EP4359843A1 - Mikroscanner mit mäanderfederbasierter spiegelaufhängung - Google Patents

Mikroscanner mit mäanderfederbasierter spiegelaufhängung

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Publication number
EP4359843A1
EP4359843A1 EP22734593.1A EP22734593A EP4359843A1 EP 4359843 A1 EP4359843 A1 EP 4359843A1 EP 22734593 A EP22734593 A EP 22734593A EP 4359843 A1 EP4359843 A1 EP 4359843A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microscanner
springs
spring
deflection element
meander
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22734593.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hofmann
Fabian SCHWARZ
Thomas VON WANTOCH
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.)
Oqmented GmbH
Original Assignee
Oqmented 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 Oqmented GmbH filed Critical Oqmented GmbH
Publication of EP4359843A1 publication Critical patent/EP4359843A1/de
Pending 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
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0043—Increasing angular deflection
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/032—Bimorph and unimorph actuators, e.g. piezo and thermo
    • 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
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0163—Spring holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a microscanner for projecting, in particular for Lissajous projection, electromagnetic radiation onto an observation field and a beam deflection system equipped with such a microscanner for projecting image sequences, in particular image sequences with a specific constant refresh rate.
  • micro scanners which are also referred to in technical jargon as “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micro mirrors” or in English as “micro scanners” or “micro-scanning mirrors” or “MEMS mirrors”.
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • MOEMS micro-opto-electro-mechanical systems
  • microscanners are considered, in which the modulating movement of a single mirror is rotational.
  • the modulation is generated via a single mirror, in contrast to mirror arrays, in which the modulation of incident light takes place via the interaction of several mirrors.
  • Microscanners can be used in particular for the deflection of electromagnetic radiation in order to use a deflection element (“mirror”) to modulate an electromagnetic beam incident on it with respect to its deflection direction. This can be used in particular to bring about a Lissajous projection of the beam in an observation field or projection field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functionalities can be implemented. In addition, such microscanners can also be used to advantageously irradiate and thus also process materials. Other possible applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed spaces or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of spotlight applications.
  • microscanners consist of a mirror plate (deflection plate) that is suspended laterally on elastically expandable springs.
  • a microscanner is used to deflect electromagnetic radiation such as a laser beam or a shaped beam from any other source of electromagnetic radiation at least two-dimensionally, e.g. horizontally and vertically, in order to scan an object surface within scan or illuminate an observation field. In particular, this can be done in such a way that the scanned laser beam sweeps over a rectangular area on a projection area in the projection field.
  • Microscanners with at least a two-axis mirror or single-axis mirrors connected in series in the optical path are therefore used in these applications.
  • the wavelength range of the radiation to be deflected can in principle be selected from the entire spectrum from short-wave UV radiation, via the VIS range, NIR range, IR range, FIR range to long-wave Terraherz and radar radiation.
  • Microscanners are often manufactured using silicon technology methods. Based on silicon wafer substrates, layer deposition, photolithography and etching techniques are used to form microstructures in silicon and thereby realize microscanners with moving MEMS mirrors, in particular as a chip. Instead of silicon, other semiconductor materials are also possible.
  • Electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, thermal and other actuator principles are typically used as drives.
  • the energy consumption can also be minimized in resonant operation or advantages can be achieved, in particular with regard to stability, robustness, production yield, etc. Scanning frequencies from 0 Hz (quasi-static) to over 100 kHz (in resonance) are typical.
  • microscanner-based laser projection displays are so-called raster scan displays in which a first beam deflection axis is operated at high frequency (typically 15 kHz to 30 kHz) in resonance (fast axis) around the horizontal deflection and a second axis is operated quasi-statically at a low frequency (typically 30 Hz to 60 Hz) in order to generate the vertical deflection.
  • a fixed grid-like line pattern (trajectory) is typically reproduced 30 to 60 times per second.
  • Lissajous microscanners in particular also in Lissajous scan displays.
  • both axes are usually operated in resonance and a scan path is generated in the form of a Lissajous figure.
  • large amplitudes can be achieved in both axes.
  • the vertical deflection in particular can therefore be much larger than with a raster scanner. Accordingly, a significantly higher optical resolution can usually be achieved with a Lissajous microscanner, in particular a Lissajous scan display, than with a raster scan display, in particular in the vertical direction.
  • a deflection device for a projection system for projecting Lissajous figures onto an observation field is known from EP 2 514 211 B1, which is designed to deflect a light beam about at least a first and a second deflection axis to generate the Lissajous figures.
  • microscanner-based Lissajous laser beam deflection system One or more of the following requirements are typically placed on a microscanner-based Lissajous laser beam deflection system:
  • high scanning frequencies e.g. between a minimum of 10 kHz and a maximum of 80 kHz, in particular in order to be able to project as many lines as possible per second and to be able to realize high trajectory repetition rates and, based on this, high image repetition rates;
  • both beam deflection axes should not differ too much in terms of their scanning frequencies and thus represent two fast axes in order to achieve particularly favorable trajectories, good and very fast coverage of the projection area and, in the case of displays, as much as possible to produce few or only slightly pronounced flickering artifacts in the viewer.
  • the terms “fast” and “slow” in relation to a respective (oscillation) axis refer here to the oscillation frequency with which the deflection element (mirror) of the microscanner is at whose operation oscillates about an associated axis. In particular, the terms are used relatively to distinguish a "faster” axle from a “slower” axle.
  • Frequency ratios that are close to an integer ratio of the frequency h of the faster axis to the frequency f2 of the slower axis are always advantageous, so that the ratio fi/f2 is close to 1, 2, 3, 4, etc., for example.
  • the detuning of the respective frequency compared to the integer ratio plays a major role, because this detuning of the frequency determines how quickly the Lissajous trajectory moves spatially. With an integer ratio, the detuning is equal to zero and the trajectory is stationary and reproduces itself in this form constantly. On the other hand, if the frequency is detuned greater than zero, the trajectory begins to wander, and within a certain interval the faster the greater the detuning of the frequency compared to the integer ratio.
  • the speed at which the trajectory moves on can advantageously be chosen so that a specific trajectory repetition rate of eg 30 Hz, 40 Hz, ....100 Hz is set, with which the trajectory is reproduced or - more precisely - under ideal, undisturbed conditions conditions reproduced.
  • a specific trajectory repetition rate of eg 30 Hz, 40 Hz, ....100 Hz is set, with which the trajectory is reproduced or - more precisely - under ideal, undisturbed conditions conditions reproduced.
  • large mirror diameters in particular to be able to realize small spot sizes and high optical pixel resolution.
  • large mirror diameters are of great advantage in order to be able to achieve a large so-called "eye box” and low diffractive losses and as few artefacts as possible;
  • microscanner-based laser projector in particular to be almost invisible in electronic end devices, for example smart glasses (e.g. augmented reality (AR) glasses, smartphones or tablet computers the temples of the glasses or in the housing of the smartphone or tablet, but at the same time also to enable low production costs;
  • smart glasses e.g. augmented reality (AR) glasses, smartphones or tablet computers the temples of the glasses or in the housing of the smartphone or tablet, but at the same time also to enable low production costs;
  • AR augmented reality
  • a microscanner that is reduced in its design in order to be able to better serve compactness requirements usually loses actuator area, thus driving force or torque and thus maximum deflection and thus in particular (pixel) resolution and performance (e.g. image field size , achievable trajectory repetition rate and the resulting usable frame rate).
  • a microscanner that is reduced in its design usually loses the area available for accommodating spring suspensions. This increases the stress in the suspensions and reduces the mechanical deflection and thus the optical resolution and performance at the same time.
  • a microscanner whose power consumption is reduced in favor of a longer service life of a mobile device or an application running on it usually loses driving force or torque, and thus resolution and performance.
  • a mirror plate that is enlarged for the sake of smaller spots and thus higher optical resolution usually increases in mass and moment of inertia and therefore reduces the achievable dynamics and speed.
  • a mirror plate that is enlarged for reasons of higher optical resolution usually shows larger dynamic deformations, which increases the beam divergence and the spot size and sometimes reduces the resolution.
  • a spring suspension that is stiffened in favor of higher scanning speeds and higher trajectory repetition rates usually achieves lower deflections and thus reduces the achievable optical resolution.
  • microscanners usually results in challenging optimization problems, the solution of which often requires not only one or more of the parameters mentioned above, but also many other properties and boundary conditions.
  • additional properties and boundary conditions can relate in particular to manufacturability, manufacturing costs, yield, electronic controllability, reproducibility, available modulation bandwidth of laser sources and drivers and much more.
  • the present invention is based on the object of providing an improved, at least two-axis, in particular resonantly operable, microscanner for Lissajous figure-shaped scanning of an observation field or (equivalently) projection field, which enables an improvement with regard to at least one of the aforementioned problems.
  • a first aspect of the invention relates to a microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field.
  • the microscanner has: (i) a deflection element, in particular a mirror plate, with a mirror surface designed as a micromirror for deflecting an incident electromagnetic beam; (ii) a support structure surrounding the deflection element at least in sections; and (iii) spring means having a plurality of springs.
