TWI290239B - Electromagnetic scanning micro-mirror and optical scanning device using the same - Google Patents

Description

1290239 九、發明說明： 【發明所屬技術領域】 、 本發明係論及一種電磁掃描微鏡。 此種依據本發明之掃描微鏡，係可適用於雷射印表機、丘 叹/、*、、、,辱員微、 條碼掃描II、掃示器、和其他各種，彼㈣被設計來掃打一 條光束，其係自某一光源發射至某一預定區域，諸如一個可用於::二 像或可讀取位置或影像資料之-維（亦即，線）或二維（亦即，面^ 域。此種依據本發明之微鏡，亦可適用於光學開關裝置，以便除了上= 之掃描功能外，可以自由地調節一條反射之光束的路徑。 上述 近年來，隨著光«置之技術的發展，有多種彻光波作為資訊輸 入/輸出和資訊傳輸媒體之技術在不斷成長。有 種掃描-個絲所發射之光束的方法。此種光麵触狀典型應用範 例，係包含有條碼掃描器、基本位準掃描雷射顯示裝置、等等。 該光束掃描技術，依據彼等之應用範例，係需要不同之掃描速率和 範圍。習知技術光束掃描之主要注意力，係在於—種可調節—個例如電 鑛面鏡或旋轉之多角形面鏡等驅動面鏡的反射平面與人射光束所形成的 -射角度之方a在此„亥電鑛面鏡係適用於—些需要一種大約數赫也 許數十赫^掃描速率的細例，然而，該多角形面鏡係可達成一種大約 數千赫之掃描速率。 隨著-些驗之發展，近年來，已有稍之努力訴諸於將該光束掃 純術顧至新裝置，或者仙該光鱗描技術，纽善習知技術裝置 之性能表現。此不斷努力之良好範例係包括：—種具有高解析度原色再 1290239 現力之特徵的透射式顯示系統、 一 一個需要高空間解析度之光★ 雷射印表機、等等。 面鏡’其係可達成—種高的掃插速备傳統上必須具有-片掃描 使用―片多角形面鏡之f知技術方法的情況。f而’在 是，該多角形面鏡係安裝在—個具 項問 述驅動馬達之旋轉速率。所以，由二角斜的⑽速率，係取決於上 積縮減。 ’、係很難使電力消耗和整體系統之體 此外’ 動馬達之機__音，基本上勢必要純移除，以及 複雜之結構肢其難錢造成本之_。 第1圖係-個可例示_種依據f知技術使用—片多角形面鏡之掃描 裝置的概要圖。若有-輸人光束5自—個光源i發出，該光束5首先會 :個由各種透鏡選出之先學器件2，以及接著會被一片多角形面鏡3 藉由此配置，當该多角形面鏡3藉由一個安袭在其下方之馬達4 而疑轉時’-條光束6將會被該多角形面鏡3反射，因而會在—種預定 之方向8中掃描。在此，該掃描方向8係取決於上述多角形面鏡3之旋 轉方向7。 上文所述使用多角形面鏡3之習知技術掃描裝置的問題是，雖然其 可達成一種單向高掃描速率，其係無法應用至一個高解析度顯示器、等 等。 另一方面，另一種使用微鏡之習知技術掃描裝置，係可達成一種雙 向掃描能力和數十赫之高掃描速率。然而，當該掃描裝置在其操作極限 下’亦即，其雙向性高掃描速率下，而受到驅動時，其將會承受到一種 動態偏轉，而在該掃描裝置之操作期間，使得上述之微鏡榣動。此為該 7 1290239 :.u鏡之反射平面會扭曲的原因，以及其結果是反射光束會劣化。 : 因此，為達成一種高性能之光學掃描裝置，上述微鏡之最佳材料和 結構務必加以選擇，使適能限制到上述之動態偏轉。 同時，就一種使用垂直梳式電極之先存技藝式靜電掃描微鏡而論， • 在彼等之製作中，一個可動部分或轉子和一個固定部分或定子，係需要 • 鬲度的排齊準確度。