CN101421660A - 可控光学透镜 - Google Patents

Abstract

一种可控光学透镜系统包括装有第一和第二流体的腔室，流体之间的界面定义透镜表面。电极控制透镜表面的形状并具有第一和第二电极。监测电源提供给电极排列的电流，并导出提供的电荷。也监测电极排列中电极之一上的电压。使用期望的透镜功率来导出一控制值，以控制提供给电极排列的总电荷。此驱动方案与一些透镜特征无关，与使用电容传感的反馈控制系统相比更容易实现。

Description

可控光学透镜

本发明涉及一种可控光学透镜，更具体地使用所谓的电浸湿原理(也就是公知的电毛细现象)。

电浸湿透镜包括装有两种不可溶混液体例如电绝缘油和水基导电盐溶液的腔室，这些流体之间的弯月面形成折射率边界并由此实现透镜的功能。弯月面的形状是电可控的以改变透镜的功率。流体可以包括液体，蒸汽，气体，等离子体或其混合物。

透镜形状的电控制通过使用外部环形控制电极来获得，并利用电浸湿效应来控制腔室外部边缘处的弯月面接触角，以此改变弯月面的形状。

电浸湿透镜基本的设计和操作对本领域技术人员而言是已知的。作为例子，可参考WO03/069380。

电浸湿透镜很小型并能不使用任何机械移动部件来提供变焦功能。他们被建议在不同的应用中使用，具体地在空间局限的地方和功率消耗被定在最小值的地方，例如在移动电话中用作自动聚焦的相机镜头。

为了提供反馈控制功能，已经认识到检测透镜的条件是可取的。由于绝缘体(电极和流体之间)的缓慢充电，电压和油-水弯月面的确切位置之间的关系经常改变，反馈系统能将其补偿。如果变焦透镜使用多个可变透镜来实现，它就不可能通过多元件的透镜系统从光学测量唯一地导出透镜特征。因此也就希望能在此系统中测量每一个单独弯月面的形状。

常规的电浸湿透镜拥有底部电极和圆周形壁电极。已提出测量电极间的电容来提供有关透镜形状的反馈。具体地，当施加电压时弯月面的形状和位置发生变化，环形电极的有效尺寸发生变化(此有效尺寸依赖于水与电极的接触面积，其随弯月面位置的变化而变化)。电容的最终变化能够被测量，并且此电容已经被认为是对测量透镜的强度相当准确的参数。

使用测得的电容来确定透镜位置要求绝缘涂层的厚度和介电常数已知。此厚度受每批次变化的影响。

电容的测量还要求各种模拟电路元件。因为此测量基本上包括分析充电特征曲线，所以它是一个相对慢的处理，而且还要求特定频率的波形。因此有必要以节省成本的方式来控制并保持期望的透镜形状，其与液体的污染无关。

根据本发明，提供一种可控光学透镜系统，包括：

装有第一和第二流体的腔室，流体之间的界面定义透镜表面；

电极排列，对透镜表面形状进行电控制，此电极排列包括第一和第二电极；和

电源，为电极排列提供电流；

随时间的过去监测电源提供的电流并导出所提供的电荷的装置；

监测电极排列中一个电极上的电压的装置；

从期望的透镜功率导出一值来控制提供给电极排列的总电荷的装置。

本发明的系统中，通过对提供给驱动电极的总电荷的控制来实现对透镜功率的控制。同样地，透镜的电容是弯月面位置的一个函数，基于提供给透镜的电荷对透镜的控制提供了一个控制方案，其驱动弯月面到一个期望的位置。这就意味着此驱动方案与一些透镜特征无关，但比使用电容检测的反馈控制系统能更容易地实现。

导出值的装置优选地导出一提供的电荷对电压的比值。驱动方案因此有效地驱动透镜到期望的电容，但不需要电容测量，并且也是一个最初的驱动方案而不是校正的反馈方案。

电源也优选保持恒定电压，并在达到提供的电荷与电压的导出比值后，控制电源保持电极之一上的电压。

一旦获得期望的透镜功率，驱动透镜到一个恒定电压以保持此透镜功率，并且提供电流以补偿漏泄电流。

导出装置包括查找表，并且为执行驱动方案要求的处理功率因此被保持为最小值。查找表接收有效的电极高度作为输入，该高度依赖于透镜功率，并提供施加的电荷与电压的比值作为输出。

电极排列包括一驱动电极排列，其包括一底部电极和一侧壁电极。透镜设计可以是常规的，且第一流体包括水基液体和第二流体包括油基液体。

本发明还提供驱动可控光学透镜的方法，该透镜包括装有第一和第二流体的腔室，流体之间的界面定义透镜的表面和用于对透镜表面的形状进行电控制的电极排列，此电极排列包括第一和第二电极，该方法包括：

