專利名稱：光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件。諸如透鏡、快門和光闌(diaphragm)的光學(xué)元件用于諸如照相機(jī)的光學(xué)裝置中。
背景技術(shù)：
諸如第三代移動(dòng)電話的移動(dòng)多媒體裝置中照相機(jī)的出現(xiàn)，使得提供輕便小巧并提供良好的光學(xué)特性的光學(xué)元件成了研究的重點(diǎn)。最終，發(fā)展了所謂的流體聚焦透鏡。
例如，美國(guó)專利US 69449081揭露了一種光學(xué)元件以及使用該元件的光學(xué)裝置。該光學(xué)元件具有第一流體和導(dǎo)電或極性的第二流體，該第一流體和第二流體彼此互不混溶，并且被限定在第一支撐體和第二支撐體之間密封的空間內(nèi)。該第一流體和該第二流體的透光率互不相同。通過(guò)改變施加至該第二流體的電壓，可以改變?cè)摰谝涣黧w和該第二流體之間的界面形狀，從而改變通過(guò)該光學(xué)元件的光量。
這種透鏡被稱為電潤(rùn)濕透鏡，在常規(guī)操作中具有相對(duì)低的能量消耗，并且對(duì)電壓的變化反應(yīng)靈敏。然而，為了改變?cè)搩闪黧w間的關(guān)系，該電潤(rùn)濕透鏡需要巨大的轉(zhuǎn)換電壓，這就限制了兩流體間彎月半徑能夠獲得的變化。
日本專利申請(qǐng)公開62-105125揭露了一種光闌，該光闌具有磁性流體和嵌入并堅(jiān)固地封閉保存在透明容器內(nèi)的透明液體。隔離物位于中央部分，該隔離物和該透明容器由具有相同質(zhì)量或相同光學(xué)特性或相同組成成分的物質(zhì)構(gòu)成。軸向被磁化的環(huán)形磁體與該容器同軸地相鄰配置，且環(huán)形線圈同軸地配置在該容器的外圍部分。當(dāng)該線圈不導(dǎo)電時(shí)，該磁性流體受該磁體的磁場(chǎng)作用，成環(huán)狀地固定在該外圍部分的較低端，并且當(dāng)DC電流流過(guò)線圈時(shí)，在軸向產(chǎn)生了磁場(chǎng)，且該環(huán)狀固定的磁性流體開始變形，并向著軸中心進(jìn)行延伸，且具有了光闌效應(yīng)。
該專利申請(qǐng)的光闌具有許多缺點(diǎn)，主要在于它的設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，并且作為其結(jié)果的裝置在其應(yīng)用領(lǐng)域是有限的。它具有固定的磁體和產(chǎn)生相反磁場(chǎng)的線圈，并且在流體箱內(nèi)提供有中央隔離物，所有這些都導(dǎo)致該裝置在制造時(shí)難度較大并且成本較高。該裝置本身只能作為光闌使用，而不能用作透鏡或快門使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種光學(xué)元件，包括流體箱，該流體箱具有側(cè)面部分和末端部分，并且容納有第一流體和第二流體，這些流體互不混溶，并且第二流體可以受磁場(chǎng)的影響，還包括在該流體箱的至少一部分上提供磁場(chǎng)的裝置，其中該流體箱的末端部分僅僅通過(guò)該側(cè)面部分連接在一起。
根據(jù)本發(fā)明，可能提供一種能夠提供多種光學(xué)功能的光學(xué)元件，其制造上相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)，并且在操作中不需要電潤(rùn)濕流體聚焦透鏡的大的電壓。由于該流體箱的末端部分只通過(guò)側(cè)面部分連接在一起，使得穿過(guò)該流體箱寬度的光路不會(huì)出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象。
優(yōu)選的，該流體箱的末端部分基本上是平的。對(duì)于流體箱這是最簡(jiǎn)單的一種布置，最容易制造，并且可以保證通過(guò)該流體箱的光路中的中斷最少。
在一個(gè)有利的實(shí)施例中，第二流體與該流體箱的第一末端部分接觸，并且該磁場(chǎng)可以使第二流體移動(dòng)，從而使得第一流體和該第一末端部分接觸。這支持了該光學(xué)元件作為光闌的應(yīng)用。
有利的，該流體箱的一個(gè)末端部分與該第一流體相排斥，或該流體箱的一個(gè)末端部分具有與第一流體相排斥的涂層。通過(guò)排斥第一流體，在磁場(chǎng)不存在的情況下，該出射窗(exit window)的結(jié)構(gòu)幫助流體返回到它們的原始位置。
