电活性光学装置的制作方法

专利名称：电活性光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电活性光学装置，特别是电活性透镜，以及制造这种装置的方法。
背景技术：
电活性光学装置是可使用电活性效应改变形状的光学装置。特别是，电活性光学 透镜是可使用电活性效应改变焦距的透镜。术语“电活性效应”描述电场诱发的固体或液体的变形。该变形可能归因于电极 之间的库仑力和/或归因于电场中电离子和/或多极子(特别是双极子)的重新排列。电 活性材料的例子是介电弹性体、电致伸缩松弛剂铁电性聚合物、压电性聚合物(PVDF)Jf 晶弹性体(热)、离子聚合物金属复合材料、机械力化学聚合物/凝胶。已知各种电活性透镜设计。例如，W02008/044937描述了圆形压电性晶体使薄玻璃盖弯曲并从而提供了透镜 组件的焦距的偏移的装置。然而，基于压电性晶体的装置制造起来比较昂贵。W02005/085930涉及例如可配置为双凸透镜的自适应光学元件。该透镜由包括电 活性聚合物层的聚合物致动器(polymer actuator)和层电极组成。施加IOkV数量级或更 高的电压导致聚合物层的变形，进而导致透镜的直接变形。由于需要高电压控制该装置，所 以其不太适合于很多应用。此外，现有技术中的这些类型的装置通常显示出老化效应，所述老化效应随着时 间的推移降低它们的性能。最后，已知各种使用充液透镜的装置。这些装置具有多种缺点。特别是，由于外力 (例如加速、重力效应或振动)而导致它们容易发生形变。

发明内容
因此，本发明的总体目的是提供一种可靠的且克服上述缺陷中的至少部分缺陷的 这种类型的装置。该目的通过权利要求1的电活性装置来实现。因此，该装置包括弹性光学元件和 与该光学元件横向相邻地布置的电活性元件。电活性元件包括至少一个电极对，在所述电 极对的电极之间布置有弹性电活性材料，有利地是介电弹性体。当将电压施加到电极对之 上时，电极对的电极之间的轴向距离改变，即增加或减小，由此弹性地改变与电极对相邻的 光学元件中的第一区域的体积(即，轴向扩展范围(axial extension)).这进而导致所述 第一区域和第二区域之间的光学元件中的材料的径向位移。所述区域中的一个在轴向上弹 性地膨胀，而另一个弹性地收缩。在电极对上没有电压的情况下，光学元件处于机械松弛的 状态。通过改变两个区域的轴向扩展范围并从而使光学元件的材料发生径向位移，可实 现光学元件的表面的曲率的强改变。这种设计采用了电活性致动器的优点(例如，其潜在地容易的制造过程、大的变形和低的致动电压)，同时提供具有长的使用期限的解决方案，因为在没有电压的情况下， 该装置处于弹性松弛的状态，所以，与由预应变固体形成并因此处于连续的应变下的装置 相比，该装置更加不容易疲劳。有利地，施加电压将会导致电极之间的距离减小，进而减小光学元件的所述第一 区域的体积。另外，电极之间的压缩的电活性材料可将横向的压力施加到光学元件上。这 两个效应的结合使光学元件进入强变形的状态。在大多数情况下，当将电压施加到电极对时，上面的效应会导致光学元件的厚度 的增加。有利地，电活性元件包括堆叠的多个电极对，在所述电极对之间具有间隙。有利 地，所述间隙被电活性材料填充。这种设计允许用低的驱动电压获得光学元件中的材料的 大体积位移。在发明的另一方面中，其目的是提供这种装置的有效的制造方法。该目的通过第 二个独立权利要求来实现。由此，该方法包括下列步骤a)提供多个第一电极，b)将电活性材料层施加到所述第一电极之上，c)将多个第二电极施加到所述第一电极之上，其中第一电极对应于每一个第二电 极，以及d)将所述步骤a)、b)和C)得到的组件分离为多个所述电活性装置。可以看出，该过程允许通过共用的步骤a)、b)和C)同时形成多个装置，从而减少 了制造成本。有利地，为了制造能够以低电压控制的装置，重复步骤b)和C)，以便形成堆叠的 多个电极对。


