Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroscanner zur Projektion, insbesondere zur Lissajous-Projektion, von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld sowie ein mit einem solchen Mikroscanner ausgestattetes Strahlablenkungssystem zur Projektion von Bildfolgen, insbesondere von Bildfolgen mit einer bestimmten konstanten Bildwiederholfrequenz.

Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „micro- scanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror“ bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-opto- elektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. Im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. Im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels rotatorisch erfolgt. Bei Mikroscannern wird die Modulation, in Abgrenzung gegenüber Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken mehrerer Spiegel erfolgt, über einen einzelnen Spiegel erzeugt.

Mikroscanner können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.

Mikroscanner bestehen in vielen Fällen aus einer Spiegelplatte (Ablenkplatte), die seitlich an elastisch dehnbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse beweglich aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln.

Sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion dient ein Mikroscanner dazu, elektromagnetische Strahlung wie z.B. einen Laserstrahl oder aber einen geformten Strahl einer beliebigen anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung mindestens zweidimensional, z.B. horizontal und vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes abzutasten bzw. auszuleuchten. Insbesondere kann dies so erfolgen, dass der gescannte Laserstrahl eine rechteckige Fläche auf einer Projektionsfläche im Projektionsfeld überstreicht. Somit kommen bei diesen Anwendungsfällen Mikroscanner mit zumindest zweiachsigem Spiegel oder im optischen Pfad hintereinandergeschaltete einachsige Spiegel zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich der abzulenkenden Strahlung kann grundsätzlich aus dem gesamten Spektrum von kurzwelliger UV-Strahlung, über den VIS-Bereich, NIR-Bereich, IR-Bereich, FIR-Bereich bis hin zu langwelliger Terraherz- und Radarstrahlung ausgewählt sein.

Häufig werden Mikroscanner mit den Methoden der Siliziumtechnologie hergestellt. Basierend auf Silizium-Wafer-Substraten dienen Schichtabscheidung, Fotolithographie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Silizium auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren, insbesondere als ein Chip. Anstelle von Silizium sind auch andere Halbleitermaterialien möglich.

Als Antriebe werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch (= nichtresonant) oder resonant erfolgen, letzteres insbesondere um größere Schwingungsamplituden, größere Auslenkungen und höhere optische Auflösungen zu erreichen. Außerdem lassen sich im resonanten Betrieb grundsätzlich auch der Energieverbrauch minimieren oder Vorteile insbesondere in Bezug auf Stabilität, Robustheit, Fertigungsausbeute, etc. erzielen. Typisch sind Scanfrequenzen von 0 Hz (quasistatisch) bis hin zu über 100 kHz (in Resonanz).

Obwohl die hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroscanner grundsätzlich in vielen verschiedenen Bereichen sinnvoll und erfolgreich eingesetzt werden können, wird nachfolgend insbesondere auf ihre Anwendung im Bereich der Laser- Projektions- Displays eingegangen. In vielen bekannten Fällen handelt es sich bei Mikroscanner-basierten Laser- Projektions-Displays um sogenannte Rasterscan-Displays, bei denen eine erste Strahlablenkachse bei hoher Frequenz in Resonanz (typisch 15 kHz bis 30 kHz) betrieben wird (schnelle Achse), um die Horizontalablenkung zu erzeugen und eine zweite Achse bei niedriger Frequenz (typisch 30 Hz bis 60 Hz) quasistatisch betrieben wird, um die Vertikalablenkung zu erzeugen. Ein fest vorgegebenes rasterförmiges Linienmuster (Trajektorie) wird dabei typischerweise 30 bis 60-mal pro Sekunde reproduziert.

Ein anderer Ansatz wird in den sogenannten Lissajous-Mikroscannern, insbesondere auch bei Lissajous-Scan-Displays verwendet. Dort werden beide Achsen üblicherweise in Resonanz betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajousfigur erzeugt. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen. Insbesondere die Vertikalablenkung kann daher sehr viel größer sein als bei einem Rasterscanner. Entsprechend kann bei einem Lissajous-Mikroscanner, insbesondere einem Lissajous- Scan-Display, meist eine deutlich höhere optische Auflösung erzielt werden als bei einem Raster-Scan-Display, insbesondere in vertikaler Richtung.

Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken.

Eine oder mehrere der folgenden Anforderungen werden typischerweise an ein Mikroscanner-basiertes Lissajous-Laserstrahl-Ablenksystem gestellt:

- hohe Scanfrequenzen, z.B. zwischen minimal 10 kHz und maximal 80 kHz, um insbesondere möglichst viele Zeilen pro Sekunde projizieren und hohe Trajektorienwiederholraten und, darauf aufbauend, hohe Bildwiederholraten realisieren zu können;

