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DE102022005022A1 - MICROSCANNER WITH A DEFLECTION ELEMENT AND SPRING ELEMENTS CURVED TOWARDS THIS FOR VIBRATING SUSPENSION OF THE DEFLECTION ELEMENT - Google Patents

MICROSCANNER WITH A DEFLECTION ELEMENT AND SPRING ELEMENTS CURVED TOWARDS THIS FOR VIBRATING SUSPENSION OF THE DEFLECTION ELEMENT Download PDF

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DE102022005022A1
DE102022005022A1 DE102022005022.6A DE102022005022A DE102022005022A1 DE 102022005022 A1 DE102022005022 A1 DE 102022005022A1 DE 102022005022 A DE102022005022 A DE 102022005022A DE 102022005022 A1 DE102022005022 A1 DE 102022005022A1
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DE
Germany
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deflection element
microscanner
spring
oscillation
spring elements
Prior art date
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Pending
Application number
DE102022005022.6A
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German (de)
Inventor
Fabian Schwarz
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Oqmented GmbH
Original Assignee
Oqmented GmbH
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Publication date
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Abstract

Ein Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld weist auf: ein Ablenkelement mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur; und (iii) eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Die Federeinrichtung weist eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement herum angeordneten Federelementen auf, die jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur verankert und andererseits mittelbar oder unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt an dem Ablenkelement verankert sind. Dazwischen weisen sie jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf auf, der in Richtung zum Ablenkelement hin gewölbt ist Der Verlauf der Form jedes Federelements ist hierbei so gewählt, dass sein jeweiliger Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade durch die beiden Wendepunkte und durch einen Scheitelpunkt des Bogens verlaufende Gerade durch den geometrischen Mittelpunkt oder Massenschwerpunkt des Ablenkelements verläuft.A microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field has: a deflection element with a mirror surface designed as a micromirror for deflecting an incident electromagnetic beam; a support structure surrounding the deflection element at least in sections; and (iii) a spring device by means of which the deflection element is suspended on the support structure in such a way that it can oscillate in such a way that it can simultaneously carry out a first rotational oscillation about a first oscillation axis and a second rotational oscillation about a second oscillation axis orthogonal thereto relative to the latter in order to, by reflection, a to effect a Lissajous projection into an observation field during the simultaneous oscillations of the electromagnetic beam incident on the deflection element. The spring device has a plurality of spring elements arranged together in a ring shape around the deflection element, which are each anchored on the one hand at a first anchoring point on the support structure and on the other hand are anchored directly or indirectly at a second anchoring point on the deflection element. In between, they each have an arcuate course, at least in sections, which is curved in the direction of the deflection element. The course of the shape of each spring element is chosen so that its respective arc is given by a section of the course lying between two turning or end points delimiting it and a straight line running orthogonally to a connecting line through the two turning points and through a vertex of the arc runs through the geometric center or center of mass of the deflection element.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld.The present invention relates to a microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field.

Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „microscanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror" bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-optoelektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels rotatorisch erfolgt. Bei Mikroscannern wird die Modulation, in Abgrenzung gegenüber Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken mehrerer Spiegel erfolgt, über einen einzelnen Spiegel erzeugt.In the case of microscanners, which in technical language are also referred to as “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micro mirrors” or in English in particular as “microscanners” or “micro-scanning mirrors” or “MEMS mirrors”, These are micro-electro-mechanical systems (MEMS) or more precisely micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS) from the class of micromirror actuators for the dynamic modulation of electromagnetic radiation, in particular visible light. Depending on the design, the modulating movement can of an individual mirror in translation or rotation around at least one axis. In the first case, a phase-shifting effect is achieved, in the second case, the deflection of the incident electromagnetic radiation is achieved. In the following, microscanners are considered in which the modulating movement of an individual mirror is rotational. In microscanners The modulation, in contrast to mirror arrays, in which the modulation of incident light takes place via the interaction of several mirrors, is generated via a single mirror.

Mikroscanner können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.Microscanners can be used in particular to deflect electromagnetic radiation in order to modulate an incident electromagnetic beam with respect to its deflection direction by means of a deflection element (“mirror”). This can be used in particular to effect a Lissajous projection of the beam into an observation field or projection field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functionalities can be implemented. In addition, such microscanners can also be used to irradiate materials in an advantageous manner and thus process them. Possible other applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed rooms or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of headlight applications.

Mikroscanner bestehen in vielen Fällen aus einem Ablenkelement (Spiegel bzw. Spiegelplatte), das seitlich an elastisch verformbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse beweglich aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln. In many cases, microscanners consist of a deflection element (mirror or mirror plate) that is suspended laterally on elastically deformable springs. A distinction is made between single-axis mirrors, which should preferably only be suspended about a single axis, from two-axis and multi-axis mirrors.

Sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion dient ein Mikroscanner dazu, elektromagnetische Strahlung wie z.B. einen Laserstrahl oder aber einen geformten Strahl einer beliebigen anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung mindestens eindimensional, z.B. horizontal und/oder vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes zumindest abschnittsweise abzutasten bzw. auszuleuchten. Insbesondere kann dies so erfolgen, dass der gescannte Laserstrahl eine rechteckige Fläche auf einer Projektionsfläche im Projektionsfeld überstreicht. Somit kommen bei diesen Anwendungsfällen Mikroscanner mit zumindest zweiachsigem Spiegel oder im optischen Pfad hintereinandergeschaltete einachsige Spiegel zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich der abzulenkenden Strahlung kann grundsätzlich aus dem gesamten Spektrum von kurzwelliger UV-Strahlung, über den VIS-Bereich, NIR-Bereich, IR-Bereich, FIR-Bereich bis hin zu langwelliger Terraherz- und Radarstrahlung ausgewählt sein.Both in the case of imaging sensors and in the case of a display function, a microscanner is used to deflect electromagnetic radiation such as a laser beam or a shaped beam from any other source of electromagnetic radiation at least one-dimensionally, for example horizontally and/or vertically, in order to achieve a To scan or illuminate the object surface at least in sections within an observation field. In particular, this can be done in such a way that the scanned laser beam sweeps over a rectangular area on a projection surface in the projection field. In these applications, microscanners with at least two-axis mirrors or single-axis mirrors connected in series in the optical path are used. The wavelength range of the radiation to be deflected can in principle be selected from the entire spectrum from short-wave UV radiation, through the VIS range, NIR range, IR range, FIR range to long-wave terrestrial and radar radiation.

Häufig werden Mikroscanner mit den Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. Basierend auf Halbleiterwafer-Substraten, insbesondere Siliziumwafer-Substraten, dienen Schichtabscheidung, Fotolithografie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Substrat auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren, insbesondere als ein Chip. Außer Silizium sind auch andere Halbleitermaterialien möglich.Microscanners are often manufactured using semiconductor technology methods. Based on semiconductor wafer substrates, in particular silicon wafer substrates, layer deposition, photolithography and etching techniques serve to form microstructures in the substrate and thereby realize microscanners with movable MEMS mirrors, in particular as a chip. In addition to silicon, other semiconductor materials are also possible.

In vielen bekannten Fällen handelt es sich bei Mikroscanner-basierten Laser-Projektions-Displays um sogenannte Rasterscan-Displays, bei denen eine erste Strahlablenkachse bei hoher Frequenz in Resonanz (typisch 15 kHz bis 30 kHz) betrieben wird (schnelle Achse), um die Horizontalablenkung zu erzeugen und eine zweite Achse bei niedriger Frequenz (typisch 30 Hz bis 60 Hz) quasistatisch (=nichtresonant) betrieben wird, um die Vertikalablenkung zu erzeugen. Ein fest vorgegebenes rasterförmiges Linienmuster (Trajektorie) wird dabei typischerweise 30 bis 60-mal pro Sekunde reproduziert.In many known cases, microscanner-based laser projection displays are so-called raster scan displays, in which a first beam deflection axis is operated at high frequency in resonance (typically 15 kHz to 30 kHz) (fast axis), the horizontal deflection and a second axis is operated quasi-statically (=non-resonantly) at low frequency (typically 30 Hz to 60 Hz) in order to generate the vertical deflection. A fixed grid-like line pattern (trajectory) is typically reproduced 30 to 60 times per second.

Ein anderer Ansatz wird in den sogenannten Lissajous-Mikroscannern, insbesondere auch bei Lissajous-Scan-Displays verwendet. Dort werden beide Achsen üblicherweise in Resonanz, d.h. durch Anregung mit zumindest einer Resonanzfrequenz des Spiegels, betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajous-Figur erzeugt. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen. Insbesondere die Vertikalablenkung kann daher sehr viel größer sein als bei einem Rasterscanner. Entsprechend kann bei einem Lissajous-Mikroscanner, insbesondere einem Lissajous-Scan-Display, meist eine deutlich höhere optische Auflösung erzielt werden als bei einem Raster-Scan-Display, insbesondere in vertikaler Richtung.A different approach is used in the so-called Lissajous microscanners, especially in Lissajous scan displays. There, both axes are usually operated in resonance, ie by excitation with at least one resonance frequency of the mirror, thereby generating a scan path in the form of a Lissajous figure. In this way, large amplitudes can be achieved in both axes. The vertical deflection in particular can therefore be much larger than with a raster scanner. Accordingly, a Lissajous microscanner, especially a Lissajous scan display, can usually have a significantly higher optical resolution solution can be achieved than with a raster scan display, especially in the vertical direction.

Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, zur Erzeugung der Lissajous-Figuren einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse umzulenken.From the EP 2 514 211 B1 a deflection device for a projection system for projecting Lissajous figures onto an observation field is known, which is designed to deflect a light beam about at least a first and a second deflection axis to generate the Lissajous figures.

DE 10 2011 104 556 A1 offenbart eine Ablenkvorrichtung für einen Scanner mit Lissajous-Abtastung mit einem in mindestens zwei Ablenkachsen schwingenden Mikrospiegel, der einen Rahmen und eine über eine Aufhängung beweglich angeordnete Spiegelplatte aufweist, und mit einer Ansteuervorrichtung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für eine resonanten Betrieb des Mikrospiegels in den mindestens zwei Ablenkachsen. Die Aufhängung der Spiegelplatte weist mindestens eine Feder auf, die einerseits mit der Spiegelplatte und andererseits mit dem feststehenden Rahmen verbunden ist. Die Frequenzen der Ansteuersignale für den resonanten Betrieb des Mikrospiegels in den mindestens zwei Ablenkachsen sind im Wesentlichen gleich, aber unterscheiden sich mindestens um die vorgegebene Abtastwiederholrate. In ihrer Höhe sind die Resonanzfrequenzen der Ablenkachsen und damit die Frequenzen der Ansteuersignale durch eine vorgegebene Auflösung der Abtastung und eine vorgegebene Abtastwiederholrate bestimmt. DE 10 2011 104 556 A1 discloses a deflection device for a scanner with Lissajous scanning with a micromirror oscillating in at least two deflection axes, which has a frame and a mirror plate movably arranged via a suspension, and with a control device for generating control signals for a resonant operation of the micromirror in the at least two deflection axes. The suspension of the mirror plate has at least one spring, which is connected on the one hand to the mirror plate and on the other hand to the fixed frame. The frequencies of the control signals for the resonant operation of the micromirror in the at least two deflection axes are essentially the same, but differ at least by the predetermined sampling repetition rate. The level of the resonance frequencies of the deflection axes and thus the frequencies of the control signals are determined by a predetermined sampling resolution and a predetermined sampling repetition rate.

US 2020/386985 A1 offenbart mikroelektromechanische Systeme (MEMS), insbesondere ein Spiegelsystem, das beispielsweise in LiDAR (Light Detection and Ranging) eingesetzt wird. Das MEMS-Spiegelsystem der Erfindung verwendet vier Aufhängungen, von denen jede mit einem Reflektorkörper an zwei separaten Verbindungspunkten verbunden ist, die unabhängig voneinander durch piezoelektrische Aktoren verschoben werden können. Durch Betätigung benachbarter und gegenüberliegender Paare von piezoelektrischen Aktoren kann der Reflektorkörper zu Schwingungen um zwei orthogonale Achsen angeregt werden. US 2020/386985 A1 discloses microelectromechanical systems (MEMS), in particular a mirror system that is used, for example, in LiDAR (Light Detection and Ranging). The MEMS mirror system of the invention uses four suspensions, each connected to a reflector body at two separate connection points that can be independently displaced by piezoelectric actuators. By actuating adjacent and opposing pairs of piezoelectric actuators, the reflector body can be excited to oscillate about two orthogonal axes.

