DE102017118776B4

DE102017118776B4 - Scaneinheit mit mindestens zwei Stützelementen und einem freistehenden Umlenkelement und Verfahren zum Scannen von Licht

Info

Publication number: DE102017118776B4
Application number: DE102017118776.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Petit; Mathias Müller
Original assignee: Blickfeld GmbH
Current assignee: Blickfeld GmbH
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: EP3669208A1; US20200218063A1; WO2019034210A1; DE102017118776A1

Abstract

Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) zum Scannen von Licht (361), die umfasst:- ein Umlenkelement (110) mit einer Spiegelfläche (111), und- mindestens ein Stützelement (121, 122), das sich weg von einem Umfang der Spiegelfläche (111) in einer Ebene erstreckt und das eingerichtet ist, um das Umlenkelement (110) elastisch mit einer Fixstruktur (350) zu koppeln,- mindestens ein weiteres Stützelement (131, 132), das über ein Schnittstellenelement mit einer Rückseite des Umlenkelements verbunden ist, wobei sich das mindestens eine weitere Stützelement in einer weiteren Ebene erstreckt, wobei die weitere Ebene versetzt und parallel zu der durch das mindestens eine Stützelement (121, 122) definierten Ebene ist, wobei das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) eingerichtet ist, um das Umlenkelement (110) elastisch mit der Fixstruktur (350) zu koppeln, wobei das Umlenkelement (110) entlang eines durchgängigen Umfangwinkels (380) von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (111) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet ist, wobei die Ebene und die weitere Ebene parallel zur Spiegelfläche sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen eine Scaneinheit zum Scannen von Licht mittels eines Umlenkelements. In verschiedenen Beispielen erstreckt sich mindestens ein Stützelement, das eingerichtet ist, um das Umlenkelement elastisch mit einer Fixstruktur zu koppeln, in einer durch eine Spiegelfläche des Umlenkelements definierten Ebene.
HINTERGRUND
Die Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern erstrebenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens erstrebenswert sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere einen Abstand zu den Objekten zu ermitteln.
Eine Technik zur Abstandsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging; manchmal auch LADAR). Dabei wird z.B. gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann es möglich sein, das Laserlicht zu scannen. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.
Es sind verschiedene Techniken bekannt, um das Licht zu scannen. Zum Beispiel können mikroelektromechanische (MEMS)-Techniken verwendet werden. Dabei wird ein Mikrospiegel in einer Rahmenstruktur freigestellt, z.B. durch reaktives Ionenstrahlätzen von Silizium. Siehe z.B. EP 2 201 421 B1 . DE 10 2009 033 191 A1 beschreibt auch eine mikromechanische Spiegelanordnung mit einer Spiegelplatte, die über mindestens ein Halteelement mit einer Rahmenstruktur verbunden und relativ zu dieser Rahmenstruktur translatorisch bewegbar ist.
DE 10 2016 014 001 A1 ist nachveröffentlicht und offenbart ein Scanmodul für einen Lichtscanner, welches mindestens ein Stützelement umfasst. Dieses Stützelement weist eine signifikante Ausdehnung senkrecht zur Spiegeloberfläche auf.
DE 60 2004 006 284 T2 offenbart eine zweidimensionale Scanning-Vorrichtung zur Verwendung einer Projektionsvorrichtung mit einem Auslegearm, der beispielsweise zwei Schenkel aufweisen kann.
JP 2015-099270 A offenbart das Energetisieren von Torsionsfedern, um einen Massenkörper mit Spiegeloberflächen derart zu steuern, dass dieser bei einer konstanten Amplitude rotiert und vibriert.
US 7 639 413 B2 beschreibt einen resonanter optischen Scanner unter Verwendung eines schwingenden Körpers mit optimierten Resonanzfrequenzcharakteristiken.
WO 2017/141 529 A1 beschreibt eine Spiegelantriebsvorrichtung.
JP 2009 - 192 967 A beschreibt ein optisch reflektierendes Element.
Solche Techniken weisen aber oftmals den Nachteil auf, dass der Scanwinkel vergleichsweise beschränkt ist. Dies bedeutet, dass die Umlenkung des Lichts vergleichsweise limitiert ist. Außerdem kann die Fertigung kompliziert sein. Das Scanmodul kann aufgrund der Rahmenstruktur auch vergleichsweise viel Platz benötigen.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um Licht zu scannen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der voranstehend genannten Nachteile beheben oder lindern.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Eine Scaneinheit zum Scannen von Licht gemäß Patentanspruch 1 umfasst zunächst ein Umlenkelement. Das Umlenkelement umfasst eine Spiegelfläche. Die Scaneinheit umfasst auch mindestens ein Stützelement. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich weg von einem Umfang der Spiegelfläche. Das mindestens eine Stützelement ist eingerichtet, um das Umlenkelement elastisch mit einer Fixstruktur zu koppeln. Das Umlenkelement ist entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet.
In anderen Worten kann also die Kopplung des Umlenkelements mit der Fixstruktur auf einen vergleichsweise kleinen Bereich beschränkt sein. Insbesondere kann eine 2-Punkt-Kopplung an gegenüberliegenden Seiten, beispielsweise wie in US 2014 0300 942 A1 beschrieben, vermieden werden. Dadurch kann die Scaneinheit kompakter und einfacher hergestellt werden. Außerdem werden größere Scanwinkel möglich.
Ein LIDAR-System könnte eine solche Scaneinheit umfassen.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Scaneinheit zum Scannen von Licht gemäß Patentanspruch 8 umfasst insbesondere das Ansteuern mindestens eines Aktuator. Dies erfolgt zum resonanten Auslenken mindestens eines Stützelements. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich in einer durch eine Spiegelfläche eines Umlenkelements definierten Ebene. Das Umlenkelement ist entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Scaneinheit zum Scannen von Licht umfasst: in einem ersten Ätzprozess eines ersten Wafers, Erzeugen eines Umlenkelements und mindestens eines Stützelements, das sich weg von dem Umlenkelement erstreckt, in dem ersten Wafer; in einem zweiten Ätzprozess eines zweiten Wafers, Erzeugen mindestens eines weiteren Stützelements, in dem zweiten Wafer; Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer; und Freistellen des Umlenkelements, des mindestens einen Stützelements und des mindestens einen weiteren Stützelements. Dadurch wird eine Scaneinheit nach Patentanspruch 1 erhalten.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Aufsicht auf eine Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
2 ist eine schematische Perspektivansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der 1.
3 illustriert schematisch die Auslenkung eines Umlenkelements eine Scaneinheit durch eine Torsion von vier Stützelementen einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
4 ist eine schematische Perspektivansicht einer Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele, wobei die Spiegelfläche des entsprechenden Umlenkelements eine Ausbuchtung aufweist, in der mehrere Stützelemente angeordnet sind.
5 ist eine schematische Perspektivansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der 4.
6 ist eine schematische Aufsicht mit Schnittansicht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der 4 und 5.
