[發(fā)明專(zhuān)利]微鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280063913.7
• 申請(qǐng)日: 2012-10-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104011583B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: H·尼切;F·恩吉卡姆恩吉蒙齊;W·朔克;Z·萊什詹;J·穆霍;H·格魯茨埃克
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G02B26/08
• 分類(lèi)號(hào): G02B26/08;G02B26/10;G02B7/182
• 代理公司: 永新專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司72002
• 代理人: 郭毅

背景技術(shù)

對(duì)于借助逐行描繪投影面(英語(yǔ)：“flying spot：飛點(diǎn)”)的圖像結(jié)構(gòu)而言，至少在一個(gè)軸線上需要具有高頻率的運(yùn)動(dòng)。為了使需要的頻率達(dá)到10千赫茲以上直至50千赫茲，僅僅考慮諧振裝置。近些年提出了大量的微鏡。一部分實(shí)現(xiàn)了在僅僅一個(gè)軸線上振動(dòng)的鏡，一部分開(kāi)發(fā)了萬(wàn)向懸掛的鏡，其或者在兩個(gè)軸線方向上諧振振動(dòng)或者在一個(gè)方向上準(zhǔn)靜態(tài)地工作。

在公開(kāi)文獻(xiàn)“MEMS Scanners for Display and Imaging Applications”(SPIE會(huì)議記錄，第5604卷)中描述了由鏡大小和偏轉(zhuǎn)的乘積(所謂的西塔D乘積(Theta-D-Produkt))和頻率對(duì)于微掃描儀的圖像質(zhì)量的意義。

除三個(gè)參數(shù)——鏡大小、偏轉(zhuǎn)和頻率以外，在高頻率的情況下振蕩的微鏡的鏡變形僅僅是所使用的激光的波長(zhǎng)的約1/10。在更大的變形的情況下，點(diǎn)可能擴(kuò)大，這使圖像的分辨率變差。由于鏡自身的慣性和作用在鏡板上的反力(如由在偏轉(zhuǎn)鏡時(shí)張緊的彈簧施加反力)，這是很難滿足的要求。迄今，通過(guò)懸掛點(diǎn)的優(yōu)化試圖在鏡板的盡可能小的動(dòng)態(tài)變形方面優(yōu)化由板的自身慣性引起的變形和由彈簧配合引起的變形。

對(duì)于微鏡的反射表面通常使用優(yōu)選由銀或鋁構(gòu)成的金屬化部。在此微鏡的承載裝置例如由硅構(gòu)成。因此，整個(gè)鏡板是雙金屬的。這導(dǎo)致鏡的取決于溫度的靜態(tài)變形。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)的具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的諧振的微鏡。

對(duì)于由分別具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的兩個(gè)鏡、即作為所謂的2×1D方案構(gòu)造的2D掃描儀而言，需要一個(gè)諧振鏡，其在光路中作為第二鏡放置在第一鏡后面。激光射束在其到達(dá)第二鏡上之前已經(jīng)通過(guò)第一鏡在第一y方向上偏轉(zhuǎn)。需要具有近似方形橫截面的第二鏡，其中y方向(轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向上的維度)上的延展比至今所提出的現(xiàn)有技術(shù)中的鏡大得多。

通過(guò)射束首先到達(dá)準(zhǔn)靜態(tài)的第一鏡上，射束必須如此平地入射，使得其在諧振鏡上的反射之后雖然在此發(fā)生擴(kuò)寬但在準(zhǔn)靜態(tài)芯片的外緣處從旁經(jīng)過(guò)。所述平的入射導(dǎo)致諧振鏡上的激光點(diǎn)的橢圓變形，所述橢圓變形大于在萬(wàn)向懸掛的2D鏡中必須預(yù)期的橢圓變形。在萬(wàn)向懸掛的鏡中，同樣不允許射束任意傾斜地入射。在反射之后，在考慮所有偏轉(zhuǎn)的情況下，出射的射束必須從旁經(jīng)過(guò)入射射束。這在1毫米的激光點(diǎn)大小時(shí)可能導(dǎo)致垂直于軸線的方向上的約1.5毫米的鏡直徑。由于2×1D方案的光學(xué)裝置的幾何需求，所述鏡在1毫米的點(diǎn)直徑的情況下必須展開(kāi)基本上方形的面，其垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線具有1.8毫米至2.2毫米的延展并且平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線具有約2.4毫米的延展。能夠僅僅借助非常堅(jiān)硬的、但同時(shí)非常長(zhǎng)的彈簧達(dá)到這些邊界條件以及對(duì)具有少量的λ/10變形的鏡的要求，如以下示出的那樣：

通過(guò)以下給出機(jī)械振蕩器的諧振：

其中k表示彈簧剛度，而I表示振蕩器的慣性。

因此，方形的板的慣性

以尺寸的三次冪在垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向上增大。

在公開(kāi)文獻(xiàn)“Fabrication and characterization of a dynamically flat high resolution micro-scanner”(Journal of Optics.A(2008)，編號(hào)10，論文044005，8頁(yè))中通過(guò)以下給出圓鏡的變形：

其中D表示鏡直徑，f表示鏡頻率，Θ表示偏轉(zhuǎn)角，而t表示鏡厚度。對(duì)于正方形的鏡而言，已經(jīng)示出動(dòng)態(tài)鏡變形與鏡大小的近似的高相關(guān)性。

為了在高諧振頻率下運(yùn)行的大的鏡不具有過(guò)大的動(dòng)態(tài)變形，鏡板應(yīng)具有大的厚度，其中目標(biāo)度量>100微米、優(yōu)選200微米。

鏡板的慣性以一次冪隨著厚度的增加而增大，如公式(2)中示出的那樣。為了實(shí)現(xiàn)>10千赫茲的諧振頻率、優(yōu)選20千赫茲的頻率，需要非常堅(jiān)硬的彈簧。

通過(guò)以下給出具有方形橫截面的扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度：

其中w表示更小的維度，b表示方形橫截面的更大的維度，l表示彈簧的長(zhǎng)度而G表示剪切模型(Schermodul)。

通過(guò)以下給出具有方形橫截面的彎曲彈簧的剛度：

其中w表示彎曲到的維度，b表示橫向于彎曲的維度，l表示彈簧的長(zhǎng)度，而E表示E模型。

不論使用扭轉(zhuǎn)彈簧還是彎曲彈簧，為了具有高剛度，彈簧在橫截面的維度上必須具有大的尺寸。