專利名稱：液體透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)專利權(quán)利要求的前序部分的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
包含流體的可調(diào)整光學(xué)透鏡系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。 例如，在2007年5月公開的W007049058涉及具有可變焦距的透鏡，該透鏡包括附 著有撓性膜(flexible membrane)的剛性圈(rigidring)。剛性的透明前蓋被附著到撓性 膜和該圈的后表面上的剛性后蓋。在撓性膜和后蓋之間形成填充有液體的腔。可以調(diào)整該 腔中的液體量以改變撓性膜的曲率，從而改變透鏡的光學(xué)特性?？梢栽诤笊w和該圈之間設(shè) 置第二撓性膜。 在2006年7月公開的US2006164731AA示出具有可變焦距的透鏡的另一例子，其 基于充液腔室(單元)。液體透鏡單元由下述四個部分構(gòu)成即，透光的可膨脹膜(clear distensible membrane)、透明的壁膜、保存在透鏡單元腔室中的具有固定體積的液體、以 及環(huán)形外圍密封圈。類似于傳統(tǒng)的可變光闌，環(huán)形密封圈的半徑是可變的。通過調(diào)節(jié)環(huán)形 密封圈的半徑，將對透鏡單元中保存的液體重新進(jìn)行分布，從而改變可膨脹膜的曲率。 一個 缺點(diǎn)在于，液體透鏡受重力和振動的影響。 在2006年2月公開的W006011937涉及具有至少一個撓性膜(被表示為第一分隔 件)的流體自適應(yīng)透鏡設(shè)備(fluidic ad即tive lensdevice)。自適應(yīng)透鏡包括第一撓性 光學(xué)透明膜。與該撓性膜耦合的第二分隔件是至少部分光學(xué)透明的。在撓性膜和第二分隔 件之間形成第一腔。該透鏡設(shè)備在該腔內(nèi)包含流體。此外，該設(shè)備包括控制腔室中的壓力 或流體體積的裝置，例如，涂有特氟隆(teflon)的螺桿。當(dāng)流體介質(zhì)的參數(shù)改變時，膜發(fā)生 彎曲，并且透鏡的光學(xué)性質(zhì)改變。 在2003年5月公開的US2003095336描述主要用于校正或處方透鏡的透鏡布置。 處方透鏡與具有撓性膜和基體(base)的流體單元相鄰。由于流體被泵入流體單元或從該 流體單元泵出，所以整個透鏡布置的校正能力(corrective power)改變。該設(shè)備僅僅有限 地適合于小型化。 在1995年8月公開的US5446591披露了用于望遠(yuǎn)物鏡的另一可調(diào)整透鏡組件。該 設(shè)備包括液體透鏡元件，該液體透鏡元件包含在相鄰的玻璃透鏡元件之間。液體被引入到 相鄰的玻璃透鏡元件之間的間隙中，以形成液體透鏡元件。 在1987年5月公開的US4890903涉及具有由撓性膜限定的腔室的可調(diào)整液體透 鏡或反射鏡。撓性膜在張力下被支撐在一對彈性圈之間。第一流體介質(zhì)填充腔室，在透鏡的 情況中，該第一流體介質(zhì)具有與接觸撓性膜的另一側(cè)的第二流體介質(zhì)不同的折射率。撓性 膜的環(huán)形支撐件包括可相對移動的第一和第二構(gòu)件，該支撐件的所述第一和第二構(gòu)件以不 漏流體的方式可調(diào)整地連接，從而，可通過將支撐件的一個構(gòu)件相對于另一個構(gòu)件以這樣 的方式移動來調(diào)整腔室的體積改變第一流體介質(zhì)中的壓力，從而改變所述膜表面的形狀。
在2002年IO月公開的US 0154380 Al披露了充當(dāng)電子機(jī)械可調(diào)凹透鏡(electro-mechanically tuneable concave lens) 的微機(jī)械設(shè)備(micro-machined device)。透鏡主體自身由包含導(dǎo)電透明電極(諸如銦錫氧化物)的介質(zhì)和將具有不同折 射率的兩個區(qū)域分開的膜構(gòu)成。通過將電壓施加在透鏡主體內(nèi)的電極上，靜電力作用在某 些范圍內(nèi)的撓性電極上，其間的透鏡主體的厚度減小，因此改變了光學(xué)性質(zhì)。
在1998年5月公開的JP 144975 A描述了使用環(huán)形壓電致動器(piezo actuator) 的可調(diào)充液透鏡。在致動器的內(nèi)開口中，透明蓋允許光通過，同時外緣(outer rim)以某一 深度固定在剛性圈上。在該圈的中心，在壓電致動器的相對方向上，撓性透明膜與致動器包 圍充液空間，并且，在將電壓施加在致動器上的情況下，跨區(qū)體積(spannedvolume)改變。 隨著改變該體積，膜在一個方向偏轉(zhuǎn)，并且構(gòu)成帽罩形(calotte-sh即ed)可調(diào)透鏡。
在2005年10月公開的W0 096028 A也描述了使用環(huán)形壓電致動器的可調(diào)充液透 鏡。這里，壓電致動器的橫向發(fā)生的偏轉(zhuǎn)改變了圓柱形液體體積的直徑。恒定體積的液體 自身在具有相同的密度但不同的折射率的鄰近的不溶混液體上產(chǎn)生壓力。在將電壓施加在 壓電致動器的情況下，液體界面的位置改變，并且產(chǎn)生可調(diào)透鏡。 在1973年8月公開的GB 1327503 A描述了壓電驅(qū)動的可調(diào)液體透鏡。某一體積 的液體在軸向方向上包圍封閉的光學(xué)透明的圓柱形壓電激勵箱(piezoactive box)。液體 自身在一個頂部上被剛性箱包圍，該頂部被彈性的透明膜封閉。通過在壓電致動器上施加 電壓，改變內(nèi)部體積，膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生可調(diào)透鏡。 在2006年7月公開的US 164731 Al描述了可調(diào)充液透鏡，其中，通過機(jī)械地調(diào)節(jié) 壁的直徑，改變圓柱形腔室的體積。在軸向方向上，該系統(tǒng)被撓性膜封閉，從而允許在改變 箱的直徑的同時偏轉(zhuǎn)。以這樣的方式，可以容易地產(chǎn)生可調(diào)透鏡。 在2008年2月公開的W008020356涉及可變焦距透鏡。該透鏡包括具有內(nèi)腔室的 容器。第一流體介質(zhì)和第二流體介質(zhì)設(shè)置在腔室中，并且被彎月面分開。用于控制彎月面的 形狀的彎月面控制系統(tǒng)包括第一控制元件和第二控制元件。第一控制元件與彎月面耦合， 并且可以在與光軸基本上平行的方向上移動。第一控制元件和第二控制元件被配置為使用 電場或磁場相互作用。內(nèi)腔室可以是封閉腔室，而沒有任何元件延伸通過腔室壁。因此，減 少了流體介質(zhì)從腔室中泄漏的可能性。由第一控制元件和腔室的側(cè)壁之間的密封產(chǎn)生一個 問題。 現(xiàn)有技術(shù)中已知的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)在于，它們具有復(fù)雜的帶有用于交換 流體的裝置的設(shè)置(setup)，從而可以影響相對內(nèi)部壓力和體積。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有簡單的、堅(jiān)固的設(shè)置的改進(jìn)的液體透鏡系 統(tǒng)。 與現(xiàn)有技術(shù)中已知的透鏡系統(tǒng)不一樣，根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例原則上是 在外殼體的內(nèi)部布置有至少一個主腔室的封閉系統(tǒng)。所述至少一個主腔室相對于至少一個 附加腔室或外部處于由撓性膜限定的一側(cè)。所述至少一個腔室通常全部填充有具有相同或 不同的折射率的流體(氣體和/或液體)，從而流體存在于相鄰區(qū)域中。 根據(jù)在本發(fā)明的意義上的封閉系統(tǒng)，這樣理解系統(tǒng)其中，在正常操作期間，不與 外部進(jìn)行流體的交換(外部交換)是必要的。然而，如果合適的話，例如，出于膜的初始位
