專利名稱：壓電變焦流體透鏡和聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及變焦透鏡，尤其涉及一種壓電變焦透鏡和制造 這種壓電變焦透鏡的方法。
背景技術(shù)：
流體聚焦有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，如在已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的國(guó)際專利WO 03/069380和WO 2004/102253中所描述的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方 式。流體聚集透鏡的原理基于將兩種流體夾在透明框格之間、附接觸 點(diǎn)以及利用電潤(rùn)濕原理通過電壓控制這兩種流體之間的界面形狀，這 兩種流體中的一種導(dǎo)電，另一種不導(dǎo)電.不過，對(duì)電潤(rùn)濕原理并不是 非常了解并難以應(yīng)用.因此，就如材料選擇尤其是所使用的流體以及在各種溫度條件下的正確機(jī)能方面而言，常規(guī)的流體聚集透鏡遇到了 諸多挑戰(zhàn)。在其它現(xiàn)有技術(shù)中，并不使用電潤(rùn)濕原理而是通過利用一種泵改 變這些流體中的每一種的相對(duì)體積來改變這兩種流體間的彎月面的形 狀。不過，這些泵系統(tǒng)在技術(shù)上復(fù)雜且難以控制.因此，希望有一種改進(jìn)的流體聚集透鏡和制造這種流體聚集透鏡 的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題.


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的示意性截 面圖；圖2是圖1中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的示意性 截面圖；圖4是圖3中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的另一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面；圖5是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的示意性截面圖；圖6是圖5中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的再一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面；圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的平面截 面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的平面截 面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的包括一種壓電流體聚集透鏡 的圖像捕捉器件的示意性截面框圖；圖IO是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的包括一種壓電流體聚集透鏡 的光學(xué)掃描器件的示意性截面框圖；圖ll是根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡的示意性 截面圖；在這些圖中，類似的附圖標(biāo)記指類似的元件.此外，應(yīng)注意，這 些附圖可不按比例繪制.發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 一種流體聚集透鏡包括一種腔室，這 種腔室?guī)в醒由齑┻^該腔室的光軸. 一種用壓電材料制成的圃柱形元 件設(shè)在該腔室的內(nèi)部的一部分上，并且在該腔室的端部的一個(gè)側(cè)面附 接，這種腔室還包括笫一流體和笫二流體，第一流體和第二流體在一 種彎月面上方接觸，該彎月面橫向于該光軸延伸.利用如適當(dāng)?shù)耐繉?將該彎月面的周邊固定地定位于這種圓柱形元件的內(nèi)表面的一個(gè)側(cè)面 上，這種涂層吸引該第一流體且排斥該第二流體，反之亦然。此外， 將這種壓電材料連接到一種電源或電壓電位.這種電源或電壓電位中 的變化引起這種壓電材料的長(zhǎng)度中的變化并移動(dòng)這種彎月面的周邊， 從而引起這種彎月面的形狀的變化.本發(fā)明還公開了其它設(shè)計(jì).具體實(shí)施方式
