WO2009124609A1 - Umlenkeinrichtung für einen strahl einer elektromagnetischen welle - Google Patents

Umlenkeinrichtung für einen strahl einer elektromagnetischen welle Download PDF

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WO2009124609A1
WO2009124609A1 PCT/EP2008/066713 EP2008066713W WO2009124609A1 WO 2009124609 A1 WO2009124609 A1 WO 2009124609A1 EP 2008066713 W EP2008066713 W EP 2008066713W WO 2009124609 A1 WO2009124609 A1 WO 2009124609A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
deflection device
wafer
reflection
reflection elements
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/066713
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tjalf Pirk
Stefan Pinter
Hubert Benzel
Heribert Weber
Michael Krueger
Robert Sattler
Frederic Njikam Njimonzie
Joerg Muchow
Joachim Fritz
Christoph Schelling
Christoph Friese
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2009124609A1 publication Critical patent/WO2009124609A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Definitions

  • the invention is in the field of optics or micromechanics and deals with deflection devices for electromagnetic radiation such as laser beams, light rays and UV rays, which can be controlled by means of movable reflection elements.
  • the invention deals with the possibilities of a little expensive and easy to produce deflection device for a light beam.
  • the present invention is based on the background of the prior art, the task with a minimum of effort to create a fast-working and reliable deflection, which allows a beam deflection with the required accuracy and is low in design effort and low cost.
  • the deflection device can be planned as a passage element, in which the beam entry direction does not differ or only slightly from the beam exit direction, so that a corresponding light source can be arranged behind the deflection device, while the image area or scan area is positioned in front of the deflection device.
  • Wafer units are used with appropriately integrated reflection elements, so that you can work with a high component concentration and a high yield per wafer.
  • these can be spaced apart from one another by an intermediate element arranged between them and be positioned relative to one another, which, for example, can advantageously be embodied as a transparent plate.
  • the actual light beam can then pass the second reflection element to the first reflection element through the transparent plate, are reflected by the first reflection element through the plate on the second reflection element and emerge from this again by an outlet opening next to the first reflection element from the deflection.
  • a material for such a transparent plate is, for example, glass or a transparent
  • the corresponding plate can be produced with sufficient accuracy plane-parallel or as a wedge plate, so that it aligns the reflection elements to each other.
  • the corresponding reflection elements can then be placed with their carriers directly on the plate or glued or bonded.
  • the reflection elements can also be spaced apart from each other by a housing and positioned.
  • Such a housing can then be filled with air or gas or evacuated and have a frame with two bearing surfaces, which are arranged opposite each other and allow the support of the corresponding carrier of the reflection elements.
  • the carriers or the reflection elements can be aligned parallel to one another or at a suitable angle, and inlet windows must be provided next to each of the reflection elements for entry or exit of the beam, if this is not to enter through the side walls of the housing.
  • Such a housing may for example consist of plastic or a coated glass. It can advantageously be provided that the reflection surfaces in the housing parallel to
  • Entrance window and the housing bottom and / or housing top are aligned.
  • the reflection surfaces are angled in the housing between 20 ° and 70 °, in particular by 45 ° relative to the Gescousunter- and top. In this case, a particularly space-saving arrangement of the reflection elements in the housing may result.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that each reflection element is an integral part of a separate wafer part.
  • the reflection elements as a mirror in particular as a plane mirror is particularly economically possible by the means of micromechanics in a wafer by trench etching a mirror is released. This may be before or after the final pruning be coated in addition to increasing the reflectance. There is a certain minimum distance to adjacent components necessary to allow a swinging of the mirror, for example, when the wafer is glued directly onto a plate, which forms the spacer between the two reflection elements as a transparent plate.
  • each of the wafer parts is covered with a protective layer on its side facing away from the respective other wafer. This ensures that the overall arrangement of the deflection after assembly on all sides is well protected against the ingress of dirt and other environmental influences. Since the reflection elements are arranged relative to one another such that the beam passes through the deflection device and continues on the other side, possibly reflected radiation components of the incident beam are harmless.
  • the protective layer is formed as a substrate and carries the respective wafer.
  • the wafer can be processed in this case on the substrate according to the formation of a reflection element.
  • the orientation of the reflection elements based on the substrates and the fixation of the individual components is thereby simplified.
  • the wafer parts and the substrate parts need to be sawn according to the separation.
  • the reflection elements have electrical drive components in the form of a conductor or electrode which can be acted upon by current. It can then be provided either a suitable magnetic field in which the individual reflection elements are driven due to a Lorenz Koch by a current-carrying, magnetic field-exposed, conductor winding or it can be provided an electrostatic drive with electrodes targeted for generating a deflection force with variable electrical potentials can be applied.
  • the reflection elements can have different sizes, since in particular the first reflection element is struck by a static, undeflected beam and a relative movement occurs only by the slight tilting of the reflection element.
  • the second reflection element must be made slightly larger, since this is struck by a deflected beam to varying degrees and must reflect this in full width.
  • the reflection elements are operated in the so-called eigenfrequenten mode, which is determined by the restoring forces of the resilient suspension and in which particularly low driving forces required and particularly high frequencies are possible.
  • the individual reflection elements if micromachined from a wafer, can be formed by leaving torsion bars as a connection to the rest of the wafer, whereby restoring forces of the desired order of magnitude can be easily achieved.
