DE102006049426A1 - Flüssigkeitszoomlinse - Google Patents

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Jae Young Suwon Bae
Sung Chan Kim
Jin Hyuck Suwon Yang
Ha Yong Suwon Jung
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Samsung Electro Mechanics Co Ltd
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitszoomlinse. Die Flüssigkeitszoomlinse umfasst einen zylinderförmigen Körper, der Glaslinsen aufweist, die jeweils an oberen und unteren Öffnungen an dem Körper angebracht sind, ein Linsenstück mit Autofokus, umfassend eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht und eine erste Elektrolytschicht, die an einem unteren Bereich des Körpers geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausformen, und ein optisches Zoomlinsenstück, umfassend eine zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und eine zweite Elektrolytschicht, die auf der ersten Elektrolytschicht geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausformen, und eine sich in der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht befindende Linse, die an dem Körper angebracht ist, derart, dass eine äußere Umfangsoberfläche der Linse eine innere Umfangsoberfläche des Körpers dicht kontaktiert. Die Flüssigkeitszoomlinse ermöglicht es, dass eine Autofokusfunktion und eine optische Zoomfunktion gleichzeitig mittels einer einzigen Flüssigkeitslinse mit variabler Krümmung durchgeführt werden können.

Description

  • Verweis auf verbundene Anmeldungen
  • Diese Anmeldung stützt sich auf die Koreanische Patentanmeldung Nummer 2005-0029388, die am 8. April 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, insbesondere auf eine Flüssigkeitszoomlinse umfassend einen zylinderförmigen Körper, der mit Isolierflüssigkeit und Elektrolytflüssigkeit befüllt ist, derart, dass mehrere Grenzflächen ausgebildet werden, deren Krümmung sich jeweils durch Anlegen einer Spannung verändert, und eine scheibenförmige Linse, die innerhalb der sich an einer oberen Seite befindenden Elektrolyte vorgesehen ist, um sowohl eine optische Zoomfunktion als auch eine Autofokusfunktion dadurch zu erfüllen, dass eine Krümmungsänderung der Grenzflächen durch Anlegen einer Spannung an die Grenzflächen der Elektrolyte mithilfe von Elektroden, die als Metallbeschichtungen auf dem Körper ausgeformt sind, bewirkt wird.
  • Da innerhalb der letzten Jahre zunehmend neue Formen mobiler Endgeräte, wie beispielsweise Mobiltelefone oder Personal Digital Assistants (PDA), mit integrierter Kamera in den Markt eingeführt wurden, ist auch die Nachfrage nach mobilen Endgeräten mit integrierter Kamera mit einer hohen Pixelzahl und verschiedenen Funktionen gestiegen. Eine derartige mobile Endgerätkamera umfasst eine Linse, die an einem Bildaufnahmegerät, wie einem ladungsgekoppelten Bauelement (CCD), einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiterelement (CMOS) oder Ähnlichem, angebracht ist und derart ausgelegt ist, dass durch die Linse ein Bild eines Objekts aufgenommen wird und dass die Daten des aufgenommenen Bildes durch ein vorbestimmtes Speichermedium gespeichert werden können.
  • Um entsprechend einem aktuellen Trend die Leistungsfähigkeit im Megapixelbereich für die Kamera bereitzustellen, muss die Linse nicht nur mit einer ausreichend hohen Auflösung entworfen werden, sondern im Hinblick auf die Montagetoleranz auch größer als die Sensoren ausgeführt werden.
  • Ein an einem mobilen Endgerät angebrachtes und zur Bildaufnahme eines Objekts verwendetes Linsensystem wird gewöhnlich durch verschiedene Arten von Aberrationen, wie sphärische Aberration, Astigmatismus, Verzeichnung usw., beeinträchtigt, wobei Form- oder Morphologieverformungen des Objektbilds aufgrund des Einflusses von bei der Bildaufnahme des Objekts auf die Linsen einfallendem Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen verursacht werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, Vorkehrungen zu treffen, um das Auftreten von Aberrationen weitestgehend zu unterdrücken.
  • Ein derartiges Linsensystem kann Vergrößerungen durchführen, um eine variable Brennweite zu erreichen. Eine Zoomfunktion des Linsensystems kann gewöhnlich dadurch erreicht werden, dass ein Abstand zwischen den Linsen durch die Relativbewegung zwischen einer Frontlinse mit einem positiven Brechungsindex und einer Hinterlinse mit einem negativen Brechungsindex eingestellt wird. Bei einer gewöhnlichen Kamera wird ein Weitwinkelobjektiv oder ein Teleobjektiv zur Veränderung der Brennweite zwischen einer existierenden Linse und einer Zusatzlinse zusätzlich an der Kamera angebracht, um die Zoomfunktion zu erweitern, wodurch es ermöglicht wird, dass ein Benutzer ein Bild aus verschiedenen Blickwinkeln ohne Positionsveränderung aufnehmen kann.
