具有曲流弹簧镜面悬架的微型扫描器的制作方法

本发明涉及一种用于将电磁辐射投影到、特别是利萨如投影到观察场的微型扫描器，以及一种配备这种微型扫描器的光束偏转系统，用于投影图像序列、特别是具有特定的恒定图像刷新频率的图像序列。

背景技术：

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”，是微型机电系统(mems)，或者更准确地说是用于电磁辐射、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辐射的偏转。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辐射，以便借助于偏转元件(“镜”)对入射于其上的电磁波束相对于其偏转方向进行调制。这可以特别用于引起波束在观测场或投影场中的利萨茹投影。例如，可以完成成像感测任务或者实现显示功能。此外，这种微型扫描器也可以用于以有利的方式照射材料并因此能够处理材料。其它可能的应用是在使用电磁辐射照明或照亮某些开放或封闭空间或空间区域的领域中，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的弹簧上。人们将优选仅围绕单一轴可移动悬挂的单轴镜与双轴镜和多轴镜区分开来。

4、无论是在成像传感器还是在显示功能的情况下，微型扫描器都是用于至少二维地(例如水平地和竖直地)偏转电磁辐射，例如激光束或者来自任何其它电磁辐射源的成形波束，以便由此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，扫描的激光束扫过投影场中的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。待偏转的辐射的波长范围原则上可以从短波uv辐射、经由vis范围、nir范围、ir范围、fir范围直至长波陆地和雷达辐射的整个光谱中选择。

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，使用层沉积、光刻和蚀刻技术在硅中形成微型结构，并由此实现具有可移动mems镜的微型扫描器，特别是作为芯片。也可以使用半导体材料代替硅。

6、通常使用静电、电磁、压电、热和其它致动器原理作为驱动。在此，镜运动可以特别是准静态地(＝非谐振地)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，或者特别是在稳定性、鲁棒性、产量等方面有优势。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发明的微型扫描器原则上可以在许多不同的领域中有意义且成功地使用，但是下文中将特别讨论其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，其中第一光束偏转轴在高频(通常为15khz至30khz)下谐振地运行(快轴)，以产生水平偏转，并且第二轴在低频(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在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大振幅。特别是垂直偏转可以因此比光栅扫描器大很多。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，特别是在垂直方向上。

10、由专利文献ep2514211b1已知一种用于将利萨茹图形投影到观测场的投影系统的偏转装置，其被设计成使波束围绕至少一个第一偏转轴和一个第二偏转轴偏转，以产生利萨茹图形。

11、通常针对基于微型扫描器的利萨如激光束偏转系统提出以下要求中的一项或多项：

12、-高扫描频率，例如最小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，并且能够实现高轨迹重复率，并在此基础上实现高图像刷新率；

13、-优选地，两个光束偏转轴(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。该术语特别是被相对地用于区分“较快的”轴和“较慢的”轴。始终有利的是，较快轴的频率f1与较慢轴的频率f2的频率比接近整数比，使得该比值f1/f2例如相应地接近1、2、3、4等。在此，各个频率相对于该整数比的失谐扮演了重要的角色，因为频率的这种失谐决定了利萨如轨迹在空间上继续移动的有多快。在整数比的情况下，失谐等于零，并且轨迹是固定的并以该形式不断重现。相反，如果频率的失谐大于零，则轨迹开始游移，更确切地说，在一定的间隔内，频率相对于整数比的失谐越大，游移就越快。轨迹继续移动的前进速度可以有利地选择为建立特定的轨迹重复率，例如30hz、40hz、...、100hz，轨迹以该轨迹重复率重现或者说在理想的无干扰条件下更精确地重现。

14、(需要说明的是：由于相位调节回路和其它调节回路的干预，精确重现通常是不可能的。尽管如此，适宜选择的失谐和相关适宜的前进速度的优点仍然存在)；

15、-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。特别是与光波导(英语：wave guide)的相互配合中，为了能够实现大的所谓“眼盒”(eyebox)和低衍射损失以及尽可能少的伪影，大的镜直径是非常有利的；

16、-大的光束偏转角度，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)；

17、-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；

18、-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。

19、但是，这些要求往往会涉及到相反的作用，如以下示例所示：

20、-为了能够更好地满足紧凑性要求而减小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，并由此损失最大偏转，进而特别是损失(像素)分辨率和性能(例如，视域尺寸、可实现的轨迹重复率以及取决于此的可用图像重复率)。

21、-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面积。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。

22、-为了延长移动设备或在其上运行的应用程序的功能寿命而降低功耗的微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。

