CN101506690A - 可变焦点的变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变焦点半固体变焦透镜、这种可变焦点透镜的制造和使用方法以及含这种可变焦点半固体透镜的光学器件。通过改变半固体透镜的形状、大小、尺寸、几何结构、外直径、或表面曲率，就可以控制焦距。通过使用耦合到半固体透镜的压力控制器件，就可以实现焦距的变化。半固体透镜也可以被安装在外壳中。

Description

可变焦点的变焦透镜

背景技术

在常规光学成像应用(比如光通信系统和照相机器件)中，通常需要对透镜进行手动调谐和物理定位，以便将图像聚焦到图像传感器上，并且接收来自相对于透镜的不同方向上的光线。为了消除手动调谐的低效率和昂贵成本，开发了可调谐微透镜，以便通过最佳地将光源耦合到光信号接收器(比如光检测器)来对光信号进行聚焦。在某些情况下，当入射到微透镜上的光束发生变化从而不再是其标称的对准的入射情况时，就自动地改变微透镜的折射率以使微透镜的焦点发生变化，以便维持微透镜和光检测器之间的最佳耦合。

然而，已经发现，对于用于可调谐微透镜(比如梯度折射率透镜)的大多数电光材料而言，这种透镜具有与较小的电光系数相关的许多局限。这常常导致较小的光路调制，由此，需要较厚的透镜或较高的电压。另外，许多电光材料都显示出较强的双折射性，从而导致这些透镜的偏振相关性，这会使具有某种偏振的光线发生失真。在需要用到可调谐微透镜的阵列的情况下，这些问题变得尤其严峻。例如，现有的拍照手机使用很小的固定焦点的透镜，这种透镜具有较差的聚光能力、有限的聚焦范围和有限的分辨率。结果，与常规的照相机相比，图像质量就很差。通过改变用于构成透镜光学系统的流体弯液面的接触角或曲率半径来控制焦距，此时就提供了一种可变焦点流体透镜。该光学器件通常还包括一种压力或体积控制装置，该装置与该流体流动地耦合着，以便调节该流体的压力并由此还调节该弯液面的曲率。

然而，针对某些液体透镜所特有的问题，仍然可以做出许多改进。首先，在撞击或粗暴的操作之后，液体透镜可能会受扰。其次，因重力的影响，直径较大的可变焦点液体透镜是很难制造的。第三，因为液体透镜通常是球形的，所以基于当前的技术很少能成功地制造非球形的可变焦点液体透镜。第四，在许多技术应用中，也非常期望能用一种非反射性涂层这样的材料来修改该透镜的表面，从而改善图像质量。然而，这种工艺对于液体透镜而言是不太可能的。

因此，期望提供能克服上述问题和其它问题的系统和方法。特别是，需要有一种低成本且大直径的可变焦点透镜，它可以是球形的和非球形的。也期望提供一种结实耐用的光学聚焦系统，它可用于那些预计会有的粗暴的操作的小型便携式成像应用。本发明的各实施方式满足了这些和其它需求。

发明内容

本发明提供了一种可变焦点半固体透镜、这种可变焦点透镜的制造和使用方法以及含这种可变焦点半固体透镜的光学器件。通过改变这种半固体透镜的形状、大小、尺寸、几何结构、体积、压力或表面曲率，例如，通过改变半固体透镜的表面或体积上某一区域的曲率或曲率半径，就可以控制焦距。半固体的表面形成了透镜光学器件，并且它的(可调节的)曲率半径决定了焦距。可变焦点半固体透镜的示例可以是聚合物透镜或凝胶透镜。有利的是，本发明的半固体可变焦点透镜能很容易地制造直径很大的球形或非球形可变焦点透镜，并且能很容易地在该透镜的表面上沉积像非反射性涂层这样的涂层以便改善图像质量。

根据本发明，通过调节施加到半固体物质上的压力，来改变半固体物质的形状、大小、尺寸、几何结构、体积或表面曲率，从而实现可变焦点这一能力。在一个方面中，通过改变半固体透镜的形状、大小、尺寸、几何结构、或表面曲率，同时使该透镜的体积保持相对恒定，来实现可变焦点这一能力。在一个实施方式中，通过改变半固体物质的直径，来实现可变焦点这一能力。

根据本发明的一个方面，提供了一种光学器件，它通常包括透光的半固体物质和压力控制装置，该半固体物质具有一个其曲率已被限定的表面区域，该压力控制装置耦合到该半固体物质以便调节该半固体物质的表面区域的曲率。在一个实施方式中，该光学器件包括固定装置，例如，一个用于支撑该物质的外壳，该半固体物质就被放置或安装在该外壳中。在另一个实施方式中，该半固体物质是一种厚度介于微米和毫米范围之中的薄膜。

根据本发明的另一个方面，提供了一种光学器件，它通常包括：一个或多个半固体透镜，这种半固体物质具有一个其曲率已被限定的表面区域；一个或多个固体透镜；任选的一个或多个流体透镜；用于安装这些透镜的外壳；至少一个压力控制装置，这种压力控制装置耦合到至少一个半固体透镜，并且任选地至少一个压力控制装置耦合到流体透镜。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造光学器件的方法。该方法包括将透光半固体物质制造成可变焦点透镜。在一个实施方式中，该方法包括注塑工艺。在另一个实施方式中，该方法包括原位固化工艺。

根据本发明的再另一个方面，提供了一种用于调节透光半固体物质的表面的曲率或曲率半径的方法，其中该透光半固体物质具有一个其曲率已被限定的表面区域。该方法包括调节施加到半固体物质的压力以改变该半固体物质的表面区域的曲率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种含可变焦点半固体透镜以便于成像应用的光学器件的用途。

