DE60310037T2

DE60310037T2 - Linse mit variablem fokus

Info

Publication number: DE60310037T2
Application number: DE60310037T
Authority: DE
Inventors: J. Bokke FEENSTRA; Stein Kuiper; Sjoerd Stallinga; H. Bernardus HENDRIKS; M. Rudolph SNOEREN
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2023-01-25
Also published as: ATE347116T1; JP4662713B2; CN100507611C; US20050113912A1; US7126903B2; EP1478951A1; DE60310037D1; AU2003201481A1; CN101002115A; WO2003069380A1; EP1478951B1; KR101016253B1; KR20040084902A; JP2005518052A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Linse mit variablem Fokus mit einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit, welche über einen Meniskus in Kontakt sind, und auf ein Verfahren für den Betrieb solch einer Linse mit variablem Fokus. Die Form des Meniskus kann von einer Spannung gesteuert werden.
Flüssigkeit ist eine Substanz, die bei jeder Kraftausübung ihre Form ändert, gegebenenfalls zu fließen beginnt oder sich der Form ihres Gefäßes anpasst und gasförmig, flüssig und ein Gemisch aus Fest- oder Flüssigstoffen sein und strömen kann.
Der Meniskus zwischen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit wird konkav bezeichnet, wenn der Meniskus von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet nach innen gewölbt ist. Wenn die erste Flüssigkeit wie eine Linse betrachtet wird, wird diese Linse normalerweise als konkav bezeichnet, wenn der Meniskus gemäß der Definition des vorhergehenden Satzes konkav ist.
Eine Linse mit variablem Fokus mit so einer Bauweise wird in der internationalen Patentanmeldung WO 99/18456 beschriebenen. In dieser Bauweise enthält die Linse eine Kammer, gefüllt mit einer leitenden ersten Flüssigkeit, ein Tröpfchen einer isolierenden, nicht mischbaren zweiten Flüssigkeit, die in einem Flächenbereich der Kammerwand durch eine auf die Wand aufgebrachte Flüssigkeitskontaktschicht gehalten wird. Die Flüssigkeitskontaktschicht positioniert das Tröpfchen, weil ein Teil der Flüssigkeitskontaktschicht hydrophob und ein angrenzender Teil hydrophil ist. Das Anlegen einer Spannung an Elektroden in der Kammer bewirkt die Brechung der Oberfläche bzw. des Meniskus des Tröpfchens, um konvexer zu werden. In einer Ausführungsform sind der hydrophobe und der hydrophile Teil der Flüssigkeitskontaktschicht entlang einer zylindrischen Fläche angeordnet, wobei die Seiten des Tröpfchens axial entlang der zylindrischen Fläche positioniert sind und dabei von dem hydrophilen Teil zentriert werden, wenn keine Spannung angelegt wird, und von einer Reihe von Elektroden entlang den Seiten des Zylinders, wenn eine Spannung angelegt wird. Eine solche Linse ist komplexer Herstellung und erforderlich besonders in der zylindrischen Konfiguration eine relativ hohe Spannung, um die Linseneigenschaften des Tröpfchens zu ändern, was eine verfrühte Beeinträchtigung der Linse verursachen kann, wenn sie eine Zeit lang verwendet wird.
Eine weitere Linse mit variablem Fokus mit so einer Bauweise wird in der internationalen Patentanmeldung WO 00158763 beschrieben. Das vorgeschlagene Mittel zum Zentrieren eines Tröpfchens isolierender Flüssigkeit besteht aus einer glockenförmigen Aussparung, gebildet aus einer isolierenden Schicht in einer verstellbaren Linse. Die Seiten der Aussparung sind angeordnet, um das Tröpfchen zentriert in der Aussparung zu halten und eine konvexe Brechungsfläche auf dem Tröpfchen bereitzustellen. Die Aussparung ist so geformt, dass die Herstellung solch einer Linse relativ komplex bleibt, und da die Basis der Aussparung aus demselben Material wie die Seiten der Aussparung gebildet wird, muss solch ein Material durchsichtig gewählt werden, wenn die Linse betriebsfähig sein soll.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Linse mit variablem Fokus vorgesehen, die eine grundsätzlich zylindrische Flüssigkeitskammer mit einer Zylinderwand enthält, wobei die Flüssigkeitskammer eine erste Flüssigkeit (A) und eine axial versetzte zweite Flüssigkeit (B) enthält, die Flüssigkeiten nicht mischbar, über einen Meniskus (14) in Kontakt sind, verschiedene Brechungskoeffizienten und eine auf die Innenseite der Zylinderwand aufgebrachte Flüssigkeitskontaktschicht (10) haben,
eine erste Elektrode (2), von der Flüssigkeitskontaktschicht von der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit getrennt,
eine zweite Elektrode (12), die auf die zweite Flüssigkeit einwirkt,
die Flüssigkeitskontaktschicht eine Benetzbarkeit mit der zweiten Flüssigkeit hat, welche mit dem Anlegen einer Spannung zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode variiert, derart, dass die Form des Meniskus abhängig von der besagten Spannung variiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit grundsätzlich auf beiden Seiten des Schnittpunkts des Meniskus mit der Kontaktschicht gleich ist, wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird,
und die Linse vorgesehen ist, eine Meniskusform zu erzeugen, weiche, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konkav ist, und die Form weniger konkav wird, wenn eine höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird.
