CN100476497C - 可调反射镜、光学设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种可调反射镜，包括：在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体。这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率。反射表面横截光轴延伸。弯月面调节器用于可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

Description

可调反射镜、光学设备及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种可调反射镜，包括可调反射镜的光学设备，以及制造这种反射镜和这种设备的方法。

背景技术

反射镜是用于反射光的设备。术语光被理解为包括可见电磁辐射和其他波长的电磁辐射。

可调反射镜是这样一种反射镜，其中能够可控制地调节该反射镜的反射特性。例如，可以改变反射表面的形状(或表观形状)，或者可以改变反射表面的位置(或表观位置)。

一种类型的可调反射镜是可变形反射镜，其中能够可控制地使反射镜的反射表面发生变形从而提供所需的形状。例如，能够可控制地使球面镜的反射表面发生变形，从而改变该反射镜的曲率半径。这种可变形反射镜通常用在反射望远镜中。

US 5880896描述了一种供光盘记录/再现装置中使用的可变形反射镜。通过可控制地使具有反射表面的柔性构件发生变形来调节该反射镜，所述构件受静电应力而发生变形。

由于连续地对该反射镜施加应力和去掉应力以获得所需的形状，故这种可变形反射镜很容易耗损。此外，很难控制以所需方式使反射表面发生变形，因此提供良好光学性能的可变形光学反射镜是相对昂贵的。

DE19710668描述了一种可替换的可调反射镜10，如图1A和1B中所示。反射镜系统10包括充满流体14的薄膜12。通过泵16控制薄膜12中流体14的压力。薄膜12作为可变透镜，该透镜的形状(以及因此其光焦度)根据流体14的压力而改变。图1A示出处于低压下的流体14，即薄膜12形成双凹透镜。图1b示出处于高压下的流体14，薄膜12形成双凸透镜。

刚性凸反射表面20附着于薄膜12的一个表面的中心部分18上。通过改变流体14的压力来调节由薄膜12和反射表面20所形成的反射镜10。因此，改变了由薄膜12形成的透镜的光焦度，从而调节了反射镜的表观曲率(即，反射镜的总光焦度，该反射镜是由薄膜12和弯曲的反射表面20所形成的透镜形状结合的产物)。这种系统的缺点在于，由于薄膜表面和反射表面的运动，很难保持良好的光学特性，并且这种系统容易受振动的影响。此外，其容易受机械磨损的影响。

本发明实施例的目的在于提供一种可调反射镜，其解决本文中提到或没有提到的现有技术的一个或多个问题。本发明的另一个目的在于提供包括这种改进的可调反射镜的光学设备，以及制造这种改进的可调反射镜和这种光学设备的方法。

本发明特定实施例的目的在于提供一种可调反射镜，其中在工作过程中，光路相对不容易受机械磨损和破损的影响。

发明概述

第一方面，本发明提供了一种可调反射镜，包括：在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；横截光轴延伸的反射表面；以及弯月面调节器，用于可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

这两种流体之间的界面能够发生作用以改变入射辐射的方向，例如该界面可作为透镜或光束偏转器。通过改变该界面的形状或位置，可以调节该反射镜的有效光学特性(例如光焦度、表观位置或表观定向)。由于不需要在这种可调反射镜的光路中移动机械部件，因此该反射镜的性能相对不受机械磨损和破损的影响。

另一方面，本发明提供了一种光学设备，包括：在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；横截光轴延伸的反射表面；以及弯月面调节器，用于可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

又一方面，本发明提供一种制造可调反射镜的方法，该方法包括以下步骤：提供在基本上横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；提供横截光轴延伸的反射表面；以及提供弯月面调节器，用于改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

再一方面，本发明提供一种操作光学设备的方法，该光学设备包括：在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；横截光轴延伸的反射表面；该方法包括可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个，从而使该反射镜提供所需的反射特性。

