CN100429534C - 变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括流体腔(12)的变焦透镜(10)，其中所述流体腔(12)含有第一流体(14)和第二流体(16)。所述流体不可混溶并在弯月面(18)上接触，且所述第二流体可受磁场影响而改变其形状。所述第二流体优选地为铁磁流体。提供了装置(20，22)，用于对所述流体腔的至少一部分施加梯度磁场(24)，其中所述梯度磁场能够感应产生使流体移动最大化的磁通量，使得所述弯月面的形状根据所述磁场改变。

Description

变焦透镜

技术领域

本发明涉及包括第一流体和第二流体的变焦透镜，这两种流体不可混溶并在弯月面上接触。通过改变弯月面形状可以改变透镜的焦距。

背景技术

现有技术的变焦透镜已知为电润湿(electrowetting)透镜。这些电润湿透镜包括含有两种不可混溶流体的流体腔，这些流体在其间界面处形成弯月面。因此，假设这些流体具有不同的折射率，该系统可以用做折射透镜。由于一种流体导电而另一种流体不导电，因而通过向该透镜施加电场，可以改变弯月面的形状并由此改变该透镜的焦距。

例如在WO/069380 A1中描述了电润湿透镜。

电润湿透镜由于低功耗以及对变化电压的快速响应，特别适用于要求焦距频繁变化的移动应用。此外，构造简单并结合该透镜不含有任何机械部件的事实，使其尤具有优势。

然而，电润湿透镜的缺点是，获得弯月面形状的充分变化需要相对较大的切换电压。典型的切换电压在100V的范围内。此外，由于介于电极和导电流体之间的所需绝缘层的击穿电压受限，或者由于饱和效应，弯月面半径的变化存在最大值。

本发明的目的是提供一种变焦透镜，其所需的切换电压降低且不存在由于击穿电压导致的焦距变化限制。

发明内容

通过独立权利要求的特征解决上述目标。本发明的另外发展和优选实施例在从属权利要求中概述。

根据本发明，提供了一种变焦透镜，包括：流体腔，所述流体腔含有第一流体和第二流体，这些流体不可混溶并在弯月面上接触，第二流体可受磁场影响而改变其形状；以及装置，用于对该流体腔的至少一部分施加梯度磁场，由此感应产生使流体移动最大化的磁通量，从而使得该弯月面的形状根据磁场而改变。因此，通过施加磁场，由于感应的弯月面变化可以改变透镜的焦距。原则上，本发明可以采用所有具有足够磁矩的流体。

优选地，第二流体为铁磁流体。在梯度磁场中，铁磁流体作为均匀磁性流体响应，移动到磁通量最大的区域。通常使用多相流体来提供铁磁流体，在该多相流体中，含铁或铁磁颗粒被保持在载体流体内的胶状悬浮液中。

本发明的一个实施例尤其有利，其中该流体腔包括基本圆柱形的壁，用于施加梯度磁场的装置包括至少一个线圈，其中电压可以施加到该线圈从而产生该梯度磁场。因此，可以容易地产生该磁场，且可以通过可变电压改变该磁场。

根据本发明优选实施例，该梯度磁场基本上被定位至弯月面的顶点(vertex)区域。在顶点附近产生磁场梯度，足以实现改变该弯月面的整体形状。因此，将磁场基本上定位在该区域是有益的，由此降低了所需要的总磁场强度。

有利的是，第一流体和铁磁流体是透明的，这些流体具有不同的折射率。由此提供了折射透镜。

根据另一个实施例，第一流体是透明的，而铁磁流体是不透明的。在这种情况下，提供了反射透镜。通过将来自物体的光耦合到介于透镜和图像之间的光学路径内，来操作所述这种反射透镜。

在上下文中，尤其有利的是，在这两种流体之间的至少一部分界面处捕获金属液状膜，从而形成镜表面。这种金属液状膜(MELLF)包括在这两种流体之间界面处被捕获的小颗粒，用于形成镜表面。由此可以改善该反射透镜的反射性能。

根据又一个实施例，施加磁场，从而将造成铁磁流体的不透明的颗粒转移到弯月面的顶点区域的方向，由此在第二流体内产生透明区域，第一流体以及第二流体的透明区域具有不同的折射率。通过这个措施，即使采用不透明的铁磁流体，根据本发明的变焦透镜仍可能作为折射透镜工作。

在另一实施例中，第一流体和第二流体具有基本上相同的密度。其结果是，重力对该弯月面没有影响。

优选地，一种流体亲水，而另一种流体亲油。由于水基铁磁流体以及油基铁磁流体是已知的，因此第一和第二流体可能存在多种组合。

该变焦透镜可优选地在光学装置中实施，尤其是在图像捕捉装置中实施。例如，配备有图像捕捉特征的移动电话可配备根据本发明的变焦透镜，从而维持这些装置尺寸较小。然而，不同的图像捕捉装置，例如标准相机或摄像机也可以配备根据本发明的光学装置，这是因为在这些装置的情况下，同样期望避免机械移动部件，以减小装置尺寸，提供焦距快速、大幅度变化的可能性，并在低电压电平下获得这种焦距变化。

