CN101194188A - 具有两个弯月面的变焦流体透镜 - Google Patents

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Abstract

描述了变焦透镜和变焦透镜的操作方法。该变焦透镜具有光轴(19)。该透镜包括第一和第二透镜元件。第一透镜元件包括在延伸横跨该光轴的第一弯月面(132)上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率。第二透镜元件包括在延伸横跨该光轴的第二弯月面(134)上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率。弯月面控制器被布置为控制每个弯月面的形状。该弯月面控制器(110)被布置为控制弯月面的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面产生的球形像差的量所补偿。可将这样的变焦透镜并入到各种设备中，这些设备包括光学扫描装置、相机、显微镜或望远镜。

Description

具有两个弯月面的变焦流体透镜
本发明涉及变焦透镜，涉及操作这样的变焦透镜的方法，涉及包括这样的变焦透镜的设备，包括相机、光学扫描装置、显微镜和望远镜，并涉及制造这样的变焦透镜和这样的设备的方法。
变焦透镜是具有可变焦点的透镜。变焦透镜用于多种应用，如在相机、显微镜或天文学中允许图像的聚焦，或可替换地，改变诸如光学扫描装置之类的设备中的物镜的共轭距离。
变焦透镜存在于广泛种类的配置中。可通过机械地移动至少一个透镜或透镜组来形成变焦透镜。这样的机械透镜相对昂贵，易于疲劳，并且容易受到振动的影响。可替换地，已知有可切换透镜，其中通过切换透镜的配置来实现焦距的改变。一些可切换透镜由液晶形成，其中液晶的主轴可在至少两个方向上切换。切换液晶分子的定向来由此改变入射的极化光所经历的透镜的折射率，并从而改变焦距。
已知有由在弯月面上接触的不融合流体形成的其他可切换透镜。流体具有不同的折射率。对弯月面形状的改变提供了对透镜的焦距的改变。国际专利申请号PCT/IB03/00222(公开为WO 03/069380 A1)描述了这样的变焦透镜，其中经由电润湿效应来改变弯月面的形状。
尽管这样的可切换透镜通常较廉价且不易受到机械效应的影响，但是改变液晶或电润湿透镜的焦距一般会导致产生不希望的球形像差(aberration)。
本发明的实施例的一个目的是提供一种变焦透镜，其解决在此描述或未描述的现有技术中的一个或多个问题。本发明的特定实施例的一个目的是提供一种相对廉价的变焦透镜，其基本没有球形像差。
根据本发明的第一方面，提供了一种具有光轴的变焦透镜，该透镜包括：第一透镜元件，包括在延伸横跨该光轴的第一弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴的第二弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；以及弯月面控制器，被布置为控制每个弯月面的形状，其中所述弯月面控制器被布置为控制弯月面的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面产生的球形像差的量所补偿。
这样的变焦透镜利用使得由第一弯月面产生的球形像差量基本上被由第二弯月面产生的球形像差量所补偿的、对弯月面形状的设置。这样的配置允许形成这样的变焦透镜，其提供连续的焦距范围而基本没有球形像差。
弯月面控制器可被布置为控制每个弯月面的形状，以确保弯月面提供的球形像差的净量小于200mλOPDrms。
弯月面控制器可被布置为控制每个弯月面的形状，以确保弯月面提供的球形像差的净量小于100mλOPDrms。
弯月面控制器可被布置为控制每个弯月面的形状，以使由弯月面提供的球形像差的净量小于衍射极限。
可由包含第一、第二和第三流体的单个公共流体腔限定所述第一透镜元件和第二透镜元件，所述第一和第二流体是所述第一透镜元件中的所述两种流体，并且所述第二和第三流体是所述第二透镜元件中的所述两种流体。
弯月面控制器可被布置为改变每个弯月面的曲率半径。
该透镜还包括弯月面检测器，被布置为检测所述弯月面中的至少一个的位置，并向弯月面控制器提供指示所测得的位置的信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括如上所述的变焦透镜的设备。
该设备还可包括球形像差检测器，用于确定透射通过变焦透镜的辐射束的球形像差，并被布置为向弯月面控制器提供指示所检测到的球形像差的信号。
