CN106104358A - 用于自适应光学器件的可变形透镜结构 - Google Patents

用于自适应光学器件的可变形透镜结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于一种用于自适应光学器件的可变形透镜。透镜结构包含：可响应于施加的力弹性变形的第一层(2)，所述第一层具有适于接收入射光束(L)的第一外表面(21)和与第一外表面相反的第一内表面(22)，所述第一层的至少第一中心部分(20)对所述光束(L)透明；被定位为与所述第一层分开的第二层(3)，所述第二层具有面向所述第一层的第一内表面(22)的第二内表面(31)和与所述第二内表面相反的第二外表面(32)，所述第二层的至少第二中心部分(30)对所述光束(L)透明；位于所述第一层的第一内表面(22)与所述第二层的第二内表面(31)之间且与所述第一和第二层一体化连接的整形间隔件元件(4)；以及，具有由所述间隔件元件(4)以及由所述第一和第二层(2‑3)限定的壁的内腔(5)，对所述光束(L)透明的液体(6)存在于与所述第一和第二层接触的该内腔中。对所述光束(L)透明的一个或更多个第一静电致动器(811、812、813、831、832)，所述第一静电致动器与所述第一层操作上相关且位于所述第一层的第一中心部分(20)处；对所述光束(L)透明的一个或更多个第二静电致动器(821、822、823、841、842)，所述第二静电致动器与所述第二层操作上相关且位于所述第二层的第二中心部分(30)处。

Description

用于自适应光学器件的可变形透镜结构
本发明涉及自适应光学器件的技术领域。
特别地，本发明涉及可用于光学器件中以动态转换光束的波前的可变形透镜结构。
众所周知，光束穿过的光学系统一般明显受在上述光束的波前处存在的光学像差(诸如散焦、像散、彗形像差、球面像差等)的影响。
为了解决这些问题，在各种类型的光学系统(例如，天文学、医疗、显微镜或电信)中，加入专用于控制光束的波前的自适应光学器件是已知的。
通过可变形镜子制造一些用于校正波前的器件，在这种情况下，由于存在可变形镜子，因此必须设计用于系统的光路的复杂布局。
替代方案是提供通过透射而不是反射获得波前的变形的系统，该系统是我们所指的可变形透镜。
在可变形透镜的范围内，已知类型的一些自适应光学器件被布置为向光束的波前施加预定校正。这些器件可例如包含具有材料的整形表面或层的透镜，该材料具有给定的折射率梯度。在专利申请WO 2013/056380中描述了这种类型的器件。
已知类型的其它自适应光学器件能够动态校正入射光束的波前。
在这种类型的器件中，显然必须提到包含可变形透镜的自适应光学器件。
在专利US7719771中描述了包含可变形透镜结构的器件的例子。
该器件包含可变形固态透镜，该可变形固态透镜与在该透镜的相对表面处供给电压的电极操作上相关。供给到电极的电压产生能够以受控的方式使固态透镜变形的静电力。以这种方式，能够校正穿过固态透镜的光束的焦距。
在专利US8422142中描述了包含可变形透镜结构的器件的另一例子。
在该器件中，透镜结构具有容纳保持恒定体积的流体的内腔。内腔的壁由可变形膜片形成，该可变形膜片具有适于接收入射光束的没有致动器的中心部分和设置静电或压电致动器手段的致动部分。通过作用于可变形膜片的致动部分处，上述的致动器手段导致内腔的不同区域之间的流体的移动。这导致膜片的变形。但是，必须提到，在本例子中，致动器手段不直接导致膜片的光束穿过的部分的变形，而只是导致流体从透镜结构的周边区域移动到其中心区域。流体的这种移动又在光束穿过的中心部分中导致膜片的变形。
在专利US8072574中描述了包含可变形透镜结构的器件的另一例子。
在该器件中，透镜结构包含具有可根据施加的电场或磁场改变的光焦度的液晶层。磁性或静电致动器手段被适当地布置，以选择性地调整该液晶层的光焦度，以通过独立地调整穿过它的光束的前面的Zernike成分校正光焦度和整个波前。
当前的具有可变形透镜的自适应光学器件具有一些问题。
一般地，它们在校正比二阶高的阶数的像差方面的性能不令人满意。
因此，这些器件常常不适用于性能由于高阶像差而劣化的光学系统，例如，不适用于专用于激光扫描装置、基于激光的精确加工和增材制造装置或眼科、天文学、安全控制和显微镜的领域中的应用的光学系统。
并且，对于工业规模的制造来说，当前的自适应光学器件常常结构复杂、体积笨重且成本昂贵。
本发明的主要目的是，提供使得能够解决上述的现有技术问题的用于自适应光学器件的可变形透镜结构。
在该目的的范围内，本发明的目标是，提供使得能够有效地校正甚至高阶的光束的光学像差的透镜结构。
本发明的另一目标是，提供容易加入于自适应光学器件或光学系统中的可变形透镜结构。
本发明的另一目标是，以有竞争力的成本提供容易在工业规模上制造的可变形透镜结构。
根据本发明，通过以下提出的根据权利要求1的透镜结构，实现该目的和这些目标以及从以下的说明和附图将变得清晰的其它目标。
