專利名稱：可調(diào)光學(xué)活動元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可調(diào)光學(xué)活動元件領(lǐng)域，比如移相器和透射光柵，舉例 來說，用于自適應(yīng)光學(xué)以及顯微學(xué)。
背景技術(shù)：
衍射光柵是由其表面包含等距密紋或劃線的反射或透明基片組成的 光學(xué)元件。在光線入射于衍射光柵上時，出現(xiàn)衍射和相互干擾效應(yīng)并且 光線在按順序調(diào)用的離散方向上反射或透射。由于它們的分散性質(zhì)，光
柵通常用于單色儀和分光儀中。這些設(shè)備在1821年首先由德國物理學(xué)家 Joseph von Fraunhofer制出。
衍射光柵成為研究主題已有很多年。開始時，光柵的設(shè)計和作用原 理是主要的興趣點。近年來，可調(diào)衍射光柵變得流行，其允許改變其物 理行為。 一個主題是怎樣獲得較大的調(diào)節(jié)范圍。集中的研究活動和新的 微加工技術(shù)的組合產(chǎn)生了數(shù)種可調(diào)衍射光柵。這些可調(diào)衍射光柵的例子 是基于梳狀驅(qū)動器的機械式旋轉(zhuǎn)光柵或可調(diào)光柵的不同實現(xiàn)(參見A. Azzam Yasseen et al. "Diffraction Grating Scanners Using Polysilicon Micro-moters"， IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 5， No. 1 ， January/February 1999)。盡管這些光柵中的一些在商業(yè)上成功的產(chǎn) 品中采用，但是它們的調(diào)節(jié)范圍有限或者需要很多昂貴的生產(chǎn)步驟。
傳統(tǒng)的衍射光柵通?；诓豢勺冃蔚膭傂圆牧稀＿@些材料使得能改 變光柵的形狀。因此調(diào)節(jié)這些光柵的唯一可能性是旋轉(zhuǎn)。如同現(xiàn)有技術(shù)
的解決方案所示，光柵的旋轉(zhuǎn)涉及在微型系統(tǒng)中難以實施的昂貴的機械 系統(tǒng)。近年來，這個問題得到解決并且采取了數(shù)種試圖解決這個問題的 方案?；谑釥铗?qū)動器或壓電致動器的可調(diào)衍射光柵已經(jīng)開發(fā)出來。這 種設(shè)備需要由于復(fù)雜生產(chǎn)過程所帶來的高昂投資或者僅獲得相對小的調(diào) 節(jié)范圍。這主要是由于用于實施光柵的剛性材料的緣故。
可調(diào)衍射光柵從現(xiàn)有技術(shù)是已知的。這種設(shè)備的一個例子是基于聚
合物基片(即PDMS)并且由于熱碰撞而改變其形狀的衍射光柵(參見 Bartosz A. Grzy畫bowski et al" ..Thermally actuated interferometric sensors based on the thermal expansion of transparent elastomeric media", Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No. 4, April 1999 )。相同的研究者已經(jīng)開發(fā) 了另 一種可調(diào)衍射光柵，其通過施加外部機械壓力來調(diào)節(jié)(參見Bartosz A. Grzybowski et al" ..Beam redirection and frequency filtering with transparent elastomeric dififractive elements", Applied Optics, Vol. 38, No. 14， 10 May 1999)。機械壓力由兩個平行玻璃板施加至包括衍射光柵的聚合物層。由 于其作用原理，這兩種解決方案都具有例如不可能微型化的缺點。
Tapani Levola的US2004/0109234 (US'234)公開于2004年并且涉及 一種利用可電地變形的衍射光柵結(jié)構(gòu)來操縱光波的光學(xué)設(shè)備。該電地可 調(diào)的衍射光柵基于在兩種具有不同介電常量的材料的界面處在有電場存 在時出現(xiàn)力的物理效應(yīng)。這個效應(yīng)被建議用來調(diào)節(jié)光柵的衍射行為。
Curtis Kevin的US2002/0186928 (US'928)(相應(yīng)于EP147373 )公開 于2002年并且公開了 一種可調(diào)光學(xué)設(shè)備，用于在波長分離多路通信系統(tǒng) 中增加或減少一個或多個信道。該可調(diào)光學(xué)設(shè)備包括一個或多個濾波器， 其中至少一個濾波器包括至少一個彈性體以及一個或多個光柵。彈性體 是隨著施加至聚合物兩側(cè)的電壓的變化或者在一定波長的光從聚合物衍 射或投射穿過其中時膨脹和收縮的聚合物。這個設(shè)備由基于交變折射率
模式的全息光柵過程。這個光柵嵌在其厚度在施加電壓時變化的彈性體 內(nèi)。 一個缺點是光柵基于交變折射率的固定模式。
Srinivasan等的US6930817 (US'817)公開于2004年并且公開了 一種可 變調(diào)制器組件，其包括具有多個電極的活動層?？勺冃螌优c活動層的第 一表面操作的接觸。具有多個電極的電極配置與活動層的第二表面接觸。 控制器構(gòu)造來選擇性地將可變信號施加至電極配置的選定電極。可變信 號的施加使得可變形層重新構(gòu)造為具有顯著峰和谷的可選形狀。峰和谷 之間的距離由所施加的可變信號的值確定。在一種光學(xué)調(diào)制方法中，可 變調(diào)制器組件定位來在可變形層接收來自光源的光?？刂破骷せ铍姌O配 置以產(chǎn)生可變信號，引起靜電電荷使可變形層扭曲為與激活的電極相應(yīng) 的模式。
Schrader的US6903872 (US'872)公開于2002年并且描述了一種可電 地重新構(gòu)造的光學(xué)設(shè)備，其基于使用與至少第一電極結(jié)構(gòu)相反的介電且 透明的粘彈性材料層。根據(jù)該發(fā)明，各個電極區(qū)域在第一電極結(jié)構(gòu)為了 使粘彈性層變形的布置與下面可選方案之一相一致。根據(jù)第一可選方案， 第一電極結(jié)構(gòu)的電極區(qū)域分組為由兩個或更多相鄰電極區(qū)域構(gòu)成的組并 且在每個所述組內(nèi)各個電極區(qū)域每個供應(yīng)有顯著不同的電壓。根據(jù)第二 可選方案，第一電極結(jié)構(gòu)的電極區(qū)域是基本上環(huán)形、橢圓形、矩形或多 邊形閉環(huán)電極。該本發(fā)明允許例如用于形成電地可重新構(gòu)造的炫耀光柵 或菲涅耳區(qū)域透鏡。
Laude等的US3942048 (US'048)公開于1976年并且涉及一種包括壓 電基片的光柵組件。壓電基片在兩個相對的表面上支撐金屬層?；?表面之一也承載在由該表面支撐的金屬層中形成于該表面中或者由該表 面承載的樹脂層中形成的光柵?？勺冸妷涸诮饘賹又g的施加在基片中 形成可變強度的電場并且由于基片的壓電屬性這使得光柵的節(jié)距可變。 由于這個光柵依賴于基片的壓電效應(yīng)的事實，僅能實現(xiàn)有限節(jié)距的變化 并且因此沒有得到很大的調(diào)節(jié)范圍。又一存在于這種設(shè)備的制造的困難 是費用相對昂貴。
Gerritsen的US4850682 (US'682)公開于1989年并且描述了 一種衍射 光柵。該衍射光柵響應(yīng)于在給定入射角度范圍內(nèi)入射到其上的輻射并且 在相對有限的限度內(nèi)在選定的方向上從該結(jié)構(gòu)重新定向入射的輻射。液 晶材料定位為與至少一個衍射結(jié)構(gòu)的衍射表面相接觸。在不活動時，液 晶材料具有基本上與衍射結(jié)構(gòu)相同的折射率。在激活時，液晶材料的折 射率顯著不同從而在給定入射角度范圍內(nèi)的進入輻射被透射穿過該結(jié)構(gòu) 并且存在于選定的方向上。
且描述了 一種具有附接的或整體地形成的衍射光柵的壓電基片。在電場 與光柵平行地施加至壓電基片時，壓電致動器使光柵伸展以使得衍射的 周期和角度變化。 一個問題在于電極橫向于光柵布置。從而不可能使設(shè) 備微型化。
Siemens Aktiengesellschaft的WO2005085930 (WO'930)公開于2005 年并且涉及一種能構(gòu)造為例如雙凸透鏡的自適應(yīng)光學(xué)元件。該元件具有 由電活化的聚合物層和數(shù)個橫向?qū)訝铍姌O構(gòu)成的聚合物致動器。層狀電 極暴露于不同的電壓，從而在電場的長強度中產(chǎn)生影響聚合物層變形的 梯度。據(jù)描述，將可能獲得幾乎任何狀態(tài)的變形，比如舉例來說所述的 雙凸透鏡。然而，透鏡似乎不是非常精確。
在WO'930中，參考了在"Smart structures and materials 2001", Vol. 4329中公開的一篇文章，其描述了一種包括布置于圓形框架的開口內(nèi)的 電活化聚合物的膜片致動器。由于電壓施加于布置在膜片的相對側(cè)面上 的電極，膜片的表面能改變。由于膜片以松弛的方式附著在框架中，膜 片在其表面由于施加的電壓而增大時開始松弛。從而可能對行進穿過膜 片的光束有影響。
上述現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備不僅生產(chǎn)昂貴而且具有在傳輸模式上不實用的
缺點。然而，從US'928已知的設(shè)備能在某些場合中用作透射光柵，但是 僅作為波長濾波器而不是作為光轉(zhuǎn)向設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及光學(xué)活動元件的方法和設(shè)備，比如可調(diào)書f射光柵，可調(diào) 光透射移相器、可調(diào)菲涅耳透鏡或可調(diào)透鏡。
