WO2015091834A1 - Dispositif optique a variation de focale - Google Patents

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WO2015091834A1
WO2015091834A1 PCT/EP2014/078516 EP2014078516W WO2015091834A1 WO 2015091834 A1 WO2015091834 A1 WO 2015091834A1 EP 2014078516 W EP2014078516 W EP 2014078516W WO 2015091834 A1 WO2015091834 A1 WO 2015091834A1
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WO
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membrane
fluid
actuating
membranes
central portion
Prior art date
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PCT/EP2014/078516
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Inventor
Sébastien BOLIS
Original Assignee
Wavelens
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid

Definitions

  • the present invention relates to an optical zooming device and a method of varying the focal length of such an optical device.
  • optical zoom function into a compact optical system comprising a plurality of lenses with fixed focal length
  • optical devices alone provide a variation of magnification, others must be associated with fixed optics or other devices with variable focus to ensure the zoom function.
  • a device that makes it possible to work in a divergent mode or in a convergent mode is particularly advantageous since it makes it possible to benefit from a wider range of variation in the focal length.
  • liquid-based variable focus devices have been developed to meet this need, for example based on electro-wetting [1] or liquid crystal [2].
  • Two membranes are generally used to increase the optical power of the device.
  • the membranes deform under the effect of the fluid pressure induced by displacement of the fluid.
  • each of the two membranes is actuated independently of the other, each membrane being associated with a cavity containing the fluid, which is separated from the other by a substrate, and having its own actuating device [3, 4 ].
  • the fluid pressure imposed on one of the membranes may thus be different from the other.
  • Figure 1A illustrates a convergent bi-convex lens, which may be symmetrical or not.
  • This device comprises a support 3 to which two deformable membranes 1, 2 are bonded in a respective peripheral anchor zone 1c, 2c, and a rigid plate 31 extending between the two membranes.
  • Each membrane 1, 2 defines, with the support 3 and the plate 31, a respective constant volume of a fluid 41, 42. Due to the presence of the rigid plate 31 interposed between the fluid volumes 41 and 42, the deformations of the two membranes are independent of each other.
  • Each membrane 1, 2 is provided with an actuating device 5, 5 'arranged on a respective intermediate zone 1a, 2a between the central part 1b, 2b and the anchoring zone 1c, 2c of each membrane.
  • the actuators 5, 5 'of the two membranes 1, 2 deflect towards the membrane and the fluid 41, 42 (in the direction of the arrows) to obtain the bi-convex configuration illustrated in FIG. 1A.
  • Figure 1 B corresponds to a divergent lens bi-concave, which may be symmetrical or not.
  • the structure of the device is similar to that of the device of FIG. 1A, the actuating device 5, 5 'of each membrane being able to deflect in the direction opposite to that of FIG. 1A (in the direction of the arrows ) to obtain such a configuration.
  • FIGS. 2A to 2C illustrate another example of an optical device having a structure similar to that of FIG. 1A, in which the membrane 2 provides the convergent function (with a bending of the actuating device 5 'in one direction, towards the fluid) and the membrane 1 ensures the divergent function (with a deflection of the actuating device 5 in the opposite direction), each membrane being associated with an independent fluid volume 41, 42.
  • the elements designated by the same reference signs in Figures 1A-1C and 2A-2C are similar.
  • FIG. 2A represents the optical device at rest, taking the example of an infinite initial focal length.
  • FIG. 2B shows the optical device actuated so as to be convergent: for this purpose, the actuating device 5 is not activated; only the actuating device 5 'is activated so as to bend towards the fluid 42. A convex plane convex lens is thus obtained.
  • FIG. 2C shows the optical device actuated so as to be divergent: for this purpose, the actuating device 5 'is not activated; only the actuating device 5 is activated so as to bend towards the fluid 41. A concave plane divergent lens is thus obtained.
  • the two membranes are coupled by a constant volume of fluid enclosed between said membranes [5-10], both membranes are subjected to the same fluid pressure.
  • Figures 3A and 3B illustrate such optical devices.
  • the device of FIGS. 3A and 3B does not contain a plate separating the volumes of fluid associated with each membrane.
  • the device therefore contains a single constant volume of fluid 4 mechanically coupling the membranes 1 and 2.
  • the actuators 5, 5 'of the two membranes jointly participate in modifying the fluid pressure applied to each of said membranes.
  • the actuating devices To obtain an optical system which makes it possible, from a rest position, to have positive and negative focal length variations, the actuating devices must operate in both directions.
  • the electrical voltages required for the actuators are typically greater than 30V (a voltage of +/- 40V is mentioned in [3]).
  • the device illustrated in FIGS. 2A to 2C may be alternately convergent and divergent, using actuators operating in a single direction.
  • the disadvantage of such a device, which consists in superimposing two single-membrane devices, is that it offers focal length variations that are much smaller than the variations that the devices illustrated in FIGS. 1A-1B and 3A-3B allow to get.
  • An object of the invention is therefore to design an optical device providing a range of variation over a wide range, allowing a simple operation (including implementing low electrical operating voltages), which is compact and simple to manufacture.
  • a zoom optical device comprising:
  • a device for actuating a region of the first membrane located between the anchoring zone and a central part of the first membrane configured to deform by application of an electrical operating voltage in a single direction of deflection so as to move a portion of the fluid volume, said displacement of the fluid being capable of inducing a deformation of the central portion of the first membrane
  • the first diaphragm only deforms in a first direction when an actuating electrical voltage lower than a threshold is applied to the actuating device and the second membrane is deformed to absorb the fluid displacement induced by the deformation of the first membrane, so as to minimize the pressure of the fluid on the first membrane, and
  • the central portion of the first membrane is deformed in a second direction opposite to the first direction under the effect of the pressure of the fluid displaced by the device actuation when applying to the actuating device an actuating voltage greater than said threshold.
  • the second membrane has a lower stiffness than the central portion of the first membrane.
  • the optical device further comprises a device for actuating an actuation region of the second membrane located between the anchoring zone and a central part of said membrane, configured to deform by application of an electrical operating voltage.
  • the device for actuating the second membrane is able to deform in two opposite directions depending on the electrical operating voltage applied to said device.
  • the central portion of the first membrane in its rest configuration, is flat.
  • the optical device comprises a substrate extending between the two membranes and comprising at least one fluid passage, so that the fluid pressure is identical on both sides of said substrate.
  • the material of the first and / or second membrane may be a siloxane resin or a mineral material comprising silicon.
  • the device for actuating the first membrane comprises at least one piezoelectric actuator.
  • the first or the second membrane is reflective.
  • the stiffness of the first membrane may advantageously be chosen so that in the absence of a fluid pressure exerted on said membrane, the application of an electrical operating voltage to the actuating device causes the deformation of the region. actuating and the central portion of the membrane, the tangents to the membrane on either side of the junction between the actuating region and the central portion being merged.
  • the diameter of the deformable portion of the first membrane is different from the diameter of the deformable portion of the second membrane.
  • the diameter of the deformable portion of the first membrane is identical to the diameter of the deformable portion of the second membrane.
  • Another object relates to a method of varying the focal length of an optical device comprising
  • the first and second diaphragms each form a plane dioptre
  • the first actuating electrical voltage is applied so as to deform the actuation region and the central part towards the fluid, the second membrane deforming in the opposite direction to the fluid, so that the central part of the first membrane forms a diverging diopter and the second membrane forms a convergent diopter,
  • the second electrical voltage is applied so as to deform the actuation region towards the fluid, the displacement of the fluid inducing a deformation of the central part in the direction opposite to the fluid, so that the central part of each of the two membranes forms a converging diopter.
  • the diameter of the deformable portion of the first membrane is smaller than the diameter of the deformable portion of the second membrane and:
  • the first and second diaphragms each form a plane dioptre
  • the first actuating electrical voltage is applied so as to deform the actuation region and the central part towards the fluid, the second membrane becomes deforming in the opposite direction to the fluid, so that the optical device forms a divergent meniscus.
  • the diameter of the deformable portion of the first membrane is greater than the diameter of the deformable portion of the second membrane and:
  • the first and second diaphragms each form a plane dioptre
  • the first actuating electrical voltage is applied so as to deform the actuation region and the central part towards the fluid, the second membrane deforming in the opposite direction to the fluid, so that the optical device forms a convergent meniscus.
  • the optical device comprises a device for actuating an actuation region of the second membrane located between the anchoring zone and a central portion of said membrane, configured to deform by application of a operating voltage and:
  • the first and second diaphragms each form a plane dioptre
  • the first actuating electrical voltage is applied to the device for actuating the first membrane so as to deform the actuation region and the central part towards the fluid without applying an electrical operating voltage to the actuation device of the first diaphragm.
  • second membrane the second membrane deforming in the opposite direction to the fluid, so that the central portion of the first membrane forms a diverging diopter and the second membrane forms a convergent diopter,
  • the second actuating electrical voltage is applied to the actuating device of the first membrane so as to deform the actuation region towards the fluid and an actuating electrical voltage is applied to the device for actuating the second membrane towards the the fluid, so that to increase the convergence of the diopter formed by the central portion of the second membrane.
  • Another object of the invention relates to a shooting device comprising an optical device as described above.
  • FIGS. 1A and 1B respectively represent a section of a convergent bi-convex lens and a divergent bi-concave lens of known type
  • FIGS. 2A to 2C show in section the different operating states of an optical device of known type that can be convergent or divergent
  • FIGS. 3A and 3B show in section two operating states of an optical device of known type in which the two membranes are coupled by a volume of fluid enclosed between them
  • FIG. 4A illustrates the vacuum deformation (that is to say, not subjected to a fluid pressure) of the first membrane of an optical device according to the invention
  • FIG. 4B illustrates, by way of comparison, the vacuum deformation of a membrane which is not suitable for the implementation of the invention because of insufficient rigidity
  • FIG. 5A illustrates a configuration of an optical device according to a mode embodiment of the invention, wherein the diopter formed by the first membrane is divergent and the diopter formed by the second membrane is convergent;
  • FIG. 5B presents, by hatching, the volumes of fluid displaced during the deformation of the membranes in this configuration
  • FIG. 6A illustrates a configuration of the same optical device as that of FIGS. 5A and 5B, corresponding to a higher operating electrical voltage than in the configuration of FIGS. 5A and 5B, in which the diopter formed by the first membrane is convergent and the diopter formed by the second membrane is also convergent;
  • FIGS. 6B and 6C show, by hatching, the volumes of fluid displaced during the deformation of the membranes in this configuration
  • FIG. 7A illustrates an optical device according to one embodiment of the invention, in which the geometry of the two membranes is substantially identical;
  • FIG. 7B presents by hatching the volumes of fluid displaced during the deformation of the membranes in the configuration of Figure 7A,
  • FIG. 8A illustrates an optical device according to one embodiment of the invention, in which the first membrane has a diameter smaller than that of the second membrane;
  • FIG. 8B presents by hatching the volumes of fluid displaced during the deformation of the
  • FIG. 9A illustrates an optical device according to one embodiment of the invention, in which the first membrane has a diameter greater than that of the second membrane,
  • FIGS. 10A and 10B show two configurations of an optical device according to an embodiment in which the two membranes are operable
  • FIGS. 11A to 11C illustrate various possible configurations of an optical device according to the invention
  • FIGS. 12A and 12B illustrate other possible configurations of an optical device according to the invention
  • FIG. 13 illustrates the optical power variation of the device as a function of the deflection of the first membrane
  • FIG. 14 illustrates the deflection of each membrane as a function of the fluid pressure
  • Figure 15 schematically illustrates a camera comprising an optical device according to the invention.