US 2021/223539 A1 offenbart eine Mikrospiegelvorrichtung. Sie umfasst: einen Spiegelabschnitt, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, die einfallendes Licht reflektiert; einen ersten Aktuator, der eine ringförmige Form aufweist und um den Spiegelabschnitt herum angeordnet ist; einen zweiten Aktuator, der eine ringförmige Form aufweist und um den ersten Aktuator herum angeordnet ist; einen ersten Verbindungsabschnitt, der den Spiegelabschnitt und den ersten Aktuator auf einer ersten Achse verbindet, die in einer Ebene liegt, die die reflektierende Oberfläche des Spiegelabschnitts in einem stationären Zustand einschließt, und der den Spiegelabschnitt drehbar um die erste Achse trägt; einen zweiten Verbindungsabschnitt, der den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator auf einer zweiten Achse verbindet, die in einer Ebene liegt, die die reflektierende Oberfläche des Spiegelabschnitts in einem stationären Zustand einschließt und orthogonal zu der ersten Achse ist, und der den ersten Aktuator um die zweite Achse drehbar trägt; einen dritten Verbindungsabschnitt, der mit einem äußeren Umfang des zweiten Aktuators auf der zweiten Achse verbunden ist; und einen festen Abschnitt, der mit dem dritten Verbindungsabschnitt verbunden ist und den zweiten Aktuator durch den dritten Verbindungsabschnitt trägt. US 2021/223539 A1 discloses a micromirror device. It includes: a mirror portion having a reflective surface that reflects incident light; a first actuator having an annular shape and disposed around the mirror portion; a second actuator having an annular shape and disposed around the first actuator; a first connection portion that connects the mirror portion and the first actuator on a first axis lying in a plane including the reflecting surface of the mirror portion in a stationary state and that rotatably supports the mirror portion about the first axis; a second connecting portion connecting the first actuator and the second actuator on a second axis lying in a plane including the reflecting surface of the mirror portion in a stationary state and orthogonal to the first axis, and rotating the first actuator about the second axis rotatable; a third connection portion connected to an outer periphery of the second actuator on the second axis; and a fixed portion connected to the third connection portion and supporting the second actuator through the third connection portion.

US 2019/068934 A1 offenbart eine MEMS-Vorrichtung mit einer festen Struktur, einer beweglichen Struktur und verformbaren Strukturen, die sich dazwischen erstrecken. Die verformbaren Strukturen haben erste Enden, die entlang der X- und Y-Achse der festen Struktur verankert sind, und zweite Enden, die versetzt zu den X- und Y-Achsen der festen Struktur verankert sind. Die verformbaren Strukturen sind so geformt, dass sie sich von ihren Verankerungspunkten entlang der beweglichen Struktur zurück zur beweglichen Struktur krümmen, sich entlang des Umfangs der beweglichen Struktur erstrecken und sich dann von der beweglichen Struktur weg und zu ihren Verankerungspunkten entlang der festen Struktur krümmen. Jede verformbare Struktur hat zwei piezoelektrische Elemente, die sich entlang der Länge dieser verformbaren Struktur erstrecken, wobei ein piezoelektrisches Element eine größere Länge als das andere piezoelektrische Element aufweist. US 2019/068934 A1 discloses a MEMS device having a fixed structure, a movable structure, and deformable structures extending therebetween. The deformable structures have first ends anchored along the X and Y axes of the fixed structure and second ends anchored offset from the X and Y axes of the fixed structure. The deformable structures are shaped to curve from their anchor points along the movable structure back to the movable structure, extend along the perimeter of the movable structure, and then curve away from the movable structure and to their anchor points along the fixed structure. Each deformable structure has two piezoelectric elements extending along the length of that deformable structure, with one piezoelectric element having a greater length than the other piezoelectric element.

Zum Antrieb eines Mikroscanners, d.h. der Oszillationen seines Ablenkelements bzw. Spiegels, werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch oder resonant erfolgen. Letzteres kann insbesondere dazu genutzt werden, um größere Schwingungsamplituden, größere Auslenkungen und höhere optische Auflösungen zu erreichen. Außerdem lassen sich im resonanten Betrieb grundsätzlich auch der Energieverbrauch minimieren oder Vorteile insbesondere in Bezug auf Stabilität, Robustheit, Fertigungsausbeute, etc. erzielen. Typisch sind Scanfrequenzen von 0 Hz (quasistatisch) bis hin zu über 100 kHz (in Resonanz).To drive a microscanner, i.e. the oscillations of its deflection element or mirror, electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, thermal and other actuator principles are typically used. The mirror movement can in particular be quasi-static or resonant. The latter can be used in particular to achieve larger vibration amplitudes, larger deflections and higher optical resolutions. In addition, in resonant operation, energy consumption can generally be minimized or advantages can be achieved, particularly in terms of stability, robustness, production yield, etc. Scan frequencies from 0 Hz (quasi-static) to over 100 kHz (resonant) are typical.

Verschiedene wünschenswerte Eigenschaften von Mikroscannern für einen beidachsig resonanten Lissajous-Betrieb sind dabei jedoch oft schwierig miteinander in Einklang zu bringen. Insbesondere ist es herausfordernd, Mikroscanner mit Spiegeldurchmessern zwischen 0,5mm und 30 mm zu realisieren, die einerseits große optische Scanwinkel (z.B. im Bereich von mindestens 20° bis 90°) zu erzielen erlauben, andererseits hohe Scanfrequenzen (z.B. zwischen 2 kHz und 90 kHz) zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr MEMS-Chip-Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers.However, various desirable properties of microscanners for biaxially resonant Lissajous operation are often difficult to reconcile. In particular, it is challenging to realize microscanners with mirror diameters between 0.5 mm and 30 mm, which on the one hand have large optical scanning angles (e.g. in the range of at least 20° to 90°) On the other hand, high scanning frequencies (eg between 2 kHz and 90 kHz) can be achieved and, for cost reasons, no longer require a MEMS chip edge length than approximately twice or three times the mirror diameter.

Häufig besitzen hochleistungsfähige MEMS-Spiegel-Chips Kantenlängen, die 4-10-mal so groß sind wie der Spiegeldurchmesser, was nicht nur teuer ist in der Herstellung, sondern auch die möglichen Applikationen stark einschränken kann, etwa dann, wenn es um den Einbau in ein mobiles Consumer-Endprodukt geht. Die geschilderte Problematik erhöht sich insbesondere dann, wenn nicht nur ein einachsiger MEMS-Spiegel, sondern ein zwei- oder mehrachsiger Spiegel entworfen werden soll.High-performance MEMS mirror chips often have edge lengths that are 4-10 times as large as the mirror diameter, which is not only expensive to produce but can also severely limit the possible applications, for example when it comes to installation in a mobile consumer end product is possible. The problem described increases in particular when not only a single-axis MEMS mirror, but a two- or multi-axis mirror is to be designed.

Um die großen Scanwinkel trotz hoher erforderlicher Scanfrequenzen zu erzielen, steht der MEMS-Designer vor dem Problem, zur schwingungsfähigen Aufhängung des Spiegels sehr lange breite Federn realisieren und auf dem MEMS-Chip unterbringen zu müssen. Sehr breite Federn (z.B. mit einer Breite und Dicke zwischen jeweils 50µm und 1500µm sowie einer Länge von 500µm bis 10.000µm) sind häufig erforderlich, um die Spiegel trotz großer Scanwinkel und Spiegeldurchmesser auf hohe Resonanzfrequenzen und Scanfrequenzen zu bringen.In order to achieve the large scanning angles despite the high scanning frequencies required, the MEMS designer is faced with the problem of having to create very long, wide springs to suspend the mirror so that it can oscillate and accommodate them on the MEMS chip. Very wide springs (e.g. with a width and thickness between 50µm and 1500µm and a length of 500µm to 10,000µm) are often required to bring the mirrors to high resonance frequencies and scanning frequencies despite large scanning angles and mirror diameters.

Das Ziel hohe Scanfrequenzen zu realisieren, führt in Verbindung mit der Voraussetzung möglichst wenig Chipfläche zu belegen unweigerlich zur Benutzung sehr steifer Federstrukturen. Insbesondere in Bereichen, in welchen die Struktur der Aufhängung enge Radien aufweisen entstehen im Betrieb des Spiegels durch die Verformung der Aufhängung jedoch regelmäßig hohe mechanische Spannungen.The goal of achieving high scanning frequencies, combined with the requirement to occupy as little chip area as possible, inevitably leads to the use of very stiff spring structures. However, particularly in areas in which the structure of the suspension has narrow radii, high mechanical stresses regularly arise during operation of the mirror due to the deformation of the suspension.

Ein weiteres Problem, welches bei solchen Spiegeln auftritt, die hohe Scanfrequenzen mit geringer Baugröße verbinden sollen, ist mechanisches Übersprechen zwischen den Achsen, insbesondere bei Spiegeln, bei denen die Spiegelbewegung in beide Achsen durch Verformung derselben Federstruktur zustande kommt („Gimballess“ Design), da hier die Auslenkung des Spiegels in eine Richtung eine Vorspannung der Aufhängung mit sich bringt, welche Einfluss auf die Bewegung des Spiegels in der anderen Achse hat (und umgekehrt).Another problem that occurs with mirrors that are intended to combine high scanning frequencies with a small size is mechanical crosstalk between the axes, especially with mirrors in which the mirror movement in both axes is caused by deformation of the same spring structure (“gimballless” design), since here the deflection of the mirror in one direction brings with it a preload on the suspension, which influences the movement of the mirror in the other axis (and vice versa).

Die Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten starren, massiven Gimbals (Gimbal = kardanische Aufhängung) kann zwar dieses mechanische Übersprechen zumindest weitgehend verhindern, da es die Aufhängungen der beiden Achsen separiert. Die hohe Masse eines solchen Gimbals sorgt aber dafür, dass die Scan-Achse, welche durch die Bewegung des Gimbals selbst zustande kommt, nur verhältnismäßig geringe Scanfrequenzen realisieren kann.The use of a rigid, solid gimbal known from the prior art (gimbal = gimbal suspension) can at least largely prevent this mechanical crosstalk, since it separates the suspensions of the two axes. However, the high mass of such a gimbal ensures that the scanning axis, which is created by the movement of the gimbal itself, can only achieve relatively low scanning frequencies.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mikroscanner anzugeben, welcher hohe Scanfrequenzen, große Scanwinkel, eine kleine Bauform und mechanisch, zumindest weitgehend, unabhängige Achsen vereint.It is an object of the invention to provide an improved microscanner which combines high scanning frequencies, large scanning angles, a small design and mechanically, at least largely, independent axes.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre des unabhängigen Anspruchs erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution to this problem is achieved in accordance with the teaching of the independent claim. Various embodiments and developments of the invention are the subject of the subclaims.

Ein Aspekt der hier vorgestellten Lösung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld. Der Mikroscanner weist auf: (i) ein Ablenkelement mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; (ii) eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur, die insbesondere rahmenförmig, sein kann und insbesondere aus einem Halbleitersubstrat gefertigt sein kann; und (iii) eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Die Federeinrichtung weist eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement herum angeordneten Federelementen, insbesondere vier solcher Federelemente, auf. Die Federelemente sind jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur verankert und andererseits (i) mittelbar, insbesondere über eine Torsionsfeder (nachfolgend auch als „erste“ Torsionsfeder bezeichnet), oder (ii) unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt an dem Ablenkelement verankert. Dazwischen, (d.h. zwischen dem jeweiligen ersten Verankerungspunkt und dem jeweiligen zweiten Verankerungspunkt) weisen sie jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf derart auf, dass dieser bogenförmige Verlauf in Richtung zum Ablenkelement hin gewölbt ist (also von diesem aus gesehen konvex ist), wobei der Verlauf der Form jedes Federelements ist so gewählt ist, dass sein jeweiliger Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade durch die beiden Wendepunkte und durch einen Scheitelpunkt des Bogens verlaufende Gerade durch den geometrischen Mittelpunkt oder Massenschwerpunkt des Ablenkelements verläuft.One aspect of the solution presented here concerns a microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field. The microscanner has: (i) a deflection element with a mirror surface designed as a micromirror for deflecting an incident electromagnetic beam; (ii) a support structure surrounding the deflection element at least in sections, which can in particular be frame-shaped and in particular can be made from a semiconductor substrate; and (iii) a spring device by means of which the deflection element is suspended on the support structure in such a way that it can oscillate in such a way that it can simultaneously carry out a first rotational oscillation about a first oscillation axis and a second rotational oscillation about a second oscillation axis orthogonal thereto relative to the latter in order to, by reflecting a to effect a Lissajous projection into an observation field during the simultaneous oscillations of the electromagnetic beam incident on the deflection element. The spring device has a plurality of spring elements arranged together in a ring shape around the deflection element, in particular four such spring elements. The spring elements are each anchored on the one hand at a first anchoring point on the support structure and on the other hand (i) indirectly, in particular via a torsion spring (hereinafter also referred to as “first” torsion spring), or (ii) anchored directly at a second anchoring point on the deflection element. In between (ie between the respective first anchoring point and the respective second anchoring point) they each have an at least partially arcuate course such that this arcuate course is curved towards the deflection element (i.e. is convex as seen from this), the course The shape of each spring element is chosen so that its respective arc is given by a section of the course lying between two turning or end points delimiting it and a straight line running orthogonally to a connecting line through the two turning points and through a vertex of the arc through the geometric central center or center of mass of the deflection element.