当考虑到本发明的下面的详细描述时，将会更好地理解本发明，并且，除上述目的 以外的目的将变得明显。参照附图进行这种描述，在附图中图1是在没有施加电压的情况下的透镜的截面图；图2是图1中的透镜的顶视图；图3是在施加电压的情况下的图1的透镜；图4是制造过程中的第一步骤；图5是制造过程中的第二步骤；图6是制造过程中的第三步骤；图7是制造过程中的第四步骤；图8是制造过程中的第五步骤；图9示出在没有施加电压的情况下、在施加小的电压的情况下、以及在施加大的 电压的情况下的由两个透镜构成的组件的截面图；图10示出由四个堆叠透镜构成的组件；图11是具有分级的电极(graded electrode)的透镜的示图；图12示出束偏转器的顶视5
图13示出在三种不同状态中束偏转器的沿着图12中的XIII线的截面图；图14示出具有缓冲层的光学装置的另一实施例；图15示出具有盖层的光学装置的另一实施例；以及图16示出具有盖层和缓冲层的光学装置的另一实施例；
具体实施例方式定义术语“轴向的”通常用来指与处于松弛状态中的光学元件的中心区的表面垂直的 方向。如果存在基板，在大多数情况下基板将被对准为垂直于轴向。术语“径向的”用来指垂直于轴向的方向。引言本发明能够以诸如电活性透镜、束偏转器、或抗抖动装置(anti-jittering device)的各种形式来实施。下面描述这些应用中的一部分。电活性透镜作为电活性透镜的本发明的一个可能的实施例在图1和2中示出。该透镜包括弹 性光学元件1和电活性元件2。在本实施例中，光学元件1是圆形的，且电活性元件2围绕 该光学元件。然而，如下所述，只要电活性元件2与光学元件1的至少一侧横向相邻，也可 以将本发明实施用于非圆形透镜，例如柱形透镜。电活性元件2包括至少两个(有利地，多于两个)垂直地堆叠的电极3a_3e，这些 电极形成至少一个电极对，有利地，形成堆叠的数个电极对。最上面的第一电极3a通过引线(lead)9a电连接至侧壁的第一部分如，而接下来 的第二电极北通过引线9b连接至侧壁的第二部分4b，第三电极3c再通过引线9c连接至 第一部分4a，第四电极3d通过引线9d连接至第二部分4b，等等，使得相邻电极连接至侧壁 的不同部分。侧壁是导电的，且为固体材料，例如导电性聚合物。当在侧壁的两个部分如、 4b之上施加电压差时，在每一个相邻的电极对3a-;3e之上施加相同的电压差。电活性材料5位于电极3a_;3e之间的间隙中，S卩，电极之间的所有间隙被电活性材 料5填充。电活性材料是当在相邻电极之间施加电压时受到由电极之间的库仑力导致的麦 克斯韦应力的作用而弯曲的任意材料。有利地，电活性材料5是固体，例如介电弹性体、或 凝胶。透镜的光学元件1可以是与电活性材料5相同的材料-这简化了制造过程，如下 所述。然而，光学元件1也可以是与电活性材料5不同的材料，从而允许独立地优化光学元 件1和电活性元件2的物理性质。光学元件1是透明的弹性固体或凝胶，在没有电压施加到电极3a_;3e时，其由于上 述原因处而于机械松弛的状态。有利地，该光学元件1由单片材料制成。图1和2的透镜的功能参照图3示出。可以看出，当将非零电压V施加到由电极 3a-3e形成的所有的相邻电极对之上时，根据所使用的电活性材料，电极之间的库仑力和/ 或材料内的多极子的重新排列导致电极之间轴向的距离的减小或增加。特别地，可对液晶 弹性体进行工程处理，以在施加场的方向上膨胀，而大部分其它材料将会收缩。如果在施加场时电活性材料收缩，则电活性元件2的厚度将减小。由于电活性元件2与光学元件1横向地连接，所以在与电极相邻的光学元件中产生压缩的第一区域。这 样进而导致了光学元件1的材料在远离压缩的第一区域的方向(典型地是朝着光学元件1 的中心的方向)上的径向位移。进而，这样在光学元件中由于材料的不可压缩性而形成了 轴向膨胀的第二区域。在图3中，该轴向膨胀区域位于光学元件2的中心。如果电活性材料沿施加场膨胀，则电活性元件2的厚度增加，且光学元件1的第一 区域沿轴向膨胀，然而第二区域收缩。因此，将电压施加到电极导致光学元件1中的材料的重新分布，这又影响了其表 面的曲率。特别地，由于收缩的电活性元件所施加的边界条件，光学元件1在与施加了电压 的电极相邻的区域内变薄，然而在其它地方变厚。取决于光学元件1和电活性元件2的厚度和体积，如果电极之间的距离减小，基于 在施加电压时所述电极之间的电活性材料5压缩的事实，为光学元件1的变形提供了一种 贡献。