CN106170719B

CN106170719B - 包括具有减少响应时间的可变形膜的光学设备

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Publication number: CN106170719B
Application number: CN201580011268.8A
Authority: CN
Inventors: S·博里斯
Original assignee: Webster Capital LLC
Current assignee: Webster Capital LLC
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: EP3120171A1; CN106170719A; EP3120171B1; FR3018927A1; WO2015140294A1; US20170131515A1; FR3018927B1; US10302897B2

Abstract

本发明涉及一种光学设备(100)，该光学设备包括：‑可变形膜(1)，‑支撑件(2)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)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)、基本上平行于膜(1)延伸的基部(20,200)以及支撑件(2)的在基部(20)和膜(1)之间延伸的壁(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而弯曲，以便移动位于所谓流动区域(30)的区域中的一些体积的流体，该流动区域位于膜(1)的致动区域和腔的基部(20)之间，所述光学设备(100)的特征在于，该光学设备包括加热元件(5)，该加热元件适于局部加热流动区域(30)中和/或腔的面向膜的中心部分(1b)的区域中的流体。

Description

包括具有减少响应时间的可变形膜的光学设备

技术领域

本发明涉及具有可变形膜的光学设备，以及用于减少此类设备的响应时间的方法。

背景技术

已知在可变形膜和具有基本上平行于该膜延伸的面的支撑件之间包封恒定体积的流体来形成光学设备。

膜的周边锚定区域连接到支撑件。中间部分构成设备的光学场。

膜的致动设备布置于膜的区域中，所述致动区域位于周边锚定区域和中心部分之间。

所述致动设备包括能够朝向流体和/或沿在施加致动电压下与流体相反的方向弯曲的一个或多个致动器。

致动设备的弯曲导致膜和支撑件的与膜相对的面之间的流体厚度发生振动，这引导位于这个区域中的流体体积朝向设备中心或朝向设备周边流动。“流动区域”是指位于膜的致动区域和支撑件的与膜相对的面之间的流体体积的部分。

流体体积流动的效应是修改膜的中心部分所受到的流体压力，这由所述中心部分的变形证明，并修改设备的焦距。

此类光学设备的响应时间被定义为为了获得确定的焦距而向致动设备施加电致动电压的时刻和有效实现优选焦距的时刻之间的间隔。

这一响应时间与流体从流动区域朝向设备的中心部分逃逸或反之亦然的能力相关联。

为了提升设备的性能，通常目标是减少这一响应时间。

文献FR 2 965 068描述了用于减少响应时间的光学设备的特定布置。在由膜和支撑件限定的腔中，这种布置包括在膜的中心部分的层级上界定主腔室以及在流动区域层级上界定周边腔室的结构。所述腔室在所述结构的层级上流体相通。该设备的几何形状适于迫使流体通过主腔室的所述结构朝向周边腔室流动或反之亦然，并限制设备中流体的量。

但需要进一步改善这种类型的光学设备的响应时间。

发明内容

因此本发明的目的是设计一种具有减少的响应时间的光学设备。

根据本发明，提出了一种光学设备，包括：

-可变形膜，

-支撑件，所述膜的周边锚定区域连接到该支撑件，

-腔，该腔填充有恒定体积流体，所述腔由膜、基本上平行于膜延伸的基部以及支撑件的在基部和膜之间延伸的壁界定，

-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而弯曲，以便移动位于所谓流动区域的区域中的一些体积的流体，该流动区域位于膜的致动区域和腔的基部之间，

所述光学设备的特征在于，该光学设备包括加热元件，该加热元件适于局部加热位于流动区域中和/或腔的与膜的中心部分相对的区域中的流体。

根据一个实施方案，腔的基部是支撑件的壁。

根据一个实施方案，加热元件布置于腔的基部上。

绝热元件可以插置在加热元件和腔的基部之间。

有利的是，加热元件布置于基部的与流动区域相对的区域上。

根据一个实施方案，设备包括加热元件和支撑件之间的绝热元件。

根据本发明的一个实施方案，腔的基部包括附加的可变形膜。

根据一个实施方案，加热元件布置于腔中，与流体接触。

根据一个实施方案，加热元件布置于膜的致动区域上或下方。

根据一个实施方案，加热元件形成膜的致动设备的部分。

因此，如果膜的致动设备是压电设备，该压电设备包括压电层叠堆和布置于压电层的任一侧上的至少两个电极，并且所述电极中的至少一个电极构成加热元件。

根据一个实施方案，加热元件具有面向膜的致动区域的环形形状。

根据一个实施方案，加热元件布置于腔的在基部和膜之间延伸的壁上。

根据一个实施方案，加热元件对于可见光区域的至少一个波长是透明的。

根据一个实施方案，加热元件还包括在流体和加热元件之间延伸的热扩散元件，所述热扩散元件具有比加热元件的表面大的表面。

根据一个实施方案，该设备包括加热元件和膜之间的绝热元件。

根据一个实施方案，加热元件包括加热电阻器，该加热电阻器包括两个连接端子，光学设备进一步包括连接在所述电阻器的端子之间的控制系统，以通过电阻器传递电流。

有利的是，设备包括温度传感器，并且控制系统被配置为在所述传感器测量的温度小于阈值时，通过加热电阻器来传递电流。

根据一个实施方案，控制系统被配置为一旦满足以下条件中的一个条件，就通过加热电阻器来传递电流：膜的致动设备被激活，控制系统接收到来自设备的开始信号或者光学设备的响应不符合预期响应。