Die gleiche Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht auf beiden Seiten des Schnittpunkts ermöglicht eine größere Bewegung des Meniskus und folglich eine größere Änderung der Krümmung des Meniskus. Sie ermöglicht es einem konkaven Meniskus, konvex zu werden und umgekehrt.
Die Schrift US 2001/0017985 enthüllt eine optische Vorrichtung, die dafür vorgesehen ist, die Qualität des übertragenen Lichts zu ändern. Die Ausführungsformen enthalten eine erste und eine zweite Flüssigkeit, die eine unterschiedliche Durchlässigkeit haben, eine erste und eine zweite Flüssigkeit, die einen unterschiedlichen Brechungskoeffizienten haben, und eine erste und eine zweite Flüssigkeit, welche beide durchsichtig sind, wobei die erste Flüssigkeit aber einen kürzeren Brechungskoeffizienten als die zweite Flüssigkeit hat. Die zwei Flüssigkeiten sind nicht mischbar und grenzen sich ab, wobei deren Form mit dem Anlegen von Spannung beeinflusst werden kann. Der Schwerpunkt liegt auf dem Wechseln der Qualität des Lichts, das durch die Vorrichtung strahlt, um eine neutrale Densitätsfilterung, Apodisationsfilterung etc. zu bewirken. Die Vorrichtung ist besonders geeignet für Fotoausrüstungen. Außerdem enthält die Vorrichtung physisch eine ringförmige Elektrode, schräg verlaufende Wände der Kammer und eine kleine Gesamtgröße.
Die Linse ist vorgesehen, um eine Meniskusform zu erzeugen, welche konkav ist, wobei die Form bei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode steigend angelegter Spannung weniger konkav wird. Mit der grundsätzlich zylindrischen Flüssigkeitskontaktschicht kann die erste Flüssigkeit, die dazu neigt, die Flüssigkeitskontaktfläche zu befeuchten, verwendet werden, um die konkave Meniskusform zu erzeugen, und außerdem können relativ niedrige Spannungen zur Variation der Meniskusform verwendet werden, um die Leistung der Linse zu ändern. Dabei kann ein gewünschter Linsenleistungsbereich erzeugt werden, ohne übermäßig Spannung anzulegen.
Unter Verwendung einer grundsätzlich zylindrischen Innenfläche der Flüssigkeitskontaktschicht und der Anordnung der Linse für die Erzeugung einer konkaven Meniskusform kann der Leistungsbereich der Linse verbessert werden, ohne übermäßig Spannung anzulegen. Bei ausreichend hoher Spannung kann die Form des Meniskus konvex werden. Das übermäßige Anlegen von Spannung kann zum Aufladen der Flüssigkeitskontaktschicht führen, was wie bekannt die Schicht beeinträchtigt und eine beträchtliche Verminderung der Nutzbarkeit der Linse verursacht.
Eine grundsätzlich zylindrische Innenfläche für die Flüssigkeitskontaktschicht kann erzeugt werden, ohne komplexe Herstellungstechniken zu benötigen. Insbesondere kann eine derartige innere Flächenform mit einer Tauchbeschichtung einer zylindrischen Elektrode erzeugt werden, was ein relativ zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren ist. Die Flüssigkeitskontaktschicht hat außerdem vorzugsweise eine einheitliche Dicke, um ein zuverlässiges Brechungsverhalten des Meniskus im verstellbaren Bereich der Linse zu erhalten. Und solch eine einheitliche Flüssigkeitskontaktschicht kann direkt mit einer Tauchbeschichtung eines zylindrischen Elektrodenelements erzeugt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb einer Linse mit variablem Fokus, die eine grundsätzlich zylindrische Flüssigkeitskammer mit einer Zylinderwand enthält, wobei die Flüssigkeitskammer eine erste Flüssigkeit (A) und eine axial versetzte zweite Flüssigkeit (B) enthält, die Flüssigkeiten nicht mischbar, über einen Meniskus in Kontakt sind, verschiedene Brechungskoeffizienten haben und eine Flüssigkeitskontaktschicht auf die Innenseite der Zylinderwand aufgebracht ist, eine erste Elektrode, von der Flüssigkeitskontaktschicht von der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit getrennt, eine zweite Elektrode, auf die eine zweite Flüssigkeit einwirkt, und die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit grundsätzlich auf beiden Seiten des Schnittpunkts des Meniskus mit der Kontaktschicht gleich ist, wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, wobei die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit mit dem Anlegen einer Spannung zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode variiert, die Linse vorgesehen ist, um eine Meniskusform zu erzeugen, welche, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konkav ist, die Form weniger konkav wird, wenn eine höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, und das Verfahren die Steuerung der besagten Spannung für die Änderung die Form des Meniskus beinhaltet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgende Beschreibung einer vorgezogenen Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wobei:
1 bis 3 eine verstellbare Linse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch im Querschnitt zeigt;
4 eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch im Querschnitt zeigt; und
5 eine optische Scanvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch im Querschnitt zeigt.
