專利名稱:流體自適應透鏡的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種光學透鏡,更具體涉及一種視力矯正透鏡和變焦透鏡,例如使用在各種光學系統(tǒng)中。
背景技術:
光學透鏡應用在各種裝置中可起到多種作用,例如改變焦距和放大率。許多常用裝置中所使用的光學透鏡采用固體材料制成,因此透鏡的光學性能(如焦距)長時間保持不變或基本不變。例如,用于視力矯正的鏡片一般用固體材料如玻璃和塑料制成。同樣,照相機以及其他光學系統(tǒng)例如顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、復印機、掃描儀等通常也使用固體透鏡。
盡管固體材料制成的透鏡通常穩(wěn)固而且可長時間保持其光學性能,但是使用這些透鏡也存在許多缺陷。對于視力矯正透鏡而言,例如視力矯正的程度在透鏡制造時就固定了。由于要為每個客戶特別制造透鏡,導致如今的鏡片不能以低成本批量生產(chǎn)。每個客戶對于他/她的視力矯正程度有著獨特的要求,因此在制造視力矯正透鏡前,客戶必須首先去看眼科醫(yī)生或驗光師來測量他/她的視力矯正程度。此外,根據(jù)處方的要求將玻璃或塑料制成精密形狀的透鏡也是一個相對高成本和低產(chǎn)量的過程。通常,需要幾天甚至是幾周的時間客戶才能夠拿到一副新眼鏡。與一些即用產(chǎn)品如太陽鏡相比,使用現(xiàn)有技術設計和制造的視力矯正鏡片十分昂貴而且制造復雜。
而且,現(xiàn)有用于眼鏡片的視力矯正透鏡沒有靈活性不能適用各種情況,這是佩戴者常常遇到的問題。例如,佩帶者的最佳視力矯正經(jīng)常變化,這取決于各種因素,比如人的年齡、人的生活方式、各種實際環(huán)境。因此,成年人通常每隔幾年就要更換他/她的視力矯正透鏡。而對于少年和青年而言,更換視力矯正鏡片則通常比成年人更為頻繁。
對于某些人,特別是50歲或50歲以上的人,需要對看近距離物體進行的視力矯正與需要對看遠距離物體進行的視力矯正有很大不同。為了通過單副眼鏡片提供不同等級的視力矯正,如今的許多眼鏡片使用雙焦距透鏡(或使用三焦距或其他多焦距透鏡),其中所用透鏡的不同部分提供不同的光學性能。然而這種雙焦距透鏡最好也不過是提供了一種麻煩的方法來解決如何在單副眼鏡片中提供不同等級的視力矯正的問題。傳統(tǒng)上,雙焦距透鏡由成對的透鏡部分形成,透鏡部分沿著整個透鏡的中線彼此鄰近放置或熔合。由于透鏡部分間的中線是一條明顯的邊界,其處于透鏡部分間,因此這種透鏡經(jīng)常在美觀上不滿足要求。
盡管可使用的新型雙焦距透鏡在美觀上更滿足要求,其在透鏡范圍內(nèi)分層,矯正程度隨著透鏡區(qū)域的變化而逐漸變化,因此透鏡不同區(qū)域間的明顯分界線就不存在了,然而這種新型雙焦距透鏡與傳統(tǒng)雙焦距透鏡一樣仍然存在著其他問題。具體來說,由于透鏡不同部分存在不同的視力矯正特性,佩帶者通過透鏡的視野在任何時間和地點仍然受到限制,只能在透鏡的特定部分范圍內(nèi)為佩帶者在時間/地點上提供適合的光學特性。
此外,雖然許多人不需要雙焦距透鏡,但這些人仍然希望他們的眼鏡能夠在不同的情況下提供不同的視力矯正量。例如,一個人在駕駛汽車或觀看電影時的最優(yōu)視力矯正量與這個人在閱讀或在電腦屏幕前工作時的最優(yōu)視力矯正量并不相同。
至少由于這些原因,因此很明顯在眼鏡中使用有著固定光學特性的固體透鏡存在許多方面的缺陷。固定光學特性的固體透鏡的使用帶來的缺陷并不僅限于將其用在眼鏡/風鏡中所帶來的缺陷。在許多裝置中使用帶有固定光學特性的固體透鏡,例如顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、復印機、掃描儀等,也存在相同的缺陷。
進一步,在使用組合透鏡彼此相互作用提供整體光學特性時,在系統(tǒng)中使用固定光學特性的固體透鏡會產(chǎn)生附加的缺陷。這些系統(tǒng)包括,比如變焦系統(tǒng),其中帶有兩個或者更多固定光學特性的光學透鏡,透鏡彼此相對移動從而改變構成變焦透鏡的組合透鏡的整體光學特性。因為系統(tǒng)中所用的單個透鏡的光學特性是固定的,所以組合透鏡的整體光學特性取決于其他因素,特別是單個透鏡間的相對位置。因此,為了使系統(tǒng)能提供理想的特性和功能,比如變焦透鏡系統(tǒng),必須使用復雜而昂貴的機械元件和域其他元件與技術而得到理想的效果。
具體涉及到變焦透鏡系統(tǒng),具備變焦功能的常規(guī)系統(tǒng)相比不具備該功能的系統(tǒng)通常要更貴并且更大/更重。變焦透鏡最重要的特征系數(shù)是變焦比。變焦比越高,系統(tǒng)造價越高。一般照相機的變焦比大約為3,而一些高檔的圖像系統(tǒng)的變焦比大于10?,F(xiàn)在,所有的光學變焦透鏡都可以通過改變形成整體變焦透鏡中單個透鏡間的距離,從而得到放大或縮小的功能。這涉及到在一個幾厘米的特定范圍內(nèi)的高度精密的機械運動。為了提供透鏡這種高精密、可靠的相對運動,通常需要復雜、緩慢、龐大而昂貴的機械系統(tǒng)。
取得變焦特性需要改變透鏡的距離已成為將變焦特性結合到許多新興應用的路障。許多現(xiàn)代“電子裝置”包括移動電話、個人電子助理(PDAs)、筆記本電腦安裝有CCD或CMOS照相機。將照相機結合應用到電子裝置已經(jīng)從一種新產(chǎn)品發(fā)展成為一種標準功能部件,并且現(xiàn)在許多裝置支持相關圖像功能,不僅包括成像功能還包括錄像、電視電話、電視會議功能。然而,將常規(guī)變焦透鏡結合到這些微小的電子裝置和他們的光學裝置中還是十分困難的。
因此,如果開發(fā)一種或多種新型透鏡和/或透鏡系統(tǒng)能夠克服上述討論的使用固定光學特性的固體透鏡帶來的缺陷,這將是有益處的。特別是,開發(fā)一種新型透鏡或透鏡系統(tǒng)應用到眼鏡中,能夠簡單而便宜的調(diào)整眼鏡的光學特性而不需要更換整個透鏡,這將是有益處的。如果透鏡的光學特征可以靈活在一個寬光譜范圍內(nèi)變化,而不是簡單限定非連續(xù)等級的數(shù)目而變化,這會進一步有益。如果透鏡光學性能的變化能夠應用整個透鏡中,比如透鏡的光學特性在使用透鏡眼鏡的佩帶者的整個視野范圍內(nèi)變化,而不是僅在一部分視野范圍內(nèi)變化,這也是有益處的。
如果這種新型透鏡或透鏡系統(tǒng)也可以應用或替代應用到使用透鏡的其他系統(tǒng)中,例如照相機、顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、光學記錄儀器、監(jiān)視設備、檢測設備、快速成像設備、軌道追蹤設備、復印機、掃描儀等,這會進一步有益。如果新型透鏡或透鏡系統(tǒng)能夠以一種方式應用到變焦透鏡系統(tǒng)中,這種方式能夠減少復雜機械系統(tǒng)對變焦透鏡系統(tǒng)中多透鏡的相對位置控制的需要,這也是有益處的。如果變焦透鏡系統(tǒng)使用新型透鏡或透鏡系統(tǒng)能夠簡單應用到一個或多個類型的物理微型部分“電子裝置”上,例如手機、個人電子助理(PDAs),或筆記本電腦上,這也是有益處的。
發(fā)明概述本發(fā)明人認識到常規(guī)眼鏡和光學系統(tǒng)中,包括使用多透鏡系統(tǒng)如變焦透鏡系統(tǒng)中所存在的上述多個缺陷,如果眼鏡或光學系統(tǒng)所使用透鏡的光學特性可以變化或自適應,就可以克服或減少這些缺陷。發(fā)明人進一步發(fā)現(xiàn)通過使用一個或多個透光的柔性薄膜/隔膜分別隔開多對流體介質,可以使得透鏡具有自適應的光學特性。通過適當改變一個或多個流體介質的壓力,導致薄膜位置和通過一個或多個流體介質各自進光量的變化,從而使得透鏡的光學特性發(fā)生變化。
