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本发明涉及一种具有可调的焦距的光学元件以及一种用于生产光学元件的方法。所述光学元件包括第一透明层和位于其上的具有选定的折射率的透明软聚合物，所述层由具有选定的挠性的材料如薄玻璃层制成，所述光学元件还设置有用于将力施加在所述挠性层上的致动器，所述力相对于所述轴基本上对称，因而使所述层弯曲，从而提供透镜表面和提供弯曲的折射表面。

1.  具有可调的焦距的光学元件，所述光学元件包括第一透明层和位于其上的具有选定的折射率的透明软聚合物，所述层由具有选定的挠性的材料如薄玻璃层制成，所述光学元件还设置有用于将力施加在所述挠性层上的致动器，所述力相对于所述轴基本上对称，因而使所述层弯曲，提供了透镜表面和提供了弯曲的折射表面，所述软聚合物具有与可压缩气体相接触的至少一个表面。

2.  根据权利要求1所述的光学元件，其还包括置于所述软聚合物的反侧且基本上覆盖所述软聚合物的第二透明层。

3.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述第一透明层由SiO₂构成且组件进一步包括具有开口的Si基材，所述软聚合物位于所述开口中。

4.  根据权利要求1所述的光学元件，其包括力致动器，所述力致动器适合于将环形对称力施加于所述第一层上，从而在接近于中心处提供基本上球形的第一层。

5.  根据权利要求4所述的光学元件，其中所述力致动器由适合于将力施加在所述第一层上的环形压电致动器构成。

6.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述力致动器被安装在外罩内并相对于选定的光轴被对称地安置以及适合于施加平行于所述光轴的力。

7.  根据权利要求1所述的光学元件，其中在选定的光轴处，基本上环形的气泡设置在所述第一层和所述软聚合物之间，所述软聚合物是导电性的，且所述第一层设置有相对于所述选定的光轴对称的环形式样的导电体，且所述致动器由连接到所述电极以及连接到所述软聚合物的电压电源构成，从而在所述第一层上的选定的电极和所述软聚合物之间提供力，相对于所述电极形成了所述软聚合物的表面。

8.  根据权利要求1所述的光学元件，其具有在所述软聚合物的与所述第一层相反的另一侧的第二层，且其中所述软聚合物是电致伸缩的且所述致动器由设置在每个层上的至少一个环形电极以及在所述电极之间施加电压的电压提供装置构成，所述软聚合物因而对所述电压起反应且由于所述电压而膨胀或收缩。

9.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述致动器适合于提供相对于所述光轴的环形对称力，从而在所述第一透明层上接近于中心处提供基本上球形的弯曲。

10.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述致动器适合于提供相对于包括所述光轴的平面的平面对称力，从而在所述第一透明层上提供圆柱形的弯曲。

