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Verweis auf
verbundene Anmeldungen
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Diese
Anmeldung stützt
sich auf die Koreanische Patentanmeldung Nummer 2005-103790, die am
1. November 2005 beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum eingereicht
wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme mit eingebunden ist.
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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitszoomlinse für ein tragbares
Endgerät,
insbesondere auf eine Flüssigkeitszoomlinse,
die eine optische Zoomfunktion und eine Autofokusfunktion gleichzeitig
zur Verfügung
stellen kann. Wenn in einer Flüssigkeitszoomlinse
innerhalb eines zylinderförmigen
Körpers
Spannung angelegt wird, wird die Krümmung der Elektrolytflüssigkeit
und der Isolierflüssigkeit
verändert.
Die Elektrolytflüssigkeit
und die Isolierflüssigkeit
bilden mehrere Grenzflächen
aus. Asphärische
Linsen sind derart aufeinander folgend angeordnet, dass sie die
Grenzflächen
oder die Isolierflüssigkeit
berühren.
Die optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion werden durch
Verändern der
Krümmung
der die asphärische
Linse umgebenden Elektrolyte gleichzeitig erreicht.
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In
jüngster
Zeit werden Kameras in tragbare Endgeräte, wie Mobiltelefone oder
Personal Digital Assistants (PDAs), eingebaut. Verbraucher bevorzugen
Engeräte
mit eingebauter Kamera, die eine hohe Auflösung und verschiedene Funktionen
aufweisen. In derartigen Endgeräten
mit eingebauter Kamera werden Linsen an Bildaufnahmegeräten, wie
ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) oder komplementären Metall-Oxid-Halbleiterelementen (CMOS),
angebracht. Auf diese Weise können
die Endgeräte
ein Bild eines Objekts aufnehmen und die Daten des aufgenommenen
Bildes in einem Speichermedium speichern.
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Um
die Leistungsfähigkeit
einer Megapixel-Kamera bereitzustellen, muss die Linse mit einer ausreichend
hohen Auflösung
entworfen werden. Zudem muss die Linse unter Berücksichtigung der Montagetoleranz
größer als
die reale Sensorgröße entworfen
werden.
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Ein
Linsensystem wird auf dem tragbaren Endgerät angebracht und zur Bildaufnahme
verwendet. In einem derartigen Linsensystem werden bei der Bildaufnahme
verschiedene Aberrationen durch einfallendes Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen
verursacht. Die Aberration verursacht eine Verzerrung der Objektform.
Beispiele für
Aberrationen umfassen sphärische
Aberration, Astigmatismus und Verzeichnung. Das Linsensystem muss
in der Lage sein, Aberrationen weitestgehend zu unterdrücken.
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In
einem Linsensystem dient die Zoomfunktion zur Bereitstellung einer
variablen Brennweite. Die Zoomfunktion wird dadurch erreicht, dass
der Abstand zwischen einer Frontlinse mit einem positivem Brechungsindex und
einer Hinterlinse mit einem negativem Brechungsindex durch deren
Relativbewegung eingestellt wird. Um die Zoomfunktion zu erweitern,
wird eine Weitwinkellinse oder eine Teleobjektivlinse zur Variation
der Brennweite zwischen einer existierenden Linse und einer Zusatzlinse
separat in der Kamera angebracht. Demzufolge kann der Benutzer das
Bild des Objekts aus verschiedenen Blickwinkeln ohne Positionsveränderung
aufnehmen.
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Der
Zoom kann in einen optischen Zoom und einen digitalen Zoom klassifiziert
werden. Der optische Zoom vergrößert das
Bild des Objekts durch eine variable Brennweite, während die
in der Kamera angeordneten optischen Linsen relativ zueinander bewegt
werden. Der digitale Zoom vergrößert das Bild
des Objekts im CCD selbst, so als ob das Bild durch ein Graphikprogramm,
wie z. B. Photo-Shop, vergrößert würde.
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Da
der digitale Zoom das Bild im CCD vergrößert, ist im Gegensatz zum
optischen Zoom kein Platz für
eine Linsenbewegung entsprechend der Variation der Brennweite erforderlich.
Demzufolge ist der digitale Zoom für die Miniaturisierung und
für ein schmales
Profil vorteilhaft, die hohe Auflösung kann jedoch nicht erreicht
werden.
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Da
der optische Zoom das Bild durch Variation der Brennweite zwischen
den Linsen vergrößert, benötigt er
einen gewissen Platz für
die Variation der Brennweite. Aufgrund eines Linsenstücks und
eines das Linsenstück
umhüllenden
Objektivtubus ist der Platzbedarf erhöht. Die Zoomlinse liefert beim
Zoomen jedoch eine hohe Auflösung.
Trotz des großen Volumens
des Endgeräts
bevorzugen Verbraucher einen optischen Zoom gegenüber einem
digitalen Zoom.