此外，上述之靜電掃描微鏡具有的一種困難是，其 結構勢必要有一種高的高寬比，藉以使其旋轉角度增加。 而且’ 一個附接至面鏡板之可動梳式電極，和一個在設置上與該可 Φ 動梳式電極相鄰之固定梳式電極，將會引起驅動力之阻尼的增加。 【發明内容】 因此’本發明由於上述之問題而製成，以及本發明之第一目的，旨 在提供一種光學掃描裝置，其係具有一種整合式微鏡，其被設計使用電 磁現象而驅動。 此種微鏡提供一種可以預定角度調變一條反射之光束的路徑之方向 調變或角調變的功能。 此種微鏡亦可提供一種可以預定角度調變一條反射之光束的路徑預 鲁定期間之之掃描功能。 本發明之另一個目的，旨在提供一種使用電磁微鏡之光學掃描裝 置，其中，該微鏡係具有一個設有反射平面之薄層結構和一個框架結構， 因而在驅動期間可以限制到上述反射平面之偏轉，以及可達成一種大的 掃描角度和高的掃描速率。 本發明之又一個目的，旨在提供一種使用電磁微鏡之光學掃描裝 置’其可經由一系列之半導體製造過程和顯微機械加工技術來製造，因 而可完成一種輕巧之光學掃描裝置。 依據本發明之一項特徵，上述和其他之目的，可藉由提供一種電磁 1290239 鏡板’⑽包含有：—個可供應磁場之磁場產生器；一片面 社槿.j 片反射平面和—個附接至此反射平面之背表面的框架 ㈣广Γ痛該面鏡板之基板；"對可使該等面鏡板與基板相連結之 干、種雖材料’其係設置在上述面鏡板之反料面的背表面 =以及係適用於藉由與上述磁場產生器所供應之磁場相互作用，而產 驅動力，其中，該面鏡板可㈣使用上述磁性材料所產生之驅動 操作“執仃物繞鮮可界定ώ上述面鏡板之旋雜的扭力桿之旋轉 “忙采、’^構最好為一種具有一個或多個單元框架之陣列。 逐漸 母一個早7〇框架，最好具有一種朝離開上述面鏡板之旋轉軸而 縮減的寬度。 縮減單元轉，最好具有"'翻離壯躺鏡板域轉軸而逐漸 每一個單元框架，最好具有-種貫通至少—個預定位置之#刻空間。 該磁性材料在設置上，最好仙騎上述面他讀_而呈現對 稱性或不對稱性。 該磁性材料，最好可使嶋至上述框雜構之表面，或使位於 面鏡板之背表面處，而使埋設上述框架結構之表面内。 該磁性材料，最好為一種具有一個或多個沿著上述面鏡板之旋轉軸 而彼此平行排列的單元磁鐵之陣列。 每一個單元磁鐵，最好基於一片平行於上述面鏡板之平面，具有一 種長形多角形或橢圓形之形狀，其垂直於上述面鏡板之旋轉軸的長度， 係長於其與該旋轉轴相平行之寬度。 該磁性材料，最好可由一種軟磁性材料來製成。 該磁場產生器，最好可包含有··一個電流源；和一個線圈，其可在 上述電流源所供應之電流流經其間時，產生一個磁場。 1290239 該線圈最好可使整合進該基板中。 =基板最好可具有—些上部和下部，彼等係藉由***一片絕緣居而 之上部和下部τ使韻鏡板連接至上述基板 該基板最好可為一種絕緣體上覆石夕⑽)基板。 該微鏡最好可進一步包含有一個或多個固定 相鄰之位置處的婦電極，以及1 h W面鏡板 。面鏡板可Μ由使用上述雜材料所產 生加至鱗電極與面鏡板之_電位差所產生 之電性力’而使旋轉。 該面鏡板最好可進一步具有一些在位置上與 節電極鄰接的可動電極，以及上述雜Λ 心。構上面之调 心¥ ★ 述％加至該等調節電極與面鏡板之間的 電位差所產生的力，可鮮於上賴加至轉 之間的電位差所產生的電性力。 』勳電極 曰上述施加至該等調節電極與面鏡板之間的電位差所產生之電性力， 取好可為-種在該等調節電極與面鏡板之間的吸引力。 