專利名稱：包括可變形透鏡元件的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于組合進光學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)的透鏡元件，并且特別涉及到一種包括可變形透鏡元件的裝置和方法。
背景技術(shù)：
例如多焦距透鏡和變焦透鏡的可變透鏡傳統(tǒng)上應(yīng)用了一個或多個不可變形的 (也就是，如玻璃和聚碳酸酯一樣剛性的)透鏡元件，其被一般由馬達提供的力沿著成像軸移動。在最近幾年中，無馬達電場響應(yīng)透鏡元件已經(jīng)引起光學(xué)系統(tǒng)研究者和設(shè)計者日益增長的關(guān)注。一種無馬達電場響應(yīng)透鏡元件的類型是“流體透鏡”透鏡元件，其一般包括填滿一種或多種具有折射率大于1的流體的剛性或彈性薄膜。流體透鏡元件技術(shù)已經(jīng)引起許多光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計者的關(guān)注，他們一般認為傳統(tǒng)固體透鏡元件和馬達裝配的系統(tǒng)是笨重的并且消耗能量的。隨著對流體透鏡元件的提議，已經(jīng)建議各種方法來改變用于組合進光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的流體透鏡元件的光學(xué)性質(zhì)。無論在哪里建議了流體透鏡元件，可以將用于改變該透鏡元件的光學(xué)特性的被建議選擇項歸類為兩個主要種類電濕潤和流體注入。根據(jù)電濕潤的處理過程，提供具有至少兩種不溶合的流體的流體透鏡元件，并且將電壓施加到該流體透鏡元件上。作為施加電壓的結(jié)果，該流體透鏡元件的表面張力發(fā)生改變，引起在該至少兩種流體之間的界面曲率發(fā)生改變。根據(jù)流體注入的處理過程，提供鄰近流體透鏡元件的泵，其從該透鏡元件內(nèi)泵進和抽出流體。隨著將流體泵進和抽出該透鏡元件，該透鏡元件的光學(xué)特性發(fā)生改變。關(guān)于用來改變流體透鏡元件的光學(xué)特性的所述電濕潤和流體注入方法的問題都已經(jīng)被注意到。關(guān)于電濕潤，已經(jīng)被注意到的一個問題是隨著時間的過去，電流重復(fù)地流過該透鏡元件易于改變該透鏡元件的特性，致使在其中使用了該透鏡元件的任何系統(tǒng)是不可
9靠和不穩(wěn)定的。關(guān)于涉及電濕潤的建議被注意的另外一個問題是，電濕潤常規(guī)地涉及提供兩種流體。當(dāng)這兩種流體之間的參考系數(shù)差別小的時候，該透鏡的倍率被降低。關(guān)于所述流體注入方法，用來提供這種流體注入的所述泵是必不可少的。其復(fù)雜難懂使得制造成本合適的系統(tǒng)和可接受的小型化難以獲得。由于被注意到的關(guān)于用來改變可變形透鏡元件的光學(xué)特性的所述電濕潤和流體注入方法二者的問題，商業(yè)上的設(shè)計者在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中幾乎全部繼續(xù)依靠傳統(tǒng)馬達驅(qū)動剛性透鏡元件來配置光學(xué)系統(tǒng)。然而，用裝配在光學(xué)系統(tǒng)中的馬達驅(qū)動剛性透鏡元件可達到的最小化和節(jié)能仍然是有限的。簡而言之，流體透鏡，有時候也被稱為適應(yīng)性透鏡，包括在具有不同光學(xué)折射率的兩種流體之間的界面。通過使用外力可以改變該界面的形狀，以便穿過該界面的光線能夠被引導(dǎo)到以期望的方向加以傳播。因此，，流體透鏡的光學(xué)特性，例如該透鏡是用作發(fā)散透鏡或用作會聚透鏡，以及它的焦距，能夠響應(yīng)于該施加的外力而被改變。使用電信號控制該流體透鏡操作的流體透鏡技術(shù)已經(jīng)被名稱不一地描述在Matz 的US專利第2062468號；Berge等人的US專利第6369卯4號；Onuki等人的US專利第6449081號；Tsuboi等人的US專利第67(^483號；Onuki等人的US專利第6806988 號；Nagaoka等人的US專利申請第2004/0218283號；Takeyama等人的US專利專利申請第2004/0228003號；Berge的US專利申請第2005/0002113號和國際專利申請第WO 99/18546、WO 00/58763、和 W003/069380 號中?？刂屏黧w透鏡操作的其他方法包括使用液晶材料(Nishioka的US專利第6437925 號)、使用壓力(Widl的US專利第6081388號)、在可重新配置的透鏡中使用彈性體材料(Rogers的US專利第4514048號)、和使用微機電系統(tǒng)(根據(jù)首字母也被稱為MEMS) (Gelbart 的 US 專利第 6747806 號)。開發(fā)流體透鏡控制模塊的其他嘗試可以參見，例如Msaya等人的US專利第 6188526號、de Luca等人的US專利第3161718號、Flint等人的US專利第2300251號、Yao 等人的US專利申請第2005/0014306號、0 ^ Connor等人的US專利申請第2005/0100270 號、Massieu 的 US 專利申請第 2005/0218231 號、Michelet 的 US 專利第 4289379 號、 Viinikanoja的US專利第6936809號；歐洲專利申請EP1674892A1 ；英國專利說明書 GB1327503 ；日本專利第 JP2002243918 號(Olympus Optical 的申請第 JP20010037454 號)； 和國際專利申請公布第W003/071335號中。其他例子包括Shahinpoor的US專利5389222 ；Shahinpoor等人的US專利 6109852 ；Guy 的 US 專利 6542309 ；Pelrine 等人的 US 專利 6376971 ；Ren H.、Fox D.、 Anderson A. 、Wu B.禾口 Wu S-T 在 2006 年的"Tunable-focus liquid lens controlled using a servo motor，，，Optics Express 14(18) 8031-8036 ；Santiago-Alvarado A·、 Gonazalez-Garcia J、Garcia-Luna J、Fernandez-Moreno A、Vera-Diaz W 在 2006 年白勺"Analysis and design of an adaptive lens “ ，Proceedings of SPIE Optics and Photonics 6288 62880S-1-62880S-8 ；Ghosh TK、Kotek R、和 Much J 在 2005 年白勺"Development of layered functional fiber based micro-tubes “ ， National Textile Center Annual Report 1 9 ；Pelrine R>Kornbluh RD、Pei Q>Stanford S、0h S、 Eckerle J、Full RJ、Rosenthal MA、和 Meijer K 在 2002 年的〃 Dielectric elastomerartificial muscle actuators toward biomimetic motion" , Proc SPIE 4695 126-137 ； Chronis N、Liu GL、Jeong K_H、和 Lee LP 在 2003 年的“Tunable liquid-filled microlens array integrated with microfluidic network " , Optics Express 11 (19)2370-2378 ；這里的每一篇都以它全部內(nèi)容作為引用在此被并入。然而，在目前的系統(tǒng)中，對改進使用流體透鏡的系統(tǒng)和方法有持續(xù)的需求。透鏡和透鏡系統(tǒng)可以是固定的或可變化的，并且透鏡系統(tǒng)可以包括固定的和/或可變化的透鏡。固定的透鏡系統(tǒng)和固定的透鏡具有固定的和靜止焦點，也就是說，焦距和光軸的方向不發(fā)生變化。例如，剛性地連接到光學(xué)系統(tǒng)的不可變形固體透鏡將被自然而然地固定。并且如果該透鏡不包括任何其他能夠改變該透鏡系統(tǒng)焦距和/或該透鏡系統(tǒng)的光軸方向的元件，該透鏡系統(tǒng)將同樣是固定的。一副普通眼鏡就是這樣的固定透鏡系統(tǒng)。在眼鏡中的每個透鏡是固定的透鏡，因為它不能夠改變它的焦距或它的光軸方向。因為該眼鏡不包括實現(xiàn)這種改變的任何附加透鏡或其他方法。該眼鏡本身是固定透鏡系統(tǒng)。這可以和包括兩片玻璃透鏡的簡易望遠鏡作一個對比。每片都被剛性地連接到望遠鏡外殼不同的同心部分，在那里可以通過滑動該外殼相對于彼此的同心部分來移動該透鏡互相接近或互相遠離。每個單獨透鏡是固定的，它們自然而然地不能改變焦距和光軸的方向。