TW200844483A - Multi-fluid lenses and optical devices incorporating the same - Google Patents

Description

200844483 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明和可調式流體透鏡以及併入可調式流體透鏡的 光學設備有關。 【先前技糊 美國專利第6538823, 6778328和6936809號都提供電極 產生的電磁場用來改變透鏡表面13,15的形狀和方位，這種 特殊的控制方式不在本發明的範圍。這些專利只用來說明 使人們理解可使用電磁場改變凸透鏡表面曲度的部份。 【發明内容】 依據本發明的一個實施範例，設計的流體透鏡可使光 本Λ號從透鏡的輸入面沿著從透鏡的第一，第二和第三真 正不互 >谷流體界定出第一和第二透鏡表面延伸的光學傳播 軸，傳播至透鏡的輸出面。透鏡包含流體儲存槽，其設計可 使弟不互〉谷體經由弟^一不互溶流體機械地輕合至第二 不互溶流體。沿著第一，第二和第三不互溶流體之間的介 面形成各別的透鏡表面。 依據本發明的另一個實施範例，第一和第二透鏡表面 是沿著和透鏡的光學傳播軸Z垂直的X方向，互相相對地偏 斜。沿著這兩個額外的不互溶流體的界面，可提供第三透 鏡表面，而且第一和第二透鏡表面其中之一或之二也可以 沿著垂直於X方向和絲_轴z的方向y，相對於帛三 表面而偏斜。 依據本發明的另外一個實施範例，提供的光學系統包 200844483 括依據本發明的流體透鏡。在系統中，流體透鏡被設計成 可藉著在傳播光線時建立全域性的光束轉向效果，改變流 體透鏡的焦距長度，或兩者，以在系統内引導光線傳播。 據此，本發明的一個目的就是提供可調式流體透鏡改 善的設計，和改善的半導體雷射以及併入這種透鏡其他型 恶的光學-機械組件。例如，糊光束轉向會很有幫助諸如 分散式回饋(趣)魏或分散絲拉格反纏⑽R)雷射的 半導體雷射，可和例如第二諧波產生(SHG)晶體的光波長轉 換設備結合以產生短波長光源。更明確地說，SHG晶體的設 計可以藉由調整以產生較高的基礎雷射訊號諧波，例如可 以調整1060nm職或DFB雷射至娜晶體的光譜中心，因而 轉換波長到530nm，也就是可見光譜的綠色部分。依據本發 明，我們可以定位可調式透鏡，從雷射晶片導引光線到光波 長轉換雜。本剌的其他目的從這_綱實施範例敛 述中將可清楚得知。 【實施方式】 首先請參考圖1，其顯示出依據本發明一個實施範例的 流體透鏡10。通常，圖1雌示流體透鏡10包括第一和第二 12’ Μ H體親崎12包括沿著包含 =鏡10的流體儲存槽2〇内之第一和第二不互溶流體21， 界面的弟-透鏡表面13。同樣地，第二流體透鏡組件Μ 包含在流體儲存槽20内之第二和第三不互溶流體 ’，面的弟一透鏡表面15。為了定義和描述本項發明 的目的，要注意的是這裡所指的透鏡組件「包括」透鏡表 200844483 面不應鱗釋成限制在表面的物理位置。❿是表面應該為 透鏡組件的一部份’而不是其位置。例如，圖示於圖丨和圖2 的私明貝喊例，我們認為第一透鏡表面13應該是第— 透鏡組件的—部份，科管崎三不互減㈣方向延伸 的表面有多遠。 弟—不互溶流體22的折射率與第一和第三不互溶流體 21，23各獅折轉有咐同，__-和鏡表面 |3,15在透鏡10内產生所需的光學效果。