專利名稱：包括微鏡的可變焦距透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括多個(gè)微鏡的可變焦距透鏡，其中可控制該微鏡 的^走轉(zhuǎn)、平移、或》走轉(zhuǎn)及平移。
背景技術(shù)：
最為廣泛-使用的傳統(tǒng)可變焦距系統(tǒng)4吏用兩個(gè)4斤射透4竟。它具有 復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以控制折射透鏡的相對位置及緩慢的反應(yīng)時(shí)間。 換句話說，已制造出可變焦距透鏡?？勺兘咕嗤哥R可通過改變透鏡 形狀(如同人類眼睛一般)而制成，此方法已用在以各向同性液體 制成的透4竟中。
其它透鏡已用電可變折射率介質(zhì)制成，以通過電壓梯度而形成 傳統(tǒng)透鏡或梯度系數(shù)透鏡。電可變折射率使得透鏡焦距可為電壓所 控制。在這一類的透鏡中，最先進(jìn)的可變焦距透鏡是液晶可變焦距 透鏡，它具有復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來控制焦距。其焦距通過調(diào)節(jié)折射率來改 變。不幸地，它具有緩慢的反應(yīng)時(shí)間，通常是數(shù)百毫秒級。即使最 快反應(yīng)的液晶透鏡亦須數(shù)十亳秒的反應(yīng)時(shí)間，它具有較'J、的焦距變 化及較低的聚焦效率。
為了解決傳統(tǒng)焦距透鏡的缺點(diǎn)，故提出快速反應(yīng)的微鏡陣列透
鏡?？焖俜磻?yīng)的微鏡陣列透鏡的細(xì)節(jié)描述于J. Boyd及G. Cho于 2003年出版的 "Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens"， Proceeding ofSPIE巻5055: 278-286頁。該文獻(xiàn)全部內(nèi)容 結(jié)合于此以供參考。微鏡陣列透鏡主要由多個(gè)孩史鏡及驅(qū)動(dòng)元件所組 成，且使用比液晶可變焦距透鏡更為簡單的機(jī)構(gòu)來控制聚焦系統(tǒng)。 微鏡陣列透鏡的焦距會(huì)因各微鏡的替換而改變。但是，該文獻(xiàn)僅描 述關(guān)于設(shè)計(jì)及控制的基本觀念。本發(fā)明改進(jìn)了微鏡陣列透鏡的設(shè)計(jì) 及控制。本發(fā)明擴(kuò)展了透鏡的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明:欲解決傳統(tǒng)可變焦距透4竟的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)樣"竟陣列透鏡的設(shè)計(jì)及控制。本發(fā)明擴(kuò)展 了透鏡的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。
本發(fā)明作為可變焦距透鏡，且由許多用以反光的微鏡及多個(gè)用 以控制微鏡位置的驅(qū)動(dòng)元件所組成。各微鏡具有與鏡子相同的功
能。因此，該微鏡的反射面由以下制造金屬、金屬化合物、多層 介電材料、或諸如涂上多層介電材料的鋁的其它具有高反射性的材 料、涂上抗氧化劑的鋁、涂上多層介電材料的4艮、涂上抗氧化劑的 銀、金、及涂上多層介電材料的金。許多已知的微制程可使微鏡表 面具有較高的反射性。微鏡陣列通過使由一物體之一點(diǎn)散射的所有 光具有相同的周期相位且聚焦于成^f象平面的一點(diǎn)，而作為反射可變 焦距透鏡而工作。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，通過驅(qū)動(dòng)元件而靜電地和/ 或電磁地控制微鏡，以具有期望位置。通過控制各微鏡的平移與旋 轉(zhuǎn)，可改變透4竟的焦3巨。
通過樣丈鏡的極(polar )陣列可形成孩史鏡陣列透鏡。對于極陣列， 各微鏡具有一扇形形狀以增加有效反射區(qū)，以便增強(qiáng)光效率?？赏?過設(shè)置一機(jī)械結(jié)構(gòu)而提高微鏡陣列透鏡的光效率，以增加有效反射 區(qū)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可支持微鏡及微鏡底下的驅(qū)動(dòng)元件。操作微鏡的電 路可用已知的半導(dǎo)體孩i電子4支術(shù)(如，MOS及CMOS)取代。在 孩史鏡陣列底下應(yīng)用樣史電子電路，可通過移去用于電才及墊(electrode pad)及電線的必須區(qū)域而增加有效反射區(qū)。
樣史鏡被配置成形成一個(gè)或多個(gè)同心圓以形成軸對稱透鏡，且相 同同心圓上的翁t鏡可通過具有同心圓形的相同電才及來控制，或通過 已知的半導(dǎo)體樣史電子^支術(shù)(如，MOS或CMOS)來獨(dú)立4空制。而 且，微鏡被配置成形成一個(gè)或多個(gè)橢圓，且相同橢圓上的微鏡可通 過具有橢圓形的相同電極來控制，或獨(dú)立控制。
期望各微鏡具有曲率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反射透鏡的理想形狀具有曲 率。若平面微鏡的尺寸足夠小，包括平面微鏡的透鏡的像差亦會(huì)很 小。這種情況下，微鏡就不需要曲率。
