具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明題為“具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備”。本發(fā)明涉及一種具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備(100)，該光學(xué)設(shè)備包括：?第一可變形膜(1)，?第二可變形膜(2)，?支撐件(3)，膜(1,2)中的每個(gè)膜的相應(yīng)周邊錨定區(qū)域(1c)被連接到該支撐件(3)，?恒定體積的流體(4)，該恒定體積的流體(4)被包封在第一膜和第二膜之間，?位于第一膜(1)的錨定區(qū)域(1c)和中心部分(1b)之間的第一膜的區(qū)域(1a)的致動(dòng)設(shè)備(5)，該第一膜(1)被配置為通過(guò)在單一偏轉(zhuǎn)方向上施加電致動(dòng)電壓而變形，以便使流體體積中的一些流體體積發(fā)生位移。第一膜(1)的中心部分(1b)具有足夠的硬度，使得：?從其中致動(dòng)設(shè)備(5)不活動(dòng)的靜止位置，在向致動(dòng)設(shè)備(5)施加小于閾值的電致動(dòng)電壓時(shí)第一膜(1)僅在第一方向上變形，并且第二膜(2)變形，以吸收由第一膜(1)的變形導(dǎo)致的流體位移，以便使第一膜上的流體的壓力最小化，以及?在向致動(dòng)設(shè)備(5)施加大于閾值的電致動(dòng)電壓時(shí)，第一膜的致動(dòng)區(qū)域(1a)保持在第一方向上變形，在由致動(dòng)設(shè)備(5)使流體(4)發(fā)生位移的壓力的作用下，第一膜(1)的中心部分(1b)在與第一方向相反的第二方向上變形。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備，以及此類(lèi)光學(xué)設(shè)備的焦距變化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了在包括具有固定焦距的若干個(gè)透鏡的緊湊光學(xué)系統(tǒng)中集成光學(xué)縮放功能，可 能讓人感興趣的是尤其是在使光學(xué)系統(tǒng)的厚度最小化方面，為至少一個(gè)光學(xué)設(shè)備集成可變 焦距，以產(chǎn)生焦距的主要變化。
[0003] -些光學(xué)設(shè)備確保放大率的變化，并且其他光學(xué)設(shè)備必須要鏈接到固定光學(xué)系統(tǒng) 或具有可變焦距的其他設(shè)備，以確?？s放功能。
[0004] 對(duì)于具有微型相機(jī)的應(yīng)用程序而言，尤其是對(duì)于為移動(dòng)電話設(shè)計(jì)的相機(jī)而言，目 的是設(shè)計(jì)一種具有可變焦距的緊湊且廉價(jià)的光學(xué)設(shè)備。
[0005] 工作于發(fā)散模式或聚光模式中的設(shè)備是尤其有利的，因?yàn)槠涞靡嬗诮咕嗟母鼘挿?圍的變化。
[0006] 響應(yīng)于這種需求，例如基于電潤(rùn)濕技術(shù)[1]或基于液晶[2]已開(kāi)發(fā)出了基于液體的 具有可變焦距的不同類(lèi)型的設(shè)備。
[0007] 其他解決方案基于對(duì)受到流體壓力作用的可變形膜的使用，每個(gè)膜形成屈光度。
[0008] 兩個(gè)膜通常用于提升設(shè)備的光焦度。
[0009] 在這些設(shè)備中，膜在由流體位移導(dǎo)致的流體壓力作用下發(fā)生變形。
[0010] 在一些應(yīng)用程序中，獨(dú)立于另一個(gè)膜來(lái)致動(dòng)兩個(gè)膜中的每個(gè)膜，每個(gè)膜與包封流 體的腔體相關(guān)聯(lián)，該腔體通過(guò)襯底與另一個(gè)膜分隔開(kāi)，并具有其自身的致動(dòng)設(shè)備[3,4]。 [0011]在該膜中的一個(gè)膜上施加的流體壓力可與另一個(gè)膜不同。
[0012] 在圖IA和圖IB中呈現(xiàn)了透鏡的不同配置，其中在每個(gè)膜的周邊處布置旨在用于改 變焦距的致動(dòng)器。
[0013] 圖IA示出了雙凸聚光透鏡，其可為對(duì)稱(chēng)的或不對(duì)稱(chēng)的。
[0014] 該設(shè)備包括支撐件3和在兩個(gè)膜之間延伸的剛性板31，兩個(gè)可變形膜1，2在相應(yīng)周 邊錨定區(qū)域lc，2c中被連接到支撐件3。每個(gè)膜1，2與支撐件3和板31限定相應(yīng)恒定體積的流 體41，42。由于有剛性板31插置于流體41和42的體積之間，因此兩個(gè)膜的變形彼此獨(dú)立。
[0015] 每個(gè)膜1，2具有被布置在每個(gè)膜的中心部分Ib，2b和錨定區(qū)域Ic，2c之間的相應(yīng)中 間區(qū)域la，2a上的致動(dòng)設(shè)備5，5'。
[0016] 兩個(gè)膜1，2的致動(dòng)器5,5'朝膜和流體41，42(在箭頭方向上)偏轉(zhuǎn)，以形成圖IA中所 示的雙凸配置。
[0017] 圖IB對(duì)應(yīng)于雙凹發(fā)散透鏡，其可為對(duì)稱(chēng)地或不對(duì)稱(chēng)的。
[0018] 該設(shè)備的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于圖IA的設(shè)備，每個(gè)膜的致動(dòng)設(shè)備5,5'能夠在與圖IA的方向相 反的方向（在箭頭方向）上偏轉(zhuǎn)，以形成此類(lèi)配置。
[0019] 在兩個(gè)屈光度功能彼此獨(dú)立的程度上，還可能獲得聚光透鏡（凸平面或聚光凹凸 透鏡)或發(fā)散透鏡(凹平面或發(fā)散凹凸透鏡）的很多其他配置。
[0020] 圖2A至圖2C示出了表現(xiàn)出類(lèi)似于圖IA結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)備的另一個(gè)示例，其中膜2確 保聚光功能(利用致動(dòng)設(shè)備5'在朝流體的一個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)），并且膜1確保發(fā)散功能(利用 致動(dòng)設(shè)備5在相反方向上的的偏轉(zhuǎn)），每個(gè)膜與獨(dú)立體積的流體41，42相關(guān)聯(lián)。由圖IA-圖IC 和圖2A-圖2C中的相同的附圖標(biāo)記指定的元件是類(lèi)似的。
[0021] 圖2A示出了靜止時(shí)的采用初始無(wú)限大焦距的示例的光學(xué)設(shè)備。
[0022] 圖2B示出了該光學(xué)設(shè)備被致動(dòng)以便成為聚光的：出于這一目的，不激活致動(dòng)設(shè)備5 并且僅激活致動(dòng)設(shè)備5'，以便朝流體42偏轉(zhuǎn)，從而獲得凸平面聚光透鏡。
[0023] 圖2C示出了該光學(xué)設(shè)備被致動(dòng)以便成為發(fā)散的：出于這個(gè)目的，不激活致動(dòng)設(shè)備 5'并且僅激活致動(dòng)設(shè)備5,以便朝流體41偏轉(zhuǎn)，從而獲得凹平面發(fā)散透鏡。
[0024] 在其他應(yīng)用程序中，兩個(gè)膜由被包封在所述膜之間的恒定體積的流體耦接[5-10]，兩個(gè)膜受到相同的流體壓力。
[0025] 圖3A和圖3B示出了此類(lèi)光學(xué)設(shè)備。相對(duì)于圖IA至圖2C所示的設(shè)備，圖3A和圖3B中 的設(shè)備不包含分隔與每個(gè)膜相關(guān)聯(lián)的流體體積的板。因此該設(shè)備包含以力學(xué)方式耦接膜1 和2的單個(gè)恒定體積的流體4。
[0026]在這些設(shè)備中，兩個(gè)膜的致動(dòng)設(shè)備5,5'共同用于修改被施加到膜中的每個(gè)膜的流 體壓力。
[0027]在致動(dòng)設(shè)備5,5'朝流體4偏轉(zhuǎn)時(shí)，壓力增大并且兩個(gè)膜1，2變成凸面(聚光設(shè)備，參 見(jiàn)圖3A)。
[0028]當(dāng)致動(dòng)設(shè)備5,5'在與流體4相反的方向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)膜1，2變成凹面(發(fā)散設(shè)備， 參見(jiàn)圖3B)。
