專利名稱：可變透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變透鏡，包括這種透鏡的光學(xué)設(shè)備，以及制造這種透鏡和這種設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
透鏡是能夠使一種或多種波長的光聚焦(會聚或發(fā)散)的設(shè)備。術(shù)語光理解為包括可見電磁輻射和其他波長的電磁輻射。
可變(或可調(diào))透鏡是這樣一種透鏡，其中能夠可控制地調(diào)整該透鏡的一個或多個性質(zhì)，例如，可以改變透鏡的焦距或位置。
DE19710668描述了一種可變透鏡系統(tǒng)40，如圖1A和1B中所示。透鏡系統(tǒng)40包括充滿流體44的彈性薄膜42。通過泵46控制薄膜中流體44的壓力。虛線表示透鏡系統(tǒng)40的光軸90。薄膜42作為可變透鏡，該透鏡的形狀(以及因此透鏡光焦度(power of lens))根據(jù)流體44的壓力而改變。圖1A示出處于低壓下的流體44，即薄膜42形成雙凹透鏡。圖1B示出處于高壓下的流體44，薄膜42形成雙凸透鏡。
這種系統(tǒng)存在許多缺點(diǎn)。由于薄膜表面移動，很難保持良好的光學(xué)性質(zhì)。此外，其容易受機(jī)械疲勞的影響。控制該透鏡的形狀不僅取決于流體44的壓力，而且取決于薄膜42的彈性。因此，獲得所需透鏡形狀的范圍可能是有問題的，特別是在薄膜42的彈性隨時間變化的情況下。此外，彈性薄膜通常不是氣密的，導(dǎo)致流體隨時間從該設(shè)備中蒸發(fā)。
基于電潤濕設(shè)備的可變焦點(diǎn)透鏡也是已知的。電潤濕設(shè)備是利用電潤濕現(xiàn)象工作的設(shè)備。在電潤濕中，三相接觸角隨外加電壓而改變。三相構(gòu)成了兩種流體和一種固體。
國際專利申請WO 99/18456描述了利用電潤濕效應(yīng)的可變焦點(diǎn)透鏡。圖2是這種典型光學(xué)設(shè)備的橫截面視圖。該設(shè)備具有密封空間92(即箱或腔)中封閉的兩種不混溶的流體80、87。術(shù)語不混溶表示兩種流體不混合。第一流體80是絕緣體(例如硅油)，第二流體87是導(dǎo)電的(例如水和乙醇的混合物)。第一流體80和第二流體87具有不同的折射率。
可以從電壓源50向兩個電極51、52施加電壓，從而在第一流體87和電極52之間產(chǎn)生電場(絕緣層65防止第二電極52接觸導(dǎo)電的第二流體)。
通過改變施加于第二流體87的電壓，第一流體80和第二流體87之間的界面形狀改變，從而使界面85提供的透鏡功能改變。圖1中的設(shè)備具有在絕緣層65之上的由親水劑70的環(huán)所圍繞的直徑為D1的防水薄膜60，以定位第一流體80。
該電潤濕透鏡也存在許多缺點(diǎn)。例如，透鏡形狀由可變電壓來限定，同時該透鏡形狀受絕緣層的不均勻性影響。這種構(gòu)形需要較高的電壓來改變界面85的形狀。此外，絕緣層可能要經(jīng)受充電(特別是在高電壓下)的影響。如果絕緣層不均勻地充電，那么將導(dǎo)致接觸角不等，從而導(dǎo)致非球面的透鏡。
最后，如固定焦點(diǎn)透鏡也存在的一個問題，如果需要保持透鏡形狀相同，但簡單地改變透鏡位置，那么必須通過例如昂貴的致動器來機(jī)械移動全部設(shè)備?？赡芎茈y精確控制這種移動，并且這種移動可能很容易受振動以及機(jī)械磨損和破損的影響。
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種可變透鏡，其解決本文中提到或沒有提到的現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。本發(fā)明的另一個目的在于提供包括這種透鏡的光學(xué)設(shè)備，以及制造這種透鏡和這種設(shè)備的方法。
本發(fā)明特定實施例的目的在于提供一種可變透鏡，其中在工作過程中，光路相對不容易受機(jī)械磨損和破損的影響，但是允許同時調(diào)整透鏡位置和透鏡焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供了一種可變透鏡，包括箱，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸；該箱包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；以及至少一個泵，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
