專利名稱：可變透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一可變透鏡，包括-基本圓柱形的腔室，其具有圓柱腔壁并包含導(dǎo)電的第一流體和不導(dǎo)電的第二流體，流體相互接觸且不可混溶，并具有不同的折射率，和-電板結(jié)構(gòu)，其包括與第一流體相接觸的第一電極和設(shè)置在腔壁上的第二電極裝置。
本發(fā)明還涉及包括此種可變透鏡的照相機(jī)。
可變透鏡據(jù)悉為其一個(gè)或多個(gè)特性可以被控制調(diào)節(jié)的透鏡，例如透鏡的焦距或光學(xué)有效元件的位置可以被改變。流體據(jù)悉為響應(yīng)任何外力可改變其形狀的物質(zhì)，其趨于流動(dòng)或符合于其腔室的輪廓，流體包括氣體，液體或能夠流動(dòng)的固體和液體的混合物。
DE19710668描述了一種可變透鏡，其包括充滿了流體的彈性薄膜。形成透鏡的折射表面的薄膜內(nèi)流體的壓力，利用泵來(lái)進(jìn)行控制并確定薄膜的曲率。透鏡的屈光力由薄膜的曲率和薄膜內(nèi)流體與薄膜外媒質(zhì)的折射率比值來(lái)確定。通過(guò)改變壓力，薄膜的曲率和透鏡的屈光力因此也被改變。
這種透鏡系統(tǒng)具有很多缺點(diǎn)。由于薄膜曲率的變化，很難保持良好的光學(xué)性能。此外此透鏡系統(tǒng)容易受機(jī)械疲勞影響?？刂票∧さ男螤睿簿褪钦f(shuō)折射表面，不僅依賴于流體的壓力，而且依賴于與薄膜的彈性。因此，要獲得預(yù)期薄膜形狀的預(yù)期范圍和焦距的預(yù)期范圍是有問(wèn)題的，特別是如果薄膜的彈性隨著時(shí)間發(fā)生改變的情況下。此外，柔性薄膜通常不是氣密性的，會(huì)導(dǎo)致流體隨著時(shí)間從裝置蒸發(fā)。
基于電潤(rùn)濕裝置的變焦透鏡已經(jīng)是已知的了。電潤(rùn)濕裝置是利用電潤(rùn)濕現(xiàn)象進(jìn)行工作的裝置。在電潤(rùn)濕中三相接觸角，也就是兩種液體的接觸表面和固體表面例如腔壁之間的角，隨所施加的電壓而改變。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO03/069380描述了一種利用電潤(rùn)濕效應(yīng)的變焦透鏡。此透鏡在密封的空間例如腔室或空腔內(nèi)封閉兩種不可混溶的液體。術(shù)語(yǔ)不可混溶表明流體不混合。第一流體是導(dǎo)電性的，例如含有鹽溶液的水，第二流體是電絕緣的，例如硅油。第一和第二流體具有不同的折射率。第一流體與第一電極相接觸并且第二電極安排在腔壁內(nèi)側(cè)且通過(guò)一絕緣層與第一流體隔開(kāi)。來(lái)自電壓源的電壓施加在兩電極之間。通過(guò)改變這個(gè)電壓，第一和第二流體之間的界面也就是彎月面的形狀被改變以致于改變由界面提供的透鏡功能。
雖然這種電潤(rùn)濕透鏡在緊湊和易控制透鏡領(lǐng)域提供了很大的進(jìn)步，但仍然具有大量的缺陷。這種構(gòu)造要求較高的電壓來(lái)改變兩液體的界面的形狀。不得不對(duì)液體設(shè)定要求，這導(dǎo)致可使用的液體之間較小的的折射率比值，這意味著透鏡的光學(xué)能力也較小。為了變焦所必需的界面的變形會(huì)影響透鏡的光學(xué)質(zhì)量。而且，如果希望保持相同的透鏡形狀，但要簡(jiǎn)單地改變透鏡的位置，則整個(gè)裝置必須被機(jī)械移動(dòng)，例如通過(guò)昂貴的傳動(dòng)裝置，這也是定焦透鏡所具有的問(wèn)題。這樣的移動(dòng)很難精確地控制并且很容易受到振動(dòng)和機(jī)械磨損的影響。
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決這個(gè)問(wèn)題并提供一種具有高屈光力的可變透鏡，其可以利用很低的電壓來(lái)改變焦點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的透鏡的特征在于-一體積的流體的一種安排在兩體積的另一種流體之間，和-第二電極裝置包括至少兩個(gè)子電極，其每一個(gè)在圓柱體軸線的方向上覆蓋圓柱壁的不同位置，以及-腔壁在它的相對(duì)端設(shè)置有兩個(gè)開(kāi)口，此兩個(gè)開(kāi)口利用一外部流體導(dǎo)管互連，讓流體之一進(jìn)出腔室流通。
在流體腔室內(nèi)，一種流體在兩相對(duì)端，中間嵌入有另一種流體，或者換句話說(shuō)一體積的一種流體，也可稱為一塊，置于另一種流體的兩體積之間。因此腔室包括兩個(gè)液體對(duì)液體的界面或彎月面，其意味著有兩個(gè)折射表面。新透鏡因此具有兩倍于已知電潤(rùn)濕透鏡的屈光力的屈光力。在中性狀態(tài)，流體塊相對(duì)于第二電極的子電極呈對(duì)稱的設(shè)置并且兩界面表現(xiàn)出相同的表面張力。一旦一個(gè)界面的表面張力變得不同于另一界面的表面張力，此流體塊開(kāi)始在腔室圓柱體軸線的方向上移動(dòng)，此軸線也是透鏡的光軸。張力之間小的差別就足以開(kāi)始這個(gè)移動(dòng)。通過(guò)在子電極之一上施加電壓來(lái)引起張力的差別，該電壓使該子電極側(cè)的界面曲率發(fā)生變化并因此實(shí)現(xiàn)在此界面的表面張力的變化。僅僅需要非常低的電壓，僅幾個(gè)伏特，就能實(shí)現(xiàn)所需的曲率變化和所需的表面張力差別。
