專利名稱：光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件。諸如透鏡，遮光器和光圈一類的光學(xué)元件用于如照相機之類的光學(xué)設(shè)備。
在例如第三代移動電話這樣的可移動多媒體設(shè)備中的照相機的出現(xiàn)，提高了提供重量輕、體積小同時仍可提供良好光學(xué)特性的光學(xué)元件的重要性。為此，所謂的可變電潤濕元件得到了發(fā)展。
例如，美國專利US 6449081披露了一種光學(xué)元件和使用其光學(xué)元件的光學(xué)設(shè)備。其光學(xué)元件有一個第一流體和一個導(dǎo)電的或極化的第二流體，兩者互不相溶，被限制于一個在第一支撐和第二支撐之間形成的密封空間內(nèi)。第一流體和第二流體分別具有彼此不同的透射率。通過改變加在第二流體上的電壓，第一流體和第二流體間分界面的形狀改變，從而改變通過光學(xué)元件的光總量。
這種元件被認為是一種電潤濕元件，其在通常操作時具有相對低的能量消耗，對改變的電壓有快速的響應(yīng)。然而，電潤濕元件需要大的轉(zhuǎn)換電壓來改變兩種流體間的分界面，這限制了可得到的分界面形狀改變。
類似地，日本專利公開2003-057411披露了一種可變焦透鏡，其能夠改變通過兩種流體的光路徑并通過把兩種具有對電場感應(yīng)和不對電場感應(yīng)特性的流體封入一個透明容器，從外部對它們施加電場并傾斜每種流體的密度分布來改變焦距。對電場感應(yīng)的流體和不對電場感應(yīng)的流體封裝于透鏡體內(nèi)。電場通過電源穿過電極和電極從外部施加于這兩種流體上。然后兩種流體的密度分布產(chǎn)生了傾斜。
同樣地，在本公開中所描述的透鏡類型也是一個電潤濕透鏡，其在通常操作下也具有相對低的能量消耗，并對變化電壓響應(yīng)快速。然而，該電潤濕透鏡仍存在需要大的轉(zhuǎn)換電壓以改變兩種流體間關(guān)系的問題，這限制了可得到的兩種流體間分界面形狀關(guān)系的改變。
本發(fā)明的一個目的就在于改進上述的已知技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一個光學(xué)元件，其包括一個流體腔，流體腔具有側(cè)壁和端壁，并包含第一流體和一第二流體，這些流體不可混溶并且第二流體能夠被磁場所影響，和一個向流體腔的至少一部分提供磁場的設(shè)備，磁場能夠移動第二流體以使得流體腔中的第一和第二流體之間的界面的位置和/或形狀被改變。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種在其中可以在流體腔內(nèi)移動流體以改變設(shè)備光學(xué)性能的光學(xué)元件是可能的。這種流體的運動可以是簡單的移動流體以使得它們之間的接觸表面改變，或者可以是改變流體在流體腔內(nèi)的實際位置。
在一個優(yōu)選的實施例中，流體腔進一步地包括第三流體。流體腔可能的結(jié)構(gòu)的寬的變化是可能的，并且在一些實施例中優(yōu)選使用第三流體。這可能是因為由磁場移動的第二流體不是透明的，且第一和第三流體沿軸向使用，光將通過其在光學(xué)元件中傳播。在此情形第一和第三流體是透明的。
有利地，流體腔中任兩種不同流體間所有的接觸表面形成一個彎月形。流體相接觸，形成一個彎月形，使光學(xué)設(shè)備具有其光學(xué)特性。在一些實施例中，包含在流體腔中的至少一種流體有兩個彎月面。這是由于流體接觸兩種其它流體或者流體腔如此構(gòu)建以便兩種不同流體間有多個接觸表面。
優(yōu)選地，流體腔包括一個主腔和一個側(cè)腔，側(cè)腔與主腔在主腔的每個端部處相連接。流體腔中側(cè)腔的使用簡化了整個光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)，因為用于產(chǎn)生磁場的設(shè)備可以置于與側(cè)腔相關(guān)聯(lián)地工作。
理想地，在流體腔的至少一部分提供磁場的設(shè)備包括用于產(chǎn)生漸變的磁場的電壓源，且用于提供磁場的設(shè)備也包括單線圈或一對線圈。當(dāng)是一個單線圈時它優(yōu)選環(huán)繞流體腔的側(cè)腔放置，并且同樣地，當(dāng)是一對線圈時，則優(yōu)選地，線圈對中至少一個放置為環(huán)繞流體腔的側(cè)腔。
在一個實施例中，流體腔的側(cè)壁具有如此形狀以使流體腔包括基本上呈柱形的形狀，在另一個實施例中流體腔的側(cè)壁有如此形狀以使流體腔包括基本上呈截錐體的形狀。
優(yōu)選地，第二流體是鐵磁流體。在一個實施例中，第一流體和第二流體是透明的，在第二實施例中第一流體是透明的而第二流體是不透明的。
