WO2018224365A1 - Mikromechanische lichtumlenkvorrichtung - Google Patents

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WO2018224365A1
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light deflection
light
laser
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Klaus Stoppel
Stefan Spiessberger
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B27/48—Laser speckle optics

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical light deflection device, comprising a micromechanical light deflection device and a light-permeable cover for the micromechanical light deflection device.
  • the invention also relates to a method for deflecting light by means of a micromechanical light deflection device, wherein a light beam is deflected by means of a light deflection device.
  • the present invention is generally applicable to micromechanical light-deflecting devices, the present invention will be described with reference to micromechanical mirrors or synonymous MEMS mirrors.
  • the present invention is generally applicable to translucent covers of any type, the present invention will be described in terms of translucent covers in the form of coverslips. Although the present invention is generally applicable to electromagnetic waves of any wavelength, the present invention will be described in terms of visible light.
  • Micromechanical light deflection devices are used, inter alia, in LIDAR systems. These use, for example, the light beam of a laser, which is deflected or deflected to irradiate a certain area. If this hits an object in the area, for example, a distance of the object to the LIDAR system can be determined on the basis of the backscattered light, or more precisely, the light transit time between LIDAR system and object.
  • micromechanical mirror systems - MEMS mirror systems - can be used for this, correspondingly redirecting or deflecting a light beam.
  • a MEMS mirror device is protected by a transparent cover and hermetically sealed, so that a movably arranged micromechanical mirror is protected from environmental influences.
  • a micromechanical mirror system with MEMS mirrors and a cover has become known. In this case, a piezoelectric actuator is integrated in the cover, which is connected to a transparent layer to deform the same.
  • a lighting device for vehicles with frame frame which comprises an LED, which is covered by a cover glass.
  • an optic is integrated into the cover glass.
  • the invention provides a micromechanical light deflection device, comprising a micromechanical light deflection device and a light-transmitting cover for the micromechanical light deflection device, wherein the light-transmitting cover has at least one passive beam shaping device for a light beam.
  • the invention provides a method for deflecting light by means of a micromechanical light deflection device, wherein a light beam is deflected by means of a light deflection device of the micromechanical light deflection device, and wherein the light beam is shaped by means of a passive beam shaping device arranged in a light-permeable cover of the light deflection device ,
  • the invention provides a light-emitting device comprising a micromechanical light-deflecting device according to one of claims 1-9 and a light-emitting device, in particular in the form of a laser, preferably a point-radiating semiconductor laser or an edge-emitter type semiconductor laser.
  • a cost-effective cover is thus provided, since it can be used both as a cover for the light deflection device and as a beam-shaping element for the light beam of a light source, for example a laser transmission unit.
  • This also reduces the adjustment effort and the number of optical components of the micromechanical deflection device as a whole.
  • the space between the Lichtumlenk issued and a transmitting optics be substantially reduced; For example, so the space for a LIDAR device with transmitting device and Lichtumlenk noise be substantially reduced.
  • the micromechanical light deflection device can also be made more compact, since, for example, a required mirror surface can be reduced: by means of the passive beam shaping device, a focus of a light beam, for example a laser, can be placed on a MEMS mirror.
  • the production of the micromechanical light deflection device is also simpler overall since the cover and the passive beam shaping device can be manufactured in one production process / production step.
  • jet-forming device is to be understood in the broadest sense and refers to elements, devices, devices and the like which change the shape of a beam, for example its cross-section, direction or the like.
  • a beamforming device is to be understood in the broadest sense and refers to elements, devices, devices, and the like that are not variable, adaptable, controllable, or the like, depending on parameters of the beam To understand elements, devices, devices, actuators, and the like, which need for beam shaping energy in the form of electricity or the like.
  • the passive beam shaping device is arranged at an input for the micromechanical light deflection device.
  • One of the advantages achieved thereby is that arranging the passive beam shaping device in the cover at the input for the micromechanical light deflection device, the light can be focused, for example, on a MEMS mirror of the micromechanical light deflection device, whereby the required mirror surface of the MEMS mirror can be reduced.
  • the passive beam shaping device comprises at least one lens, in particular one or more cylindrically shaped lenses.
  • One of the advantages achieved with this is that, for example, in the case of cylindrically shaped lenses, a light beam can be collimated in one direction and focused in another direction.
  • the passive beam shaping device is arranged at an output for the micromechanical light deflection device.
  • the passive beam shaping device is designed in the form of a lens, this can be curved, which prevents tilting of a beam line of a light beam at larger deflection angles / deflection angles by the micromechanical light deflection device.
