CN1961255A - 微镜阵列透镜的阵列 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种由许多微镜(72)及多个致动部件所组成微镜阵列透镜的阵列(101)。各微镜阵列透镜是具有高速焦距变化的变焦透镜。该透镜可根据需求而具有任意形状和/或大小及所需的任意光轴，且可通过独立控制各微镜而校正像差。各微镜可以由已知的微电子技术独立控制。致动部件静电地和/或电磁地控制微镜的位置。该微镜阵列透镜的光效率通过在微镜的下面设置支持微镜及致动部件的机械结构而增加。已知的半导体微电子技术消除了因电极焊盘及电线所造成的有效反射面积损失。

Description

微镜阵列透镜的阵列

技术领域

本发明涉及一种微镜阵列透镜(micromirror array lens)的阵列以及该透镜的操作方法。

背景技术

最为广泛使用的传统变焦透镜(varialble focal length lens)系统是采用两片折射透镜。其具有复杂的驱动机构以控制折射透镜的相对位置并且具有缓慢的响应时间。或者，已经制造变焦透镜。变焦透镜可通过改变透镜形状(如同人类眼睛那样)而制成；这个方法已用在以各向同性液体制成的透镜。其它透镜则以电变焦折射率介质制成，以产生传统透镜或借助于电压梯度的梯度折射率透镜。电变焦折射率使得透镜的焦距由电压所控制。在这些透镜中，最先进的变焦透镜是液晶变焦透镜，其具有复杂的机构来控制焦距。其焦距可通过调节折射率来改变。不幸地，其通常具有数百毫秒级的缓慢响应时间。即使最快响应的液晶透镜也须数十毫秒的响应时间，其具有较小的焦距变化及较低的聚焦效率。

为了解决传统焦距透镜的缺点，提出了快速响应的微镜阵列透镜。快速响应的微镜阵列透镜详细内容描述于：J.Boyd及G.Gho于2003年出版的“Fast-response Variable Focusing Micromirror ArrayLens”，Proceeding of SPIE第5055期，278-286页。该文献以引用的方式并入本文中。微镜阵列透镜主要由微镜及致动部件所组成，且使用比液晶变焦透镜更为简单的机构控制聚焦系统。微镜阵列透镜的焦距随各微镜的位移而改变。然而，该文献仅描述了单个微镜阵列透镜以及关于设计和控制的基本构想。本发明提供了一种微镜阵列透镜的阵列，并改善了微镜阵列透镜的设计及控制。此外，也加强了传统透镜阵列的优点及适用性。

发明内容

本发明欲解决包括传统变焦透镜的阵列的缺点。

本发明的目的是提供包括具有快速焦距变化的变焦透镜的阵列。

本发明的另一目的是提供包括具有像差校正功能的变焦透镜的阵列。

本发明的另一目的是提供包括具有可变光轴的变焦透镜的阵列。

本发明的另一目的是提供包括具有任意形状和/或大小的变焦透镜的阵列。本发明强化了透镜的优点及适用性。

本发明由许多微镜阵列透镜所组成，该微镜阵列透镜由许多用以反射光线的微镜及多个用以控制微镜的位置的致动部件所组成。

各微镜的功能与镜子相同。因此，该微镜的反射表面由金属、金属化合物、或其它具有高反射性的材料所制成。许多的已知微加工(microfabricatio)工艺可使微镜表面具有较高的反射性。通过使由物体的一点反射的所有光线具有相同相位且聚焦于像平面(成像平面，image plane)的一点上，微镜阵列如同反射焦距透镜那样起作用。为了达成这个目的，微镜通过致动部件进行静电式和/或电磁式控制，移动到所希望的位置。通过控制各微镜的平移、通过控制各微镜的旋转、或通过控制各微镜的平移与旋转二者，可改变透镜的焦距。通过仅控制旋转而形成的微镜阵列透镜，比具有平移及旋转两者的透镜具有更大的像差，因为平移无法控制相位。通过仅控制平移所形成的微镜阵列透镜，也具有较大的像差。对具有纯平移的微镜阵列透镜而言，微镜的尺寸越小，像差越小。即使通过仅控制平移或仅控制旋转所形成的透镜品质会低于通过控制旋转与平移两者所形成的透镜，但仍可用作低品质的透镜，因为其结构及控制比通过控制旋转与平移两者所形成的透镜简单的多。

