TWI413806B - 可變焦距透鏡 - Google Patents

Description

可變焦距透鏡 發明領域

本發明涉及可變焦距透鏡，並且更具體地講，本發明涉及利用了由電浸潤(electrowetting)現象導致液滴變形的透鏡。

發明背景

在以本公司為申請人的歐洲專利1166157中，公開了可變焦距透鏡的各種不同的實施方式。本申請中的第1圖基本上根據該專利中的第12圖所繪。由兩個透明絕緣板1和2以及側壁(未示出)限定了一腔室。非平面的下板2包括具有軸線△的圓錐形或圓柱形的凹進部分或凹部3，其包含絕緣液滴4。該腔室剩下的部分用導電液體5充滿，該導電液體與絕緣液體不相混溶並且具有不相同的折射率和大致相同的密度。開口面對所述凹部3的環形電極7安置在下板2的背面。另一個電極8與導電液體5接觸。通過電浸潤現象，能夠根據施加在電極7與8之間的電壓V來調整在兩種液體之間的界面的曲率，例如這種曲率的改變是從由附圖標記A所表示的最初凹形到由附圖標記B所表示的並以虛線示出的凸形。因而，根據所施加的電壓，在所述液滴4的區域內垂直於板1和2穿過所述腔室的光線將被聚焦在更遠或更近的範圍。導電液體基本上是水性液體，而絕緣液體是油性液體。

由所述透明板1、2和連接所述透明板的側壁所形成的透鏡架大體上構成了剛性結構。透鏡具有與製造所述透鏡架的材料的膨脹係數相比更高的膨脹係數，在透鏡內的液體的溫度升高時，例如在進行組裝組成所述透鏡架的各部件的操作期間或所述透鏡架被組裝完成後，在透鏡架內的液體的壓力可顯著上升。

容納在透鏡內液體的過大壓力導致造成所述上和下透明板1、2變形的風險，同時導致非期望的光學畸變。最差的情況是，如果液體壓力增加得太大，則可造成透明板1、2破裂。因而，有必要在組裝所述透鏡時採取預防措施，和/或限制此種透鏡的保存和使用的許用溫度範圍。

發明概要

本發明目的在於一種可變焦距透鏡，在組裝和使用該透鏡時，其不會因包含在該透鏡內的液體的壓力變化而導致其特性受到干擾。

本發明另一個目的在於一種製造此種可變焦距透鏡的方法。

為了實現以上目的，根據第一方面，本發明提出一種具有光軸△的可變焦距透鏡，所述透鏡包括兩個透明窗，所述彼此面對，並相互平行至少局部地彼此面對，並相互平行的，並且所述窗至少部分地界定了一含有兩種不相混溶的且光學指數不同的液體，這兩種液體限定了一界面，其中，所述透鏡包括可隨著所述液體的壓力變化而變形的彈性裝置。

根據另一方面，本發明提出製造包括兩個透明板的可變焦距透鏡的方法，其涉及以下步驟：－以下述方式安置所述各透明板，即它們至少部分地界定了含有兩種不相混溶的且光學指數不同的液體的內容積，所述兩個透明板至少局部地彼此面對，並相互平行；並且－設置彈性裝置，其被設計成隨著液體的壓力變化而變形，以保持所述兩個透明板的平行性。

圖式簡單說明

結合附圖並通過以下對於非限定給出的特定示意性實施例的說明，將詳細瞭解本發明的目的、特徵和優點、以及其他內容，其中：第1圖是剖視圖，在前面已經提到，其示出了可變焦距透鏡的傳統示意性實施例；並且第2圖和第3圖是剖視圖，其示出了在製造根據本發明的可變焦距透鏡的兩個順次步驟中，所述可變焦距透鏡的示意性實施例；第4圖是剖視圖，其示出了根據本發明的透鏡的另一個實施例；第5圖是包括含有根據本發明的可變焦距透鏡的光學裝置的移動電話的示意圖。

具體實施方式

根據本發明一實施例，設置了一種具有彈性裝置的透鏡結構，該彈性裝置可優選隨著包含在所述透鏡內的液體的壓力的變化而變形，並且該彈性裝置的變形不會對透鏡的光學性能產生影響或影響很小。因而，各部件對於該透鏡的光學性能有影響的任何變形被受到限制，因此確保在透鏡架被組裝並且透鏡被使用時透鏡保持其光學性能。

