CN1325944C - 形成可变流体弯月面结构的装置 - Google Patents

Abstract

一种借助于电润湿而提供具有可变结构的流体弯月面的装置。流体箱(5)容纳由弯月面(14)分开的两种不同流体(A，B)，弯月面的边缘具有不同侧面，由流体箱限制。第一电润湿电极(2a)设置为对弯月面边缘的第一侧起作用，第二电润湿电极(2a′)设置为对弯月面边缘的第二侧独立起作用。通过分别向所述第一和第二电润湿电极提供选定的电压，可形成选定的弯月面结构。

Description

形成可变流体弯月面结构的装置

技术领域

本发明涉及形成可变流体弯月面结构的装置。

背景技术

国际专利公开WO99/18456中描述了一种可变的弯月面。在这种装置中，透镜包括充满导电液体的箱，绝缘、不可混溶的液滴容纳在箱壁的表面区域中。借助于疏水层和邻近亲水层的结合使液滴置于该区域中。对箱内的电极施加电压使液滴的透镜状上表面变为更大的凸面。在一个实施方案中，疏水和亲水层沿着圆柱面设置，在没有施加电压时通过亲水层，而在施加电压时通过沿着圆柱各侧面的一系列轴向隔开的电极使液滴的各侧面沿着柱面轴向定位，并由此定中心。

国际专利公开WO 00/58763中描述了具有这样一种布置的进一步可变的弯月面。提出的用于使绝缘液滴定中心的方法是在可调透镜中由绝缘层形成钟形口的凹进部分。凹进部分的两侧设置为保持定心的液滴在凹进部分中，并且在液滴上提供凸透镜状表面。因为凹进部分的底部由与凹进部分侧面相同的材料形成，因此如果透镜起作用，那么这种材料必须选择为透明的。

发明内容

本发明的一个目的是提供对可变弯月面的改进，所述可变弯月形如上述现有技术的布置。

依照本发明的一个方面，提供一种借助于电润湿而提供具有可变结构的流体弯月面的装置，该装置包括：

流体箱；

由弯月面分开的两种不同流体，弯月面的边缘具有不同侧面，由流体箱限制；

第一电润湿电极和第二电润湿电极，第一电润湿电极设置为对弯月面边缘的第一侧起作用，第二电润湿电极设置为对弯月面边缘的第二侧独立起作用；以及

电压控制系统，用于分别向所述第一和第二电润湿电极提供不同电压，以形成选定的弯月面结构。

本发明这一方面的装置，当用作光学设备时，形成不会关于设备光轴旋转对称的所需流体弯月面结构。例如，可以提供相对于光轴倾斜和/或像散的结构。流体弯月面结构的范围可以按照可变的、可控制的方式来形成。示范性的弯月面结构包括平面形状和变形透镜形状，这些形状能够在达到三维空间中实现光的精确折射或反射角偏转。在电极和公共电极的两端施加可变的电压起伏图的应用下，可以精确和有效地形成弯月面结构。利用同样的装置和不同类型的电压起伏图还可以形成其他类型的弯月透镜结构，例如近似球面透镜形状和更复杂的透镜形状。

依照本发明的另一方面，提供一种装置，包括用于记录图像景物的图像传感器，可变的流体弯月面以及控制器，该控制器适合于改变弯月面的形状来提供至少下面的结构：

可变流体弯月面的第一结构，所述第一结构将待记录的图像景物的第一区域朝所述传感器方向引导；以及

可变流体弯月面的第二结构，所述第二结构将待记录的图像景物的不同的第二区域朝所述传感器方向引导。

本发明这一方面的装置允许记录目标图像景物的高分辨率数字图像，而不需要高分辨率的传感器。目前的图象记录方法包括使用昂贵且复杂的成像传感器。本发明的这一方面利用可变流体弯月面装置为目标图像景物的高分辨率数字图像的有效且简单记录提供新方法。

另外，这种图像景物记录技术为数字成像提供优于已知的超限分辨率的方法。这些方法包括仅仅向待记录的图像景物应用一次有效的图像改进算法，各个图像区域接合在一起。并且，当各个图像区域清楚地成像时，所应用的为得到全部记录图像的接合技术是一种相对简单的图像处理步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种借助于电润湿提供具有可变结构的流体弯月面的装置，该装置包括：

一组流体，在各个不同的流体之间形成第一流体弯月面和第二流体弯月面，每个流体弯月面具有可变的结构；

一组电极，设置为通过电润湿对该组流体起作用，以改变第一和第二流体弯月面的结构；以及

电压控制系统，用于向所述电极组提供选定电压，以使所述第一和第二流体弯月面形成选定的结构。

通过将两个不同的弯月面形成为选定的结构，该装置可用于按两个步骤来改变辐射光束的波前，第一个这样的改变通过辐射光束穿过第一弯月面来完成，第二个这样的改变通过辐射光束穿过第二弯月面来完成。在一个实施方案中，上述一组流体容纳在单一流体箱中；在该实施方案中，流体之一优选形成位于第一和第二弯月面之间的中央公共流体成分。在另一个实施方案中，这组流体设置在两个流体箱中，每个流体箱容纳第一和第二弯月面之一。在一个实施方案中，将电极设置为使第一和第二弯月面的结构可独立地进行控制；在另一实施方案中，将电极设置为使第一和第二弯月面依赖于彼此进行控制。

