DE102010039762A1

DE102010039762A1 - Anordnung zum Beeinflussen der Leistungsaufnahme eines optischen Scanners

Info

Publication number: DE102010039762A1
Application number: DE201010039762
Authority: DE
Inventors: Dr. Thesen Alexander
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2012025275A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Beeinflussen der Leistungsaufnahme eines optischen Scanners, bei dem ein ebener Spiegel (1) mit um eine Drehlachse (4) schwingt und. dabei ein einfallendes Strahlenbündel ablenkt. Ein Magnetfeld (6), das sich in der Ebene des Spiegels (1) ausbreitet, wirkt dabei auf eine von einem Strom I1 durchflossene Spule (5), so dass sich mit der Stärke des Stromes I1 ändernde, den Spiegel (1) antreibende und dabei die Leistungsaufnahme des Scanners bestimmende Lorentzkräfte erzeugt werden. Der Scanner ist bevorzugt als MEMS-Scanner ausgeführt. Erfindungsgemäß ist neben der von einem Strom I1 durchflossenen Spule (5) mindestens eine zweite, von einem Strom I2 durchflossene Spule (7) vorgesehen, und es ist eine Ansteuerschaltung vorhanden, die zur Beaufschlagung der zweiten Spule (7) mit einem Strom I2 ausgebildet ist, wobei mit der Vorgabe von Richtung und/oder Stärke des Stromes I2 die Beeinflussung der Lorentzkräfte und damit die Beeinflussung der Leistungsaufnahme des Scanners erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnung zum Beeinflussen der Leistungsaufnahme eines optischen Scanners, bei dem ein ebener Spiegel mit einer vorgegebenen Frequenz um eine Drehlagerung schwingt und einen einfallenden Strahl ablenkt. Dabei wirkt ein Magnetfeld, das sich in der Ebene des Spiegels ausbreitet, so auf eine von einem sich ändernden Strom I₁ durchflossene Spule ein, dass sich mit der Stärke des Stromes I₁ ändernde, den Spiegel antreibende und dabei die Leistungsaufnahme des Scanners bestimmende Lorentzkräfte erzeugt werden.
Optische Scanner, im Wesentlichen aus einem schwingenden, einen Lichtstrahl ablenkenden Spiegel und relativ dazu ruhenden Komponenten bestehend, in denen der Spiegel drehbar gelagert ist, sind an sich bekannt.
Darunter auch als Optical MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)-Scanner oder MOEMS (Micro-Opto-Mechanical-Systems)-Scanner bezeichnete Strahlablenksysteme, bei denen ein Mikrospiegel über dünne Stege, die meist aus Silizium bestehen, mit einem relativ zum Spiegel ruhenden Rahmen verbunden ist. Die Stege bilden die Drehlagerung; in den Stegen liegt die Drehachse des Spiegels.
Es ist weiterhin bekannt, den Spiegel elektro-magnetisch anzutreiben. Meist ist zu diesem Zweck eine elektrisch leitende Spule oder Schleife, in der Fachsprache als „coil” bezeichnet, auf dem Spiegel ausgebildet, durch die ein Strom fließen kann. Ein in der Ebene der Drehachse des Spiegels verlaufendes magnetisches Feld und der durch die Spule fließende Strom erzeugen Lorentzkräfte, die den Spiegel auslenken. Die Stärke des Stromes bestimmt dabei das Maß der Auslenkung und damit den Ablenkwinkel für das Strahlenbündel. Die Stege haben zugleich die Funktion von Federn. Sie erzeugen bei Auslenkung des Spiegels eine Rückstellkraft, die den Spiegel in seine Ausgangslage zurück stellt, wenn die Lorentzkräfte nicht mehr wirken.
Ein wesentlicher Parameter eines solchen Scanners ist die Resonanzfrequenz f = 1 / 2π√J/D wobei J das Trägheitsmoment des Spiegels ist und D die von den Stegen ausgeübte Rückstellkraft. MEMS-Scanner werden häufig in einem resonanten Modus betrieben, wobei die Spule von einem sich ändernden Strom durchflossen wird, in der Regel mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Systems entspricht.
Problematisch beim Betreiben derartiger Scanner ist, dass mit jedem Einschalten des durch die Spule fließenden Stromes der Spiegel und die Stege aufgrund der eintretenden Verlustleistung erwärmt werden. Mit zunehmender Miniaturisierung der Komponenten und der damit einhergehenden Erhöhung des Eigenwiderstandes R der Spule erhöht sich die Verlustleistung P entsprechend der Funktion P = R·I². Sie wächst also quadratisch mit dem Strom I, der die Spule durchfließt.
