EP3669208A1 - Scaneinheit und verfahren zum scannen von licht - Google Patents

Scaneinheit und verfahren zum scannen von licht

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EP3669208A1
EP3669208A1 EP18765801.8A EP18765801A EP3669208A1 EP 3669208 A1 EP3669208 A1 EP 3669208A1 EP 18765801 A EP18765801 A EP 18765801A EP 3669208 A1 EP3669208 A1 EP 3669208A1
Authority
EP
European Patent Office
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support element
mirror surface
support
fixed structure
plane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18765801.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Petit
Mathias Müller
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 EP3669208A1 publication Critical patent/EP3669208A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/008—MEMS characterised by an electronic circuit specially adapted for controlling or driving the same
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical 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
    • G02B26/0833—Optical 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
    • G02B26/0858—Optical 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers

Definitions

  • a scanning unit for scanning light by means of a deflecting element at least one support element, which is configured to elastically couple the deflection element to a fixed structure, extends in a plane defined by a mirror surface of the deflection element.
  • the 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.
  • LIDAR light detection and ranging
  • LADAR LADAR
  • pulsed laser light emitted from 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.
  • microelectromechanical (MEMS) techniques may be used.
  • MEMS microelectromechanical
  • a micromirror is released in a frame structure, e.g. by reactive ion milling of silicon. See, e.g. EP 2 201 421 B1.
  • JP 2015-99270 A discloses a technique in which two torsion springs extend in a plane defined by a mirror surface. Such a structure has the disadvantage that the bending stiffness for bending perpendicular to this plane is a comparatively low.
  • a scanning unit for scanning light comprises a deflecting element.
  • the deflecting element comprises a mirror surface.
  • the scanning unit also includes at least one support element.
  • the at least one support member extends away from a periphery of the mirror surface.
  • the at least one support element is arranged to elastically couple the deflection element with a fixed structure.
  • the deflecting element is formed free-standing with respect to the fixed structure along a continuous circumferential angle of at least 200 ° of a circumference of the mirror surface.
  • the coupling of the deflecting element with the fixed structure can be restricted to a comparatively small area.
  • a 2-point coupling on opposite sides for example as described in US 2014 0300 942 A1, can be avoided. This makes the scan unit more compact and easier to manufacture. In addition, larger scan angles are possible.
  • a LIDAR system could include such a scanning unit.
  • a method of operating a scanning unit to scan light includes driving at least one actuator. This is done for the resonant deflection of at least one support element.
  • the at least one support element extends in a plane defined by a mirror surface of a deflection element.
  • the deflecting element is formed free-standing with respect to the fixed structure along a continuous circumferential angle of at least 200 ° of a circumference of the mirror surface.
  • a method for manufacturing a scanning unit for scanning light comprises: in a first etching process of a first wafer, producing a deflection element and at least one support element that extends away from the deflection element, in the first wafer; in a second etching process of a second wafer, producing at least one further support element in the second wafer; Bonding the first wafer to the second wafer; and cropping the deflection element, the at least one support element and the at least one further support element.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a scanning unit according to various examples.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the scanning unit according to the example of FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically illustrates the deflection of a deflection element, a scanning unit by a torsion of four support elements of a scanning unit according to various examples.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a scanning unit according to various examples, wherein the mirror surface of the corresponding deflecting element has a recess in which a plurality of supporting elements are arranged.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the scanning unit according to the example of FIG. 4th
  • FIG. FIG. 6 is a schematic plan view with a sectional view of the scanning unit according to the example of FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 7 schematically illustrates a scanning unit according to various examples.
  • FIG. 8 schematically illustrates a scanner having two scan units according to various examples.
  • FIG. 9 schematically illustrates a scanner having two scan units according to various examples.
  • FIG. 10 schematically illustrates a scanner with two scan units according to various examples.
  • FIG. 1 1 schematically illustrates a LIDAR system according to various examples.
  • FIG. 12 schematically illustrates a LIDAR system according to various examples.
  • FIG. 13 is a flowchart of an example method.
  • FIG. 14 is a flowchart of an example method.
  • the deflecting element may be formed for example by a mirror.
  • the deflector could also include a prism instead of the mirror.
  • a mirror surface can be provided.
  • the scanning may indicate the repeated scanning of different points in the environment by means of the light.
  • different emission angles can be implemented sequentially.
  • the sequence of radiation angles may be determined by a superposition figure when e.g. two degrees of freedom of movement temporally and optionally spatially superimposed to be used for scanning.
  • the amount of different points in the environment and / or the amount of different radiation angles may define a scan area. Larger scan areas correspond to larger scan angles.
  • the scanning of light by the temporal superposition and optionally a local superposition of two movements corresponding to different degrees of freedom of at least one support element can take place. Then a 2-D scan area is obtained.
  • 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 elastic, reversible movement of at least one 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, for example, in particular 1550 nm or 950 nm.
  • RGB light sources generally refer to light sources in the visible spectrum, the color space being due to interference several different colors - for example, red, green, blue or cyan, magenta, yellow, black - is covered.
  • 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 or elastic suspension.
  • the support element has a movable end. Then at least one degree of freedom of movement of the at least one support element can be excited, for example a torsion and / or a transverse deflection.
  • the support element is also referred to as a torsion spring element or flexure spring element (English, flexure spring element).
  • the natural frequency of the torsional mode is lower than the eigenmode of the bending mode; and in a bending spring element, the natural frequency of the bending mode is lower than the natural frequency of the tapping spring.
  • a single support element e.g. two or three or four support elements. These may optionally be arranged symmetrically with respect to each other.
  • Each of the at least one support member may be straight between the movable end and an opposite end to which the respective support member is connected to an actuator, i. in the rest position have no or no significant curvature.
  • the at least one support element may e.g. have a length between the two ends, e.g. in the range of 2 mm to 15 mm, for example in the range of 3 mm to 10 mm or for example in the range of 5 mm to 7 mm.
  • the at least one support element could be produced by means of MEMS techniques, ie to be produced by means of suitable lithographic process steps, for example by etching from a wafer.
  • lithographic process steps for example by etching from a wafer.
  • reactive ion milling could be used to release from the wafer.
  • a silicon on insulator (SOI) wafer could be used.
  • SOI silicon on insulator
  • the dimensions of the at least one support element could be defined perpendicular to the length when the insulator of the SOI wafer is used as an etch stop.
  • the movable end of at least its support member could be moved in one or two dimensions, with temporal and spatial superposition of two degrees of freedom of movement.
  • 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 or flexure 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.
  • By moving the movable end can be achieved that the deflecting element is deflected and thus laser light is emitted at different angles. This allows an environment to be scanned with the laser light.
  • scan areas of different sizes can be implemented.
  • the torsional mode can be specifically excited and transversal modes can be damped; the actuator can be set up accordingly, e.g. by using a control loop. In other examples, other degrees of freedom of motion could also be implemented.
  • the deflection element may comprise a prism or a mirror.
  • the mirror could be implemented by a wafer, such as a silicon wafer, or a glass substrate.
  • the mirror could have a thickness in the range of 0.05 ⁇ m - 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.
  • the mirror has a mirror surface.
  • the opposite back can be structured, eg with ribs or other stiffening structures.
  • 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.
  • the scanning unit In connection with a LIDAR technique, it may be possible to use the scanning unit both for emitting laser light and for detecting laser light. This means that the detector aperture can also be defined via the deflecting element of the scanning unit.
  • Such techniques are sometimes referred to as spatial filtering. Spatial filtering may allow a particularly high signal-to-noise ratio to be achieved because light is selectively collected from the direction in which the laser light is also emitted becomes. This avoids collecting background radiation from other areas where no signal is expected. Due to the high signal-to-noise ratio, particularly long ranges can be achieved.
  • Various examples are based on the finding that it can often be desirable to use comparatively large mirrors in order to use a large detector aperture in conjunction with the spatial filtering and thus to obtain a particularly high signal-to-noise ratio. At the same time, however, it may be desirable to also implement a particularly large scan angle - for example greater than ⁇ 80 °. This may obviate the use of imaging optics in the emitted beam path downstream of the post-scanner optics, making the system simple and compact. Furthermore, various examples are based on the knowledge that it may be desirable to provide scanning units that are particularly easy to manufacture-in particular with a high degree of automation, for example by wafer structuring by means of lithographic processes.
  • Various examples further underlie the finding that it may often be desirable to use comparatively large mirrors to emit laser light along a low divergence beam path without collimating optics between the mirror and the environment (ie, in a post-scanner array) need.
  • a small divergence can be achieved in particular by the fact that a large transmission aperture - defined by the mirror - is available.
  • FIG. 1 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the scanning unit 100.
  • the scanning unit 100 comprises a deflection element 110 having a mirror surface 11 (in the illustration of FIG. 1, the mirror surface 11 1 lies in the plane of the drawing, i.e. the XY plane).
  • the sides 1 12, 1 13, 1 14, 1 15 of the mirror surface 1 1 1 are shown in FIG. 1 also shown and form a periphery of the mirror surface 1 1 1.
  • mirror surface 1 1 1 in the example of FIG. 1 is formed rectangular, the mirror surface 1 1 1 in other examples could also have a different shape, such as elliptical or circular.
  • the scanning unit 100 also comprises two support elements 121, 122.
  • the support elements 121, 122 are each connected to the deflection element 110 at a movable end 321.
  • the supporting elements 121, 122 can be connected to an actuator, for example with bending piezoactuators (not shown in FIG.
  • the support elements 121, 122 - for example via the actuator - connected to a fixed structure 350.
  • the fixed structure 350 defines the reference coordinate system against which a movement or deflection of the deflecting element 1 10 by elastic deformation of the support members 121, 122 for scanning light is possible.
  • FIG. 1 illustrates the deflecting element 1 10 in a rest position. This means that there is no elastic deformation of the support elements 121, 122. For example, the corresponding actuator could be off. From FIG. 1 it can be seen that in the rest position the support elements 121, 122 are straight, between the ends 321 and 322. Corresponding central axes 182, 183 of the support elements 121, 122 are shown in FIG. 1 shown.
  • the length 352 of the support members 121, 122 along the Y-axis is typically in the range of 3 mm - 15 mm.
  • the width of the support elements 121, 122 along the X-axis is typically in the range of 50 ⁇ - 250 ⁇ .
  • the support members 121, 122 may have a square cross-section.
  • the support members 121, 122 may thus be rod-shaped and thus as torsion springs.
  • a torsion axis 181 is also shown.
  • the support elements 121, 122 along their central axis 182, 183 or with respect to the torsion axis 181 can cause a deflection or in particular a tilting of the deflecting element 1 10 and thus the mirror surface 1 1 1; the axis of rotation corresponds to the torsion axis 181 (in the example of FIG. 1, the mirror surface 11 would be tilted to the left of the torsion axis 181 into the drawing plane and to the right of the torsion axis 181 out of the plane of the drawing). This may make it possible to redirect laser light.