  • the translucent cover is designed in the form of a planar cover glass. This allows a simple and inexpensive production of the translucent cover of the Lichtumlenk occasions.
  • the micromechanical light deflection device comprises a micromechanical mirror for light deflection, which is at least partially rotatable about at least one axis.
  • a mirror plane of the micromechanical mirror for deflecting light in a rest position and a plane of the cover glass are rotated by an angle to each other. In this way, static interfering reflections of light on the cover, in particular in the form of the cover glass, can be avoided.
  • the angle is between 1 ° and 35 °, preferably between 2 ° and 20 °, in particular between 5 ° and 15 °, preferably between 7.5 ° and 12.5 °.
  • the lens is designed as a cylindrical lens or as a Powell lens.
  • a Powell lens so a specially shaped aspherical cylindrical lens, an inhomogeneous light distribution of a laser beam, such as a light distribution similar to a Gaussian, can be projected homogeneously on an entire line.
  • FIG. 1 shows a micromechanical light deflection device according to a first
  • Embodiment of the present invention 2a, b, a micromechanical Lichtumlenkvortechnische according to a second
  • FIG. 4 shows a micromechanical light deflection device according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5a, b show a micromechanical light deflection device with undeflected mirror (FIG. 5a) and with a deflected mirror (FIG. 5b) of the embodiment according to FIG. 2;
  • FIG. 6a, b show a micromechanical light deflection device with undeflected mirror (FIG. 6a) and deflected mirror (FIG. 6b);
  • FIGS. 7a, 7b show a micromechanical light deflection device with an undeflected mirror (FIG. 7a) and a deflected mirror (FIG. 7b);
  • 8a, 8b show a micromechanical light deflection device according to another
  • FIG. 1 shows a micromechanical light deflection device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows in plan view a micromechanical light deflection device 1 which has a MEMS mirror 2 which is partially rotatable about an axis 5, for example such that a laser beam 9 impinging on the MEMS mirror is offset by +/- 25 ° is distractible.
  • a cover glass 3 is arranged, which has a cylindrical lens 4 at the entrance 7 of the micromechanical light deflection device 1.
  • the cylindrical lens is arranged with its axis perpendicular to the axis of rotation 5 of the mirror.
  • a laser 6 emits a laser beam 9 in the direction of the micromechanical light deflection device 1, thereby impinging on the cylindrical lens 4.
  • the cylindrical lens 4 at the input of the micromechanical light deflection device 1 bundles the laser beam and focuses it onto the MEMS mirror 2.
  • the MEMS mirror 2 then reflects the laser beam 9 accordingly. This occurs at the output 8 of the micromechanical light deflection Device 1 through the coverslip 3 through and then can meet in the course of an object.
  • FIG. 2a, b shows a micromechanical light deflection device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2a and 2b essentially show a micromechanical light deflection device 1 according to FIG.
  • the cylindrical lens 4 is not arranged at the entrance 7 of the micromechanical light deflection device 1, but at its exit 8.
  • the incident laser 6 is in the form of a point radiating beam Semiconductor laser, preferably in the form of a VeCSEL or a VCSEL laser formed, with which a laser beam 9 with a round cross-section starting from the laser 6, in a laser line 9 by means of the cylindrical lens 4 after passing the micromechanical light deflection device 1 can be converted.
  • Fig. 2b the view from below of the cover glass 3 with indicated cylindrical lens 4 is shown.
  • FIG. 3 a, b shows a micromechanical light deflection device according to a third embodiment of the present invention.
  • a micromechanical light deflection device 1 according to Figure 2 is shown substantially.
  • a curved cylindrical lens is now arranged at the output 8 for correcting the beam offset of the laser beam 9.
  • Fig. 3b the view from below is shown on the cover glass 3 with indicated curved cylindrical lens 4.
  • FIG. 4 shows a micromechanical light deflection device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 essentially shows a micromechanical light deflection device 1 according to FIG. In contrast to the micromechanical light deflection
  • device 1 according to FIG. 1 is now provided with a cylindrical lens 4b at the output 8 in addition to the cylindrical lens 4a at the input 7.
  • 5a and 5b show a micromechanical light deflection device with undeflected MEMS mirror (FIG. 5a) and with a deflected mirror (FIG. 5b) of the embodiment according to FIG.
  • a laser 6 of the type VeCSEL or VECSL irradiates an undeflected MEMS mirror 2 of a micromechanical light deflection device 1.
  • the laser beam 9 starting from the laser 6 via the input 7 of the Lichtumlenkvorides 1 in its beam form unchanged on the undeflected MEMS mirror 2, so the MEMS mirror 2 in its rest position, and is deflected by this accordingly.