其他应用领域包括光学记录、镜片(ophthalmic lens)、内窥透镜、望远镜、显微镜和光刻。

根据下述实施例本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并将参考下述实施例对本发明的这些方面和其他方面进行阐述。

附图说明

图1示出了第一切换配置中根据本发明实施例的变焦透镜的剖面示意图；

图2示出了第二切换配置中图1的变焦透镜；

图3示出了根据本发明实施例的变焦透镜的另一实施例的剖面示意图；

图4示出了包括根据本发明的透镜10的图像捕捉装置；以及

图5示出了来自包括根据本发明实施例的透镜的光学扫描装置的元件。

具体实施例

图1示出了第一切换配置中根据本发明实施例的变焦透镜的剖面示意图。该剖面图示出了贯穿透镜10的轴向剖面。透镜10包括圆柱形流体腔12。在流体腔12内提供了第一流体14和第二流体16，其中第二流体为铁磁流体。这些流体不可混溶。因此，在流体14、16之间的界面处形成弯月面18。流体腔12的内壁可涂敷流体接触层(未示出)，其降低了弯月面与流体腔12圆柱形壁的接触角的滞后。该流体接触层优选地由非晶碳氟化合物形成，例如Dupont^TM制造的Teflon^TMAF1600。该流体接触层优选厚度介于5nm和50μm之间。可通过连续浸渍涂敷(dip coating)流体腔12来制作AF1600涂层，这形成厚度基本上均匀的匀质材料层；通过浸渍流体腔12并同时沿其轴向将其移入/移出该浸渍溶液，来执行该浸渍涂敷。另一优选的流体接触层由氟硅烷形成，优选地通过气相沉积或溶液沉积以单层涂敷。优选地，两种流体14、16具有相似的密度，使得弯月面18的形状并不取决于透镜的取向。在弯月面18的顶点区域26，线圈20被布置在流体腔12的外部，该线圈具有用于产生梯度磁场的电源22。其他用于产生可变梯度磁场的装置也是适用的，例如，可移动的永久磁体。将进一步参考将在下面描述的图2，描述变焦透镜10的工作。

选择恰当的流体14和16的组合存在多种可能性。例如，流体14可以是水基。在这种情况下，第二流体16是亲油铁磁流体。还可以提供亲水铁磁流体16。在这种情况下，第一流体14为亲油的。通过在流体中溶解另外的物质，这两种流体的物理性质会受到影响，特别是其密度和折射率。例如，通过添加盐，可以改变水基溶液的上述性质。亲油流体，例如烷烃或硅油，可以通过添加分子成分改性。为了使变焦透镜10作为折射透镜工作，流体14和16都必须至少部分透明，具有不同的折射率。通过提供透明铁磁流体或者通过在铁磁流体16内提供透明的中心区域，可以实现铁磁流体16的透明。通过流体内的磁性颗粒转移到该流体腔12的壁的方向，由此可以实现在铁磁流体16内提供透明的中心区域。

图2示出了第二切换配置中图1的变焦透镜。描述和图1相同的变焦透镜10。与图1相反，电流流过线圈20，由此在弯月面18的顶点区域26内产生梯度磁场24。其结果是，该系统趋于使得通过转移铁磁流体16可获得的磁通量最大化，从而进入具有高磁场强度的区域。该弯月面作为整体根据顶点区域26的变化而调整其形状。具体而言，顶点区域26内的磁场梯度足以改变弯月面18的形状。因此，即使提供了不透明铁磁流体16，导致该流体不透明的磁性颗粒也可以被转移到流体腔的壁区，由此使在该流体腔12的中心区域透明，并且进一步提供了通过在顶点区域26内施加梯度磁场24而改变该弯月面形状的可能性。

其结果是，对于图1和图2中所示的光束30，变焦透镜10具有图1所示的聚焦特性以及图2所示的散焦特性。通过恰当的选择磁场强度以及磁场几何结构，可以获得不同形状的弯月面18，特别是例如介于图1和图2所示的极值切换配置之间的形状。

图3示出了根据本发明实施例的变焦透镜的另一实施例的剖面示意图。该流体腔及其组成和外围的构建方式类似于根据图1和2的流体腔。与图1和图2的实施例相反，铁磁流体16是不透明的，且未采取措施来提供透明区域。因此，根据图3的变焦透镜10不能作为折射透镜工作，而是作为反射透镜工作。为了提供流体14和16之间界面处改善的反射率，在该界面提供了金属液状膜(MELLF)。MELLF包括在这两种流体之间界面处被捕获的小颗粒，用于形成镜表面。例如，MELLF的制作包括：通常是通过银盐在水溶液中的化学还原形成银纳米颗粒；以及随后使用强金属键合的有机分子(即配合基)涂敷这些颗粒。经过涂敷之后，这些颗粒在水相不再稳定，自发地聚集在水-有机物界面上。同样，通过在顶点区域26附近施加磁场，从而改变弯月面18的形状，可实现焦距改变。在变焦透镜10的外部布置了恰当的装置，从而提供介于物体和图像之间的光学路径。可以提供多个光学装置，例如透镜、准直器等。作为示例，示出了分束器32。

