CN104777539A - 微镜阵列可编程菲涅尔波带片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MOEMS光调制器技术领域，更具体的说，本发明涉及一种MOEMS微镜阵列可编程菲涅尔波带片:利用MOEMS微镜对光的振幅调制能力和阵列调制器对光场的二维空间调制能力，通过编程控制MEOMS微镜阵列中特定分组单元的开关,生成参数可调的反射式菲涅尔波带片，完成调焦功能，形成的微镜阵列可编程菲涅尔波带片作为变焦距光学系统使用具有结构简单、体积小、重复性好、精度高、工作频带宽、布线和驱动简单、光学效果好、光学误差小的优点，可广泛应用于显微镜、数码相机、望远镜等精密光学成像设备。

Description

微镜阵列可编程菲涅尔波带片

技术领域

本发明涉及MOEMS光调制器技术领域，更具体的说，本发明涉及一种MOEMS微镜阵列可编程菲涅尔波带片。

技术背景

变焦距光学系统或变焦镜头被广泛用于显微镜、数码相机、望远镜等精密光学成像设备，是一种重要的光学元件。而传统的变焦距光学系统通常分为两类，一种是通过切换不同焦距的镜头，另一种是调节镜头在光轴上的位置，两者都需要较大的机械装置进行位置变动，存在精度差、重复性差、变焦能力受限、体积大、操作不灵活的缺点。

近年来，随着衍射光学的发展，衍射光学在光学设计中不仅可以增加设计的自由度，而且能够突破传统光学系统诸多方面的局限，在改善系统成像质量、减小体积和降低成本等方面表现出传统光学系统无可比拟的优势，并受到越来越多的光学设计者的重视。菲涅尔波带片作为一种典型的衍射光学元件，具有相对大的数值孔径/焦距比，使得其可以在近场衍射聚焦，为很多体积受限的光学系统所采用。在对紫外区、红外区、太赫兹区和高强度激光等传统光学透镜由于损耗过大无法胜任的场合，菲涅尔波带片可以成为透镜的一个良好替代品。

MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光机电系统)技术是MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术和光学技术的融合，具有天生的优势，它可以实现微型光学元件和控制电路的集成，具有可大批量制造，单位成本低，体积微小，响应速度快，性能可靠等优势。目前，基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用，从与光波长相当的微尺度上提供了人们操控光场的强有力工具。

本发明的初衷是利用MOEMS微镜阵列对光的振幅调制能力，动态生成参数可调的菲涅尔波带片，形成一种变焦快捷灵活、结构简单、体积小、重复性好、精度高、工作频带宽的可编程波带片，适合于用作变焦距光学系统。

发明内容

本发明在于提供一种微镜阵列可编程菲涅尔波带片，通过对微镜阵列编程控制微镜单元的开关使得微镜阵列动态生成参数可调的菲涅尔波带片，完成调焦功能，解决传统的变焦距光学系统精度差、重复性差、变焦能力受限、操作不灵活等不足的同时，又使得变焦系统具有结构简单、体积小、工作频带宽的优点。

本发明的技术方案如下：

一种微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的支撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁结构,所述电极地址控制驱动电路，按照事先计算好的电极地址选择施加电压的微镜单元构成不同焦距的圆环菲涅尔波带片图形，每一个菲涅耳波带圆环由一定数量连续的微镜单元组成。

还可按不同的菲涅尔波带片形式分组布置微镜电极，如直边菲涅尔波带片，形成一种微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的支撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁结构,所述电极地址控制驱动电路，按照事先计算好的电极地址选择施加电压的微镜单元构成不同焦距的直边菲涅尔波带片图形，每一个直边菲涅耳波带条由一定数量连续的微镜单元组成。

其中，对于所述的微镜上下电极之间可以施加控制电压，无电压的时候压电层保持平直，微镜镜面不偏转，施加电压后压电层翘曲，使微镜镜面偏转。

进一步，所述的菲涅尔波带片的子波带由微镜阵列单元可以再细分为更小的波带区域，其细分组数由微镜的尺寸确定，每一组电极都固定连接在一起，当电极地址控制驱动电路选择不同的分组策略时，使波带片按照不同的参数变化而调节焦距。

