具有焦距变化的光学设备制造技术

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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有焦距变化的光学设备，以及此类光学设备的焦距变化的方法。
技术介绍
为了在包括具有固定焦距的若干个透镜的紧凑光学系统中集成光学缩放功能，可能让人感兴趣的是尤其是在使光学系统的厚度最小化方面，为至少一个光学设备集成可变焦距，以产生焦距的主要变化。一些光学设备确保放大率的变化，并且其他光学设备必须要链接到固定光学系统或具有可变焦距的其他设备，以确保缩放功能。对于具有微型相机的应用程序而言，尤其是对于为移动电话设计的相机而言，目的是设计一种具有可变焦距的紧凑且廉价的光学设备。工作于发散模式或聚光模式中的设备是尤其有利的，因为其得益于焦距的更宽范围的变化。响应于这种需求，例如基于电润湿技术[1]或基于液晶[2]已开发出了基于液体的具有可变焦距的不同类型的设备。其他解决方案基于对受到流体压力作用的可变形膜的使用，每个膜形成屈光度。两个膜通常用于提升设备的光焦度。在这些设备中，膜在由流体位移导致的流体压力作用下发生变形。在一些应用程序中，独立于另一个膜来致动两个膜中的每个膜，每个膜与包封流体的腔体相关联，该腔体通过衬底与另一个膜分隔开，并具有其自身的致动设备[3,4]。在该膜中的一个膜上施加的流体压力可与另一个膜不同。在图1A和图1B中呈现了透镜的不同配置，其中在每个膜的周边处布置旨在用于改变焦距的致动器。图1A示出了双凸聚光透镜，其可为对称的或不对称的。该设备包括支撑件3和在两个膜之间延伸的刚性板31，两个可变形膜1,2在相应周边锚定区域1c,2c中被连接到支撑件3。每个膜1,2与支撑件3和板31限定相应恒定体积的流体41,42。由于有刚性板31插置于流体41和42的体积之间，因此两个膜的变形彼此独立。每个膜1,2具有被布置在每个膜的中心部分1b,2b和锚定区域1c,2c之间的相应中间区域1a,2a上的致动设备5,5’。两个膜1,2的致动器5,5’朝膜和流体41,42(在箭头方向上)偏转，以形成图1A中所示的双凸配置。图1B对应于双凹发散透镜，其可为对称地或不对称的。该设备的结构类似于图1A的设备，每个膜的致动设备5,5’能够在与图1A的方向相反的方向(在箭头方向)上偏转，以形成此类配置。在两个屈光度功能彼此独立的程度上，还可能获得聚光透镜(凸平面或聚光凹凸透镜)或发散透镜(凹平面或发散凹凸透镜)的很多其他配置。图2A至图2C示出了表现出类似于图1A结构的光学设备的另一个示例，其中膜2确保聚光功能(利用致动设备5’在朝流体的一个方向上的偏转)，并且膜1确保发散功能(利用致动设备5在相反方向上的的偏转)，每个膜与独立体积的流体41，42相关联。由图1A-图1C和图2A-图2C中的相同的附图标记指定的元件是类似的。图2A示出了静止时的采用初始无限大焦距的示例的光学设备。图2B示出了该光学设备被致动以便成为聚光的：出于这一目的，不激活致动设备5并且仅激活致动设备5’，以便朝流体42偏转，从而获得凸平面聚光透镜。图2C示出了该光学设备被致动以便成为发散的：出于这个目的，不激活致动设备5’并且仅激活致动设备5，以便朝流体41偏转，从而获得凹平面发散透镜。在其他应用程序中，两个膜由被包封在所述膜之间的恒定体积的流体耦接[5-10]，两个膜受到相同的流体压力。图3A和图3B示出了此类光学设备。相对于图1A至图2C所示的设备，图3A和图3B中的设备不包含分隔与每个膜相关联的流体体积的板。因此该设备包含以力学方式耦接膜1和2的单个恒定体积的流体4。在这些设备中，两个膜的致动设备5,5’共同用于修改被施加到膜中的每个膜的流体压力。在致动设备5,5’朝流体4偏转时，压力增大并且两个膜1,2变成凸面(聚光设备，参见图3A)。当致动设备5,5’在与流体4相反的方向上偏转时，两个膜1,2变成凹面(发散设备，参见图3B)。为了从静止位置产生可具有正焦距和负焦距的变化的光学系统，致动设备必须要在两个方向上起作用。然而，此类致动实现起来很复杂。实际上，致动器需要的电压通常高于30V(在[3]中提到了电压+/-40V)。在现有设备中，将压电材料的厚层粘结到每个膜上，这涉及到复杂的制造方法并给设备的几何结构和膜施加一定数量的限制。然而，可使用MEMS技术来执行此类双向致动。应当使用能够在两个方向上变形的任何材料，但这些材料(例如，AlN)在致动方面效率较低，或者应当使用包括两层PZT陶瓷(锆钛酸铅)的双压电致动器。给出具有高制造成本的PZT陶瓷，这后一种选择成本特别高昂。图2A至图2C所示的设备可通过使用在单个方向上操作的致动器而交替地成为聚光和发散的。