7 illustriert schematisch eine Scaneinheit gemäß verschiedener Beispiele.
8 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele.
9 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele.
10 illustriert schematisch einen Scanner mit zwei Scaneinheiten gemäß verschiedener Beispiele.
11 illustriert schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele.
12 illustriert schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele.
13 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
14 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgend beschriebenen Techniken können zum Beispiel das 1-D oder 2-D Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann wiederholtes Aussenden des Lichts unter unterschiedlichen Abstrahlwinkeln bezeichnen. Dazu kann das Licht durch ein Umlenkelement eines Scanners einmal oder mehrfach umgelenkt werden.
Das Umlenkelement kann beispielsweise durch einen Spiegel ausgebildet sein. Das Umlenkelement könnte auch ein Prisma anstelle des Spiegels umfassen. Eine Spiegelfläche kann vorgesehen sein.
Das Scannen kann das wiederholte Abtasten von unterschiedlichen Punkten in der Umgebung mittels des Lichts bezeichnen. Dazu können sequentiell unterschiedliche Abstrahlwinkel implementiert werden. Die Abfolge von Abstrahlwinkeln kann durch eine Überlagerungsfigur festgelegt sein, wenn z.B. zwei Freiheitsgrade der Bewegung zeitlich - und optional örtlich - überlagert zum Scannen verwendet werden. Z.B. kann die Menge der unterschiedlichen Punkte in der Umgebung und/oder die Menge der unterschiedlichen Abstrahlwinkel einen Scanbereich festlegen. Größere Scanbereiche entsprechen dabei größeren Scanwinkeln. In verschiedenen Beispielen kann das Scannen von Licht durch die zeitliche Überlagerung und optional eine örtliche Überlagerung von zwei Bewegungen entsprechend unterschiedlicher Freiheitsgrade mindestens eines Stützelements erfolgen. Dann wird ein 2-D Scanbereich erhalten. Manchmal wird die Überlagerungsfigur auch als Lissajous-Figur bezeichnet. Die Überlagerungsfigur kann eine Abfolge, mit der unterschiedliche Abstrahlwinkel durch die elastische, reversible Bewegung mindestens eines Stützelements umgesetzt werden, beschreiben.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Beispielsweise kann eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden liegen. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen, z.B. insbesondere 1550 nm oder 950 nm. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen auf Laserlicht; die verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele können aber auch zum Scannen von Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden. RGB-Lichtquellen bezeichnen hierin im Allgemeinen Lichtquellen im sichtbaren Spektrum, wobei der Farbraum durch Überlagerung mehrerer unterschiedlicher Farben - beispielsweise rot, grün, blau oder cyan, magnta, gelb, schwarz - abgedeckt wird.
In verschiedenen Beispielen wird zum Scannen von Licht mindestens ein Stützelement verwendet werden, das eine form- und/oder materialinduzierte Elastizität aufweist. Deshalb könnte des mindestens eine Stützelement auch als Federelement oder elastische Aufhängung bezeichnet werden. Das Stützelement weist ein bewegliches Ende auf. Dann kann mindestens ein Freiheitsgrad der Bewegung des mindestens einen Stützelements angeregt werden, beispielsweise eine Torsion und/oder eine transversale Auslenkung. Dabei können unterschiedliche Ordnungen von Torsionsmoden und/oder Transversalmoden angeregt werden. Durch eine solche Anregung einer Bewegung kann ein Umlenkelement, das mit dem beweglichen Ende des mindestens einen Stützelemente verbunden ist, bewegt bzw. ausgelenkt werden.
Es wäre beispielsweise möglich, dass mehr als ein einzelnes Stützelement verwendet wird, z.B. zwei oder drei oder vier Stützelemente. Diese können optional symmetrisch in Bezug zueinander angeordnet sein.
Jedes des mindestens einen Stützelements kann zwischen dem beweglichen Ende und einem gegenüberliegenden Ende, an dem das jeweilige Stützelement mit einem Aktuator verbunden ist, gerade ausgebildet sein, d.h. in der Ruhelage keine oder keine signifikante Krümmung aufweisen.
Das mindestens eine Stützelement kann z.B. eine Länge zwischen den beiden Enden aufweisen, die z.B. im Bereich von 2 mm bis 15 mm liegt, beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 10 mm oder beispielsweise im Bereich von 5 mm bis 7 mm.
In manchen Beispielen wäre es möglich, dass das mindestens eine Stützelement mittels MEMS-Techniken hergestellt wird, d.h. mittels geeigneter Lithographie-Prozessschritte beispielsweise durch Ätzen aus einem Wafer hergestellt werden. Z.B. könnte reaktives Ionenstrahlätzen zur Freistellung aus dem Wafer verwendet werden. Es könnte ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer verwendet werden. Dadurch könnten z.B. die Ausmaße des mindestens einen Stützelements senkrecht zur Länge definiert werden, wenn der Isolator des SOI-Wafers als Ätzstopp verwendet wird.
Beispielsweise könnte das bewegliche Ende des mindesten seinen Stützelements in einer oder zwei Dimensionen - bei einer zeitlichen und örtlichen Überlagerung von zwei Freiheitsgraden der Bewegung - bewegt werden. Dazu können ein oder mehrere Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das bewegliche Ende gegenüber einer Fixierung des mindestens einen Stützelements verkippt wird; dies resultiert in einer Krümmung des mindestens einen Stützelements. Dies kann einem ersten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen; dieser kann als Transversalmode (oder manchmal auch als wiggle mode) bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass das bewegliche Ende entlang einer Längsachse des Stützelements verdreht wird (Torsionsmode). Dies kann einem zweiten Freiheitsgrad der Bewegung entsprechen. Durch das Bewegen des beweglichen Endes kann erreicht werden, dass das Umlenkelement ausgelenkt wird und damit Laserlicht unter verschiedenen Winkeln abgestrahlt wird. Dadurch kann ein Umfeld mit dem Laserlicht gescannt werden. Je nach Stärke der Bewegung des beweglichen Endes bzw. der Auslenkung des Umlenkelements können unterschiedlich große Scanbereiche implementiert werden.
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist es jeweils möglich, die Torsionsmode alternativ oder zusätzlich zur Transversalmode anzuregen, d.h. es wäre eine zeitliche und örtliche Überlagerung der Torsionsmode und der Transversalmode möglich. Diese zeitliche und örtliche Überlagerung kann aber auch unterdrückt werden. In anderen Beispielen könnten auch andere Freiheitsgrade der Bewegung implementiert werden.
Beispielsweise kann das Umlenkelement ein Prisma oder einen Spiegel umfassen. Beispielsweise könnte der Spiegel durch einen Wafer, etwa einen Silizium-Wafer, oder ein Glassubstrat implementiert sein. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 0,05 µm - 0,1 mm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke von 25 µm oder 50 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel eine Dicke im Bereich von 25 µm bis 75 µm aufweisen. Beispielsweise könnte der Spiegel quadratisch, rechtecksförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Spiegel einen Durchmesser von 3 mm bis 12 mm aufweisen oder insbesondere 8 mm. Der Spiegel weist eine Spiegelfläche auf. Die gegenüberliegende Rückseite kann strukturiert sein, z.B. mit Rippen oder anderen Versteifungsstrukturen.
Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker und Laser-Scanning-Mikroskope. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts zwischen dem Spiegel, dem Objekt und einem Detektor umfassen. Im Allgemeinen können solche Techniken zum Scannen von Licht in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Beispiele umfassen Endoskope und RGB-Projektoren und Drucker. In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR-Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen. Zum Beispiel kann die LIDAR-Technik Laufzeitmessungen des Laserlichts umfassen.
Im Zusammenhang mit einer LIDAR-Technik kann es möglich sein, die Scaneinheit sowohl zum Aussenden von Laserlicht, als auch zum Detektieren von Laserlicht zu verwenden. Dies bedeutet, dass die Detektorapertur auch über das Umlenkelement der Scaneinheit definiert sein kann. Solche Techniken werden manchmal als Ortsraumfilterung (engl. spatial filtering) bezeichnet: Durch die Ortsraumfilterung kann es möglich sein, ein besonders hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erlangen, weil selektiv Licht aus derjenigen Richtung eingesammelt wird, in die der Laserlicht auch ausgesendet wird. Dadurch wird vermieden, Hintergrundstrahlung aus anderen Bereichen, aus denen kein Signal erwartet wird, einzusammeln. Durch das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis können besonders große Reichweiten erreicht werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es oftmals erstrebenswert sein kann, vergleichsweise große Spiegel zu verwenden, um im Zusammenhang mit der Ortsraumfilterung eine große Detektorapertur zu verwenden und damit ein besonders großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Gleichzeit kann es aber erstrebenswert sein, auch einen besonders großen Scanwinkel zu implementieren - z.B. größer als ± 80°. Dies kann die Verwendung von abbildenden Optiken im ausgesendeten Strahlengang hinter der Scaneinheit (engl. post-scanner optics) entbehrlich machen, was das System einfach und kompakt gestaltet. Ferner liegt verschiedenen Beispielen die Erkenntnis zugrunde, dass es erstrebenswert sein kann, besonders einfach zu fertigende - insbesondere mit einem hohen Grad an Automatisierung, z.B. durch Waferstrukturierung mittels Lithographieprozessen - Scaneinheiten bereitzustellen.
Solche und weitere Problemstellungen werden durch die hierin beschriebenen Techniken gelöst.
1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 1 ist eine schematische Aufsicht auf die Scaneinheit 100. Die Scaneinheit 100 umfasst ein Umlenkelement 110 mit einer Spiegelfläche 111 (in der Darstellung der 1 liegt die Spiegelfläche 111 in der Zeichenebene, d.h. der XY-Ebene). Die Seiten 112, 113, 114, 115 der Spiegelfläche 111 sind in 1 auch dargestellt und bilden einen Umfang der Spiegelfläche 111.
Während die Spiegelfläche 111 in dem Beispiel der 1 rechtecksförmig ausgebildet ist, könnte die Spiegelfläche 111 in anderen Beispielen auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise Ellipsen-förmig oder kreisförmig.
Typische Seitenlängen 353 der Spiegelfläche 111 liegen im Bereich von 3 mm bis 15 mm, optional im Bereich von 5 mm bis 10 mm.
In dem Beispiel der 1 umfasst die Scaneinheit 100 auch zwei Stützelemente 121, 122. Die Stützelemente 121, 122 sind jeweils an einem beweglichen Ende 321 mit dem Umlenkelement 110 verbunden. An einem dem beweglichen Ende 321 gegenüberliegenden Ende 322 können die Stützelemente 121, 122 mit einem Aktuator verbunden werden, beispielsweise mit Biegepiezoaktuatoren (in 1 nicht dargestellt). An dem Ende 322 sind die Stützelemente 121, 122 - beispielsweise über den Aktuator - mit einer Fixstruktur 350 verbunden. Die Fixstruktur 350 definiert das Bezugskoordinatensystem gegenüber welchem eine Bewegung bzw. Auslenkung des Umlenkelements 110 durch elastische Verformung der Stützelemente 121, 122 zum Scannen von Licht möglich ist.
1 illustriert das Umlenkelement 110 in einer Ruhelage. Dies bedeutet, dass keine elastische Verformung der Stützelemente 121, 122 vorliegt. Zum Beispiel könnte der entsprechende Aktuator ausgeschaltet sein. Aus 1 ist ersichtlich, dass in der Ruhelage die Stützelemente 121, 122 gerade ausgebildet sind, zwischen den Enden 321 und 322. Entsprechende Zentralachsen 182, 183 der Stützelemente 121, 122 sind in 1 dargestellt. Die Länge 352 der Stützelemente 121, 122 entlang der Y-Achse ist typischerweise im Bereich von 3 mm - 15 mm. Die Breite der Stützelemente 121, 122 entlang der X-Achse liegt typischerweise im Bereich von 50 µm - 250 µm. Die Stützelemente 121, 122 können einen quadratischen Querschnitt aufweisen.
In 1 ist auch eine Torsionsachse 181 dargestellt. Durch Verdrillung und Drehung der Stützelemente 121, 122 entlang ihrer Zentralachse 182, 183 bzw. in Bezug auf die Torsionsachse 181 kann eine Auslenkung bzw. insbesondere eine Verkippung des Umlenkelements 110 und damit der Spiegelfläche 111 bewirken; die Drehachse entspricht der Torsionsachse 181 (in dem Beispiel der 1 würde die Spiegelfläche 111 links der Torsionsakte 181 in die Zeichenebene hinein und rechts der Torsionsachse 181 aus der Zeichenebene heraus gekippt werden). Dadurch kann es möglich sein, Laserlicht umzulenken.
In dem Beispiel der 1 ist ersichtlich, dass das Umlenkelement 110 entlang eines großen durchgängigen Umfangwinkels 380 von nahezu 360° freistehend gegenüber der Fixstruktur 350 ausgebildet ist. Im Allgemeinen könnte das Umlenkelement entlang eines durchgängigen Umfangwinkels 380 von mindestens 200° des Umfangs der Spiegelfläche 111 freistehend gegenüber der Fixstruktur 350 ausgebildet sein.
Dies bedeutet insbesondere, dass lediglich die Seite 114 des Umlenkelements 110 mit der Fixstruktur 350 gekoppelt ist, d. h. die übrigen Seiten 112, 113, 115 sind freistehend ausgebildet. An den übrigen Seiten 112, 113, 115 befindet sich keine Verbindung - beispielsweise über weitere elastische Stützelemente - mit der Fixstruktur 350. Die übrigen Seiten 112, 113, 115 sind frei gegenüber der Umgebung.