具體來說,本發(fā)明涉及一種透鏡裝置包括一個透光且柔性的第一部件和一個連接第一部件的第二部件,其中第二部件的至少一部分是透光的,并且其中在第一部件和第二部件間形成一個第一空腔。透鏡裝置進一步包括一個位于空腔內(nèi)的第一流體介質,第一流體介質也為透光的,并且第一元件能夠控制流體介質的參數(shù)。其中當流體介質參數(shù)改變時,第一部件彎曲且透鏡的光學特性發(fā)生變化。
本發(fā)明還涉及到一種多透鏡裝置包括一個第一流體自適應透鏡,一個第二流體自適應透鏡,和一個中間結構連接第一和第二流體自適應透鏡,其中中間結構至少部分透光的。
本發(fā)明進一步涉及到一種制造流體自適應透鏡裝置的方法。該方法包括提供一個具有第一空腔的第一結構,其中第一空腔僅部分被第一結構所包圍,并且將一個第一柔性層以基本封閉第二空腔的方式安裝到第二結構上。第一空腔能夠注入第一流體因此第一結構、第一柔性層和第一流體相互作用形成流體自適應透鏡裝置。
本發(fā)明進一步涉及到一種使用透鏡裝置的方法。該方法包括使得透鏡結構提供一個柔性層和一個剛性結構,其彼此連接形成一個空腔,并且調(diào)節(jié)空腔內(nèi)流體的流體壓力而調(diào)節(jié)柔性層的彎曲程度。
附圖簡述
圖1顯示一副眼鏡,其中使用了流體自適應透鏡。
圖2a和2b以一種簡化圖的形式,分別顯示了一個凸狀流體自適應透鏡和一個凹狀流體自適應透鏡的剖面圖。
圖3a和3b以一種簡化圖的形式,更詳細的分別顯示了圖2a和2b中示例凸狀和凹狀流體自適應透鏡連同支撐結構的剖面圖。
圖4a和4b圖示了兩個剖面圖,其顯示了流體自適應透鏡保持外部形狀不變的其他示例實施例。
圖5以一種簡化框圖的形式,顯示一種可以應用在如圖2a和2b中透鏡的一種液壓循環(huán)回路。
圖6為一個簡化流程圖,顯示了圖5所示的液壓循環(huán)回路的制造過程示例步驟,該回路應用圖3a-3b中透鏡。
圖7以示意圖形式,顯示了應用至少一個流體自適應透鏡的變焦透鏡系統(tǒng)。
圖8顯示一個示例流體自適應透鏡的剖視圖,應用該透鏡能取得一個寬焦距變化范圍。
圖9為一個過程圖,顯示了圖8中的流體自適應透鏡的焦距在實施例中隨著流體壓力而變化的過程。
圖10a-10d以示意圖形式,顯示了構造一個透鏡結構的示例過程,該透鏡結構應用在變焦透鏡系統(tǒng)中的流體自適應透鏡中。
圖11、12a和12b顯示了其他透鏡結構示例實施例的三個剖視圖。
圖13a-13b、14a-14c和15a-15d顯示了雙透鏡結構示例實施例的剖視圖,該結構由圖11、12a和12b所示透鏡結構的不同種組合構成。
圖16為一個過程圖,顯示了一個示例變焦透鏡按照圖13-15中一個實施例作為前透鏡而提供的不同放大率;和圖17為一個簡化流程圖,顯示了一個如圖13a-13b所示雙透鏡結構的制造過程的示例步驟。
推薦實施例詳敘本發(fā)明涉及流體自適應透鏡的設計和構造,也涉及一個或多個這種透鏡在不同情況中的應用,例如在眼鏡和變焦透鏡系統(tǒng)中的應用。圖1-6大體涉及流體自適應透鏡用在眼鏡中的設計和實施,其能夠為視力矯正提供動態(tài)調(diào)整的能力。圖7-17大體涉及流體自適應透鏡及其這種透鏡的組合在變焦系統(tǒng)中的設計和實施,其可結合用于各種裝置中比如手機中的照相機,并且可提供不同的變焦能力而不需要使用復雜的機械設備移動多個透鏡彼此靠近或遠離。
盡管圖1-17具體涉及到自適應透鏡用于眼鏡和變焦系統(tǒng)中的設計和實施,但本發(fā)明也能使用這樣或類似的自適應透鏡用于各種其他裝置和情況中,包括例如一個寬泛種類的電子和其他裝置,比如顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、光學記錄儀器、條形碼掃描書、帶有近攝(或放大)功能的系統(tǒng)、監(jiān)視設備、檢測設備、快速成像設備、軌道追蹤設備、復印機、掃描儀、手機、個人電子助理(PDAs)、筆記本電腦、望遠鏡、放大鏡、光學測量儀器和其他需要透鏡的裝置。實際上,本發(fā)明僅涉及流體自適應透鏡的設計和實施,通常與這種透鏡的任何具體應用無關。本發(fā)明包含各種不同透鏡、透鏡結構和透鏡系統(tǒng)使用一個或多個不同光學特性的自適應透鏡。包括不同種透鏡類型,如凸透鏡、凹透鏡、凹-凸透鏡、正或負彎月面透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、雙凸和雙凹透鏡。
參看圖1、2a和2b,簡要顯示出示例流體自適應透鏡能應用在眼鏡中。圖1顯示一副眼鏡5其中具有兩個流體自適應透鏡6、7由鏡架8支撐。轉向圖2a和2b,這些圖中顯示了兩種不同類型的透鏡可以應用在圖1眼鏡5的透鏡6、7上。圖2a顯示出一個第一流體透鏡1的一般形式可以用于矯正遠視(遠視眼)。如圖,流體透鏡1是一個凸狀自適應視力矯正透鏡包含一個第一介質20為一種高指數(shù)流體,一個第二介質10為一種低指數(shù)流體,和一個柔性薄膜30(或隔膜)分隔這兩種介質。當高指數(shù)流體的壓力大于低指數(shù)流體的壓力時,柔性薄膜30彎曲朝向低指數(shù)一邊。與圖2a對比,圖2b顯示出一個第二流體透鏡2的一般形式可以用于矯正近視(近視眼)。如圖,流體透鏡2是一個凹狀自適應視力矯正透鏡包含一個第一介質22為一種高指數(shù)流體,一個第二介質12為一種低指數(shù)流體,和一個柔性薄膜32(或隔膜)分隔這兩種介質。當?shù)椭笖?shù)流體的壓力大于高指數(shù)流體的壓力時,柔性薄膜30彎曲朝向高指數(shù)一邊。
柔性薄膜30、32分別由各自介質對10、20和12、22的壓力差而產(chǎn)生變形。例如,如果高指數(shù)介質邊的壓力大于低指數(shù)介質邊的壓力,則薄膜彎曲朝向低指數(shù)介質,如圖2a所示,從而形成一個有效凸透鏡能夠矯正遠視(遠視眼)問題。另一方面,如果高指數(shù)介質邊的壓力不到低指數(shù)介質邊的壓力,則薄膜彎曲朝向高指數(shù)介質形成一個有效凹透鏡能夠矯正近視(近視眼)問題(參看圖2b)。
轉向圖3a和3b,分別顯示出示例流體透鏡36和46的剖面圖。顯示出透鏡36和46更詳細的示例結構,可分別作為如圖2a和2b簡要所示的凸狀和凹狀自適應視力矯正透鏡1、2。如圖,透鏡36和46每個包括一個片狀透明剛性材料31和41,分別具有一個第一流體介質32和42、一個第二流體介質33和43、和一個柔性薄膜(或隔膜)34和44。在本實施例中,盡管第二介質33、43顯示為透鏡36、46的外部空氣,但該流體介質也可以為其他流體(氣體或液體)。
此外,每個透鏡36、46分別包括一個側壁37、47,用來與各自透明剛性材料31、41一起支撐各自薄膜34、44。側壁37、47包圍他們各自的透鏡36、46,當從透鏡的前端看去其通常為圓形或橢圓形(透鏡也可以為其他形狀)。側壁37、47與薄膜34、44和透明剛性材料31、41一起分別限定空腔38、48,其內(nèi)部為第一流體介質32、42。側壁37、47也分別限定通道39、49,第一流體介質32、42通過該通道進入和離開空腔38、48。在某些實施例中,側壁37、47可以形成眼鏡5的鏡架8。如圖3a和3b所示,箭頭35、45分別代表介質32、42相對于空腔38、48的流動(或壓力)方向,從而分別形成合適凸狀和凹狀透鏡36、46。如圖,第一流體介質32傾向流入空腔38造成薄膜34向外膨脹,而第一流體介質42傾向流出空腔48造成薄膜44向內(nèi)收縮。