  • the deflection element is oscillatingly suspended on the support structure in such a way that relative to the support structure it can simultaneously perform a first rotary oscillation about a first axis of oscillation and a second rotary oscillation about a second axis of oscillation orthogonal thereto, in order to the deflection element to cause a Lissajous projection of the incident electromagnetic beam in a field of view.
  • At least one of the springs has a spring section which is designed as a meander spring with a sequence of two or more meanders which follow one another along its longitudinal direction and extend transversely thereto.
  • the spring section is, in particular when the deflection element is in its rest position, arranged within a gap between the deflection element and the support structure and is guided with its longitudinal direction along a line, in particular a curved line, which deviates from one related to the geometric center of the micromirror , radial direction.
  • Each of the two oscillations can take place individually, in particular resonantly, ie as an oscillation with a natural frequency of the microscanner with respect to the associated oscillation axis. Both oscillations can also occur simultaneously with their respective natural frequencies (so-called “double-resonant” or “both-axis resonant” operation).
  • a "spring" within the meaning of the invention is understood to mean, in particular, an elastic body, in particular a machine element, for absorbing and storing mechanical (potential) energy, which deforms in a targeted manner under load in the load range below an elasticity limit and regains its shape when relieved takes on its original shape.
  • a “deflection element” within the meaning of the invention is to be understood in particular as a body that has a reflecting surface (mirror surface) that is smooth enough that reflected electromagnetic radiation, e.g. visible light, retains its parallelism according to the law of reflection and thus creates an image can.
  • the roughness of the mirror surface must be less than about half the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the deflection element can in particular be designed as a mirror plate with at least one mirror surface or have such a mirror surface.
  • the mirror surface itself can consist of a different material, e.g. of a metal, in particular a deposited metal, than the rest of the body of the deflection element.
  • a “vibration axis” or equivalently “axis” within the meaning of the invention is to be understood in particular as an axis of rotation (rotational axis) of a rotational movement. It is a straight line that defines or describes a rotation or rotation.
  • a "Lissajous projection" within the meaning of the invention is to be understood in particular as a scanning of an observation field with the aid of electromagnetic radiation, which is deflected by at least two mutually orthogonal and at least essentially sinusoidal oscillations (oscillations) of the radiation into the observation field Deflection element is effected.
  • the terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “having,” or any other variant thereof, as appropriate, are intended to cover non-exclusive inclusion.
  • a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements that are not expressly listed or that are inherent in such method or apparatus.
  • a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or exists) and B is false (or absent), A is false (or absent), and B is true (or present), and both A and B are true (or present).
  • the term "configured” or “set up” to perform a specific function (and respective modifications thereof) is to be understood within the meaning of the invention that the corresponding device is already in a configuration or setting in which it can or can perform the function it is at least adjustable - i.e. configurable - so that it can carry out the function after appropriate setting.
  • the configuration can take place, for example, via a corresponding setting of parameters of a process flow or of switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings.
  • the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can take place by selecting one of these configurations or operating modes.
  • a microscanner according to the first aspect makes it possible, on the one hand, to realize large optical scanning angles and high scanning frequencies and, on the other hand, to keep the space requirement for the microscanner small.
  • microscanners which for double-resonant Lissajous operation with mirror diameters of circular or ring-shaped micromirrors between 0.5 mm and 30 mm, on the one hand, large optical scan angles in the range of at least 20° and, for example, up to 90° and, on the other hand, scan frequencies between Allow 2 kHz and 90 kHz to be achieved and, for cost reasons, do not require more (chip) edge length than about twice or three times the mirror diameter.
  • microscanner in a mobile consumer end product, such as a smartphone, a portable computer or even a so-called “wearable” device (e.g. “smart watch”).
  • a mobile consumer end product such as a smartphone, a portable computer or even a so-called “wearable” device (e.g. “smart watch”).
  • wearable device e.g. “smart watch”.
  • one of the meanders has a first and a second straight meander limb, each running along a respective radial direction relative to the geometric center of the micromirror, and a third meander limb, which connects the first meander limb and the second meander limb and thereby complements the meander .
  • this even applies to all meanders of the tongue section.
  • Such a meandering geometry represents a very space-saving configuration of the springs when the longitudinal direction of the spring section, related to the center point of the micromirror, runs azimuthally (i.e. orthogonally to the radial directions crossed) or at least predominantly azimuthally. This applies in particular if the deflection element has an arcuate, in particular arcuate, circumference.
  • the first meander leg and the second meander leg each have a specific structure width in the azimuthal direction, based on the center point of the micromirror, which is in the range of at least 0.05° and at most 5.00° or runs therein. It has been found that with this dimensioning of the meander geometry and the spring stiffness dependent thereon, a particularly favorable compromise can be achieved in terms of achieving large optical scan angles and high scan frequencies with low space or area requirements.
  • the third leg of the meander is guided in an arc along the azimuthal direction. This can also be advantageous for optimizing, in particular minimizing, the required space or surface area for the spring(s) or their (respective) meander spring-shaped spring section(s) while at the same time ensuring their desired spring properties (especially with regard to scan angle, scanning frequencies, resolution, etc.) can be used.
  • the deflection element has a curved, in particular arc-shaped, peripheral section and the spring section is guided along its longitudinal extension at least in sections parallel to the course of this peripheral section of the deflection element. Preferably they run respective meandering spring sections of all of the springs corresponding at least in sections parallel to the course of the circumference of the deflection element.
  • These embodiments can also be used particularly advantageously to keep the space or area required for the springs with the desired spring properties small, in particular minimal.
  • the circumference of the deflection element runs in the shape of a circular arc at least in a circumferential section and the longitudinal direction of the spring section is guided along a line that runs at least in sections parallel to the arc-shaped course of this circumferential section of the deflection element.
  • the circumference of the deflection element can be circular overall.
  • the substrate can be a semiconductor substrate, for example a silicon substrate, from which at least two, preferably all of the aforementioned functional elements are produced.
  • the microscanner, or the functional elements thereof mentioned can be produced within the scope of the same substrate processing, instead of first being produced in separate processes as separate components and then being combined to form a microscanner.
  • the production of the microscanner or the mentioned functional elements from a single substrate allows a solution that is particularly efficient in terms of space or area, since the production processes known from semiconductor or microsystems technology can be used here, which in particular enable the targeted production of the smallest structures to allow.
  • the number of springs in the spring device is 2, 3, 4, 5 or 6. This is advantageous in that such a limited number of springs is still compatible with the requirement for a particularly space-saving microscanner design
  • the formation of the two orthogonal vibration axes with sufficiently high scanning frequencies (especially resonance frequencies) is made possible.
  • An even number of springs can be used in particular to define a frequency-independent fixed position of the two vibration axes a priori, while an odd number Number of springs can be used particularly advantageously when it is important that the resonance frequencies of both vibration axes match.
  • the microscanner also has a drive device for directly or indirectly driving the oscillations of the microscanner about the two oscillation axes.
  • electrostatic, piezoelectric, electromagnetic and thermal drives come into consideration as drives, which can already be provided and manufactured in whole or in part during MEMS manufacture at the wafer level.
  • so-called external drives are also possible, which supply the component with vibration energy in a suitable frequency range from an external non-MEMS actuator, such that the MEMS mirror begins to oscillate in one or both axes.
  • the drive device can have at least one drive element with a piezoactuator, which is arranged on one of the springs in order to cause it to oscillate.
  • the drive means is configured to cause the deflection element to vibrate in double resonance with respect to the first and second vibration axes.
  • the actuator system can in particular have or consist of one or more actuators.
  • the detuning v can be achieved in particular in such a way that only one of the two oscillation frequencies or both differs from the respective resonance frequency for the associated oscillation axis.
  • the detuning v compared to an integer frequency ratio plays a major role here, because this detuning of the frequency determines how fast the Lissajous trajectory moves on spatially. With an integer ratio, the detuning is equal to zero and the trajectory is stationary and reproduces itself in this form constantly.
  • the trajectory begins to wander, and within a certain interval the faster the larger the detuning v is compared to the integer ratio.
  • the speed at which the trajectory moves can advantageously be selected in such a way that a certain trajectory repetition rate (complete phase cycles/time), e.g. from the frequency range from 30 Hz to 100 Hz, is set with which the trajectory is reproduced or under ideal undisturbed conditions conditions reproduced. (As an explanation: Exact reproduction is often not possible, especially when using phase-locked loops or other control loops. Nevertheless, the advantages of a favorably selected detuning and an associated favorable rate of advance of the trajectory remain).
  • a detuning v selected in this way it is also possible in particular to achieve an improved line density, i.e. an increased line density, at least on average over time.
  • the microscanner is designed such that the deflection element can simultaneously oscillate freely about both mutually orthogonal oscillation axes with a respective axis-specific individual resonant frequency.
  • this can be used to configure the microscanner for Lissajous projections with two "fast" (high-frequency) vibration axes whose resonance frequencies are close to each other but do not form an exact integer ratio.
  • a Lissajous trajectory results in the observation field, or on an object surface (e.g. screen) lying transversely to the optical axis of the projection in the observation field, which fills or illuminates the image field in a very short time, especially in the context of a digital image of each pixel of the field of view.
  • the period of time required for this is largely determined by the selection of the resonant frequencies.
