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Die Erfindung betrifft eine Mikrospiegelvorrichtung, insbesondere einen MEMS-Scanner. Die Mikrospiegelvorrichtung kann dabei für die Ablenkung eines optischen Strahls, eingesetzt werden, die in Scannern, Projektoren oder Head-up Displays eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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MEMS-basierte Mikrospiegel in verschiedenen Ausführungen bzgl. Größe, Antriebsart, Schwingungsform etc. sind seit einigen Jahren Gegenstand der Forschung und Entwicklung. Spezielle Bauformen sind in geringen Stückzahlen auf dem Markt verfügbar.
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Aus der
DE 10 2006 059 073 A1 ist eine Mikrospiegelanordnung mit wenigstens zwei Mikrospiegeln bekannt, die jeweils über eine Torsionsfeder an einem Substratwafer aufgehängt sind. Die Drehachsen der Mikrospiegel sind im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet, um einen optischen Strahl in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander stehenden Richtungen ablenken zu können. Die Mikrospiegel und die Torsionsfedern sind aus dem Substratwafer herausstrukturiert und liegen im Wesentlichen in einer Ebene.
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Es besteht ein Bedarf an einer verbesserten Justage eines jeweiligen Mikrospiegels.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung offenbart eine Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demgemäß ist eine Mikrospiegelvorrichtung vorgesehen aufweisend einen Rahmen, welcher auf einer Seite offen ausgebildet ist, wenigstens einen Mikrospiegel, welcher an dem Rahmen um eine Drehachse auslenkbar aufgehängt ist, und wenigstens ein Testlichtquellensystem, welches wenigstens eine Testlichtquelle und wenigstens zwei Detektoren aufweist, zum Detektieren des Teststrahls der Testlichtquelle abhängig von einem Auslenkwinkel des Mikrospiegels.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels des Detektierens des Teststrahls abhängig von einem Auslenkwinkel des Mikrospiegels, wird eine direkte Justage durch das Testlichtquellensystem ermöglicht, ohne das beispielsweise eine indirekte Justage über zusätzliche Justierlaser oder eine kameraunterstütze Montage benötigt wird.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer Ausführungsform der Mikrospiegelvorrichtung ist die offene Seite des Rahmens oder die Öffnung des Rahmens nach außen durch ein Abdeckfenster zusätzlich verschließbar. Die offene Seite des Rahmens oder die Öffnung des Rahmens kann durch das Abdeckfenster nicht dicht verschlossen sein oder alternativ dicht verschlossen sein, beispielsweise hermetisch dicht, flüssigkeitsdicht, staubdicht und/oder gasdicht, je nach Funktion und Einsatzzweck. Das Abdeckfenster kann zumindest teilweise aus Glas und/oder Kunststoff besteht und beispielsweise mit wenigstens einem für den Teststrahl zumindest teilweise reflektierenden Bereich ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Mikrospiegelvorrichtung ist der wenigstens eine Mikrospiegel durch ein Tragwerk an dem Rahmen auslenkbar aufgehängt. Der wenigstens eine Mikrospiegel kann dabei als Teil des Tragwerks ausgebildet sein oder auf einer Auflage des Tragwerks befestigt oder als reflektierende Beschichtung aufgebracht sein.
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Die wenigstens eine Testlichtquelle kann in einer anderen Ausführungsform auf dem Mikrospiegel oder der Auflage für den Mikrospiegel angeordnet sein, wobei die wenigstens eine Testlichtquelle dabei vorzugsweise auf der Drehachse des Mikrospiegels angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Testlichtquelle derart angeordnet, dass sie die Nutzung des Mikrospiegels nicht oder so wenig wie möglich beeinflusst. Daher kann die wenigstens eine Testlichtquelle beispielsweise auf der Auflage und damit außerhalb des Mikrospiegels oder auf dem Mikrospiegel außerhalb des Nutzungsbereichs des Mikrospiegels vorgesehen werden.
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Die wenigstens zwei Detektoren können in Ausführungsformen an dem Rahmen, dem Mikrospiegel, der Auflage für den Mikrospiegel und/oder unterhalb des Abdeckfensters innerhalb der Mikrospiegelvorrichtung angeordnet werden. Dabei können die wenigstens zwei Detektoren beispielsweise zu der Drehachse des Mikrospiegels versetzt und insbesondere bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegend angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass beide Richtungen in welche der Mikrospiegel um seine Drehachse gedreht oder ausgelenkt wird durch einen Detektor detektiert werden kann.
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In einer Ausführungsform ist das Abdeckfenster derart ausgebildet, zumindest einen Teil des Teststrahls der wenigstens einen Testlichtquelle zu reflektieren. Der reflektierte Teststrahl kann dann durch den jeweiligen zugeordneten Detektor detektiert und ein daraus resultierendes Signal des Detektors ausgewertet werden. Für den Betriebsstrahl wenigstens einer Betriebslichtquelle, mit welcher die Mikrospiegelvorrichtung z.B. im Falle eines Scanners usw., betrieben wird, ist das Abdeckfenster dagegen durchlässig oder zumindest teilweise durchlässig. Der Teststrahl und der Betriebsstrahl weisen vorzugsweise unterschiedliche Wellenlängen auf.