  • the laser beam 9 exits through the cylindrical lens 4 at the output 8 of the micromechanical light deflection device 1.
  • the laser beam 9 focuses and then expands.
  • FIG. 5b now shows the case with MEMS mirrors 2 deflected by a specific angle. In this case, the laser beam 9 is shaped such that tilting of the laser line 9 is prevented.
  • FIGS. 6a and 6b show a micromechanical light deflection device with undeflected MEMS mirror (FIG. 6a) and deflected MEMS mirror (FIG. 6b) of the embodiment according to FIG.
  • FIGS. 6a, 6b essentially show a micromechanical light deflection device 1 according to FIG. 1.
  • a laser of the type VeCSEL or of the type VECSL is now used as laser 6 in the micromechanical light deflection device 1 according to FIG.
  • the laser beam 9 impinges on the cylindrical lens 4 at the input 7 of the micromechanical light deflection device 1 and is thereby focused on the MEMS mirror 2.
  • the round laser beam 9 emanating from the laser 6 is now formed by means of the cylindrical lens 4 after deflection through the MEMS mirror 2 and after passing through the cover glass 3 at the exit 8 to form a laser line 9.
  • FIGS. 7a, 7b show a micromechanical light deflection device with undeflected MEMS mirror (FIG. 7a) and deflected MEMS mirror (FIG. 7b) according to a further embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7a and 7b essentially show a micromechanical light deflection device 1 according to FIG. 7, a laser 6 of the "edge emitter” type, for example a laser diode, is used in the micromechanical light deflection device 1 according to FIG. 1. It has a line-shaped exit aperture and different divergence angles in the vertical and horizontal directions 7a and 7b, the use of the cylindrical lens 4 at the entrance of the laser beam 9, then passage through the cover 3, deflection by the twisted MEMS mirror 2 and re-passage through the cover 3 at the output 8 finally a 7b, whereby the exit angle of the laser lines 9 can be adjusted by the position in the cover and focal length of the cylindrical lens 4.
  • a laser 6 of the "edge emitter” type for example a laser diode
  • FIGS. 8a, 8b show a micromechanical light deflection device with undeflected MEMS mirror (FIG. 8a) and deflected MEMS mirror (FIG. 8b) according to a further embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 essentially shows a micromechanical light deflection device 1 according to FIG.
  • a laser 6 of the "edge emitter” type for example a laser diode
  • a laser line 9 with rotated MEMS mirror 2 is provided after passage through the micromechanical light deflection device 1.
  • the cylindrical lens 4a at the input 7 is used here as a collimating lens and the cylindrical lens 4b at the output 8 is used for the adjustment of the angle for the line length, whereby the axes of the two cylindrical lenses are arranged perpendicular to one another.
  • FIG. 9 shows a micromechanical light deflection device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 essentially shows a section of a micromechanical light deflection device 1 according to FIG. 1.
  • the mirror plane 2 'of the MEMS mirror 2 is rotated in an undeflected position relative to the plane 3' of the cover glass 3 by the angle 20.
  • the angle 20 can take any value between 2 ° and 20 °.
  • the introduction of a lens at the entrance 4 focuses the laser beam 9 onto the MEMS mirror 2.
  • the mirror surface of the MEMS mirror 2 can be downsized.
  • the laser beam 9 is stationary at this point, thereby also a symmetrical lens can be used, for example, to collimate the laser beam 9 in one direction and to focus in another direction.
  • a lens is arranged at the outlet 8. This can be performed curved, with a tilting of a laser line can be prevented at larger deflection angles. If a lens is used both at the inlet and at the outlet of the light deflection device 1, that is to say for example according to FIG. 4, the laser beam 9 can be shaped in an extremely flexible manner by means of the passive beam shaping element. If the cover, for example the cover glass, is slightly tilted relative to the rest position of the MEMS mirror, for example between 2 ° and 20 °, static interference reflexes on the cover glass 3, which can not be avoided by an antireflection coating, can be avoided, or at least reduced.
  • aspherically shaped cylindrical lenses can also be used, for example Powell lenses which project the inhomogeneous light distribution of a laser beam homogeneously over the entire line.
  • Powell lenses which project the inhomogeneous light distribution of a laser beam homogeneously over the entire line.
  • a cover in particular a cover glass optical sub-components of a transmitter unit, for example.
  • a laser transmitting unit Due to the double use of the cover glass, on the one hand as Cover, on the other hand, as a passive beam-shaping element, a cost advantage can be achieved with respect to the laser transmitting optics, since the adjustment effort and the number of optical components is reduced.
  • a laser transmitting unit which emits a line-shaped signal.
