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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen photonisch diffraktiven
Speicher. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine
Einrichtung zum Ablesen von Information von dem photonisch diffraktiven Speicher.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
großen
Speicherkapazitäten
und relativ niedrige Kosten von CD-ROMs und DVDs haben einen noch
größeren Bedarf
an wiederum größeren und
billigeren optischen Speichermedien erzeugt. Holographische Speicher
wurde vorgeschlagen, um die optischen Discs als digitale Speichermedien
hoher Kapazität
zu ersetzen. Die hohe Dichte und Geschwindigkeit von holographischen
Speichern beruht auf der dreidimensionalen Speicherung und auf dem
gleichzeitigen Auslesen eines gesamten Pakets von Daten zu einer
bestimmten Zeit. Die hauptsächlichen
Vorteile eines holographischen Speichers sind die höhere Informationsdichte (1011 Bits oder mehr je Quadratzentimeter),
eine kurze wahlfreie Zugangszeit (~100 Mikrosekunden und darunter),
und eine hohe Informationsübertragungsrate
(109 Bit/Sekunde).
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In
holographischen Aufzeichnungen wird ein Lichtstrahl von einer kohärenten monochromatischen Quelle
(bspw. einem Laser) in einen Bezugsstrahl und einen Objektstrahl
aufgespalten. Der Objektstrahl wird durch einen räumlichen
Lichtmodulator (SLM) geleitet und dann in ein Speichermedium geführt. Der
SLM-Modulator bildet eine Matrix von Verschlussblenden, welche ein
Paket binärer
Daten repräsentiert.
Der Objektstrahl geht durch den SLM-Modulator, welcher in der Weise
wirksam ist, dass er den Objektstrahl mit der binären Information
moduliert, welche auf dem SLM-Modulator dargestellt wird. Der modulierte
Objektstrahl wird dann auf einen Punkt auf dem Speichermedium gerichtet,
was durch einen Adressierungsmechanismus geschieht, wo er mit dem
Bezugsstrahl in Wechselwirkung tritt, um ein Hologramm zu erzeugen,
welches das Datenpaket repräsentiert.
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Ein
optisches System, das aus Linsen und Spiegeln besteht, wird dazu
verwendet, den optischen Strahl, welcher mit dem Datenpaket kodiert
ist, auf die in besondere Weise adressierte Fläche des Speichermediums zu
leiten. Eine optimale Ausnützung
der Kapazität
eines dicken Speichermediums wird durch räumliche und winkelmäßige Multiplexausnützung erreicht.
Beim räumlichen
Multiplexen wird ein Satz von Paketen in dem Speichermedium gespeichert,
das in einer Ebene als eine Gruppe von räumlich getrennten und winkelmäßig angeordneten
Subhologrammen unterteilt ist, indem die Strahlrichtung in der x-Achsenrichtung
und der y-Achsenrichtung der Ebene geändert wird. Jedes Subhologramm
wird an einem Punkt in dem Speichermedium mit den rechtwinkligen
Koordinaten gebildet, welche die jeweilige Datenpaketadresse darstellen,
wie die Aufzeichnung in dem Speichermedium erfolgte. Beim winkelmäßigen Multiplexen
wird die Aufzeichnung unter Beibehaltung der x- und y-Koordinaten
durchgeführt,
während
der Bestrahlungswinkel des Bezugsstrahls in dem Speichermedium geändert wird.
Durch wiederholtes inkrementelles Ändern des Bestrahlungswinkels
wird eine Mehrzahl von Informationspaketen als Gruppe von Subhologrammen
an demselben x- und y-Koordinatenort aufgezeichnet.
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Bisherige
holographische Einrichtungen zur Informationsaufzeichnung in einem
holographischen Speicher hohen Multiplexumfanges und zur Ablesung
der Information erfordern Komponenten und Abmessungen beträchtlicher
Größe, was
eine Grenze für
die Möglichkeit
der Minimierung dieser Systeme setzt. Da bisherige holographische
Einrichtungen Antriebe und Komponenten großer Abmessungen, bspw. Spiegel
und Linsen, verwenden, sind die Adressierungssysteme dieser vorbekannten
Einrichtungen langsam. Weiterhin benötigen die mechanischen Komponenten
dieser vorbekannten Einrichtungen eine häufige Wartung, um Fehler und
Fehlfunktionen zu korrigieren, welche bspw. durch Verschleiß und Reibung
entstehen (d. h., ein tribologischer Effekt). Weiterhin sind vorbekannte
Adressierungssysteme teuer, da sie komplexe Systeme für die Steuerung
benötigen.
Aus diesem Grunde können
ihre Preise nicht für
eine Massen produktion erniedrigt werden. Weiterhin sind die vorbekannten
Einrichtungen bezüglich
ihres Energieverbrauches nicht ökonomisch.
Selbst wenn vorbekannte Adressierungseinrichtungen im neuen Zustand
genau sind, verringert sich ihre Genauigkeit mit der Zeit durch
Verschleiß und
gegenseitige Reibung der zusammenwirkenden Flächen.