尤其是，當光訊號 攸透鏡:〇的輸入面沿著經由第—和第二透鏡表面13,15延 伸的光學傳播軸’傳播至透鏡1〇的輸出面，各別的折射率庫 該是不赠糊透縣_訊驗生㈣的光學改、 例如但不是限制，本文中的半導體雷射包括雷射晶片 —換設備和流體透鏡1〇，依據本發明流體透鏡1〇可 以f在沿著雷射晶片的光輸出和_波長轉換晶體的輸 二，學•上。最好是可以提供一對校準透鏡，而將輸 •體透鏡10定位在校準透鏡間之光學路徑 體透鏡10可以這裡所描述的方式調整，以改善雷射輸出和 漏晶叙軸她，働細 = ::刪晶體的輸入面，檐調整伽光線在pp= 巨，或兩者:雖然光學峨產生的改變可能 疋社、、，發明的各式實施範例特別適合用來藉由改變 光訊號轉—魏在絲錢憎錢束躺效果 者，本發明的各式實施範例特別適合用來藉由改變透鏡 第7頁 200844483 焦距長度而改變度數以㈣絲距長度的變化。 請參考圖1當作範例，特別是可以提供第一和第三不互 溶流體21，23作為電子回應式流體，而透鏡1〇可以包括控制 電極30, 32, 34設計來趁各·電磁場，可改變一個或兩 透鏡表® 13,15的形狀和/或方位。控制電極3G，32, 34可 以設計成至少是部份連接至流體儲存槽2〇，如圖i所示，這 ㈣電極30和34 &含部侧錐形牆的部份。電子回應式流 體和儲存麵轉雜界面的肢，以m流體和儲存 槽壁板界面的點是控制電壓施力σ於控制電極的函數。以此 方式可以㈣各概鏡表狀和视作為施加於控 制電極之控制電壓的函數。 例如非限制性，在電極和第一和第二透鏡組件12,14的 幾何形狀是娜靖稱的情町，雜賴的變化會改變 第一和第二透鏡表面13,15的曲度半徑。曲度的變化會改 k第-和第二透鏡組件12,14的焦距長度。如果透鏡橫向 地偏移距離a如圖1所示，透鏡組件12,14之曲度半徑改變就 可轉雙為述擇性调整傳播光學訊號之傳播方向以及透鏡忉 焦距長度的凋正。光束焦距和光束轉向可藉著施加不同的 A號至透鏡組件12和14而獨立地調整。例如，下列式子顯 示出在光學配置中PPLN波長轉換曰曰曰體之輸入處光束點的= 距调整以及絲轉向，光學設備巾包含雷射二極體，第一校 準透鏡L·，包括第一和第二透鏡組件12,14的流體透鏡1〇， 第一校準透鏡U和連續沿著光學路徑之ppLN晶體： Dy：=fi,2(a)(l/fi ~l/f2) 200844483

Dz=fi，22(l/fi+l/f2) 其中Dy為在PPLN波長轉換晶體輸入處光束點之橫向平移，

Dz疋在PPLN波長轉換晶體輸入處光束點之焦距平移， h是第一和第二流體透鏡組件12,14各自的焦距長度，以及 fu是第二校準透鏡b的焦距長度。據此，光束點的橫向 位置可藉由修改负和h來調整，而不需要改變總和（1/f汗 Ι/f2)。相反地，可藉由調整匕和h來改變焦距，同時保持 差值(1/frl/f2)固定。 圖2顯示了透鏡表面13,15形狀改變的範例。圖示中， 控制電極3G，32, 34是環形對稱的，並且施加電位，產生具有 更改曲度度數的透鏡表面15，，13,。圖3顯示出第一和第二 透鏡組件12,14透鏡表面方位改變的範例。圖示中，控制電 極30, 32, 34並不是環形對稱的，並且施加電位，產生具有更 改方位的透鏡表面15，，13,。 我們認為本發明的觀念可以用來提供實際上無限制的 透鏡表面方位和形狀的集合。例如我們認為每個控制電極 30, 32, 34可以細分以包括兩個或以上各別可控制的組成電 極或電極部份。