CN1393710A - 与光学mems装置一起使用的成像技术 - Google Patents

Abstract

使用成像系统对光学MEMS装置进行成像，以便组合实际的一或多个其它光学MEMS装置或其所成的像，形成具有所组合的每个光学MEMS装置大小的单个虚光学MEMS装置。通过使光路紧凑，例如使用适当的传统反射镜，和/或采用折叠式设置，即在折叠式设置中通过使用至少一个传统的反射镜，仅一个MEMS装置台实现用于输入和输出的双重功能，可以减小该装置的实际尺寸。该成像系统可以再现光从微反射镜反射的反射角，例如使用远心光路系统。可以采用棱镜对准多个光学MEMS装置或其像。

Description

与光学MEMS装置一起使用的成像技术

技术领域

本发明涉及光学微机电系统(MEMS)装置技术领域，更准确地说，涉及使用MEMS装置的全光学开关。

发明背景

全光学开关的一种解决方法是采用两个MEMS装置，每个MEMS装置包括一可倾斜的微反射镜阵列，例如能反射光的小反射镜，此处的光指任何感兴趣波长的辐射，无论是否在可见光谱内。通过使用第一光学MEMS装置上与输入光纤有关的第一微反射镜，将光引导到第二光学MEMS装置上与输出光纤有关的第二微反射镜上，对于从输入源(例如光纤)提供给输出端(例如输出光纤)的光建立光路。然后，第二微反射镜将光引导到输出光纤中。认为与系统连接的每个光纤为该系统的一个端口，输入光纤为输入端口，输出光纤为输出端口。

使用MEMS装置的全光学开关技术中的一个问题是为了增加系统中端口的数量，即光纤的数量，必须增加所采用的执行切换功能的微反射镜的数量。在现有技术中，如上所述，第一光学MEMS装置包含所有集成在其上的第一微反射镜，第二光学MEMS装置包括所有集成在其上的第二微反射镜。由于光学MEMS装置的尺寸直接随光学MEMS装置上微反射镜的数量而变化，并且所需要的微反射镜的数量恰好正比于全光学开关中可用的最大端口数量，故为了增加全光学开关中可用的最大端口数量，需要采用更大的光学MEMS装置。

遗憾的是，目前制造能力和大包装尺寸的局限性，已经将光学MEMS装置实际上限制在1296个微反射镜。而且，即使可以有效地减小微反射镜的尺寸，仍然存在需要向每个微反射镜提供控制信号的问题。这些控制信号的路线安排占用了光学MEMS装置上的大量空间，从而将导致光学MEMS装置非常大。此外，必须用其基板将用于每个微反射镜的控制信号提供给光学MEMS装置。为了进行这些连接，在光学MEMS装置上需要额外的大量空间。

由于所有这些对空间需求的结果，使得光学MEMS的芯片相当大，从而，由于制造能力的局限性，限制了可以设置在单个光学MEMS装置上的微反射镜的数量。对微反射镜数量的限制，反过来限制了全光学开关的端口数量。

此外，目前可用的微反射镜虽然可以倾斜，不过具有有限的有效范围。对有效范围的限制进一步限制了采用这种光学MEMS装置的全光学开关中可以实现的端口的数量，因为第一光学MEMS装置上的每个微反射镜必须能够将入射在其上的光引导到第二光学MEMS装置上的每个微反射镜上。如此对光进行引导的能力是微反射镜有效倾斜范围的作用。换句话说，更大的有效倾角允许每个微反射镜将光引导到更大的区域。对于设置成光学开关的光学MEMS装置来说，所需要的最大倾斜角是用来连接光学MEMS装置对角处的微反射镜的倾斜角。例如，第一MEMS装置右上部微反射镜必须将光引导到第二MEMS装置左下部的微反射镜所需的最大倾斜角度。因而，光学开关中可以采用的微反射镜阵列的尺寸受到其光学MEMS装置有效倾斜范围的限制。

两个光学MEMS装置之间间隔距离的增大减小了所需的倾斜角度，将允许在不改变微反射镜有效倾斜范围的条件下使用更大的微反射镜阵列。不过，这样做会增加光束衍射，需要使用具有更大直径的微反射镜或者导致某些光的损耗，这是不利的。由于使用更大的微反射镜需要额外的空间，这样做的结果是增加了光学MEMS装置上微反射镜之间的距离，对于相同数量的微反射镜，进一步增加了光学MEMS装置的尺寸。作为光学MEMS装置尺寸增加的结果，需要更大的倾斜角，以与相对光学MEMS装置的对角进行耦合。从而，实际上由于有限的可用倾斜角，相对光学MEMS装置额外的间隔并未有助于增加端口数量。

此外，由于MEMS装置的包装比其包含微反射镜的面积大得大，故对于目前的设计，不可能将多个MEMS装置的微反射镜区域正好一个挨一个地设置，以形成一个单一合成的更大的MEMS装置。由于需要MEMS装置上大的边缘面积以进行所需要的大量连接，将来的设计看起来也不可能很容易地实现单个、合成、更大的MEMS装置。

发明概述

我们已经认识到，可以克服由于光学MEMS装置的尺寸和/或有效倾斜角的制约对全光学开关中端口数量的限制，根据本发明的原理，通过使用一成像系统对一或多个光学MEMS装置进行成像，与实际的其它光学MEMS装置或其图象相组合，以形成具有所组合的每个光学MEMS装置大小的单个虚光学MEMS装置。可以通过使光路紧凑而减小该装置的实际尺寸，例如使用适当的传统反射镜，和/或采用折叠式设置，即在设置中通过使用至少一个传统的反射镜，仅由一个MEMS装置实现输入和输出的双重功能。在本发明的一个实施例中，该成像系统再现了光从微反射镜反射的角度。这可以通过使用也称为4f系统的远心光路系统来获得。