本发明的其他目的和优点将根据随附权利要求书阐明的优选特征而显而易见。

附图简述

为了更好地理解本发明并示出怎样实现本发明的各个实施例，现在通过实例的方式参照附图进行说明，在附图中：

图1A和1B示出已知可调反射镜的两种不同构形的示意性横截面；

图2A和2B分别示出依照本发明第一实施例的可调反射镜的示意性横截面，以及由该可调反射镜提供的等效光学功能元件；

图3示出适合于在图2A所示的可调反射镜中使用的可调电润湿透镜；

图4A和4B分别示出依照本发明第二实施例的可调反射镜的示意性横截面，以及由该可调反射镜提供的等效光学功能元件；

图5A和5B分别示出依照本发明第三施例的可调反射镜的示意性横截面，以及由该可调反射镜提供的等效光学功能元件；

图6A和6B分别表示依照本发明第四实施例的可调反射镜的示意性横截面，以及由该可调反射镜提供的等效光学功能元件；

图7示出依照本发明第五实施例的可调反射镜的示意性横截面；以及

图8示出依照本发明另一实施例的谐振腔。

优选实施例详述

图2A示出依照本发明第一实施例的可调反射镜100。反射镜100可被认为是由两种不同的元件形成的：反射表面110以及由具有不同折射率的两种流体130、140形成的可变透镜。

流体是响应于任何力而改变其形状的物质，其易于流动或顺从于容纳其容器的轮廓，流体包括气体、液体，以及能够流动的固液混合物。

两种流体基本上是不混溶的，即两种流体不混和。这样，由于这两种流体具有不同的折射率，因此通过沿两种流体之间的接触面形成的弯月面150可提供透镜功能。透镜功能是弯月面150使一种或多种波长的光聚焦(会聚或发散)的能力。

弯月面150横截反射镜100的光轴90而延伸。术语横截表示弯月面与光轴相交(即其穿过光轴延伸)，且不平行于光轴；弯月面可以以任何角度与光轴90相交。反射表面110也穿过光轴90延伸，且反射的表面面向该弯月面。这些流体密封在由表面120、122限定的室125中。室125沿光轴90的至少一部分壁120、122是透明的。通常，为了将流体定位在该室的所需部分中，该室的不同区域对每种流体具有不同的可润湿性，从而将每种流体吸引到各自的区域。可润湿性是流体润湿(覆盖)一个区域(side)的程度。例如，如果流体130是极性流体，而流体140是非极性流体，那么覆盖在反射表面110上的透明区域122可以是亲水性的，从而吸引极性流体130而不吸引非极性流体140。

应该理解，由可调透镜100提供的反射镜功能元件是由弯月面150提供的透镜功能元件以及由反射表面110提供的反射功能元件组合的结果。在该特定实施例中，反射表面是平面。在该特殊实例中，弯月面是凸面(从流体130的角度来观察)，流体130的折射率高于流体140。

因此，由可调反射镜100提供的最终的光学功能元件是如图2B中所示的凹面镜190的光学功能元件。

通过调节弯月面沿光轴的位置(即弯月面相对于反射表面的位置)或弯月面的形状，那么可以改变由可调反射镜提供的反射镜功能元件。例如，如果构成的弯月面150更加凸，即呈现虚线150′所示的形状，那么最终反射镜功能元件就会是具有更小曲率半径的反射镜功能元件，即如虚线190′所示。

弯月面调节器用于改变弯月面150的形状和位置中的至少一个。例如在W0 02/069016中描述了移动至少一种流体体积(改变该至少一种流体的位置或形状)(并因此改变弯月面150的形状)的各种方法。

优选的是，通过利用电润湿效应来改变弯月面形状。在电润湿效应中，利用施加的电压改变三相接触角。该三相构成两种流体和一种固体。通常，至少第一流体是液体。

在国际专利申请WO 99/18456中描述了利用电润湿效应的可变焦点透镜。在这种装置中，透镜包括充满导电的第一液体的室，通过在壁周围施加的流体接触层将绝缘的不混溶的第二流体的小滴保持在该室的表面区。由于该流体接触层的一部分是憎水性的，且邻近部分是亲水性的，因此该流体接触层确定了该小滴的位置。向室中的电极施加电压导致小滴的折射上表面或弯月面变得更凸。在一个实施例中，流体接触层的憎水性和亲水性部分沿圆筒面设置，小滴的侧面沿圆筒面轴向设置，从而当不施加电压时由亲水性部分居中，当提供电压时由沿圆筒侧面的一系列电极居中。

图3说明利用电润湿现象来工作的可替换的优选可变焦点透镜200。这种透镜200可用作图2A中所示的可变透镜(120、122、130、140、150)，以形成可调反射镜100。

设备200包括第一流体220和第二流体230，这两种流体是不混溶的。第一流体220是不导电的非极性液体，如硅油或烷烃。第二流体230是导电或极性液体，如含盐溶液的水(或水与乙二醇的混合物)。

这两种流体220、230优选设置为具有相等的密度，以便使这两种液体之间的重力作用最小，从而使透镜功能与定向无关。这两种流体220、230具有不同的折射率，从而使这两种流体之间的界面225起到透镜的作用。

