CN106062586B - 具有焦距变化的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明题为“具有焦距变化的光学设备”。本发明涉及一种具有焦距变化的光学设备(100)，该光学设备包括：‑第一可变形膜(1)，‑第二可变形膜(2)，‑支撑件(3)，膜(1,2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c)被连接到该支撑件(3)，‑恒定体积的流体(4)，该恒定体积的流体(4)被包封在第一膜和第二膜之间，‑位于第一膜(1)的锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间的第一膜的区域(1a)的致动设备(5)，该第一膜(1)被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移。第一膜(1)的中心部分(1b)具有足够的硬度，使得：‑从其中致动设备(5)不活动的静止位置，在向致动设备(5)施加小于阈值的电致动电压时第一膜(1)仅在第一方向上变形，并且第二膜(2)变形，以吸收由第一膜(1)的变形导致的流***移，以便使第一膜上的流体的压力最小化，以及‑在向致动设备(5)施加大于阈值的电致动电压时，第一膜的致动区域(1a)保持在第一方向上变形，在由致动设备(5)使流体(4)发生位移的压力的作用下，第一膜(1)的中心部分(1b)在与第一方向相反的第二方向上变形。

Description

具有焦距变化的光学设备

技术领域

本发明涉及具有焦距变化的光学设备，以及此类光学设备的焦距变化的方法。

背景技术

为了在包括具有固定焦距的若干个透镜的紧凑光学***中集成光学缩放功能，可能让人感兴趣的是尤其是在使光学***的厚度最小化方面，为至少一个光学设备集成可变焦距，以产生焦距的主要变化。

一些光学设备确保放大率的变化，并且其他光学设备必须要链接到固定光学***或具有可变焦距的其他设备，以确保缩放功能。

对于具有微型相机的应用程序而言，尤其是对于为移动电话设计的相机而言，目的是设计一种具有可变焦距的紧凑且廉价的光学设备。

工作于发散模式或聚光模式中的设备是尤其有利的，因为其得益于焦距的更宽范围的变化。

响应于这种需求，例如基于电润湿技术[1]或基于液晶[2]已开发出了基于液体的具有可变焦距的不同类型的设备。

其他解决方案基于对受到流体压力作用的可变形膜的使用，每个膜形成屈光度。

两个膜通常用于提升设备的光焦度。

在这些设备中，膜在由流***移导致的流体压力作用下发生变形。

在一些应用程序中，独立于另一个膜来致动两个膜中的每个膜，每个膜与包封流体的腔体相关联，该腔体通过衬底与另一个膜分隔开，并具有其自身的致动设备[3，4]。

在该膜中的一个膜上施加的流体压力可与另一个膜不同。

在图1A和图1B中呈现了透镜的不同配置，其中在每个膜的周边处布置旨在用于改变焦距的致动器。

图1A示出了双凸聚光透镜，其可为对称的或不对称的。

该设备包括支撑件3和在两个膜之间延伸的刚性板31，两个可变形膜1，2在相应周边锚定区域1c，2c中被连接到支撑件3。每个膜1，2与支撑件3和板31限定相应恒定体积的流体41，42。由于有刚性板31插置于流体41和42的体积之间，因此两个膜的变形彼此独立。

每个膜1，2具有被布置在每个膜的中心部分1b，2b和锚定区域1c，2c之间的相应中间区域1a，2a上的致动设备5，5’。

两个膜1，2的致动器5，5’朝膜和流体41，42(在箭头方向上)偏转，以形成图1A中所示的双凸配置。

图1B对应于双凹发散透镜，其可为对称地或不对称的。

该设备的结构类似于图1A的设备，每个膜的致动设备5，5’能够在与图1A的方向相反的方向(在箭头方向)上偏转，以形成此类配置。

在两个屈光度功能彼此独立的程度上，还可能获得聚光透镜(凸平面或聚光凹凸透镜)或发散透镜(凹平面或发散凹凸透镜)的很多其他配置。

图2A至图2C示出了表现出类似于图1A结构的光学设备的另一个示例，其中膜2确保聚光功能(利用致动设备5’在朝流体的一个方向上的偏转)，并且膜1确保发散功能(利用致动设备5在相反方向上的的偏转)，每个膜与独立体积的流体41，42相关联。由图1A-图1B和图2A-图2C中的相同的附图标记指定的元件是类似的。

图2A示出了静止时的采用初始无限大焦距的示例的光学设备。

图2B示出了该光学设备被致动以便成为聚光的：出于这一目的，不激活致动设备5并且仅激活致动设备5’，以便朝流体42偏转，从而获得凸平面聚光透镜。

图2C示出了该光学设备被致动以便成为发散的：出于这个目的，不激活致动设备5’并且仅激活致动设备5，以便朝流体41偏转，从而获得凹平面发散透镜。

在其他应用程序中，两个膜由被包封在所述膜之间的恒定体积的流体耦接[5-10]，两个膜受到相同的流体压力。

图3A和图3B示出了此类光学设备。相对于图1A至图2C所示的设备，图3A和图3B中的设备不包含分隔与每个膜相关联的流体体积的板。因此该设备包含以力学方式耦接膜1和2的单个恒定体积的流体4。

