WO2009046904A1 - Mikromechanisches bauelement zur modulation von elektromagnetischer strahlung - Google Patents

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WO2009046904A1
WO2009046904A1 PCT/EP2008/008292 EP2008008292W WO2009046904A1 WO 2009046904 A1 WO2009046904 A1 WO 2009046904A1 EP 2008008292 W EP2008008292 W EP 2008008292W WO 2009046904 A1 WO2009046904 A1 WO 2009046904A1
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plate
micromechanical
radiation
electromagnetic radiation
laterally
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PCT/EP2008/008292
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Thomas Egloff
Jens Knobbe
Heinrich GRÜGER
Christian Drabe
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B5/1828—Diffraction gratings having means for producing variable diffraction
    • G—PHYSICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical device for modulation of electromagnetic radiation and an optical system with the same.
  • the micromechanical component includes a modulation structure for modulating the electromagnetic radiation.
  • the technical field of application of the invention described here is the modulation of the intensity distribution or the amplitude distribution of electromagnetic radiation in an image plane, e.g. with a digital camera.
  • the electromagnetic radiation can be light from the ultraviolet spectral range up to the infrared spectral range, ie electromagnetic radiation with wavelengths of 1 nm up to a wavelength of 1 mm.
  • the electromagnetic radiation can be modulated with respect to its phase, its amplitude, the wavelength o- their polarization or a combination of these over the beam cross-section.
  • the local modulation over the beam cross section of electromagnetic radiation is currently realized by two basic arrangements or component types.
  • One possibility which allows a multifaceted modulation of electromagnetic radiation over the beam cross-section consists of discretely constructed systems.
  • a further possibility of realization is pixel-type control of spatial light modulators embodied as matrix (array), so-called spatial light modulators (SLM).
  • SLM spatial light modulators
  • each pixel can be controlled individually. Therefore, these require a complex control as a modulator, which is why only low modulation frequencies can be achieved.
  • Another disadvantage is the moderate filling factor, as it results from the pixel-wise arrangement of the spatial light modulator and leads to an increased amount of extraneous light. This results in a poor signal-to-noise ratio.
  • Further disadvantages are the high manufacturing costs and the limited possibilities of electromagnetic radiation with regard to certain properties, such as e.g. To modulate or filter wavelength or polarization.
  • the object of the invention is to provide an electromechanical component and an optical system with the same for the active modulation of electromagnetic radiation. This object is achieved by the micromechanical component according to claim 1 and the optical system according to claim 19.
  • the present invention provides a micromechanical component with a substrate, which is structured in such a way that it forms a plate which is laterally deflectable and laterally modulates the radiation; and means for laterally deflecting the plate.
  • the present invention has the advantage that according to embodiments of the present invention, the micromechanical device has an integrated modulation structure, which actively changes the properties of electromagnetic radiation in the beam profile, modulates or / and filters and an integrated actuator, the mechanical movements of these Structure allows.
  • a miniaturized, cost-effective component for active modulation of electromagnetic radiation can be provided. Due to the production eg in a silicon technology, a high cost reduction in comparison with conventional systems and a good miniaturization can be achieved in large quantities.
  • the modulation mask and thus the type of modulation can be adapted to different requirements with very little effort due to the manufacturing process.
  • amplitudes or intensity, phase, wavelength or / and polarization distribution can be spatially modulated.
  • the component can be part of a complex optical or opto-electronic system in which the component takes over the active modulation of the local properties of the radiation distribution.
  • the micromechanical component according to the invention when used in different optical systems, inherently allows the use of cost-effective individual detectors. Furthermore, a better signal-to-noise ratio and a better lateral resolution in application areas such as spectroscopy and spatially resolved spectroscopy can be realized by the micromechanical device according to the invention. Using an array detector in combination with the modulator can also improve the resolution of the array detector.
  • micromechanical component from the integration of an optical functional element, such as the modulation structure and the micromechanical drive. Since the production in a silicon micro technology is possible, can a high production accuracy can be achieved with simultaneous cost reduction. In addition, no additional assembly and adjustment, as required for discretely constructed systems. Other major improvements are the miniaturization, a high fill factor of almost 100% resulting in a lower stray light, high achievable modulation frequencies and a simple compared to spatial light modulators (SLM). The manufacturing technology also allows a flexible adaptation of the modulation structure and the Aktuatorwirkkars for micromechanical drive to different requirements and applications.
  • SLM spatial light modulators
  • FIG. 1a shows the top view of a schematic diagram of an electrostatically driven micromechanical device, which is designed as a one-dimensional modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1b is a detail view of the schematic diagram of the electrostatic comb drive of FIG. 1a for the one-dimensional modulator;
  • Ic is a detail view of the comb electrodes of Fig. Ib;
  • Fig. 2a is a schematic cross-sectional view of the micromechanical device along the A-A 'line.
  • FIG. 2b shows another embodiment of a cross-sectional view of the micromechanical device along the A-A 'line.
  • FIG. 3 is a plan view of a schematic diagram of an electrostatically driven two-dimensional modulator according to a another one. Embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a detailed view of the mask structure with the associated modulation area for the two-dimensional modulator from FIG. 3;
  • 5a shows the plan view of a schematic diagram of an electromagnetically driven one-dimensional modulator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5b shows a detailed view of a coil structure producing the electromagnetic force produced in a lithographic technology for the micromechanical drive of the one-dimensional modulator from FIG. 4a;
  • FIG. 6 shows the schematic diagram of an optical system with the micromechanical component with electrostatic linear actuator according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows the schematic diagram of an optical system with two crossed one-dimensional modulators for the two-dimensional modulation of electromagnetic radiation
  • FIG. 8 shows the schematic diagram of an optical system for a two-dimensional modulation according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is another schematic diagram of an optical system for a two-dimensional modulator according to another embodiment of the present invention.
  • the micromechanical device 100 with a substrate 99, which is structured so that in the same a plate 1 is formed, which is laterally deflectable and laterally radiation modulating acts; and a device 5 for laterally deflecting the plate 1.
  • the actual modulation structure consisting of a mask structure, for example produced in silicon, in the plate or membrane 1 is suspended on an inner frame 2.
  • the mask structure of the plate 1 can be embodied, for example, as a hematard or simplex matrix (S-matrix) structured mask, as described by M. Harwit in the book “Hadamard Transform Optics", 1979.
  • the movement of such a structured mask in the A beam profile of an electromagnetic radiation leads to a mathematical convolution of its transmission function with the intensity distribution of the electromagnetic radiation in the image plane
  • the intensity distribution can then be calculated using the inverse matrix of the modulator structure matrix or S matrix-structured mask 1 is in this case coated with a material that absorbs or reflects well within the used spectral range of the electromagnetic radiation interacting with the micromechanical component
  • the coating may consist of one or more layers he layer systems exist and can at least partially cover the patterned mask. While the holes or slits 1a of the mask 1 transmit the radiation, the mask coating absorbs or reflects Ib the radiation and thus allows an amplitude modulation over the beam cross-section 3.
  • An outer frame 4 in the substrate is coupled via a parallel guide with integrated spring structures 6 to the inner frame 2, whereby a lateral movement 12 of the modulation mask 1 is made possible.
  • the plate 1 can therefore be coupled directly or indirectly via a spring element or a gear to a device for laterally deflecting the plate.
  • Fig. Ib the partial view of the integrated spring structure 6 and the associated electrostatic comb drive 8 is shown.
  • a defined bending of the spring structure is achieved by the tapers in the beam of the parallel guide 7.
  • the lateral force for deflecting the membrane structure 1 is realized by means of series-arranged linear actuators with electrostatic comb drive 8.
  • Opposite comb electrodes 8 are thus placed on different electrical potential for the generation of force during actuation.
  • the resulting electrostatic forces lead to a lateral deflection 12 of the modulation mask 1.
  • the plate 1 or the modulation structure can thus be deflected by a suitable control of the electrostatic comb electrodes laterally so in the frame plane or substrate plane targeted.
  • a movement of the light modulator structure with respect to a beam cross section in which Fig. Ia marked with the reference numeral 3, can be achieved.
  • FIG. 1 c shows a detailed view of the comb electrodes 9 a and 9 b of the electrostatic comb drive 8.
  • the comb electrodes can be subjected to a different potential, ie they can be set to a different electrical potential.
  • the comb electrode 9a may have a negative potential and the comb electrode 9b may have a positive potential.
  • the potential difference creates an electrostatic force.
  • This electrostatic force can be achieved via the above described Rallel guide 7 of the spring structure 6 for lateral deflection of the plate or membrane 1 are used.
  • the comb electrodes 9a and 9b as schematically shown in Fig. Ic by the arrows so interlock that they do not touch.
  • the comb electrodes 9a, b can thus extend laterally in a direction of translation and lie laterally offset with respect to the free ends transversely to the direction of translation, so that in a lateral orientation of the plate 1 in the translation direction, the free ends in the direction of translation in the interspace of opposing comb electrodes can dive.
  • the lateral size of the mask structure 1 in the direction of movement 12 may, for example, be twice the beam cross section 3 to be modulated.
  • the micromechanical component or the modulator 100 can be designed as a resonant comb drive in order to use a high energy efficiency and a low electrical supply voltages for the electrostatic comb drive.
  • the lateral movement of the plate 1 with the aid of the parallel-guided spring structure and the electrostatic comb drive can be described as vibration, and accordingly periodic voltages can be applied to the electrostatic comb electrodes 8 in the resonant operating case with a frequency necessary for the proper operation of the micromechanical component.
  • the electrostatic comb drive 8 can also be operated statically or quasi-statically.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 1 c can be produced, for example, using silicon technology, some of the components of the component described above can be made of silicon, whereby a high mechanical stability and reliability of the micro-mechanical component can be ensured.
  • the micromechanical component can be produced for example in the so-called silicon-on-insulator (SOI) technology.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the micromechanical component can thus have an in-plane actuator which is suitable for exerting a lateral force on the plate 1 in such a way that the plate 1 can perform a defined lateral movement.
  • the plate formed as a coded mask can actively change, modulate or / and filter, for example, by means of a modulation matrix constructed as a hammard matrix or simplex modulation structure, an interacting with the micromechanical electromagnetic radiation element.
  • the simplex matrix is a matrix with a random distribution of zeros and ones describing the distribution of transmissive and absorptive regions on the mask structure.
  • the plate is laterally deflectable and laterally radiation modulating or laterally modulating radiation for electromagnetic radiation.
  • the optical functional element ie the plate 1 with the modulation structure, is moved linearly and / or rotationally with respect to its direction of movement.
  • the deflection of the plate can be carried out quasi-static, static, dynamic or resonant.
  • the optical functional element can be coupled either directly or via a spring element or a gear on the actuator, so the micromechanical drive.
  • the optical functional element 1 can be designed, for example, as a laterally structured amplitude and / or phase mask.