  • the deflecting element 1 10 is formed along a large continuous peripheral angle 380 of almost 360 ° freestanding relative to the fixed structure 350.
  • the deflecting element along a continuous peripheral angle 380 of at least 200 ° of the circumference of the mirror surface 1 1 1 could be free-standing with respect to the fixed structure 350.
  • the deflecting element 110 By such a coupling of the deflecting element 110 with the fixed structure 350, it can be achieved that particularly large deflections of the deflecting element become possible. As a result, particularly large scan areas can be achieved. For example, scan angles of at least ⁇ 45 °, optionally at least ⁇ 80 °, optionally of at least ⁇ 120 °, further optionally of at least ⁇ 180 °.
  • the mirror surface 1 1 could have side lengths 353 in the range of 3 mm - 15 mm. The side lengths 353 may be in the range of 20% - 500% of the length of the support members 352.
  • the deflecting element 1 10 and the support members 121, 122 integrally formed.
  • the support elements 121, 122 and the deflection element 1 10 it would be possible for the support elements 121, 122 and the deflection element 1 10 to be released from a common wafer in a common lithography / etching process.
  • the region of the transition between the deflecting element 1 10 and the support members 121, 122 therefore there is no material transition or a material inhomogeneity; the corresponding region or the remaining regions can in particular be produced from a monocrystalline wafer.
  • an end portion 141 - the e.g. can be configured to engage with an actuator - is integrally formed with the support members 121, 122 and the deflection element 1 10.
  • the two support elements are arranged parallel to each other.
  • the central axes 182, 183 of the support members 121, 122 to enclose an angle no greater than 20 °, optionally not greater than 5 °, further optionally not greater than 1 °.
  • Such an arrangement of the two support elements 121, 122, a parallel kinematics can be generated, which allows large scan angle.
  • the deformation of the two support elements 121, 122 may correspond to each other.
  • the parallel kinematics is further promoted by the fact that the distance 351 between the central axes 182, 183 in the region of the movable end 321 is comparatively small.
  • the distance 351 could be much smaller than the length 352 of the support elements and also also much smaller than the circumferential length of the mirror surface 1 1 1.
  • this distance 351 is not greater than 40% of the circumferential length (i.e., the sum of the lengths of the sides 1 12-1 15), optionally not greater than 10%, further optionally not greater than 5%.
  • the robustness against external shock can also be promoted by using two support elements. This means - despite the large scanning angle - a high degree of robustness against shock can be achieved.
  • further support elements 121, 122 may also be provided. A corresponding example is shown in FIG. 2 shown.
  • FIG. 2 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 2 is a perspective view.
  • the scanning unit 100 comprises a total of four support elements 121, 122, 131, 132.
  • the support elements 121, 122 are in the Z direction, i. perpendicular to the mirror surface 1 1 1, offset from the support members 131, 132 arranged.
  • the support elements 131, 132 are also offset from the plane defined by the mirror surface 1 1 1 level.
  • the support members 131, 132 are in the rest position in the z-direction offset from the deflecting element 1 10.
  • the support members 131, 132 are connected via an interface element 142 with the rear side of the deflecting element 1 10 and are therefore also adapted to the deflecting elastic with the Coupling fixed structure 350.
  • the various support elements 121, 122, 131, 132 or their central axes are all parallel to one another.
  • the central axes of the support members 121, 122, 131, 132 could also include comparatively small angles, e.g. Angles that are not greater than 10 ° or greater than 5 ° at rest.
  • the parallel kinematics of the support elements 121, 122, 131, 132 is promoted. From FIG. 2, it can be seen that the plane (plane 901, see also FIG. 3) in which the support elements 121, 122 are arranged offset relative to the plane in which the support elements 131, 132 are arranged (plane 902, cf. 3).
  • the support elements 131, 132, the end portion 141 -2, and an interface element 142 are also integrally formed.
  • the combined, one-piece part 131, 132, 141 -2, 142 is connected at contact surfaces 160 with the combined, one-piece part 141 -1, 121, 122, 110, eg by means of adhesive, wafer bonding, anodic bonding, fusion bonding, direct -Bonding, eutectic bonding, thermocompression bonding, adhesive bonding, etc.
  • the bonding could be done, for example, at a time at which the parts 131, 132, 141 -2, 142 and 141 -1, 121, 122, 1 10 still are not released from the corresponding wafer; ie, two wafers, each carrying one of the two parts, eg in an array, could be brought into contact with each other to perform the bonding. Only then can the structures be released.
  • the scanning unit 100 can be made particularly simple and robust.
  • 3-D structuring in the X-direction, Y-direction and Z-direction can produce a high degree of robustness against shock, high resonance frequencies and large scan angles. From FIG.
  • a thickness of the support elements 121, 122, 131, 132 perpendicular to the mirror surface 1 1 1 - ie in the Z direction - is smaller than a thickness of the deflecting element 1 10 in the z direction. This can promote a high elasticity of the support elements 121, 122, 131, 132 - while at the same time a deformation of the mirror surface 1 1 1 is reduced during movement.
  • the thickness of the support elements 121, 122, 131, 132 in the z-direction may be defined by a suitable etch stop during the etching process for release from the wafer. For example, an insulator layer in an SOI wafer may be used as an etch stop.
  • the diverter could have a backside structuring, i. on the opposite side of the mirror surface 1 1 1, for.
  • FIG. 3 illustrates aspects relating to a torsional mode 501, with which a deflection of the deflecting element 110 is made possible.
  • the support members 121, 122 and 131, 132 provided, according to the example of FIG. 2 (in this case, the idle state is shown by the solid line in FIG. 3 and the deflected state by the dashed line).
  • the support members 121, 122, 131, 132 are arranged symmetrically with respect to the torsion axis 181; therefore non-linear effects are avoided.
  • large deflections 502 are possible, for example, up to 180 °. This allows for large scan angles.
  • the support elements 121, 122 extend in the rest position in the plane 901. In this plane, the mirror surface 1 1 1 extends, see. FIG. 2.
  • the support members 131, 132 extend in contrast in the plane 902, wherein the plane 902 is parallel but offset from the plane 901.
  • the support members 121, 131 extend in the rest position in the plane 905; and the support elements 122, 132 extend in the rest position in the plane 906.
  • the planes 905, 906 are parallel to each other but offset.
  • FIG. 4 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 4 is a perspective view.
  • the example of FIG. 4 basically corresponds to the example of FIG. 2.
  • the support members 121, 122 it would be possible for the support members 121, 122 to extend generally along at least 40% of their length 352 in the indentation 1 19 extend, further optionally along at least 60% of their length, further optionally along at least 80% of their length.
  • the pure torsion 501 about the torsion axis 181 avoids a collision between the support elements 121, 122, 131, 132 and the insides of the recess 19 (see FIG.
  • the recess 19 it would be possible for the recess 19 to have a depth 355, which is not less than 20% of the respective side lengths of the sides 1 12, 1 15, to which the indentation 1 19 extends in parallel, is optionally not less than 50%, further optionally not less than 70%.
  • the depth 355 of the recess 1 19 can not be less than 20% (or optionally 50% or further optionally 70%) of a diameter of the mirror surface 1 1 1.
  • FIG. 5 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 5 is a perspective view.
  • the scanning unit 100 according to the example of FIG. 5 corresponds to the scanning unit according to the example of FIG. 4.
  • FIG. 5 is a rear perspective view.
  • the back 1 16 of the deflecting element 1 10 is shown.
  • the deflecting element 1 10 has a back-side structuring.
  • 1 16 ribs are provided on the back.
  • the ribs increase the rigidity of the deflecting element 1 10 and thus avoid deformation of the mirror surface 1 1 1 during movement.
  • the inertial mass of the deflecting member 110 is reduced, so that the resonance frequency of the torsional mode 501 is comparatively large. This can enable high scanning frequencies and thus ultimately high refresh rates of a LIDAR measurement.
  • FIG. 6 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 6 is a plan view (left in FIG.6) and a sectional view taken along the axis A-A (right side in FIG.6).
  • the scanning unit 100 according to the example of FIG. 6 corresponds to the scanning unit 100 according to the examples of FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 7 illustrates aspects relating to a scanning unit 100 according to various examples.
  • FIG. 7 is a schematic view. In particular, FIG.
  • the fixed structure 350 which defines a free space 351, in which the deflecting element 1 1 1 at deflection 502 - for example by exciting the torsion 501 by means of a suitable actuator - can move.
  • the deflecting element 10 is shown in the idle state (solid line in FIG. 7) and in the deflected state (dashed line in FIG. From FIG. 7 it can be seen that the free space 351 is formed in order to allow comparatively large deflections 502 of the deflecting element 110. As a result, large deflection angle 510 of light 361 can be made possible.
  • the free space 351 could be formed to allow a deflection of the deflecting element 110 of at least ⁇ 45 °, optionally to allow at least ⁇ 80 °, further optionally of at least ⁇ 120 °, further optionally of at least ⁇ 180 °. This may be possible in particular with side lengths 353 in the range of 3 mm - 15 mm.
  • Such a large clearance 351 is achieved, in particular, by the fact that the fixed structure 350 is not formed in one piece with the deflection element 110.
  • the fixed structure 350 does not form an integrally fabricated frame, as e.g. in the context of conventional MEMS techniques is the case. Therefore, in the techniques described herein, it is not necessary to expose the clearance 351 in a wafer, for example, by etching processes; Rather, the free space 351 may be formed by suitably dimensioning a housing defined by the fixed structure 350.
  • FIG. Figure 7 also illustrates aspects related to redirecting light.
  • the light 361 strikes the mirror surface 1 1 1 in the rest position of the deflecting element 1 10. This means that the light 361 propagates from a light source 360 - for example a laser - to the mirror surface 11 1 1 along a beam path which is aligned in the Z direction.
  • a light source 360 - for example a laser - to the mirror surface 11 1 1 along a beam path which is aligned in the Z direction.
  • sliding angles of incidence would also be possible, i. Beam paths that are tilted with respect to the Z direction.
  • FIG. 7 shows the corresponding deflection angle 510 which is achieved on the basis of the deflection 502 of the mirror surface 11 (in FIG. 7 the mirror surface is perpendicular to the plane of the drawing in the rest position and is rotated into the drawing plane with increasing deflection 502).
  • FIG. 8 illustrates aspects relating to a scanner 90.
  • the scanner 90 includes a first scan unit 100-1 and a second scan unit 100-2.
  • the two scanning units 100-1, 100-2 may be designed in accordance with the examples discussed above (in FIG. 8, the scanning units 100-1, 100-2 are shown only schematically).
