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マイクロスキャナ、またはマイクロスキャンミラーは、動的光変調用のマイクロミラーアクチュエータのカテゴリに属するマイクロ光電気機械システム(MOEMS) です。マイクロスキャナの種類に応じて、単一のミラーの変調動作は、1 軸または 2 軸上で並進または回転のいずれかになります。前者の場合、位相シフト効果が発生します。後者の場合、入射光波が偏向されます。
マイクロスキャナーは、任意の収量で所望の変調を実現するために個別にアドレス指定可能なミラーのマトリックスを必要とする空間光変調器やその他のマイクロミラー アクチュエータとは異なります。単一のアレイ ミラーで所望の変調を実現し、光収量を増やすために他のアレイ ミラーと並列に動作する場合は、マイクロスキャナー アレイという用語が使用されます。
特徴
一般的なチップ寸法は、ミラー直径が1～3 mmの場合、4 mm × 5 mmです。[1]側面寸法が最大約10 mm × 3 mmの大きなミラー開口部も製造できます。 [2]スキャン周波数は設計とミラーサイズによって異なり、0.1～50 kHzの範囲です。偏向動作は共振または準静的です。 [3]傾斜動作が可能なマイクロスキャナーを使用すると、光を投影面全体に向けることができます。
多くのアプリケーションでは、単一の線だけではなく表面をアドレス指定する必要があります。これらのアプリケーションでは、リサージュパターンを使用したアクチュエーションにより、正弦波スキャン動作、つまり二重共振動作を実現できます。マイクロスキャンデバイスの機械的偏向角は最大±30°に達します。[4]並進（ピストン型）マイクロスキャナは、最大約±500μmの機械的ストロークを実現できます。[5]この構成はエネルギー効率に優れていますが、複雑な制御電子機器が必要です。ハイエンドディスプレイアプリケーションでは、ラスタースキャンが一般的な選択肢であり、共振スキャナ（長いディスプレイ寸法用）と準静的スキャナ（短い寸法用）がペアになっています。[3]
ドライブの原則
ミラーの動きに必要な駆動力は、さまざまな物理的原理によって提供できます。実際には、このようなミラーを駆動するための関連原理は、電磁気、静電、熱電、圧電効果です。[3]物理的原理はそれぞれ長所と短所が異なるため、駆動原理はアプリケーションに応じて選択されます。具体的には、共振スキャンに必要な機械的ソリューションは、準静的スキャンのものとは非常に異なります。熱電アクチュエータは高周波共振スキャナには適用できませんが、他の3つの原理はあらゆるアプリケーションに適用できます。
共振スキャナの場合、よく使用される構成の 1 つに間接駆動があります。間接駆動では、大きな質量の小さな動きが、好ましいモード形状での機械的増幅によって、より小さな質量 (ミラー) の大きな動きに結合されます。これは、アクチュエータ機構がミラーを直接動かす、より一般的な直接駆動とは対照的です。間接駆動は、電磁、[6]、 静電、[7] 、圧電アクチュエータにも実装されています。[8] [9]既存の圧電スキャナは、直接駆動を使用する方が効率的です。[3]
静電アクチュエータは、電磁駆動装置と同様に高出力を提供します。電磁駆動装置とは異なり、駆動構造間の結果として生じる駆動力は極性を反転できません。正と負の有効方向を持つ準静的コンポーネントを実現するには、正と負の極性を持つ 2 つの駆動装置が必要です。[10]経験則として、ここでは垂直コーム駆動装置が使用されます。ただし、偏向領域の一部の非線形性が非常に高い駆動特性は、ミラーを適切に制御する上で障害となる可能性があります。このため、今日では多くの高度に開発されたマイクロスキャナが、固有モードがアクティブになる共振動作モードを使用しています。共振動作は最もエネルギー効率に優れています。ビームの位置決めや、静的に作動または線形化スキャンされるアプリケーションでは、準静的駆動装置が必要であり、非常に興味深いものです。