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Die wenigstens eine Testlichtquelle kann in einer weiteren Ausführungsform mit einem externen Referenzpunkt, beispielsweise einem externen Detektor, welcher außerhalb der Mikrospiegelvorrichtung vorgesehen ist, koppelbar sein, wobei das Abdeckfenster für den Teststrahl der Testlichtquelle zumindest teilweise oder vollständig durchlässig ist. Der externe Referenzpunkt ist dabei vorzugsweise zu der Mikrospiegelvorrichtung stationär oder fest vorgesehen.
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Die wenigstens eine Testlichtquelle und die wenigstens zwei Detektoren sind in anderen Ausführungsformen an dem Rahmen unterhalb des Mikrospiegels oder der Auflage des Mikrospiegels vorgesehen. Dabei ist die der wenigstens einen Testlichtquelle und den wenigstens zwei Detektoren gegenüberliegende Seite des Mikrospiegels bzw. der Auflage des Mikrospiegels für den Teststrahl der Testlichtquelle reflektierend oder zumindest teilweise reflektierend ausgebildet. In diesem Fall muss das Abdeckfenster für den Teststrahl beispielsweise nicht reflektierend sein.
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In einer Ausführungsform sind wenigstens zwei Testlichtquellen an dem Mikrospiegel oder der Auflage des Mikrospiegels vorgesehen. Die wenigstens zwei Testlichtquellen sind dabei beispielsweise zu der Drehachse des Mikrospiegels versetzt und des Weiteren z.B. bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegend angeordnet. In diesem Fall kann ein jeweiliger Detektor beispielsweise unterhalb des Abdeckfensters angeordnet werden und insbesondere derart angeordnet werden, dass der Teststrahl der jeweiligen Testlichtquelle den Detektor trifft, wenn der Mikrospiegel um einen vorbestimmten Winkel in einer vorbestimmten Richtung um seine Drehachse ausgelenkt ist.
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Das Abdeckfenster kann in Ausführungsformen sowohl parallel als auch verkippt oder schräg zu einer Nulllage des Mikrospiegels vorgesehen werden. In seiner Nulllage ist der Mikrospiegel dabei in seiner Ausgangsposition.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Mikrospiegel an dem Rahmen um wenigstens eine zweite Drehachse auslenkbar aufgehängt, und es kann wenigstens ein zweites Testlichtquellensystem vorgesehen werden, welches wenigstens eine Testlichtquelle und wenigstens zwei Detektoren aufweist, zum Detektieren des Teststrahls der Testlichtquelle abhängig von einem Auslenkwinkel um die zweite Drehachse des Mikrospiegels. Auf diese Weise können Mikrospiegelvorrichtungen mit Mikrospiegeln vorgesehen werden, die um mehrere Drehachsen auslenkbar sind und die jeweils z.B. ein eigenes Testlichtquellesystem für jede Drehachse z.B. zum Justieren der Auslenkung des Mikrospiegels um die jeweilige Drehachse aufweisen.
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Die Testlichtquelle kann in Ausführungsformen beispielsweise ein Testlaser oder eine Leuchtdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein. Gleiches gilt für die Betriebslichtquelle der Mikrospiegelvorrichtung.
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In einer Ausführungsform kann wenigstens einer der Detektoren eine Photodiode sein.
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Das Abdeckfenster kann in Ausführungsformen zumindest teilweise oder vollständig aus Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen, je nachdem, ob das Abdeckfenster beispielsweise reflektierend oder durchlässig für den Teststrahl sein soll. Das Abdeckfenster kann dabei zumindest in wenigstens einem Bereich für den Teststrahl reflektierend oder durchlässig sein. Das Abdeckfenster kann zum Bereitstellen einer Reflexion des Teststrahls auch mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein zumindest in wenigstens einem Bereich des Abdeckfensters. Das Abdeckfenster kann in weiteren Ausführungsformen der Erfindung die offene Seite des Rahmens außerdem zusätzlich dicht, z.B. hermetisch dicht, staubdicht, flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht verschließen.
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In einer Ausführungsform weist der Rahmen einen Substratwafer auf, aus welchem der wenigstens eine Mikrospiegel und seine Aufhängung herausstrukturiert sind. Der Substratwafer kann gemäß einer Ausführungsform mit einem Sockel oder Sockelwafer ausgebildet oder mit einem Sockelwafer verbunden sein.
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Die Mikrospiegelvorrichtung ist in einer Ausführungsform z.B. ein MEMS-Scanner, wobei die Erfindung auf MEMS-Scanner nicht beschränkt ist, sondern für jede andere geeignete Anwendung im Bereich Automotiv sowie Consumerbereich eingesetzt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1a eine schematische, geschnittene Draufsicht auf eine Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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1b eine schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 1a,
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1c eine weitere schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 1b, wobei ein Mikrospiegel der Mikrospiegelvorrichtung zu einer Seite ausgelenkt ist;
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1d eine andere schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 1b, wobei der Mikrospiegel zu der entgegengesetzten Seite ausgelenkt ist;
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2a eine schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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2b eine weitere schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 2a;
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3a eine schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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3b eine weitere schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 3a;
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4a eine schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
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4b eine weitere schematische, geschnittene Seitenansicht der Mikrospiegelvorrichtung gemäß 4a.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1a, 1b, 1c und 1d ist eine erste Ausführungsform einer Mikrospiegelvorrichtung 1 gemäß der Erfindung gezeigt.
