DE19606095A1 - Spiegelantriebsverfahren und -vorrichtung für ein Mikrospiegelfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Antreiben eines Spiegels eines Mikrospiegelfeldes, bei denen der Spiegel durch eine elektromagnetische Kraft angetrieben wird.

Ein Mikrospiegelfeld besteht aus einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die auf einer Ebene, d. h. einem Substrat gruppiert sind, derart, daß sie wahlweise drehbar sind. Ein derartiges Mikrospiegelfeld kann als Ablenkeinrichtung zum Ablenken von Licht, als Modulator zum Modulieren von Licht nach Maßgabe eines Lichtsignals oder eines zweidimensionalen Videosignals oder als Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines Bildes durch Umwandlung eines Lichtsignals in ein Videosig­ nal verwandt werden. Ein derartiges Feld hat eine höhere Auflösung, Helligkeit und Videobildqualität als herkömmliche Kathodenstrahlröhren- oder Flüssigkristallanzeigevorrichtun­ gen und erlaubt die Herstellung kleinerer, flacherer und leichterer Einrichtungen, als es bisher mit Kathodenstrahl­ röhren- und Flüssigkristallanzeigevorrichtungen möglich ist.

Bei einem bekannten Verfahren zum Antreiben eines Spie­ gels, das mit einer piezoelektrischen Kraft arbeitet (US 5 126 836 und 5 185 660) sind Elektroden an beiden Enden einer Vielzahl von piezoelektrischen Kristallen jeweils angeordnet, die zwischen einer Bezugsebene und dem Mikro­ spiegelfeld angebracht sind. Ein derartiger komplizierter Aufbau ist jedoch für die Massenproduktion nicht geeignet. Da die mechanische Kraft eines piezoelektrisch Kristalls direkt an den Spiegeln liegt, besteht weiterhin die Gefahr, daß diese brechen. Schließlich ist es in der Praxis eine schwierige Aufgabe, Spiegel in einer Ebene aneinander an­ grenzend anzuordnen.

Aus der US 5 083 857 ist es weiterhin zu entnehmen, jeden Spiegel eines Spiegelfeldes durch ein Gelenk zu hal­ ten, das an einem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, wobei Elektroden an den jeweiligen Unterflächen jedes Spiegels ausgebildet sind. Es wird eine elektrostatische Kraft quer über den Luftzwischenraum zwischen dem Substrat und den Elektroden erzeugt, die einen gewählten Spiegel dazu bringt, am Gelenk zu schwenken. Obwohl bei dieser Lösung unter Ver­ wendung herkömmlicher technischer Verfahren, die auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung benutzt werden, eine Mas­ senproduktion möglich ist, besteht der Nachteil, daß der Luftspalt zwischen dem Spiegel und dem Substrat extrem schmal sein muß, so daß die elektrostatische Kraft zum Bewe­ gen des Spiegels ausreicht.

Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Antreiben eines Spiegels eines Mikrospiegelfel­ des geschaffen werden, die es aufgrund ihrer einfachen Aus­ bildung erlauben, die Vorrichtung ultraklein auszubilden und gleichzeitig in Massenproduktion herzustellen, wobei die Antriebsfunktion stabil sein soll.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Spiegelantriebsver­ fahren für ein Mikrospiegelfeld, das mit einer Vielzahl von Spiegelelementen versehen ist, von denen jedes schwenkbar gehalten ist, die folgenden Schritte: gleichmäßiges Anlegen eines Magnetfeldes über die Spiegelelemente und Wählen eines Spiegelelementes unter der Vielzahl von Spiegelelementen nach Maßgabe eines Bildsignals sowie Fließenlassen eines elektrischen Stromes durch das gewählte Spiegelelement, so daß das gewählte Spiegelelement durch eine elektromagneti­ sche Kraft zwischen dem anliegenden Magnetfeld und dem elek­ trischen Strom geschwenkt wird, um auftreffendes Licht ab­ zulenken.