在本发明的各个实施例中，为了组合多个光学MEMS装置的象和/或实际装置，可以将这些成像系统设置成彼此不同的角度，还可以要求成像系统中距离微反射镜光学上最远的透镜相互重叠。为了补偿这种不同的角度和重叠，在本发明的一个实施例中，对于光学MEMS装置的每个图象，可以在其所形成象的平面中插入一棱镜。该棱镜被设计成对于一光学MEMS装置光的所有角度倾斜成，与用于该光学MEMS装置的成像系统的与该光学MEMS装置距离最远的透镜和另一光学MEMS装置的成像系统的与该另一个光学MEMS装置距离最远的至少一个透镜之间的角度相反。在本发明的另一实施例中，可以采用透镜来代替棱镜，以实现相同的功能。在本发明的又一实施例中，类似地可以采用折叠式反射镜。

设置整个系统，以构成(account for)通过采用成像系统所引起MEMS装置的任何象的变换。

附图的简要说明

在附图中：

图1表示全光学切换装置的一个实施例，其中使用各自的成像系统对两个光学MEMS装置中的每一个进行成像，以形成一具有所结合的每个光学MEMS装置的大小的虚光学MEMS装置；

图2表示一种全光学切换装置，其中使用一成像系统对两个输入光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输入光学MEMS装置的大小的虚输入光学MEMS装置；并且其中使用一成像系统对两个输出光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输出光学MEMS装置大小的虚输出光学MEMS装置；

图3表示一种全光学切换装置的紧凑实施例，其中使用一成像系统对两个输入光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输入光学MEMS装置大小的虚输入光学MEMS装置；并且其中使用一成像系统对两个输出光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输出光学MEMS装置大小的虚输出光学MEMS装置；

图4表示本发明的一示例性实施例，其中该系统是折叠式的；

图5表示一种全光学切换系统，具有与图2中所示的光路等价的光路，不过其中采用反射镜以取代图2中的棱镜；

图6表示全光学切换系统的另一实施例，其在输入部分中结合使用一实际MEMS装置与MEMS装置的象；

图7表示某些可能的平铺(tiling)设置；以及

图8表示一种平铺设置的端视图，其中将四个输出MEMS装置的象结合，形成一个大的输出MEMS装置。

详细说明

下面仅说明本发明的原理。因此应该理解，本领域技术人员能够想象出多种方案，虽然在此没有明确地描述或表示出，不过体现了本发明的原理并包括在其精神和范围之内。另外，此处所叙述的所有例子和条件语句确切地主要仅用于示范的目的，有助于读者理解发明人所提供的本发明的原理和概念，以促进技术的发展，理解为本发明不限于所述的特殊例子和条件。而且，此处叙述本发明原理、方面和实施例的所有陈述以及其特殊的实例，试图包括其结构和功能性等效物。此外，该等效物试图包括目前已知的等效物以及将来发展的等效物，即无论结构如何，任何实现相同功能的所开发的元件。

因此，例如，本领域技术人员将理解到，此处的任何方框图表示为体现本发明原理的示意线路的草图。类似地，将理解到任何流程表、流程图、状态转变图、代码等等表示各种过程，可以基本上表示在计算机可读介质中，并由计算机或处理器执行，无论该计算机或处理器是否被清楚地表示出。

通过使用专用硬件以及能够结合适当的软件执行软件的硬件，可以提供图中所示的包括标记为“处理器”的任何功能块在内的多种元件的功能。当由一处理器来提供时，可以通过单个专用处理器、单个共享的处理器、或者多个单独的处理器(其中某些是共享的)来实现此功能。而且，不应将“处理器”或“控制器”的明确使用解释为专门指能够执行软件的硬件，可以不加限制的包括数字信号处理器(DSP)硬件，网络处理器，特定用途集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，用于存储软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。还可以包括传统的和/或常规的其他硬件。类似地，图中所示的任何开关都仅是概念上的。可以通过程序逻辑的操作，通过专用逻辑，通过程序控制和专用逻辑的交互作用，或者甚至于手工地，从上下文中更加特殊地理解可由实现者选择的特定技术来实现它们的功能。

在权利要求书中，任何表示为装置的用于实现特定功能的元件都试图包括实现该功能的任何方法，包括例如，a)执行该功能的电路元件的结合，或b)任何形式的软件，包括微程序语言，微代码等，与用于执行该软件的适当的电路结合，实现该功能。由该权利要求所限定的本发明在于以权利要求所要求的方式将所述的多种装置结合并结合在一起，以提供该功能。从而申请人认为能提供那些功能的任何装置与此处所示的那些装置是等效的。

此处可以将表示软件的软件模块或简单的模块表示为流程图元件或其他表示处理步骤和/或文字表述元件的任意结合。可以通过明确或隐含表示出的硬件来执行该模块。

除非此处另有明确规定，附图没有按比例画出。

此外，除非此处另有明确规定，此处所示和/或所描述的任何透镜是一种具有该透镜特有特性的实际的光学系统。可以通过单个透镜元件来实现这种光学系统，不过不限于此。类似地，所示和/或所描述的反射镜，实际上所示和/或所描述的是一种具有这种反射镜特性的光学系统，可以由单个反射镜元件来实现这种光学系统，不过不必限于单个反射镜元件。这是因为，如本领域中众所周知的，多种光学系统可以以更高级的方式，例如具有更小的畸变，提供同样的单透镜元件或反射镜的功能。而且，如本领域中众所周知的，可以通过透镜与反射镜的结合来实现曲面反射镜的功能，反之亦然。而且，执行特定功能的光学元件的任何设置，如成像系统，光栅，镀膜元件和棱镜，可以由实现相同特定功能的光学元件的其他设置所取代。因此，除非此处另有明确规定，在此处所公开的所有实施例中能够提供特定功能的所有光学元件或系统，与用于本发明公开的目的的其他光学元件和系统是等效的。

