特表2024-509314リサージュ図形を投影するための投影システム及び連成振動子を有するマイクロスキャナ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-29
(54)【発明の名称】リサージュ図形を投影するための投影システム及び連成振動子を有するマイクロスキャナ
(51)【国際特許分類】
G02B 26/10 20060101AFI20240221BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20240221BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20240221BHJP
【ＦＩ】
G02B26/10 101
G02B26/10 C
G02B26/08 E
B81B3/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023555614
(86)(22)【出願日】2022-05-05
(85)【翻訳文提出日】2023-09-11
(86)【国際出願番号】 EP2022062086
(87)【国際公開番号】W WO2022268392
(87)【国際公開日】2022-12-29
(31)【優先権主張番号】102021116151.7
(32)【優先日】2021-06-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521500487
【氏名又は名称】オクメンテッド・ゲーエムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】レオン・ポール
(72)【発明者】
【氏名】ウルリヒ・ホフマン
(72)【発明者】
【氏名】トーマス・ファン・ヴァントーホ
(72)【発明者】
【氏名】ペーテル・ブリチャルスキー
(72)【発明者】
【氏名】オレク・ペトラーク
(72)【発明者】
【氏名】クリスティアン・ヤニッケ
【テーマコード（参考）】
2H045
2H141
3C081
【Ｆターム（参考）】
2H045AB00
2H045AB81
2H045BA12
2H141MA12
2H141MB23
2H141MC09
2H141MD13
2H141MD16
2H141MD17
2H141MD20
2H141MD24
2H141MG06
2H141MZ06
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2H141MZ30
3C081AA13
3C081BA22
3C081BA28
3C081BA29
3C081BA32
3C081BA33
3C081BA44
3C081BA47
3C081BA48
3C081BA55
3C081CA32
3C081DA06
3C081DA24
3C081EA08
(57)【要約】
リサージュ図形を観察野上に投影するための投影システムは、マイクロスキャナを備える。これは、入射電磁ビームを偏向するための偏向要素と、支持構造体と、バネデバイスとを有する偏向ユニットを有し、これを用いて、偏向要素は、支持構造体に関して、第１の振動軸の周りの第１の回転振動及びそれに直交する第２の振動軸の周りの第２の回転振動とを同時に実行し、同時振動中に偏向要素に入射する電磁ビームを偏向させることによって観察野内に非線形リサージュ投影を引き起こすことができるように、支持構造体上にジンバルレス方式で吊り下げられる。マイクロスキャナは、偏向要素の振動の少なくとも１つに関するそれぞれの、特に共振する駆動効果が個別に設定可能であるように、偏向ユニットを駆動するための駆動デバイスを作動させるように構成されている制御デバイスも有する。さらに、バネデバイスは、振動の間の振幅依存相互カップリングを媒介するように設計される。制御デバイスはまた、第１の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として駆動デバイスを作動させて、第２の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって第２の振動に対する駆動効果を誘発するように構成されており、これは、第１の振動及び第２の振動のそれぞれの瞬時振動周波数の間の所定の最小周波数距離を下回ることを打ち消す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
リサージュ図形を観察野上に投影する投影システム（２００）のためのマイクロスキャナ（１００）であって、前記マイクロスキャナ（１００）は、入射電磁ビーム（Ｌ１）を偏向するための偏向要素（１３０、１４０）と、支持構造体（１２５）と、バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）とを有する偏向ユニット（１０１）であって、前記偏向要素（１３０、１４０）は、前記支持構造体（１２５）上に前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）を用いてジンバルレス方式で、前記支持構造体（１２５）に関して、振動の第１の軸（Ａ１）の周りの第１の回転振動及びそれに直交する振動の第２の軸（Ａ２）の周りの第２の回転振動とを同時に実行し、同時振動中に前記偏向要素（１３０、１４０）上に入射する電磁ビーム（Ｌ１）を偏向させることによって観察野（２２０）内に非線形リサージュ投影を引き起こすことができるように、吊り下げられる、偏向ユニット（１０１）と、
前記偏向要素（１３０、１４０）の前記第1及び第２の回転振動の少なくとも１つに関するそれぞれの駆動効果（Ｆ１、Ｆ２）が個別に設定可能であるように前記偏向ユニット（１０１）を駆動するための駆動デバイス（１０５）を作動させるように構成されている、制御デバイス（１９５）と、
を備え、
前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）は、前記振動の間の振幅依存相互カップリング（Ｋ１、Ｋ２）を媒介するようにさらに設計され、
前記制御デバイス（１９５）はまた、前記第１の回転振動の少なくとも１つの検出された状態変数
【数1】
【数2】
【請求項2】
前記制御デバイス（１９５）は、前記第２の回転振動の少なくとも１つの検出された状態変数【数3】
【数4】
【請求項3】
前記制御デバイス（１９５）は、前記第２の回転振動の状態変数【数5】
【数6】
【請求項4】
それぞれの振動の前記少なくとも１つの状態変数それぞれは、その振幅（θ１，ｉ；θ２，ｉ）、周波数（ｆ１，ｉ，ｆ２，ｉ）、もしくは位相【数7】
【請求項5】
前記制御デバイス（１９５）は、前記駆動デバイス（１０５）を作動させて、それぞれの他の振動の状態変数【数8】
【請求項6】
駆動される回転振動それぞれの駆動制御のための前記被制御変数が、他の振動それぞれの周波数（ｆ１，ｉ；ｆ２，ｉ）もしくは位相【数9】
【請求項7】
前記制御デバイス（１９５）は、前記他の振動それぞれの状態変数（θ１，ｉ；θ２，ｉ）であるか、またはその関数として定義されている少なくとも１つの繰り返し検出される被制御変数の関数として閉ループ制御の意味で前記第１の回転振動及び前記第２の回転振動の両方を実行するように構成され、前記第１及び第２の回転振動に対するこれらの閉ループ制御それぞれは、各々、そのそれぞれの勾配及び制御速度に関して他方の閉ループ制御それぞれの前記勾配及び制御速度の関数として動的に構成可能であるように設計される請求項５または６に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項8】
前記制御デバイス（１９５）は、他の振動それぞれの検出された前記少なくとも１つの状態変数（θ１，ｉ；θ２，ｉ）の関数として開ループ制御の意味でそれによって駆動される前記振動それぞれに対してそれぞれの前記駆動効果（Ｆ１，Ｆ２）を誘発するように前記駆動デバイス（１０５）を作動させるように構成される請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項9】
前記制御デバイス（１９５）は、前記駆動デバイス（１０５）が前記第１の回転振動及び前記第２の回転振動に関して、交互する、これらの振動の振幅（θ１，ｉ；θ２，ｉ）それぞれ、または、周波数のステップバイステップの増大を達成するようにそれによって駆動される前記振動それぞれに対して前記駆動効果それぞれを誘発するように前記駆動デバイス（１０５）を制御するように構成される請求項８に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項10】
前記制御デバイス（１９５）は、前記振動のうちの少なくとも１つの振動の周波数それぞれがこの振動の電流共振周波数（ｆ１Ｒ，ｆ２Ｒ）を囲む所定の限定された共振範囲内に保持されるように前記駆動デバイス（１０５）を作動させるようにさらに構成される請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項11】
共振周波数に対する前記共振範囲の限界は、前記共振周波数の周波数値ｆＲの値ｆＲ±７０％、好ましくはｆＲ±４０％、より好ましくはｆＲ±２０％、さらに好ましくはｆＲ±１０％によって定義される請求項１０に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項12】
前記最小周波数距離（ｆＴＨ）は、一定の寸法として固定される請求項１から１１のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項13】
前記最小周波数距離（ｆＴＨ（ｔ））は、前記第１の回転振動もしくは前記第２の回転振動の電流振幅（θ１，ｉ；θ２，ｉ）それぞれ、またはこれら２つの振動の電流振幅（θ１，ｉ；θ２，ｉ）それぞれに依存する可変の寸法として定義される請求項１から１１のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項14】
前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）は、前記第１の回転振動と前記第２の回転振動との間の前記振幅依存相互カップリング（Ｋ１、Ｋ２）の強さが、これら２つの振動のうちの少なくとも一方の振動の振幅（θ１，ｉ；θ２，ｉ）の増大とともに間断なく増大するように設計される請求項１から１３のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項15】
前記マイクロスキャナ（１００）は、二軸マイクロスキャナとして設計され、前記偏向ユニット（１０１）は、３つの回転対称配置構成されたバネ要素（１３５）を用いて、支持フレームとして使用され、それを取り囲む、フレーム（１２５）上で吊り下げられる偏向要素（１３０、１４０）を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項16】
二軸ジンバルレスマイクロスキャナ（１００）として設計され、前記偏向ユニット（１０１）は、支持フレームとして使用されるフレーム（１２５）上で、可撓性バネ（１３５ａ、１３５ｂ）を用いて各場合において２つの対向する側部上にしっかりクランプされて、吊り下げられる偏向要素（１３０、１４０）を備え、
前記可撓性バネ（１３５ａ、１３５ｂ）は、各々、端面で互いに接続され、それ以外は互いに隣接して相隔てて延在し、前記偏向要素（１３０、１４０）の周りに延在する２つの湾曲したセクションを有し、前記偏向要素（１３０、１４０）に隣接する各可撓性バネ（１３５ａ、１３５ｂ）の前記セクションそれぞれは前記偏向要素（１３０、１４０）に接続され、前記フレーム（１２５）に隣接する各可撓性バネ（１３５ａ、１３５ｂ）の前記セクションそれぞれは前記フレーム（１２５）に接続される請求項１から１４のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項17】
前記制御デバイス（１９５）は、振幅調整、周波数調整、または位相調整の意味で前記偏向ユニット（１０１）を駆動するために前記駆動デバイス（１０５）を作動させる状況において、前記第１の回転振動、前記第２の回転振動、またはこれら２つの振動の各々の少なくとも１つの対応する状態変数を個別に特定の設定点値に設定するように構成される請求項１から１６のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項18】
