CN102141680A - 可变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可变焦透镜。本发明的可变焦透镜通过改变第一界面和第二界面的形状中的每一个来改变折光力，所述第一界面由具有相互不同的折射率的第一液体和第二液体形成，所述第二界面由具有相互不同的折射率的所述第二液体和第三液体形成。由此，所述可变焦透镜改变第一界面和第二界面，使得第一界面的折光力的符号和第二界面的折光力的符号相互不同。

Description

可变焦透镜

技术领域

本发明涉及可变焦透镜(variable focus lens)，特别是涉及使用液体的可变焦透镜。

背景技术

常规上，可通过利用电润湿(electrowetting)现象控制液体的界面的形状来改变其折光力的可变焦透镜是已知的。这里，日本专利No.4154858中公开的可变焦透镜通过利用电润湿现象控制两种类型的液体的界面的形状来改变折光力。另外，日本专利公开No.2006-504132中公开的变焦透镜(zoom lens)通过控制至少两个界面处的形状来实施变焦。并且，日本专利公开No.2007-518133中公开的可变焦透镜通过在通过控制一个界面的形状来改变折光力的可变焦透镜中将折射率和阿贝数限制到一定范围来校正色差。

但是，在日本专利No.4154858的可变焦透镜中，仅存在一个改变折光力的液体的界面，因此，校正色差是困难的。另外，日本专利公开No.2006-504132中的变焦透镜没有公开当控制多个界面的形状时校正色差的条件。并且，日本专利公开No.2007-518133的可变焦透镜是改变一个界面的形状的可变焦透镜，因此，为了校正色差，必须选择满足特定条件的液体，并且，液体的选择的范围由此受到限制。

发明内容

因此，本发明提供一种通过其有利地校正色差的可变焦透镜。

本发明的一个方面是一种可变焦透镜，所述可变焦透镜使得能够通过改变第一界面和第二界面的形状中的每一个来改变折光力，所述第一界面由具有相互不同的折射率的第一液体和第二液体形成，所述第二界面由具有相互不同的折射率的第二液体和第三液体形成。其中，所述第一界面和所述第二界面的形状各被改变，使得所述第一界面的折光力的符号和所述第二界面的折光力的符号相互不同。

根据本发明，可提供一种通过其有利地校正色差的可变焦透镜。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的可变焦透镜的示意图。

图2是示出根据本发明第一实施例的电极分离单元的另一例子的示意图。

图3是根据本发明第二实施例的可变焦透镜的示意图。

图4A是已改变各界面的形状时的可变焦透镜的示意图。

图4B是已改变各界面的形状时的可变焦透镜的示意图。

图5是根据本发明第三实施例的可变焦透镜的示意图。

具体实施方式

以下，现在参照附图描述本发明的优选实施例。

(第一实施例)

首先，解释根据本发明第一实施例的使用液体的可变焦透镜(以下，简称为“液体透镜”)的结构。图1是根据第一实施例的液体透镜的示意性截面图。本发明的液体透镜100使用三种类型的液体，并且通过利用电润湿方法来控制由该三种类型的液体形成的两个界面。如图1所示，液体透镜100包含基本上圆筒形的外壳(case)100a，并且，在外壳100a内，从光入射侧沿光轴方向在三个层中依次设置三种类型的液体：第一液体101、第二液体102和第三液体103。在分别由第一液体101和第二液体102、以及第二液体102和第三液体103形成的两个界面处，对于该三种类型的液体即第一液体101、第二液体102和第三液体103，使用具有不同折光力的不能混合(immiscible)的物质。例如，可使用水或电解水溶液作为第一液体101，并且可使用油等作为第二液体102。以下，由第一液体101和第二液体102形成的界面被称为第一界面107，并且，相对照地，由第二液体102和第三液体103形成的界面被称为第二界面108。并且，液体透镜100包含两个位置处的电极104a和104b、通过给电极104a和104b中的每一个施加电压来控制第一界面107和第二界面108的控制单元(未示出)、电极分离部分105和盖玻片106。电极104a和104b是用于基于从控制单元供给的电压来分离地控制第一界面107和第二界面108的电极，并具有圆锥柱体(conical cylinder)形状。注意，在本实施例中，为了有利地控制界面107和108中的每一个的曲率半径，形成电极104a和104b的形状，使得电极104a和电极104b朝着相对的位置倾斜，即，该位置与外周部分的直径不同。但是，可以在没有这种倾斜并使得该位置和外周部分的直径相等同的情况下形成电极104a和104b的形状。在本发明的液体透镜100中，由于利用电润湿，因此，电极104a和104b通过用施加的电压控制界面中的每一个和电极之间的接触角，来改变各界面的形状。另外，电极分离部分105被设置在与电极104a和电极104b相对的位置处，并由使得能够独立地控制电极104a和104b中的每一个的电压的绝缘部件形成。注意，如图2所示，电极分离部分105可具有其中布置将第二液体102分成两个部分的透明板109(例如，玻璃板)的结构。盖玻片106是被设置在液体透镜100的光入射侧和光发射侧、并将液体101至103中的每一个密封于液体透镜内的玻璃板。