透鏡可通過獨(dú)立控制各微鏡而校正像差，像差的產(chǎn)生原因是， 因物體與其像間的介質(zhì)的光學(xué)效應(yīng)或透鏡系統(tǒng)的缺陷所造成，透鏡
系統(tǒng)的缺陷使產(chǎn)生的像偏離近軸成像法則。各微鏡的獨(dú)立控制，也
可通過以已知的MOS或CMOS技術(shù)取代控制所需的電路以及使用 已知的孩史制造方法在孩i鏡之下制造電路來實(shí)現(xiàn)。
包括具有可獨(dú)立控制的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度及一平移自由度的微 4竟的陣列，可4吏一透4竟具有任意的形狀和/或大小?？赏ㄟ^形成〗壬意 形狀和/或大小的透鏡，來任意調(diào)節(jié)入射光。為了實(shí)現(xiàn)此目的，必須 通過控制兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度及一平移自由度，而使入射光偏斜至任意 方向。也需要各微鏡的獨(dú)立平移以滿足相位條件。
在某些應(yīng)用如在透鏡相對于系統(tǒng)光軸的傾斜配置中，優(yōu)選地， 獨(dú)立控制透鏡的微鏡，其中該透鏡包括具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，或兩 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度及一平移自由度的微鏡，并且該樣"竟被沿著橢圓而配 置，且被沿著透鏡的橢圓而配置的電極所控制，該透鏡包括具有一 旋轉(zhuǎn)自由度，或一旋轉(zhuǎn)自由度及一平移自由度的微鏡。
此外，該樣H竟可配置在具有一預(yù)定曲率的曲面中而不是平面 中，以利于通過透鏡的小旋轉(zhuǎn)獲得大數(shù)值孔徑。
在一改進(jìn)中，電極可由具有高電導(dǎo)率的材料(優(yōu)選地是金屬) 所制造，以減少電線的電阻。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)因?yàn)楦魑㈢R的質(zhì)量很小，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)大數(shù)值孔徑變化，故透鏡具有大的焦距變化；(3)透鏡具有
高的光學(xué)聚焦效率；(4)透鏡可具有大孔徑，且不損失光學(xué)性能。 因?yàn)槲㈢R陣列透鏡由分離的微鏡所組成，透鏡尺寸的增加并不會(huì)造 成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)， 所以透鏡的成本低廉；(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/或大小。
雖然僅簡要概述本發(fā)明，然而仍可通過后面的附圖、詳細(xì)描述 及所附權(quán)利要求來完整了解本發(fā)明。


本發(fā)明的這些及其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)可通過參照附圖而更加 了解，其中
圖1是示出了微鏡陣列透鏡的剖面?zhèn)纫晥D的第一實(shí)施例的示意
圖2是示出了由許多微鏡及驅(qū)動(dòng)元件所制成的微鏡陣列透鏡的 多種結(jié)構(gòu)之一的平面示意圖3是示出了孩么鏡陣列透鏡如何作用為透鏡的示意圖4是示出了微鏡的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸及一平移軸的示意圖5(a)-5(b)是示出了包括六角形孩吏鏡的透鏡的示意圖6是示出了包括矩形孩史鏡的圓柱形透鏡的示意圖7是示出了包括三角形微鏡的圓形透鏡的示意圖8是示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡的剖面?zhèn)纫晥D的第二實(shí)施例的 示意圖9是示出了包括只具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的微鏡的微鏡陣列透 4竟如4可作用為透4竟的示意圖10是示出了包括只具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的凝:鏡及驅(qū)動(dòng)元件 的圓形微鏡陣列透鏡的平面示意圖11是示出了包括矩形^效鏡的圓柱形透鏡的示意圖12是示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡的剖面?zhèn)纫晥D的第三實(shí)施例 的示意圖13是示出了包括具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的微鏡的微鏡陣列透 4竟如<可作用為透4竟的示意圖14是示出了由許多棉t鏡及驅(qū)動(dòng)元件所制成的微鏡陣列透鏡 的多種結(jié)構(gòu)之 一 的平面示意圖15是示出了微鏡的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的示意圖16(a)-16(b)是示出了包括六角形微鏡的透鏡的示意圖17是示出了包括矩形微鏡的圓柱形透鏡的示意圖18是示出了包括三角形凝 鏡的圓形透4竟的示意圖19是示出了微鏡陣列透鏡的剖面?zhèn)纫晥D的第四實(shí)施例的示 