CN100501457C - 光学元件 - Google Patents

Abstract

一种光学元件包括流体箱和用于在该流体箱的至少一部分上提供磁场的装置。该流体箱具有侧面部分和末端部分，并容纳有第一流体和第二流体。这些流体互不混溶，并且第二流体可以受磁场影响。该流体箱的末端部分仅通过该侧面部分连接在一起。

Description

光学元件

技术领域

本发明涉及一种光学元件。诸如透镜、快门和光阑(diaphragm)的光学元件用于诸如照相机的光学装置中。

背景技术

诸如第三代移动电话的移动多媒体装置中照相机的出现，使得提供轻便小巧并提供良好的光学特性的光学元件成了研究的重点。最终，发展了所谓的流体聚焦透镜。

例如，美国专利US 69449081揭露了一种光学元件以及使用该元件的光学装置。该光学元件具有第一流体和导电或极性的第二流体，该第一流体和第二流体彼此互不混溶，并且被限定在第一支撑体和第二支撑体之间密封的空间内。该第一流体和该第二流体的透光率互不相同。通过改变施加至该第二流体的电压，可以改变该第一流体和该第二流体之间的界面形状，从而改变通过该光学元件的光量。

这种透镜被称为电润湿透镜，在常规操作中具有相对低的能量消耗，并且对电压的变化反应灵敏。然而，为了改变该两流体间的关系，该电润湿透镜需要巨大的转换电压，这就限制了两流体间弯月半径能够获得的变化。

日本专利申请公开62-105125揭露了一种光阑，该光阑具有磁性流体和嵌入并坚固地封闭保存在透明容器内的透明液体。隔离物位于中央部分，该隔离物和该透明容器由具有相同质量或相同光学特性或相同组成成分的物质构成。轴向被磁化的环形磁体与该容器同轴地相邻配置，且环形线圈同轴地配置在该容器的外围部分。当该线圈不导电时，该磁性流体受该磁体的磁场作用，成环状地固定在该外围部分的较低端，并且当DC电流流过线圈时，在轴向产生了磁场，且该环状固定的磁性流体开始变形，并向着轴中心进行延伸，且具有了光阑效应。

该专利申请的光阑具有许多缺点，主要在于它的设计过于复杂，并且作为其结果的装置在其应用领域是有限的。它具有固定的磁体和产生相反磁场的线圈，并且在流体箱内提供有中央隔离物，所有这些都导致该装置在制造时难度较大并且成本较高。该装置本身只能作为光阑使用，而不能用作透镜或快门使用。

发明内容

本发明的目的就是对现有技术进行改进。

根据本发明的第一方面，提供一种光学元件，包括流体箱，该流体箱具有侧面部分和末端部分，并且容纳有第一流体和第二流体，这些流体互不混溶，并且第二流体可以受磁场的影响，还包括在该流体箱的至少一部分上提供磁场的装置，其中该流体箱的末端部分仅仅通过该侧面部分连接在一起。

根据本发明，可能提供一种能够提供多种光学功能的光学元件，其制造上相对简单和廉价，并且在操作中不需要电润湿流体聚焦透镜的大的电压。由于该流体箱的末端部分只通过侧面部分连接在一起，使得穿过该流体箱宽度的光路不会出现中断的现象。

优选的，该流体箱的末端部分基本上是平的。对于流体箱这是最简单的一种布置，最容易制造，并且可以保证通过该流体箱的光路中的中断最少。

在一个有利的实施例中，第二流体与该流体箱的第一末端部分接触，并且该磁场可以使第二流体移动，从而使得第一流体和该第一末端部分接触。这支持了该光学元件作为光阑的应用。

有利的，该流体箱的一个末端部分与该第一流体相排斥，或该流体箱的一个末端部分具有与第一流体相排斥的涂层。通过排斥第一流体，在磁场不存在的情况下，该出射窗(exit window)的结构帮助流体返回到它们的原始位置。