依據本發明之另-個特徵，上述和其他之目的，可藉由製備一 干知描裝置來完成，其係包含有：一彳 炉胁·你^ 0 個如專利睛求項1所明列之電磁掃 h兄，α供入射光束給該電磁掃描微鏡之光學器件；和 輸出上述電雜财錢耻狀光束的絲將。 τ 【實施方式】 本發明之以上和其他目的、功能 附諸圖之詳細蚊加日聰和其齡點將可由下文配合所 從將參照卿諸目，來轉本伽之較佳實關。 彳目兒月種依據本發明之實施例的電磁掃描微鏡之透視 圖。更明確地說，第2Α圖說明一種形成在一片面鏡板處之反射平面，以 1290239 及第2B g|侧示-獅成在該面鏡板紅框架結構。@時，帛^和沈 圖並未例示出磁力產生器。 在本發明之實施例中，一片掃描微鏡係包含有：_片面鏡板，其係 具有-片反射平面11和—侧接至此反射平面n之背絲㈣以支撐 此反射板11的框架結構12; 一片環繞該面鏡板之基板；一對可使該等二 鏡板與基板树結之杻力桿14 ;和—種磁性材料15，㈣形成在該框架 結構12上面。而且，在錄板上面與面鏡板相鄰之位置處，係形成有二 對調節電極16和17。 本實施例之基板’係被—片絕緣輕分為—個上部分和—個下部分。 該反射平面1卜係形成在上述面鏡板之一片表面處，而可使照J其 上之光束反射，以及雜架結構12，係形成在上述面鏡板之另—片表面 處，而可支撐該反射平面11。»參照第3A和3B _細解釋該框架結 部八該面鏡㈣受到-雌力桿14之捕，而使其連接至上述基板之上 此等扭力桿14各連接至：此對稱於面鏡板中央之面鏡板知對立侧 =。該面鏡板係適使環繞—條可使珊扭力桿14彼此連接之旋轉轴 轉。亦即’該扭力桿14係伽來界定上箱鏡板執行旋娜作時之 軸，以及可提供一種回復扭矩。 處。在本實施财，該雜_丨5，献置社述面驗之轉結構12 該:性材料15係呈現_種單元磁鐵陣列之形式，該 上述面鏡歡_麵彼辭彳_。每—解元销，私—=: 於上述面驗之平面，係具有—種長雜形之雜，料直 板之旋轉軸的長度，係長於其與該旋轉軸相平行之寬产。、鏡 在本實施例中，該磁性材料15，係不對稱地位於上述面鏡板之旋轉 1290239 ：轴的—個側部處。當然，二者擇-地，該磁性材料15，係可相對於該旋 轉軸而使對稱設置。 更明確地說，該磁性材料15，係可自該框架結構12朝上凸出，或者 可如第2B圖中所不，使嵌進上述框架結構12之表面内。、 . 帛3八和3B圖係一個說明上述依據本發明之掃描微鏡的平面圖和橫 . 截面圖。 在本實施例中，-個基板上部分2〇，和一個基板下部分22，係藉由 -片絕緣層21 ’使彼此在電氣上相分隔。該絕緣層21，在該等基板或掃 _ _鏡之製造，包括-個侧過程時，係作用為一種侧停止件。 /本實施例之基板，可為一種絕緣體上覆石夕⑽）基板。或者，該基板 係可使兩基板接α來製造。在他型之實施例巾，該絕緣層21係在該等 基板上部分20與基板下部22彼此相接合之前置入。 在他型之實闕中，轉面鏡板、基板上部分20、和扭力桿14，亦 可使彼此-體形成。而且，在使用上述之s〇I基板時，該基板之秒部分， 可經由一種蝕刻過程而使穿孔。 B縣實施射，卿描微鏡在配置上，可使上述呈現-種具有均勻 厚度薄層之面鏡板1G，在其—片表面處，係設有上述之反射平面η，以 響及在其另一個表面處，係設有上述之框架結構12。 /該框架結構12，係呈現-種由多個單元框架彼此平行排列成之陣列 每—個單π框架係具有_種菱形之形狀，而使該單元框架之寬 ^ ’在接近上述面鏡板1()之旋轉軸處為最大，以及朝離開該旋轉軸而逐 。最好，該單元轉之厚度，雜在接近上述面鏡㈣之旋轉轴 免二最大，以及朝離開該旋轉軸而逐漸縮小。 ㈠口該框架結構12，係部价關有多俯L 13 〇侧此等孔13，係具有使 心卞框結構12和因而之面鏡板1〇的整體質量縮小之效應。