流體塊在激活的子電極方向移動(dòng)并保持這個(gè)移動(dòng)直到電壓被切換或者流體塊到達(dá)了腔室的端壁。
本發(fā)明透鏡的焦點(diǎn)通過(guò)移動(dòng)流體塊來(lái)進(jìn)行改變，而不是改變折射表面的形狀。這與為了同樣目的的傳統(tǒng)透鏡的移動(dòng)相類似，然而并不使用傳動(dòng)裝置。因?yàn)檎凵浣缑娴淖冃畏浅Ｐ?，現(xiàn)在透鏡的光學(xué)性能要顯著的好于通過(guò)折射界面的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦的透鏡。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓低，對(duì)流體設(shè)定的要求更少因此可選擇具有較大差別的折射率的流體。相對(duì)于已有的電潤(rùn)濕透鏡，使用此方法的透鏡的光學(xué)能力也增加了。
可變透鏡進(jìn)一步的特征在于流體腔室面對(duì)流體的內(nèi)壁覆蓋一絕緣層。
此絕緣層將第一流體和第二電極裝置隔開(kāi)。
優(yōu)選地，可變透鏡進(jìn)一步的特征在于此絕緣層是疏水性的。
此層防止流體粘附在內(nèi)壁不希望的位置上。
可變透鏡的第一實(shí)施例的特征在于一體積的第一流體置于兩體積的第二流體之間。
可變透鏡的第二實(shí)施例的特征在于一體積的第二流體置于兩體積的第一流體之間。
優(yōu)選地本實(shí)施例進(jìn)一步的特征在于第一電極基本上設(shè)置在腔壁中的開(kāi)口之一內(nèi)。
以這種方式可以確保第一電極總是能接觸到第一流體。
可變透鏡的一具體的實(shí)施例的特征在于第二電極裝置包括一系列環(huán)形電極。
此實(shí)施例非常適合用作變焦透鏡或用于變焦透鏡系統(tǒng)。
可變透鏡的一實(shí)用的實(shí)施例的特征在于此流體為液體。
此實(shí)施例進(jìn)一步的特征在于第一液體是鹽水和第二液體是油。
這些液體已經(jīng)證明了它們?cè)陔姖?rùn)濕透鏡中使用的優(yōu)點(diǎn)。
在一具體實(shí)施例中可變透鏡為變焦透鏡。
可變透鏡可以用于包括有透鏡系統(tǒng)和圖像接收單元的圖像俘獲裝置。此裝置的特征在于透鏡系統(tǒng)包括如這里前面所述的可變透鏡。
此圖像俘獲設(shè)備非常適合用于照相機(jī)，特別是小型照相機(jī)。
此相機(jī)的透鏡系統(tǒng)可以是變焦透鏡系統(tǒng)。
此相機(jī)可以結(jié)合到手持設(shè)備中，因此包括相機(jī)的這種設(shè)備也成為本發(fā)明的一部分。
這種手持設(shè)備例如是移動(dòng)電話。
本發(fā)明還可以用于光學(xué)裝置中，該裝置用于掃描信息層并包括提供掃描束的輻射源單元，聚焦掃描束到信息層上的掃描點(diǎn)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)和將來(lái)自信息層的掃描束輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輻射敏感探測(cè)單元。此裝置的特征在于透鏡系統(tǒng)包括如這里前面所述的可變透鏡。
當(dāng)此裝置被用于掃描一個(gè)記錄載體中處于不同深度的至少兩個(gè)信息層并包括一物鏡系統(tǒng)和準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)時(shí)，其特征在于此可變透鏡包含在準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)內(nèi)以校正由于信息層的不同深度所引起的球面像差。
用于掃描具有不同格式的至少兩個(gè)信息層的裝置，其中輻射源單元可切換地發(fā)射至少兩種具有不同波長(zhǎng)的光束并且其中透鏡單元包括物鏡系統(tǒng)，其特征在于可變透鏡包含在物鏡系統(tǒng)中以使這個(gè)系統(tǒng)適應(yīng)于信息層的不同格式。
參照在下文中描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他的方面將是明顯的并使用了非限制性的示例進(jìn)行闡述。圖中

圖1示出了已有電潤(rùn)濕透鏡的原理；圖2a和2b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的透鏡在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的第一實(shí)施例；圖3示出了此透鏡的第二實(shí)施例；圖4示出了此透鏡的第三實(shí)施例；圖5示出了包括根據(jù)本發(fā)明的透鏡的照相機(jī)示意圖；圖6示出了包括這樣的相機(jī)的移動(dòng)電話，和圖7示出了用于該取光學(xué)記錄載體并包括有根據(jù)本發(fā)明的透鏡的光學(xué)裝置。