- vorzugsweise sollten sich beide Strahlablenk-Achsen (Schwingungsachsen) hinsichtlich ihrer Scanfrequenzen nicht zu stark unterscheiden und somit zwei schnelle Achsen darstellen, um auf diese Weise insbesondere sehr günstige Trajektorien, eine gute und sehr schnelle Abdeckung des Projektions-Gebietes und im Falle von Displays möglichst wenige oder nur gering ausgeprägte Flacker- Artefakte beim Betrachter zu erzeugen. Die Begriffe „schnell“ und „langsam“ in Bezug auf eine jeweilige (Schwingungs-)achse beziehen sich hierin jeweils auf die Schwingungsfrequenz, mit der das Ablenkelement (Spiegel) des Mikroscanners bei dessen Betrieb um eine zugehörige Achse schwingt. Die Begriffe werden insbesondere relativ benutzt, um eine „schnellere“ Achse von einer „langsameren“ Achse zu unterscheiden. Vorteilhaft sind stets Frequenzverhältnisse, die dicht neben einem ganzzahligen Verhältnis der Frequenz h der schnelleren Achse zur Frequenz f2 der langsameren Achse liegen, so dass entsprechend das Verhältnis fi/f2 z.B. nahe bei 1, 2, 3, 4 usw. liegt. Dabei spielt die Verstimmung der jeweiligen Frequenz gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz bestimmt darüber, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu. Bei einer Verstimmung der Frequenz größer null beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung der Frequenz gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate von z.B. 30 Hz, 40 Hz, ....100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. - genauer - unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Durch das Eingreifen von Phasenregelkreisen und anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen);

- große Spiegeldurchmesser, insbesondere um kleine Spotgrößen und hohe optische Bildpunktauflösung realisieren zu können. Speziell im Zusammenspiel mit optischen Wellenleitern (engl wave guides) sind große Spiegeldurchmesser von großem Vorteil, um dadurch eine große sog. „Eyebox“ (Augenboxe) und geringe diffraktive Verluste und möglichst wenig Artefakte erzielen zu können;

- große Strahlablenkwinkel, insbesondere um damit möglichst hohe Bildpunktauflösung und ein großes Projektions- bzw. Beobachtungsfeld (Field-of- View, FoV) zu ermöglichen;

- möglichst geringer Bauraum bzw. geringe Chipgröße, insbesondere um zu ermöglichen, dass der Mikroscanner-basierte Laser- Projektor von elektronischen Endgeräten, beispielsweise von Smart-Brillen (z.B. Augmented Reality (AR)-Brillen, Smartphones oder Tablet-Computern, nahezu unsichtbar in den Brillenbügeln bzw. im Gehäuse des Smartphones oder Tablets verschwinden kann, aber zugleich auch, um geringe Fertigungs-Kosten ermöglichen zu können;

- minimale Leistungsaufnahme, insbesondere um eine geringe Wärmeentwicklung der des Endgeräts und eine möglichst lange Batterielaufzeit zu ermöglichen. Es handelt sich dabei jedoch häufig um einander entgegengesetzt wirkende Anforderungen, wie folgende Beispiele zeigen:

- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, um Kompaktheitsanforderungen besser bedienen zu können, verliert in der Regel an Aktuatorfläche, damit an Antriebskraft bzw. -drehmoment und dadurch an Maximalauslenkung und somit insbesondere an (Bildpunkt-)Auflösung und Performanz (z.B. Bildfeldgröße, erreichbare Trajektorienwiederholrate und dadurch bedingte nutzbare Bildwiederholrate).

- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, verliert in der Regel an Fläche, die der Unterbringung von Federaufhängungen zur Verfügung steht. Damit erhöht sich der Stress in den Aufhängungen und reduziert sich die mechanische Auslenkung und damit zugleich auch die optische Auflösung und Performanz.

- Ein Mikroscanner, dessen Leistungsaufnahme zu Gunsten einer längeren Funktionsdauer eines mobilen Gerätes bzw. einer darauf ablaufenden Applikation reduziert wird, verliert in der Regel an Antriebskraft bzw. -drehmoment , dadurch an Auflösung und Performanz.

- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen kleinerer Spots und dadurch höherer optischer Auflösung vergrößert wird, nimmt in der Regel an Masse und Trägheitsmoment zu und verringert daher die erreichbare Dynamik und Geschwindigkeit.

- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen höherer optischer Auflösung vergrößert wird, zeigt dadurch in der Regel größere dynamische Deformationen, wodurch sich die Strahldivergenz und die Spotgröße vergrößern und sich die Auflösung teilweise verringert.

- Eine Federaufhängung, die zu Gunsten höherer Scangeschwindigkeiten und höherer Trajektorienwiederholrate versteift wird, erzielt in der Regel geringere Auslenkungen und verringert darüber die erreichbare optische Auflösung.

