CN104730709A - 相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片及其变焦方法 - 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相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片及其变焦方法:利用MOEMS相位调制型微镜对光的相位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位相型菲涅尔波带片，完成调焦功能，形成的微镜阵列可编程位相型菲涅尔波带片作为变焦距光学***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

相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片及其变焦方法

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相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片及其变焦方法。

技术背景

变焦距光学***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***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***诸多方面的局限，在改善***成像质量、减小体积和降低成本等方面表现出传统光学***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***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***)技术是MOEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电***)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，形成一种光能利用率高、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***。

发明内容

本发明在于提供一种相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片及其变焦方法，通过对相位调制型微镜阵列编程控制微镜单元的调制使得微镜阵列动态生成参数可调的位相型菲涅尔波带片，完成调焦功能，解决传统的变焦距光学***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***具有结构简单、体积小、工作频带宽、光能利用率高的优点。

本发明的技术方案如下：

一种相位调制型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下电极、绝缘层、简支梁、支撑锚、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过支撑锚支撑于简支梁上方，作为上电极的简支梁支撑于绝缘层和下电极上方，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。

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下电极、绝缘层、简支梁、支撑锚、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过支撑锚支撑于简支梁上方，作为上电极的简支梁支撑于绝缘层和下电极上方，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。

其中，对于所述的简支梁和底电极之间可以施加控制电压，改变控制电压大小可以控制微镜镜面向下移动的距离。这样可以实现对入射光相位的精确调控。

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和电压值时，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。

本发明提供的基于相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片实现变焦反射镜的方法，其特征在于：根据相位调制型微镜可以通过加电下拉,进而实现对空间光的相位调制的原理，以编程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴焦点处各条纹形成的子波带发出的光相干增强，编程改变生成的位相型菲涅尔波带片的轮廓、半径和环带数，实现以相位调制反射型微镜阵列建立的程控变焦成像***的可变聚焦。

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***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。

5.相位调制型微镜阵列波带片利用了波带片上所有子波带的光波能量，使得器件总体光能利用率高。

此方法具有广泛的实用性，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为菲涅尔波带片调节焦距的原理图。

图2为相位调制型微镜结构示意图。

图3为相位调制型微镜工作原理示意图。

图4为相位调制型微镜阵列示意图。

图5为圆环形菲涅尔波带片图形和相位调制型微镜阵列模拟圆环形波带片示意图。

图6为直边菲涅尔波带片图形和相位调制型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

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

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。但是，振幅型波带片中由于必须遮挡奇数带或偶数带，使得光能利用率大大降低。而位相型波带片使相邻奇数带和偶数带的光通过时相位相差π，使得本来在焦点处光程差为λ/2的光波子列光程差调整为λ，同样起到相干加强的聚焦功能，由于利用了波带片上所有子波带的光波能量，使得器件总体光能利用率高。

图2为相位调制型微镜结构示意图。微镜镜面7通过支撑锚6支撑于简支梁5上方，作为上电极的简支梁5支撑于绝缘层3、下电极2和衬底1上方。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为相位调制型微镜工作原理示意图。简支梁5和下电极2之间可以施加控制电压，改变控制电压大小可以控制微镜镜面向下移动的距离δ。这样可以实现对入射光相位的精确调控。

图4为相位调制型微镜阵列示意图。微镜单元间间隙小，光能利用率高。

图5为圆环形菲涅尔波带片图形和相位调制型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MOEMS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5左边是常规的位相型菲涅尔波带片图形，通过数字离散化，可以将图形加载到MOEMS微镜阵列上。图5右边是图形加载到MOEMS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5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。如果每一组微镜都加不同的适当电压，使形成的台阶相位型菲涅尔波带片的台阶落差为λ/24(这里因为反射，光程差加倍，台阶深度比透射型的小1倍)，每个子区域，共形成12阶台阶，只要每个子区半径仍满足公式(1)，就可以实现反射式位相型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(1，4，7，10)、(2，3，8，11)、(3，6，9，12)组微镜在组内电压一致，不同组间电压不同，形成每个子区有3阶台阶的轮廓，台阶落差为λ/6。这样，每个子波带半径缩小到1/2倍，根据公式(2)则实际效果是使得焦距变为1/4倍。本发明利用MOEMS微镜对光的相位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***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。相位调制型微镜阵列波带片利用了波带片上所有子波带的光波能量，使得器件总体光能利用率高。

图6为直边菲涅尔波带片图形和相位调制型微镜阵列模拟直边波带片示意图。图6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6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5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。通过改变半波带的轮廓、半径和环带数，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、光能利用率高、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 (6)

1.相位调制型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下电极、绝缘层、简支梁、支撑锚、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过支撑锚支撑于简支梁上方，作为上电极的简支梁支撑于绝缘层和下电极上方，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.相位调制型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下电极、绝缘层、简支梁、支撑锚、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过支撑锚支撑于简支梁上方，作为上电极的简支梁支撑于绝缘层和下电极上方，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中任一项所述的相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于：所述的简支梁和下电极之间可以施加控制电压，改变控制电压大小可以控制微镜镜面向下移动的距离。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的相位调制型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和电压值时，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中任一项所述的相位调制型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。

6.一种基于相位调制型微镜阵列可编程菲涅尔波带片实现变焦反射镜的方法，其特征在于：根据相位调制型微镜可以通过加电下拉,进而实现对空间光的相位调制的原理，以编程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴焦点处各条纹形成的子波带发出的光相干增强，编程改变生成的位相型菲涅尔波带片的轮廓、半径和环带数，实现以相位调制反射型微镜阵列建立的程控变焦成像***的可变聚焦。