该设备可包括以下中的至少一个：光学扫描装置、相机、移动电话、显微镜、以及望远镜。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造具有光轴的变焦透镜的方法，该方法包括：提供第一透镜元件，包括在延伸横跨该光轴的第一弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；提供第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴的第二弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；以及提供弯月面控制器，被布置为控制每个弯月面的形状，其中所述弯月面控制器被布置为控制弯月面的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面产生的球形像差的量所补偿。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作具有光轴的变焦透镜的方法，该透镜包括：第一透镜元件，包括在延伸跨横该光轴的第一弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴的第二弯月面上接触的两种流体，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；该方法包括：控制每个弯月面的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面产生的球形像差的量所补偿。
该方法还可包括：接收指示透镜的期望焦距的信号；以及读取指示每个弯月面的期望形状的数据以提供该期望焦距。
该方法还可包括：确定所述弯月面中的至少一个的形状，以确定其他弯月面的期望形状。
该方法还可包括：确定指示测量透射通过变焦透镜的辐射束的球形像差的信号；以及控制每个弯月面的形状以减少向辐射束提供的净球形像差。
弯月面控制器可被配置为通过电润湿效应来控制所述弯月面中的至少一个的形状。
所述透镜元件中的至少一个可包括流体腔，其包含两种相应的流体；所述方法还包括：通过调整腔内包含的每种流体的体积，控制包括所述腔的所述透镜元件的弯月面的形状。
下文中，将仅仅通过示例的方式、参照附图来描述本发明的实施例，附图中：
图1是说明根据本发明实施例的装置中的变焦透镜的布局的示意图；
图2是说明并入了根据本发明实施例的变焦透镜的光学扫描装置的示意图；
图3是根据本发明实施例的使用电润湿效应来控制的变焦透镜的示意图；以及
图4是用于在根据本发明的进一步实施例的变焦透镜中使用的、利用泵控制的透镜元件的示意图。
本发明人已经意识到，通过提供包括两个弯月面的、基于流体的透镜，可形成提供最小的球形像差的、基于流体的变焦透镜。透镜的总体焦距由两个弯月面的形状确定。通过控制弯月面的形状，以使得由一个弯月面产生的球形像差的量基本上被第二弯月面产生的球形像差的量所补偿，可形成相对没有球形像差的透镜。
每个弯月面是两种各自不融合(非融合)流体之间的界面，两种流体的每一种都具有不同的折射率。
每个弯月面将定义各自的焦距，这取决于该弯月面的形状。变焦透镜的净焦距或焦距长度取决于弯月面的组合焦距。对于每个弯月面，曲率半径定义了焦距。因此，对于变焦透镜的任何给定的焦距，会存在用来实现该焦距的、弯月面的两个半径的无数个组合。每个弯月面的每个设置将带来预定量的球形像差。因此，为使得整体变焦透镜基本上无球形像差，将弯月面的设置选取为使得由第一弯月面产生的球形像差量基本上由第二弯月面的球形像差量所补偿。可以为连续的透镜焦距范围来执行此。
可通过利用查找表来执行对每个弯月面形状的确定。换言之，形成数据库，其并入了指示每个弯月面的期望形状(例如，曲率半径)以向变焦透镜提供具有每个期望的焦距的数据，其中该变焦透镜在所有焦距上基本无像差。
可替换地，可动态地控制每个弯月面的形状。例如，可确定指示透射通过变焦透镜的辐射束的球形像差的品质信号。然后控制每个弯月面的形状，以优化该品质信号，但保持期望的焦距。例如，可改变每个弯月面的形状，然后重新测量品质信号，经过多次迭代来确定弯月面的最优形状/设置。可利用优化算法，例如基于最速下降方法，来执行此优化。
图1是并入到设备100中的变焦透镜130的示意图。
可将变焦透镜130当作由两个透镜元件形成。第一透镜元件包括在第一弯月面132上接触的两种流体，即第一弯月面132是两种流体之间的界面。这两种流体是非融合的，并且具有不同的折射率。第一流体具有折射率n1，另一流体具有不同的折射率n2。