  • the laser light 361 is first deflected starting from the laser light source 360 through the mirror surface 1 1 1 of the scanning unit 100-1 and is then deflected by the mirror surface 11 of the scanning unit 100-2. This allows a 2-D superimposed deflection of the laser light 361 done so that the laser light 361 2-D can be scanned.
  • a corresponding overlay figure is obtained which defines the scan area.
  • the shortest distance 380 between the circumference of the mirror surface 11 of the scanning unit 100-1 and the circumference of the mirror surface 11 of the scanning unit 100-2 is also shown.
  • the mirror surface 1 1 1 of the scanning unit 100-1 is in the example of FIG. 8 tilted by 45 ° with respect to the mirror surface 1 1 1 of the scanning unit 100-2.
  • a comparatively short distance 380 can be achieved; This allows high integration of the scanner 90.
  • the distance 380 must be large enough dimensioned so that no deflection occurs at deflection 501 of the deflecting elements 1 10.
  • FIGs. 9 and 10 also illustrate aspects related to a scanner 90.
  • the distance 380 between the peripheries of the mirror surfaces 1 1 1 of the two scanning units 100-1, 100-2 compared to the example of FIG. 8 be further reduced. In the examples of FIGS. 9 and 10, this is made possible by the sliding angle of incidence of the light 361.
  • the planes defined by the mirror surfaces 1 1 1 of the scanning units 100-1, 100-2 at an angle of 90 ° to each other.
  • the planes defined by the mirror surfaces 11 of the scanning units 100-1, 100-2 have an angle of 0 ° to one another, that is, they are aligned with one another. In general, these planes could also be slightly tilted, ie, for example, have an angle that is not greater than 5 °.
  • another deflecting element 220 with a further mirror surface (hidden in the view of FIG. 10 and facing the mirror surfaces 11 1 of the scanning units 100 - 1, 100 - 2) is used.
  • the deflecting element 220 is not deflected together with the deflecting elements 110 of the scanning units 100-1, 100-2, ie is stationary with respect to the fixed structure 350.
  • the mirror surface of the deflecting element 220 is parallel to the mirror surfaces 11 1 of the scanning units 100-1
  • 100-2 could generally include a small angle of, for example, not more than 5 ° with the mirror surfaces 1 1 1.
  • the circumferences of the mirror surfaces 1 1 1 of the two scanning units 100-1, 100-2 can generally have a distance 380 from one another which is less than 25% of the circumferential length of the circumference of the mirror surfaces 11, preferably less than 10%. , continue optionally less than 2%.
  • Such short distances 380 may allow for a small sizing of the scanner 90 and thus flexible deployment in a variety of applications.
  • the shortest distances 380 are achieved.
  • FIG. 1 1 illustrates aspects related to a LIDAR system 80.
  • the LIDAR system 80 includes a scanner 90 that may be configured, for example, according to the various implementations described herein.
  • the scanner 90 may include one or two or more scan units (not shown in FIG. 11).
  • the LIDAR system 80 also includes a light source 360.
  • the light source 360 could be formed as a laser diode that emits pulsed laser light 361 in the infrared region with a pulse length in the nanosecond range.
  • the light 361 of the light source 360 can then impinge on one or more mirror surfaces 1 1 1 of the scanner 90.
  • the light 361 is deflected at different angles 510.
  • the light emitted by the light source 361 is often referred to as a primary light. This implements different scanning angles.
  • the primary light may then hit an environment object of the LIDAR system 80. That such reflected primary light is called secondary light.
  • the secondary light may be detected by a detector 82 of the LIDAR system 80. Based on a transit time - which can be determined as a time offset between the emission of the primary light by the light source 81 and the detection of the secondary light by the detector 82 -, by means of a controller 4001, a distance between the light source 361 and the detector 82 and the surrounding object be determined.
  • the emitter aperture may be equal to the detector aperture.
  • the same scanner 90 can be used to scan the detector aperture.
  • the same deflecting elements can be used to emit primary light and to detect secondary light.
  • a beam splitter may be provided to separate primary and secondary light.
  • Such techniques can make it possible to achieve a particularly high sensitivity. This is because the detector aperture can be aligned and confined to the direction from which the secondary light arrives. Ambient light is reduced by the spatial filtering, because the detector aperture can be made smaller.
  • a lateral position of the environment object can also be determined, for example by the controller 4001. This can be done by monitoring the position or orientation of the one or more deflection elements of the scanner 90. In this case, the position or orientation of the one or more deflection elements at the moment of the impact of the light 361 correspond to a deflection angle 510; From this it is possible to draw conclusions about the lateral position of the environment object.
  • FIG. 12 illustrates aspects of a LIDAR system 80.
  • the LIDAR system 80 includes a controller 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 controller 4001 is configured to output control signals to a driver 4002.
  • the control signals could be output in digital or analog form. These control signals can be set up to excite the torsional mode of the support elements of the scanner 90 and, for example, to dampen one or more transverse modes of the support elements.
  • the driver 4002 is in turn configured to generate one or more voltage signals and output them to corresponding electrical contacts of the one or more actuators for driving a resonant motion of the support members.
  • Typical amplitudes of the voltage signals range from 50V to 250V.
  • actuators include magnets, interdigital electrostatic comb structures, and bending piezoactuators.
  • the actuators 310, 320 are in turn coupled to the scanner 90. As a result, one or more deflecting elements of the scanner 90 are deflected. Thereby, the surrounding area of the scanner 90 can be scanned with light 361.
  • the actuators are configured according to various examples to resonantly excite the torsional mode of the support elements of the scanner 90.
  • FIG. 12 is further shown as having a coupling between the controller 4001 and a sensor 662.
  • the sensor is arranged to monitor the deflection of the deflecting element or the deflecting elements.
  • the controller 4001 may be configured to drive the actuator or actuators 310, 320 based on the signal from the sensor 662. By such techniques, the deflection 501 may be monitored by the controller 4001. If needed, the controller 4001 can control the Adjust driver 4002 to reduce drift between a desired deflection and an observed deflection.
  • the control loop could include the desired amplitude of the movement as a reference variable.
  • the control loop could include the actual amplitude of the movement as a controlled variable.
  • the actual amplitude of the movement could be determined based on the signal of the sensor 662.
  • the torsional mode can be specifically stimulated in a resonant manner and the transverse mode can be specifically damped.
  • FIG. 13 is a flowchart of an example method.
  • the method of FIG. 13 are executed by the controller 4001 of the LIDAR system 80.
  • at least one actuator is actuated in order to resonantly deflect at least one support element, which extends in a plane defined by a mirror surface of a deflecting element, with respect to a fixed structure.
  • a torsion could be excited, e.g. resonant.
  • the deflecting element is formed free-standing with respect to the fixed structure along a continuous circumferential angle of at least 200 ° of a circumference of the mirror surface.
  • FIG. 14 is a flowchart of an example method.
  • FIG. Figure 14 illustrates aspects relating to the fabrication of a scanning unit. For example, according to the method of FIG. 14, a scanning unit, as described in connection with FIGS. has been described.
  • a first wafer is processed in a first etching process.
  • a deflecting element and at least one supporting element are produced in the first wafer.
  • the at least one support element extends away from the deflection element.
  • the at least one support element could extend away from a circumference of the deflection element.
  • the at least one support element could extend in a plane with the deflection element;
  • the at least one support element could extend in a plane defined by a mirror surface of the deflection element (wherein mirroring of the mirror surface, for example by depositing gold or aluminum, can only take place below).
  • a second wafer is processed in a second etching process.
  • At least one further support element is produced in the second wafer.
  • the at least one further support element may be designed to be complementary to the support element in the first wafer. Corresponding techniques are, for example, above with respect to FIGS. 4-6 described.
  • the bonding of the first wafer to the second wafer takes place.
  • suitable contact surfaces may be defined at the ends of the support elements that allow bonding (see FIG. 2, as well as 142 with 1 19). For example, anodic bonding etc. would be possible.

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Abstract

Eine Scaneinheit (100) zum Scannen von Licht umfasst ein Umlenkelement (110) mit einer Spiegelfläche (111), und mindestens ein Stützelement (121, 122), das sich in der durch die Spiegelfläche (111) definierten Ebene erstreckt, und das eingerichtet ist, um das Umlenkelement (110) elastisch mit einer Fixstruktur zu koppeln. Das Umlenkelement (110) ist entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (111) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet. Die Scaneinheit weist mindestens ein weiteres Stützelement (131, 132) auf, das sich versetzt zu der durch das mindestens eine Stützelement (121, 122) definierten Ebene (901) erstreckt, um das Umlenkelement (110) elastisch mit der Fixstruktur (350) zu koppeln. Die Scaneinheit weist eine Steuerung auf, um mindestens einen Aktuator anzusteuern, um eine Torsionsmode des mindestens einen Stützelements (121, 122, 131, 132) und des mindestens einen weiteren Stützelements (121, 122, 131, 132) resonant anzuregen. Vorzugsweise sind das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das Umlenkelement (110) einstückig ausgebildet, und das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) nicht einstückig ausgebildet. Vorzugsweise sind das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) jeweils als stabformige Torsionsfedern ausgebildet. Vorzugsweise sind das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) jeweils in einem der Fixstruktur zugewendeten Endbereich (141-1, 141-2) an einer Kontaktfläche (160) mittels Bonding miteinander verbunden. Vorzugsweise ist der Aktuator an einem der Fixstruktur zugewendeten Ende des mindestens einen Stützelements (121, 122) angeordnet und umfasst ein oder mehrere Biegepiezoaktuatoren. Die Anmeldung offenbart darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen einer Scaneinheit (100).

Description

Scaneinheit und Verfahren zum Scannen von Licht
TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen eine Scaneinheit zum Scannen von Licht mittels eines Umlenkelements. In verschiedenen Beispielen erstreckt sich mindestens ein Stützelement, das eingerichtet ist, um das Umlenkelement elastisch mit einer Fixstruktur zu koppeln, in einer durch eine Spiegelfläche des Umlenkelements definierten Ebene.
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 z.B. 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.
Es sind verschiedene Techniken bekannt, um das Licht zu scannen. Zum Beispiel können mikroelektromechanische (MEMS)-Techniken verwendet werden. Dabei wird ein Mikrospiegel in einer Rahmenstruktur freigestellt, z.B. durch reaktives lonenstrahlätzen von Silizium. Siehe z.B. EP 2 201 421 B1 .