  • FIGS. 5A, 5B and 6A-6C illustrate different operating configurations of an optical device 100 according to one embodiment of the invention.
  • the optical device 100 has an optical axis X.
  • the device 100 comprises two deformable membranes 1, 2 whose periphery is anchored in a sealed manner on a support 3.
  • the support 3 is in the form of an annular ring whose center is intended to receive a volume of a fluid 4 contained in a sealed cavity delimited by the two membranes 1, 2 and the support 3.
  • the fluid 4 can be a liquid or a gas.
  • the membranes 1 and 2 are then anchored on either side of the support 3.
  • the membranes extend substantially parallel to each other.
  • Each membrane comprises a respective peripheral anchoring zone 1c, 2c.
  • Each membrane further comprises a respective central portion 1b, 2b which corresponds to an optical field of the optical device.
  • Each membrane thus comprises a face, said inner face, which is in contact with the fluid 4, and an opposite face, said outer face, which is in contact with a second fluid, not referenced, which may be ambient air.
  • membrane any flexible and waterproof film, so that the membrane forms a barrier between the fluid 4 and the fluid located on the opposite face of the membrane.
  • the two membranes 1, 2 are transparent, at least in their central portion 1b, 2b, to an optical beam (not shown) intended to propagate. through the lens, successively passing through the central portion of a first lens, the fluid and the central portion of the second lens.
  • each membrane 1, 2 is able to deform in a reversible manner, from a rest position (which may be plane or not), under the action of a displacement of the fluid 4 which varies the thickness of the fluid at level of the central part of each membrane.
  • the fluid 4 is enclosed between the two membranes 1, 2 and provides a mechanical coupling of said membranes, so that the effect of a fluid displacement can not be evaluated independently for each of the membranes but in combination according to the respective properties of the membrane. each of the membranes.
  • the fluid 4 is sufficiently incompressible to move towards the central part of the device when a force is applied to a membrane in the direction of the fluid, this force being applied in an intermediate portion between the anchoring zone and the central portion of the device. the membrane.
  • the shape of the support 3 and the membranes 1 and 2 may advantageously have a shape of revolution around the optical axis X, but the skilled person may choose any other form without departing from the scope of the present invention.
  • the device at least one of the two membranes is provided with an actuating device.
  • the first membrane, referenced 1 has an actuating device 5; the second membrane, referenced 2, may or may not be equipped with an actuating device.
  • the second membrane does not have an actuating device, so that its possible deformation results solely from the displacement of the fluid 4.
  • the membrane 1 actuated is positioned on the upper face of the device, it goes without saying that it could also be positioned on the underside of the device, the membranes 1 and 2 being interchanged.
  • the actuating device is designed to deform in a single direction, that is to say, according to the configuration of the device, to the fluid (in order to successively obtain a divergent device then convergent) or the opposite fluid (in order to successively obtain a convergent device and then divergent).
  • the actuating device is adapted to deform uniformly over the entire circumference of the actuating region.
  • An actuating device particularly adapted to obtain a single direction of operation is based on piezoelectric technology.
  • a piezoelectric actuator comprises a block of piezoelectric material totally or partially sandwiched between two electrodes intended, when they are powered, to apply an electric field to the material piezoelectric. This electric field is used to control a mechanical deformation of the block of piezoelectric material.
  • the block of piezoelectric material may be monolayer or multilayer and extend beyond an electrode.
  • the actuating device may comprise a single actuator in the form of a ring or of several distinct actuators regularly distributed over the circumference of the membrane.
  • the actuating device is arranged in a region 1a of the first membrane, called the operating region, located between the peripheral anchoring zone 1c and the central portion 1b of said membrane.
  • the actuating device may extend in part over the peripheral anchoring zone.
  • the actuating device is shown on the outer face of the first membrane.
  • the invention is not limited to this embodiment but also allows the actuating device to be arranged on the inner face of the first membrane, or even inside the first membrane.
  • the membrane 2 is more flexible than the central portion 1b of the membrane 1.
  • FIGS. 5A and 5B correspond to a first mode of operation of the optical device 100.
  • the deformation of the membranes 1 and 2 is represented under the effect of a displacement of the fluid 4 obtained by the application to the actuating device 5 of an actuating electrical voltage lower than a determined threshold. .
  • the actuating device 5 deforms the actuation zone 1a of the membrane 1 towards the fluid 4 (direction of the arrows) and, insofar as its stiffness is sufficient, the central portion 1b of the membrane 1 deforms in the same way.
  • the diopter formed by the first membrane is concave / divergent and the diopter formed by the second membrane is convex / convergent .
  • the volume of fluid displaced by the deformation of the membrane 1 is equal to the volume absorbed by the deformation of the membrane 2 (represented by the hatched area V2).
  • FIGS. 6A and 6B correspond to a second mode of operation of the optical device 100.
  • the actuation region 1a of the membrane 1 remains deformed in the same direction as in FIG. 5A, but the central portion 1b of the said membrane 1 is deformed in a direction opposite to the direction of FIG. 5A under the effect of the pressure of the fluid 4 displaced by the actuating device 5.
  • the shaded region V0 represents the volume of fluid displaced by the actuation of the membrane 1 relative to the rest position, assuming that no fluid pressure is exerted on said membrane.
  • the hatched regions V1 and V2 represent the volumes of fluid absorbed by the deformation of the two membranes.
  • the sum of the fluid volumes represented by the regions V1 and V2 is equal to the volume of fluid represented by the V0 region due to the retention of the fluid volume.
  • the diopter formed by the membrane 1 is plane, or even convergent.
  • the two dioptres participate in the focal length of the device and allow to obtain larger focal length variations.
  • the electrical voltage threshold mentioned below can be determined experimentally by varying the operating voltage of the diaphragm actuating device and measuring the electrical voltage from which a reversal of the curvature of the part is observed. central of the first membrane.
  • FIGS. 4A and 4B show two examples of membranes having different stiffnesses, represented here anchored on a support but not subject to a fluid pressure. It is assumed in these two cases that the membrane is flat at rest.
  • the membrane 1 has a sufficiently large stiffness for the implementation of the invention, which results in the fact that when the actuating device 5 of said membrane is activated, the central portion 1b of the membrane 1 is deformed in the extension of the intermediate zone 1a on which is arranged the actuating device 5.
  • the membrane has a uniform stiffness throughout its deformable portion, the tangents to the membrane 1 of the part and else of the junction between the actuating region 1a and the central portion 1b are merged.
  • FIG. 4B illustrates a membrane having a stiffness that is too low for the implementation of the invention.
  • this membrane only deforms in the intermediate zone 1a where the actuating device is located, but its central part 1b does not deform and remains flat, merely translating relative to at his rest position.
  • the stiffness of the membrane 1 is defined so that the curvature obtained when the membrane is actuated (see FIG. 4A) is in accordance with the optical properties (divergence, convergence, etc.) desired for the device (see step 1 of the dimensioning example developed below).
  • a sufficiently stiff membrane 1 such as that of FIG. 4A induces a pressure in the fluid, linked to the force deployed by the actuating device 5, and consequently a movement of the fluid.
  • the skilled person can use finite element modeling software (Comsol for example) to determine the vacuum deformation (without fluid pressure) of the membrane under the effect of the actuation (configuration of Figure 4A).
  • Cart finite element modeling software
  • h is the thickness of the membrane
  • R is the radius of the membrane subjected to the pressure p
  • ⁇ is the deflection at the center of the membrane
  • v is the Poisson's ratio of the constituent material of the membrane
  • E is the Young's modulus of the material constituting the membrane.
  • optical power i.e., the inverse of the focal length
  • n is the refractive index of the fluid
  • Ri is the radius of curvature of the spherical diopter constituted by the first membrane (optical central part),
  • R 2 is the radius of curvature of the spherical diopter constituted by the second membrane (optical central part),
  • first mode of operation which corresponds to an actuating electrical voltage of the actuating device 5 of the diaphragm 1 below the aforementioned threshold
  • numerous optical configurations can be obtained according to the respective dimensioning of the first and second diaphragm.
  • Figures 7A and 7B illustrate an embodiment of the optical device 100 in which the membranes 1 and 2 have a substantially identical geometry, including substantially equal diameters.
  • diameter means the diameter of the deformable portion of a membrane, comprising the central portion and, where appropriate, the actuating zone, but excluding the peripheral anchoring zone which is fixed.
  • the device 100 is here represented in its first mode of operation.
  • the curvatures of the two diopters are substantially equal.
  • the resulting optical power is therefore not very high but it can be finely adjusted.
  • such an optical configuration has advantages other than the only variation in optical power. Indeed, by dimensioning the device by appropriately adjusting the fluid thickness between the two membranes, and the focal length associated with each of the two membranes, it is possible, for example, to obtain an afocal optical device having an effect on the magnification.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate an optical device 100 in which the membrane 1 has a diameter smaller than that of the membrane 2.
  • optical power of the devices illustrated in FIGS. 8A and 9A is therefore much higher than that of the device of FIG. 7A.
  • the different geometrical configurations of the optical device illustrated in FIGS. 7A, 8A and 9B make it possible to obtain, in the second mode of operation, very different convergent optical powers (convex plane lens, symmetrical biconvex lens or asymmetric biconvex lens). ).
  • FIGS. 10A and 10B illustrate an optical device 100 comprising a device 5 'for actuating the membrane 2 arranged on an area 2a of the intermediate membrane between the peripheral anchoring zone 2c and the central portion 2b of the membrane 2.
  • the membrane 1 is always provided with the actuating device 5.
  • the actuating device 5 In the first mode of operation (electrical actuation voltage of the device 5 below the aforementioned threshold), the actuating device 5 'is not activated and the membrane 2 therefore behaves as described above with reference to FIG. 5A (FIG. see Figure 10A).
  • the actuating device 5 In the second mode of operation (see FIG. 10B), the actuating device 5 'is activated to increase the pressure in the fluid 4 and to accentuate the convergent deformation of the diopter formed by the membrane 2 with respect to the configuration of the FIG. 6B.
  • the actuating device 5 'of the second membrane may be similar to that of the first membrane, that is to say based on the same operating technique in a single direction.
  • the device 5 it is also possible to design the device 5 'so that, unlike the device 5, it can be deformed in two opposite directions.
  • this device 5 in a first phase of operation, is activated in the same direction as that of the device 5, thus opposed to the fluid 4, to absorb the volume of fluid displaced by the membrane 1 while maintaining a diopter corresponding to the second membrane unchanged (advantageously plane).
  • the device 5 is activated in the opposite direction, namely towards the fluid 4, to accentuate the focal length variation of the optical device.
  • FIGS. 11A to 11C illustrate other configurations of the optical device, in which the two membranes are actuated. The device is shown in its second mode of operation.
  • the diaphragm 1 actuated forms a plane diopter and the membrane 2, which is actuated in the opposite direction to that of the membrane 1, forms a convergent meniscus.
