專利名稱：變焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變焦(距)透鏡，其包括具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(degree of freedom rotation)以及一個(gè)平移自由度(degree offreedom translation)的微鏡。
背景技術(shù)：
最為廣泛使用的傳統(tǒng)變焦距透鏡系統(tǒng)為使用二個(gè)折射透鏡的系統(tǒng)。其具有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)制以控制二個(gè)折射透鏡的相對位置和緩慢的反應(yīng)時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間，response time)?？商鎿Q地，制造變焦透鏡。變焦透鏡可通過改變透鏡形狀(如同人類眼睛一樣)而制成；這個(gè)方法已用于由各向同性液體制成的透鏡。其它透鏡則用電變焦折射率媒介制成，以產(chǎn)生傳統(tǒng)透鏡或借助于電壓梯度的梯度折射率透鏡(gradient index lens)。電變焦折射率使得透鏡焦距為電壓所控制。在這一類透鏡中，最先進(jìn)的變焦透鏡是液晶變焦透鏡，這具有復(fù)雜的機(jī)制來控制焦距。其焦距可通過調(diào)節(jié)折射率來改變。不幸地，其通常具有緩慢的反應(yīng)時(shí)間(以數(shù)百毫秒級計(jì))。即使最快反應(yīng)的液晶透鏡也需數(shù)十毫秒的反應(yīng)時(shí)間，而其具有較小的焦距變化和較低的聚焦效率。
為了解決傳統(tǒng)焦距透鏡的缺點(diǎn)，提出了快速反應(yīng)的微鏡陣列透鏡。快速反應(yīng)的微鏡陣列透鏡描述在J.Boyd and G.Gho，2003，‘Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens’，Proceeding of SPIE Vol.5055278-286中。該文獻(xiàn)以引用的方式全部并入本文中作為參考。微鏡陣列透鏡主要由多個(gè)微鏡和致動(dòng)零件組成，并且使用較液晶變焦透鏡更為簡單的機(jī)制來控制聚焦系統(tǒng)。微鏡陣列透鏡的焦距會(huì)因各個(gè)微鏡的位移(移動(dòng)，displacement)而改變。然而，該文獻(xiàn)僅描述關(guān)于設(shè)計(jì)和控制的基本概念。本發(fā)明改善了微鏡陣列透鏡的設(shè)計(jì)和控制。本發(fā)明也加強(qiáng)了透鏡的優(yōu)點(diǎn)和適用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明希望解決傳統(tǒng)變焦透鏡的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是，改善微鏡陣列透鏡的設(shè)計(jì)和控制。本發(fā)明強(qiáng)化了透鏡的優(yōu)點(diǎn)和適用性。
傳統(tǒng)的微鏡陣列透鏡描述在J.Boyd and G.Gho，2003，‘Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens’，Proceeding of SPIE Vol.5055278-286中。本發(fā)明用作變焦透鏡，并且由多個(gè)微鏡和多個(gè)致動(dòng)零件(制動(dòng)元件，actuating component)組成，其中微鏡用來反射光線，而致動(dòng)零件用來控制微鏡的位置。各個(gè)微鏡的功能與鏡子相同。因此，微鏡的反射面由金屬、金屬化合物、多層介電材料、或其它具有高反射性的材料制成。許多已知的微型制造工藝(microfabrication process)可使微鏡表面具有較高的反射性。通過使由物體的一點(diǎn)散射的所有光線具有相同相位(periodical phase)并且聚焦于像平面(image plane)的一點(diǎn)，該微鏡陣列用作反射變焦透鏡。為了達(dá)到這個(gè)目的，微鏡能通過致動(dòng)零件進(jìn)行靜電地和/或電磁地控制，以移到所需要的位置。通過控制各個(gè)微鏡的平移與旋轉(zhuǎn)可改變焦距。
