【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过微技术制造射束偏转系统的领域，并且涉及一种用于在观察场中生成利萨如投影的微型扫描器以及一种用于制造这种微型扫描器的方法。
技术介绍
1、微型扫描器，在技术语言中特别地被称为“mems扫描器”、“mems镜”或“微型镜”，或者在英语中被特别地称为“微型扫描器”或“微型扫描镜”或“mems镜”，属于微型机电系统(mems)，或者更准确地说是用于电磁射束、特别是可见光的动态调制的微型镜致动器类型的微型光-电-机系统(moems)。根据结构，单个镜的调制运动可以平移地或者围绕至少一个轴旋转地进行。第一种情况实现了相移效应，第二种情况实现了入射电磁射束的偏转。另外还要考虑的是微型扫描器，其中单个镜的调制运动是旋转进行的。相比于镜阵列中通过多个镜的协同作用来调制入射光，在微型扫描器中调制是通过单个镜实现。
2、微型扫描器可以特别用于偏转电磁射束，以便借助于偏转元件(“镜”)对入射于其上的电磁射束相对于其偏转方向进行调制。这可以特别用于射束在观测场或投影场中产生利萨茹投影。由此可以例如完成成像感测任务或者实现显示功能。此外，这种微型扫描器还可以用于以有利的方式照射材料并因此能够处理材料。其它可能的应用包括在使用电磁射束来照明(beleuchtung)或照亮(ausleuchtung)某些开放或封闭空间或空间区域的领域，例如在使用前照灯的环境下。
3、在许多情况下，微型扫描器由镜板(偏转板)组成，镜板侧向悬挂在可弹性拉伸(elastisch dehnbaren)的弹簧上。人们将单轴镜与双轴镜和多轴镜区分
4、无论是在成像传感器还是在显示功能，微型扫描器都是用于至少二维地(例如水平和竖直地)偏转电磁射束，例如激光束或者来自任何其它电磁辐射源的成形射束，从而扫描或照射处于观察场内的对象表面。这可以特别是这样进行，即，使扫描激光束扫过投影场中投影面上的矩形区域。因此，在这些应用中是使用具有至少双轴镜的微型扫描器或者在光路中串联连接的单轴镜。待偏转射束的波长范围原则上可以从短波uv射束、经由vis范围、nir范围、ir范围、fir范围直至长波陆地和雷达射束的整个光谱中选择。
5、微型扫描器通常采用硅技术的方法来制造。基于硅晶片基板，采用层沉积、光刻和蚀刻技术在硅中形成微结构，并由此实现具有可移动mems镜的微型扫描器。
6、驱动通常采用静电、电磁、压电、热和其它致动器原理。镜运动在此可以特别是准静态(＝非谐振)或者谐振地进行，后者特别是为了实现更大的振幅、更大的偏转和更高的光学分辨率。此外，在谐振操作中，原则上还可以使能耗最小化，或者可以实现特别是在稳定性、鲁棒性、产量等方面的优势。扫描频率通常从0hz(准静态)直至超过100khz(谐振)。
7、尽管这里描述的根据本专利技术的微型扫描器原则上可以在许多不同的领域中合理且成功地使用，但是下文中将特别讨论其在激光投影显示器领域中的应用。
8、在许多已知的情况下，基于微型扫描器的激光投影显示器是所谓的光栅扫描显示器，其中第一射束偏转轴在高频(通常为15khz至30khz)下以谐振方式运行(快轴)以产生水平偏转，而第二轴在低频(通常30hz至60hz)下准静态地运行以产生垂直偏转。在此，固定设定的格栅状线形图案(轨迹)通常每秒再现(reproduziert)30到60次。
9、另一种方式是应用在所谓的利萨如微型扫描器中，特别是还应用在利萨如扫描显示器中。在那里，两个轴通常谐振运行并据此创建利萨如图形式的扫描路径。通过这种方式，可以在两个轴上实现较大的振幅。特别是垂直偏转可以因此比光栅扫描器大得多。相应地，在利萨如微型扫描器、特别是利萨如扫描显示器中，通常可以实现比光栅扫描显示器明显更高的光学分辨率，特别是在竖直方向上。
10、根据现有技术已知的用于利萨如微型扫描器、特别是用于其包括悬架在内的微型镜的各种架构，特别是从文献de102009058762a1或ep2514211b1和us8,711,456b2中获得，并在下文中将参照图1至图4加以说明。这些架构的共同之处在于：其中的镜悬架始终只基于多个弹簧构成，这些弹簧分别在板状镜的外边缘与围绕镜的封闭固定框架之间延伸。
