CN107690597B - 具有可变孔的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可变孔的光学设备(100)，包括：‑可变形膜(1)，该可变形膜包括中心光学区域(1a)，‑支撑件(10,12)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)连接到该支撑件(10,12)，‑第一腔，所述第一腔填充有在确定波长范围内的恒定体积的第一透明流体(2)，所述腔至少部分地由所述膜(1)的第一面和所述支撑件(10)的壁界定，‑所述膜的区域(1b)的至少一个致动设备(5)，所述至少一个致动设备位于所述膜的周边锚定区域(1c)和所述中心区域(1a)之间、被配置成通过施加电致动电压使所述膜的所述区域(1b)弯曲以便将所述第一流体(2)的所述体积的一些体积朝向所述中心或朝向所述第一腔的周边位移，所述流体的位移旨在使所述膜的所述中心区域(1a)变形，所述光学设备(100)的特征在于，其还包括在确定波长范围内恒定体积的不透明液体(3)至少局部地接触所述膜(1)的与第一面相对的第二面并且至少局部地接触在所述确定波长范围内且与所述透明液体(3)不可混溶的第二透明流体(4)。

Description

具有可变孔的光学设备

技术领域

本发明涉及具有可变孔的光学设备，也称为隔膜，以及这种设备的制造方法。

背景技术

隔膜是插入在光学系统中光束的路径上的机械元件，用于限定经透射的光的量和系统的孔。

此类设备特别用于高性能成像系统，因为其可确保光流的控制功能或景深调节。其还可阻挡光学系统中的衍射光线并使光学系统的像差最小化。

文献US 21470 [1]中描述的虹膜光阑仍被广泛用于近期和演进的光学系统中。其包括依据镜片尺寸而具有可变数量的可移动叶片的组件。机构转动叶片并因此调节孔。

这种类型的隔膜有若干缺陷。

首先，这是一个复杂而昂贵的解决方案。机械结构(叶片位移的机构)的复杂性造成装配困难。另外，必须集成足够数量的移动叶片以获得准圆形孔(通常对于光学系统是必需的)。此类隔膜的制造成本高，并因此证明这种技术解决方案是昂贵的。

此外，系类设备消耗的功率高。实际上，改变孔所需的力受到移动机械件之间摩擦的影响。因此，需要使用强大的电机来改变孔。

另外，复杂的机械结构和所使用的电机提供了特别庞大的设备。

最后，随着时间推移，移动机械件的磨损限制了隔膜的可靠性。

采用与虹膜光阑相同的方法，近年来已开发出新的机械解决方案[2,3]。

在这些机械解决方案中，一些是基于MEMS(微机电系统)的致动以优化尺寸和减少消耗。在上述参考文献[2，3]中就是这种情况。

然而，这些解决方案无法克服虹膜光阑的所有缺陷。实际上，这些机械隔膜技术全部具有大尺寸和制造复杂性，主要用相同的工作原理连接。此外，这些机械隔膜技术中的大多数不产生光学系统所需的准圆形孔。

几年来，已经开发了新的非机械解决方案。

特别地，已经开发了几种液体解决方案作为机械解决方案的替代方案。Philipp Müller的论文[4]详细介绍了具有流体结构的具有可变孔隔膜的现有技术，其简要综述在下文参照图12A至图12G给出。这些图中的每一者表示两个孔构形中相同的相应设备。

在图12A所示的技术方案中，光学设备200包括由透明弹性体制成的多个半球201，该多个半球201被压在由PMMA制成的衬底202上并封装不透明液体203。调节位于半球201和衬底202之间的不透明液体的压力和量，以便或多或少地使光通过并调节孔直径。

为此，该设备包括不透明液体的入口204，该入口连接到系统诸如设备200外部的泵(未示出)。该设备在创建隔膜阵列方面特别重要。然而，由于对不透明液体加压的系统被放置在设备的外部，所以这种设备并不集成，使得该解决方案体积庞大。

图12B所示的设备300包括可变形膜301和容纳在由膜301部分界定的第一腔中恒定体积的不透明液体302。在与不透明液体302相对的面上，膜301与容纳在第二腔中的气体303(例如空气)接触。所述第二腔包括与外部系统(未示出)连接的气体入口304以用于对所述气体加压。通过经由入口304引入气体303到腔或从腔引出气体303将或多或少的大量压力施加到膜301。不透明液体302被膜301推动，改变隔膜的孔。由于加压系统是外部的，因此这产生了与先前解决方案(非集成解决方案)相同的缺点。