優(yōu)選地，第二流體是鐵磁流體。鐵磁流體是一種這樣的流體當(dāng)暴露于磁場(chǎng)時(shí)，具有向具有最大磁場(chǎng)密度的位置移動(dòng)的趨勢(shì)，并且這理想地適合用于該光學(xué)元件中。
理想地，該流體箱的側(cè)面部分包括基本上呈圓柱形的壁。這構(gòu)成了該流體箱最簡(jiǎn)單的實(shí)施例，并且容易制造以及在利用該光學(xué)元件的任何一種裝置中使用最簡(jiǎn)單。
有利地，用于在該流體箱的至少一部分上提供磁場(chǎng)的裝置包括產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的電壓源，并且該電壓源包含一個(gè)或多個(gè)圍繞該流體箱的線圈。如上述所述，這是磁場(chǎng)源的最簡(jiǎn)單的實(shí)施例。
優(yōu)選的，第一流體是透明的，且第二流體是不透明的，或者第一流體是透明的，且第二流體是部分透明的。根據(jù)將要利用光學(xué)元件的應(yīng)用，這兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)施例將會(huì)產(chǎn)生不同類型的光學(xué)元件。


只是作為例子，現(xiàn)在將要參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖1是光學(xué)元件在三個(gè)不同操作位置的示意圖，圖2是第二實(shí)施例的光學(xué)元件在三個(gè)不同操作位置的示意圖，圖3是第三實(shí)施例的光學(xué)元件在兩個(gè)不同操作位置的示意圖，以及圖4是包括一實(shí)施例的該光學(xué)元件的圖像獲取裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中，光學(xué)元件10包括流體箱12，該流體箱12具有側(cè)面部分14和末端部分16和18。該末端部分16和18作為(光的)入射窗16和出射窗18。該流體箱12的側(cè)面部分14包括基本上呈圓柱形的壁14。該流體箱12的末端部分16和18僅僅通過(guò)該側(cè)面部分14連接在一起。該末端部分16和18基本上是平的。
該流體箱容納有第一流體20和第二流體22，該流體20和22是互不混溶的。該第二流體22與第一末端部分18(出射窗18)接觸并且可以受磁場(chǎng)的影響。該光學(xué)元件10還包括用于在流體箱12的至少一部分上提供磁場(chǎng)的裝置24，該裝置24為用于產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的電壓源24。在圖1的實(shí)施例中，該電壓源24包括圍繞該流體箱12的線圈26。
圖1的實(shí)施例以其三個(gè)不同操作狀態(tài)示出。該光學(xué)元件10的三個(gè)視圖中左邊的那個(gè)表示的是沒有磁場(chǎng)存在時(shí)，該元件10處于正常位置。該第一流體20是透明的，而該第二流體22是不透明的。任何通過(guò)入射窗16進(jìn)入到該流體箱12的光都不能通過(guò)該箱12，這是由于為鐵磁流體的不透明的第二流體22防止了光的通過(guò)。當(dāng)處于這個(gè)位置的該光學(xué)元件10用作快門時(shí)，防止光到達(dá)數(shù)碼相機(jī)中的照相膠片，或更可能光線檢測(cè)表面。
在該光學(xué)元件10的第二個(gè)中間視圖中，該電壓源24通過(guò)該線圈26在包含鐵磁流體22的該流體箱12的該部分上產(chǎn)生磁場(chǎng)。該鐵磁流體22受該產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響并且移動(dòng)到與該光學(xué)元件10的中間視圖中所示的位置相似的位置。由于該鐵磁流體22被拉向該流體箱12的側(cè)面部分14，該磁場(chǎng)可以將該鐵磁流體22移動(dòng)到這樣一個(gè)位置，使得第一流體20與出射窗18相接觸。由于該第一流體20是透明的，使得少量的光將會(huì)通過(guò)該流體箱12，并且從該出射窗18透出。這用該光學(xué)元件的中間視圖中該光學(xué)元件10的出射窗側(cè)的圖中的箭頭來(lái)表示。