這兩種透鏡之間的彎月面作為透鏡，因此通過移動該彎月面很容易調(diào)整該透鏡的有效位置。由于透鏡的光路中不需要機(jī)械部件，因此光路不會發(fā)生機(jī)械磨損和破損。此外，透鏡形狀不會經(jīng)受變化電壓的影響，因此使透鏡不依賴于絕緣層厚度或組成的不均勻性。并且，不存在絕緣層在高電壓下充電的風(fēng)險。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種包括可變透鏡的光學(xué)設(shè)備，該透鏡包括箱，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸；該箱包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；以及至少一個泵，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
在再一個方面，本發(fā)明提供一種制造可變透鏡的方法，該方法包括提供箱，該箱由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸；在該箱中提供第一流體和第二流體，使這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁來限制，這兩個流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；以及提供至少一個泵，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
在又一方面，本發(fā)明提供一種制造光學(xué)設(shè)備的方法，該方法包括以下步驟提供可變透鏡，該可變透鏡包括箱，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸；該箱包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；以及至少一個泵，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)隨附權(quán)利要求書闡明的優(yōu)選特征而顯而易見。


現(xiàn)在通過例子的方式，參照附圖更好地理解本發(fā)明，并示出怎樣實現(xiàn)本發(fā)明的各個實施例，在附圖中圖1A和1B示出已知可變透鏡的兩種不同構(gòu)形的示意性橫截面；圖2表示已知類型的電潤濕可變透鏡的示意性橫截面；圖3A和3B分別表示依照本發(fā)明第一實施例的可變透鏡的示意性橫截面，以及由該可變透鏡提供的等效光學(xué)功能元件；圖4表示依照本發(fā)明第二實施例的可變透鏡的示意性橫截面；圖5表示依照本發(fā)明第三實施例的可變透鏡的示意性橫截面；圖6A-6C表示用于本發(fā)明不同實施例的側(cè)壁的可替換橫截面的例子；圖7表示依照本發(fā)明第四實施例的可變透鏡的示意性橫截面；圖8表示依照本發(fā)明第五實施例的可變透鏡的示意性橫截面；圖9表示依照本發(fā)明實施例的用于掃描包括可變透鏡的光學(xué)記錄載體的設(shè)備；以及圖10表示依照本發(fā)明實施例的包括可變透鏡的可變焦點(diǎn)圖像捕獲設(shè)備。
具體實施例方式
圖3A示出依照本發(fā)明第一實施例的可變透鏡。透鏡100可被認(rèn)為是由兩種不同的元件形成的由兩種流體130、140之間的彎月面150形成的透鏡功能元件，和用于改變該透鏡功能元件的位置的泵110。
流體是響應(yīng)于任何力而改變其形狀的物質(zhì)，其易于流動或符合流體箱的輪廓，并包括氣體、蒸汽、液體、以及能夠流動的固液混合物。
兩種流體130、140基本上是不混溶的，即兩種流體不混和。兩種流體130、140具有不同的折射率。這樣，由于這兩種流體具有不同的折射率，因此通過沿兩種流體接觸面形成的彎月面150來提供透鏡功能。透鏡功能是彎月面150使一種或多種波長的光聚焦(會聚或發(fā)散)的能力。
這兩種流體優(yōu)選具有基本上相等的密度，以便使重力對透鏡100的作用最小。
