Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrich- tung mit einem beweglichen Element. Bei dieser Vorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung handeln, die eine intensitätsmodulierbare Strahlungsquelle aufweist, wobei das bewegliche Element dann als Strahlablenk- Einheit ausgeführt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs .

Eine solche mikromechanische Vorrichtung kann zum

Projizieren elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, indem von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung auf eine Projektionsfläche umgelenkt wird, wobei durch ein entsprechendes Ansteuern der Strah- lablenk-Einheit eine zeitabhängige momentane Projek-

tionsrichtung vorgegeben werden kann. Damit kann eine solche Vorrichtung z.B. zur Bilderzeugung oder auch für Oberflächenbearbeitung von Werkstücken verwendet werden.

Elektromagnetische Strahlung des UV- bis IR-Wellen- längenbereichs kann mit bewegten Reflektoren oder a- ber auch mit bewegten refraktiv oder diffraktiv wirkenden Elementen gezielt abgelenkt werden. Von Bedeu- tung ist eine solche Strahlablenkung z.B. für die ü- bertragung ein- oder mehrdimensionaler Bildinformation (Display-Aufgaben, z.B. Laserprojektion) oder aber auch für materialbearbeitende Aufgaben (z.B. Laserbeschriftung) .

Eine oder mehrere in Bezug auf die Ausgangsintensität zeitlich gezielt steuerbare Quellen elektromagnetischer Strahlung liefern einen oder mehrere Strahlen, welche mit Hilfe eines ein- oder mehrachsigen Ablenk- Systems über die zu bestrahlende Oberfläche geführt werden. Ein Beispiel hierfür kann eine aus drei Laserquellen verschiedener Wellenlängen bestehende modulierbare Rot-Grün-Blau-Lichtquelle sein, die für farbige Bilddaten-Projektion eingesetzt wird und de- ren vereinigter Ausgangsstrahl über einen zweiachsigen Mikroscan-Spiegel oder alternativ über zwei hintereinander angeordnete einachsige Mikroscan-Spiegel horizontal und vertikal so abgelenkt wird, dass der abgelenkte Strahl eine Projektionsfläche in gewünsch- ter Form überstreicht und ausleuchtet. Die Strahlablenkung kann, wie in den Druckschriften US 6140979 A und US 7009748 B2 beschrieben, rasterförmig sein und einen zeilenweisen Bildaufbau erzeugen, oder aber auch kreisförmig oder spiralförmig erfolgen, wie in der Druckschrift US 6147822 A beschrieben. In der

Druckschrift WO 03/032046 Al wird ein ähnliches Pro-

jektionssystem beschrieben, welches lissajous- förmig einen Bildaufbau erzielt basierend auf zwei resonan- ten Scan-Vorrichtungen deren Scan-Frequenzen sich stets um weniger als eine Größenordnung unterschei- den. In der Druckschrift WO 2006/063577 Al ist eine Bildprojektions-Vorrichtung beschrieben, welche den Bildaufbau sowohl über rasterförmiges Scannen als auch über beliebige Lissajous-Figuren basierend auf beliebigen Verhältnissen der Scan-Frequenzen eines zweiachsigen Strahlablenksystems erzeugen kann. Dabei wird die beliebig angesteuerte Strahlablenkeinheit durch einen Beobachtungslaserstrahl, welcher nach Re- flektion am Strahlablenksystem auf einen zweidimensionalen positionsempfindlichen Detektor trifft, konti- nuierlich verfolgt und in Abhängigkeit von einer so gemessenen momentanen XY-Position der zu dieser Position gehörende Intensitätswert aus dem Bildspeicher ausgelesen und diesem Wert entsprechend eine Lichtquelle angesteuert.

Bei allen diesen bekannten Projektions-Systemen tritt folgendes Problem auf :

Da die zu übertragende Information in der Regel in- tensitätscodiert ist, wird die jeweils vorgesehene

Strahlablenkvorrichtung zeitlich nicht mit konstanter Intensität bestrahlt. Da die Strahlablenkvoirichtung stets einen nicht unendlich kleinen Anteil der eintreffenden Strahlung absorbiert, heizt sich die Ab- lenkvorrichtung in Abhängigkeit von der Intensität des eintreffenden Strahls auf. Bedingt durch die zeitlich wechselnde BeStrahlungsintensität variiert somit auch stets die Temperatur der Strahlablenkvorrichtung. Die wechselnde Temperatur der Strahlablenk- Vorrichtung hat aber zur Folge, dass das Material, aus dem die Strahlablenkvorrichtung besteht, Volumen-

änderung erfährt. Das hat wiederum zur Folge, dass sich die mechanisch-dynamischen Eigenschaften der Strahlablenkvorrichtung zumindest geringfügig ändern. Wenn es sich bei der Strahlablenkvorrichtung bei- spielsweise um an Federn aufgehängte resonant betriebene Torsionsspiegel handelt, dann führen die temperaturbedingten Volumenänderungen zu änderungen der Federkonstanten und damit zu änderungen der Resonanzfrequenz dieser Ablenkvorrichtung, zugleich aber auch zu änderungen von Phase und Amplitude der Spiegelaus- lenkung. Das Ergebnis dessen kann sein, dass nicht alle Bildinformationen auf den richtigen Ort projiziert werden und auch die Größe des projizierten Bildes sich ändert. Es entstehen also unerwünschte Ver- Zerrungen. Die geschilderte Problematik tritt insbesondere auf bei Verwendung von aus Silizium gefertigten einachsigen oder mehrachsigen Torsions-Mikroscan- Spiegeln, wie z.B. in DE 19941363 Al oder US 6595055 Bl beschrieben, denn die in der Regel sehr dünnen Fe- deraufhängungen lassen keinen ausreichend schnellen Wärmeabtransport zu.