Insgesamt ergeben sich somit beim Entwurf von Mikroscannern in der Regel herausfordernde Optimierungsprobleme, zu deren Lösung oftmals nicht nur einer oder mehrere der oben genannten Parameter, sondern darüber hinaus noch viele andere Eigenschaften und Randbedingungen mitberücksichtigt werden müssen. Solche zusätzlichen Eigenschaften und Randbedingungen können insbesondere die Herstellbarkeit, Herstellungskosten, Ausbeute, elektronische Ansteuerbarkeit, Reproduzierbarkeit, verfügbare Modulationsbandbreite von Laserquellen und Treibern und vieles andere mehr betreffen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, zumindest zweiachsigen, insbesondere resonant betreibbaren, Mikroscanner zur Lissajousfigur- förmigen Abtastung eines Beobachtungsfeldes bzw. (gleichbedeutend) Projektionsfeldes bereitzustellen, der eine Verbesserung bezüglich zumindest einer der vorgenannten Problemstellungen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld. Der Mikroscanner weist auf: (i) ein Ablenkelement, insbesondere eine Spiegelplatte, mit einer als Mikrospiegel ausgebildeten Spiegelfläche zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; (ii) eine das Ablenkelement zumindest abschnittsweise umgebende Tragestruktur; und (iii) eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl von Federn. Mittels der Federn ist das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt, dass es relativ zur Tragestruktur simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. Zumindest eine der Federn weist einen Federabschnitt auf, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von zwei oder mehr entlang seiner Längsrichtung aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern ausgebildet ist. Der Federabschnitt ist, insbesondere wenn sich das Ablenkelement in seiner Ruhelage befindet, innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement und der Tragestruktur angeordnet und dabei mit seiner Längsrichtung entlang einer, insbesondere kurvenförmigen, Linie geführt, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, radialen Richtung verläuft.

Jeder der beiden Oszillationen kann individuell insbesondere resonant, d.h. als Schwingung mit einer Eigenfrequenz des Mikroscanners bezüglich der zugehörigen Schwingungsachse erfolgen. Es können auch beide Oszillationen simultan mit ihrer jeweiligen Eigenfrequenz auftreten (sog. „doppeltresonanter“ oder „beidachsig resonanter“ Betrieb). Unter einer „Feder“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein elastischer Körper, insbesondere ein Maschinenelement, zur Aufnahme und Speicherung mechanischer (potentieller) Energie zu verstehen, der bzw. das sich unter Belastung im Lastbereich unterhalb einer Elastizitätsgrenze gezielt verformt und bei Entlastung wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt.

Unter einem „Ablenkelement“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Körper zu verstehen, der eine reflektierende Fläche (Spiegelfläche) aufweist, die glatt genug ist, dass reflektierte elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das Ablenkelement kann insbesondere als Spiegelplatte mit zumindest einer Spiegelfläche ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Insbesondere kann die Spiegelfläche selbst aus einem anderen Material bestehen, z.B. aus einem, insbesondere abgeschiedenen, Metall, als der sonstige Körper des Ablenkelements.

Unter einer „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.

Unter einer „Lissajous-Projektion“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale und zumindest im Wesentlichen sinusförmige Schwingungen (Oszillationen) eines die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkelements bewirkt wird.

Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe "umfasst", "beinhaltet", "schließt ein", "weist auf", "hat", "mit", oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.

Ferner bezieht sich "oder", sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).

Die Begriffe "ein" oder "eine", wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe "ein anderer" und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.

Der Begriff "Mehrzahl", wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.

Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.

Ein Mikroscanner nach dem ersten Aspekt erlaubt es insbesondere, einerseits große optische Scanwinkel und hohe Scanfrequenzen zu realisieren und andererseits zugleich den Raum- bzw. Flächenbedarf für den Mikroscanner klein zu halten.

Insbesondere sind beispielhafte Ausführungsformen solcher Mikroscanner möglich, die für doppeltresonanten Lissajous-Betrieb bei Spiegeldurchmessern von kreis- oder ringförmigen Mikrospiegeln zwischen 0,5 mm und 30 mm einerseits große optische Scanwinkel im Bereich von mindestens 20° und beispielsweise bis zu 90° und andererseits Scanfrequenzen zwischen 2 kHz und 90 kHz zu erzielen erlauben und dabei aus Kostengründen nicht mehr (Chip-) Kantenlänge benötigen als etwa das Doppelte oder Dreifache des Spiegel-Durchmessers. Somit ist auch eine breite Verwendung in verschiedensten möglichen Applikationen eröffnet, etwa dann, wenn es um den Einbau des Mikroscanners in ein mobiles Consumer-Endprodukt, wie etwa in ein Smartphone, einen tragbaren Computer oder gar in ein sog. „Wearable“-Device (z.B. „Smart-Watch“) geht. Nachfolgend werden weitere bevorzugte Ausführungsformen des Mikroscanners beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.

Bei einigen Ausführungsformen weist eine der Mäandern einen ersten und einen zweiten, jeweils entlang einer auf den geometrischen Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen jeweiligen radialen Richtung verlaufenden, geradlinigen Mäanderschenkel sowie einen dritten Mäanderschenkel auf, der den ersten Mäanderschenkel und den zweiten Mäanderschenkel verbindet und dabei zur Mäander ergänzt. Bevorzugt gilt dies sogar jeweils für sämtliche Mäandern des Federabschnitts. Eine solche Mäandergeometrie stellt insbesondere dann eine sehr platzsparende Ausgestaltung der Federn dar, wenn die Längsrichtung des Federabschnitts, auf den Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, azimutal (also orthogonal zu den dabei gekreuzten Radialrichtungen) oder jedenfalls zumindest überwiegend azimutal verläuft. Dies gilt vor allem, wenn das Ablenkelement einen bogenförmigen, insbesondere kreisbogenförmigen Umfang aufweist.

