WO2014170155A1 - Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben - Google Patents

Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben Download PDF

Info

Publication number
WO2014170155A1
WO2014170155A1 PCT/EP2014/056916 EP2014056916W WO2014170155A1 WO 2014170155 A1 WO2014170155 A1 WO 2014170155A1 EP 2014056916 W EP2014056916 W EP 2014056916W WO 2014170155 A1 WO2014170155 A1 WO 2014170155A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical element
suspended
fluid flow
suspended optical
vibratable
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/056916
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Shanshan Gu-Stoppel
Hans Joachim Quenzer
Ulrich Hofmann
Joachim Janes
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2014170155A1 publication Critical patent/WO2014170155A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0027—Structures for transforming mechanical energy, e.g. potential energy of a spring into translation, sound into translation
    • 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
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

Definitions

  • the present invention relates to a device with a vibratable suspended optical element and a method for deflecting the same from his Ru- helage or for putting the same in a vibration, such as. B. a vibrationally suspended micromirror.
  • scanner units are needed that require high laser power compared to a workpiece surface for surface processing.
  • Microtechnically produced mirrors achieve these high frequencies and can be produced cheaply, but are very limited in terms of their mirror size.
  • micromirrors are only for comparative purposes low laser powers can be used.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device with a vibratable suspended optical element and a method for deflecting the same or for putting the same into vibration, so that high optical powers can be handled with high frequencies.
  • the core idea of the present invention is to have realized that the above object can be achieved by the energy for displacing the oscillatable suspended optical element into oscillation, or for deflecting it, from its position possibly to be changed at one time Fluid is removed by an actuator flowing past Can influence fluid flow.
  • the fluid flowing past simultaneously acts as a coolant and as an energy reservoir for vibration and / or motion generation.
  • the device can be miniaturized and the heat dissipation by means of the fluid dissipates large amounts of heat, so that the device is able to handle large optical powers.
  • an actuator is attached to the vibratable suspended optical element.
  • the actuator is located beyond the vibratable suspended member and spaced from each other by the oscillatable suspended optical element. In the latter case, for example, a Greierang the actuator may be easier to implement.
  • the control of the oscillatable suspended optical element can be carried out solely by a fluid flow, without an actuator is used.
  • Figure 1 is a schematic side sectional view of a device with a vibratable suspended optical element.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a device with a swingably suspended optical element with an actuator connection that is alternative to FIG. 1;
  • FIG. 1 is a schematic side sectional view of a device with a vibratable suspended optical element.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a device with a swingably suspended optical element with an actuator connection that is alternative to FIG. 1;
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a device with a swingably suspended optical element with an actuator connection that is alternative to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic side sectional view of a device with a swingably suspended optical element, which is widened around cooling ribs and an actuator attachment alternative to the previous figures;
  • Fig. 4 is a schematic plan view of an oscillatory suspended optical
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of a device having a vibratable suspended optical element
  • Fig. 6 is a scoped schematic block diagram of an optical scanner as an example of a possible application of the oscillatable suspended optical element
  • Fig. 7 is a schematic side sectional view of a fluid-flowed vibratable suspended optical element
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a fluid-flowed oscillatable suspended optical element with a directly adjustable fluid flow
  • FIG. 10 is a schematic side sectional view of an actuatorless fluid-flowed oscillatable suspended optical element
  • Fig. 1 1 shows schematic side sectional views of a device with a vibratable suspended optical element, the main sides of which comprise different lateral expansions.
  • FIG. 1 shows a device 10 with an oscillatable suspended optical element 12, wherein the device 10 has at least one actuator 14 which is designed to influence a flow of fluid 16 flowing past the oscillatingly suspended optical element 12 such that it is capable of oscillating Suspended optical element 12 vibrated respectively is deflected from its possibly at a time to be changed position.
  • the vibratable suspended optical element 12 may be, for example, an optical mirror. Other examples would be optical gratings, transparent optical elements, such as. As prisms or the like. Although it is indicated in Fig. 1 that the vibratable suspended optical element 12 has a plate 20 which is suspended by a spring 22, other examples are also possible. When the spring 22 may be any spring, such as. B. a torsion spring, a bending spring or the like. Although the oscillatable suspended optical element 12 is shown in FIG. 1 as being excitable for torsional vibrations and / or movements 18, according to alternative embodiments it is also possible for the oscillatable suspended optical element 12 to be oscillatable. suspended optical element is suspended so that it performs other oscillatory movements, such. B, translational movements, tilting movements or the like.
  • a plurality of actuators 14a and 14b may be provided to effect the fluid flow 16. Alternatively, only one actuator can be used. According to alternative embodiments, it is also possible to use a plurality of actuators or not an actuator, as explained with reference to FIG. 10.
  • the actuators 14a and 14b By changing their shape, the actuators 14a and 14b cause a deflection of the flow 16, which causes the vibratable suspended optical element 12 is deflected from its rest position.
  • the actuators 14a and 14b may be attached to the oscillatable suspended optical element 12 so that the up and / or down movement caused by the change in shape of the actuators 14a and 14b is directly at the optical axis Attack element 12 and move it out of its rest position.
  • the actuators 14a and 14b By driving the actuators 14a and 14b at an appropriate frequency, the actuators change their shape at a frequency which may be in a resonant frequency range of the optical element 12, so that a resonance enhancement effect can be utilized.
  • the actuators may remain in a static state to allow the vibratable suspended optical element to remain stationary for a period of time, or possibly to make only slow movement.
  • the device 10 may also be configured not to operate in a vibratory mode but in a quasi-static mode.
  • the device 10 of FIG. 1 When the device 10 of FIG. 1 is used to redirect optical power in the form of, for example, a laser beam 24, it is possible for the fluid flow 16 to carry away the absorbed heat occurring in the optical element 20.
  • the actuators 14 only have to supply as much energy as is necessary to bring about and / or maintain the shape change or plasma formation that leads to the flow changes, while the energy for the oscillation and movement generation of the optical element 20 from the Fluid flow 16 itself stems.
  • voltages and currents it is possible for voltages and currents to be used to drive the actuators 14 in different directions. remain relatively small frame and yet relatively high deflections of the optical element 20 can be achieved.
  • the actuators 14a and 14b can be arranged one behind the other in the flow direction, which are controlled one upstream and the other downstream relative to a rotation axis 32 and with antiphase drive signals, on the one side of the rotation axis 32 a driving torque 26 and on the other side to create an impelling moment 28 and vice versa.
  • a substrate 30a and 30b surrounding the oscillatingly suspended optical element 12 can be used as an attachment point for the attachment point of the spring element 22 facing away from the oscillatingly suspended optical element.
  • the substrate 30 and the vibratable suspended optical element 12 may be made in one piece, such as. B. in a semiconductor substrate.
  • the axis of rotation 32 which here exemplarily allows a rotational movement 18, is in Fig. 1 congruent with the example as a torsion spring pronounced spring element 22.
  • the spring element could also be attached to a different location.
  • only one spring element 22 is shown here, a different number of spring elements is conceivable, for example two in one axis of rotation, one on each side of the oscillatable suspended optical element. In principle, any number of spring elements is conceivable.
  • a device 54 adapted to affect the flow of fluid 16 in its propagation is shown above the fluid stream 16, the fluid flowing between the device 54 and the vibratable suspended optical element 12.
  • the device 54 may possibly be embodied as a transparent plate which, for example, extends parallel to the substrate 30 and / or the oscillatingly suspended optical element 12 in its rest position.
  • the device embodied as a transparent plate is arranged with an inclination or an angle with respect to the substrate 30 in order, for example, to reflect reflections of the optical power on the plate into a predetermined, from a parallel alignment To steer the disk in different directions, so as to possibly avoid errors in an evaluation unit processing the optical power.
  • the fluid 16 may flow around the vibratable suspended member 12 in principle on each side and on one or more of its sides. Furthermore, it is possible that the fluid flow does not flow past the optical element laterally, as has hitherto been shown, but strikes the oscillatingly suspended optical element 12, such as, for example, as shown in FIG. B. from below or from the substrate level. 2 shows a device 10 with an oscillatable suspended optical element 12, wherein the device 10 has at least one actuator 14 which is arranged, for example, on the substrate 30a and 30b surrounding the oscillatingly suspended optical element 12 and thus beyond the oscillatingly suspended optical element 12 is. For example, if the actuators 14 of apparatus 10 in FIG. 2 are used to redirect the fluid flow 16, unlike the possible configuration in FIG.
  • the influence of the absorbed portion of the optical power 24, for example, in the form of heat loss, which is delivered to the vibratable suspended optical element 12, can be reduced to the actuators 14.
  • the omission of a dynamic excitation of the actuators can lead to the oscillatingly suspended optical element being held in one position and thus allowing quasi-static operation to take place.
  • Figure 3 shows an embodiment in which the surface of the bottom of the optical
  • Element 20 that is, for example, the side that is attached to an optical beam.
  • radiated front side of the oscillatory suspended optical element 12 is remote, is increased, such as.
  • cooling fins 56 This configuration may allow a larger amount of heat to be delivered to the fluid 16 also flowing past the underside of the vibratable suspended optical element 12 in this example.
  • an influx on the bottom is also possible, as will be explained below. This can allow handling of larger optical powers.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the above-explained rotation axis 32 is extended by a further rotation axis 36 which is perpendicular to the rotation axis 32, that is to say in that the oscillatable suspended optical element is mounted oscillatable about two axes of rotation 32 and 36.
  • the vibratable suspended optical element 12 of FIG. 4 comprises a two-stage plate having an inner and an outer region.
  • the inner portion 34 is rotatably supported about a rotation axis 32 and the outer portion 35 about a rotation axis 36, wherein the two axes of rotation are perpendicular to each other.
