CN100422770C - 变焦透镜 - Google Patents

Abstract

提供一种消色差电润湿透镜。通过选择参数n₁，n₂，V₁和V₂来实现，其中n为折射率，且V为阿贝数。通过满足关系式(I)实现电润湿透镜的消色差。

Description

变焦透镜

本发明涉及一种变焦透镜，该透镜包括第一流体和第二流体，第一和第二流体是不易混合的并且以弯月面相接触。通过施加电压来控制弯月面的形状和由此控制透镜的焦距。

这种类型的透镜称作电润湿透镜。由于无需机械可移动部分，只要少量的电能就能改变这些电润湿透镜的焦距。US2002/0176148A1中给出了一种包括这样的电润湿透镜的光学装置。

由于低功率损耗和对可变电压的快速响应，电润湿透镜特别适用于需要频繁变焦的可移动应用。

遗憾的是，许多以固态透镜建立的经典光学系统的成果不适合电润湿透镜。例如，常规的透镜系统通过形成胶合双透镜或组合普通折射透镜与衍射透镜来消色差。对于胶合双透镜，通常形成透镜的两个元件基本上具有相同的折射率和不同的阿贝数。为提供消色差，选择两元件的光焦度K₁、K₂和阿贝数V₁、V₂，使它们符合下面的等式：

$\frac{K_1}{V_1}+\frac{K_2}{V_2}=0---\left(1\right)$

其中，K＝K₁+K₂为胶合双透镜的总光焦度。满足上述条件的消色差的一个实例为：对于给定的光焦度K₀，K₁＝K₀；K₂＝2K₀；V1＝30；V2＝60。

折射透镜消色差的另一种方法是通过增加一个衍射结构。消色差与胶合双透镜类似，区别在于衍射结构的阿贝数是负的并且等于-3.452。

上面提到的提供消色差的两种方法不支持电润湿透镜，因为电润湿透镜改变光焦度而上述方法仅对具有确定光焦度的透镜有效。此外，电润湿透镜可以根据两流体之间的弯月面的半径从正到负改变它的光焦度。

本发明的一个目的在于提供一种具有消色差特性的变焦透镜。

上述目的通过独立权利要求的特征来解决。进一步的发展和本发明的优选实施例在从属权利要求中描述。

根据本发明，提供一种变焦透镜，包括：

-容纳导电第一流体(A)和电绝缘第二流体(B)的流体室，流体为不易混合的并且以弯月面相接触，

-用于在流体室施加电场的装置，使弯月面的形状根据电场变化，

-第一流体具有折射率n₁和阿贝数V₁，第二流体具有折射率n₂和阿贝数V₂，n₁不同于n₂，

其中，参数n₁、n₂、V₁和V₂满足下面的关系：

$075<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<1.25---\left(I\right)$

上面的关系限定的参数范围可以由理论和实验分析相结合得出.由具有折射率n₁的第一流体和具有折射率n₂的第二流体制成的透镜的光焦度为：

$K=\frac{n_2-n_1}{R}---\left(2\right)$

其中，R为两流体之间的弯月面的半径。让透镜的工作波长目前为587nm。现在考虑由透镜在不同的波长工作而产生的折射率δn的变化很小。让δn＝n(486nm)-n(656nm)，由此得到在波长486nm和656nm测量的折射率的不同。那么，电润湿透镜的光焦度的变化由下式给出：

$\mathrm{\&delta;K}=\frac{{\mathrm{\&delta;n}}_2-{\mathrm{\&delta;n}}_1}{R}---\left(3\right)$

并且，由此当使用等式(2)时，我们发现：

$\mathrm{\&delta;K}=\frac{{\mathrm{\&delta;n}}_2-{\mathrm{\&delta;n}}_1}{n_2-n_1}K---\left(4\right)$

假设阿贝数的定义V由下式给出：

$V=\frac{n\left(587\mathrm{nm}\right)-1}{n\left(486\mathrm{nm}\right)-n\left(656\mathrm{nm}\right)}=\frac{n\left(587\mathrm{nm}\right)-1}{\mathrm{\&delta;n}}---\left(5\right)$