这种压缩被转换为材料的横向膨胀(体积近似恒定)，从而导致材料从电活性元件2 流入光学元件1，由此使得光学元件1更厚，且有利地是体积更大的。特别是，如果壁如、仙 是固体，有利地是刚性的、环形的，则横向膨胀向内进行且在光学元件1的弹性材料上施加 压力，从而导致光学元件1表面的变形。如图3中所示，如果松弛表面(图1)最初是平坦 的，则变形导致表面向外突出，由此形成凸透镜表面，从而影响了光学部分1形成的透镜的 焦距。如前所提到的，本透镜并不一定是圆形透镜。如前所提到的，例如，它也可以是柱 形的。在这一情况下，光学元件1由长条的透明的弹性材料形成，其中，至少一个狭长的电 活性元件2沿其至少一侧布置，使得电活性元件2能够在与电极相邻的光学元件1中产生 压缩的或膨胀的第一区域，如上所述。此外，在这一情况下，有利的是，在电活性元件2的第 二侧(相反侧)定位固体壁，以防止电活性材料5在该方向上屈服，由此使材料的整个电压 诱导位移朝着光学元件1的方向进行。从图1-3可以看出，有利地，透镜包括固体的透明基板7，其上布置有电活性元件2 和光学元件1。如下所述，这样的基板为装置提供机械稳定性，且简化制造过程。然而，如果 光学元件1具有足够的机械稳定性，也可以省去基板7。为了即使在施加的电压小时也获得强的库仑力，相邻电极3a_;3e之间的距离也不 应该太大。有利地，两个相邻电极之间的距离应该小于250μπι，特别是近似ΙΟμπι，且该距 离应当足够小以使得在低于IkV的电压处发生明显的变形。电极应该是柔性的，即，电极应该能无损地跟随电活性元件2的变形。因此，有利 地，电极由下面的材料之一制造 碳纳米管(参 JAL“Se 1 f-c 1 earab 1 e carbon nanotube electrodes for improved performance of dielectric elastomer actuators”，Proc. SPIE, Vol. 6927, 69270P(2008)；)( #JAL "Low voltage, highly tunable diffraction grating based on dielectric elastomer actuators”，Proc. SPIE，Vol. 6524，65241N(2007)；) 碳月旨(carbon grease) 离子(Au、Cu、Cr......)(参见“Mechanical properties of electroactive
polymer microactuators with ion-implanted electrodes”，Proc.SPIE，Vol. 6524，652410(2007)；) 流体金属(例如feilinstan) 金属粉，特别是金属纳米颗粒(金、银、铜) 导电性聚合物·连接至可变形引线的刚性电极例如，光学元件1的材料和电活性元件2的电活性材料5可包括或包含 凝胶(Liteway 的光凝胶 0G-1001) 弹性体(TPE、LCE、硅树脂，例如PDMS Sylgard 186、丙烯酸树脂、氨基甲酸酯)參热塑性塑料(Thermoplaste) (ABS, PA、PC、PMMA, PET、ΡΕ、PP、PS、PVC......) 硬塑料(Duroplast)电极3a_3e的几何形状不必一定相同。图11示出了一个有利的实施例，其中电极 3a-3e的内直径朝向装置表面越来越大。换句话说，至少最接近顶表面的电极3a比接下来 的较低的电极具有更大的内直径。(本文中，“顶表面”是指在施加电压时变形的透镜的表 面。)在施加电压时，这一设计减小了在电活性材料5中和在光学元件1的材料中的机