參看圖l,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡包括一種流體腔室12，這種流體腔室12具有側(cè)壁14以及透明端板16和18,流 體腔室12還包括一種光軸20，這種光軸20通常沿著這些側(cè)壁的長(zhǎng)度尺寸設(shè)置并延伸穿過這種腔室。用壓電材料22制成的一種圃柱形元件 設(shè)在腔室12的內(nèi)部上，并部分地延伸穿過腔室12.此外，這種壓電材 料在一個(gè)側(cè)面上附接在腔室12的端板18上.腔室12還包括在彎月面28上方接觸的第一流體24和第二非溶混 流體26。彎月面28橫過光軸20延伸，彎月面28的周邊30固定地位 于圃柱形壓電元件22的一個(gè)側(cè)面上.此外，壓電元件22經(jīng)由如附圖 標(biāo)記32所示的適當(dāng)?shù)倪B接方式耦接到一種電源.如圖l所示，這種電 源或電壓電位處于Vl這種電源32中的變化引起壓電元件22的長(zhǎng)度 34中的變化并移動(dòng)這種彎月面的周邊，從而引起這種彎月面的形狀的 變化，如圖1中的虛線36所示，電源32中的變化如從電壓V,到電壓V2的變化，換言之，變焦透鏡10包括一種流體腔室12，該流體腔室12具有 光軸20和壓電元件22,壓電元件22在流體腔室的一部分內(nèi)設(shè)置在光 軸20的周圍.分別用附圖標(biāo)記24和26表示的第 一流體和第二流體設(shè) 置在流體腔室12的另一部分內(nèi)并在一種彎月面28上方相互接觸，彎 月面28橫過光軸20延伸。彎月面28的周邊30固定地位于壓電元件 22的表面上.此外，第一流體和第二流體基本上不溶混并具有不同的 折射指數(shù).在另一個(gè)實(shí)施例中，笫一流體包括一種絕緣流體，且第二 流體包括一種導(dǎo)電流體.在再一個(gè)實(shí)施例中，笫一流體包括一種蒸汽， 且第二流體包括一種導(dǎo)電流體.而且，將電壓電位32加到壓電元件22,如從電壓Vi到電壓V" 可控地改變這種彎月面的形狀，即從由附圖標(biāo)記28表示的形狀至由附 圖標(biāo)記36表示的形狀，圖2是圖1中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖 示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面.圖2尤其 示出了響應(yīng)于在電壓V2施加的電壓電位的彎月面36的形狀，在另 一個(gè)實(shí)施例中，流體腔室12包括一種基本上呈圓柱形的腔室， 這種腔室具有圓柱形壁14、前元件16和后元件18,前元件16包括一 種透明部分，且后元件18包括一種透明部分.在一個(gè)實(shí)施例中，這種 透明部分可包括整個(gè)前元件或整個(gè)后元件.此外，壓電元件22還可包 括前表面和后表面.在這種實(shí)施例中，彎月面30的周邊固定地位于壓 電元件22的前表面上.此外，壓電元件22的后表面固定附接到流體 腔室12的后元件18.而且，將電壓電位施加到這種壓電元件引起壓電元件22的長(zhǎng)度以平行于光軸20的方向的變化.圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡40的示意 性截面圖.流體聚集透鏡40包括流體腔室42，流體腔室42具有側(cè)壁 44以及透明端板46和48。流體腔室42還包括流體腔室42流體腔室 42還包括一種光軸50,這種光軸50通常沿著這些側(cè)壁的長(zhǎng)度尺寸設(shè) 置并延伸穿過這種腔室.用壓電材料制成的 一種圃柱形元件52設(shè)在腔 室12的內(nèi)部上，在此實(shí)施例中，壓電元件52還包括一種內(nèi)環(huán)54.分 別用附圖標(biāo)記56和58表示的第一流體和第二流體設(shè)置在流體腔室42 中并在一種彎月面60上方相互接觸，彎月面60橫過光軸50延伸.在示于圖3的實(shí)施例中，彎月面60的周邊固定地位于內(nèi)環(huán)54上， 如附圖標(biāo)記62所示.此外，壓電元件52固定地耦接到流體腔室42的 內(nèi)表面45.而且，將電壓電位32施加到這種壓電元件52引起這種壓 電元件的尺寸的變化，以使內(nèi)環(huán)54以基本上平行于該光軸的方向橫過. 如圖3所示，這種電源處于第一電壓VI,在這種電源32中的電壓從 Vi到電壓V2的變化引起壓電元件52的尺寸的變化并移動(dòng)這種彎月面 的周邊，從而引起這種彎月面的形狀的變化，如圖3中的虛線64所示.換言之，將電壓電位32加到壓電元件52，如從電壓Vi到電壓V2， 可控地改變這種彎月面的形狀，即從由附圖標(biāo)記60表示的形狀至由附 圖標(biāo)記64表示的形狀。圖4是圖3中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖 示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面。圖4尤其 示出了響應(yīng)于在電壓V2施加的電壓電位的彎月面64的形狀.而且，利用圖3和圖4中的實(shí)施例將壓電元件52升高以增強(qiáng)彎月 面60上的變化，這些壓電元件中的變化通常非常小。例如，對(duì)于三十 一 mm (31mm)的長(zhǎng)度而言， 一個(gè)壓電元件的擺動(dòng)約為十二u m (12 um).圖3和圖4示出了這種結(jié)構(gòu)的一種可能.將壓電元件52夾在 側(cè)壁44之間并固定到這些側(cè)壁44.引起形狀的變化會(huì)引起從笫一狀態(tài) 60到第二狀態(tài)64的杠桿作用擴(kuò)張。插入這種壓電元件的中間的一種圃 孔或環(huán)54往往會(huì)容納這種彎月面.這種彎月面往往也會(huì)從笫一狀態(tài)60 到笫二狀態(tài)64變化.利用杠桿作用機(jī)制增強(qiáng)容納這種彎月面的環(huán)的位 置的由壓電引起的物理變化的其它類似方式也是可行的.而且，在另一個(gè)實(shí)施例中，壓電元件52還可包括一種內(nèi)岡周表面 和一種外表面.