圖1中所示的已有透鏡1包括形成毛細(xì)管的圓柱形第一電極2，該管利用透明的前元件4和透明的后元件6進(jìn)行密封形成容納兩種流體的流體腔室5。電極2可以是施加在管內(nèi)壁上的導(dǎo)電涂層。
此兩種流體由兩種不可混溶液體組成，液體的形式為電絕緣的第一液體A，例如硅油或烷烴，相當(dāng)于這里還要提到的“油”和導(dǎo)電的第二液體B，例如含有鹽溶液的水。這兩種液體優(yōu)選地具有相同的密度以便于透鏡與取向無(wú)關(guān)地工作，即與液體之間的引力效應(yīng)無(wú)關(guān)。選擇液體使第一液體A具有比第二液體B更高的折射率。
電極2涂覆著一電絕緣層8，例如聚對(duì)二甲苯基。此層涂覆有一疏水層10，其防止流體粘附在腔壁上。
環(huán)形的第二電極12設(shè)置在后元件6的附近并至少部分處于流體腔室內(nèi)以致于此電極能作用于第二流體B。
流體A和B是不可混溶的所以趨向于分成兩個(gè)流體部分，或流體體積，此兩部分被彎月面形式的界面14分開(kāi)。如果沒(méi)有電壓施加到第一和第二電極上，疏水層相對(duì)于第一流體A比相對(duì)于第二流體B具有更高的可濕性。由于電潤(rùn)濕效應(yīng)，根據(jù)第一和第二電極間電壓的施加，第二流體B的可濕性發(fā)生變化，其導(dǎo)致改變了在三相線位置的彎月面的接觸角θ，此三相線也就是疏水層10和兩種液體A和B之間的接觸線。根據(jù)施加的電壓，彎月面14的形狀和由此的透鏡焦點(diǎn)是可變的。
根據(jù)必需的焦點(diǎn)變化，此電壓應(yīng)具有例如幾十到200伏之間的值，這導(dǎo)致此透鏡更少地適用于在手持設(shè)備中的應(yīng)用。而且適合用作液體A和液體B的液體具有較低折射率差，其限制了透鏡的屈光力。
根據(jù)本發(fā)明的透鏡沒(méi)有表現(xiàn)出這樣的不足。這個(gè)透鏡也利用電潤(rùn)濕效應(yīng)，然而不是為了讓彎月面產(chǎn)生形變，而是為了啟動(dòng)一彎月面的移動(dòng)，此移動(dòng)由兩個(gè)彎月面的表面張力差來(lái)保持。
圖2a和2b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的透鏡在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的第一實(shí)施例的截面圖。此透鏡包括不可混溶的且具有不同折射率的兩種流體40和50，例如液體。流體40是導(dǎo)電的并包括例如水，和流體50是電絕緣的并包括例如油。在本實(shí)施例中，一體積或一塊流體40被置于兩個(gè)體積的流體50之間以致于透鏡包括兩個(gè)不同折射率材料之間的界面42和44，該界面具有彎月面形狀。此透鏡可以與具有兩個(gè)折射表面的固體透鏡相比，其折射表面為凸面。這種透鏡具有很大的透鏡光學(xué)能力并可以聚焦光束b。
流體被容納在流體腔室22中，在這個(gè)實(shí)施例中腔室表現(xiàn)為由側(cè)壁24限定的縱向延伸的管的形式并具有一管軸。在這個(gè)特定的例子中，腔室為一圓柱形管而且其光軸00’與管軸是同軸的。另外的壁26和28在管的端部延伸以形成封閉流體的腔室22。壁26、28的至少位于光軸00’周圍的部分是透明的。
兩流體之間的彎月面42和44在透鏡20的光軸00’的橫向上延伸。術(shù)語(yǔ)橫向表明彎月面橫穿例如延伸穿過(guò)光軸并不與光軸平行。彎月面可以以任何預(yù)期的角度穿過(guò)光軸。彎月面42和44的圓周由腔室的側(cè)壁限定。
典型地，為了將流體40和50定位在腔室22預(yù)期的部分內(nèi)，腔室的不同區(qū)域?qū)γ恳涣黧w具有不同的可濕性，例如每一流體被各自的區(qū)域所吸引?？蓾裥允潜粷?rùn)濕的區(qū)域的范圍也就是被流體覆蓋區(qū)域的范圍。例如，如果流體40是導(dǎo)電的、極性的流體和流體50是非導(dǎo)電的流體，那么壁24的內(nèi)表面可以是親水的以便吸引流體40和不吸引流體50。
彎月面42和44的形狀由彎月面邊緣和流體腔壁的內(nèi)表面的接觸角θ決定。因此彎月面的形狀就由此表面的可濕性決定。在這個(gè)透鏡中彎月面的形狀幾乎是恒定的。圖示彎月面形狀從流體40看為凸面的，但也可以是凹面的。
透鏡20進(jìn)一步包括進(jìn)入到第一流體40中的第一電極34，該電極與電壓源60的第一輸出端62永久性地連接。第二電極裝置設(shè)置在腔室的壁24上。在本實(shí)施例中第二電極裝置分別包括第一子電極和第二子電極30和32，其每一個(gè)幾乎占據(jù)了圓柱體一半的長(zhǎng)度。這些電極通過(guò)間隙43相互分開(kāi)。子電極30可以經(jīng)由導(dǎo)線68和開(kāi)關(guān)72連接到電壓源60的第二輸出端64并且子電極32可以經(jīng)由導(dǎo)線66和開(kāi)關(guān)70連接到第二輸出端。
腔壁的整個(gè)內(nèi)側(cè)，子電極30和32以及間隙43都被絕緣層覆蓋并且此絕緣層還覆蓋一疏水層，這與圖1所示的透鏡類似。作為可替換的，既絕緣又疏水的層48覆蓋腔壁的內(nèi)側(cè)，如圖2a和2b所示。在透鏡的中性狀態(tài)下，沒(méi)有電壓施加到子電極30和32上，也就是說(shuō)導(dǎo)線66和68經(jīng)由開(kāi)關(guān)70和72連接到地電極。第一流體的體積41，也稱作塊，相對(duì)于子電極30和32在長(zhǎng)度的方向上對(duì)稱的定位。界面42和44的表面張力是相等的，這些界面具有相同的曲率和相同的接觸角θ并且塊41是靜止的。