根据本发明另一方面，提供一种医学成像装置，包括用于体内的盒，所述盒包括用于记录体内图像景物的图像传感器(34)和可变流体弯月面装置(32)。

可变流体弯月面装置可以是透镜和/或偏转器。对于如偏转器的装置的操作，优选向医学成像装置提供一控制器，该控制器适合于改变装置的可变流体弯月面的形状，从而提供至少下面的结构：

可变流体弯月面的第一结构，用于将第一体内图像景物成像到所述图像传感器上；以及

可变流体弯月面的第二结构，用于将不同的第二体内图像景物成像到所述图像传感器上。

在这种装置中，可以将具有连续可变的焦点和/或可变的定向成像功能的盒设置在紧凑、低功耗且轻型的组件中。

本发明的特征和优点将从下面仅仅通过例子的方式给出且参考附图的本发明优选实施方案的描述中显而易见。

附图说明

图1至3示出依照本发明一个实施方案的可变变形透镜形状装置在各种聚焦阶段的简化侧视图截面；

图4示出依照本发明一个实施方案供可变变形透镜形状装置中所用的电极结构的顶视图截面；

图5示出依照本发明一个实施方案供可变变形透镜形状装置中所用的另一电极结构；

图6示出依照本发明一个实施方案供可变变形透镜形状装置中所用的再一电极结构；

图7示出依照本发明一个实施方案在电极结构两端的外加电压的图示；

图8至10示出依照本发明多个实施方案的适合于折射光偏转的流体弯月面装置的简化侧视图截面；

图11示出依照本发明的适合于反射光偏转的流体弯月面装置的简化侧视图截面；以及

图12示出依照本发明一个实施方案能够偏转和聚焦光束的流体弯月面装置的横截面侧视图；

图13示出依照本发明一个实施方案的利用拼嵌方法构成的捕获的图像景物。

图14示出依照本发明一个实施方案设置的盒式照相机的示意性横截面。

具体实施方式

图1至3是显示根据本发明一个具体实施方式用于形成可变的变形弯月透镜形状的装置的示意性侧视图截面。该实施方式中的装置是一种可变焦点的变形弯月透镜，所述透镜包括并排布置且相对于适当光源3所提供的光束的光轴1排开的呈圆柱排列的多个电润湿(electrowetting)电极，所述电极称作侧壁段电极，该适当光源3例如半导体激光器，但是应该注意，在下面所有的实施方案中，如果该装置用于例如照相机中，那么可用例如影像(image scene)来代替所述光源。对于透镜的结构和功能的描述如下。

图4示出在该实施方案中从垂直于光轴1的方向所得到的多个段电极在透镜光轴1周围的布局的横截面。侧壁段电极成对地分组，例如用标记2a和2a′，2b和2b′等示出。一对电极中的每个元件都与在光轴1相对侧的另一个平行。电压控制电路(未示出)与电极布局(electrode configuration)相连，以便对段电极2施加可变的电压起伏图。

段电极2的排列连同流体接触层10借助于前面元件4和后面元件6形成密封的管，从而形成容纳两种流体的流体箱。在该实施例中，前面和后面元件4和6分别是透明的。

在该实施方案中，这两种流体由两种不可混溶的液体组成，即不导电、非极性形式的第一液体A，如硅酮油或链烷，以及导电、极性形式的第二液体B，如盐水溶液。这两种液体优选设置为具有相等的密度，从而使透镜功能不取决于定位，即不取决于两种液体之间的重力效应(effect)。这可以通过适当选择第一和第二液体的组分来实现。

根据对用于液体A的油的选择，油的折射率可以在1.25和2.00之间变化。同样，当液体B是盐水溶液时，根据所添加的盐的量，该溶液的折射率可以在1.33和1.60之间变化。应该注意，利用可替换的导电液体，例如乙二醇可以达到较高的折射率。选择在该实施方案中的液体，使第一液体A的折射率高于第二液体B的折射率。

侧壁段电极由例如金属的导电材料形成，并且涂敷由例如聚对二甲苯基形成的绝缘层8。每个单独的段电极相对于邻近的电极也是绝缘的。通过段电极的排列所描绘的圆柱内表面涂敷有连续、均匀厚度的流体接触层10，减少了弯月面与流体箱圆柱壁的接触角的滞后。流体接触层优选由无定形的碳氟化合物形成，如DuPont^TM生产的绝缘Teflon^TMAF1600。当没有施加电压时，因第二流体的流体接触层的可湿性在弯月面14与流体接触层10的相交处两侧基本上相等。另外，绝缘层和流体接触层可以简单地包括单一的连续和均匀厚度的Teflon^TMAF1600层。

在这一实施例中，环形的公共端壁电极12设置在流体箱的一端，在这种情况下，该电极邻近后面元件。端壁电极12的至少一部分设置在流体箱中，从而使该电极对第二流体B起作用。

在该实施方案中，两种流体A和B是不可混溶的液体，从而易于分成由弯月面14分开的两种流体。弯月面14具有一个与流体接触层10接触的连续边缘。当侧壁和端壁电极之间没有施加电压时，流体接触层相对于第一液体A的可湿性比相对于第二液体B的可湿性更高。由于电润湿，在侧壁段电极2和端壁电极12之间施加电压的情况下，因第二液体B的可湿性发生变化，这易于改变弯月面在其边缘(流体接触层10与两种液体A和B之间的接触线)处的接触角。因此，根据每个段电极2处的外加电压使弯月面的形状可变。