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Eine große Herausforderung bei der Montage von Mikrospiegeln ist die exakte Justage bzw. Positionierung. Außerdem sind für die Inbetriebnahme und einen zuverlässigen Betrieb der Nullabgleich und die Lagedetektion des Spiegels von entscheidender Bedeutung.
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Gemäß der Erfindung ist daher in die Mikrospiegelvorrichtung 1, insbesondere eine MEMS-(Micro Electro-Mechanical System) Mikrospiegelvorrichtung wie beispielsweise ein MEMS-Scanner, ein multi-funktionales Testlichtquellensystem, insbesondere Testlasersystems 2, integriert. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Testlasersystems 2 als Beispiel für ein Testlichtquellensystem beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf einen Testlaser 3 beschränkt. Stattdessen kann der jeweilige nachfolgend beschriebene Testlaser 3 auch durch eine andere geeignete Lichtquelle eines anderen Typs ersetzt werden, beispielsweise durch eine Leuchtdiode (LED) usw. In diesem Fall können, falls erforderlich, gegebenenfalls spezielle zusätzliche strahlformende Optiken bei der Mikrospiegelvorrichtung 1 vorgesehen werden z.B. zum Bündeln, Streuen, Leiten und/oder Lenken usw. des Teststrahls, je nach Funktion und Einsatzzweck. Die wenigstens eine für die eigentliche Anwendung bzw. Nutzung der Mikrospiegelvorrichtung 1, z.B. einem MEMS-Scanner, vorgesehene Betriebslichtquelle, z.B. einen Betriebslaser, und deren Betriebsstrahl, ist in den 1–4 nicht dargestellt aus Gründen der Übersichtlichkeit.
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Wie in 1a bis 1d gezeigt ist, weist die Mikrospiegelvorrichtung 1 einen fixen Rahmen 4 oder Sockel auf, an welchem ein bewegliches Tragwerk 5 angebracht ist. Im Folgenden wird der Begriff Rahmen 4 verwendet. Der Rahmen 4 ist dabei an seiner einen ersten Seite oder Unterseite geschlossen ausgebildet. An seiner anderen, zweiten Seite oder Oberseite ist der Rahmen 4 in dem in den 1a bis 1d gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich mit einem Abdeckfenster 6 verschlossen. Das Abdeckfenster 6 kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch entfallen, beispielweise bei den Ausführungsbeispielen wie sie in nachfolgenden 3a, 3b, 4a und 4b gezeigt sind.
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Das bewegliche Tragwerk 5 ist dabei mit einem Mikrospiegel 7 verbunden oder ausgebildet, wobei der Mikrospiegel 7 mittels einer Achse des Tragwerks 5 drehbar an dem Rahmen 4 aufgehängt ist. Die Achse bildet die Drehachse 8 des Mikrospiegels 7. Die Drehachse 8 ist in 1a mit einer strichpunktierten Linie angedeutet. Der Mikrospiegel 7 kann dabei statt nur an einer Achse drehbar auch beispielsweise an wenigstens zwei Achsen drehbar an dem Rahmen 4 aufgehängt sein, so dass die Mikrospiegelvorrichtung beispielsweise auf eine 2D-Mikrospiegelvorrichtungen erweitert werden kann. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung und insbesondere für die in den 1a bis 4b beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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In dem Ausführungsbeispiel in den 1a bis 1d ist das Tragwerk 5 mit einem Mikrospiegel 7 verbunden und weist dazu eine Auflage 9 auf, an welcher der Mikrospiegel 7 vorgesehen ist. Die Auflage 9 ist mit dem Mikrospiegel 7 dabei an dem Rahmen 4 durch die Achse drehbar aufgehängt. Alternativ kann das Tragwerk 5 auch mit einem Mikrospiegel ohne die zusätzliche Auflage (nicht dargestellt) ausgebildet sein, wobei der Mikrospiegel direkt über die Achse an dem Rahmen drehbar aufgehängt ist.
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Der Rahmen 4 ist an seiner Oberseite oder Außenseite mit dem zusätzlichen Abdeckfenster 6 verschlossen, beispielsweise gasdicht verschlossen, wobei ein dichtes Verschließen nicht zwingend erforderlich ist sondern von der Funktion und dem Einsatzzweck der Mikrospiegelvorrichtung abhängig gewählt werden kann. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Des Weiteren wird der Rahmen 4 beispielsweise aus einem Substratwafer gebildet, aus welchem der wenigstens eine Mikrospiegel und seine Aufhängung, hier das Tragwerk, herausstrukturiert sind. Der Substratwafer ist an seiner Unterseite mit einem Sockel oder Sockelwafer einstückig ausgebildet oder mit einem Sockelwafer verbunden.
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Das Abdeckfenster 6 in dem in den 1a bis 1d gezeigten Ausführungsbeispiel ist derart ausgebildet, dass der Teststrahl 10 des Testlasers 3 zumindest teilweise oder vollständig durch das Abdeckfenster 6 reflektiert wird. Dabei kann das Material oder die Materialkombination des Abdeckfensters 6 derart ausgewählt sein, dass es den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zumindest teilweise oder vollständig reflektiert. Ebenso kann das Abdeckfenster 6 auch zumindest teilweise mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen sein, welche den Teststrahl des Testlasers zumindest teilweise oder vollständig reflektiert. Für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 verwendet man vorzugsweise eine Wellenlänge, die von der Wellenlänge eines Betriebsstrahls der jeweiligen nicht dargestellten Betriebslichtquelle der eigentlichen Anwendung bzw. Nutzung der Mikrospiegelvorrichtung 1, z.B. einem MEMS-Scanner, ausreichend oder geeignet entfernt ist.