在这些设备中，两个膜的致动设备5，5’共同用于修改被施加到膜中的每个膜的流体压力。

在致动设备5，5’朝流体4偏转时，压力增大并且两个膜1，2变成凸面(聚光设备，参见图3A)。

当致动设备5，5’在与流体4相反的方向上偏转时，两个膜1，2变成凹面(发散设备，参见图3B)。

为了从静止位置产生可具有正焦距和负焦距的变化的光学***，致动设备必须要在两个方向上起作用。

然而，此类致动实现起来很复杂。

实际上，致动器需要的电压通常高于30V(在[3]中提到了电压+/-40V)。

在现有设备中，将压电材料的厚层粘结到每个膜上，这涉及到复杂的制造方法并给设备的几何结构和膜施加一定数量的限制。

然而，可使用MEMS技术来执行此类双向致动。

应当使用能够在两个方向上变形的任何材料，但这些材料(例如，AlN)在致动方面效率较低，或者应当使用包括两层PZT陶瓷(锆钛酸铅)的双压电致动器。

给出具有高制造成本的PZT陶瓷，这后一种选择成本特别高昂。

图2A至图2C所示的设备可通过使用在单个方向上操作的致动器而交替地成为聚光和发散的。

通过叠加两个单层膜设备构成的此类设备的缺点在于，其提供的焦距变化比图1A-图1B和图3A-图3B所示的设备产生的变化小的多。

实际上，在聚光配置中单个屈光度是活动的，并且在发散配置中另一个屈光度是活动的。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种在更大范围上产生焦距变化并实现简单致动(尤其是产生低的电致动电压)的光学设备，该设备紧凑且制造简单。

根据本发明，提出了一种具有焦距变化的光学设备，该光学设备包括：

-第一可变形膜，

-第二可变形膜，

-支撑件，该膜中的每个膜的相应周边锚定区域被连接到该支撑件，

-恒定体积的流体，该恒定体积的流体被包封在第一膜和第二膜之间，该流体产生第一膜和第二膜的力学耦接，

-位于第一膜的锚定区域和中心部分之间的第一膜的区域的致动设备，该第一膜被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移，该流***移可能使得第一膜的中心部分变形，

该光学设备的特征在于第一膜的中心部分具有足够的硬度，使得：

-从其中致动设备不活动的静止位置，在向致动设备施加小于阈值的电致动电压时，第一膜仅在第一方向上变形，并且第二膜变形，以吸收由第一膜变形导致的流***移，以便使第一膜上的流体的压力最小化，以及

-在向致动设备施加大于阈值的电致动电压时，第一膜的致动区域保持在第一方向上变形，在由致动设备使流体发生位移的压力的作用下，第一膜的中心部分在与第一方向相反的第二方向上变形。

有利的是，第二膜表现出比第一膜的中心部分小的硬度。

根据一个实施方案，该光学设备进一步包括位于膜的锚定区域和中心部分之间的第二膜的致动区域的致动设备，该膜被配置为通过施加电致动电压而变形。

根据一个实施方案，第二膜的致动设备能够根据施加到设备的电致动电压而在两个相反方向上变形。

根据一个实施方案，在其静止配置中，第一膜的中心部分是平面的。

根据一个实施方案，该光学设备包括在两个膜之间延伸并包括至少一个流体通道开口的衬底，使得在衬底的任一侧上该流体压力相同。

第一膜和/或第二膜的材料可以是硅氧烷树脂或包含硅的矿物质材料。

根据一个有利的实施方案，第一膜的致动设备包括至少一个压电致动器。

根据本发明的一个实施方案，第一膜和第二膜是反射的。

可以有利地选择第一膜的硬度，使得在膜上未施加流体压力时向致动设备施加电致动电压使得膜的致动区域和中心区域变形，致动区域和中心部分之间的接合部的任一侧上的对膜的切线被组合。

根据一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径不同于第二膜的可变形部分的直径。

根据另一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径与第二膜的可变形部分的直径相同。

另一目的涉及用于光学设备的焦距变化的方法，该光学设备包括

-第一可变形膜，

-第二可变形膜，

-支撑件，该膜中的每个膜的相应周边锚定区域被连接到该支撑件，

-恒定体积的流体，该恒定体积的流体被包封在第一膜和第二膜之间，该流体产生第一膜和第二膜的力学耦接，

-位于膜的周边锚定区域和中心部分之间第一膜的区域的致动设备，该膜被配置为通过在单个偏转方向上施加电致动电压而变形，

该方法的特征在于其包括：

-向致动设备施加小于阈值的第一电致动电压，从而导致第一膜在第一方向上变形，而第二膜变形，以吸收由第一膜变形导致的流***移，以便使第一膜上的流体的压力最小化，

-向致动设备施加大于阈值的第二电致动电压，从而导致第一膜的中心部分在由致动设备使流体发生位移的压力的作用下，在与第一方向相反的第二方向上变形，第一膜的致动区域保持在第一方向上变形。