  • a one-dimensional MEMS mirror can be used which can deflect / deflect the laser beam about an axis, for example by +/- 25 °.
  • a laser line can be generated from a round laser beam by means of a cylindrical lens. If a semiconductor laser of the "edge emitter” type is used, its line-shaped exit aperture and its different divergence angle in vertical and horizontal directions can be formed into one line by using one or two cylindrical lenses The exit angle of the laser line is determined, for example, by the position and the focal length of the corresponding Cylinder lens set.
  • a further advantage is that the installation space between the transmission optics, that is, in particular between a laser and the MEMS mirror, can be substantially reduced. Similarly, the MEMS mirror surface can be reduced if the laser focus is preferably placed on the MEMS mirror. Another advantage is that a lens on the cover glass can also be used as a collimating lens.
  • a simple production of the micromechanical light deflection device is possible because the passive beam-shaping element can be produced together with the cover in a manufacturing process. The passive beam-shaping element can in this case be arranged at the input, at the output or both at the input and at the output of the micromechanical light deflection device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung, umfassend eine mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung und eine lichtdurchlässige Abdeckung für die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung, wobei die lichtdurchlässige Abdeckung zumindest eine passive Strahlformeinrichtung für einen Lichtstrahl aufweist.

Description

Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung, umfassend eine mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung und eine lichtdurchlässige Abdeckung für die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Umlenkung von Licht mittels einer mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung, wobei mittels einer Lichtumlenkein- richtung ein Lichtstrahl umgelenkt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf mikromechanische Lichtumlenkvorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf mikromechanische Spiegel oder synonym MEMS-Spiegel beschrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf lichtdurchlässige Abdeckungen beliebiger Art anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf lichtdurchlässige Abdeckungen in Form von Deckgläsern beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf elektromagnetische Wellen beliebiger Wellenlänge anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf sichtbares Licht beschrieben.
Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtungen werden unter anderem in LIDAR- Systemen genutzt. Diese nutzen beispielsweise den Lichtstrahl eines Lasers, der um- oder abgelenkt wird, um einen bestimmten Bereich zu bestrahlen. Trifft dieser auf ein Objekt in dem Bereich, kann beispielsweise ein Abstand des Objektes zu dem LIDAR-System anhand des zurückgestreuten Lichts, genauer der Lichtlaufzeit zwischen LIDAR-System und Objekt ermittelt werden. Hierzu können beispielsweise mikromechanische Spiegelsysteme - MEMS-Spiegelsysteme - eingesetzt werden, einen Lichtstrahl entsprechend um- oder ablenken. Üblicherweise wird eine derartige MEMS-Spiegelvorrichtung durch eine lichtdurchlässige Abdeckung geschützt und hermetisch verschlossen, damit ein darin beweglich angeordneter mikromechanischer Spiegel vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Aus der US 2015/0370085 A1 ist ein mikromechanisches Spiegelsystem mit MEMS- Spiegeln und einer Abdeckung bekannt geworden. Dabei ist in die Abdeckung ein Piezo-Aktor integriert, der mit einer transparanten Schicht zur Verformung derselben verbunden ist.
Aus der DE 103 479 62 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit Gestellrahmen gezeigt, die eine LED umfasst, welche von einem Deckglas abgedeckt ist. Hierbei ist in das Deckglas eine Optik integriert. In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung bereit, umfassend eine mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung und eine lichtdurchlässige Abdeckung für die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung, wobei die lichtdurchlässige Abdeckung zumindest eine passive Strahlformeinrichtung für einen Lichtstrahl aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Umlenkung von Licht mittels einer mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung bereit, wobei mittels einer Lichtumlenkeinrichtung der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung ein Lichtstrahl umgelenkt wird, und wobei mittels einer in einer lichtdurch- lässigen Abdeckung der Lichtumlenkeinrichtung angeordneten passive Strahlformeinrichtung der Lichtstrahl geformt wird.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Lichtsendevorrichtung, umfassend eine mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-9 und eine Lichtsendeinrichtung, insbesondere in Form eines Lasers, vorzugsweise ein punktstrahlender Halbleiterlaser oder ein Halbleiterlaser vom Typ „Kantenemitter", bereit.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine kostengünstige Abdeckung zur Verfügung gestellt wird, da diese sowohl als Abdeckung für die Lichtumlenkeinrichtung als auch als strahlformendes Element für den Lichtstrahl einer Lichtquelle, beispielsweise einer Lasersendeeinheit genutzt werden kann. Damit reduzieren sich auch der Justage-Aufwand und die Anzahl der optischen Komponenten der mikromechanischen Umlenkvorrichtung insgesamt. Weiterhin kann auch der Bauraum zwischen der Lichtumlenkeinrichtung und einer Sendeoptik wesentlich reduziert werden; beispielsweise kann so der Bauraum für eine LIDAR- Einrichtung mit Sendeeinrichtung und Lichtumlenkeinrichtung wesentlich reduziert werden. Darüber hinaus kann auch die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung kompakter ausgeführt werden, da beispielsweise eine benötigte Spiegelfläche reduziert werden kann: mittels der passiven Strahlformeinrichtung kann ein Fokus eines Lichtstrahls, beispielsweise eines Lasers auf einen MEMS-Spiegel gelegt werden. Weiter ist auch die Herstellung der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung insgesamt einfacher, da Abdeckung und passive Strahlformeinrichtung in einem Fertigungsprozess/Fertigungsschritt hergestellt werden können.
