CN100510787C - 可变焦点透镜 - Google Patents

Abstract

公开了一种可变焦点透镜，它具有一个光轴，包括：流体腔室，所述流体腔室包括第一流体和轴向移动的第二流体，这两种流体是不可混合的、接触在弯月面的上方、并且具有不同的折射率；安排在腔室的壁内的流体接触层；通过流体接触层与第一流体和第二电极分开的第一电极；作用在第二流体上的第二电极；具有经过第二流体的可湿润性的流体接触层，所述可湿润性在第一电极和第二电极之间的电压的作用下可以改变，从而使弯月面的形状可根据所述电压发生变化；其中使流体腔室的形状是这样的：在腔窒的壁和光轴之形成的角度沿光轴的长度方向减小。

Description

可变焦点透镜

技术领域

本发明涉及一个可变焦点透镜，该透镜包括一个具有在弯月面上保持接触的第一和第二流体的单元。弯月面的形状以及由此的透镜焦点，可通过向所述单元施加电压来进行控制。这样一种透镜有时称之为电湿润透镜。

背景技术

流体是在响应任何力的情况下可以改变它的形状的物质，这种物质有流动或符合包含它的室的轮廓的趋势，包括气体、蒸气、液体以及能够流动的固体和液体的混合物。

在一般情况下，为了控制一个典型的电湿润透镜中的弯月面，需要相对高的电压，典型的为100伏。对于便携式应用，如便携式照相机或类似的，这个电压太高不实用，如果可能则期望使用较低的电压。减小所需电压的两种已知的方式是减小包围电极的绝缘层的厚度和减小两种液体和室壁的界面张力。所需的电压可以通过使用由一个电池操作的直流至直流转换器获得。

PCT专利申请WO03/069380公开了一种可变焦点透镜，其包含在弯月面上接触的第一和第二不可混合的流体。通过在定位在透镜主体内的一对电极的两端施加电压可使弯月面的形状发生改变。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供一种可变焦点透镜，其具有一个光轴，它包括：流体腔室，所述流体腔室包括第一流体和轴向移动的第二流体，这两种流体是不可混合的、接触在弯月面的上方、并且具有不同的折射率；安排在腔室壁的内侧上的流体接触层；通过流体接触层与第一流体和第二电极分开的第一电极；作用在第二流体上的第二电极；通过第二流体具有可湿润性的流体接触层，所述可湿润性在第一电极和第二电极之间的电压的作用下可以改变，从而使弯月面的形状可根据所述电压发生变化；其中使流体腔室的形状是这样的：在腔窒的壁和光轴之间形成的角度沿光轴的长度方向减小。

优选地，第一流体包括绝缘流体，第二流体包括导电流体。

优选地，所述角度在朝向第一流体并且背离第二流体的方向沿光轴增大。

优选地，角度的变化速率随离开第二流体的距离的增加而增加。已发现，如果角度的变化超过线性(more than linear)关系，即，腔室的壁和光轴之间的角度依赖于距离沿光轴的某种非线性函数关系，则可以实现特别有益的效果。

优选地，腔室的壁和光轴在腔室的一个端点(extreme point)基本上是平行的。

优选地，腔室的壁和光轴在腔室的另一个端点基本上是垂直的。

为了解决现有技术电湿润透镜的问题，以及要求提供100伏左右的电压源，构成了本发明的实施例，以使电湿润单元的直径作为沿透镜系统的光轴的位置的函数超过线性地(more than linearly)减小。

当单元的直径超过线性地减小时，包含流体的单元的壁向内弯曲，朝向光轴。

当通过向所述单元施加电压来切换弯月面与壁之间的接触角的时候，弯月面的截取点(point of interception)沿光轴方向的单元侧壁移动。这个效果是如下事实的结果：两种液体的体积在弯月面的曲率发生变化时必须保持不变，这种情况对于任何壁形状都可发生。

然而，一个向内弯曲的壁强化了弯月面曲率的最终变化。因此，获得曲率的某种变化所需的电压小于现有技术的设备。

不仅与现有技术系统相比减小了产生某种曲率的弯月面所需的电压，与没有弯曲的壁的系统相比，有可能在弯月面中产生更大程度的弯曲。这有益地允许透镜构成有比使用现有技术的情况具有更大的变焦因子。