图12C所示的设备400包括夹在玻璃衬底402和可变形膜403之间的不透明液体401，所述可变形膜403由布置在膜周边的环形压电致动器致动。在致动器的作用下，不透明液体401从设备的中心被推压，并且膜的中心被逐渐地按压在衬底402上。该解决方案是集成的，不透明液体401以恒定体积密封，而不需要提供用于液体或外部加压系统的入口/出口)。然而，尺寸仍然相当大(每侧25毫米级)。该解决方案的主要缺点是产生平庸的光学质量。实际上，当膜403压贴衬底402时，少量的不透明液体可局部保留，这损害了整体的光学质量。此外，膜和玻璃之间的固体/固体界面通常在波阵面上产生大的误差并且产生隔膜带宽平庸的光学质量。一旦膜403和衬底402接触，两种相应材料之间的粘附可使不透明液体在该区域的全部或部分上方的反向操作和返回变得复杂甚至阻止不透明液体在该区域的全部或部分上方的反向操作和返回。

图12D所示的设备500包括多个同心微通道501和不透明液体503的进入口502。类似于图12A和12B的设备，该解决方案未被集成。

图12E所示的设备600包括不透明液体601和对要透射的光束透明的液体602，以及用于每个所述液体中的每一者的两个入口(601a，602a)/出口(601b，602b)。该系统高度复杂，并且仅实现小孔变化。另外，设备中液体的体积不是恒定的，并且设备外部的系统对于确保两种液体的层流都是必需的。

在图12F和12G所示的示例中，设备700、800分别包括两种液体，一种不透明的液体，另一种对要透射的光束透明的液体，以及用于调节所述液体中的一者的润湿性的电极。这两种情况下的工作原理是基于电润湿，这是流体学领域中众所周知的技术。在图12F的情况下，由ITO制成的透明电极701足以改变不透明液体703相对于疏水电介质材料702的润湿性(以及因此其曲率半径)，并且或多或少地打开该设备的中心区域(透明液体由标记物704表示)。在图12G的情况下，原理是相同的，但是唯一的电极被几个叉指式电极801代替以最好地控制分别透明的液体803和不透明的液体804之间的界面的形成(由标记802指定的疏水电介质)。在这两种情况下，解决方案是集成的(液体以恒定体积封装，不需要入口/出口或互补的外部系统)。相对于这两种解决方案的缺点是设备的显著厚度(通常为2mm)和所需的强电源(通常为100V)。该后者特征使得设备的使用和控制复杂化并且显著地影响了解决方案的成本。

发明内容

因此，本发明的目的在于设计具有可变孔的光学设备，所述光学设备比现有设备更紧凑，其制造成本较低并且涉及低功率消耗。

根据本发明，提出了一种具有可变孔的光学设备，包括：

-可变形膜，该可变形膜包括中心光学区域，

-支撑件，所述膜的周边锚定区域连接到该支撑件，

-第一腔，所述第一腔填充有在确定波长范围内的恒定体积的第一透明流体，所述腔至少部分地由所述膜的第一面和所述支撑件的壁界定，

-膜的区域的至少一个致动设备，所述至少一个致动设备位于所述膜的周边锚定区域和所述中心光学区域之间、被配置为通过施加电致动电压来使所述膜的所述区域弯曲以使所述第一流体的体积中的一些体积朝向中心或朝向第一腔的周边位移，所述流体的位移用于使膜的中心区域变形，

所述光学设备的特征在于，其还包括在所述确定波长范围内恒定体积的不透明液体至少局部地接触与膜的第一面相对的第二面，并且至少部分地接触在所述确定波长范围内且与所述不透明液体不可混溶的第二透明流体。

特别有利的是，选择不透明液体的体积使得：

-在静止情况下，当没有将电压施加到致动设备时，不透明液体覆盖膜的至少部分以产生具有第一直径的孔，并且

-在致动情况下，当将非零电压施加到致动设备时，膜的中心部分具有与静止时曲率不同的曲率，不透明液体覆盖膜的至少一部分以产生具有与第一直径不同的第二直径的孔。

该光学设备的孔能够可选地为零，在这种情况下，光学设备完全阻挡光学场并且可类似于快门。

根据本发明的其他有利特征，单独或组合考虑：

-所述设备还包括相对于所述膜与所述第一腔相对的第二腔，所述第二腔包含不透明液体和恒定体积的第二透明流体；

-不透明液体和第二透明流体具有基本上相同的密度；

-第一透明流体和第二透明流体具有基本上相同的折射率；

-第一腔和第二腔具有与膜相对的透明壁；

-第一腔和/或第二腔的透明壁包括在其与腔相对的面上的光学滤光器；

-第一腔和/或第二腔的透明壁包括在其与相应腔相对的面上的固定光学件；

-第一腔和/或第二腔的透明壁包括具有可变焦距的设备；

-所述壁可具有中心孔，并且具有可变焦距的所述设备包括：

·闭合所述孔的可变形膜，所述可变形膜的周边区域锚定在所述壁上，

·膜的区域的至少一个致动设备，所述至少一个致动设备位于膜的周边锚定区域和中心区域之间、被配置为通过施加电致动电压来使膜的所述区域弯曲以便使流体的体积中的一些体积朝向中心或朝向腔的周边位移；

