专利名称：可调的光学透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及可调的光学透镜、以及用于操作和制造这样的装置的方法。
背景技术：
可调的光学透镜是这样的光学装置，其可以被调整，以便改变焦距以及该装置的光轴中心的横向位置。假如这样的透镜可以调整到多个不同的焦点，那么它们也被称为变焦位移透镜。WO 2008/138010A1公开了一种可调透镜，该可调透镜包含刚性基体、在基体顶部上的可变形膜、以及在基体与膜之间的流体。第一电极被附接到膜，而静电致动器的第二电极被附接到基体。这样的透镜构成相对较厚的装置。另外，根据本技术的透镜在其应用上受到限制，这是因为在提升(elevation)期间针对顶点(peak)设置提升的膜的部分，在提升期间，该顶点会持续地保持在正中间。但是，对于光学器件中的某些应用，为了补偿在光学系统中出现的诸如抖动的其它光学效应，希望设置膜的偏心的顶点。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种作为紧凑组件的可调的光学透镜。本发明要解决的另一个问题是提供一种包括膜的可调的光学透镜，该膜具有出于补偿的目的可以横向偏移的顶点。根据本发明的第一方面，提供一种根据权利要求I的特征的可调的光学透镜。因此，该可调的光学透镜包括膜、用于膜的支撑体、在膜与支撑体之间的流体、以及用于使膜变形的致动器，该致动器包括与膜互连的第一电极和第二电极。第二电极被设置在膜之上，从而使得第一电极被设置在支撑体与第二电极之间。由于在支撑体与膜之间没有设置电极的原因，该透镜展现了更低的厚度，因为替代地第二电极利用为无论以何种方式提升膜所提供的空间。另外，透镜可以由凸变形为凹。如在现有技术中所描述的，当静电吸引存在于被施加在膜的流体侧的可变形电极与被施加到支撑体的刚性电极之间时，这是不可能的。此外，没有流体可以被封闭在电极之间，因此，由于流体封闭导致不提供用于理想的光学性质的致动，电极之间的绝缘层的厚度不会发生变化。在优选实施例中，用于第二电极的保持器被设置在膜之上。包括保持器、第二电极，并且有利地包括绝缘层的组件可以形成预制组件。这样的组件可以应用于许多不同的膜/支撑体组件，并且可以形成用于光学透镜的标准组件，而无论这些透镜的具体性质如何。当进行制造时，流体的密封通常是低产率工艺。如果不需要在支撑体上进行第二电极和绝缘层的昂贵的沉积工艺，那么可以改善产率损失后的整体成本。根据本发明的另一个方面，提供一种可调的光学透镜，其包括膜、用于膜的支撑体、在膜与支撑体之间的流体、以及用于使膜变形的致动器，该致动器包括第一电极和第二电极。第二电极包括具有第一导电性的第一区段和至少一个具有第二导电性的第二区段。第一导电性超出第二导电性。第二区段中的每一个都被设置在两个第一区段之间。当电压被施加到第一电极与第二电极的第一区段之间，并且不同的电压被施加到第一电极与第二电极的另一个第一区段时，那么，横跨由单个第二区段连接的作为相邻的第一区段的两个第一区段，仅有电压梯度产生。根据第二电极的第二区段与第一电极之间的局部变化的电压，第一电极与第二电极之间的库仑引力随位置而变。这导致透镜的非径向变形，即，例如在膜的凸起形状中的顶点移出其中心位置。这种非径向变形可以用于横向移动透镜的光轴。根据本发明的另一个方面，提供一种用于操作可调透镜的方法。该透镜包括具有内部和周边的膜、用于膜的支撑体、在膜与支撑体之间的流体、以及用于使膜变形的致动器，该致动器包括与膜互连的第一电极和第二电极，第二电极被设置在膜之上，从而使得第一电极被设置在支撑体与第二电极之间。第一电压被施加在第一电极与第二电极之间，以使膜的周边从支撑体移开，从而导致膜的内部向支撑体移动。第二电压被施加在第一电极与第二电极之间，以使膜的周边向支撑体移动，从而导致膜的内部从支撑体移开。特别地，第二电压与第一电压不同，并且具体地可以为零电压。根据本发明的另一个方面，提供另一种用于操作光学透镜的方法。该透镜包括膜、用于膜的支撑体、在膜与支撑体之间的流体、以及用于使膜变形的致动器，该致动器包括第 一电极和第二电极，其中，第二电极包括具有第一导电性的第一区段和至少一个具有第二导电性的第二区段，其中，第一导电性超出第二导电性，并且，其中，第二区段中的每一个都被设置在两个第一区段之间。第一电压被施加在第一电极与第二电极的第一区段的第一个之间。第二电压被施加在第一电极与第二电极的第一区段的第二个之间。第一区段的第一个和第二个是相邻的区段，并且经由第二区段连接。第一电压与第二电压不同。根据本发明的另一个方面，提供一种用于制造可调光学透镜的方法。该方法包括将流体填入到支撑体中，将与第一电极互连的膜附接到支撑体；以及将包括第二电极和绝缘层的预制保持器设置在第二电极的顶部上。其它的有利实施例在从属权利要求以及下面的描述中列出。描述的实施例与所述设备和方法类似地相关。根据这些实施例的不同组合可能会出现协同效应，尽管它们可能不被详细地描述。此外，应当注意，关于方法的本发明的所有实施例可以按照所述步骤的顺序来实现，不过，这不必是方法步骤的唯一的基本顺序，方法步骤的顺序和组合的所有不同顺序都在本文中被描述。
本发明的上面定义的各方面和进一步的方面、特征和优点还可以从要在下文中描述的实施例的例子得出，并且参考实施例的例子进行解释。在下文中参考实施例的例子对本发明进行更详细的描述，本发明并不限于这些实施例。参考附图进行这样的描述，其中图la、lb、lc示出以截面图示意性地图示的根据本发明实施例的可调的光学透镜的状态，