[0029]為了從靜止位置產(chǎn)生可具有正焦距和負(fù)焦距的變化的光學(xué)系統(tǒng)，致動(dòng)設(shè)備必須要 在兩個(gè)方向上起作用。
[0030] 然而，此類(lèi)致動(dòng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜。
[0031] 實(shí)際上，致動(dòng)器需要的電壓通常高于30V(在[3]中提到了電壓+/-40V)。
[0032]在現(xiàn)有設(shè)備中，將壓電材料的厚層粘結(jié)到每個(gè)膜上，這涉及到復(fù)雜的制造方法并 給設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)和膜施加一定數(shù)量的限制。
[0033] 然而，可使用MEMS技術(shù)來(lái)執(zhí)行此類(lèi)雙向致動(dòng)。
[0034] 應(yīng)當(dāng)使用能夠在兩個(gè)方向上變形的任何材料，但這些材料(例如，A1N)在致動(dòng)方面 效率較低，或者應(yīng)當(dāng)使用包括兩層PZT陶瓷(鋯鈦酸鉛)的雙壓電致動(dòng)器。
[0035]給出具有高制造成本的PZT陶瓷，這后一種選擇成本特別高昂。
[0036]圖2A至圖2C所示的設(shè)備可通過(guò)使用在單個(gè)方向上操作的致動(dòng)器而交替地成為聚 光和發(fā)散的。
[0037] 通過(guò)疊加兩個(gè)單層膜設(shè)備構(gòu)成的此類(lèi)設(shè)備的缺點(diǎn)在于，其提供的焦距變化比圖 IA-圖IB和圖3A-圖3B所示的設(shè)備產(chǎn)生的變化小的多。
[0038] 實(shí)際上，在聚光配置中單個(gè)屈光度是活動(dòng)的，并且在發(fā)散配置中另一個(gè)屈光度是 活動(dòng)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0039] 因此，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種在更大范圍上產(chǎn)生焦距變化并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單致動(dòng)(尤 其是產(chǎn)生低的電致動(dòng)電壓)的光學(xué)設(shè)備，該設(shè)備緊湊且制造簡(jiǎn)單。
[0040]根據(jù)本發(fā)明，提出了一種具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備，該光學(xué)設(shè)備包括：
[0041 ]-第一可變形膜，
[0042] -第二可變形膜，
[0043] -支撐件，該膜中的每個(gè)膜的相應(yīng)周邊錨定區(qū)域被連接到該支撐件，
[0044] -恒定體積的流體，該恒定體積的流體被包封在第一膜和第二膜之間，該流體產(chǎn)生 第一膜和第二膜的力學(xué)耦接，
[0045] -位于第一膜的錨定區(qū)域和中心部分之間的第一膜的區(qū)域的致動(dòng)設(shè)備，該第一膜 被配置為通過(guò)在單一偏轉(zhuǎn)方向上施加電致動(dòng)電壓而變形，以便使流體體積中的一些流體體 積發(fā)生位移，該流體位移可能使得第一膜的中心部分變形，
[0046] 該光學(xué)設(shè)備的特征在于第一膜的中心部分具有足夠的硬度，使得：
[0047] -從其中致動(dòng)設(shè)備不活動(dòng)的靜止位置，在向致動(dòng)設(shè)備施加小于閾值的電致動(dòng)電壓 時(shí)，第一膜僅在第一方向上變形，并且第二膜變形，以吸收由第一膜變形導(dǎo)致的流體位移， 以便使第一膜上的流體的壓力最小化，以及
[0048] -在向致動(dòng)設(shè)備施加大于閾值的電致動(dòng)電壓時(shí)，第一膜的致動(dòng)區(qū)域保持在第一方 向上變形，在由致動(dòng)設(shè)備使流體發(fā)生位移的壓力的作用下，第一膜的中心部分在與第一方 向相反的第二方向上變形。
[0049] 有利的是，第二膜表現(xiàn)出比第一膜的中心部分小的硬度。
[0050] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該光學(xué)設(shè)備進(jìn)一步包括位于膜的錨定區(qū)域和中心部分之間的 第二膜的致動(dòng)區(qū)域的致動(dòng)設(shè)備，該膜被配置為通過(guò)施加電致動(dòng)電壓而變形。
[0051] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，第二膜的致動(dòng)設(shè)備能夠根據(jù)施加到設(shè)備的電致動(dòng)電壓而在兩 個(gè)相反方向上變形。
[0052] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在其靜止配置中，第一膜的中心部分是平面的。
[0053]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該光學(xué)設(shè)備包括在兩個(gè)膜之間延伸并包括至少一個(gè)流體通道 開(kāi)口的襯底，使得在襯底的任一側(cè)上該流體壓力相同。
[0054]第一膜和/或第二膜的材料可以是硅氧烷樹(shù)脂或包含硅的礦物質(zhì)材料。
[0055] 根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方案，第一膜的致動(dòng)設(shè)備包括至少一個(gè)壓電致動(dòng)器。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第一膜和第二膜是反射的。
[0057] 可以有利地選擇第一膜的硬度，使得在膜上未施加流體壓力時(shí)向致動(dòng)設(shè)備施加電 致動(dòng)電壓使得膜的致動(dòng)區(qū)域和中心區(qū)域變形，致動(dòng)區(qū)域和中心部分之間的接合部的任一側(cè) 上的對(duì)膜的切線被組合。
[0058] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，第一膜的可變形部分的直徑不同于第二膜的可變形部分的直 徑。
[0059] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，第一膜的可變形部分的直徑與第二膜的可變形部分的直徑 相同。
[0060] 另一目的涉及用于光學(xué)設(shè)備的焦距變化的方法，該光學(xué)設(shè)備包括 [0061 ]-第一可變形膜，
[0062] -第二可變形膜，
[0063] -支撐件，該膜中的每個(gè)膜的相應(yīng)周邊錨定區(qū)域被連接到該支撐件，
[0064] -恒定體積的流體，該恒定體積的流體被包封在第一膜和第二膜之間，該流體產(chǎn)生 第一膜和第二膜的力學(xué)耦接，
[0065] -位于膜的周邊錨定區(qū)域和中心部分之間第一膜的區(qū)域的致動(dòng)設(shè)備，該膜被配置 為通過(guò)在單個(gè)偏轉(zhuǎn)方向上施加電致動(dòng)電壓而變形，該方法的特征在于其包括：
[0066] -向致動(dòng)設(shè)備施加小于閾值的第一電致動(dòng)電壓，從而導(dǎo)致第一膜在第一方向上變 形，而第二膜變形，以吸收由第一膜變形導(dǎo)致的流體位移，以便使第一膜上的流體的壓力最 小化，
[0067] -向致動(dòng)設(shè)備施加大于閾值的第二電致動(dòng)電壓，從而導(dǎo)致第一膜的中心部分在由 致動(dòng)設(shè)備使流體發(fā)生位移的壓力的作用下，在與第一方向相反的第二方向上變形，第一膜 的致動(dòng)區(qū)域保持在第一方向上變形。
[0068]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案：
[0069] -在靜止時(shí)，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，
[0070] -施加第一電致動(dòng)電壓，以便使致動(dòng)區(qū)域和中心部分朝流體變形，第二膜在與流體 相反的方向上變形，使得第一膜的中心部分形成發(fā)散屈光度，并且第二膜形成聚光屈光度，
