 150 does not have to be transmitted via an adhesive.
  • FIG. 1C illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 includes a base 141, two support members 101, 102, and an interface member 142.
  • the base 141, the support members 101, 102, and the interface member 142 are integrally formed.
  • FIG. 1C basically corresponds to the example of FIG. 1 B.
  • mirror 150 and interface element 142 are implemented by one and the same element.
  • the mirror surface 151 is applied directly to the interface element 142. This allows a particularly simple structure.
  • FIG. 2 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 comprises a base 141, two support elements 101, 102, and an interface element 142.
  • the base 141, the support elements 101, 102, and the interface element 142 are integrally formed.
  • the example of FIG. 2 basically corresponds to the example of FIG. 1A.
  • the longitudinal axes 1 1 1, 1 12 of the support members 101, 102 are not oriented perpendicular to the mirror surface 151.
  • the angle 159 between the surface normal 155 of the mirror surface 151 and the longitudinal axes 11, 12 is shown.
  • the angle 159 is in the example of FIG. 2 45 °, but could generally be in the range of -60 ° to + 60 °, or optionally in the optional range of -45 ° ⁇ 15 ° or in the range of + 45 ° ⁇ 15 °, i. be substantially 45 °
  • FIG. 2 shows a scenario in which a beam path of the light 180 runs parallel to the longitudinal axes 11 1-112 of the support elements 101, 102 and another beam path of the light 180 - after or before deflection through the mirror surface 151- perpendicular to the longitudinal axes 11 -112 runs.
  • the optical path of the light 180 may be parallel to the central axis 220
  • Such tilting of the mirror surface 151 with respect to the longitudinal axes 1111, 112 may be particularly advantageous if the torsional mode of the support elements 101, 102 is used to move the mirror 150.
  • periscope-like scanning of the light 180 may be implemented.
  • the periscope-like scanning by means of the torsional mode has the advantage that - if the mirror 150 is also used as a detector aperture - the size of the detector aperture has no dependence on the scanning angle; namely, the angle between incident light and mirror 150 is not dependent on the scanning angle. This is different from reference implementations in which, by tilting the mirror, the size of the detector aperture-and thus the sensitivity of the measurement-varies as a function of the scan angle.
  • FIG. 3 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 comprises a base 141, two support elements 101, 102, and an interface element 142.
  • the base 141, the support elements 101, 102, and the interface element 142 are integrally formed.
  • FIG. 3 is a perspective view of the scan module 100.
  • FIG. 3 illustrates how a direction 1901 of the front etch and a direction 1902 of the backside etch are oriented.
  • scan module 100 could be fabricated by suitably two-step etching of an SOI wafer along directions 1901, 1902.
  • the interfaces between insulator and silicon could define the support elements 101, 102.
  • the wafer surface could be oriented perpendicular to the directions 1901, 1902. From a comparison of FIGs. 1A, 1 B, 1 C, 2 with FIG. 3 it follows that the mirror surface 151 is not oriented perpendicular to the wafer surface. As a result, particularly large lengths 211 of the at least one support element 101, 102 can be made possible. This in turn allows for large scan angles.
  • the thickness 1998 of the base 141 and the interface member 142 is different from the thickness 1999 of the support members 101, 102.
  • the base 141, the interface member 142, and the support members 101, 102 it would be possible for the base 141, the interface member 142, and the support members 101, 102 to have the same thickness. This is related to the thicknesses 1998, 1999 in the etching direction of the MEMS structuring, ie perpendicular to a wafer normal with respect to the Front-side structuring and backside structuring according to directions 1901, 1902.
  • the wafer normal typically correlates with a particular crystal direction.
  • FIG. 4 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scan module 100 comprises a base 141, two support elements 101, 102, and an interface element 142.
  • the base 141, the support elements 101, 102, and the interface element 142 are integrally formed.
  • FIG. 4 is a perspective view of the scanning module 100.
  • the example of FIG. 4 basically corresponds to the example of FIG. 3.
  • the base 141 comprises a central region 145 and two edge regions 146 arranged on different sides of the central region 145.
  • the support elements 101, 102 are connected to the central region 145.
  • the central region 145, as well as the edge regions 146 are all formed in one piece.
  • the edge regions 146 in the example of FIG. For example, the thickness of the edge regions 146 could not be greater than 30% of the thickness of the central region 145.
  • the reduced thickness of the edge regions 146 can be made to have greater shape-induced elasticity than the central region 145. In general, other measures could be taken to make the edge regions 146 have greater shape-induced elasticity than the central region 145. For example, depressions or trenches could be provided which provide the elasticity.
  • the edge regions 146 can be used to connect to piezoactuators.
  • the central region 145 establishes the connection with the support elements 101, 102.
  • FIG. 5A illustrates aspects with respect to a laser scanner 99.
  • the laser scanner 99 includes the scan module 100, which could be configured, for example, according to the various other examples described herein (however, FIG. 5A exemplifies a scan module 100 having only a single support member 101). ,
  • FIG. 5A illustrates particular aspects with respect to piezoactuators 310, 320.
  • bending piezoactuators 310, 320 may be used to excite the support member 101.
  • a first and a second bending piezoactuator may be used. It would be possible for the first bending piezoactuator and / or the second bending piezoactuator to be plate-shaped.
  • a thickness of the Biegepiezoaktuatoren eg in the range of 200 ⁇ - 1 mm are, optionally in the range of 300 ⁇ - 700 ⁇ .
  • first bending piezoactuator and / or the second bending piezoactuator can have a layer structure comprising an alternating arrangement of a plurality of piezoelectric materials. These can have a different strength piezoelectric effect. As a result, a bending can be effected, similar to a bimetallic strip with temperature changes.
  • first bending piezoactuator and / or the second bending piezoactuator to be fixed at a fixing point: an end opposite the fixing point can then be moved on account of a bending or curvature of the first bending piezoactuator and / or the second bending piezoactuator.
  • Biegepiezoaktuatoren a particularly efficient and strong excitation can be achieved.
  • the bending piezoactuators can move the base 141 and, in particular, tilt - for exciting a torsional mode of the at least one support element.
  • the piezoactuators 310, 320 are designed as bending piezoactuators. This means that the application of a voltage to electrical contacts of the bending piezoactuators 310, 320 causes a bending or bending of the bending piezoactuators 310, 320 along their longitudinal axes 319, 329.
  • the bending piezoactuators 310, 320 have a layer structure (not illustrated in FIG. 5A and oriented perpendicular to the plane of the drawing).
  • one end 315, 325 of the bending piezoactuators 310, 320 are deflected perpendicular to the respective longitudinal axis 319, 329 relative to a fixing point 311, 321 (the deflection is oriented perpendicular to the plane of the drawing in the example of FIG.
  • the deflection 399 of the bending piezoactuators 310, 320 due to the bending is shown in FIG. 6A.
  • FIG. 6A is a side view of the bending piezoactuators 310, 320.
  • FIG. 6A shows the bending piezoactuators 310, 320 in a rest position, for example without a driver signal or tension / curvature.
  • the fixation location in 31 1, 321 could establish a rigid connection between the bending piezoactuators 310, 320 and a housing of the laser scanner 99 (not shown in FIG. 5A).
  • the base 141 could have a longitudinal extent of the longitudinal axes 319, 329 that is in the range of 2 to 20% of the length of the bending piezoactuators 310, 320 along the longitudinal axes 319, 329, optionally in the range of 5 to 15%. As a result, sufficient excitation can be achieved; the base 141 dampens the movement of the bending piezoactuators 310, 320 only comparatively weakly.
  • the bending piezoactuators 310, 320 are arranged substantially parallel to each other. It would also tilting of the longitudinal axes 319, 329 to each other possible, especially as long as they are in a plane. From the example of FIG. 5A, it can be seen that the connection of the bending piezoactuators 310, 320 with the support element 101 is implemented via the edge regions 146 of the base 141. Because these marginal regions 146 have elasticity, the flexure 399 can be received and results in deflection of the base 141. This allows one or more degrees of freedom of movement of the interface element 101 coupled via the base 141 to be excited. This results in a particularly efficient and space-saving excitation.
  • the bending piezoactuators 310, 320 extend away from the interface element 142. However, it is also possible that the bending piezoactuators 310, 320 extend along at least 50% of their length toward the interface element 142. As a result, a particularly compact arrangement can be achieved. This is in FIG. 5B.
  • FIG. 5B illustrates aspects related to a laser scanner 99.
  • the laser scanner 99 includes the scan module 100, which could be configured according to the various other examples described herein (however, a scan module 100 having only a single support member 101 is shown in FIG. 5B).
  • FIG. 5B basically corresponds to the example of FIG. 5A.
  • the bending piezoactuators 310, 320 extend toward the interface element 142 or toward a freely movable end of the at least one support element 101.
  • a particularly compact construction of the light scanner 99 can be achieved.
  • FIGs. 5A, 5B, 6A that upon excitation via the edge regions 146, a coupled excitation of the plurality of support elements 101, 102 takes place.
  • a Biegepiezoaktuator stimulates all support members 101, 102 together via a guided through the base 141 power flow.
  • the longitudinal axes 319, 329 are aligned parallel to the longitudinal axis of the support member 101, it would also be possible in other examples that the longitudinal axes 319, 329 of the Biegepiezoaktuatoren are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the support member 101. This is in FIG. 6B.
  • the longitudinal axes 319, 329 could enclose an angle of 90 ° ⁇ 20 ° with the longitudinal axis of the at least one support member, optionally of 90 ° ⁇ 5 °, more optionally of 90 ° ⁇ 1 °.
  • FIG. 7 illustrates aspects relating to a laser scanner 99.
  • the laser scanner 99 includes a control unit 4001 that could be implemented, for example, as a microprocessor or application specific integrated circuit (ASIC).
  • the controller 4001 could also be implemented as a Field Programmable Array (FPGA).
  • the control unit 4001 is configured to output control signals to a driver 4002.
  • the control signals could be output in digital or analog form.
  • the driver 4002 is in turn configured to generate one or more voltage signals, and these to corresponding electrical contacts of the piezoactuators 310, 320 issue. Typical amplitudes of the voltage signals are in the range of 50 V to 250 V.
  • the piezoactuators 310, 320 are in turn coupled to the scan module 100, such as the above reference to FIGS. 5 and 6 described.
  • the scan module 100 such as the above reference to FIGS. 5 and 6 described.
  • one or more degrees of freedom of the movement of the scanning module 100 in particular of one or more supporting elements 101, 102 of the scanning module 100, can be excited.
  • the mirror surface 151 is deflected.
  • the surrounding area of the laser scanner 99 can be scanned with light 180.
  • FIG. 8 illustrates aspects related to waveforms 800 that may be used to drive the piezoactuators 310, 320 according to various examples described herein.
  • the waveforms 800 could be output from the driver 4002.
  • FIG. 8 particularly illustrates the waveform of the amplitude of the waveforms 800 as a function of time.
  • a signal contribution 81 1 (solid line) is shown which is used to drive the bending piezoactuators 310.
  • a signal contribution 821 (dashed line) that is used to drive the bending piezoactuators 320.
  • the signal contributions 81 1, 821 are configured in antiphase.
  • the signal contributions 811, 821 have the same frequency, as well as a phase shift of 180 °.
  • FIG. 9 illustrates aspects related to waveforms 800 that may be used to drive the bending piezoactuators 310, 320 according to various examples described herein.
  • FIG. 9 specifically illustrates the waveform of the amplitude of the waveforms 800 as a function of time.
  • a signal contribution 812 (solid line), which is used to drive the bending piezoactuators 310, is shown.
  • a signal contribution 822 (dashed line) that is used to drive the bending piezoactuators 320.
  • the signal contributions 812, 822 are configured in phase. This means the example of FIG. 9 that the signal contributions 812, 822 have the same frequency, and a phase offset of 0 °.
  • the in-phase signal contributions 812, 822 it can be achieved that the bending piezoactuator 310 curves upwards (curves downward or downward), while the bending piezoactuator 320 bends upward (moves downward or moves). , This in turn can be achieved that the base 141 is alternately moved up and down (with respect to the central axis 220). Therefore, with such a configuration of the waveforms 800, a particularly efficient excitation of transverse modes of the support element or the support elements 101, 102 can take place. In some examples, it would be possible for the signal contributions 811, 821 to be temporally superimposed with the signal contributions in 812, 822. This may be desirable in particular if only a single support element is used.
  • a temporal and spatial superimposition of a torsional mode and a transverse mode of the at least one support element can be obtained. It can thereby be achieved that a two-dimensional scan area is scanned, with the light being deflected at the individual mirror surface. This can achieve a particularly space-saving integration of the laser scanner 99.
  • the antiphase signal contributions 81 1, 821 or else the in-phase signal contributions 812, 822 may be applied. This may be desirable in particular if more than one single support element is used. Then either the torsional mode or the transverse mode of the at least one support element can be excited. As a result, by deflecting the mirror surface, a one-dimensional scan area can be scanned. In order to nevertheless scan a two-dimensional scan area, it would be possible, for example, for two laser scanners to deflect the light sequentially; The two laser scanners can be operated synchronized. In the following, however, reference will be made primarily to scenarios in which a temporal and spatial superposition of different degrees of freedom of movement of the at least one support element is used to scan a two-dimensional scan area.
  • a typical frequency of the signal contributions 81 1, 812, 821, 822 is, for example, in the range of 50 Hz to 1.5 kHz, optionally in the range of 200 Hz to 1 kHz, further optionally in the range of 500 Hz to 700 Hz adequate scanning frequencies are achieved.
  • FIGS. 8 and 9 illustrate scenarios in which the antiphase signal contributions 81 1, 821 for exciting the bending piezoactuators 310, 320 have approximately the same frequency as the in-phase signal contributions 812, 822.
  • the antiphase signal contributions 811, 821 a first frequency in the range 95-105% of a second frequency of the in-phase signal contributions 812, 822 have.
  • a particularly efficient superposition figure of the various degrees of freedom of the movement of the at least one support element 101, 102 can be achieved.
  • a high refresh rate can be achieved without certain areas of the scan area being scanned multiple times by nodes in the overlay figure.
  • such implementations of the frequencies of the waveforms 800 may exploit a degeneracy of the various excited degrees of freedom of movement of the at least one support element 101, 102 in the frequency domain.
  • the antiphase signal contributions 811, 821 could have a different first frequency than the second frequency of the in-phase signal contributions 812, 822.
  • the first frequency of the antiphase signal contributions 81 1, 821 could be in the range of 45 °. 55% of the second frequency of in-phase Signal contributions 812, 822 are, ie amount to about half of the second frequency.
  • the first frequency could also be about twice the second frequency and take a completely different value.
  • the signal forms 800 on the bending piezoactuator 810 have a specific phase shift relative to the signal forms 800 on the bending piezoactuator 820.
  • This phase shift can be varied, for example as a function of the relative amplitude of the in-phase signal contributions 81 1, 821 and opposite-phase signal contributions 812, 822 to one another.
  • the actual waveforms 800 may be decomposed into the in-phase signal contributions 81 1, 821 and the anti-phase signal contributions 812, 822.
  • a driver used to generate the waveforms 800 may already have the superposition of the in-phase signal contributions 81 1, 821 with the generate antiphase signal contributions 812, 822.
  • FIG. 10 illustrates aspects related to waveforms 800 that may be used to drive the bending piezoactuators 310, 320 in accordance with various examples described herein.
  • FIG. 10 illustrates in particular the course of the amplitude of the waveforms 800 as a function of time.
  • the example of FIG. 10 basically corresponds to the example of FIG. 8.
  • the signal contributions 811, 821 each have a DC component 801.
  • FIG. 11 illustrates aspects related to waveforms 800 that may be used to drive the bending piezoactuators 310, 320 according to various examples described herein.
  • FIG. 11 illustrates, in particular, the course of the amplitude of the waveforms 200 as a function of time.
  • the example of FIG. 11 basically corresponds to the example of FIG. 9.
  • the signal contributions 812, 822 each have a DC component 801. In general, it is possible that only individual ones of the signal contributions 812, 822 have a DC component 801. Different signal contributions can also have different DC components.
  • FIG. 12 illustrates aspects related to amplitude modulation of the signal contributions 812, 822.
  • FIG. 12 shows the amplitude of the signal contributions 812, 822 as a function of time.
  • the time duration 860 needed to sample an overlay figure is shown. This means that the duration 860 may correspond to a refresh rate of the laser scanner 99.
  • the amplitude of the in-phase signal contributions 812, 822 is monotonically and constantly increased as a function of time during the duration 860.
  • the amplitude could also be increased gradually.
  • the amplitude could also be reduced monotonically.
  • FIG. 12 also illustrates aspects related to amplitude modulation of the signal contributions 81 1, 821. From FIG. 12, it can be seen that the amplitude of the antiphase signal contributions 81 1, 821 does not vary.
  • a particularly efficient scanning of the laser light can be implemented.
  • FIG. 13 illustrates aspects relating to an overlay figure 900.
  • FIG. 13 particularly illustrates aspects related to a scan area 915 (dashed line in FIG. 13) defined by the overlay figure 900.
  • FIG. 13 shows the scan angle 901, which can be achieved by a first degree of freedom of the movement 501 of the at least one support element 101, 102.
  • FIG. 13 also shows the scan angle 902 that may be achieved by a second degree of freedom of movement 502 of the at least one support member 101, 102 (the scan angles are also indicated in FIG. 1, for example).
  • the first degree of freedom of the movement 501 it would be possible for the first degree of freedom of the movement 501 to correspond to a transverse mode of the at least one support element 101, 102. Then it would be possible for the transverse mode 501 to be excited by the in-phase signal contributions 812, 822. Accordingly, it would be possible for the degree of freedom of movement 902 to correspond to a torsional mode of the at least one support element 101, 102. Then it would be possible for the torsional mode 502 to be excited by the antiphase signal contributions 811, 821.
