一種壓電微鏡和控制方法與流程

2023-05-02 06:33:26 2

本發明實施例涉及光電子產品領域，尤其涉及一種壓電微鏡和控制方法。

背景技術：

近年來隨著網際網路、移動網際網路、雲計算等信息交互技術的高速發展，人們可以隨時隨地通過各類終端接入網際網路，享受高清視頻、可視通話、網絡購物、信息查詢等便捷的數據服務，由此導致產生的數據總量急劇增長，大概每六個月人類社會產生的數據總量是以往的數據量之和。如此龐大的數據量必然會給現有的網絡設備傳輸和交換能力提出了更高的要求。全光交換技術是一種能夠提高信息交換處理速率的革新性技術。

採用三維微機電系統(3-Dimensional Micro-Electro-Mechanical System,3D-MEMS)微鏡陣列結構可以靈活的應對大規模光交換埠的需求，提高光交換的容量。3D-MEMS微鏡的重要性能指標之一為切換時間，即微鏡從一個位置扭轉至另一位置並穩定下來所需的時間。在光交換過程中，微鏡的切換時間可認為是信息包與包之間的等待時間，高速的微鏡結構帶來的有益結果就是高速率的光信息交換。

現有技術中的3D-MEMS微鏡採用驅動力較小的靜電驅動結構，因此微鏡的切換速度不高，切換時間僅能達到毫秒量級。未來的大型光信息交換應用對3D-MEMS微鏡的性能提出了更高的要求，切換時間需要降低至微秒量級，甚至更低。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種壓電微鏡和控制方法，用於解決現有技術中微鏡切換速度不高的問題。

第一方面，本發明實施例提供一種壓電微鏡，包括N個第一壓電懸臂梁和轉動件，N為大於1的整數，所述轉動件上包括反射鏡片；所述第一壓電懸臂梁的第一端固定，所述第一壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第一邊連接；第一壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動所述轉動件轉動至第一角度並固定在第一角度。

結合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現方式中，，還包括M個第二壓電懸臂梁，M為大於0的整數；所述第二壓電懸臂梁的第一端固定，所述第二壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第二邊連接；第二壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動所述轉動件轉動至第一角度並固定在第一角度。

結合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現方式中，兩個所述第一壓電懸臂梁的一邊相互連接。

結合第一方面的第一種可能的實現方式，在第一方面的第三種可能的實現方式中，兩個所述第二壓電懸臂梁的一邊相互連接。

結合第一方面，在第一方面的第四種可能的實現方式中，所述第一壓電懸臂梁的第二端通過S型彈簧和所述轉動件的第一邊連接。

結合第一方面的第一種可能的實現方式，在第一方面的第五種可能的實現方式中，所述第二壓電懸臂梁的第二端通過S型彈簧和所述轉動件的第二邊連接。

第二方面，本發明實施例提供一種壓電微鏡的控制方法，用於控制第一方面提供的壓電微鏡，所述方法包括：在第一時間段內控制N個第一懸臂梁的第二端產生向第一方向位移的力；在第二時間段內控制N個第一懸臂梁中的O個第一懸臂梁的第二端產生向第一方向位移的力，控制N個第一懸臂梁中的P個第一懸臂梁的第二端產生向第二方向位移的力，O和P均為大於等於1的整數，第一方向和第二方向不同。

結合第二方面，在第二方面的第一種可能的實現方式中，還包括：在第一時間段內控制M個第二懸臂梁的第二端產生向第二方向位移的力；在第二時間 段內控制M個第二懸臂梁中的R個第二懸臂梁的第二端產生向第二方向位移的力，控制M個第二懸臂梁中的S個第二懸臂梁的第二端產生向第一方向位移的力，R和S均為大於等於1的整數。

結合第一方面或者第一方面的第一種可能的實現方式，在第一方面的第二種可能的實現方式中，還包括：在第三時間段內控制N個第一懸臂梁的第二端不產生位移，控制M個第一懸臂梁的第二端不產生位移。