[0071] -施加第二電壓，以便使致動(dòng)區(qū)域朝流體變形，該流體位移使得中心部分在與流體 相反的方向上變形，使得兩個(gè)膜中的每個(gè)膜的中心部分具有聚光屈光度。
[0072] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，第一膜的可變形部分的直徑小于第二膜的可變形部分的直 徑，并且：
[0073] -在靜止時(shí)，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，
[0074] -施加第一電致動(dòng)電壓，以便使致動(dòng)區(qū)域和中心部分朝流體變形，第二膜在與流體 相反的方向上變形，使得該光學(xué)設(shè)備形成發(fā)散凹凸透鏡。
[0075] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，第一膜的可變形部分的直徑大于第二膜的可變形部分的直 徑，并且：
[0076] -在靜止時(shí)，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，
[0077] -施加第一電致動(dòng)電壓，從而使致動(dòng)區(qū)域和中心部分朝流體變形，第二膜在與流體 相反的方向上變形，使得該光學(xué)設(shè)備形成聚光凹凸透鏡。
[0078] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該光學(xué)設(shè)備包括位于膜的錨定區(qū)域和中心部分之間的第二膜 的致動(dòng)區(qū)域的致動(dòng)設(shè)備，該膜被配置為通過(guò)施加電致動(dòng)電壓而變形，并且：
[0079] -在靜止時(shí)，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，
[0080] -向第一膜的致動(dòng)設(shè)備施加第一電致動(dòng)電壓，以便使致動(dòng)區(qū)域和中心部分朝流體 變形，而無(wú)需向第二膜的致動(dòng)設(shè)備施加電致動(dòng)電壓，第二膜在與流體相反的方向上變形，使 得第一膜的中心部分形成發(fā)散屈光度并且第二膜形成聚光屈光度，
[0081] -向第一膜的致動(dòng)設(shè)備施加第二電致動(dòng)電壓，以便使致動(dòng)區(qū)域朝流體變形，并且向 第二膜的致動(dòng)設(shè)備朝流體施加電致動(dòng)電壓，以便增大由第二膜的中心部分形成的屈光度的 聚光性。
[0082] 最后，本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及一種包括諸如本文以上所述的光學(xué)設(shè)備的成像設(shè) 備。
【附圖說(shuō)明】
[0083]參考附圖從以下【具體實(shí)施方式】將看出本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0084]-圖IA和圖IB分別示出了已知類(lèi)型的雙凸聚光透鏡和雙凹發(fā)散透鏡的截面，
[0085]-圖2A至圖2C以截面示出了已知類(lèi)型的光學(xué)設(shè)備的不同致動(dòng)狀態(tài)，該設(shè)備可以是 聚光的或發(fā)散的，
[0086]-圖3A和3B以截面示出了已知類(lèi)型的光學(xué)設(shè)備的的兩個(gè)致動(dòng)狀態(tài)，其中兩個(gè)膜由 被包封在它們之間的流體體積耦接，
[0087] -圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的第一膜的參考變形（即不受流體壓力作 用）；作為比較，圖4B示出了由于硬度不足而不適于執(zhí)行本發(fā)明的膜的參考變形，
[0088] -圖5A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備的配置，其中由第一膜形成的屈 光度是發(fā)散的，并且由第二膜形成的屈光度是聚光的；通過(guò)加陰影，圖5B示出了在這種配置 中在膜變形期間發(fā)生位移的流體體積，
[0089]-圖6A示出了與圖5A和圖5B相同的光學(xué)設(shè)備的配置，其對(duì)應(yīng)于比圖5A和圖5B的配 置中更高的電致動(dòng)電壓，其中由第一膜形成的屈光度是聚光的，并且由第二膜形成的屈光 度也是聚光的；通過(guò)加陰影，圖6B和圖6C示出了在這種配置中在膜變形期間發(fā)生位移的流 體體積，
[0090] -圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備，其中兩個(gè)膜的幾何結(jié)構(gòu)基本上 相同，通過(guò)加陰影，圖7B示出了在圖7A的配置中在膜變形期間發(fā)生位移的流體體積，
[0091] -圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備，其中第一膜的直徑小于第二膜 的直徑，通過(guò)加陰影，圖8B示出了在圖8A的配置中在膜變形期間發(fā)生位移的流體體積，
[0092] -圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備，其中第一膜的直徑大于第二膜 的直徑，通過(guò)加陰影，圖9B示出了在圖9A的配置中在膜變形期間發(fā)生位移的流體體積， [0093]-圖IOA和圖IOB示出了根據(jù)實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備的兩種配置，其中兩個(gè)膜是可致 動(dòng)的，
[0094] -圖IlA至圖IlC示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的不同的可能配置，
[0095] -圖12A和圖12B示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的其他可能配置，
[0096] -圖13示出了設(shè)備的光焦度根據(jù)第一膜的偏轉(zhuǎn)的變化，
[0097]-圖14示出了每個(gè)膜根據(jù)流體壓力發(fā)生的偏轉(zhuǎn)，
[0098] -圖15示意性地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的成像設(shè)備。
[0099] 為了確保附圖的易讀性，所示的不同元件未必以相同比例示出。
[0100] 在一幅圖和其他圖之間使用附圖標(biāo)記來(lái)表示相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0101] 圖5A、圖5B和圖6A-圖6C示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)設(shè)備100的不同致動(dòng) 配置。
[0102] 該光學(xué)設(shè)備100具有光軸X。
[0103] 設(shè)備100包括兩個(gè)可變形膜1，2,其周邊密封地錨定在支撐件3上。
[0104] 在該示例中，支撐件3的形式為環(huán)形冠，其中心被設(shè)計(jì)成接收被包含在由兩個(gè)膜1， 2和支撐件3限定的密封腔中的流體4的體積。
[0105] 流體4可以是液體或氣體。
[0106] 在支撐件3的任一側(cè)上錨定膜1和2。
[0107] 有利的是，膜基本上彼此平行地延伸。
[0108] 每個(gè)膜包括相應(yīng)周邊錨定區(qū)域Ic，2c〇
[0109] 每個(gè)膜還包括相應(yīng)的中心部分Ib，2b，其對(duì)應(yīng)于光學(xué)設(shè)備的光場(chǎng)。
[0110] 因此每個(gè)膜包括被稱(chēng)為內(nèi)面的面和被稱(chēng)為外面的相反面，內(nèi)面與流體4接觸，外面 與未提到的第二流體接觸，第二流體可以是環(huán)境空氣。 膜是指任何柔軟且繃緊的膜，使得膜形成流體4和位于膜的相反面上的流體之間 的障礙。
[0112] 在光學(xué)設(shè)備100為透鏡的情況下，其因此以透射方式起作用，兩個(gè)膜1，2對(duì)于光束 (未示出）而言都是透明的，至少在其中心部分lb，2b中是透明的，相繼通過(guò)第一透鏡的中心 部分、流體和第二透鏡的中心部分，該光束意圖通過(guò)透鏡來(lái)傳播。