磁気アクチュエータは、静的および動的動作の両方において、傾斜角度と印加信号振幅の非常に優れた直線性を提供します。動作原理は、可動MEMSミラー自体に金属コイルが配置され、ミラーが磁場内に置かれると、コイルに流れる交流電流がローレンツ力を発生させ、ミラーを傾けるというものです。磁気アクチュエーションは、1D または 2D MEMS ミラーのアクチュエーションに使用できます。磁気アクチュエーション MEMS ミラーのもう 1 つの特徴は、必要な電圧が低い (5V 未満) ため、このアクチュエーションが標準 CMOS 電圧と互換性があることです。このようなアクチュエーション タイプの利点は、静電アクチュエーション MEMS ミラーとは異なり、MEMS の動作にヒステリシスが見られず、制御が非常に簡単になることです。磁気アクチュエーション MEMS ミラーの消費電力は、0.04 mW と低く抑えることができます。[11]
熱電駆動装置は高い駆動力を生み出しますが、その基本原理に固有の技術的な欠点がいくつかあります。アクチュエータは環境から熱的に十分に絶縁されている必要があり、環境の影響による熱ドリフトを防ぐために予熱されている必要があります。そのため、熱バイモルフアクチュエータに必要な熱出力と電力消費は比較的高くなります。もう 1 つの欠点は、使用可能な機械的偏向に達するために活用する必要がある変位が比較的小さいことです。また、熱アクチュエータはローパス動作が顕著であるため、高周波動作には適していません。
圧電駆動は高い力を生み出すが、電熱アクチュエータと同様にストローク長が短い。しかし、圧電駆動は熱環境の影響を受けにくく、高周波駆動信号も良好に伝達できる。所望の角度を達成するには、ほとんどのアプリケーションで機械的増幅を利用する何らかのメカニズムが必要となる。これは準静的スキャナでは困難であることが証明されているが、文献には偏向増幅のために長い蛇行した屈曲部を使用する有望なアプローチがある。[12] [13]一方、共振回転スキャナの場合、圧電アクチュエーションと間接駆動を組み合わせたスキャナは、スキャン角度と動作周波数の点で最高の性能を発揮する。[8] [9] [14]ただし、この技術は静電駆動や電磁駆動よりも新しいため、商用製品にはまだ実装されていない。[3]
応用分野
傾斜型マイクロスキャナーの用途は多数あり、次のようなものがあります。
- プロジェクションディスプレイ[3] [6] [15]
- 画像記録、例えば技術用および医療用内視鏡用[4]
- バーコードスキャン[16]
- 分光法
- レーザーマーキングと材料加工
- 物体測定/三角測量[2]
- 3Dカメラ
- 物体認識
- 1Dおよび2Dライトグリッド
- 共焦点顕微鏡/ OCT
- 蛍光顕微鏡
- レーザー波長変調
ピストン型マイクロスキャナーの用途には次のようなものがあります。
- フーリエ変換赤外分光計
- 共焦点顕微鏡
- フォーカスの変化
製造
マイクロスキャナーは通常、表面またはバルクのマイクロメカニクスプロセスで製造されます。原則として、シリコンまたは BSOI (絶縁体上の結合シリコン) が使用されます。
マイクロスキャナーの長所と短所
マイクロスキャナーは、ガルバノメータースキャナーなどのマクロ光変調器に比べて小型で、質量も少なく、消費電力も少ない。さらに、マイクロスキャナーは位置センサーなどの他の電子部品と統合することもできる。[17]マイクロスキャナーは環境の影響に強く、湿度、ほこり、一部のモデルでは2500gまでの物理的衝撃に耐えることができ、-20℃～+80℃の温度範囲で動作することができる。
現在の製造技術では、マイクロスキャナはコストが高く、納品までに長いリードタイムを要する可能性があります。これはプロセス改善の活発な分野です。
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 Microscannerに関連するメディアがあります。
- 走査型マイクロミラー。ミラークルテクノロジーズ ジンバルレス 2軸走査型マイクロミラー
- MEMS スキャナ。フラウンホーファー光マイクロシステム研究所
- ARI MEMSマイクロミラーデモンストレーションデバイス。アドリア海研究所
- アナログミラー入門。Texas Instruments (製品ページ)
- 磁気 MEMS マイクロミラー[永久リンク切れ ]。 Lemoptix (技術説明ページ)
- MEMS レーザースキャンミラー。Maradin Ltd