  • Der Zoom wird im Allgemeinen in einen optischen Zoom und einen digitalen Zoom unterteilt. Der optische Zoom bezieht sich auf einen Zustand, bei dem das Bild des Objekts durch eine variable Brennweite durch die Relativbewegung einer an der Kamera angebrachten optischen Linse vergrößert wird. Der digitale Zoom bezieht sich auf einen Zustand, bei dem das Bild des Objekts im CCD vergrößert und anschließend dargestellt wird, genauso wie ein Bild in einem Grafikprogramm, wie z. B. Photo-Shop oder Ähnliches, vergrößert wird.
  • Beim digitalen Zoom wird das Bild des Objekts im CCD vergrößert, so dass zusätzlicher Platzbedarf für die Bewegung der Linsen zur Variation der Brennweite entfällt. Somit ist der digitale Zoom hinsichtlich der Miniaturisierung und der Kompaktheit vorteilhaft, er weist jedoch das Problem auf, dass bei der Bildaufnahme im Zoombetrieb keine scharfe Auflösung erreicht werden kann.
  • Im Gegensatz dazu wird beim optischen Zoom der Zoombetrieb in Abhängigkeit der Variation der Brennweite zwischen den Linsen erreicht, wobei Platz für die Bewegung der Linsen entsprechend der Variation der Brennweite benötigt wird. Demzufolge ist der optische Zoom dahingehend unvorteilhaft, dass viel Platz für das Linsenstück und den das Linsenstück umgebenden Objektivtubus benötigt wird. Trotz des Nachteils, dass das Volumen des mobilen Terminals vergrößert wird, können Verbraucher diese Ausführungsform gegenüber dem digitalen Zoom aufgrund der Vorteile der scharfen Auflösung beim Zoombetrieb bevorzugen.
  • Da eine aktuelle Markttendenz in Richtung Miniaturisierung und Kompaktheit dennoch eine Verkleinerung des Raumes zur Variation der Brennweite notwendig macht, haben Hersteller anstelle von mobilen Terminals mit integrierter optischer Zoomfunktion hauptsächlich solche mit integrierter digitaler Zoomfunktion auf den Markt gebracht. Innerhalb der letzten Jahre wurden aber auch mobile Endgeräte mit optischem Zoom auf den Markt gebracht, die die optische Zoomfunktion auf einer Rückseite eines mobilen Endgeräts zur Verfügung stellen können.
  • Die Koreanische Patentanmeldung Nummer 2003-0003984 offenbart ein herkömmliches mobiles Endgerät, das eine optische Zoomfunktion beinhaltet. Das aus der Offenlegungsschrift bekannte mobile Endgerät weist einen verbesserten Aufbau des Objektivtubus für einen optischen Zoom auf, der auf eine digitale Kamera und Ähnliches angewandt werden kann, und umfasst eine Zoomkamera, die eine kleine Größe und eine hohe Auflösung aufweist und die einfach hergestellt werden kann und die eine Zoomlinsenkonstruktion im Aufbau des Objektivtubus umfasst.
  • Die Zoomlinsenkonstruktion umfasst eine Frontlinse, eine Hinterlinse mit einem negativen Brechungsindex, einen inneren Objektivtubus, der eine entlang einer Oberfläche des inneren Objektivtubus ausgeformte schraubenförmige Nut zur Führung einer schraubenförmigen Bewegung der Front- und Hinterlinsen aufweist, und einen äußeren Objektivtubus, der auf der Oberfläche des inneren Objektivtubus aufgesetzt werden kann und eine auf einer inneren Oberfläche des äußeren Objektivtubus ausgeformte Führungsnut zur Führung einer senkrechten Bewegung der Front- und der Hinterlinsen aufweist.
  • Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Zoomkamera sind die inneren und äußeren Objektivtuben auf einer Seite des mobilen Endgeräts teleskopisch angebracht, derart, dass eine Brennweite der Zoomkamera in Bezug auf die Bewegung zwischen den Linsen variieren kann, wobei die inneren und äußeren Objektivtuben durch den Betrieb eines sich innerhalb des Endgeräts befindenden Motors sequentiell auseinander gefahren werden, wodurch die optische Zoomfunktion erreicht wird. Demzufolge besteht bei der aus der Offenlegungsschrift bekannten Zoomkamera ein Nachteil darin, dass für den Zoombetrieb innerhalb der Kamera viel Platz benötigt wird.
  • Darüber hinaus, da der Motor der Kamera unweigerlich derart betrieben wird, dass die inneren und äußeren Objektivtuben mit der sich darin befindenden Vielzahl von Linsen nach außen aus der Zoomkamera herausgefahren werden, verursacht der beim Betrieb des Motors entstehende Energieverlust eine Zunahme des Energieverbrauchs eines Akkus.
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde eine Flüssigkeitslinse entwickelt, die innerhalb des mobilen Endgeräts wenig Platz einnimmt und deren Energieverbrauch nicht hoch ist. Die Flüssigkeitslinse umfasst eine Elektrolytflüssigkeit und eine Isolierflüssigkeit in einem einzigen Objektivtubus, um dazwischen eine Grenzfläche auszubilden, deren Krümmung durch Anlegen einer Spannung an die Elektrolyte durch den Objektivtubus hindurch verändert wird, um die Zoomfunktion zu realisieren.
