專利名稱：雙壓電晶片光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種通過相反致動的有源元件進行控制的雙壓電晶片光學元件，這些有源元件由壓電陶瓷制成。
背景技術：
歐洲專利申請EP 1 723 461涉及一種呈現(xiàn)出兩個陶瓷層的雙壓電晶片反射鏡， 這兩個陶瓷層具有電極并且通過中心層彼此間隔開。這種反射鏡組裝為呈具有兩個所謂的“表”層的層狀結構的形式，這兩個所謂的 “表”層中的至少一個用作反射鏡，而兩個陶瓷層和中心層被夾置于這兩個表層之間。實現(xiàn)層狀結構是相對復雜和困難的。雙壓電晶片反射鏡所用的層狀結構原理還將這種反射鏡的尺寸限制于陶瓷元件 的尺寸并限制于其倍數(shù)(multiple)，并且反射鏡的拋光質(zhì)量受到該層狀結構的存在的限 制。現(xiàn)有技術中公知的解決方案往往基于在平行于工作光學面的面上對陶瓷元件進 行組裝。在所有的情況下，陶瓷粘著地結合于平行于該光學面的面，從而產(chǎn)生了在垂直于 該光學面的方向上疊置的結構。這種結構同樣應用于文件EP 1 835 302，其中，陶瓷粘著地結合于與該光學面相 對的面。當陶瓷棒為雙壓電晶片，即當棒包括背對背粘住的兩片陶瓷時，在組件的溫度改 變時，穩(wěn)定性受到雙金屬效應的限制。而且，如果可變形的反射鏡的尺寸大于陶瓷元件的尺寸(其由于市場上可獲得的 陶瓷的受限尺寸而經(jīng)常發(fā)生)，則制造商需要首尾相連地放置多片陶瓷，以獲得所需要的尺 寸，并且在文件EP 1 835 302中，陶瓷片之間的這些接合點位于反射鏡的非光學背面上， 并且在使陶瓷受力以改變反射鏡的曲率時，不連續(xù)性變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過采用下述結構而至少部分克服上述缺點中的至少一個，在該結構 中，當這種結構用于結合壓電元件時，壓電元件相對于不再呈現(xiàn)出這種層狀結構的光學元 件側向定位。因此，本發(fā)明提供一種雙壓電晶片光學裝置，所述雙壓電晶片光學裝置包括可變 形的光學元件和由設置有電極的壓電陶瓷制成的有源元件，所述元件成對地并且相反地受 到控制，從而產(chǎn)生用于元件對中的第一元件的壓縮運動和用于元件對中的第二元件的拉伸 運動，所述裝置的特征在于，光學元件呈現(xiàn)出光學有源第一主表面和與所述第一主表面相 對的第二主表面，以及至少第一和第二相對的側面，并且陶瓷的有源元件包括在所述第一 和第二側面上彼此面對放置的至少兩對壓電陶瓷的棒，每對棒包括放置在光學元件的構成其中性軸的中間表面的任一側上的所述第一和第二側面中的一個側面上的兩個棒。在本發(fā)明的裝置中，由于其由放置在可變形的光學元件的中性軸的任一側上的成 對的相對的陶瓷構成，因此上文詳細說明的原理必須是雙壓電晶片，從而使得相反地操作 它們，一個元件處于壓縮中而另一個元件處于拉伸中，并且反之亦然。而且，陶瓷并非粘著地結合在平行于光學面或位于平行于光學面的面之間的面， 而是側向地位于側面上。因此，該結構不再是層狀的。不同于諸如文件EP 1 835 302中所述的裝置之類的現(xiàn)有技術裝置，陶瓷的曲率 不再直接用于使反射鏡彎曲。陶瓷棒經(jīng)由其自身的側面粘著地結合于光學元件的側面。在現(xiàn)有技術中，結合面 不再保持是平的，而是沿曲率而行，這又導致反射鏡彎曲。在本發(fā)明中，棒的側面保持是平的，并且陶瓷棒上的作用使得其長度改變。長度上 的改變是棒的產(chǎn)生曲率的反作用。不同于可能所期待的情況，通過棒在反射鏡的側面上的 作用而產(chǎn)生的曲率相對于反射鏡的中樣被均勻地分配。因此，本發(fā)明基于具有獨創(chuàng)性的功能性分析。這種設置同樣呈現(xiàn)出若干優(yōu)點。最重要的是將陶瓷元件放置在外側面上，并由此放置在中性軸的任一側上，并且 與申請EP 1 723 461中所述的層狀結構相比盡可能遠離該中性軸，從而能夠使得施加于 反射鏡的作用最大化。