WO2018077797A1 - Resonant anregbares bauteil, resonanzscanner und verfahren zum betrieb des resonant anregbaren bauteils - Google Patents

Resonant anregbares bauteil, resonanzscanner und verfahren zum betrieb des resonant anregbaren bauteils Download PDF

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    • G02B21/0048—Scanning details, e.g. scanning stages scanning mirrors, e.g. rotating or galvanomirrors, MEMS mirrors
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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
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors

Definitions

  • Resonantly excitable component Resonantly excitable component, resonance scanner and method for operating the resonant excitable component
  • the invention relates to a resonant excitable component, a resonance scanner with such a component and a method for operating a resonant excitable component.
  • Resonance scanners are used for rapid imaging and scanning of areas to be imaged.
  • a scanning beam is guided over the region to be imaged by means of the resonance scanner (henceforth also briefly: scanner).
  • the scanner performs sinusoidal scanning movements. An illustration is made by a juxtaposition of individual picture elements (pixels).
  • a deflection apparatus for a projection apparatus for projecting Lissajous figures onto an observation field is disclosed.
  • the deflection device is designed to deflect a light beam about at least a first and a second deflection axis for generating the Lissajous figures.
  • the deflection device comprises a deflection unit for generating vibrations about the deflection axes and a control device for generating drive signals for the deflection unit with a first and second drive frequency, which essentially corresponds to the resonance frequencies of the deflection unit.
  • the deflection unit has a quality factor of> 3,000.
  • the drive device comprises a control circuit which is designed to regulate the first and / or the second drive frequency depending on a measured phase position of the oscillations of the deflection unit so that the maximum amplitude of the oscillations remains in the resonance range of the deflection unit.
  • a micromechanical resonator arrangement which is designed in particular as a micromirror scanner.
  • the resonator assembly is formed with an inner actuator having a vibratable body oscillatable over at least one axis and an outer actuator with a vibrating member.
  • Inner and outer actuators form a coupled vibration system.
  • the outer actuator is driven by an external drive whose drive frequency is chosen such that the oscillating body of the inner actuator oscillates with one of its eigenmodes or near this eigenmode.
  • the inner actuator is formed as at least one vacuum encapsulated microactuator chip mounted on the vibrating part of the outer actuator.
  • EP 1 419 41 1 B1 discloses a projection apparatus for projecting an image onto an image field, comprising: deflecting means for deflecting a light beam about a first deflection axis and about a second deflection axis for moving the light beam across the image field; and modulation means for modulating an intensity of the light beam depending on the image to be projected and the instantaneous location of the projection of the light spot on the image field, the first and second deflection frequencies differing by less than an order of magnitude.
  • a relationship between time and deflection angles may be described as a sinusoidal function.
  • each deflection or scanning movement describes a sinusoidal movement curve, wherein the movement curve can be represented by a position or an angle of the scanning beam over the oscillation period.
  • the different regions show different noise statistics.
  • the regions receive different doses of the illuminating radiation used for imaging, as a result of which the bleaching effect differs across the regions.
  • bleaching patterns for example so-called bleaching cylinders
  • the different bleaching rates in different regions have to be determined and taken into account.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved at least partially linearized movable and resonantly excitable component and a resonance scanner with such a component. It is a further object of the invention to provide a comparison with the prior art improved method for operating a resonant excitable component.
  • the object is achieved with respect to the resonantly excitable component by the subject-matter of claim 1, with regard to a resonance scanner by the subject-matters of claim 7 and with regard to the method by the claim 13.
  • the resonantly excitable component is resonantly excitable for oscillation by means of an excitation signal with eigenmodes and natural frequencies.
  • the device oscillates at a first resonant frequency with a first mode and at a second resonant frequency with a second mode, wherein the second resonant frequency is higher by a factor of 3 than the first resonant frequency.
  • the first resonance frequency is also called the fundamental frequency.
  • At least a portion or a portion of the resonantly excitable component oscillates with the first mode and a further portion or a portion of the component with the second mode.
  • the factor 3 between the first and second resonance frequency can be realized with a permissible deviation.
  • the resonantly excitable component is mounted on areas where vibration nodes occur in the excited state, so no or no significant vibrations occur.
  • the storage of the component at least one of its nodes allows its storage without adversely affecting its desired vibration behavior. At the same time, an undesired vibration behavior of the component is reduced or even suppressed by such a bearing in at least one of the vibration nodes.
  • the core of the invention is the insight gained through extensive simulations and experiments that a motion curve traversed by the portion vibrating with the second mode or portion of the component in a useful range of the motion curve has a linearity compared to portions or portions that only with a first mode swing, is improved. It has been recognized as essential to the invention that the second resonance frequency must be greater than the first resonance frequency by a factor of 3, including an optionally predefinable permissible deviation of, for example, 5%.
  • the resonant excitable component is designed to oscillate at a fundamental frequency and with a harmonic whose frequency is three times greater than the fundamental frequency.
  • An excitation signal advantageously comprises a plurality of frequencies, in particular a plurality of resonance frequencies, so that the component is excited simultaneously with a plurality of frequencies, in particular with a plurality of resonance frequencies.
  • the excitation signal comprises further resonance frequencies, which is greater than the fundamental frequency or greater than the first resonance frequency by a factor of 5 or 7, including an optionally definable permissible deviation of, for example, 5%.
  • this is designed for oscillation with a third resonant frequency or with a third and fourth resonant frequency.
  • the third resonant frequency is greater than the first resonant frequency by a factor of 5, the fourth resonant frequency by a factor of 7, including an optional predefinable deviation of, for example, 5%.
  • a period of oscillation of the component comprises a respective forward and backward movement (half-oscillations) of the section or partial region of the component oscillating with the second mode.
  • the sinusoidal motion curve has a useful range per half-oscillation.
  • About the useful area which can also be understood as a useful period or a period of use, radiation coming from the area to be imaged is recorded and used for imaging.
  • the useful area is delimited at its two ends by a portion of a reversal area. In a reversal region, the motion curve changes direction.
  • At least one section or partial region, hereinafter referred to simply as a section, of the resonantly excitable or excited component oscillating with the first and second modes undergoes a motion curve during a half-oscillation, which describes a currently substantially linear angle change and / or position change.
  • the movement curve has a useful range, which is limited by a respective portion of a reversal region and in the Nutz Scheme the Movement curve currently undergoes a substantially linear angle change at a constant speed.
  • the first resonant frequency is a first torsional resonant frequency and the second resonant frequency is a second torsional resonant frequency.
  • the sections which resonantly vibrate or resonantly excite with the different modes can be designed in the form of a torsion bar. This can have the sections of the component along at least one torsion axis.
  • a component in the form of a torsion bar can be formed from a plurality of interconnected sections.
  • the sections may have different dimensions such as different lengths, diameters, cross sections and / or shapes.
  • the sections may consist of different materials and / or composite materials.
  • the sections may be materially connected to one another and, for example, be soldered, welded and / or glued together.
  • the torsion bar can also be monolithic. Further, it is possible that some or all sections of the component are positively and / or non-positively connected to each other, for example, inserted into each other and / or pressed.
  • the component may be formed in further embodiments as a double torsion bar. With regard to its dimensioning and / or material composition, this may be symmetrical or asymmetrical with regard to its sections and / or with respect to a longitudinal axis of the double torsion bar.
  • a component in particular a torsion bar, can be clamped at one of its ends.
  • the ends can be free and, for example, vibrate in phase opposition to one another.
  • the component in particular in the form of a torsion bar, mounted on areas, for example, held and / or supported, where so-called vibration nodes occur in the excited case, so no or no significant vibrations occur.
  • the component may be formed in possible embodiments as a mechanical vibration system with spring forces and oscillating masses.
  • the two different by a factor of 3 resonance frequencies of the vibration modes are essentially different spring constants, z. B. determined by different lengths and / or thicknesses or different materials of the springs.
  • the two resonant frequencies of the vibration modes which differ by a factor of 3, are generated essentially by different masses, moments of inertia, by different size or shape or materials of the sections of the component and / or of the scanner.
  • the useful range of a resonantly excitable component according to the invention is advantageously at least 80%, for example at least 85%, of the movement curve.
  • a linearized motion curve is achieved. If, for example, one compares motion curves according to the prior art with movement curves obtained by means of a component or scanner according to the invention, deviations from a linear relationship of angle change or position changes over the time profile of a half oscillation in the movement curves according to the prior art are present in the useful range for example, by a factor of 2.6 higher than in the movement curves obtained by means of a component or scanner according to the invention. If the component is designed in such a way that it oscillates at a third resonance frequency, which is greater than the first resonance frequency by a factor of 5, the deviations decrease by a further factor of 2.3.
  • the quality of the linearization can be specified, for example, based on the deviations of the motion curve from a desired straight line in pixels as a relative quality criterion.
  • the pixel size selected in each case is related to the absolute quality of the linearization.
  • a movement curve selected substantially parallel to a desired straight line is understood as a new desired straight line.
  • the component can be used in a resonance scanner, henceforth also referred to as a scanner for short, and form, for example, a basic structure of the scanner.
  • a scanner is formed, for example, when the resonantly excitable component has at least one beam-directing element and optionally a drive region.
  • a beam-directing element is understood as meaning, for example, a reflective surface, a mirror and / or an optical element such as a lens or a plane-parallel transparent plate, by means of which an illumination radiation provided for scanning the region to be imaged can be guided, in particular can be reflected.
  • the resonance scanner comprises a resonantly excitable component in the form of a torsion bar extending along a first axis, for example in the direction of a Z axis of a Cartesian coordinate system, a drive region formed on the torsion bar and a beam steering element arranged on the torsion bar, for example in FIG Shape of a mirror that serves as a scanning mirror.
  • the resonance scanner oscillates at a first torsional resonance frequency with a first torsional mode about the first axis.
  • the drive region and the scanning mirror oscillate essentially in phase, wherein a phase shift and / or a tracking can occur within permissible limits or can.
  • the resonance scanner oscillates at a second torsional resonance frequency with a second torsional mode about the first axis.
  • the drive region and the scanning mirror oscillate essentially in opposite phase at the second torsional resonance frequency, wherein a small equal-oscillating component is permissible if the vibrations are not exactly in antiphase.
  • the embodiments of the component are advantageously designed so that the second torsional resonance frequency is exactly or sufficiently accurate, three times as high as the first torsional resonance frequency.
  • the resonance frequencies or the torsional resonance frequencies of the first and second torsional modes are adjusted with sufficient accuracy when an excitation signal is found for which both the resonance amplitude of the first torsional mode when excited with a fundamental frequency f a is sufficiently high
  • Resonance amplitude of the second torsional mode when excited with a triple fundamental frequency f a is sufficiently high.
