CN109983394A - 光束处理设备 - Google Patents

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CN109983394A CN201780071885.6A CN201780071885A CN109983394A CN 109983394 A CN109983394 A CN 109983394A CN 201780071885 A CN201780071885 A CN 201780071885A CN 109983394 A CN109983394 A CN 109983394A
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F·J·G·哈肯斯
A·希尔格斯
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

一种透光光学部件包括具有受控变形的电活性材料层结构。当对所述部件进行致动时，在所述电活性材料层的不同区域处实施不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化。

Description

光束处理设备
技术领域
本发明涉及用于处理光束的可控设备。
背景技术
在许多情况中需要处理来自系统的光输出以例如改变光的颜色、光输出方向或光强度。
有各种设备能处理光输出以创建光学性质的这些改变。通常，整体改变是由光学部件实施的。
在很多情况中希望光学性质跨区具有不均匀变化。这能够使用控制设备的阵列来实现，但是这会导致结构变得复杂。
举例来说，对于汽车前灯，希望能够细微调节不同的光学效应。这些效应可以包括光强度、颜色、扩散率、折射率以及这些效应在光束内的分布。取决于诸如天气、黑暗情况、相对于道路的取向，其他交通因素等条件，能够细微调节这些效应中的一些或全部会是有益的。
此外，取决于光束中的位置，具有更大或更小的改变会使有益的。
WO 2005/085930公开了一种由电活性聚合物材料形成的透镜形式的自适应光学元件，在这种光学元件中，透镜形状是以电气方式控制的。US 2007/263963公开了一种对准系统，在这种对准系统中，致动器控制光学棱镜的形状以用于控制光束的方向。
期望能够跨区以不均匀方式控制光学性质，但所用的设备的结构相对简单。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种透光光学部件，包括：
电活性材料层结构，其包括实施光学功能的光学活性层；
电极装置，其用于控制所述电活性材料层结构的变形，从而改变所述部件的透光性质；以及
驱动装置，其用于控制被施加到所述电极装置的驱动信号，
其中，所述驱动装置适于在所述电活性材料层结构的不同区域处引起不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化，
其中，所述电活性材料层结构包括由中间层隔开的电活性材料层的堆叠，其中，所述电活性材料层具有均匀厚度，并且所述中间层具有不均匀厚度，使得所述电活性材料层结构在其非致动状态下具有不均匀厚度。
该部件处理透射通过该部件的光束。根据电活性材料层的致动，光束的不同部分具有不同的光学功能。特别地，在二维层结构的不同位置处，层的厚度存在不同的相对变化。这种不均匀的厚度变化发生在层结构的致动部分之间，即，当将致动电极提供在相对面上时在致动电极之间发生这种不均匀厚度变化。
电活性材料形成“结构”的意思是电活性材料可以是单层或多层布置。“光学活性”的意义是电活性材料实施光学功能而并不是表示透明。光学功能可以是例如由折射率边界、光散射(以改变输出光的扩散)、光吸收或波长(即，颜色)操纵所引起的偏转。
电活性材料层结构在其非致动状态下具有不均匀厚度。不同厚度的区域将给出不同水平的吸收、散射或波长改变(视情况而定)，或者整体形状可以基于电活性材料层结构的相对面之间的角度来执行光束转向功能。
电活性材料层结构包括由中间层隔开的电活性材料层的堆叠，其中，电活性材料层具有均匀厚度，并且中间层具有不均匀厚度。在不同位置处的中间层的不同厚度引起(有效)介电常数的差异并且用于电场控制的设备。然后，这更改了设备的不同部分处的主要电场。
电活性材料层结构的至少一些不同区域可以具有不同的介电常数。在另一种布置中，电活性材料层结构的至少一些不同区域可以具有不同的刚度。局部介电或刚度控制会对电活性材料层结构响应于所施加的一般致动信号如何局部变形产生影响。
为此目的，电活性材料层结构可以包括电活性材料与用于局部修改介电常数或刚度的颗粒的复合物。
