DE4403297C2

DE4403297C2 - Vorrichtung zur Ablenkung optischer Strahlen

Info

Publication number: DE4403297C2
Application number: DE4403297A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Schwesinger; Ulf Heim; Helmut Prof Dr Wurmus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: DE4403297A1; KR960700456A; DE59406500D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablen kung optischer Strahlen, vorzugsweise zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit an einem antreibbaren Rota tionskörper angeordneten Spiegelflächen
Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Realisie rung der Ablenkung von Laserstrahlen, die eine kon tinuierliche Strahlenablenkung für größere Winkel und hohe Ablenkgeschwindigkeit erfordern, rotato risch angetriebene Polygonspiegel zu verwenden. Nachteilig ist dabei, daß der extreme Fertigungs aufwand dieser Spiegel zu außerordentlich hohen Ko sten führt. Außerdem kann bei den bekannten Poly gonspiegeln die Verkippungsfreiheit der einzelnen Spiegelsegmente bezüglich der Drehachse nicht ge währleistet werden.

Aus dem Gebiet der Mikrotechnik sind weiterhin Ablenkspiegelanordnungen für optische Strahlen be kannt, bei denen an Torsionsbändern aufgehängte Spiegelflächen um eine Drehachse kippen können oder bei denen die Spiegelflächen am Ende von bewegli chen Zungenstrukturen angeordnet sind. Für derar tige Systeme werden elektrostatische, piezzoelek trische oder elektrothermische Antriebe eingesetzt, die generell mit der Mechanik funktionsintegriert sind.

Mit derartigen Anordnungen sind zwar Strahlablen kungen von ± 100 realisierbar, die zugehörigen Spiegelflächen sind jedoch nur im Bereich zwischen 50×50 µm² bis 500×500 µm² herstellbar. Als sehr problematisch erweist sich bei den bisher bekannten Systemen das dynamische Verhalten. Bei hohen Fre quenzen nimmt der erreichbare Ablenkwinkel dra stisch ab, da die zur beschleunigten Bewegung der Spiegelfläche notwendigen Kräfte durch die gewähl ten Antriebsprinzipien nicht mehr aufgebracht wer den können. Es treten außerdem Schwingungsmodi auf, die zur Verwölbung der Spiegelflächen führen. Um eine sichere Bewegung der Spiegelflächen auch bei höheren Frequenzen zu ermöglichen, muß deren Masse drastisch reduziert werden, was bei gegebener Spie gelfläche nur durch eine Verringerung der Dicke möglich ist. Dies führt jedoch zu einer verstärkten Ausbildung von Schwingungen auf der Spiegeloberflä che und damit zu Funktionsstörungen.

Die Druckschrift Xerox Disclosure Journal, Volume 15, Number 3, May/June 1990 beschreibt eine Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen mit einem drehbaren Polygonspiegel. Dieser Polygonspiegel kann u. a. durch anisotropes Ätzen von einkristal linem Silizium hergestellt werden.

Die US-A-4 938 551 beschreibt einen Bar-Code-Leser mit einem Polygonspiegel mit vertieft liegenden Spiegelflächen, der auf einem als Motor ausgebildeten Träger oder einem oszillierenden Träger montiert ist. Hierdurch sollen mehrere, in der Richtung unterschiedliche Abtastorte geschaffen werden, d. h. der Bar code soll in unterschiedlichen Richtungen abgetastet werden. Die Rotationsgeschwindigkeit eines solchen Bar-Code-Lesers ist relativ niedrig.

Die US-A-S 235 454 betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls. Der Spiegel besitzt eine einzige Spiegel oberfläche und soll mit hoher Drehzahl angetrieben werden. Der den Spiegel tragende Rotor besteht aus einem scheiben artigen Grundkörper und wird durch eine elektrostatische Kraft angetrieben, die dadurch erzeugt wird, daß selektiv eine Span nung an Statorelektroden angelegt wird, über denen der Rotor berührungslos abläuft, wobei die axiale Abstützung des Rotors durch abstoßende Kräfte von Permanentmagneten erfolgt, die im Achsbereich des Stators bzw. am Ende der Rotorwelle angeordnet sind. Die radiale Abstützung erfolgt durch einen Viskositäts widerstand der zwischen die radialen Lagerflächen eingeblasenen Luft.