  • the height of the resonance amplitude depends on the storage of the excitation signal from the respectively considered resonance frequency or torsional resonance frequency, ie from the quality of the relevant resonance.
  • a high quality is advantageous because with high quality and excitation at the resonant frequency, a low energy input is sufficient to maintain a desired amplitude of oscillation.
  • a high quality is disadvantageous because at high quality, the resonant frequency must be taken very precisely in order to achieve a sufficient amplitude for a given energy supply.
  • the component or the scanner must vibrate at the second resonant frequency only with a small amplitude.
  • the quality of the second mode or the second torsional mode therefore advantageously requires no high demands.
  • a lower quality for example, supports the compensation of production and / or temperature-related frequency fluctuations.
  • the quality of the two torsional modes is thus advantageously adjusted so that a reasonable compromise between required precision in the coordination of both resonance frequencies and the required energy supply for sufficient vibration amplitudes results. It is possible to optimize the quality of both torsional modes separately.
  • the scanner may be configured such that the drive region and the scanning mirror, or a section of the component carrying the scanning mirror, are formed with the same shape and size.
  • the drive region and the scanning mirror or the portion of the component carrying the scanning mirror consist in other embodiments of the same materials, which supports a monolithic design of the component.
  • a monolithic design is inexpensive to manufacture and to simulate and produce with respect to its vibration behavior with high precision.
  • the first resonance frequency or the first torsional resonance frequency of the component and / or the scanner is a frequency from a range of 2-10 kHz, for example 3-10 kHz, 4-8 kHz or 3.5-10 kHz. In further embodiments of the component and / or the scanner, higher frequencies can also be provided.
  • the second resonance frequency or the second torsional resonance frequency of the component and / or the scanner is a frequency from a range of 6 to 30 kHz, for example 7 to 25 kHz or 12 to 24 kHz.
  • the ratio of the length of a portion of the torsion bar between a clamped end and the drive portion on the one hand and a portion of the torsion bar between the drive range up to and including the scanner mirror from a ratio of 2: 1 to 3 inclusive : 1 selected.
  • an additional mass is attached or attachable to the component and / or the scanner on the scanning mirror and / or on the drive region in order to influence the vibration behavior of the component or of the scanner.
  • the resonance scanner can be used for scanning, ie a periodic scanning, of at least one region of the object.
  • the resonance scanner can be used in particular in a scanning microscope, for example in a laser scanning microscope.
  • the object is achieved in a method for operating a resonant excitable component.
  • the component is excited by means of an excitation signal for oscillation with eigenmodes and natural frequencies, and an excitation signal comprising at least one excitation frequency is selected for oscillation excitation, at which the component oscillates at a first resonant frequency with a first mode.
  • the excited by the excitation signal component oscillates at a second resonant frequency with a second mode, wherein the second resonant frequency by a factor of 3, optionally with an allowable deviation of, for example, 5%, higher than the first resonant frequency (fundamental frequency) is selected.
  • the excitation signal may include an excitation frequency corresponding to the first resonant frequency.
  • the excitation signal is selected such that the component oscillates at the first resonant frequency with the first mode, portions of the component oscillate substantially in-phase and oscillates the component at the second resonant frequency with the second mode, wherein the sections of Vibrate component substantially in phase opposition.
  • the excitation of the component is controlled in a possible embodiment of the method by measuring values of a current movement curve of a portion of the component are detected as actual values and differences of the detected actual values are determined to predetermined target values of a desired movement curve. As a function of the determined differences, control signals are generated, by the execution of which the amplitudes and / or the phases of frequency components of the excitation signal are changed in such a way that the section of the component passes through the desired movement curve and means for excitation of the component are triggered by means of the generated control signals.
  • the scanning movement of resonance scanners can be nearly linearized over at least one useful range and thus significantly reduce the disadvantages known from the prior art.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a resonant excitable component according to the invention with a first mode swinging;
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a resonant excitable component according to the invention with a first mode swinging;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a first embodiment of a resonance scanner according to the invention, which comprises a resonantly excitable component and oscillates with a second mode; 4 shows a schematic illustration of a movement curve of a resonantly excitable component according to the invention of a resonance scanner;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a movement curve of a resonance scanner according to the invention in an operating mode with a vibration mode according to the prior art and in an operating mode with two combined modes according to a method according to the invention;
  • Fig. 6 is a schematic representation of deviations of a motion curve from a linear motion using a resonance scanner according to the invention in a mode with a vibration mode according to the prior art and deviations of a motion curve from a linear motion using the resonance scanner according to the invention in a mode with two combined modes according to the inventive method and
  • FIG. 7 is a schematic representation of a second embodiment of a resonance scanner according to the invention in the form of a MEMS scanner.
  • a first exemplary embodiment of a resonantly excitable component 1 is formed in FIG. 1 as a torsion bar 2, which has a first section 4 with a drive region 5 and a second section 6 with a T-shaped region 7 at one end along a first axis 3 having.
  • the first axis 3 extends in the direction of the Z-axis Z of a Cartesian coordinate system with an X-axis X, a Y-axis Y and the Z-axis Z.
  • the component 1 is designed in such a way that it is resonantly excitable by means of an excitation signal A for oscillation with eigenmodes and natural frequencies and that oscillates in a stimulated state at a first resonant frequency f a with a first mode and at a second resonant frequency 3f a with a second mode wherein the second resonant frequency 3f a is higher by a factor of three than the first resonant frequency f a .
  • the component 1 is held at its other end to the first section 4 in a clamping 8.
  • a drive 9 which is connected to a control unit 10 and can be controlled by this, the component 1 is resonantly excitable by means of the drive 9 by magnetic interactions with the excitation signal A, a torque on the drive portion 5 is transferable.
  • the torque can be coupled electromagnetically.
  • the component 1 oscillates in the resonantly excited state with the first resonant frequency f a in a first mode, in which the drive region 5 and the T-shaped region 7 oscillate substantially in phase.
  • a torsion of the resonantly oscillating component 1 about the first axis 3 is visualized by the oblique course of bands B shown schematically.
  • the drive region 5 and the T-shaped region 7 are shown by way of example in a position deflected by a first torsion angle o1 or a second torsion angle o2.
  • Drive area 5 and T-shaped area 7 is symbolized by the frame indicated by dashed lines.
  • the component 1 described for FIG. 1 is held at two locations along the first axis 3 by means of bearings 11 which are arranged on the first section 4 and the second section 6 at points at which vibration nodes 12 in the excitation case occur.
  • the component 1 is not clamped at one of its ends in this embodiment.
  • the excited component 1 oscillates in a second mode at a second resonant frequency 3f a , which here is a second torsional resonant frequency, wherein the T-shaped portion 7 oscillates counter to the first portion 4 and the drive portion 5, as in FIG is shown schematically.
  • the component 1 shown in FIG. 3 is provided on the T-shaped region 7 with a mirror 13, but otherwise corresponds to the component 1 shown in FIG. 1.
  • the mirror 13 serves to deflect a beam of an illuminating radiation directed onto the mirror 13 14.
  • the illumination radiation 14 is steerable on an object, not shown in detail, for example a sample to be imaged.
  • the object can be scanned at least over regions of its extent by means of the illumination radiation 14.
  • the illuminating radiation reflected from the object 14 re f and / or excited by means of the illumination radiation 14 radiation, for example a fluorescent radiation is detected as a detection of radiation and can be used to image the scanned area of the object.
  • the component 1 provided with the mirror 13 forms a resonance scanner 15.
  • the first section 4 is formed as a first torsion bar 2.1, which is made of steel and has a diameter of 2.6 mm and a length of 15 mm and is firmly clamped at one end.
  • the drive region 5 is formed as a T-shaped magnet, which interacts with the drive 9 for torque coupling.
  • a second torsion bar 2.2 is present in extension of the first torsion bar 2.1.
  • This is also made of steel and also has a diameter of 2.6 mm. Its length is in the embodiment 6.64 mm.
  • the mirror 13 has the same shape as the driving magnet and is made of similar or the same material, for example, polished, coated or mirrored steel.
  • the resonantly excitable component 1 has a number of eigenmodes.
  • the third and sixth eigenmodes are used, for example, which correspond to a first or a second torsional mode.
  • the first torsional mode the two masses of inertia essentially formed by the drive region 5 and the T-shaped region 7 oscillate substantially in phase, in the second torsion mode in opposite phase.
  • the movements of the T-shaped portion 7 and the mirror 13 serve to influence the reflected illumination beam 14 re f periodic in time as the angle that the object, for example, line by line scanned.
  • the resonant scanner resonating on more than one vibration mode can advantageously be used. Scanning an object with a light beam, here the reflected illumination radiation 14ref, is typically used to capture an image of the object pixel by pixel.
  • the temporally periodically changing second torsion angle o2 of the mirror 13 can then be understood as the pixel position of an image.
  • pixel position changes linearly with time ie when the position of the deflected from the scanner 15 illumination radiation with 14 re f in or on the object over at least a region to be detected of the object constant speed moves.
  • this speed can only be kept constant in a certain part of the oscillation period SP.
  • the remaining time is used to decelerate and accelerate the scanning mirror 13 in the reverse direction.
  • the temporal portion of the oscillation period SP of the scanner 15 at a constant or approximately constant speed is the use range NB, the range for decelerating and accelerating is the unused inversion range UB of the oscillation period SP (FIG. 4).
  • a movement curve BK2 is obtained which is shown schematically in FIG is.
  • FIG. 4 shows a movement curve BK2, by which a period of oscillation SP of a resonantly excitable component 1 according to the invention, which is used in a resonance scanner 15, is shown.
  • An oscillation period SP comprises two half oscillations HS, each having a useful range NB and comprising at each of its ends a portion of a reversal region UB.
  • the respective boundaries between useful areas NB and reversal areas UB are illustrated by image boundaries BG.
  • the useful range NB occupies about 85% of the oscillation period SP.
  • the abscissa represents the time course of the oscillation period SP in pixel times t P i X again.
  • An oscillation period SP lasts 1200 pixel times t P i X.
  • the scanner 15 If the scanner 15 according to the prior art is used oscillating only in a first mode with the fundamental frequency f a , it oscillates almost sinusoidally.
  • the deviation from an ideal triangular motion which is illustrated in FIGS. 4 to 6 in each case by solid lines, is greater in the useful range NB than in an inventive operation of the resonantly excitable component 1 with two matched vibration modes of the frequencies f a and 3f a .
  • the movement curve BK1 is that of a component 1 oscillating with only the first mode and the fundamental frequency f a .
  • the deviations of the movement curve BK1 over time are represented by the curve denoted by ⁇ 1.