  • a spatial modulation of the amplitude or the intensity of the phase, the wavelength and / or the polarization state of an interacting with the component electromagnetic radiation over the beam cross section can be achieved.
  • Suitable modulation functions allow the use of low-cost radiation detectors. with an additional good signal-to-noise ratio and an increase in the lateral resolution.
  • FIG. 2 a shows a schematic cross-sectional representation of a micromechanical component along the marked A-A 'line in FIG. 1 a.
  • the substrate 99 of the micromechanical device 100 as shown in this embodiment along the A-A 'line, the plate 1 and the inner frame 2.
  • the outer frame 4 may already be formed by the substrate 99.
  • the plate 1 may in this embodiment consist of the same material as the substrate, so for example made of silicon.
  • an undercut for example, in the context of an SOI technique, the plate is then connected to the substrate only via the frame structures shown in Fig. Ia.
  • the cavities formed during the undercut can be opened from the substrate side, which is opposite to the substrate side on which the plate 1 is formed, as is also shown by way of example in FIG.
  • the plate 1 can also be coated with a layer 98 or a layer stack, so that parts of the plate have a radiation-reflecting, radiation-absorbing or radiation-transmitting effect or a combination of these three possibilities on an electromagnetic radiation interacting with the plate.
  • the plate can therefore be formed of silicon whose surface is partially coated with reflective aluminum. Other parts of the surface may be coated, for example, with a radiation-absorbing polymer, such as e.g. PSK 2000 be coated.
  • Fig. 2b shows in a schematic cross-sectional view along the drawn AA 'line in Fig. Ia a Another embodiment of a micromechanical component.
  • the substrate 99 of the micromechanical component 100 again has the plate 1 and the inner frame 2 in this exemplary embodiment.
  • the plate 1 and the frame 2 may consist of a different material than the substrate 99.
  • the plate may for example consist of aluminum and quartz glass. This can be produced, for example, by applying an aluminum or quartz glass layer (SiO 2 ) 98 to the substrate 99 and a plate formed from the substrate and then etching away the plate formed from the substrate so that a freestanding aluminum or quartz glass plate remains.
  • SiO 2 aluminum or quartz glass layer
  • the plate 1- for example made of aluminum or quartz glass-can also be coated with a further layer 97 or a layer stack, so that parts of this plate again radiation-reflective, radiation-absorbing or radiation-transmitting or a combination of these three options on a interacting with the plate E- lektromagneticianstrahlung ,
  • the substrate 99 has a recess, so that the plate is movable, wherein the recess as exemplified in Fig. 2b as a along the thickness of the substrate 99 through opening 99a may be formed, whereby the arrangement of FIG. 2b can also be used effectively in transmitted light applications.
  • FIG. 3 another embodiment of the present invention is shown. Similar to the exemplary embodiment in FIG. 1 a for a one-dimensional modulator, a two-dimensional modulator 100 with two actuators 5 a and 5 b arranged perpendicular to one another can be realized.
  • the linear actuator 5a which deflects the two-dimensional (2D) mask structure 1 in a direction 13 is deflected statically, for example, by a linear actuator 5b arranged perpendicular thereto in a direction 12 perpendicular to the deflection direction 13.
  • the mask pattern 1 and its size and extent is the previous one Embodiment (Fig. Ia) with respect to the deflection, the modulation surface 3 and the structure of the mask 1 adapted.
  • a modulation structure various mathematically advantageous two-dimensional matrices can be used, such as the Hadamard matrices or simplex matrices already mentioned above.
  • the mask or plate 1 has instead of slots, as shown in Fig. Ia, square holes 15 or transmissive areas (see Fig. 4).
  • a two-dimensional movement of the mask structure 1 in the x-direction 13 and y-direction 12 results in a convolution of the transmission function of the mask with the amplitude or intensity distribution in the mask plane.
  • the actuators 5a and 5b are embodied, for example, such that the mask 1 can be dynamically or resonantly deflected in one direction, for example in the x-direction, and can be moved quasi-statically in the other direction (the y-direction).
  • This embodiment variant of the micromechanical component 100 can also be produced in a silicon micro-technology.
  • the actuators 5a and 5b may again be stacked linear actuators with electrostatic comb drive. In this case, opposite comb electrodes are again set to a different electrical potential upon actuation. The resulting electrostatic forces can be used for a corresponding two-dimensional deflection of the modulation mask 10.
  • the actuators 5a and 5b can, as already described with reference to FIG. 1a, achieve a defined bending of the spring structure by means of tapers in the bar of the parallel guide 7.
  • the mask structure 1 is in turn suspended in an inner frame structure 2.
  • An outer frame 4 is coupled via a parallel guide 7 with integrated spring structures 6 on a central frame 11, which in turn is coupled via a parallel guide with integrated spring structures to the inner frame 2, whereby a lateral movement 12 or 13 of the modulation mask 1 is made possible.
  • the mask or modulation structure 1 has instead of slots, as in the embodiment in Fig. Ia, square holes 15 and transmitting square areas (see Fig. 4) and areas 14, which are provided with a reflective or absorbent layer or a corresponding layer system.
  • Fig. 5a another embodiment of the present invention of a micromechanical device for the modulation of electromagnetic radiation is shown.
  • the modulation structure 1 is also suspended in an inner frame 2.
  • This frame includes electromagnetically activatable structures 20 and is connected via parallel guides 7 with integrated spring elements 6 with an outer frame 4, whereby the lateral movement 12 (for example in the y-direction) of the modulation mask 1 is made possible.
  • the electromagnetic force-generating structures 20 are designed in a coil shape such that a current flowing through them generates a magnetic field 21 parallel to the desired lateral direction of movement, that is to say in the y-direction 12, for example.
  • This magnetic field 21, in combination with, for example, an external permanent magnet, generates a force which leads to the lateral deflection of the modulation mask 1.
  • one or more additional coil-shaped structures 20 in the region of the outer frame 4 can also generate the required base magnetic field 21.
  • the magnetic fields of the coils in the outer and inner frame can be aligned co-linear with the same direction or opposite orientation.
  • the plate 1 can then be laterally deflected by lateral force components of the electromagnetic linear drive. This deflection can in turn be carried out resonantly, dynamically quasi-statically or statically.
  • the lateral size of the structured plate 1 in the direction of movement can again be approximately twice the beam cross section 3 to be modulated.
  • the structures generating the electromagnetic force 20 are arranged to a plate 1, which may for example also have a round shape, that the resulting electromagnetic force has a force component tangential to the plate 1 in the substrate plane and so a rotational Movement of the plate around a plate normal can be achieved.
  • the plate can also be deflected so that it can perform a rotational movement in the substrate plane.
  • the force required for this can generally be generated by actuators based on the electrostatic, the electromagnetic, the thermal, the piezoelectric, the pneumatic, the fluidic or the magnetostrictive principle.
  • FIG. 5 b shows a variant embodiment of the coil-shaped structure 20 which was produced in the so-called silicon-on-insulator (bonded-silicon-on-insulator) membrane technology used.
  • the plate 22 is cut through to the buried oxide (buried oxide (BOX)) with filled isolation trenches 23, whereby electrically isolated elongated potential regions arise.
  • BOX buried oxide
  • These are provided on their surface with an insulating layer 24, such as silicon dioxide (SiO 2 ) and connected electrically cross-over with metal tracks 25, for example of AlSiCu, whereby the coil-shaped structure 20 is formed.
  • the current is then introduced to form the magnetic field.
  • the micromechanical device may, according to another embodiment, comprise a plate which is designed as a photonic crystal. That is, the plate may have periodic structures having a period length on the order of electromagnetic radiation interacting with the plate.
  • the structures may be, for example, dielectric structures or metallic structures.
  • the plate which is in the form of a photonic crystal, can be designed such that photonic band structures arise that have areas of forbidden energy, so that electromagnetic waves within certain spatial directions in the crystal or plate can not propagate. It can therefore have a band gap for electromagnetic waves of a certain frequency range of the electromagnetic spectrum.
  • the plate can be designed as a one-, two- or three-dimensional photonic crystal, this being based on the number of possible spatial directions which have a band gap when light is incident.
  • the plate can therefore have periodic structures in the order of magnitude of the interacting radiation.
  • the structure may have regularly arranged structures in the order of magnitude of 100 nm to 10 ⁇ m.
  • a micromechanical component can have a plate, in which the radiation modulation makes it possible to effectively modulate the radiation by carrying out the modulation structure as a photonic crystal.
  • FIG. 6 shows an optical system 90 which has a micromechanical component 100, as described, for example, in conjunction with FIG. 1a or with FIG. 5a.
  • the optical system has an object tive or an optical system 32, which images an object 30 in the depth of field in the plane of the membrane of the micromechanical device 100.
  • the optical system 90 may comprise an image field stop (not shown in FIG. 6), which is integrated in the beam path of the objective 31 or in the micromechanical device 100, which is designed to limit the image field of the object 30.
  • the optical system 90 has a detector optics 33 associated with the micromechanical component 100 for imaging, which has radiation-modulated electromagnetic radiation by the micromechanical component 100 onto a detector. The detector is designed to time-sequentially detect the total energy of the electromagnetic radiation incident on the detector and to provide it as a signal for further processing.
  • the optical system 90 may include an optic 32 that images an object 30 proximate to an aperture / aperture plane in which the micromechanical device is disposed.
  • This optical system would include, for example, one or more micromechanical devices of the embodiments discussed above which would be located in or adjacent to an aperture plane of the optical system or in or adjacent to a plane conjugate thereto, and a detector for detecting one Direction of the one or more components incident electromagnetic radiation, the detector could for example be arranged directly behind the one or more micromechanical devices, or could be arranged behind an additional optics for refocusing or behind an optic and a detector optics.
  • the optical system or the Hadamard transform line camera may comprise a micromechanical device with a one-dimensional amplitude modulation mask, wherein the plate, for example, as a Hadamard matrix or is structured as a simplex matrix. In other words, the structure is defined or writable by a Hadamard matrix or a simplex matrix.
  • the one-dimensional amplitude modulator 100 described above with a mask structured as a Hadamard matrix or S matrix, a detector optics 33, a single detector 34 and an image field stop, not shown in FIG. 6, a Hadamard line detector can be constructed. In combination with a lens 32, which is adapted to the image field of the amplitude modulator 100, so creates a "Hadamard transformation line camera".
  • the objective 32 forms the environment or the object 30 in the modulator plane of the micromechanical component.
  • the image field is limited by an additional or an integrated in the modulator field of view.
  • the plate of the micromechanical component transmits and reflects or absorbs a portion of the electromagnetic radiation 31.
  • FIG. 7 shows, as a further exemplary embodiment, an optical system 90, which is formed as a two-dimensional transformation camera by combining two micromechanical components 100 with electrostatic linear actuators. According to the exemplary embodiment in FIG.
  • a two-dimensional transformation camera can be realized, for example, by two one-dimensional modulators 100 arranged in a crosswise arrangement.
