液体透镜系统的制作方法
【专利说明】液体透镜系统
[0001 ] 本申请是2010年2月11日提交的发明名称为“液体透镜系统”的中国专利申请200880103090.X的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及根据专利权利要求的前序部分的光学系统。
【背景技术】
[0003]包含流体的可调整光学透镜系统是现有技术中已知的。
[0004]例如，在2007年5月公开的W007049058涉及具有可变焦距的透镜，该透镜包括附着有烧性膜(flexible membrane)的刚性圈(rigid ring)。刚性的透明前盖被附着到烧性膜和该圈的后表面上的刚性后盖。在挠性膜和后盖之间形成填充有液体的腔。可以调整该腔中的液体量以改变挠性膜的曲率，从而改变透镜的光学特性。可以在后盖和该圈之间设置第二挠性膜。
[0005]在2006年7月公开的US2006164731AA示出具有可变焦距的透镜的另一例子，其基于充液腔室(单元)。液体透镜单元由下述四个部分构成:即，透光的可膨胀膜(cleardistensible membrane)、透明的壁膜、保存在透镜单元腔室中的具有固定体积的液体、以及环形外围密封圈。类似于传统的可变光阑，环形密封圈的半径是可变的。通过调节环形密封圈的半径，将对透镜单元中保存的液体重新进行分布，从而改变可膨胀膜的曲率。一个缺点在于，液体透镜受重力和振动的影响。
[0006]在2006年2月公开的W006011937涉及具有至少一个挠性膜(被表示为第一分隔件)的流体自适应透镜设备(fluidic adaptive lens device) ο自适应透镜包括第一烧性光学透明膜。与该挠性膜耦合的第二分隔件是至少部分光学透明的。在挠性膜和第二分隔件之间形成第一腔。该透镜设备在该腔内包含流体。此外，该设备包括控制腔室中的压力或流体体积的装置，例如，涂有特氟隆(teflon)的螺杆。当流体介质的参数改变时，膜发生弯曲，并且透镜的光学性质改变。
[0007]在2003年5月公开的US2003095336描述主要用于校正或处方透镜的透镜布置。处方透镜与具有烧性膜和基体(base)的流体单元相邻。由于流体被泵入流体单元或从该流体单元泵出，所以整个透镜布置的校正能力(corrective power)改变。该设备仅仅有限地适合于小型化。
[0008]在1995年8月公开的US5446591披露了用于望远物镜的另一可调整透镜组件。该设备包括液体透镜元件，该液体透镜元件包含在相邻的玻璃透镜元件之间。液体被引入到相邻的玻璃透镜元件之间的间隙中，以形成液体透镜元件。
[0009]在1987年5月公开的US4890903涉及具有由挠性膜限定的腔室的可调整液体透镜或反射镜。挠性膜在张力下被支撑在一对弹性圈之间。第一流体介质填充腔室，在透镜的情况中，该第一流体介质具有与接触挠性膜的另一侧的第二流体介质不同的折射率。挠性膜的环形支撑件包括可相对移动的第一和第二构件，该支撑件的所述第一和第二构件以不漏流体的方式可调整地连接，从而，可通过将支撑件的一个构件相对于另一个构件以这样的方式移动来调整腔室的体积:改变第一流体介质中的压力，从而改变所述膜表面的形状。
[0010]在2002年10月公开的US 0154380 Al披露了充当电子机械可调凹透镜(electro-mechanicalIy tuneable concave lens)的微机械设备(micro-machineddevice) o透镜主体自身由包含导电透明电极(诸如铟锡氧化物)的介质和将具有不同折射率的两个区域分开的膜构成。通过将电压施加在透镜主体内的电极上，静电力作用在某些范围内的挠性电极上，其间的透镜主体的厚度减小，因此改变了光学性质。
[0011]在1998年5月公开的JP 144975 A描述了使用环形压电致动器(piezo actuator)的可调充液透镜。在致动器的内开口中，透明盖允许光通过，同时外缘(outer rim)以某一深度固定在刚性圈上。在该圈的中心，在压电致动器的相对方向上，挠性透明膜与致动器包围充液空间，并且，在将电压施加在致动器上的情况下，跨区体积(spanned volume)改变。随着改变该体积，膜在一个方向偏转，并且构成帽罩形(calotte-shaped)可调透镜。
[0012]在2005年10月公开的WO 096028 A也描述了使用环形压电致动器的可调充液透镜。这里，压电致动器的横向发生的偏转改变了圆柱形液体体积的直径。恒定体积的液体自身在具有相同的密度但不同的折射率的邻近的不溶混液体上产生压力。在将电压施加在压电致动器的情况下，液体界面的位置改变，并且产生可调透镜。
[0013]在1973年8月公开的GB 1327503 A描述了压电驱动的可调液体透镜。某一体积的液体在轴向方向上包围封闭的光学透明的圆柱形压电激励箱(piezoactive box) ο液体自身在一个顶部上被刚性箱包围，该顶部被弹性的透明膜封闭。通过在压电致动器上施加电压，改变内部体积，膜发生偏转，从而产生可调透镜。
[0014]在2006年7月公开的US 164731 Al描述了可调充液透镜，其中，通过机械地调节壁的直径，改变圆柱形腔室的体积。在轴向方向上，该系统被挠性膜封闭，从而允许在改变箱的直径的同时偏转。以这样的方式，可以容易地产生可调透镜。