另外，所述组成菲涅尔波带片的子波带的微镜阵列单元的微镜镜面形状和大小可以根据子波带的几何特征确定。在构成圆环形子波带时，镜子边缘可以是子波带所需的弧线；在构成直边波带片时，镜子只需方形即可。镜子在靠近波带片中心的较宽的波带里尺寸设计较大，在边缘较细的波带里尺寸设计较小。

本发明的有益效果是：

1.利用MOEMS微镜对光的振幅调制能力和阵列调制器对光场的二维空间调制能力，生成参数可调的动态菲涅尔波带片，形成的变焦距光学系统具有变焦快捷灵活、结构简单、体积小、重复性好、精度高的优点。

2.利用MOEMS微镜阵列进行光场调制，微镜表面可镀有高性能金属反射膜，相对于传统透射式光学透镜和相位调制型波带片，有更宽的工作频带。

3.由于镜子的分组方式完全根据菲涅尔波带片的子波带几何特征确定，所以微镜无需每个单元都单独控制，使布线和驱动简单。

4.由于镜子的大小和形状完全根据菲涅尔波带片的子波带几何特征确定，所以形成的动态菲涅尔波带片光学效果好，光学误差小。

此发明具有广泛的实用性，可应用于显微镜、数码相机、望远镜等精密光学成像设备。

附图说明

图1为菲涅尔波带片衍射聚焦原理图。

图2为微镜结构和工作原理示意图。

图3为圆环形菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟圆环形波带片示意图。

图4为直边菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟直边波带片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为菲涅尔波带片衍射聚焦原理图。本发明基于菲涅尔波带片对光的衍射聚焦原理，菲涅耳波带片实质上可看成是一种变间距光栅,最常见的圆形菲涅耳波带片由一组同心环带构成。一般可将波带片分为振幅型波带片和位相型波带片。图1为一振幅型波带片示意图。根据菲涅耳衍射原理，通过屏蔽菲涅耳半波带中的奇数带或偶数带，使透光的半波带相对于波带片光轴上焦点处光程相差为波长λ的整数倍时，该点的光强被大大增强，达到聚焦的作用，每级半波带的半径需要满足公式

同时，焦距f与波长λ成反比，公式如下

$f=\frac{r_n^2}{\mathrm{n\λ}}=\frac{{r_1}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

所以，通过调节每一级半波带的半径r_n，就可以调节焦距f。例如，当r_n扩大2倍时，焦距扩大4倍。需要说明的是，波带片总环数的多少对焦距f没有影响，只对分辨率和焦深有影响。

图2为微镜结构和工作原理示意图。微镜镜面6通过中心的锚点支撑于上电极5上方，上电极5、下电极3与电极地址控制驱动电路7相连以驱动电极中间夹住的压电层4带动微镜镜面偏转，支撑柱1和支撑层2用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁结构。上电极5下电极3之间可以施加控制电压，无电压的时候微镜镜面6不偏转，施加电压可以使微镜镜面6偏转。而多个微镜可以构成微镜阵列实现二维光场的调控，电极地址控制驱动电路7可以选择性地在某个或某些微镜电极上施加电压，使其发生偏转。微镜表面可镀有高性能金属反射膜，相对于传统透射式光学透镜和相位调制型波带片，有更宽的工作频带。这个优点在红外、太赫兹、紫外、X-ray波段尤其突出。

