TWI277775B - Variable focal length lens comprising micromirrors with two degrees of freedom rotation and one degree of freedom translation - Google Patents

Description

4 Ϊ277775 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於包括具有二自由旋轉产 鏡。 田外狀自轉移度之微鏡之M、長度透 【先前技術】 I:、尹、泛使用的白用、交焦長度透鏡系統即為，使用二折射透鏡者。這具 复^驅動機制’以控制二折射透鏡的相對位置及緩慢的反應時間。或 _ 衣il、、長錢鏡。㈣長度透鏡可勤改變透細彡狀(如同人類眼睛 • 般）而製成；這個方法已用在以等向液體製成的透鏡。其他透鏡則以電變 =折射率媒介製成，以產生制透鏡或含電壓梯度的梯度折射率透鏡。電 變焦折射率的透鏡焦距為電壓所控制。在這—類的透鏡中，最紐的變焦 長度透鏡是液θ日日變；!、焦輯鏡，這財複雜的機制來控、距。其焦距可 藉由调魏射率來改變。不幸地，典型上，這具錢慢的反麟間（以數百 毫秒級）。即使最快反應的液晶透鏡亦須數十毫秒的反應時間，而具有較小 的焦距變異及較低的聚焦效率。 φ 為了解決習用焦距透鏡的缺點，故製造了快速反應的微鏡陣列透鏡。快 速反應的微鏡陣列透鏡描述於：j· B〇yd及G· Gho於西元2003年出版 的 Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens” ， 尸騰㈣第5〇55期，278一286頁。該文獻係以引用的方式併入 本文中。微鏡列透鏡主要由多個微鏡及致動零件所組成，且使用較液晶變 焦長度透鏡更為簡單的機制，來控制聚焦系統。微鏡陣列透鏡的焦距會因 各微鏡的取代而改變。然而，該文獻僅描述關於設計及控制的基本觀念。 本發明改良了微鏡陣列透鏡的設計及控制。本發明亦加強了透鏡的優點及 適用性。 1277775 【發明内容】 本發明欲解決習用變焦長度透鏡之缺點。 本發明之目的即，改良微鱗列透鏡之設計及控制。本發明強化了 透鏡的優點及適用性。 本發明作用如暖焦長度透鏡’且崎多微鏡及多慨鱗件所組成， 。玄等μ鏡㈣反射統，而轉_零仙啸制微敎置。各微鏡之功 用與鏡子相同。因此，該微鏡之反射面由金屬，金屬化合物，多層介電材 料’或其他具有高反射性之材料所製成。許多的習知顯微製程可使微鏡表 籲面具魏高的反射性。微鏡_藉由令由—婦之—點反射之所有光_ -有相同相位且聚紐成像面板之—點，而作用如同反織距透鏡。為了達 成這個目的’微鏡會齡致動零件進行靜電地及/或電磁地控制，來移到所 欲位置。藉由控制各微鏡的轉移與旋轉兩者，可改變焦距。 藉由微鏡祕_可臟徽_透鏡。為了形絲_，各微鏡之形 狀為扇形，以增加有效反射區，因㈣強級率。可藉由設置_機械， 而改良微鏡陣列透鏡的光效率，以增加有效反射區，該機械結構可支持微 馨鏡及微鏡底下的致動零件。操作微鏡的電路可用習知的半導體微鏡技術 (如，MOS及CM0S)取代之。在微鏡陣列底下使用微電子電路，可藉由移去 用於電極墊及電線的必須區域而增加有效反射區。 微鏡排列成至少-同心圓’以形錄對稱透鏡，且相同同心圓上的微鏡 可措由同心圓形的相同電極來進行控制，或藉由習知的半導體微電子技術 (如，M0S或CMOS)做獨立控制。 吾人期望各微鏡具有曲率，因為㈣反射透鏡的理想形狀是星有曲率 的。若平通敵协刚，咖輯蝴⑽㈣會很小。 此時，微鏡就不須要曲率了。 1277775 見可藉域立控制各微鏡而校正像差，像差的產生原因是，因物體與 ”影，間之健的光學影響或透齡統的缺闕糾，後者產生的影像會