Die erfindungsgemäße Spiegelantriebsvorrichtung für ein Mikrospiegelfeld, das mit einer Vielzahl von Spiegelelemen­ ten versehen ist, von denen jedes schwenkbar gehalten ist, umfaßt eine ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung zum Anle­ gen eines Magnetfeldes an die Vielzahl von Spiegelelementen und eine Stromleitereinrichtung, die einen elektrischen Strom durch jedes der Vielzahl von Spiegelelementen fließen läßt, um magnetische Feldlinien zu erzeugen, die mit dem Magnetfeld verbunden sind, so daß jedes Spiegelelement durch eine elektromagnetische Kraft zwischen der das Magnetfeld ausbildenden Einrichtung und der Stromleitereinrichtung ge­ schwenkt wird.

Durch die Erfindung werden die Probleme der herkömm­ lichen Ausbildung bei Ausnutzung einer piezoelektrischen oder elektrostatischen Kraft gelöst und wird ein Mikrospie­ gelfeld geschaffen, das stabil arbeitet und in Massenproduk­ tion hergestellt werden kann.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Spie­ gelantriebsverfahrens für ein Mikrospiegelfeld,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Mikrospiegel­ bauteils zur Erläuterung der Spiegelantriebsvorrichtung für ein Mikrospiegelfeld gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III der Mikrospiegeleinrichtung von Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht, die die Rückfläche der Mikro­ spiegeleinrichtung von Fig. 2 zeigt,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V, die die Mikrospiegeleinrichtung von Fig. 4 zeigt,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Mikrospiegelfeld, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt ist, und

Fig. 7 in einer schematischen Ansicht einen Bildprojek­ tor zum Vergrößern und Projizieren eines Bildes unter Ver­ wendung eines Mikrospiegelfeldes mit der erfindungsgemäßen Ausbildung.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, kann ein Spiegelele­ ment 1 zum Reflektieren von Licht, das auf seine Oberfläche fällt, um den Mittelpunkt C über eine Gelenkeinrichtung wippenartig hin- und hergeschwenkt werden. Dem Spiegelele­ ment 1 wird über Spulen 2 und 2′ elektrischer Strom zuge­ führt, die auf beiden Seiten der Rückfläche des Spiegelele­ mentes 1 angebracht sind. Ein Permanentmagnet 3 zum Erzeugen eines Magnetfeldes E ist den Spulen 2 und 2′ gegenüber an­ geordnet.

Wenn in den Spulen 2 und 2′ ein Strom in entgegenge­ setzte Richtungen fließt, so daß die Magnetfeldlinien Φ und Φ′, die durch die jeweiligen Spulen erzeugt werden, einander entgegengesetzt verlaufen, werden auf jeder Seite des Mit­ telpunktes C entgegengesetzte elektromagnetische Kräfte bezüglich des statischen Feldes erzeugt, das der Permanent­ magnet 3 bildet. Das Spiegelelement 1 wird somit um seinen Mittelpunkt geschwenkt, so daß das auf seine Oberfläche fallende Licht abgelenkt wird. Die Positionen der Spulen 2 und 2′ und des Permanentmagneten 3 können dabei ausgetauscht werden, so daß der Magnet am Spiegel angebracht ist, während die Spulen am Substrat ausgebildet sind, wobei der Perma­ nentmagnet 3 auch durch einen Elektromagneten ersetzt werden kann.

Abgesehen von dem einfachen Ablenken von Licht kann das erfindungsgemäße Spiegelantriebsverfahren auch bei einem Modulator zum Modulieren des in den Spulen 2 und 2′ fließen­ den Stromes in ein gewünschtes Lichtsignal durch schnelles An- und Abschalten des Stromes angewandt werden.