Unter dem Begriff „Ablenkelement“, wie hier verwendet, ist insbesondere ein Körper zu verstehen, der eine reflektierende Fläche (Spiegelfläche) aufweist, die glatt genug ist, dass reflektierte elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das Ablenkelement kann insbesondere als Spiegelplatte mit zumindest einer Spiegelfläche ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Insbesondere kann die Spiegelfläche selbst aus einem anderen Material bestehen, z.B. aus einem, insbesondere abgeschiedenen, Metall, als der sonstige Körper des Ablenkelements.The term “deflection element”, as used here, is to be understood in particular as meaning a body that has a reflecting surface (mirror surface) that is smooth enough that reflected electromagnetic radiation, e.g. visible light, maintains its parallelism according to the law of reflection and thus a image can emerge. The roughness of the mirror surface must be smaller than approximately half the wavelength of the electromagnetic radiation. The deflection element can in particular be designed as a mirror plate with at least one mirror surface or have one. In particular, the mirror surface itself can consist of a different material, for example of a metal, in particular deposited, than the other body of the deflection element.

Unter dem Begriff „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“, wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.The term “oscillation axis” or, equivalently, “axis”, as used herein, is to be understood in particular as an axis of rotation (axis of rotation) of a rotary movement. It is a straight line that defines or describes a rotation or rotation.

Unter dem Begriff „Lissajous-Projektion“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale harmonische Schwingungen (Oszillationen) einer die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkeinrichtung, insbesondere eines einzelnen Ablenkelements oder einer Kombination von zumindest zwei Ablenkelementen, bewirkt wird.The term “Lissajous projection” (and modifications thereof), as used herein, is understood to mean, in particular, a scanning of an observation field with the aid of electromagnetic radiation, which is caused by at least two mutually orthogonal harmonic oscillations (oscillations) of the radiation in a deflection device that deflects the observation field, in particular a single deflection element or a combination of at least two deflection elements.

Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.The terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “with,” or any other variation thereof, as may be used herein, are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or device that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements that are not expressly listed or that are inherent to such method or device.

Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).Furthermore, unless expressly stated to the contrary, “or” refers to an inclusive or and not an exclusive “or”. For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).

Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.The terms “a” or “an” as used herein are defined to mean “one or more”. The terms “another” and “another” as well as any other variant thereof are to be understood in the sense of “at least one further”.

Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.The term “plurality,” as used herein where appropriate, is to be understood in the sense of “two or more.”

Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ sein, eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon), wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist zu verstehen, dass eine diesbezügliche Vorrichtung oder Komponente davon bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.The term “configured” or “set up” to fulfill a specific function (and respective modifications thereof), as used here where appropriate, is to be understood as meaning that a relevant device or component thereof already exists in a configuration or setting , in which it can carry out the function or at least it can be set - i.e. configurable - in such a way that it can carry out the function after the appropriate setting. The configuration can be carried out, for example, by appropriately setting parameters of a process flow or switches or the like to activate or deactivate functionalities or settings. In particular, the device can have several predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.

Bei einem lösungsgemäßen Mikroscanner findet eine Separierung der achsenabhängigen mechanischen Spannungen auf unterschiedliche Bereiche der Federeinrichtung statt. So ergibt sich eine, jedenfalls weitgehende, Entkopplung der beiden Schwingungsachsen in dem Sinne, dass eine Wechselwirkung („Übersprechen“) zwischen beiden Schwingungsachsen reduziert und weitgehend eliminiert ist. Auf diese Weise lassen sich diese Vorteile eines starren Gimbals erreichen, ohne jedoch einen solchen verwenden zu müssen. So lässt sich insbesondere auch eine besonders kompakte Bauform der Aufhängung und somit des Mikroscanners als Ganzem erreichen.With a microscanner according to the solution, the axis-dependent mechanical stresses are separated into different areas of the spring device. This results in an, at least extensive, decoupling of the two oscillation axes in the sense that an interaction (“crosstalk”) between the two oscillation axes is reduced and largely eliminated. In this way, the advantages of a rigid gimbal can be achieved without having to use one. In particular, a particularly compact design of the suspension and thus of the microscanner as a whole can be achieved.

Durch die spezielle Bogenform der Federeinrichtungen sind deren Massen besonders nahe an den Schwingungsachsen angeordnet, wodurch sich insbesondere ein besonders geringes Trägheitsmoment der Federeinrichtung bzgl. der beiden Schwingungsachsen erreichen lässt. Dies wiederum fördert bzw. ermöglicht bei einem gegebenen Antrieb hohe Scanfrequenzen und Scanwinkel.Due to the special arc shape of the spring devices, their masses are arranged particularly close to the oscillation axes, which means that a particularly low moment of inertia of the spring device with respect to the two oscillation axes can be achieved. This in turn promotes or enables high scanning frequencies and scanning angles for a given drive.

Zudem ergeben sich Vorteile bezüglich der Variabilität des vorgenannten Mikroscannerdesigns, insbesondere zum Zwecke der Anpassung an verschiedene vorgesehene Frequenzverhältnisse (d.h. Verhältnisse der Resonanzfrequenz der ersten, insbesondere „schnelleren“, Schwingungsachse und der Resonanzfrequenz der zweiten, insbesondere „langsameren“, Schwingungsachse. Ein bestimmtes gewünschtes Frequenzverhältnis kann dabei vergleichsweise leicht, je nach gewünschtem Einsatz des Mikroscanners, durch eine entsprechende Auslegung des Designs während der Designphase des Mikroscanners erreicht werden. Die Konfiguration der Resonanzfrequenzen der beiden Achsen und somit des Frequenzverhältnisses kann dabei insbesondere durch Anpassung von Längen, Krümmungen der Bogenform, und/oder Steifigkeiten der Federelemente, insbesondere mittels Geometrieanpassungen, vorgenommen werden.In addition, there are advantages in terms of the variability of the aforementioned microscanner design, in particular for the purpose of adapting to different intended frequency ratios (ie ratios of the resonance frequency of the first, ins special “faster” oscillation axis and the resonance frequency of the second, especially “slower”, oscillation axis. A specific desired frequency ratio can be achieved comparatively easily, depending on the desired use of the microscanner, by appropriately designing the design during the design phase of the microscanner. The configuration of the resonance frequencies of the two axes and thus the frequency ratio can be carried out in particular by adjusting lengths, curvatures of the arch shape, and/or stiffness of the spring elements, in particular by means of geometry adjustments.

Insbesondere sind beispielhafte Ausführungsformen solcher Mikroscanner möglich, die für doppeltresonanten Lissajous-Betrieb bei Spiegeldurchmessern von kreis- oder ringförmigen Mikrospiegeln zwischen 0,5 mm und 30 mm einerseits große optische Scanwinkel im Bereich von mindestens 20° und beispielsweise bis zu 90° und andererseits Scanfrequenzen zwischen 2 kHz und 90 kHz zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr (Chip-)Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers. Somit ist auch eine breite Verwendung in verschiedensten möglichen Applikationen eröffnet, etwa dann, wenn es um den Einbau des Mikroscanners in ein mobiles Consumer-Endprodukt, wie etwa in ein Smartphone, einen tragbaren Computer oder gar in ein sog. „Wearable“-Device (z.B. „Smart-Watch“) geht.In particular, exemplary embodiments of such microscanners are possible which, on the one hand, have large optical scanning angles in the range of at least 20° and, for example, up to 90°, and on the other hand, scanning frequencies between 2 kHz and 90 kHz can be achieved and, for cost reasons, do not require more (chip) edge length than about twice or three times the mirror diameter. This also opens up wide use in a wide variety of possible applications, for example when it comes to installing the microscanner in a mobile consumer end product, such as a smartphone, a portable computer or even a so-called “wearable” device ( e.g. “Smart Watch”).

Nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Mikroscanners beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander kombiniert werden können.Various exemplary embodiments of the microscanner are described below, each of which can be combined with one another in any way, unless this is expressly excluded or is technically impossible.

Bei einigen Ausführungsformen weisen die Federelemente untereinander dieselbe Form auf und ihre kranzförmige Anordnung bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des Ablenkelements weist eine Rotationssymmetrie auf. Mittels eines derart symmetrischen Aufbaus wird die Komplexität der Auslegung des Mikroscanners bei dessen Design, insbesondere im Hinblick auf gewünschte Resonanzfrequenzen der Schwingungsachsen und/oder deren Frequenzverhältnis oder Frequenzdifferenz, vereinfacht. Zudem kann so ein besonders stabiles Schwingungsverhalten mit einer besonders guten Entkopplung der beiden Schwingungsachsen erreicht werden.In some embodiments, the spring elements have the same shape with one another and their annular arrangement with respect to a geometric center of the deflection element has rotational symmetry. By means of such a symmetrical structure, the complexity of the design of the microscanner in its design, in particular with regard to the desired resonance frequencies of the oscillation axes and/or their frequency ratio or frequency difference, is simplified. In addition, particularly stable vibration behavior can be achieved with particularly good decoupling of the two vibration axes.

Bei einigen Ausführungsformen sind je zwei der Federelemente an einem nicht mit ihren ersten Verankerungspunkten zusammenfallenden Punkt (i) miteinander mechanisch verbunden oder (ii) zusammen einstückig ausgebildet und von einem zwischen ihren ersten Verankerungspunkten, insbesondere mittig dazwischen, liegenden Koppelpunkt aus mittelbar anhand einer ersten Torsionsfeder gemeinsam an dem Ablenkelement verankert sind. Der Koppelpunkt kann im Fall (i) insbesondere mit einem Verbindungspunkt, an dem die beiden Federelement miteinander mechanisch verbunden sind, zusammenfallen.In some embodiments, two of the spring elements are mechanically connected to one another at a point that does not coincide with their first anchoring points (i) or (ii) formed together in one piece and from a coupling point lying between their first anchoring points, in particular in the middle between them, indirectly using a first torsion spring are anchored together on the deflection element. In case (i), the coupling point can in particular coincide with a connection point at which the two spring elements are mechanically connected to one another.

Auf diese Weise könnten die Richtung und die Resonanzfrequenz einer der Schwingungsachsen, im Wesentlichen durch die erste(n) Torsionsfeder(n) bestimmt sein. So lassen sich aufgrund der konstruktionsbedingt nah an der Schwingungsachse liegenden Massenverteilung der Torsionsfedern besonders geringe Trägheitsmomente und somit hohe Resonanzfrequenzen (und somit entsprechende Scanfrequenzen im resonanten Betrieb) und große Scanwinkel bezüglich dieser Schwingungsachse erreichen. Diese Schwingungsachse kann somit insbesondere als die schneller der beiden Schwingungsachsen ausgelegt sein, wenn sich deren Resonanzfrequenzen unterscheiden.In this way, the direction and the resonance frequency of one of the oscillation axes could be essentially determined by the first torsion spring(s). Due to the design-related mass distribution of the torsion springs, which is close to the oscillation axis, particularly low moments of inertia and thus high resonance frequencies (and thus corresponding scan frequencies in resonant operation) and large scan angles with respect to this oscillation axis can be achieved. This oscillation axis can therefore be designed in particular as the faster of the two oscillation axes if their resonance frequencies differ.

