專利名稱：一種基于mems微鏡的光學(xué)掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)掃描裝置，尤其涉及一種基于MEMS (Micro-Electro-Mechanic System,微機(jī)電系統(tǒng))微鏡的光學(xué)掃描裝置。
背景技術(shù)：
[0002]光學(xué)掃描裝置目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、投影儀、光譜儀及圖形碼閱讀器等領(lǐng) 域。例如，醫(yī)學(xué)成像中所使用的掃描探頭。微型化是光學(xué)掃描裝置的主要發(fā)展趨勢(shì)，MEMS 微鏡由于其所具有的結(jié)構(gòu)精巧、控制簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微型化的光學(xué)掃描裝 置，因此，基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置已成為目前微型光學(xué)掃描技術(shù)的主流。[0003]MEMS微鏡的基本原理為通過(guò)微機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精確控制微鏡鏡面旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力， 實(shí)現(xiàn)精確控制微鏡鏡面的旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到精確控制光線的傳播方向。MEMS微鏡概括起 來(lái)主要由三部分組成(如圖1所示):邊框C、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)B、鏡面A。其中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)B用于連接 鏡面A與邊框C并驅(qū)動(dòng)鏡面A旋轉(zhuǎn)進(jìn)而控制入射到鏡面上的光的反射方向?，F(xiàn)有MEMS微 鏡根據(jù)鏡面可旋轉(zhuǎn)方向可分為一維和二維MEMS微鏡，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同又可分為靜電驅(qū) 動(dòng)型、電磁驅(qū)動(dòng)型、電熱驅(qū)動(dòng)型及壓電驅(qū)動(dòng)型等種類?；贛EMS微鏡的光學(xué)掃描裝置通常 包括光學(xué)準(zhǔn)直器(例如格林透鏡、微透鏡等)和MEMS微鏡,有的還包括用于保護(hù)各光學(xué)器件 的套管，套管上設(shè)置有光線出射窗口。光源發(fā)出的入射光線經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，由MEMS 微鏡反射至目標(biāo)樣本，通過(guò)控制MEMS微鏡鏡面的旋轉(zhuǎn)，改變反射光線的方向，即可實(shí)現(xiàn)對(duì) 目標(biāo)樣本的掃描。[0004]然而，MEMS微鏡雖然不同的設(shè)計(jì)有不同的性能，但是現(xiàn)階段MEMS微鏡的轉(zhuǎn)角受材 料、工藝或者成本等因素的限制，其轉(zhuǎn)角較小(通常小于30度)，因此掃描范圍較小，大角度 掃描(特別是側(cè)向圓周掃描)很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于MEMS微鏡的入射光線與反射光線的方向 不同，要實(shí)現(xiàn)MEMS微鏡的前向掃描也十分困難。[0005]綜上所述，現(xiàn)有基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置由于受MEMS微鏡性能的限制，普遍 存在掃描范圍小、光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不足。實(shí)用新型內(nèi)容[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于MEMS 微鏡的光學(xué)掃描裝置，具有更大掃描范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低廉。[0007]本實(shí)用新型具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題[0008]—種基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,包括光學(xué)準(zhǔn)直器和MEMS微鏡,光源發(fā)出的 入射光線經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，由MEMS微鏡反射；光源與MEMS微鏡之間的光路上設(shè)置有一 反射鏡；該反射鏡的中間部分中空或透明，可供入射光線正常通過(guò)；該反射鏡的外圈為反 射鏡面，將MEMS微鏡反射的光線反射至掃描樣本。[0009]上述技術(shù)方案中，反射鏡可設(shè)置于光源與光學(xué)準(zhǔn)直器之間，也可設(shè)置于光學(xué)準(zhǔn)直 器與MEMS微鏡之間，只要能使入射光線正常通過(guò)并反射MEMS微鏡反射的光線即可，但為了使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，本實(shí)用新型優(yōu)選以下方案所述反射鏡中間部分中空，中空部分的形 狀尺寸與所述光學(xué)準(zhǔn)直器的外部形狀尺寸相適應(yīng)，反射鏡通過(guò)中空部分套于光學(xué)準(zhǔn)直器外 部。[0010]本實(shí)用新型中反射鏡的鏡面可根據(jù)實(shí)際需要采用各種可行的設(shè)計(jì)，以下是幾種具 體優(yōu)選方案[0011]優(yōu)選方案一、所述反射鏡外圈的反射鏡面整體為一個(gè)半圓錐形；根據(jù)欲掃描樣本 位置的不同，所述半圓錐形的錐口可以指向MEMS微鏡，也可以指向光源。