Nachteilig dabei ist, dass jeder Ein- bzw. Ausschaltvorgang sowie jede Änderung der Stromstärke eine Änderung der Temperatur des Scanners zur Folge hat. Da sich mit zunehmender und abklingender Erwärmung auch die Federkonstante D ändert, folgt daraus eine unmittelbare Verschiebung der Resonanzfrequenz. Dies kann mehrere unerwünschte Folgen haben:
Entspricht die Resonanzfrequenz nicht mehr der Frequenz des antreibenden Stroms, so wird der Scanner nicht mehr ”in Resonanz” betrieben und die Auslenkungsamplitude verringert sich drastisch. Dies führt z. B. zu Verzeichnungen, wenn der Scanner für eine 2D-Bildgebung genutzt wird.
Eine Änderung der Resonanzfrequenz macht es ferner unmöglich, die Funktion von Komponenten, wie Detektoren oder Lichtquellen, mit der Auslenkung des Spiegels zu synchronisiert. Dies trifft wiederum insbesondere bei der 2D-Strahlablenkung zu.
Weiterhin kann es mit wechselnder Temperatur zu Verformungen des in der Regel sehr dünnen Spiegels kommen, was ebenfalls die optische Qualität des Systems beeinträchtigt und unerwünschte Wellenfrontfehler im Strahlengang erzeugt, wenn der Scanner als Teil eines optischen Systems verwendet wird. Auch dieses Problem verstärkt sich zunehmend mit der Miniaturisierung.
Um diese Nachteile zu umgehen, sind im Stand der Technik folgende Verfahrensweisen bekannt:
Es wird die Frequenz des antreibenden Stromes in Abhängigkeit von der sich ändernden Resonanzfrequenz des Scanners nachgeregelt. Diese Umgehung erfordert zusätzlichen Mess- und Regelaufwand, löst aber nicht das Problem bezüglich der Synchronisierung der Funktion von Komponenten und verhindert nicht die Verformung des Spiegels.
Bei einer anderen Verfahrensweise ist ein zusätzliches Heizelement vorgesehen, das beim Abschalten des Scanners bzw. bei so genannter ”non-scanning”-Betriebsweise nachheizt und die Temperatur der einflussreichsten Komponenten auf konstantem Niveau hält. Das erfordert ebenfalls zusätzlichen Mess- und Regelaufwand und erhöht außerdem die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems unnötig. Eine derartige Verfahrensweise ist in EP 0 428 100 A2 beschrieben.
In diesem Zusammenhang ist auch das Heizen des Systems mittels der bestehenden Spule bekannt, die zu diesem Zweck mit Wechselstrom einer Frequenz fernab der Resonanzfrequenz des Systems beaufschlagt wird. Die dadurch entstehende hohe Dämpfung des Systems soll eine unzulässige Änderung der Auslenkung des Spiegels vermeiden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Betreiben eines Scanners der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die zur Umgehung der genannten Nachteile des Standes der Technik geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist neben der von einem Strom I₁ durchflossenen Spule mindestens eine zweite, von einem Strom I₂ durchflossene Spule vorgesehen, und es ist eine Ansteuerschaltung vorhanden, die zur Beaufschlagung der zweiten Spule mit einem Strom I₂ ausgebildet ist, wobei mit der Vorgabe von Richtung und/oder Stärke des Stromes I₂ die Beeinflussung der Lorentzkräfte und damit die Beeinflussung der Leistungsaufnahme des Scanners erfolgt.
Dabei erfolgt bei gleichsinniger Richtung der Ströme I₁ und I₂ eine Addition der durch beide Spulen generierten Lorentzkräfte und bei gegensinniger Richtung der Ströme I₁ und I₂ eine Subtraktion der durch beide Spulen generierten Lorentzkräfte. Mit der Vorgabe der Stärke des Stromes I₂ wird die Größe der Lorentzkräfte bestimmt, die mit der zweiten Spule generiert werden.
Des Weiteren liegt es im Rahmen der Erfindung, die mit Vorzeichen „plus” oder „minus” behaftete Summe aus beiden Strömen I₁ und I₂ zeitlich so vorzugeben, dass die Leistungsaufnahme des Scanners entweder zu jedem Zeitpunkt oder über einen vorgegebenen Zeitraum konstant ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorzeichenbehaftete Summe der Ströme I₁ und I₂ eine Leistungsaufnahme P des Scanners nach der Funktion P = R₁I₁ ² + R₂I₂ ² bewirkt, mit dem Eigenwiderstand R₁ der ersten Spule, dem durch die erste Spule fließenden Strom I₁, dem Eigenwiderstand R₂ der zweiten Spule und dem durch die zweite Spule fließenden Strom I₂.
Vom Erfindungsgedanken eingeschlossen sind weiterhin Ausgestaltungen, bei denen entweder