通過控制第一流體介質32、42流入和流出空腔38、48的量(取決于介質的壓力),可以改變透鏡36、46的光學性能。具體說,因為在本實施例中第二流體介質33、43是大氣中的空氣,通過施加正壓力到第一流體介質32上(例如壓力大于大氣壓),薄膜34就會如圖3a所示趨向向外膨脹,而通過施加負壓力到第一流體介質42上(例如壓力小于大氣壓),薄膜44就會如圖3b所示趨向向內(nèi)收縮。因此,透鏡36和46實質為同一透鏡,其在一種狀態(tài)下形成一個凸透鏡而在另一種狀態(tài)下形成一個凹透鏡。
盡管如圖3a和3b所示的透鏡36、46能夠作為透鏡使用(例如能夠造成光線聚集或分散),但并不推薦這些透鏡的結構。因為在這些實施例中薄膜34、44暴露在外部大氣和外部環(huán)境中,大氣壓變化、溫度變化和/或外部沖擊都會損傷或改變透鏡36、46的光學性能,所以這些透鏡會遇到可靠性、穩(wěn)定性(包括光學性能的偏差)和使用性的問題。特別對于圖3b中的凹透鏡46的情況而言,流體腔必須保持相對大氣壓為負壓,需要進行氣密設計,這比流體正壓的防漏設計更加難以取得和保持穩(wěn)定。因此,為了適合應用,一般只有使用高粘度且蒸氣壓非常低的流體介質時,透鏡36、46才能用于眼鏡,這限制了裝置的可制造性。
如圖4a和4b分別顯示的透鏡50和60,對于流體自適應透鏡作出的兩個改進設計能夠應用在眼鏡5的透鏡6和7中,相比圖3a-3b中的透鏡36、46,其在使用中更為堅固和穩(wěn)定。為了環(huán)境的影響最小化例如大氣壓的影響,透鏡50、60使用剛性材料構成透鏡全部(或接近全部)外表面。如圖,圖4a中的透鏡50具體包括兩個流體腔,而圖4b中的透鏡60包括三個流體腔。
參看圖4a,透鏡50包括幾個部件。首先,透鏡50包括一對透明、剛性外表面51(在透鏡的兩面上)能夠保持透鏡外部形狀不變,這與一般固體透鏡的情況一樣。此外,透鏡50包括一個柔性薄膜(或隔膜)54位于剛性外表面51之間,和一對側壁57相對于表面51支撐薄膜54。進而,一個低指數(shù)的第一流體介質52包容在一個第一空腔58中,空腔由薄膜54、一個側壁57和一個剛性外表面51所限定,并且一個高指數(shù)的第二流體介質53包容在一個第二空腔59中,空腔由薄膜54、另一個側壁57和另一個剛性外表面51所限定。透鏡50也包括分別延伸穿過側壁57的第一對和第二對通道55、56,并且該通道分別將第一和第二空腔58和59與流體貯存器連接起來(參看圖5)。在替換實施例中,通道55、56可延伸通過表面51而不是通過側壁57。在圖4a中,也存在一對通道55、56分別通到每個空腔58、59,在替換實施例中在一個或兩個空腔中可存在一個通道或存在多于兩個通道(或者,在某些情況下,僅僅是兩個空腔中的一個可以通過一個或多個通道連通)。
透鏡50可以應用作為圖2a的凸透鏡1或者作為圖2b的凹透鏡2,這取決于第一和第二流體介質52、53的壓力。當?shù)谝涣黧w介質52的壓力大于第二流體介質53的壓力時,薄膜54彎曲朝向空腔59并且裝置充當一個用于近視的凹透鏡。如果兩個腔室的壓力差相反,則透鏡充當一個用于遠視的凸透鏡。每個流體空腔58、59可以由一個或多個機械或電子的調(diào)節(jié)器控制,確定通過通道55、56流入或流出空腔的壓力、方向和速度。薄膜54的彎曲由空腔58、59中的壓力差來決定(也可能由薄膜本身的特性決定)。
由于透鏡50由剛性外表面51所構成,所以其外部形狀不變,不用考慮第一和第二空腔58、59中的第一和第二流體介質52、53的壓力差的具體大小/正負,并且也不用考慮大氣壓。因此,相對于圖3a-3b的透鏡設計,圖4a的透鏡50無需保持負壓形成凹透鏡,所以結構上無需氣密。由于空氣和流體的粘度相差好幾個數(shù)量級,因此做成防漏結構要比做成氣密結構要容易的多。最后,流體壓力差決定平面54的彎曲程度,由于大氣壓相同作用在流體介質53、53上,所以透鏡性質與大氣壓無關。另一方面,溫度改變通過熱光效應造成介質指數(shù)非常微小變化,這對眼鏡5沒有顯著影響。
對于圖4b中所示的透鏡60,這種透鏡包含兩個透明剛性外表面61,兩個柔性薄膜62位于外表面61之間,和三個側壁68相對于外表面61支撐薄膜62,其中一個側壁位于兩個薄膜之間而另兩個側壁分別位于兩個薄膜和兩個外表面之間。外表面61、薄膜62和側壁68限定出三個空腔,其中一個為內(nèi)部空腔70位于薄膜之間,另外兩個為外部空腔69位于薄膜的另一邊。低指數(shù)流體63注入到外部空腔69中,外部空腔由側壁68、薄膜62和兩個外表面61構成,高指數(shù)流體64注入到內(nèi)部空腔70中,內(nèi)部空腔由側壁68、兩個薄膜62構成。三個流體通道65、66和67(或為成對通道,或為成組通道)分別將各自空腔69和70與流體貯存器連接起來(參看圖5),流體貯存器數(shù)量上可為兩個(例如,一個貯存器用作高指數(shù)流體和一個用作低指數(shù)流體)或三個(例如,一個貯存器對應一個空腔)。
當高指數(shù)流體64的壓力大于低指數(shù)流體63的壓力時,透鏡60充當一個用于遠視的凸透鏡。而當壓力差相反時,透鏡充當一個用于近視的凹透鏡。由于透鏡具有剛性外表面61,這與透鏡50的情況一樣,因此透鏡60與透鏡50具有相同的穩(wěn)定性、可靠性和使用性。在替換實施例中,高指數(shù)流體可存入外部空腔69中而低指數(shù)流體可存入內(nèi)部空腔70中,或者空腔可與其他剩余空腔包含相同指數(shù)的流體或包含不同指數(shù)的流體。
參看圖5,顯示出一個控制流體壓力的示例液壓循環(huán)回路71,其中設有如圖3a和3b透鏡36、46所示的流體自適應透鏡。如圖,液壓循環(huán)回路71包括一個流體貯存器2,其通過第一閥門11連接到透鏡36/46中的一個通道39/49上。此外,流體貯存器2也通過小型真空泵3和第二閥門13與透鏡36/46的另一通道39/49相連。小型真空泵3(也可以和閥門11、13)由電路4控制。同時,壓力傳感器9接點連接到閥門11和透鏡36/46之間,可以檢測到透鏡中的壓力。根據(jù)電路4的指令,小型真空泵3運行可以由向貯存器2向透鏡36/46中泵送流體,或者替換的,由透鏡中泵送流體回到貯存器,假設這時候閥門13處于打開的狀態(tài)。流體也可以從透鏡中返回到貯存器(或著可能相反的方向),這取決于閥門11的打開和關閉狀態(tài)。
電路4控制液壓循環(huán)回路71可以采用各種類型中的任意一種,包括例如,微處理器、可編程邏輯裝置、硬連接電路、帶有程序化軟件的計算機裝置等。電路4可以根據(jù)程序指令運行,也可以替換的,響應接收的外部源指令而運行(例如,對使用者按下按鈕、接收的無線信號、和其他信號進行響應)。本實施例所顯示的,電路4可以接收壓力傳感器9有關透鏡36/46的實際壓力的反饋信號,并且根據(jù)反饋信號運行。同時,小型真空泵或調(diào)節(jié)器3可以采用各種類型,或者由各種其他泵送機械裝置。例如,小型真空泵或調(diào)節(jié)器3可以為蠕動泵、小型框架泵、壓電調(diào)節(jié)器、微型機電系統(tǒng)(MEMS)調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)節(jié)器、可調(diào)集成微型泵,例如2004年11月5號提交的美國準備專利申請第60/625419號,題目為“帶集成微型泵的可調(diào)流體透鏡”的文獻,在此引入作為參考。透鏡36/46的壓力也可以由聚四氟乙烯包裹的調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)。所有的回路71都可由電池提供能量或者通過其他方式供給能量,例如由線路或太陽能供給能量。
