CN111965811A - 一种三维mems扫描镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的三维MEMS扫描镜，应用于微机电***技术领域，包括镜片和二维扫描机构，所述镜片包括镜片本体和电控形变层，电控形变层覆盖镜片本体上的预设区域，并且电控形变层的控制端与控制电源相连，根据接收的电流或电压，电控形变层可带动镜片本体产生离面位移。在实际使用中，通过控制电源输出不同的电流或电压，控制电控形变层带动镜片本体产生离面位移，进而改变镜面曲率，调整焦距，再辅之以二维扫描机构，实现三维扫描。因此，本发明提供的扫描镜镜片不依赖现有镜片结构中的空腔即可改变镜面曲率，降低镜片的加工难度和加工成本。
Description
技术领域
本发明属于微机电***技术领域，尤其涉及一种三维MEMS扫描镜。
背景技术
基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电***)技术实现的扫描镜，即MEMS扫描镜，可实现对激光光束方向的精确控制和定位，同时还具有体积小、角度转换速度快、成本低等优点，因而在投影显示、激光雷达、激光加工、自由空间光通信等诸多方面均有着广阔的应用前景。
在实际应用中，通过控制镜片围绕两根呈垂直关系的旋转轴转动，即可实现二维扫描，在此基础上，改变扫描镜镜面的曲率，进而调节扫描镜的焦距，可进行平行于光轴方向的扫描，即实现三维扫描。
参见图1，图1示出一种三维MEMS扫描镜的镜片结构，该镜片设置有空腔，以空腔为界，可以分为上层镜片和下层镜片。其中，上层镜片设置有上层电极，空腔内放置有下层电极，在上层电极和下层电极通电后，二者之间将产生静电吸引，从而通过上层电极带动上层镜片发生离面位移，进而改变镜面曲率。在这一过程中，空腔不仅起到容纳下层电极，确保静电吸引正常发生的作用，而且，空腔的深度还决定着上层镜片离面位移的范围，即决定着镜片焦距的调节范围。
图1所示镜片结构中的空腔，大都通过两种方式获得，其一是以晶圆键合的方式拼接多块镜片，其二是以湿法腐蚀的方式对镜片进行刻蚀，但不论采用哪种方式，都存在加工难度大、成本高的问题。且湿法腐蚀的方式还使得镜片变薄，降低了其扫描性能指标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维MEMS扫描镜，不依赖现有镜片结构中的空腔即可改变镜面曲率，降低镜片的加工难度和加工成本，具体方案如下：
本发明提供一种三维MEMS扫描镜，包括：镜片和二维扫描机构，其中，
所述镜片设置于所述二维扫描机构，且所述镜片包括镜片本体和电控形变层；
所述电控形变层覆盖所述镜片本体的预设区域；
所述电控形变层的控制端与控制电源相连，所述电控形变层用于根据接收的电流或电压带动所述镜片本体产生离面位移，以改变镜面曲率。
可选的，所述电控形变层包括金属薄膜，且所述金属薄膜的热膨胀系数与所述镜片本体的热膨胀系数不同。
可选的，所述电控形变层包括压电薄膜。
可选的，所述金属薄膜的热膨胀系数大于所述镜片本体的热膨胀系数。
可选的，所述压电薄膜包括第一电极板、第二电极板和压电材料层，其中，
所述压电材料层设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间；
所述第一电极板和所述第二电极板的输入端分别与所述控制电源相连。
可选的，所述预设区域的中心与所述镜片本体的镜面中心重合。
可选的，所述电控变形层沉积于所述镜片本体的表面。
可选的，所述二维扫描机构包括第一框架、第二框架，其中，
所述第一框架可绕第一旋转轴转动；
所述第二框架与所述第一框架连接，且所述第二框架可绕第二旋转轴转动；
所述第一旋转轴的轴线与所述第二旋转轴的轴线垂直相交；
所述镜片设置于所述第二框架上。
可选的，所述镜片与所述第二框架通过柔性连接件连接。
可选的，若所述镜片为圆形，且所述第二框架为圆环形框架，所述柔性连接件是以镜片中心为圆心的扇环形柔性连接件。