11.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述软聚合物为凝胶。

12.  根据权利要求1所述的光学元件，其中第二透明层被设置在所述软聚合物的反侧，从而所述软聚合物被限制在腔内，所述腔具有通往环境的泄漏通道。

13.  根据权利要求1所述的光学元件，其中所述可压缩气体构成围绕所述软聚合物且相对于所述轴基本上对称的空间。

聚合物透镜
本发明涉及一种具有可调的焦距的透镜及用于生产所述透镜的方法，所述透镜包括第一透明层和位于基材(substrate)上的具有选定的折射率的软聚合物或类似物的透明挠性材料。
随着诸如手机用摄像机、扫描装置和机器视觉的光学设备近来的发展，存在对能够快速调焦的小透镜的需求。在手机的摄像机里，像素数量一直在增加，但对具有足以使用像素的全部优势的质量的小透镜仍然有需求。这除了小尺寸之外，还需要调焦性能，特别是如果摄像机也适用于其他目的，如读取条形码和扫描接近于摄像机的物体的图像时。将调焦性能加到透镜也允许使用较大的孔径(aperture)，因而增加了系统的光敏度，而不会遭受减少的透镜的景深。
对于多种用途，常规的玻璃透镜已经被认为是太大且太昂贵，并且已经展开了研究以找到其他解决方案。一个有前景的领域是对由软聚合物制造的透镜的研发。这些聚合物具有一些光学性质且可通过静电力、拉伸软聚合物透镜或通过使软聚合物表面成形为得到选定的形状而成形为用于聚焦作用。另一个所提出的解决方案是应用具有缓变折射率(gradedrefractive index)的软聚合物，但这已被证实，以足够好的质量生产将是复杂的。关于这些解决方案的难题是得到曲率和表面连续性都足够好的透镜表面。
其他所提出的解决方案包括使用装入透镜状的腔中的液体，其中所述腔的形状被调节以便调节透镜的焦距。例示了此项方案的例子在日本专利申请公布号JP2002239769、JP2001257932、JP2000081503、JP2000081504、JP10144975、JP11133210、JP10269599和JP2002243918中论述。另外，这在T.Kaneko等人发表的论文“Quick Response Dynamic Focusing Lens usingMulti-Layered Piezoelectric Bimorph Acutator(使用多层压电双压电晶片致动器的快速反应动态聚焦透镜)”，Micro-Opto-Mechanicle Systems，RichardR.A.Syms编辑，Proceedings of SPIE，卷4075(2000)中论述。所有这些都基于被限制在作为透镜的腔内的液体，且其中表面中的至少一个可通过作用力而形成。这样做的缺点是被施加于形成透镜的压力不得不压缩液体或者腔，这就需要大的力并可能导致不需要的响应和形成光学表面，或者不得不提供另外的室以便于容纳被挤压到腔外的液体，这使得生产变复杂。由于温度波动的体积变化也可能带来问题。
因此，本发明的一个目的是提供可以大量生产的小型聚焦透镜和小型设备如手机，同时在距摄像机的大范围的距离内提供足够的光学性能。这按照在独立权利要求中所述的来获得。
注意本说明书中的术语“软聚合物”是作为广义词来应用的，且可以包括许多不同的材料，如硅和聚合物凝胶。
使用软聚合物使得生产其中聚合物与空气或其他可压缩气体相接触的透镜成为可能，因而当调整透镜焦距时需要较小的力。使用软聚合物还易于生产，因为聚合物将保持在适当的位置时，即使不同的生产步骤处于不同位置或设施中。而且，所述聚合物具有相当稳定的形状以致于其将保持其位置，即使将其放入气体或类似物一样的腔中。如上所述，这也使得有可能提供可压缩气体的泄漏通道(leakage channel)或可压缩气体气泡，以减少调整透镜所需的必要的力以及减小由环境中的温度波动和压力波动而引起的应变。
因此，本发明通过利用薄挠性膜和软聚合物的特性，提供了有利的解决方案。
聚合物的使用因而提供了透镜的简化生产，因为不需要将材料界定在闭合的腔内。因而对变化的温度和压力的响应不成为问题，而且对于作用力的反应是可预知的。