本發明實施例提供一種壓電微鏡，包括N個第一壓電懸臂梁和轉動件，N為大於1的整數，所述轉動件上包括反射鏡片；所述第一壓電懸臂梁的第一端固定，所述第一壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第一邊連接；第一壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動所述轉動件轉動至第一角度並固定在第一角度。使用壓電懸臂梁可以提高轉動件的轉動速度，從而可以提高微鏡的切換速度。為了提高轉動件的轉動速度，第一壓電懸臂梁的個數大於1。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明一個實施例的一種壓電微鏡的結構圖。

圖2是本發明一個實施例的一種壓電懸臂梁驅動轉動件轉動的示意圖。

圖3是本發明一個實施例的一種壓電懸臂梁的一種橫截面結構示意圖。

圖4是本發明一個實施例的一種壓電微鏡的控制方法流程圖。

圖5是本發明一個實施例的一種壓電微鏡的控制示意圖。

圖6是本發明一個實施例的另一種壓電微鏡的控制示意圖。

圖7是本發明一個實施例的一種壓電微鏡的結構圖。

圖8是本發明一個實施例的另一種壓電微鏡的結構圖。

圖9是本發明一個實施例的再一種壓電微鏡的結構圖。

圖10是本發明一個實施例的再一種壓電微鏡的結構圖。

圖11是本發明一個實施例的再一種壓電微鏡的結構圖。

圖12是本發明一個實施例的一種壓電微鏡陣列的結構圖。

圖13是本發明一個實施例的另一種壓電微鏡陣列的結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，為本發明實施例提供的一種壓電微鏡，包括一個轉動件102，所述轉動件102上包括反射鏡片，N個第一壓電懸臂梁，分別為第一壓電懸臂梁101A、第一壓電懸臂梁101B…，第一壓電懸臂梁101N，其中N為大於1的整數。

所述第一壓電懸臂梁的第一端固定，所述第一壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第一邊連接。例如第一壓電懸臂梁101A的第一端固定，第一壓電懸臂梁101A的第二端和轉動件102的第一邊連接；第一壓電懸臂梁101B的第一端固定，第一壓電懸臂梁101B的第二端和轉動件102的第一邊連接；第一壓電懸臂梁101N的第一端固定，第一壓電懸臂梁101N的第二端和轉動件102的第一邊連接。

所述第一壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動轉動件102轉動至第一角度並固定在第一角度。

在其它實施例中，轉動件102的另一側也可以連接有壓電懸臂梁以提高轉動件的轉動速度，例如如圖1所示，壓電微鏡還包括M個第二壓電懸臂梁，分別為第二壓電懸臂梁103A、第二壓電懸臂梁103B…，第二壓電懸臂梁103M，其中M為大於1的整數。優選的，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁的個數相等，即M和N相等。優選的，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁沿轉動件102 的兩邊對稱排列，即第一壓電懸臂梁101A和第二壓電懸臂梁103A沿轉動件102的兩邊對稱排列；第一壓電懸臂梁101B和第二壓電懸臂梁103B沿轉動件102的兩邊對稱排列…。

所述第二壓電懸臂梁的第一端固定，所述第二壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第二邊連接。例如第二壓電懸臂梁103A的第一端固定，第二壓電懸臂梁103A的第二端和轉動件102的第二邊連接；第二壓電懸臂梁103B的第一端固定，第二壓電懸臂梁103B的第二端和轉動件102的第二邊連接；第二壓電懸臂梁103N的第一端固定，第二壓電懸臂梁103N的第二端和轉動件102的第二邊連接。

第二壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動所述轉動件轉動至第一角度並固定在第一角度。

在一個實施例中，N個第一壓電懸臂梁的第一端和M個第二壓電懸臂梁的第一端可以固定在同一個固定件上。例如如圖1所示，N個第一壓電懸臂梁的第一端和M個第二壓電懸臂梁的第一端都固定在固定件104上。當然也可以採用其它固定方式，本發明對此不作限定。