第2圖示出了在製造根據本發明的可變焦距透鏡架的中間步驟時，該透鏡架的一示意性實施例。根據本發明的可變焦距透鏡架10包括上部件12和下部件14，它們是彼此分別製成的，並且在組裝後，它們限定了包含絕緣液體和導電液體(未示出)的內容積15。所述下部件14包括具有繞軸線△的回轉對稱性的本體16，其例如由鋼製成，其包括基座17，一中心開口18穿過該基座，並且該基座延續至一圓柱形側部20，該圓柱形側部終止於截頭圓錐形凸緣22。所述本體16的基座17包括繞所述軸線△具有回轉對稱性的波形部23，並且其在包含所述軸線△的平面內的剖面具有“S”形。由透明材料例如玻璃製成的圓柱形板24通過固定材料22例如熔接玻璃或任何其他類型的黏合劑被固定至所述本體16，同時在所述透鏡架10的內容積15的相同側覆蓋所述開口18。

所述透鏡架10的上部件12包括罩30，一圓柱形開口32穿過所述罩的中心部分，並且所述罩延展形成圓柱形側壁34，所述圓柱形側壁的直徑大於所述本體16的圓柱形壁20的直徑。所述罩30包括設置在所述開口32與所述圓柱形側壁34之間的彈性部36。

在第2圖所示的實施例中，所述彈性部36包括繞所述軸線△具有回轉對稱性的波形部，並且其在包含所述軸線△的平面內的剖面具有“S”形。

有利地，所述罩包括連接至透明板和所述圓柱形側壁34的上壁(31)，並且所述上壁包括具有繞所述透鏡的軸線(△)的回轉對稱性的彎曲部36。例如，所述罩由沖壓金屬如不銹鋼製成。所述罩的上壁的厚度將根據用來補償液體的膨脹效應的所期望的體積變化來決定。例如，通常大約0.1至0.25 mm的厚度對於外徑在20 mm以下的透鏡具有良好的效果。

由透明材料如玻璃製成的圓柱形板38通過固定材料40例如玻璃或黏合劑被固定至所述罩30，同時在所述透鏡架10的內容積15的相同側覆蓋開口32。

所述圓柱形板38被用作為覆蓋所述開口32的窗。根據本發明的一個改型，該窗可以是由透明光學材料製成的固定透鏡。

在內容積15的相同側，一中間件42被安置在所述本體16的基座17上。所述中間件42包括抵靠所述玻璃板24的平表面44，並且一限定出圓錐形表面48的開口46穿過所述中間件，所述圓錐形表面鄰近所述玻璃板24。所述中間件42是例如由不銹鋼製成，並至少在其與包含在透鏡架10內的導電液體接觸的表面上塗有一絕緣層。在使用透鏡期間，均包含在所述內容積15內的導電液體和絕緣液之間的界面的邊緣沿所述截頭圓錐形表面48移動，所述絕緣液潤濕所述玻璃板24。有利地，為了對所述兩種液體之間的界面的移動進行良好的控制，圓錐形表面48的粗糙度以粗糙度參數Ra(算術平均偏差)定義，該粗糙度參數Ra小於0.1μm。為了獲得這種粗糙度值，圓錐形表面48的製造可涉及研磨抛光(摩擦精整)、電解抛光、或金剛石刀具加工型的表面精整處理。

在本體16與罩30的外周上，一墊圈50安置在本體16與罩30之間。所述墊圈50包括延展形成側緣部54的環面部52。作為實施例，所述墊圈50由氟化聚矽氧烷(fluorosilicone)、或乙丙三元共聚物(EPDM)、或FKM製成，FKM是維通(Viton)型氟化聚合物的標準名稱，而維通是杜邦陶氏彈性體公司(Dupont Dow Elastomer)的商標名。更一般的是，製造所述墊圈50的材料對於包含在所述透鏡架10的內容積15內的液體而言具有很低的吸收性，並且這也有助於保持透鏡的介電性能。

