CN106066534B - 制造定径切趾光圈的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于大规模生产定径切趾光圈的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供用于所述切趾光圈的光学基板；b.在所述光学基板上沉积掩模；c.将含有光学染料的材料沉积在所述光学基板上；以及d.使所述光学染料扩散到所述光学基板中，其中，当从所述掩模和所述光学基板的上方观察时，所述染料将扩散到所述光学基板中而至少部分地到所述掩模下方，从而形成切趾光圈。该方法使用了利用各种方法使染料扩散到光学元件中的技术以及各种浇铸与成型形成技术。

Description

制造定径切趾光圈的方法
本申请是申请日为2013年4月3日、申请号为201380027960.0、发明名称为“具有带至少一个定径切趾光圈的移位台的光学机构及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明整体涉及一种具有带至少一个定径切趾光圈的移位台的光学机构及制造定径切趾光圈的方法。
背景技术
基本上由于摄影的问世，可调节的相机设定在获得正确曝光照片方面便变得至关重要。这些调节包括“快门速度”(“胶片”的可调节曝光时间)、“胶片速度”(胶片灵敏度的选择)以及镜头光圈(镜头中的可调节光阑)。除了影响胶片曝光之外，这些调节还提供其他必要好处。例如快门速度调节允许拍摄者及时抓拍到快速移动的场景。胶片速度允许拍摄者得到所需的图像颗粒(grain in the image)。镜头光圈调节允许拍摄者得到所需的景深。
在数码相机中，通常电子快门控制(图像传感器的可调节积分时间)代替了机械快门，但这不会消除对镜头的光圈调节的需要，机械快门仍然是不可缺少的工具，不仅用于控制入射到成像传感器上的光量，而且还用于获得相关图像中所需的景深。
数码相机的镜头光圈调节的一种常见形式为机械虹膜式光阑或机械虹膜。机械虹膜由多个叶片组成，这些叶片能够相对于彼此移动，以便形成可调节的伪圆形的多边形光圈。这些叶片以相对于彼此移动的方式连接在内圈和外圈上，以调节机械虹膜。大多数胶片相机和许多数码摄像机采用机械虹膜或一些其他形式的镜头光圈调节(例如基本的光圈轮)。
然而，也有一些明显的例外：一次性胶片相机、非常低价的数码相机和许多手机。在这些领域中，不使用镜头光圈调节的主要原因是成本。例如廉价的机械虹膜设计可以是数码相机的合理部件，而成本可能低于整个照相机单元的零售价的1％的1/2，但这个同样廉价的虹膜部件的成本可能会超过一次性照相机的零售价的1/3或超过用于计算机或手机的相机组件的成本的1/3。因此，几乎所有的手机相机(也被称为手机相机组件)都不包括镜头光圈调节。
最初，手机相机并未设计为用来替代传统相机。手机相机组件应当在不使用闪光灯的情况下在昏暗的光线条件下产生可以接受的图像。因为这个原因，手机相机装有具有大的固定光圈(例如f/2.8)的镜头，从而以景深为代价使灵敏度最大化，并且手机相机依赖于电子快门来调节曝光量。结果，这些没有光圈调节的手机相机在低光照水平下因不良的散粒噪声和读出噪声而在高光照水平下因较差的景深产生有质量问题的图像，并且因透镜像差降低了清晰度。
然而，由于其巨大的人气(销量已经超过了胶片相机和数码相机)，手机相机组件正在取代传统相机。作为流行程度的参考点，在2010年底，全球有超过53亿部移动手机的订购量，或者说超过世界人口的3/4，其中，美洲有8.8亿订购量且欧洲有7.4亿订购量。关于手机相机的使用，根据2010年12月的研究，美国52.7％的移动手机用户、欧洲57.5％的移动手机用户和日本62.9％的移动手机用户在使用他们的移动手机设备进行拍照。
手机相机组件需要以传统相机的成本的一小部分来接近或匹配传统相机的成像质量。这个问题因价格压力和市场对更大量像素的需求而进一步加剧了。随着半导体技术的发展，图像传感器变得越来越清晰，而且像素变得越来越小，因此需要具有更宽光圈的镜头，以保持同样的灵敏度。这种需要与更清晰的镜头(因为更宽的光圈会导致更大的透镜像差)和增大的景深(因为更宽的光圈会导致景深的减小)的要求相冲突。
试图改进手机相机组件的两个解决方案是使用“流体镜头”的光学自动对焦和使用图像处理算法的“相位掩模”方法。在使用流体镜头的光学自动对焦的情况下，景深不增大。更准确地说，只是简单地将焦距调节为特定的距离。在相位掩模方法的情况下，镜头的焦距实际上被减少了。相位掩模(放置在透镜元件之一上)在整个扩大的景深上引入相对恒定的散焦量。然后通过数字地使用图像处理算法来部分地恢复清晰度。不幸的是，清晰度恢复算法同样会在图像中引入大量的噪声。
显然，这些解决方案都没有真正消除对廉价可调节的镜头光圈的需要，也没有合适的技术实施方案来满足手机相机组件的这种需求。现有的机械虹膜太贵、体积太大、太脆弱而且太耗电，从而无法满足预期的十亿手机相机组件的市场。机械虹膜还具有另外一个严重的技术缺陷，即对于小光圈设置而言，透过虹膜的圆形光圈的衍射显著降低了图像的清晰度，例如高f数，诸如f/5.6或更高。
通过使导致衍射的锐边最小，切趾光圈大大减少了小光圈尺寸(高f数，诸如F/7+)时的有害衍射效应。其他人已经注意到在更大光圈尺寸(F2.8以上)时的切趾光圈的优点。当光学传感器的像素密度或数量增加和/或像素尺寸减小时，切趾光圈变得越来越有优势。