图1至3是利用相同的外加电压并行驱动多个侧壁段电极2使弯月面采用各种不同的旋转对称的近似球面透镜形状的例子的图解说明。稍后将描述怎样利用施加于受控图案中不同电极的不同电压电平来产生可变的变形透镜形状。

现在参考图1，当在侧壁段电极2和端壁电极之间施加例如0V和20V之间的低电压V₁时，弯月面采用第一凹弯月面形状。在这种配置中，液体B中测得的弯月面和流体接触层10之间的初始接触角θ₁例如约为140°。由于第一液体A的折射率高于第二液体B，因此由弯月面形成的透镜，这里称为弯月透镜，在这种配置中具有相对较高的负光焦度。

为了减少弯月面形状的凹度，在侧壁段电极2和端壁电极12之间施加更高的电压。现在参考图2，当根据绝缘层的厚度而在电极之间施加例如20V和150V之间的中间电压V₂时，弯月面采用第二凹弯月面形状，该弯月面形状与图1中的弯月面相比曲率半径增大。在这种配置中，第一液体A和流体接触层10之间的中间接触角θ₂例如约为100°。由于第一液体A的折射率高于第二液体B，因此这种配置中的弯月透镜具有相对较低的负光焦度。

为了产生凸弯月面形状，在侧壁段电极2和端壁电极12之间施加甚至更高幅度的电压。现在参考图3，当在电极之间施加例如150V至200V的相对较高的电压V₃时，弯月面采用凸弯月面形状。在这种配置中，第一液体A和流体接触层10之间的最大接触角θ₃例如约为60°。由于第一液体A的折射率高于第二液体B，因此在这种配置中的弯月透镜具有正光焦度。

这样，通过外加电压的变化，在侧壁段电极对的平面中产生各种不同的近似球面的弯月透镜形状。

变形透镜一般将入射光线聚焦在通常正交且轴向分开的两条焦线处。变形透镜在两个通常正交的轴上呈现不同值的光焦度或放大率，这两个轴之一称作柱面坐标轴(cylindricalaxis)，位于与光轴垂直的平面内。这些聚焦性能体现光学状态“像散”。变形透镜形状包括近似柱面和近似球柱面性质的形状。

通过在每个侧壁段电极对2a和2a′，2b和2b′等以及端壁电极12的两端施加单独且不同的电压，变形弯月透镜形状可以形成为具有可变光焦度和/或可变数量和类型的像散。在弯月透镜圆周的方向上，侧壁段电极之间的外加电压逐渐变化。平均外加电压与光焦度有关，而最大电压变化与柱面值有关。

图7示出按照为制造变形透镜形状所施加的电压起伏图的电压相对值的图示。在电极处施加的任一电压相对值可以通过计算在适当角位置处的两条线64，66之间的径向距离来确定，所述适当角位置与电极中心关于光轴65的角位置相对应。在下文中，角位置对应于利用图5a描绘的段电极排列的圆周附近的位置。该图示示出在电压变化的垂直轴上的曲线图，所述曲线图对应于与流体弯月透镜的光轴相垂直的横截面视图。该图示示出彼此垂直设置的第一轴60和第二轴62。第一轴60对应于弯月面形状的柱面坐标轴。圆形圆周线64用于表示段电极30(图7中未示出)的中心在光轴周围的所有可能位置。该图示还示出与彼此垂直的两对矩形段电极的中心相对应的位置；分别为68，70，在这种情况下分别沿着轴60和62。

外加电压线66相对地示出与电极排列的圆周线64上的点相对应的外加电压值。在该图示中，外加电压线66上的点与圆周线64上的对应点之间的径向距离表示相对外加电压，公共径向线位于与轴60或62中之一成特定角度处。举例来说，图7中示出，标记72表示外加电压线66上的点，标记74表示圆周线64上的对应点。在这种情况下，这些点都位于沿着与轴62成θ角的公共径向线76上。

外加电压线66上的点与圆周线64上的对应点之间的径向距离越大，那么相对外加电压就越大。例如，如图6所示，位置70表示在段电极对两端施加一个相对较高的电压，而位置68表示在段电极对两端施加一个相对较低的电压。每个中间段电极30两端施加的电压逐渐减小，所述中间段电极设置在由位置70表示的段电极对中的一个元件与由位置68表示的段电极对中的一个元件之间。

通过适当的装置，例如手动操作的外加电压控制器在侧壁段电极对和端壁电极之间的外加电压起伏图的电子旋转能够获得变形透镜的柱面坐标轴的正确角位置。

在该实施方案中，每个段电极的宽度小于电极呈圆柱排列的内径的一半，优选小于八分之一。这涉及使用足够多的段电极，优选十六个或更多，从而减少在流体箱圆柱壁之间弯月面接触角的不连续阶段引起的明显效果的弯月透镜中心处的观测。

图5是与透镜光轴相垂直的方向得到的顶视图截面，该图示出制造变形弯月透镜形状的可替换的电润湿电极布局。四个矩形段电极41，42，43，44在透镜光轴45的周围以正方形隔开，它们的纵向边缘平行，由此形成正方形围壁(enclosure)。在该实施方案中，相对的段电极41和43设置为一对，42和44为一对。这些段电极的内表面涂有连续、均匀厚度的电绝缘的流体接触层46，该流体接触层由例如Teflon^TMAF1600形成，抑制弯月面边缘。

现在参考图1，4和5，通过利用四个段电极的可替换结构来取代图4中所示段电极的布局，在侧壁段电极以及与第一实施方案中的环形电极12类似的端壁电极之间作用电压起伏图。通过向段电极对施加不同的外加电压组合，可以实现近似柱面或球柱面的变形弯月透镜，各个段电极壁和弯月透镜之间的接触角不同。