23、-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。

24、-出于更高光学分辨率的原因而增大的镜板通常会因此显示出更大的动态变形，这增加了光束发散性和光斑尺寸并部分降低了分辨率。

25、-为了更高的扫描速度和更高的轨迹重复率而被加强的弹簧悬架通常会获得更小的偏转并因此降低了可实现的光学分辨率。

26、总体而言，在设计微型扫描器时通常会出现具有挑战性的优化问题，为了解决它们，通常不仅必须一起考虑上述参数中的一个或多个，而且还必须一起考虑许多其他的特性和边界条件。这种附加的特性和边界条件可能会特别是影响激光源和驱动器的可制造性、制造成本、产量、电子可操控性、再现性、可用的调制带宽等等。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改进的、至少双轴的、特别是可谐振运行的微型扫描器，用于对观察场或(等效的)投影场进行利萨如图形扫描，其能够实现关于至少一个上述问题的改进。

2、本发明的目的根据独立权利要求的教导来实现。本发明的各种实施方式和扩展方案由从属权利要求给出。

3、本发明的第一方面涉及一种用于将电磁辐射投影到观察场的微型扫描器。微型扫描器具有：(i)偏转元件，特别是镜板，具有被构造为微型镜的镜面，用于偏转入射的电磁射束；(ii)至少部分地围绕偏转元件的支撑结构；和(iii)具有多个弹簧的弹簧装置。偏转元件借助于弹簧可振动地悬挂在支撑结构上，使其能够相对于支撑结构同时进行围绕第一振动轴的第一旋转振荡和围绕与第一振动轴正交的第二振动轴的第二旋转振荡，以便通过在同时振荡期间入射到偏转元件上的电磁射束的反射而产生在观察场中的利萨如投影。至少一个弹簧具有被构造为曲流弹簧的弹簧区段，该弹簧区段具有一系列沿其纵向方向依次排列并且横向于纵向方向延伸的两个或更多个曲流部。特别是当偏转元件处于其静止位置时，该弹簧区段被布置在偏转元件与支撑结构之间的间隙的内部，并在此以其纵向方向沿着一特别是曲线形的线被引导，该曲线形线偏离关于微型镜的几何中心点的径向方向地延伸。

4、这两个振荡中的每一个都可以单独进行，特别是谐振地进行，即，作为以微型扫描器的固有频率关于相关振动轴的振动。两个振荡也可以以其各自的固有频率同时发生(所谓的“双谐振”或者“双轴谐振”运行)。

5、本发明意义上的“弹簧”可以特别理解为用于吸收和储存机械(势)能的弹性体，特别是机器元件，其在低于弹性极限的负载范围内的加载下有针对性地变形并在卸载时又恢复其初始形状。

6、本发明意义上的“偏转元件”特别是被理解为具有足够平滑的反射面(镜面)的物体，使得根据反射定律反射的电磁辐射(例如可见光)保持其平行性并由此可以产生图像。为此，镜面的粗糙度必须小于电磁辐射的波长的大约一半。特别地，偏转元件可以被构造为具有至少一个镜面的镜板或者具有这样的镜板。特别地，镜面本身可以由与偏转元件的其它主体不同的材料构成，例如由金属、特别是离析出的(abgeschiedenen)金属构成。

7、本发明意义上的“振动轴”或者说“轴”可以特别是被理解为旋转运动的转动轴线(旋转轴线)。它是一条限定或描述了旋转或转动的直线。

8、本发明意义上的“利萨如投影”应特别理解为借助于电磁辐射对观察场的扫描(scanning)，该扫描是由将辐射偏转到观察场中的偏转元件的至少两个相互正交且至少基本上正弦性的振动(振荡)引起。

9、在本文中可能使用的术语“包括”、“包含”、“涉及”、“包括在内”、“具有”、“带有”、“具备”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。因此，例如包括或具有一系列元件的方法或装置不一定限于这些元件，而是可以包括未明确列出或在这种方法或装置中固有的其它元件。

10、此外，除非有明确相反的规定，否则“或”是指包容性的“或者”，而不是非包容性的“或者”。例如，满足条件a或b的情况之一是：a为真(或存在)和b为假(或不存在)；a为假(或不存在)和b为真(或存在)；以及a和b两者均为真(或存在)。

11、在本文中使用的术语“一”或“一个”被定义为“一个/一个或多个”。术语“另一”和“另一个”及其任何其它变型应被理解为“至少另一个”。

12、在本文中使用的术语“多个”应被理解为“两个或更多个”。

13、本发明意义上的术语“配置为”或“设计为”满足特定的功能(及其相应的变型)应理解为，相应的装置已经在其能够执行该功能的构造或设定中存在，或者该装置至少可以被设定(即可配置)为，其能够在相应的设定之后执行该功能。在此，该配置可以例如通过对用于激活或停用功能或设定的工艺流程的参数或开关等的相应设定来实现。特别地，该装置可以具有多个预定的配置或运行模式，从而可以借助选择这些配置或运行模式中的一个来进行配置。