  • the movement curve BK2 an oscillating in the first and the second mode with the frequencies f a and 3f a component 1 is shown.
  • the deviations of this movement curve BK2 over time are represented by the curve denoted by ⁇ 2.
  • the deviations from a linear movement over the useful ranges NB as well as the deviations from a triangular movement over a period of oscillation SP are illustrated by way of example in FIG. 6 using the example of three torsional modes.
  • the curves labeled ABKI and ⁇ 2 correspond to the deviations of the movement curves BK1 and BK2 shown in FIG.
  • the curve ⁇ 3 illustrates the deviations occurring when a motion curve BK3 (not shown ) is based on three modes each having a resonance frequency 3f a , 5f a . Note the different scalings of FIGS. 4 and 5 and FIG. 6.
  • the shown movement curves BK1, BK2 of FIGS. 4 and 5 correspond to a scanning movement for generating a picture with 512 pixels (min-max amplitude of the triangular movement in the useful area).
  • the maximum deviations when using the first and second modes are ⁇ 10 pixels, which is equivalent to ⁇ 2% linearity error.
  • the linearity deviation is approximately ⁇ 6% or ⁇ 30 pixels. Such a deviation causes a very clear distortion in the figure.
  • the movement curves BK1 to BKn as well as the control signals required for the realization of the movement curves BK1 to BKn can be determined on the basis of theoretical considerations and / or acquired measured values.
  • PixelPos (t) 300 pixels * 8 / ⁇
  • t P i X is the pixel time.
  • An oscillation period SP lasts 1200 pixel times t P i X.
  • the useful time range NB in bi-directional mode is 2 x 512 pixel times t P i X long (512 pixels in the forward and 512 pixels in the backscan).
  • PixelPos (t) 300pixel * 8 / ⁇ 2 * (ai / 1 2 * Cos (t / t pix * 1 * 2 * 1/1200 * ⁇ ) + a 3/3 2 * Cos (t / t pix * 3 * 1/1200 * 2 * ⁇ ) + a 5/5 2 * Cos (t / t pix * 5 * 1/1200 * 2 * ⁇ ) + ...
  • phase relationship of the individual vibration modes corresponds to a Fourier series development.
  • the individual oscillation modes correspond to pure zero-phase cosine oscillations for all the modes used.
  • the scanner 15 In order for the scanner 15 to oscillate in both oscillation modes in terms of amplitude and phase, the excitation must be selected accordingly.
  • the scanner 15 has a specific frequency-dependent transmission behavior for amplitude and phase. In the resonance peak, the amplitude is increased according to the quality of the system and the phase corresponds, for example, a phase delay of about 90 °.
  • the scanner 15 typically behaves approximately linearly. In the case of a linear system, the desired movement curve BK1 to BKn results if during excitation the corresponding amplitude peaks and phase delays are compensated.
  • an approximately optimal movement can be achieved if the transmitted by means of the drive 9 to the excitation region 5 excitation force and a sum of z. B. represents two cosine curves.
  • the ratio of the two frequencies is 1: 3 (f a and 3f a ).
  • the amplitude factor for the first cosine function corresponds to the reciprocal of an amplitude transfer function at the frequency f a .
  • the amplitude factor for the second cosine function corresponds to the reciprocal of an amplitude transfer function at the frequency 3f a .
  • the phase shift for the first cosine function corresponds to the negative of the phase shift of the phase transfer function at the frequency f a .
  • the phase shift for the second cosine function corresponds to the negative of the phase shift of the phase transfer function at the frequency 3f a .
  • Excitation (t) 300 * 8/2 * ⁇ (Ai * ai / 1 2 * Cos (t / t pix * 1 * 2 * ⁇ * 1/1200 + Pi) + A 3 * a 3/3 2 * Cos (t / t pix * 3 * 2 * ⁇ * 1/1200 P + 3) + A 5 * a 5/5 2 * Cos (t / t pix * 5 * 1/1200 * 2 * ⁇ + P 5).
  • Amp (f) is the amplitude transfer function of the excitation signal A or excitation (t) for scanning movement and Phas (f) is the phase transfer function of the excitation signal for scanning movement in each case in the steady state of the resonant excitable component.
  • the fundamental frequency of the excitation signal is denoted by f a .
  • the excitation of the component 1 is controlled by measuring values of a current movement curve BK of a section 4, 6 of the component 1 are detected as actual values. Differences of the detected actual values to predetermined target values of a desired movement curve are determined and control signals are generated as a function of the determined differences, by the execution of which the amplitudes and / or the phases of frequency components of the excitation frequency are changed such that the section 4 , 6 of the component 1 passes through the desired movement curve or approximately passes through this.
  • the generated control signals are used to control means for exciting the component 1, such as the drive 9.
  • the change of the T-shaped area 7 and / or a point of impact of the illumination radiation 14 on the object is detected via a position detection system, in order to then correct it.
  • the phase shift of a frequency component changes, the phase of the corresponding component in the excitation signal excitation (t) can be adjusted.
  • Such a detection of the position parameters of the individual frequency components takes place for example via a temporal detection of the position of a z. B. from the back of the mirror 13 or the T-shaped portion 7 deflected measuring light beam.
  • the thus detected temporal position signal can then be broken down into its frequency components and evaluated accordingly.
  • the signal or the determined parameters over several oscillation periods SP is averaged.
  • the movements of another part of the component 1 or of the scanner 15 can additionally or alternatively also be evaluated.
  • a mechanical 3-fold resonator which has a resonance peak for the fundamental frequency f a , the triple fundamental frequency 3f a and 5 times the fundamental frequency 5f a , the harmonic 7f a and higher (for example, 9f a , 1 1f a ) with no resonance peak desired amplitude to be vibrated when these frequencies are given with sufficiently high amplitude in the excitation signal A.
  • This possibility is described for example by means of a mechanical resonator.
  • Such a resonator as the component 1 is resonantly oscillatable with three resonance frequencies at f a , 3f a and 5f a .
  • HWB1 10 Hz for the fundamental frequency f a
  • HWB3 50 Hz for the third harmonic 3f a
  • HWB5 250 Hz for the fifth harmonic 5f a .
  • the amplitudes required for an optimally triangular motion curve within the useful range NB relative to the amplitude of the fundamental frequency f a are, for example,.
  • the seventh harmonic can be excited without mechanical resonance peak with optimal amplitude of oscillation.
  • an 8-fold increase is sufficient.
  • the component 1 contained in the MEMS resonance scanner 15 is formed by a torsion bar 2, which is mounted at two locations with bearings 11. These are located at locations where vibration nodes 12 (symbolized by arrows) may occur if the component with the first torsional f a and the second torsional a 3f oscillates.
  • a scanning mirror 13 is held.
  • the component 1 can be excited via a plurality of drives 9.
  • the drives 9 are designed as electrostatic comb drives and are controlled by the control unit 10.
  • Each of the bearings 1 1 is assigned a drive 9 each.
  • the scanning mirror 13 is associated with a further drive 9, by means of which the scanning mirror 13 can be excited with an excitation frequency of an excitation signal A.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil (1), das mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz (fa) mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3fa) mit einer zweiten Mode schwingt. Dabei ist die zweite Resonanzfrequenz (3fa) um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz (fa). Das resonant anregbare Bauteil (1) ist an Bereichen gelagert, an denen im angeregten Fall Schwingungsknoten auftreten. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Resonanzscanner (16) umfassend das resonant anregbare Bauteil (1) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils (1).

Description

Resonant anregbares Bauteil, Resonanzscanner und Verfahren zum Betrieb des resonant anregbaren Bauteils
Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil, einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils.
Resonanzscanner werden zur schnellen Bildgebung und Abtastung abzubildender Bereiche eingesetzt. Um mittels eines Resonanzscanners einen Bereich beispielsweise eines Objekts oder einer Probe abzubilden, wird ein Abtaststrahl mittels des Resonanzscanners (fortan auch kurz: Scanner) über den abzubildenden Bereich geführt. Dabei führt der Scanner sinusförmige Scanbewegungen aus. Eine Abbildung erfolgt durch eine Aneinanderreihung von einzelnen Bildelementen (Pixeln).
Solche Resonanzscanner sind beispielsweise aus der DE 10 2009 058 762 A1 bekannt. In dieser ist eine Ablenkeinrichtung für eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld offenbart. Die Ablenkeinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken. Die Ablenkeinrichtung umfasst eine Ablenkeinheit zur Erzeugung von Schwingungen um die Ablenkachsen und eine Steuervorrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Ablenkeinheit mit einer ersten und zweiten Ansteuerfrequenz, die im Wesentlichen den Resonanzfrequenzen der Ablenkeinheit entspricht. Die Ablenkeinheit weist einen Gütefaktor von > 3.000 auf. Die Ansteuervorrichtung umfasst einen Regelkreis, der dazu ausgebildet ist, abhängig von einer gemessenen Phasenlage der Schwingungen der Ablenkeinheit die erste und/oder die zweite Ansteuerfrequenz so zu regeln, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in dem Resonanzbereich der Ablenkeinheit verbleibt.
Aus der DE 10 2012 222 988 A1 ist eine mikromechanische Resonatoranordnung bekannt, die insbesondere als ein Mikrospiegel-Scanner ausgebildet ist. Die Resonatoranordnung ist mit einem inneren Aktuator, der einen über mindestens eine Achse schwingfähigen Schwingkörper aufweist, und einem äußeren Aktuator mit einem schwingenden Teil ausgebildet. Innerer und äußerer Aktuator bilden ein gekoppeltes Schwingungssystem. Der äußere Aktuator wird von einem externen Antrieb angetrieben, dessen Antriebsfrequenz derart gewählt wird, dass der Schwingkörper des inneren Aktuators mit einer seiner Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmode schwingt. Der innere Aktuator ist als mindestens ein vakuumgekapselter Mikroaktuator-Chip ausgebildet, der auf dem schwingenden Teil des äußeren Aktuators befestigt ist.
Die EP 1 419 41 1 B1 offenbart eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld mit folgenden Merkmalen: einer Ablenkeinrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls um eine erste Ablenkachse und um eine zweite Ablenkachse, um den Lichtstrahl über das Bildfeld zu bewegen; und einer Modulationseinrichtung zum Modulieren einer Intensität des Lichtstrahls abhängig von dem zu projizierenden Bild und dem augenblicklichen Projektionsort des Lichtpunktes auf dem Bildfeld, wobei sich die erste und die zweite Ablenkfrequenz um weniger als eine Größenordnung unterscheiden. Die Ablenkeinrichtung ist derart ausgebildet, dass der Lichtstrahl um die erste Ablenkachse mit einer ersten Ablenkfrequenz f1 und um die zweite Ablenkachse mit einer zweiten Ablenkfrequenz f2 abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtung Mittel aufweist, die das Frequenzverhältnis auf f1 : f 2 = n:m, mit m und n ungleichen Ganzzahlen, einstellt, so dass der Lichtstrahl auf dem Bildfeld eine Lissajous-Figur beschreibt und dieselbe mit einer Wiederholfrequenz fr von fr = f1/ n = f2/m wiederholt durchläuft. Ein Zusammenhang zwischen der Zeit und den Ablenkwinkeln kann als eine sinusförmige Funktion beschrieben werden.