参照说明书的其余部分(包括附图和权利要求书)，将会意识到本发明的其它特征和优点。下面结合附图，详细描述本发明的其它特点和优点以及本发明各实施方式的结构和操作。在附图中，相同的标号指代完全一样或功能相似的元件。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施方式的可变焦点半固体透镜，其中通过改变该透镜的外直径就可以调节焦距。

图2示出了根据本发明一实施方式的半固体透镜的示意图的侧视图，该半固体透镜具有压电环致动器，以便通过改变该透镜的外直径来调节该半固体透镜的形状。

图3示出了根据本发明一实施方式的可变焦点半固体透镜的顶视图，该透镜具有人造肌肉环、压电环、或机械环设置，用于调节透镜的表面曲率。

图4示出了根据本发明一实施方式的光学器件的横截面图，该光学器件具有安装在外壳中的半固体透镜以及流体压力调制器以便于调节该半固体透镜的表面曲率。

图5示出了具有双透镜组件的光学器件的示意图。根据本发明一实施方式，该光学器件包括安装在外壳中的半固体透镜和固体透镜。

图6示出了根据本发明一实施方式的光学器件，该光学器件具有半固体透镜和固体透镜以及流体压力调制器，这些透镜被安装在一个具有透明盖子的外壳中，而流体压力调制器则用于调节半固体透镜的表面曲率。

图7示出了根据本发明一实施方式的光学器件，该光学器件具有半固体和固体透镜组件，该组件具有一个带粗糙表面的外壳以便增大半固体透镜和外壳之间的粘着性。

图8示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件的示意图的侧视图，其中半固体透镜具有凸面。

图9示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件，其中流体压力调制器耦合到半固体透镜或液体透镜以便调节半固体透镜或液体透镜的表面曲率。

图10示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件的侧视图，其中外壳具有透明的盖子或定形成透镜的盖子，并且多个流体压力调制器耦合到半固体透镜以便调节半固体透镜的表面曲率。

图11示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件的侧视图，该组件任选地具有第二流体压力调制器，该第二流体压力调制器耦合到第二半固体透镜以便调节第二半固体透镜的表面曲率。

图12A示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件的侧视图，该组件具有压电致动器以便调节半固体透镜或液体透镜的表面曲率。图12B示出了根据本发明一实施方式的具有三透镜组件的光学器件的侧视图，该组件具有致动器环、致动器薄膜、压电环、或电镀活性聚合物以便调节半固体透镜或液体透镜的表面曲率。

图13示出了根据本发明一实施方式的具有四透镜组件的光学器件的侧视图。

图14示出了根据本发明一实施方式的具有透镜腔的半固体透镜或液体透镜组件的侧视图。

图15A显示出根据本发明一实施方式的液体透镜或半固体透镜和固体透镜。

图15B显示出根据本发明一实施方式的液体透镜或半固体透镜和固体平凸透镜。

图15C显示出根据本发明一实施方式的两个液体透镜或两个半固体透镜和两个固体透镜。

图15D显示出根据本发明一实施方式的两个液体透镜或两个半固体透镜和夹在其间的一个固体透镜。

图16显示出根据本发明一实施方式的基于液体透镜的或基于半固体透镜的自动聚焦透镜系统的侧视图。

图17显示出根据本发明另一实施方式的基于液体透镜的或基于半固体透镜的自动聚焦透镜系统的侧视图。

图18显示出根据系统的一实施方式的具有变焦/聚焦模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。

FIG.图19显示出根据该系统的一实施方式的具有可变焦点和可变直径透镜模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。

图20显示出根据本发明另一实施方式的具有变焦/聚焦模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。

图21A显示出根据本发明一实施方式的压电盘致动器的顶视图。

图21B显示出根据本发明一实施方式的用于液体抽送的压电盘致动器的侧视图。

图21C显示出根据本发明一实施方式的使用弯曲压电薄膜的压电致动器的顶视图。

图22示出了根据本发明一实施方式的可变焦点弹性透镜的图像。

图23A-23B示出了根据本发明一实施方式的具有机械致动器的可变焦点弹性透镜模块，它可以使该透镜变形并且控制该透镜的焦距。

图24A-24B示出了根据本发明一实施方式的管状压电致动器在约20V的制动电压的作用下体积发生变化的演示。

图25示出了根据本发明一实施方式的半固体薄箔透镜组件的示意图的侧视图。

图26示出了根据本发明一实施方式的具有薄箔透镜和固体透镜的双透镜组件的侧视图。

图27示出了一种使用半固体透镜的固定焦点透镜模块的侧视图。

图28示出了一种具有三透镜组件的光学器件以及半固体透镜的操作和功能。

具体实施方式

本发明提供了一种可变焦点半固体透镜以及制造和使用这种可变焦点半固体透镜的方法。通过调节半固体透镜或半固体透镜的某一表面区域的形状、大小、尺寸、几何结构、直径、压力、体积、曲率、或曲率半径，就可以控制焦距。

在本文中，术语“半固体”是指一种同时具有固体和液体性质的物质。例如，半固体可以是一种能过滤紫外(UV)或红外(IR)辐射的材料。特别是，半固体可以根据外部刺激(比如压力变化)，来改变形状、大小、尺寸、几何结构和/或表面曲率。半固体可以是一种粘性液体、凝胶(比如弹性凝胶)、半导体涂层、电镀活性凝胶、半晶质液体、或弹性体(比如热塑性弹性体或硅氧烷)。特别是，半固体可以是聚合材料，比如有机聚合物、无机聚合物、或不同聚合物和添加剂的混合物、或复合材料。在本文中，凝胶也可以包括胶态材料，即主要是液体，但表现得像固体，比如胶体。

在本文中，术语“流体”是指气体、液体、或气体和液体的混合物。气体包括，但不限于，空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、稀有(惰性)气体、低沸点有机溶剂、低沸点有机溶剂的蒸气、或它们的组合。液体可以是任何透明的液体。本发明中所使用的液体的示例包括，但不限于，水、油、有机溶剂以及它们的组合。除了半固体透镜以外，液体还可以用作透镜或可以不用作透镜。