在製造根據本發明的透鏡架10時,首先分別製造所述上部件12和下部件14。中間件42固定至所述本體16，例如通過捲曲裝配而被固定，從而在所述中間件42與所述本體16之間獲得良好的電接觸。此外，在所述中間件42與所述玻璃板24之間設置密封裝置。這可涉及到例如通過可固化的黏合劑而預先將聚合體層沈積在中間件42的平表面44上或玻璃板24上。所述墊圈50安置在所述本體16上，所述環面部52抵靠所述中間件42，並且側緣部54圍繞所述本體16的圓柱形側壁20。所述本體16的截頭圓錐形凸緣22有助於在裝配所述罩30之前將所述墊圈50保持在所述本體16上。與所述墊圈50相接的第二部件14然後被浸入在所述導電液體中。一個絕緣液滴被以與玻璃板24和圓錐形表面48相接觸方式安放。通過在所述玻璃板24的將要被所述絕緣液接觸的表面上設置一種優先傾向於被所述絕緣液而非所述導電液體潤濕的材料層，可有助於所述絕緣液的安放。所述罩30然後被安置在所述墊圈50上，所述墊圈50的側緣部54被夾置在所述罩30的側壁34與所述本體16的側壁20之間。這樣，就大體上產生了如第2圖所示的透鏡架10。將上部件12安置在下部件14上的步驟有利是在液體環境下完成的，從而限制空氣進入到所述透鏡架10的內容積15內的風險。

在第2圖所示的實施例中，壓縮在所述罩與所述中間件42之間的墊圈的部分52是環面形的，但對於該部分52而言其他形狀也是可以的。例如，該墊圈的所述部分的截面可以是矩形或其他任何形狀。

在製造所述透鏡架10的最後步驟中，將所述罩30的側壁34的自由凸緣捲曲到所述本體16上，與此同時將所述墊圈50的環面部52壓縮到所述罩30與所述中間件42之間。作為示例，在控制作用在所述墊圈50上的壓縮力的狀態下，所述罩30被捲曲到所述本體16上。這然後產生如第3圖所示的結構，其中，所述罩30的側部34包括捲曲到所述本體16上的端部56。因而，所述墊圈50的側緣部54在所述罩30的側壁34與所述本體16的側壁20之間被壓縮。因而，通過環面部52的壓縮以及墊圈50的側緣部54的壓縮能夠實現所述透鏡架10的內容積15的密封。

通過與第1圖所示的結構進行對比，透鏡的上電極包括所述罩30並且下電極包括與所述中間件42電接觸的本體16。因而，所述墊圈50還提供了所述罩30相對於所述本體16的電絕緣。

根據本發明的透鏡架10的該示意性實施例，前述的彈性裝置就是罩30的彈性部36。具體地講，如果在所述透鏡架10的內容積15內的壓力升高，則設置在所述罩30上的彈性部36相對於所述透鏡架10的其他部分而言優先變形。作用在透明圓柱形板24、38上的應力因此被減小，因而避免所述板24、38變形或破裂的任何風險。由於所述板24、38不變形，因此所述透鏡的光功率保持恒定。因而所述透鏡的焦距沒有變化。

在所述彈性部36變形時，所述透明板38相對於所述透明板24可有一些相對移動。然而，由於所述彈性部36的回轉對稱性，所述透明板38的這種移動基本上僅僅沿所述軸線△發生。所述兩個透明板24、38的平行性因此得到保持，因而避免所述透鏡的光軸的任何偏移。

如果所述本體16的厚度超過所述罩30的厚度，則設置在所述本體16上的波形部23也可用作為彈性裝置，但與所述彈性部36相比作用範圍更小。然而，所述波形部23可在例如包含在所述透鏡架10內的液體顯著膨脹的情況下變形。

根據本發明一改型，所述彈性裝置包括形成在例如所述中間件42上的充滿空氣的空腔，並且其通過不透水的彈性膜與含有絕緣液和導電液體的所述透鏡架10的內容積15隔離。在所述內容積15內的壓力的變化然後導致所述膜的變形。

根據本發明另一改型，設置在所述玻璃板24與所述中間件42之間的所述密封層，以及在內容積15的相同側設置在所述玻璃板24上的、傾向於被絕緣液而非導電液體潤濕的所述層，是同一個單層。

根據本發明另一改型，用於分別將所述玻璃板固定至罩30和本體16的材料由一保護層進行保護，從而防止固定裝置在包含在所述透鏡架10的內容積15內的液體出現時變質。這例如涉及一種基於有機材料的保護層。

