双轴式扫描镜的制作方法
【专利说明】双轴式扫描镜
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2012年7月26日提交的美国临时专利申请61/675，828和2013年6月17日提交的美国临时专利申请61/835，655的权益。本专利申请还涉及2013年2月14日提交的美国专利申请13/766，801，2013年3月13日提交的美国专利申请13/798，251。所有以上相关的申请均以引用方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明整体涉及光学扫描。
【背景技术】
[0004]在本领域中存在已知用于光学3D标测的各种方法，即，通过处理物体的光学图像来产生物体表面的3D轮廓。这种3D轮廓也称为3D图、深度图或深度图像，3D标测也称为深度标测。
[0005]PCT专利申请PCT/IB2011/053560描述包括照明模块的用于标测的装置，该PCT专利申请转让给了本专利申请的受让人并且其公开内容以引用方式并入本文。此模块包括了被配置为发射辐射束的辐射源以及被配置为在所选择的角度范围上方接收和扫描光束的扫描器。照明光学器件被配置为投射所扫描的光束以便产生在所关注的区域上方延伸的光斑图案。成像模块被配置为捕获被投射到所关注的区域中物体上的图案的图像。处理器被配置为处理图像以便构造物体的三维(3D)图。
[0006]美国专利申请公开2011/0279648(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于构造受检对象3D表示的方法，包括利用摄像机捕获受检对象的2D图像。该方法还包括在受检对象上扫描调制的照明光束以一次一个地照射受检对象的多个目标区域，以及测量来自从每个目标区域反射的照明光束的光的调制方面。使用移动镜光束扫描器扫描照明光束，并使用光电探测器测量调制方面。该方法还包括基于为每个目标区域测量的调制方面计算深度方面，以及将深度方面与2D图像的对应像素相关联。
[0007]美国专利8，018，579 (其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种三维成像和显示系统，其中根据其相移，通过测量调幅扫描光束的路径长度，以光学方式检测成像体积中的用户输入。给出了关于所检测的用户输入的视觉图像用户反馈。
[0008]美国专利7，952，781 (其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种扫描光束的方法和一种制造微型机电系统(MEMS)(可以并入到扫描设备中)的方法。在公开的实施例中，用安装在其上的永磁材料形成具有至少一个微镜的转子组件，并且定子组件具有用于在至一个微镜上施加预先确定的力矩的线圈布置。
[0009]另外的带有磁驱动器的MEMS镜组件例如在美国专利申请公布US 2008/0143196、US 2009/0284817 和 US 2010/0046054 中描述。
【发明内容】
[0010]以下所描述的本发明的实施例提供了带有增强的性能和能力的光学扫描器。
[0011 ] 因此，根据本发明的实施例来提供光学装置，这种光学装置包括定子组件，定子组件包括包含气隙的芯和包括导线的一个或多个线圈，该一个或多个线圈卷绕在芯上以使芯响应于导线中流动的电流而形成穿过气隙的磁路。扫描镜组件包括支撑结构、被安装成相对于支撑结构围绕第一轴线旋转的基部以及被安装成相对于基部围绕第二轴线旋转的镜。至少一个转子包括固定到扫描镜组件并定位在气隙中以响应于磁路而移动的一个或多个永磁体。驱动器被耦合成以所选择的一个或多个频率在一个或多个线圈中生成电流，使得至少一个转子的运动响应于磁路而使基部以第一频率围绕第一轴线旋转，同时使镜以第二频率围绕第二轴线旋转。
[0012]在一个实施例中，该镜围绕至少第一轴线不对称地负重，以使镜围绕第一轴线的第一旋转耦合到基部围绕第二轴线的第二旋转。通常，第二频率是镜围绕第二轴线的旋转的谐振频率，并且驱动器被耦合成以第一频率生成电流。
[0013]在一些实施例中，该芯包括了第一对极片和第二对极片，从而限定气隙，并且至少一个转子包括了第一转子和第二转子，该第一转子和第二转子分别固定到基部的相对的第一侧和第二侧并且分别被定位在位于第一对极片和第二对极片之间的气隙中。在公开的实施例中，驱动电路被配置为以第一频率利用第一电流以及以第二频率利用第二电流来驱动该一个或多个线圈。通常，该一个或多个线圈包括邻近第一对中的极片卷绕的第一线圈和邻近第二对中的极片卷绕的第二线圈，并且驱动电路被配置为以第一频率同相地以及以第二频率反相地驱动第一线圈和第二线圈。
