可变焦距透镜的制作方法

专利名称：可变焦距透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及可变焦距透镜，其中焦点通过操控两种流体之间的弯 月面的形状来改变。特别是，本发明涉及磁润湿透镜，其中所施加的 磁场的变化引起弯月面形状的变化。可变焦距透镜一般包括流体腔， 所述流体腔含有第一流体和第二流体，这两种流体不混溶并在弯月面 上接触，笫二流体能够在磁场的影响下改变其形状，可变焦距透镜还 包括用于在流体腔的至少一部分上施加梯度磁场的装置。弯月面的形
状包括在施加梯度磁场下的曲度(curvature)，弯月面接触腔壁的恒 定接触角的物理要求使该曲度发生畸变，从而使得该曲度包含靠近腔 壁的高度畸变的笫一区域和远离腔壁的低度畸变的第二区域。
背景技术：
WO 03/069380公开了可变焦距透镜，其中用于调整弯月面的机制 是电润湿技术。在这种技术中， 一单元包含在弯月面上接触的两种不 混溶的液体，施加于该单元的电压的变化引起所述液体与该单元的壁 的接触角发生变化，这进而又改变了弯月面界面的形状，
在基于磁润湿单元的可变焦距透镜中，向该单元施加梯度磁场。 所存在的液体之一必须能够响应磁场而改变其形状以便引起弯月面曲 度的变化。这种流体例如可以是铁磁流体。在EP04102437. 3 (该申请 在本申请的优先权日尚未公开)中讨论了一种基于磁润湿的可变焦距 透镜。
通常将可变焦距透镜结合到空间非常宝贵或者成本是重要的考虑 因素的设备中。这种设备包括固态照明设备、光学设备、具有摄影能 力的移动电话、图像获取设备以及光学记录设备。
已知的基于磁润湿的可变焦距透镜的缺点是， 一施加梯度磁场透 镜就发生畸变，特别是透镜边缘发生畸变。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁润湿的可变焦距透镜，所述可 变焦距透镜具有较低级别的畸变。
根据本发明，通过提供一种基于磁润湿的可变焦距透镜来实现这 一目的，所述可变焦距透镜的特征在于，通过补偿壁部分来设置曲度 从而使得在高度畸变的第一区域中的曲度接近于在低度畸变的笫二区
域中的曲度的外推(extrapolation),
如果铁磁流体或者受梯度磁场影响的任何流体暴露于磁场中，那 么该流体受到在磁场强度增强的方向上的体积力(volume force),这 些力在产生磁场的载流线围附近最强在可变焦距透镜的情况下，最 强的力很可能被发现在容纳这些流体的腔壁处。换句话说，流体所受 的体积力(volumetric force)取决于跨过该腔的径向位置。磁力允 许流体的传送但是对流体(因此弯月面)与腔壁的接触角没有影响。
动，即，;的弯月面具有与起始位置交叉的i。通常:在一大量流体中
弯月面趋向于球形，当施加梯度磁场时朝着腔壁的方向从球形偏离。
总之，流体体积和接触角守恒的结合导致不必要的弯月面边缘行 为，该弯月面边缘行为在施加梯度磁场时减少有效的透镜面积。弯月 面形状的不规则，特别是接近于弯月面边缘的形状的不规则，会将畸 变引入透镜中。
根据本发明，包含流体的腔的壁在该壁可能与该弯月面接触的区 域被成形。所述壁通过数值计算以笫一近似的方式设计。根据不同的 界面张力首先计算出接触角。然后根据接触角限制、两种液体的恒定 体积的限制以及理想的弯月面形状的假设来计算出第一壁的形状。对 于该第一计算，可以将该弯月面的形状近似为球形。可以进行进一步 的计算，该计算考虑了大量的流体力，或者在给定的实际磁场下，在 笫一壁的形状的模型(prototype)上做试验，以进一步改进壁的形状。