5置或形狀的調(diào)整原因，可以與外部交換一定量的流體。通過撓性膜至少部分地相對于彼此 限定至少兩個腔室，從而限定包含在所述至少兩個腔室中的流體。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，膜可以被 設(shè)計(jì)為一個連續(xù)膜或由具有相同或不同的機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)的部分(section)構(gòu)成的膜。通 過致動器可調(diào)整流體之間的膜(阻擋層)的形狀或偏轉(zhuǎn)，從而可調(diào)整系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)，該致 動器被機(jī)械地互連到至少一個膜或者被集成在至少一個膜中。在特殊的應(yīng)用中，例如，如果 有必要以平行的方式偏轉(zhuǎn)阻擋層的話(例如，在相移應(yīng)用中)，膜的一部分可以被形成為剛 性部分。致動器可以全部被集成到透鏡系統(tǒng)的外殼體中，或者可以至少部分地被布置在外 部。通過基于庫倫力作用在膜上的致動器，或者通過從外部作用在膜上的磁致動器，獲得良 好的結(jié)果。 透鏡系統(tǒng)的一個實(shí)施例通常在膜的一側(cè)包括幾個腔室或區(qū)域，所述腔室和區(qū)域例 如經(jīng)由溝道或開口彼此互連，以與該系統(tǒng)交換各體積的流體，從而影響該透鏡系統(tǒng)的光學(xué) 特性。由于透鏡系統(tǒng)內(nèi)的腔室通常被填充恒定量的流體，所以可以補(bǔ)償重力及其相關(guān)的局 部變形，因?yàn)樵谝欢ǖ娜莶?tolerance)內(nèi)流體壓力在系統(tǒng)的任意地方都相同。與現(xiàn)有技 術(shù)中已知的實(shí)施例不一樣，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)通常不是位置相關(guān)的，并且，重力沒有負(fù) 面影響。由于使各體積的流體變形的至少一個致動器裝置被集成到系統(tǒng)中，所以可以避免 外部貯存器。另外，密封系統(tǒng)提供可以避免污染的優(yōu)勢。由于膜相對于其自身分開至少兩 個腔室或者相對于周圍分開至少一個腔室，所以簡單且高效的構(gòu)造是可能的。不會出現(xiàn)現(xiàn) 有技術(shù)中已知的密封問題。 根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)通常具有外殼體，該外殼體具有軸向地延伸通過殼體的 中央主開口。開口可以至少在一側(cè)上通過由諸如玻璃、塑料、彈性體或金屬的光學(xué)活性 (opticallyl active)或透明材料制成的剛性或撓性面板來被封閉。如果合適的話，幾個透 鏡系統(tǒng)可以被排列成彼此相鄰、且彼此光學(xué)互連。因此，有可能省略某些分隔面板。面板自 身可以被成形為透鏡，或者包括衍射、折射或反射結(jié)構(gòu)。作為替換或補(bǔ)充的是，可能會預(yù)見 其它的透鏡影響光路，該透鏡可以具有可變或固定焦距。 在某些實(shí)施例中，CCD-陣列(或類似的設(shè)備)可以被集成在透鏡系統(tǒng)中，從而一 起形成完整的模塊。如果合適的話，模塊合并電子電路，以控制系統(tǒng)的致動和聚焦(focus) 并且/或者處理由CCD-陣列記錄的圖形信息。 如果合適的話，至少一個膜在張力下以拉伸和/或預(yù)拉伸的方式被布置在殼體的 開口中，延伸穿過開口 ，從而在兩個相對腔室中在軸向方向上分開開口 。膜包含在致動期間 通常反平行偏轉(zhuǎn)的至少兩個區(qū)域，并且，可以被預(yù)拉伸，并且/或者，可以由被填充到腔室 中的相對流體量來確定形狀。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，可以存在多于一個的膜。在膜的外端，它通常 被固定到外殼體。如隨后更詳細(xì)的解釋，膜可以被拉伸和固定到附加的保持裝置(環(huán)形保 持框架)，該保持裝置被布置在開口內(nèi)，以限定某些區(qū)域。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，膜至少部分地以非 平面的方式布置。 膜通常被附著到附加的保持裝置，從而具有較高的張力/應(yīng)變的膜的區(qū)域可以與 具有較低的張力/應(yīng)變的膜的區(qū)域相鄰。在制造透鏡系統(tǒng)的過程中，可以實(shí)現(xiàn)此，因?yàn)槟け?拉伸到第一程度，然后，被固定到例如框架狀的保持裝置。接著，將保持裝置周圍的膜的區(qū) 域拉伸到第二程度?？梢酝ㄟ^機(jī)械裝置或熱裝置(例如，通過熱氣體或輻射)來進(jìn)行拉伸。 作為替換或補(bǔ)充的是，可以通過用流體填充至少一個腔室來確定膜的初始位置。
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在透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例中，充當(dāng)保持裝置的環(huán)形保持框架被布置在殼體的開口內(nèi)， 其中，膜以同心的方式被附著到殼體的開口。膜被附著到環(huán)形保持框架。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，布 置在保持框架內(nèi)的膜的區(qū)域通常被拉伸得比布置在保持框架和殼體之間的膜的外區(qū)域少。 保持框架內(nèi)的膜的區(qū)域就其光學(xué)特性而言是光學(xué)活性的、且可調(diào)整的。通過致動器調(diào)整透 鏡系統(tǒng)的光學(xué)特性，該致動器被直接或間接地互連到膜的光學(xué)活性部分。由于光學(xué)活性元 件經(jīng)受比膜的外區(qū)域少的應(yīng)變，所以環(huán)形保持裝置的軸向位置和膜的外區(qū)域通過流體的位 移支配(dominate)膜的光學(xué)活性內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例中，致動器直接作用在保持框 架周圍的膜的環(huán)形外部上，從而導(dǎo)致膜的所述部分偏轉(zhuǎn)。通過在兩側(cè)的腔室中布置的流體， 間接地導(dǎo)致布置在保持框架內(nèi)的膜的光學(xué)活性部分的偏轉(zhuǎn)，從而機(jī)械地耦合膜。由于流體 的一部分通過膜的外部的致動運(yùn)動、保持裝置的位置或其組合而發(fā)生移位，所以作為其結(jié) 果，光學(xué)活性內(nèi)膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 在一個實(shí)施例中，膜的光學(xué)活性部分具有以某一半徑的帽罩形。通過膜的不同部
分中的不同應(yīng)變(對應(yīng)于應(yīng)力)和在腔室中填充的相對量的流體來實(shí)現(xiàn)此。由于致動器改
變了膜的不同部分中的相對應(yīng)變，所以流體在至少一個腔室中移動，并且，由于膜材料傾向
于收縮，因此，例如，通過減小或增大半徑，改變帽罩的形狀。通過膜的厚度分布，可以影響
帽罩的形狀，例如，變成拋物形或另一合適的設(shè)計(jì)。因此，有可能校正光學(xué)誤差。 通過以通常在膜或其部分的任意一側(cè)上被布置為彼此相對的兩個電極的形式的
致動器來實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)果。作為替換或補(bǔ)充的是，膜可以被磁性層覆蓋，或者，可以自身由
磁性層制成，使得膜可以通過磁場偏轉(zhuǎn)。至少一個電線圈被布置在殼體的內(nèi)部或外部，以使
膜偏轉(zhuǎn)。致動器包圍可彈性變形的、(如果合適的話)預(yù)拉伸的膜，例如，該膜由彈性材料
構(gòu)成。根據(jù)實(shí)施例，電極被布置為彼此充分地電隔離，以避免電流的負(fù)向流動。 在膜被兩個相對電極覆蓋的情況中，通過在第一和第二電極之間施加電壓，第一
和第二電極之間的區(qū)域的中間層通過庫倫力(對應(yīng)于麥克斯韋應(yīng)力)而壓縮，從而導(dǎo)致預(yù)
拉伸的膜材料的厚度(第一方向)的局部減小。膜材料的泊松比導(dǎo)致膜的橫向的、面內(nèi)的