在本文中，器件的侧视图也是指其横截面图。

在本文中，术语“曲率”是指几何物体偏离平整状态的量值。对于平面弯曲而言，曲率被定义为(x′y″-y′x″)/(x′²+y′²)^3/2，其中x′，x＂，y′和y＂是一阶导数和二阶导数。对于二维表面而言，点P处的曲率被定义为

其中r是离点P的较短长度，并且C(r)是离点P的距离为r的圆圈的周长。例如，如果该表面是平整的，则C(r)＝2πr。通常，半固体透镜具有一个其表面曲率已被限定好的表面区域。

图1是可变焦点半固体透镜的示意图，其中通过改变该透镜的某一表面区域或整个透镜的形状、大小、尺寸、外直径、曲率、或曲率半径，就可以调节焦距。该透镜具有半固体物质102、表面110和112以及边界120。如图1所示，在一个实施方式中，通过使半固体透镜的直径从图1A中的D1改变为图1B中的D2，使得表面110改变为表面112同时表面曲率也发生变化，就可以实现可变焦点这一能力。在某些情况下，透镜的体积可以保持相对恒定。在其它情况下，当向半固体透镜施加力或压力时，可以压缩所使用的半固体材料以减小其体积。通过向透镜施加外部刺激，比如力、压力、或光束，就可以改变透镜的表面曲率、形状、几何结构、或尺寸。

本发明提供了一种光学器件，它包括透光的半固体物质和压力控制装置，该半固体物质具有一个其曲率已被限定的表面区域，该压力控制装置耦合到该半固体物质以便调节该半固体物质的表面区域的曲率。图2是本发明的光学器件的示意性的侧视图。如图2所示，该器件具有半固体物质210、表面区域230以及耦合到半固体物质210的压力控制装置220。通过与物质210接触，压力控制装置220就可以直接耦合到半固体物质210；或者通过中间体(比如中间层，比如流体或固体层)，压力控制装置220就可以间接地与物质210相互作用，以便调节表面230的曲率。在一个实施方式中，透镜被压力控制装置220围绕着。在另一个实施方式中，压力控制装置220与透镜的一部分相接触。典型的压力控制装置220是可以使其圆周收缩的一个环，比如压电环。也可以向半固体透镜添加一个分离的层，比如反射性或非反射性的层，比如在半固体透镜的表面上进行沉积以便改善图像质量。

图3示出了本发明的一个实施方式的顶视图，它包括透镜340，还带有一个围绕着该透镜的压力控制装置310。透镜340可以是半固体透镜或流体透镜。

本发明中所使用的压力控制装置的示例包括，但不限于：人造肌肉环；压电器件，比如压电环、压电圆柱、压电套筒、或压电涂敷金属环或圆柱，当施加电场时压电环可以改变其直径；机械致动器；机电致动器；利用微流体进行调制的流体压力调制器；光束；以及电压或电刺激。本发明所使用的压力控制器件可以具有可变的形状和尺寸。本发明所使用的压力控制器件的多个部分可以具有椭圆的、圆形的和/或多边形的横截面。多边形横截面的边的个数可以在3到16之间变化。一个示例是四个边的多边形，比如正方形或矩形。本发明可以使用各种半固体材料。较佳地，这种材料在工作条件下是透光的并且是稳定的。半固体材料包括，但不限于：粘性液体，比如油；凝胶，比如小分子量的交联或非交联的聚合物和胶体；弹性体，比如交联或非交联的热塑性和热固性弹性体；以及它们的混合物。聚合物或低聚物的示例包括，但不限于，均聚物、共聚物、共混聚合物以及它们的混合物。典型的聚合物或低聚物包括：硅氧烷，聚硅氧烷，比如聚(二甲基硅氧烷)；聚碳酸酯；聚磷腈；以及聚丙烯酸酯，比如聚(甲基丙烯酸甲酯)。

上述光学器件还包括固定装置，比如外壳。图4示出了本发明的另一个实施方式的横截面图。如图4所示，光学器件具有半固体透镜420、外壳430以及压力控制装置414，半固体透镜420具有其曲率已被限定好的表面区域440。透镜420被安装在外壳430中。透镜420被直接耦合到压力控制装置414，以便改变施加到透镜420上的压力，从而改变表面440的曲率。或者，压力控制装置414也可以通过中间体(比如流体或层)，间接地耦合到透镜420。压力控制装置可以是微流体调制器件，它包含流体410以及入口和/或出口412。该流体可以是液体或气体。本领域技术人员将会认识到，其它压力控制装置也可以被用于改变透镜420的焦距，比如压电器件、机械或电致动器。

本发明所使用的外壳可以具有可变的形状和尺寸。在一个实施方式中，管状外壳具有对称的横截面，在另一个实施方式中，管状外壳具有非对称的横截面。在再另一个实施方式中，沿着管状外壳，其横截面的大小可以是连续变化的或不连续变化的。本发明所使用的管状外壳的多个部分可以具有椭圆的、圆形的和/或多边形的横截面。多边形横截面的边的个数可以在3到16之间变化。一个示例是四个边的多边形，比如正方形或矩形。

在另一个实施方式中，本发明提供了一种含图5所示的双透镜组件的光学器件。该光学器件包括安装在外壳530中的半固体透镜510和固体透镜520，半固体透镜510具有表面540。如图5所示，半固体透镜510与固体透镜520彼此直接接触。或者，这两个透镜可以分开一段预定的距离，例如，可以用流体(比如液体或气体)将这两个透镜分开。