优选地，第二流体是铁磁流体。铁磁流体是一种这样的流体：当暴露于磁场时，具有向具有最大磁场密度的位置移动的趋势，并且这理想地适合用于该光学元件中。

理想地，该流体箱的侧面部分包括基本上呈圆柱形的壁。这构成了该流体箱最简单的实施例，并且容易制造以及在利用该光学元件的任何一种装置中使用最简单。

有利地，用于在该流体箱的至少一部分上提供磁场的装置包括产生梯度磁场的电压源，并且该电压源包含一个或多个围绕该流体箱的线圈。如上述所述，这是磁场源的最简单的实施例。

优选的，第一流体是透明的，且第二流体是不透明的，或者第一流体是透明的，且第二流体是部分透明的。根据将要利用光学元件的应用，这两个独立的实施例将会产生不同类型的光学元件。

附图说明

只是作为例子，现在将要参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是光学元件在三个不同操作位置的示意图，

图2是第二实施例的光学元件在三个不同操作位置的示意图，

图3是第三实施例的光学元件在两个不同操作位置的示意图，以及

图4是包括一实施例的该光学元件的图像获取装置的示意图。

具体实施方式

图1中，光学元件10包括流体箱12，该流体箱12具有侧面部分14和末端部分16和18。该末端部分16和18作为(光的)入射窗16和出射窗18。该流体箱12的侧面部分14包括基本上呈圆柱形的壁14。该流体箱12的末端部分16和18仅仅通过该侧面部分14连接在一起。该末端部分16和18基本上是平的。

该流体箱容纳有第一流体20和第二流体22，该流体20和22是互不混溶的。该第二流体22与第一末端部分18(出射窗18)接触并且可以受磁场的影响。该光学元件10还包括用于在流体箱12的至少一部分上提供磁场的装置24，该装置24为用于产生梯度磁场的电压源24。在图1的实施例中，该电压源24包括围绕该流体箱12的线圈26。

图1的实施例以其三个不同操作状态示出。该光学元件10的三个视图中左边的那个表示的是没有磁场存在时，该元件10处于正常位置。该第一流体20是透明的，而该第二流体22是不透明的。任何通过入射窗16进入到该流体箱12的光都不能通过该箱12，这是由于为铁磁流体的不透明的第二流体22防止了光的通过。当处于这个位置的该光学元件10用作快门时，防止光到达数码相机中的照相胶片，或更可能光线检测表面。

在该光学元件10的第二个中间视图中，该电压源24通过该线圈26在包含铁磁流体22的该流体箱12的该部分上产生磁场。该铁磁流体22受该产生磁场的影响并且移动到与该光学元件10的中间视图中所示的位置相似的位置。由于该铁磁流体22被拉向该流体箱12的侧面部分14，该磁场可以将该铁磁流体22移动到这样一个位置，使得第一流体20与出射窗18相接触。由于该第一流体20是透明的，使得少量的光将会通过该流体箱12，并且从该出射窗18透出。这用该光学元件的中间视图中该光学元件10的出射窗侧的图中的箭头来表示。

通过该电压源24电压的增加而引起磁场大小的增加，该铁磁流体22向该流体箱12侧面部分的拉伸越来越大。这将导致该流体20和22的位置变化到图1所示的该流体箱12的右手视图中所示的位置上。从这个视图可以看出，该第一流体20与该流体箱12的出射窗18接触的量增加了。

由于第一流体20是透明的，而该铁磁流体的第二流体22是不透明的，随着第一流体20与该流体箱12的出射窗18接触的越多，就会有越多的光通过该流体箱12，并从该出射窗18透出。这在图1的三个视图中右手边的那个中用三个箭头示出，该三个箭头表示从该流体箱12透出的光量。

该电压源24可以使电压在其范围内平稳的变化，这样使得该线圈可以产生各种大小的磁场，这样就可以精确地控制该流体箱12内的两个流体20和22的位置。

一旦电压源24回归到0，围绕该流体箱12的该线圈26就不再为该箱12的两端提供磁场。这时，两个流体20和22将返回到它们的起始位置，返回到该光学元件10在图1的左手视图中所示的布置。第二流体22将再次防止光通过该流体箱12。图1中的该光学元件10的实施例是该光学元件10用作快门或光阑的实施例。在由线圈26产生的磁场的控制下和电压源24的控制下，该两个流体被操作以在短时间内允许少量的光通过该箱12。