光柵的基本性質(zhì)是衍射角度取決于入射光的波長和光柵周期(如下 所示)。因此，光柵在空間上將入射光分離為其單色分量，即其是色散的， 在白光照明下產(chǎn)生彩虹顏色。這在視覺上類似于棱鏡的操作，盡管機理 不同。衍射的原理已經(jīng)知道100多年了并且存在著很多商業(yè)上可用的衍 射元件(例如Zeiss, Thorlabs， Edmund Optics )。
傳統(tǒng)的衍射光柵大多基于不可變形的材料。因此，在生產(chǎn)期間印刻 的周期性結(jié)構(gòu)不能改變。因而，根據(jù)光柵公式
w.sin( ，sin( .) = 。
附''"，這個光柵僅能通過改變?nèi)肷浣嵌龋?來改變。
在光柵公式中，0"'表示第m級衍射的角度，"'是入射介質(zhì)的折射率，n 是衍射在其中傳播的介質(zhì)的折射率，A表示入射光的波長并且d是光柵的 周期。與現(xiàn)有技術(shù)不同，此處公開的發(fā)明提供了一種以簡單且成本有效 的方式改變光柵周期的方法和設(shè)備，如同隨后將更詳細(xì)解釋的。
光學(xué)中的另一需求是易于允許移動例如光束相位的光學(xué)元件。在光 行進穿過介質(zhì)時，其波長與介質(zhì)的折射率成反比例地降低^-A。Z",其中 義表示光在介質(zhì)中的波長，A。是光在真空中的波長并且w表示介質(zhì)的折射
率。在光行進穿過折射率為n的介質(zhì)一個距離時，與在真空中行進的光 束相比，引入了相位延遲^ = 272"(" —^"。如果介質(zhì)的厚度變化一個值^/, 兩個光束的相位差的變化為= 2;r(" - 1)A/ /;i 。如同從隨后的解釋中變得 明顯的，此處所公開的發(fā)明提供了 一種以簡單且成本有效的方式移動光 的相^f立的方法和i殳備。
可調(diào)衍射光柵的第 一 實施例和可調(diào)光透射移相器的隨后實施例將在 隨后更詳細(xì)地解釋。
需要說明的是，可調(diào)衍射光柵的總體設(shè)置和具有反射型可調(diào)衍射光 柵的實施例在相同發(fā)明人的歐洲專利申請No. 06002411.1中描述，此處 要求以該歐洲專利申請的優(yōu)先權(quán)。
通常，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)活動元件，舉例來說比如可調(diào)衍射光柵， 通常包括致動器，該致動器包括半透明(translucent)或不透明的可變形中 間層，例如由彈性材料構(gòu)成，其由驅(qū)動裝置致動以使得在致動器的特定 區(qū)域中中間層的側(cè)向伸展和/或厚度變得可調(diào)整。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，彈性中 間層能以預(yù)伸展的方式布置于周圍保持框架中以提高設(shè)備的性能。在一 個實施例中，驅(qū)動裝置包括用作第 一和第二驅(qū)動板的第 一和第二電極， 它們通常在中間層的相對側(cè)面上布置為4皮此相對。電極布置為相對彼此 充分地電隔離以避免負(fù)面的電流。通過在第一和第二電極之間施加電壓， 在第一和第二電極之間的區(qū)域中中間層能通過施加電壓而被壓縮，因為 庫侖力在第一方向上引起局部變形(厚度減小)，并且至少一個涉及中間 層在第二側(cè)向上的次級變形。通常次級變形由于中間層的材料的泊松比 而與第一變形相關(guān)。在一個實施例中，可變形光柵直接或間接地互連至 可變形的中間層。衍射光柵的變形從而通常與中間層的變形相關(guān)，主要
形相關(guān)。然而，也可以疊加其它變形。在又一實施例中，光柵集成入中
間層的表面，例如通過沖壓、熱變形或模塑。然而，這些實施例就性能 而言具有一定的限制。
比如衍射光柵或菲涅耳透鏡之類的光學(xué)元件一般特征在于其用槽密 度或每毫米的線來表示的周期(槽密度)。槽的尺寸和周期必須處于所述 波長和要實現(xiàn)效應(yīng)的量級。在其中光柵的使用最普遍的光學(xué)器件中，這
通常相應(yīng)于380nm和780nm之間的波長(這是可見光范圍，比如舉例來 說10nm至10jum的其它范圍也是可能的)。槽密度通常在每毫米數(shù)十個 槽至數(shù)千個槽之間變化。周期結(jié)構(gòu)(槽)的形狀決定了光柵的效率。舉 例來說光柵能由具有三角形橫截面或由圓球構(gòu)成的線性槽形成?？蛇x地， 光柵能由球形或錐形的規(guī)則圖案形成。比如舉例來說菲涅耳透鏡的其它 形狀也是可能的。
現(xiàn)有技術(shù)的衍射光柵存在著數(shù)個限制。 一個主要問題是，在不采用 復(fù)雜的宏觀旋轉(zhuǎn)機構(gòu)或昂貴且復(fù)雜的微觀機械致動器之下，衍射光柵不 能連續(xù)地可調(diào)。 一個原因是在標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)光柵中使用了硬質(zhì)材料(比如硅)。 這些材料的剛性使得不能顯著地改變光柵周期。
本發(fā)明借助于相對柔軟的材料(比如彈性體)克服了這個問題，盡 管基于柔軟材料制作衍射光柵一般而言不是新思想。存在著數(shù)個可行的 報告，其中描述了光柵怎樣通過使用熱或外部壓力來調(diào)節(jié)(例如Bartosz A. Grzybowski et al" ..Thermally actuated interferometric sensors based on the thermal expansion of transparent elastomeric media", Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No. 4, April 1999 or Bartosz A. Grzybowski et al., ..Beam redirection and frequency filtering with transparent elastomeric diffractive elements", Applied Optics, Vol. 38， No. 14, 10 May 1999 )。然而， 從現(xiàn)有技術(shù)中尚不知道通過使用電活化聚合物致動器來調(diào)節(jié)光柵，尤其 是彈性體致動器。電調(diào)節(jié)與目前已知的方法相比具有顯著的優(yōu)點。通過
加熱或冷卻進行的調(diào)節(jié)非常緩慢并且難以控制；通過外部壓力進行調(diào)節(jié) 難以集成在小型設(shè)備中。
衍射光柵和壓電陶資的組合從現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的，但是實驗已 經(jīng)顯示這種設(shè)備僅具有有限的光學(xué)調(diào)節(jié)范圍。這主要是由于用壓電陶瓷 所能獲得的有限應(yīng)變(<0.3%)。
穿過透明致動器和光柵區(qū)域或者引導(dǎo)到反射或半透明光柵上的入射 白光被分離為根據(jù)光柵的側(cè)向變形和光柵周期以某一 角度發(fā)射的不同射 線的分量。通過光柵周期的改變，光的分量以不同的角度發(fā)射。在電壓 施加至例如由碳黑制成的電極時，電極之間的可變形彈性材料由于庫侖 力而被壓縮。由于材料例如為0.499的泊松比，第一方向上的壓縮導(dǎo)致了 第二方向上的平面狀擴展。電極區(qū)域的這個側(cè)向擴展引起機械地互連至 預(yù)應(yīng)變聚合物的光柵區(qū)域在平面方向上收縮。這個收縮(壓縮)導(dǎo)致了 光柵周期變化，從而引起第m級衍射的角度增大。在一個給出的其中可 變形材料由彈性材料構(gòu)成的示例中，對于532nm的波長，衍射角度的變 化介于20 mrad和超過100 mrad之間。
在本發(fā)明的一個實施例中，致動器和如果適合的話光柵以至少一種 可變形材料實施。這種實施的一個優(yōu)點是光柵周期方向上較高的線性應(yīng) 變。這使得光柵能獲得較大調(diào)節(jié)范圍(比基于壓電陶乾致動器材料的任 何已知實施方案高大約150倍)的優(yōu)點。本發(fā)明的其他優(yōu)點在于制造工 藝成本非常低、簡單且快速。與需要^:個復(fù)雜微加工工藝的以前系統(tǒng)(即 梳狀驅(qū)動器驅(qū)動的可調(diào)光柵)不同，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的生產(chǎn)需要相 對便宜且商業(yè)上可用的材料，比如PDMS (聚二曱基硅氧烷， 一種廣泛 使用的硅基有機聚合物)、碳黑或3M VHB4910、 3M 9460丙烯酸彈性體、 Elastosil 625以及覆層金屬比如Au (金)、Al (鋁)或ITO (氧化鈦銦)， 而這僅是產(chǎn)品的選擇。
在使用相對非柔性的材料時，例如作為覆層材料或用于電極，通過 將特殊的形狀應(yīng)用于非柔性材料可獲得改進的靈活性，以使得至少在一 個方向上獲得改進的側(cè)向靈活性。良好的結(jié)果可通過波狀、波紋管式折 疊狀發(fā)展獲得，其允許側(cè)向變形，主要由于彎曲。在一個實施例中，波 紋管式折疊狀發(fā)展是光柵本體的結(jié)果。在又一實施例中，波紋管式折疊 狀層在非變形狀態(tài)下具有帶有直線側(cè)壁的波狀橫截面，側(cè)壁由尖銳邊緣 或^f艮多一定的半徑或者一系列互連的半圓互連。
根據(jù)本發(fā)明的光柵和移相器能微型化，這例如對于制造小象素的顯 示器或用于顯微鏡中是非常重要的。衍射光柵具有良好的衍射性質(zhì)(波
長分離)，往下至每個衍射光柵10線。這意味著在理論上，能獲得10x 10jum2的分辨率(最小光柵尺寸)。又一優(yōu)點在于機械沖擊在平面內(nèi)(不 是在旋轉(zhuǎn)光柵結(jié)構(gòu)中)。
1. 將如上所述的聚合物帶(用作中間層的彈性材料)伸展一定的量， 比如200 %至300%;
2. 將預(yù)伸展的聚合物膜附接至保持裝置，例如包圍框架；