在另一个实施方式中，与图5的器件相似，图6A中的光学器件包括安装在外壳630中的半固体透镜640和固体透镜650，半固体透镜640具有表面670。该器件也包括压力控制装置610，压力控制装置610包含流体615并且具有入口/出口660。使用压力控制装置来调节透镜640的形状、大小或几何结构、尺寸以及表面670的曲率。该器件也具有盖子620，较佳地，该盖子是透明的。在另一个实施方式中，半固体材料具有中空的腔，其中当施加外力或压力时可以将半固体材料挤入该腔中，从而改变半固体透镜的焦距或形状或曲率。例如，如图6B所示，该光学器件具有位于半固体透镜旁边的中空的腔680，以便为半固体透镜提供额外的空间，从而当压力控制器件610对半固体透镜640施加压力时可将半固体材料挤入该空间中。

图7提供了本发明的另一个实施方式。与图6相似的是，该光学器件包括安装在外壳720中的透镜组件，该透镜组件具有半固体透镜750和固体透镜760，半固体透镜750具有表面770。具有流体和入口/出口740的压力控制装置730被用于控制加到透镜750上的压力，以便调节透镜750的形状、大小、几何结构和/或尺寸以及表面770的曲率。特别是，该光学器件提供了一个由具有粗糙表面的材料所制成的外壳，比如该表面具有微结构，这种微结构含微型凸起、凹陷或腔以便增大半固体材料和外壳表面之间的牵引、摩擦和粘附。该表面可以是疏水性的或亲水性的。该表面可以由纳米或微米结构的材料制成，所用材料可以与外壳的材料相同或不同，比如聚合物、无机材料、金属、或陶瓷材料或它们的混合物。

图8是本发明另一个实施方式的示意图，它提供了具有三透镜组件的光学器件。该光学器件具有夹在第一半固体透镜810和第二半固体透镜812之间的固体透镜820，第一半固体透镜810具有表面850，第二半固体透镜812具有表面855。本领域技术人员将会理解，对于本发明而言，透镜的其它排布方式也是可行的。透镜810、812和820被设置或安装在外壳830中，使得存在尖锐的边840，这能够形成凸形的半固体透镜，可以防止透镜材料(比如凝胶)从外壳上的腔泄漏到外面。图9示出了本发明的另一个实施方式。与图8相似，该光学器件包括被设置或安装在外壳920中的固体透镜950，该固体透镜950被夹在第一透镜940和第二透镜960之间，第一透镜940具有表面区域970，第二透镜960具有表面区域975。该器件也可以具有尖锐的边901。或者，该器件也可以具有平滑的边。透镜940和960可以是半固体透镜或流体透镜。该流体可以是气体或液体。通过压力控制装置910和912，可以分别调节透镜940和960的形状、大小、几何结构和/或尺寸以及表面970和975的曲率。压力控制装置910和912可以是包含流体的器件，所包含的流体用于调节施加到这些透镜上的压力，从而改变表面970和975的曲率。该流体用于将压力传递给半固体。本领域技术人员将会认识到，为了实现可变焦点组件，透镜的其它排布方式也是可行的。

图10A-10B显示出本发明的其它实施方式。与图9的光学器件相似，图10A所示的光学器件具有夹在第一半固体透镜1030和第二半固体透镜1032之间的固体透镜1040，第一半固体透镜1030具有表面区域1080，第二半固体透镜1032具有表面区域1085。这些透镜被设置或安装在外壳1020中。第一压力控制装置1070被耦合到透镜1030。第二压力控制装置1072被耦合到透镜1032。压力控制装置可以是包含流体1010和1012(比如气体或液体)的壳。流体1010和1012可以是相同或不同的种类。较佳地，压力控制装置1070和1072是由柔性壳材料制成的。在一个实施方式中，压力控制装置1070和/或1072是透明的。压力控制装置可以通过直接接触或间接相互作用，耦合到半固体透镜1030和1032。该光学器件也可以具有透明的盖子1050和1060。在一个实施方式中，该盖子被定形为一个透镜。如图10B所示，为半固体透镜提供了一个中空的腔，当施加压力时将半固体材料挤入该腔中。

图11示出了本发明的另一个实施方式。与图10的器件相似，该光学器件具有夹在第一半固体透镜1140和第二半固体透镜1142之间的固体透镜1150，第一半固体透镜1140具有表面1170，第二半固体透镜1142具有表面1175。该透镜组件被设置或安装在外壳1130中。第一压力控制器件1110被附接到第一半固体透镜1140，以调节透镜的形状、大小、几何结构和/或尺寸或透镜1140的表面曲率以及表面1170的曲率。压力控制装置1110具有适用于该器件的流体1112和流体入口/出口1160，以便向透镜1140产生压力。该光学器件具有被附接到第二透镜1142的任选的第二压力控制装置1114。任选地，该器件1114具有内部的流体，以便调节透镜1142的压力。该光学器件也具有盖子1120和1122，较佳地，至少一个盖子是透明的。

图12A-12B示出了本发明的一个实施方式，其中利用了透镜的组合。如图12A所示，该光学器件具有透镜组件、外壳1220以及耦合到每个半固体透镜的压力控制装置组件。透镜组件包括具有表面区域1260的第一半固体透镜1240、固体或流体透镜1250以及具有表面区域1265的第二半固体透镜1242。在一个实施方式中，透镜1250位于透镜1240和透镜1242之间。该透镜组件被设置或安装在外壳1220中。第一压力控制装置1210被耦合到透镜1240。腔1230和1232是分别用于透镜1240和1242的制动的。任选地，第二压力控制装置1212被耦合到透镜1242。如图12B所示，在一个实施方式中，透镜具有透镜开口1270和1275以及流体1280。压力控制装置1210和/或1212是压电环/弯曲薄膜或涂有压电材料的金属环/弯曲薄膜、或电镀活性聚合物材料的环/弯曲薄膜(比如人造肌肉)。金属环/弯曲薄膜提供了机械扩大。通过使用中间流体(比如液体、气体或空气)将致动器的制动传递给透镜，就可以对透镜进行制动。

