JP2012198511A - 走査型ミラーデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの軸の回りのミラーの回転角を推定することができる走査型ミラーデバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの軸の回りに回転可能に取り付けられているマイクロシステム走査型ミラー２と、光ビーム１３を発する光源１４及び位置検出器１９、２５、２６を有する検出モジュール３とを有する走査型ミラーデバイスであって、検出モジュール３は、後方からミラー７上に光ビーム１３を誘導し、その結果、光ビーム１３は、マイクロシステム走査型ミラー２の背面で、位置検出器１９、２５、２６に反射され、位置検出器１９、２５、２６は、反射された光線ビーム２０の位置を測定し、測定された位置から、少なくとも１つの軸の回りのミラー７の回転角を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの軸の回りに回転可能に取り付けられているマイクロシステム走査型ミラーを有する走査型ミラーデバイスに関する。

このようなマイクロシステム走査型ミラーは、例えば、米国特許第７，２９５，７２６号明細書に記載されている。

このようなマイクロシステム走査型ミラーは、多くの場合、共振的に動作し、その結果、傾斜角がマイクロシステム走査型ミラーの共振周波数で振動し、したがって、正弦波パターン又はリサージュパターンを描く。これらの場合、ゼロ交差さえ検出されれば多くの場合に十分である。静電櫛型ドライブの場合、これは主に、振動中に櫛型ドライブの最大容量を測定することによって実行される。ピエゾ抵抗測定及び誘導測定もまた一般的である。

マイクロシステム走査型ミラーを準静的に位置決めする場合、容量は、静電櫛型ドライブの場合に依然として測定することができるが、これは、あまりにも不正確であり、また、マイクロシステム走査型ミラーの傾斜角と厳密に相関を持たないことが多いということが示されている。マイクロシステム走査型ミラーを移動させる固体接合部は、準静的ミラーの場合に薄過ぎるため、固体接合部の圧電抵抗を測定することは可能でない。

これらのことから、本発明の目的は、少なくとも１つの軸の回りに回転可能に取り付けられているマイクロシステム走査型ミラーを有する走査型ミラーデバイスを提供することであり、走査型ミラーデバイスによって、マイクロシステム走査型ミラーの回転位置を正確にかつ連続して測定することができる。

この目的は、少なくとも１つの軸の回りに回転可能に取り付けられているマイクロシステム走査型ミラーと、光ビームを発する光源及び位置検出器を有する検出モジュールとを有する走査型ミラーデバイスであって、検出モジュールは、後方からマイクロシステム走査型ミラーのミラー上に光ビームを誘導し、その結果、光ビームは、マイクロシステム走査型ミラーの背面で、位置検出器に反射され、位置検出器は、反射された光線ビームの位置を測定し、測定された位置から、少なくとも１つの軸の回りのミラーの回転角を推定することのできる走査型ミラーデバイスによって達成される。

検出モジュールが、後方からの傾斜角の非接触光学測定を実行するので、一方で、傾斜角は、直接にかつ正確に測定される。他方で、後方からの測定は、検出モジュールが通常の作動エリア内に（したがって、マイクロシステム走査型ミラーの前に）配置されないため、意図される目的（したがって、例えばマイクロシステム走査型ミラーに向かって誘導されるレーザービームの偏向）のためのマイクロシステム走査型ミラーの使用が妨げられないという利点を有する。

好ましくは、マイクロシステム走査型ミラーは、２つの軸を中心に回転可能に取り付けられ、検出モジュールは、両方の軸の回りの回転角又は傾斜角を測定できる。

光源は、ＬＥＤ又はレーザーとして形成することができ、光ビームの波長は、好ましくは可視波長範囲内及び／又は赤外範囲内に存在する。

検出モジュールは、位置検出器の出力信号に基づいて、少なくとも１つの軸の回りの回転角を表す角度信号を発するように開発することができる。好ましくは、角度信号は、連続して発せられる。

マイクロシステム走査型ミラーは好ましくは、ミラー又は偏向ミラー及び傾斜機構を有し、偏向ミラーは、直接に又は支持体を介して傾斜機構に接続することができる。したがって、マイクロシステム走査型ミラーの背面とは、本明細書では特に、偏向ミラー及び／又は支持体の一部の背面を意味する。背面は、マイクロシステム走査型ミラーが意図される目的で使用されているときに、例えば偏向されるレーザー又は光ビームがそこに誘導されない面であることが重要である。