在另一方面中，本发明涉及包含根据本发明的透镜结构的自适应光学器件。
在其另一方面中，本发明涉及包含根据本发明的透镜结构的光学系统。
参照以下给出的描述和纯粹出于解释而不是限制的目的提供的附图，根据本发明的透镜结构的其它特征和优点将更加清晰，其中，
图1～3示意性地表示本发明的实施例中的根据本发明的透镜结构；
图4～6示意性地表示本发明的实施例中的根据本发明的透镜结构；
图7示意性地表示根据本发明的透镜结构的另一实施例；
图8～10示意性地表示根据本发明的透镜结构的另一实施例；
图11示意性地表示根据本发明的透镜结构的另一实施例；
图12示意性地表示根据本发明的透镜结构的一些实施例的动作；
图13示意性地表示根据本发明的透镜结构的另一实施例。
参照上述的附图，本发明涉及用于自适应光学器件的可变形透镜结构1。
透镜结构1具有光轴100，在使用透镜结构1的情况下，入射光束L沿该光轴100透射。
透镜结构1包含可响应施加力弹性变形的第一层2、被定位为与第一层2分开且优选具有刚性的第二层3和具有刚性且与第一层2和第二层3一体化连接的间隔件元件4。
在本发明的范围内，定义“弹性可变形层”意指在透镜结构1的正常动作中能够在响应于施加的力经受机械变形之后在静置时返回到其原始形状和体积的层(例如，层2)。
术语“刚性层”或“刚性元件”意指在透镜结构1的正常动作中不响应于施加的力经受明显的机械变形的层(例如，层3)或元件(例如，间隔件元件4)。
优选地，层2具有大致平面几何结构，并且在静置的条件下相对于光轴100被垂直布置。
优选地，层2由例如为聚合物材料、聚合物凝胶或弹性材料的材料的一个或更多个基质和/或膜和/或区域形成。
优选地，层2具有1μm～20μm的厚度。
实际中，层2形成与间隔件元件4一体化连接的弹性可变形膜片，并且在静置的条件下沿相对于光轴100基本上垂直的基准面被布置。
层2具有第一外表面21和第一内表面22。
第一内表面22被定位为与第一外表面21相对。
参照光轴100，层2包含对光束L透明的第一中心部分20，该第一中心部分20限定透镜结构1的光学孔径。
有利地，中心部分20由层2的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱的形状)被定位为以光轴100为中心。
参照光轴100，层2包含与第一中心部分20不同的第一外部分20A，在该第一外部分20A处，它与间隔件元件4一体化连接。
优选地，外部分20A由第一层2的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱冠的形状)以光轴100为中心并且被定位为处于第一中心部分20的周边。
层2的外部分20A也可对光束L透明。
优选地，层3形成适于支撑间隔件元件4和层2的刚性支撑。
优选地，层3具有大致平面几何结构，并且由例如为玻璃、聚合物材料或复合材料等的材料的一个或更多个基质和/或膜和/或区域形成。
优选地，层3具有100μm～1200μm的厚度。
层3具有第二内表面31与第二外表面32。
第一内表面31被定位为面向层2的第一内表面22。
第二外表面32被定位为与第二内表面31相对。
参照光轴100，层3包含对光束L透明的第二中心部分30，该第二中心部分30形成透镜结构1的光学孔径。
有利地，中心部分30由第二层3的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱的形状)以光轴100为中心。
参照光轴100，层3包含与中心部分30不同的第二外部分30A，在该第二外表面30A处，它与间隔件元件4一体化连接。
优选地，外部分30由层3的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱冠的形状)以光轴100为中心并且被定位为处于中心部分30的周边。
外部分30A也可对光束透明。
优选地，层2～3至少部分地电气绝缘。
在透镜结构1中，与层2～3一体化连接的间隔件元件4位于第一层2的第一内表面22与第二层3的第二内表面31之间。
间隔件元件4形成适于使层2～3保持相互分开的刚性支撑。
优选地，间隔件元件4(例如，环形状)在其外部分20A～30A处位于第一层2和第二层3的周边。
优选地，它位于第一层2和第二层3的外缘处，并且至少部分地限定透镜结构1的侧壁。
间隔件元件4可包含例如为玻璃、聚合物材料或复合材料等的材料的一个或更多个基质和/或膜和/或区域。
优选地，间隔件元件4是电气绝缘的。
根据本发明，间隔件元件4被布置(例如，通过适当调整其厚度)以使层2～3的内表面22～31保持25μm～100μm的分离距离。
优选地，内表面22～31之间的分离距离为35μm～65μm。
优选地，内表面22～31之间的分离距离为40μm。
透镜结构1包含至少部分地由间隔件元件4以及由第一和第二层2～3限定的内腔5。
