CN105980888A - 用于稳定图像的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于稳定图像的光学设备(100)，该光学设备包括：-第一可变形膜1和第二可变形膜2，-支撑件(3)，膜(1,2)中的每个膜的相应周边锚定区域(1c,2c)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)被包封在第一膜与第二膜之间，该流体(4)产生第一膜与第二膜的力学耦接，-位于第一膜(1)的周边锚定区域(1c)与中心部分(1b)之间的第一膜的区域(1a)的第一致动设备(5)，-位于第二膜(2)的周边锚定区域(2c)与中心部分(2b)之间的第二膜的区域(2a)的第二致动设备(5’)，-第一致动设备和第二致动设备的控制装置，该控制装置被配置为从其中第一致动设备和第二致动设备(5,5’)不活动的静止位置：-向第一致动设备(5)的至少一个致动器施加相应电致动电压，并且在适当的情况下，向第二致动设备(5’)的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便通过第一膜和/或第二膜的流体的体积的对应部分的位移来补偿第一膜的流体的体积中的一些体积的位移，第一膜的中心部分(1b)移动而不变形，-在第二操作模式下，向第一致动设备和/或第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便使流体(4)的体积中的一些体积朝向设备(100)的中心或朝向周边发生位移，该第一膜的中心部分(1b)在由所述位移导致的流体压力的作用下变形。

Description

用于稳定图像的光学设备

技术领域

本发明涉及设计用于稳定图像的光学设备以及此类光学设备的操作过程。

背景技术

在图像捕获系统诸如被嵌入移动电话中的相机中，有必要确保提供图像稳定功能，尤其是为了补偿用户的任何手部运动。

为此，寻求一种能够使入射光束以5Hz和30Hz之间的频率在±1°数量级角度范围内偏转的光学设备。

已存在基于可致动膜的能够使入射光束偏转和/或改变焦距的光学设备。

图1A示出了光学设备，该光学设备包括：与恒定体积的流体4接触时可变形的膜1，以及位于膜被锚定在支撑件3中或上的水平下的周边区域1c与所述膜的中心部分1b之间的该膜的区域1a的致动设备5。该致动设备的主要功能是将周边的流体4的体积中的一些体积朝向光学设备的中心驱动。图1A所示的构型对应于静止状态的光学设备，即未向致动设备施加电压。

此类流体位移原理允许通过运用关于膜的中心区域的对称致动来改变光学设备的焦距，如图1B所示，或者通过运用非对称致动来使光束偏转，如图1C所示。

在图1B中，致动设备在膜的整个周边区域上均匀弯曲。

由流体位移引起的膜中心部分1b的变形导致设备的焦距发生变化。

在图1C中，致动设备没有在膜的整个致动区域1a上均匀弯曲，而是根据在此致动区域上的放置而呈现出不同的挠曲。可例如通过在膜的致动区域1a中放置多个致动器来获得该构型。因此，膜的变形导致焦距发生变化以及入射光束相对于静止状态的位置的角度偏转(α角)。

图1D示出了光学设备的构型，其中静止状态的位置(未示出)是发散的并且致动设备的非均匀弯曲仅使入射光束发生偏转，而不改变焦距。

光学设备产生焦距和角度偏转两种变化的能力应力求确保相机或其他机载光学系统中的图像稳定功能。

还存在包括两种可变形膜的光学设备，该膜通过夹带在它们之间的恒定体积的流体而力学耦接。因此，预期入射光束通过第一膜、流体，然后通过第二膜，每个膜形成屈光度。

文献JP 11–1332110描述了此类光学设备，其包括仅用于两个膜中的一个膜的致动设备，另一个膜能够根据所施加的流体压力而自由变形。

在该设备中，被激活的膜具有基本上不变形的刚性中心部分以及可变形的致动区域。由于致动设备的致动器能够在两个相反的方向上弯曲，因此该设备确保偏转和焦距变化两种功能。为确保偏转功能，被激活的膜必须将流体枢转至而不是推动至更柔软的第二膜以避免任何焦距变化。为此，激活致动器，使得膜的中心部分在一侧升高，而在另一侧以相同范围下降，从而确保体积保持原有水平。当不再确保体积被保存在被激活的膜的水平下时，朝向未被激活的膜驱动的流体使得所述膜变形，因而引起光学设备的焦距发生变化。

在膜可被同化成两个平面屈光度的情况下，光学设备可被同化成棱镜。

棱镜偏转具体地进入棱镜的光束与离开棱镜的光束之间的角度由以下公式给出：D＝(n–1)×A，其中n是棱镜的折射率，并且A是光束经其进入和离开的棱镜的两个面之间的角度。

为了使给定折射率的偏转最大化，需要使棱镜这两个面之间(因此两个膜之间)的角度A最大化。

因此，本文的目的是设计一种能够使可能的偏转相对于现有光学设备的偏转增大的光学设备。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种用于稳定图像的光学设备，该光学设备彼此独立地实现光束偏转功能和焦距变化功能，从而产生范围扩展的偏转和/或焦距变化，从而实现能够使电致动电压最小化的致动，并且其结构紧凑且制作简单。

根据本发明，提出了一种用于稳定图像的光学设备，该光学设备包括：

-第一可变形膜，

-第二可变形膜，

-支撑件，所述膜中的每个膜的相应周边锚定区域被连接到该支撑件，

-被包封在第一膜与第二膜之间的恒定体积的流体，所述流体产生所述第一膜与所述第二膜的力学耦接，

-位于第一膜的周边锚定区域和中心部分之间的第一膜的区域的至少一个第一致动设备，该至少一个第一致动设备包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，