在這種實(shí)施例中，彎月面60的周邊62固定地位于該內(nèi)圃周表面上.此外，壓電元件52的外圃周表面固定地耦接到腔室42 的內(nèi)表面45.而且，該內(nèi)圓周表面包括壓電元件52的前表面、中表面 和后表面.利用如適當(dāng)?shù)耐繉訉⒃搹澰旅?0的周邊固定定位于壓電元 件52的前表面、中表面和后表面中的一個(gè)上，這種涂層吸引該第一流 體且排斥該笫二流體，反之亦然.將電壓電位32加到壓電元件52引 起壓電元件52的尺寸以一種徑向方向的變化，這種徑向方向橫向于光 軸50.此外，這種壓電元件的外表面可包括一種圃周外表面.本發(fā)明的實(shí)施例的工作原理在于在該彎月面的每個(gè)側(cè)面的流體的 量保持相同，這樣，這種彎月面的周邊朝向一種或另一種流體的任何 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致這些流體通過改變這種彎月面的形狀來進(jìn)行補(bǔ)償.參看閨5, 圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡70的示意 性截面圖.流體聚集透鏡70包括一種流體腔室72，這種流體腔室72 具有側(cè)壁74以及透明端板76和78.流體腔室72還包括一種光軸80， 這種光軸80通常沿著這些側(cè)壁的長(zhǎng)度尺寸設(shè)置并延伸穿過這種腔室. 用壓電材料82制成的一種圃柱形元件設(shè)在腔室72的內(nèi)部上.分別用 附圖標(biāo)記84和86表示的笫一流體和第二流體設(shè)置在流體腔室72內(nèi)并 在一種彎月面88上方相互接觸，該彎月面88橫過光軸80延伸，在圖5的實(shí)施例中，通過如一種涂層90將這種彎月面附接到流體 透鏡70的壓電元件82的壁段，涂層90吸引第一流體84并排除第二流 體86,這種涂層可包括如親水涂層.將壓電元件82的這種壁段設(shè)計(jì)成 可垂直于流體透鏡70的光軸80改變這種壁段的直徑.換言之，用一 種壓電材料制成這種壁段。這種壁段的從第一位置到第二位置的變化 導(dǎo)致這種彎月面的形狀從第一形狀88變成笫二形狀92.此外，將電壓 電位32加到壓電元件82引起這種壓電元件的尺寸以一種方向的變化， 這種方向基本上橫向于或垂直于光軸80。如圖5所示，這種電源或電 壓電位處于第一電壓VI,這種電源32中的變化引起壓電元件80的尺 寸的變化并移動(dòng)這種彎月面的周邊，從而引起這種彎月面的形狀的變 化，如圖5中的虛線92所示，電源32中的變化如從笫一電壓V,到第二電壓V2的變化。圖6是圖5中的流體聚集透鏡的截面圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的一種實(shí)施例的具有第二形狀的彎月面.困6尤其示出了響應(yīng)于在電 壓V2施加的電壓電位的彎月面92的形狀.應(yīng)注意，不必按比例繪制這些視圖，且這些視圖僅是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例主題的示例，圖5和圖6 中的視圖旨在示出這種彎月面的每一側(cè)上的流體體積基本上相同.在一種替代實(shí)施例中，這種流體聚集透鏡還可包括構(gòu)造成用于容 納由一個(gè)或多個(gè)壓電元件所引起的細(xì)微體積變化的適當(dāng)裝置.例如， 可在離開(或遠(yuǎn)離)該光程的位置引入小體積的氣體(如在圖5和圖6 中用虛線和附圖標(biāo)記85表示)并與該流體腔室連通，其中，這種小體 積的氣體提供對(duì)由一個(gè)或多個(gè)壓電元件所引起的體積變化進(jìn)行補(bǔ)償. 在這種實(shí)施例中，這種氣體與這種流體不溶混，這種氣體與這種流體 接觸，以提供類型的補(bǔ)償，再一個(gè)實(shí)施例包括用彈性材料提供這些流 體腔室壁的一個(gè)或多個(gè)部分(形成一個(gè)或多個(gè)彈性部分)，其中，這 種彈性部分向由一個(gè)或多個(gè)壓電元件所引起的細(xì)微體積變化提供補(bǔ) 償。在上述實(shí)施例中，這些側(cè)壁通常呈圃柱形，但偏離正圓柱形的某 種變化也是可行的，如略呈圃錐形.不過，這種圓柱體應(yīng)保持基本上 呈圃柱形，即在流體接觸層具有一種線性截面時(shí)，即該層在這種圃柱 體的截面中形成直線，在這種圃柱體中，這種圃柱體位于這種截面中. 這種線性截面應(yīng)至少在十(10)度內(nèi)優(yōu)選在一 (1)度內(nèi)平行于該電極 的軸線.可利用適當(dāng)?shù)墓苄尾牧现瞥蛇@些圃柱形側(cè)壁，這種管形材料 具有在如1/10 (0.1)度內(nèi)平行于該軸線的截面和一種光滑內(nèi)壁，可將 各種層附接到該內(nèi)壁.利用這種管形材料的可能性提供根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例的流體聚集透鏡并具有成本優(yōu)勢(shì).在再一個(gè)實(shí)施例中，以不同于圓柱形的形狀形成這些側(cè)壁'例如， 可將這些側(cè)壁形成為矩形，如圖7和圖8所示，此外，這種壓電元件 可包括一個(gè)或多個(gè)壓電元件。而且，就特定的流體聚集透鏡用途而言， 也可根據(jù)情況將本說明書中就圖1至圖6中的實(shí)施例所描述的實(shí)施例 的各種屬性應(yīng)用于圖7和圖8中的實(shí)施例.