此將可在該 面鏡板10旋轉時，有效地消除動態偏轉之危險。 12 1290239 : 為驅動本發明之掃描微鏡，勢必要有-種磁場，沿-悔直於該等 -基板上下部分20和22之方向，供應至上述之面鏡板ίο。就此點而論， 在該掃描微鏡内，係設有一種磁場產生器（未示出），藉以產生上述之磁 場。 . 搞％產生11，可包含有—個電絲和-鱗®，後者可隨著上述 •電/爪源所七、應之電流的流經其中，而產生上述之磁場。該線圈亦可用來 將上述產生之磁場施加至該面鏡板1〇。該線圈可使整合進上述之基板 内，或可使分開位於-個鄰接上述面鏡板之預定外部位置處。 Φ 第4彳5圖係|說明上述依據本發明之微鏡的操作原理之透視圖。 山參照第4 ®，有-條扭力桿1〇2，沿一個γ一軸方向排齊，而使其相 對端4 101被固疋。該扭力桿1〇2係被用來支撑一個磁性材料103附接 所在之、、Ό構上面。右有一種磁場施加至一個垂直於上述磁性材料觸之 絲面的ζ-軸方向，該磁性材料1〇3便會受到一種扭矩，其將會造成環 繞上述扭力桿102，亦即，環繞γ—軸方向之旋轉。 當該磁性材料1〇3為-個永久磁鐵時，上述之扭矩係依據磁極之方 向而作用於+6^或一心之方向。此係同樣適用於一個由類似鎳等軟磁性材 料製成之磁性材料。亦即，上述之扭矩係基於一個形狀各向異性，而作 _ 在-個如第4圖中所顯示之箭頭綱的方向中。 因此該磁性材料之轉肖度在決定上，可使_個外部磁場所產生 之驅動扭矩，等於上述扭力桿1〇2之偏轉所產生的相反回復扭矩。 依據上文所述之原理，若有—個外部磁場沿Z—軸方向，施加至本發 明之電磁微鏡，便會有一個扭矩作用於_個如第5圖中雌示之箭頭31 的方向中，糟以造成環繞上述排齊在χ—轴方向中之扭力桿Μ的旋轉。 因此，在第5圖之實施例中，若一個外部磁場自上述之磁場產生器 (未不出）供應出，該磁性材料15便會產生—個扭矩，藉以造成上述面 13 1290239 上述用來依據一個參照第4圖所解釋之操作的原理而獲致扭矩之磁 陘材料15，最好為一種相對於上述面鏡板之旋轉軸成不對稱排列之單元 磁鐵的陣列。每一個單元磁鐵可具有一種長形多角形或橢圓形之形狀， 其垂直於上述硫板之旋轉㈣長度，係長於其與織_相平行而在 一個平行於該面鏡板之平面上的寬度。而且，上述之磁鐵係以一種軟磁 性材料製成，藉以基於其形狀各向異性，而產生—種驅動力。 若上述供應至磁性材料15之外部磁場被移除，該微鏡便會在該等扭 力桿之回復力的影響下，而在—個相反之方向中旋轉，以及因而可使該 微鏡執行雙向性旋轉。在此—方式下，基於若上述磁場產生器所供 應之外部磁場的方向被改變，該微鏡之旋轉方向便會被改變之事實，該 微鏡係可藉自重複改變上述磁場之方向，而使在減方向中旋轉。 在本發明之掃顧射，其轉力勢必要加以調節。上述微鏡之驅 動力，可使用上述磁場產生器所供應之磁場的強度，加上上述磁性材料 之材料特性，來加以調節。依據本發明之實施例，有—種電位差施加至 該等面鏡板與電極16和17之間，藉以產生—觀雜礙上述微鏡 之驅動的靜電力。 該等調節電極16和17，係使固定至上述基板與面鏡板相鄰之位置 處。在該等面鏡板與調節電極16和17之間施加電位差，係、具有在其間 產生電氣吸引之效應。此種電氣吸引在制上，可將該面鏡板推向該等 調節電極16# 17，以及因而係與上述磁性材料15之驅動力相反，其係 被用來使該面鏡板旋轉。因此，上述面鏡板之旋轉，可使用該等電氣吸 引和驅動力兩者來加以控制。該電氣吸引比起磁性材料之驅動力，係較 容易控制，以及因社述掃描微鏡之操作，可更精確及細緻地受到控制。 與其在該㈣個面鏡板與靖電極之_加電位差，而產生上述之 電氣吸引，取而代之的是，藉由使用鱗調節電極與可動電極之間的電 位差’可使-些可動電極分開佈置在上述面鏡板之框架結構12上面，藉 14

