相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片及其變焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及MOEMS光調(diào)制器技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種MOEMS相位調(diào) 制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片及其變焦方法。 技術(shù)背景
[0002] 變焦距光學(xué)系統(tǒng)或變焦鏡頭被廣泛用于顯微鏡、數(shù)碼相機、望遠鏡等精密光學(xué)成 像設(shè)備，是一種重要的光學(xué)元件。而傳統(tǒng)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)通常分為兩類，一種是通過切換 不同焦距的鏡頭，另一種是調(diào)節(jié)鏡頭在光軸上的位置，兩者都需要較大的機械裝置進行位 置變動，存在精度差、重復(fù)性差、變焦能力受限、體積大、操作不靈活的缺點。
[0003] 近年來，隨著衍射光學(xué)的發(fā)展，衍射光學(xué)在光學(xué)設(shè)計中不僅可以增加設(shè)計的自由 度，而且能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)諸多方面的局限，在改善系統(tǒng)成像質(zhì)量、減小體積和降低成 本等方面表現(xiàn)出傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢，并受到越來越多的光學(xué)設(shè)計者的重視。菲 涅爾波帶片作為一種典型的衍射光學(xué)元件，具有相對大的數(shù)值孔徑/焦距比，使得其可以 在近場衍射聚焦，為很多體積受限的光學(xué)系統(tǒng)所采用。在對紫外區(qū)、紅外區(qū)、太赫茲區(qū)和高 強度激光等傳統(tǒng)光學(xué)透鏡由于損耗過大無法勝任的場合，菲涅爾波帶片可以成為透鏡的一 個良好替代品。
[0004] MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光機電系統(tǒng)）技術(shù)是 MOEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統(tǒng)）技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的融合，具有天 生的優(yōu)勢，它可以實現(xiàn)微型光學(xué)元件和控制電路的集成，具有可大批量制造，單位成本低， 體積微小，響應(yīng)速度快，性能可靠等優(yōu)勢。目前，基于MOEMS技術(shù)制造的光調(diào)制器以其優(yōu)良 的性能獲得高速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，從與光波長相當(dāng)?shù)奈⒊叨壬咸峁┝巳藗儾倏毓鈭龅?強有力工具。
[0005] 本發(fā)明的初衷是利用MOEMS微鏡陣列對光的振幅調(diào)制能力，動態(tài)生成參數(shù)可調(diào)的 菲涅爾波帶片，形成一種光能利用率高、變焦快捷靈活、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重復(fù)性好、精度 高、工作頻帶寬的可編程波帶片，適合于用作變焦距光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明在于提供一種相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片及其變焦方法，通 過對相位調(diào)制型微鏡陣列編程控制微鏡單元的調(diào)制使得微鏡陣列動態(tài)生成參數(shù)可調(diào)的位 相型菲涅爾波帶片，完成調(diào)焦功能，解決傳統(tǒng)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)精度差、重復(fù)性差、變焦能 力受限、操作不靈活等不足的同時，又使得變焦系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作頻帶寬、光 能利用率高的優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片，其特征在于：包括硅襯底以及設(shè) 置于硅襯底上的下電極、絕緣層、簡支梁、支撐錨、微鏡鏡面、電極地址控制驅(qū)動電路；所述 微鏡鏡面通過支撐錨支撐于簡支梁上方，作為上電極的簡支梁支撐于絕緣層和下電極上 方，所述電極地址控制驅(qū)動電路，按照事先計算好的電極地址選擇施加電壓的微鏡單元構(gòu) 成不同參數(shù)的圓環(huán)菲涅爾波帶片圖形，每一個菲涅耳波帶圓環(huán)由一定數(shù)量連續(xù)的微鏡單元 組成。