[0113] 在光學(xué)設(shè)備100為鏡片的情況下，兩個(gè)膜中的一個(gè)膜的中心部分是反射性的。
[0114] 每個(gè)膜1，2能夠在流體4的位移的作用下可逆地從靜止位置(可以是平面或不是平 面)變形，這會(huì)在每個(gè)膜的中心部分的水平高度上改變流體的厚度。
[0115] 膜越柔軟(換言之，硬度越低），由流體位移導(dǎo)致的變形越大。
[0116] 流體4被包封在兩個(gè)膜1，2之間，并產(chǎn)生膜的力學(xué)耦接，使得流體位移的效應(yīng)不能 針對(duì)膜中的每個(gè)膜獨(dú)立評(píng)估，而是要根據(jù)膜中的每個(gè)膜的相應(yīng)屬性進(jìn)行組合。
[0117] 流體4充分不可壓縮，以在流體方向上向膜施加力時(shí)朝設(shè)備的中心部分移動(dòng)，這個(gè) 力被施加于膜的錨定區(qū)域和中心部分之間的中間部分中。
[0118] 支撐件3和膜1和2的形式可有利地是圍繞光軸X的旋轉(zhuǎn)形式，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可選擇任何其他形式而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0119] 在該設(shè)備中，兩個(gè)膜中的至少一個(gè)膜具有致動(dòng)設(shè)備。常規(guī)上，這里考慮被標(biāo)記為1 的第一膜具有致動(dòng)設(shè)備5;標(biāo)記為2的第二膜可具有或不具有致動(dòng)設(shè)備。在圖5A-圖5B和圖 6A-圖6C中所示的實(shí)施方案中，第二膜沒(méi)有致動(dòng)設(shè)備，使得可僅因?yàn)榱黧w4的位移來(lái)產(chǎn)生可 能的變形。而且，盡管被致動(dòng)的膜1被置于設(shè)備的上面上，但應(yīng)當(dāng)理解，也可將其置于設(shè)備的 下面上，膜1和2被互換。
[0120] 致動(dòng)設(shè)備被設(shè)計(jì)成在單一方向變形，即根據(jù)設(shè)備的配置朝流體（以相繼獲得發(fā)散 設(shè)備然后是聚光設(shè)備)或沿流體反方向（以相繼獲得聚光設(shè)備然后是發(fā)散設(shè)備)變形。
[0121] 在其中目的是改變光學(xué)設(shè)備的焦距而無(wú)需偏移入射光束的情況下，致動(dòng)設(shè)備適于 在致動(dòng)區(qū)域的整個(gè)外周上方均勻變形。
[0122] 尤其適于產(chǎn)生單方向的致動(dòng)的致動(dòng)設(shè)備基于壓電技術(shù)。
[0123] 回想壓電致動(dòng)器包括完全或部分夾在兩個(gè)電極之間的壓電材料塊，在兩個(gè)電極被 饋電時(shí)其旨在用于向壓電材料施加電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)用于控制壓電材料塊的力學(xué)變形。壓電 材料塊可以是單層或多層并且延伸超過(guò)一個(gè)電極。
[0124] 該致動(dòng)設(shè)備可包括形式為冠狀的單個(gè)致動(dòng)器或均勻分布于膜外周上方的幾個(gè)獨(dú) 立致動(dòng)器。
[0125] 就此而言，可參考文獻(xiàn)FR2919073、FR2950154和FR2950153中的此類(lèi)致動(dòng)設(shè)備的詳 細(xì)描述。
[0126] 致動(dòng)設(shè)備被布置在位于膜的周邊錨定區(qū)域Ic和中心部分Ib之間的被稱(chēng)為致動(dòng)區(qū) 域的第一膜的區(qū)域Ia中。任選地，致動(dòng)設(shè)備可部分延伸到周邊錨定區(qū)域。
[0127] 在下文所述的附圖中，在第一膜的外面上表示致動(dòng)設(shè)備。然而，本發(fā)明不限于這一 實(shí)施方案，而是可允許將致動(dòng)設(shè)備布置在第一膜的內(nèi)面上，甚至第一膜的內(nèi)部。
[0128] 在圖5A-圖5B以及圖6A-圖6C所示的實(shí)施方案中，假設(shè)在靜止時(shí)，即在第一膜的致 動(dòng)設(shè)備5未被激活時(shí)，第一膜和第二膜是平面的（未示出的配置）。然而，在不脫離本發(fā)明的 范圍的情況下，可設(shè)計(jì)兩個(gè)膜中的每個(gè)膜，使得其在靜止時(shí)具有凸或凹的形式。
[0129] 在該實(shí)施方案中，膜2比膜1的中心部分Ib更柔軟。
[0130] 圖5A和圖5B對(duì)應(yīng)于光學(xué)設(shè)備100的第一實(shí)施方案。
[0131] 圖5A示出了膜1和2在向致動(dòng)設(shè)備5施加小于所確定的閾值的電致動(dòng)電壓導(dǎo)致的流 體4的位移作用下發(fā)生變形。
[0132] 致動(dòng)設(shè)備5使膜1的致動(dòng)區(qū)域Ia朝流體4變形(箭頭方向），并且在硬度足夠的情況 下，膜1的中心部分Ib在相同方向上變形。
[0133] 由于使膜2變形所需的流體壓力過(guò)低而不能使膜1的中心部分Ib變形，因此由第一 膜形成的屈光度是凹面/發(fā)散的，并且由第二膜形成的屈光度是凸面/聚光的。
[0134] 如圖5B中所示，由膜1的變形導(dǎo)致位移的流體的體積（由陰影區(qū)域Vl所示)等于由 膜2的變形吸收的體積（由陰影區(qū)域V2所示）。
[0135] 圖6A和圖6B對(duì)應(yīng)于光學(xué)設(shè)備100的第二實(shí)施方案。
[0136] 從通過(guò)向致動(dòng)設(shè)備5施加大于前述閾值的電致動(dòng)電壓而產(chǎn)生的特定流體壓力（致 動(dòng)方向仍然朝向流體，但被雙向箭頭表示以表示由于相對(duì)于圖5A增大電致動(dòng)電壓而使變形 范圍增大），膜1的中心部分Ib在流體壓力的作用下顯著變形。
[0137] 從圖6A顯然可看出，在由致動(dòng)設(shè)備5導(dǎo)致流體4發(fā)生位移的壓力的作用下，膜1的致 動(dòng)區(qū)域Ia保持在與圖5A中相同的方向上變形，但膜1的中心部分Ib在與圖5A的方向相反的 方向上變形。
[0138] 保持流體體積守恒，但在該實(shí)施方案中，其集成了與第一膜的中心部分Ib的變形 相關(guān)聯(lián)的體積。
[0139] 在圖6A中，陰影區(qū)域VO表示相對(duì)于通過(guò)假設(shè)在膜上未施加任何流體壓力的靜止位 置通過(guò)致動(dòng)膜1而使流體發(fā)生位移的體積。
[0140]在圖6B中，陰影線區(qū)域Vl和V2示出了由兩個(gè)膜的變形吸收的流體體積。由于流體 體積守恒，因此由區(qū)域Vl和V2表示的流體總體積等于由區(qū)域VO表示的流體體積。
[0141]在該第二實(shí)施方案中，由膜1形成的屈光度是平面的或甚至是聚光的。
[0142] 在該第二實(shí)施方案中，兩個(gè)屈光度參與該設(shè)備的焦距的變化并產(chǎn)生焦距的更大的 變化。
[0143] 可以試驗(yàn)方式通過(guò)改變膜的致動(dòng)設(shè)備的電致動(dòng)電壓并測(cè)量觀測(cè)到第一膜的中心 部分的曲線反轉(zhuǎn)的電壓來(lái)確定下文所述的電壓閾值。
[0144] 為了在第一實(shí)施方案和第二實(shí)施方案之間實(shí)現(xiàn)第一膜的中心部分的變形的此類(lèi) 反轉(zhuǎn)，在致動(dòng)設(shè)備仍然在相同方向上變形的情況下，第一膜必須具有足夠的硬度。
[0145] 圖4A和圖4B提供了具有不同程度硬度的膜的兩個(gè)示例，在這里被示出為錨定在支 撐件上但不受流體壓力的影響。在這兩種情況下，假設(shè)膜在靜止時(shí)是平面的。
[0146] 在圖4A中，膜1具有足夠的硬度以執(zhí)行本發(fā)明，這導(dǎo)致在激活膜的致動(dòng)設(shè)備5時(shí)，膜 1的中心部分Ib在其上布置致動(dòng)設(shè)備5的中間區(qū)域Ia的擴(kuò)展區(qū)域中變形。在膜在其整個(gè)可變 形部分上方具有均勻硬度的情況下，合并致動(dòng)區(qū)域Ia和中心部分Ib之間的接合部的任一側(cè) 上的對(duì)膜1的切線。
[0147] 但圖4B示出了具有不足以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬度的膜。與圖4A的膜相反，這種膜僅在 致動(dòng)設(shè)備所在的中間區(qū)域Ia中變形，但其中心部分Ib不發(fā)生變形，并簡(jiǎn)單地通過(guò)相對(duì)于其 靜止位置平移而保持為平面的。