3. 在聚合物膜的每側(cè)上施加電極，例如在于通過沖壓將碳黑壓印到 表面上或者通過噴射/涂覆或接觸壓印。
4. 將由聚合物構(gòu)成的可變形光柵施加至聚合物膜鄰近電極的至少一 個表面。
已經(jīng)顯示，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，有利地是，在用作中間層的聚合物 膜預(yù)伸展一定量時，在可變形光柵附著到聚合物膜上之前并且然后在聚 合物和可變形光柵附著至包圍的保持裝置并且應(yīng)用電極之前再次被伸 展。可獲得改進的光學(xué)效率，因為聚合物膜被伸展200% ，然后施加可變
形光柵，并且在應(yīng)用電極和將聚合物膜附著至保持裝置之前聚合物膜和
可變形光4冊被伸展至總計300% 。
根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)衍射光柵的第二實施例可通過包括以下步驟的過 程來制造
1. 在聚合物膜中模塑光柵；
2. 將聚合物膜和光柵伸展至一定程度；
3. 將預(yù)伸展的聚合物膜附著至保持裝置，例如包圍框架；
4. 在聚合物膜的每側(cè)上施加包圍光柵的電極，例如通過沖壓將碳黑 粉末壓印到表面上或者通過噴射/涂覆或接觸壓印。
在一個實施例中，致動器的中間層被伸展例如300% x 300%，從而 產(chǎn)生62.5 ji m的膜厚并且安裝到外徑為40mm且具有30mm開口的環(huán)形 保持裝置上。兩個寬度為5mm且直徑為20mm的圓形的適應(yīng)性碳黑電極 通過使用碳黑覆蓋的聚二曱基硅氧烷(PDMS)印模來接觸壓印。碳電極 可連接至允許互連至適合電壓源的金屬電極。
可變形光柵可例如通過模塑獲得，或者在于涂覆流體例如聚合物涂 覆流體旋涂到包括主柵格的波形轉(zhuǎn)換器(waver)的表面上，在于流體施 加到包括主柵格的表面上，然后波形轉(zhuǎn)換器以一定的速度旋轉(zhuǎn)直到涂覆 流體等同地分布。在涂覆流體固化之后，可變形柵格能從包括主柵格的 表面(作為主柵格的準(zhǔn)確圖像)移除。然后可變形光柵施加至由可變形 材料制成的聚合物膜(其用作光柵的基片)。如果適合，電極能由半透明 材料制成或者以不同的方式施加，例如通過蒸發(fā)。
在一個實施例中，衍射光柵結(jié)合入或互連至可變形半透明材料(比 如如上所述的彈性體)層的上表面，所述層用作承載和保持光柵就位的 基層。決定光柵的槽之間的距離的次級側(cè)向變形(平面層變形)可獲得， 因為可變形材料在垂直于其層表面的主要方向上至少局部地變形(壓
縮)，從而變形率由材料的泊松比決定。根據(jù)所使用的層材料和形狀以及 層的支撐，可獲得顯著的透射率。由于側(cè)向變形與一定材料的泊松比相
關(guān)的緣故,使用何種層材料是相關(guān)的。良好的結(jié)果可由比如PDMS( Wacker Elastosil RT625 )或3M VHB帶獲得。PDMS通常具有0.5的泊松比并且 VHB為0.499。
在主要方向上產(chǎn)生變形的優(yōu)選方式是通過庫侖力。可變形材料層至 少局部地布置于通常彼此相對地布置且通常相對于光學(xué)設(shè)備的光學(xué)軸線 同軸的上和下電極之間。通過在電極之間施加電壓，電才及由庫侖力4皮此 吸引，其結(jié)果是可變形材料層在第一方向上壓縮(主要變形)并且在側(cè) 向上平面地擴展(次級變形)。變形由可變形材料的泊松比表示。衍射光 柵的光學(xué)活動元件集成或互連至可變形材料的層以使得變形對衍射光柵 的周期性結(jié)構(gòu)(形狀的周期性)有影響。為了不妨礙這個變形，衍射光 柵(相應(yīng)地電極)必須本身可變形至一定階段。這能例如實現(xiàn)，在于其 具有允許至少一個方向上側(cè)向變形的波紋管式折疊或鋸齒狀橫截面。可 選地或另外地，電極能由導(dǎo)電性粉末材料制成，比如碳黑，其沖壓或壓 印至中間層的表面。如果適合，電極可由半透明材料制成。
可選地或另外地，衍射光柵可包括剛性光學(xué)活動元件，其被支撐和 鏈接為使得它們彼此間的距離可調(diào)整。例如，衍射光柵由彼此相鄰地對 準(zhǔn)且直接或簡介地結(jié)合到柔性材料層上的導(dǎo)電性材料(例如金或其他金 屬)薄帶構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)衍射光柵可應(yīng)用于很多技術(shù)領(lǐng)域，比如用于顯微 鏡、顯示器、光源、照相機或其中光需要在不同信道中切換的通信系統(tǒng)。 本發(fā)明具有用于很多商業(yè)用途的潛力，因為其生產(chǎn)簡單且便宜并且能用 所建議的設(shè)備獲得有效的可調(diào)范圍。 一個可能性是用作光束擴展器，例 如用于類似于美國專利2004109234所述應(yīng)用的虛擬顯示設(shè)備。其還能用
作單色光源。當(dāng)白光照射到光柵上時，光被分離為其單色分量。這個單 色光能用于顯示設(shè)備中。這種顯示器的一個優(yōu)點是顯示的顏色不限于現(xiàn) 有技術(shù)的顯示設(shè)備的顏色范圍。
當(dāng)然，本發(fā)明還具有用于其中需要光束切換的通信應(yīng)用中的潛力。 一個應(yīng)用是用作光學(xué)系統(tǒng)的可調(diào)衍射光柵。而且，可調(diào)衍射光柵可用作 實驗室設(shè)備，用于調(diào)查不同系統(tǒng)(生物系統(tǒng))在暴露于形狀改變光4冊/結(jié) 構(gòu)時的行為。根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵可例如以菲涅耳透鏡的形式應(yīng)用于
手持計算機、個人數(shù)字助理設(shè)備(PDA)、移動電話、數(shù)字視頻、照相機 或使用高度可調(diào)衍射光柵的任何設(shè)備中。
良好的結(jié)果由用作致動器的電活化聚合物獲得。電活化聚合物是在 電壓或電流施加于其上時其形狀改變的聚合物。包括壓電陶乾或形狀記 憶合金的致動器是公知的并且應(yīng)用于數(shù)個設(shè)備中。近十年來，基于電活 化聚合物(EAP)的新型致動器逐漸在吸引注意力。EAP是有希望的， 因為它們在 一 定范圍內(nèi)具有類似于自然肌肉的性質(zhì)。這使得它們對于其 中模擬哺乳動物運動的機器人應(yīng)用非常引人注意。這也是為何EAP經(jīng)常 稱為人工肌肉的原因?，F(xiàn)在已知的EAP能產(chǎn)生高達380%的應(yīng)變。EAP 通?？煞譃閮煞N不同的類型。
第一類EAP能概括為介電電活化聚合物(DEAP),其中致動由電極 之間的靜電力引起。電極通常在可變形聚合物材料的任一側(cè)上布置為彼 此相對。當(dāng)電壓施加時，相對的電極^皮此吸引并且布置于電極之間的聚 合物材料被壓縮。由于泊松比，壓縮材料在垂直方向(側(cè)向)上伸展。 這種電活化聚合物的特征在于相對大的致動電壓和可比的低電能消耗。 為了減小阻礙應(yīng)力，有利地是電極制作為可變形和/或僅局部地覆蓋可變 形材料，例如具有環(huán)形設(shè)計。在一個實施例中，基層包括具有明顯側(cè)向 收縮行為的介電彈性體致動器。這種彈性體也已知為人工肌肉。光柵可
互連(例如通過結(jié)合)至或集成入這種介電彈性體致動器的可控地變形 的表面。光柵可與基層相關(guān)地變形。
改變光柵周期而非光柵角度的優(yōu)點是實施簡單并且-m和+m級等同 地改變其角度。這在數(shù)個其他應(yīng)用中允許使用可調(diào)結(jié)構(gòu)照明顯賴:4竟(下 述)。另外，這些系統(tǒng)能用于便宜的自然色顯示器以及微型化可調(diào)分光儀 或者作為虛擬顯示器中的擴展器。可調(diào)透射光柵不僅從技術(shù)角度看勝過 現(xiàn)有產(chǎn)品而且在商業(yè)上非常有吸引力。生產(chǎn)所使用的材料不僅便宜而且 聚合物還顯示了極好的光學(xué)性質(zhì)。透射率測量顯示了例如，在400nm至 800nm的波長范圍內(nèi)，小于1 %的光被lmm厚的層吸收。另一主要優(yōu)點 是簡單的制造工藝。根據(jù)該實施例，需要兩個或三個生產(chǎn)步驟。
本發(fā)明的一個實施例包括具有光學(xué)活動元件的可調(diào)衍射光柵，所述 光學(xué)活動元件布置為在第二側(cè)向上相對彼此可移動地間隔開。光學(xué)活動 元件^L械地互連至由可變形材料制成的層，從而該層在通常垂直于第二 側(cè)向的第一方向上的變形引起光學(xué)活動元件的相對距離和/或周期性結(jié)構(gòu) 中的變化。側(cè)向變形通常通過層材料的泊松比與第一變形相關(guān)。在一個 優(yōu)選實施例中，由可變形材料制成的層布置于當(dāng)電壓施加于其間時借助 于庫侖力壓縮該層的上和下電極之間。通常，上電極的長度至少在一個 側(cè)向上可調(diào)整并且上電極機械地互連至該層以使得該層的變形引起上電 極在側(cè)向上的側(cè)向變形。才艮據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，光學(xué)活動元件可具有鋸齒、s形 或v形橫截面，然而，其他形狀也是可能的，例如光學(xué)活動元件由彼此 側(cè)向地鄰近布置且由可變形材料制成的基層支撐的薄帶材料構(gòu)成以使得 它們的相對距離可調(diào)整。如果適合，薄帶材料可用作電極。光學(xué)活動元 件可包括錐形或球形元件并且可由可變形材料制成的基層支撐以使得它 們的相對距離可調(diào)整。又一實施例可包括如此處所述可調(diào)衍射光柵的陣 列。此處公開的發(fā)明給出了提供一種光學(xué)元件的可能性，所述光學(xué)元件 用作所謂的移相器，通常具有與前述透射光柵類似的設(shè)置。在光4f進穿
過介質(zhì)時，其波長與介質(zhì)的折射率成反比例地降低義-義。"，其中義表示
光在介質(zhì)中的波長，^是光在真空中的波長并且n表示介質(zhì)的折射率。 在光行進穿過折射率為n的介質(zhì)一定距離時，與在真空中行進的光束相 比，引入相位延遲- = 2"("-^"。如果介質(zhì)的厚度改變A/,兩個光束之 間的相位差改變= 2"(" - /義。