连同等式(4)得到：

$\mathrm{\&delta;k}=[\frac{n_2-1}{V_2}-\frac{n_1-1}{V_1}]\frac{K}{n_2-n_1}---\left(6\right)$

为使δk为零，由此，没有因波长变化引起的光焦度变化，我们发现等式：

$\frac{V_1}{V_2}=\frac{(n_1-1)}{(n_2-1)}---\left(7\right)$

必须满足。

从该理论结果入手，并且考虑对电润湿透镜的关于消色差特性的特能的测量，得到下述条件：

$075<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<125---\left(I\right)$

应当理解，在这些关系中，数值0.75和1.25对于消色差变焦透镜产品来说不是固定的极限。比0.75至1.25更宽的范围可适合于关于其消色差特性的透镜性能不特别重要的情况。上述等式(7)满足得越好，关于其消色差特性的透镜性能越好。

就这一方面来说，当参数n₁、n₂、V₁和V₂满足下面的关系时，可以提供透镜良好的性能：

$0.9<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<1.1---\left(\mathrm{II}\right)$

根据本发明的变焦透镜的一个优选实施例，提供一种变焦透镜，其中

-流体室包括一基本上圆筒形的壁，

-流体接触层设置在圆筒形壁的内侧，

-用于施加电场的装置包括通过流体接触层与第一流体和第二流体分离的第一电极，和作用于第一流体的第二电极，以及

-流体接触层具有对第一流体的润湿性能，该润湿性能在第一电极与第二电极之间施加电压时发生变化，这样，弯月面的形状根据电压变化。

因此，可以使用目前市场上可以获得的类型的电润湿透镜来应用本发明。

根据本发明的变焦透镜的一个优选实例，提供一种透镜，其中，第一流体具有折射率n₁＝1.37，并且阿贝数V₁＝49，并且，第二流体具有折射率n₂＝1.4，并且阿贝数V₂＝53。在现实条件下可以容易地提供这些值满足上面提及的消色差关系。

根据本发明的变焦透镜可以看作一种透镜，其中，第一流体包括盐水，第二流体包括聚二甲基硅氧烷。可以使用这些和其它流体和给这些和其它流体提供阿贝数和折射率，并且这些和其它流体满足上述消色差关系。

因此，可以有利地在光学器件中使用变焦透镜，特别是在全波长范围内工作的移动式光学器件。

就此方面来说，本发明特别有利于图像捕捉器件.例如，设有图像捕捉特征的移动电话可以设有根据本发明的变焦透镜以保持这些器件的小尺寸。但是，不同的图像捕捉器件，例如，普通照相机或摄影机，同样可以设有根据本发明的光学器件，由于在这些器件中同样需要避免机械移动部件，以减小器件的尺寸并提供快速焦距变化的可能。

不同于图像捕捉器件的其他应用领域为光学记录、眼镜片、内窥镜、望远镜、显微镜和光刻机。参照下面描述的实施例，这些以及本发明的其他方面将更清楚。

图1示出根据本发明的一个实施例的变焦透镜的示意性横截面；

图2示出变焦透镜在两个极限转换配置的示意性横截面；

图3示出根据本发明的变焦透镜对于不同波长的波前图；以及

图4示出不满足根据本发明的条件的变焦透镜的波前图。

图1示出根据本发明的一个实施例的变焦透镜的示意性横截面。透镜包括形成一个毛细管的圆筒形的第一电极14，该电极被透明的前组20和透明的后组22密封以形成一个容纳两种流体A和B的流体室.电极14可以是涂敷在管内壁上的导电涂层。

两种流体A和B由以导电第一流体A和电绝缘第二流体B的形式的两种不易混合流体组成，导电第一流体A例如包含盐溶液的水，电绝缘第二流体B例如硅油或烷烃，本文还称作“油”.两种流体优选设置为具有相同的密度，使透镜功能与取向无关，即不取决于两流体之间的重力作用。这可以通过第一流体组分的适当选择来实现，例如，可以通过分子组分的增加来改变烷烃或硅油，以增加它们的密度以便与盐溶液的密度相匹配。

