CN100523877C - 变焦距透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变焦距透镜，其包括两个垂直于透镜轴线的相面对的壁(21，22)，所述壁之间限定的空间中包括：位于所述壁中的第一壁(22)上的绝缘液体(31)，以及覆盖绝缘液体并且接触第二壁(21)的导电液体(32)。第一壁(22)的表面(24)具有对于绝缘液体的高润湿度和对于导电液体的低润湿度，第二壁(21)的表面(23)具有对于导电液体的高润湿度和对于绝缘液体的低润湿度。
Description
技术领域
本发明涉及变焦距透镜，更具体地讲，本发明涉及利用了由电浸润(electrowetting)现象导致的液滴变形的透镜。
背景技术
在本申请人的欧洲专利1166157中，公开了可变焦距透镜的各种不同的实施方式。本申请中的图1基本上再现了该专利中的图12。由两个绝缘板1和2以及侧壁(未示出)限定了一腔室。非平面的下板2包括凹进部分或凹部3，其容纳绝缘液体4的液滴。该腔室的其余部分用导电液体5充满，该导电液体与绝缘液体不相混溶并且具有不相同的折射率和大致相同的密度。开口面对所述凹部3的环形电极7安置在下板2的背面。另一个电极8与导电液体5接触。通过电浸润现象，能够根据施加在电极7与8之间的电压V来调整在两种液体之间的接触面的曲率，例如该接触面从由附图标记4所表示的最初凹形变化到由附图标记9所表示的并以虚线示出的凸形。因而，根据所施加的电压，在所述绝缘液体4的液滴的区域内垂直于板1和2穿过所述腔室的光线将被聚焦在更长或更短的距离。
变焦距透镜的其它实施例描述于文献WO-A-03/069380中。本申请中的图2基本上再现了该文献的图1。两个绝缘板11和12和圆柱形侧壁13限定出腔室。腔室的下部2容纳绝缘液体14的液滴。腔室的其余部分被填充导电液体15，该导电液体与绝缘液体不相混溶并且具有不相同的折射率和大致相同的密度。圆柱形侧壁13中包含环形电极17。形成在上板11内表面上的另一电极18接触导电液体15。可以基于施加在电极17和18之间的电压V而改变两种液体之间的接触面的曲率，例如该接触面从由附图标记14所表示的最初凹形变化到由附图标记19所表示的并以虚线示出的凸形。因而，根据所施加的电压，在所述绝缘液体14的液滴的区域内垂直于板11和12穿过所述腔室的光线将被聚焦在更长或更短的距离。
尽管这些方案在性能上还是较为令人满意的，但它们在实施时仍存在缺陷。这是因为，在实施中，导电液体通常为水性(aqueous)液体，通常为油性液体的液滴是在腔室被事先完全浸没于水性液体中的情况下被安置的。油性液滴通过腔室底部注射，但可能难以将水从腔室底部排空。其结果可能是，液滴被不良地安置，或者水滴被俘获在油滴下面，从而引起不可接受的光学紊乱。
因此，需要采取一定的预防操作以正确安置液滴，该液滴容易分裂并且部分地附着在板1和2或11和12中的每个上。在图1所示情况下，液滴还可能部分地中止于下板2的平面状上部之上。
这些缺陷也会出现在透镜被用在承受冲击的环境中时，即由于加速度的作用，液滴可能会具有变形或偏移的趋势，并且脱离为此设置的壳体。这样，即使不是完全不可能，也非常难以使其重新定位。
发明内容
本发明的一个目的是减轻这些缺陷，从而更容易实现液滴注入操作，并且防止液体过度偏移而导致液滴离开原位或分裂。
本发明的另一目的是提供一种特殊的变焦距透镜腔室结构，以使得其各项参数被最优化。
为实现上述以及其它目的，本发明提供了一种变焦距透镜，其包括：第一和第二透明的绝缘板，它们彼此面对安置，并且垂直于透镜轴线；在限定于所述第一和第二透明的绝缘板之间的空间中，位于第一透明的绝缘板上的绝缘液体，以及覆盖绝缘液体并且接触第二透明的绝缘板的导电液体；第一透明的绝缘板的表面具有对于绝缘液体的高润湿度和对于导电液体的低润湿度，第二透明的绝缘板的表面具有对于导电液体的高润湿度和对于绝缘液体的低润湿度；以及导电板，其沉积在所述第一透明的绝缘板上，并且设有用于放置绝缘液体的中央开口，所述导电板在所形成的腔室的内侧涂覆有绝缘涂层，该绝缘涂层的外表面的材料在存在绝缘液体和导电液体的情况下的润湿度被最优化，以在绝缘液体和导电液体之间获得预期的静态新月形形状。
根据本发明的一个实施例，所述第一和第二透明的绝缘板中的至少一个的表面被涂覆可使其具有预期润湿特性的层。
根据本发明的一个实施例，第一透明的绝缘板的表面的润湿度被设置成，绝缘液体的液滴在导电液体中在该表面的接触角度小于75°。
根据本发明的一个实施例，第二透明的绝缘板的表面的润湿度被设置成，导电液体的液滴在绝缘液体中在该表面的接触角度小于75°。