  • the ratio of the larger of the resonant frequencies of the first and second oscillations to the smaller of these oscillations can correspond to an integer value or deviate by at most 10%, preferably by at most 5%, from the ratio nearest integer value.
  • the spring device in particular for the purpose of forming oscillation axes at different speeds, has an even number N of identical springs for suspending the deflection element on the support structure, but their overall arrangement deviates from an N-fold rotational symmetry with respect to an axis of symmetry that is orthogonal to the two oscillation axes is selected so that the total spring stiffness of the spring device caused by the N springs and/or the effective moment of inertia of the oscillatable arrangement of the deflection element together with the springs is different for the two axes of oscillation.
  • the two axes of vibration can be detuned if four identical springs are applied to a circularly symmetrical micromirror (eg mirror plate) and the distances between the adjacent springs are not chosen to be exactly the same.
  • the number N of springs by which the deflection element is suspended from the support structure is even.
  • the overall arrangement of the N springs has an N-fold rotational symmetry with respect to an axis of symmetry that is orthogonal to the two axes of oscillation.
  • the respective spring width profiles of the N springs are selected differently along their respective course (i.e.
  • N/2 of the springs have a first spring width profile (spring width as a function of the position considered along the longitudinal direction of the spring section) and the other N/2 springs each have a different, corresponding second spring width profile, so that the total spring stiffness of the spring device caused by the N springs and/or the effective moment of inertia of the oscillatable arrangement of the deflection element together with the springs for the both vibration axes is different.
  • 1 shows a schematic plan view of a two-axis, gimballed (ie with a gimbal) suspended micromirror with comb drives according to a microscanner architecture known from EP 2 514 211 B1;
  • 2 shows a schematic plan view of a micromirror suspended without gimballs according to an embodiment of the present invention with two meander springs;
  • FIG. 3 schematically shows a top view of a micromirror suspended without gimballs according to a further embodiment of the present invention with four meander springs;
  • FIG. 4 schematically shows a top view of a gimballless suspended micromirror according to yet another embodiment of the present invention with three meander springs;
  • FIG. 5 schematically shows an example beam deflection system with a micro scanner according to an example embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a microscanner architecture 100 known from EP 2 514211 B1 with a two-axis (orthogonal vibration axes Ai and A2), cardanically suspended micromirror 105 (mirror plate). Electrostatic off-axis comb drives 110 and on-axis comb drives 115 are also shown, which can also be used as sensor electrodes.
  • the mirror plate 105 is suspended in a movable frame 125 by internal torsion springs 120 , which is suspended in a fixed chip frame 135 by external torsion springs 130 .
  • the frame 125 can be made to resonate by electrostatic comb drives 140, the representation of comb electrodes that are also present close to the axis for driving or sensor purposes of the movable frame 125 being omitted for the sake of clarity.
  • the vibration axes A1 and A2 shown were added to the figure taken from EP 2 514 211 B1 (cf. FIG. 3 there) for better illustration, and the reference numbers were adapted.
  • 2 shows a first exemplary embodiment 200 of a two-axis microscanner according to the invention.
  • the frame 215 advantageously has a higher torsional and flexural rigidity than the springs 210.
  • each of the springs 210 extends between an associated attachment point 220 on the frame 215 on the one hand and an associated coupling point 225 on the deflection element 205.
  • the deflection element is oscillatingly suspended on the support structure by means of the springs 210 in such a way that it simultaneously generates a first rotational oscillation relative to the support structure 215 about a first axis of oscillation Ai and a second rotary oscillation about a second axis of oscillation A2 orthogonal thereto in order to effect a Lissajous projection into an observation field (645) by reflecting an electromagnetic beam (12) incident on the deflection element during the simultaneous oscillations.
  • the two oscillations can each be individually resonant or double-resonant together.
  • Each of the springs 210 has a spring section 210a, which is designed as a meander spring with a sequence of a plurality of meanders 210b that follow one another along its longitudinal direction (located in the center of the spring) and extend transversely thereto.
  • the spring section 210a is arranged within an intermediate space between the deflection element 205 and the support structure or the frame 215 and is guided with its longitudinal direction 21 Od along a line, in particular a line in the shape of a circular arc, which deviates from a line pointing to the geometric center M of the deflection element or Micromirror 205 based, extends radial direction, in particular orthogonal thereto.
  • the circular arc defines an azimuthal direction (in polar coordinates) related to the center point M
  • “Meander” 210b is understood here in particular as a loop in the structure of the meander spring, which runs in a loop shape between two successive crossing points of the spring along the longitudinal direction 21 Od of the meander spring with the spring center line (here coinciding with the line 21 Od). Only for the purpose of illustration in FIG. 2 one of the meanders is shown thicker than the others, although the widths of the meanders in this exemplary embodiment do not actually have to or should differ from one another.
  • the respective segments of a meander 210b running in the radial direction preferably have (lateral) structural widths of at least 0.05° and at most 5° per radially running meander element, which are also arranged along circular arcs around the mirror plate 205 .
  • each spring section 210a is coupled to the frame 215 via a spring bar 210c belonging to the respective spring 210 , which can in particular run in a radial direction relative to the geometric center M of the micromirror 205 .
  • Electrostatic, piezoelectric, electromagnetic and thermal drives come into consideration as drives, which in particular can already be provided and manufactured in whole or in part as part of MEMS manufacture of the microscanner at the wafer level.
  • so-called external drives are also possible, which supply the component with vibration energy in a suitable frequency range from an external non-MEMS actuator in such a way that the deflection element begins to oscillate in one or both axes.
  • piezoelectric actuators can be accommodated on the springs 210, in particular on their meandering spring sections 210a), where they can efficiently excite the mirror vibration. In FIG. 2 this is shown as an example for (only) one spring 210 with a piezoelectric actuator 230 arranged thereon.
  • the drive can be set up in particular in such a way that it drives each of the two vibration axes Ai and A2 at their respective resonant frequency (double-resonant operation).
  • This operating mode can be used to advantage in laser projection displays and imaging sensors such as 3D cameras, LIDAR sensors, OCT devices, etc., as well as in laser material processing.
  • Lissajous MEMS scanners with two “fast” axes whose resonance frequencies are almost, but not exactly, an integer ratio are particularly advantageous.
  • a Lissajous trajectory then results, which can advantageously efficiently fill out the image field in a very short period of time, which can be configured in the design of the microscanner by appropriately defining the resonant frequencies.
  • An advantageous choice consists in particular in selecting a frequency ratio of the resonant frequencies of close to 1 and then setting a difference frequency of the actual resonant frequencies for the two oscillator axes Ai and A2 in such a way that this difference corresponds to the desired one
  • the trajectory repetition rate which can advantageously correspond in particular to the image repetition rate (when projecting image sequences, for example in video projection or sensor operation).
  • the first axis Ai can be tuned to 10 kHz and the second axis A2 to 10.2 kHz in order to realize a trajectory repetition rate of 200 Hz.
  • the detuning of the two axes Ai and A2 can be carried out in a particularly advantageous manner if, as illustrated by way of example in FIG.
  • a microscanner 300 is shown in which the distance between the two upper springs (in the figure) is smaller than the distance between an upper spring and a lower spring.
  • the splitting can also be achieved in particular with identical spring distances but different spring widths of two of the four springs in each case.
  • the microscanner 400 is particularly advantageous for applications such as projection arrangements, in which it is even desirable to achieve identical resonance frequencies for both axes Ai and A2 in order to scan a projection surface in the observation field completely using circular paths or elliptical paths or trajectories. To do this, the amplitude of the circular or elliptical path must then be modulated fast enough to be able to reach every location on the projection surface within a specified time interval with the resulting path (trajectory).
  • the beam deflection system 500 has a radiation source 505, which can be a laser source in particular, wherein the wavelength of the emitted radiation Li can be in the visible spectral range in particular, although other spectral ranges can also be used depending on the application, for example in the context of methods for material inspection.
  • a radiation source 505 can be a laser source in particular, wherein the wavelength of the emitted radiation Li can be in the visible spectral range in particular, although other spectral ranges can also be used depending on the application, for example in the context of methods for material inspection.
  • the radiation Li is emitted as a laser beam in the visible spectral range.
  • the laser beam Li is directed onto a microscanner according to the invention, in particular according to one of the embodiments 200, 300 or 400, as explained above with reference to FIGS.
  • the beam is reflected (mirrored) in the sense of an optical image and directed as a reflected beam L onto a projection surface 510 in the observation field of the microscanner 200, 300 or 400.
  • the beam deflection system 500 also has a control device 520, which is set up to supply the radiation source with at least one modulation signal, as a function of which the laser beam is modulated.
  • the modulation can relate in particular to its temporal or spatial intensity profile. Depending on the type of radiation source, however, other types of modulation are also conceivable, in particular modulations of the wavelength (e.g. color) or wavelength distribution of the radiation emitted by the radiation source 505.
  • the modulation takes place depending on the current deflection direction, so that corresponding pixels are generated on the projection surface with the associated pixel value of the corresponding pixel of the image to be displayed by modulation.
