专利名称：可变焦距透镜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种可变焦距透镜，特别是一种利用电润湿(electrowetting)作用而使一定量的液体(液滴)变形的透镜。
背景技术：
可变焦距透镜通常包括由两个透明窗限定的封罩，其容纳着至少两种具有不同折射率的不混溶液体。所述两种液体在一可移动折射界面上接触，透镜接收的光线穿过该界面。液体透镜包括利用电润湿作用使可移动折射界面变形的系统，从而可以改变透镜的光焦度。
这种透镜的外壳通常构成为刚性结构。外壳中的液体的压力可能会显著增加，例如在外壳构成元件的组装操作中，或是在外壳组装之后，具有比外壳构成材料的膨胀系数更高的膨胀系数的透镜液体的温度提高时。
容纳在外壳中的液体的过高压力使得透明板变形的危险增加，从而导致不良的光学失真。在最坏的情况下，如果液体压力增加得太高，则可能导致透明板断裂。因此，在组装用于透镜的透镜架时需要采取专门的预防措施，和/或限制此种透镜的保存和使用的许用温度范围。
本申请人共同拥有的尚未公开的(并非已有技术)专利申请FR 04/52747中描述了一种用于可变焦距透镜的外壳，其包括针对所容纳液体的膨胀的补偿装置。该在先申请中记载的内容结合在此引作参考。
本申请的图1基本上类似于专利申请FR 04/52747的图3，并且显示了一种具有光轴Δ的可变焦距透镜架10，其包括一上部件12和一下部件14，它们在组装后限定出一内容腔15。下部件14包括一本体16，其具有一基座17，一中心开口18穿过该基座，该基座延续至一圆柱形侧部20。基座17包括一波纹部23，其在包含光轴Δ的平面内的截面具有精确或大致的“S”形。一透明圆柱形板24通过粘合剂22紧固在本体16上。透镜架10的上部件12包括一罩盖30，一圆柱形开口32穿过所述罩盖的中心部分。上部件延展形成圆柱形侧壁34。罩盖30包括一弹性部36，其设在开口32和圆柱形侧壁34之间。弹性部36包括一波纹部，其在包含光轴Δ的平面内的截面具有精确或大致的“S”形。一透明圆柱形板38通过粘合剂40紧固在罩盖30上。一中间件42安置在内容腔15中，并且与本体16弹性接触。一开口穿过中间件42，以靠近玻璃板24限定出一截头圆锥形表面48。中间件42由一导电性材料制成，并且在与液体接触的表面上被覆盖一绝缘层49。一密封件50安置在本体16和罩盖30之间。
一定体积的(一滴)绝缘液体52放在圆锥形表面48上，内容腔15的其余部分被一导电液体54充填，该导电液体与绝缘液体不混溶，与绝缘液体具有不同的折射率并且具有基本相同的密度。通过电润湿作用，可以基于构成两个电极的中间件42和罩盖30之间施加的电压V而改变所述两种液体之间的接触表面的曲率。在液体一液体界面的曲率的变化过程中，导电液体54和绝缘液体52之间界面的边缘沿着圆锥形表面48移动。例如，接触表面从以参考标记A表示的初始形状例如凹入形状移动到以参考标记B表示、以虚线显示的凸出形状。因此，根据施加的电压，与板38和24正交地穿过透镜元件的光束将聚焦在或大或小的程度。一般而言，导电液体包括水性液体，绝缘液体包括油性液体。
当容纳在内容腔15中的液体膨胀时，“S”形波纹部23、36可变形，从而限制透镜内压的增加。
这种透镜的一个可能局限性在于，波纹部23、36的一定程度的变形可能导致透镜外壳形状的变化，特别是所述两个透明板24、38之间相隔距离的变化。这可能引起出现额外的光学缺陷。另外，外壳可变形的事实可能会导致外壳的构成部件不能彼此相对精确定位。因此，可以证实难以保持透镜的光学部分相对于透镜外界的基准对中。此外，“S”形波纹部23、36的制造要求采用专门的冲压步骤，这会导致透镜的制造复杂化。因此，本发明可以与其它用来控制透镜内压力的措施一起采用，例如前面描述的本申请人共同拥有的在先申请中的装置，或者可以仅仅被用作透镜系统中的压力控制措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变焦距透镜，其容易制造，并且可以在温度变化时限制透镜内压的变化，同时保持透镜的结构刚性。
