CN1961239A - 变焦透镜 - Google Patents

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Abstract

一种微镜阵列透镜，其由多个具有二个旋转自由度和一个平移自由度的微镜以及致动零件所组成。所述微镜的阵列使所有由物体的一点散射的所有光线具有相同相位，并且会聚于像平面的一点。所述致动零件以静电方法和/或电磁方法控制微镜的位置。通过在微镜下设置机械结构可增加该微镜阵列透镜的光效率，其中机械结构可支持微镜和致动零件。半导体显微电子技术可消除因电极垫和电线所造成的有效反射区损失。通过独立控制各个微镜，该透镜可校正像差。通过已知的半导体显微电子技术可独立控制各个微镜。该微镜阵列也可形成具有希望的任意形状和/或大小的透镜。

Description

变焦透镜
技术领域
本发明涉及一种变焦(距)透镜(variable focal length lens)，其包括具有二个旋转自由度(degree of freedom rotation)和一个平移自由度(degree of freedom translation)的微镜。
背景技术
最为广泛使用的传统变焦距透镜系统为使用二个折射透镜的系统。其具有复杂的驱动机制以控制二个折射透镜的相对位置和缓慢的反应时间(响应时间，response time)。可替换地，制造变焦透镜。变焦透镜可通过改变透镜形状(如同人类眼睛一样)而制成；这个方法已用于由各向同性液体制成的透镜。其它透镜则用电变焦折射率媒介制成，以产生传统透镜或借助于电压梯度的梯度折射率透镜(gradient index lens)。电变焦折射率使得透镜焦距为电压所控制。在这一类透镜中，最先进的变焦透镜是液晶变焦透镜，这具有复杂的机制来控制焦距。其焦距可通过调节折射率来改变。不幸地，其通常具有缓慢的反应时间(以数百毫秒级计)。即使最快反应的液晶透镜也需数十毫秒的反应时间，而其具有较小的焦距变化和较低的聚焦效率。
为了解决传统焦距透镜的缺点，提出了快速反应的微镜阵列透镜。快速反应的微镜阵列透镜描述在J.Boyd and G.Gho，2003，‘Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens，’Proceeding of SPIE Vol.5055：278-286中。该文献以引用的方式全部并入本文中作为参考。微镜阵列透镜主要由多个微镜和致动零件组成，并且使用较液晶变焦透镜更为简单的机制来控制聚焦系统。微镜阵列透镜的焦距会因各个微镜的位移(移动，displacement)而改变。然而，该文献仅描述关于设计和控制的基本概念。本发明改善了微镜阵列透镜的设计和控制。本发明也加强了透镜的优点和适用性。
发明内容
本发明希望解决传统变焦透镜的缺点。
本发明的目的是，改善微镜阵列透镜的设计和控制。本发明强化了透镜的优点和适用性。
本发明用作变焦透镜，并且由多个微镜和多个致动零件(制动元件，actuating component)组成，其中微镜用来反射光线，而致动零件用来控制微镜的位置。各个微镜的功能与镜子相同。因此，微镜的反射面由金属、金属化合物、多层介电材料、或其它具有高反射性的材料制成。许多已知的微型制造工艺(microfabricationprocess)可使微镜表面具有较高的反射性。通过使由物体的一点散射的所有光线具有相同周期相位(periodical phase)并且聚焦于像平面(image plane)的一点，该微镜阵列用作反射变焦透镜。为了达到这个目的，微镜能通过致动零件进行静电地和/或电磁地控制，以移到所需要的位置。通过控制各个微镜的平移与旋转可改变焦距。
通过微镜的极阵列(polar array)可形成微镜阵列透镜。为了形成极阵列，各个微镜的形状为扇形以增加有效反射区，以便增强光效率。可通过在微镜下的设置机械结构而改善微镜阵列透镜的光效率以增加有效反射区，其中该机械结构可支持微镜和致动零件。操作微镜的电路可用已知的半导体微电子技术(如MOS和CMOS)取代(替代)。在微镜阵列下使用微电子电路，通过移去用于电极垫和电线的必要区域可增加有效反射区。
将微镜进行排列而形成至少一个(一个或多个)同心圆，以形成轴对称透镜，并且在相同同心圆上的微镜可通过同心圆形的相同电极来进行控制，或通过已知的半导体微电子技术(如MOS或CMOS)来独立控制。
希望各个微镜具有曲率，因为传统反射透镜的理想形状是具有曲率的。如果平面微镜的尺寸够小的话，则包括平面微镜的透镜的像差也会足够小。此时，微镜就不需要曲率了。