  • the inner region 34 is connected to spring elements 38 a and 38 b, which for example are congruent with the axis of rotation 36, with the outer region 35, which constitutes a kind of frame for the inner region 34.
  • the outer region 35 is connected via spring elements 39a and 39b to the attachment points of the vibratable suspended optical element 12 and consists for example of the substrate, as shown in Figures 1 or 2. It is conceivable that the outer and inner regions of the vibratable suspended optical element and the spring elements 38 and 39 are made in one piece. It is also conceivable that the outer region, the inner region or one or more spring elements 38 and 39 are manufactured separately and are connected to the rest of the construction of the oscillatable suspended optical element.
  • the advantage of this embodiment is the multidimensional possibility of movement of the vibratable suspended optical element 34, namely the possibility to excite rotational movements about the axes 32 and 36.
  • the actuators 14 can be arranged so that the force of the fluid flow 16 can be controlled in at least two spatial directions.
  • additional spring elements 38a and 38b may be used to enable the additional directions of movement in addition to the spring elements 39a and 39b.
  • These additional springs can be any type of springs, such as torsion springs, spiral springs or the like.
  • actuators 14a and 14b which are flown by the fluid flow 16, one actuator each being fastened to the inner region 34 and one actuator being mounted on the outer region 35 and one actuator each being designed for this purpose is to move the associated with him area 34 respectively 35 about the associated axis of rotation 32 respectively 36 from the rest position, so the attached to the frame 35 actuator frame 35 about the axis 32 about which the frame 35 relative to the outer anchor points rotatable is mounted, and attached to the inner portion 34 actuator 34, the area around the axis 36 about which the inner portion 34 relative to the frame 35 is rotatably mounted.
  • the actuator 14a moves the outer region around the rotation axis 32 and the actuator 14b moves the inner region about the rotation axis 36.
  • both Aktautoren 14 are each mounted outside of the rotation axis 32 and 36.
  • an actuator 14 is located on the axis of rotation 32 and / or 36.
  • a different number of actuators 14 is used, for example only one actuator or more than two.
  • an effect of a deflection or vibration of the vibratable suspended optical element 12 by adjusting a strength or otherwise influencing the fluid flow itself, without the use of an actuator is possible, as will be explained later with reference to FIG. 10.
  • the actuators 14 are mounted at a distance from the oscillatable suspended optical element 12, as shown by way of example in FIG. 2.
  • vibrationally suspended optical element 34 is shown as being square, other geometries are contemplated, such as round, oval, rectangular, or polygonal shapes. Even asymmetric shapes would be conceivable in principle.
  • the device can also be extended as shown in Fig. 5 by a sensor 40 and / or by an electronics 42.
  • the sensor 40 may be able to output the position such as the deflection of the vibratable suspended optical element 12 by a sensor signal.
  • This may be any type of sensor attached either to the vibratable suspended optical element 12, such as strain gauges, acceleration, tilt, or position sensors, or piezosensors, that are implemented in the same manufacturing process as the possibly used piezoactuators can or make a contactless position detection of the vibratable suspended optical element 12, that is, mounted beyond the vibratable suspended optical element, such as laser vibrometers or laser triangulators.
  • a potentially deployed electronics 42 may use the signal output from the sensor 40 to affect or take over the actuation of the actuators 14.
  • control, control chain, or active control of the vibratable suspended optical element may be facilitated, possibly facilitating operation of the vibratable suspended optical element 12 at a resonant frequency or quasi-static operation.
  • Fig. 6 shows a conceivable possible use of the preceding embodiments in an optical scanner. The figure shows a light source 44 whose light emission 46 partially or completely from the device 10 with a vibratable suspended optical element z.
  • B. reflective, transmissive and / or deflected by diffraction or refraction and is directed to a Giionsflambac 48.
  • the light output 46 can be used for different applications, for example for processing the projection surface 48 in the sense of a workpiece or according to other applications for the representation of patterns or images.
  • the light output 46 can furthermore also be used for scanning or detecting the surface of the projection surface 48.
  • the light source 44 and / or the device with an oscillatable suspended optical element 10 can be controlled by a controller 50.
  • the controller 50 can take on one or more tasks. Thus, it can be used, for example, to take over a synchronization between a possible modulation of the light intensity of the light source 44 and the position and / or the vibration or movement of the oscillatable suspended optical element 12 of the device 10.
  • the controller 50 could receive signals having desired light intensity values to be displayed on the screen 48 through a signal input 52.
  • FIG. 7 shows that it is possible, according to all the above embodiments, to operate the device 10 with a vibratable suspended optical element in combination with a device 60 for generating a fluid flow.
  • the device 60 for generating a fluid flow can be used to generate the fluid flow 16, which takes over the flow of the actuator 14 with the inherent removal of located on the oscillatable suspended optical element heat quantity.
  • the device 60 may generate a turbulent or laminar fluid flow 16 or be used in connection with a turbulent or laminar flow.
  • this fluid stream 16 can be utilized to vibrate the suspended optical element 12 vibrate and / or move.
  • the fluid flow can be used, for example, to a quasi static operation and / or a vibration mode z.
  • the fluid stream 16 may possibly be used to hold the vibratable suspended optical element in position. If the vibrationally suspended optical element is to be moved quasi-statically or held statically in its position, then, for example, a laminar flow of the device 60 can be used for the flow of the oscillatable suspended optical element. On the other hand, if vibrationally suspended optical element 12 is moved in, for example, a resonant oscillatory mode, vibrationally suspended optical element 12 can be impinged by a turbulent flow in order to excite resonance vibrations or else with a laminar flow.
  • the device 60 may include, for example, a rotor or propeller.
  • the movement and expansion of the fluid stream 16 may be controlled by one or more other devices 54 that are rigidly mounted and configured to affect, for example, pressure waveforms and flow rates, or possibly propagation of the fluid stream 16 into some Prevent areas.
  • the device 54 may be useful to design the device 54 for influencing the fluid flow 16 at some or all locations partially or completely transparent, in order to allow transmission of the light 46 generated by a light source. It is conceivable that it is. the device 54 is a translucent plate mounted above the fluid stream 16 to prevent upward propagation of the fluid stream 16.
  • the actuator 14 may be mounted to redirect the fluid flow 16 to the fluid flow generating device 60, as exemplarily and schematically shown by FIG.
  • the actuator is mounted analogous to the embodiment in Figure 2 beyond the oscillatory suspended optical element.
  • One way to obtain additional cooling effect on the optical element 20 is to create with the device 60 a fluid flow 16 having a higher pressure within the device 60 relative to the ambient pressure, which pressure may decrease as the fluid moves the device 60 on an element 62 which is able to influence the direction of the fluid flow 16 has left.
  • the element 62 may possibly be implemented in the form of a nozzle.
  • An actuator 14, here for example mounted beyond the vibratory suspended member, may be utilized such that it is capable of directing the exit direction of the fluid produced by the device 60 directly at the exit point of the fluid 62 or at the point of impact from the fluid flow is streamed to change on the vibratable suspended optical element 12.
  • the advantage of this embodiment is a possible quasi static operation of the oscillatable suspended optical element 12, where possibly no dynamic oscillation but over a certain period immutable position of the oscillatory suspended element is to be generated.
  • the impinging on the optical element 20 fluid flow 16 allows a deflection of the oscillatory suspended optical element 12, exemplified here as a deflection of the optical element 20 about a rotation axis 32 along a spring element 22 from the rest position of the optical element 20 out, wherein the fluid flow 16th can generate a force 28a and / or 28b during the flow past the vibratable suspended optical element.
  • deflections are also conceivable, such.
  • the distance 64 between the outlet opening of the element 62 of the device 60 for generating a fluid flow to the vibratable suspended optical element 12 can be chosen according to the particular application so that a possible pressure drop along the flow direction of the fluid flow 16, which may result in a decompression, can be used so that the amount of heat removed can reach an optimal extent.
  • a possible maximum distance 64 could be twice the greatest distance between two points of the optical element 20.
  • the directional change of the fluid flow 16 can be carried out as an alternative to the exemplary embodiment in FIG. 8 such that a device 58, which may be in the form of a stiffener flap, can be adjusted by an actuator 14 such that By this adjustment, a deflection of the fluid flow 16 takes place, whereas the device 60 for generating a fluid flow 16 possibly emits this at a higher pressure than the surrounding area in the direction of the adjusting device 58.
  • the generation of the pressure can be done, for example, in the form of a nozzle.
  • the advantage of this embodiment over FIG. 8 could be the reduced complexity of fluid flow device 60.
  • the distance 64 designates in this embodiment, the distance between the outlet opening of the device 60 for generating a fluid flow or a possibly attached to the device 8, the distance 64 can be chosen according to the respective application so that a possible pressure drop along the flow direction of the fluid flow 16, which possibly results in a decompression, can be used in such a way that the amount of heat removed can reach an optimal extent.
  • a possible maximum distance 64 could be twice the greatest distance between two points of the optical element 20.
  • the actuators 14 are designed as piezo elements.
  • any other form of training the Aktautoren 14 is conceivable, for example in the form of electrostatic or electrodynamic motors or other elements that are controllable to change their shape and thus to redirect the flow around them Umschschreib.
  • the actuators 14 may be realized as plasma actuators that are designed to perform no change in shape or movement.
  • the actuators 14 may be configured such that a high voltage between two spaced apart from a dielectric, electrodes ionized adjacent gas layers such that a weakly charged plasma is formed which is configured to interact with and deflect the fluid flow 16.
  • the plasma is further configured such that the forces resulting from the interaction between the plasma and the fluid flow 16 exert a force on the oscillatable suspended optical element 12 in order to deflect it out of its rest position.