In der Druckschrift WO 2005/015903 Al wird zur Lösung des geschilderten Temperatur-Problems vorgeschlagen, zwischen intensitätsmodulierter Lichtquelle und Projektions- bzw. Bearbeitungsfläche ein Abschattungs- element so einzufügen, dass es dazu dient, den Lichtstrahl während bestimmter Zeitintervalle innerhalb der Gesamtdauer der Projektion auszublenden. Die Zeitintervalle während der der Lichtstrahl über das

Abschattungselement ausgeblendet wird, stehen jeweils zur Temperaturkompensation zur Verfügung. Eine Steuereinheit und ein Steuerprogramm steuern die Modulationseinrichtung derart, dass sich eine über den Ge- samtprojektionszeitraum hinweg zumindest annähernd konstante mittlere Intensität des Lichtstrahls er-

gibt.

Der Nachteil dieser Anordnung ist unmittelbar ersichtlich: Zunächst einmal bewirkt ein solches Ab- schattungselement, dass nicht alles Licht, welches prinzipiell zur Bild- bzw. Informationsübertragung zur Verfügung stünde, für diesen Zweck auch verwendet werden kann. Diese geringere Effizienz der Lichtausbeute ist für Anordnungen zur Materialbearbeitung un- problematisch, da dies in der Regel durch die hohen zur Verfügung stehenden Lichtleistungen der Lichtquellen ausgeglichen werden kann. Für mobile Laserprojektionsdisplays hingegen, speziell für solche, die Batterie gespeist sind, kann eine solche schlech- tere Effizienz bei der Lichtübertragung sehr wohl ein inakzeptables Problem darstellen. Ein weiteres Problem besteht grundsätzlich ganz unabhängig von der Anwendung: Die in der Druckschrift WO 2005/015903 Al beschriebene Erfindung lässt eine Temperaturkorrektur immer nur zu bestimmten Zeitpunkten zu. Der Fachmann kann diesem vorgeschlagenen Verfahren entnehmen, dass ein Projektionsdisplay für Bildwiedergabe Abschat- tungselemente besitzen muss, die sich an den Rändern des Bildbereichs und nicht inmitten des Bildbereichs befinden. Damit beschränkt sich der beabsichtigte Vorgang zur Temperaturkompensation jeweils auf die Bereiche der Umkehrpunkte dεr Ablenkvorrichtung. Somit ergibt sich eine Temperaturstabilisierung nur als Mittelung über ein vergleichsweise sehr großes Zeit- intervall hinweg. Groß bedeutet dabei, dass zwischen zwei Abschattungsintervallen durchaus sehr viele Bildinformationen (Pixel) projiziert werden können. Beispielsweise werden bei einer Bildprojektion mit VGA-Auflösung mindestens 480 Pixel, maximal sogar 640 Pixel am Stück projiziert ohne, dass das vorgeschlagene Verfahren zwischenzeitlich auf etwaige Intensi-

tätsschwankungen innerhalb dieser projizierten Pixel reagieren kann. Auf kleine Zeitintervalle (wenige Pixel) bezogen, können daher sehr wohl erhebliche In- tensitäts- und Temperaturschwankungen auftreten, die mit diesem Verfahren nicht zu kompensieren sind. Innerhalb zweier Abschattungsereignisse kann es deshalb weiterhin zu Phasen-, Amplituden- und Frequenzschwankungen kommen. Um hohe Originaltreue Bild- bzw. Informationsübertragung zu gewährleisten, kann dieses Verfahren daher speziell bei hochauflösenden Bildinformationen unzureichend sein.

In der Druckschrift US 7157679 B2 wird ein sogenanntes "pattern dependent heating" von Lichtquellen an- gesprochen, also ein musterabhängiges Aufheizen. Vorgeschlagen wird dort zur Problemlösung eine Korrektur der Bilddaten, die mit einem nachteilig hohen Rechenaufwand verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Vorrichtung zu entwickeln, mit der sich Präzisionsprobleme aufgrund von thermischen Einflüssen auf mechanische Eigenschaften beweglicher Teile vermeiden lassen. Der Erfindung liegt dabei insbesondere auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung zu entwickeln, die die ZUVOϊ geschilderten Nachteile mit geringem Aufwand vermeidet. Die Vorrichtung soll insbesondere eine Projektion vorgegebe- ner Muster mit hoher Präzision erlauben. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes präzises Verfahren zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine

Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des

Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Er- findung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche .

Die Aufgabe wird also dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine steuerbare Heizvorrichtung für einen definierten Wärmeeintrag in das bewegliche Element umfasst, wobei die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist zum Steuern der Heizvorrichtung in Abhängigkeit von einer momentanen Temperatur und/oder von einem momentanen anderen Wär- meeintrag in das bewegliche Element. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Temperierung des beweglichen Elements erreichen, womit in vorteilhafter Weise vermieden wird, dass sich mechanische Eigenschaften des beweglichen Elements, beispielsweise Resonanzeigen- Schäften, aufgrund von Temperaturschwankungen ändern. Der andere Wärmeeintrag kann dabei z.B. durch eine Strahlungsleistung einer auf das bewegliche Element gerichteten Strahlungsquelle verursacht sein, insbesondere, wenn die Vorrichtung zum Projizieren elekt- romagnetischer Strahlung dienen soll. Sofern die

Heizvorrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur gesteuert wird, bei der es sich um eine Temperatur des beweglichen Elements selbst oder um eine Umgebungstemperatur handeln kann, kann zu deren Messung ein Sensor vorgesehen sein.

Das bewegliche Element wird typischerweise ein Mikro- aktuator oder ein mikromechanischer Resonator sein, wobei die Vorteile Erfindung dann besonders zur GeI- tung kommen, wenn es sich um ein Vakuum-gekapseltes Element, beispielsweise in Form eines Mikrospiegels,

handelt. In diesem Fall sind thermische Einflüsse besonders signifikant, sofern nicht mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung kompensiert werden. Das bewegliche Element kann auch z.B. als Sensorelement eines Trägheitssensors dienen. In diesem Fall kann ein Ausschlag des beweglichen Elements beispielsweise kapazitiv oder optisch detektiert werden. Typischerweise bildet das bewegliche Element jedoch eine Strahlablenk-Einheit für eine Projektionseinrichtung. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich meistens auf diesen Fall, wobei die in diesem Zusammenhang beschriebenen Merkmale jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt sind.

Um möglichst konstante thermische Bedingungen zu erreichen, kann die Steuereinheit vorzugsweise eingerichtet sein, die Heizvorrichtung mittels eines Regelkreises so anzusteuern, dass eine Temperatur des beweglichen Elements auf einem vorgegebenen und/oder konstanten Wert gehalten wird.

Die vorgeschlagene Vorrichtung kann, wie bereits angedeutet, eine Vorrichtung zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung bilden, die eine intensitäts- modulierbare Strahlungsquelle aufweist, wobei das bewegliche Element als Strahlablenk-Einheit zum Umlenken von der Strahlungsquelle ausgehender Strahlung auf eine Projektionsfläche ausgeführt ist und wobei die Strahlablenk-Einheit ansteuerbar ist zum Vorgeben einer zeitabhängigen momentanen Projektionsrichtung. Die Steuereinheit ist in diesem Fall vorzugsweise eingerichtet zum Ansteuern der Heizvorrichtung in Abhängigkeit von einer momentanen Strahlungsintensität der Strahlungsquelle.

Unabhängig von der Anwendung einer Vorrichtung hier

vorgeschlagener Art kann die Heizvorrichtung gegeben sein durch einen elektrischen Leiter, der auf dem beweglichen Element oder in Umgebung des beweglichen Elements angeordnet ist und mit einem durch die Steu- ervorrichtung steuerbaren Heizstrom beaufschlagbar ist. Dieser Leiter kann z.B. in einer Leiterbahnebene auf dem beweglichen Element vorgesehen sein, wenn dieses durch ein entsprechend strukturiertes Halbleitersubstrat gebildet ist. Alternativ kann die Heiz- Vorrichtung durch eine intensitätsmodulierbare Sekundärquelle zum Bestrahlen des beweglichen Elements gegeben ist, wobei die Steuereinheit dann eingerichtet ist zum Steuern einer Strahlungsintensität der Sekundärquelle .

Wenn die Vorrichtung eine ebenfalls intensitätsmodulierbare Sekundärquelle zum Bestrahlen der Strah- lablenk-Einheit aufweist, wobei ferner eine Steuereinheit zum Steuern einer Strahlungsintensität der Sekundärquelle in Abhängigkeit von einer momentanen Strahlungsintensität der Strahlungsquelle vorgesehen ist, kann trotz einer sich zeitlich ändernden Bestrahlung der Strahlablenk-Einheit ein weitgehend konstanten Energieeintrag in die Strahlablenk-Einheit erreicht werden. Dadurch wiederum können Temperaturschwankungen in der Strahlablenkeinheit vermieden werden, die andernfalls deren mechanische Eigenschaften auf Kosten der Präzision beeinflussen würden. So kann eine thermische Stabilisierung der als Strahlab- lenksystem dienenden Strahlablenk-Einheit erreicht werden, während sich eine aufwendige Korrektur der Ansteuerung der Strahlungsquelle selbst und oder der Strahlablenkeinheit erübrigt. Realisierbar wird durch die Erfindung also eine instantane Temperatur- Angleichung.

Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung sowie dem entsprechenden Verfahren ist man bei bevorzugten Ausführungen in der Lage, mit entsprechend geringer Verzögerung bereits auf die Differenz der Intensitäten von nur zwei benachbarten Pixeln zu reagieren. Das weiter oben geschilderte Temperatur-Problem wird also gelöst, ohne dass die Qualität der Projektionsaufgabe beeinträchtigt wird, weil die zum Projizieren vorgesehene Strahlungsquelle dank einer Kompensation von Intensitätsänderungen durch die Sekundärquelle ohne Rücksicht auf thermische Effekte angesteuert werden kann.