  • the invention relates in addition to a deflection of the type described on a scanning device with a light source and a corresponding deflection.
  • the invention also provides a method for producing a deflection device according to claim 12.
  • This production method is particularly efficient possible if the wafers are assembled before separation, since this requires only a single adjustment process and, after assembly, the deflection devices can be further processed as ready-to-use units.
  • the accuracy of fit is guaranteed and the joining can be done under clean room conditions, so that impurities are not to be feared, especially if the wafers are already protected on their outer sides by a protective layer, such as the corresponding carrier substrate.
  • a protective layer can also be applied to the wafer immediately before the wafers are joined together.
  • the reflection elements are released and / or mirrored only after the covering of the respective wafer by means of a protective layer. This ensures that the reflection elements are already protected by a corresponding protective layer at the time they receive their final processing, which makes them shock-sensitive and prone to damage.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a deflection device according to the invention
  • Figure 2 is an exploded view of a deflection device
  • FIG. 3 shows a first reflection element
  • FIG. 4 shows a second reflection element
  • Figure 5 shows a deflection device with a housing as a positioning element
  • Figure 6 shows a further section through a deflection device according to the invention.
  • Figure 7 is a perspective view of a deflection device with marked beam path.
  • FIG. 1 schematically shows, in a sectional view, a deflection device with a first reflection element 1 and a second reflection element 2, each in the form of a planar mirror.
  • the mirrors 1, 2 are each formed as part of a wafer part and positioned laterally offset from one another parallel to one another.
  • the reflection surfaces 3, 4 of the reflection elements are inclined to each other.
  • FIG. 1 also shows a typical beam path with a light beam 5 which enters through an entrance window 6 within an optically transparent substrate 7 and initially strikes the first reflection element 1.
  • the reflected beam then strikes the second reflection element 2, which is pivotable about an axis 24 which is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the steering beam as shown, deflected within the plane of the drawing.
  • the emerging light beam in the region of the exit window 9 in the second substrate 10 is approximately in the extension of the incoming beam, so that the deflection device can be planned in a beam path as a more or less linearly traversed element.
  • the adjustment of the reflection elements 1, 2 is particularly simple if they are each made as a section of a wafer part 11, 12 ( Figure 2), so that the wafer parts 11, 12 can be easily connected by bonding. Such a connection can occur in micromechanical mass production prior to the division of a wafer into wafer parts, so that only a single adjustment process is necessary for a large number of deflection devices.
  • cover wafer also referred to as a substrate 7, 10 are provided, which provide a capping of the deflection and thus the protection against contamination and other
  • recesses 13, 14 must be provided in order to ensure the pivoting of the reflection elements / mirror about the axes 8, 24. These depressions can be provided, for example, by embossing or etching in the corresponding substrates 7, 10.
  • the bonding of the substrates to the respective wafers can also be done by bonding, for example, before joining the wafers, but also after joining the wafers and a sawing process.
  • the corresponding substrates are likewise to be sawed or etched or etched.
  • FIG. 2 shows in an exploded view the layering of the caps / substrates and the wafer parts with the reflection elements.
  • a first substrate 7 with a corresponding recess 14 is shown, followed by a wafer part 12, a further wafer part 11 and a further substrate / wafer 10, likewise with a depression 13.
  • the corresponding recesses 13, 14 are each formed double wedge-shaped to allow the smallest possible depth as high as possible deflection angle of the respective reflection elements 1, 2. Electrostatically controllable electrodes for an electrostatic drive of the reflection elements can be provided within the depressions. In this case, corresponding counter electrodes are likewise to be provided on the reflection elements.
  • electrical conductors for example in the form of turns of a winding, advantageously each be provided parallel to the pivot axis of a reflection element on this, which are subject to a Lorenzkraft in a static magnetic field, which is controllable by the current in the conductor.
  • Mirror / reflection elements 1, 2 consists of a separate wafer part surface, which is separated by micromechanical separation methods by means of a slot 15 from the rest of the wafer part, wherein torsion bars 16, 17 remain for holding and generating a restoring force.
  • the shape of such a reflection element 1, 2 may be basically round or square and the size is given essentially by the swept over by the possible incident rays surface.
  • the respective mirror is designed to be as small as possible in order to enable high acceleration through the lowest possible mass.
  • the first mirror / the first reflection element is usually used for this faster control, since this usually receives a deflection-free incident beam, and therefore relatively small can be planned.
  • this faster mirror can be operated in natural frequency mode, that is, at Auslenkfrequenzen that are in the range of the natural frequency of the mirror, for example, at 20 kHz.
  • the second reflection element 2 is then usually made larger in order to be able to catch and deflect the deflected beam in full width.
  • the second mirror deflects the beam in a direction perpendicular to the deflection direction of the first mirror.
  • the pivot axes 8, 24 of the reflection elements 1, 2 are for this purpose advantageously perpendicular to each other, but in principle it is sufficient that the axes are not parallel and the corresponding reflection elements are driven independently of each other.
  • the caps / wafers 7, 10 may be transparent and, for example, after being bonded to the remaining wafers, are polished at least in the region of the entrance windows or finished by a suitable other method for improving the optical quality.
  • the Reflective elements separated / released and advantageously additionally mirrored by metallizing.