Ein sinusförmiger Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel und Zeit tritt bei der Mehrheit der bekannten Resonanzscanner auf. Der sinusförmige Zusammenhang beinhaltet dabei einige Nachteile. So beschreibt jede Ablenk- oder Scanbewegung eine sinusförmige Bewegungskurve, wobei die Bewegungskurve durch eine Position oder ein Winkel des Abtaststrahls über die Schwingungsperiode darstellbar ist.
Aufgrund der Form einer sinusförmigen Bewegungskurve verläuft diese nicht oder weitgehend nicht-linear. Das hat zur Folge, dass die abzubildenden Pixel mit unterschiedlichen Pixelzeiten abgetastet und erfasst werden. Außerdem treten unterschiedliche Pixelabstände in verschiedenen Regionen des abzubildenden Bereichs auf.
Im Ergebnis zeigen die verschiedenen Regionen voneinander abweichende Rauschstatistiken. Außerdem erhalten die Regionen aufgrund der sich stetig verändernden Abtastgeschwindigkeit und Pixelzeiten voneinander verschiedene Dosen der zur Bildgebung verwendeten Beleuchtungsstrahlung, infolgedessen die Bleichwirkung über die Regionen differiert.
Wird die bereichsweise oder vollständig abzubildende Probe bewegt, werden Bleichmuster, beispielsweise sogenannte Bleichzylinder, in der Probe sichtbar. Bei quantitativen Auswertungen der Abbildungen muss die unterschiedliche Bleichrate in verschiedenen Regionen ermittelt und berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes mindestens abschnittsweise linearisiert bewegbares und resonant anregbares Bauteil sowie einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil vorzuschlagen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des resonant anregbaren Bauteils durch die Gegenstände des Anspruchs 1 , hinsichtlich eines Resonanzscanners durch die Gegenstände des Anspruchs 7 und hinsichtlich des Verfahrens durch den Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das resonant anregbare Bauteil ist zur Schwingung mittels eines Anregungssignals mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar. In einem angeregten Zustand schwingt das Bauteil bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz mit einer zweiten Mode, wobei die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3 höher als die erste Resonanzfrequenz ist. Die erste Resonanzfrequenz wird auch als Grundfrequenz bezeichnet.
Dabei schwingt mindestens ein Abschnitt oder ein Teilbereich des resonant anregbaren Bauteils, nachfolgend auch kurz nur als Bauteil bezeichnet, mit der ersten Mode und ein weiterer Abschnitt oder ein Teilbereich des Bauteils mit der zweiten Mode.
Der Faktor 3 zwischen erster und zweiter Resonanzfrequenz kann mit einer zulässigen Abweichung realisiert sein. Das resonant anregbare Bauteil ist an Bereichen gelagert, an denen im angeregten Zustand Schwingungsknoten auftreten, also keine oder keine wesentlichen Schwingungen auftreten. Die Lagerung des Bauteils an wenigstens einem seiner Schwingungsknoten ermöglicht dessen Lagerung ohne dabei nachteilig auf dessen erwünschtes Schwingungsverhalten einzuwirken. Zugleich wird durch eine derartige Lagerung in wenigstens einem der Schwingungsknoten ein unerwünschtes Schwingungsverhalten des Bauteils reduziert oder gar unterdrückt.
Kern der Erfindung ist die durch umfangreiche Simulationen und Versuche gewonnene Erkenntnis, dass eine von dem mit der zweiten Mode schwingenden Abschnitt oder Teilbereich des Bauteils durchlaufene Bewegungskurve in einem Nutzbereich der Bewegungskurve eine Linearität aufweist, die gegenüber Abschnitten oder Teilbereichen, die lediglich mit einer ersten Mode schwingen, verbessert ist. Es ist dabei als erfindungswesentlich erkannt worden, dass die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die erste Resonanzfrequenz sein muss. Das resonant anregbare Bauteil ist dazu ausgebildet, mit einer Grundfrequenz und mit einer Harmonischen zu schwingen, deren Frequenz dreifach größer als die Grundfrequenz ist.
Ein Anregungssignal umfasst vorteilhaft mehrere Frequenzen, insbesondere mehrere Resonanzfrequenzen, sodass das Bauteil gleichzeitig mit mehreren Frequenzen, insbesondere mit mehreren Resonanzfrequenzen, angeregt wird.
In weiteren Ausführungen des Bauteils umfasst das Anregungssignal weitere Resonanzfrequenzen, die um einen Faktor 5 oder 7, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die Grundfrequenz beziehungsweise größer als die erste Resonanzfrequenz ist.
In weiteren Ausführungen des Bauteils ist dieses zur Schwingung mit einer dritten Resonanzfrequenz oder mit einer dritten und vierten Resonanzfrequenz ausgebildet. Die dritte Resonanzfrequenz ist um den Faktor 5, die vierte Resonanzfrequenz um den Faktor 7, inklusive einer optional vorgebbaren zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, größer als die erste Resonanzfrequenz.
Eine Schwingungsperiode des Bauteils umfasst je eine Hin- und eine Rückbewegung (Halbschwingungen) des mit der zweiten Mode schwingenden Abschnitts oder Teilbereichs des Bauteils.
Die sinusförmige Bewegungskurve weist einen Nutzbereich je Halbschwingung auf. Über den Nutzbereich, der auch als ein Nutzzeitraum oder eine Nutzperiode verstanden werden kann, wird von dem abzubildenden Bereich kommende Strahlung erfasst und zur Bildgebung verwendet. Der Nutzbereich ist an seinen beiden Enden jeweils von einem Anteil eines Umkehrbereichs begrenzt. In einem Umkehrbereich ändert die Bewegungskurve ihre Richtung.
Vorteilhaft durchläuft daher mindestens ein Abschnitt oder ein Teilbereich, fortan vereinfachend als Abschnitt bezeichnet, des resonant anregbaren oder angeregten und mit der ersten und zweiten Mode schwingenden Bauteils während einer Halbschwingung eine Bewegungskurve, die eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung und/oder Positionsänderung beschreibt. Dabei weist die Bewegungskurve einen Nutzbereich auf, der von je einem Anteil eines Umkehrbereichs begrenzt ist und in dem Nutzbereich die Bewegungskurve eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung mit konstanter Geschwindigkeit durchläuft.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Bauteils ist die erste Resonanzfrequenz eine erste Torsionsresonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz eine zweite Torsionsresonanzfrequenz. Durch eine solche Ausführung ist es beispielsweise ermöglicht, dass die mit den unterschiedlichen Moden resonant schwingenden oder resonant anregbaren Abschnitte in Form eines Torsionsstabs ausgebildet sind. Dieser kann entlang wenigstens einer Torsionsachse die Abschnitte des Bauteils aufweisen.
So kann beispielsweise ein Bauteil in Form eines Torsionsstabs aus mehreren miteinander verbundenen Abschnitten gebildet sein. Die Abschnitte können dabei unterschiedliche Dimensionierungen wie unterschiedliche Längen, Durchmesser, Querschnitte und/oder Formen aufweisen. Außerdem können die Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien und/oder Materialverbünden bestehen. Die Abschnitte können miteinander stoffschlüssig verbunden sein und beispielsweise miteinander verlötet, verschweißt und/oder verklebt sein. Der Torsionsstab kann auch monolithisch ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, das einige oder alle Abschnitte des Bauteils form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise ineinander eingesteckt und/oder verpresst sind.
Das Bauteil kann in weiteren Ausführungen als ein Doppel-Torsionsstab ausgebildet sein. Dieser kann hinsichtlich seiner Dimensionierung und/oder Materialzusammensetzung hinsichtlich seiner Abschnitte und/oder hinsichtlich einer Längsachse des Doppel- Torsionsstabs symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein.
Ein Bauteil, insbesondere ein Torsionsstab, kann an einem seiner Enden eingespannt sein. In einer weiteren möglichen Ausführung des Bauteils als Doppel-Torsionsstab können die Enden frei sein und beispielsweise zueinander gegenphasig schwingen.
In vorteilhaften Ausführungen ist das Bauteil, insbesondere in Form eines Torsionsstabs, an Bereichen gelagert, beispielsweise gehalten und/oder abgestützt, an denen im angeregten Fall sogenannte Schwingungsknoten auftreten, also keine oder keine wesentlichen Schwingungen auftreten.
Das Bauteil kann in möglichen Ausführungen als ein mechanisches Schwingungssystem mit Federkräften und schwingenden Massen ausgebildet sein.
Die beiden um den Faktor 3 unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden sind im Wesentlichen durch unterschiedliche Federkonstanten, z. B. durch unterschiedliche Längen und/oder Dicken oder unterschiedliche Materialien der Federn bestimmt.
Zusätzlich oder alternativ sind die beiden um den Faktor 3 unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden im Wesentlichen durch unterschiedliche Massen, Trägheitsmomente, durch unterschiedliche Größe oder Form oder Materialien der Abschnitte des Bauteils und/oder des Scanners erzeugt.
Entsprechendes gilt für um den Faktor 5 und/oder 7 und/oder weitere unterschiedliche Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden.
Der Nutzbereich eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils beträgt vorteilhaft mindestens 80%, beispielsweise mindestens 85%, der Bewegungskurve. Innerhalb des Nutzbereichs wird eine linearisierte Bewegungskurve erreicht. Vergleicht man beispielsweise Bewegungskurven gemäß dem Stand der Technik mit Bewegungskurven, die mittels eines erfindungsgemäßen Bauteils oder Scanners erhalten werden miteinander, so liegen im Nutzbereich Abweichungen von einer linearen Beziehung von Winkeländerung beziehungsweise Positionsänderungen über den zeitlichen Verlauf einer Halbschwingung bei den Bewegungskurven gemäß dem Stand der Technik etwa um einen Faktor 2,6 höher als bei den Bewegungskurven, die mittels eines erfindungsgemäßen Bauteils oder Scanners erhalten werden. Wird das Bauteil derart ausgelegt, dass dieses mit einer dritten Resonanzfrequenz schwingt, die um den Faktor 5 größer als die erste Resonanzfrequenz ist, verringern sich die Abweichungen um einen weiteren Faktor 2,3.