通過微鏡的極陣列可形成微鏡陣列透鏡。為了形成極陣列，各個(gè)微鏡的形狀為扇形，以增加有效反射區(qū)，以便增強(qiáng)光效率。使用具有曲率的微鏡可降低微鏡陣列透鏡的像差?？赏ㄟ^在微鏡下設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)而改善微鏡陣列透鏡的光效率以增加有效反射區(qū)(反射面積，reflective area)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)支持微鏡和致動(dòng)零件。操作微鏡的電路可用已知的半導(dǎo)體微電子技術(shù)(如MOS和CMOS)取代。在微鏡陣列下使用(施加)微電子電路，通過移去用于電極墊和電線的必須區(qū)域可增加有效反射區(qū)。透鏡可通過獨(dú)立控制各個(gè)微鏡而校正像差，像差的產(chǎn)生原因是，因物體與其圖像之間的介質(zhì)的光學(xué)影響或透鏡系統(tǒng)的缺陷所造成，后者使得其圖像會(huì)不遵守傍軸成像(paraxial imagery)的原理(規(guī)則)。各個(gè)微鏡的獨(dú)立控制也可通過用已知的MOS或CMOS技術(shù)來取代進(jìn)行控制所需的電路、以及使用已知微型制造方法在微鏡下制造電路來完成。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明特別提供了一種變焦透鏡，其包括多個(gè)具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度的微鏡。通過使用半導(dǎo)體微電子技術(shù)可在微鏡下構(gòu)建控制電路系統(tǒng)。
將所有的微鏡排列于一個(gè)平面(flat plane)，并將微鏡排列成至少一個(gè)(一個(gè)或多個(gè))同心圓以形成透鏡。
各個(gè)同心圓上的微鏡可通過與該同心圓對應(yīng)的至少一個(gè)電極加以控制。
通過相同電極控制具有相同位移(移動(dòng)，displacement)的微鏡。
微鏡的形狀為扇形。
微鏡的反射面基本上是平的。
可替換地，微鏡的反射面具有曲率。微鏡的曲率是可控制的?？赏ㄟ^電熱力(electrothermal force)或靜電力(electrostatic force)來控制微鏡的曲率。
在微鏡下設(shè)置可支持微鏡和致動(dòng)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
微鏡可獨(dú)立地被控制。
該透鏡是調(diào)適(適應(yīng)性，adaptive)的光學(xué)零件，并且該透鏡補(bǔ)償因物體和其圖像之間的介質(zhì)所造成的光線相位誤差、校正像差、校正成像系統(tǒng)的缺陷，其造成圖像不遵守傍軸成像規(guī)則；或不需肉眼可見的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即可通過透鏡使不位于光學(xué)軸上的物體成像。
控制透鏡以分別滿足用于紅光、綠光、和藍(lán)光(RGB)各自波長的相同相位條件(same phase condition)，以獲得彩色圖像。
可替換地，控制透鏡以滿足用于紅光、綠光、和藍(lán)光(RGB)中一種波長的相同相位條件，以獲得彩色圖像。
可替換地，通過將紅光、綠光、和藍(lán)光的最小公倍數(shù)波長用作用于相位條件的有效波長而滿足用于彩色成像的相同相位條件。
微鏡的形狀可以是矩形，以及方形等。
通過靜電力和/或電磁力可致動(dòng)微鏡。
微鏡的表面材料是具有高反射性的材料。微鏡的表面材料包括金屬、以及金屬化合物等。同樣，微鏡的表面可用多層介電材料制成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)因?yàn)楦鱾€(gè)微鏡的重量很輕，所以微鏡陣列透鏡的反應(yīng)時(shí)間很快；(2)因?yàn)榭赏ㄟ^增加微鏡的最大旋轉(zhuǎn)角度而實(shí)現(xiàn)較大數(shù)值的孔徑(光圈，aperture)變化，因而透鏡的焦距變化較大；(3)透鏡的光學(xué)聚焦效率很高；(4)透鏡具有大尺寸孔徑同時(shí)不失去其光學(xué)性能。因?yàn)槲㈢R陣列透鏡由分離的微鏡組成，所以透鏡尺寸的增加并不會(huì)產(chǎn)生因透鏡形狀誤差所造成的像差的增加；(5)因?yàn)榇罅可a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此透鏡的成本低廉；(6)該透鏡可校正像差；(7)該透鏡使聚焦系統(tǒng)更為簡單。
雖然本發(fā)明僅作簡要概述，然而仍可通過附圖、詳細(xì)敘述及其所附權(quán)利要求書來完整了解本發(fā)明。


本發(fā)明的各種特征、觀點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可由參照后面的附圖所示而更加了解，其中圖1的示意圖示出了微鏡陣列透鏡的側(cè)剖面。
圖2的平面示意圖示出了由多個(gè)微鏡和致動(dòng)零件所制成的微鏡陣列透鏡的一種結(jié)構(gòu)。