然而，該望遠鏡整體是個可變的透鏡系統(tǒng)，因為滑動該外殼相對于彼此的同心部分通過改變這兩個固定透鏡之間的距離改變了焦距。相比之下，可變形透鏡是本質(zhì)上可變形的，并且任何包含它的透鏡系統(tǒng)同樣是本質(zhì)上可變形的。固定透鏡一般由不可變形材料組成，例如玻璃或塑料；或者，如果固定透鏡由彈性的或可變形的材料組成，其是不包括任何用于導(dǎo)致它們延長、壓縮、彎曲或其他變化形狀或變形的方法的透鏡系統(tǒng)的一部分?？勺冃瓮哥R可以由彈性的或可變形的材料組成， 并且，在期望透鏡在被延長、壓縮、彎曲或其他變形之后能夠恢復(fù)它的初始狀態(tài)的情況，其由一個或多個彈性可變形元件組成。可以使用一些類型的力元件來提供改變可變形透鏡的界面形狀所需的力。應(yīng)用電信號控制流體透鏡操作的流體透鏡應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)被描述在Matz的US專利第2，062，468 號、Berge等人的US專利第6，369，954號、Onuki等人的US專利第6，449，081號、Tsuboi 等人的US專利第6，702，483號、Onuki等人的US專利第6，806，988號、Nagaoka等人的US 專利申請公開第2004/0218283號、Takeyama等人的US專利申請公開第2004/0228003號、 Berge的專利公開第2005/0002113號、國際專利申請公開第WO 99/18546,WO 00/58763、和 W003/069380號以及Havens等人的US專利申請公開第20070063048號中。例如，應(yīng)用在接觸區(qū)域互相接觸并位于絕緣腔室內(nèi)的第一絕緣流體和第二導(dǎo)電流體組成流體透鏡。布置第一電極在該絕緣腔室的壁的外表面，其位于該絕緣流體上面。第二電極連接所述導(dǎo)電流體。 當(dāng)在第一和第二電極之間建立了電壓，產(chǎn)生了電場，其根據(jù)所述電濕潤原理，改變了相對于絕緣流體容器表面的所述導(dǎo)電流體的濕潤特性，以至于所述導(dǎo)電流體使所述絕緣流體移動和變形。因為在兩種流體之間的界面形狀被改變，獲得了焦距、該透鏡焦點、或光軸方向的變化。也可以使用微型泵控制系統(tǒng)來控制流體透鏡，例如描述在Havens等人的US專利申請公開第20070080280號中。這樣的系統(tǒng)可以包括與可變形薄膜有力傳遞的流體腔室或容器?？梢跃哂袉蝹€這樣的腔室，其包括機械力元件或被機械力元件作用，例如，活塞，用來推動流體到所述薄膜或從所述薄膜將它抽回來?？蛇x地，可以有一個或多個第二腔室，可以使用其增加流體到主要腔室或從主要腔室抽回流體，該主要腔室與所述薄膜是有力的傳遞；并且可以使用機械力元件影響流體在主要和次要腔室之間的移動。在這些系統(tǒng)中，當(dāng)機械力元件可以被電力驅(qū)動時，實際施加在界面上以便改變其形狀的力是機械的。控制流體透鏡操作的其他方法包括使用液晶材料(Nishioka的US專利第6437925 號)、使用壓力(Widl的US專利第6081388號)、在可重配置的透鏡中使用彈性材料(Rogers 的US專利第4514048號)、和使用微機電系統(tǒng)(根據(jù)首字母也被稱為MEMS) (Gelbart的US 專利第6747806號)。開發(fā)流體透鏡控制模塊的其他嘗試可以參見，例如Msaya等人的US專利第 6188526號、de Luca等人的US專利第3161718號、Flint等人的US專利第2300251號、Yao 等人的US專利申請第2005/0014306號、0 ^ Connor等人的US專利申請第2005/0100270 號、Massieu 的 US 專利申請第 2005/0218231 號、Michelet 的 US 專利第 4289379 號、 Viinikanoja的US專利第6936809號；歐洲專利申請EP1674892A1 ；英國專利說明書 GB1327503 ；日本專利第 JP2002243918 號(Olympus Optical 的申請第 JP20010037454 號)； 和國際專利申請公布第W003/071335號中。其他例子包括Shahinpoor的US專利5389222 ；Shahinpoor等人的US專利 6109852 ；Guy 的 US 專利 6542309 ；Pelrine 等人的 US 專利 6376971 ；Flint 的 US 專利 2，300, 251、DeLuca 的 US 專利第 3，161，718 號、1967 年 2 月 21 日簽發(fā)給 Alvarez 的 US 專利第 3，305，294 號、Baker 的 US 專利第 3，583，790 號、Ren H.、Fox D.、Anderson Α.、 Wu B.禾口 Wu S-T ^t 2006 "Tunable-focus liquid lens controlled using a servo motor，，，Optics Express 14(18)8031-8036 ；Santiago-Alvarado A. > Gonazalez-Garcia J、Garcia-Luna J、Fernandez-MorenoA> Vera-Diaz W 在 2006 年的"Analysis and design of an adaptive lens“ ， Proceedings of SPIE Optics and Photonics 6288 62880S-1-62880S-8 ；Ghosh TK,Kotek R和Much J在2OO5年的〃 Development of layered functional fiber based micro-tubes" , National Textile Center Annual Report 1 9 ；Pelrine R>KornbIuh RD、Pei Q>Stanford S、0h S、Eckerle J、Full RJ>Rosenthal MA、 禾口Meijer K在2002年的"Dielectric elastomer artificial muscle actuators toward biomimetic motion" ,Proc SPIE 4695 126-137 ；Chronis N.Liu GL,Jeong K_H、和Lee LP 在2003年白勺〃 Tunable liquid-filled microlens array integrated with microfluidic network" ，Optics Express 11(19)2370-2378。這里所有的上述參考都以它們?nèi)績?nèi)容作為引用在此被并入。

發(fā)明內(nèi)容
能夠提供一種包括可變形透鏡元件的裝置，其中可以通過應(yīng)用力到所述可變形透鏡元件上使可變形透鏡元件變形從而改變其中的光學(xué)特性。


通過參考下面描述的附圖，可以更好地理解這里描述的特征。這些附圖對于取代用來一般性地闡述發(fā)明原理的標記和強調(diào)不是必需的。在附圖中，各個視圖之中使用相同的數(shù)字來指示相同的部分。圖1是聚焦裝置(聚焦模塊)的分解組合組合視圖，該聚焦裝置(聚焦模塊)包括以所述可變形透鏡元件可以被變形以便改變所述透鏡元件的光學(xué)特性這種方式排列的可變形透鏡；圖2是圖1所述聚焦裝置的組合視圖，表示所述可變形透鏡元件包括凸透鏡表面的狀態(tài)下的所述裝置；圖3是圖1所述聚焦裝置的組裝視圖，表示所述可變形透鏡元件包括名義上平面表面的狀態(tài)下的所述裝置；圖4是表示圖1-3所述可變形透鏡元件的可選實施方式的剖視圖；圖5是表示圖1-3所述可變形透鏡元件的可選實施方式的剖視圖；圖6是結(jié)合絕緣電致動聚合體驅(qū)動裝置的聚焦裝置的分解透視組合組合視圖；圖7是結(jié)合可變形透鏡元件和中空步進馬達的聚焦裝置的分解透視視圖；圖8是圖7所示聚焦裝置的剖視圖；圖9是表示在一個實施方式中的中空步進馬達操作的透視圖；圖10是在一個實施方式中的可變形透鏡元件的分解透視組合組合視圖；圖11是闡述圖10所示的所述可變形透鏡元件的組合剖視側(cè)面視圖；圖12是闡述如圖10所示的所述可變形透鏡元件突出部分的詳細剖視側(cè)面視圖；圖13是闡述可變形透鏡元件的組合側(cè)面視圖，該可變形透鏡元件具有一對包括各自可變形薄膜的相反光入射和光出射透鏡表面；圖14是如圖13所示的結(jié)合可變形透鏡元件的聚焦裝置的組合側(cè)面視圖，第一驅(qū)動裝置用來變形所述可變形透鏡元件的第一可變形透鏡表面，而第二驅(qū)動裝置用來變形所述可變形透鏡元件的第二可變形透鏡表面；圖15是結(jié)合彈性可變形材料構(gòu)件的可變形透鏡元件的組合側(cè)面視圖；圖16是結(jié)合彈性可變形材料構(gòu)件的可變形透鏡元件另一個實施方式的組合側(cè)面視圖；圖17是包括彈性可變形材料構(gòu)件和在其上保護涂層的可變形透鏡元件的側(cè)面視圖；圖18是具有可變形透鏡元件和一對柔性構(gòu)件驅(qū)動裝置的聚焦裝置的組合側(cè)面視圖，其中所述柔性構(gòu)件是適合充分地與所述可變形透鏡元件的形狀一致；圖19是圖18所示聚焦裝置的分解透視組合組合視圖；圖20和圖21是闡述對于可變形透鏡構(gòu)件典型外力施加位置的力施加圖，表示以成像軸方向看的可變形透鏡元件的前視圖；圖22-M是闡述結(jié)合至少一個可變形透鏡元件的各種透鏡組合組合的側(cè)面原理圖；圖25是可以結(jié)合可變形透鏡元件的典型成像終端的電子方框圖；圖沈是用來闡述在一個實施方式中成像終端操作的典型方面的時序圖；圖27是闡述在一個實施方式中能夠被成像終端執(zhí)行的自動對焦算法的流程圖；圖28是具有手持外殼的手持移動終端的前透視圖，在其上可以結(jié)合并且支承如