接下来，解释本发明第一实施例中的色差校正的原理。首先，对于第一至第三液体101至103，弗琅荷费(Fraunhofer)C线(656.3nm)的折射率分别由n_C1、n_C2和n_C3表示，并且，F线(486.1nm)的折射率分别由n_F1、n_F2和n_F3表示。类似地，d线(589.2nm)的折射率分别由n_d1、n_d2和n_d3表示。这里，色差的校正条件在式1中示出。

式1

$\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_n}{{\mathrm{\ν}}_n}=0$

这里，φ是各面的光焦度(optical power)，ν是各液体的阿贝数。注意，光焦度也被称为“折光力”，并且与焦距的倒数对应。在本发明中，由于具有光焦度的面是第一界面107和第二界面108的两个面，因此，如式2所示的那样来示出式1。

式2

$\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{\ν}}_1}+\frac{{\mathrm{\φ}}_2}{{\mathrm{\ν}}_2}=0$

这里，φ₁表示第一界面107所具有的光焦度，φ₂表示第二界面108所具有的光焦度。为了实施色差校正，由于在选择典型的物质作为液体的程度上ν＞0，因此两个界面的光焦度仅在具有正光焦度的液体和具有负光焦度的液体的组合的情况下满足式2的条件。

接下来，在第一界面107的曲率半径由R₁₂表示并且第二界面108的曲率半径由R₂₃表示的情况下，变换式2以产生式3。

式3

$\frac{-(n_{F1}-n_{C1})}{R_{12}}+\frac{n_{F2}-n_{C2}}{R_{12}}+\frac{-(n_{F2}-n_{C2})}{R_{23}}+\frac{n_{F3}-n_{C3}}{R_{23}}=0$

这里，在第一至第三液体101至103中，C线和F线的折射率之间的差(色散(dispersion))分别被定义为ρ1＝n_F1-n_C1、ρ2＝n_F2-n_C2和ρ3＝n_F3-n_C3。在这种情况下，将这些代入式3中产生式4，并且重新排列式4产生式5。

式4

$\frac{\mathrm{\ρ}2-\mathrm{\ρ}1}{R_{12}}+\frac{\mathrm{\ρ}3-\mathrm{\ρ}2}{R_{23}}=0$

式5

$\frac{\mathrm{\ρ}2-\mathrm{\ρ}1}{R_{12}}=-\frac{\mathrm{\ρ}3-\mathrm{\ρ}2}{R_{23}}$

这意味着式5示出C线和F线的消色差(achromatic)条件。这里，术语“消色差条件”表示C线的光焦度和F线的光焦度匹配。具体而言，可通过满足以下的条件来校正色差：

