CN113912002A - Mems微镜设备 - Google Patents

Abstract

一种MEMS微镜设备，形成在包括容纳体和对光辐射透明的盖的封装件中。封装件形成容纳具有反射表面的可倾斜平台的腔。元结构形成在盖上和/或反射表面上，并且包括多个衍射光学元件。

Description

MEMS微镜设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年7月10日提交的专利号为102020000016855的意大利申请的优先权，该申请的内容通过引用全部并入。

技术领域

本公开涉及一种封装在具有透明表面和具有可倾斜平台的封装件中的MEMS微镜设备。

背景技术

某些已知的MEMS设备具有使用半导体技术获得的反射镜结构。

这种MEMS微镜设备由于能够满足关于体积的严格要求，包括面积和厚度两者，因而得到了广泛的应用。

因此，上述设备广泛用于便携式装置，例如便携式计算机、膝上型计算机、笔记本(包括超薄笔记本)、PDA、平板电脑、智能手机、用于光学应用的装置，特别是用于根据所需形态引导由光源产生的光辐射束等。

例如，微机电系统(MEMS)反射镜设备用于微型投影仪模块(例如，微型投影仪(picoprojector))中，其能够在一定距离处投射图像或产生所需的光模式。此外，它们在增强现实眼镜和护目镜以及LIDAR(光检测和测距)扫描设备中的应用非常有用。

LIDAR技术通过用激光束照射目标、用传感器检测由目标反射的作为返回光束的激光束、以及确定从激光束向目标发射到接收返回光束之间经过的时间(“返回时间”)，能够测量在视野内与目标的距离。通过用激光束照射视野内的不同目标，根据返回时间之间的差异，可以构造一组点，形成视野的三维数字表示。

因此，LIDAR技术在大地测量学、地理信息学、考古学、地理学、地质学、地貌学、地震学、造林学、大气物理学、激光驱动、ALSM(机载激光条带测绘)和激光测高等领域的应用有助于创建高分辨率地图。LIDAR技术还用于自动驾驶车辆的控制和导航，或用于某些车辆的高级驾驶员辅助系统。

微机电反射镜设备通常包括悬挂在腔上/腔中并从半导体材料体获得的反射镜元件，以便可移动，通常具有倾斜运动或旋转运动，用于以期望的方式引导入射光束。

例如，图1示意性地示出了微型投影仪1，包括光源2，光源2通常是激光源，产生由三个单色光束组成的组合光束3，每个基色一个单色光束，该组合光束通过示意性示出的光学元件4被反射镜元件5朝向产生扫描7的屏幕6偏转。在所示的示例中，反射镜元件5包括沿光束3的路径顺序布置的两个微镜8、9，每个微镜可绕其轴线之一旋转；特别地，第一微镜8可绕垂直轴A旋转，并且第二微镜可绕垂直于轴A的水平轴B旋转，第一微镜8绕垂直轴A的旋转产生快速水平扫描，如图1所示。第二微镜9绕水平轴B的旋转产生慢速垂直扫描。

在某些应用中，例如在增强现实系统和上面提到的LIDAR设备中，反射镜元件或每个微镜8、9通过具有至少一个透明侧的密封封装件保持在低压环境中。通过这种方式，由于存在于其中的低压，Q因子增加，因此可以获得优异的性能。

例如，图2示出了一个通用的微镜10，它实现了图1的微镜8或9。

微镜10包括可倾斜平台11，可倾斜平台11具有反射表面11A，并通过未示出的支撑件和致动结构由主体12承载，使得可倾斜平台11能够至少绕轴线15旋转。这里，主体12是杯状的，并且在顶部由具有外表面16A和后表面16B的盖16封闭。

盖16由透明壁形成或包括透明壁，例如玻璃(特别是氧化硅)，其使得外部入射光线Li能够到达可倾斜平台11，并且以与可倾斜平台11的瞬时角位置相关的取向向外反射，作为反射光线Lr。

然而，在使用中，盖16可能由于盖16引起的虚假反射而产生伪像。例如，输入到微镜10的外部入射光线Li部分地由盖16向可倾斜平台11透射，并且部分地由外表面16A直接反射为杂散光线Ls。可以从入射到盖16的后表面16B上的外部光线Li以及从反射光线Lr(在多次反射之后)产生类似的杂散光线(未示出)。由于不同的光路，这些杂散反射可能在反射光线Lr指向的目标、屏幕或用户上和/或在用于检测和评估经过的时间或反射光辐射的某些其他参数的单元上产生斑块和噪声。