此处所使用的术语微机电系统(MEMS)装置意味着整个MEMS装置或其任何部分。因此，如果MEMS装置的一部分不起作用，或者如果MEMS装置的一部分被遮断，还是认为这种MEMS装置是用于本发明公开目的的MEMS装置。

我们已经认识到，可以克服由于光学MEMS装置的尺寸和/或有效倾斜范围的制约对全光学开关端口数量的限制，根据本发明的原理，通过使用成像系统对一或多个光学MEMS装置进行成像，结合实际的其它光学MEMS装置或其图象，以形成具有所结合的每个光学MEMS装置大小的单个虚光学MEMS装置。这从图1中可以看出，图1表示全光学切换装置的一个实施例，其中使用各自的成像系统对两个光学MEMS装置中的每一个进行成像，以形成一具有所结合的每个光学MEMS装置大小的虚光学MEMS装置。在图1中表示出a)第一输入光纤束101，b)第一输入微透镜阵列102，c)第一输入MEMS装置103，d)透镜105，e)透镜109，f)第二输入光纤束111，g)第二输入微透镜阵列112，h)第二输入MEMS装置113，i)透镜115，j)透镜119，k)第一输出光纤束121，l)第一输出微透镜阵列122，m)第一输出MEMS装置123，n)棱镜141，和o)场镜143。

第一输入光纤束101提供被切换的光信号。更准确地说，第一输入光纤束101中的每个光纤是图1切换系统的一个输入端口。第一光纤束101中的每个光纤所提供的光通过作为第一输入微透镜阵列102一部分的各相应的微透镜。每个微透镜的功能在于准直由其各相关的输入光纤提供的光束。在本发明的另一实施例中，取而代之采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与输入光纤束101的每个光纤集成为一个装置，形成准直器。

从第一输入微透镜阵列102通过的光束均入射在第一输入MEMS装置103的各个微反射镜上。设置第一输入MEMS装置103的每个微反射镜，以对以各规定角度入射其上的光束进行反射。选择特定的规定角度，使得结合第一输出MEMS装置123的相应的各微反射镜的角度，将光引导到第一输出光纤束121中预先选择的光纤上。

在从其特定的微反射镜反射之后，每个光束经由透镜105和透镜109通到棱镜141。透镜105和透镜109构成成像系统。设置该成像系统，使得在棱镜141处所产生的每个光束的入射角度随第一输入MEMS装置103的每个微反射镜角度而改变。在本发明的一个更加简单的实施例中，设置该成像系统，使得在棱镜141处再现光从第一输入MEMS装置103的每个微反射镜反射的反射角。因此，直接将第一输入MEMS装置103的每个微反射镜成像在棱镜141的位置。注意，虽然表示由两个透镜组成成像系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的系统。

在本发明的一个实施例中，采用也称为4f系统的远心光路系统作为成像系统。通过使用本领域中众所周知的远心光路系统，当光到达棱镜141时，再现了从第一输入MEMS装置103反射的每个光束的反射角度。注意，由于远心光路系统可以反向，故第一输出MEMS装置123的各相应的微反射镜与其没有采用成像系统时相比可能没有处于同一位置。不过，由于该成像系统所维持的微反射镜映象的一对一特性，故在该系统的控制软件中可以很容易地构成反向，正确地倾斜第一输出MEMS装置123的微反射镜，以将来自该象的光引导到第一输出光纤束121的规定的输出光纤上。

注意，与原始的象相比，该成像系统还可以改变象的尺寸。这将允许第一输出MEMS装置123的微反射镜具有不同于第一输入MEMS装置103的微反射镜的尺寸，并且允许第一输出MEMS装置123的微反射镜间隔与第一输入MEMS装置103的微反射镜的间隔不同。不过，这样做将改变图象中第一输入MEMS装置103的每个微反射镜的倾斜角度比例，为了正确地将图象寻址到第一输出MEMS装置123的每个微反射镜，对实际的倾斜进行必须的补偿。

而且，可能在透镜105与109之间采用光学分束器，以产生通过该系统的多信号路径，例如实现立体声调频广播、广播、监控、保护和恢复功能。有利的是，获得系统设计极大的灵活性。

第二输入光纤束111也提供待切换的光信号。更准确地说，第二输入光纤束111中的每个光纤也是图1中切换系统的一个输入端口。第二输入光纤束111的各个光纤所提供的光通过作为第二输入微透镜阵列112一部分的各相应的微透镜。每个微透镜的作用在于准直由其各相应的输入光纤提供的光束。在本发明的另一实施例中，取而代之采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与第二输入光纤束111中的每个光纤集成为一个装置，形成准直器。

从第二输入微透镜阵列112通过的光束均入射在第二输入MEMS装置113的相应微反射镜上。设置第二输入MEMS装置113的每个微反射镜，以对以各规定角度入射其上的光束进行反射。选择特定的规定角度，使得结合第一输出MEMS装置123的相应的各微反射镜的角度，将光引导到第一输出光纤束121中预先选择的光纤上。

在从其特定的微反射镜反射之后，每个光束经由透镜115和透镜119通到棱镜141。透镜115和透镜119构成成像系统。设置该成像系统，使得在棱镜141处再现第二输入MEMS装置113每个微反射镜的角度。因此，将第二输入MEMS装置113的每个微反射镜直接成像在棱镜141的位置。注意，虽然表示出由两个透镜组成成像系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的系统。

在本发明的一个实施例中，采用也称为4f系统的远心光路系统作为成像系统。通过使用本领域中众所周知的远心光路系统，当光束到达棱镜141时，再现了来自第二输入MEMS装置113的每个光束的反射角。注意，由于远心光路系统可以反向，故第一输出MEMS装置123的各相应的微反射镜与没有采用成像系统时相比可能没有处于相同的位置。不过，由于成像系统所维持的微反射镜映象的一对一特性，故在该系统的控制软件中可以很容易地构成反向，正确地倾斜第一输出MEMS装置123的微反射镜，以将来自该象的光引导到第一输出光纤束121规定的输出光纤上。注意，虽然表示由两个透镜组成远心光路系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到可以采用任何远心光路系统，例如使用一或多个透镜的系统。