在一個實施例中，為了限制轉動件的轉動，轉動件可以包括轉動軸，轉動件圍繞轉動軸轉動。例如如圖1所示，轉動件102包括轉動軸105A和105B，轉動件102圍繞轉動軸105A和105B轉動，當然，轉動軸並不是必須的。在一些實施例中，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁可以直接連接在轉動軸上驅動轉動軸轉動，從而帶動轉動件轉動。

下面根據圖2說明利用壓電懸臂梁驅動轉動件轉動的示意圖。在第一壓電懸臂梁和第一壓電懸臂梁均未施加電壓的情況下，第一壓電懸臂梁的懸臂(第二端)和第一壓電懸臂梁的懸臂(第二端)均未發生形變，這時轉動件保持原始狀態，屬於零偏轉。當對第一壓電懸臂梁施加正向電壓，壓電材料收縮使得懸臂上翹，第二壓電懸臂梁施加反向電壓，壓電材料伸張使得懸臂下探，由此帶動轉動區實現正轉角的偏轉。另一種情況是第一壓電懸臂梁施加反向電壓，壓電材料伸張使得懸臂下探，第二壓電懸臂梁施加正向電壓，壓電材料收縮使 得懸臂上翹，由此帶動轉動區實現負轉角的偏轉。壓電懸臂梁的電壓和壓電薄膜的形變的關係，壓電薄膜的形變和壓電懸臂梁的形變的關係，這兩種關係依賴於壓電懸臂梁的結構和成分，上面的例子僅為了方便理解。

如圖3所述，為壓電懸臂梁的一種橫截面結構示意圖，包括上電極301、壓電薄膜302、下電極303以及襯底304。其中上電極301和下電極303的成分可以為Ti，Au等金屬或其合金；壓電薄膜302的成分可以為PZT、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等壓電材料；襯底304的成分可以為可以作為彈性支撐的單晶矽等。可以通過上電極301和下電極303對壓電薄膜302施加電壓，從而導致壓電薄膜302產生收縮或伸張等形變，壓電薄膜302的收縮或伸張等形變主要是水平方向的形變，壓電懸臂梁的第一端固定，壓電懸臂梁的襯底304成分為彈性的單晶矽，因此會導致壓電懸臂梁的第二端即懸梁端產生向上或向下的位移力，從而導致壓電懸臂梁的第二端上翹或下探。

本發明實施例提供的壓電微鏡上的第一壓電懸臂梁的第一端固定，第一壓電懸臂梁的第二端和所述轉動件的第一邊連接，並且第一壓電懸臂梁的第二端可以在電壓控制下產生位移帶動所述轉動件轉動至第一角度並固定在第一角度。使用壓電懸臂梁可以提高轉動件的轉動速度，從而可以提高微鏡的切換速度。為了提高轉動件的轉動速度，第一壓電懸臂梁的個數大於1，還可以在轉動件的第二邊增加第二壓電懸臂梁。

本發明實施例還提供了一種壓電微鏡的控制方法。如圖4所示，包括：

S401，在第一時間段內控制N個第一懸臂梁的第二端產生向第一方向位移的力。

S402，在第二時間段內控制N個第一懸臂梁中的O個第一懸臂梁的第二端產生向第一方向位移的力，控制N個第一懸臂梁中的P個第一懸臂梁的第二端產生向第二方向位移的力，O和P均為大於等於1的整數，第一方向和第二方向不同。

該控制方法包括兩個階段，即第一時間段和第二時間段，在第一時間段所有的第一懸臂梁均提供相同的制動動力，以加速轉動件的轉動，在第二時間段 部分第一懸臂梁提供相反的制動動力，從而實現轉動件的快速穩定，以穩定在所需的轉動角度。

