專利名稱：電活性光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)整光學(xué)裝置，特別地涉及一種電活性光加擾器，用于操作和制造這種裝置的方法、以及這種裝置在光加擾或透鏡定位方面的使用。
背景技術(shù)：
電活性光學(xué)裝置是使用電活性效應(yīng)的光學(xué)裝置。術(shù)語“電活性效應(yīng)，，描述電場誘導(dǎo)的固體或液體的變形。在電場中由于電極之間的庫侖力和/或由于電離子和/或多極子(特別地，偶極子)的重新排列能夠?qū)е滤鲎冃?。電活性材料的例子是電介質(zhì)彈性體、電致伸縮弛豫鐵電聚合物、壓電聚合物(PVDF)、 液晶彈性體(熱)、離子聚合物金屬復(fù)合材料和機(jī)械化學(xué)聚合物/凝膠。已知多種光學(xué)光加擾器。例如，為了抑制散斑噪聲(speckle noise)，使用激光的JP 07197111-A的曝光照明設(shè)備在它的光學(xué)系統(tǒng)中包括能夠旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散板(diffuser plate)，從而擴(kuò)散板可以把相干光轉(zhuǎn)換成非相干光。此外，使用激光的JP 06-208089的投影顯示設(shè)備在它的光學(xué)系統(tǒng)中包括可移動擴(kuò)散板(該擴(kuò)散板能夠旋轉(zhuǎn)和/或振動等)，從而擴(kuò)散板可以把相干光轉(zhuǎn)換成非相干光。例如，WO 2006/098281 (US 2008/198334)描述了反射器元件，該反射器元件反射準(zhǔn)直相干光并且能夠平行于與所述反射器元件的反射器表面正交的方向振動；和反射器元件驅(qū)動單元，該反射器元件驅(qū)動單元在振動運動中驅(qū)動該反射器元件。這種裝置包括制造過程復(fù)雜而昂貴的元件驅(qū)動單元和需要比透射光學(xué)光加擾器更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計的反射器元件。WO 2007/07M11描述了一種電活性照相機(jī)光闌，其中通過施加的電場收縮或擴(kuò)展光圈。光圈由該裝置的軟的非透明的電極形成。該文獻(xiàn)描述了這樣一種裝置在該裝置中， 透鏡或環(huán)沿相對于聚合物膜的平面的橫向方向移動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種改進(jìn)的光學(xué)裝置，特別地是光加擾器。這個目的通過權(quán)利要求1的光學(xué)裝置實現(xiàn)。為此，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置包括優(yōu)選地預(yù)拉伸的聚合物膜，布置在平面中并且包括第一表面和第二表面，第一電極，位于所述第一表面上，第二電極，位于所述第二表面上，以及剛性光學(xué)元件，連接到聚合物膜的所述第一表面和/或第二表面。把電壓施加于電極使光學(xué)元件基本上沿著聚合物膜的平面移位。換句話說，該裝置構(gòu)造為使得當(dāng)在第一和第二電極之間施加電壓差時，電極之間的軸向距離由于庫侖力 (麥克斯韋應(yīng)力)而改變，即它增加或減小，從而導(dǎo)致聚合物膜沿平面方向(即，沿平行于聚合物膜的方向)改變尺寸。這種平面變形被傳遞到具有剛性光學(xué)元件的區(qū)域，引起該剛性光學(xué)元件的橫向移位，即沿平行于聚合物膜的方向的移位，從而導(dǎo)致該裝置的光學(xué)特性的改變。由于光學(xué)元件直接與電活性聚合物膜接觸，所以該裝置具有小尺寸。另外，由于庫侖力能夠引起聚合物膜的較大橫向變形，所以能夠以低頻實現(xiàn)例如用于光加擾的光學(xué)元件的移位，由此防止可聽范圍中的致動頻率(actuation frequency)并且保證無噪聲操作。由于聚合物膜的平面伸長取決于在電極之間施加的電壓差，所以能夠容易地控制光學(xué)元件的移位。特別地，該光學(xué)元件是光學(xué)擴(kuò)散器，折射、反射或衍射結(jié)構(gòu)。通過改變剛性光學(xué)元件的橫向位置，該光學(xué)裝置能夠因此用于光加擾或用于任何其它光操作。在有利的實施例中，光學(xué)元件由塑料制成，特別地由聚合物(例如，聚甲基丙烯酸甲脂或聚碳酸酯)或玻璃制成。這些材料具有導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量和抵抗聚合物的變形的能力之間的良好折衷的特性。根據(jù)所期望的應(yīng)用，光學(xué)元件還能夠例如由結(jié)晶體材料(特別地，單晶體)制成。有利地，聚合物膜具有大于IOOnm和/或小于Imm的厚度。低于IOOnm的厚度使得難以制造該裝置，而高于Imm的厚度對于給定移位需要把大電壓施加于電極。