专利名称：带有多轴转动控制的光学反射镜系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种微机电系统(MEMS)制造的光学反射镜系统；该光学反射镜系统借助静电驱动的电梳传动机构，可在两个正交轴间回转。要着重指出的是，使用这种光学反射镜系统来偏转光学间隔光束，乃是一种特殊的应用。
现在还有一种“全光学”的交换系统，该系统采用机械驱动的大量镜片和MEMS(微机电系统)制造的设备。这类设备利用电磁的、压电的、以及静电的传动机构，以物理的方式移动棱镜、反射镜以及一部分光纤，来影响光纤之间的信号交换。
除了采用光栅波导的从光纤到光纤的光开关之外，罗兰圆面光栅，以及平面光栅，都允许依据光学波长进行专用交换。
级联二进制树形结构也是当前的新技术。该结构采用可转换光耦合器以及马赫一曾德尔干涉仪；前者利用在静电上可变化折射率的材料(铌酸锂和一些聚合物)来影响不平衡，后者则利用热电加热器来影响不平衡。
许多MEMS开关采用间隔光束偏转系统，该系统类似于普通电话系统中的电的“纵横制”开关。这种解决方案要求，在给定输入/输出端口计数的条件下，反射镜的数目要由端口计数值的平方来确定。按这一方法确定的反射镜数目太巨大了，它超出任何实际工艺过程的生产能力，而且无法保证在任何合理的工作期限内仍完好无损。
除了某些MEMS静电驱动设备外，上述各种光交换方法没有一种能满足目前正为高光纤端口计数(达1024×1024)的交叉连接光开关规定的要求。成本、可靠性、介入损耗、极化灵敏度、隔离度、波长相关性、电能消耗、以及某些情况下的交换速度等等问题，或者是单独地或者是共同地削弱上述各种光交换方法的应用。因而，需要有一种系统和方法，能在简单的CMOS相容的制造工艺约束条件下，来克服上面列举的各种问题。
需要设计这样一种光学反射镜系统，它具有高的二维扫描分辨率和偏转性能，而且要由表面显微机械加工工艺来制造。为了达到高分辨率，就必须有大的反射镜尺寸和转角。
本发明就致力于这一需要。
依本发明提供的设备满足可直接定标的、高端口计数光开关的要求，这是利用每一光输入/输出端口结构有一个双向回转的反射镜来达到的。依本发明提供的光学反射镜可以(但不限于)在以下一些应用场合使用光学分插复用器，波长路由器，无间隔光学互连，芯片水平光输入/输出，光扫描显示，光扫描器(条码，微型摄影机)，光存储读写头，激光打印机，医用玻璃代用件(与自适应光学系统配套)，医学诊断设备，保安用光扫描。
图1示出本发明的光学反射镜系统；图2示出本发明的光学面和支承盘较佳实施例的侧视图；图3示出本发明的垂直电梳驱动传动机构的俯视图；图4示出图3所示垂直电梳驱动传动机构的侧视图。
图1示出本发明的光学反射镜系统。在较佳实施例中，依本发明提供的光学反射镜系统100包括一些支杆102a-102c，这些支杆经由多个接头108跟支承盘101相连接。支承盘101通过一个中心通轴109接到光学面103。
图2示出本发明的光学面103和支承盘101较佳实施例的侧视图。光学面103是由层叠的三层103a-103c组成的。103a层是支承层，它可以由多晶硅制成。反射层103b(一般是一薄层金属)具有远大于103a层的导热系数(TCE)，因而随着温度的变化会使光学面产生不希望有的弯曲。第三层103c可以加在反射层103b的“上面”或“下面”，这一层的导热系数要低于其他两层。对第三层103c的导热系数/厚度要进行选择，以控制温度感生的弯曲。
最好采用氧化物材料做成第三层103c。不过也可以采用非“氧化物”材料做第三层103c，只要其导热系数跟要求的参数相匹配即可。
光学反射镜的基片通过一个中心通轴109接到支承盘101。支承盘101为传动机构提供一个机械固定点，以便把光学面103跟传动机构导致变形的微机械力隔离开来。用单个中心接头支承光学面103，就可以形成对称的力学边界条件。光学面103由热应力或内应力造成的任何小挠度弯曲，都会导致光学面103产生抛物面形变形，而这可以用球形光学器件来校正。此外，支承盘101提供额外的表面积，由此可以增加光学面103的散热量，从而可以得到更大的光学功率处理量。