流體130、140密封在箱125中。在該實施例中，箱125采取由內(nèi)表面或側(cè)壁120限定的縱向延伸管的形式。光軸通過該管縱向延伸。在該特定實施例中，箱是圓筒形管，具有恒定的圓形橫截面面積，光軸與管軸是同軸的。額外的壁121、122在管的端部延伸以形成密封流體的箱125。箱125中沿光軸90的至少一部分壁121、122是透明的。
兩種流體130、140之間的彎月面150橫斷透鏡100的光軸90延伸。術(shù)語橫斷表示彎月面與光軸相交(即其跨過光軸延伸)，且不平行于光軸；彎月面150可以以任何所需角度與光軸90相交。箱的側(cè)壁120限定了彎月面150的周邊。
通常，為了將流體130、140定位在箱125的所需部分中，箱的不同區(qū)域?qū)γ糠N流體具有不同的可濕性，如每種流體將被各自的區(qū)域吸引?？蓾裥允橇黧w潤濕(覆蓋)一個區(qū)域的程度。例如，如果流體130是極性流體，而流體140是非極性流體，那么壁122的內(nèi)表面可以是親水的，從而吸引極性流體130而不吸引非極性流體140。
彎月面150的形狀由彎月面邊緣與內(nèi)表面120的接觸角來確定。因此，該彎月面形狀取決于表面120的可濕性。所示的彎月面150是凸面(從流體130的角度來觀察)，但是該彎月面可以是任何所需的形狀，例如，凸面、凹面或基本上是平面。
泵110與充滿流體的箱125相連，用于將大量的一種或多種流體泵送到箱125或從箱125抽出大量的一種或多種流體。在該特定實施例中，泵110用于同時增大流體130的體積并減小流體140的體積(反之亦然)，以保持箱125中兩種流體的總體積相同。結(jié)果，由于添加各自的流體，例如如果添加額外的流體130，彎月面150將沿著光軸90移動，那么該彎月面可以沿光軸移動距離X，到達(dá)虛線150′表示的位置。在該特定實施例中，這種移動不改變彎月面的形狀(因為表面120具有均勻的可濕性)，僅改變彎月面沿光軸90的位置。
圖3B表示了由彎月面150提供的有效光學(xué)功能元件，即焦距為f的平凸透鏡的光學(xué)功能元件。換句話說，彎月面150有效地提供了透鏡160的功能，其將平行光170(沿著平行于光軸90的方向入射到透鏡上)聚焦到與該透鏡相距f的焦點(diǎn)172。
當(dāng)移動彎月面時(即，到達(dá)圖3A中虛線150′所示的位置)，那么該透鏡的有效位置也移動，到達(dá)虛線160′所示的位置。由于彎月面150、150′形狀相同，那么它們同樣具有相同的等效透鏡形狀160、160′(因此將具有相同的透鏡性質(zhì)，即相同的光焦度和焦距)。
圖3A表示當(dāng)彎月面從位置150移動到位置150′時，其向左移動距離X。類似地，等效透鏡功能元件160′也到達(dá)透鏡功能元件160的左邊。如果圖3B的光線圖是真空中等效功能元件的圖解，那么160′將到達(dá)160左邊距離為Y的位置，其中Y＝X/n130，n130是流體130的折射率。
圖4示出依照本發(fā)明第二實施例的可變透鏡120。利用相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件。如前所述，側(cè)壁120限定了箱。該箱包括彎月面150，該彎月面形成兩種基本上不混溶的流體130、140之間的界面。由泵控制彎月面150相對于光軸90的位置。
透鏡200基本上對應(yīng)于圓錐形筒123(例如外箱)，該筒包括同心放置的圓筒124(例如內(nèi)箱，其具有側(cè)壁120形式的內(nèi)表面)。圓筒124與圓錐形筒123中其余的液體開放連接。在該實施例中，第一流體130是極性或?qū)щ娨后w(例如，水，或添加鹽以增加其導(dǎo)電性的水)，流體140是不導(dǎo)電的(例如硅油或烷烴)。環(huán)形電極116優(yōu)選與第一流體130電接觸，盡管其也可以通過覆蓋該電極的絕緣層與該流體電容耦合。圓柱電極114、112覆蓋有電絕緣層113。
設(shè)備200的大部分內(nèi)表面通過優(yōu)先由流體140潤濕的材料層覆蓋，遠(yuǎn)離覆蓋壁122和電極116并優(yōu)先由流體130潤濕的表面。例如，如果130是水，那么覆蓋壁122和電極116的表面是親水的，從而吸引水，并保持水的體積位于正確位置。該設(shè)備的其余內(nèi)表面是疏水的。
電潤濕可用于增大兩個圓筒123、124之間的空間中的彎月面152的曲率半徑。這可通過在電極116和電極112、114之間施加電壓來實現(xiàn)(如果需要，可以向電極112、114施加相同的電勢)。
