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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Patentanmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen
US-Patentanmeldung 61/675,828 , eingereicht am 26. Juli 2012 und der vorläufigen
US-Patentanmeldung 61/835,655 , eingereicht am 17. Juni 2013. Diese Patentanmeldung ist auch verwandt mit der
US-Patentanmeldung 13/766,801 , eingereicht am 14. Februar 2013, der
US-Patentanmeldung 13/798,251 , eingereicht am 13. März 2013.
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Gebiet der Erfindung
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Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich generell auf optisches Scannen.
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Hintergrund
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Verschiedene Verfahren sind im Stand der Technik bekannt zum optischen 3D-Abbilden, d.h. generieren eines 3D-Profils auf der Oberfläche eines Gegenstands durch Verarbeitung eines optischen Bildes des Gegenstands. Diese Art von 3D-Profil wird auch bezeichnet als eine 3D-Abbildung, Tiefenabbildung oder ein Tiefenbild und 3D-Abbilden wird auch bezeichnet als Tiefenabbilden.
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PCT-Patentanmeldung
WO 2012 / 020 380 A1 , welche dem Rechtsnachfolger der gegenwärtigen Patentanmeldung zugewiesen ist, beschreibt eine Vorrichtung zum Abbilden, welche ein Beleuchtungsmodul beinhaltet. Dieses Modul beinhaltet eine Strahlungsquelle, welche konfiguriert ist, um einen Strahl der Strahlung abzugeben und einen Scanner, welcher konfiguriert ist zum Empfangen und Scannen des Strahls über einen ausgewählten Winkelbereich. Beleuchtungsoptiken sind konfiguriert zum Projizieren des gescannten Strahls, um ein Fleckenmuster zu erzeugen, welches sich über eine Region von Interesse ausdehnt. Ein Abbildungsmodul ist konfiguriert zum Aufnehmen eines Bildes des Musters, welches auf einen Gegenstand in der Region von Interesse projiziert ist. Ein Prozess ist eingerichtet zum Verarbeiten des Bildes, um eine dreidimensionale (3D) Abbildung des Objektes zu erstellen.
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US -Patentanmeldungsveröffentlichung
US 2011/0279648 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erstellen einer 3D-Darstellung eines Gegenstands, welches das Aufnehmen mit einer Kamera eines 2D-Bildes des Gegenstandes umfasst. Das Verfahren umfasst ferner ein Scannen eines modulierten Beleuchtungsstrahls über den zu beleuchtenden Gegenstand, jeweils einzeln, eine Vielzahl von Zielregionen des Gegenstandes und Messen eines Modulationsaspekts von Licht von dem Beleuchtungsstrahl der von jeder der Zielregionen reflektiert wird. Ein beweglicher Spiegelstrahlscanner wird verwendet zum Scannen des Beleuchtungsstrahls und ein Fotodetektor wird verwendet zum Messen des Modulationsaspekts. Das Verfahren umfasst ferner Berechnen eines Tiefenaspekts basierend auf dem Modulationsaspekt, der für jedes der Zielregionen gemessen wurde und Zuweisen des Tiefenaspekts zu einem entsprechenden Pixel des 2D-Bildes.
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US-Patent
US 8018579 B1 beschreibt eine dreidimensionale Abbildung und Anzeigesystem, in welchem Benutzereingaben in einem Abbildungsvolumen optisch detektiert werden durch Messen der Pfadlänge eines amplitudenmodulierten Scanstrahls als eine Funktion der Phasenverschiebung davon. Eine visuelle Bildbenutzerrückmeldung, die die detektierte Benutzereingabe betrifft, wird dargestellt.
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US-Patent
US 7952781 B2 beschreibt ein Verfahren zum Scannen eines Lichtstrahls und ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), welches in eine Scanvorrichtung einbezogen werden kann. In einer offenbarten Ausführungsform ist ein Rotoraufbau, der zumindest einen Mikrospiegel aufweist, gebildet mit einem Permanentmagnetmaterial, welches darauf montiert ist, und ein Statoraufbau weist eine Anordnung von Spulen auf zum Anlegen eines vorbestimmten Moments auf den zumindest einen Mikrospiegel.
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Weiterer MEMS-Spiegelaufbau mit Magnetantrieben werden zum Beispiel beschrieben in den US-Patentanmeldungsveröffentlichungen
US 2005/0078345 A1 ,
US 2008/0143196 A1 ,
US 2009/0284817 A1 und
US 2010/0046054 A1 .
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Zusammenfassung
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Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, die nachfolgend beschrieben sind, stellen optische Scanner mit verbesserter Leistung und verbesserten Fähigkeiten bereit.
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Deshalb wird in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die einen Statoraufbau beinhaltet, welcher einen Kern beinhaltet, der einen Luftspalt und eine oder mehrere Spulen enthält, die leitende Drähte beinhalten, die um den Kern gewickelt sind, um den Kern dazu zu veranlassen, einen Magnetkreis durch den Luftspalt zu bilden in Reaktion auf einen elektrischen Strom, der in dem leitenden Draht fließt. Ein Scanspiegelaufbau beinhaltet eine Trägerstruktur, eine Basis, welche montiert ist zum Rotieren um eine erste Achse relativ zu der Trägerstruktur und einen Spiegel, welcher montiert ist zum Rotieren um eine zweite Achse relativ zu der Basis. Zumindest ein Rotor beinhaltet einen oder mehrere Permanentmagnete, welche an dem Scanspiegelaufbau fixiert sind und welche in dem Luftspalt positioniert sind, um sich in Reaktion zu dem Magnetkreis zu bewegen. Ein Antrieb ist gekoppelt zum Generieren des elektrischen Stroms in der einen oder den mehreren Spulen in einer oder mehreren Frequenzen, die so ausgewählt sind, dass die Bewegung des zumindest einen Rotors, in Reaktion auf den Magnetkreis, die Basis veranlasst, um die erste Achse in einer ersten Frequenz zu rotieren, während sie den Spiegel veranlasst, um die zweite Achse in einer zweiten Frequenz zu rotieren.
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In einer Ausführungsform ist der Spiegel asymmetrisch gewichtet zumindest um die erste Achse, um eine erste Rotation des Spiegels um die erste Achse zu einer zweiten Rotation der Basis um eine zweite Achse zu koppeln. Typischerweise ist die zweite Frequenz eine Resonanzfrequenz der Rotation des Spiegels um die zweite Achse und der Antrieb ist gekoppelt zum Generieren des elektrischen Stroms in der ersten Frequenz.
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Kern erste und zweite Paare von Polstücken, die den Luftspalt definieren, und der zumindest eine Rotor beinhaltet erste und zweite Rotoren, welche jeweils an entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten der Basis fixiert sind und jeweils in dem Luftspalt zwischen den ersten und zweiten Paaren der Polstücke positioniert sind. In einer offenbarten Ausführungsform ist die Antriebsschaltung konfiguriert zum Antreiben der einen oder der mehreren Spulen mit einem ersten Strom in der ersten Frequenz und einem zweiten Strom in der zweiten Frequenz. Typischerweise beinhalten die eine oder die mehreren Spulen erste Spulen, die angrenzend an die Polstücke gewickelt sind in dem ersten Paar und zweite Spulen, die angrenzend an die Polstücke in dem zweiten Paar gewickelt sind und die Antriebsschaltung ist konfiguriert zum Antreiben der ersten und zweiten Spulen in Phase in der ersten Frequenz und in entgegengesetzten Phasen in der zweiten Frequenz.
