CN106164715A - 具有可变形膜的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可变焦距的光学设备(100)，该光学设备(100)包括：‑可变形膜(1)，‑支撑件(2)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)被连接到该支撑件(2)，‑腔，该腔填充有恒定体积的流体(3)，所述腔由膜(1)、与膜(1)相对的基底(20)、以及在基底(20)和膜(1)之间延伸的支撑件(2)的壁(21)界定，‑膜(1)的区域(1a)的致动设备(4)，该膜(1)的区域(1a)位于膜(1)的周边锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间，该致动设备(4)被配置为通过施加电致动电压来使所述膜弯曲，以便使一些体积的流体(3)发生位移，其特征在于膜(1)包括加强结构(10)，该加强结构(10)包括单元，该单元在所述膜的中心部分(1b)中界定各自构成相应基本光学系统的屈光度的至少两个可变形区域(1d)，每个基本光学系统包括膜的所述相应可变形区域(1d)、流体(3)和腔的基底(20)。

Description

具有可变形膜的光学设备

技术领域

本发明涉及一种包括可变形膜的具有可变焦距的光学设备。

背景技术

在光学和光子很多领域中使用了多开口光学设备，其包括多个光学系统诸如形成阵列的透镜。应用的示例是义眼、相机(例如，Lytro或Pelican成像全光光学系统)、3D光学成像系统(图像的捕获或投射)甚至电信。

存在不同的技术解决方案用于改变包括多个透镜的光学设备的焦距。

第一项技术由通过电润湿来形成多个透镜构成。可通过在若干个电极之间施加电势差来激活该光学设备(电润湿的传统情况)。另一个解决方案(没有电极)由使用铌酸锂基板构成，该铌酸锂基板包括根据所确定的图案分布的反转极化区域和所述基板的表面上方散布的光学油脂层。基板温度的变化改变了其极化并导致根据基板的对应区域的极化改变油脂的厚度[1]。

另一项技术基于与恒定体积流体接触的可变形膜的变形。该光学设备包括由经由沟道连通的多个腔室形成的流体电路，该腔室被界定在基板和可变形膜之间。每个腔室构成透镜。流体电路填充有基本上不可压缩的流体并被连接到泵，该泵改变所有腔室中的流体压力，并使膜变形以调节透镜的焦距[2]。

然而，此类设备非常笨重，尤其是由于泵的存在，该泵被布置成相对于透镜阵列偏移。

而且，流体电路复杂且制造成本高，这影响了设备的响应时间。

发明内容

本发明的目的是纠正现有设备的缺点并设计一种光学设备，该光学设备包括设计简单、廉价且在响应时间方面高效的至少两个透镜或镜片。

根据本发明，提出了一种具有可变焦距的光学设备，该光学设备包括：

-可变形膜，

-支撑件，所述膜的周边锚定区域被连接到该支撑件，

-腔，该腔填充有恒定体积的流体，所述腔由膜、与膜相对的基底、以及在基底和膜之间延伸的支撑件的壁界定，

-膜的区域的致动设备，该膜的区域位于膜的周边锚定区域和中心部分之间，该致动设备被配置为通过施加电致动电压来使所述膜弯曲，以便使一些体积的流体发生位移，

所述设备的特征在于膜包括加强结构，该加强结构包括单元，该单元在所述膜的中心部分中界定各自构成相应基本光学系统的屈光度的至少两个可变形区域，每个基本光学系统包括膜的所述相应可变形区域、流体和腔的基底。

根据一个实施方案，该加强结构包括垂直于膜的中心部分的表面延伸的多个沟槽，所述沟槽彼此相对地被布置，以便限定各自界定相应可变形区域的所述单元。

根据另一个实施方案，加强结构包括在膜的中心部分上延伸的层，该层具有限定各自界定相应可变形区域(1d)的单元的至少两个开口。

所述单元优选地具有圆形形式。

根据一个实施方案，该加强结构形成膜的整体部分。

另选地，该加强结构被连接到膜。

根据一个实施方案，膜的可变形区域的硬度从一个区域到另一个区域是恒定的。

根据另一个实施方案，该膜包括具有不同程度硬度的至少两个可变形区域。

根据一个实施方案，该加强结构在被施加于膜的中心部分上的流体压力变化的作用下不变形，使得在致动设备被激活时，膜的中心部分发生偏移而不变形，仅由加强结构界定的可变形区域可能变形。