1 bis 3 zeigt eine Linse mit variablem Fokus mit einer zylindrischen ersten Elektrode 2 zur Bildung eines Kapillarrohrs, verschlossen mit einem durchsichtigen vorderen Element 4 und einem durchsichtigen hinteren Element 6, um eine Flüssigkeitskammer 5 zu bilden, die zwei Flüssigkeiten enthält. Die Elektrode 2 kann eine leitende Schicht sein, auf die Innenwand eines Rohrs aufgebracht.
In dieser Ausführungsform bestehen die zwei Flüssigkeiten aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten in der Form einer elektrisch isolierenden erste Flüssigkeit A, wie beispielsweise einem Silikonöl oder einem Alkan, das hier weiter „das Öl" bezeichnet wird, und einer elektrisch leitenden zweiten Flüssigkeit B, wie beispielsweise Wasser mit einer Salzlösung. Die zwei Flüssigkeiten werden vorzugsweise mit derselben Densität vorgesehen, damit die Linse unabhängig von ihrer Lage arbeitet, d.h. ohne von Gravitationseffekten zwischen den zwei Flüssigkeiten abhängig zu sein. Dies kann mit der richtigen Wahl des ersten Flüssigkeitsbestandteils erreicht werden; Es können beispielsweise Alkane oder Siliziumöle modifiziert werden, indem molekulare Bestandteile hinzugefügt werden, um ihre Densität zu erhöhen, damit sie der der Salzlösung entspricht.
Abhängig von der Wahl des verwendeten Öls kann der Brechungskoeffizient des Öls zwischen 1,25 und 1,60 variieren. Genauso kann der Brechungskoeffizient der Salzlösung abhängig von der hinzugefügten Salzmenge zwischen 1,33 und 1,48 variieren. Die Flüssigkeiten werden in dieser Ausführungsform so gewählt, dass die erste Flüssigkeit A einen höheren Brechungskoeffizienten als die zweite Flüssigkeit B hat.
Die erste Elektrode 2 ist ein Zylinder mit einem inneren Radius, der üblicherweise zwischen 1 mm und 20 mm liegt. Die Elektrode 2 wird aus einem metallenen Material gebildet und mit einer isolierenden Schicht 8 überzogen, die beispielsweise aus Parylen besteht. Die isolierende Schicht hat eine Dicke zwischen 50 nm und 100 μm, mit typischen Werten zwischen 1 μm und 10 μm. Die isolierende Schicht ist mit einer Flüssigkeitskontaktschicht 10 überzogen, welche die Hysterese im Kontaktwinkel des Meniskus mit der zylindrischen Wand der Flüssigkeitskammer vermindert. Die Flüssigkeitskontaktschicht wird vorzugsweise aus einem amorphen Fluorkohlenstoff wie Teflon^TM AF1600 gebildet, von DuPont^TM hergestellt. Die Flüssigkeitskontaktschicht 10 hat eine Dicke zwischen 5 nm und 50 μm. Die AF1600-Schicht kann mit aufeinanderfolgender Tauchbeschichtung der Elektrode 2 hergestellt werden, was eine homogene Materialschicht grundsätzlich gleichmäßiger Dicke bildet, da die zylindrischen Seiten der Elektrode grundsätzlich parallel zur zylindrischen Elektrode verlaufen; Tauchbeschichtung durch Eintauchen der Elektrode erfolgen, wobei die Elektrode in axialer Richtung in und aus der Tauchlösung bewegt wird. Die Parylenschicht kann unter Verwendung von chemischem Dampf aufgebracht werden. Die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit ist grundsätzlich auf beiden Seiten des Schnittpunkts des Meniskus 14 mit der Flüssigkeitskontaktschicht 10 gleich, wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird.