根據(jù)拉普拉斯定律，液體內(nèi)部的壓力取決于液體之間的界面的曲率半徑。如果將兩種液體限制在圓筒中，那么壓力變化不會引起流動。但是，如在該特定實施例中，圓筒124的兩個端部互連，從而形成閉合回路，則液體流動變?yōu)榭赡堋＿@種液體流動可改變兩種流體之間的彎月面150的位置。彎月面150的平移可認(rèn)為是透鏡位置的平移，因此可用于進(jìn)行聚焦。
兩個圓筒123、124之間的彎月面152的半徑增大將引起彎月面上壓力差減小。因此，液體130、140移動，從而減小彎月面152的半徑，即，其沿著圓筒123、124之間空間較小的方向移動(即，圖4中所示情況的向上的方向)。液體之間的界面152繼續(xù)移動，直到圓筒123、124之間的空間小到足以恢復(fù)原始半徑為止。由于流體130、140的總體積在透鏡中是恒定的，那么彎月面152的向上運(yùn)動將導(dǎo)致彎月面150在由表面120限定的箱中對應(yīng)的向下運(yùn)動。由于彎月面150沿光軸90設(shè)置，那么，其對應(yīng)于由彎月面150提供的透鏡有效位置的變化。在該特定實施例中，表面120基本上平行于光軸，因此，透鏡功能元件僅僅改變位置，而不會改變透鏡的性質(zhì)。
圖5示出本發(fā)明的可替換的實施例。該結(jié)構(gòu)通常與圖4中所示的結(jié)構(gòu)類似，但是在該特定實施例中，將形成透鏡的彎月面限制在由表面120限定的圓錐形箱中，而將壓力產(chǎn)生的彎月面152限制在平行壁之間。
該透鏡300的工作原理一般與透鏡200相同。因此，利用該電潤濕效應(yīng)來改變彎月面152的曲率半徑，導(dǎo)致了彎月面150位置的隨后變化。但是，在該特定實施例中，彎月面150的半徑隨位置函數(shù)而變化，即，如果彎月面向下移動(在圖5所示的情況)，那么透鏡的半徑增大，從而導(dǎo)致透鏡屈光度(lens strength)減小。因此，該特殊透鏡300的設(shè)計允許同時改變透鏡功能元件的屈光度和位置。透鏡屈光度隨位置的變化可通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計選擇來控制，即通過控制箱的表面120相對于光軸90的傾斜角進(jìn)行控制。
優(yōu)選的是，在圖4和5所示的設(shè)備中，圓錐形筒具有相對于光軸90較小的傾斜角(例如小于10°，更優(yōu)選的是小于5°)。換句話說，該圓錐形筒幾乎是直筒。這具有小的電壓變化導(dǎo)致彎月面的大位移從而補(bǔ)償曲率變化的優(yōu)點(diǎn)。因此，具有小的傾斜角提供了需要相對較低電壓來發(fā)揮作用的設(shè)備。
如果需要，圓筒的表面可以都彼此平行(例如，兩個圓筒都平行于光軸)。在這種情況下，在兩個彎月面之間(即在彎月面150和彎月面152之間)將出現(xiàn)不穩(wěn)定的平衡。但是，通過利用反饋系統(tǒng)，通過根據(jù)保持彎月面150的位置的需要而利用電潤濕效應(yīng)移動彎月面152，可將光學(xué)彎月面150保持在適當(dāng)位置。
可替換的是，應(yīng)該理解，如果一個圓筒的傾斜角相對較大(例如相對于光軸成45°或60°)，那么需要相對較大的電壓變化來提供該彎月面的大位移。這允許非常精確地布置該彎月面的位置。
應(yīng)該理解，上面的各個實施例僅僅是作為例子而提供的，各種可替換的設(shè)計都將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，在上面的各個實施例中，假定由側(cè)壁120限定的箱具有圓形橫截面。但是，應(yīng)該理解，實際上該箱可以是任何所需的橫截面，即，正方形、矩形、圓形或橢圓形。該橫截面不需要關(guān)于光軸90對稱。
同樣，假定形成箱的表面120相對于光軸90成預(yù)定角度傾斜，或者平行于光軸90。但是，應(yīng)該理解，可以使用任何所需的定向或表面變化。例如，圖6A表示了形成該箱的表面120a的橫截面視圖，該表面相對于光軸90的傾斜角隨著沿光軸的位置而改變，即，表面120a的橫截面是彎曲的。
圖6B表示了可替換的構(gòu)形，其中，形成該箱的一部分表面120b相對于光軸傾斜，而所述一部分表面基本上相對于光軸平行。
圖6C表示了形成該箱的表面120c的另一種可替換的布置，其中，該表面最初與光軸相距預(yù)定距離，這些表面沿光軸順著距離逐漸朝光軸方向傾斜，然后遠(yuǎn)離光軸傾斜。