  • the control device 520 is also set up to control a drive device of the microscanner 200, 300 or 400 in order to cause it to drive, in particular double-resonant, simultaneous oscillations of the deflection element 205 of the microscanner about its two axes of oscillation Ai and A, so that the The light or radiation point generated by the reflected beam L on the projection surface 510 follows a trajectory or path in the form of a Lissajous figure 515, which preferably already completely illuminates an area on the projection surface provided as an image surface within a short time interval. In the case of a projection of a digital image that is made up of pixels, this means that all the pixels are reached or represented by the trajectory in the time interval.
  • the beam deflection system 500 can also be operated in the opposite direction, so that radiation emitted or reflected by an object to be observed is scanned using a Lissajous figure and reflected on the corresponding oscillating deflection element 205 and imaged in the direction of the unit 505, where then a sensor device, in particular an image sensor, can be located in order to detect the radiation by sensors.
  • Radiation source in particular laser, alternatively (in the case of sensor operation) sensor device

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Abstract

Ein Mikroscanner (200; 300; 400) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld weist auf: ein Ablenkelement (205) mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur (215); und eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl von Federn (210). Mittels der Federn (210) ist das Ablenkelement (205) so an der Tragestruktur (215) schwingfähig aufgehängt, dass es relativ zur Tragestruktur simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse (A1) sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse (A2) ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Zumindest eine der Federn (210) weist einen Federabschnitt (210a) auf, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von zwei oder mehr entlang seiner Längsrichtung aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern (210b) ausgebildet ist. Der Federabschnitt (210a) ist innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement (205) und der Tragestruktur (215) angeordnet und dabei mit seiner Längsrichtung entlang einer Linie geführt, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, radialen Richtung verläuft.

Description

MIKROSCANNER MIT MÄANDERFEDERBASIERTER SPIEGELAUFHÄNGUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroscanner zur Projektion, insbesondere zur Lissajous-Projektion, von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld sowie ein mit einem solchen Mikroscanner ausgestattetes Strahlablenkungssystem zur Projektion von Bildfolgen, insbesondere von Bildfolgen mit einer bestimmten konstanten Bildwiederholfrequenz.
Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „micro- scanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror“ bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-opto- elektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. Im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. Im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels rotatorisch erfolgt. Bei Mikroscannern wird die Modulation, in Abgrenzung gegenüber Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken mehrerer Spiegel erfolgt, über einen einzelnen Spiegel erzeugt.
Mikroscanner können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.
Mikroscanner bestehen in vielen Fällen aus einer Spiegelplatte (Ablenkplatte), die seitlich an elastisch dehnbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse beweglich aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln.
Sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion dient ein Mikroscanner dazu, elektromagnetische Strahlung wie z.B. einen Laserstrahl oder aber einen geformten Strahl einer beliebigen anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung mindestens zweidimensional, z.B. horizontal und vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes abzutasten bzw. auszuleuchten. Insbesondere kann dies so erfolgen, dass der gescannte Laserstrahl eine rechteckige Fläche auf einer Projektionsfläche im Projektionsfeld überstreicht. Somit kommen bei diesen Anwendungsfällen Mikroscanner mit zumindest zweiachsigem Spiegel oder im optischen Pfad hintereinandergeschaltete einachsige Spiegel zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich der abzulenkenden Strahlung kann grundsätzlich aus dem gesamten Spektrum von kurzwelliger UV-Strahlung, über den VIS-Bereich, NIR-Bereich, IR-Bereich, FIR-Bereich bis hin zu langwelliger Terraherz- und Radarstrahlung ausgewählt sein.
Häufig werden Mikroscanner mit den Methoden der Siliziumtechnologie hergestellt. Basierend auf Silizium-Wafer-Substraten dienen Schichtabscheidung, Fotolithographie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Silizium auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren, insbesondere als ein Chip. Anstelle von Silizium sind auch andere Halbleitermaterialien möglich.
Als Antriebe werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch (= nichtresonant) oder resonant erfolgen, letzteres insbesondere um größere Schwingungsamplituden, größere Auslenkungen und höhere optische Auflösungen zu erreichen. Außerdem lassen sich im resonanten Betrieb grundsätzlich auch der Energieverbrauch minimieren oder Vorteile insbesondere in Bezug auf Stabilität, Robustheit, Fertigungsausbeute, etc. erzielen. Typisch sind Scanfrequenzen von 0 Hz (quasistatisch) bis hin zu über 100 kHz (in Resonanz).
Obwohl die hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroscanner grundsätzlich in vielen verschiedenen Bereichen sinnvoll und erfolgreich eingesetzt werden können, wird nachfolgend insbesondere auf ihre Anwendung im Bereich der Laser- Projektions- Displays eingegangen. In vielen bekannten Fällen handelt es sich bei Mikroscanner-basierten Laser- Projektions-Displays um sogenannte Rasterscan-Displays, bei denen eine erste Strahlablenkachse bei hoher Frequenz in Resonanz (typisch 15 kHz bis 30 kHz) betrieben wird (schnelle Achse), um die Horizontalablenkung zu erzeugen und eine zweite Achse bei niedriger Frequenz (typisch 30 Hz bis 60 Hz) quasistatisch betrieben wird, um die Vertikalablenkung zu erzeugen. Ein fest vorgegebenes rasterförmiges Linienmuster (Trajektorie) wird dabei typischerweise 30 bis 60-mal pro Sekunde reproduziert.
Ein anderer Ansatz wird in den sogenannten Lissajous-Mikroscannern, insbesondere auch bei Lissajous-Scan-Displays verwendet. Dort werden beide Achsen üblicherweise in Resonanz betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajousfigur erzeugt. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen. Insbesondere die Vertikalablenkung kann daher sehr viel größer sein als bei einem Rasterscanner. Entsprechend kann bei einem Lissajous-Mikroscanner, insbesondere einem Lissajous- Scan-Display, meist eine deutlich höhere optische Auflösung erzielt werden als bei einem Raster-Scan-Display, insbesondere in vertikaler Richtung.
Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken.
Eine oder mehrere der folgenden Anforderungen werden typischerweise an ein Mikroscanner-basiertes Lissajous-Laserstrahl-Ablenksystem gestellt:
- hohe Scanfrequenzen, z.B. zwischen minimal 10 kHz und maximal 80 kHz, um insbesondere möglichst viele Zeilen pro Sekunde projizieren und hohe Trajektorienwiederholraten und, darauf aufbauend, hohe Bildwiederholraten realisieren zu können;
- vorzugsweise sollten sich beide Strahlablenk-Achsen (Schwingungsachsen) hinsichtlich ihrer Scanfrequenzen nicht zu stark unterscheiden und somit zwei schnelle Achsen darstellen, um auf diese Weise insbesondere sehr günstige Trajektorien, eine gute und sehr schnelle Abdeckung des Projektions-Gebietes und im Falle von Displays möglichst wenige oder nur gering ausgeprägte Flacker- Artefakte beim Betrachter zu erzeugen. Die Begriffe „schnell“ und „langsam“ in Bezug auf eine jeweilige (Schwingungs-)achse beziehen sich hierin jeweils auf die Schwingungsfrequenz, mit der das Ablenkelement (Spiegel) des Mikroscanners bei dessen Betrieb um eine zugehörige Achse schwingt. Die Begriffe werden insbesondere relativ benutzt, um eine „schnellere“ Achse von einer „langsameren“ Achse zu unterscheiden. Vorteilhaft sind stets Frequenzverhältnisse, die dicht neben einem ganzzahligen Verhältnis der Frequenz h der schnelleren Achse zur Frequenz f2 der langsameren Achse liegen, so dass entsprechend das Verhältnis fi/f2 z.B. nahe bei 1, 2, 3, 4 usw. liegt. Dabei spielt die Verstimmung der jeweiligen Frequenz gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz bestimmt darüber, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu. Bei einer Verstimmung der Frequenz größer null beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung der Frequenz gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate von z.B. 30 Hz, 40 Hz, ....100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. - genauer - unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Durch das Eingreifen von Phasenregelkreisen und anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen);
- große Spiegeldurchmesser, insbesondere um kleine Spotgrößen und hohe optische Bildpunktauflösung realisieren zu können. Speziell im Zusammenspiel mit optischen Wellenleitern (engl wave guides) sind große Spiegeldurchmesser von großem Vorteil, um dadurch eine große sog. „Eyebox“ (Augenboxe) und geringe diffraktive Verluste und möglichst wenig Artefakte erzielen zu können;
- große Strahlablenkwinkel, insbesondere um damit möglichst hohe Bildpunktauflösung und ein großes Projektions- bzw. Beobachtungsfeld (Field-of- View, FoV) zu ermöglichen;
- möglichst geringer Bauraum bzw. geringe Chipgröße, insbesondere um zu ermöglichen, dass der Mikroscanner-basierte Laser- Projektor von elektronischen Endgeräten, beispielsweise von Smart-Brillen (z.B. Augmented Reality (AR)-Brillen, Smartphones oder Tablet-Computern, nahezu unsichtbar in den Brillenbügeln bzw. im Gehäuse des Smartphones oder Tablets verschwinden kann, aber zugleich auch, um geringe Fertigungs-Kosten ermöglichen zu können;
- minimale Leistungsaufnahme, insbesondere um eine geringe Wärmeentwicklung der des Endgeräts und eine möglichst lange Batterielaufzeit zu ermöglichen. Es handelt sich dabei jedoch häufig um einander entgegengesetzt wirkende Anforderungen, wie folgende Beispiele zeigen:
- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, um Kompaktheitsanforderungen besser bedienen zu können, verliert in der Regel an Aktuatorfläche, damit an Antriebskraft bzw. -drehmoment und dadurch an Maximalauslenkung und somit insbesondere an (Bildpunkt-)Auflösung und Performanz (z.B. Bildfeldgröße, erreichbare Trajektorienwiederholrate und dadurch bedingte nutzbare Bildwiederholrate).
- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, verliert in der Regel an Fläche, die der Unterbringung von Federaufhängungen zur Verfügung steht. Damit erhöht sich der Stress in den Aufhängungen und reduziert sich die mechanische Auslenkung und damit zugleich auch die optische Auflösung und Performanz.
- Ein Mikroscanner, dessen Leistungsaufnahme zu Gunsten einer längeren Funktionsdauer eines mobilen Gerätes bzw. einer darauf ablaufenden Applikation reduziert wird, verliert in der Regel an Antriebskraft bzw. -drehmoment , dadurch an Auflösung und Performanz.
- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen kleinerer Spots und dadurch höherer optischer Auflösung vergrößert wird, nimmt in der Regel an Masse und Trägheitsmoment zu und verringert daher die erreichbare Dynamik und Geschwindigkeit.
- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen höherer optischer Auflösung vergrößert wird, zeigt dadurch in der Regel größere dynamische Deformationen, wodurch sich die Strahldivergenz und die Spotgröße vergrößern und sich die Auflösung teilweise verringert.
- Eine Federaufhängung, die zu Gunsten höherer Scangeschwindigkeiten und höherer Trajektorienwiederholrate versteift wird, erzielt in der Regel geringere Auslenkungen und verringert darüber die erreichbare optische Auflösung.
Insgesamt ergeben sich somit beim Entwurf von Mikroscannern in der Regel herausfordernde Optimierungsprobleme, zu deren Lösung oftmals nicht nur einer oder mehrere der oben genannten Parameter, sondern darüber hinaus noch viele andere Eigenschaften und Randbedingungen mitberücksichtigt werden müssen. Solche zusätzlichen Eigenschaften und Randbedingungen können insbesondere die Herstellbarkeit, Herstellungskosten, Ausbeute, elektronische Ansteuerbarkeit, Reproduzierbarkeit, verfügbare Modulationsbandbreite von Laserquellen und Treibern und vieles andere mehr betreffen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, zumindest zweiachsigen, insbesondere resonant betreibbaren, Mikroscanner zur Lissajousfigur- förmigen Abtastung eines Beobachtungsfeldes bzw. (gleichbedeutend) Projektionsfeldes bereitzustellen, der eine Verbesserung bezüglich zumindest einer der vorgenannten Problemstellungen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld. Der Mikroscanner weist auf: (i) ein Ablenkelement, insbesondere eine Spiegelplatte, mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; (ii) eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur; und (iii) eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl von Federn. Mittels der Federn ist das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt, dass es relativ zur Tragestruktur simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Zumindest eine der Federn weist einen Federabschnitt auf, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von zwei oder mehr entlang seiner Längsrichtung aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern ausgebildet ist. Der Federabschnitt ist, insbesondere wenn sich das Ablenkelement in seiner Ruhelage befindet, innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement und der Tragestruktur angeordnet und dabei mit seiner Längsrichtung entlang einer, insbesondere kurvenförmigen, Linie geführt, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, radialen Richtung verläuft.
Jeder der beiden Oszillationen kann individuell insbesondere resonant, d.h. als Schwingung mit einer Eigenfrequenz des Mikroscanners bezüglich der zugehörigen Schwingungsachse erfolgen. Es können auch beide Oszillationen simultan mit ihrer jeweiligen Eigenfrequenz auftreten (sog. „doppeltresonanter“ oder „beidachsig resonanter“ Betrieb). Unter einer „Feder“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein elastischer Körper, insbesondere ein Maschinenelement, zur Aufnahme und Speicherung mechanischer (potentieller) Energie zu verstehen, der bzw. das sich unter Belastung im Lastbereich unterhalb einer Elastizitätsgrenze gezielt verformt und bei Entlastung wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt.
Unter einem „Ablenkelement“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Körper zu verstehen, der eine reflektierende Fläche (Spiegelfläche) aufweist, die glatt genug ist, dass reflektierte elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das Ablenkelement kann insbesondere als Spiegelplatte mit zumindest einer Spiegelfläche ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Insbesondere kann die Spiegelfläche selbst aus einem anderen Material bestehen, z.B. aus einem, insbesondere abgeschiedenen, Metall, als der sonstige Körper des Ablenkelements.
Unter einer „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.
Unter einer „Lissajous-Projektion“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale und zumindest im Wesentlichen sinusförmige Schwingungen (Oszillationen) eines die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkelements bewirkt wird.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe "umfasst", "beinhaltet", "schließt ein", "weist auf", "hat", "mit", oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich "oder", sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe "ein" oder "eine", wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe "ein anderer" und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff "Mehrzahl", wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Ein Mikroscanner nach dem ersten Aspekt erlaubt es insbesondere, einerseits große optische Scanwinkel und hohe Scanfrequenzen zu realisieren und andererseits zugleich den Raum- bzw. Flächenbedarf für den Mikroscanner klein zu halten.
Insbesondere sind beispielhafte Ausführungsformen solcher Mikroscanner möglich, die für doppeltresonanten Lissajous-Betrieb bei Spiegeldurchmessern von kreis- oder ringförmigen Mikrospiegeln zwischen 0,5 mm und 30 mm einerseits große optische Scanwinkel im Bereich von mindestens 20° und beispielsweise bis zu 90° und andererseits Scanfrequenzen zwischen 2 kHz und 90 kHz zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr (Chip-) Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers. Somit ist auch eine breite Verwendung in verschiedensten möglichen Applikationen eröffnet, etwa dann, wenn es um den Einbau des Mikroscanners in ein mobiles Consumer-Endprodukt, wie etwa in ein Smartphone, einen tragbaren Computer oder gar in ein sog. „Wearable“-Device (z.B. „Smart-Watch“) geht. Nachfolgend werden weitere bevorzugte Ausführungsformen des Mikroscanners beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist eine der Mäandern einen ersten und einen zweiten, jeweils entlang einer auf den geometrischen Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen jeweiligen radialen Richtung verlaufenden, geradlinigen Mäanderschenkel sowie einen dritten Mäanderschenkel auf, der den ersten Mäanderschenkel und den zweiten Mäanderschenkel verbindet und dabei zur Mäander ergänzt. Bevorzugt gilt dies sogar jeweils für sämtliche Mäandern des Federabschnitts. Eine solche Mäandergeometrie stellt insbesondere dann eine sehr platzsparende Ausgestaltung der Federn dar, wenn die Längsrichtung des Federabschnitts, auf den Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, azimutal (also orthogonal zu den dabei gekreuzten Radialrichtungen) oder jedenfalls zumindest überwiegend azimutal verläuft. Dies gilt vor allem, wenn das Ablenkelement einen bogenförmigen, insbesondere kreisbogenförmigen Umfang aufweist.
Bei einigen dieser Ausführungsformen weisen der erste Mäanderschenkel und der zweite Mäanderschenkel jeweils eine in, auf den Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, azimutaler Richtung bestimmte Strukturbreite auf, die im Bereich von minimal 0,05° und maximal 5,00° liegt oder darin verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass bei dieser Dimensionierung der Mäandergeometrie und der davon abhängigen Federsteifigkeit ein im Hinblick auf die Erreichung einerseits großer optische Scanwinkel und hoher Scanfrequenzen bei geringem Raum- bzw. Flächenbedarf besonders günstiger Kompromiss erreicht werden kann.
Bei einigen der vorgenannten Ausführungsformen ist der dritte Mäanderschenkel bogenförmig entlang der azimutalen Richtung geführt. Auch dies kann vorteilhaft zur Optimierung, insbesondere Minimierung des benötigten Raum- bzw. Flächenbedarfs für die Feder(n) bzw. deren (jeweilige) mäanderfederförmige(n) Federabschnitt(e) unter gleichzeitiger Sicherstellung von deren gewünschten Federeigenschaften (insbesondere im Hinblick auf Scanwinkel, Scanfrequenzen, Auflösung usw.) genutzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Ablenkelement einen gekrümmten, insbesondere kreisbogenförmigen, Umfangsabschnitt auf und der Federabschnitt ist entlang seiner Längserstreckung zumindest abschnittsweise parallel zu dem Verlauf dieses Umfangsabschnitts des Ablenkelements geführt. Bevorzugt verlaufen die jeweiligen mäanderförmigen Federabschnitte sämtlicher der Federn entsprechend zumindest abschnittsweise parallel zum Verlauf des Umfangs des Ablenkelements. Auch diese Ausführungsformen können insbesondere vorteilhaft dazu genutzt werden, den für die Federn mit den gewünschten Federeigenschaften benötigten Raum- bzw. Flächenbedarf gering, insbesondere minimal zu halten.