意圖20是示出了由許多微鏡及驅(qū)動(dòng)元件所制成的微鏡陣列透鏡 的多種結(jié)構(gòu)之一的平面示意圖21是示出了孩"竟陣列透4竟如何作用為透4竟的示意圖22是示出了包括矩形微鏡的圓柱形透鏡的示意圖23是示出了能通過菲涅耳(Fresnel)衍射理"i侖而聚焦的區(qū) ^反的第五實(shí)施例的示意圖24是示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡如何作用為透鏡的示意圖25是示出了使用菲涅耳衍射的微鏡陣列透鏡的平面及剖面 的示意圖26是示出了樣t鏡陣列透鏡的多種結(jié)構(gòu)之一的示意圖27是示出了包括具有純平移的微鏡的微鏡陣列透鏡的剖面 側(cè)一見圖的示意圖28是示出了包括具有純平移的六角形微鏡的微鏡陣列透鏡 的實(shí)例的示意圖29是示出了位于曲面上的一微鏡陣列透鏡的剖面?zhèn)纫晥D的 示意圖30是示出了具有配置在橢圓上的微鏡及電極的微鏡陣列透 4竟的平面示意圖；及
圖31是示出了包括分段電極的微鏡的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下美國專利申請,申請?zhí)?0/855,554、 10/855,715、 10/855,287、 10/857,796、 10/857,714、 10/857,280、 10/872,241、及10/893,039等，
其全部內(nèi)容結(jié)合于此以供參考。
第一實(shí)施例如圖1至7所示。
圖1示出了微鏡陣列透鏡111的原理。欲制成理想的透鏡有兩 個(gè)條件。第一個(gè)為會(huì)聚條件，即由一物體的一點(diǎn)所散射的所有光應(yīng) 會(huì)聚于成像面的一點(diǎn)。第二個(gè)為相同相位條件，即所有會(huì)聚光在成
4象面上應(yīng)具有相同相位。為了滿足該理想透4竟條件，傳統(tǒng)反射透鎮(zhèn): 112的表面形狀被形成為使由 一物體的一點(diǎn)所散射的所有光會(huì)聚至 成像面的一點(diǎn)，且使所有會(huì)聚光的光程長度相同。
配置在平面的微鏡陣列可滿足兩個(gè)條件而成為一透鏡。各微鏡
113旋轉(zhuǎn)以會(huì)聚散射的光。因?yàn)槲㈢R陣列透鏡111的所有微鏡113 如圖l所示配置于平面中，所以通過孩"竟旋轉(zhuǎn)所會(huì)聚的光的光程長 度會(huì)不同。即使會(huì)聚光的光程長度不同，因?yàn)楣獾南辔痪哂兄芷谛裕?所以通過調(diào)整相位可滿足相同的相位條件。
圖2示出了微鏡陣列透鏡121的平面圖。微鏡122具有與鏡子 相同的功能。因此，微鏡122的反射表面是以金屬、金屬化合物、 多層介電材料、或具有高反射性的其它材料所制成。許多已知的微 制程可制造具有高反射性的表面。各孩i鏡122如已知的一樣，通過 驅(qū)動(dòng)元件123而被靜電地和/或電》茲地控制。在軸對稱透4竟情況下， 樣"竟陣列透鏡121具有樣i鏡122的極陣列。各微鏡122具有扇形形 狀以增加有效反射區(qū)，這增加了光效率。該孩"竟配置為形成一個(gè)或 多個(gè)同心圓，以形成軸對稱透4竟，且在相同同心圓上的凝:鏡可通過 相同電才及來控制，或通過已知的半導(dǎo)體4效電子4支術(shù)(如，MOS或 CMOS)而獨(dú)立4空制。
支持各反射孩史鏡122及驅(qū)動(dòng)元件123的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置于微鏡 122下面，以增加有效反射區(qū)。而且，操作樹:鏡的電路可用已知的 半導(dǎo)體微電子技術(shù)(如，MOS及COMS)取代。在微鏡陣列底下
應(yīng)用微電子電路，可通過移去用于電極墊及電線(其用于供應(yīng)驅(qū)動(dòng) 電源)的必須區(qū)域，而增加有效反射區(qū)。
圖3示出了微鏡陣列透鏡131如何成像。任意散射的光132、 133通過控制微鏡134的位置而被會(huì)聚于成像面的一點(diǎn)P。通過平 移微鏡134可將任意光132、 133的相位調(diào)整為相同。所需的平移 位移至少為光波長的 一半。
期望各孩"竟134具有一曲率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反射透4竟112的理想形 狀具有一曲率。若平面微鏡的尺寸足夠小，則包括平面微鏡134的
透鏡的像差亦很小。此時(shí)，微鏡就不需要曲率。
微鏡陣列透鏡131的焦距f可通過控制各微鏡134的旋轉(zhuǎn)及平 移來改變。
圖4示出了微鏡141的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度及一平移自由度。包括 具有獨(dú)立控制的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度142、 143及一平移自由度144的 樣"竟141的陣列可形成具有4壬意形狀和/或大小的透4竟?？赏ㄟ^形成 任意形狀和/或大小的透鏡而任意調(diào)節(jié)入射光。為了實(shí)現(xiàn)此目的，必 須通過控制兩個(gè)^走轉(zhuǎn)自由度142、 143而將入射光偏殺牛至一任意方 向。各微鏡的獨(dú)立平移144亦必須滿足相位條件。