11、针对基于微型扫描器的利萨如激光束偏转系统，通常会提出以下要求中的一项或多项：
12、-高扫描频率，例如在最小10khz和最大80khz之间，以便能够特别是每秒投影尽可能多的扫描行并实现高图像刷新率(bildwiederholraten)；
13、-优选地，两个射束偏转轴(振动轴)就其扫描频率而言不相差太多，并因此代表有两个快轴，以便通过这种方式针对观察者产生特别是非常有利的轨迹、对投影区域的良好且非常快速的覆盖、以及在显示器的情况下尽可能少的或仅稍微明显的闪烁伪像(flacker-artefakte)。关于相应(振动)轴的术语“快”和“慢”在此分别是指在微型扫描器的偏转元件(镜)在其运行期间围绕相关轴振动的振动频率。该术语特别是被用于相对地区分“较快的”轴和“较慢的”轴。
14、-大的镜直径，特别是为了能够实现小光斑尺寸和高光学像素分辨率。特别是在与光波导(英语：wave guide)的相互配合中，大的镜直径对于实现大的所谓“眼盒”(eyebox)和低衍射损失以及尽可能少的伪影是非常有利的；
15、-大的射束偏转角度，特别是为了能够实现尽可能高的像素分辨率和大的投影或观察场(视场(field-of-view)，fov)；
16、-尽可能小的结构空间或尽可能小的芯片尺寸，特别是为了能够使电子终端设备(例如智能眼镜(例如增强现实(ar)眼镜)、智能手机或平板电脑)的基于微型扫描器的激光投影仪能够几乎不可见地消失在眼镜腿中或智能手机或平板电脑的壳体中，但同时还能够实现低制造成本；
17、-最小的功耗，特别为了能够使终端设备实现低发热和尽可能长的电池寿命。
18、但是，这些要求往往会涉及到相反的作用，如以下示例所示：
19、-为了能够更好地满足紧凑性要求而减小了其结构的微型扫描器通常会损失致动器面积从而损失驱动力或驱动转矩，并由此损失(像素)分辨率和性能(例如，视域尺寸、可实现的图像刷新率)。
20、-结构减小的微型扫描器通常会损失可供用于安置弹簧悬架的空间。这增大了悬架中的应力并减小了机械偏转，并由此同时也降低了光学分辨率和性能。
21、-为了延长移动设备或其上运行的应用程序的使用寿命而降低功耗的微型扫描器通常会损失驱动力或驱动转矩，从而损失分辨率和性能。
22、-出于更小的光斑和因此更高的光学分辨率的原因而增大的镜板通常会增大质量和惯性力矩，从而降低了可实现的动力学性能和速度。
23、-出于更高光学分辨率的原因而增大的镜板通常会表现出更大的动态变形，这增加了射束发散性和光斑尺寸并部分降低了分辨率。
24、-为了更高的扫描速度和更高的图像刷新率而被加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于将电磁射束投影到观察场(645)上的微型扫描器(500；600；...；2800)，其中所述微型扫描器具有：
2.根据权利要求1所述的微型扫描器(500)，其中，所述偏转元件(505)在其静止位置中具有关于对称轴的旋转对称性，并且被布置为使所述对称轴延伸穿过由所述弹簧承载结构(515)展开的空间区域。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500)，其中，所述N个第一弹簧(510)分别仅附接在所述支撑结构上的所述弹簧承载结构(515)上，并且所述偏转元件(505)仅悬挂在所述第一弹簧(510)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500)，其中，所述偏转元件(505)具有偏转板，所述偏转板具有形成于其中的留空。
5.根据权利要求4所述的微型扫描器(500)，其中，至少一个所述第一弹簧(510)至少分段地在所述留空内部延伸。
6.根据权利要求4或5所述的微型扫描器(500，2800)，还具有光学器件(635，640)，用于将入射的电磁射束转换为出射的、指向所述偏转元件(505)的电磁射束(