在圖7中，流體聚集透鏡200包括一種流體腔室202,這種流體腔 室202具有側(cè)壁204以及透明端板206和208,流體腔室202還包括一 種光軸210，這種光軸210通常沿著這些側(cè)壁的長(zhǎng)度尺寸設(shè)置并延伸穿 過這種腔室.用壓電材料制成的一個(gè)或多個(gè)元件212-1、 212-2設(shè)在腔 室202的內(nèi)部上.分別用附圖標(biāo)記214和216表示的笫一流體和第二流 體設(shè)置在流體腔室202內(nèi)并在一種彎月面218上方相互接觸，該彎月面218橫過光軸210延伸。在壓電元件212-1、 212-2的指定啟動(dòng)時(shí)， 這些元件從第一尺寸變成第二尺寸，其中，彎月面218的形狀變成另 一種形狀，如附圖標(biāo)記220所示。在圖8中，流體聚集透鏡300包括一種流體腔室302，這種流體腔 室302具有側(cè)壁304以及透明端板306和308.流體腔室302還包括一 種光軸310，這種光軸310通常沿著這些側(cè)壁的長(zhǎng)度尺寸設(shè)置并延伸穿 過這種腔室.用壓電材料制成的第一元件312-1和第二元件312-2設(shè)在 腔室302的內(nèi)部上.在此實(shí)施例中，可利用適當(dāng)?shù)膯?dòng)裝置單獨(dú)啟動(dòng) 第一元件312-1和笫二元件312-2.分別用附圖標(biāo)記314和316表示的 笫一流體和第二流體設(shè)置在流體腔室302內(nèi)并在一種彎月面318上方 相互接觸，該彎月面318橫過光軸30延伸。在壓電元件312-1、 312-2 的指定單獨(dú)啟動(dòng)時(shí)，這些元件以一種方式分別從第一尺寸變成第二尺 寸，在這種方式中，基本上保持彎月面318的形狀，但將彎月面318 平移一定的量(如漂移軸311所示)，這種量由這些元件312-1、 312-2 的尺寸的變化確定.如圖所示，元件312-1經(jīng)歷一種尺寸的增加，而元 件312-2經(jīng)歷一種尺寸的減少(如以基本上相當(dāng)于元件312-1的尺寸的 增加的量)，例如，在圓柱形透鏡的情況下，這種透鏡就可以不同的 方式改變形狀，或者甚至可被向側(cè)面移動(dòng)而保持相同的聚焦強(qiáng)度等.圖9是一種圖像捕捉器件100的示意性截面框圖，圖像捕捉器件 100包括根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的流體聚集透鏡10。用相同的附圖 標(biāo)記表示與結(jié)合圖1至圖8所描述的元件類似的元件，且前面對(duì)這些 類似元件的描述也適用于本實(shí)施例中的元件.這種器件包括復(fù)合變焦 透鏡10，這種復(fù)合變焦透鏡10包括圓柱形側(cè)壁14、剛性前透鏡102 和剛性后透鏡104.由這兩種透鏡和這些圃柱形側(cè)壁14所封閉的空間 形成圃柱形流體腔室12,流體腔室12容納第一流體24和第二流體26. 這兩種流體沿著一種彎月面36接觸.正如前面所描述的那樣，根據(jù)加 到壓電元件22的電壓，該彎月面形成一種聚焦度可變的彎月面.在一 種替代實(shí)施例中，這兩種流體24和26具有已變部分，在一個(gè)實(shí)施例中，前透鏡102是一種用高度折射塑料制成的曲面 對(duì)曲面透鏡并具有正聚焦度(positive power),這種高度折射塑料如 聚碳酸酯或循環(huán)烯烴共聚物.這種前透鏡的表面構(gòu)造成提供理想的初 始聚焦特征。后透鏡元件104用低色散塑料形成并包括透鏡表面，這種低色散塑料如coc (循環(huán)烯烴共聚物)，且這些透鏡表面構(gòu)造成起到一個(gè)表面上的白場(chǎng)透鏡的作用，其中，該后透鏡元件的其它表面可以是平的、呈球面形或非球面形.將眩光光闌106和孔徑光闌108加 到這種透鏡的前面. 一種像素化圖像傳感器IIO位于該透鏡之后的傳 感器平面中，這種像素化圖像傳感器110如一種CMOS傳感器陣列.一種電子控制電路112根據(jù)一種聚焦控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)這種彎月面以 提供介于無限遠(yuǎn)與幾厘米之間的目標(biāo)范圍，通過這些圖像信號(hào)的聚焦 控制處理得到這種聚焦控制信號(hào).這種控制電路控制在一種低電壓水 平與另一種較高的電壓水平之間施加的電壓，在這種低電壓水平時(shí)實(shí)現(xiàn)在無限遠(yuǎn)上的聚焦，在這種較高電壓水平時(shí)將聚焦較近的目標(biāo).對(duì) 這種透鏡進(jìn)行構(gòu)造以施加非零低壓，以將這種透鏡聚焦在無限遠(yuǎn)的目 標(biāo)上(平行入射光線)，以提供聚焦在合理制造公差范圍內(nèi)的無限遠(yuǎn) 上的能力，若在另一方面將這種透鏡構(gòu)造成在加上零電壓時(shí)聚焦在無 限遠(yuǎn)上，則往往必須應(yīng)用更加嚴(yán)格的制造公差.優(yōu)選將前透鏡元件102形成為一種帶有管14的單體，管14在其內(nèi) 表面上容納壓電元件22并由后透鏡104閉合，以形成一種密封單元. 可相對(duì)于圖9所示將第二透鏡元件104延長(zhǎng)，且透鏡元件104的平的后 表面可由一種有角度的鏡表面所取代，優(yōu)選這種角度在45° ，以允許 將圖像傳感器110置于該透鏡之下，以減小這種透鏡的尺寸.