[0148] 更精確地，定義膜1的硬度，使得膜被致動(dòng)時(shí)獲得的曲線(參考圖4A)符合該設(shè)備的 優(yōu)選光學(xué)屬性(發(fā)散、聚光等）（參見(jiàn)稍后闡述的尺寸設(shè)定示例的步驟1)。
[0149] 在存在流體4的情況下，諸如圖4A的充分硬的膜1在流體中產(chǎn)生壓力，連接到由致 動(dòng)設(shè)備5部署的力，并接下來(lái)導(dǎo)致流體移動(dòng)。
[0150] 將此類(lèi)膜耦接到也可變形的膜2產(chǎn)生在圖5A和圖6A中提供的兩種操作模式。
[0151] 為了確保膜1具有足夠的硬度，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可使用精細(xì)元件建模軟件（例 如，Comsol)來(lái)確定膜在致動(dòng)效果（圖4A的配置)作用下的參考變形(無(wú)流體壓力）。
[0152] 為了設(shè)定膜1和2的尺度并調(diào)節(jié)其硬度以獲得優(yōu)選的變形，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可使 用諸如在[11 ]中描述的圓形膜變形模型。
[0153] 均勻施加于膜的流體壓力和膜的不同表示參數(shù)之間的關(guān)系由以下公式給出：
[0154]
[0155] 其中：
[0156] h是該膜的厚度，
[0157] R是受到壓力p作用的膜的半徑，
[0158] 〇r是膜中的殘余應(yīng)力，
[0159] ω是膜的中心處的偏轉(zhuǎn)，
[0160] V是構(gòu)成膜的材料的泊松系數(shù)，E是構(gòu)成膜的材料的楊氏模量。
[0161] 對(duì)于兩個(gè)膜中的每個(gè)膜而言，可調(diào)節(jié)膜中的相關(guān)材料、幾何結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，以根 據(jù)上文所述預(yù)期獲得硬度和變形。
[0162] 在給定壓力下，容易從每個(gè)膜的變形計(jì)算流體體積的守恒。
[0163] 最后，使用與薄透鏡的近似由以下公式給出具有兩個(gè)膜的光學(xué)設(shè)備的光焦度（即， 焦距的倒數(shù)）：
[0164]
[0165] 其中：
[0166] η是流體的折射率，
[0167] R1是由第一膜(中心光學(xué)部分)構(gòu)成的球形屈光度的曲率半徑，
[0168] R2是由第二膜(中心光學(xué)部分)構(gòu)成的球形屈光度的曲率半徑，
[0169] 對(duì)于Rl和R2的符號(hào)慣例，這是針對(duì)雙凸透鏡心>0和1?2〈0(光焦度為正）的情況而言 的。
[0170] 在對(duì)應(yīng)于小于以上閾值的膜1的致動(dòng)設(shè)備5的電致動(dòng)電壓的第一實(shí)施方案中，根據(jù) 第一膜和第二膜的相應(yīng)尺寸設(shè)定可獲得很多光學(xué)配置。
[0171] 圖7A和圖7B示出了光學(xué)設(shè)備100的一個(gè)實(shí)施方案，其中膜1和2具有基本上相同的 幾何結(jié)構(gòu)，尤其是基本上相等的直徑。
[0172] 顯然，"直徑"表示膜的可變形部分的直徑，該可變形部分包括中心部分，并且如果 需要，還包括致動(dòng)區(qū)域，但不包括固定的周邊錨定區(qū)域。
[0173] 這里在其第一實(shí)施方案中示出了設(shè)備100。
[0174] 在膜1和2的幾何結(jié)構(gòu)基本上相同的情況下(尤其是相對(duì)于其直徑而言），兩個(gè)屈光 度的曲線基本上相等。
[0175] 因此，所得的光焦度不是非常高，但可進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。
[0176] 而且，此類(lèi)光學(xué)配置具有除光焦度的單獨(dú)變化之外的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，通過(guò)充分調(diào)節(jié) 兩個(gè)膜之間的流體厚度以及與兩個(gè)膜的每個(gè)相關(guān)聯(lián)的焦距來(lái)設(shè)定設(shè)備的尺寸可例如產(chǎn)生 對(duì)放大率具有作用的焦外光學(xué)設(shè)備。
[0177] 根據(jù)其他實(shí)施方案，兩個(gè)膜的幾何結(jié)構(gòu)(尤其是直徑)可適于在第一實(shí)施方案中優(yōu) 選地產(chǎn)生發(fā)散凹凸透鏡或聚光凹凸透鏡的配置。
[0178] 圖8A和圖8B示出了光學(xué)設(shè)備100,其中膜1的直徑小于膜2的直徑。
[0179]如圖8A和圖8B所示，為了獲得發(fā)散透鏡，在第一實(shí)施方案中，必須要使由膜2形成 的屈光度的聚光曲線最小化，并且必須要使由膜1形成的屈光度的曲線最大化。對(duì)于相同體 積的流體4(圖8B中的陰影區(qū)域Vl和V2表示相等的體積），通過(guò)相對(duì)于圖6A的設(shè)備增大膜2的 直徑并減小被致動(dòng)的膜1的直徑而獲得發(fā)散配置。
[0180] 相反，如圖9A和圖9B所示，為了獲得聚光透鏡，在第一實(shí)施方案中，必須要使由膜2 形成的屈光度聚的光曲線最大化，并且必須要使由膜1形成的屈光度的曲線最小化。對(duì)于相 同體積的流體4(圖9B中的陰影區(qū)域Vl和V2表示相等的體積），通過(guò)相對(duì)于圖7A的設(shè)備減小 膜2的直徑并增大被致動(dòng)的膜1的直徑而獲得此類(lèi)發(fā)散配置。
[0181] 因此，圖8A和圖9A中所示的設(shè)備的光焦度遠(yuǎn)高于圖7A的設(shè)備的光焦度。
[0182] 在第二實(shí)施方案中，其中第一膜的致動(dòng)設(shè)備的電致動(dòng)電壓大于以上閾值(雙向箭 頭），根據(jù)第一膜和第二膜的相應(yīng)尺寸設(shè)定也可獲得很多光學(xué)配置。
[0183]例如，在第二實(shí)施方案中，圖7A、圖8A和圖9B中所不的光學(xué)設(shè)備的不同幾何配置產(chǎn) 生了非常不同的聚光光焦度(平面凸透鏡、對(duì)稱(chēng)雙凸透鏡，或甚至不對(duì)稱(chēng)雙凸透鏡）。
[0184] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，為了增大第二實(shí)施方案中的設(shè)備的光焦度，可能有 利的是還為第二膜提供致動(dòng)設(shè)備。
[0185] 圖IOA和圖IOB示出了包括在膜2的周邊錨定區(qū)域2c和中心部分2b之間的中間膜的 區(qū)域2a上布置的膜2的致動(dòng)設(shè)備5'的光學(xué)設(shè)備100。
[0186] 如先前描述的實(shí)施方案中那樣，始終為膜1提供致動(dòng)設(shè)備5。
[0187] 在第一實(shí)施方案中（設(shè)備5的電致動(dòng)電壓低于以上閾值），不激活致動(dòng)設(shè)備5'，并且 因此膜2如前面參考圖5A所述那樣來(lái)執(zhí)行(參見(jiàn)圖10A)。
[0188] 在第二實(shí)施方案中（參考圖10B)，激活致動(dòng)設(shè)備5'以增大流體4的壓力，并相對(duì)于 圖6B的配置加強(qiáng)由膜2形成的屈光度的聚光變形。
[0189] 第二膜的致動(dòng)設(shè)備5'可類(lèi)似于第一膜，即基于單個(gè)方向上的相同的致動(dòng)技術(shù)。
[0190] 然而，還可設(shè)計(jì)設(shè)備5'，使得與能夠在兩個(gè)相反方向上變形的設(shè)備5相反。
[0191] 因此，在第一操作階段中，設(shè)備5'在與設(shè)備5的相同方向上因此在與流體4的相反 方向上被激活，以吸收由膜1使流體發(fā)生位移的體積，并保持屈光度對(duì)應(yīng)于第二不變的膜 (有利的是，其為平面）。
[0192] 然后，在第二操作階段中，在相反方向上激活設(shè)備5'，尤其是朝流體4,以加強(qiáng)光學(xué) 設(shè)備的焦距的變化。
[0193] 圖IlA至圖IlC示出了光學(xué)設(shè)備的其他配置，其中兩個(gè)膜被致動(dòng)。在其第二實(shí)施方 案中示出了該設(shè)備。