根据本发明的第二方面，提供了一种透光光学部件，包括：
电活性材料层结构，其包括实施光学功能的光学活性层；
电极装置，其用于控制所述电活性材料层结构的变形，从而改变所述部件的透光性质；以及
驱动装置，其用于控制被施加到所述电极装置的驱动信号，
其中，所述驱动装置适于在所述电活性材料层结构的不同区域处引起不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化，
其中，所述电活性材料层结构的至少一些不同区域具有不同的介电常数和/或刚度。
如上所述，局部介电或刚度控制对电活性材料层结构响应于所施加的一般致动信号如何局部变形产生影响。同样，电活性材料层结构可以包括电活性材料与用于局部修改介电常数或刚度的颗粒的复合物。
在这两个方面中，电极装置可以包括电极的阵列，使得可以将不同的致动信号施加到电活性材料层结构的不同区域。电活性材料层结构是共享的，但是它是以个体设备的阵列的方式得到驱动的。以这种方式，可以实施局部厚度控制或其他局部致动。
所述电极装置可以包括与每个电极相关联的信号处理单元，以用于处理共享电极驱动信号而导出经修改的局部电极驱动信号。因此，可以使用单个控制信号，然后将该单个信号进行局部转换以导出不同的驱动信号的集合。信号处理单元可以实施对场驱动的电活性材料的电压的控制，或者可以实施对离子电活性材料的电荷的控制。
对于所有不同的可能的物理或电学配置，电活性材料层在一个示例中可以是部分光吸收层或光散射层。局部厚度然后影响所实施的局部吸收或散射，从而实施不均匀的强度或散射控制。
为此目的，电活性材料层可以包括电活性材料与光吸收或光散射颗粒的复合物。
对于所有不同的可能的物理或电学配置，电活性材料层结构可以替代地包括折射层。这可以用于形成期望的折射率边界。电活性材料层结构可以包括电活性材料与不同折射率的颗粒的复合物。
对于所有不同的可能的物理或电学配置，电活性材料层结构可以替代地是光色改变结构。这可以用于从原始的单色源提供不均匀的颜色输出。电活性材料层结构可以例如包括电活性材料与颜色改变颗粒的复合物。颜色改变颗粒例如包括磷光体颗粒。
对于所有不同的可能的物理或电学配置，电活性材料层结构可以替代地是光方向控制层。这提供了对来自部件的光输出方向的控制。
附图说明
现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了未被夹紧的已知电活性聚合物设备；
图2示出了受到背衬层的约束的已知电活性聚合物设备；
图3示出了透光光学部件的第一示例；
图4示出了被形成为多层结构的透光光学部件的第二示例；
图5示出了作为光束引导部件的透光光学部件的实施方式；
图6示出了具有楔形中间介电层的厚度恒定的电活性材料层的堆叠的示例；
图7示出了透光光学部件的变型，其中，非致动状态具有均匀厚度；
图8示出了利用分段电极设计的透光光学部件的变型；并且
图9示出了向EAP材料中添加填料的效应并且示出了在不同颗粒浓度下应变与施加的电场的关系。
具体实施方式
本发明提供了一种透光光学部件，其包括具有受控变形的电活性材料层结构。当对该部件进行致动时，在电活性材料层的不同区域处实施不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化。
本发明利用电活性材料(EAM)，其是电响应材料领域中的一类材料。当在致动设备中实施EAM时，使EAM经受电驱动信号能够使EAM改变尺寸和/或形状。这种效应能够用于致动和感测目的。
存在无机EAM和有机EAM。
一种特殊的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。电活性聚合物(EAP)是一类新兴的电响应材料。像EAM这样的EAP能够用作传感器或致动器，但是也能够更容易地被制造成各种形状，从而允许被轻松地集成到各种各样的系统中。EAP的其他优点包括功率低，外形小，灵活，操作无噪声，准确、可能实现高分辨率，响应时间快速以及循环驱动。基于电致动，EAP设备能够用于期望部件或特征发生小量移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。EAP的使用使得能够实现以前不可能实现的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势，这是因为与普通致动器相比，在小体积或薄外形的情况下结合了相对较大的变形和力。EAP还提供无噪音操作，准确的电子控制，快速响应以及大范围的可能驱动频率(例如，0-20kHz)。