Bei einigen dieser Ausführungsformen verläuft der Umfang des Ablenkelements zumindest in einem Umfangsabschnitt kreisbogenförmig und der Federabschnitt ist mit seiner Längsrichtung entlang einer Linie geführt, die zumindest abschnittsweise parallel zu dem kreisbogenförmigen Verlauf dieses Umfangsabschnitts des Ablenkelements verläuft. Insbesondere kann der Umfang des Ablenkelements insgesamt kreisförmig sein. Bei diesen Ausführungsformen handelt es sich um besonders raum- bzw. flächensparende Lösungen
Bei einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt: die Federeinrichtung, der Ablenkelement, die Tragestruktur. Insbesondere kann es sich bei dem Substrat um ein Halbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat, handeln, aus dem zumindest zwei, bevorzugt sämtliche der vorgenannten Funktionselemente gefertigt sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Mikroscanner, beziehungsweise die genannten Funktionselemente davon im Rahmen einer selben Substratprozessierung hergestellt werden können, anstatt zunächst in getrennten Prozessen als separate Komponenten hergestellt und nachfolgend zu Mikroscanner zusammengefügt zu werden. Zum anderen erlaubt gerade die Herstellung des Mikroscanners bzw. der genannten Funktionselemente aus einem einzigen Substrat einen besonders Raum- bzw. Flächen effiziente Lösung, da hier die aus der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik bekannt Herstellungsprozesse genutzt werden können, die insbesondere die gezielte Herstellung kleinster Strukturen erlauben.
Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Federn der Federeinrichtung 2, 3, 4, 5, oder 6. Dies ist zum einen dahingehend vorteilhaft, dass eine derart begrenzte Anzahl von Federn mit der Anforderung eines besonders Raum- bzw. Flächen sparenden Mikroscannerdesigns noch vereinbar ist, andererseits jedoch auch die Ausbildung der zwei orthogonalen Schwingungssachsen mit ausreichend hohen Scanfrequenzen (insbesondere Resonanzfrequenzen) ermöglicht ist. Eine gerade Anzahl von Federn kann insbesondere dazu genutzt eine frequenzunabhängige feste Lage der beiden Schwingungsachsen a priori zu definieren, während eine ungerade Federanzahl besonders dann vorteilhaft genutzt werden kann, wenn es darauf ankommt, dass die Resonanzfrequenzen beider Schwingungsachsen übereinstimmen.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Microscanner des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Mikroscanners um die beiden Schwingungsachsen auf. Als Antriebe kommen insbesondere elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht- MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass der MEMS-Spiegel in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt.
Insbesondere kann die Antriebseinrichtung gemäß einiger dieser Ausführungsformen zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweisen, der auf einer der Federn angeordnet ist, um diese in Schwingung zu versetzen. Dies stellt eine besonders platzsparende und zudem aufgrund der direkten Kopplung des Piezoaktuators mit der Feder besonders effektive und insbesondere auch energieeffiziente Möglichkeit zur Implementierung einer Antriebseinrichtung für den Mikroscanner dar.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann. Die Aktuatorik kann dazu insbesondere einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen oder daraus bestehen.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung dabei so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz fi bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: fi/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) und für die Verstimmung v gilt: v = (f 1 -f2)/f2 mit (f 1 -f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis fi/f2 nahe bei 1, 2, 3, bzw. 4, usw.
Die Verstimmung v kann insbesondere so erreicht werden, dass sich nur eine der beiden Schwingungsfrequenzen oder aber beide jeweils von der jeweiligen Resonanzfrequenz zur zugehörigen Schwingungsachse unterscheidet bzw. unterscheiden. Dabei spielt die Verstimmung v gegenüber einem ganzzahligen Frequenzverhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz legt fest, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu.
Bei einer nichtganzzahligen Verstimmung v > 0 beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung v gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate (vollständige Phasendurchläufe/Zeit), z.B. aus dem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Insbesondere beim Einsatz von Phasenregelkreisen oder anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen). Auf Basis einer derart gewählten Verstimmung v lässt sich insbesondere auch eine verbesserte, d.h. zumindest im zeitlichen Mittel, erhöhte Liniendichte erreichen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Mikroscanner so ausgelegt, dass das Ablenkelement simultan um beide zu einander orthogonalen Schwingungsachsen mit einer jeweiligen achsenspezifisch individuellen Resonanzfrequenz frei schwingen kann. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, den Mikroscanner für Lissajous- Projektionen mit zwei „schnellen“ (hochfrequenten) Schwingungsachsen zu konfigurieren, deren Resonanzfrequenzen nah beieinander liegen aber dabei kein exakt ganzzahliges Verhältnis bilden. In solchen Fällen ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie im Beobachtungsfeld, beziehungsweise auf einer im Beobachtungsfeld quer zur optischen Achse der Projektion liegenden Objektfläche (z.B. Leinwand), die in sehr kurzer Zeit das Bildfeld füllen bzw. ausleuchten, insbesondere im Rahmen einer digitalen Abbildung jedes Pixel des Bildfelds abbilden kann. Die dafür benötigte Zeitspanne maßgeblich durch die Wahl der Resonanzfrequenzen bestimmt.
Insbesondere kann dabei gemäß einiger dieser Ausführungsformen das Verhältnis der größeren der Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Oszillationen zur kleineren dieser Oszillationen einem ganzzahligen Wert entsprechen oder um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert abweichen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Federeinrichtung, insbesondere zum Zwecke der Ausbildung unterschiedlich schneller Schwingungsachsen, zur Aufhängung des Ablenkelements an der Tragestruktur eine gerade Anzahl N baugleicher Federn aufweist, deren Gesamtanordnung jedoch so von einer N-zähligen Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen stehenden Symmetrieachse abweichend gewählt ist, dass die durch die N Federn insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements nebst den Federn für die beiden Schwingungsachsen unterschiedlich ausfällt. Beispielsweise kann man die Verstimmung der beiden Schwingungsachsen vornehmen, wenn man vier identische Federn an einem kreissymmetrischen Mikrospiegel (z.B. Spiegelplatte) angreifen lässt und dabei die Abstände zwischen den jeweils benachbarten Federn nicht exakt gleich wählt.
Bei einigen anderen Ausführungsformen ist die Anzahl N der Federn, mittels derer der Ablenkelement an der Tragestruktur aufgehängt gerade. Die Gesamtanordnung der N Federn weist eine N-zählige Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen stehenden Symmetrieachse auf. Zudem sind die jeweiligen Federbreitenprofile der N Federn entlang ihres jeweiligen Verlaufs (d.h. insbesondere entlang des mäandernden Verlaufs des Federkörpers selbst) oder ihrer jeweiligen Längserstreckung jedoch auf solche Weise verschieden gewählt, dass N/2 der Federn ein erstes Federbreitenprofil (Federbreite als Funktion der betrachteten Position entlang der Längsrichtung des Federabschnitts) und die anderen N/2 Federn jeweils ein davon verschiedenes korrespondierendes zweites Federbreitenprofil aufweisen, so dass die durch die N Federn insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements nebst den Federn für die beiden Schwingungsachsen unterschiedlich ausfällt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen, kardanisch (d.h. mit Gimbal) aufgehängten Mikrospiegel mit Kammantrieben gemäß einer aus der EP 2 514 211 B1 bekannten Mikroscanner-Architektur; Fig. 2 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Mäanderfedern;
Fig. 3 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit vier Mäanderfeder;
Fig. 4 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit drei Mäanderfedern; und
Fig. 5 schematisch ein beispielhaftes Strahlablenkungssystem mit einem Mikroscanner gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird nun unmittelbar nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Mikroscanner-Architekturen bezüglich ihrer Spiegelaufhängung kurz beschrieben, um einen kurzen Überblick über eine technische Ausgangslage zu liefern, von der die vorliegende Erfindung ausgeht.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine aus der EP 2 514211 B1 bekannte Mikroscanner-Architektur 100 mit einem zweiachsigen (orthogonale Schwingungsachsen Ai und A2), kardanisch aufgehängten Mikrospiegel 105 (Spiegelplatte) illustriert. Es sind zudem elektrostatische achsenferne Kammantriebe 110 und achsennahe Kammantriebe 115 dargestellt, die auch als Sensorelektroden verwendet werden können. Die Spiegelplatte 105 ist über innere Torsionsfedern 120 in einem beweglichen Rahmen 125 aufgehängt, der durch externe Torsionsfedern 130 in einem festen Chiprahmen 135 aufgehängt ist. Der Rahmen 125 kann durch elektrostatische Kammantriebe 140 in Resonanz versetzt werden, wobei auf die Darstellung von ebenfalls vorhandenen achsennahen Kammelektroden zu Antriebs oder Sensorzwecken des beweglichen Rahmens 125 der Übersichtlichkeit wegen verzichtet wurde. Die dargestellten Schwingungsachsen A1 und A2 wurden zur besseren Veranschaulichung der aus der EP 2 514 211 B1 entnommenen Figur (vgl. dort Fig. 3) hinzugefügt und die Bezugszeichen wurden angepasst.
