具有放大倍數(shù)控制的液體透鏡的制作方法
【專利說(shuō)明】具有放大倍數(shù)控制的液體透鏡
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年11月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/727,265的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。另外，本申請(qǐng)涉及2011年7月26日提交且于 2012 年 2 月 2 日公開(kāi)的、名稱為 “Pinned-Contact, Oscillating Liquid-LiquidLens and Imaging Systems (固定接觸的振蕩式液-液透鏡和成像系統(tǒng))”的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/190，980 和 2013 年 10 月 23 日頒發(fā)的、名稱為“Reconfigurable, Non-OscillatingLiquid Lens and Imaging Systems (可重構(gòu)的非振蕩式液體透鏡和成像系統(tǒng))”的美國(guó)專利證書(shū)N0.8，564，882，這兩者的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體涉及自適應(yīng)光學(xué)器件，更具體而言，涉及液體透鏡，以及涉及采用液體透鏡的成像系統(tǒng)和成像方法。
【背景技術(shù)】
[0004]由于機(jī)械地移動(dòng)相機(jī)的透鏡直至圖像位于焦點(diǎn)上存在固有的延遲，因此光學(xué)聚焦經(jīng)常是緩慢的過(guò)程。盡管對(duì)于透鏡材料而言液體被認(rèn)為是異乎尋常的選擇，但將液體透鏡應(yīng)用于需要快速響應(yīng)的自適應(yīng)光學(xué)器件或用于需要較小的或具有成本效益的光學(xué)器件的應(yīng)用場(chǎng)合日益受到關(guān)注。液體透鏡能夠有利地避免與移動(dòng)固體透鏡相關(guān)聯(lián)的重量增大和制造復(fù)雜性。液體透鏡的界面因表面張力(其受微米級(jí)的重力支配)而具有良好的光學(xué)質(zhì)量，并且提供幾近完美的球形界面和光學(xué)平滑至分子級(jí)的界面。
[0005]最近消費(fèi)級(jí)無(wú)線通信中圖像和多媒體的激增使用極大推動(dòng)了對(duì)輕便、堅(jiān)固的自適應(yīng)光學(xué)器件的需求。然而，對(duì)此類透鏡的需求，已經(jīng)擴(kuò)張到手機(jī)和攝像機(jī)之外，到達(dá)生物醫(yī)學(xué)傳感和成像、用于監(jiān)測(cè)和防御的自主空中和水下車(chē)輛、用于微制造的顯微鏡和自適應(yīng)光刻技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]通過(guò)在一個(gè)方面中提供一種包括液體透鏡的裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并且提供了其它優(yōu)點(diǎn)。液體透鏡包括基板，基板包括在基板的第一表面與第二表面之間延伸穿過(guò)基板的至少一個(gè)通道，并且液滴包括第一液體。液滴部分地設(shè)置在延伸穿過(guò)基板的至少一個(gè)通道的一個(gè)通道內(nèi)；并且液體透鏡還包括外殼，外殼至少部分地圍繞基板，并且外殼包括腔室。延伸穿過(guò)基板的至少一個(gè)通道的一個(gè)通道位于外殼的腔室內(nèi)。第二液體設(shè)置在腔室內(nèi)，并且第二液體和包括第一液體的液滴在腔室內(nèi)在第一界面和第二界面處直接接觸或間接接觸。第一界面限定相對(duì)于基板的第一表面的第一突出液體部分，而第二界面限定相對(duì)于基板的第二表面的第二突出液體部分，并且，第一突出液體部分和第二突出液體部分合起來(lái)限定總突出液體體積。透鏡放大倍數(shù)控制件設(shè)置用于通過(guò)增大或減小相對(duì)于基板的第一表面和第二表面限定的總突出液體體積來(lái)調(diào)節(jié)液體透鏡的放大倍數(shù)。
[0007]在另一方面中，提供了一種制造液體透鏡的方法，包括:獲取基板，基板相對(duì)于液滴是非潤(rùn)濕性的；提供至少一個(gè)通道，至少一個(gè)通道在基板中從基板的第一表面延伸到第二表面；提供液滴，液滴包括延伸穿過(guò)基板的至少一個(gè)通道的一個(gè)通道內(nèi)的第一液體；提供外殼，外殼至少部分地圍繞基板并且包括腔室，延伸穿過(guò)基板的至少一個(gè)通道的一個(gè)通道位于外殼的腔室內(nèi)；在腔室內(nèi)設(shè)置第二液體，第二液體和包括第一液體的液滴在腔室內(nèi)在第一界面和第二界面處直接接觸或間接接觸，第一界面限定相對(duì)于基板的第一表面的第一突出液體部分，而第二界面限定相對(duì)于基板的第二表面的第二突出液體部分，并且，第一突出液體部分和第二突出液體部分合起來(lái)限定總突出液體體積；以及提供透鏡放大倍數(shù)控制件，透鏡放大倍數(shù)控制件用于通過(guò)增大或減小相對(duì)于基板的第一表面和第二表面限定的總突出液體體積來(lái)調(diào)節(jié)液體透鏡的放大倍數(shù)。
