CN111602089B - 具有形状记忆合金元件的可变虹膜装置 - Google Patents

具有形状记忆合金元件的可变虹膜装置 Download PDF

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Abstract

由形状记忆合金线致动的光圈装置控制两个交叠的快门表面。两个快门表面控制透射通过透镜组件的光的量。形状记忆合金线由柔性印刷电路致动，该形状记忆合金线控制嵌入两个快门表面的杆。电流通过焦耳加热来控制线的形状，从而致动光圈装置。

Description

具有形状记忆合金元件的可变虹膜装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月13日提交的美国临时申请62/598,226的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及光学快门。更具体地，本公开内容涉及具有形状记忆合金元件的可变虹膜装置。
附图说明
附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分，附图示出了本公开内容的一个或更多个实施方式，并且连同示例实施方式的描述一起用于解释本公开内容的原理和实现方式。
图1至图2示出了集成在透镜系统中的光圈装置的示例性前视图和后视图。
图3示出了光圈装置的示例性分解视图。
图4示出了示例性光圈装置的截面侧面图。
图5和图6提供了光圈机构在两种不同操作状态下的内部视图。
图7示出了透镜组件和杆的视图。
发明内容
在本公开内容的第一方面中，描述了光圈装置，该光圈装置包括：第一快门表面，包括第一开口和第一横向槽；第二快门表面，该第二快门表面与第一快门表面部分地交叠，该第二快门表面包括第二开口和第二横向槽，第一开口和第二开口形成光圈；杆，该杆包括：插入第一横向槽中的第一销；插入第二横向槽中的第二销；第三销，被配置成允许杆在下述两个端部位置之间旋转：第一端部位置对应于光圈的完全打开状态，第二端部位置对应于光圈的至少部分地关闭状态；具有凹形槽的第四销；以及形状记忆合金线，嵌入第四销中。
本公开内容的优选方面和实施方式例如被显示在本申请的从属权利要求中。
具体实施方式
本公开内容描述了可以控制光圈窗口的大小的光圈系统(aperture system)。在一些实施方式中，光圈系统可以在完全关闭位置与完全打开位置之间控制光圈窗口的打开程度。例如，光圈系统可以控制光圈，使得光圈系统仅部分地打开，并且因此可以被称为可变虹膜装置。
光圈机构可以由形状记忆合金(SMA)线和可以推压该SMA线从而产生力的扭转弹簧来驱动。如本领域普通技术人员已知的，形状记忆合金是对其原始形状具有物理“记忆”的合金。因此，SMA线能够变形并且恢复至SMA线的原始形状。图1示出了集成有透镜系统(110)的光圈控制装置(105)的示例性前视图。图2示出了集成有透镜系统例如透镜镜筒(210)的光圈控制装置(205)的示例性后视图。如本领域普通技术人员已知的，透镜系统可以包括多个透镜。这样的透镜系统可以被称为透镜镜筒，并且包括不同类型的透镜。为了控制穿过透镜镜筒的光的量，可以在作为透镜镜筒的一部分的两个相邻的透镜之间插入快门。本公开内容描述了基于形状记忆合金线的光圈系统，该光圈系统在透镜镜筒内实现了快门机构。
图3示出了包括若干部件和透镜镜筒(305)的光圈装置的示例性分解视图(blowout view)。光圈机构可以包括：盖(310)，用于保护内部部件免受外部损坏；SMA线(315)；两个端子或支承元件(320)，SMA线可以附接至两个端子或支承元件(320)，以用于机械支承和电气连接。SMA线可以致动两个支承元件(320)以致动所附接的部件，例如可以遮挡透镜之间的光的快门表面。扭转弹簧(325)可以向SMA线提供反向力，以允许对快门从关闭到打开以及从打开到关闭的双向控制。在两个位置之间移动的杆元件(330)可以基于SMA运动在快门表面上致动。
快门表面由于其平坦的形状也可以被称为叶片。在一些实施方式中，快门表面包括第一平坦元件或快门表面(335)和第二平坦元件或快门表面(340)。例如，这些快门表面、窗口表面或光圈表面可以具有例如如图3中可见的形状大致像泪珠的内部开口。快门表面还可以具有形成U形状的侧部。同样在图3中所示的这种U形凹槽或槽容纳杆(330)的一个端部。以这样方式，杆(330)的两个端部中的每一个被插入到每个快门表面(335)的相应的槽中。当SMA线被致动时，杆移动，进而两个快门表面通过U形槽相对于彼此移动。两个叶片(335)和(340)的相对运动的量确定快门的孔径度。
如图3所示，快门还可以包括：用于容纳上面所列出的部件的基底壳体(345)；以及柔性印刷电路(FPC)(350)。在一些实施方式中，FPC可以被附接至壳体(345)的外表面，并且FPC例如提供对快门的操作的电子控制，例如，对SMA线和窗口光圈的电控制。例如，用户可以对摄像装置进行数字控制，该数字控制进而可以通过FPC电子地控制快门。
图4示出了示例性光圈装置的截面侧面图。快门叶片(420)被设置在相邻的透镜(425)与(430)之间。FPC(435)可以将控制信号传送至SMA线(415)，该SMA线(415)进而可以致动嵌入快门表面(420)的槽内的杆(410)。透镜元件(425、430)可以被容纳在透镜镜筒(440)内。参照图3，在图4中可以辨认出快门表面(420)。图3中的叶片(340)对应于图4中的(445)，并且图3中的叶片(335)对应于图4中的(450)。
