[发明专利]在管状外壳中形成可变焦液体透镜的方法

说明书

发明背景

[0001]本发明总体上涉及光学系统，并且更具体地涉及可变焦流体透 镜。

[0002]激光器、光电导体以及其它光学组件被广泛用于许多光电子用 途，例如光通信系统和照相机装置。传统上，在这些用途中，需要手动定 位和调整透镜及其周围的支承结构，以保持图像聚焦到检测器上，并且接 收从相对于透镜的不同角度方向发出的光束。然而，依赖于这种手动定位 的装置可能缓慢，并且相当昂贵。

[0003]为了消除手动调整，开发了可调的微透镜，以实现在光源和光 学信号接收器比如光电检测器之间的最佳的光耦合。微透镜起着将光学信 号聚焦到其预期的目标物(例如，光电检测器)上。在一些情况下，当光束 在微透镜上的入射不同于其额定的对准入射时，这些微透镜的折射率自动 变化以改变微透镜的聚焦特性。因此，在微透镜和光电检测器之间保持所 需的耦合。

[0004]可调渐变折射率透镜(gradient index lense)具有在大多数电光 材料中发现的与较小电光系数相关的内在局限性。这导致小的光程调制， 因此需要使用厚的透镜或者很高的电压。另外，许多电光材料显示出导致 微透镜的偏振依赖性的强双折射，从而使具有一定偏振的光畸变。

[0005]机械可调的柔性透镜通常具有比渐变折射率透镜显著更宽的可 调性范围。然而，它们需要外部致动装置，比如微型泵来操作。将这些致 动装置结合到光电子组件中涉及大量与它们的微型化和定位相关的问题。 在需要可调微透镜的二维阵列的情况下，这些问题变得尤其严重。

[0006]作为一个实例，现有的照相手机的一个弱点在于它们使用微小 的定焦透镜，而该定焦透镜具有差的聚光能力，具有很有限的聚焦范围以 及有限的分辨能力。结果，与常规的照相机相比，图像质量相当低。为了 将来的改进，手机照相机需要聚焦调节的紧凑装置。

[0007]大多数可变焦透镜限于利用电润湿作用致动的透镜(美国专利 6,538,823)和成功利用液晶的透镜。还有封装在薄的聚合物膜中的流体微透 镜的几个公布(美国专利6,188,525)。这些透镜是使用外部致动器比如注射 泵来聚焦的。

[0008]因此，需要提供克服上述和其它问题的系统和方法。特别是， 需要低成本和紧凑的微透镜，并且该微透镜没有机械光学对准，并且具有 容易调节焦距的易调节性。令人惊奇地，本发明的方面满足这些以及其它 要求。

发明简述

[0009]本发明提供一种可变焦流体透镜，其中焦距可通过改变流体弯 月面的接触角来控制。流体界面的弯月面形成透镜的光学系统(optics)，并 且其(可调)曲率半径决定焦距。

[0010]根据本发明，将流体比如液体填充在具有内表面的管状外壳中， 所述内表面具有的特征在于约束流体，从而呈现出流体界面或者弯月面， 例如，液-液或液-气界面。在一个方面中，管状外壳的内表面包括相邻的 亲水和疏水区或区域，其中在疏水区和亲水区之间的边界约束流体，并且 呈现出具有曲率的弯月面，而所述曲率由在边界上的流体的静态接触角部 分地限定。通过使流体界面移动跨过亲水性-疏水性边界，球形界面的曲率 随着在边界上的流体接触角的变化而变化。在一个方面中，通过将控制压 力施加到流体上或者通过将更多的流体(例如，液体)添加到形成流体透镜 的空腔中来实现移动。

[0011]根据本发明的一个方面，提供一种光学装置，该光学装置通常 包括管状外壳，所述管状外壳具有内表面、疏水性表面、亲水性表面以及 设置在所述管状外壳内与所述亲水性表面接触的第一流体，其中在所述亲 水性表面和所述疏水性表面之间的边界约束所述流体，并且呈现出弯月 面。所述光学装置通常还包括压力或体积控制装置，所述压力或体积控制 装置与所述流体进行流体连接以调节流体的压力。因此还调节弯月面的曲 率。

[0012]根据本发明的另一个方面，提供一种光学装置，该光学装置典 型地包括管状外壳，而所述管状外壳具有内表面、设置在所述内表面上的 亲水性表面、以及设置在所述管状外壳内的与所述亲水性表面接触的流 体，其中边界特征约束所述流体，并且呈现出弯月面。所述光学装置通常 还包括压力或体积控制装置，所述压力或体积控制装置与所述流体连接以 调节弯月面的曲率。