Eine zweite, ringförmige Elektrode 12 ist an einem Ende der Flüssigkeitskammer vorgesehen, in diesem Fall zum hinteren Element angrenzend. Die zweite Elektrode 12 ist mit mindestens einem Teil in der Flüssigkeitskammer angeordnet, damit die Elektrode auf die zweite Flüssigkeit B wirkt.
Die zwei Flüssigkeiten A und B sind nicht mischbar, um je zwei von einem Meniskus 14 getrennte Flüssigkeiten zu bilden. Wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, ist die Flüssigkeitskontaktschicht mehr von der ersten Flüssigkeit A als von der zweiten Flüssigkeit B benetzbar. Aufgrund der Elektrobenetzung variiert beim Anlegen einer Spannung zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode die Benetzbarkeit mit der zweiten Flüssigkeit B, was die Änderung des Kontaktwinkels des Meniskus an der Dreiphasenlinie bewirkt (die Kontaktlinie zwischen der Flüssigkeitskontaktschicht 10 und den zwei Flüssigkeiten A und B). Die Form des Meniskus ist folglich abhängig von der angelegten Spannung variabel. Bezüglich 1 nimmt der Meniskus, wenn eine niedrige Spannung V₁, beispielsweise zwischen 0 V und 20 V, zwischen den Elektroden angelegt wird, eine erste konkave Meniskusform an. In dieser Konfiguration beträgt der anfängliche Kontaktwinkel 0₁ zwischen dem Meniskus und der Flüssigkeitskontaktschicht 10, gemessen in Flüssigkeit B, beispielsweise ungefähr 140°. Aufgrund des Brechungskoeffizienten, der bei der ersten Flüssigkeit A höher als bei der zweiten Flüssigkeit B ist, hat die vom Meniskus gebildete Linse, hier Meniskuslinse bezeichnet, in dieser Konfiguration eine relativ hohe negative Leistung.
Zur Verminderung der Konkavität der Meniskusform wird eine höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt. Bezüglich 2 nun, wenn eine dazwischen liegende Spannung V₂, beispielsweise zwischen 20 V und 150 V, Abhängig von der Dicke der isolierenden Schicht, zwischen den Elektroden angelegt wird, nimmt der Meniskus eine zweite konkave Meniskusform mit einem im Vergleich mit dem Meniskus in 1 erhöhten Krümmungsradius an. In dieser Konfiguration beträgt der dazwischen liegende Kontaktwinkel 0₂, zwischen der ersten Flüssigkeit A und der Flüssigkeitskontaktschicht 10, beispielsweise ungefähr 100°. Aufgrund des Brechungskoeffizienten, der bei der ersten Flüssigkeit A höher als bei der zweiten Flüssigkeit B ist, hat die Meniskuslinse in dieser Konfiguration eine relativ niedrige negative Leistung.
Für die Erzeugung einer konvexen Meniskusform wird eine noch höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt. Bezüglich 3 nun, wenn eine relativ hohe Spannung V₃, beispielsweise 150 V bis 200 V, zwischen den Elektroden angelegt wird, nimmt der Meniskus eine Meniskusform an, in der der Meniskus konvex ist. In dieser Konfiguration beträgt der größte Kontaktwinkel 0₃ zwischen der ersten Flüssigkeit A und der Flüssigkeitskontaktschicht 10 beispielsweise ungefähr 60°. Aufgrund des Brechungskoeffizienten der ersten Flüssigkeit A, der höher als der der zweiten Flüssigkeit B ist, hat die Meniskuslinse in dieser Konfiguration eine positive Leistung.
Man beachte, dass bei der Konfiguration der 3 möglicherweise eine hohe Leistung verwendet wird, und es in einer praktischen Ausführungsform vorzuziehen ist, dass eine Vorrichtung mit der beschriebenen Linse angepasst wird, um nur niedrige und dazwischen liegende Leistungen in den beschriebenen Bereichen zu verwenden, dass also die angelegte Spannung so beschränkt wird, dass die elektrische Feldstärke in der isolierenden Schicht weniger als 20 V/μm beträgt und übermäßige Spannungen, die das Aufladen der Flüssigkeitskontaktschicht bewirken und folglich die Flüssigkeitskontaktschicht beeinträchtigen, nicht verwendet werden.