  • Eine Linse, die die Zoomfunktion zur Verfügung stellen kann, ist in der Koreanischen Patentanmeldung Nummer 2005-0033308 mit dem Titel „Zoomkamera mit Flüssigkeitslinse für Mobiltelefon, Steuereinrichtung und Verfahren" offengelegt und soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 erläutert werden.
  • 1 ist ein Schnitt durch eine herkömmliche Flüssigkeitslinse. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die herkömmliche Flüssigkeitslinse eine erste Linsengruppe 310, umfassend eine erste Linse 311 mit einem positiven Brechungsindex und eine zweite Linse 312 mit einem negativen Brechungsindex, eine erste Flüssigkeitslinse 300, umfassend eine zwischen einer leitenden Flüssigkeit und einer nicht leitenden Flüssigkeit ausgeformte Grenzfläche, deren Krümmung als Reaktion auf ein Steuerungssignal für eine Zoomfunktion verändert wird, und eine zweite Linsengruppe 330, umfassend eine beidseitig asphärisch ausgeformte dritte Linse 331 mit einem positiven Brechungsindex und eine beidseitig asphärisch ausgeformte vierte Linse 332 mit einem negativen Brechungsindex, und einen mit einem vorbestimmten Abstand von der zweiten Linsengruppe 330 räumlich getrennt angeordneten Infrarot-Filter 340.
  • Wie in 2 gezeigt, wird die herkömmliche, aus der Offenlegungsschrift bekannte Flüssigkeitslinse auf der Grundlage des Phänomens der Elektrobenetzung (electrowetting) betrieben, wobei das Phänomen der Elektrobenetzung durch Verändern des Kontaktwinkels α als Ergebnis einer Veränderung der Oberflächenspannung einer Grenzfläche durch Bewegung der auf der Grenzfläche liegenden Ladungen verursacht wird. Insbesondere wird ein dünnes Isoliermedium auf der Grenzfläche angebracht, um eine hohe Potentialdifferenz der Grenzfläche zu gewährleisten, und die Ladungen in den Elektrolyten haben die Eigenschaft, sich aufgrund chemischer Eigenschaften zu einer oberen Oberfläche der Grenzfläche zu bewegen.
  • Zu diesem Zeitpunkt, wenn ein elektrisches Feld von außen an die Grenzfläche angelegt wird, werden die Eigenschaften der Ladungen weiter verstärkt, und die Ladungskonzentration wird an einer Dreifachkontaktlinie (Triple Contact Line), an der die Grenzflächen einander überdecken, erheblich verstärkt, wobei die abstoßende Wirkung zwischen den Ladungen derart zunimmt, dass die Oberflächenspannung am Tröpfchenrand verringert wird.
  • Da das Phänomen der Elektrobenetzung zum einfachen Steuern einer winzigen Flüssigkeitsmenge und von Kleinstpartikeln in der Flüssigkeit verwendet werden kann, wurden innerhalb der letzten Jahre zur Anwendung des Phänomens der Elektrobenetzung verschiedene Untersuchungen mit einer Vielzahl von Produkten, wie beispielsweise Flüssigkeitslinsen, Mikropumpen, Anzeigegeräten, optischen Geräten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) usw., durchgeführt.
  • Eine Flüssigkeitslinse für den Autofokus kann im Vergleich zu einer herkömmlichen, mechanisch betriebenen Linse insbesondere verbesserte Eigenschaften hinsichtlich einer kleinen Größe, eines geringen Energieverbrauchs und einer schnelleren Ansprechrate aufweisen.
  • Die wie oben beschrieben aufgebaute Flüssigkeitslinse kann die Zoomfunktion in Abhängigkeit der Krümmungsänderung der Grenzfläche zwischen der leitenden Flüssigkeit und der nicht leitenden Flüssigkeit der einzelnen Flüssigkeitslinse innerhalb des einzigen Objektivtubus, der die Vielzahl von Linsengruppen und die Flüssigkeitslinse enthält, zur Verfügung stellen, wobei das Problem der Platzbeschränkung durch die herkömmliche optische Zoomlinse, die den teleskopischen Objektivtubus verwendet, gelöst wird. Abgesehen von diesen Vorteilen besteht das Problem bei der herkömmlichen Flüssigkeitslinse darin, dass die einzige Flüssigkeitslinse durch die Krümmungsänderung zwischen den sich im Objektivtubus befindenden Flüssigkeiten nur eine Zoomfunktion ausführt.