为了实现这个目的，本发明提供了一种电润湿可变焦距透镜，其包括至少第一和第二液体，与所述液体之一接触的一定体积的气体，所述一定体积的气体包括例如一或多个气泡，以及一限定装置，用于保持所述一定体积的气体离开穿过透镜以便聚焦的光线的路径。
根据本发明的一个优选实施例，透镜包括第一腔，其容纳着第一和第二液体，所述第一和第二液体不混溶、具有不同折射率、并且在可以通过电润湿作用而变形的折射光学界面上相接触；第二腔，其容纳着第一液体和一定体积的气体；以及一通道，其用于使第一液体在第一和第二腔之间移动。
根据本发明的另一优选实施例，第二腔包括与所述一定体积的气体接触的至少一个壁，并且这个壁包括或被覆盖一种在被第一液体润湿方面润湿性低的材料。
根据本发明的另一优选实施例，所述通道包括若干壁，所述壁包括或被覆盖一种在被第一液体润湿方面润湿性高的材料。
根据本发明的另一优选实施例，第二腔由第一、第二和第三壁限定，第一壁以第一角度相对于第二壁倾斜，第二壁以第二角度相对于第三壁倾斜，第一壁以第三角度相对于第三壁倾斜，第一角度小于第二角度，并且小于第三角度。
根据本发明的另一优选实施例，所述通道和/或第二腔由多孔材料的孔洞形成。
根据本发明的另一优选实施例，第二腔采用管的形式，其中管的一端敞开于第一腔中，管的相反端封闭。
根据本发明的另一优选方面，提供了一种制造电润湿可变焦距透镜的方法，包括以下步骤形成一局部封罩，其由封罩元件构成；用至少一种液体充填局部封罩；在局部封罩中形成一定体积的气体，其中，所述一定体积的气体在穿过透镜的光线不经过的区域接触所述液体；用第二封罩元件封闭封罩，以形成密封的封罩。
根据一种实施本发明的优选方法，上述方法中的后三个步骤是在减压下即低于大气压实施的。
下面将结合附图来描述本发明的特别优选、但非限定性的示例性实施例，以便更详细地解释本发明的上述以及其它目的、特征和优点。
图1如前所述是根据本申请人共同拥有的一项在先申请的可变焦距透镜的剖视图，所述透镜包括用于补偿容纳在透镜中的液体的膨胀的装置；图2示出了根据本发明一实施例的液体透镜的基本原理；图3至13示出了根据本发明替代性实施例的液体透镜的示例性实施例。
具体实施例方式
为了清楚起见，在各图中以相同的参考号码表示相同的元件。
本发明涉及有意引入一定体积的气体，以接触容纳在透镜中的液体之一，但要注意防止所述一定体积的气体存在于光线经过区域中。限定装置被用于防止所述一定体积的气体移动到光路中。当温度变化时，透镜中容纳的液体膨胀，并且这种膨胀会被所述一定体积的气体补偿，所述气体本质上是非常容易压缩的，由此限制透镜内压的变化。所述气体可以是例如空气、一惰性气体或若干惰性气体的混合物，或者，作为替代或组合，透镜中容纳的液体之一的蒸气。
根据本发明，所述一定体积的气体可以包括例如容纳在透镜中的一或多个气泡。
图2总体上示出了采用根据本发明的补偿原理的可变焦距透镜60的一个例子。透镜60包括一液体腔61，其由两个透明板62、64限定边界，所述透明板在它们的周边紧固在一中间件66上。液体腔61由两种液体67、68完全填充，所述液体间的接触表面限定出一可移动折射界面69。可变焦距透镜60还包含一通过电润湿作用而使可移动折射界面69变形的系统。例如，液体67是一种导电液体，液体68是一种绝缘液体，中间件66由一涂覆有绝缘层(未被专门示出)的导电材料制成，由此形成第一电极，而第二电极通过例如向板62的内表面沉积一导电透明层63而制成。在所述电极间施加一电压V，将导致折射界面69变形。
根据图2中的实施例，中间件66包括一膨胀腔70，其被部分地充填液体67，剩下的部分对应于一气泡72。膨胀腔70并不直接参与透镜60的光学性能。膨胀腔70通过一通道74连接着液体腔61，该通道在图2中表现为一管道。膨胀腔70和/或所述通道74的壁的形状或性质可确保所述气泡72保留在膨胀腔70中并且不会扩散到液体腔61中。当液体膨胀时，或多或少量的液体67会进入膨胀腔70或离开膨胀腔70，并因此而导致所述气泡72的体积变化。可以提供若干彼此分开的膨胀腔，每个膨胀腔连接着液体腔61，以提供若干小气泡。这使得在受到机械冲击时所述气泡72移动的危险最小化。