在该实施方案中，提供一透镜旋转机构，从而使变形弯月透镜的柱面坐标轴可以绕光轴45自动地和机械地旋转。这能够准确且有角度地定位可变的变形透镜。

在前面的实施方案中所描述的图7示出了外加电极电压起伏图的实施例，在该实施方案中也可以施加这种电压起伏图。在该特定实施方案中，这种布局的两对段电极(41和43，42和44)在角位置方面分别对应于附图标记68和68′，70和70′。

图6是与透镜光轴相垂直的方向得到的顶视图截面，示出制造变形透镜形状的另一个可替换的电润湿电极布局。这种电极布局用于实现光学像差减少的透镜形状。

与前面描述的本发明其他实施方案的可替换的电极布局相同，该实施方案中的段电极52由例如金属的导电材料形成。由电极排列描绘的围壁的内表面涂有连续、均匀厚度的电绝缘的流体接触层58，该流体接触层由例如Teflon^TM AF1600形成，抑制弯月面边缘。段电极52在光轴50周围隔开，它们的纵向边缘平行来限定一围壁。在该实施例中，各个段电极52设置为形成在光轴50周围的圆柱围壁。各个电极的纵向边缘通过电阻膜56与相邻电极的平行且相邻的纵向边缘相连。应该理解，膜56比电极52的导电性差。每个段电极52沿侧壁的宽度优选是相等的，并小于由电阻膜56连接的各个段电极的两个相邻纵向边缘之间的距离。

在相邻电极之间电阻膜56的宽度的两端，电极的两个外加电压之间的电压逐渐变化，而不是发生不连续的变化。因此，流体弯月面和流体接触层58之间的接触角沿着电阻膜56的宽度逐渐变化。接触角在段电极52的宽度两端保持不变。但是段电极的宽度比电阻膜56连接的各个段电极的相邻纵向边缘之间的距离小有助于进一步减小接触角沿着流体边缘的不连续变化。这些因素确保弯月透镜的光学像差减小。

现在参考图4和6，通过利用该可替换的段电极布局来取代图4中所示段电极的布局，使操作方法很大程度上类似于前面描述的可替换电极布局的操作方法。

通过向各对相对的段电极以及端壁电极两端施加不同的外加电压的组合，可以得到变形的弯月透镜形状。

参考图7，如前面两个实施方案中所述，段电极两端的外加电压起伏图可以随着如其中示出的相对于光轴50的角间隔而变化。电极52的数量可以是四个或更多。而且，可以通过绕着段电极对和端壁电极两端的外加电压起伏图的光轴50旋转来实现变形弯月透镜相对于光轴50的正确角定位。

图8示出依照本发明一个实施方案的适合于折射光偏转的流体弯月面结构的侧视图截面。该实施方案在各个方面都类似于前面的实施方案，并且与图1，2和3中所述元件相类似的元件在图8中通过将附图标记加100来表示，前面的描述也适用于这里。侧壁段电极141和143类似于图5中说明的电极41和43，因此也将附图标记增加了100。在该实施方案中，存在第二对侧壁段电极(未示出)。该第二电极对中的电极类似于图5的电极42和44，因此编号为142和144。当从横截面方向观看时，该第二电极对按照与图5中示出的电极对41，43和42，44类似的排列设置为垂直于第一电极对141和143。这些电极的前面描述也适用于这里。

端壁电极112和侧壁电极141两端的外加电压V₄导致液体A和流体接触层110之间例如60°的流体接触角θ₄。类似地，端壁电极112和侧壁电极143两端的外加电压V₅导致流体接触角θ₅。在该实施方案中，选择外加电压V₄，V₅，从而使接触角θ₄和θ₅之和等于180°。在侧壁电极142和144以及端壁电极两端的外加电压(在这里分别引用V₆和V₇)基本上彼此相等，并且具有使流体接触角θ₆和θ₇每个都是90°的适当值时，这一条件导致液体A和B之间的平面流体弯月面80。

来自光源103具有第一光轴101的入射光束通过平面流体弯月面80在垂直于侧壁电极141和143的方向上发生一维偏转，产生具有第二光轴82的出射(existing)光束。第一光轴和第二光轴彼此相差偏转角φ₁。可以通过外加电极电压V₄，V₅的变化来改变偏转角φ₁，只要接触角θ₄和θ₅之和保持180°。

通过使外加电压V₄和V₅互换，得到同一角平面内第二光轴82与第一光轴101之间的负偏转角φ₁。举例来说，流体接触角θ₁的最小可能值约为60°。当液体A是折射率为1.60的高度衍射的油时，例如改性硅油，并且液体B是折射率为1.33的水时，偏转角φ₁的最大值约为9°。该小角度能够得到光束的精确偏转。与约为9°的偏转角φ₁的负值相结合，入射光束的总偏转角φ_r(未示出)约等于18 °。

而且在该实施方案中，通过分别控制端壁电极112和侧壁电极142或144两端的外加电压V₆和V₇来实现在与偏转角φ₁的平面相垂直的平面内入射光束的另一个一维偏转，从而使对应的流体接触角θ₆和θ₇(未示出)之和也等于180°。选择外加电压V₆和V₇的值，使其彼此不等，因此流体接触角θ₆和θ₇不等于90°。通过改变外加电极电压V₆，V₇，而保持θ₆和θ₇之和等于180°，具有第一光轴101的入射光束在与偏转角φ₁相垂直的平面内以第二偏转角φ₂(未示出)偏转。此外，通过互换外加电压V₆和V₇可以实现在同一角平面内的偏转角φ₂的负值。