在试图解决这些缺陷的专利文献中已经提出几种方案，例如美国专利No.7585122(其以引用的方式并入本文)公开了一种用于手机应用等的电气-机械可调节光圈相机，该可调节光圈相机由至少两个电极和用于将电压涂敷到电极以在电极之间产生电场的电路形成。美国专利No.7,929,220(其以引用的方式并入本文)公开了一种使用光致变色材料构造而成的可调节切趾镜头光圈。美国专利No.6,621,616(其以引用的方式并入本文)公开了某些实施例，这些实施例提供了一种用于相机的电致变色元件，电致变色元件可以同时用作快门、可变透光率滤光片和虹膜。美国公开专利申请No.2010-0134866(其以引用的方式并入本文)教导了一种具有电致变色切趾光圈的光学元件的广义概念，该电致变色切趾光圈具有响应于所涂敷的电压幅度而可变的可变透光率。诸如在美国专利No.6621616和/或美国公开专利申请No.2010-0134866中特别公开的现有技术的宽电致变色切趾光圈的解决方案由于复杂性而可能无法实现为如下的方式：具有成本效益来进行高效大规模生产。
除了成本问题之外，还需要保证在手机环境下的耐用性，因为手机通常比传统数码相机或胶片相机经受显著更多的伤害。因此，在手机设备的设计中需要存在一定程度的牢固耐用。
仍然需要具有成本效益、耐用、牢固的机构来改变诸如手机等中的相机的光圈。本发明的目的在于开发出具有向相机光圈提供独立切趾光圈的能力的光学元件，并且提供制造适用于高效且有效制造光学元件的方法，从而将光学元件内置到诸如手机等廉价相机单元中。
发明内容
本发明提供了一种用于具有相机光圈的相机的光学机构，例如手机中的光学机构。光学机构包括能够在至少两个独立位置之间移动的移位台。至少第一定径切趾光圈安装在所述移位台上，并且构造为在所述移位台的独立位置中的一个位置，所述第一定径切趾光圈与所述相机光圈对准，其中，在所述移位台的独立位置中的其它位置，所述第一定径切趾光圈不与所述相机光圈对准。致动器用于在各个所述独立位置之间移动所述移位台。
光学机构还可以包括构造为将所述移位台对准在各个独立位置的对准机构，诸如线性致动器或旋转致动器。移位台可以构造为用于在各个独立位置之间进行线性运动或旋转运动。在非限制性实例中，在移位台位于各种独立位置中的情况下，光学元件可以提供相机的约F2.0至约F11.0的所得F-光圈值。在一个示例性实例中，移位台可以包括移位台的至少两个、三个或四个独立位置。
可提供根据本发明的一个非限制性实施例的光学机构，其中各个定径切趾光圈包括扩散到光学基板中的染料。另外，各个定径切趾光圈可以包括透明外涂层。
本发明的另一方面提供了一种制造定径切趾光圈的方法，该方法包括以下步骤：提供用于切趾光圈的光学基板；在基板上沉积掩模；将含有光学染料的材料沉积在基板上；以及使光学染料扩散到光学基板中，其中，当从掩模和基板的上方观察时，染料将扩散到基板中而至少部分地到掩模下方，从而形成切趾光圈。
根据本发明的一个方面，形成定径切趾光圈的方法可以提供：所述切趾光圈的有效直径由掩模的有效直径和染料的扩散程度决定。所述掩模可以为大致圆形掩模，且大体上在所述切趾光圈上居中，并且可以为光学透明涂层。另外，所述掩模可以形成所述切趾光圈的一部分。
根据本发明的形成定径切趾光圈的方法还可以包括平坦化步骤，其中该平坦化步骤包括至少部分地移除所述掩模，或者该平坦化步骤包括添加平坦化层。
根据本发明的形成定径切趾光圈的方法允许容易进行大规模生产，其中，将多个掩模涂敷在单个光学基板上，以同时形成多个光圈。
根据本发明的另一方面的制造定径切趾光圈的方法包括以下步骤：提供用于切趾光圈的透明光学基板；围绕用于所述切趾光圈的透明光学基板提供用于所述切趾光圈的含染料光学基板；以及使所述光学染料从所述含染料光学基板扩散到所述透明光学基板中，从而形成所述切趾光圈。
根据本发明的另一方面的制造定径切趾光圈的方法包括以下步骤：提供用于所述切趾光圈的透明光学基板，该透明光学基板具有从所述透明光学基板的顶部到底部沿径向向外渐扩的侧面；以及围绕用于所述切趾光圈的侧面渐扩的透明光学基板浇铸用于所述切趾光圈的含染料光学基板。
根据本发明的另一方面的制造定径切趾光圈的方法包括以下步骤：提供用于所述切趾光圈的透明光学基板；围绕用于所述切趾光圈的透明光学基板提供用于所述切趾光圈的含染料光学基板；以及以允许所述光学染料从所述含染料光学基板扩散到所述透明光学基板中从而形成切趾光圈的方式，同时提供所述透明光学基板和所述含染料光学基板。
本发明的这些和其它优点将在结合附图的优选实施例的详细描述中阐明，其中，全部附图中相同附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的一个方面的由具有定径切趾光圈的两个止挡部移位台形成的光学机构；
图2示意性地示出根据本发明的另一方面的由具有一对独立定径切趾光圈的三个止挡部移位台形成的光学机构；
图3示意性地示出根据本发明的另一方面的由具有三个独立定径切趾光圈的四个止挡部移位台形成的光学机构；
图4A是根据本发明的一个方面的光学基板上的一系列硬涂层掩模的示意性俯视平面图，该光学基板用于用扩散法形成一系列独立开口尺寸的切趾光圈；
图4B是图4A的光学基板上的一系列硬涂层掩模的示意性剖视图；
图5A是根据本发明的一个方面的在一系列独特开口尺寸的切趾光圈的扩散形成期间染料涂敷于具有图4A和图4B的一系列硬涂层掩模的光学基板上的示意性俯视平面图；