有利地，流體腔中間的表面的至少一部分上有疏水的隔離體。該隔離體用于減小流體腔中的遲滯性，因為疏水隔離體將促進彎月形的移動。
該光學(xué)元件用于如圖像獲取設(shè)備、如數(shù)碼相機這樣的設(shè)備中，或用于光學(xué)記錄設(shè)備，如用于像計算機中使用的CD記錄器這樣的設(shè)備中。
現(xiàn)在將例如僅參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中

圖1是光學(xué)元件的示意圖，圖2是光學(xué)元件第二實施例的示意圖，圖3是光學(xué)元件第三實施例的示意圖，圖4是光學(xué)元件第四實施例的示意圖，圖5是光學(xué)元件第五實施例的示意圖，圖6是光學(xué)元件第六實施例的示意圖，圖7是光學(xué)元件第七實施例的示意圖，和圖8是采用光學(xué)元件實施例的圖像獲取設(shè)備的示意圖。
在圖1中，光學(xué)元件10包括流體腔12。流體腔12具有側(cè)壁14和端壁16，并包含大量不可溶流體。當(dāng)光學(xué)元件10在使用時，任何進入光學(xué)元件10的光線將會在一個端16處通過一個經(jīng)過一個或更多流體的路徑，并將在相對的端16射出。流體腔12內(nèi)的各種流體將在下面更詳細地討論。
光學(xué)元件10也包括一個設(shè)備18，用于在流體腔12的至少一部分上提供磁場。這個用于提供磁場的設(shè)備18包括用于產(chǎn)生漸變磁場的電壓源17，并且還包含一對線圈19。當(dāng)電壓源17沒有提供電壓時，就沒有磁場存在，但是隨著電壓的增加，就提供了一個漸變磁場。
流體腔12包含第一流體20和第二流體22，第二流體22能夠受磁場影響。設(shè)備18提供的磁場能夠移動第二流體22以使流體腔12中第一和第二流體20和22的位置改變。腔12還包含第三流體24和第四流體26。腔12中的四流體結(jié)合以賦予光學(xué)元件10以多種光學(xué)特性。
流體腔12中任兩種不同流體之間所有的接觸表面形成彎月面，并且至少一個包括在流體腔12中的流體具有兩個彎月面。在如圖1所示的例子中，所有的流體與其它兩個流體接觸，因此所有四個流體都具有兩個彎月面。
流體腔12包括主腔28和側(cè)腔30。側(cè)腔30在該側(cè)腔30的每個端部處都連接至主腔28。一對線圈19環(huán)繞流體腔的側(cè)腔設(shè)置。
圖2示出光學(xué)元件10的第二實施例。如前，光學(xué)元件10包括流體腔12，其具有主腔28和側(cè)腔30。在此方面，圖2的實施例與圖1中所示的實施例是一樣的。然而形成用于向至少流體腔12的一部分提供磁場的設(shè)備18的一部分的線圈19被環(huán)繞主腔28放置，并且流體腔12僅包括兩個流體第一流體20和第二流體(鐵磁流體)22。
通過由線圈19提供的磁場的使用，光學(xué)元件10可以使其光學(xué)性質(zhì)改變。當(dāng)將電壓供給線圈19時，就提供了一個漸變的磁場，將根據(jù)其性質(zhì)影響鐵磁流體22。鐵磁流體22由磁場來移動，磁場移動流體腔12中的兩個流體。這一移動改變了腔中流體的位置并且因此創(chuàng)建了光通過腔12的新的路徑。當(dāng)電壓增大，鐵磁流體22進一步被影響和移動。線圈19上的電壓可以反轉(zhuǎn)，使磁場反轉(zhuǎn)，并因此使鐵磁流體22的移動反轉(zhuǎn)。
圖3示出了光學(xué)元件10的另一個第三實施例，包括與圖1和圖2中所示的實施例形式不同的流體腔12。該流體腔12仍提供有一個主腔28和一個側(cè)腔32，但側(cè)腔32比前兩個實施例中的要小。側(cè)腔32在主腔28的一端和接近主腔28中部的地方連接到流體腔12的主腔28。
在圖3的光學(xué)元件10中，形成該設(shè)備的一部分的用于產(chǎn)生磁場的線圈19被提供于環(huán)繞流體腔12的側(cè)腔32。流體腔12包含四個不同流體，其中包括鐵磁流體22。其它三個流體20、24和26在主腔28中對準并提供光線通過光學(xué)元件10傳播所經(jīng)過的路徑。
當(dāng)施加電壓時，一對線圈19在側(cè)腔32上產(chǎn)生磁場，該磁場用于移動鐵磁流體22的積體。該流體22的移動導(dǎo)致了流體20和24的移動。結(jié)果使彎月面34，即第一流體20和第三流體24之間的界面，移向更接近或遠離最近的端壁。彎月面34無論如何都不改變形狀，但被控制以相對于腔的端壁移動，以此影響任何通過流體腔12的光線的光路。不管流體20和24的移動，由第三流體24和第四流體26之間界面形成的彎月面36不移動也不改變形狀。
圖4中示出該光學(xué)元件的第四個版本，圖4中示出與圖3的流體腔12結(jié)構(gòu)相同的流體腔12。在那個實施例中，主腔28與平行于主腔28但僅沿著主腔28的一部分長度延伸的較短的側(cè)腔32連接。本實施例中的光學(xué)設(shè)備10的腔12中有三個流體和兩對線圈19，用于產(chǎn)生磁場。