14、根据第一方面的微型扫描器一方面特别是允许实现大光学扫描角度和高扫描频率，另一方面同时使得微型扫描器所需的空间或面积保持较小。

15、特别地，这种微型扫描器的下述示例性实施方式是可能的，其对于圆形或环形微型镜的镜直径在0.5mm和30mm之间的情况下进行的双谐振利萨如运行，一方面允许在至少20°的范围内具有大的、例如高达90°的光学扫描角度，另一方面允许实现2khz和90khz之间的扫描频率，并且在此出于成本原因不需要比镜直径大约二倍或三倍的(芯片)边长。这也为各种可能的应用提供了广泛的用途，例如将微型扫描器安装到移动消费终端产品中，例如智能手机、便携式计算机、甚或是所谓的“可穿戴”设备(例如“智能手表”)。

16、下面将阐述微型扫描器的更多优选实施方式，除非明确排除或技术上不可行，否则这些实施方式可以任意地彼此结合以及与本发明的进一步描述的其它方面相结合。

17、在一些实施方式中，曲流部中的一个具有：第一和第二线性曲流支路，它们分别沿着关于微型镜几何中点的相应径向方向延伸；以及第三曲流支路，其连接第一曲流支路和第二曲流支路并据此补充曲流部。优选地，这甚至适用于弹簧区段的全部曲流部。这种曲流部几何形状代表了弹簧的非常节省空间的设计，特别是当弹簧区段关于微型镜中心点的纵向方向沿方位角(即正交于在此交叉的径向方向)或至少主要沿方位角延伸时。这特别适用于偏转元件具有弧形、特别是圆弧形外周的情况。

18、在一些实施方式中，第一曲流支路和第二曲流支路分别具有沿关于微型镜中心点的方位角方向确定的结构宽度，该结构宽度位于最小0.05°和最大5.00°的范围内或者在其中伸展。已经证实：在曲流部几何形状和取决于其的弹簧刚度的这种尺寸设计中，考虑到在空间或面积需求小的情况下可以实现大光学扫描角度和高扫描频率，可以实现特别有利的折衷。

19、在一些前述实施方式中，第三曲流支路沿着方位角方向被弧形地引导。这也可以有利地用于优化、特别是最小化弹簧或其(相应的)曲流弹簧形弹簧区段的空间或面积需求，同时确保其所期望的弹簧特性(特别是在扫描角度、扫描频率、分辨率等方面)。

20、在一些实施方式中，偏转元件具有弯曲的、特别是圆弧形的周向区段，并且弹簧区段沿其纵向延伸至少局部平行于偏转元件的周向区段路线地被引导。优选地，所有弹簧的各自曲流形的弹簧区段相应地至少局部平行于偏转元件的周向路线地延伸。这些实施方式也可以特别有利地用于使具有期望弹簧特性的弹簧所需的空间或面积需求保持很小、特别是最小。

21、在其中一些实施方式中，偏转元件的周边至少在周向区段中圆弧形地延伸，并且弹簧区段以其纵向方向沿着至少部分平行于偏转元件的周向区段的圆弧形路线延伸的线被引导。特别地，偏转元件的周边可以总体是圆形的。这些实施方式涉及到特别节省空间或面积的技术方案。

22、在一些实施方式中，微型扫描器的下述功能元件中的至少两个是至少成比例地由相同的板状基板制成：弹簧装置、偏转元件、支撑结构。特别地，基板可以是半导体基板，例如硅基板，上述功能元件中的至少两个、优选全部都是由该基板制造。一方面，这具有以下优点：微型扫描器或其上述的功能元件可以在相同的基板处理的框架下制造，而不是首先在分开的工艺中作为单独的部件制造，然后组合成微型扫描器。另一方面，由单一基板制造微型扫描器或所述功能元件恰好允许特别是有效节省空间或面积的技术方案，因为这里可以使用从半导体或微系统技术已知的制造工艺，该制造工艺特别是允许有针对性地制造超小型结构。

23、在一些实施方式中，弹簧装置的弹簧的数量为2、3、4、5或6个。一方面这是有利的，因为这样有限数量的弹簧仍然与特别节省空间或面积的微型扫描器设计的要求相兼容，但另一方面也能够以足够高的扫描频率(特别是谐振频率)形成两个正交的振动轴。偶数个弹簧可以特别用于先验地限定两个振动轴的与频率无关的固定位置，而奇数个弹簧可以特别有利地用在两个振动轴的谐振频率一致是重要的情况下。

24、在一些实施方式中，微型扫描器还具有用于直接或间接驱动微型扫描器围绕两个振动轴振荡的驱动装置。特别是考虑静电式、压电式、电磁式和热式的驱动器作为驱动，它们可以在mems生产框架下在晶片层面上完全或部分地一起提供和制造。此外，也可以考虑所谓的外部驱动器，其从外部非mems致动器向所述部件提供适当频率范围内的振动能量，使得mems镜开始在一个或两个轴上振动。