Fig. 2 und 3 zeigen ein Mikrospiegelbauteil als spe­ zielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spiegel­ antriebsvorrichtung. Das Mikrospiegelbauteil umfaßt ein Substrat 4, ein Spiegelelement 1A, das auf dem Substrat 4 ausgebildet ist, einen Permanentmagneten 3, der unter dem Substrat 4 angebracht ist, und spulenförmige Leitermuster 2A und 2A′, die auf der Rückfläche des Spiegelelementes 1A ausgebildet sind. Das Spiegelelement 1A ist durch Aufteilen der Oberfläche des Substrates 4 beidseits von Gelenken 5 und 5, in der Mitte der gegenüberliegenden Seiten gebildet. Das Spiegelelement 1A kann daher um die Gelenke 5 und 5′ wip­ penartig hin- und hergeschwenkt werden. Das Substrat 4 ist mit einem Hohlraum 6 (Fig. 3) zur Aufnahme der Schwenkbewe­ gung des Spiegelelementes 1A versehen. Der Permanentmagnet 3 weist einen Magnetpol (N oder S) zur Bildung eines Magnet­ feldes bezüglich der gesamten Oberfläche des Spiegelelemen­ tes 1A auf.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, sind spulenartige Leitermuster 2A und 2A′ dadurch gebildet, daß die Rückfläche des Spiegelelementes 1A mit einer dünnen Metallschicht be­ schichtet und diese in das Muster einer bestimmten Spulen­ form gebracht wurde, das mit Leitermustern 2B und 2B′ ver­ bunden ist, die für die externe Verdrahtung längs der beiden Gelenke 5 und 5′ sorgen, um den Strom zuzuführen. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein Reflexionsfilm 7 zum Reflek­ tieren von Licht auf einer Oberfläche des Spiegelelementes 1A ausgebildet, während auf seiner anderen Oberfläche eine Isolierschicht 8 gebildet ist, um ein Überbrückungsmuster 2C zu bilden, das die spulenartigen Leitermuster 2A und 2A′ miteinander verbindet.

Ein derartiges Mikrospiegelbauelement kann in Form eines dünnen ultrakleinen Paketes mit einem Dünnschichtver­ fahren, beispielsweise mit einem Aufwachsverfahren, einem Metallfilmbeschichtungsverfahren oder einem Ätzverfahren eines Halbleiterplättchens hergestellt werden. Ein derarti­ ges Mikrospiegelbauelement mit ultrakleiner Größe kann auch als optischer Signalmodulator in einem optischen Abnehmer zur Wiedergabe und Aufzeichnung verwandt werden, der mit einer die zweite harmonische Schwingung (SHG) erzeugende Lichtquelle arbeitet.

Fig. 6 zeigt ein Mikrospiegelfeld 10 mit einer Spiegel­ antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung. Bei dem Mikrospie­ gelfeld 10 sind mehrere Spiegelelemente 1A jeweils mit Ge­ lenken 5 und 5, auf einem gemeinsamen großen Substrat 4A in Bildpunkteinheiten gruppiert. Auf der Rückfläche jedes Spie­ gelelementes 1A ist das oben beschriebene spulenartige Lei­ termuster ausgebildet und auf der Bodenfläche des gemein­ samen Substrates 4A befindet sich ein Permanentmagnet mit einer großen Magnetpolfläche, die ausreicht, ein gleichmäßi­ ges Magnetfeld über die gesamte Oberfläche der Spiegelele­ mente 1A zu erzeugen.

Fig. 7 zeigt eine Bildprojektionsvorrichtung, die mit dem Mikrospiegelfeld 10 von Fig. 6 als Bildmodulator arbei­ tet. In der Bildprojektionsvorrichtung ist das Mikrospiegel­ feld 10 zwischen einer Lichtquelle 11 und einem Fokussie­ rungsobjektiv 12 angeordnet und mit einer Antriebsschaltung 15 zum Zuführen von Strom zu den spulenförmigen Leitermu­ stern eines nach Maßgabe eines Videosignals gewählten Spie­ gelelementes verbunden. Das von der Lichtquelle 11 über eine Sammellinse 15 ausgestrahlte Licht wird somit in ein zweidi­ mensionales Bild nach Maßgabe des Videosignals moduliert. Das Projektionsobjektiv 12 vergrößert und projiziert das Licht des durch das Mikrospiegelfeld 10 modulierten Bildes auf einen großen Bildschirm 13.