为了克服这一点，已经研究了各种方法，例如在盖16上布置ARC(Anti-ReflectiveCoating，抗反射涂层)层，以便消除任何杂散反射；处理表面16A、16B以降低其折射率；以及将盖16(或其至少一部分)布置在相对于可倾斜平台的反射表面11A的倾斜位置。例如，后一种方法示于欧洲专利号1,748,029(通过引用合并)，并且允许杂散光线Ls(以及在盖16的后表面16B上产生的杂散光线Ls)定向在与反射光线Lr相当不同的方向上，使得它们不击中目标或因此不被检测到。

然而，上述方法并不能令人满意地充分解决这些问题。事实上，抗反射层或表面处理在消除杂散反射方面不够有效，特别是对于可见光，其中反射贴片是大尺寸的。另一方面，盖的倾斜布置或盖的一部分的倾斜形状带来了主要的制造困难，并且结合到晶片(该晶片形成主体12)上的玻璃晶片易碎，并且难以由当前的生产装置处理，涉及高制造成本、低吞吐量和大量的生产废品。

本领域需要提供一种克服现有技术缺点的微镜。

发明内容

根据本公开，一种MEMS微镜设备包括封装件，所述封装件包括容纳体和对光辐射透明的盖，封装件形成腔，可倾斜平台容纳在腔中并且具有反射表面，元结构形成在封装件和/或反射表面上，该元结构包括多个衍射光学元件。

第一衍射基本单元可以由多个衍射光学元件中的第一衍射光学元件形成，第一衍射基本单元具有在平面内延伸的区域，并且第一衍射基本单元的第一衍射光学元件以在属于平面的可变性方向上线性可变的第一可变密度被布置。

可倾斜平台可被配置为可绕旋转轴旋转，并且可变性方向可垂直于旋转轴。

第一衍射基本单元的第一衍射光学元件可以在可变性方向上具有线性可变的尺寸和/或在可变性方向上以线性可变的元件间距离布置。

可变性方向上的尺寸和元件间距离可以小于在MEMS微镜设备的应用领域中光辐射的波长。

可以由多个衍射光学元件中的第二衍射光学元件形成至少一个第二衍射基本单元，第二衍射光学元件以在可变性方向上线性可变的第一密度的方式布置，第一衍射基本单元和第二衍射基本单元在可变性方向上以等于2πλ的倍数的单元间距离彼此并排布置，其中λ是MEMS微镜设备的应用领域中的光辐射的波长。

多个衍射光学元件中的衍射光学元件可以由柱形成。

多个衍射光学元件中的衍射光学元件可以是具有第一折射率的材料，并且浸入具有第二折射率的介质中，其中，第一折射率大于第二折射率。

多个衍射光学元件中的衍射光学元件可以从支承表面突出。

多个衍射光学元件中的衍射光学元件可以延伸穿过介电层。

介电层可以是二氧化硅。

多个衍射光学元件中的衍射光学元件可以由在介电层中制成的开口形成。

介电层可以是氧化硅层。

盖可由光学透明材料制成，并且具有面向可倾斜平台的内表面和与内表面相对的外表面，其中，元结构形成在盖的外表面上。

在多个衍射光学元件中可以存在第三衍射光学元件，其中，第三衍射光学元件形成在盖的内表面上，形成至少一个第三衍射基本单元，并且第三衍射光学元件以在平行于可变性方向的方向上线性可变的第三密度布置，第三线性可变密度等于第一线性可变密度。

可倾斜平台可具有面向盖的反射表面，并且，多个衍射光学元件形成在反射表面上。

反射表面可以包括金属化层，并且元结构直接形成在金属化层上。

反射表面可以包括金属化层和介电层，并且元结构可以形成在介电层上。

本发明还公开了一种MEMS微镜设备，包括：封装件，包括容纳体和透明盖，封装件被成行以限定腔；以及可倾斜平台，设置在腔内并且具有反射表面，其中，元结构形成在封装件上并且包括多个衍射光学元件，其中，多个衍射光学元件由具有在平面内延伸的区域的柱形成，多个衍射光学元件以在属于该平面的可变性方向上线性可变的可变密度布置。