在该壁上，接触角保持守恒(物理要求)。
壁的形状可以修裁以适合特别的应用或设备。壁的形状允许使边 缘处的理想弯月面形状更精确地守恒，由此更好地控制弯月面的整体 形状，同时使弯月面具有较少的不希望有的边缘畸变。(通过仔细地选 择流体和腔可以将实际接触角选择为所希望的值，接触角是本系统的 守恒特性)。因此可以更容易地、更加逐渐地调节所述弯月面界面的曲 度，并且具有比在直的腔壁的情况下更好的透镜形状。由于减少了边 缘效应，因此所述透镜形状也进一步延伸到元件两端，同时提供较大
的有效透镜面积。通过接触角和在弯月面接触该壁的位置处的壁的取 向来确定在零磁场梯度下的曲度。
对于90度的接触角来说，上面确定的壁的形状变得使球形弯月面 表面与弯月面曲度无关。因此，对于该特殊情况，总的表面能量与其 曲度无关。因此实际上所需要的改变该曲度的力、磁场和能量将会非 常低。但是，为了弯月面位置的稳定性，较好的是选择磁场不太小。 可替换地或者附加地，可以选择(稍微)偏离90度的接触角或者(稍 微)偏离理想壁的壁以获得充分的稳定性，
在本发明的另一实施例中，壁部分被细分为叠加在该壁部分的形 状上的可变局部形状的离散区域(discreet region)。代替可能的弯 月面位置的连续范围(spectrum),可以沿着该连续区(continuum) 以特定间隔设置一 系列阶梯。因此腔壁必须以这样的方式整体地成形 以使得允许接触角守恒以及存在的弯月面形状优点，如上所述，但也 存在另外的形状，其与弯月面的离散的、所希望的位置一致。这些另 外的形状可采用许多形式，例如楔形、迷你球形、半球形、棱锥，或 者能够在腔壁处形成弯月面的优选区域的任何其他形状。
可以想到的是，壁的离散化(discreetisation)将允许优选的弯 月面位置的小块区域(pocket )。为了在这些稳定状态之间移动，将需 要额外的能量，其比沿着连续区移动需要的更多。因此，这些离散的 位置得到了保护并且是稳定的。由于根据本发明的最优化的壁形状， 弯月面形状也比较少地倾向于边缘效应，因此在这些离散的位置处具 有较好的整体形状以及较大的有效透镜面积。离散的位置也可以有利 地防止弯月面界面的不必要的倾斜。通过使弯月面可用的多个位置的 连续区变窄，可以更精确地限定该弯月面在壁处的精确位置，因此在 整个腔上更精确地对准(但是所允许的公差变得更小)。还可以设想到 的是，具有这样一种情况，即接通磁场以提供足够的功率来将弯月面 移动到离散的位置，然后随着弯月面以稳定的方式被固定，切断磁场， 由此使弯月面限制在所希望的曲度和位置。这对于包含可变焦距透镜 的设备的功率损耗具有积极的好处，并且减少了该设备中的热效应。
在本发明的另一个实施例中，笫二流体包括铁磁流体。原则上， 在本发明中可以利用具有足够的磁矩的所有流体。但是，铁磁流体具 有另外的优点，即在梯度磁场中铁磁流体响应为均质磁流体，其移动
到最高通量密度的区域。该铁磁流体可以采用多相位流体的形式，其 中磁颗粒保持在胶状悬浮体中。
铁磁流体通常是在液体栽体中的子域(sub-domain)磁颗粒的稳 定胶状悬浮体。这些颗粒具有大约10n迈的平均尺寸，涂敷有稳定化的 分散剂(表面活性剂)，其甚至在向铁磁流体施加强磁场梯度时防止颗 粒凝聚 该表面活性剂必须与栽体类型匹配，并且必须克服颗粒之间 的范德瓦尔斯(vanderWaals)吸引力和磁力。胶体的和热的稳定性 对于许多应用来说是关键的，它们受表面活性剂的选择的影响很大。 通常的铁磁流体可以包含5%体积的磁固体、10%体积的表面活性剂， 以及85%体积的载体。