图13示出了本发明的另一个实施方式，它提供了具有四透镜组件的光学器件。具有表面1360的第一半固体透镜1320被设置在流体透镜1330上，流体透镜1330具有与半固体透镜1320相接的界面1370。流体透镜1330被设置在固体透镜1340上，从而形成界面1375。固体透镜1340被设置在具有表面1365的第二半固体透镜1322上。本领域技术人员将会认识到，也可以被用透镜的其它排布方式来实现期望的可变聚焦结果。图13示出了每一个透镜都彼此相接触。在其它实施方式中，一些透镜可以彼此相接触，而其它透镜可以分开一段预定的距离。在其它实施方式中，每一个透镜彼此都不接触。透镜1320和1330被设置或安装在外壳1310中。流体透镜1330具有入口/出口1350，以允许流体通过。

图14显示出半固体透镜或带有透镜腔1404的液体透镜组件的侧视图。透镜腔1404可以是向内弯曲的、向外弯曲的或直的。在一个实施方式中，透镜腔1404具有一个内层，该内层涂有涂层1406和1410，并且透镜组件的顶面和底面或外层均涂有涂层1408。涂层1406、1410和1408可以是亲水性的材料或疏水性的材料。当透镜腔包含液体时，涂层1406和1410最好是亲水性的材料。疏水性区域处的边界限制该液体，并且呈现出一种弯液面，该边界处的流体的静态(或动态)接触角部分地决定了该弯液面的曲率。疏水性材料可以是如下材料：比如塑料，聚合物，陶瓷，合金，或含氟聚合物(比如聚四氟乙烯)，CYTOP，或氧氮化锆。亲水性区域可以由下列材料制成：比如塑料，聚合物，玻璃，石英，氧氮化锆，或熔融的二氧化硅。其它合适的材料包括：陶瓷，亲水性金属，亲水性合金，或亲水性聚合物，比如羟基聚丙烯酸酯、或聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、纤维素塑料聚合物、聚乙烯醇。这些材料的涂层也可以被用于覆盖该透镜腔的壁。

本发明的备选实施方式包括具有若干个液体透镜和/或固体透镜以便于聚焦和变焦的液体透镜组件。图15A-15D示出了各种可能的安排。图15A显示出一种包括液体透镜1504和固体透镜1502的组合。图15B显示出一种包括液体透镜1504和固体平凸透镜1506的组合。图15C显示出两个液体透镜和两个固体透镜1506的组合。图15D显示出两个液体透镜1504以及一个夹在其间的固体透镜1508。应该理解，基于本文的内容，包括各种固体和/或液体透镜安排的许多其它组件配置都是可能的。

图16显示出根据本发明一实施方式的具有自动聚焦模块的液体透镜或半固体系统的侧视图。外壳1600将可变焦点液体透镜或半固体透镜1604固定到第一固体透镜1606和第二固体透镜1608之间。外壳1600包括经涂敷的内表面1602和通道1612，用于填充该腔并控制液体透镜的光学器件(比如弯液面)。表面1602可以是疏水性的或亲水性的。对于本实施方式中的自动聚焦系统而言，在第二固体透镜上也形成了(印上了)孔径1610。

图17显示出根据本发明另一实施方式的具有自动聚焦模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。像图16所示的实施方式那样，外壳1700固定了可变焦点液体透镜或半固体透镜1704、第一固体透镜1706和第二固体透镜1708，但还固定了第三固体透镜1710。外壳1700也包括疏水性表面1702。液体透镜1704从液体贮存室或压力控制装置1714通过通道1712填充该腔，该液体贮存室或压力控制装置1714与致动装置或泵1716相耦合。

图18显示出根据一实施方式的具有变焦/聚焦模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。像图17的实施方式那样，具有疏水性表面1802的外壳1800固定了第一固体透镜1808、第二固体透镜1810、第三固体透镜1812以及第一可变焦点透镜1804，第一可变焦点透镜1804可以是第一液体透镜或第一半固体透镜。但外壳1800还固定了第二可变焦点透镜1806，第二可变焦点透镜1806可以是第二液体透镜或第二半固体透镜。在一个实施方式中，第一可变焦点透镜1804是第一液体透镜，从第一液体贮存室或第一压力控制装置1814填充第一腔，第一液体贮存室或第一压力控制装置1814耦合到致动器或泵1816。第二可变焦点透镜1806是第二液体透镜，从第二液体贮存室或第二压力控制装置1818填充第二腔，第二液体贮存室或第二压力控制装置1818耦合到致动器或泵1820。在另一个实施方式中，第一可变焦点透镜1804是第一半固体透镜，从第一液体贮存室或第一压力控制装置1814填充第一腔，第一液体贮存室或第一压力控制装置1814耦合到致动器或泵1816。第二可变焦点透镜1806是第二半固体透镜，从第二液体贮存室或第二压力控制装置1818填充第二腔，第二液体贮存室或第二压力控制装置1818耦合到致动器或泵1820。在另一个实施方式中，用于半固体透镜的致动器可以是压电环致动器，它与半固体透镜直接接触。