通过微镜的圆形阵列(极化阵列，polar array)能形成微镜阵列透镜。对于圆形阵列，各微镜的形状为扇形，以增加有效反射面积，因而增强光效率。使用具有曲率的微镜能降低微镜阵列透镜的像差。通过将支持微镜和致动部件的机械结构设置在微镜的下面以增加有效反射面积而改善微镜阵列透镜的光效率。操作微镜的电路可用已知的半导体微电子技术(如，MOS及CMOS)取代。在微镜阵列下面采用微电子电路，可通过移去用于电极焊盘及电线的所需区域而增加有效反射面积。透镜可通过独立控制各微镜而校正像差，像差的产生由物体与其图像间的介质的光学影响或透镜系统的缺陷所造成，后者使其图像违背傍轴成像(paraxial imagery)的规则。各微镜的独立控制，也可通过用已知的微电子技术来取代用于控制所需的电路，以及使用已知微加工方法在微镜的下方制造电路来实现。

包括具有两个旋转自由度(two degrees of freedom rotation)、或具有可独立控制的两个旋转自由度及一个平移自由度(one degreeof freedom translation)的微镜的阵列，能依需求而制成具有任意形状和/或大小的透镜，或依需求而制成包括具有任意形状和/或大小的透镜的透镜阵列。通过形成所需的任意形状和/或大小透镜，或形成包括具有任意形状和/或大小的透镜的透镜阵列，能任意调节入射光。为此，通过控制两个旋转自由度，或者通过控制两个旋转自由度和一个平移自由度，而使入射光反射至任意方向。各微镜的独立平移也要求满足相位条件。

为了实现上述目的，本发明具体提供一种包括多个透镜的变焦透镜阵列，其中每个透镜包括多个微镜。

在该透镜阵列中，微镜的平移和/或旋转受到控制。

在该透镜阵列中，微镜的两个旋转自由度受到控制。

可替换地，微镜的两个旋转自由度及一个平移自由度是受到控制。

透镜阵列的微镜是独立控制的。

控制电路通过使用微电子制造技术被建构在微镜的下面。

微镜的反射表面基本上是平的。

可替换地，该微镜的反射表面具有曲率。微镜的曲率受到控制。微镜的曲率通过电热力、或静电力而加以控制。

微镜的形状可以是扇形、六角形、矩形、方形、及三角形等。

微镜被控制以改变透镜阵列的各个透镜的焦距。

所有的微镜排列在一平面中。

微镜被排列以形成一个或多个同心圆，以形成透镜。

各同心圆中的微镜通过与该同心圆对应的一个或多个电极控制。

微镜通过静电力和/或电磁力致动。

微镜表面材料是具有高反射性的材料，包括金属。

支持微镜和致动部件的机械结构设置在微镜的下面。

该透镜是调适光学部件(adaptive optical component)，且该透镜补偿因物体与其图像间的介质所造成的光线相位误差；校正像差；校正造成图像违背傍轴成像规则的成像系统的缺陷；或不位于光轴上的物体无需肉眼可见的机械运动即可通过透镜成像。