通过叠加两个单层膜设备构成的此类设备的缺点在于，其提供的焦距变化比图1A-图1B和图3A-图3B所示的设备产生的变化小的多。实际上，在聚光配置中单个屈光度是活动的，并且在发散配置中另一个屈光度是活动的。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是设计一种在更大范围上产生焦距变化并实现简单致动(尤其是产生低的电致动电压)的光学设备，该设备紧凑且制造简单。根据本专利技术，提出了一种具有焦距变化的光学设备，该光学设备包括：-第一可变形膜，-第二可变形膜，-支撑件，该膜中的每个膜的相应周边锚定区域被连接到该支撑件，-恒定体积的流体，该恒定体积的流体被包封在第一膜和第二膜之间，该流体产生第一膜和第二膜的力学耦接，-位于第一膜的锚定区域和中心部分之间的第一膜的区域的致动设备，该第一膜被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移，该流体位移可能使得第一膜的中心部分变形，该光学设备的特征在于第一膜的中心部分具有足够的硬度，使得：-从其中致动设备不活动的静止位置，在向致动设备施加小于阈值的电致动电压时，第一膜仅在第一方向上变形，并且第二膜变形，以吸收由第一膜变形导致的流体位移，以便使第一膜上的流体的压力最小化，以及-在向致动设备施加大于阈值的电致动电压时，第一膜的致动区域保持在第一方向上变形，在由致动设备使流体发生位移的压力的作用下，第一膜的中心部分在与第一方向相反的第二方向上变形。有利的是，第二膜表现出比第一膜的中心部分小的硬度。根据一个实施方案，该光学设备进一步包括位于膜的锚定区域和中心部分之间的第二膜的致动区域的致动设备，该膜被配置为通过施加电致动电压而变形。根据一个实施方案，第二膜的致动设备能够根据施加到设备的电致动电压而在两个相反方向上变形。根据一个实施方案，在其静止配置中，第一膜的中心部分是平面的。根据一个实施方案，该光学设备包括在两个膜之间延伸并包括至少一个流体通道开口的衬底，使得在衬底的任一侧上该流体压力相同。第一膜和/或第二膜的材料可以是硅氧烷树脂或包含硅的矿物质材料。根据一个有利的实施方案，第一膜的致动设备包括至少一个压电致动器。根据本专利技术的一个实施方案，第一膜和第二膜是反射的。可以有利地选择第一膜的硬度，使得在膜上未施加流体压力时向致动设备施加电致动电压使得膜的致动区域和中心区域变形，致动区域和中心部分之间的接合部的任一侧上的对膜的切线被组合。根据一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径不同于第二膜的可变形部分的直径。根据另一个实施方案，第一膜的可变形部分的直径与第二膜的可变形部分的直径相同。另一目的涉及用于光学设备的焦距变化的方法，该光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有焦距变化的光学设备(100)，包括：‑第一可变形膜(1)，‑第二可变形膜(2)，‑支撑件(3)，所述膜(1,2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c)被连接到所述支撑件(3)，‑恒定体积的流体(4)，所述恒定体积的流体(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜和所述第二膜的力学耦接，‑第一膜的位于所述第一膜(1)的锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间的区域(1a)的致动设备(5)，所述致动设备(5)被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移，流体的所述位移易于使得所述第一膜的所述中心部分(1b)变形，所述光学设备(100)的特征在于所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)具有足够的硬度，使得：‑从其中所述致动设备(5)不活动的静止位置，在向所述致动设备(5)施加小于阈值的电致动电压时，所述第一膜(1)仅在第一方向上变形，并且所述第二膜(2)变形，以吸收由所述第一膜(1)的变形导致的流体位移，以便使所述第一膜上的流体的压力最小化，以及‑在向所述致动设备(5)施加大于所述阈值的电致动电压时，所述第一膜的致动区域(1a)保持在所述第一方向上变形，在被所述致动设备(5)位移的流体(4)的压力的作用下，所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)在与所述第一方向相反的第二方向上变形。