CN103180762A

CN103180762A - 具有两个液体室的可变焦距透镜

Info

Publication number: CN103180762A
Application number: CN2010800697650A
Authority: CN
Inventors: T·克恩
Original assignee: Optotune AG
Current assignee: Optotune AG
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-06-26
Also published as: KR20130139952A; EP2633341A1; US8947784B2; US20130265647A1; WO2012055049A1; EP2633341B1; JP2014500522A

Abstract

可变焦距透镜具有外壳（1）和致动器（8），所述外壳和致动器能够沿透镜的光轴（A）相互位移。主要膜（15）布置于第一室（24、26）和第二室（30、32）之间，且第一和第二室填充有密度相似但折射率不同的液体。第一和第二辅助膜（19、17）设置用于容积补偿。第一辅助膜（19）形成第一室（24、26）的壁段，并且第二辅助膜（17）形成第二室（30、32）的壁段，辅助膜中至少之一或全部在其外侧对环境空气。

Description

具有两个液体室的可变焦距透镜

技术领域

本发明涉及具有第一和第二室的可变焦距透镜，所述第一和第二室填充有具有不同折射率的液体。两个室被主要膜分开。透镜包括外壳和致动器。致动器相对于外壳在轴向上的移动导致主要膜发生形变。

本发明还涉及用于制造这样的透镜的方法。

背景技术

在WO2008/020356中示出这个类型的透镜。透镜具有填充有折射率不同但密度相似的不同液体的两个气密室。室被可变形的膜分开。这个设计的优势在于减少由重力导致的膜变形。然而，因为致动器不容易接近，所以在WO2008/020356中描述的设计需要通过磁场将力间接传送至膜。额外地，制造这个类型的透镜是困难的。具体地，已经发现难以从室移除残留空气。

发明内容

待通过本发明解决的问题为提供能够更容易制造的透镜。通过权利要求1的透镜解决这个问题。

因此，透镜包括填充有第一液体的第一室和填充有第二液体的第二室，其中所述第二液体具有与所述第一液体不同的光学特性，特别是不同的折射率。主要膜将所述第一室与所述第二室分开并且与所述第一和第二液体接触。主要膜形成与可变焦距透镜的光轴相交的透镜表面。第一辅助膜形成第一室的第一壁段并且第二辅助膜形成所述第二室的第一壁段。透镜包括外壳，所述外壳形成至少所述第一室和/或所述第二室的第二壁段。透镜进一步包括连接至所述膜中至少之一的致动器。致动器和外壳能够在平行于光轴的方向上相互位移，其中致动器和外壳的相互位移导致所述膜发生形变，因此改变透镜的焦距。

所述辅助膜中至少之一面对环境空气，这容许来自至少一个室的残留空气通过扩散穿过辅助膜而逃逸。来自另一个室的残留空气能够穿过所述另一个室的辅助膜而逃逸（假如所述辅助膜也面对空气的话），或者来自另一个室的残留空气能够在制造过程中当仅有该另一个室被填充时穿过主要膜或辅助膜逃逸。为加速空气扩散过程，在制造过程中能够使用加热、真空或诸如二氧化碳的小分子处理气体。

有利地，透镜包括形成主要膜和辅助膜的薄片，即所有膜均通过单个薄片形成。这极大地简化制造工艺。

薄片和/或任一膜能够以预拉伸方式附接至外壳，以用于防止在致动过程中起皱并且用于进一步减弱重力作用。

在有利的实施例中，外壳包括在第一区域中连接至主要膜的保持器，所述第一区域围绕透镜的光轴延伸。在该情况下，特别有利的是将第一和第二辅助膜径向布置在所述保持器外侧，即与保持器相比距光轴更远的径向距离，因此将主要膜的光学相关部分与辅助膜的光学不相关部分分开。

用于制造透镜的方法有利地包括以下步骤：

-将所述第二液体填充至第二室内，

-通过使气体扩散穿过薄片而移除来自第二室的任何残留气体，

-将所述第一液体填充至第一室内，以及

-通过使气体扩散穿过薄片而移除来自第一室的任何残留气体，

其中所述薄片形成所述膜。

这个方法利用以下事实：至少在制造过程的某些步骤中，每一个室通过薄片与环境接触，因此残留气体能够扩散穿过薄片并且因此离开液体。在生产过程中也可以将液体填充至变形状态中的薄片内，并且随后通过将室附接至已填充的薄片而将密封该室，由此当被捕获的气体通过扩散穿过薄片离开室时薄片变松弛。