  • the actuated membrane 1 forms a convergent meniscus and the membrane 2, which is actuated in the opposite direction to that of the membrane 1, forms a convergent meniscus.
  • the actuated membrane 1 forms a meniscus more convergent than that of FIG. 11B, and the membrane 2, which is actuated in the opposite direction to that of the membrane 1, forms a convergent meniscus only on Figure 1 1 B.
  • the first membrane formed a divergent diopter in the first mode of operation, then a plane diopter and then converge in the second mode of operation.
  • the optical axes of the two membranes are aligned, but it is also possible in other embodiments not to align said optical axes.
  • the optical device may comprise a stack of more than two membranes, the membranes being mechanically coupled by means of a volume of fluid held between two consecutive membranes, the nature of the fluid may be different between two pairs of membranes.
  • the optical device may comprise a substrate having an optical function (eg, diaphragm, infrared filter, etc.) between the two membranes.
  • the substrate then delimits two fluid cavities.
  • the substrate allows the passage of fluid from one cavity to another, so as to obtain an equal fluid pressure in the two cavities.
  • one or more orifices of sufficient size are provided in the substrate.
  • the optical device can be made by microelectronics techniques well known to those skilled in the art, in particular thin layer deposition techniques of the chemical vapor deposition type, physical vapor phase deposition, electrodeposition, epitaxy, thermal oxidation, evaporation film rolling.
  • the anchoring of the membranes on the support may involve bonding techniques.
  • the membranes 1, 2 may be made based on organic materials such as polydimethylsiloxane, polymethylmethacrylate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, parylene, epoxy resins, photosensitive polymers, silicones, or mineral materials such as silicon, silicon oxide, silicon nitride, polycrystalline silicon, diamond carbon.
  • the membranes may consist of a single layer of the same material or a stack of layers of different materials.
  • the membranes may exhibit identical stiffness at any point on their surface, or, on the contrary, may present different stiffnesses in different regions. In this case, it is the central part which must respect the conditions of stiffness exposed above.
  • the fluid 4 may be a liquid such as propylene carbonate, water, a liquid index, an optical oil or an ionic liquid, a silicone oil, an inert liquid with high thermal stability and low saturation vapor pressure.
  • the fluid may optionally be a gas such as air, nitrogen or helium mainly for an optical device operating in reflection.
  • the optical device operates in transmission, those skilled in the art will choose the refractive index of the fluid according to the desired optical performance.
  • the optical device may incorporate means for compensating for a variation in the focal length due to a variation in the temperature to which the device is subjected. Indeed, a difference in coefficient of thermal expansion between the different components may lead to a change in the focal length of the optical device when the temperature varies by a significant amplitude.
  • the device 100 may for example be manufactured according to the following method.
  • each membrane is advantageously a polymer (such as a siloxane resin) or a mineral material (such as silicon oxide, polycrystalline silicon, silicon nitride).
  • a polymer such as a siloxane resin
  • a mineral material such as silicon oxide, polycrystalline silicon, silicon nitride
  • each membrane involves controlling the residual stress in the membrane, so that it is not excessively compressive (to avoid any buckling of the membrane) nor excessively tensile (to avoid penalizing its deformation in operation).
  • the residual stress in each membrane is slightly tensile.
  • the device for actuating the first membrane is advantageously a piezoelectric device, preferably based on PZT. Then, the two subassemblies are assembled by encapsulating the fluid.
  • an adhesive is used to assemble the two substrates and to guarantee the distance separating them.
  • the fluid for example a liquid index or an optical oil, is previously dispensed on one of the substrates.
  • the two membranes are successively released by etching the silicon substrates in the central part and the actuation zone.
  • Step 1 choose the radius of the first membrane
  • a first step consists in defining the radius of the first membrane as well as the required deflection and curvature.
  • a deflection of the membrane of 85 ⁇ corresponds to a focal variation of -85 diopters with a liquid of index 1, 5 (with respect to a plane rest position at 1 infinite and for a deflection of the membrane towards the liquid).
  • the desired optical power variations must be overstated because they will ultimately be less important. Indeed, they are penalized by the effect of the second membrane: cf. the transition from -85 diopters to finally -7 diopters after the sizing calculation in the example developed below).
  • the width of the actuating region on the membrane is determined approximately according to the total radius of the membrane.
  • this width of the actuation region is first fixed at 500 ⁇ .
  • the deformation of the first membrane in the absence of fluid shown in FIG. 4A is obtained by the effect of (s) actuator (s) located on the periphery of this membrane.
  • An example of biasing the actuating device to obtain such a deformed is a bending moment applied to the membrane.
  • the moment to apply on the membrane according to its geometry (thickness, diameter) and its properties (Young's modulus, internal stress) to obtain the desired deformation without fluid can be determined by using the equations detailed in [13] or by performing finite element simulations (with COMSOL software for example).
  • the dimensioning of the piezoelectric actuation can then be carried out using the techniques of the state of the art.
  • the properties of the first membrane are a Young's modulus of 100 MPa, a Poisson's ratio of 0.35, a thickness of 200 ⁇ and an internal stress of 0.5 MPa.
  • Step 2 choose the radius of the second membrane
  • the radius retained for the second membrane has a direct influence on the optical power of the device.
  • it is necessary that the radius of the second membrane is greater than that of the first membrane, as shown in Figure 8A.
  • the optical power of the device associated with a deflection of the first membrane of 85 ⁇ is no longer -85 diopters but -26 diopters.
  • Step 3 choice of the mechanical properties of the second membrane
  • the properties of the second membrane (Young's modulus E, Poisson's ratio v, internal stress o r ) are chosen so that its behavior is non-linear given its radius and the required deflections.
  • the second membrane is chosen for a Young's modulus mineral material 230 GPa, with a Poisson's ratio of 0.35 and an internal stress of 0.5 MPa.
  • the thickness of the second membrane is too small, then only the second membrane deforms under the effect of the fluid pressure induced by the actuation of the first membrane.
  • the optical device will then always be divergent (no feedback from the central part of the first membrane).
  • the second membrane does not deform sufficiently and the feedback of the central portion of the first membrane occurs from the beginning of the actuation of the first membrane.
  • the optical device will then always be convergent.
  • the thickness retained for the second membrane is 10 ⁇ .
  • Step 4 update the deformations of each of the membranes
  • Step 5 update the actuation of the first membrane
  • the associated deflection of the first membrane is then recalculated, this time taking into account the counter-reaction and the deformation of the central part of the first membrane.
  • the deflection initially calculated at 85 ⁇ is 87 ⁇ .
  • step 1 An update of the data determined in step 1 (sizing and width of the actuating device, intrinsic properties of the first membrane) can be optionally performed in this step.
  • FIG. 13 shows the optical power variation of the device (in diopters) as a function of the deflection ⁇ of the first membrane, in the case of an actuation in the absence of the fluid.
  • Figure 14 illustrates the deformation of the membranes under uniform fluid pressure.
  • the upper curve ⁇ 2 represents the deformation of the membrane 2, the lower curve ⁇ 1, the deformation of the membrane 1.
  • the intermediate curve ⁇ 3 represents the deformation of the membrane 2 by readjusting its diameter to the dimension of the diameter of the central part of the membrane. membrane 1, so as to allow the comparison of the stiffnesses with equal dimension
  • An optical device as described above may advantageously be incorporated in a shooting device comprising a zoom function.
  • FIG. 15 shows the structure of a shooting device comprising fixed-focus lenses S1, S2, liquid lenses L1, L2 and a filter F, the image plane being designated by the reference I.
  • At least one of the liquid lenses L1, L2 of this device may be an optical device according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optique (100) à variation de focale comprenant: - une première membrane (1) déformable, - une deuxième membrane (2) déformable, - un support (3) auquel une zone d'ancrage périphérique respective (1c) de chacune desdites membranes (1,2) est liée, - un volume constant d'un fluide (4) enfermé entre la première et la deuxième membrane, - un dispositif (5) d'actionnement d'une région (1a) de la première membrane située entre la zone d'ancrage (1c) et une partie centrale (1b) de la première membrane (1), configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement dans un unique sens de déflection de sorte à déplacer une partie du volume de fluide. La partie centrale (1b) de la première membrane (1) présente une raideur suffisante pour que: - à partir d'une position de repos dans laquelle le dispositif (5) d'actionnement est inactif, la première membrane (1) se déforme uniquement dans un premier sens lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement (5) une tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil et la seconde membrane(2)se déforme pour absorber le déplacement de fluide induit par la déformation de la première membrane(1), de sorte à minimiser la pression du fluide sur la première membrane, et - la région d'actionnement (1a) de la première membrane restant déformée dans ledit premier sens, la partie centrale(1b) de la première membrane (1) se déforme dans un second sens opposé au premier sens sous l'effet de la pression du fluide (4) déplacé par le dispositif d'actionnement(5) lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement (5) une tension électrique d'actionnement supérieure audit seuil.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE A VARIATION DE FOCALE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif optique à variation de focale ainsi qu'un procédé de variation de la focale d'un tel dispositif optique.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Pour intégrer la fonction de zoom optique dans un système optique compact comportant plusieurs lentilles à focale fixe, il peut être intéressant, notamment en vue de minimiser l'épaisseur du système optique, d'intégrer au moins un dispositif optique à focale variable permettant d'obtenir de fortes variations de focale.
Certains dispositifs optiques assurent à eux seuls une variation de grandissement, d'autres doivent être associés à des optiques fixes ou à d'autres dispositifs à focale variable pour assurer la fonction de zoom.
Pour les applications aux caméras miniatures, notamment les caméras destinées à la téléphonie mobile, on cherche à concevoir un dispositif optique à focale variable compact et peu onéreux.
Un dispositif permettant de travailler soit dans un mode divergent soit dans un mode convergent est particulièrement avantageux puisqu'il permet de bénéficier d'une plus large gamme de variation de la focale.
Différents types de dispositifs à focale variable à base de liquide ont été développés pour répondre à ce besoin, reposant par exemple sur une technique d'électro-mouillage [1] ou à base de cristaux liquides [2].
D'autres solutions sont basées sur l'utilisation de membranes déformables soumises à la pression d'un fluide, chaque membrane formant un dioptre.
Deux membranes sont généralement employées afin d'augmenter la puissance optique du dispositif.
Dans ces dispositifs, les membranes se déforment sous l'effet de la pression de fluide induite par un déplacement du fluide.
Dans certaines applications, chacune des deux membranes est actionnée indépendamment de l'autre, chaque membrane étant associée à une cavité renfermant le fluide, qui est séparée de l'autre par un substrat, et possédant son propre dispositif d'actionnement [3, 4].
La pression de fluide imposé à l'une des membranes peut ainsi être différente de l'autre.
Différentes configurations de lentilles où les actionneurs destinés à faire varier la focale sont agencé à la périphérie de chaque membrane sont présentées sur les figures 1A et 1 B. La figure 1A illustre une lentille convergente bi-convexe, qui peut être symétrique ou non.
