CN1825163A - 电磁扫描微镜以及使用其的光学扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是用于光学扫描装置的电磁扫描微镜。电磁扫描微镜被设计以通过使用电磁力反射输入光束，该电磁扫描微镜可执行旋转操作，以实现反射光束路径的调制。电磁扫描微镜包括提供磁场的磁场发生器，具有反射面和附于反射面后表面的框架结构的镜板，围绕镜板的基片，连接镜板和基片的扭力杆对，以及在镜板反射面的后表面提供的磁性物质，其适于通过和从磁场发生器产生的磁场的相互作用产生驱动力。利用磁性物质产生的驱动力，镜板执行环绕定义了镜板的旋转轴的扭力杆的旋转操作。

Description

电磁扫描微镜以及使用其的光学扫描装置
技术领域
本发明涉及电磁扫描微镜。
根据本发明的扫描微镜可用于激光打印机，共焦显微镜，条形码扫描器，扫描显示，以及其他各种传感器，它们被设计以扫描从光源发射到预定区域，例如一维(即线)或者二维(即平面)区域的光束，以形成图像或者读取位置或者图像数据。
根据本发明的微镜除上面的扫描功能以外，也可应用于自由调节反射光束路径的光交换装置。
背景技术
最近，随着光学装置技术的发展，使用光作为信息输入/输出和信息传输媒体的各种技术正在兴起。一种光使用技术是扫描从光源发出的光束的方法。这种光束扫描的典型应用实例包括条形码扫描器，基本级别扫描显示器，等等。
根据其应用实例，光束扫描技术要求不同的扫描速度和区域。现有光扫描技术的主要关注点在于调节由驱动镜(如电流镜或者旋转多角镜)的反射面和入射光束形成的入射角的方法。这里，电流镜适用于要求接近几赫兹，可能几十赫兹的扫描速度的应用，而多角镜可以达到将近几千赫兹的扫描速度。
随着这些技术的发展，最近，不断的有实现新的装置或者改进使用光束扫描技术的现有技术装置的性能的光束扫描技术应用的努力。这些努力的很好的例子包括以高分辨率原色重现为特征的投影显示系统，头戴式显示器，激光打印机，等等。
光束扫描系统要求高空间分辨率，一般地，必须有能够达到高扫描速度和大的角位移或者倾斜角的扫描镜。然而，在使用多角镜方法的现有技术中，存在多角镜被安装在高转速的驱动马达上，因此，正比于多角镜的旋转角速度的扫描速度取决于驱动马达的旋转速度的问题。由于传统马达有限的旋转速度，因此，扫描速度的增加受限，而且很难降低电气消耗和整个系统的体积。
另外，必需从本质上消除驱动马达的机械摩擦噪声，并且复杂的结构使得难以达到制造费用的降低。
图1是说明了根据现有技术的使用多角镜的扫描装置示意图。如果由光源1发射输入光束5，则光束5首先穿过从多种透镜中选择的镜片2，然后由多角镜3反射。
通过这个结构，由于通过安装在其下面的马达4的方式旋转多角镜3，光束6由多角镜3反射，这样就被在预定的方向8扫描。这里，根据多角镜3的旋转方向7确定扫描方向8。
上面描述的使用多角镜3的现有技术的扫描装置的问题是其不能用于高分辨率显示器，等等，虽然其可以达到单向的高扫描速度。
另一方面，另一种现有技术的使用微镜的扫描装置可以达到双向扫描能力以及几十赫兹的高扫描速度。然而，当在其操作限制，即双向高扫描速度下驱动扫描装置时，会产生动力偏移，而引起微镜在扫描装置操作时摇摆。这是微镜的反射面变形的一个原因，且因此反射光束偏移。
因此，为了达到高性能的光学扫描装置，需要选择适用于限制动力偏移的光学材料和微镜结构。
同时，考虑使用垂直梳妆电极的现有技术的静电扫描微镜，其要求在其制造中可移动部分或转子和固定部分或静子的高对准精度。此外，为了增加旋转角度，静电扫描微镜具有其结构必须有高的纵横比的困难。
另外，附于镜板的可移动梳妆电极和位置邻近可移动梳妆电极的固定梳妆电极会引起驱动力衰减的增加。
发明内容
因此，本发明考虑了上面的问题，而且本发明的第一个目的是提供一种具有集成微镜的光学扫描装置，其可用电磁现象驱动。
微镜提供方向调制或者角度调制功能以调制反射的光束的路径预定度数。
微镜还提供在预定周期以预定度数调制反射的光束路径的扫描功能。
本发明的另一个目的是提供一种使用电磁微镜的光学扫描装置，其中微镜具有提供反射面和框架结构的薄层结构，借此可以限制驱动时反射面的偏移，并且可以达到大的扫描角度和高扫描速度。
本发明的另一个目的是提供一种使用电磁微镜的光学扫描装置，其可以通过一系列的半导体制造工艺和微电机技术制造，借此可以实现轻的紧凑光学扫描装置。