-膜包括加强结构，该加强结构包括在所述膜的中心光学区域中界定至少两个可变形区域的单元；

-第二透明流体以多个基本体积的形式布置在所述第二腔中，每个基本体积布置成面向相应的单元；

-第二透明流体以面向单元的单个连续体积的形式布置；

-第二透明流体以多个基本体积的形式布置在与可变形膜相对的第二腔的壁上；

-致动设备是压电的。

另一个目的涉及此类具有可变孔光学设备的制造方法。

所述方法包括以下步骤：

-提供具有可变焦距的设备，所述设备包括可变形膜、致动设备和第一腔中的第一透明液体，

-将确定体积的不透明液体分配在可变形膜上。

特别有利的是，在光学设备设置有包含不透明液体和第二透明流体的第二腔的情况下，该方法包括以下步骤：

-提供通过如上所述的方法获得的具有可变焦距的光学设备，

-提供第二衬底并以至少一滴的形式将第二透明流体分配在所述第二衬底上，

-第二衬底粘附在具有可变焦距的光学设备上，以便将第二透明流体和不透明液体封装在第二衬底和可变形膜之间。

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1A和图1B是根据本发明的实施方案的光学设备分别在静止时和处于致动状态的剖面图，

-图2是类似于图1B的视图，其示出了在设备致动期间第一透明流体和不透明液体的位移，

-图3A至图3C是根据本发明的实施方案的分别在静止时以及在两种可能的致动构形中光学设备的剖面图，其中孔具有非零直径，

-图4A至图4C是根据不同实施方案的光学设备的剖面图，其集成了各种附加功能，

-图5A和图5B是根据本发明的实施方案的分别在静止时和处于致动状态的光学设备的剖面图，其中不透明液体和第二透明流体未被封装在腔中，

-图6A至图6D示出了根据本发明的在静止时的光学设备的不同构形，

-图7A和图7B是根据本发明的两个实施方案的在静止时的光学设备的剖面图，其中第二透明流体相对于第二腔的壁的润湿性不同，

-图8A和图8B是根据本发明的实施方案的分别在静止时和处于致动状态的包括隔膜的网络的光学设备的剖面图，其中膜包括加强结构并且第二透明流体以液滴网络的形式布置，

-图9A和图9B是根据本发明的实施方案的分别在静止时和处于致动状态的包括隔膜的网络的光学设备的剖面图，其中膜包括加强结构并且第二透明流体以单个连续体积的形式布置，

-图10A和图10B是根据本发明的示例方案的分别在静止时和处于致动状态的包括隔膜网络的光学设备的剖面图，其中第二透明流体以液滴网络的形式布置，

-图11A至图11E示出了根据本发明的实施方案的具有可变孔光学设备的制造的不同步骤，

-图12A至图12G示出了属于现有技术的具有可变孔的光学设备。

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。

从一个图到另一个图，相同的附图标记表示相似的元件，因此对于每个新图不再详细描述。

具体实施方式

图1A和1B示出了根据本发明的具有可变孔光学设备100的实施方案，分别在静止时(即，在不施加电压的情况下)，在这种情况下产生零孔，以及处于致动状态(施加电致动电压)，在这种情况下产生具有非零光学直径D的孔。

所述设备100包括可变形膜1以及支撑件10、12，所述可变形膜1包括限定该设备的光学场的中心区域1a，所述膜的周边锚定区域1c连接到支撑件10、12。

膜和支撑件的壁至少部分地界定第一腔，该第一腔填充有确定波长范围内的恒定体积的第一透明流体2。所述波长范围通常包括必须通过所述光学设备传输的波长范围。膜1经由第一主面与第一流体2接触。膜在所述波长范围内也是透明的。

膜是指任何柔软和紧密的膜，使得膜对位于膜的任一侧的两种流体形成屏障。

当力沿着所述液体的方向施加到膜上时，第一透明流体2能够足以不被压缩以朝向第一腔的中心部分移动(并且相反地，当力沿着与所述流体相反的方向施加到所述膜时朝向第一腔的周边移动)，该力施加在膜的锚定区域和中心部分之间的中间部分中。