根据本发明的一个实施例，承载绝缘液体的壁包括绝缘材料的板，其涂覆了具有对于绝缘液体的高润湿度和对于导电液体的低润湿度的材料，以及导电板，其具有用于放置绝缘液体的中央开口，并且沉积在所述绝缘板上，该导电板在所形成的腔室的内侧涂覆有适于提供绝缘并且具有对于透镜操作而言最佳润湿性能的一或多种材料。
本发明的另一对象是一种变焦距透镜组件，其在透明上板和透明下板之间包括具有界面的两种液体，通过改变施加在作为所述液体之一的导电液体与靠近作为另一所述液体的绝缘液体的电极之间的电压，所述界面的轮廓被改变，其特征在于，还包括第一导电环，其与导电液体电接触并且承载于上板上，第二导电环，其与所述电极电接触并且承载于下板上，每个所述环具有圆柱形部分，这些圆柱形部分的相面对的表面设有螺纹，以及第三环，其具有绝缘性，设有内外螺纹，并且夹在所述两个圆柱形部分之间。
附图说明
结合附图并通过以下对于非限定给出的特定示意性实施例的说明，将详细了解本发明的目的、特征和优点、以及其它内容，其中：
一图1和2如前所述是根据现有技术的可变焦距透镜的剖视图，示出了本发明试图解决的技术问题；
一图3是根据本发明的透镜的一个实施例的剖视图；
一图4是图3中的透镜所形成的透镜组件的一个例子的剖视图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明的变焦距透镜腔室的一个实施例。腔室由两个板21和22界定，所述板由透明绝缘材料制成，并且垂直于透镜光轴。根据本发明的基本方面，其同样适用于图1和2所示类型的腔室，所述板在它们的内壁上包括或被涂覆具有特定润湿度的材料，也就是说，需要与导电液体相接触的上板21的内壁具有对于该导电液体的高润湿度和对于绝缘液体的低润湿度，需要与绝缘液体相接触的下板22的内壁具有与上述相反的润湿特性。
在标准情况下，即导电液体是水性液体而绝缘液体是油性液体，上板的材料或涂层是高亲水性的，下板的材料或涂层是高厌水性的。
在图3中，亲水性涂层被标记为附图标记23，厌水性涂层被标记为附图标记24。
在实际中，各式各样的具有亲水性的材料可被采用。作为亲水性表面，采用无机玻璃或氧化硅涂覆的聚碳酸酯可以获得良好结果。
在厌水性材料中，全氟乙烯丙烯塑料(FEP)和全氟烷氧基树脂(PFA)需要被特别提及。这些透明的材料可以构成壁本身。其它材料也可以被使用，但只能用作涂层。聚合物例如可溶性含氟聚合物尤其需要被提及，例如DuPont de Nemours以系列号AF1600出售的产品，或者Cytonix出售的产品，甚至是融接到材料表面的硅烷层，以使其具有理想的润湿度。
在实际中，壁表面的润湿度(wettability)是通过两种流体的接触面与壁表面之间形成的角度测量的。接触角度定义为两种流体间的接触面与承载该接触面的实体壁之间形成的角度。该角度只取决于相关液体以及壁的本质，而不取决于壁的形状。如果这两种流体是两种不混溶液体，则对两种液体的相同润湿度意味着接触面基本上垂直于壁表面。如果壁表面对于液体之一具有更高润湿度，则意味着两种液体之间的接触面在该液体一侧形成锐角。
因此，如果液滴周面在液滴侧与壁表面之间形成钝角，则表面可以被称作厌水性。相反，如果该角度是锐角，则该表面被认为是亲水性。作为一般规则，尽管存在两种不同液体，表面的润湿度仍可测量，两种液体之间的界面形成液滴的外周。
下面的表中概括了用作为厌水性和亲水性表面的一些材料与形成特色液滴液体和外围流体(气体或液体)相组合时的代表润湿度的接触角度。这些试验是这样执行的，即水采用脱离子超纯水，油采用Exxon Mobil Chemica销售的商品名为ISOPAR V(CASNo.64742—46—47)的油。用作亲水性表面的玻璃是光学玻璃，例如以缩写BK7表示的。
在实际中，在下述条件下可以获得良好结果：接受油性液滴的板的表面24的润湿度被设置成使得，油在水中的接触角度小于75°，接触水性液体的板的表面23的润湿度被设置成使得，水在油中的接触角度小于75°。
在图3所示的示例性实施例中，腔室的下部包括前述绝缘板22，其上表面(或颂层)24具有预期润湿度。涂覆有绝缘涂层27的导电材料板26被铺设在绝缘板上，优选粘接至绝缘板。绝缘涂层27可以是多层涂层。其外表面使得其润湿度被最优化，以在绝缘液体31和导电液体32之间获得预期的静态新月形形状。因此，根据本实施例的一个优点，绝缘板22的上板24的涂层的润湿度可以与绝缘涂层27的外表面的润湿度无关。层23的性能主要用于使得液滴向其承载体的附着性最优化，层27的性能主要用于使得电润湿功能最优化。