图3和4示出了根据本发明另一实施例的可变焦距透镜60的第一更优选的示例性实施例的总体剖视图和局部剖视图。中间件66相当于一具有光轴Δ的圆环，其包括一中心开口，以限定出容纳所述两种不混溶液体67、68的液体腔61，所述液体间的界面形成可移动折射界面69。圆环66包括一内壁78，通过施加电压引起的电润湿作用，折射界面69可沿该内壁移动，例如以前面参照图2所描述的相同方式。例如，内壁78优选为圆锥形的。在本例中，液体67是例如水性液体，液体68是油性液体。
在本实施例中，膨胀腔70绕光轴Δ旋转对称。其由一上壁84、一下壁86和一端壁88限定，上壁84相当于上板62的下壁的一部分，下壁86相对于上壁84以一角度α倾斜，端壁88相对于下壁86以一角度β倾斜、相对于上壁84以一角度γ倾斜。下壁86和端壁88相当于圆环66的上壁的相应部分。在第一实施例中，所述通道74相当于一厚度为d的环形空隙(窄间隙)，膨胀腔70通过该环形空隙与液体腔61连通，从而一些水性液体67可以在膨胀腔70和液体腔61之间移动。优选的方案是，厚度d小于几十微米(microns)，优选小于50微米，并且优选位于10至50微米的范围内。空隙74不需要具有恒定厚度，并且可以通过将上板62简单地按压在圆环66上而获得，板62和圆环66的表面不规则性足以确保在液体腔61和膨胀腔70之间存在连通通道。
限定环形空隙74的各个壁被覆盖一亲水材料为佳，从而毛细作用力可防止所述气泡72移入环形空隙74中。角度α小于角度β和γ为佳，以使得水性液体被自发地吸引到角度α所在角部，并且所述气泡72被推回到端壁88上。为了更容易将所述气泡72安置在端壁88上，上下壁84、86可以被覆盖一亲水材料，端壁88可以被覆盖一疏水材料。
图5示出了第二更优选实施例，其类似于第一更优选实施例，但不同之处在于，所述通道包括一由多孔材料制成的环82，其安置在膨胀腔70和液体腔61之间。所述多孔材料可以是一亲水材料，或者，所述多孔材料的孔洞可以被覆盖一亲水材料。此第二更优选实施例的优点是，由于所述气泡72不容易穿透多孔环82的孔洞，因此所述气泡72能够被适当地稳定在膨胀腔70中。
图6示出了第三更优选实施例，其中膨胀腔70包括一绕光轴A旋转对称的区域，该区域由彼此相对倾斜的一下壁90和一上壁92限定边界。在从一包含光轴Δ的平面中看时，所述倾斜的壁的截面形成一具有角度γ的“V”形。所述通道74相当于一构成膨胀腔70的延伸段的环形区域。壁90、92被覆盖一疏水材料，从而所述气泡72自然地聚集在角度γ所在角部。
图7示出了第四更优选实施例，其中膨胀腔70呈环形。环形膨胀腔70在一包含光轴Δ的平面中的截面形成一具有角度γ的“V”形，其顶点(会聚点)指向液体腔61。所述通道74相当于一在角度γ所在角部的相反侧敞开于膨胀腔70中的环形空隙。与第三更优选实施例相比较，第四更优选实施例能够进一步减小所述气泡72突入液体腔61的危险。
图8非常概要性地示出了第五更优选实施例，其中膨胀腔70由一多孔材料的材料块94的中央区域的孔洞形成。材料块被放置成如此接触液体腔61中的液体67，即不阻碍光束路径。虚线96示出了所述气泡72和液体67之间的边界。材料块94的中央区域包括或被覆盖一高疏水材料，从而液体没有通过毛细作用将所述气泡72由多孔材料的材料块94排出的趋势。所述通道74相当于材料块94的周边区域。
图9示出了第五更优选实施例一种改型，其中对多孔材料的材料块94的与液体腔61中液体67相接触的周边区域(其在图9中在面对着液体腔61的一侧由虚线97限定边界)采取措施，以包括或被覆盖一亲水材料，由此以防止多孔材料的材料块94中俘获的所述气泡72通过。
图10和11分别示出了第六更优选实施例的剖视图和俯视图，其中膨胀腔70由围绕光轴Δ盘旋并且形成在圆环66的上表面中的一沟槽构成。盘旋沟槽的一端98会合到液体腔61中，相反端99是封闭的。所述气泡聚集在沟槽的封闭端99处。沟槽的壁，至少是在封闭端99，被覆盖一疏水材料，以有助于将所述气泡限定在沟槽的这部分中。这个实施例可以在受到冲击时有效地防止所述气泡由沟槽中逃出。
第一、第二、第三、第四和第六更优选实施例的优点在于，在制造透镜的整个过程中，直到上板62被装配前的最后步骤，膨胀腔70都是可触及的。通过这种方式，表面处理过程，如有必要，可容易地实施。
