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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verformbare Spiegelvorrichtung (DMD -
Deformable Mirror Device) zum Verändern des Verlaufspfades eines einfallenden Lichtstrahls,
und insbesondere eine verformbare Spiegelvorrichtung mit einem verbesserten Aufbau
in der Weise, daß der Pfad des Lichtes leicht mit einer niedrigen Steuerspannung
verändert werden kann.
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Im allgemeinen dienen DMD's mit einer Vielzahl eingebauter Reflexionsspiegel, um in
der Lage zu sein, sich mittels einer elektrostatischen Kraft zu schwenken, für die
Veränderung des Lichtpfades um einen vorbestimmten Grad. Die DMD wird in
Bildwiedergabevorrichtungen eines Projektionsfernsehers und in optischen Abtastvorrichtungen, wie
z. B. einem Scanner, in Kopiermaschinen und in Faxgeräten verwendet. Insbesondere
werden bei einer Verwendung als eine Bildwidergabevorrichtung so viele
Reflexionsspiegel wie die Anzahl auf einer zweidimensionalen Ebene angeordneter Pixel
verwendet, und jeder Reflexionsspiegel wird gemäß Videosignalen an jedes Pixel geschwenkt,
um Farbe und Helligkeit einzustellen.
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Gemäß Fig. 1 besteht eine herkömmliche DMD aus einem Substrat 1, einem
Pfostenpaar 3, das aus der Oberfläche des Substrates 1 hervorsteht und in einem
vorbestimmten Abstand beabstandet ist, einer auf dem Substrat 1 angeordneten Elektrode 5, und
einem von dem Pfosten 3 gelagerten und gegenüberliegend der Elektrode 5
angeordneten Reflexionsspiegel 7. Der Reflexionsspiegel 7 weist ein paar Lagerungsteile 9 auf,
welche sich daraus erstrecken und mit dem Pfosten 3 für die Lagerung des
Reflexionsspiegel 7 verbunden sind.
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Gemäß Darstellung in der Zeichnung sind die Lagerungsteile 9 dahingehend
asymmetrisch ausgebildet, daß ein Lagerungsteil 9a kürzer als das andere Lagerungsteil 9b ist,
d. h. L1 ≠ L2 und elastisch genug ist, den Reflexionsspiegel 7 zu lagern. Hier kann das
Lagerungsteil 9 einen symmetrischen Aufbau aufweisen.
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Die Elektrode weißt eine dem Reflexionsspiegel 7 entsprechende Größe auf und ist auf
dem Substrat 1 dem Reflexionsspiegel 7 gegenüberliegend installiert. Somit wird, wenn
ein elektrisches Potential an die Elektrode 5 angelegt wird, eine elektrostatische
Anziehungskraft von der elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 5 und dem
Reflexionsspiegel 7 erzeugt und der Reflexionsspiegel 7 nähert sich der Elektrode 5
unter Überwindung der Steifigkeit des Lagerungsteils 9 an und verändert damit seine
Neigung. Wenn die elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 5 und dem
Reflexionsspiegel 7 verschwindet, kehrt der Reflexionsspiegel 7 aufgrund der Steifigkeit
des Lagerungsteils 9 in seine Ausgangslage zurück und behält seinen horizontalen
Zustand bei.
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In der DMD mit der vorstehend asymmetrischen Aufbau gemäß Darstellung in Fig. 2
empfangen, wenn eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 5 und dem
Reflexionsspiegel erzeugt wird, die Grenzabschnitte zwischen den Lagerungsteilen 9a,
9b und dem Reflexionsspiegel 7 Kräfte F&sub1; bzw. F&sub2;, welche die Elektrode 5 ausrichten.
