CN113167937B - 具有可调整焦距的紧凑型液体透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有可调整焦距的透镜(1)，包括：容器(2)，其封围容器(2)的内部空间(3)，其中内部空间(3)填充有透明液体(L)，并且其中容器(2)包括围绕所述内部空间(3)的周向侧壁(20)，其中侧壁(20)连接至透明覆盖元件(21)并且连接至透明且可弹性变形的膜(22)，使得液体(L)布置在膜(22)与覆盖元件(21)之间；环形透镜成形件(4)，其连接至膜(22)，使得透镜成形件(4)的内部周向边缘(40)限定膜(22)的中心区域(23)且穿过所述区域(23)的光根据所述区域(23)的曲率被折射；以及致动器，其配置成使透镜成形件(4)朝向或远离覆盖元件(21)移动以调整透镜(1)的所述区域(23)的所述曲率并从而调整透镜(1)的焦距，其中为了使透镜成形件(4)移动，致动器包括集成在侧壁(20)中的线圈(6)，其中致动器配置成在线圈(6)中产生电流，使得线圈(6)产生磁场以使透镜成形件(4)移动。
Description
说明书
本发明涉及具有可调整焦距的透镜。
具有可调整焦距的透镜用于宽泛的各种技术应用中。特别地关于移动应用，诸如智能手机和其他小型的手持设备，极其重要的是相应的透镜需要尽可能小的安装空间。
因此，本发明的目的是提供一种透镜，该透镜具有可以被改变的焦距并且包括允许使透镜的安装空间最小化的紧凑型设计。
该问题通过具有权利要求1和权利要求19的特征的透镜来解决。
本发明的这些方面的优选实施方式在对应的子权利要求中陈述并且在下文中被描述。
根据权利要求1，公开了一种具有可变焦距的透镜，其包括：
-容器，容器封围容器的内部空间，其中内部空间填充有透明液体，并且其中容器包括围绕所述内部空间的周向侧壁，其中侧壁连接至形成该容器的底部的透明刚性覆盖元件并且连接至透明且可弹性变形的膜，使得液体被布置在膜与所述覆盖元件之间，
-环形透镜成形件，环形透镜成形件连接至膜，使得透镜成形件的内部周向边缘限定膜的中心区域，且穿过所述区域的光根据所述区域的曲率被折射，以及
-致动器，致动器被配置成使透镜成形件朝向或远离覆盖元件移动，以调整透镜的所述区域的所述曲率并从而调整透镜的焦距，其中为了使该透镜成形件移动，致动器包括集成在侧壁中的线圈，使得特别地线圈围绕内部空间以及在其中的液体，其中致动器被配置成在线圈中产生电流，使得线圈产生磁场以使该透镜成形件移动。
根据本发明的实施方式，膜经由布置在侧壁与膜之间的环形间隔件连接至侧壁。
优选地，根据实施方式，环形间隔件包括的内径大于周向侧壁的内径。
此外，根据本发明的实施方式，间隔件是镀覆在侧壁的正面上的镀层(如，金属镀层)。
优选地，间隔件包括下述材料中的一种或由下述材料中的一种形成：金属、非磁性材料、非磁性金属、铜、包括铜的合金。特别地，铜具有的优点在于其可以以简单的方式应用于PCB上。此外，间隔件的金属或材料优选地为非磁性的，使得其不会屏蔽透镜成形件和线圈之间的磁路。然而，间隔件还可以由下述形成或包括下述：塑料材料(如聚合物)或玻璃。特别地，间隔件可以由呈现热膨胀的材料形成，这有助于(利用增大的温度)补偿液体的体积膨胀，使得间隔件还可以有助于实现透镜的被动温度补偿。
代替镀层，间隔件还可以是安装至(如胶合至)侧壁的分离的环形间隔件，或者与侧壁一体成型的构件。
此外，根据本发明的实施方式，侧壁由印刷电路板形成，其中所述线圈由嵌入在印刷电路板中的导体形成。