图2a和2b示出以截面图示意性地图示的根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜的两种状态，图3a和3b示出以截面图示意性地图示的根据本发明第三实施例的可调的光学透镜的两种状态，图4a、4b和4c示出以截面图示意性地图示的根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜的状态，图5a和5b示出根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜，其中，图5a以截面示该透镜，图5b以俯视图示出该透镜的第二电极，图6a和6b示出根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜，其中，图6a以截面示该透镜，图6b以俯视图示出该透镜的第二电极，图7a、7b和7c全部以截面示在三种不同的激活状态(activation state)中 的图5的光学透镜，图8a和Sb示出根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜，其中，图8a以截面示该透镜，图8b以俯视图示出该透镜的第二电极，图9a、9b和9c全部以截面示在三种不同的激活状态中的图8的光学透镜，图IOa和IOb示出以截面图示意性地图示的根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜的两种状态，图IlaUlb和Ilc全部以截面图示出根据本发明另一个实施例的可调的光学透镜的二种状态。
具体实施例方式
在若干附图中类似或相关的元件被设置有相同的附图标记。定义术语“轴向”通常被用来表示垂直于膜的表面并且通常与光路的方向平行的方向。由于在本申请中的膜经常采取凸/凹形状，所以假定术语“轴向”还可以指整个可调的光学透镜的假定的平坦形状(大部分时间下与支撑体的平坦表面一致)，因此被定义为垂直于这样的表面的方向。术语“横向”被用来表不垂直于轴向方向的方向，即，平行于支撑体的方向。术语“内部”和“周边”都指膜的部分。虽然处于松弛的非受应力状态中的膜通常是例如三角形、矩形、圆形或多边形的平坦的元件，但是总是针对内部部分和周边部分提供这样的膜。两个部分互相补充。周边部分包围内部部分。例如，如果膜的基本形状是圆形，那么膜可以被分成采取圆形形式的内部和采取包围内部的环形的形式的周边。膜的这两个部分不必一定形成单片的膜。相反，膜可以由两个彼此分开的单独片来形成，即，内部片和周边片是两个分开的片一有利地的是它们彼此轴向地偏离。在横向维度上，周边部分仍然包围内部部分。具体地，这两个片仍然可以完全互相补充，即，当被实际地与该轴上的相同位置对准时，这两个片构成连续的整体膜。本发明的优选实施例涉及可调的光学透镜(即，焦距可调)，该可调的光学透镜包括流体(即，液体和气体之一，并且优选地显示出恒定不变的体积)，该流体由结合构成用于流体的容器的可变形聚合物膜(也被称为可变形膜)以及刚性支撑体封闭。聚合物膜的变形是使用包括两个电极的静电致动器来实现的。任何致动器部件都优选地在膜的周边部分与膜接合。膜的一般轴向移动是基于静电致动由致动器在膜的周边保持在较低位置的位置中启动，膜的周边从支撑体轴向地移开导致流体从容器的内部到其周边的横向移位。膜的周边的向支撑体的轴向移动又导致流体从容器的周边到其内部的横向移位。因此，该装置被配置为这样，当信号被施加到致动器时，通过这样的方式使膜的周边相对于支撑体移动使得膜的内部发生变形，从而膜的内部向透明支撑体移动/从透明支 撑体移开，并将流体从容器的中心挤出/挤入容器的中心。这又使得膜分别在凸凹状态之间切换，反之亦然，从而被激活。有利地，与膜互连的第一电极是可变形电极，而与支撑体或保持器或其它刚性部件互连的第二电极至少在被安装后显示出刚性。膜可以有利地作为预先拉伸膜被实施，S卩，展示拉伸应力的膜，特别是聚合物膜。有利地，膜是光学透明的。支撑体可以被实施为刚性的，并且是至少部分透明的支撑体。该装置可以被构建得非常紧凑。另外，其仅包括少量的部件，使其制造的成本非常闻效。这样，可调透镜的应用范围可以包括移动电话中的F数改变照相机、数字照相机、监控摄像机、照明系统和许多其它光学系统，其中已知在光学器件中F数为每个光圈直径的焦距。在有利的实施例中，可调膜片(diaphragm)的支撑体由塑料、玻璃、金属或其组合制成。这样的材料具有用简单的制造工艺产生良好的光学质量的特性。有利地，膜具有大于IOOnm和/或小于5mm的厚度。尽管下边界提供用于易于制造，但是上边界可以是这样一个极限，其中，变形所需的力变得难以实现。在有利的实施例中，膜由聚合物(例如，由Dow Corning 制造的PDMS Sylgard186或由Litway 制造的光学凝胶0G-1001)或丙烯酸弹性体制成。这样的材料允许实质的变形。在非常紧凑的实施例中，聚合物膜通过静电力被变形。第一环形挠性电极被施加到聚合物薄膜的周边上或集成到聚合物薄膜的周边中，优选地在不与流体接触的一侧。第二环形电极被置于支撑体的周边，其中支撑体与膜相接。在第一和第二环形电极之间，设置薄的绝缘层，以便将第二电极从第一电极去耦合。电极与绝缘体组合构成拉链式致动器(zipper actuator)。这样的拉链式致动器可以是与透镜的其余部分分开制造的元件,并且在制造期间被附接到膜。当电压被施加到挠性的第一电极和刚性的第二电极时，产生静电力，并且挠性电极向第二电极吸引。挠性电极的变形导致膜的变形，从而导致容器中的流体移位。流体从容器的中心向其周边移位导致膜的形状发生改变。具有包括保持器、第二电极和绝缘层的分开的致动器块的优点在于透镜可以从凸状态变形为凹状态的效果。如在现有技术中所描述的，当静电吸引存在于被施加到膜的流体侧的可变形电极与被施加到支撑体上的刚性电极之间时，这是不可能的。此外，在电极之间不能封闭流体，因此，不会发生由于封闭了液体而导致的绝缘层厚度的改变。此外，液体的密封通常是低产率工艺。如果不需要在容器上进行电极和绝缘层304的昂贵的沉积工艺，那么可以改善产率损失后的整体成本。图I示出以截面图示意性地图示的根据本发明实施例的可调的光学透镜的两个状态。光学流体102被封闭在刚性支撑体101与可变形膜103之间，这两个元件形成容器。可变形膜103有利地由诸如硅橡胶、丙烯酸介电弹性体、硬塑料弹性体、热塑性弹性体或聚氨酯的弹性体制成。通过粘合剂、焊接、夹持或其它接合方法，可变形膜103可以直接或间接地固定到支撑体101。