CN101346656A - 可变焦距透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变焦距透镜(10)，包括刚性环(22)、连到环的前表面上的柔性膜(20)、连到柔性膜(50)上的刚性透明的前盖(40)、以及在环(22)的后表面上的刚性后盖(20)。在柔性膜(50)和后盖(20)之间形成空腔(60)，并且空腔中填充有液体。可使空腔中的液体量变化以使柔性膜的曲率变化，这样使得透镜的光学性能变化。后盖可与环集成在一起，或分离地形成。进一步，可在后盖和环之间定位第二柔性膜。通过粘合剂可将透镜的各种零件保持在一起。

Description

可变焦距透镜

本发明涉及一种可变焦距透镜，并且更特别地涉及一种适于大规模生产的结构简单的可变焦距透镜。

可变焦距透镜是众所周知的。它们通常由充液室组成，该充液室的至少一个面由透明柔性膜形成。当将液体引入室中或从室中移去时，柔性膜变形，从而它的曲率改变。这种曲率的改变导致透镜的光学特性和放大率的改变。因此，通过使室中液体量变化可简单地使透镜的放大率变化。

例如，在GB 2333858中公开了一种现有技术的可变焦距透镜。这种透镜由几个相互接合的环形成。柔性透明膜被卡在环之间，并且环被形成以便当它们相互接合时，它们可用于拉紧柔性膜(其改进了透镜的性能)。然后，其中的一个环变形以将组件保持在一起。然而，这种设计在被使用来形成环的材料上提出了某些要求(比如延展性)，以及还在环的制造中要求有严格的公差。进一步，每一个透镜都由大量分散的零件形成，这使得制造变得复杂。

根据本发明，提供了一种可变焦距透镜，包括：大致具有前表面和后表面的刚性环；连到环的前表面上的柔性膜；连到柔性膜上的、大致刚性透明的前盖；和在环的后表面上的大致刚性的后盖；其中在柔性膜和后盖之间形成有空腔，该空腔中填充有液体，并且其中可使该空腔中的液体量变化以使柔性膜的曲率变化，这样使得透镜的光学性能变化。

在本发明的透镜中，柔性膜被保持在环和前盖之间，其可被形成为平面。这对于透镜零件上的公差提出了较少的苛刻要求，因此使得制造简单化。进一步，对于可形成透镜的材料有了较宽的选择。

在优选的形式中，例如通过模制为单件式可将后盖和环完整地形成。这减少了组装透镜所需的步骤数。然而，这不是必要的特征，在可选的形式中，后盖分离地从环中形成，然后被连到环的后表面上。

在进一步可选的形式中，透镜额外地包括定位在环和后盖之间的第二柔性膜，以便将第二柔性膜连到环的后表面上并且将后盖连到第二柔性膜上。对于给定的透镜空腔压力，这样的透镜具有两倍于单膜透镜的放大率(或者允许在具有一半的空腔压力下相同的放大率)。

进一步地，可以理解的是在所有这些透镜中，由于柔性膜在刚性盖的后面，所以它们被保护不被损坏。因此，改进了透镜的耐用性和韧性。

当柔性膜的曲率变化时，在柔性膜和前盖之间的空间的容积改变。由于空气是气体，因此是可压缩的，所以通过压缩该容积中的空气或使该容积中的空气变稀薄来调节柔性膜的移动是可能的。然而，优选的是在前盖中形成排气孔以允许空气进入空腔和排出空腔。

环具有部段(section)，可穿过该部段将液体引入空腔中或排出空腔。在优选的形式中，这种部段可形成为定位在环的开口中的隔片(septum)。隔片优选地由自愈(self-healing)材料形成，其允许依靠穿过隔片被插入的注射器针头等等来将液体引入空腔中或从空腔中移去。

在进一步优选的形式中，提供了两个或多个隔片。由于穿过一个隔片被推进的针头可被使用于引入液体，而穿过另一个隔片被推进的针头可被使用于排出空气，所以这使得更易于填充空腔。

优选地，前盖和/或后盖具有负的光学放大率(optical power)或正的光学放大率。

还优选的是对于在第一空腔中的液体的折射率近似地等于形成后盖的材料的折射率。这减少了在后盖内侧上的任何瑕疵、刮痕等等的可见性。

当然，任何适当的方法都可被使用于将环、柔性膜和盖保持在一起。然而，优选的是依靠粘合剂将环、柔性膜和前盖连到一起。进一步，当在环和后盖之间有第二柔性膜时，优选的是依靠粘合剂将环、第二柔性膜和后盖连到一起。