-位于第二膜的周边锚定区域和中心部分之间的第二膜的区域的至少一个第二致动设备，该至少一个第二致动设备包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，

–第一致动设备和第二致动设备的控制装置，该控制装置被配置为从其中第一致动设备和第二致动设备不活动的静止位置：

–在第一操作模式下，向第一致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，并在适当的情况下，向第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便通过第一膜和/或第二膜的流体的体积的对应部分的位移来补偿第一膜的流体的体积中的一些体积的位移，第一膜的中心部分移动而不变形，

–在第二操作模式下，向第一致动设备和/或第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便使流体的体积中的一些体积朝向设备的中心或朝向周边发生位移，第一膜的中心部分在由所述位移导致的流体压力的作用下变形。

特别有利的是，第一膜具有足够低的刚度，使得在不存在流体压力的情况下，对第一致动设备的激活设置运动中的第一膜的中心部分而不使其变形。

根据一个实施方案，第一致动设备的每个致动器被配置为在单一方向上弯曲。

有利的是，所述第一致动设备的至少一个致动器包括压电冠部。

根据一个实施方案，第二致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个致动器和被配置为在与第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器。

第二致动设备有利地包括呈梁形式的致动器。

根据优选的实施方案，第二膜的中心部分的直径小于第一膜的中心部分的直径，并且/或者第二膜的致动区域的宽度大于第一膜的致动区域的宽度。

根据一个实施方案，第一膜的致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个致动器和被配置为在与第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器。

本发明的另一个目的涉及一种成像设备，该成像设备包括如上文所述的至少一个光学设备。

又一个目的涉及一种用于光学设备的焦距变化和/或偏转的方法，该光学设备包括：

-第一可变形膜，

-第二可变形膜，

-支撑件，所述膜中的每个膜的相应周边锚定区域被连接到该支撑件

-被包封在第一膜与第二膜之间的恒定体积的流体，所述流体产生所述第一膜与所述第二膜的力学耦接，

-位于所述膜的周边锚定区域和中心部分之间的第一膜的区域的第一致动设备，该第一致动设备包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，所述流体的位移可能导致第一膜的中心部分变形，

-位于所述膜(2)的周边锚定区域和中心部分之间的第二膜的区域的第二致动设备，该第二致动设备包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体(4)的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，所述流体的位移可能导致第二膜的中心部分(2b)变形，所述方法包括：

–第一操作模式，在该模式下向第一致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，并在适当的情况下，向第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便通过第一膜和/或第二膜的流体的体积的对应部分的位移来补偿由第一膜的位移引起的流体的体积中的一些体积的位移，第一膜的中心部分移动而不变形，

-第二操作模式，在该模式下向第一致动设备和/或第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便使得流体的体积中的一些体积朝向设备的中心或朝向周边发生位移，所述流体的位移使得第一膜和/或第二膜的中心部分变形。

根据一个实施方案，第一膜的致动设备的每个致动器被配置为在单一方向上弯曲，并且在第一操作模式下，在所述方向上激活第一致动设备的至少一个致动器和第二致动设备的至少一个致动器。在第二操作模式下，第二致动设备不被激活，或者第二致动设备在与第一致动设备弯曲的方向相反的方向上被激活。

根据一个实施方案，第一膜的致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个第一致动器，以及被配置为在与第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器，并且在第一操作模式下，所述致动器在这两个相反的方向上被激活，以补偿在第一膜水平下发生位移的流体的体积，第二致动设备不被激活。

根据一个实施方案，第一致动设备和第二致动设备各自包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个第一致动器，以及被配置为在与第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器，并且在第一操作模式下，所述致动器在这两个相反的方向上被激活，以通过由第二膜使流体发生位移的体积来补偿由第一膜使流体发生位移的体积。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从参考附图的以下

详细描述显现，其中：

-图1A是包括可变形膜的已知设备在静止时的剖视图，

-图1B是图1A中的设备在焦距变化型操作中的剖视图，

-图1C是图1A中的设备在焦距变化和入射光束偏转型操作中的剖视图，

-图1D是静止时的包括发散膜的已知设备在偏转型操作中的剖视图，

-图2A示出了根据本发明的光学设备的第一膜为空(即未受到流体压力)时的变形；图2B通过比较的方式示出了当膜为空时的变形由于刚度过高而不适用于执行本发明，

-图3A至图3C是根据本发明的一个实施方案的光学设备的剖视图，其中每个膜的致动器被设计成在相同且唯一的方向上弯曲，所述设备被示为处于第一操作模式，在该第一操作模式下，每个膜的至少一个致动器被激活，以通过由第二膜使流体发生位移的体积来补偿由第一膜使流体发生位移的体积，

-图3D是根据本发明的一个实施方案的光学设备的剖视图，其中每个膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲，在所述第一操作模式下，在每个膜所处的水平下对发生位移的流体的体积进行补偿，

-图3E是根据本发明的一个实施方案的光学设备的剖视图，其中每个膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲，在所述第一实施方案中，在两个膜之间的整个区域对发生位移的流体的体积进行补偿，

-图4A是根据本发明的一个实施方案的光学设备的剖视图，其中在所述第一操作模式下，第一膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲；第二膜的致动器不被激活，在第一膜所处的水平下实现对发生位移的流体的体积的补偿，

