CN115280233A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学装置(100)，包括：光圈机构(102)，被配置为包括第一透明电极层(11)和第二透明电极层(12)以及布置在所述第一透明电极层(11)和所述第二透明电极层(12)之间的电致变色材料层(10)；控制器(101)，用于控制所述第一透明电极层(11)和所述第二透明电极层(12)以放大或缩小无色域(21a、21b)的尺寸，其中，所述无色域(21a、21b)呈圆形，且光轴(AXIS)穿过所述无色域(21a、21b)的中心。

Description

光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学装置及具有该光学装置的设备，例如移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、数码相机、显微镜、行车记录仪、AR相机、机器人眼摄像机等。
背景技术
近年来，各种设备都配备有摄像头模块，用于提供摄像头功能。摄像头模块包括光学系统和图像传感器。光学系统包括多个镜头组，每个镜头组包括至少一个镜头。多个镜头组中的至少一个镜头组可以用于移动，以实现自动对焦(autofocusing，AF)、光学防抖(optical image stabilization，OIS)、变焦等。光学系统还可以包括光圈机构、红外截止滤光片等。
在单镜头反光相机等相机设备中，光圈机构包括光圈叶片以及用于放大或缩小由光圈叶片形成的光圈的机械致动器。具有光圈叶片和机械致动器的光圈机构太大，无法容纳在小型设备和/或薄型设备中，例如移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、小型或薄型数码相机或显微镜。因此，需要一种紧凑型和/或薄型光圈机构，以在此类小型或薄型设备上实现光圈功能。
发明内容
本发明实施例提供了一种光学装置及具有所述光学装置的设备。例如，所述设备可以是移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、数码相机、显微镜、行车记录仪、AR相机、机器人眼摄像机等。
本发明实施例的第一方面提供了一种光学装置。在所述第一方面的第一种可能的实现方式中，所述光学装置包括：光圈机构，被配置为包括第一透明电极层和第二透明电极层以及布置在所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电致变色材料层；控制器，用于控制所述第一透明电极层和所述第二透明电极层以放大或缩小无色域的尺寸，其中，所述无色域呈圆形，且光轴穿过所述无色域的中心。
根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式，所述光圈机构的厚度大约可以为所述第一透明电极层的第一厚度、所述第二透明电极层的第二厚度和所述电致变色材料层的第三厚度之和。此外，光圈叶片和用于移动所述光圈叶片的机械致动器不包括在所述光圈机构中。因此，根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式所述的光圈机构的所述厚度比具有光圈叶片和机械致动器的常规光圈机构薄，从而能够将根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式所述的光圈机构容纳在小型设备和/或薄型设备中，例如移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、小型或薄型数码相机或显微镜。例如，根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式所述的光圈机构厚度可以为0.2mm至0.5mm。
所述第一方面的第二种可能的实现方式提供了：根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式所述的光学装置，其中，所述电致变色材料层包括第一分子和第二分子；所述第一分子在第一状态下作为单体；所述第一分子和所述第二分子在第二状态下作为具有桥接结构的聚合物，其中，所述第一分子形成多条链，所述第二分子桥接在所述多条链之间。
根据所述第一方面的所述第二种可能的实现方式，所述电致变色材料层的状态转变是由所述单体和具有所述桥接结构的所述聚合物之间的结构变化引起的。例如，所述第一分子可以是质子传导聚合物的组分。在这种情况下，所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电压使所述电致变色材料层的所述域中的质子流携带由排列的水分子形成的外壳，从而导致结构变化。由所述质子传导聚合物中的所述质子流引起的所述结构变化原则上不同于通过控制具有有机分子和金属分子的杂化聚合物中的带隙引起的颜色变化(例如，F.Han等人，《美国化学会志》，第130卷，第2073页，2008年)。在所述杂化聚合物中，所述有机分子作为配体，当处于有色状态的所述金属分子的最高占据分子轨道(HighestOccupied Molecular Orbital，HOMO)上的全部电子耗尽以扩大所述有机分子的最低未占分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO)和所述金属分子的HOMO之间的带隙时，发生有色到无色的转变。众所周知，宏观域中大量自由移动的电子形成带，上述有色到无色的转变不适合对无色域和/或有色域形状进行连续无缝和/或灵敏控制。另一方面，结构变化是一种局部现象，适合无色域和/或有色域形状的连续无缝和/或灵敏控制。因此，根据所述第一方面的所述第二种可能的实现方式所述的电致变色材料层优于常规材料。