膨脹(二次變形)。如果合適的話，可以疊加進(jìn)一步的變形。橫向膨脹導(dǎo)致正常拉伸的膜的
面外偏轉(zhuǎn)，使得以確定的方式改變光學(xué)活性膜的特性。 為了獲得特殊的光學(xué)效果，膜可以具有三維形狀，或者具有可變厚度，或者包含 衍射、折射、反射、散射或吸收結(jié)構(gòu)。作為替換或補(bǔ)充的是，可以實(shí)施其它光學(xué)功能，例如， 相移功能、可調(diào)微透鏡陣列或可調(diào)反射鏡。如果合適的話，膜可以一個部分一個部分地 (sectionwise)由不同的材料或?qū)又瞥?。由于膜由市售?M的VHB4910、VHB4905、VHB 9460 膠帶構(gòu)成，所以獲得良好的結(jié)果。該材料的折射率為1. 47。使用包含硅、硅膠或聚氨酯的彈 性膜，也獲得良好的結(jié)果。 由于膜被布置在殼體的內(nèi)部從而將殼體分成第一和第二腔室，并且該膜由具有不 同折射率的材料制成，所以可以獲得校正透鏡誤差的設(shè)備，所述第一和第二腔室被通常具 有類似的折射率的液體填充。由于膜如上所述地被偏轉(zhuǎn)，例如，使得它形成帽罩，所以實(shí)現(xiàn) 了，膜的光學(xué)活性部分在中心具有較低的傾度(inclination)，該傾度隨著遠(yuǎn)離中心(在徑 向方向)而增大。通過透鏡系統(tǒng)的光在外區(qū)域比在中心面臨更長的路徑。因此，例如，可以 補(bǔ)償互連透鏡或另一光學(xué)設(shè)備的光學(xué)誤差。為了使效果最佳化，膜可以包含厚度分布，其自 身充當(dāng)撓性透鏡(flexible lens)。根據(jù)諸如膜的設(shè)計(jì)的設(shè)置，可以補(bǔ)償諸如球差或色差的
7像差。 可以獲得相移設(shè)備，因?yàn)樯鲜龅膹椥阅ぐú豢勺冃蔚钠矫嬷行牟糠郑撈矫嬷?心部分可以通過致動器在軸向方向上(沿著光路)偏轉(zhuǎn)。該設(shè)備包括被具有不同折射率的 流體填充的至少兩個腔室。由于平面中心部分偏轉(zhuǎn)，所以實(shí)現(xiàn)了，不同介質(zhì)中的光路改變， 從而產(chǎn)生相移效果。平面中心部分可以由透明的或反射性的材料制成。 可以通過布置包含小開口的布置的剛性的不可變形的中心部分來獲得自適應(yīng)微 透鏡陣列，所述小開口被彈性的光學(xué)透明材料的可變形層覆蓋。通過改變內(nèi)腔室里的流體 體積，改變開口上方的可變形層的形狀，從而影響該設(shè)備的光學(xué)性質(zhì)。 由于吸光流體被填充在至少一個腔室中，所以可以影響光束的強(qiáng)度分布。因此，吸 收流體內(nèi)的光路隨著橫向位置而改變，從而控制內(nèi)腔室內(nèi)的特定光路上的總吸收。
在根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)中，膜可以被涂布有抗反射層。至少一個膜可以具有多 層設(shè)置，從而可以調(diào)整各個層的折射率和各層的厚度，使得通過相消干涉來消除反射光束。
可以用不同的方式將涂層施加到膜和/或殼體的表面。通過諸如氣相沉積、等離 子體涂布、摻雜、自組裝單分子層(SAM) 、 LangmuirBlodgett膜、兩親型表面活性劑或旋涂 的傳統(tǒng)方法來獲得良好的結(jié)果。方法是在膜自身上施加某些3D結(jié)構(gòu)。通過用子波長范圍 中的充分分布的小突起或?qū)ο?object)來構(gòu)造該表面，可以產(chǎn)生抗反射效果。產(chǎn)生該效果 的方法是蝕刻膜、在膜上澆鑄或施加顆粒。 如果合適的話，涂層的分子可以在存在于相鄰腔室之一中的流體中具有一定的溶 解度，并且，可以發(fā)生到膜表面上的沉降?？梢詫?shí)現(xiàn)類似的效果，因?yàn)閷⒏哒吵硪后w層施加 到膜表面，例如，將油層施加到膜的親油性表面，其中，該高粘稠液體層對彈性材料具有高 化學(xué)親和力，并且對周圍液體(流體)具有低親和力。 根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)可以用于下述應(yīng)用其中，與手持設(shè)備一樣，用于改變焦距 的緊湊型控制和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(sterring mechanism)是令人感興趣的，例如，蜂窩電話或個人 數(shù)字助理、投影儀、照相機(jī)、用于光學(xué)測量的物鏡、高功率激光控制應(yīng)用、干涉儀、顯示器或 顯微鏡。使用諸如生物相容性材料的合適的材料，該透鏡系統(tǒng)可以用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用或哺乳動 物植入，以便校正視覺系(visual faculty)。與現(xiàn)有技術(shù)相比， 一個優(yōu)勢在于，根據(jù)本發(fā)明 的透鏡系統(tǒng)可以易于尺寸小型化或縮放。 優(yōu)選地，布置在腔室中的流體出自于由硅油、油類、溶劑、水、透明或反射性液體、 氣體構(gòu)成的組中。如果合適的話，可以用諸如Wacker的Silgel 612 A&B或者Dow Corning 的Sylgard527或Sylgard528的凝膠至少部分地替換流體。凝膠具有密封少出問題的優(yōu)勢。 優(yōu)選地，流體中的至少一種是不可壓縮型的，例如，諸如油或水的液體。對于某些應(yīng)用，流體 可以包含影響光學(xué)行為的顆?；?qū)ο??？梢允褂眠@種分散來強(qiáng)烈地影響不同于視覺范圍的 電磁波的傳播和擴(kuò)展。因此，透鏡系統(tǒng)可以用于不同的電磁波譜。 由于透鏡系統(tǒng)的一個腔室被諸如汞的反射性材料填充，所以可以制造反射鏡型的
透鏡系統(tǒng)。作為替換或補(bǔ)充的是，膜自身可以被諸如作為〃 Galinstan〃的由鎵、銦和錫制
成的合金或其它共晶合金的薄的、撓性的或液態(tài)的金屬涂布，或者自身由反射性材料構(gòu)成。
通過在光學(xué)活性部分的一側(cè)上簡單地放置反射鏡，可以獲得相同的效果。 如果合適的話，膜可以由半滲透性材料制成，從而允許氣體通過布置在至少一個
腔室中的液體的內(nèi)部。由于腔室中的液體具有較高的內(nèi)壓，所以強(qiáng)迫氣體通過膜從腔室中逸出。因此，可以避免具有負(fù)面影響的氣泡。 如果合適的話，例如，在巻軸機(jī)(beamer)或高性能聚光燈中，可以通過封閉的冷 卻電路和/或通過對流式冷卻來冷卻透鏡系統(tǒng)。冷卻電路優(yōu)選地是等壓的，從而不會以無 意的方式影響膜的位置。 使用預(yù)拉伸的膜制造根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)的工藝通常包括下述工藝步驟
1.將膜材料拉伸到第一程度； 2.將拉伸的膜材料附著到保持框架，該保持框架對應(yīng)于環(huán)形保持框架； 3.將保持框架周圍的膜拉伸到第二程度； 4.將膜布置在殼體的開口中，并且將膜附著到殼體； 5.根據(jù)實(shí)施例，將相對的電極和/或至少一個磁性層附著到膜的部分； 6.用具有第一折射率的第一流體填充由膜的第一側(cè)限定的腔室，使得膜的被拉伸