在有利的實施例中，聚合物膜由聚合物(例如，Dow Corning的PDMS Sylgard 186 或Litway的Optical Gel 0G-1001)或丙烯酸電介質(zhì)彈性體制成。這些材料允許實質(zhì)的變形，從而光學(xué)元件能夠被移位較大距離。在非常緊湊的實施例中，第一和第二電極與所述光學(xué)元件橫向地相鄰和/或與周圍的保持框架相隔距離d>0。在可替換的實施例中，第一和第二電極與光學(xué)元件和周圍的保持框架相隔橫向距離d > 0。這種設(shè)計具有這樣的優(yōu)點它減小了聚合物膜中的機(jī)械應(yīng)力。本發(fā)明還涉及夾在兩個電極之間的聚合物膜，所述兩個電極預(yù)期用于接收電壓差，以便與所述聚合物膜接觸的剛性光學(xué)元件橫向移位。這種膜的電活性和聚合物膜相對于電極的特定布置有利地用于剛性光學(xué)元件在電控制下的移位。有利地，如下面實施例中所示，聚合物的平面包括第一和第二非重疊部分，其中， 電極布置在第一部分中，并且光學(xué)元件布置在第二部分中。這樣允許在把電壓施加于電極時獲得最大的位移量。電極和光學(xué)元件之間的任何實質(zhì)重疊減小該裝置的效率，因為聚合物膜在剛性光學(xué)元件的區(qū)域中不變形。本發(fā)明還涉及一種用于操作光學(xué)裝置的方法，所述光學(xué)裝置包括具有第一表面和第二表面的聚合物膜、位于所述第一表面上的第一電極、位于所述第二表面上的第二電極和連接到所述聚合物膜的剛性的不可變形的光學(xué)元件。所述方法包括下述步驟在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓差，由此使所述剛性光學(xué)元件基本上沿平行于所述聚合物膜的平面移位。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的實施例可以通過包括下述步驟的過程來獲得把聚合物膜拉伸一定量，例如，沿χ方向拉伸200%和沿y方向拉伸300% ；
把聚合物膜附著到保持裝置，例如，包圍框架架；在聚合物膜的第一表面上施加第一電極；在聚合物膜的第二表面上施加第二電極；把由在機(jī)械方面比聚合物膜硬的材料構(gòu)成的剛性光學(xué)元件與所述電極中的至少一個相鄰地施加于聚合物膜的至少一個表面。制造過程的第二實施例包括下述步驟把剛性光學(xué)元件放置在支撐表面上；在該剛性光學(xué)元件上分配聚合物并使該聚合物至少部分地固化以形成聚合物膜；從所述支撐表面去除由所述步驟a)和b)獲得的組件并預(yù)拉伸具有剛性光學(xué)元件的聚合物膜；把聚合物膜附著到保持裝置，例如，包圍框架；在聚合物膜的第一表面上施加第一電極；以及在聚合物膜的第二表面上施加第二電極。以下將給出本發(fā)明的詳細(xì)解釋和其它方面。


當(dāng)考慮下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述時，將會更好地理解本發(fā)明并且除以上闡述的目的之外的目的將會變得清楚。這種描述參照了附圖，在附圖中圖IA圖示在第一狀態(tài)下根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第一實施例，圖IB圖示在第二狀態(tài)下的第一實施例，圖IC以頂視示第一實施例，圖ID圖示第一實施例的替換方案，圖2A圖示在第一狀態(tài)下根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第二實施例，圖2B圖示在第二狀態(tài)下的第二實施例，圖2C圖示在第三狀態(tài)下的第二實施例，圖2D以頂視示第三實施例，圖2E圖示在第三狀態(tài)下的第三實施例，圖2F以側(cè)視示第二實施例的替換方案，圖2G以頂視示第二實施例的替換方案。
具體實施例方式定義術(shù)語“軸向”通常用于表示在聚合物膜的松弛狀態(tài)下垂直于聚合物膜的表面的方向，它對應(yīng)于與在一些附圖中示出的光軸AA平行的方向。術(shù)語“橫向”用于指示垂直于軸向方向的方向，即平行于聚合物膜的方向。術(shù)語“剛性的不可變形的光學(xué)元件”表示比聚合物膜硬得多的元件，S卩，該元件具有超過聚合物膜的楊氏模量的至少10倍(特別地，至少100倍)的楊氏模量。介紹