根据本发明的一个方面，上面所述的以及其他的目的可以通过提供一种电磁扫描微镜实现，其包括：提供磁场的磁场发生器；具有反射面和附于反射面后表面的框架结构的镜板；围绕镜板的基片；连接镜板和基片的扭力杆对；以及在镜板的发射面后表面提供的磁性物质，用于通过和磁场发生器产生的磁场的相互作用产生驱动力，其中，利用磁性物质产生的驱动力，镜板围绕定义了镜板的旋转轴的扭力杆执行旋转操作。
优选地，框架结构可以是一个或多个单元框架的阵列。
优选地，每个单元框架的宽度可以随着远离镜板的旋转轴而逐渐减小。
优选地，每个单元框架的厚度可以随着远离镜板的旋转轴而逐渐减小。
优选地，每个单元框架可以具有通过至少一个预定位置的蚀刻空间。
优选地，关于镜板的旋转轴对称或者不对称地提供磁性物质。
优选地，磁性物质可以附于框架结构的表面，或者位于镜板的后表面以嵌在框架结构表面中。
优选地，磁性物质可以是沿着镜板的旋转轴彼此平行排列的一个或多个单元磁体的阵列。
优选地，每个单元磁体可以为细长的多边形或者基于平行于镜板的平面长度大于宽度的椭圆形状，其长度和镜板的旋转轴垂直，宽度和旋转轴平行。
优选地，磁性物质可以由软磁材料构成。
优选地，磁场发生器可以包括：电流源；以及由于从电流源提供的电流流过其中而产生磁场的线圈。
优选地，线圈可以被集成在基片上。
优选地，基片可以有上部和下部部分，其通过插入绝缘层彼此分离，并且扭力杆被配置以连接镜板和基片的上部和下部部分的选中的一个。
优选地，基片可以是绝缘体上硅(SOI)基片。
优选地，微镜可以进一步包括固定在基片上邻近镜板位置的一个或者多个校准电极，且镜板通过磁性物质产生的驱动力以及校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力旋转。
优选地，镜板可以进一步具有位于框架结构上邻近校准电极位置的可移动电极，而且由校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力等于校准电极和可移动电极之间应用的电位差产生的电力。
优选地，由校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力，可以为镜板和校准电极之间的引力。
根据本发明的另一个方面，上面所述的以及其他目的可以通过光学扫描装置达到，其包括：权利要求1所述的电磁扫描微镜；给电磁扫描微镜提供入射光束的镜片；以及输出从电磁扫描微镜反射的光束的镜片。
附图说明
在下面参照附图的对本发明的具体描述中，上述的以及其他本发明的目标、特征和优点会更加明显，其中：
图1是说明了根据现有技术的使用多角镜的光学扫描装置的透视图；
图2A和2B是说明了根据本发明的实施例的电磁扫描微镜透视图；
图3A是图2的平面图，包括沿着其A-B线截取的截面图；
图3B沿着图3A的A’-B’线截取的截面图；
图4是说明了本发明使用的操作原理的透视图；以及
图5是说明了根据本发明实施例的微镜操作的透视图。
具体实施方式
现在，将根据附图说明本发明的优选实施例。
图2A和2B是根据本发明实施例的电磁扫描镜的透视图。更具体地，图2A所示为在镜板形成的反射面，且图2B说明了在镜板形成的框架结构。同时，图2A和2B中没有画出磁力发生器。
本发明的实施例中，扫描微镜包括具有发射面11的镜板，和附于反射面11后表面以支撑发射面11的框架结构12，设置在镜板周围的基片，用于将镜板连接到基片的扭力杆对14，以及在框架结构12上形成的磁性物质15。还有，校准电极对16和17在基片上邻近镜板的位置。
本实施例的基片被绝缘层分成上部部分和下部部分。
反射面11在镜板的表面形成，用于反射照射到那里的光束，并且框架结构12在镜板的另一个表面形成，用于支撑反射面11。现在，根据图3A和3B解释框架结构12。
镜板由一对扭力杆支撑，这样其就连接到了基片的上部部分。
扭力杆14被对称于镜板中心地分别连接到镜板的相对的两边。镜板适于绕和扭力杆对14互相连接的旋转轴旋转。也就是说，在镜板执行旋转操作时扭力杆对14用来定义旋转轴，而且提供恢复转矩。
在本实施例中，在镜板的框架结构12上提供磁性物质15。
磁性物质15为沿着镜板的旋转轴彼此平行排列的单元磁体的阵列形式。每个单元磁体为基于平行于镜板的平面的细长矩形形状，其长大于宽，其中长和镜板的旋转轴垂直，宽和旋转轴相平行。