-图4B是根据本发明的一个实施方案的光学设备的剖视图，其中在所述第一操作模式下，第一膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲，在此情况下，光学设备既不使入射光偏转，也不使焦距发生改变，

-图5是与图3A至图3C所示光学设备相似的光学设备的剖视图，其中每个膜的致动器被设计成在相同且唯一的方向上弯曲，所述设备被示为处于第二操作模式，在该第二操作模式下，第一膜的至少一个致动器被激活，以使一定体积的流体朝向光学设备的中心发生位移，

-图6是与图3D至图3D所示光学设备相似的光学设备的剖视图，其中在所述第二操作模式下，每个膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲，

-图7A至图7B是与图3A至图3C和图5所示光学设备相似的光学设备的剖视图，其中每个膜的致动器被设计成在相同且唯一的方向上弯曲，所述设备被示为处于第三操作模式的两种变体中，该第三操作模式将入射光束偏转和设备焦距变化进行组合，

-图8是与图3D至图4B和图6所示光学设备相似的光学设备的剖视图，其中在所述第三操作模式中，每个膜的致动器适于在两个相反方向上弯曲，

-图9A和图9B示出了分别处于第二操作模式和第一操作模式的光学设备，其中两个膜的中心部分的直径基本上相同，但是第二膜的致动区域的宽度大于第一膜的致动区域的宽度，

-图10是包括根据本发明的用于稳定图像的光学设备的成像设备的主视图。

考虑到附图的易读性因素，所示的不同元件不一定以相同的比例示出。

在这些附图中使用参考符号来指定相同的元件。

具体实施方式

图3A至图4B根据两个膜的致动设备的不同实施方案示出了光学设备100的致动的第一模式的不同具体实施。

光学设备100具有光轴X。

设备100包括两个可变形的膜1,2，其周边被密封锚定在支撑件3上。

在该示例中，支撑件3呈环形冠部形式，其中心旨在接收被包含在由两个膜1、2与支撑件3界定的密封腔中的一定体积的流体4。

流体4可为液体或气体。

膜1和2被锚定在支撑物3的任一侧上。

有利的是，这些膜基本上彼此平行延伸。

每个膜包括相应锚定区域1c,2c。

每个膜还包括对应于光学设备的光场的相应中心部分1b,2b。

因此，每个膜包括被称为内面的面，该内面与流体4接触；以及称为外面的相对的面，该外面与第二流体接触，第二流体未被提及，其可以是环境空气。

膜是指任何软且紧的膜，使得该膜在流体4和位于该膜的相对面上的流体之间形成屏障。

在光学设备100是透镜的情况下，其功能是透射，两个膜1,2至少在其中心部分1b,2b对于预期传播通过该透镜的光束(未示出)是透明的，该光束依次传送通过第一透镜的中心部分、流体和第二透镜的中心部分。

在光学设备100是反射镜的情况下，两个膜中的一个膜的中心部分是反射性的。

膜1,2各自能够在流体位移4的作用下从静止位置(其可以是平面或非平面)发生逆变形，该流体位移使每个膜的中心部分的水平下的流体的厚度发生改变。

膜越柔软(换言之其刚度越低)，由流体位移引起的变形就越大。

流体4被被包封在膜1,2之间并且产生所述膜的力学耦接，使得不能针对每个膜独立地评价流体位移的作用，而是根据每个膜的相应特性进行组合来进行评价。

当在流体4的方向上向膜施加力时，该流体完全不可压缩，以不朝向设备的中心部分移动，该力被施加在膜的锚定区域和中心部分之间的中间部分中。

支撑件3与膜1和膜2的形状可有利地为关于光轴X的旋转体形状，但是本领域的技术人员可在不脱离本发明范围的前提下选择任何其他形状。

在该设备中，两个膜1和2中的每个膜具有相应致动设备5,5’。

本领域技术人员知道可用于致动膜的不同的致动设备。

这些设备基于不同的技术，其示例为压电致动、静电致动、电磁致动、热致动或甚至基于电活性聚合物的致动。

就此，可参考文档FR2919073、FR2950154和FR2950153中的此类致动设备。

致动技术和致动设备的尺寸的选择取决于预期的性能水平(例如，在单一方向或在两个相反方向上弯曲的能力)、在设备操作期间所受的压力、以及相对于要施加的电致动电压的注意事项。

例如，一种特别适于产生单一方向致动的致动设备基于压电技术。

据回忆，压电致动器包括完全地或部分地夹在两个电极之间的压电材料块，向其馈电时，预期向压电材料施加电场。该电场用于控制压电材料块的力学变形。压电材料块可以是单层或多层，并且延伸超过一个电极。

致动设备可包括呈冠部形式的单个致动器，或在膜的周界上均匀分布的其他若干个独立的致动器(例如以光束的形式)。该第二实施方案使膜非对称地变形。

可选地，致动器可能够在两个相反方向上弯曲，这实现了优于仅有一个弯曲方向的设备的光学性能；然而，对这些双向设备的致动更加复杂。

可以两种不同的方法来获得在两个相反方向上的此类致动。第一种解决方法包括确保致动设备的每个致动器能够在一个方向上弯曲，然后根据对其施加的电压在另一个方向上弯曲。这需要使用特定材料，诸如在两个偏转方向上工作的氮化铝(AlN)，但就偏转而言其效率较低。第二种解决方法包括使用仅在一个方向上弯曲的致动区域致动器和仅在另一个方向上弯曲的其他致动器。该第二种解决方法的优点是能够使用对偏转有效的材料；然而，其执行可使制造复杂化并增加致动设备的成本。