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本發(fā)明使用由麥克斯韋應(yīng)力誘導(dǎo)的變形導(dǎo)致的移位。這種現(xiàn)象與夾在兩個柔性電極(compliant electrode)之間的聚合物材料的變形相關(guān)。當(dāng)電壓被施加于所述電極之間時，由自由電荷導(dǎo)致的靜電力擠壓和拉伸聚合物。本發(fā)明能夠被實現(xiàn)為多種形式，例如，被實現(xiàn)為電活性光加擾器或者被實現(xiàn)為電活性光學(xué)元件移位裝置。在下面，對這些應(yīng)用中的一些進(jìn)行描述。電活性光加擾器本發(fā)明的一個可能的實施例是如圖1A-1C中所示的電活性光加擾器。這個實施例包括-聚合物膜101，其包括第一表面102和第二表面103。聚合物膜101有利地由彈性體(諸如，硅橡膠、丙烯酸電介質(zhì)彈性體、硬塑料彈性體、熱塑性彈性體或聚氨酯)制成。 電介質(zhì)聚合物的特性是這樣的它們?nèi)彳?柔性)，具有相對較高的介電常數(shù)(大約2或更大)，并具有高電擊穿強(qiáng)度(幾十直至一百kV/mm)。-第一電極105，位于第一表面102，-第二電極106，位于第二表面103，-剛性光學(xué)元件104，連接到第一表面或第二表面或者集成在聚合物膜101中。該光學(xué)元件對應(yīng)于擴(kuò)散(折射、反射、衍射或吸收)結(jié)構(gòu)。該光學(xué)元件可以通過粘合劑或焊接直接固定在第一或第二表面上，或者通過粘合劑或通過夾緊連接到聚合物膜。該光學(xué)結(jié)構(gòu)是剛性的并且在操作期間不變形。聚合物膜101優(yōu)選地被預(yù)拉伸并分別連接到第一保持框架107和第二保持框架 108，第一保持框架107和第二保持框架108形成聚合物膜的保持裝置。在本實施例中，聚合物膜101的邊緣區(qū)域被夾在第一保持框架107和第二保持框架108之間并因此保持在保
持裝置中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，術(shù)語“預(yù)拉伸”(或預(yù)應(yīng)變)能夠理解為按照以下方式在保持框架107、108中懸掛聚合物膜該聚合物膜處于拉伸應(yīng)變下，即，拉力試圖使聚合物膜保持為直的。聚合物膜自由地懸掛在該保持裝置中，即它僅由該保持裝置支撐而沒有另外的固定的剛性元件(除光學(xué)元件104之外)與它的表面接觸。第一電極105連接到第一導(dǎo)體109，并且第二電極106連接到第二導(dǎo)體110。導(dǎo)體 109和110被期望連接到電壓差V。電極應(yīng)該是柔性的，即它們應(yīng)該能夠跟隨聚合物膜101的變形而不會受到損壞。 有利地，電極因此由下面材料之一制成-碳納 米管(見 “Self-clearabIe carbon nanotube electrodes for improved performance of dielectric elastomer actuators，，，Proc. SPIE, Vol. 6927, 69270P(2008)；)—碳黑(JAL" Low voltage, highly tunable diffraction grating based on dielectric elastomer actuators", Proc. SPIE, Vol. 6524,65241N(2007)；)-碳脂/導(dǎo)電脂-^Μι^ (Au, Cu, Cr,......) (jAL"Mechanical properties of electroactive
polymer microactuators with ion-implanted electrodes，，，Proc. SPIE, Vol. 6524,652410(2007)；)-液體金屬(例如，液體金屬合金鎵、銦、錫(Galinstan))-金屬粉末，特別地，金屬納米顆粒(金、銀、銅)-導(dǎo)電聚合物(固有地導(dǎo)電或者復(fù)合材料)電極可以通過下面技術(shù)中的任何技術(shù)來沉積-噴涂-離子注入(見“Mechanical properties of electroactive polymer microactuators with ion-implanted electrodes，，，Proc. SPIE, Vol.6524, 652410(2007)；)
-PVD, CVD -蒸發(fā) -濺射 -光蝕刻
-印刷，特別地，接觸印刷、噴墨印刷、激光印刷和絲網(wǎng)印刷-場弓丨導(dǎo)自組裝(例如，參見"Local surface charges direct the deposition of carbon nanotubes and fullerenes into nanoscale patternsL. Seemann, A.Stemmer, and N. Naujoks, Nano Letters 7，10，3007—3012，2007)-刷涂-電極鍍敷可選地，能夠構(gòu)造光學(xué)元件104。合適的形狀能夠是例如-球面透鏡(凸的和凹的)-菲涅耳透鏡-柱面透鏡-非球面透鏡(凸的和凹的)-平坦的-正方形、三角形、線或棱錐體-任何微結(jié)構(gòu)(例如，微透鏡陣列、衍射光柵、全息圖)或納米結(jié)構(gòu)(例如，抗反射涂層)111、211能夠集成在包含聚合物層的柔性電極和光學(xué)元件104中。