接头108a-108c(图1)的每一个都跟传动机构105相连接。图3示出本发明的垂直电梳驱动传动机构的俯视图。图4表示图3所示垂直电梳驱动传动机构的侧视图。在本实施例中，传动机构系统105有三个区段，即第一端部区段302，第二端部区段304，以及中间区段306。两个端部区段302和304通过叉指式梳齿308和310与中间区段306接合。在本实施例中，两个端部区段302和304的每一个都分别包括三个电气绝缘的执行元件302a-302c和304a-304c。
因而，若执行元件302a和304a动作，则传动机构系统105就“向上”提起。如果执行元件302b和304b动作，那么传动机构系统105就保持当前位置，而如果执行元件302c和304c动作，那么传动机构系统105就向下移动。这样，传动机构系统105就可以按各种方式移动光学反射镜，依电动机302a-302c和304a-304c所施加的电压而定。虽然本实施例的传动机构系统105业已从三位置(向上，向下和保持居中位置)系统的角度作了说明，但任何一个本领域普通的技术人员很容易判定，使用两个执行元件(而不是象这里所公示的系统中那样使用三个执行元件)就可以维持双位置(向上或向下)，(保持居中位置或向下)，(保持居中位置或向上)。
回过来参看图1，支杆108的每一个都用一个固定件(anchor)107跟基片相连接。虽然图中示出许多根支杆，但任何一个本领域普通的技术人员都可以认识到有可能少至一根支杆，并且认为那样应用也并不超出本发明的主旨和范围。
光学面103悬挂在多个根支杆102上，这些支杆使其提升到高于芯片的表面。支杆102使光学反射镜能以大的转角上下转动。这一转角要大于采用标准保护层(一般为1-3微米)作为反射镜和基片之间的隔离层时所能达到的转角。
在较佳实施例中，支杆102以成切线的方式连接到反射镜的侧面。支杆102可以是矩形的，或者在圆形或椭圆形反射镜的情况下，取跟反射镜的边缘相匹配的弧形。当支杆向上摆动时，反射镜略为转动，以消除支杆微量侧向移动所产生的应力。
支杆102可以是刚性的，也可以是挠性的。挠性支杆可以用做弹簧，这时，平行盘形执行元件就对反射镜下方的支承盘施力。借助沿挠性支杆全长分布弯曲挠度，比之刚性支杆集中挠度在弯曲处，设备中的最大切应力和最大拉伸应力有所降低。挠性传动机构105可以是热驱动的(最好是装在每一支杆上的电阻式加热器)，以使反射镜上下转动。
刚性支杆可以在接近该芯片的表面处跟传动机构105相连接。当刚性支杆由执行元件供电而上下转动时，反射镜的悬挂边就会上升或下降。执行元件可以配套组成便于进行微变电容传感测量的装置。
依本发明提供的系统和方法可以借助许多不同的传动机构工作，包括静电的、热的、压电的、以及磁性的传动机构等。就静电传动机构而论，它维持平行盘在反射镜或其下方的两电极之间动作。执行元件可以作用在反射镜下方的支承盘上，或者，它也可以作用在支杆上。在一个实施方式中，借助调整执行元件对支杆的耦合，就可以在相对于最大施加电压的条件下对反射镜的最大转角进行折衷选择。
依本发明提供的光学反射镜系统可以适应大反射镜和转角的需要。扫描反射镜可以采用任何显微机械加工工艺这类技术来制造。双轴扫描反射镜全挠性设计具有优异的器件密度、可靠性、以及复现性等特性。该系统具有下列胜过常规光学反射镜系统设计的优点1.随意平衡可以改变支杆的长度，以调整反射镜的平衡位置。执行元件不必直接作用在反射镜的表面上(如平行盘设计那样)。可以改变平衡角度而不会使设备性能有显著的变化。
2.不需要传统的加工工艺这一方案采用标准的显微机械加工工艺。因为借助支杆已把反射镜提离基片，所以机架就不需要绝缘。唯一需要绝缘体的是基片。如果支杆可以加绝缘体，那么就还可以有更加广泛的种种设计方案。
3.不需要为自汇编用的嵌套机架和双压电晶片若需要双压电晶片，则可将其装进支杆或其他位置。取消自汇编用的嵌套机架和外加的双压电晶片，器件的尺寸就可以减小，从而可以为传动机构提供更大的空间，或者允许更高的器件密度。
4.不需要销钉—U形卡钉铰链支承机构可以按全挠性安装方式悬挂。这种支承的转角比较小(在适当设计的支杆或铰链的切应力和扭矩极限范围内)，因而不需要销钉—U形卡钉铰链。