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In dem in den 1a bis 1d gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Abdeckfenster 6 beispielsweise zumindest teilweise oder vollständig aus Glas und reflektiert dabei den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zumindest teilweise oder vollständig.
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Die Erfindung ist aber auf Glas als Material für das Abdeckfenster 6 nicht beschränkt. Es kann jedes andere für das Abdeckfenster 6 geeignete Material oder geeignete Materialkombination, verwendet werden, welches bzw. welche je nach Funktion und Einsatzzweck den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zumindest teilweise oder vollständig reflektiert oder für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zumindest teilweise oder vollständig durchlässig oder transparent ist.
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Des Weiteren ist das Abdeckfenster 6 mit dem Rahmen 4 beispielsweise durch ein Glaslot oder ein anderes geeignetes Material oder Materialkombination verbunden, beispielweise hermetisch dicht oder gasdicht verbunden.
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In der in den 1a bis 1d gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 ist ein Testlasersystem 2 vorgesehen, welches wenigstens einen Testlaser 3 und wenigstens zwei Detektoren 11, z.B. Photodioden, aufweist. Auf diese Weise ergeben sich diverse Zusatzfunktionalitäten, die derzeit größtenteils nur indirekt kontrollierbar sind.
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Der Testlaser 3 und die Detektoren 11 sind dabei derart zu dem Mikrospiegel 7 und dem Abdeckfenster 6 angeordnet, dass unter einem vorbestimmten Auslenkwinkel des Mikrospiegels 7 aus seiner Nulllage, beispielsweise einem maximalen Auslenkwinkel des Mikrospiegels 7, ein für die Detektion durch den Detektor 11 ausreichender Anteil des Teststrahls 10 des Testlasers 3 zu dem zugeordneten Detektor 11 zurückreflektiert wird. In der in den 1a bis 1d gezeigten Ausführungsform wird der Teststrahl 10 des Testlasers 3 beispielsweise durch das Abdeckfenster 6 reflektiert. Die Nulllage des Mikrospiegels 7 ist in den 1a und 1b gezeigt. In der Nulllage ist der Mikrospiegel 7 in seiner Ausgangsposition oder in der Position, in welcher er nicht ausgelenkt oder um seine Drehachse 8 gedreht ist.
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Wie in den 1a bis 1d gezeigt ist, sind die beiden Detektoren 11, z.B. zwei Photodioden, an dem Rahmen 4 angebracht. Die beiden Detektoren 11 sind dabei versetzt zu der Drehachse 8 und z.B. auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 4 beispielsweise auf derselben Höhe angeordnet. Die Detektoren 11 liegen in der Draufsicht, wie in 1a gezeigt ist, beispielsweise auf einer gemeinsamen Achse mit dem Testlaser 3, z.B. senkrecht zu der Drehachse 8. Dies ist aber lediglich beispielhaft und nicht zwingend notwendig. Der Rahmen 4 ist im Gegensatz zu dem beweglichen oder drehbaren Mikrospiegel 7 fest oder stationär. Die beiden Detektoren 11 liegen im Gegensatz zu dem Mikrospiegel 7 in dem Ausführungsbeispiel in den 1a bis 1d nicht auf der Drehachse 8 des Mikrospiegels sondern sind in einem definierten Abstand zu dieser auf dem Rahmen angeordnet angeordnet.
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Der Testlaser 3 ist in dem in den 1a bis 1d gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum beispielsweise auf der Drehachse 8 des Mikrospiegels 7 angeordnet, z.B. auf der Auflage 9 neben dem Mikrospiegel 7. In dem Fall, dass keine zusätzliche Auflage 9 vorgesehen ist, sondern, wie zuvor beschrieben, das Tragwerk 5 mit einem Mikrospiegel 7 ohne die zusätzliche Auflage 9 ausgebildet ist, kann der Testlaser 3 auch direkt auf dem Mikrospiegel 7 vorgesehen und vorzugsweise auf der Drehachse 8 desselben angeordnet werden, besonders bevorzugt außerhalb des Nutzbereichs des Mikrospiegels 7 im Betrieb,
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Die 1c und 1d stellen den Mikrospiegel 7 in unterschiedlich ausgelenkten Stellungen dar. Der Mikrospiegel 7 ist dabei beispielsweise zu der jeweiligen Seite um einen maximalen Auslenkwinkel ausgelenkt, wobei der Auslenkwinkel zu beiden Seiten dabei beispielsweise gleich groß ist.
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Wird der Mikrospiegel 7 in eine maximale Auslenklage versetzt, wie in 1c gezeigt ist, in welcher der Mikrospiegel 7 um den maximalen Auslenkwinkel ausgelenkt oder um seine Drehachse 8 gedreht ist, so wird der Teststrahl 10 des Testlasers 3 in 1c durch das Abdeckfenster 6 reflektiert und trifft den ersten Detektor 11, hier die erste Photodiode.