我们发现，切换电压不仅取决于液体和室壁的材料性质，还取决于室壁的几何形状。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了表示出本发明的实施例是如何实施的，下面借助于实例并参照示意的附图进行说明，其中：

图1表示现有技术的电湿润透镜；

图2a和2b表示按照本发明的实施例的电湿润透镜分别处在非切换状态和切换状态；

图3表示处在非切换状态的按照本发明的实施例的电湿润透镜；

图4表示本发明的实施例的弯月面的细节。

具体实施方式

为了理解本发明的实施例的操作，回顾图1所示的现有技术电湿润透镜的操作是有益的。在WO03/069380中详细描述了这种透镜，请参照这个出版物以便对于这种透镜的操作和结构有一个全面的认识。

为本发明的目的，下面的简单描述就足够了。

图1所示的透镜包括形成毛细管的圆筒形第一电极2，它是借助于透明的前组4和透明的后组6密封的，从而形成容纳两种流体的流体腔室5。电极2可以是加到管的内壁的导电涂层。

两种流体由两种不可混合的液体组成的，这两种液体即电绝缘的第一液体A(如硅油或烷烃，在这里称之为“油”)和导电的第二液体B(如包含盐溶液的水)。优选将这两种液体安排成具有相等的密度，以使透镜的功能与取向无关，即不取决于两种液体之间的重力效应。这一目的可以通过适当选择第一液体组分来实现；例如可通过增加分子组分以增加密度从而可以与盐溶液的密度匹配，来改变烷烃或硅油。

根据对于所用油的选择，油的折射率可以在1.25和1.60之间变化。类似地，根据所加盐的量，盐溶液的折射率可以在1.33和1.48之间变化。选择在图1的透镜中所用的流体，以使第一流体A的折射率大于第二流体B的折射率。

第一电极2是内部半径一般在1毫米和20毫米之间的一个圆筒。电极2是由金属材料形成的，并且涂以绝缘层8，绝缘层8例如由聚对二甲苯基构成。绝缘层厚度在50纳米和100微米之间，典型值在1微米和10微米之间。绝缘层涂以流体接触层10，流体接触层10可以减小弯月面与流体腔室的圆筒形壁的接触角的滞后(hysteresis)。流体腔室接触层优选由非晶的碳氟化合物(如由DuPont^TM生产的特氟纶AF1600)形成。流体接触层的厚度在5纳米和50微米之间。AF1600涂层可以通过电极2的连续浸渍涂敷产生，由于电极的圆筒形侧面大体上平行于圆筒形电极，所以这样就可以形成大体上厚度均匀的同质材料层；浸渍涂敷是通过在沿着轴向方向移动电极使之进、出浸渍溶液时浸渍所述电极实现的。使用化学蒸汽淀积可以涂敷聚对二甲苯基涂层。在第一和第二电极之间不加电压时，流体接触层经过第二流体的可湿润性在弯月面14与流体接触层10相交的两个侧面上基本上是相同的。

第二环形电极12安排在流体腔室的一端，在这种情况下靠近后组6。第二电极12的至少一部分安排在流体腔室内，以使电极可以作用在第二流体B上。

两种流体A和B是不可混合的，以使得趋向于分离成由弯月面14分开的两种流体主体。在第一和第二电极之间不加任何电压的情况下，流体接触层相对于第一流体A具有比相对于第二流体B更高的可湿润性。由于电湿润的作用，使得经过第二流体B的可湿润性在第一电极和第二电极之间的电压的作用下发生变化，趋向于改变弯月面在三相线(在流体接触层10和两个流体A、B之间的接触线)上的接触角。于是，弯月面的形状根据所加的电压而变。

当在电极之间加上一个低电压如在0伏和20伏之间时，弯月面采取第一凹面弯月面形状。在这种结构中，在流体B中测量的在弯月面和流体接触层10之间的起始接触角Q1例如是大约140度。由于第一流体A的折射率大于第二流体B的折射率，所以在这种结构中由弯月面形成的透镜(在这里称之为弯月面透镜)具有相对高的负光焦度。