如圖5所示，為本發明實施例提供的一種壓電微鏡的控制示意圖，以控制圖1中的壓電微鏡為例進行說明，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁對稱排布，第一壓電懸臂梁的個數和第二壓電懸臂梁的個數相等。初始狀態，即所有的壓電懸臂梁均無驅動電壓時，懸臂均處於舒展狀態，轉動件102屬於零偏轉狀態。當有指令要求轉動件102偏轉至角度θ1時，通過計算偏轉角度的數值大小，分配啟動和制動階段所需的驅動電壓V11和V12、施加時間t11和t12，然後通過驅動電路對第一壓電懸臂梁(101A、101B、…101N)施加電壓V11，通過驅動電路對第二壓電懸臂梁(103A、103B、…103N)施加電壓-V11，轉動件102啟動轉動，持續時間為t11，即第一時間段；在制動階段，對選定的部分第一壓電懸臂梁施加電壓-V12進行反向驅動，對選定的部分第二壓電懸臂梁施加電壓V12進行反向驅動，其它未選定的壓電懸臂梁可以繼續施加之前的電壓，通過減弱的動力、反向制動力和繼續轉動帶來的逐漸增加的阻尼相互配合，使得轉動件102快速停止至角度θ1並維持靜止狀態，t12和穩定時間階段，電壓的施加情況可以不變，即為第二時間段。圖5的上部分給出了第一壓電懸臂梁的電壓施加示意，如果某個時間點只有實線，則所有的第一壓電懸臂梁的電壓相同，如果某個時間點既有實線也有虛線，則虛線表明選定的部分第一壓電懸臂梁的電壓，實線表明未選定的第一壓電懸臂梁的電壓。圖5的下部分給出轉動件102的轉動速度，t11階段為轉動件102的加速階段，t12為轉動件102的減速階段。

如果下一個指令要求轉動件102偏轉至角度θ2時，通過需要偏轉角度的值大小θ2-θ1，分配啟動和制動階段所需的驅動電壓V21和V22、施加時間t21和t22，然後通過驅動電路將第一壓電懸臂梁(101A、101B、…101N)的驅動電壓全部改變至V21，將第二壓電懸臂梁(103A、103B、…103N)的驅動電壓全部改變至-V21，轉動件102啟動轉動，持續時間為t21，即第一時間段；在制動階段，對選定的部分第一壓電懸臂梁施加電壓-V22進行反向驅動，對選定的部分第二壓電懸臂梁施加電壓V22進行反向驅動，其它未選定的壓電懸臂梁可以繼 續施加之前的電壓，通過減弱的動力、反向制動力和繼續轉動帶來的逐漸增加的阻尼相互配合，使得轉動件102快速停止至角度θ2並維持靜止狀態，t12和後續穩定時間階段，電壓的施加情況可以不變，即為第二時間段。

本發明實施例提供的控制方法在加速階段採用相比於被動制動結構更高的驅動電壓實現轉動件102的快速啟動，在減速階段進行主動可控的反向制動，使得轉動件102能夠快速停止。

下面通過圖6簡單說明本發明實施例提供的控制方法為什麼能夠提高轉動件的轉動速度，圖6中細線為單一電壓V1驅動轉動件時轉角隨時間的變化曲線，粗線為採用本發明實施例提供的控制方法驅動轉動件時轉角隨時間的變化曲線。對於單一電壓驅動轉動件的方法，一個電壓值即對應一個轉角值，相應的轉動件穩定下來所需的時間也是固定的。根據結構力學的原理，在臨界阻尼狀態下，不同電壓驅動下轉動件穩定下來的時間近乎相等，只是在在起步階段轉角和時間的曲線上升斜率不同。高壓V2驅動的轉動曲線在起步階段的斜率高於低壓V1驅動的轉動曲線。這樣，對於採用本發明實施例提供的控制方法，我們可以將轉動件穩定下來之前的狀態分為兩個階段，啟動階段和制動階段，在啟動階段，我們採用高於驅動電壓V1(單一電壓驅動轉動件的方法，V1對應的轉角是θ)的電壓V2對多個懸臂梁同時驅動，這樣轉動件的轉角隨時間變化的速率就會高於單一壓電壓驅動轉動件的方法，在制動階段，我們採用對多個懸臂梁中的部分懸臂梁施加反向電壓來對制動件進行制動，這樣轉動件就能夠快速的穩定於轉角θ，所需時間t2便會小於t1。相比於單一電壓驅動轉動件的方法，本發明實施例提供的控制方法可以採用主動制動的控制方法，有效地提高壓電驅動轉動件到達指定轉角的速度。