盡管液壓循環(huán)回路71顯示為與透鏡36、46中的一個相連,但液壓循環(huán)回路的這種類型、或幾個這種循環(huán)回路也可以用在圖4a和4b的相關透鏡50、60和其他流體自適應透鏡上。例如,兩個流體循環(huán)回路71可以用在透鏡50相關的兩個空腔上,兩個或三個流體循環(huán)回路可以用在透鏡60相關的三個空腔上。液壓循環(huán)回路71僅為示例,而本發(fā)明包括能調(diào)整透鏡36/46中流體介質的壓力的任何類型回路或其他機構。例如,取決于實施例需要,不必使用兩個閥門和通道將透鏡36/46空腔與貯存器2相連,在一些這樣的實施例中,對于相關透鏡僅需要一個包含入口和出口的通道和/或一個閥門。
參看圖6,一個流程圖73顯示出液壓循環(huán)回路制造過程的示例步驟,該回路例如圖5中這樣的液壓循環(huán)回路71,其使用例如圖3a-3b這樣透鏡36、46的流體自適應透鏡。相同的步驟也可以制造液壓循環(huán)回路控制如圖4a-4b中這樣的流體自適應透鏡。如圖,在開始過程后,在第一步驟23中,用塑料聚合物材料例如聚二甲硅氧烷或聚合脂(PDMS)制成一個開放的空腔??涨坏木唧w尺寸范圍直徑上大約從1毫米到幾厘米,而高度上大約從幾毫米的1/10到幾毫米。構成空腔的表面可理解為包括圖3a-3b中所示的剛性外表面31/41和側壁37/47。盡管空腔表面主要由塑料聚合物材料構成,但其剛度(特別是對應于外表面31/41的表面部分)可通過粘合塑料聚合物材料到薄(例如,150um)玻璃載片而得到增加。
在第二步驟24中,制成一個薄塑料聚合物的薄膜,同樣可通過使用PDMS制成。薄膜是柔性的(但不滲漏),因此薄膜可用來作為區(qū)域分離的隔膜,區(qū)域內(nèi)設置有不同屈光指數(shù)的不同流體介質。薄膜厚度根據(jù)要求一般為30到100um。每個空腔和薄膜可以使用軟平板印刷處理制成,如文獻“軟平板印刷”中所討論提到,作者Y.Xia和G.M.Whitesides(Angew.Chen.Int.Ed.Engl.37,550-575(1998)),在這里合并作為參考。下一步,在第三步驟25中,步驟24中制成的薄膜粘合到步驟23中制成的空腔上,形成一個封閉的空腔/腔室。粘合可通過氧等離子表面活化處理而實現(xiàn),如文獻“聚二甲硅氧烷(PDMS)彈性塑料中的三維微通道制造”中所討論提到,作者B.H.Jo et al(J.Microelectromech.Syst.9.76-81(2000)),在這里合并作為參考。當大批量生產(chǎn)時,可以應用標準工業(yè)生產(chǎn)方法例如噴射鑄造和壓鑄來制造這樣的透鏡。
接著,在第四步驟26中,一個或多個通道39/49形成在沿透鏡36/46的側壁/邊上,用作流體介質的進入和離開封閉空腔的入口和出口。盡管不是必須,但通常每個空腔設有兩個通道,一個構成當空腔內(nèi)流體壓力增大時的流體入口,另一個構成當空腔內(nèi)流體壓力減少時的流體出口。盡管通道一般設置在透鏡36/46的側壁上,但通道也可以替換的設置在空腔的其他表面上,甚至是薄膜上。進一步,在第五和第六步驟27和28中,一個或多個通道分別連接到流體貯存器和接通部件上。如上所述,貯存器用來貯存流體。接通部件可以包括,比如圖5中所示的每個微型泵3、閥門11、13和電路4,使得液體從空腔提供到貯存器和與之相反過程。最后,在第七步驟29中,將流體從貯存器引入到空腔中,這樣液壓循環(huán)回路制造完成,包含透鏡的液壓循環(huán)回路可以安裝到如圖1這樣一副眼鏡上/內(nèi)。
盡管圖6針對液壓循環(huán)回路的制造過程,其用來控制如圖3a、3b和5所示帶有一個空腔的流體自適應透鏡,但容易修改該過程用來制造如圖4a和4b所示的透鏡和相應控制其運行的液壓循環(huán)回路。例如,透鏡50可以按照圖6的步驟制成,并且此外,在步驟23中制成一個第二空腔并在步驟25中將第二空腔粘合到薄膜的一邊上,該邊與第一空腔的粘合邊相對。此外,控制透鏡50運行的液壓循環(huán)回路的制造包括在步驟26中第二空腔內(nèi)形成附加通道、在步驟27和28中,連接附加貯存器和接通部件、和在步驟29中引入第二流體介質。
同樣,對于圖4b所示的透鏡中存在三個空腔,其中一個位于兩個薄膜62之間,圖6的過程須進一步修改包括附加步驟(1)在兩個薄膜之間形成一個中間空腔(薄膜本身通常由側壁分隔),(2)兩個薄膜接著粘合到外部空腔上,和(3)合適位置形成通道,連接到貯存器和接通部件,和完成引入流體介質。應進一步明確的是,通常在多個空腔時,應當將折射指數(shù)不同的至少兩種不同流體從不同貯存器中引入到相應不同的空腔中。可以應用任何一種流體介質。例如,一種介質為折水,其射指數(shù)為1.3(例如消電離水)和另一種介質為油,折射指數(shù)為1.6??商鎿Q的另一種介質包括氣體介質,比如使用空氣。在替換實施例中,通道的形成也可以先于結合步驟25。
在眼鏡中使用流體自適應透鏡有許多優(yōu)勢,如上文討論有關圖2a-4b中透鏡(特別是圖4a和4b的透鏡)所述。流體自適應透鏡(和相關液壓回路)可以作為相同件大量生產(chǎn),其中每個單獨透鏡的矯正程度要在生產(chǎn)完成后進行設置。因此,設計要以制造角度提供基本低成本的解決方案。驗光師也可以仍然可以確定流體自適應透鏡的矯正程度,流體自適應透鏡也可以由眼鏡佩帶者自己液壓調(diào)節(jié)其矯正程度。這可以大量減少眼鏡佩帶者去看驗光師從而獲得新眼鏡處方的次數(shù)。新處方所得到的眼鏡的相關時間和花費也會顯著減少到最小,因為去看驗光師做視力檢查時,驗光師僅要簡單“調(diào)節(jié)”佩帶者的眼鏡而不是要求更換新眼鏡。
進一步,甚至在更換眼鏡時,患者都會受益于可調(diào)眼鏡的使用。假設他們現(xiàn)有眼鏡具有可調(diào)性,患者就不必在等待新眼鏡的期間忍受原來折衷的視力了。此外,因為流體自適應透鏡的矯正程度可以在一個寬范圍內(nèi)連續(xù)變化,因此使用這些透鏡可使驗光師能為眼鏡佩帶者提供更確切符合其需要的透鏡,而替代從一系列標準透鏡中選擇“最接近適合”佩帶者需要的透鏡。實際上,流體自適應透鏡分級更為詳細可代替驗光師為他們顧客確定處方時所使用的固體透鏡組,并且可使驗光師給出更為精確的處方。因此,流體自適應透鏡可用作驗光師的檢測設備。此外,流體自適應透鏡可以為那些需要雙透鏡(和三透鏡)的人消除任何不良的外觀效果。佩帶者僅需要佩帶單副眼鏡代替所使用雙透鏡眼鏡,該眼鏡可以根據(jù)佩帶者所處環(huán)境需要改變其光學性能,例如觸動佩帶者眼鏡上的“變光開關”。
為了估算圖4a中流體自適應透鏡50的調(diào)節(jié)程度,假設透鏡的直徑為20毫米。相比于人瞳孔從日照下為2毫米到黑暗中為8毫米的變化,作為眼鏡的透鏡直徑已足夠大。進而為了估算流體自適應透鏡50的調(diào)整程度范圍,可以假定低指數(shù)介質為空氣,折射率為1;高指數(shù)介質為水,折射率為1.33。利用射線跟蹤模擬程序和薄透鏡近似分析方法,我們可以得知流體自適應透鏡的最大正向調(diào)整程度和最大負向調(diào)整程度分別為12.8D(屈光度)和-12.8D。因此,自適應矯正透鏡總的調(diào)整范圍從-12.8D到12.8D,對應于未矯正視覺敏銳度為0.017分-1的遠視(遠視眼)和視覺敏銳度為0.022分-1的近視(近視眼)。
進一步,如果將硅酮油作為高指數(shù)介質(反射率為1.5)和水作為低指數(shù)介質,那么這樣的自適應透鏡總的調(diào)整程度范圍變成從6.4D到-6.4D,對應于未矯正視覺敏銳度為0.036分-1的遠視(遠視眼)和視覺敏銳度為0.042分-1的近視(近視眼)。如果將硅酮油作為高指數(shù)介質和空氣作為低指數(shù)介質,那么這種流體自適應透鏡總的調(diào)整程度范圍變成從19.2D到-19.2D,對應于未矯正視覺敏銳度為0.010分-1的遠視(遠視眼)和視覺敏銳度為0.016分-1的近視(近視眼)。盡管這些估算是對如圖4a這樣的自適應透鏡而作出的,但對于其他類型的自適應透鏡(例如,圖4b有著三個空腔63、64的透鏡60)也能容易的確定。也可以使用不同指數(shù)寬范圍的多種流體代替硅酮油、水和空氣使得透鏡具有多種光學特性,其光學特性可以由幾何光學原理容易分析得到。同樣,構成剛性外表面、側壁和柔性薄膜的特定材料也可以包括不同類型的塑料、丙烯酸和其他材料,并且可以根據(jù)不同的實施例而改變。