作为如何能够构造和操作EAM设备的示例，图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式，EAP设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。
图1示出了未被夹紧到载体层上的设备。如图所示，使用电压使电活性聚合物层在所有方向上扩展。
图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。为此，图1的结构被夹紧或被附接到载体层16。使用电压使电活性聚合物层弯曲。这种移动性质源自于在被致动时发生扩展的主动层与不发生扩展的被动载体层之间的相互作用。
图3示出了透光光学部件30的第一示例，透光光学部件30包括电活性材料层结构32，电活性材料层结构32包括实施光学功能的光学活性层。电极装置被提供用于控制电活性材料层32的变形，从而改变部件的光处理功能，例如，光透射。电极装置被示为在层结构32的相对侧上的电极层33。然而，也可以仅在一侧提供梳状电极装置。
驱动装置34被提供用于向电极装置施加驱动信号，从而控制电活性材料层32的变形。为简单起见，它仅被显示在附图的左侧图像上。为简单起见，右侧图像和大多数其他附图省略了驱动装置。
图3示出了左侧的非致动状态和右侧的致动状态。在该示例中，层结构具有处于非致动状态的楔形和处于致动状态的楔形。致动会引起层的横向扩展和变薄。致动状态在不同位置处产生不均匀的变形量，因为对于场驱动设备，在不同厚度的不同位置处的材料内的电场强度是不同的。
因此，致动在电活性材料层的不同区域处引起不同的相对厚度变化。例如，所示的较薄侧可以减小50％的厚度，而较厚侧可以减少20％的厚度。这是指不同的相对厚度变化，即，相对于原始厚度的变化。相对变化例如是电场强度的函数。这也可以意味着楔角在非致动状态与致动状态之间变得不同。楔角的改变将取决于结构的横向宽度与厚度的差异。
电活性材料层32实施光学功能。这可能仅仅是因为它具有与设备外部的材料不同的折射率或者可能存在光散射、颜色改变或其他光学功能。结果是，当设备被致动时，该部件在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化。通常，当设备被致动时，光学功能在任何地方都会改变，但是改变是不均匀的。
不同的相对厚度变化的原因可以是层的一般形状或电极配置或驱动装置或层的材料的局部性质。下面讨论各种选择。然而，通常，驱动装置适于在电活性材料层的不同区域处引起不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供所期望的光学功能的不均匀变化。
该部件处理透射通过该部件的光束。取决于电活性材料层的致动，光束的不同部分被应用有不同的光学功能。图3示出了入射光束36和透射光束38。
图3示出了作为单层的电活性材料层结构32。该层的厚度影响所执行的光学功能。结构32可以例如执行光学衰减、散射或颜色转换，并且在每个位置处通过该结构的路径的长度确定所应用的光学功能的水平。
对于具有光吸收性质的层结构，光学功能是使强度变化。设备的启动将引起跨设备的强度变化发生改变。在图3的情况下，设备左侧的强度变化将大于设备右侧的强度变化：设备的两侧都将变得更亮，但左侧将变得相对更亮。
对于具有光散射性质的层结构，光学功能是改变光束扩散或准直度。初始准直光束可以在设备的不同区处以不同程度扩散。然后，致动该设备将引起不同的不均匀光束扩散样式。
取决于应用，设备可以具有不同的尺寸。举例来说，设备的厚度(图3中的垂直方向)通常可以在50微米至1毫米之间。通常，致动器能够被形成为较薄的主动层的堆叠。
楔形的薄部分可以例如具有在楔形的厚部分的厚度的20-80％的范围内的厚度。该设备能够是正方形或圆盘或环，其厚部分位于内径或外径处。
内径(或一侧)和外径(或相对侧)也可以是薄的并且厚部分在薄部分之间。中间部分可以替代地是较薄部分。
横向尺寸通常在1毫米至数十厘米的范围内。
图3示出了单层。该结构可以替代地包括多个层40，如图4所示。因此，电活性材料层结构32被形成为层40的堆叠。这些层可以全部相同，在这种情况下功能不变，并且目的仅仅是为了便于制造，作为层的层压堆叠。
然而，堆叠可以包括具有不同折射率的交替层。它们都可以是电活性材料，或者可以存在与被动聚合物层交错的电活性材料层。折射率边界然后用作反射器，使得堆叠可以实施介质光栅的功能，使得透射光具有特定的光谱。由于不同位置处的不同层厚度，该光谱跨设备的区不同。设备的致动还影响层厚度并因此影响光学功能。
因此，电活性材料形成“结构”的意思是电活性材料可以是单层布置(图3)或多层布置(图4)。