如本领域普通技术人员已知的，FPC包括柔性电子器件。柔性电子器件是通过在诸如聚酰亚胺或透明导电聚酯膜的柔性塑料基板上安装电子器件而组装成的电子电路。柔性基板还可以使用其他材料制造，例如诸如，聚醚醚酮(PEEK)、无色有机热塑性聚合物。柔性电路还可以包括丝网印刷在聚酯上的银电路。可以使用用于刚性印刷电路板的相同的部件来制造柔性电子组件，使得该板能够符合期望的形状或者使得该板在使用期间能够弯曲。柔性电子器件的替选方法包括用于将传统的硅基板减薄至几十微米以获得合理的柔性的各种蚀刻技术。这些工艺被称为柔性硅，并且由硅制成的柔性电路可以具有例如约5mm的弯曲半径。
可以使用光刻技术来制造FPC。可能的工艺包括将非常薄(例如0.07mm)的铜条层压在两层聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)之间中。这些例如0.05mm厚的PET层可以涂覆有在层压过程期间被激活的热固性粘合剂。
图5和图6提供了光圈机构在两种不同操作状态下的内部视图。在图5中，两个快门叶片被对准(505)，使得光圈被完全打开(510)。SMA线(520)附接至两个支承元件(515)。SMA线可以作用在杆(530)上，以使杆(530)在各位置之间致动。杆的两个末端可以嵌入快门叶片的槽(535)内。扭转弹簧(525)向SMA线提供反作用力。例如，弹簧可以根据SMA线的状态促进杆返回至先前的位置。
图6示出了在SMA线致动了杆之后该杆进而致动快门叶片的不同状态。在图6中，两个叶片(605、610)被对准，使得光圈关闭或部分地关闭(615)。
在一些实施方式中，为了节省空间并且制造紧凑的光圈机构，机械元件被构造得非常薄。为了实现该特征，在一些实施方式中，在叶片快门的顶部上不存在盖。替代地，在这些实施方式中，透镜镜筒将执行盖的功能，以防止内部部件滑出位置或滑出光圈机构。
(由叶片快门创建的)光圈窗口大小可以由SMA线通过电阻反馈控制来控制。当SMA线的物理尺寸例如通过SMA线的直径和长度的变化而被修改时，SMA线电阻改变。当SMA正在推动杆或正在被杆推动时，直径和长度会改变。杆进而推动或拉动快门叶片。因此，通过控制SMA线电阻，可以控制窗口光圈大小。在一些实施方式中，光圈机构可以用作移动电话摄像装置的虹膜。
在图5中，两个叶片通过相应的槽被钩在杆末端处的两个销(555、560)上。两个叶片被杆移动而可以具有对称的运动，这可以通过比较图5和图6而注意到，这是因为在一个图中，叶片的槽是上和下，而在下一个图中，叶片的槽处于相反的对称的位置：下和上(620)。两个叶片的中心孔径(510)将创建窗口并且控制穿过透镜到达图像传感器的光线。
杆可以包括用于在基部(565)上旋转的销(540)。杆还可以包括旋转销的相反侧(杆的表面的相反侧)上的另一销。第二销可以相对于第一销偏心，并且第二销可以是钩销(545)。钩销可以钩在SMA线上，并且在施加电流时钩销将被SMA推动。钩销的另一侧可以钩在扭转弹簧(550)的一侧上。扭转弹簧产生沿由SMA线产生的力的相反方向的力。
图7示出了透镜组件和杆的视图。杆可以包括：位于两个相反端部(710、705)处的两个销，两个相反端部(710、705)对应于(555、560)；用于允许在基部上旋转的销(715)，销(715)对应于(540)；以及用于钩在SMA线上的钩销(720)，钩销(720)对应于(545)。如图7所示，透镜组件上的透镜镜筒可以包括槽(725)，所述槽(725)允许将虹膜装置部分地插入透镜组件内，同样如图1至图2所示。
在一些实施方式中，SMA线可以具有V形状或弯曲的形状，或者SMA线包括第一直线部分和第二直线部分，所述第二直线部分与第一直线部分成90°至180°之间例如135°至180°之间的角度。钩销可以具有能够将SMA线嵌入或钩入其中的凹形槽。在一些实施方式中，扭转弹簧具有嵌入杆的钩销中的一个端部。在一些实施方式中，FPC连接至SMA线，以施加电流并致动形状记忆合金。
如本领域普通技术人员已知的，两种常见类型的形状记忆合金是铜铝镍合金和镍钛合金，但是SMA也可以通过例如将锌、铜、金和铁铸成合金来制造。可以利用温度的差异来促使形状的改变。在一些实施方式中，SMA线可以如在美国专利8,152,941、9,315,880和8,430,981中所描述的那样利用镍钛来制造。进而可以通过电流的施加来引起温度的差异。SMA致动器通常利用引起焦耳加热的电流来被电致动。去激活通常通过向周围环境的自然对流热传递而发生。
已经描述了本公开内容的多个实施方式。然而，将理解的是，可以在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，其他实施方式在所附权利要求书的范围内。
上面阐述的示例作为完整的公开内容以及对如何制作和使用本公开内容的实施方式的描述被提供给本领域普通技术人员，而不旨在限制发明人所认为的其公开内容的范围。
对本领域技术人员显而易见的、对用于实现本文所公开的方法和系统的上面描述的模式的修改旨在落入所附权利要求书的范围内。说明书中提到的所有专利和出版物表示本公开内容所属的领域的技术人员的技能水平。本公开内容中引用的所有参考文献均以引用的方式并入，其程度如同每个参考文献已经单独地通过引用全部并入。
将理解的是，本公开内容不限于特定的方法或系统，所述方法或系统当然可以变化。还将理解的是，本文所使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制。如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，除非内容以其他方式明确规定，否则单数形式包括复数指示物。除非内容以其他方式明确规定，否则术语“多个(plurality)”包括两个或更多个指示物。除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。