當(dāng)將要把抗反射層施加于該光學(xué)裝置的至少一個表面時，它有利地由具有小于透射光的波長的尺寸的精細(xì)結(jié)構(gòu)形成。典型地，這個尺寸對于紅外應(yīng)用而言應(yīng)該小于5 μ m，對于近紅外應(yīng)用而言應(yīng)該小于1 μ m，對于使用可見光的應(yīng)用而言應(yīng)該小于200nm。下面方法中的任何方法能夠例如用于形成和構(gòu)造光學(xué)元件104 -鑄造，特別地，注入成型/模具處理-納米壓印，例如用熱模壓印納米尺寸結(jié)構(gòu)-蝕刻(例如，化學(xué)蝕刻或等離子蝕刻)-濺射-熱模壓印-軟蝕刻(即，把聚合物澆鑄在預(yù)成形基片上)-化學(xué)自組裝(例如，參見"Surface tension-powered self-assembly ofmicro structure S-the state-of-the-art，，，R. R. A. Syms, Ε. Μ. Yeatman, V. Μ. Bright, G.Μ.ffhitesides, Journal of Microelectromechanical Systems 12(4),2003, pp.387-417)-電磁場引導(dǎo)圖案形成(例如，參見“Electro-magnetic field guided pattern forming，，，L. Seemann, A. Stemmer, and N. Naujoks, Nano Lett. , 7 (10) , 3007-3012, 2007.10. 1021/nl0713373。光學(xué)元件104的材料能夠例如包括下面各項或由下面各項構(gòu)成-PMMA 或 PC-玻璃-塑料-聚合物-結(jié)晶體，特別地，單晶材料聚合物膜101的材料能夠例如包括下面各項或由下面各項構(gòu)成-凝膠(Liteway的 Optical Gel 0G-1001)，-彈性體(TPE,LCE,硅樹脂(例如PDMS Sylgard 186)，丙烯酸樹脂、氨基甲酸酯)-熱塑性塑料(ABS、PA、PC、PMMA、PET、PE、PP、PS、PVC、·· ·)-硬塑料電極的幾何形狀能夠為圓形、正方形或任何其它合適的形狀。圖IA顯示在沒有施加電壓的狀態(tài)下的該裝置。在圖IB中圖示的第二狀態(tài)下，電壓差V興0經(jīng)導(dǎo)體109、110被施加于電極105、106之間。電極105、106之間的聚合物膜101 被壓縮。由于聚合物膜的體積不可壓縮性，位于柔性電極之間的聚合物膜的區(qū)域沿橫向方向膨脹。結(jié)果，光學(xué)元件橫向地移位距離dl。由于聚合物膜的預(yù)拉伸，不在第一電極105和第二電極106之間并且不連接到光學(xué)元件的區(qū)域沿橫向方向收縮。這防止了該裝置發(fā)生面外彎曲。聚合物膜的應(yīng)變(通常為百分之幾十的數(shù)量級)與電壓差V具有平方關(guān)系。根據(jù)聚合物膜的厚度，電壓差V能夠具有幾kV的數(shù)量級。為了減小該電壓，可以有利地制造多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括相互堆疊并且交替地施加兩個不同電勢的多個柔性電極，即，第一、第三、第五等電極連接到第一電勢，并且第二、第四、第六電極連接到第二電勢。圖IC以頂視示圖IA和圖IB的第一實施例。聚合物膜有利地附著到矩形保持框架107、108。可以看出，聚合物膜101的平面分成三個部分120、121、122。電極105、106布置在第一部分120中。該光學(xué)元件布置在第二部分121中。第一部分120從光學(xué)元件104的邊緣延伸到框架108的第一側(cè)邊緣108a。其內(nèi)部未布置有電極的第三部分122從光學(xué)元件104的相對側(cè)延伸到框架108的第二側(cè)邊緣108b。第一側(cè)邊緣108a和第二側(cè)邊緣108b 布置為彼此相對。在光學(xué)元件104的第一側(cè)104a(即，面對第一邊緣108a的一側(cè))布置電極而在光學(xué)元件104的第二側(cè)104b ( S卩，面對第二邊緣108b的一側(cè))不布置電極的這種設(shè)計，允許使光學(xué)元件104沿著一個維度有效地移位。圖ID以頂視示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的替換方案。它與圖1A、圖IB和圖 IC的不同之處在于幾對(在當(dāng)前情況下，兩對)第一和第二電極位于聚合物膜101的表面102和103上。施加于電極10 和106a之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件104在χ方向上的橫向位移。