專利名稱：變焦透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變焦(距)透鏡(variable focal length lens)，其包括具有二個旋轉自由度(degree of freedom rotation)和一個平移自由度(degree of freedom translation)的微鏡。
背景技術：
最為廣泛使用的傳統(tǒng)變焦距透鏡系統(tǒng)為使用二個折射透鏡的系統(tǒng)。其具有復雜的驅動機制以控制二個折射透鏡的相對位置和緩慢的反應時間(響應時間，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，最先進的變焦透鏡是液晶變焦透鏡，這具有復雜的機制來控制焦距。其焦距可通過調節(jié)折射率來改變。不幸地，其通常具有緩慢的反應時間(以數(shù)百毫秒級計)。即使最快反應的液晶透鏡也需數(shù)十毫秒的反應時間，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，提出了快速反應的微鏡陣列透鏡?？焖俜磻奈㈢R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微鏡和致動零件組成，并且使用較液晶變焦透鏡更為簡單的機制來控制聚焦系統(tǒng)。微鏡陣列透鏡的焦距會因各個微鏡的位移(移動，displacement)而改變。然而，該文獻僅描述關于設計和控制的基本概念。本發(fā)明改善了微鏡陣列透鏡的設計和控制。本發(fā)明也加強了透鏡的優(yōu)點和適用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明希望解決傳統(tǒng)變焦透鏡的缺點。
本發(fā)明的目的是，改善微鏡陣列透鏡的設計和控制。本發(fā)明強化了透鏡的優(yōu)點和適用性。
本發(fā)明用作變焦透鏡，并且由多個微鏡和多個致動零件(制動元件，actuating component)組成，其中微鏡用來反射光線，而致動零件用來控制微鏡的位置。各個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(microfabricationprocess)可使微鏡表面具有較高的反射性。通過使由物體的一點散射的所有光線具有相同周期相位(periodical phase)并且聚焦于像平面(image plane)的一點，該微鏡陣列用作反射變焦透鏡。為了達到這個目的，微鏡能通過致動零件進行靜電地和/或電磁地控制，以移到所需要的位置。通過控制各個微鏡的平移與旋轉可改變焦距。
通過微鏡的極陣列(polar array)可形成微鏡陣列透鏡。為了形成極陣列，各個微鏡的形狀為扇形以增加有效反射區(qū)，以便增強光效率。可通過在微鏡下的設置機械結構而改善微鏡陣列透鏡的光效率以增加有效反射區(qū)，其中該機械結構可支持微鏡和致動零件。操作微鏡的電路可用已知的半導體微電子技術(如MOS和CMOS)取代(替代)。在微鏡陣列下使用微電子電路，通過移去用于電極墊和電線的必要區(qū)域可增加有效反射區(qū)。
將微鏡進行排列而形成至少一個(一個或多個)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同心圓形的相同電極來進行控制，或通過已知的半導體微電子技術(如MOS或CMOS)來獨立控制。
希望各個微鏡具有曲率，因為傳統(tǒng)反射透鏡的理想形狀是具有曲率的。如果平面微鏡的尺寸夠小的話，則包括平面微鏡的透鏡的像差也會足夠小。此時，微鏡就不需要曲率了。
透鏡可通過獨立地控制各個微鏡而校正像差，像差的產生原因是由于物體與其圖像之間的介質的光學影響或透鏡系統(tǒng)的缺陷所造成的，后者產生的圖像會不遵守傍軸成像(paraxial imagery)的原理。各個微鏡的獨立控制也可通過用已知的MOS或CMOS技術來取代進行控制所需的電路、以及使用已知微型制造方法在微鏡下制造電路來完成。
包括具有可獨立控制的二個旋轉自由度和一個平移自由度的微鏡的陣列可使得透鏡具有任意的形狀和/或大小。可通過形成任意形狀和/或大小的透鏡來任意調節(jié)(modulate)入射光。為此，需要入射光通過控制二個旋轉自由度和一個平移自由度而偏斜至任意方向。仍需要各個微鏡的獨立平移以滿足相位條件。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)因為各個微鏡的重量很輕，所以微鏡陣列透鏡的反應時間很快；(2)因為可通過增加微鏡的最大旋轉角度而實現(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)透鏡的光學聚焦效率很高；(4)透鏡具有大尺寸孔徑同時不失去其光學性能。因為微鏡陣列透鏡由分離的微鏡組成，所以透鏡尺寸的增加并不會產生因透鏡形狀誤差所造成的像差的增加；(5)因為大量生產的優(yōu)點，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；(8)該透鏡可具有任意的形狀和/或尺寸。
雖然本發(fā)明僅作簡要概述，然而仍可通過附圖、詳細敘述及其所附權利要求書來完整了解本發(fā)明。


本發(fā)明的各種特征、觀點和優(yōu)點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剖面。
圖2的平面示意圖示出了由多個微鏡和致動零件所制成的微鏡陣列透鏡的一種結構。
圖3的示意圖示出了微鏡陣列透鏡如何用作透鏡。
圖4的示意圖示出了微鏡的二個旋轉軸和一個平移軸。
圖5a-5b的示意圖示出了包括六角形微鏡的透鏡。
圖6的示意圖示出了包括矩形微鏡的圓柱狀透鏡。
圖7的示意圖示出了包括三角形微鏡的圓形透鏡。
具體實施例方式
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條件。第一為會聚條件(converging condition)，即由物體的一點所散射的所有光線應會聚于像平面的一點。第二為相同相位條件(same phase condition)，即所有會聚光線在像平面上應具有相同相位。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所散射的所有光線被會聚至像平面的一點并且使所有會聚光線的光徑長度相同。