Nun werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 verschiedene beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen von Mikroscanner-Architekturen erläutert. In den Figuren 2 bis 4 werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet. Fig. 2 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform 200 eines erfindungsgemäßen zweiachsigen Mikroscanners. Der Mikroscanner 200 weist eine kreisringförmige Spiegelplatte als Ablenkelement 205 auf, die über eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl N von Federn (hier beispielhaft N = 2) Federn 210 an einem als Tragestruktur dienenden, das Ablenkelement 205 und die Federn 210 umgebenden Rahmen 215 aufgehängt ist. Der Rahmen 215 weist vorteilhaft insbesondere eine höhere Verwindungs- und Biegesteifigkeit auf als die Federn 210. Er kann insbesondere als starrer Chiprahmen aus einem Halbleitersubstrat, wie etwa Silizium, gefertigt sein. Jede der Federn 210 erstreckt sich dabei zwischen einem zugeordneten Ansatzpunkt 220 am Rahmen 215 einerseits und einem zugeordneten Kopplungspunkt 225 am Ablenkelement 205. Mittels der Federn 210 ist das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt, dass es relativ zur Tragestruktur 215 simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse Ai sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse A2 ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls ( ) eine Lissajous- Projektion in ein Beobachtungsfeld (645) zu bewirken. Die beiden Oszillationen können insbesondere jeweils individuell resonant oder zusammen doppeltresonant sein.
Jede der Federn 210 einen Federabschnitt 210a auf, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von Mehreren entlang seiner (federmittig gelegenen) Längsrichtung aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern 210b ausgebildet ist. Der Federabschnitt 210a ist innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement 205 und der Tragestruktur bzw. dem Rahmen 215 angeordnet und ist dabei mit seiner Längsrichtung 21 Od entlang einer, insbesondere kreisbogenförmigen Linie geführt, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt M des Ablenkelements bzw. Mikrospiegels 205 bezogen, radialen Richtung verläuft, insbesondere orthogonal dazu. Der Kreisbogen definiert insbesondere eine, auf den Mittelpunkt M bezogen, azimutale Richtung (in Polarkoordinaten)
Als „Mäander“ 210b wird hier insbesondere eine Schleife in der Struktur der Mäanderfeder verstanden, die schleifenförmig zwischen zwei entlang der Längsrichtung 21 Od der Mäanderfeder aufeinanderfolgenden Kreuzungspunkten der Feder mit der Federmittellinie (hier mit der Linie 21 Od zusammenfallen) verläuft. Nur zum Zwecke der Illustration ist in Fig. 2 eine der Mäandern dicker eingezeichnet als die übrigen, wenngleich sich die Breiten der Mäandern in diesem Ausführungsbeispiel tatsächlich nicht voneinander unterscheiden müssen bzw. sollen. Die jeweiligen in einer auf den radialen Richtung verlaufende Segmente einer Mäander 210b weisen vorzugsweise (laterale) Strukturbreiten von minimal 0,05° und maximal 5° pro radial verlaufendem Mäanderglied auf die zugleich entlang von Kreisbögen um die Spiegelplatte 205 angeordnet sind. Jeder Federabschnitt 210a ist rahmenseitig über einen zur jeweiligen Feder 210 gehörenden Federsteg 210c an den Rahmen 215 gekoppelt, der insbesondere in einer, auf den geometrischen Mittelpunkt M des Mikrospiegels 205 bezogen, radialen Richtung verlaufen kann.
Insgesamt kann mit der in Fig. 2 illustrierten Mikroscanner-Architektur einerseits eine sehr große Federlänge erzielt und gleichzeitig ein sehr platzsparendes Design realisiert werden (gleiches gilt ebenso für die in den Figuren 3 und 4 gezeigten weiteren Mikroscanner-Architekturen).
Als Antriebe kommen elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die insbesondere bereits im Rahmen einer MEMS- Fertigung des Mikroscanners auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass das Ablenkelement in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt. Besonders vorteilhaft können piezoelektrische Aktuatoren auf den Federn 210, insbesondere deren mäanderförmigen Federabschnitten 210a) selbst untergebracht werden, wo sie effizient die Spiegelschwingung anregen können. In Fig. 2 ist dies exemplarisch für (nur) eine Feder 210 mit einem darauf angeordneten Piezoaktuator 230 dargestellt. Der Antrieb kann insgesamt insbesondere so eingerichtet sein, dass er jeder der beiden Schwingungsachsen Ai und A2 in ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz antreibt (doppeltresonanter Betrieb). Dieser Betriebsmodus kann vorteilhaft in Laser-Projektions- Displays und bildgebenden Sensoren wie 3D-Kameras, LIDAR-Sensoren, OCT-Geräten etc. sowie in der Laser-Material-Bearbeitung eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft sind Lissajous-MEMS-Scanner mit zwei „schnellen“ Achsen, deren Resonanzfrequenzen zueinander beinahe, aber nicht exakt, ein ganzzahliges Verhältnis bilden. Dann ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie, die in vorteilhafter weise das Bildfeld in einer sehr kurzen Zeitspanne effizient ausfüllen kann, die beim Design des Mikroscanners durch entsprechende Festlegung der Resonanzfrequenzen konfigurierbar ist. Eine vorteilhafte Wahl besteht insbesondere darin, ein Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenzen von nahe 1 auszuwählen und dann eine Differenzfrequenz der tatsächlichen Resonanzfrequenzen für die beiden Oszillator- Achsen Ai und A2 so einzustellen, dass diese Differenz der gewünschten Trajektorienwiederholrate entspricht, die vorteilhaft insbesondere der Bildwiederholrate (bei der Projektion von Bildfolgen, etwa im Videoprojektions- oder Sensorbetrieb) entsprechen kann. Beispielsweise kann die erste Achse Ai auf 10 kHz abgestimmt sein und die zweite Achse A2auf 10,2 kHz, um eine Trajektorienwiederholrate von 200 Hz zu realisieren.
Auf besonders vorteilhafte Weise kann man die Verstimmung der beiden Achsen Ai und A2 vornehmen, wenn man, wie in Fig. 3 beispielhaft illustriert, N = 4 identische Federn an der Spiegelplatte 205 angreifen lässt und dabei die Abstände zwischen den Federn nicht exakt gleich wählt. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist ein Mikroscanner 300 dargestellt, bei dem der Abstand zwischen den beiden (in der Figur) oberen Federn kleiner ist als der Abstand zwischen einer oberen und einer unteren Feder. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Gesamtfedersteifigkeiten und auch unterschiedliche Trägheitsmomente für die zwei unterschiedlichen Schwingungsachsen Ai und A2, was zur Verschiebung/Aufspaltung der Resonanzfrequenzen trotz identischer Federgeometrien führt. Alternativ kann die Aufspaltung aber insbesondere auch bei identischen Federabständen, dafür aber verschiedenen Federbreiten von jeweils zwei der vier Federn erzielt werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform 400 eines Mikroscanner, bei dem N = 3 Federn 210 vorgesehen sind, die - wie illustriert - insbesondere rotationssymmetrisch um das Ablenkelement 205 herum angeordnet sein können. Der Mikroscanner 400 ist insbesondere für Anwendungen wie etwa Projektions-Anordnungen vorteilhaft, bei denen es sogar gewünscht ist, identische Resonanzfrequenzen für beide Achsen Ai und A2 zu erzielen, um eine Projektionsfläche im Beobachtungsfeld vollständig per Kreisbahnen oder Ellipsenbahnen bzw. -trajektorien abzuscannen. Dazu muss dann die Amplitude der Kreis- bzw. Ellipsenbahn bahn schnell genug moduliert werden, um mit der sich ergebenden die Bahn (Trajektorie) jeden Ort auf der Projektionsfläche innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls einmal erreichen zu können.
Fig. 5 zeigt schematisch ein Strahlablenkungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform 500 der vorliegenden Erfindung, das insbesondere zur Projektion von Bildern oder Bildfolgen (z.B. bewegten Bildern, Videos usw.) genutzt werden kann. Das Strahlablenkungssystem 500 weist eine Strahlungsquelle 505 auf, die insbesondere eine Laserquelle sein kann, wobei die Wellenlänge der emittierten Strahlung Li insbesondere im sichtbaren Spektralbereich liegen kann, wenngleich anwendungsabhängig auch andere Spektralbereiche genutzt werden können, etwa im Rahmen von Verfahren zur Materialinspektion. Im Folgenden wird, soweit nichts anderes gesagt ist, beispielhaft davon ausgegangen, dass die Strahlung Li als Laserstrahl im sichtbaren Spektralbereich emittiert wird.
Der Laserstrahl Li ist auf einen erfindungsgemäßen Mikroscanner gerichtet, insbesondere gemäß einer der Ausführungsformen 200, 300 oder 400, wie vorausstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 erläutert. Am Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte, 205 wird der Strahl im Sinne einer optischen Abbildung reflektiert (gespiegelt) und als reflektierter Strahl L auf eine Projektionsfläche 510 im Beobachtungsfeld des Mikroscanners 200, 300 bzw. 400 gerichtet.