前記第１及び第２の軸に対して各場合において直交する第３の軸に関して前記支持構造体（１２５）に関して第３の回転振動を同時に追加的に実行することができるように前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）を用いることで前記支持構造体（１２５）にジンバルレス方式で吊り下げられ、これにより、前記偏向要素（１３０、１４０）は、前記第１、第２及び第３の回転振動の同時振動の間に前記偏向要素（１３０、１４０）に入射する電磁ビーム（Ｌ１）を偏向させることによって、前記観察野（２２０）内に非線形リサージュ投影を生じさせ、前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）はさらに、前記第３の回転振動と前記第１の回転振動、前記第２の回転振動、またはその両方の間の振幅依存相互カップリングを媒介するように設計される請求項１から１７のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項19】
前記制御デバイス（１９５）は、前記第１または第２の回転振動の少なくとも１つの検出された状態変数（θ１，ｉ；θ２，ｉ）の関数として前記駆動デバイス（１０５）を作動させて、前記第３の回転振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって前記第３の回転振動に対する駆動効果を誘発するようにさらに構成され、これは一方では前記第１及び第２の回転振動、また他方では前記第３の回転振動の前記瞬時振動周波数（ｆ１，ｉ；ｆ２，ｉ）それぞれの間の所定の最小周波数距離（ｆＴＨ）を下回ることを打ち消す請求項１８に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項20】
カプセル封入体をさらに含み、これを用いて、少なくとも前記偏向要素（１３０、１４０）及び前記バネデバイス（１３５、１３５ａ、１３５ｂ）は、密閉方式でカプセル封入され、これにより前記カプセル封入体内の前記偏向要素（１３０、１４０）は振動を実行することができ、前記バネデバイス上に振動できるように吊り下げられ、前記カプセル封入体は、前記偏向要素（１３０、１４０）をブリッジするカプセル封入セクション（１４５）を有し、これを通して、偏向されるべき放射線は前記カプセル封入体によってカプセル封入された空間領域内に放射され、前記偏向要素（１３０、１４０）のところで偏向された後にそこから再び放射され得る請求項１から１９のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項21】
前記カプセル封入セクション（１４５）は、断面がドーム形状、平面形状、または直角Ｕ字形状の形成を有する請求項２０に記載のマイクロスキャナ（１００）。
【請求項22】
リサージュ図形を観察野（２２０）上に投影する投影システム（２００）であって、前記投影システム（２００）は、請求項１から２１のいずれか一項に記載のマイクロスキャナ（１００）を備える、投影システム（２００）。
【請求項23】
前記制御デバイスは、少なくとも１つの変調信号を放射線源に供給するようにさらに構成され、その信号に応じて前記入射電磁ビーム（Ｌ１）が変調される請求項２２に記載の投影システム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リサージュ図形を観察野（ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）上に投影するための投影システム（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）、及びそのような投影システムのためのマイクロスキャナ（ｍｉｃｒｏｓｃａｎｎｅｒ）に関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロスキャナの場合、これらは特に技術用語では「ＭＥＭＳスキャナ」、「ＭＥＭＳミラー」、「マイクロミラー」とも称され、英語では特に「マイクロスキャナ」、「マイクロスキャニングミラー」、「ＭＥＭＳミラー」とも称され、電磁放射、特に可視光の動的変調のためのマイクロミラーアクチュエータのクラスからの、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、より正確には微小光電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）である。設計に応じて、単一のミラーの変調運動は、並進または少なくとも１つの軸の周りの回転であってよい。第１の場合には、位相シフト効果が達成され、第２の場合には、入射電磁放射線の偏向が達成される。以下では、単一のミラーの変調運動が回転であるマイクロスキャナが考察される。マイクロスキャナの場合、複数のミラーの相互作用を介して入射光の変調が行われるミラーアレイとは対照的に、単一のミラーを介して変調が生成される。
【0003】
マイクロスキャナは、特に、電磁放射線を偏向するために使用され、偏向素子（「ミラー」）を使用してその偏向方向に対して入射する電磁ビームを変調することができる。特に、これは、視野内でビームのリサージュ投影を引き起こすために使用することができる。たとえば、撮像感覚タスクが解決されるか、または表示機能が実装され得る。それに加えて、そのようなマイクロスキャナは、有利に材料に放射線を照射し、材料を加工するのにも使用され得る。他の可能な用途は、たとえばヘッドライト用途の状況において電磁放射を使用していくつかの開放もしくは閉鎖空間または空間領域を照らす、または照明する分野にある。
【0004】
撮像センサーの場合及びディスプレイ機能の場合の両方において、ビーム偏向システム、特にマイクロスキャナが、レーザービームまたは他の電磁放射源からの整形ビームなどの電磁放射を、少なくとも２次元的に、たとえば水平方向及び垂直方向に、偏向させるために使用され、これにより観察野内の物体表面をスキャンするか、または照明する。
【0005】
リサージュ図形を観察野上に投影する投影システムのための偏向デバイスは、欧州特許第ＥＰ２５１４２１１Ｂ１号から知られており、これは、リサージュ図形を生成するために少なくとも１つの第１の及び第２の偏向軸の周りで光ビームを偏向するように設計されている。この偏向デバイスは、偏向軸の周りに振動を発生させるための偏向ユニットと、偏向ユニットの共振周波数に対応する、第１及び第２の活性化周波数で偏向ユニットに対する活性化信号を発生するための活性化デバイスとを含む。偏向ユニットは、３，０００を超える品質係数を有する。活性化デバイスは、第１の制御ループを備え、これは、振動の最大振幅が偏向ユニットの共振範囲内に留まるように、偏向ユニットの振動の測定された位相位置に応じて、第１及び／または第２の活性化周波数を制御するように設計されており、活性化周波数は固定整数比を有していない。活性化デバイスはさらに、第２の制御ループを備え、これは、活性化周波数によって予め決定されたリサージュ図形の線密度に応じて、第１の及び／または第２の偏向軸の共振周波数に影響を及ぼすように設計されており、それにより線密度は所定の許容範囲内にある。２つの偏向軸は、カルダンサスペンション（ジンバル）を用いてデカップリングされており、それにより２つの軸の周りの関連する振動は、互いから完全にデカップリングされ、また２つの軸の各々を共振状態に保つことを目指して互いに完全に独立して位相制御される。
【0006】
欧州特許第ＥＰ２５１４２１１Ｂ１号からの偏向デバイスには、次の関係式が適用される。
ｆ１Ｒ≠ｆ２Ｒ、 （１）
ここで、ｆ１Ｒは第１の軸の共振周波数を示し、ｆ２Ｒは第２の軸の共振周波数を示す。第１または第２の軸の湾曲したバネによってそれぞれ発生する機械的トルクＴ１またはＴ２に対して、次の式が適用される：
Ｔ１＝ｋ１＊θ１ 及び Ｔ２＝ｋ２＊θ２ （２）
ここで、θ１及びθ２は、それぞれ、第１の軸及び第２の軸におけるミラーのそれぞれの機械的振幅（偏向角度）を示し、ｋ１及びｋ２は、それぞれ、第１の軸及び第２の軸のバネのそれぞれのバネ定数を示す。振動軸のデカップリングに起因して、そのようなジンバルベースのマイクロスキャナを用いることで、リサージュ図形による観察野の少なくともおおよそ長方形の照明を達成することが特に容易である。
ｆ１Ｒ≠ｆ２Ｒ、 （１）
ここで、ｆ１Ｒは第１の軸の共振周波数を示し、ｆ２Ｒは第２の軸の共振周波数を示す。第１または第２の軸の湾曲したバネによってそれぞれ発生する機械的トルクＴ１またはＴ２に対して、次の式が適用される：
Ｔ１＝ｋ１＊θ１ 及び Ｔ２＝ｋ２＊θ２ （２）
ここで、θ１及びθ２は、それぞれ、第１の軸及び第２の軸におけるミラーのそれぞれの機械的振幅（偏向角度）を示し、ｋ１及びｋ２は、それぞれ、第１の軸及び第２の軸のバネのそれぞれのバネ定数を示す。振動軸のデカップリングに起因して、そのようなジンバルベースのマイクロスキャナを用いることで、リサージュ図形による観察野の少なくともおおよそ長方形の照明を達成することが特に容易である。
【0007】
しかしながら、完全にデカップリングされた軸を有するジンバルベースのマイクロスキャナに加えて、ジンバルを有しないタイプのマイクロスキャナ（いわゆる「ジンバルレスミラー」または「ジンバルレス」マイクロスキャナまたはミラー）も知られており、これはミラーのカルダンサスペンションなしで２つまたはそれ以上の振動軸を実装し、個別の振動軸間の無視できない、特に強いカップリングが発生し得る。そのようなカップリングの強さは、特に振幅に依存するものとしてよい。
【0008】
マイクロスキャナタイプは、ここでは一例として言及されており、これは３つの回転対称に配置構成されたバネ要素を用いて周囲のフレームに吊り下げられているミラープレートを有する偏向ユニットを有し、それにより二軸マイクロスキャナが結果として得られるように製作されている。図３に例示されている、マイクロスキャナのそのようなタイプの変更形態は、「ＭｉｎｉＦａｒｏｓ」ミラーという名称で知られており、特にＨｏｆｍａｎｎら、Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｉａｘｉａｌ ７－ｍｍ ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ、Ｊ． Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈ． ＭＥＭＳ ＭＯＥＭＳ， ３－１１ Ｊａｎ－Ｍａｒ ２０１４／Ｖｏｌ． １３（１）において説明されている。
【0009】
振動軸と、これらの振動軸の各１つの周りのミラーの関連するそれぞれの振動との間のカップリングに起因して、ジンバルレスミラーは、振動するときに様々な振動軸に関する共振周波数を互いに素早く近似させる傾向があり、その結果、観察野の本質的に楕円（したがって、線形、非平面）のみのリサージュ照明が生じる。特に、観察野の少なくともおおよそ平面的な、特に少なくともおおよそ長方形の照明は、したがって、より困難になるか、あるいは不可能にすらなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】欧州特許第２５１４２１１Ｂ１号
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】Ｈｏｆｍａｎｎら、Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｉａｘｉａｌ ７－ｍｍ ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ、Ｊ． Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈ． ＭＥＭＳ ＭＯＥＭＳ， ３－１１ Ｊａｎ－Ｍａｒ ２０１４／Ｖｏｌ． １３（１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、カップリングされた振動軸を有する改善されたジンバルレスマイクロスキャナ、及びそれを装備した投影システムを提供することを目的とし、それを使用して観察野の平面的リサージュ照明が可能である。特に、そのようなマイクロスキャナによって少なくともおおよそ長方形の照明を達成する可能性を生み出すことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0013】