排列于一個平面的微鏡陣列可滿足成為透鏡的二個條件。各個微鏡13可旋轉以會聚散射的光線。如圖1所示，因為微鏡陣列透鏡11的所有微鏡13可以被排列于一個平面，所以由微鏡旋轉所會聚的光線的光徑長度不同。即使會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。每個微鏡22如所已知的，通過致動零件23靜電地和/或電磁地進行控制。使用軸對稱透鏡時，微鏡陣列透鏡21具有微鏡22的極陣列。每個微鏡22的形狀都為扇形以增加有效反射區(qū)(反射面積，reflective area)，這增加了光學效率。微鏡被排列而形成至少一個(一個或多個)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相同電極來控制或獨立地通過已知半導體微電子技術(如MOS或CMOS)來控制。
支持各個反射微鏡22和致動零件23的機械結構被設置在微鏡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體微電子技術(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(去除)用于電極墊和電線(其用來供應致動電源)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的位置而會聚于像平面的一點P。通過平移微鏡34，可將任意光線32、33的相位調整為相同。所需的平移位移至少為光線波長的一半。
希望每個微鏡34都具有曲率，因為傳統(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可通過控制每個微鏡34的旋轉和平移來改變。
圖4示出了微鏡41的二個旋轉自由度和一個平移自由度。包括具有二個獨立控制的旋轉自由度42、43和一個平移自由度44的微鏡41(其獨立地被控制)的陣列，可使得透鏡具有任意形狀和尺寸。通過形成任意形狀和/或尺寸的透鏡可任意調節(jié)入射光。為此，需要入射光通過控制二個旋轉自由度42、43而偏斜至任意方向。每一微鏡的獨立平移44也需要滿足相位條件。
在圖5a、5b、6以及7中，微鏡的旋轉量可通過箭頭52的長度表示，并且代表微鏡旋轉方向的輪廓梯度方向(profile gradientdirection)可通過箭頭52的方向表示。圖5a示出了包括六角形(六邊形)微鏡51的變焦圓柱形透鏡。圖5b示出了包括六角形微鏡51的變焦圓形透鏡53。變焦圓形透鏡53的形狀、位置和大小可通過獨立控制具有二個旋轉自由度(DOF)和一個平移自由度(DOF)的微鏡51而改變。在圖5b和圖7中，對不是透鏡元件的微鏡55進行控制，以使由微鏡55反射的光對成像或聚焦沒有影響。
盡管圖5a-5b示出了六角形微鏡51，然而也可以使用扇形、矩形、正方形和三角形的微鏡陣列。包括扇形微鏡的陣列適用于軸對稱透鏡。圖6示出了包括矩形微鏡62的變焦圓柱狀透鏡61。包括方形或矩形微鏡62的陣列適用于關于平面內一個軸對稱的對稱透鏡，如圓柱狀透鏡61。具有相同旋轉的微鏡可通過相同電極進行控制，或通過已知的半導體微電子技術(如MOS或CMOS)獨立地進行控制。
圖7示出了包括三角形微鏡72的變焦圓形透鏡。與包括六角形微鏡的陣列一樣，包括三角形微鏡72的陣列適用于具有任意形狀和/或尺寸的透鏡。
微鏡陣列透鏡是調適(適應性，adaptive)的光學零件，因為通過獨立地控制微鏡的平移44和旋轉42、43可改變光線的相位。調適的光學微鏡陣列透鏡需要單個可尋址微鏡的二維陣列。為了達到這個目的，必須將微鏡與芯片電子(on-chip electronics)結合。為此，將具有已知微電子電路的微鏡進行晶片級(晶圓級，wafer-level)集成是很必要的。
微鏡陣列透鏡可校正相位誤差，因為調適的光學零件可校正因物體與其圖像之間的介質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，通過調整微鏡的平移44和旋轉42、43，微鏡陣列透鏡可校正因光學傾斜(optical tilt)所導致的相位誤差。
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，對微鏡陣列透鏡進行控制以分別滿足對于紅色、綠色和藍色(RGB)光的各個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、和藍光成像傳感器測量由物體散射的紅光、綠光、以及藍光各自的強度。在它們之中，僅紅光的強度會被儲存為圖像數(shù)據(jù)，因為僅紅光可正確地成像。為了使綠光或藍光各自成像，微鏡陣列透鏡以及各個成像傳感器以與處理紅光的方式一樣運行。因此，微鏡陣列透鏡可以與紅光、綠光、以及藍光成像傳感器同步?？商鎿Q地，可通過使用紅光、綠光、以及藍光的最小公倍數(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行控制以滿足用于紅光、綠光、以及藍光各自的相位條件。相反，應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，僅對各個微鏡的平移進行以滿足用于紅光、綠光、以及藍光中之一的相位條件，或不進行控制以滿足用于紅光、綠光、以及藍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量的變焦透鏡。
雖然已參照不同具體實施方式
展示和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應當了解，在不背離由所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍下，可在形式、細節(jié)、組成和操作上進行各種改變。
權利要求
1.一種變焦透鏡，包括多個具有二個旋轉自由度和一個平移自由度的微鏡，其中所述微鏡的二個旋轉自由度和一個平移自由度被控制，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)權利要求1所述的透鏡，其中全部所述微鏡都被排列于一個平面。
3.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡被排列以形成至少一個同心圓而形成所述透鏡。