柱可以是多面体形状。

多面体形状的柱可以具有沿可变性方向增加的直径，并且可以以恒定的间距布置。

柱可以是平行六面体形状，具有平行于垂直于可变性方向的方向的长边和沿可变性尺寸增加的直径。

附图说明

为了更好地理解，现在参考附图仅通过非限制性示例描述其一些实施例，其中：

图1是使用一维MEMS反射镜元件的微型投影仪的示意图；

图2是已知MEMS反射镜元件的横截面；

图3是本文公开的MEMS微镜设备的实施例的横截面；

图4示出了具有渐进式轮廓的元表面的结构对入射光束的反射波前的影响；

图5示出了根据一个实施例的图3的微镜设备的放大视图；

图6和图7分别是本微镜设备的元表面的可能配置的俯视图和侧视图；

图8和图9分别是基于重复图6和图7的配置的可能实现的俯视图和侧视图；

图10和图11分别是本微镜设备的元表面的不同配置的俯视图和侧视图；

图12和图13分别是本微镜设备的元表面的另一配置的俯视图和侧视图；

图14和图15是图6和图7所示配置的变体的俯视图；

图16示出了图3中微镜设备的一部分的实现；

图17和图18示出了本微镜设备的一部分的两个可能的不同实施例；

图19示出了本微镜设备的不同实施例；

图20和图21示出了图19的实施例的细节的两个变体；

图22示出了本微镜设备的不同实施例；

图23和图24是根据各自变体的图22的微镜设备的俯视图；和

图25示出了图22所示的微镜设备的另一变体。

具体实施方式

以下公开使得本领域技术人员能够制造和使用本文公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可应用于除上述详细描述的实施例和应用之外的实施例和应用。本公开并不旨在限于所示的实施例，而是根据与本文中公开或建议的原理和特征一致的最广泛的范围。

图3是MEMS微镜设备20的示意图。

MEMS微镜设备20为单轴型，并且包括可倾斜平台21。可倾斜平台21具有反射表面21A，并且通过支撑件和致动结构(未示出)由主体22承载，使得可倾斜平台21能够绕振动轴25旋转。

这里，主体22是杯状的，限定容纳可倾斜平台21的腔23，并且在顶部由盖26封闭，盖26通过粘合层27固定到主体22上。可选地，主体22可以具有结合在一起的底部和侧壁，以限定腔23。主体22可以是半导体材料，例如硅，并且可倾斜平台21可以与主体22以一体方式获得。

主体22和盖26形成封装件24。在所示的实施例中，封装件24被粘合层27密封地封闭，并且可以在其中存在凹陷以获得高品质因数。

这里，盖26由例如玻璃的透明平面壁形成，该透明平面壁具有第一表面26A和第二表面26B，第一表面26A面向MEMS微镜设备20的外部；第二表面26B面向MEMS微镜设备20的内部，朝向可倾斜平台21的反射表面21A。盖的第一表面26A和第二表面26B是平面的，并且位于彼此平行并平行于笛卡尔参考系XYZ的水平面XY的平面中。

在所示的实施例中，可倾斜平台21的振动轴25平行于笛卡尔参考系XYZ的第一平面和第一轴Y。此外，在静止状态下，可倾斜平台21的反射表面21A平行于盖26的表面26A和26B。因此，MEMS微镜设备20被配置为接收入射光辐射Li并产生反射光辐射Lr，其中入射光辐射Li和反射光辐射Lr在它们之间形成角度β，角度β取决于可倾斜平台21的瞬时角位置，并且位于笛卡尔参考系XYZ的垂直面XZ中。

在图3中，可以作为可倾斜平台21的旋转的结果而获得的扫描角度由γ表示。

根据图3所示的本发明的实施例，盖26在第一表面26A上承载第一元结构30，在第二表面26B上承载第二元结构31，第二元结构31被配置为形成相应的元表面。

元表面(例如由元结构30、31形成的元表面)由比光波长尺寸小或与光波长尺寸可比的衍射光学元件形成，并且以规则的方式布置，以便在相位、振幅和偏振方面以期望的方式修改波前(例如参见Yu等人，2014年2月23日在Nature Materials，第13卷，DOI 10.1038/NMT3839的文献“Flat optics with designer metasurfaces”，Macmillan出版商，其通过引用合并)。

在图3中，元结构30、31由衍射光学元件35形成，衍射光学元件35被配置和/或布置为具有线性可变的密度，以便等效于关于由盖26反射的光辐射的倾斜表面，如下文所述。