可变形膜103优选地被预先拉伸。在图Ia的最上面，图不了膜103的不同部分部分1031表不膜103的内部部分，部分1032表示膜103的周边部分。第一可变形电极104与可变形膜103互连，特别地，与膜103的周边部分1032互连。第一电极104直接被附接到膜103。第二刚性电极106被施加到刚性保持器107的底侦1K在本例中具有环的形式)，并且通过薄的绝缘层105与第一电极104绝缘,绝缘层105被施加到第二电极106。第二电极106和绝缘层105面向第一电极104。包括第二电极106和绝缘层105的保持器107位于包括流体102的容器的顶部上。保持器107包括用于将膜103的内部暴露于进入装置的光的中央开口。保持器107的倾斜部分包括面对第一电极104的至少一部分的第二电极106的至少一部分。电极104和106相互作用并构成拉链式致动器。当电压V被施加到电极104和106时，挠性电极104和刚性电极106由于库伦力而相 互吸引。图Ia图示没有电压(V=O)被施加到电极104和106的状态中的光学透镜。由于预先拉伸或由于被插入到膜103与支撑体101之间的流体的量超出允许膜103处于松弛状态的量，膜103处于凸状态，至少其内部区域处于凸状态。在如图Ia所描绘的凸状态中，光被聚焦到第一焦点。图Ib又图示电压VDO被施加到电极104和106 (B卩，在电极104与106之间施加压差V古O)的状态中的光学透镜。这导致第一电极104被向着不动的第二电极106吸引，由此将膜103的周边1032从支撑体101轴向地提开。这又导致将可变形膜103变形为如图Ib所示的其凹状态，其中，膜的内部被向着支撑体101拉下。膜103采取这样的形状的原因在于，由于容器中的流体的体积恒定不变，因此通过提升膜103的周边，低压导致容器的底部区域将膜103向着支撑体101下拉。膜103的这样的移动又导致流体102从容器的中心向其周边移位。在如图Ib所描绘的凹状态中，光被离焦。图Ic图示该实施例的另一个方面。为了达到透镜的偏转大致上与施加的电压成线性的目标，可以优化刚性电极106的横截面形状，以补偿非线性效应。使用如图Ic中示出的电极形状，第一电极104与绝缘层105之间的接触角随着电压的增加而增大。同时，由膜103导致的恢复力增加。用于优化的电极形状的例子在图Ic中被描绘。第二电极106的S型轮廓导致第一电极104与绝缘层105之间的接触角最初是平坦的，因此拉链式致动具有稳定的启动条件。然后，随着电压增大，以透镜偏转与增长的静电力成线性的方式，接触角保持较小。图2a和图2b示出图Ia中描述的实施例的一个版本，其中，使用第二膜121密封容器的底部。随着致动期间液压改变，该第二膜121相应地如图2b所示地变形，并放大光焦度的变化。第二膜121还充当与支撑体101接触的支撑体，用于将流体102保持在膜103与支撑体(在本实施例中，即，第二膜121)之间。图3描绘了在两种状态(即，凸状态和凹状态)中的本发明的另一个实施例。除了在图3中引入了成形器元件109，该实施例基本上与图I的实施例类似。为了使光学系统小型化，非常重要的是，透镜的光学透明开口相对于光学透镜可以被集成在其中的光学系统的光轴正好居中。为了实现这一点，限定结构的另外的膜(也被称为成形器元件109)被用来限定可变形膜103的形状。对于使用本光学透镜的光学系统的壳体，可以参考该成形器元件109。通常，成形器元件109应当限制膜103的形状的横向延伸，尤其是在致动器影响膜103的周边的最高位置并且由此影响膜103的内部的凹形状时的状态中。由于刚性成形器元件109相对于光学系统被设置在限定的位置处，尤其是在横向方向上，因此这有助于相对于光学系统精确地定位透镜。在没有使用成形器元件109的情况中，膜103的内部可能会横向地偏离，从而影响焦点。有利地，成形器元件109被设置在膜303的内部与周边之间。优选地，成形器元件109被固定到保持器107，并对致动器电极104和106构成稍微的封闭。通过这样的设置，可以保护致动器不被暴露在环境中。优选地，成形器元件109与膜103的形式对准，即，在膜103采取圆形的形式的情况中，成形器元件109可以采取环形的形式。总的来说，透镜成形器元件109在需要高光学质量(尤其是良好的透镜同心度)的 应用中是有利的。为了允许膜103的内部部分与包括电极104与106的致动器部分之间的空气交换，空气交换孔110被包括在成形器元件109中。为了允许膜103在其凸状态和凹状态中的变形，成形器元件109可以被接合到可变形膜103或由具有孔112的夹圈(clampingring) 111夹持，孔112用于流体在由夹圈111形成的容器的两个室之间交换。此外，在图3的实施例中，采取另外的光学透镜113的形式的另外的光学元件被集成到支撑体101中，并由此形成容器的一部分。此外，图3a图示处于凸状态(即，松弛的、非致动状态)的光学透镜，图3b图示处于凹状态(即，激活状态)的光学透镜。图4图示根据本发明的光学透镜的另一个实施例。该实施例还设置了保持器107，用于保持在保持器107的倾斜部分处设置的绝缘层105和第二电极106。第二电极106通过集成到保持器107的导体108电连接到外部电子设备。空气孔110允许在改变膜103的形状时的空气交换。由于当透镜处于其凹状态时，膜103通过静电力保持在保持器107的内缘处的适合位置，因此限定透镜的形状的保持器107的内部分不必被接合或夹持到膜103，以充当透镜成形器。保持器107同时充当如结合图2所描述的用于使膜103成形的成形器元件。保持器107通过如图4所描绘的压在膜103上的其倾斜部分来使膜103成形，图4示出处于凸状态的透镜。此外，通过施加电压V>0，电极104和106吸引，并且膜103的周边被提升，导致膜103的内部降低，参见图4b。图4c示出该实施例的另一个方面。为了实现高透镜质量，第二电极106并不一直被施加到透镜成形元件109。透镜成形元件109被这样设计，使得膜103总是由透镜成形元件109限定。