根據(jù)試驗觀測,可以確定流體自適應透鏡的其他一些方面的性能。具體說,可以確定流體自適應透鏡能夠動態(tài)控制每個透鏡的焦距、矯正程度、視野、光圈和數(shù)值孔徑,其作為透鏡內(nèi)流體壓力的函數(shù)。也可以確定流體自適應透鏡提供的圖像品質與其薄膜厚度不存在明顯的相關性。分辨率和圖像質量的損失一般在流體壓力低的地方由于焦距的增長超過特定長度而造成(其中,其他因素可對空腔內(nèi)薄膜的形狀造成不可忽略的影響)。這個問題可以通過使用更大剛度的薄膜解決,代價是造成更多功率消耗和需要最大功率的微型泵和調(diào)節(jié)器。假設使用的透鏡為一般圓形形狀,薄膜(除了由于沒有柔性而變平的情況)雖然會在靠近其中心處變得稍微扁平些,但其一般趨向于形成球形形狀。在至少一個實施例中,流體自適應透鏡具有PDMS的流體腔室,其覆蓋著60um厚的PDMS薄膜并粘合一個150um厚的薄玻璃載片,透鏡焦距和透鏡內(nèi)流體壓力的關系由下式確定Ln(f)=-0.4859Ln(P)+7.9069。
轉到圖7,按照本發(fā)明的特定實施例,兩個或多個流體自適應透鏡也可應用在需要多個透鏡的裝置中。圖7-16涉及流體自適應透鏡的不同種應用,其成組組合成變焦透鏡系統(tǒng)(和具體說,變焦透鏡系統(tǒng)應用在緊密電子和其他裝置中)。然而,本發(fā)明也可包括使用兩個以上多透鏡系統(tǒng)的其他實施例,其中透鏡系統(tǒng)的一個或多個透鏡為流體自適應透鏡而其他透鏡為普通、固定(或其他類型)的透鏡,并且透鏡系統(tǒng)可執(zhí)行除變焦功能以外的功能或附加變焦功能的功能。
具體參看圖7,如圖7以簡要形式示出一個雙透鏡光學變焦系統(tǒng)78適合應用在一個緊密電子裝置例如手機79中。如圖,透鏡系統(tǒng)78包括一個前透鏡72(靠近物體)和一個后透鏡74(靠近物體的像),由一段為常數(shù)的距離d相隔(稱為“透鏡間距”)。透鏡72、74之間通常存在一種光學介質76,取決于實施例需要其可為任何一種光學透鏡材料,包括例如空氣、玻璃、聚合體、或任何可穿透波長的附加物。為了簡單而又不失一般性,可以假設透鏡72、74都很薄,因此薄透鏡可通過解析法作近似處理。每個透鏡72、74的成像距離分別為l1和l2,其中后者被固定。通過分別改變透鏡72、74的各自焦距f1和f2而取得變焦(圖7所示這些和其他符號/變量用以描述雙透鏡光學系統(tǒng)78)。
通過常規(guī)透鏡分析,透鏡或透鏡系統(tǒng)的變量φ定義為各自透鏡或透鏡系統(tǒng)的焦度,其也等于各自透鏡或透鏡系統(tǒng)焦距f的倒數(shù)(相倒)。因此,每個透鏡72、74都具有自己的φ值(例如,分別為φ1和φ2),對于特定雙透鏡光學變焦系統(tǒng)78具有一個系統(tǒng)整體焦度φτ。這個量φτ為透鏡72、74的各自焦度φ1和φ2和其他參數(shù)的函數(shù),函數(shù)如下φ2=1l2+1+φ1×l1φ1×l1×d+d-l1---(1)]]>φτ=-dl2×(φ1+d-2l12d×l1)2-d2+4l1×l24d2×l12φ1+d-l1d×l1---(2)]]>等式1表示給定物體的物距和相距(分別為l1和l2)和透鏡間距d,則第二透鏡74的焦度φ2(也可以用透鏡的焦距f2)由第一透鏡72的焦度φ1唯一確定(也可以用透鏡的焦距f2)。進一步,等式(1)和(2)結合表示了,對于給定物體共軛,則這個雙透鏡系統(tǒng)的整體焦度(φτ)可以通過同時改變透鏡焦度φ1和φ2(或者替換的,同時的改變透鏡焦距f1和f2)而改變。比較起來,常規(guī)設計使用固定焦距(例如固體透鏡)必須依靠改變透鏡間距d和相距l(xiāng)2來調(diào)整系統(tǒng)的焦度。變焦比(ZR)作為衡量變焦系統(tǒng)價值的參數(shù),定義為能取得的最大的焦度和最小焦度的比值(例如,ZR=φmax/φmin,其中都為φτ的值)。從等式(1)和(2)中,很明顯對于給定物體的物距和相距,為了得到一個高變焦比必須盡可能的改變焦距。該原理和結論適用于變焦系統(tǒng)存在多于兩個的透鏡的情況。
盡管在理論上,使用任何類型的流體自適應透鏡通過改變焦距可實現(xiàn)變焦的原理,但實際上現(xiàn)有報道的可調(diào)或自適應透鏡并不存在足夠寬的調(diào)節(jié)范圍。例如,在液晶自適應透鏡中,透鏡孔徑為5mm左右的透鏡能得到的最短焦距大約為200mm,相應光圈數(shù)為40,其不足以提供明顯的變焦效果。理論分析和射線跟蹤模擬都表明高性能變焦系統(tǒng)只有在透鏡焦距連續(xù)變化相比透鏡孔徑在距離上大許多或者小很多的條件下才可以取得。換句話說,對于5mm的透鏡孔徑,可能需要得到焦距范圍從幾厘米到5mm或者更少,這比現(xiàn)有技術液晶自適應透鏡能得到的最短焦距還要小40倍。
進一步,假如不僅透鏡焦距可以變化而且透鏡“類型”可以在正向透鏡(具有正焦距與凸透鏡情況類似)和負向透鏡(具有負焦距與凹透鏡情況類似)之間使用或轉化,則能得到更高的變焦比。液晶自適應透鏡(至少在現(xiàn)在)還不能改變其類型。
根據(jù)本發(fā)明的實施例,雙透鏡光學變焦系統(tǒng)78(或類似系統(tǒng))在安裝有流體自適應透鏡時能夠得到足夠的高變焦比,而無需改變系統(tǒng)中分隔透鏡72、74的透鏡間距d的大小。通過使用流體自適應透鏡,不僅透鏡的72、74的焦距可以廣泛的變化或調(diào)節(jié),而且透鏡也可以變化或轉化他們的類型。圖8-17涉及可用在透鏡72、74和變焦系統(tǒng)78中的不同結構以及這些透鏡的制造方法。然而,本發(fā)明也包括通過本領域普通技術的自適應透鏡的方法實現(xiàn)的構造變焦系統(tǒng)的其他結構和制造方法。
圖8顯示了一個流體自適應透鏡75的示例部件結構,其可用在圖7的每個透鏡72、74中。如圖,透鏡75包括一個可變形/柔性薄膜(或隔膜)81連接在杯狀結構85的邊緣,其具有一個可容納流體透鏡空腔82裝有流體介質83。一個或多個(在這種情況下為兩個)通道84穿過杯狀結構85,使得流體介質83可從流體貯存器(未示出)進入空腔82或者從空腔82進入流體貯存器(未示出)。當空腔82內(nèi)的流體壓力改變時,薄膜的弧度改變并且因此透鏡形狀也發(fā)生改變,形成不同焦距。使用低楊氏模量(例如1M帕斯卡)的彈性聚硅酮基材料(例如PDMS)制成薄膜81,通過改變透鏡空腔內(nèi)的壓力(例如,空腔內(nèi)的壓力從負值變成正值)可使得透鏡的形狀發(fā)生很大改變甚至使得透鏡類型發(fā)生改變(例如,從凹狀或平面狀變成凸狀表面或與之相反的過程)。為得到焦距更大的變化范圍,可以使用高指數(shù)流體作為透鏡介質。在可見光的光譜范圍內(nèi),折射率為1.68高透光流體工業(yè)上是存在的。
圖9顯示透鏡75的焦距與不同透鏡介質的流體壓力的相互關系,透鏡介質即消電離水(n=1.33)和鉻酸鈉(n=1.50),假設透鏡孔徑為20mm。如圖,不僅透鏡75的焦距隨流體壓力的變化而變化,而且透鏡類型(例如,凹狀/負或凸狀/正)為負/正焦距值也可以隨流體壓力的改變而改變。值得注意的是,最小焦距(在正向透鏡時,對于水焦距為20mm對于鉻酸鈉焦距為14mm;在負向透鏡時,對于水焦距為-17mm對于鉻酸鈉焦距為-6mm)表明小于透鏡孔徑。如前文分析所述,使用一個或多個流體自適應透鏡,其焦距具有寬變化范圍并且透鏡類型具有可換性,可以得到高性能的變焦系統(tǒng)而無需改變透鏡間的透鏡間距。