图4的多层干涉滤光器实施颜色改变。替代的颜色控制方法是在层结构32内提供磷光体或其他光转换颗粒。在这种情况下，设备的致动将引起跨设备的颜色变化发生改变。在图3的情况下，由于设备的左手侧的磷光体的量改变得更多，因此设备的左手侧的颜色变化将大于设备的右手侧的颜色变化。类似地，对于图4的结构，多层干涉滤光器的间隔在较薄区处减小得相对更多，因此会产生更大的颜色变化。
图5示出了作为光束引导部件的实施方式。层结构32具有与器件外部的材料不同的折射率。能够通过向电活性材料层添加颗粒来细微调节折射率。顶表面提供入射光的折射性重新定向。致动引起顶面角度的改变，从而实现不同的光束引导功能。
由于在任一侧上具有不同折射率的材料之间的界面的角度取向发生改变，因此偏转角度发生改变。
上述示例均使用一个或多个具有不均匀厚度的电活性材料层。利用具有锥形(或其他形状)的中间介电层的均匀厚度的层，能够实现相同的效应。图6示出了厚度恒定的电活性材料层60的堆叠的示例，其具有楔形中间介电层61。
在较厚的中间层的区域中，由于距离较大，电活性材料层中的电场强度变得较小，因此即使电活性材料层具有恒定的厚度，该区域中的激活/偏转也将更小。中间层61是楔形粘合剂层，并且有顶部电极和底部电极。替代地，可以为每个中间层和电活性材料层对提供电极层。
能够看出，通常可以在电活性材料层、中间胶合层或电极层中的任何一个或多个中实施期望的不均匀厚度(例如，楔形)。
厚度变化不限于楔形。例如，诸如甜甜圈状配置的其他形状也是可能的，其中，设备的中间与外圆周的行为不同。
上述设计在弛豫(非致动)状态下都具有不均匀厚度。然而，这并不是必需的。图7示出了非致动状态具有均匀厚度的变型。电活性材料层结构32具有不同介电常数的区域70、72、74、76，例如通过局部增加较高介电常数颗粒的填料浓度来实现上述目的。
结果是施加到电极的均匀电压将在层的不同部分中产生不同的电场强度。结果，不同的部分将对致动信号做出不同的响应，如右侧图像所示，从而在致动状态下给出不均匀厚度。该方法能够与上述选择中的任一个相结合。
上述示例均利用施加到整个设备的单个全局致动信号，并且局部设备几何形状或物理/电气性质会引起不均匀变形。
替代方法如图8所示。一个电极(或者两个电极)被形成为子电极80的集合。这使得能够改变设备表面上的电荷或施加的电压。这引起光学性质的改变(其可以是上述选择中的任一种，即，颜色转换、吸收、散射、转向)。这能够通过应用分立的电极段来实现。这种选择能够与上述任何其他方法进行组合以进一步提高效应。
图8示出了处于非致动状态的设备和处于致动状态的设备。
在图8中，仅顶部电极被分段，例如被形成为子电极条，并且在底部存在共同的接地。每个电极对(在一个顶部子电极与公共接地之间)以不同的电压幅度操作。操作幅度越小，该区域中的偏转越小。可以实现非线性楔形或波浪形。
每个子电极可以被提供有其自己的控制信号。然而，图8中示出的替代方案是针对与信号处理单元82相关联的每个子电极，信号处理单元82用于处理共享的电极驱动信号84以导出修改的局部电极驱动信号。
单元82可以例如包括电阻网络，例如，分压器，电阻网络包括被附接在子电极之间的小表面安装设备部件。它们可以用于在内部降低各个电极对的电压幅度。单元82可以替代地包括反应网络，以例如引入特定的定时行为和/或限制被递送到每个电极对的电荷。例如，可以使用电容分压器或者与每个子电极串联的电容器。
实现不均匀厚度(例如，楔形)的另一种方法是将软颗粒(例如，硅氧烷纳米颗粒)局部添加或嵌入到电活性材料层。在提供软颗粒的区域中，偏转将受到阻碍并因此变小。
能够看出，能够基于以下一种或多种效应的组合来实现不均匀的厚度变化：
-在非致动状态下具有不均匀厚度的电活性材料层或层堆叠，其要么基于不均匀厚度的电活性层，要么基于不均匀厚度的中间层或电极；
-跨其区具有不均匀的介电性质的电活性材料层或层堆叠；
-具有在不同区域处施加的不同致动信号的电活性材料层或层堆叠；
-在不同区域处具有不均匀的物理变形性质(例如，柔软性)的电活性材料层或层堆叠。
虽然在上文的详细描述中已经针对EAP描述了根据本发明的设备和系统的构造和操作，但是本发明实际上能够用于基于其他种类的EAM材料的设备。因此，除非另有说明，否则上文中的EAP材料能够用其他EAM材料来代替。这样的其他EAM材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到它们以及如何应用它们。下面将描述许多选择。