この目的は、独立請求項の教示に従って達成される。本発明の様々な実施形態及び改良は、従属請求項の主題である。
【0014】
本発明の第１の態様は、リサージュ図形を観察野上に投影する投影システムのためのマイクロスキャナに関する。マイクロスキャナは、（ｉ）特に反射を用いて、入射電磁ビームを偏向させるための偏向要素、（ｉｉ）支持構造体、及び（ｉｉｉ）バネデバイスを有する偏向ユニットを備える。バネデバイスは、１つまたは複数のバネ要素を備えることができる。偏向要素は、支持構造体に関して、第１の振動軸の周りの第１の回転振動及びそれに直交する第２の振動軸の周りの第２の回転振動を同時に実行し、同時振動中に偏向要素に入射する電磁ビームを偏向させることによって観察野内に非線形リサージュ投影を引き起こすように、支持構造体上のバネデバイスを用いてジンバルレス方式で吊り下げられる。
【0015】
マイクロスキャナは、偏向要素の振動の少なくとも１つに関するそれぞれの、特に共振する駆動効果が個別に設定可能であるように、偏向ユニットを駆動するための駆動デバイスを作動させるように構成されている制御デバイスも備える。
【0016】
さらに、バネデバイスは、振動の間の振幅依存相互カップリングを媒介するように設計される。
【0017】
制御デバイスはまた、第１の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として駆動デバイスを作動させて、第２の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって第２の振動に対する駆動効果を誘発するように構成されており、それにより駆動効果は、第１の振動及び第２の振動のそれぞれの瞬時振動周波数の間の所定の最小周波数距離を下回ることを打ち消す。
【0018】
本発明の意味における「リサージュ投影」とは、特に、電磁放射の助けを借りた観察野のスキャニングとして理解されるべきであり、これは、放射を観察野に偏向させる偏向要素の少なくとも２つの相互に直交する調和振動によって引き起こされる。
【0019】
本発明の意味における「非線形リサージュ投影」は、電磁放射の助けを借りた観察野のスキャニングまたは照明である、リサージュ投影の特別な場合として理解されるべきであり、これは、放射を観察野に偏向させる偏向要素の関連する振動軸の周りの少なくとも２つの相互に直交する、厳密には調和でない、振動によって引き起こされる。特に、これらの振動のうちの少なくとも第１の振動の振幅は、少なくとも１つの他の振動軸に関する振動の瞬時振幅の関数として第１の振動軸に関して変調されるものとしてよく、それにより、少なくとも第１の振動は、線形振動を表さない、すなわち、振幅独立振動バネ定数を有するフックの法則に従わない。
【0020】
本発明の意味における「軸」または同義語の「振動軸」は、回転運動の回転の軸（回転軸）として理解されるべきである。これは、回転またはターンを定義するか、または記述する直線である。
【0021】
本発明の意味における「駆動デバイス」は、偏向ユニットを駆動するための、すなわち、支持構造体に関する、また少なくとも第１及び第２、場合によっては第３の振動軸に関する、偏向要素の同時回転振動のための、１つまたは複数のアクチュエータを備えるデバイスとして理解されるべきである。
【0022】
本明細書において場合によっては使用されているように、「備える」、「含んでいる」、「伴う」、「含む」、「有する」、「有している」、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的包含を対象とすることを意図されている。たとえば、要素のリストを備える、または含む方法またはデバイスは、必ずしもこれらの要素に限定されないが、明示的にリストされていない、またはそのような方法もしくはデバイスに固有の、他の要素を伴い得る。
【0023】
さらに、特に断りのない限り、「または」は、包含を意味し、または及び排他的論理和を意味しない。たとえば、条件ＡまたはＢは、次の条件のうちの１つによって満たされる。Ａは真であり（または存在し）、Ｂは偽である（または存在しない）、Ａは偽であり（または存在しない）、Ｂは真である（または存在する）、ならびにＡ及びＢの両方が真である（または存在する）。
【0024】
本明細書において使用されている英語原文中の語「ａ」または「ａｎ」は、英語原文中で「ａ／ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ」の意味で定義され、日本語文中では「１つまたは複数」を意味する。言い回し「別の」、及び「さらなる」及びそれらの任意の他の変形は、「少なくとも１つの他の」を意味すると理解されるべきである。
【0025】
本明細書において使用されるような語「複数」は、「２つまたはそれ以上」を意味すると理解されるべきである。
【0026】
特に、次に示す利点の１つまたは複数が、上述のマイクロスキャナの助けを借りて達成され、その結果、上述の目的が達成され得る。
【0027】
上述のマイクロスキャナにおける駆動デバイスの特別な作動に起因して、様々な振動または振動軸の間の既存のカップリングがあるにもかかわらず、個別の振動のそれぞれの振動周波数、特に共振周波数が互いから最小の周波数距離を維持することが達成されるものとしてよく、結果としてもしあれば最終的に楕円リサージュ図形をもたらすことになるであろう、異なる軸に対するこれらの周波数の周波数同期はない。これは、次いで、特にジンバルレスミラーの場合も、投影のフレームワーク内の観察野の一定の、平面的な、特に１つの、少なくとも本質的に長方形の照明を可能にする。他にもあるがとりわけ、偏向要素（ミラー）のリサージュ類似励起は、多くのジンバルレスミラーを用いたとしても、このような状況にもかかわらず、異なる軸の共振周波数が接近している場合であっても、マイクロスキャナにより達成することができ、これは上述のタイプの制御がなければ不可能である。
【0028】
同じミラーサイズのジンバルレスミラーは、一般的に、ジンバルベースのミラーよりも小さな構造的形態を有するので、必要な設置スペースの縮小も、同等の投影結果とともに達成され得る。
【0029】
振動子の少なくとも１つ（特定の振動軸の周りの振動に対応する）は非線形特性を有する、すなわち、その振幅範囲全体にわたって振幅独立バネ定数を伴うフックの法則に対応しないので、特にジンバルベースのミラーとの関係において、特に高い品質で、一般的により広い同調範囲（周波数帯域幅）が達成され得る。
【0030】
マイクロスキャナはまた、広い温度範囲にわたって定義済み周波数比を維持する可能性を広げるが、それは、振動子特性の温度関係変動も、また、様々な振動軸の周波数の間の最小周波数距離を維持することに関して補償され得るからである。ジンバルレスミラーの場合、振動子特性の温度関係変動は、典型的には、ジンバル付きミラーとは対照的に、両方の振動子軸に対して等しい強さで、同じ方向に、同時に生じ、これは典型的には順次、異なる程度で生じる。
【0031】
強くカップリングされた軸、したがって明白に非線形であるマイクロスキャナの場合であっても、上述の制御は、一般的に、少なくとも２次元で、様々な軸に対して異なる共振周波数で振動することを可能にすることができる。
【0032】
第１の態様によるマイクロスキャナの好ましい実施形態が以下で説明されるが、各場合において、明示的に除外されるか、または技術的に不可能でない限り、互いと、また本発明のさらに説明される他の態様と望む通りに組み合わされ得る。
【0033】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、それに加えて第２の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として駆動デバイスを作動させて、第１の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって第１の振動に対する駆動効果を誘発するようにさらに構成され、これは第１の振動及び第２の振動のそれぞれの瞬時振動周波数の間の所定の最小周波数距離を下回ることを打ち消す。マイクロスキャナの上述の基本形態は、特に、振動の一方（二次振動）のみが、他方の振動（一次振動）の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として影響を受けるという意味で「一次－二次」動作も可能にするが、ここで述べた実施形態では、第１及び第２の振動は両方とも、各々、それぞれの他方の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として、特に等しい方式で影響を受ける。このようにして、他にもあるがとりわけ、より多様な制御オプションが実装され、関わる振動の特に効果的な、特に高速な、自動動的制御が、振幅依存動作周波数、特に共振周波数の周波数同期を回避しながら、達成され得る。
【0034】
これとは対照的に、いくつかの代替的実施形態によれば、制御デバイスは、第１の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼしながら第１の振動に駆動効果を誘発するために第２の振動の状態変数から独立して駆動デバイスを作動させるように構成される。したがって、これらの実施形態は、特に上述の「マスター－スレーブ」動作を可能にする。振動の一方のみ（特に第２の振動）が、他方の（第１の）振動の少なくとも１つの状態変数の関数として制御デバイスによって制御されなければならないので、ここでは制御デバイスの特に単純な実装形態が可能にされ得る。
【0035】
いくつかの実施形態によれば、それぞれの振動のそれぞれ少なくとも１つの状態変数は、その振幅、周波数、もしくは位相によって、またはこれらの変数のうちの少なくとも１つの変数の関数として決定される。特に、検出された状態変数の少なくとも１つは、振動の振幅によって決定され得る。これは、非線形振動の場合には、バネ剛性ｋ（θ）、したがって１つの軸に関する周波数ｆ（θ）が、各々、この軸に関する振幅θの関数であり、したがって、この軸の検出された振幅θの関数としてのそれぞれの他の振動の変調は、最小周波数距離が即座に、特に動的方式で確実にされることを可能にするという点で特に有利である。
【0036】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、駆動デバイスの作動を実行して、それぞれの他の振動の状態変数であるか、またはその関数として定義されている、少なくとも１つの繰り返し、特に連続的に、検出される被制御変数の関数としての閉ループ制御の意味でそれによって駆動される少なくとも１つの振動に対してそれぞれの駆動効果を誘発するように構成される。そのような閉ループ制御の助けを借りることで、駆動デバイスの動的作動は、最小周波数距離を確実にすることを目的として特に効果的で最適化された方式で達成され、特に、予見できない外乱に反応することも可能であり、これはフィードバックなしの単純な制御では原則として同じ程度に達成され得ないであろう。それに加えて、これは、少なくとも１つの軸に関するバネデバイスの振幅依存バネ剛性の特に周期的な変化、特にマイクロスキャナによって照明される観察野の平面領域の狭窄などの、他の方法では歪みを引き起こす可能性もある、非線形カップリング効果のターゲットとなる補償の可能性を広げる。しかしながら、他方で、そのような非線形カップリング効果は、照明される平面領域の特定の形状、特に楕円形もしくは長方形から逸脱する形状を達成するために、特に用途に依存して増幅されるか、または故意に変調され得る。ヘッドライトの用途では、これは、特に、マイクロスキャナに基づきヘッドライトシステムによって生成される（断面が平坦な）照明領域の静的または動的整形に使用され得る。ここで、たとえば、自動車用のグレアフリーハイビームを考えるが、この場合、ヘッドライトの光円錐は、眼が眩む恐れのある交通領域（それと同時に観察野）内にいる道路使用者がハイビーム分布から自動的に隠されるように動的に整形される。