構成透鏡72和變焦系統(tǒng)78其他部件所選材料的柔性,和特別是用來形成介質76所選材料的柔性,為構成“整體變焦系統(tǒng)”和薄片規(guī)模生產(chǎn)提供許多種可能性。圖10a-10d簡要顯示出一個應用在雙透鏡光學變焦系統(tǒng)78中的示例雙透鏡結構,是如何以低成本在一個示例薄片規(guī)模批量過程中進行制造的。如圖10a所示,選擇一塊厚度合適的透明基片91(例如,一塊玻璃基片或聚合體基片)并且兩個薄片92分別設有預先制成的空腔96。限定成空腔96的結構可以使用軟平板印刷過程(參考上文對圖6的討論)或模制過程制成。如圖10b所示,接下來兩塊薄片92以空腔96開口朝向基片外的方式粘合在基片92的對邊上。盡管每個薄片92顯示為包括兩個空腔96,但薄片也可以包括一塊空腔或者多于兩個的空腔,這取決于實施例。
進一步,如圖10c所示,提供兩塊手柄薄片94,每個分別帶有一個沿其邊設置的薄膜93。手柄薄片94為將薄膜93粘合到薄片92的邊緣95(和在本實施例空腔96內(nèi)的中間點上)上提供了機械支撐。粘合過程可包括氧等離子表面活化處理過程(參考上文對圖6的討論)或其他合適處理過程。最后,如圖10d所示,從薄膜93上除去手柄薄片94,留下完整的雙透鏡結構90,包括一個第一流體自適應透鏡體97面向物體,而一個第二流體自適應透鏡體98面向成像平面。多個雙透鏡結構90通過批量制法同時形成在單個薄片上(例如,單個薄片包括幾個基片91),這樣的雙透鏡結構通過切割薄片可彼此分離為單個雙透鏡結構。當?shù)玫絾蝹€雙透鏡結構90時,通過將雙透鏡結構90連接到流體系統(tǒng)(例如,連接到流體貯存器和調(diào)節(jié)元件上,如圖5所示)并且選擇透鏡介質填充到空腔96中,就可以將其應用到雙透鏡光學變焦系統(tǒng)上了。盡管圖10a-10d中沒有顯示出流體介質流入/流出相應空腔96的通道,但可以理解其設有這樣的通道(例如,在薄片92的邊緣95中形成切口或凹槽)。
圖10a-10d所示過程中重要的是要在形成第一和第二流體自適應透鏡體97、98的空腔96間存在良好校準性。由于雙透鏡結構90的所有材料都是透明并且式樣形成在大尺寸的薄片上,因此既可以用觸點校準器或用粘合機器的標準夾具(例如,由Karl Suss America,Inc of Waterbury Center,Vermont生產(chǎn)的粘合機器)取得常規(guī)幾微米的校準精度。假設空腔96進行合適的校準,則設置在硅酮手柄薄片94上的透鏡薄膜粘合到透鏡腔室就只需要涉及少量校準了。這里討論的處理過程能夠制造幾乎任何尺寸的變焦透鏡(例如,從小于0.1mm到幾厘米)適用于各種應用中。
通過圖10a-10d所示過程的方式,可以在高批量、低制造成本的基礎上制成雙透鏡光學變焦系統(tǒng)。然而,本發(fā)明也可包括各種不同于圖10a-10d的其他結構和制造過程,其使用一個或多個流體自適應透鏡構成變焦系統(tǒng)。通過不同種工藝方法制造不同結構,可以得到與結構90不同的各種類型流體透鏡結構來適應不同應用要求。例如,即使圖10a-10d的雙透鏡結構90適應于某些應用時,它也可能由于薄膜暴露在外部環(huán)境而不夠堅固(與圖3a-3b的透鏡36、46情況類似)。與此相反,圖11-16顯示了附加示例透鏡結構更能應用在裝置中,提高變焦系統(tǒng)的堅固性,較好的情況是透鏡薄膜不直接暴露在外部環(huán)境中,或更進一步較好的情況是透鏡薄膜包含在變焦系統(tǒng)機體內(nèi)部。
圖11、12a和12b顯示了附加流體自適應透鏡結構100、110和120可用于透鏡72、74中的任一個,從而構成雙透鏡光學變焦系統(tǒng)具有比圖10a-10d中的結構90更好的機械堅固性。圖11具體顯示了透鏡結構100包括兩個由剛性材料構成的外表面101,一個柔性薄膜102處于外部表面101之間并且通過剛性側壁103支撐其間。外表面101、薄膜102和側壁103包圍并分別限定出第一和第二內(nèi)部空腔105和106。側壁還包括流體通道104,使得位于外表面101和薄膜102之間的第一和第二內(nèi)部空腔105、106能夠通過該通道分別連接到流體貯存器(可能為相同的貯存器)和調(diào)節(jié)元件(未示出)。流體貯存器分別為各自空腔105、106提供第一和第二流體介質107、108。第一流體介質107的折射率(盡管不是必須的)通常和第二流體介質108不同,例如,第一流體介質的折射率低于第二流體介質。
對于圖12a和12b的透鏡結構110,每個這樣的透鏡結構包括一對柔性薄膜111位于一對剛性外表面112之間并且通過剛性側壁113支撐其間。在柔性薄膜112之間限定出一個內(nèi)部空腔114,而在每個薄膜和相對應的一個鄰近剛性外表面112限定出一個內(nèi)部空腔115。側壁113包括內(nèi)部和外部通道116、117,其允許流體介質分別進入/離開相應內(nèi)部空腔114和外部空腔115。盡管不是必須的的,但通常外部空腔115接收相同的流體介質而內(nèi)部空腔114接收的流體介質不同于提供給外部空腔的流體介質。具體在圖12a的透鏡結構110中,具有較低反射率的第一流體介質118提供給外部空腔115,而具有較高反射率的第二流體介質119提供給外部空腔114。在圖12b的透鏡結構120中,與此相反,具有較低反射率的第一流體介質118提供給外部空腔114,而具有較高反射率的第二流體介質119提供給外部空腔115。
圖11、12a和12b所示的流體自適應透鏡結構100、110和120每個包括由一個或兩個薄膜隔開的兩種介質,薄膜由空腔包含的介質之間的壓力差而產(chǎn)生變形。例如,如果高反射率流體介質空腔中的壓力大于低反射率流體介質空腔中的壓力,則薄膜彎曲朝向低反射率一邊從而形成一個有效的凸透鏡。相反的,如果低反射率流體空腔的流體壓力較高,則薄膜彎曲朝向高反射率這邊從而形成一個有效的凹透鏡。因此,流體自適應透鏡結構的類型(負向和正向)和流體自適應透鏡結構的焦距都可以通過對透鏡結構薄膜彎曲程度的動態(tài)控制而修改/調(diào)節(jié),這由薄膜邊相對的兩個空腔的流體壓力差(可能和薄膜自身的特性)而確定。在透鏡結構110和120的情況中,薄膜的彎曲在某種程度上由三個空腔中的每個空腔中的流體壓力而決定而不是僅由三個空腔中的兩個空腔的壓力而決定。
如上討論所述,由于圖11、12a和12b中的透鏡結構100、110和120具有的外表面為剛性,所以其結構對于外部干擾更能恢復原狀。如果這些表面需要抗反射包裹從而抑止不需要的反射光線時,這種結構也能夠使得制造過程更加容易。進一步,由于外表面101、112為剛性,即使空腔105、106、114和115之間的壓力差的大小或者正負發(fā)生改變,透鏡結構的外部形狀也不會發(fā)生改變。因此,這樣的透鏡結構100、110和120可以簡單串接形成雙透鏡光學變焦系統(tǒng)如變焦系統(tǒng)78和形成多透鏡光學變焦系統(tǒng)(存在多于兩個的透鏡),從而得到進一步增長的變焦率。每個流體空腔/腔室的壓力如上討論所述可以由機械、壓電、電磁、機電或其他調(diào)節(jié)器控制,并且每個薄膜的彎曲由兩個相鄰空腔的壓力差和薄膜的機械特性所決定(盡管所給透鏡存在三個腔室,所有三個腔室的壓力都可以影響薄膜的位置)。雖然可以使用不同種流體如流體介質107、108、118、119,但可以上述討論中理解出空氣(或其他氣體)也可以用作低指數(shù)介質。在使用空氣的特例中,單個空腔流體自適應透鏡可以通過移去低反射率介質的空腔而構成。