[0194] 在圖IlA中，被致動(dòng)的膜1形成平面屈光度，并且在與膜1相反的方向上被致動(dòng)的膜 2形成聚光凹凸透鏡。
[0195] 在圖IlB中，被致動(dòng)的膜1形成聚光凹凸透鏡，并且在與膜1相反方向上被致動(dòng)的膜 2形成聚光凹凸透鏡。
[0196] 在圖IlC中，被致動(dòng)的膜1形成比圖IlB更聚光的凹凸透鏡，并且在與膜1相反方向 上被致動(dòng)的膜2形成比圖IlB更聚光的凹凸透鏡。
[0197] 在前述示例中，第一膜在第一實(shí)施方案中形成發(fā)散屈光度，然后在第二實(shí)施方案 中形成平面，然后形成發(fā)散屈光度。
[0198]然而，如圖12A和圖12B所示，還可行的方式是使用在與流體4相反的單個(gè)方向上操 作的致動(dòng)設(shè)備5,與前面的示例相反，第一膜1在第一實(shí)施方案中形成聚光屈光度(參考圖 12A)，然后在第二實(shí)施方案中形成平面，然后形成發(fā)散屈光度(參考圖12B)。
[0199] 因此有大量的可能的組合，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠從中定義最適合優(yōu)選應(yīng)用程序 和優(yōu)選性能的那些組合。
[0200] 優(yōu)選地，兩個(gè)膜的光軸對(duì)準(zhǔn)，但在其他實(shí)施方案中也可不對(duì)準(zhǔn)光軸。
[0201] 而且，該光學(xué)設(shè)備可包括超過(guò)兩個(gè)膜的堆棧，膜通過(guò)保持在兩個(gè)連貫?zāi)ぶg的流 體體積而力學(xué)地耦接，其中在兩對(duì)膜之間的流體的性質(zhì)可不同。
[0202] 任選地，光學(xué)設(shè)備可包括在兩個(gè)膜之間具有光學(xué)功能(例如，隔膜、紅外濾波器等） 的襯底。該襯底限定兩個(gè)流體腔。為了保持由兩個(gè)膜上的流體施加的力學(xué)耦接，確保襯底能 夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)腔體到另一個(gè)腔體的流體通道，以便在兩個(gè)腔體中獲得相等的流體壓力。為 此目的，在襯底中提供了一個(gè)或多個(gè)足夠大尺度的開(kāi)口。
[0203] 可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的微電子技術(shù)來(lái)制造光學(xué)設(shè)備，尤其是汽相化學(xué)沉積 型、汽相物理沉積、電沉積、外延、熱氧化、蒸鍍、膜層壓等用于薄層沉積的技術(shù)。而且，在支 撐件上錨定膜可涉及粘附技術(shù)。
[0204] 膜1，2可基于有機(jī)材料制造，諸如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對(duì)苯二 甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚對(duì)二甲苯、環(huán)氧樹(shù)脂、光敏聚合物、硅樹(shù)脂或礦物質(zhì)材料諸如 硅、氧化硅、氮化硅、多晶硅、金剛石碳。膜可包括相同材料的單層或不同材料的層堆棧。
[0205] 而且，膜可在其材料表面的每一個(gè)點(diǎn)處具有相同的硬度，或相反，在不同區(qū)域中具 有不同程度的硬度。在這種情況下，必須要考慮較早公開(kāi)的硬度條件的為該中心部分。
[0206] 流體4可以是液體諸如碳酸丙二酯、水、折射率液體、光學(xué)油或離子液體、有機(jī)硅 油、具有高熱穩(wěn)定性和低飽和蒸汽壓的惰性液體。
[0207] 該流體可任選地為主要用于工作在反射模式中的光學(xué)設(shè)備的氣體，諸如空氣、氮 氣或氦氣。
[0208] 如果光學(xué)設(shè)備工作在透射模式中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將根據(jù)優(yōu)選光學(xué)性能來(lái)選擇 流體的折射率。
[0209] 根據(jù)本發(fā)明有利的實(shí)施方案，該光學(xué)設(shè)備可并入由于設(shè)備受到溫度變化而產(chǎn)生的 焦距的變化的補(bǔ)償裝置。實(shí)際上，不同部件之間的熱膨脹系數(shù)的差異可能導(dǎo)致在溫度改變 很大時(shí)光學(xué)設(shè)備的焦距發(fā)生改變。
[0210] 在文檔W02011/032925中詳細(xì)描述了此類(lèi)補(bǔ)償裝置。
[0211]光學(xué)設(shè)備的示例性實(shí)施方案
[0212] 例如，可根據(jù)以下方法來(lái)制造設(shè)備100。
[0213] 首先產(chǎn)生各自由硅襯底和膜形成的兩個(gè)子組件。就此而言，可參考描述了此類(lèi)這 種子組件的制造方法的文檔FR 2962557。
[0214] 每個(gè)膜的材料有利地為聚合物(諸如硅氧烷樹(shù)脂)或礦物質(zhì)材料(諸如氧化硅、多 晶硅、氮化硅）。
[0215] 制造每個(gè)膜涉及控制膜中的殘余應(yīng)力，使其不會(huì)過(guò)度受壓（以避免膜破裂)或過(guò)度 受到張力（以避免其隨之變形）。有利的是，每個(gè)膜中的殘余應(yīng)力稍帶張力。
[0216] 第一膜的致動(dòng)設(shè)備有利的為壓電設(shè)備，優(yōu)選地基于PZT。
[0217] 接下來(lái)，通過(guò)封裝流體來(lái)組裝兩個(gè)子組件。
[0218] 這種技術(shù)常規(guī)上用于制造IXD屏幕，因此這里將不再詳細(xì)描述。
[0219] 有利的是，使用粘合劑組裝兩個(gè)襯底并確保它們之間分開(kāi)的距離。
[0220] 事先在襯底中的一個(gè)襯底上散布流體，例如折射液體或光學(xué)油脂。
[0221 ]最后，通過(guò)在中心部分和致動(dòng)區(qū)域中蝕刻硅襯底而相繼釋放兩個(gè)膜。
[0222]設(shè)定光學(xué)設(shè)備的第一膜和第二膜尺寸的示例。
[0223] 下文將詳細(xì)描述一種用于設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)備的方法，該光學(xué)設(shè)備在靜止時(shí)具有零光焦 度，在致動(dòng)第一膜期間，相繼變成發(fā)散的然后是聚光的。
[0224] 步驟1:對(duì)第一膜的半徑的選擇
[0225] 為了獲得優(yōu)選光學(xué)性能，第一步由限定第一膜的半徑和所需偏轉(zhuǎn)及曲線構(gòu)成。
[0226] 例如，通過(guò)Imm半徑的膜，85μπι的膜偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于液體折射率為1.5的-85屈光度的焦 距的變化(相對(duì)于到無(wú)限遠(yuǎn)的靜止位置平面并且針對(duì)膜朝液體的偏轉(zhuǎn)）。
[0227] 在這個(gè)第一步驟中，必須要過(guò)度評(píng)估光焦度的優(yōu)選變化，因?yàn)樗鼈冏罱K會(huì)更小。實(shí) 際上，它們受到第二膜的效應(yīng)的影響：參考在完成下文所述示例的尺寸的計(jì)算時(shí)，從-85屈 光度最終偏移到-7屈光度。
[0228] 首先，近似根據(jù)膜的總半徑來(lái)確定膜上的致動(dòng)區(qū)域的寬度。
[0229] 對(duì)于Imm的半徑，首先將致動(dòng)區(qū)域的這個(gè)寬度固定在500μηι。
[0230] 從上文定義的幾何要素(膜的半徑，致動(dòng)區(qū)域的寬度），并根據(jù)第一膜的固有屬性 (楊氏模量、泊松系數(shù)、內(nèi)部約束)及其厚度，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)來(lái)確定這個(gè)膜的致動(dòng)，以獲得優(yōu) 選偏轉(zhuǎn)和彎曲。
[0231] 實(shí)際上，通過(guò)位于這個(gè)膜周邊上的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器的作用來(lái)獲得在沒(méi)有圖4Α中 呈現(xiàn)的流體時(shí)的第一膜的變形形狀。使致動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力以獲得此類(lèi)變形形狀的一個(gè)示例 是施加到膜的屈曲轉(zhuǎn)矩。