特别地，这里衍射光学元件35在由水平面XY和垂直面XZ的交点给出的第一延伸方向上具有密度变量。第一延伸方向在这里垂直于笛卡尔参考系XYZ的第一轴Y，并平行于第二轴X，因此在下文中也称为第一延伸方向X。

衍射光学元件35以光学薄层(具有小于所考虑的频率范围内的光波长的厚度)获得，并且在第一延伸方向X上具有小于入射光辐射Li的波长的尺寸和/或间距；特别地，在第一延伸方向X上，它们的尺寸(宽度)或距离最多等于λ/5，其中λ是入射光辐射的波长，并且最大高度等于λ/2。

第一元结构30使盖26的第一表面26A上的杂散反射辐射Ls相对于入射光辐射Li偏转位于第二平面XZ中的角度α，该角度与在没有元结构30的情况下可获得的角度不同。实际上，杂散反射辐射Ls的角度α对应于如果第一表面26A相对于铺设平面XY倾斜将存在的反射。类似的偏转由盖26的第二表面26B上的第二元结构31引起，如图3中由杂散反射辐射Ls'所示。

以这种方式，通过适当地确定由元结构30、31提供的密度变化，如下面参考图5至图18详细描述的，杂散反射辐射Ls可以沿着反射光辐射LR的传播路径在不干扰目标的方向上定向。

事实上，正如上面引用的Yu等人的文章“Flat optics with designermetasurfaces”中，元结构30和31引起杂散反射辐射Ls相对于入射光辐射Li的相位延迟。

在这方面，还请参见图4，它说明了根据惠更斯原理沿第二轴X具有相位延迟分布P的相位延迟Δφ的线性曲线的影响。可以注意到，线性相位延迟导致反射光辐射LR相对于垂直于第二轴X的入射光辐射Li倾斜。

事实上，由具有波长λ的光辐射通过沿第二轴X的路径中的折射率为n的材料引起的相位延迟Δφ是：

如上所述，在MEMS反射镜设备20中，通过元结构30、31的衍射光学元件35的线性可变密度布置来获得相位延迟P的线性分布。参照图5，一般而言，元结构30、31可包括多个基本单元40，每个单元由以线性可变密度布置的衍射光学元件35形成，使得相应的相位延迟分布P被布置成形成锯齿图案。在一个实施例中，基本单元40包括至少四个衍射光学元件35。

此外，在图5中，基本单元40以等于2πλ的倍数的距离布置，使得杂散光辐射Ls的干涉总是建设性类型的。

因此，作为元结构30、31的配置的结果，盖26产生倾斜反射光辐射LR。

如下文所述，可以获得具有线性可变密度的元结构30、31的配置。

图6和图7示出元结构30、31，其可用于图3的MEMS微镜设备20，并由单个基本单元40形成。这里，衍射光学元件35由具有在第一延伸方向X上直径增大的圆柱形状的柱50形成。

柱50由相对于它们所浸入的介质(这里是空气)具有高对比度的折射率的材料制成。例如，柱50的材料的折射率和它们所在的介质的折射率(在所使用的光的频率下)之间的差可以至少为+0.5，例如≥+1。根据一个实施例，柱50由诸如非晶硅、氮化硅或二氧化钛的介电材料制成，并且直接形成在盖26上，从盖26突出，而在盖26之间没有布置任何材料。

在图6和图7的实施例中，柱50沿第一轴线Y排列成行51，垂直于第一延伸方向X，并形成第二延伸方向；行51沿第一延伸方向X以固定距离布置(具有第一间距P1)；每行51的柱50沿第二延伸方向Y以固定距离布置(具有第二间距P2)；此外，每行51的柱50相对于相邻行51的柱50错开等于第二间距P2的一半的距离，以便以最佳方式利用基本单元40的面积。

当MEMS微镜设备20被设计为在可见光中工作时，柱50通常具有包括在100至200nm之间的高度H(图7)，以及包括在10至200nm之间的基部直径，如果它在红外中工作，则包括在50至500纳米之间。此外，第一间距P1可以包括在50至200nm之间，并且第二间距P2可以包括在50至200nm之间。

在图6和图7中，柱50的尺寸在第一延伸方向X上的变化使得可以获得从左到右增加的衍射材料的密度；因此，反射光辐射LR具有向右增加的相位延迟，并且反射光辐射Lr相对于入射光辐射Li倾斜，如前面参考图4至图5所述。