该透镜被控制以分别满足用于红光、绿光、及蓝光(RGB)各自波长的相同相位条件，获得彩色图像。

可替换地，该透镜被控制以满足用于红光、绿光、及蓝光(RGB)中其中一种波长的相同相位条件，获得彩色图像。

可替换地，通过采用红光、绿光、及蓝光的波长的最小公倍数作为用于相位条件的有效波长，而满足用于彩色成像的相同相位条件。

在已知具体实施方式中，微镜不被控制以满足用于彩色成像的相同相位条件。

虽然本发明仅作精要概述，但通过下面的附图、详细叙述及所附权利要求书来完整了解本发明。

附图说明

本发明的这些和其它特征、方面及优点可由参照附图而更加了解，其中

图1是示出微镜阵列透镜的侧剖面的示意图。

图2是示出由许多微镜和致动部件所制成的微镜阵列透镜的一种结构的平面示意图。

图3是示出微镜阵列透镜如何如透镜那样起作用的示意图。

图4是示出具有纯平移的微镜阵列透镜的侧剖视图的示意图。

图5是示出微镜的两个旋转轴及一个平移轴的示意图。

图6是示出包括六角形微镜的圆柱透镜的示意图。

图7是示出包括六角形微镜的圆形透镜的示意图。

图8是示出包括矩形微镜的圆柱透镜的示意图。

图9是示出包括三角形微镜的圆形透镜的示意图。

图10是示出包括六角形微镜的微镜阵列透镜的阵列的示意图。

图11是示出包括三角形微镜的微镜阵列透镜的阵列的示意图。

具体实施方式

图1示出微镜阵列透镜11的原理。欲制成理想的透镜有两个条件。第一为会聚条件，即由物体的一点所散射的所有光线的应集中于像平面的一点。第二为相同相位条件，即所有会聚光线在像平面上应具有相同相位。为了满足理想透镜条件，传统反射透镜12的表面形状被形成为使物体的一点所散射的所有光线会聚至像平面的一点，并且使所有会聚光线的光程长度相同。

排列在一平面中的微镜阵列可满足两条件而成为透镜。每个微镜13旋转，以会聚散射的光线。因为微镜阵列透镜11的所有微镜13如图1所示排列在一平面中，由微镜的旋转所会聚的光线的光程长度不同。即使会聚光线的光程长度不同，因为光线的相位是周期性的，相同相位条件能通过调整相位而满足。

图2示出了圆形微镜阵列透镜21的平面图。微镜22具有与镜子相同的功能。因此，微镜22的反射表面由金属、金属化合物、或具有反射性的其它材料制成。许多已知微加工工艺可制造具有高反射性的表面。各个微镜22如已知那样由致动部件23静电地和/或电磁地控制。在轴对称透镜情况下，微镜阵列透镜21具有微镜22的圆形阵列。各个微镜22的形状均为扇形，以增加有效反射面积，这增加了光效率。微镜排列为形成一个或多个同心圆，以形成轴对称透镜，且在相同同心圆上的微镜可由同心圆形状的相同电极控制。

支持各反射微镜22和致动部件23的机械结构设置在微镜22下面，以增加有效反射面积。另外，操作微镜的电路可用已知的微电子技术(如MOS或COMS)取代。在微镜阵列下面使用微电子电路，能通过移去用于电极焊盘及电线(其用以供应致动电源)的所需区域，而增加有效反射面积。

图3示出微镜阵列透镜31如何成像。任意散射的光线32、33通过控制微镜34的位置而会聚在像平面的一点P上。通过平移微镜34，可将任意光线32、33的相位调整为相同。所须的平移位移(translational displacement)至少为光线波长的一半。

期望各微镜34具有曲率，因为传统反射透镜12的理想形状具有曲率。若平的微镜的尺寸足够小，包括平面微镜34的透镜的像差也会足够小。在这种情况下，微镜就不需要曲率了。

微镜阵列透镜31的焦距f通过控制各微镜34的旋转和/或平移来改变。通过仅控制旋转，而不控制平移，即使微镜阵列透镜31会具有较多的像差，这仍是可行的。在这种情况下，仅通过控制旋转而形成的透镜31的成像品质会因为像差而降低。

图4示出通过微镜41的纯平移、无旋转所形成的微镜阵列透镜42。如图1所示，可通过控制微镜43的旋转及平移，来取代传统的反射透镜44。根据菲涅耳衍射理论(Fresnel diffraction theory)，纯平移、无旋转也可满足两个成像条件。通过仅控制平移而形成的透镜42也具有像差。微镜41的尺寸越小，像差就越小。即使具有平移42或旋转其中一种方式的透镜品质较低，仍可作为透镜使用，因为其结构及控制比同时具有旋转与平移的透镜简单许多。