因此，通过使两个偏转角φ₁和φ₂一起选择性地变化，可以使入射光束在三维空间偏转。

如前面的实施方案，提供一旋转机构，从而使电润湿电极可以绕光轴101转动。从而能够得到流体弯月面的正确的角定位。

如9示出根据本发明一个实施方案的适合于折射光偏转的流体弯月面结构的侧视图截面。本发明的这一实施方案能够实现入射光束约为38°的总偏转角φ_T，比前面实施方案的总偏转角大。如前面的实施方案，与图1，2，3和5中所述元件相类似的该实施方案的元件在图9中通过将附图标记加200来表示，前面的描述也适用于这里。在该实施方案中，提供第二端壁电极84，具有环形形状，并邻近前面元件204。该第二端壁电极的至少一部分设置在流体箱中，从而使该电极对液体B的第二流体层起作用，第二流体层在图9中标记为B′。液体B的第二层(标记B′)通过第一流体弯月面86与液体A的这一层分开。第二流体弯月面88将液体层A和B分开。液体B′包括与前面实施方案中所描述的液体B同样的液体。但是应该注意，液体B′可以是一种可替换的流体，所述流体不能与液体A混溶，导电并优选具有与液体A和B基本上相等的密度。

在该实施方案中，两个轴向隔开的电润湿电极集合相对于侧壁的周长而分开并如图5中所示排列。一个集合包括电极241a，243a。另一个集合包括电极241b，243b。如前面实施方案的类似描述，第二端壁电极84和侧壁电极241或243两端的外加电压V₈和V₁₀的变化分别导致对应的流体接触角θ₈和θ₁₀变化。当流体接触角θ₈和θ₁₀之和等于180°时，第一流体弯月面86是平面。类似地，通过分别改变第一端壁电极206与侧壁电极241和243两端的外加电压V₉和V₁₁，可以改变第二流体弯月面88的形状。当根据外加电压V₉和V₁₁而使流体接触角θ₉和θ₁₁之和等于180°时，第二弯月面88是平面。

来自光源203具有第一光轴201的入射光束通过平面的第一流体弯月面86在侧壁电极241，243的平面内一维偏转。偏转光束具有第二光轴90，并与第一光轴201相差偏转角φ₃。具有第二光轴90的偏转光束由平面的第二流体弯月面88进一步偏转。合成的进一步偏转的光束具有第三光轴92，与第二光轴相差偏转角φ₄。利用可变的流体弯月面装置，偏转角φ₃和φ₄之和给出入射光束的组合偏转角。如前面实施方案详述的，通过分别在垂直于侧壁电极241，243的端壁电极204，206以及每个侧壁电极242，244(未示出)两端进一步施加电压，能够控制平面弯月面86和88，使来自光源203的入射光束在与偏转角φ₃，φ₄的角平面相垂直的另一个角平面中偏转，因此使入射光束在三维空间偏转。通过互换侧壁电极对两端的外加电压可以实现偏转角φ₃，φ₄的负值，如前所述。

类似于前面的实施方案，可以用电力或利用所提供的旋转机构使这一实施方案的电润湿电极绕光轴201旋转，以实现流体弯月面正确的角定位。

在另一个设想的实施方案中，将两个平面流体弯月面86，88设置为彼此平行，同时仅仅利用在箱的周长附近分隔开的电极的单个集合。可以将这样一个实施方案用在包括与图9示出和描述的类似的可变棱镜或移光器(beamsh iftef)的应用中。

图10示出适合于折射光偏转的流体弯月面结构的侧视图截面。本发明的这一实施方案能够实现与前面实施方案相比约为100°的入射光束的更大总偏转角φ_T。

如前面的实施方案，与图1，2，3和5中所述元件相类似的元件在图10中通过将附图标记加300来表示，前面的描述也适用于这里。在该实施方案中，侧壁段电极对341，343不是彼此平行。垂直侧壁电极对342，344(未示出)也如此。在这一实施方案中，侧壁电极排列成截头锥体形状。

如前面实施方案的类似描述，端壁电极312和侧壁电极341或343两端的外加电压V₁₂，V₁₃的变化分别导致对应的流体接触角θ₁₂和θ₁₃变化。当流体接触角θ₁₂和θ₁₃具有适当值时，在液体A和B之间得到平面流体弯月面94。如前面的实施方案，来自光源303具有第一光轴301的入射光束通过弯月面94朝第二光轴96的方向一维偏转。第一和第二光轴彼此相差偏转角φ₅。通过互换外加电压V₁₂和V₁₃可以获得偏转角φ₅的负值。通过改变侧壁电极342或344(未示出，并垂直于侧壁电极对341和343)和端壁电极312两端的外加电压可以实现与前面实施方案的光束相类似的三维偏转。类似地，通过适当的电或机械旋转功能可以实现绕电润湿电极的光轴301的旋转。

图11示出适合于反射光偏转的流体弯月面结构的简化侧视图截面。换句话说，流体弯月面起反射镜的作用。入射光束的最大总偏转角φ_T约为125°。如前面的实施方案，与图1，2，3和5中所述元件相类似的该实施方案的元件在图11中通过将附图标记加400来表示，前面的描述也适用于这里。在该实施方案中，侧壁段电极441，443和442，444(未示出)具有彼此不平行的边缘。可以设想，作为一个可替换的方案，侧壁电极可以具有彼此平行的电极。进一步设想，当电极具有彼此平行的边缘时，这些电极可以排列为三角形布局。在这一实施方案中，侧壁电极由前面描述的材料形成，除了材料是透明的。另外，流体接触层410也是透明的。