検出モジュールは、マイクロシステム走査型ミラーの背面上に光ビームを合焦させる結像光学部品を有することができる。特に、結像光学部品は、１：１結像光学部品とすることができる。

さらに、検出モジュールは、マイクロシステム走査型ミラーの背面によって反射された光ビームを、コリメートされた光ビームとして位置検出器上に結像させる投影光学部品を有することができる。投影光学部品は、結像光学部品の一部とすることができる。特に、この場合、ビームスプリッターを設けることができ、ビームスプリッターは、光源からの光ビームとマイクロシステム走査型ミラーの背面によって反射された光線ビームとを分離するのに役立つ。

さらに、結像光学部品は、少なくとも２つの部分レンズシステムを有することができ、ビームスプリッターは、２つの部分レンズシステムの間に配置することができる。この場合、光源の光ビーム用の２つの部分レンズシステムの間のビーム経路は、コリメートされたビーム経路であることが有利である。

位置検出器は、例えば象限検出器として形成することができる。この場合、検出モジュールは好ましくは、測定される傾斜位置の全てにおいて、反射された光線ビームが、象限検出器の全ての象限に常に衝突するように形成される。

位置検出器は、光源の光ビームがマイクロシステム走査型ミラーの背面に衝突する前に光ビームが通過する通路を有することができる。

さらに、マイクロシステム走査型ミラーは、ハウジング内に組込むことができ、ハウジングの底部には、後方からマイクロシステム走査型ミラー上に光ビームを誘導することのできる通路が形成される。通路は、光源の光ビームに対して透明であることが重要である。そのため、通路はまた、光源の光ビームに対して透明であるハウジングの底部のエリアによって形成することができる。

走査型ミラーデバイスは、位置検出器及びマイクロシステム走査型ミラーに接続されるコントロールモジュールを有することができる。コントロールモジュールは、制御された方法でマイクロシステム走査型ミラーを傾斜させるために使用することができ、傾斜位置は、検出モジュールによって連続して確認される。この場合、コントロールモジュールは、目標値が予め確定されるだけでなく、実際の値に反応するので、監視モジュールと呼ぶこともできる。

マイクロシステム走査型ミラーは、ＭＥＭＳ走査型ミラーとすることができる。

マイクロシステム走査型ミラーは、モノリシックに形成することができる。

マイクロシステム走査型ミラーは、偏向ミラー及び傾斜機構を備えることができ、さらに、キャリアが設けられ、傾斜機構は、キャリア上に形成され、偏向ミラーに接続されて、少なくとも１つの軸の回りにマイクロシステム走査型ミラーを回転させる。

マイクロシステム走査型ミラー（したがって、偏向ミラー及び傾斜機構）及びキャリアは、モノリシックに形成することができる。

こうしたマイクロシステム走査型ミラー、並びに、偏向ミラー、傾斜機構、キャリアのこうしたモノリシック結合体の例は、例えば米国特許第７，２９５，７２６号明細書に見出すことができる。米国特許第７，２９５，７２６号明細書の全体の内容は、参照により本明細書に援用される。

キャリアは、光源の光ビームをマイクロシステム走査型ミラーの背面上に誘導することのできる通路を有することができる。通路は、スルーホール（又は実際の開口）とすることもできるし、又は光源の光ビームに対して透明である材料で形成することもできる。

本発明による走査型ミラーデバイスは好ましくは、レーザー走査型顕微鏡で使用され、その結果、レーザー走査型顕微鏡は、本発明による走査型ミラーデバイスを備える。

上述された特徴及びこれから以下で説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、述べた組合せだけでなく、他の組合せで又は単独でもまた、使用できることが理解される。