Ce dispositif comprend un support 3 auquel deux membranes déformables 1 , 2 sont liées dans une zone d'ancrage périphérique respective 1 c, 2c, ainsi qu'une plaque rigide 31 s'étendant entre les deux membranes. Chaque membrane 1 , 2 définit, avec le support 3 et la plaque 31 , un volume constant respectif d'un fluide 41 , 42. De par la présence de la plaque rigide 31 interposée entre les volumes de fluide 41 et 42, les déformations des deux membranes sont indépendantes l'une de l'autre.
Chaque membrane 1 , 2 est munie d'un dispositif d'actionnement 5, 5' agencé sur une zone intermédiaire respective 1 a, 2a entre la partie centrale 1 b, 2b et la zone d'ancrage 1 c, 2c de chaque membrane.
Les actionneurs 5, 5' des deux membranes 1 , 2 se défléchissent vers la membrane et le fluide 41 , 42 (dans le sens des flèches) pour obtenir la configuration bi-convexe illustrée sur la figure 1A.
La figure 1 B correspond à une lentille divergente bi-concave, qui peut être symétrique ou non.
La structure du dispositif est similaire à celle du dispositif de la figure 1 A, le dispositif d'actionnement 5, 5' de chaque membrane étant apte à se défléchir dans le sens opposé à celui de la figure 1 A (dans le sens des flèches) pour obtenir une telle configuration.
Dans la mesure où les deux dioptres fonctionnent indépendamment l'un de l'autre, il est également possible d'obtenir de nombreuses autres configurations de lentilles convergentes (plan convexe ou ménisque convergent) ou divergentes (plan concave ou ménisque divergent).
Les figures 2A à 2C illustrent un autre exemple d'un dispositif optique présentant une structure similaire à celle de la figure 1A, dans lequel la membrane 2 assure la fonction convergente (avec un fléchissement du dispositif d'actionnement 5' dans un sens, vers le fluide) et la membrane 1 assure la fonction divergente (avec un fléchissement du dispositif d'actionnement 5 dans le sens opposé), chaque membrane étant associée à un volume de fluide indépendant 41 , 42. Les éléments désignés par les mêmes signes de référence sur les figures 1 A-1 C et 2A-2C sont similaires.
La figure 2A représente le dispositif optique au repos, prenant l'exemple d'une focale initiale infinie.
La figure 2B représente le dispositif optique actionné de sorte à être convergent : à cet effet, le dispositif d'actionnement 5 n'est pas activé ; seul le dispositif d'actionnement 5' est activé de sorte à fléchir vers le fluide 42. On obtient ainsi une lentille convergente plan convexe.
La figure 2C représente le dispositif optique actionné de sorte à être divergent : à cet effet, le dispositif d'actionnement 5' n'est pas activé ; seul le dispositif d'actionnement 5 est activé de sorte à fléchir vers le fluide 41. On obtient ainsi une lentille divergente plan concave.
Dans d'autres applications, les deux membranes sont couplées par un volume constant de fluide enfermé entre lesdites membranes [5-10], les deux membranes sont soumises à la même pression de fluide.
Les figures 3A et 3B illustrent de tels dispositifs optiques. Par rapport au dispositif illustré aux figures 1A à 2C, le dispositif des figures 3A et 3B ne contient pas de plaque séparant les volumes de fluide associés à chaque membrane. Le dispositif contient donc un unique volume constant de fluide 4 couplant mécaniquement les membranes 1 et 2.
Dans ces dispositifs, les dispositifs d'actionnement 5, 5' des deux membranes participent conjointement à modifier la pression de fluide appliquée sur chacune desdites membranes.
Quand les dispositifs d'actionnement 5, 5' se défléchissent vers le fluide 4, la pression est augmentée et les deux membranes 1 , 2 deviennent convexes (dispositif convergent, voir figure 3A).
Quand les dispositifs d'actionnement 5, 5' se défléchissent dans le sens opposé au fluide 4, les deux membranes 1 , 2 deviennent concaves (dispositif divergent, voir figure 3B).
Pour obtenir un système optique qui permet, à partir d'une position de repos, d'avoir des variations de focale positives et négatives, les dispositifs d'actionnement doivent fonctionner dans les deux sens.
Cependant, un tel actionnement est complexe à mettre en œuvre.
En effet, les tensions électriques requises pour les actionneurs sont typiquement supérieures à 30V (une tension de +/- 40V est mentionnée dans [3]).
Dans les dispositifs existants, des couches épaisses de matériaux piézoélectriques sont collées sur chaque membrane, ce qui implique un procédé de fabrication complexe et impose un certain nombre de contraintes sur la membrane et sur la géométrie du dispositif.
Il est toutefois possible de réaliser un tel actionnement à double sens en utilisant les technologies MEMS.
Il faut alors soit utiliser des matériaux qui ont la faculté de se déformer dans les deux sens, mais ces matériaux (l'AIN par exemple) sont moins performants en terme d'actionnement, soit utiliser un actionneur bimorphe comprenant deux couches de céramique PZT (Titano-Zirconate de Plomb).
Sachant que la céramique PZT présente un coût de fabrication élevé, cette dernière option est particulièrement onéreuse.
Le dispositif illustré sur les figures 2A à 2C peut être alternativement convergent et divergent, en utilisant des actionneurs fonctionnant dans un unique sens. L'inconvénient d'un tel dispositif, qui consiste à superposer deux dispositifs à membrane unique, est qu'il offre des variations de focales bien moins importantes que les variations que les dispositifs illustrés sur les figures 1 A-1 B et 3A-3B permettent d'obtenir.
En effet, un seul dioptre est actif dans la configuration convergente, l'autre dioptre étant actif dans la configuration divergente.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est donc de concevoir un dispositif optique procurant une variation de focale sur une gamme étendue, permettant un actionnement simple (notamment mettant en œuvre de faibles tensions électriques d'actionnement), qui soit compact et simple à fabriquer.
Conformément à l'invention, il est proposé un dispositif optique à variation de focale comprenant :
- une première membrane déformable,
- une deuxième membrane déformable,
- un support auquel une zone d'ancrage périphérique respective de chacune desdites membranes est liée,
- un volume constant d'un fluide enfermé entre la première et la deuxième membrane, ledit fluide procurant un couplage mécanique desdites première et deuxième membranes,
- un dispositif d'actionnement d'une région de la première membrane située entre la zone d'ancrage et une partie centrale de la première membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement dans un unique sens de déflection de sorte à déplacer une partie du volume de fluide, ledit déplacement du fluide étant susceptible d'induire une déformation de la partie centrale de la première membrane,
ledit dispositif optique étant caractérisé en ce que la partie centrale de la première membrane présente une raideur suffisante pour que :
- à partir d'une position de repos dans laquelle le dispositif d'actionnement est inactif, la première membrane se déforme uniquement dans un premier sens lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement une tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil et la seconde membrane se déforme pour absorber le déplacement de fluide induit par la déformation de la première membrane, de sorte à minimiser la pression du fluide sur la première membrane, et
- la région d'actionnement de la première membrane restant déformée dans ledit premier sens, la partie centrale de la première membrane se déforme dans un second sens opposé au premier sens sous l'effet de la pression du fluide déplacé par le dispositif d'actionnement lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement une tension électrique d'actionnement supérieure audit seuil.
De manière avantageuse, la deuxième membrane présente une raideur plus faible que la partie centrale de la première membrane.
Selon un mode de réalisation, le dispositif optique comprend en outre un dispositif d'actionnement d'une région d'actionnement de la deuxième membrane située entre la zone d'ancrage et une partie centrale de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d'actionnement de la deuxième membrane est apte à se déformer dans deux sens opposés en fonction de la tension électrique d'actionnement appliquée audit dispositif.
Selon un mode de réalisation, dans sa configuration de repos, la partie centrale de la première membrane est plane.
Selon un mode de réalisation, le dispositif optique comprend un substrat s'étendant entre les deux membranes et comprenant au moins un orifice de passage du fluide, de sorte que la pression de fluide est identique de part et d'autre dudit substrat.
Le matériau de la première et/ou la seconde membrane peut être une résine siloxane ou un matériau minéral comprenant du silicium.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d'actionnement de la première membrane comprend au moins un actionneur piézoélectrique.
Selon une forme d'exécution de l'invention, la première ou la deuxième membrane est réfléchissante.
La raideur de la première membrane peut avantageusement être choisie pour qu'en l'absence d'une pression de fluide exercée sur ladite membrane, l'application d'une tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement entraîne la déformation de la région d'actionnement et de la partie centrale de la membrane, les tangentes à la membrane de part et d'autre de la jonction entre la région d'actionnement et la partie centrale étant confondues.
Selon un mode de réalisation, le diamètre de la partie déformable de la première membrane est différent du diamètre de la partie déformable de la deuxième membrane.
Selon un autre mode de réalisation, le diamètre de la partie déformable de la première membrane est identique au diamètre de la partie déformable de la deuxième membrane.
Un autre objet concerne un procédé de variation de la focale d'un dispositif optique comprenant
- une première membrane déformable,
- une deuxième membrane déformable, - un support auquel une zone d'ancrage périphérique respective de chacune desdites membranes est liée,
- un volume constant d'un fluide enfermé entre la première et la deuxième membrane, ledit fluide procurant un couplage mécanique desdites première et deuxième membranes,
- un dispositif d'actionnement d'une région de la première membrane située entre la zone d'ancrage périphérique et une partie centrale de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement dans un unique sens de déflection,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- l'application au dispositif d'actionnement d'une première tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil, conduisant à déformer la première membrane dans un premier sens tandis que la seconde membrane se déforme pour absorber le déplacement de fluide induit par la déformation de la première membrane de sorte à minimiser la pression du fluide sur la première membrane,
- l'application au dispositif d'actionnement d'une deuxième tension électrique d'actionnement supérieure audit seuil, conduisant à déformer la partie centrale de la première membrane dans un second sens opposé au premier sens sous l'effet de la pression du fluide déplacé par le dispositif d'actionnement, la région d'actionnement de la première membrane restant déformée dans le premier sens.
Selon un mode de réalisation :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement et la partie centrale vers le fluide, la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide, de sorte que la partie centrale de la première membrane forme un dioptre divergent et la deuxième membrane forme un dioptre convergent,
- on applique la deuxième tension électrique de sorte à déformer la région d'actionnement vers le fluide, le déplacement du fluide induisant une déformation de la partie centrale dans le sens opposé au fluide, de sorte que la partie centrale de chacune des deux membranes forme un dioptre convergent.
Selon un mode de réalisation, le diamètre de la partie déformable de la première membrane est inférieur au diamètre de la partie déformable de la deuxième membrane et :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement et la partie centrale vers le fluide, la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide, de sorte que le dispositif optique forme un ménisque divergent.
Selon un mode de réalisation, le diamètre de la partie déformable de la première membrane est supérieur au diamètre de la partie déformable de la deuxième membrane et :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement et la partie centrale vers le fluide, la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide, de sorte que le dispositif optique forme un ménisque convergent.
Selon un mode de réalisation, le dispositif optique comprend un dispositif d'actionnement d'une région d'actionnement de la deuxième membrane située entre la zone d'ancrage et une partie centrale de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement et :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement de la première membrane de sorte à déformer la région d'actionnement et la partie centrale vers le fluide sans appliquer de tension électrique d'actionnement du dispositif d'actionnement de la deuxième membrane, la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide, de sorte que la partie centrale de la première membrane forme un dioptre divergent et la deuxième membrane forme un dioptre convergent,
- on applique la deuxième tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement de la première membrane de sorte à déformer la région d'actionnement vers le fluide et on applique une tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement de la deuxième membrane vers le fluide, de sorte que à augmenter la convergence du dioptre formé par la partie centrale de la deuxième membrane.