透镜可通过独立地控制各个微镜而校正像差，像差的产生原因是由于物体与其图像之间的介质的光学影响或透镜系统的缺陷所造成的，后者产生的图像会不遵守傍轴成像(paraxial imagery)的原理。各个微镜的独立控制也可通过用已知的MOS或CMOS技术来取代进行控制所需的电路、以及使用已知微型制造方法在微镜下制造电路来完成。
包括具有可独立控制的二个旋转自由度和一个平移自由度的微镜的阵列可使得透镜具有任意的形状和/或大小。可通过形成任意形状和/或大小的透镜来任意调节(modulate)入射光。为此，需要入射光通过控制二个旋转自由度和一个平移自由度而偏斜至任意方向。仍需要各个微镜的独立平移以满足相位条件。
本发明的优点是：(1)因为各个微镜的重量很轻，所以微镜阵列透镜的反应时间很快；(2)因为可通过增加微镜的最大旋转角度而实现较大数值的孔径(光圈，aperture)变化，因而透镜的焦距变化较大；(3)透镜的光学聚焦效率很高；(4)透镜具有大尺寸孔径同时不失去其光学性能。因为微镜阵列透镜由分离的微镜组成，所以透镜尺寸的增加并不会产生因透镜形状误差所造成的像差的增加；(5)因为大量生产的优点，因此透镜的成本低廉；(6)该透镜可校正像差；(7)该透镜使聚焦系统更为简单；(8)该透镜可具有任意的形状和/或尺寸。
虽然本发明仅作简要概述，然而仍可通过附图、详细叙述及其所附权利要求书来完整了解本发明。
附图说明
本发明的各种特征、观点和优点可由参照后面的附图所示而更加了解，其中
图1的示意图示出了微镜阵列透镜的侧剖面。
图2的平面示意图示出了由多个微镜和致动零件所制成的微镜阵列透镜的一种结构。
图3的示意图示出了微镜阵列透镜如何用作透镜。
图4的示意图示出了微镜的二个旋转轴和一个平移轴。
图5a-5b的示意图示出了包括六角形微镜的透镜。
图6的示意图示出了包括矩形微镜的圆柱状透镜。
图7的示意图示出了包括三角形微镜的圆形透镜。
具体实施方式
图1图示描述了微镜阵列透镜11的原理。制成理想的透镜有二个条件。第一为会聚条件(converging condition)，即由物体的一点所散射的所有光线应会聚于像平面的一点。第二为相同相位条件(same phase condition)，即所有会聚光线在像平面上应具有相同相位。为了满足理想透镜条件，将传统反射透镜12的表面形状形成为这样的形状：使物体的一点所散射的所有光线被会聚至像平面的一点并且使所有会聚光线的光径长度相同。
排列于一个平面的微镜阵列可满足成为透镜的二个条件。各个微镜13可旋转以会聚散射的光线。如图1所示，因为微镜阵列透镜11的所有微镜13可以被排列于一个平面，所以由微镜旋转所会聚的光线的光径长度不同。即使会聚光线的光径长度不同，由于光线的相位具有周期性，因此通过调整相位可满足相同相位条件。
图2以平面图示出了微镜阵列透镜21。微镜22的功能与镜子相同。因此，微镜22的反射表面由金属、金属化合物、多层介电材料、或具有高反射性(反射率)的其它材料所制成。许多的已知微型制造工艺都可制造具有高反射性的表面。每个微镜22如所已知的，通过致动零件23静电地和/或电磁地进行控制。使用轴对称透镜时，微镜阵列透镜21具有微镜22的极阵列。每个微镜22的形状都为扇形以增加有效反射区(反射面积，reflective area)，这增加了光学效率。微镜被排列而形成至少一个(一个或多个)同心圆，以形成轴对称透镜，并且在相同同心圆上的微镜可通过相同电极来控制或独立地通过已知半导体微电子技术(如MOS或CMOS)来控制。
支持各个反射微镜22和致动零件23的机械结构被设置在微镜22下，以增加有效反射区。同样，操作微镜的电路可用已知的半导体微电子技术(如MOS和CMOS)取代。在微镜阵列下使用(施加)微电子电路，通过移去(去除)用于电极垫和电线(其用来供应致动电源)的必要区域(面积)而增加有效反射区。
图3示出了微镜阵列透镜31成像的方法(即微镜阵列透镜31怎样成像)。任意散射的光线32、33通过控制微镜34的位置而会聚于像平面的一点P。通过平移微镜34，可将任意光线32、33的相位调整为相同。所需的平移位移至少为光线波长的一半。
希望每个微镜34都具有曲率，因为传统反射透镜12的理想形状具有曲率。如果平面微镜的尺寸足够小，则包括平面微镜34的透镜的像差也会足够小。这种情况下，微镜就不需要曲率。
微镜阵列透镜31的焦距f可通过控制每个微镜34的旋转和平移来改变。
图4示出了微镜41的二个旋转自由度和一个平移自由度。包括具有二个独立控制的旋转自由度42、43和一个平移自由度44的微镜41(其独立地被控制)的阵列，可使得透镜具有任意形状和尺寸。通过形成任意形状和/或尺寸的透镜可任意调节入射光。为此，需要入射光通过控制二个旋转自由度42、43而偏斜至任意方向。每一微镜的独立平移44也需要满足相位条件。