7.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500，700，800，900)，其中，所述N个第一弹簧(510)中的至少一个被形成为，其在静止位置上在所述偏转元件(505)与所述弹簧承载结构(515)之间的有效弹簧长度大于在其于所述偏转元件(505)上的耦接点(525)和其于所述弹簧承载结构(515)上的附接点(520)之间出现的最小距离。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(700；900)，其中，所述弹簧装置具有正好N＝2个第一弹簧(510)，该两个第一弹簧一起在所述弹簧承载结构(515)上形成对所述偏转元件(505)的双腿悬挂。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的微型扫描器(500；1000；1200)，其中，所述弹簧装置具有N＝4个第一弹簧(510)，该四个第一弹簧(510)一起在所述弹簧承载结构(515)上形成对所述偏转元件(505)的十字形悬挂。
10.根据权利要求9所述的微型扫描器(1000)，其中，所述四个第一弹簧(510)中的每两个弹簧形成一个由相同弹簧刚度的弹簧构成的弹簧对，而两个弹簧对中各自的第一弹簧(510)的弹簧刚度不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(1100)，其中，所述支撑结构还具有框架结构(575)，所述框架结构至少在两侧围绕所述偏转元件(505)并且关于所述偏转元件的第一旋转振荡和第二旋转振荡是固定的，所述偏转元件(505)通过数量为M个的第二弹簧(570)附加地悬挂在所述框架结构上，其中M≥1。
12.根据权利要求11所述的微型扫描器(1100)，其中，所述偏转元件(505)通过所述N个第一弹簧(510)悬挂在所述弹簧承载结构(515)上限定了所述第一振动轴，并且所述偏转元件(505)通过所述M个第二弹簧悬挂在所述框架结构(575)上限定了所述第二振动轴。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(1300)，其中，N≥2，并且所述偏转元件(505)在所述N个第一弹簧(510)的各个耦接点(525)之间延伸，使得所述偏转元件在此至少部分地桥接所述弹簧承载结构(515)。
14.根据权利要求13所述的微型扫描器(1300；1400)，其中，所述偏转元件(505)具有被构造为偏转板的基板，用于偏转入射的电磁射束，所述基板通过至少一个结合连接与一个或多个所述第一弹簧(510)连接或者与布置在一个或多个第一弹簧(510)与所述偏转板之间的中间体(585)连接。
15.根据分别引用权利要求11或12的权利要求13或14所述的微型扫描器(1400)，其中，所述弹簧装置还具有数量为K个的第三弹簧(605)，其中K≥1；其中，每个第三弹簧(605)一侧耦接到对应的第一弹簧(510)的相应耦接点(525)上或者必要时耦接到所述中间体(585)上，并且另一侧耦接到所述框架结构(575，595)上。
16.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(1500；1800；1900)，还具有封壳，至少所述偏转元件(505)和所述弹簧装置的弹簧(510，570，605)通过所述封壳被气密密封地封装，使得所述偏转元件(505)能振动地悬挂在所述封壳中以实施所述振荡；
17.根据权利要求16所述的微型扫描器(1500；1800...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于将电磁射束投影到观察场(645)上的微型扫描器(500；600；...；2800)，其中所述微型扫描器具有：
2.根据权利要求1所述的微型扫描器(500)，其中，所述偏转元件(505)在其静止位置中具有关于对称轴的旋转对称性，并且被布置为使所述对称轴延伸穿过由所述弹簧承载结构(515)展开的空间区域。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500)，其中，所述n个第一弹簧(510)分别仅附接在所述支撑结构上的所述弹簧承载结构(515)上，并且所述偏转元件(505)仅悬挂在所述第一弹簧(510)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500)，其中，所述偏转元件(505)具有偏转板，所述偏转板具有形成于其中的留空。
