CN1580834A - 可变光学性质元件 - Google Patents

Abstract

一种可变光学性质元件，包括多个电极，受电力驱动可以变形成凸形的基板，与基板构成一体的电极，设置在基板上的光学表面，以及与电极连接的驱动电路。

Description

可变光学性质元件

发明领域

本发明涉及一种可变光学性质元件，例如可变形反射镜或变焦镜头，其中通过改变光偏转功能改变焦距和像差。

技术背景

已经提出了多种可变形反射镜和变焦镜头(参照例如日本专利特开平No.2000-267010，2001-208905，2002-189172和2003-177335；美国专利No.6,384,952，及Optic Communication，Vol.140，p.187(1997))。

不过，对于所构成的光学表面可以变形成凸形的传统可变光学性质元件的了解非常少。至于这种可变光学性质元件，已知的有一种电磁力驱动型。不过，这种可变光学性质元件具有能耗较高的缺点。还有一种利用压电元件的可变光学性质元件，不过具有难以制造小尺寸可变光学性质元件的缺点。

特开平No.2001-208905中提出的可变光学性质元件具有结构复杂的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变光学性质元件，其结构简单，并且光学表面可以变形成凸起形状；其驱动电路；以及使用其的光学装置。

为了实现上述目的，根据本发明的可变光学性质元件包括多个电极，由电力驱动且可变形成凸起形状的基板，与该基板构成一体的电极，处于基板上的光学表面，以及与电极连接的驱动电路。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与该光学表面构成一体的第一电极，以及处于光学表面两侧的第二电极和第三电极，至少一个电极具有透过所用光束的开口。在此情形中，在第一与第二电极上，或者第一与第三电极上施加电压或电流，从而改变光偏转性质。

该可变光学性质元件为可变反射镜。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面；与光学表面设置为一体、分成多段的第一电极；以及设置在光学表面的一侧上、分成多段的第二电极。在此情形中，相同符号的电荷存储在第一和第二电极其中的至少一组上，每个电极分成多段，从而在分离电极之间产生电力，使光学表面变形。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极。第一电极或第二电极分成多段，在其间施加交流电压或电流，从而在第一电极与第二电极之间产生排斥力或电力，使光学表面变形。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极。第一电极和第二电极中的每一个分成多段，在其间施加交流电压或电流，从而在第一电极与第二电极之间产生排斥力或电力，使光学表面变形，同时，在没有施加交流电压的分离电极之间设置一电阻器。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面至少一侧上的第二电极。将电压或电流施加给第一电极或第二电极，从而改变光偏转性质。在此情形中，与可变形基板设置为一体的电极与另一电极上设置的电极不平行。

根据本发明的可变光学性质元件可以用于补偿光学装置的震动。

根据本发明的可变光学性质元件可以用于补偿温度改变，湿度改变，制造误差和光学装置随时间的改变的其中一种。

根据本发明的可变光学性质元件设计成满足下面的条件：

$0.000001\≤t\sqrt{w}\≤10000$

其中t为第一电极和第二电极每一个的厚度，w为其面积。

根据本发明的光学装置包括具有可变光学性质元件的光学***，该可变光学性质元件具有多个分离电极，从而可将与光学***的对称性不同的电压分布授给电极。

本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以部分阻挡所用光束的方式设置在光学表面一侧上的第二电极。在第一电极与第二电极之间施加电压或电流，从而可改变光偏转性质。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，和与光学表面设置为一体的多个电极。光学表面通过电极之间产生的电力发生变形，从而可改变光偏转性质。

根据本发明的可变光学性质元件设计成在多个电极中存储不同符号的电荷。

根据本发明的可变光学性质元件包括具有导电性的可变形光学表面和与光学表面设置为一体的多个电极。按照多个电极划分具有导电性的光学表面。

根据本发明的可变光学性质元件设计成使可变形光学表面具有导电性，并且按照第一电极划分具有导电性的光学表面。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极，从而通过在第一电极与第二电极之间施加相同符号的电荷产生电力或排斥力，改变光偏转的性质。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极，从而通过在第一电极与第二电极之间施加电流或电压产生电力或排斥力，可改变光偏转的性质。

根据本发明的可变光学性质元件包括可变形光学表面；与光学表面设置为一体、分成多段的第一电极；以及设置在光学表面一侧上、分成多段的第二电极，从而通过在实际上划分成彼此相对的第一与第二电极之间存储相同符号的电荷而在分离电极之间产生排斥力，使光学表面变形。

根据本发明的可变反射镜包括具有反射表面和基板的可变形部分，和与基板相对设置的电极，从而将反射表面分成多段，并由电力驱动。

根据本发明的可变反射镜包括具有反射表面和基板的可变形部分，以及与基板相对设置的电极，从而将反射表面分成多段，具有电极功能，并由电力驱动。

根据本发明的可变反射镜包括可变形反射表面，使反射表面可变形成凸形或凹形，并且使用液体，静电力，电场，电磁力，压电效应，磁收缩(magnetrostriction)，温度改变和电磁波其中至少一种使反射表面变形。

根据本发明的可变反射镜包括可变形反射表面，从而反射表面可以变形成凸形或凹形，并且当反射表面变形成凸形时利用液体的压力，而当变形成凹形时利用电力。

根据本发明的成像装置包括具有可变形反射表面的可变反射镜，从而当可变反射镜的表面轮廓平坦时，使在远处的景深远点处接近无穷远的物体聚焦。

根据本发明的成像装置包括在调焦过程中反射表面同时呈现凸形和凹形的可变反射镜。

根据本发明的变焦镜头包括可变形光学表面，使光学表面可以变形成凸形或凹形，并且使用液体，静电力，电场，电磁力，压电效应，磁收缩，温度改变和电磁波其中至少两种使光学表面变形。

根据本发明的变焦镜头包括可变形光学表面，使光学表面可以变形成凸形或凹形，并且当光学表面变形成凸形时使用液体的压力，当其变形成凹形时使用电力。

根据本发明的成像装置包括具有可变形光学表面的变焦镜头，从而当变焦镜头的表面轮廓平坦时，使在远处的景深远点接近无穷远处的物体聚焦。

根据本发明的成像装置包括具有可变形光学表面的变焦镜头，从而当变焦镜头的表面轮廓平坦时，使处于从无穷远到0.5米的任何距离处的物体聚焦。

根据本发明的成像装置包括聚焦过程中光学表面呈现凸形和凹形的变焦镜头。

根据本发明的光学装置包括可变光学性质元件，震动传感器和图像传感器。该可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面构成一体的第一电极，和设置在光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中一个电极具有透过所用光束的开口。在第一电极与第二电极上，或第一电极与第三电极上施加电压或电流，从而改变光偏转的性质。在此情形中，可变光学性质元件的光学表面发生变形，从而补偿震动造成的影响。

根据本发明的光学装置具有可变光学性质元件。该可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面构成一体的第一电极，和设置在光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中一个电极具有透过所用光束的开口。在第一电极与第二电极上，或者第一电极与第三电极上施加电压或电流，从而改变光偏转的性质。在此情形中，可变光学性质元件的光学表面发生变形，从而对温度改变，湿度改变，制造误差和随时间的改变其中至少一种进行补偿。

根据下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他特征和优点是显而易见的。

附图简述

图1为表示根据本发明可变光学性质元件一个实施例的结构的剖面图；

图2为表示电极划分式样的一个示例的平面图；

图3为在图1的实施例中反射表面变形的一个例子；

图4A为图1的实施例中反射表面变形的另一个例子；

图4B为表示电极划分式样另一示例的平面图；

图5为表示根据本发明可变光学性质元件另一实施例的结构的剖面图；

图6为表示根据本发明可变光学性质元件另一实施例的结构的剖面图；

图7为表示使用另一驱动电路的图6实施例的结构的剖面图；

图8为表示在图7的实施例中电荷存储状态的说明性图；

图9为表示使用另一驱动电路的图6实施例的结构的剖面图；

图10为表示图6实施例的改进例子的结构的剖面图；

图11为表示在图9的实施例中电荷存储状态的说明性图；

图12A，12B和12C为表示电极划分式样互不相同的例子的平面图；

图13为表示使用另一驱动电路的图6实施例的结构的剖面图；

图14为表示在图13的实施例中电荷存储状态的说明图；

图15为表示使用另一驱动电路的图6实施例的结构的剖面图；

图16为表示根据本发明可变光学性质元件另一实施例的结构的剖面图；

图17示意地表示出可变形反射镜的一个例子，该可变形反射镜为本发明光学装置中所用光学***中适用的可变光学性质元件；

图18示意地表示出可变形反射镜的另一个例子；

图19为表示图17和18中每一个的可变形反射镜中所使用的电极的一种方案的说明图；

图20为表示图17和18中每一个的可变形反射镜中所使用的电极的另一种方案的说明图；

图21示意地表示可变形反射镜的另一个例子；

图22示意地表示可变形反射镜的另一个例子；

图23示意地表示可变形反射镜的另一个例子；

图24为表示在图23的例子中薄膜线圈的缠绕密度的说明图；

图25示意地表示可变形反射镜的另一个例子；

图26为表示图25的例子中线圈阵列的一个例子的说明图；

图27为表示图25的例子中线圈阵列的另一个例子的说明图；

图28为表示在图23例子中的适用于图27的线圈阵列的永磁体阵列的说明性图；

图29示意地表示根据本发明可变形反射镜的另一个例子；

图30示意地表示可变形反射镜，其中通过微型泵注入和抽出液体使透镜表面变形；

图31示意地表示微型泵的一个例子；

图32表示根据本发明变焦镜头的原理结构；

图33表示单轴各向异性向列液晶的折射率椭球；

图34表示将电场施加给图32中大分子分散液晶层时的状态；

图35表示施加给图32中大分子分散液晶层的电压可以改变的例子；

图36表示用于使用本发明变焦镜头的数码相机的成像光学***的一个例子；

图37表示作为本发明可变光学性质元件的变焦衍射光学元件的一个例子；

图38表示变焦眼镜，每个镜片具有使用扭曲向列液晶的变焦镜头；

图39表示当施加给图38中扭曲向列液晶层的电压增大时液晶分子的取向；

图40A和40B表示作为根据本发明可变光学性质元件的可变偏转角棱镜的两个例子；

图41用于解释图40A和40B中可变偏转角棱镜的应用；

图42示意地表示作为根据本发明的变焦镜头的变焦反射镜的一个例子；

图43示意地表示使用根据本发明的变焦镜头的成像光学***；

图44为表示图43的变焦镜头的一种改进例的说明图；

图45为表示图44的变焦镜头发生变形时的状态的说明性图；

图46示意地表示根据本发明的变焦镜头的另一个例子，其中通过微型泵注入和抽取液体使透镜表面变形；

图47示意地表示根据本发明的可变光学性质元件的另一个例子，该可变光学性质元件为使用压电物质的变焦镜头；

图48为表示图47的变焦镜头发生变形时的状态的说明图；

图49示意地表示根据本发明的可变光学性质元件的另一个例子，该可变光学性质元件为使用压电物质构成的两薄板的变焦镜头；

图50示意地表示根据本发明的变焦镜头的另一个例子；

图51为表示图50中变焦镜头的变形的说明图；

图52示意地表示根据本发明的可变光学性质元件的另一个例子，该可变光学性质元件为使用光子效应的变焦镜头；

图53A和53B为分别表示图52变焦镜头中使用的反式型(trans-type)和顺式型(cis-type)偶氮苯的结构的说明性图；

图54示意地表示根据本发明的可变形反射镜的另一个例子；以及

图55A和55B所示分别为表示根据本发明的电磁驱动可变反射镜的侧视图，和从反射膜相反一侧观察时的视图。

发明详述

下面，将根据附图中所示的实施例描述本发明。

图1表示根据本发明可变光学性质元件的一个实施例。

该实施例构造成由静电驱动的可变形反射镜，它可以变形成凹形和凸形。在这种可变形反射镜中，作为反射表面(光学表面)的薄膜409a，可变形基板409j和可变形电极板409k层叠，并且反射镜的边缘通过支撑底座423安装在下基板431上。在下基板431与电极板409k之间，将固定电极409b1，409b2，409b3，409b4和409b5在下基板431上排列。与支撑底座423相对的支架432，固定电极409b6和409b7，以及上基板434在薄膜409a的边缘处层叠。在上基板434的中间形成使光束入射和出射的开口433。如图2中所示，固定电极409b6和409b7与其他分开的固定电极409b8，409b9，409b10和409b11一起排列在开口433周围。