Solche Techniken weisen aber oftmals den Nachteil auf, dass der Scanwinkel vergleichsweise beschränkt ist. Dies bedeutet, dass die Umlenkung des Lichts vergleichsweise limitiert ist. Außerdem kann die Fertigung kompliziert sein. Das Scanmodul kann aufgrund der Rahmenstruktur auch vergleichsweise viel Platz benötigen. Aus JP 2015-99270 A ist eine Technik bekannt, bei der sich zwei Torsionsfeder in einer durch eine Spiegelfläche definierten Ebene erstrecken. Ein solcher Aufbau hat den Nachteil, dass die Biegesteifigkeit zur Verbiegung senkrecht zu dieser Ebene eine vergleichsweise gering ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um Licht zu scannen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der voranstehend genannten Nachteile beheben oder lindern.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen. Eine Scaneinheit zum Scannen von Licht umfasst ein Umlenkelement. Das Umlenkelement umfasst eine Spiegelfläche. Die Scaneinheit umfasst auch mindestens ein Stützelement. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich weg von einem Umfang der Spiegelfläche. Das mindestens eine Stützelement ist eingerichtet, um das Umlenkelement elastisch mit einer Fixstruktur zu koppeln. Das Umlenkelement ist entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet.
In anderen Worten kann also die Kopplung des Umlenkelements mit der Fixstruktur auf einen vergleichsweise kleinen Bereich beschränkt sein. Insbesondere kann eine 2-Punkt-Kopplung an gegenüberliegenden Seiten, beispielsweise wie in US 2014 0300 942 A1 beschrieben, vermieden werden. Dadurch kann die Scaneinheit kompakter und einfacher hergestellt werden. Außerdem werden größere Scanwinkel möglich. Ein LIDAR-System könnte eine solche Scaneinheit umfassen.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Scaneinheit zum Scannen von Licht umfasst das Ansteuern mindestens eines Aktuator. Dies erfolgt zum resonanten Auslenken mindestens eines Stützelements. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich in einer durch eine Spiegelfläche eines Umlenkelements definierten Ebene. Das Umlenkelement ist entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen einer Scaneinheit zum Scannen von Licht umfasst: in einem ersten Ätzprozess eines ersten Wafers, Erzeugen eines Umlenkelements und mindestens eines Stützelements, das sich weg von dem Umlenkelement erstreckt, in dem ersten Wafer; in einem zweiten Ätzprozess eines zweiten Wafers, Erzeugen mindestens eines weiteren Stützelements, in dem zweiten Wafer; Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer; und Freistellen des Umlenkelements, des mindestens einen Stützelements und des mindestens einen weiteren Stützelements. 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. 1 ist eine schematische Aufsicht auf eine Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 2 ist eine schematische Perspektivansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der FIG. 1.
FIG. 3 illustriert schematisch die Auslenkung eines Umlenkelements eine Scaneinheit durch eine Torsion von vier Stützelementen einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 4 ist eine schematische Perspektivansicht einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele, wobei die Spiegelfläche des entsprechenden Umlenkelements eine Ausbuchtung aufweist, in der mehrere Stützelemente angeordnet sind.
FIG. 5 ist eine schematische Perspektivansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der FIG. 4.
FIG. 6 ist eine schematische Aufsicht mit Schnittansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der FIGs. 4 und 5.
FIG. 7 illustriert schematisch eine Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 8 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 9 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 10 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 1 1 illustriert schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 12 illustriert schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 13 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
FIG. 14 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
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 1 -D oder 2-D Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch ein Umlenkelement eines Scanners einmal oder mehrfach umgelenkt werden.
Das Umlenkelement kann beispielsweise durch einen Spiegel ausgebildet sein. Das Umlenkelement könnte auch ein Prisma anstelle des Spiegels umfassen. Eine Spiegelfläche kann vorgesehen sein.
Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Dazu können sequentiell unterschiedliche Abstrahlwinkel implementiert werden. Die Abfolge von Abstrahlwinkeln kann durch eine Überlagerungsfigur festgelegt sein, wenn z.B. zwei Freiheitsgrade der Bewegung zeitlich - und optional örtlich - überlagert zum Scannen verwendet werden. Z.B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen. Größere Scanbereiche entsprechen dabei größeren Scanwinkeln. In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines Stützelements erfolgen. Dann wird ein 2-D Scanbereich erhalten. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel durch die elastische, reversible Bewegung mindestens eines 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, z.B. insbesondere 1550 nm oder 950 nm. 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, magnta, 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 des mindestens eine Stützelement auch als Federelement oder elastische Aufhängung bezeichnet werden. Das Stützelement weist ein bewegliches Ende auf. Dann kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden, beispielsweise eine Torsion und/oder eine transversale Auslenkung. In diesem Zusammenhang wird das Stützelement auch als Torsionsfederelement oder Biegefederelement (engl, flexure spring element) bezeichnet. Bei einem Torsionsfederelement ist die Eigenfrequenz der Torsionsmode niedriger als die Eigenmode der Biegemode; und bei einem Biegefederlement ist die Eigenfrequenz der Biegemode geringer als die Eigenfrequenz der Trosionsfeder. Durch eine solche Anregung einer Bewegung kann ein Umlenkelement, das mit dem beweglichen Ende des mindestens einen Stützelemente verbunden ist, bewegt bzw. ausgelenkt 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.
Jedes des mindestens einen Stützelements kann zwischen dem beweglichen Ende und einem gegenüberliegenden Ende, an dem das jeweilige Stützelement mit einem Aktuator verbunden ist, gerade ausgebildet sein, d.h. in der Ruhelage keine oder keine signifikante Krümmung aufweisen.
Das mindestens eine Stützelement kann z.B. eine Länge zwischen den beiden Enden aufweisen, die z.B. im Bereich von 2 mm bis 15 mm liegt, beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 10 mm oder beispielsweise im Bereich von 5 mm bis 7 mm.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass das mindestens eine Stützelement mittels MEMS-Techniken hergestellt wird, d.h. mittels geeigneter Lithographie-Prozessschritte beispielsweise durch Ätzen aus einem Wafer hergestellt werden. Z.B. könnte reaktives lonenstrahlätzen zur Freistellung aus dem Wafer verwendet werden. Es könnte ein Silizium- auf-lsolator (SOI)-Wafer verwendet werden. Dadurch könnten z.B. die Ausmaße des mindestens einen Stützelements senkrecht zur Länge definiert werden, wenn der Isolator des SOI-Wafers als Ätzstopp verwendet wird. Beispielsweise könnte das bewegliche Ende des mindesten seinen Stützelements in einer oder zwei Dimensionen - bei einer zeitlichen und örtlichen Überlagerung von zwei Freiheitsgraden der Bewegung - 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 oder flexure 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 das Umlenkelement ausgelenkt wird und damit Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes bzw. der Auslenkung des Umlenkelements 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. Z.B. kann in manchen Beispielen gezielt die Torsionsmode angeregt werden und Transversalmoden können gedämpft werden; der Aktuator kann entsprechend eingerichtet sein, z.B. durch Verwendung einer Regelschleife. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden.
Beispielsweise kann das Umlenkelement ein Prisma oder einen Spiegel umfassen. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 0,05 μηη - 0, 1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 μηη oder 50 μηη aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 μηη bis 75 μηη aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12 mm aufweisen oder insbesondere 8 mm. Der Spiegel weist eine Spiegelfläche auf. Die gegenüberliegende Rückseite kann strukturiert sein, z.B. mit Rippen oder anderen Versteifungsstrukturen. Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB- Projektoren und Drucker und Laser-Scanning-Mikroskope. 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. Im Zusammenhang mit einer LIDAR-Technik kann es möglich sein, die Scaneinheit sowohl zum Aussenden von Laserlicht, als auch zum Detektieren von Laserlicht zu verwenden. Dies bedeutet, dass die Detektorapertur auch über das Umlenkelement der Scaneinheit definiert sein kann. Solche Techniken werden manchmal als Ortsraumfilterung (engl, spatial filtering) bezeichnet: Durch die Ortsraumfilterung kann es möglich sein, ein besonders hohes Signal- zu-Rausch-Verhältnis zu erlangen, weil selektiv Licht aus derjenigen Richtung eingesammelt wird, in die der Laserlicht auch ausgesendet wird. Dadurch wird vermieden, Hintergrundstrahlung aus anderen Bereichen, aus denen kein Signal erwartet wird, einzusammeln. Durch das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis können besonders große Reichweiten erreicht werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es oftmals erstrebenswert sein kann, vergleichsweise große Spiegel zu verwenden, um im Zusammenhang mit der Ortsraumfilterung eine große Detektorapertur zu verwenden und damit ein besonders großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Gleichzeit kann es aber erstrebenswert sein, auch einen besonders großen Scanwinkel zu implementieren - z.B. größer als ± 80°. Dies kann die Verwendung von abbildenden Optiken im ausgesendeten Strahlengang hinter der Scaneinheit (engl, post-scanner optics) entbehrlich machen, was das System einfach und kompakt gestaltet. Ferner liegt verschiedenen Beispielen die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, besonders einfach zu fertigende - insbesondere mit einem hohen Grad an Automatisierung, z.B. durch Waferstrukturierung mittels Lithographieprozessen - Scaneinheiten bereitzustellen. Verschiedenen Beispielen liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass es oftmals erstrebenswert sein kann, vergleichsweise große Spiegel zu verwenden, um Laserlicht entlang eines Strahlengangs mit geringer Divergenz auszusenden - ohne zwischen dem Spiegel und der Umgebung (d.h. in einer post-Scanner Anordnung) eine Kollimationsoptik zu benötigen. Eine geringe Divergenz kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass eine große Sendeapertur - definiert durch den Spiegel - zur Verfügung steht.
Solche und weitere Problemstellungen werden durch die hierin beschriebenen Techniken gelöst.
FIG. 1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 1 ist eine schematische Aufsicht auf die Scaneinheit 100. Die Scaneinheit 100 umfasst ein Umlenkelement 1 10 mit einer Spiegelfläche 1 1 1 (in der Darstellung der FIG. 1 liegt die Spiegelfläche 1 1 1 in der Zeichenebene, d.h. der XY-Ebene). Die Seiten 1 12, 1 13, 1 14, 1 15 der Spiegelfläche 1 1 1 sind in FIG. 1 auch dargestellt und bilden einen Umfang der Spiegelfläche 1 1 1 .
Während die Spiegelfläche 1 1 1 in dem Beispiel der FIG. 1 rechtecksförmig ausgebildet ist, könnte die Spiegelfläche 1 1 1 in anderen Beispielen auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise Ellipsen-förmig oder kreisförmig.