如果子電極32經(jīng)由開(kāi)關(guān)70連接到電壓源60的第二輸出端64，也就是說(shuō)將電壓施加到這個(gè)子電極和第一電極34之間，子電極32產(chǎn)生電潤(rùn)濕力。在這個(gè)子電極位置的疏水層48變?yōu)橛H水的。這個(gè)力引起在此時(shí)處于子電極32的范圍內(nèi)的界面44的接觸角θ2發(fā)生小的變化。因此界面44的曲率也發(fā)生了小的變化。界面42的接觸角θ1仍然具有它的初始值并且此界面仍然具有它的初始曲率。根據(jù)拉普拉斯定律，流體內(nèi)部的壓力依賴于流體之間界面的曲率。作為它們不同曲率的結(jié)果，界面42和44具有不同的表面張力。由于表面張力的這一差別，塊41開(kāi)始朝著被激活的子電極32移動(dòng)。只要保持電極32和34之間的電壓此移動(dòng)就會(huì)繼續(xù)或者直到此流體塊到達(dá)腔室的下壁28。如果子電極32和第一電極34之間的電壓被關(guān)斷，塊41將會(huì)保持在它已經(jīng)到達(dá)的位置。
圖2a示出了流體塊幾乎到達(dá)下壁28的情況，透鏡位于它的兩個(gè)極端的焦點(diǎn)位置之一。
為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)始移動(dòng)塊41所需的界面44的曲率的微小變化，只需要小的電壓，例如僅僅幾伏特，因此電壓源是一個(gè)低壓源。由于移動(dòng)開(kāi)始只需要小的曲率變化，透鏡的光學(xué)質(zhì)量幾乎沒(méi)有受到此移動(dòng)的影響。
在塊41向下移動(dòng)期間，沒(méi)有電壓施加到子電極30和第一電極34之間，也就是說(shuō)電極30通過(guò)開(kāi)關(guān)72連接到地電極74。電極30處的疏水層保持疏水性。向下移動(dòng)的塊41在它的下側(cè)擠壓第二流體50經(jīng)由腔壁上的開(kāi)口37流到到腔室的外面。連接到此開(kāi)口和腔室上側(cè)的開(kāi)口36的流體導(dǎo)管38引導(dǎo)流體50從開(kāi)口37流到開(kāi)口36，在這里它重回到腔室。
圖2b示出了透鏡的第二個(gè)極端狀態(tài)。此狀態(tài)通過(guò)將子電極30經(jīng)由開(kāi)關(guān)72和導(dǎo)線68連接到電壓源的第二輸出端64以此將低電壓施加到子電極30和第一電極34之間而實(shí)現(xiàn)。子電極30位置處的電潤(rùn)濕力引起界面42的接觸角θ1和該界面的曲率發(fā)生小的變化以致于它與界面44變得不同。界面42和界面44的表面張力之間的差別引起塊41朝向這個(gè)子電極移動(dòng)。電壓一直保持直到該流體塊到達(dá)圖2b所示的位置。在此移動(dòng)期間沒(méi)有電壓施加在子電極32和第一電極34之間。流體50經(jīng)由流體導(dǎo)管38從開(kāi)口36被引導(dǎo)至開(kāi)口37。
如圖2a和2b所示，選擇流體40的量和流體腔室的內(nèi)空間以使得總有界面30，32之一位于子電極30包圍的空間部分內(nèi)并且另一界面位于子電極32包圍的空間內(nèi)。這使得激活的電極總能吸引塊41。
在如圖2a和2b所示的實(shí)施例中，其中流體50是油，在流體塊和層48之間有非常薄的油膜，此膜充當(dāng)使塊41易于移動(dòng)的潤(rùn)滑膜。
驅(qū)動(dòng)如圖2a和2b所示透鏡所要求的低電壓允許減少對(duì)流體設(shè)定的要求并且允許選擇與電潤(rùn)濕透鏡中通常包括的流體相比折射率具有更大差別的流體。根據(jù)本發(fā)明的透鏡因此比已知電潤(rùn)濕透鏡具有更大的屈光力。
子電極形成一內(nèi)半徑典型地位于1mm和20mm之間的圓柱體。這些電極可以由金屬材料構(gòu)成并且連續(xù)覆蓋著絕緣層和疏水層或者覆蓋一具有絕緣性和疏水性的單層。圖2a和2b中的層48具有的厚度在5nm和50μm之間。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明透鏡的第二個(gè)實(shí)施例。除了電極34的位置，此實(shí)施例具有與圖2a示出的實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)。然而在圖3的實(shí)施例中，一體積或一塊例如為油的第二流體50，被置于兩體積例如為鹽水的第一流體40之間。從流體塊看，界面42’和44’為凹面。在此實(shí)施例中，油塊分別在電極30和32的激活下在圓柱體中上下移動(dòng)。圖3示出了透鏡在這樣時(shí)刻的狀態(tài)，此時(shí)電極30的激活已經(jīng)結(jié)束或者仍在繼續(xù)，也就是電極30連接到電壓源，因此第一流體40在這個(gè)電極圓柱體的部分已經(jīng)或正被吸走并且第二流體在電極32的圓柱體的部分已經(jīng)或正被取代。為了流體40總與電壓源60的第一輸出端62相連，電極34，也稱為反電極，優(yōu)選地通向腔室開(kāi)口36和37之一或者在腔壁內(nèi)直接包圍這些開(kāi)口的總是存在流體40的位置。這在圖3中用附圖標(biāo)記35標(biāo)明。
