CN110567364A - 用于可调声梯度透镜的外部贮存器构造 - Google Patents

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Abstract

提供一种可调声梯度(TAG)透镜，其包括透镜壳体、折射流体、可控声波产生元件(例如压电振动器)和外部贮存器构造。折射流体的操作体量被包含在透镜壳体的壳体空腔中。外部贮存器构造包括可变形外部流体贮存器，其含有折射流体的贮存体量且通过流动通道连接到壳体空腔。流动通道使得折射流体根据折射流体的膨胀和收缩(例如由于温度改变)在壳体空腔和可变形外部流体贮存器来回流动。透镜壳体、可变形外部流体贮存器和流动通道配置为被密封的系统，在被密封的系统中不包括故意气体体量。

Description

用于可调声梯度透镜的外部贮存器构造
技术领域
本发明涉及可调声梯度透镜，且更具体涉及在用于检查和尺寸测量的可变焦距透镜系统中使用可调声梯度透镜。
背景技术
各种类型多透镜可变焦距(VFL)光学系统可以用于表面高度的观察和精确测量，且可以被包括在显微镜和/或精确机器视觉检查系统中，例如美国专利No.9,143,674公开的，其通过引用全部合并于本文。简要地说，VFL透镜能分别在多个焦距处获得多个图像。一类已知的VFL透镜是可调声梯度(tunable acoustic gradient：“TAG”)透镜，其使用在流体介质中的声波形成透镜效应。声波可以通过对流体介质周围的振动构件(例如压电管)以TAG透镜共振频率施加电场而形成，以在透镜流体中形成随时间变化的密度和折射率分布，这能调制其屈光力(optical power)，且由此调制视觉系统的焦距或有效焦点位置。TAG透镜可以用于周期性地以高达几百kHz的共振频率(即以高速)调制焦点位置。可以通过文章“High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index ofrefraction lens”(Optics Letters,Vol.33,No.18,September 15,2008)和美国专利No.8,194,307、9,213,175和9,256,009更详细地理解这种透镜，其通过引用全部合并于本文。可调谐调声梯度折射率透镜和相关的可控信号产生器例如可从新泽西州普林斯顿市的TAG Optics,Inc.获得。
TAG透镜共振频率取决于几个因素。例如，共振频率变化可以例如是由于压力和/或温度变化造成的流体介质性质改变和/或机械结构变形引起的。上述文献教导包括在TAG透镜的隔室中的可压缩部件，例如泡沫或囊等，以补偿在关闭的透镜系统中可能发生的变化。其教导，可压缩部件(例如气体、聚合物或凝胶)与流体的体积相比可以具有小受控体积，且因此可以位于“带隔室贮存器”中的TAG透镜的密封透镜隔室中，防止其迁移到光学性能路径。其还教导，可压缩部件“缓解在密封透镜系统之前或之后从流体完全去除所有空气和/或其他气体的需要。”一个示例性的现有系统描述于美国专利No.9,256,009，其通过引用全部合并于本文。
发明人已经发现如上所述配置的TAG透镜能为简单的成像应用(例如其中主要目的是观察)和/或在有限温度范围内运行时提供足够的共振稳定性和光学性能。然而，已经发现在测量系统(例如显微镜系统)中，其中TAG透镜被精确地经校准以将特定屈光力(或对焦距离)与共振周期的特定相位关联，这种构造针对校准呈现不期望的不稳定性和/或漂移。校准例如在开机或升温期间不稳定，或会随时间或温度漂移。
期望为TAG透镜通过针对这种问题进行改善的构造。
发明内容
该部分内容用于提供在下文的进一步详细描述中所述的简化形式的原理的选择。该部分内容目的不是给出要求保护主题的关键特征，也不是用于确定要求保护主题的范围。
提供一种可调声梯度(TAG)透镜，其包括透镜壳体、折射流体、可控声波产生元件和外部贮存器构造。透镜壳体具有壳体空腔，且在壳体空腔中包含折射流体的操作体量(operational volume)。可控声波产生元件(例如压电振动器)围绕光路布置在透镜壳体中，该光路穿过操作体量。外部贮存器构造包括通过穿过透镜壳体的流动通道连接到壳体空腔的可变形外部流体贮存器。在各种实施方式中，外部贮存器构造可以设置为单独元件(例如附件或升级元件等)，其可连接到TAG透镜的透镜壳体。
外部贮存器构造的可变形外部流体贮存器含有折射流体的贮存体量(reservevolume)，且流动通道使得折射流体的贮存体量根据透镜壳体中折射流体的膨胀和收缩(如由于TAG透镜的操作温度或环境温度的改变而发生)在壳体空腔和可变形外部流体贮存器之间来回流动。透镜壳体、可变形外部流体贮存器和流动通道配置为被密封的系统。折射流体的操作体量能响应于通过声波产生元件施加声波而而沿光路改变其折射率，据此，TAG透镜被控制为向TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化。
与已知的TAG透镜系统和教导相比，根据本文公开的原理，在TAG透镜的折射流体中不具有气体体量或其他可压缩组分，因此不需要用于防止其迁移到TAG透镜的“光学性能路径”的分隔贮存器。与已知的TAG透镜系统和教导相比，在本文公开的构造中，可以在密封透镜系统之前从流体完全去除所有空气和/或其他气体。在各种实施方式中，可以期望的是，减少由于除气和/或空穴等随时间在TAG透镜的“光学性能路径”中有小气泡的出现和迁移。与已知TAG透镜系统和教导(其中可压缩组分与流体体量相比被限制为小的受控体量)相比，在本文公开的构造中，与TAG透镜的操作流体提炼相比，外部流体贮存器能适应大的流体体量变化。进而，这种大流体体量变化可以实现在TAG透镜的操作流体体量中没有显著的流体压力改变。在一些实施方式中，流体压力可以保持为近似大气压，或处于与大气压不同的期望的基本恒定压力。在各种实施方式中，外部流体贮存器可以作为TAG透镜的可选附件或部件提供，且可以被改造为“简单成像”TAG透镜，其期望被转换为更精确且稳定的操作。
附图说明
图1是成像/检查系统的光学成像系统部分和控制系统部分的方块图；
图2是包括已知特征的TAG透镜的截面图，包括已知可压缩元件和共振时产生的驻声波的展示，其中；