Typische Seitenlängen 353 der Spiegelfläche 1 1 1 liegen im Bereich von 3 mm bis 15 mm, optional im Bereich von 5 mm bis 10 mm. In dem Beispiel der FIG. 1 umfasst die Scaneinheit 100 auch zwei Stützelemente 121 , 122. Die Stützelemente 121 , 122 sind jeweils an einem beweglichen Ende 321 mit dem Umlenkelement 1 10 verbunden. An einem dem beweglichen Ende 321 gegenüberliegenden Ende 322 können die Stützelemente 121 , 122 mit einem Aktuator verbunden werden, beispielsweise mit Biegepiezoaktuatoren (in FIG. 1 nicht dargestellt). An dem Ende 322 sind die Stützelemente 121 , 122 - beispielsweise über den Aktuator - mit einer Fixstruktur 350 verbunden. Die Fixstruktur 350 definiert das Bezugskoordinatensystem gegenüber welchem eine Bewegung bzw. Auslenkung des Umlenkelements 1 10 durch elastische Verformung der Stützelemente 121 , 122 zum Scannen von Licht möglich ist. FIG. 1 illustriert das Umlenkelement 1 10 in einer Ruhelage. Dies bedeutet, dass keine elastische Verformung der Stützelemente 121 , 122 vorliegt. Zum Beispiel könnte der entsprechende Aktuator ausgeschaltet sein. Aus FIG. 1 ist ersichtlich, dass in der Ruhelage die Stützelemente 121 , 122 gerade ausgebildet sind, zwischen den Enden 321 und 322. Entsprechende Zentralachsen 182, 183 der Stützelemente 121 , 122 sind in FIG. 1 dargestellt. Die Länge 352 der Stützelemente 121 , 122 entlang der Y-Achse ist typischerweise im Bereich von 3 mm - 15 mm. Die Breite der Stützelemente 121 , 122 entlang der X-Achse liegt typischerweise im Bereich von 50 μηη - 250 μηη. Die Stützelemente 121 , 122 können einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Stützelemente 121 , 122 können also stabförmig ausgebildet sein und damit als Torsionsfedern.
In FIG. 1 ist auch eine Torsionsachse 181 dargestellt. Durch Verdrillung und Drehung der Stützelemente 121 , 122 entlang ihrer Zentralachse 182, 183 bzw. in Bezug auf die Torsionsachse 181 kann eine Auslenkung bzw. insbesondere eine Verkippung des Umlenkelements 1 10 und damit der Spiegelfläche 1 1 1 bewirken; die Drehachse entspricht der Torsionsachse 181 (in dem Beispiel der FIG. 1 würde die Spiegelfläche 1 1 1 links der Torsionsachse 181 in die Zeichenebene hinein und rechts der Torsionsachse 181 aus der Zeichenebene heraus gekippt werden). Dadurch kann es möglich sein, Laserlicht umzulenken.
In dem Beispiel der FIG. 1 ist ersichtlich, dass das Umlenkelement 1 10 entlang eines großen durchgängigen Umfangwinkels 380 von nahezu 360° freistehend gegenüber der Fixstruktur 350 ausgebildet ist. Im Allgemeinen könnte das Umlenkelement entlang eines durchgängigen Umfangwinkels 380 von mindestens 200° des Umfangs der Spiegelfläche 1 1 1 freistehend gegenüber der Fixstruktur 350 ausgebildet sein.
Dies bedeutet insbesondere, dass lediglich die Seite 1 14 des Umlenkelements 1 10 mit der Fixstruktur 350 gekoppelt ist, d. h. die übrigen Seiten 1 12, 1 13, 1 15 sind freistehend ausgebildet. An den übrigen Seiten 1 12, 1 13, 1 15 befindet sich keine Verbindung - beispielsweise über weitere elastische Stützelemente - mit der Fixstruktur 350. Die übrigen Seiten 1 12, 1 13, 1 15 sind frei gegenüber der Umgebung.
Durch eine solche Kopplung des Umlenkelements 1 10 mit der Fixstruktur 350 kann erreicht werden, dass besonders große Auslenkungen des Umlenkelements möglich werden. Dadurch können besonders große Scanbereiche erreicht werden. Beispielsweise können Scanwinkel von mindestens ±45°, optional mindestens ±80° ermöglicht werden, optional von mindestens ±120°, weiter optional von mindestens ±180°. Die Spiegelfläche 1 1 1 könnte z.B. Seitenlängen 353 im Bereich von 3 mm - 15 mm aufweisen. Die Seitenlängen 353 können im Bereich von 20 % - 500 % der Länge der Stützelemente 352 liegen. Dadurch kann einerseits große Auslenkung des Umlenkelements 1 10 erzielt werden; gleichzeitig kann aber erreicht werden, dass die träge Masse des Umlenkelements 1 10 nicht unverhältnismäßig groß gegenüber der Elastizität der Stützelemente ist.
In dem Beispiel der FIG. 1 sind das Umlenkelement 1 10 und die Stützelemente 121 , 122 einstückig ausgebildet. Z.B. wäre es möglich, dass die Stützelemente 121 , 122 und das Umlenkelement 1 10 in einem gemeinsamen Lithographie-/Ätzprozess aus einem gemeinsamen Wafer freigestellt werden. Im Bereich des Übergangs zwischen dem Umlenkelement 1 10 und den Stützelementen 121 , 122 liegt daher kein Materialübergang oder eine Materialinhomogenität vor; der entsprechende Bereich bzw. die übrigen Bereiche können insbesondere aus einem einkristallinem Wafer hergestellt sein.
Durch solche Techniken kann eine integrierte Fertigung erzielt werden. Außerdem kann die Toleranz gegenüber Verspannungen im Bereich des Übergangs vom Umlenkelement 1 10 zu den Stützelementen 121 , 122 d.h. nahe des Endes 321 besonders groß sein. Dadurch können große Scanwinkel ohne Beschädigung des Materials ermöglicht werden.
Auch ein Endbereich 141 - der z.B. zum Eingriff mit einem Aktuator ausgebildet sein kann - ist einstückig mit den Stützelementen 121 , 122 und dem Umlenkelement 1 10 ausgebildet. In FIG. 1 sind die beiden Stützelemente parallel zueinander angeordnet. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Zentralachsen 182, 183 der Stützelemente 121 , 122 einen Winkel miteinander einschließen, der nicht größer als 20° ist, optional nicht größer als 5°, weiter optional nicht größer als 1 °. Durch eine solche Anordnung der beiden Stützelemente 121 , 122 kann eine parallele Kinematik erzeugt werden, die große Scanwinkel ermöglicht. Die Verformung der beiden Stützelemente 121 , 122 kann einander entsprechen.
Die parallele Kinematik wird ferner dadurch gefördert, dass der Abstand 351 zwischen den Zentralachsen 182, 183 im Bereich des beweglichen Endes 321 vergleichsweise klein ist. Beispielsweise könnte der Abstand 351 viel kleiner als die Länge 352 der Stützelemente sein und ferner auch viel kleiner als die Umfangslänge der Spiegelfläche 1 1 1 . Z.B. wäre es möglich, dass dieser Abstand 351 nicht größer als 40 % der Umfangslänge (d.h. der Summe der Längen der Seiten 1 12-1 15) ist, optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %.
Neben der parallelen Kinematik durch die beiden Stützelemente 121 , 122 kann durch das Verwenden von zwei Stützelementen auch die Robustheit gegenüber externem Schock gefördert werden. Dies bedeutet - dass trotz großer Scanwinkel - eine hohe Robustheit gegenüber Schock erzielt werden kann. Um diese Robustheit weiter zu fördern und um nichtlineare Effekte aufgrund der anisotropen Geometrie zu verringern, können auch noch weitere Stützelemente 121 , 122 vorgesehen sein. Ein entsprechendes Beispiel ist in FIG. 2 dargestellt.
FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 2 ist eine Perspektivansicht.
In dem Beispiel der FIG. 2 umfasst die Scaneinheit 100 insgesamt vier Stützelemente 121 , 122, 131 , 132. Die Stützelemente 121 , 122 sind dabei in Z-Richtung, d.h. senkrecht zur Spiegelfläche 1 1 1 , versetzt zu den Stützelementen 131 , 132 angeordnet. Insbesondere sind die Stützelemente 131 , 132 auch versetzt zur durch die Spiegelfläche 1 1 1 definierten Ebene. Die Stützelemente 131 , 132 befinden sich in der Ruhelage in z-Richtung versetzt zum Umlenkelement 1 10. Die Stützelemente 131 , 132 sind über ein Schnittstellenelement 142 mit der Rückseite dem Umlenkelement 1 10 verbunden und sind daher auch eingerichtet, um das Umlenkelement elastisch mit der Fixstruktur 350 zu koppeln.
Dabei sind die verschiedenen Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 bzw. deren Zentralachsen (in FIG. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) allesamt parallel zueinander. Im Allgemeinen könnten die Zentralachsen der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 aber auch vergleichsweise kleine Winkel miteinander einschließen, z.B. Winkel, die im Ruhezustand nicht größer als 10° oder nicht größer als 5° sind. Dadurch wird die parallele Kinematik der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 gefördert. Aus FIG. 2 ist ersichtlich, dass die Ebene (Ebene 901 , vgl. auch FIG. 3), in der die Stützelemente 121 , 122 angeordnet sind, versetzt gegenüber der Ebene, in der die Stützelemente 131 , 132 angeordnet sind (Ebene 902, vgl. auch FIG. 3), ist. Diese beiden Ebenen sind in dem in FIG. 2 dargestellten Beispiel parallel zueinander, könnten aber im Allgemeinen einen Winkel von nicht größer als 5° miteinander einschließen, optional von nicht größer als 1 °. Durch die im wesentlichen parallele Anordnung der XY-Ebenen kann die parallele Kinematik der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 gefördert werden.
In dem Beispiel der FIG. 2 sind die Stützelemente 121 , 122, der Endbereich 141 -1 , sowie das Umlenkelement 1 10 mit der Spiegelfläche 1 1 1 einstückig ausgebildet, d.h. z.B. aus demselben Wafer freigestellt, sodass Kleben etc. entbehrlich wird. Die Stützelemente 131 , 132, der Endbereich 141 -2, sowie ein Schnittstellenelement 142 sind auch einstückig ausgebildet. Das kombinierte, einstückige Teil 131 , 132, 141 -2, 142 wird an Kontaktflächen 160 mit dem kombinierten, einstückigen Teil 141 -1 , 121 , 122, 1 10 verbunden, z.B. mittels Kleber, Wafer-Bonding, anodischem Bonden, Fusionsbonden, Direkt-Bonden, eutektisches Bonden, Thermokompression-Bonden, adhäsives Bonden, etc.. Das Bonden könnten z.B. zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu welchem die Teile 131 , 132, 141 -2, 142 sowie 141 -1 , 121 , 122, 1 10 noch nicht vom entsprechenden Wafer freigestellt sind; d.h. es könnten zwei Wafer, welche jeweils eines der beiden Teile z.B. in einem Array tragen, in Kontakt miteinander gebracht werden, um das Bonden durchzuführen. Erst anschließend können die Strukturen freigestellt werden. Durch eine solche zweiteilige Fertigung kann die Scaneinheit 100 besonders einfach und robust hergestellt werden. Gleichzeitig kann durch die 3-D Strukturierung in X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung eine hohe Robustheit gegenüber Schock, hohe Resonanzfrequenzen und große Scanwinkel erzeugt werden. Aus FIG. 2 ist ersichtlich, dass eine Dicke der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 senkrecht zur Spiegelfläche 1 1 1 - d.h. in Z-Richtung - jeweils kleiner ist als eine Dicke des Umlenkelements 1 10 in z-Richtung. Dies kann eine hohe Elastizität der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 fördern - während gleichzeitig eine Verformung der Spiegelfläche 1 1 1 bei Bewegung reduziert wird. Die Dicke der Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 in z-Richtung kann durch einen geeigneten Ätzstopp beim Ätzprozess zum Freistellen aus dem Wafer definiert sein. Z.B. kann eine Isolatorschicht in einem SOI-Wafer als Ätzstopp verwendet werden.