图8和图9示出了元结构30、31，包括在第一延伸方向X上彼此并排布置的多个基本单元40。

柱50可以具有尺寸以及第一间距P1和第二间距P2，并且可以如参考图6和图7所详细描述的那样获得。

图10和图11示出了包括多个基本单元40的元结构30、31，其中衍射光学元件35由具有圆柱形状和恒定直径的柱55形成，柱55在第一延伸方向X上以彼此减小的距离布置。柱55在这里也以彼此沿着轴线Y的恒定距离布置，并且实际上形成以彼此可变和线性减小的间距P1布置的行(再次用51表示)。在这种情况下，第二间距P2(在第二延伸方向Y上的柱55之间的距离)也是恒定的；此外，这里，各个行51的柱55也在第一延伸方向X上对齐。

因此，第一间距P1在柱55的上面所示的值之间包括的最大值和最小值之间变化。同样地，第二间距P2和柱55的直径D可以在上面为图6和图7的实施例所示的值之间变化。

因此，同样在这种情况下，也获得从左到右增加的衍射材料密度，以便引起反射光辐射Lr相对于入射光辐射Li的倾斜(图5)。

在图12和图13的元结构30、31中，基本单元40包括衍射光学元件35，衍射光学元件35由可变尺寸的柱60形成并以可变距离布置。

实际上，在本实施例中，在第一延伸方向X上，第一间距P1和直径D都变化。此外，在这种情况下，因此获得从左到右增加的衍射材料密度。

图14示出了图6的配置的变体。这里，衍射光学元件35由具有在第一延伸方向X上直径增大的多面体形状(在图中为六角形)的柱61形成，并且以恒定间距P1和P2布置。在该实施例中，侧视图与图7相同。

图15示出了图6的配置的另一变体。这里，衍射光学元件35由具有平行于第二延伸方向Y的长边和沿着第一延伸方向X增加的短边的平行六面体形状的柱62形成。这里，第一间距P1恒定，侧视图与图7相同。

图16示出了在盖26的两个表面26A、26B上的元结构30和31的布置。为了获得相同的反射光辐射倾斜效果，元结构30和元结构31具有相同的结构，即衍射材料密度的相同方向和变化程度。这样，元结构30和31产生两个相等的相位延迟分布P，并且因此

Δφ₂＝Δφ₁

其中Δφ₂是第二表面26B上的相位延迟，Δφ₁是第一表面26A上的相位延迟。特别地，元结构30和31是相等的(即，它们仅包括柱50或柱55或柱60)，即使它们不必彼此垂直对齐。

图17示出了一个实施例，其中柱50、55或60嵌入到材料折射率低于柱50、55或60的介电层65中，例如二氧化硅，在盖26的第一表面26A和/或盖26的第二表面26B上延伸。

图18示出了不同的实施例，其中衍射光学元件由形成在衍射层67中的腔或开口66，特别是通过开口形成，衍射层67在盖26的第一表面26A和/或第二表面26B上延伸，并且具有使得衍射层67的折射率与空气(在所使用的光的频率下)之间的差大于或等于0.5的折射率。例如，衍射层67可以是氧化硅。

图19示出了MEMS微镜设备70的不同实施例。

微镜设备70具有类似于图3的MEMS微镜设备20的结构；因此，相似的部分用相同的参考号指定，不再进一步描述。

在图19的实施例中，用76表示的盖具有标准的平面结构。抗反射层(未示出)可以设置在其第一表面26A上或在两个表面76、76B上。

第三元结构32形成在可倾斜平台21的反射表面21A上。

例如，如图20所示，可倾斜平台21具有例如金或铝的金属化层28，其形成反射表面21A，并且第三元结构32直接设置在金属化层28上。

可选地，如图21所示，金属化层28由例如氧化硅的介电层29覆盖，并且第三元结构32形成在介电层29上。

第三元结构32可以以上述的任何方式配置，并在图6至图18中为第一元结构30和第二元结构31所示；因此，它包括多个衍射光学元件35(例如，柱50、55、60、61或62，被空气或被介电层65或图16的开口66包围)。此外，它可以包括多个基本单元40。

元结构30-32可以使用用于处理具有尺寸小于光波长的部件的微机械设备的光刻步骤来制造(例如参见Nanxi Li等人在Nano Photosonics 2019；8(10)：第1855-1861页的文章“Large area pixelated metasurface beam deflector on a 12-inch glass waferfor random point generation”，(其通过引用合并)。可选地，也可以使用纳米压印光刻技术。