现在将仅通过实例且参考附图来描述发明的优选实施例，其中：

图1是透镜的第一优选实施例的透视图；

图2是透镜的侧视图；

图3是透镜的正视图；

图4是沿着图3的线A-A选取的透镜的截面图；

图5是透镜的第二实施例的截面图；和

图6是透镜的第三实施例的截面图。

如在图4中所最佳显示的，透镜10由三个主要零件形成：后部零件18、前盖40和柔性膜50。

后部零件18呈浅盘的形式，由环22和与该环集成的后盖20形成。柔性膜50横穿浅盘的面延伸，并且连到环22的前表面上。形成在盘和柔性膜50之间的空腔60填充有液体，且可使空腔60中的液体量变化以改变空腔60的容积。环22和后盖20是大致刚性的，所以空腔60的容积改变使膜50变形，因此使透镜10的光学性能变化。

将前盖40连到膜50上，以便膜50被夹在环22和前盖40之间。在膜50和前盖40之间形成第二空腔70，并且这个空腔70包含空气。在前盖40中形成小的排气孔44，并且允许第二空腔70与大气连通。这允许当膜50变形时第二空腔70中的空气容积变化。将排气孔44定位在透镜的边缘处，并且尽可能的小，以尽量不使透镜使用者分心。

如在附图中所示的，前盖40的内表面42(面向柔性膜50的表面)是弯曲的。这为柔性膜50的变形提供了足够的空间，因此允许调节透镜10的放大率。

在后部零件的环22中有开口24(在图1中最佳看到的)，并且该开口24通常由柔性塞80(在下文中称为“隔片”)密封。隔片80防止液体漏出空腔60，并且还防止空气漏进空腔60中，这样将膜50的曲率(以及因此透镜10的光学性能)维持在希望的状态下。

隔片80由自愈材料形成。这种材料可被针头等等刺穿，并且在移去针头时可再次密封。这种材料的使用允许通过使用这种针头来调节空腔60中的液体量。

为了增加空腔60中的液体量，将包含液体的注射器针头推进穿过隔片80，以便针头的末端刺入空腔60。然后，从注射器将液体推进到空腔60中。液体量的增加迫使柔性膜50进一步向外弓起，而改变透镜的光学性能。一旦已获得希望的光学性能，就从空腔60和隔片80中退出针头。由于隔片80的自愈特性，所以由针头形成的孔闭合，并且空腔60再次密封。

使用相似的程序从空腔60中排出液体。

为了在环22中确保隔片80和开口24之间的良好密封，可在拉紧时将隔片80插入在开口24中，然后允许放松。当将隔片80拉紧时，它在纵向方向上伸展，因此由于泊松率的原因它在横向方向上收缩。在横向收缩的同时，可将隔片80正确地定位在开口24中，然后可释放拉力。对拉力的释放引起隔片80返回到它最初的宽度，其理想地稍大于开口24的宽度，以将隔片80紧固地保持在适当的位置下。

在可选的形式中，隔片可与后部零件18共同模制。在这种方法中，首先由塑性材料模制后部零件，同时在这个模制步骤中形成环中的开口。然后，在第二模制步骤中将弹性体的塞模制到开口中，这个塞形成隔片。将选择被使用来形成后部零件和隔片的材料，以便它们具有良好的天然粘接性，以确保隔片稳固地保持位于开口中。可以理解的是这种共同模制过程可比上面所描述的两步方法更快和更便宜地制造出具有隔片的后部零件。

在优选的形式中，前盖40被形成为透镜(即，它的前表面和后表面的曲率是不同的)。这允许可变焦距透镜具有比单独通过变形柔性膜50所获得的最大放大率更大的最大放大率(或不同范围的放大率)。

例如，设想单独通过变形柔性膜可获得的放大率的范围是从-5D到+5D。如果使用者需要在这个范围之外的修正(假定，-8D)，那么单独通过变形柔性膜是不可能获得这个的。然而，通过提供具有某个透镜放大率(假定，-5D)的前盖，就可转变可变放大率的范围以变成从-10D到0D，这覆盖了所需的修正。以相似的方式，如果需要较高的正放大率，则通过提供具有某个正的透镜放大率的前盖就可获得。

进一步地，在某些情形中，希望确保空腔内侧的液体压力在大气压力之上(或至少等于大气压力)。如果维持了这种压力，那么柔性膜将向外弓起，这将趋向给透镜正的放大率。如果透镜总体上提供了负的放大率，那么这必须通过提供具有负的放大率的前盖和后盖中的至少一个来获得。