所述第一方面的第三种可能的实现方式提供了：根据所述第一方面的所述第二种可能的实现方式所述的光学装置，其中，当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域是有色域；当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域是所述无色域。
根据所述第一方面的所述第三种可能的实现方式，所述第一分子作为单体的所述域是有色域，所述第一分子和所述第二分子作为具有桥接结构的聚合物的所述域是无色域。例如，所述第一分子中的每一个可以是作为阻挡入射光的蓝黑色粒子的自由基阳离子，所述聚合物的组分可以是穿过入射光的双阳离子。
所述第一方面的第四种可能的实现方式提供了：根据所述第一方面的所述第一种或第二种可能的实现方式所述的光学装置，其中，当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(1)提供的第一分子结构；当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(2)提供的第二分子结构；
Figure BDA0003847092640000021
Figure BDA0003847092640000022
根据所述第一方面的所述第四种可能的实现方式，所述第一分子结构表示作为蓝黑色粒子的自由基阳离子，所述第二分子结构表示双阳离子。所述第一分子结构可以阻挡入射光，所述第二分子结构可以穿过入射光。例如，当改变施加在所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电压的极性时，所述第一分子的结构可以在所述第一分子结构和所述第二分子结构之间改变。
所述第一方面的第五种可能的实现方式提供了：根据所述第一方面的所述第二种或第三种可能的实现方式所述的光学装置，其中，所述第二分子是砷化铟镓(IndiumGallium Arsenide，InGaAs)。使用具有由所述表达式(1)或所述表达式(2)表示的分子结构的所述第一分子可以减小所述光圈机构的厚度。例如，所述电致变色材料层的厚度可以是0.2mm至0.5mm。此外，使用InGaAs作为第二分子可以提供较高的效率和快速的电反应性。
本发明实施例的第二方面提供了一种具有所述光学装置的设备。在所述第二方面的第一种可能的实现方式中，所述设备包括：镜头模块，包括多个镜头；光学装置，所述光学装置包括：光圈机构，被配置为包括第一透明电极层和第二透明电极层以及布置在所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电致变色材料层；控制器，用于控制所述第一透明电极层和所述第二透明电极层以放大或缩小无色域的尺寸，其中，所述无色域呈圆形，且光轴穿过所述无色域的中心；成像模块，用于根据穿过所述多个镜头和所述光圈机构的光生成图像。
根据所述第二方面的所述第一种可能的实现方式，所述光圈机构的厚度大约可以为所述第一透明电极层的第一厚度、所述第二透明电极层的第二厚度和所述电致变色材料层的第三厚度之和。此外，光圈叶片和用于移动所述光圈叶片的机械致动器不包括在所述光圈机构中。因此，根据所述第二方面的所述第一种可能的实现方式所述的光圈机构的所述厚度比具有光圈叶片和机械致动器的常规光圈机构薄，使得即使所述设备是移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、小型或薄型数码相机或显微镜等小型设备和/或薄型设备，根据所述第二方面的所述第一种可能的实现方式的所述光圈机构也可以容纳在所述设备中。例如，根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式所述的光圈机构厚度可以为0.2mm至0.5mm。
所述第二方面的第二种可能的实现方式提供了：根据所述第二方面的所述第一种可能的实现方式所述的设备，其中，所述电致变色材料层包括第一分子和第二分子；所述第一分子在第一状态下作为单体；所述第一分子和所述第二分子在第二状态下作为具有桥接结构的聚合物，其中，所述第一分子形成多条链，所述第二分子桥接在所述多条链之间。