[0012]優(yōu)選方案二、所述反射鏡外圈的反射鏡面整體為由兩個(gè)平行平面對(duì)橢球體進(jìn)行切 割得到的部分橢球體，兩個(gè)平行平面平行于橢球體的長(zhǎng)軸或短軸。[0013]優(yōu)選方案三、所述反射鏡外圈的反射鏡面整體包括至少兩個(gè)同軸的半圓錐形。[0014]二維MEMS微鏡包含兩個(gè)獨(dú)立可控的轉(zhuǎn)軸，通過(guò)事先編程，給每個(gè)軸以一定的方式 周期電壓信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)不同圖形的重復(fù)掃描。分別施加不同頻率的三角波或者正玄波，可 實(shí)現(xiàn)光柵掃描。分別施加正弦信號(hào)與余弦信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)圓周掃描。本實(shí)用新型中的MEMS 微鏡優(yōu)選二維MEMS微鏡，從而可實(shí)現(xiàn)側(cè)向/前向圓周掃描。[0015]本實(shí)用新型中可以采用各種現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)方式的MEMS微鏡，但考慮到通常的MEMS微 鏡需要連接導(dǎo)線，會(huì)對(duì)光路產(chǎn)生遮擋，雖不影響整體掃描效果，但會(huì)犧牲少量掃描面積。該 問(wèn)題可以利用透明導(dǎo)線來(lái)解決，本實(shí)用新型優(yōu)選采用無(wú)線驅(qū)動(dòng)的MEMS微鏡，例如RF驅(qū)動(dòng)的 MEMS微鏡，或者通過(guò)在MEMS微鏡末端安裝電池實(shí)現(xiàn)無(wú)線驅(qū)動(dòng)。[0016]本實(shí)用新型通過(guò)附加一個(gè)反射鏡，將MEMS微鏡反射的光線再次反射，偏轉(zhuǎn)至掃描 樣本，有效擴(kuò)展了掃描范圍，并可通過(guò)反射鏡鏡面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向圓周掃描和前向圓周掃 描。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有更廣的掃描范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低廉。


[0017]圖1為一種現(xiàn)有二維MEMS微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，其中A為鏡面，B為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，C為 邊框；[0018]圖2為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置實(shí)現(xiàn)側(cè)向圓周掃描的原理示意圖；[0019]圖3為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置實(shí)現(xiàn)前向圓周掃描的原理示意圖；[0020]圖4 (a)至圖4 (e)分別為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置中反射鏡鏡面的幾種不同設(shè) 計(jì)的橫剖面；[0021]圖5為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置實(shí)施例一的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖6為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置實(shí)施例二的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖7為本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置實(shí)施例三的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]圖中各標(biāo)號(hào)含義1為光學(xué)準(zhǔn)直器，2為反射鏡，3為MEMS微鏡，4為套管，5為出射 窗口，6為透明支柱。
具體實(shí)施方式
[0025]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明[0026]本實(shí)用新型的思路是針對(duì)MEMS微鏡掃描范圍小的不足，利用一反射鏡對(duì)MEMS微 鏡的反射光進(jìn)行二次反射，從而有效擴(kuò)大掃描范圍；通過(guò)適當(dāng)?shù)姆瓷溏R鏡面設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的側(cè)向圓周掃描和前向圓周掃描。[0027]由于該反射鏡需要反射MEMS微鏡反射出的光線，因此應(yīng)設(shè)置于光源與MEMS微鏡 之間的光路上；為了不對(duì)入射光線形成遮擋，該反射鏡分為兩部分中間部分中空或透明， 可供入射光線正常通過(guò)；外圈為反射鏡面。這樣，通過(guò)MEMS微鏡小幅度的旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)較 大角度的掃描。為了使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，本實(shí)用新型優(yōu)選以下方案反射鏡中間部分中 空，中空部分的形狀尺寸與光學(xué)準(zhǔn)直器的外部形狀尺寸相適應(yīng)，反射鏡通過(guò)中空部分套于 光學(xué)準(zhǔn)直器外部。