Demzufolge senkt sich der Reflexionsspiegel über eine vorbestimmte Strecke (d&sub1; und
d&sub2;) nach unten. Hier unterscheiden sich die Kräfte F&sub1; und F&sub2; voneinander durch die
Differenz in den Steifigkeiten k&sub1; und k&sub2; der zwei Lagerungsteile 9a und 9b, und die
Abstände d&sub1; und d&sub2;, welche die Auslenkung des Reflexionsspiegels 7 nach unten anzeigen,
unterscheiden sich ebenfalls voneinander so, daß die Neigung des Reflexionsspiegels 7
bestimmt wird.
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Die Kräfte F&sub1; und F&sub2; sind invers proportional zu den Abständen L&sub1; und L&sub2; zwischen der
resultierenden Kraft Fes eines Punktes, von welchem aus die elektrostatische
Anziehungskraft wirkt, und dem Lagerungspunkt der Pfosten 3.
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In der Zeichnung wird, da L&sub1; < L&sub2; und k&sub1; > k&sub2; ist und F&sub1; > F&sub2; ist, die größere Kraft F&sub1; an
den Abschnitt mit einer größeren Steifigkeit k&sub1; angelegt und die kleinere Kraft F&sub2; an den
Abschnitt mit einer kleineren Steifigkeit k&sub2; angelegt. Somit wird die Neigung kleiner.
Dabei können Zunahmen der an die Elektrode 15 angelegten Spannung und eine auf das
Lagerungsteil 9 wirkende Belastung eine geringere Zuverlässigkeit des Produktes
bewirken.
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Ferner senkt sich gemäß Darstellung in Fig. 3, wenn die zwei Lagerungsteile 9
symmetrisch angeordnet sind (L&sub1; = L&sub2;), da die Kräfte F&sub1; und F&sub2; und die Steifigkeit k&sub1; und k&sub2; des
Lagerungsteils 9 gleich sind, der Reflexionsspiegel 7 unter Beibehaltung des
horizontalen Zustandes zu der Elektrode 5 ab. Somit erfolgt keine Veränderung des Lichtpfades.
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EP 0 754 958 (Texas Instruments) offenbart eine mikromechanische Gelenkvorrichtung,
wobei jedes Gelenk aus zwei in derselben Ebene so beabstandeten Gelenkstreifen
besteht, daß die Rotationsachse von mindestens einem der Gelenkstreifen sich von der
Rotationsachse des beweglichen Elementes unterscheidet. Demzufolge längt sich der
Gelenkstreifen bei seiner Drehung, was ein großes Rückstellmoment erzeugt.
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EP 040302 (IBM) offenbart eine Vorrichtung zur Ablenkung eines optischen Strahls,
welche ein paar geätzter Platten aufweist, wobei eine aus einem Halbleitermaterial
besteht und die andere aus einem Isolator, wie z. B. Glas besteht. Die Halbleiterplatte ist
so geätzt, daß sie ein längliches Teil mit einem breiten zentralen Abschnitt erzeugt,
welcher einen reflektierenden Oberflächeanker mit geeigneter Fläche ausbildet, welcher
innerhalb des rechteckigen Rahmens, der von dem Rest der Halbleiterplatte gebildet
wird, aufgehängt ist. Ebene Elektroden üben eine elektrostatische Kraft zwischen einer
von den Elektroden und einem von dem Halbleiter ausgebildeten Anker aus, was eine
Winkelverschiebung bewirkt.
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US 5 629 790 (Neukermans) offenbart einen mikrobearbeiten Torsionsscanner mit einer
mikrobearbeiteten Spiegel. Der Spiegel wird von einem paar gegenüberliegender
Torsionsstangen gelagert. Der Spiegel kann elektrostatisch, magnetisch oder mittels beider
Verfahren gesteuert werden.
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US 5 629 794 offenbart einen räumlichen Lichtmodulator, welcher in einem analogen
Modus für Lichtstrahlsteuerungs- oder Abtastanwendungen betreibbar ist. Ein
auslenkbarer Spiegel wird von einem Torsionsgelenk entlang einer Torsionsachse gelagert.