特别地，参照光轴100的基本上垂直的取向，如上述的附图所示，层2～3分别至少部分地限定内腔5的上(可变形)和下(可变形或刚性)壁，而间隔件元件4限定其横壁。
内腔5包含电气绝缘并且对光束L透明的非极性液体6。
透明液体6占据内腔5的整个体积，以分别在其第一内表面22和第二内表面31处与层2～3接触。
透明液体6可例如由液体石蜡或类似的基质形成。
对于以上的情况，很显然，在透镜结构1中，入射于第一层2的外表面21和层3的外表面32处的光束L能够通过由层2～3的中心部分20～30限定的光学孔径穿过透镜结构的厚度。
优选地，第一层2的第一中心部分20和第二层3的第二中心部分30以及透明液体6具有同质(homogeneous)的折射率。
在本发明的范围内，当以下关系成立时，材料M1(固体或液体)要具有与材料M2(固态或液体)的折射率“同质”的折射率：
( R M 1 - R M 2 R M 1 ) < 5 %
这里，RM1和RM2是材料M1、M2的折射率。
从光学观点看，透镜结构1由此至少在光束L穿过的部分处具有没有明显的不连续表面的厚度。
根据本发明，透镜结构1包含分别与第一层2和第二层3操作上相关的一个或更多个第一静电致动器811、812、813、831、832和一个或更多个第二静电致动器821、822、823、841、842。
特别地，第一静电致动器811、812、813、831、832位于第一层2的第一中心部分20处，而第二静电致动器821、822、823、841、842位于第二层3的第二中心部分30处。
实际上，上述的第一和第二静电致动器位于光束L穿过的透镜结构1的光学孔径处。
上述的第一和第二静电致动器适于向第一层2和第二层3特别是向其中心部分20～30供给选择性地可调整的第一和第二控制信号VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3。
在本发明的范围内，控制电压意指如果可控则“选择性地可调整”，以假定任何希望的值，甚至与其它控制电压假定的值无关。
由上述的第一和第二静电致动器供给的控制信号VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3在第一层2与第二层3之间产生静电力场E。
在层2～3之间的空间中(即，在内腔5的体积中)，力场E的强度逐点依赖于上述的第一和第二控制电压(给定层2～3之间的距离和液体6的介电常数)。
特别地，对于层2～3之间的空间的各点，力场E的强度逐点依赖于上述的第一和第二控制电压之间的差值。
换句话说，在层2～3之间的空间中，力场E的强度逐点依赖于存在于层2～3之间并且由控制电压VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3产生的电势差△V(致动电压)。
层2～3之间的力场E导致在其上面开始静电压力。
由于该静电压力，可弹性变形的层2至少在第一中心部分20处经受机械变形。
优选地，层3优选形成间隔件元件4和层2的刚性支撑。在这种情况下，虽然经受由力场E产生的静电压力，但是它的行为类似的刚性体并且不经受任何明显的机械变形。
类似地，间隔件元件4的行为类似于刚性体并且不由于上述的静电压力经受任何明显的机械变形。
在透镜结构1中，供给选择性可调整的控制电压VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3的静电致动器811、812、813、831、832、821、822、823、841、842能够空间调制层2～3之间的电势差△V的值，并因此能够空间调制由此施加于可变形层2处的力场E和静电压力。
因此，第一和第二静电致动器能够根据希望的轮廓(profile)、特别是诸如用于补偿穿过透镜结构1的光束L的波前的任何像差的轮廓以受控的方式使层2、特别是使其第一中心部分20变形。
根据本发明，在使用所述的透镜结构的情况下，第一中心部分20根据诸如用于补偿所述光束L的波前的不包含散焦的、大于或等于2的阶数的光学像差的轮廓变形。
通过适当地调整第一和第二控制电压，层2的中心部分20因此可根据复杂轮廓、例如根据不包含散焦的描述大于或等于2的阶数的Zernike表面的多项式函数变形。
优选地，第一和第二控制电压被选择性地调整，使得层2～3之间的电势差△V假定200V～300V的值。
优选地，第一和第二控制电压被选择性地调整，使得层2～3之间的电势差△V为250V。
由于对层2～3之间的分离距离以及对于控制电压VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3选择的值，层2、特别是中心部分20能够在不导致层2的结构坍塌的情况下(通过与层3的相关粘接)以相对高的振幅变形根据上述的复杂轮廓变形。
透镜结构1由此能够有效地校正光束L的波面的高阶像差(不包含散焦)。
透镜结构1由此特别适于一些类型的应用，诸如视频监控、天文、眼科和显微镜等。
