CN102147525A - 双压电晶片光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双压电晶片光学装置，其包括可变形的光学元件和由设置有电极的压电陶瓷制成的有源元件，所述元件以成对且相反的方式受到控制，从而产生用于元件对中的第一元件的压缩运动和用于元件对中的第二元件的拉伸运动，所述装置的特征在于，光学元件(1)呈现出光学有源第一主表面(6)和与所述第一主表面相对的第二主表面(7)，以及至少第一和第二相对的侧面(2，3)，并且，陶瓷的有源元件包括在所述第一和第二侧面(2，3)上彼此面对放置的至少两对压电陶瓷的棒(21，22；31，32)，每对棒包括放置在光学元件(1)的构成其中性轴的中间表面的任一侧上的所述第一和第二侧面(2，3)中的一个侧面上的两个棒(21，22；31，32)。

Description

双压电晶片光学元件

技术领域

本发明提供一种通过相反致动的有源元件进行控制的双压电晶片光学元件，这些有源元件由压电陶瓷制成。

背景技术

欧洲专利申请EP 1 723 461涉及一种呈现出两个陶瓷层的双压电晶片反射镜，这两个陶瓷层具有电极并且通过中心层彼此间隔开。

这种反射镜组装为呈具有两个所谓的“表”层的层状结构的形式，这两个所谓的“表”层中的至少一个用作反射镜，而两个陶瓷层和中心层被夹置于这两个表层之间。

实现层状结构是相对复杂和困难的。

双压电晶片反射镜所用的层状结构原理还将这种反射镜的尺寸限制于陶瓷元件的尺寸并限制于其倍数(multiple)，并且反射镜的抛光质量受到该层状结构的存在的限制。

现有技术中公知的解决方案往往基于在平行于工作光学面的面上对陶瓷元件进行组装。

在所有的情况下，陶瓷粘着地结合于平行于该光学面的面，从而产生了在垂直于该光学面的方向上叠置的结构。

这种结构同样应用于文件EP 1 835 302，其中，陶瓷粘着地结合于与该光学面相对的面。

当陶瓷棒为双压电晶片，即当棒包括背对背粘住的两片陶瓷时，在组件的温度改变时，稳定性受到双金属效应的限制。

而且，如果可变形的反射镜的尺寸大于陶瓷元件的尺寸(其由于市场上可获得的陶瓷的受限尺寸而经常发生)，则制造商需要首尾相连地放置多片陶瓷，以获得所需要的尺寸，并且在文件EP 1 835 302中，陶瓷片之间的这些接合点位于反射镜的非光学背面上，并且在使陶瓷受力以改变反射镜的曲率时，不连续性变得明显。

发明内容

本发明旨在通过采用下述结构而至少部分克服上述缺点中的至少一个，在该结构中，当这种结构用于结合压电元件时，压电元件相对于不再呈现出这种层状结构的光学元件侧向定位。

因此，本发明提供一种双压电晶片光学装置，所述双压电晶片光学装置包括可变形的光学元件和由设置有电极的压电陶瓷制成的有源元件，所述元件成对地并且相反地受到控制，从而产生用于元件对中的第一元件的压缩运动和用于元件对中的第二元件的拉伸运动，所述装置的特征在于，光学元件呈现出光学有源第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，以及至少第一和第二相对的侧面，并且陶瓷的有源元件包括在所述第一和第二侧面上彼此面对放置的至少两对压电陶瓷的棒，每对棒包括放置在光学元件的构成其中性轴的中间表面的任一侧上的所述第一和第二侧面中的一个侧面上的两个棒。

在本发明的装置中，由于其由放置在可变形的光学元件的中性轴的任一侧上的成对的相对的陶瓷构成，因此上文详细说明的原理必须是双压电晶片，从而使得相反地操作它们，一个元件处于压缩中而另一个元件处于拉伸中，并且反之亦然。

而且，陶瓷并非粘着地结合在平行于光学面或位于平行于光学面的面之间的面，而是侧向地位于侧面上。因此，该结构不再是层状的。

不同于诸如文件EP 1 835 302中所述的装置之类的现有技术装置，陶瓷的曲率不再直接用于使反射镜弯曲。

陶瓷棒经由其自身的侧面粘着地结合于光学元件的侧面。在现有技术中，结合面不再保持是平的，而是沿曲率而行，这又导致反射镜弯曲。

在本发明中，棒的侧面保持是平的，并且陶瓷棒上的作用使得其长度改变。长度上的改变是棒的产生曲率的反作用。不同于可能所期待的情况，通过棒在反射镜的侧面上的作用而产生的曲率相对于反射镜的中样被均匀地分配。