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Wird der Mikrospiegel 7 dagegen in die entgegensetzte maximale Auslenklage versetzt oder um seine Drehachse 8 gedreht, wie in 1d gezeigt ist, in welcher der Mikrospiegel 7 in der entgegengesetzten Richtung um den maximalen Auslenkwinkel ausgelenkt ist, so wird der Teststrahl 10 des Testlasers 3 in 1d durch das Abdeckfenster 6 reflektiert und trifft den zweiten Detektor 11, hier die zweite Photodiode. Aus den absoluten und/oder relativen Signalstärken der Detektoren 11 kann auf das Erreichen der maximalen Auslenkwinkel, als Beispiel für einen vorbestimmten Auslenkwinkel, usw. geschlossen werden und die Auslenkwinkel beispielsweise kontrolliert werden. Beispielsweise kann aus einer vorbestimmten oder absoluten Signalstärke des jeweiligen Detektors 11 bestimmt, werden, ob diese gemessene Signalstärke einer vorbestimmten Signalstärke für eine Nulllage oder einen bestimmten Auslenkwinkel des Mikrospiegels entspricht. Aus relativen Signalstärken der beiden Detektoren kann bestimmt werden, dass wenn die beiden Signalstärken der Detektoren gleich sind, der Mikrospiegel beispielsweise in seiner Nulllage ist oder wenn die Signalstärken sich unterscheiden, der Mikrospiegel in die eine oder andere Richtung ausgelenkt ist.
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Für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 verwendet man vorzugsweise eine Wellenlänge, die von der Wellenlänge der Betriebslichtquelle, z.B. eines Betriebslasers der eigentlichen Anwendung bzw. Nutzung der Mikrospiegelvorrichtung 1, z.B. einem MEMS-Scanner, ausreichend oder geeignet entfernt ist. Auf diese Weise kann das Abdeckfenster 6, z.B. ein Deckglas, durch eine geeignete zusätzliche Beschichtung zumindest in einem Bereich als reflektierend für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 gestaltet werden, und die Reflexe können direkt zurückgeführt werden. Ansonsten ist ihre Stärke, d.h. die Stärke der Reflexe, durch den Reflexionsgrad des Abdeckfensters 6, z.B. Deckglas, bei der betreffenden Wellenlänge des Teststrahls 10 des Testlasers 3 gegeben. Für den Betriebslaser und den Betriebsstrahl ist dagegen das Abdeckfenster zumindest teilweise oder vollständig durchlässig.
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Durch dieses Funktionsprinzip können diverse Zusatzfunktionalitäten ermöglicht werden. Diese Zusatzfunktionalitäten enthalten beispielsweise einen Nullabgleich, eine Lagedetektion, ein Sicherheitskonzept und eine Justagehilfe usw.. Die Erfindung ist jedoch auf die genannten und im Folgenden näher beschriebenen Beispiele für Zusatzfunktionalitäten nicht beschränkt.
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Für den Nullabgleich des Systems beispielswiese bei der Inbetriebnahme der Mikrospiegelvorrichtung 1 bietet das Testlasersystem 2 die folgende Möglichkeit. Aus den relativen Signalstärken der Detektoren 11 bzw. Photodioden kann auf die Abweichung von der Nulllage geschlossen werden. Die Nulllage des Mikrospiegels 7 ist in den 1a und 1b gezeigt. Der Mikrospiegel 7 ist in der Nulllage nicht um seine Drehachse 8 gedreht oder ausgelenkt, sondern befindet sich in seiner Ausgangsposition. Der Auslenkwinkel des Mikrospiegels 7 in der Nulllage ist dementsprechend Null. Das System ist dann abgeglichen, wenn die Signale beider Detektoren gleich stark sind bzw. die Signalstärken der Detektoren gleich groß sind.
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Eine weitere Möglichkeit für einen Nullabgleich ist auch ohne die Verwendung der internen Detektoren 11, hier z.B. der Photodioden, innerhalb der Mikrospiegelvorrichtung 1, möglich. In diesem Fall erfolgt der Nullabgleich über einen externen Detektor 12, welcher als Referenzpunkt dient. Voraussetzung hierfür ist, dass das Abdeckfenster 6, hier das Deckglas, sofern vorhanden, dabei ausreichend transparent oder durchlässig für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zur Detektion durch den externen Detektor 12 ist. Der externe Detektor 12, z.B. eine Photodiode, ist stark vereinfacht und rein schematisch in 1b mit einer gestrichelten Linie und der Teststrahl 10 des Testlasers 3 mit einer gepunkteten Linie angedeutet. Mittels des Teststrahls 10 kann bei nicht ausgelenktem Mikrospiegel 7 mit Hilfe des externen Referenzpunktes, welcher durch den externen Detektor 12 gebildet wird, auf die Nulllage des Mikrospiegels 7 geschlossen werden. Befindet sich der Mikrospiegel 7 beispielsweise in seiner Nulllage, so tritt der Teststrahl 10 des Testlasers 3 durch das Abdeckfenster 6 hindurch und trifft auf den externen Detektor 12, z.B. eine externe Photodiode, welche stationär oder fest gegenüber der Mikrospiegelvorrichtung 1 vorgesehen ist, wie in 1b angedeutet ist. Das Abdeckfenster 6 kann in diesem Fall auch ganz entfallen. Der Testlaser 3 kann dabei statt auf der Drehachse 8 des Mikrospiegels 7 auch an jeder anderen Position an dem Mikrospiegel 7 angeordnet sein. Der externe Detektor 12 ist wiederum derart angeordnet, dass er den Teststrahl 10 des Testlasers 3 nur dann oder nur in einer vorbestimmten Stärke, z.B. maximalen Stärke, empfängt, wenn der Mikrospiegel 7 sich in seiner Nulllage befindet.