如图中所示，固定电极409b1，409b2，409b3，409b4和409b5通过可变电阻器411-1，411-2，411-3，411-4和411-5，固定电阻器411-20-1，411-20-2，411-20-3，411-20-4和411-20-5与电极板409k连接，并通过电源开关413A与DC电源412A相连。如图中所示，电极409k通过可变电阻器411-6和411-7，固定电阻器411-21和411-22与固定电极409b6和409b7相连，并通过电源开关413B与DC电源412B相连。

如上所述构成本实施例，从而当在图1的状态下闭合开关413A时，在下固定电极409b1-409b5与电极板409k之间产生静电吸引力，反射表面409a与基板409j和电极板409k一起变形成凹形，起凹面镜的作用。在此情形中，适当控制可变电阻器411-1至411-5，从而可调节凹面形状。当在图1的状态下闭合电源开关413B时，在上固定电极409b6-409b11与电极板409k之间产生静电吸引力，如图3中所示，反射表面409a与基板409j和电极板409k一起，变形成凸形，起到凸面镜的作用。在此情形中，控制可变电阻器411-6和411-7，将不同电压施加给各电极，从而反射表面409a可以变形成各种形状。因此，可以实现改变光学***的焦距或者改变像差的效果。

如图4A中所示，当闭合电源开关413A和413B，在电极板409k与上电极409b6之间，以及下电极409b5与电极板409k之间施加DC电压时，反射表面409a的左边部分被向上拉，而右边部分被向下拉，从而使反射表面409a还可以变形成倾斜镜面的状态。这种表面轮廓对于成像***或观察***的防震(或者震动补偿)和制造误差的补偿尤为有效。

为了充分增大电极板409k与上电极409b6-409b11之间的电力，需要满足下述条件：

0.02≤S₂/S₁≤0.98                  (1)

其中S₁为基板409j可变形部分的面积(图1中支架432的开口面积)，S₂为开433的面积。

如果S₂/S₁的值超出条件(1)的上限，则将削弱静电力，使变形量不够大。低于下限时，则可利用光束远小于镜面尺寸，这是不利的。在此情形中，还需要满足以下条件：

0.05≤S₂/S₁≤0.9                   (1’)

更希望可以满足以下条件：

0.08≤S₂/S₁≤0.8                   (1”)

在上面的实施例中，反射表面409a受到静电力的驱动而导致变形。不过，如后面描述的图24或26中所示，当固定电极409b1-409b11或电极板409k设计成线圈形电极时，反射表面409a可通过电磁力而导致变形。在此情形中，也规定条件(1)，(1’)和(1”)。

例如，通过增大电极板409k与固定电极409b6或409b7之间施加的电压，反射表面409a可以变形，并且在与固定电极409b6和409b7紧密接触的方式下使用。

另外，例如，如下面描述的图16中所示，可以设置多层电极基板(434-1和434-2)，以使固定电极409b6-409b9设置在各单独电极基板434-1和434-2上。由此，电极板409k与固定电极409b6-409b9之间的距离可作各种变化，可增加变形自由度的数量。或者，上基板434可以设有凸起和凹进部分，在凸起和凹进部分上设置分离电极，从而电极板409k与分离电极之间的距离可作各种变化。

如图4B中所示，在开433内，上电极409b6-409b9可以设有一个阻挡部分光束的部分。为了如上所述设置上电极，图4中也将上基板434设计成部分阻挡光束。因此，开433分成两个开口433A和433B。由此，反射表面409a可以有效地变形成凸形。

当传输光束被上电极(图4B中的挡光部分)阻挡的面积与传输光束的总面积(开433A和433B的面积与挡光部分的面积之和)的比值表示为f时，要求满足下式：

0.001≤f≤0.8                       (1A)

低于条件(1A)的下限时，静电力削弱，从而变形自由度的数量受到限制。超过上限时，可利用光束减少。

还希望满足下面的条件：

0.01≤f≤0.5                      (1B)

更希望满足下面的条件：

0.01≤f≤0.35                       (1C)

此外，图4B表示从图1下侧观察时的上基板434。

图5表示根据本发明可变光学性质元件的另一实施例。该实施例构造成由静电力和液压驱动的变焦镜头。在本实施例中，透明可变形膜302；与其设置为一体的透明电极303；具有透镜形状的透明基板305，基板设有透明固定电极309b1，309b2和309b3；固定电极409b6和409b7；以及固定基板434的基本结构和设置与已经描述的实施例相同。支撑底座423，以及透明电极303和透明基板305与液体紧密接触，透明电极303与透明基板305之间形成的腔室充有透明液体304。与透明液体304的腔室连通的液槽306，安装到支撑底座423的侧壁。液槽306可以用下面将描述的图43中所示的圆柱体146所取代。透明液体304受到圆柱体146的压力，薄膜302从而可以变形成凸形。当透明液体304受到负压力时，薄膜302也可以变形成凹形。薄膜304可以受到液压与电力的联合驱动。

此外，连接在各独立电极之间的DC电源，可变电阻器，固定电阻器和电源开关的结构基本上与图1的实施例相同，因此这些元件使用相同的附图标记。

如上所述构成本实施例，因此，如图1的实施例，例如，当在透明电极303与固定电极309b6和309b7之间施加DC电压时，透明薄膜302与透明电极303一起被向左拉。此外，当在透明电极303与固定电极309b1-309b3之间，或者在透明电极303与固定电极309b5和309b6之间施加各种电压时，透明薄膜302可以变形成多种形状。由此，本实施例的透镜可以用作变焦镜头或可变像差透镜。此外，与可变角度棱镜一样，可提供改变光偏转角的功能。

图6表示根据本发明可变光学性质元件的另一实施例。该实施例构造成通过静电力驱动的可变形反射镜，其中分开的、固定电极409b1-409b4设置在下基板432上，分开的、可变形电极409k1，409k2，409k3和409k4也设置在基板409j上。如图所示，当电极409k1-409k4的电势表现出相同符号时，则如后面描述的图18的例子中所示，可变光学性质元件作为可通过静电力变形成凹形的可变形反射镜。而且，虽然在本实施例中附图标记322表示上基板，不过对于与以上实施例相同大体相同的元件使用相同附图标记，并省略其描述。为了使反射镜变形成凹形，只需使用反射表面409a作为电极，取代电极409k1-409k4，以使电压或电流施加在反射表面409a与电极409k1-409k4之间。

另一方面，当使用如图7中所示的驱动电路施加电压，并且电源开关413A和413B闭合时，如图8中所示，可变形反射镜409a与基板409j一起变形成凸形。这是因为，如图8中所示，在上基板409k1-409k4中分别产生电荷-Q₂，+Q₁，-Q₄和+Q₃，在固定电极409b1-409b4中分别产生电荷-Q₁，+Q₂，-Q₃和+Q₄，从而在相对的电极之间产生静电排斥力。

此外，在图7中，附图标记411-11，411-12，411-13，411-14，411-15和411-16表示可变电阻器，而411-30-1，411-30-2，411-30-3和411-30-4表示固定电阻器。对于与上述实施例基本上相同的元件使用相同附图标记，并省略其描述。

可将图9中所示的驱动电路设计成将电压施加给各个电极。在这种驱动电路中，当电源开关413A和413B闭合时，如图11中所示，电荷存储到各电极409b1-409b4和409k1-409k4中，从而在相对的电极之间产生静电排斥力，使反射表面409a变形成凸形。

此外，如图9中所示，尽管附图标记411-17和411-18表示可变电阻器，但对于与上述实施例基本上相同的元件使用相同附图标记并省略其描述。电极409k1-409k4或409b1-409b4其中至少一个可以再分成多段，从而将相同符号的电压施加给这些段电极。

从上述说明显然可以看出，在图7或9的驱动电路中，改变固定电阻器或可变电阻器的电阻值，从而使反射表面409a的轮廓可以发生不同改变。

在本实施例中，为了使基板409j成为坚固的凸起表面，必须增大静电排斥力。为此，如图7中所示，在基板409j平坦处当上电极409k1-409k4与下电极409b1-409b4之间的距离表示为G时(当电极表面粗糙且距离G随电极而变时，假设使用距离G的平均值)，相邻电极之间中心到中心的间距的平均值表示为P，则需要满足以下条件：

1/1000000＜G/P＜300                (2)

如果G/P的值超过条件(2)的上限，则某电极和与其相对的电极之间的排斥力由该电极和与之相邻电极之间的吸引力抵消，从而基板409j实际上未发生变形。低于下限时，距离G的数值太小，以至于可变反射镜本身制造困难。在此情形中，还要求满足以下条件：

1/100000＜G/P＜100                 (2’)

当d表示相邻电极之间间距的平均值时(在图7中，d₁表示电极409k1与409k2之间间隔距离，电极409k2与409k3之间间隔距离，...的平均值；d₂表示电极409b1与409b2之间间隔距离，电极409b2与409b3之间间隔距离，...的平均值)，要求满足以下条件：

1/1000000＜G/d＜1000               (3)

超过条件(3)的上限时，则某电极和与其相对的电极之间的排斥力由该电极和与之相邻电极之间的吸引力抵消，从而基板409j实际上未发生变形。低于下限时，距离G的数值太小，以至于可变反射镜本身制造困难。在此情形中，进一步要求满足以下条件：

1/100000＜G/d＜300                 (3’)

当用a表示分开的并设置在一个基板上的电极的面积之和，用A表示基板整个电极区域的面积(在图12A中由虚线围绕的电极区域的面积)时，希望满足以下条件：

0.001＜a/A＜1                      (4)

当低于条件(4)的下限时，存储在电极中的电荷量减少，电力削弱。在此情形中，更希望满足以下条件：

0.01＜a/A＜1                       (4’)

此外，尽管在图9中电压也施加给下电极409b1-409b4，不过电压可以仅施加给上电极409k1-409k4。在此情形中，如图11中所示，存储电荷+Q₃，-Q₃，+Q₄和-Q₄，从而在上电极409k1与409k2之间，在上电极409k2与409k3之间，以及上电极409k3与409k4之间产生静电引力，从而基板409j向上翘曲。可以将电压施加到这些电极上，从而电极之间的力是排斥力。这种方法也适用于变焦镜头。此外，可用线圈取代电极，从而通过电磁力在电极之间产生力，使反射表面409a变形。假设静电力和电磁力通常称作电力。