  • a modulator can perform a movement 12 and the second modulator an independent movement 13 which extends laterally perpendicular to the plane of movement of the movement 12.
  • the modulators are adapted to the previous embodiment, see Fig. 6 with respect to their deflection 12, 13 of the modulation surface and structure of the plate 1.
  • various mathematically advantageous sequences are again available, such as the Hadamard matrices or simplex matrices already mentioned above.
  • the two mutually crossed microcomponents 100 with their one-dimensional modulator structures are arranged almost directly behind one another, so that both masks lie in the image-side depth of focus range of the objective 32.
  • the optical system 90 again comprises an objective 32 and a detector optics 33 and a correspondingly arranged single detector 34, which is sensitive in the spectral range of the electromagnetic radiation interacting with the micromechanical component. It is also conceivable that a plurality of individual detectors or a single detector array is used instead of the single detector.
  • an optical system 90 as a two-dimensional transformation camera is formed by a combination of two micromechanical components with a corresponding modulation structure.
  • the optical system At 90 in FIG. 8 has an objective 32, which images the environment or the object 30.
  • the optical system has two one-dimensional modular gate structures 100, which are crossed at a distance.
  • the modulator structures 100 can again be deflected in the direction 12 and 13.
  • the optical system has a relay 35, which relay optics 35, for example, with a so-called Offner configuration (1: 1 Imaging Relay) or modified Offner arrangement is feasible.
  • This can ensure that the object is imaged by the objective 32 in the respective modulator plane.
  • the movements of the one-dimensional modulator structure 100 again lead to a convolution of the respective transmission function with the intensity distribution in the respective image plane.
  • the intensity distribution can be calculated with the aid of the inverse matrices of the modulation structures of the micromechanical device 100.
  • the advantage of this design lies in the substitution of two-dimensional detector arrays by individual detectors, which can lead to a large performance and cost advantage, especially in the near infrared (NIR) or in the infrared (IR).
  • NIR near infrared
  • IR infrared
  • a resolution improvement can be achieved. This applies both to single- and two-dimensional transformation cameras, as illustrated in connection with FIGS. 6 to 9.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a two-dimensional transformation camera.
  • the optical system 90 has an objective 32 which surrounds the environment or an object 30 in the with a two-dimensional matrix structured modulator plane of the micromechanical device 100, as described for example in connection with FIGS. 3 and 4, is mapped.
  • the image field is limited again by an additional or an integrated in the modulator field stop, which is not shown in Fig. 9.
  • the two-dimensional mask structure of the micromechanical device 101 transmits and reflects or absorbs a portion of the electromagnetic radiation 31.
  • the two-dimensional movement 12 and 13 of the mask structure by means of the integrated linear actuators 5a and 5b (see FIG.
  • a covered optical system 33 arranged downstream of the micromechanical component 1 can then image the electromagnetic radiation onto a single detector 34 for the electromagnetic radiation, which is designed such that the total energy of the electromagnetic radiation incident on the detector can be detected in a time-sequential manner and provided as a signal.
  • the micromechanical component 100 again has a plate which has a structure which was calculated by means of mathematically advantageous two-dimensional matrices, such as the Hada-matrices or the simplex matrices.
  • the mask may have instead of slots square holes, as shown for example in Fig. 4.
  • the micromechanical element for modulating electromagnetic radiation has at least one plate having integrated structural features and a laterally movable plate, the deflection of the plate being determined by means of an electrostatic, electromagnetic, thermal, piezoelectric or electromagnetic wave magnetostrictive drive takes place.
  • the deflection of the plate by the drive can be resonant, quasi static or static.
  • the micromechanical component may be characterized in that at least one surface of the plate is at least partially designed as a mirror, which is made up of a layer or a layer stack.
  • the micromechanical component is characterized in that at least one surface of the plate is at least partially designed as an absorbent layer or an absorbent layer system.
  • the micromechanical component as described above, is characterized in that the plate is at least partially transparent.
  • the plate of the micromechanical component can be designed as a phase mask with any structural patterns.
  • the plate of the micromechanical device is designed as a shadow mask with an arbitrary structural pattern.
  • the at least partially reflecting or at least partially absorbing or partially transparent plate can be wavelength-selective and / or influence the polarization of the electromagnetic radiation interacting with the micromechanical component.
  • the micromechanical component can be designed in such a way that it can actively influence the properties of an electromagnetic radiation in the spectral range between "ultraviolet", “visible” and “infrared.” That is, the component can be designed such that the electromagnetic radiation, with which the component interacts, light in the spectral range between "ultraviolet", “visible” and “infrared” can be.
  • the micromechanical component or the optical system can additionally have at least one position sensor for detecting information about the position and / or the frequency and / or the phase position of the plate movement. In other words, the position sensor can read the current position of the disk and with the modulation structure, monitor or monitor and possibly provide signals to change the movement of the plate.
  • the micromechanical component is characterized in that the plate or the membrane is structured with a plurality of discrete apertures of different and / or identical shape and / or size and whose position can be changed in conjunction with a quasi-static drive whereby modulation of the amplitude across the beam cross-section is enabled and / or a discrete selection of the effective beam-limiting aperture or apertures is made possible.
  • an optical system may have a second aperture or the image of an aperture in front of, behind or in the plane of the plate of the micromechanical device.
  • the optical system can furthermore be characterized in that the plate is structured with a plurality of discrete apertures of different and / or identical shape and / or size and whose position can be changed in conjunction with a quasi-static drive, thereby enabling a modulation of the amplitude across the beam cross section and / or a discrete selection of the effective beam-limiting aperture or apertures is made possible.
  • the lateral position of the second aperture can be fixed and / or movably arranged relative to the micromechanical component, so that in each case only one or a part of the apertures transmits an interacting electromagnetic radiation and thus a discrete selection of the effective beam-limiting aperture and / or apertures / or a change of their resulting shape and / or size allows.
  • the component can thus be used as discretely changeable aperture.
  • the micromechanical component can be used in various systems.
  • the component can be part of a complex optical or optoelectronic system, in which the micromechanical component the active modulation of the local properties of a radiation distribution takes over.
  • the micromechanical component can be used in a variety of systems according to well-known measurement principles, such as in the Hadamard transformation optics or in spectrometers, in spectrometers, for laser beam characterization, as a so-called Knife-Edge laser profiler for laser beam characterization or in spatially resolved Eilipsometer etc. are used.
  • the micromechanical component can be used, for example, for image acquisition.
  • the micromechanical component is used for spatially resolved spectroscopy or spectral image acquisition or for so-called multi, hyper or ultra-spectral imaging.
  • spectral image sensors simultaneously provide spectral and local information about an examination subject from different spectral ranges.
  • the micromechanical component can be used in Hadamard transformation spectroscopy.
  • the use of the device in systems for laser beam manipulation and / or characterization is conceivable.
  • the device can also be used in systems for the manipulation or characterization of radiation cross sections.
  • the component can also be used in systems for detecting the polarization or for spatially resolved detection of the polarization or in ellipsometers or spatially resolved ellipsomorphs.
  • the micromechanical component allows a principle-based use of low-cost detectors. Furthermore, better signal-to-noise ratios and improved lateral resolution can be realized.
  • two-dimensional detector arrays can be replaced by individual detectors, which leads to a large performance and cost advantage, in particular in the near infrared or in the infrared.
  • tektorarrays in combination with the micromechanical device dissolution improvement can be achieved.
  • the actuator is always "in-plane", ie integrated in the plane of the plate, in other embodiments the actuator may be formed above or below the plate or membrane plane, for example associated with the plate so that it can deflect the plate laterally.
  • the plate In a lateral deflection of the plate, the plate may be translated in one direction (e.g., x-direction) or in two directions (e.g., x, y) translationally, or also rotationally about an axis parallel to the substrate or plate normal.
  • a combination of these movements that is to say a combination of rotation and a one-dimensional or two-dimensional translation, is to be understood as a lateral deflection.
  • the modulation structure may have an aperiodic or non-periodic structure or pattern.
  • the modulation structure can thus consist of discrete regions with constant properties with respect to the interaction with electromagnetic radiation, the distribution of which does not have any periodicity.
  • the modulation structure may also have a non-equidistant structure. Accordingly, the distances of radiation-transmitting, radiation-absorbing and / or radiation-reflecting regions of the modulation structure can be different, not equidistant or variable.
  • the modulation structure may comprise an aperiodic or non-periodic substructure, wherein the modulation structure may be composed of a plurality of identical substructures. That is, aperiodically varying Partial structure can be repeated laterally and together, the repetitive partial structures can form the modulation structure.
  • the modulation structure can also have a plurality of differently sized radiation-transmitting regions 1a, 15 and a plurality of radiation-absorbing or radiation-reflecting regions 1b, 14 of different size.

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Abstract

Ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte mit einer Modulationsstruktur gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt, weist eine Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte auf, wobei die Modulationsstruktur eine aperiodische Struktur aufweist oder durch eine Hademard- oder eine Simplexmatrix beschrieben wird.

Description

Mikromβchanischβs Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung und ein optisches System mit demselben. Das mikromechanische Bauelement beinhaltet zur Modulation der e- lektromagnetischen Strahlung eine Modulationsstruktur.
Das technische Einsatzgebiet der hier beschriebenen Erfindung ist die Modulation der Intensitätsverteilung bzw. der Amplitudenverteilung von elektromagnetischer Strahlung in einer Bildebene z.B. bei einer digitalen Kamera. Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich um Licht aus dem ultravioletten Spektralbereich bis hin zum infraroten Spektralbereich handeln, also um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 1 nm bis zu einer Wellenlängen von 1 mm. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei hinsichtlich ihrer Phase, ihrer Amplitude, der Wellenlänge o- der ihrer Polarisation oder einer Kombination aus diesen über den Strahlquerschnitt moduliert werden.
Die örtliche Modulation über dem Strahlquerschnitt von e- lektromagnetischer Strahlung wird gegenwärtig durch zwei prinzipielle Anordnungen bzw. Bauelementtypen realisiert. Eine Möglichkeit, welche eine vielfältige Modulation elektromagnetischer Strahlung über dem Strahlquerschnitt zu- lässt, besteht aus diskret aufgebauten Systemen.
Diese Systeme bestehen aus einer strukturierten Maske, deren Bewegung mit Hilfe unterschiedlicher Aktuationsprinzi- pien realisiert wird. Dabei werden für die Erzeugung des Modulationsmusters der strukturierten Maske häufig lithographische Strukturierungsverfahren eingesetzt. Aufgrund des diskreten Aufbaus solcher Systeme sind allerdings der Miniaturisierbarkeit und den erreichbaren Modulationsfre- quenzen deutliche Grenzen gesetzt. Beschränkte Modulationsfrequenzen führen aufgrund der zeitlichen Variation der Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung zu einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis . Zusätzlich erfor- dem diskret aufgebaute Systeme einen höheren Herstellungs- , Kosten-, und Justageaufwand.