【0037】
いくつかの実施形態によれば、この被制御変数の検出は、特に、それぞれの駆動振動の駆動制御のための被制御変数が、それぞれの他の振動の周波数もしくは位相として、またはこれらの状態変数のうちの少なくとも１つの状態変数の関数として、定義されるときに、このそれぞれの他の振動の同じ振幅で、たとえば振動の振幅プロファイルのゼロ交差において常に行われ得る。このように、外乱に関して特にロバストな閉ループ制御が達成されるものとしてよく、これは、典型的には、振幅に関して常に同じである測定条件に起因してより低い測定誤差を有する。
【0038】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスはさらに、それぞれの他の振動の状態変数であるか、またはその関数として定義されている、少なくとも１つの繰り返し、特に連続的に、検出される被制御変数の関数として、閉ループ制御の意味で、第１の振動及び第２の振動の両方を実行するように構成することができる。この場合、第１及び第２の振動に対するこれらのそれぞれの閉ループ制御は、各々、そのそれぞれの勾配及び制御速度に関してそれぞれの他方の閉ループ制御の勾配及び制御速度の関数として動的に構成可能であるように設計される。このチューニングは、これがアクスルがおおよそ同じ速度で振動し、したがってアクスルの元の共振周波数がおおよそ同じ速度で、特にバネ剛性が振幅の増大とともに高くなるときに高い周波数に向かってシフトされることを可能にするという点で有利である（英語：「ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ」）。周波数シフトのおおよその同期により、シフトする周波数の間の差に対する最小周波数距離は、特に単純で信頼性の高い方式で確実にされ得る。制御ループのそのような調整された構成は、したがって、特に、制御ループの一方が他方よりも著しく速く制御すること、したがって共振範囲、特に振動の共振周波数の望ましくない重なりがある危険性を回避することができ、それにより望ましくない形で最小周波数距離に到達することがなく、その結果、物体に応じて望ましい平面、特に長方形の照明の代わりに直線の、特に楕円の、リサージュ投影のみが生じる。
【0039】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、それぞれの他の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として閉ループ制御の意味でそれによって駆動されるそれぞれの振動にそれぞれの駆動効果を誘発するように駆動デバイスを作動させるように構成される。したがって、制御技術という意味では、駆動デバイスの純粋な「制御」（「開ループ制御」）がここで使用され得る。そのような開ループ制御は、有利には、上述の調節と比較してより少ない実装労力で実装され得る。しかしながら、特に、そのような開ループ制御を上述の閉ループ制御のうちの少なくとも１つと組み合わせることも企図され得る。特に、１つの振動が開ループ制御を有し、別の振動が閉ループ制御を有することも可能である。
【0040】
これらの制御ベースの実施形態のいくつかによれば、制御デバイスは、駆動デバイスが第１の振動及び第２の振動に関して、交互する、これらの振動のそれぞれの振幅または周波数のステップバイステップの増大を達成するようにそれによって駆動されるそれぞれの振動に対してそれぞれの駆動効果を誘発するように駆動デバイスを制御するように構成される。たとえば、マイクロスキャナ、より正確にはその偏向要素は、最初に、第１の振動の周波数ｆ１がインクリメントされ（すなわち、定義された周波数ステップだけ増やされ）、次いで第１の振動の周波数ｆ２がインクリメントされ、次いでｆ１が再びインクリメントされ、次いでｆ２がさらに再びインクリメントされる、ということを、所望の駆動周波数に達するまで続けるように振動することが可能である。このようにして、マイクロスキャナの振動は、単なる開ループ制御を使用して達成することもでき、この場合、共振範囲、特に発振の共振周波数の望ましくない重なりがなく、したがって、最小周波数距離が維持され、その結果、物体に応じた望ましい平面、特に長方形の、照明の代わりに、純粋に楕円形のリサージュ投影が回避され得る。インクリメントのシーケンスは、特に、メモリ内に回復不可能に記憶されてよく、特に、先行するキャリブレーションプロセスに基づき決定されていてもよい。キャリブレーションに加えて、または代替的に、これは、振動がインクリメントの望ましいシーケンスを定義し、記憶することによって構成されることを可能にする。
【0041】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、振動のうちの少なくとも１つの振動のそれぞれの周波数、特にこの作動によって主に駆動される振動が、この振動の現在の共振周波数を囲む所定の限定された共振範囲内にあるように駆動デバイスを作動させる（すなわち、これを制御するかまたは調節する）ようにも構成されている。通常、共振周波数は最大振幅が生じる周波数ｆＲによって与えられる。共振周波数ｆＲに対する共振範囲の限界は、特に、共振周波数の周波数値ｆＲの値ｆＲ±７０％、好ましくはｆＲ±４０％、より好ましくはｆＲ±２０％、さらに好ましくはｆＲ±１０％によって決定され得る。（ここでのパーセンテージは、各々の場合において、値ｆＲに関係する）。これは特に、最大振幅、したがって観察野の照明された領域の可能な最大の拡張が、共振範囲内で、特に大面積照明に対して特に関連する値ｆにおいて、達成され得るという利点を有する。
【0042】
いくつかの実施形態によれば、最小周波数距離は、一定の寸法として固定される。特に、これは単純な実装形態を可能にするが、それは、この変数が一旦定義されれば、この変数を、特に動的にではなく、決定するためにいかなる種類の依存関係も考慮されなくてよいからである。
【0043】
他方では、いくつかの代替的実施形態によれば、最小周波数距離は、第１の振動もしくは第２の振動のそれぞれの電流振幅、またはこれら２つの振動のそれぞれの電流振幅に依存する可変の寸法として定義される。このようにして、異なるシステム状態に対するより良い適応性が可能にされる。特に、マイクロスキャナの振動は、この方法でより正確に制御され、これらの軸の周波数変化が振動増大とともに同じ速度で進まないときに、異なる軸上の共振範囲の望ましくない重なりも効果的に回避され得る。
【0044】
いくつかの代替的実施形態によれば、バネデバイスは、第１の振動と第２の振動との間の振幅依存相互カップリングの強さが、これら２つの振動のうちの少なくとも一方の振動の振幅の増大とともに間断なく増大するように設計されている。これは、特に、バネデバイスが全体としてまたは場合によってはその個別のバネが、そのそれぞれのバネ剛性ｋが振幅の増大とともに増大するように設計されているという点で達成され得る。すなわち次の式が成り立つ。
ｋ＝ｋ（θ）、ただし、θａ＞θｂに対してｋ（θａ）＞ｋ（θｂ） （３）
ｋ＝ｋ（θ）、ただし、θａ＞θｂに対してｋ（θａ）＞ｋ（θｂ） （３）
【0045】
これは、「スプリングスティフニング（ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ）」または「ストレススティフニング（ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ）」としても知られている。このようにして、特に次の利点が提供され得る。周波数帯域幅または共振の幅は、この意図的に誘発されたスティフニングを介して所望の方式で大きくされ得る。この効果が顕著であればあるほど、二軸「スプリングスティフニング」挙動を有するそのような二軸マイクロスキャナは、非常に実装が容易な無調節開ループ動作（単に開ループ制御）に適している。１つの振動のみがこの顕著なスプリングスティフニングを示し、第２の振動がそうでない場合、少なくとも１つの振動を閉ループ制御で提供する必要があり得るが、それは帯域幅がその後場合によっては安定した開ループ制御に十分でないことがあり得るからである。この状態は、顕著なスプリングスティフニングを示す２つの振動子サスペンションを有する状態ほど有利ではない。より高い共振周波数を有する振動が「スプリングスティフニング」を示し、他方が「スプリングロワーリング」挙動を示すようにサスペンションが、設計されている場合、振動と振動とが互いに近づき純粋な開ループ制御さらには閉ループ制御またはその組合せと同期することが行われないことが保証され得る。より低い共振周波数を有する振動子のサスペンションが「スプリングスティフニング」挙動で設計され、より高い共振周波数を有するサスペンションが「スプリングロワーリング」挙動で設計されている場合、振幅の増大は、振動周波数を接近させることによってのみ達成され得る。原則として、この場合を回避することが望ましいが、それは少数の使用可能な特性を伴うからである。両方の振動子が、設計の観点から達成するのが比較的困難であり、したがって滅多に起こらない場合である、「スプリングロワーリング」挙動を示す場合、純粋な開ループ制御に基づく有利には単純な実装形態は、延いては、それに対応して強力な式で達成することができるが、それはそれぞれの共振の周波数帯域幅が状態の十分な安定性を可能にするからである。本発明によれば、コントローラは、依然として、所望の周波数距離が保持されるように設計されなければならない。この状態は、適切な制御ループによって再び安定に保たれ得る。
【0046】
いくつかの実施形態によれば、マイクロスキャナは、二軸マイクロスキャナとして設計され、偏向ユニットは、３つの回転対称配置構成されたバネ要素を用いて支持フレームとして働き、それを取り囲むフレーム上で吊り下げられた偏向要素を備える。この場合、マイクロスキャナは、特に、「ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラー」タイプの偏向ユニットを備えることができる。これらの実施形態によるマイクロスキャナは、通常は、様々な軸の振動の間に非常に強いカップリングを有し、したがって強い非線形共振を有する。これは、次いで、偏向要素が共振して振動することができる、広いチューニング範囲、すなわち大きな帯域幅（たとえば、いくつかのＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーの変更形態では約２００Ｈｚ）（共振範囲）を使用可能にする。
【0047】
いくつかの代替的実施形態によれば、マイクロスキャナは、二軸ジンバルレスマイクロスキャナとして設計されており、（ｉ）偏向ユニットは、支持フレームとして使用される剛体フレーム、特に半導体材料から作られるチップフレーム上の可撓性バネを用いて２つの対向する側でしっかりとクランプされて吊り下げられる偏向要素を備え、（ｉｉ）可撓性バネは、各々、端面で互いに接続され、それ以外は互いに間隔を空けて延在し、偏向要素の周囲に延在する２つのアーチ形セクションを有し、偏向要素に隣接する各可撓性バネのそれぞれのセクションは偏向要素に接続され、フレームに隣接する各可撓性バネのそれぞれのセクションはフレームに接続される。偏向要素及び可撓性バネは、それに加えて任意選択でフレームも、特に、一体形成され得る、すなわち単一の基板から製造され得る。そのようなマイクロスキャナでは、軸の各々に関するそれぞれのバネ剛性は、それ自体に関する偏向要素の瞬時振幅及び他の軸に関する偏向要素の瞬時振幅の両方に依存する。したがって、マイクロスキャナの動作中に、第１の振動は、第２の振動を周期的に変調し、逆もまた同様である。それに加えて、２つの振動は、継続的に振動エネルギーを交換し、その間にエネルギーを一時的に蓄える。そのようなミラーにより、特に、変形された、特に狭窄した長方形の形状を有する、観察野の平面照明が達成されるものとしてよく、駆動デバイスを適切に作動させて相互変調を補償することで、少なくともおおよそ長方形の平面照明も達成され得る。