附图说明

当考虑本发明的以下详细描述时本发明将被更好地理解并且除上述之外的其他目标将变得显而易见。这些描述参考附图，其中：

图1示出可变焦距透镜的第一实施例的剖面立体图，

图2示出可变焦距透镜的第二实施例的剖面立体图，

图3示出图2的透镜的分解图。

具体实施方式

定义：

术语“径向的”被理解为表示垂直于透镜的光轴的方向。

术语“轴向的”被理解为表示平行于透镜的光轴的方向。

术语“刚性的”和“柔性的”彼此相关地使用。透镜的膜与外壳和致动器相比更加柔性或更少刚性至少一个数量级。

术语“液体”表示能够流动的非气态物质，诸如水、油等。该术语还包括高黏性液体。以下给出液体的其他示例。

第一实施例：

图1的可变焦距透镜的实施例为相对于光轴A大体上旋转对称的设计。可变焦距透镜包括外壳1，所述外壳1具有在径向上延伸的带有第一环形开口3的底部段2、圆筒形的在轴向上延伸的外部壁4以及圆筒形的在轴向上延伸的内部壁或保持器5。透明的第一窗口6保持于外壳1中并且闭合第一环形开口3。

透镜进一步包括致动器8，所述致动器8具有在径向上延伸的带有第二环形开口10的顶部段9、以及圆筒形的在轴向上延伸的外部壁11。透明的第二窗口12保持于致动器8中并且闭合第二环形开口10。透明的第二窗口12和顶部段9也能够给由一种材料制成并且能够为单个部件。

柔性的弹性薄片14在外壳1和致动器8之间延伸并且形成多个膜。这些膜包括：

-悬挂于外壳1的保持器5中的主要膜15。主要膜15在环形第一区域16处连接至外壳1的保持器5的顶端部。

-第一辅助膜19，所述第一辅助膜19为大体上环形的并且在第二区域18和第三区域20之间延伸，且第二区域18由致动器8的外部壁11的底端部形成并且第三区域20由外壳1的外部壁4的顶端部形成。

-第二辅助膜17，所述第二辅助膜17为大体上环形的并且在第一区域16和第二区域18之间延伸。

第一区域16围绕光轴A延伸，在所述第一区域16处主要膜15和第二辅助膜17连接至保持器5。第一区域16形成主要膜15和保持器5之间的密封连接、以及第二辅助膜17和保持器5之间的密封连接。

第二区域18也围绕光轴A延伸并且形成致动器8和辅助膜17、19之间的密封连接，在所述第二区域18处第一和第二辅助膜17、19连接至致动器8。

最后，第三区域20也围绕光轴A延伸并且形成外壳1和第一辅助膜19之间的密封连接，在所述第三区域20处第一辅助膜19连接至外壳1。

正如能够从图1中所见，第二区域18与第一区域16相比距光轴A更远的距离，并且第三区域20与第二区域18相比距光轴A更远的距离。在本实施例中，所有区域16、18、20大体上与光轴A同心并且造成第一和第二辅助膜19、17的环形布局。

第一和第三区域16、20有利地处于垂直于光轴A延伸的共同平面中，因此更容易将形成膜的薄片附接至外壳1。第二区域18相对于这个平面的轴向位置取决于致动器8和外壳1的相互位置。

至少一个通路22形成于保持器5中或者保持器5和第一窗口6之间，从而提供空间24和至少空间26之间的连通，所述空间24处于主要膜15和窗口6之间，所述空间26处于第一辅助膜19和外壳1之间。（在本实施例中，空间26还延伸至第二辅助膜17和外壳1之间的区域内）。类似地，至少一个通路28形成于外壳1的保持器5的顶部和致动器8或第二窗口12之间，从而提供空间30和空间32之间的连通，所述空间30处于主要膜15和第二窗口12之间，所述空间32处于第二辅助膜17和致动器8之间。

空间24和26一同形成“第一室”，与此同时空间30和32一同形成“第二室”。第一室24、26填充有具有第一折射率的第一液体并且第二室30、32填充有具有不同的第二折射率的第二液体。两个液体有利地具有大体上相等的密度，即差异不超过20%、特别是不超过10%的密度，并且优选地但是并非必需的，两种液体为不能混合的。

致动器8能够沿光轴A相对于外壳1位移。为此，能够设置移动外壳1或致动器8或两者的机构40。机构40能够为相互操作的机构或者电操作的机构。电操作的机构能够包括以下致动器类型中的一个或多个：