原则上，第一静电致动器811、812、813、831、832可位于层2的第一外表面21和/或第一内表面22处，而第二静电致动器821、822、823、841、842可位于层3的第二内表面31和/或第二外表面32处。
根据本发明的第二实施例(图1～3、8～10)，透镜结构1包含单个第一静电致动器811、831。
在这种情况下，单个静电致动器811优选位于层2的第一外表面21处(图1～3)。
但是，它也可位于层2的第一内表面22处。
根据本发明的其它实施例(图4～7、图11)，透镜结构1包含多个第一静电致动器811、812、813、832、832。
在这种情况下，第一静电致动器优选位于层2的第一外表面21处(图4～6)。
根据本发明的其它实施例(图7)，第一静电致动器位于层2的第一内表面22处。
优选地，透镜结构1包含多个第二静电致动器821、822、823、841、842。
优选地，第二静电致动器821、822、823、841、842相互分开80μm～120μm的距离。
优选地，第二静电致动器821、822、823、841、842相互分开100μm的距离。
第二静电致动器821、822、823、841、842优选位于层3的第二内表面31处。
根据本发明的一些实施例，透镜结构1包含分别与第一层2和第二层3操作上相关的一个或更多个第三静电致动器814和一个或更多个第四静电致动器824。
特别地，第三静电致动器814位于第一层2的第一外部分20A处，而第四静电致动器814位于第三层3的第二外部分30A处。
优选地，第三和第四静电致动器814～824也对光束L透明。
上述的第三和第四静电致动器适于向第一层2和第二层3、特别是向其外部分20A～30A供给选择性地可调整的第三和第四控制电压VA4、VB4。
由第三和第四静电致动器供给的控制电压VA4、VB4有助于在第一层2与第二层3之间产生能够空间调制的静电力场E。
因此，第三和第四静电致动器814、824能够与第一和第二静电致动器811、812、813、831、832、821、822、823、841、842协作以根据希望的轮廓使层2、特别是使其第一中心部分20变形。
并且，在这种情况下，在使用所述透镜结构的情况下，第一中心部分20根据诸如用于补偿所述光束L的波前的不包含散焦的、大于或等于2的阶数的光学像差的轮廓变形。
第三静电致动器814可位于层2的第一外表面21和/或第一内外表面22处。
第四静电致动器824可位于层3的第二内表面31和/或第二外表面32处。
优选地，第一和第二静电致动器811、812、813、831、832、821、822、823、841、842与能够产生和调整第一和第二控制电压VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3的电子控制器件80电连接。
优选地，第三和第四静电致动器814、824也与也能够产生和调整第三和第四控制电压VA4、VA4的控制器件80电连接。
控制器件80可包含于透镜结构1中，或者，优选地，包含于加入透镜结构1的自适应光学器件或光学系统中。它可有利地包含至少一个微处理器单元。
根据本发明的一些实施例(图1～7)，第一静电致动器由对光束L透明的第一导电致动器电极811、812、813形成。
致动器电极811、812、813在其第一中心部分20处与第一层2操作连接。
在透镜结构1包含单个第一静电致动器(图1～3)的情况下，它优选由优选在第一外表面21处与第一层2连接的单个导电致动器电极811形成。
在透镜结构1包含多个第一静电致动器(图4～6)的情况下，它们优选由多个第一导电致动器电极811、812、813形成并且优选在第一外表面21处与第一层2连接。
它们可位于层2的第一内表面22处(图7)。
致动器电极811、812、813可根据需要具有任何形状和尺寸。
层2的第一中心部分20处的第一致动器电极811、812、813的数量和布置可以为任意的。
如上所述，透镜结构1可包含一个或更多个第三静电致动器。
优选地，第三静电致动器由在第一层2的第一外部分20A处与第一层2操作连接的第三导电致动器电极814形成。
它们可在外表面21(图4～6)和/或内表面22处与第一层2操作连接。
层2的第一外部分20A处的第三致动器电极814的数量和布置也可以是任意的。
优选地，第三静电致动器814也对光束L透明。
优选地(图1～6)，致动器电极811、812、813、814有利地与控制器件80的相应的驱动通道连接。
以这种方式，各致动器电极811、812、813、814能够向第一层2供给选择性可调整的相应的控制电压VA1、VA2、VA3、VA4。
为了连接致动器电极811、812、813、814与控制器件80，透镜结构1可包含适当的导电轨道(统一由附图标记810A表示)。
优选地，导电轨道810A也对光束L透明。
有利地，导电轨道810A连接致动器电极811、812、813、814与相应的外部电气触点(统一由附图标记810B表示)，这些外部电气触点又与控制器件80电连接。