改变界面225的形状会改变该透镜的焦距。通过电润湿现象，通过在电极260和电极242之间施加电压来改变界面225的形状，从而改变流体与设备200的壁的接触角。

为了使光透过该设备，该设备的相对面至少(沿图中所示的定向，为顶面和底面)是透明的。在该特定实施例中，设备呈现圆筒210的形式，光通过该圆筒的透明端部212、214入射和出射。流体220、230密封在由圆筒210限定的密封空间中。圆筒210的内表面的一端260是亲水性的，从而吸引极性流体230。圆筒210的其余部分(即相对的一端，以及内侧壁)涂有憎水性涂层270。

亲水性区域260可完全由亲水性材料形成，或者可替换的是涂有亲水性层(例如二氧化硅或玻璃)。

在该特定实施例中，内表面的亲水性区域260完全由透明的亲水性导体覆盖(例如氧化铟锡)，以形成电极。

通过接近三相线路的透明电极260以及绕设备200延伸的环形电极242可从可变电压源240向极性液体230两端提供电压。尽管可变电压源240以DC源示出，但是可替换的是，该电压源也可以是AC源。电极242不与极性流体230导电接触。

通过将该圆筒内表面的一个区域设置为亲水性的，且该内表面的其余区域设置为憎水性的，那么应该理解，在该两流体系统中，设备的稳定性将大大增强。极性流体不会附着于仅仅希望具有非极性流体的任何内表面部分，反之亦然。

应该注意，这种情况没有禁止极性流体230与部分憎水性涂层270接触。设置亲水性层的目的是为了定位极性流体，即保持极性流体处于所需位置(该位置经常至少部分地限定该形状)。这样，相对小的亲水性区域适合于这一目的。例如，设备的整个内表面可以是憎水性的，在远离这些区域的地方需要保持极性流体具有一定形状或处于适当的位置。

电润湿可用于提高表面上的极性或导电流体的可润湿性。如果一开始可润湿性很小(对于极性液体来说这通常称为憎水性表面，例如特氟隆类表面)，那么可利用电压使其更大。如果一开始可润湿性很大(对于极性液体来说，这通常称为亲水性表面，例如二氧化硅)，那么施加电压将具有相对较小的作用。因此，优选的是，在电润湿设备中，三相线路一开始就与憎水性层接触。

图4A示出了依照本发明第二实施例的可调反射镜300的横截面示意图。反射镜300大体上与图2A中所示的反射镜100相似，相同的附图标记用于表示类似的部件。在该特定实施例中，可调反射镜300进一步包括泵30，该泵与充满流体的室125相连，并用于将大量的一种或多种流体泵送到室125或从室125抽出大量的一种或多种流体。在该特定实施例中，泵310用于同时增大流体130的体积并减小流体140的体积(反之亦然)，以保持室125中两种流体130、140的总体积相同。结果是，当添加流体时，例如添加额外的流体130时，弯月面150会沿着光轴移动到位置150″。在该特定实施例中，不改变弯月面的形状，而仅仅改变弯月面沿光轴的位置。

因此，结果是不改变由弯月面和反射表面提供的等效反射镜功能元件的形状，而仅仅改变反射镜功能元件沿光轴的位置，如图4B中所示，(390)代表当弯月面处于位置150时的反射镜功能元件，390″代表当处于位置150″时的反射镜功能元件。

各种类型的泵都可用作泵310。例如，国际专利申请WO 02/069016描述了大量如何能够移动流体的方式，例如电毛细管-差压电毛细管现象、电润湿、连续电润湿、电泳、电渗、介电电泳、电动液压泵浦、热毛细管、热膨胀、电介质泵浦或可变的电介质泵浦，这些方式中的任一种都可以用于提供泵310所需的泵浦。

在可替换的实施例中，例如通过改变平行于光轴延伸的壁的可润湿性，或通过应用电润湿效应而使弯月面的形状随弯月面位置的改变而改变。

在上面的实施例中，已经看到，较高折射率的流体130邻近反射表面，并且弯月面150相对于该流体是凸面。但是，应该理解，这两种流体中的任一种都可以具有较高的折射率，并且弯月面相对于任一种流体都可以是凹面或凸面。例如，图5A示出一种可调反射镜400，其中非极性流体140具有较高折射率，并邻近反射表面110。在这种情况下，流体130是极性流体，并通过亲水性表面122定位，该亲水性表面形成流体室120、122的与反射表面110相对的表面。