图5示出微镜51的两个旋转自由度及一个平移自由度。包括具有两个旋转自由度52、53，或被独立控制的两个旋转自由度52、53及一个平移自由度54的微镜51的阵列，可制成具有任意形状和/或大小的透镜，或制成包括具有任意形状和/或大小的透镜的透镜阵列。通过形成任意形状和/或大小的透镜，或形成包括具有任意形状和/或大小的透镜的透镜阵列，可任意调变入射光。为此，必须通过控制两个旋转自由度52、53，而使入射光反射至任意方向。也要求各微镜的独立平移54满足相位条件。

在图6至11中，微镜的旋转量可分别通过箭头62、73、83、93、102、112的长度表示，微镜的旋转方向分别通过箭头62、73、83、93、102、112的方向表示。图6示出包括六角形微镜61的变焦圆柱透镜。图7示出包括六角形微镜61的变焦圆形透镜71。通过独立控制具有两个旋转自由度及一个平移自由度的微镜61，可改变变焦圆形透镜71的形状、位置及大小。虽然图6、7示出了六角形微镜61，但也可使用扇形、矩形、方形、及三角形的微镜阵列。包括扇形微镜的阵列适用于轴对称透镜。图8示出了包括矩形微镜82的变焦圆柱透镜81。包括方形或矩形微镜82的阵列对圆柱透镜81这样的围绕平面内单轴的对称透镜是适合的。图9示出了包括三角形微镜92的变焦圆形透镜91。包括三角形微镜92的阵列适用具有任意形状和/或大小的透镜，如包括六角形微镜阵列的透镜。

图10示出包括六角形微镜61的变焦透镜101的阵列。图11示出包括三角形微镜92的变焦透镜111的阵列。图7、9、10、及11中，控制不是一透镜或多个透镜的元件的微镜72，使得由微镜72反射的光线不会对成像或聚焦产生影响。

微镜阵列透镜是调适的光学部件，因为可通过独立控制微镜平移54和/或微镜的旋转52、53，来改变光的相位。调适的光学微镜阵列透镜需要单独可寻址的微镜的二维阵列。为了达成这个目的，必须将微镜与芯片电子元件(on-chip electronics)结合。为此，微镜与微电子电路的晶片级集成(整合)是必要的。

该微镜阵列透镜可校正相位误差，因为调适的光学部件可校正因物体与其图像间的介质所造成的光线相位误差，和/或校正使其图像违背傍轴成像规则的透镜系统的缺陷。例如，通过调整微镜的平移54和/或旋转52、53，微镜阵列透镜可校正因光学倾角所导致的相位误差。

微镜阵列透镜所满足的相同相位条件，包含单色光的假设。因此，为了获得彩色的图像，微镜阵列透镜被控制以分别满足红色、绿色及蓝色(RGB)光每个波长的相同相位条件，且成像系统可使用带通滤波器以产生具有红色、绿色及蓝色(RGB)光波长的单色光。

若彩色光电传感器(color photoelectric sensor)用作成像系统(其使用微镜阵列透镜)中的成像传感器，可通过处理来自红光、绿光、及蓝光(RGB)成像传感器(含或不含带通滤波器)的电信号，而获得彩色图像，该成像传感器应与微镜阵列透镜的控制同步。为了使由物体散射的红光成像，微镜阵列透镜被控制为满足红光的相位条件。在操作期间，红光、绿光、及蓝光成像传感器测量由物体散射的各红光、绿光、及蓝光的强度。在这些色光中，仅红光的强度会储存为图像资料，因为仅红光被正确地成像。为了使绿光或蓝光各自成像，微镜阵列透镜及各成像传感器会与处理红光相同的方式运作(work)。因此，微镜阵列透镜与红光、绿光、及蓝光成像传感器同步。可替换地，通过使用红光、绿光、及蓝光的波长的最小公倍数作为用于相位条件的有效波长，而满足用于彩色成像的相同相位条件。在这种情况下，微镜阵列透镜没有必要单独控制以满足用于红光、绿光、及蓝光各自的相位条件。而是，应满足用于波长的最小公倍数的相位条件。