Durch eine solche Kopplung des Umlenkelements 110 mit der Fixstruktur 350 kann erreicht werden, dass besonders große Auslenkungen des Umlenkelements möglich werden. Dadurch können besonders große Scanbereiche erreicht werden. Beispielsweise können Scanwinkel von mindestens ±45°, optional mindestens ±80° ermöglicht werden, optional von mindestens ±120°, weiter optional von mindestens ±180°.
Die Spiegelfläche 111 könnte z.B. Seitenlängen 353 im Bereich von 3 mm - 15 mm aufweisen. Die Seitenlängen 353 können im Bereich von 20 % - 500 % der Länge der Stützelemente 352 liegen. Dadurch kann einerseits große Auslenkung des Umlenkelements 110 erzielt werden; gleichzeitig kann aber erreicht werden, dass die träge Masse des Umlenkelements 110 nicht unverhältnismäßig groß gegenüber der Elastizität der Stützelemente ist.
In dem Beispiel der 1 sind das Umlenkelement 110 und die Stützelemente 121, 122 einstückig ausgebildet. Z.B. wäre es möglich, dass die Stützelemente 121, 122 und das Umlenkelement 110 in einem gemeinsamen Lithographie-/Ätzprozess aus einem gemeinsamen Wafer freigestellt werden. Im Bereich des Übergangs zwischen dem Umlenkelement 110 und den Stützelementen 121, 122 liegt daher kein Materialübergang oder eine Materialinhomogenität vor; der entsprechende Bereich bzw. die übrigen Bereiche können insbesondere aus einem einkristallinem Wafer hergestellt sein.
Durch solche Techniken kann eine integrierte Fertigung erzielt werden. Außerdem kann die Toleranz gegenüber Verspannungen im Bereich des Übergangs vom Umlenkelement 110 zu den Stützelementen 121, 122 d.h. nahe des Endes 321 besonders groß sein. Dadurch können große Scanwinkel ohne Beschädigung des Materials ermöglicht werden.
Auch ein Endbereich 141 - der z.B. zum Eingriff mit einem Aktuator ausgebildet sein kann - ist einstückig mit den Stützelementen 121, 122 und dem Umlenkelement 110 ausgebildet.
In 1 sind die beiden Stützelemente parallel zueinander angeordnet. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Zentralachsen 182, 183 der Stützelemente 121, 122 einen Winkel miteinander einschließen, der nicht größer als 20° ist, optional nicht größer als 5°, weiter optional nicht größer als 1°. Durch eine solche Anordnung der beiden Stützelemente 121, 122 kann eine parallele Kinematik erzeugt werden, die große Scanwinkel ermöglicht. Die Verformung der beiden Stützelemente 121, 122 kann einander entsprechen.
Die parallele Kinematik wird ferner dadurch gefördert, dass der Abstand 351 zwischen den Zentralachsen 182, 183 im Bereich des beweglichen Endes 321 vergleichsweise klein ist. Beispielsweise könnte der Abstand 351 viel kleiner als die Länge 352 der Stützelemente sein und ferner auch viel kleiner als die Umfangslänge der Spiegelfläche 111. Z.B. wäre es möglich, dass dieser Abstand 351 nicht größer als 40 % der Umfangslänge (d.h. der Summe der Längen der Seiten 112-115) ist, optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %.
Neben der parallelen Kinematik durch die beiden Stützelemente 121, 122 kann durch das Verwenden von zwei Stützelementen auch die Robustheit gegenüber externem Schock gefördert werden. Dies bedeutet - dass trotz großer Scanwinkel - eine hohe Robustheit gegenüber Schock erzielt werden kann.
Um diese Robustheit weiter zu fördern und um nichtlineare Effekte aufgrund der anisotropen Geometrie zu verringern, können auch noch weitere Stützelemente 121, 122 vorgesehen sein. Ein entsprechendes Beispiel ist in 2 dargestellt.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 2 ist eine Perspektivansicht.
In dem Beispiel der 2 umfasst die Scaneinheit 100 insgesamt vier Stützelemente 121, 122, 131, 132. Die Stützelemente 121, 122 sind dabei in Z-Richtung, d.h. senkrecht zur Spiegelfläche 111, versetzt zu den Stützelementen 131, 132 angeordnet. Insbesondere sind die Stützelemente 131, 132 auch versetzt zur durch die Spiegelfläche 111 definierten Ebene. Die Stützelemente 131, 132 befinden sich in der Ruhelage in z-Richtung versetzt zum Umlenkelement 110. Die Stützelemente 131, 132 sind über ein Schnittstellenelement 142 mit der Rückseite dem Umlenkelement 110 verbunden und sind daher auch eingerichtet, um das Umlenkelement elastisch mit der Fixstruktur 350 zu koppeln.
Dabei sind die verschiedenen Stützelemente 121, 122, 131, 132 bzw. deren Zentralachsen (in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) allesamt parallel zueinander. Im Allgemeinen könnten die Zentralachsen der Stützelemente 121, 122, 131, 132 aber auch vergleichsweise kleine Winkel miteinander einschließen, z.B. Winkel, die im Ruhezustand nicht größer als 10° oder nicht größer als 5° sind. Dadurch wird die parallele Kinematik der Stützelemente 121, 122, 131, 132 gefördert.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Ebene, in der die Stützelemente 121, 122 angeordnet sind, versetzt gegenüber der Ebene, in der die Stützelemente 131, 132 angeordnet sind, ist. Diese beiden Ebenen sind in dem in 2 dargestellten Beispiel parallel zueinander, könnten aber im Allgemeinen einen Winkel von nicht größer als 5° miteinander einschließen, optional von nicht größer als 1°. Durch die im wesentlichen parallele Anordnung der XY-Ebenen kann die parallele Kinematik der Stützelemente 121, 122, 131, 132 gefördert werden.
In dem Beispiel der 2 sind die Stützelemente 121, 122, der Endbereich 141-1, sowie das Umlenkelement 110 mit der Spiegelfläche 111 einstückig ausgebildet, d.h. z.B. aus demselben Wafer freigestellt, sodass Kleben etc. entbehrlich wird.
Die Stützelemente 131, 132, der Endbereich 141-2, sowie ein Schnittstellenelement 142 sind auch einstückig ausgebildet. Das kombinierte, einstückige Teil 131, 132, 141-2, 142 wird an Kontaktflächen 160 mit dem kombinierten, einstückigen Teil 141-1, 121, 122, 110 verbunden, z.B. mittels Kleber, Wafer-Bonding, anodischem Bonden, Fusionsbonden, Direkt-Bonden, eutektisches Bonden, Thermokompression-Bonden, adhäsives Bonden, etc.. Das Bonden könnten z.B. zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu welchem die Teile 131, 132, 141-2, 142 sowie 141-1, 121, 122, 110 noch nicht vom entsprechenden Wafer freigestellt sind; d.h. es könnten zwei Wafer, welche jeweils eines der beiden Teile z.B. in einem Array tragen, in Kontakt miteinander gebracht werden, um das Bonden durchzuführen. Erst anschließend können die Strukturen freigestellt werden. Durch eine solche zweiteilige Fertigung kann die Scaneinheit 100 besonders einfach und robust hergestellt werden. Gleichzeitig kann durch die 3-D Strukturierung in X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung eine hohe Robustheit gegenüber Schock, hohe Resonanzfrequenzen und große Scanwinkel erzeugt werden.