现在将描述用于制造可变焦距透镜的当前优选过程。

首先，例如通过模制丙烯酸树脂或通过加工和打磨来形成后部零件18。取决于模制的质量，在使用中面向使用者眼睛的表面26可被保留在它如被模制的形式中；可选地，这个表面26可被打磨以改进它的平滑度。内部表面28，30还可被加工成形。可在模制过程中形成用于隔片80的开口24，或该开口可在模制之后被加工。还可使用模制和加工的结合来形成开口24。

然后由铸态硅形成隔片80。在优选的形式中，铸态硅具有在30A和40A之间的肖氏硬度。然后在硅隔片上涂底漆(例如，通过刷上乐泰(Loctite)770底漆)，并且将氰基丙烯酸盐粘合剂胶(比如乐泰403)涂敷在它上。

然后将隔片80拉进后盖的开口24中。这种拉动伸展了隔片80，因此引起它的宽度减小，允许它装配在开口24中。一旦隔片80被正确定位，就释放拉紧，并且隔片尝试返回到它的最初大小，这导致它稳固地位于开口24中。这确保了隔片80和开口24之间的良好密封。

然后从隔片80擦去任何多余的胶。进一步地，一旦胶已固化，就将隔片向内突出的“尾部”修剪掉，以便隔片与环22的内壁30齐平。这减少了隔片80侵入到使用者的视野中。

然后准备柔性膜50。在优选的形式中，这由聚酯薄膜薄片比如迈拉(Mylar)制成，并且特别地由迈拉DL制成，其具有良好的光学性能。该薄片还可被处理(在一侧或两侧上)以改进它的粘合性能。然后将薄片置于拉紧下。

将紫外线固化粘合剂(比如乐泰3105)的细珠涂敷到环22的前表面32上，在组装的状态下，这将碰到前盖40(并且接触膜50)。然后将零件18的环22的前表面安置在薄片上，以便粘合剂与薄片相接触。

然后将后部零件18和薄片的组件暴露到紫外线光源下以固化粘合剂。这可是任何适当的源，并且将组件简单地暴露到明亮的阳光下以固化它也是可能的。

一旦粘合剂被固化，就切割薄片以匹配环22的轮廓。这可在两个阶段中被完成；第一粗略切割阶段，以将组件从薄片的其它部分处脱开，和第二修剪阶段，在该阶段中修剪粘附到环上的薄片的部分以匹配环。

然后形成前盖40。可应用任何适当的方法和材料；在优选的形式中，由聚碳酸酯模制或加工和打磨前盖40。前盖40还可由标准模制的柔性焦距透镜组形成，切割成合适的形状。

应该注意的是前盖40和后部零件18的环22二者可都形成有在它们的侧表面中的两个径向相对的纵向凹槽34，46。这些凹槽34，46用于确保前盖40和后部零件18在它们的组装期间被正确地对准，这将在下面描述。

在组装期间，后部零件18和膜50的组件被装配成标记特征，膜50向上。这个特征具有两个突出脊，它们与后部零件18上的凹槽34相接合。当后部零件18被适当地装配到标记特征中时，它的位置就由脊与凹槽34的接合来限定。

当然，可使用其它的标记特征，例如，参照盖的外部轮廓的、具有沉孔的夹具。在一些情形中，如凹槽34，46可对透镜的美观产生影响时，这是优选的。

将紫外线固化粘合剂(比如乐泰(Loctite)3105)的细珠涂敷到前盖40的表面48上，在组装的状态下，这将碰到环22(并且接触膜50)。可以理解的是这个步骤可发生在将后部零件18和膜50的组件装配到标记特征中之前或之后。

然后将前盖40也装配到标记特征中，粘合剂侧向下。它安置在膜50上，以便粘合剂与膜相接触，并且如以前的，被暴露到紫外线光(这可再次是阳光)下以固化粘合剂。

一旦粘合剂已固化，就从标记特征中移去透镜组件10。依靠穿过隔片80被插入的针头，形成在后盖20、环22和膜50之间的空腔60就被填充有液体比如油，并且可在这个阶段执行对空腔60中的液体量的调节以获得正确的透镜10的焦距。

一旦空腔60被填充有油，就将隔片80的外侧剪切掉，以便隔片80与环22的外壁齐平。这给透镜10平滑的外部轮廓，并且使得它更易于将透镜装配到镜框中。

作为最后的步骤，两个这样的透镜被装配到框架中，以产生一副眼镜。如果希望的话，框架可具有与透镜的隔片对准的开口以允许针头穿过框架和透镜的隔片被插入，而允许对透镜焦距的进一步细微的调节。