图19显示出根据本发明的一实施方式的具有可变焦点和可变直径模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。具有疏水性表面1902的外壳1900固定了固体透镜1904、第一液体透镜或第一半固体透镜1906和第二液体透镜或第二半固体透镜1912。第一液体透镜或第一半固体透镜1906从第一液体贮存室或第一压力控制装置1918填充第一腔，第一液体贮存室或第一压力控制装置1918耦合到致动器或泵1920。第二液体透镜或第二半固体透镜1912从第二液体贮存室或第二压力控制装置1922填充第二腔，第二液体贮存室或第二压力控制装置1922耦合到致动器或泵1924。本实施方式中的外壳1900是成梯状的，使得当更多的液体被泵入该腔中时可以使液体透镜或半固体透镜的直径增大。例如，液体透镜或半固体透镜1906可以增大其直径，达到1908处所示的扩大的液体透镜或半固体透镜，还可以进一步增大其大小，达到1910处所示的扩大的液体透镜或半固体透镜。同样，第二液体透镜或半固体透镜1912可以增大其直径，以形成扩大的液体透镜或半固体透镜1914，并且进一步增大，以形成扩大的液体透镜或半固体透镜1916。在一些实施方式中，当向半固体透镜施加压力时，可以压缩半固体材料以减小其体积。在某些其它实施方式中，半固体透镜被用作具有微距功能(macro function)的固定焦距的透镜。

图20显示出根据另一实施方式的具有变焦/聚焦模块的液体透镜或半固体透镜系统的侧视图。具有疏水性或亲水性表面2002的外壳2000固定了第一固体透镜2004、第二固体透镜2006、第三固体透镜2008和第四固体透镜2010。外壳2000也固定了第一可变焦点液体透镜或半固体透镜2012和第二可变焦点液体透镜或半固体透镜2014。第一液体透镜或半固体透镜2012从第一液体贮存室或第一压力控制装置2016填充第一腔，第一液体贮存室或第一压力控制装置2016耦合到致动器或泵2018。第二液体透镜或第二半固体透镜2014从第二液体贮存室或第二压力控制装置2020填充第二腔，第二液体贮存室或第二压力控制装置2020耦合到致动器或泵2022。这些透镜被设置或安装在外壳2000中。

图21A-21B显示出根据本发明一实施方式的使用压电蜂鸣器薄膜的压电盘致动器。图21A显示出压电蜂鸣器薄膜的顶视图，它包括金属性薄膜2100和压电层2102。图21B显示出压电蜂鸣器薄膜的横截面图，其中包括薄膜2100和压电层2102，被设置或安装在液体透镜或半固体透镜系统的外壳2104上。薄膜2100用于使液体2106从通道2108中泵出，从而形成液体透镜。图21C显示出图21A-21B的实施方式的变体，并且包括压电层2110和弯曲的金属性薄膜2112。不像图21A-21B的盘实施方式那样，并没有被置于透镜外壳的顶部之上，而是将弯曲的压电薄膜设置或安装在透镜外壳周围。

图22显示出通过模制工艺而形成的可变焦点弹性透镜的图像。

图23A-23B示出了具有机械致动器的可变焦点弹性透镜模块，它可以使该透镜变形并且控制该透镜的焦距。

图24A-24B示出了管状压电致动器在约20V的制动电压的作用下体积发生变化的演示。

图25示出了根据本发明一实施方式的半固体薄箔透镜组件的示意图的侧视图。如图25所示，光学器件包括：薄箔透镜2510，它由半固体物质的薄膜或层制备而成；以及致动器环2520，被用于调节该薄箔透镜的焦距。半固体膜透镜的厚度可以介于下列范围中：大约1μm-5mm，例如，1μm-10μm，10μm-30μm，20μm-50μm，40μm-80μm，75μm-150μm，100μm-300μm，180μm-400μm，200μm-600μm，250μm-700μm，350-800μm，400μm-900μm，500μm-850μm，750μm-950μm，900μm-1mm，0.5mm-1.5mm，1.0mm-2mm，1.5mm-2.5mm，2mm-3mm，2.5mm-3.5mm，3mm-4mm，2.5mm-4.5mm，或4mm-5mm。在一些情况下，半固体膜透镜的厚度可以是1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm，10μm，15μm，20μm，30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，200μm，300μm，400μm，500μm，600μm，700μm，800μm，900μm，1mm，2mm，3mm，4mm，或5mm。

图26示出了根据本发明一实施方式的双透镜组件的侧视图。如图26所示，光学器件包括设置或安装在外壳2630中的薄箔透镜2610和固体透镜2640。环致动器被附接到薄箔透镜2610，以调节该透镜的焦距。该致动器可以是上述任一种压力调制器件。薄箔透镜可以是半固体透镜或液体透镜。本领域技术人员将会认识到，其它透镜组件也是可行的，例如，本发明也提供了具有两个或更多个透镜的透镜组件，其中包括一个或多个薄箔透镜、一个或多个固体透镜以及一个或多个液体透镜的组合。

图27示出了一种使用半固体透镜的固定焦点的透镜模块的侧视图。将半固体透镜用作固定焦距透镜的光学器件具有微距功能。该光学器件包括夹在第一半固体透镜2710和第二半固体透镜2712之间的固体透镜2720。这些透镜被设置或安装在外壳2730中。在其它实施方式中，一些透镜可以彼此直接接触，而其它透镜则分开一段预定的距离，例如，通过流体、气体或真空而分开。在其它实施方式中，所有的透镜都可以分开一段预定的距离。

图28示出了一种具有三透镜组件的光学器件以及半固体透镜的功能。如图28所示，光学器件包括夹在第一半固体透镜2810和第二半固体透镜2850之间的固体透镜2860、具有流体入口2830的第一压力控制装置2880以及具有流体出口2832的第二压力控制装置2882。这些透镜被设置或安装在外壳2870中。半固体透镜2810具有处于其各自的初始位置处的表面2822、2824和2826。半固体透镜2850具有处于其各自的初始位置处的表面2852、2854和2856。图5也证明了通过改变施加到透镜的压力就可以调节半固体透镜的表面曲率或曲率半径。当压力控制器件2880通过流体2840增大压力时，半固体透镜2810改变其形状以形成新的表面2821、2823和2825，它们分别对应于表面2822、2824和2826。相反，当压力控制装置通过出口2832除去流体2842从而减小压力时，半固体透镜改变其形状以形成新的表面2851、2853和2855，它们分别对应于表面2852、2854和2856。