Man beachte außerdem, dass die anfängliche Konfiguration mit niedriger Spannung abhängig von der Auswahl der Flüssigkeiten A und B, abhängig von ihren Flächespannungen, variiert. Mit der Auswahl eines Öls mit einer höheren Flächenspannung und/oder mit dem Hinzufügen einer Komponente wie Äthylenglycol zur Salzlösung, welche ihre Flächenspannung vermindert, kann der anfängliche Kontaktwinkel verringert werden; In diesem Fall kann die Linse mit einer niedrigen optischen Leistungskonfiguration arbeiten, wie in 2 gezeigt, und einer dazwischen liegenden Leistungskonfiguration, wie in 3 gezeigt. Auf jeden Fall bleibt die niedrige Leistungskonfiguration so, dass der Meniskus konkav ist, und es kann ein relativ weiter Bereich der Linsenleistungen erhalten werden, ohne eine übermäßige Spannung zu verwenden.
Obwohl die Flüssigkeit A im obigen Beispiel einen höheren Brechungskoeffizienten als die Flüssigkeit B hat, kann die Flüssigkeit A auch einen niedrigeren Brechungskoeffizient als die Flüssigkeit B haben. Die Flüssigkeit A kann beispielsweise ein (per-)fluoriertes Öl sein, das einen niedrigeren Brechungskoeffizient als Wasser hat. In diesem Fall wird die amorphe Fluorpolymerschicht vorzugsweise nicht verwendet, weil sie sich in fluorierten Ölen auflösen könnte. Eine alternative Flüssigkeitskontaktschicht ist beispielsweise eine Paraffinschicht.
4 zeigt eine Bildaufnahmevorrichtung mit variablem Fokus, die eine Linse gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung enthält. Ähnliche wie die in Verbindung mit 1 bis 3 beschriebenen Elemente sind mit denselben Verweisnummern, erhöht um 100, versehen, und es ist die vorherige Beschreibung dieser ähnlichen Elemente hier zu berücksichtigen.
Die Vorrichtung enthält eine zusammengesetzte Linse mit variablem Fokus, die eine zylindrische erste Elektrode 102, eine starre vordere Linse 104 und eine starre hintere Linse 106 enthält. Der Raum zwischen den zwei Linsen und die erste Elektrode bilden eine zylindrische Flüssigkeitskammer 105. Die Flüssigkeitskammer enthält die erste und die zweite Flüssigkeit A und B. Die zwei Flüssigkeiten berühren sich entlang einem Meniskus 114. Der Meniskus bildet eine Meniskuslinse variabler Leistung, wie zuvor beschrieben abhängig von einer zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 112 angelegten Spannung. In einer alternativen Ausführungsform haben die zwei Flüssigkeiten A und B die Position gewechselt.
Die vordere Linse 104 ist eine Konvex-Konvex-Linse aus stark brechendem Kunststoff wie Polycarbonat oder einem zyklischen Olefin-Copolymer und einer positiven Leistung. Mindestens eine der Flächen der vorderen Linse ist torisch, um die gewünschten anfänglichen Fokussierungseigenschaften zu erhalten. Das hintere Linsenelement 106 wird aus einem wenig streuenden Kunststoff gebildet, wie COC (zyklisches Olefin-Copolymer), und es enthält eine torische Linsenfläche, die wie eine Feldabflachung wirkt. Die andere Fläche des hinteren Linsenelements kann flach, sphärisch oder torisch sein. Die zweite Elektrode 112 ist eine ringförmige Elektrode, die sich am Rand der Brechungsfläche des hinteren Linsenelements 106 befindet.
Ein Blendschutz 116 und eine Aperturblende 118 wurden vorne an der Linse hinzugefügt. Ein Pixelbildsensor 120 wie eine CMOS-Sensorreihe befindet sich auf einer Sensorfläche hinter der Linse.
Eine elektronische Steuerschaltung 122 steuert die Meniskuslinse entsprechend einem von der fokusgesteuerten Verarbeitung der Bildsignale abgeleiteten Fokussteuersignal, um einen Objektivbereich zwischen unendlich und 10 cm bereitzustellen. Die Steuerschaltung steuert die angelegte Spannung zwischen einer niedrigen Spannungshöhe, bei der die Fokussierung von unendlich erreicht wird, und höheren Spannungshöhen, wenn nähere Objekte zu fokussieren sind. Bei der Fokussierung von unendlich wird ein konkaver Meniskus mit einem Kontaktwinkel von ungefähr 140° erzeugt, während bei der Fokussierung von 10 cm ein konkaver Meniskus mit einem Kontaktwinkel von ungefähr 100° erzeugt wird.
Die leitende zweite Flüssigkeit, die isolierende Schicht und die zweite Elektrode bilden eine elektrische Kapazität, deren Kapazitanz von der Position des Meniskus abhängt. Die Kapazitanz kann unter Verwendung eines herkömmlichen Kapazitanzmessers gemessen werden. Die optische Stärke der Meniskuslinse kann von dem gemessenen Wert der Kapazitanz bestimmt werden.