图4示出了图3所示透镜的各个板的组件。第一金属环40具有采用板41的形式的下部，其支撑着下部绝缘板22和导电板26，并且确保与板26的导电材料之间具有导电性，以及圆柱形周边部分42，其围绕着上述结构并且设有内螺纹44。第二金属环50具有采用板51的形式的上部，其承载于上部绝缘板21上，并且确保与导电液体32电接触，优选通过设在板21周部的导电涂层53。第二金属环50因此而具有圆柱形周边部分52，其设有外螺纹54。圆柱形周边部分52位于圆柱形周边部分42内侧。第一圆柱形绝缘环60安置在透镜的外周和第二导电环50的内周之间。第二圆柱形绝缘环70安置在圆柱形部分42和52之间，并且设有内外螺纹，分别用于啮合圆柱形部分52的外螺纹54和圆柱形部分42的内螺纹44。O型环密封件80保持板26与板21分开。高度也通过环60的尺寸得以维持。
这种结构是以下述方式组装的。由各个元件21—27形成的腔室被装配密封件80，油31和水32被安置就位。接下来，依次装配下述元件：环40，环70拧入环40中，环60，环50拧入环70中以夹持密封件80并且维持密封。导电环40和50可以设有螺纹或钻孔，以插入连接元件和/或用于将透镜安装在其需要被装配的装置上。
当然，这仅仅示出了组件的一个可行例子，本领域技术人员可以构想出各式各样的替代性实施例。特别地讲，各个环可以设有锁定台肩。密封件80和绝缘环60可以不同地安置，或者甚至被组合，只要能确保绝缘环40和50的功能、密封功能以及保持透镜上下板彼此相隔的功能即可。此外，这种类型的组件可以适用于与结合图3所描述不同的变焦距透镜。
如前所述，本发明还适用于图1和2所示的示例性实施例。在这些实施例中，板1和11的材料，或者这些板上的内部涂层的材料，将使得这些板的内壁具有强亲水性。在图2中的情况下，下板12的材料，或者该板上的涂层的材料，将具有高厌水性。在图1所示的情况下，高厌水性涂层优选提供于凹部3的底部，使透镜的操作最优化的涂层提供于凹部的倾斜壁上，亲水性涂层提供于板2的上侧平面状周部上，以便防止油性液滴粘着在其上。
另外，图1和3示出了用于安置绝缘液体的区域，它们采用具有倾斜45°的平面侧壁的杯的形式。各式各样的其它形状可被采用，例如圆柱形或复曲面形状。
利用根据本发明的结构，绝缘液滴将自然地趋向于安置在高厌水性区域，在图1和3所示情况下为凹部的底部，在图2所示情况下为下板12，并且，即使是液滴意外接触到另一表面，例如上板表面，它也不会粘着在这个表面上，并将自然地重新定位在下表面侧。
作为示例，在图3所示情况下，板26中的开口的下部的直径可以是3至5mm，该板的厚度为十分之几毫米，板26和板21之间的距离也是十分之几毫米，并且上下板是玻璃板，厚度为1mm左右。
Claims (4)
1.一种变焦距透镜，包括：
—第一和第二透明的绝缘板(21，22)，它们彼此面对安置，并且垂直于透镜轴线；
—在限定于所述第一和第二透明的绝缘板之间的空间中，位于第一透明的绝缘板(22)上的绝缘液体(31)，以及覆盖绝缘液体并且接触第二透明的绝缘板(21)的导电液体(32)；第一透明的绝缘板(22)的表面(24)具有对于绝缘液体的高润湿度和对于导电液体的低润湿度，第二透明的绝缘板(21)的表面(23)具有对于导电液体的高润湿度和对于绝缘液体的低润湿度；以及
—导电板(26)，其沉积在所述第一透明的绝缘板上，并且设有用于放置绝缘液体的中央开口，所述导电板在所形成的腔室的内侧涂覆有绝缘涂层(27)，该绝缘涂层的外表面的材料在存在绝缘液体(31)和导电液体(32)的情况下的润湿度被最优化，以在绝缘液体(31)和导电液体(32)之间获得预期的静态新月形形状。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述第一和第二透明的绝缘板中的至少一个的表面被涂覆可使其具有预期润湿特性的层(23，27)。
3.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，第一透明的绝缘板(22)的表面(24)的润湿度被设置成使得，绝缘液体的液滴在导电液体中在该表面的接触角度小于75°。
4.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，第二透明的绝缘板(21)的表面(23)的润湿度被设置成使得，导电液体的液滴在绝缘液体中在该表面的接触角度小于75°。
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