每个膜的致动设备5,5’被布置在被称为致动区域的相应区域1a,2a中，该致动区域位于每个膜相应的周边锚定区域1c,2c和相应中心部分1b,2b之间。可选地，致动设备可在周边锚定区域上方部分延伸。

在下文所述附图中，致动设备被示为处于每个膜的外面上。然而，本发明并不限于此实施方案，而且允许将致动设备布置在每个膜的内面上或者甚至布置在每个膜的内部。

该光学设备包括控制装置(未示出)，该控制装置根据彼此来激活第一膜的致动设备和第二膜的致动设备，以便根据优选实施方案或者通过由所述膜或另一个膜使流体发生位移的体积来补偿由所述膜使流体发生位移的体积，以便不改变被施加于该膜上的流体压力，或者相反地施加可能使得在膜上所施加的流体压力发生变化的流体位移。

所述控制装置可有利地包括专用集成电路，该专用集成电路根据可来自成像器或陀螺仪型的运动传感器的输入数据向致动设备的一个或多个电极提供合适的电压。

在图3A至图9B所示的实施方案中，据推测，在静止状态下，即当第一膜的致动设备5没有被激活时，第一膜和第二膜是平面的(未示出构型)。然而，这两个膜中的每个膜可被设计为使得其在静止时具有凹面形状或凸面形状，而不脱离本发明的范围。

在第一操作模式下，预期改变偏转而不更改设备的焦距，第一膜的至少一个致动器被激活，并且在适当的情况下，第二膜的至少一个致动器被激活，以便在每个膜的水平下保持零压差(压差是指由与每个膜的内面接触的流体4施加的压力和由与所述膜的外面接触的流体施加的压力之间的差值)。

通过确保由膜在一个方向上使流体发生位移的体积相当于由另一个膜在同一方向上使流体发生位移的体积和/或相当于由相同的膜在相反方向上使流体发生位移的体积来获取零压差。

因此，由每个膜的致动器的移动所导致的流体的移动在这两个膜之间的整个区域和/或在每个膜的水平下被补偿。

在该第一操作模式下得出了补偿结果，每个膜的中心部分1b,2b可能相对于其静止位置枢转或平移，但不变形。

因此，光学设备可使入射光束偏转，但焦距不改变。

图3A至图3E示出了与该设备的所述第一操作模式对应的不同致动构型。

在图3A中，对第一膜1的致动设备5进行控制，使得位于致动区域1a的第一部分中的致动器不弯曲，而位于该致动区域的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器朝向流体4弯曲。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。第一膜发生位移的体积通过阴影区域V1示出。

同时控制第二膜的致动设备5’，使得位于与致动区域1a第二部分相对的致动区域2a的第一部分中的致动器不弯曲，而位于致动区域2a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲。第二膜的中心部分2b相对于静止位置枢转，并且如在静止位置那样保持平坦。第二膜发生位移的体积通过阴影区域V2示出。

体积V1与体积V2相等。

在图3B中，第一膜1的致动设备5被对称地控制，使得所有致动器以相同范围朝向流体4弯曲。第一膜的中心部分1b相对于静止位置平移，并且如在此静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V1示出。

连带控制第二膜的致动设备5’，使得位于致动区域2a的第一部分中的致动器不弯曲，而位于致动区域2a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲。第二膜的中心部分2b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第二膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V2示出。

体积V1与体积V2相等。

在图3C中，第一膜1的致动设备5被激活，使得位于致动区域1a的第一部分中的致动器不弯曲，而位于致动区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器朝向流体4弯曲。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V1示出。

对称且共同控制第二膜2的致动设备5’，使得所有致动器以相同的范围在与流体4相反的方向上弯曲。第二膜的中心部分2b相对于静止位置平移，同时如在此静止位置那样保持平坦。由第二膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V2示出。

体积V1与体积V2相等。

图3A至图3C中所示的情况对应于光学设备的实施方案，在这些实施方案中，当向每个致动设备的致动器施加电致动电压时，这些致动器在单一方向上弯曲。在这些情况下，由一个膜使流体发生位移的体积被由其他膜使流体发生位移的体积补偿。

也可能存在其他情况，仍就第一操作模式进行说明，如果每个致动设备的致动器被设计为使得它们根据被施加的电致动电压在两个相反的方向上弯曲。图3D和图3E示出了这些情况的一些示例，其中由一个膜使流体发生位移的体积可由该相同膜和/或另一个膜补偿。

在图3D中，第一膜的致动设备5被激活，使得在致动区域1a的第一部分(此处显示于该图左侧)的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而在致动区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分(此处显示于该图左侧)的致动器在流体4的方向上弯曲。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V1’和V1”示出。当致动器在两个方向上的弯曲范围相等时，体积V1’和体积V1”相等：因而实现了在第一膜本身的水平下的体积的守恒。

同时激活第二膜2的致动设备5’，使得位于与致动区域1a第一部分相对的致动区域2a的第一部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而位于区域2a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器朝向流体4弯曲。第二膜的中心部分2b相对于静止位置平移，并且如在此静止位置那样保持平坦。由第二膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V2’和V2”示出。当致动器在两个方向上的弯曲范围相等时，体积V2’和体积V2”相等：因而实现了在第二膜本身的水平下的体积的守恒。