  • the overlay figure 900 according to the example of FIG. 13 is obtained when the transverse mode 501 and the torsional mode 902 have the same frequency.
  • the overlay figure 900 according to the example of FIG. 13 is obtained when the amplitude of the transverse mode 501 is increased by the amplitude modulation of the in-phase signal contributions 812, 822 (see FIG. 12) during the time period 860. That is, it is achieved that the overlay figure 900 is obtained as an "opening eye", that is, larger scan angles 901 are obtained with increasing amplitude of the transverse mode 501 (represented by the vertical dotted arrows in FIG Dotted arrows in FIG 13), with which the environment of the laser scanner can be scanned 99.
  • FIG. 14 illustrates aspects relating to resonant curves 1301, 1302 of the degrees of freedom of the movement 501, 502, which may include, for example, the overlay figure 900 according to the example of FIG. 13 can implement.
  • FIG. 14 illustrates the amplitude of the excitation of the respective degree of freedom of the movement 501, 502. A resonance spectrum according to the example of FIG.
  • the resonance curve 1301 of the transverse mode 501 has a maximum 131 1 (solid line)
  • the resonance curve 1302 of the torsional mode 502 is also shown (dashed line).
  • the resonance curve 1302 has a maximum 1312.
  • the maximum 1312 of the torsional mode 502 is at a lower frequency than the maximum 131 1 of the transverse mode, e.g. the transversal mode 501 could be lowest order.
  • the torsional mode 502 can thus form the fundamental mode of the system. This can be achieved that the scan module is particularly robust against external disturbances such as vibrations, etc. This is the case since such external excitations typically excite transverse mode 501 most efficiently, but do not excite torsional mode 502 particularly efficiently.
  • the resonance curves 1301, 1302 could be Lorentz-shaped. This would be the case if the corresponding degrees of freedom of movement 501, 502 can be described by a harmonic oscillator.
  • the maxima 1311, 1312 are shifted from each other in frequency.
  • the frequency spacing between the maxima 131 1, 1312 could be in the range of 5 Hz to 20 Hz.
  • the half widths 1321, 1322 of the resonance curves 1301, 1302 are also shown.
  • the half-width is defined by the attenuation of the corresponding degree of freedom of movement 501, 502.
  • the half widths 1321, 1322 are equal; however, in general, the half widths 1321, 1322 could be different from each other. In some examples, different techniques may be used to increase the half widths 1321, 1322.
  • a corresponding adhesive could be provided, whose particular locations, for example between the bending piezoactuators 310, 320 and the base 141, is arranged.
  • the resonance curves 1301, 1302 have an overlap region 1330 (shown in dark). This means that the transverse mode 501 and the torsional mode 502 are degenerate.
  • both the resonance curve 1301 has significant amplitudes and the resonance curve 1302.
  • the amplitudes of the resonance curves 1301, 1302 in the overlap region not to be less than 10% of the corresponding amplitudes at the respective maximum 131 1 , 1312, optionally not ⁇ 5% each, optionally not ⁇ 1% each further.
  • the overlap region 1330 can be achieved that the two degrees of freedom of movement 501, 502 can be coupled coupled, namely each semi-resonant at a frequency 1399th
  • the frequency 1399 is between the two maxima 131 1, 1312
  • the temporal and spatial Overlay can be achieved.
  • nonlinear effects can be suppressed or avoided by coupling between the two degrees of freedom of movement 501, 502.
  • FIG. 15 illustrates aspects relating to resonant curves 1301, 1302 of the degrees of freedom of movement 501, 502.
  • the two degrees of freedom of movement 501, 502 have no overlapping area.
  • the degree of freedom of movement 502 may correspond to a torsional mode.
  • the torsional mode 502 may form a fundamental mode of the kinematic system, i. there can be no further degrees of freedom of movement with smaller natural frequencies.
  • one or more balancing weights may be provided, which may be formed integrally with the at least one support element 101, 102, for example.
  • a corresponding example is shown in FIG. 16 shown.
  • the example of FIG. 16 basically corresponds to the example of FIG. 1.
  • balancing weights 1371, 1372 provided on the support elements 101, 102.
  • the balancing weights 1371, 1372 are in particular integrally formed with the support elements 101, 102.
  • the balancing weights 1371, 1372 correspond to a local enlargement of the cross section of the rod-shaped supporting elements 101, 102.
  • FIG. 17 illustrates aspects relating to a laser scanner 99.
  • a scanning module 100 having a first pair of support members 101-1, 102-1 and a second pair of support members 102-1, 102-2.
  • the first pair of support members 101-1, 102-1 is arranged in a plane; the second pair of support members 101-2, 102-2 is also arranged in a plane. These planes are parallel to each other and offset from one another.
  • Each pair of support elements is associated with a corresponding base 141-1, 141-2, and a corresponding interface element 142-1, 142-2. Both interface elements 142-1, 142-2 make a connection with a mirror 150 here. It can thus be achieved that a particularly stable scanning module 100 can be provided, which has a large number of supporting elements.
  • the scan module 100 may comprise support elements arranged in different planes. This can allow a particularly large robustness.
  • the base 141-1 is not integrally formed with the base 141-2.
  • the interface element 142-1 is not formed integrally with the interface element 142-2.
  • the support members 101-1, 102-1 are not formed integrally with the support members 102-1, 102-2.
  • the various aforementioned parts it would be possible for the various aforementioned parts to be manufactured from different regions of a wafer and then connected to one another, for example by gluing or anodic bonding.
  • Other examples of joining techniques include: fusion bonding; Fusion or direct bonding; Eutectic bonding; Thermocompression bonding; and adhesive bonding.
  • Corresponding connection surfaces 160 are shown in FIG. 17 marked. By means of such techniques it can be achieved that the scan module 100 can be manufactured particularly easily.
  • the complete scan module 100 it is not necessary for the complete scan module 100 to be manufactured in one piece or integrated from a wafer. Rather, the scan module 100 can be produced in a two-stage manufacturing process. At the same time, however, this can not significantly reduce the robustness: due to the large area connecting surfaces 160, a particularly stable connection between the base 141-1 and the base 141-2 and the interface element 142-1 and the interface element 142-2, respectively.
  • the base 141-1 is directly connected to the base 141-2;
  • the interface element 142-1 is directly connected to the interface element 142-2. This is made possible by the thickness variation with respect to the support members 101-1, 101-2, 102-1, 102-2 (see Fig. 3).
  • base 141-1, base 141-2, interface element 142-1, interface element 142-2, and support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2 could all have the same thickness; then the connection could be via spacers (not shown in FIG. 17).
  • Such a symmetrical structure with respect to the central axis 220 may in particular have advantages with respect to the excitation of the torsional mode 502. Nonlinearities can be avoided.
  • FIG. 18 illustrates aspects related to the torsional mode 502.
  • FIG. 18 schematically illustrates the deflection of the torsional mode 502 for the scan module 100 according to the example of FIG. 17 (in FIG.18, the deflected state is shown by the solid lines and the rest state is shown by the dashed lines).
  • the axis of rotation 220 of the torsional mode 502 is also shown.
  • the axis of rotation 220 lies in the plane of symmetry 221, which forms the base 141-1 on the base 141-2 or the support elements 101-1, 101-2 on the support elements 102-1, 102-2.
  • the torsional mode 502 may also be referred to as a coupled torsional mode 502 of the support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2.
  • This is promoted by the geometric arrangement of the support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2 to each other, namely in particular by the parallel arrangement of the support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2 together - so with a particularly small distance between the support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2 compared to the length thereof.
  • This coupled torsional mode 502 may be referred to as parallel kinematics of the support elements 101-1, 101-2, 102-1, 102-2.
  • the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 are arranged rotationally symmetrical with respect to a central axis 220.
  • the presence of a rotational symmetry means, for example, that the system of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 can be converted into themselves by rotation.
  • the magnitude of the rotational symmetry designates how often per 360 ° rotation angle the system of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 can be converted into itself.
  • the rotational symmetry could be n-fold, where n denotes the number of supporting elements used.
  • Nonlinearities in the excitation of the torsional mode 502 can be reduced or suppressed.
  • the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 could be arranged such that the longitudinal axes and the central axis 220 all lie in one plane. Then the rotational symmetry would be twofold (and not fourfold, as in the example of FIG. In such a case, the orthogonal transverse modes 501 (different directions perpendicular to the central axis 220) have different frequencies - due to different moments of inertia.
  • the direction of the low-frequency transverse mode rotates together with the rotation upon excitation of the torsional mode 502.
  • a parametric oscillator is formed because the natural frequencies vary as a function of the angle of rotation or thus as a function of time.
  • the transfer of energy between the various states of the parametric oscillator causes nonlinearities.
  • the support elements can be arranged so that no dependence of the natural frequencies of the torsion angle occur.
  • the twisting of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 into one another along the central axis 220, as well as the twisting of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 along their longitudinal axes increases for greater distances to the base 141 and also increases for larger torsion angles. For example, if the torsional angle of the torsional mode 502 becomes greater than the angular spacing of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 (in the example of Figure 18, 90 ° because of the fourfold rotational symmetry), a complete twist with longitudinal Overlap of the support elements 101-1, 102-1, 101-2, 102-2 into each other before.
  • the torsion angle of the torsional mode 502 can be greater than 360 n, where n describes the accuracy of the rotational symmetry.
  • n describes the accuracy of the rotational symmetry.
  • FIG. 19 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scanning module 101 comprises a single support element 101 with an optional balance weight 1371. Therefore, upon excitation of the transverse mode 501, a tilting of the mirror surface 151 occurs. This is shown in FIG. 20 shown. In FIG. In particular, the lowest order transverse mode 501 is shown. In other examples, it would also be possible to use a transversal mode of higher order to scan light 180, in which case the deflection of support element 101 at certain positions along length 21 1 of support element 101 would be zero (so-called node or belly of deflection) ).
  • FIG. 21 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the scanning module 101 includes a pair of support members 101, 102. These are arranged in a plane (the plane of the drawing in FIG. 21). Upon excitation of the transverse mode 502 with deflection in this plane, there is no tilting of the mirror surface 151. Therefore, the deflection of the light 180 is not influenced by the excitation of the transverse mode 502. This is in FIG. 22 is shown. As a result, a system-inherent stabilization against vibrations can be achieved. A particularly strong stabilization can be achieved, for example, if more than two support elements are used, which are not all in the same plane. This would be, for example, for the scan module 100 according to the example of FIG. 17 the case.
  • FIG. FIG. 23 illustrates aspects relating to a scan module 100.
  • the piezoactuators 310, 320 are applied directly to the support elements 101, 102, for example by vapor deposition processes. It can thus be achieved that the excitation of the degrees of freedom of the movement 501, 502 does not take place via the base 141; but rather directly in the area of the support elements 101, 102. This can allow a particularly efficient and space-saving excitation.
  • FIG. 24 is a flowchart of an exemplary method of manufacturing a scan module.
  • scan module 100 may be made according to various examples described herein.
  • an etching mask is defined by means of lithography in step 5001 on a wafer, for example a Si wafer or an SOI wafer.
  • the wafer may have a thickness of, for example, 500 ⁇ m.
  • step 5002 the wafer is etched.
  • the scan module or parts of the scan module is obtained as a one-piece and freestanding structure.
  • etching could be from one or more sides of the wafer.
  • a front side etch could be done, e.g. with an SOI etch stop.
  • a backside etch could be done, e.g. to define a depression in the edge area of the base.
  • the edge region can obtain a large shape-induced elasticity.
  • a plurality of etched structures could be bonded together by gluing or anodic bonding (see Figures 17 and 25).
  • the scan module can be completed.
  • the etched structures to be joined could be cropped: for this, the wafer could be cut or sawn.
  • the mirror surface is attached to the scan module 100.
  • the mirror surface could then include a wedge with the unetched wafer surface, eg in the range of -60 ° to + 60 °, optionally of 45 ° or 0 °.
  • the mirror surface could include an angle with the unetched wafer surface of 45 ° ⁇ 15 °.
  • attaching the mirror surface could include trimming aluminum or gold on a corresponding surface of scan module 100 and interface element 142, respectively.
  • a mirror 150 could be adhered to the interface element 142 by means of adhesive.
  • the mirror 150 could also be made of a semiconductor material or of glass. Anodic bonding would also be possible to secure the mirror 150.
  • Other examples of joining techniques include: fusion bonding; Fusion or direct bonding; eutectic bonding; Thermocompression bonding; and adhesive bonding. In general, therefore, the mirror 150 can be fixed on the scan module 100.
  • step 5004 basically an optional step, the actuator is attached to the scan module 100.
  • this could include depositing piezoelectric material on the support members 101, 102 (see FIG. 23).
  • bending piezoactuators it would also be possible for bending piezoactuators to be attached to the base 141, for example.
  • FIG. FIG. 25 illustrates aspects related to fabricating a scan module 100.
  • FIG. 25 Aspects Related to Joining Multiple Etched Structures 411, 412.
  • FIG. 25 shows that two identical etched structures 411, 412 are obtained by wafer processing.
  • Each of the etched structures respectively forms a corresponding base 141-1, 141-2, a corresponding interface element 142-1, 142-2, and support elements 101-1, 102-1 and 101-2, 102-2.
  • the base 141-1, the interface element 142-1, and the support elements 101-1, 102-1 all have the same thickness 1998, 1999 (in contrast to the scenario of FIG. 3).
  • the base 141-2, the interface element 142-2, and the support elements 101 -2, 102-2 all have the same thickness 1998, 1999 (in contrast to the scenario of FIG. 3).
  • the two etched structures 41 1, 412 are joined together, for example by bonding, bonding with epoxy glue or PMMA, etc. This is shown in FIG. 25 illustrated by the dashed arrows.
  • the etched structures are not directly connected. Rather, spacers 401, 402 are used. These are not one-piece formed with the etched structures 41 1, 412.
  • the base 141-1 of the etched structure 41 1 is bonded to the base 141-2 of the etched structure 412 by a base spacer 401 disposed therebetween.
  • the interface element 142-1 of the etched structure 41 1 is connected to the interface element 142-2 of the etched structure 412 via the interface spacer 402.
  • Per spacer 401, 402 are thus two connecting surfaces - where, for example, adhesive etc. is applied - before, which are each assigned to one of the two structures 411, 412.
  • the plane of symmetry is also shown, which by mirroring the two structures 41 1, 412 into each other; and thus in particular the support elements 101-1, 102-2 in the support elements 101-2, 102-2 images.
  • the spacers 401, 402 may also be obtained by lithography processing of a wafer.
  • the spacers 401, 402 may therefore be made of silicon, for example.
  • the spacers 401, 402 are bulk parts having a low shape-induced elasticity. This causes a strong coupling of the two structures 411, 412 forming the scan module 100.
  • the spacers 401, 402 in particular the distance of the support elements 101-1, 102-1 to 101-2, 102-2 can be set flexibly.
  • the etched structures may be allowed to have no lateral thickness variation - that is, the bases 141 - 1, 141 - 2, the interface elements 142 - 1, 142 - 2, and the support elements 101 - 1, 101 - 2, 102-1, 102-2 can all have the same thickness 1998, 1999. This allows a particularly simple and less error-prone processing of the wafer.
  • the material is not stressed. For example, SOI wafers may be dispensable because multiple etch stops are not needed. This can cheapen the process.
  • the shape-induced elasticity of the edge region 146 is made possible by the geometric shape of the edge region 146: in the example of FIG. 25, the edge region 146 of the bases 141-1, 141-2 is bow-shaped. The central area 145 and the edge area 146 have the same thickness 1998. In order to promote tilting of the bases 141-1, 141-2 for exciting the torsional mode 502, the edge regions 146 of the bases 141-1, 141-2 have an increased shape-induced elasticity. This is shown in the example of FIG. 25 also achieved by depressions, which in the edge regions 146 on one of the central regions 145 to be turned Position are located (in FIG 25 by the dashed circle highlighted). Corresponding details are in connection with FIG. 25 described.
  • FIG. FIG. 26 illustrates aspects relating to the scan module 100.
  • FIG. FIG. 26 is a sectional view taken along line A-A 'of FIG. 25.
  • FIG. FIG. 26 illustrates aspects related to shape-induced elasticity of the edge regions 146 of the bases 141-1, 141-2.
  • the bases 141-1, 142-2 comprise a central area 145 and an edge area 146 (see also FIG. 4).
  • the edge regions 146 each have a depression 149 or trench / notch / taper.
  • the depression 149 is in each case arranged along an axis 148, which are each arranged perpendicular to the longitudinal axes 1111, 112 of the support elements (perpendicular to the plane of the drawing of FIG.
  • the recesses 149 are arranged on a central region 145 to be turned side of the bases 141-1, 141-2.
  • the recesses 149 may be disposed adjacent to the central region 145.
  • tilting of the bases 141 - 1, 141 - can take place about a tilt axis which is arranged parallel to the longitudinal axes 11 1, 12 of the support elements (perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 26) (tilting is illustrated in FIG the dotted arrow shown).
  • Such tilting may be accomplished by bending piezoactuators located at the edge regions 146, for example, spaced apart from the depressions 149 (see also FIGS. 5A, 5B, 6A, 6B).
  • the recesses could be created by backside structuring of a corresponding wafer, wherein the support elements Vorderrichstruktun für für kali can be generated. In this way it can be avoided that, in the case of mechanical removal of wafer material following the front side structure and before the back side structure in the area of the depression, a breakage of the material or excessive stress on the material takes place.
  • the features of the previously described embodiments and aspects of the invention may be combined. In particular, the features may be used not only in the described combinations but also in other combinations or per se, without departing from the scope of the invention.