在本发明的另一个实施例中，用于施加梯度磁场的装置包括至少 两个独立的导电线團。通常利用由单个栽流线圈产生的磁场来实现在 可变焦距透镜中施加磁场。在接触角为90度以及在零磁场处在平坦弯 月面轮廓下的圆柱形壁的情况下，利用两个独立的线團使该弯月面从 凸面到凹面移动通过整个运动范围，由此增强设备性能。但是，之后 也获得了中间位置的稳定性。对于大大地偏离M度的接触角，单个线 圏就足够了。
可替换地，用于施加梯度磁场的装置可以采用在腔周围在弯月面 位置的区域中设置的成形的软磁材料的形式，其受到笫二均匀磁场的 磁化影响。
在本发明的另 一个实施例中，固态照明设备包括如在上面的不同 实施例中所描述的可变焦距透镜。该固态照明设备的一般目的是引 导、如果必要的话准直由该设备中简单的光源所辐射的主光线的宽空 间分布。特别地，其可以用于控制如在某个时刻在某个位置所需要的 光源的立体角。通过利用如在本发明中所描述的可变焦距透镜，可以 如所需要的那样控制所述光的立体角并且没有任何机械运动。透镜的 形状不太容易产生边缘效应，因此也都不太容易产生畸变。这非常适 合于与小型的现代固态主光源LED (发光二极管)结合使用。非常小的 尺寸也是可能的，即在l立方毫米的数量级。有利地，功率要求很低。 这种设备适合于用在不同的应用领域中，如汽车工业、交通灯、环境 照明。
在本发明的另一实施例中，如在上面的不同实施例中所描述的可
变焦距透镜可以结合到不同设备中。基本的透镜单元很小，在低电压 和功率下工作，不具有运动的机械部件，并且潜在地相对便宜。这种 单元能够在设备中取代常规透镜，如光学设备、图像捕荻设备或电话。


参考附图进一步描述本发明的这些和其他方面，在附图中
图l为如现有技术中已知的磁润湿可变焦距透镜的示意图。
图2是根据本发明的具有成形的腔壁部分的可变焦距透镜的本发 明实施例。
图3是用于固态照明设备的本发明的实施例。
图4是带有两个独立的导电线團的基于磁润湿的可变焦距透镜的 本发明实施例。
图5是根据本发明的包括在成形的壁部分上叠加的阶梯形壁部分 的本发明实施例。
具体实施例方式
图1图示说明了基于磁润湿原理的常规型式的可变焦距透镜。腔1 包含笫一流体2和第二流体3，这两种流体不混溶并经由弯月面4相 接触。第二流体3具有在有磁场的情况下其体测外形被变更的性质. 这种流体3可以是铁磁流体。弯月面4与腔1的一个或多个壁相接触。 在腔壁与笫一流体2和笫二流体3相遇处存在接触角5。此接触角5的 值取决于所选的流体2和3,以及取决于腔1的壁的性质(例如，壁是 否被涂敷，或者构成壁的材料的类型)。接触角5因此是系统的性质。 导电线團6在腔1的周围，设置在环绕腔1内的弯月面4的位置，所 述线圈6连接在电源电压7上。当电流在线圈6中流动时，产生作用 于腔1中的流体3的磁场。第二流体3易受磁扰的影响，第二流体3 受到使流体移动的体积力。第二流体3 (和笫一流体2)所占据的空间 发生变化，从而改变弯月面4的曲度。当施加的磁场强度增加时，弯 月面曲度变化更为显著。穿过腔1的光束8受第一流体2和笫二流体3 之间折射率变化的影响，还受弯月面4的曲度的影响。在图中所示的 布置中，该效果是向聚焦点9会聚光线。弯月面4的曲度越大，对光 束8的影响就越大。
因此，磁场强度的变化与可变焦距透镜的聚焦能力直接相关。但 是，磁场强度的变化还有其他的后果。不管弯月面4和腔1的壁之间