本発明は、本発明に必須の特徴を同様に開示する添付図面を使用して、例として以下でより詳細に説明される。

本発明による走査型ミラーデバイスの第１の実施形態の概略図である。 図１の象限検出器１９の平面図である。 ミラー７の傾斜位置が異なる状態にある、図１の走査型ミラーデバイスの図である。 図３によるミラー７の傾斜位置についての象限検出器の平面図である。 本発明による走査型ミラーデバイスの第２の実施形態の図である。 ミラー７の傾斜位置が異なる状態にある、図５の走査型ミラーデバイスの図である。 本発明による走査型ミラーデバイスの第３の実施形態の図である。 ミラー７の傾斜位置が異なる状態にある、図７による走査型ミラーデバイスの図である。 図７及び図８による走査型ミラーデバイスの象限検出器２５の概略平面図である。 本発明による走査型ミラーデバイスの第４の実施形態の図である。 ミラー７の傾斜位置が異なる状態にある、図１０の走査型ミラーデバイスの図である。 本発明による走査型ミラーデバイスの第５の実施形態の図である。 ミラー７の傾斜位置が異なる状態にある、図１２の走査型ミラーデバイスの図である。

図１に示される実施形態では、本発明による走査型ミラーデバイス１は、マイクロシステム走査型ミラー２及び検出モジュール３を備えている。

マイクロシステム走査型ミラー２は、例えば２．５ｍｍの直径を有するミラープレート４を含み、ミラープレート４は、バー５によって、例えば３００μｍの直径を有するベースプレート６に接続される。ミラープレート４の上部は、反射性被膜でコーティングされ、したがって、概略的に表すビーム進路８で示されるように、入射放射を反射するミラー７を形成する。ミラープレート４、バー５、ベースプレート６は、ミラー７が接続される支持体９を形成する。

支持体９は、概略的に表す傾斜機構１０によって像面に対して垂直に延びる軸の回りに回転できる。傾斜機構１０は、キャリア１１（又は基板）上に形成されている。

支持体９、したがって、ミラー７の別の傾斜位置又は回転位置は、図３に概略的に示されている。

ＭＥＭＳ走査型ミラー２は、モノリシックに形成されている。ＭＥＭＳ（ＭＥＭＳ＝微小電気機械システム）走査型ミラーとも呼ぶことのできるこうしたマイクロシステム走査型ミラーの特定の実施形態は、例えば米国特許第７，２９５，７２６号明細書に見出すことができる。

本明細書で述べる走査型ミラーデバイス１の場合、キャリア１１は、以前から知られているＭＥＭＳ走査型ミラーと違って、通路１２を有し、その結果、支持体９（ここでは、ベースプレート６）、したがって、ミラー７の回転角は、検出モジュール３によって後方から非接触で測定することができる。

支持体９の回転角を非接触測定するために、検出モジュール３は、光ビーム１３を発する光源１４（ここでは、例えばレーザーダイオード）と、第１のレンズ１６及び第２のレンズ１７並びに第１のレンズ１６と第２のレンズ１７との間に配置された部分透明プレート１８を有する１：１結像光学部品１５と、象限検出器１９とを備えている。

図１に概略的に描かれるビーム進路から分かるように、光源１４の出口（ここでは、点状であると考えられる）は、１：１結像光学部品１５によって、また、キャリア１１の通路１２を通って、ベースプレート６の底部上に結像され、その結果、光ビーム１３は、ベースプレート６の底部上に合焦する。ベースプレート６で反射される放射は、第２のレンズ１７によって、実質的にコリメートされた光線ビーム２０として、部分透明プレート１８によって象限検出器１９上に結像される。図２の象限検出器の平面図から分かるように、コリメートされた光線ビーム２０は、それぞれの場合に、放射強度の１／４が、象限検出器１９の４つの象限２１_１、２１_２、２１_３、２１_４のそれぞれに衝突するように、象限検出器１９の中心に衝突する。

マイクロシステム走査型ミラー２のミラー７、したがって支持体９が軸の回りに傾斜する場合、コリメートされた光線ビーム２０は、図２及び図４に示されるように、象限検出器１９を通っていく。４つの象限２１_１、２１_２、２１_３、２１_４のそれぞれに衝突する放射強度を評価することによって、ミラー７のそれぞれの傾斜位置を非接触で測定することができる。

通路１２は、実際の開口として形成することもできるし、光ビーム１３に対して透明である材料から生産することもできる。もちろん、全体のキャリア１１もまた、光ビーム１３に対して透明な材料とすることもできる。