图3A和3B是具有外部贮存器构造的一般实施方式的TAG透镜的等轴视图和俯视图；
图4是具有外部贮存器构造的第一示例性实施方式的TAG透镜的截面图；
图5是具有外部贮存器构造的第二示例性实施方式的TAG透镜的截面图；
图6是具有外部贮存器构造的第三示例性实施方式的TAG透镜的截面图；
图7是具有外部贮存器构造的第四示例性实施方式的TAG透镜的俯视图；
图8是具有外部贮存器构造的第五示例性实施方式的俯视图；和
图9是具有根据本文公开的原理的外部贮存器构造的用于制备和和操作TAG透镜的例程的一个示例性实施方式的流程图。
具体实施方式
图1-3的描述提供了有关工件检查系统中使用的TAG透镜的各种操作原理和应用的简要背景。为了以更深入的解释和理解来描述该简要背景，这种操作原理和应用的各方面被更详细地描述于之前并入的文献中，且更详细地描述美国专利No.9,930,243；9,736,355；7,627,162，其每一个通过引用全部合并于本文。
图1是成像/检查系统10的方块图，其包括光学成像系统105、照明源130、工件台110和控制系统部分101。在各种实施方式中，成像/检查系统10可以适于机器视觉主机系统，或用作独立的系统，且可以根据本文和所并入的参考文献公开的原理操作。包括光学成像系统105、照明源130、和工件台110的成像/检查系统10的成像/检查系统10通常可以被控制系统部分101控制，以对工件20进行中成像或检查。
光学成像系统105包括图像检测器160(例如摄像头)、一个或多个向场透镜(fieldlens)150(例如包括可更换物镜)、和TAG透镜170。控制系统部分101可以包括系统管理器电路/例程(routine)125，其可以控制输入/输出接口139和成像管理器电路/例程180。主机系统或各种单独的显示装置或输入装置等可以连接到输入/输出接口139。在一些实施方式中，工件台110可以包括(可选的)动作控制系统，其让工件相对于光学成像系统105运动。在这种实施方式中，系统管理器电路和例程125可以包括工件程序产生器和执行器(未示出)，其操作动作控制系统和成像/检查系统10的其他特征，以自动检查工件20，如所并入的文献公开的。如图1所示，成像管理器电路/例程180包括或管理照明控制接口132、摄像头控制接口162和TAG透镜控制接口172。TAG透镜控制接口172可以包括或连接到TAG透镜控制器(例如在成像管理器电路/例程180的一部分中)，包括电路和/或例程，其用于对与通过TAG透镜170提供的周期性焦点位置调节同步的各种成像曝光进行控制。在一些实施方式中，TAG透镜控制接口172和TAG透镜控制器可以合并和/或不相区分。照明控制接口132例如可以控制针对相应照明源(例如照明源130)的选择、供电、ON/OFF切换、和闪光脉冲时序(如果适用的话)。在一些实施方式中，照明控制接口132可以包括曝光(闪光)时间控制器或可以另外(例如向照明源130)提供闪光时序信号，使得它们提供与TAG透镜焦点位置调节的期望相位时序同步的成像曝光闪光时序。摄像头控制接口122例如可以控制摄像头配置、曝光时序、和数据输出，如果适用的话。在一些实施方式中，摄像头控制接口162可以包括时序控制器，使得摄像头成像曝光时序与TAG透镜焦点位置调节的期望相位时序和/或照明时序同步。
这些部件每一个以及下文所述的额外部件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口或通过各种元件之间的直接连接而互连。
如在下文详细描述的，成像光路OPATH(沿光路OA)包括从工件20向图像检测器160传输工件成像光155的各种光学部件。例如，场透镜150、TAG透镜170和图像检测器160可以全部布置为使其光学轴线对准到与工件20的表面交叉的同一光学轴线OA。然而，应理解，该实施方式目的仅是示例性的而不是限制性的。更通常地，成像光路OPATH可以包括反射镜和/或其他光学元件，且可以采取任何形式，其操作为用于使用图像检测器(例如图像检测器160)根据已知原理对工件20成像。在示出的实施方式中，成像光路OPATH包括TAG透镜170，且可以用于使用一个或多个工件图像曝光来对工件20的表面进行成像和/或测量。
如前所述，TAG透镜170的屈光力响应于共振驱动信号(例如作为在信号线171上的从控制系统部分101的TAG透镜控制接口172的输入)以高频率连续改变。有效焦点位置EFP相应改变。在各种实施方式中，驱动信号是处于TAG透镜170的共振操作频率下的正弦曲AC信号。对应于有效焦点位置EFP的焦距Df在按正弦改变TAG透镜170的屈光力期间在响应时间(correspond time)或“相位时序”处可用。在TAG透镜的屈光力为零的状态下与TAG透镜组合的情况下，标称或“中程(midrange)”有效焦点位置可以被认为是场透镜150(例如物镜)的(固定)焦距。照明源130或图像检测器160可以在共振周期的特定相位或“相位时序”处“闪光”，以获得在相应的有效焦点位置或对焦距离处聚焦的图像曝光。来源光134作为工件光155被反射或传递，且用于进行成像的工件光经过场透镜150和TAG透镜170且被图像检测器160(例如摄像头)收集。包括工件20的图像的工件图像曝光被图像检测器160捕捉，且在信号线161上输出到成像管理器电路/例程180(例如通过摄像头控制接口162)。在各种实施方式中，图像检测器160可以是已知的电荷耦合装置(CCD)图像传感器或其他形式的摄像头，且可以接收入射图像IMG并可以输出到成像管理器电路/例程180，被检测图像DIMG具有预定的信号形式。
已知的基于对比度的聚焦分析方法可以用于分析最终图像(一个或多个)并确定它们是否聚焦，和/或是否可以用在系统管理器电路和例程125或成像管理器电路/例程189中，以调整闪光相位时序，以给出能提供工件20的会聚图像的“自动对焦”操作。替换地或额外地，这种基于对比度的聚焦分析方法可以用于从相应一组已知相位时序处获取的一组图像中识别出最佳聚焦的图像，且输出“最佳聚焦”相位时序值。Z高度(有效焦点位置)校准数据可以被利用，其将相应Z高度或有效焦点位置与相应“最佳聚焦”相位时序关联。由此，工件20的被成像表面部分的表面高度坐标可以基于与其“最佳聚焦”图像关联的相位时序确定。因此，光学成像系统105和/或成像/检查系统10可以用于通过跨经工件20进行扫描而对其测量或描绘轮廓，如果期望的话。这种测量过程的各种方面更详细地描述在所并入的文献中。