到第一程度的部分形成帽罩；以及 7.根據(jù)實(shí)施例，用具有不同的折射率的第二流體填充由膜的第二側(cè)限定的第二腔室。 如果合適的話，在制造期間，膜不是以預(yù)拉伸的方式布置，但是，通過將合適量的 流體填充到腔室中，使膜成為拉伸形狀?？梢杂商畛涞脚c膜相鄰的腔室中的流體的相對量 確定初始位置。 如果合適的話，在固定膜保持器之前，可以在腔室中填充液體。以這樣的方式，在 組裝工藝自身期間產(chǎn)生最終形狀。由于膜材料由半滲透性材料制成，所以可以通過膜擴(kuò)散 被俘獲的氣泡。應(yīng)用真空能夠使脫氣更快。該制造方法能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的晶片級工藝。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及包括具有在軸向方向上延伸的開口的殼體的光學(xué)系統(tǒng)。至少 一個膜被布置為橫過開口 ，從而在殼體的內(nèi)部限定至少一個腔室，所述至少一個腔室被填 充有通常恒定量的流體。膜包括光學(xué)活性和光學(xué)惰性(optically passive)部分、以及至 少一個致動器，以優(yōu)選地通過再定位流體來影響膜的光學(xué)活性部分的幾何結(jié)構(gòu)，從而改變 光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性。膜的光學(xué)活性和光學(xué)惰性部分通常被附著到至少一個環(huán)形保持框 架。在優(yōu)選實(shí)施例中，膜的光學(xué)活性和光學(xué)惰性部分被附著到同一環(huán)形保持框架。環(huán)形保 持框架在光學(xué)活性和光學(xué)惰性部分中分開膜。在實(shí)施例中，致動器與膜的光學(xué)惰性部分互 連。作為替換或補(bǔ)充的是，致動器與環(huán)形保持框架互連，以在軸向方向上使環(huán)形保持框架移 位。環(huán)形保持框架可以被布置在離開口的內(nèi)側(cè)表面的一定距離處。在實(shí)施例中，使膜移位 的致動器由至少兩個電極構(gòu)成，所述至少兩個電極與膜互連，彼此電隔離，并且至少部分地 包圍膜的一個部分。如果電極由金屬粉、導(dǎo)電共晶合金、炭黑或光學(xué)透明的電極材料制成， 獲得良好的結(jié)果。在實(shí)施例中，至少一個膜將殼體的內(nèi)部分成第一和第二腔室，所述第一和 第二腔室填充有具有相同或不同的折射率的第一和第二流體。如果合適的話，膜的光學(xué)活 性部分可以包含剛性、吸收、折射、衍射、擴(kuò)散或反射結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，膜可以被布置為 與開口的軸垂直，或者與其成一定角度。
從下文給出的描述和附圖中將會更加全面地理解本文描述的發(fā)明，這些附圖示出 不應(yīng)當(dāng)被視為對所附權(quán)利要求中描述的發(fā)明的限制的實(shí)施例。附圖示出
圖1以俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)的第一實(shí)施例； 圖2示出根據(jù)圖1的透鏡系統(tǒng)沿著線AA的橫截面； 圖3示出根據(jù)圖2的細(xì)節(jié)B ; 圖4以局部切割的透視的方式示出根據(jù)圖1的實(shí)施例； 圖5以俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)的第二實(shí)施例； 圖6示出根據(jù)圖5的透鏡系統(tǒng)沿著線BB的橫截面； 圖7按三種不同操作模式以示意側(cè)視圖示出透鏡系統(tǒng)的第三實(shí)施例； 圖8按兩種不同操作模式以示意側(cè)視圖示出透鏡系統(tǒng)的第四實(shí)施例； 圖9按兩種不同操作模式以示意側(cè)視圖示出透鏡系統(tǒng)的第五實(shí)施例； 圖10以透視的方式示出透鏡系統(tǒng)的第六實(shí)施例； 圖11以俯視圖示出根據(jù)圖10的透鏡系統(tǒng)； 圖12以剖面圖示出根據(jù)圖10的透鏡系統(tǒng)； 圖13以分解圖示出根據(jù)圖10的透鏡系統(tǒng)； 圖14以透視圖示出透鏡系統(tǒng)的第七實(shí)施例； 圖15以透視圖示出透鏡系統(tǒng)的第八實(shí)施例； 圖16示出圖15的細(xì)節(jié)A ; 圖17以透視的方式示出透鏡系統(tǒng)的第九實(shí)施例； 圖18示出透鏡系統(tǒng)的第十實(shí)施例的俯視圖； 圖19示出圖18的沿著剖面線DD的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1以俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)1的第一實(shí)施例。圖2示出該透鏡系統(tǒng) 的沿著線AA的橫截面，并且，圖3示出根據(jù)圖2的細(xì)節(jié)B。 透鏡系統(tǒng)l包括具有中央開口 3的外殼體2，該中央開口在軸向方向(z軸)上延 伸通過殼體2。中央開口 3在殼體2的任意一側(cè)上由上下剛性面板4、5封閉。膜6將開口 3分成填充有流體(液體或氣體，未詳細(xì)地示出)的第一上腔室7和第二下腔室8。在示出 的實(shí)施例中，通過將膜夾持在殼體2的上部分2. 1和下部分2. 2之間，膜6在其外端以預(yù)拉 伸的方式被固定到殼體2。在中央開口 3的內(nèi)部，環(huán)形保持框架9是可見的，從而將膜6分 成第一圓形內(nèi)區(qū)域(具有直徑dl)6. l和第二環(huán)形外區(qū)域6.2。在示出的實(shí)施例中，環(huán)形保 持框架9相對于殼體2的內(nèi)側(cè)壁26以距離d2被同心地布置到外殼體2。在內(nèi)區(qū)域6. 1和 外區(qū)域6.2之間，膜6被固定到保持框架9。膜6在彈性張力下以預(yù)拉伸的方式被安裝。在 制造透鏡系統(tǒng)1的過程期間，按階段對膜6進(jìn)行拉伸，使得內(nèi)區(qū)域6. 1的彈性張力小于外區(qū) 域6. 2的彈性張力。由此，外區(qū)域通常是平坦的，并且，內(nèi)區(qū)域在-Z的方向上偏轉(zhuǎn)。然而，在 某些實(shí)施例中，不必對膜進(jìn)行預(yù)拉伸，例如，在由填充在腔室中的體積確定初始形狀時。至 少一個腔室7、8中的流體確定初始形狀，并且在操作期間確定膜的內(nèi)區(qū)域6. l和外區(qū)域6. 2 的相對變形。 在示出的實(shí)施例中，通過上腔室7和下腔室8中包含的流體，主要在膜6的內(nèi)區(qū)域 6. 1和外區(qū)域6. 2之間進(jìn)行機(jī)械耦合。環(huán)形保持框架9包括允許下腔室8的第一內(nèi)部8. 1 和第二外部8.2之間的流體交換的開口 10。在其它實(shí)施例中，保持框架9可以不以固定的
10方式布置，例如，可以在軸向方向上移位。 如圖2中最好可見的是，選擇上腔室和下腔室的體積，使得膜6的中央部分6. 1被 布置為帽罩狀的。由于膜的中央部分6. l經(jīng)受了比膜的外部6.2少的應(yīng)變，所以，在初始位 置，中央部分偏轉(zhuǎn)，而外部通常不偏轉(zhuǎn)。 如圖3中最好可見的是，第一上電極11和第二下電極12彼此相對地布置為環(huán)形 地包圍膜6的外區(qū)域6. 2。實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)果，因?yàn)橥ㄟ^將炭黑沖壓到膜上，通過離子注入 工藝，或者通過施加諸如Gal instan的撓性或液態(tài)金屬，電極由炭黑制成?？商鎿Q類型的電 極可能是合適的。電極通過例如集成到框架9、2. 1、2.2中的電連接器來與外部電互連。通 過施加電壓，電極11、12由于庫倫力(對應(yīng)于麥克斯韋應(yīng)力)而相互吸引，從而壓縮布置在 其間的應(yīng)變膜6.2。由于材料的泊松比，膜橫向地膨脹，從而增大其徑向和周向尺寸。這樣 的幾何結(jié)構(gòu)的變化還減少膜6的環(huán)形外部6. 2的材料中的應(yīng)變。由于現(xiàn)在膜的圓形內(nèi)部中 的應(yīng)力超過了膜6的外部的應(yīng)力的原因，所以減少了內(nèi)區(qū)域的變形，并且增加了外區(qū)域的 變形。 圖4以透視的方式示出根據(jù)圖1至3的透鏡系統(tǒng)1。設(shè)備1部分地被剖開，以允許 更好地觀察內(nèi)部。膜6的環(huán)形外部6.2被示出為以變形的方式偏離xy-平面。保持框架9 與膜6互連，并且將膜分成具有較低應(yīng)力的圓形內(nèi)部6. 1和具有較高應(yīng)力的環(huán)形外部6. 2。 由于這種應(yīng)力差，所以在不施加變形時，環(huán)形外部6. 2支配圓形內(nèi)部6. 1。由于腔室7、8中 的總體積保持相同，所以膜的環(huán)形外部6. 2的面外變形通過至少一個腔室7、8中的流體影 響內(nèi)部的變形。如上所述，變形與電極11、12施加的庫倫力有關(guān)，從而導(dǎo)致夾于這些電極之 間的膜壓縮。