Die Linse ist so konfiguriert, dass eine niedrige Spannung ungleich Null angelegt wird, um die Linse bei unendlich auf ein Objekt zu fokussieren (parallel eintretende Strahlen) und so eine unendliche Fokussierung bei günstigen Herstellungstoleranzen möglich zu machen; Wenn andererseits die Linse so zu konfigurieren wäre, dass die Fokussierung von unendlich eintritt, wenn null Spannung angelegt wird, müssten striktere Herstellungstoleranzen angewandt werden.
Das vordere Linsenelement 104 wird vorzugsweise als ein einziger Körper mit einem Rohr zum Halten der Elektrode 102 auf seiner Innenfläche und von der hinteren Linse 106 geschlossen gestaltet, um eine geschlossene Einheit zu bilden. Das zweite Linsenelement 106 kann bezüglich des in 4 gezeigten verlängert sein, und die flache hintere Fläche des Linsenelements 106 kann durch eine Winkelspiegelfläche, vorzugsweise mit einem Winkel von 45°, ersetzt sein, um es zu ermöglichen, dass der Bildsensor 120 unter der Linse angebracht wird, um die Abmessungen der Linse zu vermindern.
Die Flüssigkeitskammer 105 kann mit einer Dehnungskammer versehen sein, um Volumenänderungen aufgrund der Wärmedehnung von Flüssigkeiten zu berücksichtigen. Die Dehnungskammer kann ein flexibles Membran in einer der Wände der Flüssigkeitskammer sein.
Die innere Flächen der vorderen Linse 104 und der hinteren Linse 106 kann mit einer Schutzschicht überzogen sein, um eine Unverträglichkeit des Materials zu vermeiden, aus dem die Linsen mit den Flüssigkeiten A und B gemacht sind. Die Schutzschicht kann auch entspiegelnde Eigenschaften haben.
5 zeigt Elemente einer optischen Scanvorrichtung, die eine Linse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Die Vorrichtung dient der Aufzeichnung und/oder der Wiedergabe einer optischen Platte 206, beispielsweise einer doppelschichtigen Digitalvideo-Aufzeichnungsplatte (DVR) (siehe z.B. den Artikel von K. Scheu, B. Stek, R. van Woudenberg, M. Blum, S. Kobayashi, T. Narahara, T. Yamagami, H.Ogawa, „Format description and evaluation of the 22,5 GB DVR disc", Technical Digest, ISOM 2000, Chitose, Japan, 5.-8. September 2000). Die Vorrichtung enthält eine zusammengesetzte Objektivlinse, z.B. mit einer digitalen Apertur von 0,85, mit einer starren vorderen Linse 202 und einer starren hinteren Linse 204, z.B. wie in der internationalen Patentanmeldung WO 01/73775 beschrieben, für die Fokussierung des eintretenden, in Kollimation gebrachten Strahls, z.B. mit einer Wellenlänge von 405 nm, grundsätzlich bestehend aus parallelen Strahlen, auf einen Punkt 208 auf der Fläche der aktuell gescannten Informationsschicht.
Bei doppelschichtigen DVR-Platten haben die zwei Informationsschichten Tiefen von 0,1 mm und 0,08 mm; ihre Trennung beträgt somit üblicherweise 0,02 mm. Bei der Umfokussierung von einer Schicht zur anderen entsteht aufgrund des Unterschieds in der Informationsschichttiefe ca. 200 mλ unerwünschte sphärische Wellenfront-Aberration, die kompensiert werden muss. Eine Art, dies zu erreichen, ist die Änderung der Vergenz des eintretenden Strahls unter Verwendung eines mechanischen Aktuators, der beispielsweise eine Kollimatorlinse in der Vorrichtung bewegt, was relativ kostspielig ist. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine schaltbare Flüssigkristallzelle zu verwenden, was auch eine relativ kostspielige Lösung ist.
In dieser Ausführungsform wird eine schaltbare Linse mit variablem Fokus 200 verwendet, die ähnlich mit der in Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen ist. In dieser Ausführungsform ist das gewählte Öl Polydimethyl-(8-12%-)Phenylmethylsiloxan- Copolymer, und es wird eine Salz-Wasser-Lösung als leitende Flüssigkeit verwendet. Jede der Flüssigkeiten hat, wenn die Linse 200 mit einem planaren Meniskus vorgesehen ist, eine Dicke von ungefähr 1 mm.