根据所述第二方面的所述第二种可能的实现方式，所述电致变色材料层的状态转变是由所述单体和具有所述桥接结构的所述聚合物之间的结构变化引起的。例如，所述第一分子可以是质子传导聚合物的组分。在这种情况下，所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电压使所述电致变色材料层的所述域中的质子流携带由排列的水分子形成的外壳，从而导致结构变化。由所述质子传导聚合物中的所述质子流引起的所述结构变化原则上不同于通过控制具有有机分子和金属分子的杂化聚合物中的带隙引起的颜色变化(例如，F.Han等人，《美国化学会志》，第130卷，第2073页，2008年)。在所述杂化聚合物中，所述有机分子作为配体，当处于有色状态的所述金属分子的最高占据分子轨道(HighestOccupied Molecular Orbital，HOMO)上的全部电子耗尽以扩大所述有机分子的最低未占分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO)和所述金属分子的HOMO之间的带隙时，发生有色到无色的转变。众所周知，宏观域中大量自由移动的电子形成带，上述有色到无色的转变不适合对无色域和/或有色域形状进行连续无缝和/或灵敏控制。另一方面，结构变化是一种局部现象，适合无色域和/或有色域形状的连续无缝和/或灵敏控制。因此，根据所述第二方面的所述第二种可能的实现方式所述的电致变色材料层优于常规材料。
所述第二方面的第三种可能的实现方式提供了：根据所述第二方面的所述第二种可能的实现方式所述的设备，其中，当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域是有色域；当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域是所述无色域。
根据所述第二方面的所述第三种可能的实现方式，所述第一分子作为单体的所述域是有色域，所述第一分子和所述第二分子作为具有桥接结构的聚合物的所述域是无色域。例如，所述第一分子中的每一个可以是作为阻挡入射光的蓝黑色粒子的自由基阳离子，所述聚合物的组分可以是穿过入射光的双阳离子。
所述第二方面的第四种可能的实现方式提供了：根据所述第二方面的所述第一种可能的实现方式或第二种可能的实现方式所述的设备，其中，当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(1)提供的第一分子结构；当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(2)提供的第二分子结构；
Figure BDA0003847092640000041
Figure BDA0003847092640000042
根据所述第二方面的所述第四种可能的实现方式，所述第一分子结构表示作为蓝黑色粒子的自由基阳离子，所述第二分子结构表示双阳离子。所述第一分子结构可以阻挡入射光，所述第二分子结构可以穿过入射光。例如，当改变施加在所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电压的极性时，所述第一分子的结构可以在所述第一分子结构和所述第二分子结构之间改变。
所述第二方面的第五种可能的实现方式提供了：根据所述第二方面的所述第二种可能的实现方式或第三种可能的实现方式所述的设备，其中，所述第二分子是砷化铟镓(Indium Gallium Arsenide，InGaAs)。使用具有由所述表达式(1)或所述表达式(2)表示的分子结构的所述第一分子可以减小所述光圈机构的厚度。例如，所述电致变色材料层的厚度可以是0.2mm至0.5mm。此外，使用InGaAs作为第二分子可以提供较高的效率和快速的电反应性。
本发明实施例的第三方面提供了一种控制根据所述第一方面的所述第一种可能的实现方式至第五种可能的实现方式中任一种所述的光学装置的方法。根据第三方面，所述方法包括：所述控制器向所述电致变色材料层的部分域施加预定电压，其中，所述部分域呈圆形，且所述光轴穿过所述部分域的中心；所述控制器控制所述部分域的直径，以放大或缩小所述无色域的尺寸，从而实现给定的光圈值。
根据第三方面，只能通过控制施加所述预定电压的所述部分域的直径来改变光圈。因此，可以采用根据所述第三方面所述的方法实现对所述光圈的连续和无缝控制。
本发明实施例的第四方面提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，所述非瞬时性计算机可读存储介质存储程序，使得计算机实现根据所述第三方面所述的方法。本发明实施例的第五方面提供了一种计算机可读程序，使得计算机实现根据所述第三方面所述的方法。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的设备中的光学系统的示例；
图2示出了描述本发明实施例提供的光圈机构的结构的示意图；
图3示出了描述本发明实施例提供的控制光圈机构中电致变色材料层状态的方法的示意图；
图4示出了描述本发明实施例提供的控制电致变色材料层的无色域以改变光圈尺寸的方法的示意图；
图5示出了描述本发明实施例提供的用于电致变色材料层的电致变色材料的结构变化的示意图；
图6示出了描述本发明实施例提供的用作电致变色材料成分的分子及其分子结构变化的示意图；
图7示出了描述本发明实施例提供的光学装置的结构的示意性框图；
图8示出了描述本发明实施例提供的设备的结构的示意性框图。
具体实施方式