[0015]在2008年2月公开的W008020356涉及可变焦距透镜。该透镜包括具有内腔室的容器。第一流体介质和第二流体介质设置在腔室中，并且被弯月面分开。用于控制弯月面的形状的弯月面控制系统包括第一控制元件和第二控制元件。第一控制元件与弯月面耦合，并且可以在与光轴基本上平行的方向上移动。第一控制元件和第二控制元件被配置为使用电场或磁场相互作用。内腔室可以是封闭腔室，而没有任何元件延伸通过腔室壁。因此，减少了流体介质从腔室中泄漏的可能性。由第一控制元件和腔室的侧壁之间的密封产生一个冋题。
[0016]现有技术中已知的光学透镜系统的一个缺点在于，它们具有复杂的带有用于交换流体的装置的设置(setup)，从而可以影响相对内部压力和体积。
【发明内容】
[0017]本发明的一个目的在于提供一种具有简单的、坚固的设置的改进的液体透镜系统。
[0018]与现有技术中已知的透镜系统不一样，根据本发明的透镜系统的实施例原则上是在外壳体的内部布置有至少一个主腔室的封闭系统。所述至少一个主腔室相对于至少一个附加腔室或外部处于由挠性膜限定的一侧。所述至少一个腔室通常全部填充有具有相同或不同的折射率的流体(气体和/或液体)，从而流体存在于相邻区域中。
[0019]根据在本发明的意义上的封闭系统，这样理解系统:其中，在正常操作期间，不与外部进行流体的交换(外部交换)是必要的。然而，如果合适的话，例如，出于膜的初始位置或形状的调整原因，可以与外部交换一定量的流体。通过挠性膜至少部分地相对于彼此限定至少两个腔室，从而限定包含在所述至少两个腔室中的流体。根据应用领域，膜可以被设计为一个连续膜或由具有相同或不同的机械和光学性质的部分(sect1n)构成的膜。通过致动器可调整流体之间的膜(阻挡层)的形状或偏转，从而可调整系统的光学性质，该致动器被机械地互连到至少一个膜或者被集成在至少一个膜中。在特殊的应用中，例如，如果有必要以平行的方式偏转阻挡层的话(例如，在相移应用中)，膜的一部分可以被形成为刚性部分。致动器可以全部被集成到透镜系统的外壳体中，或者可以至少部分地被布置在外部。通过基于库伦力作用在膜上的致动器，或者通过从外部作用在膜上的磁致动器，获得良好的结果。
[0020]透镜系统的一个实施例通常在膜的一侧包括几个腔室或区域，所述腔室和区域例如经由沟道或开口彼此互连，以与该系统交换各体积的流体，从而影响该透镜系统的光学特性。由于透镜系统内的腔室通常被填充恒定量的流体，所以可以补偿重力及其相关的局部变形，因为在一定的容差(tolerance)内流体压力在系统的任意地方都相同。与现有技术中已知的实施例不一样，根据本发明的光学系统通常不是位置相关的，并且，重力没有负面影响。由于使各体积的流体变形的至少一个致动器装置被集成到系统中，所以可以避免外部贮存器。另外，密封系统提供可以避免污染的优势。由于膜相对于其自身分开至少两个腔室或者相对于周围分开至少一个腔室，所以简单且高效的构造是可能的。不会出现现有技术中已知的密封问题。
[0021]根据本发明的透镜系统通常具有外壳体，该外壳体具有轴向地延伸通过壳体的中央主开口。开口可以至少在一侧上通过由诸如玻璃、塑料、弹性体或金属的光学活性(opticallyl active)或透明材料制成的刚性或烧性面板来被封闭。如果合适的话，几个透镜系统可以被排列成彼此相邻、且彼此光学互连。因此，有可能省略某些分隔面板。面板自身可以被成形为透镜，或者包括衍射、折射或反射结构。作为替换或补充的是，可能会预见其它的透镜影响光路，该透镜可以具有可变或固定焦距。
[0022]在某些实施例中，CCD-阵列(或类似的设备)可以被集成在透镜系统中，从而一起形成完整的模块。如果合适的话，模块合并电子电路，以控制系统的致动和聚焦(focus)并且/或者处理由CXD-阵列记录的图形信息。
[0023]如果合适的话，至少一个膜在张力下以拉伸和/或预拉伸的方式被布置在壳体的开口中，延伸穿过开口，从而在两个相对腔室中在轴向方向上分开开口。膜包含在致动期间通常反平行偏转的至少两个区域，并且，可以被预拉伸，并且/或者，可以由被填充到腔室中的相对流体量来确定形状。根据应用领域，可以存在多于一个的膜。在膜的外端，它通常被固定到外壳体。如随后更详细的解释，膜可以被拉伸和固定到附加的保持装置(环形保持框架)，该保持装置被布置在开口内，以限定某些区域。根据应用领域，膜至少部分地以非平面的方式布置。
[0024]膜通常被附着到附加的保持装置，从而具有较高的张力/应变的膜的区域可以与具有较低的张力/应变的膜的区域相邻。在制造透镜系统的过程中，可以实现此，因为膜被拉伸到第一程度，然后，被固定到例如框架状的保持装置。接着，将保持装置周围的膜的区域拉伸到第二程度。可以通过机械装置或热装置(例如，通过热气体或辐射)来进行拉伸。作为替换或补充的是，可以通过用流体填充至少一个腔室来确定膜的初始位置。
[0025]在透镜系统的实施例中，充当保持装置的环形保持框架被布置在壳体的开口内，其中，膜以同心的方式被附着到壳体的开口。膜被附着到环形保持框架。根据应用领域，布置在保持框架内的膜的区域通常被拉伸得比布置在保持框架和壳体之间的膜的外区域少。保持框架内的膜的区域就其光学特性而言是光学活性的、且可调整的。通过致动器调整透镜系统的光学特性，该致动器被直接或间接地互连到膜的光学活性部