CN105022163B - 一种可调焦距的反射镜 - Google Patents
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Abstract
一种可调焦距的反射镜，该反射镜包括反射层，薄膜层，第一基板和驱动机构，反射层覆盖于薄膜层的上表面，第一基板位于薄膜层和驱动机构之间，第一基板的高度方向设置第一通孔；驱动机构包括执行器基板和得电后弯曲形变失电后恢复形变的压电膜片，压电膜片粘接固定于执行器基板；薄膜层、第一基板和执行器基板围成一个密封腔体；压电膜片位于密封腔体外，密封腔体将压电膜片的形变传递到薄膜层。本发明具有能使镜面发生双向形变，兼具凹面镜功能和凸面镜功能的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学器件领域，涉及一种可调焦距的反射镜。
技术背景
传统的自动对焦相机通过移动透镜位置来调整光学焦距。虽然步进电机、音圈电机等可以实现透镜位置的精密移动和定位，但是在体积、能耗上不利于在手机、平板电脑等小型设备上的应用。为解决这一问题，通过电可以控制焦距变化的光学器件受到研究人员的关注。目前主要有透射式和反射式两种类型。透射式器件如液滴透镜通过静电力改变液滴表面的曲率来实现焦距的改变。而反射式器件则通过改变反射镜反射表面曲率实现焦距的改变。目前，变形镜可以实现光学像差校正和光学焦距的控制，但由于变形镜并非针对焦距控制而设计，成本高昂。
中国专利申请200310111664.7披露了一种硅基可变形反射镜，如图1所示，包括硅片1’和玻璃片2’，硅片1’由键合区7’、硅膜3’及与硅膜3’下表面连为一体的至少一个硅台柱5’构成，硅膜3’的上表面为反射面，在玻璃片2’上具有引线8’、压焊点9’及与硅台柱5’相对应的驱动电极6’，玻璃片2’和硅片1’由键合区7’相固定，当给驱动电极6’施加电压时，产生的静电力驱动硅台柱5’向下运动，从而带动硅膜3’发生形变。硅膜3’ 产生弯曲变形，实现对光束的聚焦控制。这种反射镜的缺点有：1、驱动电极只能使硅台柱向下运动，硅膜下凹形变形成凹面镜，硅膜只能实现向下的单向位移，无法兼具凹面镜功能和凸面镜功能。2、静电力驱动需要较高电压。
发明内容
为了克服现有技术存在的镜面只能单向形变，无法兼具凹面镜功能和凸面镜功能的缺点，本发明提供了一种能使镜面发生双向形变，兼具凹面镜功能和凸面镜功能的一种可调焦距的反射镜。
一种可调焦距的反射镜，包括反射层，薄膜层，第一基板和驱动机构，反射层覆盖于薄膜层的上表面，第一基板位于薄膜层和驱动机构之间，第一基板的高度方向设置第一通孔；
驱动机构包括执行器基板和得电后弯曲形变失电后恢复形变的压电膜片，压电膜片粘接固定于执行器基板；薄膜层、第一基板和执行器基板围成一个密封腔体；压电膜片位于密封腔体外，密封腔体将压电膜片的形变传递到薄膜层。
当压电膜片得电而发生上拱或下凹的弯曲形变时，密封腔体内的介质分布状态发生改变，从而使薄膜层及其上的反射层跟随压电膜片上拱或下凹。控制输入压电膜片的电压方向即可控制压电膜片发生上拱还是下凹的形变。反射层上拱时具备凸面反射镜功能，对光束起发散作用；反射层下凹时具备凹面反射镜功能，对光束起汇聚作用。
进一步，压电膜片与密封腔体同轴。
进一步，薄膜层上具有第二基板，第二基板在第一基板之上，第二基板的高度方向设置第二通孔，第一通孔和第二通孔同轴，第一通孔大于第二通孔；薄膜层外露于第二基板的部分作为反射区域，反射区域中设置反射层；第一基板和第二基板均为刚性件。第一基板和第二基板均为刚性件指的是第一基板和第二基板在密封腔体的内压改变时不会发生形变。由于第二基板为刚性件，则只有反射区域的薄膜能够发生形变，从而使因压电膜片形变产生的压差全部作用于反射区域，而反射区域的面积小于密封腔体的截面积，使得压电膜片的形变传递到反射区域时被放大。
进一步，第二基板的第二通孔为圆形通孔。
制作上述可调焦距的反射镜的方法，包括以下步骤：
1）、制备第一基板，第一基板的上表面设置SiO2层作为薄膜层；在薄膜层的上表面制备反射层；
2）、在第一基板上溅射一层铝膜，在铝膜上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对铝膜进行湿法刻蚀，在铝膜上刻蚀出相应的第一窗口，然后除去光刻胶；
3）、以铝膜A为保护层，对第一基板3的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到薄膜层2截止，刻蚀出第一通孔；
4）、将两面覆有电极的压电膜片用环氧胶粘接到直径铜片上，该铜片作为执行器基板；