Eine weitere anzutreffende Realisierungsmöglichkeit besteht in bildelementweise (pixelweise) ansteuerbaren, als Matrix (Array) ausgeführten räumlichen Lichtmodulatoren, sogenannte Spatial Light Modulators (SLM) . Bei diesen kann jedes Pixel einzeln angesteuert werden. Deshalb benötigen diese als Modulator eine aufwendige Ansteuerung, weshalb lediglich niedrige Modulationsfrequenzen erzielt werden können. Unvorteilhaft ist zudem der moderate Füllfaktor, wie er sich aus der pixelweisen Anordnung des räumlichen Lichtmodulators ergibt und der zu einem erhöhten Fremdlichtanteil führt. Dies hat ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge. Weitere Nachteile sind die hohen Fertigungskosten und die eingeschränkten Möglichkeiten, elektromagnetische Strahlung hinsichtlich bestimmter Eigenschaften, wie z.B. Wellenlänge oder Polarisation modulieren oder filtern zu können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromecha- nisches Bauelement und ein optisches System mit demselben zur aktiven Modulation von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das mikromechanische Bauelement nach Anspruch 1 und dem optischen System nach Anspruch 19 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt; und eine Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte aufweist . Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das mikromechanische Bauelement eine integrierte Modulationsstruktur aufweist, die aktiv die Eigenschaften der elektromagneti- sehen Strahlung im Strahlprofil ändert, moduliert oder/und filtert und einem integrierten Aktuator, der die mechanischen Bewegungen dieser Struktur ermöglicht. Dadurch kann ein miniaturisiertes, kostengünstiges Bauelement zur aktiven Modulation von elektromagnetischer Strahlung bereitge- stellt werden. Aufgrund der Herstellung z.B. in einer Siliziumtechnologie werden bei großen Stückzahlen eine hohe Kostenreduktion im Vergleich zu herkömmlichen Systemen und eine gute Miniaturisierbarkeit erreicht. Weiterhin kann die Modulationsmaske und somit die Art der Modulation herstel- lungsbedingt mit sehr geringem Aufwand an unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden. Dabei können Amplituden bzw. Intensitäts-, Phasen-, Wellenlängen oder/und Polarisationsverteilung örtlich moduliert werden. Das Bauelement kann dabei Bestandteil eines komplexen optischen oder op- toelektronischen Systems sein, in dem das Bauelement die aktive Modulation der örtlichen Eigenschaften der Strahlungsverteilung übernimmt. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement bei Einsatz in unterschiedlichen optischen Systemen prinzipbedingt die Verwen- düng kostengünstiger Einzeldetektoren. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine bessere laterale Auflösung in Anwendungsgebieten wie etwa der Spektroskopie und der ortsauflösenden Spektroskopie realisiert werden. Bei Verwendung eines Arraydetektors in Kombination mit dem Modulator kann auch die Auflösung des Arraydetektors verbessert werden.
Weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich bei dem mikromechanischen Bauelement aus der Integration eines optischen Funktionselementes, z.B. der Modulationsstruktur und dem mikromechanischen Antrieb. Da die Fertigung in einer Siliziummikrotechnologie möglich ist, kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei gleichzeitiger Kostenreduktion erreicht werden. Außerdem ist keine zusätzliche Montage und Justage, wie etwa bei diskret aufgebauten Systemen erforderlich. Weitere wesentliche Verbesserungen stellen die Miniaturisierbarkeit, ein hoher Füllfaktor von nahezu 100 % und daraus resultierend ein geringerer Streulichtanteil, hohe erreichbare Modulationsfrequenzen und eine im Vergleich zu räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) einfache Ansteuerung dar. Die Fertigungstechnologie erlaubt au- ßerdem eine flexible Anpassung der Modulationsstruktur und des Aktuatorwirkprinzips für den mikromechanischen Antrieb an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. Ia die Aufsicht einer Prinzipskizze eines elektrostatisch angetriebenen mikromechanischen Bauelementes, das als eindimensionaler Modulator ausgebildet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. Ib eine Detailansicht der Prinzipskizze des elektrostatischen Kammantriebes aus Fig. Ia für den eindimensiona- len Modulator;
Fig. Ic eine Detailansicht der Kammelektroden aus Fig. Ib;
Fig. 2a eine schematische Querschnittsdarstellung des mik- romechanischen Bauelementes entlang der A-A' Linie.
Fig. 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Querschnittsdarstellung des mikromechanischen Bauelementes entlang der A-A' Linie.
Fig. 3 die Aufsicht einer Prinzipskizze eines elektrostatisch angetriebenen zweidimensionalen Modulators gemäß ei- nem weiteren. Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Detailansicht der Maskenstruktur mit der zuge- hörigen Modulationsfläche für den zweidimensionalen Modulator aus Fig. 3;
Fig. 5a die Aufsicht einer Prinzipskizze zu einem elektromagnetisch angetriebenen eindimensionalen Modulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5b die Detailansicht einer die elektromagnetische Kraft erzeugenden Spulenstruktur hergestellt in einer Ii- thographischen Technologie für den mikromechanischen Antrieb des eindimensionalen Modulators aus Fig. 4a;
Fig. 6 die Prinzipskizze eines optischen Systems mit dem mikromechanischen Bauelement mit elektrostatischem Linea- raktuator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 die Prinzipskizze eines optischen Systems mit zwei zueinander gekreuzt angeordneten eindimensionalen Modulato- ren zur zweidimensionalen Modulation von elektromagnetischer Strahlung;
Fig. 8 die Prinzipskizze eines optischen Systems für eine zweidimensionale Modulation gemäß einem weiteren Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 eine weitere Prinzipskizze für ein optisches System für einen zweidimensionalen Modulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Bezug nehmend auf Fig. Ia wird in Folge nun detailliert das mikromechanische Bauelement zur Modulation für elektromagnetische Strahlung dargestellt. Das mikromechanische Bauelement 100 mit einem Substrat 99, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte 1 gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt; und einer Einrichtung 5 zum lateralen Auslenken 12 der Platte 1.
In dem in Fig. Ia beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die eigentliche Modulationsstruktur, bestehend aus einer beispielsweise in Silizium erzeugten Maskenstruktur in der Platte bzw. Membran 1 an einem inneren Rahmen 2 aufgehängt. Die Maskenstruktur der Platte 1 kann beispielsweise als Ha- damard- oder Simplexmatrix (S-Matrix) strukturierte Maske ausgeführt sein, wie es von M. Harwit in dem Buch „Hadamard Transform Optics", 1979 beschrieben ist. Die Bewegung solch einer strukturierten Maske im Strahlprofil einer elektromagnetischen Strahlung führt zu einer mathematischen Faltung von dessen Transmissionsfunktion mit der Intensitäts- Verteilung der elektromagnetischen Strahlung in der Bildebene. Durch eine zeitsequentielle Detektion der Gesamtintensität mit einem Einzeldetektor kann dann mit Hilfe der inversen Matrix der Modulatorstrukturmatrix die Intensitätsverteilung berechnet werden. Die als Hadamard oder S- Matrix strukturierte Maske 1 ist dabei mit einem, innerhalb des genutzten Spektralbereiches der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung gut absorbierenden oder reflektierenden Material beschichtet. Die Beschichtung kann aus einem oder mehreren Schichten oder Schichtsystemen bestehen und kann die strukturierte Maske zumindest teilweise bedecken. Während die Löcher oder Schlitze Ia der Maske 1 die Strahlung transmit- tieren, absorbiert oder reflektiert die Maskenbeschichtung Ib die Strahlung und ermöglicht so eine Amplitudenmodulation über dem Strahlquerschnitt 3. Ein äußerer Rahmen 4 in dem Substrat ist über eine Parallelführung mit integrierten Federstrukturen 6 an den inneren Rahmen 2 gekoppelt, wo- durch eine Lateralbewegung 12 der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die Platte 1 kann also direkt oder indirekt ü- ber ein Federelement oder ein Getriebe an eine Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte gekoppelt sein.
In Fig. Ib ist die Teilansicht der integrierten Federstruktur 6 und dem dazugehörigen elektrostatischen Kammantrieb 8 dargestellt. Eine definierte Biegung der Federstruktur wird durch die Verjüngungen in den Balken der Parallelführung 7 erreicht. Die laterale Kraft zum Auslenken der Membranstruktur 1 wird mittels seriell hintereinander angeordneter Linearaktuatoren mit elektrostatischem Kammantrieb 8 realisiert. Gegenüberliegende Kammelektroden 8 werden zur Krafterzeugung also bei Aktuation auf unterschiedliches elektri- sches Potential gelegt. Die so entstehenden elektrostatischen Kräfte führen zu einer lateralen Auslenkung 12 der Modulationsmaske 1. Die Platte 1 oder die Modulationsstruktur kann also durch eine geeignete Ansteuerung der elektrostatischen Kammelektroden lateral also in der Rahmenebene oder Substratebene gezielt ausgelenkt werden. Dadurch kann eine Bewegung der Lichtmodulatorstruktur gegenüber einem Strahlquerschnitt, in der Fig. Ia mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet, erreicht werden.
In Fig. Ic ist eine Detailansicht der Kammelektroden 9a und 9b des elektrostatischen Kammantriebs 8 dargestellt. Die Kammelektroden können mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagt werden, d.h. sie können auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden. Beispielsweise kann die Kammelektrode 9a ein negatives Potential aufweisen und die Kammelektrode 9b ein positives. Durch die Potentialdifferenz entsteht eine elektrostatische Kraft. Diese e- lektrostatische Kraft kann über die oben beschriebene pa- rallele Führung 7 der Federstruktur 6 zur lateralen Auslenkung der Platte bzw. Membran 1 verwendet werden. Die Kammelektroden 9a und 9b greifen, wie schematisch in Fig. Ic durch die Pfeile gezeigt so ineinander, dass sie sich nicht berühren. Die Kammelektroden 9a, b können sich also in einer Translationsrichtung lateral erstrecken und sich mit den freien Enden quer zur Translationsrichtung lateral versetzt gegenüber liegen, so dass bei einer lateralen Ausrichtung der Platte 1 in der Translationsrichtung die freien Enden in der Translationsrichtung in den Zwischenraum gegenüberliegender Kammelektroden eintauchen können.
Die laterale Größe der Maskenstruktur 1 in Bewegungsrichtung 12 kann beispielsweise das Doppelte des zu modulieren- den Strahlquerschnitts 3 betragen. Das mikromechanische Bauelement bzw. der Modulator 100 kann um eine hohe Energieeffizienz und eine niedrige elektrische Versorgungsspannungen für den elektrostatischen Kammantrieb einzusetzen, als resonanter Kammantrieb ausgeführt sein. Die laterale Bewegung der Platte 1 mit Hilfe der parallelgeführten Federstruktur und dem elektrostatischen Kammantrieb kann als Schwingung beschrieben werden, und dementsprechend können im resonanten Betriebsfall periodische Spannungen mit einer für das ordnungsgemäße Betreiben des mikromechanischen Bau- elementes nötigen Frequenz an die elektrostatischen Kammelektroden 8 angelegt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der elektrostatische Kammantrieb 8 aber ebenfalls statisch oder quasistatisch betrieben werden.