根据一个实施方案：

-在静止时，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，

-施加第一电致动电压，以便使致动区域和中心部分朝流体变形，第二膜在与流体相反的方向上变形，使得第一膜的中心部分形成发散屈光度，并且第二膜形成聚光屈光度，

-施加第二电压，以便使致动区域朝流体变形，该流***移使得中心部分在与流体相反的方向上变形，使得两个膜中的每个膜的中心部分具有聚光屈光度。

根据一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径小于第二膜的可变形部分的直径，并且：

-在静止时，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，

-施加第一电致动电压，以便使致动区域和中心部分朝流体变形，第二膜在与流体相反的方向上变形，使得该光学设备形成发散凹凸透镜。

根据一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径大于第二膜的可变形部分的直径，并且：

-在静止时，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，

-施加第一电致动电压，从而使致动区域和中心部分朝流体变形，第二膜在与流体相反的方向上变形，使得该光学设备形成聚光凹凸透镜。

根据一个实施方案，该光学设备包括位于膜的锚定区域和中心部分之间的第二膜的致动区域的致动设备，该膜被配置为通过施加电致动电压而变形，并且：

-在静止时，第一膜和第二膜各自形成平面屈光度，

-向第一膜的致动设备施加第一电致动电压，以便使致动区域和中心部分朝流体变形，而无需向第二膜的致动设备施加电致动电压，第二膜在与流体相反的方向上变形，使得第一膜的中心部分形成发散屈光度并且第二膜形成聚光屈光度，

-向第一膜的致动设备施加第二电致动电压，以便使致动区域朝流体变形，并且向第二膜的致动设备朝流体施加电致动电压，以便增大由第二膜的中心部分形成的屈光度的聚光性。

最后，本发明的另一个目的涉及一种包括诸如本文以上所述的光学设备的成像设备。

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分别示出了已知类型的双凸聚光透镜和双凹发散透镜的截面，

-图2A至图2C以截面示出了已知类型的光学设备的不同致动状态，该设备可以是聚光的或发散的，

-图3A和3B以截面示出了已知类型的光学设备的的两个致动状态，其中两个膜由被包封在它们之间的流体体积耦接，

-图4A示出了根据本发明的光学设备的第一膜的参考变形(即不受流体压力作用)；作为比较，图4B示出了由于硬度不足而不适于执行本发明的膜的参考变形，

-图5A示出了根据本发明的实施方案的光学设备的配置，其中由第一膜形成的屈光度是发散的，并且由第二膜形成的屈光度是聚光的；通过加阴影，图5B示出了在这种配置中在膜变形期间发生位移的流体体积，

-图6A示出了与图5A和图5B相同的光学设备的配置，其对应于比图5A和图5B的配置中更高的电致动电压，其中由第一膜形成的屈光度是聚光的，并且由第二膜形成的屈光度也是聚光的；通过加阴影，图6B和图6C示出了在这种配置中在膜变形期间发生位移的流体体积，

-图7A示出了根据本发明的实施方案的光学设备，其中两个膜的几何结构基本上相同，通过加阴影，图7B示出了在图7A的配置中在膜变形期间发生位移的流体体积，

-图8A示出了根据本发明的实施方案的光学设备，其中第一膜的直径小于第二膜的直径，通过加阴影，图8B示出了在图8A的配置中在膜变形期间发生位移的流体体积，

-图9A示出了根据本发明的实施方案的光学设备，其中第一膜的直径大于第二膜的直径，通过加阴影，图9B示出了在图9A的配置中在膜变形期间发生位移的流体体积，

-图10A和图10B示出了根据实施方案的光学设备的两种配置，其中两个膜是可致动的，

-图11A至图11C示出了根据本发明的光学设备的不同的可能配置，

-图12A和图12B示出了根据本发明的光学设备的其他可能配置，

-图13示出了设备的光焦度根据第一膜的偏转的变化，

-图14示出了每个膜根据流体压力发生的偏转，

-图15示意性地示出了包括根据本发明的光学设备的成像设备。

为了确保附图的易读性，所示的不同元件未必以相同比例示出。

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

图5A、图5B和图6A-图6C示出了根据本发明的实施方案的光学设备100的不同致动配置。

该光学设备100具有光轴X。

设备100包括两个可变形膜1，2，其周边密封地锚定在支撑件3上。

在该示例中，支撑件3的形式为环形冠，其中心被设计成接收被包含在由两个膜1，2和支撑件3限定的密封腔中的流体4的体积。

流体4可以是液体或气体。

在支撑件3的任一侧上锚定膜1和2。

有利的是，膜基本上彼此平行地延伸。

每个膜包括相应周边锚定区域1c，2c。

每个膜还包括相应的中心部分1b，2b，其对应于光学设备的光场。

因此每个膜包括被称为内面的面和被称为外面的相反面，内面与流体4接触，外面与未提到的第二流体接触，第二流体可以是环境空气。

膜是指任何柔软且绷紧的膜，使得膜形成流体4和位于膜的相反面上的流体之间的障碍。

在光学设备100为透镜的情况下，其因此以透射方式起作用，两个膜1，2对于光束(未示出)而言都是透明的，至少在其中心部分1b，2b中是透明的，相继通过第一透镜的中心部分、流体和第二透镜的中心部分，该光束意图通过透镜来传播。

