专利名称：基于液体的光学器件、用于控制这种器件的方法以及电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学器件，包括将第一液体和电敏感的第二液体封闭起来的容器，所述第一液体和电敏感的第二液体是不能混溶的，并通过界面互相接触，所述液体的其中至少一种被至少部分放置在通过容器的光路中。
本发明还涉及包括这种光学器件的电子装置。
基于液体操控的光学器件正迅速得到大量的商业应用，这不仅是因为它们没有机械活动部件，而且，这些器件的结构相对比较简单，从而使它们更加便宜和耐用。
举例来说，在美国专利申请US 2001/0017985中公开了一种光学器件，它包括两种不能混溶的液体，这两种液体具有相同的折射率但透光度不同，而且其中有一种液体是导电的。通过改变这两种液体之间的分界面，穿过器件的光路中每种液体的量发生变化，于是得到某个光阑(diaphragm)。
国际专利申请WO 03/069380公开了一种圆柱形的可变焦距透镜，包括两种具有不同折射率的不混溶流体，其中一种流体是导电的，而另一种流体是绝缘的。这些流体优选具有相似的密度，以避免与透镜方位有关的液体方位的重力相关性。两种流体之间的界面形状是通过把电压加到透镜两端来进行控制的，它可以用来使透镜的焦点发生变化。圆柱体的壁以及圆柱体的其中一个透明端盖上涂有疏水性的涂层，以确保至少在切断状态时，一般为极性液体的导电流体不会浸湿所述侧壁，从而使流体之间保持界线分明的界面。
这种基于液体的光学器件的一个问题是，界面位置的变化会导致界面产生振荡，从而使界面的光学完整性变差。这很难避免，而且在振荡持续时间超过光学器件所要求的工作频率时，将产生不希望有的效果，对于利用光学器件功能性的电子装置比如采用基于液体的可变焦距透镜的移动电话来说也是如此。
本发明致力于提供一种能够减少界面振荡发生或持续时间的光学器件。
本发明还致力于提供包括这种光学器件的电子装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学器件，包括将第一液体和电敏感的第二液体封闭起来的容器，所述液体是不能混溶的，并通过界面互相接触；所述液体的其中至少一种被至少部分地放置在通过容器的光路中；所述液体具有平均动粘度V(单位m2/s)和平均密度D(单位kg/m3)，所述液体受到表面张力S(单位N/m)，在所述界面与容器内壁相接触的接触线处，光学器件具有直径d(单位m)，这种光学器件遵循下面的公式0.5≤98V(DSd)0.5≤5---(1)]]>对于遵循这一公式的光学器件来说，如果光学器件在界面与容器内壁接触线处的直径，也就是容器在其中界面与其内壁接触位置的直径达到至少5毫米时，光学器件的界面上的振荡的特征阻尼时间可以保持在30毫秒以下。
优选的是，这种光学器件遵循下面的公式0.75≤98V(DSd)0.5≤2---(2)]]>在这一范围内，界面振荡很快地阻尼衰减，于是，就可以实现有效的(接近)临界阻尼的光学器件。
优选的是，上述范围所遵循的温度范围为-30摄氏度至60摄氏度，它例如可以覆盖基于液体的可变焦距透镜所要求的温度范围。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括本发明光学器件的电子装置。这种电子装置的优点是能够比现有技术的基于液体的光学器件实现更高的光学器件应用频率，比如更快的自动聚焦速率或更高的图象俘获速率，这是因为与现有技术的基于液体的光学器件相比，这种光学器件在转换之后其界面能够更快地固定下来。
现在将参考附图通过非限制性的实例来更加详细地介绍本发明，在这些附图中
图1示意性地示出了现有技术的可变焦距透镜；和图2示出了随动粘度而变化的光学器件的阻尼时间。
应当认识到，附图仅仅是示意性的而不是按比例绘制的。还应当认识到，在所有附图中使用了相同的标号来表示同样或类似的部件。
在附图1中示出了如国际专利申请WO 03/069380中所公开的一种可变焦距透镜。这种可变焦距透镜包括装在圆筒形腔室内的第一流体A和第二流体B。流体是不能混溶的，具有不同的折射率，但优选具有同样的密度，以避免对包括流体之间的界面14的流体的位向(orientation)产生取决于位向的重力效应。圆筒形腔室还包括第一端部4和第二端部6，其中第一端部4以及圆筒形腔室的内壁用疏水性涂料比如杜邦公司的AF1600TM覆盖，它可以与聚对二甲苯撑叠层组合起来，用于在没有外加电压的情况下使绝缘流体A限定导电流体B的边界。通过将嵌入腔室壁中的圆筒形电极2与第二端盖6上的环形电极12之间的电压从V1值变为V2值，就可以使界面14的形状从位向(a)中所示的凸起形状以连续的方式转换成位向(b)中所示的凹入形状，其中环形电极12优选是透明的并与第二流体B导电接触。于是，通过圆柱体的光路L的焦点被改变。
透明端部4可以是玻璃或聚合物盖子，或者用任何适当的透明材料制成，它可以是透镜状的。