基于高度测量的前述描述，应理解，如果TAG透镜操作特性漂移，则其实际操作特性会与校准数据脱离，造成不准确的高度测量。如之前所示，发明人已经发现，在TAG透镜被精确地经校准以将特定屈光力和/或对焦距离与共振周期的特定相位关联的测量系统(例如显微镜系统)中，现有技术的TAG透镜构造相对于这种校准确实呈现出不期望不稳定性和/或漂移。参考图2描述已知的TAG透镜构造。参考图3到9描述根据本文公开的原理的构造(其在一系列的操作条件下提供更稳定的操作特性。
图2是包括已知特征的TAG透镜170的截面图，包括已知故意气体体量(knownintentional gas volume)或故意可压缩元件(intentional compressible element)IGV/ICE(后文简单地称为可压缩元件IGV/ICE)和在其中共振时产生的驻声波W。TAG透镜170包括透镜壳体210、可控声波产生元件220、和折射流体250。
如图2所示，透镜壳体210的壳体空腔CC包括折射流体250的操作体量OPV，且声波产生元件220(例如压电振动器)围绕穿过操作体量OPV的光路OPATH而布置在透镜壳体210中。在各种实施方式中，透镜壳体210可以是中空圆柱形壳体，且可控声波产生元件220可以是安装在透镜壳体210内部的中空圆柱形压电振动器。在各种替换的实施方式中，透镜壳体210可以具有其他形状(例如中空六边形形状，等)。在各种实施方式中，可控声波产生元件220可以被间隔件260、261和262(例如仅用于机械支撑的O型环，用弹性体等制造)支撑。在各种实施方式中，一个或多个间隔件260可以设置在可控声波产生元件220的外周表面230和透镜壳体210的内周空腔壁215之间(例如形成间隔SP1)。类似地，一个或多个间隔件261可以设置在可控声波产生元件220的上表面231和透镜壳体210的上内表面216(例如形成间隔SP2)，且一个或多个间隔件262可以设置在可控声波产生元件220的下表面232和透镜壳体210的下内表面217(例如形成间隔SP3)。
在各种实施方式中，可控声波产生元件220由于驱动信号(例如施加在外周表面230和内周表面240之间的AC电压)而沿厚度方向振动。在各种实施方式中，驱动信号通过信号线(例如图1的信号线171，如从控制系统部分101的TAG透镜控制接口172提供)和通过电连接件225施加到声波产生元件。
在各种实施方式中，在信号线171上提供的驱动信号(例如包括交流电压)可以被调整为共振频率，其在可控声波产生元件220的内侧(即在被内周表面240围绕的那部分壳体空腔中)的折射流体250中产生驻声波W。在这种情况下，在可控声波产生元件220如代表性的振动箭头VA所示地振动时，在折射流体250中引起驻声波W(即，且引起同心圆形波区域，在该处折射率增加和减小)。应理解，驻声波W产生密度梯度，其提供近似对应于驻声波W的折射率分布。折射率分布的中央部分(如垂直虚线之间的光路OPATH所示)可以用于成像。
如上所述，壳体空腔CC(例如通过内周空腔壁215和上表面216和下表面217形成)填充有折射流体250。在各种实施方式中，折射流体250可以通过一个或多个入口/出口(例如包括入口/出口211)添加，其随后被密封。在各种实施方式中，在期望操作条件下，整个可控声波产生元件220没入折射流体250中，使得中空圆柱形可控声波产生元件220中的空腔(即被内周表面240围绕)填充有折射流体250。透镜壳体210中的水平和垂直槽道或通道218和219允许折射流体250流动，以在填充时围绕声波产生元件220的外周表面230。与围绕声波产生元件220的整个外周延伸的间隔SP1不同，应理解，垂直通道(一个或多个)219是分立的通道(例如通过在透镜壳体210中钻孔或其他加工形成的垂直槽道)。折射流体250能从内周表面240中的空腔流动到垂直通道(一个或多个)218中并经过间隔件(例如间隔件260和262)产生的间隔SP(例如间隔SP1和SP3)并进入垂直通道(一个或多个)219。以这种方式，折射流体250还能填充声波产生元件220与透镜壳体210的壳体空腔CC的内周空腔壁215、上内表面216和下内表面217之间的间隔SP1、SP2和SP3，以便围绕声波产生元件220的外部。TAG透镜170A还包括上窗213和下窗214，其分别设置在壳体空腔CC的上下部部分处，且与之抵靠密封。经过TAG透镜170A的中心(例如沿光学轴线OA中心定位)的光路OPATH经过上窗213和下窗214。
应理解，如前所述的共振频率是总体系统的性质，且对例如温度和/或压力和/或机械应力这样的因素变化敏感。所形成的驻声波W的透镜特性也类似地敏感。因此，如前所述，可以相对于用于建立上述校准数据(以有效焦点位置EFP或屈光力对相位时序值为特征的数据)的操作状态变化，且结果是会引起高度测量错误。所形成的错误可以较小，但是它们在精确测量应用方面仍然是显著的。本文公开了各种原理和构造旨在减少如上所述的驱动因素的变化，以及减少由于现有技术的可压缩元件IGV/ICE等的运动和/或不充分性等造成的变化(如下文所述)。对于现有技术的可压缩元件IGV/ICE，现有技术的状态在图2中通过虚线轮廓线表示，其表示了环形形状和故意气体体量或闭室(closed-cell)可压缩元件等的近似截面。理想地，可压缩元件IGV/ICE在相应环形沟槽中隔离，如所示的——至少是在理想操作条件下(例如在TAG透镜被用在直立取向的情况下，如所示的)。在可压缩元件是故意气体体量时，已经使用的一个过程是用折射流体250来100％地填充壳体空腔CC，且随后密封之前抽出期望体量。这在密封的壳体空腔CC中留下故意气体体量，其中其将填充相应环形沟槽，如所示的。可压缩元件IGV/ICE的各种实施方式的一些特征现在已经被认为是不期望的。一个不期望的特征是，故意气体体量可以运动(例如在TAG透镜170倾斜时)，或溶到折射流体250中并随后通过空穴释放到光路OPATH中。另一不期望的特征是，可压缩元件IGV/ICE仅由于压力增加(其已经是不期望的变化)而可压缩。另一不期望的特征是，可压缩元件IGV/ICE的尺寸被限制，且由此限制了TAG透镜170的所允许操作条件。由此，已知的可压缩元件IGV/ICE仅缓解实际变化和问题；其不能防止它们的发生。下文公开的各种特征和原理目的是克服和/或防止这种问题。
