专利名称：一种基于mems微镜的光学扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学扫描装置，尤其涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanic System,微机电系统)微镜的光学扫描装置。
背景技术：
光学扫描装置目前被广泛应用于医学成像、投影仪、光谱仪及图形码阅读器等领域。例如，医学成像中所使用的扫描探头。微型化是光学扫描装置的主要发展趋势，MEMS微镜由于其所具有的结构精巧、控制简单、功耗低等优点，特别适用于微型化的光学扫描装置，因此，基于MEMS微镜的光学扫描装置已成为目前微型光学扫描技术的主流。MEMS微镜的基本原理为通过微机电驱动机构精确控制微镜镜面旋转的驱动力，实现精确控制微镜镜面的旋转角度，从而达到精确控制光线的传播方向。MEMS微镜概括起 来主要由三部分组成(如图I所示):边框C、驱动结构B、镜面A。其中驱动结构B用于连接镜面A与边框C并驱动镜面A旋转进而控制入射到镜面上的光的反射方向。现有MEMS微镜根据镜面可旋转方向可分为一维和二维MEMS微镜，根据驱动方式不同又可分为静电驱动型、电磁驱动型、电热驱动型及压电驱动型等种类。基于MEMS微镜的光学扫描装置通常包括光学准直器(例如格林透镜、、微透镜等)和MEMS微镜,有的还包括用于保护各光学器件的套管，套管上设置有光线出射窗口。光源发出的入射光线经光学准直器准直后，由MEMS微镜反射至目标样本，通过控制MEMS微镜镜面的旋转，改变反射光线的方向，即可实现对目标样本的扫描。然而，MEMS微镜虽然不同的设计有不同的性能，但是现阶段MEMS微镜的转角受材料、工艺或者成本等因素的限制，其转角较小(通常小于30度)，因此扫描范围较小，大角度扫描(特别是侧向圆周扫描)很难实现。同时，由于MEMS微镜的入射光线与反射光线的方向不同，要实现MEMS微镜的前向扫描也十分困难。综上所述，现有基于MEMS微镜的光学扫描装置由于受MEMS微镜性能的限制，普遍存在扫描范围小、光路结构复杂的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于MEMS微镜的光学扫描装置，具有更大扫描范围，且结构简单，实现成本低廉。本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题
一种基于MEMS微镜的光学扫描装置，包括光学准直器和MEMS微镜，光源发出的入射光线经光学准直器准直后，由MEMS微镜反射；光源与MEMS微镜之间的光路上设置有一反射镜；该反射镜的中间部分中空或透明，可供入射光线正常通过；该反射镜的外圈为反射镜面,将MEMS微镜反射的光线反射至扫描样本。上述技术方案中，反射镜可设置于光源与光学准直器之间，也可设置于光学准直器与MEMS微镜之间，只要能使入射光线正常通过并反射MEMS微镜反射的光线即可，但为了使装置的结构更紧凑，本发明优选以下方案所述反射镜中间部分中空，中空部分的形状尺寸与所述光学准直器的外部形状尺寸相适应，反射镜通过中空部分套于光学准直器外部。本发明中反射镜的镜面可根据实际需要采用各种可行的设计，以下是几种具体优选方案
优选方案一、所述反射镜外圈的反射镜面整体为一个半圆锥形；根据欲扫描样本位置的不同，所述半圆锥形的锥口可以指向MEMS微镜，也可以指向光源。优选方案二、所述反射镜外圈的反射镜面整体为由两个平行平面对椭球体进行切割得到的部分椭球体，两个平行平面平行于椭球体的长轴或短轴。优选方案三、所述反射镜外圈的反射镜面整体包括至少两个同轴的半圆锥形。 二维MEMS微镜包含两个独立可控的转轴，通过事先编程，给每个轴以一定的方式周期电压信号，可以实现不同图形的重复扫描。分别施加不同频率的三角波或者正玄波，可实现光栅扫描。分别施加正弦信号与余弦信号，可以实现圆周扫描。本发明中的MEMS微镜优选二维MEMS微镜，从而可实现侧向/前向圆周扫描。本发明中可以采用各种现有驱动方式的MEMS微镜，但考虑到通常的MEMS微镜需要连接导线，会对光路产生遮挡，虽不影响整体扫描效果，但会牺牲少量扫描面积。该问题可以利用透明导线来解决，本发明优选采用无线驱动的MEMS微镜，例如RF驱动的MEMS微镜，或者通过在MEMS微镜末端安装电池实现无线驱动。本发明通过附加一个反射镜，将MEMS微镜反射的光线再次反射，偏转至扫描样本，有效扩展了扫描范围，并可通过反射镜镜面的设计，实现侧向圆周扫描和前向圆周扫描。相比现有技术，本发明具有更广的扫描范围，且结构简单，实现成本低廉。