结果，弯月面152作为凹透镜，由弯月面和反射表面提供的最终光学功能元件是凸面镜490的光学功能元件。如果增大弯月面的曲率，例如152′，那么将相应地减小对应的反射镜功能元件的曲率，即反射镜功能元件将具有较小的曲率半径490′。

应该理解，上面的实施例仅仅是以实例的形式提供的，各种可替换的方案都将属于本发明的范围。例如，在上面的实施例中，假定利用平坦的反射表面。这种平坦的反射表面的优点在于容易形成反射。但是，应该理解，反射表面可以具有任何形状，例如凹面、凸面、抛物面(paraboldoidal)、或者任何所需的非球面形状。在上面的实施例中，假定反射表面基本上垂直于光轴。但是，应该理解，该反射表面可以与光轴成任何所需的角度，只要该反射表面横截(即其穿过)光轴。例如，反射表面可以是以预定角度穿过光轴的平面，或者同样地，其可以是相对于光轴倾斜的凹面或凸面。

在上面的实施例中，已经将可调反射镜表示为包括由两种流体之间的弯月面和单一的反射表面形成的单一可变光学设备(例如可变透镜)。但是，应该理解，可替换的实施例可包括许多可变光学设备或许多反射表面。例如，可调反射镜可由单一(相对大)的反射表面以及可变光学设备(优选每个光学设备对应于反射表面的不同区域)的阵列形成。

同样，任何其他所需的光学部件都可以结合到可调反射镜中，从而使可调反射镜提供所需的光学响应。例如，根据反射镜的所需应用，可调反射镜或光栅或其他透镜可结合到可调反射镜中。

例如，图6A示出依照本发明另一个实施例的可调反射镜500。将非球面透镜元件510设置在光路中(例如基本上横截光轴90延伸)，使得形成的有效可调反射镜590具有Mangin型(例如在R.Kingslake撰写且由高校(Academic)出版社出版的《透镜设计基础》(Lens DesignFundametals)一书中所述)。这种透镜类型由反射和折射部分组成。对折射部分的材料特性的自由选择提供了更大的设计自由。

在上面的实施例中，已经将弯月面(两种流体之间的界面)表示为曲面，且其通常相对于光轴对称，并且通常在其与光轴交叉的那一点垂直于光轴。但是，应该理解，根据弯月面所实现的所需的光学功能，可以改变这些条件中的任一个或所有条件。

例如，弯月面可以基本上是平坦的(即，平面)。弯月面的形状可以相对于光轴不对称，实际上，其可以与光轴成一定角度倾斜。例如，通过利用在弯月面周边周围不同点处提供不同电润湿特性的表面和/或电极配置来实现这些效果。这种不同的电润湿特性会导致不同周边部分与相关表面的不同接触角，因此改变了弯月面的整个表面。同样，应该理解，可以通过利用电润湿并具有与弯月面接触且不平行于光轴的一个或多个表面来实现不同的弯月面构形。

图7示出依照本发明再一实施例的可调反射镜600的简化横截面视图。在该特定实施例中，侧壁120相对于两种流体的可润湿性与侧壁120′不同。这种可润湿性的不同是由于侧壁(表面120、120′由不同的材料形成)的内在性质或通过应用电润湿效应从而使一个表面的可润湿性的变化量大于另一个表面。如果需要，与弯月面154的周边接触的侧壁的每个部分都可设置为具有不同的可润湿性。

通过适当地调节表面区域120、120′的可润湿性，可以改变弯月面与表面相接触的接触角，从而改变弯月面的形状。例如，示出弯月面154为基本上是平面(至少相对于截取的特定横截面)，并且相对于光轴90成一特殊角。如果需要，通过适当地改变利用电润湿效应的表面的可润湿性，并因此改变弯月面与表面120、120′的接触角，则可以将平的弯月面154相对于光轴的角度调整为不同的角，例如用以形成弯月面154″。可替换的是，通过适当地选择接触角，可以调整弯月面的形状，从而形成弯曲的弯月面，即弯月面154′。最终结果是改变了弯月面的形状或位置，从而提供不同的光学功能。例如，平的弯月面154可作为折射光束偏转器，通过折射将沿光轴90入射到弯月面上的光束的路径偏转。通过改变弯月面的位置和/或定向，可以实现多种光学功能，产生可调反射镜600的一系列构形。