本发明也提供了一种用于制造可变焦点半固体透镜的方法。在一个实施方式中，该透镜由透光半固体制成，比如聚合物。通过注塑、分配到透镜形状的模子中、浇铸、或通过任何其它制造半固体透镜(比如聚合物透镜)的方法，可以产生该半固体透镜。例如，通过将液体形式的材料注入或浇注到腔或模子中，然后，使该液体材料固化成半固体或凝胶，就可以制成半固体透镜。

本发明也提供了一种用于调节半固体透镜的曲率的方法，该半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的表面区域。该方法包括调节施加到半固体物质的压力以改变该半固体物质的表面区域的曲率。

本发明也提供了用于成像应用的半固体光学器件的用途。

本发明也预想到，上述所有液体透镜都可以选择性地或全部被半固体透镜替换。本发明进一步提供，上述所有透镜都可以选择性地或全部被半固体箔状薄透镜替换。

尽管通过示例和具体实施方式对本发明进行了描述，但是应该理解，本发明并不限于所揭示的实施方式。相反，本发明意图覆盖各种修改和相似的安排，这对本领域的技术人员而言是明显的。例如，具有半固体透镜的可变焦点功能的各种可能的透镜组件安排是存在的，并且这些实施方式并不限于本文所描述的这些。因此，所附权利要求书的范围应该被赋予最宽广的解释，以包括所有这些修改和相似的安排。

Claims (69)

1.一种光学器件，包括：

透光半固体物质，该半固体物质具有一个其曲率已被限定好的表面区域；以及

压力控制装置，该压力控制装置耦合到所述半固体物质以便调节所述半固体物质的表面区域的曲率。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，

所述半固体物质包括一个分开的层。

3.如权利要求2所述的器件，其特征在于，

所述分开的层是反射性或非反射性的层。

4.如权利要求2所述的器件，其特征在于，

所述分开的层与所述半固体物质相接触。

5.如权利要求1所述的器件，还包括：

用于支撑所述物质的固定装置。

6.如权利要求5所述的器件，其特征在于，

所述固定装置包括一个外壳，其中所述半固体物质被安装在所述外壳中。

7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，

所述外壳包括亲水性的内层和疏水性的外层。

8.如权利要求6所述的器件，其特征在于，

所述外壳包括透明的盖子。

9.如权利要求1所述的器件，其特征在于，

所述半固体物质选自包括凝胶、粘性液体、胶体、弹性体、弹性凝胶、半导体涂层、有机聚合物、无机聚合物、半晶性液体以及它们的组合的组。

10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，

所述半固体物质包括凝胶。

11.如权利要求10所述的器件，其特征在于，

所述凝胶选自包括聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及它们的组合的组。

12.如权利要求9所述的器件，其特征在于，

所述半固体物质包括弹性体。

13.如权利要求12所述的器件，其特征在于，

所述弹性体是热塑性弹性体或硅氧烷。

14.如权利要求12所述的器件，其特征在于，

所述弹性体是聚二甲基硅氧烷。

15.如权利要求1所述的器件，其特征在于，

所述半固体物质吸收红外光。

16.如权利要求1所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置是一种选自下列的器件：压电器件；机械致动器；机电致动器；流体压力调制器；人造肌肉环；以及光束。