更明確地說，當控制電極3〇和弘可包含各 別連續的圓錐形雜，而且控制電極32可包含連續的環形 電極時，每個圓錐形或環形電極可以沿著電極的弧劃分組 成電極以加強控制透鏡表面13,15。本文中可調式流體透 鏡所使用的電極份量範例說明於美國第6538823號專利。 該，科來使人們轉可個可戰缝透鏡内 的屯極，改變流體透鏡表面曲度的部份，在這裡併入參考。 200844483 為了描述和定義本發明的目的，我們知道電子回 的流體可以是電子電導流體，限制電導的極性流體，谢壬何 可用碰所柄述的方式，以安排來物理地回應電或磁場應 :之抓體我們也認為只要提供第二不互溶流體四作為電 子回應式流體就夠了，因為藉由第二不互溶流體22和盆他 兩=溶流體之間的機械式轉合，第二不互溶流體22、 =Γ:響第—和第三不互溶流體21，23的形狀和 μ 彻勒提供所有不互额體21，22 ，23都了叫擇疋電子回應式的。 方位電的翻場用來改變透鏡表面13,15的形狀和 Ϊ面=!!式不在她峨細，可以從 :見有的各種教材上查到。例如非_性地在 磁場改變_表：:==;=^ _，32#34,以產生至少兩個不同的電場，可獨立』- 方所示，細包含了位二1最後如圖1和其他地 電子絕緣體36。電子嘹缘體^电亟〇,私34之間各別的 如圖i所示。巴、，、象體36可以連接至流體儲存槽2〇, 第鏡: ，各引的位置是參考正交的X-Y一 第10 頁 200844483 z座標系統”所示，可以定位第—和第二透鏡組件和 控制控制電極30,32, 34,使得雜元件相對應的透鏡表面 以15疋’。著X方向互相偏斜，而χ方向是正交於代表傳播軸 大致方向的Ζ方向。聽也赫χ_γ平社各顺鏡、組件^ ，14的偏斜關係。這種偏斜關係可讓使用者以較不複雜的 控制電極設置在χ方向達到顯著的光束轉向。 ’ 圖6Α和6Β也顯示第三流體透鏡組件16,包括沿著包含 在透鏡10額外的流體儲存槽之内的第一和第二不互溶流體 21，22界面的第三透鏡表面17。第一透鏡組件12的第一透 鏡表面13沿著正方向χ的方向y，姆於第三流體透鏡 兀件16的第三透鏡表面17而偏斜。結果第三透鏡表面17的 开v狀和/或方位改變可讓使肖者以較不複雜的控制電極設 置在y方向達到顯著的射線轉向。如圖6A和6β所示，產生的 偏斜透鏡__合可妙過χ_γ倾啸雜向更方便， 而且保留上述改變透鏡10焦距的能力。 有關本發侧卜6卿的流_存槽，我m為透鏡表 面界面壁板4〇可以設計成各別卿形或圓柱形牆的内圍。 我們也認為各式傳統的或是仍在發展中的設計都可 ㈣的透鏡組件。在說明的實施範例中，每個流 :可子二〇至少部份連接至輸入窗24和輸出窗邪，而制固 =著透鏡1〇的光學傳播軸定位。儲存槽20也可連接 313,15’17相接的界面壁板40。這些壁板通常 彳絲延伸，*且可鮮行於棘賴軸，或向 内或向外成圓_，即相對於光學傳播軸傾斜。除此之外， 200844483 ^懷為這些壁板可以是相當簡單的直線壁板絲複雜的 弓曲壁板。我們更進一步認為壁板如的各別部份可包含變 化的形狀和方位的不同壁板部份組合。 例如我們知道另一種儲存槽外型可能對控制電壓的變 化產生更線性的回應，或可能藉由調整透鏡的光學參數得 到或多或少的最触。在其他情況， 化達到非線性或指數型的回應。可採肖的形狀包括但不限 定是上述的線性圓錐形，雙曲線圓錐形，拋物線圓錐形，圓 柱形，長方形，或其他線性，非線性形狀，以及包括這些形狀 的組合。 