此外， 流體腔室12可設(shè)有一種膨脹腔室，以容納由這些流體的熱膨脹而引起 的體積變化。這種膨脹腔室可以是該流體腔室的這些側(cè)壁中的一個(gè)上 的一種柔性膜.而且，可用一種防護(hù)層涂覆前透鏡102的內(nèi)表面和后 透鏡104的內(nèi)表面以避免材料的不兼容性，用這種材料制成帶有流體 24和26的透鏡。這種防護(hù)層還可具有抗反射特性.圖IO是一種光學(xué)掃描器件的示意性截面框圖，這種光學(xué)掃描器件 包括根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的流體聚集透鏡.圖IO示出了來自一 種光學(xué)掃描器件的元件，這種光學(xué)掃描器件含有根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí) 施例的透鏡。這種器件用于來自一種光盤126的記錄和/或回放，這種 光盤126如一種雙層數(shù)字視頻記錄(DVR)盤(例如，見2000年9月 5曰至8日，日本Chitose， ISOM 2000《技術(shù)文摘》發(fā)表的由K.Schep、 B.Stek、 R.van Woudenberg 、 M.Blum、 S.Kobayashi、 T.Narahara、 T.Yamagami和H.Ogawa所著的"Format description and evaluation ofthe 22.5 GB DVR disk" —文)。這種器件包括一種復(fù)合物鏡，例如， 這種復(fù)合物鏡具有0.85的數(shù)值孔徑，并且包括一種剛性前透鏡122和 一種剛性后透鏡124,這些透鏡用于將入射準(zhǔn)直光束聚焦到一種點(diǎn)128， 剛性前透鏡122和剛性后透鏡124如在國(guó)際專利申請(qǐng)WO 01/73775中 所描述的透鏡，例如，這種入射準(zhǔn)直光束具有理想的波長(zhǎng)并包括基本 上平行的光線，該點(diǎn)128在目前正在掃描的信息層的平面內(nèi)，在雙層DVR盤中，這兩個(gè)信息層的深度為0.1mm和0.08mm,因 此這兩個(gè)信息層通常以0.02mm分開，在由信息層的深度差異所導(dǎo)致的 從一個(gè)層到另一個(gè)層的重新聚焦時(shí)，會(huì)出現(xiàn)某種需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟⒉?希望的球面波前像差.實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償?shù)囊环N方式是利用一種機(jī)械致動(dòng) 器改變這種入射光束的聚散度，例如，移動(dòng)這種器件中的一種準(zhǔn)直儀， 這種方式比較昂貴.另一種方式是采用一種可切換液晶單元，這種方 式同樣也比較昂貴.在此實(shí)施例中，采用一種類似于結(jié)合圖1至圖8所描述的變焦透 鏡的可切換變焦透鏡10。這種器件包括一種電子控制電路130，這種 電子控制電路130用于根據(jù)目前正在掃描的信息層將兩種已選電壓中 的一種施加到透鏡10的這些電極.在一種構(gòu)造中，在對(duì)0.08mm的信 息層深度進(jìn)行掃描期間，施加相對(duì)較低的已選電壓，以產(chǎn)生第一彎月 面曲率半徑.在另一種構(gòu)造中，在對(duì)O.lmm的信息層深度進(jìn)行掃描期 間，施加相對(duì)較高的已選電壓，以產(chǎn)生一種平面彎月面曲率.這樣就 可減小這種波前像差的均方根，注意，可利用彎月面曲率的不同組合 獲得類似的相關(guān)，因?yàn)閮H要求透鏡聚焦度的變化.而且，還可通過將現(xiàn)透鏡聚焦度的差異。應(yīng)將前面的這些實(shí)施例理解為示例性示例.還可設(shè)計(jì)出其它實(shí)施 例.例如，第一流體可包括一種蒸汽而不是一種絕緣液體.第二流體 可以是一種具有比笫一流體的表面張力低的表面張力的流體.在此情 形中，處于所加的低壓的彎月面的形狀將會(huì)是凸面。將會(huì)理解，結(jié)合 一個(gè)實(shí)施例所描述的任何特征也可用在其它實(shí)施例中.因此，在一個(gè)實(shí)施例中，作為對(duì)加到這種壓電元件的笫一電壓電 位的響應(yīng)，這種彎月面以笫一形狀為特征。此外，作為對(duì)加到這種壓 電元件的笫二電壓電位的響應(yīng)，這種彎月面以第二形狀為特征，這種第二電壓電位不同于這種第一電壓電位，且這種第二形狀不同于這種 第一形狀.在一個(gè)實(shí)施例中，這種笫一形狀在從該第二流體觀察時(shí)包 括凹面形狀，且這種第二形狀包括一種不太呈凹面的形狀，在另一個(gè)實(shí)施例中，該第一流體具有比該笫二流體的折射指數(shù)大的折射指數(shù).此外，這種變焦透鏡是一種復(fù)合透鏡，并且還包括提 供正透鏡聚焦度(positive lens power)的至少一個(gè)固定透鏡元件，以 使這種復(fù)合透鏡在這種彎月面呈與該第一流體有關(guān)的凸面形時(shí)具有正 透鏡聚焦度.還設(shè)計(jì)出一種光學(xué)器件，這種光學(xué)器件包括一種根據(jù)本說明書所 公開的實(shí)施例的變焦透鏡.