这样可以通过将透镜形状与致动器去耦合来提高透镜形状的质量。图5、图6和图7示出根据本发明的另一个实施例的可调的光学透镜。根据图5a，光学流体102被封闭在由刚性支撑体101和可变形膜103形成的容器中。可变形膜103有利地由诸如硅橡胶、丙烯酸弹性体、硬塑料弹性体、热塑性弹性体或聚氨酯的弹性体制成。通过粘合剂、焊接、夹持或其它接合方法，可变形膜103可以直接地固定到支撑体101。可变形膜优选地被预先拉伸。第一可变形电极104与可变形膜103互连，特别地，与膜103的周边部分1032互连。在本实施例中，第一电极104直接附接到面向支撑体101的膜103的底侧。第二电极106被施加到支撑体101上。通过施加在第二电极106的顶部上的薄绝缘层105，第二电极106与第一电极104电绝缘。图5b以俯视示透镜的第二电极106。第二电极106包括四个刚性的高导电的第一区段S1-S4。另外，第二电极包括四个高阻抗的第二区段T1-T4。第一区段的导电性超出第二区段的导电性，特别地，远超出第二区段的导电性，即，超出1000倍。每一个高阻抗的第二区段都有利地显示出IOOkOhm至IMOhm之间的每平方的阻抗。每一个高阻抗的第一区段都有利地显示出IOhm至IkOhm之间的每平方的电阻。第二区段T1-T4中的每一个被设置在第一区段S1-S4中的两个之间，并且与这两个第一区段电接触。第一电极104与第二电极的区段S1-S4和T1-T4构成一组拉链式致动器。当电压Vl被施加在第一区段S4与 第一电极104之间，并且差电压V3被施加到第一区段SI (B卩，与第一区段S4相邻的区段)与第一电极104之间时，横跨第二区段T4形成了电压梯度。根据第二区段T4与第一电极104之间局部变化的电压，电极之间的库伦弓I力随位置而变。这导致透镜的非径向的对称变形。图6a图示图5a的透镜的修改版本，其中，本实施例使用具有第二电极106的凹形支撑体101，第二电极106遵循支撑体101的形状。这种修改使得能够将透镜由凹的调整为凸的，并且提供在横向方向上移动透镜中心的选择。图6b以俯视示透镜的第二电极106，该第二电极与在图5的透镜中使用的第二电极106相同。图7a、7b和7c全部以截面示在三种不同的激活状态中的图5的光学透镜。出于图示的目的，省略了许多附图标记，如果需要，这些附图标记可以从图5a导出。图7a图示处于去激活的或松弛的状态的透镜。在第一电极104与第二电极106的第一区段S4之间的电压Vl被设置为0，在第一电极104与第二电极106的第一区段S2之间的电压V2也这样设置。第一区段SI和S3与第一电极之间的电压V3和V4也分别这样设置。如图7a所示，膜103处于凸状态，并且是居中的，即，其顶点1030在轴A-A’上，轴A-A’表示在不施加任何外力的情况下的对称膜的中心。在图7b中，施加不同的电压，使得膜103的顶点1030变成偏心的。这构成如上面所提到的透镜的非径向的对称变形。这种非径向变形可以用于移动透镜的光轴。在图7b中，膜的顶点1030相对于轴A-A’被移动到左边。在第二电极106的第一区段S4与第一电极104之间施加等于零的电压VI，分别在区段SI和S3与第一电极104之间施加电压V3=V4，并且在第一区段S2与第一电极104之间施加电压V2，使得遵守V2>V3>V1的电压不等式，得到了这样的结果。由于横跨第二区段T1-T4形成的电压梯度，膜的顶点1030向左偏移。图7c示出相反的情形，其中，透镜的轴心在相反方向上移动，例如，向右移动。在第二电极106的第一区段S2与第一电极104之间施加等于零的电压V2，分别在区段SI和S3与第一电极104之间施加电压V3=V4,并且在第一区段S2与第一电极104之间施加电压V2，使得遵守V1>V3>V2的电压不等式，得到了这样的结果。由于横跨第二区段T1-T4形成的电压梯度，膜的顶点1030向右偏移。因此，根据施加的电压V1-V4，透镜可以在平面方向上移动。这种效果可以被用于图像稳定。当所有电压V1-V4被保持在相等大小时，在不移动透镜中心的情况下，可以调整透镜的焦距。通过将偏移电压分量和变化分量施加到电压Vl到V4，聚焦效果可以与位移效
果结合。此外，刚性环115可以被置于膜103上。该环帮助对不均匀膜变形进行补偿，该不均匀膜变形是在使用静电致动对透镜的中心进行偏移时由于透镜的非均匀变形而导致的。刚性环115可以与膜一起移动并充当横向可移动透镜成形器，该成形器限定透镜的形状。此外，如果电压V1=V2并且电压V3=V4且Vl古V3，那么透镜非对称地变形，导致椭圆透镜。第二电极106的第一区段S1-S4和第二电极106的第二区段T1-T4可以具有任何几何形状，其包括圆形、矩形和任何适当的形状。第二电极106的第一区段S1-S4中的全部或某些还可以这样放置，使得它们仅与第二电极106的第二区段T1-T4中的一个接触。为了至少将膜的顶点/中心偏移一定程度，第二电极的最小配置似乎提供第二电极106的两个第一区段S1-S4，并且在这两个第一区段S1-S4之间提供一个第二区段T1-T4。假如第二电极示出诸如环的圆周形状，例如，为了至少将膜的顶点/中心偏移一定程度，第二电极的最小配置似乎提供两个第一区段S1-S4、两个第二区段T1-T4，第二区段T1-T4中的每一个都被设置在两个第一区段S1-S4之间。在图8和图9中呈现了本发明的另一个实施例。图8a示出与图Ia和图Ib中描绘的透镜相同的可调透镜，但是，出于能够偏移膜的中心的原因，图8a中示出的可调透镜包括比结合图I使用的第二电极106更精细的第二电极106。·此外，在这样的非常紧凑的实施例中，被实施为聚合物薄膜的膜通过静电力被变形。第一环形挠性电极104被施加到聚合物薄膜的周边上或集成到聚合物薄膜的周边中。可变形膜103有利地由诸如硅橡胶、丙烯酸弹性体、硬塑料弹性体、热塑性弹性体或聚氨酯的弹性体制成。通过粘合剂、焊接、夹持或其它接合方法，可变形膜103可以直接或间接地固定到支撑体101。可变形膜103优选地被预先拉伸。第二环形电极106被置于支撑体101的周边，其中支撑体101与膜103相接。