Mehrere Durchbiegungsgelenke sind vorgesehen, um die Ecken des Spiegels zu lagern
und erzeugen eine Rückstellkraft. Die Kombination der Torsionsgelenke und der
Durchbiegungsgelenke realisieren ein auslenkbares Pixel, das in dem linearen Bereich für
einen großen Bereich von Adressenspannungen betreibbar ist. Gas Pixel wird
elektrostatisch abgelenkt, indem eine Adressenspannung an eine darunterliegende
Adressenelektrode angelegt wird, von welcher eine Vielzahl vorgesehen ist.
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Im Hinblick auf das Lösen oder Reduzieren der vorstehenden Probleme ist es ein Ziel
der vorliegenden Erfindung, eine verformbare Spiegelvorrichtung bereitzustellen, welche
eine große Veränderung in dem Grad eines Lichtpfades bei einer relativ niedrigen
elektrostatischen Spannung ermöglicht, indem die Position einer Elektrode im Bezug auf
einen Reflexionsspiegel eingestellt wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine verformbare
Spiegelvorrichtung bereitgestellt, welche enthält: ein Substrat, eine beabstandete
Lagerungseinrichtung, welche beabstandete erste und zweite Lagerpfosten aufweist, die aus einer
Oberseite des Substrates hervorstehen, eine Elektrode, die auf der Oberseite des
Substrates ausgebildet ist, einen Spiegel, der so angeordnet ist, daß er der Elektrode
gegenüberliegt, indem er an gegenüberliegenden Seiten von der Lagerungseinrichtung
gelagert wird, und erste und zweite Lagerungsteile mit vorbestimmten Steifigkeiten zum
Lagern des Spiegels, wobei die Lagerungsteile zwischen dem Spiegel und den ersten und
zweiten Lagerpfosten so verbunden sind, daß die Neigung des Spiegels durch eine
elektrostatische Anziehung zwischen der Elektrode und dem Spiegel eingestellt werden
kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode nur eine einzige Elektrode ist, die von
dem Spiegel seitlich zu dem ersten oder zweiten Lagerpfosten so versetzt ist, daß die
Größe der an den Verbindungsabschnitten zwischen den ersten und zweiten
Lagerungsteilen und dem Spiegel erzeugten Kräfte, wenn eine Spannung zwischen der
Elektrode und dem Spiegel angelegt wird, sich voneinander unterscheiden.
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Bevorzugt ist das zweite Lagerungsteil länger als das erste Lagerungsteil und die
Elektrode ist so angeordnet, daß sie zu dem zweiten Lagerungsteil hin im Bezug auf den
Reflexionsspiegel verschoben ist, so daß die Steifigkeit des ersten Lagerungsteils
größer als die Steifigkeit des zweiten Lagerungsteils ist.
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Alternativ können die ersten und zweiten Lagerungsteile dieselbe Länge in der Weise
aufweisen, daß die Steifigkeiten des ersten und zweiten Lagerungsteils gleich sind, und
die Elektrode so angeordnet ist, daß sie zu dem ersten oder zweiten Lagerungsteil hin
im Bezug auf den Reflexionsspiegel verschoben ist.
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um darzustellen, wie
Ausführungsformen derselben ausgeführt werden können, wird nun im Rahmen eines Beispiels Bezug
auf die beigefügten schematischen Zeichnungen genommen. In den Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche eine herkömmliche DMD darstellt;
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Fig. 2 eine Vorderansicht der herkömmlichen DMD mit einem asymmetrischen Aufbau;
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Fig. 3 eine Vorderansicht der herkömmlichen DMD mit einem symmetrischen Aufbau;
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, welche eine erste Ausführungsform der DMD
darstellt;
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Fig. 5 eine Vorderansicht der ersten Ausführung der DMD mit einem asymmetrischen
Aufbau; und
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Fig. 6 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der DMD mit einen
symmetrischen Aufbau.