-电磁致动器

-压电致动器

-螺旋驱动致动器

-电活性聚合物致动器

-静电致动器

-线性电机

-步进电机

-电动电机

当致动器8相对于外壳1在轴向上位移时，空间26和32的容积相反地改变，这接下来导致第一和第二液体分别在径向上流入或流出空间24、30，因此造成主要膜15的形变的改变。这容许改变透镜的焦距。

正如能够从图1中所见，第一辅助膜19布置为与第二辅助膜17相比距光轴A更远的径向距离。

第一辅助膜19在其顶部侧处毗邻环境空气，与此同时其底部侧面对第一液体。第一辅助膜19形成第一室24、26的第一壁段。

第二辅助膜17在其顶部侧处毗邻第二液体，与此同时其底部侧接触第一液体。第二辅助膜17形成第二室30、32的第一壁段。在图1的实施例中，第二辅助膜17还形成第一室24、26的壁段。

具体地，辅助膜19、17中至少之一（有利地为两个辅助膜19、17）通过在外壳1和/或保持器8中或者外壳1和保持器8之间的适合的开口21与环境接触。

外壳1形成第一室24、26的第二壁段，即通过其底部壁2和其外部壁4形成第一室24、26的第二壁段。窗口6形成第一室24、26的第三壁段。

类似地，致动器8形成第二室30、32的第二壁段，即通过其底部壁9和其外部壁11形成第二室30、32的第二壁段，与此同时窗口12最后形成第二室30、32的第三壁段。

因此，第一室24、26以及第二室30、32被（由外壳1、致动器8及其各自的窗口6和12形成的）刚性壁段以及由辅助膜形成的柔性壁段包围。一旦致动器8相对于外壳1位移，则每一个室的刚性壁之间的距离改变并且辅助膜发生形变以维持在两个室中的恒定容积，因此使液体位移至空间24、30内或从空间24、30移出并且使得主要膜15发生形变。

第二实施例：

第二实施例示出于图2和图3中，在下文中，仅描述与第一实施例的不同之处。

在第一实施例中第一和第二实施例19、17未被布置在一个环形布局中且一个膜与另一个膜相比距轴线A更远的距离。然而，如图2和3中所示，当在方位角方向上观察时第一和第二辅助膜19、17以交替方式布置于共同的环形区域上。第一和第二辅助膜19、17在外壳1的径向壁段40a、40b处相遇。

如能够所见，外壳1具有两部分的形式，所述两部分的形式具有彼此刚性连接的第一底部段1a和第二顶部段1b、以及形成布置于第一底部段1a和第二顶部段1b之间的膜的薄片。两个段1a、1b一同通过内壁段5a、5b形成保持器5。径向段40a、40b分别在径向上延伸远离内壁段5a、5b。

每一对双壁段40a通过外壁段4a相互连接，并且每一对双壁段40b通过外壁段4b相互连接。因此，形成若干空间26和32。每一个空间26被双径向壁段40a、连接双径向壁段40a的外壁段4a、底部2和第一辅助膜19包封。每一个空间32被双径向壁段40b、连接双径向壁段40b的外壁段4b、外壳1的顶部段42和第二辅助膜17包封。

因此，在这个设计中，存在若干空间26和若干空间32、以及若干第一和第二辅助膜19、17。在一侧上，每一个辅助膜面对环境空气，与此同时在另一侧上，每一个辅助膜面对其各自的液体。即，第一辅助膜19在其顶部侧上面对空气，并且第二辅助膜17在其底部侧上面对空气。

还有，通路22和28设置成用于分别将中央空间24和30连接至空间26和32。

致动器8还分别由两个部件8a、8b制成，所述两个部件8a、8b固定地连接至彼此。致动器8形成环形主体44，多个臂46a、46b分别从所述环形主体44向内延伸至径向壁段40a、40b之间以用于接触第一和第二辅助膜19和17。在图2和3的实施例中，存在安装至致动器8的底部部件8a的底部臂组46a，所述底部臂组46a连接至第二辅助膜17的底部侧，并且存在安装至致动器的顶部部件8b的顶部臂组46b，所述顶部臂组46b连接至第一辅助膜19的顶部侧。

与图1的实施例相反，两个窗口6和12连接至外壳1，即，透镜即使改变其焦距时也具有恒定的轴向延伸段。也可以使得外壳1和窗口12仅为一个部件。

每一个窗口6、12还形成用于其各自的第一和第二室的“第三壁段”，且第一壁段由辅助膜19或17形成而第二壁段由外壳1形成。这个实施例的优势为更加紧凑的径向设计以及透镜段与可移动致动器的分离。