第二透镜元件也包括在第二弯月面134上接触的两种流体。同样，这些流体是非融合的，并且具有不同的折射率。在图1中，第二透镜元件中的流体分别具有折射率n2和n3。在此特定实施例中，构想两个透镜元件由三种流体定义。由此，折射率为n2的单一公共流体分离开弯月面132和134。
变焦透镜130具有光轴19，并让两个弯月面横穿(横跨)该光轴。图1还示出了弯月面控制器110，其用来可控地改变每个弯月面132、134的形状。
为了易于计算，在此特定实施例中，假定两个弯月面132、134之间的间距d可忽略不计。入射辐射束120是平行束，具有入射光瞳半径h(即，入射辐射束1 20的束腰具有半径h)。取K1和K2分别为第一和第二弯月面的光功率，并定义K为变焦透镜130的总功率，给出：
K 1 = n 2 - n 1 r 1 - - - [ 1 ]
K 2 = n 3 - n 2 r 2 - - - [ 2 ]
K＝K1+K2    [3]
其中，r1是第一弯月面132的曲率半径，r2是第二弯月面134的曲率半径。当r1和r2所代表的弯月面从折射率n2的第二流体的角度来看表现为凸时，r1和r2都定义为正。
将参数β定义为第二弯月面的放大率，且由下式给出：
β = n 2 l ′ n 3 l = K 1 K 1 + K 2 - - - [ 4 ]
其中l是第一弯月面的焦距(到焦点F1)，而l’是从两个弯月面132、134的组合焦距得出的变焦透镜130的焦距。换言之，入射平行辐射束120将被聚焦到距弯月面132、134(其具有可忽略不计的间距)的距离l’处的焦点F12上。
根据近轴计算，结合三阶波前像差分析(Seidel像差)，该系统的三阶波前像差ΔW是：
ΔW = 1 8 h 4 [ - n 1 2 K 1 3 n 2 2 ( n 2 - n 1 ) 2 + ( 1 - β ) ( n 2 - n 3 β ) 2 ( n 3 2 β - n 2 2 ) ( K 1 + K 2 ) 4 ( n 3 - n 2 ) 2 n 2 2 n 3 2 K 2 ] - - - [ 5 ]
(例如，见W.T.Welford的“Aberrations of optical systems”，由Adam Hilger出版，ISBN 0-85274-564-8)。
因此，为使得变焦透镜基本无球形像差，必须用ΔW＝0来求解方程[5]给出的三阶近似值。通过适当地选取构成变焦透镜的流体(具体地，折射率n1、n2和n3)，可形成透镜，对于该透镜，存在使得变焦透镜在连续的焦距范围上基本无像差的半径r1和r2的设置。
表I说明了此方程5的各种解，其示出了可如何形成各种无球形像差的透镜。表I示出了对于解ΔW＝0，当n1＝1.5、n2＝1.35、n3＝1.38时K1和K2的值。
表I
  透镜光功率(K)[mm-1]     第一弯月面光功率(K1)[mm-1]   第二弯月面光功率(K2)[mm-1]     第一弯月面的曲率半径(r1)[mm]     第二弯月面的曲率半径(r2)[mm]
    -0.2     -0.30425   0.10425     0.49302     0.28777
    -0.1     -0.15213   0.05213     0.98600     0.57548
    0     0   0     无穷     无穷
    0.1     0.15213   -0.05213     -0.98600     -0.57548
    0.2     0.30425   -0.10425     -0.49302     -0.28777
在以上实施例中，假定变焦透镜的净球形像差至少对于三阶像差分析是无像差的。然而，将意识到，这仅仅是对可将该系统形成为无球形像差的程度的一种量度。球形像差影响设备的精确度将确定从设备内的透镜中消除球形像差的期望程度。例如，在一些应用中，可能期望球形像差的程度是使得球形像差的效应小于衍射极限。
优选地，如果OPDrms＜200mλ，则将设备看作是基本无球形像差，其中OPDrms是在辐射束的波前两端的光径长度差均方根。更优选地，OPDrms＜100mλ，更加优选地，OPDrms＜70mλ。如果OPDrms小于或等于70mλ，则将辐射束的球形像差程度认为是小于衍射极限。
现在将描述变焦透镜的示例，其结构总体上类似于图1所示的结构。该透镜具有1.5mm的入射光瞳直径。该透镜对于波长405mm的入射辐射基本无像差。三种流体的折射率是n1＝1.60、n2＝1.34、n3＝1.61。两个弯月面间隔开距离，其中D是从最后弯月面到焦点的距离(例如，在图1中，D将对应于从弯月面134到F12的距离)。仅仅为简化计算，不考虑在弯月面改变形状时在弯月面之间的间距的平移。
