液體透鏡系統的制作方法
【專利說明】液體透鏡系統
[0001 ] 本申請是2010年2月11日提交的發明名稱為“液體透鏡系統”的中國專利申請200880103090.X的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及根據專利權利要求的前序部分的光學系統。
【背景技術】
[0003]包含流體的可調整光學透鏡系統是現有技術中已知的。
[0004]例如，在2007年5月公開的W007049058涉及具有可變焦距的透鏡，該透鏡包括附著有燒性膜(flexible membrane)的剛性圈(rigid ring)。剛性的透明前蓋被附著到燒性膜和該圈的后表面上的剛性后蓋。在撓性膜和后蓋之間形成填充有液體的腔。可以調整該腔中的液體量以改變撓性膜的曲率，從而改變透鏡的光學特性。可以在后蓋和該圈之間設置第二撓性膜。
[0005]在2006年7月公開的US2006164731AA示出具有可變焦距的透鏡的另一例子，其基于充液腔室(單元)。液體透鏡單元由下述四個部分構成:即，透光的可膨脹膜(cleardistensible membrane)、透明的壁膜、保存在透鏡單元腔室中的具有固定體積的液體、以及環形外圍密封圈。類似于傳統的可變光闌，環形密封圈的半徑是可變的。通過調節環形密封圈的半徑，將對透鏡單元中保存的液體重新進行分布，從而改變可膨脹膜的曲率。一個缺點在于，液體透鏡受重力和振動的影響。
[0006]在2006年2月公開的W006011937涉及具有至少一個撓性膜(被表示為第一分隔件)的流體自適應透鏡設備(fluidic adaptive lens device) ο自適應透鏡包括第一燒性光學透明膜。與該撓性膜耦合的第二分隔件是至少部分光學透明的。在撓性膜和第二分隔件之間形成第一腔。該透鏡設備在該腔內包含流體。此外，該設備包括控制腔室中的壓力或流體體積的裝置，例如，涂有特氟隆(teflon)的螺桿。當流體介質的參數改變時，膜發生彎曲，并且透鏡的光學性質改變。
[0007]在2003年5月公開的US2003095336描述主要用于校正或處方透鏡的透鏡布置。處方透鏡與具有燒性膜和基體(base)的流體單元相鄰。由于流體被泵入流體單元或從該流體單元泵出，所以整個透鏡布置的校正能力(corrective power)改變。該設備僅僅有限地適合于小型化。
[0008]在1995年8月公開的US5446591披露了用于望遠物鏡的另一可調整透鏡組件。該設備包括液體透鏡元件，該液體透鏡元件包含在相鄰的玻璃透鏡元件之間。液體被引入到相鄰的玻璃透鏡元件之間的間隙中，以形成液體透鏡元件。
[0009]在1987年5月公開的US4890903涉及具有由撓性膜限定的腔室的可調整液體透鏡或反射鏡。撓性膜在張力下被支撐在一對彈性圈之間。第一流體介質填充腔室，在透鏡的情況中，該第一流體介質具有與接觸撓性膜的另一側的第二流體介質不同的折射率。撓性膜的環形支撐件包括可相對移動的第一和第二構件，該支撐件的所述第一和第二構件以不漏流體的方式可調整地連接，從而，可通過將支撐件的一個構件相對于另一個構件以這樣的方式移動來調整腔室的體積:改變第一流體介質中的壓力，從而改變所述膜表面的形狀。
[0010]在2002年10月公開的US 0154380 Al披露了充當電子機械可調凹透鏡(electro-mechanicalIy tuneable concave lens)的微機械設備(micro-machineddevice) o透鏡主體自身由包含導電透明電極(諸如銦錫氧化物)的介質和將具有不同折射率的兩個區域分開的膜構成。通過將電壓施加在透鏡主體內的電極上，靜電力作用在某些范圍內的撓性電極上，其間的透鏡主體的厚度減小，因此改變了光學性質。