在图3E中，第一膜的致动设备5激活，使得位于致动区域1a的第一部分(此处显示于该图左侧)中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而位于致动区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分(此处显示于该图右侧)中的致动器地朝向流体4弯曲，朝向流体弯曲的范围小于在与流体相反的方向上弯曲的范围。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V1’和V1”示出，这两个区域由于在两个方向上的致动器的弯曲范围存在差异而不相等。

对称地控制第二膜2的致动设备5’，使得位于与致动区域1a第一部分相对的致动区域2a的第一部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而位于区域2a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器朝向流体4弯曲，朝流体弯曲的范围小于在与该流体相反的方向上弯曲的范围。第二膜的中心部分2b相对于静止位置平移，同时如在此静止位置那样保持平坦。由第二膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V2’和V2”示出，这两个区域由于在两个方向上的致动器弯曲范围存在差异而不相等。

体积V1’和V2’之和与体积V1”和V2”之和相等，在此情况下，在两个膜之间实现了发生位移的流体的体积的守恒。

其他构型也是本发明的组成部分，也可通过保持位移的流体体积不变并且不改变每个膜的中心部分的压力差来实现。

在图4A中，仅第一膜的致动设备5被激活；第二膜的致动设备5’处于静止状态，没有被施加电压。

第一膜的致动设备5被激活，使得位于致动区域1a的第一部分(此处显示于该图左侧)中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而位于致动区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分(此处显示于该图右侧)中的致动器地朝向流体4弯曲，这两个方向上的弯曲范围相同。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过相等的阴影区域V1’和V1”示出：因而实现了在第一膜本身的水平下的体积的守恒。这样，第二膜保持处于静止位置而不变形。

在图4B中，第一膜的致动设备5激活，使得位于致动区域1a的第一部分(此处显示于该图左侧)中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲，而位于致动区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分(此处显示于该图右侧)中的致动器地朝向流体4弯曲，这两个方向上的弯曲范围相同。第一膜的中心部分1b相对于静止位置枢转，同时如在静止位置那样保持平坦。由第一膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V1’和V1”示出。

激活第二膜的致动设备5’，使得位于与致动区域1a第一部分相对的致动区域2a的第一部分中的致动器朝向流体4弯曲，而位于区域1a的与第一部分沿直径相对的第二部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲。第二膜的中心部分2b相对于静止位置枢转并且平行于第一膜的中心部分1b，同时如在静止位置那样保持平坦。由第二膜使流体发生位移的体积通过阴影区域V2’和V2”示出。

体积V1’和V2”之和与体积V1”和V2’之和相等，在此情况下，在两个膜上实现了发生位移的流体的体积的守恒。

图4B的设备显示其相对于静止位置既没有偏转，也没有发生焦距变化。

不论选择何种构型来执行第一操作模式，均可通过利用适当的频率(典型地为10Hz至30Hz的数量级)随时间改变被激活的膜的一侧，以使入射光束偏转来补偿任何手部移动。

光学设备100也被设计成使得在第二操作模式下，至少第一膜的中心部分在由致动器的弯曲引起的流体压力的作用下变形，从而改变所述设备的焦距。

图5和图6示出了该第二操作模式的不同具体实施。

图5示出了光学设备100，其中同一个膜的致动器全都在相同且唯一的方向上弯曲(如同图3A至图3C中的设备那样)。

在该第二操作模式下，仅第一膜的致动设备5被激活，其中第二膜的致动设备5’未被施加电压。

设备5的电致动电压可等于或不等于被施加到第一操作模式下的所述设备的电压。

设备5的致动器朝向流体弯曲将引起流体朝向设备的中心发生位移。

在第二膜未被激活的情况下，流体的体积的守恒涉及这两个膜中的每个膜的中心部分1b,2b的变形，变形程度根据这两个膜的相应刚度而有或多或少的区别。

图6示出了光学设备100，其中相同的膜的致动器可在两个方向上弯曲(如同图3D至图4B中的设备那样)。

在该第二操作模式下，在相反方向上激活膜的致动设备5,5’，使得所有致动器朝向流体弯曲，从而使得流体朝向设备中心发生位移。

流体的体积的守恒涉及这两个膜中的每个膜的中心部分1b,2b的变形。

尽管这未在附图中示出，但在第二操作模式下也可激活第一膜的致动设备，并且在适当的情况下激活第二膜的致动设备以便使流体发生位移，以到达光学设备的周边。因此，不同于获得如图5和图6中的会聚型光学设备，这样可获得发散型光学设备。

还存在将焦距变化与入射光束偏转进行组合的第三操作模式。

为此，设备100的属于相同膜的致动器在相同且唯一的方向上弯曲(如图3A至图3C的设备那样)，这些致动器可如图7A和图7B所示被激活。

在图7A的情况下，第二膜的致动设备5’未被激活，而第一膜的致动设备5被非对称地激活。例如，位于致动区域中的一部分(图7A的左侧部分)中的致动器不弯曲，而位于与该部分沿直径相对的区域(图7A的右侧部分)中的致动器朝向流体弯曲。