为了减小弯月面形状的凹度，在第一和第二电极之间加上较高幅度的电压。当在这些电极之间根据绝缘层的厚度加上一个中间电压例如在20伏和150伏之间的电压时，弯月面采取第二凹面弯月面形状，它的曲率半径与图1中所示的弯月面相比有所增加。在这种结构中，在第一流体A和流体接触层10之间的中间接触角例如是100度左右。由于第一流体A和第二流体B具有较大的折射率，所以在这种结构中的弯月面透镜具有相对较小的负光焦度。

在下面对于本发明的优选实施例的描述中，电湿润透镜的基本结构与参照图1公开的结构是相似的。对于形成本发明的实施例的透镜的所有进一步的描述将排除有关透镜元件例如电极、前组和后组、以及流体接触层的物理结构的特定细节。当然，本领域的普通技术人员将会理解，这些结构就像对于已讨论过的现有技术所做的那样，完全可以应用到本发明的实施例，并且可以以相似的方式实现。因此，下面的描述集中在电湿润透镜和它的各种不同的部件的形状上，这使得本发明的实施例不同于现有技术。

在图2a和2b中表示本发明的第一实施例。概念上，这个透镜由一个圆筒构成，在圆筒的顶部定位一个椭圆形圆屋顶。在透镜中使用的两种流体是油和水基的溶液。

可以看出，透镜的第一末端(如在这个取向的底部所示的)，腔室的壁，(包含图中标为油和水的流体)，基本上平行于透镜的光轴布设，如图中虚线所示。沿离开水的方向，随着沿光轴的距离增加，腔室的壁向内朝光轴倾斜，即在腔室的壁和光轴之间形成的角度增大。

当距离朝向腔室包含油的那一端增加时，在壁和光轴之间形成的角度趋向于90度，即，腔室的壁变得垂直于光轴。

图2a表示未向单元施加电压时透镜的结构，图2b表示的结构加有切换电压(V₀)。

对于在0电压下的大部分油来说(见图2a)，水-油界面的弯月面是半球形，在这里球和椭圆体的截取点(interception point)是这样的：这个截取点恰好是在半椭圆体中的半球。通过下述方程确定形成所述单元的椭圆体的壁：

$\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{a^2}=1---\left(1\right)$

由下式给出半椭圆体的体积：

$V_{\mathrm{ellips}}=\frac{2}{3}\mathrm{\πa}{b}^2---\left(2\right)$

半球体的体积是：

$V_{\mathrm{spere}}=\frac{2}{3}\mathrm{\π}{b}^3---\left(3\right)$

所以，在单元的上部由油占据的体积(I)是：

$I=\frac{2}{3}\mathrm{\π}{b}^2(a-b)---\left(4\right)$

现在考虑下面的情况：通过施加电压(V₀)对于弯月面进行切换。

这种情况表示在图2b中，在这里，所示的弯月面在半球和半椭圆体之间的以前的截取点上方的高度h处，处在平直的位置。

在图3中更加详细地表示出后切换的情况，在这里，标记为A和B的部分代表水；标记为C的部分是油。由于在油和水之间的弯月面不可能是完全平直的，标记为B的水的部分代表在切换位置的弯月面的微小曲率。高度p代表理想平直弯月面上方的弯月面高度。像以前那样，高度h代表在非切换的截取点上方理想弯月面的高度。

体积 $B+C=\frac{2}{3}\mathrm{\πa}{b}^2-\mathrm{\π}{b}^2(h-\frac{1}{3}\frac{h^3}{a^2})---\left(5\right)$

体积 $B=\underset{R-p}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{\π}(R^2-h^2)\mathrm{dh}$

$=\mathrm{\π}(R^3-\frac{1}{3}{R}^3)-\mathrm{\π}(R^2(R-p)-\frac{1}{3}{(R-p)}^3)$

$=\frac{2}{3}\mathrm{\π}{R}^3-\mathrm{\π}{R}^3+\mathrm{\π}{R}^{2}p+\frac{1}{3}\mathrm{\π}(R^3-3R^{2}p+3R{p}^2-p^3)$