图10表示可变反射镜的一个实施例。下面给出该实施例的描述。

图12A，12B和12C表示可变反射镜中所使用的上电极409k1-409k4或下电极409b1-409b4的划分式样。在图中，下标i，j，m和n表示自然数，是赋予电极的数字，Pij表示第i个与第j个电极的重心之间的距离，P表示距离Pij的平均值，dmn表示第m个与第n个电极之间的距离，d表示距离dmn的平均值。

当各分离电极的面积近似相等时，便于控制反射表面409a的轮廓。对于距离P的数值来说，只需使用各电极形状重心之间的距离Pij的平均值。上电极的结构或数量不必与下电极的结构或数量一致。当将上电极409k1-409k4和下电极409b1-409b4中任何一个再分，并将相同符号的电压施加给这些再分电极时，采用的距离P和d是假设将再分电极视作一个电极时得到的。此条件对于下面所述实施例中的电极也有效。图12C中表示出这种状态。图12B中表示出再分之前的电极。

已参考作为另一实施例的可变反射镜，不过其具有的结构类似于图5中所示，该可变反射镜可作为变焦镜头使用。在此情形中，仅需要将图5中的透明电极303分成多段，并且如图6、7或9中所示，在这些段与透明电极309b1-309b3之间施加电压。由此，透明薄膜302可以变形成凹形或凸形。在此情形中，不需要固定电极409b6和409b7。

在目前公开的内容中，在所有实施例中都使用DC电源412A和412B作为电源，不过也可以使用AC电源。即使在使用AC电源的情况下，当AC频率足够高时，保持电压恒定可使光学表面呈现出相同的形状。因此，这种可变光学性质元件可以用于光学装置中，如后面所述的图29或36的成像装置，或者图38的观测装置。

图13表示另一实施例中可变反射镜的另一种驱动技术。在该例中，当低频率f₁的AC电压施加在下电极409b1和409b2上时，在面对这些下电极的电极409k1和409k2中产生与电极409b1和409b2的电荷符号相反的电荷(参照图14)。结果，静电吸引力将基板409j向下拉。然后，当AC电压的频率增大时，可变电阻器411-15的电阻值引起时滞，直至在电极409k1和409k2中产生与电极409b1和409b2中的电荷符号相反的电荷。因此，有一段时间在下电极409b1和上电极409k1中产生相同符号的电荷，并且在此期间，在两电极之间产生排斥力。当可变电阻器411-15的电阻值增大时，时滞也增大，并且在两电极之间产生排斥力。由此，通过改变AC电压的频率f₁或可变电阻器411-15的电阻值，从而使两电极之间产生的力可以成为吸引力或排斥力。

上面的描述也保持下电极409b3和409b4与上电极409k3和409k4之间的关系。根据这种结构，与已经描述的其他实施例相比，具有简化上电极409k1-409k4的电子电路的优点。

如图15中所示，未加划分的上电极409k由高阻抗材料制成的单电极构造而成。当在下电极409b1与409b2之间，以及下电极409b3与409b4之间施加AC电压时，随着频率f₁和f₂的增大，施加给上电极409k的力从吸引力变为排斥力。在此情形中，优点在于上电极结构得到了简化。此外，可将反射镜设计成使下电极409b1-409b4未划分，并由高阻抗材料制成，而将上电极划分，并且将AC电压施加给分离电极。

上电极409k也可以由薄膜409a取代。在此情形中，优点在于简化了薄膜的结构。

由于相同原因在上面两个示例的情形中也规定条件(2)，(2’)，(3)，(3’)，(4)和(4’)。

在图13和15中的每个中，引用可变反射镜为例子，不过上述驱动技术也适用于变焦镜头。在此情形中，在图5中仅需要把透明电极303作为上电极409k或电极409k1-409k4，将AC电压施加在电极409k1-409k4与固定电极309b1-309b3上。

在图6，7，9，13和15的每个示例中，除了图13的上电极409k1-409k4以外，电压施加给所有的分离电极，不过电压也可以不施加给某些电极。通过选择施加电压的电极，基板409j的变形自由度增大。特别是，当想要在上电极与下电极之间产生排斥力时体现出优点。

当电极的划分式样设计成与使用可变形反射镜的光学***具有相同的对称表面，并且减小从中心到边缘的电极面积时，就使控制更加方便。如上所述构成图12A和12B中所示的电极。

此外，为了补偿光学***的制造误差，要求施加给电极的电压对于对称表面具有不对称式样。

在上述可变光学性质元件的实施例中，当基板未发生变形时，设置在基板上的电极平行，但是它们并非必须平行。特别地，如图16中所示，电极可以倾斜。当通过这种方法构造可变光学性质元件时，具有施加在上电极与下电极之间的电压变化不大且获得非对称结构光学表面的优点。

在本实施例中，如图16中所示，图1的上基板434划分成第一上基板434-1和第二上基板434-2，从而第一上基板434-1设有电极409b6和409b7，第二上基板434-2设有电极409b8和409b9。

此外，在该实施例中，可去除上电极409b6-409b9，支架432，第一上基板434-1和第二上基板434-2。

下基板431和上基板434-1或434-2中每一个的表面可不具有平坦形状，而具有弯曲的形状。

在上述所有实施例中根据本发明的可变光学性质元件用于聚焦，调节屈光度，改变放大率，震动补偿，制造误差补偿，补偿温度和湿度改变，以及补偿光学装置随时间的改变。在后面所述的图29，36，38和43中表示出这种光学装置的结构。

在图6和后面附图的实施例中，当电极由透明电极构成时，该实施例中光学表面的变形技术也可用于变焦镜头。

在图6，7，9，10和13的每一个实施例中，当上电极409k2-409k4和下电极409b1-409b4每一个的厚度(或页面垂直方向的宽度)表示为t，其面积表示为w时，则要求满足以下条件：

$0.000001\≤t/\sqrt{w}\≤10000---\left(5\right)$

低于条件(5)的下限时，电极边缘的电场太强以至于发生放电。超出上限时，电极太厚，使得可变形反射镜或变焦镜头的厚度增大。进一步要求满足以下条件：

$0.00001\≤t/\sqrt{w}\≤1000--(5\text{'})$

在图6，7，9，10和13的每一个实施例中，当基板409j的厚度表示为u时，要求满足以下条件：

0.0000001≤u/G≤1000                 (6)

低于条件(6)的下限时，薄膜409a中产生的感应电荷削弱静电力。超过上限时，基板409j的硬度增大，难以变形。进一步要求满足以下条件：

0.000001≤u/G≤100                 (6’)

或者，当薄膜409a与上电极409k1-409k4之间的距离表示为Δ时，要求满足以下条件：

0.0000001≤Δ/G≤1000              (7)

低于条件(7)的下限时，薄膜409a中产生的感应电荷削弱静电力。超过上限时，基板409j的硬度增大，难以变形。进一步要求满足以下条件：

0.000001Δ/G≤100                  (7’)

在图6，7，9，10和13的每个实施例中，为了消除薄膜409a中产生的感应电荷削弱静电力的缺点，如图10中所示，薄膜409a可以根据与其相对的上电极409k1-409k4进行划分。附图标记409a1-409a4代表分开的反射膜，其形状分别与上电极409k1-409k4大致相同。反射膜409a1-409a4的数量不必与上电极409k1-409k4的数量相同，并且其形状不必严格相同。只需要消除静电力减小的缺点。当分开的反射膜之间的距离k表示为毫米(mm)时，需要满足以下条件：

0.00001＜k＜100                     (8)

低于条件(8)的下限时，薄膜409a的制造变得困难。超出上限时，反射薄膜的面积减小，光量受到损失。进一步要求满足以下条件：

0.0001＜k＜20                       (8’)

在本发明中，除了可变光学性质元件本身以外，可变光学性质元件与其驱动电路的组合有时也称作可变光学性质元件。

在图10中，分开的反射膜409a1，409a2，409a3和409a4可以作为分离电极使用而取代上电极409k1，409k2，409k3和409k4。在此情形中，可以去除上电极409k1，409k2，...，并且在这种情况下，由于变形部分的硬度减小，便于变形的发生。同样，在图6-9和图11，13和14中，薄膜409a可以分成多段，并作为分离电极使用。由此，产生与图10相同的效果。

此外，即使上电极409k1，409k2，...保持不变，仅划分薄膜409a，变形部分的硬度减小，从而便于变形的发生。

即使如图42中所示基板或光学表面不发生变形的可变反射镜中，也可以划分反射表面并作为分离电极使用。

在可变光学性质元件如可变反射镜或变焦镜头中，当光学表面变形成凸形时，如图30中所示可使用液体；而当变形成凹形时，如图17，18或23中所示可使用如静电力，电磁力或压电效应的电力。

在变形成凹形或凸形其中任何一种时，可以将液压力与电力组合。通过将多种力组合，获得表面可以变形成多种形状的可变光学性质元件。当然，也可以将至少两种力组合。

例如，假设如图29所示，在使用可变反射镜的成像***中，当光学表面变形成凸形时，使用了液体压力；而当其变形成凹形时，使用了静电力。当反射表面的轮廓平坦时，将图象传感器408设置在使景深的远点处于无穷远的距离处聚焦的位置。

在照相自动聚焦操作中，可变反射镜在凸面到凹面的范围内变形，同时，通过图象传感器408进行照相。只需要判断当物体图象的高频分量最大时聚焦即可。当用可变反射镜在此情形中的反射表面轮廓执行实际照相时，就得到良好的图象。即使由于断电或者驱动电路故障，可变反射镜的反射表面只能变形成平坦形状，也可以使接近于远点的点聚焦，因此在实际使用时很难出现任何问题。

当反射表面平坦时，可通过选择任何在无穷远到0.5米范围内的需要聚焦的物距而设置图象传感器408。当通过这种方法设置图象传感器408时，在断电时可获得相同效果。

上述聚焦操作技术也可用于变焦镜头，当然，可应用于可变反射镜或者使用一种驱动力的变焦镜头。

将可变光学性质元件的光学表面构造成可通过液体变形成凸形，然后通过静电力变形成凹形，习惯做法是提供具有液体排放阀的可变反射镜或变焦镜头。

随后，参照本发明中可变光学性质元件的其他多种结构示例和使用可变光学性质元件的光学装置的例子。

在图17中，可变形反射镜409包括形成在变形基板409j上的铝涂层薄膜(反射表面)409a；多个电极409b，其中三层结构的边缘包括：设置在基板409j下面、被环形支架支撑的电极409k，以使电极409b与电极409k分隔开，并且安装在支架423上；多个与电极409b相连的可变电阻器411a，并且起驱动电路的作用；通过可变电阻器411b和电源开关413连接在电极409k与电极409b之间的电源412；以及用于控制多个可变电阻器411a电阻值的算术单元414。温度传感器415，湿度传感器416和距离传感器417与算术单元414相连，并且如图中所示，它们构成一个光学单元。此外，变形基板409j可以为薄膜或板。

可变反射镜的反射表面并非必须为平面，根据算术单元414的控制，可以具有任何形状，如球形或旋转对称非球面；球面、平面或相对光轴偏轴的旋转对称非球面；具有对称表面的非球面；仅具有一个对称表面的非球面；不具有对称表面的非球面；自由成形(free-formed)的表面；具有不可区分(nondifferentiable)点或线的表面；等等。通常，这种表面称作展开面(extended surface)。通过薄膜409a构成的反射表面，光线沿图中箭头所示方向反射。

薄膜409a，如例如SPIE PRESS出版、P.RaiChoudhury编辑的“微光刻、微机械加工和微制造手册(Handbook of Microlithography，Micromachining and Microfabrication)”，第二册：微机械加工和微制造(Micromachining and Microfabrication)(第495页，图8.58)，或光学通讯(Optics Communication，Vol.140，pp.187-190，1997)中提出的薄膜反射镜，当在多个电极409b与电极409k之间施加电压时，薄膜409a通过静电力变形，其表面轮廓改变。