表II提供了这样的变焦透镜的适当设置，其得到基本为0的球形像差。对于较小值的D，像差的增加是由于数值孔径的增加。以mλ为单位(其中λ是入射辐射的波长)，将球形像差表达为光径长度差均方根。如果光径长度差的均方根小于70mλ，则将变焦透镜当作是无球形像差的。
表II
    D[mm]   第一弯月面的曲率半径(r1)[mm]   第二弯月面的曲率半径(r2)[mm]   均方根光径长度差[mλ]
    15     -6.323     4.119     21.3
    20     -8.415     5.478     9.0
    25     -10.509     6.840     4.7
    30     -12.603     8.201     2.7
图1中示出的设备100可以是可期望并入变焦透镜的任何设备，例如，该设备可以是相机、显微镜、望远镜或光学扫描装置。可替换地，该设备可以是并入任何前述设备的任何装置，例如，该设备可以是移动电话、个人数字助理(PDA)、计算机或并入相机的电子玩具。术语相机用来包括静止画面(照片)相机和摄像机这两者。相机可以是胶卷或数码相机。
例如，图2示出用于借助于第一辐射束4来扫描第一光学记录载体3的第一信息层2的装置1，该装置包括物镜系统8。
光学记录载体3包括透明层5，在其一侧上布置了信息层2。面向远离透明层5的信息层2的一侧由保护层6保护以不受环境影响。面对装置的透明层的一侧被称为进入面。透明层5通过提供对信息层2的机械支撑来充当光学记录载体3的基底。可替换地，透明层5可具有保护信息层的单一功能，而由信息层2的另一侧上的层来提供机械支撑，例如，由保护层6或由附加信息层和连接到最上面信息层的透明层来提供机械支撑。要注意的是，在如图1所示的这个实施例中，信息层具有对应于透明层5的厚度的第一信息层深度27。信息层2是载体3的表面。
在记录载体的信息层2上，以被布置为基本平行、同心或螺旋的轨道(图中未示出)的光学可检测标记的形式来存储信息。轨道是聚焦的辐射束的光点可跟随的路径。该标记可以是任何光学可读的形式，例如，以如下形式：凹槽、具有反射系数的区域、或不同于周围的磁化方向、或这些形式的组合。在此情况下，光学记录载体3具有盘的形状。
如图2所示，光学扫描装置1包括辐射源7、准直透镜18、分束器9和具有光轴19a的物镜系统8，还包括变焦透镜30、以及检测系统10。另外，光学扫描装置1包括伺服电路11、聚焦致动器12、径向致动器13、以及用于纠错的信息处理单元14。
在此特定实施例中，辐射源7被布置用于连续地或分离地供应第一辐射束4、第一辐射束4’和第三辐射束4”。例如，辐射源7可包括用于连续供应辐射束4、4’和4”中的两个的可调半导体激光器，以及供应第三束的分散激光器，或者包括用于分离地供应这些辐射束的三个半导体激光器。
辐射束4具有波长λ1和极性p1，辐射束4’具有波长λ2和极性p2，辐射束4”具有波长λ3和极性p3。波长λ1、λ2和λ3都不同。优选地，任何两个波长之间的差等于或高于20nm，并且更优选为50nm。极性p1、p2和p3中的两个或更多个可相互不同。
准直透镜18被布置在光轴19a上，用于将发散辐射束4变换为基本准直的束20。类似地，其将辐射束4’和4”分别变换为两个基本准直束20’和20”(图2中未示出)。
分束器9被布置用于沿着朝向物镜系统8的光径来透射辐射束。在所示例子中，通过透射通过分束器9，向着物镜系统8透射辐射束。优选地，利用相对于光轴倾斜角度α的面平行平板来形成分束器9，更优选地，α＝45°。在这个特定实施例中，物镜系统8的光轴19a与辐射源7的光轴是相同的。
物镜系统8被布置用于将准直辐射束20变换为第一聚焦辐射束15，以便在信息层2的位置中形成第一扫描光点16。
在扫描期间，记录载体3在主轴(图2中未示出)上旋转，然后，通过透明层5来扫描信息层2。聚焦辐射束15在信息层2上反射，由此形成反射束21，其在前向汇聚束15的光径上返回。物镜系统8将反射辐射束21变换为反射准直辐射束22。
通过沿着朝向检测系统10的光径透射至少部分的反射束22，分束器9从反射辐射束22中分离出前向辐射束20。在所示例子中，通过从分束器9内的板上反射，以朝向检测系统10透射该反射辐射束22。在所示的特定实施例中，分束器9是极化分束器。沿着光轴19a在分束器9和物镜系统8之间定位四分之一波板9’。四分之一波板9’和极化分束器9的组合确保大部分的反射辐射束22沿着检测系统光轴19b朝向检测系统10透射。由于分束器9朝向检测系统10透射至少部分的反射辐射22，所以检测系统光轴19b是光轴19a的延续。由此，物镜系统光轴包括附图标记19a和19b所指示的轴。