Die US-PS 3 874 778 betrifft einen Drehspiegelscanner zur Ab lenkung eines Lichtstrahls eines mechanisch angetriebenen Spiegels. Auch hier erfolgt die axiale Abstützung des Rotors berührungslos durch die abstoßenden Kräfte von Permanentmag neten, die im Stator bzw. Rotor angeordnet sind. Die radiale Abstützung erfolgt wiederum durch ein dynamisches Luftlager.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ablenkung optischer Strahlen zu schaffen, die eine hohe Ab lenkfrequenz bei großen Ablenkwinkeln und für große Spiegel flächen ermöglicht, eine Verkippungsfreiheit der Einzelsegmente bezüglich der Drehachse gewährleistet und kostengünstig her gestellt werden kann.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Danach erfolgt sowohl die axiale als auch die radiale Abstützung auf magnetischem Wege, wobei diese magnetische Lagerung selbstzentrierend ist und einen reibungsfreien Lauf mit hohen Drehzahlen ermöglicht.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen 2 bis 5.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich insbe sondere durch folgende Vorteile aus:

- Verwirklichung hoher Ablenkfrequenzen auch für relativ große Lichtstrahldurchmesser,
- Herstellen der Spiegeloberflächen mit hoher Prä zision,
- kostengünstige Herstellung in der Massenproduk tion, da in der Mikromechanik die vorteilhaften Technologien der batch-Prozesse der Mikroelektronik genutzt werden können,
- Verkippungsfreiheit der Segmente zueinander,
- hohes Reflexionsvermögen der Spiegelflächen durch die vorgesehenen Materialien.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zuge hörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Vor richtung, bei der sich die Spiegelflächen am Rotationskörper in einer Vertiefung befinden, und

Fig. 3 und 4 eine erfindungsgemäße Vor richtung, bei der sich die Spiegelflächen an einer auf dem Rotationskörper angebrachten Me sastruktur befinden.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anord nung enthält der Grundkörper 1 eine Aussparung 1.1, die in ihren Abmessungen größer als der scheiben förmige Rotationskörper 2 ist. Der Rotationskörper 2 besteht aus einem einkristallinen Material, vor zugsweise aus Silizium, und enthält eine zentrisch angeordnete polygonförmige Vertiefung 2.1. Die Ver tiefung 2.1 wird durch Kristallebenen des Rotati onskörpers 2 seitlich begrenzt, welche die Spiegel flächen 2.2 darstellen. Auf der Oberseite des Rota tionskörpers 2 befindet sich eine ringförmige, seg mentierte hartmagnetische Schicht 2.3, deren Zen trum die Drehachse des Rotationskörpers 2 definie ren. Der Grundkörper 1, in dessen Aussparung 1.1 sich der Rotationskörper 2 befindet, wird an der Oberseite durch eine Deckplatte 3 aus Glas herme tisch abgeschlossen. Auf dieser Deckplatte befindet sich ein Ringmagnet 4 und eine Anzahl von Spulen paaren 3.1 mit integrierten Flußleitstücken 3.2. An der Unterseite des Grundkörpers ist ein Gegenpolma gnet 5 angeordnet.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen die Fig. 3 und 4. Hierbei ist auf dem scheibenförmigen Rotationskörper 2 eine po lyedrische Mesastruktur 2.4 zentrisch angeordnet. Die Mesastruktur 2.4 wird durch Kristallebenen des Rotationskörpers 2 seitlich begrenzt, welche die Spiegelflächen 2.2 darstellen. Auf der Oberseite des Rotationskörpers 2 befinden sich ringförmig an geordnete Hartmagnete 2.3, deren Zentrum die Drehachse des Rotationskörpers definieren. Der Grundkörper 1, in dessen Aussparung 1.1 sich der Rotationskörper 2 befindet, ist an seiner Oberseite wiederum durch eine Deckplatte 3 hermetisch abge schlossen.