在第一环形电极104和第二环形电极106之间，设置薄的绝缘层105，以用于将第二电极106从第一电极104去耦合。电极104、106与绝缘体组合构成拉链式致动器。第二电极106和绝缘层105被附接到环形保持器107。包括保持器107、第二电极106和绝缘层105的这样的组件可以是与透镜的其余部分分开制造的组件，并在制造期间被附接到膜/支撑体组件。当电压被施加到挠性的第一电极104和刚性的第二电极106时，产生静电力，并且挠性电极104被向第二电极吸引。挠性电极104的变形导致膜103变形，由此导致容器中的流体移位。流体从容器的中心向其周边的移位导致膜103的形状发生改变。该实施例的优点在于，在电极104、106之间可以不封闭流体102，因此不会发生由于流体封闭而导致绝缘层105的厚度发生改变。此外，流体的密封通常是低产率工艺。如果不需要在容器上进行第二电极106和绝缘层105的昂贵的沉积工艺，那么可以改善产率损失后的整体成本。第一可变形电极104与可变形膜103互连，特别地，与膜103的周边部分1032互连。第一电极104直接被附接到膜103。第二刚性电极106被施加到刚性保持器107的底侦1K在本例中，具有环的形式)，并且通过薄的绝缘层105与第一电极104绝缘,绝缘层105被施加到第二电极106。第二电极106和绝缘层105面向第一电极104。包括第二电极106和绝缘层105的保持器107位于包括流体102的容器的顶部上。保持器107包括用于将膜103的内部暴露于进入装置的光的中央开口。保持器107的倾斜部分包括面对第一电极104的至少一部分的第二电极106的至少一部分。电极104和106相互作用并形成拉链式致动器。当电压V被施加到电极104和106时，挠性电极104和刚性电极106由于库伦力而相互吸引。图8b以俯视示透镜的第二电极106。该第二电极106与参考图5的实施例中使用的第二电极相同。出于这一原因，对于第二电极的设计和功能的细节，请参考图5b的第二电极的描述。图9a、9b和9c全部以截面示在三种不同的激活状态中的图8的光学透镜。出于图示的目的，省略了许多附图标记，如果需要，这些附图标记可以从图6a导出。图9a图示处于去激活的或松弛的状态的透镜。在第一电极104与第二电极106的第一区段S4之间的电压Vl被设置为0，在第一电极104与第二电极106的第一区段S2之间的电压V2也 被这样设置。第一区段SI和S3与第一电极之间的电压V3和V4也分别被这样设置。如图9a所示，膜103处于凸状态，并且是居中的，即，其顶点1030在轴A-A’上，轴A-A’表示在不施加任何外力的情况下的对称膜的中心。在图9b中，施加不同的电压，使得膜103的顶点1030变成偏心的。这构成如上面所提到的透镜的非径向的对称变形。这种非径向变形可以用来移动透镜的光轴。在图9b中，膜的顶点1030相对于轴A-A’被移动到右边。在第二电极106的第一区段S4与第一电极104之间施加等于零的电压VI，分别在区段SI和S3与第一电极104之间施加电压V3=V4，并且在第一区段S2与第一电极104之间施加电压V2，使得遵守V2>V3>V1的电压不等式，得到了这样的结果。由于横跨第二区段T1-T4形成的电压梯度，膜的顶点1030向右偏移。图9c示出相反的情形，其中，透镜的轴心在相反方向上移动，例如，向左移动。在第二电极106的第一区段S2与第一电极104之间施加等于零的电压V2，分别在区段SI和S3与第一电极104之间施加电压V3=V4,并且在第一区段S2与第一电极104之间施加电压V2，使得遵守V1>V3>V2的电压不等式，得到了这样的结果。由于横跨第二区段T1-T4形成的电压梯度，膜的顶点1030向右偏移。 因此，根据施加的电压V1-V4，透镜可以在平面方向上移动。这种效果可以被用于图像稳定。当所有电压V1-V4被保持在相等大小时，在不移动透镜中心的情况下，可以调整透镜的焦距。通过将偏移电压分量和变化分量施加到电压Vl到V4，聚焦效果可以与移位效果结合。此外，如图7所示的刚性环115可以被置于膜103上。该环帮助对不均匀膜变形进行补偿，该不均匀膜变形是在使用静电致动对透镜的中心进行偏移时由于透镜的非均匀变形导致的。刚性环可以与膜一起移动并充当横向可移动透镜成形器，该成形器限定透镜的形状。此外，如果电压V1=V2并且电压V3=V4且Vl古V3，那么透镜非对称地变形，导致椭圆透镜。第二电极106的第一区段S1-S4和第二电极106的第二区段T1-T4可以具有任何几何形状，其包括圆形、矩形和任何适当的形状。第二电极106的第一区段S1-S4中的全部或某些还可以这样放置，使得它们仅与第二电极106的第二区段T1-T4中的一个接触。为了至少将膜的顶点/中心偏移一定程度，第二电极的最小配置似乎提供第二电极106的两个第一区段S1-S4，并且在这两个第一区段S1-S4之间提供一个第二区段T1-T4。假如第二电极示出诸如环的圆周形状，例如，为了至少将膜的顶点/中心偏移一定程度，第二电极的最小配置似乎提供两个第一区段S1-S4、两个第二区段T1-T4，第二区段T1-T4中的每一个都被设置在两个第一区段S1-S4之间。图IOa和图IOb示出与图4A和图4B中示出实施例类似的凹凸静电透镜的另一个版本。在该实施例中，保持器107被置于光学流体102内，光学流体102由可变形膜103和支撑体101所封闭。保持器107包含第二电极106和薄绝缘层105。可以选择流体的体积，从而使得膜在其无源状态(passive state)中是凹的,如图IOa所示。当如图IOb所示 电压被施加到与膜103互连的第一电极104和第二电极106时，光学流体102穿过交换孔110从透镜的周边进入到透镜的中心。该实施例的主要优点在于，保持器107充当透镜成形器，从而赋予透镜被限定的圆周。如果在无源状态中透镜是凹的，那么不需要将保持器107接合到膜103，这是由于在有源状态中膜通过静电力被保持在适当位置。与图4中的示出的实施例相比，主要优点在于，当从无源状态变为有源状态时，膜103可以从凹的/平坦的透镜配置变为平坦的/凸的透镜配置。