Die Vorrichtung enthält eine elektronische Steuerschaltung 222, um abhängig von der aktuell gescannten Informationsschicht eine der zwei gewählten Spannungen an die Elektroden der Linse 200 anzulegen. In einer Konfiguration wird während dem Scannen der Informationsschichttiefe von 0,08 mm eine relativ niedrig gewählte Spannung angelegt, um eine Meniskuskrümmung mit dem Radius R = –21,26 mm zu erzeugen. In der anderen Konfiguration wird während dem Scannen der Informationsschichttiefe von 0,1 mm eine relativ hoch gewählte Spannung angelegt, um eine planare Meniskuskrümmung zu erzeugen. Als Ergebnis kann der Wert der durchschnittlichen Quadratwurzel der Wellenfrontaberration von 200 mλX auf 18 mλ vermindert werden. Man beachte, dass unter Verwendung verschiedener Kombinationen von Meniskuskrümmungen ein ähnlicher Effekt erhalten werden kann, da nur eine Variation der Linsenleistung erforderlich ist; Außerdem kann die unterschiedliche Linsenleistung auch mit größeren Bewegungen des Meniskus erreicht werden, indem die Brechungskoeffizienten der zwei Flüssigkeiten angenähert werden.
Man beachte bezüglich aller obigen Ausführungsformen, dass die Elektrode an sich vorzugsweise zylindrisch, aber eine Abweichung von einem perfekten Zylmder, beispielsweise in leicht konischer Form, möglich ist. Allerdings sollte der Zylinder vorzugsweise grundsätzlich zylindrisch bleiben, insbesondere wenn die Flüssigkeitskontaktschicht einen linearen Querschnitt hat, d.h. die Schicht bildet dort gerade Linien in einem Querschnitt des Zylinders, wo die Achse des Zylinders im Querschnitt liegt. Der lineare Querschnitt sollte mindestens im Bereich von 10 Grad, und vorzugsweise mindestens im Bereich von 1 Grad, parallel zur Achse der Elektrode verlaufen. Eine zylindrische Elektrode kann aus einer konventionellen, preiswerten Röhre gebaut werden, mit einem Querschnitt, der innerhalb von 0,1 Grad parallel zur Achse verläuft, und einer glatten Innenwand, auf die die verschiedenen Schichten aufgebracht werden können. Die Möglichkeit, eine derartige Röhre zu verwenden, verleiht der Linse gemäß der Erfindung einen Kostenvorteil. Die Flüssigkeitskontaktschicht kann an sich nicht perfekt linear sein; jede Nicht-Linearität wird jedoch vorzugsweise so beschränkt, dass die Nicht-Linearität einen Unterschied der radialen Ausdehnung bewirkt, der unter einem Zehntel, und vorzugsweise unter einem Zwanzigstel der axialen Ausdehnung der Elektrode liegt.
Die obigen Ausführungsformen sind als veranschaulichende Beispiele der Erfindung zu verstehen. Es werden weiter Ausführungsformen der Erfindung in Betracht gezogen. Beispielsweise kann die erste Flüssigkeit aus einem Dampf anstatt aus einer isolierenden Flüssigkeit bestehen. Die zweite Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit mit einer niedrigeren Flächenspannung als die erste Flüssigkeit sein. In diesem Fall ist die Form des Meniskus bei niedrig angelegter Spannungen konvex.
Es muss verstanden werden, dass jedes in Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmal auch in den anderen Ausführungsformen verwendet werden kann.
Außerdem können auch Gleichwertiges und Abänderungen, die oben nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung, der in den begleitenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.

A, B = Flüssigkeiten
V₁-V₃ = Spannungen
Q₁-Q₃ = Kontaktwinkel

Claims

Linse mit variablem Fokus, die enthält: eine grundsätzlich zylindrische Flüssigkeitskammer mit einer Zylinderwand, wobei die Flüssigkeitskammer eine erste Flüssigkeit (A) und eine axial versetzte zweite Flüssigkeit (B) enthält, die Flüssigkeiten nicht mischbar, über einen Meniskus (14) in Kontakt sind und verschiedene Brechungskoeffizienten haben, eine Flüssigkeitskontaktschicht (10), auf die Innenseite der Zylinderwand aufgebracht, eine erste Elektrode (2), von der Flüssigkeitskontaktschicht von der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit getrennt, eine zweite Elektrode (12), die auf die zweite Flüssigkeit einwirkt, die Flüssigkeitskontaktschicht eine Benetzbarkeit mit der zweiten Flüssigkeit hat, welche mit dem Anlegen einer Spannung zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode variiert, derart, dass die Form des Meniskus abhängig von der besagten Spannung variiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit grundsätzlich auf beiden Seiten des Schnittpunkts des Meniskus mit der Kontaktschicht gleich ist, wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, und die Linse vorgesehen ist, eine Meniskusform zu erzeugen, welche, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konkav ist, und die Form weniger konkav wird, wenn eine höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird.