而言

1290239 以產生一種電氣吸引。 轉明如上靖述之掃描微鏡，可使與—個❹個透鏡，諸如舉例 種可將來自個光源之入射光束提供給該婦描微鏡的光學器件 可細崎贿鏡觀狀縣的鱗轉，和魏使該掃描微 疋轉所需之鶴元件她合，如戦-概對倾裝置。 ㈣確地說，該光學掃描裝置，最好係設有—個擴展透鏡，藉以擴 展上述掃描微鏡所反射之光束。 由上文之說明而為明顯，本發明提供了一種掃描微鏡，其係可適用 於各種裝置’藉以將-個光騎發出之光束，掃描至—鋪定之區域， 而形成一個影像或讀取位置或影像資料。 此種依據本發明之掃描微鏡，可經由—㈣之半導體製造過程和微 機械加工技術來加以製造，_可完成-種輕巧之配置，同時可在光學 和機械性能方面達細著之改善。祕具有降鮮件成本和以電磁方式 驅動該微鏡所需之耗電量的效應。 此外，上述依據本發明之掃描微鏡，可達成一種不需要一個可動結 構之電線的簡化結構，因而可達成高量產力、降低製造成本、和輕巧之 配置。 此外，該掃描微鏡比起習知技術微鏡，可在結構穩定度、光學性能、 #重里減輕方面達成改善。所以，本發明之掃描微鏡，係翻於一個需 要高掃描速率和寬掃描翻之高性輯描系統，錢可廣泛地被使用在 包各有一種需要微鏡之靜態位移系統的各種領域中。 雖然本發明之較佳實施例，業已就例示之目的加以揭示說明，本技 術之專業人員將可瞭解，在不違離所附申請專利範圍所說明本發明之精 神與範圍下’各種變更形式、附加裝置、與代替品均屬可能。 15 1290239 【圖式簡單說明】 第1圖係一個說明一種依據習知技術使用一片多角形面鏡的光學掃 描裝置之透視圖； 第2A和2B圖係一些說明一種依據本發明之實施例的電磁掃描微鏡 之透視圖； 第3A圖係第2圖包含一個沿其線A—B截成之部分的平面圖； 第3B圖係一個沿第3A圖之線A’ —B’截成之橫截面圖； 第4圖係一個說明本發明中所採用之操作的原理之透視圖；以及 第5關係-個上述依據本發明之實施例的微鏡之操作的透視 1 光源 2 光學器件 3 多角形面鏡 4 馬達 5 輸入光束 6 光束 7 旋轉方向 8 掃描方向 10 面鏡板 11 反射平面 12 框架結構 13 14 杻力桿 15 磁性材料 【主要元件符號說明】 16 Ί290239 16,17 調節電極 20 基板上部分 21 絕緣層 22 基板下部分 31 箭頭 101 端部 102 扭力桿 103 磁性材料 104 箭頭

Claims (1)

1290239 修(更)王智換貝丨 十、申請專利範圍：1_一一一~——I 1· 一種電磁掃描微鏡，包括·· 一個可供應磁場之磁場產生器； 一片面鏡板，其係具有一片反射平面，和一個附接至此反射平面之 背表面的框架結構； 一片環繞該面鏡板之基板； 一對可使該等面鏡板與基板相連結之扭力桿； _ 一種磁性材料，其係設置在上述面鏡板反射平面的背表面處，以 及係適使藉由與上述磁場產生器所供應之磁場相互作用，而產生_種驅 動力；以及 此等調節電極，其在靠近該面鏡板之位置處固定於該基板， 其中’該面鏡板可藉由使用上述磁性材料所產生之驅動力，來執行〜 種環繞該等用以界定上述面鏡板之旋轉轴的扭力桿之旋轉操作。 2·如申請專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該框架結構係一種具 有一個或多個單元框架之陣列。 ^ i 3·如申請專利範圍第2項之電磁掃描微鏡，其中，每一個單元框架，係 具有一種朝離開上述面鏡板之旋轉軸而逐漸減小之寬度。 1如申請專利範圍第2項之電磁掃描微鏡，其中，各個單元框架，係具 有一種朝離開上述面鏡板之旋轉軸而逐漸縮減的厚度。 χ 5·如申請專利範圍第2項之電磁掃描微鏡，其中，每一個單元框架， 不 1 糸 18 Ί290239 π修(更1 具有一種貫通至少一個預定位置之姓刻空間 皆錢與| 6·如申印專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該磁性材料在設置上， 係相對於上述面鏡板之旋轉軸而呈現對稱性或不對稱性。 7.如申請專·圍第丨項之電磁掃描微鏡，射，綱性材料，可使附 接至上述框架結構之表面，或使位於上述面鏡板之背表面處，而使嵌 進上述框架結構之表面内。 8·如申請專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該磁性材料，為一種 具有一個或多個沿著上述面鏡板之旋轉轴而彼此平行排列的單元磁鐵 之陣列。 9·如申請專利範圍第8項之電磁掃描微鏡，其中，各個單元磁鐵，係基 於一片平行於上述面鏡板之平面，而具有一種長形多角形或橢圓形之 形狀，其垂直於上述面鏡板之旋轉軸的長度，係長於其與該旋轉軸相 平行之寬度。 10·如申請專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該磁性材料，係由一 種軟磁性材料來製成。 11·如申請專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該磁場產生器係包含 有： 一個電流源；以及 一個線圈，其可在上述電流源所供應之電流流經其間時，產生一個 磁場。 19

；1290239 12.如申請專利範圍第11項之電磁掃描微鏡，其中，該線圈係使整合進 上述之基板中。 13·如申請專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該基板係具有一些上 部和下部，彼等係藉由***一片絕緣層而使彼等分開，以及該等扭 力桿在配置上，係使該面鏡板連接至上述基板之上部和下部中被選 定的"個。 14·如申請專利範圍第13項之電磁掃描微鏡，其中，該基板係一種絕緣 體上覆矽(SOI)基板。 15·如申叫專利範圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，該面鏡板可藉由使用 上述磁性材料所產生之驅動力，以及一種施加至該等調節電極與面 鏡板之間的電位差所產生之電性力，而使旋轉。 16·如申請專利範圍第丨項之電磁掃描微鏡，其中，該面鏡板更具有一些 在位置上與上述框架結構上面之調節電極鄰接的可動電極，以及上 述施加至該等調節電極與面鏡板之間的電位差所產生的電性力，係 等於上述知加至該等調節電極與可動電極之間的電位差所產生 力。 $申”月專#〗$|圍第1項之電磁掃描微鏡，其中，上述施加至該等調節 電極與面鏡板之間的電位差所產生之電性力，係一種在該等調節電 極與面鏡板之間的吸引力。 20 ：1290239 fl ( v y : 18.—種光學掃描裝置，包括： ' 一個如專利請求項1所設定之電磁掃描微鏡； 一種可提供入射光束給該電磁掃描微鏡之光學器件；以及 一種可輸出上述電磁掃描微鏡所反射之光束的光學器件。