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Da
die derzeit verfügbaren
tragbaren Endgeräte
zunehmend kompakter und schmaler entworfen werden, wird der digitale
Zoom gegenüber
dem optischen Zoom aufgrund der Platzersparnis zur Variation der
Brennweite bevorzugt. In jüngster
Zeit werden nach und nach tragbare Endgeräte in den Markt eingeführt, die
eine optische Zoomfunktion auf der Rückseite des Endgeräts aufweisen.
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Ein
technischer Aufbau eines herkömmlichen
tragbaren Endgeräts
mit einem optischen Zoom wird in der Koreanischen Patentanmeldung
Nummer 2003-3948 mit dem Titel „Aufbau eines Objektivtubus einer
Zoomkamera und Zoomkonstruktion" offengelegt.
In der Koreanischen Patentanmeldung Nummer 2003-3948 wird ein verbesserter
Aufbau eines Objektivtubus des bei einer Digitalkamera verwendeten optischen
Zooms auf eine herkömmliche
tragbare Kamera angewandt. Aus diesem Grund sind Objektivtubus und
Zoomkonstruktion der Zoomkamera miniaturisiert, einfach herzustellen
und liefern eine hohe Auflösung.
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Die
herkömmliche
Zoomkonstruktion umfasst eine Frontlinse mit einem positiven Brechungsindex,
eine Hinterlinse mit einem negativen Brechungsindex, einen inneren
Objektivtubus und einen äußeren Objektivtubus.
Der innere Objektivtubus weist eine schraubenförmige Nut zur schraubenförmigen Führung der
Ortsveränderung
der Frontlinse und der Hinterlinse auf. Der äußere Objektivtubus wird über den
inneren Objektivtubus gestülpt
und weist eine Führungsnut
zur Führung
der Auf- und Abwärtsbewegung
der Frontlinse und der Hinterlinse auf.
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In
einer derartigen herkömmlichen
Zoomkamera sind der innere Objektivtubus und der äußere Objektivtubus
derart angeordnet, dass sie auf einer Seite des tragbaren Endgeräts mehrstufig
verfahren werden können.
Der innere Objektivtubus und der äußere Objektivtubus werden durch
den Betrieb eines Motors aufeinander folgend innerhalb des Endgeräts auseinander
gefahren, und die Brennweite wird dabei durch die Bewegung der Linsen
derart variiert, dass die optische Zoomfunktion erreicht wird. Demzufolge
tritt das Problem auf, dass innerhalb der Kamera ein großer Platzbedarf
für die
Zoomfunktion besteht.
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Zudem
muss der innerhalb der Kamera angeordnete Motor derart betrieben
werden, dass der innere und äußere Objektivtubus
mit einer Vielzahl von Linsen aus der Zoomkamera herausgefahren wird.
Beim Betrieb des Motors wird Energie verbraucht, wodurch der Energieverlust
des Akkus zunimmt.
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Um
diese Probleme zu lösen,
wurde eine Flüssigkeitslinse
entwickelt, die in einem tragbaren Endgerät Platz sparend ist und wenig
Energie verbraucht. Die Flüssigkeitslinse
erreicht die Zoomfunktion durch Elektrolytflüssigkeit und Isolierflüssigkeit. Die
Krümmung
der Elektrolyte verändert
sich entsprechend der an dem einzigen Objektivtubus angelegten Spannung,
und die Isolierflüssigkeit
bildet benachbart zu den Elektrolyten eine Grenzfläche aus.
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Eine
typische Flüssigkeitslinse,
die eine Zoomfunktion zur Verfügung
stellen kann, wird in der Koreanischen Patentanmeldung Nummer 2005-33308 mit dem Titel „Zoomkamera
mit Flüssigkeitslinse
für Mobiltelefone,
Steuerungseinrichtung und Verfahren", offengelegt. Die herkömmliche
Flüssigkeitslinse
soll anschließend
unter Bezugnahme auf 1 erläutert werden.
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1 ist
eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Flüssigkeitslinse. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst
die herkömmliche
Flüssigkeitslinse
eine erste Linsengruppe 310 mit einer ersten Linse 311 mit
einem positiven Brechungsindex und eine zweite Linse 312 mit
einem negativen Brechungsindex, eine erste Flüssigkeitslinse 300,
in der sich ein Krümmungsradius
einer Kontaktoberfläche
zwischen einer leitenden Flüssigkeit
und einer nicht leitenden Flüssigkeit
entsprechend eines Zoomfunktion-Steuersignals verändert, eine
zweite Linsengruppe 330 mit einer dritten Linse 331 mit
einem positiven Brechungsindex und eine vierte Linse 332 mit
einem negativen Brechungsindex, wobei beide Seiten der dritten und
vierten Linsen 331 und 332 asphärisch gekrümmt sind,
und einen durch einen vorbestimmten Abstand von der zweiten Linsengruppe 330 räumlich getrennt
angeordneten Infrarotfilter 340.