  • various techniques have been described above with respect to scan module with a certain number of support elements. The different techniques but can also be used for scan module with a different number of support elements.

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Abstract

Ein Scanmodul (100) für einen Lichtscanner (99) umfasst eine Basis (141) und ein Schnittstellenelement (142), welches eingerichtet ist, um eine Spiegeloberfläche (151) zu fixieren. Das Scanmodul (100) umfasst auch mindestens ein Stützelement (101, 102), welches sich zwischen der Basis (141) und dem Schnittstellenelement (142) erstreckt und eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche (151) aufweist, die nicht kleiner als 0,7 mm ist. Dabei sind die Basis (141), dass Schnittstellenelement (142) und das mindestens eine Stützelement (101) einstückig ausgebildet.

Description

MEMS Scanmodul für einen Lichtscanner TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Scanmodul für einen Lichtscanner. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Scanmodul mit mindestens einem elastischen Stützelement, das sich zwischen einer Basis und einem Schnittstellenelement zum Fixieren einer Spiegeloberfläche erstreckt und eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche aufweist, die nicht kleiner als 0,7 mm ist. Dadurch wird resonantes Scannen ermöglicht.
HINTERGRUND Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln. Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden. Mikroelektromechanische (MEMS) Bauteile können dazu verwendet werden, um einen Laserscanner zu implementieren. Siehe z.B. DE 10 2013 223 937 A1. Dabei wird ein Spiegel typischerweise über laterale Federelemente mit einem Substrat verbunden. Der Spiegel und die Federelemente sind einstückig bzw. integriert mit dem Substrat hergestellt. Der Spiegel wird durch geeignete Ätzprozesse aus einem Wafer freigestellt.
Solche Techniken weisen aber bestimmte Nachteile und Einschränkungen auf. Beispielsweise ist der Scanwinkel oftmals vergleichsweise beschränkt und liegt z.B. in der Größenordnung von 20° - 60°. Außerdem ist oftmals die verwendbare Spiegelfläche beschränkt; typische Spiegel können eine Seitenlänge von 1 mm - 3 mm aufweisen. Deswegen kann bei LIDAR Techniken die Detektorapertur limitiert sein; dies bewirkt, dass nur vergleichsweise nahe Objekte zuverlässig vermessen werden können.
Um diese Nachteile auszugleichen, ist es bekannt, mehrere Spiegel synchronisiert zu betreiben. Siehe z.B. Sandner, Thilo, et al. "Large aperture MEMS Scanner module for 3D distance measurement." MOEMS-MEMS. International Society for Optics and Photonics, 2010. Die Synchronisation kann aber vergleichsweise aufwendig sein. Außerdem kann es dann nicht oder nur eingeschränkt möglich sein, zweidimensionales Scannen zu implementieren. Auch hier ist der Scanwinkel begrenzt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Abstandsmessung von Objekten im Umfeld einer Vorrichtung. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile beheben. Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
In einem Beispiel umfasst ein Scanmodul für einen Lichtscanner eine Basis und ein Schnittstellenelement. Das Schnittstellenelement ist eingerichtet, um eine Spiegeloberfläche zu fixieren. Das Scanmodul umfasst auch mindestens ein elastisches Stützelement, dass sich zwischen der Basis und dem Schnittstellenelement erstreckt und dass eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche aufweist, die nicht kleiner als 0,7 mm ist. Die Basis, das Schnittstellenelement und das mindestens eine Stützelement sind einstückig ausgebildet. Weil das mindestens eine Stützelement elastisch ausgebildet ist, kann es auch als Federelement bezeichnet werden. Dadurch kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements resonant angeregt werden. Dies entspricht dem resonanten Betrieb des Lichtscanners (engl, resonant Scanner). Dies ist in Abgrenzung zu nicht-resonant getriebenen Lichtscanners, z.B. mit Kugellager für eine konstante rotierende Bewegung oder Schrittmotoren. Beispielsweise wäre es möglich, dass das mindestens eine Stützelement eine Ausdehnung senkrecht zur Basis aufweist, die nicht kleiner als 1 mm ist, optional nicht kleiner als 3,5 mm, weiter optional nicht kleiner als 7 mm. Weil das mindestens eine Stützelement eine signifikante Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche aufweist, kann dieses - anders als die lateralen Federelemente im Stand der Technik - auch als vertikal orientiertes Stützelement bezeichnet werden. Durch eine solche Anordnung lassen sich besonders große Scanwinkel erzeugen, beispielsweise im Bereich von 120° - 180°.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass das Scanmodul mindestens zwei Stützelemente aufweist. Das Scanmodul könnte mindestens drei Stützelemente umfassen, optional mindestens vier Stützelemente. Dadurch lassen sich besonders robuste und wenig vibrationsanfällige Scanmodule erzeugen.
Beispielsweise wäre es möglich, dass die Längsachsen der mindestens zwei Stützelemente jeweils paarweise Winkel miteinander einschließen, die nicht größer als 45° sind, optional nicht größer als 10°, weiter optional nicht größer als 1 °. Dies bedeutet, dass die mindestens zwei Stützelemente parallel bzw. im Wesentlichen parallel miteinander angeordnet sein können.
Die mindestens zwei Stützelemente könnten eine Anordnung mit Rotationssymmetrie in Bezug auf eine Zentralachse aufweisen. Dabei wäre es möglich, dass die Rotationssymmetrie n- zählig ist, wobei n die Anzahl der mindestens zwei Stützelemente bezeichnet. Dadurch ist es möglich, nichtlineare Effekte beim resonanten Betrieb des Lichtscanners zu vermeiden.
Zum resonanten Betrieb des Lichtscanners kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden.
Der mindestens eine Freiheitsgrad der Bewegung könnte eine Transversalmode und eine Torsionsmode umfassen, wobei die Eigenfrequenz der niedrigsten Transversalmode größer ist als die Eigenfrequenz der niedrigsten Torsionsmode.
Der mindestens eine Freiheitsgrad der Bewegung könnte eine Transversalmode und eine Torsionsmode umfassen, wobei die niedrigste Transversalmode entartet ist mit der niedrigsten Torsionsmode. Dadurch kann erreicht werden, dass das Scanmodul besonders robust gegenüber externen Anregungen ist. Die Torsionsmode kann einer Verdrillung der mindestens zwei Stützelemente entsprechen. Die Torsionsmode kann eine Verdrillung jedes einzelnen Stützelements entlang der entsprechenden Längsachse bezeichnen. Optional kann die Torsionsmode auch eine Verdrillung von mehreren Stützelementen ineinander bezeichnen.
Es wäre möglich, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützelementen der mindestens zwei Stützelemente im Bereich von 2 % - 50 % der Länge zumindest einer der mindestens zwei Stützelemente liegt, optional im Bereich von 10 % - 40 %, weiter optional im Bereich von 12 - 20 %. Dies kann eine kompakte Bauform und eine angepasste Frequenz der Torsionsmode ermöglichen.
Es wäre möglich, dass die die mindestens zwei Stützelemente Längen aufweisen, die nicht mehr als 10 % voneinander abweichen, optional nicht mehr als 2 %, weiter optional nicht mehr als 0, 1 %.
Beispielsweise wäre es möglich, dass das Scanmodul ein Wuchtgewicht aufweist. Das Wuchtgewicht kann an zumindest eines von dem mindestens einen Schnittstellenelement angebracht sein. Das Wuchtgewicht kann insbesondere einstückig mit dem mindestens einen Schnittstellenelement ausgebildet sein. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Wuchtgewicht durch eine Veränderung der Querschnittsfläche entlang der Längsachse des mindestens einen Schnittstellenelements implementiert ist. Durch das Wuchtgewicht kann das Massenträgheitsmoment verändert werden. Dadurch kann die Frequenz der Torsionsmode des mindestens einen Schnittstellenelements angepasst werden an die Frequenz der Transversalmoden des mindestens einen Schnittstellenelements. Je nach Ausführung des Wuchtgewichts wäre es z.B. auch möglich, dass eine Entartung der Eigenfrequenzen der orthogonalen Transversalmoden des mindestens einen Schnittstellenelements aufgehoben wird.
In einem Beispiel umfasst das Scanmodul einen ersten Biegepiezoaktuator, einen zweiten Biegepiezoaktuator und die Basis, die zwischen dem ersten Biegepiezoaktuator und dem zweiten Biegepiezoaktuator angeordnet ist. Die Biegepiezoaktuatoren könnten also das mindestens eine Stützelement über die Basis gekoppelt anregen.
Dabei könnte der erste Biegepiezoaktuator eine längliche Form entlang einer ersten Längsachse aufweisen und der zweite Biegepiezoaktuator könnte eine längliche Form entlang einer zweiten Längsachse aufweisen. Die erste Längsachse und die zweite Längsachse könnten einen Winkel miteinander einschließen, der kleiner als 20° ist, optional kleiner als 10°, weiter optional kleiner als 1 °.
Die erste Längsachse und/oder die zweite Längsachse könnten einen Winkel mit einer Längsachse des mindestens einen Stützelements einschließen, der kleiner als 20° ist, optional kleiner als 10°, weiter optional kleiner als 1 °. Alternativ wäre es auch möglich, dass die erste Längsachse und/oder die zweite Längsachse einen Winkel mit einer Längsachse des mindestens einen Stützelements einschließen, der im Bereich von 90° ± 20° liegt, optional im Bereich von 90° ± 10°, weiter optional im Bereich von 90°± 1 °. Die Basis könnte eine Längsausdehnung entlang einer ersten Längsachse des ersten Biegepiezoaktuators aufweisen, die im Bereich von 2 - 20 % der Länge des ersten Biegepiezoaktuators entlang der ersten Längsachse ist, optional im Bereich von 5 - 15 %. Derart können besonders große Scanwinkel erreicht werden und eine effiziente Anregung verschiedener Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements.
Die Basis könnte eine Längsausdehnung entlang einer zweiten Längsachse des zweiten Biegepiezoaktuators aufweisen, die im Bereich von 2 - 20 % der Länge des zweiten Biegepiezoaktuators entlang der zweiten Längsachse ist, optional im Bereich von 5 - 15 %. Dadurch kann erreicht werden, dass der Biegepiezoaktuator eine genügend große Kraft auf die Basis zur effizienten Anregung verschiedener Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements aufbringen kann.
Der erste Biegepiezoaktuator könnte eine längliche Form entlang einer ersten Längsachse aufweisen. Der zweite Biegepiezoaktuator könnte auch eine längliche Form entlang einer zweiten Längsachse aufweisen. Der erste Biegepiezoaktuator könnte sich entlang der ersten Längsachse und der zweite Biegepiezoaktuator könnte sich entlang der zweiten Längsachse entlang einer Längsachse des mindestens einen Stützelements hin zu einem frei beweglichen Ende des mindestens einen Stützelements erstrecken. Die Vorrichtung könnte auch einen Treiber umfassen, der eingerichtet ist, um den ersten Biegepiezoaktuator mit einer ersten Signalform anzusteuern und um den zweiten Biegepiezoaktuator mit einer zweiten Signalform anzusteuern. Dabei könnte die erste Signalform und die zweite Signalform gegenphasige Signalbeiträge aufweisen. Es wäre optional auch möglich, dass die zweite Signalform gleichphasige weitere Signalbeiträge aufweisen, die optional amplitudenmoduliert sind. Beispielsweise könnte die Amplitude der gleichphasigen Signalbeiträge während der Zeitdauer, die Abscannen des Scanbereichs benötigt wird (korreliert mit der Bildwiederholfrequenz), monoton steigen oder sinken. Eine lineare Zeitabhängigkeit der Hüllkurve wäre möglich.
Dabei könnten die Signalbeiträge eine erste Frequenz aufweisen, wobei die weiteren Signalbeiträge eine zweite Frequenz aufweisen, wobei die erste Frequenz im Bereich von 95 - 105 % der zweiten Frequenz liegt oder im Bereich von 45 - 55 % der zweiten Frequenz liegt.
Es wäre möglich, dass die erste Signalform und/oder die zweite Signalform einen DC-Anteil aufweisen.
Ein Verfahren umfasst das Definieren einer Ätzmaske mittels Lithographie auf einem Wafer. Das Verfahren umfasst auch das Ätzen des Wafers mittels der Ätzmaske zum Erhalten mindestens einer geätzten Struktur, die ein Scanmodul ausbildet. Das Verfahren umfasst ferner das Fixieren eines Spiegels mit Spiegeloberfläche an einem Schnittstellenelement des Scanmoduls.
Das Verfahren kann zur Herstellung eines Scanmoduls gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele dienen. Weil das Scanmodul aus einem Wafer - beispielsweise einem Silizium-Wafer oder einem Silizium-auf-lsolator-Wafer (engl. Silicon on insulator, SOI) hergestellt wird, können solche Techniken auch als MEMS-Techniken bezeichnet werden.
Das Fixieren des Spiegels am Schnittstellenelement kann zumindest eine der folgenden Techniken umfassen: Kleben; anodisches Bonden; Direkt-Bonden; eutektisches Bonden; Thermokompressionsbonden; adhäsives Bonden.
Z.B. könnte als Kleber ein Epoxidharz oder Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet werden.
Das Verfahren könnte weiterhin umfassen: Verbinden von mehreren geätzten Strukturen, die das Scanmodul ausbilden, vor dem Fixieren des Spiegels. Es können entsprechende Techniken zum Verbinden der geätzten Sturkturen verwendet werden, die obenstehend im Zusammenhang mit dem Fixieren des Spiegels beschrieben wurden, d.h.: Kleben; anodisches Bonden; Direkt-Bonden; eutektisches Bonden; Thermokompressionsbonden; adhäsives Bonden.
Pro Wafer können im Allgemeinen eine Vielzahl von Strukturen definiert werden, sodass pro Wafer eine Vielzahl von Scanmodulen erhalten werden können. Eine parallele Prozessierung auf Wafer-Level kann damit das individuelle Handhaben von einzelnen Scanmodulen vermeiden. An einer bestimmten Stelle der Prozessierung kann das Freistellen von einzelnen Strukturen erfolgen, zum Beispiel durch Schneiden oder Sägen des Wafers. Dann kann eine Prozessierung auf Scanmodul-Ebene erfolgen. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen, die das Scanmodul ausbilden, auf Wafer-Level - d. h. vor Freistellen einzelner Scanmodule - erfolgt. Es wäre aber auch möglich, dass das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen auf Scanmodul-Level - d. h. nach Freistellen einzelner Scanmodul erfolgt. Jede der mehreren geätzten Strukturen kann eine Basis, ein Schnittstellenelement und mindestens ein Stützelement, das sich zwischen der jeweiligen Basis und dem jeweiligen Schnittstellenelement erstreckt, umfassen. Dann kann das das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen an den Basen und den Schnittstellenelementen der mehreren geätzten Strukturen erfolgen.
Das Verbinden kann direkt oder über Abstandsstücke erfolgen.
Ein Scanmodul für einen resonant betriebenen Lichtscanner umfasst einen Spiegel. Der Spiegel weist eine Spiegeloberfläche auf. Der Spiegel weist auch eine Rückseite auf. Die Rückseite liegt gegenüber von der Spiegeloberfläche. Das Scanmodul weist auch mindestens ein elastisches Stützelement auf, das sich weg von der Rückseite erstreckt. Das mindestens eine elastische Stützelement ist mittels MEMS-Techniken gefertigt.
Dies kann bedeuten, dass das mindestens eine elastische Stützelement durch Wafer-Ätzen und Lithographie aus einem Silizium oder SOI-Wafer gefertigt ist. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass das mindestens eine elastische Stützelement aus einkristallinem Material ausgebildet ist und damit besonders große Verspannungen tolerieren kann.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
FIG. 1A illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul im Beispiel der FIG. 1A zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente aufweist, sowie einen nicht einstückig ausgebildeten Spiegel.
FIG. 1 B illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul im Beispiel der FIG. 1 B zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente aufweist, sowie einen einstückig ausgebildeten Spiegel.
FIG. 1C illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul im Beispiel der FIG. 1 C zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente aufweist, sowie eine Spiegeloberfläche, die auf einem Schnittstellenelement des Scanmoduls aufgebracht ist.
FIG. 2 illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente aufweist, sowie einen nicht einstückig ausgebildeten Spiegel, der gegenüber der Längsachse der Stützelemente verkippt ist.
FIG. 3 ist eine schematische Perspektivansicht eines Scanmoduls gemäß verschiedener Beispiele, welches eine Basis, ein Schnittstellenelement, sowie zwei sich zwischen der Basis und dem Schnittstellenelement erstreckende Stützelemente aufweist. FIG. 4 ist eine schematische Perspektivansicht eines Scanmoduls gemäß verschiedener Beispiele, welches eine Basis, ein Schnittstellenelement, sowie zwei sich zwischen der Basis und dem Schnittstellenelement erstreckende Stützelemente aufweist, wobei die Basis zwei Randbereiche aufweist, die eingerichtet sind, um mit Piezoaktuatoren verbunden zu werden. FIG. 5A ist eine schematische Aufsicht auf ein Scanmodul gemäß verschiedener Beispiele, wobei die Basis mit zwei Biegepiezoaktuatoren verbunden ist.
FIG. 5B ist eine schematische Aufsicht auf ein Scanmodul gemäß verschiedener Beispiele, wobei die Basis mit zwei Biegepiezoaktuatoren verbunden ist.
FIG. 6A ist eine schematische Seitenansicht von Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 6B ist eine schematische Aufsicht auf ein Scanmodul gemäß verschiedener Beispiele, wobei die Basis mit zwei Biegepiezoaktuatoren verbunden ist. FIG. 7 illustriert schematisch einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 8 illustriert schematisch gegenphasige Signalformen, die zum Betreiben von Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele verwendet werden können. FIG. 9 illustriert schematisch gleichphasige Signalformen, die zum Betreiben von Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele verwendet werden können.