13圖25所示的元件；[下面是如在US專利申請第11/781901號中充分介紹的正文，其包括如在US專利申請第60/875245號中充分介紹的正文]圖四是聚焦模塊的一個實施方式的剖視圖；圖30是從右側(cè)面看圖四的聚焦模塊；圖31是從左側(cè)面看圖四的聚焦模塊；圖32和33表示在充分垂直于所述聚焦薄膜平面的方向上施加在所述聚焦薄膜上的壓力的效果；圖34和35表示在充分平行于所述聚焦薄膜平面的方向上施加在所述聚焦薄膜上的壓力的效果；圖36是該變形元件的圖；圖37表示具有非對稱半月板的聚焦流體；圖38表示所述聚焦模塊的圓柱形元件；圖39是表示具有流體內(nèi)部體積的圓柱上表面對應(yīng)于該圓柱高度減小的凸起變形的側(cè)面透視圖；圖40是表示具有流體內(nèi)部體積的圓柱上表面對應(yīng)于該圓柱直徑減小的凸起變形的側(cè)面透視圖；圖41和42闡述當(dāng)它由圖41和圖42所示的初始形狀通過垂直壓縮/水平拉伸發(fā)生變形時的所述變形元件；圖43表示表現(xiàn)為像漏斗形狀的所述變形元件；圖44-47表示所述變形元件的各種運動范圍和方向；圖48和49表示雙凸起電致動聚合體薄膜透鏡；圖50表示結(jié)合多個可變形聚焦薄膜的組合透鏡組合；圖51和52表示具有電致動聚合體變形元件的常規(guī)透鏡；圖53是表示閱讀器的圖；圖M是表示圖53的閱讀器控制電路的更詳細的圖；圖55是顯示總體效果微處理器系統(tǒng)的光學(xué)閱讀器的方框圖，該系統(tǒng)對于本發(fā)明的各種實施方式是有用的；圖56是表示用于操作具有包括反饋的可調(diào)焦系統(tǒng)的系統(tǒng)的處理的流程圖；圖57是表示用于操作具有不包括反饋的可調(diào)焦系統(tǒng)的系統(tǒng)的處理的流程圖；圖58是表示用于流體透鏡系統(tǒng)的整流電源的電路圖；圖59是表示圖58的整流電源的操作方式的時序圖；圖60和61是手持閱讀器的圖；圖62是與計算機通信的手持閱讀器的圖；圖63是用于具有本發(fā)明的特征的校準裝置校準處理的流程圖；圖64是表示對應(yīng)于多個手持閱讀器的校準曲線的圖；圖65是表示適于與手持閱讀器一起使用的電源的實施方式的圖；圖66是闡述手持閱讀器的操作方式的時序圖；圖67-69是表示用于手持閱讀器的帶有包含彈性體的底座的流體透鏡的截面14
圖70是闡述現(xiàn)有技術(shù)的可變形角棱鏡的圖；圖71是描述當(dāng)使用電濕潤現(xiàn)象操作時，現(xiàn)有技術(shù)的流體透鏡的截面圖；圖72是表示被配置為允許調(diào)節(jié)光軸的流體透鏡實施方式的截面圖MOO ；圖73是該同一流體透鏡的平面原理視圖；圖74是表示流體透鏡和各種允許調(diào)節(jié)光軸方向的元件之間關(guān)系的原理示意圖；圖75是流體透鏡的可選實施方式的原理圖；圖76是配電器模塊的可選實施方式的原理圖；圖77是表示流體透鏡和一對角速度傳感器之間關(guān)系的原理示意圖；圖78-82是根據(jù)本發(fā)明原理適于使用的其他現(xiàn)有技術(shù)的流體透鏡的截面圖；圖83表示典型驅(qū)動電路的原理方框圖；圖84和85表示正向穿過流體透鏡的LED模發(fā)射能量的圖；圖86、87和88表示在各種配置中包括激光器3110、準直透鏡3120、和流體透鏡 3130的激光掃描的圖；[如在US專利申請第11/781901號中充分介紹的正文結(jié)束]圖89具有薄膜的裝置的原理圖；圖90是圖89的裝置在呈凸起形狀之后的原理圖；圖91是具有容器和流體元件的裝置的原理圖；圖92是在可選情況下圖89的裝置的原理圖；圖93-96可變形構(gòu)件的原理視圖，闡述在可選實施方式中的力元件的定位；圖97具有壓力元件的裝置的原理圖；圖98是在可選情況下圖97的裝置的原理圖；圖99是表示具有壓力元件的裝置的可選實施方式的原理圖；圖100是表示具有壓力元件的裝置的可選實施方式的原理圖；圖101是具有活塞的裝置的原理圖；圖102是在可選實施方式中具有活塞的裝置的原理圖；圖103是具有主要流體容器和次要流體容器的原理圖；圖104是在另一個實施方式中具有次要流體容器的裝置的原理圖；圖105是闡述能夠應(yīng)用在裝置中的力的方向的原理圖；圖106是闡述壓力元件形狀的原理圖；圖107-110是壓力元件可選形狀的原理圖；圖111是表示具有壓力元件的裝置的原理圖；圖112是在可選實施方式中表示具有壓力元件的裝置的原理圖；圖113是闡述在可選情況下圖110的裝置的原理圖；圖114是闡述在可選情況下圖113的裝置的原理圖；圖115是表示具有以徑向向外方向施加力的壓力元件的裝置的原理圖；圖116是在可選情況下圖115的裝置的原理圖；圖117是表示具有尤其能夠應(yīng)用反作用力的壓力元件的裝置的原理圖；圖118是具有可變形構(gòu)件的裝置的原理圖；圖119是具有可選流體元件的裝置的原理圖120是具有多個分離力元件的裝置的原理圖；圖121是在一個實施方式中具有聲音線圈的裝置的原理圖；圖122是在另一個實施方式中具有聲音線圈的裝置的原理圖；圖123是在另一個實施方式中具有聲音線圈的裝置的原理圖；圖124是在另一個實施方式中具有聲音線圈的裝置的原理圖；圖125是在第一種情況下圖124的裝置的原理圖；圖126是在第二種情況下圖124的裝置的原理圖；圖127是在一個實施方式中具有多個可變形表面的裝置的原理圖；圖1 是在另一個實施方式中具有多個可變形表面的裝置的原理圖；圖129是具有邊界元件的裝置的原理圖；圖130是在另一個元件中具有邊界元件的裝置的原理圖；圖131是具有凸起表面的裝置的原理圖；圖132是具有外殼的裝置的原理圖；圖133和134是應(yīng)用本發(fā)明的部件的手持閱讀器的圖；圖135是表示根據(jù)本發(fā)明的原理，可變形透鏡與各種允許調(diào)節(jié)光軸方向的元件之間的關(guān)系的原理圖；圖136是表示根據(jù)本發(fā)明的原理，可變形透鏡與一對角速度傳感器之間的關(guān)系的原理圖。
具體實施例方式這里在一個實施方式中描述用于組合進光學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)的可變形透鏡元件，其中可以施加力到所述可變形透鏡元件的表面來改變所述透鏡元件的光學(xué)特性。相應(yīng)地這里也描述一種改變光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)特性的方法，包括將可變形透鏡元件組合進光學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)的步驟；施加力到所述透鏡元件的表面來改變所述透鏡元件的光學(xué)特性的步驟。關(guān)于所描述的裝置和方法，可變形透鏡元件形狀上的極小變化能夠?qū)е驴勺冃瓮哥R元件的光學(xué)特性很大的改變。所描述的可變形透鏡元件裝置和方法提供很多優(yōu)點。例如，相對于目前可用的只結(jié)合了不可變形(剛性的)透鏡元件的光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)要求顯著地減少透鏡元件的移動量來產(chǎn)生光學(xué)特性期望的變化時，目前所描述的裝置和方法在光學(xué)特性上提供重要的改變。通過顯著地減少用來產(chǎn)生光學(xué)特性期望的變化的透鏡元件的移動量，所描述的裝置和方法便于成像系統(tǒng)的進一步小型化，并且減少設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)的能量消耗。上述優(yōu)點被提供在高可靠性的、容易制造的光學(xué)系統(tǒng)中，其并不表現(xiàn)出與前面提及的基于光學(xué)系統(tǒng)的電濕潤和流體注射流體透鏡相關(guān)的可靠性和制造復(fù)雜性缺點。這里描述了具有能夠被施加到其外表面的力產(chǎn)生變形的可變形透鏡元件的各種裝置。圖1示出了描述的裝置和方法的示例性實施例。在圖1的實施例中，通過可變形薄膜3、隔離元件2和邊界元件1的組合提供可變形透鏡元件10，其可以通過一片不可變形玻璃、和聚焦流體(未示出)或其他具有折射率大于1的可變形物質(zhì)(例如，彈性可變形體積)來提供?？梢詫⒃摼劢沽黧w或其他可變形物質(zhì)放置在由如在圖2和3中所見的可變形薄膜3、隔離元件2和透明邊界元件1的組合限定的凹部8中(如在圖2和3中所見的)。關(guān)于圖1的其余元件，提供這些其余元件來施加力到透鏡元件10的外表面上。參考圖1的特別實施例，提供壓力元件4 (在這里它的特別實施例是指“推力環(huán)”)用來連接可變形薄膜 3，以及驅(qū)動元件(驅(qū)動裝置)20用來驅(qū)動壓力元件4。