圖4示出了透鏡的一實(shí)施例，其中使用了多個(gè)小環(huán)形電極92而不是兩個(gè)圓柱形電極。選擇其形狀例如近似球形的第一流體40的體積和環(huán)形電極的高度，以使得第一流體的塊總是位于兩個(gè)相鄰電極92n和92n-1的“區(qū)域”。在這些兩個(gè)電極中，其中一個(gè)被激活而另一個(gè)沒(méi)有激活。圖4的實(shí)施例的腔室22的結(jié)構(gòu)同前面實(shí)施例的腔室結(jié)構(gòu)相同因此不必再作進(jìn)一步的描述。
通過(guò)從一個(gè)環(huán)形電極切換到下一個(gè)環(huán)形電極的，流體塊將會(huì)向上或向下移動(dòng)一個(gè)電極的距離。假設(shè)在圖4所示的狀態(tài)中電極92n被激活，也就是在這個(gè)電極上施加電勢(shì)，連續(xù)地激活電極92n-1，92n-2等等，第一流體40的塊將向下移動(dòng)，而在連續(xù)地激活電極92n+1，92n+2時(shí)該流體塊將向下移動(dòng)。以這種方式，透鏡的焦點(diǎn)能以小的步長(zhǎng)進(jìn)行改變以讓本實(shí)施例很適合在變焦透鏡系統(tǒng)中使用。
將多個(gè)電極連續(xù)切換到電壓源的電子電路在本技術(shù)領(lǐng)域是已知的并且使這種系統(tǒng)適用于圖4所示透鏡對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言也是顯而易見(jiàn)的。
同圖3的實(shí)施例相類似，在圖4的實(shí)施例中液體也可以互換，也就是說(shuō)例如為油的第二液體50的塊也可以被設(shè)置在第一液體40的兩體積之間。優(yōu)選地，在圖4中未示出的反電極34被設(shè)置在腔室的開(kāi)口36或37之一內(nèi)。
可以看出上面的實(shí)施例僅以示例的形式給出并且各種不同的替換設(shè)計(jì)將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，在上面的實(shí)施例中，已假設(shè)由壁24定義的腔室具有圓形的截面。然而可以看出腔室實(shí)際上可以具有任何預(yù)期的橫截面，也就是說(shuō)正方形，矩形，圓形或橢圓形。
根據(jù)本發(fā)明的可變透鏡可以是非常緊湊的并因此非常適合用于微型照相機(jī)。這種照相機(jī)的光學(xué)原理在圖5中示出。相機(jī)100包括具有光軸104的物鏡系統(tǒng)102和圖像接收單元112，其接收由物鏡系統(tǒng)102形成的在物鏡系統(tǒng)左手側(cè)的景色或物體的圖像。單元112可以是光電傳感器例如CCD或CMOS傳感器，但也可以是照相膠片。此照相機(jī)可以是靜止圖像照相機(jī)或攝像機(jī)。此透鏡系統(tǒng)可以是如這里上面參照?qǐng)D2a和ab和圖3所述的可變透鏡并且因此包括含有處于兩體積第二流體110之間的第一流體108的塊的液體腔室102。如這里前面所述此透鏡具有大光學(xué)能力并且它的焦點(diǎn)可以通過(guò)施加在電極之間的低電壓進(jìn)行改變。此相機(jī)透鏡系統(tǒng)可以包括另外的透鏡元件，其可以與此可變透鏡一體化。
圖6示出了其中包括實(shí)施了本發(fā)明的照相機(jī)的手持設(shè)備。如圖6的正視圖所示此設(shè)備是一移動(dòng)電話120。此移動(dòng)電話具有將用戶的聲音作為數(shù)據(jù)輸入的麥克風(fēng)122，輸出通訊伙伴的聲音的揚(yáng)聲器124，以及發(fā)送和接收通信波的天線126。此移動(dòng)電話進(jìn)一步包括輸入撥號(hào)盤128，使用它用戶輸入例如要撥打的電話號(hào)碼的信息以及例如液晶顯示面板的顯示器130。此面板用于顯示用戶通訊伙伴的照片或顯示數(shù)據(jù)或圖形。為了處理輸入數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)，移動(dòng)電話還包括數(shù)據(jù)處理單元(未示出)。
此移動(dòng)電話設(shè)置有微型照相機(jī)132，其包括如這里前面關(guān)于圖2a和2b和圖3所述的可變透鏡。圖6僅示出了這個(gè)前照相機(jī)的前表面。此相機(jī)的元件例如液體腔室，可能的其他透鏡元件和圖像傳感器可以沿著垂直于電話前表面的線排列，也就是在垂直于圖6的繪圖平面的方向，如果移動(dòng)電話在這個(gè)方向的尺寸足夠大的話。可替換地，此照相機(jī)可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)折疊反射鏡以使此相機(jī)光路的重要部分能平行于移動(dòng)電話前表面地進(jìn)行設(shè)置，此移動(dòng)電話因而相對(duì)較薄。