具体地，MEMS微镜设备20、70可以在晶圆级上处理。在这种情况下，主体22和可倾斜平台21可以形成在用于多个设备的半导体材料晶片中；可以处理玻璃晶片以形成设备的元结构30-32。然后，可以将两个晶片粘合并切割，以获得多个单个的MEMS微镜设备20或70。

图22示出了MEMS微镜设备100的不同实施例。

微镜设备100具有类似于图19的MEMS微镜设备70的结构；因此，相似的部分用相同的参考号指定，不再进一步描述。然而，与微镜设备20和70不同的是，不存在元表面(即，没有元结构)。

微镜设备100包括在盖76和主体22之间延伸的光波导102，例如面向封装件24的侧壁24A。特别地，光波导102在盖76和粘合层27之间延伸，并且可选地与盖76一体。光波导102由透明材料(例如，玻璃)制成，并被设计成通过允许光源104从光源104向反射表面21A传播来引导由封装件24外部的光源104发射的入射光辐射Li。具体地，光波导102沿着光波导102的主延伸方向106(例如，平行于第二轴X)限定入射光辐射Li的光路。

光波导102具有相对于主延伸方向106彼此相对的输入端102A和输出端102B。输入端102A面向MEMS微镜设备100的外部(即，腔23外部的环境)，而输出端102面向腔23并因此面向反射表面21A(例如，其在腔23中延伸)。在使用中，光波导102的输入端102A光学耦合到(例如，面对)发射入射光辐射Li的光源104；因此，入射光辐射Li通过输入端102A进入光波导102，并由光波导102引导，以便通过输出端102B从光波导102离开。如图23中更好地示出的，光源104、光波导102和可倾斜平台21沿着主延伸方向106在它们之间对齐。

输出端102B被成形为使入射光辐射Li向反射表面21A偏转。特别地，输出端102B由具有相对于主延伸方向106倾斜的偏转表面108的三角形尖端形成。具体地，偏转表面108面向盖76并与其形成倾斜角θ(例如，在偏转表面108和盖76的第二表面76B(也称为底表面76B)之间限定)。

因此，入射光辐射Li的光路包括第一段和第二段，第一段大致线性并沿着光波导102中的主延伸方向106延伸直到到达偏转表面108，第二段大致线性并相对于主延伸方向106倾斜，第二段在腔23中从偏转表面108延伸到反射表面21A。

在图22的实施例中，倾斜角θ被设计成防止偏转表面108处的全内反射(TIR)现象。因此，入射光辐射Li通过偏转表面108基本上不被反射(例如，根据光波导102和腔23之间的折射率差，具有微小和杂散的反射，并且例如低于入射光辐射Li的约4％；可选地，也可以在偏转表面108上使用抗反射涂层ARC，以抑制这些微小的和杂散的反射)，并且由于在偏转表面108处光波导102和腔23之间经历的折射率的变化，抗反射涂层被朝向反射表面21A偏转。这是通过将光波导102设计成使倾斜角θ大于阈值倾斜角来实现的。

作为非限制性示例，当光波导102由玻璃制成时，倾斜角θ大于约50°，并且等于例如60°。换句话说，入射光辐射Li(被认为是线性光束，其传播方向基本上平行于主延伸方向106)在入射到偏转表面108上并且相对于与偏转表面108正交的法线方向形成未示出的入射角，该入射角对于已知的几何性质而言与倾斜角θ互补；因此，当光波导102由玻璃制成时，入射角低于约40°，并且例如等于30°。然而，倾斜角θ和入射角的这些值仅作为示例提供，并不意味着对本发明的限制，因为阈值倾斜角取决于用于实现光波导102的材料；当以本身已知的方式使用其他材料来实现光波导102时，可以类似地考虑其他值。例如，如果在偏转表面108上存在金属层(例如，铝)，则阈值倾斜角增加。

图23示出了微镜设备100在水平面XY中的俯视图。如图所示，光波导102的主延伸方向106可以垂直于振荡轴25(这里示例性地示出平行于第一轴Y，而主延伸方向106示例性地示出为平行于第二轴X)。

然而，根据图24所示的微镜设备100的变型，光波导102可以相对于可倾斜平台21布置成平行于振荡轴25。换句话说，光波导102的主延伸方向106可以平行于振荡轴25，并因此平行于第一轴Y延伸。