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范围的任何其他形状。

另一方面，膜1的与第一面相对的第二主面与所述确定波长范围内的恒定体积的不透明液体3接触。所述不透明液体还与在所述确定波长范围内且与所述不透明液体不可混溶的第二透明流体4接触。

在图1A和1B所示的实施方案中，不透明液体3和第二透明流体4一起包含在位于第一腔相对于膜1的另一侧上的第二腔中。第二透明流体4具有恒定体积。

然而，如在稍后描述的另一实施方案(参见图5A-图5B)中显而易见的，不透明液体和第二透明流体不一定包含在特定的腔中。实际上可能的是，不透明液体由于其相对于膜的材料的润湿性而与膜的第二主面保持接触，并且第二透明流体是环境空气。

光学设备100还包括膜的区域1b的至少一个致动设备5-所谓的致动区-位于外围锚定区域1c和膜的中心光学区域1a之间。

所述致动设备5被配置为通过施加电致动电压来使膜的所述区域1b弯曲以便朝着中心或朝向第一腔的周边移动第一透明流体的一部分体积，所述流体的位移旨在通过改变施加在所述中心区域上的流体压力来使膜的中心区域变形。

本领域技术人员知道不同的致动设备可用于致动膜。

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。

在这方面，可参考文献[5]-[10]中描述的具有可变焦距的光学设备中使用的此类致动设备的详细描述。

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，特别有效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地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。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。优选选择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。

在静止时(图1A)，膜1是平面的，不透明液体3形成覆盖膜1的第二面的基本均匀的层。在这种情况下，不透明液体防止设备100上的任何入射辐射被传输。换句话说，以这种方式形成的隔膜的半径为零。

当在致动设备上施加电压(图1B)时，第一透明流体2使膜的中心变形。实际上，所述流体被致动设备5推送到第一腔的中心，对膜的中心部分1a施加压力并改变其曲率半径。相反，不透明液体3在致动区域1b中被推向膜1的周边。

从一定的电压(其值取决于不透明液体的体积和膜的几何形状)，致动设备5的偏转足以收集足够的不透明液体3以释放膜的中心。通过使膜1与第二透明流体4接触，膜的中心变形与不透明液体朝向膜周边的流动逐渐释放设备的中心。

以这种方式产生的直径D的孔使得入射辐射通过。致动越加剧(通过增加施加的电压)，孔越大。

如图2中最好可见，其代表与图1B相同的设备，箭头A表示第一腔中的第一透明流体2的位移，并且箭头B表示所得不透明液体3在第二腔中的位移。

与现有解决方案相比，本发明具有许多优点：

-解决方案是完全集成的，即没有诸如泵或其他的外部元件，因此具有小尺寸(例如每侧3mm至10mm)，

-所提出的光界面质量好。事实上，膜和第二透明流体之间的固体/流体界面与波阵面上的令人满意的误差兼容，

-此类设备的厚度被优化(通常为400μm至700μm)，

-所需的致动电压保持较低(对于压电致动设备通常为15V)，并且相关的功率消耗可非常低(约为0.1μW)，

-对应于本发明的响应时间是快的(通常为几ms)，

-制造成本可非常有竞争力，因为受益于集体制造(晶圆级)。

在图1A所示的示例中，处于静止的设备(0V)没有光学孔(零直径)。然而，如图3A所示，处于静止(0V)的设备很可能具有非零直径D0的孔。

在这种情况下，取决于致动设计及其偏转方向，通过向致动设备施加电压，可将该光学孔增加到直径D1>D0(图3B)或减小到直径D2<D0(图3C)。

在图1A和图2A所示的示例中，第一腔由膜1界定，并且第一衬底11通过外围支撑件10连接到膜。类似地，第二腔由膜1和通过外围支撑件12连接到膜1的第二衬底13界定。膜的锚定区域包括在外围支撑件10和外围支撑件12之间。