Eine Vorrichtung vorgeschlagener Art kann je nach Ausführung und Bedarf zur Bilderzeugung oder zur Materialbearbeitung an einer die Projektionsfläche bildenden Werkstückoberfläche verwendet werden. Die Steuereinheit ist typischerweise programmtechnisch so eingerichtet, dass die Strahlungsintensität der Se- kundärquelle zunimmt, wenn die BeStrahlungsintensität der Strahlablenk-Einheit durch die Strahlungsquelle abnimmt und umgekehrt, damit der erwünschte Effekt erzielt wird.

Bei dem entsprechenden Verfahren zum Projizieren e- lektromagnetischer Strahlung, das mit einer derartigen Vorrichtung ausgeführt werden kaπri, wird von einer Strahlungsquelle ausgehende Strahlung intensi- tätsmoduliert und mittels einer Strahlablenk-Einheit auf die Projektionsfläche umgelenkt, wobei die Strahlablenk-Einheit so angesteuert wird, dass die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung mit einer sich zeitlich ändernden Projektionsrichtung auf verschiedene Orte auf der Projektionsfläche fällt. Zusätzlich wird nun die Strahlablenk-Einheit mit einer intensi- tätsmodulierbaren Heizvorrichtung geheizt, die so an-

gesteuert wird, dass eine Heizleistung der Heizvorrichtung abnimmt, wenn eine zunehmende Strahlungsintensität der Strahlungsquelle und/oder eine Frequenz - änderung der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung zu einem erhöhten Wärmeeintrag in die Strahlablenk-Einheit führt, und umgekehrt.

Dazu kann die Strahlablenk-Einheit z.B. mit einer in- tensitätsmodulierbaren Sekundärquelle bestrahlt wer- den, die so angesteuert wird, dass eine Strahlungsintensität der Sekundärquelle abnimmt, wenn eine zunehmende Strahlungsintensität der Strahlungsquelle und/oder eine Frequenzänderung der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung zu einem erhöhten Wärmeeintrag in die Strahlablenk-Einheit führt, und umgekehrt. Stattdessen kann auch ein elektrischer Leiter als Heizvorrichtung verwendet werden, der mit einem entsprechend gesteuerten Heizstrom beaufschlagt wird.

Vorzugsweise wird die Sekundärquelle dabei so angesteuert, dass die Strahlungsquelle und die Sekundärquelle gemeinsam einen zeitlich konstanten Wärmeeintrag in die Strahlablenk-Einheit bewirken, indem die Sekundärquelle mit der Strahlungsquelle synchronisiert intensitätsmoduliert wird.

Für typische Anwendungen der Erfindung kann die Strahlungsquelle und/oder die Sekundärquelle eine in einem Wellenlängenbereich zwischen Ultraviolett und Infrarot strahlende Lichtquelle sein. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Sekundärquelle eine in einem nichtsichtbaren Wellenlängenbereich strahlende Licht- oder Wärmestrahlungsquelle ist, damit von der Sekun- därquelle ausgehende Strahlung ein erzeugtes Bild nicht stören kann.

Die Strahlungsquelle kann direkt oder indirekt mittels einer nachgeschalteten Modulationseinheit inten- sitätsmodulierbar sein. Sie kann insbesondere eine Laserdiode oder eine RGB-Laser-Lichtquelle oder einen Infrarot-Laser umfassen.

Genauso gilt für die Sekundärquelle, dass sie direkt oder mittels einer nachgeschalteten Modulationsein- heit intensitätsmodulierbar sein kann. Dabei sollte die Sekundärquelle mit einer Maximalfrequenz intensitätsmodulierbar sein, die mindestens so hoch ist wie eine maximale Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle, damit sich ändernde BeStrahlungsintensitäten durch die Strahlungsquelle ohne Zeitverlust kompensiert werden können. Die Sekundärquelle kann insbesondere eine Infrarot-Laserdiode oder eine Nahinfrarot-Laserdiode umfassen.

Die Strahlablenk-Einheit kann zwar theoretisch auch durch ein refraktives Element gegeben sein, bei typischen Ausführungen der Erfindung wird sie jedoch reflektierend ausgeführt sein. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Strahlablenk-Einheit einen um ei- ne oder zwei Achsen kippbaren Spiegel umfasst. Insbesondere kann die Strahlablenk-Einheit einen z.B. auf Siliziumbasis hergestellten Mikrospiegel umfassen und bspw. einen Mikrospiegel-Scanner bilden. Für die Strahlablenkeinheit und die Art ihrer Ansteuerung und der damit erreichten Bilderzeugung kommt jede der im einleitenden Teil im Zusammenhang mit dem Stand der Technik angesprochenen Realisierungen in Frage. Für weitere Details kann insofern auf die dort genannten Druckschriften verwiesen werden.

Die Sekundärquelle ist vorzugsweise so angeordnet,

dass sie die Strahlablenk-Einheit von einer Rückseite aus bestrahlt, damit von der Sekundärquelle ausgehende Strahlung nicht auf die Projektionsfläche reflektiert wird. Die Sekundärquelle kann die Strahlablenk- Einheit auch in anderer Weise so bestrahlen, dass von der Sekundärquelle ausgehende Strahlung, die von der Strahlablenk-Einheit umgelenkt wird, nicht auf die Projektionsfläche fällt. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem die Sekundärquelle die Strah- lablenk-Einheit aus einer um einen hinreichend großen Winkel, bspw. um mindestens 20°, von einer Bestrahlungsrichtung durch die Strahlungsquelle abweichenden Richtung bestrahlt.