支撑体101和保持器107可以是一片或者两个分开的片，例如，其使用注模来制造。如果使用注模来将支撑体101和保持器107形成为一个部件，那么交换孔110可以使用插入管(inset tube)来形成。或者，该片可以以倾斜的方式被安装在注模装置中，并且侧面动作工具(side action tool)可以产生开口。图IlaUlb和Ilc示出本发明的不同实施例。膜103与两个可变形电极104和114互连，即，与各处于膜103的一侧的第一电极104和第三电极114互连。第一电极104与第二电极106 (B卩，刚性电极，其通过薄绝缘层105隔离)形成拉链式致动器。第三电极114和第四电极116 (即，也是刚性电极)形成第二拉链式致动器，其被嵌入到支撑体101中，并通过薄绝缘层105隔离。当电压V1被施加到第一电极104与第二电极106之间时，可变形膜103的中心向支撑体101移动。当电压V2被施加到第三电极114与第四电极116之间时，可变形膜103的中心部分形成凸透镜。在致动期间，交换孔110和112允许流体102和空气移位。保持器107的内缘充当透镜成形器元件109，从而赋予透镜被限定的圆周。在膜103没有被接合到成形器元件109的情况中，空气交换孔110可以被省略。类似地，在膜103没有被接合到保持架111的情况中，用于液体交换的孔112可以被省略。因此，液体流将在膜103与保持架(retainer )111之间穿过,空气流将在膜103与透镜成形元件109之间穿过。在对透镜的可控性和速度进行折中的情况下，这可以使制造更容易。下面建议的材料和制造方法适用于图I到图11中描述的所有实施例。优选地，第一电极104在不受到损坏的情况下是可变形的。因此，有利地，第一电极104由下面的材料之一制造,第二电极106可能也由下面的材料之一制造,这些材料也适用于第三电极114 -碳纳米管(参见“Self-clearable carbon nanotube electrodes forimprovedperformance of dielectric elastomer actuators”， Wei Yuanet al， Proc.SPIE,Vol.6927，69270P (2008))；-碳黑(参见“Low voltage, highly tunable diffraction gratingbased ondielectric elastomer actuators”，M. Aschwanden et al.，Proc.SPIE, Vol.6524,65241N(2007))；-碳油脂/导电油脂；-金属离子(Au、Cu、Cr......)(参见“Mechanical properties ofelectroactive
polymer microactuators with ion-implantedelectrodes^, S. Rosset et al.,Proc. SPIE, Vol.6524，652410(2007))；
-液体金属(例如，Galinstan)；
-金属粉末，尤其是金属纳米颗粒(金、银、铜)；-金属膜；-导电聚合物(固有导电的或复合物(composite))；电极104和106可以通过任意下面技术来沉积，其也适用于电极114和116 :-喷涂；-离子注入(参见 “Mechanical properties of electroactivepolymermicroactuators with ion-implanted electrodes”，S. Rosset et al. , Proc.SPIE,Vol.6524，652410(2007))；-PVD、CVD ;-蒸发；-溅射；-光刻；-印刷，尤其是接触式印刷、喷墨印刷、激光印刷和丝网印刷；-场引导的自组装(参见，例如“Local surface charges direct thedepositionof carbon nanotubes and fullerenes into nanoscalepatterns，，，L. Seemann,A.Stemmer, and N. Nauj oks, NanoLetters 7,10,3007-3012,2007)；-刷涂；-电极电镀；可选地，支撑体101可以包含具有适当形状的光学元件，例如-球面透镜(凸的和凹的)-菲涅耳透镜-柱面透镜-非球面透镜(凸的和凹的)-平面；-反射镜；-正方形、三角形、线或棱锥；-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)可以被集成到支撑体101和可变形膜103中。当抗反射层被施加到可变形膜103的至少一个表面时，其有利地由尺寸小于透射光的波长的精细结构形成。通常，对于红外应用，该尺寸可以小于5 μ m，对于近红外应用，小于I μ m,并且对于使用可见光的应用，小于200nm。例如，下面的任何一种方法可以被用来形成抗反射涂层-浇铸，尤其是注模/模制处理；-纳米压印，例如，通过热压花纳米尺寸的结构；-蚀刻(例如，化学蚀刻或等离子蚀刻)；-溅射；-热压花；-软光刻(即，将聚合物浇铸在预先成形的基底上);