图4示出了包括根据本发明的透镜10的图像捕捉装置。在本示例中，该图像捕捉装置为具有图像捕捉功能的移动电话40。移动电话40包括透镜系统42，其中包含有根据本发明的变焦透镜。

图5示出了来自光学扫描装置的元件，所述光学扫描装置包括根据本发明实施例的透镜。该装置用于记录和/或重放光盘56，例如双层数字视频记录(DVR)盘(例如见文章K.Schep，B.Stek，R.vanWoudenberg，M.Blum，S.Kobayashi，T.Narahara，T.Yamagami，H.Ogawa，″Format description and evaluation of the 22.5 GBDVR disc″，Technical Digest，ISOM 2000，Chitose，Japan，Sept.5-8，2000)。该装置包括例如数值孔径为0.85的复合物镜，所述复合物镜包括刚性前透镜52和刚性后透镜54，例如如国际专利申请No.WO01/73775中所述，用于将例如波长为405nm的入射准直光束(包括基本平行的光线)聚焦到当前正被扫描的信息层平面内的斑点58。

在双层DVR盘中，两个信息层位于0.1mm和0.08mm的深度，因此它们通常隔开0.02mm。当从一层重新聚焦到另一层时，由于信息层深度差异，产生了一些200mλ的不需要的球形波前像差(需要补偿该像差)。补偿该像差的一个方法为，使用机械执行器改变入射束的聚散度，例如移动该装置内的准直透镜，这种方法相对昂贵。另一种方法是使用可切换的液晶单元，这也是一种相对昂贵的解决方案。

在本实施例中，使用了类似图1和2所描述的可切换的变焦透镜10。当透镜10布置成具有平面弯月面时，每种所述流体的厚度约1mm。

该装置包括电子控制电路60，用于根据当前正被扫描的信息层向透镜10的线圈施加两个选定电压之一。在一种配置中，在扫描0.08mm的信息层深度时，施加相对低的选定电压以产生R＝-21.26mm的弯月面曲率半径。在另一种配置中，在扫描0.1mm的信息层深度时，施加相对高的选定电压以产生平面的弯月面弯曲。其结果是，波前像差的均方根值可从200mλ降低到18mλ。注意，使用弯月面弯曲的不同组合可以获得相似的效果，这是因为只需要改变透镜光学能力；此外，通过使这两种流体的折射率更为接近，通过弯月面中更大的移动也可以获得该透镜光学能力的差异。注意，根据本发明的变焦透镜可以不同于附图所示以及上文描述。尽管优选地该透镜为圆柱形，偏离圆柱形例如锥形或任何其他形状也是可以的。此外，不是仅通过单个线圈而是通过多个线圈施加磁场以设计该磁场梯度以及最终将弯月面设计为具体形状，这也落在本发明的范围之内。通常，需要指出，本公开中的术语“包括”并不排除存在另外的元件，而且提到具体的元件也并不排除存在所提及元件相关的多个元件。上述实施例应该被理解成是本发明的示意性实例。可以构想本发明的另外实施例。例如，该第一流体可包括气体而非液体。

此外，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，还可以采用未被描述的等效物和变型。

Claims (14)

1.一种变焦透镜(10)，包括：

流体腔(12)，含有第一流体(14)和第二流体(16)，所述流体不可混溶，并在弯月面(18)上接触，且所述第二流体可受磁场影响而改变其形状；以及

装置(20，22)，用于对所述流体腔的至少一部分施加梯度磁场(24)，由此感应产生使流体移动最大化的磁通量，从而使得所述弯月面的形状根据磁场而改变。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第二流体(16)为铁磁流体。

3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述流体腔包括圆柱形的壁。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中用于施加梯度磁场的所述装置包括至少一个线圈(20)，其中电压(22)能够施加至所述线圈从而产生所述梯度磁场。

5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述梯度磁场定位在所述弯月面的顶点区域(26)。

6.根据权利要求2所述的变焦透镜，其中所述第一流体和所述铁磁流体是透明的，这些流体具有不同的折射率。

7.根据权利要求2所述的变焦透镜，其中所述第一流体是透明的，所述铁磁流体是不透明的。

8.根据权利要求7所述的变焦透镜，其中金属液状膜(28)在这两种流体之间的至少一部分界面处被捕获，从而形成镜表面。

9.根据权利要求7所述的变焦透镜，其中施加磁场，从而将造成所述铁磁流体的不透明的颗粒向所述弯月面(18)的顶点区域(26)的方向转移，由此在所述第二流体内产生透明区域，所述第一流体以及所述第二流体的透明区域具有不同的折射率。

10.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第一流体(14)和所述第二流体(16)具有相同的密度。

11.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中一种流体(14，16)亲水，而另一种流体(14、16)亲油。

12.一种包括根据前述任一项权利要求所述的变焦透镜(10)的光学装置。

13.一种包括根据权利要求1至11任一项所述的变焦透镜(10)的图像捕捉装置(40)。

14.一种包括根据权利要求1至11任一项所述的变焦透镜(10)的光学记录装置。

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