图I为一种现有二维MEMS微镜的结构示意图，其中A为镜面，B为驱动结构，C为边框；
图2为本发明光学扫描装置实现侧向圆周扫描的原理示意 图3为本发明光学扫描装置实现前向圆周扫描的原理示意 图4 (a)至图4 (e)分别为本发明光学扫描装置中反射镜镜面的几种不同设计的横剖
面；
图5为本发明光学扫描装置实施例一的横剖面结构示意 图6为本发明光学扫描装置实施例二的横剖面结构示意 图7为本发明光学扫描装置实施例三的横剖面结构示意 图中各标号含义I为光学准直器，2为反射镜，3为MEMS微镜，4为套管，5为出射窗口，6为透明支柱。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的思路是针对MEMS微镜扫描范围小的不足，利用一反射镜对MEMS微镜的反射光进行二次反射，从而有效扩大扫描范围；通过适当的反射镜镜面设计，可实现现有技术难以实现的侧向圆周扫描和前向圆周扫描。由于该反射镜需要反射MEMS微镜反射出的光线，因此应设置于光源与MEMS微镜之间的光路上；为了不对入射光线形成遮挡，该反射镜分为两部分中间部分中空或透明，可供入射光线正常通过；外圈为反射镜面。这样，通过MEMS微镜小幅度的旋转即可实现较大角度的扫描。为了使装置的结构更紧凑，本发明优选以下方案反射镜中间部分中空，中空部分的形状尺寸与光学准直器的外部形状尺寸相适应，反射镜通过中空部分套于光学准直器外部。图2和图3分别显示了本发明装置实现侧向圆周扫描和前向圆周扫描的原理，如图所示，入射光线穿过反射镜中空或透明部分，并经光学准直器(例如格林透镜、微透镜等)准直，照射在MEMS微镜镜面上，反射镜外圈的反射镜面将MEMS微镜镜面反射的光线向侧向或前向二次反射，通过控制MEMS微镜的旋转，即可实现 侧向圆周扫描和前向圆周扫描。本发明中反射镜镜面的设计决定了整个装置的扫描方向和扫描范围，因此可根据实际扫描需要灵活设计不同的镜面轮廓。反射镜面剖截面可以为斜线形、弧形或者其它不规则形状，图4 (a)至图4 (e)分别显示了本发明光学扫描装置中反射镜镜面的几种不同设计的横剖面；这几种设计均为轴对称设计，镜面的俯视图呈圆环状。其中图4 (a)和图4(c)所示的设计中，反射镜镜面整体为一个半圆锥形，图4 (a)中半圆锥形的锥口指向MEMS微镜，图4 (c)中半圆锥形的锥口指向光源；图4 (b)和图4 (d)所示的设计中，反射镜外圈的反射镜面整体为由两个平行平面对椭球体进行切割得到的部分椭球体，两个平行平面平行于椭球体的长轴或短轴；本发明的反射镜镜面还可以由两个或两个以上同轴的半圆锥形或者部分椭球体组成，图4 (e)的设计中，反射镜镜面即由两个同轴的半圆锥形构成。当然，镜面还可以采用其它可行的各种设计，例如，也可将镜面设计为方形漏斗状，漏斗口部指向MEMS微镜，或者反之，指向光源。为了便于公众进一步理解，下面以三个具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例一、
本实施例中的光学扫描装置，如图5所不,包括光学准直器I、反射镜2、MEMS微镜3、套管4、出射窗口 5。为了防止对光路遮挡，并实现圆周扫描，本实施例中MEMS微镜为不需要导线连接的电磁驱动型二维MEMS微镜。为了使结构更紧凑，如图7所示，反射镜2的中间部分中空，中空部分的形状尺寸与所述光学准直器的外部形状尺寸相适应，反射镜2通过该中空部分套于光学准直器I外部。反射镜2的镜面整体为一个锥口指向MEMS微镜3的半圆锥形。光学准直器I、反射镜2和MEMS微镜3均密封于套管4中，以对各光学器件进行保护，其中，MEMS微镜3直接固定于套管4头部内壁上。如图所示，套管4上对应于光线射出的位置设置有透明的出射窗口 5，由于本实施例中反射镜2将光线向侧向反射，因此出射窗口 5为位于套管4侧壁上的环形窗口。而且为了补偿反射光线的发散，出射窗口 5的透明玻璃设计为向内凹的弧形。光源从左侧发出的入射光，经光学准直器I准直并穿过反射镜2后，射在MEMS微镜3的镜面上，MEMS微镜3的镜面将光线反射至反射镜2外圈的反射镜面上，反射镜2外圈的反射镜面再透过出射窗口 5将光线反射至侧向的样本上。按照现有控制方法控制MEMS微镜3进行圆周扫描，即可实现大范围的侧向圆周扫描。实施例二、本实施中的光学扫描装置，同样包括光学准直器I、反射镜2、MEMS微镜3、套管4、出射窗口 5，其结构如图6所示。本实施例中，反射镜2的镜面整体为一个锥口指向光源的半圆锥形；相应地，根据反射镜2的反射方向，套管4的头部整体为透明的出射窗口 5 ;MEMS微镜3通过支柱6固定于套管4的侧壁上，为了不对光线形成遮挡，支柱6采用透明材料制作。本实例的其余部分与实施例一相同。光源从左侧发出的入射光，经光学准直器I准直并穿过反射镜2后，射在MEMS微镜3的镜面上，MEMS微镜3的镜面将光线反射至反射镜2外圈的反射镜面上，反射镜2外圈的反射镜面再透过出射窗口 5将光线反射至前向的样本上。按照现有控制方法控制MEMS微镜3进行圆周扫描，即可实现大范围的前向圆周扫描。实施例三、