按照与前面实施方案类似的方式，分别在侧壁电极441或443以及端壁电极406两端施加外加电压V₁₄和V₁₅。这些外加电压V₁₄和V₁₅的变化分别产生对应的流体接触角θ₁₄和θ₁₅。根据外加电压V₁₄和V₁₅以及由此的流体接触角θ₁₄和θ₁₅的适当值，液体A和B之间的流体弯月面98是平面形状。来自光源403具有第一光轴401的入射光束穿过透明的侧壁电极(在图11中以侧壁电极441示出)，并以入射角Ψ₁入射到弯月面98上。另外，入射光束可穿过两个侧壁电极的相邻边缘之间的空间而不是穿过侧壁电极本身。入射角Ψ₁小于临界角值，入射光束由弯月面98反射地偏转从而沿着第二光轴99前进。第一光轴401和第二光轴99相差偏转角φ₆。只要入射角Ψ₁小于临界值，那么通过改变外加电压V₁₄和V₁₅以及由此的流体接触角θ₁₄和θ₁₅可以一维地改变偏转角φ₆，同时确保弯月面保持平面。通过在端壁电极406和侧壁电极442或444(未示出)两端进一步施加电压可以实现入射光束的三维反射。外加电压需要具有适当值以确保平面弯月面。当入射光束入射到弯月面98的第二入射角Ψ₂(未示出)小于临界角时，入射光束在与偏转角φ₆的角平面相垂直的角平面内发生反射。通过偏转角的组合来实现入射光束的三维偏转。如前面的实施方案，通过旋转机构使电润湿电极绕第二光轴99旋转以实现弯月面的正确角定位。

图12示出本发明一个实施方案的适合于光束偏转和聚焦的侧视图截面。

该实施方案在各个方面都类似于前面的实施方案，与图1，2，3和4所述元件相类似的该实施方案的元件在图12中通过将附图标记加500来表示，前面的描述也适用于这里。

如前面实施方案详述的，在端壁电极512和侧壁电极502a或502a′两端施加电压V₁₆，V₁₇分别产生对应的流体接触角θ₁₆，θ₁₇。当流体接触角θ₁₆和θ₁₇之和不等于180°时，液体A和B之间的流体弯月面514采用球面或球柱面形状。随着外加电压V₁₆，V₁₇以及因此相对应的流体接触角θ₁₆，θ₁₇的变化，弯月面514的曲率以及曲率的倾斜改变。来自光源503具有第一光轴501的入射光束由弯月面514偏转，从而沿着第二光轴16前进。第一光轴401和第二光轴16相差偏转角φ₇。当侧壁电极502a，502a′彼此不平行时，偏转角φ₇可以采用达到约为62.5°的值。当侧壁电极502a，502a′彼此平行时，产生约为9°的最大偏转角φ₇。来自光源503具有与第一光轴501相平行的光轴的其他入射光束通过弯月面在弯月面514上的不同点处以不同偏转角偏转，以便会聚在焦点18处。外加电压V₁₆，V₁₇的变化导致入射光束偏转角的一维角变化，以及侧壁电极对502的平面内焦点18的位置变化。通过互换外加电压V₁₆，V₁₇，得到在同一角平面内第二光轴82与第一光轴101之间的负偏转角φ₇。

通过端壁电极512以及例如与图4中标记为2b，2b′的侧壁段电极相类似的其他对端壁段电极两端的外加电压的类似变化，可以实现入射光束的三维偏转。外加电压的变化导致弯月面514的曲率的类似变化，以及因此导致光束的偏转角和焦点18的变化。

应该注意，在该实施方式中，光束的偏转具有折射特性，但是也可以设想是反射偏转。

由于外加电极电压V₁₆，V₁₇的变化而引起的弯月面结构变化的切换速度以及弯月面514的偏转性能取决于液体A和B的粘性，流体箱5的尺寸以及弯月面曲率的变化程度。

在该实施例中，圆柱流体箱5的直径是2mm，切换速度在10ms的范围内。圆柱流体箱5的直径可以是从几厘米到几微米的尺寸范围。

本发明这一实施方案的一个应用是用于高分辨率数字成像中。还可以设想，借助于前面利用图5和图8或10描述的本发明的可替换实施方案并结合固态光学透镜来实现这一应用。目前的方法包括利用具有较高数量像素的昂贵成像传感器来得到目标图像景物的较高分辨率图像。在本发明的拼嵌方法中，多次操作传感器来捕获目标图像景物20的高分辨率图像，如图13所示。通过将本发明的这一实施方案适当结合到传感器，例如照相机中，可以通过分为几个区域来记录目标图像景物。在该实施例中，根据拼嵌图案将图像景物20分为四个连续的区域22，24，26，28。通过在捕获区域图像之前在每个区域中首先变焦然后聚焦的照相机来分别且连续地记录每个区域的数字图像。所述变焦和聚焦通过如该实施方案中详述的在电润湿电极两端外加电压变化所引起的流体弯月面结构的变化来实现。快速改变弯月面的曲率以及因此照相机迅速在目标图像景物的另一个区域上不同地变焦和聚焦能够记录更有效和更高分辨率的全部图像。为了实现上述目的，图像景物的各个区域22，24，26，28的各个记录图像相对于彼此在位置上绘制出来，以完全地构成目标图像景物的记录图像。在各个记录目标区域图像22，24，26，28彼此没有完全准确对准的情况下，可以运用校正翘曲技术，例如多项式(polynominal)技术。各个目标区域图像彼此之间的对准和接缝还可以利用识别在各个记录图像区域中目标图像景物20的特征30来实现。这样一种基于相关的简单接缝功能的例子是平均值滤波器。为了更高质量的接缝，可以利用子波或其他通用换算技术。当图象记录是移动视频时，可以利用图像景物特征的运动的估计来识别目标图像景物的类似特征，并因此提供接缝功能。