此外，仅要求选择电极409b的外形，如图19或20中所示，使其具有与薄膜409a的变形一致的同心或矩形划分式样。

如上所述，通过以下方式控制起反射表面作用的薄膜409a的结构，用来自算术单元414的信号改变可变电阻器411a的电阻值，以优化成像性质。将与环境温度和湿度以及物体距离相应的信号，从温度传感器415，湿度传感器416和距离传感器417输入算术单元414中。根据这些输入信号，算术单元414输出用于确定可变电阻器411a的电阻值的信号，从而通过用于环境温度和湿度条件以及距物体距离或者电子变焦的图像处理器发出的命令，将控制薄膜409a结构的电压施加给电极409b。因此，由于薄膜409a通过施加给电极409b的电压，即静电力而发生变形，所以薄膜409a呈现出包括非球面在内的与环境相应的各种展开面。并非必须使用距离传感器417，在此情形中，仅需要计算物距和使可变反射镜变形，从而使来自固态图像传感器408的图像信号的高频成分大体上最大化。当使用光刻制造可变反射镜409时，易于获得高制造精度和良好质量。

当变形基板409j由合成树脂材料如聚酰亚胺或商标名Cytop(ASAHI GLASS有限公司制造)制造时，即使在低压下也能发生很大变形，这是有益的。

在图17中，夹有变形基板409j的反射表面的薄膜409a和变形电极409k构成一体，从而具有可选择某些制造方法的优点。反射表面的薄膜409a可以设计成导电薄膜。由此，薄膜409a还可以用作变形电极409k。这样就带来了由于两者构成在一个单元内而使结构简化的优点。

可变反射镜的反射表面的轮廓最好是自由成形的表面。这是由于这样方便对像差的校正，是有益的。

此外，尽管在图17中，提供了算术单元414，温度传感器415，湿度传感器416和距离传感器417以使可变反射镜409补偿温度、湿度和物距的改变，不过本发明不限于这种结构。即，可不使用算术单元414，温度传感器415，湿度传感器416和距离传感器417。

图18表示可变反射镜409的另一个例子。在该示例的可变反射镜中，压电元件409c设置于反射表面的薄膜409a与电极409b之间，并且所有元件置于支架423上。施加给压电元件409c的电压随各个电极409b而变，从而压电元件409c引起局部不同的膨胀和收缩，从而可改变薄膜409a的形状。电极409b的结构如图19中所示，可以具有同心划分式样，或者如图20中所示可以为矩形划分式样。对于其他式样，可以选择适当结构。

在图18中，附图标记424表示与算术单元414相连的震动传感器。例如，上述光学装置用于数码相机中时，震动传感器424检测数码相机的震动，并通过算术单元414和包含可变电阻器的驱动电路411改变施加给电极409b的电压，从而使薄膜409a变形以补偿震动导致的图像模糊。此时，同时考虑温度传感器415，湿度传感器416和距离传感器417发出的信号，执行聚焦和温度及湿度补偿。在此情形中，通过压电元件409c的变形将压力施加给薄膜409a，因此将薄膜409a设计成具有适当厚度和适当强度是一种良好的习惯做法。

驱动电路411不限于根据电极409b的数量而设置多个电路的构造，还可以构造成由单一驱动电路控制多个电极409b。

图21表示可变反射镜的另一示例。该示例的可变反射镜由设置在薄膜409a与电极409b之间，且由压电性质方向相反的物质制成的两个压电元件409c和409c’构成。具体而言，压电元件409c和409c’由铁电晶体制成，并且设置成其晶轴彼此反向。在此情形中，当施加电压时压电元件409c和409c’沿相反方向膨胀或收缩，从而与图18的单层结构相比具有使薄膜409a的变形力更强的优点，结果，镜面的形状可以发生显著改变。

对于用作压电元件409c和409c’的物质，例如，有诸如钛酸钡、罗谢尔盐、石英晶体、电气石、KDP、ADP以及铌酸锂的压电物质；压电物质多晶或晶体；压电陶瓷如PbZrO₃和PbTiO₃的固溶体；有机压电物质如PVDF；以及其他铁电体。尤其是，有机压电物质的杨氏模数小，且在低压下产生明显变形，这是有利的。当使用这些压电元件时，如果其厚度不均匀，在上面各示例中也可以使薄膜409a适当变形。

使用高聚压电体如聚亚安酯，硅橡胶，丙烯酸弹性体(acrylicelastomer)，PZT，PLZT和PVDF；亚乙烯基氰共聚物；亚乙烯基氟共聚物与三氟乙烯共聚物作为压电元件409c和409c’的材料。

最好使用具有压电性的有机物质，合成树脂或者弹性体，因为其可引起可变反射镜表面相当大的变形。

当使用电致伸缩物质，例如丙烯酸弹性体或硅橡胶作为图18和22中所示的压电元件409c时，如图18中虚线所示，压电元件409c可具有双层结构取代单层结构，其中基板409c-1粘合到电致伸缩物质409c-2上。

图22表示可变反射镜409的另一个示例。该示例的可变反射镜设计成使压电元件409c夹在薄膜409a与电极409d之间，这些元件置于支架423上。通过由算术单元414控制的驱动电路425a将电压施加给夹在薄膜409a与电极409d之间的压电元件409c。除此之外，通过算术单元414控制的驱动电路425b，也将电压施加给置于支架423上的电极409b。从而，在该例中，由于电压施加在薄膜409a与电极409d之间以及施加给电极409b，薄膜409a可通过静电力发生双倍变形。与上面所述的任何例子相比，具有可提供各种变形式样且响应快速的优点。

通过改变施加在薄膜409a与电极409d之间的电压的符号，可变反射镜可以变形成凸形或凹形表面。在此情形中，通过压电效应可实现相当大的变形，而通过静电力可以实现轻微形状改变。或者，压电效应主要用于凸面变形，而静电力可用于凹面变形。此外，电极409d可以由多个类似电极409b的电极构成。图22中表示出这种状态。在本发明中，将压电效应，电致伸缩效应和电致伸缩统称作压电效应。因此，认为电致伸缩物质归于压电物质的类别中。

图23表示可变反射镜409的另一个例子。该示例的可变反射镜设计成利用电磁力改变反射表面的形状。永久磁体426固定在支架423内侧的底面上，由氮化硅或聚酰亚胺制成的基板409e的边缘安装和固定在其顶面上。具有金属涂层如铝的薄膜409a沉积在基板409e的表面上，从而构成可变反射镜409。在基板409e下面，牢固地安装多个线圈427并通过驱动电路428与算术单元414连接。根据算术单元414的输出信号将适当电流从驱动电路428输送给线圈427，其中该输出信号与光学***的改变相应，通过415，416，417和424等传感器的信号在算术单元414获得的。此时，通过永久磁铁426的电磁力排斥或吸引线圈427，使基板409e和起反射表面作用的薄膜409a变形。

在此情形中，还可以使不同电流量流过线圈427中的每个。可使用单纯的线圈427。永久磁铁426可以安装在基板409e的下表面上，从而使线圈427设置在支架423底侧上。希望线圈427通过光刻过程制造而成。各线圈427中可装入铁磁铁芯。

在此情形中，如图24中所示，各线圈427可以设计成使线圈密度随位置而变，如线圈428’，从而为基板409e和薄膜409a带来所需的变形。可使用单纯的线圈427，或者各线圈427中可装入铁磁铁芯。

图25表示可变反射镜409的另一个例子。在该示例的可变反射镜中，基板409e由铁磁材料如铁制成，反射膜的薄膜409a由铝制成。在此情形中，由于即使线圈没有设置在基板409e的下面，薄膜409a也可以通过磁力发生变形，可以简化结构和降低制造成本。如果电源开关413用转换设备和电源通断开关(power on-off switch)取代，则可以改变流过线圈427的电流的方向，可随意改变基板409e和薄膜409a的结构。

图26表示该示例的线圈427阵列的一个例子。图27表示线圈427阵列的另一个例子。这些阵列也适用于图23中的例子。

图28表示适用于图27中所示线圈427的永久磁铁426的阵列，其中线圈427放射状设置。具体而言，如图28中所示，当条形永久磁铁426呈放射状设置时，与图23的示例相比，可以为基板409e和薄膜409a提供细微变形。如上所述，当使用电磁力使基板409e和薄膜409a变形时(图23和25的示例中)，相对于使用静电力的情况，其优点在于可以用更低的电压驱动。

已经描述了可变反射镜的一些例子，不过如图22的示例中所示，可使用至少两种力来改变由薄膜构成的反射镜的形状。具体而言，可同时使用静电力，电磁力，压电效应，磁致收缩，液体压力，电场，磁场，温度改变和电磁波其中的至少两种使构成反射表面的薄膜发生变形。即，当使用至少两种不同驱动技术制造可变光学性质元件时，可同时获得相当大的变形和轻微变形，还可以获得具有高精度的镜面。

图29表示使用可变反射镜409的成像***，其中可变反射镜409适用于本发明另一实施例的光学装置，并且用于例如移动电话的数码相机，胶囊内窥镜(capsule endoscope)，电子内窥镜，用于个人电脑的数码相机，或者用于PDA的数码相机。

在这种成像***中，由可变形反射镜409，透镜902，固态图像传感器408和控制***103构成一个成像单元104。该实施例的成像单元104设计成可使来自物体的光通过透镜902经由可变反射镜409会聚，并在固态图像传感器408上成像。可变反射镜409是一种可变光学性质元件，并且也称作变焦反射镜。

根据本实施例，即使物距改变，但可变反射镜409发生变形，从而对物体调焦。本实施例无需使用马达移动透镜902，在紧凑、轻便设计和低能耗方面优异。成像单元104可以用于任何实施例中作为本发明的成像光学***。当使用多个可变反射镜409时，可构造诸如变焦成像光学***或可变放大率成像光学***的光学***。

在图29中，列举出在控制***103中包括使用线圈的变压器升压电路的控制***。尤其是，最好使用叠层压电变压器，因为可以实现紧凑的设计。升压电路可以用在使用电力的可变反射镜或变焦镜头中，尤其是用于利用静电力或压电效应的可变反射镜或变焦镜头中。为了使用可变反射镜409进行聚焦，例如，仅需要在固态图像传感器408上形成物体图像，并且在改变可变反射镜409的焦距时寻找出物体图像的高频成分最大的状态。为了检测高频成分，仅需要例如将包括微计算机的处理器与固态图像传感器408相连，并检测其中的高频成分。

图30表示可变反射镜的另一示例。在图中，可变反射镜188设计成通过微型泵180注入和吸出液体161，使在支撑体189a的上表面延伸的薄膜构成的反射镜表面发生变形。根据本实施例，具有反射镜表面可以发生相当大变形的优点。在此图中，附图标记168表示控制装置，与微型泵180一起用于控制支撑体189a中液体161的数量。控制装置168和微型泵180控制薄膜189的变形，因此相当于驱动电路。

微型泵180是小尺寸泵，通过例如微机械加工技术制造而成，并设计成使之通过电力操作。例如通过微机械加工技术制造而成的泵，有使用热变形，压电物质和静电力的泵。

图31表示图30微型泵180的一个例子。在本示例的微型泵180中，震动板181通过静电力或压电效应的电力而震动。在图31中，表示出震动板通过静电力而发生震动的情形，附图标记182和183表示电极。虚线表示发生变形的震动板181。当震动板181震动时，两个阀184和185打开和关闭，将液体161自右向左输送。