  • Außerdem besteht bei der herkömmlichen Flüssigkeitslinse ein Problem darin, dass der Aufbau der Kamera komplizierter wird. Um zu gewährleisten, dass die die Flüssigkeitslinse umfassende Kamera andere Funktionen, wie beispielsweise eine Autofokus-Regelungsfunktion (A/F), neben der Zoomfunktion zur Verfügung stellen kann, muss eine als Frontlinse fungierende zusätzliche Flüssigkeitslinse an der Kamera angebracht werden, wodurch der Aufbau der Kamera noch komplizierter wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine Flüssigkeitszoomlinse bereitstellt, umfassend einen mit Elektrolytflüssigkeit und Isolierflüssigkeit befüllten Körper, um dazwischen mehrere Grenzflächen auszubilden, deren Krümmung jeweils durch das Anlegen einer Spannung an die Elektrolyte mittels mit den Elektrolyten verbundener Elektroden verändert wird, wobei sowohl die optische Zoomfunktion als auch die Autofokusfunktion in Abhängigkeit der Krümmungsänderung der Grenzflächen gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden können.
  • Weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts werden teilweise durch die folgende Beschreibung erläutert und werden teilweise durch die Beschreibung offensichtlich oder können durch Umsetzung des allgemeinen erfinderischen Konzepts erkannt werden.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung können die oben genannten und weitere Ziele durch Bereitstellen einer Flüssigkeitszoomlinse erreicht werden, wobei die Flüssigkeitszoomlinse Folgendes umfasst: einen zylinderförmigen Körper, der ein Paar Glaslinsen aufweist, die jeweils an oberen und unteren Öffnungen des Körpers angebracht sind; ein Linsenstück mit Autofokus, umfassend eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht und eine erste Elektrolytschicht, die an einem unteren Bereich des Körpers derart geschichtet angeordnet sind, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausbilden; und ein optisches Zoomlinsenstück, umfassend eine zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und eine zweite Elektrolytschicht, die auf der ersten Elektrolytschicht derart geschichtet angeordnet sind, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausbilden, und eine sich in der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht befindende scheibenförmige Linse.
  • Der Körper wird in ein mobiles Endgerät eingebracht, wobei die Vielzahl von Flüssigkeitsschichten und die Linsen im Körper enthalten sind, um dazwischen mehrere Grenzflächen auszubilden, und wobei die scheibenförmigen Glaslinsen jeweils an den oberen und unteren Öffnungen des Körpers angebracht sind.
  • Der Körper kann aus dem gleichen Material ausgeformt sein wie ein Rahmen des mobilen Endgeräts oder kann aus Materialien, wie z. B. Metall oder Keramik, ausgeformt sein. Eine innere Umfangsoberfläche des Körpers und ein Bereich der oberen Glaslinse sind aus Metallbeschichtungen ausgeformt, die als Elektrode fungieren können. Dabei sind die Metallbeschichtungen vorzugsweise aus Gold (Au) ausgeformt, das in Bezug auf Flüssigkeiten eine geringe Reaktionsfähigkeit aufweist.
  • Zudem sind das Linsenstück mit Autofokus und das optische Zoomlinsenstück im Körper so aufeinanderfolgend geschichtet angeordnet, dass sie mehrere Grenzflächen in der mehrschichtigen Struktur der Elektrolytschichten und der isolierenden Flüssigkeitsschichten ausformen, wobei die scheibenförmige Linse aus Glas- oder Kunststoffmaterial in einem Zwischenbereich der zweiten Elektrolytschicht im optischen Linsenstück angebracht ist und am Körper befestigt ist.
  • 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 besser erkannt werden, wobei:
  • 1 ein Schnitt durch eine herkömmliche Flüssigkeitslinse ist;
  • 2 eine Konzeptionsdarstellung ist, die ein auf eine Flüssigkeitslinse anwendbares Phänomen der Elektrobenetzung darstellt;
  • 3 ein Schnitt durch eine Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein vergrößerter Schnitt durch eine Seite eines Körpers der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist:
  • 5 eine perspektivische Darstellung ist, die eine in einer zweiten Elektrolytschicht angebrachte Linse für ein optisches Zoomlinsenstück der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 6A bis 6D Schnittdarstellungen sind, die Verfahren zum Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 6A ein Schnitt ist, der einen Ausgangszustand beim Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse vor dem Anlegen einer Spannung darstellt, 6B ein Schnitt ist, der die Flüssigkeitszoomlinse beim Anlegen einer Spannung an ein sich an einem unteren Bereich der Flüssigkeitszoomlinse befindendes Linsenstück mit Autofokus darstellt, 6C ein Schnitt ist, der die Flüssigkeitszoomlinse beim Anlegen einer Spannung an ein sich an einem oberen Bereich befindendes optisches Zoomlinsenstück darstellt, und 6D ein Schnitt ist, der die Flüssigkeitszoomlinse darstellt, wenn Spannung gleichzeitig an das Linsenstück mit Autofokus und das optische Zoomlinsenstück angelegt wird.
  • 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.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
  • Aufbau der Flüssigkeitszoomlinse
  • 3 ist ein Schnitt durch eine Flüssigkeitszoomlinse entsprechend der vorliegenden Erfindung, und 4 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Seite eines Körpers der Flüssigkeitszoomlinse entsprechend der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 3 und 4 umfasst eine Flüssigkeitszoomlinse 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung einen zylinderförmigen Körper 11, der Glaslinsen 12 und 13 (auch als „obere" und „untere" Gläser bezeichnet) aufweist, die jeweils an oberen und unteren Öffnungen des Körpers 11 angebracht sind, und in dem ein Linsenstück mit Autofokus 20 und ein optisches Zoomlinsenstück 30 vorgesehen sind, wobei beide Linsenstücke eine Vielzahl von Elektrolytschichten 22 und 32 und eine Vielzahl von isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 umfassen, die aufeinanderfolgend geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie innerhalb des Körpers 11 mehrere Grenzflächen ausbilden. Die Elektrolytschichten 22 und 32 und die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 weisen unterschiedliche Eigenschaften auf.