Aus 2 ist ersichtlich, dass eine Dicke der Stützelemente 121, 122, 131, 132 senkrecht zur Spiegelfläche 111 - d.h. in Z-Richtung - jeweils kleiner ist als eine Dicke des Umlenkelements 110 in z-Richtung. Dies kann eine hohe Elastizität der Stützelemente 121, 122, 131, 132 fördern - während gleichzeitig eine Verformung der Spiegelfläche 111 bei Bewegung reduziert wird. Die Dicke der Stützelemente 121, 122, 131, 132 in z-Richtung kann durch einen geeigneten Ätzstopp beim Ätzprozess zum Freistellen aus dem Wafer definiert sein. Z.B. kann eine Isolatorschicht in einem SOI-Wafer als Ätzstopp verwendet werden.
Das Umlenkelement könnte eine Rückseitenstrukturierung aufweisen, d.h. auf der der Spiegelfläche 111 gegenüberliegenden Rückseite z.B. Lamellen oder Rippenstruktur aufweisen (in 2 nicht dargestellt). Dies reduziert die träge Masse des Umlenkelements 110 und erhöht damit die Resonanzfrequenz; andererseits wird eine Verformung der Spiegelfläche 111 bei Bewegung vermieden.
3 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Torsionsmode 501, mit welcher eine Auslenkung des Umlenkelements 110 ermöglicht wird. In dem Beispiel der 3 sind Stützelemente 121, 122 sowie 131, 132 vorgesehen, entsprechend dem Beispiel der 2 (dabei ist in 3 der Ruhezustand mit der durchgezogenen Linie dargestellt und der ausgelenkte Zustand mit der gestrichelten Linie). Die Stützelemente 121, 122, 131, 132 sind symmetrisch in Bezug auf die Torsionsachse 181 angeordnet; deshalb werden nichtlineare Effekte vermieden. Dadurch werden große Auslenkungen 502 möglich, z.B. von bis zu 180°. Dies ermöglicht große Scanwinkel.
4 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 4 ist eine Perspektivansicht.
Während in dem Beispiel der 4 vier Stützelemente 121, 122, 131, 132 vorhanden sind, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass eine geringere oder größere Anzahl von Stützelementen vorhanden ist.
Das Beispiel der 4 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 2. In dem Beispiel der 4 weist die Umlenkeinheit 110 und insbesondere die Spiegelfläche 111 jedoch eine Einbuchtung 119 auf. Die Stützelemente 121, 122 erstrecken sich teilweise in der Einbuchtung 119. Die Stützelemente 131, 132 verlaufen unterhalb der Einbuchtung 119. Beispielsweise wäre es möglich, dass sich die Stützelemente 121, 122 im Allgemeinen entlang mindestens 40 % ihrer Länge 352 in der Einbuchtung 119 erstrecken, weiter optional entlang mindestens 60 % ihrer Länge, weiter optional entlang mindestens 80 % ihrer Länge.
Durch die reine Torsion 501 um die Torsionsachse 181 wird eine Kollision zwischen den Stützelementen 121, 122, 131, 132 und den Innenseiten der Einbuchtung 119 vermieden (vergleiche 3).
In dem Szenario der 4 ist die Tiefe 355 der Einbuchtung 119 derart dimensioniert, dass sich die Einbuchtung 119 ausgehend von der Seite 114 hin zu einem Zentrum der Spiegelfläche 111 und auch über das Zentrum der Spiegelfläche 111 hinaus hin zu der Seite 113 erstreckt. Derart kann ein besonders kompakter Aufbau der Scaneinheit 100 ermöglicht werden. Im Allgemeinen wäre es möglich, dass die Einbuchtung 119 eine Tiefe 355 aufweist, die nicht kleiner als 20 % der entsprechenden Seitenlängen der Seiten 112, 115, zu denen die Einbuchtung 119 parallel verläuft, ist, optional nicht kleiner als 50 %, weiter optional nicht kleiner als 70 %. Bei einer runden Spiegelfläche, kann die Tiefe 355 der Einbuchtung 119 nicht kleiner als 20 % (oder optional 50 % oder weiter optional 70 %) eines Durchmessers der Spiegelfläche 111 sein.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 5 ist eine Perspektivansicht. Die Scaneinheit 100 gemäß dem Beispiel der 5 entspricht der Scaneinheit gemäß dem Beispiel der 4. In 5 ist eine rückwärtige Perspektivansicht dargestellt.
In 5 ist insbesondere die Rückseite 116 des Umlenkelements 110 dargestellt. Aus 5 ist ersichtlich, dass das Umlenkelement 110 eine Rückseiten-Strukturierung aufweist. Insbesondere sind auf der Rückseite 116 Rippen vorgesehen. Die Rippen erhöhen die Steifigkeit des Umlenkelements 110 und vermeiden damit eine Verformung der Spiegelfläche 111 bei Bewegung. Andererseits wird durch das Vorsehen der Rückseiten-Strukturierung die träge Masse des Umlenkelements 110 verringert, sodass die Resonanzfrequenz der Torsionsmode 501 vergleichsweise groß ist. Dies kann hohe Scanfrequenzen und damit ultimativ hohe Bildwiederholfrequenzen einer LIDAR-Messung ermöglichen.
In 5 ist auch die Einbuchtung 119 dargestellt.
6 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 6 ist eine Aufsicht (links in 6), sowie eine Schnittansicht entlang der Achse A - A (rechts in 6). Die Scaneinheit 100 gemäß dem Beispiel der 6 entspricht der Scaneinheit 100 gemäß den Beispielen der 4 und 5.
Insbesondere ist in der Schnittansicht ersichtlich, dass das Stützelement 121 einstückig mit dem Umlenkelement 110 ausgebildet ist; während das Stützelement 131 nicht einstückig mit dem Umlenkelement 110 ausgebildet ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass das Stützelement 121 und das Stützelement 131 nicht aus demselben Wafer hergestellt sind, sondern z.B. aneinander geklebt sind oder durch einen Wafer-Bonding-Prozess miteinander verbunden sind. In 6 sind die Kontaktflächen 160 dargestellt.
7 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Scaneinheit 100 gemäß verschiedener Beispiele. 7 ist eine schematische Ansicht.