Das oben beschriebene Mikrospiegelfeld kann nicht nur für die Modulation eines Bildes, sondern auch als Anzeige zum Anzeigen des Bildes verwandt werden. Es kann weiterhin als Lichteinstelleinrichtung zum Einstellen der Intensität des abgelenkten einfallenden Lichtes dienen.

Wie es oben beschrieben wurde, wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Antreiben eines Spiegelelementes eines Mikrospiegelfeldes geschaffen, das eine elektromagnetische Kraft statt einer piezoelektrischen oder einer elektrostati­ schen Kraft ausnutzt, wie es bisher der Fall ist. Gemäß der Erfindung wird daher der Aufbau des Mikrospiegelfeldes ein­ fach, so daß eine Herstellung mit ultrakleiner Größe und in Massenproduktion unter Ausnutzung einer Dünnschichtverar­ beitungstechnik eines Halbleiterplättchens bei schlanken Herstellungskosten möglich ist. Die vorliegende Erfindung trägt insbesondere zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der verschiedenen Produkte bei, bei denen sie angewandt wird oder werden kann.

Claims (22)

1. Spiegelantriebsverfahren für ein Mikrospiegelfeld, das mit einer Vielzahl von Spiegelelementen versehen ist, von denen jedes schwenkbar gehalten ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• (a) ein Magnetfeld gleichmäßig über die Vielzahl von Spiegelelementen gelegt wird und
• (b) ein Spiegelelement unter der Vielzahl von Spiegel­ elementen nach Maßgabe eines Bildsignals gewählt und ein elektrischer Strom durch das gewählte Spiegelelement fließen gelassen wird, so daß

das gewählte Spiegelelement durch eine elektromagneti­ sche Kraft zwischen dem anliegenden Magnetfeld und dem elek­ trischen Strom so geschwenkt wird, daß es auftreffendes Licht ablenkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) dadurch ausgeführt wird, daß ein Perma­ nentmagnet mit einer Magnetpolfläche zur Bildung eines Ma­ gnetfeldes bezüglich der Vielzahl von Spiegelelementen vor­ gesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) dadurch ausgeführt wird, daß ein Elek­ tromagnet mit einer Magnetpolfläche zur Bildung eines Ma­ gnetfeldes bezüglich der Vielzahl der Spiegelelemente vor­ gesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) dadurch ausgeführt wird, daß ein elek­ trischer Strom wenigstens einer Spule zugeführt wird, die an einer Außenfläche jedes Spiegelelementes angebracht ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) dadurch ausgeführt wird, daß ein elek­ trischer Strom einem spulenförmigen Leitermuster zugeführt wird, das an einer Außenfläche jedes Spiegelelementes mit­ tels eines Metallfilmes ausgebildet ist, dem das Muster mehrerer Spulen gegeben ist.

6. Spiegelantriebsvorrichtung für ein Mikrospiegelfeld, das mit einer Vielzahl von Spiegelelementen versehen ist, von denen jedes schwenkbar gehalten ist, gekennzeichnet durch
eine ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3) zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Vielzahl von Spiegelele­ menten (1A) und
eine Leitereinrichtung (2), die einen elektrischen Strom durch jedes der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) fließen läßt, um Magnetfeldlinien in Verbindung mit dem Magnetfeld zu erzeugen, wobei
jedes Spiegelelement (1A) durch eine elektromagnetische Kraft zwischen der das Magnetfeld ausbildenden Einrichtung (3) und der Leitereinrichtung (2) geschwenkt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3) einen Permanentmagneten mit einer Magnetpolfläche bezüglich der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3) einen Elektromagneten mit einer Magnetpolfläche bezüglich der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitereinrichtung (2) wenigstens eine Spule umfaßt, die an einer Außenfläche jedes Spiegelelementes (1A) ange­ bracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitereinrichtung (2) wenigstens ein spulenför­ miges Leitermuster (2A, 2A′) umfaßt, das auf einer Außenflä­ che jedes Spiegelelementes (1A) mittels einer dünnen Metall­ schicht ausgebildet ist, die in Form einer Spule gemustert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Spiegelelement (1A) eine Isolierschicht (8) zum Isolieren eines Überbrückungsmusters (2C) über dem wenig­ stens einen spulenförmigen Leitermuster (2A, 2A′) aufweist.