[0008]通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其它特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其它實(shí)施例和方面在本文中被詳細(xì)描述并且被視為要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。
【附圖說(shuō)明】
[0009]本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面被特別指出并作為實(shí)例在說(shuō)明書(shū)結(jié)束處的權(quán)利要求書(shū)中明確要求保護(hù)。通過(guò)閱讀以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將能夠更清楚地理解本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:
[0010]圖1A和圖1B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括振蕩式液體透鏡的裝置的一個(gè)實(shí)施例，其中，透鏡的液滴響應(yīng)于致動(dòng)器的操作運(yùn)動(dòng)被示為:第二液滴部分遠(yuǎn)離基板的第二表面而突出(在圖1A中被放大)，以及第一液滴部分遠(yuǎn)離基板的第一表面而突出(在圖1B中被放大)；
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括采用振蕩式液-液透鏡的成像系統(tǒng)的裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，并且圖2示出物體在焦點(diǎn)上的成像；
[0012]圖3A和圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括具有透鏡放大倍數(shù)控制的振蕩式液-液透鏡的裝置的可選實(shí)施例；
[0013]圖3C和圖3D示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括具有透鏡放大倍數(shù)控制的振蕩式液-液透鏡的裝置的另一實(shí)施例；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的采用具有諸如圖3A和圖3B所示的透鏡放大倍數(shù)控制的振蕩式液-液透鏡的成像方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；
[0015]圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)的裝置的另一實(shí)施例的正視圖；
[0016]圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的圖5A的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)，示出五個(gè)示例雙穩(wěn)態(tài)毛細(xì)管開(kāi)關(guān)元件中的兩個(gè)從可重構(gòu)液體透鏡的第一(上)腔室部分切換到第二(下)腔室部分，并且圖5B示出所得到的液體透鏡滴的重構(gòu)體；
[0017]圖5C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的圖5A和5B的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)，示出其余的雙穩(wěn)態(tài)毛細(xì)管開(kāi)關(guān)元件切換到可重構(gòu)液體透鏡的第二(下)腔室部分，并且圖5C示出所得到的液體透鏡滴的重構(gòu)體；
[0018]圖6A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)的裝置的另一實(shí)施例的局部平面圖；
[0019]圖6B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的圖6A的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)的正視圖；
[0020]圖6C和圖6D示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的圖6A和6B的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)，示例雙穩(wěn)態(tài)毛細(xì)管開(kāi)關(guān)元件中的三個(gè)被示出為從第一(上)腔室部分過(guò)渡到第二(下)腔室部分，并且在圖6D中示出所得到的液體透鏡滴的重構(gòu)體；