注意，与原始的象相比，该成像系统还可以改变象的大小。这将允许第一输出MEMS装置123的微反射镜具有不同于第二输入MEMS装置113的微反射镜的尺寸，并且还将允许第一输出MEMS装置123的微反射镜间隔不同于第二输入MEMS装置113的微反射镜间隔。不过，这样做将改变图象中第二输入MEMS装置113的每个微反射镜的倾斜角度比例，为了正确地将图象寻址到第一输出MEMS装置123的微反射镜，必须对实际的倾斜进行补偿。

而且，可能例如在透镜115与119之间采用光学分束器，以产生通过该系统的多信号路径，例如实现立体声调频广播、广播、监控、保护和恢复功能。有利的是，获得了系统设计极大的灵活性。

棱镜141的作用在于使第一输入MEMS装置103的象和第二输入MEMS装置113的象的路径弯折。在图1所示本发明的实施例中，实现了弯折，使得在通过棱镜141之后，所产生的象看起来好象第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113关于沿从场镜143的中心到棱镜141的中心的直线它们相遇的点彼此相邻。因此，根据本发明的原理，产生了单一输入MEMS装置的像，具有第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113组合的大小。该象起虚MEMS输入装置的作用。

在图1所示本发明的实施例中，棱镜141具有至少两个部分，一部分使第一输入MEMS装置103的图象弯折，另一部分使第二输入MEMS装置113的图象弯折。实际上，这两个部分可以是分离的棱镜，或者可以采用集成的单一装置。最好将第一输入MEMS装置103的所有光束弯折相同的量，同样地，将第二输入MEMS装置113的象的所有光束也弯折相同的量。不过，第一输入MEMS装置103的象的所有光束被弯折的量不必与第二输入MEMS装置113的图象的所有光束的弯折量相同。本领域普通技术人员将认识到棱镜141的作用，也可以设计出多种其它的透镜装置。在诸如成本和全光系统结构，即所采用的总的透镜系统的设计考虑的基础上，选择用于实现棱镜141功能的特定设置。

结合的光学MEMS装置的象的光在其通往第一输出MEMS装置123的路径上通过任选的场镜143。任选的场镜将光入射在每个微反射镜上的角度转换成光将被引导的位置。这允许第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113的所有微反射镜成为均质的，以使具有相同倾斜的所有微反射镜将把光引导到同一位置。而且，场镜对通过它的每个光束再聚焦，因此减小了损失。

从场镜143通过的光束均入射在第一输出MEMS装置123的各个微反射镜上。设置第一输出MEMS装置123的每个微反射镜，以对以各个角度入射在其上的光进行反射。选择特定角度，以便将入射在微反射镜上的光反射到第一输出光纤束121特定的光纤上，该特定光纤接收光并起到该光的输出端口的作用。

从第一输出MEMS装置123上的每个微反射镜通过的光束，将通过微透镜阵列122的相应微透镜。每个微透镜的作用在于将光束耦合到其各自相关的输出光纤中。在本发明的另一实施例中，取而代之，采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与光纤束121中的每个输出光纤集成为一个装置，形成准直器。然后，来自微透镜阵列122每个微透镜的光通过与该微透镜相关的各个输出光纤。

图1所示本发明的实施例对于不对称系统尤为有用，其中例如输入端口的数量大于输出端口的数量。

图2表示全光学切换系统的一个实施例，其中使用一成像系统对两个输入光学MEMS装置进行成像，形成一虚输入光学MEMS装置，该虚输入光学MEMS装置具有所结合的每个输入光学MEMS装置的大小，并且其中使用一成像系统对两个输出光学MEMS装置进行成像，形成一虚输出光学MEMS装置，该虚输出光学MEMS装置具有所结合的每个输出光学MEMS装置的大小。在图2中表示出a)第一输入光纤束101，b)第一输入微透镜阵列102，c)第一输入MEMS装置103，d)透镜105，e)透镜109，f)第二输入光纤束111，g)第二输入微透镜阵列112，h)第二输入MEMS装置113，i)透镜115，j)透镜119，k)第一输出光纤束121，l)第一输出微透镜阵列122，m)第一输出MEMS装置123，n)棱镜141，o)场镜143，q)透镜225，r)透镜229，s)第二输出光纤束231，t)第二输出微透镜阵列232，u)第二输出MEMS装置233，v)透镜235，w)透镜239和x)棱镜245。

图2中的输入部分即场镜143左边所有元件和其操作，以及场镜143和其操作，与所描述的图1中相同参数的部件相同。

类似地，图2中场镜143右边的所有元件以相反的方式进行工作。因此，分别通过由a)透镜225与透镜229和b)透镜235与239组成的成像系统和棱镜245形成具有第一输出光学MEMS装置123和第二输出光学MEMS装置233组合大小的MEMS装置的象。该象起虚MEMS输出装置的作用。入射在结合的输出光学MEMS装置的象上特定微反射镜象上的来自场镜143的光，将通过将该象投影到所成像的实际的微反射镜上的相应成像系统。光束将离开该微反射镜反射并被引导，以便通过微透镜并进入该输出微反射镜指向的输出光纤中。

更准确地说，在结合的输入光学MEMS装置的象的光通过任选场镜143之后，将遇到执行棱镜141相反功能的棱镜245，以将入射在其上的光引导到两个方向，第一个方向通过由透镜225和透镜229组成的成像系统，第二个方向通过由透镜235和239组成的成像系统。由棱镜245将在相当于第一输出MEMS装置123的象的点处入射在其上的那些光束引导到由透镜225和229组成的成像系统上。同样，在相当于第二输出MEMS装置233的象的点处入射在棱镜245上的那些光束，被引导到由透镜235和239组成的成像系统上。