各種類型的泵都可用作泵110。例如，國際專利申請WO 02/069016描述了大量如何能夠移動流體的方式，例如電毛細(xì)管、差壓電毛細(xì)管現(xiàn)象(differential-pressure electro-capillarity)、電潤濕、連續(xù)電潤濕、電泳、電滲、介電電泳、電水動抽吸(electrohydrodynamic pumping)、熱毛細(xì)管(thermocapillary)、熱膨脹、電介質(zhì)抽吸或可變的電介質(zhì)抽吸，這些方式中的任一種都可以用于提供泵110所需的抽吸?？商鎿Q的是，也可以使用機(jī)械泵。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的可變透鏡可以形成需要透鏡的任何光學(xué)設(shè)備的部件，或者實際上，上面描述的透鏡元件可以形成較大透鏡組的部件。
例如，變焦透鏡中的至少一個透鏡組可包括依照本發(fā)明實施例的透鏡。變焦透鏡是焦距連續(xù)可變、同時保持固定焦平面從而提供對對象的可變放大的透鏡(通常是照相機(jī)鏡頭)。變焦透鏡通常包括兩個獨(dú)立的可變透鏡組。
在上面的各個實施例中，假定箱的表面120具有基本上均勻的可濕性。但是，如果需要，可以被動地(例如通過具有涂層，表面120的可濕性隨著沿光軸的距離而改變)，或通過利用電潤濕效應(yīng)改變彎月面150與表面120接觸的接觸角來改變表面120的可濕性。通過改變透鏡的曲率半徑，這種效應(yīng)可用于將透鏡屈光度變?yōu)樗枨舛?。這種透鏡可用作變焦透鏡，這是因為可以獨(dú)立地調(diào)整該透鏡的位置以及光焦度。
圖7表示依照本發(fā)明另一個實施例的透鏡500。該透鏡結(jié)構(gòu)一般與圖4中所示的透鏡200類似。但是，提供了額外的電極(在該例子中是圓柱電極514)以利用電潤濕效應(yīng)改變彎月面150與表面120接觸的接觸角。絕緣體(例如表面120)覆蓋電極514。這使得彎月面150的半徑變化獨(dú)立于彎月面152的半徑變化。因此，可通過在電極112/114和116之間提供電壓，并在電極116和514之間提供電壓來可控制地改變由彎月面150提供的透鏡功能元件的半徑和位置。例如，可將彎月面150的位置和形狀變?yōu)橛商摼€150″所示的位置和形狀。這樣，可以通過改變彎月面150的曲率來改變透鏡的焦距，同時通過移動彎月面150的位置仍然將物體保持在焦點(diǎn)上。這允許構(gòu)造變焦透鏡，其中光必須只穿過一個可變界面。
圖8示出依照本發(fā)明另一個實施例的透鏡600。該透鏡形狀一般與圖5中所示透鏡300類似，在表面120之下增加了額外的電極614。圓錐電極614用于改變彎月面150與表面120的接觸角。在該特定實施例中，彎月面150的半徑(因此由該彎月面提供的透鏡功能元件的半徑)不僅取決于電極614的電壓，而且取決于彎月面150的位置。如果彎月面150向下移動，那么半徑(因此該透鏡屈光度)將減小。對于表面120的一定傾斜角，可以將物體保持在焦點(diǎn)上，同時通過只改變一個電壓來放大和縮小。
依照本發(fā)明的透鏡可用在多種應(yīng)用和設(shè)備中。
圖9示出用于掃描光學(xué)記錄載體2的設(shè)備1，包括物鏡系統(tǒng)18，該物鏡系統(tǒng)包括依照本發(fā)明實施例的可變焦點(diǎn)透鏡。記錄載體包括透明層3，信息層4置于該透明層的一側(cè)。通過保護(hù)層5來保護(hù)該信息層上與透明層相反的一側(cè)，使其不受環(huán)境影響。透明層面向該設(shè)備的一側(cè)稱作入射面6。透明層3通過對信息層提供機(jī)械支撐而作為記錄載體的基底。
可替換的是，透明層可以僅具有保護(hù)信息層的作用，而通過位于信息層另一側(cè)上的一層來提供機(jī)械支撐，例如通過保護(hù)層5，或者通過連接到信息層4的附加信息層和透明層來提供機(jī)械支撐。
可以將信息按照在基本上平行、同心或螺旋軌道上設(shè)置的可光學(xué)檢測的標(biāo)記的形式存儲在記錄載體的信息層4中。這些標(biāo)記可以是任何光學(xué)可讀的形式，例如反射系數(shù)或磁化方向不同于其周圍環(huán)境的多個凹坑或多個區(qū)域的形式，或這些形式的組合。