优选地(图1～3)，第二致动器由对光束L透明的第二导电致动器电极821、822、823形成。
致动器电极821、822、823在其第二中心部分30处与第二层3操作连接。
优选地，它们位于层3的第二内表面31处。
如上所述，透镜结构1可包含与层3操作上相关的一个或更多个第四静电致动器。
优选地，第四静电致动器由在其第二外部分30A处与第二层3操作连接的第四导电致动器电极824形成。
优选地，第四致动器电极824也对光束L透明。
优选地，它们位于层3的第二内表面31处。
致动器电极821、822、823、824可根据需要具有任何形状和尺寸。
与层3的第二外部分30A处的第四致动器电极824的数量和布置同样，层3的第二中心部分30处的第二致动器电极821、822、823的数量和布置可以为任意的。
致动器电极821、822、823、824有利地与控制器件30的相应的驱动通道连接。
以这种方式，各致动器电极821、822、823、824能够向第二层3供给选择性可调整的相应的控制电压VB1、VB2、VB3、VB4。
对于致动器电极821、822、823、824与控制器件80的连接，透镜结构1可包含适当的导电轨道(统一由附图标记820A表示)。
优选地，导电轨道820A也对光束L透明。
有利地，导电轨道820A连接致动器电极821、822、823、824与相应的外部电气触点(统一由附图标记820B表示)，这些外部电气触点又与控制器件电连接。
在它包含多个第一静电致动器的情况下，透镜结构1优选包含相同数量的第一和第二致动器电极811、812、813、821、822、823。
在这种情况下，第一致动器电极811、812、813和第二致动器电极821、822、823有利地布置于层2～3的各中心部分20～30中，以根据与光轴100平行的轴相互对准(至少部分地)。可通过在层2～3的相应表面上沉积ITO(氧化铟锡)的材料获得致动器电极811、812、813、814、821、822、823、824、导电轨道810A、820A和电气触点810B、820B。在这种情况下，优选通过溅射或者物理气相沉积处理获得它们。
作为替代方案，可以使用其它的导电材料，例如，导电聚合物或非结构材料(例如，碳微米管)。
优选地，为了确保致动器电极811、812、813、814、821、822、823、824、相关的导电轨道810A、820A和相应的电气触点810B、820B之间的足够的电气绝缘，层2～3至少部分地电气绝缘。
致动器电极811、812、813、814、821、822、823、824、相关的导电轨道810A、820A和相应的电气触点810B、820B可被对光束L透明的电气绝缘材料的基质(薄膜)覆盖。
当致动器电极811、812、813、814、821、822、823、824相互面对时，该方案是特别有用的。
根据本发明的一些实施例(图8～11)，第一和第二静电致动器分别由第一层2的一个或更多个第一致动区域831、832和第二层3的一个或更多个第二致动区域841、842形成。
第一致动区域831、832对光束L透明。
第一致动区域831、832位于层2的第一中心部分20处。
第一致动区域831、832是导电的，并且与电子控制器件80电连接。
出于这种目的，透镜结构1优选包含优选位于层2的第一内表面22处的适当的导电轨道(统一由附图标记830A表示)。
有利地，导电轨道830A连接致动区域831、832与相应的外部电气触点(统一由附图标记830B表示)连接，这些外部电气触点又与控制器件80电连接。
导电轨道830A优选对光束L透明。
在透镜结构1包含单个第一静电致动器(图8～10)的情况下，它优选由单个第一导电致动区域831形成。
该致动区域优选位于层2的第一外表面21处。
在透镜结构1包含多个第一静电致动器(图11)的情况下，它们优选由多个第一导电致动区域831、832形成。
这些致动区域优选位于层2的第一内表面22处。
第二致动区域841、842位于层3的第二中心部分30处。
第二致动区域841、842对光束L透明。
它们优选位于层2的第一内表面22处。
第二致动区域841、842是导电的，并且与电子控制器件80电连接。
出于这种目的，透镜结构1优选包含优选位于层3的第二外表面32处的适当的导电轨道(统一由附图标记840A表示)。
有利地，导电轨道840A连接致动区域841、842与相应的外部电气触点(统一由附图标记840B表示)连接，这些外部电气触点又与控制器件80电连接。
导电轨道830A优选对光束L透明。
优选地，透镜结构1包含多个第二致动区域841、842。
致动区域831、832、841、842可根据需要具有任何形状和尺寸。
层2的第一中心部分20和层3的第二中心部分30处的致动区域831、832、841、842的数量和布置也可以为任意的。
优选地，在它包含多个第一致动区域的情况下，透镜结构1包含相同数量的第一和第二致动区域831、832、841、842。