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Aufgrund
des Vorstehenden wäre
es erstrebenswert, eine Technik oder mehrere Techniken zu schaffen,
wodurch die zuvor beschriebenen Nachteile und Unannehmlichkeiten
der oben beschriebenen vorgeschlagenen Lösungen überwunden werden.
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Die
US-Patentschrift 5436867 offenbart
einen räumlichen
Multiplexer zur Verwendung mit einem holographischen Speichermedium.
Der räumliche
Multiplexer enthält
eine Gruppe von einzelnen Reflektorelementen mit linearer Gestalt,
welche in einer Parallelanordnung vorgesehen sind, die relativ zueinander
auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jedes eine unterschiedliche
winkelmäßige Orientierung
gegenüber
dem Speichermedium hat. Ein akustooptisches Gerät steuert den Bezugsstrahl
vertikal auf das jeweilige Reflektorelement für eine räumliche Multiplexwirkung hin.
Ein anderes akustooptisches Gerät
steuert den Bezugsstrahl horizontal für ein winkelmäßiges Multiplexen.
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Die
JP 11 016375 offenbart
eine holographische Speichereinrichtung mit Reihen von Mikrospiegeln. Ein
Objektlicht und ein Bezugslicht werden auf dieselbe Position eines
holographischen Aufzeichnungsmediums durch abgelenkte Mikrospiegel
geleitet.
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Analoge
Abtastspiegel in Millimetergröße, welche
in der Lage sind, Ablenkwinkel von mehr als 60° zu erzeugen, sind in der Veröffentlichung
von Miller u. a. in „Micromachined
electromagnetic scanning mirrors", Opt.
Eng. 36(5), Seiten 1399–1407
(1997) beschrieben. Die Verwendung dieser Spiegel wird in Verbindung
mit einem holographischen Datenspeichersystem erwähnt.
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Andere
Arten von verformbaren Spiegel-Raumlichtmodulatoren sind in der
Veröffentlichung
von Lakner u. a. in „Micromirrors
for direct writing systems and scanners", SPIE, Band 3878, Seiten 217–227 (1999) offenbart.
Für die
winkelmäßige Ablenkung
eines Lichtstrahls wird ein Resonanz-Mikroabtastungsspiegel, basierend
auf einem Silizium-mikromechanischem Torsionsbetätiger, angegeben.
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Im
Hinblick auf das Vorstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Verbesserung an einem photonischen diffraktiven
Speicherablesungssystem bezüglich
Geschwindigkeit und geringer Größe zu schaffen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Miniaturisierung
eines photonischen diffraktiven Speicherablesungssystems zu ermöglichen.
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Es
ist wiederum ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, das Adressierungssystem
eines photonischen diffraktiven Speicherablesungssystems auf Matchbox-Größe zu reduzieren.
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Wiederum
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Festkörperablesungssystem
zu konstruieren, das rasch in großen Mengen und zu niedrigen
Kosten mit herkömmlichen
Mitteln gefertigt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Zum
Erreichen der oben genannten Ziele umfasst die vorliegende Erfindung
ein Festkörpersystem zum
Ablesen von Information aus einem photonendiffraktiven Speicher.
Eine kohärente
Lichtquelle erzeugt einen konvergenten Lichtstrahl, der dann in
einem akustooptischen Ablenker abgelenkt wird. Eine Vielzahl von Mikrospiegeln
empfängt
den abgelenkten Lichtstrahl vom akustooptischen Deflektor oder Ablenker
an einem der Mikrospiegel. Ein photonendiffraktiver Speicher mit
einer Vielzahl von Punkten empfängt
an einem der Punkte den reflektierten Lichtstrahl, welcher von einem
der Mikrospiegel reflektiert worden ist. Ein Ablenker oder Deflektor
hat eine Vielzahl von lichtdetektierenden Zellen. Mindestens eine
der Zellen empfängt
einen Teil des reflektierten Lichtstrahls, der durch den Punkt übertragen
worden ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Mikrospiegel
als Matrix konfiguriert.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Linse vorhanden,
welche den konvergenten Lichtstrahl formt, welcher von der Lichtquelle
ausgeht.
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Gemäß wieder
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die konvergente
Lichtquelle aus der Gruppe gewählt,
welche aus einem Laser geringer Leistung und einer lichtemittierenden
Diode besteht.
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Nach
wiederum einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der
Detektor eine CCD-Detektorgruppe.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung speichert jeder der genannten
Vielzahl von Punkten ein Diffraktionsmuster oder mehrere Diffraktionsmuster.
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Gemäß wiederum
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das photonendiffraktive Speichermedium
darin gespeichert Information, welche an einer Vielzahl von Punkten
des Speichers und an einer Vielzahl von Winkeln an jedem der Punkte
gespeichert ist, so dass eine Vielzahl von Paketen von Information
an jedem der Punkte enthalten ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jeder der Mikrospiegel
ein schwingend abtastender Mikrospiegel.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Rechner so ausgelegt,
dass er die Synchronisation des akustooptischen Ablenkers und der
schwingenden Mikrospiegel so koordiniert, dass der reflektierte
Lichtstrahl auf einen der Punkte mit einem bestimmten Winkel so
für ausreichende
Zeit hingelenkt wird, dass die Information von dem betreffenden
Punkt abgelesen werden kann.