根據(jù)本發(fā)明的移相器的實施例基于彈性體透明材料，舉例來說比如 3M在市場上銷售的折射率為1.79的VHB 3410帶。對于波長義-488nm， 相位移動等于A^[racn = 2;r(l.79-l)A/["m]/488["m]。
在根據(jù)本發(fā)明的移相器的實施例中，彈性材料層布置于至少局部地 包圍的保持裝置的開口中。第一和第二電極在彈性材料層的任一側(cè)上布 置為彼此相對并且相對彼此由至少一個絕緣層相對彼此電絕緣。在一個 實施例中，彈性材料層由介電丙烯酸彈性體膜構(gòu)成，比如由3M供應(yīng)的 VHB4910丙烯酸帶，具有一定的折射率n。在電壓施加于兩個電才及之間 時，電極由于庫侖力而彼此吸引，從而電極之間的彈性材料層被壓縮以 使得其厚度變化。
在電極由半透明材料制成時，電極的區(qū)域可用作移相器。 在移相器的一個實施例中，電極在彈性材料層的光學(xué)活動區(qū)域附近 局部地覆蓋彈性材料層。在電壓施加于兩個電極之間時，這兩個電極之 間的彈性材料由于電極之間吸引的庫侖力而被壓縮。由于電極之間的彈 性材料的泊松比，光學(xué)活動區(qū)域的材料通常垂直于電極之間的力以受控 的方式變形，平面狀地壓縮光學(xué)活動區(qū)域的材料。由于這個次級平面變 形，光學(xué)活動區(qū)域由于材料的泊松比經(jīng)歷其厚度的增大。為了獲得良好
的結(jié)果，彈性材料層在一定張力之下以預(yù)伸展的方式布置于保持裝置中 以使得平面壓縮不會例如由于負(fù)的力導(dǎo)致平面外的變形。光學(xué)活動區(qū)域
的厚度中的變化由于材料的折射率n導(dǎo)致了穿過光學(xué)活動區(qū)域的光束的 相位變化。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和包圍保持裝置，電極可具有不同的形狀，例 如它們沿著保持裝置(等距地)布置，具有開口或環(huán)形、規(guī)則或不規(guī)則 的設(shè)計。而且，電極可布置為鄰近彈性材料層的頂面和/或至少局部地嵌 在彈性材料層中。


此處所描述的發(fā)明將從下面給出的詳細(xì)描述和附圖中得到更完全的 理解，附圖不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為限制所附權(quán)利要求中所描述的本發(fā)明，附圖示出 了
圖1是可調(diào)光透射衍射光柵的透視圖2是根據(jù)圖1的衍射光柵的橫截面；
圖3是圖2的細(xì)節(jié)B;
圖4是^4居圖1處于變形狀態(tài)的衍射光柵；
圖5是#4居圖4的衍射光柵的橫截面；
圖6是圖5的細(xì)節(jié)D;
圖7示意性地示出了移相器的設(shè)置；
圖8是移相器的第一實施例的透視圖9是通過根據(jù)圖8的移相器的橫截面；
圖IO是根據(jù)圖8處于變形狀態(tài)的移相器；
圖ll是根據(jù)圖IO的移相器的橫截面；
圖12是移相器的第二實施例的透視圖13是根據(jù)圖12的移相器的橫截面；
圖14是根據(jù)圖13處于變形狀態(tài)的移相器； 圖15是根據(jù)圖14的移相器的橫截面； 圖16是示出移相器和所施加的電壓之間關(guān)系的圖表； 圖17示意性地示出了包括才艮據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的顯樣l鏡的光路的 第一實施例；
圖18是包括根據(jù)圖17的光路的顯微鏡； 圖19是根據(jù)圖17的光路的設(shè)置的細(xì)節(jié)圖20是根據(jù)圖18的TIR顯微鏡和常規(guī)TIR顯微鏡的性能的比較； 圖21示意性地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的顯孩"竟的光路的 第二實施例；
圖22是根據(jù)附圖(圖21a)的顯微鏡的圖像平面中的干涉圖案以及 這個干涉圖案(圖21b)的傅立葉轉(zhuǎn)換；
圖23示意性地示出了根據(jù)圖21的光路的功能性；
圖24是^^艮據(jù)圖21的光路的設(shè)置；
圖25是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的又一實施例；
圖26是根據(jù)圖25的光學(xué)元件以非變形方式的正視圖27是圖26的光學(xué)元件沿著線EE切割的側(cè)視圖28是根據(jù)圖25的光學(xué)元件以變形的方式的正視圖29是圖28的光學(xué)元件沿著線GG切割的側(cè)視圖。
具體實施例方式
圖1至6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件1的第一實施例，這 里為半透明的可調(diào)衍射光柵1。圖1示出了處于非變形狀態(tài)的衍射光柵1, 而圖4示出了處于變形狀態(tài)的相同衍射光柵1。圖2示出沿著線AA穿過 根據(jù)圖1的衍射光柵的中心的沿著xz平面的橫截面。圖5示出沿著線CC
穿過根據(jù)圖4的衍射光柵的中心的沿著xz平面的橫截面。圖3示出圖2 的細(xì)節(jié)B并且圖6示出圖5的細(xì)節(jié)D。
衍射光柵1包括上部電極和下部電極2、 3,它們包圍半透明的中間 層4和光學(xué)活動的光柵區(qū)域5。電極2、 3作為驅(qū)動裝置15的驅(qū)動板以可 控的方式局部地壓縮中間層4。在這里所示的實施例中，光^"區(qū)域5由可 變形材料形成為分開的元件，其然后例如通過膠粘或焊接附著于中間層4 上。如果適合，光柵區(qū)域5能是中間層4的一部分，例如嵌在中間層4 的側(cè)面中。如能看到的，中間層4在此處在非變形狀態(tài)下具有恒定的厚 度B,并且以預(yù)伸展的方式在包圍保持裝置(保持框架)6的開口 7中保 持就位。電極2、 3在此處具有環(huán)形設(shè)計的中間層4上的相對位置上布置 為彼此相對。此外，它們布置為與保持裝置6等距。電極2、 3以及功能 地互連的中間層4形成致動器以便以可控的方式變形光柵區(qū)域5。
在如圖4至6中示意性地示出的電壓V施加于電才及2、 3之間時，電 極2、 3由于庫侖力Fc而互相吸引，這在第一方向上(x方向)在電極2、 3之間的區(qū)域中引起中間層4的局部壓縮并且從而引起與非變形狀態(tài)(B ) 相比局部地減少的厚度B、。
在電壓V施加于兩個適應(yīng)性的電極2、3之間時，電場壓力P-"。(「〃)2 由于在彈性體-電極界面處形成的電荷而產(chǎn)生?！辍Ｒ暈樽杂煽臻g的電容 率，并且e是介電彈性體的介電常數(shù)(例如VHB的e為大約3.21 )。電場 壓力感應(yīng)引起材料應(yīng)變的應(yīng)力。因此，電壓的施加導(dǎo)致厚度的壓縮以及 彈性體在平面方向上與之相關(guān)的局部伸展。這個平面伸展被傳送至機械 地互連的聚合體衍射光柵，并且導(dǎo)致光柵周期的改變。這引起衍射角度 改變。由于中間層的材料的泊松比，被壓縮的材料在電極2、 3之間出現(xiàn) 如用箭頭dr (此處在徑向方向上)所示的側(cè)向擴展(在所示實施例中是 旋轉(zhuǎn)對稱的)。這導(dǎo)致了中間層4由電極2、 3徑向地包圍的區(qū)域以及與
之互連的光柵區(qū)域5的徑向壓縮(這里旋轉(zhuǎn)對稱)。從而光柵周期d (參 見圖3)改變至圖6中所示的不同值d、，由此衍射光柵l的光學(xué)行為改變。 又一效應(yīng)在于中間層4的局部厚度增大至B、、。這個效應(yīng)與如4艮據(jù)圖7至 14更詳細(xì)地解釋的移相光學(xué)元件相關(guān)。很顯然，光^f冊周期d(V-0)、 d、
(V^0)是所施加電壓V的函數(shù)。
光學(xué)設(shè)備1的衍射光柵5能裝備有引起不同光學(xué)效應(yīng)的不同光柵圖 案。由于光柵圖案由平行線性紋構(gòu)成，該設(shè)備作為可調(diào)衍射光柵。由于 光柵圖案由同心紋構(gòu)成，該設(shè)備作為可調(diào)菲涅耳透鏡。
能獲得優(yōu)良的結(jié)果，因為中間層4由柔軟、可變性材料組成，比如 具有對于400納米和800納米之間的波長而言吸收性小于1%的VHB 4910。優(yōu)選地使用由絕緣的彈性體材料制成的中間層4，因為能獲得范圍 高達380 %的大應(yīng)變。又一優(yōu)點是可比的高機電效率和獲得中等至高帶寬
(高于lkHz)的可能性。這些致動器因此能用來在10%至300%的范圍 內(nèi)改變光柵周期。例如，沿著光學(xué)軸線li (x方向)行進并且穿過致動 器8和光柵區(qū)域5的入射白光IO分離為不同波長12、 13的分量，它們 根據(jù)由光柵5的側(cè)向變形所限定的光柵周期d以確定的第一角度",、"2發(fā)
射。通過改變光柵周期cf,光的分量以不同的角度A、 A發(fā)射。在給出 的示例中，其中可變形材料由彈性體材料組成，對于532納米的波長而 言衍射角度的改變在20 mrad和超過100 mrad之間。在將電壓施加至也 就是由碳黑制成的電極時，電極之間的可變形彈性體材料被壓縮。由于 材料也就是0.499的泊松比，在第一方向上的壓縮導(dǎo)致在第二方向上的平
柵區(qū)域在平面方向上壓縮。這個壓縮轉(zhuǎn)換為光柵周期的減少，這引起第 m級衍射的角度增大。
圖7示意性地解釋了根據(jù)本發(fā)明的移相器20的功能原理。在入射光IO行進穿過介質(zhì)(中間層)4時，其波長與介質(zhì)的折射率義-^""成反比
例地減少。這里義表示光在介質(zhì)4中的波長，2。是光在真空中的波長并 且n表示介質(zhì)4的折射率。在光行進穿過具有折射率n的中間層4 (參見 圖8至15)的介質(zhì)一個距離B并且然后離開介質(zhì)時，與在真空中行進的 光束相比，引入<^ = 2"("-"5/;1的相位延遲。如果介質(zhì)4的厚度改變A5，
兩個光束之間的相位移動A*變化 =2"(" — 。