一般而言，优选将一或多个扰流部或迷宫形成件布置在膨胀腔70和/或所述通道74中，因为这样的话可以进一步降低所述气泡72突入液体腔61的危险，特别是在透镜60突然运动时。一扰流部可以利用类似于图7所示的方式设置，其采用膨胀腔70中的一锐角区域或若干锐角区域的形式。扰流部还可以设在所述通道74中，或位于二者之间。扰流部还可以形成为膨胀腔70中的一或多个突起的形式，并接触所述通道74中的液体67。
图12示出了另一优选实施例，根据该实施例，扰流部或迷宫形成件在液体腔61和膨胀腔70之间设置在所述通道74中。在本例中，所述通道74由一弯曲管道构成，具有例如“S”形，从而进一步降低所述气泡突入液体腔的危险。
根据本发明的另一优选实施例，所述气体可以接触以其界面形成可移动折射界面的所述两种液体之一或二者。图13示出的实施例类似于图3至5中所示，只是膨胀腔70被布置在透镜的靠近板64的一侧，从而所述气泡72接触液体68。
用于制造根据本发明实施例的透镜的方法可以包括以下步骤在环境压力下将透镜浸入水性液体中，以及在将透镜60浸入水性液体中之前或之后将油性液体置入液体腔61中。在这种情况下，当透镜60被封闭时(即在前面描述的实施例中，当板62、64被紧固到圆环66上时)，由于被俘获的过量的水性液体，透镜内压增加。结果，即使是在环境压力下被封闭，也会在封闭之后在透镜中形成过压。
前面描述的实施例特别适合于透镜在部分真空下充入水性和油性液体的情况，以使透镜容纳的液体自然脱气。在透镜60封闭后，透镜60的内压等于水性液体的饱和蒸气压力。水性液体的饱和蒸气压力一般而言非常低。作为示例，在水的情况下，在20℃约为2.3kPa，在50℃约为12.3kPa，在80℃约为47.4kPa，在100℃约为101kPa。因此，在透镜60的整个常规操作温度范围内，透镜中的压力保持低于大气压。上下板62、64因此可以放置在圆环66的任一侧，如图3所示，从而用于将板62、64紧固在圆环66上的粘合剂或焊接部分总是在挤压状态下工作。另外，内压的变化保持相对较小，即使是在大的温度范围内。这是由于，对于从一40℃至80℃的温度变化，根据本发明实施例的制造于次大气压下的透镜60的内压的变化小于一个大气压。
当然，本领域的技术人员可以清楚地认识到，本发明可以具有各种替代性实施例和改型。
特别地讲，在第一、第二、第三和第四更优选实施例的情况下，膨胀腔不是必须为环形的，而是可以是分布在圆环66的中心开口的周边上的环段。
另外，前面描述的实施例涉及包括三个部件62、64和66的透镜60。然而，显然，本发明替代性实施例可以实施于具有不同结构的、包含更多或更少数量部件的透镜。
前面描述了本发明的一些优选实施例，其中折射界面可通过电润湿作用而移动。本发明还可以应用于这样的可变焦距透镜的实施例，即其中两种液体之间的折射界面通过其它现象而移动，例如通过施加压力。
包含在根据本发明不同实施例的液体透镜中的所述一定体积的气体可以可采取不同的形式，其中包括，但不局限于，一或多个气泡、散布在所述多孔材料的孔洞中的气体等等。申请人已经确定，所述气体的体积与整个透镜内容积(即容纳着第一和第二液体的容腔)之比优选为5％至50％，更优选为10％至20％，最好为大约15％(在大气压下)，以便补偿膨胀。
本发明特别适合应用于集成在移动电话中的照相机模块中的可变焦距透镜，虽然并不局限于此。温度变化的补偿最优选由刚性结构实现，其中该刚性结构不具有任何可导致透镜变形的弹性部件，并且可以仅由少量零件制成。
在描述了本发明的至少一个示例性实施例后，本领域的技术人员容易做出各种替换、修改或改进。这些替换、修改或改进应被认为包含在本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅仅是示例性的，而非限定性的。本发明只由权利要求及其等同替换限定。
权利要求
1.一种可变焦距透镜(60)，用于在沿光轴(Δ)穿过透镜的光路中聚焦光线，透镜包括由下述部分构成的结构不混溶的第一和第二液体(67，68)，它们具有不同折射率并且在一可移动折射光学界面(69)上相接触，一定体积的气体(72)，其接触所述液体之一，以及一限定装置(70，74)，其用于保持所述一定体积的气体离开光线穿过透镜以便聚焦的光路。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述结构包括第一腔(61)，其容纳着第一和第二液体(67，68)；第二腔(70)，其容纳着第一液体和所述一定体积的气体(72)；一通道(74；82)，其用于使第一液体在第一和第二腔之间移动。