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Gemäß wiederum
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jeder der Mikrospiegel
ein schwingender Mikrospiegel und die Schwingungszyklen des Mikrospiegels
sind mit der Abtastung des akustooptischen Deflektors koordiniert,
so dass der genannte reflektierte Lichtstrahl auf einen der Punkte
des Speichermedium hingelenkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um
ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sei mm auf die anliegenden
Zeichnungen Bezug genommen. Diese Zeichnungen sind nicht im Sinne
einer Beschränkung
der vorliegenden Erfindung zu verstehen, sondern sind nur beispielsweise
angegeben.
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1 zeigt
eine Mikrospiegelanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Mikrospiegelanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2a zeigt
eine vergrößerte Ansicht
des Betätigungsantriebs
der Mikrospiegelanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3a zeigt
das Hinzufügen
einer epitaktischen Schicht zu einem Wafer als Teil des MEMS-Fabrikationsprozesses
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3b zeigt
die Bildung der Startelektroden und die Ablagerung einer Metallschicht
als Teil des MEMS-Fabrikationsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3c zeigt
einen anisotropen Ätzvorgang
zur Entfernung des Substrates unterhalb der gestalteten Spiegelplatte
als Teil des MEMS-Fabrikationsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3d zeigt
einen Querschnitt des Mikrospiegel-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4a zeigt
eine Startelektrode einer Mikrospiegelanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4b verdeutlicht
den Betrieb eines Mikrospiegels, welcher durch ein Sägezahnsignal
gemäß der vorliegenden
Erfindung betrieben wird.
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5 zeigt
ein Festkörper-Ablesungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 zeigt
einen akustooptischen Ablenker gemäß der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung eines diffraktiven optischen Aufzeichnungsprozesses.
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8 zeigt
eine Matrix von Punkten, welche ein Speichermedium gemäß der vorliegenden
Erfindung bilden.
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9 zeigt
die Synchronisation des Spiegels des Festkörper-Ablesungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
kompakte Architektur für
diffraktive optische Systeme gemäß der vorliegenden
Erfindung integriert eine Anzahl von Komponenten in einem kompakten
Paket einschließlich
eines akustooptischen Deflektors und eines mikrooptisch-elektromechanischen
Systems (MOEMS), welches die Addressierungskomponente eines Ablesungssystems
für einen
photonendiffraktiven Speicher auf Matchboxgröße reduziert. Das Ablesungssystem
ist aus Festkörperkomponenten
gebildet. Die Spiegel sind in CMOS-Technologie aufgebaut, was den Vorteil
hat, dass das Ablesesystem zu niedrigen Kosten in Massenproduktion
gehen kann.
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Verschiedene
diffraktive Aufzeichnungs- und Ablesungsprozesse wurden in der Technik
entwickelt und weitere Details können
in dem Buch „Holographic
Data Storage", Springer
(2000) herausgegeben von H. J. Coufal, D. Psaltis und G. T. Sincerbox
gefunden werden. In dieser Beschreibung wird durchgehend der Ausdruck „diffraktiv" zur Unterscheidung
der herkömmlichen
Holographietechnologie, wie sie für die 3-D-Bilderzeugung verwendet wird, von der
diffraktiven Technologie verwendet, welche für die Erzeugung eines Speichermediums
notwendig ist. Beispielsweise ist die Diffraktionseffizienz ein
kritischer Wert bzgl. der Brauchbarkeit irgendeines Materials zur
Verwendung als diffraktives Speichermedium. Die Qualität der Interferenz
zur Bildung eines 3-D-Hologramms ist im Vergleich zu der Qualität, die zur
Realisierung eines Speichermediums erforderlich ist, einfach zu
erreichen. Darüber
hinaus kann ein diffraktives Speichermuster auch unter Verwendung
anderer Techniken als der Interferenz eines Bezugsstrahles und eines
Objektstrahles verwirklicht werden, bspw. unter Verwendung eines
e-Strahls zur Ätzung
auf einem Material zwecks Erzeugung von Beugungsmustern. Aus all
diesen Gründen
führt die
vorliegende Beschreibung das Konzept einer breiteren Technologie
der diffraktiven Optik ein.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf ein Abtast-Mikrospiegelelement 100 mit
einer Spiegelplatte 102, welche durch zwei oder vier Torsionsfedern 122a, 122b gehalten
ist, welche die Spiegelplatte 102 mit jeweiligen Verankerungen 120a, 120b verbinden.