本发明提供的三维MEMS扫描镜，包括镜片和二维扫描机构，镜片设置于二维扫描机构，且该镜片包括镜片本体和电控形变层，电控形变层覆盖镜片本体上的预设区域，并且电控形变层的控制端与控制电源相连，根据接收的电流或电压，电控形变层可带动镜片本体产生离面位移。在实际使用中，通过控制电源输出不同的电流或电压，控制电控形变层带动镜片本体产生离面位移，进而改变镜面曲率，调整焦距，与二维扫描机构配合，即可实现三维扫描。因此，本发明提供的镜片不依赖现有镜片结构中的空腔即可改变镜面曲率，工艺更简单，降低镜片的加工难度和加工成本。
进一步的，本发明提供的扫描镜，由于镜片不再受到现有技术中镜片空腔的限制，镜片能够产生的离面位移完全由电控形变层的形变范围和镜片本身的特性决定，与现有技术相比，可以大大提高镜片焦距的调节范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种三维MEMS扫描镜的镜片结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种扫描镜的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种镜片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种镜片的形变效果示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种镜片的结构示意图；
图6是现有技术中二维扫描的实现原理示意图；
图7是现有技术中三维扫描的实现原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
可选的，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种三维MEMS扫描镜的结构示意图，本发明实施例提供的三维MEMS扫描镜，包括：镜片300和二维扫描机构(图中以二维扫描机构的第一框架100和第二框架200示出)，镜片300设置于二维扫描机构上，具体的，
二维扫描机构中的第一框架100可绕第一旋转轴转动；
第二框架200与第一框架100连接，且第二框架200可绕第二旋转轴转动，并且，第一旋转轴的轴线与第二旋转轴的轴线垂直相交。
基于上述第一框架100和第二框架200的连接转动关系，即可实现激光光束的二维扫描。当然，还可以采用现有技术中的其他方式实现二维扫描，此处不再赘述。
在上述框架结构的基础上，镜片300具体设置于第二框架上。可选的，参见图3，图3是本发明实施例提供的一种镜片的结构示意图，本发明实施例提供的镜片，包括：电控形变层10和镜片本体20，其中，
电控形变层10覆盖在镜片本体20的预设区域内，且电控变形层沉积于镜片本体20的表面。在实际使用中，通过镜片本体20的镜面对激光光束进行调节，电控形变层10与镜面相对的表面相结合，不会对镜片本体20发挥正常作用产生任何影响，同时，还可以通过电控形变层10带动镜片本体20发生形变。
可以想到的是，为了确保电控形变层10在产生位移时能够可靠带动镜片本体20一起产生形变，电控形变层10应与镜片本体20紧密且可靠的固定在一起，避免在电控形变层10在形变过程中和镜片本体20发生分离，导致无法改变镜片本体20的镜面曲率。
电控形变层10的控制端与控制电源(图中未示出)相连，通过控制端接收控制电源输出的控制电流或者控制电压，并进一步根据接收到的电流或电压带动镜片本体20产生离面位移，以改变镜片本体20的镜面曲率，进而实现镜片焦距的调节。
可选的，参见图4，图4是本发明实施例提供的一种镜片的形变效果示意图。从图中可以看出，在电控形变层10接收控制电源的电流或电压后，产生向外膨胀的应力，由于电控形变层10覆盖于镜片本体20的预设区域中，镜片本体20会对电控形变层10的形变产生约束，进而将向外膨胀的应力转换为使得镜片本体20产生弯曲的力矩，带动镜片本体20产生离面位移，实现镜片曲率的调整。
综上所述，本发明实施例提供的三维MEMS扫描镜中，镜片的电控形变层根据接收的控制电流或者控制电压，带动镜片本体产生离面位移，进而改变镜面曲率，调整焦距。因此，本发明实施例提供的镜片不依赖现有镜片结构中的空腔即可改变镜面曲率，降低镜片的加工难度和加工成本。进一步的，由于本发明实施例提供的镜片可以实现镜面曲率的调节，通过调节镜片的镜面曲率，并与二维扫描机构配合，可实现激光光束的第三维扫描。