在下面将参考附图更详细地描述本发明，所述附图作为例子来阐释本发明，其中图1a至图8c阐释了本发明的不同实施方式。
或Pyrex制成的第一盖玻片1与放置于基材4上或放置于基材2中的孔内的具有已知折射率的光学透明的软聚合物材料3如聚合物凝胶制成。依据本发明的一个优选的实施方式，盖玻片1是用于承载样品的在显微镜检查法中使用的类型的薄玻璃板。这些玻璃板是足够柔性的以便通过施加压力来形成，并且是足够坚固的而不会在这些情况下破裂，且第一光学表面由第一盖玻片构成，因而表示可成形的但相当硬和耐用的表面，而其余的透镜材料由软聚合物构成。优选地，软聚合物和盖玻片具有相同的折射率，以便于构成单个光学表面。
在图1a和图1b中，软聚合物3被置于基材2中的孔里。这个实施方式可通过应用硅作为基材而制造。如果基材的一侧设置有透明层，如SiO₂或玻璃，则可从反侧进行蚀刻，因而在硅层产生具有蚀刻停止(etch stop)的凹进处。然后所述凹进处被填充上软聚合物3。随后，可将致动器如压电环(piezoelectric ring)5以本身已知的方式放置在顶部盖层1以及凹进处上。其中所述环当施加电压时适合于在切线上收缩或膨胀。薄顶部盖层1以及致动器作为双压电晶片致动器(bimorph actuator)共同工作。在图1b中，所述环5收缩，在盖层1上产生凸起(bulge)。实验已经表明SiO₂层随后提供弯曲表面，在其中心区域构成基本上球形的折射表面6，从而提供了透镜。
在图1b的下部，所例示的是在软聚合物被向上吸引到所述盖层的凸起中之后，软聚合物的下表面7向上移动，从而形成了凹凸透镜。在图1a和图1b中，所述凹进处具有较大的直径，如由硅蚀刻过程引起，且因此下折射表面的曲率小于上折射表面6的曲率，从而形成透镜。如上所述，来自具有软聚合物到空气的自由界面(free soft polymer to air interface)的其他软聚合物透镜的经验是，下表面的中心区域将具有比边缘更小的曲率，这样弯曲的下表面7的效果是受到限制的。在一些情形中，如果需要特殊的光学特性，孔的形状可被反转，使狭窄的开口远离第一层1。
图2a和图2b阐释了与图1a和图1b基本上相同的实施方式，但是包括第二层4。并且，软聚合物3确实完全地填充了腔但为空气或其他可压缩气体13留了一些空间。另外或者作为一个可替换的方式，还可以有通往环境的泄漏通道12以便平衡如由于温度变化产生的压力变化。由于重要的是，聚合物在光学作用部分(active part)中为对称的，所以腔内气体的量应受到限制，以免干扰光学性能。因此，与泄漏通道组合的少量的气体可能是有益的。
在图2中，下透镜表面7是平面的，透镜因而形成平面凸透镜。在图2a和图2b所示出的实施方式中，凹进处边缘平行于光轴，且如果由硅制造，那么凹进处边缘可以通过其他蚀刻方法产生，或通过钻孔产生。
如果第二层4是足够挠性的，且软聚合物是充分不可压缩的，那么所述软聚合物在一定程度上将会跟随第一表面运动，正如图1a、1b所提供的极端例子中那样，随后可选择开口的尺寸来控制这一效果以及透镜的特性。如上所述，提供了泄漏通道12和气体13以平衡内部压力与环境压力，以及减少用于改变透镜表面所需的能量。
在图3a和图3b中例示了本发明的一个可选实施方式，其包括置于两个透明层1、4之间的软聚合物，其中至少一个层由挠性材料如SiO₂或玻璃的薄层制成。图中，上层1为挠性的而下层4是刚性的。构成所例示的例子中的透镜的折射表面6、7因而形成了平面凸透镜。通过选择表面的挠性，可以在折射表面处得到不同的曲率。
如图3b所示，透镜的焦距通过在离开光轴的选定的距离处将力施加于透镜上来调整。这使挠性层1或层1、4弯曲，使得各层和层之间的软聚合物构成具有取决于作用力的焦距的透镜。
可以通过几种不同的方式来施加力，如朝向挠性表面推动同轴环8，该环可以是压电装置。
可选地，可提供两个环形电极9。通过在电极9之间施加电压，电极9之间的力可以调整折射表面6、7的曲率。