图3为圆环形菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟圆环形波带片示意图。与图1中菲涅尔波带片原理类似，当使用反射而不是透射的方式时，同样能够实现菲涅尔波带片调焦的功能。由于菲涅尔波带片的波带结构很精细，而随着MOEMS技术的工艺发展，采用MEMS微镜阵列使得动态生成不同参数的菲涅尔波带片成为可能。图3左边是常规的菲涅尔波带片图形，通过数字离散化，可以将图形加载到MEMS微镜阵列上。图3右边是图形加载到MEMS微镜阵列上后的示意图，位于不同菲涅尔波带片半波带子区域的微镜可以分组将电极连在一起。如图3中的实例，将半波带每隔12个周期的圆环上的微镜电极互连，1-12表示不同组电极互连的引线部分。如果按奇数组微镜加电，偶数组微镜不加电，则奇数组半波带部分的微镜单元将光反射到成像面以外，被屏蔽和吸收掉，而偶数组半波带部分的微镜单元将光反射聚焦到成像面，实现反射式菲涅尔波带片衍射聚焦的功能。要使焦距改变，只要改变加电的地址选择模式。比如使1-4、9-12组微镜加电，而5-8组微镜不加电，则实际效果是使得所有子半波带较奇偶加电的方式半径增加一倍，根据公式(2)其焦距也就增加了4倍。本发明利用MOEMS微镜对光的振幅调制能力和阵列调制器对光场的二维空间调制能力，生成参数可调的动态菲涅尔波带片，形成的变焦距光学系统具有变焦快捷灵活、结构简单、体积小、重复性好、精度高的优点。另外，在构成圆环形子波带时，镜子边缘可以是子波带所需的弧线。镜子在靠近波带片中心的较宽的波带里尺寸设计较大，在边缘较细的波带里尺寸设计较小。由于镜子的分组方式完全根据菲涅尔波带片的子波带几何特征确定，所以微镜无需每个单元都单独控制，使布线和驱动简单。由于镜子的大小和形状完全根据菲涅尔波带片的子波带几何特征确定，所以形成的动态菲涅尔波带片光学效果好，光学误差小。

图4为直边菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟直边波带片示意图。图4左边是常规的直边菲涅尔波带片图形，通过数字离散化，可以将图形加载到MEMS微镜阵列上。图4右边是图形加载到MEMS微镜阵列上后的示意图，位于不同菲涅尔波带片半波带子区域的微镜可以分组将电极连在一起。直边微镜阵列可编程菲涅尔波带片的调制原理和分组方式与图3中圆环形菲涅尔波带片的相似，所不同的是，在构成直边菲涅尔波带片子波带时，镜子只需方形即可,这样使得制造和设计起来更加简单。圆环形微镜阵列可编程菲涅尔波带片的聚焦功能与球形凹面反射镜相当，而直边微镜阵列可编程菲涅尔波带片的聚焦功能与柱形凹面反射镜相当。通过改变半波带的半径，都可以实现动态调焦的功能。同样都具有结构简单、体积小、重复性好、精度高、工作频带宽、布线和驱动简单、光学效果好、光学误差小的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范畴。

Claims (5)

1.微镜阵列可编程菲涅尔波带片其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的支撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁结构,所述电极地址控制驱动电路，按照事先计算好的电极地址选择施加电压的微镜单元构成不同参数的圆环菲涅尔波带片图形，每一个菲涅耳波带圆环由一定数量连续的微镜单元组成。

2.微镜阵列可编程菲涅尔波带片其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的支撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁结构,所述电极地址控制驱动电路，按照事先计算好的电极地址选择施加电压的微镜单元构成不同参数的直边菲涅尔波带片图形，每一个直边菲涅耳波带条由一定数量连续的微镜单元组成。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：所述的微镜上下电极之间可以施加控制电压，无电压的时候微镜镜面不偏转，施加电压可以使微镜镜面偏转。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：所述的菲涅尔波带片的子波带由微镜阵列单元可以再细分为更小的波带区域，其细分组数由微镜的尺寸确定，每一组电极都固定连接在一起，当电极地址控制驱动电路选择不同的分组策略时，使波带片按照不同的参数变化而调节焦距。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：所述组成菲涅尔波带片的子波带的微镜阵列单元的微镜镜面形状和大小可以根据子波带的几何特征确定。