在圖1實施例中的驅(qū)動裝置20由離子傳導(dǎo)電致動聚合體(EAP)提供。在圖1實施例中的驅(qū)動裝置20包括第一傳導(dǎo)元件6a、 第二傳導(dǎo)元件6b和插在第一傳導(dǎo)元件6a和第二傳導(dǎo)元件6b之間包括多個標簽狀元件fe 的可變形元件5。第一傳導(dǎo)元件6a包括電接頭(從圖1的視圖中看被隱藏)，第二傳導(dǎo)元件6b也包括電接頭6c。圖1的裝置，其應(yīng)用于把圖像聚焦在成像平面上，可以被稱為“聚焦模塊”或“聚焦裝置”，可以進一步包括外殼7用來容納元件10、4、20。再參考驅(qū)動裝置20 的可變形元件5，可變形元件5可以包括一層或多層的傳導(dǎo)聚合物材料，以便標簽狀元件fe 響應(yīng)施加到傳導(dǎo)元件6a和6b的電信號，大體上在軸15的方向上彎向可變形透鏡元件10。 圖2和3中示出了圖1描述的裝置100的組合形式側(cè)視圖。為了改變可變形透鏡元件10的光學(xué)特性，可以施加電壓到第一傳導(dǎo)元件6a和第二傳導(dǎo)元件6b的電接頭來致使標簽狀元件fe彎曲。如在圖2和3中的組合形式側(cè)視圖指示的，可以設(shè)置標簽狀元件fe接合壓力元件4以便當(dāng)標簽狀元件fe彎向可變形薄膜3時， 壓力元件4施加力到可變形薄膜3的外表面。如在圖1-3的視圖指示的，可變形透鏡元件 10可以包括提供在可變形薄膜3所示的實施例中的大體上圓形表面和可以包括貫穿反向透鏡表面(提供在薄膜3外表面和邊界元件1所示的實施例中)的中心的軸15。另外，壓力元件4可以是環(huán)形的，以便壓力元件4能夠在與透鏡元件10的軸15同空間延伸的方向上在多個在空間上遠離軸15并且布置在軸15外周圍的多個點應(yīng)用力?？梢哉{(diào)節(jié)裝置100 以便當(dāng)標簽狀元件如彎向可變形薄膜3時，薄膜3在與施加的力的相反方向上凸出而定義凸透鏡表面，如圖2所示。在圖2和3的實施例中，裝置100有兩種狀態(tài)，稱為，“關(guān)斷”狀態(tài)，其中標簽狀元件5a將壓力元件4偏壓向薄膜3，以便致使薄膜3凸出而定義凸透鏡表面，以及描述在圖 3的“開啟，，狀態(tài)，其中標簽狀元件fe將壓力元件4拉離開可變形薄膜3，以便允許可變形薄膜3呈現(xiàn)為如正好在圖3中所見到的大體上扁平并且非凸出的結(jié)構(gòu)。為了提供如圖2和 3所描述的控制，可以提供電致動聚合體驅(qū)動裝置20以便當(dāng)確定的電壓被施加到電致動聚合體驅(qū)動裝置20的電接頭時，在存在到驅(qū)動裝置20的接頭的電壓情況下，標簽狀元件fe 正常偏向可變形薄膜3，并且當(dāng)在正好如在圖3所見到的平面結(jié)構(gòu)中時，是在與薄膜3的平面平行的方向上(大體上與軸15垂直)偏向的。在圖2和3描述的實施例中，從傳導(dǎo)元件 6a和6b去除電壓致使標簽狀元件fe將壓力元件4推向薄膜3，指示薄膜3在那里附近凸出改變可變形透鏡元件10的光學(xué)特性。進一步關(guān)于圖1-3的實施例，示出可變形透鏡元件10包括橫向貫穿延伸的軸15， 以及驅(qū)動裝置20以大體上與軸15同空間延伸的方向上施加力到可變形透鏡元件10的表面。另一方面，示出圖1-3實施例的壓力元件4將在空間上遠離軸15并且布置在軸15外周圍的多個接觸位置上接觸可變形透鏡元件10。參考圖4和5的實施例，在圖4和5的實施例中，如圖2和3所示的透明邊界元件1及第一和第二平面表面110和111被用具有光強度的邊界元件1所取代。圖4實施例的邊界元件1具有非曲面的(平面的)第一表面 112和凸出第二表面113。圖5實施例的邊界元件1具有凹陷第一表面114和凸出第二表面 115。
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在圖1-3中，描述了通過施加力到所述透鏡元件外表面來移動可變形透鏡元件10 的第一裝置，現(xiàn)在這里描述可以應(yīng)用力到可變形透鏡元件10以便致使可變形透鏡元件的光學(xué)特性(例如，透鏡元件表面曲率、焦距)改變的可選裝置。現(xiàn)在參考圖6的分解組合組合視圖，顯示和描述了聚焦裝置100的可選實施例。在圖6的實施例中，這里通過更詳細全面描述的模塊化組合提供可變形透鏡元件10，并且在圖6的實施例中通過絕緣電致動聚合體驅(qū)動裝置20提供驅(qū)動裝置20(在圖1-3的實施例中示出為由離子傳導(dǎo)電致動聚合體驅(qū)動裝置提供)。參考圖6實施例的驅(qū)動裝置20，驅(qū)動裝置20可以包括柔性構(gòu)件21、彈簧23、止動件25和用來供應(yīng)電壓給柔性構(gòu)件21的柔性電路板27。參考柔性構(gòu)件21，柔性構(gòu)件21可以包括插入在柔性電極之間的絕緣薄膜材料，所述柔性電極可以由例如懸浮在聚合物基體上的傳導(dǎo)碳顆粒提供。當(dāng)提供電壓到該柔性電極，柔性構(gòu)件21在垂直于電場線的方向上延伸。彈簧23來以偏向可變形透鏡元件10的方向偏壓柔性構(gòu)件21。所示由常規(guī)繞線彈簧提供的彈簧23可以由例如受壓流體或彈性泡沫塑料代替。關(guān)于止動件25，當(dāng)彎曲電路27提供電壓給具有頂部的柔性構(gòu)件21時，止動件25運作來將彈簧23保持在相對于柔性構(gòu)件21 的確定位置。當(dāng)供應(yīng)電源給彎曲電路27，其運作在這里被更全面地描述，柔性構(gòu)件21膨脹以便在透鏡元件10的方向上推動柔性構(gòu)件21。更特別地，當(dāng)供應(yīng)電源給彎曲電路27，柔性構(gòu)件21將壓力元件4推向可變形透鏡元件10。在那里由驅(qū)動裝置20驅(qū)動的壓力環(huán)4使可變形透鏡元件10變形從而改變可變形透鏡元件10的光學(xué)特性。如在圖1-3的實施例中， 可以調(diào)節(jié)壓力元件4(示出為由環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的)來在可變形透鏡元件10外周周圍的多個位置接觸可變形透鏡元件10。這些多個接觸位置被限定為在可變形透鏡元件10的軸15外周周圍并且空間上遠離軸15。如在圖1-3的實施例中，調(diào)節(jié)在圖6實施例的裝置100以便通過大體上在軸15的方向上、在限定在軸15外周周圍的可變形透鏡元件10上的多個接觸點施加力，改變可變形透鏡元件10的光學(xué)特性。參考圖6的聚焦裝置的其他方面，可以使用定制尺寸和形狀來容納圖6實施例所示模塊化組合組合形式的可變形透鏡元件10的外殼17和能夠適合于被猛然扣在螺釘19a、 19b、19c和19d上的蓋18來封裝聚焦裝置100。外殼17可以具有多個如所示的與元件21、 25和柔性電路27的孔匹配的螺紋孔?？梢詫⒙葆?9a、19b、19c和19d鉆入穿過匹配貫穿孔，并旋進所示外殼17的螺紋孔以組裝裝置100?？梢哉{(diào)節(jié)聚焦裝置100以便一個或多個螺釘19a、19b、19c和19d在柔性電路板27和柔性構(gòu)件21之間傳導(dǎo)電流。例如，可以調(diào)節(jié)柔性電路板27和柔性構(gòu)件21以便螺釘19b將柔性電路板27的電壓端子連接到柔性構(gòu)件 21的第一柔性電極，并且柔性電路板27和柔性構(gòu)件21可以進一步被調(diào)節(jié)以便螺釘19c在柔性構(gòu)件21的第二柔性電極和柔性電路27之間完成傳導(dǎo)路徑?，F(xiàn)在參考圖7-9的實施例，在圖7-9實施例中驅(qū)動裝置20由中空步進電機提供。 參考在圖7-9實施例中由中空步進電機提供的驅(qū)動裝置20的運作，通過線圈31或線圈33 其中之一或二者供應(yīng)電流致使被可螺紋連接地容納在固定條盒37的中空轉(zhuǎn)子35以這樣的方式旋轉(zhuǎn)，根據(jù)施加到線圈31和線圈33的信號以沿著軸15的任一方向向前旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子35。 以在圖1-6實施例所示的方式，可以定型轉(zhuǎn)子35以便轉(zhuǎn)子35的末端或傳送由轉(zhuǎn)子35產(chǎn)生的力的結(jié)構(gòu)元件在放置在軸15外周周圍并且在其中空間上遠離軸15的多個位置接觸到可變形透鏡元件10的表面。當(dāng)致使圖7-9實施例的轉(zhuǎn)子35旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)轉(zhuǎn)子35在這樣的位置與可變形透鏡元件10接觸時，轉(zhuǎn)子35大體上在軸15的方向上應(yīng)用力以使得可變形透鏡元件10的光學(xué)特性改變。如圖7-8所示，驅(qū)動裝置20產(chǎn)生的力可以被壓力元件4傳輸給透鏡元件10。在圖7-9實施例中，壓力元件4可以具有相反的銷如，其完全插在形成在條盒 37內(nèi)的成型拉長細縫39上，以便限制壓力元件4的旋轉(zhuǎn)。進一步關(guān)于圖7-9實施例的聚焦裝置100，聚焦裝置100可以進一步包括所示的螺旋地容納在條盒35內(nèi)的帽38。