12. Spiegelantriebsvorrichtung für ein Mikrospiegel­ feld, das mit einer Vielzahl von Spiegelelementen versehen ist, von denen jedes schwenkbar gehalten ist, gekennzeichnet durch
ein gemeinsames Substrat (4),
mehrere Gelenke (5, 5′) zum schwenkbaren Halten der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) auf dem gemeinsamen Sub­ strat (4) jeweils,
einen Permanentmagneten (3), der unter dem gemeinsamen Substrat (4) angebracht ist und eine Magnetpolfläche bezüg­ lich der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) aufweist,
ein spulenförmiges Leitermuster (2A, 2A′), das jeweils an einer Außenfläche der Vielzahl von Spiegelelementen (1A) ausgebildet ist, und
eine Einrichtung (2B, 2B′) zum Zuführen eines elektri­ schen Stromes zu dem spulenförmigen Leitermuster (2A, 2A′) eines gewählten Spiegelelementes (1A) der Vielzahl von Spie­ gelelementen (1A), und zwar nach Maßgabe eines Bildsignals.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das spulenförmige Leitermuster (2A, 2A′) auf einer Außenfläche jedes Spiegelelementes (1A) aus einer dünnen Metallschicht gebildet ist, die in Form einer Spule gemu­ stert ist.

14. Spiegelantriebsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (4),
einen Spiegel (1A),
zwei Gelenke (5, 5′) auf dem Substrat (4) zum schwenk­ baren Halten des Spiegels (1A),
eine ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3), die unter dem Substrat (4) angeordnet ist, und ein Magnetfeld an den Spiegel (1A) legt,
eine Leitereinrichtung (2), die gleichmäßig über eine Außenfläche des Spiegels (1A) verteilt ist und einen elek­ trischen Strom durch den Spiegel (1A) fließen läßt, um Ma­ gnetfeldlinien in Verbindung mit dem Magnetfeld zu erzeugen, wobei
der Spiegel (1A) durch eine elektromagnetische Kraft zwischen der ein Magnetfeld ausbildenden Einrichtung (3) und der Leitereinrichtung (2) geschwenkt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3) einen Permanentmagneten mit einer Magnetpolfläche bezüglich des Spiegels (1A) umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die ein Magnetfeld ausbildende Einrichtung (3) einen Elektromagneten mit einer Magnetpolfläche bezüglich des Spiegels (1A) umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitereinrichtung (2) wenigstens eine Spule umfaßt, die an einer Außenfläche des Spiegels (1A) ange­ bracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitereinrichtung (2) wenigstens ein spulenför­ miges Leitermuster (2A, 2A′) umfaßt, das an einer Außenflä­ che des Spiegels (1A) mittels einer dünnen Metallschicht ausgebildet ist, die in Form einer Spule gemustert ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spiegel (1A) eine Isolierschicht (8) zum Iso­ lieren eines Überbrückungsmusters über dem wenigstens einen spulenförmigen Leitermuster (2A, 2A′) aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spiegel (1A) einen reflektierenden Film (7) aufweist, der auf dem Spiegel (1A) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spiegel (1A) eine Isolierschicht (8) aufweist, die auf der Leitereinrichtung (2) angeordnet ist.