根據(jù)本發(fā)明的移相器20通常具有與如前所述基于彈性體透明材料的 可調(diào)衍射光柵相同的設(shè)置。一種可能的材料是已經(jīng)提及的3M的市售VHB 3410。這個材料具有1.79的折射率。因而使用用于前述移相器的公式， 對于波長義=488納米，相移等于 k"O-2;r0.79A5/0'488Luw]。
圖8至11示出了移相器20的第一實施例并且圖12至15示出了移相 器的第二實施例21,它們都基于如前所述的絕緣聚合體致動器8。圖8 示出了在沒有電壓施加至電極2、 3 (V = 0)時處于非變形狀態(tài)的移相器 20的第一實施例。圖9示出了沿著圖8的線DD平行于xz平面地穿過第 一實施例20的橫截面。圖IO示出了在電壓(V-0)施加至電極2、 3時 處于變形狀態(tài)的第一實施例。圖11示出了沿著圖10的線EE平行于xz 平面地穿過第一實施例20的橫截面。圖12示出了在沒有電壓(V-O ) 施加至電極2、 3時處于非變形狀態(tài)的移相器21的第二實施例。圖13示 出了沿著圖12的線FF平行于xz平面地穿過第二實施例21的橫截面。 圖14示出了在電壓(V^0)施加至電極2、 3時處于變形狀態(tài)的第二實 施例21。圖15示出了沿著圖14的線GG平行于xz平面地穿過第二實施 例21的橫截面。根據(jù)圖8至11的第一實施例和根據(jù)圖12至15的第二 實施例之間的差異主要在于第一實施例的電極2、 3布置于中間層4的頂 部上而第二實施例的電極2、 3布置于中間層的內(nèi)部。兩個移相器的功能
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性在原理上是相同的。在兩個實施例20、 21中，致動器8都包括彈性體 薄膜(中間層)4,舉例來說比如VHB 4910丙烯酸膠帶、VHB 4960或 Elastosil 625,其構(gòu)成絕緣彈性體致動器8的核心。這個示例的中間層4 由例如300 % x 300 %的系數(shù)預(yù)應(yīng)變，產(chǎn)生大約62.5 JJ m的薄膜厚度t。中 間層4然后安裝于外徑為40毫米并且內(nèi)部開口 7具有30毫米直徑的環(huán) 形保持件上。接著，寬度為2毫米至5毫米且直徑為20毫米至28毫米 的這里為圓環(huán)形的碳黑電極通過使用碳黑覆蓋的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)印模(stamp)來相對彼此地接觸壓印(print )。碳電極2、 3 連接至允許連接至高電壓設(shè)備的金屬電極(沒有詳細(xì)示出)。
在通過電源電壓9將電壓施加至電極2、 3時，電極2、 3之間的彈 性體由于庫侖力Fc而被電極2、 3壓縮。從而中間層4的厚度在電極之 間的區(qū)域從B降低至B、。由于中間層4例如是0.499的泊松比，壓縮引 起平行于yz平面的側(cè)向dr (這里在徑向上)平面伸展。中間層4在電極 2、 3之間的這個伸展導(dǎo)致中間層的透明中心區(qū)域9的側(cè)向壓縮。這個側(cè) 向壓縮由于材料的泊松比引起透明區(qū)域9的厚度從B增大至B、、。因此， 穿過移相器20、 21的光束的傳輸路徑的長度能通過施加電壓而從B變化 至B、、。
根據(jù)本發(fā)明的移相器20、 21的性能在488納米的波長下用兩個激光 束干涉儀來測量。移相器20、 21插入一個光束的光路中(光束直徑在l 和5毫米之間變化)并且通過在電極2、 3之間施加電壓V來調(diào)節(jié)。首先， 檢查相移膜4的光學(xué)質(zhì)量。為此，將兩個激光束帶入相互干擾并且然后 在具有或不具有移相器之下用顯微鏡觀察所產(chǎn)生的圖案(干涉條紋的直 線性和形狀)。由于干擾圖案的結(jié)構(gòu)沒有變化，推斷出薄膜的厚度變化小 于義/5。
施加的電壓V和移相器之間的相關(guān)性^由CCD相機來測量，因為
記錄了干擾圖案的運動。 一系列圖像的比較產(chǎn)生了在圖16中示出的電壓 -相移相關(guān)性。電壓從0改變至4 kV導(dǎo)致16個波長的相位延遲( 一個 周期的相移相應(yīng)于一個波長的延遲(2"弧度))。在本示例中，圖16所示 的圖形中能近似具有2.3次的多項式。
如這里所描述的移相器20、 21能插入任何光束路徑中，這使得其適 合于試驗性地用于光學(xué)平臺上，用于顯微鏡、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸、光譜測定 法以及任何其它需要相移設(shè)備的光學(xué)應(yīng)用。另外，其可非常精確地調(diào)節(jié)、 生產(chǎn)便宜并且設(shè)計(尺寸、形式、調(diào)節(jié)范圍)能易于適應(yīng)于給定需求。 舉例來說，在激光顯微鏡中，光的相干性引起問題。 一直存在于光學(xué)系 統(tǒng)中的折射產(chǎn)生降低照明場均勻度的干擾帶。為了改善照明，能使用所 謂的光擾頻。光擾頻通過在圖像采集期間將它們在樣品上掃過來破壞局 部干擾圖案。根據(jù)本發(fā)明的移相器20、 21能在其用AC電壓驅(qū)動時解決 這個問題。振蕩模式下的移相器一直改變激光的輸出相位以使得干擾效 應(yīng)在圖像采集時間上達到平均。這個移相器能在任何使用激光作為光源 的廣視野顯微鏡中實施為光擾頻器。
接著給出移相器和可調(diào)衍射光柵在顯微鏡中，尤其在全內(nèi)反射顯微 鏡(TIR顯微鏡)中應(yīng)用的示例。在過去二十年期間全內(nèi)反射熒光顯微鏡 (TIRF顯微鏡)成為用于細(xì)胞生物學(xué)的選擇方法(Schneckenburger, H., Total internal reflection fluorescence microscopy: technical innovations and novel applications. Current Opinion in Biotechnology, 2005. 16(1 ): p. 13-18.; Axelrod, D.， Total internal reflection fluorescence microscopy in cell biology, in Biophotonics, Pt B. 2003, ACADEMIC PRESS INC: San Diego, p. 1-33 )。 T1RF才支術(shù)允許將定位于幾百納米內(nèi)的萸光分子選擇性地激發(fā)至蓋片。迄 今，這個方法在研究調(diào)查膜動力學(xué)、胞吞作用、胞吐作用、蛋白質(zhì)運輸 研究等中發(fā)現(xiàn)很多應(yīng)用。TIRF技術(shù)的基礎(chǔ)是基于全內(nèi)反射(TIR)效應(yīng)。
在兩個具有不同反射率nl和n2的致密介質(zhì)的界面處，在較密介質(zhì) (具有反射率nl)內(nèi)行進的光能在界面上經(jīng)歷全內(nèi)反射。TIR對于大于
所謂臨界角度"^arcsin(n2/nl)的角度出現(xiàn)。在致密度較小的介質(zhì)中光形 成所謂的漸逝場。這個漸逝場的強度在與界面垂直的方向上按指數(shù)規(guī)律 地衰減。這個漸逝場的主要特征是穿透深度
"丄，1
其中2是入射光的波長，nl和n2分別是較密和致密度較小的介質(zhì)的 折射率，"表示入射角度。
在實驗性系統(tǒng)中，穿透深度的范圍在70納米和300納米之間。因此 獲得的軸向分辨率比常規(guī)焚光顯微鏡(800納米)和共焦顯4鼓鏡(600納 米)的軸向分辨率好數(shù)倍。由于漸逝場的穿透深度非常依賴于入射角度《 , 通過比較對于數(shù)個入射角度獲得的焚光圖像，軸向分辨率有進一步增大 的可能性(參見 Rohrbach， A.， Observing secretory granules with a multiangle evanescent wave microscope. Biophysical Journal, 2000. 78(5》p. 2641 -2654 )。
所開發(fā)的TIR裝置4吏用物鏡-發(fā)射方案(objective-launched scheme ) (參見Axelrod， D., Total internal reflection fluorescence microscopy in cell biology. Traffic, 2001. 2(11 ): p. 764-774 )。激光束聚焦于物鏡的后聚焦面 上。這確保從物鏡出現(xiàn)準(zhǔn)直的激光束。這個入射角度和出現(xiàn)光束的方向 能通過在物鏡后聚焦面中轉(zhuǎn)向焦點來改變。為了在油-水界面獲得TIR模 式，必須使用NA大于1.33的物鏡。在實驗性裝置中，我們使用Zeiss "-Plan-Fluar 100x, NA1.45的油浸入物4竟。
圖17以舉例的方式示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明基于Zeiss Axiovert 200M倒置顯微鏡的表面熒光性路徑25的顯微鏡24的TIR裝置，其在一
個示例中用于將激光器27的激光束26發(fā)射入一個系統(tǒng)。顯^f效鏡物鏡31 的后聚焦面32與顯微鏡孔徑停止面34共軛。因此對于物鏡類型TIR方 案的實現(xiàn)，激光束26必須聚焦到孔徑停止面34上。準(zhǔn)直的激光束26用 光束擴展器37擴展舉例來說5倍。這個擴展的光束定向到根據(jù)此處所述 發(fā)明的衍射光柵1上。在樣品平面中限定照明場直徑的光束直徑，能用 可變光圈38來調(diào)節(jié)。在此處所述的實驗性裝置中，選擇直徑為50jum的 樣品照明區(qū)域。入射到衍射光柵l上的光束分解為傳播入不同方向(級) 的光。除第一級以外的所有衍射最大值由膜片36阻擋。為了簡單起見， 僅示意性地示出了中心最大值和兩個第一衍射最大值。衍射光柵35安裝 于透鏡29的焦平面中。在該示例中，使用90毫米焦距的平凸透鏡。透 鏡將未被阻擋的第一級衍射最大值的光聚焦到顯微鏡24的孔徑停止面34 上。為了便于調(diào)整，透鏡安裝入XY轉(zhuǎn)換保持件(沒有詳細(xì)示出)。