5）、将执行器基板粘接到第二基板上以封闭第一通孔，压电膜片外露，可调焦距的反射镜制作完成。
进一步，步骤1）中包含以下步骤：
（1.1）、制备第二基板，第二基板的形状和厚度与第一基板相同；使薄膜层位于第一基板和第二基板之间，第一基板在下，第二基板在上；
（1.2）、在第二基板上溅射铝膜；然后在铝膜上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对铝膜进行湿法刻蚀，在铝膜上刻蚀出相应的窗口；除去光刻胶；窗口的直径小于第一通孔的直径。
(1.3) 以铝膜为保护层，对第二基板的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到薄膜层截止，刻蚀出第二通孔；
（1.4）在薄膜层外露于第二基板的反射区域内溅射或者真空蒸发银、铝或者金反射层作为反射面。
本发明的优点在于：
1. 反射镜可实现正反两个方向的变形，既可作为凹面镜又可作为凸面镜使用，具有双向调焦功能。
2. 通过第一通孔的设置，使反射镜的变形更大，增加调焦范围。
3. 相比于静电方式，驱动电压更低。
附图说明
图1是现有技术的示意图。
图2是只具有第一基板的反射镜结构示意图。
图3是具有第一基板和第二基板的反射镜示意图。
图4是本发明为凸面镜时的工作原理图。
图5是本发明作为凹面镜时的工作原理图。
图6是一种制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种可调焦距的反射镜，包括反射层4，薄膜层2，第一基板3和驱动机构，反射层4覆盖于薄膜层2的上表面，第一基板3位于薄膜层2和驱动机构之间，第一基板3的高度方向设置第一通孔；
驱动机构包括执行器基板6和得电后弯曲形变失电后恢复形变的压电膜片5，压电膜片5粘接固定于执行器基板6；薄膜层2、第一基板3和执行器基板6围成一个密封腔体61；压电膜片5位于密封腔体61外，密封腔体61将压电膜片5的形变传递到薄膜层2。
当压电膜片5得电而发生上拱或下凹的弯曲形变时，密封腔体61内的介质分布状态发生改变，从而使薄膜层2及其上的反射层4跟随压电膜片5上拱或下凹。控制输入压电膜片5的电压方向即可控制压电膜片5发生上拱还是下凹的形变。反射层4上拱时具备凸透镜功能。反射层4下凹时具备凹透镜功能。
压电膜片5与密封腔体61同轴。
实施例2
本实施例与实施例1的区别之处在于：如图3所示，薄膜层2上具有第二基板1，第二基板1在第一基板3之上，第二基板1的高度方向设置第二通孔，第一通孔和第二通孔同轴，第一通孔大于第二通孔；薄膜层2外露于第二基板1的部分作为反射区域，反射区域中设置反射层4；第一基板3和第二基板1均为刚性件。其余结构均与实施例一相同。
第一基板3和第二基板1均为刚性件指的是第一基板3和第二基板1在密封腔体61的内压改变时不会发生形变。由于第二基板1为刚性件，则只有反射区域的薄膜能够发生形变，从而使因压电膜片5形变产生的压差全部作用于反射区域，而反射区域的面积小于密封腔体61的截面积，使得压电膜片5的形变传递到反射区域时被放大，使得调焦的范围增大，如图4和图5所示。
第二基板1的第二通孔为圆形通孔，从而使得反射区域呈圆形。
实施例3
制作实施例1中的可调焦距的反射镜的方法，包括以下步骤：
1）、制作第一基板3，在第一基板3的上表面设置SiO2层作为薄膜层2；在薄膜层2的上表面制备反射层4；
2）、在第一基板3上溅射一层铝膜A，在铝膜A上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对铝膜A进行湿法刻蚀，在铝膜A上刻蚀出相应的第一窗口，然后除去光刻胶；
3）、以铝膜A为保护层，对第一基板3的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到薄膜层2截止，刻蚀出第一通孔；
4）、将两面覆有电极的压电膜片5用环氧胶粘接到直径铜片上，该铜片作为执行器基板6；
5）、将执行器基板6粘接到第二基板1上以封闭第一通孔，压电膜片5外露，可调焦距的反射镜制作完成。
实施例4
制作实施例2中的可调焦距的反射镜的方法，包括以下步骤：
如图6的（A）-（H）所示的步骤：
(A) 选取SOI硅片，SOI硅片具有第一基板3和第二基板1，第一基板3与第二基板1之间具有SiO2薄膜层；第一基板3的硅层和第二基板1的硅层分别为100微米厚，中间的SiO2层为1微米厚；