【0048】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、振幅調整、周波数調整、または位相調整の意味で偏向ユニットを駆動するために駆動デバイスを作動させる状況において、第１の振動、第２の振動、またはこれら２つの振動の各々の少なくとも１つの対応する状態変数を個別に特定の設定点値に設定するように構成される。特に、位相調整、特に位相調節は、様々な振動の相互変調の作動ベースの、部分的な、または完全な、補償を引き起こし、またマイクロスキャナの共振動作を維持するのに適している。
【0049】
いくつかの実施形態によれば、偏向要素は、３つの同時振動の間に偏向要素に入射する電磁ビームを偏向させることによって、観察野内に非線形リサージュ投影を生じさせるために第１及び第２の振動軸に対して各場合において直交する第３の振動軸に関して支持構造体に関して第３の回転振動を同時に追加的に実行することができるようにバネデバイスを用いることで支持構造体にジンバルレス方式で吊り下げられる。バネデバイスは、第３の振動と第１の振動または第２の振動またはその両方の間の振幅依存相互カップリングを媒介するようにも設計される。したがって、第３の振動軸または第３の振動を使用して、特に、たとえば、偏向された放射線の強度または位相が、たとえば、反射面の反射率もしくは構造の対応する不均一設計によって、第３の振動軸の周りの移動によって（追加的に）変調され得る、なおいっそう複雑な投影像が形成され得る。
【0050】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスは、第１または第２の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として駆動デバイスを作動させて、第３の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって第３の振動に対する駆動効果を誘発するようにさらに構成され、これは一方では第１及び第２の振動、または他方では第３の振動のそれぞれの瞬時振動周波数の間の所定の最小周波数距離を下回ることを打ち消す。したがって、様々な軸の周波数デカップリングは、第３の軸にも拡張され、したがって、そのようなカップリングは、投影中にさもなければ発生するであろう望ましくない撮像外乱を補償するかまたは回避するために使用され得る。
【0051】
いくつかの実施形態では、マイクロスキャナは、カプセル封入体をさらに含み、これを用いて、少なくとも偏向要素及びバネデバイスは、密閉方式でカプセル封入され、これによりカプセル封入体内の偏向要素は振動を実行することができ、バネデバイス上に振動できるように吊り下げられる。カプセル封入体は、偏向要素をブリッジするカプセル封入セクションを有し、これを通して、偏向されるべき放射線はカプセル封入体によってカプセル封入された空間領域内に放射され、偏向要素のところで偏向された後にそこから再び放射され得る。カプセル封入体またはカプセルセクションは、特に、ガラス材料からなるか、またはマイクロスキャナの使用に関連するスペクトル範囲内の電磁放射線に対して少なくとも主に、好ましくは大体は、透過的であるものを含むことができる。
【0052】
そのようなカプセル封入体の使用は、特に、気体摩擦損失、特に空気摩擦損失、または偏向要素の振動の他の外乱を低減するか、または大幅に排除することすらするために密閉され、カプセル封入された空間領域内の圧力を低下させて、特にこの空間領域から気体を抜くことを可能にする。これは、偏向要素及びそのスプリングサスペンションが周囲空気中で作動せず、減圧下、特に真空中で作動するときにリサージュ表示用途にマイクロスキャナを使用するときに特に有利であるが、それは空気制動に起因する摩擦損失はこの方法で非常に効率よく回避され、その結果、マイクロスキャナは、たとえば、大気圧の空気の場合に比べて最大１００倍の高い振動振幅を達成することができるからである。したがって、達成可能な光学分解能も、第１及び第２の振動軸の一方または各々において、たとえば１００倍まで、それに対応して増大させられ得る。
【0053】
これらの実施形態のいくつかにおいて、カプセルセクションは、断面がドーム形状（キューポラ形状）、平面形状、または直角Ｕ字形状の形成を有する。ドーム形状の形成は、入射及び出射電磁ビーム、特にレーザービームが配線によってほとんど偏向されないという特定の利点を有する。入射ビームがドーム形状カプセルセクション上で反射される限り、これは、通常、偏向要素で反射される出射ビームの方向と異なる方向に生じ、したがって望ましくない相互作用またはビームの重ね合わせが効果的に回避され得る。他方では、平面形成及び断面内で直角のＵ字形状形成は、マイクロスキャナの製造時の特に単純な生産性及び取り扱いによって各場合において区別される。断面内で直角のＵ字形状形成は、偏向要素の移動のために十分に大きいカプセル封入体によって囲まれている空間領域を形成するためにカプセル封入体の下部構造において他の何らかの形で必要とされるであろう任意の中間層（スペーサ層）が回避されるか、または数もしくは厚さが減らされ得るという利点も提供することができる。
【0054】
本発明の第２の態様は、リサージュ図形を観察野上に投影するための投影システムに関係し、投影システムは、本発明の第１の態様による、特に、本明細書において説明されている実施形態及びその変更形態のうちの１つによるマイクロスキャナを含む。
【0055】
いくつかの実施形態によれば、投影システムは、特に、マイクロスキャナによって偏向されるべき（したがって「入射」する）電磁ビームを生成するための放射源を備えることができる。
【0056】
いくつかの実施形態によれば、制御デバイスはさらに、少なくとも１つの変調信号を放射源に供給するように構成され、それに応じて入射電磁ビームは変調され得る。変調は、特に、その時間的または空間的強度プロファイルに関係するものとしてよい。しかしながら、放射線源の種類に応じて、他の種類の変調も企図可能であり、特に放射線源によって放射される放射線の波長（たとえば色）または波長分布の変調も企図可能である。像が投影されるときに、変調は瞬時偏向方向に応じてしかるべく実行され、それにより対応するピクセルは、変調によって表示されるべき像の対応するピクセルの関連付けられているピクセル値で、投影表面上に生成される。
【0057】
本発明の第１の態様に関して説明されている特徴及び利点は、本発明の第２の態様による上述の投影システムに対応して適用される。
【0058】
本発明のさらなる利点、特徴、及び可能な用途は、図と併せて次のより詳細な説明からの結果として得られる。
【0059】
図の説明を以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】本発明のいくつかの実施形態によるマイクロスキャナの例示的な構造を示す概略図である。
【図2】本発明のいくつかの実施形態によりリサージュ図形を観察野上に投影するための投影システムの例示的な構造を示す概略図である。
【図5】特に図１からのマイクロスキャナにおいて使用され得る、バネデバイスとしてアーチ形可撓性バネを使用する例示的なさらなるジンバルレスミラーの変更形態（「ＫＯＬＡ」）の偏向ユニットの概略頂面図である。
【図7】振幅が増大するにつれて自己同期が生じること、それにより剛性位相及び周波数カップリングが生じるのを回避するために、本発明によるマイクロスキャナの振動中に必要な最小周波数距離を維持する一例を例示する周波数応答図である。
【発明を実施するための形態】
【0061】
図全体を通して、同じ参照記号が本発明の同じまたは対応する要素に対して使用される。
【0062】
図１は、マイクロスキャナ１００を駆動するための駆動デバイス１０５を有する本発明の例示的な一実施形態によるマイクロスキャナの例示的な実施形態１００を側断面図内で概略的として例示している。
【0063】
マイクロスキャナ１００は、駆動デバイスとしての圧電アクチュエータ１０５を含み、これは、それと同時に、次々に積み重ねられる様々な基板から作られる積層多層構造が配置構成される底板を形成し、これは全体としてマイクロスキャナの偏向ユニット１０１を形成する。この多層構造のコアは、半導体材料から作られる第１の基板１２０（チップ）によって形成され、これは異なるコヒーレントな部分に構造化されている。これらの部分は、フレーム部分１２５と、偏向要素として使用されるミラー部分（「ミラー」）１３０と、ミラー部分１３０をフレーム部分に各々接続し、接続ウェブとして形成される複数のバネ要素１３５とを含む。
【0064】
ミラー部分１３０は、ミラー部分１３０がフレーム部１２５に関して２次元の、特に二軸の、振動運動を実行することができるようにねじれることができるバネ要素１３５を介してフレーム部１２５内に移動可能に装着される。したがって、接続ウェブ１３５は、ミラー部分１３０のスプリングサスペンションを表している。接続ウェブまたはバネ要素１３５は、一緒に、偏向ユニット１０１のバネデバイスを形成する。このバネデバイスは、個別の振動軸への振動の間の振幅依存相互カップリングを媒介するように設計される。この結果、全体としてバネデバイスの非線形バネ特性が得られる。
【0065】
ミラー部分１３０は、その主表面の一方に金属コーティング１４０を備え、それによりこの金属層１４０は、入射電磁放射線、特に、たとえば電磁スペクトルの可視または赤外領域内のレーザービームを偏向するためのミラー化反射表面を形成する。したがって、コーティング１４０を有するミラー部分１３０は、偏向ユニット１０１の偏向要素を形成する。
【0066】
金属層１４０は、特に、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔａ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔａ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｇ、Ｔａ／Ａｇ、Ｔａ／Ｐｔ／Ａｇ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｇ、Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｗ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｗ／Ａｇ、Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｇなどの材料のうちの１つまたは複数を含むことができる。特に、追加の誘電体層が、層の品質を改善するために、または金属層を腐食から保護するために、金属層より上または下に使用され得る。他の場合には、このようにして、特定の波長範囲に対して特に高い反射率を達成するために、ミラー層は、全体的に、誘電体層スタックから形成され得る。上述の材料は、高い長期耐久性及び良好なミラー特性の両方を有することができる。ミラー化反射表面１４０の形状は、円形である、特に、図３及び図５の各場合において示されているような円形とすることができるが、これは制限とは理解されない。特に、長方形または他の多角形の形状も企図可能である。そのような偏向要素または特に第１の基板１２０の様々な例示的な実装形態が、図３及び図５を参照しつつ以下で詳細に説明される。
【0067】
さらに、偏向ユニット１０１は、任意選択で、ガラス材料から作られる第２の基板１４５を備える。第２のガラス基板は、キューポラ形状を有し、ミラー部分１３０を両側で囲むキャビティ１７５の第１の（図１では「上側」）部分１７５ａを形成するために、基板接合材料１５０、たとえばガラスフリット材料を用いて、第１の基板１２０のフレーム部分１２５に密閉して接続される。
【0068】
多層基板１０１内の、第２の基板１４５の反対側の、第１の基板１２０の側では、底板として、第１の基板と第３の基板との間で使用される、第３の基板１１０、スペーサまたは（それと同等の）スペーサ層として設計されている、さらなる、第４の基板１１５が配置される。第３及び第４の基板は、各々、特に半導体材料から製造され得る。
【0069】
第４の基板１１５は、底板１１０によって提供されるその底部境界とともに、キャビティ１７５の第２の（図１（ａ）では「下側」）部分１７５ｂを形成するように、ミラー部分１３０より下に配置構成されているキャビティを含む形で構造化される。
【0070】