此外，根据本发明的可替代实施方式，线圈由封装在侧壁中的分立部分形成。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件包括环形永磁体或者由环形永磁体形成。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件布置在容器的内部空间中且浸入液体中。特别地，透镜成形件(如永磁体)连接至膜的底部侧，该底部侧面向覆盖元件。特别地，将透镜成形件放置在液体内部允许减小透镜在透镜的光轴的方向上的高度。此外，与间隔件结合，可以实现透镜的直径的减小。这是由于下述事实：间隔件允许在通光孔径(clearaperture，光圈、净孔、通光孔)外部且特别是在线圈上方实现自由膜部分。在线圈上方具有自由膜长度还允许相对于容器的外径(在相同线圈大小的情况下)使通光孔径最大化。
此外，根据本发明的实施方式，永磁体在径向上被磁化，使得磁场被定向在透镜成形件的径向方向上。
此外，根据本发明的实施方式，磁体包括在永磁体的磁场方向上(或在透镜成形件的径向方向上)面向侧壁的内侧的周向外侧。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件布置在容器的内部空间的外部，其中特别地，透镜成形件连接至膜的顶部侧，该顶部侧背离覆盖元件。另外，这种配置，特别地与间隔件结合，允许使透镜的外径最小化。另外此处，膜的位于致动器的线圈上方的一部分有助于自由膜长度，该自由膜长度可以用于使用相对小的力来使膜偏斜(deflect，挠曲、转向、弯曲)。
此外，根据本发明的实施方式，永磁体在轴向上被磁化，使得磁场特别地被定向在透镜的光轴的方向上。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件包括层，其中该层连接至膜的顶部侧并且被布置在膜的顶部侧与永磁体之间。特别地，该层由非磁性材料形成。材料可以是下述中的一种：金属、塑料材料、玻璃、硅。
此外，根据本发明的实施方式，承载电流的线圈与永磁体的磁场的相互作用对应于洛伦兹力。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件通过由磁性软金属形成的环形构件形成，或者其中，透镜成形件包括由磁性软金属形成的环形构件。特别地，磁性软金属是下述中的一种：铁磁金属、包括铁和镍的合金。特别地，根据本发明的磁性软金属包括大于一的相对磁导率。
此外，根据本发明的实施方式，环形构件与间隔件形成空气间隙。
此外，特别地在致动器被配置成产生用于使透镜成形件移动的磁阻力的情况下(也参见下文)，间隔件优选地由非磁性材料形成。
特别地，透镜成形件由环形构件的圆形突出部形成，圆形突出部连接至膜的顶部侧且形成透镜成形件的所述内边缘。
此外，根据本发明的实施方式，线圈的磁场产生磁阻力，磁阻力使环形构件(且因此使透镜成形件)朝向间隔件移动，以使空气间隙最小化。
根据本发明的另一方面，公开了一种具有可调整焦距的透镜，该透镜包括：
-容器，容器封围容器的内部空间，其中内部空间填充有透明液体，并且其中容器包括围绕所述内部空间的周向侧壁，其中侧壁连接至形成容器的底部的透明刚性覆盖元件并且连接至透明且可弹性变形的膜，使得液体被布置在膜与覆盖元件之间，
-环形透镜成形件，环形透镜成形件连接至膜，使得透镜成形件的内部周向边缘限定膜的中心区域，且穿过所述区域的光根据所述区域的曲率被折射，以及
-致动器，致动器被配置成使透镜成形件朝向覆盖元件移动，以调整透镜的所述区域的所述曲率并从而调整透镜的焦距，其中为了移动使该透镜成形件移动，致动器包括由形状记忆合金形成的至少一个可变形构件，其中所述可变形构件包括第一状态和第二状态，第一状态对应于透镜成形件的初始位置，在第二状态下，透镜成形件朝向覆盖元件移动以调整透镜的焦距。