根据另一个实施方案，该加强结构能够在被施加于膜的中心部分上的流体压力变化的作用下变形。

腔的与膜相对的基底可以是支撑件的壁或具有被连接到所述支撑件的周边锚定区域的附加膜。

本发明还涉及一种用于诸如上述设备的焦距的变化的方法，该方法包括向致动设备施加电致动电压并且使由加强结构的单元界定的每个可变形区域中的膜变形。

附图说明

参考附图从以下具体实施方式将看出本发明的其他特征和优点，其中：

-图1在平面图和横截面视图中示出了根据本发明的第一实施方案的处于静止状态的光学设备的框图；

-图2是在加强结构在流体压力变化的作用下不变形的实施方案中的图1的光学设备在工作时的横截面视图；

-图3是在加强结构在流体压力变化的作用下变形的实施方案中的图1的光学设备在工作时的横截面视图；

-图4A至图4D是根据本发明的光学设备处于静止状态时的不同实施方案的横截面视图；

-图5在平面图和横截面视图中示出了根据本发明的第二实施方案的处于静止状态的光学设备的框图；

-图6和图7示意性地示出了已知类型的成像设备；

-图8示意性地示出了包括根据本发明的光学设备的成像设备。

具体实施方式

该光学设备通常包括填充有恒定体积流体的腔，该腔：

-在一方面，由被连接到支撑件的可变形膜界定，

-在另一方面，由与膜相对的基底界定，

-最后，由膜的周边锚定区域被连接到的支撑件的壁界定，所述壁在基底和所述可变形膜之间延伸。

该膜包括限定光学设备的光学场的中心部分。

因此，该膜包括被称为内面的面和被称为外面的相对面，该内面与流体接触，该外面与第二流体接触，该第二流体可以是环境空气。

膜是指任何软且紧的薄膜，使得该膜在被包含在腔中的流体和位于该膜的相对面上的流体之间形成屏障。

在光学设备是透镜的情况下，其功能是透射，该膜与腔的基底对于预期通过该透镜传播的光束是透明的(至少在其中心部分)，该光束依次通过膜的中心部分、流体和腔的基底。

在光学设备是镜片的情况下，膜的中心部分和/或基底是反射性的。

该流体充分不可压缩，以在流体方向上向膜施加力时朝设备的中心部分移动，该力被施加于膜的锚定区域和中心部分之间的中间部分中。

该膜包括加强结构，该加强结构包括在膜的中心部分中界定至少两个可变形区域的单元。

每个可变形区域构成基本光学系统的屈光度，该基本光学系统包括所述膜部分、流体和构成第二屈光度的腔的基底。如稍后所述的，腔的基底可以是支撑件的壁(因此不变形)或另一个可变形膜。根据膜和基底的属性，所述基本光学系统可以是透镜(透射中的系统操作)或镜片(反射中的系统操作，屈光度中的一个屈光度为反射)。

加强结构的功能是通过单元在膜内界定基本光学系统的位置和开口以及在所述基本光学系统之间延伸的膜的中心部分的区域中限定膜的机械行为(尤其是其硬度)两者。

根据一个实施方案，该加强结构可包括垂直于膜的表面延伸的多个沟槽。

另选地，该加强结构可包括在膜的中心部分上方延伸并具有界定膜的至少两个可变形区域的开口的层。

使用沟槽形式的加强结构对于在膜中心部分中制造大量基本光学系统而言是尤其优选的。沟槽的最小厚度实际上使膜的中心部分中的独立可变形区域的数量最大化(参见图1)。

相反，使用层形式的加强结构对于制造少量基本光学系统(例如，在图5中所示的示例中，4个)而言是优选的。

因此，加强结构被布置成形成单元，位于每个单元内部的膜部分是可变形的。所述单元通过加强结构以便暴露膜的每个相应部分。

位于单元内的膜的每个部分能够在流体的这种位移作用下可逆地从静止位置(可以是平面或不是平面)变形，这将在每个膜的中心部分的水平高度上改变流体的厚度。所述部分可从膜的一个区域向另一个区域表现出相同的硬度，或者相反具有不同的硬度，所述硬度尤其能够被膜厚度或材料的局部变化调节。