^守近軸成像的原理。各微鏡的獨立控制，亦可藉由用習知的腿或⑽S 來取代進仃控制所需的電路，及使用習知顯微製程在微鏡之下製造 電路來達成。 、”有可獨立抆制之一旋轉自由度及一轉移自由度之微鏡的陣列，其 =、兄的W及/或大小都是任意的。可藉由形成任意形狀及/或大小的透 、兄來任思调、艾入射光。為了達成此目的，入射光必須藉由控制二自由旋 轉度及自由轉移度，而偏斜至任意方向。仍需要各微鏡的獨立轉移，以 滿足相位條件。 士本I月的4點疋·⑴因為各微鏡的重量很輕，所以微鏡陣列透鏡的反應 ^門縣’⑵S為可藉由增加微鏡的最大轉肖度，而達成大數值的孔徑 變化，故透鏡的焦距變化較大；⑶透鏡的光學聚纽雜高；⑷透鏡具 有大孔仁且不失卻其光學效能。因為微鏡陣列透鏡由分離的微鏡所組成， 透鏡尺寸的增加並不會造成__狀誤差所造狀縣的增加；⑸因為 _大量生產’是故透鏡的成本低廉；⑹該透鏡可校正像差；⑺該透鏡聚焦 系統更為簡單；⑻該透鏡具有任意的形狀及/或大小。 雖然本發明僅作精_述，然仍可藉由附加圖示，詳細敘述及後附申請 專利範圍來完整了解本發明。 【實施方式】 圖1繪示制微鏡陣列透鏡u的原理。欲製成理想的透鏡有二條件。第 為，由-物體之-點所散射之所有光線的會聚條件應集中於成像面板的 -點。第二為相同相位條件’即所有會聚光線在成像面板上應具有相同相 位。為了滿足該等理想透鏡條件，習用反射透鏡12的表面形狀，會形成為 * 1277775 令為-物體之-點所散射的所有光線，會聚至成像面板的—點，且 會聚光線的光徑長度相同。 7 有 排列在平面面板的微鏡陣列可滿足二條件而成為—組透鏡。蝴㈣ 中各者可旋轉，以會_的光線。陶_陣顺鏡u⑽有: 13會如圖1麻般，排列於平面面鏡，則以各微鏡之—自由旋轉度所^ 的光線之光役長度會不同。即使會聚光線的光徑長度不同，因為光 位具有週娜，疋故到可調整她而達到相同她的條件。 、 圖2以平面_示圓形微鏡陣列透鏡21。微鏡22的侧與鏡子相 此’微鏡22的反射表面會以金屬，金屬化合物，多層介電材料，或 =射性的其他材料所製成。許多的習知顯微製料可製造具有高反射^ 表面。各微鏡22如習知般，藉由致動零件23進行靜電方式 Γ控制。使用轴對稱透鏡時，微鏡陣列透㈣具有微鏡22的極陣列^ U鏡22的形狀皆為扇形，以增加有效反 ° 排列為形成至少-_，成軸對稱心 =同心0咖_親_喻侧，_柄知 體裢％子技術(如，MOS或CMOS)做獨立控制。 支持各反射微鏡22及致動零件23的機械結構設置於微鏡22之下哪 itr區。又.麵電路测知的半输電子技術(如视 及=3取代之。在微鏡陣舰τ朗微電子，可藉由移钟於電極塾 其用以供應致動電源）的必須區域，而增加有效反射區。 =繪示微_透鏡31成像的方法。任意散射的光線32，％，會夢由 =鏡34的位置，而會聚於成像面板的—點ρ。藉由轉频鏡34，; ^線32，33的細縣妳簡轉雜㈣较線波長的- 1277775 吾人期望各微鏡34皆具有一曲率，因為習用反射透鏡12的理想形狀即 具有一曲率。若平面微鏡的尺寸夠小的話，包括平面微鏡34之透鏡的像差 亦會很小。此時，微鏡就不須要曲率了。 4¾陣列透鏡31的焦距f ’可藉由控制各微鏡34的旋轉及轉移來改變。 圖4顯不微鏡41的二自由旋轉度及_自由轉移度。包括具有二獨立控制 之自由旋轉度42，43之微鏡41陣列，可形成具有任意形狀及大小的透鏡。 可藉由形成任意形狀及/或大小的透鏡，來任意調變入射光。為了達成此目 的，入射光必須藉由控制二自由旋轉度42，43，而偏斜至所欲的任意方向。 各微鏡的獨立轉移44亦必須滿足相位條件。 在圖5a ’5b，6及7巾，微鏡職轉量可藉域賴的長度表示之，及 呈現微鏡轉方向關表梯度方向可藉崎頭52的方向指示之。圖％顯 不包括六角形微鏡51的變焦長度圓形透鏡。圖5b顯示包括六角形微賴 的變焦長度咖彡透鏡53。變焦長度_透鏡53的形狀，位置及大小，可 猎由獨立控制具有二自由旋轉度及—自由轉移度的微鏡51 而改變。在圖5b 像 _鏡轉的趙55，可控簡令由微鏡55反射的光，不影響成 像或聚焦。 I使圖㈣顯示了六角形微鏡51，然亦可使用扇形，矩形，方形，或 包括扇形微鏡的陣列適祕麵稱透鏡。圖6顯示包 ==的錢長度圓柱狀透鏡61。包括方形或矩形微賴的陣列， k用於關於平面内_軸對稱的透 微鏡，可齡相__行控制，繼2=:1。具細旋轉的 或c_進獨立控制。 的#體微電子技術(如，廳 圖7顯不包括三角形微鏡72的變焦長 的陣列般，包括-& / 入乂透1兄。如同包括六角形微鏡 括二_微鏡72的_，咖於具有任意形狀及/或大小的 1277775 . 透鏡。 微鏡睁列透鏡是調適的光學零件，因為可藉由獨立控制微鏡的轉移似 _ 42，33而改變光線的相位。調適的光學微鏡陣列透鏡需要個別定址微 鏡的二維陣列。為了達成這個目的，必須結合微鏡與單_晶片電子。