图3A和3B是具有透镜壳体210以及外部贮存器构造280A的TAG透镜170A的一般实施方式的等轴示意图和俯视图。应理解，图3A和3B的某些附图标记2XX或2XXA可以对应于相同或类似标号的图2中的对应部件2XX和/或具有与之相似的操作，且可以按照与之类比方法的来理解，除非下文另有描述。用于表明元件具有类似设计和/或功能的这种编号方案还应用于随后的附图4-8(例如用于部件2XXB、2XXC、2XXD、2XXE、2XXF、等)。
如图3A和3B所示，在各种实施方式中，外部贮存器构造280A(如包括可变形的外部流体贮存器，进一步在下文描述)可以位于透镜壳体210外侧的一侧。还将针对图4-8在下文详细描述这种实施方式的额外例子。如针对图7和8在下文详细描述的，在各种替换的实施方式中，可以实施不同构造(例如外部流体贮存器可以围绕透镜壳体的至少一部分延伸，和/或多个外部流体贮存器可以围绕透镜壳体设置等)。
如图3A和3B所示，透镜壳体210包括至少一个入口/出口211，且外部贮存器构造280A包括至少一个入口/出口284A。在各种实施方式中，入口/出口211和284A以组合来使用，用于最初将折射流体250添加到透镜壳体210的壳体空腔和/或外部贮存器构造280A中的可变形外部流体贮存器，将在下文详细描述，将针对图4在下文详细描述。入口/出口211和284B在折射流体250已经填充壳体空腔和/或可变形外部流体贮存器之后关闭/密封。在各种实施方式中，外部贮存器构造280A可以利用各种构造(例如螺栓，焊接，等)牢固地附接到透镜壳体210。
图4是具有第一示例性实施方式的外部贮存器构造280B的TAG透镜170B的截面图。在图4-6中，透镜壳体210中的部件和构造应理解为与图2的相似或相同，除非在下文另有描述。如图4所示，外部贮存器构造280B包括外部贮存器本体281BB和可变形外部流体贮存器290B，该外部贮存器本体抵靠外部贮存器顶部281TB(例如歧管)密封。可变形外部流体贮存器290B(例如弹性体囊)含有可变贮存体量RSV-B，其在可变形外部流体贮存器290B从壳体空腔CC接收折射流体250时膨胀，且在折射流体250从可变形外部流体贮存器290B流动到壳体空腔CC时收缩。例如，这种流体交换可以被“刚性”壳体空腔CC中的折射流体的热膨胀/收缩驱动。
在图4的例子中，示例性变形线DEF示意性地显示了可变形外部流体贮存器290B的可变形部分291B的变形(收缩)，其会在TAG透镜170B的特定总体流体体积时发生(例如受到操作温度的影响)。变形箭头DEFX示意性地示出了可变形部分291B可以如何收缩和/或膨胀到可变形外部流体贮存器290B的最大设计容积MDV-B(例如对应与外部贮存器构造280B的整个可用贮存容积)。在各种实施方式中，可变形部分291B可以包括唇部部分292B，其被接收在外部贮存器顶部281TB的缩进部分285B中并与之抵靠密封。在图4的实施方式中，流动通道FLC-B包括在透镜壳体210(例如延伸到贮存器交换通道REC中)和外部贮存器构造280B之间延伸的管TB-B，且通过该管能使得折射流体在壳体空腔CC和外部贮存器构造280B之间来回流动。可以包括一个或多个密封元件SL(例如密封环)(例如定位为围绕管TB-B且用于将透镜壳体210和外部贮存器构造280B之间的连接进行密封)，以确保折射流体250的密封容纳。外部贮存器顶部281TB(例如歧管)包括水平通道282B和垂直通道283B，折射流体250通过所述通道能在管TB-B和可变形外部流体贮存器290B之间来回流动。流动线FL2示出了壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290B之间的折射流体250的流动，如经过流动通道FLC-B。
在各种实施方式中，流动通道FLC-B具有至少一个流动限制部分FRS(例如作为贮存器交换通道REC的一部分或流动通道FLC-B的另一部分)，其配置为足够小，以使得在声波被声波产生元件220施加时折射流体250在透镜壳体210中共振期间的系统缓冲效果和/或能量损耗最小化，如可以通过分析和/或实验确定。应理解，这种实施方式还配置为使得扩张或收缩中的折射流体流动不落后于TAG透镜170B的操作或运输期间可能发生的期望温度变化率。在各种实施方式中，流动限制部分FRS可以具有最大25平方毫米或最大15平方毫米的流动截面面积(例如以便实现上述设计参数，包括在透镜壳体210中的折射流体250的隔离共振(isolating resonance)，同时还允许足够的流动，以使得可能由于温度变化等发生的透镜壳体210中的折射流体250的压力变化最小化)。
在各种实施方式中，可变形外部流体贮存器290B配置为至少在-20℃到60℃的温度范围内在壳体空腔CC中保持基本恒定的折射流体250的压力。在各种实施方式中，外部贮存器构造280B配置为在全部操作温度下让大气压力作用在可变形部分291B的外侧。例如，通气孔288B可以设置在外部贮存器本体281BB的一部分(例如下部部分)，其打开到大气且其配置为允许大气压力作用在可变形外部流体贮存器290B的外侧。在各种实施方式中，通气孔288B配置为将折射流体保持在壳体空腔CC中且处于约1个大气压下，而不管TAG透镜的操作温度如何。
在各种实施方式中，透镜壳体210包括至少一个入口/出口211且外部贮存器构造280B包括至少一个入口/出口284B。在各种实施方式中，入口/出口211和284B组合使用，用于最初将折射流体250添加到壳体空腔CC或可变形外部流体贮存器290B中的至少一个，其中在折射流体250已经填充壳体空腔CC和/或可变形外部流体贮存器290B之后，入口/出口211和284B关闭/密封。例如，作为将折射流体250添加到TAG透镜170B的过程的一部分，入口/出口211和284B可以首先被打开。在建立初始组合流体体量之后(例如包括操作体量OPV和贮存体量RSV)，流体总量保持恒定且用于最初填充TAG透镜170B的入口/出口211和284B保持密封。应理解，与入口/出口211和284B相比，在各种实施方式中，贮存器交换通道REC(即延伸通过透镜壳体210且是流动通道FLC的一部分)不是可从外部操作的端口且不可用作用于向TAG透镜170B添加或从其去除折射流体250的入口/出口。
