專利名稱：含有聚合物致動(dòng)器的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有可以變形以改變其光學(xué)特性的光學(xué)元件的光學(xué)裝置本發(fā)明可以用于其中光學(xué)元件的光學(xué)特性需要改變的任何設(shè)備或裝置，該光學(xué)特性為例如透鏡的焦距或者衍射光柵的柵距(pitch)。
背景技術(shù)：
已發(fā)表的美國專利US2001/0040735A1描述了一種焦距可變的透鏡。通過使可彈性形變的透鏡的赤道直徑發(fā)生微小改變而構(gòu)成焦距可變的透鏡。通過施加在通常垂直于光軸平面內(nèi)的徑向張力可以使透鏡變形。使用機(jī)械工具或者使用內(nèi)嵌在透鏡內(nèi)或者粘附在透鏡赤道上的環(huán)形物可施加該徑向張力，通過加熱或者施加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)可以改變其直徑。
現(xiàn)有技術(shù)文檔中描述的技術(shù)不僅意味著改變透鏡的焦距要使用許多復(fù)雜的致動(dòng)器，而且其難以在小的裝置或設(shè)備中實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種用于變形光學(xué)元件的改善的光學(xué)裝置。
為此，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置包括聚合物薄膜，包括第一表面和第二表面；定位在所述第一表面上的第一電極；定位在所述第二表面上的第二電極；定位在所述第一電極上或者所述第一表面上的可變形光學(xué)元件。
當(dāng)在兩個(gè)電極之間施加電壓差時(shí)，麥克斯韋應(yīng)力現(xiàn)象導(dǎo)致聚合物薄膜在平面方向延長，該延長被傳遞到可變形光學(xué)元件。由于光學(xué)元件的變形，其光學(xué)特性發(fā)生改變。
由于光學(xué)元件和聚合物薄膜直接接觸，所以光學(xué)裝置的尺寸小。
由于聚合物薄膜的延長取決于施加在兩個(gè)電極之間的電壓差，該光學(xué)元件的形變可以容易地控制。
特別地，所述光學(xué)元件為圓形透鏡或者衍射光柵。
該光學(xué)裝置因此可以用于改變透鏡的焦聚或衍射光柵的柵距。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該光學(xué)元件由硅酮橡膠制成或者由環(huán)烯烴共聚物制成。
這些材料具有可以在光學(xué)質(zhì)量和形變能力之間適當(dāng)折衷的特性。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該聚合物薄膜由硅酮橡膠或丙烯酸電介質(zhì)彈性體制成。
這些材料允許大幅形變，使得可以大比例地改變光學(xué)元件的光學(xué)特性。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一電極和第二電極為圓形。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一電極和第二電極為環(huán)形。
如果電極由透明材料制成，光束可以沿光軸穿過聚合物薄膜和光學(xué)元件。該特征尤其涉及圓形透鏡。
環(huán)形電極允許電極使用透明或者不透明材料。
本發(fā)明還涉及夾在用于接收電壓差的兩個(gè)電極之間的聚合物薄膜，用于使與所述聚合物薄膜或者所述電極接觸的光學(xué)元件變形。
該薄膜以及聚合物薄膜相對(duì)于電極的特殊結(jié)構(gòu)的性能可以有利地用于在電控制下使光學(xué)元件變形。
本發(fā)明還涉及改變光學(xué)元件的光學(xué)特性的方法，所述方法包括如下步驟將第一電極定位到聚合物薄膜的第一表面上；將第二電極定位到所述聚合物薄膜的第二表面上；將所述光學(xué)元件定位在所述第一電極上或者定位在所述第一表面上；在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓差。
該方法可以用于電學(xué)地改變光學(xué)元件的光學(xué)特性。
下面將給出本發(fā)明的詳細(xì)解釋以及其它方面。


將參照下述實(shí)施例解釋并結(jié)合附圖考慮本發(fā)明的特定方面，在附圖中以相同的方式表示相同的部分或者子步驟圖1A描述了處于第一狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第一實(shí)施例；圖1B描述了處于第二狀態(tài)的第一實(shí)施例；