Zudem lässt sich beim Design des Mikroscanners das Trägheitsmoment der durch die ersten Torsionsfedern bestimmten Schwingungsachse, die im Falle unterschiedlicher Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsachsen insbesondere als die langsame Achse ausgelegt sein bzw. werden kann, stark auf dem Wege einer Längenanpassung beeinflussen und damit eine Anpassung der Resonanzfrequenz der Schwingungsachse hin zu einem gewünschten Frequenzverhältnis beider Schwingungsachsen, genauer von deren Resonanzfrequenzen, vorzunehmen. Die Länge der ersten Torsionsfedern ist also im Rahmen des Designs weitgehend frei wählbar. Diese Möglichkeit erlaubt es, ungünstige Frequenzverhältnisse zu vermeiden, welche unter anderem auch zu mechanischem Übersprechen führen könnten.In addition, when designing the microscanner, the moment of inertia of the oscillation axis determined by the first torsion springs, which can be designed in particular as the slow axis in the case of different resonance frequencies of the two oscillation axes, can be strongly influenced by a length adjustment and thus an adjustment of the resonance frequency of the oscillation axis towards a desired frequency ratio of both oscillation axes, more precisely of their resonance frequencies. The length of the first torsion springs can therefore largely be freely selected within the scope of the design. This option makes it possible to avoid unfavorable frequency conditions, which could, among other things, lead to mechanical crosstalk.

Auch lässt sich so eine hohe Resistenz bezüglich mechanischen Stresses erreichen, da der Stress gut entlang des jeweiligen Verlaufs der Federelement verteilt wird, da kleinere Krümmungsradien, insbesondere an Wendepunkten des kurvenförmigen Verlaufs der Federelemente leichter vermieden werden können als im Falle ihrer unmittelbaren Verankerung am Ablenkelement.A high level of resistance to mechanical stress can also be achieved in this way, since the stress is well distributed along the respective course of the spring element, since smaller radii of curvature, especially at turning points of the curved course of the spring elements, can be avoided more easily than in the case of their direct anchoring on the deflection element.

Bei einigen Ausführungsformen ist der bogenförmige Verlauf zumindest eines, insbesondere sämtlicher, der Federelemente kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig. Diese Formgebung ist insbesondere im Hinblick auf eine hohe Resistenz bezüglich mechanischen Stresses vorteilhaft, da der Stress hier gut entlang des jeweiligen Verlaufs der Federelement verteilt wird, da kleinere Krümmungsradien, vermieden werden können. Zudem haben kreis- oder ellipsenförmige Bogenverläufe im Rahmen des Entwurfs eines Mikroscannerdesigns den Vorteil, dass sie meist leichter zu simulieren sind als komplexere Formgebungen.In some embodiments, the arcuate course of at least one, in particular all, of the spring elements is circular or elliptical. This shape is particularly advantageous with regard to high resistance to mechanical stress, since the stress is well distributed along the respective course of the spring element, since smaller radii of curvature can be avoided. Also have Circular or elliptical curves when designing a microscanner design have the advantage that they are usually easier to simulate than more complex shapes.

Bei einigen dieser Ausführungsformen spannt der bogenförmige Verlauf des Federelements auf einen Mittelpunkt des Kreisbogens bzw. einen Brennpunkt des Ellipsenbogens bezogen einen Winkel zwischen 0° und 360°, insbesondere zwischen 65° und 115°, auf. Aus platztechnischen Gründen stellen insbesondere Winkel aus dem Bereich zwischen 85° und 95° ca. 90° hierbei eine zweckmäßige Größenordnung dar, bei der noch ausreichend Federlänge vorhanden ist, um auch sehr große Auslenkwinkel des Ablenkelements und somit sehr große Scanwinkel, insbesondere bis zu 180° oder sogar darüber, zu ermöglichen.In some of these embodiments, the arcuate course of the spring element spans an angle between 0° and 360°, in particular between 65° and 115°, relative to a center point of the circular arc or a focal point of the elliptical arc. For reasons of space, in particular angles in the range between 85° and 95° (approx. 90°) represent a practical size in which there is still sufficient spring length to accommodate even very large deflection angles of the deflection element and thus very large scanning angles, in particular up to 180 ° or even more.

Bei einigen Ausführungsformen weist zumindest eines der Federelemente, insbesondere sämtliche, jeweils eine entlang seines bogenförmigen Verlaufs variable Stärke, insbesondere bezüglich zumindest einer räumlichen Dimension (Breite und oder Dicke) auf, die zumindest im Bereich des bogenförmigen Verlaufs des jeweiligen Federelements monoton, insbesondere gleichmäßig (d.h. linear) entlang des Verlaufs zu- oder abnimmt.In some embodiments, at least one of the spring elements, in particular all of them, has a variable strength along its arcuate course, in particular with regard to at least one spatial dimension (width and/or thickness), which is monotonous, in particular uniform, at least in the area of the arcuate course of the respective spring element ( i.e. linear) increases or decreases along the course.

Bei einigen Ausführungsformen (i) definiert ein Lot auf die Spiegelfläche des Ablenkelements, wenn sich dieses schwingungsfrei in seiner stabilen Ruhelage relativ zur Tragestruktur befindet, eine erste Richtung und (ii) bei zumindest einem der Federelemente ist dessen entlang seines bogenförmigen Verlaufs bestimmte maximale und/oder durchschnittliche Stärke („Breite“) in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene größer als seine maximale bzw. durchschnittliche Stärke („Dicke“) entlang der ersten Richtung. Insbesondere können dabei die Stärke in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene und/oder die Stärke entlang der ersten Richtung auch konstant sein. Diese Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass prozessbedingte auf die Breite bezogene Toleranzen bei Strukturierung bei breiten Federn im Hinblick auf die Einhaltung von angestrebten Federeigenschaften weniger relevant sind als bei schmäleren Federn. Die Dicke der Federelemente kann insbesondere durch eine Schichtdicke oder Substratdicke eines Halbleiterkörpers (z.B. Wafer, beispielsweise mit 80 µm Dicke) bestimmt sein, aus dem die Federeinrichtung und optional auch das Ablenkelement und die Tragestruktur mittels Strukturierung, insbesondere durch Ätzen, ausgebildet werden. Bei solchen Ätzprozessen ist jedoch oftmals die Seitenwandrauhigkeit der mittels Ätzen hergestellten Strukturen weniger gut zu beeinflussen als deren Oberflächenrauhigkeit. Bei Federelementen deren Dicke geringer ist als ihre Breite, kann der beim Betrieb des Mikroscanners in den Federelementen auftretende mechanische Stress gut in die bezüglich ihrer genauen Form, insbesondere Oberflächenrauhigkeit, beherrschbare glatte Oberfläche verlegt werden, wodurch die Bruchfestigkeit des bzw. der Federelemente erhöht werden kann.In some embodiments (i) a plumb line on the mirror surface of the deflection element, when it is in its stable rest position relative to the support structure without vibration, defines a first direction and (ii) in the case of at least one of the spring elements, its maximum and/or or average thickness (“width”) in a plane orthogonal to the first direction greater than its maximum or average strength (“thickness”) along the first direction. In particular, the strength in a plane orthogonal to the first direction and/or the strength along the first direction can also be constant. These embodiments offer the advantage that process-related width-related tolerances when structuring wide springs are less relevant with regard to maintaining the desired spring properties than with narrower springs. The thickness of the spring elements can be determined in particular by a layer thickness or substrate thickness of a semiconductor body (e.g. wafer, for example with a thickness of 80 μm), from which the spring device and optionally also the deflection element and the support structure are formed by means of structuring, in particular by etching. In such etching processes, however, the side wall roughness of the structures produced by etching can often be influenced less easily than their surface roughness. In the case of spring elements whose thickness is less than their width, the mechanical stress that occurs in the spring elements during operation of the microscanner can be easily transferred to the smooth surface that can be controlled with regard to their exact shape, in particular surface roughness, whereby the breaking strength of the spring element(s) can be increased .

Bei einigen Ausführungsformen fallen je zwei der Federelemente, deren zweite Verankerungspunkte (an dem Ablenkelement) nicht zusammenfallen, einen gemeinsamen Verlaufsabschnitt auf, in dem die beiden Federelemente miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind. Dieser Verlaufsabschnitt bildet eine (zweite) Torsionsfeder, anhand der diese beiden Federelemente gemeinsam an zumindest einem zugeordneten ersten Verankerungspunkt an der Tragestruktur aufgehängt sind. Auch bezüglich dieser zweiten Torsionsfeder(n) ergibt sich als Vorteil, dass über die Wahl von deren Länge auf einfache Weise eine Abstimmung der Resonanzfrequenz der zugehörigen Schwingungsachse, im Rahmen des Mikroscannerdesigns vorgenommen werden kann.In some embodiments, two of the spring elements, whose second anchoring points (on the deflection element) do not coincide, have a common section in which the two spring elements are mechanically connected to one another or are formed in one piece together. This course section forms a (second) torsion spring, by means of which these two spring elements are suspended together on the support structure at at least one assigned first anchoring point. With regard to this second torsion spring(s), there is also the advantage that the resonance frequency of the associated oscillation axis can be easily adjusted within the scope of the microscanner design by choosing their length.

Bei einigen Ausführungsformen ist die der Federeinrichtung derart ausgelegt, insbesondere hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder ihres Materials, dass die zweite Schwingungsachse durch die Lage der zweiten Verankerungspunkte an dem Ablenkelement definiert ist, insbesondere mit einer Verbindungsgerade durch die zweiten Verankerungspunkte zusammenfällt oder parallel dazu verläuft, und bezüglich ihrer rotatorische Oszillation eine höhere Resonanzfrequenz (bzw. gleichbedeutend: Eigenfrequenz) aufweist als die dazu orthogonale erste Schwingungsachse bezüglich deren rotatorischen Oszillation.In some embodiments, the spring device is designed in such a way, in particular with regard to its geometry and/or its material, that the second oscillation axis is defined by the position of the second anchoring points on the deflection element, in particular coincides with or runs parallel to a connecting straight line through the second anchoring points, and has a higher resonance frequency (or equivalently: natural frequency) with respect to its rotary oscillation than the first oscillation axis orthogonal to it with respect to its rotary oscillation.

Insbesondere ist bei einigen dieser Ausführungsformen das Verhältnis der höheren zur niedrigeren der Resonanzfrequenzen nicht ganzzahlig, weicht aber um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert ab. In solchen Fällen ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie im Beobachtungsfeld, beziehungsweise auf einer im Beobachtungsfeld quer zur optischen Achse der Projektion liegenden Objektfläche (z.B. Leinwand), die in sehr kurzer Zeit das Bildfeld füllen bzw. ausleuchten kann, insbesondere im Rahmen einer digitalen Abbildung jeder Pixel des Bildfelds abbilden kann. Die dafür benötigte Zeitspanne maßgeblich durch die Wahl der Resonanzfrequenzen bestimmt. Der nächstliegende ganzzahlige Wert kann dabei insbesondere 1, 2, 3, 4 oder 5 sein.In particular, in some of these embodiments, the ratio of the higher to the lower resonance frequencies is not an integer, but differs by at most 10%, preferably at most 5%, from the ratio of the closest integer value. In such cases, a Lissajous trajectory results in the observation field, or on an object surface (e.g. screen) lying in the observation field transverse to the optical axis of the projection, which can fill or illuminate the image field in a very short time, especially in the context of a digital image can represent pixels of the image field. The time required for this is largely determined by the choice of resonance frequencies. The closest integer value can in particular be 1, 2, 3, 4 or 5.

Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements um die beiden Schwingungsachsen. Als Antriebe kommen insbesondere elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass der MEMS-Spiegel in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt.In some embodiments, the microscanner further has a drive device for directly or indirectly driving the oscillations of the deflection element around the two Oscillation axes. In particular, electrostatic, piezoelectric, electromagnetic and thermal drives come into consideration as drives, which can be fully or partially provided and manufactured as part of MEMS production at wafer level. In addition, so-called external drives are also possible, which supply the component with vibration energy in the appropriate frequency range from an external non-MEMS actuator, such that the MEMS mirror begins to oscillate in one or both axes.