Bei einigen dieser Ausführungsformen weisen der erste Mäanderschenkel und der zweite Mäanderschenkel jeweils eine in, auf den Mittelpunkt des Mikrospiegels bezogen, azimutaler Richtung bestimmte Strukturbreite auf, die im Bereich von minimal 0,05° und maximal 5,00° liegt oder darin verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass bei dieser Dimensionierung der Mäandergeometrie und der davon abhängigen Federsteifigkeit ein im Hinblick auf die Erreichung einerseits großer optische Scanwinkel und hoher Scanfrequenzen bei geringem Raum- bzw. Flächenbedarf besonders günstiger Kompromiss erreicht werden kann.

Bei einigen der vorgenannten Ausführungsformen ist der dritte Mäanderschenkel bogenförmig entlang der azimutalen Richtung geführt. Auch dies kann vorteilhaft zur Optimierung, insbesondere Minimierung des benötigten Raum- bzw. Flächenbedarfs für die Feder(n) bzw. deren (jeweilige) mäanderfederförmige(n) Federabschnitt(e) unter gleichzeitiger Sicherstellung von deren gewünschten Federeigenschaften (insbesondere im Hinblick auf Scanwinkel, Scanfrequenzen, Auflösung usw.) genutzt werden.

Bei einigen Ausführungsformen weist das Ablenkelement einen gekrümmten, insbesondere kreisbogenförmigen, Umfangsabschnitt auf und der Federabschnitt ist entlang seiner Längserstreckung zumindest abschnittsweise parallel zu dem Verlauf dieses Umfangsabschnitts des Ablenkelements geführt. Bevorzugt verlaufen die jeweiligen mäanderförmigen Federabschnitte sämtlicher der Federn entsprechend zumindest abschnittsweise parallel zum Verlauf des Umfangs des Ablenkelements. Auch diese Ausführungsformen können insbesondere vorteilhaft dazu genutzt werden, den für die Federn mit den gewünschten Federeigenschaften benötigten Raum- bzw. Flächenbedarf gering, insbesondere minimal zu halten.

Bei einigen dieser Ausführungsformen verläuft der Umfang des Ablenkelements zumindest in einem Umfangsabschnitt kreisbogenförmig und der Federabschnitt ist mit seiner Längsrichtung entlang einer Linie geführt, die zumindest abschnittsweise parallel zu dem kreisbogenförmigen Verlauf dieses Umfangsabschnitts des Ablenkelements verläuft. Insbesondere kann der Umfang des Ablenkelements insgesamt kreisförmig sein. Bei diesen Ausführungsformen handelt es sich um besonders raum- bzw. flächensparende Lösungen

Bei einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei der folgenden Funktionselemente des Mikroscanners zumindest jeweils anteilig aus demselben plattenförmigen Substrat gefertigt: die Federeinrichtung, der Ablenkelement, die Tragestruktur. Insbesondere kann es sich bei dem Substrat um ein Halbleitersubstrat, etwa ein Siliziumsubstrat, handeln, aus dem zumindest zwei, bevorzugt sämtliche der vorgenannten Funktionselemente gefertigt sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Mikroscanner, beziehungsweise die genannten Funktionselemente davon im Rahmen einer selben Substratprozessierung hergestellt werden können, anstatt zunächst in getrennten Prozessen als separate Komponenten hergestellt und nachfolgend zu Mikroscanner zusammengefügt zu werden. Zum anderen erlaubt gerade die Herstellung des Mikroscanners bzw. der genannten Funktionselemente aus einem einzigen Substrat einen besonders Raum- bzw. Flächen effiziente Lösung, da hier die aus der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik bekannt Herstellungsprozesse genutzt werden können, die insbesondere die gezielte Herstellung kleinster Strukturen erlauben.

Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Federn der Federeinrichtung 2, 3, 4, 5, oder 6. Dies ist zum einen dahingehend vorteilhaft, dass eine derart begrenzte Anzahl von Federn mit der Anforderung eines besonders Raum- bzw. Flächen sparenden Mikroscannerdesigns noch vereinbar ist, andererseits jedoch auch die Ausbildung der zwei orthogonalen Schwingungssachsen mit ausreichend hohen Scanfrequenzen (insbesondere Resonanzfrequenzen) ermöglicht ist. Eine gerade Anzahl von Federn kann insbesondere dazu genutzt eine frequenzunabhängige feste Lage der beiden Schwingungsachsen a priori zu definieren, während eine ungerade Federanzahl besonders dann vorteilhaft genutzt werden kann, wenn es darauf ankommt, dass die Resonanzfrequenzen beider Schwingungsachsen übereinstimmen.

Bei einigen Ausführungsformen weist der Microscanner des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum unmittelbaren oder mittelbaren Antrieb der Oszillationen des Mikroscanners um die beiden Schwingungsachsen auf. Als Antriebe kommen insbesondere elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die bereits im Rahmen der MEMS-Fertigung auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht- MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass der MEMS-Spiegel in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt.

Insbesondere kann die Antriebseinrichtung gemäß einiger dieser Ausführungsformen zumindest ein Antriebselement mit einem Piezoaktuator aufweisen, der auf einer der Federn angeordnet ist, um diese in Schwingung zu versetzen. Dies stellt eine besonders platzsparende und zudem aufgrund der direkten Kopplung des Piezoaktuators mit der Feder besonders effektive und insbesondere auch energieeffiziente Möglichkeit zur Implementierung einer Antriebseinrichtung für den Mikroscanner dar.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann. Die Aktuatorik kann dazu insbesondere einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen oder daraus bestehen.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebseinrichtung dabei so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement derart in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachsen versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz fi bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: fi/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) und für die Verstimmung v gilt: v = (f 1 -f2)/f2 mit (f 1 -f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis fi/f2 nahe bei 1, 2, 3, bzw. 4, usw.