通常将EAM设备细分为场驱动的EAM和电流或电荷(离子)驱动的EAM。场驱动的EAM通过直接机电耦合由电场致动，而用于电流或电荷驱动的EAM的驱动机制涉及离子的扩散。后一种机制更常见于对应的有机EAM(例如，EAP)中。虽然场驱动的EAM通常是利用电压信号驱动的并且要求对应的电压驱动器/控制器，但是电流驱动的EAM通常是利用电流信号或电荷信号驱动的，有时要求电流驱动器。这两类材料都有多个家庭成员，每个家庭成员都有其自己的优点和缺点。
场驱动的EAM能够是有机材料或无机材料，并且如果有机能够是单分子、低聚物或聚合物。对于本发明，它们优选是有机材料，然后也优选是低聚物或者甚至是聚合物。有机材料(特别是聚合物)是一类越来越受到关注的新兴材料，因为有机材料将致动性质与诸如重量轻，制造便宜和易于加工的材料性质相结合。
场驱动的EAM以及因此EAP通常是压电材料并且可能是铁电材料，因此包括自发的永久极化(偶极矩)。替代地，场驱动的EAM以及因此EAP是电致伸缩材料，因此在被驱动时仅包括极化(偶极矩)，但在未被驱动时则不包括极化(偶极矩)。替代地，场驱动的EAM以及因此EAP是介电弛豫材料。这样的聚合物包括但不限于以下子类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物(例如，PVDF基弛豫聚合物或聚氨酯)、介电弹性体、液晶弹性体。其他示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性弹性体，以及液晶弹性体。
缺乏自发极化意味着电致伸缩聚合物即使在非常高的操作频率下也几乎不显示滞后损失。然而，这些优点是以温度稳定性为代价获得的。在温度能够被稳定在大致10℃以内的情况下，弛豫体最佳运行。乍一看这似乎是极其受限的，但鉴于电致伸缩体在高频率和非常低的驱动场中表现优异，因此应用趋向于专门的微型致动器。这样的小型设备的温度稳定性相对简单，并且在整个设计和开发过程中通常只表现出小的问题。
弛豫铁电材料能够具有足够高的电致伸缩常数以用于实际应用，即，有利于同时进行感测功能和致动功能。当将零驱动场(即，电压)施加到弛豫铁电材料时，弛豫铁电材料是非铁电体，但在驱动期间变成铁电体。因此，在非驱动时在该材料中不存在机电耦合。当施加驱动信号时，机电耦合变为非零，并且根据上述流程能够通过在驱动信号之上施加小幅度的高频信号来测量机电耦合。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号的高机电耦合与良好的驱动性质的独特组合。
最常用的无机弛豫铁电材料的示例是：铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)以及锆钛酸镧铅(PLZT)。但是在本领域中也已知其他无机弛豫铁电材料。
基于PVDF的弛豫铁电基聚合物显示出自发的电极化，并且它们能够预先应变以在应变方向上改善性能。它们能够是选自下文中的材料组中的任一种。
聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或其共混物。
电流驱动的EAM和EAP包括共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子凝胶，以及聚合物凝胶。
离子驱动的EAP的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物，以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。
子类介电弹性体包括但不限于：
丙烯酸酯、聚氨酯、硅氧烷。
子类共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚-3，4-亚乙二氧基噻吩、聚(对亚苯基硫醚)、聚苯胺。
上述材料能够作为纯材料或作为悬浮在基质材料中的材料而被植入。基质材料能够包含聚合物。
对于包括EAM材料的任何致动结构，可以提供额外的被动层以响应于施加的驱动信号而影响EAM层的行为。
EAP设备的致动装置或结构能够具有一个或多个电极，以用于向电活性材料的至少部分提供控制信号或驱动信号。优选地，该装置包括两个电极。EAP可以被夹在两个或更多个电极之间。这种夹层对于包括弹性体介电材料的致动器装置是必需的，这是因为其致动是由于因驱动信号而彼此吸引的电极所施加的压缩力引起的。两个或更多个电极也能够被嵌入到弹性体介电材料中。电极能够是图案化的或者不是图案化的。
也能够仅在例如使用交叉梳状电极的一侧提供电极层。如果电极仅在一侧，则可以形成反射设备而不需要透明电极。
基板能够是致动装置的部分。基板能够被附接到EAP和电极之间的电极的全体或者能够被附接到外部电极中的一个电极。