圖3的示意圖示出了微鏡陣列透鏡如何用作透鏡。
圖4的示意圖示出了包括矩形微鏡的圓柱狀透鏡。
具體實(shí)施例方式
圖1圖示描述了微鏡陣列透鏡11的原理。制成理想的透鏡有二個(gè)條件。第一為會(huì)聚條件(converging condition)，即由物體的一點(diǎn)所散射的所有光線應(yīng)會(huì)聚于像平面的一點(diǎn)。第二為相同相位條件(same phase condition)，即所有會(huì)聚光線在像平面上應(yīng)具有相同相位。為了滿足理想透鏡條件，將傳統(tǒng)反射透鏡12的表面形狀形成為這樣的形狀使物體的一點(diǎn)所散射的所有光線被會(huì)聚至像平面的一點(diǎn)并且使所有會(huì)聚光線的光徑長度相同。
排列于一個(gè)平面的微鏡陣列可滿足成為透鏡的二個(gè)條件。各個(gè)微鏡13可旋轉(zhuǎn)以會(huì)聚散射的光線。如圖1所示，因?yàn)槲㈢R陣列透鏡11的所有微鏡13可以被排列于一個(gè)平面，所以由微鏡旋轉(zhuǎn)所會(huì)聚的光線的光徑長度不同。即使會(huì)聚光線的光徑長度不同，由于光線的相位具有周期性，因此通過調(diào)整相位可滿足相同相位條件。
圖2以平面圖示出了微鏡陣列透鏡21。微鏡22的功能與鏡子相同。因此，微鏡22的反射表面由金屬、金屬化合物、多層介電材料、或具有高反射性(反射率)的其它材料所制成。許多的已知微型制造工藝都可制造具有高反射性的表面。每個(gè)微鏡22如所已知的，通過致動(dòng)零件23靜電地和/或電磁地進(jìn)行控制。使用軸對稱透鏡時(shí)，微鏡陣列透鏡21具有微鏡22的極陣列。每個(gè)微鏡22的形狀都為扇形以增加有效反射區(qū)(反射面積，reflective area)，這增加了光學(xué)效率。微鏡被排列而形成至少一個(gè)(一個(gè)或多個(gè))同心圓，以形成軸對稱透鏡，并且在相同同心圓上的微鏡可通過具有同心圓形狀的相同電極進(jìn)行控制或通過單個(gè)電極分別進(jìn)行控制。
支持各個(gè)反射微鏡22和致動(dòng)零件23的機(jī)械結(jié)構(gòu)被設(shè)置在微鏡22下，以增加有效反射區(qū)。同樣，操作微鏡的電路可用已知的半導(dǎo)體微電子技術(shù)(如MOS和COMS)取代。在微鏡陣列下使用(施加)微電子電路，通過移去(去除)用于電極墊和電線(其用來供應(yīng)致動(dòng)電源)的必要區(qū)域(面積)而增加有效反射區(qū)。
圖3示出了微鏡陣列透鏡31成像的方法(即微鏡陣列透鏡31怎樣成像)。任意散射的光線32、33通過控制微鏡34的位置而會(huì)聚于像平面的一點(diǎn)P。通過平移微鏡34，可將任意光線32、33的相位調(diào)整為相同。所需的平移位移至少為光線波長的一半。
希望每個(gè)微鏡34都具有曲率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反射透鏡12的理想形狀具有曲率。如果平面微鏡的尺寸足夠小，則包括平面微鏡34的透鏡的像差也會(huì)足夠小。這種情況下，微鏡就不需要曲率。
微鏡陣列透鏡31的焦距f可通過控制每個(gè)微鏡34的旋轉(zhuǎn)和平移來改變。
包括扇形微鏡的陣列適用于軸對稱透鏡。圖4示出了包括矩形微鏡42的變焦圓柱狀透鏡41。微鏡的旋轉(zhuǎn)量通過箭頭43的長度表示，并且微鏡的旋轉(zhuǎn)方向通過箭頭43的方向表示。包括方形或矩形微鏡42的陣列適用于關(guān)于平面內(nèi)一個(gè)軸對稱的對稱透鏡，如圓柱狀透鏡41。
微鏡陣列透鏡是調(diào)適(適應(yīng)性，adaptive)的光學(xué)零件，因?yàn)橥ㄟ^獨(dú)立地控制微鏡的平移和旋轉(zhuǎn)可改變光線的相位。調(diào)適的光學(xué)微鏡陣列透鏡需要單個(gè)可尋址微鏡的二維陣列。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須將微鏡與芯片電子(on-chip electronics)結(jié)合。為此，將具有已知微電子電路的微鏡進(jìn)行晶片級集成(wafer-levelintegration)是很必要的。
微鏡陣列透鏡可校正相位誤差，因?yàn)檎{(diào)適的光學(xué)零件可校正因物體與其圖像之間的介質(zhì)所造成的光線相位誤差，和/或校正透鏡系統(tǒng)的缺陷(造成其圖像不遵守傍軸成像的規(guī)則)。例如，通過調(diào)整微鏡的平移和旋轉(zhuǎn)，微鏡陣列透鏡可校正因光學(xué)傾斜(optical tilt)所導(dǎo)致的相位誤差。