通過(guò)該電壓源24電壓的增加而引起磁場(chǎng)大小的增加，該鐵磁流體22向該流體箱12側(cè)面部分的拉伸越來(lái)越大。這將導(dǎo)致該流體20和22的位置變化到圖1所示的該流體箱12的右手視圖中所示的位置上。從這個(gè)視圖可以看出，該第一流體20與該流體箱12的出射窗18接觸的量增加了。
由于第一流體20是透明的，而該鐵磁流體的第二流體22是不透明的，隨著第一流體20與該流體箱12的出射窗18接觸的越多，就會(huì)有越多的光通過(guò)該流體箱12，并從該出射窗18透出。這在圖1的三個(gè)視圖中右手邊的那個(gè)中用三個(gè)箭頭示出，該三個(gè)箭頭表示從該流體箱12透出的光量。
該電壓源24可以使電壓在其范圍內(nèi)平穩(wěn)的變化，這樣使得該線圈可以產(chǎn)生各種大小的磁場(chǎng)，這樣就可以精確地控制該流體箱12內(nèi)的兩個(gè)流體20和22的位置。
一旦電壓源24回歸到0，圍繞該流體箱12的該線圈26就不再為該箱12的兩端提供磁場(chǎng)。這時(shí)，兩個(gè)流體20和22將返回到它們的起始位置，返回到該光學(xué)元件10在圖1的左手視圖中所示的布置。第二流體22將再次防止光通過(guò)該流體箱12。圖1中的該光學(xué)元件10的實(shí)施例是該光學(xué)元件10用作快門或光闌的實(shí)施例。在由線圈26產(chǎn)生的磁場(chǎng)的控制下和電壓源24的控制下，該兩個(gè)流體被操作以在短時(shí)間內(nèi)允許少量的光通過(guò)該箱12。
為了有助于流體20和22返回到它們的起始位置，并保證兩個(gè)流體能以獨(dú)立的單獨(dú)的量保持(即，當(dāng)磁場(chǎng)被移開時(shí)，防止第一流體20的任一部分留在該流體箱12的出射窗18側(cè)上)，該流體箱12基本呈平的出射窗18與該第一流體20是互相排斥的。
可選的一種解決方式是，在該流體箱12基本呈平的出射窗18上涂有與該第一流體20相排斥的涂層。在這兩種例子的任何一種情況中，該出射窗18與該流體20相排斥，這在使磁場(chǎng)不作用于該流體箱12時(shí)是很重要的。在這一點(diǎn)上，由于該出射窗由與第一流體20相排斥的材料制成或涂有與第一流體20相排斥的材料，從而可以保證該流體可以返回到圖1左邊視圖中所示的位置。
圖2用與圖1中所使用的相似的方式示出的光學(xué)元件10的三個(gè)視圖示出了光學(xué)元件10的第二實(shí)施方式。該光學(xué)元件10的物理結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的相同，只是第一流體20是透明的，而第二流體(在圖2的第二實(shí)施例中附圖標(biāo)記為28)是部分透明的，不像圖1的實(shí)施例中第二流體22是完全不透明的。
與上述實(shí)施例相同，該光學(xué)元件10具有流體箱12和包括用于在該流體箱12上提供磁場(chǎng)的線圈26的電壓源24。在圖2中所示的光學(xué)元件10的左手邊視圖中，該電壓源24沒有提供電壓，相應(yīng)的也就不存在磁場(chǎng)，少量的光可以通過(guò)該箱12。這個(gè)光量比從入口側(cè)進(jìn)入到箱的光量要少，這是因?yàn)椴糠滞该鞯牡诙黧w28會(huì)吸收一些進(jìn)入到該箱12的光。在圖2的左手邊視圖中，該光學(xué)元件10的出口側(cè)的箭頭表示通過(guò)箱12的光。
當(dāng)電壓源24被接通，以便線圈26在該箱12上產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，第二流體28被吸向磁場(chǎng)方向，并且到達(dá)圖2的三個(gè)視圖中中間視圖所示的位置。該元件10的光學(xué)特性被改變，并且通過(guò)該元件10的箱12的光量也被改變。由于第二流體28是部分透明的，從箱12任一特定點(diǎn)處透出的光量都依賴于光通過(guò)的第二流體28柱的高度。
圖2所示的該光學(xué)元件10的第二實(shí)施例，主要用于可變光束強(qiáng)度整形元件，根據(jù)電壓源24的線圈26產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度改變通過(guò)該元件的光量。在圖2的三個(gè)視圖的中間視圖中，該流體箱12出口側(cè)箭頭的大小給出了通過(guò)該箱12的出射窗18的相對(duì)光強(qiáng)度的近似。