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In bestimmten offenbarten Ausführungsformen beinhaltet der Kern einen Zahn, welcher zwischen den Polstücken herausragt und ein oberes Ende aufweist, welches an den Luftspalt angrenzt und diesen enthält. Typischerweise enthält der Kern eine Basis, von welcher aus die Polstücke und der Zahn in Richtung Luftspalt herausragen. Die eine oder die mehreren Spulen können erste Spulen beinhalten, die angrenzend zu den Polstücken gewickelt sind und eine zweite Spule beinhalten, die um den Zahn gewickelt ist, wobei die Antriebsschaltung konfiguriert ist zum Antreiben der ersten Spulen in der ersten Frequenz und der zweiten Spule in der zweiten Frequenz. In einer Ausführungsform beinhaltet der Kern eine Vielzahl von Fingern, welche den Zahn umgeben und in Richtung Luftspalt herausragen zwischen den Zahn und den Polstücken.
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet der eine oder die mehreren Permanentmagneten von dem zumindest einen Rotor erste und zweite Permanentmagnete, die an der Basis an entgegengesetzten Seiten des Spiegels fixiert sind. In einer Ausführungsform weisen die ersten und zweiten Permanentmagnete eine rechteckige Form auf. Zusätzlich oder alternativ beinhaltet jeder der ersten und zweiten Permanentmagnete jeweilige Ober- und Unterstücke, welche an entgegengesetzten Oberflächen der Basis montiert sind, so dass ein Massenzentrum der ersten und zweiten Permanentmagnete auf der ersten Achse gelegen ist.
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Ferner zusätzlich oder alternativ können der eine oder die mehreren Permanentmagnete des zumindest einen Rotors zumindest einen dritten Permanentmagneten beinhalten, der an dem Spiegel fixiert ist. Der zumindest dritte Permanentmagnet kann innerhalb einer Oberfläche des Spiegels eingelassen sein.
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In offenbarten Ausführungsformen beinhaltet der Scanspiegelaufbau einen Silizium-Wafer, welcher als eine mikroelektromechanische System-(MEMS)-Vorrichtung gebildet ist, welche erste Spindeln beinhaltet, die aus dem Silizium-Wafer geätzt sind, die die Basis mit dem Substrat entlang der ersten Achse verbinden und zweite Spindeln beinhaltet, die aus der Silizium-Wafer geätzt sind, die den Spiegel mit der Basis entlang der zweiten Achse verbinden. Typischerweise sind die zweiten Spindeln so gebildet, dass der Spiegel in Resonanz um die zweite Achse in der zweiten Frequenz rotiert, während die ersten Spindeln so gebildet sind, dass die Rotation der Basis um die ersten Spindeln eine nichtresonante Rotation ist. Der Wafer kann in einer Umgebung der ersten Spindeln verdünnt werden, so dass eine Flexibilität der ersten Spindeln erhöht wird.
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In einer offenbarten Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung einen Sender, welcher konfiguriert ist, um Lichtimpulse zu leiten um von dem Spiegel zu reflektieren, während der Spiegel und die Basis rotieren, wobei das Licht über einer Szene gescannt wird. Ein Empfänger ist konfiguriert zum Empfangen der Lichtimpulse, die von der Szene reflektiert werden, um eine Flugzeit der Impulse zu messen.
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Es wird auch in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung eine optische Vorrichtung bereitgestellt, welche einen Spiegelaufbau beinhaltet, einen Spiegel beinhaltend, welcher montiert ist zum Rotieren um eine Achse, die relativ zu einer Trägerstruktur ist. Ein kapazitiver Sensor beinhaltet zumindest erste und zweite Platten, welche in der Nähe des Spiegels an entgegengesetzten Seiten der Achse positioniert sind und relativ zu einer Ebene der Trägerstruktur gewinkelt sind, so dass die Platten am nächsten zu der Ebene an einem Ort angrenzend zu der Achse sind und von der Ebene an Orten weit entfernt von den Achsen abfallen.
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In einer offenbarten Ausführungsform ist der Spiegel so montiert, um um erste und zweite Achsen zu rotieren, welche gegenseitig senkrecht sind und die zumindest erste und zweite Platten des kapazitiven Sensors beinhalten vier Platten, welche zusammen eine pyramidische Form definieren, die eine Spitze angrenzend an einem Zentrumspunkt aufweisen, an welchem die Achsen sich schneiden.
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Es wird zusätzlich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ein Verfahren zum Scannen bereitgestellt, welches eine Bereitstellung eines Statoraufbaus beinhaltet, welcher einen Kern der einen Luftspalt enthält, beinhaltet und eine oder mehrere Spulen, die leitende Drähte beinhalten, die um den Kern gewickelt sind, um den Kern dazu zu veranlassen, einen Magnetkreis durch den Luftspalt zu bilden, in Reaktion auf einen elektrischen Strom, der in den leitenden Drähten fließt. Ein Scanspiegelaufbau wird bereitgestellt, der eine Trägerstruktur, eine Basis, welche montiert ist zum Rotieren um eine erste Achse relativ zu der Trägerstruktur, und einen Spiegel, welcher montiert ist zum Rotieren um eine zweite Achse, die relativ zu der Basis ist, beinhaltet. Zumindest ein Rotor, welcher einen oder mehrere Permanentmagnete beinhaltet, ist an dem Scanspiegelaufbau fixiert. Der Scanspiegelaufbau ist so an dem Statoraufbau montiert, dass der eine oder die mehreren Permanentmagnete so in dem Luftspalt positioniert sind, um sich in Reaktion auf den Magnetkreis zu bewegen. Die eine oder die mehreren Spulen werden mit einem elektrischen Strom in einer oder mehreren Frequenzen angetrieben, die so ausgewählt sind, dass Bewegung von dem zumindest einen Rotor in Reaktion auf den Magnetkreis die Basis dazu veranlasst, um die erste Achse in einer ersten Frequenz zu rotieren, während sie den Spiegel veranlasst, um die zweite Achse in einer zweiten Frequenz zu rotieren.
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Es wird ferner in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ein Verfahren zum Überwachen bereitgestellt, welches ein Montieren eines Spiegels beinhaltet zum Rotieren um eine Achse relativ zu einer Trägerstruktur. Zumindest erste und zweite Platten eines kapazitiven Sensors sind in der Nähe des Spiegels auf entgegengesetzten Seiten der Achsen positioniert, während die Platten relativ zu einer Ebene der Trägerstruktur gewinkelt sind, so dass die Platten am nächsten an der Ebene an einem Ort angrenzend an die Achse sind und von der Platte an Orten ferner entfernt von der Achse abfallen. Änderungen in einer Kapazität zwischen den Platten und dem Spiegel werden so gemessen, um eine Rotation des Spiegels zu überwachen.