由于陶瓷與反射鏡之間的改進的聯(lián)合，當反射鏡彎曲時，這一作用能夠實現(xiàn)更佳 的準確度以及更佳的穩(wěn)定性。由于陶瓷不再位于光學表面的下方或其上，陶瓷元件之間的接合點的可見度降低 并且這種接合點的作用在反射鏡的整個寬度上是平滑的。不同于申請EP 1 835 302的說明書，本發(fā)明的結構關于光學元件的中性軸是對 稱的，從而避免任何雙金屬型的熱效應(即使工業(yè)棒可以由粘著地結合在一起的多個陶瓷 元件構成)，從而給出非常好的熱穩(wěn)定性。由于將陶瓷(單壓電晶片或雙壓電晶片)應用于背面的解決方案是不良的改變， 這帶來了較小的動態(tài)變化范圍并且遭受雙金屬型熱效應，因此當傳統(tǒng)的反射鏡被轉換為雙 壓電晶片反射鏡時，這些優(yōu)點是尤其有利的。至少一個控制棒可以具有與所述主表面共面的面。該裝置的特征可以在于，主表面中的至少一個主平面沿直線段與第一和第二側面 相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是直的并且平行于所述直線段放置。該裝置的特征可以在于，主表面中的至少一個主表面沿凹形的或凸形的彎曲段與 第一和第二側面相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是直的并且平行于所述彎曲 段的平局方向放置。該裝置的特征可以在于，主表面中的至少一個主表面沿凹形的或凸形的彎曲段與 第一和第二側面相交，并且，所述陶瓷棒中的至少一些陶瓷棒是彎曲的并且以沿所述彎曲 段而行的方式設置。至少一個陶瓷棒可以包括至少兩個壓電陶瓷元件，這至少兩個壓電陶瓷元件首尾 相連地放置和/或疊置。
有利地，該光學元件成矩形平行六面體，優(yōu)選地是正方形或矩形形狀，并且當該元 件為矩形時，第一和第二側面沿該矩形的長側延伸。該矩形平行六面體的長度L與寬度1的比率有利地處于1至100的范圍內(nèi)，更具 體地處于3至50的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地處于3至25的范圍內(nèi)。該寬度1可以例如處于IOmm至80mm的范圍內(nèi)。該長度L可以例如處于40mm至1500mm的范圍內(nèi)。光學元件的厚度￡可以例如處于5mm至IOOmm的范圍內(nèi)。光學裝置還可以包括以相同的方式放置在第三和第四相對的側面上的成對的壓 電陶瓷棒中的至少兩個。由于本發(fā)明的裝置實現(xiàn)了僅結合于兩個或四個側面的相反的壓電致動器，因此它 能夠通過可變形的任何光學裝置來實現(xiàn)。作為示例，光學元件可以是反射鏡體，并且至少第一主表面是拋光的。作為示例，光學元件可以是光柵，并且至少第一主平面呈現(xiàn)出至少一個光柵圖案。


通過參照附圖研讀下列說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點更好得顯現(xiàn)出來，其中圖1是本發(fā)明的諸如反射鏡之類的裝置的立體圖；圖2是圖1的側視圖；圖3示出了一種變型，其中，棒自光學元件的表面偏移；圖4a和4b示出了電極對的兩種變型實現(xiàn)方式；圖5示出了補充在四個側面上的電極對；以及圖6a至6c示出了帶有至少一個弧形的主面的變型實現(xiàn)方式。