Insbesondere kann die Antriebseinrichtung gemäß einiger dieser Ausführungsformen zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweisen, der auf einem der Federelement angeordnet ist, um dieses in Schwingung zu versetzen. Dies stellt eine besonders platzsparende und zudem aufgrund der direkten Kopplung des Piezoaktuators mit dem Federelement besonders effektive und insbesondere auch energieeffiziente Möglichkeit zur Implementierung einer Antriebseinrichtung für den Mikroscanner dar.In particular, the drive device according to some of these embodiments can have at least one drive element with a piezo actuator, which is arranged on one of the spring elements in order to cause it to vibrate. This represents a particularly space-saving and, due to the direct coupling of the piezo actuator with the spring element, particularly effective and, in particular, energy-efficient option for implementing a drive device for the microscanner.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann. Die Aktuatorik kann dazu insbesondere einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen oder daraus bestehen. Die ermöglicht einen besonders energiearmen Betrieb des Mikroscanners sowie große Scanwinkel und je nach Wahl der Resonanzfrequenzen auch hohe Scanfrequenzen.In some embodiments, the drive device is configured so that it can cause the deflection element to oscillate in a double-resonant manner with respect to the first and second oscillation axes. For this purpose, the actuator system can in particular have or consist of one or more actuators. This enables particularly low-energy operation of the microscanner as well as large scanning angles and, depending on the choice of resonance frequencies, also high scanning frequencies.

Bei einigen dieser Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f1 bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f1/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f1-f2)/f2 mit (f1-f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis f1/f2 nahe bei 1, 2, 3, bzw. 4, usw.In some of these embodiments, the drive device is configured so that it can set the deflection element into a double resonant oscillation with respect to the first and second oscillation axes such that for the frequency ratio of the resonance frequency f 1 with respect to the faster of the two oscillation axes to the resonance frequency f 2 with respect to the slower one The following applies to both oscillation axes: f 1 /f 2 = F + v, where F is a natural number and the following applies to the detuning v: v = (f 1 -f 2 )/f 2 with (f 1 -f 2 ) < 200 Hz , where v is not an integer. This results in a frequency ratio f 1 /f 2 close to 1, 2, 3, or 4, etc.

Die Verstimmung v kann insbesondere so erreicht werden, dass sich nur eine der beiden Schwingungsfrequenzen oder aber beide jeweils von der jeweiligen Resonanzfrequenz zur zugehörigen Schwingungsachse unterscheidet bzw. unterscheiden. Dabei spielt die Verstimmung v gegenüber einem ganzzahligen Frequenzverhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz legt fest, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu.The detuning v can in particular be achieved in such a way that only one of the two oscillation frequencies or both differ or differ from the respective resonance frequency to the associated oscillation axis. The detuning v compared to an integer frequency ratio plays a major role, because this detuning of the frequency determines how quickly the Lissajous trajectory moves spatially. With an integer ratio, the detuning is zero and the trajectory is stationary and constantly reproduces itself in this form.

Bei einer nichtganzzahligen Verstimmung v > 0 beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern, und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung v gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit, mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate (vollständige Phasendurchläufe/Zeit), z.B. aus dem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Insbesondere beim Einsatz von Phasenregelkreisen oder anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen). Auf Basis einer derart gewählten Verstimmung v lässt sich insbesondere auch eine verbesserte, d.h. zumindest im zeitlichen Mittel, erhöhte Liniendichte erreichen.With a non-integer detuning v > 0, the trajectory begins to move, and within a certain interval the faster the greater the detuning v is compared to the integer ratio. The speed of progress at which the trajectory continues to move can advantageously be chosen so that a specific trajectory repetition rate (complete phase cycles/time), e.g. from the frequency range of 30 Hz to 100 Hz, is set with which the trajectory reproduces itself or under ideal conditions reproduced in undisturbed conditions. (For explanation: Exact reproduction is often not possible, especially when using phase-locked loops or other control loops. However, the advantages of a well-chosen detuning and an associated favorable rate of progression of the trajectory remain). On the basis of a detuning v selected in this way, an improved, i.e. increased line density, at least on average over time, can also be achieved.

Bei einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt: die Federeinrichtung, der Ablenkelement, die Tragestruktur. Insbesondere kann es sich bei dem Substrat um ein Halbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat, handeln, aus dem zumindest zwei, bevorzugt sämtliche der vorgenannten Funktionselemente gefertigt sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Mikroscanner, beziehungsweise die genannten Funktionselemente davon im Rahmen einer selben Substratprozessierung hergestellt werden können, anstatt zunächst in getrennten Prozessen als separate Komponenten hergestellt und nachfolgend zu Mikroscanner zusammengefügt zu werden. Zum anderen erlaubt gerade die Herstellung des Mikroscanners bzw. der genannten Funktionselemente aus einem einzigen Substrat einen besonders Raum- bzw. Flächen effiziente Lösung, da hier die aus der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik bekannt Herstellungsprozesse genutzt werden können, die insbesondere die gezielte Herstellung kleinster Strukturen erlauben.In some embodiments, at least two of the following functional elements of the microscanner are at least partially made from the same plate-shaped substrate: the spring device, the deflection element, the support structure. In particular, the substrate can be a semiconductor substrate, such as a silicon substrate, from which at least two, preferably all, of the aforementioned functional elements are made. On the one hand, this has the advantage that the microscanner, or the functional elements mentioned thereof, can be produced within the scope of the same substrate processing, instead of being initially produced as separate components in separate processes and subsequently assembled to form microscanners. On the other hand, the production of the microscanner or the functional elements mentioned from a single substrate allows a particularly spatially or surface-efficient solution, since the manufacturing processes known from semiconductor or microsystem technology can be used here, in particular the targeted production of the smallest structures allow.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.Further advantages, features and possible applications of the present solution result from the following detailed description in connection with the figures.

Dabei zeigt:

  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners mit einer Federeinrichtung mit vier Federelementen und zwei am Ablenkelement verankerten Torsionsfedern;
  • 2 schematisch eine zweite Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, mit einer Federeinrichtung mit vier Federelementen und zwei (weiteren) an der Tragestruktur verankerten Torsionsfedern;
  • 3 schematisch eine dritte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, bei der die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente jeweils einen spitzen Winkel kleiner 90°, insbesondere von 32°, einschließen; und
  • 4 schematisch eine dritte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners, bei der die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente jeweils einen Winkel von mehr als 90°, insbesondere von 160°, einschließen.
This shows:
  • 1 schematically a first embodiment of a two-axis microscanner with a spring device with four spring elements and two torsion springs anchored to the deflection element;
  • 2 schematically a second embodiment of a two-axis microscanner, with a spring device with four spring elements and two (further) torsion springs anchored to the support structure;
  • 3 schematically a third embodiment of a two-axis microscanner, in which the arcuate sections of the spring elements each enclose an acute angle of less than 90°, in particular of 32°; and
  • 4 schematically a third embodiment of a two-axis microscanner, in which the arcuate sections of the spring elements each enclose an angle of more than 90°, in particular of 160°.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche, ähnliche oder einander entsprechende Elemente. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich werden. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können insbesondere als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.In the figures, the same reference numerals denote the same, similar or corresponding elements. Elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements shown in the figures are reproduced in such a way that their function and general purpose are understandable to those skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements shown in the figures can also be implemented as indirect connections or couplings, unless expressly stated otherwise. Functional units can in particular be implemented as hardware, software or a combination of hardware and software.

1 zeigt schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Lösung. Der Mikroscanner 10 ist als MEMS aus einem plattenförmigen Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat wie etwa einem Siliziumsubstrat gefertigt, insbesondere anhand einer Strukturierung des Substrats, typischerweise mithilfe von Lithografie und Ätzprozessen. 1 shows schematically a two-axis microscanner 10 according to a first embodiment of the present solution. The microscanner 10 is manufactured as a MEMS from a plate-shaped substrate, in particular a semiconductor substrate such as a silicon substrate, in particular by structuring the substrate, typically using lithography and etching processes.

Der Mikroscanner 10 weist ein Ablenkelement 1 in Form einer Spiegelplatte auf, das mittels einer Federeinrichtung, welche vier insgesamt kranzförmig um das Ablenkelement angeordnete Federelemente 4 aufweist, an einer das Ablenkelement 1 allseitig umgebenden, rahmenförmigen ebenen Tragestruktur 7 um zwei zueinander orthogonal verlaufende Schwingungsachsen 8a und 8b schwingungsfähig aufgehängt ist. Die Federelemente 4 weisen jeweils einen zumindest abschnittsweise bogenförmig zum Ablenkelement 1 hin gewölbten Verlauf auf und sind jeweils mit einem ihrer Enden an einem jeweiligen ersten Verankerungspunkt 6 an der Tragestruktur 7 individuell verankert. Die Bogenform kann dabei insbesondere kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig sein.The microscanner 10 has a deflection element 1 in the form of a mirror plate, which, by means of a spring device which has four spring elements 4 arranged in a ring shape around the deflection element, is attached to a frame-shaped, flat support structure 7 surrounding the deflection element 1 on all sides around two mutually orthogonal oscillation axes 8a and 8b is suspended so that it can oscillate. The spring elements 4 each have a course that is curved at least in sections towards the deflection element 1 and are each individually anchored with one of their ends at a respective first anchoring point 6 on the support structure 7. The arch shape can in particular be circular or elliptical.

Der Verlauf der Form jedes Federelements 4 ist dabei so gewählt, dass sein jeweiliger Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist (wobei beim Mikroscanner 10 jeder Bogen durch einen Endpunkt des jeweiligen Federelements 4 an seinem Verankerungspunkt 6 am Chiprahmen und durch einen Wendepunkt an der anderen Seite des Bogens gegeben ist), und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade 4a durch die beiden Wendepunkte und durch den Scheitelpunkt 4b des Bogens verlaufende Gerade 4c (oder eine lotrechte Projektion davon auf die durch den Chiprahmen 7 definierte Ebene) durch das Ablenkelement 1, insbesondere durch dessen geometrischen Mittelpunkt oder dessen Massenschwerpunkt verläuft.The course of the shape of each spring element 4 is chosen so that its respective arc is given by a section of the course lying between two turning or end points delimiting it (whereby in the microscanner 10 each arc passes through an end point of the respective spring element 4 at its anchoring point 6 on the chip frame and by a turning point on the other side of the arc), and a straight line 4c running orthogonally to a connecting line 4a through the two turning points and through the apex 4b of the arc (or a perpendicular projection thereof onto that defined by the chip frame 7 Plane) runs through the deflection element 1, in particular through its geometric center or its center of mass.

Die Breite der Federelemente (in der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene), insbesondere die Breite ihrer bogenförmigen Abschnitte, kann dabei insbesondere größer gewählt werden als ihre (orthogonal zu der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene gemessene) Dicke. Insgesamt weist hier die kranzförmige Anordnung der Federelemente 4 bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des (hier beispielhaft kreisflächenförmigen) Ablenkelements 1 eine Rotationssymmetrie auf, speziell eine vierzählige.The width of the spring elements (in the plane defined by the chip frame 7), in particular the width of their arcuate sections, can in particular be chosen to be larger than their thickness (measured orthogonally to the plane defined by the chip frame 7). Overall, the ring-shaped arrangement of the spring elements 4 has a rotational symmetry with respect to a geometric center of the (here, for example, circular) deflection element 1, specifically a four-fold symmetry.

Die Tragestruktur 7, die auch als Chiprahmen bezeichnet werden kann, weist eine hohe Steifigkeit auf, sodass sie bei Schwingungsbewegungen des Ablenkelements 1 im Wesentlichen als starre Struktur zur Verankerung der Federeinrichtung wirkt. Sie kann insbesondere eine rechteckige Form aufweisen. Insbesondere im Falle einer rotationssymmetrischen (z.B. vierzähligen Rotationssymmetrie) kann sie, wie in 1 gezeigt, speziell quadratisch sein.The support structure 7, which can also be referred to as a chip frame, has a high level of rigidity, so that when the deflection element 1 vibrates, it essentially acts as a rigid structure for anchoring the spring device. In particular, it can have a rectangular shape. In particular in the case of rotationally symmetrical (e.g. four-fold rotational symmetry) it can, as in 1 shown to be specifically square.