的接触点位于何处，接触角5守恒是系统的一个特征。当流体在施加 的磁场增强而使其畸变变得更大时，弯月面4的形状就越来越多地偏 离(所选的)相对平坦的起始位置。远离腔1的中部朝着与壁的接触 点的方向保持弯月面4的曲度的形状变得更加困难。弯月面的畸变在 靠近壁的位置最为显著。因此，可提供的有效透镜面积减少，影响了 透镜的性能。此外，由于进一步改变弯月面4的曲度变得更加困难， 所以所需的电能和功率的量也将增加。在包含可变焦距透镜的设备 中，该功率消耗既是有限制的又是不希望的。
通过实施本发明的实施例，可以保持该接触角，同时避免弯月面 形状、有效的透镜面积损失以及能量和功率消耗增大的问题。本发明 是要改变在磁影响下流体处于静止时或运动期间在弯月面4所接触的 位置处腔1的壁(外部或内部)的形状。当通过参考导致固定接触角 的第一流体2、第二流体3和壁材料或者涂层的特性以及腔1的尺寸来 设计系统时，可以计算(估算)所需的壁的形状。此目的是为了改进 在更多透镜面积上的透镜形状，同时允许弯月面4改变曲度。
图2中示出了本发明的一个实施例。透镜腔20提供有圆柱形的 壁，如该横截面视图中的21和22所示。腔20中存在第一流体"和 笫二流体24，第二流体24为铁磁流体。第一流体23和笫二流体24 在弯月面25上接触，图中示出了根据所施加的磁场(图中未示出)的 弯月面的六个可能的位置。弯月面25以特殊的接触角26与壁接触。 圆柱形壁21、 22分别包含特定的壁部分27和28。考虑到接触角26 的守恒、流体23、 24的体积守恒以及所希望的弯月面/ (多个)透镜 的形状，将壁部分27、 28形成为通过数值计算已经确定的形状，
在这个特殊的附图及实施例中，假定由流体和壁(涂层)所控制 的接触角是90度并且用半球(3D)和圆形的多个部分(2D)来近似弯 月面的形状。
图2示出的所有弯月面的位置由于壁的形状而在边缘处具有改进 的弯月面形状25，使得可能具有大的弯月面曲度而畸变较小，特别是 在弯月面边缘处，并且因此具有较大的有效透镜面积。
图3示出本发明的另一实施例，在该情况下涉及固态照明设备。 在该设备腔30中，存在第一流体31和笫二流体32,并且这两种流体 在弯月面33上接触。图3中示出了弯月面33的四个位置，但是沿着内壁的位置的连续区(如图中的截面34和35所示)也是有可能的。 接触角36在磁润湿透镜中在物理上是一个守恒量，因此对于每个弯月 面的位置该接触角都是相同的。
所述固态照明设备的一般目的是控制、通常是准直由简单的光源 37辐照的主光线的宽的空间分布。对于该图来说，所述主光源(未示 出)为发光二极管(LED)。对于"白色的LED"来说，将短波长(蓝 色)的LED嵌入在磷光体中，该辨光体产生所有颜色以近似白光，除 了 LED之外，光源37还可以包括基底(未示出)和电子设备(未示出)。 该电子设备还可以包括用于操控流经线闺的电流的控制电路(未示 出)，这些线團用于产生磁场以驱动和定位弯月面33。
在该图中，接触角36设定在90度，但这可以根据材料特性而选 择为另一个角度。通过内壁的设计形状使得与内壁相接触的线附近的 边缘效应减小，由此给出更佳的整体镜头性能。在磁场的影响下，弯 月面的运动产生不同的透镜曲度，因此会产生不同的光分布。
图4示出作用于可变焦距透镜的本发明的实施例。腔40包含两种 流体(在此未作标记)，其中之一是铁磁流体，这两种流体在弯月面 上接触。腔40还包括两个独立的导电线團41和42。在这里所考虑的 起始位置处，这两种流体之间的弯月面43处于如图所示的适当位置， 并且当遵守流体体积的守恒时是相对较平坦的。这里选择接触角44(经 过流体和壁或者壁涂层材料的选择)使得接触角是90度，同时流体体 积是这样的使得下面的流体将填充直到中线43，无论何时该弯月面将 是平坦的。另外，弯月面的形状全部假定为球形。但是，这不应被认 为是对其他接触角和弯月面形状的限制。