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Die gegenwärtige Erfindung wird vollständiger verstanden werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen zusammengenommen mit den Zeichnungen, in welchen:
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung eines optischen Scankopfes in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 2 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung von einem MEMS-Scanner in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 3A ist eine schematische Unteransicht von einem Mikrospiegelaufbau in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 3B ist eine schematische Frontalansicht von einem Teil eines Mikrospiegelaufbaus in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 4 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung von einem MEMS-Scanner, von unten gesehen, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 5 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung, die einen Stator und Rotor von einem MEMS-Scanner zeigt in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 6 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung, die Details von einem Stator und Rotor von einem MEMS-Scanner zeigt in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 7 ist eine schematische Seitenansicht von einem der Statoren von 5, die Pfeile beinhaltet, die das magnetische Vektorfeld anzeigt, welches durch den Stator generiert wird in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 8-10 sind schematische Diagramme von Wellenformen, welche verwendet werden, um einen Stator von einem MEMS-Scanner anzutreiben in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 11A und 11B sind schematische Seitenansichten des Stators und Rotors aus 6, die einen Strom zeigen, der verwendet wird, um den Stator anzutreiben und Feldrichtungen als Resultat zu generieren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 12 ist eine schematische Schnittansicht von einem Scanmikrospiegel in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 13 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung von einem Stator eines MEMS-Scanners in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 14A ist eine schematische Seitenansicht von einem Teil des Stators aus 13, welche ein Magnetfeld veranschaulicht, das durch den Stator generiert wird in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 14B ist eine schematische Seitenansicht eines Stators in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 15 ist eine schematische Unteransicht von einem Mikrospiegelaufbau in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
- 16 ist eine schematische Detailansicht einer MEMS-Spindel in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung; und
- 17 ist eine schematische Unteransicht von einem Mikrospiegelaufbau mit einem kapazitiven Sensor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen Übersicht
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Die oben genannte
US-Patentanmeldung 13/766,801 beschreibt Tiefenengines, die 3D-Abbildungsdaten generieren durch Messen der Flugzeit von einem Scanstrahl. Ein Lichtsender, wie beispielsweise ein Laser, leitet kurze Lichtimpulse in Richtung eines Scanspiegels, welcher den Lichtstrahl über eine Szene von Interesse scannt. Ein Empfänger, wie beispielsweise eine empfindliche Hochgeschwindigkeitsfotodiode (z.B. eine Lawinenfotodiode) empfängt Licht, das von der Szene über den gleichen Scanspiegel zurückkommt. Verarbeitungsschaltungen messen die Zeitverzögerung zwischen den gesendeten und empfangenen Lichtimpulsen zu jedem Punkt in dem Scan. Diese Verzögerung ist hinweisend auf die zurückgelegte Distanz des Lichtstrahls und deshalb auf die Tiefe des Gegenstandes an dem Punkt. Die Verarbeitungsschaltung verwendet die Tiefendaten, die auf diese Art entnommen sind beim Produzieren einer 3D-Abbildung der Szene.
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Bei Verwendung dieser Art von Scansystem für 3D-Abbildungen ebenso wie andere Scananwendungen ist es wünschenswert, dass der Spiegel mechanisch um zumindest eine Achse in einer hohen Frequenz (z.B. in dem Bereich von 2-30 kHz) und über große Winkel (typischerweise + 10-25°) scannt. Der Scanbereich um die zweite Scanachse kann sogar größer sein, aber die Scanfrequenz ist typischerweise viel niedriger (z.B. in dem Bereich von 15-100 Hz). Die zwei Scanrichtungen sind koordiniert um ein Rastermuster zu generieren, welches die Region, die gescannt wird, abdeckt. Die oben genannten Patentanmeldungen beschreiben kardanische Mikrospiegelmontierungen und Magnetantriebsanordnungen, die in dieser Art Rastergenerierung verwendet werden können.
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Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, die hier beschrieben sind, stellen Verbesserungen für diese Magnetantriebsanordnungen bereit, die besonders nützlich sind in dem Erreichen eines effizienten Scannens über einen weiten Winkelbereich in der Hochfrequenzscanrichtung. In den offenbarten Ausführungsformen ist ein Mikrospiegel auf einer kardanischen Miniaturbasis montiert, so dass die Basis relativ zu einer Trägerstruktur in der Niederfrequenz (langsam) Scanrichtung rotiert, während der Mikrospiegel selbst relativ zu der Basis in der Hochfrequenz (schnellen) Scanrichtung rotiert. (Der Begriff „Mikrospiegel“ wird hier verwendet, um einfach auf sehr kleine Spiegel Bezug zu nehmen, welche typischerweise einen Durchmesser von nicht mehr als einigen Millimetern haben, jedoch kann es möglich sein, die Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung auf größere Spiegel anzuwenden). Der gleiche Magnetantrieb kann verwendet werden, um sowohl schnelle als auch langsame Scans mit Energie zu versorgen. Energie kann in die schnelle Scanrichtung gekoppelt sein durch mechanisches Koppeln zwischen dem Spiegel und der Basis. Zusätzlich oder alternativ kann das Magnetfeld des Antriebs dynamisch gestaltet sein durch Bereitstellen von angemessenen Antriebsströmen zum Ausüben von alternierenden Magnetkräften auf dem Spiegel und der Basis in unterschiedlichen Frequenzen und in unterschiedlichen Richtungen, um so das gewünschte Muster von Bewegung zu verursachen.
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Systembeschreibung
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1 veranschaulicht schematisch Elemente von einem optischen Kopf 40, der in dem System, welches in der oben genannten
US-Patentanmeldung 13/766,801 beschrieben ist, verwendet wird. Die Leistung von diesem optischen Kopf kann durch Einbeziehen von einem kardanischen Spiegel mit einem Magnetantrieb, wie nachfolgend beschrieben, verbessert werden. Ein Sender 44 gibt Lichtimpulse in Richtung eines polarisierenden Strahlentrenners 60 ab. Typischerweise ist nur eine kleine Fläche des Strahlentrenners, direkt in dem Lichtpfad des Senders 44, für eine Reflektion beschichtet, während der Rest des Strahlentrenners vollständig transparent in dem übermittelten Wellenlängenbereich (oder sogar lichtreflektierend überschichtet für diese) ist um zurückkommendes Licht zu erlauben, zu einem Empfänger 48 durchzulaufen. Das Licht von dem Sender 44 reflektiert von dem Strahlentrenner 60 und an einem klappbaren Spiegel 62 in Richtung eines scannenden Mikrospiegels 46. Die Fläche des Mikrospiegels kann beispielsweise ungefähr 12 mm
2 sein. Ein MEMS-Scanner 64 scannt den Mikrospiegel in X- und Y-Richtungen mit der gewünschten Scanfrequenz und Amplitude. Details des Mikrospiegels und des Scanners sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
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Lichtimpulse, die von der Szene zurückkommen, treffen den Mikrospiegel 46, welcher das Licht über den klappbaren Spiegel 62 durch den Strahlentrenner 60 reflektiert. Der Empfänger 48 tastet die zurückgekommenen Lichtimpulse ab und generiert entsprechende elektrische Impulse. Um die Empfindlichkeit der Detektion zu verbessern, ist es wünschenswert, dass die aktive Spiegelgröße, die gesamte Fläche des Strahlentrenners 60 und die Öffnung des Empfängers 48 erheblich größer sind als die Fläche des übermittelten Strahls. Um die Menge von ungewolltem Umgebungslicht, welches den Empfänger 48 erreicht, zu beschränken, kann ein Bandpassfilter (nicht gezeigt) in den Empfängerpfad einbezogen werden, möglicherweise auf dem gleichen Substrat wie der Strahlentrenner 60.
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Die spezifischen mechanischen und optischen Designs des optischen Kopfes der in 1 gezeigt ist, werden hier durch Beispiele beschrieben und alternative Designs, welche ähnliche Prinzipien implementieren, werden als innerhalb des Umfangs der gegenwärtigen Erfindung angesehen.