械应变。在更为通用的术语中，电极3a_3e中至少一个电极的内直径可与其它电极中至少 一些电极的内直径不同。这允许对光学元件1的变形的更精确的控制。下面，参照图4-8描述有利的制造过程。在这一过程中，在共用的晶片上同时制造 多个电活性透镜。共用的晶片可以是预先成形的，例如，包括固定的结构，例如，刚性透镜， 以与光学元件2结合。该过程从基板7开始(步骤a、图4)，基板7最初具有远大于单个透镜的尺寸。多 个相邻的透镜的最底层的电极:3e沉积在基板上。可使用任何合适的方法(例如，溅射，然 后，掩模和刻蚀)来制造这些电极，只要该方法与电极材料和基板兼容即可。现在(步骤13、图幻，在基板7之上施加电活性材料5的层fe。例如，层如可具有 IOym的厚度。在下一步骤中(步骤C、图6)，在电活性材料层fe之上施加多个第二电极，即电极 3d。电极3d与电极!Be配准，其中每一个电极:3e对应于一个电极3d。然后，重复步骤b，S卩，如图6中所示施加另一个电活性材料层5b，随之，重复步骤 c等，直到如图7中所示制造足够高度的、具有多个堆叠的电极对的堆叠结构。完成图7的层结构后，将已经预先制备的且例如施加到共用的载体(未示出)上
的壁^、4b从上面推进该层结构里。由于层fe、5b......是软材料的，所以如图8中所示，
壁如、仙进入这些层，随之，可去除壁的共用的载体(未示出)。壁如、仙被定位为使得它 们接触电极3a_3e。为了这一目的，在图7以及图1和2中可最好地看出，电极3a_;3e设置 有在远离透镜中心的方向上横向延伸的引线9a_9e，以提供与各自的壁部分如或4b的接 触。最后，如在图8中所示，通过在相邻透镜的壁之间(例如沿线10)切断，将上述步 骤的产品分离为多个电活性透镜。可替换地，如果基板7足够软，透镜的分离也可以例如不 仅通过电活性材料层5ajb......，而且通过基板7推动壁^、4b来实现。在另一可替换的方法中，也可以首先切断如在图7中所示的产品，随之，分别对每个透镜施加壁4a，4b或用 于提供与电极3a_3e的接触的其它装置。在上面的步骤b中，例如，下面的方法可用于施加电活性材料层5a、恥...... 旋涂，随后，硬化 喷涂，随后，硬化·印刷(例如丝网印刷) 化学气相沉积，特别是PECVD (等离子体增强化学气相沉积) 预先制造材料层并将它们施加到基板，有利地，将它们粘接到基板上-在这种 情况下，为了减小层的厚度，可选地，在施加之前对这些层进行非弹性的拉伸。例如，下面的材料可用于电活性材料和用于光学元件 凝胶(Liteway 的光凝胶 0G-1001) 聚合物(例如 Dow Corning 的 PDMS Sylgard 186、NeukasilRTV 25) 丙烯酸材料(例如3M公司的VHB 4910) 弹性体在上面的步骤c中，例如，下面的方法可用于施加柔性电极3a-3d、且可选地施 3e 离子注入(参见“Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes，，，Proc. SPIE, Vol.6524, 652410(2007)；)· PVD、CVD 蒸发 溅射·印刷，特别是接触印刷、喷墨印刷、激光印刷和丝网印刷 场弓I 导的自组装(例如，参见“Local surface charges direct the deposition of carbon nanotubes and fullerenes into nanoscale patterns", L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Letters 7,10, 3007-3012, 2007) 刷涂(Brushing)參电极电镀(Electrode plating)可选地，光学元件1可被构造为在松弛和/或变形的状态中具有所需的形状。下 面参照图9和10描述这种透镜的例子。例如，合适的透镜形状(在松弛状态中)可以是 球面透镜(凸状或凹状) 非球面透镜(凸状或凹状) 平坦的 方形、三角形、线形或锥形 任何微结构(例如微透镜阵列、衍射光栅、全息图)或纳米结构(例如抗反射涂 层)可被集成进入光学元件1和含有聚合物层的柔性电极的通光孔径中例如，下面的任何方法可应用于透镜的成形中a)浇铸，特别是注射塑模b)纳米压印，例如，通过热压花纳米尺寸的结构