Die zeitabhängige Strahlungsintensität der Sekundärquelle kann in einfacher Weise definiert werden, indem ein momentaner Intensitätswert der Strahlungs- quelle von einem Sollwert subtrahiert wird, ein sich dadurch ergebender Differenzwert mit einem Wichtungs- faktor gewichtet wird und ein so erhaltenes Ansteuersignal zum Ansteuern der Sekundärquelle verwendet wird. Dazu kann die Steuereinheit der Vorrichtung entsprechend programmtechnisch eingerichtet sein. Wenn die Strahlungsquelle mehrere Lichtquellen um- fasst, bspw. zur Erzeugung verschiedener Farbkomponenten, kann der genannte Intensitätswert der Strahlungsquelle dabei ermittelt werden, indem jede Einzelintensität der in der Strahlungsquelle enthaltener Lichtquellen mit einem farbspezifischen Wichtungsfak- tor gewichtet wird und die so gewichteten Einzelintensitäten addiert werden. Dadurch können frequenzabhängige Absorptionseigenschaften der Strahlablenk- Einheit berücksichtigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben. Es zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Figur 2 ebenfalls schematisch, aber etwas detaillierter eine Vorrichtung in einer Ausführung der Erfindung,

Figur 3 eine andere Ausführung der Erfindung in der Figur 2 entsprechender Darstellung und

Figur 4 in vergleichbarer Darstellung eine weitere Ausführung der Erfindung,

Figur 5 eine entsprechende Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Figur 4 und

Figur 6 eine entsprechende Darstellung eines ande- ren Ausführungsbeispiels der vorliegenden

Erfindung.

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung bildet eine Projektions-Apparatur zur Lösung des eingangs geschil- derten Problems und sieht eine Strahlungsquelle 1 vor, die eine oder mehrere Primär-Quellen elektromagnetischer Strahlung umfasst, welche hinsichtlich ihrer Ausgangsleistung gezielt modulierbar ist bzw. sind. Dies kann jeweils eine direkt modulierbare Quelle sein, wie beispielsweise eine durch den Strom steuerbare Laserdiode, oder aber auch eine CW-Quelle

(also eine insbesondere mit konstanter Frequenz und

Ampitude strahlende "continuous wave source"), deren

Ausgangsstrahlung durch einen nachgeschalteten Modu- lator intensitätsmoduliert wird. Ein Beispiel für eine solche Primär-Quelle ist die RGB-Laser-Lichtquelle

eines vollfarbigen Laser-Video-Projektors, oder aber auch ein für Beschriftungszwecke eingesetzter Infrarot-Laser.

Für einige Anwendungen, für die diese Erfindung von

Relevanz ist, ist es erforderlich, die von der Strahlungsquelle 1 bzw. von der oder den Primär-Quellen emittierte Strahlung zunächst durch eine geeignete Strahlformungseinheit (Optik) in gewünschter Weise zu beeinflussen (z.B. durch Kollimation einer divergenten Strahlungsquelle) .

Eine Strahlablenk-Einheit 2 ist in der Apparatur vorgesehen, um eine ein- oder mehrdimensionale Ablenkung der intensitätsmodulierten Strahlung zu ermöglichen. Für scannende Bildprojektion kann dies ein zweiachsiges Strahlablenksystem sein, welches z.B. aus zwei nacheinander geschalteten einachsigen gezielt beweglichen Ablenkspiegeln besteht. Ebenso gut kann es a- ber auch ein einziger um zwei oder mehr Achsen beweglicher Spiegel oder auch eine andere Ablenkapparatur sein, die es erlaubt, den Ausgangsstrahl der Primär- Quelle bzw. der Primär-Quellen gezielt mindestens vertikal und horizontal abzulenken. Für andere Pro- jektionsaufgaben kann ohne Einschränkung auch eine andere Art der Strahlablenkung, zum Beispiel nur einachsig (Linienprojektion) gewünscht sein.

Die durch die Strahlablenk-Einheit 2 abgelenkte Strahlung wird direkt auf eine Projektionsfläche 3 projiziert. Je nach Applikation kann die Projektions- fläche verschieden gestaltet sein, so beispielsweise im Fall eines aufproj izierenden oder rückproj izieren- den bildgebenden Laserprojektionsverfahren als re- flektierender oder auch transmittierender, in der Regel auch streuender Projektions-Schirm. Im Fall einer

Projektion zur Materialbearbeitung kann es sich bei der Projektionsfläche 3 um vielfältig andere Materialien und Oberflächen handeln, welche es durch die abgelenkte Strahlung zu bearbeiten gilt.

Zusätzlich zur auch als Primär-Quellen-Einheit bezeichneten Strahlungsquelle 1 ist in der hier vorgeschlagenen Apparatur mindestens eine Sekundärquelle 4 vorgesehen, welche hinsichtlich der Ausgangsintensi- tat ebenfalls gezielt modulierbar ist, und zwar mit einer Maximalfrequenz , die vorzugsweise mindestens eben so hoch ist, wie die höchste für die Projektionsaufgabe zum Einsatz kommende Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle 1. Für scannende Bildprojektion mit z. B VGA-Auflösung wird eine Modulationsfrequenz von einigen MHz benötigt.