再进一步的，本发明提供的扫描镜，由于镜片不再受到现有技术中镜片空腔的限制，镜片能够产生的离面位移完全由电控形变层的形变范围和镜片本身的特性决定，与现有技术相比，可以大大提高镜片焦距的调节范围。
可选的，为降低镜片300与第二框架200之间的连接部分对镜片300产生离面位移造成影响或束缚，镜片300与第二框架200通过柔性连接件400连接，以确保镜片300改变镜面曲率时受到的外界阻力最小。
可选的，如果如图2示例所示，镜片300为圆形，且第二框架200为圆环形框架，镜片300与第二框架200之间的柔性连接件优为扇环形柔性连接件400。选用扇环形柔性连接架不仅对镜片300的约束更小，在其他因素相同的情况下，可获得更大的弯曲幅度，并且镜面弯曲后的形状更接近理想抛物面，从而具有更高的汇聚精度。进一步的，选用扇环形柔性连接架，可以使得镜片与第二框架之间的空隙最小，最大程度的减少无用面积。
可选的，本发明实施例所提供的镜片中的电控形变层可以选用金属薄膜构成。当电控形变层由金属薄膜构成时，镜片的结构可以参照图3示例中给出的结构，此处不再单独提供结构示意图。
进一步的，为了实现通过金属薄膜带动镜片本体发生离面位移，金属薄膜的热膨胀系数与镜片本体的热膨胀系数不同，可选的，可以选择热膨胀系数大于镜片本体的热膨胀系数的金属。基于此，对于金属薄膜的具体选材，还应根据镜片本体的具体材质以及镜片本体的热膨胀系数选定，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
作为一种可选的实现方式，可以在金属薄膜上设置两条用于连接控制电源的引脚，该引脚即电控形变层的控制端，将金属薄膜的两条预设引脚与控制电源的输出端相连，并与控制电源形成完整的电流回路。当控制电源输出电流时，电流流经金属薄膜，导致金属薄膜发热并产生形变，同时，由于金属薄膜和镜片本体紧密固定在一起，而且在实际生产中金属薄膜和镜片本体都很薄，二者的温度分布是一致的，因此，在金属薄膜所产生热量的作用下，镜片本体同样会产生形变。
由于镜片本体和金属薄膜的热膨胀系数不同，二者的热应力也不相同，在不同的热应力的作用下所产生的弯曲扭矩会使得镜片产生离面位移，实现镜面曲率的改变，最终调节镜片的焦距。
可以想到的是，通过调节控制电源输出电流的大小，可以对金属薄膜产生的热应力进行控制，热应力的改变，自然会带动镜片产生不同距离的离面位移，因此，通过调节控制电源输出的电流，即可实现本发明实施例所提供的镜片的镜面曲率的调整。
可选的，参见图5，图5是本发明实施例提供的另一种镜片的结构示意图，在本实施例中，电控形变层由压电薄膜构成，具体的，压电薄膜由第一电极板101、第二电极板103，以及压电材料层102构成，其中，
压电材料层102设置于第一电极板101和第二电极板103之间，第一电极板101和第二电极板103的输入端分别与控制电源相连，并与控制电源形成完整的控制回路。
公知的，在电场作用下，晶体中的带电粒子可以相对位移而发生极化。在应力作用下，晶体中的带电粒子也发生相对位移。对于某些晶体，带电粒子相对位移后正负电荷中心不再重合，因而发生极化，在其两端表面上出现符号相反的束缚电荷，并且面电荷密度与应力之间为线性关系。这种由机械应力面产生表面电荷的效应，称为正压电效应。当晶体受到电场作用时它的某些方向上出现应变，且应变与场强之间是线性相关的，这种现象则称为逆压电效应。
本发明实施例中选用压电材料作为电控形变层，正是基于上述逆压电效应实现的。在实际应用中，压电薄膜的第一电极板101和第二电极板103上均设置有输入端，并与控制电源相连。控制电源调节施加在第一电极板101和第二电极板103上的电压，即可在压电薄膜内产生电场，由于逆压电效应的作用，压电薄膜会产生向外膨胀的应力，由于镜片本体20的约束作用，逆压电效应产生的应力将会产生弯曲扭矩，最终带动镜片本体20发生离面位移，进而实现镜面曲率的调整。
根据上述内容以及压电薄膜的基本原理可知，通过调节控制电源输出的施加在压电薄膜上的电压值，即可改变压电薄膜产生的应力，进而实现对镜面曲率的具体控制，实现镜片焦距的调节。
需要说明的是，现有技术中可以实现上述控制原理的压电薄膜都是可选的，本发明申请对于压电薄膜的具体选型不做限定。