これまでの説明では、支持体９を図１の図面の平面に対して垂直な第１の軸を中心にしてのみ傾斜できるものと仮定している。もちろん、ＭＥＭＳ走査型ミラー２は、図１の図面の平面内に存在すると共に第１の軸に対して垂直に延びる第２の軸の回りの傾斜も可能であるように形成することができる。第２の軸の回りの傾斜位置も、こうした傾斜の場合、象限２１_１及び２１_４並びに象限２１_２及び２１_３にそれぞれ衝突する放射強度がもはや同じ大きさでないため、本明細書で述べる検出モジュール３によって非接触で測定することができる。

本発明による走査型ミラーデバイス１の場合、マイクロシステム走査型ミラー２のそれぞれの傾斜位置は、後方から非接触で測定されるため、ミラー７のビーム進路８、したがって作動ビーム進路に関して干渉が必要とされず、有利である。そのため、検出モジュール３によって光学的に劣化しないコンパクトなビーム進路８を達成することができる。本発明による走査型ミラーデバイス１は、例えばレーザー走査型顕微鏡で使用されて、像生成のためにレーザービームの必要な偏向を実施できる。

マイクロシステム走査型ミラー２が、ハウジング、すなわち、いわゆるパッケージ内に設置される場合、支持体９の回転位置、したがってミラー７の回転位置を非接触で検出するために、光源１４の光を、上述した方法で後方から支持体９のベースプレート６上に誘導することができるように、本発明に従ってハウジングすなわちパッケージ内の底部に開口が設けられる。

上述した構造によって、数百Ｈｚから数ＭＨｚまでのミラー７の傾斜位置を検出することが可能であり、その結果、測定された傾斜位置に基づくミラー７の傾斜位置の制御を満足に実現することができる。そのため、特に、コントロールループを設けることができ、コントロールループによって、所望の傾斜位置又は傾斜位置進路が、制御された方法で実施される。

照射されたベースプレート６の底部は、金属化することができるが、金属化しなくてもよい。

コリメートされた光線ビーム２０を用いた検出モジュール３の上述した形成は、検出モジュール３の調整を容易に実施することができる点で更に有利である。

本発明による走査型ミラーデバイス１の一つの変形形態が、図５及び図６に示されている。本明細書及び以下の実施形態では、同一又は同様の構成要素には、同じ参照数字が与えられ、それらの説明のために上記記載が参照される。

図５及び図６による実施形態では、図５及び図６では概略的にしか表されていない部分透明プレート１８は、第１のレンズ１６と第２のレンズ１７との間ではなく、背面レンズ１７とキャリア１１との間に配置されている。この形成のために、ベースプレート６で反射された光線ビームは、末広がりの光線ビーム２０として象限検出器１９に衝突する。

本発明による走査型ミラーデバイス１の更なる変形形態が、図７及び図８に示されている。この変形形態では、１：１結像光学部品は設けられていない。その代わりに、光源１４によって発せられる光線ビーム１３を象限検出器２５の中央開口２４内に合焦させる合焦光学部品２３が存在し、その結果、光源１４の光線ビーム１３は、象限検出器２５を通過し、ベースプレート６の背面に衝突し、そこから、象限検出器２５上に戻るように反射される。象限検出器２５は、図９において平面図で概略的に示され、本質的に、設けられている中央開口２４だけによって象限検出器１９と異なっている。支持体９の傾斜位置、したがってミラー７の傾斜位置は、その後、前の実施形態の場合と同じ方法で象限検出器２５によって確定することができる。

本発明による走査型ミラーデバイス１の一つの変形形態が図１０及び図１１に示され、ベースプレート６は、前の実施形態の場合と同様に下から垂直にではなく、所定の入射角で、したがって、下からある角度で照射される。したがって、ベースプレートの底部で反射された光線ビーム２０が象限検出器１９に衝突するように、象限検出器１９もそれに対応して配置される。図１０及び図１１の概略図に見られるように、支持体９の傾斜位置、したがってミラー７の傾斜位置は、前の実施形態の例の場合と同じ方法で検出することができる。

象限検出器１９、２５が設けられる上述した実施形態のそれぞれにおいて、検出モジュール３は、それぞれの場合に、光線ビーム２０が各傾斜位置で４つ全ての象限２１_１〜２１_４に衝突するように設計される。