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Eine Justage der Mikrospiegelvorrichtung 1 kann ebenfalls ohne die Verwendung der internen Detektoren 11 erfolgen, indem der angeschaltete Testlaser 3 einen bestimmten, externen Referenzpunkt, welcher durch einen externen Detektor 12 gebildet wird, treffen muss. Voraussetzung ist dabei ebenfalls, dass das Abdeckfenster 6, hier das Deckglas, der Mikrospiegelvorrichtung 1, sofern vorhanden, ausreichend transparent oder durchlässig für den Teststrahl 10 des Testlasers 3 zur Detektion durch den externen Detektor ist. Auf diese Weise kann der Mikrospiegel 7 relativ zu einer festen Position, welche durch den externen Referenzpunkt vorgegeben wird, justiert und dann fixiert werden. Alternativ können mit Hilfe des Testlasers 3 verschiedene andere optische Komponenten umgekehrt relativ zu der Mikrospiegelvorrichtung 1 orientiert und dann fixiert werden. Die Mikrospiegelvorrichtung 1 ist dabei vorzugsweise fest oder stationär zu diesen anderen optischen Komponenten vorgesehen.
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Für die Lagedetektion des Mikrospiegels 7 zum Beispiel im bzw. während des Betriebs der Mikrospiegelvorrichtung 1 bietet das Testlasersystem 2 des Weiteren die folgende Möglichkeit. Die Lagedetektion kann im Betrieb über die absoluten und/oder relativen Signalstärken der Detektoren 11, 12 erfolgen. Beispielsweise kann aus der jeweiligen Signalstärke auf die Richtung der Auslenkung oder Drehung des Mikrospiegels 7 um seine Drehachse, den Auslenkwinkel des Mikrospiegels 7 usw. geschlossen werden. Insbesondere können die Signale der Detektoren 11, 12, hier z.B. der Photodioden, auch zur aktiven Regelung auf z.B. temperaturabhängiges Verhalten der Mikrospiegelvorrichtung hinzugezogen werden.
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Die Lagedetektion des Mikrospiegels 7 kann des Weiteren für ein Sicherheitskonzept genutzt werden. In diesem Fall kann die Bewegung des Mikrospiegels 7 durch die Signale der Detektoren 11, 12 überwacht werden. Eine starke oder signifikante Veränderung in den Detektorsignalen deutet beispielsweise auf eine Störung in der Mikrospiegelbewegung hin und kann z.B. als Abschaltsignal für die Mikrospiegelvorrichtung verwendet werden.
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In den 2a und 2b ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 gezeigt. Dabei zeigen die 2a und 2b den Mikrospiegel 7 der Mikrospiegelvorrichtung 1 in verschiedene Richtungen ausgelenkt, vergleichbar zu den 1c und 1d zuvor.
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Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung auf und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass neben dem Testlaser 3 auch die wenigstens zwei Detektoren 11, z.B. Photodioden, auf dem Tragwerk 5 und nicht wie in der ersten Ausführungsform an dem Rahmen angeordnet sind. Es wird daher auf die Ausführungen zu den 1a bis 1d verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Die Detektoren 11 sind dabei auf beiden Seiten an dem Tragwerk 5 bezüglich der Drehachse 8 des Mikrospiegels angeordnet, während der Testlaser 3 wiederum auf dem Tragwerk 5 auf der Drehachse 8 des Mikrospiegels 7 angeordnet ist. Die Detektoren 11 und der Testlaser 3 können auf einer vorhandenen Auflage des Tragwerks und/oder dem Mikrospiegel angeordnet sein.
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Durch die Anordnung der Detektoren 11 auf dem Tragwerk 5 können bereits kleinere maximale Auslenkwinkel detektiert werden. Dabei wird das Trägheitsmoment erhöht.
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Wird der Mikrospiegel 7 um einen vorbestimmten Winkel, z.B. maximaler Auslenkwinkel, zu einer Seite ausgelenkt oder um seiner Drehachse 8 gedreht, so trifft der Teststrahl 10 des Testlasers 3, welcher in 2a an dem Abdeckfenster 6 reflektiert wird, auf den zugeordneten Detektor 11 auf dem Mikrospiegel 7. Wird der Mikrospiegel 7 in die entgegensetzte Richtung um einen vorbestimmten Winkel, z.B. maximaler Auslenkwinkel, zu der anderen oder gegenüberliegenden Seite ausgelenkt oder um seiner Drehachse 8 gedreht, so trifft der Teststrahl 10 des Testlasers 3, welcher in 2b an dem Abdeckfenster 6 reflektiert wird, auf den anderen Detektor 11 auf dem Mikrospiegel 7. Dadurch kann ein vorbestimmter Auslenkwinkel des Mikrospiegels 7 in die jeweilige Drehrichtung oder Auslenkungsrichtung des Mikrospiegels 7 zuverlässig erfasst werden.