Mit anderen Worten wird durch eine Integration der passiven Strahlformeinrichtung in die Abdeckung eine kostengünstige, einfach herstellbare und kompakte mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung zur Verfügung gestellt. Der Begriff„Strahlformeinrichtung" ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich Elemente, Einrichtungen, Vorrichtungen und dergleichen, die die Form eines Strahls, bspw. seinen Querschnitt, seine Richtung oder dergleichen verändern.
Der Begriff„passiv" mit Bezug auf eine Strahlformeinrichtung ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich auf Elemente, Einrichtungen, Vorrichtungen und dergleichen, die nicht in Abhängigkeit von Parametern des Strahls veränderbar, anpassbar, regelbar oder dergleichen sind. Insbesondere sind dabei keine aktiven Elemente, Einrichtungen, Vorrichtungen, Aktoren und dergleichen zu verstehen, die zur Strahlformung Energie in Form von Strom oder dergleichen benötigen.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die passive Strahlformeinrichtung an einem Eingang für die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass Anordnen der passiven Strahlformeinrichtung in der Abdeckung am Eingang für die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung das Licht beispielsweise auf einen MEMS-Spiegel der mikromechanischen Lichtumlenkeinrichtung fokussiert werden kann, wodurch die benötigte Spiegelfläche des MEMS-Spiegels verkleinert werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die passive Strahlformeinrichtung zumindest eine Linse, insbesondere eine oder mehrere zylindrisch ausgebildete Linsen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass beispielsweise im Falle von zylindrisch ausgebildeten Linsen ein Lichtstrahl in eine Richtung kollimiert und in einer anderen Richtung fokussiert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die passive Strahlformeinrichtung an einem Ausgang für die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass beispielsweise, wenn die passive Strahlformeinrichtung in Form einer Linse ausgebildet ist, diese gekrümmt ausgeführt werden kann, was ein Kippen einer Strahllinie eines Lichtstrahls bei größeren Ablenkungswinkeln/Umlenkwinkeln durch die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung verhindert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die lichtdurchlässige Abdeckung in Form eines planaren Deckglases ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung der lichtdurchlässigen Abdeckung der Lichtumlenkeinrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung einen mikromechanischen Spiegel zur Lichtumlenkung, der um zumindest eine Achse zumindest teilweise drehbar ist. Damit kann eine einfache und gleichzeitig kostengünstige mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind eine Spiegelebene des mikromechanischen Spiegels zur Umlenkung von Licht in einer Ruheposition und eine Ebene des Deckglases um einen Winkel gegeneinander verdreht. Auf diese Weise lassen sich statische Störreflexe von Licht an der Abdeckung, insbesondere in Form des Deckglases, vermeiden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt der Winkel zwischen 1° und 35°, vorzugsweise zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 7,5° und 12,5°. Vorteil hierbei ist, dass damit auf flexible Weise Störreflexe durch die Abdeckung durch Kippen derselben gegenüber einer Ruheposition eines MEMS-Spiegels vermieden, zumindest jedoch reduziert werden.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Linse als Zylinderlinse oder als Powell-Linse ausgebildet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass beispielsweise bei Verwendung einer Powell-Linse, also eine speziell geformte asphärische Zylinderlinse, eine inhomogene Lichtverteilung eines Laserstrahls, beispielsweise eine Lichtverteilung ähnlich einem Gaußprofil, homogen auf eine gesamte Linie projiziert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen. Dabei zeigen in schematischer Form
Figur 1 eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 2a, b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3a, b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 4 eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5a, b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem Spiegel (Figur 5a) und mit ausgelenktem Spiegel (Figur 5b) der Ausführungsform gemäß Figur 2;