圖13a-13b、14a-14c和15a-15d顯示了示例雙透鏡結構122、124、126、128、130、132、314、136和138,其結構由相應于圖11、12a和12b中所述的不同對流體自適應透鏡結構100、110和120所構成。如圖,每個雙透鏡結構122-128包括一對透鏡結構100、110或120,其由一個位于該對透鏡結構之間的中間光學介質140所隔開。光學介質140可以采用各種類型,包括如上所述圖10a-10d相應基片91的類型,并且這樣介質為使得該對透鏡結構保持在一起提供了結構支撐,且簡單提供了透明、光傳導的介質。更具體說,雙透鏡結構122-138結合了透鏡結構100、110和120,如下所述。對于圖13(a)中的雙透鏡結構122,這種結構結合了具有同方向的兩個透鏡結構100,因此一個透鏡結構中的第二流體介質108位于靠近光傳導介質140,而另一個透鏡結構中的第一流體介質107位于靠近光傳導介質140。對于圖13(b)中的雙透鏡結構124,這種結構以相反方向的方式結合兩個透鏡結構100,因此,每個透鏡結構100的相同流體介質(本實施例所示為第一流體介質107)位于靠近光學傳導介質140。
對于圖14(a)、14(b)和14(c)中的雙透鏡結構126、128和130,對應的,這些結構分別結合兩個圖12(a)中的透鏡結構110,一個圖12(a)中的透鏡結構110連同一個圖12(b)中的透鏡結構120,和兩個圖12(b)中的透鏡結構120。對于圖15(a)和15(b)中的雙透鏡結構132和134,對應的,每個這樣結構結合一個圖11中的透鏡結構100和一個圖12(a)中的透鏡結構110,其中圖15(a)顯示的透鏡結構100為一個方向,而圖15(b)顯示的透鏡結構100的方向與圖15(a)方向相反。對于圖15(c)和15(d)中的雙透鏡結構136和138,對應的,這些結構分別結合圖11中的透鏡結構100與一個圖12(b)中的透鏡結構120,其中圖15(c)顯示的透鏡結構100為一個方向,而圖15(d)顯示的透鏡結構100的方向與圖15(a)方向相反。圖13a-13b、14a-14c和15a-15d僅為了顯示流體自適應透鏡100、110、120的示例排列方式,從而組成了示例雙透鏡結構可用于雙透鏡光學變焦系統(tǒng)中,例如上述討論的系統(tǒng)78,并且其他這樣的排列方式和其他流體自適應透鏡結構也應包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
轉到圖16,顯示為一個功能流體自適應透鏡光學變焦系統(tǒng)的性能特性,系統(tǒng)根據(jù)參考圖10a-10d所述過程進行設計和制造。系統(tǒng)使用水作為高指數(shù)介質,并且孔徑為20mm和像距為50mm。如圖,在像距為50mm處,最大放大系數(shù)與最小放大系數(shù)的比值對于物距為250mm和物距為1000mm時分別為4.6和4.2。這產(chǎn)生的變焦率大于3。
更一般的,為了估計變焦系統(tǒng)的變焦率,可以計算變焦透鏡的孔徑為3mm和1mm,假設水(n=1.333)作為高指數(shù)介質和空氣作為低指數(shù)介質。對于3mm孔徑變焦系統(tǒng),透鏡間距(d)為8mm并且成像面距離為5mm,可以得到變焦比大于4∶1。這樣的變焦系統(tǒng)具有大約45度的最大視野(FoV)。對于1mm孔徑變焦系統(tǒng),透鏡間距為8mm并且成像面距離為1.5mm,可以得到變焦比大于5∶1。這樣變焦透鏡的最大視野大約為17度。假設透鏡間距為8mm并且成像面距離為5mm,如果需要的話,可以以視野為代價得到一個大于10∶1的變焦率。最后,由于可調(diào)透鏡的薄膜半徑可調(diào)而具有一個球面表面形狀,因此會和固定球面透鏡一樣產(chǎn)生相同大小的像差。這種像差可以通過一個或多個非球面表面而消除,這通過光學系統(tǒng)設計在實踐中廣泛應用。
盡管參考圖10a-10d所示的制造過程并不能完全適用于構造圖11、12a和12b所示的透鏡結構100、110和120或構造圖13a-13b、14a-14c和15a-15d所示的雙透鏡結構,但許多制造這些透鏡結構的方法是可行的。例如,圖17提供的一個流程圖140顯示了一個示例過程用于構造透鏡結構100和一個應用一對透鏡結構100的雙透鏡結構122。在開始過程后,在第一步驟141中,兩塊分離的透明基片構成空腔??涨坏闹睆娇梢杂蓭装傥⒚椎綆桌迕?,這取決于其應用,并且空腔的厚度(深度)可以從幾百微米到幾毫米的范圍內(nèi)。在第二步驟142中,構成一個薄聚合體薄膜。薄膜的厚度通常在十幾微米到100um的范圍內(nèi)并且薄膜在受力時具有彈性,因此可以用于作為柔性隔膜分離裝有不同反射率介質的空腔。
進而,在第三步驟143中,第二步驟中所形成的聚合體薄膜的相對邊分別粘合到第一步驟中所形成空腔的基片塊上從而形成兩個封閉空腔,每個空腔位于薄膜的一邊上。接著,在第四步驟144中,一個或多個通道形成在每個空腔的側壁上為流體介質提供進口/出口(在一些實施例中,給定通道或孔作為進口和出口,而在其他實施例中,提供專用通道既作為進口又作為出口)。接著,在第五步驟145中,進口和出口連接到一個或多個流體貯存器(通常在這種情況下,第一和第二貯存器裝有第一和第二流體介質)。進一步,在第六步驟146中,結合一個或多個調(diào)節(jié)器元件控制流體介質進入或離開空腔(例如,通過改變流體介質的壓力)。如上所述,這些調(diào)節(jié)器元件可以采用多種類型中的任何一種,例如,流體微型泵、壓電調(diào)節(jié)器、微型機電系統(tǒng)(MEMS)調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)節(jié)器、聚四氟乙烯包裹的調(diào)節(jié)螺釘、或其他類型的調(diào)節(jié)器元件用來控制并設置每個流體腔室的壓力。
接著,在第七步驟147中,兩種不同折射率的流體介質提供給各自空腔。例如,一種介質是折射率為1.3的水并且另一種介質是折射率大約為6的油(在替換實施例中,流體介質可具有相同的折射率)。這樣就完成了一個透鏡結構100的構造。為了形成雙透鏡結構122,如第八步驟148所示,步驟141-147將會重復第二遍用來產(chǎn)生一個第二透鏡結構100。當兩個透鏡結構100制成后,接著在步驟149中兩個透鏡結構安裝到一個光學介質上,使得光學介質140位于兩個透鏡結構之間,例如如圖13a和13b所示。如上所述,例如,光學介質可以是一個固體透明具有一定厚度的基片(例如玻璃薄片或聚合體基片)。這樣就完成了圖13a和13b中的一個雙透鏡結構122、124的制造過程。
制造圖11中的透鏡結構100和圖12a-12b中的透鏡結構110、120的其他的過程也是可行的,制造圖13a-13b、14a-14c和15a-15d中的雙透鏡結構的其他過程也是如此。制成后,整個光學變焦系統(tǒng)使用雙透鏡結構能夠形成圓柱管狀,直徑為幾毫米并且長度大約為一厘米。這種裝置可以方便的安裝在許多手持或袖珍裝置中。變焦系統(tǒng)在某種程度上可以制成緊密安裝件能更新商業(yè)光學系統(tǒng),使得許多產(chǎn)品例如眼鏡或護目鏡具有變焦功能而成為可能。
應該特別注意的是,本發(fā)明并不僅限于實施例和這里包含的說明,而應包括實施例改變類型,包括實施例的部件和不同實施例部件的組合,如下面權利要求書的范圍所述。
權利要求
1.一種透鏡裝置包括一個第一部件為柔性且透光一個第二部件連接到第一部件上,其中第二部件的至少一部分是柔性且透光,且其中第一空腔形成在第一部件和第二部件之間;一個第一流體介質位于該空腔中,第一流體介質也為透光;和一個第一元件能夠控制流體介質的參數(shù),其中當流體介質參數(shù)改變時,第一部件彎曲且透鏡的光學特性發(fā)生變化。