任选地，控制系统被配置为在所确定的周期结束时停止使电流循环通过加热电阻器。

本发明的另一个目的涉及一种成像设备，该成像设备包括如上文所述的至少一个光学设备。

本发明的另一个目的涉及一种用于减少光学设备的响应时间的方法，该光学设备包括：

-可变形膜，

-支撑件，所述膜的周边锚定区域连接到该支撑件，

-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而弯曲，以便移动位于所谓流动区域的区域中的一些体积的流体，该流动区域位于膜的致动区域和支撑件的与所述膜相对的面之间，

所述方法的特征在于，包括对流动区域和/或腔的与膜的中心部分相对的部分中的流体进行局部加热，以便减小所述区域中的流体的粘度。

根据一个实施方案，加热限于流动区域。

根据一个实施方案，所述方法包括测量所述光学设备的环境中的温度，并且在所述温度小于阈值时进行加热。

根据一个实施方案，一旦激活了致动设备，就进行加热。

任选地，在所确定的周期结束时加热停止。

根据一个实施方案，通过脉冲进行加热。

根据一个实施方案，膜的致动设备是压电设备，该压电设备包括压电层叠堆和布置于压电层的任一侧上的至少两个电极，并且通过在所述电极中传递电流来形成加热。

有利的是，向每个电极的端子施加电势差，使得两个电极之间的电势差在压电层的表面上方是恒定的。

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是光学设备的截面图，其中加热元件布置于包含流体的腔的基部的基本上整个表面上方，

-图2是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件具有环形形状，并布置于腔的基部的面向流动区域的区域上，

-图3是根据图2的变体的光学设备的截面图，

-图4是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件布置于膜的致动区域中，在与流动区域中的流体接触的面上，

-图5是根据图4的变体的截面图，其中加热元件布置于膜的致动区域中，在与流体相对的面上，

-图6是光学设备的截面图，其中加热元件布置于腔的在基部和膜之间延伸的壁上，

-图7是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件形成膜的致动设备的部分，

-图8是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中热扩散元件在流体和加热元件之间延伸，

-图9是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件布置于支件撑的与腔的基部相对的面上，

-图10是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件布置于支撑件的延伸超过膜的锚定区域的部分上，

-图11是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中绝热元件布置于加热元件和支撑件之间，

-图12是示出了作为包含流体的腔的深度p(单位mm)的函数的功率P(单位mW)的曲线图，

-图13A是包括在整个表面上延伸的加热电阻器的加热元件的图示，

-图13B是包括呈线圈形式的加热电阻器的加热元件的图示，

-图14A和图14B示出了在矩形表面上的呈线圈形式的加热电阻器布置的两个示例，

-图15A和15B示出了圆形表面上的呈线圈形式的加热电阻器布置的两个示例，

-图16A和图16B示出了环形表面上的呈线圈形式的加热电阻器布置的两个示例，

-图17示出了中心凹陷的矩形表面上的呈线圈形式的加热电阻器布置的一个示例，

-图18示出了在环形表面上连续延伸的加热电阻器的示例，

-图19是根据一个实施方案的光学设备的截面图，其中加热元件集成到膜的致动设备中，

-图20是常规压电致动设备的分解示意图，

-图21是压电致动设备的分解示意图，其电极为加热电阻器，

-图22表示在致动区域的长度上施加于常规压电致动设备的电极之间的电势差的分布，

-图23示出了在未激活加热元件时，施加于图21类型的压电致动设备的电极之间的电势差的分布，

-图24示出了在激活加热元件时，施加于图21类型的压电致动设备的电极之间的电势差的分布，

-图25示出了包括由流体体积耦接的两个可变形膜的光学设备的一个实施方案，

-图26示出了图25的实施方案的变体，其中中间支撑件插置于两个膜之间的部分中，

-图27示出了包括各自与独立的流体体积相关联的两个可变形膜的光学设备的一个实施方案。

考虑到附图的清晰度因素，所示的不同元件不一定以相同的比例示出。

在一幅图和其他图之间使用附图标记来表示相同的元件。

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，所述腔：

-一方面，由可变形膜界定，

-另一方面，由基本上平行于膜延伸的基部界定，

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

该膜包括对应于光学设备的光场的中心部分。

因此，该膜包括被称为内面的面和被称为外面的相对面，内面与流体接触，外面与第二流体接触，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，膜与腔的基部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、流体和腔的基部。

在光学设备是反射镜的情况下，膜的中心部分和/或基部是反射性的。

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，这个力被施加于膜的锚定区域和中心部分之间的中间部分。

膜能够在流体的此类位移的作用下可逆地从静止位置(可以是平面或不是平面)变形，这会在每个膜的中心部分的水平高度上改变流体的厚度。

支撑件和膜的形状可有利的是具有围绕光学设备的光轴的旋转形状，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状。

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，从而移动位于所谓流动区域的区域中的一些体积的流体，该流动区域位于膜的致动区域和腔的基部之间。