-化学自组装(参见，例如“Surface tension-poweredself-assembly ofmicro structure s - the state-of-the-art，，，R. R. A. Syms, E. M. Yeatman, V. M. Bright,G. M. Whitesides, Journal ofMicroelectromechanical Systems 12 (4),2003, pp.387 -417)；-电磁场引导的图案形成(参见，例如“Electro-magnetic fieldguided patternforming”，L.Seemann, A.Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett.,7(10),3007 - 3012,2007.10.1021/nl0713373)。例如，用于支撑体101的材料可以包含下面的材料或由下面的材料构成-PMMA ；-玻璃；-PS ；-塑料；-聚合物;-晶体材料，尤其是单晶材料；-金属。例如，下面的任意一种方法都可以被用来形成或构建支撑体101 -打磨；-注模；-铣削；-烧铸。例如，用于不透明流体102的材料可以包含下面的材料或由下面的材料构成-油；-溶剂；-离子液体；-气体。例如，用于可变形膜103的材料可以包含下面的材料或由下面的材料构成-凝胶(由Liteway 制造的光学凝胶0G-1001)；-弹性体(TPE、LCE、硅酮，例如，PDMSSylgard 186、丙烯酸、聚氨酯)；-热塑性塑料(ABS、PA、PC、PMMA、PET、PE、PP、PS、PVC......)；-硬塑料。为了防止第一电极(104、114)永久地粘到绝缘层(105、115)，绝缘层被涂布有抗粘层，诸如-自组装单层-聚四氟乙烯(Teflon)-全氟化碳。例如，自组装单层(SAM)可以包含具有如下成分的分子-分子尾基团(moleculetail group),包含正则链或全氟化烧基链,或者由正则链或全氟烷基链构成，和/或-分子头基团，包含硅烷或磷酸，或者由硅烷或磷酸构成。作为防止第一电极粘结的可替换方法，绝缘层(105、115)的表面粗糙度可以通过纳米结构化来提高。例如，绝缘层105、115可以包含下列材料或由下列材料构成-Al2O3'Si02、Si3N4-聚对二甲苯-环氧树脂、PVDF(聚偏二氟乙烯)-电气树脂SU-8、Cyclotene(BCB 系)、......-高k 电介质,诸如 TiO2、HfO2 或 ZrO2-聚合物基体中包含高k纳米颗粒(诸如BaTiO3)的纳米成分。例如，绝缘层105、115可以通过下面的任意技术来沉积-PVD (蒸发、溅射)-CVD (ALD、PECVD......)-旋涂-阳极氧化-喷雾热解电极104、106、114、116的几何形状可以是圆形、正方形，或采取其它任何合适的形式。膜103和/或支撑体101的几何形状可以是圆形、正方形，或采取其它任何合适的形式。总体上，光学透镜的光传输路径不会干扰致动器元件。可变形膜的变形可以依赖于弹性模量的分布、膜厚度的局部分布、膜成形器的形状(如果可用)，以及膜变形机构(如 果不使用膜成形器)。支撑体以及可变形膜和电极的形状可以适用于各种应用。特别地，这些电极、膜、保持器、成形器，以及光学元件同样地可以是任何适合的形状，例如，三角形、矩形、圆形或多边形。第一和第二电极还可以具有环形。可调的光学透镜可以被用于种类繁多的应用中，诸如-投影装置，例如，用于卷轴机(beamer)和手持装置中的宏观投影仪或微观投影仪的投影仪的光学部件中的应用；-显不器；显微镜；-照相机；监控摄像机；-视觉系统，具有各种类型的照相机；-在研究应用中；-诸如用于商店、零售商、博物馆或家庭应用的照明的照明应用；
-通信应用(振幅调制)。
尽管示出并描述了本发明的目前优选的实施例，但是应当清楚地明白，本发明并不仅限于此，而且可以在下面的权利要求的范围内进行各种实施和实践。
权利要求
1.一种可调的光学透镜，包括 -膜(103)、 -用于膜(103)的支撑体(101)、 -在膜(103)与支撑体(101)之间的流体(102)，以及 -用于使膜(103)变形的致动器，该致动器包括与膜(103)互连的第一电极(104)、以及第二电极(106)， 特征在于第二电极(106)被设置在膜(103)之上，从而使得第一电极(104)被设置在支撑体(101)与第二电极(106)之间。
2.一种可调的光学透镜，包括 -膜(103)、 -用于膜(103)的支撑体(101)、 -在膜(103)与支撑体(101)之间的流体(102)，以及 -用于使膜(103)变形的致动器，该致动器包括第一电极和第二电极(104、106)， 特征在于第二电极(106)包括具有第一导电性的第一区段(SI、S2、S3、S4)和至少一个具有第二导电性的第二区段(T1、T2、T3、T4)，其中，第一导电性超过第二导电性，并且，第二区段(TI、Τ2、Τ3、Τ4 )中的每一个都被设置在第一区段(SI、S2、S3、S4 )中的两个之间。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的光学透镜，其中，第二电极(106)通过与该第二电极(106)互连的绝缘层(105，115)与第一电极(104)电绝缘。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，包括用于保持第二电极(106)的保持器(107)。
5.根据权利要求3与权利要求4的结合所述的光学透镜，其中，保持器(107)、第二电极(106)和绝缘层(105)形成预制组件，该预制组件在其组装状态中不与流体接触。
6.根据权利要求3与权利要求4的结合所述的光学透镜，其中，保持器(107)包括光学透明的中央开口、以及倾斜部分，该倾斜部分包括面向第一电极(104)的至少一部分的第二电极(106)的至少一部分，第二电极(106)和绝缘层(105)被设置在面向第一电极(104)的保持器(107)的底表面处，并且，绝缘层(105)的一部分与第一电极(104)的一部分互连。
7.根据前述的权利要求4到6中的任一项所述的光学透镜，其中，保持器(107)被设置在膜(103)之上。