c)刻蚀(例如化学或等离子体)d)溅射e)热压花f)软平板印刷(即，将聚合物浇铸到预先成形的基板上)g)化学自组装(例如参见"Surface tension-powered self-assembly of micro structure s-the state-of-the-art，，，R. R. A. Syms, E. M. Yeatman, V. M. Bright, G.M. ffhitesides, Journal of Microelectromechanical Systems 12 (4),2003, pp.387-417)h)电磁场引导的图案形成(例如参见“Electro-magnetic field guided pattern forming，，，L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett. , 7 (10) , 3007-3012, 2007.10.1021/nl0713373.)对于普通技术人员来说显而易见的是，上述方法中的一些与参照图4-8描述的制 造过程直接兼容，例如，方法c)和d)可发生在图7中所示的产品上。一些其它的方法需要 附加的步骤。例如，在共用的载体上的凸透镜阵列可通过方法a)、b)或e)_k)制造，然后被 施加在图7的产品的顶面上。可以将若干个上述类型的电活性透镜组合，以形成多透镜组件。在图9中示出这种组件的例子，其中两个电活性透镜IlaUlb安装在共用的固体 透明基板7的相反侧。从图的左侧部分可以看出，在没有施加的电压的情况下，透镜Ila具 有平坦的表面，而透镜lib是凹状的。当透镜Ila可如图4-8中所示的那样制造时，例如， 随后通过上面的方法c)或d)构造透镜lib的光学元件。当施加小的电压时，如图的中心部分中所示，透镜1 Ia变为凸状而透镜1 Ib保持凹 状，尽管具有更小的曲率。最后，如图9的右侧部分中所示，当电压足够大时，透镜IlaUlb 都变为凸状。本透镜也可以被结合成更复杂的结构。在图10中示出这种组件的例子。图10的组件包括堆叠的四个电活性透镜11a、lib、11c、Ild和四个刚性透镜12a、 12b、12c、12d。壁4a、4b和附加的分隔件元件13a、13b用于使透镜相互之间保持正确的 距离。在图10的例子中，每一个电活性透镜Ila-Ild被附接于基板7的一侧，刚性透镜 12a-12d布置在同一基板的相对侧。在图10的实施例中，每一个刚性透镜被附接于基板7。然而，一个或多个刚性透镜 也可以独立于基板进行安装。在没有电场的情况下，电活性透镜lla、llb、llc、lld的形状可使用上述的构造方 法来限定。球面透镜对于很多应用，透镜应该为球面的。为了产生具有图1-10中示出的设计的近似球 面的透镜，电活性元件2和光学元件1的总厚度应该相当大。否则，特别是，如果将电活性 层粘接至基板7，则在施加电压下的变形在接近电极处较强，但在透镜中间较弱。另一方面，如果光学元件1和电活性元件2的总厚度大，则使用图4-8的制造过程 需要相当大量的独立层5ajb......，这使得制造过程变昂贵。由于这样的原因，使用图14中所示的设计是有利的，其中电极3a_;3e通过弹性缓冲层30与基板7分离。布置在位于一侧的基板7和位于另一侧的电活性元件2和光学元 件1之间的缓冲层30允许光学元件1的材料更为自由地位移，特别是在水平方向上，即缓 冲层30将光学元件1与刚性基板7的机械约束隔离。所以，有利地，缓冲层30是比较软的 材料，即，缓冲层30的杨氏模量应当小于或等于光学元件1的杨氏模量。
缓冲层30可完全被附接于基板7和光学元件1，由此当将电压施加到电极时，在不 约束光学元件1的运动的情况下连接二者。在图15中示出改进球面透镜的表面形状(即，使其更接近理想的球面透镜)的另 一措施。在图15的实施例中，盖层31已经被附接于光学元件1的顶侧，即与基板7相反的 一侧。盖层31比光学元件1更硬，即盖层31的杨氏模量大于光学元件1的杨氏模量。特 别地，对于高质量透镜，该杨氏模量应该为光学元件1的杨氏模量的大约60倍。如果层厚 度更薄，杨氏模量需增加以产生良好的光学质量。图14和15的方法可如图16中所示的那样进行结合，其中光学装置包括缓冲层30 和盖层31。对于缓冲层30和盖层31合适的材料例如是PDMS、丙烯酸树脂或聚氨基甲酸酯。 缓冲层典型地具有200kPa或更少的范围内的杨氏模量，且盖层具有IOMPa或更多的杨氏模 量。