此外，图25示出微镜设备100的不同实施例，其中倾斜角θ被设计成使得在偏转表面108处发生全内反射(TIR)现象。因此，在光波导102中行进的入射光辐射Li在偏转表面108向反射表面21A完全反射，从而从光波导102的面向反射表面21A的底表面110离开光波导102(具体地，由于光波导102和腔23之间的折射率差而产生偏转)。这是通过设计光波导102使得倾斜角θ低于阈值倾斜角来实现的。

作为非限制性示例，当光波导102由玻璃制成时，倾斜角θ低于约50°，并且等于例如40°。换句话说，当光波导102由玻璃制成时，入射角大于约40°，并且例如等于50°。

本文中描述的MEMS微镜设备20、70具有许多优点。

它以低成本解决了不希望的反射辐射的问题，因为它能够使用晶圆级处理技术，采用从标准平坦晶圆制造半导体的通常技术，如上所述。

此外，MEMS微镜设备20、70具有小的总体尺寸，还因为盖26、76基本上是平的，并且元结构30-32具有比MEMS微镜设备20、70所设计的辐射波长更小的厚度。

此外，使用光波导102以避免盖处的杂散反射是制造简单且使用稳健的解决方案。具体地，图22的MEMS微镜设备100呈现减小的尺寸，从而最小化其负担，而图25的MEMS微镜设备100由于使用TIR而使光学效率最大化。

最后，很清楚的是，可以对本文中描述和示出的MEMS微镜设备进行修改和变化，而不因此偏离如所附权利要求中定义的本发明的范围。例如，可以组合所描述的不同实施例以提供进一步的解决方案。

此外，MEMS微镜设备可以是双轴型的。特别地，当MEMS微镜设备20为双轴型，并且因此被配置为绕两个轴旋转时，元结构30-32可以沿着平行于旋转轴的两个方向之一或沿着它们之间的中间方向具有线性可变的密度。

衍射光学元件35可以具有除上述形状之外的不同形状。

如果需要，可以在盖26上提供第一元结构30和第二元结构31，并在可倾斜平台21上提供第三元结构32。此外，可倾斜平台21上的至少第三元结构32可与光波导102结合，以进一步提高MEMS微镜设备的光学特性。

尽管已经针对有限数量的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设想不偏离本文所公开的本公开内容的范围的其他实施例。因此，本公开的范围仅受所附权利要求的限制。

Claims (29)

1.一种MEMS微镜设备，包括：

封装件，包括容纳体和对光辐射透明的盖，所述封装件形成腔；和

可倾斜平台，被容纳在所述腔中，并且具有反射表面；以及

元结构，被形成在所述封装件和所述反射表面中的至少一个上，其中所述元结构包括多个衍射光学元件。

2.根据权利要求1所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的第一衍射光学元件形成第一衍射基本单元，所述第一衍射基本单元具有在平面内延伸的区域，并且其中所述第一衍射基本单元的所述第一衍射光学元件以在属于所述平面的可变性方向上线性可变的第一可变密度被布置。

3.根据权利要求2所述的MEMS微镜设备，其中所述可倾斜平台被配置为能够绕旋转轴旋转，并且所述可变性方向垂直于所述旋转轴。

4.根据权利要求2所述的MEMS微镜设备，其中所述第一衍射基本单元的所述第一衍射光学元件在所述可变性方向上具有线性可变的尺寸。

5.根据权利要求4所述的MEMS微镜设备，其中所述可变性方向上的所述尺寸小于在所述MEMS微镜设备的应用领域中所述光辐射的波长。

6.根据权利要求2所述的MEMS微镜设备，其中所述第一衍射基本单元的所述第一衍射光学元件在所述可变性方向上以线性可变的元件间距离被布置。

7.根据权利要求6所述的MEMS微镜设备，其中所述元件间距离小于所述MEMS微镜设备的应用领域中的所述光辐射的波长。

8.根据权利要求2所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的第二衍射光学元件形成第二衍射基本单元，所述第二衍射光学元件以在所述可变性方向上线性可变的所述第一密度被布置，并且其中所述第一衍射基本单元和所述第二衍射基本单元在所述可变性方向上以等于2πλ的倍数的单元间距离被彼此并排布置，其中λ是所述MEMS微镜设备的应用领域中的所述光辐射的波长。