Die Verankerungen 120a und 120b sind an dem Substrat 110 befestigt. Die
beiden kammartigen Treiberelektroden 105a, 105b erzeugen
ein Drehmoment zur Bewegung der Spie gelplatte 102. Die
Spiegelplatte 102 nach 1 ist ein
Beispiel eines mikrooptisch-elektromechanischen
Systems (MOEMS). Ein MOEMS ist ein System, welches elektrische und
mechanische Komponenten miteinander verbindet einschließlich optischer
Komponenten, und zwar zu einer körperlichen
Baugruppe geringer Abmessung.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Mikrospiegelelementes 100 mit
der Spiegelplatte 102, welche in ein Siliziumsubstrat eingeschnitten
ist, auf welcher ein reflektierender Film abgelagert ist, typischerweise
ein Aluminiumfilm mit einer charakteristischen Dicke von etwa 50
nm. Die Platte 102 ist von den zwei oder vier Verdrehungspunkten 120a und 120b abgestützt und
wird durch die zwei oder vier Treiberelektroden 105a, 105b betätigt, abhängig davon,
ob es gewünscht
wird, dass der Spiegel 102 in eine oder zwei Richtungen
gedreht wird. Der Ablenkwinkel ist theoretisch unbegrenzt, praktisch
ist er aber etwa 60°.
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Die
Veränderung
der Kapazität
C 125 (C ändert
sich mit dem Winkel φ)
zwischen der Spiegelplatte 102 und den kammartigen Treiberelektroden 105a und 105b dient
zur Erzeugung des Plattentorsionsmomentes. Wenn eine Spannung U
durch eine Energiequelle (nicht dargestellt) an die Treiberelektroden 105a und 105b angelegt
wird, dann ist das erzeugte elektrostatische Drehmoment (M) folgendermaßen anzugeben: M = 1/2 dC/dφ U2 worin φ der Ablenkungswinkel der Platte
ist.
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Die
Spiegelplatte 102 kann eine Größe von 0,5 × 0,5 mm bis zu 3,0 × 3,0 mm
haben. Die Antriebe (die Bewegung zwischen Spiegelplatte 102 und
Elektroden 105, wie sie durch die Energiequelle betrieben
werden), werden in Resonanz erregt, d. h., sie schwingen kontinuierlich.
Die Abtastfrequenz hängt
von der Größe der Spiegelplatte
ab (0,14 kHz bis zu 20 kHz) und ein mechanischer Abtastwinkel von ±15° kann bei
einer Treiberspannung von nur 20 V erreicht werden.
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Wenn
der Antrieb im Synchronmodus arbeitet, ist es möglich, die Winkelposition der
Spiegelplatte 102 durch Steuerung der maximalen Ablenkamplitude
und der Oszillationsperiode zu steuern. Vorteile dieser Spiegel
liegen darin, dass die Ablenkamplitude durch die Treiberspannung
U überwacht
werden kann. Für
einen großen
Abtastwinkel ändert
sich der Ablenkwinkel linear mit der Anregungsspannung.
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Wie
in 2A dargestellt, bildet der Abstand, der zwischen
der Spiegelplatte 102 und den Treiberelektroden 105a und 105b liegt,
einen veränderlichen
Kondensator. Durch Anlegen einer Spannung wird somit ein elektrostatisches
Drehmoment erzeugt, das auf die Platte wirkt und sie zur Drehung
und/oder Oszillation veranlasst. Unter der Vorraussetzung der besonderen
geringen Größe dieser
Mikrospiegel auf der einen Seite und ihrem Betriebsmodus auf der
anderen Seite wird es möglich,
die Größe des Ablesungsgerätes 400 (siehe 5)
wesentlich zu reduzieren und dadurch einen hohen Grad an Integration
zu ermöglichen.
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Die 3a bis 3d verdeutlichen
den Vorgang der Herstellung eines Mikrospiegelelementes 200 auf
einem Substrat 230 mit Startelektroden 210a und 210b.
Die Fabrikation wird unter Verwendung einer CMOS-kompatiblen Technologie
vorgenommen. Es sei auf 3a Bezug
genommen. Ein Wafer 230 dient als Basismaterial. Eine vergrabene
Oxidschicht (BOX) 221 wird in einem SIMOX-Verfahren (Separation
by Implantation of Oxygen) erzeugt. Eine 200 nm-dicke Siliziumschicht 205 auf
der Oberseite der BOX-Schicht 221 wird durch eine 20 μm-dicke Epitaxieschicht
verstärkt.
Aus 3b ist zu ersehen, dass eine Oxidschicht und eine
Metallschicht abgelagert und geformt werden, um die Startelektroden 210a und 210b zu
bilden. Die Metallschicht wird durch ein zusätzliches Oxid geschützt. In
dem nächsten
Schritt wird eine 50 nm-dicke Schicht 206 aus Aluminium
abgelagert, um die reflektierende Beschichtung in dem Spiegelbereich
auszubilden. Aus 3c ist zu erkennen, dass das
Substrat unterhalb der vorgesehenen Torsionsfedern und der Spiegelplatte 205 durch
einen anisotropen Ätzvorgang
in einer Tetramethylamoniumhydroxidlösung (TMAH) entfernt wird, wobei
die Teile 230 stehen bleiben. TMAH ist eine chemische Lösung, welche
für das
anisotrope Ätzen
von Wafersubstraten verwendet wird, in welchen die Mikrospiegel
geätzt
werden.