根據本發明另一改型，當中間件42以與所述透明板24接觸的方式裝配在所述本體16上後，則在被設計成面對所述透鏡架10的內容積15的那一側整體上被一絕緣層覆蓋。

根據本發明另一改型，所述中間件42以及所述本體16形成一單件，所述罩30捲曲在其上。該單件可包括用來容納所述透明板24的肩部。

第4圖示出了根據本發明透鏡的另一實施例的剖視圖。根據該實施例，並且類似於如第2圖和第3圖所示的實施例，根據本發明的透鏡10包括兩個彼此面對並相互平行的透明窗24、38，並且它們至少部分地界定了一含有兩種光學指數不同且不相混溶的液體的內容積(15)，同時兩種液體限定了一光學界面(未在第4圖中示出)。在第4圖中，所述窗是由透光材料如玻璃製成的透明板。根據一個改型，至少一個窗具有固定光程，並且以所述可變焦距透鏡的光軸(△)為中心。

如前面參照第2圖和第3圖所述，透鏡包括連接至一個透明窗38並包含第一圓柱形側壁34的罩30。它還包括以透鏡的光軸(△)為回轉軸線而具有回轉對稱性的本體16。所述本體被連接至另一透明窗(24)並包括直徑小於第一圓柱形壁的第二圓柱形側壁20。如前所述，上電極包括罩30並且下電極包括本體16。墊圈50被設置成用來確保透鏡架的緻密性。其在第一與第二圓柱形側壁之間被壓縮。在第4圖的實施例中，墊圈包括壓縮在第一與第二圓柱形側壁之間的側緣部54以及壓縮在所述罩與所述中間部件42之間的部分52，在該實例中，所述中間部件與所述本體形成為一單件，並且包括一開口，該開口限定了圓錐形或圓柱形臨界表面48，在該表面處，兩種液體之間的界面可以移動。根據本發明，透鏡還包括可隨著液體的壓力的變化而變形的彈性裝置36。在該實施例中，彈性裝置包括形成在所述罩的上壁31上的彎曲部36，所述彎曲部具有繞所述透鏡的光軸(△)的回轉對稱性。例如，所述彎曲部包括至少一個以所述透鏡的光軸(△)為中心的圓環彎曲部。也在該實例中，所述罩可由沖壓金屬如不銹鋼製成。所述罩的上壁的厚度將根據用來補償液體的膨脹效應的所期望的體積變化來決定。例如，通常大約0.1至0.25mm的厚度對於外徑在20mm以下的透鏡具有良好的效果。

可設置其他彈性裝置。例如，充滿空氣的空腔可被插入到所述透鏡內以補償液體的膨脹效應。在第4圖中，第一側壁34包括捲曲到本體16上的凸緣56，用來將所述罩密封到所述本體上。將所述罩密封到所述本體上的其他方法也是可以的，例如可以將所述罩膠合到所述本體上。

用來製造如第4圖所示根據本發明的透鏡的方法可與前述方法類似。

有利地，該方法包括以下步驟，即分別設置罩30和本體16，其中，窗38和24已分別被密封至所述罩和本體。然後，墊圈50被安置在所述第一與第二圓柱形側壁之間，並且在所述內容積已被兩種液體充滿之後，所述罩被安置並密封到所述本體上。

根據一個改型，充滿所述內容積的步驟包括將本體以及連接其的透明窗浸入在所述導電液體的溶解體中，將一絕緣液滴以與所述透明窗接觸的方式安放，並且在所述本體同時保持浸入在所述導電溶解體中的狀態下安置墊圈和罩的側壁。有利地，在所述本體被保持浸入在所述導電溶解體中的同時，完成將所述罩的側壁密封到所述本體上，從而避免任何空氣氣泡引入到所述透鏡內。