In beiden Ausführungen wird der Rotationskörper 2 durch die Segmente des hartmagnetischen Materials auf seiner Oberseite, durch die Kraft des Ringma gneten 4, des Gegenpolmagneten 5 sowie durch das Magnetfeld der Spulen 3.1 in der Aussparung des Grundkörpers 1 schwebend gehalten. Die ringförmige Ausbildung der Magnete erzwingt die Zentrierung des Rotationskörers 2. Durch geeignete Ansteuerung der auf dem Grundkörper 1 angeordneten Spulenpaare 3.1 wird über die Flußleitschichten 3.2 ein magneti sches Feld erzeugt, das im Zusammenwirken mit den hartmagnetischen Segmenten auf dem Rotationskör per 2 ein Drehmoment bewirkt. Der Rotationskörper 2 kann dadurch bei einer Mehrpolanordnung in eine taumelfreie Rotationsbewegung versetzt werden.

Ein auf eine Spiegelfläche 2.2 des Rotationskör pers 2 fallender Lichtstrahl kann durch die Drehbe wegung der Spiegelfläche um eine Drehachse bis zu einem Winkel von ca. 60° abgelenkt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt sehr hohe Drehzahlen, weil durch das selbstzentrierende Magnetlager Reibungseffekte fast vollständig ver hindert sowie Unwuchten minimiert werden können.

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper
1.1 Aussparung
2 Rotationskörper
2.1 Vertiefung
2.2 Spiegelflächen
2.3 hartmagnetische Schicht
2.4 Mesastruktur
3 Deckplatte
3.1 Spulenpaare
3.2 Flußleitstücke
4 Ringmagnet
5 Gegenpolmagnet

Claims

1. Vorrichtung zur Ablenkung von optischen Strahlen, insbesondere von Laserstrahlen, mit den folgenden Merkmalen:

- in einer Aussparung (1.1) eines Grundkörpers (1) ist ein scheibenförmiger Rotationskörper (2) drehbar;
- die Aussparung (1.1) ist durch eine Deckplatte (3) aus Glas abgeschlossen;
- der Rotationskörper (2) trägt in rotations symmetrischer Anordnung Spiegelflächen (2.2), die gegenüber der Drehachse schräg stehen;
- auf der Oberseite des Rotationskörpers (2) befinden sich in ringförmiger Anordnung hartmagnetische Segmente (2.3), deren Zentrum die Drehachse des Rotationskörpers (2) definiert;
- auf der Deckplatte (3) befindet sich mindestens ein Ringmagnet (4);
- unterhalb des Rotationskörpers (2) ist am Grund körper (1) ein Gegenpolmagnet (5) angeordnet;
- auf der Deckplatte (3) sind Spulen (3.2) angeordnet, die bei geeigneter Ansteuerung ein magnetisches Feld erzeugen, das im Zusammenwirken mit dem Feld der hartmagnetischen Segmente (2.3) auf den Rotations körper (2) ein Drehmoment ausübt und diesen im Zu sammenwirken mit dem Feld der Ringmagneten (4) und dem dem Feld der Gegenpolmagneten (5) in der Aus sparung (1.1) freischwebend hält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (2) eine zentrische Vertiefung (2.1) aufweist, in der sich die Spiegel flächen (2.2) befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (2) aus ein kristallinem Material besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einkristallinen Rotations körper (2) zentrisch eine polyedrische Mesastruktur (2.4) an geordnet ist, deren Seitenflächen die Spiegelflächen bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (3.1) mit integrierten Flußleitstücken (3.2) ausgerüstet sind.