Da das in Fig. Ia, Ib und Ic beschriebene Ausführungsbeispiel beispielsweise in einer Siliziumtechnologie hergestellt werden kann, können einige der oben beschriebenen Teile des Bauelementes aus Silizium bestehen, wodurch eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit des mikro- mechanischen Bauelementes gewährleistet werden kann. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise in der sogenannten Silicon-On-Insulator (SOI) Technologie hergestellt werden. Das mikromechanische Bauelement kann also einen „in plane" -Aktuator aufweisen, der geeignet ist, eine laterale Kraft so auf die Platte 1 auszuüben, dass die Platte 1 eine defi- nierte laterale Bewegung ausführen kann. Das mikromechanische Bauelement mit integriertem „in plane"-Aktuator, der eine laterale Bewegung, der als codierte Maske ausgebildeten Platte erzeugt, kann beispielsweise durch eine als Ha- damard-Matrix oder Simplexmatrix ausgeführten Modulations- struktur, eine mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkende elektromagnetische Strahlung aktiv ändern, modulieren oder/und filtern. Bei der Simplexmatrix handelt es sich um eine Matrix mit einer zufälligen Verteilung von Nullen und Einsen, die die Verteilung von transmittierenden und absorbierenden Bereichen auf der Maskenstruktur beschreiben. Die Platte ist lateral auslenkbar und lateral strahlungsmodulierend bzw. lateral strahlungsmodulierend für elektromagnetische Strahlung. Unter Ausnutzung eines geeigneten Aktuationsprinzips z.B. elektrostatisch, elekt- romagnetisch, thermisch, piezo-elektrisch, pneumatisch, fluidisch oder magnetostriktiv wird das optische Funktionselement, also die Platte 1 mit der Modulationsstruktur hinsichtlich seiner Bewegungsrichtung linear oder/und rotatorisch bewegt. Die Auslenkung der Platte kann dabei quasi- statisch, statisch, dynamisch oder resonant erfolgen. Das optische Funktionselement kann entweder direkt oder über ein Federelement oder ein Getriebe an dem Aktuator, also dem mikromechanischen Antrieb gekoppelt sein. Das optische Funktionselement 1 kann beispielsweise als lateral struktu- rierte Amplituden- und/oder Phasenmaske ausgeführt sein. Durch die laterale Bewegung der Platte mit der Maskenstruktur kann eine räumliche Modulation der Amplitude bzw. der Intensität der Phase, der Wellenlänge und/oder des Polarisationszustandes einer mit dem Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung über dem Strahlquerschnitt erreicht werden. Geeignete Modulationsfunktionen ermöglichen dabei den Einsatz kostengünstiger Strahlungsdetekto- ren, bei zusätzlich gutem Signalrauschverhältnis und einer Erhöhung der lateralen Auflösung.
Fig. 2a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung ei- nes mikromechanischen Bauelementes entlang der eingezeichneten A-A' Linie in Fig. Ia. Das Substrat 99 des mikromechanischen Bauelementes 100 weist wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt entlang der A-A' Linie die Platte 1 und den inneren Rahmen 2 auf. Der äußere Rahmen 4 kann beispielsweise bereits durch das Substrat 99 ausgebildet sein. Die Platte 1 kann in diesem Ausführungsbeispiel aus demselben Material bestehen wie das Substrat, also beispielsweise aus Silizium. Durch eine Unterätzung beispielsweise im Rahmen einer SOI-Technik ist die Platte dann nur über die in Fig. Ia gezeigten Rahmenstrukturen mit dem Substrat verbunden. Die bei der Unterätzung entstehenden Hohlräume können von der Substratseite aus, die der Substratseite, an der die Platte 1 gebildet ist, gegenüberliegt, geöffnet werden, wie as in Fig. 2a auch exemplarisch ge- zeigt ist, so dass sich in dem lateralen Teil des Substrates 99, in dem sich die Platte befindet, eine entlang der Dicke des Substrates 99 durchgehende Öffnung 99a befindet, wodurch die Anordnung auch bei Durchlichtanwendungen effektiv verwendbar ist. Die Platte 1 kann zudem mit einer Schicht 98 oder einem Schichtstapel beschichtet sein, so dass Teile der Platte strahlungsreflektierend, strahlungs- absorbierend oder strahlungstransmittierend oder eine Kombination dieser drei Möglichkeiten auf eine mit der Platte wechselwirkenden Elektromagnetischenstrahlung wirken. Die Platte kann also aus Silizium ausgebildet sein, deren Oberfläche teilweise mit reflektierendem Aluminium beschichtet ist. Andere Teile der Oberfläche können beispielsweise mit einem strahlungabsorbierenden Polymer, wie z.B. PSK 2000 beschichtet sein.
Fig. 2b zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung entlang der eingezeichneten A-A' Linie in Fig. Ia ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelementes. Das Substrat 99 des mikromechanischen Bauelementes 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel wieder die Platte 1 und den inneren Rahmen 2 auf. Die Platte 1 und der Rahmen 2 können in diesem Ausführungsbeispiel jedoch aus einem im Vergleich zum Substrat 99 unterschiedlichen Material bestehen. Die Platte kann beispielsweise aus Aluminium und Quarzglas bestehen. Diese kann beispielsweise durch Aufbringen einer Aluminium- oder Quarzglasschicht (SiO2) 98 auf das Substrat 99 und einer aus dem Substrat gebildeten Platte und einem anschließenden Wegätzen der aus dem Substrat gebildeten Platte hergestellt werden, so dass eine freistehende Aluminium- oder Quarzglasplatte zurückbleibt. Die Platte 1 - beispielsweise aus Aluminium oder Quarzglas - kann zudem mit einer weiteren Schicht 97 oder einem Schichtstapel beschichtet sein, so dass Teile dieser Platte wieder strahlungsreflektierend, strahlungsabsorbierend oder strahlungstransmittierend oder eine Kombination dieser drei Möglichkeiten auf eine mit der Platte wechselwirkenden E- lektromagnetischenstrahlung wirken. Unterhalb der Platte 1 weist das Substrat 99 eine Ausnehmung auf, so dass die Platte beweglich ist, wobei die Ausnehmung wie in Fig. 2b exemplarisch dargestellt als eine entlang der Dicke des Substrates 99 durchgehende Öffnung 99a ausgebildet sein kann, wodurch die Anordnung nach Fig. 2b auch bei Durch- lichtanwendungen effektiv verwendbar ist.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ähnlich zu dem Ausführungs- beispiel in Fig. Ia für einen eindimensionalen Modulator kann ein zweidimensionaler Modulator 100 mit zwei zueinander senkrecht angeordneten Aktuatoren 5a und 5b realisiert werden. Dazu wird der lineare Aktuator 5a, der die zweidimensionale (2D) Maskenstruktur 1 in eine Richtung 13 aus- lenkt, von einem senkrecht dazu angeordneten Linearaktor 5b in einer zur Auslenkungsrichtung 13 senkrechten Richtung 12 beispielsweise statisch ausgelenkt. Die Maskenstruktur 1 und deren Größe und Ausdehnung ist zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel (Fig. Ia) hinsichtlich der Auslenkung, der Modulationsfläche 3 und der Struktur der Maske 1 ange- passt. Als Modulationsstruktur 1 können verschiedene mathematisch vorteilhafte zweidimensionale Matrizen eingesetzt werden, wie z.B. die bereits oben erwähnten Hadamard- Matrizen oder Simplexmatrizen. Die Maske bzw. Platte 1 besitzt dazu anstelle von Schlitzen, wie in Fig. Ia dargestellt, quadratische Löcher 15 oder transmittierende Bereiche (siehe Fig. 4). Durch eine zweidimensionale Bewegung der Maskenstruktur 1 in x-Richtung 13 und y-Richtung 12 ergibt sich eine Faltung der Transmissionsfunktion der Maske mit der Amplituden- bzw. Intensitätsverteilung in der Maskenebene. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Aktoren 5a und 5b beispielsweise derart ausgeführt, dass die Maske 1 in eine Richtung beispielsweise in x-Richtung dynamisch bzw. resonant ausgelenkt werden kann und in der anderen Richtung (der y-Richtung) quasistatisch bewegt werden kann. Auch diese Ausführungsvariante des mikromechanischen Bauelementes 100 kann in einer Siliziummikrotechnologie herge- stellt werden. Bei den Aktuatoren 5a und 5b kann es sich wieder um gestapelte Linearaktuatoren mit elektrostatischem Kammantrieb handeln. Dabei werden wieder gegenüberliegende Kammelektroden bei Aktuation auf ein unterschiedliches e- lektrisches Potential gelegt. Die so entstehenden elektro- statischen Kräfte können zu einer entsprechenden zweidimensionalen Auslenkung der Modulationsmaske 10 genutzt werden.
Die Aktuatoren 5a und 5b können wie bereits zu Fig. Ia beschrieben eine definierte Biegung der Federstruktur durch Verjüngungen in dem Balken der Parallelführung 7 erreichen. Die Maskenstruktur 1 ist wiederum in einer inneren Rahmenstruktur 2 aufgehängt. Ein äußerer Rahmen 4 ist über eine Parallelführung 7 mit integrierten Federstrukturen 6 an einem mittleren Rahmen 11 gekoppelt, der seinerseits wiederum über eine Parallelführung mit integrierten Federstrukturen an den inneren Rahmen 2 gekoppelt ist, wodurch eine Lateralbewegung 12 bzw. 13 der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die Maske bzw. Modulationsstruktur 1 besitzt anstelle von Schlitzen, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. Ia, quadratische Löcher 15 bzw. transmittierende quadratische Bereiche (siehe Fig. 4) und Bereiche 14, welche mit einer reflektierenden oder absorbierenden Schicht oder einem ent- sprechenden Schichtsystem versehen sind.
In Fig. 5a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eines mikromechanischen Bauelementes zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. In dieser Ausführungsvariante ist die Modulationsstruktur 1 ebenfalls in einem inneren Rahmen 2 aufgehängt. Dieser Rahmen beinhaltet elektromagnetisch aktivierbare Strukturen 20 und ist über Parallelführungen 7 mit integrierten Federelementen 6 mit einem äußeren Rahmen 4 verbunden, wodurch die Lateralbewegung 12 (beispielsweise in y-Richtung) der Modulationsmaske 1 ermöglicht wird. Die die elektromagnetische Kraft erzeugenden Strukturen 20 sind spulenförmig derart gestaltet, dass ein sie durchfließender Strom ein Magnetfeld 21 parallel zur gewünschten lateralen Bewegungsrich- tung, also beispielsweise in y-Richtung 12 erzeugt. Dieses Magnetfeld 21 erzeugt in Kombination mit beispielsweise einem externen Permanentmagneten eine Kraft, die zur lateralen Auslenkung der Modulationsmaske 1 führt. Wie in Fig. 5a dargestellt, können aber auch eine oder mehrere zusätzliche spulenförmige Strukturen 20 im Bereich des äußeren Rahmens 4 das erforderliche Basismagnetfeld 21 erzeugen. Die Magnetfelder der Spulen im äußeren und im inneren Rahmen können dabei kolinear mit gleichsinniger oder entgegengesetzter Orientierung ausgerichtet sein.