还应该理解，本文中描述的可调反射镜可用在任何光学设备中，例如用在光学扫描设备中(例如US 5880896中所述)，或者用在利用反射器的照明系统中(在这种情况下，通常提供附加的光源)，从而提供可适应的反射器，例如用于在车辆头灯的反射器系统中提供可变的照明度。

通常在激光器中使用两反射镜谐振器(也称为谐振腔)。这两个反射镜可以是平面、凹面或凸面的。通过固定这两个反射镜的曲率和腔的长度，可以选择具有所需特性的边界明确的高斯谐振模式。通过将无源元件放置在谐振器中，可以实现激光器模式，例如C.Pare等人在IEEE J.Quantum Electron.28(1994)第355页，J.Leger等人在Opt.Lett.19(1994)第108页，J.Leger等人在Opt.Lett.19(1994)第1976页，S.Makki等人在IEEE J.Electron.35(1999)第1075页，J.Leger等人在ODF2000 proceedings第89页中所述。

本发明通过主动地改变谐振器的模式可用于增大这种谐振器的设计空间。为了改变谐振器的模式，要调节至少一个反射镜的曲率。这能够通过利用依照本发明的反射镜实现。

图8示出包括第一和第二反射镜710、720的激光器谐振腔700。反射镜710、720中的至少一个是可调反射镜。为了提供激光的输出730，反射镜720是部分透射的。增益介质740通常位于两个反射镜710、720之间。对一个或多个反射镜的曲率进行调整，以提供所需的光学模式。曲率对模式的作用已经大量地记载在H.Kogelnik和T.Li在Appl.Opt.5(1996)第1550-1567页发表的《激光束和谐振器》(Laser beams andresonators)中，以及A.E.Siegman撰写的《激光器》(Lasers)一书中，University Science Books，Mill valley，California第19章.在第19.2章中，描述了八种不同的谐振器类型：(1)对称谐振器，(2)半对称谐振器，(3)对称共焦谐振器，(4)大半径(近平面)谐振器，(5)近同心谐振器，(6)半球形谐振器，(7)凹凸谐振器，和(8)非稳定共焦谐振器。这些类型中的每一种都具有它们自己的特性。通过改变可调反射镜中两种流体之间的弯月面的曲率或位置，可以使腔600在所需的谐振模式之间切换。

应该理解，通过提供包括由两种流体之间的弯月面和反射表面形成的可变光学设备(例如可变透镜或可变光束偏转器)的可调反射镜，本发明提供了这样一种可调反射镜，其中光路不会遭受机械疲劳的影响。此外，可以节省成本地制造该设备，并且能够容易地控制该设备。

Claims (11)

1.一种可调反射镜，包括：

在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体是不混溶的，并具有不同的折射率；

-横截光轴延伸并且面向所述弯月面的反射表面；以及

-弯月面调节器，用于可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

2.如权利要求1的可调反射镜，其中所述反射表面是平面。

3.如权利要求1或权利要求2的可调反射镜，其中将所述弯月面调节器设置为利用电润湿效应来改变该弯月面的形状。

4.如权利要求1-2中任一项的可调反射镜，该反射镜进一步包括横截光轴延伸的非球面透镜元件。

5.如权利要求3的可调反射镜，该反射镜进一步包括横截光轴延伸的非球面透镜元件。

6.一种光学设备，包括：

可调反射镜，该可调反射镜包括：

在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体是不混溶的，并具有不同的折射率；横截光轴延伸并且面向所述弯月面的反射表面；以及

弯月面调节器，用于可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

7.如权利要求6的光学设备，其中该设备是用于提供定向光束的照明系统，该设备进一步包括用于发射电磁辐射的光源。

8.如权利要求6的光学设备，其中该光学设备包括激光器谐振腔，该谐振腔包括第二反射镜。

9.如权利要求8的光学设备，其中所述第二反射镜也是可调反射镜。

10.一种制造可调反射镜的方法，该方法包括以下步骤：

-提供在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体是不混溶的，并具有不同的折射率；

-提供横截光轴延伸的并且面向所述弯月面的反射表面；以及

-提供弯月面调节器，用于改变弯月面的形状和位置中的至少一个。

11.一种操作光学设备的方法，该光学设备包括：

-可调反射镜，该可调反射镜包括：在横截光轴延伸的弯月面上接触的第一流体和第二流体，这两种流体是不混溶的，并具有不同的折射率；以及横截光轴延伸并且面向所述弯月面的反射表面；

-该方法包括可控制地改变弯月面的形状和位置中的至少一个，从而使该反射镜提供所需的反射特性。

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