Enfin, un autre objet de l'invention concerne un dispositif de prise de vue comprenant un dispositif optique tel que décrit ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
les figures 1A et 1 B représentent respectivement une coupe d'une lentille convergente bi-convexe et d'une lentille divergente bi-concave de type connu,
les figures 2A à 2C représentent en coupe les différents états d'actionnement d'un dispositif optique de type connu pouvant être convergent ou divergent, les figures 3A et 3B représentent en coupe deux états d'actionnement d'un dispositif optique de type connu dans lequel les deux membranes sont couplées par un volume de fluide enfermé entre elles,
la figure 4A illustre la déformation à vide (c'est-à-dire non soumise à une pression de fluide) de la première membrane d'un dispositif optique selon l'invention ; la figure 4B illustre à titre de comparaison la déformation à vide d'une membrane ne convenant pas pour la mise en œuvre de l'invention en raison d'une rigidité insuffisante, la figure 5A illustre une configuration d'un dispositif optique selon un mode de réalisation de l'invention, dans laquelle le dioptre formé par la première membrane est divergent et le dioptre formé par la deuxième membrane est convergent ; la figure 5B présente par des hachures les volumes de fluide déplacés lors de la déformation des membranes dans cette configuration,
la figure 6A illustre une configuration du même dispositif optique que celui des figures 5A et 5B, correspondant à une tension électrique d'actionnement plus élevée que dans la configuration des figures 5A et 5B, dans laquelle le dioptre formé par la première membrane est convergent et le dioptre formé par la deuxième membrane est également convergent ; les figures 6B et 6C présentent par des hachures les volumes de fluide déplacés lors de la déformation des membranes dans cette configuration,
la figure 7A illustre un dispositif optique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel la géométrie des deux membranes est sensiblement identique, la figure 7B présente par des hachures les volumes de fluide déplacés lors de la déformation des membranes dans la configuration de la figure 7A,
la figure 8A illustre un dispositif optique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel la première membrane présente un diamètre inférieur à celui de la deuxième membrane, la figure 8B présente par des hachures les volumes de fluide déplacés lors de la déformation des membranes dans la configuration de la figure 8A, la figure 9A illustre un dispositif optique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel la première membrane présente un diamètre supérieur à celui de la deuxième membrane, la figure 9B présente par des hachures les volumes de fluide déplacés lors de la déformation des membranes dans la configuration de la figure 9A, les figures 10A et 10B présentent deux configurations d'un dispositif optique selon un mode de réalisation dans lequel les deux membranes sont actionnables,
les figures 1 1A à 1 1 C illustrent différentes configurations possibles d'un dispositif optique selon l'invention,
- les figures 12A et 12B illustrent d'autres configurations possibles d'un dispositif optique selon l'invention,
la figure 13 illustre la variation de puissance optique du dispositif en fonction de la déflection de la première membrane, la figure 14 illustre la déflection de chaque membrane en fonction de la pression de fluide,
la figure 15 illustre de manière schématique un dispositif de prise de vue comprenant un dispositif optique conforme à l'invention.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments illustrés ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle.
Les signes de référence sont utilisés d'une figure à l'autre pour désigner les mêmes éléments. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Les figures 5A, 5B et 6A-6C illustrent différentes configuration d'actionnement d'un dispositif optique 100 selon un mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif optique 100 possède un axe optique X.
Le dispositif 100 comprend deux membranes déformables 1 , 2, dont la périphérie est ancrée de manière étanche sur un support 3.
Dans cet exemple, le support 3 se présente sous la forme d'une couronne annulaire dont le centre est destiné à recevoir un volume d'un fluide 4 contenu dans une cavité étanche délimitée par les deux membranes 1 , 2 et le support 3.
Le fluide 4 peut être un liquide ou un gaz.
Les membranes 1 et 2 sont alors ancrées de part et d'autre du support 3.
De manière avantageuse, les membranes s'étendent sensiblement parallèlement l'une à l'autre.
Chaque membrane comprend une zone d'ancrage périphérique respective 1 c, 2c. Chaque membrane comprend par ailleurs une partie centrale respective 1 b, 2b qui correspond à un champ optique du dispositif optique.
Chaque membrane comprend donc une face, dite face intérieure, qui est en contact avec le fluide 4, et une face opposée, dite face extérieure, qui est en contact avec un second fluide, non référencé, qui peut être l'air ambiant.
Par membrane, on entend tout film souple et étanche, de sorte que la membrane forme une barrière entre le fluide 4 et le fluide se situant sur la face opposée de la membrane.
Dans le cas où le dispositif optique 100 est une lentille, qui fonctionne donc en transmission, les deux membranes 1 , 2 sont transparentes, au moins dans leur partie centrale 1 b, 2b, à un faisceau optique (non représenté) destiné à se propager à travers la lentille, en traversant successivement la partie centrale d'une première lentille, le fluide et la partie centrale de la seconde lentille.
Dans le cas où le dispositif optique 100 est un miroir, la partie centrale de l'une des deux membranes est réfléchissante. Chaque membrane 1 , 2 est apte à se déformer de manière réversible, depuis une position de repos (qui peut être plane ou non), sous l'action d'un déplacement du fluide 4 qui fait varier l'épaisseur de fluide se trouvant au niveau de la partie centrale de chaque membrane.
Plus une membrane est souple (en d'autres termes, plus sa raideur est faible), plus la déformation induite par un déplacement de fluide sera grande.
Le fluide 4 est enfermé entre les deux membranes 1 , 2 et procure un couplage mécanique desdites membranes, de sorte que l'effet d'un déplacement de fluide ne peut être évalué indépendamment pour chacune des membranes mais de manière combinée selon les propriétés respectives de chacune des membranes.
Le fluide 4 est suffisamment incompressible pour se déplacer vers la partie centrale du dispositif lorsque l'on applique un effort sur une membrane dans la direction du fluide, cet effort étant appliqué dans une partie intermédiaire entre la zone d'ancrage et la partie centrale de la membrane.
La forme du support 3 et des membranes 1 et 2 peut présenter avantageusement une forme de révolution autour de l'axe optique X, mais l'homme du métier pourra choisir toute autre forme sans pour autant sortir de la portée de la présente invention.
Dans le dispositif, au moins l'une des deux membranes est munie d'un dispositif d'actionnement. Par convention, on considère ici que la première membrane, référencée 1 , possède un dispositif d'actionnement 5 ; la deuxième membrane, référencée 2, peut être munie ou non d'un dispositif d'actionnement. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 5A-5B et 6A-6C, la deuxième membrane ne dispose pas d'un dispositif d'actionnement, de sorte que sa déformation éventuelle résulte uniquement du déplacement du fluide 4. Par ailleurs, bien que la membrane 1 actionnée soit positionnée sur la face supérieure du dispositif, il va de soi qu'elle pourrait également être positionnée sur la face inférieure du dispositif, les membranes 1 et 2 étant interverties.
Le dispositif d'actionnement est conçu pour se déformer dans un unique sens, c'est- à-dire, selon la configuration du dispositif, vers le fluide (en vue d'obtenir successivement un dispositif divergent puis convergent) ou à l'opposé du fluide (en vue d'obtenir successivement un dispositif convergent puis divergent).
Dans la mesure où l'on cherche à faire varier la focale du dispositif optique sans dévier le faisceau incident, le dispositif d'actionnement est adapté pour se déformer de manière uniforme sur toute la circonférence de la région d'actionnement.
Un dispositif d'actionnement particulièrement adapté à l'obtention d'un unique sens d'actionnement repose sur la technologie piézoélectrique.
On rappelle qu'un actionneur piézoélectrique comporte un bloc de matériau piézoélectrique pris en sandwich totalement ou partiellement entre deux électrodes destinées, lorsqu'elles sont alimentées, à appliquer un champ électrique au matériau piézoélectrique. Ce champ électrique est utilisé pour commander une déformation mécanique du bloc de matériau piézoélectrique. Le bloc de matériau piézoélectrique peut être monocouche ou multicouche et s'étendre au-delà d'une électrode.
Le dispositif d'actionnement peut comprendre un unique actionneur sous la forme d'une couronne ou bien de plusieurs actionneurs distincts régulièrement répartis sur la circonférence de la membrane.
On pourra à cet égard se référer à une description détaillée de tels dispositifs d'actionnement dans les documents FR2919073, FR2950154 et FR2950153.
Le dispositif d'actionnement est agencé dans une région 1 a de la première membrane, dite région d'actionnement, située entre la zone d'ancrage périphérique 1 c et la partie centrale 1 b de ladite membrane. Eventuellement, le dispositif d'actionnement peut s'étendre en partie sur la zone d'ancrage périphérique.
Sur les figures décrites ci-après, le dispositif d'actionnement est représenté sur la face extérieure de la première membrane. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation mais permet également que le dispositif d'actionnement soit agencé sur la face intérieure de la première membrane, ou encore à l'intérieur de la première membrane.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 5A-5B et 6A-6C, on suppose qu'au repos, c'est-à-dire lorsque le dispositif d'actionnement 5 de la première membrane n'est pas activé, la première et la deuxième membrane sont planes (configuration non illustrée). Néanmoins, on pourrait concevoir chacune des deux membranes de sorte qu'elle présente au repos une forme concave ou convexe sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
Dans ce mode de réalisation, la membrane 2 est plus souple que la partie centrale 1 b de la membrane 1.
Les figures 5A et 5B correspondent à un premier mode de fonctionnement du dispositif optique 100.
Sur la figure 5A, on a représenté la déformation des membranes 1 et 2 sous l'effet d'un déplacement du fluide 4 procuré par l'application au dispositif d'actionnement 5 d'une tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil déterminé.
Le dispositif d'actionnement 5 déforme la zone d'actionnement 1 a de la membrane 1 vers le fluide 4 (sens des flèches) et, dans la mesure où sa raideur est suffisante, la partie centrale 1 b de la membrane 1 se déforme dans le même sens.
Tant que la pression de fluide nécessaire pour déformer la membrane 2 est trop faible pour déformer la partie centrale 1 b de la membrane 1 , le dioptre formé par la première membrane est concave/divergent et le dioptre formé par la deuxième membrane est convexe/convergent. Comme on le voit sur la figure 5B, le volume de fluide déplacé par la déformation de la membrane 1 (représenté par la zone hachurée V1 ) est égal au volume absorbé par la déformation de la membrane 2 (représenté par la zone hachurée V2).
Les figures 6A et 6B correspondent à un deuxième mode de fonctionnement du dispositif optique 100.
A partir d'une certaine pression de fluide, qui est générée par l'application, au dispositif d'actionnement 5 d'une tension électrique d'actionnement supérieure au seuil mentionné plus haut (le sens d'actionnement étant toujours vers le fluide, mais schématisé par les doubles flèches pour représenter l'augmentation de l'amplitude de déformation due à l'augmentation de la tension électrique d'actionnement par rapport à la figure 5A), la partie centrale 1 b de la membrane 1 se déforme de façon significative sous l'effet de la pression de fluide.