在光学设备100为镜片的情况下，两个膜中的一个膜的中心部分是反射性的。

每个膜1，2能够在流体4的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。

膜越柔软(换言之，硬度越低)，由流***移导致的变形越大。

流体4被包封在两个膜1，2之间，并产生膜的力学耦接，使得流***移的效应不能针对膜中的每个膜独立评估，而是要根据膜中的每个膜的相应属性进行组合。

流体4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中。

支撑件3和膜1和2的形式可有利地是围绕光轴X的旋转形式，但本领域的技术人员可选择任何其他形式而不脱离本发明的范围。

在该设备中，两个膜中的至少一个膜具有致动设备。常规上，这里考虑被标记为1的第一膜具有致动设备5；标记为2的第二膜可具有或不具有致动设备。在图5A-图5B和图6A-图6C中所示的实施方案中，第二膜没有致动设备，使得可仅因为流体4的位移来产生可能的变形。而且，尽管被致动的膜1被置于设备的上面上，但应当理解，也可将其置于设备的下面上，膜1和2被互换。

致动设备被设计成在单一方向变形，即根据设备的配置朝流体(以相继获得发散设备然后是聚光设备)或沿流体反方向(以相继获得聚光设备然后是发散设备)变形。

在其中目的是改变光学设备的焦距而无需偏移入射光束的情况下，致动设备适于在致动区域的整个外周上方均匀变形。

尤其适于产生单方向的致动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其旨在用于向压电材料施加电场。这个电场用于控制压电材料块的力学变形。压电材料块可以是单层或多层并且延伸超过一个电极。

该致动设备可包括形式为冠状的单个致动器或均匀分布于膜外周上方的几个独立致动器。

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。

致动设备被布置在位于膜的周边锚定区域1c和中心部分1b之间的被称为致动区域的第一膜的区域1a中。任选地，致动设备可部分延伸到周边锚定区域。

在下文所述的附图中，在第一膜的外面上表示致动设备。然而，本发明不限于这一实施方案，而是可允许将致动设备布置在第一膜的内面上，甚至第一膜的内部。

在图5A-图5B以及图6A-图6C所示的实施方案中，假设在静止时，即在第一膜的致动设备5未被激活时，第一膜和第二膜是平面的(未示出的配置)。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可设计两个膜中的每个膜，使得其在静止时具有凸或凹的形式。

在该实施方案中，膜2比膜1的中心部分1b更柔软。

图5A和图5B对应于光学设备100的第一实施方案。

图5A示出了膜1和2在向致动设备5施加小于所确定的阈值的电致动电压导致的流体4的位移作用下发生变形。

致动设备5使膜1的致动区域1a朝流体4变形(箭头方向)，并且在硬度足够的情况下，膜1的中心部分1b在相同方向上变形。

由于使膜2变形所需的流体压力过低而不能使膜1的中心部分1b变形，因此由第一膜形成的屈光度是凹面/发散的，并且由第二膜形成的屈光度是凸面/聚光的。

如图5B中所示，由膜1的变形导致位移的流体的体积(由阴影区域V1所示)等于由膜2的变形吸收的体积(由阴影区域V2所示)。

图6A和图6B对应于光学设备100的第二实施方案。

从通过向致动设备5施加大于前述阈值的电致动电压而产生的特定流体压力(致动方向仍然朝向流体，但被双向箭头表示以表示由于相对于图5A增大电致动电压而使变形范围增大)，膜1的中心部分1b在流体压力的作用下显著变形。

从图6A显然可看出，在由致动设备5导致流体4发生位移的压力的作用下，膜1的致动区域1a保持在与图5A中相同的方向上变形，但膜1的中心部分1b在与图5A的方向相反的方向上变形。

保持流体体积守恒，但在该实施方案中，其集成了与第一膜的中心部分1b的变形相关联的体积。

在图6A中，阴影区域V0表示相对于通过假设在膜上未施加任何流体压力的静止位置通过致动膜1而使流体发生位移的体积。

在图6B中，阴影线区域V1和V2示出了由两个膜的变形吸收的流体体积。由于流体体积守恒，因此由区域V1和V2表示的流体总体积等于由区域V0表示的流体体积。

在该第二实施方案中，由膜1形成的屈光度是平面的或甚至是聚光的。

在该第二实施方案中，两个屈光度参与该设备的焦距的变化并产生焦距的更大的变化。

可以试验方式通过改变膜的致动设备的电致动电压并测量观测到第一膜的中心部分的曲线反转的电压来确定下文所述的电压阈值。

为了在第一实施方案和第二实施方案之间实现第一膜的中心部分的变形的此类反转，在致动设备仍然在相同方向上变形的情况下，第一膜必须具有足够的硬度。

图4A和图4B提供了具有不同程度硬度的膜的两个示例，在这里被示出为锚定在支撑件上但不受流体压力的影响。在这两种情况下，假设膜在静止时是平面的。

在图4A中，膜1具有足够的硬度以执行本发明，这导致在激活膜的致动设备5时，膜1的中心部分1b在其上布置致动设备5的中间区域1a的扩展区域中变形。在膜在其整个可变形部分上方具有均匀硬度的情况下，合并致动区域1a和中心部分1b之间的接合部的任一侧上的对膜1的切线。

但图4B示出了具有不足以实现本发明的硬度的膜。与图4A的膜相反，这种膜仅在致动设备所在的中间区域1a中变形，但其中心部分1b不发生变形，并简单地通过相对于其静止位置平移而保持为平面的。