Figur 6a, b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem Spiegel (Figur 6a) und ausgelenktem Spiegel (Figur 6b);
Figur 7a, 7b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem Spiegel (Figur 7a) und ausgelenktem Spiegel (Figur 7b);
Figur 8a, 8b eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nicht ausgelenktem Spiegel (Figur 8a) und ausgelenktem im Spiegel (Figur 8b); und
Fig. 9 eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 ist in der Draufsicht eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gezeigt, die einen MEMS-Spiegel 2 aufweist, der um eine Achse 5 teilweise drehbar ist, bspw. derart, dass ein auf den MEMS-Spiegel auftreffender Laserstrahl 9 um +/- 25° ablenkbar ist. Zur Abdeckung des MEMS-Spiegels 2 ist ein Deckglas 3 angeordnet, welches am Eingang 7 der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 eine Zylinderlinse 4 aufweist. Die Zylinderlinse ist dabei mit ihrer Achse senkrecht zur Drehachse 5 des Spiegels angeordnet. Ein Laser 6 sendet einen Laserstrahl 9 in Richtung der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 aus, und trifft dabei auf die Zylinderlinse 4. Durch die Zylinderlinse 4 am Eingang der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 wird der Laserstrahl gebündelt und auf den MEMS-Spiegel 2 fokussiert. Der MEMS-Spiegel 2 reflektiert dann den Laserstrahl 9 entsprechend. Dieser tritt am Ausgang 8 der mikromechanischen Lichtumlenk- Vorrichtung 1 durch das Deckglas 3 hindurch und kann dann im weiteren Verlauf auf ein Objekt treffen.
Figur 2a, b zeigt eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren 2a und 2b ist im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist bei der mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 2a und 2b die Zylinderlinse 4 nicht am Eingang 7 der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 angeordnet, sondern an deren Ausgang 8. Des Weiteren ist der einstrahlende Laser 6 in Form eines punktstrahlenden Halbleiterlasers, vorzugsweise in Form eines VeCSEL- oder ein VCSEL-Lasers, ausgebildet, mit dem ein Laserstrahl 9 mit rundem Querschnitt ausgehend von dem Laser 6, in eine Laserlinie 9 mittels der Zylinderlinse 4 nach Passieren der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 umgewandelt werden kann. In Fig. 2b ist die Ansicht von unten auf das Deckglas 3 mit angedeuteter Zylinderlinse 4 gezeigt. Figur 3 a,b zeigt eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figur 3a, b ist im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 2 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 2 ist bei der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 3a und 3b nun eine gekrümmte Zylinderlinse am Ausgang 8 für eine Korrektur des Strahlversatzes des Laserstrahls 9 angeordnet. In Fig. 3b ist die Ansicht von unten auf das Deckglas 3 mit angedeuteter gekrümmter Zylinderlinse 4 gezeigt.
Figur 4 zeigt eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 4 ist im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenk- Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist bei der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 4 nun zusätzlich zur Zylinderlinse 4a am Eingang 7 eine Zylinderlinse 4b am Ausgang 8 angeordnet. Figur 5a und 5b zeigen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 5a) und mit ausgelenktem Spiegel (Figur 5b) der Ausführungsform gemäß Figur 2.
In Figur 5a strahlt ein Laser 6 vom Typ VeCSEL oder VECSL auf einen nicht ausgelenkten MEMS-Spiegel 2 einer mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 ein. Hierbei tritt der Laserstrahl 9 ausgehend vom Laser 6 über den Eingang 7 der Lichtumlenkvorrichtung 1 in seiner Strahlform unverändert auf den nicht ausgelenkten MEMS-Spiegel 2, also den MEMS-Spiegel 2 in seiner Ruheposition, auf und wird von diesem entsprechend abgelenkt. Nach der Ablenkung durch den MEMS-Spiegel 2 tritt der Laserstrahl 9 durch die Zylinderlinse 4 am Ausgang 8 der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 aus. Im Strahlverlauf nach Passieren der Zylinderlinse 4 fokussiert der Laserstrahl 9 und weitet sich dann auf. In Figur 5b ist nun der Fall bei um einen bestimmten Winkel ausgelenkten MEMS-Spiegel 2 gezeigt. Hierbei wird der Laserstrahl 9 derart geformt, dass ein Kippen der Laserlinie 9 verhindert wird.
Figur 6a und 6b zeigen eine mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 6a) und ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 6b) der Ausführungsform gemäß Figur 1.