Linse gemäß Anspruch 1, wobei die innere Fläche der Flüssigkeitskontaktschicht einen linearen Querschnitt hat, und wobei der lineare Querschnitt im Bereich von 10 Grad parallel zur Achse der grundsätzlich zylindrischen Form der Fläche verläuft.
Linse gemäß Anspruch 1, wobei die erste Flüssigkeit eine isolierende Flüssigkeit enthält und die zweite Flüssigkeit eine leitende Flüssigkeit enthält.
Linse gemäß Anspruch 1, wobei die erste Flüssigkeit einen Dampf enthält und die zweite Flüssigkeit eine leitende Flüssigkeit enthält.
Linse gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Flüssigkeit eine Flüssigkeit mit einer niedrigeren Flächenspannung als die erste Flüssigkeit sein kann, vorgesehen, um es zu ermöglichen, dass die Form des Meniskus bei niedrig angelegten Spannungen konvex ist.
Linse gemäß einem beliebigen vorausgehen Anspruch, wobei die Flüssigkeitskontaktschicht eine grundsätzlich homogene Schicht gleichmäßiger Dicke ist.
Linse gemäß einem beliebigen vorausgehen Anspruch, wobei besagte erste Elektrode grundsätzlich zylindrisch ist.
Linse gemäß einem beliebigen vorausgehen Anspruch, wobei die besagte erste Flüssigkeit einen größeren Brechungskoeffizienten als die besagte zweite Flüssigkeit hat und wobei die Linse eine zusammengesetzte Linse ist, die mindestens ein festes Linsenelement (104) für die Bereitstellung einer positiven Linsenleistung enthält, derart, dass die zusammengesetzte Linse eine positive Linsenleistung hat, wenn der Meniskus in Verbindung mit der ersten Flüssigkeit konvex ist.
Linse gemäß einem beliebigen vorausgehenden Anspruch, wobei die inneren Flächen einer vorderen Linse (104) und einer hinteren Linse (106) mit einer Schutzschicht überzogen sind.
Linse gemäß Anspruch 9, wobei die Schutzschicht auch entspiegelnde Eigenschaften haben kann.
Optische Vorrichtung mit einer Linse gemäß einem beliebigen vorausgehen Anspruch, wobei die Vorrichtung Mittel für die Definition einer Fokussierfläche (120) enthält, worauf die Linse derart vorgesehen ist, dass wenn Strahlung aus parallel eingehenden Strahlen und eine Spannung ungleich Null zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, die Strahlung auf die Fokussierfläche fokussiert wird.
Bildaufnahmevorrichtung mit einer Linse gemäß einem beliebigen vorausgehen Anspruch.
Optische Scanvorrichtung zum Scannen eines optischen Aufzeichnungsträgers mit einer Linse gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 12.
Optische Scanvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die besagte Linse vorgesehen ist, um sphärische Aberrationen zu korrigieren, die in optischen Aufzeichnungsträgern beim Scannen verschiedener Informationsschichttiefen entstehen.
Verfahren für den Betrieb einer Linse mit variablem Fokus, die eine grundsätzlich zylindrische Flüssigkeitskammer mit einer Zylinderwand enthält, wobei die Flüssigkeitskammer eine erste Flüssigkeit (A) und eine axial versetzte zweite Flüssigkeit (B) enthält, die Flüssigkeiten nicht mischbar, über einen Meniskus (14) in Kontakt sind und verschiedene Brechungskoeffizienten haben, eine Flüssigkeitskontaktschicht (10), auf die Innenseite der Zylinderwand aufgebracht, eine erste Elektrode (2), von der Flüssigkeitskontaktschicht von der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit getrennt, eine zweite Elektrode (12), die auf die zweite Flüssigkeit einwirkt, wobei die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit grundsätzlich auf beiden Seiten des Schnittpunkts des Meniskus mit der Kontaktschicht gleich ist, wenn keine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, die Benetzbarkeit der Flüssigkeitskontaktschicht mit der zweiten Flüssigkeit mit dem Anlegen einer Spannung zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode variiert, die Linse vorgesehen ist, eine Meniskusform zu erzeugen, welche, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konkav ist, die Form weniger konkav wird, wenn eine höhere Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, und das Verfahren die Steuerung der besagten Spannung für die Änderung der Form des Meniskus beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei besagtes Verfahren die Variation der besagten Spannung umfasst, um eine Meniskusform zu erzeugen, die, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konkav ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei besagte Verfahren weiterhin die Variation der besagten Spannung umfasst, um eine Meniskusform zu erzeugen, die, wenn von der zweiten Flüssigkeit aus betrachtet, konvex ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei besagter Meniskus einen Kontaktwinkel mit der Flüssigkeitskontaktschicht hat, der zwischen 100 und 140 Grad liegt.