掃描設(shè)備1包括能夠發(fā)射輻射光束12的輻射源11。輻射源可以是半導(dǎo)體激光器。分束器13朝準(zhǔn)直透鏡14反射發(fā)散的輻射光束12，該準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散光束12變?yōu)闇?zhǔn)直光束15。準(zhǔn)直光束15入射在物鏡系統(tǒng)18上。
物鏡系統(tǒng)可包括一個或多個透鏡和/或光柵。物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。物鏡系統(tǒng)18將光束17變?yōu)闀酃馐?0，入射在記錄載體2的入射面6上。物鏡系統(tǒng)具有適合于使輻射光束通過透明層3的厚度的球差校正。會聚光束20在信息層4上形成光點(diǎn)21。信息層4反射的輻射形成發(fā)散光束22，由物鏡系統(tǒng)18將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧蠝?zhǔn)直的光束23，隨后由準(zhǔn)直透鏡14將其轉(zhuǎn)變?yōu)闀酃馐?4。分束器13通過向檢測系統(tǒng)25透射至少一部分會聚光束24而使正向光束與反射光束分開。檢測系統(tǒng)捕獲該輻射，并將其變?yōu)殡娸敵鲂盘?6。信號處理器27將這些輸出信號變?yōu)楦鞣N其他信號。
這些信號之一是信息信號28，其值代表從信息層4讀取的信息。通過信息處理單元來處理該信息信號以進(jìn)行誤差校正29。來自信號處理器27的其他信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號。聚焦誤差信號代表光點(diǎn)21和信息層4之間的軸向高度差。徑向誤差信號代表在信息層4的平面內(nèi)光點(diǎn)21和光點(diǎn)所遵循的信息層的軌道中心之間的距離。將聚焦誤差信號和徑向誤差信號饋送到伺服電路31中，該伺服電路將這些信號變?yōu)榉謩e控制聚焦致動器和徑向致動器的伺服控制信號32。圖中沒有示出這些致動器。聚焦致動器控制物鏡系統(tǒng)18沿聚焦方向33的位置，由此控制光點(diǎn)21的實際位置，從而使其與信息層4的平面基本上重合。徑向致動器控制物鏡18沿徑向34的位置，由此控制光點(diǎn)21的徑向位置，從而使其與信息層4中遵循的軌道的中心線基本上重合。圖中的軌道沿垂直于圖面的方向延伸。
在該特定實施例中，圖9的設(shè)備還適合于掃描第二類型的記錄載體，其具有比記錄載體2更厚的透明層。該設(shè)備可以使用輻射光束12或具有用于掃描第二類型記錄載體的不同波長的輻射光束。該輻射光束的NA可適于這種類型的記錄載體。相應(yīng)地，必須適合該物鏡系統(tǒng)的球差補(bǔ)償。
例如，在雙層DVR(數(shù)字視頻記錄)盤中，兩個信息層位于0.1mm和0.08mm深度處；因此它們通常相隔0.02mm。當(dāng)從一層到另一層重新聚焦時，由于信息層的深度差，產(chǎn)生大約200mλ的不需要的球差，需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。這通過在物鏡系統(tǒng)18中引入球差使這兩個球差抵消來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過利用依照本發(fā)明的可變透鏡，通過改變?nèi)肷湓谖镧R系統(tǒng)18上的光束15的準(zhǔn)直而在物鏡系統(tǒng)18中引入球差?？梢詫⑦@種可變透鏡加入作為光束15的光路中的額外設(shè)備，或者該可變透鏡構(gòu)成透鏡14的一部分(例如，透鏡14是復(fù)合透鏡)。通過改變可變透鏡中彎月面的位置，能夠根據(jù)需要將光束15從平行變?yōu)槁晕刍虬l(fā)散，從而引入所需的球差。
圖10說明包括依照本發(fā)明可替換實施例的透鏡的可變焦點(diǎn)圖像捕獲設(shè)備400。
設(shè)備400包括復(fù)合可變焦點(diǎn)透鏡，該透鏡包括多個表面形成的圓柱形管120、凸出的前透鏡404和凸出的后透鏡406。兩個透鏡和管密封的空間形成圓柱形流體箱125。流體箱125容納第一和第二流體130和140。這兩種流體沿彎月面150接觸。如前所述，根據(jù)泵422供給箱的每種流體各自的體積，彎月面形成可變位置的彎月透鏡。