施加于電極10 和106b之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件104在y方向上的橫向位移。可以看出，在圖ID的實施例中，框架108具有四個側(cè)邊緣108a_d。在光學(xué)元件104 的第一側(cè)10 和第三側(cè)l(Mc布置電極而在第二側(cè)104b和第四側(cè)104d未布置電極，并且第一側(cè)10 和第二側(cè)104b之間的連接線相對于第三側(cè)l(Mc和第四側(cè)104d之間的連接線橫向延伸，特別地，第一側(cè)10 和第二側(cè)104b之間的連接線垂直于第三側(cè)l(Mc和第四側(cè) 104d之間的連接線延伸。這允許沿著聚合物膜平面的兩個維度以有效的方式使光學(xué)元件 104移位。為了操作圖ID的裝置，使用振蕩器130，振蕩器130能夠產(chǎn)生具有例如90°的相互相移的兩個振蕩信號。通常，當(dāng)諸如在光加擾器中操作光學(xué)元件104必須移位以執(zhí)行周期性往復(fù)運動的裝置時，應(yīng)該提供產(chǎn)生周期性變化的電信號的信號源130。有利地，信號的頻率應(yīng)該是光學(xué)元件104的所述運動的諧振頻率，由此能夠利用相對較小的信號實現(xiàn)較大的機(jī)械振蕩。在具有尺寸為幾mm的裝置的典型應(yīng)用中，根據(jù)該裝置的尺寸、光學(xué)元件的重量和聚合物膜的彈性性質(zhì)，電信號的頻率為ΙΟΟ-ΙΟΟΟΟΗζ的數(shù)量級。這種類型的諧振振蕩能夠用于光學(xué)元件僅沿單個方向移位的圖IC的類型的光加擾器中，或者能夠用于光學(xué)元件沿兩個方向移位的圖ID的類型的光加擾器。然而，諧振振蕩也能夠用于除光加擾器之外的裝置。當(dāng)使用該裝置作為光加擾器時，必須對光學(xué)元件104成形以使得它適合在往復(fù)移動時破壞可見散斑效應(yīng)。例如，光學(xué)元件104能夠是在其表面具有透鏡陣列或其它光學(xué)擴(kuò)散器的一塊透明材料。這種加擾元件對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。然而，已發(fā)現(xiàn)在其表面具有透鏡陣列的光學(xué)元件產(chǎn)生光束散射，這對于很多應(yīng)用 (諸如，使用激光束的圖像投影儀)而言是不利的。在圖IA中以虛線104”顯示了更好的解決方案，其中光學(xué)元件的表面是彎曲的。在由激光束接觸的基本上整個區(qū)域中，光學(xué)元件應(yīng)該具有完全凸的表面或完全凹的表面。(必須注意的是，術(shù)語“凸”和“凹”還包括非球形表面。)。該彎曲可以由如上所述的微結(jié)構(gòu)111覆蓋(對于曲線104^^示出)，并且它能夠是凸的或者凹的，但曲率應(yīng)該較小，即，該元件的焦距應(yīng)該很大以實現(xiàn)小的擴(kuò)散角。已發(fā)現(xiàn)當(dāng)周期性振蕩時，這種類型元件在避免了不希望的光束散射效應(yīng)的同時足以去除任何散斑。通常，為了對光束進(jìn)行加擾，在光學(xué)元件104正在振蕩的同時，使光束通過光學(xué)元件104發(fā)送或者由光學(xué)元件104反射。穿過光學(xué)元件104的光束的光路的長度(即，它的平行于該光束的延伸部分)沿著元件104的位移方向變化。 電活性光學(xué)元件移動裝置上述技術(shù)不僅能夠用于電活性光加擾器，還能夠用于多種其它電活性光學(xué)裝置， 諸如透鏡定位器。在這種情況下，“透鏡定位”表示透鏡在橫向方向上(即，在垂直于透鏡的光軸AA的方向上)的移位。透鏡定位器的例子顯示在圖2A-2C中。它與圖1Α、圖IB和圖IC的不同之處在于 四對第一和第二電極位于聚合物膜201的表面202和203上，并且擴(kuò)散光學(xué)元件104由折射、衍射、反射或吸收光學(xué)元件204(例如，透鏡或反射鏡)替換。
圖2A圖示在第一狀態(tài)下根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的實施例。這個實施例包括-聚合物膜201，具有第一表面202和第二表面203。聚合物膜201有利地由硅橡膠、丙烯酸電介質(zhì)彈性體、聚氨酯或其它可變形彈性體制成。電介質(zhì)聚合物的特性使得它們?nèi)彳?柔性)，具有相對較高的介電常數(shù)(大約2或更大)，并具有高電擊穿強(qiáng)度(幾十直至一百 kV/mm)。-兩個或更多的第一電極20^i-b，位于第一表面202，-兩個或更多的第二電極206a_b，位于第二表面203，-剛性光學(xué)元件204，例如透鏡，連接到第一表面或第二表面或者集成在聚合物膜 201中。該光學(xué)元件對應(yīng)于折射或反射結(jié)構(gòu)。