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。

对致动技术的选择以及致动设备的尺寸设定取决于预期的性能水平(例如，耗电)，在设备操作期间将经受的应力，以及相对于要施加的电致动电压的考虑。

例如，一种特别适于形成单一方向致动的致动设备基于压电技术。

据回忆，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，当这两个电极被馈电时预期向压电材料施加电场。这个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。

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单独的致动器(例如以光束的形式)。

任选地，致动器能够在两个相反方向上弯曲。

可以将致动设备布置在膜的内面上、膜的外面上，甚至膜内部。

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，基部是支撑件的壁，并且与膜相反，基部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，基本不变形。

在其他实施方案中，腔的基部包括第二可变形膜，其可以具有与上述膜相同或不同的物理、机械和尺寸属性。在这种情况下，流体产生两个膜的机械耦接。

另外，所述光学设备包括适于局部加热流体的加热元件，所述加热元件位于流动区域中和/或腔的中心部分中，即，位于腔的面向膜的中心部分的部分中。

根据致动设备弯曲的方向，流体的局部加热实际上减小了其在所述流动区域中的粘度并有利于流体朝向中心部分或朝向腔的周边流动。减少了光学设备的响应时间。类似地，腔的中心部分中的流体的局部加热有利于这个区域中的流体的流动，因此减少了光学设备的响应时间。

加热元件有利地包括欧姆导体(通常称为“电阻器”)，电流从其通过。

欧姆导体耦接到控制系统，该控制系统控制在欧姆导体中循环的电流的强度或其端子处的电压。

焦耳效应导致所述导体的温度和以热量形式耗散的功率P响应于如下公式而升高：

其中U是施加于导体端子的电压(单位伏特)，并且R是所述导体的电阻值(单位欧姆)。

焦耳效应在时间Δt内贡献的热能为：

以上公式对应于控制施加于导体端子的电压U。

在控制系统控制的是电流I的情况下，功率P被表示为：

P＝R×I²

其中I为导体中循环的电流(单位安培)。

焦耳效应在时间Δt内贡献的热能为：

E_J＝R×I²×Δt

可以根据稍后详细描述的不同实施方案，将欧姆导体集成到光学设备中。

欧姆导体的性能取决于构成后者的材料及其几何形状。通常，目的是优化欧姆导体的材料和几何形状，以实现流体的快速加热并使光学设备的电消耗最小化。

另选地，可以使用帕尔贴模块替代上文提到的欧姆导体以形成加热元件。

优选地，将加热元件定位成尽可能接近流动区域和/或腔的中心部分中的流体，例如，直接接触流体，并具有充分大的表面，以产生与流体尽可能大的热交换表面。

在光学设备的响应时间在环境温度下令人满意的情况下，激活加热元件可以仅发生在低温下，当这个温度导致流体粘度的显著降低并因此导致设备的响应时间下降时发生。因此，在设备的响应时间不再可接受的所确定的温度阈值以下，触发控制系统以加热流体并使响应时间返回可接受水平。这种控制模式是有利的，因为这使得光学设备消耗的功率最小化。实际上仅在低温下加热元件才对光学设备的电力消耗有贡献。

另选地，尤其在判定光学设备的响应时间在环境温度下不够快时，加热元件的激活可以是系统性的。在这种情况下，无论光学设备经受什么样的温度，均对流体加热，这减小了流体的粘度并改善了响应时间。加热的持续时间可以取决于设备的使用情况。

可以在每次致动膜时，通过脉冲来进行加热元件的激活。在指定的响应时间期间(通常为10ms甚至为几个ms量级)，加热流体以促进其流动，然后在设备不工作的同时停止加热，直到下一次致动。

在必须要在特定温度阈值之下激活加热元件的情况下，有几种方案用于检测激活它的需求：

-可以由传感器测量温度，传感器可以是专用于光学设备中的这种测量的欧姆导体或位于光学设备外部的温度传感器；

-可以由加热元件自身通过本领域的技术人员公知的技术(所谓的四点方法)来测量温度；

-如果光学设备的特性(例如焦距、致动设备的端子处的电流)受到温度影响，可以在静止(不致动)时测量所述特性，

-可以在特定致动时间之后测量光学设备的特性(例如焦距)并与预期值进行对比：如果测量的焦距是预期焦距的量级，则该设备具有充分快的响应时间，并且不必加热流体。如果焦距小于所确定的阈值，这意味着必须要激活加热元件(可以将必须要通过欧姆导体的电流的强度与预期焦距值相关联)。如前一段中所述，可以将这一原理应用于光学设备的另一特性，诸如致动设备的端子处的电流；

-另一种方法由如下操作构成：使用光学设备一次而不进行加热(例如，使聚焦序列发生)，如果结果不在预期水平下，则激活加热元件。

不论使用什么检测模式，如果加热不是连续的，加热元件的控制系统就根据适合的算法工作。开发这种算法在本领域技术人员的范围之内。

图1示出了本发明的第一实施方案。

光学设备100包括支撑件2，该支撑件具有凹陷形状，该形状限定包括基部20和从基部延伸的侧向壁21的腔。

支撑件能够任选地包括层叠堆，使得壁21的材料不必与基部20的材料相同。

例如，基板2可以由玻璃制成。

可变形膜100具有周边区域1c，通过周边区域其密封地锚定在支撑件2上。

利用基部20和壁21，该膜限定了填充有恒定体积流体3的密封腔。

设备100还包括布置于膜的位于锚定区域1c和膜中心部分1b之间的致动区域1a中的致动设备(未示出)。

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(虚线所示的构造)。然而，这一图示不是限制性的，并且膜可以在静止时具有非平面构造(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。