检测系统10包括汇聚透镜25和检测器23，它们被布置用于捕获反射辐射束22的所述部分。
根据本发明实施例的变焦透镜30位于分束器9和检测器23之间的光径上。优选地，变焦透镜30位于分束器9和汇聚透镜25之间。利用变焦透镜30来控制反射辐射束22的所述部分的聚焦。
在许多现有技术的光学扫描装置中，由不同辐射束形成的图像将位于不同的轴向位置处。这可能是由于为不同的辐射束使用不同的共轭设置和/或辐射源位于不同的轴向位置上。为了补偿图像的不同轴向位置，在许多实例中，现有技术的光学扫描装置将包含用于不同辐射束的不同检测器。这增加了这样的光学扫描装置的成本和尺寸二者。
在这里描述的实施例中，为解决图像的不同轴向位置的问题，调整变焦透镜30的焦距，以便确保来自不同辐射束的光点被聚焦到相同的图像平面(即，信息检测器的图像平面)上。因此，可利用单个信息检测器。在现有技术的变焦透镜中，调整焦距会产生不同量的不想要球形像差。通过变焦透镜30来回避此问题。
控制变焦透镜30的弯月面以便提供期望的焦距，但确保两个弯月面的组合所产生的球形像差的净量是可忽略不计的，即，使得变焦透镜所产生的球形像差足够小到不会影响光学扫描装置的性能。
检测器23被布置为将反射束的所述部分转换为一个或多个电信号。
信号之一是信息信号，其值代表在信息层2上扫描的信息。由信息处理单元14处理信息信号以便进行纠错。
来自检测系统10的其他信号是聚焦误差信号和径向寻轨误差信号。聚焦误差信号代表沿着Z轴在扫描光点16和信息层2中的位置之间的、在高度方面的轴向差。优选地，通过从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijiser等的书“Principles of Optical Disc Systems”，第75-80页(Adam Hilger 1985，ISBN 0-85274-785-3)等等可知的“散光方法”来形成此信号。径向寻轨误差信号代表信息层2的XY平面上、在扫描光点16和扫描光点16要跟随的信息层2中的轨道中心之间的距离。可根据也从前述的G.Bouwhuis的书第70-73页可知的“径向推挽方法”来形成此信号。
伺服电路11被布置用于响应于聚焦和径向寻轨误差信号来提供用于分别控制聚焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号。聚焦致动器12沿着Z轴控制物镜8的位置，由此控制扫描光点16的位置，以便其基本与信息层2的平面相一致。通过改变物镜8的位置，径向致动器13控制扫描光点16的径向位置，以便其基本与信息层2中要跟随的轨道的中心线相一致。
物镜8被布置用于将准直辐射束20变换为具有第一数值孔径NA1的聚焦辐射束15，以便形成扫描光点16。换言之，光学扫描装置1能够借助于具有波长λ1、极性p1和数值孔径NA1的辐射束15来扫描第一信息层2。
另外，这个实施例中的光学扫描装置还能够借助于辐射束4’来扫描第二光学记录载体3’的第二信息层2’，以及借助于辐射束4”来扫描第三光学记录载体3”的第三信息层2”。因此，物镜系统8将准直辐射束20’变换为具有第二数值孔径NA2的第二聚焦辐射束15’，以便在信息层2’的位置上形成第二扫描光点16’。物镜8还将准直辐射束20”变换为具有第三数值孔径NA3的第三聚焦辐射束15”，以便在信息层2”的位置上形成第三扫描光点16”。
可利用在提供误差信号时使用的两个附加光点来形成扫描光点16、16’、16”中的任何一个或多个。可通过在光束20的路径上提供合适的衍射元件来形成这些相关联的附加光点。
类似于光学记录载体3，光学记录载体3’包括第二透明层5’，在第二透明层5’的一侧上布置了具有第二信息层深度27’的信息层2’，并且光学记录载体3”包括第三透明层5”，在三透明层5”的一侧上布置了具有第三信息层深度27”的信息层2”。
可使用弯月面控制器以基本无球形像差的操作来控制变焦透镜30内的弯月面，其中该弯月面控制器接收指示正被扫描的光学记录载体的类型的信息(例如，此信号指示变焦透镜的期望焦距)，然后控制器(例如，从存储器或查找表)读取指示提供该变焦透镜的期望焦距所需的每个弯月面的期望形状的数据。
可替换地，检测系统10还可检测球形像差和/和光点聚焦点，并向伺服电路11提供透镜控制信号，用于控制变焦透镜30的操作。因此，使用球形像差信号作为品质信号，作为用来确定每个弯月面的形状(曲率半径)的最佳设置的输入，以便为给定的期望焦距实现最佳操作，即让变焦透镜提供基本净球形像差。该给定的期望焦距为在由检测系统10确定的聚焦误差信号最小时的焦距。