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2 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung eines MEMS-Scanners 64 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Der Scanner wird nach den Prinzipien, die ähnlich sind zu denen, die in dem oben genannten
US-Patent 7,952,781 B2 beschrieben wurden, hergestellt und nach diesen betrieben, aber erlaubt zweidimensionales Scannen von einem einzelnen Mikrospiegel 46. (Die abgebildete Anordnung kann mutatis mutandis auch verwendet werden, um eine Anordnung von Mikrospiegeln anzutreiben, wie in der oben genannten
US-Patentanmeldung 13/798,251 beschrieben). Ein Mikrospiegelaufbau 45, welcher den Mikrospiegel 46 beinhaltet, wird durch geeignetes Ätzen eines Halbleitersubstrats 68 hergestellt, um den Mikrospiegel von einer Basis 72 zu trennen (auch bezeichnet als eine Kardanaufhängung) und zum Trennen der Basis von dem restlichen Substrat 68, welches als eine Trägerstruktur dient. Nach dem Ätzen ist es dem Mikrospiegel 46 (an welchen eine geeignete reflektierende Beschichtung angelegt ist) möglich um die X-Achse (um den reflektierten Punkt in der Y-Richtung zu scannen) relativ zu dem Träger 72 in den Spindeln 70 zu rotieren, während die Basis 72 um die Y-Achse (um den Punkt in der X-Richtung zu scannen) relativ zu dem Substrat 68 in den Spindeln 74 rotiert.
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Der Mikrospiegel 46 und die Basis 72 sind auf einem Paar von Rotoren 76 montiert, welche Permanentmagnete umfassen (nur einer der Rotoren ist in dieser Figur sichtbar). Die Rotoren 76 sind in jeweiligen Luftspalten zwischen den Polstücken von Magnetkernen 78 in einem Statoraufbau 47 aufgehängt (auch einfach bezeichnet als der Stator von Scanner 64). Die Kerne 78 sind mit jeweiligen Spulen 80 aus leitenden Drähten umwickelt, was somit einen elektromagnetischen Statoraufbau erzeugt. Obwohl eine einzige Spule pro Kern in 2 zum Zwecke der Vereinfachung gezeigt ist, können zwei oder mehr Spulen alternativer Weise um jeden Kern gewickelt sein; Spulen können an unterschiedlichen Stellen auf den Kernen umwickelt sein; und unterschiedliche Kerngestaltungen können verwendet werden wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt wird.
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Eine Antriebsschaltung 82 (kurz bezeichnet als ein Antrieb) treibt einen elektrischen Strom durch die Spulen 80 an, um einen Magnetkreis durch die Kerne 78 zu generieren, welcher die Luftspalte durchläuft. Typischer Weise umfasst die Antriebsschaltung 82 einen Frequenzgenerator, welcher elektrische Signale in der gewünschten Frequenz oder Frequenzen generiert zusammen mit geeigneten Verstärkern, um den gewünschten Stromlevel in Spulen bereit zu stellen. Das Magnetfeld, welches in den Luftspalten der Spulen generiert ist, interagiert mit der Magnetisierung der Rotoren 76 und veranlasst deshalb die Rotoren sich innerhalb der Luftspalten zu bewegen.
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Insbesondere in dieser Ausführungsform können die Spulen 80 mit Hochfrequenzdifferentialströmen betrieben werden, um den Mikrospiegel 46 zu veranlassen, sich in Resonanz zurück und vor um die Spindel 70 in hoher Frequenz (typischerweise in dem Bereich von 2-30 kHz, wie oben angemerkt) zu rotieren. Diese Resonanzrotation generiert den Hochgeschwindigkeit-Y-Richtung-Rasterscan von dem Ausgangsstrahl von dem optischen Kopf 40. Zur gleichen Zeit werden die Spulen 80 zusammen mit niedrigerer Frequenz betrieben, um den X-Richtungsscan durch eine Rotation der Basis 72 um die Spindeln 74 über den gewünschten Scanbereich anzutreiben. (In Übereinstimmung mit den entsprechenden Geschwindigkeiten der Rotationen um die Achsen, wird die X-Achse in den Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, auch als die „schnelle Achse“ bezeichnet, während die Y-Achse auch als die „langsame Achse“ bezeichnet wird). Alternativer Weise können andere Statorkonfigurationen und Antriebsschemata, von denen einige in den nachfolgenden Figuren veranschaulicht werden, für diese Zwecke verwendet werden. Die X- und Y-Rotationen generieren zusammen das gesamte Rasterscanmuster des Mikrospiegels 46.
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Der Aufbau des optischen Kopfes 40 aus diskreten optischen und mechanischen Komponenten, wie in
1 gezeigt, erfordert präzise Ausrichtung und kann kostspielig sein. In alternativen Ausführungsformen können alle Teile, die eine präzise Platzierung und Ausrichtung erfordern (wie beispielsweise der Lichtsender, Empfänger und zugewiesene Optiken) in einem einzelnen integrierten Paket auf einer Silizium optischen Bank (SiOB) kombiniert werden. Diese Herangehensweise kann Kosten sparen und kann den optischen Kopf einfacher zu handhaben machen. Verschiedene alternative Designs dieser Art werden in der oben genannten
US-Patentanmeldung 13/766,801 gezeigt.
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Scankopplung unter Verwendung von mechanischer Asymmetrie
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3A ist eine schematische Unteransicht von einem Mikrospiegelaufbau 83, welcher ein Schema zum mechanischen Antreiben des Hochgeschwindigkeit-Y-Richtung-Scans von dem Mikrospiegel 46 zeigt in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Die magnetischen Rotoren 76 erscheinen als rechteckige Strukturen in dieser Figur im Gegensatz zu dem zylindrischen Rotor, der in 2 gezeigt ist, führt aber die identische Funktion aus. Die Spindeln 70 in 3A sind an der X-Achse wie in 2 gezeigt ausgerichtet, während die Spindeln 74, die an der Y-Achse ausgerichtet sind, in 3A durch die Rotoren 76 versteckt werden.
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Ein Gewichtpaar 84 ist an dem Boden des Mikrospiegels 46 in gegenseitigen Ecken befestigt. Die Gewichte können jedes geeignete Material umfassen und können an dem Mikrospiegel an den angemessenen Orten festgemacht werden (beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Klebers). Alternativerweise kann die Gewichtasymmetrie durch Wegätzen angemessener Anteile der Rückseite des Spiegels unter Verwendung von Standardätzverfahren wie beispielsweise reaktives Ionentiefenätzen (DRIE) oder Nassätzen. Der Zweck der Gewichte ist das Einbringen von mechanischer Asymmetrie um die Rotationsachsen des Mikrospiegels. Die bestimmte Gestaltung und Orte der Gewichte in 3A sind daher lediglich als Beispiel gezeigt und jedes Design, das eine geeignete Asymmetriegewichtverteilung um die Achsen bereitstellt, kann ähnlich verwendet werden.