該光學(xué)元件可以通過粘合劑或焊接直接固定于聚合物膜201的表面之一?？商鎿Q地，該光學(xué)元件可以通過粘合劑或通過夾緊固定于聚合物膜。剛性光學(xué)元件204在操作期間不變形或者至少基本上不變形。由于與第一實施例中相同的原因，聚合物膜有利地被預(yù)拉伸并在它的邊緣區(qū)域分別被夾在第一保持框架207和第二保持框架208之間。第一電極連接到第一導(dǎo)體 209a-b,并且第二電極206a-b連接到第二導(dǎo)體210a_b。導(dǎo)體209和210被期望連接到電壓差V。電活性光學(xué)元件移位裝置的材料和生產(chǎn)過程與電活性光加擾器的材料和生產(chǎn)過程相同。圖3A顯示在沒有施加電壓差的狀態(tài)下的裝置。在圖2B中圖示的第二狀態(tài)下，電壓差V分別經(jīng)導(dǎo)體209a和210a施加于電極20 和206a之間。電極20fe_206a之間的聚合物膜201被壓縮。由于聚合物膜的體積不可壓縮性，位于柔性電極之間的聚合物膜的區(qū)域沿橫向方向膨脹。結(jié)果，光學(xué)元件204橫向地移位距離d2。由于聚合物膜的預(yù)拉伸，不在致動的第一和第二電極20fe-206a之間和/或連接到光學(xué)元件的區(qū)域沿橫向方向收縮。這防止了該裝置發(fā)生面外彎曲。在圖2C中圖示的第三狀態(tài)下，電壓差V分別經(jīng)導(dǎo)體209b和210b施加于電極20 和206b之間。電極2(^b-206b之間的聚合物膜201被壓縮。由于聚合物膜的體積不可壓縮性，位于柔性電極20 和206b之間的聚合物膜的區(qū)域沿橫向方向膨脹。結(jié)果，光學(xué)元件 204橫向地移位距離d3。由于聚合物膜的預(yù)拉伸，不在致動的第一和第二電極20恥-206匕之間或連接到光學(xué)元件的區(qū)域沿橫向方向收縮。這防止了該裝置發(fā)生面外彎曲。圖2D以頂視示在沒有施加電壓差的狀態(tài)下根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的替換方案。它與圖2A、圖2B和圖2C的不同之處在于四對第一和第二電極位于聚合物膜的表面202和203上。施加于電極和206a-b之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件204在χ 方向上的橫向位移。施加于電極205c-d和206c-d之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件204在 y方向上的橫向位移。圖2E圖示第三實施例的第二狀態(tài)。電壓差V分別經(jīng)導(dǎo)體209a和210a施加于電極20 和206a之間。電極205a-206a之間的聚合物膜201被壓縮。由于聚合物膜的體積不可壓縮性，位于柔性電極之間的聚合物膜的區(qū)域沿橫向方向膨脹。結(jié)果，光學(xué)元件沿χ方向橫向地移位。由于聚合物膜的預(yù)拉伸，不在致動的第一和第二電極20fe-206a之間和/ 或連接到光學(xué)元件的區(qū)域沿橫向方向收縮。圖2F和2G圖示了本發(fā)明的第二實施例的替換方案。它與圖2D和2E的不同之處在于剛性光學(xué)元件204(例如，透鏡或加擾元件)經(jīng)中間元件212連接到聚合物膜201。中間元件212包括連接到聚合物膜201的相對側(cè)的一對剛性環(huán)21h、212b。中間元件212可以通過粘合劑或者通過夾緊連接到聚合物膜201。剛性光學(xué)元件204例如通過粘合劑或者通過擠入中間元件212來被安裝于中間元件212。在圖2F和2G的實施例中，剛性光學(xué)元件 204是通過把電壓施加于電極205a-205d和206a-206d而能夠平行于聚合物膜201移位的透鏡。電極20^i-205d和206a-206d再次布置在圍繞剛性光學(xué)元件204的區(qū)段中。施加于電極20 和206a之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件204在χ方向上的橫向位移。施加于電極20 和206b之間的電壓差控制剛性光學(xué)元件204在y方向上的橫向位移。為了制造圖2F和2G的裝置，首先在框架內(nèi)(在框架208內(nèi)或者在另一更大的框架內(nèi))拉伸聚合物箔。然后，例如通過印刷技術(shù)施加電極?，F(xiàn)在，兩個剛性環(huán)212a、212b固定于聚合物膜，由此形成中間元件212?？蛇x地，框架208被安裝于聚合物膜。最后，光學(xué)元件204被插入在中間元件212中。注釋通常，如圖中所示，該裝置有利地包括布置在平面中的聚合物膜，其中電極施加于聚合物膜的表面。剛性的不可變形的光學(xué)元件連接到聚合物膜。把電壓施加于電極允許使該光學(xué)元件沿橫向方向(即，沿平行于聚合物膜的平面的方向)移位。