注意：

在以上实施例中，可变焦距透镜为大体上旋转对称的设计。具体地，由主要膜覆盖的中央区域相对于透镜的光轴旋转对称，因此提供具有旋转对称特性的透镜。然而，必须强调的是尽管这样，但还是能够使用不同的设计。具体地，不存在对于在辅助膜区域中的旋转对称设计的严格需求。辅助膜也能够被安放为距主要膜任何径向和轴向距离处并且完全地或部分地包围主要膜。还有，例如对于柱面透镜，主要膜的区域通常不是旋转对称的。

在以上实施例中，致动器8连接至两个辅助膜。然而，例如在图2和3的实施例中，致动器8也可以仅连接至两个辅助膜中之一。

如下文中建议的材料和制造方法适用于在图1至3中描述的所有实施例。

可选地，外壳1、致动器8以及窗口6和12能够容纳具有适合的形状的光学元件，例如：

-球面透镜（凸面和凹面）；

-菲涅尔透镜；

-柱面透镜；

-非球面透镜（凸面和凹面）；

-平面的；

-反射式的；

-正方形、三角形、线形或角锥形；

-能够整合至外壳1、窗口6和12以及致动器8以及柔性薄片14内的任何微型（例如微透镜阵列、衍射光栅、全息图）或纳米（抗反射涂层）结构。当抗反射层被应用于柔性薄片中的至少一个表面时，有利地通过具有比透射光的波长尺寸更小的纤细结构形成抗反射层。通常，这个尺寸对于红外应用来说可以小于5微米，对于近红外应用来说可以小于1微米，并且对于可见光应用来说可以小于200纳米。

以下方法中的任一能够例如被用于形成抗反射涂层：

-浇铸，特别是注塑成型/模制处理；

-纳米压印，例如通过热压纳米尺寸的结构；

-蚀刻（例如化学蚀刻或等离子蚀刻）；

-溅射；

-热压；

-软光刻（即将聚合物浇铸至预先定形的基座上）；

-化学自组装（参见例如R.R.A.Syms,E.M.Yeatman,V.M Bright,G.M.Whitesides等人在“Journal of Microelectromechanical Systems”2003年12(4)第387-417页的“微结构的表面张力供电的自组装-现状”（Surfacetesion-powered self-assembly of microstructures–the state-of-the-art”,R.R.A.Syms,E.M.Yeatman,V.M Bright,G.M.Whitesides,Journal ofMicroelectromechanical Systems12(4),2003,pp.387-417））；

-电磁场引导的图案形成（参见例如L.Seemann,A.Stemmer和N.Naujoks等人在“Nano Lett.”7(10),3007-3012,2007.10.1021/n10713373的“电磁场引导的图案形成”（Electro-magnetic field guided patternforming”,L.Seemann,A.Stemmer,and N.Naujoks,NanoLett.,7(10),3007-3012,2007.10.1021/n10713373））。

用于外壳1、致动器8以及窗口6和12的材料能够例如包括或包含：

-PMMA；

-玻璃；

-PS；

-塑料；

-聚合物；

-晶体材料，特别是单晶材料。

-金属

以下方法中的任一能够例如被用于形成和构造外壳1、致动器8以及窗口6和12：

-研磨；

-注塑成型；

-铣削；

-浇铸。

用于第一和第二液体的材料能够为透明的、半透明的、吸收的或反射的并且例如能够包括或包含：

-油；

-溶剂；

-离子液体；

-液态金属

-分散体（dispersions）

用于弹性薄片14的材料能够例如包括或包含：

-凝胶（Liteway^TM的光学凝胶OG-1001），

-弹性体（TPE、LCE、硅树脂，例如PDMS Sylgard186,丙烯酸脂类（Acrylics）,聚氨酯橡胶）；

-热塑性塑料（ABS、PA、PC、PMMA、PET、PE、PP、PS、PVC、…）；

可调节的光学透镜能够被用于很多种应用，诸如：

-投影设备，例如应用于投影机和手持设备中的大型和微型投影系统的投影系统的光学部件；

-显示器；显微镜；

-摄像机；监控摄像机；

-具有任何类型摄像机的视觉系统；

-在研究应用中；

-综合屈光检查仪；

-透镜组件；

-诸如用于商店、零售店、博物馆或家庭应用照明的照明应用；

-电信应用（调幅）。

有利地，薄片14对于气体（特别是在制造过程中作为环境气体使用的气体）来说是可渗透的或半渗透的，以使得包封于第一或第二室中的气体气泡能够容易地扩散穿过膜。

虽然当前示出并描述本发明的优选的实施例，但是应当清楚地理解的是本发明不受限于此并且可以在以下权利要求的范围内可变地体现和实践。

Claims

1.一种可变焦距透镜，包括

填充有第一液体的第一室（24、26），

填充有第二液体的第二室（30、32），其中所述第二液体具有与所述第一液体不同的光学特性，

将所述第一室与所述第二室（24、26；30、32）分开并与所述第一液体和第二液体接触的主要膜（15），所述主要膜（15）形成与所述可变焦距透镜的光轴（A）相交的透镜表面，