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Wie
in 2 dargestellt, beruht die herkömmliche Flüssigkeitslinse auf dem Phänomen der Elektrobenetzung
(electrowetting). Das Phänomen der
Elektrobenetzung wird dadurch hervorgerufen, dass die Oberflächenspannung
der Grenzfläche
entsprechend den in der Grenzfläche
vorliegenden elektrischen Ladungen verändert wird und dass dabei der Kontaktwinkel
(α) verändert wird.
Ein dünner
Isolator ist in der Grenzfläche
vorgesehen, um die auf die Grenzfläche wirkende Potentialdifferenz
zu erhöhen, und
in den Elektrolyten vorliegende elektrische Ladungen tendieren aufgrund
chemischer Eigenschaften dazu, sich zu der Grenzfläche zu bewegen.
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Gleichzeitig,
wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, werden die Eigenschaften
der elektrischen Ladungen verstärkt.
Die Konzentration der elektrischen Ladungen wird insbesondere bei
einer Dreifachkontaktfläche
(Triple Contact Line) erheblich verstärkt, wobei die Grenzflächen einander überdecken.
Dabei nimmt die Oberflächenspannung am
Tröpfchenrand
ab.
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Mit
dem Phänomen
der Elektrobenetzung ist ein leichtes Steuern der sich innerhalb
der Flüssigkeit befindenden
Mikrotröpfchen
und Mikropartikel möglich.
Aus diesem Grund wurden in letzter Zeit verschiedene Produkte unter
Anwendung des Phänomens
der Elektrobenetzung untersucht. Die Anwendungsbereiche umfassen
Flüssigkeitslinsen,
Mikropumpen, Anzeigegeräte,
optische Geräte
und mikroelektromechanische Systeme (MEMS).
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Im
Vergleich zu einer mechanischen Linse weist eine Flüssigkeitslinse
für einen
Autofokus eine kleine Größe, einen
geringen Energieverbrauch und eine schnelle Ansprechrate auf.
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Da
bei der herkömmlichen
Flüssigkeitslinse die
Zoomfunktion durch Verändern
des Krümmungsradius
zwischen der leitenden Flüssigkeit
und der nicht leitenden Flüssigkeit
der einzelnen Flüssigkeitslinsen
innerhalb des einzigen Objektivtubus, in dem die Linsengruppen und
die Flüssig keitslinse
angeordnet sind, erreicht werden kann, kann zusätzlich zu diesen Vorteilen
die Platzersparnis wie bei einer optischen Zoomlinse mit mehrstufigem
Objektivtubus erreicht werden. Diese einzige Flüssigkeitslinse führt jedoch
lediglich die Zoomfunktion aus, indem sie die Krümmung zwischen den inneren
Flüssigkeiten
verändert.
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Außerdem weist
die herkömmliche
Linse einen komplexen Aufbau auf. Um andere Funktionen (zum Beispiel
die Autofokusfunktion A/F) zusammen mit der Zoomfunktion durch die
einzige Flüssigkeitslinse
zu erreichen, muss eine weitere, als Frontlinse fungierende, Flüssigkeitslinse
bereitgestellt werden. Somit wird der Aufbau der Flüssigkeitslinse
komplexer.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine
Flüssigkeitszoomlinse
bereitstellt, die die optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion
gleichzeitig zur Verfügung
stellen kann. In der Flüssigkeitszoomlinse
ist ein Paar asphärischer
Linsen innerhalb eines zylinderförmigen
Körpers
angeordnet. Eine Elektrolytschicht und eine isolierende Flüssigkeitsschicht
umgeben die asphärischen
Linsen und bilden mehrere Grenzflächen aus. Da die Krümmungen
der Elektrolytschicht und der isolierenden Flüssigkeitsschicht aufeinander
folgend durch die angelegte Spannung verändert werden, können die
optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion gleichzeitig erreicht
werden.
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Weitere
Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen erfinderischen
Konzepts werden teilweise durch die folgende Beschreibung erläutert oder
werden teilweise durch die Beschreibung offensichtlich bzw. können durch
Umsetzung des allgemeinen erfinderischen Konzepts erkannt werden.