注意，虽然表示出由两个透镜组成成像系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的成像系统。

在本发明的一个实施例中，由透镜225与229和透镜235与239组成的成像系统均为也称为4f系统的远心光路系统。通过使用本领域中众所周知的远心光路系统，当光束到达输出MEMS装置123和233其中各自的一个输出MEMS装置时，再现了从棱镜245进入每个成像系统时每个光束的反射角。注意，由于远心光路系统可以反向，故各个输出MEMS装置123和233的各相应的反射镜与它们没有采用成像系统时相比，可能没有处于相同的位置。不过，由于该成像系统具有微反射镜映象的一对一特性，故在该系统的控制软件中可以很容易地构成该反向，正确地倾斜微反射镜，以将光从此象引导到该固定的输出光纤。

如上面结合图2中所示的光学切换装置的输入部分所描述的相同的原因和需要相同的设计考虑，与原始象相比，该成像系统还可以改变象的大小。类似地，如上面结合图2中所示的光学切换装置的输入部分所描述的相同的原因和需要相同的考虑，可能在成像系统内采用光学分束器。

从透镜225和229组成的成像系统通过的光束均入射在第一输出MEMS装置123的相应微反射镜上。如上面结合图1所描述的，设置第一输出MEMS装置123的各个微反射镜，以对以各角度入射在其上的光束进行反射。选择特定角度，以使入射在微反射镜上的光被反射到第一输出光纤束121的特定光纤上，该特定光纤接收光并起到该光的输出端口的作用。

从第一输出MEMS装置123的每个微反射镜通过的光束将通过微透镜阵列122的相应微透镜。每个微透镜的作用在于将光束耦合到其各自相关的输出光纤中。在本发明的另一实施例中，取而代之，采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与光纤束121的每个光纤集成为一个装置，形成准直器。然后来自微透镜阵列122中每个微透镜的光进入与该微透镜相关的各输出光纤束中。

类似地，来自透镜235和239组成的成像系统的光束均入射在第二输出MEMS装置233的各微反射镜上。设置第二输出MEMS装置233的各个微反射镜，以对以各角度入射在其上的光束进行反射。选择特定角度，以使入射在微反射镜上的光被反射到第二输出光纤束231的特定光纤上，该特定光纤接收光并起到该光的输出端口的作用。

来自第二输出MEMS装置233的每个微反射镜的光束将通过微透镜阵列232的各微透镜。每个微透镜的作用在于准直提供给其各自相关的输入光纤的光束。在本发明的另一实施例中，取而代之，采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与光纤束231中的每个输出光纤集成为一个装置，形成准直器。然后来自微透镜阵列232中每个微透镜的光进入与该微透镜相关的各输出光纤束中。

然后实际上产生了虚输入MEMS装置和虚输出MEMS装置，设置该虚输出MEMS装置和虚输入MEMS装置，以形成交叉连接。

注意，图2的系统在操作中总体上是对称的。因此，可以将输入端口用做输出端口，反之亦然。不过，假设图2中的装置仅能够将左边的一个光纤耦合到右边的任一个光纤。

图3表示一全光学切换装置的紧凑实施例，其中使用成像系统对两个输入光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输入光学MEMS装置的大小的虚输入MEMS装置；并且其中使用成像系统对两个输出光学MEMS装置进行成像，以形成一具有所结合的每个输出光学MEMS装置的大小的虚光学MEMS装置。在图3中表示出与图2所示的相同的元件和附加元件：反射镜307，317，327和337。图3中所有元件的作用与图1和2中相同标记的元件所述的作用相同。不过，由于反射镜307，317，327和337将光束所遵循的路径方向反向，故改变了光纤束与其相关的微透镜阵列，以及作为各成像系统一部分的透镜109，115，225和235的位置和/或取向。本领域普通技术人员将理解到，这使得能够实现图3所示的更加紧凑的光路。注意，反射镜307，317，327和337均位于各自的成像系统内，不过成像系统的作用与没有反射镜时相同。或者可以使反射镜307，317，327和337中的一或多个对于其各自的成像系统，具有并非改变其相关的成像系统内光的方向的作用效果，例如通过使反射镜弯折。

图4表示本发明的另一实施例，其中该系统是折叠式的。在图4中表示出a)第一光纤束401，b)第一微透镜阵列402，c)第一MEMS装置103，d)透镜105，e)透镜109，f)第二光纤束411，g)第二微透镜阵列412，h)第二MEMS装置113，i)透镜115，j)透镜119，k)棱镜141，l)反射镜307和317，和m)折叠式反射镜413。

与前面描述的实施例不同，光纤束401包含输入和输出光纤束，以使光纤束401起输入和输出端口的作用。来自输入光纤的光通过第一微透镜阵列402的各相关的微透镜。光从第一MEMS装置103的相应有关的微反射镜反射，并通过图4中由透镜105和109组成的成像系统。如上所述，虽然表示出由两个透镜组成了成像系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到，可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的系统。在本发明的一个实施例中，采用远心光路系统作为成像系统。在图4所示本发明的实施例中，由于反射镜307使通过成像系统的光改变方向，故该成像系统为一种紧凑的成像系统。

类似地，光纤束411包括输入和输出光纤，以使光纤束411起输入和输出端口的作用。来自输入光纤的光通过第二微透镜阵列412的各相关的微透镜。光从第二MEMS装置113的相应有关的微反射镜反射，并通过图4中由透镜115和119组成的成像系统。如上所述，虽然表示出由两个透镜组成成像系统，不过这仅仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将理解到，可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的系统。在本发明的一个实施例中，采用远心光路系统作为成像系统。在图4所示本发明的实施例中，由于反射镜317使通过成像系统的光改变方向，故该成像系统为一种紧凑的成像系统。