Die Verstimmung v kann insbesondere so erreicht werden, dass sich nur eine der beiden Schwingungsfrequenzen oder aber beide jeweils von der jeweiligen Resonanzfrequenz zur zugehörigen Schwingungsachse unterscheidet bzw. unterscheiden. Dabei spielt die Verstimmung v gegenüber einem ganzzahligen Frequenzverhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz legt fest, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu.

Bei einer nichtganzzahligen Verstimmung v > 0 beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung v gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate (vollständige Phasendurchläufe/Zeit), z.B. aus dem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Insbesondere beim Einsatz von Phasenregelkreisen oder anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen). Auf Basis einer derart gewählten Verstimmung v lässt sich insbesondere auch eine verbesserte, d.h. zumindest im zeitlichen Mittel, erhöhte Liniendichte erreichen.

Bei einigen Ausführungsformen ist der Mikroscanner so ausgelegt, dass das Ablenkelement simultan um beide zu einander orthogonalen Schwingungsachsen mit einer jeweiligen achsenspezifisch individuellen Resonanzfrequenz frei schwingen kann. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, den Mikroscanner für Lissajous- Projektionen mit zwei „schnellen“ (hochfrequenten) Schwingungsachsen zu konfigurieren, deren Resonanzfrequenzen nah beieinander liegen aber dabei kein exakt ganzzahliges Verhältnis bilden. In solchen Fällen ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie im Beobachtungsfeld, beziehungsweise auf einer im Beobachtungsfeld quer zur optischen Achse der Projektion liegenden Objektfläche (z.B. Leinwand), die in sehr kurzer Zeit das Bildfeld füllen bzw. ausleuchten, insbesondere im Rahmen einer digitalen Abbildung jedes Pixel des Bildfelds abbilden kann. Die dafür benötigte Zeitspanne maßgeblich durch die Wahl der Resonanzfrequenzen bestimmt.

Insbesondere kann dabei gemäß einiger dieser Ausführungsformen das Verhältnis der größeren der Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Oszillationen zur kleineren dieser Oszillationen einem ganzzahligen Wert entsprechen oder um höchstens 10%, bevorzugt um höchstens 5%, von dem Verhältnis nächstliegenden ganzzahligen Wert abweichen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Federeinrichtung, insbesondere zum Zwecke der Ausbildung unterschiedlich schneller Schwingungsachsen, zur Aufhängung des Ablenkelements an der Tragestruktur eine gerade Anzahl N baugleicher Federn aufweist, deren Gesamtanordnung jedoch so von einer N-zähligen Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen stehenden Symmetrieachse abweichend gewählt ist, dass die durch die N Federn insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements nebst den Federn für die beiden Schwingungsachsen unterschiedlich ausfällt. Beispielsweise kann man die Verstimmung der beiden Schwingungsachsen vornehmen, wenn man vier identische Federn an einem kreissymmetrischen Mikrospiegel (z.B. Spiegelplatte) angreifen lässt und dabei die Abstände zwischen den jeweils benachbarten Federn nicht exakt gleich wählt.

Bei einigen anderen Ausführungsformen ist die Anzahl N der Federn, mittels derer der Ablenkelement an der Tragestruktur aufgehängt gerade. Die Gesamtanordnung der N Federn weist eine N-zählige Rotationssymmetrie bezüglich einer orthogonal zu beiden Schwingungsachsen stehenden Symmetrieachse auf. Zudem sind die jeweiligen Federbreitenprofile der N Federn entlang ihres jeweiligen Verlaufs (d.h. insbesondere entlang des mäandernden Verlaufs des Federkörpers selbst) oder ihrer jeweiligen Längserstreckung jedoch auf solche Weise verschieden gewählt, dass N/2 der Federn ein erstes Federbreitenprofil (Federbreite als Funktion der betrachteten Position entlang der Längsrichtung des Federabschnitts) und die anderen N/2 Federn jeweils ein davon verschiedenes korrespondierendes zweites Federbreitenprofil aufweisen, so dass die durch die N Federn insgesamt bewirkte Federsteifigkeit der Federeinrichtung und/oder das effektive Trägheitsmoment der schwingungsfähigen Anordnung des Ablenkelements nebst den Federn für die beiden Schwingungsachsen unterschiedlich ausfällt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen, kardanisch (d.h. mit Gimbal) aufgehängten Mikrospiegel mit Kammantrieben gemäß einer aus der EP 2 514 211 B1 bekannten Mikroscanner-Architektur; Fig. 2 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei Mäanderfedern;

Fig. 3 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit vier Mäanderfeder;

Fig. 4 schematisch eine Aufsicht auf einen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit drei Mäanderfedern; und

Fig. 5 schematisch ein beispielhaftes Strahlablenkungssystem mit einem Mikroscanner gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Zunächst wird nun unmittelbar nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Mikroscanner-Architekturen bezüglich ihrer Spiegelaufhängung kurz beschrieben, um einen kurzen Überblick über eine technische Ausgangslage zu liefern, von der die vorliegende Erfindung ausgeht.

In Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine aus der EP 2 514211 B1 bekannte Mikroscanner-Architektur 100 mit einem zweiachsigen (orthogonale Schwingungsachsen Ai und A2), kardanisch aufgehängten Mikrospiegel 105 (Spiegelplatte) illustriert. Es sind zudem elektrostatische achsenferne Kammantriebe 110 und achsennahe Kammantriebe 115 dargestellt, die auch als Sensorelektroden verwendet werden können. Die Spiegelplatte 105 ist über innere Torsionsfedern 120 in einem beweglichen Rahmen 125 aufgehängt, der durch externe Torsionsfedern 130 in einem festen Chiprahmen 135 aufgehängt ist. Der Rahmen 125 kann durch elektrostatische Kammantriebe 140 in Resonanz versetzt werden, wobei auf die Darstellung von ebenfalls vorhandenen achsennahen Kammelektroden zu Antriebs oder Sensorzwecken des beweglichen Rahmens 125 der Übersichtlichkeit wegen verzichtet wurde. Die dargestellten Schwingungsachsen A1 und A2 wurden zur besseren Veranschaulichung der aus der EP 2 514 211 B1 entnommenen Figur (vgl. dort Fig. 3) hinzugefügt und die Bezugszeichen wurden angepasst.

Nun werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 verschiedene beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen von Mikroscanner-Architekturen erläutert. In den Figuren 2 bis 4 werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet. Fig. 2 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform 200 eines erfindungsgemäßen zweiachsigen Mikroscanners. Der Mikroscanner 200 weist eine kreisringförmige Spiegelplatte als Ablenkelement 205 auf, die über eine Federeinrichtung mit einer Mehrzahl N von Federn (hier beispielhaft N = 2) Federn 210 an einem als Tragestruktur dienenden, das Ablenkelement 205 und die Federn 210 umgebenden Rahmen 215 aufgehängt ist. Der Rahmen 215 weist vorteilhaft insbesondere eine höhere Verwindungs- und Biegesteifigkeit auf als die Federn 210. Er kann insbesondere als starrer Chiprahmen aus einem Halbleitersubstrat, wie etwa Silizium, gefertigt sein. Jede der Federn 210 erstreckt sich dabei zwischen einem zugeordneten Ansatzpunkt 220 am Rahmen 215 einerseits und einem zugeordneten Kopplungspunkt 225 am Ablenkelement 205. Mittels der Federn 210 ist das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt, dass es relativ zur Tragestruktur 215 simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse Ai sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse A2 ausführen kann, um durch Reflektion eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls ( ) eine Lissajous- Projektion in ein Beobachtungsfeld (645) zu bewirken. Die beiden Oszillationen können insbesondere jeweils individuell resonant oder zusammen doppeltresonant sein.

Jede der Federn 210 einen Federabschnitt 210a auf, der als Mäanderfeder mit einer Abfolge von Mehreren entlang seiner (federmittig gelegenen) Längsrichtung aufeinanderfolgenden und sich quer dazu erstreckenden Mäandern 210b ausgebildet ist. Der Federabschnitt 210a ist innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Ablenkelement 205 und der Tragestruktur bzw. dem Rahmen 215 angeordnet und ist dabei mit seiner Längsrichtung 21 Od entlang einer, insbesondere kreisbogenförmigen Linie geführt, die abweichend von einer, auf den geometrischen Mittelpunkt M des Ablenkelements bzw. Mikrospiegels 205 bezogen, radialen Richtung verläuft, insbesondere orthogonal dazu. Der Kreisbogen definiert insbesondere eine, auf den Mittelpunkt M bezogen, azimutale Richtung (in Polarkoordinaten)

Als „Mäander“ 210b wird hier insbesondere eine Schleife in der Struktur der Mäanderfeder verstanden, die schleifenförmig zwischen zwei entlang der Längsrichtung 21 Od der Mäanderfeder aufeinanderfolgenden Kreuzungspunkten der Feder mit der Federmittellinie (hier mit der Linie 21 Od zusammenfallen) verläuft. Nur zum Zwecke der Illustration ist in Fig. 2 eine der Mäandern dicker eingezeichnet als die übrigen, wenngleich sich die Breiten der Mäandern in diesem Ausführungsbeispiel tatsächlich nicht voneinander unterscheiden müssen bzw. sollen. Die jeweiligen in einer auf den radialen Richtung verlaufende Segmente einer Mäander 210b weisen vorzugsweise (laterale) Strukturbreiten von minimal 0,05° und maximal 5° pro radial verlaufendem Mäanderglied auf die zugleich entlang von Kreisbögen um die Spiegelplatte 205 angeordnet sind. Jeder Federabschnitt 210a ist rahmenseitig über einen zur jeweiligen Feder 210 gehörenden Federsteg 210c an den Rahmen 215 gekoppelt, der insbesondere in einer, auf den geometrischen Mittelpunkt M des Mikrospiegels 205 bezogen, radialen Richtung verlaufen kann.

