MEMS微镜在成像与工业测量领域的应用
2026-07-11 11:31:27 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文重点介绍了MEMS微镜的两类典型应用：一是将MEMS扫描微镜用于空间频域成像（SFDI），以实现生物组织光学特性的非接触式定量分析；二是将MEMS变焦微镜用于共焦激光位移传感器，以满足工业场景对非接触、高精度位移测量的需求。

基于微机电系统（MEMS）的微镜是光学MEMS领域最具代表性的器件之一。MEMS微镜主要分为微镜阵列、扫描微镜和变形镜三种类型。通过将MEMS扫描微镜与变形镜结合使用，可实现光束光斑的三维扫描。

MEMS扫描微镜的核心结构是由扭簧或梁结构支撑的反射镜面，通过改变镜面偏转角度来实现光束扫描。这种器件能够扫描垂直于光轴的平面，凭借其独特优势，被广泛应用于单像素成像和投影显示等领域。目前，针对MEMS扫描微镜，研究者已提出多种驱动方式，包括电磁驱动、静电驱动、压电驱动、电热驱动。

在MEMS变形镜中，变焦微镜因能通过将镜面变形为球形来调节焦距而备受关注。变焦微镜通常利用静电驱动使镜面变形，从而实现沿光轴方向的光斑扫描。为了实现光学系统的微型化并简化对准工艺，目前已有研究者提出将扫描微镜与变焦微镜集成于同一器件中的方案。

据麦姆斯咨询报道，针对MEMS微镜领域研究，日本静冈大学（Shizuoka University）在2025 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics国际会议上发表了题为“Applications of MEMS Mirrors in Imaging and Industrial Measurement（MEMS微镜在成像与工业测量领域的应用）”的文章，重点介绍了MEMS微镜的两类典型应用：一是将MEMS扫描微镜用于空间频域成像（SFDI），以实现生物组织光学特性的非接触式定量分析；二是将MEMS变焦微镜用于共焦激光位移传感器，以满足工业场景对非接触、高精度位移测量的需求。

空间频域成像

空间频域成像（SFDI）是一种宽视场、非接触式的漫射光学成像方法，可定量获取样本的吸收系数、约化散射系数等光学特性参数，进而提取生物组织信息。目前已有研究将该技术用于烧伤皮肤症状的定量检测，在生物成像领域展现出良好的应用前景。空间频域成像的工作原理是：将带有正弦图案的结构光投射至样本表面，按固定步长完成多次空间相移；利用相机采集样本的漫反射光，结合蒙特卡洛模拟生成的查找表进行运算处理，解算样本的光学参数。传统的结构光投影模块多采用数字微镜器件（DMD），但DMD存在光利用率较低的固有缺陷。

为实现高效率、高对比度的结构光照明，静冈大学研究团队提出一种采用MEMS扫描微镜作为投影核心的空间频域成像系统（原理图如图1所示）。该系统利用灰度掩模生成结构光，通过MEMS扫描微镜完成相移，并利用多抽头CMOS图像传感器采集漫反射光。该传感器的每个像素集成了一个光电二极管、多个栅极和电荷存储单元，可在任意时序下以高调制频率采集多幅图像。该系统采用电磁驱动谐振式MEMS扫描微镜实现结构光的空间相移，实现了各空间相位图像的同步采集，并通过位置敏感探测器（PSD）结合光杠杆法监测与反馈控制，确保了微镜振幅的恒定。图2展示了该系统测得的样本吸收系数与约化散射系数。

基于MEMS扫描微镜的空间频域成像系统示意图

图1 基于MEMS扫描微镜的空间频域成像系统示意图

空间频率0.1 mm⁻¹时样本的吸收系数（a）与约化散射系数（b）测量结果

图2 空间频率0.1 mm⁻¹时样本的吸收系数（a）与约化散射系数（b）测量结果

共焦激光位移传感器

共焦激光位移传感器凭借非接触、高精度等优势，在工业领域得到广泛应用。相比三角测量式传感器，共焦式传感器对被测物姿态和表面纹理的敏感度更低。为了在不移动传感器的情况下测量光轴方向的位移，需要对激光光斑进行光轴方向扫描，通常可采用固定焦距透镜搭载机械可调机构，或使用变焦透镜/变焦微镜等方案来实现。静冈大学研究团队提出一种基于自主研发变焦微镜的共焦激光位移传感器。与变焦透镜相比，变焦微镜响应速度更快，并且可采用标准MEMS工艺，利用单晶硅、玻璃等高可靠性材料制备。

该变焦微镜采用绝缘体上硅（SOI）晶圆与玻璃晶圆制备而成：以厚度5 µm的器件层作为变形镜面；圆形镜面边缘由16根细梁支撑以降低球差；梁结构上集成了压敏电阻以实时监测焦距；对电极制备于玻璃晶圆上；SOI晶圆与玻璃晶圆经阳极键合，镜面与对电极的间距为15 µm。搭载该变焦微镜的位移传感器光学系统如图3所示，该系统的测量范围为310 µm，采样频率为7 kHz，全量程范围内线性误差为−1.1%至1.2%。

基于变焦微镜的共焦激光位移传感器示意图