FIG. 10 illustriert schematisch gegenphasigen Signalformen mit DC-Anteil, die zum Betreiben von Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele verwendet werden können.
FIG. 1 1 illustriert schematisch gleichphasige Signalformen mit DC-Anteil, die zum Betreiben von Biegepiezoaktuatoren gemäß verschiedener Beispiele verwendet werden können.
FIG. 12 illustriert schematisch eine Amplitudenmodulation von gleichphasigen Signalformen als Funktion der Zeit gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 13 illustriert schematisch eine Überlagerungsfigur für zwei Freiheitsgrade der Bewegung von mindestens einem Stützelement und einen durch die Überlagerungsfigur definierten Scanbereich gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 14 illustriert ein Spektrum der Anregung von mindestens einem Stützelement, wobei FIG.
14 eine Entartung zwischen einer Torsionsmode und einer Transversalmode gemäß verschiedener Beispiele darstellt. FIG. 15 illustriert ein Spektrum der Anregung von mindestens einem Stützelement, wobei FIG.
15 eine aufgehobene Entartung zwischen einer Torsionsmode und einer Transversalmode gemäß verschiedener Beispiele darstellt.
FIG. 16 illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul im Beispiel der FIG. 15 zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente mit jeweiligem Wuchtgewicht aufweist. FIG. 17 ist eine Perspektivansicht eines Scanmoduls für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul zwei Paare von Stützelementen in unterschiedlichen Ebenen aufweist. FIG. 18 illustriert schematisch eine Torsionsmode für das Scanmodul gemäß dem Beispiel der FIG. 17.
FIGs. 19 und 20 illustrieren schematisch eine Transversalmode eines Scanmoduls mit einem einzelnen Stützelement gemäß verschiedener Beispiele.
FIGs. 21 und 22 illustrieren schematisch eine Transversalmode eines Scanmoduls mit zwei parallelen Stützelementen gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 23 illustriert schematisch ein Scanmodul für einen Lichtscanner gemäß verschiedener Beispiele, wobei das Scanmodul im Beispiel der FIG. 23 zwei parallel zueinander angeordnete Stützelemente mit jeweiligem Piezomaterial aufweist.
FIG. 24 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Scanmoduls.
FIG. 25 illustriert schematisch die Herstellung eines Scanmoduls gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 26 ist eine Schnittansicht des Scanmoduls aus FIG. 25.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. 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 wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das zweidimensionale Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch eine Umlenkeinheit umgelenkt werden. Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Z.B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen.
In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei resonant-getriebenen Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines beweglichen Stützelements erfolgen. Dadurch kann in verschiedenen Beispielen eine Überlagerungsfigur abgefahren werden. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel durch die Bewegung des Stützelements umgesetzt werden, beschreiben.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB-Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben - beispielsweise Rot, Grün, Blau oder Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz - abgedeckt wird.
In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen von Licht mindestens ein Stützelement verwendet werden, das eine form- und/oder materialinduzierte Elastizität aufweist. Deshalb könnte das mindestens eine Stützelement auch als Federelement bezeichnet werden. Dann kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden, beispielsweise eine Torsionsmode und/oder eine Transversalmode. D.h. es erfolgt eine resonante Anregung der entsprechenden Mode. Dadurch kann ein Spiegel, der mit einem beweglichen Ende des mindestens einen Stützelements verbunden ist, bewegt werden. Deshalb definiert das bewegliche Ende des mindestens einen Stützelements ein Schnittstellenelement. Dadurch kann Licht gescannt werden. Es wäre beispielsweise möglich, dass mehr als ein einzelnes Stützelement verwendet wird, z.B. zwei oder drei oder vier Stützelemente. Diese können optional symmetrisch in Bezug zueinander angeordnet sein.
Beispielsweise könnte das bewegliche Ende in einer oder zwei Dimensionen bewegt werden. Dazu können ein oder mehrere Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende gegenüber einer Fixierung des mindestens einen Stützelements verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung des mindestens einen Stützelements. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen; dieser kann als Transversalmode (oder manchmal auch als wiggle mode) bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende entlang einer Längsachse des Stützelements verdreht wird (Torsionsmode). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Durch das Bewegen des beweglichen Endes kann erreicht werden, dass Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dazu kann eine Umlenkeinheit wie beispielsweise ein Spiegel vorgesehen sein. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes können unterschiedlich große Scanbereiche implementiert werden. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, die Torsionsmode alternativ oder zusätzlich zur Transversalmode anzuregen, d.h. es wäre eine zeitliche und örtliche Überlagerung der Torsionsmode und der Transversalmode möglich. Diese zeitliche und örtliche Überlagerung kann aber auch unterdrückt werden. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden.
Beispielsweise kann die Umlenkeinheit als Prisma oder Spiegel implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Beriech von 0,05 μηι - 0, 1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 μηι oder 50 μηι aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 μηι bis 75 μηι aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechteckförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12mm aufweisen oder insbesondere 8 mm.
Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB- Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR- Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts zwischen dem Spiegel, dem Objekt und einem Detektor umfassen. Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts umfassen.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, das Scannen des Laserlichts mit einer hohen Genauigkeit bezüglich des Abstrahlwinkels durchzuführen. Zum Beispiel kann im Zusammenhang mit LIDAR-Techniken eine Ortsauflösung der Abstandsmessung durch eine Ungenauigkeit des Abstrahlwinkels begrenzt sein. Typischerweise wird eine höhere (niedrigere) Ortsauflösung erreicht, je genauer (weniger genau) der Abstrahlwinkel des Laserlichts bestimmt werden kann.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, um einen besonders robusten Laserscanner bereitzustellen. Dies wird in verschiedenen Beispielen dadurch erreicht, dass ein Scanmodul bereitgestellt wird, welches ein Stützelement umfasst. Dabei ist das Stützelement einstückig mit einer Basis und einem Schnittstellenelement, das eingerichtet ist, um die Spiegel Oberfläche zu fixieren, ausgebildet.
Durch das einstückige Ausbilden kann erreicht werden, dass ein besonders großer Kraftfluss über die Basis auf das Stützelement übertragen werden kann. Dadurch können ein oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Stützelements besonders effizient angeregt werden. Dadurch kann wiederum erreicht werden, dass das Stützelement eine Bewegung mit einer besonders großen Amplitude durchführt. Dadurch können große Scanwinkel implementiert werden. Außerdem wird vermieden, dass z.B. ein Kleber oder andere Verbindungsmittel - die bei der nicht einstückigen Ausbildung verwendet werden müssten - reißt oder nachgibt und dadurch das Scanmodul beschädigt wird.
Um die verschiedenen Teile des Scanmoduls einstückig auszubilden, können MEMS- Techniken verwendet werden. Beispielsweise könnte das Scanmodul mittels Ätztechniken aus einem Wafer hergestellt werden. Der Wafer kann z.B. 500 μηι dick sein. Zum Beispiel könnten Techniken des nasschemischen Ätzens oder des Trockenätzens verwendet werden, beispielsweise reaktives lonenätzen (engl, reactive ion etching, RIE), z.B. trockenes RIE (engl, dry RIE, DRIE). Der Wafer kann zum Beispiel ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-auf-lsolator (Silicon on insulator, SOI) Wafer sein. Der Isolator könnte ca. 100 μηι unterhalb einer Oberfläche des Wafers angeordnet sein. Dabei kann der Isolator beispielsweise als Ätzstopp wirken. Hierbei ist es möglich, dass Vorderseiten-Ätzen und/oder Rückseiten-Ätzen eingesetzt wird, um die verschiedenen Teile des Scanmoduls freizusetzen. Zum Beispiel wäre es möglich, dass mittels Lithographie Ätzmasken auf dem Wafer definiert werden. Derart kann es insbesondere möglich sein, dass die verschiedenen Teile des Scanmoduls einstückig und optional sogar einkristallin ausgebildet sind. Nachfolgend werden auch Techniken beschrieben, um einen Laserscanner bereitzustellen, der besonders große Scanwinkel implementieren kann. Dies wird in verschiedenen Beispielen dadurch erreicht, dass das Stützelement eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche aufweist, die nicht kleiner als 0,7 mm ist. Im Vergleich zu herkömmlichen MEMS-basierten Mikrospiegeln erstreckt sich daher das Stützelement nicht lediglich in der Ebene der Spiegeloberfläche, sondern weist auch eine signifikante Ausdehnung vertikal zur Spiegeloberfläche auf. Beispielsweise könnte das Stützelement stabförmig entlang einer Längsachse ausgebildet sein, wobei die Längsachse eine Komponente senkrecht zur Spiegeloberfläche aufweist. Dabei könnte das Stützelement aber lokale Veränderungen der Querschnittsfläche aufweisen, um ein Wuchtgewicht zu implementieren.
Durch solche Techniken kann erreicht werden, dass sich die Spiegeloberfläche besonders frei bewegen kann. Dadurch können große Amplituden der Bewegung erzielt werden, wodurch wiederum große Scanwinkel ermöglicht werden. FIG. 1A illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet. Die Stützelemente 101 , 102 sind in einer Ebene ausgebildet (Zeichenebene der FIG. 1A). Im Beispiel der FIG. 1A sind die Stützelemente 101 , 102 gerade ausgebildet, d.h. weisen im Ruhezustand keine Krümmung und keinen Knick auf. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es möglich, eine entsprechende gerade, stabförmige Konfiguration von Stützelementen zu verwenden.
Beispielsweise wäre es möglich, dass die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 mittels MEMS-Prozessen durch Ätzen eines Silizium-Wafers (oder eines anderen Halbleiter-Substrats) erhalten werden. In einem solchen Fall können die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 insbesondere einkristallin ausgebildet sein.
Es wäre möglich, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützelementen 101 , 102 im Bereich von 2 % - 50 % der Länge 21 1 zumindest einer der mindestens zwei Stützelemente liegt, optional im Bereich von 10 % - 40 %, weiter optional im Bereich von 12 - 20 %. Es wäre möglich, dass die die mindestens zwei Stützelemente Längen 211 aufweisen, die nicht mehr als 10 % voneinander abweichen, optional nicht mehr als 2 %, weiter optional nicht mehr als 0, 1 %. Dadurch kann eine besonders große Amplitude von entsprechenden Freiheitsgraden der Bewegung erzielt werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Längsachsen 1 11 , 112 der Stützelemente 101 , 102 jeweils paarweise Wnkel miteinander einschließen, die nicht größer als 45° sind, optional nicht größer als 10°, weiter optional nicht größer als 1 °. Die Stützelemente 101 , 102 weisen eine Anordnung mit Rotationssymmetrie in Bezug auf eine Zentralachse 220 auf. Im Beispiel der FIG. 1A ist das eine zweizählige Rotationssymmetrie. Es wäre auch möglich, dass das Scanmodul 100 nur ein einziges Stützelement aufweist oder mehr als zwei Stützelemente aufweist.
FIG. 1A illustriert auch Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, sowie einen Spiegel 150. In dem Beispiel der FIG. 1A ist der Spiegel 150, der auf der Vorderseite eine Spiegeloberfläche 151 mit hoher Reflektivität (beispielsweise größer als 95 % bei einer Wellenlänge von 950 μηι, Optional >99 %, weiter optional >99,999 %; z.B. Alu oder Gold in einer Dicke von 80 - 250 nm) für Licht 180 ausbildet, nicht einstückig mit der Basis 141 , den Stützelementen 101 , 102, sowie dem Schnittstellenelement 142 ausgebildet. Beispielsweise könnte der Spiegel 150 auf das Schnittstellenelement 142 aufgeklebt sein. Das Schnittstellenelement 142 kann nämlich dazu eingerichtet sein, um die Spiegeloberfläche 151 zu fixieren. Zum Beispiel könnte das Schnittstellenelement 142 für diesen Zweck eine Anlagefläche aufweisen, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Anlagefläche des Spiegels 150 zu fixieren. Um den Spiegel 150 mit dem Schnittstellenelement 142 zu verbinden, könnten beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Techniken verwendet werden: Kleben; Löten. Zwischen dem Schnittstellenelement 142 und der Spiegelfläche 151 ist eine Rückseite 152 des Spiegels 150 angeordnet. Das Schnittstellenelement 142 ist an der Rückseite 152 des Spiegels 150 angeordnet. Aus FIG. 1 ist ersichtlich, dass sich die Stützelemente weg von der Rückseite 152 des Spiegels 150 erstrecken, hin zur Basis 141. Dadurch können platzintensive, Rahmen-artige Strukturen wie bei herkömmlichen MEMS-Ansätzen vermieden werden. Der Spiegel 150 kann also über das Schnittstellenelement 142 mit den Stützelementen 101 , 102 verbunden werden. Dadurch ist eine zweistückige Fertigung möglich, sodass keine komplizierte integrierte Rückseitenstrukturierung wie in herkömmlichen MEMS-Ansätzen erfolgen muss. Mittels solcher Techniken können große Spiegeloberflächen realisiert werden, z.B. nicht kleiner als 10 mmA2, optional nicht kleiner als 15 mmA2. Dadurch kann im Zusammenhang mit LIDAR-Techniken, welche die Spiegeloberfläche 151 auch als Detektorapertur verwenden, eine hohe Genauigkeit und Reichweite erzielt werden. In dem Beispiel der FIG. 1A weisen die Stützelemente 101 , 102 eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 auf; diese Ausdehnung könnte z.B. ca. 2 - 8 mm betragen, im Beispiel der FIG. 1A. Die Stützelemente sind insbesondere stabförmig entlang entsprechender Längsachsen 11 1 , 112 ausgebildet. In FIG. 1A ist die Oberflächennormale 155 der Spiegeloberfläche 151 dargestellt; die Längsachsen 1 11 , 1 12 sind parallel zu der Oberflächennormalen 155 orientiert, d. h. schließen mit dieser einen Winkel von 0° ein.
Deshalb ist die Ausdehnung der Stützelemente 101 , 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 gleich der Länge 211 der Stützelemente 101 , 102. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Länge 21 1 der Stützelemente 101 , 102 nicht kürzer als 2 mm ist, optional nicht kürzer als 4 mm, weiter optional nicht kürzer als 6 mm. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Länge der Stützelemente 101 , 102 nicht größer als 20 mm ist, optional nicht größer als 12 mm, weiter optional nicht größer als 7 mm. Wenn mehrere Stützelemente verwendet werden, können diese alle dieselbe Länge aufweisen. Je nach relativer Orientierung der Längsachsen 11 1 , 1 12 in Bezug auf die Spiegeloberfläche 151 wäre es aber möglich, dass die Ausdehnung der Stützelemente 101 , 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 kürzer ist, als deren Länge 211 (weil lediglich die Projektion parallel zur Oberflächenormalen 155 berücksichtigt wird). Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Ausdehnung der Stützelemente 101 , 102 senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 nicht kleiner als 0,7 mm ist. Ein solcher Wert ist größer als die typische Dicke eines Wafers, aus welchem das Scanmodul 100 hergestellt werden kann. Dadurch können besonders große Scanwinkel für das Licht 180 implementiert werden.
Die Stützelemente 101 , 102 könnten beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Stützelemente 101 , 102 könnten auch einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Es wären aber auch andere Querschnittsformen, wie beispielsweise kreisförmig, dreiecksförmig, etc., möglich. Typische Seitenlängen des Querschnitts der Stützelemente 101 , 102 können im Bereich von 50 μηι bis 200 μηι liegen, optional ca. 100 μηι betragen. Die kurze Seite des Querschnitts könnte im Allgemeinen nicht kleiner als 50 % der langen Seite des Querschnitts sein; das bedeutet, dass die Stützelemente 101 , 102 nicht als flache Elemente ausgebildet sein können. Derart kann sichergestellt werden, dass das Material im Bereich der Stützelemente 101 , 102 genügend große Spannungen absorbieren kann, ohne Schaden zu nehmen. Gleichzeitig kann jedoch eine forminduzierte Elastizität des Materials im Bereich der Stützelemente 101 , 102 genügend große Werte annehmen, um eine Bewegung des Schnittstellenelements 142 gegenüber der Basis 141 zu ermöglichen. Beispielsweise könnte eine Torsionsmode und/oder eine Transversalmode der Stützelemente 101 , 102 verwendet werden, um das Schnittstellenelement 142 - und damit den Spiegel 150 - zu bewegen. Dadurch kann das Scannen von Licht implementiert werden (in FIG. 1A ist der Ruhezustand der Stützelemente 101 , 102 dargestellt). In dem Beispiel der FIG. 1A umfasst das Scanmodul 102 Stützelemente 101 , 102 die in einer Ebene angeordnet sind (die Zeichenebene der FIG. 1A). Durch das Verwenden von zwei Stützelementen 101 , 102 kann das Scanmodul 100 mit einer besonders großen Robustheit implementiert werden. Insbesondere kann dadurch die Spannung pro Stützelement 101 , 102 reduziert werden. Andererseits kann es bei einem einzelnen Stützelement möglich sein, besonders gut zweidimensionales Scannen des Lichts 180 zu ermöglichen.
FIG. 1 B illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet. Das Beispiel der FIG. 1 B entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 1A. Jedoch ist in dem Beispiel der FIG. 1 B der Spiegel 150 einstückig mit dem Schnittstellenelement 142 bzw. den Stützelementen 101 , 102 sowie der Basis 141 ausgebildet. Um eine möglichst große Spiegeloberfläche 151 zu erreichen, ist in dem Beispiel der FIG. 1 B ein Überstand über einen Zentralbereich des Schnittstellenelement 142 vorgesehen. Dadurch kann erreich werden, dass der Kraftfluss zwischen dem Scanmodul 100 und dem Spiegel 150 nicht über einen Kleber übertragen werden muss.
