用于光學(xué)系統(tǒng)的mems可變光闌和用于調(diào)節(jié)其孔徑大小的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于光學(xué)系統(tǒng)的MEMS可變光闌和用于調(diào)節(jié)其孔徑大小的 方法
[0001] 領(lǐng)域和背景
[0002] 本發(fā)明涉及用于光學(xué)系統(tǒng)的MEMS可變光闌（iris diaphragm)和用于調(diào)節(jié)其孔徑 大小的方法。
[0003] 可變光闌是光學(xué)系統(tǒng)中使用的基本組件。具體地，可變光闌包括大小可調(diào)的孔徑， 以允許光通量、視場(chǎng)和景深被控制以及使得光散射能夠被防止，從而帶來(lái)圖像質(zhì)量的改善。 因此，孔徑大小的可調(diào)諧性是任何可變光闌的重要特性。近些年來(lái)，智能電話和平板PC的 普遍使用已經(jīng)觸發(fā)了對(duì)微型化相機(jī)的重大研宄興趣。從而，適用于微型化相機(jī)的、基于微機(jī) 電系統(tǒng)（MEMS)的可變孔徑相應(yīng)地受到更多關(guān)注和為更多人感興趣。
[0004] 在宏觀光學(xué)系統(tǒng)中，可變光闌的孔徑是由多個(gè)葉片（blade)形成的，這些葉片以 連續(xù)重疊的布置方式限定多邊形開(kāi)口；通過(guò)旋轉(zhuǎn)這些葉片從而允許它們相互錯(cuò)開(kāi)（slide over)，能夠使該開(kāi)口擴(kuò)大或收縮（即，參見(jiàn)圖1)。然而，實(shí)現(xiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)的微型化是困 難的。
[0005] 微型孔徑領(lǐng)域所報(bào)道的一項(xiàng)較早的工作涉及使用圖2中所示的平面滑動(dòng)葉片的 設(shè)計(jì)，其中這些滑動(dòng)葉片是由微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)在平面內(nèi)平移來(lái)擴(kuò)大孔徑202的（參見(jiàn)從圖2a 到2b的轉(zhuǎn)變）。這種設(shè)計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于微致動(dòng)器（大小通常大于ΙΟμπι)的行程 限制而僅能夠提供小于100 μπι的有限的孔徑直徑調(diào)整范圍。因此，盡管由于光纖模場(chǎng)的直 徑通常限于僅幾十μπι所以該設(shè)計(jì)可用于光纖可調(diào)式光衰減器（VOA)應(yīng)用，但是該設(shè)計(jì)不 適用于大多數(shù)商用微型化相機(jī)，這些相機(jī)的鏡頭直徑通常在2mm到3mm之間。
[0006] 為克服有限的孔徑調(diào)整范圍問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)適用于微型相機(jī)的可調(diào)孔徑器件，另一設(shè) 計(jì)嘗試基于光流體（OPtofluidic)平臺(tái)開(kāi)發(fā)可變光學(xué)孔徑?？勺兛讖绞鞘褂镁鄱谆柩?烷（PDMS)軟光刻制造而成的，并在小室中的光吸收染料由可變形PDMS膜通過(guò)氣泵壓向側(cè) 面時(shí)進(jìn)行調(diào)諧，如圖3所示。所示的設(shè)計(jì)使得孔徑直徑調(diào)諧范圍能夠?qū)崿F(xiàn)從Omm到6. 35mm。 后續(xù)還開(kāi)發(fā)了利用介電力、壓電致動(dòng)和毛細(xì)力的若干其它光流體平臺(tái)設(shè)計(jì)。然而，雖然如 此，基于可調(diào)孔徑設(shè)計(jì)的光流體平臺(tái)有其缺點(diǎn)，比如，器件封裝復(fù)雜（例如，液體泄漏和蒸 發(fā)）、振動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性問(wèn)題以及對(duì)所使用的類(lèi)型的流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的相關(guān)復(fù)雜性。
[0007] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是至少解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題之一和/或提供本領(lǐng)域可用 的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于光學(xué)系統(tǒng)的MEMS可變光闌。該MEMS可變光 闌包括：至少兩層光闌結(jié)構(gòu)，每層光闌結(jié)構(gòu)具有懸接（suspended)葉片元件，這些懸接葉片 元件有角度地彼此隔開(kāi)，至少兩層葉片元件被布置為彼此重疊并相互協(xié)作以限定允許光通 過(guò)的孔徑；以及旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備，該旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備被布置為使得所述至少兩層中的至少一些 葉片元件圍繞它們各自的軸線以非接觸方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以改變孔徑的大小。
[0009] 所提出的MEMS可變光闌的優(yōu)點(diǎn)包括：由于在設(shè)備操作過(guò)程中同一層或不同層的 旋轉(zhuǎn)葉片之間無(wú)滑動(dòng)或彼此不接觸，從而消除了可能導(dǎo)致不希望的旋轉(zhuǎn)葉片磨損的摩擦的 生成，因此具有增加的設(shè)備使用壽命。此外，MEMS可變光闌是基于非流體的，這降低了設(shè)備 封裝和系統(tǒng)集成的復(fù)雜性，而且大大易于對(duì)孔徑進(jìn)行致動(dòng)。另外，MEMS可變光闌具有大的 毫米量級(jí)的孔徑直徑調(diào)整范圍，并且具有大約幾毫秒的相對(duì)較快的反應(yīng)時(shí)間。
[0010] 優(yōu)選地，每個(gè)葉片元件可以在一端被懸接到共同的基板?？商娲?，每層的葉片元 件可以在一端被懸接到不同的基板。此外，旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備可以包括多個(gè)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器，每個(gè)致 動(dòng)器被布置為旋轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)葉片元件。
