微镜阵列可编程菲涅尔波带片的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 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微镜阵 列可编程菲涅尔波带片。 技术背景
[0002] 变焦距光学系统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系统通常分为两类，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。
[0003] 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系统诸多方面的局限，在改善系统成像质量、减小体积和降低成 本等方面表现出传统光学系统无可比拟的优势，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系统所采用。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。
[0004] MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光机电系统）技术是 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）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。
[0005] 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系统。
【发明内容】
[0006] 本发明在于提供一种微镜阵列可编程菲涅尔波带片，通过对微镜阵列编程控制微 镜单元的开关使得微镜阵列动态生成参数可调的菲涅尔波带片，完成调焦功能，解决传统 的变焦距光学系统精度差、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 焦系统具有结构简单、体积小、工作频带宽的优点。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 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 上的支撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面 通过中心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中 间夹住的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形 的悬臂梁结构，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 微镜单元构成不同焦距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。
[0009] 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支撑 柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中心 的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住的 压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂梁 结构，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 构成不同焦距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。
[0010] 其中，对于所述的微镜上下电极之间可以施加控制电压，无电压的时候压电层保 持平直，微镜镜面不偏转，施加电压后压电层翘曲，使微镜镜面偏转。
[0011] 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时，使波带片按照不同的参数变化而调节焦距。
[0012] 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。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] 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，形成的变焦距光学系统具有变焦快捷灵活、结构简 单、体积小、重复性好、精度高的优点。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 此发明具有广泛的实用性，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】
[0019] 图1为菲涅尔波带片衍射聚焦原理图。
[0020] 图2为微镜结构和工作原理示意图。
[0021] 图3为圆环形菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟圆环形波带片示意图。
[0022] 图4为直边菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟直边波带片示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0024]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
[0025] rn =小iAf (η -级次，/I-波长，/-焦距） （1)
[0026] 同时，焦距f与波长λ成反比，公式如下
【主权项】
1. 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支 撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中 心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住 的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂 梁结构，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. 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支 撑柱、支撑层、上下电极、压电层、微镜镜面、电极地址控制驱动电路；所述微镜镜面通过中 心的锚点支撑于上电极上方，上下电极与电极地址控制驱动电路相连以驱动电极中间夹住 的压电层带动微镜镜面偏转，支撑柱和支撑层用来固定和支撑电极层并形成可变形的悬臂 梁结构，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中任一项所述的微镜阵列可编程菲涅尔波带片，其特征在于： 所述的微镜上下电极之间可以施加控制电压，无电压的时候微镜镜面不偏转，施加电压可 以使微镜镜面偏转。
4. 根据权利要求1至2中任一项所述的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。
【专利摘要】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微镜阵列可编程菲涅尔波带片: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，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菲涅尔波带片，完成调焦功能，形成的微镜阵列可编程菲涅尔波带片作为变焦距光学系统使用具有结构简单、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。
【IPC分类】G02B26-08, G02B5-18
【公开号】CN104777539
【申请号】CN201510175464
【发明人】张智海, 路远, 张聪, 张文凯
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月15日