一雖然圖卜3顯示的流體儲存槽有真正連續的體積，這裡 第-不互溶流體22機械她合第一不互溶流體21至第三不 互/合抓體23,但我們認為可能是第一不互溶流體21經由第 二不互溶流體22和-個或以上額外的不互溶_，機械地 耦合至第三不互溶流體23。再者，如圖4所示，可以在第二 不互溶流體内提供-個相當堅硬的分隔5〇以隔開流氣以 !^|別«透鏡表面13,15互相_鑛，穩定透鏡⑺的 ，構，以及使透鏡1〇容易組裝。所提供堅硬的分隔5〇可以 是譬如膜之相當薄-層，也可以是譬如11喊相當厚之元 件。 雖然第-，第二和第三不互溶流體21，弘23特定的组 成是超過本翻的細，但姐意岐這秘軸不互溶 性’通常是有助於流體本身的特性。這些流體最好是包含 具有相同統的透明液體。魏畴近的趙通常有可區 第 12 頁 200844483 別的折射率，也可能有不同的極性。例如非限制性地在使 用電子回應式油作為第一和第三不互溶流體時，可提供水 狀流體作為第二不互溶流體。美國第4477158號專利和美 國第20_152814號公告專卿提供了和透勒不互溶流 體使用相關的額外揭示内容。我們也認為可以藉著置於流 體間的彈性膜來加·體的不互溶性，或許也只是使用彈 性膜所致。更者要注意的是，依據本發明的不互溶流體，並 不需要和所有透鏡1〇内的流體不互溶，❿只是要和鄰近的 流體不互溶。 從第-不互麟體21峨點來看，如圖η所示的透鏡 表面13可說是凸透鏡。同樣地，從第三不互溶流體烈的觀 來看，如圖1-4所示的透鏡表面15可說是凸透鏡。相反地 圖5所示的透鏡絲13,15可說是凹透鏡。本發曰月的實施範 例據此來思考是凸透鏡或凹透鏡表面。更且，雖然沒有顯 不出來，本發明的實施範例認為透鏡表面13,15的其中之一 ^凸透鏡，而另外-個是凹透鏡。不互溶流體21，22, 23的 特性，相連的透鏡表面界面壁板4〇的特性，以及控制電極3〇 ，32, 34產生的電位本質都可以一起共同決定本發日月範例的 特定透鏡表面形狀。 雖然從切割自並且平行於透鏡傳播光軸的橫截面來看 ，圖曰1-5所示的透鏡表面是真正地均勻，圓周表面，但要注意 的是執行時透鏡表面常會和圖示的哨圓形財所不同。 例如’凸透鏡表面可能更接近橢圓，或其他非圓形的私也 可能在其個_纖祕含齡歧乎好絲面部份。 第13 頁 200844483 更者，我們認為透鏡流體可能形成扁平或近乎扁平的透鏡 表面。 如前面所說明，本發明的概念是參考電子回應式透鏡 流體和各別控制電極的使用。然而我們也認為第一和第二 透鏡流體可以包含液動回應，壓力感應式的透鏡流體，藉著 控制供應流體到各個流體儲存槽，來控制凸透鏡表面的曲 度。第一和第二流體供應可以是個別的流體供應器或共 同的流體供應$。;碰透鏡喊職力感應的透鏡流體， 在美國第5438486和6188526號專利提供了很多指示，這些 f _ 解可建立壓域應式流體透鏡 的部份在這裡併入作為參考。 的功能。 依據本發明，流體透鏡被設計在光學系統中導引光線 的傳播，我們認為透鏡可進一步包括校準光學元件，設計成 使從例如雷射晶片的輸入光學設置導引到例如SHG晶體的 輸出光學設㈣紋紅準麵。更者，鱗光學元件可 用來減緩絲裤的試权财财透觀會失效。 尤其是校準絲元齡射設計鱗纽帛—階光學元件 的功能，柯献透齡柯設計料第二酸校正系統 我們認為依據本翻的可赋流體透鏡在小型或大型 ====&__組中通常很 14予讀有適§物_情。修，本文中的半 :、=包括雷射晶片和第二諧波產生(SHG)波導晶體的 先波長轉換讀，本發批娜骑私_讀米誤差 200844483 來對背光學树。