在第一校準(zhǔn)步驟中，聚焦透鏡29被軸向地調(diào)整以獲得從物鏡31出 現(xiàn)的準(zhǔn)直光束。為了調(diào)查準(zhǔn)直的質(zhì)量，分析光束輪廓并且檢查物鏡31的 后聚焦面32中的聚焦點，此處在顯微鏡的光路中具有另外的Bertrand透 鏡(沒有詳細(xì)示出)。
代替使用現(xiàn)有技術(shù)的平移和旋轉(zhuǎn)臺來進行光束轉(zhuǎn)向，根據(jù)本發(fā)明的 電地可調(diào)的透射衍射光柵1用來將激光焦點定位于孔徑停止面34中。光 轉(zhuǎn)向基于當(dāng)電壓施加至可調(diào)衍射光柵時光柵周期改變的事實。這個光柵 周期改變被轉(zhuǎn)化為第一級衍射角度的改變。因此電壓V中的變化改變了 光束的出現(xiàn)角度。因此能容易地從TIR轉(zhuǎn)換至表面焚光性顯微鏡。物鏡 后聚焦面32中焦點的快速移動允許用物鏡孔徑所允許的所有可能角度照 明樣品并且完全地開發(fā)了物鏡的分辨率。
在所描述的示例中，成像對于典型的10mW (在光纖輸出處)的激 光強度來執(zhí)行。這相應(yīng)于第一級此衍射光束中0.5mW或5%的激光強度。 數(shù)據(jù)圖像利用冷的CCD相機(ORCA ERG , Hamamatsu )來獲得。
此處所描述的TIR-裝置能通過選擇適合的光發(fā)射孔連接至很多市售 顯微鏡。圖18示出了安裝于顯微鏡24 (舉例來說Zeiss Axiovert 200M ) 的熒光孔上的前述裝置的圖片。當(dāng)然，也能實現(xiàn)在顯微鏡滑動器孔上的 裝置(沒有詳細(xì)示出)。光學(xué)裝置39將參照圖19更詳細(xì)地描述。
圖19示出了如圖18所示和根據(jù)圖17所描述的光學(xué)實施例的細(xì)節(jié)圖。 該裝置包括具有四個平行桿41的保持裝置40,平行桿可通過接合連接 42側(cè)向地調(diào)整。在保持裝置40的前端處包括連接器43，由此其可附接 至顯孩吏鏡24(參見圖18)。在桿41上，激光源支架27布置于后端處， 接著是光束擴展器37、可變光圈38以及根據(jù)此處所述發(fā)明的光透射衍射 光柵l。此外，在示出實施例中具有90亳米焦距的會聚透鏡29布置于連 接器43之前。
在圖20中示出了用根據(jù)本發(fā)明的TIR顯微鏡(圖20b)以及用常規(guī) TIR顯微鏡(圖20d)(這里未示出)獲得的HeLa細(xì)胞表示的肌動蛋白綠 色熒光蛋白質(zhì)(GFP)的圖像的比較。還表示了相同細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)表面焚光 圖像(圖20a和20c)。圖20a的表面熒光圖像包含許多模糊的圖像細(xì)節(jié)。 圖20b的TIR圖像清楚地示出了如此處所描述的TIR顯微鏡的優(yōu)點。能 看出，與表面模式相比，TIR模式中多得多的細(xì)節(jié)變得可見。這是因為僅 接近蓋片的區(qū)域^L激活的事實。
基于可調(diào)衍射光柵獲得的TIR圖像(圖20b)和用常規(guī)TIR顯微鏡 獲得的TIR圖像(圖20d)之間的比較顯示，本發(fā)明產(chǎn)生了與常規(guī)TIR 顯微鏡(圖20d)相比而言質(zhì)量可比較的圖像。具有根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)投 射衍射光柵的裝置的一個優(yōu)點是能通過簡單地將電壓V施加至設(shè)備來調(diào) 節(jié)該設(shè)備。能避免機械調(diào)整并且因此產(chǎn)生較少的振動。另一個優(yōu)點在于 易于精確地調(diào)整光的方向以控制漸逝場的深度。光的方向在寬泛的角度
范圍上可調(diào)整的事實還使得能使用具有不同折射率的不同類型樣品。另 一個優(yōu)點是在沒有引起強烈機械振動之下的快速轉(zhuǎn)換。
在后聚焦面中具有單個激光點的表面成像可降低顯微鏡的分辨率。 線性極化的激光束僅在極化面中激活具有偶極距的熒光團。為了激活所 有熒光團，激光的線性極化能通過添加四分之一 波片來調(diào)節(jié)成圓極化。 圓極化的光的使用最小化了在試樣中熒光團用固定偶極距的可能各向異 性激活。激活所有萸光團的另一個可能性是焦點在物鏡的后聚焦面中的 快速運動。這還降低了激活中的各向異性。這兩種方法當(dāng)然能結(jié)合。表 面模式中的另 一個問題是在使用相干的激光時由于反射《1起的干擾帶。 這些帶能由破壞激光相干性的光擾頻(用壓電使光纖搖動)來避免。此
外或可選地，能使用根據(jù)本發(fā)明的移相器20、 21(見圖8至15)。
圖21示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的HELM顯微鏡50的設(shè)置。諧波 激勵光學(xué)顯微鏡(HELM)(也稱為駐波或結(jié)構(gòu)照明顯微鏡)是將常規(guī)光 學(xué)顯微鏡的分辨率提高至兩倍(甚至在與重疊合技術(shù)相結(jié)合時)的技術(shù)。 現(xiàn)有技術(shù)的市售共焦顯微鏡獲得了與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡相比1.4倍的改進。
在諧波激勵光學(xué)顯微鏡中，樣品用由四個干擾激光束產(chǎn)生的2D余弦 圖案來照明。這個諧波激勵使樣品超過傳統(tǒng)切斷頻率的空間頻率移動， 進入顯微鏡的通頻帶。擴展的通頻帶由一組用移動的照明圖案獲得的圖 像計算地重新構(gòu)造。這個技術(shù)獲得了 100納米的側(cè)向分辨率，其與常規(guī) 熒光顯微鏡相比提高了兩倍(參見J. T. Frohn et al. True optical resolution beyond the Rayleigh limit achieved by standing wave illumination, PNAS, Vol.97， No. 13, pp. 7232-7236 (2000); M. G. L. Gustafsson, Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy, Journal of Microscopy, Vol. 198, pp. 82-87 (2000))。
通常所使用的干擾圖案能相對于樣品在兩個方向上移動。用于圖案
不同位置的五個圖像由照相機記錄。從這五個圖像，在常規(guī)顯微鏡中不 可觸及的額外信息能通過代數(shù)方法獲得。通過改變干擾光束之間的角度，
系統(tǒng)還能提供TIR模式(參見E. Chung et al. Extended resolution wide-field opti-cal imaging: objective-launched standing-wave total internal reflection fluorescence microscopy, Optics Letters, Vol. 31 , Issue 7, pp. 945-947 (2006))。
圖21中示意性地示出了根據(jù)此處所描述的發(fā)明構(gòu)造的照明顯微鏡的 設(shè)置。這個實施例使用物鏡發(fā)射照明，導(dǎo)致顯微鏡50的功能性沒有限制。
在所示的實施例中，具有例如1.1毫米直徑的線性極化的激光束47 由激光器51發(fā)射并且經(jīng)由第一透鏡65導(dǎo)向到根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵1 上。作為可調(diào)光投射衍射光柵1的衍射的結(jié)果，入射激光束47被分解為 非偏離的零度最大值(沒有詳細(xì)示出)以及幾個偏離的衍射最大值48、 49 (在示意性附圖中僅示出兩個衍射最大值48、 49)。實際上，在該設(shè)置 中使用四個光束。它們通常相對彼此以90°的距離圍繞光學(xué)軸線46旋轉(zhuǎn) 對稱i也布置。
為了形成干擾圖案，使用與光學(xué)軸線46成100 mrad的角度的第一衍 射最大值的四個光束(在圖中僅兩個光束48、 49可看見)。為了得到兩 對彼此獨立的激光束， 一對穿過半波片52,其極性翻轉(zhuǎn)90度(具有垂直 極性的光束不能互相干擾)。衍射光束稍后能用可移動地布置的可移動膜 片54阻擋。改變其位置允許在HELM (第一級最大值通過)和表面熒光 性模式(零級最大值通過)。光束穿過包括第二和第三透鏡63、 59的焦 闌透鏡系統(tǒng)，并且具有例如fl = 40毫米(第二透鏡63 )， f2 = 50毫米(第 三透鏡59)的焦距，將它們聚焦于后聚焦面57上。將距光學(xué)軸線46的 光束距離(在物鏡后孔徑面57中)選擇為接近物鏡入射光瞳的直徑將產(chǎn) 生照明的TIR模式。在TIR模式中，漸逝場的穿透深度取決于照明的角
度(見第33頁上的公式)并且能通過改變單個光束和光學(xué)軸線46之間 的距離來調(diào)整。為了提高表面照明的質(zhì)量，能使用如在TIR實施例中所 描述的相同方法。
高斯光束的發(fā)散是由布置于可調(diào)衍射光柵1前面的第一透鏡65來控 制。通過沿著光學(xué)軸線46移動第一透鏡65，能在第三透鏡59之后實現(xiàn) 一定范圍的發(fā)散。這意味著能調(diào)整任何輸入激光束47以適合于不同的顯 微鏡。此外，其能用于與每個樣品獨立地選擇照明場的尺寸，這是重要 的，例如降低在沒有觀察到的區(qū)域中熒光團的圖4象漂白。
圖22示出了在沒有改變光束極性之下得到的初步實驗的結(jié)果。圖22a 中示出了五個(零級和第一級)平行的極化光束的干擾圖案。圖22b示 出了相應(yīng)的J粵立葉光i瞽。
如圖23a和23b所示，光束和后聚焦面57中的光學(xué)軸線之間的距離 能以傳統(tǒng)的方式通過相初M相對于第一透鏡63的^"確平移和第二透鏡59 的適當(dāng)運動來控制以在顯微鏡孔處產(chǎn)生平行光束。距離dl和d2(相應(yīng)地 d3和d4 )的變化，必須遵照以下的公式