对于电活性材料和透镜元件，这些材料有利地与弹性体、丙烯酸树脂和聚氨基甲酸酯相结合。束偏转器上述的技术不仅可应用于透镜，还可以应用于各种其它电活性光学装置，例如束 偏转器或抗抖动装置。图12和13中示出束偏转器或反射镜的例子。其与图1-3的装置具有基本相同的 结构设置，但是，电极3a和3c均被分离为两个电极部分3a’和3a”以及3c’和3c”，每一部 分绕光学元件1的近似180°延伸。因此，壁已被分离为三个部分如、仙、如，其中，部分如 连接至电极部分3a’和3c’，部分4b连接至电极部分3a”和3c”，且部分如连接至电极部 分北和3d。可以将电压Vl施加到部分如和如之间，且可以将电压V2施加到部分4b和 4c之间。如果Vl =TZ = 0，则如图13的左手部分中所示，光学元件1的表面是平坦的且是 水平的。如果Vl兴0且V2 = 0，则光学元件的表面是基本上倾斜于一侧的，然而，如果Vl =0且V2兴0，则光学元件的表面是基本上倾斜于相反侧的。这种类型的装置在透射状态或反射状态中可用于束偏转器。如果该装置在透射状态中工作，如箭头21所示，通过光学元件1延伸的光束根据 Vl和V2可向左或向右偏转。如果该装置在反射状态中工作，可为光学元件1的至少一个表面提供镜元件，例 如反射涂层25或刚性反射镜片，且如虚箭头22所示，光束可向右或向左偏转。如前提到的，镜元件可例如为固定到表面20的镜片，或可为涂层，例如Galinstan 的液体金属涂层。图12示出圆形的束偏转器。然而，形状可例如为长方形，其中，电极3a’和3a”布 置在长方形的相反侧。其它类型的装置
上述的技术仍可应用到其它类型的装置，例如光学相位延迟器(使用如 W02007/090843中描述的技术)此外，该装置可与其它的光学元件(例如，平面或曲面镜、光栅或全息图)相结合。进一步的注释在上面的实施例中，环形部分如、仙和如已用于接触电极。然而，必须注意，也可 以使用不同的接触方法。例如，可将金属的针状结构刺穿引线9a、9b、9c以提供共用的接 触。可替换地，在逐层的工艺期间可将填充有导电材料的导电通孔集成到电活性材料叠堆 中。这一接触方法允许电极3a_;3e从电活性材料叠堆的一侧接触。另外，在图1-3的例子中，通常向电极3a、3c、;3e施加第一电势，而向电极!3b、3d施 加第二电势。为了更精确地控制电活性元件2的变形，也可向电极的一部分或全部施加单 独的电势。在一个特别有利的实施例中，可向光学元件1的一个表面或者两个表面提供抗反 射涂层。该层可包括 “纳米结构”，形成在光学元件1本身的材料中或在分开的涂层材料中。该结构 具有刚好低于光波长的尺寸，例如尺寸< 400nm。例如，它们可通过刻蚀、塑模、浇铸或压花 的方式来施加。 抗反射薄涂层在进一步有利的实施例中，光学元件1在其变形状态下的形状可受光学元件的局 部地硬化或软化部分(例如UV固化或化学处理)的影响。图13中示出了这一实施例的例 子，其中，加影线部分表示表面20之下的刚性元件沈，该元件沈已通过局部硬化制造，且在 向该装置施加电压时提供表面20的改进的平整度。刚性元件也可用与光学元件的其余部 分不同的材料制造，且例如通过嵌入或安装到其表面来添加至光学元件。当将电压施加到 电极时刚性元件的位置改变。在更为通用的术语中，光学元件1的材料可具有不均勻的硬度，特别是可包括不 均勻地聚合的聚合物。此外，光学元件1可以为两种或更多种材料的组件，例如，为了校正色差，通过使 用两种具有不同光色散的材料，将它们合适地结合在一起。另外，光学元件1可例如通过以下来进一步构造 微结构，例如衍射结构或全息结构 可变形的涂层，例如反射的或抗反射的涂层(如上所提到的)或吸收的涂层一些应用电活性光学装置可用于大量的应用，例如 照相机(变焦或自动聚焦)，例如在移动电话、数字SLR照相机、车辆中的照相 机、监视系统中 用于卷轴机(beamers)和移动电话投影器中的大型和纳米投影器的投影器的 光学部分 包括激光切割或焊接的工业应用 显微镜、放大镜 视力矫正(在人眼中植入透镜)