在该图中，接触角44被选择 为90度，并且界面弯月面43定位在弯曲的窗口壁45的中间，所述壁 根据本发明来成形。当电流流过线圏41时，下部流体在腔40的壁附 近将向上移动(相对于起始位置)，同时因此在腔40的中心附近向下 移动，如箭头46所指示的。当流体在其新的位置时，由于壁45的曲 度和固定的接触角44，弯月面47在腔40的整个直径上将弯曲几乎为 球形。当电流流过线圈42时则会有相反的情况发生，位于腔40中心 的流体移动的最终产生的方向由箭头48指示，并且弯月面49具有如 图所示的位置。壁45的曲度确保获得最佳的透镜形状，从而具有最小 的畸变和有效面积的损失。可能的透镜形状的范围取决于流过线圈"或者42的电流。在该例子中，可能的透镜曲度主要取决于线闺的位置 而在较少的程度上取决于线團电流。在没有任何线團电流时起始位置 不一定是稳定的，因为在该例子中，在没有梯度磁场时所有的弯月面 曲度都具有相同的或者几乎相同的总能量。
图5说明本发明的整形(refinement)，其中透镜腔50的壁部分 已经特殊成形，并将其进一步设计成包括一系列的壁部分阶梯。腔50 形成可变焦距透镜，并具有存在的第一流体51和笫二流体52，第二流 体52是铁磁流体，并且受用于向腔50施加磁场的装置(未示出)的 影响，第一流体51和笫二流体52在弯月面53上接触。此处所示的弯 月面52设置在平衡位置上。如前所述，弯月面53位置的变化可以通 过施加于腔50上的梯度磁场的变化来实现。在图2中示出了类似的情 况，其中弯月面在连续的壁部分27上自由地移动，在腔50中存在等 效的壁部分54。这具有几个优点，因为需要较低的能量来移动弯月面 53以便实现透镜动作。然而，用这样宽范围的可能的弯月面位置，可 能难以控制在壁54上所有接触点处的精确的弯月面53位置，结果是 可能产生倾斜从而在透镜性能中引入像差。为了利用特殊成形的壁部 分54的优点，同时获得在弯月面位置上的更好控制，在该弯月面接触 腔50壁的区域上(在特殊成形的区域54上)将一系列的阶梯引入到 腔50的设计中。其中一些壁部分阶梯标记为55、 56和57，以便说明 本发明的原理，但是如图5中所详述的那样，壁部分阶梯的数量不限 于所标记的区域。
在此处考虑的起始位置，弯月面53的一部分与笫一壁部分55在 其顶点处接触。当向腔50施加梯度磁场时，由于第二流体52的局部 体积变化而迫使弯月面53移动。在这种情况下，在第一壁部分55处 的流体52将沿着壁部分55向下移动。最终其将接触第一壁部分"和 第二壁部分56之间的接合处。另外可通过壁部分55和56的特别成形 (extra shaping )或者通过局部地制备具有特殊涂层的表面来确保接 合处区域中用于弯月面53的优选位置。壁部分55、 56和57在图中以 一系列平坦的区域来说明，但是这些壁部分也可能采取楔形、小球形 或者能够形成用于弯月面53的低能态的局部化小块区域的其他形状。 利用在笫一壁部分55和笫二壁部分56之间的优选位置，施加于所述 腔的磁场的变化使弯月面53不是沿着壁连续地移动，而是在两个优选位置之间不连续地移动。用于弯月面53的笫三优选位置可通过引入 第三壁部分57而被增加，用最佳弯月面位置来设计作为引导路线 (guideline),并通过进一步增大所施加的磁场来达到。在该例子中， 流体系统的能量在六个平衡位置几乎或完全与透镜曲度无关仅仅在 平衡位置之间能量(此处是轻微地)较高，这有助于在磁场转换时使 六个可能的弯月面曲度中的每一个都稳定(平衡位置的数量根据系统 设计是可变的)。这样保持了由整个壁部分54所允许的能量和功率的 优点、增加透镜面积和改进透镜形状的优点(或者甚至通过一达到新 的平衡位置就切断磁场来改进)。在位置的连续区内，通过利用例如 较小的壁部分区域55、 56和57可以限定更优选的位置，该位置仍具 有良好的透镜特性，用于更精确地控制弯月面位置和倾斜。