Comme on peut le voir sur la figure 6A, la région d'actionnement 1 a de la membrane 1 reste déformée dans le même sens que sur la figure 5A, mais la partie centrale 1 b de ladite membrane 1 se déforme dans un sens opposé au sens de la figure 5A sous l'effet de la pression du fluide 4 déplacé par le dispositif d'actionnement 5.
La conservation du volume de fluide est maintenue mais, dans ce mode de fonctionnement, elle intègre le volume associé à la déformation de la partie centrale 1 b de la première membrane.
Sur la figure 6A, la région hachurée V0 représente le volume de fluide déplacé par l'actionnement de la membrane 1 par rapport à la position de repos en supposant qu'aucune pression de fluide ne s'exerce sur ladite membrane.
Sur la figure 6B, les régions hachurées V1 et V2 représentent les volumes de fluide absorbés par la déformation des deux membranes. La somme des volumes de fluide représentés par les régions V1 et V2 est égale au volume de fluide représenté par la région V0 du fait de la conservation du volume de fluide.
Dans ce deuxième mode de fonctionnement, le dioptre formé par la membrane 1 est plan, voire convergent.
Dans ce second mode de fonctionnement, les deux dioptres participent à la variation de focale du dispositif et permettent d'obtenir de plus grandes variations de focale.
Le seuil de tension électrique mentionné ci-dessous peut être déterminé expérimentalement en faisant varier la tension électrique d'actionnement du dispositif d'actionnement de la membrane et en mesurant la tension électrique à partir de laquelle on observe une inversion de la courbure de la partie centrale de la première membrane.
Pour pouvoir obtenir une telle inversion de la déformation de la partie centrale de la première membrane entre le premier et le deuxième mode de fonctionnement, le dispositif d'actionnement étant toujours déformé dans le même sens, la première membrane doit présenter une raideur suffisamment grande. Les figures 4A et 4B présentent deux exemples de membranes présentant des raideurs différentes, représentées ici ancrées sur un support mais non soumises à une pression de fluide. On suppose dans ces deux cas que la membrane est plane au repos.
Sur la figure 4A, la membrane 1 présente une raideur suffisamment grande pour la mise en œuvre de l'invention, ce qui se traduit par le fait que lorsque le dispositif d'actionnement 5 de ladite membrane est activé, la partie centrale 1 b de la membrane 1 se déforme dans le prolongement de la zone intermédiaire 1 a sur laquelle est agencé le dispositif d'actionnement 5. Dans le cas où la membrane présente une raideur uniforme dans toute sa partie déformable, les tangentes à la membrane 1 de part et d'autre de la jonction entre la région d'actionnement 1 a et la partie centrale 1 b sont confondues.
La figure 4B illustre en revanche une membrane présentant une raideur trop faible pour la mise en œuvre de l'invention. Contrairement à la membrane de la figure 4A, cette membrane se déforme uniquement dans la zone intermédiaire 1 a où se trouve le dispositif d'actionnement, mais sa partie centrale 1 b ne se déforme pas et reste plane, se contentant de se translater par rapport à sa position de repos.
Plus précisément, on définit la raideur de la membrane 1 de telle sorte que la courbure obtenue lorsque la membrane est actionnée (cf. figure 4A) soit conforme aux propriétés optiques (divergence, convergence, etc.) souhaitées pour le dispositif (cf. étape 1 de l'exemple de dimensionnement développé plus bas).
En présence du fluide 4, une membrane 1 suffisamment raide telle que celle de la figure 4A induit une pression dans le fluide, liée à la force déployée par le dispositif d'actionnement 5, et par conséquent un mouvement du fluide.
Le couplage d'une telle membrane avec la membrane 2 qui est également déformable permet d'obtenir les deux régimes de fonctionnement présentés sur les figures 5A et 6A.
Pour s'assurer que la membrane 1 présente une raideur suffisamment élevée, l'homme du métier peut utiliser un logiciel de modélisation par éléments finis (Comsol par exemple) pour déterminer la déformation à vide (sans pression de fluide) de la membrane sous l'effet de l'actionnement (configuration de la figure 4A).
Pour dimensionner les membranes 1 et 2 et ajuster leur raideur pour obtenir les déformations souhaitées, l'homme du métier peut utiliser un modèle de déformation de membrane circulaire tel que celui décrit dans [1 1].
La relation entre une pression p de fluide appliquée de manière uniforme sur la membrane et différents paramètres représentatifs de la membrane est donnée par la formule :
Figure imgf000015_0001
ou : h est l'épaisseur de la membrane,
R est le rayon de la membrane soumis à la pression p,
or est la contrainte résiduelle dans la membrane,
ω est la déflection au centre de la membrane,
v est le coefficient de Poisson du matériau constitutif de la membrane,
E est le module d'Young du matériau constitutif de la membrane.
Pour chacune des deux membranes, on peut ainsi ajuster le matériau constitutif, la géométrie et la contrainte résiduelle dans la membrane pour obtenir une raideur et des déformations conformes aux attentes décrites ci-dessus.
A pression donnée, la conservation du volume de fluide se calcule aisément à partir des déformations de chaque membrane.
Enfin, la puissance optique (c'est-à-dire l'inverse de la distance focale) d'un dispositif optique à deux membranes est donnée par la formule suivante, en utilisant l'approximation à une lentille mince :
1 1 1 où :
n est l'indice de réfraction du fluide,
Ri est le rayon de courbure du dioptre sphérique constitué par la première membrane (partie centrale optique),
R2 est le rayon de courbure du dioptre sphérique constitué par la deuxième membrane (partie centrale optique),
En termes de convention de signe pour R-ι et R2, dans le cas d'une lentille biconvexe Ri>0 et R2<0 (la puissance optique est positive).
Dans le premier mode de fonctionnement qui correspond à une tension électrique d'actionnement du dispositif d'actionnement 5 de la membrane 1 inférieure au seuil précité, de nombreuses configurations optiques peuvent être obtenues selon le dimensionnement respectif de la première et de la deuxième membrane.
Les figures 7A et 7B illustrent une forme d'exécution du dispositif optique 100 dans laquelle les membranes 1 et 2 ont une géométrie sensiblement identique, notamment des diamètres sensiblement égaux.
On précise que par « diamètre » on entend le diamètre de la partie déformable d'une membrane, comprenant la partie centrale et, le cas échéant, la zone d'actionnement, mais excluant la zone d'ancrage périphérique qui est fixe.
Le dispositif 100 est ici représenté dans son premier mode de fonctionnement.
Dans le cas où les géométries des membranes 1 et 2 sont sensiblement identiques (essentiellement en ce qui concerne leur diamètre), les courbures des deux dioptres sont sensiblement égales. La puissance optique résultante n'est donc pas très élevée mais elle peut être ajustée finement.
Par ailleurs, une telle configuration optique présente des avantages autres que la seule variation de puissance optique. En effet, en dimensionnant le dispositif en ajustant de manière adéquate l'épaisseur de fluide entre les deux membranes, et la focale associée à chacune des deux membranes, on peut, par exemple, obtenir un dispositif optique afocal ayant un effet sur le grandissement.
Selon d'autres formes d'exécution, on peut adapter la géométrie des deux membranes (notamment le diamètre) pour obtenir préférentiellement une configuration de ménisque divergent ou de ménisque convergent dans le premier mode de fonctionnement.
Les figures 8A et 8B illustrent un dispositif optique 100 dans lequel la membrane 1 présente un diamètre inférieur à celui de la membrane 2.
Pour obtenir, comme sur les figures 8A et 8B, une lentille divergente dans le premier mode de fonctionnement, il faut minimiser la courbure convergente du dioptre formé par la membrane 2 et maximiser la courbure du dioptre formé par la membrane 1 . A volume de fluide 4 constant (les régions hachurées V1 et V2 sur la figure 8B représentant des volumes égaux), on obtient une telle configuration divergente en augmentant, par rapport au dispositif de la figure 6A, le diamètre de la membrane 2 et en diminuant le diamètre de la membrane 1 qui est actionnée.
Inversement, pour obtenir, comme sur les figures 9A et 9B, une lentille convergente dans le premier mode de fonctionnement, il faut maximiser la courbure convergente du dioptre formé par la membrane 2 et minimiser la courbure du dioptre formé par la membrane 1. A volume de fluide 4 constant (égalité des volumes représentés par les zones hachurées V1 et V2 sur la figure 9B), on obtient une telle configuration divergente en diminuant, par rapport au dispositif de la figure 7A, le diamètre de la membrane 2 et en augmentant le diamètre de la membrane 1 qui est actionnée.
La puissance optique des dispositifs illustrés sur les figures 8A et 9A est donc beaucoup plus élevée que celle du dispositif de la figure 7A.
Dans le second mode de fonctionnement, dans lequel la tension électrique d'actionnement du dispositif d'actionnement de la première membrane est supérieure au seuil précité (doubles flèches), de nombreuses configurations optiques peuvent également être obtenues selon le dimensionnement respectif de la première et de la deuxième membrane.
Par exemple, les différentes configurations géométriques du dispositif optique illustrées sur les figures 7A, 8A et 9B permettent d'obtenir, dans le deuxième mode de fonctionnement, des puissances optiques convergentes très différentes (lentille plan convexe, lentille biconvexe symétrique ou encore lentille biconvexe asymétrique). Selon une forme d'exécution de l'invention, pour augmenter la puissance optique du dispositif dans le deuxième mode de fonctionnement, il peut être avantageux de munir également la deuxième membrane d'un dispositif d'actionnement.
Les figures 10A et 10B illustrent un dispositif optique 100 comprenant un dispositif 5' d'actionnement de la membrane 2 agencé sur une zone 2a de la membrane intermédiaire entre la zone d'ancrage périphérique 2c et la partie centrale 2b de la membrane 2.
Comme dans les modes de réalisation décrits précédemment, la membrane 1 est toujours munie du dispositif d'actionnement 5.
Dans le premier mode de fonctionnement (tension électrique d'actionnement du dispositif 5 inférieure au seuil précité), le dispositif d'actionnement 5' n'est pas activé et la membrane 2 se comporte donc comme décrit précédemment en référence à la figure 5A (cf. figure 10A).
Dans le deuxième mode de fonctionnement (cf. figure 10B), le dispositif d'actionnement 5' est activé pour augmenter la pression dans le fluide 4 et accentuer la déformation convergente du dioptre formé par la membrane 2 par rapport à la configuration de la figure 6B.
Le dispositif d'actionnement 5' de la deuxième membrane peut être similaire à celui de la première membrane, c'est-à-dire basé sur la même technique d'actionnement dans un unique sens.
Cependant, il est également possible de concevoir le dispositif 5' de telle sorte que, contrairement au dispositif 5, il puisse se déformer dans deux sens opposés.
Ainsi, dans une première phase de fonctionnement, ce dispositif 5' est activé dans le même sens que celui du dispositif 5, donc opposé au fluide 4, pour absorber le volume de fluide déplacé par la membrane 1 tout en maintenant un dioptre correspondant à la deuxième membrane inchangé (avantageusement plan).
Puis, dans une deuxième phase de fonctionnement, le dispositif 5' est activé dans le sens opposé, à savoir vers le fluide 4, pour accentuer la variation de focale du dispositif optique.