可选的，由前述内容可知，电控形变层与镜片本体应紧密、可靠的固定在一起，因此，电控形变层与镜片本体结合方式，可以选用将电控形变层的组成成分或材料通过物理或化学手段沉积到镜片本体表面的方式，具体过程可以参照现有技术中的实现方式实现，本发明实施例对此不做具体限定。
进一步的，为保证电控形变层带动镜片本体产生离面位移的过程中，镜片本体受力均匀，确保镜片本体的正常使用寿命，因此，在上述各个实施例中，镜片本体上的预设区域的中心应与镜片本体的镜面中心重合。并且，一般情况下，镜片本体都会选用规则形状的镜面，比如圆形或正多边形等，在此种情况下，预设区域的形状最好与镜面形状一致，比如，在镜片本体的镜面形状为圆形的情况下，预设区域也设置为圆形。而对于预设区域的面积，可以与镜面面积相等，也可以小于镜面面积，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样都属于本发明保护的范围。
可选的，参见图6，图6是现有技术中二维扫描的实现原理示意图，图6中所示的扫描过程，仅仅示出了一维扫描的效果示意，另外一维垂直于纸面的扫描并未示出。
在图6所示扫描原理的基础上，配合镜面曲率可调节的镜片，即可实现三维扫描，三维扫描的工作原理可以参见图7所示实施例，对于具体的三维扫描的控制过程可以参照现有技术中的实现方式实现，此处不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种三维MEMS扫描镜，其特征在于，包括：镜片和二维扫描机构，其中，
所述镜片设置于所述二维扫描机构，且所述镜片包括镜片本体和电控形变层；
所述电控形变层覆盖所述镜片本体的预设区域；
所述电控形变层的控制端与控制电源相连，所述电控形变层用于根据接收的电流或电压带动所述镜片本体产生离面位移，以改变镜面曲率。
2.根据权利要求1所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述电控形变层包括金属薄膜，且所述金属薄膜的热膨胀系数与所述镜片本体的热膨胀系数不同。
3.根据权利要求1所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述电控形变层包括压电薄膜。
4.根据权利要求2所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述金属薄膜的热膨胀系数大于所述镜片本体的热膨胀系数。
5.根据权利要求3所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述压电薄膜包括第一电极板、第二电极板和压电材料层，其中，
所述压电材料层设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间；
所述第一电极板和所述第二电极板的输入端分别与所述控制电源相连。
6.根据权利要求1-5任一项所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述预设区域的中心与所述镜片本体的镜面中心重合。
7.根据权利要求1-5任一项所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述电控变形层沉积于所述镜片本体的表面。
8.根据权利要求1所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述二维扫描机构包括第一框架、第二框架，其中，
所述第一框架可绕第一旋转轴转动；
所述第二框架与所述第一框架连接，且所述第二框架可绕第二旋转轴转动；
所述第一旋转轴的轴线与所述第二旋转轴的轴线垂直相交；
所述镜片设置于所述第二框架上。
9.根据权利要求8所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，所述镜片与所述第二框架通过柔性连接件连接。
10.根据权利要求9所述的三维MEMS扫描镜，其特征在于，若所述镜片为圆形，且所述第二框架为圆环形框架，所述柔性连接件是以镜片中心为圆心的扇环形柔性连接件。
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