在圖5(a)、 5(b)、 6及7中，孩"竟的i走轉(zhuǎn)量由箭頭152的長度表 示，且呈現(xiàn)樣t鏡旋轉(zhuǎn)方向的外形梯度方向由箭頭152的方向表示。 圖5(a)顯示包括六角形微鏡151的可變焦距圓柱形透鏡。圖5(b)顯 示包4舌六角形獨(dú)H竟151的可變焦距圓形透4竟153。可變焦距圓形透 鏡153的形狀、位置及大小，可通過獨(dú)立控制具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度 及一個(gè)平移自由度的樣"竟151而改變。在圖5(b)及7中，控制非透 鏡元件的微鏡以使由微鏡155反射的光不影響成像或聚焦。
即使圖5(a)-5(b)顯示了六角形微鏡151，也可使用扇形、矩形、 正方形、或三角形的樣i鏡陣列。包括扇形微鏡的陣列適用于軸對稱 透鏡。圖6顯示包括矩形孩i鏡162的可變焦距圓柱形透鏡161。包 ^括正方形或矩形孩炎4竟162的陣列適用于相對于平面中一個(gè)軸對稱、的 透鏡，如圓柱形透鏡161。具有相同旋轉(zhuǎn)的微鏡可通過相同電才及來 控制，或通過已知的半導(dǎo)體樣i電子^支術(shù)(如，MOS或CMOS)而 獨(dú)立控制。
圖7顯示包括三角形微鏡172的可變焦距圓形透鏡171。如同 包括六角形微鏡的陣列一樣，包括三角形微鏡172的陣列適用于具 有任意形狀和/或大小的透鏡。
微鏡陣列透鏡是自適應(yīng)的光學(xué)元件，因?yàn)榭赏ㄟ^獨(dú)立控制樣吏4竟 的平移144及旋轉(zhuǎn)142、 143而改變光的相位。自適應(yīng)的光學(xué)孩吏4竟 陣列透鏡需要單獨(dú)地尋址微鏡的二維陣列。為實(shí)現(xiàn)此目的，必須將 微鏡與芯片上電子結(jié)合。為實(shí)現(xiàn)此目的，具有已知的微電子電3各的 晶圓級孩支鏡整合是必要的。
微鏡陣列透鏡可校正相位誤差，因?yàn)樽赃m應(yīng)的光學(xué)元件可4交正 因物體與其像間的介質(zhì)所造成的光相位誤差，和/或校正透鏡系統(tǒng)的 缺陷，透鏡系統(tǒng)的缺陷使其像偏離近軸成像的法則。例如，通過調(diào) 整樣i鏡的平移144及旋轉(zhuǎn)142、 143，微鏡陣列透4竟可沖交正因光學(xué)傾 斜所導(dǎo)致的相位誤差。
微鏡陣列透鏡所滿足的相同相位條件包含單色光的假設(shè)。因 此，為了獲得彩色圖像，控制微鏡陣列透鏡以分別滿足紅、綠及藍(lán) (RGB)各波長的相同相位條件，且成像系統(tǒng)可使用帶通濾波器， 以制造具有紅、綠及藍(lán)(RGB)波長的單色光。
若彩色光電傳感器用做成像系統(tǒng)(其使用微鏡陣列透鏡)中的
成像傳感器，則可通過處理來自紅光、綠光、及藍(lán)光(RGB)成傳_ 傳感器(含或不含帶通濾波器)的電信號(hào)而獲得彩色圖像，該成傳_ 傳感器應(yīng)與微鏡陣列透鏡的控制同步化。為了使從一物體散射的紅 光成像，控制微鏡陣列透鏡以滿足紅光的相位條件。在操作期間， 紅光、綠光、及藍(lán)光成像傳感器測量從一物散射的各紅光、綠光、 及藍(lán)光的強(qiáng)度。在這些色光中，僅紅光的強(qiáng)度儲(chǔ)存為圖像數(shù)據(jù)，因 為僅紅光被適當(dāng)?shù)爻上?。為了使各綠光或藍(lán)光成像，微鏡陣列透鏡 及各成像傳感器會(huì)與處理紅光一樣的操作。因此，微鏡陣列透4竟與 紅光、綠光、及藍(lán)光成4象傳感器同步?？蛇x地，通過4吏用紅光、縛: 光、及藍(lán)光波長的最小公倍數(shù)，作為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。在此情況下，不必控制微鏡陣列透 鏡以個(gè)別地滿足各紅光、綠光、及藍(lán)光的相位條件。相反地，應(yīng)滿 足波長的最小公倍數(shù)的相位條件。
為了更簡易地控制，僅控制各微鏡的平移以滿足紅光、綠光、 及藍(lán)光中之一的相位條件，或不控制以滿足紅光、綠光、及藍(lán)光以 外的任何其它光。即使微鏡陣列透鏡因具有多重波長的光的相位誤 差，而無法滿足相位條件，該透鏡仍可用作為具有低質(zhì)量的可變焦 距透鏡。
一種可變焦距透鏡的第二實(shí)施例，該可變焦距透鏡包括具有一 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的多個(gè)孩"竟，如圖8至11所示。
圖8示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡211、傳統(tǒng)反射透鏡212、及孩史 鏡213 (其對應(yīng)第一實(shí)施例的圖1)的原理。
圖9示出了包括具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的微鏡的微鏡陣列透鏡 221如何成像。通過控制微鏡224的位置而將任意散射的光222、 223會(huì)聚于成^f象面的一點(diǎn)P。不調(diào)整4壬意光222、 223的相位以滿足
相同的相位條件。即使不滿足相位條件，仍可得到低質(zhì)量的成j象或 聚焦。
圖io示出了包括具有一旋轉(zhuǎn)自由度的多個(gè)微鏡的圓形微^:陣
列透鏡231的平面圖。所有凝:鏡配置在一平面中，因?yàn)樗鼈兪怯梢?知的孩i制程制造的。