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.20 FR 13632561.一种具有焦距变化的光学设备(100)，包括：-第一可变形膜(1)，-第二可变形膜(2)，-支撑件(3)，所述膜(1,2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c)被连接到所述支撑件(3)，-恒定体积的流体(4)，所述恒定体积的流体(4)被包封在所述第一膜和所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜和所述第二膜的力学耦接，-第一膜的位于所述第一膜(1)的锚定区域(1c)和中心部分(1b)之间的区域(1a)的致动设备(5)，所述致动设备(5)被配置为通过在单一偏转方向上施加电致动电压而变形，以便使流体体积中的一些流体体积发生位移，流体的所述位移易于使得所述第一膜的所述中心部分(1b)变形，所述光学设备(100)的特征在于所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)具有足够的硬度，使得：-从其中所述致动设备(5)不活动的静止位置，在向所述致动设备(5)施加小于阈值的电致动电压时，所述第一膜(1)仅在第一方向上变形，并且所述第二膜(2)变形，以吸收由所述第一膜(1)的变形导致的流体位移，以便使所述第一膜上的流体的压力最小化，以及-在向所述致动设备(5)施加大于所述阈值的电致动电压时，所述第一膜的致动区域(1a)保持在所述第一方向上变形，在被所述致动设备(5)位移的流体(4)的压力的作用下，所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)在与所述第一方向相反的第二方向上变形。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第二膜(2)表现出比所述第一膜的所述中心部分(1b)更小的硬度。3.根据权利要求1或2中一项所述的设备，其特征在于其进一步包括第二膜的位于所述第二膜的所述锚定区域(2c)和中心部分(2b)之间的致动区域(2a)的致动设备(5’)，所述致动设备(5’)被配置为通过施加电致动电压而变形。4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述第二膜(2)的所述致动设备(5’)能够根据被施加到所述设备的所述电致动电压而在两个相反方向上变形。5.根据权利要求1至3中一项所述的设备，其特征在于在其静止配置中，所述第一膜(1)的所述中心部分(1b)是平面的。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于其包括在两个膜之间延伸并包括至少一个流体通道开口的衬底，使得在所述衬底的任一侧上流体压力相同。7.根据权利要求1至6中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜和/或所述第二膜的材料是硅氧烷树脂或包含硅的矿物质材料。8.根据权利要求1至7中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的所述致动设备(5)包括至少一个压电致动器。9.根据权利要求1至8中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜或所述第二膜是反射的。10.根据权利要求1至9中一项所述的设备，其特征在于选择所述第一膜的硬度，使得在所述第一膜上未施加流体压力时向所述致动设备(5)施加电致动电压，使得第一膜的致动区域(1a)和所述中心部分(1b)变形，所述致动区域(1a)和所述中心部分(1b)之间的接合部的任一侧上的对所述第一膜的切线被组合。11.根据权利要求1至10中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a,1b)的直径不同于所述第二膜的可变形部分(2a,2b)的直径。12.根据权利要求1至10中一项所述的设备，其特征在于所述第一膜的可变形部分(1a,1b)的直径与所述第二膜的可变形部分(2a,2b)的直径相同。13.一种成像设备，所述成像设备包括根据权利要求1至12中一项所述的至少一个光学设备(100)。14.一种用于光学设备(100)的焦距变...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·博里斯，
申请(专利权)人：韦伯斯特资本有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US