[0014]在某些公开的实施例中，芯包括齿状物，齿状物在极片之间突起并具有邻接且包含气隙的上端。通常，该芯包括基部，极片和齿状物从该基部朝向该气隙突起。该一个或多个线圈可以包括邻近这些极片卷绕的第一线圈和卷绕在齿状物上的第二线圈，其中驱动电路被配置为以第一频率驱动第一线圈并且以第二频率驱动第二线圈。在一个实施例中，该芯包括多个指状物，该多个指状物围绕该齿状物并朝向位于齿状物与极片之间的气隙突起。
[0015]在一些实施例中，至少一个转子的一个或多个永磁体包括在镜的相对侧上的固定到基部的第一永磁体和第二永磁体。在一个实施例中，第一永磁体和第二永磁体都具有矩形形状。除此之外或作为另外一种选择，第一永磁体和第二永磁体中的每一者包括相应的上片和下片，该上片和下片被安装到基部的相对表面上，使得第一永磁体和第二永磁体的质量中心位于第一轴线上。
[0016]另外，除此之外或作为另外一种选择，至少一个转子的一个或多个永磁体可以包括固定到镜的至少第三永磁体。该至少第三永磁体可以凹入镜的表面内。
[0017]在公开的实施例中，该扫描镜组件包括形成为微机电系统(MEMS)设备的硅晶圆，MEMS设备包括从硅晶圆蚀刻的沿第一轴线将基部连接到衬底的第一心轴和从硅晶圆蚀刻的沿第二轴线将镜连接到基部的第二心轴。通常，第二心轴被形成为使得镜以第二频率围绕第二轴线谐振旋转，而第一心轴被形成为使得基部围绕第一心轴的旋转是非谐振旋转。晶圆可在第一心轴附近变薄，以便增加第一心轴的柔韧性。
[0018]在公开的实施例中，该装置包括发射器，该发射器被配置为当镜和基部旋转时引导光的脉冲从镜反射，由此在场景上方扫描该光。接收器被配置为接收从该场景反射的光的脉冲以便测量脉冲的渡越时间。
[0019]根据本发明的实施例还提供光学装置，光学装置包括镜组件，该镜组件包括安装成相对于支撑结构围绕轴线旋转的镜。电容传感器包括至少第一板和第二板，该至少第一板和第二板在该轴线的相对侧上定位在镜附近并且相对于支撑结构的平面成角度，使得这些板在邻近轴线的位置处最靠近该平面并且在距轴线较远的位置处远离该平面倾斜。
[0020]在公开的实施例中，该镜被安装成围绕互相垂直的第一轴线和第二轴线旋转，并且该电容传感器的至少第一板和第二板包括四个板，所述四个板一起限定棱锥形状，该棱锥形状具有与这些轴线相交处的中心点相邻的顶点。
[0021]根据本发明的实施例另外提供一种用于扫描的方法，这种方法包括:提供定子组件，定子组件包括包含气隙的芯和包括导线的一个或多个线圈，该一个或多个线圈卷绕在芯上以使芯响应于导线中流动的电流而形成穿过气隙的磁路。提供了扫描镜组件，该扫描镜组件包括支撑结构、被安装成相对于支撑结构围绕第一轴线旋转的基部以及被安装成相对于基部围绕第二轴线旋转的镜。至少一个转子固定到扫描镜组件，该至少一个转子包括一个或多个永磁体。扫描镜组件安装在定子组件上，使得一个或多个永磁体定位在气隙中，以便响应于磁路而移动。该一个或多个线圈以所选择的一个或多个频率利用电流进行驱动，使得至少一个转子的运动响应于磁路而使基部以第一频率围绕第一轴线旋转，同时使镜以第二频率围绕第二轴线旋转。
[0022]根据本发明的实施例还提供一种用于监测的方法，这种方法包括将镜安装成相对于支撑结构围绕轴线旋转。将电容传感器的至少第一板和第二板在该轴线的相对侧上定位在镜附近，同时使得板相对于支撑结构的平面成角度，从而使得这些板在邻近轴线的位置处最靠近该平面并且在距轴线较远的位置处远离该平面倾斜。测量板与镜之间的电容的改变，以便监测镜的旋转。
[0023]通过以下【具体实施方式】以及结合附图，将更全面地理解本发明，其中:
【附图说明】
[0024]图1是根据本发明的实施例的光学扫描头的示意性图解；
[0025]图2是根据本发明的实施例的MEMS扫描器的示意性图解；
[0026]图3A是根据本发明的实施例的微镜组件的示意性底视图；
[0027]图3B是根据本发明的另一个实施例的微镜组件的一部分的示意性前视图；
[0028]图4是根据本发明的实施例的从下方来看的MEMS扫描器的示意性图解；
[0029]图5是根据本发明的实施例的示出MEMS扫描器的定子和转子的示意性图解；
[0030]图6是根据本发明的另一个实施例的示出MEMS扫描器的定子和转子的细节的示意性图解；
[0031]图7是根据本发明的实施例的图5的定子之一的示意性侧视图，该图包括指示由该定子生成的磁矢量场的箭头；
[0032]图8-10是根据本发明的实施例的用于驱动MEMS扫