压电MEMS驱动超表面透镜，低电压下实现大位移变焦
2022-02-23 10:55:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
挪威科技工业研究院（SINTEF）智能传感器和微系统实验室的研究人员开发了一种超表面透镜，首次实现通过施加微小的电压变化，利用压电薄膜改变超表面透镜的焦距。
研究人员开发出经济型可变焦超表面透镜，有望用于便携式医疗诊断器械和微型相机等应用。
就麦姆斯咨询介绍，挪威科技工业研究院（SINTEF）智能传感器和微系统实验室的研究人员开发了一种超表面透镜，首次实现通过施加微小的电压变化，利用压电薄膜改变超表面透镜的焦距。得益于非常紧凑、轻巧的外形尺寸，这种新型透镜有望用于便携式医疗诊断器械、无人机3D测绘以及其他微型化赋能的新应用。
该项目负责人Christopher Dirdal说：“这种低功耗、超紧凑的可变焦超表面透镜可用于各种非常重视系统尺寸、重量和成本的传感和成像应用。此外，为超表面引入精确的可调谐能力，开辟了全新的光束操纵方法。”
Dirdal及其同事在Optics Letters杂志上发表了这项创新成果。为了实现焦距可调，他们在锆钛酸铅（PZT）薄膜上施加电压，使其发生形变，进而改变两个超表面透镜之间的距离。
研究人员将超表面悬置在薄膜PZT MEMS驱动圆环（黄色）中的方形硅芯片上
Dirdal介绍说：“我们的新方法在低电压下，提供了超表面透镜之间的高速大位移。与目前最先进的研究相比，我们仅用前者四分之一的电压，就实现了其两倍的面外位移。”
MEMS结合超表面
研究人员利用超表面技术制造了这种新透镜。超表面具有纳米级的图案化结构，可以用于操纵光束。超表面具有诱人的应用前景，它们可以将多种功能整合到一个表面中，并且还可以利用标准的微纳制造技术实现低成本的大批量制造。
Dirdal说：“到目前为止，大多数包含超表面的系统都是静态的，这意味着它们的光学功能在制造后就固化了。然而，对于摄像头、3D激光雷达系统以及全息显示等应用至关重要的光学组件，往往都需要一定的自适应或可调谐能力。”
传统光学系统的可调谐或自适应能力，通常通过体积庞大且耗电的组件（如步进电机、旋转设备或磁铁）来实现。为了在更小尺寸上实现这种能力，研究人员转向了MEMS技术。这些基于芯片的电控机械可运动部件速度快、功耗低，兼容大规模制造工艺，可有效降低光学系统的尺寸、成本和重量。
变焦演示
尽管已经有研究利用MEMS执行器来构建可调谐的超表面透镜，但Dirdal及其同事想看看它们是否能达到更好的性能。他们开发了一种新设计，将超表面悬置在由PZT薄膜制成的圆环上，当施加电压时PZT薄膜可以移动超表面。
超表面纳米结构的扫描电镜图，纳米柱之间的间距为835 nm
为了验证展示MEMS超表面如何实现变焦透镜，他们在MEMS超表面后方放置了第二个超表面透镜。通过MEMS位移改变透镜之间的距离，研究人员可以动态调整双透镜的焦点。
通过MEMS驱动调整超表面双透镜的有效焦距。（a）通过向MEMS芯片外电极施加23 V电压，将MEMS超表面透镜位移到其最高位置时的成像焦点。（b）通过向MEMS芯片内电极施加23 V电压，将超表面透镜位移到其最低位置时会发生散焦。（c）通过将物镜从超表面双透镜移动250 𝜇m重新获得焦点。这表明焦点在MEMS驱动时位移量相同。（d）光学装置的示意图。
实验显示，施加23 V电压可以通过PZT薄膜使超表面位移7.2 𝜇m，产生大约250 𝜇m的焦距变化。研究人员指出，通过利用具有更强聚焦能力的超透镜，并优化MEMS设计以实现更长行程的驱动，可以进一步提高调焦范围。这种可调谐能力将有助于在组织的不同深度进行成像，例如对神经元或血管成像。
研究人员表示，随着MEMS架构的进一步优化，有望制造出商业化可调谐超表面透镜。他们还在探索如何将MEMS超表面组合在不影响光学质量的前提下，应用于需要小型化、轻量化、经济型光学元件的各种应用。
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