在这种情况下，第一致动区域831、832和第二致动区域841、842被布置于层2～3的各中心部分20～30中，以根据与光轴100平行的轴相互对准(至少部分地)。
如果透镜结构1包含一个或更多个第三和第四静电致动器，那么它们优选由分别位于层2～3的第一和第二外部分20A～30A处的层2～3的第三和第四导电区域(未示出)形成。
有利地，适当的导电轨道可连接第三和第四致动区域与相应的外部电气触点连接，这些外部电气触点又与控制器件80电连接。
上述的第三致动区域和相关的电气触点和导电轨道优选位于层2的第一内表面22处。
上述的第四致动区域和相关的电气触点和导电轨道优选位于层3的第二内表面31处。
在半导体处理中，众所周知，可通过层2～3的适当区域中的材料的适当的沉积处理和/或掺杂，获得致动区域831、832、841、844、导电轨道830A、840A和电气触点830B、840B。
例如，通过利用上述的技术，可通过在层2～3的相应表面处沉积ITO(氧化铟锡)的材料获得导电轨道830A、840A和电气触点830B、840B。
优选地，为了确保致动区域、导电轨道830A、840A与相应的电气触点830B、840B之间的足够的电气绝缘，层2～3至少部分地电气绝缘。
致动区域831、832、841、844、导电轨道830A、840A和电气触点830B、840B可被对光束L透明的绝缘材料的基质(薄膜)覆盖。
根据本发明，内腔5气密闭合，使得当层2的中心部分20经受机械变形时，透明液体6的体积保持恒定。
在本发明的这些实施例中，如图12示意性地表示的那样，整个层2以例如为“双曲线”类型的相对复杂动力学变形。
在远离间隔件元件4的机械约束的区域的第一中心部分20处，层2在本质上通过由力场E导致的静电压力的作用变形。
第一中心部分20的变形导致液体6向内腔5的周边区域移动。
当内腔5气密闭合时，在紧接着间隔件元件4的机械约束的区域的第一外部分20A处，层2通过由力场E施加的静电压力与由液体6施加的压力之间的结果变形。
在透镜结构1的正常的动作中，鉴于外部分20a处的静电压力的值，这无疑是普遍的。相对于静置条件(虚线)，这在外部分20A处导致层2的膨胀。
从以上可以看出，具有恒定体积的液体6的存在如何以高的变形动力学根据复杂轮廓促进层2的变形是显而易见的。
可对透镜结构1提出各种修改或变动，所有这些落在本发明的范围内。
层3也可以是可弹性变形的。
在这种情况下，向层2～3供给第一和第二控制电压VA1、VA2、VA3、VB1、VB2、VB3的第一和第二静电致动器811、812、813、831、832、821、822、823、841、842也能够根据希望的轮廓、特别是诸如用于补偿穿过透镜结构1的光束L的波前的任何像差的轮廓以受控的方式使层3、特别是使其第二中心部分30变形。
因此，层2～3的中心区域20～30处的第一和第二静电致动器也使得层3能够根据复杂轮廓、例如根据在该中心部分30处具有多个最大点和最小值的多项式函数(大于或等于2的阶数的Zernike表面，不包含散焦)变形。
静电致动器821、822、823、841、842、导电轨道830A、840A和电气触点830B、840B可位于第二层3的第二外表面32处。
上述的导电轨道810A、820A、830A、840A和电气触点810B、820B、830B、840B可在层2～3的表面21、22、32、32处制成，或者至少部分地嵌入于层2～3的厚度中。
并且，它们可至少部分地在间隔件元件4的表面处获得并且/或者被嵌入于其厚度中。
穿过透镜结构1的光束L的路径可相对于上述的附图所示的情况反转，在上述的附图中，作为例子，光束L被示为分别在层2和3处从透镜结构1入射/出射。
图13表示透镜结构1的另一实施例。
根据本实施例，透镜结构1包含被定位为与第一层2分开且优选具有刚性的第三层9和与第一层2和第三层9一体化连接的另一间隔件元件94。
优选地，层9具有大致平面几何结构，并且由例如为玻璃、聚合物材料或复合材料等的材料的一个或更多个基质和/或膜和/或区域形成。
优选地，第三层9具有200μm～1200μm的厚度。
第三层9具有第三内表面91和第三外表面92。
第三内表面91被定位为面向第一层2的第一外表面21。
第三外表面92被定位为与第三内表面91相对。
参照光轴100，层9包含对光束L透明的第三中心部分90。
有利地，第三中心部分90由第三层9的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱形状)以光轴100为中心。
第三中心部分90与层2～3的中心部分20～30协作地限定透镜结构1的光学孔径。
参照光轴100，层9包含与第三中心部分90不同的第三外部分90A，该在第三外部分90A处，它与另一间隔件元件94一体化形成。
优选地，第三外部分90A由第三层9的穿过其整个厚度的部分形成。
优选地，它(例如，圆柱冠形状)以光轴100为中心并且位于第三中心部分90的周边。
第三外部分90A也可对光束L透明。