在这种情况下，这两个膜的中心部分发生弯曲，由第一膜形成的屈光度还具有相对于设备静止位置的光轴倾斜的光轴。

图7B示出第三操作模式的变体具体实施，其中这两个膜的致动设备被激活。例如，第一膜的致动器朝向流体弯曲相同范围，而致动设备5’被不对称地激活，位于第二膜的致动区域的一部分(图7B右侧)中的致动器不弯曲，而位于沿直径相对的区域(图7B左侧)中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲。在由第一膜使流体发生位移的体积大于由第二膜使流体发生位移的体积的情况下，流体的体积的守恒引起每个膜的中心部分发生变形，由第二膜所形成的屈光度的光轴还相对于设备的静止位置的光轴倾斜。

为此，设备100的属于相同膜的致动器在两个方向上弯曲(如图3D至图4B的设备那样)，这些致动器可如图8所示被激活。

第一膜的致动设备5激活，以使得位于致动区域的一个部分中的致动器在与流体5相反的方向上弯曲(图8的左侧部分)，而位于与该致动区域直径对置的部分中的致动器朝流体4弯曲。第二膜的致动设备5’被激活，使得所有致动器朝向流体弯曲。

在这种情况下，这两个膜的中心部分变形，由第一膜所形成的屈光度的光轴还相对于设备的静止位置的光轴倾斜。

可向设备的每个膜分配指定功能，并且为此设计针对各个膜而优化的致动设备。

因此，例如第一膜可分配有焦距变化功能，并且第二膜可被分配有偏转功能。

在这种情况下，对于第一致动设备，将有利地选择压电冠部，并且对于第二致动设备，将有利地选择多梁型MEMS(术语“微机电系统”的缩略词)，其致动也可为压电式的。

另外，虽然先前所述的附图示出了具有相同直径的膜1和2，但可有利的是，选择具有不同尺寸的膜来使可能的偏转最大化。

实际上，如果减小第二膜的中心部分2b的直径和/或这增大该膜的致动区域2a的宽度，则将使致动器的弯曲增加，因而使得偏转增大。

规定“直径”是指膜的可变形部分的直径，该可变形部分包括中心部分和致动区域，但不包括被固定的周边锚定区域。

这种方法特别令人关注，因为没有在第一实施方案(偏转)中向第二膜的致动器施加流体压力。这允许使用呈梁形式的致动器，这些致动器在弯曲方面特别柔韧且有效，但对压力较敏感。

图9A至9B示出光学设备100的截面，其中两个膜的中心部分1b,2b的直径基本上相等，但第二膜的致动区域2a的宽度大于第一膜的致动区域1a的宽度。对于总直径相等的膜而言，这可通过调整支撑件3使得第一膜的锚定区域1c比第二膜的锚定区域2c更宽来实现。在静止时，这两个膜可能平坦，然而其构型不是限制性的。

图9A对应于第二操作模式(焦距变化)。第一膜的致动器冠部朝向流体4均匀弯曲。第二膜的致动器在与流体4相反的方向上弯曲相同范围。这两个致动设备的相对弯曲引起流体朝向中心移动。这种位移使得第一膜的中心部分1b变形，并且使得第二膜的中心部分2b发生更小程度的变形，从而形成会聚型设备。

图9B对应于第一实施方案(偏转)。第一膜的致动器冠部朝流体4均匀弯曲。第二膜的致动器在与流体4相反的方向上不对称地弯曲，位于致动区域2a的一部分中的致动器未被激活，而位于与该致动区域沿直径相对的一部分中的致动器在与流体4相反的方向上弯曲足够范围，使得由第一膜使流体发生位移的体积由第二膜使流体发生位移的体积来补偿。在这种操作模式下，这两个膜不变形，第一膜相对于其静止位置平移，而第二膜相对于其静止位置枢转。

为了产生上文所述的操作模式，一方面实现偏转并且另一方面实现焦距变化，任选地进行组合，第一膜必须出于下文所公开的原因而表现出足够小的刚度。

图2A和2B呈现具有不同刚度的膜的两个示例，在这里被示为锚定到支撑件而没有受到流体压力。假设在这两种情况下，膜在静止时为平坦的。

图2A示出用于执行本发明的具有足够小刚度的膜。膜1仅在致动设备所在的中间区域1a中变形，但其中心部分1b保持平坦，这简单地通过相对于其静止位置平移来实现。

然而，图2B示出用于实现本发明的具有过大刚度的膜1，体现此特点的事实在于当该膜的致动设备5被激活时，膜1的中心部分1b在上面布置有致动设备5的中间区域1a的延伸部中变形。

在存在流体4的情况下，膜1具有足够低的刚度，使得图2A的膜能够在第二膜确保补偿由第一膜的致动设备使流体发生位移的体积和/或该第一膜被激活以使其自身补偿使流体发生位移的体积的条件下偏移而不变形(第一实施方案)。另外，如果第一膜的刚度足够低，则允许所述膜的中心部分在由所述膜的致动设备使流体发生位移的体积未由第二膜或第一膜补偿时变形(第二操作模式)。

相反，具有过大刚度的膜将有可能变形，尽管由第一操作模式下的第二膜确保了对发生位移的流体的体积的补偿并且仅产生偏转。

为了确保膜1具有足够低的刚度，本领域的技术人员可使用有限元建模软件(例如Comsol)来确定在致动作用下膜(没有流体压力)的参考变形(图2A)。

为了研究膜1和2在流体压力作用下的行为并且调整其刚度以获得优选变形，本领域的技术人员可使用圆形膜变形模型，诸如[1]中所述的模型。

均匀地施加于膜的流体的压力p与代表膜的不同参数之间的关系由以下公式给出：

$p=4\frac{h}{R^2}\mathrm{\ω}({\mathrm{\σ}}_r+\frac{2.83}{4}\frac{E}{(1-v^2)}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{R^2})---\left(1\right)$