8.根据前述的权利要求4到6中的任一项所述的光学透镜，其中，保持器(107)被设置在支撑体(101)与膜(103)之间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，其中，第一电极(104)被设置在与膜(103)的面向流体(102)的一侧相对的膜(103)的顶部。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，其中，第二电极(106)的横截面具有由圆形、s形、直线形或弯曲形状构成的组中的一种形状。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，其中，膜(103)包括内部(1031)和周边(1032),并且，致动器被设计为使得该致动器单独地与膜(103)的周边(1032)接合，将周边(1032)从支撑体(101)移开导致内部(1031)向支撑体(103)移动，并且，周边(1032)向支撑体(101)移动导致内部(1031)从支撑体(101)移开。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，其中，第一电极(104)与膜(103)的周边(1032)互连。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，其中，膜(103)被预先拉伸。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，具有下面的材料性质中的至少一种 -膜(103 )是透明的、弹性的； -支撑体(101)的至少一部分是透明的。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，包括成形器元件(109)，该成形器元件(109)限定膜(103)的内部(1031)的形状。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的光学透镜，包括第三电极(114)和第四电极(116),第一电极和第三电极(104、114)被设置在膜(103)的上表面和下表面处,第一电极和第三电极(104、114)中的每一个都与第二电极和第四电极(106、116)中的一个连通,其中，第二电极(106)被设置在膜(103)之上，第四电极(116)被设置在膜(106)之下。
17.根据前述的权利要求2到16中的任一项所述的光学透镜，其中，第二电极(106)是圆周电极。
18.根据权利要求17所述的光学透镜，其中，第一区段和第二区段(S1、S2、S3、S4、T1、T2、T3、T4)的数量均至少是3，特别地是4。
19.根据前述的权利要求2到18中的任一项所述的光学透镜，其中，刚性环(115)被连接到膜(103)，以便在横向和轴向方向上与膜(103)—起移动，从而确保由环(115)包围的膜(103)的部分具有明确的圆周。
20.一种用于操作光学透镜的方法，该透镜包括具有内部(1031)和周边(1032)的膜(103)、用于膜(103)的支撑体(101 )、在膜(103)与支撑体(101)之间的流体(102)、以及用于使膜(103)变形的致动器，该致动器包括与膜(103)互连的第一电极(104)、以及第二电极(106)，第二电极(106)被设置在膜(103)之上，从而使得第一电极(104)被设置在支撑体(101)与第二电极(106)之间，该方法包括 -在第一电极(104)与第二电极(106)之间施加第一电压，以便将膜(103)的周边(1032)从支撑体(101)移开，从而导致膜(103)的内部(3031)向支撑体(101)移动，以及 -在第一电极(104)与第二电极(106)之间施加第二电压，以便将膜(103)的周边(1032 )向支撑体(101)移动，从而导致膜(103 )的内部(1031)从支撑体(101)移开。
21.一种用于操作光学透镜的方法，该透镜包括膜(103)、用于膜(103)的支撑体(101)、在膜(103)与支撑体(101)之间的流体(102)、以及用于使膜(103)变形的致动器，该致动器包括第一电极和第二电极(104、106),其中，第二电极(106)包括具有第一导电性的第一区段(31、52、53、54)和至少一个具有第二导电性的第二区段(11、12、13、14)，第一导电性超过第二导电性，并且，第二区段(Tl、Τ2、Τ3、Τ4)中的每一个都被设置在第一区段(S1、S2、S3、S4)中的两个之间，该方法包括 -在第一电极(104)与第二电极(106)的第一区段(S1、S2、S3、S4)中的第一个之间施加第一电压，以及 -在第一电极(104)与第二电极(106)的第一区段(S1、S2、S3、S4)中的第二个之间施加第二电压， -其中，第一区段(S1、S2、S3、S4)的第一个和第二个是其间具有一个第二区段(T1、T2、T3、T4)的相邻的第一区段(SI、S2、S3、S4)，并且，第一电压与第二电压不同，导致透镜的顶点的横向位移。
22.一种用于制造可调的光学透镜的方法，包括 -将流体(102)填入到支撑体(101)中， -将与第一电极(104)互连的膜(103)附接到支撑体(101 )，以及 -将包括第二电极(106)的预制保持器(107)设置在膜(103)的顶部上。
全文摘要
本发明包括可调的光学透镜，其包括膜(103)、用于膜(103)的支撑体(101)、在膜(103)与支撑体(101)之间的流体(102)、以及用于使膜(103)变形的致动器。该致动器包括与膜(103)互连的第一电极(104)和第二电极(106)。第二电极(106)被设置在膜(103)之上，从而使得第一电极(104)被设置在支撑体(103)与第二电极(106)之间。结果，透镜可以由凸变凹。此外，在电极(104、106)之间可以不封闭流体(102)，因此，由于流体封闭导致不精确的致动并因此使得正研究的光学系统的期望的光学性质出现偏差，电极(104、106)之间的绝缘层的厚度可以不发生改变。通过将第二电极分成高和低导电部分，通过对这些区段施加不同的电压，可以将透镜的中心在横向方向上移动。
文档编号G02B3/14GK102947730SQ201180026823
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月16日 优先权日2010年6月2日
发明者M·阿斯克万登, C·格雷特泽尔, T·克恩, P·格伯斯 申请人:奥普托图尼股份公司