实线所示的膜构造对应于在向致动设备施加电压的作用下膜的变形构造的非限制性示例。

实际上，施加所述电压导致所述致动设备朝向流体3弯曲，如两个箭头所示。

这种弯曲的效果是迫使位于致动区域1a和基部20之间的区域30(称为流动区域，图1中由虚线界定)中的一些流体朝向腔的中心流动。同时，施加于膜的中心部分1b上的流体压力上升，从而导致其变形。

本文例示的变形构造仅仅是一个非限制性示例，并且根据致动设备的弯曲范围和方向，膜的其他变形也是可行的。

腔的基部20被加热元件5覆盖，在该实施方案中，加热元件是盘的形式，如根据A-A的平面图中所示。

加热元件至少延伸到流动区域30的外边缘，以便同时加热流动区域30中和腔的中心部分中的流体3。

换句话讲，这种情况下的加热元件与膜的整个中心部分1b和致动设备1a具有相同的几何形状。

在光学设备工作于透射模式中并且加热元件位于设备的光学场中的情况下，加热元件由对指定波长透明的一种或多种材料制成。例如，可以使用氧化铟锡(ITO或“铟锡氧化物”)，这是一种在可见光区域中透明的导电材料。

图2示出了设备100的一个实施方案，其中与图1中所示的设备不同，加热元件5具有环形形状。设备100的其他特性类似于图1的设备的那些特性，因此不会更详细地描述。

有利的是，加热元件5的宽度至少等于膜的致动区域1a的宽度。优选选择加热元件5的内径，使其小于或等于流动区域30的内径，并选择加热元件5的外径，使其大于或等于流动区域30的外径。然而，可以选择不如致动区域宽的，或者相对于致动区域部分偏移的加热元件。

因此，在流动区域30中以及任选的流动区域30附近对流体3进行局部加热。

将加热定位在流体流动最关键的地方更直接作用于粘度对响应时间影响最显著的一些流体，因为流体通常具有有限的热导率。因此，在流体位移区域的层级上进行局部加热防止加热设备的其余部分并在加热流体所需功率方面提升了功效。

图3示出了图2的实施方案的变体，其中加热元件5具有矩形外轮廓和圆形内轮廓。设备100的其他特性类似于图1和图2的设备的那些特性，因此不会更详细地描述。

在这种情况下，加热元件的内边缘与设备的光学区域的周边重合，使得加热元件不被插置在光束的路径上，而矩形形状的外边缘相对于图2的加热元件增大了与流体热交换的表面。

图4示出了光学设备的一个实施方案，其中加热元件布置于膜的致动区域中，在与流动区域中的流体接触的面上。

因此加热元件具有环形几何形状，如图2中那样。

另一方面，由于加热元件与流动区域的流体直接接触，因此使热损耗最小化。

图5示出了图4的光学设备的变体，其中加热元件5布置于膜的致动区域1a中，在与流体相对的面上。

图6示出了光学设备的一个实施方案，其中加热元件5布置于腔21的在基部20和膜1之间延伸的壁上。加热元件具有冠状的几何形状，其在壁21的全部或部分高度上延伸。

在流动区域30较为接近壁21的程度上，通过流体的热传导可足以加热区域30中的流体。

另外，加热元件还可能形成膜的致动设备的部分。

对于压电致动而言，设备的基础部件是压电层和堆叠于所述层的任一侧上的两个电极(参考图20)。在两个电极之间施加电压导致该层平面中的压电材料的收缩或扩张。为了实现这个平面的挠曲，该设备必须包括可以是无源(诸如矿物或金属材料)或有源(诸如压电部件)的其他部件。这些附加的不同部件根据其厚度、其杨氏模量、其残余应力、其相对于叠堆的中心纤维的位置而影响致动。

在本文中，“致动设备的形成部分”表示加热元件可以是参与通过向致动施加电压而造成的挠曲和力的部件和/或参与致动设备静止时的机械平衡的部件(尤其是对控制致动设备静止时的位置有贡献的部件)和/或调节致动设备静止时对膜应变的效应的部件。

例如，对于压电致动设备而言，形成加热元件的欧姆导体可以是布置于旨在平衡叠堆中的应力并控制静止时的位置的压电叠堆附近的元件。在这种情况下，可以将加热元件定位于膜上、在与致动设备相同的面上或与致动设备相对的面上。

图7示出了光学设备的一个实施方案，其中加热元件5定位于膜的致动区域1a中，在与致动设备4相对的面上。这种布置的优点是相对于膜的致动设备的电极对加热元件进行电绝缘。

在热平面上，有利的是使加热元件和流体之间的热交换表面最大化。

根据图8所示的本发明的一个实施方案，该光学设备包括在流体3和加热元件5之间延伸的热扩散元件6。元件6由比支撑件2更导热的材料制成，诸如铜、银，或者如果要考虑光学透射的问题，为DLC(类金刚石碳)。