這種光學(xué)器件還包括一種用于限定關(guān)于這 種變焦透鏡所成的聚焦平面的裝置，其中，響應(yīng)于包括平行光線的輻 射輸入和施加到這種壓電元件的非零電壓電位，將輻射聚焦在該聚焦 平面上.這些實(shí)施例還設(shè)計(jì)出一種圖像捕捉器件，這種困像捕捉器件 包括一種本說明書中所公開和描述的變焦透鏡.這些實(shí)施例還設(shè)計(jì)出一種用于掃描光學(xué)記錄栽體的光學(xué)掃描器件，這種光學(xué)掃描器件包括 一種根據(jù)說明書所公開的各種實(shí)施例的變焦透鏡.參看圖n,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的壓電流體聚集透鏡150 包括與本說明書結(jié)合圖1中的實(shí)施例的描述類似的流體腔室12、側(cè)壁 14、透明端板16和18以及光軸20,用壓電材料制成的一個(gè)或多個(gè)元 件22設(shè)在腔室12的內(nèi)部上并部分地延伸穿過腔室12.此外，在此實(shí) 施例中，這種壓電材料附接在一個(gè)側(cè)面上，即在腔室12的端板18上，腔室12還包括在彎月面28上方接觸的第一流體24和第二非溶混 流體26。彎月面28橫過光軸20延伸，彎月面28的周邊30固定地位 于與一個(gè)或多個(gè)壓電元件22有關(guān)的一種表面上.在此實(shí)施例中，這種 表面包括一個(gè)或多個(gè)中間元件152的表面. 一個(gè)或多個(gè)中間元件152 物理性地設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)壓電元件22與彎月面28之間.正如前面結(jié)合上面的實(shí)施例所描述的那樣，壓電元件22經(jīng)由適當(dāng) 的連接耦接到一種電源(未示出).這種電壓源中的變化引起壓電元 件22的長(zhǎng)度34中的變化，這種變化將一種力加在一個(gè)或多個(gè)中間元 件152上并移動(dòng)這種彎月面的周邊30，從而引起這種彎月面的形狀的 變化，如圖11中的28-1所示，這種電壓源中的變化如從電壓Vi到電 壓V2的變化。注意，為了易于圖示，圖11的上半部表示在電壓Vj時(shí)的彎月面28的一部分的形狀，且圖11的下半部表示在電壓V2時(shí)的彎 月面28-1的一部分的形狀.雖然圖ll僅示出了一個(gè)中間元件，但采用 多個(gè)中間元件的其它構(gòu)造也是可行的.此外，就特定的光學(xué)用途而言， 也可根據(jù)情況將如圖11所示的一個(gè)或多個(gè)中間元件用于圖1至圖10 中的實(shí)施例。而且， 一種運(yùn)行變焦透鏡的方法包括控制加到一個(gè)或多個(gè)壓電元 件的電壓電位以改變以下情形中的一種或多種(i)這種彎月面的形 狀或(ii)這種彎月面的平移，這種變焦透鏡包括具有光軸的流體腔室、 在這種流體腔室的一部分內(nèi)設(shè)置在這種光軸周圍的一個(gè)或多個(gè)壓電元 件和設(shè)置在這種流體腔室的另一部分內(nèi)的第一流體和第二流體，第一 流體和笫二流體在一種彎月面上方相互接觸，這種彎月面橫過該光軸 延伸，這種彎月面的周邊固定地位于與一個(gè)或多個(gè)壓電元件有關(guān)的一 種表面上，且第一流體和第二流體基本上不溶混并具有不同的折射指 數(shù).控制這種電壓電位可引起對(duì)這種電壓電位進(jìn)行改變以產(chǎn)生一種彎 月面形狀，在從該第二流體觀察時(shí)，這種彎月面形狀呈凹面形.控制 這種電壓電位還可引起對(duì)這種電壓電位進(jìn)行改變以產(chǎn)生一種彎月面形 狀，在從該笫二流體觀察時(shí)，這種彎月面形狀呈凸面形.前面雖然僅對(duì)幾個(gè)示范性實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域中熟 練的技術(shù)人員會(huì)容易地理解，在并不從實(shí)質(zhì)上背離本發(fā)明的實(shí)施例新 穎性教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)的前提下，可對(duì)這些示范性實(shí)施例進(jìn)行多種修改.例 如，本發(fā)明的實(shí)施例可用于流體透鏡用途、識(shí)別用途、汽車用途和照 明用途，流體透鏡用途如用在照相電話、照相機(jī)和攝像機(jī)、光學(xué)拾波 器件和醫(yī)療設(shè)備中，照明用途如LED照明.根據(jù)特定光學(xué)用途的要求 的實(shí)際情況，這種透鏡還可以是任何光學(xué)元件形狀，包括圃柱形以外 的形狀。此外，本發(fā)明的實(shí)施例減少了對(duì)移動(dòng)光學(xué)元件的需求并具有 多種優(yōu)點(diǎn)，如耐夂性、簡(jiǎn)單性、速度和成本方面的優(yōu)點(diǎn)中的一種或多 種.而且，本發(fā)明的實(shí)施例利用已經(jīng)證明的光學(xué)和力學(xué)原理提供穩(wěn)健 性。因此，所有的這些修改旨在包括在由在下面的權(quán)利要求書中所限 定的本發(fā)明的實(shí)施例的范圍之內(nèi)，在權(quán)利要求書中，裝置加功能條款 旨在涵蓋本說明書中所描迷的執(zhí)行所引述的功能的結(jié)構(gòu)，且不僅涵蓋 結(jié)構(gòu)性等同物，而且也涵蓋等同的結(jié)構(gòu).