  • the actuator 14 is designed as a plasma actuator and arranged on the adjusting device 62, then it is conceivable that the formation of a plasma to varying degrees causes a varying deflection of the fluid flow 16 on the adjusting device 58, thus directly the
  • Deflection of the oscillatory suspended optical element can be affliusst.
  • the adjusting device 62 can, for example, be immovable and the actuator 14 can be designed to bring about a change in the flow of the fluid flow 16 within or on the adjusting device 62 by means of a plasma of varying design.
  • the actuator 14 may be arranged, for example as a ring actuator on an inner side of the adjusting device 62 or the device 60. Although in most embodiments two actuators 14 have been illustrated, in principle any other number of actuators is conceivable. So only one actuator can be used or a number greater than two.
  • swingably suspended optical elements 12 and 34 have been shown mostly square, other, in principle all, geometries are conceivable, for example, a round, oval, rectangular, or polygonal shapes.
  • 1 la and 1 lb show schematic side sectional views of a device whose oscillatory suspended optical element comprised by the device is adapted to be deflected by fluid flows, the deflection being defined by the geometry of the oscillatable suspended optical element without any Actuator is flowed around.
  • the oscillatable suspended optical element 12 comprises two main sides, wherein the two main sides have a mutually different lateral extent and wherein the axial direction of the substrate 30 facing the main side has a smaller lateral extent.
  • Side sides arranged between the main sides form angles ⁇ and ⁇ to the main side remote from the substrate 30 in the axial direction.
  • the main side of the oscillatable suspended optical element facing away from the substrate 30 in the axial direction is offset in the axial direction with respect to a surface 68a and 68b by a distance 72a and 72b such that lateral fluid flows 74a and 74b are guided along the surfaces 68a and 68b, respectively can, and in the other respective lateral course flow around the side surfaces of the vibratable suspended optical element.
  • the fluid flow 74a causes a deflecting moment due to the geometry of the vibratable suspended optical element 12 using the aerodynamic effects such that the side facing the substrate 30a, which includes the angle ⁇ , is moved away from the substrate 30a in the axial direction and the distance 72a is increased.
  • the fluid flow 74b causes the auxiliary side facing the substrate 30b to be moved away from the substrate 30b in the axial direction with the angle ⁇ and the distance 72b is increased.
  • both lateral fluid flows simultaneously flow around the oscillatingly suspended optical element a movement direction and amplitude of the movement with respect to the oscillatable suspended optical element 12 depend on which moments and forces induce the fluid flows on the respective side of the oscillatable suspended optical element 12.
  • the angles ⁇ and ⁇ or the flow velocity of the lateral fluid flows 74a and 74b may be different from each other,
  • FIG. 1 b shows an embodiment of the oscillatable suspended optical element 12, which is an alternative to FIG. 1 a, and in which the substrate 30 faces away from the substrate 30 in the axial direction
  • Main side of the vibratable suspended optical element comprises a smaller lateral extent than the substrate 30 in the axial direction facing the main side. Angles a 'and ß' are greater than 90 °.
  • the lateral fluid flow 74a deflects the oscillatable suspended optical element in such a way that the distance 72a first decreases in size, possibly to zero, and then increases again as the movement continues.
  • the laterally opposite lateral fluid flow 74b causes a deflection of the vibratable suspended optical element in the opposite direction.
  • the vibratable suspended optical element can thereby be put into a resonant oscillation. If the lateral fluid flows 74a and 74b are used in a different frequency alternately to the flow, then another frequency of tilting of the optical element can be achieved.
  • the angles ⁇ and ⁇ may have equal angles, whereby the vibratable suspended optical element 12 takes the form of a symmetrical trapezoid
  • the angle a 'and ß' have different angles from each other.
  • the working range of a micromirror can be adjusted.
  • different lateral fluid flows 74a and 74b can be compensated by adjusting the angles ⁇ and ⁇ or a 'and ⁇ ' in such a way that, despite different energy levels, giegehalts a symmetrical in both directions deflection of the vibratable suspended optical element takes place.
  • the vibratable suspended optical element 12 can be quasistatic deflected by one of the two lateral fluid flows 74a or 74b, the vibrationally suspended optical element 12 flows permanently and the other lateral fluid flow 74a or 74b at least in terms of magnitude smaller deflections, constant causes or capable of oscillating suspended optical element 12 does not flow at a time.
  • angles ⁇ and ⁇ and a 'and ⁇ ' always have different angles of 90 °
  • one of the two angles ⁇ or ⁇ or a 'or ⁇ ' forms an angle of 90 °.
  • the uninflated side of the vibratable suspended optical element 12 may include any angle, even 90 °, to one or both main sides of the vibratable suspended optical element 12.
  • the oscillatable suspended optical element 12 is arranged with respect to the substrates 30a and 30b such that in a rest state the distances 72a and 72b have a value of zero.
  • the distances 72a and 72b may be one non-zero in an idle state
  • piezoelectric actuators can be integrated to actively influence the gas flow. These actuators do not directly control the mirror, but manipulate it the flow onto the mirror via small flow flaps to indirectly drive the mirror.
  • sensors can also be integrated to detect and control the current position of the mirror. It makes sense to use piezoelectric elements for both the sensor and the actuator. Sensor piezos can be realized in the same production process as the piezoelectric flow actuators. Suitable electronics can evaluate the signal from the sensors and control the flow flaps. Thus, an active control of the position of the mirror is possible.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Die zugrunde liegende Erfindung legt eine Vorrichtung dar, die ein schwingfähig aufgehängtes optischen Element mit mindestens einem Aktuator enthält, der ausgebildet ist, um eine an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element vorbeiströmende Fluidströmung zu beeinflussen, sodass das schwingfähig aufgehängte optische Element in Schwingung versetzt wird und die Energie für diese Schwingung dem Fluid entnommen wird. Gleichzeitig wird das Fluid als Kühlmittel verwendet, sodass die dargelegte Vorrichtung aufgrund der abtransportierten Wärmemenge in der Lage ist, größere Lichtleistungen zu handhaben.

Description

Vorrichtung mit einem schwingfahig aufgehängten optischen Element und Verfahren zum Auslenken desselben Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element und ein Verfahren zum Auslenken desselben aus seiner Ru- helage oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung, wie z. B. einen schwingfähig aufgehängten Mikrospiegel.
Für eine ganze Reihe von Anwendungen, allen voran in der Lasermaterialbearbeitung, werden Scannereinheiten benötigt, die hohe Laserleistung gegenüber einer Werkstückober- fläche für eine flächige Bearbeitung benötigen. Konventionelle Spiegeleinheiten sind jedoch teuer und erreichen auch keine hohen Scannerfrequenzen oberhalb von f=2-3 kHz, Mikrotechnisch hergestellte Spiegel erreichen diese hohen Frequenzen zwar und können preiswert produziert werden, sind allerdings im Hinblick auf deren Spiegelgröße sehr begrenzt, Zudem sind Mikrospiegel nur für vergleichsweise niedrige Laserleistungen einsetz- bar.
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zum Auslenken eines schwingfähig aufgehängten optischen Elementes aus seiner Ruhelage oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung, das es ermöglicht, sowohl mit hohen Frequenzen als auch im quasistatischen Betrieb hohe optische Leistungen handhaben zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element und ein Verfahren zum Auslenken desselben oder zum Versetzen desselben in eine Schwingung zu schaffen, so dass hohe optische Leistungen mit hohen Frequenzen handhabbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Kemgedanke der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass die Energie für das Versetzen des schwingfähig aufgehängten optischen Elements in eine Schwingung respektive zur Auslenkung desselben aus seiner zu einem Zeitpunkt möglicherweise zu ändernden Position einem vorbeiströmenden Fluid entnommen wird, indem ein Aktuator die vorbei strömende Fluidströmung beeinflussen kann. Dadurch wirkt das vorbeiströmende Fluid gleichzeitig als Kühlmittel und als Energiereservoir für die Schwingungs- und/oder Bewegungserzeugung. Die Vorrichtung ist miniaturisierbar und durch die Wärmeableitung mittels des Fluids sind große Wärmemengen abführbar, so dass die Vorrichtung in der Lage ist, große optische Leistungen zu handhaben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Aktuator an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element angebracht. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Aktuator jenseits des schwingfähig aufgehängten Elements angeordnet und gegenseitig beab- standet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element. In dem letzteren Fall kann beispielsweise eine Kontaktierang des Aktuators einfacher realisierbar sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ansteuerung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes alleinig von einem Fluidstrom ausgeführt werden, ohne dass ein Aktuator verwendet wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element; Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element mit einer zu Fig. 1 alternativen Aktuator- anbindung;
Fig. 3 eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element, welches um Kühlrippen erweitert ist und einer zu vorigen Figuren alternativen Aktuatoranbringung;
Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf ein schwingfähig aufgehängtes optisches
Element mit zwei Torsionsachsen;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element; Fig. 6 ein scfaematisches Blockschaltbild eines optischen Scanners als Beispiel einer möglichen Anwendung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements;
Fig. 7 eine schematische Seitenschnittansicht eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elements;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes mit einem direkt justierbaren Fluidstrom;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes mit einem indirekt justierbaren Fluidstrom; und
Fig. 10 eine schematische Seitenschnittansicht eines aktuatorlosen fluidbeströmten schwingfähig aufgehängten optischen Elementes;
Fig. 1 1 schematische Seitenschnittansichten einer Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element, dessen Hauptseiten voneinander verschiedene laterale Ausdehnungen umfassen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12, wobei die Vorrichtung 10 mindestens einen Aktuator 14 aufweist, der ausgebildet ist, um eine an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 vorbeiströmende Flu- idströmung 16 so zu beeinflussen, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 in Schwingung versetzt respektive aus seiner zu einem Zeitpunkt möglicherweise zu ändernden Position ausgelenkt wird.