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Ein
Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Flüssigkeitszoomlinse Folgendes
umfasst: einen zylinderförmigen
Körper
mit oberen und unteren Öffnungen,
an denen ein Paar Glaslinsen angebracht ist; ein Linsenstück mit Autofokus,
umfassend eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht, eine erste
Elektrolytschicht und eine erste Linse, die zu einem unteren Bereich
des Körpers
eine Grenzfläche
ausbilden; und ein optisches Zoomlinsenstück, umfassend eine zweite isolierende
Flüssigkeitsschicht,
eine zweite Elektrolytschicht und eine zweite Linse, wobei die zweite
isolierende Flüssigkeitsschicht
und die zweite Elektrolytschicht derart angeordnet sind, dass sie
auf der ersten Linse eine nicht mischbare Grenzfläche ausbilden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass scheibenförmige Glaslinsen fest
an oberen und unteren Öffnungen
des Körpers angebracht
sind. Eine Vielzahl von Flüssigkeitsschichten
und Linsen bildet innerhalb des Körpers mehrere Grenzflächen aus
und ist in das tragbare Endgerät
eingebettet.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der
Körper
aus dem gleichen Material hergestellt sein kann wie der Körper des
tragbaren Endgeräts
oder aus Metall oder Keramik ausgeformt sein kann. Der Körper weist
im Innenumfang eine als Elektrode fungierende Metallbeschichtung
auf. Die Oberflächenbeschichtung
sollte vorzugsweise aus Gold (Au) ausgeformt sein, da Gold in Flüssigkeiten
schwächer
reagiert.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das
innerhalb des Körpers geschichtet
angeordnete Linsenstück
mit Autofokus und das optische Zoomlinsenstück in einer mehrschichtigen
Struktur eine isolierende Flüssigkeitsschicht,
eine Elektrolytschicht und eine Linse aufweisen und somit mehrere
Grenzflächen
ausbilden. Die isolierende Flüssigkeitsschicht
und die Elektrolytschicht des Linsenstücks mit Autofokus sind durch die
erste Linse, deren Außenumfang
dicht an dem inneren unteren Bereich des Körpers angebracht ist, vom optischen
Zoomlinsenstück
getrennt angeordnet.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das
optische Zoomlinsenstück
oberhalb des Linsenstücks
mit Autofokus eine Elektrolytschicht und eine isolierende Flüssigkeitsschicht
umfasst. Eine isolierende Flüssigkeitsschicht mit
der im Mittelbereich angebrachten zweiten Linse ist zwischen der
Elektrolytschicht und der isolierenden Flüssigkeitsschicht eingebracht.
Dabei bilden die Elektrolytschicht und die isolierende Flüssigkeitsschicht
obere und untere Grenzflächen
aus und sind von einem mit gleichen oder unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften ausgeformten Paar von Elektrolytschichten umgeben.
Die zweite Linse ist im Mittelbereich der isolierenden Flüssigkeitsschicht
angebracht. Zudem ist eine Vielzahl von Löchern in den Kanten der Linsen
derart ausgeformt, dass die isolierende Flüssigkeitsschicht nach oben
und nach unten um die zweite Linse strömen kann.
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Die
Linsen des Linsenstücks
mit Autofokus und des optischen Zoomlinsenstücks sind vorzugsweise asphärische Linsen.
Bevorzugt werden transparente asphärische Kunststofflinsen verwendet.
Auf diese Weise kann die in der Flüssigkeitslinse auftretende
chromatische Aberration auskorrigiert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und/oder weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen
erfinderischen Konzepts werden offensichtlich und können anhand
der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen erkannt werden, wobei:
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1 eine
Schnittdarstellung einer herkömmlichen
Flüssigkeitslinse
ist;
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2 eine
schematische Ansicht zur Erläuterung
des Phänomens
der Elektrobenetzung einer Flüssigkeitslinse
ist;
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3 ein
Schnitt durch eine Flüssigkeitszoomlinse
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4 ein
teilweise vergrößerter Schnitt durch
einen Körper
der Flüssigkeitszoomlinse
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5 eine
Perspektivdarstellung einer zweiten, an einer zweiten isolierenden
Flüssigkeitsschicht angebrachten
Linse eines optischen Zoomlinsenstücks der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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6A bis 6B Schnitte
sind, die ein Verfahren zum Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In
Detail wird nun auf die Ausführungsformen der
vorliegenden allgemeinen erfinderischen Idee Bezug genommen, wobei
Beispiele durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und
identische Bezugszeichen durchgängig
auf identische Elemente verweisen. Die Ausführungsformen werden nachfolgend
erläutert,
um das vorliegende allgemeine erfinderische Konzept unter Bezugnahme
auf die Figuren zu erläutern.
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Aufbau der Flüssigkeitszoomlinse
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3 ist
eine Schnittdarstellung einer Flüssigkeitszoomlinse
entsprechend der vorliegenden Erfindung und 4 ist ein
teilweise vergrößerter Schnitt
durch einen Körper
der in 3 dargestellten Flüssigkeitszoomlinse. Unter Bezugnahme
auf 3 und 4 umfasst die Flüssigkeitszoomlinse 10 einen
zylinderförmigen
Körper 11,
ein Linsenstück
mit Autofokus 20 und ein optisches Zoomlinsenstück 30. Glaslinsen 12 und 13 sind
fest an unteren und oberen Öffnungen
des zylinderförmigen
Körpers 11 angebracht.
