结构光三维成像中广泛使用的数字光处理（DLP）投影仪存在结构复杂、设备体积大及投影非线性等问题，制约了结构光三维成像在高探测精度、小探测场景领域的应用。提出了一种集成超表面阵列和微机电系统（MEMS）二维扫描平台的结构光投影芯片设计。设计了基于几何相位原理的超表面阵列，用于生成格雷码和相移法混合编码结构光条纹。通过二维扫描平台突破单一静态超表面的限制，实现了基于时间编码的结构光条纹投影。结果表明：所设计的超表面结构对入射光具有良好的线性相位调制能力，光源转换效率为88.61%；生成的相移条纹符合正弦分布特性，很好地解决了DLP投影非线性问题；产生的条纹宽度均匀，最小宽度为2 mm，探测精度可达亚毫米级。有限元分析结果表明：所设计的二维平台的最小模态频率为511.91 Hz，抗干扰能力强，响应时间为2.4 ms，帧率为333 Hz，投影速率高。芯片尺寸为3 mm×3 mm。最后设计了芯片的集成制造工艺流程，为高探测精度、高投影速率微型化投影设备的制造提供了理论模型和系统解决方案。

提出了一种采用垂直梳齿驱动器驱动的大尺寸、大扭转角度、低驱动电压微光机电系统(MOEMS)扫描镜。理论分析了垂直梳齿驱动器的工作原理, 研究了垂直梳齿的制作工艺, 采用体硅加工工艺结合硅-硅键合工艺制作了垂直梳齿驱动的MOEMS扫描镜。制作的扫描镜镜面尺寸为3 mm×2 mm, 谐振频率为1.32 kHz。测试表明,该扫描镜镜面具有很好的光学表面, 其表面粗糙度的均方根只有8.64 nm; 扫描镜在驱动电压为95 V时可以实现最大2.4°的扭转角度; 测得其开启时的响应时间为1.887 ms, 关断时的响应时间为4.418 ms。

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器，建立了保角变换数学模型，研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发，建立了驱动器的保角变换静电场解析模型; 以动齿受力为研究对象，根据不同情形下的动齿受力特点，求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器，搭建了Michelson干涉仪光学测试系统，测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明，所制作的无交叠梳齿驱动器在28 V偏压下机械位移可达325 nm，相位差为2π; 在90 V的偏压下能够获得2.07 μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致，验证了所建数学模型的正确性，为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。