加强结构自身可在流体压力变化的作用下变形，在这种情况下，此类压力变化同时导致：

-加强结构变形，使得膜总体变形(该变形的范围取决于加强结构的硬度)，以及

-位于单元内部的膜的每个区域的变形。

另选地，加强结构足够刚性，从而在流体压力变化的作用下基本上不变形，在这种情况下，此类压力变化不会使膜总体变形，而是仅使膜的位于单元中的那些区域变形。

支撑件和膜的形式可有利地是围绕光学设备的光轴的旋转形式，但本领域的技术人员可选择不脱离本发明的范围的任何其他形式。

该膜具备位于周边锚定区域和中心部分之间的区域的致动设备。

所述致动设备被配置为通过施加电致动电压而弯曲，以便在位于膜的致动区域和腔的基底之间的区域中使一些体积的流体发生位移。

本领域的技术人员知道可用于致动膜的不同致动设备。

这些设备基于不同的技术，其示例为压电致动、静电、电磁、热致动、或甚至基于电活性聚合物。

就此而言，可参考文献FR2919073、FR2950154和FR2950153中的此类致动设备的详细描述。

对致动技术的选择和致动设备的尺度设定取决于预期的性能水平(例如，耗电)，在设备工作期间将受到的应力，以及相对于要施加的电致动电压的考虑。

例如，特别有效的致动设备基于压电技术。

回想压电致动器包括完全或部分夹在两个电极之间的压电材料块，在两个电极被馈电时预期向压电材料施加电场。该电场用于控制压电材料块的机械变形。压电材料块可以是单层或多层的，并且延伸超过电极。优选地，选择PZT作为压电材料。

致动设备可包括呈冠状形式的单个致动器，或在膜的周界上均匀分布的其他若干个单独的制动器(例如以光束的形式)。

任选地，致动器可能够在两个相反方向上弯曲。

可将致动设备布置在膜的内面上、膜的外面上，或甚至膜的内部。

任选地，致动设备可在周边锚定区域上方部分延伸。

在一些实施方案中，基底是支撑件的壁并且与膜相反，因此在腔中的流体位移和所造成的流体压力变化的作用下基本上不变形。

在其他实施方案中，腔的基底包括第二可变形膜，该第二可变形膜可表现出与上述膜相同或不同的物理、机械和尺度属性。在这种情况下，流体产生两个膜的机械耦接。

图1在平面图和横截面视图中示出了根据本发明的光学设备的实施方案。

光学设备100包括支撑件2，该支撑件具有用于限定包括基底20和从基底延伸的侧向壁21的腔的凹陷形状。

该支撑件可任选地包括层堆体，使得壁21的材料未必与基底20的材料相同。

例如，基板2可由玻璃制成。

可变形膜1具有周边区域1c，通过该周边区域将其密封地锚定在支撑件2上。

利用基底20和壁21，膜1限定填充有恒定体积的流体3的密封腔。

设备100还包括被布置在膜的位于锚定区域1c和膜中心部分1b之间的致动区域1a中的致动设备4。

在静止时，即在不向致动设备施加电压时，膜1应当是平面的，如图1中所示。然而，这一图示不是限制性的，并且该膜可在静止时具有非平面配置(例如，以形成会聚或发散屈光度)，而不会因此脱离本发明的范围。