在图5a、5b、6以及7中，微镜的旋转量可通过箭头52的长度表示，并且代表微镜旋转方向的轮廓梯度方向(profile gradientdirection)可通过箭头52的方向表示。图5a示出了包括六角形(六边形)微镜51的变焦圆柱形透镜。图5b示出了包括六角形微镜51的变焦圆形透镜53。变焦圆形透镜53的形状、位置和大小可通过独立控制具有二个旋转自由度(DOF)和一个平移自由度(DOF)的微镜51而改变。在图5b和图7中，对不是透镜元件的微镜55进行控制，以使由微镜55反射的光对成像或聚焦没有影响。
尽管图5a-5b示出了六角形微镜51，然而也可以使用扇形、矩形、正方形和三角形的微镜阵列。包括扇形微镜的阵列适用于轴对称透镜。图6示出了包括矩形微镜62的变焦圆柱状透镜61。包括方形或矩形微镜62的阵列适用于关于平面内一个轴对称的对称透镜，如圆柱状透镜61。具有相同旋转的微镜可通过相同电极进行控制，或通过已知的半导体微电子技术(如MOS或CMOS)独立地进行控制。
图7示出了包括三角形微镜72的变焦圆形透镜。与包括六角形微镜的阵列一样，包括三角形微镜72的阵列适用于具有任意形状和/或尺寸的透镜。
微镜阵列透镜是调适(适应性，adaptive)的光学零件，因为通过独立地控制微镜的平移44和旋转42、43可改变光线的相位。调适的光学微镜阵列透镜需要单个可寻址微镜的二维阵列。为了达到这个目的，必须将微镜与芯片电子(on-chip electronics)结合。为此，将具有已知微电子电路的微镜进行晶片级(晶圆级，wafer-level)集成是很必要的。
微镜阵列透镜可校正相位误差，因为调适的光学零件可校正因物体与其图像之间的介质所造成的光线相位误差，和/或校正透镜系统的缺陷(造成其图像不遵守傍轴成像的规则)。例如，通过调整微镜的平移44和旋转42、43，微镜阵列透镜可校正因光学倾斜(optical tilt)所导致的相位误差。
微镜阵列透镜所满足的相同相位条件包括假定为单色光。因此，为了获得彩色图像，对微镜阵列透镜进行控制以分别满足对于红色、绿色和蓝色(RGB)光的各个波长的相同相位条件，并且成像系统可使用带通滤波器(bandpass filter)以使单色光具有红色、绿色和蓝色(RGB)光的波长。
如果将彩色光电传感器用作成像系统(其使用微镜阵列透镜)中的成像传感器，则通过处理来自红光、绿光、和蓝光(RGB)成像传感器(具有或不具有带通滤波器)的电信号可获得彩色图像，其应与微镜阵列透镜的控制同步。为了使由物体散射的红光成像，对微镜阵列透镜进行控制以满足用于红光的相位条件。在操作期间，红光、绿光、和蓝光成像传感器测量由物体散射的红光、绿光、以及蓝光各自的强度。在它们之中，仅红光的强度会被储存为图像数据，因为仅红光可正确地成像。为了使绿光或蓝光各自成像，微镜阵列透镜以及各个成像传感器以与处理红光的方式一样运行。因此，微镜阵列透镜可以与红光、绿光、以及蓝光成像传感器同步。可替换地，可通过使用红光、绿光、以及蓝光的最小公倍数波长作为用于相位条件的有效波长，而满足用于彩色成像的相同相位条件。在这种情况下，对微镜阵列透镜不一定要进行控制以满足用于红光、绿光、以及蓝光各自的相位条件。相反，应满足用于最小公倍数波长的相位条件。
为了更简易地控制，仅对各个微镜的平移进行以满足用于红光、绿光、以及蓝光中之一的相位条件，或不进行控制以满足用于红光、绿光、以及蓝光以外的其它光的相位条件。尽管微镜阵列透镜因具有多重波长的光线的相位误差而不能满足相位条件，但是该透镜仍可用作具有较低质量的变焦透镜。
虽然已参照不同具体实施方式展示和描述了本发明，但本领域技术人员应当了解，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围下，可在形式、细节、组成和操作上进行各种改变。

Claims (33)

1.一种变焦透镜，包括多个具有二个旋转自由度和一个平移自由度的微镜，其中所述微镜的二个旋转自由度和一个平移自由度被控制，以改变所述透镜的焦距和满足用于光线的相同相位条件，其中所述透镜是折射性(菲涅耳)透镜。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中全部所述微镜都被排列于一个平面。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜被排列以形成至少一个同心圆而形成所述透镜。
4.根据权利要求3所述的透镜，其中在每个所述同心圆上的所述微镜通过与所述同心圆相对应的至少一个电极加以控制。