Bei dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 kann es sich beispielsweise um einen optischen Spiegel handeln. Andere Beispiele wären optische Gitter, transparente optische Elemente, wie z. B. Prismen oder dergleichen. Obwohl es in Fig. 1 angedeutet ist, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 eine Platte 20 aufweist, die über eine Feder 22 aufgehängt ist, sind andere Beispiele ebenfalls möglich. Bei der Feder 22 kann es sich um jedwede Feder handeln, wie z. B. eine Torsionsfeder, eine Biegefeder oder dergleichen. Obwohl in Fig. 1 das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 so dargestellt ist, dass es zu Drehschwingungen und/oder -bewegungen 18 anregbar ist, ist es gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ebenfalls möglich, dass das schwingfähig auf- gehängte optische Element so aufgehängt ist, dass es andere Schwingungsbewegungen ausführt, wie z. B, translatorische Bewegungen, Kippbewegungen oder dergleichen.
Wie es in Fig. 1 ebenfalls gezeigt ist, können mehrere Aktuatoren 14a und 14b vorgesehen sein, um die Beeinflussung der Fluidströmung 16 zu bewirken. Alternativ kann auch lediglich ein Aktuator verwendet werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Aktuatoren verwendet werden oder kein Aktuator, wie es bezüglich Fig. 10 erläutert wird. Durch Änderung ihrer Form bewirken die Aktuatoren 14a und 14b eine Um- lenkung der Strömung 16, die dazu führt, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, können die Aktuatoren 14a und 14b an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 angebracht sein, so dass Auf- und/oder Abtrieb, die durch die Formänderung der Aktuatoren 14a und 14b bewirkt werden, unmittelbar an dem optischen Element 12 angreifen und dasselbe aus seiner Ruhelage bewegen. Durch Ansteuern der Aktuatoren 14a und 14b in einer geeigneten Frequenz ändern die Aktuatoren ihre Form in einer Frequenz, die in einem Resonanzfrequenzbereich des optischen Elements 12 liegen kann, so dass ein Resonanzerhöhungseffekt ausgenutzt werden kann. Alternativ können die Aktuatoren in einem statischen Zustand verharren, um das schwingfähig aufgehängte optische Element möglicherweise für einen Zeitraum bewegungslos in einer Position verharren zu lassen oder möglicherweise nur eine langsame Bewegung ausführen zu lassen. In anderen Worten ausgedrückt kann die Vorrichtung 10 auch ausgebildet sein, nicht in einem Schwingungsbetrieb sondern in einem quasistatischen Betrieb zu arbeiten.
Eine weitere Möglichkeit der Strömungsbeeinflussung, sei es zu Zwecken der Schwin- gungsanregung oder quasi statischen Auslenkung, bieten Plasmaaktuatoren anstelle der hier bisher gezeigten Piezoaktuatoren, wobei die durch Wechselwirkung zwischen von den Aktuatoren gebildetem Plasma und der Fluidströmung 16 Kräfte entstehen, die eine Strömungsänderung und hierdurch wiederum eine Krafteinwirkung auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 bewirken, um es aus seiner Ruhelage auszulenken.
Wird die Vorrichtung 10 von Fig. 1 dazu verwendet, optische Leistung in Form von beispielsweise einem Laserstrahl 24 umzulenken, so ist es möglich, dass die Fluidströmung 16 die in dem optischen Element 20 auftretende absorbierte Wärme abtransportiert. Zudem müssen die Aktuatoren 14 nur so viel Energie liefern, wie es notwendig ist, um die For- mänderung respektive Plasmabildung herbeizuführen und/oder beizubehalten, die zu den Strömungsänderungen fuhren, während die Energie für die Schwingungs- und Bewegungserzeugung des optischen Elements 20 aus der Fluidströmung 16 selbst entstammt. Dadurch ist es möglich, dass Spannungen und Ströme zur Ansteuerung der Aktuatoren 14 in ver- hältnismäßig kleinem Rahmen bleiben und dennoch relativ hohe Auslenkungen des optischen Elements 20 erzielbar sind.
Nachdem im Vorhergehenden in Fig. 1 eher im Allgemeinen beschrieben worden ist, wird im Folgenden die in Fig. 1 illustrierte Ausfuhrangsform für die Anordnung der Aktuatoren in dem Zusammenspiel mit dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 und die Wirkweise exemplarisch näher beschrieben.
Die Aktuatoren 14a und 14b können in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet wer- den, der eine stromaufwärts und der andere stromabwärts relativ zu einer Drehachse 32 und mit gegenphasigen Ansteuersignalen angesteuert werden, um auf der einen Seite der Drehachse 32 ein abtreibendes Moment 26 und auf der anderen Seite ein auftreibendes Moment 28 und umgekehrt zu erzeugen. Ein das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 umgebende Substrat 30a und 30b kann als Befestigungsstelle für den dem schwingungsfähig aufgehängten optischen Element abgewandten Befestigungspunkt des Federelements 22 genutzt werden. Insbesondere können das Substrat 30 und das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 einstückig gefertigt sein, wie z. B. in einem Halbleitersubstrat.
Die Drehachse 32, die hier exemplarisch eine Drehbewegung 18 ermöglicht, liegt in Fig. 1 deckungsgleich mit dem beispielhaft als Torsionsfeder ausgeprägten Federelement 22. Das Federelement könnte allerdings auch an einer anderen Stelle angebracht sein. Obwohl hier lediglich ein Federelement 22 dargestellt ist, ist auch eine andere Anzahl von Federelemen- ten denkbar, beispielsweise zwei in einer Drehachse, dabei eines auf jeder Seite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes. Prinzipiell ist auch eine beliebige Anzahl von Federelementen denkbar.
Eine Vorrichtung 54, die dazu ausgebildet ist, den Fluidstrom 16 in seiner Ausbreitung zu beeinflussen, ist oberhalb des Fluidstromes 16 dargestellt, wobei das Fluid zwischen der Vorrichtung 54 und dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 strömt. Denkbar ist, dass die Vorrichtung 54 möglicherweise als transparente Platte ausgeführt werden kann, die sich beispielsweise parallel zum Substrat 30 und/oder dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 in seiner Ruhelage erstreckt. Ebenfalls ist denkbar, dass die als transparente Platte ausgeführte Vorrichtung mit einer Neigung oder einem Winkel bezüglich des Substrates 30 angeordnet ist, um beispielsweise an der Platte entstehende Re- flektionen der optischen Leistung in eine vorbestimmte, von einer parallelen Ausrichtung der Platte verschiedenen Richtung zu lenken, um so möglicherweise Fehler in einer, die optische Leistung verarbeitenden Auswerteeinheit zu vermeiden.
Nachdem im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine mögliche Anordnung der Aktuatoren 14 an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 dargelegt worden ist, wird nachfolgend dargelegt, dass eine Anbringung der Aktuatoren 14 auch beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 erfolgen kann.
Das Fluid 16 kann das schwingfähig aufgehängte Element 12 prinzipiell auf jeder Seite und an einer oder mehreren seiner Seiten umströmen. Ferner ist es möglich, dass der Fluid- strom nicht wie bisher dargestellt, lateral an dem optischen Element vorbeiströmt, sondern direkt auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 trifft, wie z. B. von unten bzw. von der Substratebene aus. Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12, wobei die Vorrichtung 10 mindestens einen Aktuator 14 aufweist, welcher beispielhaft an dem das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 umgebenden Substrat 30a und 30b und somit jenseits des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 angeordnet ist. Werden also beispielsweise die Aktuatoren 14 von Vorrichtung 10 in Fig. 2 verwendet, um den Fluidstrom 16 umzulenken, so wird im Gegensatz zur möglichen Konfiguration in Fig. 1 keine direkte Kraft durch den an den Aktuatoren 14 vorbeifließenden Fluidstrom 16 auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 induziert, sondern vielmehr Bereiche höheren respektive niedrigeren Druckes des Fluidstroms 16 erzeugt. Diese Bereiche unterschiedlichen Drucks wiederum führen zu angreifenden Kräften 26 und 28, die das schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 aus der Ruhelage bewegen und - durch periodische Umlenkung - eine Schwingung 18 um die Drehachse 32 auslösen. Diese mögliche Konfiguration birgt den Vorteil, dass ein Transfer von Spannungen und Strömen zum Betrieb der Aktuatoren 14 auf das schwingfähig und somit beweglich aufgehängte optische Element 12, welches lediglich über das Federelement 22 mit dem umliegenden Substrat 30 verbunden ist, entfallen kann. Auch kann so der Einfluss des absorbierten Anteils der optischen Leistung 24, beispielsweise in Form von Verlustwärme, welche an das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 abgegeben wird, auf die Aktuatoren 14 reduziert werden. Wie bereits erwähnt, kann der Verzicht auf eine dynamische Anregung der Aktuatoren dazu führen, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element in einer Position gehal- ten wird und so ein quasistatischer Betrieb erfolgen kann.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Oberfläche der Unterseite des optischen
Elementes 20, also beispielsweise die Seite, die einer mit einem optischen Strahl ange- strahlten Vorderseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 abgewandt ist, vergrößert ist, wie z. B. durch Kühlrippen 56. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, eine größere Wärmemenge an das in diesem Beispiel ebenfalls an der Unterseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 vorbei strömende Fluid 16 abzugeben. Wie gesagt, ist ein Anströmen auf die Unterseite ebenfalls möglich, wie es unten noch erläutert wird. Dies kann eine Handhabung größerer optischer Leistungen ermöglichen.