微鏡陣列透鏡所滿足的相同相位條件包括假定為單色光。因此，為了獲得彩色圖像，對微鏡陣列透鏡進(jìn)行控制以分別滿足對于紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)光的各個(gè)波長的相同相位條件，并且成像系統(tǒng)可使用帶通濾波器(bandpass filter)以使單色光具有紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)光的波長。
如果將彩色光電傳感器用作成像系統(tǒng)(其使用微鏡陣列透鏡)中的成像傳感器，則通過處理來自紅光、綠光、和藍(lán)光(RGB)成像傳感器(具有或不具有帶通濾波器)的電信號可獲得彩色圖像，其應(yīng)與微鏡陣列透鏡的控制同步。為了使由物體散射的紅光成像，對微鏡陣列透鏡進(jìn)行控制以滿足用于紅光的相位條件。在操作期間，紅光、綠光、和藍(lán)光成像傳感器測量由物體散射的紅光、綠光、以及藍(lán)光各自的強(qiáng)度。在它們之中，僅紅光的強(qiáng)度會(huì)被儲(chǔ)存為圖像數(shù)據(jù)，因?yàn)閮H紅光可正確地成像。為了使綠光或藍(lán)光各自成像，微鏡陣列透鏡以及各個(gè)成像傳感器以與處理紅光的方式一樣運(yùn)行。因此，微鏡陣列透鏡可以與紅光、綠光、以及藍(lán)光成像傳感器同步。可替換地，可通過使用紅光、綠光、以及藍(lán)光的最小公倍數(shù)波長作為用于相位條件的有效波長，而滿足用于彩色成像的相同相位條件。在這種情況下，對微鏡陣列透鏡不一定要進(jìn)行控制以滿足用于紅光、綠光、以及藍(lán)光各自的相位條件。相反，應(yīng)滿足用于最小公倍數(shù)波長的相位條件。
為了更簡易地控制，僅對各個(gè)微鏡的平移進(jìn)行以滿足用于紅光、綠光、以及藍(lán)光中之一的相位條件，或不進(jìn)行控制以滿足用于紅光、綠光、以及藍(lán)光以外的其它光的相位條件。盡管微鏡陣列透鏡因具有多重波長的光線的相位誤差而不能滿足相位條件，但是該透鏡仍可用作具有較低質(zhì)量的變焦透鏡。
雖然已參照不同具體實(shí)施方式
展示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，在不背離由所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍下，可在形式、細(xì)節(jié)、組成和操作上進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種變焦透鏡，包括多個(gè)具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度的微鏡，其中所述微鏡的反射表面用具有高反射率的材料如金屬、金屬化合物、多層介電涂層或其它的高反射性材料制成，其中所述微鏡的所述一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度被控制，以改變所述透鏡的焦距和滿足用于光線的相同相位條件，其中所述透鏡是折射性(菲涅耳)透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中控制電路系統(tǒng)通過使用半導(dǎo)體微電子技術(shù)如MOS和CMOS被構(gòu)建在所述微鏡下面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所有的所述微鏡被排列于一個(gè)平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡被排列以形成至少一個(gè)同心圓而形成所述透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透鏡，其中在每個(gè)所述同心圓上的所述微鏡通過與所述同心圓相對應(yīng)的至少一個(gè)電極加以控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中具有相同位移的所述微鏡被相同電極控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為扇形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的反射面基本上是平的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的反射面具有曲率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率被控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率通過電熱力加以控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