Les figures 1 1A à 1 1 C illustrent d'autres configurations du dispositif optique, dans lesquelles les deux membranes sont actionnées. Le dispositif est représenté dans son deuxième mode de fonctionnement.
Sur la figure 1 1 A, la membrane 1 actionnée forme un dioptre plan et la membrane 2, qui est actionnée dans le sens opposé à celui de la membrane 1 , forme un ménisque convergent.
Sur la figure 1 1 B, la membrane 1 actionnée forme un ménisque convergent et la membrane 2, qui est actionnée dans le sens opposé à celui de la membrane 1 , forme un ménisque convergent. Sur la figure 1 1 C, la membrane 1 actionnée forme un ménisque plus convergent que celui de la figure 1 1 B, et la membrane 2, qui est actionnée dans le sens opposé à celui de la membrane 1 , forme un ménisque convergent que sur la figure 1 1 B.
Dans les exemples décrits précédemment, la première membrane formait un dioptre divergent dans le premier mode de fonctionnement, puis un dioptre plan puis convergent dans le second mode de fonctionnement.
Cependant, comme illustré sur les figures 12A et 12B, il est également envisageable, en mettant en œuvre un dispositif d'actionnement 5 fonctionnant dans un unique sens opposé au fluide 4, contrairement aux exemples précédents, que la première membrane 1 forme un dioptre convergent dans le premier mode de fonctionnement (cf. figure 12A) puis un dioptre plan puis divergent dans le deuxième mode de fonctionnement (cf. figure 12B).
Il existe donc un très grand nombre de combinaisons possibles, parmi lesquels l'homme du métier peut définir celui qui convient le mieux à l'application visée et aux performances recherchées.
De préférence, les axes optiques des deux membranes sont alignés, mais il est également possible, dans d'autres modes de réalisation, de ne pas aligner lesdits axes optiques.
Par ailleurs, le dispositif optique peut comprendre un empilement de plus de deux membranes, les membranes étant couplées mécaniquement au moyen d'un volume de fluide maintenu entre deux membranes consécutives, la nature du fluide pouvant être différente entre deux paires de membranes.
De manière optionnelle, le dispositif optique peut comprendre un substrat présentant une fonction optique (par exemple diaphragme, filtre infra-rouge, etc.) entre les deux membranes. Le substrat délimite alors deux cavités de fluide. Pour conserver le couplage mécanique exercé par le fluide sur les deux membranes, on fait en sorte que le substrat permette le passage du fluide d'une cavité à l'autre, de manière à obtenir une pression de fluide égale dans les deux cavités. A cet effet, on prévoit un ou plusieurs orifices de dimensions suffisantes dans le substrat.
Le dispositif optique peut être réalisé par des techniques de microélectronique bien connues de l'homme du métier, notamment des techniques de dépôt en couche mince de type dépôt chimique en phase vapeur, dépôt physique en phase vapeur, électrodéposition, épitaxie, oxydation thermique, évaporation, laminage de films. Par ailleurs, l'ancrage des membranes sur le support peut impliquer des techniques de collage.
Les membranes 1 , 2 peuvent être réalisées à base de matériaux organiques tels que le polydiméthylsiloxane, le polymétacrylate de méthyle, le polyéthylène téréphtalate, le polycarbonate, le parylène, les résines époxydes, les polymères photosensibles, les silicones, ou de matériaux minéraux tels que le silicium, l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium, le silicium polycristallin, le carbone diamant. Les membranes peuvent être constituées d'une seule couche d'un même matériau ou d'un empilement de couches de matériaux différents.
Par ailleurs, les membranes peuvent présenter une raideur identique en tout point de leur surface, ou au contraire présenter des raideurs différentes dans différentes régions. Dans ce cas, c'est la partie centrale qui doit respecter les conditions de raideur exposées plus haut.
Le fluide 4 peut être un liquide comme le carbonate de propylène, l'eau, un liquide d'indice, une huile optique ou un liquide ionique, une huile silicone, un liquide inerte à forte stabilité thermique et à faible pression de vapeur saturante.
Le fluide peut éventuellement être un gaz tel que l'air, l'azote ou l'hélium principalement pour un dispositif optique fonctionnant en réflexion.
Si le dispositif optique fonctionne en transmission, l'homme du métier choisira l'indice de réfraction du fluide en fonction des performances optiques souhaitées.
Selon une forme d'exécution avantageuse de l'invention, le dispositif optique peut incorporer des moyens de compensation d'une variation de la distance focale due à une variation de la température à laquelle est soumis le dispositif. En effet, une différence de coefficient de dilatation thermique entre les différents composants peut conduire à une modification de la distance focale du dispositif optique lorsque la température varie d'une amplitude significative.
De tels moyens de compensation sont décrits en détail dans le document WO 201 1/032925.
Exemple de réalisation d'un dispositif optique
Le dispositif 100 peut par exemple être fabriqué selon le procédé suivant.
On produit tout d'abord deux sous-ensembles formés chacun d'un substrat de silicium et d'une membrane. On pourra à cet égard se référer au document FR 2 962 557, qui décrit un procédé de fabrication d'un tel sous-ensemble.
Le matériau de chaque membrane est avantageusement un polymère (tel qu'une résine siloxane) ou un matériau minéral (tel qu'un oxyde de silicium, du silicium polycristallin, du nitrure de silicium).
La fabrication de chaque membrane implique de contrôler la contrainte résiduelle dans la membrane, de sorte qu'elle ne soit pas excessivement compressive (pour éviter tout flambage de la membrane) ni excessivement tensile (pour éviter de pénaliser sa déformation en fonctionnement). Avantageusement, la contrainte résiduelle dans chaque membrane est légèrement tensile.
Le dispositif d'actionnement de la première membrane est avantageusement un dispositif piézoélectrique, de préférence à base de PZT. Ensuite, les deux sous-ensembles sont assemblés en encapsulant le fluide.
Cette technique est classiquement utilisée dans la fabrication des écrans LCD et ne sera donc pas décrite en détail ici.
Avantageusement, on utilise une colle pour assembler les deux substrats et garantir la distance les séparant.
Le fluide, par exemple un liquide d'indice ou une huile optique, est préalablement dispensé sur l'un des substrats.
Enfin, les deux membranes sont successivement libérées en gravant les substrats silicium dans la partie centrale et la zone d'actionnement.
Exemple de dimensionnement de la première et de la deuxième membrane du dispositif optique.
On détaille ci-dessous une méthodologie de conception d'un dispositif optique qui présente une puissance optique nulle au repos et qui, au cours de l'actionnement de la première membrane, devient successivement divergent puis convergent.
Etape 1 : choix du rayon de la première membrane
Pour obtenir les performances optiques visées, une première étape consiste à définir le rayon de la première membrane ainsi que la déflection et la courbure requises.
Par exemple, par une membrane de 1 mm de rayon, une déflection de la membrane de 85 μηη correspond à une variation de focale de -85 dioptries avec un liquide d'indice 1 ,5 (par rapport à une position de repos plane à l'infini et pour une déflection de la membrane vers le liquide).
Dans cette première étape, les variations de puissance optique recherchées doivent être surévaluées car elles seront au final moins importantes. En effet, elles sont pénalisées par l'effet de la seconde membrane : cf. le passage de -85 dioptries à finalement -7 dioptries à l'issue du calcul de dimensionnement dans l'exemple développé ci-dessous).
Dans un premier temps, la largeur de la région d'actionnement sur la membrane est déterminée de façon approximative en fonction du rayon total de la membrane.
Pour un rayon de 1 mm, on fixe dans un premier temps cette largeur de la région d'actionnement à 500 μηη.
A partir des éléments géométriques définis ci-dessus (rayon de la membrane, largeur de la région d'actionnement) et en fonction des propriétés intrinsèques de la première membrane (module d'Young, coefficient de Poisson, contrainte interne) et de son épaisseur, l'actionnement de cette membrane permettant d'obtenir les déflections et courbures visées est dimensionné à partir des techniques de l'état de l'art.
En effet, la déformée de la première membrane en l'absence de fluide présentée sur la figure 4A est obtenue par l'effet de(s) actionneur(s) situé(s) en périphérie de cette membrane. Un exemple de sollicitation du dispositif d'actionnement permettant d'obtenir une telle déformée est un moment de flexion appliqué à la membrane.
Le moment à appliquer sur la membrane en fonction de sa géométrie (épaisseur, diamètre) et de ses propriétés (module d'Young, contrainte interne) pour obtenir la déformée désirée sans fluide peut être déterminé en utilisant les équations détaillées dans [13] ou en réalisant des simulations par éléments finis (avec le logiciel COMSOL par exemple).
Le dimensionnement de l'actionnement piézoélectrique peut alors être réalisé en utilisant les techniques de l'état de l'art.
Dans le cas d'un actionnement piézoélectrique, on peut par exemple se référer au modèle détaillé dans [14] ou [15].
Ainsi, pour un dispositif d'actionnement donné (et une tension électrique appliquée à ce dispositif), il est possible de déterminer la courbure de la membrane associée.
La présente invention n'étant pas liée à la technologie d'actionnement, le dimensionnement de cette partie du dispositif, qui est à la portée de l'homme du métier, n'est pas décrit en détail ici.
Dans l'exemple développé ici, les propriétés de la première membrane sont un module d'Young de 100 MPa, un coefficient de Poisson de 0,35, une épaisseur de 200 μηη et une contrainte interne de 0,5 MPa.
Etape 2 : choix du rayon de la deuxième membrane
Dans un premier temps, on fait l'hypothèse que, sous l'effet de l'actionnement de la première membrane, tout le fluide chassé par la première membrane déforme la deuxième membrane.
Le rayon retenu pour la deuxième membrane influe directement sur la puissance optique du dispositif. Pour avoir un dispositif divergent, il faut que le rayon de la deuxième membrane soit plus grand que celui de la première membrane, comme illustré sur la figure 8A. Pour un rayon de la deuxième membrane de 1 ,1 mm, la puissance optique du dispositif associée à une déflection de la première membrane de 85 μηη n'est plus de -85 dioptries mais de -26 dioptries.
Etape 3 : choix des propriétés mécaniques de la deuxième membrane
Les propriétés de la deuxième membrane (module d'Young E, coefficient de Poisson v, contrainte interne or) sont choisies pour que son comportement soit non- linéaire compte tenu de son rayon et des déflections requises.
Il est en effet nécessaire qu'au cours de l'actionnement de la première membrane et sous l'effet de la pression du fluide, la déflection de la deuxième membrane sature quelque peu pour permettre la déformation du centre de la première membrane (contre- réaction du fluide sur la première membrane). En appelant ω les déflections de la deuxième membrane et R son rayon, la non-linéarité devient prépondérante dans la déflection de la deuxième membrane quand :
4. σΓ(1 - ν2) ω2
— < 0
2,83. E R2
Compte tenu des données retenues dans les deux premières étapes, on choisit pour la deuxième membrane un matériau minéral de module d'Young 230 GPa, de coefficient de Poisson 0,35 et de contrainte interne 0,5 MPa.
Une fois les propriétés intrinsèques de la deuxième membrane définies, il suffit alors de fixer son épaisseur pour déterminer la gamme de pression de fluide correspondante dans la cavité, sur toute la gamme d'actionnement de la première membrane.