通常地，用于移動(dòng)電話的微型相機(jī)中的透鏡具有固定焦距并且屬于遠(yuǎn)攝型的，這意味著此透鏡能在傳感器上形成離照相機(jī)很遠(yuǎn)距離的物體或景物的清晰圖像。通過(guò)包括如圖2a和ab或圖3所示的可變透鏡的最簡(jiǎn)單的實(shí)施例，此照相機(jī)可以在遠(yuǎn)攝模式和微距模式之間進(jìn)行切換以致于離照相機(jī)很短距離的物體或景物能在傳感器上形成清晰的圖像。
特別地，如果移動(dòng)電話的照相機(jī)包括如圖4所示的具有一系列環(huán)形電極的可變透鏡的實(shí)施例，此微型相機(jī)就能從定焦相機(jī)升級(jí)為變焦相機(jī)。因?yàn)榇送哥R具有很大的屈光力并只需要很小的驅(qū)動(dòng)電壓，它對(duì)這個(gè)應(yīng)用是非常具有吸引力的。
變焦據(jù)悉為通過(guò)改變變焦透鏡的焦距來(lái)改變圖像比例，也就是選擇成像的目標(biāo)景物的大小。變焦透鏡的極端設(shè)置為遠(yuǎn)攝模式，其中目標(biāo)景物的一小部分被成像。圖4所示的可變透鏡能實(shí)現(xiàn)變焦功能也就是改變焦距從遠(yuǎn)攝到廣角和這兩個(gè)之間的任何設(shè)定。通常在變焦透鏡中執(zhí)行第二個(gè)功能，聚焦功能。聚焦據(jù)悉為對(duì)每一個(gè)變焦?fàn)顟B(tài)保持被變焦的目標(biāo)景物部分是清晰的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)聚焦功能，變焦透鏡系統(tǒng)應(yīng)包括第二可變透鏡。通常后述透鏡是可移動(dòng)固體透鏡。根據(jù)本發(fā)明，此透鏡也可以被如這里前面所述的可變透鏡取代。
本可變透鏡除了用于變焦透鏡系統(tǒng)也能用于透鏡系統(tǒng)。
使用根據(jù)本發(fā)明的可變透鏡的其他手持設(shè)備有，例如其中內(nèi)置了微型照相機(jī)的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，便攜式計(jì)算機(jī)和電子玩具。
本發(fā)明還可以用于非內(nèi)置的照相機(jī)，如網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)，對(duì)講系統(tǒng)的照相機(jī)和小型的或其他型號(hào)的照相機(jī)，例如數(shù)碼相機(jī)。對(duì)于本發(fā)明相機(jī)使用膠片或電子傳感器沒(méi)有關(guān)系。
此可變透鏡還能用于如圖7所示的掃描光學(xué)記錄載體150的裝置160中。此記錄載體包括透明層152，在其一側(cè)設(shè)置有信息層154。信息層遠(yuǎn)離透明層一側(cè)通過(guò)保護(hù)層156保護(hù)其不受環(huán)境的影響。透明層面對(duì)裝置160一側(cè)被稱為進(jìn)入面158。透明層152通過(guò)為信息層提供機(jī)械支承作為記錄載體的基底。
可替換地，透明層152可以僅具有保護(hù)信息層154的這唯一功能，此時(shí)機(jī)械支承由信息層另一側(cè)上的一個(gè)層來(lái)提供，例如通過(guò)保護(hù)層156或通過(guò)另外的信息層和與該信息層154相連接的一透明層。
信息以光學(xué)可探測(cè)標(biāo)記的形式存儲(chǔ)在記錄載體的信息層154中，可探測(cè)標(biāo)記以在圖中未示出的基本平行的，同圓心或螺旋形的軌道進(jìn)行排列。這些標(biāo)記為光學(xué)可讀形式，例如凹坑的形式，或者具有不同于其周圍反射系數(shù)或者磁化方向的區(qū)域，或者這些形式的組合。
掃描裝置160包括能發(fā)射輻射束164的源162。優(yōu)選地，此輻射源為半導(dǎo)體激光器或二極管激光器。光束分離器166反射發(fā)散束164到準(zhǔn)直透鏡168，其將發(fā)散束164轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直束170。準(zhǔn)直束170入射到物鏡系統(tǒng)174上，其在這里表示為單透鏡元件，但可以包括多個(gè)透鏡元件和/或光柵。物鏡系統(tǒng)174具有光軸176。
物鏡系統(tǒng)172改變準(zhǔn)直束170為會(huì)聚束172，其入射到記錄載體的進(jìn)入面158上。物鏡系統(tǒng)具有球面像差校正以適合于輻射束通過(guò)透明層152的厚度。會(huì)聚束172在信息層154中形成掃描點(diǎn)178。通過(guò)圍繞平行于圖7的繪圖平面的中心軸旋轉(zhuǎn)圓盤形狀的記錄載體，掃描信息軌道，也就是讀取或提供數(shù)據(jù)。通過(guò)在徑向上移動(dòng)掃描點(diǎn)，信息層中所有的軌道都被掃描。
被信息層154反射的掃描束輻射形成發(fā)散束180。此光束通過(guò)物鏡系統(tǒng)174轉(zhuǎn)換為基本準(zhǔn)直的光束182并隨后被準(zhǔn)直透鏡168會(huì)聚為會(huì)聚束184。光束分離器166通過(guò)傳輸至少部分會(huì)聚束184到輻射敏感檢測(cè)系統(tǒng)186將反射束和朝向記錄載體的光束分開(kāi)。此檢測(cè)系統(tǒng)186俘獲光束184的輻射并將其轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)188。信號(hào)處理器190將這些輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為各種其他信號(hào)。
