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CN101558332B - 多流体透镜和包括多流体透镜的光学装置 - Google Patents

多流体透镜和包括多流体透镜的光学装置 Download PDF

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CN101558332B CN 200780045743 CN200780045743A CN101558332B CN 101558332 B CN101558332 B CN 101558332B CN 200780045743 CN200780045743 CN 200780045743 CN 200780045743 A CN200780045743 A CN 200780045743A CN 101558332 B CN101558332 B CN 101558332B
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Abstract

本发明提供允许光束导向和焦点调节的多种流体透镜构造。例如,根据本发明的一个实施例,一种流体透镜被配置以使光信号可沿着穿过由透镜的第一、第二、以及第三不混溶流体限定的第一和第二透镜表面延伸的光传播轴从透镜的输入侧传播至透镜的输出侧。相应的可调透镜表面沿不混溶流体之间的界面形成,而且外部信号能够改变那些表面的形状。因为形成透镜表面的两个透镜组件横向偏移,所以透镜的焦距和光束导向可通过改变这些表面的形状被调节。还公开了另外一些实施例。

Description

多流体透镜和包括多流体透镜的光学装置

[0001] 发明背景

[0002] 本发明涉及可调流体透镜和包括可调流体透镜的光学装置。 发明内容

[0003] 根据本发明的一个实施例,一种流体透镜被配置以使光信号可沿着穿过由透镜的 第一、第二、以及第三基本不混溶流体限定的第一和第二透镜表面延伸的光传播轴从透镜 的输入侧传播至透镜的输出侧。该透镜包括流体容器,该流体容器被配置以使第一不混溶 流体通过第二不混溶流体机械地耦合至第三不混溶流体。相应的透镜表面沿第一、第二、以 及第三不混溶流体之间的界面形成。

[0004] 根据本发明的另一实施例,第一和第二透镜表面沿垂直于透镜的光传播轴ζ的方 向X相对于彼此偏移。第三透镜表面可沿两种叠加的不混溶流体的界面设置,并且第一和 第二透镜表面中的一个或两个可沿垂直于方向X和光传播轴Z的方向相对于第三透镜表面 偏移。

[0005] 根据本发明的又一实施例,提供了一种光学系统,它包括根据本发明的流体透镜。 在该系统中流体透镜被配置成通过在传播光中产生全局光束导向效应、改变流体透镜的焦 距或者通过这两种方式引导光在系统中传播。

[0006] 因此,本发明的目的是提供针对可调流体透镜的改进设计、改进的半导体激光器、 以及结合这些透镜的其它类型的光学-机械装置。例如,在诸如分布反馈(DFB)激光器或 者分布布拉格反射镜(DBR)激光器之类的半导体激光器与诸如二次谐波产生(SHG)晶体之 类的光波长转换装置组合以形成短波长源的情况下,利用光束导向会是有利的。更具体地, 通过将例如lOeOnm的DBR或DFB激光器调节至将波长转换成530nm即可见光谱的绿光部 分的SHG晶体的光谱中心,可将SHG晶体配置成产生基波激光信号的较高次谐波。根据本 发明的可调透镜可被定位成将光从激光芯片弓I导至光波长转换装置。本发明的其它目的将 根据在此具体化的本发明的描述变得显而易见。

[0007] 附图简述

[0008] 本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解,附 图中相同的结构使用相同的附图标号指示,且其中:

[0009] 图1是根据本发明的一个实施例的串联式流体透镜的示意图;

[0010] 图2是根据本发明的处于偏置状态的图1的串联式流体透镜的示意图;

[0011] 图3是根据本发明的处于另一偏置状态的图1的串联式流体透镜的示意图;

[0012] 图4是根据本发明的另一个实施例的串联式流体透镜的示意图;

[0013] 图5是根据本发明的另一个实施例的串联式流体透镜的示意图;以及

[0014] 图6A和6B示出包括三个透镜组件的本发明的实施例。

[0015] 详细描述

[0016] 首先参考图1,示出了根据本发明的一个实施例的流体透镜10。一般而言,图1中 所示的流体透镜10包括第一和第二流体透镜组件12、14。第一流体透镜组件12包括沿包含在透镜10的流体容器20内的第一和第二不混溶流体21、22的界面的第一透镜表面13。 类似地,第二流体透镜组件14包括沿包含在流体容器20内的第二和第三不混溶流体22、 23的界面的第二透镜表面15。为了限定和描述本发明,应当注意的是,在本文中引用的透 镜组件“包括”透镜表面不应当解释为对表面的物理位置的限制。相反,无论该表面的位置 在何处,它都应当被理解为透镜组件的一部分。例如,在图1和2中所示的本发明的实施例 中,应当认为无论第一透镜表面13沿第三不混溶流体23的方向延伸多远,该表面都将是第 一透镜组件的一部分。