Insgesamt kann mit der in Fig. 2 illustrierten Mikroscanner-Architektur einerseits eine sehr große Federlänge erzielt und gleichzeitig ein sehr platzsparendes Design realisiert werden (gleiches gilt ebenso für die in den Figuren 3 und 4 gezeigten weiteren Mikroscanner-Architekturen).

Als Antriebe kommen elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und thermische Antriebe in Frage, die insbesondere bereits im Rahmen einer MEMS- Fertigung des Mikroscanners auf Waferebene ganz oder teilweise mit vorgesehen und gefertigt werden können. Daneben kommen auch sogenannte externe Antriebe in Frage, die das Bauelement von einem externen Nicht-MEMS-Aktuator aus mit Vibrationsenergie im geeigneten Frequenzbereich versorgen, derart, dass das Ablenkelement in einer oder beiden Achsen zu schwingen beginnt. Besonders vorteilhaft können piezoelektrische Aktuatoren auf den Federn 210, insbesondere deren mäanderförmigen Federabschnitten 210a) selbst untergebracht werden, wo sie effizient die Spiegelschwingung anregen können. In Fig. 2 ist dies exemplarisch für (nur) eine Feder 210 mit einem darauf angeordneten Piezoaktuator 230 dargestellt. Der Antrieb kann insgesamt insbesondere so eingerichtet sein, dass er jeder der beiden Schwingungsachsen Ai und A2 in ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz antreibt (doppeltresonanter Betrieb). Dieser Betriebsmodus kann vorteilhaft in Laser-Projektions- Displays und bildgebenden Sensoren wie 3D-Kameras, LIDAR-Sensoren, OCT-Geräten etc. sowie in der Laser-Material-Bearbeitung eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft sind Lissajous-MEMS-Scanner mit zwei „schnellen“ Achsen, deren Resonanzfrequenzen zueinander beinahe, aber nicht exakt, ein ganzzahliges Verhältnis bilden. Dann ergibt sich eine Lissajous-Trajektorie, die in vorteilhafter weise das Bildfeld in einer sehr kurzen Zeitspanne effizient ausfüllen kann, die beim Design des Mikroscanners durch entsprechende Festlegung der Resonanzfrequenzen konfigurierbar ist. Eine vorteilhafte Wahl besteht insbesondere darin, ein Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenzen von nahe 1 auszuwählen und dann eine Differenzfrequenz der tatsächlichen Resonanzfrequenzen für die beiden Oszillator- Achsen Ai und A2 so einzustellen, dass diese Differenz der gewünschten Trajektorienwiederholrate entspricht, die vorteilhaft insbesondere der Bildwiederholrate (bei der Projektion von Bildfolgen, etwa im Videoprojektions- oder Sensorbetrieb) entsprechen kann. Beispielsweise kann die erste Achse Ai auf 10 kHz abgestimmt sein und die zweite Achse A2auf 10,2 kHz, um eine Trajektorienwiederholrate von 200 Hz zu realisieren.

Auf besonders vorteilhafte Weise kann man die Verstimmung der beiden Achsen Ai und A2 vornehmen, wenn man, wie in Fig. 3 beispielhaft illustriert, N = 4 identische Federn an der Spiegelplatte 205 angreifen lässt und dabei die Abstände zwischen den Federn nicht exakt gleich wählt. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist ein Mikroscanner 300 dargestellt, bei dem der Abstand zwischen den beiden (in der Figur) oberen Federn kleiner ist als der Abstand zwischen einer oberen und einer unteren Feder. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Gesamtfedersteifigkeiten und auch unterschiedliche Trägheitsmomente für die zwei unterschiedlichen Schwingungsachsen Ai und A2, was zur Verschiebung/Aufspaltung der Resonanzfrequenzen trotz identischer Federgeometrien führt. Alternativ kann die Aufspaltung aber insbesondere auch bei identischen Federabständen, dafür aber verschiedenen Federbreiten von jeweils zwei der vier Federn erzielt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform 400 eines Mikroscanner, bei dem N = 3 Federn 210 vorgesehen sind, die - wie illustriert - insbesondere rotationssymmetrisch um das Ablenkelement 205 herum angeordnet sein können. Der Mikroscanner 400 ist insbesondere für Anwendungen wie etwa Projektions-Anordnungen vorteilhaft, bei denen es sogar gewünscht ist, identische Resonanzfrequenzen für beide Achsen Ai und A2 zu erzielen, um eine Projektionsfläche im Beobachtungsfeld vollständig per Kreisbahnen oder Ellipsenbahnen bzw. -trajektorien abzuscannen. Dazu muss dann die Amplitude der Kreis- bzw. Ellipsenbahn bahn schnell genug moduliert werden, um mit der sich ergebenden die Bahn (Trajektorie) jeden Ort auf der Projektionsfläche innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls einmal erreichen zu können.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Strahlablenkungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform 500 der vorliegenden Erfindung, das insbesondere zur Projektion von Bildern oder Bildfolgen (z.B. bewegten Bildern, Videos usw.) genutzt werden kann. Das Strahlablenkungssystem 500 weist eine Strahlungsquelle 505 auf, die insbesondere eine Laserquelle sein kann, wobei die Wellenlänge der emittierten Strahlung Li insbesondere im sichtbaren Spektralbereich liegen kann, wenngleich anwendungsabhängig auch andere Spektralbereiche genutzt werden können, etwa im Rahmen von Verfahren zur Materialinspektion. Im Folgenden wird, soweit nichts anderes gesagt ist, beispielhaft davon ausgegangen, dass die Strahlung Li als Laserstrahl im sichtbaren Spektralbereich emittiert wird.