此外，根据本发明的实施方式，致动器被配置成加热可变形构件，以使可变形构件从第一状态到第二状态。特别地，致动器被配置成通过在由形状记忆合金形成的可变形构件中产生电流来加热该可变形构件。特别地，致动器可以被配置成通过使用例如线圈的感应加热来加热可变形构件，其中致动器被配置成在该线圈中产生交流电流，使得在可变形构件中产生涡电流来加热该可变形构件(焦耳加热)。
特别地，根据实施方式，侧壁包括形成侧壁的内侧的热绝缘部分，该内侧面向容器的内部空间。热绝缘部分(如，层)可以由塑料材料(如PCB FR4材料，如玻璃增强的树脂层压材料)形成。
此外，根据实施方式，侧壁包括形成侧壁的外侧的部分(如，层)，该部分可以由金属(如，铜或包括铜的合金)形成，特别地用以确保到外侧的良好的热传导并且使(如，由于致动器的线圈或透镜的产生热的部件导致的)液体的加热最小化。特别地，侧壁的这些部分可以在本发明的全部实施方式/方面中被设置。
此外，根据本发明的实施方式，可变形构件被布置在容器的内部空间的外部。
此外，根据本发明的实施方式，可变形构件包括伸展形状。
此外，根据本发明的实施方式，可变形构件形成环路，特别是闭合环路。
此外，根据本发明的实施方式，可变形构件连接至保持元件，保持元件布置在侧壁的外侧上。
此外，根据本发明的实施方式，透镜成形件包括在透镜成形件的径向方向上延伸的四个突出部。
此外，根据本发明的实施方式，可变形构件包括四个部分，其中每个部分在突出部中的一个突出部之上延伸。因此，特别地，透镜成形件经由可变形构件耦接至透镜的容器。
此外，根据本发明的实施方式，在可变形构件的第二状态下，每个部分包括与可变形构件的第一状态相比减小的曲率，使得在使可变形构件从第一状态到第二状态的情况下，由于所述部分在透镜成形件的突出部上方延伸且可变形构件经由保持元件连接至容器的事实，透镜成形件被朝向覆盖元件拉动。
此外，根据本发明的实施方式，膜经由布置在侧壁与膜之间的环形间隔件连接至侧壁，其中，优选地，环形间隔件包括的内径大于周向侧壁的内径。
此外，根据本发明的实施方式，至少一个可变形构件和透镜成形件布置在容器的内部空间中且浸入液体中。
此外，根据本发明的实施方式，侧壁被形成为印刷电路板。
本文所公开的透镜设计允许减小用于下述的相应透镜的大小：小型应用诸如移动手机摄像头、外科手术、内窥镜机器视觉、条码扫描、监控摄像头、IOT设备以及无人机。
在下文中，参考附图描述了本发明另外的优点、特征以及实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的透镜的实施方式的示意性截面图(A)，其中(B)示出了实施方式的示意性俯视图；
图2示出了根据本发明的透镜的另一实施方式的示意性截面图(A)，其中(B)示出了该实施方式的示意性俯视图；
图3示出了根据本发明的透镜的另外的实施方式(A)和(B)的示意性截面图；以及
图4示出了根据本发明的透镜的另一实施方式的立体图(A)和示意性截面图，其中(C)示出了(A)和(B)中示出的实施方式的修改的示意性截面图。
图1(A)和图1(B)示出了根据本发明的透镜1，其中透镜1包括可调整焦距。为此，透镜1包括容器2，该容器封围容器2的内部空间3，其中内部空间3填充有透明液体L，并且其中容器2包括围绕所述内部空间3的周向侧壁20，其中，侧壁20连接至透明覆盖元件21(由例如玻璃或塑料材料或聚合物形成)并且连接至透明且可弹性变形的膜22，使得液体L被布置在膜22与覆盖元件21之间。特别地，容器2形成用于液体L的气密密封的接收器(receptacle，容器、受器、贮器)，该气密密封的接收器在光轴A的方向上是透明的。