[0017] 第二不混溶流体22的折射率与第一和第三不混溶流体21、23各自的折射率不同, 以确保第一和第二透镜表面13、15向透镜10中引入合乎需要的光学效应。具体地,在光信 号沿从穿过第一和第二透镜表面13、15延伸的光传播轴从透镜10的输入侧传播至透镜10 的输出侧的情况下,相应的折射率应当足够不同以在各个透镜表面处在信号中引入光学上 的显著变化。

[0018] 例如而不是为了限制,在包括激光芯片、波长转换装置、和根据本发明的流体透镜 10的半导体激光器的背景下,流体透镜10可沿激光芯片的光输出与PPLN波长转换晶体的 输入之间的光路径定位。优选设置一对准直透镜,且流体透镜10在准直透镜之间的光路径 的已准直部分中定位。流体透镜10可按照本文中所描述的方式调节,以通过将传播光相对 于PPLN晶体的输入表面重新对准、通过调节PPLN晶体的输入表面处的传播光的焦点或同 时采取这两种方法来改善激光输出与PPLN晶体之间的耦合效率。虽然引入光信号中的变 化可以是静态的,但本发明的多个实施例尤其适合于通过改变光信号被重定向的角度在光 学系统中产生光束导向效果。此外,本发明的多个实施例尤其适合于通过改变透镜10的焦 距被改变的程度提供焦距的变化。

[0019] 具体地,参考图1作为示例,第一和第三不混溶流体21、23可被提供为电响应流 体,且透镜10可包括控制电极30、32、34,控制电极30、32、34被配置成产生能够改变透镜表 面13、15中的一个或两个的形状和/或取向的相应的电场。如图1所示,控制电极30、32、 34可被配置成至少部分地界定流体容器20,其中电极30和34包括部分锥形的壁部分。电 响应透镜流体与容器的锥形壁接合的角度和流体与容器壁接合的点因变于施加到控制电 极的控制电压。以此方式,相应的透镜表面的形状和取向可因变于施加到控制电极的电压 被控制。

[0020] 例如而非为了限制,在其中第一和第二透镜组件12、14的电极和几何形状是旋转 对称的特定情况下,电极电压的变化将改变第一和第二透镜表面13、15的曲率半径。曲率 的这个变化改变第一和第二透镜组件12和14的焦距。如图1所示,如果透镜横向偏移距 离a,透镜组件12、14的曲率半径的变化可被转换成传播的光信号的传播方向选择性调节 和透镜10的焦距调节。通过向透镜组件12和14施加不同的信号可独立地调节光束焦点和 光束导向。例如,以下方程示出一光学构造中的PPLN波长转换晶体的输入处的光束导向和 光斑的焦点调节,该光学构造包括沿一光学路径以此排列的激光二极管、第一准直透镜Li、 包括第一和第二透镜组件12、14的流体透镜10、第二准直透镜L2、以及PPLN晶体:

[0021] Dy = fL2(a) (l/f「l/f2)

[0022] Dz = Ϊ^ϋ/Ϊ,+Ι/Ϊ^

[0023] 其中Dy是PPLN晶体的输入处的光斑的横向平移,Dz是PPLN晶体的输入处的光斑

5的焦点平移,f:和f2是第一和第二流体透镜组件12、14各自的焦距,而&是第二准直透镜 L2的焦距。因此,通过在不改变(l/fi+1/%)的和值的情况下改变&和4可调节光斑的横 向位置。反之,通过调节和f2同时保持差值(l/frl/%)恒定可改变焦点。

[0024] 图2示出透镜表面13、15的形状的构想改变的示例。在示图中,控制电极30、32、 34是环形对称的,而且可被施加会产生具有改变的曲率的透镜表面13' ,15'的电位。图3 例示出第一和第二透镜组件12、14的透镜表面的取向的构想改变。在示图中,控制电极30、 32、34不是环形对称的,而且被施加会产生具有改变的取向的透镜表面13' ,15'的电位。