圖2和圖3分別顯示了本實(shí)用新型裝置實(shí)現(xiàn)側(cè)向圓周掃描和前向圓周掃 描的原理，如圖所示，入射光線穿過(guò)反射鏡中空或透明部分，并經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器(例如格林透 鏡、微透鏡等)準(zhǔn)直，照射在MEMS微鏡鏡面上，反射鏡外圈的反射鏡面將MEMS微鏡鏡面反射 的光線向側(cè)向或前向二次反射，通過(guò)控制MEMS微鏡的旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)側(cè)向圓周掃描和前向 圓周掃描。[0028]本實(shí)用新型中反射鏡鏡面的設(shè)計(jì)決定了整個(gè)裝置的掃描方向和掃描范圍，因此可 根據(jù)實(shí)際掃描需要靈活設(shè)計(jì)不同的鏡面輪廓。反射鏡面剖截面可以為斜線形、弧形或者其 它不規(guī)則形狀，圖4 (a)至圖4 (e)分別顯示了本實(shí)用新型光學(xué)掃描裝置中反射鏡鏡面的幾 種不同設(shè)計(jì)的橫剖面；這幾種設(shè)計(jì)均為軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，鏡面的俯視圖呈圓環(huán)狀。其中圖4 (a) 和圖4 (C)所示的設(shè)計(jì)中，反射鏡鏡面整體為一個(gè)半圓錐形，圖4 (a)中半圓錐形的錐口指 向MEMS微鏡，圖4 (c)中半圓錐形的錐口指向光源；圖4 (b)和圖4 (d)所示的設(shè)計(jì)中，反 射鏡外圈的反射鏡面整體為由兩個(gè)平行平面對(duì)橢球體進(jìn)行切割得到的部分橢球體，兩個(gè)平 行平面平行于橢球體的長(zhǎng)軸或短軸；本實(shí)用新型的反射鏡鏡面還可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上同 軸的半圓錐形或者部分橢球體組成，圖4 (e)的設(shè)計(jì)中，反射鏡鏡面即由兩個(gè)同軸的半圓錐 形構(gòu)成。當(dāng)然，鏡面還可以采用其它可行的各種設(shè)計(jì)，例如，也可將鏡面設(shè)計(jì)為方形漏斗狀， 漏斗口部指向MEMS微鏡，或者反之，指向光源。[0029]為了便于公眾進(jìn)一步理解，下面以三個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行 詳細(xì)說(shuō)明。[0030]實(shí)施例一、[0031]本實(shí)施例中的光學(xué)掃描裝置，如圖5所不,包括光學(xué)準(zhǔn)直器1、反射鏡2、MEMS微 鏡3、套管4、出射窗口 5。為了防止對(duì)光路遮擋，并實(shí)現(xiàn)圓周掃描，本實(shí)施例中MEMS微鏡為 不需要導(dǎo)線連接的電磁驅(qū)動(dòng)型二維MEMS微鏡。為了使結(jié)構(gòu)更緊湊，如圖7所示，反射鏡2 的中間部分中空，中空部分的形狀尺寸與所述光學(xué)準(zhǔn)直器的外部形狀尺寸相適應(yīng)，反射鏡2 通過(guò)該中空部分套于光學(xué)準(zhǔn)直器I外部。反射鏡2的鏡面整體為一個(gè)錐口指向MEMS微鏡 3的半圓錐形。光學(xué)準(zhǔn)直器1、反射鏡2和MEMS微鏡3均密封于套管4中，以對(duì)各光學(xué)器件 進(jìn)行保護(hù)，其中，MEMS微鏡3直接固定于套管4頭部?jī)?nèi)壁上。如圖所示，套管4上對(duì)應(yīng)于光 線射出的位置設(shè)置有透明的出射窗口 5，由于本實(shí)施例中反射鏡2將光線向側(cè)向反射，因此 出射窗口 5為位于套管4側(cè)壁上的環(huán)形窗口。而且為了補(bǔ)償反射光線的發(fā)散，出射窗口 5 的透明玻璃設(shè)計(jì)為向內(nèi)凹的弧形。[0032]光源從左側(cè)發(fā)出的入射光，經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器I準(zhǔn)直并穿過(guò)反射鏡2后，射在MEMS微 鏡3的鏡面上，MEMS微鏡3的鏡面將光線反射至反射鏡2外圈的反射鏡面上，反射鏡2外 圈的反射鏡面再透過(guò)出射窗口 5將光線反射至側(cè)向的樣本上。按照現(xiàn)有控制方法控制MEMS 微鏡3進(jìn)行圓周掃描，即可實(shí)現(xiàn)大范圍的側(cè)向圓周掃描。[0033]實(shí)施例二、[0034]本實(shí)施中的光學(xué)掃描裝置，同樣包括光學(xué)準(zhǔn)直器1、反射鏡2、MEMS微鏡3、套管 4、出射窗口 5，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。本實(shí)施例中，反射鏡2的鏡面整體為一個(gè)錐口指向光源的 半圓錐形；相應(yīng)地，根據(jù)反射鏡2的反射方向，套管4的頭部整體為透明的出射窗口 5 ；MEMS 微鏡3通過(guò)支柱6固定于套管4的側(cè)壁上，為了不對(duì)光線形成遮擋，支柱6采用透明材料制 作。本實(shí)例的其余部分與實(shí)施例一相同。[0035]光源從左側(cè)發(fā)出的入射光，經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器I準(zhǔn)直并穿過(guò)反射鏡2后，射在MEMS微 鏡3的鏡面上，MEMS微鏡3的鏡面將光線反射至反射鏡2外圈的反射鏡面上，反射鏡2外 圈的反射鏡面再透過(guò)出射窗口 5將光線反射至前向的樣本上。按照現(xiàn)有控制方法控制MEMS 微鏡3進(jìn)行圓周掃描，即可實(shí)現(xiàn)大范圍的前向圓周掃描。[0036]實(shí)施例三、[0037]本實(shí)施例中的光學(xué)掃描裝置，同樣包括光學(xué)準(zhǔn)直器1、反射鏡2、MEMS微鏡3、套管 4、出射窗口 5，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。