CN1732401A - 含有聚合物致动器的光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学装置，包括：a)包括第一表面(107)和第二表面(108)的聚合物薄膜(101)；b)定位在所述第一表面上(107)的第一电极(102)；c)定位在所述第二表面(108)上的第二电极(103)；以及d)定位在所述第一电极(102)上或者所述第一表面(107)上的可变形光学元件(104)。

Description

含有聚合物致动器的光学装置
技术领域
本发明涉及含有可以变形以改变其光学特性的光学元件的光学装置
本发明可以用于其中光学元件的光学特性需要改变的任何设备或装置，该光学特性为例如透镜的焦距或者衍射光栅的栅距(pitch)。
背景技术
已发表的美国专利US2001/0040735A1描述了一种焦距可变的透镜。通过使可弹性形变的透镜的赤道直径发生微小改变而构成焦距可变的透镜。通过施加在通常垂直于光轴平面内的径向张力可以使透镜变形。使用机械工具或者使用内嵌在透镜内或者粘附在透镜赤道上的环形物可施加该径向张力，通过加热或者施加电场或者磁场可以改变其直径。
现有技术文档中描述的技术不仅意味着改变透镜的焦距要使用许多复杂的致动器，而且其难以在小的装置或设备中实施。
发明内容
本发明的目标是提出一种用于变形光学元件的改善的光学装置。
为此，根据本发明的光学装置包括：
聚合物薄膜，包括第一表面和第二表面；
定位在所述第一表面上的第一电极；
定位在所述第二表面上的第二电极；
定位在所述第一电极上或者所述第一表面上的可变形光学元件。
当在两个电极之间施加电压差时，麦克斯韦应力现象导致聚合物薄膜在平面方向延长，该延长被传递到可变形光学元件。由于光学元件的变形，其光学特性发生改变。
由于光学元件和聚合物薄膜直接接触，所以光学装置的尺寸小。
由于聚合物薄膜的延长取决于施加在两个电极之间的电压差，该光学元件的形变可以容易地控制。
特别地，所述光学元件为圆形透镜或者衍射光栅。
该光学装置因此可以用于改变透镜的焦聚或衍射光栅的栅距。
在一个优选实施例中，该光学元件由硅酮橡胶制成或者由环烯烃共聚物制成。
这些材料具有可以在光学质量和形变能力之间适当折衷的特性。
在一个优选实施例中，该聚合物薄膜由硅酮橡胶或丙烯酸电介质弹性体制成。
这些材料允许大幅形变，使得可以大比例地改变光学元件的光学特性。
在一个优选实施例中，第一电极和第二电极为圆形。
在一个优选实施例中，第一电极和第二电极为环形。
如果电极由透明材料制成，光束可以沿光轴穿过聚合物薄膜和光学元件。该特征尤其涉及圆形透镜。
环形电极允许电极使用透明或者不透明材料。
本发明还涉及夹在用于接收电压差的两个电极之间的聚合物薄膜，用于使与所述聚合物薄膜或者所述电极接触的光学元件变形。
该薄膜以及聚合物薄膜相对于电极的特殊结构的性能可以有利地用于在电控制下使光学元件变形。
本发明还涉及改变光学元件的光学特性的方法，所述方法包括如下步骤：
将第一电极定位到聚合物薄膜的第一表面上；
将第二电极定位到所述聚合物薄膜的第二表面上；
将所述光学元件定位在所述第一电极上或者定位在所述第一表面上；
在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压差。
该方法可以用于电学地改变光学元件的光学特性。
下面将给出本发明的详细解释以及其它方面。
附图说明
将参照下述实施例解释并结合附图考虑本发明的特定方面，在附图中以相同的方式表示相同的部分或者子步骤：
图1A描述了处于第一状态的根据本发明的光学装置的第一实施例；
图1B描述了处于第二状态的第一实施例；
图1C描述了第一实施例的三维分解图；
图1D描述了处于第一状态的备选的第一实施例；
图1E描述了处于第二状态的备选的第一实施例；
图1F描述了备选的第一实施例的三维分解图；