[0009] 還可按不同的菲涅爾波帶片形式分組布置微鏡電極，如直邊菲涅爾波帶片，形成 一種微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片，其特征在于：包括硅襯底以及設(shè)置于硅襯底上的下電 極、絕緣層、簡支梁、支撐錨、微鏡鏡面、電極地址控制驅(qū)動電路；所述微鏡鏡面通過支撐錨 支撐于簡支梁上方，作為上電極的簡支梁支撐于絕緣層和下電極上方，所述電極地址控制 驅(qū)動電路，按照事先計算好的電極地址選擇施加電壓的微鏡單元構(gòu)成不同參數(shù)的直邊菲涅 爾波帶片圖形，每一個直邊菲涅耳波帶條由一定數(shù)量連續(xù)的微鏡單元組成。
[0010] 其中，對于所述的簡支梁和底電極之間可以施加控制電壓，改變控制電壓大小可 以控制微鏡鏡面向下移動的距離。這樣可以實現(xiàn)對入射光相位的精確調(diào)控。
[0011] 進一步，所述的菲涅爾波帶片的子波帶由微鏡陣列單元可以再細分為更小的波帶 區(qū)域，其細分組數(shù)由微鏡的尺寸確定，每一組電極都固定連接在一起，當(dāng)電極地址控制驅(qū)動 電路選擇不同的分組策略和電壓值時，使波帶片按照不同的參數(shù)變化而調(diào)節(jié)焦距。
[0012] 另外，所述組成菲涅爾波帶片的子波帶的微鏡陣列單元的微鏡鏡面形狀和大小可 以根據(jù)子波帶的幾何特征確定。在構(gòu)成圓環(huán)形子波帶時，鏡子邊緣可以是子波帶所需的弧 線；在構(gòu)成直邊波帶片時，鏡子只需方形即可。鏡子在靠近波帶片中心的較寬的波帶里尺寸 設(shè)計較大，在邊緣較細的波帶里尺寸設(shè)計較小。
[0013] 本發(fā)明提供的基于相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片實現(xiàn)變焦反射鏡的 方法，其特征在于：根據(jù)相位調(diào)制型微鏡可以通過加電下拉，進而實現(xiàn)對空間光的相位調(diào) 制的原理，以編程控制微鏡陣列來調(diào)制入射光波，使其形成菲涅爾波帶條紋，在波帶片光軸 焦點處各條紋形成的子波帶發(fā)出的光相干增強，編程改變生成的位相型菲涅爾波帶片的輪 廓、半徑和環(huán)帶數(shù)，實現(xiàn)以相位調(diào)制反射型微鏡陣列建立的程控變焦成像系統(tǒng)的可變聚焦。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 1.利用MOEMS微鏡對光的振幅調(diào)制能力和陣列調(diào)制器對光場的二維空間調(diào)制能 力，生成參數(shù)可調(diào)的動態(tài)菲涅爾波帶片，形成的變焦距光學(xué)系統(tǒng)變焦快捷靈活、結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、重復(fù)性好、精度高的優(yōu)點。
[0016] 2.利用MOEMS微鏡陣列進行光場調(diào)制，微鏡表面可鍍有高性能金屬反射膜，相對 于傳統(tǒng)透射式光學(xué)透鏡和相位調(diào)制型波帶片，有更寬的工作頻帶。
[0017] 3.由于鏡子的分組方式完全根據(jù)菲涅爾波帶片的子波帶幾何特征確定，所以微鏡 無需每個單元都單獨控制，使布線和驅(qū)動簡單。
[0018] 4.由于鏡子的大小和形狀完全根據(jù)菲涅爾波帶片的子波帶幾何特征確定，所以形 成的動態(tài)菲涅爾波帶片光學(xué)效果好，光學(xué)誤差小。
[0019] 5.相位調(diào)制型微鏡陣列波帶片利用了波帶片上所有子波帶的光波能量，使得器件 總體光能利用率高。
[0020] 此方法具有廣泛的實用性，可應(yīng)用于顯微鏡、數(shù)碼相機、望遠鏡等精密光學(xué)成像設(shè) 備。
【附圖說明】
[0021] 圖1為菲涅爾波帶片調(diào)節(jié)焦距的原理圖。
[0022] 圖2為相位調(diào)制型微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為相位調(diào)制型微鏡工作原理示意圖。
[0024] 圖4為相位調(diào)制型微鏡陣列示意圖。
[0025] 圖5為圓環(huán)形菲涅爾波帶片圖形和相位調(diào)制型微鏡陣列模擬圓環(huán)形波帶片示意 圖。
[0026] 圖6為直邊菲涅爾波帶片圖形和相位調(diào)制型微鏡陣列模擬直邊波帶片示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：