此外，透镜1包括环形透镜成形件4，该环形透镜成形件连接至膜22使得透镜成形件4的内部周向(如圆形)边缘40限定了膜22的中心区域23(对应于例如透镜1的通光孔径)，并且穿过所述区域23的光根据所述区域23的曲率被折射。此外，透镜1包括致动器，该致动器被配置成使透镜成形件4沿着光轴A朝向或远离覆盖元件21移动，以调整/改变透镜1的所述区域23的所述曲率并从而调整/改变透镜1的焦距。例如，在图1(A)中，该区域23是平坦的，但是当透镜成形件4向下(朝向覆盖元件21)移动时，由于内部空间3中的液体L，该区域将形成凸形隆起，使得透镜1的焦距减小。特别地，为了使透镜成形件4移动，致动器包括集成在侧壁20中的线圈6，其中致动器被配置成在线圈6中产生电流，使得线圈6产生磁场以使该透镜成形件4移动。特别地，线圈6包括电导体60，电导体绕虚拟线圈轴线延伸，该虚拟线圈轴线优选地与透镜1的光轴A重叠。
如从图1(A)中可以看出的，膜22优选地经由布置在侧壁20与膜22之间的环形间隔件5连接至侧壁20，特别地，间隔件5可以连接至(例如胶合至)侧壁20的正面20a，该正面20a背离与可弹性变形的膜22相比优选地为刚性的覆盖元件21。
此外，特别地，环形间隔件5包括的内径D1大于周向侧壁20的内径D2，使得由侧壁20和间隔件5形成的内侧形成周向台阶。
根据图1(A)，间隔件5可以是由金属形成的环形构件5。优选地，金属是下述中的一种：非磁性金属、铜、包括铜的合金。
根据实施方式，侧壁20由印刷电路板形成，其中所述线圈6由所述PCB的导体60形成，即导体60/线圈6被嵌入在印刷电路板中并且形成PCB的集成部分。根据可替代实施方式，线圈6可以是封装在侧壁20中的分立部分(即缠绕线圈)。
此外，为了基于音圈电机原理使用线圈6来使透镜成形件4移动，透镜成形件4包括环形永磁体。此处，特别地，透镜成形件由环形永磁体4形成。
如从图1(A)中可以看出的，透镜成形件4优选地布置在容器2的内部空间3中并且浸入液体L中。这允许了透镜1的非常紧凑的设计。特别地，透镜成形件/永磁体4连接至膜22的底部侧22b，该底部侧22b面向覆盖元件21。
特别地，永磁体4在径向上被磁化，使得相应的磁场M被定向成在透镜成形件4的径向方向R上，该径向方向R垂直于光轴A并且向外指向。
由于磁体/透镜成形件4在容器2的内部空间3中的布置，磁体4的周向外侧4b沿径向方向R/永磁体4的磁场M的方向面向侧壁20的内侧20b。
如在图2(A)中示出的，在间隔件5被省略或由较薄的间隔件5替换的情况下，透镜1在光轴A的方向上的高度可以被进一步减小，根据图2(A)，该较薄的间隔件可以由镀覆在侧壁20的正面20a上的金属镀层形成。优选地，金属镀层的金属是下述中的一种：非磁性金属、铜、包括铜的合金。
在图1(A)和图2(A)示出的实施方式中，磁体4浸入液体L中。此处，特别地，间隔件5还可以由磁性软金属形成(即，铁磁金属或包括例如铁和镍的合金)。
根据图3(A)和图3(B)中示出的可替代实施方式，透镜成形件4还可以布置在透镜1的容器2的内部空间3的外部。
特别地，图3(A)示出了图1(A)中示出的实施方式的修改，其中，与图1(A)对比，在图3(A)中致动器是磁阻致动器，且因此磁体4由环形构件4替换，该环形构件由金属形成，金属特别地是磁性软金属(即，铁磁金属或包括例如铁和镍的合金。
然而，像之前一样布置在侧壁20的正面20a上的间隔件5优选地由非磁性金属/材料形成，且通过空气间隙42与环形构件4分离，使得由致动器的线圈6产生的磁场产生磁阻力，该磁阻力使环形构件4(即透镜成形件4)朝向间隔件5移动以使空气间隙42最小化。这改变了膜22的区域23的曲率并从而相应地改变了透镜1的焦距。