图2A描述了处于第一状态的根据本发明的光学装置的第二实施例；
图2B描述了处于第二状态的第二实施例；
图2C描述了第二实施例的三维分解图；
图2D描述了备选的第二实施例的三维分解图。
具体实施方式
本发明利用麦克斯韦应力现象。该现象涉及夹在两个电极之间的聚合物材料的形变。当在所述电极之间施加电压差时，由自由电荷产生的静电力挤压和拉伸该聚合物。
图1A描述了处于第一状态的根据本发明的光学装置的第一实施例。该实施例包括：
-聚合物薄膜101，包括第一表面107和第二表面108。聚合物薄膜101优选由硅酮橡胶或丙烯酸电介质弹性体制成(例如该弹性体指NuSil的CF19-2186或者VHB4910丙烯酸)。电介质聚合物的特性为柔软(柔性)的，具有相对高的介电常数(大约3或者更大)，且具有高的击穿电压(从几十到100kV/mm)。
-定位在所述第一表面上的第一电极102；
-定位在所述第二表面上的第二电极103；
-定位在所述第一电极102上的可变形光学元件104。该光学元件对
应于优选由硅酮橡胶制成或由环烯烃共聚物(COC)制成的圆形透镜。该透镜可以直接或者使用胶固定在电极上。该透镜的曲率半径值为r1。
该光学装置优选地绕轴AA是对称，该轴AA对应于光学元件104的光轴。
第一电极102连接到导线105，且第二电极103连接到导线106。导线105和106用于连接到电压差V。
这些电极由柔性(柔软)材料制成，使其可随聚合物薄膜变形。可以通过喷溅、丝网印刷、或光刻沉积这些电极。该电极可由石墨浆、很薄的金属导线、或者很薄的金属薄膜制成。
电极优选由透明材料制成，使得光束可以穿过透镜、聚合物薄膜、和电极。这种情况下，电极例如由用于聚合物LED显示的称为“pdot”的材料制成。
在图1B所示的第二状态中，通过导线105和106在电极之间施加电压差V。由此，聚合物薄膜101(和电极102、103)在平行于聚合物薄膜定义平面的平面内沿径向d1和d2延长。因此，透镜104也变形，这导致其曲率半径r2改变。
聚合物薄膜的应变(通常为几十个百分比的量级)和电压差V有着二次方的关系。电压差应该为几kV的量级，其取决于聚合物薄膜的厚度。为了降低电压，优选地制作多层结构。
图1C描述了图1A和图1B的第一实施例的三维分解图。聚合物薄膜优选为圆形，使得其沿径向的形变是对称的。优选地，透镜104的光轴AA垂直于由聚合物薄膜101定义的平面。
图1D描述了处于第一状态的根据本发明的备选的第一实施例。图1D不同于图1A、图1B、和图1C之处在于：圆形透镜104定位在第一表面107上。而且，所述第二电极并不覆盖光学透镜前方的第二表面108的部分区域。电极102、103因此形成以透镜104的光轴AA为中心并环绕该轴的环。该备选允许使用透明以及非透明的电极102、103。
在图1E所描述的第二状态中，通过导线105、106在电极之间施加电压差V。聚合物薄膜101(和电极102、103)在平行于由聚合物薄膜定义平面的平面内沿径向d1和d2方向延长。其结果为，透镜104也变形，导致曲率半径r2改变。
图1F描述了图1D和图1E中所述第一实施例的三维分解图。
图2A描述了处于第一状态的根据本发明的光学装置的第二实施例。该实施例包括：
-聚合物薄膜201，包括第一表面207和第二表面208。聚合物薄膜201优选由硅酮橡胶或丙烯酸电介质弹性体制成(例如该弹性体指NuSil的CF19-2186或者VHB4910丙烯酸)。电介质聚合物的特性为柔软(柔性)的，具有相对高的介电常数(大约3或者更大)，且具有高的击穿电压(从几十到100kV/mm)。
-定位在所述第一表面上的第一电极202；
-定位在所述第二表面上的第二电极203；
-定位在所述第一电极202上的可变形光学元件204。该光学元件对应于具有优选由硅酮橡胶制成或由环烯烃共聚物(COC)制成的底面的衍射光栅。该光栅可以直接或者使用胶固定在电极上。衍射光栅的栅距值为p1。