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Die asymmetrische Gewichtverteilung ruft eine mechanische Kopplung zu den Rotationsachsen hervor durch Ändern der Achse der Rotationsträgheit des Mikrospiegels 46. Die neue Trägheitsachse, die somit für die schnelle Scanrichtung erzeugt wurde, ist nicht genau senkrecht zu der Achse des langsamen Scans. Deshalb, da die Basis 72 um die Y-Achse rotiert wegen des Betriebs des Magnetantriebs, werden die Gewichte 84 den Mikrospiegel 46 veranlassen, um die X-Achse auf den Spindeln 70 zu taumeln. Das mechanische Design des Mikrospiegels, der Spindeln und der Gewichte wird gewählt, um die gewünschte Scanfrequenz und Amplitude unter diesen Bedingungen zu ergeben. Hinzufügen eines hochfrequenzelektrischen Antriebs zu dem Mikrospiegel in der Resonanzfrequenz für die schnelle Scanrotation wird signifikante mechanische Energie dazu veranlassen, um in diese Scanrichtung übertragen zu werden und somit den gewünschten 2-dimensionalen Scan des Mikrospiegels zu generieren.
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3B ist eine schematische Frontalansicht eines Teils eines Mikrospiegelaufbaus 85 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. In diesem Fall wird eine asymmetrische Gewichtverteilung durch angemessenes Ätzen der Gestaltung des Mikrospiegels 46 im Verlauf des fotolithografischen Herstellungsverfahrens gebildet, um eine asymmetrische Gewichtsverteilung bereitzustellen. Die Gestaltung des Spiegels stellt in diesem Fall die gewünschte mechanische Kopplung zwischen der schnellen und langsamen Rotationsachse bereit.
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Elektrische und Magnetantriebsschemata
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Die unten beschriebenen Figuren veranschaulichen verschiedene Schemata, die verwendet werden können, um Dualachsenscannen eines Mikrospiegels anzutreiben in Übereinstimmung mit verschiedenen unterschiedlichen Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung. Aus Annehmlichkeit und Klarheit werden diese Ausführungsformen mit Bezug auf den Mikrospiegel 46 und die zugewiesene MEMS-Struktur, welche oben dargestellt ist, beschrieben. Diese Prinzipien von diesen Ausführungsformen können allerdings mutatis mutandis ebenso auf Dual-Achsen-Scanspiegel anderer Arten angewendet werden, wie beispielsweise einige der Vorrichtungen, welche in den Referenzen, die in dem Hintergrundabschnitt zitiert sind, beschrieben werden.
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4 ist eine schematische Unteransicht des MEMS-Scanners 64 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein Paar von Magnetstreifen 86, 88 auf die Unterseite des Mikrospiegels 46 fixiert. Die Streifen haben entgegengesetzte Polaritäten wie durch die Pfeile in der Figur angegeben, mit dem Nordpol des Streifens 86 nach unten gerichtet und dem von dem Streifen 88 aufwärts gerichtet. In dieser Art von Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, die Streifen 86, 88 in das Volumen des Mikrospiegels so einzulassen, dass das Massenzentrum des Mikrospiegels nahe an der durch die Spindeln 70 definierten Achse ist. Eine Ausführungsform dieser Art wird in 15 gezeigt.
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Die stromtreibenden Spulen 80 beinhalten eine differentiale Komponente bei der Resonanzfrequenz des Mikrospiegels, d.h., die Wellenformen, die die Spulen in dieser Frequenz antreiben, sind 180° phasenverschoben zu einander. Diese differentiale Komponente veranlasst ein Steigen einer Magnetfeldkomponente entlang der Y-Achse zwischen den Kernen 78, welche inhomogen in die X-Richtung ist und in Richtung der Antriebsfrequenz alterniert. In anderen Worten kann zu einem gegebenen Zeitpunkt das Feld in die positive Y-Richtung am Magnetstreifen 86 und in die negative Y-Richtung an dem Magnetstreifen 88 zeigen mit Zeigerrichtungen, die in der Resonanzfrequenz alternieren. Interaktion des Magnetfeldes mit der Magnetisierung der Magnetstreifen 86, 88 ruft eine alternierende Rotationskraft hervor, die auf den Mikrospiegel 46 um die Spindeln 70 ausgeübt wird und somit Mikrospiegel veranlasst, um wie gezeigt in der Figur zu rotieren.
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Allgemeiner können die Spule und die antreibenden Stromkonfigurationen durch andere Mittel angepasst werden, um Nettokräfte und Drehmomente in die beabsichtigte Richtung zu erzeugen. Magnetisches oder ferromagnetisches Material kann auf den Spiegel selbst in anderen Geometrien angewendet werden (andere als die spezifischen Geometrien, die in den Figuren gezeigt sind), während die Antriebskraft durch stationäre Spulen erzeugt wird. Es kann einen oder mehrere solcher Magnete, mit allen geeigneten Polaritäten, oder ferromagnetisches Material geben (mit keiner inhärenten Polarität). Die treibenden elektronenmagnetischen Felder, die in jedem Fall eingestellt werden zum Erzeugen von Antriebskräften in die angemessenen Richtungen, wie dem Fachmann beim Lesen der gegenwärtigen Patentanmeldung offensichtlich sein wird. Alle solche alternativen Konfigurationen von Magneten und Antrieben werden als innerhalb des Umfangs der gegenwärtigen Erfindung angesehen.
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5 ist eine schematische bildhafte Ansicht, die Elemente des MEMS-Scanners 64 in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung zeigt. In dieser Ausführungsform wird der Mikrospiegel 46 wegen der visuellen Klarheit weggelassen und sein Ort wird durch die Rotoren 76A und 76B angegeben, welche auf der Unterseite der kardanischen Basis 72 des Mikrospiegels befestigt sind, wie in den vorangegangenen Figuren gezeigt. Der Statoraufbau des MEMS-Scanners umfasst zwei Kerne 90, 91, wobei jeder ein Paar von Polstücken aufweist, die einen Luftspalt definieren, in welchem der entsprechende Rotor 76A oder 76B aufgehängt ist. (Der Begriff „Polstück“ wird in der gegenwärtigen Beschreibung und in den Ansprüchen in der üblichen Bedeutung verwendet, um den Teil des Magnetkerns zu bezeichnen, der angrenzend an den Luftspalt ist). Jeder Kern 90, 91 ist mit zwei Spulen 92, 94 auf entgegengesetzten Seiten des Luftspalts des Kerns umwickelt. Der Effekt dieser Art von Anordnung, in der Generierung von Magnetströmen, die die Bewegung in den Rotoren antreiben, wird in den nachfolgenden Figuren veranschaulicht.
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6 zeigt schematisch Details einer Struktur eines Statorkerns 90 und Rotors 76, welche in einem Magnetantrieb verwendet werden, in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Dies ist eines von einem Paar von Rotoren und Kernen wie in der vorangegangenen Ausführungsform. Die Spulen und Mikrospiegel werden aus der Figur weggelassen, um eine klare Sicht der Gestaltung des Kernes zu geben, einschließlich des Luftspalts zwischen den Polen und ein Zusatzpol in der Form eines herausragenden „Zahns“ 100, wobei sein oberes Ende den Luftspalt von unten angrenzt und enthält. Die Funktion dieses Zahns wird unten erklärt.
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Das rechteckige Profil des Rotors 76 in dieser und anderen Ausführungsformen kann vorteilhaft sein, inter alia, indem es zu einem Rotationsmoment des Rotors um die Y-Achse führt, welcher wächst, wenn der Rotationswinkel von der zentralen Position aus wächst, wie in der Figur gezeigt, wegen der Anziehung durch die Polstücke des Statorkerns, der zu jeder Seite des Rotors gelegen ist. Dieser Rotationsmoment wirkt der Federkraft der Spindeln 74 entgegen, welche ansteigt, wenn der Rotor sich um die Spindel-(Y)-Achse dreht und somit die Kraft reduziert, die für ein Rotieren des Spiegels um die Spindeln 74 ausgeübt werden muss. Alternativerweise können andere geometrische Designs des Rotors und des Statorkerns verwendet werden, um die gewünschten Rotationseigenschaften hervorzurufen.