优选地，层9至少部分地电气绝缘。
与第一层2和第三层9一体化连接的另一间隔件元件94位于第一层2的第一外表面21与第三层9的第三内表面91之间。
它形成适于使第一层2和第三层9相互分开的刚性支撑。
优选地，另一间隔件元件94(例如，环形状)分别在其外部分20A和90A处位于层2和9的周边。
优选地，另一间隔件元件94位于层2和9的外边缘处并且至少部分地限定透镜结构1的侧壁。
另一间隔件元件94包含例如为玻璃、聚合物材料或复合材料等的材料的一个或更多个基质和/或膜和/或区域。
优选地，另一间隔件元件94是电气绝缘的。
优选地，它具有10μm～250μm的厚度。
透镜结构1包含至少部分地由间隔件元件94、由第一层2以及由第三层9限定的另一内腔95。
特别地，参照光轴100的大致垂直取向，如图13所示，层2和9至少部分地分别限定另一内腔95的下(可变形)和上(可变形或刚性)壁，而间隔件元件94限定其侧壁。
内腔95容纳对光束L透明的另一液体96。
另一液体96具有与光束L在到达透镜结构1之前穿过的存在于透镜结构1外面的流体的折射率同质的折射率。
另一透明液体96占据另一内腔95的整个体积，以分别在其第一外表面21和第三内表面91处与第一层2和第三层9接触。
优选地，另一液体96是非极性的、电气绝缘的且对光束L透明。
优选地，另一液体96具有与空气的折射率同质的折射率。
优选地，内腔95被气密闭合，使得当层2的中心部分20经受机械变形时，透明液体96的体积保持恒定。
优选地，透明液体96可由例如液体石蜡或类似的物质形成。
优选地，透镜结构1在第三层9的第三中心部分90处包含与第三层9操作上相关的一个或更多个第一第五静电致动器911。
实际中，第五静电致动器911也位于光束L穿过的透镜结构1的光学孔径处。
第五静电致动器91适于向第三层9、特别是向其中心部分90供给选择性地可调整的第五控制电压VC1。
通过第五静电致动器供给的第五控制电压VC1与由上述的静电致动器产生的第一控制电压协作地在第一层2与第三层9之间产生另一静电力场E1。
在层2与9之间的空间中(即，在另一内腔95的体积中)，力场E1的强度逐点依赖于由第一静电致动器供给的第一控制电压和由第五静电致动器供给的第五控制电压。
特别地，对于层2与9之间的空间的各点，力场E1的强度逐点依赖于上述的第一与第五控制电压之间的差值。
力场E1与由层2～3之间的第一和第二静电致动器产生的力场E协作，以至少在第一中心部分20处导致层2的变形。
因此，透镜结构1的第一、第二和第五静电致动器能够根据希望的轮廓以受控的方式使层2、特别是使其第一中心部分20变形。
并且，在这种情况下，在使用所述透镜结构的情况下，第一中心部分20也根据诸如用于补偿所述光束L的波前的不包含散焦的、大于或等于2的阶数的光学像差的轮廓变形。
原则上，第五静电致动器911可位于层9的第三内表面91和/或第三外表面92处。
根据本发明的一些实施例(图13)，透镜结构1包含单个第三静电致动器911。
在这种情况下，单个静电致动器911优选位于层9的第三内表面91处。
根据本发明的其它实施例(未示出)，透镜结构1包含多个第五静电致动器。
优选地，第五静电致动器911与能够产生和调整第三控制电压VC1的电子控制器件80电连接。
可通过与上述的透镜结构1的第一和第二静电致动器类似的方式制造第五静电致动器。
可通过与层9操作连接的相应的第五致动器电极或者通过层9的相应的第五致动区域形成它们。
优选地，第五静电致动器有利地通过可通过与上述的导电轨道810A、820A、830A和840A类似的方式制造的导电轨道与控制器件80的相应的驱动通道连接。
在图13所示的透镜结构1的实施例中，假定使得能够补偿例如由透镜结构1的特定操作定位导致的层2的变形的任何偏移，则使得能够极其精确地控制层2的变形。
该实际中已看出，通过根据本发明的透镜结构1，能够解决描述的现有技术的问题，从而实现陈述的目的。
在透镜结构1中，层2～3的中心部分20～30中的第一和第二静电致动器的布置使得能够在中心部分20处精确地控制层2的变形。
这使得能够实现入射光束的主反射区域(中心部分20)的根据相对复杂轮廓的受控变形。
因此，透镜结构1使得能够相对容易地校正入射光束的相对高阶(大于二阶)的入射光束的像差。
透镜结构1还使得能够相对容易地校正在振幅和频率上均具有高的操作动态范围的入射光束的像差。
透镜结构1具有相对简单的结构，从而易于通过已知的制造处理实现小型化。
因此，它可被加入于自适应光学器件或光学系统中，不明显使其整个结构复杂化。
可通过相对有限的成本通过已知的工业处理(例如，平面类型的微加工操作)很容易地制造透镜结构1。

Claims (12)

1.一种用于自适应光学器件的透镜结构(1)，特征在于它包含：
－光轴(100)，在使用所述透镜结构时，光束(L)沿光轴(100)透射；
－可响应于施加的力弹性变形的第一层(2)，所述第一层具有第一外表面(21)和与所述第一外表面相反的第一内表面(22)，所述第一层包含对所述光束(L)透明的第一中心部分(20)；