Die Qualität der Linearisierung kann beispielsweise anhand der Abweichungen der Bewegungskurve von einer Soll-Gerade in Pixeln als ein relatives Gütekriterium angegeben werden. Dabei steht die jeweils gewählte Pixelgröße mit der absoluten Güte der Linearisierung in Beziehung. Eine im Wesentlichen parallel zu einer Soll-Geraden gewählte Bewegungskurve wird als neue Soll-Gerade verstanden.
Das Bauteil kann in einem Resonanzscanner, fortan auch kurz als Scanner bezeichnet, verwendet sein und beispielsweise eine Grundstruktur des Scanners bilden.
Ein Scanner ist beispielsweise gebildet, wenn das resonant anregbare Bauteil wenigstens ein strahllenkendes Element sowie optional einen Antriebsbereich aufweist.
Unter einem strahllenkenden Element wird beispielsweise eine reflektierende Oberfläche, ein Spiegel und/oder ein optisches Element wie eine Linse oder auch eine planparallele transparente Platte verstanden, mittels dem eine zur Abtastung der abzubildenden Region vorgesehene Beleuchtungsstrahlung lenkbar, insbesondere reflektierbar, ist.
In einer möglichen Ausführung umfasst der Resonanzscanner einen sich entlang einer ersten Achse, beispielsweise in Richtung einer Z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, erstreckendes resonant anregbares Bauteil in Form eines Torsionsstabs, einen an dem Torsionsstab ausgebildeten Antriebsbereich und ein an dem Torsionsstab angeordnetes strahllenkendes Element beispielsweise in Form eines Spiegels, der als Scanspiegel dient. Dabei schwingt der Resonanzscanner bei einer ersten Torsionsresonanzfrequenz mit einer ersten Torsionsmode um die erste Achse. Der Antriebsbereich und der Scanspiegel schwingen im Wesentlichen gleichphasig, wobei eine Phasenverschiebung und/oder ein Nachlauf innerhalb zulässiger Grenzen auftreten können beziehungsweise kann. Der Resonanzscanner schwingt bei einer zweiten Torsionsresonanzfrequenz mit einer zweiten Torsionsmode um die erste Achse. Der Antriebsbereich und der Scanspiegel schwingen bei der zweiten Torsionsresonanzfrequenz im Wesentlichen gegenphasig, wobei ein geringer gleichschwingender Anteil zulässig ist, falls die Schwingungen nicht exakt gegenphasig erfolgen.
Die Ausführungen des Bauteils werden vorteilhaft so gestaltet, dass die zweite Torsionsresonanzfrequenz exakt beziehungsweise ausreichend genau, dreimal so hoch ist wie die erste Torsionsresonanzfrequenz.
Ausreichend genau sind die Resonanzfrequenzen beziehungsweise die Torsionsresonanzfrequenzen der ersten und zweiten Torsionsmoden dann abgeglichen, wenn sich ein Anregungssignal findet, für das sowohl die Resonanzamplitude der ersten Torsionsmode bei Anregung mit einer Grundfrequenz fa ausreichend hoch ist, als auch die Resonanzamplitude der zweiten Torsionsmode bei Anregung mit einer dreifachen Grundfrequenz fa ausreichend hoch ist. Die Höhe der Resonanzamplitude hängt von der Ablage des Anregungssignals von der jeweils betrachteten Resonanzfrequenz beziehungsweise Torsionsresonanzfrequenz, also von der Güte der betreffenden Resonanz ab. Eine hohe Güte ist vorteilhaft, da bei hoher Güte und Anregung auf der Resonanzfrequenz eine geringe Energiezufuhr ausreicht, um eine gewünschte Schwingungsamplitude beizubehalten. Andererseits ist eine hohe Güte nachteilig, weil bei hoher Güte die Resonanzfrequenz sehr genau getroffen werden muss, um bei gegebener Energiezufuhr eine ausreichende Amplitude zu erreichen.
Das Bauteil beziehungsweise der Scanner muss bei der zweiten Resonanzfrequenz nur mit einer geringen Amplitude schwingen. An die Güte der zweiten Mode beziehungsweise der zweiten Torsionsmode braucht daher vorteilhafterweise keine hohen Anforderungen gestellt werden. Eine geringere Güte unterstützt beispielsweise den Ausgleich herstellungs- und/oder temperaturbedingt auftretender Frequenzschwankungen.
Die Güte der beiden Torsionsmoden wird also vorteilhafterweise so eingestellt, dass sich ein vertretbarer Kompromiss zwischen benötigter Präzision bei der Abstimmung beider Resonanzfrequenzen und der benötigten Energiezufuhr für ausreichende Schwingungsamplituden ergibt. Dabei ist es möglich, die Güte beider Torsionsmoden getrennt zu optimieren.
Der Scanner kann in möglichen Ausführungen derart ausgebildet sein, dass der Antriebsbereich und der Scanspiegel, beziehungsweise ein den Scanspiegel tragender Abschnitt des Bauteils, mit gleicher Form und Größe ausgebildet sind.
Der Antriebsbereich und der Scanspiegel beziehungsweise der den Scanspiegel tragende Abschnitt des Bauteils bestehen in weiteren Ausführungen aus gleichen Materialien, was eine monolithische Ausbildung des Bauteils unterstützt. Eine monolithische Ausführung ist kostengünstig herstellbar und hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens mit einer hohen Präzision zu simulieren und zu produzieren.
Die erste Resonanzfrequenz beziehungsweise die erste Torsionsresonanzfrequenz des Bauteils und/oder des Scanners ist eine Frequenz aus einem Bereich von 2 - 10 kHz, beispielsweise 3 - 10 kHz, 4 - 8 kHz oder 3,5 - 10 kHz. In weiteren Ausführungen des Bauteils und/oder des Scanners können auch höhere Frequenzen vorgesehen sein.
Die zweite Resonanzfrequenz beziehungsweise die zweite Torsionsresonanzfrequenz des Bauteils und/oder des Scanners ist eine Frequenz aus einem Bereich von 6 bis 30 kHz, beispielsweise 7 bis 25 kHz oder 12 bis 24 kHz.
In besonderen Ausführungen des Bauteils und/oder des Resonanzscanners ist das Verhältnis der Länge eines Abschnitts des Torsionsstabs zwischen einem eingespannten beziehungsweise einzuspannenden Ende und dem Antriebsbereich einerseits und einem Abschnitts des Torsionsstabs zwischen Antriebsbereich bis einschließlich des Scannerspiegels aus einem Verhältnis von 2:1 bis einschließlich 3:1 ausgewählt.
An dem Bauteil und/oder dem Scanner ist in weiteren Ausführungen an dem Scanspiegel und/oder an dem Antriebsbereich eine Zusatzmasse angebracht oder anbringbar, um das Schwingungsverhalten des Bauteils beziehungsweise des Scanners zu beeinflussen. Der Resonanzscanner kann zum Scannen, also einem zeitlich periodischen Abtasten, wenigstens einer Region des Objekts verwendet werden. Der Resonanzscanner kann insbesondere in einem Scanning-Mikroskop, beispielsweise in einem Laserscanningmikroskop, verwendet werden.
Die Aufgabe wird in einem Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils gelöst. Bei der Ausführung des Verfahrens wird das Bauteil mittels eines Anregungssignals zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen angeregt und es wird zur Schwingungsanregung ein Anregungssignal umfassend mindestens eine Anregungsfrequenz gewählt, bei der das Bauteil bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Mode schwingt. Das mittels dem Anregungssignal angeregte Bauteil schwingt mit einer zweiten Resonanzfrequenz mit einer zweiten Mode, wobei die zweite Resonanzfrequenz um den Faktor 3, gegebenenfalls mit einer zulässigen Abweichung von beispielsweise 5%, höher als die erste Resonanzfrequenz (Grundfrequenz) gewählt wird.
Das Anregungssignal kann eine Anregungsfrequenz umfassen, die der ersten Resonanzfrequenz entspricht.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Anregungssignal derart gewählt, dass das Bauteil bei der ersten Resonanzfrequenz mit der ersten Mode schwingt, wobei Abschnitte des Bauteils im Wesentlichen gleichphasig schwingen und das Bauteil bei der zweiten Resonanzfrequenz mit der zweiten Mode schwingt, wobei die Abschnitte des Bauteils im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
Die Anregung des Bauteils wird in einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens gesteuert, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve eines Abschnitts des Bauteils als Ist-Werte erfasst werden und Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll-Bewegungskurve ermittelt werden. In Abhängigkeit der ermittelten Differenzen werden Steuersignale generiert, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen des Anregungssignals derart verändert werden, dass der Abschnitt des Bauteils die Soll-Bewegungskurve durchläuft und mittels der generierten Steuersignale Mittel zur Anregung des Bauteils angesteuert werden.
Mittels des erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils lässt sich die Scanbewegung von Resonanzscannern über wenigstens einen Nutzbereich nahezu linearisieren und damit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile deutlich reduzieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils mit einer ersten Mode schwingend;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils mit einer ersten Mode schwingend;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners, der ein resonant anregbares Bauteil umfasst und mit einer zweiten Mode schwingt; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bewegungskurve eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils eines Resonanzscanners;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Bewegungskurve eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit einer Schwingungsmode gemäß dem Stand der Technik und in einer Betriebsart mit zwei kombinierten Moden gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von Abweichungen einer Bewegungskurve von einer linearen Bewegung bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit einer Schwingungsmode gemäß dem Stand der Technik und Abweichungen einer Bewegungskurve von einer linearen Bewegung bei Verwendung des erfindungsgemäßen Resonanzscanners in einer Betriebsart mit zwei kombinierten Moden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners in Form eines MEMS-Scanners.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind schematisch dargestellt. Dabei kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente, falls dies nicht anders vermerkt ist. In den Abbildungen sind Indizes nicht tiefgestellt angegeben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines resonant anregbaren Bauteils 1 ist in der Fig. 1 als ein Torsionsstab 2 ausgebildet, der entlang einer ersten Achse 3 einen ersten Abschnitt 4 mit einem Antriebsbereich 5 und einen zweiten Abschnitt 6 mit einem T-förmigen Bereich 7 an seinem einen Ende aufweist. Die erste Achse 3 verläuft in Richtung der Z-Achse Z eines kartesischen Koordinatensystems mit einer X-Achse X, einer Y-Achse Y und der Z-Achse Z.
Das Bauteil 1 ist derart ausgebildet, dass dieses mittels eines Anregungssignals A zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz fa mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz 3fa mit einer zweiten Mode schwingt, wobei die zweite Resonanzfrequenz 3fa um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz fa ist.