例如，加热元件5具有环形形状，如图2中所示，但热扩散元件6的表面大于加热元件的表面。

因此，加热元件5发散的热量在元件6内被扩散并利用后者而分布到更大流体表面，从而能够加热位于腔的中心部分中的流体。

在光学设备工作于透射模式中并且元件6位于设备的光学场中的情况下，为所述元件6选择对于指定范围波长透明的材料。

图9示出了光学设备的一个实施方案，其中加热元件5布置于支撑件2的与腔的基部20相对、面向流动区域30的面上。

这一解决方案可能不太有效，尤其是就加热动力学而言，但根据支撑件的性质(例如，如果其由玻璃制成)，加热元件5发散的热量通过支撑件2扩散并在比加热元件自身大的表面上被分布。

图10示出了光学设备的另一个实施方案，其中加热元件5具有环形形状，并布置于粘附到膜1锚定到的支撑件2的面上的基板23上。所述基板23由导热材料制成，使得加热元件5发散的热量通过基板23和支撑件2扩散，并能够在壁21的层级上并在流动区域中加热流体。

为了加热流体，可能有利的是将加热元件放置成与流体直接接触并将所述加热元件与光学设备的外部绝缘。

根据光学设备的各个部件的热阻率，可以根据上文所述的模态来调整加热元件的放置和几何形状。

还可以考虑相对于制造光学设备而言的考虑事项。

例如，使用微型系统技术对于在膜上定位加热元件以简化其制造而言可能是有利的。

因此，膜能够完成加热元件和致动设备之间的电绝缘功能。这防止了必须增加特定的电绝缘层。

例如，通过在设备中围绕包含流体的腔包括一个或多个绝热层来将流体与外部热绝缘也可能是明智的。

类似地，可能有利的是在光学设备中围绕加热元件包括一个或多个绝热层以将后者与外部绝缘。

图11示出了一个实施方案，其中绝热层7布置于环形形状的加热元件5和支撑件2之间的基部20上。所述层7防止加热元件5朝向光学设备的外部发生热损耗。层7可以包括矿物质材料，诸如SiO₂、SiN、Al₂O₃或聚合物材料。

上文描述的不同实施方案可以由本领域的技术人员根据光学设备的构造和预期性能而任选地进行组合。

下文将重点放在腔和加热元件的尺寸设定上，以形成有效响应时间。

对于响应时间在低温下劣化的光学传感器而言，主要目的是保持腔的流动区域和/或中心部分中的流体粘度在低温(通常为-10℃或甚至-20℃)下充分低，以确保相对于典型20℃的环境温度有效的响应时间。为了确保在-10℃下响应时间中的操作基本等效于设备在20℃下的标称操作，必须要加热流体以从30℃提升其温度。

要赋予流体的热能与流体质量m(kg)、其比热c_S(J/kg/K)和优选温度差ΔT(K)成正比：

E＝c_S×ΔT×m

流体质量由腔中包含的流体体积V(m³)乘以其体积质量ρ(kg/m³)来定义。流体体积等于光学设备的表面S乘以腔的深度p(假设腔的形状简单，如图1所示，腔的高度被认为等于处于其静止位置的膜1和基部20之间的距离)，得到公式：

E＝c_S×ΔT×ρ×S×p

为了使所需功率最小化，应当选择具有低比热c_S和低体积质量ρ的流体。

一旦选择了流体，就可以通过减少腔中的流体的体积来使功率最小化。

表面通常由光学表面(在光学上大致对应于膜的中心部分的有用区域)和专用于致动的表面(用于改变焦距的膜的致动区域)限定。

这个表面是光学设备的特性，诸如有用的光学开口和焦距变化。

对于给定的光学设备而言，可以调节腔的深度以使所需功率最小化。需注意，腔的深度越小，所需功率就越得到最小化。

图12是示出了作为包含流体的腔的深度p(单位mm)的函数的在1s之内将流体温度升高30℃的功率(单位mW)的曲线图，假设腔直径为4mm，并且流体具有如下属性：

Cs＝950J/kg/K

ρ＝1.5kg/m³。

通过这种方式计算的功率对应于流体完全与外部绝缘的理想情况。

根据构成设备的材料以及设备和外部之间的热交换条件(对流、辐射、传导……)和相关联的热损耗，可以向上修改所需功率。

可以证明更详细的计算或甚至(例如，ANSYS下的已完成元件)模拟是必要的。

尽管如此，腔深度(流体厚度)对所需功率的影响仍然保持有效，使得为了获得有效性并使加热元件消耗的功率最小化，有利的做法是使腔深度最小化。

然而，在环境温度下，腔深度对响应时间具有有益效果。实际上，深度越大，响应时间越快。

因此必须要找到足以在环境温度下形成令人满意的设备响应时间但又不会大到危及在低温下加热腔的流动区域和/或中心部分中的流体所需电消耗的腔深度之间的折中，并保持满意的响应时间。