第一电极14为一个内径通常在1mm和20mm之间的圆筒。第二环形电极16设置在流体室10的一端，在这种情况下，邻接后组22.第二电极的至少一部分设置在流体室10中，使电极16作用于第一流体A。电极14和电极16连接到电源24以为电极提供电压，从而在流体室10内产生电场。

两种流体A和B为不易混合的，会分成由弯月面12分开的两种流体。当在电源端口24上施加电压时，流体接触层18对第一流体A的润湿性能改变，使在流体接触层18与两流体A和B之间的接触线处的弯月面12的接触角度改变。在第一电极14与流体接触层18之间，设有一绝缘层26。这样，弯月面12的形状根据所施加的电压变化。实际上，弯月面可以是凸起的或者是凹入的；此外，根据流体室的配置和电极的设置，可以实现弯月面12的多种不同的形状。

通常，根据所选用的油，油的折射率可以在1.25和1.6之间变化.同样，根据加入的盐量，盐溶液的折射率可以在1.33和1.48之间变化.选择该实施例中的流体，使第一流体A具有低于第二流体B的折射率。

根据本发明，第一和第二流体的折射率n₁和n₂以及第一和第二流体的阿贝数V₁和V₂分别满足关系：

$075<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<125---\left(I\right)$

以提供具有适当性能的消色差透镜。为了改善透镜消色差方面的特性，选择参数n₁、n₂、V₁和V₂，以良好近似值满足等式：

$\frac{V_1}{V_2}=\frac{(n_1-1)}{(n_2-1)}---\left(2\right)$

下面为具有消色差特性的电润湿透镜的一个实例。该示例电润湿透镜包含折射率n₁＝1.37且阿贝数V₁＝49的盐溶液。第二流体为折射率n₂＝1.4且阿贝数V₂＝53的聚二甲基硅氧烷。

另一个实例使用水中0.1MKCl的盐溶液。该溶液具有n₁＝1.334且V₁＝57.6.第二流体为正己烷，n₂＝1.375且V₂＝57.6.得到(V₁/V₂)＊(n₂-1)/(n₁-1)＝1.12，由此，足以消色差.

在另一个实例中，使用相同的盐溶液。第二流体为n₂＝1.412且V₂＝57.2的正-癸烷。得到(V₁/V₂)＊(n₂-1)/(n₁-1)＝1.24，由此，足以消色差。当使用n₁＝1.37且V₁＝49的比较浓的盐溶液时，比值为0.954，显然更好。

在不是根据本发明的参考实例中，使用相同的盐溶液。在这里第二流体为n₂＝1.389且V₂＝49.9的十甲基四硅氧烷。得到(V₁/V₂)＊(n₂-1)/(n₁-1)＝1.31，由此，不足以消色差。但是，通过改变盐溶液并且使用n₁＝1.37且V₁＝49的更浓的盐溶液，实现了表示为数值(V₁/V₂)＊(n₂-1)/(n₁-1)＝1.032的非常好的消色差。与烷烃相比，这还有限制盐溶液与第二流体之间的密度之差的优点。该十甲基四硅氧烷具有密度0.85且盐溶液具有密度约1.03kg/m³。

下面，提供满足或不满足本发明的要求的电润湿透镜的特性的实例。

图2示出变焦透镜在两个极限转换配置的示意性横截面.第一转换配置示于部分(a)且第二转换配置示于部分(b)。在配置(b)中，电润湿透镜具有负光焦度。由此，平行光束(目标无限远)形成位于图2(b)的视图的左侧的虚像。图2中的示意图与图1的比较以及相应描述使图2的装置更明了。

图3示出根据本发明的变焦透镜对于不同波长的波前图。标出对于三种不同波长，波前像差W与标准化的入瞳坐标py和px的关系曲线。点划线对应于波长486nm，虚线对应于波长588nm且实线对应于波长656nm。垂直轴上的刻度给出了考虑各个波长的部分，而每张图的最大刻度为0.3波长。