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7 ist eine schematische Seitenansicht des Kerns 90 wie bildhaft in 5 gezeigt in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst der Kern 90 eine vergrößerte Basis 96 mit Spulen 92 und 94 um den Kern über der Basis gewickelt. Der Kern 91 (5) wird eine ähnliche Form und Verhalten aufweisen. 7 beinhaltet auch Pfeile, die den Fluss des Magnetkreises in der Ebene der Figur angeben (einschließlich des Flusses in dem Luftspalt zwischen den Polen des Kerns 90), wenn die Spulen mit angemessenen Strömen angetrieben werden. Alternativerweise können allerdings andere Kern- und Spulenkonfigurationen verwendet werden und werden als innerhalb des Umfangs der gegenwärtigen Erfindung, wie zuvor angemerkt, gesehen.
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Das Hochfrequenzmagnetfeld, welches in und um den Kern 90 generiert ist, wie durch die Pfeile angegeben, beinhaltet eine vertikale (Z-Richtung)-Komponente in dem Luftspalt zwischen den Polen des Kerns. Die Feldkomponente alterniert in der Richtung der Frequenz der stromtreibenden Spulen 92 und 94. Spulen 92 und 94 auf Kern 91 werden mit gegensätzlichen Phasen zu den Strömen der Gegenstückspulen 92, 94 des Kerns 90 angetrieben, so dass die Z-Richtungs-Feldkomponenten zu jedem Moment in den Luftspalten des Kerns 90 und 91 gleichermaßen entgegengesetzt sind. Daher wird das Feld den Rotor 76A aufwärts drücken, während es den Rotor 76B abwärts drückt und vice versa alternierend in der Antriebsfrequenz der Hochfrequenzwellenform. Diese entgegengesetzten Z-Richtungsbewegungen des Rotors veranlassen den Mikrospiegel 46 auf der Spindel 70 zu rotieren in dieser gleichen Frequenz, welche typischerweise gewählt wird die Resonanzfrequenz des Mikrospiegels zu sein. (Genauer gesagt bezüglich der Newton'schen Gesetze veranlasst Trägheit den Mikrospiegel 46 dazu zu tendieren auf der Stelle zu bleiben, während die Basis 72 sich bewegt und dadurch eine elastischen Energietransfer von den Rotoren zu dem Mikrospiegel zu erzeugen durch die Drehungsarme der Spindeln 70; dieses Prinzip steckt hinter dem Betrieb einer Anzahl von Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind). Zur gleichen Zeit führt die Niederfrequenzstromkomponente, die in Phase durch alle die Spulen 92 und 94 angetrieben wird, d.h., mit dem Strom, der in die gleiche Richtung in allen Spulen fließt, zu einem alternierenden X-Richtungsmagnetfeld innerhalb der Luftspalte was somit die Rotoren 76A, 76B dazu zu veranlasst, um die Y-Achse zu rotieren und auf diese Weise die Basis 72 zu rotieren.
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8-10 veranschaulichen typische Stromwellenformen, welche verwendet werden, um Spulen 92 und 94 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung anzutreiben. Wie oben angemerkt werden alle Spulen in Phase mit einer Niederfrequenzwellenform angetrieben, wie beispielsweise der Sägezahn wie in 7 gezeigt. Die Spulen werden in entgegengesetzten Phasen durch eine Hochfrequenzwellenform angetrieben, wie beispielsweise die in 8 gezeigte Sinuskurve. Die Spulen 92 und 94 auf jedem Kern werden 180° phasenverschoben relativ zu einander angetrieben; und jede Spule 92, 94 auf dem Kern 90 wird 180° phasenverschoben relativ zu seiner Gegenstückspule 92, 94 auf dem Kern 91 angetrieben. Jede Spule wird somit durch die Überlagerung von Wellenformen, welche in 9 gezeigt ist, angetrieben mit Variationen in den Phasen der Hochfrequenzkomponente von Spule zu Spule was somit eine Rotation des Mikrospiegels um zwei Achsen unter Verwendung eines stationären Satzes von Spulen generiert.
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Die auf die Spulen 92 und 94 angewendeten Ströme (und ähnlicherweise die Ströme, die in anderen Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung angewendet werden) können durch Verwendung jeder geeigneter Technik generiert und kontrolliert werden, die im Stand der Technik bekannt ist, einschließlich sowohl Steuerung (open-loop control) als auch Regelung (closed-loop control). In der letzteren Kategorie kann die Antriebsschaltung 82 Rückkopplung betreffend der Amplitude und/oder der Frequenz des Spiegelscans empfangen und kann den Strom entsprechend steuern. Das neuartige kapazitive Abtastschema, welches in
17 gezeigt ist, kann zum Beispiel für diesen Zweck verwendet werden, aber auch andere Arten von Abtastschemata, welche in dem Stand der Technik bekannt sind, können alternativ verwendet werden wie beispielsweise Regelungsschemata, die Sensoren von verschiedenen Arten verwenden, welche in dem oben genannten
US-Patent 7,952,781 B2 beschrieben sind.
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11A und 11B sind schematische Seitenansichten des Statorkerns 90 und Rotors 76 aus 6, zeigen Ströme, die verwendet werden beim Antreiben des Stators, und Feldrichtungen, die als ein Resultat generiert werden, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Wie durch Pfeile 101 und 102 in 11A gezeigt, flie-ßen die Niederfrequenz-(langsame Achse)-Ströme in Phase durch die Spulen 92 und 94 auf beiden Statorkernen, die einen horizontalen (X-Richtung)-Magnetfluss durch den Luftspalt ergeben, wie durch einen Pfeil 103 angegeben. Dieses X-Richtungsfeld alterniert in der Frequenz des In-Phase-Stroms und veranlasst beide Rotoren um die Y-Achse zu rotieren.
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Andererseits wie in 11B gezeigt fließen die Hochfrequenz (Schnell-Achse)-Ströme durch die Spulen 92 und 94 in einer Anti-Phase wie durch Pfeile 104 und 105 angegeben. Diese Ströme führen zu einem alternierenden vertikalen (Z-Richtung)-Magnetfluss, angegeben durch Pfeil 106, welcher die Rotoren 76A und 76B dazu veranlasst, sich in entgegengesetzte Richtungen entlang der Z-Achse zu bewegen und somit den Hochfrequenzscan des Mikrospiegels anzutreiben. Herausragender Zahn 100 unter dem Luftspalt verbessert das dieses Feld und daher die Treibkraft für schnelle Rotation um die X-Achse.