前透鏡404是高折射塑料制成的凸-凸透鏡，如聚碳酸酯或環(huán)烯烴共聚物(COC)，其具有正光焦度。該前透鏡的至少一個表面是非球面，以提供所需的初始聚焦特性。后透鏡元件406由低色散塑料制成，如COC，并包括充當(dāng)像場致平器(fieldflattener)的非球面透鏡表面。后透鏡元件的其他表面可以是平面、球面或非球面。
將消炫光闌(glare stop)416和孔徑光闌418添加到透鏡的前面。像素化(pixellated)圖像傳感器420位于透鏡后面的傳感器平面中，所述傳感器如CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器陣列。
泵422依照圖像信號的聚焦控制處理所得到的聚焦控制信號來驅(qū)動透鏡，從而提供無窮和10cm之間的物體范圍(object range)。
前透鏡元件404優(yōu)選與箱形成為一個單獨(dú)的主體，所述箱由后透鏡406封閉以形成密封單元。第二透鏡元件406可相對于圖8中所示的元件伸長，透鏡元件406的平坦后表面可以由成角度的鏡面來代替，優(yōu)選成45°角，從而使圖像傳感器420置于透鏡下面，以便減小透鏡的尺寸。
前透鏡404和后透鏡406的內(nèi)表面可以涂有保護(hù)層，以避免制成透鏡的材料與流體130和140不相容。保護(hù)層也可以具有抗反射特性。
通過上面的例子，應(yīng)該理解，在本發(fā)明的各個實施例中，提供了一種可變透鏡，其中通過移動彎月面可以很容易地調(diào)整透鏡的有效位置。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計透鏡的箱的表面，也可以在移動透鏡的同時調(diào)整透鏡的形狀(因此調(diào)整焦距)。由于光路中不需要機(jī)械組件，因此光路不會遭受機(jī)械磨損和破損。
權(quán)利要求
1.一種可變透鏡(100；200；300；500；600)，包括-箱(125)，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸(90)；-該箱(125)包含第一流體(130)和第二流體(140)，所述流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(150)上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁(125)來限制，所述流體(130，140)實質(zhì)上是不混溶的，并具有不同的折射率；和-至少一個泵(110；112，114，116，152；422)，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面(150)沿光軸(90)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中泵(110；112，114，116，152；422)利用下面至少一個來工作電毛細(xì)管、差壓電毛細(xì)管、電潤濕、連續(xù)電潤濕、電泳、電滲、介電電泳、電水動抽吸、熱毛細(xì)管、熱膨脹、電介質(zhì)抽吸、機(jī)械抽吸、或可變的電介質(zhì)抽吸。
3.如前面任一項權(quán)利要求所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中箱(125)的內(nèi)表面(120)的可濕性縱向改變。
4.如前面任一項權(quán)利要求所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中箱(125)的內(nèi)表面(120)的可濕性設(shè)置為通過電潤濕效應(yīng)使其可控制地改變。
5.如前面任一項權(quán)利要求所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中箱(125)具有圓形橫截面。
6.如前面任一項權(quán)利要求所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中限定箱(125)的內(nèi)表面(120)的至少一個側(cè)壁不平行于光軸(90)。
7.如前面任一項權(quán)利要求所述的透鏡(100；200；300；500；600)，其中該透鏡是變焦透鏡。