Durch den mikromechanischen Aktuator, in diesem Ausführungsbeispiel den elektromagnetischen Linearantrieb kann dann die Platte 1 durch laterale Kraftkomponenten des e- lektromagnetischen Linearantriebes lateral ausgelenkt wer- den. Diese Auslenkung kann wiederum resonant dynamisch quasistatisch oder statisch erfolgen. Die laterale Größe der strukturierten Platte 1 in Bewegungsrichtung kann wieder ungefähr das doppelte des zu modulierenden Strahlquerschnitts 3 betragen.
Es ist auch denkbar, dass die die elektromagnetische Kraft erzeugenden Strukturen 20 so zu einer Platte 1, welche beispielsweise auch eine runde Form aufweisen kann, angeordnet sind, das die resultierende elektromagnetische Kraft eine zur Platte 1 tangentiale Kraftkomponente in der Substratebene aufweist und so eine rotatorische Bewegung der Platte um eine Plattennormale erzielt werden kann. In anderen Worten die Platte kann auch so ausgelenkt werden, dass sie eine Drehbewegung in der Substratebene ausführen kann. Die Kraft die dazu benötigt wird, kann allgemein von Aktoren erzeugt werden, die auf dem elektrostatischen, dem elektro- magnetischen, dem thermischen, dem piezoelektrischen, dem pneumatischen, dem fluidischen oder dem magnetostriktiven Prinzip beruhen.
In Fig. 5b ist eine Ausführungsvariante der spulenförmigen Struktur 20, welche in der verwendeten so genannten Silizi- um-auf-Isolator- (Bonded-Silicon-On-Insulator) Membrantechnologie erzeugt wurde, dargestellt. Dafür wird die Platte 22 bis zum vergrabenen Oxid (Buried Oxid (BOX) ) mit gefüllten Isolationsgräben 23 durchtrennt, wodurch elektrisch voneinander isolierte längliche Potentialbereiche entstehen. Diese werden auf ihrer Oberfläche mit einer isolierenden Schicht 24, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO2) versehen und über Kreuz elektrisch mit Metallbahnen 25, z.B. aus AlSiCu verbunden, wodurch die spulenförmige Struktur 20 entsteht. An den beiden Enden der seriell gestalteten Struktur erfolgt dann die Stromeinleitung zur Ausbildung des Magnetfeldes. Es entsteht also eine spulenförmige Struktur, die beim Anlegen einer Spannung und durch dementsprechenden Stromfluss ein laterales Magnetfeld 21, welches im Spulen- inneren verläuft, erzeugt. Mit Hilfe dieser spulenförmigen Struktur 20 kann dann, wie oben beschrieben, gezielt so eine Kraft erzeugt werden, dass die Maske 1 mit ihrer Modulationsstruktur lateral bewegt werden kann. Das mikromechanische Bauelement kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiels eine Platte aufweisen, welche als Photonischer Kristall ausgebildet ist. D.h. die Platte kann periodische Strukturen mit einer Periodenlänge in der Größenordnung einer mit der Platte wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Bei den Strukturen kann es sich beispielsweise um dielektrische Strukturen oder metallische Strukturen handeln. Die Platte, die als photoni- scher Kristall ausgebildet ist, kann so ausgebildet sein, dass photonische Bandstrukturen entstehen die Bereiche verbotener Energie aufweisen, so dass sich elektromagnetische Wellen innerhalb bestimmter Raumrichtungen in dem Kristall bzw. der Platte nicht ausbreiten können. Sie kann also eine Bandlücke für elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereiches des elektromagnetischen Spektrums aufweisen. Die Platte kann als ein-, zwei- oder dreidimensionaler Photonischer Kristall ausgebildet sein, wobei sich dies auf die Anzahl der möglichen Raumrichtungen die beim Lichtein- fall eine Bandlücke aufweisen bezieht. Die Platte kann also je nach Wellenlänge der wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung periodische Strukturen in einer Größenordnung der wechselwirkenden Strahlung aufweisen. Also kann die Struktur beispielsweise regelmäßig angeordnete Struktu- ren in einer Größenordnung von 100 nm bis 10 μm aufweisen. Bei den Strukturen kann es sich beispielsweise um Löcher, Schlitze oder Aussparungen handeln, die beispielsweise mittels lithographischer Methoden hergestellt werden können. Ein mikromechanisches Bauelement kann also in einem Ausfüh- rungsbeispiel eine Platte aufweisen, bei der die Strahlungsmodulation durch Ausführung der Modulationsstruktur als Photonischer Kristall ein effektives Modulieren der Strahlung ermöglicht.
In Fig. 6 ist ein optisches System 90 dargestellt, welches ein mikromechanisches Bauelement 100, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit Fig. Ia oder mit Fig. 5a beschrieben ist, aufweist. Ferner weist das optische System ein Objek- tiv bzw. eine Optik 32 auf, welches ein Objekt 30 in den Schärfentiefebereich in die Ebene der Membran des mikromechanischen Bauelementes 100 abbildet. Ferner kann das optische System 90 eine Bildfeldblende (nicht dargestellt in Fig. 6) aufweisen, welche in dem Strahlengang des Objektivs 31 oder in dem mikromechanischen Bauelement 100 integriert ist, welche so ausgebildet ist, das Bildfeld des Objektes 30 zu begrenzen. Außerdem weist das optische System 90 eine dem mikromechanischen Bauelement 100 zugeordnete Detektor- optik 33 zur Abbildung, der durch das mikromechanische Bauelement 100 strahlungsmodulierten elektromagnetischen Strahlung auf einen Detektor auf. Der Detektor ist so ausgebildet, die Gesamtenergie der auf dem Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell zu detek- tieren und als Signal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das optische System 90 eine Optik 32 aufweisen, welche ein Objekt 30 in die Nähe einer Blenden-/ Aperturebene in der das mikromechanische Bauelement angeordnet ist, abbildet. Dieses optische System besäße beispielsweise einen oder mehrere mikromechanischen Bauelemente der oben erörterten Ausführungsbeispiele, das bzw. die in oder benachbart zu einer Aperturebene des optischen Systems oder in oder benachbart zu einer dazu konjugierten Ebene angeordnet wäre bzw. wären, und ein Detektor zum Erfassen einer aus Richtung des einen oder der mehreren Bauelementen eintreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei der Detektor beispielsweise direkt hinter dem einen oder den mehreren mikromechanischen Bauelemente angeordnet sein könnte, oder hinter einer zusätzlichen Optik zum Refokussieren oder hinter einer Optik und einer Detektoroptik angeordnet sein könnte.
Das optische System oder die Hadamard-Transformations- Zeilen-Kamera kann ein mikromechanisches Bauelement mit einer eindimensionalen Amplitudenmodulationsmaske aufweisen, wobei die Platte beispielsweise als Hadamard-Matrix oder als Simplexmatrix strukturiert ist. In anderen Worten die Struktur ist durch eine Hadamard Matrix oder eine Simplexmatrix definiert oder beschreibbar. Mit dem oben beschriebenen eindimensionalen Amplitudenmodulator 100, mit einer als Hadamard-Matrix oder S-Matrix strukturierten Maske, einer Detektoroptik 33, einem Einzeldetektor 34 und einer Bildfeldblende, nicht in Fig. 6 dargestellt, lässt sich ein Hadamard-Zeilendetektor aufbauen. In Kombination mit einem Objektiv 32, das an das Bildfeld des Amplitudenmodulators 100 angepasst ist, entsteht so eine „Hadamard- Transformations-Zeilen-Kamera" .
Das Objektiv 32 bildet die Umwelt bzw. das Objekt 30 in die Modulatorebene des mikromechanischen Bauelementes ab. Das Bildfeld wird durch eine zusätzliche oder eine in den Modulator integrierte Bildfeldblende begrenzt. Die Platte des mikromechanischen Bauelementes transmittiert und reflektiert oder absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 31. Durch eine Bewegung 12 der Maskenstruktur bzw. der Membran mittels des integrierten Linearaktuators 5, ergibt sich die zeitsequentielle aufgenommene Gesamtenergie als Faltung der Transmissionsfunktion der Maske mit der Identitätsverteilung des Bildes. Durch Multiplikation der in Abhängigkeit der Zeit aufgenommenen Signale mit der inversen Matrix der Modulationsstruktur wird die örtliche Intensitätsverteilung reproduziert .