[0011]在1998年5月公開的JP 144975 A描述了使用環形壓電致動器(piezo actuator)的可調充液透鏡。在致動器的內開口中，透明蓋允許光通過，同時外緣(outer rim)以某一深度固定在剛性圈上。在該圈的中心，在壓電致動器的相對方向上，撓性透明膜與致動器包圍充液空間，并且，在將電壓施加在致動器上的情況下，跨區體積(spanned volume)改變。隨著改變該體積，膜在一個方向偏轉，并且構成帽罩形(calotte-shaped)可調透鏡。
[0012]在2005年10月公開的WO 096028 A也描述了使用環形壓電致動器的可調充液透鏡。這里，壓電致動器的橫向發生的偏轉改變了圓柱形液體體積的直徑。恒定體積的液體自身在具有相同的密度但不同的折射率的鄰近的不溶混液體上產生壓力。在將電壓施加在壓電致動器的情況下，液體界面的位置改變，并且產生可調透鏡。
[0013]在1973年8月公開的GB 1327503 A描述了壓電驅動的可調液體透鏡。某一體積的液體在軸向方向上包圍封閉的光學透明的圓柱形壓電激勵箱(piezoactive box) ο液體自身在一個頂部上被剛性箱包圍，該頂部被彈性的透明膜封閉。通過在壓電致動器上施加電壓，改變內部體積，膜發生偏轉，從而產生可調透鏡。
[0014]在2006年7月公開的US 164731 Al描述了可調充液透鏡，其中，通過機械地調節壁的直徑，改變圓柱形腔室的體積。在軸向方向上，該系統被撓性膜封閉，從而允許在改變箱的直徑的同時偏轉。以這樣的方式，可以容易地產生可調透鏡。
[0015]在2008年2月公開的W008020356涉及可變焦距透鏡。該透鏡包括具有內腔室的容器。第一流體介質和第二流體介質設置在腔室中，并且被彎月面分開。用于控制彎月面的形狀的彎月面控制系統包括第一控制元件和第二控制元件。第一控制元件與彎月面耦合，并且可以在與光軸基本上平行的方向上移動。第一控制元件和第二控制元件被配置為使用電場或磁場相互作用。內腔室可以是封閉腔室，而沒有任何元件延伸通過腔室壁。因此，減少了流體介質從腔室中泄漏的可能性。由第一控制元件和腔室的側壁之間的密封產生一個冋題。
[0016]現有技術中已知的光學透鏡系統的一個缺點在于，它們具有復雜的帶有用于交換流體的裝置的設置(setup)，從而可以影響相對內部壓力和體積。
【發明內容】
[0017]本發明的一個目的在于提供一種具有簡單的、堅固的設置的改進的液體透鏡系統。
[0018]與現有技術中已知的透鏡系統不一樣，根據本發明的透鏡系統的實施例原則上是在外殼體的內部布置有至少一個主腔室的封閉系統。所述至少一個主腔室相對于至少一個附加腔室或外部處于由撓性膜限定的一側。所述至少一個腔室通常全部填充有具有相同或不同的折射率的流體(氣體和/或液體)，從而流體存在于相鄰區域中。
[0019]根據在本發明的意義上的封閉系統，這樣理解系統:其中，在正常操作期間，不與外部進行流體的交換(外部交換)是必要的。然而，如果合適的話，例如，出于膜的初始位置或形狀的調整原因，可以與外部交換一定量的流體。通過撓性膜至少部分地相對于彼此限定至少兩個腔室，從而限定包含在所述至少兩個腔室中的流體。根據應用領域，膜可以被設計為一個連續膜或由具有相同或不同的機械和光學性質的部分(sect1n)構成的膜。通過致動器可調整流體之間的膜(阻擋層)的形狀或偏轉，從而可調整系統的光學性質，該致動器被機械地互連到至少一個膜或者被集成在至少一個膜中。在特殊的應用中，例如，如果有必要以平行的方式偏轉阻擋層的話(例如，在相移應用中)，膜的一部分可以被形成為剛性部分。致動器可以全部被集成到透鏡系統的外殼體中，或者可以至少部分地被布置在外部。通過基于庫倫力作用在膜上的致動器，或者通過從外部作用在膜上的磁致動器，獲得良好的結果。