這樣引起膜的內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域之間的相對應(yīng)變比例的改變，因?yàn)楝F(xiàn)在膜的內(nèi) 區(qū)域的應(yīng)變超過了膜的外區(qū)域的應(yīng)變。因此，減少了膜的內(nèi)區(qū)域的面外變形，從而導(dǎo)致光學(xué) 特性的改變。 圖5以俯視圖示出擴(kuò)展的透鏡系統(tǒng)20，并且，圖6以沿著線BB的剖面圖示出 根據(jù)圖5的實(shí)施例。擴(kuò)展的透鏡系統(tǒng)20由根據(jù)圖1至4的兩個透鏡系統(tǒng)1. 1、1. 2構(gòu) 成，這兩個透鏡系統(tǒng)在功能上彼此互連。這兩個透鏡系統(tǒng)1. 1、1.2相對于彼此以對影像 (mirror-inverted)的方式布置，并且共享由第一液體(未詳細(xì)地示出)填充的第一腔室 7。這兩個透鏡系統(tǒng)l. 1、1.2沒有被剛性中間構(gòu)件彼此分開。如果合適的話，可以預(yù)見例如 以玻璃面板或透鏡(二者都不可見)的形式的分開。盡管外殼體2被示出為分開的部分， 但是它們可以被制成一個部分。在兩個膜6. 1、6. 2的相對側(cè)，兩個第二腔室8. 1、8. 2是可 見的，這兩個第二腔室被與腔室7中的第一流體相比具有不同的折射率的流體(未詳細(xì)地 示出)填充。在操作期間，這三個腔室7、8. 1、8. 2的體積通常是恒定的。由此可見，下系統(tǒng) 1. 2的膜21偏轉(zhuǎn)，而上透鏡系統(tǒng)2. 2的膜22沒有偏轉(zhuǎn)。 圖7以未變形的方式(圖7a)和以兩個變形的階段(圖7b和7c)示意性地示出 根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)40的第三實(shí)施例。透鏡系統(tǒng)40包括外殼體41，該外殼體包圍體積 V，至少在操作期間，該體積V通常是恒定的。在殼體41內(nèi)，由彈性材料制成的第一膜42和 第二膜43被布置為將殼體41的內(nèi)部體積分成三個腔室44、45、46。腔室44、45、46被填充 有具有不同光學(xué)特性的不同的流體。每一個膜42、43以拉伸的方式被附著到保持圈(環(huán)形 保持框架)47、48，在本實(shí)施例中，保持圈被布置在離外緣的膜的邊緣的一定距離處。在本 實(shí)施例中，保持圈47、48通常具有相同的直徑。為了實(shí)現(xiàn)特殊的效果，該直徑可以不同。膜42、43在其外緣處被附著到殼體41。膜42、43可以通過在殼體41的各部件之間固定膜來 附著。保持圈47、48可以沿著軸向(z方向)在殼體41中移動，從而使附著到其上的膜的 光學(xué)活性密封部分相對于殼體41和腔室44、45、46而偏轉(zhuǎn)。由于殼體41內(nèi)的通常恒定的 體積V，膜42、43的形狀由于腔室44、45、46中的流體的再定位而改變，使得透鏡系統(tǒng)的光學(xué) 行為改變?？梢詢H僅使用一個膜來設(shè)計(jì)更加簡單的透鏡系統(tǒng)，其中，這一個膜僅僅將殼體的 通常恒定的體積分成兩個分開的腔室。 通過在軸向方向(z方向)上上下移動保持圈47、48，可以獲得例如雙凸、雙凹、凸 凹、凹凸或平凸的透鏡系統(tǒng)。在實(shí)施例中，保持圈由來自外部的磁場致動。作為替換或補(bǔ)充 的是，可以通過諸如電場或磁場誘導(dǎo)力傳遞的其它裝置來致動這些圈。如果合適的話，可以 在功能上串行互連上述的透鏡系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，還可以提供僅有一個膜的透鏡系統(tǒng)，該 膜將腔室分成兩個區(qū)域。 可以用不同的方式將作用于膜上的偏轉(zhuǎn)力分別施加到膜的保持裝置。由于例如附 著到膜的保持圈47、48與由諸如釹鐵硼(NdFeB)，的磁性材料制成或者由鐵磁性材料制成 的磁體互連，所以可以通過這樣以預(yù)見的方式遙遠(yuǎn)地偏轉(zhuǎn)膜從外部施加磁場，從而通過完 全密封的外殼體41調(diào)整透鏡系統(tǒng)的光學(xué)行為。如果一個腔室填充有空氣，則該腔室可以是 敞口的?？梢酝ㄟ^電線圈產(chǎn)生磁場，該電線圈沿著殼體41布置，并且被設(shè)計(jì)為使得它產(chǎn)生 合適的磁場。如果多于一個圈需要偏轉(zhuǎn)，則可以為每一個圈提供電線圈。作為替換或補(bǔ)充的 是，可以通過由磁性或鐵磁性材料制成的圈或者包含磁性或鐵磁性材料的圈來偏轉(zhuǎn)膜。該 圈被布置為可以沿著殼體41移位。由于外殼體41由對磁場透明的材料制成，所以可以將 致動器布置在外部，從而將偏轉(zhuǎn)力遙遠(yuǎn)地施加到膜上。在另一個實(shí)施例中，致動器由具有取 決于材料溫度的形狀的雙金屬或形狀記憶合金制成。這些致動器通過膜的保持裝置與膜機(jī) 械地互連，并且，例如，可以通過電流加熱，從而使膜偏轉(zhuǎn)。 圖8a和圖8b示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)27的第四實(shí)施例。圖8a以非偏轉(zhuǎn)的方 式示出實(shí)施例27，圖8b以偏轉(zhuǎn)的方式示出實(shí)施例27。所示出的透鏡系統(tǒng)27具有關(guān)于中央 軸z旋轉(zhuǎn)對稱的設(shè)置。如果合適的話，具有諸如正方形或其它形狀的橫截面的其它設(shè)計(jì)也 是可能的。透鏡系統(tǒng)27包括通過撓性膜31被分成第一腔室29和第二腔室30的至少部分 光學(xué)透明的外殼體28。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的光學(xué)效果，腔室29、30全部被具有相同或不同的折射 率的流體(未詳細(xì)地示出)填充。腔室31包括沿著其外緣包圍膜31的光學(xué)活性中央部分 33的環(huán)形磁區(qū)域32。磁區(qū)域32由磁活性材料(例如，磁性或鐵磁性材料)制成。如果合 適的話，由磁活性材料制成的剛性或撓性圈可以被合并或附著到膜31的外區(qū)域32。膜31 優(yōu)選地以這樣的方式布置其將一定的預(yù)設(shè)力施加到腔室29、30中的流體上，使得膜在其 自身偏轉(zhuǎn)到平衡位置之后返回。通常，腔室29、30中的至少一種流體優(yōu)選地是不可滲透型 的。 在圖8b中示出以同心圓示意性地表示的磁場34如何施加到磁性層32。結(jié)果，出 現(xiàn)作用在膜31的外區(qū)域32上且在z方向上局部地偏轉(zhuǎn)膜31的力F。因此，腔室29、30中 的流體被重新布置為在相反方向(-z方向)上偏轉(zhuǎn)膜31的中央部分，使得膜的中央部分采 用帽罩的形狀。在通常的+z方向上通過透鏡系統(tǒng)1的由虛線示意性地表示的光束35以垂 直的方式通過第一端面板36進(jìn)入外殼體28和存在于第一腔室29中的第一流體。然后，該 光束在進(jìn)入存在于第二腔室30中的第二流體的同時通過光學(xué)透明膜31而第一次偏轉(zhuǎn)。該光束在通過第二端面板37從外殼體28射出的同時發(fā)生第二偏轉(zhuǎn)。由于磁場增大，所以膜 的偏轉(zhuǎn)頁增大。因此，有可能調(diào)整透鏡系統(tǒng)的光學(xué)行為。可以由布置在殼體28之外的線圈 38(參見圖17)產(chǎn)生磁場34。 圖9a和圖9b示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)55的第五實(shí)施例。圖9a以非偏轉(zhuǎn)的方 式示出光學(xué)系統(tǒng)55，并且圖9b以偏轉(zhuǎn)的方式示出光學(xué)系統(tǒng)55。光學(xué)系統(tǒng)55包括具有在軸 向方向z上延伸的中央開口 57的外殼體56。在一端，中央開口 57被剛性壁58封閉。撓性 膜59延伸穿過開口 57，并且在其外端處被固定到外殼體56。具有體積V且被流體(液體或 氣體)填充的腔室60由壁58和膜59限定。環(huán)形框架61在離膜59的外緣的一定距離d2 處與膜59互連。由于環(huán)形框架62沿著遠(yuǎn)端(這里，-z方向)直接或間接地被擠壓在膜59 的表面上，所以對腔室60內(nèi)的流體重新進(jìn)行布置，并且，膜以凸形的方式被偏轉(zhuǎn)成帽罩狀， 如圖9b中示意性所示。由于腔室60被具有不同的折射率的流體填充，然后流體存在于腔 室60之外，所以通過光學(xué)系統(tǒng)的光束根據(jù)確定的方式偏轉(zhuǎn)。由于環(huán)形框架被脫開(這里， +2方向)，所以膜以凹形的方式變形(未示出)。由于腔室60被諸如油或水的不可滲透的 流體填充，所以可以保持體積V通常恒定，從而確定膜59的變形。膜60可以由不同的部分 組裝成，例如，內(nèi)部光學(xué)活性區(qū)域可以由與環(huán)形外區(qū)域不同的膜材料制成。當(dāng)腔室60被諸 如氣體的可滲透的流體填充時，在將環(huán)形框架61擠壓在膜的表面上時體積V改變，從而導(dǎo) 致膜59變形。作為替換或補(bǔ)充的是，可以通過加熱或冷卻來改變體積V。