概純制财—权必要的，本發 明涊為其餘的光學機械組件包括產生第二諧波之雷射組件 泵雷射組件，和其他在光波導之間傳輸單模或多模光學訊 號的光子轉，域’綠體’或各紅_聽 的組合。 、a為了描述和定義本發明，要注意的是實質上ϋ在這 f疋用來代表先天程度的不確定性，可歸因於任何量化比 二::或其絲示方式。實質上―詞在這裡也可用來 度’ 斤提及的參考而定，而不會導致 來代表量化必_^_“二5习更進一步在這裡用 題詳述功能表示的最小程度〔所不同’產生討論主 ===發·辦_魏制之後，很顯然地 二要不,_本|日___細 =。更明概雖然本發明的某些方裡可： 須要限制在這些方面。 疋 【圖式簡單說明】 實施範例，串列式流體透 串列式流體透鏡在某種偏 串列式流體透鏡在另一種 第一圖是依據本發明的—個 鏡之示意圖。 第二圖是依據本發明第—圖 斜狀態下的示意圖。 第三圖是依據本發明第一圖 偏斜狀態下的示意圖。 200844483 第:圖4是依據本發明另—個實施範例 鏡之示意圖； 〜體透 弟，是依據本發明另外—個實施範例串列式流體透 鏡之不意圖。 第六圖A和β酬本發觸_個實施範例，其包括 鏡組件。 炎 附圖元件數字符號說明： 流體透鏡10;流體透鏡組件12,14;透鏡表面13,15， Π;流體儲存槽20;不互溶流體21，22, 23;輸入窗24;輪 出窗26;控制電極30, 32,34;電子絕緣體36;界面壁板 40;分隔50。 第16 頁

Claims (1)

1. 200844483 十、申請專利範圍： 1. 一種流體透鏡，其包含第—和第二流體透鏡組件，其中： 第-流體透鏡崎祕沿著包含在透躺流體儲存肖< 内第一和第二流體界面形成的第一透鏡表面； " 第一和第二流體彼此為不互溶的； 第二流體透鏡組件包括沿著包含在流體儲存槽之内第二 和第三流體界面形成的第二透鏡表面； — 第二和第三流體彼此為不互溶的； 第一流體經由第二流體機械地|禺合至第三流體； 第二流體的折射率與第-和第三流體的折射率不同； 流體透鏡没计成使得光學訊號由透鏡輸入側至透鏡輸出 側，其沿著光學傳播軸延伸通過第一及第二透鏡組件之第 一及第二透鏡表面；以及 流體透鏡配置成允許改變至少一個第一以及第二透鏡表 面。 2·依據申請專利範圍第1項之流體透鏡，其中第一及第二透 鏡表面沿著垂直於光學傳播z軸之方向χ相對彼此偏移。 3.依據申請專利範圍第1項之流體透鏡，其中： 流體透鏡更進一步包含第三流體透鏡組件，該組件包含 第三透鏡表面沿著包含於透鏡額外流體儲存槽内之第一及 第二流體界面； 第三流體透鏡組件之第一及第二流體彼此為不互溶的； 第一及第二透鏡表面沿著垂直於光學傳播ζ轴之方向χ相 對彼此偏移；以及 第Π 頁 200844483 一個或兩個第一及第二透鏡表面沿著垂直於光學傳播z 轴以及方向X之方向y偏移。 4· 一種包含申請專利範圍第丨項流體透鏡之光學系統，其中 流體透鏡配置成藉由在傳播光線中產生全域光束轉向，改 變流體透鏡之焦距，或兩者以導引傳播於該光學系統中之 * 光線。 5·依據申請專利範圍第1項之光學系統，其中： 辨系統包含半導體雷射，其包含雷射糾，先線波長轉 變裝置，以及流體透鏡;以及 流體透鏡配置成糾親由雷射晶錄出傳播至光線波 長轉變裝置之輸人，其藉由在傳播光射產生全域光束轉 向，改變流體透鏡之焦距，或兩者達成。 6.依據申請專利細第j項之流體透鏡，其中透鏡包含控制 電極，其配置成產生至少-個電場，其能夠改變形狀，方位， 或至少一個透鏡表面之开^狀及方位。 ^依據申請專利細第i項之流體透鏡，其中透鏡包含控制 黾極。、酉己置成產生至少兩個能夠獨立地改變第一及第二 透鏡表面之不同的電場。 8·依據申請專利範圍第！項之流體透鏡，其中透鏡包含控制 私極’八配置成產生至少兩個能夠產生全域光束轉向效果 Μ同的t場，β效果藉蝴立地改變第—及第二透鏡表 面達成。 9.依據申請專利範圍第！項之流體透鏡，其中： 透鏡包含控制電極，其配置成產生至少兩個能夠改變透 200844483 鏡焦距長度之不同的電;其II由獨立地改變第—及第二 透鏡表面達成。 10·依據申請專利範圍第1項之流體透鏡，其中： 該透鏡包含第一組控制電極，其配置細立地產生至少 力個不同的電場，每一電場能夠改變至少-個第一透鏡表 面；以及 錢鏡包含第二組控帝遞極，其配置成獨立地產生至少 兩個額外的不同電場，每一電場能夠改變至少一個第二透 鏡表面。 11·依據申請專利麵第1項之流體透鏡，其中流體儲存槽 界定出連續性體積。 U·依據申請專利範圍第丨項之流體透鏡，其中第一流體藉 由苐二流體機械地麵合至第三流體。 13·依據申請專利範圍第丨項之流體透鏡，其中第一流體藉 由第二流體以及一個或多個額外流體機械地輕合至第三流 體0 14·依據申請專利範圍第丨項之流體透鏡，其中第一流體藉 由第二流體以及第二流體中提供流體分隔機械地輕合至第 三流體。 15·依據申請專利範圍第丨項之流體透鏡，其中第二流體之 折射率實質上不同於第一及第三流體之折射率。 说一種流體透鏡，其包含第一及第二流體透鏡，其中： 第一流體透鏡組件包含第一透鏡沿著第一透鏡組件之第 一儲存槽所包含不互溶性流體之界面； 第19 頁 200844483 第二流體透鏡組件包含第二透鏡沿著第二透鏡組件之第 二儲存槽所包含不互溶性流體之界面； 第級體透鏡之第一流體儲存槽藉由流體分隔輕合至第 二流體透鏡之第二流體儲存槽； 第-透鏡鱗包含之不互雜麵的各珊射率為不同 的； 第一透鏡組件包含之不互溶性流體的各別折射率為不同 的； 流體透鏡配置成使得光學訊號可由透鏡輸入側傳播至透 鏡輸出側，其沿著光學傳播軸延伸通過第一及第二透鏡組 件之第一及第二透鏡表面； 第一流體儲存槽之第一透鏡表面及第二流體儲存槽之第 二透鏡表面沿著垂直光學傳播Z之方向χ相對彼此偏移;及 流體透鏡配置成允許改變至少一個第一以及第二透鏡表 面0 讥依據申請專利範圍第17項之流體透鏡，其中流體分隔包 鏡組件之輸似及第二流體 透鏡組件之輸入處。 19·依據申請專利細第17項之流體透鏡，其中流體分隔包 含雙重光料Φ，其包含f-流體透敎狀輸出窗以及 第二流體透鏡組件之輸入窗。 20· —種調整流體透鏡方法，其中： 流體透鏡包含第一以及第二流體透鏡組件； 第-流體透鏡組件包含第-透鏡表面沿著透鏡之流體儲 第20 頁 200844483 存槽_執第-及第二流體界面形成； 第一及第二流體彼此為不互溶性; ，，透鏡組件包含第二透鏡表面沿著流體儲存槽内 所容納第一及第二流體界面形成； 第一及第三流體彼此為不互溶性； 第々丨L體經由第二流體機械地|馬合至第三流體； 第二流體觸率實質上不同鄉—料三流體之折射率; 流體透鏡配置成使得光學訊號可由透鏡輸入側鑛至透 鏡輸出侧，其沿著光學傳播軸延伸通過第一及第二透鏡組 件之第一及第二透鏡表面； 焦點，傳播方向，或由透鏡光學訊號輸出之焦點及傳播方 向藉由改變第一透鏡表面，第二透鏡表面，或第一及第二透 鏡表面兩者加以調整。 第21 頁