形成所述第一室（24、26）的第一壁段的第一辅助膜（19），以及

形成所述第二室（30、32）的第一壁段的第二辅助膜（17），

形成至少所述第一室和/或所述第二室（30、32）的第二壁段的外壳（1），

连接至所述膜中至少之一的致动器（8），

其中所述辅助膜（19、17）中至少之一面对环境空气，以及

其中所述致动器（8）和所述外壳（1）能够在平行于所述光轴（A）的方向上相互位移，其中所述致动器（8）和所述外壳（1）的相互位移导致所述膜发生形变。

2.根据上述权利要求中任一所述的透镜，包括形成所述主要膜（15）和所述辅助膜（19、17）的薄片（14）。

3.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中辅助膜（19、17）中至少之一通过在外壳（1）和/或保持器（5）中或者外壳和保持器之间的开口（21）而连接至环境。

4.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中薄片（14）对于气体是能够渗透或半渗透的。

5.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中主要膜（15）和/或辅助膜（19、17）被预拉伸。

6.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中第一液体和第二液体为不可混合的。

7.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中所述致动器（8）连接至所述辅助膜（19、17）中至少之一。

8.根据上述权利要求7所述的透镜，其中所述致动器（8）连接至所述第一辅助膜和所述第二辅助膜（19、17）。

9.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中所述外壳（1）包括在围绕所述光轴（A）延伸的第一区域（16）中连接至所述主要膜（15）的保持器（5；5a、5b）。

10.根据上述权利要求9所述的透镜，其中所述致动器（8）在围绕所述光轴（A）延伸的第二区域（18）中连接至所述第一辅助膜和所述第二辅助膜（19、17），其中所述第二区域（18）与所述第一区域（16）相比和所述光轴（A）距离更远。

11.根据上述权利要求10所述的透镜，其中所述外壳（1）在围绕所述光轴（A）延伸的第三区域（20）中连接至所述第一辅助膜（19），其中所述第三区域（20）与所述第二区域（18）相比和所述光轴（A）距离更远，并且特别地其中，所述第一区域和第三区域（16、20）定位在垂直于所述光轴（A）延伸的共同平面中。

12.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中所述第一辅助膜和所述第二辅助膜（19、17）布置为和所述光轴（A）有径向距离。

13.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中所述第一辅助膜（19）布置为与所述第二辅助膜（17）相比和所述光轴（A）径向距离更远。

14.根据上述权利要求1至12中任一所述的透镜，其中所述第一辅助膜和所述第二辅助膜（19、17）布置在围绕所述光轴（A）的环形区域中，并且其中所述第一辅助膜和所述第二辅助膜（19、17）在所述外壳（1）的径向壁段（40a、40b）处相遇。

15.根据上述权利要求14所述的透镜，其中所述致动器（8）包括在所述径向壁段（40a、40b）之间径向向内延伸并且与所述第一辅助膜和/或第二辅助膜（19、17）接触的臂（46a、46b）。

16.根据上述权利要求14或15中任一所述的透镜，其中所述外壳（1）包括第一段（1a）和第二段（1b），其中形成膜的薄片布置于第一段（1a）和第二段（1b）之间。

17.根据上述权利要求中任一所述的透镜，其中所述外壳（1）形成所述第一室（24、26）的所述第二壁段并且所述致动器（8）形成所述第二室（30、32）的所述第二壁段。

18.根据上述权利要求中任一所述的透镜，进一步包括

形成所述第一室（24、26）的第三壁段并且安装至所述外壳（1）的第一窗口（6），以及

形成所述第二室（30、32）的第三壁段并且安装至所述致动器（8）的第二窗口（12）。

19.一种用于生产根据上述权利要求中任一所述的可变焦距透镜的方法，包括以下步骤

-将所述第二液体填充至第二室（30、32）内，

-通过使气体扩散穿过薄片（14）而从第二室（30、32）移除任何残留气体，

-将所述第一液体填充至第一室（24、26）内，以及

-通过使气体扩散穿过薄片（14）而从第一室移除任何残留气体，

其中所述薄片形成所述膜。