Jedes der Federelemente 4 ist mit seinem anderen Ende mit einem zugeordneten zweiten Federelement 4 an einem Koppelpunkt 9 verbunden, sodass der Mikroscanner 10 insgesamt zwei jeweils zwei Federelemente 4 aufweisende separate Federstrukturen aufweist (in 1 bilden die beiden Federelemente links der Achse 8a zusammen eine erste Federstruktur und die beiden Federelemente rechts der Achse 8a eine zweite Federstruktur). Die Aufhängung des Ablenkelements 1 wird bei jeder der beiden Federstrukturen mittels einer jeweiligen Torsionsfeder 3 erreicht, die sich zwischen dem jeweiligen Kopplungspunkt 9 und dem Ablenkelement 1 erstreckt, an dem sie an einem jeweiligen zweiten Verankerungspunkt 2 verankert ist. Die jeweiligen beiden Federelemente 4 und die jeweilige Torsionsfeder 9 jeder der Federstrukturen können insbesondere auch integral, d. h. zusammen einstückig, ausgebildet sein. Dies kann insbesondere durch entsprechende Strukturierung eines gemeinsamen Substrats, aus dem der Mikroscanner 10 gefertigt ist, bedingt sein. Zusätzlich können auch das Ablenkelement 1 und/oder die Tragestruktur 7 integral mit den Federstrukturen ausgebildet sei, insbesondere so, dass dann die in 1 gezeigte Struktur des Mikroscanners 10 insgesamt einstückig ist.Each of the spring elements 4 is connected at its other end to an associated second spring element 4 at a coupling point 9, so that the microscanner 10 has a total of two separate spring structures, each having two spring elements 4 (in 1 The two spring elements to the left of the axis 8a together form a first spring structure and the two spring elements to the right of the axis 8a form a second spring structure). The suspension of the deflection element 1 is achieved in each of the two spring structures by means of a respective torsion spring 3, which extends between the respective coupling point 9 and the deflection element 1, to which it is anchored at a respective second anchoring point 2. The respective two spring elements 4 and the respective torsion spring 9 of each of the spring structures can in particular which can also be designed integrally, ie in one piece. This can be caused in particular by appropriate structuring of a common substrate from which the microscanner 10 is made. In addition, the deflection element 1 and/or the support structure 7 can also be designed integrally with the spring structures, in particular in such a way that the in 1 The structure of the microscanner 10 shown is in one piece overall.

Das Ablenkelement 1 kann einerseits um eine erste Schwingungsachse 8a rotatorisch oszillieren, wobei neben dem Ablenkelement 1 auch die beiden Federstrukturen und die beiden Torsionsfedern 3 gegenüber der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene ausgelenkt werden. Die Federkraft für diese erste Oszillation wird vor allem durch eine Verformung der Federelemente 4, insbesondere von deren rahmennahen Abschnitten bewirkt.On the one hand, the deflection element 1 can oscillate rotationally about a first oscillation axis 8a, whereby in addition to the deflection element 1, the two spring structures and the two torsion springs 3 are deflected relative to the plane defined by the chip frame 7. The spring force for this first oscillation is caused primarily by a deformation of the spring elements 4, in particular of their sections close to the frame.

Andererseits kann das Ablenkelement 1 ebenfalls um die zweite Schwingungsachse 8b rotatorisch oszillieren, wobei vor allem das Ablenkelement 1 gegenüber der durch den Chiprahmen 7 definierten Ebene ausgelenkt wird und vor allem die beiden Torsionsfedern 9 sowie die sich daran anschließenden Abschnitte der Federelemente 4 die für diese zweite Oszillation erforderliche Federkraft liefern. Der Mikroscanner 10 kann insbesondere so ausgelegt sein, dass die Schwingungsachse 8a langsamer ist als die Schwingungsachse 8b, d.h. dass sie Letzterer gegenüber eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweist. Das Design des Mikroscanners 10 begünstigt eine solche Zuordnung von schneller und langsamer Achse insbesondere dadurch, dass die neben dem Ablenkelement 1 maßgeblich schwingenden Torsionsfedern 9 im Wesentlichen auf beziehungsweise sehr nah an der Schwingungsachse 8b liegen und daher ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen. Dagegen oszillieren bei einer Schwingung um die Schwingungsachse 8a die gesamten Federstrukturen, die sich zum Teil relativ weit von der Schwingungsachse 8a entfernt befinden und somit bezüglich dieser Achse 8a ein größeres Trägheitsmoment aufweisen. Um jedoch auch bei dieser langsameren Schwingungsachse absolut gesehen hohe Schwingungsfrequenzen und somit Scanfrequenzen zu ermöglichen, weisen die Federelemente 4 die genannten zum Ablenkelement 1 hin gewölbten bogenförmigen Abschnitte auf. So wird erreicht, dass ein möglichst großer Teil der Masse der Federelemente 4 in Richtung der Schwingungsachse 8a verlagert und somit das Trägheitsmoment insgesamt verringert ist.On the other hand, the deflection element 1 can also oscillate rotationally about the second oscillation axis 8b, with the deflection element 1 in particular being deflected relative to the plane defined by the chip frame 7 and, in particular, the two torsion springs 9 and the adjoining sections of the spring elements 4 being for this second Provide the spring force required for oscillation. The microscanner 10 can in particular be designed so that the oscillation axis 8a is slower than the oscillation axis 8b, i.e. that it has a lower resonance frequency compared to the latter. The design of the microscanner 10 favors such an assignment of fast and slow axes, in particular in that the torsion springs 9, which oscillate significantly next to the deflection element 1, lie essentially on or very close to the oscillation axis 8b and therefore have a very low moment of inertia. In contrast, when oscillating about the oscillation axis 8a, the entire spring structures oscillate, some of which are located relatively far away from the oscillation axis 8a and thus have a larger moment of inertia with respect to this axis 8a. However, in order to enable high oscillation frequencies and thus scanning frequencies even with this slower oscillation axis, the spring elements 4 have the above-mentioned arcuate sections which are curved towards the deflection element 1. This ensures that as much of the mass as possible of the spring elements 4 is displaced in the direction of the oscillation axis 8a and the moment of inertia is therefore reduced overall.

Die durch die Federeinrichtung, d. h. die beiden Federstrukturen, bereitgestellte Aufhängung des Ablenkelements 1 wirkt wie ein Gimbal (kardanische Aufhängung), indem durch die Separierung der achsenabhängigen mechanischen Spannungen, so dass sie, zumindest weitgehend, in unterschiedlichen Abschnitten der Federelemente 4 auftreten, eine Minimierung des mechanischen Übersprechens zwischen beiden Schwingungen beziehungsweise Schwingungsachsen 8A und 8b, erreicht wird. Diese Art der Aufhängung des Ablenkelements 1 mit weitgehender Entkopplung der Achsen wirkt als Feder und unterscheidet sich schon deshalb grundlegend von bekannten Aufhängungen mittels eines, insbesondere starren, Gimbals.The spring device, i.e. H. The suspension of the deflection element 1 provided by the two spring structures acts like a gimbal (gimbal suspension), in that the mechanical crosstalk between the two vibrations is minimized by separating the axis-dependent mechanical stresses so that they occur, at least largely, in different sections of the spring elements 4 or vibration axes 8A and 8b, is achieved. This type of suspension of the deflection element 1 with extensive decoupling of the axes acts as a spring and therefore differs fundamentally from known suspensions using a, in particular rigid, gimbal.

Bei einer möglichen Variante des Mikroscanners 10 sind die Federelemente 7 jeweils individuell an dem Ablenkelement 1 verankert. Anstelle einer einzigen Torsionsfeder 9 je Federstruktur bilden hier die unmittelbar am Ablenkelement 1 verankerten, in 1 gestrichelt eingezeichneten Abschnitte 3a der Federelemente 4 jeweils eine Torsionsfeder. Diese Variante kann insbesondere ebenfalls auf die im weiteren gezeigten Ausführungsformen aus den 2 bis 4 angewandt werden.In a possible variant of the microscanner 10, the spring elements 7 are each anchored individually to the deflection element 1. Instead of a single torsion spring 9 per spring structure, the ones anchored directly on the deflection element 1 form 1 Sections 3a of the spring elements 4 shown in dashed lines each have a torsion spring. This variant can in particular also be based on the embodiments shown below 2 until 4 be applied.

Zu seinem Antrieb kann der Mikroscanner 10 insbesondere ein oder mehrere Piezoelemente (der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt) aufweisen. Sie können insbesondere auf einem oder mehreren, insbesondere sämtlichen, der Federelemente 4 angeordnet sein, um diese bei einer entsprechenden Ansteuerung gezielt zu verformen und somit mit Energie zum Antrieb der Oszillationen zu versehen. Um eine möglichst geringe Auswirkung auf das Trägheitsmoment der Federelemente 4 bezüglich der Schwingungsachsen zu erreichen, können die Piezoelemente insbesondere dort auf den bogenförmigen Abschnitten der Federelemente 4 angeordnet werden, wo sie die größte Nähe zum Mittelpunkt, Massenschwerpunkt oder Rand des Ablenkelements 1 aufweisen, also im Falle eines kreisflächenförmigen Ablenkelements 1 dort, wo der bogenförmige Abschnitt dem Ablenkelement 1 am nächsten kommt (vgl. Spitze des Pfeils zum Bezugszeichen 4).To drive it, the microscanner 10 can in particular have one or more piezo elements (not shown in the figures for the sake of clarity). In particular, they can be arranged on one or more, in particular all, of the spring elements 4 in order to specifically deform them when activated accordingly and thus to provide them with energy to drive the oscillations. In order to achieve the smallest possible effect on the moment of inertia of the spring elements 4 with respect to the oscillation axes, the piezo elements can be arranged in particular on the arcuate sections of the spring elements 4 where they are closest to the center, center of mass or edge of the deflection element 1, i.e. in In the case of a circular deflection element 1, where the arcuate section comes closest to the deflection element 1 (see tip of the arrow for reference number 4).

Die beschriebene Art der Aufhängung bewirkt, dass sich die zwei zueinander senkrechten Schwingungsachsen 8a und 8b ergeben, um die das Ablenkelement 1 in beiden Achsen resonant schwingen kann. Dieser Betriebsmodus kann insbesondere vorteilhaft in Laser-Projektions-Displays und bildgebenden Sensoren wie 3D-Kameras, LIDAR-Sensoren (LIDAR = englisch: Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging), OCT-Geräten (OCT = optische Kohärenztomographie) etc. sowie in der Laser-Material-Bearbeitung eingesetzt werden.The type of suspension described results in two mutually perpendicular oscillation axes 8a and 8b, about which the deflection element 1 can oscillate resonantly in both axes. This operating mode can be particularly advantageous in laser projection displays and imaging sensors such as 3D cameras, LIDAR sensors (LIDAR = Light imaging, detection and ranging), OCT devices (OCT = optical coherence tomography), etc .as well as in laser material processing.

2 zeigt schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Lösung. Der Mikroscanner 20 entspricht weitgehend dem Mikroscanner 10, sodass im Folgenden nur auf die maßgeblichen Unterschiede eingegangen wird und ansonsten das zu 1 bzw. zum Mikroscanner 10 Gesagte auch für den Mikroscanner 20 gilt. Gleiches gilt auch im Weiteren im Hinblick auf die 3 und 4. 2 shows schematically a two-axis microscanner 20 according to a second embodiment of the present solution. The microscanner 20 largely corresponds to the microscanner 10, so that only the relevant sub-sections will be discussed below Differences are entered into and otherwise that too 1 or to the microscanner 10 What was said also applies to the microscanner 20. The same also applies with regard to the 3 and 4 .

Ein maßgeblicher Unterschied zwischen den Ausführungsformen 10 und 20 besteht darin, dass bei dem Mikroscanner 20 auf jeder relevanten Seite des Chiprahmens 7 (in 2 also oben und unten) die Federstrukturen beziehungsweise ihre Federelemente 4 nicht mehr individuell, sondern gemeinsam über einen gemeinsamen Federabschnitt 5, der eine (zweite) Torsionsfeder bildet, an dem Chiprahmen 7 an einem jeweiligen (ersten) Verankerungspunkt verankert sind. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind hier die beiden in der 2 oberen Enden der beiden Federstrukturen, d. h. die beiden oberhalb der Schwingungsachse 8b liegenden Federelemente 4 im eine (zweite) Torsionsfeder bildenden Abschnitt 5 miteinander verbunden oder integral ausgeführt und gemeinsam am Chiprahmen 7 verankert. Das gleiche gilt für die beiden unterhalb der Schwingungsachse 8b liegenden Federelemente 4 entsprechend.A significant difference between embodiments 10 and 20 is that in the microscanner 20 on each relevant side of the chip frame 7 (in 2 i.e. top and bottom) the spring structures or their spring elements 4 are no longer individually, but jointly anchored via a common spring section 5, which forms a (second) torsion spring, to the chip frame 7 at a respective (first) anchoring point. How out 2 can be seen, here are the two in the 2 The upper ends of the two spring structures, ie the two spring elements 4 lying above the oscillation axis 8b, are connected to one another in the section 5 forming a (second) torsion spring or are designed integrally and are anchored together on the chip frame 7. The same applies to the two spring elements 4 located below the oscillation axis 8b.