– beide Spulen auf dem Spiegel angeordnet sind und außerhalb des Spiegels ein das Magnetfeld erzeugender Permanentmagnet vorgesehen ist, oder
– beide Spulen außerhalb des Spiegels angeordnet sind und auf dem Spiegel ein das Magnetfeld erzeugender Permanentmagnet vorgesehen ist.

Die letztgenannte Ausführung hat zusätzlich den Vorteil, dass ein Einfluss durch Verlustwärme nicht unmittelbar auf dem Spiegel entsteht.
In weiterführenden Ausgestaltungen der Erfindung kann

– der Spiegel um zwei orthogonale Drehachsen auslenkbar und der Scanner somit als 2D-Scanner verwendbar sein,
– mindestens eine der Spulen kann mit mehr als einer Windung ausgeführt sein, und
– die Auslenkung des Spiegels kann, bezogen auf die Resonanzfrequenz des Scanners, wahlweise im resonanten oder im nicht-resonanten Modus vorgesehen sein.

Der Scanner ist besonders bevorzugt als MEMS-Scanner ausgeführt, bei dem ein Mikrospiegel um eine in Form von Stegen ausgebildete Drehlagerung schwingend angeordnet ist. Die Stege verbinden den Mikrospiegel mit einem relativ dazu ruhenden Rahmen und erzeugen bei Auslenkung des Mikrospiegels aus seiner Ausgangslage eine Rückstellkraft, die ihn in die Ausgangslage zurückstellt, wenn der Strom I₁ nicht mehr fließt und somit die Lorentzkräfte aufhören zu wirken.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass eine temperaturbedingte Verschiebung der Resonanzfrequenz verhindert wird.
Auch können mit der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu der Verfahrensweise nach EP 0 428 100 A2 , nicht nur komfortabel Temperaturunterschiede zwischen dem ein- und ausgeschalteten Zustand kompensiert werden, sondern auch Temperaturunterschiede, die aufgrund verschieden starker Auslenkungsamplituden durch unterschiedliche Beaufschlagung mit Strom verursacht werden, so dass auch diesbezüglich eine Änderung der Leistungsaufnahme kompensiert und damit die Auslenkung in der Resonanzfrequenz stabilisiert wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Gegensatz zum Stand der Technik auf zusätzliche Heizelemente verzichtet wird, die zwangsläufig an einer anderen Stelle als der Spule des Scanners Wärme zuführen, so eine andere Temperaturverteilung erzeugen und damit nur ungenügend die Resonanzfrequenz stabilisieren können. Auch der für derartige Lösungen zusätzliche Bauraum ist bei der Erfindung nicht erforderlich.
Während bei der in EP 0 428 100 A2 beschriebenen Leistungszufuhr im ausgeschalteten Zustand durch eine Bestromung abseits der Resonanzfrequenz immer irgendeine Kraftwirkung im Magnetfeld erzeugt wird, die den Scanner unerwünscht bewegt, tritt dieser Effekt bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht auf.
Auch die Möglichkeit der Kompensation der unterschiedlichen Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen Betriebsmodi, zum Beispiel bei resonantem oder nicht resonantem Scannen, ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
In diesem Zusammenhang ist es denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, eine Einrichtung zur laufenden Messung der während des Scannens eintretenden Verlustleistung vorzusehen und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Messung die Richtung und/oder Stärke des Stromes I₂ für die zweite Spule so vorzugeben, dass die Verlustleistung konstant gehalten wird.
Zu diesem Zweck können die Ansteuerschaltung zur Beaufschlagung der zweiten Spule mit einem Strom I₂ und die Messeinrichtung für die Verlustleistung in einen Regelkreis zur Konstanthaltung der Verlustleistung eingebunden sein.