更精确地，定义膜1的硬度，使得膜被致动时获得的曲线(参考图4A)符合该设备的优选光学属性(发散、聚光等)(参见稍后阐述的尺寸设定示例的步骤1)。

在存在流体4的情况下，诸如图4A的充分硬的膜1在流体中产生压力，连接到由致动设备5部署的力，并接下来导致流体移动。

将此类膜耦接到也可变形的膜2产生在图5A和图6A中提供的两种操作模式。

为了确保膜1具有足够的硬度，本领域的技术人员可使用精细元件建模软件(例如，Comsol)来确定膜在致动效果(图4A的配置)作用下的参考变形(无流体压力)。

为了设定膜1和2的尺度并调节其硬度以获得优选的变形，本领域的技术人员可使用诸如在[11]中描述的圆形膜变形模型。

均匀施加于膜的流体压力和膜的不同表示参数之间的关系由以下公式给出：

其中：

h是该膜的厚度，

R是受到压力p作用的膜的半径，

σ_r是膜中的残余应力，

ω是膜的中心处的偏转，

v是构成膜的材料的泊松系数，E是构成膜的材料的杨氏模量。

对于两个膜中的每个膜而言，可调节膜中的相关材料、几何结构和残余应力，以根据上文所述预期获得硬度和变形。

在给定压力下，容易从每个膜的变形计算流体体积的守恒。

最后，使用与薄透镜的近似由以下公式给出具有两个膜的光学设备的光焦度(即，焦距的倒数)：

其中：

n是流体的折射率，

R₁是由第一膜(中心光学部分)构成的球形屈光度的曲率半径，

R₂是由第二膜(中心光学部分)构成的球形屈光度的曲率半径，

对于R1和R2的符号惯例，这是针对双凸透镜R₁＞0和R₂＜0(光焦度为正)的情况而言的。

在对应于小于以上阈值的膜1的致动设备5的电致动电压的第一实施方案中，根据第一膜和第二膜的相应尺寸设定可获得很多光学配置。

图7A和图7B示出了光学设备100的一个实施方案，其中膜1和2具有基本上相同的几何结构，尤其是基本上相等的直径。

显然，“直径”表示膜的可变形部分的直径，该可变形部分包括中心部分，并且如果需要，还包括致动区域，但不包括固定的周边锚定区域。

这里在其第一实施方案中示出了设备100。

在膜1和2的几何结构基本上相同的情况下(尤其是相对于其直径而言)，两个屈光度的曲线基本上相等。

因此，所得的光焦度不是非常高，但可进行精细调节。

而且，此类光学配置具有除光焦度的单独变化之外的优点。实际上，通过充分调节两个膜之间的流体厚度以及与两个膜的每个相关联的焦距来设定设备的尺寸可例如产生对放大率具有作用的焦外光学设备。

根据其他实施方案，两个膜的几何结构(尤其是直径)可适于在第一实施方案中优选地产生发散凹凸透镜或聚光凹凸透镜的配置。

图8A和图8B示出了光学设备100，其中膜1的直径小于膜2的直径。

如图8A和图8B所示，为了获得发散透镜，在第一实施方案中，必须要使由膜2形成的屈光度的聚光曲线最小化，并且必须要使由膜1形成的屈光度的曲线最大化。对于相同体积的流体4(图8B中的阴影区域V1和V2表示相等的体积)，通过相对于图6A的设备增大膜2的直径并减小被致动的膜1的直径而获得发散配置。

相反，如图9A和图9B所示，为了获得聚光透镜，在第一实施方案中，必须要使由膜2形成的屈光度聚的光曲线最大化，并且必须要使由膜1形成的屈光度的曲线最小化。对于相同体积的流体4(图9B中的阴影区域V1和V2表示相等的体积)，通过相对于图7A的设备减小膜2的直径并增大被致动的膜1的直径而获得此类发散配置。

因此，图8A和图9A中所示的设备的光焦度远高于图7A的设备的光焦度。

在第二实施方案中，其中第一膜的致动设备的电致动电压大于以上阈值(双向箭头)，根据第一膜和第二膜的相应尺寸设定也可获得很多光学配置。

例如，在第二实施方案中，图7A、图8A和图9B中所示的光学设备的不同几何配置产生了非常不同的聚光光焦度(平面凸透镜、对称双凸透镜，或甚至不对称双凸透镜)。

根据本发明的一个实施方案，为了增大第二实施方案中的设备的光焦度，可能有利的是还为第二膜提供致动设备。

图10A和图10B示出了包括在膜2的周边锚定区域2c和中心部分2b之间的中间膜的区域2a上布置的膜2的致动设备5’的光学设备100。

如先前描述的实施方案中那样，始终为膜1提供致动设备5。

在第一实施方案中(设备5的电致动电压低于以上阈值)，不激活致动设备5’，并且因此膜2如前面参考图5A所述那样来执行(参见图10A)。

在第二实施方案中(参考图10B)，激活致动设备5’以增大流体4的压力，并相对于图6B的配置加强由膜2形成的屈光度的聚光变形。

第二膜的致动设备5’可类似于第一膜，即基于单个方向上的相同的致动技术。

然而，还可设计设备5’，使得与能够在两个相反方向上变形的设备5相反。

因此，在第一操作阶段中，设备5’在与设备5的相同方向上因此在与流体4的相反方向上被激活，以吸收由膜1使流体发生位移的体积，并保持屈光度对应于第二不变的膜(有利的是，其为平面)。