  • a metallization can also be introduced into the recesses of the cover wafers to serve as a stator electrode for the electrostatic drive.
  • an intermediate wafer or a transparent intermediate layer can be inserted between the wafers 11, 12 containing the reflection elements, which can further optimize the light path by the refraction of the incident beam.
  • Such an intermediate layer will be explained in more detail with reference to FIG.
  • wafer parts are illustrated with reflecting elements which are correspondingly provided with slots in them.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the deflection device according to the invention, in which a housing 18 serves for relative alignment and positioning of the wafer parts 11, 12 or of the corresponding reflection elements / mirrors 1, 2.
  • the housing 18 is formed by a frame, on the top of a first cover plate 19 and from the bottom of a second cover plate 20 are inserted.
  • the cover plates 19, 20 are at least partially transparent and consist for example of glass or a transparent plastic.
  • the first wafer part 11 is placed and secured there by gluing.
  • a holding block 22 is also integrated, which forms a bearing surface for the second wafer part 12.
  • the housing 18 may be made, for example, by an injection molding process that provides sufficiently accurate results in the surface definition to ensure the relative orientation of the reflective elements.
  • the individual parts of the deflection are advantageously assembled in a clean room atmosphere to prevent the ingress of dirt before the seal.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment in which the reflection elements 1a, 2a are arranged substantially parallel to one another, but at an angle of 45 ° to the incident beam 5, within a housing which is shown only schematically in cross section. This can be ensured, for example, by integration of corresponding retaining blocks in the housing 18a.
  • the housing 18a also provides an entrance window 6a and an exit window 9a for the light beams.
  • FIG. 7 shows a deflection device in which the first wafer part 11 and the second wafer part 12 are positioned and spaced relative to one another by a transparent intermediate layer lying between them.
  • the intermediate layer is designated in the figure with 23 and consists of glass or a transparent plastic.
  • the incident beam 5 and the outgoing beam cone 25 is shown.
  • the manufacturing process for such an arrangement is particularly simple in that the wafer parts 11, 12 can be applied to the intermediate layer 23, for example by bonding. Before or after this bonding process, the respective wafer part 11, 12 can be provided with a cap wafer on the outside for protection.
  • the capping is still done in connection with the micromechanical mass production process, so that the finished masked wafer parts can be further processed with the corresponding intermediate layer.
  • the intermediate layer is advantageously mirrored in the areas that are not needed for the entry and exit of the light, to avoid interference.
  • the corresponding wafer parts In order to enable a movement of the mirror / reflection elements 1, 2, the corresponding wafer parts must be thinned out and / or a respective depression in the intermediate layer as well as in the cap wafer must be provided.
  • reflection elements as a cascaded mirror arrangement with independent pivot axes and drives can be structurally particularly simple and space-saving realize a deflection device for electromagnetic radiation.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umlenkeinrichtung für den Strahl einer elektromagnetischen Welle mit zwei kaskadierten Reflektionselementen (1, 2), die einzeln in unterschiedlichen Richtungen gesteuert schwenkbar sind, wobei die Reflektionsflächen (3, 4) mit Abstand einander gegenüber liegen und einander zugewandt sind. Damit werden weitere Reflektionselemente überflüssig und es kann eine geringe Baugröße erreicht werden.

Description

BESCHREIBUNG
Titel
Umlenkeinrichtung für einen Strahl einer elektromagnetischen Welle
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik beziehungsweise Mikromechanik und beschäftigt sich mit Umlenkeinrichtungen für elektromagnetische Strahlen wie beispielsweise Laserstrahlen, Lichtstrahlen und UV- Strahlen, die mittels beweglicher Reflektionselemente gesteuert ausgerichtet werden können.
Genauer beschäftigt sich die Erfindung mit den Möglichkeiten einer wenig aufwendigen und einfach herstellbaren Umlenkeinrichtung für einen Lichtstrahl.
Es sind in der Technik vielfältige Anwendungen von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen bekannt, die sehr schnell und zuverlässig gesteuert werden müssen, wie beispielsweise bei Scannern und Beamern, die mit einzelnen Strahlen arbeiten sowie auch bei Head-up-Displays, die im Automobilbereich und im Flugverkehr eingesetzt werden. In diesen Anwendungsfällen werden häufig mehrdimensionale Bilder durch einen bewegten Strahl geschrieben, der während seiner Bewegung moduliert wird. Die eigentliche Bewegung des Strahls findet durch eine gesteuerte Ablenkung durch einen oder mehrere Spiegel statt, deren Schwenkachsen voneinander unabhängig sind, so dass in mehreren Richtungen gesteuert werden kann.
Bei der geforderten hohen Geschwindigkeit im Bildaufbau beziehungsweise den schnellen Bildfolgen, die darzustellen sind, sind extrem schnelle Spiegelsteuerungen erforderlich, die zudem sehr zuverlässig und genau sein müssen.