在图30所示的可变反射镜188中，构成反射表面的薄膜189根据液体161的量变形成凹形或凸形，从而起可变反射镜的作用。可使用有机或无机物质，如硅油、空气、水或胶状物作为液体。

在使用静电力或压电效应的可变反射镜或变焦镜头中，有时需要高压进行驱动。在此情形中，例如如图29中所示，需要使用升压变压器或压电变压器构成控制***。

在不像支撑体423或189a的环形元件的上部那样发生变形的部件上提供构成反射表面的薄膜409a或薄膜189是很合适的，因为当用干涉仪测量可变反射镜的反射表面的轮廓时，其可以用作参考表面。

图32表示另一种变焦镜头的原理结构。变焦镜头511包括第一透镜512a，其中具有分别作为第一表面和第二表面的透镜表面508a和508b；第二透镜512b，其中具有分别作为第三表面和第四表面的透镜表面509a和509b；以及第三透镜512c，由通过透明电极513a和513b夹在第一和第二透镜之间的大分子分散液晶层514构成。入射光通过第一、第三和第二透镜512a、512c和512b会聚。透明电极513a和513b通过开关515与交流电源516相连，以将交流电压有选择地施加给大分子分散液晶层514。大分子分散液晶层514由大量微小的大分子晶元518组成，每个大分子晶元具有任何形状，如球形或多面体形，并且包含液晶分子517。各晶元的体积等于构成大分子晶元518的大分子和液晶分子517所占有的体积之和。

此处，对于每个大分子晶元518的尺寸，例如为球形时，当用D表示平均直径，用λ表示所使用的光波长时，选择平均直径D满足以下条件：

2nm≤D≤λ/5                   (9)

即，各液晶分子517的尺寸至少为大约2nm，因此平均直径D的下限设为2nm或更大。直径D的上限取决于大分子分散液晶层514在变焦镜头511光轴方向的厚度t。不过，如果直径大于波长λ，则大分子与液晶分子517之间的折射率差将导致光在大分子晶元518的界面处散射，并将使液晶层514呈现出不透明状态。因此，如后面所述，直径D的上限应当最好为λ/5或者更小。取决于使用变焦镜头的光学产品，并非必须具有高精度。在此情形中，低于波长值λ的直径D是满足需要的。此外，大分子分散液晶层514的透明度随厚度t的增加而下降。

在液晶分子517中，例如使用单轴向列液晶分子。各液晶分子517的折射率椭球如图33中所示。即：

n_ox＝n_oy＝n_o                    (10)

其中n_o为寻常光的折射率，n_ox和n_oy为在包含寻常光线的平面内彼此垂直方向的折射率。

此处，在如图32中所示开关515断开的情形中，即电场没有施加给液晶层514的情形中，液晶分子517沿各种方向取向，因此液晶层514对于入射光的折射率较高，以形成具有强折射能力的透镜。相反，当如图34中所示开关515接通，并且将交流电压施加给液晶层514时，液晶分子517取向成使各液晶分子517折射率椭球的长轴平行于变焦镜头511的光轴，从而折射率降低，形成具有较弱折射能力的透镜。

施加给大分子分散液晶层514的电压，例如如图35中所示，通过使用可变电阻器519可以逐步或连续改变。由此，当所施加的电压变高时，液晶分子517取向成使各液晶分子517折射率椭球的长轴逐渐平行于变焦镜头511的光轴，从而可以逐步或连续改变折射率。

此处，在图32的情形中，即在电压没有施加给大分子分散液晶层514的情形中，当如图33中所示，用n_z表示折射率椭球长轴方向的折射率时，液晶分子517的平均折射率n_LC’近似由下式给出：

(n_ox+n_oy+n_z)/3≡n_LC′                 (11)

此外，当折射率n_z表示异常光线的折射率n_e时，由公式(10)建立的液晶分子517的平均折射率n_LC表示为：

(2n_o+n_z)/3≡n_LC                   (12)

在此情形中，当构成大分子晶元518的各大分子的折射率表示为n_p，液晶层514与液晶分子517的体积比表示为ff时，根据Maxwell-Garnet定律，液晶层514的折射率n_A为：

n_A＝ff·n_LC′+(1-ff)n_p            (13)

因此，如图35中所示，当透镜512a和512b的内表面，即液晶层514一侧的曲率半径表示为R₁和R₂时，由液晶层514构成的第三透镜512c的焦距f₁表示为：

1/f₁＝(n_A-1)(1/R₁-1/R₂)           (14)

此外，当曲率中心处于图像一侧时，假设曲率半径R₁和R₂均为正。忽略透镜512a和512b每一个的外表面产生的折射。即，由公式(14)给出仅由液晶层514构成的透镜512c的焦距。

当正常光线的平均折射率表示为：

(n_ox+n_oy)/2≡n_o′                 (15)

时，图34的情形中，即电压施加给液晶层514的情形中液晶层514的折射率n_B表示为：

n_B＝ff·n_o′+(1-ff)n_p             (16)

从而，在此情形中，仅由液晶层514构成的透镜512c的焦距f₂表示为：

1/f₂＝(n_B-1)(1/R₁-1/R₂)           (17)

另外，当低于图34中所示的电压施加给液晶层514时，焦距为公式(14)给出的焦距f₁和公式(17)给出的焦距f₂之间的某一数值。

从公式(14)和(17)可以看出，由液晶层514构成的透镜的焦距的改变率表示为：

|(f₂-f₁)/f₂|＝|(n_B-n_A)/(n_A-1)|    (18)

因此，为了增大改变率，仅需要增大|n_B-n_A|的值。此处，

n_B-n_A＝ff(n_o′-n_LC′)             (19)

因此，如果|n_o′-n_LC′|的值增大，则改变率增大。实际上，由于液晶层514的折射率n_B为大约1.3-2，选择|n_o′-n_LC′|的值满足以下条件：

0.01≤|n_o′-n_LC′|≤10           (20)

通过这种方式，当ff＝0.5时，由液晶层514构成的透镜的焦距至少可以改变0.5％，从而可获得有效的变焦镜头。此外，由于液晶物质的限制，|n_o′-n_LC′|的值不能超过10。

随后，将描述条件(9)的上限的建立基础。在Eleesvier SciencePublishers B.v.1993年出版、Wilson和Eck编辑的“太阳能材料和太阳能电池(Solar Energy Materials and Solar Cells)”的第31卷第197-214页上的“使用散射/透明开关膜的透射变化(Transmission variationusing scattering/transparent switching films)”中描述了大分子分散液晶单元各晶元的尺寸改变时透射率τ的改变。在该出版物第206页上的图6中，表示出当用r表示各大分子分散液晶晶元的半径，t＝300μm，ff＝0.5，n_p＝1.45，n_LC＝1.585且λ＝500nm时，如果r＝5nm(D＝λ/50，且D.t＝λ.6μm，其中D和λ用纳米表示)，则透射率τ的理论值为大约90％，并且如果r＝25nm(D＝λ/10)，则为大约50％。

此处，假设t＝150μm，且透射率τ作为厚度t的指数函数发生改变。在t＝150μm的情况下当r＝25nm(D＝λ/10且D·t＝λ·15μm)时透射率τ近似为71％。同样，在t＝75μm的情况下当r＝25nm(D＝λ/10且D·t＝λ·7.5μm)时透射率τ近似为80％。

根据这些结果，透射率τ为至少70-80％，如果液晶满足以下条件，则液晶实际上可以作为透镜使用：

D·t≤λ·15μm                        (21)

因此，例如，在t＝75μm时，如果D≤λ/5，则可以获得令人满意的透射率。

随着折射率n_p的值接近折射率n_LC’的值，大分子分散液晶层514的透射率增大。另一方面，如果折射率n_o’与n_p的值彼此不同，则液晶层514的透射率将降低。在图32和34中，当液晶层514满足下式时，液晶层514透射性的平均值得到改善：

n_p＝(n_o′+n_LC′)/2                   (22)

使用变焦镜头511作为透镜，从而在图32和34中，希望透射率几乎相同且较高。由此，虽然对构成大分子晶元518的大分子和液晶分子517的物质有限制，不过在实际使用时仅需要满足以下条件：

n_o′≤n_p≤n_LC′                               (23)

当满足公式(22)时，条件(21)减轻，并且仅需要满足以下条件：

D·t≤λ·60μm                               (24)

由于这个原因，根据菲涅耳反射定律，反射率正比于折射率差的平方，从而光在构成大分子晶元518的大分子与液晶分子517之间的界面处反射，即，液晶层514透射率的减小，大致正比于大分子与液晶分子517之间折射率差的平方。

参照n_o′≈1.45，n_LC′≈1.585的情形进行上面的描述，不过在更一般的公式表达中，仅需要满足以下条件：

D·t≤λ·15μm·(1.585-1.45)²/(n_u-n_p)²       (25)

其中(n_u-n_p)²是(n_LC′-n_p)²和(n_o′-n_p)²其中一个大于另一个时的数值。

为了大大改变变焦镜头511的焦距，比值ff最好尽可能高，不过在ff＝1时，大分子的体积为零，大分子晶元518不可成形。因此，必须满足以下条件：

0.1≤ff≤0.999                                (26)

另一方面，随着比值ff的降低，透射率τ得到改善，从而最好可以将条件(25)减轻为：

4×10^-6[μm]²≤D·t≤λ·45μm·(1.585-1.45)²/(n_u-n_p)²  (27)

此外，从图32显然可以看出，厚度t的下限相当于直径D，如上所述其至少为2nm，从而D.t的下限为(2×10^-3μm)²，即4×10^-6[μm]²。

如T.Mukai，Iwanami Shoten在“Iwanami Science Library 8，Asteroids are coming”第58页(1994年)中提到，当直径D为5-10nm或更大时确定的折射率近似表示物质的光学性质。如果直径D的值超过500λ，则光的散射将发生几何改变，从而根据菲涅耳反射公式，在构成大分子晶元518的大分子与液晶分子517之间界面处光的散射增大。由此，在实际使用中，必须选择直径D以满足以下条件：

7nm≤D≤500λ                     (28)

图36表示使用图35的变焦镜头511的成像光学***，其中在本发明的光学装置中，例如在用于数码像机的成像光学***中使用变焦镜头511的例子中，变焦镜头511设置在孔径光阑521与图像传感器之间。在这种成像光学***中，通过光阑521，变焦镜头511和透镜522，在固态图像传感器523如CCD上形成物体(未示出)的图像。此外，在图36中，未表示出液晶分子。

根据这种成像光学***，施加给变焦镜头511的大分子分散液晶层514的交流电压由可变电阻器519控制，以改变变焦镜头511的焦距。从而，无需沿光轴移动变焦镜头511和透镜522，例如，即可针对从无穷远到600mm的物距执行连续聚焦。

图37表示所使用的变焦衍射光学元件的一个例子，从而如同图35的变焦镜头那样，在本发明的光学装置中可改变成像光学***的焦距。

本示例的变焦衍射光学元件531包括第一透明基板532，其中具有彼此平行的第一表面532a和第二表面532b；和具有第三表面533a和第四表面533b的第二透明基板533，其中第三表面533a由凹槽深度相当于光波长的锯齿状横截面环形衍射光栅构成，第四表面533b为平面。入射光通过第一和第二透明基板532和533射出。在第一与第二透明基板532与533之间，如图32中所示，通过透明电极513a和513b夹入大分子分散液晶层514，以使透明电极513a和513b通过开关515与交流电源516相连，并且将交流电压施加给大分子分散液晶层514。