在本实施例中，磁性物质15不对称地位于镜板旋转轴的一边。自然，作为选择地，可以关于旋转轴对称放置磁性物质15。
更具体地，磁性物质15可以从框架结构12向上突出，或者可以嵌在框架结构12的表面中，如图2B所示。
图3A和3B是说明了根据本发明的扫描微镜的平面图和截面图。
在本实施例中，基片上部部分20和基片下部部分22由绝缘层21彼此电气分开。在基片或者扫描微镜制造中包含蚀刻工艺时，绝缘层21起蚀刻隔离的作用。
本实施例的基片可以为绝缘体上硅(SOI)基片。此外，可以通过接合两个基片制造基片。在另一实施例中，在基片上部部分20和基片下部部分22互相接合在一起之前插入绝缘层21。
还有，在另一实施例中，镜板，基片上部部分20，以及扭力杆对14可以互相集成地形成。还有，使用SOI基片时，可以通过蚀刻工艺打孔基片的硅部分。
在本实施例中，扫描微镜的构成使得镜板10由具有相同厚度的薄层的形式，镜板10的一个表面提供有反射面11，另一个表面提供有框架结构12。
框架结构12为互相平行排列的多个单元框架的阵列形式。每个单元框架呈菱形，以使靠近镜板10的旋转轴的单元框架的宽度最大，并且随着远离旋转轴宽度逐渐减小。优选地，靠近镜板10的旋转轴的单元框架的厚度最大，并且随着远离旋转轴厚度逐渐减小。
和大量孔13一起部分蚀刻框架结构12。孔13的蚀刻会产生降低框架结构12的总质量的影响，并因此降低镜板10的质量。这就有效地消除了在镜板10旋转时产生动力偏移的风险。
为了驱动本发明的扫描微镜，必须以垂直于基片上部和下部部分20和22方向给镜板10施加磁场。为此，在扫描微镜中提供磁场发生器(没有画出)以产生磁场。
磁场发生器可以包括电流源，由于电流产生磁场的线圈，电流由电流源提供，流过线圈。线圈也用于将产生的磁场应用于镜板10。线圈可以被集成在基片上，或者可以分开位于邻近镜板的预定的外部位置。
图4和图5是说明了根据本发明的微镜的工作原理的透视图。
参照图4，扭力杆102对准Y轴方向并且固定在其相对端101。扭力杆102用于支撑磁性物质103附于其上的结构。如果提供的磁场为垂直于磁性物质103的底面的z轴方向，磁性物质受转矩的作用，产生环绕扭力杆12，也就是环绕y轴方向的旋转。
当磁性物质103为永磁体时，根据磁极的方向，转矩作用在+θy或者-θy方向。这可以类似地应用于由软磁材料，如镍构成的磁性物质。也就是说，基于形状的各向异性，转矩作用在图4中箭头所示的104方向。
因此，可以确定磁性物质的旋转角度以使外部磁场产生的驱动转矩等于扭力杆102的偏移产生的相反恢复转矩。
根据上面描述的原理，如果给本发明的电磁微镜提供z轴方向的外部磁场，作用于微镜的转矩为图5中所示箭头31的方向，以产生绕着关于对准x轴方向的扭力杆14的旋转。
因此，在本实施例的图5中，如果由磁场发生器(没有画出)提供外部磁场，由磁性物质15产生的转矩产生镜板的旋转。
优选地，根据参照图4解释的操作原理，磁性物质15用于得到转矩，该磁性物质15是关于镜板的旋转轴不对称地放置的单元磁体的阵列。每个磁体单元可以为平行于镜板的平面上的细长多边形或者长大于宽的椭圆形状(其长和镜板的旋转轴垂直，宽平行于旋转轴)。还有，单元磁体由软磁性物质构成，基于其形状的各向异性产生驱动力。
如果移除提供给磁性物质15的外部磁场，微镜在扭力杆的恢复力影响下向相反的方向旋转，因此，微镜可以实现双向旋转移动。通过这种方式，基于如果由磁场发生器提供的外部磁场的方向发生改变，微镜的旋转方向改变的事实，通过重复改变磁场的方向微镜可以以相反的方向旋转。
在本发明的扫描微镜中，需要校准其驱动力。可以通过使用磁场发生器提供的磁场强度，也可以通过磁性物质的材料特性校准微镜的驱动力。根据本发明的实施例，镜板和校准电极16和17之间应用的电位差产生阻碍微镜驱动的静电力。
校准电极16和17被固定在邻近镜板位置的基片上。应用镜板和校准电极16和17之间的电位差具有产生其间的电引力的作用。这种引力会将镜板推向校准电极16和17，且因此，其和用于旋转镜板的磁性物质15的驱动力相反。因此，可以通过电引力和驱动力控制镜板的旋转移动。与磁性物质的驱动力相比，电引力更容易控制，因此，可以更加准确和细微地控制扫描微镜的操作。
代替由应用所有镜板和校准电极之间的电位差产生电引力，作为选择地，可移动电极可以被分开布置在镜板的框架结构12上以通过使用校准电极和可移动电极之间的电位差产生电引力。