STAND DER TECHNIK
Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der EP 0778657 Al beschrieben, wo ein entsprechender Spiegel in einem Wafer durch mikromechanische Fertigungstechniken realisiert werden soll. Die gesamte Anordnung wird zwischen zwei Magneten positioniert, um mittels einer Lorenzkraft den Spiegel zu bewegen. Dazu sind senkrecht zueinander in dem entsprechenden Wafer verschiedene stromdurchflossene Wicklungen angeordnet, die im Feld der Magneten einer Lorenzkraft unterliegen und somit Auslenkungskräfte für den Spiegel in verschiedenen Schwenkrichtungen erzeugen. In dem genannten Beispiel wird mit einem einzigen Magnetfeld operiert, das, um mit senkrecht zueinander stehenden Wicklungen interagieren zu können, in einem Winkel von 45° zu den entsprechenden Wicklungsteilen verläuft.
Eine andere Lösung ist aus der Internationalen Patentanmeldung WO 2005078509 A2 bekannt. Dort wird ebenfalls mit einem kardanisch aufgehängten Spiegel gearbeitet, der mittels einer einzigen Spule in einem um 45° gegenüber den Drehachsen verdrehten Magnetfeld angetrieben wird. Drehungen um die verschiedenen Achsen werden durch Anregungen von gekoppelten Schwingungsvorgängen um mehrere Achsen realisiert (rocking mode).
VORTEILE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, mit einem möglichst geringen Aufwand eine schnell arbeitende und zuverlässige Umlenkeinrichtung zu schaffen, die eine Strahlablenkung mit der geforderten Genauigkeit ermöglicht und mit geringem konstruktiven Aufwand und geringen Kosten herzustellen ist.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird die zweiachsige Ablenkung des Strahls mit zwei voneinander unabhängigen
Reflektionselementen erreicht, die auch unabhängig voneinander antreibbar sind, so dass keine Kopplungen zwischen den Antriebsrichtungen stattfinden. Bei der Erfindung wird im Gegensatz zu einer Anordnung mehrerer Spiegel in einer Ebene, die das zusätzliche Vorsehen eines festen Reflektionsspiegels zur Erzielung eines w- förmigen Strahlverlaufs erfordert, eine Anordnung mit nur zwei Spiegeln vorgeschlagen, die einander derart zugewandt sind, dass der Strahl von einem ersten Reflektionselement zum zweiten direkt reflektiert und von dort in den Zielbereich weiter reflektiert werden kann. Hierdurch ergeben sich verschiedene Vorteile. Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung als Durchgangselement geplant werden, bei dem die Strahleintrittsrichtung nicht oder nur wenig von der Strahlaustrittsrichtung differiert, so dass eine entsprechende Lichtquelle hinter der Umlenkeinrichtung angeordnet werden kann, während der Bildbereich oder der Scanbereich vor der Umlenkeinrichtung positioniert ist.
Durch die geringe Anzahl der notwendigen Reflektionselemente werden die Justageanforderungen gering gehalten. Außerdem können , wenn eine mikromechanische Massenfertigung angestrebt wird, kleine
Wafereinheiten mit entsprechend integrierten Reflektionselementen verwendet werden, so dass mit einer hohen Bauteilkonzentration und einer hohen Ausbeute pro Wafer gearbeitet werden kann. Nach der Vereinzelung der Reflektionselemente beziehungsweise der entsprechenden Träger können diese durch ein zwischen ihnen angeordnetes Zwischenelement beabstandet und zueinander positioniert sein, welches beispielsweise vorteilhaft als transparente Platte ausgeführt sein kann. Der eigentliche Lichtstrahl kann dann an dem zweiten Reflektionselement vorbei zum ersten Reflektionselement durch die transparente Platte eintreten, von dem ersten Reflektionselement durch die Platte auf das zweite Reflektionselement zurückgeworfen werden und von diesem durch eine Austrittsöffhung neben dem ersten Reflektionselement aus der Umlenkeinrichtung wieder austreten.
Als Material für eine derartige transparente Platte ist beispielsweise Glas oder ein durchsichtiger
Kunststoff denkbar. Die entsprechende Platte kann mit ausreichender Genauigkeit planparallel oder als Keilplatte hergestellt werden, so dass sie die Reflektionselemente passgerecht zueinander ausrichtet. Die entsprechenden Reflektionselemente können mit ihren Trägern dann direkt auf die Platte aufgelegt beziehungsweise aufgeklebt oder gebondet werden. Anstelle einer transparenten Platte können die Reflektionselemente auch durch ein Gehäuse zueinander beabstandet und positioniert werden. Ein solches Gehäuse kann dann luft- oder gasgefüllt oder auch evakuiert sein und einen Rahmen mit zwei Auflageflächen aufweisen, die einander gegenüber liegend angeordnet sind und die Auflage der entsprechenden Träger der Reflektionselemente erlauben. Auch in diesem Fall können die Träger beziehungsweise die Reflektionselemente parallel zueinander oder in einem passenden Winkel ausgerichtet werden und es müssen Eintrittsfenster neben jedem der Reflektionselemente zum Eintritt beziehungsweise Austritt des Strahls vorgesehen werden, wenn dieser nicht durch die Seitenwände des Gehäuses eintreten soll.
Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise aus Kunststoff oder einem beschichteten Glas bestehen. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Reflektionsflächen in dem Gehäuse parallel zum
Eintrittsfenster und der Gehäuseunterseite und/oder Gehäuseoberseite ausgerichtet sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Reflektionsflächen in dem Gehäuse zwischen 20° und 70°, insbesondere um 45° gegenüber der Gehäuseunter- und Oberseite angewinkelt sind. In diesem Fall kann sich eine besonders platzsparende Anordnung der Reflektionselemente in dem Gehäuse ergeben. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedes Reflektionselement integrales Teil eines separaten Waferteils ist.