帽38具有透明內(nèi)部(未示出)以允許光線從那里通過，并且當(dāng)促使轉(zhuǎn)子35施加力到可變形透鏡元件10的外表面時形成限制可變形透鏡元件10移動的止動件?，F(xiàn)在進一步描述在圖7-9的中空步進電機實施例中的驅(qū)動裝置20的運作。在一個實施例中，中空步進電機通常其特征在于具有永久磁鐵裝配的內(nèi)部條盒，形成該電機的轉(zhuǎn)子部分。在一個實施例中，中空步進電機其特征進一步在于具有線圈裝配外部條盒，支撐該內(nèi)部條盒(轉(zhuǎn)子)。中空步進電機相對于其他類型電機表現(xiàn)為尺寸變小，并且允許透鏡元件位置的精確調(diào)整。在一個實施例中，中空步進電機的內(nèi)部條盒部分可以包括螺紋，其被可螺旋地容納在外部條盒的螺紋中。具有這樣的螺紋布置，該電機可以相對于基于齒輪的電機裝置維持高的沖擊力。在一個實施例中，與外部條盒相關(guān)的用來接納內(nèi)部條盒的螺紋可以包括補充配置的螺紋，以便將內(nèi)部條盒通過摩擦力的方式并且無需施加外部能量維持在關(guān)于外部條盒37的位置。因此，可以通過簡單地通過避免供應(yīng)電流到透鏡驅(qū)動線圈，控制透鏡布置來維持在確定的位置。通過比較，在某些實施例中令人滿意的可選驅(qū)動裝置，需要輸入功率來維持固定透鏡布置。因此，在一個實施例中，中空步進電機的主要優(yōu)點是減少功率消耗。關(guān)于外部條盒37，外部條盒37可以包括一組相應(yīng)于內(nèi)部條盒35的線圈32，一組線圈32包括第一線圈31和第二線圈33。另外，外部條盒37包括齒41，用來嚙合內(nèi)部條盒35的齒43。當(dāng)致使內(nèi)部條盒35 轉(zhuǎn)動時，內(nèi)齒41和齒43的組合提供內(nèi)部條盒35沿著軸15的移動。參考圖9進一步描述示例性中空步進電機的運作。內(nèi)部條盒35可以具有南北交互極性的永久磁鐵45，其交替地形成在內(nèi)部條盒35的圓周周圍。第一線圈31可以具有由缺口 51定義的交互的齒47、49。當(dāng)電流以正方向流經(jīng)線圈31，相反極性的磁場形成在連續(xù)相鄰的齒，例如線圈31的齒47、49。當(dāng)電流以相反方向流經(jīng)線圈31，相反極性的磁場再次形成在線圈31連續(xù)相鄰的齒，除了磁場的極性與正向電流流過期間它的極性是相反的。類似地，第二線圈33可以具有由缺口 59定義的交互的齒55、57。當(dāng)電流以正方向流經(jīng)線圈33， 相反極性的磁場形成在連續(xù)相鄰的齒。當(dāng)電流以相反方向流經(jīng)線圈33，相反極性的磁場再次形成在線圈33連續(xù)相鄰的齒，除了磁場的極性與正向電流流過期間它的極性是相反的。為了旋轉(zhuǎn)內(nèi)部條盒35，可以在第一和第二線圈31、33中在正向和反向以時序協(xié)調(diào)方式施加電流，來在期望的方向使內(nèi)部條盒35，直到達到內(nèi)部條盒35期望的位置。當(dāng)線圈 31和線圈33的齒具有確定的極性，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部條盒35將具有相對于外部條盒37的確定位置，以便其中的永久磁鐵對準線圈31和線圈33的齒。因此，使用圖7-9中的驅(qū)動裝置 20，可以實現(xiàn)透鏡元件的精確定位。關(guān)于參考圖7-9描述的電機被稱為中空步進電機，因為可以實現(xiàn)內(nèi)部條盒35相對于外部條盒37的離散步進位置，其中該條盒的永久磁鐵與具有確定極性的線圈齒對準。關(guān)于圖7-9實施例示出的以壓力元件4、驅(qū)動裝置20的方式被大體上環(huán)狀地定型的內(nèi)部條盒35末端可以充分地以圖1-3和圖6實施例的方式來操作。也就是說，在圖7-9 中示出的驅(qū)動裝置20可以大體上在軸15的方向上施加力。關(guān)于該力的施加，可以將在圖 5中示出的可變形透鏡元件10連接到限定在可變形透鏡元件10外表面的在空間上遠離軸 15并且布置在軸15外周周圍的多個點的多個接觸位置。這里結(jié)合圖10-17描述了可變形透鏡元件10的各種結(jié)構(gòu)的特別實例，其可以被替換為已經(jīng)描述的聚焦裝置100的任意一個實施例。在圖10實施例中，可變形透鏡元件10包括第一夾持元件63、第二夾持元件65，并且可變形薄膜3插在第一夾持元件63和第二夾持元件65之間。第一夾持元件63和第二夾持元件65的每一個可以如所示的是透明的(光學(xué)透明的)及盤狀的，并且可以包括各自圓形布置的互鎖齒。特別地在所示實施例中，如在圖11-12正好見到的，夾持元件63包括三個圓形齒環(huán)64，而夾持元件65包括一對圓形布置齒環(huán)66，其嚙合到夾持元件63的齒。當(dāng)在夾持元件63和夾持元件65的每一個上提供本實施例所示的多個圓形環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)較少數(shù)目齒環(huán)的存在將輔助夾持元件63和夾持元件65之間的支持力，例如在夾持元件之一僅有單個圓形齒環(huán)。在這種方式下，薄膜3被夾持在夾持元件63和夾持元件65之間。關(guān)于圖10-12的可變形透鏡元件的組合，夾持元件65可以被匹配地壓在夾持元件 63上，并且然后在那里可以被用超聲波焊接。在另一方面夾持元件63和夾持元件65可以具有完整的舌和槽嚙合表面，在那里可以形成超聲波焊接。在圖10-12的實施例，夾持元件 63包括圓形槽71 (圖10-12)以及夾持元件65包括圓形舌73 (圖10-12)。然而，在可選實施例中，可以調(diào)換該舌和槽的位置?？梢杂美邕m用于該夾持元件的材料的粘合劑補充或取代在舌和槽之間接口的超聲波焊接?？梢杂镁哂泄夥糯笙禂?shù)的曲面構(gòu)件取代如圖11實施例所示的平面光學(xué)透明窗口 67。這里用來與如圖10-12所示的可變形透鏡元件一起使用的可選窗口可以具有例如如圖4 (表面112和113)和圖5 (表面114和115)所示元件1的曲面。在另一方面，夾持元件63可以具有允許光線從那里通過的透明壁67并且可以具有充分的厚度來限定用于容納聚焦流體或另一種可變形物質(zhì)的凹部8。在夾持元件63和夾持元件65被超聲波焊接后，可以通過孔75將具有折射率大于1的聚焦流體(在那里可變形透鏡元件結(jié)合了聚焦流體)注入到凹部8。在填滿凹部后，可以將孔75密封。關(guān)于夾持元件63和夾持元件65，夾持元件63和夾持元件6的每一個可以由固定不可變形材料形成。此外，夾持元件65可以定義孔77以允許力提供元件(例如壓力元件4，或者如果刪除壓力元件4情況下驅(qū)動裝置20)接觸薄膜3。圖13示出和描述了可變形透鏡元件10的另一個實施例。在圖13實施例中，可變形透鏡元件10具有一對可變形透鏡表面，稱為由第一可變形薄膜3限定的第一表面和由第二可變形薄膜3 1艮定的第二表面。以圖10-12的可變形透鏡元件10方式構(gòu)造圖13實施例的可變形透鏡元件10，除了支撐變可形薄膜3的夾持元件63被重復(fù)并且夾持元件63 被修改用來容納可變形薄膜3、，并且第二夾持元件65在其中的相反側(cè)。在圖13實施例中，可以發(fā)現(xiàn)可變形透鏡元件10具有如關(guān)于圖10-12實施例描述的用來牢固地支撐薄膜的齒，以及形成于其中的用來牢固地支撐與夾持元件關(guān)聯(lián)的夾持元件的圓形舌和槽扣。關(guān)于中心夾持元件63、的窗口 67 \以及可變形透鏡元件10結(jié)合進聚焦流體的位置，可以形成窗口 67、以便將用來保持聚焦流體的第一和第二流體緊密凹部限定在圖13的可變形透鏡元件10內(nèi)?？蛇x地，該第一和第二流體凹部可以以例如通過形成于窗口 67、上的孔的形式進行流體傳輸。而且，可以刪除窗口 67 ^并且凹部可以通過由中心夾持元件63、最內(nèi)部圓齒環(huán)定義的孔進行流體傳輸。關(guān)于圖14，圖14示出結(jié)合進如圖13所示可變形透鏡元件10的聚焦裝置100的實施例，其中可變形透鏡元件10的光入射和光出射表面都是可變形的。關(guān)于圖14的實施例， 聚焦裝置100可以具有一對布置在包括可變形薄膜3和可變形薄膜3、的可變形透鏡元件 10兩側(cè)的驅(qū)動裝置20?？梢匀缢静贾玫谝或?qū)動裝置20來施加力到可以定義可變形透鏡元件10光進入表面的可變形薄膜3的外表面上，以及可以如所示布置第二驅(qū)動裝置20來施加力到可以定義可變形透鏡元件10光射出表面的可變形薄膜3、的外表面上。在圖14 的實施例中，第一和第二驅(qū)動裝置20都可以具有參考圖1-3實施例描述的特征。例如可以布置兩個驅(qū)動裝置20以便將驅(qū)動裝置20的孔16布置在可變形透鏡元件10的軸15周圍。 可以進一步安排每個驅(qū)動裝置20以便在大體上以與軸15共同延伸的方向施加由驅(qū)動裝置 20產(chǎn)生的力到透鏡元件10，以及進一步以便可變形透鏡元件10的可變形表面接觸空間上遠離軸15并且布置在軸15外周周圍的多個接觸位置。在結(jié)合進圖13的透鏡元件10的光學(xué)系統(tǒng)的一個實施例中，薄膜3可以形成該透鏡元件的光入射表面以及薄膜3、可以形成光出射表面。