在这种结构中，当用p表示第三表面533a的光栅间距，用m表示整数时，入射在变焦衍射光学元件531上的光线被偏转的角度θ满足以下公式：

psinθ＝mλ                  (29)

并且在此处出射。当用h表示凹槽深度，用n₃₃表示透明基板533的折射率，且用k表示整数时，在波长λ处衍射效率为100％，并且通过满足下式可防止产生反射光斑：

h(n_A-n₃₃)＝mλ                    (30)

h(n_B-n₃₃)＝kλ                    (31)

此处，公式(30)与(31)两侧之差表示为：

h(n_A-n_B)＝(m-k)λ                 (32)

因此，当假设λ＝500nm，n_A＝1.55且n_B＝1.5时，

0.05h＝(m-k)·500nm

并且当m＝1，k＝0时，

h＝10000nm＝10μm

在此情形中，最好从公式(30)得出透明基板533的折射率n₃₃为1.5。当假设变焦衍射光学元件531边缘上的光栅间距p为10μm，θ≈2.87°，则可以得到F数为10的透镜。

通过施加给液晶层514的电压的通-断操作而改变光程长度的变焦衍射光学元件531，例如，可将其放置在透镜***的光束不平行的位置用于聚焦调节，或者可以用于改变整个透镜***的焦距。

在这个例子中，在实际使用中仅需要将公式(30)-(32)设置成满足以下条件：

0.7mλ≤h(n_A-n₃₃)≤1.4mλ              (33)

0.7kλ≤h(n_A-n₃₃)≤1.4kλ              (34)

0.7(m-k)λ≤h(n_A-n_B)≤1.4(m-k)λ       (35)

使用扭曲向列液晶的变焦镜头也处于本发明类型内。图38和39表示这种情况下的变焦眼镜550。变焦镜头551具有透镜552和553，分别通过透明电极513a和513b设置在这些透镜内部的取向膜539a和539b，以及夹在取向膜之间的扭曲向列液晶层554。透明电极513a和513b通过可变电阻器519与交流电源516相连，以使交流电压施加给扭曲向列液晶层554。

在这种结构中，当施加给扭曲向列液晶层554的电压增大时，如图39中所示，液晶分子555呈现出垂直(homeotropic)取向，从而使液晶层554的折射率降低，与图38中施加较低电压的扭曲向列状态相比，焦距更长。

必须使图38的扭曲向列状态中液晶分子555的螺距P近似等于，或者远小于光波长λ，从而满足以下条件：

2nm≤P≤2λ/3                      (36)

此外，该条件的下限取决于液晶分子555的大小，而上限值为当入射光为自然光时，在图38的状态下液晶层554为各向同性介质的情况时所必需的。如果超过该条件的上限，则变焦镜头551变成焦距随偏转方向而变的透镜。从而形成双重图像，并且仅能得到模糊的图像。不过，当不需要特别高的精度时，可将条件(36)的上限设为3λ。在精度不高的应用中，上限可以设为5λ。

图40A表示可用于本发明的光学装置中所使用的光学***的可变偏转角棱镜的例子。可变偏转角棱镜561包括处于入射侧且具有第一表面562a和第二表面562b的第一透明基板562；和处于出射侧、具有第三表面563a和第四表面563b的如平行平面平板的第二透明基板563。将入射侧透明基板562的内表面(第二表面)562b设计成菲涅耳形状(Fresnel form)，并且如图32中所示，通过透明电极513a和513b将大分子分散液晶层514夹在该透明基板562与出射侧透明基板563之间。透明电极513a和513b通过可变电阻器519与交流电源516相连。从而，将交流电压施加给液晶层514，以控制透过可变偏转角棱镜561的光的偏转角度θ。此外，在图40A中，透明基板562的内表面562b设计成菲涅耳形状，不过如图40B所示，透明基板562和563的内表面可以设计成普通棱镜形状，其表面相对倾斜，或者可以设计成图37中所示的衍射光栅。在后一种情形中，公式(29)-(32)和条件(33)-(35)同样适用。

如上所述构成的可变偏转角棱镜561用于各种光学***中，如TV摄像机，数码相机，电影摄像机或者双眼望远镜，从而可有效地防止震动。在此情形中，希望可变偏转角棱镜561的折射(偏转)方向垂直。为了进一步改善其性能，希望设置两个可变偏转角棱镜561，从而改变棱镜561的偏转方向，并且如图41中所示，在垂直和横向改变折射角。此外，在图40A，40B和41中，省略了液晶分子。

图42表示用于取代可变反射镜的变焦反射镜的一个例子，即在光学装置的光学***中通过在变焦镜头的一个表面上设置反射膜构造而成。

本例子的变焦反射镜565包括具有第一表面566a和第二表面566b的第一透明基板566，和具有第三表面567a和第四表面567b的第二透明基板567。第一透明基板566设计成平板形或者透镜形，在内表面(第二表面)566b上设置透明电极513a。第二透明基板567的内表面(第三表面)567a设计成凹面，在其上沉积反射膜568，并且在反射膜568上设置透明电极513b。在透明电极513a与513b之间，如图32中所示，夹有大分子分散液晶层514，以使透明电极513a和513b通过开关515和可变电阻器519与交流电源516相连，并且将交流电压施加给大分子分散液晶层514。此外，在图42中，省略液晶分子。

根据上述结构，由于从透明基板566一侧入射的光线经由反射膜(反射表面)568再次穿过液晶层514，液晶层514的功能可以行使两次，可通过改变施加给液晶层514的电压而偏移反射光的焦点位置。在此情形中，入射在变焦反射镜565上的光线两次通过液晶层514，从而当用t表示液晶层514厚度的两倍时，可使用上述条件。此外，透明基板566或567的内表面也可以设计成衍射光栅形状，如图37中所示，以减小液晶层514的厚度。这样就产生了可使散射光量更小的优点。

在上面的描述中，为了防止液晶的质量下降，使用交流电源516作为电压源，将交流电压施加给液晶。不过，可使用直流电源，从而也可以将直流电压施加给液晶。除了改变电压以外，通过改变施加给液晶的电场的频率，施加给液晶的磁场的强度和频率，以及液晶的温度，可以实现改变液晶分子取向的技术。在上面的描述中，某些大分子分散液晶接近于固态而非液态。因此，在此情形中，透镜512a和512b其中之一，透明基板532，透镜538，透镜552和553其中之一，图40A中的透明基板563，图40B中的透明基板562和563其中之一，或者透明基板566和567其中之一可以省略不用。

通过改变介质的折射率改变光学元件焦距的这类光学元件，如图32-42中所述，由于形状没有改变，具有机械设计容易、机械结构简单的优点。

图43表示在光学装置中图像传感器408前面使用变焦镜头140的成像光学***的一个例子。该成像光学***可以当作成像单元141使用。

在这个例子中，透镜102和变焦镜头140构成成像透镜***。该成像透镜***和图像传感器408构成成像单元141。变焦镜头140由透明元件142；置于一对透明电极145之间的软透明基板143，如压电合成树脂；和夹在透明元件142与透明电极145之间的透光液体或胶状物质144构成。

可使用硅油、弹性橡胶，胶状物或水作为液体或胶状物质144。透明电极145设置在透明物质143两侧，并且当通过电路103’将电压施加给透明电极145时，通过透明物质143的压电效应使透明物质143发生变形，从而改变变焦镜头140的焦距。

因此，根据该示例，即使物距改变，也可以不通过马达移动成像光学***而实现聚焦，并且同样，该示例在紧凑和轻便设计以及低能耗方面优异。

此外，在图43中，附图标记145表示透明电极，146表示用于存储液体的圆柱体。

可使用诸如聚亚安酯，硅橡胶，丙烯酸弹性体，PZT，PLZT和PVDF的高分子压电材料；亚乙烯基氰共聚物；或者亚乙烯基氟共聚物与三氟乙烯共聚物作为透明物质143。

最好使用具有压电特性的有机物质，如合成树脂或弹性体，因为可使变焦镜头的表面发生相当大的变形。习惯做法使用透明压电物质作为变焦镜头。

在图43中，取代圆柱体146，可将如图44中所示的变焦镜头140设计为使环形支撑元件147设置在平行于透明元件142的位置，并且保持透明元件142与支撑元件147之间的距离。

在图44中，装入该对电极145之间的透明物质143，和由边缘可变形元件148覆盖的液体或胶状物质144设置在支撑元件147与透明元件142之间。当电压施加给透明物质143，从而如图45中所示透明物质143发生变形时，可变形元件148变形，使变焦镜头140的整体体积不改变。由此，不必需要圆柱体146。在图44和45中，可变形元件148由弹性体，可折叠状合成树脂或金属制成。

在图43和44所示的每一个示例中，当施加反向电压时，透明物质143沿相反方向变形，从而也可以构成凹透镜。

当使用电致伸缩物质如丙烯酸弹性体或硅橡胶作为透明物质143使用时，需要将透明物质143设计成使透明物质和电致伸缩物质彼此粘合。

图46表示在可在根据本发明光学装置的成像光学***中应用的变焦镜头的另一示例中的变焦镜头167，其中通过用微型泵160注入和吸出液体161而使透镜表面变形。

各微型泵160为小尺寸泵，例如通过微机械加工技术制造，并且设计成通过电力操作。液体161夹在透明物质163与透明弹性体164之间。在图46中，附图标记165表示用于保护弹性体164的透明基板，不过该基板并不是必须需要的。

由微机械加工技术制成的泵的例子，有使用热变形，压电物质和静电力的泵。

仅需要使用两个微型泵，例如如图46的变焦镜头中使用的微型泵160，每个泵均为如图31中所示的微型泵180。

在使用静电力或压电效应的变焦镜头中，有时需要高压进行驱动。在此情形中，需要使用升压变压器或者压电变压器构成控制***。尤其是，最好使用叠层压电变压器，因为可以实现紧凑设计。

图47表示可在光学装置的光学***中使用的可变光学性质元件的另一示例中，使用压电物质200的变焦镜头201。使用与透明物质143相同的物质作为压电物质200，并且设置在软透明基板202上。希望合成树脂或有机物质用于基板202。

在该例中，电压通过两个透明电极59施加给压电物质200，从而压电物质200变形，在图47中产生凸透镜的作用。

预先将基板202设计成凸形，并且使两个透明电极59中至少一个的尺寸与基板202不同，例如使一个电极59小于基板202。由此，当撤去所施加的电压时，如图48中所示，两个透明电极59中仅有相对的预定部分变形成凹形，从而具有凹透镜的功能，起到变焦镜头的作用。

在此情形中，由于基板202发生变形，使液体161的体积不变，所以具有无需液体槽168的优点。

该例子具有的显著优点为储存液体161的一部分基板202通过压电物质而发生变形，且无需液体槽168。

透明基板163和165可以设计成透镜或平面，不过也可以与图46的例子所述相同。

图49表示可在光学装置的光学***中使用的可变光学性质元件的另一示例中，使用压电物质构成的两个薄板200A和200B的变焦镜头。

根据此示例，该变焦镜头具有的优点为使用压电物质方向相反的薄板200A和薄板200B，从而增大变形量，可获得较宽变焦范围。此外，在图49中，附图标记204表示透镜形透明基板。即使在该例中，图中右侧的透明电极59也设计成小于基板202。

在图47-49的例子中，基板202，压电物质200和薄板200A及200B的厚度可以不均匀，从而控制由电压施加引起的变形状态。由于也可以校正透镜像差，因此是很方便的。