Das Strahlablenkungssystem 500 weist des Weiteren eine Steuerungseinrichtung 520 auf, die eingerichtet ist, die Strahlungsquelle mit zumindest einem Modulationssignal zu versorgen, in Abhängigkeit von dem der Laserstrahl moduliert wird. Die Modulation kann insbesondere seinen zeitlichen oder örtlichen Intensitätsverlauf betreffen. Je nach Typ der Strahlungsquelle sind jedoch auch andere Modulationsarten denkbar, insbesondere Modulationen der Wellenlänge (z.B. Farbe) oder Wellenlängenverteilung der von der Strahlungsquelle 505 emittierten Strahlung. Bei der Projektion von Bildern, erfolgt die Modulation entsprechend in Abhängigkeit von der momentanen Ablenkrichtung so dass entsprechende Bildpunkte auf der Projektionsfläche mit dem zugehörigen Pixelwert des korrespondierenden Bildpunkts des darzustellenden Bildes per Modulation erzeugt werden.
Die Steuerungseinrichtung 520 ist des Weiteren eingerichtet, eine Antriebseinrichtung des Mikroscanners 200, 300 bzw. 400 anzusteuern, um diese zum Antrieb von, insbesondere doppeltresonanten, simultanen Oszillationen des Ablenkelements 205 des Mikroscanners um dessen beide Schwingungsachsen Ai und A ZU veranlassen, so dass der durch den reflektierte Strahl L auf der Projektionsfläche 510 erzeugte Licht- bzw. Strahlungspunkt eine Trajektorie bzw. Bahn in Form einer Lissajous-Figur 515 durchläuft, die vorzugsweise bereits innerhalb eines kurzen Zeitintervalls einen als Bildfläche vorgesehenen Bereich auf der Projektionsfläche vollständig ausleuchtet. Im Falle einer Projektion eines digitalen Bilds, welches aus Pixeln aufgebaut ist, bedeutet dies, dass in dem Zeitintervall sämtliche Pixel durch die Trajektorie erreicht bzw. dargestellt werden.
Das Strahlablenkungssystem 500 kann jedoch auch in Gegenrichtung betreibbar sein, so dass von einem zu beobachtenden Objekt emittierte oder reflektierte Strahlung mittels einer Lissajous-Figur abgetastet und dabei am entsprechend oszillierenden Ablenkelement 205 gespiegelt und in Richtung der Einheit 505 abgebildet wird, wo sich dann eine Sensoreinrichtung, insbesondere ein Bildsensor, befinden kann, um die Strahlung sensorisch zu erfassen.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 bekannte Mikroscanner-Architektur mit kardanischer Aufhängung
105 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
110 Achsenferner Kammantrieb für Schwingungsachse Ai
115 Achsennaher Kammantrieb für Schwingungsachse Ai
120 interne Torsionsfeder
125 beweglicher Rahmen
130 externe Torsionsfeder
135 Chiprahmen
140 äußerer Kammantrieb für Schwingungsachse A2
200 Mikroscanner-Architektur gemäß einer Ausführungsform mit 2 Federn
205 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
210 Feder
210a mäanderfederförmiger Federabschnitt
210b einzelne Mäander(n)
210c Federsteg
21 Od Längsrichtung des Federabschnitts 210a
215 rahmenförmige Tragestruktur, Chiprahmen
220 äußeres Ende der jeweiligen Feder, Ansatzpunkt am Chiprahmen 215
225 inneres Ende der jeweiligen Feder, Kopplungspunkt am Ablenkelement
230 Antriebseinrichtung, insbesondere Piezoaktuator
300 Mikroscanner-Architektur gemäß einer weiteren Ausführungsform mit 4 Federn
400 Mikroscanner-Architektur gemäß einer noch weiteren Ausführungsform mit 3 Federn
500 Strahlablenksystem 500
505 Strahlungsquelle, insbesondere Laser, alternativ, (bei Sensorbetrieb) Sensoreinrichtung
510 Projektionsfläche im Beobachtungsfeld
515 Lissajous-Figur
520 Steuerungseinrichtung
Ai erste (Schwingungs-)achse
A2 zweite (Schwingungs-)achse
LI auf Mikroscanner einfallender Strahl
L2 vom Mikroscanner reflektierter Strahl
M geometrischer Mittelpunkt M des Mikrospiegels 205

Claims

ANSPRÜCHE
1. Mikroscanner (200; 300; 400) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, wobei der Mikroscanner (200; 300; 400) aufweist: ein Ablenkelement (205) mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls ( ); eine dem Ablenkelement (205) in dessen Ruhelage zumindest abschnittsweise lateral benachbarte Tragestruktur; und eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl von Federn, mittels derer das Ablenkelement (205) so an der Tragestruktur (215) schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur (215) simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse (Ai) sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse (A2) ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement (205) einfallenden elektromagnetischen Strahls ( ) eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; wobei zumindest eine der Federn (210) einen Federabschnitt (210a) aufweist, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von zwei oder mehr entlang seiner Längsrichtung (21 Od) aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern (210b) ausgebildet ist; und wobei der Federabschnitt (210a) innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement (205) und der Tragestruktur (215) angeordnet ist und dabei mit seiner Längsrichtung (210d) entlang einer Linie geführt ist, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt (M) des Mikrospiegels bezogen, radialen Richtung verläuft.
2. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 1 , wobei eine der Mäandern (210b) einen ersten und einen zweiten, jeweils entlang einer auf den geometrischen Mittelpunkt (M) des Mikrospiegels bezogen jeweiligen radialen Richtung verlaufenden, geradlinigen Mäanderschenkel sowie einen dritten Mäanderschenkel aufweist, der den ersten Mäanderschenkel und den zweiten Mäanderschenkel verbindet und dabei zur Mäander (210b) ergänzt.
3. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 2, wobei der erste
Mäanderschenkel und der zweite Mäanderschenkel jeweils eine in auf den Mittelpunkt (M) des Mikrospiegels bezogen azimutaler Richtung bestimmte Strukturbreite aufweisen, die im Bereich von minimal 0,05° und maximal 5,00° liegt oder darin verläuft.
4. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der dritte Mäanderschenkel bogenförmig entlang der azimutalen Richtung geführt ist.
5. Mikroscanner (200; 300; 400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Ablenkelement (205) einen gekrümmten Umfangsabschnitt aufweist und der Federabschnitt (210a) entlang seiner Längserstreckung zumindest abschnittsweise parallel zu dem Verlauf diese Umfangsabschnitts des Ablenkelements (205) geführt ist.
6. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 5, wobei der Umfang des
Ablenkelements (205) zumindest in einem Umfangsabschnitt kreisbogenförmig verläuft und der Federabschnitt (210a) mit seiner Längsrichtung (210d) entlang einer Linie geführt ist, die zumindest abschnittsweise parallel zu dem kreisbogenförmigen Verlauf dieses Umfangsabschnitts des Ablenkelements (205) verläuft.
7. Mikroscanner (200; 300; 400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners (200; 300; 400) zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt sind: die Federeinrichtung, der Ablenkelement, die Tragestruktur.
8. Mikroscanner (200; 300; 400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Federn (210) der Federeinrichtung 2, 3, 4, 5 oder 6 beträgt.
9. Mikroscanner (200; 300; 400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des
Weiteren aufweisend eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Mikroscanners (200; 300; 400) um die beiden Schwingungsachsen.
10. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 9, wobei die Antriebseinrichtung zumindest ein Antriebselement (230) mit einem Piezoaktuator aufweist, der auf einer der Federn (210) angeordnet ist, um diese in Schwingung zu versetzen.
11. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert, ist dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann.
12. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 11, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz h bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: fi/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f 1 -f2)/f2 mit (fr f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.
13. Mikroscanner (200; 300; 400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, der so ausgelegt ist, dass das Ablenkelement (205) simultan um beide zu einander orthogonalen Schwingungsachsen (Ai, A2) mit einer jeweiligen achsenspezifisch individuellen Resonanzfrequenz frei schwingen kann.
14. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 13, wobei das Verhältnis der größeren der Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Oszillationen zur kleineren dieser Oszillationen einem ganzzahligen Wert entspricht oder um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert abweicht.
15. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Federeinrichtung zur Aufhängung des Ablenkelements (205) an der Tragestruktur (215) eine gerade Anzahl N baugleicher Federn (210) aufweist, deren Gesamtanordnung jedoch so von einer N-zähligen Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen (Ai, A2) stehenden Symmetrieachse abweichend gewählt ist, dass die durch die N Federn (210) insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements (205) nebst den Federn (210) für die beiden Schwingungsachsen (Ai, A2) unterschiedlich ausfällt.
16. Mikroscanner (200; 300; 400) nach Anspruch 12 oder 13, wobei: die Anzahl N der Federn, mittels derer der Ablenkelement (205) an der Tragestruktur (215) aufgehängt ist, gerade ist; die Gesamtanordnung der N Federn (210) eine N-zählige Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen (Ai, A2) stehenden
Symmetrieachse aufweist; und die jeweiligen Federbreitenprofile der N Federn (210) entlang ihres jeweiligen Verlaufs oder ihrer jeweiligen Längserstreckung jedoch auf solche Weise verschieden gewählt sind, dass N/2 der Federn (210) ein erstes Federbreitenprofil und die anderen N/2 Federn (210) jeweils ein davon verschiedenes korrespondierendes zweites Federbreitenprofil aufweisen, so dass die durch die N Federn (210) insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements (205) nebst den Federn (210) für die beiden Schwingungsachsen (Ai, A2) unterschiedlich ausfällt.
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