由於設置在所述透鏡內的彈性裝置，因此在製造所述透鏡期間，液體的壓力的增加而導致所述窗的變形將不會發生。

有利地，如第4圖所示，所述罩設有繞所述軸線(△)具有回轉對稱性的彎曲部，以形成所述彈性裝置。

根據一個改型，在製造所述透鏡期間，充滿空氣的空腔被插入到所述透鏡內，該空腔可隨液體的壓力變化而變形。

有利地，通過將所述罩的側壁捲曲到所述本體上來實現將所述罩密封到所述本體上，從而所述透鏡架獲得非常良好的機械強度。

當然，對於本領域技術人員而言，本發明能以各種不同的方式進行改型和修改。尤其，所述方法的上述步驟可進行修改。作為示例，在所述透鏡架被浸入在導電液體之前，可將所述絕緣液滴引導到所述透鏡架10的下部件14上。

第5圖是採用根據本發明可變焦距透鏡10的光學裝置60的實例的示意圖。根據該實例，所述光學裝置包括用來保持所述可變焦距透鏡10的透鏡架61以及一組固定透鏡62。它還包括用來驅動所述透鏡的驅動器64，所述驅動器經過引線65、66被連接至所述透鏡的電極。

所述光學裝置可被用在許多系統中，這些系統中需要小型化的可變焦距光學裝置，例如移動電話、內窺鏡系統等。

1．．．上透明絕緣板

2．．．下透明絕緣板

3．．．凹部

4．．．絕緣液滴

5．．．導電液體

7．．．環形電極

8．．．電極

10．．．可變焦距透鏡架

12．．．上部件

14．．．下部件，第二部件

15．．．內容積

16．．．本體

17．．．基座

18．．．中心開口

20．．．第二圓柱形側壁

22．．．圓錐形凸緣

23．．．波形部

24．．．圓柱形板，玻璃板

24．．．透明窗

30．．．罩

31．．．上壁

32．．．圓柱形開口

34．．．第一圓柱形側壁

36．．．彈性部

38．．．圓柱形板，透明窗

40．．．固定材料

42．．．中間件

44．．．平表面

46．．．開口

48．．．圓錐形表面

50．．．墊圈

52．．．環面部

54．．．側緣部

56．．．端部，凸緣

60．．．光學裝置

61．．．透鏡架

62．．．固定透鏡

64．．．驅動器

65、66．．．引線

Ra．．．粗糙度參數

△．．．光軸

第1圖是剖視圖，在前面已經提到，其示出了可變焦距透鏡的傳統示意性實施例；並且第2圖和第3圖是剖視圖，其示出了在製造根據本發明的可變焦距透鏡的兩個順次步驟中，所述可變焦距透鏡的示意性實施例；第4圖是剖視圖，其示出了根據本發明的透鏡的另一個實施例；第5圖是包括含有根據本發明的可變焦距透鏡的光學裝置的移動電話的示意圖。

10．．．可變焦距透鏡架

12．．．上部件

14．．．下部件，第二部件

15．．．內容積

16．．．本體

17．．．基座

18．．．中心開口

20．．．第二圓柱形側壁

22．．．圓錐形凸緣

23．．．波形部

24．．．圓柱形板，透明窗

30．．．罩

31．．．上壁

32．．．圓柱形開口

34．．．第一圓柱形側壁

36．．．彈性部

38．．．圓柱形板，透明窗

40．．．固定材料

42．．．中間件

44．．．平表面

46．．．開口

48．．．圓錐形表面

50．．．墊圈

52．．．環面部

54．．．側緣部

56．．．端部，凸緣

△．．．光軸

Claims (24)