取决于想要的尺寸和透镜的用途，可以在图3a、图3b中的透明层1、4之间设置间隔器(spacer)11。如图4a、图4b中所示，这可以用来形成凹透镜。通过在间隔器11的外侧对层1施加力，透镜将是凸起的。如图2一样，也设置有泄漏通道12。
在图5a、图5b中例示又一实施方式，其中软聚合物3a是导电性的且上层1和下层4均可为刚性的。在上层1和软聚合物3a之间设置有气泡，使得折射曲面由软聚合物3a和气泡之间的表面来构成。上层1的内表面优选地设置有透明电极10，且在软聚合物和电极之间施加电压。通过控制软聚合物和电极之间的所施加的电压，整个地或单独地，可形成软聚合物表面6a。在所例示的情况中，透镜是凹的，但取决于电极和如何施加电压，可以给出其他的解决方案。
根据图6a、图6b中所例示的进一步的实施方式，其中使用电致伸缩软聚合物3b，将电压施加在透镜的周围上，如，通过环形电极施加。当软聚合物对接近于电极的电场起反应时，那么其在电场下发生缩小或增大。如果聚合物邻近于电极缩小，那么这将使更多材料推向中心。这将又增加挠性层1上的压力并因而形成弯曲的折射表面7。如果软聚合物增加其厚度至接近于电极，则相反的情况也会发生。在本实施方式的一个特殊形式中，电极可由多个具有交变极性的层制成，并被放置成使得增加穿过软聚合物的电场强度并因而增强效果(effect)。如果在顶层的中间有孔或变薄的区域，那么软聚合物可在该区域被挤出，从而提供透镜。
因而，透镜由玻璃基材、软聚合物和挠性板构成。通过沿着离开光轴的区域施加力，挠性层在软聚合物的上方被弯曲。试验已经表明，特别是当挠性层1由SiO₂板构成时，其因而会形成基本上球形的表面。因而，透镜包括具有玻璃表面但含有软聚合物的透镜，且其中玻璃表面可通过调整压力而形成。调整压力可以因而改变曲率，且因而改变透镜的焦距，从而提供改变透镜的焦点的可能性。
图1a、图1b和图2a、图2b中所例示的解决方案可由普通的Si生产方法来制成。下表面是如由玻璃制成的平面基材，且挠性层由硅片制成，其中孔被制成通至上部的SiO₂表面或玻璃表面。软聚合物被置于孔中，且然后在基材(在图2a、图2b的情况下)、硅盘壁(silicon disk wall)以及上部的SiO₂层或玻璃层之间被挤压。通过在表面提供压电元件或类似物，表面的曲率将通过所述双压电晶片致动器来调整，且软聚合物将粘住表面并随着表面一起运动。在可选的实施方式中，可调整孔的尺寸，且需要或多或少的空间的软聚合物因而将使SiO₂层上升或下降，从而形成透镜表面。
在如上所论述的所有解决方案中，可调节的折射表面6、7可由反射材料制造，从而提供可调镜。在图2和之后的附图中，图中上层1和下层4都可以是挠性的，以便形成双凸透镜，双凹透镜或者凹凸透镜。
这样，通过将为透镜提供力的致动器连接到用于为诸如在手机、扫描仪或条形码阅读器里的摄像机提供自动聚焦的标准设备，可以将依据本发明的光学元件连接到用于调整透镜的焦距的系统。然后致动器将增加的或减小的力施加到透镜，以便调整焦距，直到系统给出停止或返回的信号，例如，如果所需焦距已经被越过或调整原来是调错了方向。
图7a、图7b、图7c例示了本发明的优选实施方式，其中将致动器，如压电材料或电致伸缩材料，丝网印到上层1上，或通过本身已知的光刻工艺来沉积并图案化。图7a、图7b、图7c中所示的致动器层5是环形的。根据使用与透明电极如ITO组合的透明致动器，如聚合物膜或者PZT膜的一个可选的实施方式，致动器可完全覆盖上层。上层1由薄玻璃片制成，优选由Pyrex制成，但也可以使用蓝宝石或者SiO₂。软聚合物状的材料3优选由常规凝胶制成，但依据所需的折射率，也可以使用、选择软聚合物或弹性体。下层4在此例子中由玻璃制成。根据图7a、图7b、图7c的实施方式构成了易于用标准工艺生产的解决方案。
在图8a、图8b、图8c中，例示了用于生产柱面透镜的实施方式。其优点在于在一维(one dimension)使上层弯曲所需的力远小于产生圆顶形表面所需的力。为了提供与常规透镜相同的特性，两个柱面透镜可沿着具有垂直的弯曲方向的光轴顺序地放置。