Nachdem die vorangegangenen Ausführungsbeispiele unterschiedliche mögliche Anbringungsorte der Aktuatoren 14 in den Fig. 1 und 2 aufführten, zeigt nachfolgende Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die zuvor erläuterte Drehachse 32 um eine weitere, zur Drehachse 32 senkrecht stehende Drehachse 36 erweitert ist, das heißt, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element um zwei Drehachsen 32 und 36 schwingfähig gelagert ist. Das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 von Fig. 4 umfasst eine zweistufig aufgebaute Platte mit einem inneren und einem äußerem Bereich. Dabei ist der innere Bereich 34 um eine Drehachse 32 und der äußere Bereich 35 um eine Drehachse 36 drehbar gelagert, wobei die beiden Drehachsen senkrecht zu einander stehen. Der innere Bereich 34 ist mit Federelementen 38a und 38b, die beispielhaft deckungsgleich mit der Drehachse 36 liegen, mit dem äußerem Bereich 35 verbunden, der eine Art Rahmen für den inneren Bereich 34 darstellt. Der äußere Bereich 35 ist über Federelemente 39a und 39b mit den Befestigungspunkten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 verbunden und besteht beispielsweise aus dem Substrat, wie in den Figuren 1 oder 2 gezeigt. Denkbar ist, dass äußerer und innerer Bereich des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes sowie die Federelemente 38 und 39 einstückig gefertigt werden. Es ist auch denkbar, dass der äußere Bereich, der innere Bereich oder ein oder mehrere Federelemente 38 und 39 separat gefertigt werden und mit dem restlichen Aufbau des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes verbunden werden. Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit liegt in der mehrdimensionalen Bewegungsmöglichkeit des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 34, nämlich in der Möglichkeit zur Anregung zu Rotationsbewegungen um die Achsen 32 und 36. In diesem Aus- führungsbeispiei können die Aktuatoren 14 so angeordnet sein, dass sich die Krafteinwirkung des Fluidstroms 16 in mindestens zwei Raumrichtungen steuern lassen kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können zur Ermöglichung der zusätzlichen Bewegungsrichtungen zusätzlich zu den Federelementen 39a und 39b weitere Federelemente 38a und 38b verwendet werden. Bei diesen zusätzlichen Federn kann es sich um jedwede Art von Federn handeln, wie beispielsweise Torsionsfedern, Biegefedern oder dergleichen. Exemplarisch werden in Fig. 4 zwei Aktuatoren 14a und 14b dargestellt, die von der FIu- idströmung 16 angeströmt werden, wobei jeweils ein Aktuator auf dem inneren Bereich 34 und ein Aktuator auf dem äußeren Bereich 35 befestigt ist und je ein Aktuator dazu ausge- bildet ist, den mit ihm verbundenen Bereich 34 respektive 35 um die dazugehörige Drehachse 32 respektive 36 aus der Ruhelage heraus zu bewegen, also der an dem Rahmen 35 angebrachte Aktuator den Rahmen 35 um die Achse 32, um die der Rahmen 35 gegenüber den äußeren Ankerpunkten drehbar gelagert ist, und der an dem inneren Bereich 34 angebrachte Aktuator den Bereich 34 um die Achse 36, um die der innere Bereich 34 gegenüber dem Rahmen 35 drehbar gelagert ist. So bewegt der Aktuator 14a den äußeren Bereich um die Drehachse 32 und der Aktuator 14b den inneren Bereich um die Drehachse 36. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Aktautoren 14 jeweils außerhalb der Drehachse 32 und 36 angebracht. Jedoch ist es denkbar, dass ein Aktuator 14 auf der Drehachse 32 und/oder 36 lokalisiert ist. Auch ist es denkbar, dass eine andere Anzahl von Aktuatoren 14 verwendet wird, beispielsweise lediglich ein Aktuator oder mehr als zwei. Auch eine Be- wirkung einer Auslenkung oder Schwingung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 durch Einstellen einer Stärke oder anderen Beeinflussung des Fluidstroms selbst, ohne die Verwendung eines Aktuators, ist möglich, wie es später bezüglich Fig. 10 erläutert wird. Ferner ist es ebenfalls denkbar, dass die Aktuatoren 14 beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 angebracht sind, wie es exemplarisch in Fig. 2 dargestellt ist. Prinzipiell kann eine Bewegung um eine zweite Drehachse genutzt werden, um zusätzliche Anwendungsfälle wie etwa Rasterscanner oder Lissajous-Scanner durch eine mehrdimensionale Bewegung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 zu ermöglichen. Obwohl das schwingfähig aufgehängte optische Element 34 hier quadratisch dargestellt ist, sind auch andere Geometrien denkbar, beispielsweise runde, ovale, rechteckige, oder polygone Formen. Auch asymmetrische Formen wären prinzipiell denkbar.
Erweiternd zu den vorangegangenen und nachfolgenden Ausfuhrangsbeispielen kann die Vorrichtung auch wie in Fig. 5 dargestellt durch einen Sensor 40 und/oder durch eine Elektronik 42 erweitert werden. Dabei kann der Sensor 40 in der Lage sein, die Position wie zum Beispiel die Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 durch ein Sensorsignal auszugeben. Hierbei kann es sich um jedwede Art von Sensoren handeln, die entweder an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 ange- bracht sind, wie etwa Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungs-, Neigungs- oder Positionsaufnehmer respektive Piezosensoren, die im gleichen Herstellungsprozess wie die möglicherweise verwendeten Piezoaktuatoren realisiert werden können, oder die eine kontaktlose Positionserfassung des schwingfähig aufgehängten optischen Elements 12 vornehmen, das heißt, jenseits des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes angebracht sind, wie beispielsweise Laservibrometer oder Lasertriangulatoren. Eine möglicherweise eingesetzte Elektronik 42 kann das von dem Sensor 40 ausgegebene Signal verwenden, um die Ansteuerung der Aktautoren 14 zu beeinflussen oder zu übernehmen. So kann eine Steue- rung, eine Regelkette oder eine aktive Kontrolle des schwingfähig aufgehängten optischen Elements ermöglicht werden, die möglicherweise einen Betrieb des schwing ähig aufgehängten optischen Elementes 12 in einer Resonanzfrequenz oder einen quasistatischen Betrieb vereinfacht. Fig. 6 zeigt eine denkbare mögliche Verwendung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele in einem optischen Scanner. Die Figur zeigt eine Lichtquelle 44 deren Lichtausstoß 46 teilweise oder vollständig von der Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element z. B. reflektiv, transmittiv und/oder per Beugung oder Brechung umgelenkt und auf eine Projektionsflächc 48 gerichtet wird. Der Lichtausstoß 46 kann für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden, beispielsweise zum Bearbeiten der Projektionsfläche 48 im Sinne eines Werkstückes oder gemäß anderen Anwendungsmöglichkeiten zur Darstellung von Mustern oder Bildern. Der Lichtausstoß 46 kann weiterhin auch zum Abtasten oder Erfassen der Oberfläche der Projektionsfläche 48 genutzt werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 44 und/oder die Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element 10 von einer Steuerung 50 angesteuert werden. Die Steuerung 50 kann dabei eine oder mehrere Aufgaben übernehmen. So kann sie beispielsweise dazu eingesetzt werden, eine Synchronisation zwischen einer eventuellen Modulation der Lichtintensität der Lichtquelle 44 und der Position und/oder der Schwingung oder Bewegung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 der Vorrichtung 10 zu übernehmen. So könnte die Steuerung 50 beispielsweise Signale mit gewünschten Lichtintensitätswerten, welche an der Projektionsfläche 48 dargestellt werden sollen, durch einen Signaleingang 52 erhalten.
Ergänzend zu den vorangegangenen Ausführungsmöglichkeiten zeigt Fig. 7, dass es gemäß aller obigen Ausführungsbeispiele möglich ist, die Vorrichtung 10 mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element in Kombination mit einer Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung zu betreiben. Die Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung kann dazu genutzt werden, um den Fluidstrom 16 zu erzeugen, welcher die Anströmung des Aktuators 14 mit dem inhärenten Abtransport von auf dem schwingfähig aufgehängten optischen Element befindlicher Wärmemenge übernimmt. Dabei kann die die Vorrichtung 60 einen turbulenten oder laminaren Fluidstrom 16 erzeugen bzw. in dem Zusammenhang mit einer turbulenten oder laminaren Strömung verwendet werden. Wie beschrieben kann dieser Fluidstrom 16 dazu genutzt werden, das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 in Schwingung und/oder Bewegung zu versetzen. Der Fluidstrom kann bspw. dazu genutzt werden, einen quasi statischen Betrieb und/oder einen Schwingungsbetrieb z. B, eines Zeilenscanners oder eines Lissajous-Scanners zu ermöglichen. Auch kann der Fluidstrom 16 möglicherweise dazu genutzt werden, das schwingfähig aufgehängte optische Element in seiner Position zu halten. Soll das schwingfähig aufgehängte optische Element quasistatisch bewegt oder statisch in seiner Position gehalten werden, so kann beispielsweise eine laminare Strömung der Vorrichtung 60 zur Anströmung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes genutzt werden. Wird das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 hingegen in einem beispielsweise resonanten Schwingungsbetrieb bewegt, kann das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 mit einer turbulenten Strömung angeströmt werden, um Resonanzschwingungen anzuregen, oder aber auch mit einer laminaren Strömung. Die Vorrichtung 60 kann beispielsweise einen Rotor oder Propeller aufweisen.