当|ρ2-ρ1|＞|ρ3-ρ2|时，那么|R₁₂|＞|R₂₃|

当|ρ2-ρ1|＜|ρ3-ρ2|时，那么|R₁₂|＜|R₂₃|

以下解释的表1中的数值适用于该消色差条件。例如，当R₁₂＝6.494mm并且R₂₃＝5.410mm时，相对于C线的焦距f_C、相对于d线的焦距f_d和相对于F线的焦距f_F分别为f_C＝199mm、f_d＝200mm和f_F＝199mm，由此满足消色差条件。这里，相对于d线的光焦度φ₁和光焦度φ₂分别为φ₁＝0.0222(1/mm)和φ₂＝-0.0172(1/mm)，并且它们具有符号相反的光焦度。

并且，式5被展开以产生式6。

式6

$\frac{R_{12}}{R_{23}}=-\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{12}}{\mathrm{\Δ}{L}_{23}}$

这里，ΔL₁₂＝ρ2-ρ1，ΔL₂₃＝ρ3-ρ2。在这种情形下，如果在液体透镜100中使用的液体被决定，那么基于它们的光学特性来确定消色差条件。表1是示出第一至第三液体101至103的C线、d线和F线的折射率n_C、n_d和n_F中的每一个和色散ρ的列表。这里，在表1中，假定第一液体101为水并且第二液体102为硅油(silicone oil)。另外，虽然第三液体103不被特别规定，但是，第三液体103被假定为其中一些物质与水混合的水溶液。注意，在本实施例中，虽然第一至第三液体101至103的物质不同，但是可由两种类型的物质来形成三层液体结构。

表1

	nc	nd	nF	ρ
					液体101	1.3312	1.3330	1.3372	0.00600
液体102	1.4705	1.4770	1.4835	0.01307
					液体103	1.3816	1.3841	1.3888	0.00718

另外，表2和表3是示出上述条件中的R₁₂和R₂₃各以恒定比率改变的情况下液体透镜整体的相对于C线、d线和F线的焦距变化的列表。在表2和表3中，f_d是d线的焦距，f_C是C线的焦距，f_F是F线的焦距。另外，曲率半径R₁₂和R₂₃中的每一个的单位是毫米(mm)，f_d、f_C和f_F中的每一个的单位是mm，φ₁和φ₂中的每一个的单位是1/mm。并且，透镜直径是2.5mm。如表2和表3所示，当液体透镜的焦距改变时，如果R₁₂和R₂₃的比率基本上恒定，那么可有利地校正F线和C线的色差。

表2

fd	fC	fF	φ1	φ2
					200.0	199.0	199.0	0.0222	-0.0172
300.0	298.5	298.5	0.0148	-0.0114
					500.0	497.5	497.5	0.0089	-0.0069
1000.0	995.0	995.0	0.0044	-0.0034
					-1000.0	-995.0	-995.0	-0.0044	0.0034
-500.0	-497.5	-497.5	-0.0089	0.0069
					-300.0	-298.5	-298.5	-0.0148	0.0114
-200.0	-199.0	-199.0	-0.0222	0.0172

表3

fd	R12	R23	R12/R23	-ΔL12/ΔL23
					200.0	6.494	5.410	1.200	1.200

300.0	9.741	8.115	1.200	1.200
					500.0	16.235	13.526	1.200	1.200
1000.0	32.470	27.052	1.200	1.200
					-1000.0	-32.470	-27.052	1.200	1.200
-500.0	-16.235	-13.526	1.200	1.200
					-300.0	-9.741	-8.116	1.200	1.200
-200.0	-6.494	-5.410	1.200	1.200

如上面解释的那样，根据本发明，可实现通过其有利地校正色差的可变焦透镜。

(第二实施例)

接下来，解释根据本发明第二实施例的液体透镜的结构。图3是根据第二实施例的液体透镜的示意性截面图。注意，在图3中，与图1中的结构相等同的结构被附加有相同的附图标记，并且其解释被省略。与第一实施例的类似，本实施例的液体透镜200通过电润湿方法来控制由三种类型的液体形成的两个界面。并且，在本实施例中，液体透镜200不对由第一至第三类型的液体所形成的界面中的每一个进行电控制。由弹性材料形成的第一薄膜204和第二薄膜205被设置在各界面处，并且，对各面的形状进行机械控制。