在上文详细描述的示例中，深度方面的折中介于50μm和200μm之间，通常所需功率分别为27mW和107mW。

因此，加热流体(以及在低温下将响应时间保持在可接受范围中)所需的功率必须要与指定应用以及设备作为(与致动相关联的)操作的有效消耗相协调。

一旦这样完成了尺寸设定(定义流体高度/腔深度)，本领域内的技术人员就能够设计适合的加热元件。

知道了所需的功率，对于欧姆导体而言，可以根据要施加的电流或电压来确定电阻。例如，如果目标是利用可变化高达10V的电压来控制加热元件，所需的最小电阻为3720Ω(对于50μm的腔深度)和931Ω(对于200μm的腔深度)。

必须要针对其导电性、其处理能力以及任选地，其在优选波长范围中的透明度(对于工作于透射模式的设备，其中加热系统还存在于有用光学区域中)来选择加热元件的材料。

例如，铜为良好电导体(电导率σ＝5.96×10⁷S/m)，而镍和铂电阻更大(电导率分别为σ＝1.43×10⁷S/m和σ＝9.66×10⁶S/m)。

由于提到的材料在可见区域中不透明，因此有利的是将加热元件放在光学场的周边处。

可以将氧化铟锡(ITO)用作在可见区域中透明的欧姆导体。

根据光学场的几何形状和设备的外尺寸，加热元件具有特定的表面。例如，对于直径为2mm的光学场和每侧6mm的光学设备，最大表面为32.9mm²(如图3中所示，不考虑腔的周边)。在目的是将定位加热元件的区域限制为例如直径为4mm的冠状的情况下(如图2中那样)，专用于加热元件的表面为9.4mm²。

为了优化加热元件的性能，有利的是使欧姆导体在定位加热元件的区域中占据的表面最大化。为此，整个表面可以被欧姆导体覆盖(参见图13A)或者欧姆导体可以是给定的线圈形状(参考图13B)。在这两幅图中，标记5a和5b指示加热元件5的端子。以虚线示出的矩形轮廓指示被加热元件占据的区域或加热区域。

组合图13A或图13B中所示类型的欧姆导体的形式和上文给出的不同几何形状实现了很多技术解决方案。

图14A至图18示出了不同的示例。

图14A-图14B示出了布置于矩形或正方形表面上的线圈形式的欧姆导体的两种构造；图15A-图15B示出了布置于盘形表面上的线圈形式的欧姆导体的两种构造；图16A-图16B示出了布置于环形表面上的线圈形式的欧姆导体的两种构造；图17示出了布置于内边缘为圆形并且外边缘为矩形或正方形的环形表面上的线圈形式的欧姆导体的可能构造；图18示出了环形表面上的整个层形式的欧姆导体。

显然，可以通过使定位于加热区域内部的欧姆导体末端(图15B和16B)在内部层级上向欧姆导体旋转半圈来将其引导到外部。

基于诸如图13B所示的线圈并采用等于绝缘宽度的电阻器宽度，欧姆导体占据的表面大致为加热区域表面的一半，或者分别为16.45mm²(如图3所示)和4.7mm²(如图2所示)。根据所使用的制造方法，可以调节电阻器宽度和绝缘宽度以增大或减小被欧姆导体占据的表面。

为了调节电阻值，第一步可以是调节电阻器的横截面。使这个横截面最小化还使实现优选值所需的欧姆导体长度最小化。例如，可以使用厚度e＝100nm(微系统领域中的经典厚度)，并且宽度L＝50μm(可容易实现)的电阻器。在这种情况下，对应的表面等于：S＝e×L＝5.10^–12m²。通过使用下文中将电阻器、材料的电导率、其长度和电阻器的横截面联系在一起的公式，可以计算相关联的电阻器长度(参见下表)：

给定用于电阻器的宽度(50μm)和可用电阻器表面(对于图3为16.45mm²，并且对于图2为4.7mm²)，可以计算能够放在加热区域中的欧姆导体的最大长度，具体地为329mm(如图3中所示)和94mm(如图2中所示)。

鉴于上表中提供的结果，实现最小所需电阻3720Ω(对于50μm的腔深度)需要使用Ni或Pt电阻器，其具有在光学场外部的光学设备的整个表面上方延伸的加热区域(如图3所示)。实际上，利用这种情况下可用的329mm的欧姆导体长度，能够容易提出Ni欧姆导体需要266mm，并且Pt欧姆导体需要179.7mm。

为了获得所需最小电阻931Ω(对于200μm的腔深度)，可以使用Cu、Ni或Pt电阻器，其具有延伸到光学场外部的设备的整个表面的加热区域(如图3所示)。可以将加热区域限制为直径4mm的冠状但使用Ni或Pt电阻器。

图18中所示的另一种进行方式由如下操作构成：由整个层形式的欧姆导体覆盖加热区域的可用表面(如图13A所示)，以及计算相关联的电阻，假设已给出用于欧姆导体的材料及其厚度。对于图2而言，有9.4mm²可用，可以利用宽度1mm和厚度100nm的冠状形式的电阻器。与这种几何形状相关联的电阻对于Cu欧姆导体为1.58Ω，对于Ni为6.59Ω，并且对于Pt为9.76Ω。这些值远低于利用10V电压加热流体所需的电阻(对于200μm的腔深度为931Ω，并且对于50μm的腔深度为3720Ω)。假设使用这些电阻，可以通过调整对加热元件的控制来加热流体。Cu需要0.41V的电压，Ni需要0.84V，并且Pt需要1.02V。在这种情况下，所需电流更大，分别为260mA、127mA和105mA。因此这样的情况对于通过电流而非电压来控制加热元件而言更有利，电流值很低。