上面所述的本发明的扫描微镜可以和一个或多个透镜组合，例如，给扫描微镜提供来自光源的入射光束的镜片和输出从扫描微镜反射的光束的镜片，以及其他旋转扫描微镜需要的驱动元件，以形成光学扫描装置。
更具体地，优选地向光学扫描装置提供放大从扫描微镜反射的光束的放大透镜。
根据上面的描述所显示的，本发明提供一种扫描微镜，其可应用于多种装置以扫描光束，将光束从光源发射到预定的区域，以形成图像或者读取位置或者图像数据。
可以通过一系列的半导体工艺和微电极技术制造根据本发明的扫描微镜，由此可以达到其光压缩配置，同时在光学和机械性能上得到显著改进。这会具有降低部分的成本和电磁驱动微镜所需的电气消耗的效果。
另外，根据本发明的扫描微镜可以达到不需要可移动结构的电线的简化结构，由此可以达到高产量，低产品成本，以及轻和紧凑的结构。
另外，和现有技术的微镜相比，扫描微镜可以在结构稳定性，光学性能和重量降低方面得到改进。因此，本发明的扫描微镜适用于要求高扫描速度和宽扫描范围的高性能的扫描系统，能被广泛应用于包括要求微镜静态位移的系统的很多领域。
尽管本发明的优选实施例为说明用途而公开，在不脱离以下权利要求所公开的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以做出各种修改，添加和替代。

Claims (18)

1.一种电磁扫描微镜，其包括：
磁场发生器，其用于提供磁场；
镜板，其具有发射面和附于反射面后表面的框架结构；
基片，其围绕镜板；
扭力杆对，其连接镜板和基片；以及
磁性物质，其被在镜板的反射面后表面提供，且适于通过和从磁场发生器产生的磁场相互作用而产生驱动力，
其中，利用从磁性物质产生的驱动力，镜板围绕定义了镜板的旋转轴的扭力杆执行旋转操作。
2.如权利要求1所述的微镜，其中，该框架结构是一个或多个单元框架的阵列。
3.如权利要求2所述的微镜，其中，每个单元框架具有随着远离镜板的旋转轴而逐渐减小的宽度。
4.如权利要求2所述的微镜，其中，每个单元框架具有随着远离镜板的旋转轴而逐渐减小的厚度。
5.如权利要求2所述的微镜，其中，每个单元框架具有通过至少一个预定位置的蚀刻空间。
6.如权利要求1所述的微镜，其中，该磁性物质被关于镜板的旋转轴对称或者不对称地提供。
7.如权利要求1所述的微镜，其中，该磁性物质附于框架结构的表面，或者位于镜板的后表面以嵌在框架结构的表面中。
8.如权利要求1所述的微镜，其中，该磁性物质是沿着镜板的旋转轴彼此平行排列的一个或多个单元磁体的阵列。
9.如权利要求8所述的微镜，其中，每个磁体单元具有基于平行于镜板的平面的细长的多边形或者长度大于宽度的椭圆形状，该椭圆形状的长度和镜板的旋转轴垂直，且宽度和旋转轴平行。
10.如权利要求1所述的微镜，其中，该磁性物质由软磁材料构成。
11.如权利要求1所述的微镜，其中，该磁场发生器包括：
电流源；以及
线圈，其由于从电流源提供的电流流过其中而产生磁场。
12.如权利要求1所述的微镜，其中，该线圈被集成在基片中。
13.如权利要求1所述的微镜，其中，该基片具有通过插入绝缘层而彼此分离的上部和下部部分，并且扭力杆被配置以连接镜板和基片的上部和下部部分的所选的一个。
14.如权利要求13所述的微镜，其中，该基片是绝缘体上硅(SOI)基片。
15.如权利要求1所述的微镜，进一步包括固定在基片上邻近镜板的位置的一个或者多个校准电极，
其中，通过使用从磁性物质产生的驱动力以及校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力旋转镜板。
16.如权利要求15所述的微镜，其中，该镜板进一步具有位于框架结构上邻近校准电极位置的可移动电极，而且从校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力等于从校准电极和可移动电极之间应用的电位差产生的电力。
17.如权利要求15所述的微镜，其中，从校准电极和镜板之间应用的电位差产生的电力为镜板和校准电极之间的引力。
18.一种光学扫描装置，其包括：
如权利要求1所述的电磁扫描微镜；
给电磁扫描微镜提供入射光束的镜片；以及
输出从电磁扫描微镜反射的光束的镜片。
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