电极可以是可拉伸的，使得它们能够跟随EAM材料层的变形。这对于EAP材料尤其有利。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自包括以下项的组：金属薄膜(例如，金、铜或铝)或有机导体(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)))。也可以使用金属化聚酯薄膜(例如，金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层))。
例如，将考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择用于不同层的材料。
可以使用上文讨论的那些附加层(例如，附加的聚合物层)来调整设备的电气性能或机械性能。
上述至少一些示例使用了复合材料，复合材料将电活性材料(特别是聚合物)与其他颗粒(其通常被称为“填料”)进行组合以用于改变光学性质，例如，波长移位、散射、吸收或改变介电常数。在结合基质内可以存在固体颗粒或液体或凝胶液滴或者有效形成颗粒的包封液滴。最优选的是使用固体颗粒。
现在将讨论能够制造这样的复合材料的方式以及对电活性材料的物理性质和电学性质的影响。
首先介绍介电弹性体电活性材料的示例。它们夹在两个电极之间以创建介电电活性聚合物致动器。硅橡胶是主要应用的弹性体组。变形是带正电荷的电极与带负电荷的电极之间的吸引力的结果。
在硅氧烷中混合颗粒广泛用于工业规模。举例来说，超声换能器透镜由填充有铁和氧化硅颗粒的硅氧烷(PDMS，聚二甲基硅氧烷)制成，以增加声阻抗和耐磨性。含有金红石(TiO2)的PDMS(硅氧烷)混合物广泛用于增加折射率或创建白色反射材料。
关于介电电活性聚合物的性能，与诸如陶瓷的非导电硬颗粒的混合具有两个主要的显著效应。首先，材料的刚度增加，从而需要更大的力来获得相同的应变水平。另一个效应是混合物的介电常数发生变化(通常填料的介电常数将高于硅氧烷的介电常数，其接近于3)。取决于电压的应变效应是正还是负取决于颗粒的介电常数和颗粒尺寸，因为更小的颗粒对刚度的影响更大。
这在S.Somiya的“Handbook of Advanced Ceramics:Materials,Applications,Processing,and Properties”(MLCC的非线性介电性质，Waltham，学术出版社，2013年，第415页)中进行了讨论。举例来说，添加颗粒会增大介电常数，但也会增大刚度。
因此，已知将填料混合到弹性体中以影响介电电活性聚合物的性质。已经广泛研究了添加高介电常数颗粒以增加弹性体的介电常数。
图9示出了向EAP中的硅氧烷弹性体添加BaTiO3的效应。它示出了在不同颗粒浓度下应变与施加的电场的关系，其中，颗粒是密度为6g/cm3的1μm的颗粒。在大约20wt％处，作为场强的函数的EAP应变被扩大，这是因为增加的介电常数的积极效应超过增大的刚度的负面效应。
增大介电常数会增大应变，这取决于电压，而刚度的增大会减小应变。
硅氧烷弹性体通常是通过混合两种组成成分来制备的。这两种组成成分中的一种含有Pt或过氧化物固化催化剂。能够在高速混合器中混合不同的组成成分。在同一过程中，能够加入填料或者可以已经在一种或两种组成成分中预先混合了填料。填料材料通常被施加到在处理期间蒸发的溶剂中。在高速混合器中混合之后或期间，通常施加真空以除去空气(和/或溶剂)内含物。在此之后，能够将该混合物进行流延和固化。固化温度和时间取决于聚合物等级，但通常约为80℃，持续10分钟。大多数颗粒与硅氧烷相容，只要它们不使催化剂(例如，含硫材料)失活即可。过氧化物固化硅氧烷不太敏感。
硅氧烷能够被注塑成型(液体硅橡胶，LSR)。在通过LSR注塑机的(静态)混合器之后，将两种组成成分注入螺杆中。可以在一种或两种组成成分中预先混合填料颗粒。通过冷螺杆将材料输送并注入热模具，在这里，惹模具中的材料根据温度快速固化。由于LSR具有非常低的粘度，因此能够实现非常薄的节段。典型的固化温度接近于180℃，时间约为30秒至1分钟。
除了流延和注塑之外，还有许多其他成型技术可用于生产薄膜形式的硅橡胶复合物组成成分。示例是挤压(箔和型材)，轧制箔，层压和轧制多层，刮片薄膜流延，旋涂和丝网印刷。
能够在制造时局部进行填充，例如通过使用多次注塑成型(2次或2次以上的成型)，硅氧烷分配和过度流延或硅氧烷添加制造(即，3D打印)时进行填充。
接下来将介绍压电聚合物复合物的示例。