根据为加热元件提供的控制(电压或电流，强度范围)和要实现的电阻值，在一种形式和另一种形式的欧姆导体(参考图13A或图13B)之间作出选择。

图19示出了图7的实施方案的变体，其中加热元件整个被集成到膜的致动设备中。在该示例中，压电致动设备中使用的电极(例如)也可以充当欧姆导体。在这种情况下，可以将多达两个欧姆导体集成到致动设备中而不添加额外的制造步骤。

作为提醒，图20示出了已知类型的压电致动设备4的核心(具体地，为一层压电材料43和两个相关联的没有任何双压电晶片的电极41,42)；为了简化附图，以线性形式示出了具有冠状形状的这一设备。

将电极41,42中的每个电极置于分别表示为Vs和Vi的等电势。两个电极之间的电势差(Vs–Vi)在位于致动原点处的压电材料43中产生电场。

假设使用冠状形式的致动设备的几何形状，图16A中示出了对应的欧姆导体。

在图21中所示的示例中，两个电极41,42满足欧姆导体的功能。

电极41,42中的任一个电极都不再被置于等电势，但经受分别表示为Vs1–Vs2和Vi1–Vi2的电势差，电势差意在通过焦耳效应加热由每个电极构成的欧姆导体。而且，两个电极之间的电势差(Vs1–Vi1和Vs2–Vi2)旨在在压电材料中产生电场并致动该致动设备。为了确保均匀致动，两个电极之间的电势差必须要在压电材料和致动设备的整个表面上均匀。

图22中针对已知类型的致动设备示出了电极之间沿所述电极的电势差U；上电极41被置于电势Vs，并且下电极42接地(Vi＝0)。

图23示出了在未激活加热元件时，图21类型的压电致动设备的电极之间的电势差U的分布。在这种情况下，将上电极41置于等电势Vs1＝Vs2＝Vs，并且将下电极42接地(Vi1＝Vi2＝0)。

图24示出了在激活加热元件时，图21类型的压电致动设备的电极之间的电势差U的分布。在这种情况下，上电极41经受Vs2–Vs1之间的电势差，并且下电极42经受Vi2–Vi1之间的电势差，两个电极之间的电势差恒定(U＝Vs)。

如果电极材料不同，例如，可以通过独立地调节一个和另一个电极中的电流(在电阻值不同的情况下)，或通过使相同电流值流经电极(在通过调整其几何形状使电阻值相等的情况下)来确保这一电势差。

致动设备的其他元件，诸如双压电晶片层，能够结合加热元件发挥作用(例如，通过满足热扩散层的功能或加热元件相对于外部的绝热功能)。

任选地，两个电极中的一个电极可以发挥温度传感器的作用。

加热元件和任选地与其相关联的元件还可以确保光学设备中的其他功能。因此，这些元件能够如上文示例中那样参与致动或者允许集成新型功能，尤其是诸如光学膜的光学功能。例如，对于工作在透射模式中的设备，膜的概念由使用加热元件(在这种情况下在指定的波长中不透明)来限定设备的有用光学区域而构成：在这种情况下，通常选择诸如图2和图3中所示的加热元件，其中入射光束的通路限于内径。根据另一个示例，对于工作于反射模式中的光学设备，加热元件还可以确保入射光的反射：那么加热元件被配置为镜片。

在较早描述的实施方案中，将腔的基部视为支撑件的壁，即，在腔中的流体的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部包括第二可变形膜的光学设备。在这种情况下，流体施加两个膜的机械耦接，其调节两个膜的中心部分采用的变形。

图25示出了光学设备100的一个实施方案，该光学设备包括通过锚定区域200c连接到支撑件2的附加的可变形膜200。

可变形膜自身可以不耦接到致动设备。在图25中所示的实施方案中，附加的膜200具有致动设备205，该致动设备布置于位于膜的锚定区域200c和中心部分200b之间的致动区域200a中。

在这种情况下，加热元件(未示出)有利地形成两个膜的致动设备5,205之一和/或另一个的部分。例如，加热元件可以与图19的实施方案中具有相同构造。

在图26中所示的另一个实施方案中，可以将基板22部分地插置于膜1,200之间。所述基板22具有冠状形状，并从支撑件2朝向腔内部沿径向延伸。

如前一实施方案中那样，附加的膜200被表示为具有致动设备205，但根据变体，其可以不可致动。

由支撑件形成的冠的内径例如稍小于两个膜的致动设备5,205的内径。在这种情况下，该设备包括两个流动区域：膜1和支撑件22之间的第一流动区域30，以及附加膜200和支撑件22之间的第二流动区域31。