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Gemäß Fig. 4 besteht die verformbare Spiegelvorrichtung aus einem Substrat 11, ein
Pfostenpaar 13, welche aus der Oberseite des Substrats 11 hervorstehen und in einem
vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sind, einer Elektrode 15, die auf dem
Substrat 11 ausgebildet ist, einen Reflexionsspiegel 17, der so angeordnet ist, daß er
der Elektrode 15 gegenüberliegt, indem er von den Pfosten 13 gelagert wird, und
Lagerungsteilen 19 mit einer vorbestimmten Steifigkeit zum Lagern des Reflexionsspiegels
17.
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Die Lagerungsteile 19 umfassen ein erstes Lagerungsteil 19a und ein zweites
Lagerungsteil 19b, welche jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Reflexionsspiegels 17
mit dem Pfosten 13 verbunden sind, um den Reflexionsspiegel 17 zu lagern.
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Hier unterscheiden sich gemäß Darstellung in Fig. 4 und 5 die ersten und zweiten
Lagerungsteile 19a und 19b in ihren Längen (L&sub1;' > L&sub2;) und bilden somit einen
asymmetrischen Aufbau, so daß die Steifigkeit k&sub1;' des ersten Lagerungsteils 19a größer als die
Steifigkeit k&sub2;' des zweiten Lagerungsteils 19b ist. Alternativ können gemäß Darstellung
in Fig. 6 die ersten und zweiten Lagerungsteile 19a und 19b in einer symmetrischen
Weise ausgeführt sein, so daß die Steifigkeit der entsprechenden ersten und zweiten
Lagerungsteile 19a und 19b gleich sind.
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Die Größe der Elektrode 15 entspricht der Größe des Reflexionsspiegels 17 und die
Elektrode 15 ist um einen vorbestimmte Strecke G zu dem Reflexionsspiegel 17
versetzt. Somit unterscheidet sich die Stärke der auf die Elektrode 15 wirkenden Kraft
abhängig von den Positionen zwischen dem ersten Lagerungsteil 19a und dem
Reflexionsspiegel 17, und dem zweiten Lagerungsteil 19b und dem Reflexionsspiegel 17. Hier
wird, wenn eine Potentialspannung an die Elektrode 15 angelegt wird, eine
elektrostatische Anziehung aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 15 und dem
Reflexionsspiegel 17 erzeugt. Somit verformt sich der Reflexionsspiegel 17, um sich der
Elektrode 15 unter Überwindung der Steifigkeit der Lagerungsteile 19 anzunähern, und
verändert dabei seine Neigung. Wenn die Potentialspannungsdifferenz zwischen der
Elektrode 15 und dem Reflexionsspiegel 17 entfernt wird, ermöglicht die Steifigkeit der
Lagerungsteile 19 die Rückkehr des Reflexionsspiegels 17 in seinen Ausgangszustand,
um sco einen Gleichgewichtszustand einzuhalten.
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Der Betrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschrieben.
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Gemäß Darstellung in Fig. 5 ist das zweite Lagerungsteil 19b in der Weise länger als
das erste Lagerungsteil 19a, daß die Steifigkeit k&sub1;' des ersten Lagerungsteils 19a größer
als die Steifigkeit k&sub2;' des zweiten Lagerungsteils 19b sein kann. Die Elektrode 15 ist so
angeordnet, daß sie von dem Reflexionsspiegel 17 aus zu dem zweiten Lagerungsteil
19b hin verschoben ist.
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Wenn eine Potentialspannungsdifferenz zwischen der Elektrode 15 und dem
Reflexionsspiegel 17 erzeugt wird, nehmen die Verbindungsteile zwischen den ersten und
zweiten Lagerungsteilen 19a und 19b und dem Reflexionsspiegel 17 Kräfte F&sub1;' und F&sub2;'
zu der Elektrode 15 hin auf. Demzufolge werden beide Seiten des Reflexionsspiegels 17
um eine vorbestimmte Strecke d&sub1;' bzw. d&sub2;' nach unten gebogen. Hier unterscheiden sich
die Kräfte F&sub1;' und F&sub2;' voneinander aufgrund der Differenz in den Steifigkeiten k&sub1;' und k&sub2;'
der zwei Lagerungsteile 19a und 19b. Somit unterscheiden sich die Strecken d&sub1;' und d&sub2;'
der Abwärtsbewegung durch den Reflexionsspiegel 17 so, daß die Neigung des
Reflexionsspiegels 17 bestimmt ist. In diesem Falle wird die resultierende Kraft Fes' der
elektrostatischen Kräfte in der Veratzrichtung der Elektrode 15 bewegt, so daß L&sub1;' > L&sub2;' ist, und
Kräfte F&sub1;' < F&sub2;' ist.