图5B是涂敷于具有图5A的一系列硬涂层掩模的光学基板上的染料的示意性剖视图；
图6是在图5A和图5B的染料涂敷之后的在具有一系列硬涂层掩模的光学基板内的扩散染料的示意性剖视图；
图7A和图7B是在独特平坦化选择之后的在图6的光学基板内的扩散染料的示意性剖视图；
图8A是根据本发明的另一方面的用于用扩散法形成一系列独特开口尺寸的切趾光圈的初始光学基板构造的示意性俯视平面图；
图8B是图8A的用于形成一系列切趾光圈的初始光学基板构造的示意性剖视图；
图8C是在图8A和图8B的设置之后的在光学基板内的扩散染料的示意性剖视图；
图9A是根据本发明的另一方面的用于用成型法形成一系列独特开口尺寸的切趾光圈的初始光学基板构造的示意性俯视平面图；
图9B是用于形成图9A的一系列切趾光圈的初始光学基板构造的示意性剖视图；
图10A是位于图9A和图9B的光学基板构造上的浇铸染料的示意性俯视平面图；
图10B是图10A的用于形成一系列切趾光圈的染料和光学基板构造的示意性剖视图；
图10C是在平坦化步骤之后的图10A和图10B的用于形成一系列切趾光圈的染料和光学基板构造的示意性剖视图；
图10D是用于形成从图10A的构造稍作改动而来的一系列切趾光圈的染料和光学基板构造的示意性剖视图；
图11A是根据本发明的另一方面的用于用共成型法或印刷法形成切趾光圈的初始光学基板构造的示意性俯视平面图；
图11B是用于形成图11A的切趾光圈的初始光学基板构造的示意性剖视图；
图11C是用于用图11A和图11B的共成型法或印刷法形成切趾光圈的一体化光学基板构造的示意性俯视平面图；
图11D是用于形成图11C的切趾光圈的一体化光学基板构造的示意性剖视图；
图12包括与位于附图右侧的绿色计数分布曲线相邻的切趾光圈图像，该绿色计数分布曲线示出了根据本发明而形成的测试切趾光圈的台架测试的实例1的测试结果；
图13是图12的测试光圈的透射率分布曲线；
图14包括与位于附图右侧的绿色计数分布曲线相邻的切趾光圈图像，该绿色计数分布曲线示出了根据本发明而形成的测试切趾光圈的台架测试的实例2的测试结果；
图15是图14的测试光圈的透射率分布曲线；
图16包括与位于附图右侧的绿色计数分布曲线相邻的切趾光圈图像，该绿色计数分布曲线示出了根据本发明而形成的测试切趾光圈的台架测试的实例3的测试结果；
图17是图14的测试光圈的透射率分布曲线；以及
图18和图19是现有技术的针孔光圈的测试结果的示意图。
具体实施方式
应注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数形式“一个”、“一”和“该”包括多个指代对象，除非清楚且明确地限于一个指代对象。本文所描述的本发明的各个实施例和实例均应被理解为对本发明的范围是非限制性的。
本发明提供了一种用于具有相机光圈的相机的光学机构，在下面进一步详细描述的图1至图3中示意性地示出了本发明的三个实施例。各实施例的光学机构均包括能够在至少两个独立位置之间移动的移位台12。可以根据所需的独特光学性能，使台12包含任意数量的独立位置，在每个独立的台位置处提供一个独特光学性能。如本文示意性示出的那样，台12可以由光学透明材料形成。作为选择，也可以用非光学透明材料(例如金属)形成台12，并且在这种情况下，台12的与相机光圈对准的独立位置可以包括穿过台12的开口和/或切趾光圈10可以形成为台12中的插入窗口。
本说明书主要讨论独立切趾光圈10的开口尺寸，该开口尺寸产生用于相机光圈的独特(独立)有效光圈开口，诸如允许相机在任意所需的光圈值(f/stop)的范围之间(例如F/2.0尺寸和F/11.0尺寸)高效和有效地移动。然而，本发明的切趾光圈10可以与诸如放大镜头(例如2倍的变焦镜头)和/或滤光片(例如彩色滤光片)等光学元件成一体，以在各个独立的位置提供进一步独特期望性能。在本说明书中不再详细讨论镜头和/或滤光片自身的形成。
至少第一或一个定径切趾光圈10安装在台12上，并且构造为能够选择性地与移位台12的独立位置之一中的相机光圈对准。在下述的某些实施例中可以设置多个独立的定径切趾光圈10。本发明示出了具有独立定径的独立切趾光圈10；然而，在置入独立光学元件的情况下，能够获得具有相同定径的独立光圈10。例如，台12上的两个独立切趾光圈10可以具有相同的有效定径(例如，出于说明的目的，提供用于相机光圈的有效F/6开口)，使得其中一个包括变焦镜头光学元件(例如4倍的变焦镜头)，从而这两个相同尺寸的切趾光圈10是独特的：提供具有有效F/6.0尺寸的4倍可变焦距和没有光学元件的有效F/6.0尺寸。
另外，在本文中对独立光圈10进行了描述，并且独立光圈10在用于形成根据本发明的台12方面被认为最为有效，但是如果一个或多个独立切趾光圈10重复出现在台12上，则无法阻止根据本发明的台12的操作。例如，在具有大量独立光圈(例如10+)的台12的设计中，如果用于最常用设置的切趾光圈10沿着台12重复出现在若干隔开的位置处，则光学机构可能更为有效。一般来说，应认识到，如下面的示例性实例所示，如果独立的光圈10仅在台12上出现一次，则将变得最为有效和高效。
从下面的说明书中显而易见的是，台12上的各个定径切趾光圈10能够选择性地不与相机光圈对准，使得相机光圈位于移位台12的独立位置中的所选定的其它位置。