已经研究了含有PVDF复合物(基质聚合物)和陶瓷颗粒(例如，PZT)的压电聚合物复合物。溶剂流延和旋涂等制造技术是合适的。而且，冷压技术和热压技术也是合适的。在溶解PVDF之后，蒸发溶剂直到获得粘性混合物，然后可以进行填料颗粒的混合。可以实现具有良好分散的颗粒尺寸分布和完整聚合物基质的基于PVDF聚合物的复合物。
接下来将介绍弛豫电致伸缩聚合物致动器的示例。
这些聚合物是一类半结晶三元共聚物，其能够在中等应变下提供相对较大的力。因此，这些致动器具有广泛的潜在应用。通过采用适当的缺陷修饰，已经从“常规的”PVDF聚合物开发出弛豫电致伸缩聚合物。弛豫电致伸缩聚合物含有：偏二氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)，以及1，1-氯氟乙烯(CFE)或三氟氯乙烯(CTFE)。
添加化学单体(例如与VDF-TrFE共聚合的1，1-氯氟乙烯(CFE))形式的缺陷消除了常规的铁电相，得到机电应变大于7％且弹性能量密度在150MV/m下为0.7J/cm3的弛豫铁电体。此外，已经描述了经由P(VDF-TrFE)共聚物的高电子辐照引入缺陷，共聚物也能够从“常规的”铁电P(VDF-TrFE)转变成弛豫铁电体。
这些材料可以通过如由F.Carpi等人的“Dielectric Elastomers asElectromechanical Transducers:Fundamentals,Materials,Devices,Models andApplications of an Emerging Electroactive Polymer Technology”(牛津，Elsevier，2011年，第53页)中所描述的聚合物合成来形成。这篇文献公开了悬浮聚合过程与氧活化引发剂的组合。该膜能够通过将溶液倒在玻璃基板上然后蒸发溶剂来形成。
在薄膜流延之前，能够将所需的填料加入溶剂中。在流延之后，然后能够将复合物退火以除去溶剂并提高结晶度。结晶速率能够根据填料集中程度和颗粒尺寸分布而降低。拉伸将使分子链对齐，并且由于颗粒能够固定分子链，因此拉伸将变得更加困难。对于大多数添加剂，介电常数将会增大，这降低了达到一定应变所需的致动电压。材料刚度将会增大，从而使应变减小。
因此，制造工艺涉及形成聚合物溶液，添加颗粒，混合，然后进行流延(例如，流延成型)，该流延可能与层压相结合。替代方案是旋涂、压制等。
使用分配和/或3D溶剂打印能够实现集中程度的局部变化。例如，对于3D打印工艺，层厚度可以在10至20μm之间。
在所有示例中，填料的添加通常会对击穿电压有影响。电活性聚合物能够达到的最大应变由能够施加的最大电压(即，击穿电压(或介电强度))来决定。
聚合物的击穿电压与在施加的外部场下聚合物分子的解离有关。在聚合物基质中添加填料颗粒能够对击穿电压产生显著影响。特别大的颗粒能够使得场发生局部增大。因此，将聚合物与亚微米范围的颗粒的混合对电压击穿具有较低的负面效应。此外，聚合物-填料界面结构能够强烈影响电压击穿。
颗粒的聚集是降低击穿电压的另一种影响。然而，通过修饰颗粒表面来防止聚集和改善界面结构，能够降低电压击穿水平的负面效应。然而，填料的聚合物将获得比未填充的聚合物更低的击穿强度，从而引起更低的致动应变。
总之，对于介电电活性聚合物，能够使用各种工业混合成型技术来实现与颗粒的混合。为了保持对刚度的影响并因此使受限的致动器的冲程减小，优选使用较小的浓度。对于给定的体积浓度，也优选不太小的颗粒以保持受限的刚度影响。能够选择软基聚合物以补偿刚度的增加。增加的介电常数能够在降低的电压下进行致动。为了维持介电强度，应当限制颗粒尺寸和浓度并且能够采取措施来改善聚合物-填料接口以及颗粒分散。能够印刷局部浓度变化。
弛豫型电活性聚合物与颗粒混合也是可能的。关于颗粒浓度和尺寸对刚度和介电强度的影响的类似趋势与上述效应相当。能够在聚合之后添加颗粒。能够使用各种技术(例如，流延成型和旋涂)对溶解的聚合物进行成型。局部浓度变化也是可能的。
可以使用各种不同的填料颗粒。
对于光吸收或光散射填料颗粒，希望尺寸相对于光的波长是显著的，例如大于波长的1/10。因此，颗粒通常具有20纳米至多个微米的线性尺寸。通常，与电活性材料层或子层的厚度相比，颗粒尺寸不应该太大，因为这会影响性能。当然，即使在更小的颗粒聚集的情况下，它们仍然会吸收或散射光。
光吸收颗粒可以例如具有碳基体，例如，石墨或炭黑或深色陶瓷颗粒(例如，碳化物)。
选择光散射颗粒或折射率细微调节颗粒以与基质具有显著的折射率差异。合适材料的示例是选自TiO2、ZrO2、Y2O3、NiO、Cr2O3、V2O3、ZnO、CuO、Bi2O3以及HfO2的一种或多种氧化物或者诸如CdS的非氧化物陶瓷颗粒。