第一电极202连接到导线205，且第二电极203连接到导线206。导线205和206用于连接到电压差V。
这些电极由柔性(柔软)材料制成，使其可随聚合物薄膜变形。可以通过喷溅、丝网印刷、或光刻沉积这些电极。该电极可由石墨浆、很薄的金属导线、或者很薄的金属薄膜制成。
在图2B所示的第二状态中，通过导线205和206在电极之间施加电压差V。聚合物薄膜201(和电极202、203)在平行于聚合物薄膜定义平面的平面内沿径向d1和d2延长。因此，衍射光栅204也沿其光栅矢量变形，这导致其栅距p2改变。
电极优选由透明材料制成，使得光束可以穿过光栅、聚合物薄膜、和电极。这种情况下，电极例如由用于聚合物LED显示的称为“pdot”的材料制成。
聚合物薄膜的应变(通常为几十个百分比的量级)和电压差V有着二次方的关系。电压差应该为几kV的量级，其取决于聚合物薄膜的厚度。为了降低电压，优选地制作多层结构。
图2C描述了图2A和图2B的第二实施例的三维分解图。聚合物薄膜优选为矩形，该矩形的侧边平行和垂直于衍射光栅的结构。
图2D描述了根据本发明的备选的第二实施例的三维分解图。图2D不同于图2A、图2B、和图2C之处在于：光栅204定位在第一表面207上。而且，所述第二电极并不覆盖光栅前方的第二表面208的部分区域。电极202、203因此形成矩形或者方形的环绕。该备选允许使用透明以及非透明的电极202、203。
薄膜聚合物的形变取决于所使用材料的模量、材料的形状、以及边界条件。
本发明不限于聚合物薄膜的所述形状。实际上，可以定义其它形状，从而以非均匀的方式使定位在所述聚合物薄膜上的光学元件变形。
本发明还涉及夹在两个电极之间用于使光学元件变形的聚合物薄膜
本发明还涉及改变光学元件的光学特性的方法，所述方法包括如下步骤：
将第一电极定位到聚合物薄膜的第一表面上；
将第二电极定位到所述聚合物薄膜的第二表面上；
将所述光学元件定位在所述第一电极上或者定位在所述第一表面上；
在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压差。

Claims (8)

1、光学装置，包括：
聚合物薄膜(101)，包括第一表面(107)和第二表面(108)；
定位在所述第一表面(107)上的第一电极(102)；
定位在所述第二表面(108)上的第二电极(103)；
定位在所述第一电极(102)上或者所述第一表面(107)上的可变形光学元件(104)。
2、权利要求1中所述的光学装置，其中所述光学元件(104)为圆形透镜或者衍射光栅。
3、权利要求1或2中所述的光学装置，其中所述光学元件(104)由硅酮橡胶或者环烯烃共聚物制成。
4、权利要求1、2或3中所述的光学装置，其中所述聚合物薄膜(101)由硅酮橡胶或丙烯酸电介质弹性体制成。
5、权利要求1、2、3或4中所述的光学装置，其中所述第一电极(102)和第二电极(103)为圆形。
6、权利要求1、2、3或4中所述的光学装置，其中所述第一电极(102)和第二电极(103)为环形。
7、被夹在用于接收电压差的两个电极(102、103)之间的聚合物薄膜(101)，用于使与所述聚合物薄膜(101)或者所述电极(102、103)接触的光学元件(104)变形。
8、改变光学元件(104)的光学特性的方法，所述方法包括如下步骤：
将第一电极(102)定位到聚合物薄膜(101)的第一表面(107)上；
将第二电极(103)定位到所述聚合物薄膜(101)的第二表面(108)上；
将所述光学元件(104)定位在所述第一电极(103)上或者定位在所述第一表面(107)上；
在所述第一电极(102)和所述第二电极(103)之间施加电压差。
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