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Nachdem
die BOX-Schicht entfernt worden ist und die epitaktische Schicht
unter Verwendung des Advanced-Silicon-Etch-Prozesses mit Muster
versehen ist, werden Gräben 207 ausgebildet.
Ein Querschnitt des Mikrospiegelchips 200 am Ende dieses
Prozesses ist in 3d gezeigt.
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4a verdeutlicht
den Betrieb des Mikrospiegelelements 100. 4a zeigt
die Startelektroden 210a, welche zum Starten einer Bewegung
der Spiegelplatte 205 verwendet werden. Eine Spannung einer
festen Frequenz wird an die Startelektrode 210a gelegt,
was zu Asymmetrien führt.
Nimmt man eine perfekte Symmetrie des Antriebs an, so ist es ohne
von außen
eingeführte
Kräfte
unmöglich,
die Schwingung zu starten. Aus diesem Grunde ist eine zusätzliche
Startelektrode 210a, 210b vorhanden, welche über jeder
der Treiberelektroden 221 gelegen ist und von hier durch
eine Oxidschicht 209 isoliert ist. Diese Elektroden 210a und 210b können separat
kontaktiert werden und brechen die Symmetrie der Anordnung auf.
Ist einmal eine Schwingung angeregt, dann arbeitet der Spiegelantrieb
in einem Synchronmodus, wobei die Spiegelplatte 205 in
Phase mit der Antriebserregung der Spannung U schwingt, welche durch
eine Energiequelle erzeugt wird.
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4b zeigt
die Synchronisation der Spiegelplatte 102 beim Antrieb
durch ein Sägezahnsignal 300. Das
Sägezahnsignal 300 enthält die Spannung
U, welche mit einer vorbestimmten Frequenz je Sekunde angelegt wird.
Der Betrieb der Spiegelplatte 102 ist in fünf unterschiedlichen
Positionen 301–305 dargestellt, während die
Spiegelplatte 102 durch die Sägezahnwelle 300 betätigt wird,
welche an die Treiberelektroden 105a, 105b (siehe 1)
angelegt wird. In einem vollen Zyklus, welcher eine Bewegung von
einem positiven Winkel zu null Grad zu einem negativen Winkel umfasst,
bewegt sich das Spiegelelement 102 von den Positionen 301 bis 304 (ein
voller Zyklus) und beginnt dann den Zyklus wieder in der Position 305.
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Tabelle
1 zeigt die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des Mikrospiegelelementes
100 in
Abhängigkeit
von der Spiegelgröße. Die
Eigenfrequenz hängt
von den mechani schen und elektrischen Charakteristiken des Mikrospiegelelementes
100 ab.
Im Synchronmodus schwingt der Spiegel mit dem Zweifachen der Eigenfrequenz.
| 1D
Spiegelgröße (mm) | 0,5 | 1 | 1,5 | 2 | 3 |
| Resonanzfrequenz
(kHz) | 2,32 | 0,4–7,5 | 0,25–2,5 | 0,14–1,5 | 0,2 |
Tabelle
1
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5 zeigt
ein Ablesesystem 400, welcher eine gesonderte Einheit auf
einer Plattform 470 enthält, welche einen akustooptischen
Ablenker oder Deflektor 430, eine mikrooptische-elektromechanische
Systemmatrix (MOEMS) 440, einen Matrixspeicher 450 und
einen Bildsensor 460, bspw. ein CCD-Detektierungssystem
(ladungsgekoppeltes Gerät)
oder ein anderes derartiges Bilddetektierungssystem trägt. Zusätzliche
Einrichtungen, welche auf der Plattform 470 oder getrennt
davon angeordnet sind, enthalten eine Lichtquelle 410 (bspw.
einen Laser bzw. eine Laserdiode) und eine Konvergenzlinse 420.
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Die
Wirkungsweise des Ablesesystems geht in der Weise vor sich, dass
die Lichtquelle 410 einen Lichtstrahl 480a aussendet,
welcher durch die Konvergenzlinse 420 von einer Ebenenwelle
in eine sphärische Welle 480b fokussiert
wird. Die sphärische
Welle 480b bildet einen konvergierenden Strahl. Der konvergierende
Strahl 480b wird durch den akustooptischen Ablenker 430 abgelenkt,
um den Strahl 480c auszubilden, welcher auf eines der Mikrospiegelelemente
der MEOMS-Matrix 440 trifft. Die MEOMS-Spiegelmatrix 440 hat
eine Größe, welche
auf die Begrenzungen des Speichermatrix-Adressierungssystems abgestimmt
ist. Die Mikrospiegelmatrix 440 dient zur Adressierung
der Matrix von Punkten des Speichers 450, in welchem Daten
durch räumliche
und winkelmäßige Multiplexbehandlung
gespeichert sind. Der Strahl 480c, welcher von dem akustooptischen
Deflektor oder Ablenker 430 kommt, bildet eine Fläche mit
einem Durchmesser, welche in den Durchmesser jedes der Mikrospiegelele mente
der MEOMS-Spiegelmatrix passt. Zusätzlich wird die Speichermatrix 450 räumlich in
solcher Weise justiert, dass die Größe des Laserstrahls 480d genau
zur Größe jedes Punktes
der Speichermatrix 450 passt.