然而，線圈19對在每個腔28和32上各設(shè)一個線圈，如圖所示。第一流體20位于鐵磁流體22和第三流體24之間。如前，主腔28是光學(xué)元件10的一部分，當(dāng)光學(xué)元件10工作時光線將通過其傳播。第一流體20和第二流體22是透明的，第三流體24也同樣。元件10的光學(xué)特性通過由線圈19所提供磁場來改變。磁場將作用于第二流體22以使彎月面36在腔12中移動。
圖1至4中所有的四個實施例中，流體腔12的側(cè)壁14具有如此形狀以使流體腔12包括基本上呈圓柱形的形狀。端壁16基本上是平面的。
圖5示出了光學(xué)元件10的第五實施例，其中流體腔12的端壁14具有如此形狀以使流體腔12包括基本上呈截錐體的形狀。流體腔12包含兩個流體20和22，作為第一流體20，其是透明的油，而第二流體22是透明的水基(water-based)鐵磁流體22。兩個流體20和22是不混溶的。流體腔12具有主腔28和側(cè)腔30，一個單線圈19環(huán)繞側(cè)腔30設(shè)置。側(cè)腔30在側(cè)腔30的每個端處連接到主腔28。
兩個流體20和22在它們的接觸面形成彎月面。流體腔12的主腔28中的彎月面38賦予光學(xué)元件10其光學(xué)性質(zhì)，該彎月面38位置的改變改變了通過元件10的光線的聚焦或傳輸。側(cè)腔30中的單線圈19用于吸引鐵磁流體22并且由彎月面40引起的拉普拉斯壓力(Laplace pressure)作為反作用力。側(cè)腔30的變化的直徑使彎月面40上的壓力成為由位置決定的(拉普拉斯壓力與任意彎月面的半徑成反比例)。因此，對于線圈19內(nèi)的每個電流值，有唯一的彎月面40的位置。
流體腔12內(nèi)表面的至少一部分提供有疏水的隔離體。這可以覆蓋流體腔12除了兩個端壁中較大端壁的之外的全部內(nèi)表面。光學(xué)元件10起基于彎月面轉(zhuǎn)移的透鏡的作用，其中轉(zhuǎn)移行為由鐵磁流體泵來實施。如果線圈19開啟，鐵磁流體22被吸入線圈19，如箭頭42所示。這導(dǎo)致了線圈19中彎月面40的半徑變小并因此導(dǎo)致了更大的排斥的拉普拉斯壓力。疏水的隔離體用于減小遲滯性。
光學(xué)元件10的第六實施例示于圖6，其是圖5中實施例的一個變體。光學(xué)元件10中流體腔12的物理結(jié)構(gòu)與前面實施例是一樣的，單線圈19的位置對于第五實施例沒有改變。在該實施例中，第一流體20是透明的而第二流體(鐵磁流體)22是不透明的(不透光的)。流體腔還包含第三流體24，其是透明的并且與鐵磁流體22和油20不混溶。
圖6的光學(xué)元件以與前面的實施例相同的方式工作，由線圈19產(chǎn)生磁場導(dǎo)致鐵磁流體22移動并因此影響在流體腔12的主腔28中用作透鏡的彎月面的位置。
圖7示出了光學(xué)元件10的第七實施例，具有在主腔28中由兩雙彎月面形成的透鏡。該實施例中第一流體20分割為兩部分，流體腔12的每端有一部分。第二流體，鐵磁流體22位于側(cè)腔28中，如前面一樣，在由線圈19產(chǎn)生的磁場的作用下，用作來影響主腔28中彎月面位置的泵。第三流體24是與鐵磁流體22和油20不混溶的液體。
在以上所有實施例中，鐵磁流體22的移動導(dǎo)致了光學(xué)元件中位于光路上兩個流體之間的至少一個彎月面的位置的改變。然而有可能如此設(shè)計光學(xué)元件以使位于光路上的彎月面被固定在位置上。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時，在磁場的作用下，鐵磁流體的移動將導(dǎo)致彎月面改變形狀，相應(yīng)地其光學(xué)特性隨之改變。兩流體間界面的形狀被改變，彎月面變平或更圓。
彎月面在光學(xué)元件的流體腔側(cè)面的固定可通過在腔的表面特性上具有一個突變而達到。如果在彎月面一側(cè)的一個流體是水，另一個是油，流體腔將僅在與水相接觸(engages with the water)的部分，被涂履有親水的物質(zhì)。這將有效地將水保持在其位置，將彎月面在流體腔的側(cè)面固定于腔上涂履的親水物質(zhì)端的點處。
根據(jù)這七個實施例中的任一個所制成的光學(xué)元件適用于如在圖8中所示的照相機的圖像捕獲裝置。在此圖中，展示了帶有照相機62的移動電話60的后部。照相機62包括光學(xué)元件10，其在此作為一個變焦透鏡使用。光學(xué)元件10沒有機械的移動部件并且在短的操作時間內(nèi)僅需要相對低的電壓。