Der Laserstrahl Li ist auf einen erfindungsgemäßen Mikroscanner gerichtet, insbesondere gemäß einer der Ausführungsformen 200, 300 oder 400, wie vorausstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 erläutert. Am Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte, 205 wird der Strahl im Sinne einer optischen Abbildung reflektiert (gespiegelt) und als reflektierter Strahl L auf eine Projektionsfläche 510 im Beobachtungsfeld des Mikroscanners 200, 300 bzw. 400 gerichtet.

Das Strahlablenkungssystem 500 weist des Weiteren eine Steuerungseinrichtung 520 auf, die eingerichtet ist, die Strahlungsquelle mit zumindest einem Modulationssignal zu versorgen, in Abhängigkeit von dem der Laserstrahl moduliert wird. Die Modulation kann insbesondere seinen zeitlichen oder örtlichen Intensitätsverlauf betreffen. Je nach Typ der Strahlungsquelle sind jedoch auch andere Modulationsarten denkbar, insbesondere Modulationen der Wellenlänge (z.B. Farbe) oder Wellenlängenverteilung der von der Strahlungsquelle 505 emittierten Strahlung. Bei der Projektion von Bildern, erfolgt die Modulation entsprechend in Abhängigkeit von der momentanen Ablenkrichtung so dass entsprechende Bildpunkte auf der Projektionsfläche mit dem zugehörigen Pixelwert des korrespondierenden Bildpunkts des darzustellenden Bildes per Modulation erzeugt werden.

Die Steuerungseinrichtung 520 ist des Weiteren eingerichtet, eine Antriebseinrichtung des Mikroscanners 200, 300 bzw. 400 anzusteuern, um diese zum Antrieb von, insbesondere doppeltresonanten, simultanen Oszillationen des Ablenkelements 205 des Mikroscanners um dessen beide Schwingungsachsen Ai und A ZU veranlassen, so dass der durch den reflektierte Strahl L auf der Projektionsfläche 510 erzeugte Licht- bzw. Strahlungspunkt eine Trajektorie bzw. Bahn in Form einer Lissajous-Figur 515 durchläuft, die vorzugsweise bereits innerhalb eines kurzen Zeitintervalls einen als Bildfläche vorgesehenen Bereich auf der Projektionsfläche vollständig ausleuchtet. Im Falle einer Projektion eines digitalen Bilds, welches aus Pixeln aufgebaut ist, bedeutet dies, dass in dem Zeitintervall sämtliche Pixel durch die Trajektorie erreicht bzw. dargestellt werden.

Das Strahlablenkungssystem 500 kann jedoch auch in Gegenrichtung betreibbar sein, so dass von einem zu beobachtenden Objekt emittierte oder reflektierte Strahlung mittels einer Lissajous-Figur abgetastet und dabei am entsprechend oszillierenden Ablenkelement 205 gespiegelt und in Richtung der Einheit 505 abgebildet wird, wo sich dann eine Sensoreinrichtung, insbesondere ein Bildsensor, befinden kann, um die Strahlung sensorisch zu erfassen.

Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 bekannte Mikroscanner-Architektur mit kardanischer Aufhängung

105 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte

110 Achsenferner Kammantrieb für Schwingungsachse Ai

115 Achsennaher Kammantrieb für Schwingungsachse Ai

120 interne Torsionsfeder

125 beweglicher Rahmen

130 externe Torsionsfeder

135 Chiprahmen

140 äußerer Kammantrieb für Schwingungsachse A ₂

200 Mikroscanner-Architektur gemäß einer Ausführungsform mit 2 Federn

205 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte

210 Feder

210a mäanderfederförmiger Federabschnitt

210b einzelne Mäander(n)

210c Federsteg

21 Od Längsrichtung des Federabschnitts 210a

215 rahmenförmige Tragestruktur, Chiprahmen

220 äußeres Ende der jeweiligen Feder, Ansatzpunkt am Chiprahmen 215

225 inneres Ende der jeweiligen Feder, Kopplungspunkt am Ablenkelement

230 Antriebseinrichtung, insbesondere Piezoaktuator

300 Mikroscanner-Architektur gemäß einer weiteren Ausführungsform mit 4 Federn

400 Mikroscanner-Architektur gemäß einer noch weiteren Ausführungsform mit 3 Federn

500 Strahlablenksystem 500

505 Strahlungsquelle, insbesondere Laser, alternativ, (bei Sensorbetrieb) Sensoreinrichtung

510 Projektionsfläche im Beobachtungsfeld

515 Lissajous-Figur

520 Steuerungseinrichtung

Ai erste (Schwingungs-)achse

A ₂ zweite (Schwingungs-)achse

LI auf Mikroscanner einfallender Strahl

L ₂ vom Mikroscanner reflektierter Strahl

M geometrischer Mittelpunkt M des Mikrospiegels 205