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6 zeigt
den akustooptischen Deflektor oder Ablenker 430 mehr im
Einzelnen. Der akustooptische Deflektor (AO) 430 richtet
den Laserstrahl 480b unter einem Winkel auf die Mikrospiegelanordnung 440.
Wenn die akustooptischen Kristalle einer Beanspruchung ausgesetzt
werden, insbesondere mittels eines Wandlers, welcher im allgemeinen
aus einem piezoelektrischen Kristall besteht, dann modifizieren
sie den Brechungswinkel des Lichtes und im allgemeinen, der elektromagnetischen
Welle, welche durch sie hindurch geht, um den Wert des Brechungswinkels
des herauskommenden Strahles 480c zu modifizieren. Durch
Modifizieren der Betätigungsfrequenz
des piezo-elektrischen
Wandlers wird der Lichtstrahl 480b abgelenkt, um den Lichtstrahl 480c mit
einem aus einer Vielzahl von Winkeln zu bilden.
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Wie
also in 6 gezeigt ist, werden die Veränderungen
der Orientierung längs
OX und OY (Bezug nehmend hier auf die rechtwinkligen Koordinaten
von 2) des einfallenden Lesestrahles 480b,
welcher von dem Laser 410 niedriger Leistung ausgeht, dadurch
erhalten, dass dieser Strahl den beiden akustooptischen Komponenten 121, 122 ausgesetzt
wird. Man versteht folglich, dass durch Verändern der Vibrationsfrequenz des
piezoelektrischen Kristalls, der der akustooptischen Komponente
oder den akustooptischen Komponenten zugeordnet ist, es möglich wird,
sehr rasch die gewünschte
Orientierung der Gittereinteilung innerhalb der Zeilen und Spalten
der datentragenden Matrix 450 zu modifizieren. Der Begrenzungsfaktor
wird dann die Ansprechzeit der Spiegelelemente der MEOMS-Matrix 440,
welche auf den Einfallswinkel des Lesestrahls Einfluss nimmt.
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Die 7 und 8 beschreiben
den Inhalt des diffraktiven Speichermediums. Es sei auf 7 Bezug
genommen. Bei der Bildung eines diffraktiven Musters oder Beugungsmusters
oder alternativ eines Hologramms, verschneidet sich ein Bezugsstrahl 1 mit
einem Objektstrahl 4 zur Bildung eines Subhologramms 8a (auch
als ein Punkt be zeichnet), der sich durch das Volumen des Speichermediums 8 erstreckt.
Es gibt ein gesondertes Subhologramm oder einen gesonderten Punkt 8a,
der sich durch das Volumen für
jeden Winkel und räumlichen
Ort des Bezugsstrahls 1 erstreckt. Der Objektstrahl 4 wird
mit einem Paket von Informationen 6 moduliert. Das Paket 6 enthält Information
in Gestalt einer Vielzahl von Bits. Die Quelle der Information für das Paket 6 kann
ein Rechner sein, das Internet oder irgendeine andere informationserzeugende
Quelle. Das Hologramm trifft auf die Oberfläche 8a des Speichermediums 8 auf
und erstreckt sich durch das Volumen des Speichermediums 8.
Die Information des Paketes 6 wird auf dem Speichermedium 8 durch
räumliche
Multiplexbehandlung und winkelmäßige Multiplexbehandlung
moduliert. Eine winkelmäßige Multiplexbehandlung wird
durch Verändern
des Winkels α des
Bezugsstrahles relativ zur Oberflächenebene des Speichermediums 8 erreicht.
Ein gesondertes Paket 6 von Information wird in dem Speichermedium 8 als
ein Subhologramm für jeden
gewählten
Winkel α und
jeden räumlichen
Ort aufgezeichnet. Eine räumliche
Multiplexbehandlung wird durch Verschieben des Bezugsstrahls 1 relativ
zu der Oberfläche
des Speichermediums 8 erreicht, so dass sich der Punkt 8a an
einen anderen räumlichen
Ort verschiebt, bspw. dem Punkt 8a', auf der Oberfläche des Speichermediums 8.