图50表示变焦镜头的另一个例子。本例子的变焦镜头207由电致收缩物质206如硅橡胶或丙烯酸弹性体构成。

当电压较低时，如上所述构成的变焦镜头207，如图50中所示，起到凸透镜的作用，而当电压增大时，如图51中所示，电致伸缩物质206沿垂直方向膨胀沿横向收缩，因此焦距增大。通过这种方式，电致伸缩物质206起变焦镜头的作用。根据本例子的变焦镜头，由于无需大电源从而具有能耗最小化的优点。

与上述图43-51的变焦镜头相同的特征在于，起透镜作用的介质的形状改变，从而可获得可变焦距。与折射率改变的变焦镜头不同，这种变焦镜头具有可任意选择可变焦距范围或透镜尺寸的优点。

图52表示可在光学装置的光学***中应用的的可变光学性质元件的另一示例中，使用光机械效应的变焦镜头。该例的变焦镜头214设计成将偶氮苯210夹在透明弹性体208与209之间，并且通过透明隔板211用紫外光照射。在图52中，附图标记212和213表示紫外光源，比如中心波长分别为λ₁和λ₂的紫外LED或者紫外半导体激光器。

在该例中，当用中心波长为λ₁的紫外光照射图53A中所示的反式型偶氮苯时，偶氮苯210变成图53B中所示的顺式型偶氮苯，其体积减小。因此，变焦镜头214的厚度减小，凸透镜的功能削弱。

另一方面，当用中心波长为λ₂的紫外光照射顺式型偶氮苯时，偶氮苯210从顺式型变成反式型偶氮苯，体积增大。因此，变焦镜头214的厚度增大，凸透镜的功能得到增强。通过这种方式，本例的光学元件214起到变焦镜头的作用。

在变焦镜头214中，由于紫外光在各透明弹性体208和209与空气之间的界面处全反射，光不会通过表面泄露，从而得到高效率。

图54表示可在光学装置的光学***中使用的可变反射镜的另一个例子。假设在数码像机的成像光学***中使用该可变反射镜，并在此基础上描述此例。而且，在图54中，附图标记411表示内置可变电阻器的驱动电路；414表示算术单元；415表示温度传感器；416表示湿度传感器；417表示距离传感器；424表示震动传感器。

该例的可变反射镜45由四层结构构成，其中分离电极409b与包括有机物质如丙烯酸弹性体的电致伸缩物质453分隔开，电致伸缩物质453的边缘通过支撑体423支撑，电极452和可变形基板451依次设置在电致伸缩物质453上，并且在基板451上设有包含例如铝的金属薄膜的反射膜450用于反射入射光。

与分离电极409b与电致伸缩物质453构成一体时相比，当如上所述构成时，可变反射镜45具有反射膜450的表面轮廓平滑，且不易产生像差的优点。

此外，可变形基板451与电极452可以按照相反顺序设置。在图54中，附图标记449表示用于光学***放大率改变或变焦的按钮。通过算术单元414控制可变反射镜45，以使用户按下按钮449，便使反射膜450可以发生变形用于放大率改变或变焦。

而且，取代包括有机物质如丙烯酸弹性体的电致伸缩物质，可以使用已经描述过的例如钛酸钡的压电物质。

此外，尽管下文中所述与本发明的可变反射镜相同，但是希望从垂直于反射表面的方向观察时，反射表面变形部分的形状可以在近轴光线入射平面方向较长，例如椭圆形、卵形或多边形。这是因为如图29中所示，可变反射镜常常在光线以掠射角入射的状态下使用。为了抑制这种情况下产生的像差，要求反射表面具有类似于旋转椭园体，旋转抛物面或者旋转双曲面的形状。这是由于为了使可变形反射镜的反射表面变形成这种形状，希望从垂直于反射表面的方向观察时，反射表面变形部分的形状在沿近轴光线入射平面的方向较长。

图55A和55B表示可在光学装置的光学***中使用的电磁驱动可变反射镜的结构。图55B为从反射膜409a相反侧观察时的图。给可变形元件409j提供线圈(电极)427，以输送来自于驱动电路的电流，从而在永久磁铁426的磁场中产生电磁力，以使反射镜的形状改变。由于薄膜线圈的使用便于线圈427的制造，并降低其硬度，使反射镜易于变形。

本发明各实施例中所示的变焦镜头可以用于图36，38，39和43中每一个所示的光学装置中。

本发明具有以下附加特征：

(1)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面构成一体的第一电极，和设置在光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中之一具有用于透过所用光束的开口。在此情形中，电压或电流施加在第一与第二电极上，或施加在第一与第三电极上，从而改变光偏转性质。

(2)在项目(1)的可变光学性质元件中，第一电极、第二电极和第三电极其中至少一个分成多段。

(3)在项目(1)或(2)的可变光学性质元件中，第二电极或第三电极是固定的。

(4)在项目(1)和(3)其中任何一个的可变光学性质元件中，具有多个电极的基板处于光学表面的一侧上。

(5)在项目(1)-(4)其中任何一个的可变光学性质元件中，施加在电极上的电压或电流是直流或交流。

(6)项目(1)-(5)其中任何一个的可变光学性质元件设计成可变形反射镜或变焦镜头。

(7)在项目(1)-(6)其中任何一个的可变光学性质元件中，光学表面通过静电力或电磁力发生变形。

(8)将项目(1)-(7)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.02≤S₂/S₁≤0.98

其中S₁为光学表面可变形部分的面积，S₂为开口的面积。

(9)可变光学性质元件包括可变形光学表面；与光学表面设置为一体、分成多段的第一电极；以及处于光学表面一侧上、分成多段的第二电极。在此情形中，相同符号的电荷存储在第一与第二电极其中至少一组中，并且每个电极分成多段，从而在分离电极之间产生电力，使光学表面发生变形。

(10)项目(9)的可变光学性质元件构造成当使施加给第一电极所有分离段的电压的符号相同时，也使施加给第二电极所有分离段的电压的符号相同，并且使施加给第一电极与第二电极的电压的符号不同，光学表面也可以变形。

(11)项目(9)或(10)的可变光学性质元件构造成，在第一电极的一个分离段与一个邻近或靠近第二电极的一个分离段的分离段之间施加的不同符号的电压，该分离段与第一电极的所述分离段紧密相对。

(12)项目(9)-(11)其中任何一个的可变光学性质元件构造成，在第一电极或第二电极的一个分离段与靠近或邻近所述一个分离段的分离段之间施加不同符号的电压。

(13)权利要求10和项目(9)-(12)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

1/1000000＜G/P＜300

其中G为光学表面平坦处第一电极与第二电极之间的距离，P为相邻分离段之间中心到中心的平均间距。

(14)权利要求10和项目(9)-(12)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

1/1000000＜G/d＜1000

其中d为第一电极和第二电极中相邻分离段之间的平均距离。

(15)项目(9)-(12)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.001＜a/A＜1

其中a为第一电极或第二电极中分离段的面积和，A为整个电极部分的面积。

(16)在权利要求10和项目(9)-(15)其中任何一个的可变光学性质元件中，第一电极的划分式样与第二电极的划分式样相同或不同。

(17)在权利要求10和项目(9)-(16)其中任何一个的可变光学性质元件中，第一电极或第二电极是固定的。

(18)在权利要求10和项目(9)-(17)其中任何一个的可变光学性质元件中，施加给第一和第二电极的电压是直流或交流的。

(19)项目(9)-(18)其中任何一个的可变光学性质元件设计成可变形反射镜或变焦镜头。

(20)项目(9)-(19)其中任何一个的可变光学性质元件设计成通过静电力使光学表面变形。

(21)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极。将第一电极或第二电极分成多段，在其间施加交流电压或电流，从而在第一电极与第二电极之间产生排斥力或电力，以使光学表面变形。

(22)项目21的可变光学性质元件还包括驱动电路，其中交流电压或电流的频率可改变。

(23)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极。第一电极和第二电极的每一个分成多段，在其间施加交流电压或电流，从而在第一电极与第二电极之间产生排斥力或电力，使光学表面变形，同时，在分离电极之间设置电阻器，而交流电压不施加给该电阻器。

(24)在项目23的可变光学性质元件中，该电阻器是可变的。

(25)在项目(21)-(24)其中任何一个的可变光学性质元件中，相比施加交流电压或电流的电极，没有施加交流电压或电流的电极由更高阻抗的材料制成。

(26)项目(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

1/1000000＜G/P＜300

其中G为光学表面平坦处第一电极与第二电极之间的距离，P为相邻分离段之间中心到中心的平均间距。

(27)项目(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

1/1000000＜G/d＜1000

其中d为第一电极和第二电极中相邻分离段之间的平均距离。

(28)项目(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.001＜a/A＜1

其中a为第一电极或第二电极中分离段的面积和，A为整个电极部分的面积。

(29)在项目(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件中，第一电极的划分式样与第二电极的划分式样近似相同或不同。

(30)项目(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成可变形反射镜或变焦镜头。

(31)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面至少一侧上的第二电极。电压或电流施加给第一电极或第二电极，从而改变光偏转性质。在此情形中，与可变形基板设置为一体的电极与设置在另一电极上的电极不平行。

(32)项目(1)，(9)，(21)和(31)其中任何一个的可变光学性质元件可以用于光学装置的聚焦调节。

(33)项目(1)，(9)，(21)和(31)其中任何一个的可变光学性质元件可以用于光学装置的放大率改变。

(34)项目(9)-(12)或(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.0000001≤u/G≤1000

其中G为第一电极与第二电极之间的距离，u为位于第一电极与第二电极之间的基板的厚度。

(35)项目(9)-(12)或(21)-(25)其中任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.0000001≤Δ/G≤1000

其中Δ为光学表面与第一电极之间的距离。

(36)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及以部分阻挡所用光束的方式设置在光学表面一侧上的第二电极。在第一电极与第二电极之间施加电压或电流，从而可改变光偏转性质。

(37)项目36的可变光学性质元件，包括相对可变形光学表面处于第二电极相对一侧上的第三电极。在第一电极与第二电极之间，或第一电极与第三电极之间施加电压或电流，从而可改变光偏转性质。

(38)项目36的可变光学性质元件，包括相对于第一电极处于第二电极相对一侧上的第三电极。在第一电极与第二电极之间或者第一电极与第三电极之间施加电压或电流，从而可改变光偏转性质。

(39)项目36的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

0.01≤f≤0.5

其中f为传输光束被第二电极阻挡的面积与传输光束总面积的比值。

(40)可变光学性质元件包括可变形光学表面和与光学表面设置为一体的多个电极。光学表面通过电极之间产生的电力变形，从而可改变光偏转性质。

(41)项目40的可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的多个电极，以及在电极中存储电荷的驱动电路，从而光学表面通过电极之间产生的电力变形，并可改变光偏转性质。

(42)可变光学性质元件包括具有导电性的可变形光学表面和与光学表面设置为一体的多个电极。按照多个电极划分具有导电性的光学表面。

(43)项目42的可变光学性质元件包括与多个电极相对的第二电极。

(44)项目42的可变光学性质元件包括处于光学表面一侧上的第二电极。

(45)项目(42)和(44)任何一个的可变光学性质元件设计成满足以下条件：

$0.000001\≤t/\sqrt{w}\≤10000$

其中t为第一电极和第二电极每一个的厚度，w为其面积。

(46)项目(9)或(22)的可变光学性质元件设计成使电力为排斥力，从而可改变光偏转性质。

(47)可变光学性质元件包括可变形光学表面，与光学表面设置为一体的第一电极，以及设置在光学表面一侧上的第二电极，从而通过在第一电极与第二电极之间施加电流或电压产生电力或排斥力，可改变光偏转性质。