从每个成像系统出射的光束通过棱镜141。如前面所描述的本发明的实施例，对于来自成像系统的光，棱镜141的作用在于使第一MEMS装置103像和第二MEMS装置113的像的路径弯折。在图4所示本发明的实施例中，实现这种弯折，使得在通过棱镜141之后所产生的像，看起来好像第一MEMS装置103和第二MEMS装置113关于它们沿从反射镜413的中心到棱镜141的中心的直线相遇的点彼此相邻。因此，根据本发明的原理，产生了具有第一输入MEMS装置103和第二MEMS装置113组合大小的单个输入MEMS装置的像。该像起虚MEMS输入装置的作用。

第一MEMS装置103和第二MEMS装置113的像被反射镜413反射。反射镜413是一传统的反射镜，可以是平的，起平面反射镜的作用；或者可以是弯折的，以体现此处所描述的本发明的其他实施例中场镜的作用。

由反射镜413向回朝向棱镜141反射的光束为返回光束。棱镜141以与前面所述的棱镜245相同的方式改变返回光束的方向。更准确地说，对于从反射镜413到其中一个成像系统的光，棱镜141执行了与对于从该成像系统朝向反射镜413传播的光所执行的功能相反的功能。为此，棱镜141将入射在其上的光引导到两个方向，第一个方向通过由透镜105和透镜109组成的成像系统，第二个方向通过由透镜115和119组成的成像系统。由棱镜141将在相当于第一MEMS装置103的像的点处入射在其上的那些光束引导到由透镜105和109组成的成像系统。同样，由棱镜141将在相当于第二输出MEMS装置113的像的点处入射在其上的光束引导到由透镜115和119组成的成像系统。

一般说来，返回的光束入射在不同于最初将它们朝向反射镜413反射的微反射镜上，不过不作这种要求，对于任何输入光束，返回的光束可以实际上入射在与将其朝反射镜413反射的同一微反射镜上。这样作能够使光纤中的任何光纤连接到光纤束中的任何其他光纤上，包括它自己。

然后每个返回的光束通过各被引导的成像系统，然后被第一MEMS装置103和第二MEMS装置113其中相应的一个的微反射镜朝对于返回光束起输出端口作用的光纤束401和411其中相关的一个光纤束的各个光纤反射。在从微反射镜反射之后，但在进入光纤之前，光束通过与对于返回光束起输出端口作用的光纤相关的微透镜阵列402和412其中之一的微透镜。

图5表示全光学切换系统的另一实施例，其具有与图2所示光路等价的光路。不过，在图5中用反射镜代替导致光路遵循不同空间路径传播的棱镜141和245。这导致了一种更加紧凑的系统设置。除了去除了棱镜141和245，并增加了附加的反射镜541，551，561和571元件以外，图5中所示的元件与图2中所示的元件相同。图5的所有元件的作用与所描述的图1和图2中相同标记的部件的作用相同。

反射镜541和561的作用与棱镜141的作用相同，在于它们对第一输入MEMS装置103的像和第二输入MEMS装置113的像的路径进行弯折。在图5所示本发明的实施例中，实现了弯折，使得在通过反射镜541和561之后，所产生的像看起来好像第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113关于沿从场镜143的中心到反射镜541与561相交的点的直线它们相遇的点彼此相邻。不过，注意，使用反射镜代替棱镜将改变光束的方向，从而提供一种更加紧凑的结构。因此，根据本发明的原理，产生一具有第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113组合大小的单一输入MEMS装置的像。该像起到虚MEMS输入装置的作用。

在图5所示本发明的实施例中，至少有两个不同的反射镜，一个用于弯折第一输入MEMS装置103的像，另一个用于弯折第二输入MEMS装置113的像。实际上，可以将这两个部分结合以形成单个集成的反射镜。最好将第一输入MEMS装置103的像的所有光束弯折相同的量，同样将第二输入MEMS装置113的像的所有光束弯折相同的量。不过，第一输入MEMS装置103象的所有光束所弯折的量不必与第二输入MEMS装置113象的所有光束被弯折的量相同。本领域普通技术人员将认识到，可以用多种反射镜设置来实现反射镜541和561的功能，例如可以补充以附加反射镜或透镜功能的曲面镜。将在诸如成本和总体光学结构的设计考虑的基础上选择用于实现反射镜541和561功能的特定设置。

反射镜551和571的作用与棱镜245的作用相同，在于它们对第一输出MEMS装置123的像和第二输出MEMS装置233的像的路径进行弯折。在图5所示本发明的实施例中，实现了弯折，使得在通过反射镜551和571之后，所产生的像看起来好像第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233关于沿从场镜143的中心到反射镜551和571相遇的点的直线它们相遇的点彼此相邻。不过，注意，使用反射镜代替棱镜改变了光束的方向，从而形成了一种更加紧凑的结构。因此，根据本发明的原理，产生了具有第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233组合大小的单个输出MEMS装置的像。该像起其虚MEMS输出装置的作用。

在图5所示本发明的实施例中，至少有两个不同的反射镜，一个用于弯折第一输出MEMS装置123的像，另一个用于弯折第二输出MEMS装置233的像。实际上可以将这两个部分结合形成单个集成的反射镜。最好将第一输出MEMS装置123的像的所有光束弯折相同的量，同样将第二输出MEMS装置233的像的所有光束弯折相同的量。不过，第一输出MEMS装置123的像的所有光束弯折的量不必与第二输出MEMS装置233像的所有光束弯折的量相同。本领域普通技术人员将认识到，可以用多种反射镜设置来实现反射镜551和571的功能，例如可以为补充以附加反射镜或透镜功能的曲面镜。将在诸如成本和总体光学系统结构的设计考虑的基础上选择用于实现反射镜551和571功能的特定设置。