在这个实施例中，仅仅通过示例的方式说明了光学记录载体3、3’和3”分别是“蓝光盘”格式的盘、DVD格式的盘以及CD格式的盘。因此，波长λ1在365到445nm的范围内，优选是405nm。数值孔径NA1在读模式和写模式下都等于大约0.85。波长λ2在620到700nm的范围内，优选是650nm。数值孔径NA2在读模式等于大约0.6，在写模式下大于0.6(优选是0.65)。波长λ3在740到820nm的范围内，优选是785nm。数值孔径NA3低于0.5，对于从CD格式的盘读信息优选为0.45，并且对于向CD格式的盘写信息优选在0.5和0.55之间。
在本发明的替代实施例中，在此描述的变焦透镜30形成显微镜的一部分。显微镜物镜将试件发出的光变换为平行束。在现有技术的装置中，这一般通过机械地移动物镜来使得物镜的焦点与试件一致来完成。如果使用普通的现有技术液体透镜来执行这个聚焦操作(通过改变液体透镜的焦距)，这通常会将不同量的像差引入到光束中，由此恶化光束的光学品质。通过使用在此所述的变焦透镜，可改变变焦透镜的焦距，而不会向光束中引入球形像差。
可使用各种技术来执行改变两种流体之间的弯月面的形状的操作。可利用电润湿效应来改变弯月面的形状(例如，曲率半径)。例如，国际专利申请WO 99/18456和WO 00/58763公开了变焦透镜。
可根据任何一种这样的已知变焦透镜来形成根据本发明实施例的第一和第二透镜元件，其中利用添加合适的电压控制来确保：施加到每个透镜元件中的流体的电压确保每个透镜元件内的弯月面的形状是合适的。换言之，在分离的流体腔或室内形成每个弯月面。由此，通过顺序放置两个(或更多个)这样的透镜元件、并让公共光轴延伸通过每个透镜元件，来形成根据本发明实施例的变焦透镜。因此，每个透镜元件包括在横跨光轴延伸的弯月面上接触的两种流体，其中每个透镜元件的两种流体是不可融合的，并具有不同的折射率。第二透镜元件可利用第一透镜元件中的相同流体，或者利用一个或多个不同的流体。
可替换地，且更优选地，在单个公共腔内形成两个弯月面，并利用单个流体分开两个弯月面(例如，如图1所示)。图3示出了根据本发明实施例的电润湿透镜30的一个示例。变焦透镜330总体上类似于在国际专利申请No.PCT/IB2003/004595(公开为WO2004/038480)中描述的缩放透镜。
变焦透镜330包括腔300。三种流体A、B、B’位于腔300内。在这个实施例中，腔300是由侧壁306和端壁302、304限定的圆柱腔。光轴19延伸通过该腔。由腔内的三种流体A、B、B’限定两个弯月面332、334。每个弯月面332、334延伸横跨光轴19。腔300内的三种流体A、B、B’中的至少一种是电敏感的(即，该流体受电场施加的影响)，而至少一种流体是非电敏感的。
在此具体实施例中，流体A是非电敏感的，例如，它是诸如油或烷烃之类的绝缘体。流体B、B’是电敏感的，例如，流体B、B’是诸如盐水溶液之类的导电流体。由流体A、B之间的界面来限定第一弯月面332。流体A和B具有不同的折射率。由流体A、B’之间的界面来限定第二弯月面334。流体A和B’具有不同的折射率。流体B和B’可具有相同的折射率(并且可以是相同的流体)，但在此具体实施例中，它们是具有不同折射率的不同流体。
由光学透明材料(例如玻璃)限定腔的端部302、304。在此具体实施例中，端部302、304也充当用于将电压施加到各个相邻流体B、B’的电极。这可通过用透明电导体(例如，铟锡氧化层)涂覆端部来获得。用绝缘层306(例如，聚对二甲苯)来涂覆圆柱腔300的侧部316。优选地，在聚对二甲苯层的内表面上提供薄疏水涂层(例如，AF-1600)。圆柱电极316由此围绕绝缘圆柱腔侧壁306的外表面延伸。电极216可由金属管构成。
第一电压源312被布置为施加在第一端电极302和圆柱侧电极316两端的电压，以便改变弯月面332的形状。第二电压源314被布置为施加在第二端电极304和圆柱侧电极316两端的电压，以便改变弯月面334的形状。
电润湿是其中在电压的施加下、流体对表面的可润湿性发生改变的现象。这导致弯月面在三相线上的接触角的改变，由此改变了弯月面的形状。三相线是表面和两个相邻流体之间的接触线。例如，弯月面332的三相线是弯月面的周线与圆柱侧壁306接触的点。由此，通过在电极302和316之间施加来自电压源312的电压，可改变表面306的可润湿性，导致三相接触线的改变，随之导致弯月面的曲率半径的改变。类似地，可通过在电极304和316之间施加电压来控制弯月面334的形状。