具體實施例方式圖1示出了矩形的可變形光學元件1，該可變形光學元件1呈現(xiàn)出兩個端側面4和 5以及沿矩形的長側的兩個主側面2和3。頂面6呈現(xiàn)出光學功能，例如該頂面6被拋光， 從而形成平的或在縱向方向和/或橫向方向上彎曲的(凹形的或凸形的)反射鏡，或者該 頂面6承載有一個或多個光柵圖案，該一個或多光柵圖案帶有垂直或者平行于該矩形的長 側的線條，例如，從而形成平的或在縱向方向和/或橫向方向上彎曲的(凹形的或凸形的) 并且在反射或者衍射中進行操作的光柵。側面2承載有第一對壓電棒21和22，這第一對壓電棒21和22基本平行于該光學 元件1的中平面P (在圖2中以點劃線繪出)并且限定中性軸(當平面6和7是平的或者 僅略微彎曲時)，并且這第一對壓電棒21和22優(yōu)選地彼此對稱地間隔開。相同的設置應用 在緊固于側面3的棒31和32。當至少一個面是彎曲的時，該中性軸是不平的中間表面。表面6可以是平的、圓柱形的、螺旋管形的、球形的或非球形的(例如橢圓形的、拋 物線的或者雙曲線的)，并且由此帶有是常數(shù)的或者是非常數(shù)的曲率半徑。在所示示例中， 面6是平的并且由直線段62、63、64和65所限定。底面7可以作為選擇呈現(xiàn)出光學功能，并且像頂面6 —樣，底面7可以是平的或者 可以是彎曲的(凹形的或凸形的)。
6
在未承載有壓電棒的方向上(此處為橫向面4和5)，面6(和/或7)的曲率半徑 處于例如IOmm至⑴(平面)的范圍內(nèi)，而在承載有壓電棒的方向上(此處為縱向面2和 3)，面6(和/或7)的曲率半徑處于IOOmm至⑴的范圍內(nèi)。對于形狀為正方形的光學元件1也可以實現(xiàn)這種曲率。該曲率在與壓電元件對21、22和31、32所產(chǎn)生的曲率相同的方向上定向。各個棒21、22、31、32由一片壓電陶瓷或者首尾相連放置的多片壓電陶瓷構成。這些壓電棒21、22、31、32優(yōu)選地與面6和7齊平，由此用于使它們與中性軸盡可 能遠地間隔開并且由此對于施加至棒的給定控制信號獲得用于光學元件1的最大曲率，同 時使棒的粘著結合中的應力最小化。 如圖2所示，棒21和22是相反的，并且例如，施加于它們的電極(未示出)的同 一控制信號使得棒21被壓縮而棒22被拉伸，反之亦然。圖2是(以夸大的方式)示出了 光學元件1的曲率的簡圖，用于修改其光學有源面6的曲率，從而為該光學有源面6提供始 于平面的凹形的輪廓C。如果始于凹形的或凸形的面6，則能夠抵消該變程，超過該變程，就能夠在不改變 該變化的幅度的情況下改變曲率。棒21、22、31、32粘著地結合于側面2和3。它們優(yōu)選地遍布這些面的整個長度。就 反射鏡而言，尤其是由于部件1是單片式，因此粘著結合可以在面6已經(jīng)被拋光之后執(zhí)行， 從而便于制造。這一特征使得能夠將預先存在的無源反射鏡轉換為有源反射鏡，該無源反射鏡不 可能帶有層狀結構。對于尤其是光柵之類的其它光學元件而言，可在已經(jīng)完成面6、即已經(jīng)將光學特征 給予面6之后，粘著地結合壓電棒21、22、31、32。與層狀結構的反射鏡相比，由于陶瓷片不覆蓋反射鏡的表面，因此所用的陶瓷片 較小，從而降低了成本。由此，它們的尺寸可適于曲率所需的值。例如，棒可具有處于2mm 至30mm范圍內(nèi)的寬度1。以及處于2mm至30mm范圍內(nèi)的高度hQ。此外，由于在構成反射鏡 的表層下方不存在電極，因此不再存在任何由于電極之間的接合點所造成的局部變形。光學元件1可由適于在光學系統(tǒng)中使用的任意材料制成例如玻璃、硅石、硅、金 剛砂、鍺、激光玻璃、ZnS和ZnSe、金屬。圖3示出了一種變型，其中，陶瓷棒21、22、31、32以例如距離d而與表面6和7間 隔開，該距離d小于IOmm并且例如處于0. Imm至4mm的范圍內(nèi)。當表面6是凹形的或凸形 的時，這是尤其合適的。圖4a和4b示出了本發(fā)明的帶有單獨的棒ZlidUd^dZidZsdZ^SlpSl^S^等 的變型實施方式，這些單獨的棒ZlidUdUdZid^dZySlidUdU等被首尾相連地放置 (圖 4a)和 / 或疊置(圖 4b)(參照 21、21’、22、22’)。當將多個壓電陶瓷棒首尾相連地粘著結合在一起(用于長形鏡)時，形成在光學 元件1的側面2和3上的接合點并不會在光學有源表面6中的平面度方面引發(fā)缺陷。這種 缺陷同樣不會隨著時間的推移而出現(xiàn)(圖4a)。棒21、22、31、32可以通過將粘著地結合在一起的兩個單獨的棒疊置而形成(圖 4b)。