第一至第三液体201至203与第一实施例中的不同，并且，在第一界面107和第二界面108处使用薄膜。因此，在各界面中的每一个处，不能混合的物质不是必要的。这里，表4是示出第一至第三液体201至203的C线、d线和F线的折射率n_C、n_d和n_F中的每一个和色散ρ的列表。另外，在表4中，第一液体201被假定为水，并且第二液体202被假定为硅油。另外，假定第三液体203是具有高折射率的有机材料。第一薄膜204和第二薄膜205是各例如由硅橡胶形成的弹性薄膜。并且，液体透镜200被控制单元控制。提供用于分别驱动薄膜204和205中的每一个的第一驱动单元206和第二驱动单元207。这些驱动单元206和207中的每一个被设置，以能够相对于液体透镜200的外壳200a移动，并且外壳200a保持薄膜204和205中的每一个的端部。

表4

	nc	nd	nF	ρ
					液体201	1.3312	1.3330	1.3372	0.0060
液体202	1.4705	1.4770	1.4835	0.0131
					液体203	1.5518	1.5617	1.5697	0.0179

接下来，解释本实施例中的薄膜204和205中的每一个的操作。图4A和图4B是示出通过薄膜204和205中的每一个来改变各界面的形状时的液体透镜的示意性截面图。首先，在图4A中，当第一驱动单元206沿光轴方向朝图右移动时，第一液体201的体积是恒定的。因此，第一薄膜204显著地变形以具有较小的曲率半径。相对照地，如图4B所示，当第二驱动单元207沿光轴方向朝图右移动时，第三液体的体积是恒定的。因此，第二薄膜205轻微地变形以具有较大的曲率半径。即，由于相对于外壳200a移动的驱动单元206和207中的每一个，因此可独立地控制第一界面107和第二界面108的形状。

注意，在本实施例中，与第一实施例类似，只有两个薄膜204和205具有光焦度。另外，薄膜204和205中的每一个的厚度被忽略，并且，由于产生弹性力的薄膜204和205中的每一个而改变的厚度组成部分(thick component)也被忽略。在这种情况下，当第一薄膜204和第二薄膜205之间的距离T(mm)相对于界面中的每一个的曲率半径R₁₂和R₂₃充分地小时，距离T的影响不能被忽略。在这种情形下，在第一实施例中，液体透镜100整体的相对于d线的光焦度φ为φ＝φ₁+φ₂，使得距离T可被忽略。注意，为了方便，相对于d线来定义光焦度φ，但是，当波长改变时，用于其它波长(C线、F线等)的类似式子将成立。相对照地，在本实施例中，考虑到距离T，光焦度φ变为φ＝φ₁+φ₂-φ₁×φ₂×T/n_d2，这里，n_d2是第二液体202的相对于d线的折射率。在这种情况下，同样地，相对于其它波长，折射率的部分可被改变以与这些波长对应。并且，在要使得焦点可改变的范围大的情况下，由于曲率半径变得极小，因此，距离T的影响不能被忽略。因此，在本实施例中，考虑如从式6得到的式7所示的距离T的影响。注意，在式7中，当数值位于条件式的范围之外时，距离T与曲率半径R₁₂和R₂₃相比变得极大，并且，液体透镜200不能容易地校正色差。

式7

$(-\frac{\mathrm{\&Delta;}{L}_{12}}{\mathrm{\&Delta;}{L}_{23}})\&times;0.8<\frac{R_{12}}{R_{23}}<(-\frac{\mathrm{\&Delta;}{L}_{12}}{\mathrm{\&Delta;}{L}_{23}})\&times;1.2$