因此，本发明基于具有独创性的功能性分析。

这种设置同样呈现出若干优点。

最重要的是将陶瓷元件放置在外侧面上，并由此放置在中性轴的任一侧上，并且与申请EP 1 723 461中所述的层状结构相比尽可能远离该中性轴，从而能够使得施加于反射镜的作用最大化。

由于陶瓷与反射镜之间的改进的联合，当反射镜弯曲时，这一作用能够实现更佳的准确度以及更佳的稳定性。

由于陶瓷不再位于光学表面的下方或其上，陶瓷元件之间的接合点的可见度降低并且这种接合点的作用在反射镜的整个宽度上是平滑的。

不同于申请EP 1 835 302的说明书，本发明的结构关于光学元件的中性轴是对称的，从而避免任何双金属型的热效应(即使工业棒可以由粘着地结合在一起的多个陶瓷元件构成)，从而给出非常好的热稳定性。

由于将陶瓷(单压电晶片或双压电晶片)应用于背面的解决方案是不良的改变，这带来了较小的动态变化范围并且遭受双金属型热效应，因此当传统的反射镜被转换为双压电晶片反射镜时，这些优点是尤其有利的。

至少一个控制棒可以具有与所述主表面共面的面。

该装置的特征可以在于，主表面中的至少一个主平面沿直线段与第一和第二侧面相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是直的并且平行于所述直线段放置。

该装置的特征可以在于，主表面中的至少一个主表面沿凹形的或凸形的弯曲段与第一和第二侧面相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是直的并且平行于所述弯曲段的平局方向放置。

该装置的特征可以在于，主表面中的至少一个主表面沿凹形的或凸形的弯曲段与第一和第二侧面相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是弯曲的并且以沿所述弯曲段而行的方式设置。

至少一个陶瓷棒可以包括至少两个压电陶瓷元件，这至少两个压电陶瓷元件首尾相连地放置和/或叠置。

有利地，该光学元件成矩形平行六面体，优选地是正方形或矩形形状，并且当该元件为矩形时，第一和第二侧面沿该矩形的长侧延伸。

该矩形平行六面体的长度L与宽度l的比率有利地处于1至100的范围内，更具体地处于3至50的范围内，并且优选地处于3至25的范围内。

该宽度l可以例如处于10mm至80mm的范围内。

该长度L可以例如处于40mm至1500mm的范围内。

光学元件的厚度e可以例如处于5mm至100mm的范围内。

光学装置还可以包括以相同的方式放置在第三和第四相对的侧面上的成对的压电陶瓷棒中的至少两个。

由于本发明的装置实现了仅结合于两个或四个侧面的相反的压电致动器，因此它能够通过可变形的任何光学装置来实现。

作为示例，光学元件可以是反射镜体，并且至少第一主表面是抛光的。

作为示例，光学元件可以是光栅，并且至少第一主平面呈现出至少一个光栅图案。

附图说明

通过参照附图研读下列说明，本发明的其它特征和优点更好得显现出来，其中：

图1是本发明的诸如反射镜之类的装置的立体图；

图2是图1的侧视图；

图3示出了一种变型，其中，棒自光学元件的表面偏移；

图4a和4b示出了电极对的两种变型实现方式；

图5示出了补充在四个侧面上的电极对；以及

图6a至6c示出了带有至少一个弧形的主面的变型实现方式。

具体实施方式

图1示出了矩形的可变形光学元件1，该可变形光学元件1呈现出两个端侧面4和5以及沿矩形的长侧的两个主侧面2和3。顶面6呈现出光学功能，例如该顶面6被抛光，从而形成平的或在纵向方向和/或横向方向上弯曲的(凹形的或凸形的)反射镜，或者该顶面6承载有一个或多个光栅图案，该一个或多光栅图案带有垂直或者平行于该矩形的长侧的线条，例如，从而形成平的或在纵向方向和/或横向方向上弯曲的(凹形的或凸形的)并且在反射或者衍射中进行操作的光栅。

侧面2承载有第一对压电棒21和22，这第一对压电棒21和22基本平行于该光学元件1的中平面P(在图2中以点划线绘出)并且限定中性轴(当平面6和7是平的或者仅略微弯曲时)，并且这第一对压电棒21和22优选地彼此对称地间隔开。相同的设置应用在紧固于侧面3的棒31和32。当至少一个面是弯曲的时，该中性轴是不平的中间表面。

表面6可以是平的、圆柱形的、螺旋管形的、球形的或非球形的(例如椭圆形的、抛物线的或者双曲线的)，并且由此带有是常数的或者是非常数的曲率半径。在所示示例中，面6是平的并且由直线段6₂、6₃、6₄和6₅所限定。