－被定位为与所述第一层分开的第二层(3)，所述第二层具有面向所述第一内表面(22)的第二内表面(31)和与所述第二内表面相反的第二外表面(32)，所述第二层包含对所述光束(L)透明的第二中心部分(30)，所述第一和第二中心部分限定所述透镜结构的光学孔径；
－位于所述第一内表面(22)与所述第二内表面(31)之间且与所述第一和第二层一体化连接的间隔件元件(4)，所述间隔件元件被布置为使得所述第一和第二内表面之间的分离距离处于25μm～100μm的范围中；
－至少部分地由所述第一和第二层以及由所述间隔件元件限定的内腔(5)，该内腔容纳对所述光束(L)透明且与所述第一和第二层接触的电气绝缘非极性液体(6)，当所述第一层变形时，该内腔相对于外部环境闭合以保持所述透明液体的体积恒定；
－对所述光束(L)透明的一个或更多个第一静电致动器(811、812、813、831、832)，所述第一静电致动器与所述第一层操作上相关且位于所述第一中心部分(20)处；
－对所述光束(L)透明的一个或更多个第二静电致动器(821、822、823、841、842)，所述第二静电致动器与所述第二层操作上相关且位于所述第二中心部分(30)处；
其中，所述第一和第二静电致动器适于供给第一和第二控制电压(VA1、VA2、VA3、VA4、VB1、VB2、VB3、VB4)，以在所述第一和第二层之间产生能够导致所述第一中心部分(20)变形的静电力场(E)；
其中，在使用所述透镜结构时，所述第一中心部分(20)根据轮廓变形，以诸如补偿所述光束的波前的、不包含散焦的大于或等于2的阶数的光学像差。
2.根据权利要求1所述的透镜结构，特征在于，所述间隔件元件被布置为使得所述第一和第二内表面之间的分离距离处于30μm～65μm的范围中。
3.根据权利要求2所述的透镜结构，特征在于，所述间隔件元件被布置为使得所述第一和第二内表面之间的分离距离为40μm。
4.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第一和第二中心部分(20、30)与所述透明液体(6)具有同质的折射率。
5.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第二层(3)形成所述间隔件元件和所述第一层的刚性支撑。
6.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第一静电致动器由在所述第一中心部分(20)处与所述第一层(2)操作连接的第一导电致动器电极(811、812、813)形成。
7.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第二静电致动器由在所述第二中心部分(30)处与所述第二层(3)操作连接的第二导电致动器电极(821、822、823)形成。
8.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第一静电致动器由所述第一层的一个或更多个第一导电致动区域(831、832)形成。
9.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，所述第二静电致动器由所述第二层的一个或更多个第二导电致动区域(841、842)形成。
10.根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构，特征在于，它包含：
－被定位为与所述第一层分开的第三层(9)，所述第三层具有面向所述第一外表面(21)的第三内表面(91)和与所述第三内表面相反的第三外表面(92)，所述第三层包含对所述光束(L)透明的第三中心部分(90)；
－位于所述第一外表面(21)与所述第三内表面(91)之间且与所述第一和第三层一体化连接的另一间隔件元件(94)；
－容纳对所述光束(L)透明且具有与存在于所述透镜结构外面的环境中的流体的折射率同质的折射率的另一电气绝缘非极性液体(96)的另一内腔(95)，所述透明液体与所述第一和第三层接触，当所述第一层变形时，所述另一内腔相对于外部环境闭合以使所述透明液体的体积恒定；
－对所述光束(L)透明的一个或更多个第五静电致动器(911)，所述第五静电致动器与所述第三层操作耦合且位于所述第三中心部分(90)处，
其中，所述第五静电致动器适于供给第五控制电压(VC1)，以在所述第一与第三层之间产生能够导致所述第一中心部分(20)变形的另一静电力场(E1)。
11.一种自适应光学器件，特征在于，它包含根据前面的权利要求中的一项或更多项所述的透镜结构(1)。
12.一种光学系统，特征在于，它包含根据权利要求1～10中的一项或更多项所述的透镜结构(1)。
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