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Das
Speichermedium 8 ist typischerweise ein dreidimensionaler
Körper,
welcher aus einem Material gefertigt ist, das empfindlich gegenüber einer
räumlichen
Verteilung von Lichtenergie ist, die durch Interferenz des Objektlichtstrahles 4 und
des Bezugslichtstrahles 1 erzeugt wird. Ein Hologramm kann
in einem Medium als eine Variation der Absorption oder der Phase
oder beider Größen aufgezeichnet
werden. Das Speichermaterial muss auf einfallende Lichtmuster ansprechen,
welche eine Änderung
seiner optischen Eigenschaften bewirken. In einem Volumenhologramm
kann eine große
Zahl von Paketen überlagert
werden, so dass jedes Datenpaket ohne Verzerrung rekonstruiert werden
kann. Ein Volumenhologramm (dickes Hologramm) kann als eine Überlagerung
von dreidimensionalen Gitteranordnungen angesehen werden, welche
in der Tiefe der Schicht des Aufzeichnungsmaterials aufgezeichnet
sind, wobei jede das Bragg'sche
Gesetz erfüllt
(d. h. eine Volumen-Phasen-Gitteranordnung). Die Gitteranordnungs ebene
in einem Volumenhologramm erzeugen eine Änderung in der Refraktion und/oder
der Absorption.
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Verschiedene
Materialien wurden als Speichermaterial für optische Speichersystem aufgrund
der ihnen eigentümlichen
Vorteile in Betracht gezogen. Diese Vorteile umfassen eine Selbstentwicklungsfähigkeit, trockene
Verarbeitung, gute Stabilität,
dicke Emulsionen, hohe Empfindlichkeit und eine nicht-flüchtige Speicherung.
Einige Materialien, welche für
Volumenhologramme in Betracht gezogen worden sind, sind photo-refraktive Kristalle,
photopolymere Materialien und polypeptide Materialien.
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Es
sei nun auf 8 Bezug genommen. Hier ist in
größerem Detail
das Speichermedium 8 gezeigt, welches in Form einer flachen
Platte vorgesehen ist, die hier als eine Matrix bezeichnet wird.
In diesem Beispiel hat die Matrix eine Fläche von 1 cm2.
Jeder einer Vielzahl von Punkten auf der Matrix ist durch seine
rechtwinkligen Koordinaten (x, y) definiert. Ein bilderzeugendes
System (nicht dargestellt) reduziert den Objektstrahl 4 auf
das Subhologramm 8a mit einer minimalen angenommenen Größe an einem
der Punkte x, y der Matrix. Ein Punkt im physikalischen Raum, welcher
durch seine rechtwinkligen Koordinaten definiert ist, enthält eine Vielzahl
von Paketen 8b.
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Im
vorliegenden Fall wird ein 1 mm2 großes Bild 8a durch
Fokussieren des Objektstrahles 4 auf das Speichermedium 8 in
Zentrierung auf die betreffende Koordinate erhalten. Aufgrund der
Interferenz zwischen den beiden Strahlen 1 und 4 wird
ein diffraktives Bild 8a in einer Größe von 1 mm2 in
dem Speichermedium 8 in Zentrierung an den Koordinaten
der Matrix aufgezeichnet. Ein räumliches
Multiplexbehandeln wird durch sequentielles Ändern der rechtwinkligen Koordinaten
durchgeführt.
Der Objektstrahl 4 ist so auf das Speichermaterial fokussiert,
dass ein separates Bild 8a an einer einzigartigen Position
in der Ebene aufgezeichnet wird, welche durch die Koordinaten x
und y definiert ist. Die genannte räumliche Multiplexbehandlung
resultiert in einer 10 × 10-Matrix
von diffraktiven Bildern 8a. Jedes Multiplexbehandeln wird
durch sequentielles Ändern des
Winkels des Bezugsstrahls 1 mittels der Spiegelelemente
der MEOMS-Matrix 440 durchgeführt. Eine Winkelmultiplexbehandlung
dient zur Erzeu gung von 15–20
Paketen von Information 8b entsprechend 15 diskreten Veränderungen
des Einfallswinkels des Bezugsstrahls. Zusätzlich ist es möglich, 20
bis 25 Pakete durch einfaches Multiplexbehandeln und 40 bis 50 Pakete
durch Verwendung einer doppelten symmetrischen winkelmäßigen Multiplexbehandlung
zu erreichen. Ein Datenpaket wird rekonstruiert, indem der Bezugsstrahl 1 unter
dem selben Winkel und am selben räumlichen Ort herumgeführt wird,
unter welchen das Datenpaket aufgezeichnet wurde. Der Teil des Bezugsstrahls 1,
welcher durch das Speichermaterial 8 gebeugt wird, bildet
die Rekonstruktion aus, welche typischerweise durch eine Detektorgruppe
detektiert wird. Das Speichermaterial 8 kann mechanisch
verschoben werden, um Datenpakete an verschiedenen Punkten an ihren
Koordinaten (x, y) zu speichern.
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9 zeigt
die Synchronisation der Mikrospiegel 440. Da die Mikrospiegel 440 kontinuierlich
schwingen, ist es notwendig, den akustooptischen Reflektor (AOD) 430 und
die Mikrospiegel 440 zu synchronisieren, um die Adressierung
eines Datenpaketes des Speichers 450 zu realisieren. Bei
Kenntnis der Spiegelparameter, wie Amplitude und Ablenkung und Oszillationsperiode,
ist es möglich,
die Schaltzeit des AOD 430 zu steuern. Auf diese Weise
kann einer der Mikrospiegel herausgegriffen werden, wodurch eine
gewünschte
Position in dem Speicher 450 adressiert wird. Der AOD 430 richtet
den Laserstrahl auf einen gewählten
Spiegel zu einer gegebenen Zeit.