Mit dieser Regelung werden der Wechsel von Erwärmung und Abkühlung bei jedem Ausschalten und die sich daraus ergebenden, eingangs beschriebenen unerwünschten Folgen vermieden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. in den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 die Prinzipdarstellung eines optischen Scanners nach Stand der Technik,
2 die Prinzipdarstellung eines optischen Scanners, im Unterschied zu 1 erfindungsgemäß ausgestattet mit einer zweiten stromdurchflossenen Spule.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines eindimensionalen optischen Scanners nach Stand der Technik, der ein Strahlenbündel in X- oder Y-Richtung ablenkt. Der Scanner ist vorzugsweise als MEMS-Scanner ausgebildet.
Symbolisch angedeutet ist ein Spiegel 1, der über Stege 2 mit einem Rahmen 3 verbunden ist. Spiegel 1, Stege 2 und Rahmen 3 sind in der Zeichenebene liegend dargestellt. Die Stege 2 sind als Drehgelenke ausgebildet mit einer gemeinsamen Drehachse 4, um die das Auslenken des Spiegels 1 aus der Zeichenebene heraus relativ zum Rahmen 3 möglich ist.
Auf dem Spiegel 1 ist eine Spule 5 angeordnet, hier der Übersichtlichkeit halber durch nur eine einzelne Windung dargestellt. Ebenfalls in der Zeichenebene verläuft ein beispielsweise von einem (zeichnerisch nicht dargestellten) Permanentmagneten ausgehendes Magnetfeld 6.
Wird die Spule 5 von einem Strom I₁ durchflossen, entstehen im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld 6 Kräfte im Sinne von Lorentzkräften, die den Spiegel 1 auslenken. Die Stärke des Stromes I₁ bestimmt dabei das Maß der Auslenkung. Die Steg 2 sind federsteif ausgebildet und erzeugt eine Rückstellkraft, die den Spiegel 1 in die der Zeichenebene entsprechende Ausgangslage zurückstellt, sobald der Strom I₁ nicht mehr fließt und somit die Lorentzkräfte aufhören zu wirken.
Wird die Spule 5 von einem Strom I₁ durchflossen, entstehen mit der Stärke des Stromes I₁ ihre Stärke und Richtung ändernde Lorentzkräfte, die den Spiegel 1 um die Drehachse 4 schwingend antreiben. Ein so angetriebener Spiegel 1 ist zur Ablenkung eines einfallenden Strahlbündels nutzbar.
Wie eingangs bereits beschrieben, erweist es sich beim Betreiben derartiger Scanner als problematisch, dass mit jedem Einschalten des durch die Spule 5 fließenden Stromes I₁ insbesondere der Spiegel 1 und die Stege 2 aufgrund der eintretenden Verlustleistung P erwärmt werden und bei jedem Ausschalten wieder abkühlen, was die ebenfalls bereits beschriebenen Nachteile zur Folge hat.
Um dem abzuhelfen, ist erfindungsgemäß, wie in 2 dargestellt, eine zweite von einem Strom I₂ durchflossene Spule 7 auf dem Spiegel 1 angeordnet, und es ist eine (zeichnerisch nicht dargestellte) Ansteuerschaltung vorgesehen, die zur Beaufschlagung der zweiten Spule 7 mit einem Strom I₂ ausgebildet ist.
Mit der Vorgabe von Richtung und/oder Stärke des Stromes I₂ erfolgen die Beeinflussung der Lorentzkräfte und damit die Beeinflussung der Leistungsaufnahme des Scanners.
Die Spule 7 wird unabhängig von der Spule 5 mit dem Strom I₂ beaufschlagt. Erfolgt die Beaufschlagung gleichsinnig zu dem durch die Spule 5 fließenden Strom I₁, das heißt mit gleichem Vorzeichen, so addieren sich die von beiden Spulen 5, 7 erzeugten Lorentzkräfte. Werden beide Spulen 5, 7 gegensinnig bestromt, haben also die Ströme I₁, I₂ verschiedene Vorzeichen, subtrahieren sich die Lorentzkräfte und werden bei entsprechender Wahl der Stromstärken sogar vollständig kompensiert.
Damit lässt sich die Auslenkung des Spiegels aufgrund der proportional zu den Strömen I₁, I₂ entstehenden Lorentzkräfte unabhängig von der Leistungsaufnahme des Scanners, die proportional zu I₁ ², I₂ ², ist, bei Bedarf so einstellen, dass die Leistungsaufnahme wahlweise entweder zu jedem Zeitpunkt oder im Mittel konstant gehalten wird.
Bezugszeichenliste