Eine Vielzahl von Elektrolytschichten 22 und 32 und
isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31, die
verschiedene physikalischen Eigenschaften aufweisen, bilden innerhalb
des Körpers 11 mehrere Grenzflächen aus
und sind durch die erste Linse 23 voneinander getrennt
angeordnet.
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Der
Körper 11 ist
aus Metall oder Keramik ausgeformt. Eine untere Bodenfläche des
Körpers 11 ist
nach unten in Richtung des Mittelbereichs geneigt und bildet somit
eine geneigte Oberfläche 14 aus. Der
Körper 11 weist
eine obere und untere Öffnung auf.
Die Umfangsoberflächen
des Glaslinsenpaars 12 und 13 sind mithilfe eines
Klebers B an den oberen und unteren Öffnungskanten des Körpers 11 derart
angebracht, dass die unteren und oberen Öffnungen abgedeckt werden.
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Die
geneigte Oberfläche 14 der
Bodenoberfläche
des Körpers 11 befestigt
die sich im untersten Bereich befindende erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 am
Mittelbereich des Körpers 11.
Wenn Spannung angelegt wird und die Grenzfläche gekrümmt wird, verringert sich durch
die geneigte Oberfläche 14 die
Gesamtgröße der Linsenstücks mit
Autofokus 20.
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Im
Linsenstück
mit Autofokus 20 weisen die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 und
die erste Elektrolytschicht 22 die geneigte Oberfläche 14 kontaktierende
Umfangsbereiche auf und sind aus transparenten Flüssigkeiten
mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, aber identischen
Dichten ausgeformt und nicht mischbar. Die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 und
die erste Elektrolytschicht 22 sind geschichtet angeordnet,
d. h, die erste Linse 23 wird auf der ersten Elektrolytschicht 22 derart
angeordnet, dass ein Linsenstück
mit Autofokus 20 ausgeformt wird.
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Wenn
an die erste Elektrolytschicht 22, die zu der sich am untersten
Bereich befindenden ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 eine
Grenzfläche ausbildet,
Spannung angelegt wird, wird die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 durch
Verändern
der Krümmung
der ersten Elektrolytschicht 22, welche die leitende Flüssigkeit
ist, konvex gekrümmt.
Auf diese Weise wird die Autofokusfunktion erzielt.
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Die
erste Linse 23 des Linsenstücks mit Autofokus 20 ist
aus einer asphärischen
Kunststofflinse mit konvexer oberer Oberfläche ausge formt. Der Umfangsbereich
der ersten Linse 23 ist dicht an dem sich in dem unteren
Bereich des Innenumfangs des Körpers 11 befindenden
geneigten Bereich angebracht. Aus diesem Grund sind das Linsenstück mit Autofokus 20 umfassend
die erste Elektrolytschicht 22 und die erste isolierende
Flüssigkeitsschicht 21 und
das optische Zoomlinsenstück 30 umfassend
die zweite Elektrolytschicht 32 und die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 durch
die erste Linse 23 voneinander getrennt angeordnet.
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Die
erste Linse 23 ist vorzugsweise aus einer asphärischen
Kunststofflinse, wie einem Cycloolefin-Copolymer (COC) oder Polycarbonat
(PC), ausgeformt.
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Wenn
eine Seite der aus dem Kunststoffmaterial ausgeformten ersten Linse 23 als
die die Umgebungsluft kontaktierende obere und untere Beschichtung
verwendet wird, kann die sich im Körper befindende Flüssigkeit
die Linse durchdringen und nach außen treten. Entsprechend der
vorliegenden Erfindung kann das Durchmischen zwischen den Flüssigkeiten
jedoch nicht erfolgen, wenn sich gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten
auf beiden Seiten kontaktieren.
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Außerdem ist
es möglich,
verschiedene beim Gebrauch der Flüssigkeitslinsen auftretende
Aberrationen, wie sphärische
Aberration, Astigmatismus und Verzeichnung, auszukorrigieren, wenn
eine Seite der auf der asphärischen
Linse ausgeformten ersten Linse 23 konvex gekrümmt ist.
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Das
optische Zoomlinsenstück 30 ist
auf dem Linsenstück
mit Autofokus 20 ausgeformt. Das optische Zoomlinsenstück 30 umfasst
die aus Flüssigkeiten
mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften ausgeformte zweite
isolierende Flüssigkeitsschicht 31 und
zweite Elektrolytschicht 32. Die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 und
die zweite Elektrolytschicht 32 bilden mehrere Grenzflächen aus.