这里，表5和表6是示出相对于C线和F线改变焦点距离时的相对于ΔL₁₂/ΔL₂₃的R₁₂/R₂₃的比率的列表。在表5和表6中，曲率半径R₁₂和R₂₃中的每一个的单位是毫米(mm)，f_d、f_C和f_F中的每一个的单位是mm，T的单位是mm，φ₁和φ₂中的每一个的单位是1/mm。如表5和表6所示，通过满足式7的条件，考虑到其内可形成液体透镜200的范围的厚度变化，可在满足消色差条件的同时改变液体透镜的焦距。

表5

fd	fC	fF	T	φ1	φ2
						200.0	198.9	198.9	1.787	0.0463	-0.0438
300.0	298.4	298.4	1.624	0.0264	-0.0237
						500.0	497.4	497.4	1.541	0.0148	-0.0130
1000.0	994.9	994.9	1.488	0.0071	-0.0062
						-1000.0	-995.1	-995.1	1.341	-0.0068	0.0057

-500.0	-497.6	-497.6	1.249	-0.0089	0.0069
						-300.0	-298.6	-298.6	1.127	-0.0217	0.0180
-200.0	-199.1	-199.1	0.971	-0.0320	0.0264

表6

fd	R12	R23	R12/R23	比率
					200.0	3.107	-1.933	-1.608	0.905
300.0	5.459	-3.567	-1.531	0.951
					500.0	9.717	-6.501	-1.495	0.974
1000.0	20.162	-13.683	-1.474	0.988
					-1000.0	-21.293	14.779	-1.441	1.010
-500.0	-10.855	7.599	-1.429	1.019
					-300.0	-6.642	4.690	-1.416	1.028
-200.0	-4.500	3.201	-1.406	1.036

以这种方式，根据本实施例的液体透镜，由于在满足式7的条件的同时改变焦距，因此可更有利地校正色差。另外，在液体透镜200中，由于由薄膜形成液体界面中的每一个，因此，要使用的液体的选择范围变宽，诸如选择水和电解液的组合以及有机材料的组合。

(第三实施例)

接下来，解释根据本发明第三实施例的液体透镜的结构。图5是根据第三实施例的液体透镜的示意性截面图。注意，在图5中，与图3的结构相等同的结构由相等同的附图标记表示，并且，其解释被省略。与第二实施例的液体透镜200的结构相对照，本实施例的液体透镜300对于使用的第一至第三液体301至303的中间层中的第二液体302使用具有最低折射率的液体。

一般地，在如本发明中公开的液体透镜被用于摄影系统中的情况下，要求液体透镜具有正光焦度。相对照地，具有高折射率的液体具有高色散。考虑到这种情形，如本实施例中公开的那样，当具有最低折射率的液体被设置在中间层中时，中间层展示出显著的弯月形状。如图5所示，在中间层具有弯月结构的情况下，该结构变为如下的结构：其中，第一薄膜和第二薄膜之间的距离T总是比中间层的透镜形状的两侧具有凸形形状的情况小，因此，中间层不易受距离T影响。相对照地，如果三种流体的比重完全相等同，那么界面形状不受重力影响并且不变得偏心。但是，实际上，比重很少完全相等，并且，由于比重的影响，界面变得偏心。因此，通过给中间层赋予弯月形状，本实施例的液体透镜300可被提供有不易受偏心影响并耐重力和加速度的透镜结构。

这里，表7是示出本实施例中第一至第三液体301至303的折射率n_C、n_d和n_F中的每一个和色散ρ的列表。在表7中，第一液体301是诸如有机材料的具有高折射率的液体。注意，第一液体301可以是其中纳米级微粒被分散于水或硅油中的高折射率物质。并且，第二液体302被假定为水并且第三液体303被假定为硅油。另外，表8和表9是示出对于使用这三种不同类型的液体的情况的相对于ΔL₁₂/ΔL₂₃的R₁₂/R₂₃的比率的列表。在表8和表9中，曲率半径R₁₂和R₂₃中的每一个的单位是mm，并且透镜直径是2.5mm。另外，f_d、f_C和f_F中的每一个的单位是mm，T的单位是mm，φ₁和φ₂中的每一个的单位是1/mm。在上下文中，在可变范围整体中，比率在表7的范围内改变，并且，C线和F线的焦距相同，即，正常实施色差校正。以这种方式，根据本实施例的液体透镜300，可更有利地实施第二实施例。