9.根据权利要求1所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的衍射光学元件由柱形成。

10.根据权利要求9所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的衍射光学元件由具有第一折射率的材料制成，并且被浸入具有第二折射率的介质中，其中所述第一折射率大于所述第二折射率。

11.根据权利要求9所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的所述衍射光学元件从支承表面突出。

12.根据权利要求9所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的所述衍射光学元件延伸穿过介电层。

13.根据权利要求12所述的MEMS微镜设备，其中所述介电层包括二氧化硅。

14.根据权利要求1所述的MEMS微镜设备，其中所述多个衍射光学元件中的衍射光学元件由在所述介电层中制成的开口形成。

15.根据权利要求14所述的MEMS微镜设备，其中所述介电层包括氧化硅层。

16.根据权利要求1所述的MEMS微镜设备，其中所述盖由光学透明材料制成，并且具有内表面和外表面，所述内表面面向所述可倾斜平台，所述外表面与所述内表面相对，其中所述元结构被形成在所述盖的所述外表面上。

17.根据权利要求8所述的MEMS微镜设备，其中所述盖由光学透明材料制成，并且具有内表面和外表面，所述内表面面向所述可倾斜平台，所述外表面与所述内表面相对；其中所述元结构被形成在所述盖的所述外表面上；并且其中所述多个衍射光学元件中的第三衍射光学元件形成至少一个第三衍射基本单元，所述第三衍射光学元件被形成在所述盖的所述内表面上，并且以在平行于所述可变性方向的方向上线性可变的第三密度被布置，所述第三线性可变密度等于第一线性可变密度。

18.根据权利要求1所述的MEMS微镜设备，其中所述可倾斜平台具有反射表面，所述反射表面面向所述盖，并且其中所述多个衍射光学元件被形成在所述反射表面上。

19.根据权利要求18所述的MEMS微镜设备，其中所述反射表面包括金属化层，并且其中所述元结构被直接形成在所述金属化层上。

20.根据权利要求18所述的MEMS微镜设备，其中所述反射表面包括金属化层和介电层，并且其中所述元结构被形成在所述介电层上。

21.一种MEMS微镜设备，包括：

封装件，包括容纳体和透明盖，其中所述封装件被成形以限定腔；

可倾斜平台，被设置在所述腔内，并且具有反射表面；以及

元结构，被形成在所述封装件上，并且包括多个衍射光学元件；

其中所述多个衍射光学元件由柱形成，所述柱具有在平面内延伸的区域，所述多个衍射光学元件以在属于所述平面的可变性方向上线性可变的可变密度被布置。

22.根据权利要求21所述的MEMS微镜设备，其中所述柱为多面体形状。

23.根据权利要求21所述的MEMS微镜设备，其中所述多面体形状的柱具有沿所述可变性方向增加的直径，并且以恒定的间距被排列。

24.根据权利要求21所述的MEMS微镜设备，其中所述柱为平行六面体形状，具有：长边，平行于与所述可变性方向垂直的方向；以及短边，沿所述可变性尺寸增加。

25.一种MEMS微镜设备，包括：

封装件，包括容纳体和对光辐射透明的盖，所述封装件形成腔；和

可倾斜平台，被容纳在所述腔中，并且具有反射表面；以及

光波导，具有：输入端，所述输入端面向所述腔的外部，并且被配置为光学连接到光源；以及输出端，所述输出端面向所述腔，所述光波导被配置为通过所述输入端接收由所述光源发射的所述光辐射，并且将所述光辐射导向所述反射表面。

26.根据权利要求25所述的MEMS微镜设备，其中所述光波导在所述盖和所述容纳体之间延伸，其中所述输入端和所述输出端沿着所述光波导的主延伸方向彼此相对，并且其中所述光波导的所述输出端包括偏转表面，所述偏转表面横向于所述主延伸方向，面向所述盖的底表面，并且与所述底表面形成倾斜角θ。

27.根据权利要求26所述的MEMS微镜设备，其中所述倾斜角θ大于阈值倾斜角，使得所述光辐射通过所述偏转表面，在所述反射表面上被偏转。

28.根据权利要求26所述的MEMS微镜设备，其中所述倾斜角θ低于阈值倾斜角，使得所述光辐射通过在所述偏转表面处被反射以进行全内反射，而在所述反射表面上被偏转。

29.根据权利要求25所述的MEMS微镜设备，其中所述光波导与所述盖是一体的。

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