(B) 在第二基板1上溅射一层0.4微米厚的铝膜B；然后在铝膜B上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出直径为4毫米的圆孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对铝膜B进行湿法刻蚀，在铝膜B上刻蚀出相应的4毫米直径的圆孔；除去光刻胶；
(C) 以铝膜B为保护层，对第二基板1的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到SiO2层截止，刻蚀出圆形的第二通孔11；
(D) 在第一基板3上溅射一层0.4微米厚的铝膜A；然后在铝膜上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出直径为8毫米的圆孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对铝膜A进行湿法刻蚀，在铝膜A上刻蚀出相应的8毫米直径的圆孔；之后除去光刻胶；
(E) 在第二基板1面溅射或者真空蒸发200纳米的银、铝或者金反射层4作为反射面；
(F) 以铝膜A为保护层，对第一基板3的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到SiO2层截止，刻蚀出圆形的第一通孔31；
(G) 将两面覆有电极的直径5毫米厚50微米的圆形压电膜片5用环氧胶粘接到直径10毫米厚60毫米的铜片上，铜片作为执行器基板6，制备成压电执行器；
(H) 将执行器基板6粘接到反射镜镜体的背面，压电膜片5外露，可调焦距的反射镜制作完成。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种可调焦距的反射镜，其特征在于：该反射镜包括反射层，薄膜层，第一基板和驱动机构，反射层覆盖于薄膜层的上表面，第一基板位于薄膜层和驱动机构之间，第一基板的高度方向设置第一通孔；驱动机构包括执行器基板和得电后弯曲形变失电后恢复形变的压电膜片，压电膜片粘接固定于执行器基板；薄膜层、第一基板和执行器基板围成一个密封腔体；压电膜片位于密封腔体外，密封腔体将压电膜片的形变传递到薄膜层。
2.如权利要求1所述的可调焦距的反射镜，其特征在于：压电膜片位于执行器基板中部，压电膜片与密封腔体同轴。
3.如权利要求2所述的可调焦距的反射镜，其特征在于：薄膜层上具有第二基板，第二基板在第一基板之上，第二基板的高度方向设置第二通孔，第一通孔和第二通孔同轴，第一通孔大于第二通孔；薄膜层外露于第二基板的部分作为反射区域，反射区域中设置反射层；第一基板和第二基板均为刚性件。
4.如权利要求3所述的可调焦距的反射镜，其特征在于：第二基板的第二通孔为圆形通孔。
5.制作如权利要求2所述可调焦距的反射镜的方法，包括以下步骤：
1）、制备第一基板，第一基板的上表面设置SiO2层作为薄膜层；在薄膜层的上表面制备反射层；
2）、在第一基板上溅射一层第一铝膜，在第一铝膜上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对第一铝膜进行湿法刻蚀，在第一铝膜上刻蚀出相应的第一窗口，然后除去光刻胶；
3）、以第一铝膜为保护层，对第一基板的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到薄膜层截止，刻蚀出第一通孔；
4）、将两面覆有电极的压电膜片用环氧胶粘接到直径铜片上，该铜片作为执行器基板；
5）、将执行器基板粘接到第二基板上以封闭第一通孔，压电膜片外露，可调焦距的反射镜制作完成。
6.如权利要求5所述的制作可调焦距的反射镜的方法，其特征在于：步骤1）中包含以下步骤：
（1.1）、制备第二基板，第二基板的形状和厚度与第一基板相同；使薄膜层位于第一基板和第二基板之间，第一基板在下，第二基板在上；
（1.2）、在第二基板上溅射第二铝膜；然后在第二铝膜上旋涂光刻胶，对光刻胶进行曝光显影，图形化出孔；以光刻胶为保护层，通过磷酸溶液对第二铝膜进行湿法刻蚀，在第二铝膜上刻蚀出相应的窗口；除去光刻胶；窗口的直径小于第一通孔的直径；
(1.3) 以第二铝膜为保护层，对第二基板的硅进行感应耦合等离子ICP或者深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，刻蚀到薄膜层截止，刻蚀出第二通孔；
（1.4）在薄膜层外露于第二基板的反射区域内溅射或者真空蒸发银、铝或者金反射层作为反射面。
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