FIG. 1C illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet.
Das Beispiel der FIG. 1C entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 1 B. In dem Beispiel der FIG. 1C sind der Spiegel 150 und das Schnittstellenelement 142 durch ein und dasselbe Element implementiert. Die Spiegeloberfläche 151 ist auf dem Schnittstellenelement 142 direkt aufgebracht. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau.
FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet.
Das Beispiel der FIG. 2 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 1A. In dem Beispiel der FIG. 2 sind jedoch die Längsachsen 1 1 1 , 1 12 der Stützelemente 101 , 102 nicht senkrecht zur Spiegeloberfläche 151 orientiert. In FIG. 2 ist der Winkel 159 zwischen der Oberflächennormalen 155 der Spiegeloberfläche 151 und den Längsachsen 1 11 , 1 12 dargestellt. Der Wnkel 159 beträgt in dem Beispiel der FIG. 2 45°, könnte aber im Allgemeinen im Bereich von -60° bis +60° liegen, oder optional im optional im Bereich von -45° ± 15° oder im Bereich von +45° ± 15°, d.h. im Wesentlichen 45° betragen
Insbesondere ist in FIG. 2 ein Szenario dargestellt, bei dem ein Strahlengang des Lichts 180 parallel zu den Längsachsen 11 1-112 der Stützelemente 101 , 102 verläuft und ein weiterer Strahlengang des Lichts 180 - nach bzw. vor Umlenkung durch die Spiegeloberfläche 151— senkrecht zu den Längsachsen 1 11 -112 verläuft. Im Allgemeinen kann der Strahlengang des Lichts 180 parallel zu der Zentralachse 220 verlaufen Eine solche Verkippung der Spiegeloberfläche 151 gegenüber den Längsachsen 1 11 , 112 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Torsionsmode der Stützelemente 101 , 102 zur Bewegung des Spiegels 150 verwendet wird. Dann kann ein Periskop-artiges Scannen des Lichts 180 implementiert werden.
Das Periskop-artige Scannen mittels der Torsionsmode weist den Vorteil auf, dass - sofern der Spiegel 150 auch als Detektorapertur verwendet wird - die Größe der Detektorapertur keine Abhängigkeit vom Scanwinkel aufweist; der Winkel zwischen einfallendem Licht und Spiegel 150 ist nämlich nicht abhängig vom Scanwinkel. Das ist verschieden zu Referenzimplementierungen, bei denen durch Verkippung des Spiegels die Größe der Detektorapertur - und damit die Sensitivität der Messung - als Funktion des Scanwinkels variiert.
FIG. 3 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet. FIG. 3 ist eine Perspektivansicht des Scanmoduls 100. In FIG. 3 ist insbesondere eingezeichnet, wie eine Richtung 1901 des Vorderseite-Ätzens und eine Richtung 1902 des Rückseite-Ätzens orientiert sind. Zum Beispiel könnte das Scanmodul 100 durch geeignetes zweistufiges Ätzen eines SOI-Wafers entlang der Richtungen 1901 , 1902 hergestellt werden. Die Grenzflächen zwischen Isolator und Silizium könnten die Stützelemente 101 , 102 definieren.
Beispielsweise könnte dabei die Wafer-Oberfläche senkrecht zu den Richtungen 1901 , 1902 orientiert sein. Aus einem Vergleich der FIGs. 1A, 1 B, 1 C, 2 mit FIG. 3 folgt, dass die Spiegeloberfläche 151 nicht senkrecht zur Wafer-Oberfläche orientiert ist. Dadurch können besonders große Längen 211 des mindestens einen Stützelements 101 , 102 ermöglicht werden. Dies ermöglicht wiederum große Scanwinkel.
Im Beispiel de FIG. 3 ist die Dicke 1998 der Basis 141 und des Schnittstellenelements 142 verschieden von der Dicke 1999 der Stützelemente 101 , 102. In anderen Beispielen wäre es möglich, dass die Basis 141 , das Schnittstellenelement 142 und die Stützelemente 101 , 102 dieselbe Dicke aufweisen. Dies ist auf die Dicken 1998, 1999 in Ätzrichtung der MEMS- Strukturierung bezogen, d.h. senkrecht zu einer Wafer-Normalen in Bezug auf die Vorderseiten-Strukturierung und Rückseiten-Strukturierung gemäß Richtungen 1901 , 1902. Die Wafer-Normale korreliert typischerweise mit einer bestimmten Kristallrichtung.
FIG. 4 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. Das Scanmodul 100 umfasst eine Basis 141 , zwei Stützelemente 101 , 102, sowie ein Schnittstellenelement 142. Dabei sind die Basis 141 , die Stützelemente 101 , 102, sowie das Schnittstellenelement 142 einstückig ausgebildet. FIG. 4 ist eine Perspektivansicht des Scanmoduls 100.
Das Beispiel der FIG. 4 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 3. In dem Beispiel der FIG. 4 umfasst die Basis 141 einen Zentralbereich 145 und zwei auf unterschiedlichen Seiten des Zentralbereichs 145 angeordnete Randbereiche 146. Die Stützelemente 101 , 102 sind mit dem Zentralbereich 145 verbunden. Der Zentralbereich 145, sowie die Randbereiche 146 sind allesamt einstückig ausgebildet. Die Randbereiche 146 weisen im Beispiel der FIG. 3 eine wesentlich geringere Dicke auf als der Zentralbereich 145. Beispielsweise könnte die Dicke der Randbereiche 146 nicht größer als 30 % der Dicke des Zentralbereichs 145 sein. Durch die reduzierte Dicke der Randbereiche 146 kann erreicht werden, dass diese eine größere forminduzierte Elastizität aufweisen, als der Zentralbereich 145. Im Allgemeinen könnten auch andere Maßnahmen getroffen werden, um zu erreichen, dass die Randbereiche 146 eine größere forminduzierte Elastizität aufweisen, als der Zentralbereich 145. Beispielsweise könnten Vertiefungen oder Gräben vorgesehen sein, welche die Elastizität bereitstellen.
Die Randbereiche 146 können dazu verwendet werden, um eine Verbindung mit Piezoaktuatoren herzustellen. Der Zentralbereich 145 stellt dabei die Verbindung mit den Stützelementen 101 , 102 her.
FIG. 5A illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, welches zum Beispiel gemäß den verschiedenen anderen hierin beschriebenen Beispielen konfiguriert sein könnte (jedoch ist in FIG. 5A beispielhaft ein Scanmodul 100 mit lediglich einem einzelnen Stützelement 101 dargestellt).
FIG. 5A illustriert insbesondere Aspekte in Bezug auf Piezoaktuatoren 310, 320. In verschiedenen Beispielen können zur Anregung des Stützelements 101 Biegepiezoaktuatoren 310, 320 verwendet werden. Zum Beispiel können im Allgemeinen ein erster und ein zweiter Biegepiezoaktuator verwendet werden. Es wäre möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator plattenförmig ausgebildet sind. Im Allgemeinen kann eine Dicke der Biegepiezoaktuatoren z.B. im Bereich von 200 μηι - 1 mm liegen, optional im Bereich von 300 μηι - 700 μηι. Es wäre beispielsweise möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator eine Schichtstruktur umfassend eine alternierende Anordnung mehrerer piezoelektrischer Materialien aufweist. Diese können einen unterschiedlich starken piezoelektrischen Effekt aufweisen. Dadurch kann eine Verbiegung bewirkt werden, ähnlich einem Bimetallstreifen bei Temperaturänderungen. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste Biegepiezoaktuator und/oder der zweite Biegepiezoaktuator an einer Fixierstelle fixiert sind: ein der Fixierstelle gegenüberliegendes Ende kann dann aufgrund einer Verbiegung bzw. Krümmung des ersten Biegepiezoaktuators und/oder des zweiten Biegepiezoaktuators bewegt werden. Durch die Verwendung von Biegepiezoaktuatoren kann eine besonders effiziente und starke Anregung erreicht werden. Die Biegepiezoaktuatoren können nämlich die Basis 141 bewegen und insbesondere - zum Anregen einer Torsionsmode des mindestens einen Stützelements - verkippen. Außerdem kann es möglich sein, eine hohe Integration der Vorrichtung zur Anregung zu erzielen. Dies kann bedeuten, dass der benötigte Bauraum besonders gering dimensioniert werden kann.
Insbesondere in dem Beispiel der FIG. 5A sind die Piezoaktuatoren 310, 320 als Biegepiezoaktuatoren ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Anlegen einer Spannung an elektrischen Kontakten der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 eine Krümmung bzw. Verbiegung der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 entlang deren Längsachsen 319, 329 bewirkt. Dazu weisen die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 eine Schichtstruktur auf (in FIG. 5A nicht dargestellt und senkrecht zur Zeichenebene orientiert). Derart wird ein Ende 315, 325 der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 gegenüber einer Fixierstelle 311 , 321 senkrecht zur jeweiligen Längsachse 319, 329 ausgelenkt (die Auslenkung ist in dem Beispiel der FIG. 5A senkrecht zur Zeichenebene orientiert). Die Auslenkung 399 der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 aufgrund der Verbiegung ist in FIG. 6A dargestellt.
FIG. 6A ist eine Seitenansicht der Biegepiezoaktuatoren 310, 320. FIG. 6A zeigt die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 in einer Ruhelage, zum Beispiel ohne Treiber-Signal bzw. Verspannung/Krümmung. Wieder Bezug nehmend auf FIG. 5A: Beispielsweise könnten die Fixierstelle in 31 1 , 321 eine starre Verbindung zwischen den Biegepiezoaktuatoren 310, 320 und einem Gehäuse des Laserscanners 99 (in FIG. 5A nicht dargestellt) herstellen. Die Basis 141 könnte eine Längsausdehnung der Längsachsen 319, 329 aufweisen, die im Bereich von 2 - 20 % der Länge der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 entlang der Längsachsen 319, 329 ist, optional im Bereich von 5 - 15 %. Dadurch kann eine genügen starke Anregung erreicht werden; die Basis 141 dämpft die Bewegung der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 dann nur vergleichsweise schwach.
Im Beispiel der FIG. 5A sind die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Es wären auch Verkippungen der Längsachsen 319, 329 zueinander möglich, insbesondere solange diese in einer Ebene liegen. Aus dem Beispiel der FIG. 5A ist ersichtlich, dass die Verbindung der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 mit dem Stützelement 101 über die Randbereiche 146 der Basis 141 implementiert wird. Weil diese Randbereiche 146 eine Elastizität aufweisen, kann die Verbiegung 399 aufgenommen werden und führt zu einer Auslenkung der Basis 141. Dadurch können ein oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Schnittstellenelement 101 gekoppelt über die Basis 141 angeregt werden. Dadurch wird eine besonders effiziente und platzsparende Anregung erzielt.
In dem Beispiel der FIG. 5A erstrecken sich die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 weg von dem Schnittstellenelement 142. Es wäre aber auch möglich, dass die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 sich entlang zumindest 50 % Ihrer Länge hin zu dem Schnittstellenelement 142 erstrecken. Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung erreicht werden. Das ist in FIG. 5B gezeigt.
FIG. 5B illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst das Scanmodul 100, welches zum Beispiel gemäß den verschiedenen anderen hierin beschriebenen Beispielen konfiguriert sein könnte (jedoch ist in FIG. 5B ein Scanmodul 100 mit lediglich einem einzelnen Stützelement 101 dargestellt).
Das Beispiel der FIG. 5B entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 5A. Dabei erstrecken sich aber die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 hin zum Schnittstellenelement 142 bzw. hin zu einem frei beweglichen Ende des mindestens einen Stützelements 101. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des Lichtscanners 99 erreicht werden. Aus einem Vergleich der FIGs. 5A, 5B, 6A mit FIG. 4 folgt, dass bei Anregung über die Randbereiche 146 ein gekoppeltes Anregen der mehreren Stützelemente 101 , 102 erfolgt. Zum Beispiel kann erreicht werden, dass ein Biegepiezoaktuator alle Stützelemente 101 , 102 zusammen über einen durch die Basis 141 geleiteten Kraftfluss anregt. Entsprechend könnte dies erreicht werden, indem der Kraftfluss auf ein mit allen Stützelementen 101 , 102 verbundenes magnetisches Material durch ein gemeinsames Magnetfeld einer Magnetfeldspule angewendet wird. Solche Techniken der gekoppelten Anregung weisen den Vorteil auf, dass eine Energie-effiziente und platzsparende Anregung ermöglicht wird. Außerdem kann durch die Kopplung vermieden werden, dass unterschiedliche Aktuatoren phasenkohärent betrieben werden müssen, was die Implementierung vereinfacht. Durch die gekoppelte Anregung kann insbesondere eine gekoppelte Torsionsmode und/oder eine gekoppelte Transversalmode angeregt werden. Der Aktuator kann zur direkten Kraftwirkung zur Anregung des Freiheitsgrads der Bewegung eingerichtet sein, d.h. es kann vermieden werden, eine parametrische Anregung - wie z.B. in Referenzimplementierungen mit elektrostatischen interdigitalen Fingerstrukturen der Fall - zu verwenden. Währen in den Beispielen der FIGs. 5A, 5B und 6A die Längsachsen 319, 329 parallel zur Längsachse des Stützelements 101 ausgerichtet sind, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass die Längsachsen 319, 329 der Biegepiezoaktuatoren senkrecht zur Längsachse des Stützelements 101 angeordnet sind. Das ist in FIG. 6B dargestellt. Im Allgemeinen Könnten die Längsachsen 319, 329 einen Winkel von 90° ± 20° mit der Längsachse des mindestens einen Stützelements einschließen, optional von 90° ± 5°, weiter optional von 90° ± 1 °.
FIG. 7 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. Der Laserscanner 99 umfasst eine Steuereinheit 4001 , die beispielsweise als Mikroprozessor oder applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) implementiert werden könnte. Die Steuereinheit 4001 könnte auch als feldprogrammierbares Array (FPGA) implementiert werden. Die Steuereinheit 4001 ist eingerichtet, um Steuersignale an einen Treiber 4002 auszugeben. Beispielsweise könnten die Steuersignale in digitaler oder analoger Form ausgegeben werden. Der Treiber 4002 ist wiederum eingerichtet, um ein oder mehrere Spannungssignalen zu erzeugen, und diese an entsprechende elektrische Kontakte der Piezoaktuatoren 310, 320 auszugeben. Typische Amplituden der Spannungssignalen liegen im Bereich von 50 V bis 250 V.
Die Piezoaktuatoren 310, 320 sind wiederum mit dem Scanmodul 100 gekoppelt, wie beispielsweise voranstehenden Bezug auf die FIGs. 5 und 6 beschrieben. Dadurch können ein oder mehrere Freiheitsgrade der Bewegung des Scanmoduls 100, insbesondere von einem oder mehreren Stützelementen 101 , 102 des Scanmoduls 100 angeregt werden. Dadurch wird die Spiegeloberfläche 151 ausgelenkt. Dadurch kann der Umfeldbereich des Laserscanners 99 mit Licht 180 gescannt werden.
FIG. 8 illustriert Aspekte in Bezug auf Signalformen 800, die dazu verwendet werden können, um die Piezoaktuatoren 310, 320 gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele anzusteuern. Beispielsweise könnten die Signalformen 800 von dem Treiber 4002 ausgegeben werden. FIG. 8 illustriert insbesondere den Verlauf der Amplitude der Signalformen 800 als Funktion der Zeit.
In dem Beispiel der FIG. 8 ist ein Signalbeitrag 81 1 (durchgezogene Linie) dargestellt, der dazu verwendet wird, um den Biegepiezoaktuatoren 310 anzusteuern. Außerdem ist in dem Beispiel der FIG. 8 ein Signalbeitrag 821 (gestrichelte Linie) dargestellt, der dazu verwendet wird, um den Biegepiezoaktuatoren 320 anzusteuern. Aus dem Beispiel der FIG. 8 ist ersichtlich, dass die Signalbeiträge 81 1 , 821 gegenphasig konfiguriert sind. Dies bedeutet im Beispiel der FIG. 8, dass die Signalbeiträge 811 , 821 dieselbe Frequenz aufweisen, sowie einen Phasenversatz von 180°. Dadurch kann erreicht werden, dass sich der Biegepiezoaktuatoren 310 nach oben krümmt bzw. bewegt (nach unten krümmt bzw. bewegt), während sich der Biegepiezoaktuatoren 320 nach unten krümmt bzw. bewegt (nach oben krümmt bzw. bewegt). Dadurch kann wiederum erreicht werden, dass sich die Basis 141 abwechselnd nach links und nach rechts verkippt (in Bezug auf eine Zentralachse 220 des einen oder der mehreren Stützelemente 101 , 102). Deshalb kann mit einer solchen Konfiguration der Signalformen 800 eine besonders effiziente Anregung der Torsionsmode des Stützelements oder der Stützelemente 101 , 102 erzielt werden.
FIG. 9 illustriert Aspekte in Bezug auf Signalformen 800, die dazu verwendet werden können, um die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele anzusteuern. FIG. 9 illustriert insbesondere den Verlauf der Amplitude der Signalformen 800 als Funktion der Zeit. In dem Beispiel der FIG. 9 ist ein Signalbeitrag 812 (durchgezogene Linie) dargestellt, der dazu verwendet wird, um den Biegepiezoaktuatoren 310 anzusteuern. Außerdem ist in dem Beispiel der FIG. 9 ein Signalbeitrag 822 (gestrichelte Linie) dargestellt, der dazu verwendet wird, um den Biegepiezoaktuatoren 320 anzusteuern. Aus dem Beispiel der FIG. 9 ist ersichtlich, dass die Signalbeiträge 812, 822 gleichphasig konfiguriert sind. Dies bedeutet dem Beispiel der FIG. 9, dass die Signalbeiträge 812, 822 dieselbe Frequenz aufweisen, sowie einen Phasenversatz von 0°. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 eine Amplitudenmodulation aufweisen.