[0028] 圖1為菲涅爾波帶片衍射聚焦原理圖。本發(fā)明基于菲涅爾波帶片對光的衍射聚焦 原理，菲涅耳波帶片實質(zhì)上可看成是一種變間距光柵，最常見的圓形菲涅耳波帶片由一組 同心環(huán)帶構(gòu)成。一般可將波帶片分為振幅型波帶片和位相型波帶片。圖1為一振幅型波帶 片示意圖。根據(jù)菲涅耳衍射原理，通過屏蔽菲涅耳半波帶中的奇數(shù)帶或偶數(shù)帶，使透光的半 波帶相對于波帶片光軸上焦點處光程相差為波長λ的整數(shù)倍時，該點的光強被大大增強， 達到聚焦的作用，每級半波帶的半徑需要滿足公式
[0029]
【主權(quán)項】
1. 相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片其特征在于：包括硅襯底以及設(shè)置于硅 襯底上的下電極、絕緣層、簡支梁、支撐錨、微鏡鏡面、電極地址控制驅(qū)動電路；所述微鏡鏡 面通過支撐錨支撐于簡支梁上方，作為上電極的簡支梁支撐于絕緣層和下電極上方，所述 電極地址控制驅(qū)動電路，按照事先計算好的電極地址選擇施加電壓的微鏡單元構(gòu)成不同參 數(shù)的圓環(huán)菲涅爾波帶片圖形，每一個菲涅耳波帶圓環(huán)由一定數(shù)量連續(xù)的微鏡單元組成。
2. 相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片其特征在于：包括硅襯底以及設(shè)置于硅 襯底上的下電極、絕緣層、簡支梁、支撐錨、微鏡鏡面、電極地址控制驅(qū)動電路；所述微鏡鏡 面通過支撐錨支撐于簡支梁上方，作為上電極的簡支梁支撐于絕緣層和下電極上方，所述 電極地址控制驅(qū)動電路，按照事先計算好的電極地址選擇施加電壓的微鏡單元構(gòu)成不同參 數(shù)的直邊菲涅爾波帶片圖形，每一個直邊菲涅耳波帶條由一定數(shù)量連續(xù)的微鏡單元組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片，其 特征在于：所述的簡支梁和下電極之間可以施加控制電壓，改變控制電壓大小可以控制微 鏡鏡面向下移動的距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片，其 特征在于：所述的菲涅爾波帶片的子波帶由微鏡陣列單元可以再細分為更小的波帶區(qū)域， 其細分組數(shù)由微鏡的尺寸確定，每一組電極都固定連接在一起，當(dāng)電極地址控制驅(qū)動電路 選擇不同的分組策略和電壓值時，使波帶片按照不同的參數(shù)變化而調(diào)節(jié)焦距。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片，其 特征在于：所述組成菲涅爾波帶片的子波帶的微鏡陣列單元的微鏡鏡面形狀和大小可以根 據(jù)子波帶的幾何特征確定。
6. -種基于相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片實現(xiàn)變焦反射鏡的方法，其特征 在于：根據(jù)相位調(diào)制型微鏡可以通過加電下拉，進而實現(xiàn)對空間光的相位調(diào)制的原理，以 編程控制微鏡陣列來調(diào)制入射光波，使其形成菲涅爾波帶條紋，在波帶片光軸焦點處各條 紋形成的子波帶發(fā)出的光相干增強，編程改變生成的位相型菲涅爾波帶片的輪廓、半徑和 環(huán)帶數(shù)，實現(xiàn)以相位調(diào)制反射型微鏡陣列建立的程控變焦成像系統(tǒng)的可變聚焦。
【專利摘要】本發(fā)明涉及MOEMS光調(diào)制器技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種MOEMS相位調(diào)制型微鏡陣列可編程菲涅爾波帶片及其變焦方法:利用MOEMS相位調(diào)制型微鏡對光的相位調(diào)制能力和陣列調(diào)制器對光場的二維空間調(diào)制能力，通過編程控制MEOMS微鏡陣列中特定分組單元的開關(guān),生成參數(shù)可調(diào)的反射式位相型菲涅爾波帶片，完成調(diào)焦功能，形成的微鏡陣列可編程位相型菲涅爾波帶片作為變焦距光學(xué)系統(tǒng)使用具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重復(fù)性好、精度高、工作頻帶寬、布線和驅(qū)動簡單、光學(xué)效果好、光學(xué)誤差小的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于顯微鏡、數(shù)碼相機、望遠鏡等精密光學(xué)成像設(shè)備。
【IPC分類】G02B26-06
【公開號】CN104730709
【申請?zhí)枴緾N201510176222
【發(fā)明人】張智海, 路遠, 張聰, 張文凱
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月15日