Insbesondere im nahen infraroten Wellenlängenbereich bzw. im infraroten und ultravioletten Wellenlängenbereich kann so bei gleichzeitig erhöhter Auflösung ein kostengünstiger Ersatz zu den bisher eingesetzten Detektormatrizen (Detek- torarrays) geschaffen werden. Insbesondere das bei geringen Signalstärken dominierende Rauschen, verursacht durch den Multiplexer und die Abtasthalteschaltung (Sample-and-Hold Schaltung) in einem Zeilendetektor, kann so z.B. durch einen Transimpedanzverstärker, der präzise Messungen kleiner Ströme ermöglicht, stark minimiert werden. In Fig. 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein optisches System 90, welches als zweidimensionale Transformations-Kamera durch Kombination von zwei mikromechanischen Bauelementen 100 mit elektrostatischen Linearaktuatoren ge- bildet wird, dargestellt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 für eine Hadamard-Transformations-Zeilen-Kamera kann eine zweidimensionale Transformations-Kamera beispielsweise durch zwei zueinander gekreuzt angeordneten eindimensionalen Modulatoren 100 realisiert werden. Dadurch kann ein Mo- dulator eine Bewegung 12 ausführen und der zweite Modulator eine unabhängige Bewegung 13, die lateral senkrecht zur Bewegungsebene der Bewegung 12 verläuft. Die Modulatoren sind zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, siehe Fig. 6 hinsichtlich ihrer Auslenkung 12, 13 der Modulationsfläche und Struktur der Platte 1 angepasst. Als Modulationsstruktur der in dem mikromechanischen Bauelement 100 integrierten Membran bieten sich wieder verschiedene mathematisch vorteilhafte Sequenzen an, wie z.B. die oben bereits erwähnten Hadamard-Matrizen oder Simplexmatrizen. In dem Aus- führungsbeispiel von Fig. 7 sind die zwei zueinander gekreuzt angeordneten Mikrobauelemente 100 mit ihren eindimensionalen Modulatorstrukturen nahezu direkt hintereinander angeordnet, so dass beide Masken im bildseitigen Tiefenschärfebereich des Objektivs 32 liegen. Das optische System 90 enthält wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben wieder ein Objektiv 32 sowie eine Detektoroptik 33 und einen entsprechend dazu angeordneten Einzeldetektor 34, welcher in dem Spektralbereich, der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung empfindlich ist. Es ist auch denkbar, dass anstelle des Einzeldetektors mehrere Einzeldetektoren oder ein Einzeldetektorarray eingesetzt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 8 dargestellt ist, ist ein optischen Systems 90 als zweidimensionale Transformations-Kamera durch eine Kombination von zwei mikromechanischen Bauelementen mit einer entsprechenden Modulationsstruktur ausgebildet. Das optische Sys- tem 90 in Fig. 8 weist wiederum ein Objektiv 32 auf, welches die Umwelt oder das Objekt 30 abbildet. In diesem Ausführungsbeispiel weist das optische System jedoch zwei in einem Abstand gekreuzt angeordnete eindimensionale Modula- torstrukturen 100 auf. Die Modulatorstrukturen 100 können wieder in Richtung 12 und 13 ausgelenkt werden. Um eine Abbildung des Objekts in der jeweiligen Modulatorebene der beabstandet angeordneten eindimensionalen Modulatoren 100 erzielen zu können, weist das optische System eine Relayop- tik 35 auf, wobei diese Relayoptik 35 beispielsweise mit einer sogenannten Offner-Konfiguration (1:1 Imaging Relay) oder einer modifizierten Offner-Anordnung realisbar ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Objekt durch das Objektiv 32 in der jeweiligen Modulatorebene abgebildet wird. Die Bewegungen der eindimensionalen Modulatorstruktur 100 führen wieder zu einer Faltung von der jeweiligen Transmissionsfunktion mit der Intensitätsverteilung in der jeweiligen Bildebene. Durch das zeitsequentielle Detektie- ren der Gesamtintensität durch den nachgeschalteten Detek- tor 34, welche das die beiden Modulationsstrukturen 100 passierende Licht durch eine Detektoroptik 33 empfängt, lässt sich mit Hilfe der inversen Matrizen der Modulationsstrukturen des mikromechanischen Bauelements 100 die Intensitätsverteilung berechnen. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt in der Substitution von zweidimensionalen Detektorar- rays durch Einzeldetektoren, was insbesondere im nahen Infrarot (NIR) bzw. im Infrarot (IR) zu einem großen Leistungs- und Kostenvorteil führen kann. Andererseits kann bei Verwendung eines zweidimensionalen Detektorarrays, 34 in Kombination mit dem Modulator eine Auflösungsverbesserung erreicht werden. Dies gilt sowohl für ein- als auch für zweidimensionale Transformations-Kameras, wie sie im Zusammenhang zu Fig. 6 bis 9 dargestellt sind.
In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Transformations-Kamera dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das optische System 90 ein Objektiv 32 auf, welches die Umwelt oder ein Objekt 30 in die mit einer zweidimensionalen Matrix strukturierten Modulatorebene des mikromechanischen Bauelementes 100, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, abgebildet wird. Das Bildfeld wird wieder durch eine zusätzliche oder eine in dem Modulator integrierte Bildfeldblende, welche nicht in Fig. 9 dargestellt ist, begrenzt. Die zweidimensionale Maskenstruktur des mikromechanischen Bauelementes 101 transmittiert und reflektiert oder absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 31. Durch die zweidimensionale Bewegung 12 und 13 der Maskenstruktur mittels der integrierten Linearaktuatoren 5a und 5b (siehe Fig. 3) ergibt sich die zeitsequentiell aufgenommene Gesamtenergie als Faltung der Transmissionsfunktion der zweidimensionalen Maske mit der Intensitätsverteilung des Bildes. Eine dem mikromechanischen Bauelement 1 nachgeschaltete bedeckte Optik 33 kann dann die elektromagnetische Strahlung auf einen Einzeldetektor 34 für die elektromagnetische Strahlung abbilden, der so ausgebildet ist, dass die Gesamtenergie der auf den Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell detektiert und als Signal zur Verfügung gestellt werden kann. Durch eine Multiplikation der in Abhängigkeit der Zeit aufgenommenen Signale mit der inversen Matrix der Modulationsstruktur des mikromechanischen Bauelementes 101 kann die örtIi- che Intensitätsverteilung reproduziert werden. Das mikromechanische Bauelement 100 weist wieder eine Platte auf, die eine Struktur aufweist, welche mittels mathematisch vor- teilhaftenr zweidimensionalen Matrizen, wie z.B. den Hada- mard-Matrizen oder den Simplexmatrizen berechnet wurde. Die Maske kann dazu anstelle von Schlitzen quadratische Löcher besitzen, wie es beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist das mikromechanische Bauelement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung mindestens eine integrierte Strukturmerkmale aufweisende und lateral beweglich ausgeführte Platte auf, wobei die Auslenkung der Platte mittels eines elektrostatischen, e- lektromagnetischen, thermischen, piezoelektrischen oder magnetorestriktiven Antriebs erfolgt. Die Auslenkung der Platte durch den Antrieb kann resonant erfolgen, quasistatisch oder statisch. Das mikromechanische Bauelement kann dadurch gekennzeichnet sein, dass mindestens eine Oberflä- che der Platte zumindest teilweise als Spiegel, welcher aus einer Schicht oder einem Schichtstapel aufgebaut ist ausgeführt ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das mikromechanische Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise als absorbierende Schicht oder ein absorbierendes Schichtsystem ausgeführt ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das mikromechanische Bauelement, wie es oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte zumindest teilweise transparent ist. Die Platte des mikro- mechanischen Bauelementes kann als Phasenmaske mit beliebigen Strukturmustern ausgeführt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Platte des mikromechanischen Bauelementes als Lochmaske mit einem beliebigen Strukturmuster ausgeführt ist. Die zumindest teilweise reflektierende oder zu- mindest teilweise absorbierende oder teilweise transparente Platte kann in einem anderen Ausführungsbeispiel wellenlängenselektiv sein und/oder Einfluss auf die Polarisation der mit dem mikromechanischen Bauelement wechselwirkenden e- lektromagnetischen Strahlung nehmen. Des Weiteren kann das mikromechanische Bauelement derart ausgebildet sein, dass es aktiv die Eigenschaften einer elektromagnetischen Strahlung im Spektralbereich zwischen „ultraviolett", „sichtbar" und „infrarot" beeinflussen kann. Das heißt, das Bauelement kann so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung, mit der das Bauelement wechselwirkt, Licht im Spektralbereich zwischen „ultraviolett", „sichtbar" und „infrarot" sein kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das mikromechanische Bauelement bzw. das optische System zusätzlich mindestens ei- nen Positionssensor zur Erfassung einer Information über die Position und/oder die Frequenz und/oder die Phasenlage der Plattenbewegung aufweisen. Mit anderen Worten, der Positionssensor kann die aktuelle Position der Platte und da- mit der Modulationsstruktur, monitoren bzw. überwachen und gegebenenfalls Signale zu einer Änderung der Bewegung der Platte zur Verfügung stellen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das mikrome- chanische Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass die Platte bzw. die Membran mit mehreren diskreten Aperturen unterschiedlicher und/oder gleicher Form und/oder Größe strukturiert ist und deren Position in Verbindung mit einem quasistatischen Antrieb änderbar ist, wodurch eine Modulation der Amplitude über den Strahlquerschnitt ermöglicht wird und/oder eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur oder Aperturen ermöglicht wird.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein optisches System eine zweite Apertur oder das Bild einer Apertur vor, hinter oder in der Ebene der Platte des mikromechanischen Bauelementes aufweisen. Das optische System kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Platte mit mehreren diskreten Aperturen unterschiedlicher und/oder gleicher Form und/oder Größe strukturiert ist und deren Position in Verbindung mit einem quasistatischen Antrieb änderbar ist, wodurch eine Modulation der Amplitude über den Strahlquerschnitt ermöglicht wird und/oder eine diskrete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur oder Aperturen ermög- licht wird, angeordnet ist. Die laterale Position der zweiten Apertur kann gegenüber dem mikromechanischen Bauelement fixiert und/oder beweglich angeordnet sein, so dass jeweils nur eine oder ein Teil der Aperturen eine wechselwirkende elektromagnetische Strahlung transmittiert und so eine dis- krete Auswahl der wirksamen strahlbegrenzenden Apertur und/oder Aperturen und/oder eine Änderung von deren resultierender Form und/oder Größe ermöglicht. Das Bauelement kann somit als diskret änderbare Blende genutzt werden.
Das mikromechanische Bauelement kann in verschiedenen Systeme eingesetzt werden. Das Bauelement kann dabei Bestandteil eines komplexen optischen, oder optoelektronischen Systems sein, in dem das mikromechanische Bauelement die aktive Modulation der örtlichen Eigenschaften einer Strahlungsverteilung übernimmt. Das mikromechanische Bauelement lässt sich in den verschiedensten Systemen nach altbekannten Messprinzipien, wie z.B. in der Hadamard- Transformationsoptik bzw. in Spektrometern, in ortsauflösenden Spektrometern (Imaging Spectrometer) , zur Laserstrahlcharakterisierung, als so genannter Knife-Edge Laser Profiler zur Laserstrahlcharakterisierung oder in ortsauflösenden Eilipsometer usw. eingesetzt werden. Das mikrome- chanische Bauelement kann beispielsweise zur Bilderfassung eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, dass das mikromechanische Bauelement für die ortsaufgelöste Spektroskopie oder spektrale Bilderfassung oder für so genannte Multi-, Hyper- oder Ultra-Spectral Imaging eingesetzt wird. Bei diesen liefern spektrale Bildaufnahmesensoren gleichzeitig aus unterschiedlichen Spektralbereichen spektrale und örtliche Informationen über ein Untersuchungsobjekt. Das mikromechanische Bauelement kann, wie oben bereits erwähnt in der Hadamard-Transformations-Spektroskopie eingesetzt wer- den. Außerdem ist die Verwendung des Bauelementes in Systemen zur Laserstrahlmanipulation und/oder Charakterisierung denkbar. Das Bauelement kann auch in Systemen zur Manipulation oder zur Charakterisierung von Strahlungsquerschnitten eingesetzt werden.
Das Bauelement kann auch in Systemen zur Erfassung der Polarisation oder zur ortsaufgelösten Erfassung der Polarisation bzw. in Eilipsometern oder ortsaufgelösten Ellipsome- tern eingesetzt wird. Beim Einsatz in unterschiedlichen op- tischen Systemen ermöglicht das mikromechanische Bauelement eine prinzipbedingte Verwendung kostengünstiger Detektoren. Weiterhin lassen sich bessere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und eine verbesserte laterale Auflösung realisieren. Durch den Einsatz des mikromechanischen Bauelementes können zwei- dimensionale Detektorarrays durch Einzeldetektoren ersetzt werden, was insbesondere im nahen Infrarot bzw. im Infrarot zu eine großen Leistungs- und Kostenvorteil führt. Andererseits kann bei der Verwendung eines zweidimensionalen De- tektorarrays in Kombination mit dem mikromechanischen Bauelement eine Auflösungsverbesserung erreicht werden.