所述第一衬底11和第二衬底13在光学设备100必须透射光束的波长范围内是透明的。所述衬底可以是例如具有平行面的玻璃片。

有利地，所述衬底11、13中的至少一者还可承担光学滤光器、设备上的光学功率和/或焦距的变化的功能。

因此，在图4A的实施方案中，第一衬底11在其与第一腔相对的面上设置有光学滤光器110、防反射和/或红外。

在图4B的实施方案中，第一衬底11和第二衬底13各自设置有相应的固定光学器件111、130，其也为设备100提供恒定的光功率。

在图4C的实施方案中，第一衬底11具有由可变形膜1'封闭的中心孔112。膜1'具有与膜1相同的类型，但是可具有不同的尺寸和/或机械性能。膜1'的周边区域1c'锚定在衬底11和周边支撑件10之间。此外，膜1'的致动设备5'布置在膜1'的中心部分1a'和周边锚定区域之间的中间区域1b'中。设备5'可与设备5具有相同的类型，或者基于其他致动技术。膜1'及其致动设备5'改变设备100的焦距。实际上，作为施加到设备5'的电致动电压的函数，第一透明流体中的一些可被推向中心或朝向第一腔的周边，并且改变膜1’的中心部分1a'的曲率。

当然，图4A-图4C的实施方案中存在的功能可组合在一起，或者被结合到衬底的仅一者中而不脱离本发明的范围。

可选择不透明液体的体积和所述液体相对于膜的润湿性以实现上述操作，具体地是在以下之间的变化：

-在静止情况下，当没有将电压施加到致动设备时，不透明液体覆盖膜的至少一部分以产生具有第一直径(零或不是)的孔，并且

-在致动情况下，当将非零电压施加到所述致动设备时，所述膜的中心部分具有与静止时的曲率不同的曲率，所述不透明液体覆盖所述膜的至少一部分从而产生具有与第一直径不同(大于或小于前者)的第二直径(零或非零)的孔。

不透明液体例如是包含足以阻挡入射光束的颜料和/或染料的液体或油。例如，不透明液体可选自以下液体：碳酸亚丙酯、水、指示液体、光学油或离子液体、硅油、具有相当的热稳定性和低饱和蒸气压的惰性液体。

可通过选择适于膜的材料和/或通过对膜进行疏水或亲水表面处理来调节不透明液体相对于膜的润湿性。这些处理本身是已知的，因此这里不再详细描述。例如可参考以下文献：[11]等离子体处理效果；[12]材料的表面状态和粗糙度的影响；[13]材料的示例(诸如特别疏水的Cytop^TM和亲水性SiO₂)。

在图5A和图5B所示的实施方案中，不透明液体未被封装在专用腔中，并且简单地与构成前述第二透明流体的环境空气接触。

该实施方案可简单地通过将不透明液体沉积到具有可变焦距光学设备的膜的外表面上来获得。

不透明液体3在膜1上的扩散可作为液体的沉积体积、其在膜上的润湿性、膜的表面制备、其结构或膜的再次初始变形的函数来调节和控制。

如前所述，处于静止的不透明液体的构形不一定是均匀的厚度层。另一方面，在静止情况下，可变形膜不一定是平面的。最后，不同附图中所示的致动设备的位置不是限制性的。因此，致动器在静止时可不依赖于膜中心部分的曲率向上或向下偏转。

图6A-图6D示出了在静止时的设备100的非限制性的不同构形，即在不施加电致动电压的情况下。应当注意，这些构形也可在其中恒定体积的不透明液体和第二透明流体被封装在腔中的实施方案中找到。

在图6A的情况下，不透明液体相对于膜的润湿性

-在本实施方案中是平面的-并且周边支撑件12使得不透明液体3不形成均匀厚度的层，而是形成中心的厚度大于膜的周边处的凹面的层。因为不透明液体3的层是连续的，所以光学设备100的孔为零。

在图6B的情况下，不透明液体相对于膜的润湿性

-在该实施方案中是平面的-并且周边支撑件12使得不透明液体3不形成均匀厚度的层，而是形成其厚度在膜的周边比在中心处更大的凸面的层。因为不透明液体3的层是连续的，所以光学设备100的孔为零。

在图6C的情况下，膜不是平面的，而是其中心部分1a具有用于接收不透明液体3的凹陷部。与膜相对的不透明液体3的表面也是平面的。因为不透明液体3的层是连续的，所以光学设备100的孔为零。

在图6D的情况下，膜在其中心部分1a是凸起的，使得不透明液体3在中心部分1a的顶点的任一侧延伸。因此，光学设备100的孔不为零。

然而，该实施方案可对重力敏感。实际上，作为不透明液体的体积、膜的几何形状和不透明液体与可变形膜之间的润湿性的函数，此类实施方案可根据其取向产生具有不同光学性能的设备。

为了避免这个问题并限制重力对设备的电光性能的影响，可有利地利用与不透明液体相同密度的透明流体。

此外，图5A和图5B的实施方案也可能具有另外的缺点。实际上，第一透明流体和环境空气之间的折射率的潜在差异产生了与光学孔的变化耦合的设备的焦距的变化。

为了防止此类影响，可选择第一透明流体和第二透明流体具有相同的折射率(例如使用相同的气体或相同的液体)。这也避免了由于在静止状态和致动状态之间的膜的变形引起的焦距变化的偏离(参见例如图1A和图1B)，如果焦距的变化不是期望的并且目的仅仅是改变孔。