Insbesondere illustriert 7 Aspekte in Bezug auf die Fixstruktur 350, die einen Freiraum 351 definiert, in dem sich das Umlenkelement 111 bei Auslenkung 502 - z.B. durch Anregung der Torsion 501 mittels eines geeigneten Aktuators - bewegen kann. In dem Beispiel der 7 ist das Umlenkelement 110 im Ruhezustand (durchgezogene Linie in 7) sowie im ausgelenkten Zustand (gestrichelte Linie in 7) dargestellt. Aus 7 ist ersichtlich, dass der Freiraum 351 ausgebildet ist, um vergleichsweise große Auslenkungen 502 des Umlenkelements 110 zu ermöglichen. Dadurch können große Umlenkwinkel 510 von Licht 361 ermöglicht werden. Beispielsweise könnte der Freiraum 351 ausgebildet sein, um eine Auslenkung des Umlenkelements 110 von mindestens ±45° zu ermöglichen, optional mindestens ± 80° zu ermöglichen, weiter optional von mindestens ± 120°, weiter optional von mindestens ± 180°. Dies kann insbesondere bei Seitenlängen 353 im Bereich von 3 mm - 15 mm möglich sein.
Ein derart großer Freiraum 351 wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Fixstruktur 350 nicht einstückig mit dem Umlenkelement 110 ausgebildet ist. Insbesondere bildet die Fixstruktur 350 keinen integriert gefertigten Rahmen, wie es z.B. im Zusammenhang mit konventionellen MEMS-Techniken der Fall ist. Deshalb ist es in den hierin beschriebenen Techniken nicht notwendig, den Freiraum 351 in einem Wafer beispielsweise durch Ätzprozesse freizustellen; vielmehr kann der Freiraum 351 durch geeignete Dimensionierung eines durch die Fixstruktur 350 definierten Gehäuses ausgebildet werden.
7 illustriert auch Aspekte in Bezug auf das Umlenken von Licht. In dem Beispiel der 7 trifft das Licht 361 in der Ruhelage des Umlenkelements 110 senkrecht auf die Spiegelfläche 111 auf. Dies bedeutet, dass das Licht 361 von einer Lichtquelle 360 - beispielsweise einem Laser - zur Spiegelfläche 111 entlang eines Strahlengangs propagiert, der an der Z-Richtung ausgerichtet ist. Es wären aber auch gleitende Einfallswinkel möglich, d.h. Strahlengänge, die gegenüber der Z-Richtung verkippt sind.
In 7 ist der entsprechende Umlenkwinkel 510 dargestellt, der aufgrund der Auslenkung 502 der Spiegelfläche 111 erzielt wird (in 7 ist die Spiegelfläche in der Ruhelage senkrecht zur Zeichenebene und wird mit zunehmender Auslenkung 502 in die Zeichenebene hinein gedreht).
8 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Scanner 90. Der Scanner 90 umfasst eine erste Scaneinheit 100-1 sowie eine zweite Scaneinheit 100-2. Die beiden Scaneinheiten 100-1, 100-2 können gemäß den voranstehend diskutierten Beispielen ausgebildet sein (in 8 sind die Scaneinheiten 100-1, 100-2 lediglich schematisch dargestellt). Aus 8 ist ersichtlich, dass das Laserlicht 361 ausgehend von der Laserlichtquelle 360 zunächst durch die Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-1 umgelenkt wird und anschließend durch die Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-2 umgelenkt wird. Dadurch kann eine 2-D überlagerte Umlenkung des Laserlichts 361 erfolgen, sodass das Laserlicht 361 2-D gescannt werden kann. Eine entsprechende Überlagerungsfigur wird erhalten, die den Scanbereich definiert.
In 8 ist auch der kürzeste Abstand 380 zwischen dem Umfang der Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-1 sowie dem Umfang der Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-2 dargestellt. Die Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-1 ist in dem Beispiel der 8 um 45° gegenüber der Spiegelfläche 111 der Scaneinheit 100-2 verkippt. Durch eine solche Anordnung kann ein vergleichsweise kurzer Abstand 380 erzielt werden; dadurch kann eine hohe Integration des Scanners 90 ermöglicht werden. Der Abstand 380 muss groß genug dimensioniert werden, so dass bei Auslenkung 501 der Umlenkelemente 110 keine Kollision stattfindet.
9 und 10 illustrieren auch Aspekte in Bezug auf einen Scanner 90. In den Beispielen der 9 und 10 kann der Abstand 380 zwischen den Umfängen der Spiegelflächen 111 der beiden Scaneinheiten 100-1, 100-2 gegenüber dem Beispiel der 8 weiter verringert werden. In den Beispielen der 9 und 10 wird dies durch den gleitenden Einfallswinkel des Lichts 361 ermöglicht.
In dem Beispiel der 9 weisen die durch die Spiegelflächen 111 der Scaneinheiten 100-1, 100-2 definierten Ebenen einen Winkel von 90° zueinander auf. In dem Beispiel der 10 weisen die durch die Spiegelflächen 111 der Scaneinheiten 100-1, 100-2 definierten Ebenen einen Winkel von 0° zueinander auf, das heißt sind aneinander ausgerichtet. Im Allgemeinen könnten diese Ebenen auch leicht verkippt sein, d.h. z.B. einen Winkel aufweisen, der nicht größer als 5° ist. In dem Beispiel der 10 wird dazu ein weiteres Umlenkelement 220 mit einer weiteren Spiegelfläche (in der Ansicht der 10 verdeckt und den Spiegelflächen 111 der Scaneinheiten 100-1, 100-2 zugewendet) verwendet. Das Umlenkelement 220 wird nicht zusammen mit den Umlenkelementen 110 der Scaneinheiten 100-1, 100-2 ausgelenkt, d.h. ist ortsfest in Bezug auf die Fixstruktur 350. Die Spiegelfläche des Umlenkelements 220 ist parallel zu den Spiegelflächen 111 der Scaneinheiten 100-1, 100-2, könnte im Allgemeinen aber einen kleinen Winkel von z.B. nicht mehr als 5° mit den Spiegelflächen 111 einschließen.
In den 8 - 10 können die Umfänge der Spiegelflächen 111 der beiden Scaneinheiten 100-1, 100-2 im Allgemeinen einen Abstand 380 zueinander aufweisen, der kleiner als 25 % der Umfangslänge des Umfangs der Spiegelflächen 111 ist, optional kleiner als 10 %, weiter optional kleiner als 2 %. Solche kurzen Abstände 380 können eine kleine Dimensionierung des Scanners 90 und damit einen flexiblen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsgebieten ermöglichen. Typischerweise können mittels der Implementierung gemäß 10 die kürzesten Abstände 380 erzielt werden.
11 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst einen Scanner 90, der beispielsweise gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Implementierungen ausgebildet sein kann. Der Scanner 90 kann eine oder zwei oder mehr Scaneinheiten umfassen (in 11 nicht dargestellt).
Das LIDAR-System 80 umfasst auch eine Lichtquelle 360. Beispielsweise könnte die Lichtquelle 360 als Laserdiode ausgebildet sein, die gepulstes Laserlicht 361 im Infrarotbereich mit einer Pulslänge im Bereich von Nanosekunden aussendet.