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眷内窥镜 放大镜 视觉系统，例如任意类型的照相机 量子计算的研究应用 电信应用(振幅调制) 激光应用，例如偏转激光束 望远镜 显示器尽管示出和描述了本发明的目前优选的实施例，但是将会清楚地理解，本发明不 限于这些实施例，且可以在下述权利要求的范围内进行各种实施和实践。
权利要求
1.一种电活性光学装置，特别是一种电活性透镜，包括弹性光学元件(1)，电活性元件O)，与所述光学元件(1)横向相邻地布置，且包括由两个电极(3a_3e)形 成的至少一个电极对，其中弹性电活性材料( 布置在所述电极对之间，其中，当将电压施加到所述至少一个电极对之上时，所述电极之间的轴向距离改变，由 此改变与所述电极对相邻的所述光学元件中的第一区域的体积，从而使位于所述光学元件 (1)的所述第一区域和第二区域之间的所述光学元件(1)中的材料发生径向位移，其中所 述区域中的一个在轴向方向上弹性地膨胀，而另一个在轴向方向上弹性地收缩，由此使得 所述光学元件(1)进入变形状态，然而，当在所述至少一个电极对之上没有电压的情况下， 所述光学元件(1)处于弹性松弛的状态。
2.如权利要求1所述的电活性光学装置，其中所述电活性元件( 包括堆叠的多个电 极对，在所述电极对之间具有多个间隙，特别是其中所述间隙被所述电活性材料填充。
3.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中光学元件(1)是固体或凝胶。
4.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中电活性元件( 包括或包含选自 包括凝胶、聚合物、丙烯酸材料和弹性体的组中的材料。
5.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中光学元件(1)是与电活性材料 (5)相同的材料。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的电活性光学装置，其中光学元件(1)是与电活性 材料(5)不同的材料。
7.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中所述电活性元件( 环绕所述光 学元件(1)。
8.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中所述光学材料布置在所述电活性 元件O)的第一侧，且其中所述电活性光学装置在所述电活性元件O)的第二侧还包括固 体壁Ga，4b)，其中所述第二侧与所述第一侧相对。
9.如权利要求8所述的电活性光学装置，其中所述电极(38- )中的每一个与所述壁 的至少两个不同部分Ga，4b)中的一个电连接。
10.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中所述电活性元件( 包括至少 一个电极和连接至可变形引线的刚性电极，所述至少一个电极由选自包括碳纳米管、碳黑、 碳脂、金属离子、液体金属、金属粉、导电性聚合物的组中的至少一种材料制成。
11.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，还包括固体基板(7)，特别是其中所 述电活性元件( 和所述光学元件(1)布置在所述基板(7)上。
12.如权利要求11所述的电活性光学装置，还包括布置在所述基板(7)与所述电活性 元件( 和所述光学元件(1)之间的缓冲层(30)，其中所述缓冲层(30)的杨氏模量小于或 等于所述光学元件(1)的杨氏模量，特别是其中所述缓冲层(30)被附接于所述基板(7)。
13.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，还包括被附接于所述光学元件(1) 的盖层(30)，其中所述盖层(30)的杨氏模量大于所述光学元件(1)的杨氏模量。
14.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中相邻电极(3a_3e)之间的距离 小于250 μ m,特别地为大约10 μ m。
