DE102006049425A1 - Flüssigkeitszoomlinse - Google Patents

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Jae Young Suwon Bae
Sung Chan Kim
Jin Hyuck Suwon Yang
Young Ho Yongin Lee
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine an einem tragbaren Endgerät angebrachte Flüssigkeitszoomlinse. Die Flüssigkeitszoomlinse umfasst einen zylinderförmigen Körper, der obere und untere Öffnungen aufweist, an denen ein Paar Linsen angebracht ist. Ein Linsenstück mit Autofukus umfasst eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht, eine erste Elektrolytschicht und eine erste Linse. Die erste Isolierschicht und die zweite Elektrolytschicht sind derart angeordnet, dass sie eine Grenzfläche zu einem unteren Bereich des Körpers ausbilden. Die erste Linse ist auf der ersten Elektrolytschicht angebracht und weist einen Umfang auf, der dicht an einem unteren Bereich eines Innenumfangs des Körpers angebracht ist. Ein optisches Zoomlinsenstück umfasst eine zweite isolierende Flüssigkeitsschicht, eine zweite Elektrolytschicht und eine zweite Linse. Die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und die zweite Elektrolytschicht sind derart angeordnet, dass sie eine Grenzfläche zu der ersten Linse ausbilden. Die zweite Linse ist innerhalb der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht derart beweglich befestigt, dass ein Umfang dicht an einem Innenumfang des Körpers angebracht ist. Auf diese Weise können die Autofokusfunktion und die optische Zoomfunktion durch eine einzige Flüssigkeitslinse, deren Krümmung durch den Unterschied im inhärenten Brechungsindex zwischen der Elektrolytflüssigkeit und der Isolierflüssigkeit verändert werden kann, gleichzeitig erreicht werden.

Description

  • Verweis auf verbundene Anmeldungen
  • 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.
  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Im Vergleich zu einer mechanischen Linse weist eine Flüssigkeitslinse für einen Autofokus eine kleine Größe, einen geringen Energieverbrauch und eine schnelle Ansprechrate auf.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Flüssigkeitslinse ist;
  • 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Phänomens der Elektrobenetzung einer Flüssigkeitslinse ist;
  • 3 ein Schnitt durch eine Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein teilweise vergrößerter Schnitt durch einen Körper der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine Perspektivdarstellung einer zweiten, an einer zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht angebrachten Linse eines optischen Zoomlinsenstücks der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 6A bis 6B Schnitte sind, die ein Verfahren zum Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • 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.
  • Aufbau der Flüssigkeitszoomlinse
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erste Linse 23 ist vorzugsweise aus einer asphärischen Kunststofflinse, wie einem Cycloolefin-Copolymer (COC) oder Polycarbonat (PC), ausgeformt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Funktionsweise der Flüssigkeitszoomlinse
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (13)

  1. Flüssigkeitszoomlinse, umfassend: einen zylinderförmigen Körper, der obere und untere Öffnungen aufweist, an denen ein Paar Linsen angebracht ist; ein Linsenstück mit Autofokus umfassend eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht, eine erste Elektrolytschicht und eine erste Linse, wobei die erste Isolierschicht und die erste Elektrolytschicht derart angebracht sind, dass sie eine Grenzfläche zu einem unteren Bereich des Körpers ausformen, die erste Linse auf der ersten Elektrolytschicht angebracht ist und einen Umfang aufweist, der dicht an einem unteren Bereich eines Innenumfangs des Körpers angebracht ist; 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 angebracht sind, dass sie eine Grenzfläche zu der ersten Linse ausbilden, wobei die zweite Linse innerhalb der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht derart beweglich befestigt ist, dass ein Umfang dicht an dem Innenumfang des Körpers angebracht ist.
  2. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus Metall oder Keramik ausgeformt ist und eine Bodenfläche des Körpers nach unten in Richtung eines sich darauf befindenden Mittelbereichs derart geneigt ist, dass sie eine geneigte Oberfläche ausbildet.
  3. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse aus einer asphärischen Kunststofflinse auf Basis eines Cycloolefin-Copolymers (COC) oder Polycarbonats (PC) ausgeformt ist.
  4. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und die zweite Elektrolytschicht des optischen Zoomlinsenstücks aus Flüssigkeiten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften ausgeformt sind und dabei mehrere Grenzflächen ausbilden, dass die zweite Elektrolytschicht unterhalb und oberhalb der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht angeordnet ist und dass die zweite Linse innerhalb des Mittelbereichs der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht beweglich befestigt ist.
  5. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse aus einer asphärischen Kunststofflinse auf Basis eines Cycloolefin-Copolymers (COC) oder Polycarbonats (PC) ausgeformt ist.
  6. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse beidseitig ausgeformte hydrophobe Beschichtungen und eine Vielzahl von gleichabständigen Löchern entlang einer Kante aufweist.
  7. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper an dem Innenumfang eine metallische Oberflächenbeschichtung aus Gold (Au) aufweist.
  8. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenumfang des Körpers eine isolierende Beschichtung (Parylen) auf der metallischen Oberflächenbeschichtung derart ausgebildet ist, dass sie eine isolierende Oberfläche gegenüber einer Vielzahl von Flüssigkeiten ausbildet.
  9. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erweiternde Beschichtung innerhalb der Umfangsgrenzflächen der Elektrolytschichten derart ausgeformt ist, dass eine an den Elektrolytschichten angelegte Spannung übertragen werden kann.
  10. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht und der ersten Elektrolytschicht in einem Bereich von 0,05 bis 0,1 liegt.
  11. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied im Brechungsindex zwischen den Flüssigkeiten der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht und der zweiten Elektrolytschicht in einem Bereich von 0,08 bis 0,15 liegt.
  12. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytschicht Wasser (H2O) als Hauptkomponente und ein anorganisches Salz und polares Lösungsmittel als Zusatzkomponenten aufweist.
  13. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht Siliziumöl als Hauptkomponente und ein unpolares Lösungsmittel als Zusatzkomponente aufweist.
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