本发明的光学机构通常包括用于在各个独立位置之间移动台12的致动器16，例如电动线性致动器或电动旋转致动器。可能的是，光学机构可以具有手动操作的致动器来代替自动化电动线性致动器或自动化电动旋转致动器，然而假定在本发明的光学机构的最优选应用中，需要自动化致动器16。
下面描述在图1中具体示出的本发明的光学机构的实例，该图示意性地示出了具有开口固定的单个切趾光圈10和开放空间14的两个止挡部移位台12，当单个切趾光圈10与相机光圈对准时，单个切趾光圈10与一个有效开口尺寸相关联，当开放空间14与相机光圈对准时，开放空间14与相机的现有光圈尺寸相关联。使用开放空间允许台12利用固有相机开口作为相机的一个有效光圈值尺寸。如图所示，若台12由光学透明材料形成，则开放空间14可以形成为空的空间。如果台12由非光学透明材料(例如金属基板)形成，则开放空间14可以形成为台12中的开口或形成为光学透明窗口。
在图1的示例性两个止挡部或两个位置台12中，诸如螺线管等线性移动机构16可以使台12在两个位置之间移位，这两个位置中的一个位置设置为使单个光圈10与相机开口对准，并且开放空间14不用于第一有效相机光圈开口，而两个位置中的另一个位置设置为单个光圈10不与相机开口对准，并且开放空间14与相机开口对准，以用于第二有效相机光圈开口(其等同于固有相机开口)。
在本发明的光学机构中，如图1示意性所示，台可以包括与诸如图示弹簧偏置枢转制动部件20等机械止挡件相关联的对准机构18。对于台12的各个独立位置而言，对准机构能够确保台12相对于相机正确地定位。
图2示意性地示出了三个止挡部移位台12，其具有一对独特尺寸固定开口的切趾光圈10和与相机现有光圈尺寸相关联的开放空间14。该实施例示出了三个位置，这三个位置允许相机的有效开口落入从固有相机开口至两个替代的独特有效开口尺寸的范围内。因此，如图所示，恰存在安装在移位台上的两个定径切趾光圈10，其中，在台位于独立位置中的一个位置的情况下，光学元件例如可以提供相机的约F/2.0至约F/4.0的所得F-光圈值；在台位于独立位置中的第二位置的情况下，提供相机的约F/4.5至约F/7.5的所得F-光圈值；以及在相机光圈位于独立位置中的第三位置的情况下，提供约F/8.0至约F/11.0的F-光圈值。可以根据需要选择针对各个位置选择的特别有效的光圈开口尺寸，并且这些示例性实例仅意欲表明或暗示本发明的广泛通用性。
图2的示例性实施例包括诸如螺线管等自动化线性运动机构16，其能够使台12在光圈10之一与相机开口对准或开放空间14与相机开口对准的多个位置之间移位。台12还可以包括与诸如图示弹簧偏置枢转制动部件20等机械止挡件相关联的对准机构18。台12被示出为安装在枢轴22上的枢转部件，其中狭槽24与致动器16的销26接合，由此台12的旋转运动适应线性致动器16并由线性致动器16驱动。
图3示意性地示出了四个止挡部移位台12的示例性实例，移位台12具有一组独特尺寸固定开口的三个独立切趾光圈10和与相机现有光圈尺寸相关联的开放空间14。诸如旋转电动机等旋转运动机构16能够在光圈10之一与相机开口对准或开放空间14与相机开口对准的多个位置之间移位台12。台12可以包括与诸如图示上述弹簧偏置枢转制动部件20等机械止挡件相关联的对准机构18。台12被示出为安装在轮毂或枢轴22上的旋转部件。
图示的实例示出了图1中的具有线性致动器16的线性移动台12、图2中的具有线性致动器16的旋转移动台12以及图3中的具有旋转致动器16的旋转移动台12。这些设计中的任一者可以包括若干切趾光圈10。特定运动机构16和台12的运动可能由最终装置中的空间限制来决定，并且这些仅为示例性实例。
可提供根据本发明的一个非限制性实施例的光学机构，其中各个定径切趾光圈10包括扩散到光学基板30中的染料。另外，各个定径切趾光圈可以包括下文所述的透明外涂层32、36。
本发明的另一方面提供一种高效且有效地制造(例如大规模生产)如图4A-图6示意性所示的定径切趾光圈10的方法，并且该方法可能包括图7A和图7B所示的平坦化步骤。如下文进一步所述，该方法包括以下步骤：提供用于切趾光圈10的光学基板30；在基板30上沉积掩模32；将含有光学染料的材料34沉积在基板30上；以及使光学染料扩散到光学基板30中，其中，当从掩模32和基板30的上方观察时，染料扩散到基板30中而至少部分地到掩模32下方，从而形成切趾光圈10。
基板30可以由多种已知光学材料形成，可以将所选定的染料扩散在该光学材料中。用于光学基板30的材料的非排他性清单包括：UV固化(阳离子聚合、阴离子聚合、自由基)型材料、热固化(热固性物-自由基、缩合聚合物、醇/胺+异氰酸酯等)型材料、非固化性聚合物(热塑性塑料)-硅氧烷、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚氨酯、聚脲、PMMA、聚苯乙烯、环烯烃聚合物。掩模32可以由类似材料清单形成，然而，不管是否基于涂层的渗透率(关于溶解度或扩散系数)，材料必须选择为充当用于抑制染料的阻挡物。实际上，适合于掩模32和基板30的材料或多或少为同一清单，但在控制交联密度/柔韧性以及相关参数的情况下，可以使材料对于基板30而言更易于扩散或对于掩模32而言更不易于(或实际上不存在)扩散。
用于形成定径切趾光圈10的方法可以提供：切趾光圈10的有效直径由掩模32的有效直径和来自材料34的染料的扩散程度决定。在多数实施例中，掩模32可以为大致圆形掩模32，且大体上在切趾光圈10上居中，并且可以形成为光学透明涂层。另外，掩模32可以形成最终切趾光圈10的一部分。