隨著通過(guò)增加流過(guò)線圈26的電壓加而引起的磁場(chǎng)大小增加，第二流體28進(jìn)一步受該磁場(chǎng)的影響，并且移動(dòng)到類似于圖2右手邊視圖所示的位置。該元件10的光學(xué)特性進(jìn)一步被改變，類似的，通過(guò)該光學(xué)元件10的橫截面的光強(qiáng)度輪廓也進(jìn)一步被改變。
如前所述，對(duì)于圖1所示的第一實(shí)施例，當(dāng)電壓源24被控制使得沒有電壓通過(guò)線圈26時(shí)，該磁場(chǎng)就不復(fù)存在，且流體箱12內(nèi)的流體20和28將返回到圖2的第一視圖所示的布置。再一次地，該箱12的表面可以是親水性的，這樣就與第一流體20相排斥，以有助于兩個(gè)流體20和28返回到它們各自的原始位置。
圖3用兩個(gè)視圖示出該光學(xué)元件10的第三實(shí)施例。該光學(xué)元件10的全部結(jié)構(gòu)都與前邊兩個(gè)實(shí)施例相同，其具有容納有兩種互不混溶的流體20和22的流體箱12和限定在該箱12上的入射窗和出射窗。與該光學(xué)元件10的第一實(shí)施例相同，該流體20是透明的，而流體22是不透明的。還具有產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的電壓源24，其包括圍繞該流體箱12的線圈26。
然而在該實(shí)施例中，當(dāng)磁場(chǎng)不存在時(shí)，兩流體20和22的起始位置如圖3的左于邊視圖所示。不像前兩個(gè)實(shí)施例，這兩個(gè)液體的界面不是平面圓(在圓柱形的流體箱內(nèi))，而是有效地形成一個(gè)彎曲的彎月形。為了獲得這個(gè)效果，該出射窗18提供有吸引流體20的圓盤形涂層?？蛇x地，該出射窗18可以吸引流體20，但是涂有環(huán)形的排斥涂層。例如，該流體20可以是基于水的；流體22可以是油，該出射窗18由涂有氟硅烷(fluorosilane)的環(huán)形涂層的玻璃構(gòu)成。
如前邊的實(shí)施例中，圖3的該光學(xué)元件10用作光闌。該光學(xué)元件10根據(jù)該流體箱12上磁場(chǎng)的長(zhǎng)度改變通過(guò)其允許通過(guò)的光量。隨著電壓源24的電壓的增加，該磁場(chǎng)的大小增加，且第二流體22被拉向流體箱12的側(cè)面部分。這增加了第一流體20與該箱的出射窗接觸的量，從而使得更多的光通過(guò)。該出口側(cè)的箭頭用于表示透過(guò)該箱12的光量的變化。
該箱12的出射窗18可以用幾何結(jié)構(gòu)或者環(huán)形涂層的組合構(gòu)圖做成環(huán)形，通過(guò)改變接觸角度從而使得該快門或光闌精確地定位于最佳的位置上。這個(gè)方法適用于所有三個(gè)實(shí)施例。
圖1中，該箱12的側(cè)壁14應(yīng)該是一種低磁滯材料，例如無(wú)定形含氟聚合物，這樣可以使得兩液體間的接觸線容易地沒有粘性地沿著該墻壁滑動(dòng)。該鐵磁流體22可以由載液和分散劑中封裝的(含鐵的)磁性粒子的毫毫微粒(nanoparticle)所組成。該鐵磁流體22可以是基于水的或基于油的。在基于水的鐵磁流體的情況下，其他流體20將例如是硅油或烷烴。該這種情況下，該出口壁18應(yīng)該是疏水的，例如涂有用無(wú)定形氟硅烷制成的涂層。在基于油的鐵磁流體22的情況下，其他流體20將例如是水或乙二醇(ethylene glycol)。這時(shí)該出射窗18應(yīng)該是親水的，例如它由玻璃構(gòu)成。
根據(jù)這三個(gè)實(shí)施例中任何一個(gè)制造的光學(xué)元件都適合應(yīng)用在例如照相機(jī)的圖像捕獲裝置中，例如圖4中所示的。該圖中，示出了移動(dòng)電話40的背面，該背面具有照相機(jī)42。該照相機(jī)42包含該光學(xué)元件10，這里它被作為快門使用，與參照?qǐng)D1描述的實(shí)施例相同。該光學(xué)元件10沒有機(jī)械移動(dòng)部件，并且只需要短時(shí)間周期的相對(duì)低的電壓進(jìn)行操作。這樣使得該快門的效率及功效很高，適于在能量消耗非常重要的情況下使用。這在例如移動(dòng)電話這樣的裝置中尤其顯得重要，因?yàn)樗枰渥愕哪芰繛橐苿?dòng)電話的顯示裝置和無(wú)線通信模塊供應(yīng)能量。