在各种实施方式中，操作体量OPV对贮存体量RSV的可变比至少部分地根据折射流体250的温度而变化。在各种实施方式中，可变形外部流体贮存器290B配置为保持壳体空腔CC中折射流体250的基本恒定的压力。例如，在壳体空腔CC中的折射流体250温度增加且使得折射流体250膨胀时，至少一些折射流体250从壳体空腔CC流动到可变形外部流体贮存器290B(例如以便将壳体空腔CC中的折射流体250的压力保持为基本恒定的水平)。类似地，在壳体空腔CC中的折射流体250温度减小且使得折射流体250收缩时，至少一些折射流体从可变形外部流体贮存器290流动到壳体空腔CC(例如以便将壳体空腔CC中折射流体250的压力保持在基本恒定的水平)。
在各种实施方式中，并非被包括作为TAG透镜170B的一部分，外部贮存器构造280B可以配置为单独元件(例如作为单独附件，或用于改进现有的TAG透镜的升级部件等)。在这种实施方式中，外部贮存器构造280B可以配置为联接到可调声梯度(TAG)透镜，其具有带壳体空腔CC的透镜壳体210，该壳体空腔CC配置为包含折射流体250的操作体量OPV。外部贮存器构造280B可以包括可变形外部流体贮存器290B和流动通道部分(例如包括通道部分282B和283B)，该可变形外部流体贮存器配置为包含折射流体250。流动通道部分可以是将可变形外部流体贮存器290B连接到TAG透镜的壳体空腔CC的那部分流动通道FLC-B。可变形外部流体贮存器290B可以包含折射流体250的贮存体量RSV，且至少一些折射流体250能在壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290B之间通过流动通道FLC来回流动。透镜壳体210、可变形外部流体贮存器290B和流动通道FLC-B可以配置为被密封的系统。
在各种实施方式中，提供一种方法，用于制备和操作可调声梯度(TAG)透镜170B和可控声波产生元件220，该透镜壳体210具有带壳体空腔CC的透镜壳体210，该壳体空腔CC配置为包含折射流体250的操作体量OPV，该可控声波产生元件220围绕光路OPATH布置在透镜壳体210中，该光路OPATH经过操作体量OPV。在各种实施方式中，该方法包括通过穿过透镜壳体210的流动通道FLC将折射流体250添加到壳体空腔CC和连接到壳体空腔CC的可变形外部流体贮存器290B。在各种实施方式中，透镜壳体210包括入口/出口211且外部贮存器构造280B包括入口/出口284B，入口/出口每一个在折射流体250被添加时打开，且通过入口/出口中的至少一个来提供折射流体250，以便添加到壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290B。在壳体空腔CC被填充以包含折射流体250的操作体量OPV之后入口/出口211和284B每一个随后被关闭，且可变形外部流体贮存器290B被填充以在用于填充的折射流体250的期望温度下包含折射流体250的贮存体量RSV。在各种实施方式中，希望的是，可变形外部流体贮存器290B被填充以在TAG透镜170B的期望最大操作或存储温度下包含折射流体250的最大期望贮存体量RSV。一旦入口/出口211和284B被关闭/密封，透镜壳体210、可变形外部流体贮存器290B和流动通道FLC-B由此配置为被密封的系统。在各种实施方式中，在填充和密封过程中，在经流体填充的体量中排除了所有气体。填充的流体可以在密封之前经历真空隔室中的除气过程等，如果期望的话。一旦系统被密封，则可以通过常规操作控制TAG透镜170B，以为TAG透镜170B提供周期性调节的屈光力变化。
为了更明确，在各种实施方式中，TAG透镜170配置为具有被密封的系统，其通常仅含有折射流体250，且在折射流体中没有故意气体体量或故意可压缩部件。更具体地，折射流体中的故意气体体量或故意可压缩部件被限定为故意引入的成分，其在透镜壳体210中至少包括总可用流体体量的最小部分(例如2％)，其是在壳体空腔CC填充有折射流体250时针对相当量的折射流体250进行故意地移置或替代的。相对比，本文限定的意外气体体量包括不期望的气体，其可能是由于除气或空穴或不期望的泄漏引起的，且其没有资格作为故意气体体量(即，其在本例子中是壳体空腔CC的总可用体量的2％以下的体量)。
在一个具体示例性实施方式中，在20℃的操作温度下，TAG透镜170配置为在可变形外部流体贮存器290中具有折射流体250的贮存体量RSV，其小于可变形外部流体贮存器290的最大设计容积MDV的70％。如本文限定的，设计容积通常是针对不受力和/或非增压的状态。应理解，在这种构造中，在温度增加且折射流体250膨胀时，一定量的折射流体250可以从壳体空腔CC流动到可变形外部流体贮存器290，以便增加贮存体量RSV(而在某些一定实施方式中，操作体量OPV可以保持基本相同且处于基本相同的压力下，例如约1个大气压)。在温度减小和折射流体250收缩时，一定量的折射流体250可以从可变形外部流体贮存器290流动到壳体空腔CC，以便减小贮存体量RSV(例如在某些实施方式中，操作体量OPV可以保持基本相同且处于基本相同的压力下，例如约1个大气压)。
在各种实施方式中，可变形外部流体贮存器290的最大设计容积MDV对位于壳体空腔CC中的折射流体250的操作体量OPV的比可以为至少1/7。在各种实施方式中，在20℃的操作温度下，TAG透镜170可以配置为具有至少1/10的贮存体量RSV对操作体量OPV的比。应理解，这种实施方式提供了用于适应折射流体250的膨胀和收缩的裕量，使得该构造在操作温度内有效地操作。更具体地，在某些实施方式中，通过使得折射流体250在壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290之间来回流动，贮存体量RSV可以增加或减小，同时保持操作体量OPV基本相同且处于基本相同压力(例如约1个大气压等)。