因此，由电压源312、314以及电极302、304和316来提供弯月面控制器310，其允许控制两个弯月面的形状。弯月面控制器310被布置为控制弯月面的形状，以使得由第一弯月面332产生的球形像差的量基本被由第二弯月面334产生的球形像差的量所补偿。弯月面控制器还被布置为控制弯月面的形状，以允许由变焦透镜330提供一定范围的可变焦距。
然而，应意识到，除了电润湿之外的其他技术也可用来改变每个弯月面的形状。
例如，图4示出了适合于在根据本发明实施例的变焦透镜中使用的透镜元件430。透镜元件430使用泵系统，以改变位于腔400内的流体A、B的量。光轴19延伸透过腔400。腔400具有侧壁410，其具有均匀的可润湿性。腔400形状为截锥形，其中侧壁410为弯曲(与线形相反)。因此，当被限定在流体A、B之间的弯月面432沿着光轴移动时，弯月面的形状改变。这是因为由于表面的可润湿性是均匀的，所以弯月面432试图维持恒定的三相接触角。为了保持这个恒定的三相接触角，由于侧壁相对于光轴19的角度随着沿光轴19的距离而改变，所以弯月面的形状在其沿着光轴19移动时发生改变。
入口402、404在腔400的各端连接到泵406。利用泵406来改变腔内的不可融合流体A、B的各自的体积，以便改变弯月面沿着光轴的位置。因此，泵406起弯月面控制器的作用，用来通过沿着光轴移动弯月面432来改变弯月面432的形状。利用适当的控制器来提供与图430中所示的透镜元件串联的类似透镜元件，以便确保由两个透镜元件形成的变焦透镜向预定波长和波长范围的入射辐射提供可忽略不计的球形像差。
在替代实施例中，结合弯月面对壁的固定来使用图4的配置。可通过壁的几何形状和可润湿性的急剧改变，将弯月面周线固定到壁上的特定位置上。这样，由泵吸引起的体积改变会带来弯月面形状的改变，而不是位置的改变。
如在此所述的，变焦透镜包括两个弯月面。弯月面控制器被布置为控制弯月面的形状，使得由第一弯月面产生的球形像差的量基本被由第二弯月面产生的球形像差的量所补偿。这允许在一定焦距范围(和/或一定的入射辐射的波长范围)上调节变焦透镜，以提供合适的、提供可忽略不计的球形像差的变焦透镜。由此，可提供相对便宜的、无球形像差的变焦透镜，而不容易受到振动的影响。

Claims (17)

1.一种具有光轴(19)的变焦透镜(130；30；330)，该透镜包括：
第一透镜元件(430)，包括在延伸横跨该光轴(19)的第一弯月面(132；332；432)上接触的两种流体(A，B)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；
第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴(19)的第二弯月面(134；334)上接触的两种流体(A，B’)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；以及
弯月面控制器(110；312；314；406)，被布置为控制每个弯月面的形状，
其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为控制弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面(132；332；432)产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面(134；334)产生的球形像差的量所补偿。
2.如权利要求1所述的透镜，其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为控制每个弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以确保由所述弯月面(132；134；332；334；432)提供的球形像差的净量小于200mλOPDrms。
3.如权利要求1所述的透镜，其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为控制每个弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以确保由所述弯月面(132；134；332；334；432)提供的球形像差的净量小于100mλOPDrms。
4.如前述任一权利要求所述的透镜，其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为控制每个弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以使得由所述弯月面(132；134；332；334；432)提供的球形像差的净量小于衍射极限。