选择期望的透镜功率；

从期望的透镜功率导出一值来控制提供给电极排列的总电荷；

为电极排列提供电流；

随时间的过去监测提供的电流并导出所提供的电荷，并监测电极排列的电极之一上的电压；和

提供电流直到提供给电极排列的总电荷达到导出值。

在此方法中，提供的总电荷被用作驱动透镜的控制参数，具有上面列出的优点。优选地，用于控制所提供电荷的值包括所提供电荷对电压的比值。

此方法优选地进一步包括在达到所提供电荷与电压的导出的比值之后，将电极排列的电极之一上的电压保持为恒定。

参照附图，下面将详细介绍本发明的示例，其中：

图1示出了电浸湿透镜的已知设计；

图2用作以用图表来解释本发明的驱动方案；

图3以流程图的形式示出了本发明的驱动方案；

图4示出了在本发明的驱动方案中使用的值；

图5示出了接触角和电极高度之间的转换函数；和

图6示出了用于本发明透镜的控制电路。

图1示意地示出了已知电浸湿透镜的设计。图1的左边部分示出了透镜的内部。此透镜包括一腔室，其容纳一极性的和/或导电的液体例如基于盐水的组分10(在下面简述为水)和非导电液体例如基于油的组分12(下面简述为油)。底部电极14和圆周形侧电极16控制透镜的功率。侧电极与液体之间由形成腔室侧壁的绝缘体隔开，并且此绝缘层在透镜的电操作期间还充当电容器介电层。此操作对本领域技术人员而言是熟知的，可参考WO03/069380。

电浸湿透镜的光强度(optical power)由在两液体分界处形成的弯月面半径确定。此半径可以通过在壁处弯月面的接触角θ(在图4中示出)导出。对于接触角在关闭状态下小于180度的情况，该接触角由以下关系式决定：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ci}}\cos \mathrm{\θ}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{wc}}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{wi}}+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}{V}^2---\left(1\right),$

其中θ为弯月面与壁的夹角，V为施加的电压，γ_ci为水/油表面张力，γ_wc为壁/水表面张力和γ_wi为壁/油表面张力，ε_r为绝缘层(腔室壁)的渗透率和d为绝缘层厚度。结果，弯月面半径直接与施加的电压相关，且透镜因此为电压控制器件。

然而，弯月面半径还依赖于其他参数例如表面张力值，随时间或温度的变化其不一定恒定。液体过一定时间的污染，例如由于腔室上物质的溶解，可以改变这些值，这也会改变V与弯月面半径之间的关系。此外，绝缘层的充电也会早晚发生，其将等式(1)中项V改变为项(V-V₀)。此影响也会影响弯月面半径与电压之间的关系。

期望ε_r和d的值过一定时间保持显著恒定。因此，由这些参数决定且与电压无关的弯月面的测量期望能过一定时间更稳定。

已经知道，电容的测量可以被用作提供反馈功能。如果两种液体的体积保持相同且界面为球形时，弯月面在壁上的位置与其半径直接相关。通过测量这个相交的位置，就得出了电浸湿透镜的功率。电浸湿透镜的弯月面的位置与电容之间的关系由下给出：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}A---\left(2\right)$

其中A为具有厚度d和渗透率ε_r的绝缘层的电极的面积，其被导电液体(水)覆盖。基本上，电容电极之一的大小依赖于水的接触高度，且电容电极的大小决定了电容值。

使用电容测量来检测弯月面曲率有一个缺陷是它要求额外的部件去单独测量透镜的电容，这导致了额外的成本。

本发明的方法是测量提供给电浸湿透镜的总电荷，而不是测量电容。此电荷仅仅是对提供给电浸湿透镜的电流进行随时间的积分。

本发明的方法首先进行了描述，然后将介绍实现本方法的硬件。

图2示出了使用本发明的方法驱动电极的电流和电压曲线。最初，使用恒定的电流I₁对透镜进行充电(“I模式”)。当总电荷流达到要求的水平时，透镜就在恒定的电压V₁下被驱动(“V模式”)。在这个V-模式中，泄漏电流被补偿以保持透镜在一定时间稳定。

在V-模式中，不再测量提供的电荷因为在这个阶段它被用来补偿泄漏电流。从I-模式提供的电荷和所得到电压V，获得以下关系式：

$\frac{Q}{V}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}A---\left(3\right)$

因此，通过测量电荷流，并监视电压驱动水平，不用单独测量电容就可以直接获得面积A的值。如上面所解释的，弯月面半径与A直接相关。此关系可以例如被编程到查找表中。

直接使用电流作为反馈测量参数的一个优点是相对于现有的部件它不再需要额外的部件。此外，电流能被容易地编程以致于提供给电浸湿透镜的总电荷能准确地获知。相对于在驱动透镜到期望电压后常规进行的基于电容测量的方法，其寻址速度也提高了。