在图3的部分(a)，标出图2第一转换配置(a)对于不同波长的波前像差。在图3的部分(b)，标出图2第二转换配置(b)对于不同波长的波前像差。如所认识到的，对于不同波长，仅存在非常小的波前像差，此外，不同波长的波前像差具有相同的趋势.该结果(参照下文对图4的描述将更好理解)表示提供一种针对消色差而言的高性能透镜。这是通过根据本发明选择参数n₁、n₂、V₁和V₂，也就是n₁＝1.37，n₂＝1.4，V₁＝49，V₂＝53来实现的。

图4示出不满足根据本发明的条件的变焦透镜的波前图。以与图3相同的方式理解该图。特别地，各图的轴的刻度等于图3的轴的刻度。如所认识到的，不同波长的波前像差比图3中的大很多，此外，由于入瞳坐标变大，不同波长的波前像差严重发散。此外，我们从该图可以推断出，当电润湿透镜在光焦度具有不同符号的两种配置之间转换时，色差改变符号(在图4(a)中，点划线为上面的线，而在图4(b)中，为下面的线)。由于该特性，使透镜色散的常规技术在这里不能应用，因此，这里给出了与透镜光焦度无关的不变的校正。就此方面而言，图4示出非消色差电润湿透镜的特性。这是通过选择参数n₁、n₂、V₁和V₂得到的，和对应于图3的实例中一样地选择n₁、n₂和V₁，而选择V₂为图4中的35，从而示出未根据本发明的电润湿透镜的特性.

应当注意，根据本发明的电润湿透镜可以不同于示于图中和上面描述的实例。尽管优选的电润湿透镜是圆筒形的，但也可以不是圆筒形的.此外，电场不只是通过第一和第二电极施加，而是通过多个电极施加以设计电场并最终使弯月面为一种特殊的形状，也在本发明的范围内.通常，应当注意，在本发明公开的术语“包括”不排除其他元件，并且提及特定元件不排除涉及所提及的元件的多个元件的存在。上述实施例是为了理解发明的示意性实例。可以设想本发明更多的实施例。例如，第二流体可以由水蒸气而不是绝缘流体构成。

此外，还可以采用上面没有描述的不背离本发明由附件中的权利要求限定的范围的等价方案和改变。

Claims (7)

1. 一种变焦透镜，包括：

-容纳导电第一流体(A)和电绝缘第二流体(B)的流体室(10)，流体为不易混合的并且以弯月面(12)相接触，

-用于在流体室施加电场的装置(14，16)，使弯月面的形状根据电场变化，

-第一流体具有折射率n₁和阿贝数V₁，第二流体具有折射率n₂和阿贝数V₂，n₁不同于n₂，

其中，参数n₁、n₂、V₁和V₂满足下面的关系：

$075<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<125---\left(I\right)$

2. 根据权利要求1的变焦透镜，其中，参数n₁、n₂、V₁和V₂满足下面的关系：

$09<\frac{V_1(n_2-1)}{V_2(n_1-1)}<11---\left(\mathrm{II}\right)$

3. 根据权利要求1的变焦透镜，其中，

-流体室包括一圆筒形的壁，

-流体接触层(18)设置在圆筒形壁的内侧，

-用于施加电场的装置包括通过流体接触层(18)与第一流体和第二流体分开的第一电极(14)，和作用于第一流体上的第二电极(16)，以及

-流体接触层具有对第一流体的润湿性能，该润湿性能在第一电极与第二电极之间施加电压时发生变化，这样，弯月面的形状根据电压变化。

4. 根据权利要求1的变焦透镜，其中，第一流体具有折射率n₁＝1.37，并且阿贝数V₁＝49，并且，第二流体具有折射率n₂＝1.4，并且阿贝数V₂＝53。

5. 根据权利要求1的变焦透镜，其中，第一流体包括盐水，第二流体包括聚二甲基硅氧烷。

6. 一种包括根据前述任何一项权利要求的变焦透镜的光学器件。

7. 一种包括权利要求1-5中任何一项的变焦透镜的图像捕捉器件。

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