信號(hào)之一是信息信號(hào)192，其值表示從信息層154讀出的信息。用作誤差校正的數(shù)據(jù)處理單元194處理信息信號(hào)。來(lái)自信號(hào)處理器190的其他信號(hào)是焦點(diǎn)出錯(cuò)信號(hào)和跟蹤出錯(cuò)信號(hào)。焦點(diǎn)出錯(cuò)信號(hào)表示掃描點(diǎn)178與信息層154之間高度的軸向差。跟蹤出錯(cuò)信號(hào)代表在信息層154所在平面內(nèi)掃描點(diǎn)178和信息層上被掃描點(diǎn)跟蹤的軌道中心之間的距離。焦點(diǎn)出錯(cuò)信號(hào)和跟蹤出錯(cuò)信號(hào)被輸入伺服電路198，其將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服控制信號(hào)200分別用來(lái)控制聚焦致動(dòng)器和跟蹤致動(dòng)器。這些致動(dòng)器在圖7中未示出。聚焦致動(dòng)器控制物鏡系統(tǒng)174在聚焦方向202上的位置，從而控制點(diǎn)178的實(shí)際位置使其基本上與信息層154所在的平面相符。跟蹤致動(dòng)器控制掃描點(diǎn)相對(duì)于被掃描軌道的位置，例如通過(guò)控制物鏡系統(tǒng)174橫向于軌道方向的位置以使掃描點(diǎn)的中心基本上與軌道的中心線相符。圖7中軌道在垂直于繪圖平面的方向上運(yùn)動(dòng)。
通常地，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在具有不同格式的光學(xué)記錄載體的信息層中，例如壓縮光盤(CDs)，數(shù)字多功能光盤(DVDs)和藍(lán)光(Blu-RayTM)光盤。為了避免用戶為了讀取和/或?qū)懭氩煌袷焦獗P的數(shù)據(jù)而不得不購(gòu)買不同的設(shè)備，能夠掃描不同格式的光學(xué)記錄盤的掃描裝置是所希望的。這種掃描裝置，也稱為組合式播放器，對(duì)不同的格式應(yīng)該具有不同的特征。例如CD可被設(shè)計(jì)使用具有約785nm波長(zhǎng)和0.45數(shù)值孔徑(NA)的激光束進(jìn)行掃描。另一方面DVD被設(shè)計(jì)使用具有650nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)和0.6數(shù)值孔徑的激光束進(jìn)行掃描。藍(lán)光TM光盤應(yīng)使用具有大約405nm波長(zhǎng)和0.85數(shù)值孔徑的激光束進(jìn)行掃描。能夠掃描不同格式光盤的裝置應(yīng)該包括能發(fā)射所需要的不同波長(zhǎng)激光束的輻射源并且它的物鏡系統(tǒng)應(yīng)該是可變的并適合于不同的波長(zhǎng)和這些盤的透明層152的不同厚度。同樣會(huì)聚束172的NA應(yīng)該適合于光盤的格式。如這里前面描述的可變透鏡非常有利地使用在組合式播放器的物鏡系統(tǒng)里以調(diào)整物鏡系統(tǒng)來(lái)適合于由被不同波長(zhǎng)光束掃描的不同格式的光盤所要求的聚焦和/或球面像差校正。
例如在雙層藍(lán)光TM光碟中，兩個(gè)信息層處于0.1mm和0.08mm的深度，因此典型地相隔0.02mm。當(dāng)具有特定波長(zhǎng)λ的激光束從一個(gè)信息層到另一層重新聚焦時(shí)，由于信息層深度的不同，出現(xiàn)了一些不需要的200mλ的球面像差，其應(yīng)該被補(bǔ)償。這可以通過(guò)將相反的球面像差引入到物鏡系統(tǒng)174而實(shí)現(xiàn)，以使球面像差被抵消掉。
在其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的掃描裝置的實(shí)施例中，通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的可變透鏡來(lái)改變?nèi)肷涞轿镧R系統(tǒng)174上的光束170的準(zhǔn)直度，以此向物鏡系統(tǒng)174中引入球面像差。這樣的可變透鏡可被整合作為光束164的光路中的一額外元件，或者此可變透鏡能形成準(zhǔn)直透鏡168的一部分，例如透鏡168為復(fù)合透鏡。通過(guò)改變可變透鏡中彎月面的位置，光束164能從平行改變?yōu)樗璧妮p微會(huì)聚或發(fā)散，以便于引入所需的球面像差。
權(quán)利要求
1.可變透鏡，包括基本呈圓柱形的流體腔室，其包含導(dǎo)電的第一流體(40)和不導(dǎo)電的第二流體(50)，流體相互接觸且不可混溶并具有不同的折射率，和電極結(jié)構(gòu)，其包括與第一流體(40)相接觸的第一電極(34)和設(shè)置在腔壁(24)處的第二電極裝置(30，32；92)，其特征在于一體積的流體中的一種(40)設(shè)置于兩個(gè)體積的另一流體(50)之間，并且第二電極裝置包括至少兩個(gè)子電極(30，32；92)，其每一個(gè)在圓柱體軸的方向上覆蓋圓柱體壁的不同部分，并且腔壁在它的相對(duì)端部設(shè)置有兩個(gè)開(kāi)口(36，37)，所述開(kāi)口利用外部流體導(dǎo)管(38)相互連接，使流體之一進(jìn)出腔室流通。