为了同时优化组件的传输，可选择具有类似折射率或甚至靠近膜和衬底(或多个衬底)的透明流体(或多种透明流体)。

针对这些原因，本发明的优选实施方案涉及一种光学设备，其中第二透明流体以恒定体积封装在具有不透明液体的第二腔中。因此，可选择第二透明流体(有利地与第一透明流体相同)，并且可最好地控制在重力作用下的不透明液体的行为。

为了形成此类腔，有利地使用如图1A至图4C所示的第二衬底。

在静止时(零致动电压)，膜的静止位置以及不透明液体和第二流体的相应体积及其在光学设备中的位置确定了设备的初始孔。

为了使孔变化更容易并且调整孔的可达到范围，除了上述图6A-图6D所示的构形之外，不同的构形是可能的。

图7A和图7B示出了静止的光学设备100(致动电压为零)的两个实施方案。在两种情况下，膜1在静止时是平面的。在图7A的情况下，与图7B的情况相比，第二透明流体4相对于第二衬底13具有更大的润湿性。这引起第二透明流体的体积和第二衬底的表面之间的较小的接触角。在图7A的情况下，其结果是光学设备100的零孔，而在图7B的情况下孔具有非零直径D0。

第二衬底13可被功能化以确定第二透明流体在接触时的扩散。在功能化方面，可特别引用旨在调节第二衬底上的第二流体的润湿性的任何局部表面处理。也可设想第二衬底上的亲水/疏水材料的局部贡献。

第三实施方案形成具有可变孔的隔膜的网络。

为此，如图8A-图8B所示，膜1包括加强结构14，该加强结构在膜的中心部分界定至少两个基本可变形区域，并且限定在所述基本可变形区域之间延伸的膜的中心部分的区域中的膜的机械性能(特别是其刚度)。

根据实施方案，加强结构可包括垂直于膜的表面延伸的多个凹槽。

另选地，加强结构可包括在膜的中心部分上方延伸的层并且具有界定膜的至少两个可变形区域的孔。

使用凹槽形式的加强结构对于在膜的中心部分中形成大量的基本可变形区域是特别优选的。凹槽的小厚度实际上使膜的中心部分中分离的可变形区域的数量最大化。

相反，优选使用以具有开口的层形式的加强结构来形成少量的基本可变形区域。

优选地，加强结构被布置成便于形成单元，位于每个单元内部的膜的部分是可变形的。

位于单元内的膜的每个部分能够在第一透明流体的位移作用下从静止位置(其可是平面的或不平坦的)可逆地变形，其在每个膜的中心部分的水平处改变流体厚度。膜的所述部分可从膜的一个区域到另一个区域具有相同的刚度，或者相比之下具有不同的刚度，所述刚度特别能够通过膜的厚度或材料的局部变化来调节。

不透明液体与可变形膜接触，例如与加强结构14的一侧接触。

第二透明流体4(在这种情况下为液体)在设备100的组装之前以面向可变形膜单元网络的液滴网络的形式放置在第二衬底13上。通过局部调节第二透明流体相对于第二衬底的润湿性来实现液滴的这种布置。

在每个单元中形成具有可变孔的基本光学器件的网络。

在静止时(图8A)，不透明液体3覆盖每个单元的整个表面。每个基本光学器件具有零孔。

通过施加电致动电压(图8B)，膜的每个基本可变形区域在致动设备5移动第一透明流体2之后变形。结果是将不透明液体推向每个单元的周边，从而使膜与第二透明流体接触并产生直径为D0的非零孔。

在图8B所示的示例中，在致动期间，孔直径D0对于网络的所有基本隔膜是相同的。然而，调节第二透明流体的液滴网络的体积和/或形状可在致动期间在隔膜网络上产生不同的孔直径。

根据图8A-图8B所示的另一实施方案，可获得隔膜网络，而不需要网络形式的第二透明流体。将第二流体整合成一个量也可产生隔膜网络。

如图9A所示，其示出光学设备100处于静止状态，第二透明流体4呈覆盖第二衬底13表面的连续层的形式。不透明液体3在由加强结构14限定的所有单元中覆盖膜的表面。

通过施加电致动电压(图9B)，膜的每个基本可变形区域在致动设备5使第一透明流体2位移之后变形。结果是不透明液体被推向每个单元的周边，因此使膜与第二透明流体接触并且至少在一些单元中产生非零孔。