Das Bauteil 1 ist an seinem anderen Ende mit dem ersten Abschnitt 4 in einer Einspannung 8 gehalten. Mittels eines Antriebs 9, der mit einer Steuereinheit 10 verbunden und durch diese ansteuerbar ist, ist das Bauteil 1 resonant anregbar, indem mittels des Antriebs 9 durch magnetische Wechselwirkungen mit dem Anregungssignal A ein Drehmoment auf den Antriebsbereich 5 übertragbar ist.
Über den Antrieb 9, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Antriebsmagneten umfasst, kann elektromagnetisch das Drehmoment eingekoppelt werden.
Das Bauteil 1 schwingt im resonant angeregten Zustand mit der ersten Resonanzfrequenz fa in einer ersten Mode, bei welcher der Antriebsbereich 5 und der T-förmige Bereich 7 im Wesentlichen gleichphasig schwingen. Eine Torsion des resonant schwingenden Bauteils 1 um die ersten Achse 3 ist durch den schrägen Verlauf von schematisch dargestellten Bändern B visualisiert. Der Antriebsbereich 5 und der T-förmige Bereich 7 sind beispielhaft in einer um einen ersten Torsionswinkel o1 beziehungsweise einen zweiten Torsionswinkel o2 ausgelenkten Lage gezeigt. Eine um einen negativen ersten Torsionswinkel -o1 beziehungsweise einen negativen zweiten Torsionswinkel -o2 ausgelenkte Lage von Antriebsbereich 5 und T-förmigen Bereich 7 ist durch die mit unterbrochenen Strichlinien angedeutet gezeigten Rahmen symbolisiert.
In der Fig. 2 ist das zu Fig. 1 beschriebene Bauteil 1 an zwei Stellen entlang der ersten Achse 3 mittels Lagerungen 1 1 gehalten, die an dem ersten Abschnitt 4 und dem zweiten Abschnitt 6 an Stellen angeordnet sind, an denen im Anregungsfall Schwingungsknoten 12 auftreten. Das Bauteil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht an einem seiner Enden eingespannt.
Das angeregte Bauteil 1 schwingt bei einer zweiten Resonanzfrequenz 3fa, die hier eine zweite Torsionsresonanzfrequenz ist, in einer zweiten Mode, wobei der T-förmige Bereich 7 gegenüber dem ersten Abschnitt 4 und dem Antriebsbereich 5 gegenläufig schwingt, wie dies in der Fig. 3 schematisch dargestellt ist.
Das in der Fig. 3 gezeigte Bauteil 1 ist an dem T-förmigen Bereich 7 mit einem Spiegel 13 versehen, entspricht ansonsten aber dem in Fig. 1 dargestellten Bauteil 1. Der Spiegel 13 dient der Ablenkung eines Strahlenbündels einer auf den Spiegel 13 gerichteten Beleuchtungsstrahlung 14. Die Beleuchtungsstrahlung 14 ist auf ein nicht näher dargestelltes Objekt, beispielsweise eine abzubildende Probe, lenkbar. Infolge der periodischen Schwingungen des Bauteils 1 und des Spiegels 13 ist das Objekt mittels der Beleuchtungsstrahlung 14 mindestens über Bereiche seiner Ausdehnung abtastbar. Die vom Objekt reflektierte Beleuchtungsstrahlung 14ref und/oder eine mittels der Beleuchtungsstrahlung 14 angeregte Strahlung, beispielsweise eine Fluoreszenzstrahlung, ist als eine Detektionsstrahlung erfassbar und kann zur Abbildung des abgetasteten Bereichs des Objekts genutzt werden.
Das mit dem Spiegel 13 versehene Bauteil 1 bildet einen Resonanzscanner 15.
Der erste Abschnitt 4 ist als ein erster Torsionsstab 2.1 ausgebildet, der aus Stahl besteht und einen Durchmesser von 2,6 mm und einer Länge von 15 mm aufweist und an einem Ende fest eingespannt ist. An seinem anderen Ende ist der Antriebsbereich 5 als ein T-förmiger Magnet ausgebildet, der zur Drehmomenteinkopplung in Wechselwirkung mit dem Antrieb 9 steht.
Auf den Antriebsbereich 5 ist in Verlängerung des ersten Torsionsstabs 2.1 ein zweiter Torsionsstab 2.2 vorhanden. Dieser besteht ebenfalls aus Stahl und weist ebenfalls einen Durchmesser von 2,6 mm auf. Seine Länge beträgt im Ausführungsbeispiel 6,64 mm. Der Spiegel 13 hat die gleiche Form wie der Antriebsmagnet und besteht aus ähnlichem oder dem gleichen Material, beispielsweise aus polierten, beschichteten oder verspiegelten Stahl.
Das resonant anregbare Bauteil 1 weist eine Anzahl von Eigenmoden auf. Zur Ablenkung der Beleuchtungsstrahlung 14, insbesondere zum Scannen des Objekts, werden beispielsweise die dritte und sechste Eigenmode genutzt, die einer ersten beziehungsweise einer zweiten Torsionsmode entsprechen. Bei der ersten Torsionsmode schwingen die beiden im Wesentlichen durch den Antriebsbereich 5 und den T-förmigen Bereich 7 gebildeten Schwungmassen im Wesentlichen gleichphasig, bei der zweiten Torsionsmode gegenphasig.
Die Bewegungen des T-förmigen Bereichs 7 und des Spiegels 13 dienen dazu, die reflektierte Beleuchtungsstrahlung 14ref zeitlich periodisch so im Winkel zu beeinflussen, dass das Objekt, beispielsweise zeilenweise, abgetastet wird. Für die schnelle Zeilenbewegung kann dafür vorteilhafterweise der beschriebene resonant auf mehr als einer Schwingungsmode schwingende Resonanzscanner 15 benutzt werden. Das Scannen eines Objekts mit einem Lichtstrahl, hier der reflektierten Beleuchtungsstrahlung 14ref, wird typischerweise dazu benutzt, um ein Bild des Objekts Pixel für Pixel aufzunehmen. Der sich zeitlich periodisch ändernde zweite Torsionswinkel o2 des Spiegels 13 kann dann als Pixelposition einer Abbildung aufgefasst werden.
Für eine effiziente und qualitativ hochwertige Abbildung ist es besonders vorteilhaft, wenn sich diese Pixelposition linear über die Zeit ändert, wenn sich also die Position der vom Scanner 15 abgelenkten Beleuchtungsstrahlung 14ref in oder auf dem Objekt zumindest über einen zu erfassenden Bereich des Objekts mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Bei einer periodischen Scanbewegung, beispielsweise mit einem sich periodisch abwechselnden Hin- und Rückscan, kann diese Geschwindigkeit nur in einem bestimmten Teil der Schwingungsperiode SP konstant gehalten werden. Die restliche Zeit wird zum Abbremsen und Beschleunigen des Scanspiegels 13 in umgekehrter Richtung genutzt. Der zeitliche Anteil der Schwingungsperiode SP des Scanners 15 mit konstanter oder annähernd konstanter Geschwindigkeit ist der Nutzbereich NB, der Bereich zum Abbremsen und Beschleunigen ist der nicht genutzte Umkehrbereich UB der Schwingungsperiode SP (Fig. 4).
Wird die Anregung des erfindungsgemäßen Bauteils 1 des Resonanzscanners 15 so gewählt, dass die erste und zweite Mode erzwungen werden und das Bauteil 1 dauerhaft mit dem richtigen Amplitudenverhältnis und der richtigen Phasenbeziehung schwingen, wird eine Bewegungskurve BK2 erhalten, die in der Fig. 4 schematisch gezeigt ist.
In der Fig. 4 ist eine Bewegungskurve BK2 gezeigt, durch die eine Schwingungsperiode SP eines erfindungsgemäßen resonant anregbaren Bauteils 1 dargestellt, das in einem Resonanzscanner 15 verwendet ist. Eine Schwingungsperiode SP umfasst zwei Halbschwingungen HS, die jeweils einen Nutzbereich NB aufweisen und an jedem ihrer Enden einen Anteil eines Umkehrbereichs UB umfassen. Die jeweiligen Grenzen zwischen Nutzbereichen NB und Umkehrbereiche UB sind durch Bildgrenzen BG veranschaulicht. Im gezeigten Beispiel nimmt der Nutzbereich NB etwa 85% der Schwingungsperiode SP ein. Die Abszisse gibt den zeitlichen Verlauf der Schwingungsperiode SP in Pixelzeiten tPiX wieder. Eine Schwingungsperiode SP dauert 1200 Pixelzeiten tPiX.
Wird der Scanner 15 gemäß dem Stand der Technik nur in einer ersten Mode mit der Grundfrequenz fa schwingend benutzt, so schwingt er nahezu sinusförmig. Die Abweichung von einer idealen Dreiecksbewegung, die in den Fig. 4 bis 6 jeweils durch Volllinien veranschaulicht sind, ist im Nutzbereich NB größer als bei einem erfindungsgemäßen Betrieb des resonant anregbaren Bauteils 1 mit zwei aufeinander abgestimmten Schwingungsmoden der Frequenzen fa und 3fa.
Dieser Unterschied ist beispielhaft in der Fig. 5 gezeigt. Die Bewegungskurve BK1 ist die eines mit lediglich der ersten Mode und der Grundfrequenz fa schwingenden Bauteils 1 . Die Abweichungen der Bewegungskurve BK1 über die Zeit sind durch die mit ΔΒΚ1 bezeichneten Kurve dargestellt.
Weiterhin ist die Bewegungskurve BK2 eines in der ersten und der zweiten Mode mit den Frequenzen fa und 3fa schwingenden Bauteils 1 gezeigt. Die Abweichungen dieser Bewegungskurve BK2 über die Zeit sind durch die mit ΔΒΚ2 bezeichneten Kurve dargestellt.
Wird das Bauteil 1 derart ausgebildet, dass dieses im angeregten Zustand in drei - oder in weiteren möglichen Ausführungen sogar mehr - Moden, hier insbesondere Torsionsmoden, schwingt, verringern sich die Abweichungen weiter. Jede der Bewegungskurven BKn (mit n = 2, 3, n) mit den Resonanzfrequenzen 3fa, 5fa, ... entspricht mit der zunehmenden Anzahl an berücksichtigen Moden zunehmend einer idealen Dreiecksbewegung.