图5是具有第二示例性实施方式的外部贮存器构造280C的TAG透镜170C的截面图。如图5所示，外部贮存器构造280C包括外部贮存器本体281BC、外部贮存器顶部281TC和可变形外部流体贮存器290C。在图5的示例性构造中，流动通道FLC-C包括在透镜壳体210和可变形外部流体贮存器290C之间延伸的管TB-C，且折射流体250可以通过该管如前所述地那样流动。在图5的例子中，管TB-C包括水平通道部分TB-C1和垂直通道部分TB-C2。
在图5的构造中，可变形外部流体贮存器290C包括上颈部部分292C和下颈部部分293C。在各种实施方式中，上颈部部分292C和下颈部部分293C可以相对厚且是实心的，除了用于容纳管TB-C的垂直通道部分TB-C2的孔以外(例如在中间)，其延伸穿过上颈部部分292C和下颈部部分293C。在各种实施方式中，夹持件289C可以围绕上颈部部分292C夹持，其围绕管TB-C的垂直通道部分TB-C2固定到上颈部部分292C。下颈部部分293C位于外部贮存器本体281BC的缩进部分286C上或被其固定。
在各种实施方式中，管TB-C的垂直通道部分TB-C2可以向下延伸经过下颈部部分293C的端部并进入可变形外部流体贮存器290C，其可以提供一些优点(例如在可变形外部流体贮存器290C中可能出现的任何偶然的空气泡将在下颈部部分293C下方浮到顶部，且由此不可能流动到管TB-C的垂直通道部分TB-C2中)。此外，水平通道部分TB-C1可以延伸到透镜壳体210中(例如到透镜壳体210的贮存器交换通道REC中)并被固定(例如通过粘接剂或钎焊)，使得可以不需要额外密封元件(例如密封环)。
图6是具有第三示例性实施方式的外部贮存器构造280D的TAG透镜170D的截面图。在图6的示例性构造中，可变形外部流体贮存器290D包括活塞296D，该活塞296D在折射流体250从壳体空腔CC膨胀且流动到可变形外部流体贮存器290D时在外部贮存器中沿第一方向(例如向下)运动，且在折射流体250从可变形外部流体贮存器290D收缩并流动到壳体空腔CC时沿与第一方向相反的第二方向(例如向上)运动。可以包括(例如联接到活塞296D和/或围绕活塞296D定位)一个或多个密封元件297D(例如密封环)，以确保折射流体250在活塞296D上方被密封地容纳。在各种实施方式中，可变形外部流体贮存器290D进一步包括弹簧298D，该弹簧联接到活塞296D(例如联接到活塞296D的下部部分)，以在至少延伸20毫米的位置范围中针对活塞296D保持基本恒定的机械弹性系数。应理解，具有基本恒定机械弹性系数的这种构造可以用于保持可变形外部流体贮存器290D中的贮存体量RSV，且相应地，壳体空腔CC中的操作体量OPV处于并非1个大气压的基本恒定的压力，如果期望的话。应理解，相似的“未密封”弹簧和活塞布置结构可实施为压在密封的囊构造上(例如如前所述)，以将密封囊中的流体(和壳体空腔CC中的相关操作体量OPV)保持在并非1个大气压的基本恒定压力下，如果期望的话。
图7是具有第四示例性实施方式的外部贮存器构造280E的TAG透镜170E的俯视图。在图7的构造中，可变形外部流体贮存器290E(为圆柱环形形状)被包含在外部贮存器构造280E中，且围绕透镜壳体210的至少一部分延伸。如图7的具体示例性构造中所示，可变形外部流体贮存器290E围绕透镜壳体210的整个周向延伸，但是应理解，在各种替换实施方式中，可变形外部流体贮存器可以仅围绕透镜壳体210的一部分延伸。应理解，这种实施方式可以形成为具有不同的总体外部尺寸，如与图4-7的实施方式相比。对于在某些应用中进行安装来说，所示构造可以是更期望或更方便的。
可变形外部流体贮存器290E通过穿过透镜壳体210的一个或多个流动通道FLC-E连接到壳体空腔CC。尽管图7仅示出了单个流动通道FLC-E，但是在替换的实施方式中，多个流动通道FLC可以围绕透镜壳体210设置。可变形外部流体贮存器290E含有折射流体250的贮存体量RSV-E。根据之前所述的原理，流动通道FLC-E使得折射流体250在壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290E之间来回流动。透镜壳体210、可变形外部流体贮存器290E和流动通道FLC-E配置为被密封的系统。透镜壳体210包括至少一个入口/出口211，且外部贮存器构造280E包括至少一个入口/出口284E，所述入口/出口可以如上所述地用于向TAG透镜170E添加折射流体250。在各种实施方式中，外部贮存器构造280E可以利用各种构造(例如螺栓，焊接，等)牢固地附接到透镜壳体210。针对外部贮存器构造280E，可以根据之前所述的原理实施各种体量关系、填充方法等。
图8是具有第五示例性实施方式的双外部贮存器构造280F的TAG透镜170F的俯视图。在图8的示例性构造中，外部贮存器构造280F1和280F2围绕透镜壳体210设置，分别包括第一和第二可变形外部流体贮存器290F1和290F2。
第一和第二可变形外部流体贮存器290F1和290F2分别通过穿过透镜壳体210的第一和第二流动通道FLC-F1和FLC-F2连接到壳体空腔CC。第一和第二可变形外部流体贮存器290F1和290F2分别包含折射流体250的第一和第二贮存体量RSV-F1和RSV-F2，其一起形成经组合的贮存体量RSV-F。根据之前所述的原理，第一和第二流动通道FLC-F1和FLC-F2使得折射流体250分别在壳体空腔CC和可变形外部流体贮存器290F1、290F2之间来回流动。
透镜壳体210、第一和第二可变形外部流体贮存器290F1和290F2与第一和第二流动通道FLC-F1和FLC-F2配置为被密封的系统。透镜壳体210包括至少一个入口/出口211，且外部贮存器构造280F1和280F2包括相应入口/出口284F1和284F2，所述入口/出口可以如上所述用于向TAG透镜170F添加折射流体250。在各种实施方式中，外部贮存器构造280F1和280F2可以利用各种构造(例如螺栓，焊接，等)牢固地附接到透镜壳体210。针对外部贮存器构造280F，可以根据之前所述的原理实施各种体量关系(基于组合的体量(RSV-F1+RSV-F2))、填充方法等。