为了更简单地控制，仅控制各微镜的平移以满足用于红光、绿光、及蓝光中的一种的相位条件，或不控制以满足用于红光、绿光、及蓝光的任何光。即使微镜阵列透镜不被控制为满足所有波长的相位条件，该透镜仍可用作为具有低品质的变焦透镜。

尽管已参照不同具体实施方式，示出和描述了本发明，本领域普通技术人员应了解，在不背离如所附权利要求书所限定的本发明的精神及范围的条件下，对形式、细节、组成及操作可做各种改变。

主要元件符号说明

11，21，31，42微镜阵列透镜

12，44传统反射透镜

13，22，34，41，43，51微镜

23致动部件

32，33任意散射的光线

52，53两个旋转自由度

54一个平移自由度

61六角形微镜

62，73，83，93，102，112梯度箭头

71变焦圆形透镜

72非透镜元件的微镜

81变焦圆柱透镜

82矩形微镜

91包括三角形微镜的变焦圆形透镜

92三角形微镜

101包括六角形微镜的变焦圆形透镜的阵列

111包括三角形微镜的变焦圆形透镜的阵列

Claims (36)

1.一种变焦透镜阵列，包括多个透镜，其中每个透镜包括多个微镜，其中所述透镜是衍射透镜。

2.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的平移受到控制。

3.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的旋转受到控制。

4.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的旋转和平移受到控制。

5.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的两个旋转自由度受到控制。

6.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的两个旋转自由度及一个平移自由度受到控制。

7.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜是独立控制的。

8.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中控制电路系统通过使用微电子制造技术被建构在所述微镜的下方。

9.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的反射表面基本上是平的。

10.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的反射表面具有曲率。

11.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的曲率受到控制。

12.根据权利要求11所述的透镜阵列，其中所述微镜的曲率是通过电热力控制。

13.根据权利要求11所述的透镜阵列，其中所述微镜的曲率是通过静电力控制。

14.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的形状是扇形。

15.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的形状是六角形。

16.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的形状是矩形。

17.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的形状是方形。

18.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的形状是三角形。

19.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜被控制，以改变所述透镜阵列的各透镜的焦距。

20.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所有所述微镜都排列在一平面中。

21.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜被排列为形成一个或多个同心圆，以形成透镜。

22.根据权利要求21所述的透镜阵列，其中位于各个所述同心圆上的所述微镜由与所述同心圆对应的一个或多个电极所控制。

23.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜通过静电力致动。

24.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜通过电磁力致动。

25.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜通过静电力与电磁力致动。

26.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的表面材料是具有高反射性的材料。

27.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜的表面材料是金属。

28.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中支持所述微镜和致动部件的机械结构被设置在所述微镜下面。

29.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜是调适光学部件，其中所述透镜补偿因物体与其图像间的介质所造成的光线相位误差。

30.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜是调适光学部件，其中所述透镜校正像差。

31.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜是调适光学部件，其中所述透镜校正成像系统的缺陷，所述缺陷使所述图像违背傍轴成像的规则。

32.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜是调适光学部件，不位于光学轴上的物体无需肉眼可见的机械移动即可通过所述透镜成像。

33.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜被控制以分别满足红光、绿光及蓝光(RGB)各自波长的相同相位条件，获得彩色图像。

34.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述透镜被控制以满足用于红光、绿光、及蓝光(RGB)中其中一种波长的相同相位条件，获得彩色图像。

35.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中通过采用红光、绿光、及蓝光波长的最小公倍数作为用于相位条件的有效波长，满足彩色成像的相同相位条件。

36.根据权利要求1所述的透镜阵列，其中所述微镜不被控制为满足用于彩色成像的相同相位条件。

Images