表7

	nc	nd	nF	ρ
					液体301	1.5402	1.5559	1.5646	0.0244
液体302	1.3312	1.3330	1.3372	0.0060
					液体303	1.4705	1.4770	1.4835	0.0131

表8

fd	fC	fF	T	φ1	φ2
						50.0	49.48	49.48	0.942	-0.00511	0.02499
100.0	98.97	98.97	0.971	-0.00251	0.01249
						200.0	197.94	197.94	0.985	-0.00125	0.00624
300.0	296.92	296.92	0.990	-0.00083	0.00416
						500.0	494.86	494.86	0.994	-0.00050	0.00250
1000.0	989.73	989.73	0.997	-0.00025	0.00125
						-1000.0	-989.73	-989.73	1.010	0.00025	-0.00125
-500.0	-494.87	-494.87	1.019	0.00050	-0.00250
						-300.0	-296.92	-296.92	1.032	0.00083	-0.00416

-200.0	-197.95	-197.95	1.048	0.00124	-0.00624
						-100.0	-98.98	-98.98	1.096	0.00246	-0.01248

表9

fd	R12	R23	R12/R23	比率
					50.0	43.888	5.843	7.512	1.021
100.0	88.681	11.689	7.587	1.011
					200.0	178.310	23.381	7.626	1.005
300.0	267.953	35.074	7.640	1.004
					500.0	447.231	58.459	7.650	1.002
1000.0	895.445	116.922	7.658	1.001
					-1000.0	-897.434	-116.930	7.675	0.999
-500.0	-449.227	-58.467	7.683	0.998
					-300.0	-269.953	-35.082	7.695	0.996
-200.0	-180.325	-23.389	7.710	0.994
					-100.0	-90.729	-11.697	7.757	0.988

(其它实施例)

例如，在上述的实施例中，使用水作为液体，但是，液体的选择不限于此。只要可给液体界面提供足够的曲率变化并且液体在使用的波长区域处具有足够的透明度，就可在本发明的液体透镜中使用任何液体。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明的实施例，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求在2010年2月3日提交的日本专利申请No.2010-22220的权益，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (3)

1.一种可变焦透镜，所述可变焦透镜能够通过改变第一界面和第二界面的形状中的每一个来改变折光力，所述第一界面由具有相互不同的折射率的第一液体和第二液体形成，所述第二界面由具有相互不同的折射率的所述第二液体和第三液体形成，

其中，所述第一界面和所述第二界面的形状各被改变，使得所述第一界面的折光力的符号和所述第二界面的折光力的符号相互不同。

2.根据权利要求1的可变焦透镜，其中，对于所述第一液体、所述第二液体和所述第三液体，C线的折射率由n_C1、n_C2和n_C3表示，F线的折射率为n_F1、n_F2和n_F3，并且色散分别为ρ1＝n_F1-n_C1、ρ2＝n_F2-n_C2和ρ3＝n_F3-n_C3，并且所述第一界面的曲率半径由R₁₂表示且所述第二界面的曲率半径由R₂₃表示，满足以下的条件：

当|ρ2-ρ1|＞|ρ3-ρ2|时，那么|R₁₂|＞|R₂₃|

当|ρ2-ρ1|＜|ρ3-ρ2|时，那么|R₁₂|＜|R₂₃|。

3.根据权利要求2的可变焦透镜，其中，

当色散的差分别为ΔL₁₂＝ρ2-ρ1、ΔL₂₃＝ρ3-ρ2时，那么满足以下的条件：

(-ΔL₁₂/ΔL₂₃)×0.8＜R₁₂/R₂₃＜(-ΔL₁₂/ΔL₂₃)×1.2。

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