Mit dieser Ausführungsform 20 lässt sich insbesondere eine weitere Minimierung des mechanischen Stresses in den Federelementen 4 und folglich eine erhöhte Robustheit und Lebensdauer des Mikroscanners fördern. Der Gefahr, dass der Microscanner, insbesondere dessen filigrane Federelemente 4, bei einem Betrieb mit hohen Frequenzen und/oder großen Auslenkungen in die Nähe seiner bzw. ihrer Bruchgrenze kommt bzw. kommen, kann somit effektiv begegnet werden. Andersherum betrachtet erlaubt es. Ein solches Design eines Mikroscanners, die Federstrukturen entsprechend filigraner und somit mit geringerer Masse auszuführen, was wiederum im Hinblick auf hohe Betriebsfrequenzen und große Auslenkwinkel vorteilhaft ist.With this embodiment 20, a further minimization of the mechanical stress in the spring elements 4 and consequently an increased robustness and service life of the microscanner can be promoted. The risk that the microscanner, in particular its delicate spring elements 4, comes close to its breaking limit when operating at high frequencies and/or large deflections can thus be effectively countered. Looking at it the other way around, it allows. Such a design of a microscanner makes the spring structures correspondingly more delicate and therefore with less mass, which in turn is advantageous with regard to high operating frequencies and large deflection angles.

Auch können bei einem solchen Design die Federkennlinien der Torsionsfedern 5 in weiten Bereichen als linear angenommen werden, was eine Ansteuerung des Mikroscanners zu dessen Betrieb erleichtert, da weniger komplexe Steuerungen eingesetzt werden können.With such a design, the spring characteristics of the torsion springs 5 can also be assumed to be linear over a wide range, which makes it easier to control the microscanner for its operation, since less complex controls can be used.

Eine weitere Änderung gegenüber dem Design des Mikroscanners 10 aus 1 kann wahlweise darin bestehen, die Form der Tragestruktur beziehungsweise des Chiprahmens sieben des 7 anzupassen, insbesondere eine von einem Quadrat abweichende rechteckige Form zu wählen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine geeignete Wahl der Länge der zweiten Torsionsfeder 5 im Hinblick auf eine Abstimmung der Resonanzfrequenz, insbesondere der Schwingungsachse 8a, vorteilhaft.Another change to the design of the microscanner 10 1 can optionally consist of adapting the shape of the support structure or the chip frame seven of FIG. 7, in particular choosing a rectangular shape that deviates from a square. This is particularly advantageous with regard to a suitable choice of the length of the second torsion spring 5 with a view to tuning the resonance frequency, in particular the oscillation axis 8a.

3 illustriert schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Lösung, die einer speziellen Auslegung des Mikroscanners 10 aus 1 entspricht, entsprechend jedoch auch auf den Mikroscanner 20 aus 2 anwendbar ist. 3 schematically illustrates a two-axis microscanner 30 according to a third embodiment of the present solution, which is a special design of the microscanner 10 1 corresponds, but also to the microscanner 20 2 is applicable.

Sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente 4 jeweils einen spitzen Winkel Φ < 90°, insbesondere beispielhaft von 32°, einschließen. Derartige Varianten zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass im Verlauf der Federelemente 4 starke Krümmungen weitgehend vermieden werden können, was im Hinblick auf eine hohe Bruchgrenze und somit eine hohe Robustheit und Lebensdauer vorteilhaft ist.It is characterized in particular by the fact that the arcuate sections of the spring elements 4 each enclose an acute angle Φ <90°, in particular of 32°, for example. Such variants are characterized in particular by the fact that strong curvatures can be largely avoided in the course of the spring elements 4, which is advantageous with regard to a high breaking point and thus a high level of robustness and service life.

4 illustriert schematisch einen zweiachsigen Mikroscanner 40 gemäß einer noch weiteren, vierten Ausführungsform der vorliegenden Lösung, die wiederum einer speziellen Auslegung des Mikroscanners 10 aus 1 entspricht, entsprechend jedoch auch auf den Mikroscanner 20 aus 2 anwendbar ist. 4 schematically illustrates a two-axis microscanner 40 according to yet another, fourth embodiment of the present solution, which in turn is based on a special design of the microscanner 10 1 corresponds, but also to the microscanner 20 2 is applicable.

Sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die bogenförmigen Abschnitte der Federelemente 4 jeweils einen stumpfen Winkel Φ > 90°, insbesondere beispielhaft von 160°, einschließen. Derartige Varianten zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der stark ausgeprägte bogenförmige Verlauf der Federelemente 4 eine Massenverteilung fördert, bei der die Masse der Federelemente besonders nah an der Schwingungsachse 8a liegt. Folglich lassen sich hier besonders gut hohe Resonanzfrequenzen bezüglich dieser Schwingungsachse erreichen.It is characterized in particular by the fact that the arcuate sections of the spring elements 4 each enclose an obtuse angle Φ > 90°, in particular 160°, for example. Such variants are characterized in particular by the fact that the strongly pronounced arcuate shape of the spring elements 4 promotes a mass distribution in which the mass of the spring elements lies particularly close to the oscillation axis 8a. Consequently, high resonance frequencies with respect to this oscillation axis can be achieved particularly well here.

Aus platztechnischen Gründen stellen Winkel Φ im Bereich von 85° bis 95°, insbesondere Φ ≈ 90°, hierbei eine zweckmäßige Größenordnung dar, bei dem noch ausreichend Federlänge vorhanden ist, um große Auslenkwinkel zu ermöglichen.For reasons of space, angles Φ in the range from 85° to 95°, in particular Φ ≈ 90°, represent an appropriate size in which there is still sufficient spring length to enable large deflection angles.

Die nachfolgenden Erläuterungen sind, soweit nicht anders angegeben, unabhängig von einer speziellen Ausführungsform eines lösungsgemäßen Mikroscanners und daher insbesondere auf sämtliche Ausführungsformen 10 bis 40 aus den 1 bis 4 und deren genannte Varianten anwendbar, auf die nachfolgend zum Zwecke der Erläuterung auch weiterhin Bezug genommen wird.Unless otherwise stated, the following explanations are independent of a specific embodiment of a microscanner according to the solution and therefore apply in particular to all embodiments 10 to 40 from the 1 until 4 and their mentioned variants are applicable, which will continue to be referred to below for the purpose of explanation.

Besonders vorteilhaft sind, insbesondere für einen beidachsig resonanten Lissajous-Betrieb, Microscanner mit zwei schnellen Achsen, bei denen die Resonanzfrequenz f1 für die schnellere der Achsen und f2 für die langsamere der Achsen zueinander beinahe aber nicht exakt ein ganzzahliges Verhältnis bilden. Also: f1/f2 = 1, 2, 3, 4, 5 usw., denn immer dann kommt es zu einer Lissajous-Trajektorie, die in vorteilhafter Weise das Bildfeld in sehr kurzer durch die Wahl der Resonanzfrequenzen selbst einstellbaren Zeit effizient füllen kann.Microscanners with two fast axes, in which the resonance frequency f 1 for the faster one of the axes and f 2 for the slower one of the axes almost but not exactly form an integer ratio to one another, are particularly advantageous, especially for Lissajous operation with two axes the. So: f 1 /f 2 = 1, 2, 3, 4, 5 etc., because then a Lissajous trajectory always occurs, which advantageously efficiently fills the image field in a very short time that can be set by choosing the resonance frequencies themselves can.

Ein lösungsgemäßer Mikroscanner kann bei seinem Entwurf leicht auf verschiedene Frequenzverhältnisse angepasst werden. Dabei kann man z.B. für ein bestimmtes Frequenzverhältnis eine Differenzfrequenz der beiden Schwingungsachsen 8a und 8b so einstellen, dass diese Differenz unabhängig von dem ganzzahligen Verhältnis der gewünschten Bildwiederholrate entspricht. Beispielsweise kann für ein Frequenzverhältnis f1/f2 ≈ 2 die langsamere erste Achse 8a auf 10 kHz abgestimmt sein und die schnellere zweite Achse 8b auf 20,2 kHz, um eine Bildwiederholrate von 200 Hz zu realisieren. Ebenso könnte zum Beispiel ein Frequenzverhältnis f1/f2 ≈ 3 realisiert werden, indem die Achsen auf f1 = 5 kHz und f2 = 15,2 kHz abgestimmt werden. Für ein Frequenzverhältnis f1/f2 ≈ 4 würde man zum Beispiel die Achsen auf f1 = 5 kHz und f2= 20,2 kHz auslegen (usw.).A microscanner according to the solution can be easily adapted to different frequency ratios during its design. For example, for a specific frequency ratio, you can set a difference frequency of the two oscillation axes 8a and 8b so that this difference corresponds to the desired image repetition rate, regardless of the integer ratio. For example, for a frequency ratio f 1 /f 2 ≈ 2, the slower first axis 8a can be tuned to 10 kHz and the faster second axis 8b to 20.2 kHz in order to realize a refresh rate of 200 Hz. Likewise, for example, a frequency ratio f 1 /f 2 ≈ 3 could be realized by tuning the axes to f 1 = 5 kHz and f 2 = 15.2 kHz. For a frequency ratio f 1 /f 2 ≈ 4, for example, the axes would be designed for f 1 = 5 kHz and f 2 = 20.2 kHz (etc.).

Die Einstellung der Resonanzfrequenzen zu den beiden Schwingungsachsen 8a und 8b, insbesondere deren Verhältnis und ggf. Verstimmung gegenüber einem ganzzahligen Verhältnis, kann insbesondere erreicht werden, indem (soweit bei dem jeweiligen Mikroscannerdesign verfügbar):

  • - die Länge der (ersten) Torsionsfedern 3 (bzw. 3a) am Ablenkelement 1 und damit das Trägheitsmoment, welches auf die dazu quer stehende Achse 8a wirkt, angepasst wird.
  • - die Breite der (ersten) Torsionsfedern 3 (bzw. 3a) am Ablenkelement 1 und damit deren Steifigkeit angepasst wird (dasselbe gilt gegebenenfalls für die zweite Torsionsfeder 5 zur Aufhängung an der Tragestruktur 7).
  • - die Breite der Federelemente 4, insbesondere von deren bogenförmigen Abschnitten, und damit deren Steifigkeit variiert wird.
  • - die Dicke und damit die Steifigkeit der Federelemente 4 variiert wird.
  • - gegebenenfalls die Geometrie einer Stützstruktur auf der der Spiegelfläche gegenüberliegenden Seite des Ablenkelements 1 und damit dessen Trägheitsmoment angepasst wird.
The setting of the resonance frequencies to the two oscillation axes 8a and 8b, in particular their ratio and, if necessary, detuning compared to an integer ratio, can be achieved in particular by (if available for the respective microscanner design):
  • - the length of the (first) torsion springs 3 (or 3a) on the deflection element 1 and thus the moment of inertia, which acts on the axis 8a located transversely thereto, is adjusted.
  • - the width of the (first) torsion springs 3 (or 3a) on the deflection element 1 and thus their stiffness is adjusted (the same applies if necessary to the second torsion spring 5 for suspension on the support structure 7).
  • - The width of the spring elements 4, in particular of their arcuate sections, and thus their rigidity is varied.
  • - the thickness and thus the rigidity of the spring elements 4 is varied.
  • - If necessary, the geometry of a support structure on the side of the deflection element 1 opposite the mirror surface and thus its moment of inertia is adjusted.