本实施例中的光学扫描装置，同样包括光学准直器I、反射镜2、MEMS微镜3、套管4、出射窗口 5，其结构如图7所示。本实施例中，反射镜2的镜面由两个同轴的半圆锥形构成，如图所示，外圈的半圆锥形锥口指向MEMS微镜3，内圈的半圆锥形锥口指向光源，根据实施例1、2的描述可知外圈的反射镜面将向侧向反射光线，而内圈的反射镜面将向前向反射光线；相应地，本实施例中出射窗口 5如图所示，由套管4的头部以及与套管4头部相连的一圈环形组成，相当于实施例I和实施例2中出射窗口的组合；其余部分均与实施例一相同。通过对MEMS微镜3旋转角度的控制，可同时实现较大范围的侧向与前向圆周扫描。本发明的反射镜基底材料可以为聚合物，金属等固体材料，可以机械磨制，或者使用模具浇铸，镜面材料可以使用真空溅射Au/Al/Ag等高反射膜。出射窗口可使用玻璃/光学树脂进行模具浇铸，然后与套管焊接或者贴敷于一起。综上所述，本发明的基于MEMS微镜的光学扫描装置具有结构简单、扫描范围大的优点，且制作简单、实现成本低廉，具有极高的应用价值，尤其适用于医学成像中的光学探头。
权利要求
1.一种基于MEMS微镜的光学扫描装置，包括光学准直器和MEMS微镜，光源发出的入射光线经光学准直器准直后，由MEMS微镜反射；其特征在于，光源与MEMS微镜之间的光路上设置有一反射镜；该反射镜的中间部分中空或透明，可供入射光线正常通过；该反射镜的外圈为反射镜面，将MEMS微镜反射的光线反射至扫描样本。
2.如权利要求I所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述反射镜中间部分中空，中空部分的形状尺寸与所述光学准直器的外部形状尺寸相适应，反射镜通过中空部分套于光学准直器外部。
3.如权利要求I所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述反射镜外圈的反射镜面整体为一个半圆锥形。
4.如权利要求3所述基于MEMS微镜的光学扫描装置，其特征在于，所述半圆锥形的锥口指向MEMS微镜。
5.如权利要求3所述基于MEMS微镜的光学扫描装置，其特征在于，所述半圆锥形的锥口指向光源。
6.如权利要求I所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述反射镜外圈的反射镜面整体为由两个平行平面对椭球体进行切割得到的部分椭球体，两个平行平面平行于椭球体的长轴或短轴。
7.如权利要求I所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述反射镜外圈的反射镜面整体包括至少两个同轴的半圆锥形。
8.如权利要求I一7任一项所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述MEMS微镜为二维MEMS微镜。
9.如权利要求I一7任一项所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,所述MEMS微镜的驱动方式为无线驱动。
10.如权利要求I一7任一项所述基于MEMS微镜的光学扫描装置,其特征在于,还包括用于将各器件封装于其内的套管，套管上对应于光线射出的位置设置有透明的出射窗，所述反射镜所反射的光线透过该出射窗射至扫描样本。
全文摘要
本发明公开了一种基于MEMS微镜的光学扫描装置。本发明的光学扫描装置包括光学准直器和MEMS微镜，光源发出的入射光线经光学准直器准直后，由MEMS微镜反射；光源与MEMS微镜之间的光路上设置有一反射镜；该反射镜的中间部分中空或透明，可供入射光线正常通过；该反射镜的外圈为反射镜面，将MEMS微镜反射的光线反射至扫描样本。本发明有效扩展了扫描范围，并可通过反射镜镜面的设计，实现侧向圆周扫描和前向圆周扫描。相比现有技术，本发明具有更广的扫描范围，且结构简单，实现成本低廉。
文档编号G02B26/10GK102955250SQ20121041546
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者谢会开, 周亮, 陈巧 申请人:无锡微奥科技有限公司