  • Der Körper 11 ist aus einem metallischen oder keramischen Material ausgeformt und weist eine Bodenoberfläche auf, die nach unten in Richtung des Mittelpunkts der Bodenoberfläche geneigt ist und hier als geneigte Oberfläche 14 bezeichnet wird. Der Körper 11 ist mit oberen und unteren Öffnungen ausgeformt und umfasst die Glaslinsen 12 und 13, die an den oberen und unteren Enden des Körpers 11 durch Klebemittel B angebracht werden, die an Außenumfängen der Glaslinsen 12 und 13 aufgebracht werden, derart, dass sie jeweils die oberen und unteren Öffnungen abdecken.
  • Die geneigte Oberfläche 14 des Körpers 11 dient zur Fixierung der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 am Mittelpunkt des Körpers 11, wobei die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 an dem untersten Bereich angebracht ist, um die Gesamtgröße des Linsenstücks mit Autofokus 20 zu verringern, wenn die Grenzfläche zwischen den Schichten 21 und 22 durch das Anlegen einer Spannung gekrümmt wird.
  • Der Körper 11 ist an dem unteren Bereich mit dem Linsenstück mit Autofokus 20 ausgestattet, das die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 und die erste Elektrolytschicht 22 umfasst, die geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausbilden, wobei die Umfänge der Schichten 21 und 22 die geneigte Oberfläche 14 des Körpers 11 kontaktieren. Die Schichten 21 und 22 bestehen aus transparenten Flüssigkeiten, die miteinander nicht mischbar sind und unterschiedliche Eigenschaften und identische Dichten aufweisen.
  • In dem Linsenstück mit Autofokus 20 wird eine Autofokusfunktion durchgeführt, derart, dass die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 durch die Krümmungsänderung der ersten Elektrolytschicht 22, die zu der sich am untersten Bereich des Körpers 11 befindenden ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 eine Grenzfläche ausbildet, konvex gekrümmt wird, wenn an der ersten Elektrolytschicht 22 Spannung angelegt wird.
  • Das optische Linsenstück 30 ist auf dem Linsenstück mit Autofokus 20 im Körper 11 geschichtet angeordnet. Das optische Linsenstück 30 umfasst eine zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 und eine zweite Elektrolytschicht 32, die geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausbilden, die Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften enthält. Das optische Linsenstück 30 umfasst ferner eine sich in einem Zwischenbereich der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 befindende Linse 33, die an dem Körper 11 angebracht ist, wobei eine äußere Umfangsoberfläche der Linse 33 die innere Umfangsoberfläche des Körpers 11 dicht kontaktiert.
  • In dem optischen Zoomlinsenstück 30 wird eine optische Zoomfunktion durchgeführt, derart, dass die oberen und unteren Bereiche der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 konvex gekrümmt werden, wobei die Linse 33 zwischen den oberen und unteren Bereichen der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 angeordnet ist, wenn die zweite Elektrolytschicht 32 durch das Anlegen einer Spannung an die zweite Elektrolytschicht 32 symmetrisch gekrümmt wird.
  • Die in der zweiten Elektrolytschicht 32 an dem Körper 11 angebrachte Linse 33 ist vorzugsweise aus einer scheibenförmigen Glas- oder Kunststofflinse ausgeformt und weist auf den Linsen 33 beidseitig ausgeformte hydrophobe Beschichtungen auf.
  • Die hydrophoben Beschichtungen der Linsen 33 dienen dazu, dass die die Linse 33 umgebende zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 in einem ölförmigen Zustand einfach an der Oberfläche der Linsen 33 adsorbiert werden kann, wobei die Linse 33 in der Isolierflüssigkeit stabil gehalten werden kann, derart, dass sich die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 beim Betrieb der optischen Zoomfunktion stabil in einem symmetrischen Zustand verhalten kann.
  • Obwohl die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 und die Elektrolytschichten 22 und 32 geschichtet angeordnet werden, derart, dass sie im Linsenstück mit Autofokus 20 bzw. im optischen Zoomlinsenstück 30 mehrere Grenzflächen ausformen, weisen die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 gegenüber den Elektrolytschichten 22 und 32 unterschiedliche Eigenschaften auf. Insbesondere enthalten die Elektrolytschichten 22 und 32 Wasser als Hauptkomponente und ein anorganisches Salz und ein polares Lösungsmittel als Zusatzkomponenten. Die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 enthalten andererseits Siliziumöl als Hauptkomponente und ein unpolares Lösungsmittel als Zusatzkomponente. Auf diese Weise werden sie nicht miteinander durchmischt, wenn die Elektrolytschicht die isolierende Flüssigkeitsschicht berührt, und bilden die Grenzfläche mit einer vorbestimmten Krümmung aus.