3.根据权利要求2所述的透镜，其中，第二腔(70)包括与所述一定体积的气体(72)接触的至少一个壁(88；90，92)，所述壁包括或被覆盖一种在被第一液体(67)润湿方面润湿性低的材料。
4.根据权利要求2所述的透镜，其中，所述通道(74；82)包括若干壁，所述壁包括或被覆盖一种在被第一液体(67)润湿方面润湿性高的材料。
5.根据权利要求2所述的透镜，其中，第二腔(70)由第一、第二和第三壁(84，86，88)限定边界，第一壁以第一角度(α)相对于第二壁倾斜，第二壁以第二角度(β)相对于第三壁倾斜，第一壁以第三角度(γ)相对于第三壁倾斜，第一角度小于第二角度，并且小于第三角度。
6.根据权利要求2所述的透镜，其中，所述通道(74；82)包括多孔材料的孔洞。
7.根据权利要求2所述的透镜，其中，第二腔(70)包括多孔材料的孔洞，所述一定体积的气体分散在所述孔洞中。
8.根据权利要求2所述的透镜，其中，第二腔(70)采用管的形式，管的一端(98)敞开于第一腔(61)中，管的相反端(99)是封闭的。
9.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述一定体积的气体包括一或多个气泡。
10.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述气体包括空气、一惰性气体或若干惰性气体的混合物，或是透镜中容纳的液体之一的蒸气。
11.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述一定体积的气体等于透镜内容积的5％至50％。
12.根据权利要求11所述的透镜，其中，所述一定体积的气体等于透镜内容积的10％至20％。
13.根据权利要求1所述的透镜，还包括一通过电润湿作用移动折射界面的系统。
14.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述结构包括第一和第二透明窗；一中间件，其将所述窗密封于其上，并且包括一中心开口，所述中心开口绕光轴(Δ)旋转对称，以限定出容纳着第一和第二液体的第一腔(61)。
15.根据权利要求14所述的透镜，其中，所述中间件还包括限定出一膨胀腔(70)的第二开口，所述膨胀腔连接着第一腔(61)并且容纳着所述一定体积的气体。
16.根据权利要求15所述的透镜，其中，所述第二开口包括一制作在所述中间件中的沟槽，所述沟槽绕光轴(Δ)旋转对称。
17.一种照相机模块，包括一根据权利要求1所述的透镜。
18.一种移动电话，包括一根据权利要求17所述的照相机模块。
19.一种制造电润湿可变焦距透镜(60)的方法，包括以下步骤(a)形成一局部封罩，其由第一封罩元件(64，66)构成；(b)用至少一种液体(67)充填局部封罩；(c)在局部封罩中形成一定体积的气体(72)，其中，所述一定体积的气体在穿过透镜的光线不经过的区域中接触所述液体；(d)用第二封罩元件(62)封闭局部封罩，以形成一密封的封罩。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，步骤(b)、(c)和(d)是在低于大气压的压力下执行的。
全文摘要
本发明涉及一种可变焦距透镜(60)，用于在沿一光轴(Δ)穿过透镜的光路中聚焦光线。透镜包括由下述部分构成的结构第一和第二不混溶液体(67，68)，它们具有不同折射率并且在一可移动折射光学界面(69)上接触，一定体积的气体(72)，其接触所述液体之一，一限定装置(70，74)，其用于保持所述一定体积的气体离开光线穿过透镜以便聚焦的光路。
文档编号G02B3/14GK1885066SQ20061009406
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月22日 优先权日2005年6月23日
发明者布鲁诺·贝尔热, 耶罗迈·珀瑟, 马蒂尔·马亚尔, 皮埃尔·克雷恩 申请人:瓦里奥普蒂克公司