為了相對于外殼體56對環(huán)形框架60進(jìn)行移位，例如，通過用于沿著光軸z的線性 位移的線或其它合適的裝置，可以將環(huán)形框架與外殼體56機(jī)械地互連。如果合適的話，可 以在功能上將幾個光學(xué)系統(tǒng)彼此互連。膜59和/或壁58的光學(xué)活性表面可以被裝備有衍 射元件或其它光學(xué)活性裝置。例如，壁58可以被成形為剛性透鏡。 圖10以從上方的透視的方式示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)65的第六實(shí)施 例。圖11以俯視圖示出透鏡系統(tǒng)。圖12以沿著圖11的剖面線CC的剖面圖示出透鏡系統(tǒng) 65，并且圖13以分解的方式示出透鏡系統(tǒng)。為了更好地看見內(nèi)部設(shè)置，已經(jīng)剖開了90。的 截面。 透鏡系統(tǒng)65包括具有包圍體積V的中央開口 67的外殼體66(參見圖12、13)。由 彈性材料制成的膜68延伸穿過中央開口 67，并且在示出的實(shí)施例中被附著在殼體66的下 端處。 膜68通過保持圈71被附著到保持框架(承載體)69，該保持框架具有圓形開口 70。其它固定也是可能的。如果合適的話，膜68可以由具有不同性質(zhì)的部分組裝成。保持 框架69通過隨后詳細(xì)地解釋的機(jī)構(gòu)被布置在中央開口 67內(nèi)，其可以相對于外殼體66在軸 向方向上移位?？梢莆坏沫h(huán)形保持框架69和與其互連的驅(qū)動機(jī)構(gòu)充當(dāng)致動器，以在膜68 的內(nèi)部分80和外部分81之間的交叉處進(jìn)行移位。 外殼體66的中央開口 67在每一端上被第一蓋72和第二蓋73封閉，第一蓋72和 第二蓋73中的每一個包括被光學(xué)透明玻璃76、77密封的開口 74、75。外殼體66以及第一 蓋72和第二蓋73可以形成密封箱。 膜將殼體66的內(nèi)部體積V分成具有第一和第二體積V1、V2的兩個腔室78、79。至 少一個腔室相對于環(huán)境被密封，使得它可以保持通常恒定量的流體(未詳細(xì)地示出)。通過 選擇不可滲透的流體，可以保持體積恒定。通過相對于外殼體66在軸向方向z上移位保持框架69，對腔室78、79內(nèi)的至少一種流體進(jìn)行移位，并且，由于恒定量，使得膜68以預(yù)定的 方式變形。保持框架69將膜細(xì)分為光學(xué)活性內(nèi)部分80和光學(xué)非活性環(huán)形外部分81。在內(nèi) 部分80的變形用于影響在軸向方向上通過透鏡系統(tǒng)65的光束的同時，外部分81主要用于 補(bǔ)償移動和密封原因。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，不必對膜68的內(nèi)部分80和外部分81進(jìn)行一體的連 接。膜68以彈性拉伸的方式被附著到保持圈69，在本實(shí)施例中，該保持圈被布置在離膜的 外緣的一定距離處。 隨后更加詳細(xì)地描述對膜68進(jìn)行移位從而調(diào)整透鏡系統(tǒng)65的光學(xué)行為的機(jī)構(gòu)。 保持框架69在其外邊緣處包括三個徑向引腳82，這三個徑向引腳均與固定布置的第一支 撐體84的垂直布置的第一凹口 (notch)83和螺旋形狀的第二凹口 85接合。第二凹口85 被布置在第二支撐體86中，該第二支撐體86相對于中央軸z可旋轉(zhuǎn)地布置。通過相對于 第一支撐體84(由箭頭al表示)旋轉(zhuǎn)第二支撐體86，在軸向方向(箭頭a2)上對保持框 架69進(jìn)行移位，從而由于存在于至少一個腔室78、79中的流體的再定位而導(dǎo)致膜68變形。 在本實(shí)施例中，如果僅有一個腔室填充有流體，則取決于應(yīng)用的尺寸和類型。如果兩個腔室 被不可滲透的流體填充，則可以補(bǔ)償外力或重力。合適的密封將會是必要的。如圖12中可 見，膜68被夾持在第一支撐體84的遠(yuǎn)端和第一蓋72之間。第一蓋72和第二蓋73相對于 外部完全密封外殼體66。第二支撐體86的旋轉(zhuǎn)通過第一磁體87和第二磁體88轉(zhuǎn)移，該第 一磁體被附著到第二支撐體86，第二磁體被附著到外轉(zhuǎn)圈(turning ring)89。第一磁體87 和第二磁體88經(jīng)由磁力通過第二蓋73彼此在功能上互連，使得轉(zhuǎn)圈89的旋轉(zhuǎn)被傳遞到第 二支撐體86。磁體的其它布置也是可能的。保持框架69可以包括開口90，或者可以按鏤 空的(skeletonised)設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)，以改善流體的交換。 通過在軸向方向(z方向)上上下移動保持圈69，可以獲得例如平凸、平凹或 平-平的透鏡系統(tǒng)。在實(shí)施例中，保持圈由來自外部的磁場致動。因此，通過有利地由槽 (slot)或線構(gòu)成的機(jī)械力傳遞機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在保持圈的軸向位移上平移。磁場可以在軸 向z方向或垂直于z方向的徑向方向上起作用。作為替換或補(bǔ)充的是，可以通過沒有使用 電場或磁場誘導(dǎo)力傳遞的純機(jī)械力傳遞來致動這些圈。在本實(shí)施例中，腔室78、79之一中 的體積不必一定是恒定的，但是無塵。如果合適的話，可以在功能上串行互連上述的透鏡系 統(tǒng)。如果合適的話，CCD-陣列(未詳細(xì)地示出)可以被合并或互連到蓋74、75之一。
圖14以透視的方式示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)65的第七實(shí)施例。為了 更好地理解功能原理，剖開前部分。另外，以虛線示出不可見的邊緣。由于本實(shí)施例涉及根 據(jù)圖10至13的第六實(shí)施例，所以對于相應(yīng)部分，使用相同的附圖標(biāo)記。關(guān)于一般描述，請 參考第六實(shí)施例。 與第六實(shí)施例不同，第七實(shí)施例65包括另一個膜部分64，該膜部分64相對于周圍 限定和密封第二腔室79。另外，具有第一凹口 83的第一固定布置的支撐體84被布置在包 含螺旋的第二凹口 85的第二可旋轉(zhuǎn)布置的支撐體86內(nèi)。因此，通過相對于第一支撐體84 旋轉(zhuǎn)第二支撐體86，可以對保持框架69進(jìn)行移位。此外，這里，保持框架69和與其互連的 機(jī)構(gòu)充當(dāng)用于膜68的致動器。致動器作用在膜68的光學(xué)活性內(nèi)部分80和膜68的光學(xué)惰 性外部分81之間的交叉處。 透鏡系統(tǒng)65包括至少在操作期間具有通常恒定的體積的兩個腔室78、79。這些 體積由彈性膜部分80、81、64以及第一蓋72和第二蓋73限定。在殼體66內(nèi)，由彈性材料制成的膜部分64、80、81被附著在殼體65和保持框架69處。在示出的實(shí)施例中，外膜部分 64、81通過夾持在殼體的部件72、74、84之間而被附著。內(nèi)部光學(xué)活性彈性膜部分80被布 置為，使得它將殼體66的內(nèi)部體積分成兩個腔室78、79。膜部分64、80、81通常以拉伸的 方式被附著到保持框架69。如根據(jù)第六實(shí)施例所述，保持框架69可以在殼體66中沿著軸 向(z方向)移動，從而使三個膜部分64、80、81偏轉(zhuǎn)。