为了有助于流体20和22返回到它们的起始位置，并保证两个流体能以独立的单独的量保持(即，当磁场被移开时，防止第一流体20的任一部分留在该流体箱12的出射窗18侧上)，该流体箱12基本呈平的出射窗18与该第一流体20是互相排斥的。

可选的一种解决方式是，在该流体箱12基本呈平的出射窗18上涂有与该第一流体20相排斥的涂层。在这两种例子的任可一种情况中，该出射窗18与该流体20相排斥，这在使磁场不作用于该流体箱12时是很重要的。在这一点上，由于该出射窗由与第一流体20相排斥的材料制成或涂有与第一流体20相排斥的材料，从而可以保证该流体可以返回到图1左边视图中所示的位置。

图2用与图1中所使用的相似的方式示出的光学元件10的三个视图示出了光学元件10的第二实施方式。该光学元件10的物理结构与第一实施例的相同，只是第一流体20是透明的，而第二流体(在图2的第二实施例中附图标记为28)是部分透明的，不像图1的实施例中第二流体22是完全不透明的。

与上述实施例相同，该光学元件10具有流体箱12和包括用于在该流体箱12上提供磁场的线圈26的电压源24。在图2中所示的光学元件10的左手边视图中，该电压源24没有提供电压，相应的也就不存在磁场，少量的光可以通过该箱12。这个光量比从入口侧进入到箱的光量要少，这是因为部分透明的第二流体28会吸收一些进入到该箱12的光。在图2的左手边视图中，该光学元件10的出口侧的箭头表示通过箱12的光。

当电压源24被接通，以便线圈26在该箱12上产生磁场时，第二流体28被吸向磁场方向，并且到达图2的三个视图中中间视图所示的位置。该元件10的光学特性被改变，并且通过该元件10的箱12的光量也被改变。由于第二流体28是部分透明的，从箱12任一特定点处透出的光量都依赖于光通过的第二流体28柱的高度。

图2所示的该光学元件10的第二实施例，主要用于可变光束强度整形元件，根据电压源24的线圈26产生的磁场强度改变通过该元件的光量。在图2的三个视图的中间视图中，该流体箱12出口侧箭头的大小给出了通过该箱12的出射窗18的相对光强度的近似。

随着通过增加流过线圈26的电压加而引起的磁场大小增加，第二流体28进一步受该磁场的影响，并且移动到类似于图2右手边视图所示的位置。该元件10的光学特性进一步被改变，类似的，通过该光学元件10的横截面的光强度轮廓也进一步被改变。

如前所述，对于图1所示的第一实施例，当电压源24被控制使得没有电压通过线圈26时，该磁场就不复存在，且流体箱12内的流体20和28将返回到图2的第一视图所示的布置。再一次地，该箱12的表面可以是亲水性的，这样就与第一流体20相排斥，以有助于两个流体20和28返回到它们各自的原始位置。

图3用两个视图示出该光学元件10的第三实施例。该光学元件10的全部结构都与前边两个实施例相同，其具有容纳有两种互不混溶的流体20和22的流体箱12和限定在该箱12上的入射窗和出射窗。与该光学元件10的第一实施例相同，该流体20是透明的，而流体22是不透明的。还具有产生梯度磁场的电压源24，其包括围绕该流体箱12的线圈26。

然而在该实施例中，当磁场不存在时，两流体20和22的起始位置如图3的左手边视图所示。不像前两个实施例，这两个液体的界面不是平面圆(在圆柱形的流体箱内)，而是有效地形成一个弯曲的弯月形。为了获得这个效果，该出射窗18提供有吸引流体20的圆盘形涂层。可选地，该出射窗18可以吸引流体20，但是涂有环形的排斥涂层。例如，该流体20可以是基于水的；流体22可以是油，该出射窗18由涂有氟硅烷(fluorosilane)的环形涂层的玻璃构成。