期望各微鏡232具有一曲率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反射透鏡212的理想形 狀具有一曲率。根據(jù)透鏡的焦距變化，應(yīng)該控制微鏡的曲率。通過 電熱力或靜電力而驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件232控制樣M竟的曲率。若平面孩史 鏡的尺寸足夠小，則包括平面微鏡232的微鏡陣列透鏡233的<象差 亦4艮小。此時(shí)，孩"竟就不需要曲率。
圖11顯示包4舌矩形孩M竟242的可變焦-巨圓斗主形透4竟241。
一種可變焦距透鏡的第三實(shí)施例，該可變焦距透鏡包括具有兩 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的多個(gè)微鏡，如圖12至18所示。
圖12示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡311、傳統(tǒng)反射透鏡312、及孩i 4竟313 (其對應(yīng)描述的第一實(shí)施例的圖1)的原理。
圖13示出了包括具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的微鏡的微鏡陣列透鏡 321如何成像。通過控制微鏡324的位置而將任意散射的光322、 323會(huì)聚于成像面的一點(diǎn)P。不調(diào)整任意光322、 323的相位以滿足
相同的相位條件。即使不滿足相位條件，仍可得到低質(zhì)量的成^f象或 聚焦。
期望各微鏡324具有一曲率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反射透鏡312的理想形 狀具有一曲率。根據(jù)透鏡的焦距變化，應(yīng)該控制微鏡的曲率。通過 已知的電熱力或靜電力而控制微鏡的曲率。若平面微鏡的尺寸足夠 小，則包括平面微鏡324的透鏡的像差也很小。這種情況下，樣"竟
就不需要曲率。通過控制各孩"竟324的兩個(gè)茲:轉(zhuǎn)自由度可改變樣"竟 陣列透4竟321的焦距f。
圖14示出了圓形微鏡陣列透鏡331、微鏡332、驅(qū)動(dòng)元件333 (其對應(yīng)第一實(shí)施例的圖2)的平面一見圖。所有孩"竟配置在一平面 中，因?yàn)樗峭ㄟ^傳統(tǒng)^f效制程制造的。
圖15顯示微鏡341的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。包括具有被獨(dú)立地控 制的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度342、 343的多個(gè)孩吏鏡341的陣列可根據(jù)期望 而制造具有任意形狀和/或大小的透鏡。通過形成任意形狀和/或大 小的透鏡可任意調(diào)節(jié)入射光。為了實(shí)現(xiàn)此目的，必須通過控制兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)自由度342、 343而將入射光偏斜至期望的任意方向。
在圖16(a)、 16(b)、 17及18中，微鏡的旋轉(zhuǎn)量由箭頭352的長 度表示，微鏡的旋轉(zhuǎn)方向由箭頭352的方向表示。圖16(a)顯示包括 六角形孩"竟351的可變焦距圓柱形透4竟。圖16(b)顯示包括六角形 樣吏4竟351的可變焦距圓形透鏡353。可變焦距圓形透4竟353的形4犬、 位置及大小可通過獨(dú)立控制具有兩個(gè)^走轉(zhuǎn)的孩"竟351而改變。在圖 16(b)及18中，控制非透鏡元件的微鏡355以使由微鏡355反射的 光不影響成像或聚焦。
圖17顯示包括矩形孩i鏡362的可變焦距圓柱形透鏡361。包4舌 方形或矩形微鏡362的陣列適用于相對于平面中一個(gè)軸對稱的透 鏡，如圓柱形透鏡361。具有相同旋轉(zhuǎn)的微鏡可通過相同電極來控 制，或通過單個(gè)電才及而獨(dú)立控制。
圖18顯示包括三角形微鏡372的可變焦距圓形透鏡371。
一種可變焦3巨透4竟的第四實(shí)施例，該可變焦3巨透4竟包括具有一 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度及一個(gè)平移自由度的多個(gè)微鏡，如圖19至22所示。
圖19示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡411、傳統(tǒng)反射透鏡412、及樣吏 4竟413 (其對應(yīng)描述的第一實(shí)施例的圖1)的原理。
圖20示出了微鏡陣列透鏡421、微鏡422、及驅(qū)動(dòng)元件423 (其 對應(yīng)描述的第一實(shí)施例的圖2)的平面^L圖。
圖21示出了孩i鏡陣列透鏡431如何成像、任意散射的光432、 433、及凝:鏡434 (其對應(yīng)描述的第一實(shí)施例的圖3)。
圖22顯示包括矩形微鏡442的可變焦距圓柱形透鏡441(其對
應(yīng)第一實(shí)施例的圖6)。
此實(shí)施例中的微鏡陣列透鏡是自適應(yīng)的光學(xué)元件，因?yàn)榭赏ㄟ^ 類似于第一實(shí)施例地獨(dú)立地控制微鏡的平移及旋轉(zhuǎn)而改變光的相位。
如同第一實(shí)施例一樣，對于單色光及紅光、綠光、及藍(lán)光，相 同的相位條件也適用。