且為 了達成目的，具有習知顯微電子電路的晶圓層級微鏡整合是很必要的。 从鏡陣列ifU&jL相位誤差，因為調適的光學零件可校正因物體與其 影像間之媒體所造成的光線相位誤差，且/或校正透鏡系統的缺點，後者使 其純不射近減像眺則。例如，齡罐微鏡的齡44及旋轉42， 43，微鏡陣列透鏡可校正因光學傾角所導致的相位誤差。 微鏡陣列透鏡所滿足的相同相位條件，包含單色光的獲得。因此，為了 獲侍衫色的影像，微鏡陣列透鏡可控制為個別滿足關於紅色，綠色及藍色 (RGB)光各波長的相_位條件，且成像緑可使關寬濾波器，以製造具 有紅色，綠色及藍色(RGB)光波長的單色光。 若彩色光電感測器用做為成像系統（其使用微鏡陣列透鏡）中的成像感測 為，可藉由處理來自紅光，綠光，及藍光(RGB)成像感測器（含或不含頻寬 書濾波器）的電信號，而獲得彩色影像，該成像感測器應與微鏡陣列透鏡的控 制同步化。為了使由一物散射的紅光成像，微鏡陣列透鏡可控制為滿足紅 光的相位條件。在操作期間，紅光，綠光，及藍光成像感測器，可測量由 一物散射的紅光，綠光，及藍光各者之強度。在這些色光之間，僅紅光的 強度會儲存為影像資料，因為僅紅光可適當地成像。為了使綠光或藍光各 者成像，微鏡陣列透鏡及各成像感測器會如同處理紅光般，以相同的方式 運作。因此，微鏡陣列透鏡可以與紅光，綠光，及藍光成像感測器同步化。 或者，可藉由使用紅光，綠光，及藍光之波長的最小公倍數，作為用於相 位條件的有效波長，而滿足用於彩色成像的相同相位條件。在這個狀況中， 1277775 微鏡陣列透鏡不—定 ^ 制為滿足個別用於紅光，綠光，及誌夯久 位條件。取而代之的，鹿、田+、 夂孤九各者的相 ^ •心卜用於波長之最小公倍數的相位條件。 為了更簡易地達成控制，夂彳 及藍光中，她條件，=移，僅__於紅光，綠光， A, ”牛或不控制為滿足用於紅光，綠光，及较光以外 魏㈣細目條差二法 "目位條件’該透鏡仍可用作為具有低品質的魏長度透鏡。 ^已''、、、不同具施例’表達及描述本發明’熟習該項技術者應了解， 逞反如後附申δ月專利氣圍所界定之本發明的精神及範圍之下，可在形 式’細節，組成及操作上，做種種改變。 【圖式簡單說明】 本七月之種種特徵’觀點及優點可由參照後附圖示而更加了解，其中 圖1之示意圖顯示微鏡陣列透鏡的側剖面。 0平面不⑤®顯7^由衫微鏡及致鱗件所製成之微鏡物透鏡的結 構。 圖3之示意圖顯示微鏡陣列透鏡作用為透鏡的方法。 _圖4之示意圖顯示微鏡的二旋轉軸及—轉移轴。 圖15b之示意圖顯示包括六角形微鏡的透鏡。 圖6之示意圖顯示包括矩形微鏡的圓柱狀透鏡。 圖7之示意圖顯示包括三角形微鏡的圓形透鏡。 【主要元件符號說明】 11 ’ 21 ’ 31 微鏡陣列透鏡 12 習用反射透鏡 13 ’ 22 ’ 34 ’ 41 微鏡 23 致動零件 1277775 32，33 任意散射的光線 42，43 二自由旋轉度 44 轉移 51 六角形微鏡 52 梯度箭頭 53，71 變焦長度圓形透鏡 55 不影響成像或聚焦的微鏡 61 變焦長度圓柱狀透鏡 62 方形或矩形微鏡 72 三角形微鏡 -12-

Claims (1)

1. 4 1277于75申請專利範園： . 種變綠度透鏡，包括二自顿轉度及—自由轉移度之複數個微鏡 之，其中該等微鏡之二自由旋轉度及-自由轉移度可被控制以改變該透 鏡之焦距’及使光線滿足相同相位條件，其中該透鏡係繞射菲淫耳 (Fresnel)透鏡。 2·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其巾該等微鏡皆排列於—平面面 板。 3.如申請專利範圍第1賴述之透鏡，其巾轉微鏡被㈣以形成至少一 同心圓，而形成該透鏡。 • 4·如申請專利範圍第3項所述之透鏡，其中位於該各同心圓上之該等微鏡 - 被加以控制，藉由與該同心圓對應之至少一電極。 5·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中具有相同位移之該等微鏡被以 相同電極控制。 6_如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之形狀係扇形。 7·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之形狀係六角形。 