特别地，如图3(A)中示出的，环形构件4可以包括环形突出部43，该环形突出部连接至膜22的顶部侧22a并且形成透镜成形件4的所述内边缘40。
图3(B)示出了图3(B)示出的实施方式的修改，其利用了音圈致动器来使膜22的区域23变形。在本文中，图3(A)的环形构件4被环形永磁体4a替换，该环形永磁体与由例如金属形成的层41一起形成透镜成形件4，其中所述层41连接至膜22的顶部侧22a并且布置在膜22的顶部侧22a与透镜成形件4的永磁体4a之间，使得所述金属层41形成透镜成形件4的圆形边缘40。特别地，与图1和图2对比，磁体4现在在轴向上被磁化，使得磁场M被定向在透镜1的光轴A的方向上。
至此，所描述的实施方式利用了偶极-偶极或洛伦兹相互作用(音圈)来使相应的透镜成形件4或磁阻电机(图3(A))移动。然而，根据本发明的实施方式还可以使用形状记忆合金，以使透镜成形件4移动并从而调整/改变透镜1的焦距。
如例如图4(A)和图4(B)中示出的，这样的透镜1同样包括容器2，该容器封围容器2的内部空间3，其中内部空间3填充有透明液体L，并且其中容器2包括围绕所述内部空间3的周向侧壁20，其中，侧壁20连接至形成容器2的底部的透明覆盖元件21并且连接至透明且可弹性变形的膜22，使得液体L被布置在膜22与覆盖元件21之间。此外，透镜1还包括环形透镜成形件4，该环形透镜成形件连接至膜22使得透镜成形件4的内部周向边缘40限定了透镜1的中心区域23，并且穿过所述区域23的光根据所述区域23的曲率被折射。此外，透镜1包括致动器，致动器被配置成使透镜成形件4朝向覆盖元件21移动，以调整/改变膜22的所述区域23的所述曲率并从而调整/改变透镜1的焦距，其中为了使透镜成形件4移动，致动器包括由形状记忆合金形成的至少一个可变形构件7。特别地，所述可变形构件7包括第一状态和第二状态，该第一状态对应于透镜成形件4的初始位置，在该第二状态下，透镜成形件4朝向覆盖元件21移动以调整透镜1的焦距。
特别地，致动器被配置成加热该至少一个可变形构件7，以使至少一个可变形构件7从第一状态到第二状态。为此，致动器可以被配置成通过在可变形构件7中产生电流以产生焦耳热(直接电加热)来加热该至少一个可变形构件7。
根据图4(A)和图4(B)中示出的变型，至少一个可变形构件7可以布置在容器2的内部空间3的外部。并且可以包括伸展形状且形成环路7。特别地，可变形形状记忆合金构件7可以通过保持元件8连接至容器2，该保持元件从侧壁20的外侧20c突出。另一方面，可变形构件7包括位于透镜成形件40的突出部45之上的部分70，该突出部45从透镜成形件4的环形基部部分44突出，该环形基部部分连接至膜22的顶部侧22a并且形成透镜成形件4的所述周向边缘40，该周向边缘限定了透镜1的曲率可调整的中心区域(孔)23。
如图4(A)中指示的，在至少一个可变形构件7的第一状态，每个部分70包括限定的曲率，并且透镜成形件处于初始位置，这也在图4(B)中示出。然而，在通过加热可变形构件7而使该可变形构件转换到其第二状态时，该曲率减小。在第二状态下，部分70与第一状态相比更为平直且因此将透镜成形件4向下(即，朝向覆盖元件21)按压。这改变了区域23的曲率并从而改变了透镜1的焦距。特别地，透镜成形件11的这种移动由于内部空间3中的液体L可以产生膜22的区域23的凸形隆起，使得透镜1的焦距减小。
另外此处，如图4(B)示出的，膜22可以经由环形间隔件5连接至侧壁20，该环形间隔件布置在侧壁20(如正面20a)与膜22之间。特别地，环形间隔件5可以包括内径D1，环形间隔件的该内径大于周向侧壁20的内径D2。