Als Antriebe für die Mikroscanner kommen elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die den Mikroscanner von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass das Ablenkelement 1 in einer oder beiden Schwingungsachsen 8a bzw. 8b zu schwingen beginnt. Wie schon erwähnt, können piezoelektrische Aktuatoren besonders vorteilhaft auf den Federelementen selbst angeordnet werden, wo sie die Schwingung des Ablenkelements 1 besonders (energie-)effizient anregen können.Electrostatic, piezoelectric, electromagnetic and thermal drives come into consideration as drives for the microscanners, which are already fully or partially planned and manufactured as part of MEMS production at wafer level. In addition, so-called external drives are also possible, which supply the microscanner with vibration energy in the appropriate frequency range from an external non-MEMS actuator, such that the deflection element 1 begins to oscillate in one or both oscillation axes 8a and 8b. As already mentioned, piezoelectric actuators can be arranged particularly advantageously on the spring elements themselves, where they can stimulate the vibration of the deflection element 1 in a particularly (energy) efficient manner.

Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be noted that a large number of variations exist. It should also be noted that the exemplary embodiments described are only non-limiting examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide guidance to those skilled in the art for implementing at least one exemplary embodiment, with the understanding that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from that set forth in the appended claims the specified subject matter and its legal equivalents are deviated from.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11
Ablenkelement, insbesondere SpiegelplatteDeflection element, especially mirror plate
22
zweiter Verankerungspunkt, an Spiegelplattesecond anchor point, on mirror plate
33
(erste) Torsionsfeder, an Spiegelplatte verankert(first) torsion spring, anchored to mirror plate
3a3a
unmittelbar ab Ablenkelement verankerter Abschnitt eines Federelements 4Section of a spring element 4 anchored directly from the deflection element
44
Federelement mit bogenförmigem AbschnittSpring element with an arcuate section
4a4a
Gerade durch die den Bogen begrenzenden Wende- bzw. EndpunkteStraight through the turning or end points delimiting the arch
4b4b
Scheitelpunkt des BogensVertex of the arc
4c4c
Gerade durch den Scheitelpunkt 4b und orthogonal zur Gerade 4aStraight through the vertex 4b and orthogonal to straight line 4a
55
(zweite) Torsionsfeder, an der Tragestruktur (Chiprahmen) verankert(second) torsion spring, anchored to the support structure (chip frame).
66
erste(r) Verankerungspunkt(e), an der Tragestruktur (Chiprahmen)first anchoring point(s), on the support structure (chip frame)
77
Tragestruktur, insbesondere starrer ChiprahmenSupport structure, especially rigid chip frame
8a8a
erste (insbesondere langsamere) Schwingungsachsefirst (especially slower) axis of oscillation
8b8b
zweite (insbesondere schnellere) Schwingungsachsesecond (especially faster) axis of oscillation
99
KoppelpunktCrosspoint
1010
erste Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscannersfirst embodiment of a two-axis microscanner
2020
zweite Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscannerssecond embodiment of a two-axis microscanner
3030
dritte Ausführungsform eines zweiachsigen MikroscannersThird embodiment of a two-axis microscanner
4040
vierte Ausführungsform eines zweiachsigen Mikroscanners fourth embodiment of a two-axis microscanner
ΦΦ
durch bogenförmigen Abschnitt eines Federelements aufgespannter WinkelAngle spanned by an arcuate section of a spring element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (16)

Mikroscanner (10; 20; 30; 40) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, wobei der Mikroscanner (10; 20; 30; 40) aufweist: ein Ablenkelement (1) mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine das Ablenkelement (1) zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur (7); und eine Federeinrichtung mittels derer das Ablenkelement (1) so an der Tragestruktur (7) schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zu dieser simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse (8a) sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse (8b) ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement (1) einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; wobei die Federeinrichtung eine Mehrzahl von zusammen kranzförmig um das Ablenkelement (1) herum angeordneten Federelementen aufweist, die jeweils einerseits an einem ersten Verankerungspunkt (6) an der Tragestruktur (7) verankert sind und andererseits mittelbar oder unmittelbar an einem zweiten Verankerungspunkt (2) an dem Ablenkelement (1) verankert sind und dazwischen einen zumindest abschnittsweise bogenförmigen Verlauf derart aufweisen, dass dieser bogenförmige Verlauf in Richtung zum Ablenkelement (1) hin gewölbt ist; und wobei der Verlauf der Form jedes Federelements (4) so gewählt ist, dass sein jeweiliger Bogen durch einen zwischen zwei ihn begrenzenden Wende- oder Endpunkten liegenden Abschnitt des Verlaufs gegeben ist und eine orthogonal zu einer Verbindungsgerade (4a) durch die beiden Wendepunkte und durch einen Scheitelpunkt (4b) des Bogens verlaufende Gerade (4c) durch den geometrischen Mittelpunkt oder Massenschwerpunkt des Ablenkelements (1) verläuft.Microscanner (10; 20; 30; 40) for projecting electromagnetic radiation onto an observation field, the microscanner (10; 20; 30; 40) having: a deflection element (1) with a mirror surface designed as a micromirror for deflecting an incident electromagnetic beam; a support structure (7) surrounding the deflection element (1) at least in sections; and a spring device by means of which the deflection element (1) is suspended from the support structure (7) so that it can oscillate in such a way that, relative to it, there is simultaneously a first rotational oscillation about a first oscillation axis (8a) and a second rotational oscillation about a second oscillation axis (8b) orthogonal thereto ) can be carried out in order to effect a Lissajous projection into an observation field by reflecting an electromagnetic beam incident on the deflection element (1) during the simultaneous oscillations; wherein the spring device has a plurality of spring elements arranged together in a ring shape around the deflection element (1), each of which is anchored on the one hand at a first anchoring point (6) on the support structure (7) and on the other hand directly or indirectly at a second anchoring point (2). are anchored to the deflection element (1) and in between have an at least partially arcuate course such that this arcuate course is curved towards the deflection element (1); and wherein the course of the shape of each spring element (4) is selected so that its respective arc is defined by a turning or Section of the course lying at the end points is given and a straight line (4c) running orthogonally to a connecting line (4a) through the two turning points and through a vertex (4b) of the arc runs through the geometric center or center of mass of the deflection element (1). Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (4) untereinander dieselbe Form aufweisen und ihre kranzförmige Anordnung bezüglich eines geometrischen Mittelpunkts des Ablenkelements (1) eine Rotationssymmetrie aufweist.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 1 , wherein the spring elements (4) have the same shape among themselves and their ring-shaped arrangement has rotational symmetry with respect to a geometric center of the deflection element (1). Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei je zwei der Federelemente (4) an einem nicht mit ihren ersten Verankerungspunkten (6) zusammenfallenden Punkt miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind und von einem zwischen ihren ersten Verankerungspunkten (6) liegenden Koppelpunkt aus mittelbar anhand einer ersten Torsionsfeder (3) gemeinsam an dem Ablenkelement (1) verankert sind.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein two of the spring elements (4) are mechanically connected to one another at a point that does not coincide with their first anchoring points (6) or are formed in one piece and by one between their first Anchoring points (6) lying coupling point are indirectly anchored together on the deflection element (1) using a first torsion spring (3). Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der bogenförmige Verlauf zumindest eines der Federelemente (4) kreisbogenförmig oder ellipsenbogenförmig ist.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein the arcuate course of at least one of the spring elements (4) is in the shape of a circular arc or an elliptical arc. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 4, wobei der bogenförmige Verlauf des Federelements (4) auf einen Mittelpunkt des Kreisbogens bzw. einen Brennpunkt des Ellipsenbogens bezogen einen Winkel zwischen 0° und 360°aufspannt.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 4 , wherein the arcuate course of the spring element (4) spans an angle between 0° and 360° relative to a center of the circular arc or a focal point of the elliptical arc. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Federelemente (4) jeweils eine entlang seines bogenförmigen Verlaufs variable Stärke aufweist, die zumindest im Bereich des bogenförmigen Verlaufs des jeweiligen Federelements (4) monoton entlang des Verlaufs zu- oder abnimmt.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the spring elements (4) each has a variable strength along its arcuate course, which is monotonically along the at least in the area of the arcuate course of the respective spring element (4). increases or decreases over time. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: ein Lot auf die Spiegelfläche des Ablenkelements (1), wenn sich dieses schwingungsfrei in seiner stabilen Ruhelage relativ zur Tragestruktur (7) befindet, eine erste Richtung definiert; und bei zumindest einem der Federelemente (4) dessen entlang seines bogenförmigen Verlaufs bestimmte maximale und/oder durchschnittliche Stärke in einer orthogonal zur ersten Richtung liegenden Ebene größer ist als seine maximale bzw. durchschnittliche Stärke entlang der ersten Richtung.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein: a plumb line on the mirror surface of the deflection element (1), when it is in its stable rest position relative to the support structure (7) without vibration, defines a first direction; and in at least one of the spring elements (4) whose maximum and/or average strength determined along its arcuate course in a plane orthogonal to the first direction is greater than its maximum or average strength along the first direction. Mikroscanner (20) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei je zwei der Federelemente, deren zweite Verankerungspunkte (2) nicht zusammenfallen, einen gemeinsamen Verlaufsabschnitt aufweisen, in dem die beiden Federelemente (4) miteinander mechanisch verbunden oder zusammen einstückig ausgebildet sind, wobei dieser Verlaufsabschnitt eine zweite Torsionsfeder (5) bildet, anhand der diese beiden Federelemente (4) gemeinsam an zumindest einem zugeordneten ersten Verankerungspunkt (6) an der Tragestruktur (7) aufgehängt sind.Microscanner (20) according to one of the preceding claims, wherein two of the spring elements, whose second anchoring points (2) do not coincide, have a common section in which the two spring elements (4) are mechanically connected to one another or formed in one piece, this section forms a second torsion spring (5), by means of which these two spring elements (4) are suspended together on the support structure (7) at at least one assigned first anchoring point (6). Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die der Federeinrichtung derart ausgelegt ist, dass die zweite Schwingungsachse (8b) durch die Lage der zweiten Verankerungspunkte (2) an dem Ablenkelement (1) definiert ist, und bezüglich ihrer rotatorische Oszillation eine höhere Resonanzfrequenz aufweist als die dazu orthogonale erste Schwingungsachse (8a) bezüglich deren rotatorischen Oszillation.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein the spring device is designed such that the second axis of oscillation (8b) is defined by the position of the second anchoring points (2) on the deflection element (1), and has a higher resonance frequency with respect to its rotary oscillation than the orthogonal first oscillation axis (8a) with respect to its rotary oscillation. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 9, wobei das Verhältnis der höheren zur niedrigeren der Resonanzfrequenzen nicht ganzzahlig ist aber um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert abweicht.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 9 , whereby the ratio of the higher to the lower of the resonance frequencies is not an integer but deviates by a maximum of 10%, preferably a maximum of 5%, from the ratio of the closest integer value. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 10, wobei der nächstliegende ganzzahlige Wert 1, 2, 3, 4 oder 5 ist.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 10 , where the nearest integer value is 1, 2, 3, 4 or 5. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements (1) um die beiden Schwingungsachsen.Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, further comprising a drive device for directly or indirectly driving the oscillations of the deflection element (1) about the two oscillation axes. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 12, wobei die Antriebseinrichtung zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweist, der auf einem der Federelemente (4) angeordnet ist, um dieses in Schwingung zu versetzen.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 12 , wherein the drive device has at least one drive element with a piezo actuator which is arranged on one of the spring elements (4) in order to cause it to vibrate. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert, ist dass sie das Ablenkelement (1) in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 12 or 13 , wherein the drive device is configured so that it can set the deflection element (1) into a double-resonant oscillation with respect to the first and second oscillation axes. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 14, wobei die Antriebseinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement (1) derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f1 bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f1/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f1-f2)/f2 mit (f1-f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.Microscanner (10; 20; 30; 40) after Claim 14 , wherein the drive device is configured so that it can set the deflection element (1) into a double-resonant oscillation with respect to the first and second oscillation axes such that for the frequency ratio of the resonance frequency f 1 with respect to the faster of the two oscillation axes to the resonance frequency f 2 with respect to the slower one of the two oscillation axes: f 1 /f 2 = F + v, where F is a natural number and for the detuning v the following applies: v = (f 1 -f 2 )/f 2 with (f 1 -f 2 ) < 200 Hz, where v is not an integer. Mikroscanner (10; 20; 30; 40) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt sind: die Federeinrichtung, das Ablenkelement, die Tragestruktur (7).Microscanner (10; 20; 30; 40) according to one of the preceding claims, wherein at least two of the following functional elements of the microscanner are at least partially made from the same plate-shaped substrate: the spring device, the deflection element, the support structure (7).
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