本實(shí)施例中，反射鏡2的鏡面由兩個(gè)同軸的半圓錐形構(gòu) 成，如圖所示，外圈的半圓錐形錐口指向MEMS微鏡3，內(nèi)圈的半圓錐形錐口指向光源，根據(jù) 實(shí)施例1、2的描述可知外圈的反射鏡面將向側(cè)向反射光線，而內(nèi)圈的反射鏡面將向前向 反射光線；相應(yīng)地，本實(shí)施例中出射窗口 5如圖所示，由套管4的頭部以及與套管4頭部相 連的一圈環(huán)形組成，相當(dāng)于實(shí)施例1和實(shí)施例2中出射窗口的組合；其余部分均與實(shí)施例一 相同。通過(guò)對(duì)MEMS微鏡3旋轉(zhuǎn)角度的控制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大范圍的側(cè)向與前向圓周掃描。[0038]本實(shí)用新型的反射鏡基底材料可以為聚合物，金屬等固體材料，可以機(jī)械磨制，或 者使用模具澆鑄，鏡面材料可以使用真空濺射Au/Al/Ag等高反射膜。出射窗口可使用玻 璃/光學(xué)樹(shù)脂進(jìn)行模具澆鑄，然后與套管焊接或者貼敷于一起。[0039]綜上所述，本實(shí)用新型的基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、掃描范圍 大的優(yōu)點(diǎn)，且制作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低廉，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，尤其適用于醫(yī)學(xué)成像中的光 學(xué)探頭。
權(quán)利要求1.一種基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置，包括光學(xué)準(zhǔn)直器和MEMS微鏡，光源發(fā)出的入射光線經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，由MEMS微鏡反射；其特征在于，光源與MEMS微鏡之間的光路上設(shè)置有一反射鏡；該反射鏡的中間部分中空或透明，可供入射光線正常通過(guò)；該反射鏡的外圈為反射鏡面，將MEMS微鏡反射的光線反射至掃描樣本。
2.如權(quán)利要求1所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述反射鏡中間部分中空，中空部分的形狀尺寸與所述光學(xué)準(zhǔn)直器的外部形狀尺寸相適應(yīng)，反射鏡通過(guò)中空部分套于光學(xué)準(zhǔn)直器外部。
3.如權(quán)利要求1所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述反射鏡外圈的反射鏡面整體為一個(gè)半圓錐形。
4.如權(quán)利要求3所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置，其特征在于，所述半圓錐形的錐口指向MEMS微鏡。
5.如權(quán)利要求3所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置，其特征在于，所述半圓錐形的錐口指向光源。
6.如權(quán)利要求1所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述反射鏡外圈的反射鏡面整體為由兩個(gè)平行平面對(duì)橢球體進(jìn)行切割得到的部分橢球體，兩個(gè)平行平面平行于橢球體的長(zhǎng)軸或短軸。
7.如權(quán)利要求1所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述反射鏡外圈的反射鏡面整體包括至少兩個(gè)同軸的半圓錐形。
8.如權(quán)利要求1一7任一項(xiàng)所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述 MEMS微鏡為二維MEMS微鏡。
9.如權(quán)利要求1一7任一項(xiàng)所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,所述 MEMS微鏡的驅(qū)動(dòng)方式為無(wú)線驅(qū)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求1一7任一項(xiàng)所述基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置,其特征在于,還包括用于將各器件封裝于其內(nèi)的套管，套管上對(duì)應(yīng)于光線射出的位置設(shè)置有透明的出射窗，所述反射鏡所反射的光線透過(guò)該出射窗射至掃描樣本。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于MEMS微鏡的光學(xué)掃描裝置。本實(shí)用新型的光學(xué)掃描裝置包括光學(xué)準(zhǔn)直器和MEMS微鏡，光源發(fā)出的入射光線經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，由MEMS微鏡反射；光源與MEMS微鏡之間的光路上設(shè)置有一反射鏡；該反射鏡的中間部分中空或透明，可供入射光線正常通過(guò)；該反射鏡的外圈為反射鏡面，將MEMS微鏡反射的光線反射至掃描樣本。本實(shí)用新型有效擴(kuò)展了掃描范圍，并可通過(guò)反射鏡鏡面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向圓周掃描和前向圓周掃描。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有更廣的掃描范圍，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低廉。
文檔編號(hào)G02B5/10GK202886728SQ20122055552
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
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