必须如此选择充电电流使它显著地大于泄漏电流，当对透镜系统进行充电时以使泄漏电流效应可以被忽略。

图3以流程图的形式示出了驱动方法。

在步骤30，选择期望的弯月面半径(也就是透镜功率(1enspower))。这在步骤32中转换为期望的Q/V值，其一旦透镜被充电就等于期望的电容值。

在步骤34，给侧电极提供恒定的电流以对透镜充电。当此充电发生时，在步骤36中监测总电荷和达到的电压。

在步骤38中，监测Q/V的值，当达到期望水平时，在步骤40中将控制切换到“V-模式”。

保持恒定的电压直到在步骤42中需要新的透镜功率并计算新的Q/V值，驱动处理重新开始。

这个方案可以用来改变弯月面半径好几次。为了防止设置获得显著的偏移，在几次弯月面转换操作后，电浸湿透镜优选被完全放电。

参照图4所示的电浸湿透镜的参数，执行从透镜功率导出Q/V值的数学分析。透镜如此被设计使得在休息期间，接触角为180度(如虚线50所示)。弯月面与腔室的拐角处相接触，因此当没有电荷施加到电浸湿透镜时，高度H＝0。这并不是必要的，在没有施加电压具有非零的高度H时，几何分析仍然适用。

作为接触角函数的高度H如下：

$H=\frac{2R}{3\cos \mathrm{\θ}(1+\sin \mathrm{\θ})}+\frac{R}{3}(2-\tan \mathrm{\θ})---\left(4\right)$

R为腔室半径，θ为接触角。为了选择期望的透镜功率，选择要求的弯月面半径，并且这有一个相应的接触角θ。从等式(4)得出要求的值H。图5是等式4的曲线图。参照图3的步骤32，代表图5曲线的值可以存储在查找表中。

当已知要求的值H时，要求的值Q/V由关系式确定：

$\frac{Q}{V}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}2\mathrm{\πRH}---\left(5\right)$

然后电流提供给电浸湿透镜，同时监测电压且电荷(电流的积分)也被测量出。只要等式(5)一满足，系统就转换到V-模式且电流就不再积分。

上面的步骤对于不同的半径进行重复。在介绍电浸湿透镜的本方法中，液体的属性不作要求。

图6示出了执行上述驱动方案的控制电路。

电源60作为电流源，被处理器62控制。提供的电流由电流测量单元64进行测量且电极14，16两端的电压由电压测量单元66进行测量。单元64，66为如上所述控制电源的处理器62提供反馈。

处理器62包括查找表(LUT)以将半径输入转换为预期的Q/V值。

具体的实现方式对本领域技术人员而言是常规的，当然还有能完成本发明的其他具体方式。

本发明有效地实现一种电容反馈系统，但此完成并不需要专用的电容测量并且反馈作为原始驱动方案的一部分得以实现而不是作为在最初驱动透镜之后的一个校正程序。

各种改型对本领域技术人员而言是非常明显的。

Claims (13)

1、一种可控光学透镜系统，包括：

装有第一和第二流体(10，12)的腔室，流体之间的界面定义透镜表面(15)；

电极排列(14，16)，对透镜表面(15)的形状进行电控制，该电极排列包括第一(14)和第二(16)电极；和

电源(60)，为电极排列提供电流；

随时间监测电源提供的电流并导出提供的电荷的装置；

监测电极排列中电极之一(16)上的电压的装置(66)；

从期望的透镜功率导出一值来控制将提供给电极排列(14，16)的总电荷的装置(62)。

2、权利要求1所述的系统，其中导出一值的装置用于导出提供的电荷与电压的比值。

3、权利要求2所述的系统，其中电源用于保持恒定电压(V₁)，在已达到提供的电荷与电压之间导出的比值之后，控制电源保持该一个电极上的电压。

4、上述任一权利要求所述的系统，其中用于导出的装置包括查找表(LUT)。

5、权利要求4所述的系统，其中查找表接收依赖于透镜功率的有效电极高度作为输入，并提供施加的电荷与电压的比值作为输出。

6、上述任一权利要求所述的系统，其中电极排列包括：

包括底部电极(14)和侧壁电极(16)的驱动电极排列。

7、权利要求6所述的系统，其中侧壁电极(16)包括环绕腔室的环形电极。

8、上述任一权利要求所述的系统，其中第一流体(10)包括极性的和/或导电的液体而第二流体(12)包括非导电液体。

9、一种驱动可控光学透镜的方法，此透镜包括装有第一和第二流体(10，12)的腔室，流体之间的界面定义透镜表面(15)和对透镜表面形状进行电控制的电极排列，该电极排列包括第一和第二电极(14，16)；其中所述方法包括：

选择(30)期望的透镜功率；

从期望的透镜功率导出(32)一值来控制将提供给电极排列的总电荷；

为电极排列提供电流(34)；

随时间监测提供的电流(36)并导出所提供的电荷，并且监测电极排列中的电极之一上的电压；和

提供电流直到提供给电极排列的总电荷达到被导出的值。

10、权利要求9所述的方法，其中导出一值包括导出提供的电荷与电压的比值。

11、权利要求10所述的方法，进一步包括在已达到提供的电荷与电压之间导出的比值之后，在电极排列的该一个电极上保持恒定的电压(40)。

12、权利要求9到11中任一权利要求所述的方法，其中导出表示将提供的总电荷的值包括读取查找表。

13、权利要求12所述的方法，其中将依赖于透镜功率的有效电极高度输入到查找表，然后从查找表中输出提供的电荷与电压的比值。

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