それぞれの隣接する個別の基板は、たとえば再び基板接合材１５０または１５５を用いて密閉方式で互いに接続され、キャビティ１７５は、第２の基板１４５が使用されるときに全体として密閉されるように設計される。これはその中に残留ガス圧が存在するように好ましくは気体を抜かれ、これは好ましくは通常状態（１０１．３２５ｋＰａ＝１０１３．２５ｍｂａｒ）を著しく下回り、それは好ましくは１０ｋＰａ／１０＋１ｋＰａ（１０－１ｍｂａｒ）未満、特に好ましくは１０－１ｋＰａ（１０－３ｍｂａｒ）未満である。典型的には、第１から第４の基板１１０、１１５、１２０、１４５は、各々、同じ基本形状、特に長方形の形状を有するが、他の形状も可能である。
【0071】
圧電アクチュエータ１０５は、電気的に作動されたときに振動運動を発生し、それを偏向ユニット１０１、特にミラー部分１３０に伝達するように構成される。これの変更形態では、振動運動は、多次元的であり、振動周波数（周波数）がそれぞれの振動の共振範囲に入ったときに、複数の振動が異なる直交する振動軸に対して同時に励起され得る。代替的に、駆動デバイス、特にこの例では、圧電アクチュエータ１０５は、振動の各々が対応する特別な運動成分、特に対応する振動軸に平行に延在する軸の周りのアクチュエータの傾きを介して、意図的に別々に励起可能となるように構成され得る。
【0072】
この方法及び他の方法では、ミラー部分１３０は、そのミラー面１４０により励起されて、振動運動、特にフレーム部分１２５に関する二軸リサージュ運動などの共振運動または強制多次元振動運動を実行することができる。以下では、振動軸のうちの対応する１つの軸の周りの一軸振動成分は、各々、振動と称される。これらの振動において、ミラー部分１３０は、振動のそれぞれの軸の周りで傾く（回転する）ことによって第１の基板１２０の平面から外へ移動することができ、それによって両側のキャビティ１７５の部分１７５ａ及び１７５ｂに突入することができる。キャビティ１７５から気体を抜くことに起因して、ガス中の残っている摩擦は非常に小さく、したがって、ほんのわずかな、特に、無視できるくらいに小さい減衰が生じる。
【0073】
さらに、マイクロスキャナ１００は、容量性位置決定デバイスを含む。この位置決定デバイスは、ミラー部分１３０のそれぞれの電流振幅位置、特に向きを決定することを目的として電気容量測定が実行される２つの電極を含む。２つの電極のうちの第１の電極は、金属ミラー表面１４０によって形成され、これはしたがって二重機能（入射電磁放射線の偏向、電極）を実行することを意図されている。２つの電極のうちの第２の電極は、キャビティ領域１７５内の底板１１０の内側に、底板１１０の対応する金属コーティング１８０として具現化される。本発明の例では、この底部電極１８０は、多部構造金属層として設計されている。この底部電極１８０の形状は、本質的に、ミラー部分１３０の、またはその反射層もしくはミラー表面１４０の、非偏向アイドル状態でこれに平行に横たわるミラー部分１３０の形状に、種類に関して、また好ましくは少なくとも近似的にサイズに関して、対応する。
【0074】
底部電極１８０は、底部電極１８０から底板１１０を通って圧電アクチュエータ１０５上の対応する接続パッド１９０まで延在する、１つまたは複数のいわゆるビア、すなわち電気的に高導電性（導電率＞１０６ Ｓ／ｍ）の、通常は金属材料を充填された接続トンネルを介して、電気的に接触する。ミラー電極１４０は、次いで、再配線層を介して、第２の（ガラス）基板によって形成されたキューポラの外側の第１の基板１２０上に配置構成された接続パッド１６５に電気的に接続され、そこからボンディングワイヤ１６０を用いて圧電アクチュエータ１０５上のさらなる接続パッド１７０に電気的に接続される。したがって、ミラー電極１４０は、接続パッド１７０を介して全体的に電気的に接触される。その結果、ミラー部分１３０の位置を決定するために使用される静電容量測定は、接続パッド１９０と１７０の間で実行され得る。
【0075】
マイクロスキャナ１００はまた、制御デバイス１９５を備え、これは、特に、偏向要素１３０、１４０の振動のうちの少なくとも１つの振動に関するそれぞれの、特に共振の、駆動効果が個別に設定可能であるように対応する電気制御信号１９８を用いて（制御または調節の意味で）偏向ユニットを駆動するための圧電アクチュエータ１０５を制御するように構成される。特に、制御デバイスは、第１の振動軸Ａ１に沿った振動（「第１の振動」）の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として圧電アクチュエータ１０５を制御するように構成され、特にプログラムされ、それにより、第２の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって、第１の振動軸に直交する第２の振動軸Ａ２に対する振動（「第２の振動」）の駆動効果を誘発し、これは第１の振動の瞬時振動周波数ｆ１，ｉと第２の振動の瞬時振動周波数ｆ２，ｉとの間の所定の最小周波数距離ｆＴＨを下回ることを打ち消す。それに加えて、制御デバイス１９５は、上述の静電容量測定に基づく偏向ユニットからの測定信号１９９、特に軸Ａ１及びＡ２に関する偏向ユニットの瞬時位置を指示する測定信号を受信するように構成される。特に、それぞれの振動の振幅、周波数、及び位相は、ここでは状態変数として考慮される。
【0076】
任意選択で、制御デバイス１９５は、反対方向の追加制御を実行する、すなわち、第２の振動の少なくとも１つの検出された状態変数の関数として圧電アクチュエータ１０５を作動させ、第１の振動の少なくとも１つの状態変数に影響を及ぼすことによって第１の振動の駆動効果を誘発するように構成されるものとしてよく、これは第１の振動の瞬時振動周波数ｆ１，ｉと第２の振動の瞬時振動周波数ｆ２，ｉとの間の所定の最小周波数距離を下回ることを打ち消す。制御デバイス１９５を用いてこの状況において実行され得る振動の開ループ及び閉ループ制御の詳細については、以下で、特に図７から図１０を参照しつつ説明される。
【0077】
図２は、リサージュ図形を観察野２２０上に投影するための投影システム２００の例示的な構造の概略を示す。特に、図１からのマイクロスキャナ１００は、この目的のために使用され得る。電磁放射線源、特に可視光の光源として使用されるレーザー２１０を用いて、反射表面として使用される、ミラー化表面１４０上で、入射光のビームＬ１が生成されて、反射表面１４０上に向けられ、そこで反射され、観察野２２０上に検出されたビームＬ２として結像され、これを少なくともセクションにわけて照明する。観察野は、投影表面によって、たとえば、投影スクリーンまたは床もしくは道路表面などの滑らかな表面によって画成され得る。図２に示されている純粋な反射の最も単純な場合に加えて、偏向要素またはミラー１３０／１４０に加えて、１つまたは複数のさらなる光学素子が、特にミラーまたは光学レンズの形態で、像を定めるために設けられてよい。
【0078】
図３は、特に図１からのマイクロスキャナ１００において、または図２からの投影システム２００において使用され得る、ジンバルレスＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーを有する偏向ユニット３００の概略頂面図を示している。図４は、これを目的とする振動軸に関する励起した後の偏向要素の振幅の関連する周波数応答を示している。
【0079】
この特定の実施形態において、マイクロスキャナは、特に二軸マイクロスキャナ３００として設計され得る。その偏向ユニット１０１は、ここではミラープレートとして設計された偏向要素１３０、１４０を備える。これは、それを囲む基板１２０のフレームセクション１２５から吊り下げられ、３つの回転対称に配置構成されたバネ要素１３５を用いて支持構造として使用され、これは一緒にバネデバイスを形成する。サスペンションは、偏向要素１３０、１４０（ミラー）が、ジンバルレス方式でフレームセクション１２５上に、それに関して第１の振動軸Ａ１に関する第１の回転振動及びそれに直交する第２の振動軸Ａ２の周りの第２の回転振動を同時に実行することができるように吊り下げられ、同時振動の間に偏向要素に入射する電磁ビームＬ１を偏向させることによって観察野２２０内に非線形リサージュ投影を生じさせる。２つの相互に直交する振動軸Ａ１及びＡ２のこのコースは、ミラー外周に沿って各々１２０度隔たる３つのサスペンションに関する回転対称性に起因する励起のコースに依存する。
【0080】
バネデバイスの特別な構成に起因して、２つの軸Ａ１及びＡ２の周りの振動は、ここでは強くカップリングされ、したがってもはや独立していない。実際、この場合、調和振動子とは異なり、有効バネ剛性ｋ１及びｋ２は、各々、２つの振動軸Ａ１及びＡ２に関する実際の機械的振幅（偏向）θ１，ｉ（ｔ）及びθ２，ｉ（ｔ）の時間依存関数であり、次の通りである。
ｋ１＝ｋ１（θ１，ｉ（ｔ），θ２，ｉ（ｔ））及びｋ２＝ｋ２（θ１，ｉ（ｔ），θ２，ｉ（ｔ）） （３）
ｋ１＝ｋ１（θ１，ｉ（ｔ），θ２，ｉ（ｔ））及びｋ２＝ｋ２（θ１，ｉ（ｔ），θ２，ｉ（ｔ）） （３）
【0081】
ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラー型の場合、２つの振動の間のカップリングまたは相互作用は、通常、非常に明瞭に見ることができる。両方の振動軸は、３つすべてのバネ１３５によって画成される。これは、３つすべてのバネ１３５がジンバルミラーとは対照的にＡ１及びＡ２の両方の軸にも関わることを意味している。後者では、各振動軸はそれぞれ一対のトーションサスペンションを有する。
【0082】
ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーが従来通り、つまり本発明による特別な制御を使用せずに、内力または外力によって駆動される場合、まず最初に、軸Ａ１またはＡ２において線形振動し始める。次いで、周波数ｆを高くし、第２の軸の共振周波数に近づいた場合、軸Ａ１の周りの第１の振動から軸Ａ２の周りの第２の振動へ振動エネルギーがますます移行し、ミラー１３０／１４０は、もはや線形振動のみを行うことをせず、楕円振動する。この楕円は次第に直径が大きくなり、それと同時に楕円はますます円形に近づく。これは、２つの軸の間の強い相互作用に起因して供給される振動エネルギーが一方の軸から他方の軸へ次第に大きく伝達されることを意味する。
【0083】
第２の軸は、位相位置に関して自己同期するが、それは、そのときに、軸と軸との間にいかなる位相関係があろうと振動はなく、楕円または円形があり、これは、２つの軸Ａ１及びＡ２の同期した位相位置と同等であるが、エネルギーは一方の軸を介してのみ供給されたからである。
【0084】
強く相互作用する軸の興味深い重要な特徴は、非線形動作するスプリングサスペンション１３５である。この結果、顕著な非線形共振が生じ、ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーの場合には、これはたとえば軸Ａ１に対する振動振幅の周波数応答として図４に示されているように、より高い周波数に向かって「傾斜した先の尖ったキャップ」を有するいわゆる「ストレススティフニング」または「スプリングスティフニング」の問題である。
【0085】
上述の式（３）によるバネ剛性ｋ１及びｋ２は、ここでは、第１の振幅θ１の関数として、また第２の振幅θ２の関数として、それぞれの振幅が大きくなるにつれて大きくなる。したがってこの結果は、マイクロスキャナ１００が、共振点において発生する最大振幅を達成するために、ここでより低い周波数からより高い周波数へと共振させられ得るのみであることである。それに加えて、両方の軸Ａ１及びＡ２に対して振動を励起させるために２つの共振周波数のうち低い方の周波数から開始しなければならない。２つの共振周波数のうち高い方の周波数から開始した場合、振動は一軸のままである。
【0086】
図４は、駆動デバイス１０５に対する４０Ｖ、８０Ｖ、及び１２０Ｖのレベルにおける３つの異なる起動電圧に対する対応する周波数応答のファミリーを示しており、より高い作動電圧は、さもなければ同一である動作モードでより大きな最大振幅に対応する。高くなる周波数曲線（「アップ」）で振動するときに、上述のピーク形状振幅曲線は結果として、同期した軸（ｆ１，ｉ～～ｆ２，ｉまたはｆ１Ｒ～～ｆ２Ｒ～～ｆＲ）に起因する、１つの顕著な最大値のみをもたらすことが明確にわかる。