一種可變焦距透鏡的第五實(shí)施例，該可變焦距透鏡包括具有一 個(gè)平移自由度的多個(gè)微鏡，如圖23所示。
圖23顯示多個(gè)區(qū)板?；疑珔^(qū)(區(qū)域)511是阻止光的區(qū)。在圖 23(a)中，在左邊的板，光于偶數(shù)區(qū)域中被阻止，在圖23(b)中，在 右邊的板，光于奇數(shù)區(qū)域中被阻止。但是兩板具有相同的焦點(diǎn)及強(qiáng) 度。每一區(qū)域具有相同的面積，而且每一相鄰區(qū)域與焦點(diǎn)之間的光 程長度(OPL)差是半波長。通過改變區(qū)域的寬度而改變焦距。
圖24示出了傳統(tǒng)孩t鏡陣列透鏡的原理，如同第一實(shí)施例的圖 1。圖24也示出了傳統(tǒng)微鏡陣列透鏡521如何成像，如同第一實(shí)施 例的圖3。 圖25(a)顯示包括奇數(shù)及偶數(shù)區(qū)板531的透鏡。為了補(bǔ)償兩區(qū)才反 之間的半波長相位差，而平移奇#:區(qū)域532。整個(gè)表面由可沿著平 面的法線軸平移的微鏡組成。因?yàn)槲㈢R反射光，所以微鏡的必要平 移距離是四分之一波長以產(chǎn)生半波長相位差。
圖26顯示樣i鏡陣列透鏡541、微鏡542、及驅(qū)動(dòng)元件543的平 面內(nèi)^L圖的實(shí)例，3o同圖2的第一實(shí)施例。
通過精細(xì)控制各微鏡551的平移運(yùn)動(dòng)，可得到進(jìn)一步改進(jìn)的4象。 圖27以圖形顯示它。沿著透鏡的徑向軸，各區(qū)域包括數(shù)個(gè)微鏡552。 由于區(qū)域中的相位變化是7T弧度，所以透鏡的像差極大。若更^r準(zhǔn) 地控制各微鏡的大小，則可減少透鏡的像差。
獨(dú)立控制的微鏡可根據(jù)期望而形成具有任意形狀和/或大小的 透鏡。通過形成任意形狀和/或大小的透鏡可任意地調(diào)節(jié)入射光。為 了實(shí)現(xiàn)此目的，必須通過獨(dú)立控制各孩M竟的平移而將入射光偏殺牛至 期望的任意方向。
圖28顯示包括六角形微鏡561的微鏡陣列透鏡562的實(shí)例。 各孩M竟561的白灰色表示大的平移，而各微鏡561的暗灰色表示小 的平移?？刂品峭哥R元件的微鏡563以使由微鏡563反射的光不影 響成像或聚焦，或是較小地影響成像或聚焦。
可使用扇形、矩形、正方形、或三角形的微鏡陣列作為微鏡透 鏡。包括扇形微鏡的陣列適用于軸對稱透鏡。包括正方形或矩形孩吏 4竟的陣列適用于相對于平面內(nèi)的 一個(gè)軸對稱的透4竟，如圓柱形透 鏡。包括三角形微鏡的陣列適用于具有期望的任意形狀和/或大小的 透4竟的透4竟，如包4舌六角形孩"竟的陣列。
此實(shí)施例中的微鏡陣列透鏡也是自適應(yīng)的光學(xué)元件，因?yàn)橥ㄟ^ 類似于第 一 實(shí)施例地獨(dú)立地控制微鏡的平移及旋轉(zhuǎn)可改變光的相位。
如同第一實(shí)施例一樣，對于單色光及紅光、綠光、及藍(lán)光，相 同的相位條件也適用。
在上述五個(gè)實(shí)施例中，通過引入一些修改可大幅改進(jìn)透鏡。
在五個(gè)實(shí)施例的可變焦距透鏡中，所有微鏡113配置在如圖1 所示的一平面112中。然而，為了得到微鏡陣列透鏡的大數(shù)值孔徑， 需要微鏡旋轉(zhuǎn)大角度，而這是極困難的。若微鏡613配置在如圖29 所示具有預(yù)定曲率的曲面612或具有預(yù)定焦點(diǎn)的拋物面中，即可克
月艮此困難。
在其它改進(jìn)中，電極線的材料可以是高導(dǎo)電性的材料，優(yōu)選的 是金屬。于是，可減少電阻，且更方便地將電壓供應(yīng)到微鏡的電才及。
在其它改進(jìn)中，可增加微鏡的反射性，方法是使用涂上多層介 電材料的鋁、涂上抗氧化劑的鋁、涂上多層介電材料的銀、涂上抗 氧化劑的銀、金、或涂上多層介電材料的金。在可見光的光譜范圍 中，鋁具有高度反射性，而且可容易及Y更宜地制造。在可見光的光 語范圍中，銀具有極高的反射性。鋁、銀、及金的多層介電涂層進(jìn) 一步增加反射性。而且，可^f吏用抗氧化劑涂層以避免鋁或銀隨著時(shí)
間而氧4b。
在又一改進(jìn)中，可變焦距透4竟是一種自適應(yīng)的光學(xué)元件。由于 透鏡是反射型，所以需要相對于像而傾斜地配置透鏡，而這是^f象差 的原因。通過個(gè)別地控制微鏡，當(dāng)物體不在光軸上時(shí)，透鏡即可才交 正像差。
在SPIE文獻(xiàn)及上述實(shí)施例中，透鏡是軸對稱而且電極沿著同 心圓而配置。在某些應(yīng)用如在透4竟相對于系統(tǒng)光軸的傾斜配置中， 優(yōu)選地獨(dú)立控制具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的樣"竟，或樣"竟凈皮沿著橢圓而 配置，且被沿著橢圓而配置的電極所控制。在圖30中，微鏡732 配置成形成一個(gè)或多個(gè)橢圓731以形成透4竟。同一橢圓上的微4竟#: 相同電才及控制，如同在軸對稱透4竟中一樣。
圖31顯示一種4吏用分#炎電才及860的分離控制微鏡(DCM)。與 傳統(tǒng)靜電纟鼓鏡相比，此實(shí)施例包括具有不同面積、位置、及分離電 壓的分段電極860。此實(shí)施例除了與用于控制電路的已知微電子才支 術(shù)兼容以外，具有與傳統(tǒng)靜電微鏡相同的缺點(diǎn)。通過適當(dāng)?shù)慕M合具 有不同面積、位置、及分離電壓的分段電極860,孩M竟861可具有 期望的三個(gè)自由度。