本発明による走査型ミラーデバイス１の一つの変形形態が図１２及び図１３に示され、ベースプレート６の底部で反射された光線ビームは、最初に位置検出器２６上に合焦される。位置検出器２６は、合焦された入射光スポットの位置を位置検出器２６によって１次元又は２次元で確定することができるように形成される。１次元の確定の場合、図面の平面に対して垂直な第１の軸の回りの傾斜を確定することができる。２次元の確定の場合、第１の軸に対して垂直な軸の回りの傾斜も確定することができる。

上述した実施形態では、光線ビーム１３は、ベースプレート６の底部で常に反射された。マイクロシステム走査型ミラー７の構造に応じて、光線ビーム１３はミラー７の背面で反射されることも起こり得る。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの軸の回りに回転可能に取り付けられているマイクロシステム走査型ミラー（２）と、
   光ビーム（１３）を発する光源（１４）及び位置検出器（１９、２５、２６）を有する検出モジュール（３）と
   を有する走査型ミラーデバイスであって、
   前記検出モジュール（３）は、後方から前記マイクロシステム走査型ミラーのミラー（７）上に前記光ビーム（１３）を誘導し、その結果、該光ビーム（１３）は、前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面で、前記位置検出器（１９、２５、２６）に反射され、該位置検出器（１９、２５、２６）は、反射された光線ビーム（２０）の位置を測定し、該測定された位置から、前記少なくとも１つの軸の回りの前記ミラー（７）の回転角を推定することができる走査型ミラーデバイス。
2. 前記検出モジュール（３）は、前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面上に前記光ビーム（１３）を合焦させる結像光学部品（１５）を有する、請求項１に記載の走査型ミラーデバイス。
3. 前記検出モジュール（３）は、前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面によって反射された前記光線ビーム（２０）を、前記位置検出器（１９）上にコリメートされた光線ビーム（２０）として結像させる投影光学部品（１７）を有する、請求項２に記載の走査型ミラーデバイス。
4. 前記結像光学部品（１５）は、１：１結像光学部品として形成される、請求項２又は３に記載の走査型ミラーデバイス。
5. 前記結像光学部品（１５）は、前記光源（１４）からの前記光ビーム（１３）と前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面によって反射された前記光線ビーム（２０）とを分離するのに役立つビームスプリッター（１８）を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
6. 前記結像光学部品（１５）は、少なくとも２つの部分レンズシステム（１６、１７）を有し、前記ビームスプリッター（１８）は、前記２つの部分レンズシステム（１６、１７）の間に配置される、請求項２〜５のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
7. 前記位置検出器（１９、２５）は、象限検出器として形成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
8. 前記光源（１４）の前記光ビーム（１３）は、前記位置検出器を通過し、前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面に衝突する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
9. 前記マイクロシステム走査型ミラー（２）はハウジング内に組込まれ、該ハウジングの底部は、前記光源（１４）の前記光ビーム（１３）を前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面上に誘導することのできる通路を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
10. 前記検出モジュール（３）は、前記反射された光ビーム（１３）の測定位置を使用して、前記少なくとも１つの軸の回りの前記マイクロシステム走査型ミラー（７）の回転角を表す角度信号を発する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
11. 前記マイクロシステム走査型ミラー（２）は、偏向ミラー（４）及び傾斜機構（１０）を備え、キャリア（１１）が設けられ、前記傾斜機構（１０）は、前記キャリア（１１）上に形成され、前記偏向ミラー（４）に接続されて、前記少なくとも１つの軸の回りに前記マイクロシステム走査型ミラー（２）を回転させる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
12. 前記キャリア（１１）は、前記光源（１４）の前記光ビーム（１３）を前記マイクロシステム走査型ミラー（２）の背面上に誘導することのできる通路を有する、請求項１１に記載の走査型ミラーデバイス。
13. 前記マイクロシステム走査型ミラー及び前記キャリア（１１）は、モノリシックに形成される、請求項１１又は１２に記載の走査型ミラーデバイス。
14. 前記マイクロシステム走査型ミラー（２）は、ＭＥＭＳ走査型ミラーである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
15. 前記マイクロシステム走査型ミラー（２）は、モノリシックに形成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイス。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の走査型ミラーデバイスを有するレーザー走査型顕微鏡。

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