图6表示全光学切换系统的另一实施例，其中在其输入部分将一实际的MEMS装置与一MEMS装置的像相结合。

在图6中表示出a)第一输入光纤束101，b)第一输入微透镜阵列102，c)第一输入MEMS装置103，d)透镜105，e)透镜109，f)第二输入光纤束111，g)第二输入微透镜阵列112，h)反射镜541，i)第二输入MEMS装置113，j)棱镜245，k)第一输出光纤束121，l)第一输出微透镜阵列122，m)第一输出MEMS装置123，n)棱镜245，0)场镜143，q)透镜225，r)透镜229，s)第二输出光纤束231，t)第二输出微透镜阵列232，u)第二输出MEMS装置233，v)透镜235和w)透镜239。

第一输入光纤束101提供待被切换的光信号。更准确地说，第一输入光纤束101中的每个光纤是图1切换系统的一输入端口。第一输入光纤束101中每个光纤所提供的光通过作为第一输入微透镜阵列102一部分的各相应的微透镜。每个微透镜的作用在于对由其各相关的输入光纤提供的光束进行准直。在本发明的另一实施例中，取而代之，采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与输入光纤束101中的每个光纤集成为一个装置，形成准直器。

从第一输入微透镜阵列102通过的光束均入射在第一输入MEMS装置103的各微反射镜上。设置第一输入MEMS装置103的每个微反射镜，以对以各规定角度入射其上的光束进行反射。规定该特定角度，以与第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233其中之一的相应的各微反射镜的角度结合，将光引导到第一输出光纤束121或第二输出光纤束231中预先选择的光纤上。

在从其特定的微反射镜反射之后，每个光束均通过透镜105，然后通过透镜109，到达反射镜541。透镜105和透镜109组成一成像系统。设置该成像系统，以使在反射镜541处再现第一输入MEMS装置103各微反射镜的角度。因此，将第一输入MEMS装置103的每个微反射镜直接成像在反射镜541的位置。注意，虽然表示出由两个透镜组成成像系统，不过这仅是为了示范和清楚的目的。本领域普通技术人员将很容易理解到，可以采用任何成像系统，例如使用一或多个透镜的系统。

在本发明的一个实施例中，采用也称为4f系统的远心光路系统作为成像系统。通过使用本领域中众所周知的远心光路系统，当光束到达反射镜541时，再现了来自第一输入MEMS装置103的每个光束的反射角。注意，由于远心光路系统可以反向，故第一输出MEMS装置123的各相应的微反射镜与没有采用成像系统时相比，可能并不处于同一位置。不过，由于该成像系统所维持的微反射镜映象的一对一特性，故在系统的控制软件中可以很容易地构成这种反向，适当地倾斜第一输出MEMS装置123的微反射镜，以将来自该像的光引导到第一输出光纤束121的规定输出光纤上。

注意与原始的像相比，该成像系统还可以改变像的大小。这将允许第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233的微反射镜具有不同于第一输入MEMS装置103的微反射镜的大小，并且允许第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233的微反射镜间隔与第一输入MEMS装置103的间隔不同。不过这样做看上去将改变图像中第一输入MEMS装置103每个微反射镜的倾斜角度比例，为了正确地将像寻址到第一输出MEMS装置123和第二输出MEMS装置233的微反射镜上，必须对实际的倾斜进行附加的补偿。

而且，可能例如在透镜105与109之间采用光学分束器，以产生通过该系统的多信号路径，例如实现立体声调频广播、广播、监控、保护和恢复功能。有利的是，获得了系统设计中极大地灵活性。

第二输入光纤束111也提供待被切换的光信号。更准确地说，第二输入光纤束111中的每个光纤也为图1切换系统的一个输入端口。由第二输入光纤束111中的每个光纤提供的信号通过作为第二输入微透镜阵列112一部分的各相应的微透镜。每个微透镜的作用在于对由其各相关的输入光纤提供的光束进行准直。在本发明的另一个实施例中，取而代之采用一分离的微透镜阵列，透镜可以与光纤束111中的每个光纤集成为一个装置，形成一准直器。

从第二输入微透镜陈列112通过的光束均入射在第二输入MEMS装置113的各个微反射镜上。设置第二输入MEMS装置113的每个微反射镜，以对以各规定角度入射在其上的光束进行反射。规定该特定角度，使与第一输出MEMS装置123或第二输出MEMS装置233的相应的各个微反射镜的角度组合，将光引导到第一输出光纤束121或第二输出光纤束231中预先选择的光纤上。

在从其特定的微反射镜反射之后，每个光束均通过场镜143。

反射镜541的作用在于对第一输入MEMS装置103的像的路径进行弯折，使得所产生的像看起来好像第一输入MEMS装置103与第二输入MEMS装置113关于从场镜143的中心到棱镜245的中心的直线像与实际MEMS装置相遇的点彼此相邻。因此，根据本发明的原理，似乎存在一具有第一输入MEMS装置103和第二输入MEMS装置113组合大小的单一输入MEMS装置。这种组合起着总的输入MEMS装置的作用，其为一虚MEMS装置。

在通过场镜143之后，光进入切换系统的输出部分，即图6中场镜143右边的所有元件。场镜143和图6的输出部分的作用与所描述的图2输出部分的相同标记的部件的作用相同。

注意，为了示范和清楚的目的，所示的实施例仅结合至多两个MEMS装置用作输入部分或输出部分，或者是MEMS装置的像，或者是一个实部和一个像部。不过，可能具有其中通过三维设置前面任何一个实施例，例如在所示的实施例的纸面外部，而具有多于两个MEMS装置的本发明的实施例。这种设置允许MEMS装置或其像“平铺”，以产生用于输入、输出或者两者的更大的虚MEMS装置。图7表示用于MEMS装置或其像705的平铺设置701，702和703，也可能为某些多种平铺设置。本领域的普通技术员将很容易能够得出这种其它设置。