然后，在第二操作阶段中，在相反方向上激活设备5’，尤其是朝流体4，以加强光学设备的焦距的变化。

图11A至图11C示出了光学设备的其他配置，其中两个膜被致动。在其第二实施方案中示出了该设备。

在图11A中，被致动的膜1形成平面屈光度，并且在与膜1相反的方向上被致动的膜2形成聚光凹凸透镜。

在图11B中，被致动的膜1形成聚光凹凸透镜，并且在与膜1相反方向上被致动的膜2形成聚光凹凸透镜。

在图11C中，被致动的膜1形成比图11B更聚光的凹凸透镜，并且在与膜1相反方向上被致动的膜2形成比图11B更聚光的凹凸透镜。

在前述示例中，第一膜在第一实施方案中形成发散屈光度，然后在第二实施方案中形成平面，然后形成发散屈光度。

然而，如图12A和图12B所示，还可行的方式是使用在与流体4相反的单个方向上操作的致动设备5，与前面的示例相反，第一膜1在第一实施方案中形成聚光屈光度(参考图12A)，然后在第二实施方案中形成平面，然后形成发散屈光度(参考图12B)。

因此有大量的可能的组合，本领域的技术人员能够从中定义最适合优选应用程序和优选性能的那些组合。

优选地，两个膜的光轴对准，但在其他实施方案中也可不对准光轴。

而且，该光学设备可包括超过两个膜的堆栈，膜通过保持在两个连贯膜之间的流体体积而力学地耦接，其中在两对膜之间的流体的性质可不同。

任选地，光学设备可包括在两个膜之间具有光学功能(例如，隔膜、红外滤波器等)的衬底。该衬底限定两个流体腔。为了保持由两个膜上的流体施加的力学耦接，确保衬底能够实现从一个腔体到另一个腔体的流体通道，以便在两个腔体中获得相等的流体压力。为此目的，在衬底中提供了一个或多个足够大尺度的开口。

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，尤其是汽相化学沉积型、汽相物理沉积、电沉积、外延、热氧化、蒸镀、膜层压等用于薄层沉积的技术。而且，在支撑件上锚定膜可涉及粘附技术。

膜1，2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。膜可包括相同材料的单层或不同材料的层堆栈。

而且，膜可在其材料表面的每一个点处具有相同的硬度，或相反，在不同区域中具有不同程度的硬度。在这种情况下，必须要考虑较早公开的硬度条件的为该中心部分。

流体4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。

如果光学设备工作在透射模式中，本领域的技术人员将根据优选光学性能来选择流体的折射率。

根据本发明有利的实施方案，该光学设备可并入由于设备受到温度变化而产生的焦距的变化的补偿装置。实际上，不同部件之间的热膨胀系数的差异可能导致在温度改变很大时光学设备的焦距发生改变。

在文档WO2011/032925中详细描述了此类补偿装置。

光学设备的示例性实施方案

例如，可根据以下方法来制造设备100。

首先产生各自由硅衬底和膜形成的两个子组件。就此而言，可参考描述了此类这种子组件的制造方法的文档FR 2962557。

每个膜的材料有利地为聚合物(诸如硅氧烷树脂)或矿物质材料(诸如氧化硅、多晶硅、氮化硅)。

制造每个膜涉及控制膜中的残余应力，使其不会过度受压(以避免膜破裂)或过度受到张力(以避免其随之变形)。有利的是，每个膜中的残余应力稍带张力。

第一膜的致动设备有利的为压电设备，优选地基于PZT。

接下来，通过封装流体来组装两个子组件。

这种技术常规上用于制造LCD屏幕，因此这里将不再详细描述。

有利的是，使用粘合剂组装两个衬底并确保它们之间分开的距离。

事先在衬底中的一个衬底上散布流体，例如折射液体或光学油脂。

最后，通过在中心部分和致动区域中蚀刻硅衬底而相继释放两个膜。

设定光学设备的第一膜和第二膜尺寸的示例。

下文将详细描述一种用于设计光学设备的方法，该光学设备在静止时具有零光焦度，在致动第一膜期间，相继变成发散的然后是聚光的。

步骤1：对第一膜的半径的选择

为了获得优选光学性能，第一步由限定第一膜的半径和所需偏转及曲线构成。

例如，通过1mm半径的膜，85μm的膜偏转对应于液体折射率为1.5的-85屈光度的焦距的变化(相对于到无限远的静止位置平面并且针对膜朝液体的偏转)。

在这个第一步骤中，必须要过度评估光焦度的优选变化，因为它们最终会更小。实际上，它们受到第二膜的效应的影响：参考在完成下文所述示例的尺寸的计算时，从-85屈光度最终偏移到-7屈光度。

首先，近似根据膜的总半径来确定膜上的致动区域的宽度。

对于1mm的半径，首先将致动区域的这个宽度固定在500μm。

从上文定义的几何要素(膜的半径，致动区域的宽度)，并根据第一膜的固有属性(杨氏模量、泊松系数、内部约束)及其厚度，通过现有技术来确定这个膜的致动，以获得优选偏转和弯曲。