再参考附图，图4A和图4B示意性地示出了在光学基板30上涂敷透明硬涂层掩模32以形成具有独特开口尺寸的一系列切趾光圈10。在示意性视图中，利用根据本发明的扩散法，在基板30上形成具有三种独特尺寸的九个光圈10。因为形成具有相同尺寸光圈10的各个基板可能更高效，所以各个基板不需要具有独特的尺寸。透明涂层或掩模32可以经由一个或多个还可称为打印头的分配喷嘴进行沉积。用于透明涂层32的分配喷嘴可以相对于基板30移动或可以不相对于基板30移动。例如，系统可以采用相对于一个或多个喷嘴移动基板30的移位工件保持器或输送器。作为选择，形成用于掩模32的分配喷嘴的打印头可以设置在XY移位滑块上，以在固定不动的基板30上移动。该沉积将控制掩模32的尺寸。透明涂层或掩模32还可以为气相沉积(或其它沉积法)的二氧化硅(玻璃)。存在多种用于将掩模32沉积在基板30上的有效且具有成本效益的方法，这些仅为示例性实例。
图5A和图5B示意性地示出了染料层34在图4A和图4B的透明硬涂层掩模光学基板30上的涂敷。染料层34可以利用任何已知的工艺来涂敷，例如喷涂、浇注或其他已知的涂敷技术。可以在含染料层34中采用多种已知染料。本质上，可以采用能够吸收从425nm到650nm的足够光的任何染料或染料组，以便除去不需要的光。适当的实例为本领域的普通技术人员所熟知，例如可以参考“The Sigma-Aldrich Handbook of Stains,Dyes andIndicators(着色剂、染料和指示剂的Sigma-Aldrich手册),Floyd Green,1990,AldrichChemical Company”。该特定的已知参考提供了可供选择的大量合适染料和染料家族。
在沉积层34之后，将系统固化，以允许层34中的染料分散或扩散到基板30中。图6示出了图5A和图5B的染料分散到光学基板中从而形成切趾光圈10。如图所示，通过包括掩模32，允许在基板中形成切趾光圈10。在这一点上，如公知技术那样，可以使用常规切割和边缘抛光技术从基板30中切出光圈10。
在单个光圈10从图6的基板30分离出来之前，可以存在后续表面处理，例如对光圈10进行平坦化处理。图7A示出了图6的切趾光圈10，该切趾光圈10还包括从光圈10有效移除硬涂层掩模32的诸如磨削和/或研磨等平坦化步骤。作为选择，图7B示出了图6的切趾光圈10，该切趾光圈10还包括添加平坦化层36的平坦化步骤。平坦化层36将由类似于基板30和掩模32的已知可接受的光学材料形成。层36可以以任何已知的方式进行涂敷，例如旋涂法。在最终的表面处理之后，可以从基板30(和层36，如果存在的话)的残留部分中移除或分离出单个光圈10。
代替将光圈10分离成单个部件或光圈10并且将这些部件附接至台12，基板30可以由台12的材料形成，由此直接在台12上形成光圈10。例如，图4可以示出形成的三个线性致动台12，各个台12具有四个位置和三个光圈10。在台12上形成光圈10之后，仅需要分离这三个台12，并且添加对准机构18以完成组装。用形成台12的材料形成基板30可因此提供需要使光圈10在基板30上适当地隔开的制造优势。作为选择，可以在无间距约束的情况下进行与众多光圈10的大规模生产相关联的成本节约，并且稍后将单个光圈10附接至独立的台12。
图8A和图8B示意性地示出了根据本发明的用于形成具有独特开口尺寸的一系列切趾光圈的另一分散法的设置。该可选的“横向”分散法以如下操作开始：提供形成各个光圈10的中心部分的大致透明光学基板42和含有光学基板44的含染料周边。用于基板42、44的合适基板材料以及染料与上文结合所述基板30和层34中的染料所描述的基板材料以及染料相同。提供如图8A和图8B所示的基板可以利用若干组装技术来进行，这些组装技术之一为：在层44中模切出开口，从材料层42模切出插入件，并且将材料42的插入件放置在材料44的开口中。可以实施其他可接受的大规模生产技术。
在如图8A和图8B所示提供光圈10的部件(相邻层42、44)之后，该方法包括使光学染料从含染料的光学基板44扩散到透明光学基板42中，从而形成切趾光圈10。图8C示出了图8A和图8B的基板44的染料横向分散在光学基板42中从而形成切趾光圈10。仅需要利用常规技术分离光圈10。也可执行在分离光圈10之前(或之后)的后续处理，例如添加平坦化层或添加诸如滤光片等光学层，或其他所需处理。
本发明还包括整体在图9A-图10D中示出的制造定径切趾光圈的成型法或浇铸法，包括如下的初始步骤：提供用于切趾光圈10的透明光学基板52，透明光学基板52具有从透明光学基板52的顶部至底部沿径向向外渐扩的侧面。形状可以为凸形、凹形、笔直形状或其组合。在附图中示出了具有凹形侧面的平顶截锥形基板52，但可以使用充足的多种形状。例如，液滴形状可以是有效的，并且可以经济地形成。图9A和图9B示意性地示出了根据本发明的用于形成具有独特开口尺寸的一系列切趾光圈10的这种浇注成型法或浇铸法的设置(该图中的具有三种独特尺寸的六个光圈仅作为示例)。该方法以如下操作开始：大致透明光学基板52形成具有所提到的倾斜侧面(凸形、凹形、笔直形状或其组合)的各个光圈10的中心部分。基板52如图所示可以设置在单独的基底30上或可以为下文结合图10D所述的实施例中的基底30’的一部分。形成基板52的材料与上文结合基板30或掩模32所述的材料相同。