(48)项目47的可变光学性质元件设计成，使所施加的电流或电压是交流的，从而可改变光偏转性质。

(49)可变反射镜具有反射表面和设置在反射表面附近的元件。该反射表面分成多段。

(50)可变反射镜包括可变形反射表面，从而反射表面可以变形成凸形或凹形，并且使用液体，静电力，电场，电磁力，压电效应，磁收缩，温度改变和电磁波其中至少一种使反射表面变形。

(51)可变反射镜包括可变形反射表面，从而反射表面可以变形呈凸形或凹形，并且当反射表面变形成凸形时使用液体压力，而当变形成凹形时使用电力。

(52)具有项目(50)或(51)的可变反射镜的成像装置，当可变反射镜的表面轮廓平坦时，可使从无穷远到0.5米的任何距离处的物体聚焦。

(53)具有项目(2)-(8)任何一个的可变光学性质元件，震动传感器和图像传感器的光学装置，使可变光学性质元件的光学表面变形，从而补偿震动。

(54)具有项目(2)-(8)任何一个的可变光学性质元件的光学装置，可使可变光学性质元件的光学表面变形，从而补偿温度改变，湿度改变，制造误差和随时间的改变其中至少一种。

最后，将描述本发明中使用的术语的定义。

光学装置指包括光学***或光学元件的装置。光学装置不必依靠本身而运行。即，其可以视作装置的一部分。

成像装置，观察装置，显示装置，照明装置，信号处理器和光学信息处理器属于光学装置的类别之内。

成像装置指例如电影摄像机，数码相机，用于PDA的数码相机，机器人的眼镜，可更换透镜式数字单镜头反射式照相机，TV摄像机，运动图像记录仪，电子运动图像记录仪，便携式摄像机，VTR摄像机，移动电话的数码相机，移动电话的TV摄像机，电子内窥镜，胶囊内窥镜，车载摄像机，人造卫星的摄像机，行星探测器的摄像机，空间探测器的摄像机，监控摄像机和用于多种传感器的视觉器官。数码像机，卡片式数码像机，TV摄像机，VTR摄像机，运动图像记录摄像机，移动电话的数码像机，移动电话的TV摄像机，车载摄像机，人造卫星的摄像机，行星探测器的摄像机，空间探测器的摄像机的任何一种都是电子成像装置的例子。

观察装置指例如显微镜，望远镜，眼镜，双眼望远镜，放大镜，纤维镜，搜索器(finder)或者取景器。

显示装置包括例如液晶显示器，取景器，游戏机(索尼公司的PlayStation)，视频投影仪，液晶投影仪，头戴式显示器(HMD)，个人数字助理(PDA)，或者移动电话。

照明装置包括例如摄像机频闪灯，汽车前灯，内窥镜光源，或者用于显微镜的光源。

信号处理器指例如移动电话，个人电脑，游戏机，光盘读/写装置，光学计算机的算术单元，光学转接器，光信息处理器或PDA。

信息发射机指能输入和传输任何来自移动电话；固定电话；游戏机、TV、无线电盒式磁带录音机，或立体声***的遥控装置；个人电脑；或用于个人电脑的键盘、鼠标或触摸板的信息的装置。还包括具有成像装置的TV监视器，或者用于个人电脑的监视器或显示器。信息发射机归入信号处理器一类。

图像传感器指例如CCD，摄像管，固态图像传感器，或者照相胶卷。将平行平面板视作棱镜的一种。观察者的改变包括屈光度改变。物体的改变包括物距改变。物体的位移包括被照相物体物距的改变，物体移动，振动或者物体震动。

如下定义展开面：

任何形状，如球形、平面和旋转对称非球面；相对光轴偏轴的球面、平面或旋转对称非球面；具有对称表面的非球面；仅具有一个对称表面的非球面；不具有对称表面的非球面；自由成形的表面；具有不可区分的点或线的表面；等等，是符合要求的。此外，任何对于光有某些效果，如反射表面或折射表面，是符合要求的。在本发明中，假设这种表面统称作展开面。

可变光学性质元件包括变焦镜头，可变反射镜，表面轮廓改变的偏转棱镜，可变角度棱镜，或者光偏转功能改变的可变衍射光学元件，即可变HOE或者可变DOE。

变焦镜头也包括焦距不改变，但像差量改变的可变透镜。可变反射镜包括焦距不改变，但像差量改变的反射镜。变焦镜头包括设有反射表面的反射镜，形状不改变的变焦反射镜，或者形状改变的可变形反射镜。总之，将光偏转功能如反射，折射或衍射可以改变的光学元件称作可变光学性质元件。

Claims (32)

1、一种可变光学性质元件，包括：

多个电极；

由电力驱动且变形成凸形的基板；

与该基板构成一体的电极；

设置在该基板上的光学表面；以及

与该电极相连的驱动电路。

2、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面构成一体的第一电极；以及

设置在该光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中之一具有用于透过所用光束的开口，

电压或电流施加在该第一电极与该第二电极上，或该第一电极与该第三电极上，从而改变光偏转性质。

3、如权利要求2所述的可变光学性质元件，其中该可变光学性质元件为可变反射镜。

4、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体、分成多段的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上、分成多段的第二电极，

相同符号的电荷存储在该第一电极和该第二电极其中至少一组中，每个电极分成该多段，从而在该分离电极之间产生电力，使该光学表面变形。

5、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上的第二电极，

将该第一电极或该第二电极分成多段，在其间施加交流电压或交流电流，从而在该第一电极与该第二电极之间产生排斥力或者电力，使该光学表面变形。

6、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上的第二电极，

将该第一电极和该第二电极的每一个分成多段，在其间施加交流电压或交流电流，从而在该第一电极与该第二电极之间产生排斥力或电力，使该光学表面变形，同时，在分离电极之间设置电阻器，并且交流电压不施加给该电阻器。

7、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

设置在该光学表面至少一侧上的第二电极，

将电压或电流施加给该第一电极或该第二电极，从而改变光偏转性质，

其中与可变形基板设置为一体的电极与设置在其余电极上的电极不平行。

8、如权利要求2、4、5或7任何一个所述的可变光学性质元件，其中该可变光学性质元件用于补偿光学装置的震动。

9、如权利要求2、4、5或7任何一个所述的可变光学性质元件，其中该可变光学性质元件用于补偿温度改变，湿度改变，制造误差，和光学装置随时间的改变其中一种。

10、如权利要求4-5任何一个所述的可变光学性质元件，满足以下条件：

$0.000001\≤t/\sqrt{w}\≤10000$

其中t为所述第一电极和所述第二电极每一个的厚度，w为其面积。

11、一种包括光学***的光学装置，该光学***设有具有多个分离电极的可变光学性质元件，其中可以将与光学***对称性不同的电压分布施加给该电极。

12、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

以部分阻挡所用光束的方式设置在该光学表面一侧上的第二电极，

电压或电流施加在该第一电极与该第二电极之间，从而改变光偏转性质。

13、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；以及

多个与该光学表面设置为一体的电极，

该光学表面通过电极之间产生的电力变形，从而可改变光偏转性质。

14、如权利要求13所述的可变光学性质元件，其中不同符号的电荷存储在所述多个电极中。

15、一种改变光偏转性质的可变光学性质元件，包括：

具有导电性的可变形光学表面；以及

与该光学表面设置为一体的多个电极，

按照该多个电极划分具有导电性的该光学表面。

16、如权利要求4、5、7或13任何一个所述的改变光偏转性质的可变光学性质元件，其中该可变形光学表面具有导电性，并且按照该第一电极划分具有导电性的该光学表面。

17、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上的第二电极，

通过在该第一电极与该第二电极之间施加相同符号的电荷产生电力或排斥力，以改变光偏转性质。

18、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上的第二电极，

通过在该第一电极与该第二电极之间施加电流或电压产生电力或排斥力，以改变光偏转性质。

19、一种可变光学性质元件，包括：

可变形光学表面；

与该光学表面设置为一体、分成多段的第一电极；以及

设置在该光学表面一侧上、分成多段的第二电极，

通过在实际上彼此相对的分开的该第一电极与该第二电极之间存储相同符号的电荷在分离电极之间产生排斥力，使该光学表面变形。

20、一种可变反射镜，包括：

具有反射表面和基板的可变形部分；以及

与该基板相对设置的电极，

将该反射表面分成多段，并且由电力驱动。

21、一种可变反射镜，包括：

具有反射表面和基板的可变形部分；以及

与该基板相对设置的电极，

将该反射表面划分成多段，并且具有电极的功能，

该反射表面由电力驱动。

22、一种具有可变形反射表面的可变反射镜，其中该反射表面可以变形成凸形或凹形，并且可使用液体，静电力，电场，电磁力，压电效应，磁收缩，温度改变，电磁波其中至少一种使该反射表面变形。

23、一种具有可变形反射表面的可变反射镜，其中该反射表面可以变形成凸形或凹形，并且当该反射表面变形成凸形时使用液体压力，当该反射表面变形成凹形时使用电力。

24、一种具有可变反射镜的成像装置，其中该可变反射镜具有可变形反射表面，其中当该可变反射镜的表面轮廓平坦时，景深远点近似无穷远的距离处的物体聚焦。

25、一种具有可变反射镜的成像装置，其中该可变反射镜具有可变形反射表面，其中该反射表面在聚焦过程中呈现出凹形和凸形。

26、一种具有可变形光学表面的变焦镜头，其中该光学表面可以变形成凸形或凹形，并且可使用液体，静电力，电场，电磁力，压电效应，磁收缩，温度改变，电磁波其中至少一种使该光学表面变形。

27、一种具有可变形光学表面的变焦镜头，其中该光学表面可以变形成凸形或凹形，并且当该光学表面变形成凸形时使用液体压力，当该光学表面变形成凹形时使用电力。

28、一种具有变焦镜头的成像装置，其中该变焦镜头具有可变形光学表面，其中当该变焦镜头的表面轮廓平坦时，使景深远点的距离近似无穷远的物体聚焦。

29、一种具有变焦镜头的成像装置，其中该变焦镜头具有可变形光学表面，其中当该变焦镜头的表面轮廓平坦时，从无穷远到0.5米任意距离处的物体聚焦。

30、一种具有变焦镜头的成像装置，其中该变焦镜头具有可变形光学表面，其中在聚焦过程中该光学表面呈现出凹形和凸形。

31、一种光学装置，包括：

可变光学性质元件；

震动传感器；以及

图像传感器，

该可变光学性质元件包括：

可变形光学表面；

与该光学表面构成一体的第一电极；以及

设置在该光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中之一具有透过所用光束的开口，

在第一电极与第二电极上或第一电极与第三电极上施加电压或电流，从而改变光偏转性质，

其中可变光学性质元件的光学表面发生变形，从而补偿震动。

32、一种具有可变光学性质元件的光学装置，

该可变光学性质元件包括：

可变形光学表面；

与该光学表面构成一体的第一电极；以及

设置在该光学表面两侧上的第二电极和第三电极，至少其中之一具有透过所用光束的开口，

在该第一电极与该第二电极之间或该第一电极与该第三电极之间施加电压或电流，从而改变光偏转性质，

其中该可变光学性质元件的该光学表面发生变形，从而对温度改变、湿度改变、制造误差和随时间的改变其中至少一种进行补偿。

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