5.反射镜的曲率对称且较小该反射镜在机械上可以隔绝挠性铰链不希望有的变形。借助支承盘中心的单个中心通轴，将该反射镜跟支承盘连接起来，这样，反射镜的不平度就不受在其悬挂时所产生的力的影响。此外，若反射镜中有应力梯度，则对称的边界条件一般最后会导致形成抛物面形状，而这很容易用离架球形光学器件集成为一个光学系统。一般不对称的边界条件会使反射镜产生非球形变形，这种变形会造成通过光开关的光损耗。不需要采用直接安在反射镜下方的电极，这样就可以消除因电极上相应积垢而使光学面可能产生的皱纹。
虽然已就上述实施方式对本发明作了说明，但任何一个本领域普通的技术人员都很容易看出，对上述实施方式可能会有各种变化，而这些变化都不会超出本发明的主旨和范围。例如，尽管在较佳实施例中公示的是，反射镜以第一和第二方向转动，然而反射镜可以按多个方向转动(即成扭绞运动)，依施加其上的静电力而定。因而，任何一个本领域普通的技术人员都可以做出许多修改，而不背离所附权利要求书的主旨和范围。
权利要求
1.一种光学反射镜系统，包括一个光学面组件；以及至少一个支杆组件，它跟该光学面组件相连接，以便在基片上方支承该光学面。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，光学面组件包括一个支承盘和一个光学面；其中，支承盘跟至少一个支杆组件相连接，而光学面则跟支承盘相连接。
3.如权利要求1所述的系统，其特征是，至少一个支杆组件包括一个支杆段；一个接头，与该支杆段和该光学面相连接；以及一个固定件，它接到该支杆段上，以便把该支杆段跟基片相连接。
4.如权利要求2所述的系统，其特征是，该支杆借助挠性杆跟固定件相连接。
5.如权利要求2所述的系统，其特征是，有一个传动机构跟该支杆段相连接，以便该传动机构移动该支杆段，从而使该光学面转动。
6.如权利要求3所述的系统，其特征是，该传动机构包括多个平行盘电极。
7.如权利要求3所述的系统，其特征是，该传动机构包括多个静电驱动装置。
8.如权利要求2所述的系统，其特征是，该支杆段是挠性的。
9.如权利要求2所述的系统，其特征是，该接头是挠性的。
10.一种光学反射镜系统，包括一个光学面；以及多个支杆组件，该支杆组件与该光学面相连接，以便在基片上方支承该光学面；其中，该支杆组件的每一个都包括一个支杆段，一个接到该支杆段和该光学面的接头，以及一个接到该支杆段的固定件、以便把该支杆段跟该基片相连接。
11.如权利要求10所述的系统，其特征是，该支杆段借助挠性杆与该固定件相连接。
12.如权利要求10所述的系统，其特征是，有一个传动机构跟该支杆段相连接，以便该传动机构移动该支杆段，从而使该光学面转动。
13.如权利要求12所述的系统，其特征是，该传动机构包括多个平行盘电极。
14.如权利要求12所述的系统，其特征是，该传动机构包括多个垂直的静电驱动装置。
15.如权利要求11所述的系统，其特征是，该支杆段是挠性的。
16.如权利要求10所述的系统，其特征是，该接头是挠性的。
全文摘要
本发明公开了一种带有多轴转动控制的光学反射镜系统。该光学反射镜系统包括一个光学面组件以及至少一个跟该光学面组件相连接的支杆组件。这至少一个支杆组件在基片上方支承该光学面。依本发明提供的系统和方法可以借助许多不同的传动机构工作，包括(但不限于)静电的、热的、压电的、以及磁性的传动机构。依本发明提供的光学反射镜系统可以适应大反射镜和转角的需要。可以采用这样的技术制造扫描反射镜标准的表面显微机械加工工艺，或深度活性离子蚀刻工艺。依本发明提供的设备满足可直接定标的、高端口计数光开关的要求，这是利用每一光输入/输出端口结构有一个双向回转的反射镜来达到的。依本发明提供的光学反射镜可以(但不限于)在以下一些应用场合使用光学分插复用器，波长路由器，无间隔光学互连，芯片水平光输入/输出，光扫描显示，光扫描器(条码，微型摄影机)，光存储读写头，激光打印机，医用玻璃代用件(与自适应光学系统配套)，医学诊断设备，保安用光扫描。
文档编号G02B26/08GK1454328SQ01810503
公开日2003年11月5日 申请日期2001年4月10日 优先权日2000年4月14日
发明者P·M·哈格林, J·J·弗林 申请人:塞斯彼德公司