15.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中电极(38- )中的至少一个的内直径不同于其它电极中的至少一些电极的内直径，特别是其中最接近所述光学装置的顶表面的电极(3a)具有比下一个较低的电极(3b) 大的内直径，其中顶表面是在施加电压时变形的表面。
16.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，在所述光学元件(1)的至少一个表 面上还包括镜元件05)。
17.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，在光学元件中还包括刚性元件 (26)。
18.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，在所述光学元件的至少一个表面上 还包括抗反射层，特别是其中所述抗反射层包括具有小于400nm的尺寸的结构。
19.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中所述光学元件(1)具有不均勻 的硬度，特别是其中所述光学元件包括不均勻地聚合的聚合物。
20.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中在将电压施加到所述至少一个 电极对之上时，所述电活性材料( 被压缩且将横向的压力施加到所述光学元件(1)上，由 此使所述光学元件(1)进入所述变形状态。
21.如任一前述权利要求所述的电活性光学装置，其中所述电活性材料是这样的当 将电压施加到所述至少一个电极对之上时，所述电极之间的轴向距离减小，由此压缩所述 第一区域，从而使所述光学元件(1)中的材料沿着离开所述第一区域而进入所述第二区域 的方向发生径向位移。
22.—种由堆叠的至少两个根据任一前述权利要求所述的电活性装置(11a， lib......)构成的组件。
23.如权利要求22所述的组件，其中所述电活性装置(11a，lib......)安装在共用的固体基板(7)的相对侧。
24.一种任一前述权利要求的电活性光学装置的制造方法，包括以下步骤a)提供多个第一电极(3e)，b)将电活性材料层(5a)施加到所述第一电极(3e)之上，c)将多个第二电极(3d)施加到所述电活性材料层(5a)之上，其中每一个第二电极 (3d)对应于一个第一电极(3e)，以及d)将所述步骤a)、b)和c)得到的产品分离为多个所述电活性装置。
25.如权利要求M所述的方法，其中重复所述步骤b)和c)，以便形成堆叠的多个电极对。
26.如权利要求对或25所述的方法，其中所述多个第一电极(3e)布置在固体基板(7)上。
27.如权利要求M-26中的任一项所述的方法，其中所述步骤b)包括通过选自包括旋 涂、喷涂、印刷、施加预先制备的材料层、和化学气相沉积特别是等离子体增强化学气相沉 积的组中的方法来施加所述电活性材料(5)。
28.如权利要求M-27中的任一项所述的方法，其中为了接触电极(3a-;3e)，固体壁 (4a, 4b)被插入电活性材料(5)的所述层(5a，恥......)。
29.如权利要求M-28中的任一项所述的方法，其中所述光学元件(1)由单片材料制成。
全文摘要
本发明描述了包括光学元件(1)和电活性元件(2)的电活性光学装置，特别是电活性透镜。光学元件(1)是弹性固体，例如凝胶或聚合物。电活性元件(2)包括堆叠的多个柔性电极(3a-3e)，在所述柔性电极之间具有电活性材料(5)。电活性元件(2)被刚性壁(4a，4b)环绕，这为电极(3a-3e)提供了两个共用的接触。在没有施加电压的情况下，光学元件(1)处于机械松弛的状态，这减少了不期望的老化效应。在将电压施加到电极(3a-3e)上时，光学元件(2)变形。
文档编号G02B3/14GK102099712SQ200980127565
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年8月8日
发明者M·布卢姆 申请人:奥普托图尼股份公司