图14示出依照本发明另一个实施方案设置的盒式照相机的示意性横截面。这种盒式照相机适宜于在其摄取之后在病人体内的活体成像，摄取例如胃肠道的图像景物。盒具有尺寸小于5cm×3cm的防水透明的外壳，因此盒可以很容易由病人咽下。根据上述任一个实施方案，流体弯月面透镜32位于盒外壳30内部并在成像传感器34前面，成像传感器例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)成像传感器，从而向传感器提供成像景物的可变焦点和/或可变偏转。两个光源36，38，例如发光二极管(LED)定位于邻近透镜32，从而将光投射到周围的成像区域上。盒进一步包括控制单元40和电源42，控制单元40包括图像存储器和/或将图像传输到外部拾取设备的图像传输装置，如微波发射机，电源42如电池或可以利用磁信号在外部驱动以产生电能的磁性线圈集合。通过利用依照上述实施方案之一设置的可变焦点和/或可变偏转流体弯月透镜32，可将具有连续可变焦点盒/或可变方向的成像功能的盒设置在紧凑、低功耗且轻型的组件中。透镜32可以是单个或双弯月变焦透镜。在双弯月透镜的情况下，将两个弯月透镜沿着同一光轴设置以便于实现变焦功能性。

本发明的这些实施方案的应用与涉及光束偏转的装置的其他布置有关。一个这样的例子是使用条形码扫描器，该扫描器涉及激光束在旋转反射镜上的反射。本发明提供下面的好处，包括在将要读出的条形码上聚焦的激光点强度的最大化，以及因此扫描器灵敏度的最大化。另外，可减小扫描器的尺寸。

另一个应用涉及结合可聚焦液态透镜的三维激光扫描器。通过相对于液态透镜移动被扫描基底来进行扫描。本发明通过改变弯月形液态透镜而扫描不移动的基底来实现更加有效的扫描。

再一个应用涉及车头灯的光束在道路特征上的聚焦和对准。例如，头灯追踪道路中的弯曲从而向司机提供更好的道路视野。

另一个应用是为光源提供新的照明可能性。光束阵列，例如来自LED的光束阵列，可以通过本发明单独地偏转(聚焦和对准)，以形成多个特殊的照明效果。光束阵列的可替换的应用可涉及与将偏转流体弯月面结合到平行排列的窗中，以提供在视觉上清楚的窗，但是在将偏转弯月面切换为随意的或弯曲的结构时，窗将使入射光漫射，或仅仅允许光沿特定方向穿过该窗。

本发明的成像应用涉及将可变液态弯月面结合到“稳定拍摄(steady-8hot)”自动摄影机或双筒装置中。这样一种装置能够在借助于弯月面结构的受控变化而成像的景物的选定部分跟踪和保持视场。该受控变化受运动传感器的影响，该运动传感器包括一套加速计，检测照相机相对于图像景物的运动。该装置仅仅需要单一的可电控元件。在光导纤维应用中，本发明可用于通过弯月面结构的受控变化而将信号从光纤阵列中的第一光纤切换到第二光纤。

上面的实施方案理解为本发明的说明性实施例。本发明可以设想其他实施方案。

作为本发明的另一个设想的实施方案，流体的使用不限于包括液体的每种流体。可替换的是包括气体的一种流体。

注意，本发明的所有实施方案中，在单个段电极和端壁电极的两端施加电压，而不是在段电极对和端壁电极的两端施加电压。这样做时，可以在各个段电极施加独立且不同的外加电压，从而形成更加复杂的弯月透镜形状。这包括平面弯月面形状，其定向和旋转定位可以电学地控制。

尽管在上面的实施例中流体A的折射率高于流体B，但是流体A的折射率也可以低于流体B。例如流体A可以是折射率低于水的(全)氟化油((per)fluorinatedoil)。在这种情况下，优选不使用无定形的含氟聚合物层，因为这种层可溶于氟化油中。可替换的流体接触层例如石蜡涂层。

能够应用于与上面实施方案有关的其他变化包括对于记载反射光偏转的所述实施方案使用可替换的入射光束的折射光偏转，反之亦然。

进一步设想在本发明的各个实施方案中，通过装置的透明电极来实现入射光束的其他光偏转(折射或反射)。形成这些电极的适当材料选择取决于材料的光偏转性能。

应该理解，关于任一个实施方案所描述的任何特征可以单独使用，或者与所述的其他特征结合使用，还可以与任何其他实施方案的一个或多个特征，或者与任何其他实施方案的任何组合结合使用。

而且，还可以采用不背离本发明范围的上面没有描述的等效方案和修改，本发明的范围在随附的权利要求中限定。

Claims (26)