为了使美国专利申请US 2001/0017985中所公开的这样一种透镜或光阑适合于需要快速响应时间的应用，比如在数字式静物摄影机或是在带有可变焦距透镜的移动电话应用，重要的是，当界面因光学器件转换而改变位置和/或形状时，界面上所能发生的振荡是临界阻尼的。欠阻尼的器件在应用光学器件的光学性能时界面上仍然表现出振荡，使其偏离预期的光学性能，例如，采用基于液体的可变焦距透镜的电子装置中的图象传感器所捕获的图象产生变形。另一方面，过阻尼的光学器件不会受到这些振荡，但是，这样的器件具有缓慢的响应时间，而这在采用自动聚焦机构的电子装置中是不希望有的，因为它将花费太长的时间来使光学器件比如可变焦距透镜形成聚焦。
应当强调的是，在“European Physical Journal E”，2000年，第3卷，159-163页中，Bruno Berge等人已经认识到对临界阻尼的可变焦距透镜的需求。然而，到目前为止，并不能预测光学器件将表现出这三种类型阻尼特性的其中哪一种，实际上，就本发明申请人所知，还没有哪种遵循公式(1)的系统是已经公开的。
本发明基于这样的认识，即，基于液体的光学器件的临界阻尼时间t可近似地用下面的公式表示t=0.3(d3DS)0.5---(3)]]>这已通过对许多具有不同直径d和不同液体A和B的基于液体的透镜所做的一系列测量来验证。在图2中给出了一个包括许多测量值的实例，其中，0.1M的氯化钾水溶液被用作电敏感液体，而许多具有不同动粘滞度的硅油被用作另一种液体。在y-轴上，阻尼时间t作为油的动粘滞度的函数而给出。对于这一特定范围来说，已经发现，动粘滞度为大约7厘沲(cSt)，也就是说，7×10-6m2/s的硅油能够为可变焦距透镜提供最快的响应时间。通过这个实验和其它没有示出的一些实验，就可以得出经验公式1和2。
在遵循公式2的双液体系统的一个实例中，0.01M的氯化钾水溶液被用作电敏感的第二液体B，而动粘滞度为7×10-6m2/s的聚二甲基硅氧烷油被用作另一种液体。对于直径d为0.004米即4毫米的光学器件中的这两种液体，获得了远低于25毫秒(ms)的阻尼时间t，这就使得这种双液体系统尤其适合于用在要求界面具有快速固定速度的照相镜头中。还发现，很多其它的液体组合也遵循公式1和2。
应当强调的是，虽然这些不希望有的影响主要是采用可变焦距透镜比如国际专利申请WO 03/069380中的现有技术可变焦距透镜来说明的，但是，其它基于液体的光学器件比如美国专利申请US2001/0017985中所公开的光阑也会遇到至少一些这样的问题。
应当强调的是，就本发明而言，术语“光学器件”并不是用来将本发明装置的应用领域限制在电磁波谱的可见光部分。在不脱离本发明范围的情况下，本发明还可用于这一光谱的其它部分，比如可以用于声学器件。
还应当强调的是，术语“电敏感液体”用来包括其性能可通过因施加电流或电场而产生的力来进行操控的所有液体，比如极性液体和可极化液体。
应当认识到，上述实施例只是用来举例说明而不是用来限定本发明的，而且所属领域的技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下将能设计出很多备选实施例。在权利要求书中，放置在括号内的任何标号都不应被解释为限制了该权利要求。词语“包括”并不排除那些没有在权利要求中列出的元件或步骤。某个元件前面的词“一”或“一种”并不排除若干个这样的元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实施。在列举了若干手段的器件权利要求中，这些手段可以用同一项硬件来实施。仅凭在互不相同的从属权利要求项中陈述了某些措施的这一事实，并不表示这些措施的组合不能被有利地利用。
权利要求
1.一种光学器件，包括将第一液体(A)和电敏感的第二液体(B)封闭起来的容器，所述液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触；所述液体(A；B)的其中至少一种被至少部分地放置在通过所述容器的光路中；所述液体具有平均动粘度V(单位m2/s)和平均密度D(单位kg/m3)，所述液体受到表面张力S(单位N/m)，在所述界面(14)与所述容器内壁相接触的接触线处，所述光学器件具有直径d(单位m)，所述光学器件遵循下面的关系式0.5≤98V(DSd)0.5≤5.]]>
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件遵循下面的关系式0.75≤98V(DSd)0.5≤2.]]>
3.根据权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，所述关系式所遵循的温度范围为-30摄氏度至+60摄氏度。
4.一种电子装置(1)，包括根据权利要求1、2或3所述的光学器件。
全文摘要
本发明公开了一种光学器件，包括将第一液体(A)和电敏感的第二液体(B)封闭起来的容器，所述液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触；所述液体(A；B)的其中至少一种被至少部分地放置在通过容器的光路中；所述液体具有平均动粘度V(单位m
文档编号G02B3/14GK1989436SQ200580025322
公开日2007年6月27日 申请日期2005年7月28日 优先权日2004年7月29日
发明者S·凯帕, B·H·W·亨德里克斯, L·休杰布雷格茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司