這產(chǎn)生了高效率而有效的透鏡，其適合用于能量的消耗很重要的場合。這特別是在像移動電話這樣需要相當(dāng)?shù)哪芰縼韼语@示裝置和移動電話的無線通信模塊的設(shè)備的情況。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，其包括流體腔(12)，該流體腔(12)具有側(cè)壁(14)和端壁(16)，并包含第一流體(20)和第二流體(22)，這些流體(20，22)不可混溶并且該第二流體(22)能夠被磁場所影響，和向該流體腔(12)的至少一部分提供磁場的設(shè)備(18)，該磁場能夠移動該第二流體(22)以使得該流體腔(12)中的第一和第二流體(20，22)之間的界面的位置和/或形狀被改變。
2.如權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)進一步包括第三流體(24)。
3.如權(quán)利要求1或2的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)中兩不同流體(20，22，24)之間的或每個接觸表面形成彎月面。
4.如權(quán)利要求3的光學(xué)元件，其中包含在該流體腔(12)中所含的至少一個流體(24)具有兩個彎月面。
5.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)包括主腔(28)和側(cè)腔(30；32)。
6.如權(quán)利要求5的光學(xué)元件，其中該側(cè)腔(30)在該主腔(28)的每個端部處連接至該主腔(28)。
7.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中向該流體腔(12)的至少一部分提供磁場的設(shè)備(18)包括用于生產(chǎn)漸變的磁場的電壓源(17)。
8.如權(quán)利要求7的光學(xué)元件，其中向該流體腔(12)的至少一部分提供磁場的設(shè)備(18)包括一個單線圈(19)。
9.如從屬于權(quán)利要求5或6的權(quán)利要求8的光學(xué)元件，其中該單線圈(19)環(huán)繞該流體腔(12)的側(cè)腔(30；32)。
10.如權(quán)利要求7的光學(xué)元件，其中向該流體腔(12)的至少一部分提供磁場的設(shè)備(18)包括一對線圈(19)。
11.如從屬于權(quán)利要求5或6的權(quán)利要求10的光學(xué)元件，其中該對線圈(19)的至少之一環(huán)繞該流體腔(12)的側(cè)腔(30；32)。
12.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)的側(cè)壁(14)具有如此形狀以使該流體腔(12)包括基本上呈圓柱的形狀。
13.如權(quán)利要求1至11中任一項的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)的側(cè)壁(14)具有如此形狀以使該流體腔(12)包括基本上呈截錐體的形狀。
14.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該第二流體(22)是鐵磁流體(22)。
15.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該第一流體(20)和第二流體(22)是透明的。
16.如權(quán)利要求1至14中任一項的光學(xué)元件，其中該第一流體(20)是透明的且該第二流體(22)是不透明的。
17.如前述任一權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該流體腔(12)內(nèi)表面的至少一部分提供有疏水的隔離體。
18.采用如權(quán)利要求1至17中任一項的光學(xué)元件的圖像獲取裝置。
19.采用如權(quán)利要求1至17中任一項的光學(xué)元件的光學(xué)記錄裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，其包括一個流體腔，該流體腔具有側(cè)壁和端壁，并包含第一流體(20)和第二流體(22)，這些流體是不可混溶的并且第二流體能夠被磁場所影響。提供一個向流體腔的至少一部分提供磁場的設(shè)備(19)，磁場能夠移動第二流體從而使第一流體和第二流體在流體腔中的位置發(fā)生改變。第二流體可以是鐵磁流體。
文檔編號G02F1/09GK1961225SQ200580017798
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者S·凱帕, B·H·W·亨德里克斯, M·J·M·范德阿, J·J·H·B·施萊彭, H·范桑坦 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司