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Das Abdeckfenster 6, z.B. ein Deckglas, muss dabei nicht parallel zu dem Mikrospiegel 7 in dessen Nulllage angeordnet sein, wie in den 2a und 2b und zuvor in den 1a bis 1d gezeigt ist. Stattdessen kann das Abdeckfenster 6, z.B. ein Deckglas, auch verkippt oder schräg zu dem Mikrospiegel 7 in dessen Nulllage positioniert sein, z.B. zur Ausblendung des direkten Scheibenrückreflexes aus dem Hauptbild. In diesem Fall werden die Positionen der Detektoren 11 entsprechend der durch das verkippte oder schräg gestellte Abdeckfenster 6 erzeugten Reflexion des Teststrahls 10 des Testlasers 3 angepasst, um eine gewünschte Detektion des Teststrahls 10 des Testlasers 3 durch die Detektoren 11 sicherzustellen.
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In den 3a und 3b ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 gezeigt. Die 3a und 3b zeigen den Mikrospiegel 7 der Mikrospiegelvorrichtung 1 ebenfalls in verschiedene Richtungen aus der Nulllage heraus ausgelenkt, vergleichbar zu den vorherigen 1c, 1d, 2a und 2b.
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Die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie die erste und zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung auf. Es wird daher auf die Ausführungen zu den 1a bis 1d, 2a und 2b verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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Die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Detektoren 11, z.B. Photodioden, auch neben bzw. unterhalb des Abdeckfensters 6, z.B. Deckglas, beispielsweise unterhalb der Öffnung des Rahmens an dem Rahmen angeordnet werden können, wie in 3a und 3b gezeigt ist. In diesem Fall kann auf das Abdeckfenster 6 in den 3a und 3b auch verzichtet werden. Ebenso können die Detektoren auch an der Unterseite des Abdeckfensters (nicht dargestellt) angeordnet werden, wenn das Abdeckfenster vorhanden ist.
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In dem Ausführungsbeispiel in den 3a und 3b sind die wenigstens zwei Detektoren 11 neben dem Abdeckfenster 6 bzw. unterhalb des Abdeckfensters 6 an dem Rahmen auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Drehachse 8 des Mikrospiegels an der Mikrospiegelvorrichtung 1 angeordnet. Die beiden Detektoren 11 können dabei verkippt oder schräg zu dem Mikrospiegel 7 in dessen Nulllage unterhalb des Abdeckfensters 6 an dem Rahmen angeordnet sein, wie ebenfalls in den 3a und 3b gezeigt ist, um den Teststrahl 10 eines zugeordneten Testlasers 3 zu detektieren bzw. zu erfassen, wenn der Mikrospiegel 7 aus seiner Nulllage, um einen vorbestimmten Winkel, z.B. maximalen Auslenkwinkel, ausgelenkt ist.
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In dem Fall, dass die Detektoren 11 neben bzw. unterhalb an dem Rahmen oder an der Unterseite des Abdeckfensters 6 angeordnet sind, können z.B. zwei Testlaser 3 verwendet werden, deren Teststrahlen 10 direkt, d.h. ohne Reflexion an dem Rahmen oder dem Abdeckfenster 6, detektiert werden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn es für den Testlaser aufgrund der Art der Anwendung keinen freien Spektralbereich gibt.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel in den 3a und 3b gezeigt ist, sind die wenigstens zwei Testlaser 3 an dem Tragwerk 5 auf gegenüberliegenden Seiten des Mikrospiegels 7 und seiner Drehachse 8 angeordnet. Mit anderen Worten, die Testlaser 3 liegen nicht auf der Drehachse 8 des Mikrospiegels 7 sondern sind zu der Drehachse 8 versetzt und liegen beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten an dem Tragwerk 5 bezogen auf die Drehachse 8. Wird der Mikrospiegel 7 um einen vorbestimmten Winkel, z.B. einen maximalen Auslenkwinkel, zu einer Seite ausgelenkt, so trifft der Teststrahl 10 des Testlasers 3 auf den zugeordneten Detektor 11 unterhalb des Abdeckfensters 6, ohne dabei durch das Abdeckfenster 6 reflektiert zu werden oder reflektiert werden zu müssen, wie beispielsweise zuvor in dem in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel. Wird der Mikrospiegel 7 um einen vorbestimmten, z.B. maximalen Auslenkwinkel, zu der anderen gegenüberliegenden Seite ausgelenkt, so trifft der Teststrahl 10 des anderen Testlasers 3 den anderen zugeordneten Detektor 11, ohne dass der Teststrahl 10 zuvor durch das Abdeckfenster 6 reflektiert wird oder reflektiert werden muss.
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In einer weiteren Variante des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels kann die Funktion des Testlasers 3 durch einen Laser der eigentlichen Anwendung bzw. durch einen Teilstrahl des Lasers der eigentlichen Anwendung übernommen werden. In diesem Fall kann beispielsweise der Mikrospiegel 7 über den eigentlichen Nutz- oder Betriebsbereich hinaus ausgelenkt werden und mittels des jeweils zugeordneten Detektors 11 in diesem Randbereich detektiert werden. Der Teilstahl des Lasers kann durch den jeweiligen Detektor 11 detektiert werden, wobei die Position des jeweiligen Detektors 11, wie er beispielhaft in den 3a und 3b gezeigt ist, entsprechend an die Auslenkung des Teilstrahls des Lasers über den eigentlichen Nutz- oder Betriebsbereich angepasst oder darauf abgestimmt werden.
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Auf diese Weise können die zuvor mit Bezug auf die 1a bis 1d beschriebenen Beispiele für Zusatzfunktionalitäten mittels einer derartigen Mikrospiegelvorrichtung ebenfalls realisiert werden.