[0232] 可通過(guò)使用[13]中詳述的公式或通過(guò)完成的元件(例如，利用軟件CM0S0L)進(jìn)行模 擬可確定根據(jù)膜的幾何結(jié)構(gòu)(厚度、直徑)和膜的屬性(楊氏模量、內(nèi)部約束）向膜施加，以在 沒(méi)有流體時(shí)獲得所需變形形狀的轉(zhuǎn)矩。
[0233] 可通過(guò)使用本領(lǐng)域的狀態(tài)的技術(shù)設(shè)定來(lái)壓電致動(dòng)的大小。
[0234] 對(duì)于壓電致動(dòng)而言，例如可參考[14]或[15]中詳述的模型。
[0235] 因此，對(duì)于給定的致動(dòng)設(shè)備（以及施加到該設(shè)備的電壓），可確定該膜的相關(guān)聯(lián)的 彎曲。
[0236] 由于本發(fā)明不與致動(dòng)技術(shù)相關(guān)聯(lián)，因此這里不詳細(xì)描述設(shè)備該部分的尺寸設(shè)定， 這在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)。
[0237] 在這里給出的示例中，第一膜的屬性是：IOOMPa的楊氏模量、0.35的泊松系數(shù)、200 ym的厚度和0 · 5MPa的內(nèi)部約束。
[0238] 步驟2:對(duì)第二膜的半徑的選擇
[0239] 首先，假設(shè)在致動(dòng)第一膜的作用下，由第一膜捕捉的所有流體使第二膜變形。
[0240] 用于第二膜的半徑直接影響設(shè)備的光焦度。為了具有發(fā)散設(shè)備，第二膜的半徑必 須要大于第一膜的半徑，如圖8A中所示。對(duì)于第二膜1.1mm的半徑，與第一膜85μπι的偏轉(zhuǎn)相 關(guān)聯(lián)的設(shè)備光焦度不再是-85屈光度而是-26屈光度。
[0241]步驟3:對(duì)第二膜的力學(xué)屬性的選擇
[0242] 選擇第二膜的屬性(楊氏模量Ε、泊松系數(shù)V、內(nèi)部約束~），使得在給定其半徑和所 需偏轉(zhuǎn)的情況下，其行為是非線性的。
[0243] 實(shí)際上必要的是，在致動(dòng)第一膜期間并且在流體壓力的作用下，第二膜的偏轉(zhuǎn)在 一定程度上飽和，使得第一膜的中心能夠變形(流體在第一膜上的反作用）。如果ω是第二 膜的偏轉(zhuǎn)，R是其半徑，在如下情況下，非線性在第二膜的偏轉(zhuǎn)中變得占有優(yōu)勢(shì)：
[0244]
[0245] 給定兩個(gè)第一步中使用的數(shù)據(jù)，為第二膜選擇230GPa的楊氏模量、0.35的泊松系 數(shù)和0.5MPa的內(nèi)部約束。
[0246] -旦定義了第二膜的固有屬性，便需要固定其厚度以確定在第一膜致動(dòng)整個(gè)期間 的腔體中的對(duì)應(yīng)流體壓力的范圍。
[0247] 可能必須要用迭代方式來(lái)固定第二膜的厚度，因?yàn)楸仨氁业揭环N折中。
[0248] 實(shí)際上，如果第二膜的厚度太小，在致動(dòng)第一膜導(dǎo)致的流體壓力的作用下，僅有第 二膜變形。光學(xué)設(shè)備將始終為發(fā)散的(第一膜的中心部分沒(méi)有反作用）。
[0249] 如果第二膜的厚度過(guò)大，第二膜無(wú)法充分變形，并且從第一膜開(kāi)始致動(dòng)，第一膜的 中心部分便發(fā)生反作用。那么，光學(xué)設(shè)備始終是聚光的。
[0250] 但是應(yīng)當(dāng)指出，致動(dòng)設(shè)備貢獻(xiàn)的光焦度必須足夠大，以產(chǎn)生腔體中所需的壓力。 [0251 ]在當(dāng)前的示例中，用于第二膜的厚度是ΙΟμπι。
[0252] 步驟4:對(duì)每個(gè)膜的變形形狀的更新
[0253]利用諸如前面計(jì)算的流體壓力，在流體壓力和相關(guān)聯(lián)的流體體積下，計(jì)算第一膜 的中心部分和第二膜的變形。
[0254] 步驟5:對(duì)第一膜的致動(dòng)的更新
[0255]重新計(jì)算第一膜的相關(guān)聯(lián)的偏轉(zhuǎn)，這次給定第一膜的中心部分的反作用和變形。
[0256] 在當(dāng)前的示例中，初始計(jì)算的處在85μπι的偏轉(zhuǎn)偏移到87μπι。
[0257] 更新在步驟1中確定的數(shù)據(jù)(致動(dòng)設(shè)備的尺寸和寬度，第一膜的固有屬性)可任選 地在這個(gè)步驟中執(zhí)行。
[0258] 圖13中示出了由這種方法獲得的結(jié)果，圖13示出了在沒(méi)有流體的致動(dòng)情況下，設(shè) 備的光焦度（以屈光度為單位)根據(jù)第一膜偏轉(zhuǎn)ω的變化。
[0259] 圖14示出了在均勻流體壓力下的膜的變形。上方曲線ω 2表示膜2的變形，下方曲 線ω?表示膜1的變形。中間曲線ω 3表示通過(guò)重新調(diào)節(jié)其直徑為膜1的中心部分的直徑尺度 而產(chǎn)生膜2的變形，以允許比較相等尺寸下的硬度。
[0260]諸如上文所述的光學(xué)設(shè)備能夠有利地并入包括縮放功能的成像設(shè)備中。
[0261] 僅通過(guò)例示的方式，圖15示出了一種成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)，該成像設(shè)備包括固定焦距 SI，S2的透鏡、液體透鏡LI，L2和濾波器F，圖像平面由標(biāo)記I來(lái)指定。
[0262] 該設(shè)備的液體透鏡LI，L2中的至少一個(gè)液體透鏡可以是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備。
[0263] 此類(lèi)成像設(shè)備有很多其他可能的配置，本發(fā)明不限于后者。
[0264] 參考文獻(xiàn)
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【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有焦距變化的光學(xué)設(shè)備（loo)，包括： -第一可變形膜（1)， -第二可變形膜(2)， -支撐件(3)，所述膜（1，2)中的每個(gè)膜的相應(yīng)周邊錨定區(qū)域（lc)被連接到所述支撐件 ⑶， -恒定體積的流體(4)，所述恒定體積的流體(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之 間，所述流體(4)產(chǎn)生所述第一膜和所述第二膜的力學(xué)耦接， -第一膜的位于所述第一膜（1)的錨定區(qū)域（lc)和中心部分（lb)之間的區(qū)域（la)的致 動(dòng)設(shè)備(5)，所述致動(dòng)設(shè)備(5)被配置為通過(guò)在單一偏轉(zhuǎn)方向上施加電致動(dòng)電壓而變形，以 便使流體體積中的一些流體體積發(fā)生位移，流體的所述位移易于使得所述第一膜的所述中 心部分(lb)變形， 所述光學(xué)設(shè)備（100)的特征在于所述第一膜（1)的所述中心部分（lb)具有足夠的硬度， 使得： -從其中所述致動(dòng)設(shè)備（5)不活動(dòng)的靜止位置，在向所述致動(dòng)設(shè)備（5)施加小于閾值的 電致動(dòng)電壓時(shí)，所述第一膜(1)僅在第一方向上變形，并且所述第二膜(2)變形，以吸收由所 述第一膜(1)的變形導(dǎo)致的流體位移，以便使所述第一膜上的流體的壓力最小化，以及 -在向所述致動(dòng)設(shè)備（5)施加大于所述閾值的電致動(dòng)電壓時(shí)，所述第一膜的致動(dòng)區(qū)域 (la)保持在所述第一方向上變形，在被所述致動(dòng)設(shè)備(5)位移的流體(4)的壓力的作用下， 所述第一膜(1)的所述中心部分(lb)在與所述第一方向相反的第二方向上變形。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述第二膜(2)表現(xiàn)出比所述第一膜的所述 中心部分(1 b)更小的硬度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于其進(jìn)一步包括第二膜的位于所述 第二膜的所述錨定區(qū)域(2c)和中心部分(2b)之間的致動(dòng)區(qū)域(2a)的致動(dòng)設(shè)備(5'），所述致 動(dòng)設(shè)備(5'）被配置為通過(guò)施加電致動(dòng)電壓而變形。