图8表示一种这种设置的端视图，其中四个输出MEMS装置的像相结合形成一个更大的输出MEMS装置。虽然在图8中是不可见的，因为他们恰好在图8中所示元件的后面，所以四个输入MEMS装置同样结合形成一个更大的输入MEMS装置。或者，可以认为，图8为从相反一端看过去的输出部分的端视图。图1中所示的元件的数字功能上相当于图2相同标号的元件，不过对于图2中原来所示的那些元件加了后缀1，对于图8中引入的那些元件加了后缀2，以形成更大的阵列。

本领域普通技术人员将很容易理解如何对系统的各个元件和反射镜进行取向，以便获得所需的尺寸和结构。

注意，取代使用提供光束的光纤作为输入，可以由光源，例如激光器或发光二极管，平面波导等来提供光束。同样，取代接收光束的光纤作为输出，可以由诸如光探测器、平面波导等其它接收器来接收光束。

Claims (14)

1.一种光学开关，包括：

包含第一数量微反射镜的MEMS装置；

包含第二数量微反射镜的MEMS装置；以及

一第一成像系统，以其一个光学端与上述第一MEMS装置光学耦合，以便在所述成像系统的与设置上述第一MEMS装置的所述光学端相对的光学端产生上述第一MEMS装置的像；

其中：

(i)所述第一MEMS装置的所述图像和

(ii)由a)所述第二MEMS装置和(b)所述第二MEMS装置的像组成的组中至少一个形成一虚MEMS装置，其具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量。

2.如权利要求1所述的本发明，其中所述第一MEMS装置的所述像由从所述第一MEMS装置的所述微反射镜反射的光束构成，每个所述光束具有一定角度，该角度随所述光束从对它进行反射的所述第一MEMS装置的各相应的一个所述微反射镜的反射角而变化。

3.如权利要求1所述的本发明，其中所述第一MEMS装置的所述像由从所述第一MEMS装置的所述微反射镜反射的光束构成，并且所述成像系统再现每个光束从对其进行反射的所述第一MEMS装置的所述微反射镜的各相应的一个微反射镜反射的角度。

4.如权利要求1所述的本发明，进一步包括由一棱镜和反射镜组成的组中之一，用于使来自或朝向所述第一成像系统的方向传播的光束弯折。

5.如权利要求1所述的本发明，进一步包括：

一场镜系统，用于对可视作来自所述虚MEMS装置的方向，或朝所述虚MEMS装置传播的光进行处理。

6.如权利要求1所述的本发明，进一步包括一包含第三数量微反射镜的第三MEMS装置，所述第三MEMS装置的所述微反射镜被设置成对可视作来自所述虚MEMS装置的光进行反射。

7.如权利要求1所述的本发明，进一步包括一包含第三数量微反射镜的第三MEMS装置，所述第三MEMS装置的所述微反射镜被设置成将光反射到所述虚MEMS装置的各个微反射镜上。

8.如权利要求1所述的本发明，进一步包括一反射镜，该反射镜被设置成将所述虚MEMS装置的所述像向回朝向所述像反射，而且所述虚MEMS装置具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量，从而形成一具有折叠式结构的交叉连接。

9.如权利要求1所述的本发明，其中所述第一成像系统包括至少一个反射镜，设置该反射镜以获得紧凑的结构。

10.如权利要求1所述的本发明，其中：

一包含第三数量微反射镜的第三微机电系统(MEMS)装置；

一包含第四数量微反射镜的第四MEMS装置；以及

一第二成像系统，该第二成像系统以其一个光学端与所述第三MEMS装置光学耦合，以便在所述成像系统的与设置所述第三MEMS装置的所述光学端相对的光学端产生所述第三MEMS装置的像；

其中设置所述第四成像系统，使得(i)所述第三MEMS装置的所述像和(ii)由所述第四MEMS装置和所述第四MEMS装置的像组成的组中至少之一，形成一具有等于所述第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置；并且

其中设置所述具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置，和所述具有等于所述第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置，以形成一交叉连接。

11.如权利要求10所述的本发明，进一步包括至少一个反射镜，其中所述具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置和所述具有等于所述第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置被设置成彼此相邻，以便形成一具有所述第一、第二、第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置，设置所述反射镜，以便将具有等于所述第一、第二、第三和第四数量之和的微反射镜数量的所述虚MEMS装置的像向回朝向具有所述第一、第二、第三和第四数量之和的微反射镜数量的所述虚MEMS装置的所述图像反射，从而形成一具有折叠式结构的交叉连接。

12.如权利要求1所述的本发明，进一步包括：

一包含第三数量微反射镜的第三微机电系统(MEMS)装置；

一包含第四数量微反射镜的第四MEMS装置；以及

一第二成像系统，以其一光学端与所述第三MEMS装置光学耦合，从而在所述成像系统的与设置所述第三MEMS装置的所述光学端相对的光学端产生所述第三MEMS装置的像；

其中设置所述第四成像系统，使得(i)所述第三MEMS装置的所述像和(ii)由所述第四MEMS装置和所述第四MEMS装置的像组成的组中至少之一，形成一具有等于所述第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置；

其中具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量的所述虚MEMS装置和具有等于所述第三和第四数量之和的微反射镜数量的所述虚MEMS装置的象被设置成彼此相邻，以便形成一具有等于所述第一、第二、第三和第四数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置。

13.一种光学开关中使用的方法，包括以下步骤：

将(i)包含第一数量微反射镜的第一微机电系统(MEMS)装置的像和

(ii)由(a)包含第二数量微反射镜的第二MEMS装置和(b)所述第二MEMS装置的像组成的组中至少之一进行耦合，以便形成一具有等于所述第一和第二数量之和的微反射镜数量的虚MEMS装置。

14.如权利要求13所述的本发明，进一步包括形成所述第一MEMS装置的所述像的步骤，使得所述第一MEMS装置的所述像由从所述第一MEMS装置的所述微反射镜反射的光束构成，并且每个所述光束具有一定角度，该角度随着所述光束从所述第一MEMS装置的相应地一个对该光束进行反射的所述微反射镜反射的角度而变化。

Images