5.根据权利要求1所述的透镜，其中具有相同位移的所述微镜被相同电极所控制。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的形状为扇形。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的形状是六角形。
8.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的形状为矩形。
9.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的形状为方形。
10.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的形状为三角形。
11.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的反射面基本上是平的。
12.根据权利要求1所述的透镜，其中控制电路系统通过使用半导体微电子技术被构建在所述微镜下面。
13.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜通过静电力致动。
14.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜通过电磁力致动。
15.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜通过静电力和电磁力致动。
16.根据权利要求1所述的透镜，其中支持所述微镜和致动零件的机械结构被设置在所述微镜下面。
17.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜被独立地控制。
18.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的反射面具有曲率。
19.根据权利要求18所述的透镜，其中所述微镜的曲率被控制。
20.根据权利要求19所述的透镜，其中所述微镜的曲率通过电热力加以控制。
21.根据权利要求19所述的透镜，其中所述微镜的曲率通过静电力加以控制。
22.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的表面材料是具有高反射性的材料。
23.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的表面材料是金属。
24.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的表面材料是金属化合物。
25.根据权利要求1所述的透镜，其中所述微镜的表面由多层介电材料制成。
26.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜是调适光学零件，其中所述透镜补偿因物体与其图像之间的介质所导致的光线相位误差。
27.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜是调适光学零件，其中所述透镜校正像差。
28.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜是调适光学零件，其中所述透镜校正成像系统的使所述图像不遵守傍轴成像规则的缺陷。
29.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜是调适光学零件，其中不位于光学轴上的物体无需肉眼可见的机械移动即可通过所述透镜成像。
30.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜被控制以分别满足用于红光、绿光和蓝光(RGB)各自波长的相同相位条件而获得彩色图像。
31.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜被控制以满足用于红光、绿光、和蓝光(RGB)中的一种波长的相同相位条件，从而获得彩色图像。
32.根据权利要求1所述的透镜，其中通过将红光、绿光、以及蓝光的最小公倍数波长用作用于所述相位条件的有效波长而满足用于彩色成像的相同相位条件。
33.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜被控制以满足用于以获得彩色图像的红光、绿光、和蓝光(RGB)中任一波长的相同相位条件。
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