Das Licht 361 der Lichtquelle 360 kann dann auf einer oder mehreren Spiegelflächen 111 des Scanners 90 auftreffen. Je nach Orientierung des Umlenkelement (s) wird das Licht 361 unter unterschiedlichen Winkeln 510 umgelenkt. Das von der Lichtquelle 361 ausgesendete Licht wird oftmals auch als Primärlicht bezeichnet. Dadurch werden unterschiedliche Scanwinkel implementiert.
Das Primärlicht kann dann ein Umfeldobjekt des LIDAR-Systems 80 treffen. Dass derart reflektierte Primärlicht wird als Sekundärlicht bezeichnet. Das Sekundärlicht kann von einem Detektor 82 des LIDAR-Systems 80 detektiert werden. Basierend auf einer Laufzeit - die als Zeitversatz zwischen dem Aussenden des Primärlicht durch die Lichtquelle 81 und dem Detektieren des Sekundärlichts durch den Detektor 82 bestimmt werden kann - , kann mittels einer Steuerung 4001 ein Abstand zwischen der Lichtquelle 361 bzw. dem Detektor 82 und dem Umfeldobjekt bestimmt werden.
In manchen Beispielen kann die Emitterapertur gleich der Detektorapertur sein. Dies bedeutet, dass derselbe Scanner 90 dazu verwendet werden kann, um die Detektorapertur zu scannen. Beispielsweise können dieselben Umlenkelemente verwendet werden, um Primärlicht auszusenden und Sekundärlicht zu detektieren. Dann kann ein Strahlteiler vorgesehen sein, um Primär- und Sekundärlicht zu trennen. Solche Techniken können es ermöglichen, eine besonders hohe Sensitivität zu erzielen. Dies ist der Fall, da die Detektorapertur auf die Richtung ausgerichtet und begrenzt werden kann, aus welcher das Sekundärlicht eintrifft. Umgebungslicht wird durch die Ortsraumfilterung reduziert, weil die Detektorapertur kleiner dimensioniert werden kann.
Außerdem kann zusätzlich zu dieser Abstandsmessung auch eine laterale Position des Umfeldobjekts bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuerung 4001. Dies kann durch Überwachung der Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente des Scanners 90 erfolgen. Dabei kann die Position bzw. Orientierung des einen oder der mehreren Umlenkelemente im Moment des Auftreffens des Lichts 361 einem Umlenkwinkel 510 entsprechen; daraus kann auf die laterale Position des Umfeldobjekts zurückgeschlossen werden.
12 illustriert Aspekte in Bezug auf ein LIDAR-System 80. Das LIDAR-System 80 umfasst eine Steuerung 4001, die beispielsweise als Mikroprozessor oder applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) implementiert werden könnte. Die Steuerung 4001 könnte auch als feldprogrammierbares Array (FPGA) implementiert werden. Die Steuerung 4001 ist eingerichtet, um Steuersignale an einen Treiber 4002 auszugeben. Beispielsweise könnten die Steuersignale in digitaler oder analoger Form ausgegeben werden.
Der Treiber 4002 ist wiederum eingerichtet, um ein oder mehrere Spannungssignalen zu erzeugen, und diese an entsprechende elektrische Kontakte der ein oder mehrerer Aktuatoren zum Antreiben einer resonanten Bewegung der Stützelemente auszugeben. Typische Amplituden der Spannungssignalen liegen im Bereich von 50 V bis 250 V. Beispiele für Aktuatoren umfassen Magnete, interdigitale elektrostatische Kammstrukturen, und Biegepiezoaktuatoren.
Die Aktuatoren 310, 320 sind wiederum mit dem Scanner 90 gekoppelt. Dadurch werden ein oder mehrere Umlenkelemente des Scanners 90 ausgelenkt. Dadurch kann der Umfeldbereich des Scanners 90 mit Licht 361 gescannt werden.
In 12 ist ferner dargestellt, dass eine Kopplung zwischen der Steuerung 4001 und einem Sensor 662 vorhanden ist. Der Sensor ist eingerichtet, um die Auslenkung des Umlenkelements oder der Umlenkelemente zu überwachen. Die Steuerung 4001 kann eingerichtet sein, um den oder die Aktuatoren 310, 320 basierend auf dem Signal des Sensors 662 anzusteuern. Durch solche Techniken kann eine Überwachung der Auslenkung 501 durch die Steuerung 4001 erfolgen. Falls benötigt kann die Steuerung 4001 die Ansteuerung des Treibers 4002 anpassen, um Abweichungen zwischen einer gewünschten Auslenkung und einer beobachteten Auslenkung zu reduzieren.
Beispielsweise wäre es möglich, dass eine Regelschleife (engl. closed-loop control) implementiert wird. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Soll-Amplitude der Bewegung als Führungsgröße umfassen. Beispielsweise könnte die Regelschleife die Ist-Amplitude der Bewegung als Regelgröße umfassen. Dabei könnte die Ist-Amplitude der Bewegung basierend auf dem Signal des Sensors 662 bestimmt werden.
13 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zum Beispiel könnte das Verfahren gemäß 13 von der Steuerung 4001 des LIDAR-Systems 80 ausgeführt werden.
In Block 5001 wird mindestens ein Aktuator angesteuert, um mindestens ein Stützelement, dass sich in einer durch eine Spiegelfläche eines Umlenkelements definierten Ebene erstreckt, gegenüber einer Fixstruktur resonant auszulenken. Beispielsweise könnte eine Torsion angeregt werden, z.B. resonant.
Dabei ist das Umlenkelements entlang eines durchgängigen Umfangwinkels von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche freistehend gegenüber der Fixstruktur ausgebildet.
14 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. 14 illustriert Aspekte in Bezug auf die Herstellung einer Scaneinheit. Beispielsweise könnte gemäß dem Verfahren der 14 eine Scaneinheit hergestellt werden, wie sie im Zusammenhang mit den hierin gezeigten FIGs. beschrieben wurde.
Zunächst wird in Block 5011 in einem ersten Ätzprozess ein erster Wafer bearbeitet. In dem ersten Ätzprozess wird ein Umlenkelement und mindestens ein Stützelement in dem ersten Wafer erzeugt. Das mindestens eine Stützelement erstreckt sich weg von dem Umlenkelement. Beispielsweise könnte sich das mindestens eine Stützelement weg von einem Umfang des Umlenkelements erstrecken. Zum Beispiel könnte sich das mindestens eine Stützelement in einer Ebene mit dem Umlenkelement erstrecken; zum Beispiel könnte sich das mindestens eine Stützelement in einer durch eine Spiegelfläche des Umlenkelements definierten Ebene erstrecken (wobei eine Verspiegelung der Spiegelfläche, zum Beispiel durch Abscheiden von Gold oder Aluminium, erst nachfolgend geschehen kann).