这些颗粒使得能够细微调节电活性材料的折射率。通过使颗粒尺寸与被处理光的波长相比较小，减少了光吸收和散射。
对于颜色转换颗粒，可以使用需要与光相互作用的磷光体颗粒。因此，直径不应比光的波长短太多。非常小但数量多的颗粒具有与一些较大颗粒相同的颜色转换。然而，许多小颗粒更多地增大刚度，从而限制了致动。在大多数情况下，EAP具有多层结构以降低驱动电压，并且子层具有几微米厚。堆叠的多层例如是100μm厚。颗粒将明显比层厚度或子层厚度薄。例如，颗粒具有约1μm的直径，并且通常在30nm至3μm之间。
光转换颗粒可以是磷光体、陶瓷、聚合物、量子点，并且它们可以是有机的或无机的。陶瓷颗粒最容易实施并且在聚合物基质中非常稳定。
陶瓷磷光体的一些示例是：
YAG:Ce(黄色)
GdYAG:Ce(黄色)
CaAlSiN3:Eu(红色)Ca能够被Sr或Ba替代。
(Zn,Cd)S:Ag(黄色)
ZnS:Cu(绿色)
量子点的一些示例(其中，尺寸决定了发射波长)是：
CdSe/GdS(核/壳)
InP/ZnS
CuInS/ZnS
也可以使用有机磷光体和有机金属磷光体。
从以上示例能够看出，本发明可以应用于生成在致动时改变的强度图案和/或散射图案和/或颜色图案。这使得照明条件能够以比简单的强度或方向控制更完整的方式改变。上面已经给出了自适应汽车照明的示例。还有许多能够使功能或美学照明条件可调的其他应用。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种透光光学部件，包括：
电活性材料层结构(32)，其包括实施光学功能的光学活性层；
电极装置(33)，其用于控制所述电活性材料层结构的变形，从而改变所述部件的透光性质；以及
驱动装置(34)，其用于控制被施加到所述电极装置的驱动信号，
其中，所述驱动装置(34)适于在所述电活性材料层结构(32)的不同区域处引起不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化，
其中，所述电活性材料层结构包括由中间层(61)隔开的电活性材料层(60)的堆叠，其中，所述电活性材料层具有均匀厚度，并且所述中间层具有不均匀厚度，使得所述电活性材料层结构(32)在其非致动状态下具有不均匀厚度。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述电活性材料层结构的至少一些不同区域具有不同的介电常数和/或刚度。
3.根据权利要求2所述的部件，其中，所述电活性材料层结构包括电活性材料与用于局部修改所述介电常数或所述刚度的颗粒的复合物。
4.一种透光光学部件，包括：
电活性材料层结构(32)，其包括实施光学功能的光学活性层；
电极装置(33)，其用于控制所述电活性材料层结构的变形，从而改变所述部件的透光性质；以及
驱动装置(34)，其用于控制被施加到所述电极装置的驱动信号，
其中，所述驱动装置(34)适于在所述电活性材料层结构(32)的不同区域处引起不同的相对厚度变化，从而在这些不同区域之间提供光学功能的不均匀变化，
其中，所述电活性材料层结构的至少一些不同区域具有不同的介电常数和/或刚度。
5.根据权利要求4所述的部件，其中，所述电活性材料层结构包括电活性材料与用于局部修改所述介电常数或所述刚度的颗粒的复合物。
6.根据任一前述权利要求所述的部件，其中，所述电极装置包括电极(80)的阵列，使得不同的致动信号能够被施加到所述电活性材料层结构的所述不同区域。
7.根据权利要求6所述的部件，其中，所述电极装置包括与每个电极(80)相关联的信号处理单元(82)，以用于处理共享电极驱动信号而导出经修改的局部电极驱动信号。
8.根据任一前述权利要求所述的部件，其中，所述电活性材料层结构包括部分光吸收层或光散射层，例如，其中，所述电活性材料层结构包括电活性材料与光吸收颗粒或光散射颗粒的复合物。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的部件，其中，所述电活性材料层结构包括折射层，例如，其中，所述电活性材料层结构包括电活性材料与不同折射率的颗粒的复合物。
10.根据权利要求1至7中的任一项所述的部件，其中，所述电活性材料层结构是光色改变层结构。
11.根据权利要求10所述的部件，其中，所述电活性材料层结构包括电活性材料与颜色改变颗粒的复合物。
12.根据权利要求11所述的部件，其中，所述颜色改变颗粒包括磷光体颗粒。
13.根据权利要求1至7中的任一项所述的部件，其中，所述电活性材料层结构是光方向控制层。
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