率通過靜電力加以控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中支持所述微鏡和致動(dòng)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)被設(shè)置在所述微鏡下面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡被獨(dú)立地控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調(diào)適光學(xué)零件，其中所述透鏡補(bǔ)償因物體與其圖像之間的介質(zhì)所導(dǎo)致的光線相位誤差。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調(diào)適光學(xué)零件，其中所述透鏡校正像差。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調(diào)適光學(xué)零件，其中所述透鏡校正成像系統(tǒng)的使所述圖像不遵守傍軸成像規(guī)則的缺陷。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調(diào)適光學(xué)零件，其中不位于光學(xué)軸上的物體無需肉眼可見的機(jī)械移動(dòng)即可通過所述透鏡成像。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡被控制以分別滿足用于紅光、綠光和藍(lán)光(RGB)各自波長的相同相位條件而獲得彩色圖像。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡被控制以滿足用于紅光、綠光、和藍(lán)光(RGB)中的一種波長的相同相位條件，從而獲得彩色圖像。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中通過將紅光、綠光、以及藍(lán)光的最小公倍數(shù)波長用作用于所述相位條件的有效波長而滿足用于彩色成像的相同相位條件。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為矩形。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為方形。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過靜電力致動(dòng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過電磁力致動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過靜電力和電磁力致動(dòng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料具有高反射性。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料為金屬。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料為金屬化合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面用多層介電材料制成。
全文摘要
一種微鏡陣列透鏡，其由多個(gè)具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度的微鏡及致動(dòng)零件組成。作為反射變焦(距)透鏡，微鏡的陣列使得由物體的一點(diǎn)所散射的所有光線具有相同周期相位并且會(huì)聚于像平面的一點(diǎn)。作為用于透鏡的操作方法，所述致動(dòng)零件靜電地和/或電磁地控制微鏡的位置。通過在微鏡下設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)可增加該微鏡陣列透鏡的光學(xué)效率，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)支持微鏡和致動(dòng)零件。已知的半導(dǎo)體微電子技術(shù)可消除因電極墊和電線所引起的有效反射區(qū)損失。通過獨(dú)立控制各個(gè)微鏡，透鏡可校正像差。通過已知的半導(dǎo)體微電子技術(shù)可獨(dú)立控制各個(gè)微鏡。
文檔編號G02B26/08GK1961240SQ200580017173
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者金泰縣, 白祥鉉 申請人:立體播放有限公司, 埃斯壯有限公司