Die zweiten Linsen 33 sind an dem Mittelbereich der zweiten
isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 derart
befestigt, dass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs beweglich
sind.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird ein Paar der zweiten Elektrolytschichten 32 aufgrund
der an der zweiten Elektrolytschicht 32 angelegten Spannung
derart symmetrisch gekrümmt,
dass die oberen und unteren Bereiche der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 konvex
gekrümmt
werden. Auf diese Weise wird eine optische Zoomfunktion erreicht.
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Die
an der Innenseite der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 angebrachte
zweite Linse 33 ist wie die erste Linse 23 aus
einer asphärischen Kunststofflinse
ausgeformt. Demzufolge sind hydrophobe Beschichtungen beidseitig
ausgeformt, und eine Vielzahl von gleichabständigen Löchern 33a ist entlang
dem Umfang ausgebildet.
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Der
Grund dafür,
dass hydrophobe Beschichtungen auf der zweiten Linse 33 ausgeformt sind,
besteht darin, dass eine stabile Funktionsweise dadurch erreicht
werden kann, dass eine zweite Linse 33 derart an der Isolierflüssigkeit
angebracht wird, dass die die zweite Linse 33 umgebende
zweite ölförmige isolierende
Flüssigkeitsschicht 31 leicht
an der Linsenoberfläche
adsorbiert werden kann.
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Da
die die zweite Linse 33 umgebende zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 beidseitig
durch die Löcher 33a des
Umfangs der Linse 33 um die zweite Linse 33 strömt, sind
die oberen und unteren Bereiche der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 ferner
zueinander symmetrisch und werden derart identisch gekrümmt, dass
eine stabile optische Zoomfunktion erreicht wird.
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Die
zur Ausbildung mehrerer Grenzflächen am
Linsenstück
mit Autofokus 20 und dem optischen Zoomlinsenstück 30 geschichtet
angeordnete Isolierflüssigkeit
und Elektrolytflüssigkeit
weisen verschiedene Eigenschaften auf. In den Elektrolyten ist Wasser
(H2O) eine Hauptkomponente, und ein anorganisches
Salz und polares Lösungsmittel
werden zuge setzt. In der Isolierflüssigkeit ist Siliziumöl eine Hauptkomponente,
und ein unpolares Lösungsmittel wird
zugesetzt. Wenn die Elektrolytflüssigkeit
die Isolierflüssigkeit
kontaktiert, werden diese nicht durchmischt und bilden eine Grenzfläche mit
einer vorbestimmten Krümmung
aus.
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Da
die Flüssigkeiten
der ersten Elektrolytschicht 22 und der zweiten Elektrolytschicht 32 die gleichen
Komponenten, aber verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, weisen
sie zudem verschiedene physikalische Eigenschaften auf. Die Isolierflüssigkeiten
der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 und
der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 weisen
ebenfalls gleiche Komponenten, aber verschiedene physikalische Eigenschaften
auf. Die Isolierflüssigkeit
weist in Bezug auf die Oberfläche
eine höhere
Benetzungsfähigkeit
auf als die Isolierflüssigkeit
der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21.
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Die
Dichten der die mehreren Grenzflächen ausbildenden
Elektrolytflüssigkeit
und Isolierflüssigkeit
sind nahezu identisch. Der Brechungsindex der basischen Elektrolyte
wird bei 1,40 oder weniger aufrechterhalten, und der Brechungsindex
der Isolierflüssigkeit
wird bei 1,45 oder mehr aufrechterhalten. Da der Unterschied in
den Brechungsindizes der Elektrolytflüssigkeit und der Isolierflüssigkeit
zunimmt, können
sie vorteilhaft auf die Flüssigkeitslinse angewandt
werden.
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Wie
in 4 dargestellt, ist auf dem Innenumfang des Körpers 11 der
Flüssigkeitszoomlinse 10 eine
Metallbeschichtung 15 derart ausgeformt, dass sie als Elektrode
fungieren kann. Die Beschichtungsoberfläche 15 kann aus Gold
(Au), das beim Kontakt mit verschiedenen Flüssigkeiten schwächer reagiert, ausgeformt
sein.
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Zudem
ist eine isolierende Beschichtung 16 derart auf der Metallbeschichtung 15 ausgeformt, dass
sie eine isolierende Oberfläche
mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten
ausbildet. Die erweiterten Beschichtungen 17a und 17b sind
auf den Umfangsgrenzflächen
der Elektrolytschichten 21 und 31 derart ausgebildet,
dass sie an die Elektrolytschichten 22 und 23 Spannung
anlegen. Dabei wird das an den Körper 11 geleitete
elektrische Signal durch die sich darauf befindenden Beschichtungen 17a und 17b an die
Elektrolyte übertragen.