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In den 4a und 4b ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 gezeigt. Die 4a und 4b zeigen den Mikrospiegel 7 der Mikrospiegelvorrichtung 1 ebenfalls in verschiedene Richtungen aus der Nulllage heraus ausgelenkt, vergleichbar zu den vorherigen 1c, 1d, 2a, 2b, 3a und 3b.
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Die vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung 1 weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie die erste, zweite und dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung auf und unterscheidet sich von der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrospiegelvorrichtung im Wesentlichen dadurch, dass der Testlaser 3 in den Rahmen 4 bzw. Sockel integriert ist. Der Rahmen 4 bzw. Sockel ist gegenüber dem Mikrospiegel 7 fest oder stationär. Es wird daher auf die Ausführungen zu den 1a bis 1d, 2a, 2b, 3a und 3b verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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Da der wenigstens eine Testlaser 3 an dem Rahmen 4 unterhalb des Mikrospiegels 7 in dem Ausführungsbeispiel in den 4a und 4b vorgesehen ist, ist das Tragwerk 5 derart ausgebildet, dass es den Teststrahl 10 des Testlasers 3 reflektieren kann. Dazu ist eine Auflage oder falls keine Auflage vorhanden ist, der Mikrospiegel 7 an seiner Rückseite den Teststrahl reflektierend ausgebildet. Bei der Schwingung oder Drehung des Mikrospiegels 7 um seine Drehachse 8 kann der Teststrahl 10 des Testlasers 3 dabei abwechselnd auf den einen und anderen Detektor 11, z.B. Photodiode, gelenkt und detektiert werden, wie in den 4a und 4b gezeigt ist. Der Testlaser 3 ist dabei z.B. in einer gemeinsamen Ebene mit der Drehachse des Mikrospiegels 7 angeordnet, wobei diese Ebene senkrecht zu der Ebene des Mikrospiegels 7 in dessen Nulllage ist. Die wenigstens zwei Detektoren 11 sind auf gegenüberliegenden Seiten zu der Ebene des Testlasers 3 und der Drehachse 8 angeordnet, um den von dem Mikrospiegel 7 reflektierten Teststrahl 10 zu detektieren, wenn der Mikrospiegel 7 um einen vorbestimmten Winkel, z.B. den maximalen Auslenkwinkel, ausgelenkt ist, wie in den 4a und 4b gezeigt ist.
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Zahlreiche der zuvor mit Bezug auf die 1a bis 1d, 2a, 2b, 3a und 3b beschriebenen Ausführungsbeispiele sind ebenfalls mit einem verdeckt liegendem Testlasersystem möglich, welches z.B. wenigstens zwei Detektoren und wenigstens einen Testlaser aufweist, vergleichbar der vierten Ausführungsform. Dabei kann der wenigstens eine Testlaser auch in die Mikrospiegelrückseite bzw. Auflagerückseite (sofern vorhanden) integriert oder angeordnet werden und gegebenenfalls die strahlrückführende Funktion des Abdeckfensters, z.B. Deckglases, durch die innenliegende Rahmen- bzw. Sockeloberfläche übernommen werden. In diesem Fall kann das Abdeckfenster auch entfallen, da es nicht zur Reflexion des Teststrahls notwendig ist. Die Rahmen- bzw. Sockeloberfläche ist dabei reflektierend ausgebildet und kann dazu bei Bedarf mit einer zusätzlichen reflektierenden Beschichtung versehen sein.
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Eine Integration des zuvor mit Bezug auf die 1a bis 1d, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b beschriebenen jeweiligen Testlasers ist sowohl auf Waferlevel als auch auf Systemlevel denkbar. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
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Es ist möglich, den zuvor mit Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen jeweiligen Testlaser getaktet anzusteuern. Im Falle einer Synchronisation des jeweiligen Testlasers mit der Mikrospiegelbewegung kann auf diese Weise der jeweilige Testlaser beispielsweise nur im Bereich der Detektoren, z.B. Photodioden, kurz angeschaltet werden. Damit lässt sich ein möglicherweise auftretendes Störlicht des jeweiligen Testlasers vermeiden.
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Das System lässt sich auf z.B. auf 2D-Mikrospiegel und entsprechend 2D-Mikrosiegelvorrichtungen erweitern. In diesem Fall wird entsprechend ein zusätzliches Testlasersystem für die zusätzliche zweite Drehachse des Mikrospiegels der Mikrospiegelvorrichtung aus wenigstens einem Testlaser und wenigstens zwei Detektoren, z.B. Photodioden, vorgesehen, entsprechend wie zuvor für das erste Testlasersystem. Das zweite Testlasersystem wird dabei derart zu dem zweiten Mikrospiegel und dessen zweiter Drehachse angeordnet, entsprechend dem zuvor mit Bezug auf die 1a bis 1d, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b beschriebenen ersten Testlasersystem, dass die Auslenkung des Mikrospiegels um seine zweite Drehachse durch das zweite Testlasersystem detektierbar ist.
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Die Anwendung der Erfindung ist in diversen Projekten mit MEMS-basierten Scannern einsetzbar. Dies umfasst z.B. Automotiv-Produkte, wie ein Lichtquellenmodul für Automobilscheinwerfer oder einen Bestandteil eines sog. LIDAR-Systems oder auch Produkte aus dem sog. Consumerbereich.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können die zuvor anhand der 1a bis 1d, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b beschriebenen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006059073 A1 [0003]