[0020]透鏡系統的一個實施例通常在膜的一側包括幾個腔室或區域，所述腔室和區域例如經由溝道或開口彼此互連，以與該系統交換各體積的流體，從而影響該透鏡系統的光學特性。由于透鏡系統內的腔室通常被填充恒定量的流體，所以可以補償重力及其相關的局部變形，因為在一定的容差(tolerance)內流體壓力在系統的任意地方都相同。與現有技術中已知的實施例不一樣，根據本發明的光學系統通常不是位置相關的，并且，重力沒有負面影響。由于使各體積的流體變形的至少一個致動器裝置被集成到系統中，所以可以避免外部貯存器。另外，密封系統提供可以避免污染的優勢。由于膜相對于其自身分開至少兩個腔室或者相對于周圍分開至少一個腔室，所以簡單且高效的構造是可能的。不會出現現有技術中已知的密封問題。
[0021]根據本發明的透鏡系統通常具有外殼體，該外殼體具有軸向地延伸通過殼體的中央主開口。開口可以至少在一側上通過由諸如玻璃、塑料、彈性體或金屬的光學活性(opticallyl active)或透明材料制成的剛性或燒性面板來被封閉。如果合適的話，幾個透鏡系統可以被排列成彼此相鄰、且彼此光學互連。因此，有可能省略某些分隔面板。面板自身可以被成形為透鏡，或者包括衍射、折射或反射結構。作為替換或補充的是，可能會預見其它的透鏡影響光路，該透鏡可以具有可變或固定焦距。
[0022]在某些實施例中，CCD-陣列(或類似的設備)可以被集成在透鏡系統中，從而一起形成完整的模塊。如果合適的話，模塊合并電子電路，以控制系統的致動和聚焦(focus)并且/或者處理由CXD-陣列記錄的圖形信息。
[0023]如果合適的話，至少一個膜在張力下以拉伸和/或預拉伸的方式被布置在殼體的開口中，延伸穿過開口，從而在兩個相對腔室中在軸向方向上分開開口。膜包含在致動期間通常反平行偏轉的至少兩個區域，并且，可以被預拉伸，并且/或者，可以由被填充到腔室中的相對流體量來確定形狀。根據應用領域，可以存在多于一個的膜。在膜的外端，它通常被固定到外殼體。如隨后更詳細的解釋，膜可以被拉伸和固定到附加的保持裝置(環形保持框架)，該保持裝置被布置在開口內，以限定某些區域。根據應用領域，膜至少部分地以非平面的方式布置。
[0024]膜通常被附著到附加的保持裝置，從而具有較高的張力/應變的膜的區域可以與具有較低的張力/應變的膜的區域相鄰。在制造透鏡系統的過程中，可以實現此，因為膜被拉伸到第一程度，然后，被固定到例如框架狀的保持裝置。接著，將保持裝置周圍的膜的區域拉伸到第二程度。可以通過機械裝置或熱裝置(例如，通過熱氣體或輻射)來進行拉伸。作為替換或補充的是，可以通過用流體填充至少一個腔室來確定膜的初始位置。
[0025]在透鏡系統的實施例中，充當保持裝置的環形保持框架被布置在殼體的開口內，其中，膜以同心的方式被附著到殼體的開口。膜被附著到環形保持框架。根據應用領域，布置在保持框架內的膜的區域通常被拉伸得比布置在保持框架和殼體之間的膜的外區域少。保持框架內的膜的區域就其光學特性而言是光學活性的、且可調整的。通過致動器調整透鏡系統的光學特性，該致動器被直接或間接地互連到膜的光學活性部