Durch die gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 kann erreicht werden, dass sich der Biegepiezoaktuatoren 310 nach oben krümmt bzw. bewegt (nach unten krümmt bzw. bewegt), während sich der Biegepiezoaktuatoren 320 nach oben krümmt bzw. bewegt (nach unten krümmt bzw. bewegt). Dadurch kann wiederum erreicht werden, dass die Basis 141 abwechselnd nach oben und unten bewegt wird (in Bezug auf die Zentralachse 220). Deshalb kann mit einer solchen Konfiguration der Signalformen 800 eine besonders effiziente Anregung von Transversalmoden des Stützelements oder der Stützelemente 101 , 102 erfolgen. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die Signalbeiträge 811 , 821 zeitlich überlagert mit den Signalbeiträge in 812, 822 angewendet werden. Dies kann insbesondere dann erstrebenswert sein, wenn lediglich ein einzelnes Stützelement verwendet wird. Dann kann eine zeitliche und räumliche Überlagerung einer Torsionsmode und einer Transversalmode des mindestens einen Stützelements erhalten werden. Dadurch kann erreicht werden, dass ein zweidimensionaler Scanbereich abgescannt wird, wobei das Licht an der einzelnen Spiegeloberfläche umgelenkt wird. Dies kann eine besonders platzsparende Integration des Laserscanners 99 erreichen.
In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass entweder die gegenphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 oder aber die gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 angewendet werden. Dies kann insbesondere erstrebenswert sein, wenn mehr als ein einzelnes Stützelement verwendet wird. Dann kann entweder die Torsionsmode oder die Transversalmode des mindestens einen Stützelements angeregt werden. Dadurch kann durch Umlenken an der Spiegeloberfläche ein eindimensionaler Scanbereich abgescannt werden. Um dennoch einen zweidimensionalen Scanbereich zu scannen wäre es beispielsweise möglich, dass zwei Laserscanner das Licht sequenziell umlenken; dabei können die beiden Laserscanner synchronisiert betrieben werden. Nachfolgend wird jedoch vornehmlich auf Szenarien Bezug genommen, bei denen eine zeitliche und örtliche Überlagerung unterschiedlicher Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements dazu verwendet wird, um einen zweidimensionalen Scanbereich abzuscannen.
Eine typische Frequenz der Signalbeiträge 81 1 , 812, 821 , 822 liegt zum Beispiel im Bereich von 50 Hz bis 1 ,5 kHz, optional im Bereich von 200 Hz bis 1 kHz, weiter optional im Bereich von 500 Hz bis 700 Hz. Derart können angemessene Scanfrequenzen erzielt werden.
In den Beispielen der FIGs. 8 und 9 sind Szenarien illustriert, in welchen die gegenphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 zum Anregen der Biegepiezoaktuatoren 310, 320 in etwa dieselbe Frequenz aufweisen, wie die gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die gegenphasigen Signalbeiträge 811 , 821 eine erste Frequenz im Bereich von 95-105 % einer zweiten Frequenz der gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 aufweisen. Mittels einer solchen Implementierung der Frequenzen der Signalformen 800 kann erreicht werden, dass eine besonders effiziente Überlagerungsfigur der verschiedenen Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements 101 , 102 erzielt werden kann. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass eine hohe Bildwiederholrate erzielt werden kann, ohne dass bestimmte Bereiche des Scanbereichs durch Knoten in der Überlagerungsfigur mehrfach gescannt werden. Insbesondere können solche Implementierungen der Frequenzen der Signalformen 800 ausnutzen, dass eine Entartung der verschiedenen angeregten Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements 101 , 102 im Frequenzraum vorliegt. Zum Beispiel kann es möglich sein, eine Entartung der Frequenz der Torsionsmode des mindestens einen Stützelements 101 , 102 und der Frequenz der Transversalmode des mindestens einen Stützelements 101 , 102 durch geeignetes Konfigurieren ein oder mehrerer der folgenden Parameter zu erreichen: Länge 21 1 des mindestens einen Stützelements 101 , 102; Massenträgheitsmoment des mindestens einen Stützelements 101 , 102 und/oder eines Wuchtgewichts, welches an dem mindestens einen Stützelement 101 , 102 angebracht ist; und Massenträgheitsmoment des Schnittstellenelement 142 und/oder des Spiegels 150.
In anderen Beispielen wäre es jedoch auch möglich, dass die gegenphasigen Signalbeiträge 811 , 821 eine andere erste Frequenz aufweisen, als die zweite Frequenz der gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822. Beispielsweise könnte die erste Frequenz der gegenphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 im Bereich von 45-55 % der zweiten Frequenz der gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 liegen, d. h. in etwa die Hälfte der zweiten Frequenz betragen. In anderen Beispielen könnte die erste Frequenz auch in etwa doppelt so groß sein wie die zweite Frequenz und einen ganz anderen Wert annehmen. Durch eine solche Aufhebung der Entartung zwischen den verschiedenen durch die gegenphasigen Signalbeiträge 811 , 821 und gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 angeregten Freiheitsgrade der Bewegung des mindestens einen Stützelements 101 , 102 können nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den entsprechenden Freiheitsgraden der Bewegung vermieden werden. Zum Beispiel kann das Ausbilden eines parametrischen Oszillators durch die Transversalmoden und/oder die Torsionsmode vermieden werden. Dadurch kann ein besonders gezieltes Anregen des mindestens einen Stützelements 101 , 102 erreicht werden.
Durch die Überlagerung der gleichphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 mit den gegenphasigen Signalbeiträge 812, 822 kann erreicht werden, dass die Signalformen 800 am Biegepiezoaktuatoren 810 eine bestimmte Phasenverschiebung gegenüber der Signalformen 800 am Biegepiezoaktuatoren 820 aufweist. Diese Phasenverschiebung kann variiert werden, zum Beispiel in Abhängigkeit der relativen Amplitude der gleichphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 und gegenphasigen Signalbeiträge 812, 822 zueinander. In anderen Worten können die tatsächlichen Signalformen 800 zerlegt werden in die gleichphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 und die gegenphasigen Signalbeiträge 812, 822. In manchen Beispielen kann ein zur Erzeugung der Signalformen 800 verwendeter Treiber bereits die Überlagerung der gleichphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 mit den gegenphasigen Signalbeiträge 812, 822 erzeugen.
FIG. 10 illustriert Aspekte in Bezug auf Signalformen 800, die dazu verwendet werden können, um die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele anzusteuern. FIG. 10 illustriert insbesondere den Verlauf der Amplitude der Signalformen 800 als Funktion der Zeit.
Das Beispiel der FIG. 10 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 8. Jedoch weisen in dem Beispiel der FIG. 10 die Signalbeiträge 811 , 821 jeweils einen DC-Anteil 801 auf. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass lediglich einer der Signalbeiträge 81 1 , 821 einen DC-Anteil 801 (horizontal gestrichelte Linie in FIG. 10) aufweist. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die beiden Signalbeiträge 811 , 821 unterschiedlich dimensionierte DC-Anteile 801 aufweisen, zum Beispiel in Größe und/oder Vorzeichen.
Durch das Vorsehen des DC-Anteils 801 kann erreicht werden, dass eine Vorspannung (englisch bias) des mindestens einen Stützelements 101 , 102 - d. h. eine DC-Auslenkung des mindestens einen Stützelements 101 , 102 - erreicht wird. Dadurch können zum Beispiel ein Versatz des mindestens einen Stützelements und/oder Vorgaben für das Sichtfeld des entsprechenden Scanners kompensiert oder berücksichtigt werden. FIG. 11 illustriert Aspekte in Bezug auf Signalformen 800, die dazu verwendet werden können, um die Biegepiezoaktuatoren 310, 320 gemäß verschiedener hierin beschriebener Beispiele anzusteuern. FIG. 11 illustriert insbesondere den Verlauf der Amplitude der Signalformen 200 als Funktion der Zeit. Das Beispiel der FIG. 11 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 9. Jedoch weisen in dem Beispiel der FIG. 11 die Signalbeiträge 812, 822 jeweils einen DC-Anteil 801 auf. Im Allgemeinen ist es möglich, dass lediglich einzelne der Signalbeiträge 812, 822 einen DC- Anteil 801 aufweisen. Unterschiedliche Signalbeiträge können auch unterschiedliche DC- Anteile aufweisen.
FIG. 12 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Amplitudenmodulation der Signalbeiträge 812, 822. Insbesondere illustriert FIG. 12 die Amplitude der Signalbeiträge 812, 822 als Funktion der Zeit. In dem Beispiel der FIG. 12 ist die Zeitdauer 860 dargestellt, die zum Abtasten einer Überlagerungsfigur benötigt wird. Dies bedeutet, dass die Zeitdauer 860 einer Bildwiederholfrequenz des Laserscanners 99 entsprechen kann.
Aus FIG. 12 ist ersichtlich, dass die Amplitude der gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 als Funktion der Zeit monoton und konstant während der Zeitdauer 860 vergrößert wird. Die Amplitude könnte aber auch stufenweise vergrößert werden. Die Amplitude könnte auch monoton verringert werden.
FIG. 12 illustriert auch Aspekte in Bezug auf eine Amplitudenmodulation der Signalbeiträge 81 1 , 821. Aus FIG. 12 ist ersichtlich, dass die Amplitude der gegenphasigen Signalbeiträge 81 1 , 821 nicht variiert.
Durch solche Techniken kann ein besonders effizientes Scannen des Laserlichts implementiert werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass eine Überlagerungsfigur erhalten wird, die keine oder zumindest wenige Knoten aufweist. Dadurch kann ein großer Scanbereich mit einer großen Bildwiederholfrequenz gescannt werden. Es wurde beobachtet, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn eine kontinuierliche Amplitudenmodulation ohne Sprünge gewählt wird. Besonders gute Ergebnisse können insbesondere für eine Sinus-förmige oder Cosinus-förmige Amplitudenmodulation erhalten werden. Dann werden nämlich nichtlineare Effekte besonders gut unterdrückt. Es kann eine besonders gut definierte Überlagerungsfigur erhalten werden.
FIG. 13 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Überlagerungsfigur 900. FIG. 13 illustriert insbesondere Aspekte in Bezug auf einen Scanbereich 915 (gestrichelte Linie in FIG. 13), der durch die Überlagerungsfigur 900 definiert wird. FIG. 13 zeigt dabei den Scanwinkel 901 , der durch einen ersten Freiheitsgrad der Bewegung 501 des mindestens einen Stützelements 101 , 102 erreicht werden kann. FIG. 13 zeigt auch den Scanwinkel 902, der durch einen zweiten Freiheitsgrad der Bewegung 502 des mindestens einen Stützelements 101 , 102 erreicht werden kann (die Scanwinkel sind beispielsweise auch in FIG. 1 indiziert).
Beispielsweise wäre es möglich, dass der erste Freiheitsgrad der Bewegung 501 einer Transversalmode des mindestens einen Stützelements 101 , 102 entspricht. Dann wäre es möglich, dass die Transversalmode 501 durch die gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 angeregt wird. Entsprechend wäre es möglich, dass der Freiheitsgrad der Bewegung 902 einer Torsionsmode des mindestens einen Stützelements 101 , 102 entspricht. Dann wäre es möglich, dass die Torsionsmode 502 durch die gegenphasigen Signalbeiträge 811 , 821 angeregt wird.
Die Überlagerungsfigur 900 gemäß dem Beispiel der FIG. 13 wird erhalten, wenn die Transversalmode 501 und die Torsionsmode 902 die gleiche Frequenz aufweisen. Außerdem wird die Überlagerungsfigur 900 gemäß dem Beispiel der FIG. 13 dann erhalten, wenn die Amplitude der Transversalmode 501 durch die Amplitudenmodulation der gleichphasigen Signalbeiträge 812, 822 (vergleiche FIG. 12) während der Zeitdauer 860 vergrößert wird. Dadurch wird nämlich erreicht, dass die Überlagerungsfigur 900 als„sich öffnendes Auge" erhalten wird, d. h. mit zunehmender Amplitude der Transversalmode 501 größere Scanwinkeln 901 erhalten werden (durch die vertikalen gepunkteten Pfeile in FIG. 13 dargestellt). Dadurch können Scanzeilen erhalten werden (horizontal gepunktete Pfeile in FIG. 13), mit welchen das Umfeld des Laserscanners 99 abgetastet werden kann. Durch wiederholtes Aussenden von Lichtpulsen können dann unterschiedliche Bildpunkte 951 erhalten werden. Überlagerungsfiguren mit vielen Knoten werden vermieden, wodurch eine besonders große Bildwiederholfrequenz erzielt werden kann. Außerdem wird vermieden, dass bestimmte Bereiche zwischen den Knoten nicht gescannt werden. FIG. 14 illustriert Aspekte in Bezug auf Resonanzkurven 1301 , 1302 der Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502, welche beispielsweise die Überlagerungsfigur 900 gemäß dem Beispiel der FIG. 13 implementieren können. FIG. 14 illustriert dabei die Amplitude der Anregung des jeweiligen Freiheitsgrads der Bewegung 501 , 502. Ein Resonanzspektrum gemäß dem Beispiel der FIG. 14 kann insbesondere dann erstrebenswert sein, wenn eine zeitliche und örtliche Überlagerung der verschiedenen Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502 des mindestens einen Stützelements 101 , 102 für das zweidimensionale Scannen gewünscht ist Die Resonanzkurve 1301 der Transversalmode 501 weist ein Maximum 131 1 auf (durchgezogene Linie). In FIG. 14 ist auch die Resonanzkurve 1302 der Torsionsmode 502 dargestellt (gestrichelte Linie). Die Resonanzkurve 1302 weist ein Maximum 1312 auf.
Das Maximum 1312 der Torsionsmode 502 ist bei einer geringeren Frequenz als das Maximum 131 1 der Transversalmode , die z.B. die Transversalmode 501 niedrigster Ordnung sein könnte. Die Torsionsmode 502 kann also die Grundmode des Systems ausbilden. Dadurch kann erreicht werden, dass das Scanmodul besonders robust gegenüber äußeren Störeinflüssen wie Vibrationen etc. ist. Dies ist der Fall, da solche äußeren Anregungen typischerweise die Transversalmode 501 besonders effizient anregen, jedoch die Torsionsmode 502 nicht besonders effizient anregen.
Beispielsweise könnten die Resonanzkurven 1301 , 1302 Lorentz-förmig sein. Dies wäre der Fall, wenn die entsprechenden Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502 durch einen harmonischen Oszillator beschrieben werden können.
Die Maxima 1311 , 1312 sind gegeneinander in der Frequenz verschoben. Beispielsweise könnte der Frequenzabstand zwischen den Maxima 131 1 , 1312 im Bereich von 5 Hz bis 20 Hz liegen. In FIG. 14 sind auch die Halbwertsbreiten 1321 , 1322 der Resonanzkurven 1301 , 1302 dargestellt. Typischerweise wird die Halbwertsbreite durch die Dämpfung des entsprechenden Freiheitsgrads der Bewegung 501 , 502 definiert. In dem Beispiel der FIG. 14 sind die Halbwertsbreiten 1321 , 1322 gleich; im Allgemeinen könnten die Halbwertsbreiten 1321 , 1322 jedoch verschieden voneinander sein. In manchen Beispielen können unterschiedliche Techniken angewendet werden, um die Halbwertsbreiten 1321 , 1322 zu vergrößern. Zum Beispiel könnte ein entsprechender Kleber vorgesehen sein, deren bestimmten Stellen, zum Beispiel zwischen den Biegepiezoaktuatoren 310, 320 und der Basis 141 , angeordnet ist. In dem Beispiel der FIG. 14 weisen die Resonanzkurven 1301 , 1302 einen Überlappbereich 1330 auf (dunkel dargestellt). Dies bedeutet, dass die Transversalmode 501 und die Torsionsmode 502 entartet sind. In dem Überlappbereich 1330 weist sowohl die Resonanzkurve 1301 eine signifikante Amplituden auf, als auch die Resonanzkurve 1302. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Amplituden der Resonanzkurven 1301 , 1302 in dem Überlappbereich jeweils nicht kleiner als 10 % der entsprechenden Amplituden am jeweiligen Maximum 131 1 , 1312 sind, optional jeweils nicht <5 %, weiter optional jeweils nicht < 1 %. Durch den Überlappbereich 1330 kann erreicht werden, dass die beiden Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502 gekoppelt angeregt werden können, nämlich jeweils semi-resonant bei einer Frequenz 1399. Die Frequenz 1399 liegt zwischen den beiden Maxima 131 1 , 1312 Dadurch kann die zeitliche und örtliche Überlagerung erzielt werden. Andererseits können aber nichtlineare Effekte durch Kopplung zwischen den beiden Freiheitsgraden der Bewegung 501 , 502 unterdrückt bzw. vermieden werden.
FIG. 15 illustriert Aspekte in Bezug auf Resonanzkurven 1301 , 1302 der Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502. In dem Beispiel der FIG. 15 weisen die beiden Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502 keinen Überlappbereich auf. Es liegt eine aufgehobene Entartung vor. Deshalb wird bei Verwendung der Anregungsfrequenz 1399 lediglich die Torsionsmode 502 angeregt. Dies kann erstrebenswert sein, wenn das Scanmodul lediglich eindimensionales Scannen implementieren soll. Das kann insbesondere bei der Verwendung von mehr als einem Stützelement erstrebenswert sein.