其中：

h是膜的厚度，

R是受到压力p的膜的半径，

σ_r是膜中的残余应力，

ω是膜中心处的挠曲，

ν是构成膜的材料的泊松系数，

E是构成膜的材料的杨氏模量。

对于这两个膜中的每个膜，可调整材料、几何形状和膜中的残余应力以获得符合上文所述预期的刚度和变形。

在膜被激活的操作模式下，使该膜的半径与中心部分的半径相似而不考虑致动区域的宽度。

在静止时或在膜不被激活的实施方案中，使该膜的半径与中心部分和致动区域的半径相似，假设致动设备的刚度与膜的刚度处于相同的数量级。

针对膜使用索引1并且针对另一个膜使用索引2，给出以下公式其中挠曲ω₁和ω₂是两个未知量：

$4\frac{h_1}{{R^2}_1}{\mathrm{\ω}}_1({\mathrm{\σ}}_{r_1}+\frac{2.83}{4}\frac{E_1}{(1-{v_1}^2)}\frac{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}{{R_1}^2})=4\frac{h_2}{{R^2}_2}{\mathrm{\ω}}_2({\mathrm{\σ}}_{r_2}+\frac{2.83}{4}\frac{E_2}{(1-{v_2}^2)}\frac{{{\mathrm{\ω}}_2}^2}{{R_2}^2})---\left(2\right)$

由于一定体积的流体被驱动到设备的中心，因此在这两个膜之间共享体积。

通过导致由每个膜使流体发生位移的体积之间的差异来计算被驱动到设备的中心的体积，从而假设每个膜的中心部分保持平坦。

对于受到流体压力的膜，根据以下公式来计算在弯曲的中心部分下方的流体的体积：

$V=\frac{\mathrm{\π}}{24}\mathrm{\ω}(12R^2+4{\mathrm{\ω}}^2)---\left(3\right)$

通过使体积守恒，具有两个未知量的第二等式得到：

$\frac{\mathrm{\π}}{24}{\mathrm{\ω}}_1(12{R_1}^2+4{{\mathrm{\ω}}_1}^2)=\frac{\mathrm{\π}}{24}{\mathrm{\ω}}_2(12{R_2}^2+4{{\mathrm{\ω}}_2}^2)---\left(4\right)$

公式(2)和(4)的解确定未知量ω₁和ω₂。

调整每个膜的特性并且将其包括在上文所述的公式中，由此可调整每个膜的变形和曲率。

任选地，光学设备可包括这两个膜之间的具有光学功能的基板(例如，膜片、红外滤波器等)。该基板界定两个流体腔。为了保持流体对由这两个膜所施加的力学耦接，应确保基板使得流体能够从一个腔流到另一个腔，以在这两个腔中获得相等的流体压力。为此，在基板中提供尺寸合适的一个或多个开口。

可使用本领域的技术人员熟知的微电子技术尤其是化学气相沉积型、物理气相沉积、电沉积、外延、热氧化、蒸发、膜层压的薄层沉积技术来制作光学设备。另外，将膜锚定在支撑件上可涉及粘附技术。

可基于有机材料诸如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚对二甲苯、环氧树脂、光敏性聚合物、硅酮或矿物质材料诸如硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、金刚石来制作膜1,2。该膜可包括单层相同材料或不同材料层的堆叠。

另外，该膜可具有在其表面的每个点处相等的刚度，或相反，可在不同区域具有不同的刚度。在这种情况下，中心部分必须遵守早先所公开的刚度条件。

流体4可为液体，诸如碳酸丙烯酯、水、折射液、光学油或离子液体、硅油、具有高热稳定性和低饱和蒸气压力的惰性液体。

该流体可任选地为主要用于以反射方式工作的光学设的气体，诸如空气、氮气或氦气。

如果该光学设备以透射方式工作，则本领域的技术人员将根据优选的光学性能来选择该流体的折射率。

根据本发明的有利实施方案，该光学设备可结合由于设备所受到的温度的变化引起的焦距的变化的补偿装置。实际上，不同部件之间的热膨胀系数的差异可在温度发生明显变化时导致光学设备的焦距发生变化。

此类补偿装置在文件WO 2011/032925中有详细描述。

光学设备的示例性实施方案

可例如根据以下方法来制作设备100。

首先制造各自由硅基板和膜形成的两个子组件。为此，可参考描述了此类子组件的制造方法的文件FR 2 962 557。

每个膜的材料有利地为聚合物(诸如硅氧烷树脂)或矿物质材料(诸如二氧化硅、多晶硅、氮化硅)。

制作每个膜涉及控制膜中的残余应力，使其不具有过度压缩力(以避免膜的任何屈曲)或具有过度张力(以避免因此危害其变形)。有利地，每个膜中的残余应力具有微小张力。

第一膜的致动设备有利地为压电设备，优选地基于PZT。

接下来，通过包封流体来组装这两个子组件。

该技术常规用于制作LCD屏幕，因此这里将不再详细描述。

有利地，使用粘合剂来组装这两个基板并确保它们分离一定距离。

此前在其中一个基板上分配流体，例如折射液或光学油。

最后，通过在中心部分和致动区域中蚀刻硅基板来相继释放这两个膜。

诸如上文所述的光学设备可有利地结合到成像设备中，以执行稳定图像的功能。

仅以举例说明方式，图10示出一种成像设备，该成像设备包括具有固定焦距的常规相机C和根据本发明的例如被布置在所述相机前方的光学设备100。

此类成像设备还有许多其他可能的构型，并且本发明不限于后者。

参考文献

JP 11–1332110

WO 2011/032925

WO 2011/032927

[1]The design,Fabrication and Testing of Corrugated Silicon NitrideDiaphragms，Journal of Microelectromechanical Systems，第3卷，第1期，1994年3月.