圖1C描述了第一實(shí)施例的三維分解圖；圖1D描述了處于第一狀態(tài)的備選的第一實(shí)施例；圖1E描述了處于第二狀態(tài)的備選的第一實(shí)施例；圖1F描述了備選的第一實(shí)施例的三維分解圖；圖2A描述了處于第一狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第二實(shí)施例；圖2B描述了處于第二狀態(tài)的第二實(shí)施例；圖2C描述了第二實(shí)施例的三維分解圖；圖2D描述了備選的第二實(shí)施例的三維分解圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用麥克斯韋應(yīng)力現(xiàn)象。該現(xiàn)象涉及夾在兩個(gè)電極之間的聚合物材料的形變。當(dāng)在所述電極之間施加電壓差時(shí)，由自由電荷產(chǎn)生的靜電力擠壓和拉伸該聚合物。
圖1A描述了處于第一狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第一實(shí)施例。該實(shí)施例包括-聚合物薄膜101，包括第一表面107和第二表面108。聚合物薄膜101優(yōu)選由硅酮橡膠或丙烯酸電介質(zhì)彈性體制成(例如該彈性體指NuSil的CF19-2186或者VHB4910丙烯酸)。電介質(zhì)聚合物的特性為柔軟(柔性)的，具有相對(duì)高的介電常數(shù)(大約3或者更大)，且具有高的擊穿電壓(從幾十到100kV/mm)。
-定位在所述第一表面上的第一電極102；-定位在所述第二表面上的第二電極103；-定位在所述第一電極102上的可變形光學(xué)元件104。該光學(xué)元件對(duì)應(yīng)于優(yōu)選由硅酮橡膠制成或由環(huán)烯烴共聚物(COC)制成的圓形透鏡。該透鏡可以直接或者使用膠固定在電極上。該透鏡的曲率半徑值為r1。
該光學(xué)裝置優(yōu)選地繞軸AA是對(duì)稱，該軸AA對(duì)應(yīng)于光學(xué)元件104的光軸。
第一電極102連接到導(dǎo)線105，且第二電極103連接到導(dǎo)線106。導(dǎo)線105和106用于連接到電壓差V。
這些電極由柔性(柔軟)材料制成，使其可隨聚合物薄膜變形?？梢酝ㄟ^噴濺、絲網(wǎng)印刷、或光刻沉積這些電極。該電極可由石墨漿、很薄的金屬導(dǎo)線、或者很薄的金屬薄膜制成。
電極優(yōu)選由透明材料制成，使得光束可以穿過透鏡、聚合物薄膜、和電極。這種情況下，電極例如由用于聚合物L(fēng)ED顯示的稱為“pdot”的材料制成。
在圖1B所示的第二狀態(tài)中，通過導(dǎo)線105和106在電極之間施加電壓差V。由此，聚合物薄膜101(和電極102、103)在平行于聚合物薄膜定義平面的平面內(nèi)沿徑向d1和d2延長。因此，透鏡104也變形，這導(dǎo)致其曲率半徑r2改變。
聚合物薄膜的應(yīng)變(通常為幾十個(gè)百分比的量級(jí))和電壓差V有著二次方的關(guān)系。電壓差應(yīng)該為幾kV的量級(jí)，其取決于聚合物薄膜的厚度。為了降低電壓，優(yōu)選地制作多層結(jié)構(gòu)。
圖1C描述了圖1A和圖1B的第一實(shí)施例的三維分解圖。聚合物薄膜優(yōu)選為圓形，使得其沿徑向的形變是對(duì)稱的。優(yōu)選地，透鏡104的光軸AA垂直于由聚合物薄膜101定義的平面。
圖1D描述了處于第一狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的備選的第一實(shí)施例。圖1D不同于圖1A、圖1B、和圖1C之處在于圓形透鏡104定位在第一表面107上。而且，所述第二電極并不覆蓋光學(xué)透鏡前方的第二表面108的部分區(qū)域。電極102、103因此形成以透鏡104的光軸AA為中心并環(huán)繞該軸的環(huán)。該備選允許使用透明以及非透明的電極102、103。
在圖1E所描述的第二狀態(tài)中，通過導(dǎo)線105、106在電極之間施加電壓差V。聚合物薄膜101(和電極102、103)在平行于由聚合物薄膜定義平面的平面內(nèi)沿徑向d1和d2方向延長。其結(jié)果為，透鏡104也變形，導(dǎo)致曲率半徑r2改變。
圖1F描述了圖1D和圖1E中所述第一實(shí)施例的三維分解圖。
圖2A描述了處于第一狀態(tài)的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的第二實(shí)施例。該實(shí)施例包括-聚合物薄膜201，包括第一表面207和第二表面208。聚合物薄膜201優(yōu)選由硅酮橡膠或丙烯酸電介質(zhì)彈性體制成(例如該彈性體指NuSil的CF19-2186或者VHB4910丙烯酸)。電介質(zhì)聚合物的特性為柔軟(柔性)的，具有相對(duì)高的介電常數(shù)(大約3或者更大)，且具有高的擊穿電壓(從幾十到100kV/mm)。
-定位在所述第一表面上的第一電極202；-定位在所述第二表面上的第二電極203；-定位在所述第一電極202上的可變形光學(xué)元件204。該光學(xué)元件對(duì)應(yīng)于具有優(yōu)選由硅酮橡膠制成或由環(huán)烯烴共聚物(COC)制成的底面的衍射光柵。該光柵可以直接或者使用膠固定在電極上。衍射光柵的柵距值為p1。