图9是显示了根据本文公开的原理用于通过外部贮存器构造制备和操作TAG透镜的例程1000的一个示例性实施方式的流程图。如上所述，在各种实施方式中，TAG透镜可以具有带壳体空腔的透镜壳体，该壳体空腔配置为包含折射流体的操作体量，且可控声波产生元件围绕光路布置在透镜壳体中，该光路穿过该操作体量。如图9所示，在图块1010，折射流体添加到壳体空腔和可变形外部流体贮存器。可变形流体贮存器被包括在外部贮存器构造中且通过穿过透镜壳体的流动通道连接到壳体空腔。透镜壳体包括入口/出口，且外部贮存器构造包括入口/出口，所述入口/出口每一个在折射流体被添加时打开，且通过入口/出口中的至少一个提供折射流体，以便添加到壳体空腔和可变形外部流体贮存器。
利用图4的实施方式作为示例性构造，在图块1010添加折射流体可以首先包括，除了入口/出口211和284B以外，还打开通气孔288B(例如其打开到大气)。在一个实施方式中，折射流体通过入口/出口284B添加，直到壳体空腔CC变满且可变形外部流体贮存器290B变满，其中可变形外部流体贮存器中的折射流体的贮存体量为最大设计容积MDV的约100％，为此，任何空气或其他气体可以从入口/出口211排出(为此，可以基本上存在要被密封的系统的真空驱气(vacuum purge)，包括任何溶解气体的除气等)。(前述所有情况可以在TAG透镜的期望最大操作或存储温度下发生。或替换地，系统可以如所述地在更低温度下被填充，且随后流体可以以让可变形外部流体贮存器290B收缩到期望的相应状态的方式从入口/出口284B抽出。)在这种实施方式中，入口/出口211可以随后密封或关闭。在各种实施方式中，被抽出的折射流体量可以使得在期望操作温度(例如20℃)下可变形外部流体贮存器290B中折射流体的贮存体量RSV-B小于可变形外部流体贮存器290B的最大设计容积MDV的70％，而壳体空腔CC中的操作体量OPV保持被填充且基本恒定。
在图块1020，在折射流体的当前温度下，壳体空腔被填充以包含折射流体的操作体量且可变形外部流体贮存器被填充以包含折射流体的期望贮存体量之后，入口/出口被关闭/密封。如上所述，对于图4的例子，在各种实施方式中，入口/出口可以根据用于添加折射流体的过程在不同时刻或以变化的顺序关闭。在图块1030，在系统已经密封之后，TAG透镜被控制为向TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化。例如，可控声波产生元件可以如上所述地被控制，以为TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方式，基于本发明，本领域技术人员可以理解特征的所示和所述布置和操作顺序的许多变化。各种替换形式可以用于执行本文公开的原理。此外，如上所述的各种实施方式可组合以提供进一步的实施方式。所有在本说明书中引用的美国专利和美国专利申请通过引用全部并入本文。如果必要，实施方式的一些方面可改变，以采用各种专利和申请的原理，以提供进一步实施方式。
可根据上述详细描述对实施方式做出这些和其他改变。通常，在权利要求中，所使用的术语不应理解为是将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施方式，耳塞应该立即为包括权利要求所涵盖的所有可能实施方式以及等效形式的全部范围。

Claims (26)

1.一种可调声梯度(TAG)透镜，包括：
透镜壳体，具有壳体空腔；
折射流体，包括包含在壳体空腔中的折射流体的操作体量；
可控声波产生元件，围绕光路布置在透镜壳体中，该光路穿过该操作体量(例如压电)；
外部贮存器构造，包括可变形外部流体贮存器，该可变形外部流体贮存器通过穿过透镜壳体的流动通道连接到壳体空腔，其中可变形外部流体贮存器含有折射流体的贮存体量，且流动通道使得折射流体根据随TAG透镜的操作温度的变化而发生的折射流体的膨胀和收缩而在操作体量和贮存体量之间来回流动；和
其中:
折射流体的操作体量能响应于通过声波产生元件施加声波而沿光路改变其折射率，且据此，TAG透镜被控制为向TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化；和
透镜壳体、可变形外部流体贮存器和流动通道配置为被密封的系统。
2.如权利要求1所述的TAG透镜，其中TAG透镜配置为具有所述被密封的系统，其通常仅含有折射流体而在折射流体中没有故意气体体量或故意可压缩部件。
3.如权利要求1所述的TAG透镜，其中，在20℃的工作温度下，TAG透镜配置为在可变形外部流体贮存器中具有折射流体的贮存体量，该贮存体量小于可变形外部流体贮存器的最大设计容积的70％。
4.如权利要求3所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器的最大设计容积相对于包含在壳体空腔中的折射流体的操作体量的比为至少1/7。
5.如权利要求1所述的TAG透镜，其中，在20℃的工作温度下，TAG透镜配置为具有的贮存体量相对于操作体量的比为至少1/10。
6.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器包括可变形囊，该可变形囊含有贮存体量，且该可变形囊在折射流体从壳体空腔膨胀并流动到可变形外部流体贮存器时膨胀，和在折射流体从可变形外部流体贮存器收缩并流动到壳体空腔时收缩。
7.如权利要求6所述的TAG透镜，其中外部贮存器构造配置为具有在所有操作温度下作用在可变形囊的外侧上的大气压力。
8.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器位于透镜壳体的外侧一侧。
9.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器围绕透镜壳体的至少一部分延伸。