8.一種光學(xué)設(shè)備(1；400)，包括可變透鏡(100；200；300；500；600)，該透鏡包括-箱(125)，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸(90)；-該箱(125)包含第一流體(130)和第二流體(140)，所述流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(150)上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁來限制，所述流體實質(zhì)上是不混溶的，并具有不同的折射率；和-至少一個泵(110；112，114，116，152；422)，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面(150)沿光軸(90)的位置。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)設(shè)備，其中該設(shè)備是光學(xué)掃描設(shè)備(1)，以用于掃描光學(xué)記錄載體(2)的信息層(4)，該設(shè)備包括用于產(chǎn)生輻射光束(12，15，20)的輻射源(11)，和用于將該輻射光束會聚在信息層(4)上的物鏡系統(tǒng)(18)。
10.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)設(shè)備，其中該設(shè)備是可變焦點(diǎn)圖像捕獲設(shè)備(400)。
11.一種制造可變透鏡(100；200；300；500；600)的方法，該方法包括-提供箱(125)，該箱由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸(90)；-在該箱(125)中提供第一流體(130)和第二流體(140)，使得所述流體(130，140)在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(150)上接觸，該彎月面的周邊由所述側(cè)壁(125)來限制，所述流體(130，140)實質(zhì)上是不混溶的，并具有不同的折射率；和-提供至少一個泵(110；112，114，116，152；422)，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
12.一種制造光學(xué)設(shè)備(1；400)的方法，該方法包括以下步驟-提供可變透鏡，該可變透鏡包括-箱(125)，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸(90)；-該箱(125)包含第一流體(130)和第二流體(140)，所述流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(150)上接觸，該彎月面(150)的周邊由所述側(cè)壁(90)來限制，所述流體(130，140)實質(zhì)上是不混溶的，并具有不同的折射率；和-至少一個泵(110；112，114，116，152；422)，用于通過改變該箱中容納的每一種所述流體的相對體積而可控制地改變彎月面沿光軸的位置。
全文摘要
本申請描述了一種可變透鏡(100；200；300；400；500；600)。該透鏡(100；200；300；400；500；600)包括箱(125)，由至少一個側(cè)壁確定，并具有縱向延伸通過該箱的光軸(90)。該箱(125)包含第一流體(130)和第二流體(140)，所述流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(150)上接觸。該彎月面(150)的周邊由所述側(cè)壁(125)來限制。所述流體(130，140)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率。至少一個泵(110；112，114，116，152；422)用于通過改變該箱(125)中容納的每一種所述流體(130，140)的相對體積而可控制地改變彎月面(150)沿光軸(90)的位置。
文檔編號G11B7/135GK1788224SQ200480012977
公開日2006年6月14日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月14日
發(fā)明者S·庫伊佩, B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司