由于腔室78、79內(nèi)的通常恒定量的 流體體積，光學(xué)活性膜80的形狀由于腔室78、79中的流體的再定位而改變，使得透鏡系統(tǒng) 65的光學(xué)行為改變。 通過在軸向方向(z方向)上上下移動保持框架69，可以獲得例如平凸、平凹或 平-平的透鏡系統(tǒng)。在示出的實(shí)施例中，有利地使用槽或線機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在保持框架69 的軸向位移中平移。其它軸向致動也是可能的。作為替換或補(bǔ)充的是，可以通過諸如電場 或磁場誘導(dǎo)力傳遞的其它裝置致動這些圈。如果合適的話，可以在功能上串行互連上述的 透鏡系統(tǒng)。如果合適的話，外膜部分64、81可以由多孔材料制成，使得腔室78、79中的流體 中的氣泡可以逃逸。在示出的實(shí)施例中，在僅有一個腔室78、79足以正常操作時，原則上可 以略去(leave away) —個外膜部分64、81。 圖15示出透鏡系統(tǒng)1的第八實(shí)施例，該實(shí)施例與根據(jù)圖l至4的第一實(shí)施例有關(guān)， 對于相應(yīng)部分，使用相同的附圖標(biāo)記。關(guān)于一般描述，請參考第一實(shí)施例。為了更好地理解 功能原理，剖開90。的前截面。另外，以虛線示出不可見的邊緣。圖16示出圖15的細(xì)節(jié) A。 第一上電極11在圓形保持框架9的方向上具有延伸的長度，從而與保持框架9電 互連。保持框架由導(dǎo)電材料制成。作為替換或補(bǔ)充的是，保持框架還可以被導(dǎo)電材料電鍍 (plate)。因此可以用塑料材料制成保持框架9。第二下電極12朝外延伸，并且與外殼體 2. 1的下部分電互連。膜6可以充當(dāng)殼體2和保持框架9之間的隔離體。膜6的區(qū)域沒有 被電極11、12覆蓋，充當(dāng)對出現(xiàn)在膜中的應(yīng)力的補(bǔ)償。 圖17以透視的方式示出透鏡系統(tǒng)的第九實(shí)施例。為了更好地理解和看見，剖開前 截面，使得透鏡系統(tǒng)的內(nèi)部是可見的。透鏡系統(tǒng)與根據(jù)圖8的實(shí)施例有關(guān)。因此，使用相同 的附圖標(biāo)記。關(guān)于一般描述，請參考圖8。 所示出的透鏡系統(tǒng)27具有相對于中央軸z旋轉(zhuǎn)對稱的設(shè)置。透鏡系統(tǒng)27包括至 少部分光學(xué)透明的外殼體28，該外殼體通過撓性膜31被分成第一腔室29和第二腔室30。 以偏轉(zhuǎn)的方式顯示膜。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的光學(xué)效果，腔室29、30全部被具有相同或不同的折射 率的流體(未詳細(xì)地示出)填充。腔室31包括沿著其外緣包圍膜31的光學(xué)活性中央部分 33的環(huán)形磁區(qū)域32。磁區(qū)域32由磁活性材料(例如，磁性或鐵磁性材料)制成。如果合 適的話，磁活性材料可以被合并到膜中或者被分開地附著到該膜。膜31優(yōu)選地以這樣的方 式布置該膜將某一預(yù)定力施加到腔室29、30中的流體上，使得該膜在自身偏轉(zhuǎn)到平衡位 置之后返回。通常，腔室29、30中的至少一種流體優(yōu)選地是不可滲透型的。
磁場34(參見圖8)由線圈38產(chǎn)生，并且作用在磁性層32上。結(jié)果，力F(參見箭 頭)作用在膜31的外區(qū)域32上，并且在朝上的+z方向上局部地偏轉(zhuǎn)膜31 。因此，腔室29、 30中的流體被重新布置為在相反方向(-z方向)上偏轉(zhuǎn)膜31的中央部分，使得膜的中央 部分采用帽罩的形狀。所示出的實(shí)施例包括上下保持框架39，這些保持框架在軸向方向上 夾持膜31，并且將膜31分成光學(xué)活性內(nèi)部分33和致動外部分32。內(nèi)部分33和外部分32可以由不同的膜材料制成。作為膜31偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，保持框架39包括開口62，以交換(對應(yīng) 于，重新布置)流體。因?yàn)榱黧w的總量(體積)保持恒定不變，所以由于流體的再定位而導(dǎo) 致膜的光學(xué)活性內(nèi)部分33偏轉(zhuǎn)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，只有一個腔室29、30被填充有流體。隨著 組件越大，由于重力，這樣可以導(dǎo)致扭曲。在示出的實(shí)施例中，線圈38被分成上部分和下部 分，所述上部分和下部分分別被軸向地布置在膜31的中央平面之上和之下。
圖18和19示出根據(jù)本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)91的第十實(shí)施例。圖18示出俯視圖，并 且，圖19示出沿著圖18的剖面線DD的剖面圖。 透鏡系統(tǒng)91包括具有中央開口93的外殼體92，該中央開口在軸向方向(z軸)上 延伸通過殼體92。中央開口 93在殼體92的任意一側(cè)上由包圍體積V的上下面板94、95封 閉。三個膜部分96、97、98將體積V分成三個腔室99、 100、 101，這三個腔室被流體(未詳細(xì) 地示出)填充。在示出的實(shí)施例中，這里，通過將膜夾持在殼體92的不同部分之間，將膜部 分99、100、101在外端以預(yù)拉伸的方式固定到外殼體99，分別固定到上保持框架102和下保 持框架103。在示出的實(shí)施例中，相對于殼體92的內(nèi)側(cè)壁，保持框架102、 103以距離d2同 心地被布置到外殼體92。所有的膜96、97、98在彈性張力下以預(yù)拉伸的方式被安裝。在制 造透鏡系統(tǒng)91的過程期間，按階段對膜96、97、98進(jìn)行拉伸，使得光學(xué)活性膜部分96的彈 性張力小于外膜部分97、98的彈性張力。然而，在某些實(shí)施例中，不必一定預(yù)拉伸這些膜， 例如，在由腔室中填充的體積確定初始形狀時。 在示出的實(shí)施例中，通過包含在三個腔室99、100、10中的流體，主要對光學(xué)活性 膜96和致動器膜97、98進(jìn)行機(jī)械耦合。保持框架102、 103包括開口 104，從而允許腔室99、 100的第一內(nèi)部分和第二內(nèi)部分99. 1、99. 2、 100. 1、100. 2之間的流體交換。
選擇這三個腔室99、 100、 101的體積，使得光學(xué)活性膜部分96是平坦的，并且致動 器膜部分97、98具有應(yīng)變。如果合適的話，很可能以帽罩狀的形式預(yù)制光學(xué)活性膜。
在兩個致動器膜97、98上，第一上電極105和第二下電極106彼此相對地被布置 在致動器膜97、98的表面上。實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)果，因?yàn)橥ㄟ^將炭黑沖壓到膜上，通過離子注 入工藝，或者通過施加諸如Galinstan的撓性或液態(tài)金屬，由炭黑制成電極105、 106。可替 換類型的電極也可能是合適的。電極通過電連接器與外部電互連，在示出的實(shí)施例中，其被 集成到形成外殼體92的一側(cè)的外框架107、 108、 109。通過施加第一和第二電壓U1、 U2，包 圍外膜部分97、98的電極105、106由于庫倫力(對應(yīng)于麥克斯韋應(yīng)力)而相互吸引，從而壓 縮布置在其間的應(yīng)變膜97、98。由于材料的泊松比，膜橫向地膨脹，從而增大其徑向和周向 尺寸。這樣的幾何結(jié)構(gòu)的變化還減少(對應(yīng)于修改)致動器膜97、98的材料中的應(yīng)力。由 于現(xiàn)在惰性致動器膜98中的應(yīng)力超過活性致動器膜97中的應(yīng)力的原因，所以惰性致動器 膜98和光學(xué)活性膜96變形，從而導(dǎo)致光學(xué)特性的改變。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)活性膜96在相反的 z方向上的變形，致動器膜97是惰性的(Ul = 0)，并且，致動器膜98是活性的(U2#0)。