在说明书中，致动器经常被称为压电材料，但本发明包括当受到电场或磁场时可以用作致动器的任何材料，如具有强电致伸缩效应的材料特别是显示出很大应变而没有滞后效应的特定的张弛振荡器，或磁致伸缩材料。如图3a-4b所例示的，在一些实施方式中，致动器可为可用来将力施加在透镜元件上的任何环形元件。
根据所选定的实施方式以及其将被使用的情况，电源以及其他电子和/或机械装置，如驱动电路、实现本发明所需的光学元件的支撑装置和外罩并没有被详细描述，因为认为它们对本领域技术人员而言是明显的。
概括而言，本发明因而涉及一种具有可调的焦距的光学元件，其包括第一透明层和位于其上的具有选定的折射率的透明的软聚合物如凝胶，所述层由具有选定的挠性的材料制成，例如由薄玻璃层制成，所述光学元件还设置有用于将力施加在所述挠性层上的致动器，所述力为基本上平面的或相对于所述轴环形对称，因而使接近于上层的聚合物表面弯曲，提供了透镜表面和提供了弯曲的折射表面。
所述光学元件还可包括第二透明层，该第二透明层放置在软聚合物的反侧并且基本上覆盖所述软聚合物以便提供接近于第二层的且具有预定的形状的第二折射表面7。可选地，所述第二透明层还可以是挠性的并设置有用于使第二折射表面成形的致动器。如果所述层中的一个具有开口，那么在开口内的聚合物可被挤出或吸进聚合物室内；表面可提供透镜状的折射表面，但是如上所述，此种表面的光学性能可能受到限制。
第一透明层可由SiO₂构成，且光学元件进一步包括具有开口的Si基材，所述软聚合物位于所述开口中。
上部透明层且或许下部透明层可包括力致动器，所述力致动器适合于将环形对称力施加至所述第一层，因而在接近于中心处提供基本上球形的第一层，所述中心因而界定了透镜元件的表面6、7的光轴。致动器或各致动器可由适合于将力施加在所述第一层上的环形压电致动器构成。
可选地，力致动器可被安装在外罩内并相对于选定的光轴被对称安置以及适合于施加平行于光轴的力。这可以使用被顶在层1和层4中的至少一个上的环以使层弯曲而实现，所述力可用机械方法或用磁体(magnet)、压电元件或电力致动器来施加。
依据本发明的一个不同的实施方式，在选定的光轴处，在所述第一层和/或所述第二层与所述软聚合物之间设置有基本上环形的气泡，所述软聚合物是导电性的，且所述第一层设置有相对于所述选定的光轴对称的环形式样的导电体，且所述致动器由连接到所述电极以及连接到所述软聚合物的电压电源构成，从而在所述第一层上的选定的电极和所述软聚合物之间提供力，相对于所述电极形成了所述软聚合物的表面。
依据本发明的另一个实施方式，将第二层置于与所述第一层相反的软聚合物的另一侧，且软聚合物是电致伸缩的。致动器由设置在每个层上的至少一个环形电极以及在电极之间施加电压的电压提供装置构成，软聚合物因而对所述电压起反应且由于所述电压而膨胀或收缩。因此，聚合物对电场的反应产生弯曲的折射表面。
如上所述，致动器适合于提供相对于所述光轴的环形对称力，从而在所述第一透明层上接近于中心处提供基本上球形的弯曲。然而，使致动器适合于提供相对于包括所述光轴的平面的平面对称力，从而在所述第一透明层上提供圆柱形的弯曲是可能的，其中所述圆柱形的弯曲具有垂直于所述光轴的轴。通过将两个这样的透镜沿着光轴进行组合，可以实现类似于传统透镜的结果，但需要由致动器施加较小的力。
依据本发明的透镜可通过各种方法生产。图1a至图2b中所例示的各种透镜可使用包括以下步骤的方法制成：提供在一侧具有SiO₂层或玻璃层的硅板(silicon plate)，向所述硅板内蚀刻一个开口，并将软聚合物放置到所述开口中，所述软聚合物因而接触到SiO₂层或玻璃层，以及将力致动器放置在所述SiO₂层或玻璃层上。第二层可随后被设置于所述硅板的反侧，因而使软聚合物被装在腔内。致动器是压电的或电致伸缩的环，所述环被放置为与选定的光轴同轴，且适合于向SiO₂层提供径向力，因而在所述第一层和所述软聚合物上产生凸起或圆顶。
可选地，所述透镜可通过下述步骤制成：在玻璃表面上如通过印刷方法沉积致动器、通过如从所述玻璃表面的反侧蚀刻或研磨使玻璃变薄、以及在薄玻璃板的反侧上提供软聚合物。