【0087】
ほとんど垂直で狭い共振ピークの代わりに、振動振幅が大きくなるにつれ振動時に共振曲線がより高い周波に向かう明らかな広がりがある。振動振幅が大きければ大きいほど、サスペンションの剛性は増す、すなわちバネ剛性ｋは大きくなり、共振周波数ｆＲはより強く変化する。これは、帯域幅（周波数調整範囲）を広げることになる。
【0088】
その代わりに、振動が励起周波数を下げて（「ダウン」）実行されたとすると、著しく異なる周波数応答が結果として生じ、２つの軸Ａ１及びＡ２の、そのときに分離したままである、共振周波数ｆ１Ｒ及びｆ２Ｒに対する別個の、あまり顕著でない最大値が得られるであろう。
【0089】
ジンバルのない非線形２Ｄマイクロスキャナは、ほとんど常に、非常に強いカップリングを有する。非線形性の強い共振は、結果として、大きなチューニング範囲、すなわちマイクロスキャナが共振振動できる広い帯域幅をもたらす。実施形態に応じて、これは、ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーに対して２００Ｈｚであってよく、これはたとえば、高品質のジンバルスキャナに対して典型的である１Ｈｚ未満の帯域幅に関して非常に高い。
【0090】
これらの非線形カップリング２Ｄミラーは、もはや２つの調和振動子の組合せではないが、それは、式（３）によれば、「バネ定数」に基づき振幅とともに線形に増大するバネ力がもはやない、すなわち、高調波動作がないからである。むしろ、これは振幅に強く非線形依存するバネ力であり、いわゆる「ダフィング振動子」として記述され得る。
【0091】
ＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーは、結果として生じるリサージュ像が円形路／楕円形状である可能性があるにもかかわらず、通常、同一の共振周波数を有しないが、２つの異なる共振周波数を有し、基底状態（低振動振幅）では約１００Ｈｚ隔たり得ることに留意されたい。しかしながら、より低い共振周波数を有する軸が振動したときに、振動子は、より高い周波数に向かって減衰するので、２つの軸の周波数は最終的に重なり合う（ｆ１Ｒ～～ｆ２Ｒ）までますます同じになり、エネルギー交換が完全に可能にする。したがって、偏向ユニット３００は、所望の平面照明の代わりに楕円、特に円形の線の結像を超えるリサージュ投影を用いることによる観察野の平面照明に実際には容易には適さない。
【0092】
他方では、本発明による制御デバイスがマイクロスキャナ１００の駆動デバイスを制御するために使用される場合、広い、特にまた少なくともおおよそ長方形の形状の、照明が振幅をチューニングすることにより可能である。２つの振動または軸に対する周波数最大値は、高い周波数で振動するときであっても維持され得るが、それは、これらの周波数が、所定の最小周波数距離ｆＴＨを下回ることができないようにその周波数距離に関して常に設定され、この結果、楕円形状から逸脱した照明が得られるからである。
【0093】
図５は、偏向ユニット１０１、特に基板１２０の別の実施形態によるジンバルレスミラー（ここではタイプ「ＫＯＬＡ」として指定される）を有する偏向ユニット５００の概略頂面図である。この実施形態は、ここでもまた、特に図１からのマイクロスキャナ１００または図２からの投影システム２００において使用され得る。
【0094】
ＫＯＬＡマイクロスキャナは、二軸ジンバルレスマイクロスキャナであり、偏向ユニット５００は、偏向要素（ミラー）１３０、１４０を備え、これは、（剛性の）フレームセクション１２５、特にチップ上にしっかりとクランプされた可撓性バネ１３５ａ、１３５ｂを用いて２つの対向する側の各々で吊り下げられている。可撓性バネ１３５ａ、１３５ｂは、各々、端面で互いに接続され、それ以外は互いに隣接して相隔てて延在し、偏向要素１３０、１４０の周りに延在する２つのアーチ形セクションを有する。偏向要素１３０、１４０に隣接する各可撓性バネのそれぞれのセクションは、内側接続ウェブ１３６ａまたは１３６ｂによって偏向要素１３０、１４０に接続されている。フレームセクション１２５に隣接する各可撓性バネ１３５ａ、１３５ｂのそれぞれのセクションは、外側接続ウェブ１３７ａまたは１３７ｂを用いてフレームセクション１２５に接続される。
【0095】
可撓性バネ１３５ａ、１３５ｂの長さは、偏向要素の外側輪郭に沿って可能な限り長く広く延在し、好ましくは回転の振動軸Ａ１から垂直に一旦離れ（各側へ約１／４円）、次いで再びこの軸Ａ１に戻るように設計されるものとしてよい。可撓性バネのこのコースは、偏向要素１３０、１４０が両方の相互に直交する振動軸Ａ１及びＡ２において移動可能であることを可能にし、そのそれぞれのベアリングは説明されているサスペンションを有するバネデバイスの構造によって定められる。
【0096】
２つの軸または関連する振動は、振動振幅が非常に大きいときに強いカップリングを示し、したがって顕著な相互作用を示す。特に、第１の軸Ａ１の周りの偏向要素１３０、１４０の各振幅は、直ちに結果として可撓性バネ１３５ａまたは１２５ｂ全体のスティフニングをもたらすが、これは両方の振動軸Ａ１及びＡ２に影響を及ぼす。その結果、関連するバネ定数または振幅依存バネ関数ｋ１は、第１の軸Ａ１の振動に対して周期的にデチューンされるだけでなく、それと同時にそれに垂直な第２の軸Ａ２に対して関連するバネ関数ｋ２もデチューンされ、その逆も同様である。したがって、両方のバネ関数は、式（３）に従う時間依存関数である。
【0097】
この周期的スティフニングの結果、２つの振動のそれぞれの共振周波数ｆ１Ｒ及びｆ２Ｒが軸Ａ１及びＡ２に周期的にシフトする。これは、次のことを意味する。第１の軸Ａ１の振動は、第２の軸Ａ２の共振周波数ｆ２Ｒを周期的にデチューンし、第２の軸Ａ２の振動は、逆に第１の軸Ａ１の共振周波数ｆ１Ｒを周期的にデチューンする。それに加えて、２つの軸Ａ１及びＡ２は、振動エネルギーを永久的に伝達し、互いに交換し、蓄える。
【0098】
ＫＯＬＡマイクロスキャナでは、この結果、変調されたミラー振動振幅θ１（ｔ）及びθ２（ｔ）が得られる。本発明によるコントローラがいっさい使用されない場合、観察野２２０内の投影の際にここで結果として得られるスキャンパターンは、したがって、断面が完全に長方形である形状を有さず、むしろ、特に１つの軸において明確な狭窄を示す。これは、図６に概略として例示されている。
【0099】
他方では、本発明による制御デバイスがマイクロスキャナ１００の駆動デバイスを制御するために使用される場合、広い、特にまた少なくともおおよそ長方形の形状の、照明が振幅をチューニングすることにより可能である。次いで、２つの振動または軸に対する周波数最大値も、高い周波数で振動するときに維持され得るが、それはこれらの周波数がその周波数距離ｆ１，ｉ－ｆ２，ｉまたは｜ｆ１，ｉ－ｆ２，ｉ｜に関して常に設定され、これらは所定の最小周波数距離ｆＴＨを下回らないからである。
【0100】
図７は、振幅が増大するにつれて自己同期が生じること、それにより剛性位相及び周波数カップリングが生じるのを回避するために、本発明によるマイクロスキャナの振動中に必要な最小周波数距離を維持する一例を例示する周波数応答図である。
【0101】
３つの下側曲線プロファイルは、振動プロセスの時刻ｔ１、ｔ２、及びｔ３の異なる連続時点において（２つの軸のいずれか１つの軸に関する）偏向要素の振動振幅の実際の周波数応答を示している。図７に破線で示されている一番上の曲線は、より低い共振周波数を有する振動子の振幅が、一方の軸の共振が他方の軸（より高い共振周波数を有する）の共振に重ね合わされるような程度まで大きくなったときの状態を表している。この状態で、第１の振動子は、第２の振動子と同期することを試みる。この「融合すること」は、２つの共振器が同時に振動することとそれによって同じ方向にストレススティフニングを示すことの両方によってその分離を維持する場合にのみ防止され得る。ｆ１（ｆ１Ｒの略）は、第１の振動軸Ａ１に対する瞬時（振幅依存）共振周波数を指定し、したがってｆ２（ｆ２Ｒの略）は、第２の振動軸Ａ２に対するそれぞれの瞬時（振幅依存）共振周波数を指定する。本発明によるマイクロスキャナを使用するときに、一方では使用されるジンバルレス偏向ユニットに起因して様々な振動または関連する振動軸Ａ１及びＡ２の間の強いカップリングが発生する。しかしながら、他方では、制御ユニット１９５は、最小周波数距離ｆＴＨを維持し、したがって２つの共振周波数ｆ１及びｆ２（またはｆ１Ｒ及びｆ２Ｒ）が融合するのを防ぐためにこれらの振動または短い振動軸の同期をアクティブに妨げる。その結果、得られるリサージュ図形もまた、ｆ１＝ｆ２（またはｆ１Ｒ＝ｆ２Ｒ）の場合のように、単なる楕円を表すのではなく、むしろ、駆動ユニット１０５による励起の適切な選択により、観察野２２０において、異なる形状の、平面的な、特に直角ですらある、照明領域を誘発することができる。
【0102】
【0103】
制御デバイス１９５は、一方では、第１の軸Ａ１に関する第１の振動に対する開ループ制御ユニット１９６（開ループ）を有し、他方では、第２の軸Ａ２に関する第２の振動に対する閉ループ制御ユニット１９７（閉ループ）を有する。開ループコントローラ１９６は、第１の振動に関して圧電アクチュエータ１０５を制御するために、時間依存電圧Ｖ１（ｔ）の形態で第１の作動信号を供給する。対照的に、閉ループコントローラ１９７は、第２の振動に関して圧電アクチュエータ１０５を制御するために時間依存電圧Ｖ２（ｔ）の形態の第２の作動信号（より正確には、制御された可変信号）を供給する。２つの電圧Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）は、図１または図２からの制御信号または制御された可変信号１９９に対応する。この作動に起因して、圧電アクチュエータ１０５は、第１及び第２の振動軸Ａ１及びＡ２に作用する動作を実行し、偏向ユニット１０１へのその機械的カップリングにより、対応する機械力Ｆ１（ｔ）及びＦ２（ｔ）を印加し、第１の振動及び第２の振動を、特に各々共振するように、すなわちそれぞれの瞬時共振周波数ｆ１Ｒまたはｆ２Ｒに従って駆動する。偏向ユニット１０１はジンバルレスタイプであるので、２つの振動軸Ａ１及びＡ２の間に、第１の振動に関する無視できない機械的カップリングＫ１（θ１，ｉ（ｔ）；θ２，ｉ（ｔ））及び第２の振動に関するＫ２（θ１，ｉ（ｔ）；θ２，ｉ（ｔ））があり、これらは各々実際の振幅θ１，ｉ（ｔ）及びθ２，ｉ（ｔ）に依存し、したがって時間依存でもある。
【0104】
制御ユニット１９６は、第１の振動に対する制御コントローラ１９６ａを有し、これは、マイクロスキャナ８００の振動時の第１の振動の振幅の時間設定点曲線θ１，ｓ（ｔ）を表す制御データが記憶されているルックアップテーブル１９６ｄにアクセスすることができる。この制御データにより、制御コントローラ１９６ａは、第１の振動に関して圧電アクチュエータ１０５を制御するための時間依存電圧Ｖ１（ｔ）を生成し、これを圧電アクチュエータ１０５に出力して作動させる。
【0105】
第１の振動の上述の制御は開ループ制御であるが、第２の振動の制御は閉ループであり、これを使用することで、偏向ユニット１０１の底部電極１８０によって検出され、瞬時の実際の振幅θ１，ｉ（ｔ）及びθ２，ｉ（ｔ）によって与えられる、偏向要素（ミラー）１３０、１４０の瞬時位置は、入力信号として制御ユニット１９７にフィードバックされる。返された振幅θ１，ｉ（ｔ）は、制御ユニット１９７の制御コントローラ１９７ａに送られ、これは、任意選択で時間依存する最小周波数距離ｆＴＨを考慮して、第２の振動の振幅に対するターゲット値θ２，ｓ（ｔ）を決定する。振幅は、図７の例を用いて示されているように、第２の振動の周波数に相互依存するので、第２の振動に対する瞬時周波数の設定点も定められる。
【0106】
設定点θ２，ｓ（ｔ）は、第２の振動に対する差分検出器１９７ｂに送られ、これは、特に、設定点θ２，ｓ（ｔ）と第２の振動の振幅の返された実際の値θ２，ｉ（ｔ）との間の位相差
を検出し、下流のコントローラまたはループフィルタを介して、位相同期に関して決定された制御された可変信号Ｖ２（ｔ）を生成し、それを圧電アクチュエータ１０５に出力するように構成され得る。代替的またはそれに加えて、振幅制御または直接周波数制御も、類似の方式で提供され得る。