底面7可以作为选择呈现出光学功能，并且像顶面6一样，底面7可以是平的或者可以是弯曲的(凹形的或凸形的)。

在未承载有压电棒的方向上(此处为横向面4和5)，面6(和/或7)的曲率半径处于例如10mm至∞(平面)的范围内，而在承载有压电棒的方向上(此处为纵向面2和3)，面6(和/或7)的曲率半径处于100mm至∞的范围内。

对于形状为正方形的光学元件1也可以实现这种曲率。

该曲率在与压电元件对21、22和31、32所产生的曲率相同的方向上定向。

各个棒21、22、31、32由一片压电陶瓷或者首尾相连放置的多片压电陶瓷构成。

这些压电棒21、22、31、32优选地与面6和7齐平，由此用于使它们与中性轴尽可能远地间隔开并且由此对于施加至棒的给定控制信号获得用于光学元件1的最大曲率，同时使棒的粘着结合中的应力最小化。

如图2所示，棒21和22是相反的，并且例如，施加于它们的电极(未示出)的同一控制信号使得棒21被压缩而棒22被拉伸，反之亦然。图2是(以夸大的方式)示出了光学元件1的曲率的简图，用于修改其光学有源面6的曲率，从而为该光学有源面6提供始于平面的凹形的轮廓C。

如果始于凹形的或凸形的面6，则能够抵消该变程，超过该变程，就能够在不改变该变化的幅度的情况下改变曲率。

棒21、22、31、32粘着地结合于侧面2和3。它们优选地遍布这些面的整个长度。就反射镜而言，尤其是由于部件1是单片式，因此粘着结合可以在面6已经被抛光之后执行，从而便于制造。

这一特征使得能够将预先存在的无源反射镜转换为有源反射镜，该无源反射镜不可能带有层状结构。

对于尤其是光栅之类的其它光学元件而言，可在已经完成面6、即已经将光学特征给予面6之后，粘着地结合压电棒21、22、31、32。

与层状结构的反射镜相比，由于陶瓷片不覆盖反射镜的表面，因此所用的陶瓷片较小，从而降低了成本。由此，它们的尺寸可适于曲率所需的值。例如，棒可具有处于2mm至30mm范围内的宽度l₀以及处于2mm至30mm范围内的高度h₀。此外，由于在构成反射镜的表层下方不存在电极，因此不再存在任何由于电极之间的接合点所造成的局部变形。

光学元件1可由适于在光学系统中使用的任意材料制成：例如玻璃、硅石、硅、金刚砂、锗、激光玻璃、ZnS和ZnSe、金属。

图3示出了一种变型，其中，陶瓷棒21、22、31、32以例如距离d而与表面6和7间隔开，该距离d小于10mm并且例如处于0.1mm至4mm的范围内。当表面6是凹形的或凸形的时，这是尤其合适的。

图4a和4b示出了本发明的带有单独的棒21₁、21₂、21₃、22₁、22₂、22₃、31₁、31₂、31₃等的变型实施方式，这些单独的棒21₁、21₂、21₃、22₁、22₂、22₃、31₁、31₂、31₃等被首尾相连地放置(图4a)和/或叠置(图4b)(参照21、21’、22、22’)。

当将多个压电陶瓷棒首尾相连地粘着结合在一起(用于长形镜)时，形成在光学元件1的侧面2和3上的接合点并不会在光学有源表面6中的平面度方面引发缺陷。这种缺陷同样不会随着时间的推移而出现(图4a)。

棒21、22、31、32可以通过将粘着地结合在一起的两个单独的棒叠置而形成(图4b)。

图5示出了通过具有另外的压电棒41、42、51、52而可沿两个垂直的轴弯曲的双压电晶片反射镜，该另外的压电棒41、42、51、52粘着地结合于正方形或矩形的光学元件1的面4和5，并且优选地在表面6和7为平的或仅略微弯曲时关于构成中性轴的中平面P被对称地间隔开。这些棒41、42、51、52具有优选地与面6和7齐平或者如图3所示地自该面6和7偏移的面。表面6和/或表面7可以是平的或在由压电元件对所产生的曲率的一个或两个方向上是弯曲的，或者与这种方向垂直。曲率半径可以处于100mm至∞的范围内。