4.根據(jù)權利要求3所述的透鏡，其中在每個所述同心圓上的所述微鏡通過與所述同心圓相對應的至少一個電極加以控制。
5.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中具有相同位移的所述微鏡被相同電極所控制。
6.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為扇形。
7.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀是六角形。
8.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為矩形。
9.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為方形。
10.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的形狀為三角形。
11.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的反射面基本上是平的。
12.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中控制電路系統(tǒng)通過使用半導體微電子技術被構建在所述微鏡下面。
13.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過靜電力致動。
14.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過電磁力致動。
15.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡通過靜電力和電磁力致動。
16.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中支持所述微鏡和致動零件的機械結構被設置在所述微鏡下面。
17.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡被獨立地控制。
18.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的反射面具有曲率。
19.根據(jù)權利要求18所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率被控制。
20.根據(jù)權利要求19所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率通過電熱力加以控制。
21.根據(jù)權利要求19所述的透鏡，其中所述微鏡的曲率通過靜電力加以控制。
22.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料是具有高反射性的材料。
23.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料是金屬。
24.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面材料是金屬化合物。
25.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述微鏡的表面由多層介電材料制成。
26.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調適光學零件，其中所述透鏡補償因物體與其圖像之間的介質所導致的光線相位誤差。
27.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調適光學零件，其中所述透鏡校正像差。
28.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調適光學零件，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。
29.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡是調適光學零件，其中不位于光學軸上的物體無需肉眼可見的機械移動即可通過所述透鏡成像。
30.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡被控制以分別滿足用于紅光、綠光和藍光(RGB)各自波長的相同相位條件而獲得彩色圖像。
31.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡被控制以滿足用于紅光、綠光、和藍光(RGB)中的一種波長的相同相位條件，從而獲得彩色圖像。
32.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中通過將紅光、綠光、以及藍光的最小公倍數(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。
33.根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡被控制以滿足用于以獲得彩色圖像的紅光、綠光、和藍光(RGB)中任一波長的相同相位條件。
全文摘要
一種微鏡陣列透鏡，其由多個具有二個旋轉自由度和一個平移自由度的微鏡以及致動零件所組成。所述微鏡的陣列使所有由物體的一點散射的所有光線具有相同相位，并且會聚于像平面的一點。所述致動零件以靜電方法和/或電磁方法控制微鏡的位置。通過在微鏡下設置機械結構可增加該微鏡陣列透鏡的光效率，其中機械結構可支持微鏡和致動零件。半導體顯微電子技術可消除因電極墊和電線所造成的有效反射區(qū)損失。通過獨立控制各個微鏡，該透鏡可校正像差。通過已知的半導體顯微電子技術可獨立控制各個微鏡。該微鏡陣列也可形成具有希望的任意形狀和/或大小的透鏡。
文檔編號G02B26/06GK1961239SQ200580017172
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權日2004年5月27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