Damit ist eine Herstellung der Reflektionselemente als Spiegel, insbesondere als ebene Spiegel besonders wirtschaftlich möglich, indem mit den Mitteln der Mikromechanik in einem Wafer durch Grabenätzung ein Spiegel freigestellt wird. Dieser kann vor oder nach der endgültigen Freischneidung zusätzlich zur Erhöhung des Reflektionsgrades beschichtet werden. Es ist ein bestimmter Mindestabstand zu benachbarten Bauteilen notwendig, um ein Ausschwenken des Spiegels zu erlauben, beispielsweise, wenn der Wafer direkt auf eine Platte aufgeklebt wird, die als transparente Platte den Abstandhalter zwischen beiden Reflektionselementen bildet.
Zum Schutz der einzelnen Reflektionselemente beziehungsweise Waferteile kann vorgesehen sein, dass jedes der Waferteile auf seiner, dem jeweils anderen Wafer abgewandten, Seite mit einer Schutzschicht abgedeckt ist. Damit ist sichergestellt, dass die Gesamtanordnung der Umlenkeinrichtung nach dem Zusammenbau auf allen Seiten vor dem Eindringen von Schmutz und sonstigen Umwelteinflüssen gut geschützt ist. Da die Reflektionselemente derart zueinander angeordnet sind, dass der Strahl durch die Umlenkeinrichtung hindurch geht und auf der anderen Seite weiter verläuft, sind eventuell reflektierte Strahlenanteile des einfallenden Strahls unschädlich.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schutzschicht als Substrat ausgebildet ist und den jeweiligen Wafer trägt. Der Wafer kann in diesem Fall auf dem Substrat entsprechend zur Herausbildung eines Reflektionselementes bearbeitet werden.
Zudem ist auch die Ausrichtung der Reflektionselemente anhand der Substrate und die Fixierung der einzelnen Bauteile hierdurch vereinfacht. Bei einer mikromechanischen Massenherstellung müssen lediglich außer den Waferteilen auch die Substratteile zur Vereinzelung entsprechend gesägt werden.
Um einen zuverlässigen Antrieb der Reflektionselemente zu ermöglichen, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Reflektionselemente elektrische Antriebskomponenten in Form eines mit Strom beaufschlagbaren Leiters oder einer Elektrode aufweisen. Es kann dann entweder ein geeignetes Magnetfeld vorgesehen werden, in dem die einzelnen Reflektionselemente aufgrund einer Lorenzwirkung durch eine stromdurchflossene, dem Magnetfeld ausgesetzte, Leiterwicklung antreibbar sind oder es kann ein elektrostatischer Antrieb vorgesehen sein mit Elektroden, die zur Erzeugung einer Auslenkungskraft gezielt mit veränderlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagt werden können.
Die Reflektionselemente können unterschiedliche Größen aufweisen, da insbesondere das erste Reflektionselement von einem statischen, unausgelenkten Strahl getroffen wird und eine Relativbewegung lediglich durch das leichte Verkippen des Reflektionselementes geschieht. Dagegen muss das zweite Reflektionselement etwas größer ausgebildet sein, da dieses durch einen in wechselndem Maß ausgelenkten Strahl getroffen wird und diesen in voller Breite reflektieren muss.
Dabei erweist es sich günstig, wenn die Reflektionselemente unterschiedlich schnell bewegt werden müssen, dass die schnellste Bewegung dem ersten Reflektionselement übertragen wird, da dies wegen seiner geringen erforderlichen Größe das geringere Trägheitsmoment aufweist. Auch kann wenigstens eines der Reflektionselemente im so genannten eigenfrequenten Modus betrieben werden, der durch die Rückstellkräfte der federnden Aufhängung bestimmt ist und in dem besonders geringe Antriebskräfte erforderlich und besonders hohe Frequenzen möglich sind.
Die einzelnen Reflektionselemente können, wenn sie mikromechanisch aus einem Wafer herausgearbeitet werden, durch das Stehen lassen von Torsionsbalken als Verbindung zum Rest des Wafers ausgebildet sein, wodurch sich Rückstellkräfte in der gewünschten Größenordnung leicht realisieren lassen.
Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Umlenkeinrichtung der beschriebenen Art auch auf ein Scaneinrichtung mit einer Lichtquelle und einer entsprechenden Umlenkeinrichtung.
Zudem schafft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Umlenkeinrichtung gemäß Patentanspruch 12.
Dieses Herstellungsverfahren ist besonders effizient möglich, wenn die Wafer vor der Vereinzelung zusammengefügt werden, da damit nur ein einziger Justiervorgang notwendig ist und nach dem Zusammenfügen die Umlenkeinrichtungen als funktionsfertige Einheiten weiter verarbeitet werden können. Durch entsprechendes Design der Wafer ist die Passgenauigkeit garantiert und das Zusammenfügen kann unter Reinraumbedingungen geschehen, so dass auch Verunreinigungen nicht zu befürchten sind, insbesondere dann, wenn die Wafer schon auf ihren Außenseiten durch eine Schutzschicht, beispielsweise das entsprechende Trägersubstrat, geschützt sind.