下文结合附图对实施例的技术方案进行描述。可以理解的是，下文描述的实施例不是所有，仅仅是与本发明相关的一些实施例。需要说明的是，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下，可以根据下文描述的实施例推导的其它实施例在本发明保护范围内。
下文描述了本发明的一个实施例提供的设备。例如，所述设备可以是移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、数码相机、显微镜等。
图1示出了本发明实施例提供的设备中的光学系统的示例。在图1的示例中，该实施例提供的光学系统包括光圈机构(ST)、镜头(L1-L6)、红外截止滤光片(infrared cut-off filter，IRCF)和图像传感器(image sensor，IS)。
光圈机构ST起到光阑的作用，以控制进入镜头L1的光量。例如，穿过光路LP1和光路LP2之间的区域的入射光可以进入镜头L1，穿过镜头L2-L6和所述红外截止滤光片的光可以聚焦在图像传感器IS上。可选地，所述镜头中的至少一个镜头可以移动，以实现自动对焦、OIS和/或变焦。另外，所述光学系统中的镜头数量可以不是五个，光圈机构ST可以正好位于红外截止滤光片IRCF或图像传感器IS之前，也可以位于任意一对镜头之间，每个镜头的形状可以根据所述光学系统所需的光学特性进行修改。如果采用折叠光学元件，所述光学系统还可以包括用于弯曲光轴的棱镜和/或反射镜。图像传感器IS可以是电荷藕合器件(Charged-coupled device，CCD)传感器、互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)传感器等。
图2示出了描述本发明实施例提供的光圈机构的结构的示意图。图2示出了光圈机构ST的剖视图。如图2所示，光圈机构ST被配置为包括电致变色材料层10、第一透明电极层11和第二透明电极层12。电致变色材料层10布置在第一透明电极层11和第二透明电极层12之间，并通过密封件13进行密封，其中，所述密封件13形成用于密封电致变色材料层10的材料的侧壁。如果电致变色材料层10的所述材料是固体，则可以从光圈机构ST中去除密封件13。
图3示出了描述本发明实施例提供的控制光圈机构中电致变色材料层状态的方法的示意图。光圈机构ST由控制器(例如，图7所示的控制器101)控制。
在第一透明电极层11和第二透明电极层12之间施加第一电压20a时，电致变色材料层10变为无色状态，在该状态下，入射光可以穿过光圈机构ST。另一方面，在第一透明电极层11和第二透明电极层12之间施加第二电压20b时，电致变色材料层10变为有色状态，在该状态下，光圈机构ST可以阻挡入射光。在图3的示例中，第一电压20a和第二电压20b极性相反。
如图4所示，所述控制器可以控制第一透明电极层11和第二透明电极层12，以仅将电致变色材料层10的部分域更改为无色状态。图4示出了描述本发明实施例提供的控制电致变色材料层的无色域以改变光圈尺寸的方法的示意图。
在图4的示例中，所述无色域呈圆形。此外，所述光学系统的光轴AXIS穿过电致变色材料层10的所述无色域的中心。例如，小光圈条件下的无色域21a呈圆形，直径为D1，无色域21a的中心与所述光学系统的光轴AXIS相对应。另外，大光圈条件下的无色域21b呈圆形，直径为D2，无色域21b的中心与所述光学系统的光轴AXIS相对应。直径D1小于直径D2。例如，直径D1约等于3mm，直径D2约等于6mm。在图4的示例中，使用双线影线表示有色域22a和22b。如图4所示，所述控制器可以连续控制电致变色材料层10的无色域的直径，以实现对应于所需焦比的光圈值。
图5示出了描述本发明实施例提供的用于电致变色材料层的电致变色材料的结构变化的示意图。电致变色材料层10包括第一分子和第二分子。在图5的示例中，所述第一分子中的每一个通过由一个圆圈表示。所述第一分子在电致变色材料层10的有色状态下作为单体。另外，通过在第一透明电极层11和第二透明电极层12之间施加电压，所述第一分子可以形成具有链结构的聚合物。此外，所述第一分子和所述第二分子在电致变色材料层10的无色状态下作为具有桥接结构的聚合物。在所述桥接结构中，所述第二分子桥接在由所述第一分子形成的多条链之间。例如，所述第二分子可以是砷化铟镓(Indium GalliumArsenide，InGaAs)。使用InGaAs可以提供较高的效率和快速的电反应性。在图5的示例中，T-MP1表示从单体集合到链结构的第一次结构变化，T-MP2表示从所述链结构到所述桥接结构的第二次结构变化。另外，T-PM1表示从所述桥接结构到所述链结构的第三次结构变化，T-PM2表示从所述链结构到所述单体集合的第四次结构变化。
例如，根据第一透明电极层11和第二透明电极层12之间的电压，所述第一分子可以是有机分子，所述有机分子可以具有图6所示分子结构中的一种。图6示出了描述本发明实施例提供的用作电致变色材料成分的分子及其分子结构变化的示意图。如图6所示，所述无色状态与相关域中每个第一分子均为双阳离子的状态相对应，而所述有色状态与相关域中每个第一分子均为自由基阳离子的状态相对应。另外，所述第一分子可以是中性种类。