Z.B. kann der Freiheitsgrad der Bewegung 502 einer Torsionsmode entsprechen. Die Torsionsmode 502 kann eine Grundmode des kinematischen Systems ausbilden, d.h. es können keine weiteren Freiheitsgrade der Bewegung mit kleineren Eigenfrequenzen vorhanden sein.
Durch das semi-resonante Anregen abseits des Maximums 1312 können nichtlineare Effekte vermieden werden.
Zum Einstellen bzw. verschieben der Resonanzkurven 1301 , 1302 können ein oder mehrere Wuchtgewichte vorgesehen sein, die zum Beispiel einstückig mit dem mindestens einen Stützelements 101 , 102 ausgebildet sein können. Ein entsprechendes Beispiel ist in FIG. 16 dargestellt. Das Beispiel der FIG. 16 entspricht grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 1. Jedoch sind in dem Beispiel der FIG. 16 Wuchtgewichte 1371 , 1372 an den Stützelementen 101 , 102 vorgesehen. Die Wuchtgewichte 1371 , 1372 sind insbesondere einstückig mit den Stützelementen 101 , 102 ausgebildet. Durch die Wuchtgewichte 1371 , 1372 kann die Frequenz der Torsionsmode 502 verändert werden. Die Wuchtgewichte 1371 , 1372 entsprechen einer lokalen Vergrößerung des Querschnitts der stabförmigen Stützelemente 101 , 102.
FIG. 17 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Laserscanner 99. In dem Beispiel der FIG. 17 ist ein Scanmodul 100 dargestellt, welches ein erstes Paar von Stützelementen 101-1 , 102-1 aufweist, sowie ein zweites Paar von Stützelementen 102-1 , 102-2. Das erste Paar von Stützelementen 101-1 , 102-1 ist in einer Ebene angeordnet; das zweite Paar von Stützelementen 101-2, 102-2 ist auch in einer Ebene angeordnet. Diese Ebenen sind parallel zueinander und versetzt zueinander angeordnet. Jedes Paar von Stützelementen ist dabei einer entsprechenden Basis 141-1 , 141-2, sowie einem entsprechenden Schnittstellenelement 142-1 , 142-2 zugeordnet. Beide Schnittstellenelemente 142-1 , 142-2 stellen dabei eine Verbindung mit einem Spiegel 150 her. Derart kann erreicht werden, dass ein besonders stabiles Scanmodul 100 bereitgestellt werden kann, welches eine große Anzahl von Stützelementen aufweist. Insbesondere kann das Scanmodul 100 Stützelemente aufweisen, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Dies kann eine besonders große Robustheit ermöglichen.
Aus FIG. 17 ist auch ersichtlich, dass die Basis 141-1 nicht einstückig mit der Basis 141-2 ausgebildet ist. Außerdem ist das Schnittstellenelement 142-1 nicht einstückig mit dem Schnittstellenelement 142-2 ausgebildet. Auch die Stützelemente 101-1 , 102-1 sind nicht einstückig mit den Stützelementen 102-1 , 102-2 ausgebildet. Insbesondere wäre es möglich, dass die verschiedenen vorgenannten Teile aus unterschiedlichen Bereichen eines Wafers gefertigt werden und anschließend beispielsweise durch Kleben oder anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Andere Beispiele für Verbindungstechniken umfassen: Fusionsbonden; Fusion- bzw. Direkt-Bonden; Eutektisches Bonden; Thermokompressions Bonden; und adhäsives Bonden. Entsprechende Verbindungsflächen 160 sind in FIG. 17 gekennzeichnet. Durch solche Techniken kann erreicht werden, dass das Scanmodul 100 besonders einfach hergestellt werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass das komplette Scanmodul 100 einstückig bzw. integriert aus einem Wafer hergestellt werden muss. Vielmehr kann das Scanmodul 100 in einem zweistufigen Herstellungsprozess erzeugt werden. Gleichzeitig kann dies jedoch die Robustheit nicht signifikant herabsetzen: aufgrund der großflächigen Verbindungsflächen 160 kann eine besonders stabile Verbindung zwischen der Basis 141-1 und der Basis 141-2 bzw. dem Schnittstellenelement 142-1 und dem Schnittstellenelement 142-2 hergestellt werden.
In dem Beispiel der FIG. 17 ist die Basis 141-1 mit der Basis 141-2 direkt verbunden; außerdem ist das Schnittstellenelement 142-1 direkt mit dem Schnittstellenelement 142-2 verbunden. Dies wird durch die Dickevariation gegenüber den Stützelementen 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 ermöglicht (cf. FIG. 3). In anderen Beispielen könnten die Basis 141-1 , die Basis 141-2, das Schnittstellenelement 142-1 , das Schnittstellenelement 142-2 und die Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 alle dieselbe Dicke aufweisen; dann könnte die Verbindung über Abstandsstücke erfolgen (in FIG. 17 nicht gezeigt).
Im Szenario der FIG. 17 ist es möglich, dass die Basis 141-1 , die Stützelemente 101-1 , 102-
1 , sowie das Schnittstellenelement 142-1 durch Spiegelung an einer Symmetrieebene (in weicher auch die Verbindungsflächen 160 liegen) auf die Basis 141-2, die Stützelemente 102- 1 , 102-2, sowie das Schnittstellenelement 142-2 abzubilden. Dadurch kann ein hochsymmetrischer Aufbau erreicht werden. Insbesondere kann ein rotationssymmetrischer Aufbau erreicht werden. Die Rotationssymmetrie kann dabei eine Zähligkeit von n=4 aufweisen; d.h. gleich der Anzahl der verwendeten Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-
2. Ein solcher symmetrischer Aufbau in Bezug auf die Zentralachse 220 kann insbesondere Vorteile in Bezug auf die Anregung der Torsionsmode 502 aufweisen. Nichtlinearitäten können vermieden werden.
FIG. 18 illustriert Aspekte in Bezug auf die Torsionsmode 502. FIG. 18 illustriert schematisch die Auslenkung der Torsionsmode 502 für das Scanmodul 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 17 (in FIG. 18 ist der ausgelenkte Zustand mit den durchgezogenen Linien dargestellt und der Ruhezustand mit den gestrichelten Linien dargestellt).
In FIG. 18 ist auch die Drehachse 220 der Torsionsmode 502 dargestellt. Die Drehachse 220 liegt in der Symmetrieebene 221 , welche die Basis 141-1 auf die Basis 141-2 abbildet bzw. die Stützelemente 101-1 , 101-2 auf die Stützelemente 102-1 , 102-2.
Die mehreren Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 verdrillen sich also (I) sowohl ineinander entlang der Zentralachse 220; als auch (II) jeweils einzeln entlang ihrer Längsachsen. Deshalb kann die Torsionsmode 502 auch als gekoppelte Torsionsmode 502 der Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 bezeichnet werden. Dies wird durch die geometrische Anordnung der Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 zueinander gefördert, nämlich insbesondere durch die parallele Anordnung der Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 beieinander - also mit einem besonders geringen Abstand der Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 im Vergleich zu deren Länge. Diese gekoppelte Torsionsmode 502 kann als parallele Kinematik der Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 bezeichnet werden. In dem Beispiel der FIG. 18 sind die Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 rotationssymmetrischer in Bezug auf eine Zentralachse 220 angeordnet. Insbesondere liegt eine vierzählige Rotationssymmetrie vor. Das Vorhandensein einer Rotationssymmetrie bedeutet beispielsweise, dass das System der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 durch Rotation in sich selbst überführt werden kann. Die Zähligkeit der Rotationssymmetrie bezeichnet, wie häufig pro 360° Drehwinkel das System der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101- 2, 102-2 in sich selbst überführt werden kann. Im Allgemeinen könnte die Rotationssymmetrie n-zählig sein, wobei n die Anzahl der verwendeten Stützelemente bezeichnet.
Durch die rotationssymmetrische Anordnung mit hoher Zähligkeit kann folgender Effekt erzielt werden: Nichtlinearitäten bei der Anregung der Torsionsmode 502 können reduziert bzw. unterdrückt werden. Dies kann durch folgendes Beispiel plausibilisiert werden: zum Beispiel könnten die Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 derart angeordnet werden, dass die Längsachsen und die Zentralachse 220 alle in einer Ebene liegen. Dann würde die Rotationssymmetrie zweizählig sein (und nicht vierzählig, wie in dem Beispiel der FIG. 18). In einem solchen Fall weisen die orthogonalen Transversalmoden 501 (unterschiedliche Richtungen senkrecht zur Zentralachse 220) unterschiedliche Frequenzen auf - aufgrund unterschiedlicher Trägheitsmomente. Damit dreht sich beispielsweise die Richtung der niederfrequenten Transversalmode zusammen mit der Rotation bei Anregung der Torsionsmode 502. Dadurch wird ein parametrischer Oszillator ausgebildet, denn die Eigenfrequenzen variieren als Funktion des Drehwinkels bzw. damit als Funktion der Zeit. Das Übertragen von Energie zwischen den verschiedenen Zuständen des parametrischen Oszillators bewirkt Nichtlinearitäten. Indem eine Rotationssymmetrie mit hoher Zähligkeit verwendet wird, kann das Ausbilden des parametrischen Oszillators verhindert werden. Vorzugsweise können die Stützelemente so angeordnet werden, dass keine Abhängigkeit der Eigenfrequenzen vom Torsionswinkel auftreten.
Indem Nichtlinearitäten bei der Anregung der Torsionsmode der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 vermieden werden, kann erreicht werden, dass besonders große Scanwinkel des Lichts durch die Torsionsmode 502 erzielt werden können.
Die Verdrillung der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 ineinander entlang der Zentralachse 220, sowie die Verdrillung der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 entlang ihrer Längsachsen nimmt zu für größere Abstände zur Basis 141 und nimmt auch zu für größere Torsionswinkel. Wenn beispielsweise der Torsionswinkel der Torsionsmode 502 größer wird als der Winkelabstand der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 (im Beispiel der FIG. 18 90° wegen der vierzähligen Rotationssymetrie) liegt eine vollständige Verdrillung mit Längs-Überlapp der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 ineinander vor. Im Allgemeinen kann also der Torsionswinkel der Torsionsmode 502 größer sein als 360 n, wobei n die Zähligkeit der Rotationssymmetrie beschreibt. Dadurch wird die Verdrillung der Stützelemente 101-1 , 102-1 , 101-2, 102-2 ineinander gefördert. Diese parallele Kinematik ermöglicht große Scanwinkel, bei gleichzeitig geringen nichtlinearen Effekten, sowie geringem Platzbedarf.
FIG. 19 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. In dem Beispiel der FIG. 19 umfasst das Scanmodul 101 einzelnes Stützelement 101 mit einem optionalen Wuchtgewichte 1371. Deshalb erfolgt bei Anregung der Transversalmode 501 eine Verkippung der Spiegeloberfläche 151. Das ist in FIG. 20 dargestellt. In FIG. 20 ist insbesondere die Transversalmode 501 niedrigster Ordnung dargestellt. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass zum Scannen von Licht 180 eine Transversalmode höherer Ordnung verwendet wird, wobei dann die Auslenkung des Stützelements 101 an bestimmten Positionen entlang der Länge 21 1 des Stützelements 101 gleich Null wäre (sog. Knoten oder Bauch der Auslenkung).
FIG. 21 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. In dem Beispiel der FIG. 21 umfasst das Scanmodul 101 ein Paar von Stützelementen 101 , 102. Diese sind in einer Ebene angeordnet (der Zeichenebene in FIG. 21). Bei Anregung der Transversalmode 502 mit Auslenkung in dieser Ebene erfolgt keine Verkippung der Spiegeloberfläche 151. Deshalb wird das Umlenken des Lichts 180 nicht durch die Anregung der Transversalmode 502 beeinflusst. Das ist in FIG. 22 dargestellt. Dadurch kann eine System-inhärente Stabilisierung gegenüber Vibrationen erreicht werden. Eine besonders starke Stabilisierung kann zum Beispiel dann erreicht werden, wenn mehr als zwei Stützelemente verwendet werden, die nicht alle in derselben Ebene liegen. Dies wäre zum Beispiel für das Scanmodul 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 17 der Fall.
FIG. 23 illustriert Aspekte in Bezug auf ein Scanmodul 100. In dem Beispiel der FIG. 23 sind die Piezoaktuatoren 310, 320 direkt an den Stützelementen 101 , 102 aufgebracht, zum Beispiel durch Aufdampf-Prozesse. Derart kann erreicht werden, dass die Anregung der Freiheitsgrade der Bewegung 501 , 502 nicht über die Basis 141 erfolgt; sondern vielmehr direkt im Bereich der Stützelemente 101 , 102. Dies kann eine besonders effiziente und platzsparende Anregung ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich zur Anregung könnte die entsprechende piezoelektrische Schicht auch dazu verwendet werden, die Krümmung der Stützelemente zu detektieren. Dadurch kann der Umlenkwinkel 901 , 902 besonders genau bestimmt werden. Beispielsweise könnten mehrere piezoelektrische Schichten auf unterschiedlichen Seiten der Stützelemente 101 , 102 angebracht sein, um unterschiedliche Richtungen der Krümmung zu detektieren. FIG. 24 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Scanmoduls. Zum Beispiel könnte mit dem Verfahren gemäß FIG. 24 das Scanmodul 100 gemäß verschiedene hierin beschriebener Beispiele hergestellt werden.
Zunächst wird in Schritt 5001 auf einem Wafer - beispielsweise ein Si-Wafer oder ein SOI- Wafer - eine Ätzmaske mittels Lithographie definiert. Der Wafer kann eine Dicke von beispielsweise 500 μηι aufweisen.
Dann wird in Schritt 5002 der Wafer geätzt. Dabei kann zum Beispiel von der Vorderseite und/oder von der Rückseite des Wafers geätzt werden. Derart wird das Scanmodul bzw. Teile des Scanmoduls (geätzte Struktur) als einstückige und freistehende Struktur erhalten.
In Schritt 5002 könnte das Ätzen von ein oder mehreren Seiten des Wafers erfolgen. Z.B. könnte zunächst eine Vorderseiten-Ätzung erfolgen, z.B. mit einem SOI-Ätzstopp. Dann könnte eine Rückseiten-Ätzung erfolgen, z.B. um im Randbereich der Basis eine Vertiefung zu definieren. Dadurch kann der Randbereich eine große form induzierte Elastizität erlangen.
Optional könnten anschließend mehrere geätzte Strukturen durch Kleben oder anodisches Bonden miteinander verbunden werden (vergleiche FIG. 17 und FIG. 25). Dadurch kann das Scanmodul - sofern in Schritt 5002 nur Teile hergestellt werden - komplettiert werden. Z.B. könnte vor dem Verbinden von geätzten Strukturen zum Erhalten des Scanmoduls ein Freistellen der zu verbindenden geätzten Strukturen erfolgen: dazu könnte der Wafer geschnitten oder gesägt werden.
In Schritt 5003 wird die Spiegeloberfläche am Scanmodul 100 befestigt. Die Spiegeloberfläche könnte dann einen Wnkel mit der ungeätzten Waferoberfläche einschließen, z.B. im Bereich von -60° bis +60°, optional von 45° oder 0°. Beispielsweise könnte die Spiegeloberfläche einen Winkel mit der ungeätzen Waferoberfläche von 45° ± 15° einschließen. In einem einfachen Fall könnte das Befestigen der Spiegeloberfläche das Abschneiden von Aluminium oder Gold auf einer entsprechenden Oberfläche des Scanmoduls 100 bzw. des Schnittstellenelement 142 umfassen. In anderen Beispielen könnte beispielsweise mittels Kleber einen Spiegel 150 auf der Schnittstellenelement 142 aufgeklebt werden. Der Spiegel 150 könnte auch aus einem Halbleiter-Material gefertigt sein oder aber aus Glas. Auch anodisches Bonden wäre möglich, um den Spiegel 150 zu befestigen. Andere Beispiele für Verbindungstechniken umfassen: Fusionsbonden; Fusion- bzw. Direkt-Bonden; eutektisches Bonden; Thermokompressions Bonden; und adhäsives Bonden. Im Allgemeinen kann also der Spiegel 150 auf dem Scanmodul 100 fixiert werden.
In Schritt 5004, grundsätzlich ein optionaler Schritt, wird der Aktuator am Scanmodul 100 befestigt. In einem einfachen Beispiel könnte dies das Abscheiden von piezoelektrischem Material auf den Stützelementen 101 , 102 umfassen (vergleiche FIG. 23). In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass zum Beispiel Biegepiezoaktuatoren an der Basis 141 befestigt werden.
FIG. 25 illustriert Aspekte in Bezug auf das Herstellen eines Scanmoduls 100. Insbesondere illustriert FIG. 25 Aspekte in Bezug auf das Verbinden mehrerer geätzter Strukturen 411 , 412.
In FIG. 25 ist dargestellt, dass zwei identische geätzte Strukturen 411 , 412 durch Wafer- Prozessierung erhalten werden. Jede der geätzten Strukturen bildet jeweils eine entsprechende Basis 141-1 , 141-2, ein entsprechendes Schnittstellenelement 142-1 , 142-2, sowie Stützelemente 101-1 , 102-1 und 101-2, 102-2 aus.
Im Beispiel der FIG. 25 weisen die Basis 141-1 , das Schnittstellenelement 142-1 , sowie die Stützelemente 101-1 , 102-1 alle dieselbe Dicke 1998, 1999 auf (im Gegensatz zum Szenario der FIG. 3). Im Beispiel der FIG. 25 weisen die Basis 141-2, das Schnittstellenelement 142-2, sowie die Stützelemente 101 -2, 102-2 alle dieselbe Dicke 1998,1999 auf (im Gegensatz zum Szenario der FIG. 3).
Die beiden geätzten Strukturen 41 1 , 412 werden miteinander verbunden, beispielsweise durch Bonden, Kleben etwa mit Epoxid-Kleber oder PMMA, etc.. Dies ist in FIG. 25 durch die gestrichelten Pfeile illustriert.