第一電極202連接到導(dǎo)線205，且第二電極203連接到導(dǎo)線206。導(dǎo)線205和206用于連接到電壓差V。
這些電極由柔性(柔軟)材料制成，使其可隨聚合物薄膜變形?？梢酝ㄟ^噴濺、絲網(wǎng)印刷、或光刻沉積這些電極。該電極可由石墨漿、很薄的金屬導(dǎo)線、或者很薄的金屬薄膜制成。
在圖2B所示的第二狀態(tài)中，通過導(dǎo)線205和206在電極之間施加電壓差V。聚合物薄膜201(和電極202、203)在平行于聚合物薄膜定義平面的平面內(nèi)沿徑向d1和d2延長。因此，衍射光柵204也沿其光柵矢量變形，這導(dǎo)致其柵距p2改變。
電極優(yōu)選由透明材料制成，使得光束可以穿過光柵、聚合物薄膜、和電極。這種情況下，電極例如由用于聚合物L(fēng)ED顯示的稱為“pdot”的材料制成。
聚合物薄膜的應(yīng)變(通常為幾十個(gè)百分比的量級(jí))和電壓差V有著二次方的關(guān)系。電壓差應(yīng)該為幾kV的量級(jí)，其取決于聚合物薄膜的厚度。為了降低電壓，優(yōu)選地制作多層結(jié)構(gòu)。
圖2C描述了圖2A和圖2B的第二實(shí)施例的三維分解圖。聚合物薄膜優(yōu)選為矩形，該矩形的側(cè)邊平行和垂直于衍射光柵的結(jié)構(gòu)。
圖2D描述了根據(jù)本發(fā)明的備選的第二實(shí)施例的三維分解圖。圖2D不同于圖2A、圖2B、和圖2C之處在于光柵204定位在第一表面207上。而且，所述第二電極并不覆蓋光柵前方的第二表面208的部分區(qū)域。電極202、203因此形成矩形或者方形的環(huán)繞。該備選允許使用透明以及非透明的電極202、203。
薄膜聚合物的形變?nèi)Q于所使用材料的模量、材料的形狀、以及邊界條件。
本發(fā)明不限于聚合物薄膜的所述形狀。實(shí)際上，可以定義其它形狀，從而以非均勻的方式使定位在所述聚合物薄膜上的光學(xué)元件變形。
本發(fā)明還涉及夾在兩個(gè)電極之間用于使光學(xué)元件變形的聚合物薄膜本發(fā)明還涉及改變光學(xué)元件的光學(xué)特性的方法，所述方法包括如下步驟將第一電極定位到聚合物薄膜的第一表面上；將第二電極定位到所述聚合物薄膜的第二表面上；將所述光學(xué)元件定位在所述第一電極上或者定位在所述第一表面上；在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓差。
權(quán)利要求
1.光學(xué)裝置，包括聚合物薄膜(101)，包括第一表面(107)和第二表面(108)；定位在所述第一表面(107)上的第一電極(102)；定位在所述第二表面(108)上的第二電極(103)；定位在所述第一電極(102)上或者所述第一表面(107)上的可變形光學(xué)元件(104)。
2.權(quán)利要求1中所述的光學(xué)裝置，其中所述光學(xué)元件(104)為圓形透鏡或者衍射光柵。
3.權(quán)利要求1或2中所述的光學(xué)裝置，其中所述光學(xué)元件(104)由硅酮橡膠或者環(huán)烯烴共聚物制成。
4.權(quán)利要求1、2或3中所述的光學(xué)裝置，其中所述聚合物薄膜(101)由硅酮橡膠或丙烯酸電介質(zhì)彈性體制成。
5.權(quán)利要求1、2、3或4中所述的光學(xué)裝置，其中所述第一電極(102)和第二電極(103)為圓形。
6.權(quán)利要求1、2、3或4中所述的光學(xué)裝置，其中所述第一電極(102)和第二電極(103)為環(huán)形。
7.被夾在用于接收電壓差的兩個(gè)電極(102、103)之間的聚合物薄膜(101)，用于使與所述聚合物薄膜(101)或者所述電極(102、103)接觸的光學(xué)元件(104)變形。
8.改變光學(xué)元件(104)的光學(xué)特性的方法，所述方法包括如下步驟將第一電極(102)定位到聚合物薄膜(101)的第一表面(107)上；將第二電極(103)定位到所述聚合物薄膜(101)的第二表面(108)上；將所述光學(xué)元件(104)定位在所述第一電極(103)上或者定位在所述第一表面(107)上；在所述第一電極(102)和所述第二電極(103)之間施加電壓差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)裝置，包括a)包括第一表面(107)和第二表面(108)的聚合物薄膜(101)；b)定位在所述第一表面上(107)的第一電極(102)；c)定位在所述第二表面(108)上的第二電極(103)；以及d)定位在所述第一電極(102)上或者所述第一表面(107)上的可變形光學(xué)元件(104)。
文檔編號(hào)G02B3/14GK1732401SQ200380107938
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者H·J·戈斯森斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司