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Zwei
repräsentative
Mikrospiegel 440a und 440b der Mikrospiegelanordnung 440 von 5 sind
dargestellt, wobei jeder der Mikrospiegel eine unterschiedliche
Position einnimmt. Die Ruheposition 441a ist für den Mikrospiegel 440a gezeigt.
Die Ruheposition 441b ist für den Mikrospiegel 440b gezeigt.
Der kohärente Laserstrahl
wird durch den AOD 430 zu unterschiedlichen Zeiten auf
einen der Mikrospiegel 440a, 440b gerichtet, welcher
den Lichtstrahl zu einem vorbestimmen Ort und unter einem vorbestimmten
Winkel auf den Speicher 450 richtet. Die Linse 455 fokussiert
die Lichtenergie auf die CCD-Gruppe 460. Eine CPU (nicht
dargestellt), beispielsweise ein Rechner, ein Mikrocontroller oder
ein derartiges Steuergerät
steuert den AOD 430, die Mikrospiegel 440 und
den CCD-Detektor 460. Die CPU (nicht gezeigt) empfängt Eingänge von
Sensoren, welche die Positionen der Mikrospiegel 440a und 440b anzeigen
und empfängt
Eingänge
bzgl. des Zustandes des AOD 430. Die CPU (nicht gezeigt)
steuert dann die Spiegelpositionen der Mikrospiegel 440 und
den Ablenkungswinkel des AOD 430. Die Synchronisation der
Mikrospiegel 440 mit dem AOD 430 ist notwendig,
um einen maximalen Ablenkwinkel zu erreichen. Der maximale Ablenkwinkel
ist der Maximalwinkel, der durch den verarbeiteten Strahl erreicht
werden kann. Dies bedeutet, dass der Ausgangsstrahl des akustooptischen
Gerätes
einen Maximalwert erreichen kann. Zwischen dem positiven und negativen
Wert dieses Maximums liegt der Winkelbereich der akustooptischen
Einrichtung. Ein anderer Vorteil der Synchronisation besteht darin, dass
die maximale Ablenkung durch die Steuerung der Treiberspannung überwacht
werden kann. Das bedeutet, die Ablenkung verändert sich linear mit der treibenden
Anregungsspannung U.
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9 zeigt
die Synchronisation zwischen den Mikrospiegeln 440, dem
AOD 430 und der CCD-Kamera 460. Die Synchronisation
ist für
zwei der Mikrospiegel 440a und 440b der Mikrospiegelanordnung 440 aufgezeigt.
Da die Mikrospiegel 440a und 440b ständig bei
niedrigen Frequenzen (d. h. 200 Hz) schwingen, können die Mikrospiegel 440a und 440b als
feste Spiegel im Vergleich zu der Schaltzeit des AOD (10 bis 100 μs) angesehen
werden. Zu einer Schaltzeit T können
die Mikrospiegelpositionen so erfasst werden, dass bestimmt werden
kann, wie Zugriff auf ein bestimmtes Informationspaket aus dem Speicher 450 genommen
werden. Bei der vorliegenden Erfindung steuert die CPU (nicht gezeigt)
die Mikrospiegelsynchronisation und errechnet die Schaltzeit des
AOD 430 und der CCD-Gruppe 460, um ein gegebenes
Paket aus dem Speicher 450 abzulesen. Die Positionen der
Mikrospiegel 440 werden errechnet, um jedes Informationspaket
des Speichers 450 zu adressieren. Zu einer Zeit T1 wird
der AOD 430 geschaltet, um den Mikrospiegel 440a zu
adressieren, so dass ein Informationspaket aus dem Speicher 450 gelesen
wird. Zu einer anderen Zeit T2 wird der AOD 430 geschaltet,
so dass er den Mikrospiegel 440b adressiert und so ein
bestimmtes Informationspaket aus dem Speicher 450 gelesen
wird. Der Mikrospiegel 440a ist unter einem Winkel α1 gegenüber der
Normalposition 441a dargestellt. Der Mikrospiegel 440b ist
unter einem Winkel α2
gegenüber
der Normalposition 441b gezeigt. Die Linse 455 fokussiert
die Ausgangswellenform, welche die Datenpakete führt, auf die Gruppenanordnung
der CCD-Kamera 460.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht bzgl. ihres Umfanges auf spezifische
hier beschriebene Ausführungsformen
beschränkt.
Tatsächlich
ergeben sich für
die Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet vielerlei Modifikationen
der vorliegenden Erfindung zusätzlich
zu den hier beschriebenen Ausführungsformen
durch Kenntnisnahme der vorliegenden Beschreibung und der begleitenden
Zeichnungen.