实际上，通过位于这个膜周边上的一个或多个致动器的作用来获得在没有图4A中呈现的流体时的第一膜的变形形状。使致动设备产生应力以获得此类变形形状的一个示例是施加到膜的屈曲转矩。

可通过使用[13]中详述的公式或通过完成的元件(例如，利用软件CMOSOL)进行模拟可确定根据膜的几何结构(厚度、直径)和膜的属性(杨氏模量、内部约束)向膜施加，以在没有流体时获得所需变形形状的转矩。

可通过使用本领域的状态的技术设定来压电致动的大小。

对于压电致动而言，例如可参考[14]或[15]中详述的模型。

因此，对于给定的致动设备(以及施加到该设备的电压)，可确定该膜的相关联的弯曲。

由于本发明不与致动技术相关联，因此这里不详细描述设备该部分的尺寸设定，这在本领域的技术人员的知识范围内。

在这里给出的示例中，第一膜的属性是：100MPa的杨氏模量、0.35的泊松系数、200μm的厚度和0.5MPa的内部约束。

步骤2：对第二膜的半径的选择

首先，假设在致动第一膜的作用下，由第一膜捕捉的所有流体使第二膜变形。

用于第二膜的半径直接影响设备的光焦度。为了具有发散设备，第二膜的半径必须要大于第一膜的半径，如图8A中所示。对于第二膜1.1mm的半径，与第一膜85μm的偏转相关联的设备光焦度不再是-85屈光度而是-26屈光度。

步骤3：对第二膜的力学属性的选择

选择第二膜的属性(杨氏模量E、泊松系数v、内部约束σ_r)，使得在给定其半径和所需偏转的情况下，其行为是非线性的。

实际上必要的是，在致动第一膜期间并且在流体压力的作用下，第二膜的偏转在一定程度上饱和，使得第一膜的中心能够变形(流体在第一膜上的反作用)。如果ω是第二膜的偏转，R是其半径，在如下情况下，非线性在第二膜的偏转中变得占有优势：

给定两个第一步中使用的数据，为第二膜选择230GPa的杨氏模量、0.35的泊松系数和0.5MPa的内部约束。

一旦定义了第二膜的固有属性，便需要固定其厚度以确定在第一膜致动整个期间的腔体中的对应流体压力的范围。

可能必须要用迭代方式来固定第二膜的厚度，因为必须要找到一种折中。

实际上，如果第二膜的厚度太小，在致动第一膜导致的流体压力的作用下，仅有第二膜变形。光学设备将始终为发散的(第一膜的中心部分没有反作用)。

如果第二膜的厚度过大，第二膜无法充分变形，并且从第一膜开始致动，第一膜的中心部分便发生反作用。那么，光学设备始终是聚光的。

但是应当指出，致动设备贡献的光焦度必须足够大，以产生腔体中所需的压力。

在当前的示例中，用于第二膜的厚度是10μm。

步骤4：对每个膜的变形形状的更新

利用诸如前面计算的流体压力，在流体压力和相关联的流体体积下，计算第一膜的中心部分和第二膜的变形。

步骤5：对第一膜的致动的更新

重新计算第一膜的相关联的偏转，这次给定第一膜的中心部分的反作用和变形。

在当前的示例中，初始计算的处在85μm的偏转偏移到87μm。

更新在步骤1中确定的数据(致动设备的尺寸和宽度，第一膜的固有属性)可任选地在这个步骤中执行。

图13中示出了由这种方法获得的结果，图13示出了在没有流体的致动情况下，设备的光焦度(以屈光度为单位)根据第一膜偏转ω的变化。

图14示出了在均匀流体压力下的膜的变形。上方曲线ω2表示膜2的变形，下方曲线ω1表示膜1的变形。中间曲线ω3表示通过重新调节其直径为膜1的中心部分的直径尺度而产生膜2的变形，以允许比较相等尺寸下的硬度。

诸如上文所述的光学设备能够有利地并入包括缩放功能的成像设备中。

仅通过例示的方式，图15示出了一种成像设备的结构，该成像设备包括固定焦距S1，S2的透镜、液体透镜L1，L2和滤波器F，图像平面由标记I来指定。

该设备的液体透镜L1，L2中的至少一个液体透镜可以是根据本发明的光学设备。

此类成像设备有很多其他可能的配置，本发明不限于后者。

参考文献

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[13]A novel ultra-planar，long-stroke and low-voltage piezoelectricmicromirror，Journal of Micromechanics and Microengineering 20(2010)

[14]Analysis of the deflection of a circular plate with an annularpiezoelectric actuator，Sensors and actuators A133(2007)。

Claims (18)

1.一种具有焦距变化的光学设备(100)，包括：

-可变形的第一膜(1)，

-可变形的第二膜(2)，

-支撑件(3)，所述膜(1，2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c，2c)被连接到所述支撑件(3)，

-恒定体积的流体(4)，所述恒定体积的流体(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜和所述第二膜的力学耦接，

-第一膜的位于所述第一膜(1)的锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间的区域(1a)的致动设备(5)，所述致动设备(5)被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移，流体的所述位移易于使得所述第一膜的所述中心部分(1b)变形，

所述光学设备(100)的特征在于所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)具有足够的硬度，使得：