[0025] 构想可采用本发明的概念给予透镜表面取向和形状的实际无限制的集合。例如, 构想各个控制电极30、32、34可被划分成包括两个或多个单独可控的分支电极或电极部 分。更具体地,虽然控制电极30和34可包括相应的连续锥形电极且控制电极32可包括连 续环形电极,但构想各个锥形或环形电极可沿电极的弧形分成若干分支电极以提供透镜表 面13、15的增强控制。在美国专利No. 6,538,823中说明了在可调流体透镜中使用的电极 组件的一些示例。该专利的仅对便于理解可调流体透镜中的电极可用来改变流体透镜表面 的曲率的方式有必要的那些部分通过引用结合于此。

[0026] 为了描述和定义本发明,注意“电学响应”的流体可以是导电流体、有限导电率的 有极性流体、或者可被安排成以在此描述的方式对其上的电场或磁场的施加作出物理响应 的任何流体。还构想仅提供第二不混溶流体22作为电响应流体就足够了,因为第二不混溶 流体22的形状和取向将由于第二不混溶流体22与其它两种不混溶流体之间的机械耦合而 影响第一和第三不混溶流体21、23的形状和取向。此外,还构想设置在透镜中的全部不混 溶流体21、22、23可被选择成电响应的。

[0027] 控制其中由控制电极产生的电场可用来改变透透镜表面13、15的形状和取向的 方式的具体方式在本发明的范围以外,并且该方式可从该问题的多种容易得到的示教中了 解。例如且不作为限制,美国专利No. 6,538,823,6, 778,328和6,936,809提供了对该问题 的具体指导。这些专利的仅对促进理解电场可用来改变凸透镜表面的曲率的方式有必要的 那些部分通过引用结合于此。

[0028] 在本发明的实施中,构想将通常优选通过确保提供合适的控制电路和相应的独立 可控电极30、32、34以允许产生能够独立地改变第一和第二透镜表面13、15的各自形状的 至少两个不同的电场以最大化操作灵活性。为此,在图1和其它地方处将透镜10示为包括 在控制电极30、32、34之间定位的相应的电绝缘体36。例如图1所示,电绝缘体36可界定 流体容器20。

[0029] 本发明的一个重要方面参考图6A和6B示出,其中第一和第二透镜组件12、14各 自的位置参考正交X-Y-Z坐标系示出。如图6A所示,可定位第一和第二透镜组件并控制控 制电极30、32、34以使各个组件的相应透镜表面13、15相对于彼此沿χ方向偏移,χ方向垂 直于代表光传播轴的一般方向的ζ方向。图6B示意性地示出X-Y平面中的相应的透镜组 件12、14的偏移关系。此偏移关系允许用户通过相对低复杂度的控制电极配置在χ方向上 获得显著的光束导向。

[0030] 图6A和6B还示出第三流体透镜组件16,其包括沿透镜10的附加的流体容器内包 含的第一和第二不混溶流体21、22的界面的第三透镜表面17。第一透镜组件12的第一透 镜表面13相对于第三透镜组件16的第三透镜表面17沿垂直于χ方向的y方向偏移。因此,第三透镜表面17的形状和/或取向的改变将允许用户通过相对低复杂度的控制电极配 置实现y方向上的显著的光束导向。图6A和6B中示出的偏移透镜组件的所得组合将共同 允许整个X-Y平面上的方便的光束导向,同时保持改变透镜10的焦点的上述能力。

[0031] 关于本申请的图1-6中所示的流体容器,构想透镜表面界面壁40可被配置成锥形 或圆柱形壁的相应的内周边。然而,还可构想多种常规和有待开发的容器构造将适合用于 本发明的透镜组件。在所示实施例中,各个流体容器20至少部分地受输入窗口 24和输出 窗口 26限制,它们中的每一个可沿透镜10的光传播轴定位。容器20还受与透镜表面13、 15、17接合的壁40限制。这些壁一般沿光传播轴延伸,且平行于光传播轴或向内或向外成 锥形,即相对于光传播轴倾斜。此外,构想这些壁可包括相对简单的线性壁或更复杂的弧形 壁。还构想这些壁40的相应部分可包括不同形状和取向的不同壁部分的组合。