Daneben ist es denkbar, dass die Bewegung und Ausbreitung des Fluidstroms 16 durch eine oder mehrere weitere Vorrichtungen 54 gesteuert wird, die starr bzw. passiv angebracht sind und ausgebildet sind, um beispielsweise Druckverläufe und Strömungsgeschwindigkeiten zu beeinflussen oder möglicherweise eine Ausbreitung des Fluidstroms 16 in manche Bereiche zu verhindern. Unter Berücksichtigung dieser Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Vorrichtung 54 zur Beeinflussung des Fluidstroms 16 an manchen oder allen Stellen teilweise oder vollständig transparent auszugestalten, um eine Transmission des von einer Lichtquelle erzeugten Lichts 46 zu ermöglichen. Denkbar ist, dass es sich bei. der Vorrichtung 54 um eine lichtdurchlässige Platte handelt, die oberhalb des Fluidstromes 16 angebracht ist, um eine Ausbreitung des Fluidstromes 16 nach oben zu verhindern. Weiterhin ist es denkbar, dass der Aktuator 14 zum Umlenken des Fluidstroms 16 an der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung angebracht ist, wie es beispielhaft und schematisch durch Figur 8 gezeigt wird, oder sich zumindest stromabwärts relativ zum Düsenausgang der Vorrichtung 60 befindet. Auch hier ist der Aktuator analog zum Ausführungsbeispiel in Figur 2 jenseits des schwingfällig aufgehängten optischen Elementes angebracht. Eine Möglichkeit, zusätzliche Kühlwirkung an dem optischen Element 20 zu erhalten, ist es, mit der Vorrichtung 60 eine Fluidströmung 16 zu erzeugen, die innerhalb der Vorrichtung 60 gegenüber dem Umgebungsdruck einen höheren Druck aufweist, wobei der Druck möglicherweise abnimmt, sobald das Fluid die Vorrichtung 60 an einem Element 62, welches in der Lage ist, die Richtung des Fluidstromes 16 zu beeinflussen, verlassen hat. Das Element 62 kann möglicherweise in Form einer Düse umgesetzt sein. Durch diese Druckabnahme, die beispielsweise bei gasförmigen Fluiden in Form einer Dekompression oder Ausdehnung/Expansion erfolgen kann, besteht die Möglichkeit, dass sich das Fluid abkühlt und eine größere Wärmemenge von dem optischen Element abtransportieren kann.
Ein Aktuator 14, hier beispielsweise jenseits des schwingfähig aufgehängten Elementes angebracht, kann derart genutzt werden, dass er in der Lage ist, die Austrittsrichtung des von der Vorrichtung 60 erzeugten Fluids direkt an der Austrittsstelle des Fluids 62 bzw. am Auftreffpunkt, der von dem Fluidstrom angeströmt wird, auf dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 zu ändern. Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit liegt in einem möglichen quasi statischen Betrieb des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12, wo möglicherweise keine dynamische Schwingung sondern eine über einen gewissen Zeitraum unveränderliche Position des schwingfähig aufgehängten Elementes erzeugt werden soll. Der auf das optische Element 20 auftreffende Fluidstrom 16 ermöglicht eine Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12, hier beispielhaft dargestellt als eine Auslenkung des optischen Elementes 20 um eine Drehachse 32 entlang eines Federelementes 22 aus der Ruhelage des optischen Elementes 20 heraus, wobei der Fluidstrom 16 während des Vorbeiströmens am schwingfähig aufgehängten optischen Element eine Kraft 28a und/oder 28b erzeugen kann. Wie gesagt sind andere Auslenkungen ebenfalls denkbar, wie z. B. translatorische oder Kippbewegungen. Der Abstand 64 zwischen der Austrittsöffnung des Elementes 62 der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung zum schwingfähig aufgehängten optischen Element 12 kann dabei entsprechend der jeweiligen Anwendung so gewählt werden, dass ein eventueller Druckabfall entlang der Fließrichtueg des Fluidstromes 16, der möglicherweise in einer Dekompression resultiert, derart genutzt werden kann, dass die abtransportierte Wärmemenge einen optimalen Umfang erreichen kann. Ein möglicher maximaler Abstand 64 könnte das Doppelte des größten Abstandes zweier Punkte des optischen Elementes 20 sein.
Auch ist es denkbar und in Form eines Ausführungsbeispiels in Figur 9 gezeigt, dass die Richtungsänderung des Fluidstromes 16 alternativ zum Ausfuhrungsbeispiel in Figur 8 derart erfolgen kann, dass eine möglicherweise in Form einer Steiiklappe ausgebildete Vorrichtung 58 von einem Aktuator 14 derart justiert werden kann, dass durch diese Justierung eine Umlenkung des Fluidstromes 16 erfolgt, wohingegen die Vorrichtung 60 zur Erzeugung eines Fluidstromes 16 diesen möglicherweise mit einem höheren Druck als dem Umgebungsdrack in Richtung der Stellvorrichtung 58 abgibt. Die Erzeugung des Druckes kann bspw. in Form einer Düse geschehen. Der Vorteil dieser Ausführungsmöglichkeit gegenüber der Figur 8 könnte in einer reduzierten Komplexität der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung liegen. Der Abstand 64 bezeichnet in diesem Ausführungsbeispiel den Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Vorrichtung 60 zur Erzeugung einer Fluidströmung respektive einer an der Vorrichtung möglicherweise angebrachten Führung des Fluidstromes und dem schwingfähig aufgehängten optischen Element 12. Analog Figur 8 kann der Abstand 64 dabei entsprechend der jeweiligen Anwendung so gewählt werden, dass ein eventueller Druckabfall entlang der Fließrichtung des Fluidstromes 16, der möglicherweise in einer Dekompression resultiert, derart genutzt werden kann, dass die abtransportierte Wärmemenge einen optimalen Umfang erreichen kann. Ein möglicher maximaler Abstand 64 könnte das Doppelte des größten Abstandes zweier Punkte des optischen Elementes 20 sein.
Prinzipiell ist es für alle Ausführungsbcispiele denkbar, dass die Aktuatoren 14 als Piezoc- lemente ausgeführt sind. Auch jedwede andere Form der Ausbildung der Aktautoren 14 ist denkbar, beispielsweise in Form elektrostatischer oder elektrodynamischer Motoren oder anderen Elementen, die ansteuerbar sind, ihre Form zu ändern und somit den sie umströmenden Flutdstrom umzulenken. Insbesondere können die Aktuatoren 14 als Plasmaaktua- toren realisiert sein, die ausgebildet sind, keine Formänderung oder Bewegung auszufüh- ren. In diesem Fall können die Aktuatoren 14 derart ausgebildet sein, dass eine Hochspannung zwischen zwei, von einem Dielektrikum beabstandeten, Elektroden benachbarte Gasschichten ionisiert, sodass ein schwach geladenes Plasma erzeugt wird, welches ausgebildet ist, mit der Fluidströmung 16 zu interagieren und sie abzulenken. Das Plasma ist femer so ausgebildet, dass die durch die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und der Flu- idströmung 16 entstehenden Kräfte eine Krafteinwirkung auf das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 bewirken, um es aus seiner Ruhelage auszulenken.
Wird der Aktuator 14 als Plasmaaktuator ausgeführt und an der Stellvorrichtung 62 angeordnet, so ist denkbar, dass das Ausbilden eines Plasmas in variierendem Maße eine variie- rende Ablenkung des Fluidstromes 16 an der Stellvorrichtung 58 bewirkt, womit direkt die
Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes beeinfiusst werden kann.
Ist hingegen der Aktuator 14 an der Stellvorrichtung 62 als Plasmaaktuator ausgeführt, so kann beispielsweise die Stellvorrichtung 62 unbeweglich ausgestaltet und der Aktuator 14 ausgebildet sein, durch ein variierend ausgebildetes Plasma eine Änderung der Strömung des Fluidstromes 16 innerhalb oder an der Stellvorrichtung 62 herbeizuführen. Der Aktuator 14 kann beispielsweise als Ringaktuator an einer Innenseite der Stellvorrichtung 62 oder der Vorrichtung 60 angeordnet sein. Obwohl in den meisten Ausführungsbeispielen zwei Aktuatoren 14 dargestellt wurden, ist prinzipiell jede andere Anzahl an Aktuatoren denkbar. So kann auch lediglich ein Aktuator verwendet werden oder eine Anzahl größer zwei. Obwohl in vorangegangenen Ausluhrungsbcispielen stets von einer Verwendung eines Aktautors 14 ausgegangen wurde, ist es, wie in Figur 10 dargestellt, ebenfalls denkbar, dass der von der Vorrichtung 60 erzeugte Fluidstrom 16 gleichzeitig das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 aus seiner Ruhelage bewegt, ohne dass analog zu den Figu- ren 1 und 2 ein Aktuator umströmt wird, indem ein An- und/oder Ausschalten bzw. eine Variation der Intensität der Fluidströmung direkt eine Auslenkung aus der Ruhelage bewirkt, oder sogar eine Schwingung.
Obwohl die schwingfähig aufgehängten optischen Elemente 12 und 34 meist quadratisch dargestellt worden sind, sind auch andere, prinzipiell alle, Geometrien denkbar, beispielsweise eine runde, ovale, rechteckige, oder polygone Formen.
Die Fig. 1 la und I Ib zeigen schematische Seitenschnittansichten einer Vorrichtung, deren, von der Vorrichtung umfasstes schwingfähig ausgehängte optische Element ausgebildet ist, durch Fluidströmungen ausgelenkt zu werden, wobei die Auslenkung durch die Geometrie des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes definiert wird, ohne dass ein Aktuator umströmt wird.