1: Spiegel
2: Stege
3: Rahmen
4: Drehachse
5: Spule
6: Magnetfeld
7: Spule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0428100 A2 [0011, 0023, 0025]

Claims

Anordnung zum Beeinflussen der Leistungsaufnahme eines optischen Scanners, bei dem – ein ebener Spiegel (1) um eine Drehlagerung schwingt und dabei ein einfallendes Strahlenbündel ablenkt, wobei – ein Magnetfeld (6), das sich in der Ebene des Spiegels (1) ausbreitet, auf eine von einem Strom I₁ durchflossene Spule (5) so einwirkt, dass sich mit der Stärke des Stromes I₁ ändernde, den Spiegel (1) antreibende und dabei die Leistungsaufnahme des Scanners bestimmende Lorentzkräfte erzeugt werden, gekennzeichnet durch – mindestens eine zweite, von einem Strom I₂ durchflossene Spule (7), und durch – eine Ansteuerschaltung, die ausgebildet ist zur Beaufschlagung der zweiten Spule (7) mit einem Strom I₂, wobei – mit der Vorgabe von Richtung und/oder Stärke des Stromes I₂ die Beeinflussung der Lorentzkräfte und damit gleichzeitig eine Beeinflussung der Leistungsaufnahme des Scanners vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorgabe von Richtung und Stärke des Stromes I₂ in Abhängigkeit von der mit den Lorentzkräften beabsichtigten Auslenkung des Spiegels (1) vorgesehen ist, wobei – bei gleichsinniger Richtung der Ströme I₁ und I₂ eine Addition der durch beide Spulen (5, 7) generierten Lorentzkräfte erfolgt, – bei gegensinniger Richtung der Ströme I₁ und I₂ eine Subtraktion der durch beide Spulen (5, 7) generierten Lorentzkräfte erfolgt, und wobei – mit der Vorgabe der Stärke des Stromes I₂ die Größe der mit der zweiten Spule (7) generierten Lorentzkräfte bestimmt wird.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Vorgabe einer vorzeichenbehafteten Summe der Ströme I₁ und I₂ so vorgesehen ist, dass die Leistungsaufnahme des Scanners entweder zu jedem Zeitpunkt oder über einen vorgegebenen Zeitraum konstant ist.
Anordnung nach Anspruch 3, bei welcher die Vorgabe der vorzeichenbehaftete Summe der Ströme I₁ und I₂ nach der Funktion P = R₁I₁ ² + R₂I₂ ² vorgesehen ist, mit der Leistungsaufnahme P des Scanners, dem Eigenwiderstand R₁ der ersten Spule (5), dem durch die erste Spule (5) fließenden Wechselstrom I₁, R₂ dem Eigenwiderstand R₂ der zweiten Spule (7), und dem durch die zweite Spule (7) fließenden Strom I₂.
Anordnung nach einem vorgenannten Ansprüche, bei der mindestens die beiden Spulen (5, 7) – auf dem Spiegel (1) angeordnet sind und außerhalb des Spiegels (1) ein das Magnetfeld erzeugender Permanentmagnet vorgesehen ist, oder – außerhalb des Spiegels (1) angeordnet sind und auf dem Spiegel (1) ein das Magnetfeld erzeugender Permanentmagnet vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Spiegel (1) um zwei orthogonale Drehachsen (4) auslenkbar ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der mindestens eine der Spulen (5, 7) mit einer oder mehr als einer Windung ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Auslenkung des Spiegels (1), bezogen auf die Resonanzfrequenz des Scanners, wahlweise im resonanten oder im nicht-resonanten Modus vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher – der Scanner als MEMS-Scanner ausgeführt ist, und – der Spiegel (1) um eine in Form von Stegen (2) ausgebildete Drehlagerung schwingend angeordnet ist, wobei – der Spiegel (1) über die Stege (2) mit einem relativ dazu ruhenden Rahmen (3) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Messung der während des Scannens eintretenden Verlustleistung, wobei diese Messeinrichtung und die Ansteuerschaltung zur Beaufschlagung der zweiten Spule (7) vorzugsweise in einen Regelkreis zur Konstanthaltung der Verlustleistung eingebunden sind.