8.如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之形狀係矩形。 9·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之形狀係方形。 ® 1〇·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之形狀係三角形。 11·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之反射面實質上係平 坦。 12·如申請專利範圍第1項所述之透鏡’其中一控制電路系統被建構在該等 微鏡之下，藉由使用半導體微電子技術。 13·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該等微鏡藉由靜電力所致動。 14·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該等微鏡藉由電磁力所致動。 15·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該等微鏡藉由靜電力與電磁力 6β如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中一機械結構被設置在該等微鏡 之下’以支持該等微鏡及該等致動零件。 17 •如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該等微鏡可獨立控制。 •申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之反射面具有_曲率。 19·如申請專利範圍第18項所述之透鏡，其中該等微鏡之曲率係可控制。 申。月專利範圍第19項所述之透鏡’其中该寺微鏡之曲率係藉由電熱 力而加以控制。 21·如申請專利範圍第19項所述之透鏡，其中該等微鏡之曲率係藉由靜電 力而加以控制。 22.如申明專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之表面材料具有高反射 性。 23·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之表面材料係金屬。 24.如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之表面材料係金屬化合 物。 25·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該微鏡之表面以多層介電材料 所製成。 26·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該透鏡係一調適光學零件，其 中該透鏡補償因一物體與其影像間之物體所導致之光線相位誤差。 27·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該透鏡係一調適光學零件，其 中該透鏡可校正像差。 28·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該透鏡係一調適光學零件，其 中該透鏡可校正一成像系統之缺點，該成像系統使該影像脫離近軸成像 之規則。 29.如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該透鏡係一調適光學零件，其 I27777&位於光學軸之物體，無須肉眼可見之機械運動，即可藉龍透鏡成 像。 30.如申請專利範圍第i項所述之透鏡，射該透鏡被控制以分別滿足於红 光’綠光及藍光⑽)各者波長祖同之相位條件，且各自獲得_彩色影 像。 、 、 3L如申請專利範圍第！項所述之透鏡，其中該透鏡被控制以滿足用於红 ^光，及藍光⑽)其中之-鲍之她倾件，並獲得一彩 32.Γ之申項所述之透鏡，其中藉由將紅先，綠先，及藍光波 長取小A4數，用作為用於相位條件之有效 像之相同相位條件。 、’而滿足用於彩色成 33_如申請翻範圍第丨項所述之透鏡，其巾該透鏡被 光’綠光，及藍光_中任一波長之相同相位條工'M滿足用於紅 像。 ，以獲得一彩色影