这种通过两对侧向压电致动器进行的双致动尤其适于与形状为正方形或矩形的光学部件一起使用。比率L/l可以处于1(正方形)至5的范围内。

图6a示出了带有抛光的顶面6的反射镜，该顶面6在纵向方向和横向方向上均是凹形的。棒21、22、31、32是直的并且被纵向设置。

它们彼此平行并且指向表示顶面6与侧面2或3之间的交叉线的弯曲段62或63的平均方向。弯曲段64和65分别对应于顶面6与侧面4和5之间的交叉线。在所示示例中，该方向平行于平的底面7，但是，该面还可以在纵向方向和/或横向方向上是凸形的或凹形的。尤其是对于抛物线形的或双曲线形的弯曲段，该方向基本上平行于顶点S处的切线。该设置可以在顶面6仅在纵向方向上是弯曲的时同样实现(图6b)。顶面6与侧面4和5之间的交叉线随后沿直线段6₄和6₅出现。

图6c示出了具有在纵向方向上是凹形的其抛光的顶面6的反射镜。靠近表面6的棒210和310沿表示顶面6与侧面2或3之间的交叉线的弯曲段62或63而行。棒22和23是直的并且它们沿平行于底面7的纵向方向延伸。在所示示例中，棒21和31以所述距离d而与顶面6间隔开。它们同样能够与弯曲段齐平。

因此，以这样的方式放置直的或弯曲的棒：以距离d非常接近地沿直线段(6₂、6₃、6₄、6₅)或弯曲段(62、63、64、65)而行，该距离d是常数或相反，但其小于或等于10mm，尤其为4mm。

Claims (14)

1.一种双压电晶片光学装置，所述双压电晶片光学装置包括可变形的光学元件和由设置有电极的压电陶瓷制成的有源元件，所述元件以成对并且相反的方式受到控制，从而产生用于元件对中的第一元件的压缩运动和用于元件对中的第二元件的拉伸运动，所述装置的特征在于，所述光学元件(1)呈现出光学有源第一主表面(6)和与所述第一主表面相对的第二主表面(7)，以及至少第一和第二相对的侧面(2，3)，并且，陶瓷的所述有源元件包括在所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)上彼此面对放置的至少两对压电陶瓷的棒(21，22；31，32)，每对所述棒包括放置在所述光学元件(1)的构成所述光学元件(1)的中性轴的中间表面的任一侧上的所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)中的一个侧面上的两个棒(21，22；31，32)。

2.如权利要求1所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少一个主表面沿直线段(6₂，6₃，6₄，6₅)与所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)相交，并且，所述陶瓷棒(21，31)中的至少一些陶瓷棒是直的并且被平行于所述直线段放置。

3.如权利要求1所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少一个主表面沿凹形的或凸形的弯曲段(62，63，64，65)与所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)相交，并且，所述陶瓷棒(21，31)中的至少一些陶瓷棒是直的并且被平行于所述弯曲段的平均方向放置。

4.如权利要求1所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少一个主表面沿凹形的或凸形的弯曲段(62，63，64，65)与所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)相交，并且，所述陶瓷棒(210，310)中的至少一些陶瓷棒是弯曲的并且以沿所述弯曲段而行的方式设置。

5.如权利要求1所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，至少一个陶瓷棒包括至少两个压电陶瓷元件，所述至少两个压电陶瓷元件首尾相连地放置(21₁，21₂，21₃，22₁，22₂，22₃，31₁，31₂，31₃)和/或叠置(21，21’，22，22’，31，31’，32，32’)。

6.如任一前述权利要求所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述光学元件(1)呈矩形平行六面体的形式，并且，所述第一侧面(2)和所述第二侧面(3)沿所述矩形的长侧延伸。

7.如权利要求6所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述矩形平行六面体的长度L与宽度l的比率处于1至100的范围内。

8.如权利要求7所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述宽度l处于10mm至80mm的范围内。

9.如权利要求7或权利要求8所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述长度L处于40mm至1500mm的范围内。

10.如任一前述权利要求所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，棒(21，22，31，32，41，42，51，52)的宽度l₀处于2mm至30mm的范围内，并且其高度h₀处于2mm至30mm的范围内。

11.如权利要求6至10中的任一项所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，它还包括第三和第四相对的侧面(4，5)，所述第三和第四相对的侧面(4，5)包括所述对压电陶瓷棒(41，42，51，52)中的至少两个。

12.如任一前述权利要求所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述光学元件(1)的厚度e处于5mm至100mm的范围内。

13.如任一前述权利要求所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述光学元件是反射镜体，并且，至少所述第一主表面(6)是抛光的。

14.如权利要求1至12中的任一项所述的双压电晶片光学装置，其特征在于，所述光学元件是光栅，并且，至少所述第一主表面(6)承载有至少一个光栅图案。

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