In dem Szenario der FIG. 25 werden die geätzten Strukturen nicht direkt miteinander verbunden. Vielmehr werden Abstandsstücke 401 , 402 verwendet. Diese sind nicht einstückig mit den geätzten Strukturen 41 1 , 412 ausgebildet. Im Detail wird die Basis 141-1 der geätzten Struktur 41 1 mit der Basis 141-2 der geätzten Struktur 412 durch ein dazwischen angeordnetes Basis-Abstandsstück 401 verbunden. Ferner wird das Schnittstellenelement 142-1 der geätzten Struktur 41 1 über das Schnittstellen-Abstandsstück 402 mit dem Schnittstellenelement 142-2 der geätzten Struktur 412 verbunden. Pro Abstandsstück 401 , 402 liegen also zwei Verbindungsflächen - an denen beispielsweise Kleber etc. aufgebracht wird - vor, die jeweils einer der beiden Strukturen 411 , 412 zugeordnet sind.
In FIG. 25 ist auch die Symmetrieebene dargestellt, die durch Spiegelung die beiden Strukturen 41 1 , 412 ineinander überführt; und damit insbesondere die Stützelemente 101-1 , 102-2 in die Stützelemente 101-2, 102-2 abbildet. Durch geeignete Dimensionierung der Dicke der Abstandsstücke 401 , 402 kann wiederum eine Anordnung mit vierzähliger Rotationssymmetrie erreicht werden (cf. FIG. 18). Die Abstandsstücke 401 , 402 können auch durch Lithographie-Prozessierung eines Wafers erhalten werden. Die Abstandsstücke 401 , 402 können also zum Beispiel auch aus Silizium gefertigt sein. Im Beispiel der FIG. 25 sind die Abstandsstücke 401 , 402 Bulk-Teile mit einer geringen Form-induzierten Elastizität. Dies bewirkt eine starke Kopplung der beiden das Scanmodul 100 ausbildenden Strukturen 411 , 412.
Durch die Verwendung der Abstandsstücke 401 , 402 kann insbesondere der Abstand der Stützelemente 101-1 , 102-1 zu 101-2, 102-2 flexibel eingestellt werden. Außerdem kann es ermöglich werden, dass die geätzten Strukturen keine laterale Dickevariation aufweisen müssen - d.h., dass die Basen 141 -1 , 141-2, die Schnittstellenelement 142-1 , 142-2, und die Stützelemente 101-1 , 101-2, 102-1 , 102-2 können alle dieselbe Dicke 1998, 1999 aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders einfache und wenig fehleranfällige Prozessierung des Wafers. Außerdem wird das Material nicht beansprucht. Z.B. können SOI-Wafer entbehrlich sein, weil keine multiplen Ätzstopps benötigt werden. Dies kann den Prozess verbilligen. Die forminduzierte Elastizität des Randbereichs 146 wird durch die geometrische Form des Randbereichs 146 ermöglicht: Im Beispiel der FIG. 25 ist der Randbereich 146 der Basen 141- 1 , 141-2 bügeiförmig ausgebildet. Der Zentralbereich 145 und der Randbereich 146 weisen dieselbe Dicke 1998 auf. Um ein Verkippen der Basen 141-1 , 141-2 zum Anregen der Torsionsmode 502 zu fördern, weisen die Randbereiche 146 der Basen 141-1 , 141-2 eine vergrößerte form induzierte Elastizität auf. Dies wird im Beispiel der FIG. 25 auch erreicht durch Vertiefungen, die in den Randbereiche 146 auf einer den Zentralbereichen 145 zu gewendeten Stelle angeordnet sind (in FIG. 25 durch den gestrichelten Kreis hervorgehoben). Entsprechende Details sind im Zusammenhang mit FIG. 25 beschrieben.
FIG. 26 illustriert Aspekte in Bezug auf das Scanmodul 100. FIG. 26 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' der FIG. 25. Insbesondere illustriert FIG. 26 Aspekte in Bezug auf eine forminduzierte Elastizität der Randbereiche 146 der Basen 141-1 , 141-2.
Im Beispiel der FIG. 26 umfassen die Basen 141-1 , 142-2 einen Zentralbe reich 145 sowie einen Randbereiche 146 (vergleiche auch FIG. 4). Dabei weisen die Randbereiche 146 jeweils eine Vertiefung 149 bzw. Graben / Einkerbung / Verjüngung auf. Die Vertiefung 149 ist jeweils entlang einer Achse 148 angeordnet, die jeweils senkrecht zu den Längsachsen 1 11 , 112 der Stützelemente (senkrecht zur Zeichenebene der FIG. 26) angeordnet sind.
Die Vertiefungen 149 sind dabei auf einer dem Zentralbereich 145 zu gewendeten Seite der Basen 141-1 , 141-2 angeordnet. Die Vertiefungen 149 können angrenzend an den Zentralbereich 145 angeordnet sein. Dadurch kann ein Verkippen der Basen 141-1 , 141-2 um eine Kippachse erfolgen, die parallel zu den Längsachsen 1 11 , 1 12 der Stützelemente (senkrecht zur Zeichenebene der FIG. 26) angeordnet ist (das Verkippen ist in FIG. 26 durch den gepunkteten Pfeil dargestellt). Eine solche Verkippung kann durch Biegepiezoaktuatoren erfolgen, die an den Randbereichen 146 - beispielsweise beabstandet zu den Vertiefungen 149 - angeordnet sind (vergleiche auch FIGs. 5A, 5B, 6A, 6B).
Die Vertiefungen könnten durch Rückseitenstruktunerung eines entsprechenden Wafers erzeugt werden, wobei die Stützelemente Vorderseitenstruktunerung erzeugt werden können. Dadurch kann vermieden werden, dass bei mechanischem Abtragen von Wafermaterial im Anschluss an die Vorderseitenstruktunerung und vor der Rückseitenstruktunerung im Bereich der Vertiefung ein Bruch des Materials oder eine übermäßige Beanspruchung des Materials erfolgt. Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise wurden obenstehend verschiedene Techniken in Bezug auf Scanmodul mit einer bestimmten Anzahl von Stützelementen beschrieben. Die verschiedenen Techniken können aber auch für Scanmodul mit einer anderen Anzahl von Stützelementen angewendet werden.
Während obenstehend beispielsweise verschiedene Techniken in Bezug auf einen Laserscanner beschrieben wurden, wäre es im Allgemeinen aber auch möglich, anderes Licht als Laserlicht zu scannen.
Es wurden verschiedene Beispiele in Bezug auf eine zeitliche und örtliche Überlagerung einer Transversalmode und einer Torsionsmode beschrieben. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, andere Freiheitsgrade der Bewegung zeitlich und örtlich zu überlagern, beispielsweise Transversalmoden mit unterschiedlicher Orientierung und/oder Transversalmoden unterschiedlicher Ordnung. Im Allgemeinen ist es auch nicht erforderlich, dass eine zeitliche und örtliche Überlagerung von unterschiedlichen Freiheitsgraden der Bewegung erfolgt. Beispielsweise wäre es in verschiedenen Szenarien möglich, dass eine Entartung zwischen den verschiedenen Moden aufgehoben wird und gezielt einen einzelnen Mode angeregt wird.
Beispielsweise wurden Techniken der örtlichen und zeitlichen Überlagerung für Faser-basierte Scanner in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 010 448.1 diskutiert. Der entsprechende Offenbarungsgehalt - z.B. betreffend Überlagerungsfiguren und die Amplitudenmodulation der Anregung - wird hierin durch Querverweis übernommen. Die entsprechenden Techniken können auch für einstückige MEMS-Scanner angewendet werden.
Beispielsweise wurden Techniken zur Unterdrückung der Verkippung der Spiegeloberfläche in Bezug auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2016 013 227.2 beschrieben. Der entsprechen Offenbarungsgehalt - z.B. betreffend die rotationssymmetrische Anordnung mehrerer Fasern - wird hierin durch Querverweis übernommen. Die entsprechenden Techniken können auch für MEMS-Scanner angewendet werden. Ferner wurden voranstehend verschiedene Beispiele im Zusammenhang mit einem piezoelektrischen Antrieb beschrieben. Die hierin beschriebenen Techniken können aber auch andere Antriebsformen verwenden, z.B. einen magnetischen Antrieb oder einen elektrostatischen Antrieb.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Scanmodul (100) für einen Lichtscanner (99), das umfasst:
- eine Basis (141 , 141-1 , 141-2),
- ein Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2), das eingerichtet ist, um eine
Spiegeloberfläche (151) zu fixieren, und
- mindestens ein Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2), das elastisch ausgebildet ist, sich zwischen der Basis (141 , 141-1 , 141-2) und dem Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) erstreckt und das eine Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche (151) aufweist, die nicht kleiner als 0,7 mm ist,
wobei die Basis (141 , 141-1 , 141-2), das Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) und das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) einstückig ausgebildet sind.
2. Scanmodul (100) nach Anspruch 1 ,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) stabförmig entlang einer Längsachse (11 1 , 112) ausgebildet ist, welche eine Komponente senkrecht zur Spiegeloberfläche (151) aufweist,
wobei die Länge (211) des mindestens einen Stützelements (101 , 101-1 , 101-2, 102,
102-1 , 102-2) nicht kürzer als 2 mm ist, optional nicht kürzer als 4 mm, weiter optional nicht kürzer als 6 mm.
3. Scanmodul (100) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei eine Längsachse (1 11 , 1 12) des mindestens einen Stützelements (101 , 101-1 ,
101-2, 102, 102-1 , 102-2) einen Winkel (159) mit einer Oberflächennormalen (159) der Spiegeloberfläche (151) einschließt, der im Bereich im Bereich von -60° bis +60° liegt, optional im Bereich von -45° ± 15° oder im Bereich von +45° ± 15°. 4. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) mindestens zwei Stützelemente (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) umfasst,
wobei Längsachsen (1 11 , 112) der mindestens zwei Stützelemente jeweils paarweise Winkel miteinander einschließen, die nicht größer als 45° sind, optional nicht größer als 10°, weiter optional nicht größer als 1 °.
5. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) mindestens zwei in einer Ebene angeordnete Stützelemente (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) umfasst.
6. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst:
- eine weitere Basis (141 , 141-1 , 141-2), die mit der Basis (141 , 141-1 , 141-2) verbunden ist und mit dieser nicht einstückig ausgebildet ist,
- ein weiteres Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2), das mit dem
Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) verbunden ist, mit diesem nicht einstückig ausgebildet ist, und das eingerichtet ist, um die Spiegeloberfläche (151) zu fixieren, und
- mindestens ein weiteres Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2), das elastisch ausgebildet ist, sich zwischen der weiteren Basis (141 , 141-1 , 141-2) und dem weiteren Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) erstreckt.
7. Scanmodul (100) nach Anspruch 6,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) durch Spiegelung an einer Symmetrieebene auf das mindestens eine weitere Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) abgebildet werden kann.
8. Scanmodul (100) nach Anspruch 6 oder 7,
wobei die Basis (141 , 141-1 , 141-2) mit der weiteren Basis (141 , 141-1 , 141-2) über ein Basis-Abstandsstück (401) verbunden ist, und/oder
wobei das mindestens eine Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) mit dem mindestens einen weiteren Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) über ein Schnittstellen- Abstandsstück (402) verbunden ist.
9. Scanmodul (100) nach einem der Ansprüche 6 - 8,
wobei das mindestens eine Stützelement zwei Stützelemente (101-1 , 101-2) umfasst, wobei das mindestens eine weitere Stützelement zwei weitere Stützelemente (102-1 ,
102-2) umfasst,
wobei die zwei Stützelemente und die zwei weiteren Stützelemente mit einer vierzähligen Rotationssymmetrie in Bezug auf eine Zentralachse (220) angeordnet sind.
10. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Basis (141 , 141-1 , 141-2) einen Zentralbe reich (145) und einen
Randbereich (146) umfasst,
wobei sich das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) weg von dem Zentralbereich (145) erstreckt, und
wobei der Randbereich (146) eine forminduzierte Elastizität aufweist, die größer ist, als die forminduzierte Elastizität des Zentralbereichs (145).
1 1. Scanmodul (100) nach Anspruch 10,
wobei der Randbereich (146) eine Vertiefung (149) aufweist.
12. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst:
- eine piezoelektrische Schicht (310, 320), die auf dem mindestens einen
Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) angebracht ist und die optional eingerichtet ist, um eine Torsionsmode des mindestens einen Stützelements (101 , 101-1 ,
101- 2, 102, 102-1 , 102-2) anzuregen.
13. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das weiterhin umfasst:
- die Spiegeloberfläche (151), die mit dem Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) verbunden ist und mit diesem nicht einstückig ausgebildet ist.
14. Scanmodul (100) nach Anspruch 13, das weiterhin umfasst:
- einen Spiegel (150) mit der Spiegeloberfläche (151) und einer der Spiegeloberfläche gegenüberliegenden Rückseite (152),
wobei das Schnittstellenelement an der Rückseite (152) des Spiegels (150) angebracht ist.
15. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) mindestens zwei Stützelemente (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) umfasst,
wobei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Stützelementen (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) der mindestens zwei Stützelementen (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 ,
102- 2) im Bereich von 2 % - 50 % der Länge zumindest eines der mindestens zwei
Stützelemente (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) liegt, optional im Bereich von 10 % - 40 %, weiter optional im Bereich von 12 - 20 %.
16. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei sich das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) weg von einer der Spiegeloberfläche (151) gegenüberliegenden Rückseite (152) eines Spiegels (150) erstreckt.
17. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) n Stützelemente (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) umfasst,
wobei n größer oder gleich zwei ist,
wobei die n Stützelemente mit einer n-zähligen Rotationssymmetrie angeordnet sind.
18. Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Basis, das Schnittstellenelement und das mindestens eine Stützelement alle dieselbe Dicke (1998, 1999) senkrecht zur Längsachse (11 1 , 112) des mindestens einen Stützelements aufweisen.
19. Scanmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 - 17,
wobei die Basis und das Schnittstellenelemente senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Stützelements eine größere Dicke (1998) aufweisen, als die Dicke (1999) des mindestens eine Stützelements.
20. Lichtscanner (99), der umfasst:
- das Scanmodul (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, und
- die Spiegeloberfläche (151), und
- mindestens einen Aktuator (310, 320), der eingerichtet ist, um eine Torsionsmode
(502) des mindestens einen Stützelements (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2) oder eine Transversalmode (501) des mindestens einen Stützelements anzuregen.
21. Lichtscanner nach Anspruch 20,
wobei der mindestens eine Aktuator (310, 320) eingerichtet ist, um die Torsionsmode
(502) durch Verkippen der Basis (141 , 141-1 , 141-2) anzuregen.
22. Lichtscanner nach Anspruch 21 ,
wobei der mindestens eine Aktuator (310, 320) an einem Randbereich (146) der Basis angebracht ist.
23. Lichtscanner nach einem der Ansprüche 20 - 22,
wobei der mindestens eine Aktuator (310, 320) einen ersten Biegepiezoaktuator und einen zweiten Biegepiezoaktuator umfasst,
wobei sich die Basis zwischen dem ersten Biegepiezoaktuator und dem zweiten Biegepiezoaktuator erstreckt.
24. Verfahren, das umfasst:
- Definieren einer Ätzmaske mittels Lithographie auf einem Wafer,
- Ätzen des Wafers mittels der Ätzmaske zum Erhalten mindestens einer geätzten Struktur (411 , 412), die ein Scanmodul (100) ausbildet, und
- Fixieren eines Spiegels (150) mit Spiegeloberfläche (151) an mindestens einem Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) des Scanmoduls (100).
25. Verfahren nach Anspruch 24,
wobei das Fixieren des Spiegels zumindest eine der folgenden Techniken umfasst:
Kleben; anodisches Bonden; Direkt-Bonden; eutektisches Bonden;
Thermokompressionsbonden; und adhäsives Bonden.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, das weiterhin umfasst:
- Verbinden von mehreren geätzten Strukturen (41 1 , 412), die das Scanmodul ausbilden, vor dem Fixieren des Spiegels.
27. Verfahren nach Anspruch 26,
wobei jede der mehreren geätzten Strukturen (411 , 412) eine Basis (141 , 141-1 , 141- 2), ein Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) und mindestens ein Stützelement (101 ,
101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2), das sich zwischen der jeweiligen Basis (141 , 141-1 , 141-2) und dem jeweiligen Schnittstellenelement (142, 142-1 , 142-2) erstreckt, umfasst,
wobei das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen (41 1 , 412) an den Basen (141 , 141-1 , 141-2) und an den Schnittstellenelementen (142, 142-1 , 142-2) der mehreren geätzten Strukturen (41 1 , 412) erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27,
wobei das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen (411 , 412) zumindest eine der folgenden Techniken umfasst: Kleben; anodisches Bonden; Direkt-Bonden; eutektisches Bonden; Thermokompressionsbonden; und adhäsives Bonden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 - 28,
wobei das Verbinden der mehreren geätzten Strukturen (41 1 , 412) über
Abstandsstücke (401 , 402) erfolgt. 30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 - 29,
wobei das Verfahren zur Herstellung eines Scanmoduls (100) nach einem der Ansprüche 1 - 19 verwendet wird.
31. Scanmodul für einen resonant betriebenen Lichtscanner, das umfasst:
- einen Spiegel (150) mit einer Spiegeloberfläche (151) und einer der Spiegeloberfläche (152) gegenüberliegenden Rückseite (152), und
- mindestens ein elastisches Stützelement (101 , 101-1 , 101-2, 102, 102-1 , 102-2), das sich von der Rückseite (152) weg erstreckt und das mittels MEMS-Techniken gefertigt ist.
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