Claims (17)

1.一种光圈装置，包括：
第一快门表面(335)，包括第一开口和第一横向槽；
第二快门表面(340)，所述第二快门表面(340)与所述第一快门表面部分地交叠，所述第二快门表面包括第二开口和第二横向槽，所述第一开口和所述第二开口形成光圈；
杆(330)，所述杆(330)包括：
插入所述第一横向槽中的第一销(555)，
插入所述第二横向槽中的第二销(560)，
第三销(540)，被配置成允许所述杆在下述两个端部位置之间旋转：第一端部位置对应于所述光圈的完全打开状态，第二端部位置对应于所述光圈的至少部分地关闭状态，以及
具有凹形槽的第四销(545)；以及
形状记忆合金线(315)，嵌入所述第四销中，其中，在所述形状记忆合金线(315)被致动时，所述杆(330)移动。
2.根据权利要求1所述的光圈装置，还包括透镜组件(305)，所述透镜组件(305)包括多个透镜，其中：
形成所述光圈的所述第一快门表面和所述第二快门表面被插入在所述透镜组件的相邻的透镜(425，430)之间，
所述光圈的所述完全打开状态对应于透射通过所述透镜组件的光的第一量，以及
所述光圈的所述至少部分地关闭状态对应于透射通过所述透镜组件的光的第二量，所述光的第二量小于所述光的第一量。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，还包括扭转弹簧(325)，所述扭转弹簧(325)包括被配置成对所述杆(330)施加弹力的一个端部。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，还包括柔性印刷电路(350)，所述柔性印刷电路(350)连接至所述形状记忆合金线并且被配置成向所述形状记忆合金线施加电流，以致动所述形状记忆合金线，从而使所述杆在所述两个端部位置之间旋转。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述光圈的所述至少部分地关闭状态是完全关闭状态。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述形状记忆合金线包括第一直线部分和第二直线部分，所述第二直线部分与所述第一直线部分成90°至180°之间的角度。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述形状记忆合金线包括第一直线部分和第二直线部分，所述第二直线部分与所述第一直线部分成135°至180°之间的角度。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述形状记忆合金线包括第一端部和第二端部，所述第一端部附接至第一支承元件(320)，并且所述第二端部附接至第二支承元件(320)。
9.根据权利要求8所述的光圈装置，其中，所述第一支承元件和所述第二支承元件能够由所述形状记忆合金线致动，所述第一支承元件和所述第二支承元件进而致动所述第一快门表面和所述第二快门表面，以在所述光圈的所述完全打开状态与所述光圈的所述至少部分地关闭状态之间运动。
10.根据权利要求2所述的光圈装置，其中，所述透镜组件还包括透镜组件槽(725)，所述透镜组件槽(725)被配置成允许所述第一快门表面和所述第二快门表面的插入。
11.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，当所述杆在所述两个端部位置之间旋转时，所述第一快门表面和所述第二快门表面在下述两个相应的快门位置之间移动：第一快门位置对应于所述光圈的所述完全打开状态，以及第二快门位置对应于所述光圈的所述至少部分地关闭状态。
12.根据权利要求11所述的光圈装置，其中，在所述光圈的所述完全打开状态下的所述第一横向槽和所述第二横向槽的第一位置(535)与在所述光圈的所述至少部分地关闭状态下的所述第一横向槽和所述第二横向槽的第二位置(620)对称。
13.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述第一快门表面和所述第二快门表面是平坦的表面。
14.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述第一开口和所述第二开口是泪珠形状的开口。
15.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，其中，所述第一横向槽和所述第二横向槽是U形槽。
16.根据权利要求1至2中任一项所述的光圈装置，还包括在所述第一快门表面、所述第二快门表面、所述杆和所述形状记忆合金线上方的盖(310)。
17.一种数字控制的摄像装置，包括根据权利要求4所述的光圈装置。
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