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12 ist eine schematische Schnittansicht des Scanmikrospiegels 46 und den zugewiesenen Teilen eines Mikrospiegelaufbaus in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Diese Figur veranschaulicht, wie die Ströme und das Feld, welche in 11B gezeigt sind, die schnelle Rotation des Mikrospiegels 46 antreiben. Der alternierende Z-Richtungsfluss in dem Luftspalt des Statorkerns 90 veranlasst die Rotoren 76A und 76B auf und ab zu vibrieren, in entgegengesetzten Phasen entlang der Z-Achse in der Frequenz des alternierenden Stroms. Als ein Resultat biegen die Spindeln 74 sich in entgegengesetzte Richtungen, was die Basis 72 veranlasst auch zu vibrieren, wie in der Figur gezeigt. Weil die Frequenz der Vibration gleich oder nahe an der Resonanzrotationsfrequenz des Mikrospiegels 46 um die Spindeln 70 ist, veranlasst die Drehung der Spindeln auf Grund der Vibration der Basis 72 den Mikrospiegel zurück und vor um die X-Achse mit hoher Amplitude zu rotieren.
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13 ist eine schematische, bildhafte Veranschaulichung eines Stators 110 in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Der Stator 110 beinhaltet einen zentralen Zahn 100, welcher in dieser Ausführungsform mit seiner eigenen Spule 120 umwickelt ist. Diese Spule wird angesteuert, um die Schnellachsenrotation des Mikrospiegels 46 anzutreiben. Der Stator 110 basiert auf einem Magnetkern, welcher zwei Paare von Pfosten 112 auf einer Basis 114 zusammen mit dem Zahn 100 aufweist. Polstücke 118 oben von den Pfosten 112 zusammen mit dem Zahn 100 definieren den Luftspalt, in welchen die Rotoren des Mikrospiegelaufbaus während des Betriebs platziert sind. Spulen 116 auf den Pfosten 112 werden in Phase mit alternierenden Strömen in der Frequenz der Langsamachsenrotation der kardanischen Basis 72 angetrieben und somit drehen sie die Rotoren in den Flächen des Luftspalts zwischen den Polstücken 118.
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Spule 120 wird allerdings in der viel höheren Frequenz-(Resonanz)-schnellen-Achsenrotation des Mikrospiegels angetrieben. Als ein Resultat generiert der Zahn 100 ein Hochfrequenzmagnetfeld, welches mit einem Magnet oder mit Magneten interagiert, die auf dem Mikrospiegel 46 selbst montiert sind und somit den Mikrospiegel dazu veranlassen, um die Spindeln 70 relativ zu der Basis 72 zu rotieren. 15 zeigt eine Konfiguration des Mikrospiegels 46, die in diesem Kontext verwendet werden kann mit einem geeigneten Magnet der auf der Hinterseite des Mikrospiegels montiert ist.
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14A ist eine schematische Seitenansicht eines Teils des Stators 110 ohne die Spulen 116, welche den Magnetkreis veranschaulicht, der in dem Luftspalt des Stators auf Grund des Stroms in der Spule 120 auf dem Zahn 100 generiert wird in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Die Markierungen in dieser Figur in dem Raum zwischen den Pfosten 112 stellen die Richtung und die Größe des Magnetfelds an jedem Punkt des Raumes dar.
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Die geometrische Anordnung des Zahns 100 und der Pfosten 112 veranlasst das Magnetfeld um den Zahn herum die generelle Form eines „Springbrunnens“ aufzuweisen mit den Linien der Magnetkraft auswärts „spritzend“ von dem Zahn in Richtung der Pfosten. Da die Richtung dieses Felds alterniert, auf Grund des alternierenden Stroms der durch die Spule 120 getrieben wird, alterniert die Richtung der Magnetkraft, die auf den Mikrospiegel 46 ausgeübt wird, um die Achse der Spindel 70 ebenso und veranlasst somit den Mikrospiegel in der Frequenz des alternierenden Stroms zu rotieren. Das Aufwärts-(Z)-Richtungsfeld, welches in der Figur gezeigt wird, interagiert mit der Y-Richtungmagnetisierung eines Magnets, der auf dem Mikrospiegel 46 montiert ist (wie in 15 gezeigt), um die Rotation des Mikrospiegels um die schnelle (X-Richtung)-Achse anzutreiben, welche durch die Spindeln 70 definiert ist.
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14B ist eine schematische Seitenansicht eines Stators 125 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Die Struktur des Stators 125 ist ähnlich zu der des Stators 110 mit dem Zusatz von zwei oder mehr Nebenfingern 126, die auf der Basis 114 um den Zahn 100 positioniert sind. Die Finger 126 beschränken weiter und definieren den Luftspalt des Statorkerns, der zwischen den Polen 118 gelegen ist und haben den Effekt magnetische Feldlinien 128 zu beschränken, so dass die vertikale (Z-Richtung)-Komponente des Feldes in dem Luftspalt verstärkt wird. Als ein Resultat wird die Amplitude der schnellen Achsenrotation des Mikrospiegels relativ zu dem Antriebsstrom ebenso verstärkt.
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15 veranschaulicht schematisch einen Siliziumscanmikrospiegelaufbau 130 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Der Aufbau 130 ist von unten in dieser Figur gezeigt, d.h. von der Seite, die angrenzend an den Stator (welcher beispielsweise die Form des Stators 110 aufweist) angrenzend ist. Die reflektierende (obere) Seite des Mikrospiegels 46 ist in dieser Ansicht in die Seite zugewandt. Der Aufbau 130 kann durch die Magnetkräfte des Stators 110 beispielsweise wie der oben beschriebenen Art angetrieben werden.
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Der Mikrospiegel 46 in dem Aufbau 130 ist mit der kardanischen Basis 72 durch die Spindeln 70 verbunden, während die Basis 72 mit dem Substrat 68 durch die Spindeln 74 verbunden ist, wie in den vorangegangenen Ausführungsformen. Im Gegensatz zu den vereinfachten Veranschaulichungen der Ausführungsformen, die in 2 und 3 gezeigt sind umfassen allerdings magnetische Rotoren 132 in dem Aufbau 130 jeder obere und untere Teile 138 und 140, welche direkt an beiden Seiten der Basis 72 befestigt sind. Daher ist der Mikrospiegel 46 zwischen den Rotoren 132 balanciert anstelle von über ihnen montiert. (Die Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, könnten auch in einer ähnlichen, balancierten Weise implementiert sein). Als ein Resultat wird die Ebene des Mikrospiegels und seine Basis zwischen den zwei Kernen des Statoraufbaus gelegen sein anstelle von über den Kernen, wie in den vorangegangenen Ausführungsformen (wie beispielsweise in 2 gesehen wurde). Diese balancierte Konfiguration des Mikrospiegels ist vorteilhaft bezüglich der mechanischen Stabilität, da die Rotationsachse der Basis 72, die durch die Spindeln 74 definiert ist, durch das Achsenzentrum des Aufbaus 103 durchläuft.
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Ein Magnet 134 ist auf der unteren Seite des Mikrospiegels 46 fixiert und interagiert mit dem alternierenden Magnetfeld, welches durch den Zahn 100 des Stators generiert wird (wie in 14A veranschaulicht). Der Magnet 134 ist entlang der Y-Achse polarisiert, wie durch den Pfeil in der Figur angegeben. Die Interaktion dieser Magnetisierung mit dem Z-Richtungsfeld, das in 14A gezeigt wird, stellt die Kraft bereit, welche den Mikrospiegel 46 dazu veranlasst, um die Achse der Spindeln 70 zu rotieren (die X-Achse, d.h., die schnelle Achse).