Obwohl in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Ak- tuator immer „in-plane", also in der Ebene der Platte integriert ist, kann in anderen Ausführungsbeispielen der Ak- tuator beispielsweise oberhalb oder unterhalb der Plattenbzw. Membranebene ausgebildet sein. Allgemein ist der Aktu- ator der Platte so zugeordnet, dass er die Platte lateral auslenken kann.
Bei einer lateralen Auslenkung der Platte kann die Platte in einer Richtung (z.B. x-Richtung) oder in zwei Richtungen (z.B. x-, y-Richtung) translatorisch, oder auch rotatorisch um eine Achse parallel zur Substrat- bzw. zur Plattennormalen ausgelenkt werden. Allgemein ist auch eine Kombination aus diesen Bewegungen, also eine Kombination aus Rotation und einer ein- oder zweidimensionalen Translation als laterale Auslenkung zu verstehen.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Modulationsstruktur eine aperiodische bzw. nichtperiodische Struktur oder Muster aufweisen. Die Modulationsstruktur kann also aus diskreten Bereichen mit jeweils konstanten Eigenschaften bezüglich der Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung bestehen, wobei deren Verteilung keine Periodizität besitzt. Die Modulationsstruktur kann auch eine nicht äquidistante Struktur aufweisen. Dementsprechend können die Abstände strahlungstransmittieren- der, strahlungsabsorbierender und/oder strahlungsreflektie- render Bereiche der Modulationsstruktur unterschiedlich, nicht äquidistant oder variabel sein.
In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Modulationsstruktur eine aperiodische oder nichtperiodische Teilstruktur aufweisen, wobei sich die Modulationsstruktur aus mehreren identischen Teilstrukturen zusammensetzen kann. Das heißt, eine aperiodisch variierende Teilstruktur kann sich lateral wiederholen und zusammen können die sich so wiederholenden Teilstrukturen die Modulationsstruktur bilden.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann die Modulationsstruktur auch eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungstransmittierenden Bereichen Ia, 15 und eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungsabsorbierenden oder strahlungsreflektierender Bereiche Ib, 14 aufweisen.
Bezugszeichenliste
1 Maskenstruktur bzw. Platte
2 Innerer Rahmen 3 Strahlquerschnitt
4 Äußerer Rahmen
5 Mikromechanischer Aktor bzw. Antrieb
5a Mikromechanischer Aktor bzw. mikromechanischer Antrieb
5b Mikromechanischer Aktor bzw. Antrieb 6 Federstruktur
7 Parallelführung
8 Elektrostatischer Kammantrieb 9a, b Kammelektroden
10 Zweidimensionale Maskenstruktur 11 Mittlere Rahmenstruktur
12 Bewegungsrichtung in y-Richtung
13 Bewegungsrichtung in x-Richtung
Ia Schlitze, Löcher oder transmittierende Bereiche der
Maskenstruktur Ib Maskenstrukturbereiche
14 Maskenstrukturbereiche
15 Quadratische Löcher oder quadratische transmittierende Bereiche
20 Elektromagnetischer Aktor 21 Magnetfeld
22 Durchtrennte Platte
23 Isolationsgraben
24 Isolationsschicht
25 Metallbahnen, Leiterbahnen 30 Objekt
31 Strahlengang
32 Objektiv
33 Detektoroptik
34 Detektor 35 Relayoptik
97 2. Schicht
98 1. Schicht
99 Substrate 100 Mikromechanisches Bauelement

Claims

Patentansprüche
1. Ein mikromechanisches Bauelement (100) mit:
einem Substrat, das so strukturiert ist, dass in demselben eine Platte (1) mit einer Modulationsstruktur gebildet ist, die lateral auslenkbar ist und lateral strahlungsmodulierend wirkt, wobei die Modulationsstruktur eine aperiodische Struktur aufweist oder durch eine Hadamard- oder eine Simplexmatrix beschrieben wird; und
einer Einrichtung (5) zum lateralen Auslenken (12,13) der Platte (1) .
2. Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Platte so lateral strahlungsmodulierend wirkt, dass eine mit der Modulationsstruktur der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung hinsichtlich der Phase der Amplitude, der Wellenlänge, der Polarisation oder einer Kombination aus diesen lateral unterschiedlich verändert wird.
3. Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Platte mit der Modulationsstruktur so ausgebildet ist, dass sie lateral strahlungsmodulierend auf eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten, dem infraroten oder dem sichtbaren Spektralbereich ist.
4. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise mit einer Schicht oder einen Schichtstapel beschichtet ist, der strahlungsreflek- tierend für eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung ist.
5. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Oberfläche der Platte zumindest teilweise mit einer Schicht oder einen Schichtstapel beschichtet ist, der strahlungsabsorbie- rend für eine mit der Platte wechselwirkende elektromagnetische Strahlung ist.
6. Das mikromechanische Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulations- struktur eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungstransmittierenden Bereichen (Ia; 15) und eine Mehrzahl von unterschiedlich großen strahlungsabsor- bierenden oder Strahlungsreflektierenden Bereichen (lb;14) aufweist.
7. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Anspruch, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte als mikromechanischer Aktor, der auf dem elektrostatischen, dem elektromagne- tischen, dem thermischen, dem piezoelektrischen, dem pneumatischen, dem fluidischen oder dem magnetostrik- tiven Prinzip beruht, ausgebildet ist.
8. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte so angeordnet ist, dass über eine Federstruktur oder ein Magnetfeld zur lateralen Auslenkung eine quasistatische Kraft, eine periodische Kraft resonant oder eine statische Kraft an die Platte anlegbar ist.
9. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte unterhalb, oberhalb oder in dem Substrat so angeordnet ist, dass eine laterale Kraftkomponente an die Platte zur Auslenkung der Platte anlegbar ist.
10. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat, die Platte und der mikromechanische Antrieb in einem gemeinsamen Chip integriert sind.
11. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zusätzlich mindestens einen Positionssensor aufweist, welcher ausgebildet ist, Signale zur Verfügung zu stellen, welche die Po- sition der Platte und/oder die Frequenz und/oder die Phasenlage der Auslenkung der Platte charakterisieren.
12. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Ia- teralen Auslenken nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitet und leitfähige spulenförmige Strukturen mit einer sich lateral erstreckenden Spulenachse aufweist.
13. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vor- hergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitet und mehrere ineinander greifende, mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagbare Kammelektroden aufweist, die so angeordnet sind, dass sie bei einer Auslenkung der Platte aus der Ruhelage ineinander greifen.
14. Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 13, bei dem sich die mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagbaren Kammelektroden in einer Translationsrichtung lateral erstrecken, um sich mit freien Enden quer zur Translationsrichtung lateral versetzt gegenüber liegen, so dass bei einer lateralen Ausrichtung der Platte in der Translationsrichtung die freien En- den in der Translationsrichtung in den Zwischenraum gegenüberliegender Kammelektroden eintauchen.
15. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum lateralen Auslenken der Platte über eine parallel zur Platte geführten Federstruktur mit der Platte gekop- pelt ist.
16. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte mehrere diskrete Aperturen mit unterschiedlicher und/oder glei- eher Form und/oder Größe aufweist, deren Position durch die laterale Auslenkung änderbar ist, so dass eine Modulation der Amplitude über den Strahlungsquerschnitt einer mit der Platte wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung möglich ist und/oder eine dis- krete Auswahl der wirksamen Strahlungsbegrenzenden A- pertur oder Aperturen einstellbar ist.
17. Das mikromechanische Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte in einer o- der in zwei Dimensionen translatorisch, oder rotatorisch um eine Achse parallel zur Plattennormalen, oder in einer Kombination aus einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung auslenkbar ist.
18. Ein Bauelement mit einem mikromechanischen Bauelement gemäß Anspruch 17, das so ausgebildet ist, dass eine zweite Apertur oder das Bild einer Apertur vor, hinter oder in der Ebene der Platte angeordnet ist, deren laterale Position gegenüber der Platte fixiert oder ver- änderbar ist, so dass jeweils nur eine oder ein Teil der mehreren diskreten Aperturen der Platte oder der zweiten Apertur eine mit dem Bauelement wechselwirkende elektromagnetische Strahlung transmittiert und damit eine Auswahl der wirksamen, für die elektromagne- tische Strahlung strahlbegrenzende Apertur einstellbar ist.
19. Ein optisches System (90) mit folgenden Merkmalen: einem oder mehreren mikromechanischen Bauelementen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17;
einer Optik (32) , welches ein Objekt (30) in einem Schärfetiefebereich der Optik abbildet, in dem sich die Platte (1) befindet;
einer dem mikromechanischen Bauelement zugeordnete De- tektoroptik (33) zur Abbildung der durch das mikromechanische Bauelement strahlungsmodulierten elektromagnetischen Strahlung (31) auf einen Detektor für die elektromagnetische Strahlung, der so ausgebildet ist, die Gesamtenergie, der auf den Detektor (34) einfal- lenden elektromagnetischen Strahlung zeitsequentiell zu detektieren und als Signal zur Verfügung zu stellen.
20. Das optische System gemäß Anspruch 19, das ferner eine Bildfeldblende aufweist, welche im Strahlengang (31) der Optik (32) oder in dem mikromechanischen Bauelement (100) integriert ist und so ausgebildet ist das Bildfeld des Objektes (30) zu begrenzen.
21. Das optische System gemäß einem der Ansprüche 19 bis
20, welches zusätzlich mindestens einen Positionssensor aufweist, welcher ausgebildet ist, Signale zur Verfügung zu stellen, welche die Position der Platte und/oder die Frequenz und/oder die Phasenlage der Aus- lenkung der Platte charakterisieren.
22. Das optische System gemäß einem der Ansprüche 19 bis
21, welches zwei gekreuzt angeordnete mikromechanische Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 aufweist.
23. Das optische System gemäß Anspruch 22, das ferner eine Relayoptik zwischen den zwei gekreuzt angeordneten mikromechanische Bauelementen (100) aufweist.
24. Ein optisches System mit folgenden Merkmalen: einem oder mehreren mikromechanischen Bauelementen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das eine oder die mehreren mikromechanischen Bauelemente in oder benachbart zu einer Aperturebene des optischen Systems oder in oder benachbart zu einer dazu konjugierten Ebene angeordnet ist; und
einem Detektor zum Erfassen einer aus Richtung des einen oder der mehreren Bauelementen eintreffenden e- lektromagnetischen Strahlung.
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