附图标记列表
1. 腔
2. 第一流体
3. 磁场敏感的第二流体
4. 弯月面
5. 接触角
6. 导电线圏
7. 电压V
8. 光束
9. 聚焦点
20. 透镜腔
21. 圆柱形壁部分
22. 圃柱形壁部分
23. 笫一流体
24. 磁场敏感的第二流体
25. 弯月面 26接触角
27. 壁部分
28. 壁部分
w.有效透镜的宽度
30. 设备腔
31. 第一流体
32. 磁场敏感的第二流体
33. 弯月面
34. 内壁部分
35. 内壁部分
36. 接触角
37. 光源
40.腔
41独立的导电线團
42. 独立的导电线圈
43. 在起始位置的弯月面
44. 接触角
45. 弯曲的容器壁
46. 指示由于线圏41中的电流所产生的磁场而引起的流体移动的
箭头
47. 在线圏41的激励之后的弯月面曲度
48. 指示由于线團42中的电流所产生的磁场而引起的流体移动的
箭头
49. 在线圈42的激励之后的弯月面曲度
50. 透镜腔
51笫一流体
52. 磁场敏感的笫二流体
53. 弯月面
54. 成形的壁部分
55. 笫一壁部分
56. 笫二壁部分
57. 第三壁部分
权利要求
1.一种可变焦距透镜，其包括，包括第一流体和第二流体的流体腔，这两种流体是不混溶的并在弯月面上接触，第二流体能够在磁场的影响下改变其形状，还包括用于在流体腔的至少一部分上施加梯度磁场的装置，弯月面的形状包括在施加梯度磁场下的曲度，弯月面接触腔壁的恒定接触角的物理要求使曲度发生畸变，使得该曲度包含靠近腔壁的高度畸变的第一区域和远离腔壁的低度畸变的第二区域，其特征在于，该曲度通过补偿壁部分来设置，从而使得在高度畸变的第一区域中的曲度接近于在低度畸变的第二区域中的曲度的外推。
2. 如上面任一项权利要求所述的可变焦距透镜，其中所述壁部分 被细分成叠加在该壁部分的形状上的可变局部形状的小区域。
3. 如上面任一项权利要求所述的可变焦距透镜，其中第二流体包 含铁磁流体。
4. 如上面任一项权利要求所述的可变焦距透镜，其中用于施加梯 度磁场的装置包括至少两个独立的导电线圈。
5. —种固态照明设备，其包括如权利要求1至4中任一项所述的 可变焦距透镜。
6. —种光学设备，其包括如权利要求1至4中任一項所述的可变 焦距透镜。
7. —种图像捕获设备，其包括如权利要求1至4中任一项所迷的 可变焦距透镜。
8. —种光记录设备，其包括如权利要求1至4中任一项所述的可变焦距透镜。
9. 一种电话，其包括如权利要求1至4中任一项所述的可变焦距透镜。
全文摘要
本发明涉及基于磁润湿的可变焦距透镜以及相关设备，其中两种流体在弯月面之上接触，其中一种流体是磁敏感的。弯月面形状通过施加的磁场梯度来控制。在腔壁和弯月面之间的接触角是守恒的。对腔的内壁或外壁特殊成形同时使接触角守恒的实施方案导致可变焦距透镜的较好的透镜形状以及较低级别的透镜畸变。
文档编号G02B3/12GK101198888SQ200680021449
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月12日 优先权日2005年6月16日
发明者H·饭桑滕, J·鲁格罗克, M·A·H·范德阿 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司