5.如前述任一权利要求所述的透镜，其中由包含第一、第二和第三流体(B，A，B’)的单个公共流体腔(310，410)限定所述第一透镜元件和第二透镜元件，所述第一和第二流体(B，A)是所述第一透镜元件的所述两种流体，并且所述第二和第三流体(A，B’)是所述第二透镜元件的所述两种流体。
6.如前述任一权利要求所述的透镜，其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为改变每个弯月面的曲率半径。
7.如前述任一权利要求所述的透镜，还包括弯月面检测器(110)，被布置为检测所述弯月面中的至少一个的位置，并向所述弯月面控制器提供指示所测得的位置的信号。
8.一种包括如前述任一权利要求所述的变焦透镜(130；30；330)的设备(100；1)。
9.如权利要求8所述的设备，还包括球形像差检测器(10)，用于确定透射通过所述变焦透镜(30)的辐射束的球形像差，并被布置为向所述弯月面控制器提供指示所检测到的球形像差的信号。
10.如权利要求8或权利要求9所述的设备，其中所述设备(100；1)包括以下中的至少一个：
光学扫描装置(1)、相机、移动电话、显微镜、以及望远镜。
11.一种制造具有光轴(19)的变焦透镜的方法，该方法包括：
提供第一透镜元件(430)，包括在延伸横跨该光轴(19)的第一弯月面(132；332；432)上接触的两种流体(A，B)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；
提供第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴(19)的第二弯月面上接触的两种流体(A，B’)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；以及
提供弯月面控制器(110；312；314；406)，其被布置为控制每个弯月面的形状，
其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被布置为控制所述弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，由第一弯月面(132；332；432)产生的球形像差的量基本上被由第二弯月面(134；334)产生的球形像差的量所补偿。
12.一种操作具有光轴(19)的变焦透镜(130；30；330)的方法，该透镜包括：第一透镜元件，包括在延伸横跨该光轴(19)的第一弯月面(132；332；432)上接触的两种流体(A，B)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；第二透镜元件，包括在延伸横跨该光轴(19)的第二弯月面(134；334)上接触的两种流体(A，B’)，所述流体是不可融合的并且具有不同的折射率；
该方法包括：
控制每个弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以使得对于至少预定波长的辐射，第一弯月面(132；332；432)的球形像差基本补偿第二弯月面(134；334)的球形像差。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
接收指示透镜(130；30；330)的期望焦距的信号；以及
读取指示每个弯月面(132；134；332；334；432)的期望形状的数据，以提供该期望焦距。
14.如权利要求12或权利要求13所述的方法，还包括：
确定所述弯月面(132；134；332；334；432)中的至少一个的形状，以确定其他弯月面的期望形状。
15.如权利要求12-14的任一个所述的方法，还包括：
确定指示对透射通过变焦透镜的辐射束的球形像差进行测量的信号；以及
控制每个弯月面(132；134；332；334；432)的形状，以减少向辐射束提供的净球形像差。
16.如权利要求12-15的任一个所述的方法，其中所述弯月面控制器(110；312；314；406)被配置为通过电润湿效应来控制所述弯月面(132；134；332；334；432)中的至少一个的形状。
17.如权利要求12-16的任一个所述的方法，其中所述透镜元件中的至少一个包括流体腔(300；410)，其包含两种相应的流体；
所述方法还包括：
通过调整所述腔(300；410)内包含的每种流体(B，A，B’)的体积，来控制包括腔的所述透镜元件的弯月面的形状。
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