此外，置于一項(xiàng)或多項(xiàng)權(quán)利要求的括號(hào)中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)解釋為對(duì)權(quán)利要求書進(jìn)行限制.詞語"包括"等并不排除作為整體列于 任何權(quán)利要求或說明書中的元件或步驟之外的元件或步驟的存在.一 種元件的單數(shù)符號(hào)并不排除這些元件的復(fù)數(shù)符號(hào)，反之亦然.可通過 包括幾種不同元件的硬件和/或通過適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些實(shí)施例 中的一個(gè)或多個(gè).在列舉幾種裝置的器件權(quán)利要求中，可由硬件的同 一個(gè)項(xiàng)目體現(xiàn)這些裝置中的幾個(gè).僅在相互不同的從屬權(quán)利要求中所 引用的某些措施并不表明這些措施的結(jié)合不能夠用于產(chǎn)生有利效果.
權(quán)利要求
1.一種變焦透鏡(10)，所述變焦透鏡(10)包括流體腔室(12)，所述流體腔室(12)具有光軸(20)；一個(gè)或多個(gè)壓電元件(22)，所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件(22)在所述流體腔室的一部分內(nèi)設(shè)置在所述光軸的周圍；以及第一和第二流體(24、26)，所述第一和第二流體(24、26)設(shè)置在所述流體腔室的另一部分內(nèi)并在橫過所述光軸延伸的彎月面(28、36)的上方相互接觸，所述彎月面的周邊固定地位于與所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件有關(guān)的表面上，所述第一和第二流體基本上不溶混并具有不同的折射指數(shù)，其中，響應(yīng)于加到所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件上的一個(gè)或多個(gè)電壓電位，所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件可控地改變以下情形中的一種或多種(i)所述彎月面的形狀或(ii)所述彎月面的平移。
2. 如權(quán)利要求l所述的變焦透鏡，其特征在于所述表面包括以 下表面中的一個(gè)或多個(gè)(i)所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件(22、 52、 82、 212、 312)的表面，或(ii) 一個(gè)或多個(gè)中間元件(152)的表面，所 述一個(gè)或多個(gè)中間元件物理性地設(shè)置在所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件與所 述彎月面(28)之間。
3. 如權(quán)利要求1所迷的變焦透鏡，其特征在于所述第一流體(24) 包括絕緣流體且所述第二流體(26)包括導(dǎo)電流體.
4. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述笫一流體(24) 包括蒸汽且所述第二流體(26)包括導(dǎo)電流體。
5. 如權(quán)利要求1所迷的變焦透鏡，其特征在于所述流體腔室(12 ) 包括基本上呈圓柱形的腔室，所述腔室具有圃柱形壁(14)、前元件(16)和后元件(18).
6. 如權(quán)利要求5所述的變焦透鏡，其特征在于所述前元件(16) 包括透明部分，且所述后元件(18)包括透明部分.
7. 如權(quán)利要求6所述的變焦透鏡，其特征在于所述壓電元件(22) 還包括前表面(34)和后表面，所述彎月面的周邊固定地位于所述前 表面上，且所述壓電表面的所述后表面固定附接到所述后元件(18).
8. 如權(quán)利要求7所述的變焦透鏡，其特征在于將所述電壓電位 (32 )加到所述壓電元件引起所述壓電元件的長(zhǎng)度以平行于所述光軸的方向的變化。
9. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述壓電元件(52 ) 還包括內(nèi)環(huán)(54)，所述彎月面(60、 64)的周邊(62)固定地位于 所述內(nèi)環(huán)(54)上，且所述壓電元件固定地輛接到所述腔室的內(nèi)表面(45).
10. 如權(quán)利要求9所述的變焦透鏡，其特征在于將所述電壓電 位(32)加到所述壓電元件引起所述壓電元件的尺寸的變化，以使所 迷內(nèi)環(huán)以基本上平行于所述光軸的方向橫過.
11. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述壓電元件 (82)還包括內(nèi)圓周表面(90)和外圃周表面，所述彎月面(88、 92)的周邊固定地位于所迷內(nèi)圓周表面上，且所述壓電元件的所述外圃周 表面固定地輛接到所述腔室(74)的內(nèi)表面.
12. 如權(quán)利要求ll所述的變焦透鏡，其特征在于所述內(nèi)圓周表 面包括所述壓電元件(82)的前表面、中表面和后表面，且所述彎月 面的周邊固定地位于所述壓電元件的前表面、中表面或后表面中的一 個(gè)上.