25、根据其中一些实施方式，驱动装置特别是可以具有至少一个带有压电致动器的驱动元件，该压电致动器布置在弹簧之一上以使该弹簧处于振动中。这提供了一种特别节省空间并且还由于压电致动器与弹簧的直接耦接而对于实现用于微型扫描器的驱动装置特别有效并且特别节能的可能性。

26、在一些实施方式中，驱动装置被配置为，其将偏转元件置于关于第一和第二振动轴的双谐振振动中。为此，致动器可以特别是具有一个或多个致动器或者由其组成。

27、在一些实施方式中，驱动装置在此被配置为，其能够使偏转元件处于相对于第一和第二振动轴的双谐振振动中，使得关于这两个振动轴中较快振动轴的振动频率f1与关于这两个振动轴中较慢振动轴的振动频率f2的频率比适合于：f1/f2＝f+v，其中f是自然数(f＝1、2、3、...)，并且失谐v适合于：v＝(f1-f2)/f2，其中(f1-f2)<200hz，其中v不是整数。这使得频率比f1/f2接近1、2、3或4等。

28、失谐v特别是可以这样实现，即，两个振动频率中只有一个或二者均不同于相关振动轴的相应谐振频率。失谐v在此相对于整数性频率起着重要作用，因为频率的这种失谐决定了利萨如轨迹在空间上继续移动的速度。在整数比的情况下，失谐等于零，轨迹是固定的，并且不断以这种形式重现。

29、相反，在非整数性失谐v＞0时，轨迹开始移动，确切地说在特定间隔内，失谐v相对于整数比越大，轨迹移动得就越快。可以将轨迹继续移动的前进速度有利地选择为建立特定的轨迹重复率(完整的相位运行/时间)，例如从30hz至100hz的频率范围内，利用该轨迹重复率重现轨迹或者在理想无干扰的条件下重现轨迹。(需要说明的是：由于使用了相位调节回路和其它调节回路，精确重现通常是不可能的。尽管如此，适宜地选择失谐和相关适宜的前进速度的优点仍然存在)。基于这样选择的失谐v，特别是也可以实现改善的、即至少在时间上平均的提高的线密度。

30、在一些实施方式中，微型扫描器被设计为，使偏转元件能够同时围绕两个彼此正交的振动轴以各自特定于相应轴的独有谐振频率自由地振动。这可以特别用于为用于利萨如投影的微型扫描器配置具有两个“快速”(高频)振动轴，这两个“快速”(高频)振动轴的谐振频率彼此接近但在此不形成精确整数比。在这种情况下，在观察场中或者说在观察场中的横向于投影的光轴放置的物体表面(例如银幕)上产生利萨如轨迹，其可以在非常短的时间内充满或照亮视域，特别是在视域的每个像素的数字成像的范围内成像。为此所需的时间跨度通过谐振频率的选择来决定。

31、特别地，根据一些实施方式，第一和第二振荡的谐振频率中较大的谐振频率与这些振荡中较小的谐振频率之比可以对应于一整数值，或者可以与最接近的整数值的比率相差最大10％，优选最大5％。

32、在一些实施方式中，弹簧装置特别是为了形成不同速度的振动轴的目的而具有偶数n个结构相同的弹簧，用于将偏转元件悬挂在支撑结构上。然而，这些弹簧的整体布置却偏离了相对于与两个振动轴正交的对称轴的n重旋转对称而被选择为，使弹簧装置的由该n个弹簧整体引起的弹簧刚性和/或偏转元件连同弹簧一起的振动性布置的有效惯性力矩对于这两个振动轴是不同的。例如，如果使四个相同的弹簧作用在圆形对称的微型镜(例如镜板)上并且在此各个相邻的弹簧之间的距离不是完全相同的，则可以使两个振动轴失谐。

33、在其他一些实施方式中，用以将偏转元件悬挂在支撑结构上的弹簧的数量n为偶数。该n个弹簧的整体布置相对于与两个振动轴正交的对称轴具有n重旋转对称性。此外，该n个弹簧各自的弹簧宽度轮廓沿着它们各自的路线(即，特别是沿着弹簧体本身的曲流形路线)或它们各自的纵向延伸被以如下方式不同地选择为：n/2个弹簧具有第一弹簧宽度轮廓(弹簧宽度是沿着弹簧区段的纵向方向观察到的位置的函数)，而另外n/2个弹簧各自具有不同的对应的第二弹簧宽度轮廓，使得弹簧装置的由该n个弹簧整体引起的弹簧刚性和/或偏转元件连同弹簧一起的振动性布置的有效惯性力矩对于这两个振动轴是不同的。