Die Sekundärquelle 4 muss nicht Anteil haben an der Projektionsaufgabe (Bildprojektion oder Materialbear- beitung, etc.) . In bevorzugten Ausgestaltungen der

Erfindung (siehe z.B. Figur 2) wird die von der Sekundärquelle 4 emittierte Strahlung daher nicht auf die Projektionsfläche 3 projiziert.

Eine Steuereinheit 5 (auch als Kontroll-Einheit bezeichnet) empfängt (in der Figur 1 veranschaulicht durch einen von unten kommenden Pfeil) Projektionsda- ten, bei denen es sich beispielsweise um sequentielle RGB-Video-Daten handeln kann oder aber beispielsweise auch um ein- oder mehrdimensionale Daten zur Materialbearbeitung. In der Regel handelt es sich um Intensitätsinformationen, in Abhängigkeit derer die Strahlungsquelle 1 angesteuert wird. Der Steuereinheit 5 kommt die Aufgabe zu, die Daten zu empfangen zwi- schenzuspeichern und in Auswertung dieser Daten synchronisiert zur Strahlablenk-Einheit 2 die Strah-

lungsquelle 1 anzusteuern. Während in der Steuereinheit 5 aus den Eingangsdaten ein Steuersignal für die Strahlungsquelle 1 erzeugt wird, berechnet dieselbe Steuereinheit 5 basierend auf denselben momentanen Eingangsdaten auch einen momentanen Ansteuer-Signal- wert für die Ansteuerung der Sekundärquelle 4. Dieser Ansteuer-Signalwert für die Sekundärquelle 104 wird im einfachsten Fall folgendermaßen berechnet:

Schritt 1: Wenn die Strahlungsquelle 1 aus mehreren unabhängig voneinander angesteuerten Einzelquellen besteht, wie beispielsweise bei einer Weißlicht- Laserquelle eines Video-Laser-Projektionssystems, bestehend aus einer roten, einer grünen und einer blau- en Lichtquelle, dann wird zunächst der momentan vorliegende Intensitätswert eines jeden dieser verschiedenen Primär-Quellen-Kanäle mit einem Wichtungsfaktor multipliziert. Dieser Wichtungsfaktor kann sich aus experimentell gewonnenen Daten ergeben und beispiels- weise die spektral unterschiedlichen Absorptionseigenschaften des Strahlablenksystems, also der Strah- lablenk-Einheit 2, berücksichtigen. So wird beispielsweise kurzwelliges blaues Licht von einer Aluminium-Reflexionsschicht stärker absorbiert als grü- nes oder rotes Licht. Demzufolge wären bezogen auf die weiter oben geschilderte Temperatur-Problematik die momentanen IntensitätswεrtG für eine blaue Fri- märquelle stärker zu gewichten als die für Grün und für Rot . Die Wichtung kann aber auch darüber hinaus weitere experimentell erkannte Einflüsse berücksichtigen. So wäre es möglich, auch die Abhängigkeit der spektralen Absorption vom veränderlichen Auftreffwinkel auf eine bewegte Spiegelplatte in der Gewichtung zu berücksichtigen. Insofern die Strahlungsquelle 1 aus nur einer einzigen Quelle elektromagnetischer

Strahlung besteht, entfällt die spektrale Wichtung.

Schritt 2: Für den Fall, dass die Strahlungsquelle 1 aus mehreren Einzelquellen besteht, werden die ge- wichteten momentanen Einzel-Intensitätswerte zu einem momentanen Gesamt- Intensitätswert aufaddiert.

Schritt 3. Der ermittelte Gesamt-Intensitätswert wird von einem vorgegebenen Sollwert subtrahiert. Dieser Sollwert ist dabei mindestens so hoch wie die Summe der gewichteten Maximal-Intensitätswerte aller Einzelquellen aus der Strahlungsquelle 1.

Schritt 4 : Der so berechnete Momentanwert verhält sich stets proportional zu dem Energie-Eintrag in die Strahlablenk-Einheit 2, welcher fehlt, um die Strah- lablenk-Einheit 2 permanent auf konstanter Temperatur zu halten. Der so ermittelte Differenzwert wird ebenfalls mit einem Wichtungsfaktor multipliziert. Der Wichtungsfaktor ergibt sich beispielsweise aus expe- rimentell gewonnen Daten zur Absorptionseigenschaft des Strahlablenksystems bei Bestrahlung mit Strahlung der Sekundärquelle 4.

Schritt 5: Schließlich wird basierend auf dem so zu- letzt gewonnenen Momentanwert ein Ansteuer-Signal für die Sekundärquelle 4 erzeugt und das Strahlablenksystem dementsprechend aktiv gεhεizt und damit nicht nur über große Zeiträume hinweg gemittelt sondern auch auf der Zeitskala von Pixel-Belichtungszeiten auf an- nähernd konstanter Temperatur gehalten.