加强结构10以垂直于膜表面的沟槽阵列的形式在膜的中心部分的表面上方延伸。

在该实施方案中，该加强结构10位于膜1的外面，即与流体3相对的一侧。然而，不排除在膜的内面上即在与流体相对的面上形成该加强结构。

在图1中所示的实施方案中，沟槽形成网格并限定各自界定膜的中心部分的可变形区域1d的正方形形状的多个单元。

根据其在膜中心部分上的放置情况，沟槽可具有可变高度和厚度。

单元可具有除正方形之外的任何其他形式例如圆形形式，对于透镜而言这是优选的形式。

单元的形式和尺度可在膜的中心部分的整个表面上方相同，或者相反，可根据其在所述中心部分上的放置而变化。

即使在图1中被示为连续的，但该加强结构也可为不连续的。例如，加强结构可包括各自界定相应单元的多组沟槽，而无需一组沟槽被连接到界定相邻单元的一组沟槽。

图2是在加强结构在流体压力变化的作用下不变形的实施方案中的图1的光学设备在工作时的横截面视图。

向致动设备4施加电致动电压导致所述致动设备朝流体3弯曲。

这种弯曲的效果是迫使位于致动区域1a和基底20之间的一些流体朝腔的中心流动。同时，被施加于膜的中心部分1b上的流体压力增加。

由于加强结构不变形，因此致动设备4朝流体3弯曲使膜的致动区域1a移动，这将膜的中心部分1b设置成平行于跟踪膜静止位置的虚线朝流体平移。

然而，由每个单元界定的膜1d的一部分在流体压力变化的作用下变形并采取收敛的曲率。

因此，每个基本光学系统看到其焦距被修改，同时保持其光轴的相同取向。

图3是在加强结构在流体压力变化的作用下变形的实施方案中的图1的光学设备在运行状态中的横截面视图。

在这种情况下，致动设备4朝流体3弯曲使得膜的致动区域1a移动，并且加强结构在流体压力变化的作用下变形，其采取一般收敛的曲率。

同时，由每个单元界定的膜1d的一部分在流体压力变化的作用下也变形并采取收敛的曲率。

因此，每个基本光学系统同时看到其焦距和其光轴取向被改变，光轴取向的变化在膜中心部分的周边比在其中心处更大。

图2和图3中所示的变形配置仅仅是非限制性示例，并且根据致动设备弯曲的范围和方向以及加强结构和膜的每个部分的机械属性，可设想膜和由加强结构界定的膜的每个部分的其他变形。

而且，图2和图3的实施方案涉及其膜在静止时为平面的光学设备。本发明还覆盖膜静止时具有任何其他形式的实施方案。

图4A至图4D是根据本发明的光学设备处于静止时的不同实施方案的横截面视图。

在图4A中，加强结构10具有凸曲率。

另一方面，位于单元内部的膜的每个部分也具有凸曲率。

在图4B中，加强结构10具有凸曲率。

另一方面，位于单元内部的膜的每个部分具有凹曲率。

在图4C中，加强结构10具有凹曲率。

另一方面，位于单元内部的膜的每个部分也具有凹曲率。

最后，在图4D中，加强结构10具有凹曲率。

另一方面，位于单元内部的膜的每个部分具有凸曲率。

调整设备的静止配置使得能够形成透镜或镜片的阵列，其在静止时具有其光轴的不同取向和不同焦距。

图5在平面图和横截面视图中示出了根据本发明的光学设备的另一个实施方案，与图1的不同之处基本上是加强结构的形状和由后者界定的可变形区域的数量。使用与图1中所示相同的附图标记来指示完成与图1所示设备相同功能的元件。