图4(C)示出了图4(A)和图4(B)中示出的实施方式的修改，其中与图4(A)和图4(B)对比，由变形记忆合金形成的至少一个可变形构件7和透镜成形件4布置在容器2的内部空间3中且浸入液体L中以进一步减小透镜1在光轴A的方向上的高度。另外此处，侧壁20可以被形成为印刷电路板，使得特别地透镜1的用于驱动可变形构件7的电部件可以集成在透镜1的侧壁20中。
Claims (10)
1.一种具有可调整焦距的透镜(1)，包括：
-容器(2)，所述容器封围所述容器(2)的内部空间(3)，其中所述内部空间(3)填充有透明液体(L)，并且其中所述容器(2)包括围绕所述内部空间(3)的周向侧壁(20)，其中所述侧壁(20)连接至透明覆盖元件(21)并且连接至透明且可弹性变形的膜(22)，使得所述液体(L)被布置在所述膜(22)与所述覆盖元件(21)之间，
-环形透镜成形件(4)，所述环形透镜成形件连接至所述膜(22)，使得所述透镜成形件(4)的内部周向边缘(40)限定所述透镜(1)的中心区域(23)，且穿过所述区域(23)的光根据所述区域(23)的曲率被折射，以及
-致动器，所述致动器被配置成使所述透镜成形件(4)朝向所述覆盖元件(21)移动，以调整所述膜(22)的所述区域(23)的所述曲率并从而调整所述透镜(1)的焦距，其中为了使所述透镜成形件(4)移动，所述致动器包括由形状记忆合金形成的至少一个可变形构件(7)，其中所述至少一个可变形构件(7)包括第一状态和第二状态，所述第一状态对应于所述透镜成形件(4)的初始位置，在所述第二状态下，所述透镜成形件(4)朝向所述覆盖元件(21)移动以调整所述透镜(1)的焦距，其中，所述至少一个可变形构件(7)连接至保持元件(8)，所述保持元件布置在所述侧壁(20)的外侧(20c)上，并且其中，所述透镜成形件(4)包括在所述透镜成形件(4)的径向方向(R)上延伸的突出部(45)，所述至少一个可变形构件(7)包括在所述透镜成形件(4)的所述突出部(45)上延伸的部分(70)。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述致动器被配置成加热所述至少一个可变形构件(7)，以使所述至少一个可变形构件(7)从所述第一状态到所述第二状态。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其中，所述至少一个可变形构件(7)被布置在所述容器(2)的所述内部空间(3)的外部。
4.根据权利要求1或2中的一项所述的透镜，其中，所述至少一个可变形构件(7)包括伸展形状。
5.根据权利要求1或2中的一项所述的透镜，其中，所述至少一个可变形构件(7)形成环路。
6.根据权利要求1或2中的一项所述的透镜，其中，所述透镜成形件(4)包括在所述透镜成形件(4)的径向方向(R)上延伸的四个突出部(45)。
7.根据权利要求6所述的透镜，其中，所述至少一个可变形构件(7)包括四个部分(70)，其中每个部分在所述透镜成形件(4)的突出部(45)中的一个突出部之上延伸。
8.根据权利要求7所述的透镜，其中，在所述至少一个可变形构件(7)的所述第二状态下，每个部分(70)包括与所述至少一个可变形构件(7)的所述第一状态相比减小的曲率，使得在使所述至少一个可变形构件(7)从所述第一状态到所述第二状态时，所述透镜成形件(4)被朝向所述覆盖元件(21)拉动。
9.根据权利要求1或2中的一项所述的透镜，其中，所述膜(22)经由布置在所述侧壁(20)与所述膜(22)之间的环形间隔件(5)连接至所述侧壁(20)。
10.根据权利要求1或2中的一项所述的透镜，其中，所述侧壁(20)被形成为印刷电路板。
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