Dann wird in Block 5012 in einem zweiten Ätzprozess ein zweiter Wafer bearbeitet. In dem zweiten Ätzprozess wird mindestens ein weiteres Stützelement in dem zweiten Wafer erzeugt. Das mindestens eine weitere Stützelement kann komplementär zu dem Stützelement in dem ersten Wafer ausgebildet sein. Entsprechende Techniken sind zum Beispiel voranstehend in Bezug auf 4-6 beschrieben.
Dann erfolgt in Block 5013 das Bonden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer. Zum Beispiel können im Zusammenhang mit dem mindestens einen Stützelement aus Block 5011 und dem mindestens einen weiteren Stützelement aus Block 5012 geeignete Kontaktflächen an den Enden der Stützelemente definiert werden, die das Bonden ermöglichen (vgl. 6: 141-1 mit 141-2, sowie 142 mit 119). Zum Beispiel wäre anodisches Bonden etc. möglich.
Dann erfolgt in dem Beispiel der 14 in Block 5014 das Freistellen der derart definierten Scaneinheit. In anderen Beispielen könnte das Freistellen auch vor Block 5013 erfolgen.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken dargestellt, bei denen ein oder mehrere Stützelemente auf einer Seite einer Spiegelfläche angebracht werden. Dadurch wird eine parallele Kinematik bei der elastischen Aktuierung des entsprechenden Umlenkelements gefördert. Werden ein oder mehrere Stützelemente nur auf einer Seite der Spiegelfläche angebracht, nimmt zwar einerseits der Flächenverbrauch der Struktur auf dem Wafer zu. Durch die einseitige Aufhängung kann das Umlenkelement jedoch im Scanner an nur einer Seite montiert werden und benötigt keinen steifen Halterahmen. Dadurch kann das Umlenkelement frei aufgehängt werden, was die Aufhängung vereinfacht und große Bewegungen zulässt.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise wurden voranstehend Techniken beschrieben, bei denen mehrere Stützelemente verwendet werden. In manchen Beispielen könnte aber auch nur ein einzelnes Stützelement verwendet werden.
Weiterhin wurden voranstehenden verschiedene Techniken in Bezug auf die Bewegung von Scaneinheiten im Zusammenhang mit LIDAR-Messungen beschrieben. Entsprechende Techniken können aber auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. für Projektoren oder Laser-Scanning-Mikroskope, etc.

Claims

Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) zum Scannen von Licht (361), die umfasst: - ein Umlenkelement (110) mit einer Spiegelfläche (111), und - mindestens ein Stützelement (121, 122), das sich weg von einem Umfang der Spiegelfläche (111) in einer Ebene erstreckt und das eingerichtet ist, um das Umlenkelement (110) elastisch mit einer Fixstruktur (350) zu koppeln, - mindestens ein weiteres Stützelement (131, 132), das über ein Schnittstellenelement mit einer Rückseite des Umlenkelements verbunden ist, wobei sich das mindestens eine weitere Stützelement in einer weiteren Ebene erstreckt, wobei die weitere Ebene versetzt und parallel zu der durch das mindestens eine Stützelement (121, 122) definierten Ebene ist, wobei das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) eingerichtet ist, um das Umlenkelement (110) elastisch mit der Fixstruktur (350) zu koppeln, wobei das Umlenkelement (110) entlang eines durchgängigen Umfangwinkels (380) von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (111) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet ist, wobei die Ebene und die weitere Ebene parallel zur Spiegelfläche sind.
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Stützelement (121, 122) ein erstes Stützelement (121,131) und ein zweites Stützelement (122, 132) umfasst, und wobei die Zentralachse (182) des ersten Stützelements (121, 131) und die Zentralachse (183) des zweiten Stützelements (122, 132) im Ruhezustand einen Winkel miteinander einschließen, der nicht größer als 20° ist, optional nicht größer als 5°, weiter optional nicht größer als 1° ist, und/oder wobei ein an das Umlenkelement (110) angrenzendes Ende (321) des ersten Stützelements (121, 131) und ein an das Umlenkelement (110) angrenzendes Ende (321) des zweiten Stützelements (122, 132) einen Abstand (351) zueinander aufweisen, der nicht größer als 40 % der Länge des Umfangs der Spiegelfläche (111) sind, optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %.
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) ein weiteres erstes Stützelement (131) und ein weiteres zweites Stützelement (132) umfasst, wobei das erste Stützelement (121) und das erste weitere Stützelement (131) in einer ersten Ebene liegen, wobei das zweite Stützelement (122) und das weitere zweite Stützelement (132) in einer zweiten Ebene liegen, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene einen Winkel von nicht größer als 5° miteinander einschließen, optional von nicht größer 1°.
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das Umlenkelement (110) einstückig ausgebildet sind, wobei das mindestens eine Stützelement (121, 122) und das mindestens eine weitere Stützelement (131, 132) nicht einstückig ausgebildet sind.
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Spiegelfläche (111) eine Einbuchtung (119) aufweist, wobei sich das mindestens eine Stützelement (121, 122) zumindest teilweise in der Einbuchtung (119) erstreckt, wobei sich das mindestens eine Stützelement (121, 122) optional entlang mindestens 40 % seiner Länge (352) in der Einbuchtung (119) erstreckt, weiter optional entlang mindestens 60 % seiner Länge (352), weiter optional entlang mindestens 80 % seiner Länge (352).
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst: - die Fixstruktur (350), die einen Freiraum (351) definiert, in welcher das Umlenkelement (110) angeordnet ist, wobei der Freiraum (351) ausgebildet ist, um eine Auslenkung (502) des Umlenkelements durch Torsion (501) des mindestens einen Stützelements (121, 122) von mindestens ± 45° zu ermöglichen, optional von mindestens ± 80°, weiter optional von mindestens ± 180°.
Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) nach einem der voranstehenden Seiten wobei der Umfang der Spiegeloberfläche (111) mehrere Seiten (112-115) aufweist, wobei nur eine der mehreren Seiten (114) mit der Fixstruktur (350) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Scaneinheit (100, 100-1, 100-2) zum Scannen von Licht (361), wobei das Verfahren umfasst: - Ansteuern mindestens eines Aktuators, um mindestens ein Stützelement, das sich in einer durch eine Spiegelfläche (111) eines Umlenkelements (110) definierten Ebene erstreckt, sowie mindestens ein weiteres Stützelement (131, 132), das sich in einer weiteren Ebene erstreckt, gegenüber einer Fixstruktur (350) resonant auszulenken, wobei die weitere Ebene versetzt und parallel zu der Ebene ist, wobei das Umlenkelement (110) entlang eines durchgängigen Umfangwinkels (380) von mindestens 200° eines Umfangs der Spiegelfläche (111) freistehend gegenüber der Fixstruktur (350) ausgebildet ist, wobei die Ebene und die weitere Ebene parallel zur Spiegelfläche sind, wobei das mindestens eine weitere Stützelement über ein Schnittstellenelement mit einer Rückseite des Umlenkelements (110) verbunden ist.