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Somit wird eine größere Kraft F&sub2;' an den weniger steifen Abschnitt k&sub2;' angelegt, während
der steifere Abschnitt k&sub1;' eine kleinere Kraft F&sub1;' aufnimmt und dadurch den
Neigungswinkel größer macht.
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Ferner kann anders als bei den herkömmlichen Aufbau, da die kleinere Kraft F&sub1;' an den
steiferen Abschnitt k&sub1;' angelegt wird, der Grad der Neigung des Reflexionsspiegels 17,
wie der in dem herkömmlichen Aufbau nur mit dem wenig steifen Abschnitt k&sub1;' im
Vergleich zu der herkömmlichen Steifigkeit k&sub1; erzielt werden. Demzufolge kann die Neigung
des Reflexionsspiegels 17 mit einer niedrigen elektrostatischen Spannung eingestellt
werden.
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Fig. 6 stellt eine DMD mit symmetrischen Lagerungsteilen dar. Gemäß Darstellung in
der Zeichnung ist die Elektrode 15 so angeordnet, daß sie zu dem zweiten Lagerungsteil
19b nach rechts in dem Zeichenblatt versetzt ist, und die resultierende Kraft Fes' der
elektrostatischen Kräfte ebenfalls so versetzt ist, daß L&sub1;' ≥ L&sub2;' und F&sub1;' < F&sub2;' ist. Somit
sind, obwohl die an die ersten und zweiten Lagerungsteile 19a und 19b angelegten
Steifigkeiten gleich sind, F&sub1;' < F&sub2;' und d&sub1;' < d&sub2;', so daß der Reflexionsspiegel 17 geneigt ist.
Somit kann in dem symmetrischen Aufbau der Lagerungsteile das Neigungsmaß des
Reflexionsspiegels eingestellt werden, indem die Position der Elektrode 15 verändert
wird. Ferner ist in dem Vergleich zu der DMD mit dem in Fig. 5 dargestellten
asymmetrischen Aufbau, da derselbe Neigungsgrad des Reflexionsspiegels mit nur einem weniger
steifen Abschnitt k&sub2;' des zweiten Lagerungsteils 19b erreicht werden kann, ein Betrieb
mit einer niedrigeren elektrostatischen Spannung möglich.
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In Fig. 4 bis 6 dienen, obwohl die Elektrode 15 und der Reflexionsspiegel 17 dieselbe
Größe aufweisen, und um einen vorbestimmten Abstand G auf irgendeine Seite
verschoben sind, dieses nur dem Zweck der Erläuterung. Somit ist es möglich, die Form
und die Größe der Elektrode 15 unterschiedlich von denen des Reflexionsspiegels 17 in
der Weise zu machen, daß die Position der sich ergebenden Kraft Fes' aus der Mitte des
Reflexionsspiegels versetzt ist.
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In der DMD gemäß vorstehender Beschreibung kann, da die Elektrode so angeordnet
ist, daß sie von dem Reflexionsspiegel aus nach einer Seite versetzt ist, die für den
Betrieb des Reflexionsspiegel erforderliche elektrostatische Spannung verringert und somit
die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad verbessert werden.
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Auch wenn die ersten und zweiten Lagerungsteile für die Lagerung des
Reflexionsspiegels einen symmetrischen Aufbau aufweisen, kann die Neigung des Reflexionsspiegels
eingestellt werden.