來保持系統(tǒng)是焦闌的，這能用計算機控制的線性階段來進行。這里
d。ut是光束和后聚焦面57中的光學(xué)軸線之間的距離。照明圖案的移動能 用任何常規(guī)的定位設(shè)備來獲得。光柵1能例如安裝于xy-壓電致動器(沒 有詳細(xì)示出)上。與光學(xué)軸線46垂直的光柵的平移使干擾圖案在樣品平 面中移動。距離dl和d2 (相應(yīng)地d3和d4)確定對于固定偏轉(zhuǎn)角度的照 明角度〃 (A 、 A )。根據(jù)前述公式移動光柵靠近焦點11和增大d2產(chǎn)生 較小角度的照明A<A。
替代使用xy-壓電致動器，根據(jù)此處公開發(fā)明的移相器20、 21 (參
見圖8至15)能用來控制照明圖案的位置。移相器能在光路中的任何地 方引入并且獨立地控制每個光束的相位。
物鏡后聚焦面57中的光束之間的距離能通過改變根據(jù)此處公開發(fā)明 的可調(diào)衍射光柵(參見圖1至6 )的光柵周期來控制。光柵周期d的降低 增大了第 一 級最大值的衍射角度并且因此增大了樣品面中照明的角度。 照明圖案的位置控制能例如通過用xy-壓電致動器在相對于光學(xué)軸線46 的側(cè)向上移動光柵來提供。
光束距離的變化通過電地改變根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵的衍射角度來 進行。為了移動圖案，如前所述的移相器引入該系統(tǒng)中。其控制每個干 擾對中一個光束的相位。相位的移動導(dǎo)致圖案沿著干擾方向平移。
如前所述包^"半透明中間層和一對大致相對的同軸電極的致動器的 使用與傳統(tǒng)的機械對應(yīng)物相比而言提供了數(shù)個優(yōu)點。其允許在不將任何 機械擾動引入該系統(tǒng)之下偏轉(zhuǎn)角度的快速變化。尤其對于TIR彩色成寸象， 光柵點陣必須適合于照明波長。對于HELM彩色模式也如此。為了對于 所有色彩獲得一致的分辨率，干擾圖案的周期必須保持不變。這要求光 束的精確且可復(fù)制的調(diào)整，這不能由機械平移階段提供。因為沒有機械 擾動作用在光學(xué)裝置上，相信基于所述致動器的自適應(yīng)光學(xué)器件的^f吏用 將增大系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，快速操作設(shè)備將有助于顯著地減少圖像獲 取時間。通常，所述設(shè)置能通過選擇用于顯微鏡孔的適合連接器在任何 市售的熒光顯微鏡中實施。具有波片和膜片的光柵能在旋轉(zhuǎn)階段安裝以 在側(cè)向上提供干擾圖案。
圖24示出了其中光束經(jīng)由鏡子和/或光束分離立方體72導(dǎo)向入顯微 鏡(沒有詳細(xì)示出)的設(shè)置。使用光束分離器72，能連接另外的光源， 舉例來il比如用于彩色成像的UV激光或其它激光。
在又一實施例(未詳細(xì)示出)中，顯微鏡的滑動器孔與可自由移動
的滑動器發(fā)射和自由豎立的光束控制系統(tǒng)一起使用。這個設(shè)置提供了數(shù)
個優(yōu)點(i)其易于安裝，允許快速附接和脫離；(ii)光束分離器在滑動 器中的使用維持了顯微鏡的全部功能性，因為普通的燈仍然能用于常規(guī) 的表面照明；(iii)經(jīng)由光學(xué)工作臺結(jié)合至顯微鏡的自由豎立的控制系統(tǒng) 提供了高度的機械穩(wěn)定性并且尤其其緊湊的設(shè)計，其不易于遭受低頻振 動。
本發(fā)明的其它應(yīng)用是在納米顆粒定位系統(tǒng)領(lǐng)域。然而，TIR系統(tǒng)的漸 逝場中納米顆粒的光學(xué)捕獲已經(jīng)有報告(參見S. Kawata et al. Move- ment of micrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beam, Optics Letters, Vol.17, No. 11 , p. 772 (1992); M. Gu et al. Laser trapping and manipulation under focused evanescent wave illumination, Appl. Phys. Lett. 84， 21 (2004))。通過這里所公開的發(fā)明，單個強度峰能用于顆粒的選擇 性捕獲和移動用于定位的峰。
結(jié)構(gòu)照明顯微鏡領(lǐng)域中最近的發(fā)展主要是解決形成一組能帶入干涉 的可控激光束的問題。E. Chung等使用光束分離器來形成兩個光束。一 個光束在安裝于壓電換能器上的反向反射器上偏離以控制器相位。兩個 光束然后都結(jié)合入容納在布置于XYZ轉(zhuǎn)換器上的鏡裝置中的光纖終點， 由此它們被發(fā)射入顯微鏡。這樣做有幾個原因。為了高分辨率成像，相 位圖案必須穩(wěn)定化。但是這個方法具有一些缺點并且一個是使用高成本 的換能器和轉(zhuǎn)換器。另一缺點是僅是一維的圖案。為了獲得二維的分辨 率改進，樣品必須旋轉(zhuǎn)90度，此時觀察區(qū)域的中心必須仍然準(zhǔn)確地處于 其位置上。
形成結(jié)構(gòu)照明的另一個可能性由M. G. Gustafsson實現(xiàn)。他使用一維 的相光對冊并將其投射到樣品上。通過移動光柵，他也移動圖案。在這個 設(shè)置中缺乏對光束出現(xiàn)角度的控制使得其不適合于TIR顯微鏡。
在本發(fā)明中，基于光柵的結(jié)構(gòu)照明的優(yōu)點與對于通過使用所述低成
本的可調(diào)光柵來距離控制光束出現(xiàn)角度的需要相結(jié)合。優(yōu)選地，在TIR 才莫式中4吏用四個光束來同時改進x、 y和z方向上的分辨率。
產(chǎn)生圓形衍射圖案的光柵能用于所建議的系統(tǒng)中以實現(xiàn)TIR照明。 第一級最大值的光環(huán)能處理為由雙軸光柵所產(chǎn)生的四個光束。如上所述 相同的調(diào)整和光路是有效的。填滿物鏡后聚焦面中整個圓圈的TIR系統(tǒng) 能解決根據(jù)如圖17所示實施例所述的所有問題。通過筒單地繞著光軸旋 轉(zhuǎn)單個或n軸光^)J"能產(chǎn)生相同的效應(yīng)。
圖25至29示出了4艮據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件1的又一實施例，此處呈 可調(diào)透鏡的形式。圖25以透視的方式示出了設(shè)備1。圖26在正視圖中以 非變形的方式示出了在沒有電壓施加(V = 0)時的設(shè)備并且圖27是沿著 圖26的線EE切割的側(cè)視圖以使得設(shè)備1的內(nèi)部在非變形狀態(tài)下變得明 顯。與圖26和27相比，圖28在正^L圖中以非變形的方式示出了在施加 電壓(V^0)時的設(shè)備1。圖29示出沿著圖28的線GG切割開的i殳備1 的側(cè)視圖以使得內(nèi)部在非變形狀態(tài)中變得明顯。
可調(diào)透鏡1包括上部和下部電極2、 3,它們相對彼此布置并且包圍 作為光學(xué)活動透鏡區(qū)域5的透明中間層4。電極2、 3作為驅(qū)動裝置15的 驅(qū)動板以便以可控的方式在特定圓周區(qū)域中局部地壓縮中間層4。在此處 所示的實施例中，透鏡區(qū)域5具有特定外部曲率并且由兩個圓形薄片狀 區(qū)域14構(gòu)成，薄片狀區(qū)域14由光學(xué)地透明的材料制成并且在此處包圍 透鏡形腔室16。如果適合，薄片狀區(qū)域14可由與中間層4相同的材料構(gòu) 成。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，透鏡形腔室16可填充有相同或不同的材料。用液體 可獲得良好的結(jié)果，尤其是具有較高折射率的液體。中間層4在電極2、 3的區(qū)域中在非變形狀態(tài)下具有恒定的厚度B并且通常以預(yù)伸展的方式 保持于包圍保持裝置(保持框架)6的開口 7中的位置。電極2、 3彼此 相對地布置于具有環(huán)形設(shè)計的中間層4的相對位置上。此外，它們布置
為與保持裝置6等距。中間層4并入相對于電極2、 3和保持框架6布置 于中間并且同心的光學(xué)活動透鏡區(qū)域5中。如果適合，其它形狀的透鏡 和電極的相應(yīng)布置也是可能的，比如舉例來說，具有側(cè)向地布置的電極 的圓柱形透鏡。當(dāng)電壓V施加于電極2、 3之間時(參見圖28和29)， 電極2、 3由于庫侖力Fc而相互吸引以使得中間層4在第一方向上(x方 向)在電極2、 3之間被壓縮并且這導(dǎo)致了局部地減少的厚度B、。由于中 間層4的材料的泊松比，出現(xiàn)如箭頭dr所示(此處在徑向上)的電極2、 3之間被壓縮材料的側(cè)向(在所示出的實施例中旋轉(zhuǎn)對稱)擴展。這引起 中間層4由電極2、 3徑向地包圍的區(qū)域以及與之互連的透鏡區(qū)域5的徑 向(這里旋轉(zhuǎn)對稱的)壓縮以使得透鏡區(qū)域5的曲率/焦點作為所施加電 壓的函數(shù)以可控的方式改變(如箭頭t所示)。光學(xué)設(shè)備能制作得非常小 并且因此能用于寬范圍的應(yīng)用中，比如移動設(shè)備(移動電話)的透鏡系 統(tǒng)、數(shù)碼相機，照明，比如車輛燈光、投影儀比如巻軸斗幾、眼鏡透鏡。 根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，能將根據(jù)本發(fā)明的至少一個光學(xué)設(shè)備集成入包括例如用 于數(shù)碼相機或移動設(shè)備的CCD陣列的模塊中。
為了用液體填充透鏡形腔室16,薄片狀區(qū)域14的邊界能例如由框架 支撐并且通過真空變形。變形的薄片14能用液體填充并且在連續(xù)的步驟 中，相對的薄片14結(jié)合至透鏡的第一液體填充的薄片?？蛇x地，液體能 在冷凍狀態(tài)下結(jié)合入薄片狀區(qū)域14。