17.如权利要求16所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置是压电器件。

18.如权利要求17所述的器件，其特征在于，

所述压电器件选自包括压电环、压电层和管状压电致动器的组。

19.如权利要求16所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置是流体压力调制器。

20.如权利要求19所述的器件，其特征在于，

所述流体压力调制器包含一种选自包括液体、气体及其混合物的组的流体。

21.一种光学器件，包括：

透光半固体膜，其厚度大约介于1μm到5mm的范围中并且具有一个其曲率已被限定好的表面区域；以及

压力控制装置，所述压力控制装置耦合到所述半固体物质以便调节所述半固体物质的表面区域的曲率。

22.如权利要求21所述的器件，还包括：

外壳，其中所述半固体膜被设置在所述外壳中。

23.如权利要求22所述的器件，还包括：

被设置在所述外壳中的固体透镜。

24.一种光学器件，包括：

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的表面区域；

固体透镜；

外壳，其中所述第一半固体透镜和所述固体透镜被设置在所述外壳中；以及

第一压力控制装置，所述第一压力控制装置耦合到所述第一半固体透镜以便调节所述第一半固体透镜的曲率。

25.如权利要求24所述的器件，其特征在于，所述第一半固体透镜是凝胶透镜。

26.如权利要求24所述的器件，还包括：

流体透镜。

27.如权利要求24所述的器件，还包括：

第二半固体透镜，所述第二半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的表面区域。

28.如权利要求27所述的器件，其特征在于，

所述固体透镜被设置在所述第一半固体透镜和所述第二半固体透镜之间。

29.如权利要求27所述的器件，还包括：

第二压力控制装置，所述第二压力控制装置耦合到所述第二半固体透镜以便调节所述第二半固体透镜的曲率。

30.如权利要求24所述的器件，其特征在于，

所述第一半固体透镜与所述固体透镜相接触。

31.如权利要求24所述的器件，其特征在于，

所述外壳包括多个与所述第一半固体透镜相接触的腔。

32.如权利要求24所述的器件，其特征在于，

所述第一半固体透镜与所述外壳的表面相接触。

33.如权利要求32所述的器件，其特征在于，

所述外壳的表面包括一种用于增大所述第一半固体透镜在外壳表面上的粘附摩擦力的微结构。

34.如权利要求33所述的器件，其特征在于，

所述微结构包括多个微型腔。

35.一种光学器件，包括：

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第一表面区域；

流体透镜；

第二半固体透镜，所述第二半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第二表面区域；

外壳，其中所述第一半固体透镜、所述第二半固体透镜和所述流体透镜被设置在所述外壳中；以及

第一压力控制装置，所述第一压力控制装置耦合到所述第一半固体透镜以便调节所述第一半固体透镜的曲率。

36.如权利要求35所述的器件，还包括：

固体透镜。

37.如权利要求35所述的器件，还包括：

第二压力控制装置，所述第二压力控制装置耦合到所述第二半固体透镜以便调节所述第二半固体透镜的曲率。

38.一种光学器件，包括：

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第一表面区域；

固体透镜；

第二半固体透镜，所述第二半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第二表面区域；

外壳，其中所述第一半固体透镜、所述第二半固体透镜和所述固体透镜被设置在所述外壳中；

第一压力控制装置，所述第一压力控制装置耦合到所述第一半固体透镜以便调节所述第一半固体透镜的曲率；以及

第二压力控制装置，所述第二压力控制装置耦合到所述第二半固体透镜以便调节所述第二半固体透镜的曲率。

39.如权利要求38所述的器件，其特征在于，

所述固体透镜被设置在所述第一半固体透镜和所述第二半固体透镜之间。

40.如权利要求39所述的器件，其特征在于，

所述固体透镜与所述第一半固体透镜和所述第二固体透镜相接触。

41.如权利要求38-40中的任一项所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置包括致动器或泵。

42.如权利要求1-41中的任一项所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置选自包括流体压力调制器和压电器件的组。

43.一种光学器件，包括：

第一固体透镜；

半固体透镜，所述半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的表面区域；

第二固体透镜；以及

外壳，其中所述第一固体透镜、所述第二固体透镜和所述半固体透镜被设置在所述外壳中。

44.如权利要求43所述的器件，还包括：

压力控制装置。

45.如权利要求43所述的器件，其特征在于，

所述半固体透镜被设置在所述第一固体透镜和所述第二固体透镜之间。

46.如权利要求45所述的器件，其特征在于，

所述外壳具有疏水性表面。

47.如权利要求46所述的器件，其特征在于，

所述表面与所述半固体透镜相接触。

48.一种光学器件，包括：

第一固体透镜；

第二固体透镜；

第三固体透镜；

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的表面区域；

外壳，其中所述第一固体透镜、所述第二固体透镜、所述第三固体透镜和所述第一半固体透镜被设置在所述外壳中；以及

任选的压力控制装置，所述压力控制装置耦合到所述第一半固体透镜。

49.如权利要求48所述的器件，其特征在于，

所述第一半固体透镜被设置在所述第一固体透镜和所述第二固体透镜之间。

50.如权利要求49所述的器件，其特征在于，

所述压力控制装置耦合到致动装置。

51.如权利要求48所述的器件，还包括：

第二半固体透镜，其中所述第二半固体透镜被设置在所述外壳中。

52.如权利要求51所述的器件，其特征在于，

所述第二半固体透镜被设置在所述第二固体透镜和所述第三固体透镜之间。

53.如权利要求52所述的器件，还包括：

耦合到所述第二半固体透镜的压力控制装置。

54.一种光学器件，包括：

第一固体透镜；

第二固体透镜；

第三固体透镜；

第四固体透镜；

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第一表面区域；

第二半固体透镜，所述第二半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第二表面区域；

外壳，其中所述第一固体透镜、所述第二固体透镜、所述第三固体透镜、所述第四固体透镜、所述第一半固体透镜和所述第二半固体透镜被设置在所述外壳中；

任选的第一压力控制装置，它耦合到所述第一半固体透镜；以及

任选的第二压力控制装置，它耦合到所述第二半固体透镜。

55.如权利要求54所述的器件，其特征在于，

所述第二和所述第三固体透镜被设置在所述第一和所述第四固体透镜之间。

56.如权利要求55所述的器件，其特征在于，

所述第一半固体透镜与所述第二固体透镜或所述第三固体透镜相接触。

57.如权利要求55所述的器件，其特征在于，

所述第二半固体透镜与所述第二固体透镜或所述第三固体透镜相接触。

58.如权利要求56或57所述的器件，其特征在于，

所述第一和所述第二半固体透镜被设置在所述第二和所述第三固体透镜之间。

59.一种光学器件，包括：

第一半固体透镜，所述第一半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第一表面区域；

第二半固体透镜，所述第二半固体透镜具有一个其曲率已被限定好的第二表面区域；

固体透镜，所述固体透镜被设置在所述第一半固体透镜和所述第二半固体透镜之间；以及

外壳，其中所述第一半固体透镜、所述第二半固体透镜和所述固体透镜被安装在所述外壳中。

60.一种通过模塑工艺制备的半固体透镜。

61.一种用于制造半固体光学器件的方法，所述方法包括：

将半固体物质制造成透镜。

62.一种用于制造半固体光学透镜的方法，所述方法包括：

将半固体物质制成一种其曲率已被限定好的透镜的注塑步骤。

63.一种用于制造半固体光学透镜的方法，所述方法包括：

将流体材料浇铸到一种具有限定的结构的模子中；以及

使所述流体材料固化成一种其曲率已被限定好的半固体透镜。

64.如权利要求61、62或63所述的方法，还包括：

将所述透镜安装在外壳中。

65.一种用于调节半固体透镜的曲率的方法，所述方法包括：

调节施加到半固体物质上的压力以改变所述半固体物质的表面区域的曲率，其中所述半固体物质具有一个其曲率已被限定好的表面区域。

66.如权利要求65所述的方法，其特征在于，

从机械致动器施加所述压力。

67.如权利要求1-59中任一项所述的器件在成像应用方面的用途。

68.一种大致如本文所描述的光学器件。

69.一种用于制造大致如本文所描述的光学器件的方法。

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