$=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{p}^2(3R-p)---\left(6\right)$

进而，我们有如下关系：

$R^2-{(R-p)}^2=b^2(1-\frac{h^2}{a^2})---\left(7\right)$

所以， $p=R-\sqrt{R^2{-b}^2(1-\frac{h^2}{a^2})}---\left(8\right)$

最后，我们得到，C的体积(I)由下式给出：

$I=\frac{2}{3}\mathrm{\πa}{b}^2-\mathrm{\π}{b}^2(h-\frac{1}{3}\frac{h^3}{a^2})-\frac{1}{3}\mathrm{\π}{p}^2(3R-p)---\left(9\right)$

这应该等于(4)。这导致如下的方程：

$p^2(3R-p)={2b}^3-3b^2(h-\frac{1}{3}\frac{h^3}{a^2})---\left(10\right)$

所以，

${(R-\sqrt{R^2{-b}^2(1-\frac{h^2}{a^2})})}^2(2R+\sqrt{R^2{-b}^2(1-\frac{h^2}{a^2})})={2b}^3-{3b}^2(h-\frac{1}{3}\frac{h^3}{a^2})---\left(11\right)$

注意图2b中所示的特殊情况：

→h＝0                  R＝b(初始条件)(12)

方程(11)导致对于R的第三个方程，这个方程可以用分析方法求解。

为了研究在弯月面与壁所成角度上椭圆体向内曲率的影响，考虑切换弯月面(V＝V₀)以使弯月面基本上平直的情况。从液体的体积保持相同的约束条件我们可以导出确定高度h的方程。在R＝∞因此体积B＝0的理想情况下，弯月面是平直的，从而我们找到确定h的关系式(p＝0)：

$\frac{2}{3}b=h-\frac{1}{3}\frac{h^3}{a^2}---\left(13\right)$

求解

$h=-\frac{(1-i\sqrt{3})a^2}{2{(-a^{2}b+\sqrt{-a^6+a^h+b^2})}^{1/3}}-\frac{1}{2}(1+i\sqrt{3}){(-a^{2}b+\sqrt{-a^6+a^h{b}^2})}^{1/3}---\left(14\right)$

在a>>b的情况下，我们发现

$h\≈\frac{2}{3}b---\left(15\right)$

如果我们让b＝1

 

a	h
		1.1	0.817
1.5	0.723
		2	0.694
5	0.670
		10	0.667
∞	0.667

最终的需要特征的项是弯月面和壁之间的角度θ。考虑图2b。在高度h处的截取点，由下式给出椭圆体的法向矢量：

${\stackrel{\→}{n}}_{\mathrm{ellips}}=(\frac{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}}}{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}(1-\frac{b^2}{a^2})}},\frac{\frac{\mathrm{bh}}{a^2}}{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}(1-\frac{b^2}{a^2})}})---\left(16\right)$

对于球的法向矢量，我们从图3发现，归一化的法向矢量是：

${\stackrel{\‾}{n}}_{\mathrm{sphere}}=\frac{1}{R}(b\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}},\sqrt{R^2-b^2(1-\frac{h^2}{a^2})})---\left(17\right)$

所以，通过取法向矢量的内积可以得到角度θ的余弦：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{1}{R}\frac{b(1-\frac{h^2}{a^2})+\frac{\mathrm{bh}}{a^2}\sqrt{R^2-b^2(1-\frac{h^2}{a^2})}}{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}(1-\frac{b^2}{a^2})}}---\left(18\right)$

对于界面是平直的并且R＝∞的特殊情况，我们有：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\frac{\mathrm{bh}}{a^2}}{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}(1-\frac{b^2}{a^2})}}---\left(19\right)$

其中的h由方程(14)给出。

对于圆筒形单元(a＝∞)的情况，在油和水之间有一个平直的界面，在这里，cosθ＝0。让到达这个平直的界面的对应电压是V₀。在电湿润领域众所周知的是，cosθ是用电压的平方度量的，所以我们可以写出