【数1】
【0107】
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）からのマイクロスキャナが振動するときの２つの振動に対する例示的な周波数曲線を示す図である。この例により、制御された第１の振動が、その実際の周波数ｆ１，ｉが連続特性曲線によって示されているような段階的コースを辿るように実行される場合、第２の振動に対する閉ループ制御は、最小周波数距離ｆＴＨが常に維持される破線の特性曲線によって示されるような段階的コースを辿るように設計され得る。したがって、マイクロスキャナの振動は、２つの振動に関して時間的に交互に行われる。カップリングＫ２（θ１，ｉ（ｔ）；θ２，ｉ（ｔ））を介して第１の振動に依存している、第２の振動に対する閉ループ制御を使用することで、最小周波数距離ｆＴＨを維持しながら二軸振動が達成され得る。
【0108】
図９は、本発明のさらなる実施形態９００による、図１からのマイクロスキャナの例示的な二重閉ループ制御（両方の軸に対する閉ループ）のブロック図であるが、しかしながら、２つの閉ループ制御の間の信号ベースのフィードバックは、一方向にのみ行われる。
【0109】
このマイクロスキャナスキャナ９００は、第１の振動に対する開ループ制御の代わりに閉ループ制御、特に閉ループ位相制御もそこで提供されるという点で図８（Ａ）からのマイクロスキャナスキャナ８００に基づく。したがって、開ループ制御ユニットは、閉ループ制御ユニット１９６で置き換えられ、第１の振動の実際の振幅θ１，ｉ（ｔ）も、偏向要素のところで測定され、閉ループ制御ユニット１９６にフィードバックされ、さらに第１の振動に対する制御ループを閉じる。
【0110】
その結果、現在、２つの振動の各々に対して別個の閉ループ制御があり、第１の振動に対する閉ループ制御は、第２の振動の閉ループ制御を考慮せず、したがって第２の振動の返された実際の振幅θ２，ｉ（ｔ）も受け取らないという意味で、マスター閉ループ制御として機能する。対照的に、第２の振動に対する閉ループ制御は、スレーブ閉ループ制御として機能し、その設定点決定は、第１の振動の返された実際の振幅θ１，ｉ（ｔ）及びさらなる入力変数として使用される最小周波数差ｆＴＨに依存する。最小周波数距離が維持されることを確実にすることは、したがって、第２の振動に対する閉ループ制御に依存するが、２つの閉ループ制御の各々は、それぞれの駆動信号Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）が各々、それぞれの振動の実際のコースと同位相で働き、したがって偏向ユニット１０１の対応する共振動作を補助することも確実にする。
【0111】
図１０は、本発明１０００のなおも別の実施形態による、図１からのマイクロスキャナの例示的な二重閉ループ制御（両方の軸に対する閉ループ）のブロック図であるが、信号ベースの双方向フィードバックは２つの閉ループ制御の間で行われる。
【0112】
マイクロスキャナ１０００は、第１の振動に対する閉ループ制御はまた第２の振動の実際の振幅θ２，ｉ（ｔ）及び最小周波数距離ｆＴＨのフィードバックを入力信号として受け取るという点で、図９からのマイクロスキャナ９００に基づく。この結果、第１の振動に対する閉ループ制御が第２の振動による影響を受け、その逆もある対称的構造が得られる。最小周波数距離が維持されることを確実にすることは、したがって、両方の振動に対する閉ループ制御に依存するが、２つの閉ループ制御の各々は、それぞれの駆動信号Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）が各々、それぞれの振動の実際のコースと同位相で働き、したがって偏向ユニット１０１の対応する共振動作を補助することも確実にする。
【0113】
この場合、第１及び第２の振動に対するこれらのそれぞれの閉ループ制御は、各々、そのそれぞれの勾配及び制御速度に関してそれぞれの他方の閉ループ制御の勾配及び制御速度の関数として動的に構成されるまたは構成可能であるように設計される。このチューニングは、これがアクスルがおおよそ同じ速度で振動し、したがってアクスルの元の共振周波数がおおよそ同じ速度で、特にバネ剛性が振幅の増大とともに高くなるときに高い周波数に向かってシフトされることを可能にするという点で有利である。
【0114】
最初から制御不安定性を生じるリスクを減らすか、または理想的には完全に排除するために、特に周波数または振幅が変化し得る最大速度は、制御ループ内で、場合によってはキャリブレーションプロセスの結果得られるキャリブレーションの一部としても、制限され得る。周波数は、通常、非常に高く、たとえば数キロヘルツであるので、非常によく制御された、安全な手順は、この目的のためにごく短い時間の間に行うこともできる。
【0115】
少なくとも１つの例示的な実施形態が上で説明されているが、多数の変更形態が存在することに留意されたい。また、説明されている例示的な実施形態は、非限定的な例を示すに過ぎず、本明細書において説明されているデバイス及び方法の範囲、適用可能性、または構成を制限することを意図されていないことにも留意されたい。むしろ、前の説明は、少なくとも１つの例示的な実施形態を実装するための指針を当業者に提供するものであり、例示的な実施形態において説明されている要素の動作及び配置構成における様々な変更が、付属の特許請求の範囲及びその法的等価物において定義される主題の範囲から逸脱することなく行われ得ることは明らかである。
【符号の説明】
【0116】
１００ マイクロスキャナ
１０１ 偏向ユニット
１０５ 駆動デバイス、特に圧電アクチュエータ
１１０ 第３の基板、底板
１１５ 第４の基板、スペーサ層
１２０ 第１の基板
１２５ フレーム部分
１３０ ミラー部分
１３５ バネ要素
１３５ａ，ｂ 可撓性バネ
１３６ａ，ｂ 内側接続ウェブ
１３７ａ，ｂ 外側接続ウェブ
１４０ 金属ミラーコーティング、ミラー電極
１４５ 第２の基板、キューポラ形状
１５０ 基板接合材料
１５５ さらなる基板接合材料
１６０ ボンドワイヤ
１６５ 上側電極（頂部電極）１４０を接続するための第１の基板１２０上の接続パッド
１７０ 上側電極１４０を接続するための圧電アクチュエータ１０５上の接続パッド
１７５ａ キャビティ１７５の上側領域
１７５ｂ キャビティ１７５の下側領域
１８０ 構造化された、場合によっては多部底部電極
１８５ 圧電アクチュエータと接触するためのハンダバンプを有するビア
１９０ 底部電極を接続するための圧電アクチュエータ１０５上の接続パッド
１９５ 制御デバイス
１９６ 第１の振動に対する開ループ制御ユニットまたは閉ループ制御ユニット
１９６ａ 第１の振動に対する制御コントローラ
１９６ｂ 第１の振動に対する差分検出器
１９６ｃ 最初に第１の振動に対する閉ループコントローラまたはループフィルタ（位相ロックループ内の）
１９６ｄ ルックアップテーブル
１９７ 第２の振動に対する閉ループ制御ユニット
１９７ａ 第２の振動に対する制御コントローラ
１９７ｂ 第２の振動に対する差分検出器
１９７ｃ 第２の振動に対する閉ループコントローラまたはループフィルタ（位相ロックループ内の）
１９８ 制御ループ及び位置測定におけるフィードバックに対する測定信号
１９９ 制御信号または制御された可変信号
２００ 投影システム
２１０ 光源、特にレーザー
２２０ 観察野、特に投影表面
３００ ジンバルレスＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーを有する偏向ユニット
４００ ジンバルレスＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーの周波数応答
５００ ジンバルレスＫＯＬＡミラーを有する偏向ユニット
６００ 狭窄し変形した平面照明領域
７００ 周波数応答
８００ 混合開ループ制御（開ループ）／閉ループ制御（閉ループ）のブロック図
９００ 一方向カップリング２軸制御（閉ループ）のブロック図
１０００ 双方向カップリング制御（閉ループ）のブロック図
Ａ１ 第１の振動軸
Ａ２ 第２の振動軸
Ｆ１，Ｆ２ 駆動デバイスから偏向要素への軸固有の駆動力
Ｋ１（．．．） 第１の軸にカップリングする機械軸
Ｋ２（．．．） 第２の軸にカップリングする機械軸
Ｌ１ 入射光ビーム
Ｌ２ ミラーのところで反射される光ビーム
Ｖ１，Ｖ２ 駆動デバイスを作動させるための制御電圧
ｆ 周波数
ｆ１ 第１の振動の設定点周波数
ｆ２ 第２の振動の設定点周波数
Δｆ 周波数差
ｆＴＨ 最小周波数距離
θ１，ｉ 第１の振動軸Ａ１への第１の振動の実際の振幅
θ１，ｓ 第１の振動軸Ａ１への第１の振動の設定点振幅
θ２，ｉ 第１の振動軸Ａ２への第２の振動の実際の振幅
θ２，ｓ 第１の振動軸Ａ２への第２の振動の設定点振幅
Δθ 振幅差
ｔ 時間
１０１ 偏向ユニット
１０５ 駆動デバイス、特に圧電アクチュエータ
１１０ 第３の基板、底板
１１５ 第４の基板、スペーサ層
１２０ 第１の基板
１２５ フレーム部分
１３０ ミラー部分
１３５ バネ要素
１３５ａ，ｂ 可撓性バネ
１３６ａ，ｂ 内側接続ウェブ
１３７ａ，ｂ 外側接続ウェブ
１４０ 金属ミラーコーティング、ミラー電極
１４５ 第２の基板、キューポラ形状
１５０ 基板接合材料
１５５ さらなる基板接合材料
１６０ ボンドワイヤ
１６５ 上側電極（頂部電極）１４０を接続するための第１の基板１２０上の接続パッド
１７０ 上側電極１４０を接続するための圧電アクチュエータ１０５上の接続パッド
１７５ａ キャビティ１７５の上側領域
１７５ｂ キャビティ１７５の下側領域
１８０ 構造化された、場合によっては多部底部電極
１８５ 圧電アクチュエータと接触するためのハンダバンプを有するビア
１９０ 底部電極を接続するための圧電アクチュエータ１０５上の接続パッド
１９５ 制御デバイス
１９６ 第１の振動に対する開ループ制御ユニットまたは閉ループ制御ユニット
１９６ａ 第１の振動に対する制御コントローラ
１９６ｂ 第１の振動に対する差分検出器
１９６ｃ 最初に第１の振動に対する閉ループコントローラまたはループフィルタ（位相ロックループ内の）
１９６ｄ ルックアップテーブル
１９７ 第２の振動に対する閉ループ制御ユニット
１９７ａ 第２の振動に対する制御コントローラ
１９７ｂ 第２の振動に対する差分検出器
１９７ｃ 第２の振動に対する閉ループコントローラまたはループフィルタ（位相ロックループ内の）
１９８ 制御ループ及び位置測定におけるフィードバックに対する測定信号
１９９ 制御信号または制御された可変信号
２００ 投影システム
２１０ 光源、特にレーザー
２２０ 観察野、特に投影表面
３００ ジンバルレスＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーを有する偏向ユニット
４００ ジンバルレスＭｉｎｉＦａｒｏｓミラーの周波数応答
５００ ジンバルレスＫＯＬＡミラーを有する偏向ユニット
６００ 狭窄し変形した平面照明領域
７００ 周波数応答
８００ 混合開ループ制御（開ループ）／閉ループ制御（閉ループ）のブロック図
９００ 一方向カップリング２軸制御（閉ループ）のブロック図
１０００ 双方向カップリング制御（閉ループ）のブロック図
Ａ１ 第１の振動軸
Ａ２ 第２の振動軸
Ｆ１，Ｆ２ 駆動デバイスから偏向要素への軸固有の駆動力
Ｋ１（．．．） 第１の軸にカップリングする機械軸
Ｋ２（．．．） 第２の軸にカップリングする機械軸
Ｌ１ 入射光ビーム
Ｌ２ ミラーのところで反射される光ビーム
Ｖ１，Ｖ２ 駆動デバイスを作動させるための制御電圧
ｆ 周波数
ｆ１ 第１の振動の設定点周波数
ｆ２ 第２の振動の設定点周波数
Δｆ 周波数差
ｆＴＨ 最小周波数距離
θ１，ｉ 第１の振動軸Ａ１への第１の振動の実際の振幅
θ１，ｓ 第１の振動軸Ａ１への第１の振動の設定点振幅
θ２，ｉ 第１の振動軸Ａ２への第２の振動の実際の振幅
θ２，ｓ 第１の振動軸Ａ２への第２の振動の設定点振幅
Δθ 振幅差
【数2】
【数3】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8(A)】
【図8(B)】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】