Das Umlenkelement könnte eine Rückseitenstrukturierung aufweisen, d.h. auf der der Spiegelfläche 1 1 1 gegenüberliegenden Rückseite z.B. Lamellen oder Rippenstruktur aufweisen (in FIG. 2 nicht dargestellt). Dies reduziert die träge Masse des Umlenkelements 1 10 und erhöht damit die Resonanzfrequenz; andererseits wird eine Verformung der Spiegelfläche 1 1 1 bei Bewegung vermieden.
FIG. 3 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Torsionsmode 501 , mit welcher eine Auslenkung des Umlenkelements 1 10 ermöglicht wird. In dem Beispiel der FIG. 3 sind Stützelemente 121 , 122 sowie 131 , 132 vorgesehen, entsprechend dem Beispiel der FIG. 2 (dabei ist in FIG. 3 der Ruhezustand mit der durchgezogenen Linie dargestellt und der ausgelenkte Zustand mit der gestrichelten Linie). Die Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 sind symmetrisch in Bezug auf die Torsionsachse 181 angeordnet; deshalb werden nichtlineare Effekte vermieden. Dadurch werden große Auslenkungen 502 möglich, z.B. von bis zu 180°. Dies ermöglicht große Scanwinkel. FIG. 3 illustriert auch Aspekte in Bezug auf die Anordnung der Stützelemente 121 , 122 sowie 131 , 132. Die Stützelemente 121 , 122 erstrecken sich in der Ruhelage in der Ebene 901. In dieser Ebene erstreckt sich auch die Spiegelfläche 1 1 1 , vgl. FIG. 2. Die Stützelemente 131 , 132 erstrecken sich dahingegen in der Ebene 902, wobei die Ebene 902 parallel aber versetzt zur Ebene 901 ist.
Außerdem erstrecken sich die Stützelemente 121 , 131 in der Ruhelage auch in der Ebene 905; und die Stützelemente 122, 132 erstrecken sich in der Ruhelage in der Ebene 906. Die Ebenen 905, 906 sind parallel zueinander, aber versetzt.
Es wäre im Allgemeinen möglich, dass pro Ebene 901 , 902 mehr als zwei Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 vorgesehen sind.
FIG. 4 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 4 ist eine Perspektivansicht.
Während in dem Beispiel der FIG. 4 vier Stützelemente 121 , 122, 131 , 132 vorhanden sind, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass eine geringere oder größere Anzahl von Stützelementen vorhanden ist.
Das Beispiel der FIG. 4 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 2. In dem Beispiel der FIG. 4 weist die Umlenkeinheit 1 10 und insbesondere die Spiegelfläche 1 1 1 jedoch eine Einbuchtung 1 19 auf. Die Stützelemente 121 , 122 erstrecken sich teilweise in der Einbuchtung 1 19. Die Stützelemente 131 , 132 verlaufen unterhalb der Einbuchtung 1 19. Beispielsweise wäre es möglich, dass sich die Stützelemente 121 , 122 im Allgemeinen entlang mindestens 40 % ihrer Länge 352 in der Einbuchtung 1 19 erstrecken, weiter optional entlang mindestens 60 % ihrer Länge, weiter optional entlang mindestens 80 % ihrer Länge.
Durch die reine Torsion 501 um die Torsionsachse 181 wird eine Kollision zwischen den Stützelementen 121 , 122, 131 , 132 und den Innenseiten der Einbuchtung 1 19 vermieden (vergleiche FIG. 3).
In dem Szenario der FIG. 4 ist die Tiefe 355 der Einbuchtung 1 19 derart dimensioniert, dass sich die Einbuchtung 1 19 ausgehend von der Seite 1 14 hin zu einem Zentrum der Spiegelfläche 1 1 1 und auch über das Zentrum der Spiegelfläche 1 1 1 hinaus hin zu der Seite 1 13 erstreckt. Derart kann ein besonders kompakter Aufbau der Scaneinheit 100 ermöglicht werden. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Einbuchtung 1 19 eine Tiefe 355 aufweist, die nicht kleiner als 20 % der entsprechenden Seitenlängen der Seiten 1 12, 1 15, zu denen die Einbuchtung 1 19 parallel verläuft, ist, optional nicht kleiner als 50 %, weiter optional nicht kleiner als 70 %. Bei einer runden Spiegelfläche, kann die Tiefe 355 der Einbuchtung 1 19 nicht kleiner als 20 % (oder optional 50 % oder weiter optional 70 %) eines Durchmessers der Spiegelfläche 1 1 1 sein.
FIG. 5 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 5 ist eine Perspektivansicht. Die Scaneinheit 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 5 entspricht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der FIG. 4. In FIG. 5 ist eine rückwärtige Perspektivansicht dargestellt.
In FIG. 5 ist insbesondere die Rückseite 1 16 des Umlenkelements 1 10 dargestellt. Aus FIG. 5 ist ersichtlich, dass das Umlenkelement 1 10 eine Rückseiten-Strukturierung aufweist. Insbesondere sind auf der Rückseite 1 16 Rippen vorgesehen. Die Rippen erhöhen die Steifigkeit des Umlenkelements 1 10 und vermeiden damit eine Verformung der Spiegelfläche 1 1 1 bei Bewegung. Andererseits wird durch das Vorsehen der Rückseiten-Strukturierung die träge Masse des Umlenkelements 1 10 verringert, sodass die Resonanzfrequenz der Torsionsmode 501 vergleichsweise groß ist. Dies kann hohe Scanfrequenzen und damit ultimativ hohe Bildwiederholfrequenzen einer LIDAR-Messung ermöglichen.
In FIG. 5 ist auch die Einbuchtung 1 19 dargestellt.
FIG. 6 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 6 ist eine Aufsicht (links in FIG. 6), sowie eine Schnittansicht entlang der Achse A - A (rechts in FIG. 6). Die Scaneinheit 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 6 entspricht der Scaneinheit 100 gemäß den Beispielen der FIGs. 4 und 5.
Insbesondere ist in der Schnittansicht ersichtlich, dass das Stützelement 121 einstückig mit dem Umlenkelement 110 ausgebildet ist; während das Stützelement 131 nicht einstückig mit dem Umlenkelement 1 10 ausgebildet ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass das Stützelement 121 und das Stützelement 131 nicht aus demselben Wafer hergestellt sind, sondern z.B. aneinander geklebt sind oder durch einen Wafer-Bonding-Prozess miteinander verbunden sind. In FIG. 6 sind die Kontaktflächen 160 dargestellt. FIG. 7 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 7 ist eine schematische Ansicht. Insbesondere illustriert FIG. 7 Aspekte in Bezug auf die Fixstruktur 350, die einen Freiraum 351 definiert, in dem sich das Umlenkelement 1 1 1 bei Auslenkung 502 - z.B. durch Anregung der Torsion 501 mittels eines geeigneten Aktuators - bewegen kann. In dem Beispiel der FIG. 7 ist das Umlenkelement 1 10 im Ruhezustand (durchgezogene Linie in FIG. 7) sowie im ausgelenkten Zustand (gestrichelte Linie in FIG. 7) dargestellt. Aus FIG. 7 ist ersichtlich, dass der Freiraum 351 ausgebildet ist, um vergleichsweise große Auslenkungen 502 des Umlenkelements 1 10 zu ermöglichen. Dadurch können große Umlenkwinkel 510 von Licht 361 ermöglicht werden. Beispielsweise könnte der Freiraum 351 ausgebildet sein, um eine Auslenkung des Umlenkelements 1 10 von mindestens ±45° zu ermöglichen, optional mindestens ± 80° zu ermöglichen, weiter optional von mindestens ± 120°, weiter optional von mindestens ± 180°. Dies kann insbesondere bei Seitenlängen 353 im Bereich von 3 mm - 15 mm möglich sein.
Ein derart großer Freiraum 351 wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Fixstruktur 350 nicht einstückig mit dem Umlenkelement 1 10 ausgebildet ist. Insbesondere bildet die Fixstruktur 350 keinen integriert gefertigten Rahmen, wie es z.B. im Zusammenhang mit konventionellen MEMS-Techniken der Fall ist. Deshalb ist es in den hierin beschriebenen Techniken nicht notwendig, den Freiraum 351 in einem Wafer beispielsweise durch Ätzprozesse freizustellen; vielmehr kann der Freiraum 351 durch geeignete Dimensionierung eines durch die Fixstruktur 350 definierten Gehäuses ausgebildet werden.
FIG. 7 illustriert auch Aspekte in Bezug auf das Umlenken von Licht. In dem Beispiel der FIG. 7 trifft das Licht 361 in der Ruhelage des Umlenkelements 1 10 senkrecht auf die Spiegelfläche 1 1 1 auf. Dies bedeutet, dass das Licht 361 von einer Lichtquelle 360 - beispielsweise einem Laser - zur Spiegelfläche 1 1 1 entlang eines Strahlengangs propagiert, der an der Z-Richtung ausgerichtet ist. Es wären aber auch gleitende Einfallswinkel möglich, d.h. Strahlengänge, die gegenüber der Z-Richtung verkippt sind.
In FIG. 7 ist der entsprechende Umlenkwinkel 510 dargestellt, der aufgrund der Auslenkung 502 der Spiegelfläche 1 1 1 erzielt wird (in FIG. 7 ist die Spiegelfläche in der Ruhelage senkrecht zur Zeichenebene und wird mit zunehmender Auslenkung 502 in die Zeichenebene hinein gedreht).