如前边的实施例中，图3的该光学元件10用作光阑。该光学元件10根据该流体箱12上磁场的长度改变通过其允许通过的光量。随着电压源24的电压的增加，该磁场的大小增加，且第二流体22被拉向流体箱12的侧面部分。这增加了第一流体20与该箱的出射窗接触的量，从而使得更多的光通过。该出口侧的箭头用于表示透过该箱12的光量的变化。

该箱12的出射窗18可以用几何结构或者环形涂层的组合构图做成环形，通过改变接触角度从而使得该快门或光阑精确地定位于最佳的位置上。这个方法适用于所有三个实施例。

图1中，该箱12的侧壁14应该是一种低磁滞材料，例如无定形含氟聚合物，这样可以使得两液体间的接触线容易地没有粘性地沿着该墙壁滑动。该铁磁流体22可以由载液和分散剂中封装的(含铁的)磁性粒子的毫毫微粒(nanoparticle)所组成。该铁磁流体22可以是基于水的或基于油的。在基于水的铁磁流体的情况下，其他流体20将例如是硅油或烷烃。该这种情况下，该出口壁18应该是疏水的，例如涂有用无定形氟硅烷制成的涂层。在基于油的铁磁流体22的情况下，其他流体20将例如是水或乙二醇(ethylene glycol)。这时该出射窗18应该是亲水的，例如它由玻璃构成。

根据这三个实施例中任何一个制造的光学元件都适合应用在例如照相机的图像捕获装置中，例如图4中所示的。该图中，示出了移动电话40的背面，该背面具有照相机42。该照相机42包含该光学元件10，这里它被作为快门使用，与参照图1描述的实施例相同。该光学元件10没有机械移动部件，并且只需要短时间周期的相对低的电压进行操作。这样使得该快门的效率及功效很高，适于在能量消耗非常重要的情况下使用。这在例如移动电话这样的装置中尤其显得重要，因为它需要充足的能量为移动电话的显示装置和无线通信模块供应能量。

根据这三个实施例中任何一个制造的光学元件适合用于任何光学记录装置中，例如用在CD/DVD兼容的光学记录拾取单元中，用来在读取不同的盘格式，例如CD或DVD盘时，改变光束的数值孔径。

Claims (11)

1.一种光学元件，包括流体箱(12)，该流体箱(12)具有侧面部分(14)和末端部分(16，18)，并容纳有第一流体(20)和第二流体(22)，该第一流体(20)和第二流体(22)互不混溶，并且第二流体(22)能够受磁场影响，还包括用于在该流体箱(12)的至少一部分上提供磁场的装置(24)，该流体箱(12)的末端部分(16，18)仅通过该侧面部分(14)连接在一起，其中该流体箱(12)的末端部分(16，18)中的第一末端部分(18)与该第一流体(20)相排斥或者该流体箱(12)的所述第一末端部分(18)具有与该第一流体(20)相排斥的涂层。

2.根据权利要求1的光学元件，其中该流体箱(12)的末端部分(16，18)基本上是平的。

3.根据权利要求1的光学元件，其中该第二流体(22)与该流体箱(12)的所述第一末端部分(18)相接触，并且该磁场能够移动第二流体(22)，使得第一流体(20)接触到所述第一末端部分(18)。

4.根据上述任何一项权利要求的光学元件，其中该第二流体(22)是铁磁流体(22)。

5.根据权利要求1、2和3中的任何一项的光学元件，其中该流体箱(12)的该侧面部分(14)包括基本上呈圆柱形的壁(14)。

6.根据权利要求1、2和3中的任何一项的光学元件，其中用于在该流体箱的至少一部分上提供磁场的该装置(24)包含用于产生梯度磁场的电压源(24)。

7.根据权利要求6的光学元件，其中该电压源(24)包含有围绕该流体箱(12)的一个或多个线圈(26)。

8.根据权利要求1、2和3中的任何一项的光学元件，其中该第一流体(20)是透明的，且该第二流体(22)是不透明的。

9.根据权利要求1、2和3中的任何一项的光学元件，其中该第一流体(20)是透明的，且该第二流体(22)是部分透明的。

10.一种图像捕获装置，包括根据权利要求1至3中任何一项的光学元件。

11.一种光学记录装置，包括根据权利要求1至3中任何一项的光学元件。

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