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5 ist
eine perspektivische Darstellung der an einer zweiten isolierenden
Flüssigkeitsschicht angebrachten
zweiten Linse des optischen Zoomlinsenstücks der Flüssigkeitszoomlinse entsprechend der
vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 ist die
zweite Linse 33 als scheibenförmige asphärische Kunststofflinse mit
konvexer oberer Oberfläche
ausgeformt. Eine Vielzahl von gleichabständigen Löchern 33a ist entlang
dem Umfang der zweiten Linse 33 ausgeformt. Die zweite
Linse 33 ist von der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 umgeben und
dicht an dem Innenumfang der Körpers 11 angebracht.
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Die
zweite Linse 33 ist mit einer hydrophoben Beschichtung
derart beschichtet, dass die den Außenumfang der zweiten Linse 33 umgebende zweite
isolierende Flüssigkeitsschicht 31 einfach
adsorbiert werden kann. In manchen Fällen kann die zweite Linse 33 aus
der gleichen isolierenden Beschichtung ausgeformt sein wie der Innenumfang des
Körpers 11.
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Wenn
an die die zweite Linse 33 umgebende zweite isolierende
Flüssigkeitsschicht 31 Spannung angelegt
wird oder wenn die Krümmung
der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 durch äußere Einwirkung
geändert
wird, fließt
die Isolierflüssigkeit durch
die an der Kante der zweiten Linse 33 ausgeformten Löcher 33a.
Aus diesem Grund ist die isolierende Flüssigkeitsschicht 31 an
unteren und oberen Bereichen der zweiten Linse 33 angeordnet
und kann sich derart gleichförmig
bewegen, dass bei der Auf- und Abwärtsbewegung ein Gleichgewicht
aufrechterhalten wird.
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Funktionsweise der Flüssigkeitszoomlinse
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6A bis 6D sind
Schnittdarstellungen, die ein Verfahren zum Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse
nach der vorliegenden Erfindung darstellen. Insbesondere zeigt 6A einen
Schnitt eines Ausgangszustands der Flüssigkeitszoomlinse vor dem
Anlegen einer Spannung, 6B ist
ein Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse,
wenn an dem Linsenstück
mit Autofokus Spannung angelegt wird, 6C ist
ein Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse,
wenn Spannung an das optische Zoomlinsenstück angelegt wird, und 6D ist
ein Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse,
wenn Spannung sowohl an das Linsenstück mit Autofokus als auch an
das optische Zoomlinsenstück
angelegt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6A nehmen beim Ausgangszustand,
bei dem keine Spannung angelegt wird, die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 des
Linsenstücks
mit Autofokus 20 und die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 des
optischen Zoomlinsenstücks 30 den
dünnsten
Zustand an. Zu diesem Zeitpunkt bilden die die erste isolierende
Flüssigkeitsschicht 21 und
die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 umgebende
erste Elektrolytschicht 22 und die zweite Elektrolytschicht 32 mit
den isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 eine vorbestimmte
Krümmung
aus, derart, dass dabei die Form der Grenzflächen bestimmt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6B wird Spannung an die sich
unterhalb des Umfangs der ersten Elektrolytschicht 21 befindende
Beschichtung 17a durch die auf dem Innenumfang des Körpers 11 ausgeformte
Metallbeschichtung 15 angelegt, wenn Spannung an das sich
im unteren Teil des Körpers 11 befindende
Linsenstück
mit Autofokus 20 zum Betrieb der Autofokusfunktion angelegt
wird. Aus diesem Grund wird die die Bodenoberfläche der ersten Linse 23 kontaktierende
erste Elektrolytschicht 22 betrieben, und die Krümmung der
Grenzfläche
wird verändert.
Die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21,
deren Bodenoberfläche
die Glaslinse 13 im gleiche Maße berührt wie die Krümmungsänderung
der ersten Elektrolytschicht, wird derart gekrümmt, dass das Linsenstück mit Autofokus 20 betrieben
wird.
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Der
Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden die erste isolierende
Flüssigkeitsschicht 21 und
die erste Elektrolytschicht 22 umfassenden Flüssigkeiten
besteht in einem Bereich von 0,05 bis 0,1. Wenn der Unterschied
im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten in einem Bereich über 0,1
liegt, ist die Brennweite des Autofokus dermaßen erweitert, dass eine akkurate
Einstellung der Fokussierung im Zoombetrieb schwierig ist. Wenn
der Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten
aber in einem Bereich unter 0,05 liegt, ist die Krümmungsänderung
der Grenzfläche
zwischen den beiden Schichten gering. Daher ist es schwierig, das
Objekt zu fokussieren, selbst wenn der Zoombetrieb nicht durchgeführt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6C wird Spannung an die sich
oberhalb des Umfangs der zweiten Elektrolytschicht 32 befindende
Beschichtung 17b durch die auf dem Innenumfang des Körpers 11 ausgeformte
Metallbeschichtung 15 angelegt, wenn an den Körper 11 Spannung
angelegt wird. Dadurch wird das optische Zoomlinsenstück 30 betrieben.