  • Zusätzlich hierzu, obwohl die ersten und zweiten Elektrolytschichten 22 und 32 die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, weist die Flüssigkeit der ersten Elektrolytschicht 22 gegenüber der Flüssigkeit der zweiten Elektrolytschicht 32 aufgrund unterschiedlicher Bestandteile unterschiedliche Eigenschaften auf. Ebenso, obwohl die ersten und die zweiten isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, weist die Flüssigkeit der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 gegenüber der Flüssigkeit der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 ebenfalls unterschiedliche Eigenschaften auf. Insbesondere weist die Flüssigkeit der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht eine höhere Benetzungsfähigkeit auf als die Flüssigkeit der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21.
  • Die die mehreren Grenzflächen ausbildenden Elektrolytflüssigkeiten und Isolierflüssigkeiten weisen nahezu identische Dichten auf. Bei den Elektrolyten wird ein Brechungsindex von 1,4 oder weniger aufrechterhalten. und die Isolierflüssigkeit weist einen Brechungsindex von 1,45 oder mehr auf. Da insofern der Unterschied im Brechungsindex zwischen der Elektrolytflüssigkeit und der Isolierflüssigkeit höher ist, ist dies für die Flüssigkeitslinse vorteilhafter.
  • Wie in 4 gezeigt, sind bei der Flüssigkeitszoomlinse 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung der Körper 11 und die obere Glaslinse 12 bereichsweise aus Metallbeschichtungen 15 ausgeformt, die als Elektrode fungieren können. Dabei ist jede Metallbeschichtung 15 hauptsächlich aus Gold (Au) ausgeformt, das durch ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung in Bezug auf verschiedene Arten von Flüssigkeiten eine geringe Reaktionsfähigkeit besitzt.
  • Zudem ist eine Parylen-Beschichtung 16 auf den Metallbeschichtungen 15 ausgeformt, derart, dass diese als eine Isolierschicht dient, wodurch mehrere isolierende Grenzflächen in Bezug auf die unterschiedlichen Flüssigkeiten ausgeformt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Oberfläche der oberen Glaslinse 12 mit einer erweiternden Beschichtung 17a ausge formt, durch die Spannung an der zweiten Elektrolytschicht 32 angelegt wird. Demzufolge werden die elektrischen Signale durch die an der zweiten Elektrolytschicht 32 angebrachte Beschichtung 17a an die zweite Elektrolytschicht 32 übertragen, wenn elektrische Signale an den Körper 11 geleitet werden.
  • 5 ist eine perspektivische Darstellung der Linse, die in der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht für das optische Zoomlinsenstück der Flüssigkeitszoomlinse entsprechend der vorliegenden Erfindung angebracht ist. Wie in 5 gezeigt, ist die Linse 33 scheibenförmig und aus Glas oder Kunststoff ausgeformt. Die Linse 33 ist von der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 umgeben, wobei die äußere Umfangsoberfläche der Linse 33 dicht die innere Umfangsoberfläche des Körpers 11 kontaktiert.
  • Die Linse 33 weist beidseitig hydrophobe Beschichtungen auf, die dazu dienen, zu gewährleisten, dass die die äußere Oberfläche der Linse 33 umgebende zweite Elektrolytschicht 31 leicht an der äußeren Oberfläche der Linse 33 adsorbiert werden kann. Alternativ kann die Linse 31 die gleiche Beschichtung aufweisen wie die Beschichtung der inneren Umfangsoberfläche des Körpers 11.
  • Funktionsweise der Flüssigkeitszoomlinse
  • 6A bis 6D sind Schnittdarstellungen, die ein Verfahren zum Betrieb der Flüssigkeitszoomlinse entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 6A ein Schnitt ist, der einen Ausgangzustand der Flüssigkeitszoomlinse vor dem Anlegen einer Spannung darstellt, 6B einen Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse beim Anlegen einer Spannung an ein sich an einem unteren Bereich der Flüssigkeitszoomlinse befindendes Linsenstück mit Autofokus darstellt, 6C einen Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse beim Anlegen einer Spannung an ein sich an einem oberen Bereich befindendes optisches Zoomlinsenstück darstellt, und 6D einen Schnitt durch die Flüssigkeitszoomlinse darstellt, wenn Spannung gleichzeitig an das Linsenstück mit Autofokus und das optische Zoomlinsenstück angelegt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 6A nehmen in einem Ausgangszustand, bei dem keine Spannung an die Flüssigkeitszoomlinse angelegt wird, die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 des Linsenstücks mit Autofokus 20 und die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 des optischen Zoomlinsenstücks 30 einen äußerst dünnen Zustand an. Gleichzeitig bilden die ersten und die zweiten Elektrolytschichten 22 und 32 jeweils zu den ersten und zweiten isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 Grenzflächen mit vorbestimmten Krümmungen aus.