Ansonsten kann eine Schutzschicht auch unmittelbar vor dem Zusammenfügen der Wafer auf diese aufgebracht werden.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Reflektionselemente erst nach der Abdeckung des jeweiligen Wafers mittels einer Schutzschicht freigestellt und/oder verspiegelt werden. Damit wird sichergestellt, dass die Reflektionselemente zu der Zeit, wenn sie ihre endgültige Bearbeitung erhalten, die sie stoßempfindlich und beschädigungsanfällig macht, bereits durch eine entsprechende Schutzschicht geschützt sind.
ZEICHNUNGEN Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Umlenkeinrichtung;
Figur 2 eine Explosionsansicht einer Umlenkeinrichtung;
Figur 3 ein erstes Reflektionselement;
Figur 4 ein zweites Reflektionselement;
Figur 5 eine Umlenkeinrichtung mit einem Gehäuse als Positionierelement;
Figur 6 einen weiteren Schnitt durch eine Umlenkeinrichtung gemäß der Erfindung sowie
Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer Umlenkeinrichtung mit eingezeichnetem Strahlengang.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In der Figur 1 ist schematisch in einer Schnittansicht eine Umlenkeinrichtung mit einem ersten Reflektionselement 1 und einem zweiten Reflektionselement 2 jeweils in Form eines planen Spiegels dargestellt. Die Spiegel 1, 2 sind jeweils als Teil eines Waferteils ausgebildet und parallel zueinander lateral gegeneinander versetzt positioniert. Damit liegen die Reflektionsflächen 3, 4 der Reflektionselemente einander schräg gegenüber.
Die Figur 1 zeigt außerdem einen typischen Strahlengang mit einem Lichtstrahl 5, der durch ein Eintrittsfenster 6 innerhalb eines optisch transparenten Substrats 7 eintritt und zunächst auf das erste Reflektionselement 1 trifft.
Dieses ist aufgrund seiner Schwenkbarkeit um die gestrichelt eingezeichnete Schwenkachse 8 in der Lage, den Lichtstrahl 5 senkrecht zur Zeichenebene abzulenken und damit zu steuern.
Der reflektierte Strahl trifft danach auf das zweite Reflektionselement 2, das um eine Achse 24 schwenkbar ist, die senkrecht auf der Zeichenebene steht. Hierdurch ist der Lenkstrahl, wie dargestellt, innerhalb der Zeichenebene ablenkbar. Der austretende Lichtstrahl im Bereich des Austrittsfensters 9 in dem zweiten Substrat 10 liegt in etwa in der Verlängerung des eintretenden Strahls, so dass die Umlenkeinrichtung in einem Strahlengang als mehr oder weniger linear durchlaufenes Element geplant werden kann.
Die Justage der Reflektionselemente 1, 2 ist dann besonders einfach, wenn diese jeweils als Abschnitt eines Waferteils 11, 12 (Figur 2) hergestellt sind, so dass die Waferteile 11, 12 durch Bonden einfach verbunden werden können. Eine solche Verbindung kann bei einer mikromechanischen Massenherstellung vor der Zerteilung eines Wafers in Waferteile geschehen, so dass nur ein einziger Justageprozess für eine Vielzahl von Umlenkeinrichtungen notwendig ist.
In den Waferteilen 11, 12 müssen entsprechende Ausnehmungen für den Strahlengang sowie für die Beweglichkeit der Reflektionselemente 1, 2 vorgesehen sein.
In der Figur 1 sind zudem so genannte Abdeckwafer, auch als Substrat 7, 10 bezeichnet, vorgesehen, die eine Verkappung der Umlenkeinrichtung und damit den Schutz vor Verunreinigung und sonstigen
Umwelteinflüssen bewirken. Innerhalb der Kappen/Substrate 7, 10 müssen ebenfalls Ausnehmungen 13, 14 vorgesehen sein, um die Schwenkbarkeit der Reflektionselemente/Spiegel um die Achsen 8, 24 zu gewährleisten. Diese Vertiefungen können beispielsweise durch Prägen oder Ätzen in den entsprechenden Substraten 7, 10 vorgesehen werden.
Die Verbindung der Substrate mit den jeweiligen Wafern kann vor dem Zusammenfügen der Wafer beispielsweise ebenfalls durch Bonden geschehen, jedoch auch nach einer Zusammenfügung der Wafer und einem Sägeprozess.
Geschieht das Zusammenfügen der Substrate und der Wafer vor der Teilung, so sind die entsprechenden Substrate ebenfalls zu sägen oder zu ätzen beziehungsweise anzuätzen.
Figur 2 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Schichtung der Kappen/Substrate und der Waferteile mit den Reflektionselementen. Zuoberst ist ein erstes Substrat 7 mit einer entsprechenden Vertiefung 14 dargestellt, gefolgt von einem Waferteil 12, einem weiteren Waferteil 11 und einem weiteren Substrat/Wafer 10, ebenfalls mit einer Vertiefung 13.
Die entsprechenden Vertiefungen 13, 14 sind jeweils doppelt keilförmig ausgebildet, um bei möglichst geringer Tiefe einen möglichst hohen Auslenkwinkel der jeweiligen Reflektionselemente 1, 2 zu erlauben. Innerhalb der Vertiefungen können elektrostatisch ansteuerbare Elektroden für einen elektrostatischen Antrieb der Reflektionselemente vorgesehen sein. In diesem Fall sind auf den Reflektionselementen ebenfalls entsprechende Gegenelektroden vorzusehen.