在这种情况下，可能有利的是在每个流动区域30,31中的基板22的每个面上布置两个加热元件4,204。所述加热元件例如是与图2中所示相同的类型。

所述加热元件有利地考虑了与每个膜相关联的流动区域的几何形状差异；例如，在图26所示的情况下，

流动区域30的厚度小于流动区域31。

图27示出了包括两个可变形膜1,200的光学设备的一个实施方案。

每个膜与相应体积的流体3,3’接触。

两个体积被中间基板22分隔，该中间基板在腔的整个宽度上方延伸，因此彼此独立。

在这种情况下，有利地使用两个加热元件4,204作用于相应的流动区域30,31。

例如，可以将加热元件布置于中间基板22的任一侧上，在相应的流动区域中。

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型、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。

膜可基于有机材料制造，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。该膜可包括相同材料的单层或不同材料的层叠堆。

流体可为液体，诸如碳酸丙烯酯、水、折射液、光学油或离子液体、硅油、具有高热稳定性和低饱和蒸气压力的惰性液体。

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。

参考文献

FR 2 965 068

Claims

1.一种光学设备(100)，包括：

-可变形膜(1)，

-支撑件(2)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)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)、基本上平行于所述膜(1)延伸的基部(20，200)以及所述支撑件(2)的在所述基部(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)的区域(1a)位于所述膜(1)的所述周边锚定区域(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而弯曲，以便移动位于被称为流动区域(30)的区域中的一些所述体积的流体，所述流动区域位于所述膜(1)的致动区域和所述腔的所述基部(20)之间，和

-加热元件(5)，所述加热元件适于局部加热所述流动区域(30)中和/或所述腔的面向所述膜的所述中心部分(1b)的区域中的流体。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述腔的所述基部是所述支撑件的壁，并且所述加热元件(5)布置于所述腔的所述基部(20)上。

3.根据权利要求2所述的设备，还包括在所述加热元件(5)和所述腔的所述基部(20)之间插置绝热元件。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述腔的所述基部包括附加的可变形膜(200)。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热元件布置于所述膜(1)的所述致动区域(1a)上或下方。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热元件形成所述膜的所述致动设备(4)的部分。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述膜的所述致动设备(4)是压电设备，所述压电设备包括压电层的叠堆(43)和布置于压电层的任一侧上的至少两个电极(41，42)，并且所述电极(41，42)中的至少一个电极构成所述加热元件。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热元件(5)具有面向所述膜的所述致动区域(1a)的环形形式。

9.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述流体(3)和所述加热元件(5)之间延伸的热扩散元件(6)，所述热扩散元件(6)具有比所述加热元件的表面大的表面。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括所述加热元件(5)和所述膜(1)之间的绝热元件。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热元件包括加热电阻器，所述加热电阻器包括两个连接端子，并且所述光学设备进一步包括连接在所述电阻器的端子之间的控制系统，以用于通过所述电阻器传递电流。

12.一种成像设备，包括：

-可变形膜(1)，

-所述膜(1)的区域(1a)的致动设备(4)，所述膜(1)的区域(1a)位于所述膜(1)的所述周边锚定区域(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而弯曲，以便移动位于被称为流动区域(30)的区域中的一些所述体积的流体，所述流动区域位于所述膜(1)的致动区域和所述腔的所述基部(20)之间，

-加热元件(5)，所述加热元件适于局部加热所述流动区域(30)中和/或所述腔的面向所述膜的所述中心部分(1b)的区域中的所述流体，其中所述加热元件包括加热电阻器，所述加热电阻器包括两个连接端子，和

-控制系统，所述控制系统连接在所述加热电阻器的端子之间，以用于通过所述电阻器传递电流。

13.根据权利要求12所述的成像设备，还包括温度传感器，其中所述控制系统被配置用于在由所述温度传感器测量的温度小于阈值时通过所述加热电阻器传递电流。

14.根据权利要求13所述的成像设备，其中所述控制系统被配置为：在致动设备(4)的激活期间使电流循环通过所述加热电阻器，以及在所述致动设备(4)未激活时停止使所述电流循环通过所述加热电阻器。

15.一种用于减少光学设备(100)的响应时间的方法，包括：

加热所述光学设备的腔中的流体，所述光学设备包括：

-可变形膜(1)，

-所述腔，所述腔填充有恒定体积的流体(3)，所述腔由所述膜(1)、基本上平行于所述膜(1)延伸的基部(20)以及所述支撑件(2)的在所述基部(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)的区域(1a)位于所述膜(1)的所述周边锚定区域(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而弯曲，以便移动位于被称为流动区域(30)的区域中的一些所述体积的流体，所述流动区域位于所述膜(1)的致动区域和所述支撑件(2)的与所述膜相对的面之间，

其中所述加热包括对所述流动区域(30)中和/或所述腔的面向所述膜的所述中心部分(1b)的区域中的所述流体(3)进行局部加热，以便减小所述区域中的所述流体(3)的粘度。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括测量所述光学设备(100)的环境中的温度，并且在所述温度小于阈值时进行加热。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括一旦激活所述致动设备(4)就进行加热。

18.根据权利要求15所述的方法，其中通过脉冲进行所述加热。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述膜的所述致动设备(4)是压电设备，所述压电设备包括压电层的叠堆(43)和布置于压电层的任一侧上的至少两个电极(41，42)，并且通过在所述电极中传递电流来形成所述加热。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于向每个电极的端子施加电势差(Vs2-Vs1、Vi2-Vi1)，使得两个电极的电势之间的差(U)在压电层的表面上是恒定的。