如圖7所示，為本發明實施例提供的一種壓電微鏡。其中第一壓電懸臂梁的個數為3個，第二壓電懸臂梁的個數也為3個，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁對稱排列，第一壓電懸臂梁的第一端和固定框相連固定，第一壓電懸臂梁的第二端通過S型彈簧和轉動件相連，第二壓電懸臂梁的第一端和固定框相連固定，第二壓電懸臂梁的第二端通過S型彈簧和轉動件相連，轉動件繞轉動 件的轉動軸轉動，轉動件上包括反射鏡。

如圖8所示，為本發明實施例提供的另一種壓電微鏡，其是對圖7所示的一軸壓電微鏡結構進行擴展後的兩軸壓電微鏡結構，如圖8所示，這種結構可以實現鏡片的兩軸轉動，內框內的懸臂梁電驅動和外框所示的懸臂梁電驅動相對獨立，內外框懸臂梁均可以採用主動制動驅動方式，實現鏡片兩軸快速的位置切換。外框懸臂梁對應的轉動件為內框懸臂梁的固定件，外框懸臂梁對應的轉動件上的反射鏡和內框懸臂梁對應的轉動件上反射鏡是同一個反射鏡。

如圖9所示為本發明實施例提供的再一種壓電微鏡。其中第一壓電懸臂梁的個數為6個，第二壓電懸臂梁的個數也為6個，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁對稱排列，第一壓電懸臂梁的第一端和固定框相連固定，第一壓電懸臂梁的第二端和轉動件相連，第二壓電懸臂梁的第一端和固定框相連固定，第二壓電懸臂梁的第二端和轉動件相連，轉動件上包括反射鏡。第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁連接處的轉動件較窄，轉動件的中心部分較寬，反射鏡設置在轉動件的中心部分。圖9的壓電微鏡是圖7的壓電微鏡的擴展，即壓電懸臂梁的第二端直接連接到轉動件的轉動軸上，從而可以提高轉動的速度和角度。

如圖10所示，為本發明實施例提供的再一種壓電微鏡，其是對圖9所示的一軸壓電微鏡結構進行擴展後的兩軸壓電微鏡結構，如圖10所示，這種結構可以實現鏡片的兩軸轉動，內框內的懸臂梁電驅動和外框所示的懸臂梁電驅動相對獨立，內外框懸臂梁均可以採用主動制動驅動方式，實現鏡片兩軸快速的位置切換。外框懸臂梁對應的轉動件為內框懸臂梁的固定件，外框懸臂梁對應的轉動件上的反射鏡和內框懸臂梁對應的轉動件上反射鏡是同一個反射鏡。

如圖11所示，為本發明實施例提供的再一種壓電微鏡。其中第一壓電懸臂梁的個數為6個，第二壓電懸臂梁的個數也為6個，第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁對稱排列，第一壓電懸臂梁兩兩相互連接，並通過一個S型彈簧和轉動件相連，第二壓電懸臂梁兩兩相互連接，並通過一個S型彈簧和轉動件相連，轉動件繞轉動軸轉動，轉動件上包括反射鏡。圖11中的兩個第一壓電懸臂梁連接在一起，但是它們的壓電薄膜相互之間電隔離，因此可以施加不同的電壓進 行控制，以實現反向制動的目的。使用圖11中的壓電微鏡時，在減速階段，可以直接選擇相互連接的兩個壓電懸臂梁中的一個做反向制動。

如圖12所示，為本發明實施例提供的一種壓電微鏡陣列，為一種3×3壓電微鏡陣列，可以進一步擴展為更大的微鏡陣列。

如圖13所示，為本發明實施例提供的另一種壓電微鏡陣列，3×3壓電微鏡陣列，可以進一步擴展為更大的微鏡陣列。

本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本發明可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本發明可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。

本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器，使得通過該計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令可實現流程圖中的一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖的一個流程或多個流程和/或方框圖的一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基 本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。