根據(jù)這三個(gè)實(shí)施例中任何一個(gè)制造的光學(xué)元件適合用于任何光學(xué)記錄裝置中，例如用在CD/DVD兼容的光學(xué)記錄拾取單元中，用來(lái)在讀取不同的盤格式，例如CD或DVD盤時(shí)，改變光束的數(shù)值孔徑。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，包括流體箱(12)，該流體箱(12)具有側(cè)面部分(14)和末端部分(16，18)，并容納有第一流體(20)和第二流體(22)，該流體(20，22)互不混溶，并且第二流體(22)能夠受磁場(chǎng)影響，還包括用于在該流體箱(12)的至少一部分上提供磁場(chǎng)的裝置(24)，其中該流體箱(12)的末端部分(16，18)僅通過(guò)該側(cè)面部分(14)連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該流體箱(12)的末端部分(16，18)基本上是平的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的光學(xué)元件，其中該第二流體(22)與該流體箱(12)的第一末端部分(18)相接觸，并且該磁場(chǎng)能夠移動(dòng)第二流體(22)，使得第一流體(20)接觸到該第一末端部分(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的光學(xué)元件，其中該流體箱(12)的末端部分(18)與該第一流體(20)相排斥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的光學(xué)元件，其中該流體箱(12)的末端部分(18)具有與該第一流體(20)相排斥的涂層。
6.根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該第二流體(22)是鐵磁流體(22)。
7.根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該流體箱(12)的該側(cè)面部分(14)包括基本上呈圓柱形的壁(14)。
8.根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中用于在該流體箱的至少一部分上提供磁場(chǎng)的該裝置(24)包含用于產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的電壓源(24)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)元件，其中該電壓源(24)包含有圍繞該流體箱(12)的一個(gè)或多個(gè)線圈(26)。
10.根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的光學(xué)元件，其中該第一流體(20)是透明的，且該第二流體(22)是不透明的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)的光學(xué)元件，其中該第一流體(20)是透明的，且該第二流體(22)是部分透明的。
12.一種圖像捕獲裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)的光學(xué)元件。
13.一種光學(xué)記錄裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)的光學(xué)元件。
全文摘要
一種光學(xué)元件包括流體箱和用于在該流體箱的至少一部分上提供磁場(chǎng)的裝置。該流體箱具有側(cè)面部分和末端部分，并容納有第一流體和第二流體。這些流體互不混溶，并且第二流體可以受磁場(chǎng)影響。該流體箱的末端部分僅通過(guò)該側(cè)面部分連接在一起。
文檔編號(hào)G02B26/02GK1961226SQ200580017799
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, H·范桑坦, M·J·M·范德阿, W·奧菲伊, T·圖克, S·凱帕 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司