Die Abweichungen von einer linearen Bewegung über die Nutzbereiche NB sowie die Abweichungen von einer Dreiecksbewegung über eine Schwingungsperiode SP sind am Beispiel dreier Torsionsmoden beispielhaft in der Fig. 6 dargestellt. Die mit ABKI und ΔΒΚ2 bezeichneten Kurven entsprechen den Abweichungen der in Fig. 5 gezeigten Bewegungskurven BK1 beziehungsweise BK2. Die Kurve ΔΒΚ3 veranschaulicht die auftretenden Abweichungen, wenn einer nicht dargestellten Bewegungskurve BK3 drei Moden mit je einer Resonanzfrequenz 3fa, 5fa zugrunde gelegt sind. Man beachte die unterschiedlichen Skalierungen der Fig. 4 und 5 und der Fig. 6.
Die gezeigten Bewegungskurven BK1 , BK2 der Fig. 4 und 5 entsprechen einer Scanbewegung zur Erzeugung einer Abbildung mit 512 Pixeln (Min-Max Amplitude der Dreiecksbewegung im Nutzbereich). Die maximalen Abweichungen bei einer Nutzung von erster und zweiter Mode betragen ± 10 Pixel, das entspricht somit ±2% Linearitätsfehler.
Bei einer Nutzung von drei Moden wird bei einem Nutzbereich von 85% der Schwingungsperiode eine Linearitätsabweichung von ca. 0,9% erreicht (Fig. 6).
Wird dagegen wie im Stand der Technik eine reine Sinusschwingung, also nur die erste Mode, im Nutzbereich NB verwendet, beträgt die Linearitätsabweichung ca. ±6% oder ± 30 Pixel. Eine solche Abweichung verursacht eine sehr deutliche Verzeichnung in der Abbildung.
Die Bewegungskurven BK1 bis BKn sowie die zur Realisierung der Bewegungskurven BK1 bis BKn erforderlichen Steuersignale können aufgrund theoretischer Überlegungen und/oder erfasster Messwerte ermittelt werden.
Die kleinsten Abweichungen der Bewegungskurven BK1 bis BKn von einer idealen Dreiecksbewegung werden bei bestimmten Amplitudenverhältnissen und Phasenbeziehungen der einzelnen Frequenzkomponenten erreicht. Diese optimalen Amplitudenverhältnisse entsprechen in etwa den ersten Koeffizienten der Fourier-Reihenentwicklung einer Dreieckskurve.
Für eine Abbildung mit beispielsweise 512 Pixeln im Nutzbereich NB der Schwingungsperiode SP ergibt sich folgende Fourierreihenentwicklung:
PixelPos(t) = 300Pixel * 8 / π
2 * (1/12 * Cos(t/tpix * 1 * 1/1200 * 2 * π) + 1/32 * Cos(t/tpix * 3 * 1/1200
* 2 * TT) + 1/52 * Cos(t/tpix * 5 * 1/1200 * 2 * π) + . .. )
Dabei ist tPiX die Pixelzeit. Eine Schwingungsperiode SP dauert 1200 Pixelzeiten tPiX. Der zeitliche Nutzbereich NB ist im bidirektionalen Modus 2 x 512 Pixelzeiten tPiX lang (512 Pixel im Hin- und 512 Pixel im Rückscan).
Eine weiter verbesserte Lösung lässt sich mit leicht geänderten Amplituden-Koeffizienten des Nutzbereichs NB finden. Die Abweichung im Umkehrbereich UB können vernachlässigt werden.
Diese optimierten Koeffizienten sind auch von der Ausdehnung des Nutzbereichs NB abhängig. Im Beispiel sind die Koeffizienten auf einen Nutzbereich NB optimiert, der 85% der Schwingungsperiode SP beträgt. Ein funktioneller Zusammenhang von Pixelposition und Zeit beziehungsweise Pixelzeit tPiX ist wie folgt darstellbar:
PixelPos(t) = 300Pixel * 8 / π 2 * (ai/12 * Cos(t/tpix * 1 * 1/1200 * 2 * ττ) + a3/32 * Cos(t/tpix * 3 * 1/1200 * 2 * π) + a5/52 * Cos(t/tpix * 5 * 1/1200 * 2 * ττ) + ...)
Die optimierten Koeffizienten sind beispielsweise annähernd
Figure imgf000014_0001
= 0,97 und a3 = 0,73.
Die Phasenbeziehung der einzelnen Schwingungsmoden entspricht einer Fourier- Reihenentwicklung. Bei einer um Null symmetrischen Schwingung entsprechen die einzelnen Schwingungsmoden reinen Cosinus-Schwingungen mit Phase Null für alle verwendeten Moden.
Damit der Scanner 15 auf beiden Schwingungsmoden amplituden- und phasenrichtig schwingt, muss die Anregung entsprechend gewählt werden. Der Scanner 15 weist ein spezifisches frequenzabhängiges Übertragungsverhalten für Amplitude und Phase auf. In der Resonanzüberhöhung ist die Amplitude entsprechend der Güte des Systems überhöht und die Phase entspricht beispielsweise einer Phasenverzögerung von etwa 90°.
Der Scanner 15 verhält sich typischerweise näherungsweise linear. Bei einem linearem System ergibt sich die gewünschte Bewegungskurve BK1 bis BKn, wenn bei der Anregung die entsprechende Amplitudenüberhöhungen und Phasenverzögerungen kompensiert werden.
Zum Beispiel kann eine näherungsweise optimale Bewegung erreicht werden, wenn die mittels des Antriebs 9 auf den Anregungsbereich 5 übertragene Anregungskraft auch eine Summe aus z. B. zwei Cosinuskurven darstellt. Das Verhältnis der beiden Frequenzen ist dabei 1 :3 (fa und 3fa).
Der Amplitudenfaktor für die erste Cosinusfunktion entspricht dem Reziproken einer Amplitudenübertragungsfunktion bei der Frequenz fa. Der Amplitudenfaktor für die zweite Cosinusfunktion entspricht dem Reziproken einer Amplitudenübertragungsfunktion bei der Frequenz 3fa. Die Phasenverschiebung für die erste Cosinusfunktion entspricht dem negativen der Phasenverschiebung der Phasenübertragungsfunktion bei der Frequenz fa. Die Phasenverschiebung für die zweite Cosinusfunktion entspricht dem Negativen der Phasenverschiebung der Phasenübertragungsfunktion bei der Frequenz 3fa.
Bei drei genutzten Frequenzkomponenten ergibt sich folgendes Anregungssignal A (Anregung(t)):
Anregung(t) = 300 * 8 / ττ2 * (Ai * ai/12 * Cos(t/tpix * 1 * 1/1200 * 2 * π + Pi) + A3 * a3/32 * Cos(t/tpix * 3 * 1/1200 * 2 * π + P3) + A5 * a5/52 * Cos(t/tpix * 5 * 1/1200 * 2 * π + P5) .
Dabei sind:
Ai = 1/Amp(fa), A3 = 1/Amp(3fa) und A5 = 1/Amp(5fa) sowie
Pi = -Phas(fa), P3 = -Phas(3fa) und P5 = -Phas(5fa) .
Amp(f) ist die Amplitudenübertragungsfunktion vom Anregungssignal A beziehungsweise Anregung (t) zur Scanbewegung und Phas(f) ist die Phasenübertragungsfunktion vom Anregungssignal zur Scanbewegung jeweils im eingeschwungenen Zustand des resonant anregbaren Bauteils 1 . Die Grundfrequenz des Anregungssignals ist mit fa bezeichnet. Mit einer solchen Anregung schwingt der Scanner 15 erzwungen nahezu dreiecksförmig mit der Grundfrequenz fa und mit mindestens einer ihrer Harmonischen.
Durch geringe Änderungen der Übertragungsfunktionen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, ist es vorteilhaft, die Koeffizienten A1 , A3, A5 und/oder P1 , P3 und P5 fortlaufend anzupassen.
Dazu wird beispielsweise die Anregung des Bauteils 1 gesteuert, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve BK eines Abschnitts 4, 6 des Bauteils 1 als Ist-Werte erfasst werden. Es werden Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll-Bewegungskurve ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen werden Steuersignale generiert, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen der Anregungsfrequenz derart verändert werden, dass der Abschnitt 4, 6 des Bauteils 1 die Soll-Bewegungskurve durchläuft oder diese angenähert durchläuft. Die generierten Steuersignale werden verwendet, um Mittel zur Anregung des Bauteils 1 wie den Antrieb 9, anzusteuern.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird über ein Positionserfassungssystem die Änderung des T-förmigen Bereichs 7 und/oder eines Auftreffpunkts der Beleuchtungsstrahlung 14 auf dem Objekt erfasst, um sie dann zu korrigieren. Das Positionserfassungssystem kann z. B. die Amplitude und Phase der einzelnen Frequenzkomponenten der Spiegelbewegung ermitteln. Bei einer beispielhaften Vergrößerung der Amplitude der zweiten Frequenzkomponente (f = 3fa) wird z. B. der entsprechende Amplitudenfaktor A3 des Anregungssignals A proportional verringert. Genauso kann bei einer Änderung der Phasenverschiebung einer Frequenzkomponente die Phase der entsprechenden Komponente im Anregungssignal Anregung(t) angepasst werden.
Eine solche Erfassung der Positionsparameter der einzelnen Frequenzkomponenten erfolgt beispielsweise über eine zeitliche Detektion der Position eines z. B. von der Rückseite des Spiegels 13 oder des T-förmigen Bereichs 7 abgelenkten Messlichtstrahls. Das so erfasste zeitliche Positionssignal kann dann in seine Frequenzanteile zerlegt und entsprechend ausgewertet werden. Um stochastisch auftretende Schwankungen auszugleichen, wird das Signal oder die ermittelten Parameter über mehrere Schwingungsperioden SP gemittelt.
Zur Positionserfassung beziehungsweise zur Erfassung einer Änderung der Übertragungsfunktion kann beziehungsweise können zusätzlich oder alternativ auch die Bewegungen eines anderen Teils des Bauteils 1 oder des Scanners 15 ausgewertet werden.
Da die benötigten Schwingungsamplituden mit zunehmender Nummer der Oberwelle (höhere Harmonische) stark abnehmen, ist es ab einer bestimmten Oberwelle möglich den Spiegel 13 auch ohne mechanisch unterstützte Resonanzüberhöhung auf höheren Oberwellen schwingen zu lassen.
Beispielsweise können bei einem mechanischen 3-fach Resonator, welcher eine Resonanzüberhöhung für die Grundfrequenz fa, die dreifache Grundfrequenz 3fa und die fünffache Grundfrequenz 5fa hat, die Oberwelle 7fa und höhere (beispielsweise 9fa, 1 1fa) ohne Resonanzüberhöhung mit gewünschter Amplitude zum Schwingen gebracht werden, wenn diese Frequenzen mit ausreichend hoher Amplitude in das Anregungssignal A gegeben werden. Diese Möglichkeit ist beispielsweise anhand eines mechanischen Resonators beschrieben. Ein solcher Resonator wie das Bauteil 1 ist mit drei Resonanzfrequenzen bei fa, 3fa und 5fa resonant in Schwingung versetzbar.