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Um die mechanische Stabilität des Aufbaus 130 zu verbessern, gehört der Magnet 134 in einer Vertiefung 136 montiert, die auf der Rückseite des Mikrospiegels 46 gebildet ist. Die Vertiefung kann beispielsweise durch Nassätzung oder durch reaktive Ionentiefenätzung (deep reactive ione etching DRIE) des Siliziums gebildet werden. Folglich passiert die Rotationsachse des Mikrospiegels, die durch die Spindeln 70 definiert ist, nahe bei dem Massenzentrum des Mikrospiegels, wobei der Magnet 134 in der Vertiefung montiert ist. Obwohl es möglicherweise nicht möglich ist, das Massenzentrum und das Zentrum der Rotationsträgheit präzise auf der Rotationsachse zu platzieren, ist eine Reduzierung der Distanz zwischen diesen Punkten in der oben beschriebenen Weise dennoch nützlich beim Verbessern des Gleichgewichts und der dynamischen Stabilität des rotierenden Mikrospiegels.
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Verbesserung und Überwachung von Spiegelrotation
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16 ist eine schematische Detailansicht des Spindels 74 in Übereinstimmung einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Um die Kraft zu reduzieren, die angewendet werden muss zum Rotieren der Basis 72 relativ zu dem Substrat 68 (welches typischer Weise eine resonante Rotation ist), ist es wünschenswert, dass eine Spindel 74 drehbar so flexibel wie möglich ist. Deshalb wird der Silizium-Wafer in der Fläche der Basis 72, welche die Spindel 74 umgibt, verdünnt, beispielsweise durch ein Nassätzungsverfahren. Die Gestaltung der Spindel ist dann definiert und wird aus dem verdünnten Wafer durch Fotolithografie herausgeschnitten. Um die Spindel gegen Bruch zu stärken, während sie weiterhin trotzdem die gewünschte Rotationsflexibilität beibehält, können die Spalten, die die Spindel 74 umgeben mit einem geeigneten Filtermaterial gefüllt werden, wie beispielsweise einem flexiblen Polymer, wie in der vorläufigen
US-Patentanmeldung 61/781,086 beschrieben, welche hier durch Verweis einbezogen ist. Unter Verwendung dieser Herangehensweise ist es möglich, Designbetrachtungen einer langsamen Spindel 74 von denen einer schnellen Spindel 70 zu entkoppeln.
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Das Verfahren, welches verwendet wird, um den Wafer zu verdünnen kann kritisch in Designs sein in der Art, wie es in 16 gezeigt ist. Einige Verfahren können dazu tendieren, Mikrorisse und Rauigkeit in dem Silizium-Wafer zu veranlassen, welche die Spindeln schwächen können; und es ist deshalb ungewünscht, die Spindeln unter Verwendung solcher Verfahren zu verdünnen. Das Nassätzverfahren hinterlässt allerdings weiche Oberflächen, welche vorteilhaft in der Herstellung von robusten Spindeln einer reduzierten Wahrscheinlichkeit zum Reißen sind.
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17 veranschaulicht schematisch einen kapazitiven Sensor 150, welcher verwendet wird um die Rotation des Mikrospiegels 46 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung abzutasten. Der Sensor 150 umfasst Abtastplatten in Form von vier Quadranten 152, 153, 154 und 155, welche typischerweise aus einem leitenden Material hergestellt sind. Während die Basis 72 um die Spindeln 74 rotiert (d.h. um die langsame Achse) wie in der Figur gezeigt, steigt die Kapazität zwischen dem Mikrospiegel 46 und den Quadranten 154 und 155 an, während die Kapazität zwischen dem Mikrospiegel und den Quadranten 152 und 153 abfällt. Wenn die Basis zurück zu dem entgegengesetzten Extrem ihrer Bewegung rotiert, steigt die Kapazität zwischen dem Mikrospiegel und den Quadranten 152 und 153 an, während die zwischen dem Mikrospiegel und den Quadranten 154 und 155 abfällt.
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Ein Steuergerät (nicht in den Figuren gezeigt) misst diese Änderungen in der Kapazität kontinuierlich durch Messverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind. Basierend auf diesen Änderungen in der Kapazität wird dem Steuergerät ermöglicht, die Frequenz und die Amplitude (d.h. Winkelbereich) der Rotation der Basis 72 um die langsame Achse zu überwachen.
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Ebenso wird die Rotation des Mikrospiegels 42 um die Spindeln 70 Änderungen in der Kapazität zwischen dem Mikrospiegel und den Quadranten 152 und 154 relativ zu den Quadranten 153 und 155 veranlassen; und diese Änderungen können ebenso gemessen werden, um die Rotation des Mikrospiegels um die schnelle Achse zu überwachen.
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Obwohl es möglich ist, die Elemente eines kapazitiven Sensors für diese Zwecke in einer Ebene zu montieren, die parallel zu dem Substrat 68 ist, kann dieses Montierschema den Bewegungsbereich des Mikrospiegels 46 einschränken, außer die Sensorelemente werden weit entfernt vom Mikrospiegel montiert (in welchem Fall die Kapazität und daher das nützliche Signal zum Rotationsmessen drastisch reduziert wird). Um diese Einschränkung zu überwinden, sind die Quadranten 152, 153, 154 und 155, wie in 17 gezeigt, gewinkelt, so dass die Quadranten am nächsten an der Ebene des Substrats 68 in der Fläche der Rotationsachsen des Mikrospiegels sind und von dieser Ebene zu Orten ferner entfernt von der Achse abfallen. In der in der Figur gezeigten Konfiguration sind die Quadranten 152 und 153 gemeinsam parallel, wie auch die Quadranten 154 und 155 und somit definieren sie ein „Dach“ mit seiner Erhöhungslinie an der Achse der Spindeln 74. Obwohl der Sensor 150 in dieser Ausführungsform in dem Kontext eines Dualachsenscanmikrospiegelaufbaus veranschaulicht ist, kann diese Art von dachgestalteter Sensorkonfiguration ebenso in der Abtastung der Rotation von Einzelachsenscannern verwendet werden.
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Alternativerweise können die Quadranten 152 und 153 auch relativ zu einander gewinkelt sein und ebenso Quadranten 154 und 155, so dass die vier Quadranten zusammen eine pyramidische Gestalt definieren mit ihrer Spitze nahe dem Zentrum des Mikrospiegels, wo die Rotationsachsen sich schneiden.
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Obwohl der kapazitive Sensor 150 um der Klarheit Willen beschrieben wird mit Referenz auf den Mikrospiegel 46, können Sensoren dieser Art, mutatis mutandis, angewendet werden zum Abtasten und Verfolgen der Bewegung von Scanspiegeln anderer Arten, wie beispielsweise die in den Referenzen, die oben in dem Hintergrundabschnitt zitiert sind, beschrieben wurden. Ebenso können andere erfinderische Merkmale die oben in Bezug auf Techniken zum Antreiben eines Scanspiegels beschrieben werden, auf ähnlicher Weise auf andere Spiegeldesigns angewendet werden.
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Es wird verstanden werden, dass die Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, als Beispiele zitiert werden und dass die gegenwärtige Erfindung nicht auf das, was hier davor besonders gezeigt und beschrieben wurde, eingeschränkt ist. Vielmehr beinhaltet der Umfang der gegenwärtigen Erfindung sowohl Kombinationen als auch Unterkombinationen von den verschiedenen Merkmalen, die hier davor beschrieben sind, sowie Variationen und Modifikationen davon, welche sich dem Fachmann beim Lesen der vorangegangenen Beschreibung ergeben und welche nicht, im Stand der Technik offenbart sind.