2.如權(quán)利要求1所述的可變透鏡，其特征在于流體腔室面對(duì)流體的內(nèi)壁覆蓋一絕緣層(48)。
3.如權(quán)利要求2所述的可變透鏡，其特征在于此絕緣層是疏水性的。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的可變透鏡，其特征在于一體積的第一流體(40)設(shè)置于兩體積的第二流體(50)之間。
5.如權(quán)利要求1，2或3所述的可變透鏡，其特征在于一體積的第二流體(50)設(shè)置于兩體積的第一流體(40)之間。
6.如權(quán)利要求5所述的可變透鏡，其特征在于第一電極(34)基本設(shè)置在腔壁(24)上的開(kāi)口(36，37)之一內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的可變透鏡，其特征在于第二電極裝置包括一系列環(huán)形電極(92)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的可變透鏡，其特征在于流體(40，50)為液體。
9.如權(quán)利要求8所述的可變透鏡，其特征在于第一液體(40)是鹽水并且第二液體(50)是油。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的可變透鏡，其特征在于此透鏡(20)為變焦透鏡。
11.包括透鏡系統(tǒng)(102)和圖像接收單元(112)的圖像俘獲裝置(100)，其特征在于透鏡系統(tǒng)(102)包括如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的可變透鏡。
12.一種包括如權(quán)利要求11所述的圖像俘獲裝置(100)的照相機(jī)。
13.如權(quán)利要求12所述的照相機(jī)，其特征在于透鏡系統(tǒng)(102)是變焦透鏡系統(tǒng)。
14.一種包括如權(quán)利要求12或13所述的照相機(jī)的手持設(shè)備(120)。
15.一種手持設(shè)備，其中此設(shè)備為移動(dòng)電話(120)。
16.一種光學(xué)設(shè)備(160)，用于掃描信息層(154)并包括提供掃描束(164，170，172)的輻射源單元(162)，聚焦掃描束到信息層中的掃描點(diǎn)(178)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)(168，172)和將來(lái)自信息層的掃描束輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(188)的輻射敏感探測(cè)單元(186)，其特征在于透鏡系統(tǒng)包括如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的可變透鏡(20；80；90)。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)設(shè)備，用于掃描處于一個(gè)記錄載體(150)中不同深度的至少兩個(gè)信息層(154)并包括物鏡系統(tǒng)(174)和準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)(172)，其特征在于可變透鏡(20；80)包含在準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)中，以校正由信息層的不同深度引入的球面像差。
18.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)設(shè)備，用于掃描至少不同格式的兩個(gè)信息層(154)，其中輻射源單元(162)可切換為發(fā)射至少兩種具有不同波長(zhǎng)的光束(164)并且其中透鏡系統(tǒng)包括物鏡系統(tǒng)(174)，其特征在于可變透鏡(20；80；90)包含在物鏡系統(tǒng)(174)中，以調(diào)整此系統(tǒng)適應(yīng)信息層(154)的不同格式。
全文摘要
電潤(rùn)濕型的可變透鏡(20)包括流體腔室(22)，其含有導(dǎo)電的第一流體(40)和不導(dǎo)電的第二流體(50)，并進(jìn)一步包括與第一液體連接的第一電極(34)和設(shè)置在腔壁(24)內(nèi)側(cè)上第二電極裝置(30，32)，借此一體積的一種流體設(shè)置于另一種流體的兩體積之間。此透鏡可以由施加在第一電極和第二電極之間的低電壓驅(qū)動(dòng)并由于流體之間的兩個(gè)界面而具有較高的屈光力。
文檔編號(hào)G02B26/02GK1938612SQ200580010403
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者S·奎珀, B·H·W·亨德里克斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司