图9-图10的浇铸法包括围绕用于切趾光圈10的侧面渐扩的透明光学基板52浇铸或浇注成型用于切趾光圈10的含染料的光学基板54。图10A和10B示出了将包括浇铸染料的光学基板54添加至图9A和图9B的基底30和基板52，以形成根据本发明的切趾光圈10。此外，可以使用包括旋涂等在内的众多浇铸技术。在该方法中，无需使染料从层54中分散到层52中，因此材料可以有效地形成为上述掩模层32。基板52的倾斜侧面产生最终光圈10中的切趾效应。
仅需要通过常规技术分离光圈10。也可执行在分离光圈10之前(或之后)的后续处理，例如添加平坦化层或添加诸如滤光片等光学层，或其他所需处理(例如基底30的移除)。图10C示出了从图10A和图10B的成型形成的切趾光圈10移除基底30。
与图10A-图10B类似，图10D示出了用于浇铸根据本发明的切趾光圈10的实施例，其中基板52与基底30’成一体。这可以通过基板52和基底30’的成型或将基板形状52加工或压制到基底30’中来实现。
本发明还包括制造本发明的定径切趾光圈10的共成型法。在图11A-图11D中示出了该方法，并且该方法包括以下步骤：提供用于切趾光圈10的透明光学基板62；围绕用于切趾光圈的透明光学基板提供用于切趾光圈的含染料的光学基板64；以及以允许光学染料从含染料的光学基板64有效地扩散到透明光学基板62中从而形成切趾光圈10的方式同时提供透明光学基板62和含染料的光学基板64。
与上述处理一样，形成定径切趾光圈10的共成型法可以提供：切趾光圈10的有效直径由透明光学基板的有效直径和扩散程度决定。另外，如在该实施例所示的那样，与上述其他方法一样，透明光学基板62为大致圆形并且大致在切趾光圈10上居中。然而，应注意的是，如相机光圈和光圈10的希望操作所述的那样，可以根据本发明形成任何希望形状的切趾光圈。
图11A-图11D的共成型设计的“扩散”处理可以与上文稍有不同，因为该“扩散”可以是两种材料62、64在凝固成最终构造之前的混合。另外，这种共成型可以是浇铸类型的成型或注入类型的成型操作。
具体而言，出于说明的目的，图11A-图11D示出了用于制造切趾光圈10的共成型技术，其中将透明可流动的中心基板62放置在基底30上，使得如图11A和图11B所示，在中心基板62与环状含有可流动染料的基板64之间存在初始清晰界限(definition)或空间66。如图11C和图11D所示，在材料62、64的凝固期间，空间66充满基板64、62的混合物，以形成切趾光圈。这种共成型可以用多种方法来实现，包括使用用于同时分配含染料的光学基板64和透明光学基板62的一对可移动打印头。快速移动的打印头可以允许足够快速地放置材料64环，以允许所需的混合。作为选择，可以使用一对同心分配喷嘴来分配含染料的光学基板和透明光学基板。
仅需要通过常规技术分离光圈10。也可执行在分离光圈10之前(或之后)的后续处理，例如添加平坦化层或添加诸如滤光片等光学层，或其他所需处理。
固定切趾光圈10的台架测试实例
吸液树脂
将以下材料添加到具有搅拌器的合适容器中：4.8g 1-甲基-2-吡咯烷酮；9.7g四氢糠醇；11.4g二甘醇二甲醚；6.5g丙二醇正丁醚；4.0g羟丙纤维素。将这些材料混合约2小时，直至溶液均匀为止。
染料吸液树脂
将以下材料添加到具有搅拌器的合适容器中：10.0g吸液树脂；0.30g苏丹黑。将混合物在60°的温度搅拌60分钟。
单体调配物
将以下材料添加到具有搅拌器的合适容器中：4.0g BPA 2EO DMA；6.0g BPA 30EODMA；0.015g AIBN。将混合物搅拌2小时，以溶解AIBN。然后使该溶液在真空室中减压脱气。
掩模溶液
将以下材料添加到具有搅拌器的合适容器中：32.4gγ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷；345.5g甲基三甲氧基硅烷；292g去离子水(1g硝酸(HNO3)对7KG水)；228g 1-甲氧基-2-丙醇；0.45g TMAOH(MeOH中的25％的四甲基氢氧化铵溶液)；BYK 306＝2.0g。将溶液搅拌至均匀。
聚合基板的制备
使用500μm的塑料垫片将玻璃模具组装在两个玻璃的显微镜载片之间。使用3ml注射器注入约1ml的单体调配物来用单体调配物填充模具。单体调配物在120℃下固化2小时，然后冷却至室温。然后将透明的2”×3”聚合物膜与玻璃载片分离。使用来自AST Products的VCA 2500VE视频接触角系统将掩模溶液作为单独的液滴涂敷在透明聚合物基板上。按照5列液体(每列3滴)以不同的液滴尺寸(0.3μL、0.5μL和0.7μL)打印三个薄片中每一者。在100℃将掩模溶液的液滴固化60分钟。
通过在1200RPM的速度旋涂15秒来将约1.5ml的染料吸液树脂涂敷在膜上。在135℃将涂覆样品加热60分钟。使用肥皂和水洗涤所得到的膜，然后通过将膜浸入到10重量百分比的NaOH溶液中进行超声降解处理并加热至60℃，来移除掩模溶液液滴。将该膜切割成条带(每一条带有3个光圈)，然后如实例中报告的那样让扩散处理持续不同的时间长度，以使扩散速率和切趾光圈的尺寸发生变化。
结果-切趾：
当使用奥林巴斯(Olympus)SZH10可变焦距立体显微镜通过光圈观察1×1mm的网格时，选择用于成像的光圈并没有表现出明显的图像失真。该设置为1.5倍的物镜和2.0倍的可变焦距镜头。使用光路中的2.5倍和0.3倍的两个传输光学元件来适应能够通过相机产生4.25mm×3.5mm视场的2/3”相机传感器。