附圖標(biāo)記 z中央軸 20透鏡系統(tǒng)(第二實(shí)施例) F偏轉(zhuǎn)力 21膜上系統(tǒng)
直徑膜 22膜下系統(tǒng)
d2徑向距離 23第一端面板
1透鏡系統(tǒng)(第一實(shí)施例)
2外殼體24第二端面板3殼體中的開口(軸向)25光束4下剛性面板26外殼體的內(nèi)側(cè)壁5下剛性面板27透鏡系統(tǒng)(第四實(shí)施例)6膜28外殼體a. 6. 1內(nèi)區(qū)域29第一腔室b. 6. 2外區(qū)域30第二腔室7第一上腔室31膜8第二下腔室32磁性區(qū)域a.第一內(nèi)部33光學(xué)活性中央部分b.第二外部34磁場9環(huán)形保持框架35光束io保持框架中的開口36第一端面板ll第一上電極37第二端面板12第二下電極38線圈13外殼體39環(huán)形保持框架14第一腔室40透鏡系統(tǒng)(第三實(shí)施例)15第二腔室41外殼體16膜42第一膜17磁性膜43第二膜18膜的中央?yún)^(qū)域44第一腔室19磁場75第二蓋中的開口45第二腔室76第一玻璃46第三腔室77第二玻璃47第一保持圈78第一腔室48第二保持圈79第二腔室49透鏡系統(tǒng)(第五實(shí)施例)80膜的內(nèi)部分
50外殼體81膜的外部分51第一腔室82徑向引腳52第二腔室83第一凹口53隔間84第一支撐體(固定的)54支架85第二凹口55光學(xué)系統(tǒng)86第二支撐體(可旋轉(zhuǎn)地)56外殼體87第一磁體57中央開口88第二磁體58壁89轉(zhuǎn)圈59膜90用于交換流體的開口60腔室91透鏡系統(tǒng)(第十實(shí)施例)61環(huán)形保持裝置92外殼體
62用于交換流體的開口93中央開口6394上剛性面板64另一膜部分95下剛性面板65透鏡系統(tǒng)(第六實(shí)施例)96第一膜部分66外殼體97第二膜部分67中央開口98第三膜部分68膜99第一腔室69保持框架100第二腔室70圓形開口101第三腔室71保持圈102第一保持框架72第一蓋103第二保持框架73第二蓋104用于流體的開口74第一蓋中的開口105上電極106下電極
權(quán)利要求
一種光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，包括具有在軸向方向(z)上延伸的開口(3，67，93)的殼體(2，13，28，50)和至少一個膜(6，21，22，59)，所述至少一個膜被布置為穿過開口(3，67，93)，在殼體(2，13，31，41，50，56)的內(nèi)部處限定填充有通常恒定量的流體的至少一個腔室(7，8，14，15，29，30)，由此，該膜包括光學(xué)活性和光學(xué)惰性部分(6.1，6.2，96，97，98)和至少一個致動器(11，12)，以通過流體的再定位而影響膜(6，21，22，29)的光學(xué)活性部分的幾何結(jié)構(gòu)，從而改變光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)的光學(xué)特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，膜的光學(xué)活性和 光學(xué)惰性部分(6. 1，6. 2，96，97，98)被附著到至少一個環(huán)形保持框架(9， 39， 69， 102， 103)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，膜的光學(xué)活性和 光學(xué)惰性部分(6. 1，6. 2，96，97，98)被附著到同一環(huán)形保持框架(9， 39， 69， 102)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，環(huán)形保持框架(9， 39,69， 102， 103)將膜分成光學(xué)活性和光學(xué)惰性部分(6. 1， 6. 2， 96， 97， 98)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，致 動器與膜的光學(xué)惰性部分(6. 2， 29， 97， 98)互連。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，致 動器與環(huán)形保持框架(69)互連，以在軸線方向(z)上對環(huán)形保持框架(69)進(jìn)行移位。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，環(huán) 形保持框架(9，47，48，61)被布置在離開口 (3)的內(nèi)側(cè)表面(26)的一定距離(d2)處。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，用于對膜(6)進(jìn)行 移位的致動器由至少兩個電極(11,12)構(gòu)成，其中，所述至少兩個電極與膜(6)互連，彼此 電隔離并且至少部分地包圍膜(6)的一個部分(6.2)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，電極(11,12)由金 屬粉、導(dǎo)電共晶合金、金屬結(jié)構(gòu)、注入離子、碳納米管、炭黑、導(dǎo)電聚合物或者光學(xué)透明的電 極材料制成。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，殼 體(2， 13， 31 ，41 ，50， 56)包圍通常恒定的體積(V)，并且，所述至少一個膜(6， 18， 32， 33， 42， 43， 53， 59)將殼體的內(nèi)部分成第一和第二腔室(7， 8， 14， 15， 34， 35， 36， 44， 45， 46， 51， 52， 60)，所述第一和第二腔室被填充有具有相同或不同的折射率的第一和第二流體。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，對 所述至少一個膜進(jìn)行移位的裝置被布置在殼體(2，13，31，41，50)內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，通過電信號從殼 體(2)的外部控制對膜(6)進(jìn)行移位的裝置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，通過電場、磁場 或者通過直接機(jī)械力傳遞機(jī)構(gòu)，從殼體(13， 31， 41， 50， 56)的外部致動對膜(17， 18， 32， 33， 42， 43， 53)進(jìn)行移位的裝置。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，膜 (17)的多個部分是鐵磁性的或磁性的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，膜包括磁性或鐵 磁性圈。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)(1，20，27，49，65)，其特征在于，膜 的光學(xué)活性部分(6. 1， 18， 53， 59)包含剛性、吸收、折射、衍射、擴(kuò)散或反射結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)(1)。光學(xué)系統(tǒng)(1)包括包圍通常恒定的體積(V)的殼體(2)，該殼體具有延伸通過殼體(2)的開口(3)。具有兩個或更多個膜部分的膜(6)被布置為穿過開口，從而將體積(V)分成填充有至少一種流體的第一和第二腔室(7，8)。該膜被附著到環(huán)形保持框架(9)。致動器與膜(6)直接或間接地互連，以改變膜的光學(xué)行為。
文檔編號G02B3/14GK101796436SQ200880103090
公開日2010年8月4日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月11日
發(fā)明者D·尼德萊爾, M·阿斯克萬登 申請人:奧普托圖尼股份公司