  • In Bezug auf 6B fließt ein elektrischer Strom von der sich auf der inneren Umfangsoberfläche des Körpers 11 befindenden Parylen-Beschichtung 16 frei zu der Metallbeschichtung 15 und betreibt die erste Elektrolytschicht 22, die die Grenzfläche zu der ersten isolierenden Flüssigkeitsschicht 21 ausformt, wodurch die Krümmung der sich dazwischen befindenden Grenzfläche verändert wird, wenn Spannung an das sich an dem unteren Bereich des Körpers 11 befindende Linsenstück mit Autofokus 20 für einen Autofokusbetrieb der Flüssigkeitszoomlinse, wie im Ausgangszustand in 6A dargestellt, angelegt wird. Demzufolge wird die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21, deren untere Oberfläche die untere Glaslinse 13 kontaktiert, genauso stark gekrümmt wie die erste flüssige Elektrolytschicht 22 gekrümmt wird, wodurch der Betrieb des Linsenstücks mit Autofokus 20 gewährleistet wird.
  • Dabei besteht ein Unterschied im Brechungsindex zwischen den beiden Flüssigkeiten, die die erste isolierende Flüssigkeitsschicht 21 und die erste Elektrolytschicht 22 ausformen, in einem Bereich von 0,05 bis ca 0,1. Wenn der Unterschied im Brechungsindex 0,1 oder mehr beträgt, ist es schwierig, einen korrekten Brennpunkt beim Zoombetrieb zu gewährleisten, da er von einer Brennweite des Autofokus abweicht. Wenn jedoch der Unterschied im Brechungsindex 0,05 oder weniger beträgt, ist die Krümmungsänderung der Grenzfläche zwischen den Schichten derart geringfügig, dass es schwierig wird, ein Objekt zu fokussieren.
  • 6C ist eine Schnittdarstellung, die das optische Zoomlinsenstück 30 der Flüssigkeitszoomlinse im Betriebszustand darstellt. Wenn Spannung an die auf der inneren Umfangsoberfläche des Körpers 11 ausgeformten Elektroden angelegt wird, wird Spannung an die auf einem Bereich der oberen Glaslinse 12 ausgeformte erweiternde Beschichtung 17a über die Metallbeschichtung 15 des Körpers 11 angelegt, wodurch das optische Zoomlinsenstück 30 betrieben wird. Anschließend wird die sich auf der ersten Elektrolytschicht 22 befindende zweite Elektrolytschicht 32 betrieben, wobei die Krümmung der Grenzfläche zu der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht 31 verändert wird. Dementsprechend wird die zweite Elektrolytschicht 32 auf der Linse 33 entsprechend dem Grad der Krümmungsänderung der Grenzfläche konvex gekrümmt, wodurch der Betrieb des optischen Zoomlinsenstücks 30 bewerkstelligt wird.
  • Es ist möglich, optische Zoomvergrößerungen von × 1, × 2, × 3 und Ähnliches entsprechend dem Grad der Krümmungsänderung der zwischen der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht und den Elektrolytschichten 31 und 32 ausgeformten Grenzfläche zu ermöglichen.
  • In dem betrachteten Fall besteht ein Unterschied im Brechungsindex zwischen zwei Flüssigkeiten, die die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht 31 und die zweite isolierende Elektrolytschicht 32 ausformen, in einem Bereich von 0,08 bis ca. 0,15. Wenn der Unterschied im Brechungsindex 0,15 oder mehr beträgt, ist es schwierig, einen korrekten Brennpunkt beim Betrieb der Autofokuszoomfunktion aufgrund eines zu stark erweiterten Zoombetriebs, der von dem vorgegebenen Bereich abweicht, zur Verfügung zu stellen. Wenn jedoch der Unterschied 0,08 oder weniger beträgt, ist es wiederum schwierig, eine zufriedenstellende Zoomfunktion aufgrund einer zu geringfügigen Krümmungsänderung der Grenzfläche zwischen den Schichten durchzuführen.
  • Zuletzt zeigt 6D die Flüssigkeitszoomlinse, wenn sowohl das Linsenstück mit Autofokus 20 als auch das optische Zoomlinsenstück 30 im Körper 11 gleichzeitig betrieben werden. Wenn Spannung an die sich auf der inneren Oberfläche des Körpers 11 befindende erweiternde Beschichtung 17a und die Metallbeschichtung 15 über die Parylen-Beschichtung 16 gleichzeitig angelegt wird, werden die ersten und die zweiten Elektrolytschichten 22 und 32 gleichzeitig betrieben, wobei Krümmungsänderungen der die Grenzflächen zu den isolierenden Flüssigkeitsschichten ausformenden Elektrolytschichten verursacht werden, wodurch die optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion gleichzeitig ausgeführt werden können.
  • Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Flüssigkeitszoomlinse bilden die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 und die Elektrolytschichten 22 und 32 gemeinsam das Linsenstück mit Autofokus 20 und das optische Zoomlinsenstück 30, wobei mehrere Grenzflächen in einer mehrschichtigen Struktur innerhalb des zylinderförmigen Körpers 11 ausgeformt werden, wobei die Glas- oder Kunststofflinse 33 im optischen Zoomlinsenstück 30 derart angeordnet wird, dass die durch die isolierenden Flüssigkeitsschichten 21 und 31 ausgeformten Grenzflächen und die Elektrolytschichten 22 und 32 mit vorbestimmten Krümmungsradien durch jeweils an die Linsenstücke 20 und 30 angelegte Spannungen gekrümmt werden, wodurch die optische Zoomfunktion und die Autofokusfunktion gleichzeitig durch das Linsenstück mit Autofokus 20 und das optische Zoomlinsenstück 30 der einzigen Flüssigkeitslinse gewährleistet werden.
  • Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, umfasst das optische Zoomlinsenstück entsprechend der Erfindung Elektrolyte und Isolierflüssigkeiten, die in einer vorbestimmten Abfolge eingefüllt sind, um mehrere Grenzflächen in einem zylinderförmigen Körper auszubilden, derart, dass die Krümmungen der Grenzflächen, die Folge eines Unterschieds im Brechungsindex zwischen den Elektrolyten und den Isolierflüssigkeiten sind, durch das Anlegen einer Spannung an die Elektrolyte mittels Elektroden des Körpers geändert werden können, wodurch gewährleistet wird, dass eine Autofokusfunktion und eine optische Zoomfunktion gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden. Zudem umfasst die Flüssigkeitszoomlinse auf einer sich in einem optischen Zoomlinsenstück befindenden Linse beidseitig ausgeformte hydrophobe Beschichtungen, um die die Linse umgebende Isolierflüssigkeit für einen Zoombetrieb in Position zu halten, wodurch gewährleistet wird, dass die Zoomfunktion stabil durchgeführt werden kann.
  • Obwohl einige Ausführungsformen des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts dargestellt und erläutert wurden, ist für den Fachmann ersichtlich, dass Änderungen 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 ein Paar Glaslinsen aufweist, die jeweils an unteren und oberen Öffnungen an dem Körper angebracht sind; ein Linsenstück mit Autofokus umfassend eine erste isolierende Flüssigkeitsschicht und eine erste Elektrolytschicht, die an einem unteren Bereich des Körpers geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausformen; und ein optisches Zoomlinsenstück, umfassend eine zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und eine zweite Elektrolytschicht, die auf der ersten Elektrolytschicht geschichtet angeordnet sind, derart, dass sie dazwischen eine Grenzfläche ausformen, und eine sich in der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht befindende Linse, die an dem Körper angebracht ist, derart, dass eine äußere Umfangsoberfläche der Linse eine innere Umfangsoberfläche des Körpers dicht kontaktiert.
  2. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem metallischen oder keramischen Material ausgeformt ist, und eine untere Bodenoberfläche aufweist, die nach unten in Richtung des Mittelpunkts der Bodenoberfläche geneigt ist.
  3. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und die zweite Elektrolytschicht des optischen Zoomlinsenstücks aus Flüssigkeiten ausgeformt sind, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, derart, dass sie dazwischen die Grenzfläche ausformen, dass die zweite Elektrolytschicht auf der zweiten isolierenden Flüssigkeitsschicht angeordnet ist und dass die Linse an dem Körper angebracht ist und in einem Zwischenbereich der zweiten Elektrolytschicht angeordnet ist.
  4. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse eine scheibenförmige Glaslinse ist.
  5. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse eine scheibenförmige Kunststofflinse auf Basis eines COC- oder PC-Kunststoffmaterials ist.
  6. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse beidseitig hydrophobe Beschichtungen aufweist.
  7. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine metallische Beschichtung auf einer inneren Umfangsoberfläche aufweist, wobei die metallische Beschichtung als Gold-(Au)-Beschichtung ausgeformt ist.
  8. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Parylen-Beschichtung auf der metallischen Beschichtung der inneren Umfangsoberfläche des Körpers ausgeformt ist, derart, dass sie eine isolierende Oberfläche gegenüber der Vielzahl von Flüssigkeiten ausformt.
  9. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erweiternde Beschichtung auf einem Bereich der Glasoberfläche ausgeformt ist, derart, dass sie eine Spannung liefert, die an die zweite Elektrolytschicht angelegt werden kann.
  10. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied im Brechungsindex zwischen zwei Flüssigkeiten umfassend die erste isolierende Flüssigkeitsschicht und die zweite Elektrolytschicht in einem Bereich von 0,05 bis ca. 0,1 liegt.
  11. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied im Brechungsindex zwischen zwei Flüssigkeiten umfassend die zweite isolierende Flüssigkeitsschicht und die zweite Elektrolytschicht in einem Bereich von 0,08 bis ca. 0,15 liegt.
  12. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrolytschicht Wasser als Hauptkomponente und ein organisches Salz und ein polares Lösungsmittel als Zusatzkomponenten aufweist.
  13. Flüssigkeitszoomlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede isolierende Flüssigkeitsschicht Siliziumöl als Hauptkomponente und ein unpolares Lösungsmittel als Zusatzkomponente aufweist.
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