Wiederkehrende Merkmale sind in den weiteren Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung bildet ein RGB- Laser-Display, basierend auf einer RGB-Primär-Quelle

als Strahlungsquelle 1 und einem aus Silizium gefertigten zweiachsigen Mikro-Spiegel-Scanner als Strahl- ablenk-Einheit 2. Das abgelenkte Licht der Strahlungsquelle 1 trifft auf die Projektionsfläche 3. Die Sekundärquelle 4, vorzugsweise eine Nahinfrarot- Laser-Diode (mit einer Wellenlänge zwischen 700 nm und 800 nm) wird auf eine unbeschichtete Rückseite des Silizium-Mikrospiegels gerichtet, der die Strahl- ablenk-Einheit 2 bildet.

Die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung ist ein anderes RGB-Laser-Display, basierend auf einer RGB-Primär- Quelle als Strahlungsquelle 1 und einem aus Silizium gefertigten zweiachsigen Mikro-Spiegel-Scanner als Strahlablenk-Einheit 2. Das abgelenkte Licht der

Strahlungsquelle 1 trifft auf die Projektionsfläche 3. Die Sekundärquelle 4, vorzugsweise eine Nahinfrarot-Laser-Diode mit einer Wellenlänge zwischen 700 nm und 800 nm wird hier ebenfalls auf die verspiegelte Vorderseite des Silizium-Mikrospiegels 2 gerichtet.

Die Effizienz des Heizstrahlers ist bei dieser Anordnung wegen der hohen Reflektivität jedoch deutlich geringer als bei der Anordnung aus Figur 2. Insofern die Sekundärquelle 4 ein Emitter einer nicht sichtba- ren Nahinfrarot Wellenlänge ist, könnte ihre Strahlung ohne Störung des Kontrastes der Laser-Bild- Projektion auf die Projektionsfläche 3 abgelenkt werden. Das wäre bei einem, anders als hier dargestellt, entsprechend angewinkelten Auftreffen dieser Strah- lung auf den Spiegel der Fall.

Auch die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung bildet ein RGB-Laser-Display, basierend auf einer RGB- Primär-Quelle als Strahlungsquelle 1 und einem aus Silizium gefertigten zweiachsigen Mikro-Spiegel- Scanner als Strahlablenksystem oder Strahlablenk-

Einheit 2. Das abgelenkte Licht der durch die Strahlungsquelle 1 gegebenen Primär-Quelle trifft auf die Projektionsfläche 3. Die Sekundärquelle 4, vorzugsweise eine Nahinfrarot-Laser-Diode (also wieder mit einer Wellenlänge zwischen 700 nm und 800 nm strahlend) wird auf die unverspiegelte Rückseite des SiIi- zium-Mikrospiegels gerichtet, der die Strahlablenkeinheit 2 bildet. Der hier dargestellte Silizium- Mikrospiegel-Scanner ist hermetisch verpackt und Va- kuum-verkapselt, wozu er beidseitig von Glasflächen 6 und 7 umgeben ist, die durchstrahlt werden müssen.

Die Ausführungsbeispiele können in beliebiger Kombination auch alle weiteren im allgemeinen Beschrei- bungsteil erläuterten Merkmale aufweisen.

Mit der zuletzt anhand der Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Erfindung wird eine apparative Anordnung und ein Verfahren zur ein- oder mehrdimensionalen Projektion elektromagnetischer

Strahlung vorgeschlagen. Die relevanten Wellenlängen- und Leistungsbereiche, für die die Erfindung angewendet werden kann, umfassen dabei zumindest alle Wellenlängen und Leistungen, die sich mit metallischen oder dielektrischen Spiegeln geeignet ablenken lassen, ohne dass es dabei zur Zerstörung des Ablenk- spiegels bzw. der Ablenkspiegel kommt. Die Anordnung umfasst zumindest zwei oder aber auch mehreren Quellen, nämlich zumindest die Strahlungsquelle 1 und die Sekundärquelle 4, deren emittierte elektromagnetische Strahlung entweder direkt, oder aber indirekt über eine nachgeschaltete Einheit, in der Intensität moduliert werden kann. Die Intensitätsmodulation wird durch eine, zwei oder mehrere elektronische Steuer- einheiten 5 entsprechend einer zugeführten ein- oder mehrdimensionalen Bilddaten-Information gesteuert.

Der intensitätsmodulierte Strahl mindestens einer dieser Quellen kann mittels einer ein- oder mehr- achsigen Ablenkeinheit, hier als Strahlablenk-Einheit 2 bezeichnet, kontrolliert abgelenkt und entweder di- rekt auf die vorgesehene Projektionsfläche 3 gerichtet oder aber indirekt über eine nachgeschaltete Abbildungseinrichtung (z.B. Objektiv) auf die Projektionsfläche 3 projiziert werden. Mindestens eine der intensitätsmodulierbaren Quellen elektromagnetischer Strahlung dient nicht oder zumindest nicht primär der Projektionsaufgabe (z.B. Bildprojektion oder Materialbearbeitung) , sondern ist dazu vorgesehen, vermittelt durch Absorption Energie an die eine oder aber auch mehrere Ablenkeinheiten zu übertragen. Dadurch kann die Temperatur der einen oder mehreren Ablenkeinheiten zeitlich nicht nur auf der Skala von ganzen Bildern oder ganzen Zeilen, sondern wesentlich präziser noch, auf der Skala der Elementarbestandteile von Zeilen, nämlich von Pixeln, konstant gehalten werden.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Figur 4 anstelle der Sekundärquelle 4, die bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen als Heizvorrichtung dient, ist hier eine andere Heizvor- richtung vorgesehen, bei der ein elektrischer Leiter 8 auf der Strahlablenk-Einheit 2 angeordnet ist, der durch Anlegen einer entsprechend gesteuerten Spannung U mit einem Heizstrom beaufschlagt wird, wobei eine hier nicht abgebildete Steuervorrichtung (entspre- chend der Steuervorrichtung 5 aus Figur 1) die Heiz- vorrichtung - wie bei den anderen Ausführungsbeispielen die Sekundärquelle 4 - mittels eines Regelkreises so ansteuert, dass eine Temperatur der Strahlablenk- Einheit 2 konstant auf einem vorgegebenen Wert gehal- ten wird. Dabei wird, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, die - typischer-