Fig. 1 la zeigt eine Vorrichtung, bei der das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 zwei Hauptseiten umfasst, wobei die beiden Hauptseiten eine voneinander verschiedene laterale Ausdehnung aufweisen und wobei die in axialer Richtung dem Substrat 30 zugewandte Hauptseite eine geringere laterale Ausdehnung aufweist. Zwischen den Hauptseiten angeordnete Nebenseiten bilden zur in axialer Richtung dem Substrat 30 abgewandten Hauptseite Winkel α und ß. Die dem Substrat 30 in axialer Richtung abgewandte Hauptsei- te des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes ist in axialer Richtung gegenüber einer Oberfläche 68a respektive 68b mit einem Abstand 72a respektive 72b derart versetzt, dass laterale Fluidströmungen 74a respektive 74b an den Oberflächen 68a respektive 68b entlang geführt werden können, und im weiteren jeweiligen lateralen Verlauf die Nebenseiten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes umströmen.
Die Fluidströmung 74a bewirkt aufgrund der aerodynamische Effekte nutzenden Geometrie des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 ein auslenkendes Moment derart, dass die dem Substrat 30a zugewandte Nebenseite, welche den Winkel α umfasst, in axialer Richtung vom Substrat 30a wegbewegt wird und der Abstand 72a vergrößert wird. Die Fluidströmung 74b bewirkt bei Abwesenheit der Fluidströmung 74a hingegen, dass die dem Substrat 30b zugewandte Nebenseite mit dem Winkel ß in axialer Richtung vom Substrat 30b wegbewegt wird und der Abstand 72b vergrößert wird. Umströmen beide laterale Fluidströmungen gleichzeitig das schwingfähig aufgehängte optische Element, so ist bezüglich des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 eine Bewegungsrichtung und Amplitude der Bewegung davon abhängig, welche Momente und Kräfte die Fluidströmungen an der jeweiligen Nebenseite des schwingfähig aufge- hängten optischen Elementes 12 induzieren. Dabei können beispielsweise die Winkel α und ß oder die Strömungsgeschwindigkeit der lateralen Fluidströmungen 74a und 74b von einander verschieden sein,
Fig. I Ib zeigt eine zu Fig. I Ia alternative Ausführungsform des schwingfähig aufgehäng- ten optischen Elementes 12, bei der die dem Substrat 30 in axialer Richtung abgewandte
Hauptseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes eine kleinere laterale Ausdehnung als die dem Substrat 30 in axialer Richtung zugewandte Hauptseite umfasst. Winkel a' und ß' sind größer als 90°. Die laterale Fluidströmung 74a lenkt das schwingfähig aufgehängte optische Element derart aus, dass sich der Abstand 72a zuerst verkleinert, ggf. zu Null wird, um sich unter Fortführung der Bewegung anschließend wieder zu vergrößern. Die in lateraler Richtung entgegengesetzt gerichtete laterale Fluidströmung 74b bewirkt eine Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes in die entgegengesetzte Richtung. Werden die lateralen Fluidströmungen 74a und 74b abwechselnd und mit einer Wechselfrequenz, die der Resonanzfrequenz des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 entspricht, zur Anströmung des optischen Elementes genutzt, so kann das schwingfähig aufgehängte optische Element dadurch in eine Resonanzschwingung versetzt werden. Werden die lateralen Fluidströmungen 74a und 74b in einer anderen Frequenz wechselnd zur Anströmung genutzt, so kann auch eine andere Frequenz der Verkippung des optischen Elementes erreicht werden.
Obwohl, wie in Fig. I Ia gezeigt, die Winkel α und ß gleiche Winkel aufweisen können, womit das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 die Form eines symmetrischen Trapezes annimmt, ist ebenfalls vorstellbar, dass, wie in Fig. I Ib gezeigt, die Winkel a' und ß' voneinander verschiedene Winkel aufweisen. Bei betragsmäßig gleichem Energiegehalt der lateralen Fluidströmungen 74a und 74b lässt sich dadurch eine richtungsweise unterschiedliche Amplitude der Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes erreichen. Damit kann beispielsweise der Arbeitsbereich eines Mikrospiegels eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können bezüglich des Energiegehaltes voneinander verschiedene laterale Fluidströmungen 74a und 74b durch Justage der Winkel α und ß respektive a' und ß' derart kompensiert werden, dass trotz unterschiedlichen Ener- giegehalts eine in beiden Richtungen symmetrische Auslenkung des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes stattfindet.
Zusätzlich kann das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 quasistatisch ausge- lenkt werden, indem eine der beiden lateralen Fluidströmungen 74a oder 74b das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 dauerhaft anströmt und die jeweils andere laterale Fluidströmung 74a oder 74b zumindest betragsmäßig kleinere Auslenkungen, konstante hervorruft oder das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 zu einem Zeitpunkt nicht anströmt.
Obwohl in den Fig. I Ia und I Ib die Winkel α und ß respektive a' und ß' stets von 90° verschiedene Winkel aufweisen, ist es ebenfalls denkbar, dass eine der beiden Winkel α oder ß respektive a' oder ß' einen Winkel von 90° aufweist. Dies ist insbesondere dann denkbar, wenn das schwingfähig aufgehängte optische Element nur in eine Richtung aus- gelenkt werden soll und lediglich die Anströmung mit einer lateralen Fluidströmung 74a oder 74b erfolgt. Die unangeströmte Nebenseite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 kann einen beliebigen Winkel, auch 90°, zu einer oder beiden Hauptseiten des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes 12 umfassen. Ebenfalls ist denkbar, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element 12 derart bezüglich der Substrate 30a und 30b angeordnet ist, dass in einem Ruhezustand die Abstände 72a und 72b einen Wert von Null aufweisen. Alternativ können, wie in den Fig. 11 beschrieben, die Abstände 72a und 72b in einem Ruhezustand einen von Null verschiedenen
Wert aufweisen.
In anderen Worten beschreiben obige Ausführungsbeispiele ein neues Konzept für den
Betrieb von Mikro- und Minispiegeln. Dabei erfolgt der Betrieb des Spiegels durch ein strömendes Gas, in der Regel gefilterte Druckluft, welches über das Bauelement strömt. Dadurch wird zum einen der Wärmeabtransport vom Spiegel drastisch gesteigert was wie- derrum die Handhabung deutlich größerer Laserleistungen ermöglicht. Zum anderen treibt der Gasstrom den Spiegel an und versetzt den Spiegel durch die Einwirkung von Strömung in Schwingungen. Zwar kann der Mikrospiegel auf diese Weise direkt in seiner Eigenresonanz betrieben werden, jedoch erlaubt diese Konfiguration keine aktive Steuerung und Kontrolle der Spiegelposition.
Hier können piezoelektrische Aktuatoren zur aktiven Beeinflussung des Gasstromes integriert werden. Diese Aktuatoren steuern den Spiegel nicht direkt, sondern manipulieren über kleine Strömungsklappen die Anströmung auf den Spiegel und sorgen so auf indirektem Weg für den Antrieb des Spiegels.
Auf diesem Umweg können die wesentlich größeren Kräfte der Gasströmung genutzt wer- den, um den Spiegel anzutreiben. Ein Vorteil obiger Auslührungsbeispiele ist somit auch, dass Spiegel oder andere optische Elemente im Bereich von 10 mm und mehr hinreichend schnell und mit großer Amplitude betrieben werden können.
Neben den Aktuatoren können auch Sensoren integriert werden, um die aktuelle Position des Spiegels zu erfassen und kontrollieren zu können. Dabei liegt es nahe, piezoelektrische Elemente sowohl zur Sensorik und auch zur Aktuatorik zu verwenden. Sensor-Piezos können im gleichen Herstellungsgang wie die piezoelektrischen Strömungsaktuatoren realisiert werden. Eine geeignete Elektronik kann das Signal der Sensoren auswerten und die Strömungsklappen ansteuern. Damit ist eine aktive Kontrolle der Lage des Spiegels möglich.
Durch den Einsatz dieser Strömungsklappen können wie in Fig. 4 gezeigt auch zweiachsige Spiegelanordnungen betrieben werden. Dabei sind grundsätzlich Scanner vorstellbar wie etwa Rasterscanner oder Lissajous-Scanner. Obwohl in vorangehenden Ausführungen stets von Fluiden zur Bildung des Fluidstromes 16 gesprochen wurde, wurden die Formulierungen dabei meist mit Blick auf die Verwendung eines Gases genutzt, speziell um eine Dekompression jenseits einer der Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung möglicherweise beinhalteten Düse zu ermöglichen. Mögliche Gase wären beispielsweise gefilterte Druckluft oder Edelgase. Prinzipiell ist es jedoch denkbar, jegliche Fluidform zu nutzen, also bspw. auch flüssige Formen.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) mit mindestens einem Aktuator (14), der ausgebildet ist, um eine an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) anströmende oder vorbeiströmende Flu- idströmung (16) zu beeinflussen, so dass das schwingfähig aufgehängte optische
Element ausgelenkt wird (18), indem eine Energie zum Auslenken des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes (12) der anströmenden oder vorbeiströmenden Fluidströmung (16) entnommen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Aktuator (14) an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) angebracht ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Aktuator (14) beabstandet von dem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) angebracht ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Vorrichtung ferner einen
Sensor (40) aufweist, der ausgebildet ist, ein Sensorsignal auszugeben, das eine Position des schwingfähig aufgehängten optischen Elements (12) angibt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-4, mit einer elektronischen Schaltung (42), die dafür ausgebildet ist, gemäß dem Signal eines Sensors (40), das eine Position des schwingfähig aufgehängten optischen Elements (12) angibt, den Aktuator (14) anzusteuern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei der mindestens eine Aktuator (14) als Piezoelement ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei der mindestens eine Aktuator ( 14) als Plasmaaktuator ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwei Aktaatoren (14) in einer Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) in Resonanz betrieben wird. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) um zwei zueinander senkrecht drehende Achsen (32. 36) schwing fähig gelagert ist und wobei die Vorrichtung einen Aktuator ( 14) aufweist, der ausgebildet ist, eine Bewegung des schwingfähig aufgehängte optischen Elements (12) in den drehenden Achsen (32, 36) zu ermöglichen,
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) als Spiegel ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Seite des schwingfähig aufgehängten optischen Elementes (12) eine gegenüber einer ebenen Ausbildung vergrößerte Oberfläche umfasst.