Die Resonanzfrequenzen seien fa = 5,00 kHz; 3fa = 15,03 kHz und 5fa = 24,80 kHz. Die Faktoren betragen aufgrund von intrinsischen Einflüssen wie Material- und Fertigungsfehlern und/oder extrinsischen Einflüssen wie einer Temperaturdrift nicht exakt Faktor 3 und 5.
Die Güten Q der Resonanzen betragen: Q1 = 500 für die Grundfrequenz fa, Q3 = 300 für die dritte Oberwelle 3fa und Q5 = 100 für die fünfte Oberwelle 5fa.
Die Halbwertsbreiten der Resonanzen betragen: HWB1 = 10 Hz für die Grundfrequenz fa, HWB3 = 50 Hz für die dritte Oberwelle 3fa und HWB5 = 250 Hz für die fünfte Oberwelle 5fa.
Bei einem Betrieb bei fa = 5,01 kHz betragen 3fa = 15,03 kHz; 5fa = 25,05 kHz; 7fa = 35,07 kHz und 9fa = 45.09 kHz.
Die Ablagen von der Grundfrequenz fa = 5,01 kHz betragen: dfa = 10 Hz, 3dfa = 0 Hz und 5dfa = 250 Hz.
Die für eine optimal dreiecksförmige Bewegungskurve innerhalb des Nutzbereichs NB benötigten Amplituden relativ zur Amplitude der Grundfrequenz fa sind z. B. bei einem Nutzbereich NB einer Breite von 85% der Schwingungsperiode SP und neun genutzter Oberwellen etwa: A1 = 1 ,0; A3 = 0,10; A5 = 0,03; A7 = 0,01 und A9 = 0,04.
Die benötigten Anregungsamplituden (Anregungskraftkurve) relativ zur Grundwelle betragen: K1 = 1 ; K3 = 0,25; K5 = 0,75; K7 = 18 und K9 = 8.
Durch eine 18-fache Überhöhung der Amplitude der Anregungskraftkurve kann die siebte Oberwelle auch ohne mechanische Resonanzüberhöhung mit optimaler Schwingungsamplitude angeregt werden. Bei der neunten Oberwelle reicht eine 8-fache Überhöhung aus.
Anstelle von Torsionsmoden können natürlich auch andere resonante Schwingungsmoden benutzt werden. Insbesondere bei MEMS-Scannern sind übliche Biegeschwingungen sinnvoll.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzscanners 15 in Form eines MEMS-Scanners (MEMS = mikroelektromechanisches System, microelectromechanical System) ist in Fig. 7 gezeigt. Das in dem MEMS-Resonanzscanners 15 enthaltene Bauteil 1 ist durch einen Torsionsstab 2 gebildet, der an zwei Stellen mit Lagerungen 1 1 gelagert ist. Diese befinden sich an Stellen, an denen Schwingungsknoten 12 (durch Pfeile symbolisiert) auftreten, wenn das Bauteil mit der ersten Torsionsresonanzfrequenz fa und mit der zweiten Torsionsresonanzfrequenz 3fa schwingt. Durch den Torsionsstab 2 ist ein Scanspiegel 13 gehalten.
Das Bauteil 1 ist über mehrere Antriebe 9 anregbar. Die Antriebe 9 sind als elektrostatische Kammantriebe ausgebildet und werden durch die Steuereinheit 10 angesteuert. Jeder der Lagerungen 1 1 ist je ein Antrieb 9 zugeordnet. Außerdem ist dem Scanspiegel 13 ein weiterer Antrieb 9 zugeordnet, mittels dem der Scanspiegel 13 mit einer Anregungsfrequenz eines Anregungssignals A angeregt werden kann. Bezugszeichen
1 Bauteil (resonant anregbar)
2 Torsionsstab
2.1 erster Torsionsstab
2.2 zweiter Torsionsstab
3 erste Achse
4 erster Abschnitt
5 Antriebsbereich
6 zweiter Abschnitt
7 T-förmiger Bereich
8 Einspannung
9 Antrieb
10 Steuereinheit
1 1 Lagerung
12 Schwingungsknoten
13 Scanspiegel
14 Beleuchtungsstrahlung
14ref reflektierte Beleuchtungsstrahlung
15 Resonanzscanner
A Anregungssignal
B Band
BG Bildgrenzen
BK Bewegungskurve
BK1 Bewegungskurve
BK2 Bewegungskurve
ΔΒΚ1 Abweichungen (der Bewegungskurve BK1 )
ΔΒΚ2 Abweichungen (der Bewegungskurve BK2)
ΔΒΚ3 Abweichungen (einer Bewegungskurve BK3) fa Grundfrequenz/erste Resonanzfrequenz
3fa zweite Resonanzfrequenz
HS Halbschwingung
NB Nutzbereich
SP Schwingungsperiode
tpix Pixelzeit
UB Umkehrbereich
01 erster Torsionswinkel
02 zweiter Torsionswinkel
X X-Achse
Y Y-Achse
Z Z-Achse

Claims

Patentansprüche
1 . Resonant anregbares Bauteil (1 ), das mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen resonant anregbar ist und das in einem angeregten Zustand bei einer ersten Resonanzfrequenz (fa) mit einer ersten Mode und bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3fa) mit einer zweiten Mode schwingt, wobei die zweite Resonanzfrequenz (3fa) um den Faktor Drei höher als die erste Resonanzfrequenz (fa) ist und das resonant anregbare Bauteil (1 ) an Bereichen gelagert ist, an denen im angeregten Zustand Schwingungsknoten auftreten.
2. Resonant anregbares Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des resonant angeregten Bauteils (1 ) eine Bewegungskurve (BK1 , BK2) durchläuft, die eine zur Zeit im Wesentlichen lineare Winkeländerung und/oder Positionsänderung beschreibt, wobei die Bewegungskurve (BK1 , BK2) einen Nutzbereich (NB) aufweist der an jedem seiner Enden einen Anteil eines Umkehrbereichs (UB) umfasst, und in dem Nutzbereich (NB) die Bewegungskurve (BK1 , BK2) eine zur Zeit lineare Winkeländerung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit aufweist.
3. Resonant anregbares Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Resonanzfrequenz (fa) eine erste Torsionsresonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz (3fa) eine zweite Torsionsresonanzfrequenz ist.
4. Resonant anregbares Bauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzbereich (NB) mindestens 80% der Bewegungskurve (BK1 , BK2) beträgt.
5. Resonant anregbares Bauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein mechanisches Schwingungssystem mit mittels Federn gehaltenen und/oder schwingfähigen Körpern, wobei die erste und die zweite Resonanzfrequenz (fa, 3fa) durch Wirkung der resultierenden Federkonstanten der Federn und/oder Körper bedingt sind.
6. Resonant anregbares Bauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als ein mikroelektromechanisches Bauteil.
7. Resonanzscanner (15) umfassend ein resonant anregbares Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Resonanzscanner (15) nach Anspruch 7, umfassend einen sich entlang einer ersten Achse (3) erstreckenden Torsionsstab (2), einen an dem Torsionsstab (2) ausgebildeten Antriebsbereich (5) und einen an dem Torsionsstab (2) angeordneten Spiegel (13), wobei er Resonanzscanner (15) bei einer ersten Torsionsresonanzfrequenz (fa) mit einer ersten Torsionsmode um die erste Achse (3) schwingt und der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) im Wesentlichen gleichphasig schwingen, der Resonanzscanner (15) bei einer zweiten Torsionsresonanzfrequenz (3fa) mit einer zweiten Torsionsmode um die erste Achse (3) schwingt und der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
9. Resonanzscanner (15) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (2) an seinem dem Spiegel (13) gegenüberliegenden Ende eingespannt ist und/oder der Torsionsstab (2) an mindestens einem Abschnitt (4, 6) gehalten ist, an dem bei Schwingungen mit der ersten und der zweiten Torsionsmode Schwingungsknoten (12) auftreten.
10. Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsbereich (5) und der Spiegel (13) aus gleichen Materialien bestehen.
1 1 . Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige Abweichung < 5% des Faktors ist.
12. Resonanzscanner (15) nach einem der Ansprüche 7 bis 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge eines ersten Abschnitts (4) des Torsionsstabs (2) zwischen einem seiner Enden und einschließlich des Antriebsbereichs (5) sowie eines zweiten Abschnitts (6) des Torsionsstabs (2) zwischen Antriebsbereich (5) und einschließlich des Spiegels (13) ein Verhältnis aus einem Bereich von 2:1 bis einschließlich 3:1 aufweist.
13. Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils (1 ) nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Bauteil (1 ) mittels eines Anregungssignals (A) zur Schwingung mit Eigenmoden und Eigenfrequenzen angeregt wird und zur Schwingungsanregung ein Anregungssignal (A) gewählt wird, bei dem das Bauteil (1 ) bei einer ersten Resonanzfrequenz (fa) mit einer ersten Mode schwingt, das Bauteil (1 ) bei einer zweiten Resonanzfrequenz (3fa) mit einer zweiten Mode schwingt und die zweite Resonanzfrequenz (3fa) um den Faktor 3 höher als die erste Resonanzfrequenz (fa) ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (A)derart gewählt wird, dass Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1 ) bei der ersten Resonanzfrequenz (fa) mit der ersten Mode schwingen, wobei die Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1 ) im Wesentlichen gleichphasig schwingen und das Abschnitte (4, 6) des Bauteils (1 ) bei der zweiten Resonanzfrequenz (3fa) mit der zweiten Mode schwingen und im Wesentlichen gegenphasig schwingen.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Bauteils (1 ) gesteuert wird, indem Messwerte einer aktuellen Bewegungskurve (BK1 , BK2) eines Abschnitts (4, 6) des Bauteils (1 ) als Ist-Werte erfasst werden, Differenzen der erfassten Ist-Werte zu vorgegebenen Soll-Werten einer Soll- Bewegungskurve ermittelt werden, in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen Steuersignale generiert werden, durch deren Ausführung die Amplituden und/oder die Phasen von Frequenzanteilen des Anregungssignals (A) derart verändert werden, dass der Abschnitt (4, 6) des Bauteils (1 ) die Soll-Bewegungskurve durchläuft und mittels der generierten Steuersignale Mittel zur Anregung des Bauteils (1 ) angesteuert werden.
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BUCHER I ET AL: "Design and analysis of multidegrees of freedom micromirror for triangular wave scanning", PROCEEDINGS OF THE,, vol. 5390, no. 1, 1 January 2004 (2004-01-01), pages 410 - 420, XP009109804, DOI: 10.1117/12.538376 *

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