Claims (14)

1.一种用于稳定图像的光学设备(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,2c)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与所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜与所述第二膜的力学耦接，

-所述第一膜的位于所述第一膜(1)的周边锚定区域(1c)与中心部分(1b)之间的区域(1a)的至少一个第一致动设备(5)，所述至少一个第一致动设备(5)包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体(4)的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，

-所述第二膜的位于所述第二膜(2)的周边锚定区域(2c)与中心部分(2b)之间的区域(2a)的至少一个第二致动设备(5’)，所述至少一个第二致动设备(5’)包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体(4)的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，

-所述第一致动设备和所述第二致动设备的控制装置，所述控制装置被配置为从其中所述第一致动设备和所述第二致动设备(5,5’)不活动的静止位置：

-在第一操作模式下，向所述第一致动设备(5)的至少一个致动器施加相应电致动电压，并且在适当的情况下，向所述第二致动设备(5’)的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便通过所述第一膜和/或所述第二膜使流体的体积的对应部分发生位移来补偿由所述第一膜导致的流体的体积中的一些体积的位移，所述第一膜的中心部分(1b)移动而不变形，

-在第二操作模式下，向所述第一致动设备和/或所述第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便使流体(4)的体积中的一些体积朝向所述设备(100)的中心或朝向所述设备(100)的周边发生位移，所述第一膜的中心部分(1b)在由所述位移导致的流体压力的作用下变形。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一膜具有足够低的刚度，使得在不存在流体压力的情况下，所述第一致动设备的激活将所述第一膜的中心部分设置为运动而不使其变形。

3.根据权利要求1或2中一项所述的设备，其中所述第一致动设备的每个致动器被配置为在单一方向上弯曲。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一致动设备的所述至少一个致动器包括压电冠部。

5.根据权利要求3或4中一项所述的设备，其中所述第二致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个致动器和被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二致动设备包括呈梁形式的致动器。

7.根据权利要求1至6中一项所述的设备，其中所述第二膜的中心部分(2b)的直径小于所述第一膜的中心部分(1b)的直径，并且/或者所述第二膜的致动区域(2a)的宽度大于所述第一膜的致动区域(1a)的宽度。

8.根据权利要求1或2中一项所述的设备，其中所述第一膜的所述致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个第一致动器和被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器。

9.一种成像设备，所述成像设备包括根据权利要求1至8中一项所述的至少一个光学设备。

10.一种用于光学设备(100)的焦距变化和/或偏转的方法，所述光学设备包括：

-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,2c)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与所述第二膜之间，所述流体(4)产生所述第一膜与所述第二膜的力学耦接，

-所述第一膜(1)的位于所述第一膜(1)的周边锚定区域(1c)与中心部分(1b)之间的区域(1a)的第一致动设备(5)，所述第一致动设备(5)包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体(4)的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，流体的所述位移易于导致所述第一膜的中心部分(1b)变形，

-所述第二膜(2)的位于所述第二膜(2)的周边锚定区域(2c)与中心部分(2b)之间的区域(2a)的第二致动设备(5’)，所述第二致动设备(5’)包括被配置为通过施加电致动电压而弯曲以便使流体(4)的体积中的一些体积发生位移的至少一个致动器，流体的所述位移易于导致所述第二膜的中心部分(2b)变形，

所述方法包括：

-第一操作模式，其中向所述第一致动设备(5)的至少一个致动器施加相应电致动电压，并在适当的情况下，向所述第二致动设备(5’)的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便通过所述第一膜和/或所述第二膜使流体的体积的对应部分发生位移来补偿由所述第一膜的位移所导致的流体的体积中的一些体积的位移，所述第一膜的中心部分移动而不变形，

-第二操作模式，其中向所述第一致动设备和/或所述第二致动设备的至少一个致动器施加相应电致动电压，以便使得流体的体积中的一些体积朝向所述设备的中心或朝向所述设备的周边发生位移，流体的所述位移使得所述第一膜和/或所述第二膜的中心部分变形。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一膜的所述致动设备的每个致动器被配置为在单一方向上弯曲，并且在所述第一操作模式下，在所述方向上激活所述第一致动设备的至少一个致动器和所述第二致动设备的至少一个致动器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第二操作模式下，所述第二致动设备不被激活，或者所述第二致动设备在与所述第一致动设备弯曲的方向相反的方向上被激活。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一膜的所述致动设备包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个第一致动器和被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器，并且在所述第一操作模式下，所述第一致动器和第二致动器在所述两个相反的方向上被激活，以便补偿在所述第一膜的水平下发生位移的流体的体积，所述第二致动设备不被激活。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一致动设备和所述第二致动设备各自包括被配置为在第一方向上弯曲的至少一个第一致动器和被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲的第二致动器，并且在所述第一操作模式下，所述第一致动器和第二致动器在所述两个相反的方向上被激活，以便通过被所述第二膜位移的流体的体积来补偿被所述第一膜位移的流体的体积。