加强结构10的形式是在膜1的中心部分的表面上方延伸的层。所述层具有限定单元的各自界定膜中心部分的可变形区域1d的开口。

在图5中所示的示例中，单元是圆的，但应当理解，可使用任何其他形式的单元。而且，单元由它们中的四个表示，但应当理解，可利用超过两个的任何其他数量的单元。

光学设备100的操作类似于较早描述的图1的操作。根据形成加强结构的层的硬度，所述结构可在流体压力变化的作用下变形或不变形，因此可形成基本光学系统的多种配置。

另一方面，图5示出了在静止时是平面的膜和加强结构，但应当理解，本发明覆盖任何其他静止配置，例如，膜中心部分的收敛或发散曲率。

加强结构可形成膜的整体部分，并在同一制造过程期间被制造。

另选地，加强结构可独立于膜被制造，然后通过任何适当方式诸如例如粘附而被附接到后者。在这种情况下，加强结构可由与膜不同的材料制成。

加强结构能够或不能透射入射光束。

可使用本领域技术人员熟知的微电子技术来制造光学设备，尤其是诸如气相化学沉积、气相物理沉积、电沉积、外延、热氧化、蒸镀、膜层压的用于薄层沉积的技术。另外，将膜锚定在支撑件上可涉及粘附技术。

膜可基于有机材料(诸如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚对二甲苯、环氧树脂、光敏聚合物、硅树脂)或矿物质材料(诸如硅、氧化硅、氮化硅、多晶硅、金刚石碳)而被制造。该膜可包括相同材料的单层或不同材料层的堆叠。

加强结构可由上文所述的聚合物中的一个聚合物制成，或者由材料矿物质诸如氧化硅、氮化硅、多晶硅制成。在加强结构由矿物质材料制成的情况下，必须要调节材料在中心区域上导致的应变，以免过度压缩(以避免膜褶皱)或过度伸张(以避免影响其变形)。有利的是，确保加强结构在膜上造成的应变稍微伸张。

流体可以是液体诸如碳酸丙二酯、水、折射率液体、光学油或离子液体、有机硅油、具有高热稳定性和低饱和蒸汽压的惰性液体。

该流体可任选地为主要用于工作在反射模式中的光学设备的气体，诸如空气、氮气或氦气。

如果该光学设备以透射方式工作，则本领域的技术人员将根据优选的光学性能来选择该流体的折射率。

尤其有利的是，光学设备的制造基于文献FR 2962557中描述的方法，其中可变形膜及其加强结构和致动设备是在硅基板上制造的。

然后通过两个基板之间的封装流体将该基板转移到玻璃基板，该流体事先被分配在基板中的一个基板上。这种技术常规上用于制造LCD屏幕。有利的是，使用粘合剂来粘合这两个基板并确保它们分隔一定距离。

最后，通过在中心部分和致动区域中蚀刻硅基板来释放膜。

在较早描述的实施方案中，将腔的基底视为支撑件的壁，即在腔中流体位移和所造成的流体压力变化的作用下基本上不变形的壁。

然而，本发明还涵盖了腔的基底包括附加可变形膜的光学设备，该附加可变形膜的周边锚定区域被连接到支撑件。在这种情况下，流体促进两个膜的机械耦接，其调节两个膜的中心部分采用的变形。

可变形膜自身可耦接或不耦接到致动设备。

光学设备的应用

上文描述的光学设备应用于光学和光子很多领域中。应用的示例是义眼、相机(例如，Lytro或Pelican成像全光光学系统)、3D光学成像系统(图像捕获或投射)或甚至电信或照明(非穷举列表)。

图8示出了根据本发明的光学设备与微型相机中的图像传感器相关联的特定应用；图6和图7示出了针对这种应用的已知解决方案。

图6示出了被设计成拍摄(照相或摄像)场景S的图像的图像传感器C。在场景S和传感器C的像素平面P之间的光学轨迹上布置包括具有固定焦距的多个透镜的光学设备O，使得光学设备O和像素平面P之间的距离等于光学设备O的焦距f。因此光学设备在像素平面P中产生场景S的图像。

随着技术的发展，光学设备的焦距往往会减小并且传感器的分辨率往往会增大(尤其是在移动电话的领域中)；因此像素平面(图6中表示为I)的尺寸相应增大，使得像素平面边缘上的入射角α₁增大。这种现象减少了像素收集的光子量。为了纠正这一缺点，目的是减小像素平面边缘上的入射角。

图7示出了用于减小像素平面边缘上的入射角的已知解决方案。其由使图像传感器C并且尤其是使像素平面P弯曲构成。通过这种方式，像素平面边缘上的入射角α₂小于图6的角α₁。