典型地，也如圖中所示，聚合物膜的平面垂直于該裝置的光軸AA延伸，并且光軸 AA是平行于將要由該裝置處理的光的軸線。因此，把電壓施加于電極引起剛性光學(xué)元件垂直于處理的光而移位。此外，如圖中所示，在剛性光學(xué)元件之外有利地橫向放置電極。聚合物膜的變形取決于使用的材料的彈性模量和介電常數(shù)、材料的形狀以及邊界條件。光學(xué)元件以及聚合物膜和電極的形狀能夠適應(yīng)于上述各種應(yīng)用。特別地，電極、膜以及光學(xué)元件能夠具有任何合適的形狀，例如三角形、矩形、圓形或多邊形。第一和第二電極也能夠具有環(huán)形形狀。本發(fā)明不限于如上所述的聚合物膜的形狀。實際上，為了使光學(xué)元件沿不平行于 X或y方向的方向移位，能夠定義其它形狀。如上所述，剛性光學(xué)元件104、204也能夠集成在聚合物膜中，即，作為示例，如圖 IA中以虛線顯示的光學(xué)元件104’所示，它能夠部分或全部嵌入在聚合物膜中。一些應(yīng)用該光學(xué)裝置能夠用于廣泛的應(yīng)用，諸如-投影裝置，例如，針對卷軸機(jī)和手持裝置中的大型和微型投影儀用于投影儀的光學(xué)部分-激光計量系統(tǒng)-顯示器-照相機(jī)中的圖像穩(wěn)定化-工業(yè)系統(tǒng)中的圖像穩(wěn)定化-工業(yè)應(yīng)用，包括激光切割或焊接
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-顯微鏡-視覺系統(tǒng)，具有任何種類的照相機(jī)-研究應(yīng)用中的光加擾-電信應(yīng)用(調(diào)幅)-照明控制，包括通過在照明元件上定位吸收元件進(jìn)行的顏色控制、用于照明的方向性光控制、LED照明的強(qiáng)度控制。盡管顯示和描述了本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施例，但應(yīng)該清楚地理解，本發(fā)明不限于此，而且可以在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)以各種其它方式實現(xiàn)和實施。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，特別地，光加擾器，包括聚合物膜(101，201)，布置在平面中并且包括第一表面(102，202)和第二表面(103， 203)，第一電極(105，205)，位于所述第一表面上，第二電極(106，206)，位于所述第二表面上，剛性的不可變形的光學(xué)元件(104，204)，連接到所述聚合物膜，其中在所述第一電極 (105,205)和所述第二電極(106，206)之間施加電壓差使所述光學(xué)元件(104，204)平行于所述聚合物膜的平面移位。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述光學(xué)元件(104，204)連接到所述第一表面和/或所述第二表面。
3.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中剛性光學(xué)元件(104，204)通過粘合劑、自粘附或焊接連接到聚合物膜。
4.如權(quán)利要求1至2中任一項所述的光學(xué)裝置，其中所述剛性光學(xué)元件(104’)部分或全部地被嵌入在所述聚合物膜(101，201)中。
5.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中所述聚合物膜(101，201)的平面包括第一非重疊部分和第二非重疊部分，電極(105，106，205，206)布置在所述第一部分中， 并且光學(xué)元件(104，204)布置在第二部分中。
6.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中所述聚合物膜(101，201)包括從包括凝膠、彈性體、熱塑性塑料、硬塑料、丙烯酸材料和彈性體的組中選擇的材料或由從包括凝膠、彈性體、熱塑性塑料、硬塑料、丙烯酸材料和彈性體的組中選擇的材料構(gòu)成，并且/或者，所述光學(xué)元件(104，204)屬于聚合物、塑料、玻璃或結(jié)晶體材料。
7.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中聚合物膜(101，201)自由地懸掛在保持裝置(107，207，108，208)中。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)裝置，其中聚合物膜(101，201)以預(yù)拉伸的方式附著到所述保持裝置。