Optischer Scanner (70) mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Scanner (70) zur Oberflächenbearbeitung, zur Bildprojektion oder zur Flächenabtastung ausgebildet ist.
System mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) und mit einer
Vorrichtung (60) zur Erzeugung einer laminaren oder turbulenten Fluidströmung, die ausgebildet ist, das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) auszulen- ken.
System gemäß Ansprach 14, bei der zumindest eine Nebenseite des optischen Elementes (12) einen Winkel (a; ß) ungleich 90° zu den Hauptseiten des schwingfähig aufgehängten optischen Elements (12) umfasst.
System gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die von einer Vorrichtung
(60) erzeugte Fluidströmung (16) beim Verlassen der Vorrichtung (60) einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck aufweist, welcher im weiteren Verlauf der Fluidströmung ( 16) entlang der Flussrichtung abnimmt.
System gemäß einem der Ansprüche 14-16, wobei die Vorrichtung (60) zum Erzeugen einer Fluidströmung derart ausgebildet ist, dass eine Richtung, aus der die
Fluidströmung (16) das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) auslenkt, durch ein verstellbares Element (62) justierbar ist. 18, System gemäß einem der Ansprüche 14-17, wobei das System so ausgelegt ist, dass das schwingfähig aufgehängte optische Element (12) durch die Fluidströmung (16) in Schwingung versetzt wird. 19, System gemäß einem der Ansprüche 14-18, wobei die Entfernung (64) zwischen dem Austrittsort der Fluidströmung (16) aus der Vorrichtung (60) zum Erzeugen einer Fluidströmung und dem schwingfähig aufgehängten optischen Element (12) kürzer ist, als das Doppelte der längsten Ausdehnung des optischen Elementes (20), wobei die größte Ausdehnung der größte Abstand zweier Punkte des optischen Elementes sind.
20. System gemäß einem der Ansprüche 14-19, wobei die Vorrichtung (60) ausgebildet ist, die Fluidströmung (16) so zu erzeugen, dass dieselbe das optische Element (20) an einer optischen Vorderseite abgewandten Rückseite des schwingfähig aufge- hängten optischen Elementes (12) anströmt.
21. System gemäß einem der Ansprüche 14-19, wobei die Vorrichtung (60) ausgebildet ist, die Fluidströmung (16) so zu erzeugen, dass dieselbe das optische Element (20) an einer optischen Vorderseite des schwingfähig aufgehängten Elementes (12) late- ral vorbeiströmt.
22. System gemäß einem der Ansprüche 14-21 , wobei die Vorrichtung (60) ausgebildet ist, eine turbulente Fluidströmung zu erzeugen oder die Vorrichtung (60) ausgebildet ist, eine laminare Fluidströmung zu erzeugen.
23. Verfahren zum Versetzen eines schwingfähig aufgehängten optischen Elements (12) in eine Schwingung mit Erzeugen eines an dem schwingfähig aufgehängten optischen Element vorbeiströmenden laminaren oder turbulenten Fluidstromes (16) zur Beeinflussung der Position des schwingfähig aufgehängten optischen Elements.
PCT/EP2014/056916 2013-04-16 2014-04-07 Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben WO2014170155A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013206788.7A DE102013206788B4 (de) 2013-04-16 2013-04-16 Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben
DE102013206788.7 2013-04-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014170155A1 true WO2014170155A1 (de) 2014-10-23

Family

ID=50624547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/056916 WO2014170155A1 (de) 2013-04-16 2014-04-07 Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013206788B4 (de)
WO (1) WO2014170155A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015202195A1 (de) * 2015-02-06 2016-08-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Laserstrahlung auslenkendes Element
DE102016105440A1 (de) * 2016-03-23 2017-09-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung optischer Komponenten unter Verwendung von Funktionselementen
FR3076357B1 (fr) * 2017-12-29 2021-10-22 Cailabs Cavite multi passage d’un dispositif optique de manipulation spatiale d’un rayonnement lumineux.
DE102018209886B4 (de) 2018-06-19 2020-02-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Einrichtung zur Projektion eines Laserstrahls zur Erzeugung eines Bildes auf der Netzhaut eines Auges und Brilleneinrichtung mit zwei derartigen Einrichtungen

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01240822A (ja) * 1988-03-23 1989-09-26 Yasuo Mori 光学式振動板渦流速計
US20020114558A1 (en) * 2000-12-07 2002-08-22 Yael Nemirovsky Integrated actuator for optical switch mirror array
US20050173770A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-11 Linden Kelly D. Method and apparatus for making a MEMS scanner
US20050253055A1 (en) * 2004-05-14 2005-11-17 Microvision, Inc., A Corporation Of The State Of Delaware MEMS device having simplified drive
EP1677144A1 (de) * 2003-09-30 2006-07-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Anzeigeeinrichtung
US20070025659A1 (en) * 2005-06-22 2007-02-01 Seiko Epson Corporation Actuator
US20070171508A1 (en) * 2006-01-23 2007-07-26 Texas Instruments Incorporated Micromirrors having mirror plates with tapered edges
US20100206083A1 (en) * 2009-02-13 2010-08-19 Nissan Technical Center North America, Inc. Laser deflection vibration test of door mirror
JP2013049329A (ja) * 2011-08-30 2013-03-14 Toyota Motor Corp 車両用ドアミラー装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6953977B2 (en) * 2000-02-08 2005-10-11 Boston Microsystems, Inc. Micromechanical piezoelectric device
US20020017834A1 (en) * 2000-07-06 2002-02-14 Macdonald Robert I. Acoustically actuated mems devices
US6780696B1 (en) * 2000-09-12 2004-08-24 Alien Technology Corporation Method and apparatus for self-assembly of functional blocks on a substrate facilitated by electrode pairs

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01240822A (ja) * 1988-03-23 1989-09-26 Yasuo Mori 光学式振動板渦流速計
US20020114558A1 (en) * 2000-12-07 2002-08-22 Yael Nemirovsky Integrated actuator for optical switch mirror array
EP1677144A1 (de) * 2003-09-30 2006-07-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Anzeigeeinrichtung
US20050173770A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-11 Linden Kelly D. Method and apparatus for making a MEMS scanner
US20050253055A1 (en) * 2004-05-14 2005-11-17 Microvision, Inc., A Corporation Of The State Of Delaware MEMS device having simplified drive
US20070025659A1 (en) * 2005-06-22 2007-02-01 Seiko Epson Corporation Actuator
US20070171508A1 (en) * 2006-01-23 2007-07-26 Texas Instruments Incorporated Micromirrors having mirror plates with tapered edges
US20100206083A1 (en) * 2009-02-13 2010-08-19 Nissan Technical Center North America, Inc. Laser deflection vibration test of door mirror
JP2013049329A (ja) * 2011-08-30 2013-03-14 Toyota Motor Corp 車両用ドアミラー装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NEUZIL P ET AL: "Air flow actuation of micromechanical oscillators", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, US, vol. 79, no. 1, 2 July 2001 (2001-07-02), pages 138 - 140, XP012028747, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.1381571 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013206788B4 (de) 2018-02-01
DE102013206788A1 (de) 2014-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013209234B4 (de) Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element
DE102013223933B4 (de) Resonanz-Mikrospiegelanordnung
DE102011104556B4 (de) Ablenkvorrichtung für einen Scanner mit Lissajous-Abtastung
DE102013206788B4 (de) Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen element und verfahren zum auslenken desselben
DE60220746T2 (de) Lichtablenker, Verfahren zu dessen Herstellung, optische Vorrichtung unter Verwendung desselben und Torsionsschwingungselement
DE102008059634B4 (de) Mikromechanischer Aktuator mit elektrostatischem Kamm-Antrieb
DE102018216611B4 (de) MEMS-Bauelement mit Aufhängungsstruktur und Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes
DE102012222988A1 (de) Mikromechanische Resonatoranordnung
EP1421429B1 (de) Resonanzscanner
EP2895294B1 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung
DE102016216925A1 (de) Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zum zweidimensionalen Ablenken von Licht
WO2009010309A1 (de) Mikrosystem und verfahren zum herstellen eines mikrosystems
DE202014002094U1 (de) Lichtstrahlvorrichtung mit Z-Achsenfokussierung
WO2015121037A1 (de) Spiegelanordnung und projektionseinrichtung
US8072664B1 (en) Biaxial scanning mirror having resonant frequency adjustment
EP1442329A2 (de) Optisches element mit einer optischen achse
DE112006001670T5 (de) Anordnung für und Verfahren zum Verringern der Bildverzerrung aufgrund elektrischer Interferenz
DE112006001080T5 (de) Überwachen der Scanspiegelbewegung in elektro-optischen Lesern und Bildprojektoren
DE102011006598A1 (de) Bauteil mit einem verstellbaren Teil und Verfahren zum Betreiben eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil
DE102008054784B4 (de) Mikrospiegel
WO2014041129A1 (de) Einrichtung zum ablenken eines laserstrahls
DE102013223937B4 (de) Mikrospiegelanordnung
DE102010049771A1 (de) Risley-Prismenpaar mit Piezoantrieb
DE102021116121B3 (de) Mikroscanner mit mäanderfederbasierter spiegelaufhängung
WO2016150779A1 (de) Vielspiegel-anordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14720054

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14720054

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1