在上面所描述的透镜中，在后部零件18的环22中有单个开口24，该单个开口由单个隔片80来闭合。在可选的形式中，后盖的侧壁可具有两个开口，每一个都由隔片来闭合。

对于填充空腔，这种成对隔片的设计具有许多优点。例如，如果隔片大致地沿直径彼此相对，那么透镜可被定位成一个隔片在另一个的上方。依靠穿过下方隔片被推进的针头可将液体引入空腔中，而依靠穿过上方隔片被推进的针头可将空气排出空腔。这种填充方法减少了一旦填充有液体时在空腔中的气泡的数量，因此改进了透镜的光学性能。

优选的是空腔60中的液体的折射率近似地等于被使用来形成后盖20的材料的折射率。

如上面所描述的，需要对后部零件18进行某些加工以将它形成所希望的形状，并且特别地，形成为空腔的部分的后盖20的表面28要被加工。加工这个表面28是可能的，以这种方式来避免刮痕；然而，这需要昂贵的加工过程，并且这导致透镜10的成本的增加。

较便宜的方法是确保液体和后盖材料的折射率是近似相等的。如果是这样的话，那么将没有从液体经过后盖的光线折射，并且在后盖表面上的任何刮痕都将有效地看不见。

可以理解的是上面详细的描述仅仅是关于透镜的一个特定的结构，并且可使用其它相似的结构。现在将参考图5和图6简要描述两种这样的结构。

在图5中所示的透镜110中，后盖120和环122形成为分离的零件，并且通过粘合剂被连到彼此。在隔片的形成和连接之前，这可是在上面所描述的组装过程中的第一步骤。柔性膜150、前盖140和空腔160都和图4中所示的那些类似。

在图6中所示的透镜210中，后盖220和环222再次形成为分离的零件。进一步，在环222和后盖240(将会看见该后盖是弯曲的以允许膜变形)之间定位第二柔性膜252。因此，由柔性膜250，252和环222来限定空腔260。

对于给定的透镜空腔压力，两个膜的存在给透镜两倍于单膜透镜的放大率(或者允许在具有一半的空腔压力下相同的放大率)。尽管这种透镜比在图1至图5中所示的透镜厚，但是取决于透镜的使用(例如，在仪器中)，这并不重要。

Claims (13)

1.一种可变焦距透镜，其包括：

带有前表面和后表面的大致刚性的环；

固定到所述环的所述前表面上的柔性膜；

固定到所述柔性膜上的、大致刚性透明的前盖；和

在所述环的所述后表面上的大致刚性的后盖；

其中，在所述柔性膜和所述后盖之间形成有空腔，所述空腔填充有液体，且其中，所述空腔中的液体量可以变化，以使所述柔性膜的曲率变化，这样使得所述透镜的光学性能变化。

2.根据权利要求1所述的可变焦距透镜，其特征在于，将所述后盖和所述环一体地形成。

3.根据权利要求1所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述后盖与所述环分开形成，并且被固定到所述环的所述后表面上。

4.根据权利要求1所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述可变焦距透镜还包括定位在所述环和所述后盖之间的第二柔性膜，以使所述第二柔性膜固定到所述环的所述后表面上，而所述后盖被固定到所述第二柔性膜上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变焦距透镜，其特征在于，在所述前盖中形成有排气孔以允许空气进出所述空腔。

6.根据前述权利要求中任一项所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述环具有部段，可穿过所述部段将液体引入到所述空腔中或从所述空腔中排出。

7.根据权利要求6所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述部段形成为定位在所述环的开口中的隔片。

8.根据权利要求7所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述隔片由自愈材料形成。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的可变焦距透镜，其特征在于，设有两个或多个隔片。

10.根据前述权利要求中任一项所述的可变焦距透镜，其特征在于，所述前盖和/或所述后盖具有负的或正的光学放大率。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可变焦距透镜，其特征在于，在所述空腔中的所述液体的折射率近似地等于形成所述后盖的材料的折射率。

12.根据前述权利要求中任一项所述的可变焦距透镜，其特征在于，通过粘合剂将所述环、所述柔性膜和所述前盖固定。

13.根据权利要求4或它的任一项从属权利要求所述的可变焦距透镜，其特征在于，通过粘合剂将所述环、所述第二柔性膜和所述后盖固定。

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