-从其中所述致动设备(5)不活动的静止位置，在向所述致动设备(5)施加小于阈值的电致动电压时，所述第一膜(1)仅在第一方向上变形，并且所述第二膜(2)变形，以吸收由所述第一膜(1)的变形导致的流***移，以便使所述第一膜上的流体的压力最小化，以及

-在向所述致动设备(5)施加大于所述阈值的电致动电压时，所述第一膜的致动区域(1a)保持在所述第一方向上变形，在被所述致动设备(5)位移的流体(4)的压力的作用下，所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)在与所述第一方向相反的第二方向上变形。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第二膜(2)表现出比所述第一膜的所述中心部分(1b)更小的硬度。

3.根据权利要求1或2中一项所述的设备，其特征在于其进一步包括第二膜的位于所述第二膜的所述锚定区域(2c)和中心部分(2b)之间的致动区域(2a)的致动设备(5’)，所述致动设备(5’)被配置为通过施加电致动电压而变形。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述第二膜(2)的所述致动设备(5’)能够根据被施加到所述设备的所述电致动电压而在两个相反方向上变形。

5.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于在其静止配置中，所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)是平面的。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于其包括在两个膜之间延伸并包括至少一个流体通道开口的衬底，使得在所述衬底的任一侧上流体压力相同。

7.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜和/或所述第二膜的材料是硅氧烷树脂或包含硅的矿物质材料。

8.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的所述致动设备(5)包括至少一个压电致动器。

9.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜或所述第二膜是反射的。

10.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于选择所述第一膜的硬度，使得在所述第一膜上未施加流体压力时向所述致动设备(5)施加电致动电压，使得第一膜的所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)变形，所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)之间的接合部的任一侧上的对所述第一膜的切线被组合。

11.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a，1b)的直径不同于所述第二膜的可变形部分(2a，2b)的直径。

12.根据权利要求1至2中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a，1b)的直径与所述第二膜的可变形部分(2a，2b)的直径相同。

13.一种成像设备，所述成像设备包括根据权利要求1至12中一项所述的至少一个光学设备(100)。

14.一种用于光学设备(100)的焦距变化的方法，所述光学设备包括：

-可变形的第一膜(1)，

-可变形的第二膜(2)，

-支撑件(3)，所述膜(1，2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c，2c)被连接到所述支撑件(3)，

-恒定体积的流体(4)，所述恒定体积的流体(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜和所述第二膜的力学耦接，

-第一膜(1)的位于所述第一膜的所述周边锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间的区域(1a)的致动设备(5)，所述致动设备(5)被配置为通过在单个偏转方向上施加电致动电压而变形，

所述方法的特征在于其包括：

-向所述致动设备(5)施加小于阈值的第一电致动电压，从而导致所述第一膜(1)在第一方向上变形，而所述第二膜(2)变形，以吸收由所述第一膜(1)的变形导致的流***移，以便使所述第一膜上的流体压力最小化，

-向所述致动设备(5)施加大于所述阈值的第二电致动电压，从而导致在被所述致动设备(5)位移的流体的压力的作用下，所述第一膜的所述中心部分(1b)在与所述第一方向相反的第二方向上变形，所述第一膜的致动区域(1a)保持在所述第一方向上变形。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：

-在静止时，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度，

-施加所述第一电致动电压，以便使所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)朝所述流体(4)变形，所述第二膜在与所述流体(4)相反的方向上变形，使得第一膜的中心部分形成发散屈光度，并且第二膜形成聚光屈光度，

-施加所述第二电压，以便使所述致动区域(1a)朝所述流体变形，所述流体(4)的位移使得所述中心部分(1b)在与所述流体(4)相反的方向上变形，使得所述两个膜中的每个膜的所述中心部分形成聚光屈光度。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a，1b)的直径小于所述第二膜的可变形部分(2a，2b)的直径，并且在于：

-在静止时，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度，

-施加所述第一电致动电压，以便使所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)朝所述流体(4)变形，所述第二膜在与所述流体(4)相反的方向上变形，使得所述光学设备形成发散凹凸透镜。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a，1b)的直径大于所述第二膜的可变形部分(2a，2b)的直径，并且在于：

-在静止时，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度，

-施加所述第一电致动电压，以便使所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)朝所述流体(4)变形，所述第二膜在与所述流体(4)相反的方向上变形，使得所述光学设备形成聚光凹凸透镜。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述光学设备包括第二膜的位于所述第二膜的锚定区域(2c)和中心部分(2b)之间的致动区域(2a)的致动设备(5’)，所述致动设备(5’)被配置为通过施加电致动电压而变形，并且在于：

-在静止时，所述第一膜和所述第二膜各自形成平面屈光度，

-向所述第一膜的致动设备(5)施加所述第一电致动电压，以便使所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)朝所述流体(4)变形，而无需向所述第二膜的所述致动设备(5’)施加电致动电压，所述第二膜在与所述流体(4)相反的方向上变形，使得所述第一膜的所述中心部分形成发散屈光度，并且所述第二膜形成聚光屈光度，

-向所述第一膜的致动设备(5)施加所述第二电致动电压，以便使所述致动区域(1a)朝所述流体(4)变形，并且向所述第二膜的所述致动设备(5’)朝所述流体施加电致动电压，以便增大由所述第二膜的所述中心部分形成的屈光度的聚光性。