Ein Paar der die erste Linse 23 und die Bodenoberfläche der
Glaslinse 12 kontaktierenden zweiten Elektrolytschichten 32 wird
betrieben. Die Krümmung
der Grenzfläche
zu der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 wird
verändert.
Die oberen und unteren Bereiche der sich zwischen den zweiten Elektrolytschichten 32 befindenden
zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 werden
entsprechend der Veränderung
der Grenzfläche
derart konvex gekrümmt, dass
das optische Zoomlinsenstück 30 betrieben wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt kann die Vergrößerungsstärke (× 1, × 2, × 3) des
optischen Zooms entsprechend der Krümmungsänderung der sich zwischen der
ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 und
der zweiten Elektrolytschicht 32 befindenden Grenzfläche eingestellt
werden.
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Der
Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten
der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 und
der zweiten Elektrolytschicht 32 liegt in einem Bereich
von 0,08 bis 0,15. Wenn der Unterschied im Brechungsindex zwischen
den beiden Flüssigkeiten über 0,15
liegt, ist die akkurate Einstellung der Fokussierung während des Autofokusbetriebs
aufgrund der zu stark erweiterten Brennweite schwierig. Wenn der
Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten aber
unter 0,08 liegt, bleibt die Krümmung
der Grenzfläche
zwischen den beiden Flüssigkeiten
nahezu unverändert.
Demzufolge kann die Zoomfunktion nicht reibungslos durchgeführt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6D werden die erste Elektrolytschicht 22 und
die zweite Elektrolytschicht 32 gleichzeitig betrieben,
wenn Spannung sowohl an die Beschichtungen 17a als auch 17b durch die
auf dem Innenumfang des Körpers 11 ausgebildete
Metallbeschichtung 15 angelegt wird. Dabei werden die Krümmungen
der die Grenzflächen
gegenüber
den die Elektrolytschichten 22 und 32 bildenden
isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 derart
verändert,
dass die optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion gleichzeitig
durchgeführt werden.
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Nach
der Flüssigkeitszoomlinse
entsprechend der Erfindung bilden die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 und
die Elektrolytschichten 22 und 32 in der Innenseite
des zylinderförmigen
Körpers 11 mehrere
Grenzflächen
aus, und sowohl das Linsenstück
mit Autofokus 20 als auch das optische Zoomlinsenstück 30 sind
in einer mehrschichtigen Struktur vorgesehen. Zudem sind die asphärischen Kunststofflinsen 23 und 33 innerhalb
des Linsenstücks
mit Autofokus 20 beziehungsweise des optischen Zoomlinsenstücks 30 angeordnet.
Wenn Spannung an die die mehreren Grenzflächen ausbildenden Linsenstücke 20 und 30 angelegt
wird, werden die Elektrolytschichten 22 und 32 und
die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 mit
einem vorbestimmten Brechungsindex gekrümmt. Dabei können die
Autofokusfunktion und die optische Zoomfunktion durch die Linsenstücke 20 und 30 in der
einzigen Flüssigkeitslinse
gleichzeitig erreicht werden.
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Wie
oben erläutert,
können
die Autofokusfunktion und die optische Zoomfunktion gleichzeitig durch
die einzige Flüssigkeitslinse,
deren Krümmung durch
den Unterschied im inhärenten
Brechungsindex zwischen der Elektrolytflüssigkeit und der Isolierflüssigkeit
verändert
wird, erreicht werden, wenn Spannung in einem Zustand an den Körper angelegt wird,
bei dem die die mehrere Grenzflächen
ausbildende Elektrolytflüssigkeit
und die Isolierflüssigkeit aufeinander
folgend in den einzelnen zylinderförmigen Körper gefüllt sind. Außerdem ist
die auf dem optischen Zoomlinsenstück angebrachte zweite Zoomlinse
beidseitig hydrophob beschichtet. Somit ist die Isolierflüssigkeit
für den
Zoombetrieb derart um die zweite Linse angeordnet, dass eine stabile
Funktionsweise des Zooms erreicht wird.
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Außerdem ist
es möglich,
die möglicherweise
beim Gebrauch der Flüssigkeitslinse
auftretende Aberration auszukorrigieren, da die auf den Linsenstücken der
Flüssigkeitszoomlinse
angebrachten ersten und zweiten Linsen aus asphärischen Kunststofflinsen ausgeformt
sind.
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Obwohl
einige Ausführungsformen
des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts dargestellt
und erläutert
wurden, ist für
den Fachmann ersichtlich, dass Veränderungen in diesen Ausführungsformen
gemacht werden können,
ohne von den Prinzipien und dem Boden des allgemeinen erfinderischen
Konzepts abzuweichen, dessen Umfang in den beigefügten Ansprüchen und
ihren Entsprechungen dargelegt ist.