在图9B所示的示例中，隔膜网络的孔直径单元之间是不相同的。因此，在位于最靠近膜中心的单元中获得具有直径D2的孔，在包封所述中心单元的单元中获得小于D2的直径D1，并且在位于网络的周边的单元中不产生孔。然而，调节第二透明流体的体积或形式可在致动期间在隔膜网络上产生相同的孔直径。

在致动情况下产生具有不同直径的隔膜网络的另一种解决方案是使用没有加强结构14的光学设备100，并根据液滴网络布置第二透明流体4。

图10A和图10B分别示出了处于静止和处于致动状态的此类设备100。

在静止时，膜1是平面的并且不透明液体覆盖膜1的整个表面。因此，光学设备具有零孔。

在电致动电压的作用下，膜的中心部分1a变形并与位于第二衬底13的中心处的第二透明流体4的至少液滴接触。在这种情况下，基本光学器件具有非零直径的孔，因为基本光学器件靠近设备100的中心，所以直径更大。然而，对于位于周边的基本光学器件，膜1保持与不透明液体3接触，使得所述器件具有零孔。

如上所述的光学设备可通过微型制造技术制造。

特别地，制造方法可包括以下步骤。

参考图11A，设备设置有可变焦距，其包括锚定在外围支撑件10、12之间的可变形膜1，致动设备5和封装在膜1、外围支撑件10和第一衬底11之间的第一透明液体2。这种设备的制造本身是已知的，尤其来自文献[5]-[10]。

接下来，参照图11B，将确定体积的不透明液体3分配在可变形膜1上。如果需要，可进行先前表面处理以优化可变形膜上的不透明液体的润湿性。

参照图11C，设置第二衬底13，例如通过绢印将周边胶珠14沉积在其上，并且第二透明流体4(这里是液体)以单滴或根据所讨论的实施方案的液滴网络(未示出)的形式分配在第二衬底上(图11C的情况)。所述衬底可经历适于调节第二透明流体的润湿性的表面处理。

接下来，参考图11D，通过图11B的珠14的方式将第二衬底13粘贴到具有可变焦距的设备上，以封装不透明液体3和第二透明流体4。所使用的封装方法在现有技术中是众所周知的，特别是用于将液晶封装在LCD屏幕中的方法。图11D中描述的方法以“一滴灌注”(在液体上的粘附)的名称众所周知。在第二透明流体是气体的情况下，使用经典的粘附方法。如果所述流体是空气(空气可自由地进入或离开第二腔)，则所述粘附可以是非气密的。在第二透明流体与环境空气不同的情况下，所述粘合无论如何必须是气密的。

由于第二透明流体4和不透明液体3是不可混溶的，因此它们在所得腔中形成两个独立的实体。

结果是图11E所示的光学设备100。

因此，本发明提供一种具有紧凑可变孔的光学设备，其功率消耗低，并且容易通过集体微系统方法制造。

在这方面，这种设备特别适用于用于移动电话的微型照相机。

其他有利的应用涉及工业、医疗领域、汽车领域、安全和防御。

本发明也可应用在照明领域或甚至显示领域。

参考文献：

[1]US21470

[2]“Sliding–blade MEMS iris and variable optical attenuator”，微机械与微观工程学报，14:1700–1710,2004

[3]US 2015/037024

[4]Philipp Müller的论文，“Tunable optofluidic apertures”，微光学研究，第11卷，由教授Hans Zappe博士编辑，微系统工程系-IMTEK，弗莱堡大学，2012，段落1.2

[5]FR 2919073

[6]FR 2919074

[7]FR 2930352

[8]FR 2938349

[9]FR 2950153

[10]FR 2950154

[11]“Wettability Tests of Polymer Films and Fabrics and Determinationof Their Surface Energy by Contact–Angle Methods”,Daphne Pappas,CraigCopeland,Robert Jensen,ARL–TR–4052,2007年3月

[12]“Wettability Switching Techniques on Superhydrophobic Surfaces”,Nanoscale Res Lett(2007)2:577–596

[13]“Electrowetting:from basics to applications”,J.Phys.:Condens.Matter 17(2005)R705–R77

Claims (19)