Alternativ ist auch ein magnetischer Antrieb denkbar. In diesem Fall müssen elektrische Leiter, beispielsweise in Form von Windungen einer Wicklung, vorteilhaft jeweils parallel zur Schwenkachse eines Reflektionselementes auf diesem vorgesehen sein, die in einem statischen Magnetfeld einer Lorenzkraft unterliegen, die durch die Stromstärke im Leiter steuerbar ist.
In der Figur 2 ist auch die Gestalt der Spiegel genauer dargestellt, wobei jeder der
Spiegel/Reflektionselemente 1 , 2 aus einer separaten Waferteilfläche besteht, die durch mikromechanische Trennmethoden mittels eines Schlitzes 15 vom Rest des Waferteils abgetrennt ist, wobei Torsionsbalken 16, 17 zur Halterung und zur Generierung einer Rückstellkraft stehen bleiben. Die Gestalt eines derartigen Reflektionselementes 1, 2 kann grundsätzlich rund oder viereckig sein und die Größe ist im wesentlichen durch die von den möglichen Einfallstrahlen überstrichene Fläche gegeben. Bei schnell zu steuernden Spiegeln wird dabei der jeweilige Spiegel möglichst klein ausgebildet, um durch möglichst geringe Masse eine hohe Beschleunigung zu ermöglichen.
Da die durch eine Umlenkeinrichtung gegebenenfalls darzustellenden Bilder meistens eine Zeilen- und eine Spaltenablenkung erfordern, wobei die Zeilenablenkung wesentlich schnellere Bewegungen mit sich bringt, wird für diese schnellere Steuerung gewöhnlich der erste Spiegel/das erste Reflektionselement verwendet, da dies üblicherweise einen auslenkungsfreien Einfallstrahl empfängt, und daher relativ klein geplant werden kann. Zudem kann dieser schnellere Spiegel im Eigenfrequenzmodus betrieben werden , das heißt, bei Auslenkfrequenzen, die im Bereich der Eigenschwingungsfrequenz des Spiegels beispielsweise bei 20 Khz liegen.
Das zweite Reflektionselement 2 ist dann üblicherweise größer ausgebildet, um den abgelenkten Strahl in voller Breite auffangen und reflektieren zu können.
Der zweite Spiegel lenkt den Strahl dabei in eine Richtung senkrecht zur Ablenkungsrichtung des ersten Spiegels ab. Die Schwenkachsen 8, 24 der Reflektionselemente 1, 2 stehen zu diesem Zweck vorteilhaft senkrecht zueinander, grundsätzlich genügt jedoch, dass die Achsen nicht parallel und die entsprechenden Reflektionselemente unabhängig von einander antreibbar sind.
Die Kappen/Wafer 7, 10 können transparent ausgebildet sein und werden beispielsweise nach dem Verbinden mit den übrigen Wafern zumindest im Bereich der Eintrittsfenster poliert oder durch ein geeignetes anderes Verfahren zur Verbesserung der optischer Güte veredelt. Nach dem Aufbringen der Substratwafer/Kappen auf die Wafer, die die Reflektionselemente enthalten, können die Reflektionselemente abgetrennt/freigestellt und vorteilhaft zusätzlich durch Metallisieren verspiegelt werden. Eine Metallisierung kann auch in die Vertiefungen der Abdeckwafer eingebracht werden, um als Statorelektrode für den elektrostatischen Antrieb zu dienen.
Zwischen den die Reflektionselemente enthaltenden Wafern 11, 12 kann zusätzlich ein Zwischenwafer beziehungsweise eine transparente Zwischenschicht eingefügt werden, die durch die Brechung des einfallenden Strahls den Lichtweg weiter optimieren kann. Eine solche Zwischenschicht wird näher anhand der Figur 7 erläutert.
In den Figuren 3 und 4 sind beispielhaft Waferteile mit entsprechend in diesen durch Schlitze freigestellten Reflektionselementen dargestellt.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umlenkeinrichtung, bei der ein Gehäuse 18 zur relativen Ausrichtung und Positionierung der Waferteile 11, 12 beziehungsweise der entsprechenden Reflektionselemente/Spiegel 1 , 2 dient. Das Gehäuse 18 ist durch einen Rahmen gebildet, auf den von der Oberseite eine erste Abdeckplatte 19 und von der Unterseite eine zweite Abdeckplatte 20 eingelegt sind. Die Abdeckplatten 19, 20 sind wenigstens teilweise transparent ausgebildet und bestehen beispielsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff. Auf den Boden 21 des Gehäuses 18 ist das erste Waferteil 11 aufgelegt und dort mittels Klebung befestigt.
In das Gehäuse 18 ist zudem ein Halteblock 22 integriert, der eine Auflagefläche für den zweiten Waferteil 12 bildet.
Das Gehäuse 18 kann beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren hergestellt sein, das in der Oberflächendefinition genügend genaue Ergebnisse liefert, um die relative Ausrichtung der Reflektionselemente zu gewährleisten.
Die einzelnen Teile der Umlenkeinrichtung werden vorteilhaft in Reinraumatmosphäre zusammengesetzt, um das Eindringen von Schmutz vor der Abdichtung zu verhindern.
Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem innerhalb eines Gehäuses, das nur schematisch im Querschnitt dargestellt ist, die Reflektionselemente Ia, 2a im wesentlichen parallel zueinander, jedoch in einem Winkel von 45° zum einfallenden Strahl 5 angeordnet sind. Dies kann beispielsweise durch Integration entsprechender Halteblöcke in dem Gehäuse 18a sichergestellt werden.
Das Gehäuse 18a sieht zudem ein Eintrittsfenster 6a und ein Austrittsfenster 9a für die Lichtstrahlen vor. Mit dieser Konstruktion wird eine Einfallsrichtung des einfallenden Strahls senkrecht zum Eintrittsfenster 6a sowie eine Ausrichtung des ausfallenden Strahls mit nicht allzu großer Abweichung von der Senkrechten vom Austrittsfenster 9a realisiert, wodurch Teilreflektionen minimiert werden. Zudem kann eine solche Umlenkeinrichtung mit sehr geringer Baugröße realisiert werden.
In der Figur 7 ist eine Umlenkeinrichtung gezeigt, bei der das erste Waferteil 11 und das zweite Waferteil 12 durch eine zwischen ihnen liegende transparente Zwischenschicht relativ zueinander positioniert und beabstandet sind. Die Zwischenschicht ist in der Figur mit 23 bezeichnet und besteht aus Glas oder einem transparenten Kunststoff. Zusätzlich zu den genannten Bauteilen ist in der Figur der einfallende Strahl 5 sowie der ausfallende Strahlenkegel 25 dargestellt.
Der Fertigungsprozess für eine derartige Anordnung ist besonders einfach, indem die Waferteile 11, 12 auf die Zwischenschicht 23, beispielsweise durch Bonden, aufgebracht werden können. Vor oder nach diesem Bondprozess kann das jeweilige Waferteil 11, 12 mit einem Kappenwafer auf der Außenseite zum Schutz versehen werden. Vorteilhaft geschieht die Verkappung noch im Zusammenhang mit dem mikromechanischen Massenfertigungsprozess, so dass die fertig verkappten Waferteile mit der entsprechenden Zwischenschicht weiter verarbeitet werden können. Die Zwischenschicht wird vorteilhaft in den Bereichen, die für den Ein- und Austritt des Lichts nicht benötigt werden, verspiegelt, um Störungen zu vermeiden.
Um eine Bewegung der Spiegel/Reflektionselemente 1, 2 zu ermöglichen, müssen die entsprechenden Waferteile ausgedünnt und/oder jeweils eine Vertiefung in der Zwischenschicht ebenso wie im Kappenwafer vorgesehen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Reflektionselementen als kaskadierte Spiegelanordnung mit unabhängigen Schwenkachsen und Antrieben lässt sich konstruktiv besonders einfach und platzsparend eine Umlenkeinrichtung für elektromagnetische Strahlen realisieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Umlenkeinrichtung für einen Strahl einer elektromagnetischen Welle mit zwei im Strahlengang hintereinander angeordneten, je eine Reflektionsfläche (3,4) aufweisenden Reflektionselementen (1,2), die einzeln jeweils um eine Achse (8,24) mittels eines Antriebs gesteuert schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsflächen (3,4) einander mit Abstand gegenüber liegen und einander zugewandt sind.
2. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionselemente (1,2) durch ein zwischen ihnen angeordnetes Zwischenelement (23) beabstandet und zueinander positioniert sind.
3. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (23) als transparente Platte ausgeführt ist.
4. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionselemente (1,2) durch ein Gehäuse (18) zueinander beabstandet und positioniert sind.
5. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsflächen (3,4) in dem Gehäuse (18) parallel zum Eintrittsfenster (6) und der
Gehäuseunterseite und/oder Gehäuseoberseite ausgerichtet sind.
6. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsflächen (3,4) in dem Gehäuse zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen
20° und 70°, insbesondere um 45° gegenüber der Gehäuseunter- und Oberseite angewinkelt sind.
7. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Reflektionselement (1,2) integrales Teil eines separaten Waferteils (11,12) ist.
8. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Waferteile (11,12) auf seiner, dem jeweils anderen Waferteil abgewandten, Seite mit einer Schutzschicht (7, 10) abgedeckt ist.
9. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7,10) als Substrat ausgebildet ist und das jeweilige Waferteil trägt.
10. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Schutzschicht (7,10) wenigstens teilweise aus einem transparenten Material, insbesondere Glas, besteht.
11. Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionselemente (1,2) elektrische Antriebskomponenten in Form eines mit Strom beaufschlagbaren Leiters oder einer Elektrode aufweisen.
12. Scaneinrichtung mit einer Lichtquelle sowie einer Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden.
13. Verfahren zur Herstellung einer Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Erstellen einer Mehrzahl von Reflektionselementen (1,2) mikromechanisch auf einem ersten und zweiten Wafer;
Verbinden des ersten und eines zweiten Wafers gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Zwischenelementes (23); Vereinzeln der Umlenkeinrichtungen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Wafers diese mittels einer Schutzschicht (7, 10) abgedeckt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionselemente (1,2) nach Abdeckung des jeweiligen Wafers mittels einer Schutzschicht (7,10) freigestellt und/oder verspiegelt werden.
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