5.根据权利要求4所述的微型扫描器(500)，其中，至少一个所述第一弹簧(510)至少分段地在所述留空内部延伸。
6.根据权利要求4或5所述的微型扫描器(500，2800)，还具有光学器件(635，640)，用于将入射的电磁射束转换为出射的、指向所述偏转元件(505)的电磁射束(l1)，所述电磁射束在其碰撞在所述偏转元件(505)上时发生径向强度变化，使得所述射束(l1)的径向强度最大值在所述留空的两个相对置的侧面围绕所述留空。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(500，700，800，900)，其中，所述n个第一弹簧(510)中的至少一个被形成为，其在静止位置上在所述偏转元件(505)与所述弹簧承载结构(515)之间的有效弹簧长度大于在其于所述偏转元件(505)上的耦接点(525)和其于所述弹簧承载结构(515)上的附接点(520)之间出现的最小距离。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(700；900)，其中，所述弹簧装置具有正好n＝2个第一弹簧(510)，该两个第一弹簧一起在所述弹簧承载结构(515)上形成对所述偏转元件(505)的双腿悬挂。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的微型扫描器(500；1000；1200)，其中，所述弹簧装置具有n＝4个第一弹簧(510)，该四个第一弹簧(510)一起在所述弹簧承载结构(515)上形成对所述偏转元件(505)的十字形悬挂。
10.根据权利要求9所述的微型扫描器(1000)，其中，所述四个第一弹簧(510)中的每两个弹簧形成一个由相同弹簧刚度的弹簧构成的弹簧对，而两个弹簧对中各自的第一弹簧(510)的弹簧刚度不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(1100)，其中，所述支撑结构还具有框架结构(575)，所述框架结构至少在两侧围绕所述偏转元件(505)并且关于所述偏转元件的第一旋转振荡和第二旋转振荡是固定的，所述偏转元件(505)通过数量为m个的第二弹簧(570)附加地悬挂在所述框架结构上，其中m≥1。
12.根据权利要求11所述的微型扫描器(1100)，其中，所述偏转元件(505)通过所述n个第一弹簧(510)悬挂在所述弹簧承载结构(515)上限定了所述第一振动轴，并且所述偏转元件(505)通过所述m个第二弹簧悬挂在所述框架结构(575)上限定了所述第二振动轴。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微型扫描器(1300)，其中，n≥2，并且所述偏转元件(505)在所述n个第一弹簧(510)的各个耦接点(525)之间延伸，使得所述偏转元件在此至少部分地桥接所述弹簧承载结构(515)。
14.根据权利要求13所述的微型扫描器(1300；1400)，其中，所述偏转元件(505)具有被构造为偏转板的基板，用于偏转入射的电磁射束，所述基板通过至少一个结合连接与一个或多个所述第一弹簧(510)连接或者与布置在一个或多个第一弹簧(510)与所述偏转板之间的中间体(585)连接。
15.根据分别引用权利要求11或12的权利要求13或14所述的微型扫描器(1400)，其中，所述弹簧装置还具有数量为k个的...
【专利技术属性】
技术研发人员：U·霍夫曼，T·范万托克，S·马拉乌斯卡，O·佩特拉克，M·梅特舒拉特，L·波尔，
申请(专利权)人：奥克门特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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