在另一個實施例中，透鏡薄膜3 ^形成該透鏡元件的光入射表面以及透鏡薄膜3形成該透鏡元件的光出射表面。進一步關(guān)于聚焦裝置100，在一個實施例中，可以發(fā)現(xiàn)第一和第二驅(qū)動裝置20具有以這樣的方式實際上布置在可變形透鏡元件10的軸15中心周圍的孔16 驅(qū)動裝置的第一個在大體上與軸15同向延伸的方向施加力到該透鏡元件的光入射可變形透鏡表面，而驅(qū)動裝置的第二個在大體上軸15的方向施加力到可變形透鏡元件10的光出射表面?？梢园l(fā)現(xiàn)與在圖14中所示的適當(dāng)驅(qū)動裝置一起布置的圖13的可變形透鏡元件 10可以被控制表現(xiàn)出多種透鏡元件結(jié)構(gòu)，例如平面-凸?fàn)?、平?凹狀、雙凸?fàn)?、雙凹狀、 凹-凸?fàn)?、?凸透鏡、具有不相等表面放大系數(shù)的雙凸?fàn)?。關(guān)于在可變形透鏡元件10的各種實施例中的可變形薄膜3和薄膜3、，該可變形薄膜可以包括無孔光學(xué)透明彈性材料。一種用于薄膜3和薄膜3 1 勺合適材料是可來自于 DOff CORNING類型的SYLGARD 184硅彈性體。關(guān)于在各種實施例中描述的凹部8，可以用光學(xué)透明聚焦流體填充凹部8。選擇具有相對高折射率的聚焦流體將減少獲得預(yù)定焦距變化所需要的變形量。在一個實例中，合適的折射率將是在大約1. 3到1. 7的范圍中。在期望增加獲得預(yù)定焦距變化所需要變形量的地方，選擇具有更小折射率的聚焦流體是有利的。例如，在一些實施例中，在被選驅(qū)動裝置20產(chǎn)生相對粗略移動的地方，可以選擇具有低折射率的聚焦流體。合適的聚焦流體(光學(xué)流體)的一個實例是可從SANT0LIGHT獲得的SL-5^7 OPTICAL FLUID，折射率為1.67。進一步關(guān)于各種實施例的凹部8，可以用可選的具有折射率大于1的可變形光學(xué)透明物質(zhì)以流體形式填充所述凹部，其當(dāng)凹部8比該物質(zhì)具有更大的體積時不呈現(xiàn)為它的各自凹部8的形狀。例如，可以將能夠在它的整個使用壽命內(nèi)充分地保持它的不受壓形狀的可變形形狀保持材料布置在可變形透鏡元件10的各種實施例的每一個中的凹部8內(nèi)。在一個實例中，可以提供硅凝膠作為在它的整個使用壽命過程中充分地保持它的不受壓形狀的彈性可變形形狀保持材料?？梢詫椥钥勺冃喂枘z布置在任何所述實施例的凹部8內(nèi)。為了制造與這里描述的可變形透鏡元件10—起使用的合適硅凝膠，可以將液體硅填充到具有期望形狀的最終凝膠構(gòu)件的容器中并且隨后被固化。在一個實例中，可以將液體硅填充到凹部8形狀的模具中，在其中將布置進硅凝膠構(gòu)件，并且隨后被固化直到硅凝膠形成。此外，關(guān)于彈性可變形構(gòu)件的制造，可以用金剛石單點車削的鋁和電鍍鎳來準備模芯。所述凹部可以具有將被制造的該彈性可變形透鏡元件的相反的形狀。接下來，可以準備硅凝膠混合物，例如DOW CORNING JCR 6115、兩部分Heat Cure硅凝膠。將JCR 6115 CLEAR A和JCR 6115 CLEAR B兩部分混合形成混合物?？梢詫υ摶旌衔锍槿≌婵找詼p少形成于其中的氣泡。用該準備好的流體硅凝膠，可以將該流體硅凝膠注模到所述模芯。然后在高溫下可以將該流體硅凝膠進行固化。其中在使用來自于DOW CORNING的JCR 6115的液體硅時，該液體硅在175度被加熱5分鐘可以被固化。然后可以檢查該完成的硅凝膠透鏡以確定其是否無缺陷并且在門區(qū)域周圍的額外材料可以被去除?？蛇x地，該最終的彈性可變形構(gòu)件可以被旋轉(zhuǎn)地涂上例如來自于DOW CORNING的SYLGARD 184的薄膜材料以提高耐久性。在下面的表A中概述了能夠被用來形成作為在可變形透鏡元件或零件中的彈性可變形構(gòu)件的多種材料。在每個示例性實施例中，構(gòu)成可變形透鏡元件的主體(包括某些實例中是整個彈性可變形透鏡元件)的材料具有小于Siore A 60的硬度大小。表 A
權(quán)利要求
1.一種用于透鏡組合的裝置，所述裝置包括具有軸和可變形表面的可變形透鏡元件，其至少一部分傳播形成圖像的光線；以及被布置用來施加力到所述可變形表面的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件；其中調(diào)節(jié)所述裝置以便所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠施加推力或拉力中的至少一個到所述可變形表面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件被調(diào)整為在多個力施加點施加力到所述可變形表面，多個力施加點被形成在空間上遠離所述軸并且布置在所述軸外周圍的環(huán)形圖案上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件被調(diào)整為在多個力施加點施加力到所述可變形表面，多個力施加點被形成在所述軸周圍的區(qū)域圖案上。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件是驅(qū)動裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件是傳輸由驅(qū)動裝置產(chǎn)生的力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件大體上在所述軸的方向上施加力。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述可變形表面部分地定義保持聚焦流體的腔。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件的主體包括彈性可變形材料構(gòu)件，并且其中所述可變形透鏡元件沒有聚焦流體。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠?qū)⑺鐾屏退隼Χ叨际┘拥剿隹勺冃伪砻妗?br> 10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠?qū)⒗κ┘拥剿隹勺冃伪砻妗?br> 11.一種用于透鏡組合的裝置，所述裝置包括具有軸和可變形表面的可變形透鏡元件，其至少一部分傳播形成圖像的光線；以及被布置用來施加力到所述可變形表面的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件；其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠施加推力到所述可變形表面，致使所述可變形透鏡構(gòu)件的厚度沿著與所述成像軸平行的多條虛擬線逐漸變小。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便當(dāng)施加推力到所述可變形表面，所述可變形表面在所述軸周圍的所述可變形表面的一個區(qū)域中向外凸出。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述可變形透鏡構(gòu)件的所述厚度沿著其而逐漸變小的所述多條虛擬線，不包括與所述成像軸平行并且在由空間上遠離所述軸并且布置在所述軸外周圍的環(huán)形圖案限定的區(qū)域內(nèi)與所述可變形表面相交的多條虛擬線。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述多條虛擬線包括布置在所述軸周圍的虛擬線。
15.一種用于透鏡組合的裝置，所述裝置包括具有軸和可變形表面的可變形透鏡元件，其至少一部分傳播形成圖像的光線；以及被布置用來施加力到所述可變形表面的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件；其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠施加下面的一個或多個力到所述可變形表面(a)致使所述可變形表面在所述軸周圍的所述可變形表面的一個區(qū)域向外凸出的推力；和(b)致使所述可變形表面形狀改變的拉力。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可變形表面能夠形成凹面結(jié)構(gòu)并且其中所述拉力使所述可變形表面的凹度變大。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可變形表面能夠形成凸起結(jié)構(gòu)并且其中所述推力使所述可變形表面的凸度變大。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述力施加構(gòu)件能夠施加所述推力和所述拉力中的每一個到所述可變形表面上。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述推力和所述拉力中的至少一個由電致動聚合體驅(qū)動裝置產(chǎn)生。