weise pixelweise sich ändernde - aktuelle Intensität der Bestrahlung durch die Strahlungsquelle 1 und der damit verbundene Wärmeeintrag berücksichtigt und durch eine entsprechende Heizleistung der Heizvor- richtung kompensiert. Der als Heizdraht dienende e- lektrische Leiter 8 ist durch eine entsprechende Strukturierung einer Leiterbahnebene 9 realisiert. Diese Leiterbahnebene 9 ist auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, auf dessen Basis und durch dessen Strukturierung die Strahlablenk-Einheit 2 gebildet ist.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jeweils eine Strahlablenk-Einheit 2 als bewegli- ches Element einer zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung dienenden mikromechanischen Vorrichtung gezeigt. In anderen Ausführungen der Erfindung können stattdessen andere bewegliche Elemente durch entsprechende Heizvorrichtungen und entsprechend ein- gerichtete Steuervorrichtungen auf einer konstanten

Temperatur gehalten werden, um die mechanischen Eigenschaften dieser beweglichen Elemente konstant zu halten. Im Allgemeinen handelt es sich bei den beweglichen Elementen jeweils um mechanische Mikroaktuato- ren und/oder Resonatoren, wobei durch die hier vorgeschlagene Kompensation thermischer Einflüsse eine Temperatur-, Frequenz- und Phasenstabilisation erreicht werden kann.

Figur 6 zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel, das einen Trägheitssensor bildet, wobei das bewegliche Element hier durch ein Sensorelement 10 gebildet ist, dass auf Basis eines Halbleitersubstrats gebildet und elastisch aufgehängt ist, wobei beschleunigungsbe- dingte Auslenkungen des Sensorelements 10 optisch oder kapazitiv detektiert werden können. Ebenfalls

vorgesehen ist hier ein Temperatursensor 11, mit dem Temperaturänderungen des Sensorelements 10 unmittelbar detektiert werden können. Eine Steuervorrichtung 5 steuert die den Ausführungsbeispielen aus den Figu- ren 1 bis 4 entsprechende und als Heizvorrichtung dienende Sekundärquelle 4 mittels eines Regelkreises so, dass die Temperatur des Sensorelements 10 zumindest in einem zeitlichen Mittel konstant gehalten wird. Anstelle der Sekundärquelle 4 (der Begriff Se- kundärquelle wird hier allgemein für zu temperie- rungszwecken vorgesehene Strahlungsquellen verwendet, auch wenn die Vorrichtung selbst keine Primärquelle aufweist) kann bei einer Abwandlung selbstverständlich wieder eine andere Heizvorrichtung verwendet werden, beispielsweise ein entsprechend mit Strom beaufschlagter elektrischer Leiter wie bei dem Ausführungsbeispiel aus Figur 5.

Den verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Er- findung gemeinsam ist die Temperaturstabilisierung mikromechanischer Elemente durch Heizvorrichtungen, die, abhängig von einer - beispielsweise gemessenen - Temperatur und/oder von einem durch andere Maßnahmen verursachten Wärmeeintrag so angesteuert werden, dass Einflüsse, die andernfalls zu einer Temperaturände- rung führen würden, kompensiert werden. Die Erfindung ist insbesondere auf Vakuum-verpacktε Mirkoaktuato- ren- und/oder mikromechanische Resonatoren anwendbar, bei denen es sich z.B. um auslenkbare Mikrospiegel handeln kann. Wenn dabei als Heizvorrichtung eine Sekundärquelle zum Einsatz kommt, so ist diese jedenfalls nicht mit einer Strahlungsquelle vergleichbar, die unter Umständen vorgesehen ist, um mit dem Mikrospiegel zusammenwirkend elektromagnetische Strahlung zu Projizieren. In diesem Fall wird die Sekundärquelle vorzugsweise so angeordnet, dass von ihr ausgehen-

de Strahlung, sofern sie an dem beweglichen Element reflektiert wird, jedenfalls in eine deutlich andere Richtung geworfen wird als die Strahlung, die von der eigentlichen Strahlungsquelle ausgeht. Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundärquelle dazu auch in einem signifikant anderen Wellenlängenbereich arbeiten als die Strahlungsquelle, die zum Erzeugen der projizierten Strahlung dient. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Heizvorrichtung und die damit er- reichte gleichmäßige Temperierung wird dabei in erster Linie eine änderung mechanischer (und nicht primär optischer) Eigenschaften der mikromechanischen Vorrichtung vermieden, insbesondere eine änderung von mechanischen Resonanzeigenschaften des beweglichen Elements.