FIG. 8 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Scanner 90. Der Scanner 90 umfasst eine erste Scaneinheit 100-1 sowie eine zweite Scaneinheit 100-2. Die beiden Scaneinheiten 100-1 , 100- 2 können gemäß den voranstehend diskutierten Beispielen ausgebildet sein (in FIG. 8 sind die Scaneinheiten 100-1 , 100-2 lediglich schematisch dargestellt). Aus FIG. 8 ist ersichtlich, dass das Laserlicht 361 ausgehend von der Laserlichtquelle 360 zunächst durch die Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-1 umgelenkt wird und anschließend durch die Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-2 umgelenkt wird. Dadurch kann eine 2-D überlagerte Umlenkung des Laserlichts 361 erfolgen, sodass das Laserlicht 361 2-D gescannt werden kann. Eine entsprechende Überlagerungsfigur wird erhalten, die den Scanbereich definiert.
In FIG. 8 ist auch der kürzeste Abstand 380 zwischen dem Umfang der Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-1 sowie dem Umfang der Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-2 dargestellt. Die Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-1 ist in dem Beispiel der FIG. 8 um 45° gegenüber der Spiegelfläche 1 1 1 der Scaneinheit 100-2 verkippt. Durch eine solche Anordnung kann ein vergleichsweise kurzer Abstand 380 erzielt werden; dadurch kann eine hohe Integration des Scanners 90 ermöglicht werden. Der Abstand 380 muss groß genug dimensioniert werden, so dass bei Auslenkung 501 der Umlenkelemente 1 10 keine Kollision stattfindet.
FIGs. 9 und 10 illustrieren auch Aspekte in Bezug auf einen Scanner 90. In den Beispielen der FIGs. 9 und 10 kann der Abstand 380 zwischen den Umfängen der Spiegelflächen 1 1 1 der beiden Scaneinheiten 100-1 , 100-2 gegenüber dem Beispiel der FIG. 8 weiter verringert werden. In den Beispielen der FIGs. 9 und 10 wird dies durch den gleitenden Einfallswinkel des Lichts 361 ermöglicht.
In dem Beispiel der FIG. 9 weisen die durch die Spiegelflächen 1 1 1 der Scaneinheiten 100-1 , 100-2 definierten Ebenen einen Winkel von 90° zueinander auf. In dem Beispiel der FIG. 10 weisen die durch die Spiegelflächen 1 11 der Scaneinheiten 100-1 , 100-2 definierten Ebenen einen Winkel von 0° zueinander auf, das heißt sind aneinander ausgerichtet. Im Allgemeinen könnten diese Ebenen auch leicht verkippt sein, d.h. z.B. einen Winkel aufweisen, der nicht größer als 5° ist. In dem Beispiel der FIG. 10 wird dazu ein weiteres Umlenkelement 220 mit einer weiteren Spiegelfläche (in der Ansicht der FIG. 10 verdeckt und den Spiegelflächen 1 1 1 der Scaneinheiten 100-1 , 100-2 zugewendet) verwendet. Das Umlenkelement 220 wird nicht zusammen mit den Umlenkelementen 1 10 der Scaneinheiten 100-1 , 100-2 ausgelenkt, d.h. ist ortsfest in Bezug auf die Fixstruktur 350. Die Spiegelfläche des Umlenkelements 220 ist parallel zu den Spiegelflächen 1 1 1 der Scaneinheiten 100-1 , 100-2, könnte im Allgemeinen aber einen kleinen Winkel von z.B. nicht mehr als 5° mit den Spiegelflächen 1 1 1 einschließen. In den FIGs. 8 - 10 können die Umfänge der Spiegelflächen 1 1 1 der beiden Scaneinheiten 100-1 , 100-2 im Allgemeinen einen Abstand 380 zueinander aufweisen, der kleiner als 25 % der Umfangslänge des Umfangs der Spiegelflächen 1 1 1 ist, optional kleiner als 10 %, weiter optional kleiner als 2 %. Solche kurzen Abstände 380 können eine kleine Dimensionierung des Scanners 90 und damit einen flexiblen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsgebieten ermöglichen. Typischerweise können mittels der Implementierung gemäß FIG. 10 die kürzesten Abstände 380 erzielt werden.
FIG. 1 1 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst einen Scanner 90, der beispielsweise gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Implementierungen ausgebildet sein kann. Der Scanner 90 kann eine oder zwei oder mehr Scaneinheiten umfassen (in FIG. 1 1 nicht dargestellt).
Das LIDAR-System 80 umfasst auch eine Lichtquelle 360. Beispielsweise könnte die Lichtquelle 360 als Laserdiode ausgebildet sein, die gepulstes Laserlicht 361 im Infrarotbereich mit einer Pulslänge im Bereich von Nanosekunden aussendet. Das Licht 361 der Lichtquelle 360 kann dann auf einer oder mehreren Spiegelflächen 1 1 1 des Scanners 90 auftreffen. Je nach Orientierung des Umlenkelement (s) wird das Licht 361 unter unterschiedlichen Winkeln 510 umgelenkt. Das von der Lichtquelle 361 ausgesendete Licht wird oftmals auch als Primärlicht bezeichnet. Dadurch werden unterschiedliche Scanwinkel implementiert.
Das Primärlicht kann dann ein Umfeldobjekt des LIDAR-Systems 80 treffen. Dass derart reflektierte Primärlicht wird als Sekundärlicht bezeichnet. Das Sekundärlicht kann von einem Detektor 82 des LIDAR-Systems 80 detektiert werden. Basierend auf einer Laufzeit - die als Zeitversatz zwischen dem Aussenden des Primärlicht durch die Lichtquelle 81 und dem Detektieren des Sekundärlichts durch den Detektor 82 bestimmt werden kann - , kann mittels einer Steuerung 4001 ein Abstand zwischen der Lichtquelle 361 bzw. dem Detektor 82 und dem Umfeldobjekt bestimmt werden.
In manchen Beispielen kann die Emitterapertur gleich der Detektorapertur sein. Dies bedeutet, dass derselbe Scanner 90 dazu verwendet werden kann, um die Detektorapertur zu scannen. Beispielsweise können dieselben Umlenkelemente verwendet werden, um Primärlicht auszusenden und Sekundärlicht zu detektieren. Dann kann ein Strahlteiler vorgesehen sein, um Primär- und Sekundärlicht zu trennen. Solche Techniken können es ermöglichen, eine besonders hohe Sensitivität zu erzielen. Dies ist der Fall, da die Detektorapertur auf die Richtung ausgerichtet und begrenzt werden kann, aus welcher das Sekundärlicht eintrifft. Umgebungslicht wird durch die Ortsraumfilterung reduziert, weil die Detektorapertur kleiner dimensioniert werden kann. Außerdem kann zusätzlich zu dieser Abstandsmessung auch eine laterale Position des Umfeldobjekts bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuerung 4001 . Dies kann durch Überwachung der Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente des Scanners 90 erfolgen. Dabei kann die Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente im Moment des Auftreffens des Lichts 361 einem Umlenkwinkel 510 entsprechen; daraus kann auf die laterale Position des Umfeldobjekts zurückgeschlossen werden.
FIG. 12 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst eine Steuerung 4001 , die beispielsweise als Mikroprozessor oder applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) implementiert werden könnte. Die Steuerung 4001 könnte auch als feldprogrammierbares Array (FPGA) implementiert werden. Die Steuerung 4001 ist eingerichtet, um Steuersignale an einen Treiber 4002 auszugeben. Beispielsweise könnten die Steuersignale in digitaler oder analoger Form ausgegeben werden. Diese Steuersignale können eingerichtet sein, die Torsionsmode der Stützelemente des Scanners 90 anzuregen und beispielsweise ein oder mehrere Transversalmoden der Stützelemente zu dämpfen.
Der Treiber 4002 ist wiederum eingerichtet, um ein oder mehrere Spannungssignalen zu erzeugen, und diese an entsprechende elektrische Kontakte der ein oder mehrerer Aktuatoren zum Antreiben einer resonanten Bewegung der Stützelemente auszugeben. Typische Amplituden der Spannungssignalen liegen im Bereich von 50 V bis 250 V. Beispiele für Aktuatoren umfassen Magnete, interdigitale elektrostatische Kammstrukturen, und Biegepiezoaktuatoren.
Die Aktuatoren 310, 320 sind wiederum mit dem Scanner 90 gekoppelt. Dadurch werden ein oder mehrere Umlenkelemente des Scanners 90 ausgelenkt. Dadurch kann der Umfeldbereich des Scanners 90 mit Licht 361 gescannt werden. Die Aktuatoren sind gemäß verschiedener Beispiele eingerichtet, um die Torsionsmode der Stützelemente des Scanners 90 resonant anzuregen.
In FIG. 12 ist ferner dargestellt, dass eine Kopplung zwischen der Steuerung 4001 und einem Sensor 662 vorhanden ist. Der Sensor ist eingerichtet, um die Auslenkung des Umlenkelements oder der Umlenkelemente zu überwachen. Die Steuerung 4001 kann eingerichtet sein, um den oder die Aktuatoren 310, 320 basierend auf dem Signal des Sensors 662 anzusteuern. Durch solche Techniken kann eine Überwachung der Auslenkung 501 durch die Steuerung 4001 erfolgen. Falls benötigt kann die Steuerung 4001 die Ansteuerung des Treibers 4002 anpassen, um Abweichungen zwischen einer gewünschten Auslenkung und einer beobachteten Auslenkung zu reduzieren.
Beispielsweise wäre es möglich, dass eine Regelschleife (engl, closed-loop control) implementiert wird. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Soll-Amplitude der Bewegung als Führungsgröße umfassen. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Ist-Amplitude der Bewegung als Regelgröße umfassen. Dabei könnte die Ist-Amplitude der Bewegung basierend auf dem Signal des Sensors 662 bestimmt werden. Insbesondere kann mittels der Regelschleife die Torsionsmode gezielt resonant angeregt werden und die Transversalmode kann gezielt gedämpft werden.
FIG. 13 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zum Beispiel könnte das Verfahren gemäß FIG. 13 von der Steuerung 4001 des LIDAR-Systems 80 ausgeführt werden. In Block 5001 wird mindestens ein Aktuator angesteuert, um mindestens ein Stützelement, dass sich in einer durch eine Spiegelfläche eines Umlenkelements definierten Ebene erstreckt, gegenüber einer Fixstruktur resonant auszulenken. Beispielsweise könnte eine Torsion angeregt werden, z.B. resonant. Dabei ist das Umlenkelements entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet.
FIG. 14 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. FIG. 14 illustriert Aspekte in Bezug auf die Herstellung einer Scaneinheit. Beispielsweise könnte gemäß dem Verfahren der FIG. 14 eine Scaneinheit hergestellt werden, wie sie im Zusammenhang mit den hierin gezeigten FIGs. beschrieben wurde.