$\cos \mathrm{\θ}=-1+\frac{V^2}{V_0^2}---\left(20\right)$

对于椭圆体单元的情况(a＝有限值)，为了具有一个平直的界面，cosθ>0。

这发生在：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\frac{\mathrm{bh}}{a^2}}{\sqrt{1-\frac{h^2}{a^2}(1-\frac{b^2}{a^2})}}---\left(21\right)$

其中的h由方程(14)给出。

在下面的表1中，对于a/b的不同值，高度h和角度制成表格：

 

a/b	h/b	cosθ	V/V<sub>0</sub>	x/b＝(1-h<sup>2</sup>/a<sup>2</sup>h)<sup>1/2</sup>
					1.1	0.817	-0.710	0.539	0.67
1.5	0.723	-0.344	0.810	0.88

 

2	0.694	-0.182	0.904	0.94
					5	0.670	-0.027	0.986	0.99
10	0.667	-0.007	0.996	1.00
					无限大	0.667	-0.000	1.000	1.00

表1：各种参数的表

从表1可以看出，当比值a/b变为小于5时，所需的电压变得明显地小于当壁在z方向不弯曲时的电压。对于a/b＝1.1，这种减小变为几乎是2倍。

尽管电湿润单元的壁是椭圆体这种特殊情况，但本领域的普通技术人员容易认识到，任何类型的向内弯曲的壁都将导致切换电压的减小。所以可以使用与椭圆体有类似性质的其它几何形状来加强电湿润透镜的切换操作。

所述类型的透镜在微型手持成像设备的范围内普遍可以利用。具体的应用包括便携式照相机、摄像录像机、和成像通信设备，如电话机。

本发明的实施例的优点是，可以构成需要较低电压源以产生指定范围的变焦因子的光学设备。此外，使用范围与现有技术设备类似的电压源可以产生较大范围的变焦值。

注意到有关这种应用的与本说明书同时申请的或者在本说明书之前申请的、并且与本说明书一起向公众检查公开的所有文件和文献，在这里参照引用了所有这样一些文件和文献的内容。

在本说明书(包括任何附加的权利要求书、摘要、和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，除了相互排斥的至少某一些这种特征和/或步骤的组合之外，都能以任何的组合进行组合。

除非另有明确说明，在本说明书(包括任何附加的权利要求书、摘要、和附图)中公开的每一个特征都可以由功能相同的、等效的或相似的可替换特征代替。因此，除非另有明确说明，在这里公开的每个特征都是等效的或类似的特征的一般系列的一个实例。

本发明不限于前述的实施例(一个或多个)的细节。本发明延及在本说明书(包括任何附加的权利要求书、摘要、和附图)中公开的所有特征中的任何新的特征或者任何新的组合，或者如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新步骤或者任何新组合。

Claims (7)

1.一种可变焦点透镜，它具有一个光轴，包括：

流体腔室，所述流体腔室包括第一流体和轴向移动的第二流体，这两种流体是不可混合的、接触在弯月面的上方、并且具有不同的折射率；

安排在腔室的壁内的流体接触层；

通过流体接触层与第一流体和第二电极分开的第一电极；

作用在第二流体上的第二电极；

具有经过第二流体的可湿润性的流体接触层，所述可湿润性在第一电极和第二电极之间的电压的作用下可以改变，从而使弯月面的形状可根据所述电压发生变化；

其特征在于使流体腔室的形状是这样的：在腔室的壁和光轴之间形成的角度在朝向第一流体并且背离第二流体的方向沿光轴增大，角度的变化速率随离开第二流体的距离的增加而增加。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中：第一流体包括绝缘流体，第二流体包括导电流体。

3.根据前述权利要求中任何一个所述的透镜，其中：腔室的壁和光轴在腔室的一个端点是平行的。

4.根据权利要求3所述的透镜，其中：腔室的壁和光轴在腔室的另一个端点是垂直的。

5、根据权利要求1所述的透镜，其中腔室的直径作为沿光轴的位置的函数超过线性地减小。

6、根据权利要求5所述的透镜，其中当腔室的直径超过线性地减小时，腔室的壁向内弯曲，朝向光轴。

7、一种微型手持成像设备，包括根据前述任何一个权利要求所述的透镜。

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