9.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中所述電極(105，106;205，206)由從包括下述材料的組中選擇的至少一種材料制成碳納米管、碳黑、導(dǎo)電脂、金屬離子、流體金屬、金屬粉末和導(dǎo)電聚合物。
10.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，還包括位于所述光學(xué)裝置的至少一個表面上的抗反射層(111，211)，特別地，其中，所述抗反射層包括具有小于54!11的尺寸的結(jié)構(gòu)，特別地，所述抗反射層包括具有小于1 μ m的尺寸的結(jié)構(gòu)，特別地，所述抗反射層包括具有小于200nm的尺寸的結(jié)構(gòu)。
11.如前面權(quán)利要求中任一項所述的光學(xué)裝置，其中所述電極布置在所述光學(xué)元件 104的第一側(cè)(104a)而不布置在所述光學(xué)元件的第二相對側(cè)(104b)。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)裝置，其中所述電極還布置在所述光學(xué)元件(104)的第三側(cè)(104c)而不布置在所述光學(xué)元件的第四側(cè)(104d)，其中所述第三側(cè)和所述第四側(cè) (104c, 104d)彼此相對。
13.一種用于操作光學(xué)裝置的方法，其中所述光學(xué)裝置包括位于平面中并具有第一表面(102，202)和第二表面(103，203)的聚合物膜(101，201)、位于所述第一表面上的第一電極(105，205)、位于所述第二表面上的第二電極(106，206)和連接到所述聚合物膜的剛性的不可變形的光學(xué)元件(104，204)，其中所述方法包括下述步驟在所述第一電極(105， 205)和所述第二電極(106，206)之間施加電壓差，由此使所述光學(xué)元件(104，204)基本上沿平行于所述聚合物膜的平面移位。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述光學(xué)元件(104，204)按照給定頻率移位以平行于所述平面執(zhí)行周期性往復(fù)運動，其中所述頻率是所述運動的諧振頻率。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其中為了對光束進(jìn)行加擾，使所述光束通過所述光學(xué)元件(104，204)發(fā)送或由所述光學(xué)元件(104，204)反射，其中所述光學(xué)元件(104，204) 具有彎曲表面并且在振蕩運動中振蕩，并且，其中所述光學(xué)元件(104，204)在由所述激光束接觸的區(qū)域中具有完全凸的表面或完全凹的表面。
16.一種用于制造如權(quán)利要求1至12中任一項所述的光學(xué)裝置的方法，包括下述步驟a)拉伸聚合物膜(101,201)；b)把聚合物膜(101,201)附著到保持裝置(107，207，108，208)；c)在聚合物膜(101,201)的第一表面(102，202)上施加第一電極(105,205)；d)在聚合物膜(101,201)的第二表面(103，203)上施加第二電極(106,206)；e)與至少一個所述電極相鄰地把由在機(jī)械方面比聚合物膜硬的材料構(gòu)成的剛性光學(xué)元件(104，204)施加于聚合物膜的至少一個表面或者直接施加于聚合物膜。
17.一種用于制造如權(quán)利要求1至12中任一項所述的光學(xué)裝置的方法，包括下述步驟a)把剛性光學(xué)元件(104，204)放置在支撐表面上；b)在該剛性光學(xué)元件之上分配聚合物并至少部分地使它固化以形成聚合物膜(101， 201)；c)從所述支撐表面去除由所述步驟a)和b)獲得的組件并預(yù)拉伸具有剛性光學(xué)元件 (104，204)的聚合物膜(101,201)；d)把聚合物膜(101,201)附著到保持裝置(107，207，108，208)；e)在聚合物膜(101,201)的第一表面(102,202)上施加第一電極(105,205)；f)在聚合物膜(101，201)的第二表面(103，203)上施加第二電極(106，206)。
18.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的光學(xué)裝置在光加擾或透鏡定位方面的使用。
全文摘要
一種光學(xué)裝置包括具有第一表面和第二表面的軟聚合物膜。第一柔性電極連接到第一表面，并且第二柔性電極連接到第二表面。剛性光學(xué)元件連接在第一和/或第二表面上或者集成在聚合物膜中。
文檔編號H01L41/09GK102265202SQ200980152790
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者M·阿斯克萬登 申請人:奧普托圖尼股份公司