盡管本發(fā)明已經(jīng)就其具體實施例進行了描述，但是很多其它變化和 變型以及其它用途對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是很明顯的。因此，優(yōu)選地， 本發(fā)明并不限于此處的具體公開，而是僅僅受限于所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1. 光學(xué)活動元件(1，20，21)，其包括由可變形材料制成并且機械地互連至第一和第二驅(qū)動板(2，3)的中間層(4)，驅(qū)動板(2，3)通常布置為在中間層(4)的相對側(cè)面上彼此相對并且局部地覆蓋中間層(4)以使得中間層(4)由驅(qū)動板(2，3)帶來的局部壓縮引起中間層(4)的厚度(B)在第一方向(x)上的局部降低并且其中至少一個由于中間層(4)的材料的泊松比而涉及中間層(4)在第二方向(y，z，dr)上的次級變形，從而次級變形引起光學(xué)活動區(qū)域(5)的光學(xué)行為的變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)活動元件(1， 20, 21)，其特征在于第一和 第二驅(qū)動板(2, 3)是第一和第二電極(2， 3)，它們布置為使得在電壓(V)施加第一和第二電極(2， 3)之間時，第一和第二電極(2, 3) 由于庫侖力(Fc)而互相吸引。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)活動元件(1, 20， 21)，其特征在于電極(2， 3)的至少一個由碳黑構(gòu)成。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)活動元件(1， 20， 21),其特征在于 中間層(4)以預(yù)伸展的方式附接至保持裝置(6)以使得中間層(4)在 操作期間不會在平面(y， z)外變形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的光學(xué)活動元件(1, 20， 21)，其特征在于保持裝 置(6)具有中間層(4)布置于其中的圓形或矩形開口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5之一的光學(xué)活動元件(1， 20， 21),其特征在于: 電極(2， 3)與光學(xué)活動區(qū)域(5)側(cè)向地布置。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)活動元件(1, 20， 21)，其特^f正在于 中間層(4)具有100 nm至150 ]u m范圍內(nèi)的厚度(B)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)活動元件(1， 20, 21)，其特征在于 中間層(4 )具有10 in m至500 mm范圍內(nèi)的直徑。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)活動元件(1， 20， 21),其特4正在于 中間層(4)沒有被驅(qū)動板(2, 3)覆蓋的區(qū)域具有可調(diào)整的直徑，這涉 及中間層(4)由材料的泊松比在第一方向(x)上的壓縮。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的光學(xué)活動元件(1, 20, 21)，其特征在于具有可 調(diào)整直徑的區(qū)域包括具有可調(diào)整光柵周期(d)的衍射光柵(5)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO的光學(xué)活動元件(1， 20， 21)，其特征在于衍射 光柵(5)是菲涅耳透鏡。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的光學(xué)活動元件(1, 20， 21 ),其特征在于 衍射光柵(5)由注射模塑或旋壓涂覆或沖壓的材料構(gòu)成。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)活動元件(1， 20， 21)，其特4it在于 中間層(4)沒有被驅(qū)動板覆蓋的光學(xué)活動區(qū)域(5)是透明的并且具有 可調(diào)整的厚度(B )，這涉及中間層(4 )由材料的泊松比在第一方向上(x ) 的壓縮。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)活動元件(1, 20， 21),其特征在于光學(xué) 活動區(qū)域(5)用作移相元件。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)活動元件(1, 20, 21),其特征在于光學(xué) 活動區(qū)域(5)用作具有可變焦點的透鏡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的光學(xué)活動元件(1, 20, 21),其特征在于透鏡 包括由兩個薄片狀區(qū)域(14)界定的透鏡形腔室(16)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)活動元件(1, 20， 21),其特征在于透鏡 形腔室(16)填充有折射率高于周圍環(huán)境的材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16至17的光學(xué)活動元件(1, 20， 21)，其特征在于 透鏡形腔室(16)填充有液體。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9的光學(xué)活動元件(1, 20, 21),其特征在于衍射光 柵(5)在中間層(4)的表面中實施，或者作為分開的元件附接至中間 層(4)的表面。
20. —種顯微鏡，其包括至少一個根據(jù)前述權(quán)利要求之一的光學(xué)元件(l, 20， 21 )。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的顯微鏡(50)，其特征在于該顯微鏡(50)包括 激光束(47)，由此激光(51 )被導(dǎo)向到衍射光4冊(1 )上，由此激光束(47)被分解為幾個偏離的衍射最大值(48， 49)以提供樣品的結(jié)構(gòu)照明。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的顯微鏡(50)，其特征在于所述幾個分解的激光 束(48, 49)中的四個布置為繞著光學(xué)軸線(46)旋轉(zhuǎn)對稱。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20至22之一的顯微鏡(50 ),其特征在于該顯微鏡 (50)是焦闌的光束系統(tǒng)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20至23之一的顯微鏡(50)，其特征在于該顯微鏡 (50)的光學(xué)照明路徑包括形成激光束(47)的第一透鏡(65)、在第一透鏡(65 )之后將所述成形的激光束分解的衍射光柵(1 )、在衍射光柵 (1)之后會聚所述分解的激光束(48, 49)的第二透鏡(63)以及將所 述分解的激光束(48, 49 )布置為平行于光學(xué)軸線(46 )的第三透鏡(59 )。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的顯微鏡(50),其特征在于該顯微鏡(50 )的光 學(xué)照明路徑包括入半波片(52)和移相器(53)。
26. —種用于制作根據(jù)權(quán)利要求1至19的光學(xué)元件(1， 20, 21)的方法， 其包括以下步驟a) 將中間層(4)伸展200%至300%;b) 將預(yù)伸展的中間層(4)附接至保持裝置(6);c) 在中間層(4 )的每側(cè)上施加至少局部地覆蓋中間層(4 )的電極(2, 3)。
27. —種根據(jù)權(quán)利要求26的用于制作光學(xué)元件(1， 20， 21)的方法，其 特征在于光柵(5)應(yīng)用至中間層(4)。
28. —種根據(jù)權(quán)利要求27的用于制作光學(xué)元件(1, 20, 21)的方法，其 特征在于光柵(5)通過旋壓涂覆或注射模塑或熱成形來制成。
29. —種根據(jù)權(quán)利要求26或27之一的方法，其特征在于電極(2, 3) 由沖壓和/或噴射和/或涂覆和/或接觸壓印的碳黑粉末構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及不同的光學(xué)活動元件(1，20，22)，比如通常具有類似設(shè)置的可調(diào)衍射光柵和可調(diào)移相器。光學(xué)活動元件(1，20，22)包括由可變形材料制成并且機械地互連至驅(qū)動裝置的中間層(4)。驅(qū)動裝置包括第一和第二驅(qū)動板(2，3)，它們通常布置為在中間層(4)的相對側(cè)面上彼此相對并且局部地覆蓋中間層(4)以使得中間層(4)由驅(qū)動板(2，3)帶來的局部壓縮引起厚度(B)在第一方向(x)上的局部降低。在第一方向上的這個降低引起中間層在第二方向(y，z，dr)上的次級變形，這又引起光學(xué)活動元件的光學(xué)行為的變化。
文檔編號G02B3/14GK101379418SQ200780004626
公開日2009年3月4日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者安地列斯·斯代莫, 尤里·貝亞耶夫, 曼紐爾·阿希旺登, 馬庫斯·丹尼爾·貝克 申請人:蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Eth轉(zhuǎn)讓公司