1.一种具有可变孔的光学设备(100)，包括：

-可变形膜(1)，所述可变形膜包括中心光学区域(1a)，

-支撑件(10，12)，所述膜(1)的周边锚定区域(1c)连接到所述支撑件(10，12)，

-第一腔，所述第一腔填充有在确定波长范围内恒定体积的第一透明流体(2)，所述腔至少部分地由所述膜(1)的第一面和所述支撑件(10)的壁界定，

-所述膜的致动区域(1b)的至少一个致动设备(5)，所述至少一个致动设备位于所述膜的所述周边锚定区域(1c)和所述中心光学区域(1a)之间、被配置为通过施加电致动电压使所述膜的所述致动区域(1b)弯曲以使第一流体(2)的体积中的一些体积朝着中心或朝着所述第一腔的周边位移，流体的所述位移使所述膜的中心区域(1a)变形，

其中在所述确定波长范围内恒定体积的不透明液体(3)至少局部地接触所述膜(1)的与所述第一面相对的第二面并且至少局部地接触在所述确定波长范围内透明且与所述不透明液体(3)不可混溶的第二流体(4)。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述不透明液体(3)的体积被选择成使得：

-在静止情况下，当没有将电压施加到所述致动设备(5)时，所述不透明液体(3)覆盖所述膜(1)的至少一部分以便产生具有第一直径的孔，并且

-在致动情况下，当将非零电压施加到所述致动设备(5)时，所述膜的中心部分(1a)具有与静止时的曲率不同的曲率，所述不透明液体(3)覆盖所述膜(1)的至少一部分以便产生具有与所述第一直径不同的第二直径的孔。

3.根据权利要求1所述的光学设备，还包括相对于所述膜(1)与所述第一腔相对的第二腔，所述第二腔包含所述不透明液体(3)以及恒定体积的第二透明流体(4)。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述不透明液体(3)和所述第二透明流体(4)具有基本上相同的密度。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一透明流体(2)和所述第二透明流体(4)具有基本上相同的折射率。

6.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述第一腔和所述第二腔具有与所述膜(1)相对的透明壁(11，13)。

7.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述第一腔和所述第二腔中的至少一个腔的所述透明壁包括在所述至少一个腔的所述透明壁的与所述至少一个腔相对的面上的光学滤光器(110)。

8.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述第一腔和所述第二腔中的至少一个腔的所述透明壁包括在所述至少一个腔的所述透明壁的与所述至少一个腔相对的面上的固定光学件(111，130)。

9.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述第一腔和/或所述第二腔的所述透明壁包括具有可变焦距的设备。

10.根据权利要求9所述的光学设备，其中所述第一腔的所述透明壁(11)具有中心孔(112)并且具有可变焦距的所述设备包括：

-闭合所述中心孔(112)的可变形膜(1’)，所述可变形膜(1’)的周边区域锚定在所述第一腔的所述透明壁(11)上；和

-所述膜的致动区域的至少一个致动设备(5’)，所述至少一个致动设备位于所述膜的所述周边锚定区域和所述中心区域之间、被配置成通过施加电致动电压使所述膜的所述致动区域弯曲以便使所述第一透明流体的体积中的一些体积朝着中心或朝着所述第一腔的周边位移。

11.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述膜(1)包括加强结构(14)，所述加强结构包括在所述膜的所述中心光学区域(1a)中界定至少两个可变形区域的单元。

12.根据权利要求11所述的光学设备，其中所述第二透明流体(4)以多个基本体积的形式布置在所述第二腔中，所述多个基本体积中的每个基本体积面向相应单元布置。

13.根据权利要求11所述的光学设备，其中所述第二透明流体(4)以面向所述单元的单个连续体积的形式来布置。

14.根据权利要求3所述的光学设备，其中所述第二透明流体(4)以多个基本体积的形式布置在与所述可变形膜相对的所述第二腔的壁上。

15.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述致动设备(5)是压电的。

16.一种制造具有可变孔的光学设备(100)的方法，所述方法包括：

-提供具有可变焦距的所述光学设备，所述光学设备包括可变形膜(1)、致动设备(5)和第一腔中的第一透明流体(2)；

-将确定体积的不透明液体(3)分配在所述可变形膜(1)上；

-提供第二衬底(13)并且以至少一滴的形式将第二透明流体(4)分配在所述第二衬底(13)上；以及

-将所述第二衬底(13)粘附在具有可变焦距的所述光学设备上，以将所述第二透明流体(4)和所述不透明液体(3)封装在所述第二衬底(13)和所述可变形膜(1)之间。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

通过对所述第二衬底施加表面处理来调节所述第二透明流体的润湿性，其中所述表面处理包括疏水表面处理或亲水表面处理。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：

通过对所述可变形膜施加表面处理来调节所述不透明液体的润湿性，其中所述表面处理包括疏水表面处理或亲水表面处理。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括：

使用加强结构在所述可变形膜的中心光学区域中界定至少两个可变形区域。

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