Une approche itérative peut être nécessaire pour fixer l'épaisseur de la deuxième membrane car un compromis doit être trouvé.
En effet, si l'épaisseur de la deuxième membrane est trop faible, alors seule la deuxième membrane se déforme sous l'effet de la pression de fluide induite par l'actionnement de la première membrane. Le dispositif optique sera alors toujours divergent (pas de contre-réaction de la partie centrale de la première membrane).
Si l'épaisseur de la deuxième membrane est trop grande, alors la deuxième membrane ne se déforme pas suffisamment et la contre-réaction de la partie centrale de la première membrane se produit dès le début de l'actionnement de la première membrane. Le dispositif optique sera alors toujours convergent.
A noter toutefois que la puissance apportée par le dispositif d'actionnement doit être suffisante pour générer la pression requise dans la cavité.
Dans le présent exemple, l'épaisseur retenue pour la deuxième membrane est de 10 μηη.
Etape 4 : mise à jour des déformées de chacune des membranes
Avec la pression de fluide telle que calculée précédemment, on calcule les déformations de la deuxième membrane et de la partie centrale de la première membrane sous la pression du fluide ainsi que les volumes de fluide associés.
Etape 5 : mise à jour de l'actionnement de la première membrane
On recalcule alors la déflection associée de la première membrane, en prenant compte cette fois la contre-réaction et la déformation de la partie centrale de la première membrane.
Dans le présent exemple, la déflection initialement calculée à 85 μηη passe à 87 μηη.
Une mise à jour des données déterminées à l'étape 1 (dimensionnement et largeur du dispositif d'actionnement, propriétés intrinsèques de la première membrane) peut être éventuellement être réalisée dans cette étape. Le résultat obtenu par une telle approche est illustré sur la figure 13, qui présente la variation de puissance optique du dispositif (en dioptries) en fonction de la déflection ω de la première membrane, dans le cas d'un actionnement en l'absence du fluide.
La figure 14 illustre la déformation des membranes sous une pression de fluide uniforme. La courbe supérieure ω2 représente la déformation de la membrane 2, la courbe inférieure ω1 , la déformation de la membrane 1. La courbe intermédiaire ω3 représente la déformation de la membrane 2 en réajustant son diamètre à la dimension du diamètre de la partie centrale de la membrane 1 , de manière à permettre la comparaison des raideurs à dimension égale
Un dispositif optique tel que décrit ci-dessus peut avantageusement être incorporé à un dispositif de prise de vue comprenant une fonction zoom.
A titre purement illustratif, la figure 15 représente la structure d'un dispositif de prise de vue comprenant des lentilles à focale fixe S1 , S2, des lentilles liquides L1 , L2 et un filtre F, le plan image étant désigné par le repère I.
L'une au moins des lentilles liquides L1 , L2 de ce dispositif peut être un dispositif optique selon l'invention.
Il existe de nombreuses autres configurations possibles de tels dispositifs de prise de vue et l'invention n'est pas limitée à celui-ci.
REFERENCES
[I ] Zoom lens Design for a Slim Mobile Caméra Using Liquid Lens, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 54, N°6, June 2009, pp. 2274-2281
[2] Nonmechanical bifocal zoom télescope, Optics Letters, Vol. 35, N°15, August 1 ,
2010
[3] Fluidic Zoom Lens System using two single chamber Adaptative Lenses with integrated actuation, IEEE MEMS 201 1 , Cancun, January 23-27
[4] Fluidic Zoom-Lens-on-a-Chip With Wide Field-of-View Tuning Range, IEEE 2004, pp. 1041 -1 135
[5] JP 2000-081504
[6] EP 2 034 338
[7] JP 1 1 -133210
[8] FR 2 919 073
[9] FR 2 950 153
[10] FR 2 950 154
[I I ] The design, Fabrication and Testing of Corrugated Silicon Nitride Diaphragms, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 3, No. 1 , March 1994
[12] S. Timoshenko, Theory of Plates and Shells
[13] A novel ultra-planar, long-stroke and low-voltage piezoelectric micromirror, Journal of Micromechanics and Microengineering 20 (2010)
[14] Analysis of the deflection of a circular plate with an annular piezoelectric actuator, Sensors and actuators A133 (2007).

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif optique (100) à variation de focale comprenant :
- une première membrane (1 ) déformable,
- une deuxième membrane (2) déformable,
- un support (3) auquel une zone d'ancrage périphérique respective (1 c) de chacune desdites membranes (1 ,2) est liée,
- un volume constant d'un fluide (4) enfermé entre la première et la deuxième membrane, ledit fluide (4) procurant un couplage mécanique desdites première et deuxième membranes,
- un dispositif (5) d'actionnement d'une région (1 a) de la première membrane située entre la zone d'ancrage (1 c) et une partie centrale (1 b) de la première membrane (1 ), configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement dans un unique sens de déflection de sorte à déplacer une partie du volume de fluide, ledit déplacement du fluide étant susceptible d'induire une déformation de la partie centrale (1 b) de la première membrane,
ledit dispositif optique (100) étant caractérisé en ce que la partie centrale (1 b) de la première membrane (1 ) présente une raideur suffisante pour que :
- à partir d'une position de repos dans laquelle le dispositif (5) d'actionnement est inactif, la première membrane (1 ) se déforme uniquement dans un premier sens lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement (5) une tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil et la seconde membrane (2) se déforme pour absorber le déplacement de fluide induit par la déformation de la première membrane (1 ), de sorte à minimiser la pression du fluide sur la première membrane, et
- la région d'actionnement (1 a) de la première membrane restant déformée dans ledit premier sens, la partie centrale (1 b) de la première membrane (1 ) se déforme dans un second sens opposé au premier sens sous l'effet de la pression du fluide (4) déplacé par le dispositif d'actionnement (5) lorsque l'on applique au dispositif d'actionnement (5) une tension électrique d'actionnement supérieure audit seuil.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la deuxième membrane (2) présente une raideur plus faible que la partie centrale (1 b) de la première membrane.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'actionnement (5') d'une région d'actionnement (2a) de la deuxième membrane située entre la zone d'ancrage (2c) et une partie centrale (2b) de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement (5') de la deuxième membrane (2) est apte à se déformer dans deux sens opposés en fonction de la tension électrique d'actionnement appliquée audit dispositif.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans sa configuration de repos la partie centrale (1 b) de la première membrane (1 ) est plane.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat s'étendant entre les deux membranes et comprenant au moins un orifice de passage du fluide, de sorte que la pression de fluide est identique de part et d'autre dudit substrat.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau de la première et/ou la seconde membrane est une résine siloxane ou un matériau minéral comprenant du silicium.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement (5) de la première membrane comprend au moins un actionneur piézoélectrique.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première ou la deuxième membrane est réfléchissante.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la raideur de la première membrane est choisie pour qu'en l'absence d'une pression de fluide exercée sur ladite membrane, l'application d'une tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement (5) entraîne la déformation de la région d'actionnement (1 a) et de la partie centrale (1 b) de la membrane, les tangentes à la membrane de part et d'autre de la jonction entre la région d'actionnement (1 a) et la partie centrale (1 b) étant confondues.
1 1 . Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diamètre de la partie déformable (1 a, 1 b) de la première membrane est différent du diamètre de la partie déformable (2a, 2b) de la deuxième membrane.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diamètre de la partie déformable (1 a, 1 b) de la première membrane est identique au diamètre de la partie déformable (2a, 2b) de la deuxième membrane.
13. Dispositif de prise de vue comprenant au moins un dispositif optique (100) selon l'une des revendications 1 à 12.
14. Procédé de variation de la focale d'un dispositif optique (100) comprenant
- une première membrane (1 ) déformable,
- une deuxième membrane (2) déformable,
- un support (3) auquel une zone d'ancrage périphérique respective (1 c, 2c) de chacune desdites membranes (1 , 2) est liée,
- un volume constant d'un fluide (4) enfermé entre la première et la deuxième membrane, ledit fluide (4) procurant un couplage mécanique desdites première et deuxième membranes,
- un dispositif (5) d'actionnement d'une région (1 a) de la première membrane (1 ) située entre la zone d'ancrage périphérique (1 c) et une partie centrale (1 b) de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement dans un unique sens de déflection,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- l'application au dispositif d'actionnement (5) d'une première tension électrique d'actionnement inférieure à un seuil, conduisant à déformer la première membrane (1 ) dans un premier sens tandis que la seconde membrane (2) se déforme pour absorber le déplacement de fluide induit par la déformation de la première membrane (1 ) de sorte à minimiser la pression du fluide sur la première membrane,
- l'application au dispositif d'actionnement (5) d'une deuxième tension électrique d'actionnement supérieure audit seuil, conduisant à déformer la partie centrale (1 b) de la première membrane dans un second sens opposé au premier sens sous l'effet de la pression du fluide déplacé par le dispositif d'actionnement (5), la région d'actionnement (1 a) de la première membrane restant déformée dans le premier sens.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) et la partie centrale (1 b) vers le fluide (4), la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide (4), de sorte que la partie centrale de la première membrane forme un dioptre divergent et la deuxième membrane forme un dioptre convergent, - on applique la deuxième tension électrique de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) vers le fluide, le déplacement du fluide (4) induisant une déformation de la partie centrale (1 b) dans le sens opposé au fluide (4), de sorte que la partie centrale de chacune des deux membranes forme un dioptre convergent.
16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le diamètre de la partie déformable (1 a, 1 b) de la première membrane est inférieur au diamètre de la partie déformable (2a, 2b) de la deuxième membrane et en ce que :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan, - on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) et la partie centrale (1 b) vers le fluide (4), la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide (4), de sorte que le dispositif optique forme un ménisque divergent.
17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le diamètre de la partie déformable (1 a, 1 b) de la première membrane est supérieur au diamètre de la partie déformable (2a, 2b) de la deuxième membrane et en ce que :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan,
- on applique la première tension électrique d'actionnement de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) et la partie centrale (1 b) vers le fluide (4), la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide (4), de sorte que le dispositif optique forme un ménisque convergent.
18. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif optique comprend un dispositif d'actionnement (5') d'une région d'actionnement (2a) de la deuxième membrane située entre la zone d'ancrage (2c) et une partie centrale (2b) de ladite membrane, configuré pour se déformer par application d'une tension électrique d'actionnement et en ce que :
- au repos la première et la deuxième membrane forment chacune un dioptre plan, - on applique la première tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement (5) de la première membrane de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) et la partie centrale (1 b) vers le fluide (4) sans appliquer de tension électrique d'actionnement du dispositif d'actionnement (5') de la deuxième membrane, la deuxième membrane se déformant dans le sens opposé au fluide (4), de sorte que la partie centrale de la première membrane forme un dioptre divergent et la deuxième membrane forme un dioptre convergent,
- on applique la deuxième tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement (5) de la première membrane de sorte à déformer la région d'actionnement (1 a) vers le fluide (4) et on applique une tension électrique d'actionnement au dispositif d'actionnement (5') de la deuxième membrane vers le fluide, de sorte que à augmenter la convergence du dioptre formé par la partie centrale de la deuxième membrane.
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