2.如權利要求1所述的透鏡裝置,其中第一部件為柔性薄膜,其由薄塑性聚合體與柔性、透光材料中至少一種構成。
3.如權利要求2所述的透鏡裝置,其中第一部件由聚二甲硅氧烷構成。
4.如權利要求1所述的透鏡裝置,其中第二部件為剛性部件,其由塑料與至少部分透光的材料中至少一種構成。
5.如權利要求4所述的透鏡裝置,其中第二部件包括至少一個通道,使得第一流體介質進入和離開至少一個空腔。
6.如權利要求4所述的透鏡裝置,其中第二部件包括第一部分,當?shù)谝徊考幱诜菑澢恢脮r其延伸平行于第一部件,并且也包括第二部分延伸基本垂直于第一部件。
7.如權利要求6所述的透鏡裝置,其中空腔基本上為圓柱形,第二部分圍繞空腔形成一個基本上圓柱形的側壁,并且第一部件和第二部件的第一部分分別形成空腔的第一和第二圓柱底壁。
8.如權利要求1所述的透鏡裝置,其中柔性薄膜的一個第一邊靠近第一流體介質而柔性薄膜的一個第二邊靠近第二流體介質。
9.如權利要求8所述的透鏡裝置,其中第二流體介質為大氣中的空氣。
10.如權利要求8所述的透鏡裝置,進一步包括一個第三部件,其連接第一部件、第二部件中至少其中之一,和一個中間結構連接第一部件和第二部件中至少其中之一。
11.如權利要求10所述的透鏡裝置,其中一個第二空腔形成在第三部件和第一部件之間,其中第一部件基本上在第二和第三部件之間延伸,并且其中第二流體介質位于第二空腔內(nèi)。
12.如權利要求11所述的透鏡裝置,進一步包括一個第二元件能夠控制第二流體介質的第二參數(shù),并且其中第一和第二裝置每個包括至少一個調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器從小型固定泵、壓電調(diào)節(jié)器、微型機電系統(tǒng)(MEMS)調(diào)節(jié)器和聚四氟乙烯包裹螺釘?shù)募现羞x擇,來控制并設置流體壓力和容積。
13.如權利要求11所述的透鏡裝置,其中第三部件為剛性,并且第二和第三部件基本上圍繞第一部件因此將第一部件與外部環(huán)境隔開。
14.如權利要求10所述的透鏡裝置,進一步包括一個第四部件,其連接第三部件,其中第三空腔形成在第三部件和第四部件之間,其中第三部件基本上在第一和第四部件之間延伸,并且第一流體介質、第二流體介質和第三流體介質中至少其一位于該空腔內(nèi)。
15.如權利要求14所述的透鏡裝置,其中第三部件通過一個為中間側壁的中間結構連接到第一部件上,并且其中第三部件為一個柔性薄膜。
16.如權利要求15所述的透鏡裝置,其中第一和第三部件的彎曲取決于第一、第二和第三空腔內(nèi)流體介質的相關壓力。
17.如權利要求15所述的透鏡裝置,其中該透鏡裝置能夠用來作為凸透鏡、凹透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、凹-凸透鏡、雙凸和雙凹透鏡的至少其中一種。
18.如權利要求17所述的透鏡裝置,其中該透鏡裝置能夠用來作為凸透鏡、凹透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、凹-凸透鏡、雙凸和雙凹透鏡的至少其中兩種。
19.如權利要求1所述的透鏡裝置,其中透鏡裝置能通過元件控制得到一定范圍的焦距。
20.一種眼鏡,包括如權利要求1所述透鏡裝置。
21.一個系統(tǒng),包括如權利要求1所述透鏡裝置,其中系統(tǒng)為照相機、顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、光學記錄儀器、監(jiān)視設備、檢測設備、快速成像設備、軌道追蹤設備、復印機、掃描儀、變焦透鏡系統(tǒng)、手機、個人電子助理、計算機、放大鏡和視力矯正裝置的至少其中一種。
22.一種多透鏡裝置,包括一個第一流體自適應透鏡;一個第二流體自適應透鏡;和一個中間結構連接到第一和第二流體自適應透鏡,其中中間結構至少部分透光。
23.如權利要求22所述的多透鏡裝置,其中第一和第二流體自適應透鏡每個包括至少一個柔性薄膜和至少一個剛性表面,其一起限定出至少一個空腔裝有至少一種介質。
24.如權利要求23所述的多透鏡裝置,其中第一和第二流體自適應透鏡每個包括一個或兩個柔性薄膜。
25.如權利要求22所述的多透鏡裝置,其中至少一種流體介質的至少一個參數(shù)通過供應流體流量和改變流體壓力的至少其一的方式控制。
26.如權利要求25所述的多透鏡裝置,其中通過控制至少一個參數(shù),至少一個薄膜發(fā)生的彎曲而改變至少一個透鏡焦距和透鏡類型。
27.一種變焦系統(tǒng),包括如權利要求22所述的多透鏡裝置。
28.一個系統(tǒng),包括如權利要求27所述的變焦系統(tǒng),其中系統(tǒng)為照相機、顯微鏡、視頻監(jiān)視器、錄象機、光學記錄儀器、監(jiān)視設備、檢測設備、快速成像設備、軌道追蹤設備、復印機、掃描儀、變焦透鏡系統(tǒng)、手機、個人電子助理、計算機、放大鏡和視力矯正裝置的至少其中一種。
29.一種制造流體自適應透鏡裝置的方法,包括提供一個具有第一空腔的第一結構,其中第一空腔被第一結構僅部分的包圍;將一個第一柔性層以基本封閉第一空腔的方式安裝到第一結構上;其中第一空腔能夠注入第一流體使得第一結構、第一柔性層和第一流體相互作用形成流體自適應透鏡裝置。
30.如權利要求29所述的方法,進一步包括在第一結構和第一柔性層至少其一上構造至少一個通道,使得第一流體與相應空腔相互連通。
31.如權利要求30所述的方法,進一步包括將至少一個流體貯存器和至少一個調(diào)節(jié)器連接到至少一個通道上,使得第一流體與相應第一空腔互相連通;并且將第一流體接通到第一空腔內(nèi)。
32.如權利要求29所述的方法,其中第一結構和第一柔性層至少其一包括至少一個通道,因此第一柔性層和第一結構彼此安裝,除了至少一個通道以外而封閉第一空腔。
33.如權利要求29所述的方法,進一步包括將第一結構附加在一個中間基片的一個第一邊上,并且將第二結構附加在一個中間基片的一個第二邊上,其中第一和第二透鏡裝置和中間基片可以一起作為一個變焦透鏡系統(tǒng)。
34.如權利要求29所述的方法,進一步包括使得第二結構具有一個第二空腔,其中第二空腔被第二結構僅部分的包圍;將一個第一柔性層以基本封閉第二空腔的方式安裝到第二結構上。
35.如權利要求34所述的方法,其中附加結構包括第二空腔和一個第三空腔。
36.一種使用透鏡裝置的方法,包括使得透鏡結構提供一個柔性層和一個剛性結構,其彼此連接形成一個空腔;并且調(diào)節(jié)空腔內(nèi)流體的流體壓力而調(diào)節(jié)柔性層的彎曲程度。
37.如權利要求26所述的方法,其中調(diào)節(jié)流體壓力使得焦距和透鏡類型至少其一發(fā)生變化。
全文摘要
本發(fā)明描述了流體自適應透鏡裝置和系統(tǒng)中使用這樣透鏡裝置,例如眼鏡和變焦系統(tǒng),和制造和使用這種透鏡裝置的方法。在一個實施例中,流體自適應透鏡包括一個為柔性并且透光的第一部件和一個連接到第一部件上的第二部件,其中第二部件的至少一部分是柔性且透光,且其中第一空腔形成在第一部件和第二部件之間。透鏡裝置進一步包括一個第一流體介質位于該空腔中,第一流體介質也為透光,一個第一元件能夠控制流體介質的參數(shù)。當流體介質參數(shù)改變時,第一部件彎曲并且改變透鏡的光學特性。
文檔編號G02B1/06GK101069106SQ200580017750
公開日2007年11月7日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權日2004年3月31日
發(fā)明者育娃·羅, 德英·張 申請人:加利福尼亞大學校務委員會