13. 如權(quán)利要求H所述的變焦透鏡，其特征在于將所述電壓電 位(32)加到所述壓電元件引起所述壓電元件的尺寸以徑向方向的變 化，所述徑向方向橫向于所述光軸，
14. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述壓電元件 (82)還包括內(nèi)表面和外表面，所述內(nèi)表面包括前表面、中表面和后表面，所述彎月面的周邊固定地位于所述內(nèi)表面的所述前表面、中表 面或后表面中的一個(gè)上，且所迷壓電表面的所述外表面固定地輛接到 所述腔室的內(nèi)表面.
15. 如權(quán)利要求14所述的變焦透鏡，其特征在于將所述電壓電 位(32)加到所述壓電元件引起所述壓電元件的尺寸中以徑向方向的 變化，所述徑向方向橫向于所述光軸，
16. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述彎月面以 第一形狀為特征以響應(yīng)于將第一電壓電位加到所述壓電元件，且所述 彎月面以第二形狀為特征以響應(yīng)于將笫二電壓電位加到所述壓電元 件，所述笫二電壓電位不同于所述第一電壓電位，且所述笫二形狀不 同于所述笫一形狀.
17. 如權(quán)利要求16所述的變焦透鏡，其特征在于所述第一形狀在從所述第二流體觀察時(shí)包括凹面形狀，且所述第二形狀包括不太呈 凹面的形狀，
18. 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其特征在于所述第一流體 (24)具有比所述第二流體(26)的折射指數(shù)大的折射指數(shù)，且所述變焦透鏡是復(fù)合透鏡，所述復(fù)合透鏡進(jìn)一步包括提供正透鏡聚焦度的至少一個(gè)固定透鏡元件，以使所述復(fù)合透鏡 在所述彎月面呈與所述笫一流體有關(guān)的凸面形時(shí)具有正透鏡聚焦度.
19. 一種包括如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡(10)的光學(xué)器件， 所述光學(xué)器件還包括用于限定關(guān)于所述變焦透鏡所成的聚焦平面的裝置，其中，響應(yīng) 于包括平行光線的輻射輸入和施加到所述壓電元件的非零電壓，將所 述輻射聚焦在所迷聚焦平面上.
20. —種困像捕捉器件(100)，所述圖像捕捉器件(100)包括 如權(quán)利要求1所述的變焦透鏡.
21. —種用于掃描光學(xué)記錄栽體的光學(xué)掃描器件(120),所述光 學(xué)掃描器件(120)包括如權(quán)利要求l所述的變焦透鏡，
22. —種運(yùn)行變焦透鏡(10)的方法，所述變焦透鏡(10)包括 具有光軸(20)的流體腔室(12)、在所述流體腔室的一部分內(nèi)設(shè)置 在所述光軸周圍的一個(gè)或多個(gè)壓電元件(22)和設(shè)置在所述流體腔室 的另一部分內(nèi)的笫一流體(24)和第二流體(26)，所述第一流體和 笫二流體在彎月面(28、 36)上方相互接觸，所述彎月面橫過所述光 軸延伸，所述彎月面的周邊固定地位于與一個(gè)或多個(gè)壓電元件有關(guān)的 表面上，且第一流體和第二流體基本上不溶混并具有不同的折射指數(shù)， 所述方法包括控制加到所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件的電壓電位(32)以改變以下 情形中的一種或多種(i)所述彎月面的形狀或(ii)所述彎月面的平 移.
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述表面包括以下 表面中的一個(gè)或多個(gè)(i)所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件的表面或(ii) 一 個(gè)或多個(gè)中間元件的表面，所述一個(gè)或多個(gè)中間元件物理性地設(shè)置在 所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件與所述彎月面之間.
24. 如權(quán)利要求22所迷的方法，其特征在于控制所述電壓電位包括改變所述電壓電位以產(chǎn)生彎月面形狀，在從所述笫二流體觀察時(shí)， 所述彎月面形狀呈凹面形，
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于控制所述電壓電位 包括改變所述電壓電位以產(chǎn)生彎月面形狀，在從所述第二流體觀察時(shí)， 所述彎月面形狀呈凸面形.
全文摘要
一種變焦透鏡(10)包括一種流體腔室，這種流體腔室具有一種光軸(20)。一個(gè)或多個(gè)壓電元件(22)該流體腔室的一部分內(nèi)設(shè)置在該光軸周圍。第一和第二流體(24、26)設(shè)置在該流體腔室的另一部分內(nèi)并在一種彎月面(28、36)的上方相互接觸，該彎月面橫向于該光軸延伸，第一和第二流體基本上不溶混并具有不同的折射指數(shù)。該彎月面的周邊固定地定位于與一個(gè)或多個(gè)壓電元件有關(guān)的一種表面上，其中，響應(yīng)于加到所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件上的一個(gè)或多個(gè)電壓電位(32)，所述一個(gè)或多個(gè)壓電元件可控地改變以下情形中的一種或多種(i)該彎月面的形狀或(ii)該彎月面的平移。
文檔編號(hào)G02B3/14GK101331413SQ200680047459
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
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