雖然已參照不同實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，本4頁域技術(shù)人員 應(yīng)該了解，在不脫離如所附權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神及范圍 的情況下，可在形式、細(xì)節(jié)、組成及纟喿作上做種種改變。
權(quán)利要求
1.一種包括多個(gè)微鏡的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡中的每一個(gè)被控制以改變所述透鏡的焦距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的一個(gè) 平移自由度被控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的一個(gè) 旋轉(zhuǎn)自由度一皮控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述孩i鏡的一個(gè) 旋轉(zhuǎn)自由度及一個(gè)平移自由度被控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)自由度被控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)自由度及一個(gè)平移自由度被控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡被獨(dú)立 地控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡包括多 個(gè)分段電極，其中所述分段電極確定所述微鏡的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的可變焦距透鏡，其中，所述電極線由 高電導(dǎo)率材料制造。
10. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的可變焦距透鏡，其中，所述電極線由 金屬制造。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，控制電路系統(tǒng)通 過使用微電子制造技術(shù)被構(gòu)造在所述微鏡之下。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的反射 面基本上是平的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的反射 面具有一曲率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述揭L鏡的曲率 被控制。
15. 才艮據(jù)權(quán)利要求17所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的曲 率由電熱力控制。
16. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的曲 率由靜電力控制。
17. 4艮據(jù)4又利要求1所述的可變焦距透4竟，其中，所述賴:4竟具有扇 形形狀。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡具有六 角形形狀。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡具有矩 形形習(xí)犬。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述孩吏鏡具有正 方形形狀。
21. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述纟鼓4竟具有三 角形形狀。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡全部配 置于一平面中。
23. 4艮據(jù)片又利要求1所述的可變焦距透4竟，其中，所述孩M竟全部配 置于具有預(yù)定曲率的曲面中。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡配置成 形成一個(gè)或多個(gè)同心圓以形成透4^:。
25. 4艮據(jù)斥又利要求27所述的可變焦距透4竟，其中，在所述每個(gè)同 心圓上的所述樣M竟由對應(yīng)于所述同心圓的 一個(gè)或多個(gè)電才及進(jìn) 行控制。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，微鏡配置成形成 一個(gè)或多個(gè)橢圓以形成透4竟。
27. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的可變焦距透鏡，其中，在同一橢圓上 的微鏡由所述相同電極進(jìn)行控制。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡由靜電 力馬區(qū)動(dòng)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中所述微鏡由電磁力 驅(qū)動(dòng)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中所述微鏡由靜電力 和電》茲力馬區(qū)動(dòng)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表面 材料具有高反射性。
32. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材料是金屬。
33. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材料包括涂有多層介電材料的鋁。
34. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材料包括涂有抗氧化劑的鋁。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材料包括涂有多層介電材料的銀。
36. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材泮牛包括涂有抗氧化劑的4艮。
37. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表面 材料包括金。
38. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡的表 面材料包括涂有多層介電材料的金。
39. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，在所述微鏡之下 設(shè)置有支持所述微鏡及驅(qū)動(dòng)元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡是一 自 適應(yīng)光學(xué)元件，其中，所述透鏡補(bǔ)償因一物體與其像間的介質(zhì) 所導(dǎo)致的光相位誤差。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡是一 自 適應(yīng)光學(xué)元件，其中，所述透鏡校正像差。
42. 沖艮據(jù)^又利要求1所述的可變焦距透4竟，其中，所述透4竟是一 自 適應(yīng)光學(xué)元件，其中，所述透鏡校正使所述像偏離近軸成像法 則的成像系統(tǒng)的缺陷。
43. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡是一自 適應(yīng)光學(xué)元件，其中，無須肉眼可見的枳4戒運(yùn)動(dòng)，即可通過所 述透鏡使不位于所述光軸上的物體成像。
44. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡是一 自 適應(yīng)光學(xué)元件，其中，當(dāng)所述物體不位于所述光軸上時(shí)，所述 透鏡可通過個(gè)別控制所述微鏡而校正像差。
45. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡被控制 以分別滿足紅、綠及藍(lán)(RGB)的各個(gè)波長的相同相位條件， 以獲得彩色圖像。
46. 4艮據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述透鏡被控制 以滿足紅、綠、及藍(lán)(RGB)中的一個(gè)波長的所述相同相位 條件，以獲得彩色圖像。
47. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，通過使用紅光、 綠光、及藍(lán)光波長的最小7>倍數(shù)作為所述相位條件的有效波 長，以滿足彩色成像的相同相位條件。
48. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變焦距透鏡，其中，所述微鏡不被控 制以滿足彩色成^象的所述相同相位條件。
全文摘要
一種可變焦距透鏡(121)，由具有旋轉(zhuǎn)自由度和/或平移自由度的許多微鏡(122)及多個(gè)驅(qū)動(dòng)元件組成。關(guān)于透鏡的操作方法，該驅(qū)動(dòng)元件靜電地和/或電磁地控制微鏡(122)的位置。通過在微鏡之下設(shè)置一支持微鏡及驅(qū)動(dòng)元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可增加可變焦距透鏡的光學(xué)效率。通過獨(dú)立控制各微鏡，透鏡(121)可校正像差。透鏡(121)也可以具有期望的任意形狀和/或大小。微鏡(122)配置在一平面或具有一預(yù)定曲率的曲面中。確定微鏡位置的電極可由高導(dǎo)電材料(優(yōu)選地是金屬)制造。微鏡的表面材料是由諸如涂有多層介電材料或抗氧化劑的鋁、銀、及金的高反射性材料制成。
文檔編號(hào)G02B26/10GK101099102SQ200580046112
公開日2008年1月2日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者白祥鉉, 金泰縣 申請人:立體播放有限公司;埃斯壯有限公司