1. 一種具有光軸的可變焦距透鏡，包括兩個透明窗，它們至少局部地彼此面對，並相互平行，並且它們至少部分地界定了一含有兩種不相混溶且光學指數不同的液體的內容積，所述兩種液體定義了一介面，其中，所述透鏡包括：連接到所述透明窗中的一者並包括一第一圓柱形側壁的一罩；具有繞著定義所述透鏡的光軸之一軸線之回轉對稱性之一本體，所述本體連接到所述透明窗中的另一者並包括一第二圓柱形側壁，所述第二圓柱形側壁的直徑係比所述第一圓柱形側壁之直徑小；壓縮於所述第一和第二圓柱形側壁之間的一墊圈，以及可隨所述液體的一壓力變化而變形的一彈性裝置。
2. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中所述彈性裝置具有繞所述透鏡的光軸的回轉對稱性。
3. 如申請專利範圍第1項的透鏡，還包括一中間件，其連接至該本體或與該本體形成一單一件，以及包括定義一圓錐形或圓柱形表面之一開口，其中所述表面鄰接於所述兩種液體之間的所述介面能夠移動處。
4. 如申請專利範圍第3項的透鏡，其中所述墊圈包括壓縮在所述罩與所述中間件之間的一第一部分以及壓縮在所述第一與第二圓柱形側壁之間的一側緣部。
5. 如申請專利範圍第4項的透鏡，其中壓縮在所述罩與所述中間件之間的所述第一部分是環面形的。
6. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中所述罩包括一連接至所述透明窗並藉由所述第一圓柱形側壁而延展的上壁，並且所述彈性裝置包括形成在所述罩的上壁上、具有繞所述透鏡的光軸的回轉對稱性的彎曲部。
7. 如申請專利範圍第6項的透鏡，其中所述彎曲部包括至少一個以所述透鏡的光軸為中心的圓環彎曲部。
8. 如申請專利範圍第6項的透鏡，其中所述罩係由衝壓金屬製成。
9. 如申請專利範圍第8項的透鏡，其中所述罩的上壁的厚度為大約0.1至0.25 mm。
10. 如申請專利範圍第3項的透鏡，其中所述表面具有藉由小於0.1 μm之一粗糙度參數Ra所定義之一粗糙度。
11. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中所述第一側壁包括捲曲到所述本體上的一凸緣。
12. 如申請專利範圍第3項的透鏡，包括位於所述中間件與相應的透明窗之間和/或位於所述本體與所述透明窗之間的一密封層。
13. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中藉由覆蓋有基於有機材料的一保護層的一熔接玻璃，所述本體和/或所述罩被連接至相應的透明窗。
14. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中所述窗是透明板。
15. 如申請專利範圍第1項的透鏡，其中所述窗中的至少一 個是一固定透鏡。
16. 一種光學裝置，其包括如申請專利範圍第1至15項中之任一項的可變焦距透鏡。
17. 一種移動電話，其包括如申請專利範圍第16項的光學裝置。
18. 一種製造具有光軸的可變焦距透鏡的方法，所述透鏡包括兩個透明窗，所述透明窗至少局部地彼此面對，並相互平行，並且它們至少部分地界定了一包含不相混溶的、具有不同光學指數的一導電液體和一絕緣液的內容積，並且所述兩種液體定義了一介面，所述透鏡還包括可隨所述液體的一壓力變化而變形的一彈性裝置，其中，所述方法包括以下步驟：- 設置一具有繞一軸線的回轉對稱性的罩，經由一圓柱形開口穿過所述罩的中心部分，並且藉由一第一圓柱形側壁而延展，所述透明窗中的一者密封所述罩以覆蓋所述開口；- 設置一本體，其中，一第二圓柱形開口穿過所述本體的中心部分，並且所述本體藉由一第二圓柱形側壁而延展，所述第二圓柱形側壁的直徑小於所述第一圓柱形壁的直徑，另一個所述透明窗密封所述本體以覆蓋所述開口；- 在所述第一與第二圓柱形側壁之間安置一墊圈，並且；- 在所述內容積被所述兩種液體充滿後，將所述罩 安置並密封到所述本體上。
19. 如申請專利範圍第18項的方法，其包括：- 在所述本體上安置一中間件，所述中間件包括定義一圓錐形或圓柱形表面的開口，在所述表面處，所述介面可移動。
20. 如申請專利範圍第18項的方法，其中充滿所述內容積的步驟包括：- 將所述本體以及與其連接的透明窗浸入在所述導電液體的溶解體內；- 將一絕緣液滴以與所述透明窗接觸的方式安放；- 在所述本體被保持浸入在所述導電溶解體內的狀態下安置所述墊圈以及所述罩的側壁。
21. 如申請專利範圍第20項的方法，其中所述本體被保持浸入在所述導電溶解體內的同時，實現將所述罩的側壁密封到所述本體上。
22. 如申請專利範圍第18項的方法，其中所述罩設有具有繞所述軸線的回轉對稱性的彎曲部，用以實現所述彈性裝置。
23. 如申請專利範圍第22項的方法，其中所述罩是由衝壓金屬製成。
24. 如申請專利範圍第18項的方法，其中藉由將所述罩的側壁捲曲到所述本體上，實現將所述罩密封到所述本體上。