20.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述推力和所述拉力中的至少一個是大體上在所述軸的方向上被施加的。
21.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件的主體包括彈性可變形材料構(gòu)件。
22.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可變形表面部分限定了填充聚焦流體的腔。
23.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述推力導(dǎo)致所述可變形透鏡元件的厚度沿著與所述軸平行并且空間上遠離所述軸的虛擬線變小。
24.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述推力導(dǎo)致所述可變形透鏡元件的厚度沿著與所述軸平行并且空間上遠離所述軸的多條虛擬線變小，所述多條虛擬線被布置在所述軸的外周圍。
25.一種用于透鏡組合的裝置，所述裝置包括具有軸和可變形表面的可變形透鏡元件，其至少一部分傳播形成圖像的光線；以及被布置用來施加力到所述可變形表面的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件；其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠施加推力到所述可變形表面致使所述可變形透鏡元件的厚度沿著所述軸變小。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述力施加構(gòu)件被配置為在包括所述軸周圍區(qū)域的多個力施加點施加所述推力到所述可變形表面，所述力施加構(gòu)件對形成圖像的光線的傳播是透明的。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件在其中沒有受壓力情況下正常是凸起的。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件在充分地由所述可變形表面的整個區(qū)域上限定的多個點施加力到所述可變形表面。
29.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件的主體由彈性可變形材料構(gòu)件提供。
30.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述力由具有布置在所述軸周圍的光學(xué)透明區(qū)域的電致動聚合體驅(qū)動裝置產(chǎn)生。
31.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述力由包括充分符合所述可變形表面形狀的柔性構(gòu)件的電致動聚合體驅(qū)動裝置產(chǎn)生，該柔性構(gòu)件具有布置在所述軸周圍的光學(xué)透明區(qū)域。
32.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述裝置被調(diào)節(jié)以便所述推力是大體上在所述軸的方向上被施加的。
33.一種用于聚焦圖像的裝置，所述裝置包括具有軸的可變形透鏡元件，其中所述可變形透鏡元件的主體包括具有至少一個普通凸透鏡表面的彈性可變形構(gòu)件；以及用來使所述可變形透鏡元件變形的驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置具有適用于與所述凸透鏡表面形狀充分符合的柔性構(gòu)件并且具有無涂層區(qū)域或位于所述軸周圍的孔其中一個，調(diào)節(jié)該聚焦裝置以便通過改變應(yīng)用到所述柔性構(gòu)件的電壓改變所述普通凸透鏡表面的凸度。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述彈性可變形構(gòu)件具有小于大約邵氏A60的硬度。
35.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述彈性可變形構(gòu)件具有小于大約邵氏A20的硬度。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述彈性可變形構(gòu)件包括硅凝膠。
37.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件是一個由所述彈性可變形構(gòu)件組成的一片元件。
38.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述柔性構(gòu)件是插入一對柔性電極之間的柔性構(gòu)件。
39.一種用于聚焦圖像的裝置，所述裝置包括具有軸的可變形透鏡元件，其中所述可變形透鏡元件的主體包括具有至少一個凸透鏡表面的彈性可變形構(gòu)件；以及用來施加力到所述可變形透鏡元件使所述可變形透鏡元件變形并且改變所述可變形透鏡元件的光學(xué)特性的驅(qū)動裝置。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中所述驅(qū)動裝置具有布置在所述軸周圍的孔，所述驅(qū)動裝置從包括離子傳導(dǎo)電致動聚合體驅(qū)動裝置、絕緣電致動聚合體驅(qū)動裝置和中空步進電機的組中選擇出來。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件具有可變形表面，所述可變形表面的至少一部分傳輸形成圖像的光線，并且其中所述聚焦裝置包括施加由所述驅(qū)動裝置產(chǎn)生的力到所述可變形表面的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件是所述驅(qū)動裝置。
43.一種用在光學(xué)成像系統(tǒng)中的裝置，所述裝置包括具有可變形光線入射表面和相對的可變形光線出射表面的可變形透鏡元件，該可變形透鏡元件具有穿過所述可變形光線入射表面和所述相對的可變形光線出射表面各自中心的軸；用來使所述可變形光線入射表面變形以改變所述可變形透鏡元件的光學(xué)特性的第一驅(qū)動裝置；和用來使所述相對的可變形光線出射表面變形以改變所述可變形透鏡元件的光學(xué)特性的第二驅(qū)動裝置。
44.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一和第二驅(qū)動裝置中的至少一個是電致動聚合體驅(qū)動裝置。
45.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一和第二驅(qū)動裝置中的至少一個具有定位在所述軸周圍的孔。
46.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中調(diào)節(jié)所述裝置以便通過推力環(huán)將由所述第一和第二驅(qū)動裝置中的至少一個產(chǎn)生的力傳輸?shù)剿隹勺冃瓮哥R元件。
47.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括一片彈性可變形構(gòu)件。
48.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件具有凹部和放置在所述凹部的聚焦流體。
49.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述聚焦裝置包括定義所述光線入射表面的第一可變形薄膜及定義所述第二光線入射表面的第二可變形薄膜、窗口、由所述第一可變形薄膜和所述窗口限定的第一凹部及由所述第二可變形薄膜和所述窗口限定的第二凹部、以及放置在所述第一和第二凹部中的每一個之中的聚焦流體。
50.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中調(diào)節(jié)所述裝置以便在空間上離散并且設(shè)置在所述軸外周圍的多個點施加由所述第一和第二驅(qū)動裝置中的至少一個產(chǎn)生的力到所述可變形透鏡元件。
51.一種用于聚焦圖像的裝置，所述裝置包括可變形透鏡元件；和提供作用力使所述可變形透鏡元件變形的力元件。
52.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括可變形薄膜和流體容納區(qū)域。
53.如權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述可變形薄膜包括可變厚度。
54.如權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述可變形薄膜包括從其邊緣到其中心的可變厚度。
55.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形薄膜沒有流體容納部分。
56.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述力元件施加磁力。