圖5示出了通過具有另外的壓電棒41、42、51、52而可沿兩個垂直的軸彎曲的雙壓電晶片反射鏡，該另外的壓電棒41、42、51、52粘著地結合于正方形或矩形的光學元件1的 面4和5，并且優(yōu)選地在表面6和7為平的或僅略微彎曲時關于構成中性軸的中平面P被對 稱地間隔開。這些棒41、42、51、52具有優(yōu)選地與面6和7齊平或者如圖3所示地自該面6 和7偏移的面。表面6和/或表面7可以是平的或在由壓電元件對所產(chǎn)生的曲率的一個或 兩個方向上是彎曲的，或者與這種方向垂直。曲率半徑可以處于IOOmm至⑴的范圍內(nèi)。這種通過兩對側向壓電致動器進行的雙致動尤其適于與形狀為正方形或矩形的 光學部件一起使用。比率L/1可以處于1(正方形)至5的范圍內(nèi)。圖6a示出了帶有拋光的頂面6的反射鏡，該頂面6在縱向方向和橫向方向上均是 凹形的。棒21、22、31、32是直的并且被縱向設置。它們彼此平行并且指向表示頂面6與側面2或3之間的交叉線的彎曲段62或63 的平均方向。彎曲段64和65分別對應于頂面6與側面4和5之間的交叉線。在所示示例 中，該方向平行于平的底面7，但是，該面還可以在縱向方向和/或橫向方向上是凸形的或 凹形的。尤其是對于拋物線形的或雙曲線形的彎曲段，該方向基本上平行于頂點S處的切 線。該設置可以在頂面6僅在縱向方向上是彎曲的時同樣實現(xiàn)(圖6b)。頂面6與側面4 和5之間的交叉線隨后沿直線段64和65出現(xiàn)。圖6c示出了具有在縱向方向上是凹形的其拋光的頂面6的反射鏡。靠近表面6的 棒210和310沿表示頂面6與側面2或3之間的交叉線的彎曲段62或63而行。棒22和 23是直的并且它們沿平行于底面7的縱向方向延伸。在所示示例中，棒21和31以所述距 離d而與頂面6間隔開。它們同樣能夠與彎曲段齊平。因此，以這樣的方式放置直的或彎曲的棒以距離d非常接近地沿直線段(62、63、 64、65)或彎曲段(62、63、64、65)而行，該距離d是常數(shù)或相反，但其小于或等于10mm，尤其 為 4mm。
權利要求
1.一種雙壓電晶片光學裝置，所述雙壓電晶片光學裝置包括可變形的光學元件和由設 置有電極的壓電陶瓷制成的有源元件，所述元件以成對并且相反的方式受到控制，從而產(chǎn) 生用于元件對中的第一元件的壓縮運動和用于元件對中的第二元件的拉伸運動，所述裝置 的特征在于，所述光學元件(1)呈現(xiàn)出光學有源第一主表面(6)和與所述第一主表面相對 的第二主表面(7)，以及至少第一和第二相對的側面0，3)，并且，陶瓷的所述有源元件包 括在所述第一側面( 和所述第二側面C3)上彼此面對放置的至少兩對壓電陶瓷的棒01， 22 ;31，32)，每對所述棒包括放置在所述光學元件(1)的構成所述光學元件(1)的中性軸 的中間表面的任一側上的所述第一側面( 和所述第二側面C3)中的一個側面上的兩個棒 (21,22 ；31,32)。
2.如權利要求1所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少 一個主表面沿直線段(62，63，~，65)與所述第一側面( 和所述第二側面C3)相交，并且，所 述陶瓷棒01，31)中的至少一些陶瓷棒是直的并且被平行于所述直線段放置。
3.如權利要求1所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少 一個主表面沿凹形的或凸形的彎曲段(62，63，64，6 與所述第一側面( 和所述第二側面 (3)相交，并且，所述陶瓷棒(21，31)中的至少一些陶瓷棒是直的并且被平行于所述彎曲段 的平均方向放置。
4.如權利要求1所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述主表面(6，7)中的至少 一個主表面沿凹形的或凸形的彎曲段(62，63，64，6 與所述第一側面( 和所述第二側面 (3)相交，并且，所述陶瓷棒Ο10，310)中的至少一些陶瓷棒是彎曲的并且以沿所述彎曲段 而行的方式設置。