Zunächst wird in Block 501 1 in einem ersten Ätzprozess ein erster Wafer bearbeitet. In dem ersten Ätzprozess wird ein Umlenkelement und mindestens ein Stützelement in dem ersten Wafer erzeugt. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich weg von dem Umlenkelement. Beispielsweise könnte sich das mindestens eine Stützelement weg von einem Umfang des Umlenkelements erstrecken. Zum Beispiel könnte sich das mindestens eine Stützelement in einer Ebene mit dem Umlenkelement erstrecken; zum Beispiel könnte sich das mindestens eine Stützelement in einer durch eine Spiegelfläche des Umlenkelements definierten Ebene erstrecken (wobei eine Verspiegelung der Spiegelfläche, zum Beispiel durch Abscheiden von Gold oder Aluminium, erst nachfolgend geschehen kann). Dann wird in Block 5012 in einem zweiten Ätzprozess ein zweiter Wafer bearbeitet. In dem zweiten Ätzprozess wird mindestens ein weiteres Stützelement in dem zweiten Wafer erzeugt. Das mindestens eine weitere Stützelement kann komplementär zu dem Stützelement in dem ersten Wafer ausgebildet sein. Entsprechende Techniken sind zum Beispiel voranstehend in Bezug auf FIGs. 4-6 beschrieben.
Dann erfolgt in Block 5013 das Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer. Zum Beispiel können im Zusammenhang mit dem mindestens einen Stützelement aus Block 501 1 und dem mindestens einen weiteren Stützelement aus Block 5012 geeignete Kontaktflächen an den Enden der Stützelemente definiert werden, die das Bonden ermöglichen (vgl. FIG. 6: 141 -1 mit 141 -2, sowie 142 mit 1 19). Zum Beispiel wäre anodisches Bonden etc. möglich.
Dann erfolgt in dem Beispiel der FIG. 14 in Block 5014 das Freistellen der derart definierten Scaneinheit. In anderen Beispielen könnte das Freistellen auch vor Block 5013 erfolgen.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken dargestellt, bei denen ein oder mehrere Stützelemente auf einer Seite einer Spiegelfläche angebracht werden. Dadurch wird eine parallele Kinematik bei der elastischen Aktuierung des entsprechenden Umlenkelements gefördert. Werden ein oder mehrere Stützelemente nur auf einer Seite der Spiegelfläche angebracht, nimmt zwar einerseits der Flächenverbrauch der Struktur auf dem Wafer zu. Durch die einseitige Aufhängung kann das Umlenkelement jedoch im Scanner an nur einer Seite montiert werden und benötigt keinen steifen Halterahmen. Dadurch kann das Umlenkelement frei aufgehängt werden, was die Aufhängung vereinfacht und große Bewegungen zulässt.
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 voranstehend Techniken beschrieben, bei denen mehrere Stützelemente verwendet werden. In manchen Beispielen könnte aber auch nur ein einzelnes Stützelement verwendet werden. Weiterhin wurden voranstehenden verschiedene Techniken in Bezug auf die Bewegung von Scaneinheiten im Zusammenhang mit LIDAR-Messungen beschrieben. Entsprechende Techniken können aber auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. für Projektoren oder Laser-Scanning-Mikroskope, etc.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) zum Scannen von Licht (361 ), die umfasst:
- ein Umlenkelement (1 10) mit einer Spiegelfläche (1 1 1 ),
- mindestens ein Stützelement (121 , 122), das sich weg von einem Umfang der
Spiegelfläche (1 1 1) in einer Ebene (901) erstreckt und das eingerichtet ist, um das
Umlenkelement (1 10) elastisch mit einer Fixstruktur (350) zu koppeln, wobei sich die Spiegelfläche (1 1 1 ) auch in der Ebene (901) erstreckt,
- mindestens ein weiteres Stützelement (131 , 132), das sich versetzt zu der durch das mindestens eine Stützelement (121 , 122) definierten Ebene (901) erstreckt und das eingerichtet ist, um das Umlenkelement (1 10) elastisch mit der Fixstruktur (350) zu koppeln, und
- eine Steuerung (4001), die eingerichtet ist, um mindestens einen Aktuator (310, 320) anzusteuern, um eine Torsionsmode des mindestens einen Stützelements (121 , 122, 131 , 132) und des mindestens einen weiteren Stützelements (121 , 122, 131 , 132) resonant anzuregen,
wobei das Umlenkelement (1 10) entlang eines durchgängigen Umfangwinkels (380) von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (1 1 1 ) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet ist.
2. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach Anspruch 1 ,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) ein erstes Stützelement (121 , 122) und ein zweites Stützelement (121 , 122) umfasst,
wobei das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) ein weiteres erstes
Stützelement (131 , 132) und ein weiteres zweites Stützelement (131 , 132) umfasst.
3. Scaneinheit nach Anspruch 2,
wobei das erste Stützelement (121 , 122) und das erste weitere Stützelement (131 , 132) in einer ersten Ebene (905) liegen,
wobei das zweite Stützelement (121 , 122) und das weitere zweite Stützelement (131 ,
132) in einer zweiten Ebene (906) liegen,
wobei die erste Ebene (905) und die zweite Ebene (906) einen Winkel von nicht größer als 5° miteinander einschließen, optional von nicht größer 1 °. 4. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach Anspruch 2 oder 3,
wobei ein an das Umlenkelement (1 10) angrenzendes Ende (321) des ersten Stützelements (121 , 122) und ein an das Umlenkelement (1 10) angrenzendes Ende (321) des zweiten Stützelements (121 , 122) einen Abstand (351) zueinander aufweisen, der nicht größer als 40 % der Länge des Umfangs der Spiegelfläche (1 1 1) sind.
5. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
wobei sich das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) in einer weiteren
Ebene (902) erstreckt, die parallel zu der durch das mindestens eine Stützelement (121 , 122) definierten Ebene (901) ist.
6. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) und das Umlenkelement (1 10) einstückig ausgebildet sind,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) nicht einstückig ausgebildet sind. 7. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) ein erstes Stützelement (121 , 122) und ein zweites Stützelement (121 , 122) umfasst,
wobei eine Zentralachse (182) des ersten Stützelements (121 , 131) und eine Zentralachse (183) des zweiten Stützelements (122, 132) im Ruhezustand einen Winkel miteinander einschließen, der nicht größer als 20° ist, optional nicht größer als 5°, weiter optional nicht größer als 1 ° ist.
8. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei eine Länge (352) von jedem des mindestens einen Stützelements (121 , 122) oder von jedem des mindestens einen weiteren Stützelements (131 , 132) im Bereich von 3 mm bis 15 mm liegt, und/oder
wobei eine Breite von jedem des mindestens einen Stützelements (121 , 122) oder von jedem des mindestens einen weiteren Stützelements (131 , 132) im Bereich von 50 μηη bis 250 μηη liegt.
9. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei ein Querschnitt von jedem des mindestens einen Stützelements (121 , 122) und/oder von jedem des mindestens einen weiteren Stützelements (131 , 132) quadratisch ist.
10. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) jeweils als stabförmige Torsionsfedern ausgebildet sind. 1 1 . Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei der mindestens eine Aktuator (310, 320) an einem der Fixstruktur
zugewendeten Ende des mindestens einen Stützelements (121 , 122) angeordnet ist und ein oder mehrere Biegepiezoaktuatoren umfasst. 12. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) parallel zueinander angeordnet sind.
13. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine Stützelement (121 , 122) und das mindestens eine weitere
Stützelement (131 , 132) jeweils in einem der Fixstruktur (350) zugewendeten Endbereich (141 -1 , 141 -2) an einer Kontaktfläche (160) mittels Bonding miteinander verbunden sind.
14. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das mindestens eine weitere Stützelement (131 , 132) über ein
Schnittstellenelement (142) mit einer der Spiegelfläche (1 1 1) gegenüberliegenden Rückseite des Umlenkelements (142) verbunden ist.
15. Scaneinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei eine Dicke des mindestens einen Stützelements (121 , 122) senkrecht zur
Spiegelfläche (1 1 1 ) kleiner ist als eine Dicke des Umlenkelements (1 10) senkrecht zur Spiegelfläche (1 1 1).
16. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Spiegelfläche (1 1 1) eine Einbuchtung (1 19) aufweist,
wobei sich das mindestens eine Stützelement (121 , 122) zumindest teilweise in der Einbuchtung (1 19) erstreckt,
wobei sich das mindestens eine Stützelement (121 , 122) optional entlang mindestens 40 % seiner Länge (352) in der Einbuchtung (1 19) erstreckt, weiter optional entlang mindestens 60 % seiner Länge (352), weiter optional entlang mindestens 80 % seiner Länge (352).
17. Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- die Fixstruktur (350), die einen Freiraum (351 ) definiert, in welcher das
Umlenkelement (1 10) angeordnet ist,
wobei der Freiraum (351) ausgebildet ist, um eine Auslenkung (502) des
Umlenkelements durch Torsion (501 ) des mindestens einen Stützelements (121 , 122) von mindestens ± 45° zu ermöglichen, optional von mindestens ± 80°, weiter optional von mindestens ± 180°.
Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) nach einem der voranstehenden Seiten
wobei der Umfang der Spiegeloberfläche (1 1 1) mehrere Seiten (1 12-1 15) aufweist, wobei nur eine der mehreren Seiten (1 14) mit der Fixstruktur (350) gekoppelt ist.
19. Verfahren zum Betreiben einer Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) zum Scannen von Licht (361), wobei das Verfahren umfasst:
- Ansteuern von mindestens einem Aktuator, um mindestens ein Stützelement (121 , 122), das sich in einer durch eine Spiegelfläche (1 1 1) eines Umlenkelements (1 10) definierten Ebene (901 ) erstreckt, gegenüber einer Fixstruktur (350) mit einer Torsionsmode resonant zu auszulenken, und um ferner mindestens ein weiteres Stützelement (131 , 132), das sich versetzt zu der Ebene (901 ) erstreckt, mit der Torsionsmode resonant gegenüber der Fixstruktur (350) auszulenken,
wobei das Umlenkelement (1 10) entlang eines durchgängigen Umfangwinkels (380) von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (1 1 1) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet ist.
20. Verfahren zum Herstellen einer Scaneinheit (100, 100-1 , 100-2) zum Scannen von Licht (361), wobei das Verfahren umfasst:
- in einem ersten Ätzprozess eines ersten Wafers: Erzeugen eines Umlenkelements und mindestens eines Stützelements (121 , 122), das sich weg von dem Umlenkelement erstreckt, in dem ersten Wafer,
- in einem zweiten Ätzprozess eines zweiten Wafers: Erzeugen mindestens eines weiteren Stützelements (131 , 132), in dem zweiten Wafer,
- Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer, und
- Freistellen des Umlenkelements, des mindestens einen Stützelements (121 , 122) und des mindestens einen weiteren Stützelements (131 , 132).
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