显微镜图像：
使用安装(CMount)在奥林巴斯(Olympus)SZH可变焦距立体显微镜上的AVTStingray 145C数码相机(其能够产生45倍的放大)获取图像。使用具有5.1mm孔径的定制保持件将样品保持在适当位置，以切断来自侧面的杂散光。将显微镜虹膜设定为6，以得到最大的景深。按照以下设定使用相机中所包括的AVT软件来设置相机：曝光时间＝115ms(50微秒×2300步)，固定白平衡，高信噪比设定为开启(ON)，其中平均每次获取8个图像-RAW16格式。奥林巴斯显微镜和目镜上覆盖有来自Thorlabs的光阻挡材料，以除去杂散光，特别是用于暗光获取。通过关闭光源与显微镜台上的样品之间的手动快门收集暗光获取。
使用可从WaveMetrics routines得到的定制IGOR PROTM来处理数据。
按如下方式获取固定切趾虹膜的宽度。水平地或竖直地提取强度分布曲线。从该信息中减去暗水平(dark level)，并且执行一些“矩形波串状”的平均化(8个像素)，以改善信噪比。图像传感器的绿色响应的分布曲线为用高斯函数拟合的曲线。来自伊戈尔(Igor)拟合曲线的高斯宽度是2的平方根(SQRT(2))，即，标准偏差的1.4142倍。为了得到束腰，将宽度除以1.4142，然后乘以2。
通过以下操作计算图像传感器的绿色响应的透射率分布曲线：针对各个样品拍摄玻璃载片而非聚合物膜的参考图像、暗光图像(手动快门关闭)和样品图像(样品位于适当位置)。使用以下公式和图像的分布曲线上的数据计算图像传感器的绿色响应的透射率分布曲线(参见下文的等式)。计算透射率图像，并且沿着与绿色计数分布曲线相同的坐标提取透射率绿色分布曲线。
透射率＝(样品图像-暗光获取)/(参考图像-暗光图像)
在图12-图13中示出的实例1(2010-FRB-61)
切趾部分的图像位于附图的左侧，而绿色计数曲线分布位于图12的右侧。液滴尺寸-0.3微升-吸液时间-2小时。绿色响应(计数)的束腰为0.88mm。
通过在Igor Pro中用高斯函数曲线拟合计数分布曲线来获取束腰。通过将高斯宽度乘以2/SQRT(2)来将高斯宽度参数转换为束腰。这以像素的形式提供束腰。通过使用1×1mm的校准网格并且计算像素数/毫米(在这种情况下为303像素/毫米)来将像素转换为mm。在图13中示出了该部分上的透射率分布曲线。
如图14-图15示出的实例2
液滴尺寸-0.5微升。吸液时间-8小时。绿色响应(计数)的束腰为1.21mm。在图15中示出了该部分上的透射率分布曲线：
如图16-图17示出的实例3
液滴尺寸-0.7微升。吸液时间-8小时。绿色响应(计数)的束腰为1.21mm。在图17中示出了该部分上的透射率分布曲线。
“正常”非切趾虹膜的比较例：在图18和图19中示出了1000微米直径的针孔光圈(埃德蒙(Edmund)光学元件)。在图19中示出了该部分上的透射率分布曲线。
已经参考本发明的具体实施例的具体细节对本发明进行了描述。并不意欲将这些细节视为对本发明的范围的限制，只是这些细节在一定范围内和在一定程度上包含在所附权利要求书中。本发明的许多变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的，并且这些变化不脱离本发明的精神和范围。本发明的范围由所附权利要求书及其等同内容限定。

Claims (32)

1.一种制造定径切趾光圈的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供用于所述切趾光圈的光学基板；
b.在所述光学基板上沉积掩模；
c.将含有光学染料的材料沉积在所述光学基板上；以及
d.固化沉积在所述光学基板上的含有所述光学染料的所述材料；
e.其中，固化使所述光学染料扩散到所述光学基板中，并且其中，当从所述掩模和所述光学基板的上方观察时，所述染料将扩散到所述光学基板中而至少部分地到所述掩模下方，从而形成切趾光圈。
2.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述切趾光圈的有效直径由所述掩模的有效直径和步骤e的扩散程度决定。
3.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述掩模为大致圆形掩模，所述掩模在所述切趾光圈上大体居中。
4.根据权利要求3所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述掩模为光学透明涂层。
5.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述掩模形成所述切趾光圈的一部分。
6.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述掩模为大致圆形光学透明涂层。
7.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，还包括平坦化步骤。
8.根据权利要求7所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述平坦化步骤包括至少部分地移除所述掩模。
9.根据权利要求7所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述平坦化步骤包括添加平坦化层。