本发明实施例可以提供图7所示的光学装置100。图7示出了描述本发明实施例提供的光学装置的结构的示意性框图。如图7所示，光学装置100包括控制器101和光圈机构102。光圈机构102与上述光圈机构ST相对应。控制器101控制第一透明电极层11和第二透明电极层12，以放大或缩小电致变色材料层10的无色域的尺寸。例如，控制器101可以是中央处理器(central processing unit，CPU)、现场可编程门阵列(field-programmable gatearray，FPGA)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)等处理电路。所述处理电路可以连接到只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存等存储器。所述存储器可以存储程序，以使控制器101执行以下步骤：向电致变色材料层10的部分域施加预定电压；控制所述部分域的直径，以放大或缩小所述无色域的尺寸，从而实现给定的光圈值。
此外，本发明实施例可以提供图8所示的设备200。图8示出了描述本发明实施例提供的设备的结构的示意性框图。设备200可以是移动电话、智能手机、平板电脑、个人计算机、数码相机、显微镜等。
如图8所示，设备200包括镜头模块201、光学装置202和成像模块203。镜头模块201包括多个镜头，例如图1所示的镜头L1-L6。光学装置202与图7所示的光学装置100相对应。成像模块203包括CCD传感器、CMOS传感器等图像传感器。成像模块203用于根据穿过镜头模块201和光学装置202的光圈机构的光生成图像。设备200可以包括CPU、FPGA、ASIC、图形处理器(graphical processing unit，GPU)等处理电路。所述处理电路可以连接到ROM、RAM、闪存等存储器。所述存储器可以存储程序，以使设备200实现图像捕获功能、自动对焦功能、OIS功能、变焦功能、控制光学装置202和成像模块203等功能。
以上公开内容仅公开了示例性实施例，并不旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员应理解，上述实施例以及可以根据本发明权利要求的范围推导的所有或部分其它实施例和修改均在本发明的范围内。
例如，显示图5和图6所示结构变化的材料可以用作电活性聚合物致动器。此类电活性聚合物致动器可以应用于光学虹膜、ND滤光片、半反射镜、波导管等各种光学设备。这些变化可以在本发明上述实施例的范围内。

Claims (7)

1.一种光学装置，其特征在于，所述光学装置包括：
光圈机构，被配置为包括第一透明电极层和第二透明电极层以及布置在所述第一透明电极层和所述第二透明电极层之间的电致变色材料层；
控制器，用于控制所述第一透明电极层和所述第二透明电极层以放大或缩小无色域的尺寸，其中，所述无色域呈圆形，且光轴穿过所述无色域的中心。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
所述电致变色材料层包括第一分子和第二分子；
所述第一分子在第一状态下作为单体；
所述第一分子和所述第二分子在第二状态下作为具有桥接结构的聚合物，其中，所述第一分子形成多条链，所述第二分子桥接在所述多条链之间。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，
当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域是有色域；
当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域是所述无色域。
4.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，
当所述电致变色材料层的域处于所述第一状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(1)提供的第一分子结构；
当所述电致变色材料层的所述域处于所述第二状态时，所述电致变色材料层的所述域中的所述第一分子具有由以下表达式(2)提供的第二分子结构；
Figure FDA0003847092630000011
5.根据权利要求2或3所述的光学装置，其特征在于，
所述第二分子是砷化铟镓。
6.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
镜头模块，包括多个镜头；
根据权利要求1至5中任一项所述的光学装置；
成像模块，用于根据穿过所述多个镜头和所述光圈机构的光生成图像。
7.一种控制根据权利要求1至5中任一项所述的光学装置的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述控制器向所述电致变色材料层的部分域施加预定电压，其中，所述部分域呈圆形，且所述光轴穿过所述部分域的中心；
所述控制器控制所述部分域的直径，以放大或缩小所述无色域的尺寸，从而实现给定的光圈值。
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