Die Figuren 6a, 6b zeigen im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 wird bei der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 6 nun als Laser 6 ein Laser z.B. des Typs VeCSEL oder des Typs VECSL verwendet. Ausgehend vom Laser 6 trifft der Laserstrahl 9 auf die Zylinderlinse 4 am Eingang 7 der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 und wird dabei auf den MEMS-Spiegel 2 fokussiert. Der vom Laser 6 ausgehende, runde Laserstrahl 9 wird mittels der Zylinderlinse 4 nun nach Umlenkung durch den MEMS-Spiegel 2 und nach Durchtritt durch das Deckglas 3 am Ausgang 8 zu einer Laserlinie 9 geformt. Die Figuren 7a, 7b zeigen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 7a) und ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 7b) gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 7a und 7b ist im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist bei der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 7 wird nun ein Laser 6 vom Typ„Kantenemitter", beispielsweise eine Laserdiode verwendet. Dieser hat eine linienförmige Austrittsapertur und in vertikaler und horizontaler Richtung unterschiedliche Divergenzwinkel. Wie in den Figuren 7a bzw. 7b zu sehen ist, wird durch die Verwendung der Zylinderlinse 4 beim Eintritt des Laserstrahls 9, anschließendem Durchgang durch die Abdeckung 3, Umlenkung durch den verdrehten MEMS-Spiegel 2 und erneutem Durchtritt durch die Abdeckung 3 am Ausgang 8 letztendlich eine Laserlinie 9 wie in Figur 7b gezeigt, bereitgestellt. Hierbei kann der Austrittswinkel der Laserlinien 9 durch die Position in der Abdeckung und Brennweite der Zylinderlinse 4 eingestellt werden.
Die Figuren 8a, 8b zeigen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung mit nicht ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 8a) und ausgelenktem MEMS-Spiegel (Figur 8b) gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 8 ist im Wesentlichen eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Figur 4 gezeigt. Hierbei wird nun ein Laser 6 vom Typ„Kantenemitter", beispielsweise eine Laserdiode, verwendet. Wie bereits bei den Figuren 7a und 7b ausgeführt, wird hierdurch eine Laserlinie 9 bei verdrehtem MEMS-Spiegel 2 nach Durchgang durch die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung 1 zur Verfügung gestellt. Die Zylinderlinse 4a am Eingang 7 wird hierbei als Kollimationslinse benutzt und die Zylinderlinse 4b am Ausgang 8 wird für die Anpassung des Winkels für die Linienlänge verwendet. Dabei sind die Achsen der beiden Zylinderlinsen senkrecht zueinander angeordnet.
Fig. 9 zeigt eine mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 ist im Wesentlichen ein Ausschnitt einer mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist bei der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung 1 gemäß Fig. 9 die Spiegelebene 2' des MEMS-Spiegels 2 in einer nicht ausgelenkten Position gegenüber der Ebene 3' des Deckglases 3 um den Winkel 20 gegeneinander verdreht. Der Winkel 20 kann jeglichen Wert zwischen 2° und 20° annehmen.
In den Figuren 1 , 6, 7 und 8 wird durch das Einbringen einer Linse am Eintritt 4 der Laserstrahl 9 auf den MEMS-Spiegel 2 fokussiert. Dadurch kann die Spiegelfläche des MEMS-Spiegels 2 verkleinert werden. Zudem ist der Laserstrahl 9 an dieser Stelle ortsfest, wobei dadurch auch eine symmetrische Linse verwendet werden kann, beispielsweise um den Laserstrahl 9 in einer Richtung zu kollimieren und in einer anderen Richtung zu fokussieren.
In den Figuren 2, 3 und 5 ist eine Linse am Austritt 8 angeordnet. Diese kann gekrümmt ausgeführt werden, wobei ein Kippen einer Laserlinie bei größeren Ablenkungswinkeln verhindert werden kann. Wird sowohl am Eintritt als auch am Austritt der Lichtumlenkvorrichtung 1 , also beispielsweise gemäß Figur 4, eine Linse verwendet, kann der Laserstrahl 9 in äußerst flexibler Weise mittels des passiven Strahlformenelements geformt werden. Wird die Abdeckung, beispielsweise das Deckglas, gegenüber der Ruheposition des MEMS-Spiegels leicht verkippt, beispielsweise zwischen 2° und 20°, können statische Störreflexe am Deckglas 3, welche nicht durch eine Antireflexbeschichtung vermieden werden können, vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Zur Verbesserung der Linienhomogenität der Laserlinie können auch asphärisch geformte Zylinderlinsen verwendet werden, beispielsweise Powell-Linsen, die die inhomogene Lichtverteilung eines Laserstrahls homogen auf der gesamten Linie projizieren Zusammenfassend weist zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
Es können in eine Abdeckung, insbesondere ein Deckglas optische Teilkomponenten einer Sendereinheit, bspw. einer Lasersendeeinheit integriert bzw. implementiert werden. Durch die doppelte Nutzung des Deckglases, einerseits als Abdeckung, andererseits als passives strahlformendes Element kann ein Kostenvorteil bezüglich der Lasersendeoptik erreicht werden, da der Justage Aufwand und die Anzahl der optischen Komponenten reduziert wird. Dies gilt insbesondere für eine Lasersendeeinheit, welche ein linienförmiges Signal abstrahlt. Hierfür kann insbesondere ein eindimensionaler MEMS-Spiegel verwendet werden, der um eine Achse den Laserstrahl ablenken/umlenken kann, beispielsweise um +/- 25°.