57.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述力元件包括產(chǎn)生磁場的聲音線圈。
58.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括圓柱體的壁，且其中所述作用力包括施加到所述圓柱體的壁外部的力。
59.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形力元件包括聚合體驅(qū)動裝置。
60.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括可變形薄膜，并且其中所述透鏡模塊包括在所述可變形薄膜的圓周周圍的非連續(xù)點上施力的力施加元件。
61.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括流體容納部，并且其中所述力元件包括用于移動所述流體容納部的流體的活塞。
62.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡元件包括可變形薄膜，并且其中所述作用力包括在所述可變形薄膜上徑向向外延伸的力。
63.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述力元件包括壓電元件。
64.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述作用力包括以第一方向施加到所述可變形透鏡元件的第一力，和以第二方向施加到所述可變形透鏡元件的第二力，所述第二方向與所述第一方向不平行。
65.如權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述可變形透鏡模塊包括力施加元件，所述力施加元件包括用于接觸所述可變形透鏡元件的圓形邊緣。
66.如權(quán)利要求1至65中任一所述的裝置，其中所述裝置被布置于便攜移動電話的成像系統(tǒng)中。
67.如權(quán)利要求1至65中任一所述的裝置，其中所述裝置被布置于條形碼閱讀器的成像系統(tǒng)中。
68.一種方法包括將具有軸的可變形透鏡元件結(jié)合進光學(xué)系統(tǒng)，所述可變形透鏡元件具有可變形表面， 所述可變形表面的至少一部分傳播形成圖像的光線；以及在所述表面的多個力施加點施加力到所述可變形透鏡元件的所述可變形表面來改變所述光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性，其中所述施加步驟包括使用用來施加所述力的力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的步驟。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述多個力施加點定義了在所述軸周圍的二維區(qū)域。
70.如權(quán)利要求68所述的方法，其中所述力是指向遠離所述可變形透鏡元件方向的拉力。
71.一種方法包括將具有軸的可變形透鏡元件結(jié)合進光學(xué)系統(tǒng)，所述可變形透鏡元件具有可變形透鏡表面，所述可變形透鏡表面的至少一部分傳播形成圖像的光線；以及施加拉力到所述可變形透鏡元件的所述可變形表面來改變所述光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性， 其中所述施加步驟包括大體上在所述軸的方向上施加所述拉力的步驟。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述施加步驟包括在空間上遠離所述軸并且布置在所述軸外周圍的多個點施加所述拉力的步驟。
73.—種可變形透鏡元件包括第一夾持元件，該第一夾持元件包括具有允許光線從中通過的光學(xué)表面的剛性透明構(gòu)件；可變形薄膜；第二夾持元件，與所述第一夾持元件背靠背夾持所述可變形薄膜以便所述可變形薄膜與所述剛性透明光學(xué)表面相對放置；由所述可變形薄膜與所述第一夾持元件限定的凹部；以及具有設(shè)置在所述凹部內(nèi)的折射率大于1的可變形物質(zhì)。
74.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述可變形物質(zhì)由彈性可變形構(gòu)件提{共。
75.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述可變形物質(zhì)包括聚焦流體。
76.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述光學(xué)表面是具有光學(xué)放大率的彎曲表面。
77.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述光學(xué)表面是平面的光學(xué)表面。
78.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述第二夾持元件被超聲焊接到所述第二夾持元件。
79.如權(quán)利要求73所述的可變形透鏡元件，其中所述夾持元件中的至少一個具有環(huán)形的齒環(huán)，用來增加所述第一和第二夾持元件之間的定位力。
80.一種聚焦模塊包括 邊界元件，聚焦元件，所述聚焦元件進一步包括 ( )流體，和 ( )可變形薄膜，所述流體被夾在所述邊界元件和所述可變形薄膜之間；以及壓力元件，其中所述壓力元件能夠通過在所述邊界元件的方向上按壓所述可變形薄膜使所述聚焦元件變形。
81.一種聚焦模塊包括 邊界元件，聚焦薄膜，聚焦流體，被夾在所述邊界元件和所述聚焦薄膜之間；以及變形元件，接觸所述聚焦薄膜。
82.—種聚焦模塊包括 邊界元件，隔離元件， 聚焦薄膜，聚焦流體，被夾在所述邊界元件和所述聚焦薄膜之間；以及變形元件，接觸所述聚焦薄膜。
83.一種聚焦模塊包括 圓柱體，具有⑴頂表面， ( )底表面，(iii)外壁，和(iv)在其中的流體內(nèi)部體積；以及所述圓柱體外部的變形元件，所述變形元件能夠施加壓力在所述頂表面上，從而使所述頂表面變形。
84.一種聚焦模塊，按順序包括 邊界元件，聚焦元件，和變形元件。
85.如權(quán)利要求84所述的聚焦模塊，其中所述變形元件直接與所述聚焦元件接觸。
86.如權(quán)利要求84所述的聚焦模塊，其中所述變形元件通過至少一個中間元件作用到所述聚焦元件上。
87.如權(quán)利要求86所述的聚焦模塊，其中所述至少一個中間元件包括壓力元件。
88.如權(quán)利要求87所述的聚焦模塊，其中所述變形元件壓在所述壓力元件上，并且所述壓力元件與所述聚焦元件相接觸，從而傳輸力到所述聚焦元件。
89.一種透鏡模塊包括透鏡元件，所述透鏡元件包括i.工作流體元件，包括實質(zhì)上光學(xué)透明流體；以及 .光學(xué)非流體元件，包括具有第一和第二表面的彈性可變形構(gòu)件并且在其中至少一部分是實質(zhì)上光學(xué)透明的，僅有一個所述表面朝向所述工作流體元件；以及iii.光軸，穿過所述工作流體元件和所述光學(xué)非流體元件；力元件，能夠提供作用力充分地使所述彈性可變形構(gòu)件變形，并且可操作地連接到所述彈性可變形構(gòu)件，以便將由所述力元件提供的力至少部分地傳輸?shù)剿鰪椥钥勺冃螛?gòu)件；其中由所述力元件提供的力按順序從所述力元件、到達朝向遠離所述工作流體元件的所述彈性可變形構(gòu)件的表面、到達所述工作流體元件。
90.一種透鏡模塊包括透鏡元件，所述透鏡元件包括i.工作流體元件，包括實質(zhì)上光學(xué)透明的流體； .光學(xué)非流體元件，包括彈性可變形構(gòu)件并且在其中至少一部分是實質(zhì)上光學(xué)透明的；以及iii.光軸，穿過所述工作流體元件和所述光學(xué)非流體元件；力元件，能夠提供作用力充分地使所述彈性可變形構(gòu)件變形，并且可操作地連接到所述彈性可變形構(gòu)件，以便將由所述力元件提供的力至少部分地傳輸?shù)剿鰪椥钥勺冃螛?gòu)件；所述力元件被布置為與所述彈性可變形構(gòu)件有圓周對稱關(guān)系。
全文摘要
應(yīng)用在透鏡組件中的裝置，該裝置包含可變形透鏡元件，所述可變形透鏡元件具有軸和可變形表面，所述可變形表面的至少一部分傳輸圖像以形成光線，還包括力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)置所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件以用于向所述可變形表面施加力，其中調(diào)節(jié)該裝置以便所述力施加結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠施加推力或拉力中的至少一個到該可變形表面上。
文檔編號G02B3/14GK102436018SQ201110437420
公開日2012年5月2日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者元軍·P·王, 威廉·H·海溫斯, 晨·馮, 李建華 申請人:手持產(chǎn)品公司