10.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，将多个掩模涂敷在单个光学基板上，以同时形成多个光圈。
11.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述光学基板由从UV固化型材料、热固化型材料、热塑性材料构成的群组中选择的材料形成。
12.根据权利要求1所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述染料由吸收从325nm到850nm的光的材料形成。
13.一种制造定径切趾光圈的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供用于所述切趾光圈的透明光学基板，
b.围绕用于所述切趾光圈的所述透明光学基板提供用于所述切趾光圈的含染料光学基板；
c.使所述光学染料从所述含染料光学基板横向扩散到所述透明光学基板中，从而形成切趾光圈。
14.根据权利要求13所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述切趾光圈的有效直径由所述透明光学基板的有效直径和步骤c的扩散程度决定。
15.根据权利要求14所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述透明光学基板为大致圆形并且在所述切趾光圈上大体居中。
16.根据权利要求13所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述透明光学基板为大致圆形并且在所述切趾光圈上大体居中。
17.根据权利要求13所述的制造定径切趾光圈的方法，还包括平坦化步骤。
18.根据权利要求13所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，同时形成多个光圈。
19.根据权利要求18所述的制造定径切趾光圈的方法，还包括平坦化步骤。
20.一种制造定径切趾光圈的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供用于所述切趾光圈的透明光学基板，所述透明光学基板具有从所述透明光学基板的顶部到底部沿径向向外渐扩的侧面，
b.围绕用于所述切趾光圈的侧面渐扩的所述透明光学基板浇铸用于所述切趾光圈的含染料光学基板。
21.根据权利要求20所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述切趾光圈的有效直径由所述透明光学基板的有效直径和所述渐扩侧面的形状决定。
22.根据权利要求21所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述透明光学基板为大致圆形并且在所述切趾光圈上大体居中。
23.根据权利要求20所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述透明光学基板为大致圆形并且在所述切趾光圈上大体居中。
24.根据权利要求20所述的制造定径切趾光圈的方法，还包括平坦化步骤。
25.根据权利要求20所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，同时形成多个光圈。
26.根据权利要求25所述的制造定径切趾光圈的方法，还包括平坦化步骤。
27.一种制造定径切趾光圈的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供基板；
b.在所述基板上提供用于所述切趾光圈的透明光学基板，其中所述透明光学基板是可流动的；
c.在所述基板上围绕用于所述切趾光圈的所述透明光学基板提供用于所述切趾光圈的含染料光学基板，其中所述含染料光学基板是可流动的；以及
d.以允许所述透明光学基板和所述含染料光学基板在所述基板上扩展且允许所述光学染料从所述含染料光学基板扩散到所述透明光学基板中从而形成切趾光圈的方式，同时提供所述透明光学基板和所述含染料光学基板。
28.根据权利要求27所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述切趾光圈的有效直径由所述透明光学基板的有效直径和步骤d的扩散程度决定。
29.根据权利要求27所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，所述透明光学基板为大致圆形并且在所述切趾光圈上大体居中。
30.根据权利要求27所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，使用一对可移动打印头来分配所述含染料光学基板和所述透明光学基板。
31.根据权利要求27所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，使用一对同心的分配喷嘴来分配所述含染料光学基板和所述透明光学基板。
32.根据权利要求27所述的制造定径切趾光圈的方法，其中，在注入成型操作中提供所述透明光学基板和所述含染料光学基板。
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