10.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器是第一可变形外部流体贮存器，且流动通道是第一流动通道，贮存体量是第一贮存体量，且外部贮存器构造进一步包括通过穿过透镜壳体的第二流动通道连接到壳体空腔的第二可变形外部流体贮存器，其中第二可变形外部流体贮存器含有折射流体的第二贮存体量，且流动通道使得折射流体根据由于TAG透镜的工作温度变化发生的折射流体的膨胀和收缩而在操作体量和第二贮存体量之间来回流动，且其中透镜壳体、第一和第二可变形外部流体贮存器和第一和第二流动通道配置为被密封的系统。
11.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器包括活塞，该活塞在折射流体从壳体空腔膨胀并流动到可变形外部流体贮存器时沿第一方向运动，和在折射流体从可变形外部流体贮存器收缩并流动到壳体空腔时沿与第一方向相反的第二方向运动。
12.如权利要求11所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器进一步包括弹簧，该弹簧联接到活塞，以在至少延伸20毫米的位置范围中针对活塞保持基本恒定的机械弹性系数。
13.如权利要求1所述的TAG透镜，其中透镜壳体包括贮存器交换通道，其被作为流动通道的一部分。
14.如权利要求1所述的TAG透镜，其中流动通道包括一管，该管在透镜壳体和可变形外部流体贮存器之间延伸，且折射流体通过该管能在操作体量和贮存体量之间来回流动。
15.如权利要求1所述的TAG透镜，其中流动通道包括具有最多25平方毫米的流动截面面积的流动限制部分。
16.如权利要求15所述的TAG透镜，其中流动限制部分具有最多15平方毫米的流动截面面积。
17.如权利要求1所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器配置为为至少在-20℃到60℃的温度范围内在壳体空腔中保持基本恒定的折射流体压力。
18.如权利要求1所述的TAG透镜，其中外部贮存器构造进一步包括通气孔，用于通向外部大气，且其将折射流体保持在壳体空腔中且处于约1个大气压下，而不管TAG透镜的操作温度如何。
19.如权利要求1所述的TAG透镜，其中透镜壳体包括至少一个入口/出口且外部贮存器构造包括至少一个入口/出口，入口/出口被组合使用，用于最初将折射流体添加到透镜壳体或可变形外部流体贮存器中的至少一个，其中入口/出口在折射流体被填充到初始水平之后被密封。
20.如权利要求1所述的TAG透镜，其中操作体量对贮存体量的比至少部分地根据折射流体的温度变化。
21.如权利要求20所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器配置为在壳体空腔中保持折射流体的基本恒定压力，使得在折射流体的温度增加且使得折射流体膨胀时，折射流体中的至少一些从壳体空腔流动到可变形外部流体贮存器。
22.如权利要求20所述的TAG透镜，其中可变形外部流体贮存器配置为在操作体量中保持折射流体的基本恒定压力，使得在折射流体的温度减小且使得折射流体收缩时，至少一些折射流体从可变形外部流体贮存器流动到壳体空腔。
23.如权利要求1所述的TAG透镜，其中TAG透镜被包括作为视觉系统的一部分，且用于为TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化的TAG透镜的控制相应地为视觉系统提供对焦距离变化。
24.一种外部贮存器构造，配置为联接到可调声梯度(TAG)透镜，该可调声梯度透镜具有带壳体空腔的透镜壳体和可控声波产生元件，该壳体空腔配置为包含折射流体的操作体量，该可控声波产生元件围绕光路布置在透镜壳体中，该光路穿过操作体量，其中折射流体的操作体量能响应于通过声波产生元件施加声波而沿光路改变其折射率，且据此，TAG透镜被控制为向TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化，外部贮存器构造包括：
可变形外部流体贮存器，其配置为包含折射流体；和
流动通道部分，其是流动通道的一部分，该部分将可变形外部流体贮存器连接到TAG透镜的壳体空腔，其中可变形外部流体贮存器含有折射流体的贮存体量，且折射流体中的至少一些能通过流动通道在壳体空腔和可变形外部流体贮存器之间来回流动；和
其中透镜壳体、可变形外部流体贮存器和流动通道配置为被密封的系统。
25.一种用于制备和操作可调声梯度(TAG)透镜的方法，该可调声梯度透镜具有带壳体空腔的透镜壳体和可控声波产生元件，该壳体空腔配置为包含折射流体的操作体量，该可控声波产生元件围绕光路布置在透镜壳体中，该光路穿过操作体量，该方法包括：
向壳体空腔和向可变形外部流体贮存器添加折射流体，该可变形外部流体贮存器被包括在外部贮存器构造中且通过穿过透镜壳体的流动通道连接到壳体空腔，其中透镜壳体包括入口/出口且外部贮存器构造包括入口/出口，入口/出口每一个在添加折射流体时打开，且通过入口/出口中的至少一个提供折射流体，以便添加到壳体空腔和可变形外部流体贮存器；
在折射流体的当前温度下，壳体空腔被填充以包含折射流体的操作体量且可变形外部流体贮存器被填充以包含折射流体的贮存体量之后，关闭入口/出口；和
控制TAG透镜以为TAG透镜提供周期性调节的屈光力变化。
26.如权利要求25所述的方法，其中:
向壳体空腔和可变形外部流体贮存器添加折射流体包括：
填充壳体空腔直到其变满和填充可变形外部流体贮存器直到其变满，其中可变形外部流体贮存器中的折射流体的贮存体量为最大设计容积MDV的约100％，此后透镜壳体的入口/出口关闭；和
从外部贮存器构造的入口/出口抽出一定量的折射流体，使得在20℃下，可变形外部流体贮存器中的折射流体的贮存体量小于可变形外部流体贮存器的最大设计容积的70％；和
关闭入口/出口包括：
在壳体空腔被填充以包含折射流体的操作体量之后关闭透镜壳体的入口/出口；和
在抽出一定量的折射流体，使得在20℃下，可变形外部流体贮存器中的折射流体的贮存体量小于可变形外部流体贮存器的最大设计容积的70％之后，关闭可变形外部流体贮存器的入口/出口。
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