[0032] 例如,注意改换的容器剖面可获得对控制电压中的变化更线性的响应,或者在由 透镜调节的光学参数方面更佳或变差。在其它情况下,可优选实现对控制电压中的变化的 非线性或指数响应。所构想的剖面包括但不限于:上述线性锥形剖面、双曲线锥形剖面、抛 物线锥形剖面、圆柱剖面、矩形剖面、或其它线性或非线性剖面并包括它们的组合。

[0033] 虽然图1-3示出了具有基本连续容积的流体容器,其中第二不混溶流体22机械地 将第一不混溶流体21耦合至第三不混溶流体23,但可构想第一不混溶流体21可通过第二 不混溶流体22和一个或多个另外的不混溶流体机械地耦合至第三不混溶流体23。此外,如 图4所示,相对刚性部分50可在第二不混溶流体中设置以隔开流体、并帮助将相应的流体 透镜表面13、15的运动彼此隔离、稳定透镜10的结构、使透镜10的组装容易等等。刚性部 分50可设置为例如薄膜之类的相对薄层、或例如透明窗之类的相对厚的组件。

[0034] 虽然第一、第二、以及第三不混溶流体21、22、23的特定成分超出本发明的范围, 但应当注意这些流体的不可混溶性通常归因于这些流体自身的性质。优选这些流体包括具 有相似密度的透明液体。透镜内的毗邻流体通常具有不同的折射率且可具有不同极性。例 如而非作为限制,电响应油可用作第一和第三不可混溶流体,而水基流体可被提供作为第 二不可混溶流体。美国专利No. 4,477,158和美国专利公开No. 2006/0152814提供涉及在 透镜中使用不混溶流体的另外示教。还构想流体的不混溶性可通过定位在流体之间的柔性 膜被增强,或仅仅由该柔性膜引起。此外,注意根据本发明的不混溶流体不需要对透镜10 内的所有流体都不混溶。相反,流体仅需对毗邻的流体不混溶。

[0035] 从第一不混溶流体21的角度看,图1-4中所示的透镜表面13可称为凸面的。同 样,从第三不混溶流体23的角度看,图1-4中所示的透镜表面15可称为凸面的。反之,图 5中所示的透镜表面13、15可称为凹面的。因此,本发明的各实施例构想凸面或凹面的透 镜表面。另外,虽然未示出,但构想本发明的各实施例中的透镜表面13、15中的一个是凹面 的,而另一个是凸面的。不混溶流体21、22、23的性质、相关联的透镜表面界面壁40的性质、 以及在控制电极30、32、34处产生的电势的本质将协同确定在本发明中具体化的特定透镜 表面形状。

[0036] 虽然图1-5中示出的透镜表面从穿过且平行于透镜10的光传播轴截取的截面看 具有基本均勻的环形表面,但应当注意实际上这些透镜表面通常会不同于所示的均勻圆 弧。例如,凸透镜表面可更接近地近似椭圆或其他非圆形的圆弧,并且可在它们相应的横截 面中包括平面或近似平面的表面部分。此外,构想透镜流体可形成平坦或近似平坦的透镜表面。

[0037] 本发明的概念已参考电响应透镜流体的使用和相应的控制电极在以上进行了说 明。然而,还构想第一和第二透镜流体可包括液压响应的压敏透镜流体,其中凸透镜表面的 曲率可通过控制向相应流体储存器的流体源来控制。第一和第二流体源可以是不同的流体 源或共用的流体源。在美国专利No. 5,438,486和6,188,526中更具体地示教了在液体透 镜内的压敏透镜流体的使用。这些专利的仅对支持理解其中压敏流体透镜可被构造的本质 有必要的那些部分通过引用结合于此。

[0038] 在根据本发明的流体透镜被配置成引导在光学系统中传播的光的情况下,构想这 些透镜还可包括准直光学装置,这些准直光学装置被配置成使从例如激光芯片之类的输入 光学装置被引导至例如SHG晶体之类的输出光学装置的光基本被准直。另外,可引入准直 光学装置以减轻否则将落在可调节透镜上的光功率需求。具体地,准直光学装置可被配置 成主要起系统的第一阶光学组件的作用,而可调节透镜可被设计成主要起二阶校正系统的 作用。