[0011] 優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備可以包括單個(gè)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器，該單個(gè)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)全部旋 轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步優(yōu)選地，每層光闌結(jié)構(gòu)可以具有至少兩個(gè)葉片元件。另外，孔徑可以是 多邊形的。更具體地，多邊形可以是八邊形或六邊形。
[0012] 優(yōu)選地，每個(gè)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器可以是靜電梳齒驅(qū)動(dòng)（comb-drive)致動(dòng)器。此外，旋轉(zhuǎn) 致動(dòng)設(shè)備和葉片元件可以被布置在共同基板上。可選地，旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備和葉片元件可以優(yōu) 選地被布置在各自的不同基板上。要理解的是，孔徑的大小可以優(yōu)選地在5mm的最大直徑 和Omm的最小直徑之間變化。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選地，每個(gè)葉片元件可以被配置有基本上直的邊。可替代地，每個(gè)葉片元 件還可以被配置有彎曲的邊。
[0014] 優(yōu)選地，每個(gè)葉片元件可以包括用于附接到旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備的延伸臂?？商娲兀?個(gè)葉片元件可以被直接附連到旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備。
[0015] 另外，至少兩層光闌結(jié)構(gòu)可以優(yōu)選地包括第一層和第二層，其中第一層具有奇數(shù) 個(gè)葉片元件，并且第二層具有偶數(shù)個(gè)葉片元件。應(yīng)當(dāng)理解的是，第一層可以是相對(duì)于第二層 的"頂"層或"底"層?？商娲?，第一層和第二層可以都具有奇數(shù)個(gè)葉片元件或者可以都 具有偶數(shù)個(gè)葉片元件。
[0016] 還考慮了至少一些葉片元件被旋轉(zhuǎn)以調(diào)整孔徑大小，或者旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備被布置為 旋轉(zhuǎn)所述至少兩層中的每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片。
[0017] 根據(jù)本公開(kāi)的第二方面，提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括本發(fā)明的第一方 面的MEMS可變光闌。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了對(duì)用于光學(xué)系統(tǒng)的MEMS可變光闌的孔徑的大小 進(jìn)行調(diào)整的方法，其中，MEMS可變光闌包括至少兩層光闌結(jié)構(gòu)，每層光闌結(jié)構(gòu)具有懸接的葉 片元件，這些懸接葉片元件有角度地彼此隔開(kāi)，至少兩層葉片元件被布置為彼此重疊并相 互協(xié)作以限定允許光通過(guò)的孔徑。該方法包括由旋轉(zhuǎn)致動(dòng)設(shè)備使得至少兩層中的至少一些 葉片元件圍繞它們各自的軸線以非接觸方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以改變孔徑的大小。
[0019] 顯然，與本發(fā)明的一方面相關(guān)的特征也可以適用于本發(fā)明的其它方面。
[0020] 通過(guò)參照后文描述的實(shí)施例進(jìn)行闡述，可以了解本發(fā)明的這些和其它方面。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 后文參照附圖公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例，其中：
[0022] 圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)可變光闌；
[0023] 圖2a和2b描繪了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)微型孔徑的操作，該傳統(tǒng)微型孔徑具有單 層平面平移滑動(dòng)葉片；
[0024] 圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于可變光孔徑的光流體平臺(tái)；
[0025] 圖4a和4b是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例示出了 MEMS可變光闌的俯視圖的示意圖；
[0026] 圖5a是描繪圖4的MEMS可變光闌的第二層旋轉(zhuǎn)葉片的俯視圖的示意圖；
[0027] 圖5b描繪圖4的MEMS可變光闌的孔徑的孔徑大小是如何限定的；
[0028] 圖5c描繪形成圖4的MEMS可變光闌的每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的葉片旋轉(zhuǎn)角度是如何限定 的；
[0029] 圖6a是示出了圖4的MEMS可變光闌的詳細(xì)操作的示意圖；
[0030] 圖6b是示出了孔徑調(diào)整比"dmax/dmin"和設(shè)計(jì)比"a/b"之間的關(guān)系的圖表，該圖表 是參照?qǐng)D6a在不同最大葉片旋轉(zhuǎn)角" a _"處繪制的；
[0031] 圖7a到7c示出了圖4的MEMS可變光闌的實(shí)現(xiàn)方式，其由兩個(gè)MEMS芯片組裝而 成；
[0032] 圖8是旋轉(zhuǎn)葉片和相關(guān)聯(lián)的MEMS旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器的示意圖；
[0033] 圖9是用于構(gòu)成圖4的MEMS可變光闌的組裝MEMS芯片的一部分的放大顯微圖像， 并且插圖示出了完整的組裝MEMS芯片的顯微圖像；
[0034] 圖10是示出了基于圖7c的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式的組裝樣機(jī)的性能結(jié)果的圖表；以及
[0035] 圖Ila是根據(jù)第二實(shí)施例的基于單個(gè)MEMS芯片設(shè)計(jì)的MEMS可變光闌的示意圖， 且圖Ilb是圖Ila的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 根據(jù)第一實(shí)施例，圖4a不意性地不出了用于光學(xué)系統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)可變 光闌400, MEMS可變光