5.如權利要求1所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，至少一個陶瓷棒包括至 少兩個壓電陶瓷元件，所述至少兩個壓電陶瓷元件首尾相連地放置Ol1，212，213，221; 2 ， 223,3^,313,313)和 / 或疊置 01，21，，22，22，，31，31，，32，32，)。
6.如任一前述權利要求所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述光學元件(1) 呈矩形平行六面體的形式，并且，所述第一側面( 和所述第二側面( 沿所述矩形的長側 延伸。
7.如權利要求6所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述矩形平行六面體的長 度L與寬度1的比率處于1至100的范圍內(nèi)。
8.如權利要求7所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述寬度1處于IOmm至 80mm的范圍內(nèi)。
9.如權利要求7或權利要求8所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述長度L處 于40mm至1500mm的范圍內(nèi)。
10.如任一前述權利要求所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，棒(21，22，31，32， 41，42，51，52)的寬度1。處于2mm至30mm的范圍內(nèi)，并且其高度hQ處于2mm至30mm的范 圍內(nèi)。
11.如權利要求6至10中的任一項所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，它還包括 第三和第四相對的側面G，5)，所述第三和第四相對的側面(4，幻包括所述對壓電陶瓷棒 (41,42,51,52)中的至少兩個。
12.如任一前述權利要求所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述光學元件(1)的厚度豆處于5mm至1OOmm的范圍內(nèi)。
13.如任一前述權利要求所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述光學元件是反 射鏡體，并且，至少所述第一主表面(6)是拋光的。
14.如權利要求1至12中的任一項所述的雙壓電晶片光學裝置，其特征在于，所述光學 元件是光柵，并且，至少所述第一主表面(6)承載有至少一個光柵圖案。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙壓電晶片光學裝置，其包括可變形的光學元件和由設置有電極的壓電陶瓷制成的有源元件，所述元件以成對且相反的方式受到控制，從而產(chǎn)生用于元件對中的第一元件的壓縮運動和用于元件對中的第二元件的拉伸運動，所述裝置的特征在于，光學元件(1)呈現(xiàn)出光學有源第一主表面(6)和與所述第一主表面相對的第二主表面(7)，以及至少第一和第二相對的側面(2，3)，并且，陶瓷的有源元件包括在所述第一和第二側面(2，3)上彼此面對放置的至少兩對壓電陶瓷的棒(21，22；31，32)，每對棒包括放置在光學元件(1)的構成其中性軸的中間表面的任一側上的所述第一和第二側面(2，3)中的一個側面上的兩個棒(21，22；31，32)。
文檔編號G02B26/08GK102147525SQ20111003496
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日2010年2月5日
發(fā)明者讓-弗朗索瓦·卡雷 申請人:歐洲光學系統(tǒng)公司