根据本发明的设备产生了用于减小像素平面边缘上的入射角的另一种解决方案。如图8中所示，根据图3的实施方案(即，其加强结构在流体压力变化的作用下变形)，包括多个具有可变焦距的基本透镜的设备100被布置在光学设备O和图像传感器C的像素平面P之间。

膜和加强结构变形的事实使得入射光束折回并减小了像素平面边缘上的角度α₂。

设备100的基本光学系统阵列或多或少地在像素上聚集入射光束并任选地或多或少地使入射光束偏离。

因此，与具有固定焦距的多透镜设备相反，根据本发明的设备根据其在传感器上的放置情况调整入射光束在像素上的聚焦。根据膜和加强结构的变形，所述设备还具有演进结构。

参考文献

[1]L.Miccio et al,Tunable liquid microlens arrays in electrode–lessconfiguration and their accurate characterization by interference microscopy,Optics Express，第17卷，No.4，2009年

[2]N.Chronis et al,Tunable liquid–filled microlens array integratedwith fluidic network,Optics Express，第11卷，No.19，2003年

Claims (13)

1.一种具有可变焦距的光学设备(100)，包括：

-可变形膜(1)，

-支撑件(2)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)被连接到所述支撑件(2)，

-腔，所述腔填充有恒定体积的流体(3)，所述腔由所述膜(1)、与所述膜(1)相对的基底(20)、以及所述支撑件(2)的在所述基底(20)和所述膜(1)之间延伸的壁(21)界定，

-所述膜(1)的区域(1a)的致动设备(4)，所述膜(1)的所述区域(1a)位于所述膜(1)的周边锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间，所述致动设备(4)被配置为通过施加电致动电压来使所述膜弯曲，以便使一些体积的流体(3)发生位移，

其特征在于所述膜(1)包括加强结构(10)，所述加强结构(10)包括单元，所述单元在所述膜的所述中心部分(1b)中界定各自构成相应基本光学系统的屈光度的至少两个可变形区域(1d)，每个基本光学系统包括所述膜的相应可变形区域(1d)、所述流体(3)和腔的基底(20)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)包括垂直于所述膜的中心部分的表面延伸的多个沟槽，所述沟槽相对于彼此被布置为使得限定各自界定相应可变形区域(1d)的所述单元。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)包括在所述膜的中心部分上延伸的层，所述层具有限定各自界定相应可变形区域(1d)的单元的至少两个开口。

4.根据权利要求2或3中一项所述的设备，其特征在于所述单元呈现圆形形式。

5.根据权利要求1至4中一项所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)形成所述膜(1)的整体部分。

6.根据权利要求1至4中一项所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)被连接到所述膜(1)。

7.根据权利要求1至6中一项所述的设备，其特征在于所述膜(1)的可变形区域(1d)的硬度从一个区域到另一个区域是恒定的。

8.根据权利要求1至6中一项所述的设备，其特征在于所述膜(1)包括具有不同程度的硬度的至少两个可变形区域(1d)。

9.根据权利要求1至8中一项所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)在被施加于所述膜的中心部分上的流体压力变化的作用下不变形，使得在所述致动设备(4)被激活时，所述膜的中心部分(1b)发生偏移而不变形，仅由所述加强结构(10)界定的所述可变形区域(1d)易于变形。

10.根据权利要求1至8中一项所述的设备，其特征在于所述加强结构(10)能够在被施加于所述膜的中心部分(1b)上的流体压力变化的作用下变形。

11.根据权利要求1至10中一项所述的设备，其特征在于所述腔的所述基底是所述支撑件的壁。

12.根据权利要求1至10中一项所述的设备，其特征在于所述腔的所述基底包括附加可变形膜，所述附加可变形膜具有被连接到所述支撑件的周边锚定区域。

13.一种用于根据权利要求1至12中一项所述的设备的焦距的变化的方法，包括向所述致动设备(4)施加电致动电压并且使由所述加强结构的单元界定的每个可变形区域(1d)中的所述膜变形。