1.一种借助于电润湿而提供具有可变结构的流体弯月面的装置，该装置包括：

流体箱(5；105)；

由弯月面(14；80；88；94；98；514)分开的两种不同流体(A，B)，弯月面具有连续的边缘，具有不同侧面，以及由流体箱限制；

第一电润湿电极(2a；41；141；241；341；441；502a)和第二电润湿电极(2a′；43；143；243；343；443；502a′)，第一电润湿电极设置为对弯月面边缘的第一侧起作用，第二电润湿电极设置为对弯月面边缘的第二侧独立起作用；以及

电压控制系统，用于分别向所述第一和第二电润湿电极提供不同电压，以形成选定的弯月面结构。

2.根据权利要求1的装置，其中所述流体箱包括限定该流体箱周边的流体接触侧壁装置(10；46；58；110；210；310；410；510)，所述第一和第二电润湿电极在所述流体箱周边附近相互分隔开。

3.根据权利要求2的装置，包括在所述周边附近设置的一对或多对相对设置的电润湿电极(2a′；41，43)。

4.根据权利要求3的装置，包括两对(41，43；42，44)电润湿电极，每对中的两个电润湿电极在所述流体箱周边附近彼此相对对准设置，且每对都与另一对垂直。

5.根据权利要求2至4中任一项权利要求的装置，其中电润湿电极(2，52，502)在所述周边附近呈圆形设置。

6.根据权利要求2至4中任一项权利要求的装置，其中每个电润湿电极(52)的宽度都小于两个相邻电润湿电极之间的距离。

7.根据权利要求2至4中任一项权利要求的装置，其中每个电润湿电极(2；41；43；141；143；241；243；341；343；441；443；502)的宽度都大于两个相邻电润湿电极之间的距离。

8.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，其中相邻的电润湿电极由电阻材料(56)连接，所述电阻材料能够提供在相邻电极两端逐渐改变的电压变化。

9.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，其中所述电压控制系统适合于向各段电极的每一个按需要提供不同的电压以产生变形透镜形状，以及移动或转动从一个电极到另一个电极所施加的电压。

10.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，包括使电润湿电极绕旋转轴物理转动的机械系统。

11.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，进一步包括沿着光轴(1；101；201；301；401；501)发射辐射光束的辐射源(3；103；203；303；403；503)。

12.根据权利要求1至4任一项权利要求的装置，其中所述电压控制系统能够在电润湿电极两端施加电压，以便通过流体弯月面提供入射辐射束与第一光轴的可变偏转量，所述偏转包括改变辐射光束的第一光轴与第二光轴的对准，并且该偏转是首先通过改变所施加的电极电压实现的，所述第一光轴和第二光轴彼此呈偏转角φ。

13.根据权利要求12的装置，其中该装置配置为通过流体弯月面的偏转具有折射特性。

14.根据权利要求12的装置，其中该装置配置为通过流体弯月面的偏转具有反射特性。

15.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，其中该装置适合于提供这样一种流体弯月面结构，即流体弯月面在流体箱侧壁的第一侧的第一接触角(θ₅′；θ₁₀；θ₁₁)小于90°，流体弯月面在流体箱侧壁的第二侧的第二接触角(θ₄；θ₈；θ₉)大于90°。

16.根据权利要求1至4中任一项权利要求的装置，其中该装置适合于提供这样一种流体弯月面结构，即流体弯月面在流体接触侧壁的第一侧的第一接触角(θ₁₆)和第二侧的第二接触角(θ₁₇)都小于90°。

17.根据权利要求1-4中任一项权利要求的装置，其中该装置适合于提供一种变形的流体弯月面结构。

18.根据权利要求1-4中任一项权利要求的装置，其中流体箱中的不同流体(A；B；B′)具有相同的密度。

19.根据权利要求1-4中任一项权利要求的装置，包括两种或多种可独立控制的流体弯月面(86；88)。

20.一种装置，包括用于记录图像景物(20)的图像传感器，还包括如权利要求1所述的提供具有可变结构的流体弯月面的装置，以提供至少下面的结构：

可变流体弯月面的第一结构，所述第一结构将待记录的图像景物的第一区域(22)朝所述传感器方向引导；以及

可变流体弯月面的第二结构，所述第二结构将待记录的图像景物的不同的第二区域(24；26；28)朝所述传感器方向引导。

21.根据权利要求20的装置，其中该装置进一步包括利用至少第一和第二图像景物区域构成所述图像景物的单一像的图像处理器。

22.根据权利要求20或21的装置，其中该装置适合于通过施加在电润湿电极两端的电压变化提供可变的流体弯月面结构，用于偏转入射光束以进行不同的变焦并聚焦在图像景物区。

23.根据权利要求20或21的装置，其中该装置进一步包括用于检测装置的运动的运动检测器，控制器响应于检测到的装置的运动来控制可变流体弯月面(514)的结构。

24.一种医学成像装置，包括用于体内的盒，所述盒包括用于记录体内图像景物的图像传感器(34)和根据权利要求1的借助于电润湿(32)提供具有可变结构的流体弯月面的装置。

25.根据权利要求24的医学成像装置，其中可变流体弯月面装置是透镜。

26.根据权利要求24或25的医学成像装置，包括一控制器，该控制器适合于改变装置的可变流体弯月面的形状，从而提供至少下面的结构：

可变流体弯月面的第一结构，用于将第一体内图像景物成像到所述图像传感器上；以及

可变流体弯月面的第二结构，用于将不同的第二体内图像景物成像到所述图像传感器上。

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