Wird ein punktstrahlender Halbleiterlaser, vorzugsweise ein VeCSEL oder ein VCSEL verwendet, kann aus einem runden Laserstrahl mittels einer Zylinderlinse eine Laserlinie erzeugt werden. Wird ein Halbleiterlaser der Bauart„Kantenemitter" verwendet, kann dessen linienförmige Austrittsapertur und dessen in vertikaler und horizontaler Richtung unterschiedlicher Divergenzwinkel durch Verwendung von einer oder zwei Zylinderlinsen in eine Linie geformt werden. Der Austrittswinkel der Laserlinie wird beispielsweise durch die Position und die Brennweite der entsprechenden Zylinderlinse eingestellt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bauraum zwischen der Sendeoptik, also insbesondere zwischen einem Laser und dem MEMS-Spiegel, wesentlich reduziert werden kann. Ebenso kann die MEMS-Spiegelfläche reduziert werden, wenn der Laserfokus vorzugsweise auf den MEMS-Spiegel gelegt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Linse auf dem Deckglas auch als Kollimationslinse genutzt werden kann. Darüber hinaus ist eine einfache Herstellung der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung möglich, da das passive strahlformende Element zusammen mit der Abdeckung in einem Fertigungsprozess herstellbar ist. Das passive strahlformende Element kann hierbei am Eingang, am Ausgang oder sowohl am Eingang als am Ausgang der mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung angeordnet werden. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung (1), umfassend
eine mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung (2) und eine lichtdurchlässige Abdeckung (3) für die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung(2), wobei die lichtdurchlässige Abdeckung (3) zumindest eine passive Strahlformeinrichtung (4, 4a, 4b) für einen Lichtstrahl (9) aufweist.
2. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei die passive Strahlformeinrichtung (4, 4a, 4b) an einem Eingang (7) für die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung (1) angeordnet ist.
3. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 -2, wobei die passive Strahlformeinrichtung (4, 4a, 4b) zumindest eine Linse (4), insbesondere eine oder mehrere zylindrisch ausgebildete Linsen (4a, 4b) umfasst.
4. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 -3, wobei die passive Strahlformeinrichtung (4, 4a, 4b) an einem Ausgang (8) für die mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung (1) angeordnet ist.
5. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 -4, wobei die lichtdurchlässige Abdeckung (3) in Form eines planaren Deckglases ausgebildet ist.
6. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei die mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung (2) einen mikromechanischen Spiegel (2) zur Lichtumlenkung umfasst, der um eine Achse (5) zumindest teilweise drehbar ist.
7. Mikromechanische Lichtumlenkvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei eine Spiegelebene (2') des mikromechanischen Spiegels (2) zur Umlenkung von Licht in einer Ruheposition und eine Ebene (3') des Deckglases (3) um einen Winkel (20) gegeneinander verdreht sind.
8. Mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Winkel (20) zwischen 1 ° und 35°, vorzugsweise zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 7,5° und 12,5° beträgt.
9. Mikromechanische Lichtumlenkeinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Linse (4) als Zylinderlinse (4) oder als Powell-Linse (4) ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Umlenkung von Licht mittels einer mikromechanischen Lichtumlenkvorrichtung (1), wobei mittels einer Lichtumlenkeinrichtung (2) ein Lichtstrahl (9) umgelenkt wird, und wobei mittels einer lichtdurchlässigen Abdeckung (3) der Lichtumlenkeinrichtung (2), die eine passive Strahlformeinrichtung (4) aufweist, der Lichtstrahl (9) geformt wird.
11. Lichtsendevorrichtung, umfassend eine mikromechanische Lichtumlenkvor- richtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1-9 und eine Lichtsendeinrichtung (6), insbesondere in Form eines Lasers, vorzugsweise ein punktstrahlender Halbleiterlaser oder ein Halbleiterlaser vom Typ„Kantenemitter".
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