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于所述第二膜(2)的所述致動(dòng)設(shè)備(5'）能夠根 據(jù)被施加到所述設(shè)備的所述電致動(dòng)電壓而在兩個(gè)相反方向上變形。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于在其靜止配置中，所述第一膜（1) 的所述中心部分(lb)是平面的。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于其包括在兩個(gè)膜之間延伸并包括至少一個(gè) 流體通道開(kāi)口的襯底，使得在所述襯底的任一側(cè)上流體壓力相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一膜和/或所述第二膜的 材料是硅氧烷樹(shù)脂或包含硅的礦物質(zhì)材料。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一膜的所述致動(dòng)設(shè)備(5) 包括至少一個(gè)壓電致動(dòng)器。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一膜或所述第二膜是反射 的。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于選擇所述第一膜的硬度，使得在 所述第一膜上未施加流體壓力時(shí)向所述致動(dòng)設(shè)備(5)施加電致動(dòng)電壓，使得第一膜的致動(dòng) 區(qū)域(la)和所述中心部分(lb)變形，所述致動(dòng)區(qū)域(la)和所述中心部分(lb)之間的接合部 的任一側(cè)上的對(duì)所述第一膜的切線被組合。11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一膜的可變形部分（la， lb)的直徑不同于所述第二膜的可變形部分(2a，2b)的直徑。12. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一膜的可變形部分（la， lb)的直徑與所述第二膜的可變形部分(2a，2b)的直徑相同。13. -種成像設(shè)備，所述成像設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中一項(xiàng)所述的至少一個(gè)光學(xué) 設(shè)備(100)。14. 一種用于光學(xué)設(shè)備（100)的焦距變化的方法，所述光學(xué)設(shè)備包括： -第一可變形膜（1)， -第二可變形膜(2)， -支撐件(3)，所述膜（1，2)中的每個(gè)膜的相應(yīng)周邊錨定區(qū)域（lc，2c)被連接到所述支撐 件⑶， -恒定體積的流體(4)，所述恒定體積的流體(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之 間，所述流體(4)產(chǎn)生所述第一膜和所述第二膜的力學(xué)耦接， -第一膜（1)的位于所述第一膜的所述周邊錨定區(qū)域（lc)和中心部分（lb)之間的區(qū)域 (la)的致動(dòng)設(shè)備(5)，所述致動(dòng)設(shè)備(5)被配置為通過(guò)在單個(gè)偏轉(zhuǎn)方向上施加電致動(dòng)電壓而 變形， 所述方法的特征在于其包括： -向所述致動(dòng)設(shè)備（5)施加小于閾值的第一電致動(dòng)電壓，從而導(dǎo)致所述第一膜（1)在第 一方向上變形，而所述第二膜(2)變形，以吸收由所述第一膜(1)的變形導(dǎo)致的流體位移，以 便使所述第一膜上的流體壓力最小化， -向所述致動(dòng)設(shè)備(5)施加大于所述閾值的第二電致動(dòng)電壓，從而導(dǎo)致在被所述致動(dòng)設(shè) 備(5)位移的流體的壓力的作用下，所述第一膜的所述中心部分（lb)在與所述第一方向相 反的第二方向上變形，所述第一膜的致動(dòng)區(qū)域(la)保持在所述第一方向上變形。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于： -在靜止時(shí)，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度， -施加所述第一電致動(dòng)電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)和所述中心部分（lb)朝所述流 體(4)變形，所述第二膜在與所述流體(4)相反的方向上變形，使得第一膜的中心部分形成 發(fā)散屈光度，并且第二膜形成聚光屈光度， -施加所述第二電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)朝所述流體變形，所述流體(4)的位移 使得所述中心部分（lb)在與所述流體(4)相反的方向上變形，使得所述兩個(gè)膜中的每個(gè)膜 的所述中心部分形成聚光屈光度。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述第一膜的可變形部分（la，lb)的直徑 小于所述第二膜的可變形部分(2a，2b)的直徑，并且在于： -在靜止時(shí)，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度， -施加所述第一電致動(dòng)電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)和所述中心部分（lb)朝所述流 體(4)變形，所述第二膜在與所述流體(4)相反的方向上變形，使得所述光學(xué)設(shè)備形成發(fā)散 凹凸透鏡。17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述第一膜的可變形部分（la，lb)的直徑 大于所述第二膜的可變形部分(2a，2b)的直徑，并且在于： -在靜止時(shí)，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度， -施加所述第一電致動(dòng)電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)和所述中心部分（lb)朝所述流 體(4)變形，所述第二膜在與所述流體(4)相反的方向上變形，使得所述光學(xué)設(shè)備形成聚光 凹凸透鏡。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述光學(xué)設(shè)備包括第二膜的位于所述第 二膜的錨定區(qū)域(2c)和中心部分(2b)之間的致動(dòng)區(qū)域(2a)的致動(dòng)設(shè)備(5'），所述致動(dòng)設(shè)備 (5 '）被配置為通過(guò)施加電致動(dòng)電壓而變形，并且在于： -在靜止時(shí)，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度， -向所述第一膜的致動(dòng)設(shè)備(5)施加所述第一電致動(dòng)電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)和 所述中心部分（lb)朝所述流體(4)變形，而無(wú)需向所述第二膜的所述致動(dòng)設(shè)備(5'）施加電 致動(dòng)電壓，所述第二膜在與所述流體(4)相反的方向上變形，使得所述第一膜的所述中心部 分形成發(fā)散屈光度，并且所述第二膜形成聚光屈光度， -向所述第一膜的致動(dòng)設(shè)備(5)施加所述第二電致動(dòng)電壓，以便使所述致動(dòng)區(qū)域（la)朝 所述流體(4)變形，并且向所述第二膜的所述致動(dòng)設(shè)備(5'）朝所述流體施加電致動(dòng)電壓，以 便增大由所述第二膜的所述中心部分形成的屈光度的聚光性。
【文檔編號(hào)】G02B3/14GK106062586SQ201480068912
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2014年12月18日
【發(fā)明人】S·博里斯
【申請(qǐng)人】韋伯斯特資本有限責(zé)任公司