[0039] 根据本发明的可调节流体透镜在小规模和大规模光学_机械装置中具有特定用 途,因为通常在这样的装置中难以确保光学元件的适当的机械对准。例如,在包括激光芯片 和二次谐波产生(SHG)波导晶体光波长转换装置的半导体激光器的环境中,本发明已认识 到经常有必要以亚微米公差对准光学组件。为了说明而不是限制,注意通过本发明构想的 另外的光学_机械装置包括二次谐波发生激光器装置、泵浦激光器装置、以及其中单或多 模光信号在光波导、光纤、光晶体、或各种有源或无源光学元件的组合之间传输的其他光学

直ο

[0040] 为了描述和定义本发明,注意在本文中采用术语“基本上”来表示可归因于任何数 量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。还在此采用术语“基本上”以表示数量 表征可不同于规定参考值而不在此问题上导致本主题的基本功能改变的程度。在此还采用 术语“基本上”以表示数量表征必须不同于规定参考值以在此问题上获得主题的所列出的 功能的最小程度。

[0041] 已详细地并引用其具体实施例描述了本发明,显然在不背离所附权利要求书中所 限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地,虽然本发明的某些方 面在此可被鉴别为优选的或特别有优势的,但应构想到本发明不一定限于本发明的这些方

8

Claims (9)

  1. 一种包括第一和第二流体透镜组件的流体透镜,其特征在于:所述第一流体透镜组件包括沿包含在所述透镜的流体容器内的第一和第二流体的界面形成的第一透镜表面;所述第一和第二流体相对于彼此不混溶;所述第二流体透镜组件包括沿所述流体容器内包含的第二和第三流体的界面形成的第二透镜表面;所述第二和第三流体相对于彼此不混溶;所述第一流体通过所述第二流体机械地耦合至所述第三流体;所述第二流体的折射率与所述第一和第三流体的折射率显著不同;所述流体透镜被配置成使光信号可沿穿过所述第一和第二透镜组件的所述第一和第二透镜表面延伸的光传播轴从所述透镜的输入侧向所述透镜的输出侧传播;所述第一和第二透镜表面沿垂直于所述光传播轴z的方向x相对于彼此偏移,以及所述流体透镜被配置成允许所述第一和所述第二透镜表面中的至少一个的改变。
  2. 2.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于:所述流体透镜还包括第三流体透镜组件,所述第三流体透镜组件包括沿包含在所述透 镜的附加流体容器内的第一和第二流体的界面的第三透镜表面;所述第三流体透镜组件的所述第一和第二流体相对于彼此不混溶; 所述第一和第二透镜表面沿垂直于所述光传播轴z的方向x相对于彼此偏移;以及 所述第一和第二透镜表面中的一个或两个沿垂直于所述方向x和所述光传播轴z的方 向y相对于所述第三透镜表面偏移。
  3. 3.包括如权利要求1所述的流体透镜的光学系统,其特征在于,所述流体透镜被配置 成通过在所述传播光中产生全局光束导向效应、改变所述流体透镜的焦距、或通过这两种 方式引导在所述光学系统中传播的光。
  4. 4.如权利要求3所述的光学系统,其特征在于:所述光学系统包括半导体激光器,所述半导体激光器包括激光芯片、光波长转换装置、 以及所述流体透镜;以及所述流体透镜被配置成通过在所述传播光中产生全局光束导向效应、改变所述流体透 镜的焦距、或通过这两种方法引导从所述激光芯片的输出传播至所述光波长转换装置的输 入的光。
  5. 5.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于,所述透镜包括控制电极,所述控制电极 被配置成产生能够改变所述透镜表面中的至少一个的形状、取向、或形状和取向的至少一 个电场。
  6. 6.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于,所述透镜包括控制电极,所述控制电极 被配置成产生能够独立地改变所述第一和第二透镜表面的至少两个不同的电场。
  7. 7.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于,所述透镜包括控制电极,所述控制电极 被配置成产生能够通过独立地改变所述第一和第二透镜表面产生全局光束导向效应的至 少两个不同的电场。
  8. 8.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于,所述透镜包括控制电极,所述控制电极 被配置成产生能够通过独立地改变所述第一和第二透镜表面改变所述透镜的焦距的至少两个不同的电场。
  9. 9.如权利要求1所述的流体透镜,其特征在于:所述透镜包括被配置成独立地产生至少两个不同的电场的第一组控制电极,各个所述 电场能够改变所述第一透镜表面的至少一个方面;以及所述透镜包括被配置成独立地产生至少两个附加的不同电场的第二组控制电极,各个 所述电场能够改变所述第二透镜表面的至少一个方面。
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