[0021]圖6E和圖6F示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的圖6C和6D的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)，其余的雙穩(wěn)態(tài)毛細(xì)管開(kāi)關(guān)元件被示出為從第一(上)腔室部分過(guò)渡到第二(下)腔室部分，并且在圖6F中示出所得到的液體透鏡滴的構(gòu)造；
[0022]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的包括具有透鏡放大倍數(shù)控制件的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)的裝置的另一實(shí)施例；以及
[0023]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的采用具有諸如圖7所示的透鏡放大倍數(shù)控制件的可重構(gòu)液體透鏡結(jié)構(gòu)的成像方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下文將參考附圖所示的非限制性實(shí)例更全面地說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)方面和本發(fā)明的某些特征、優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)。省略已知結(jié)構(gòu)的描述，以免不必要地使本發(fā)明在細(xì)節(jié)上不清楚。然而，應(yīng)理解的是，在指出本發(fā)明的各方面的同時(shí)，僅以舉例的方式而非以限制的方式給出詳細(xì)描述和具體實(shí)例。通過(guò)閱讀本公開(kāi)內(nèi)容，在隱含的本發(fā)明概念的精神和/或范圍內(nèi)的各種替換、修改、添加和/或重新排列對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得明顯。
[0025]在一個(gè)方面中，本文公開(kāi)了一個(gè)顯著更快聚焦范例，其中，不是將透鏡移動(dòng)到最終位置，而是使所述透鏡的形狀連續(xù)振蕩，并由此使透鏡的焦距連續(xù)振蕩。在振蕩周期內(nèi)，焦距在其值的整個(gè)范圍上演變，并且采用同步高速傳感器，以在不同的焦點(diǎn)處捕獲清晰的圖像。已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在小于振蕩周期的0.01秒的范圍內(nèi)聚焦。通過(guò)使用小(例如，毫米大小)的液體透鏡使系統(tǒng)以諧振頻率振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。通過(guò)與振蕩式液體透鏡組合，同樣有利地呈現(xiàn)出了透鏡放大倍數(shù)控制件。
[0026]更具體而言，在一個(gè)方面中，本文以舉例的方式描述了一種具有振蕩焦距的液-液透鏡，該液-液透鏡可以通過(guò)與振蕩“同步”地抓圖來(lái)在給定的范圍內(nèi)捕獲任何圖像平面。通過(guò)使透鏡振蕩，改變焦距的任務(wù)被有效地從機(jī)械操縱變換到圖像捕獲的電子定時(shí)，這能夠被顯著更快地實(shí)現(xiàn)。在液體透鏡被驅(qū)動(dòng)共振并擁有固定接觸線的情況下，對(duì)于毫升級(jí)液體鏡頭已經(jīng)以10Hz證明了高保真成像。通過(guò)縮小比例的透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)顯著更快的響應(yīng)。
[0027]雖然某些策略是使得所使用的膜包含液體透鏡，但特別感興趣的是一種僅受限于表面張力本身的液體透鏡，主要是因?yàn)槟?duì)圖像質(zhì)量具有有害影響以及制取均勻耐用的膜的制造挑戰(zhàn)。然而，在實(shí)踐中甚至難以實(shí)施表面張力結(jié)合策略，因?yàn)橹亓⒐馊ο拗浦翈缀撩撞⑶艺舭l(fā)使穩(wěn)定操作難以超過(guò)幾分鐘。
[0028]為解決這些問(wèn)題，本文公開(kāi)了液-液透鏡結(jié)構(gòu)、采用該液-液透鏡結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)和成像方法，通過(guò)實(shí)現(xiàn)至少高至30Hz的穩(wěn)定操作、厘米級(jí)光圈、取向獨(dú)立性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該液-液透鏡結(jié)構(gòu)緩和了前述液體透鏡的缺點(diǎn)。通過(guò)耦合穿過(guò)基板(例如，板)中的第一通道(例如，圓形孔)的第一高折射率液體的兩個(gè)液滴以及提供圍繞板和液體透鏡的第二液體(例如，水)來(lái)形成液-液透鏡，使得透鏡系統(tǒng)被外殼(例如，透明的丙烯酸盒)封閉。通過(guò)匹配第一液滴的密度(PD)與周?chē)后w(例如，水(PW))的密度，毛細(xì)管長(zhǎng)度(以(pD-pW)_1/2計(jì)量)可以從幾毫米(氣體液體透鏡(例如，空氣中的水透鏡)中的典型液體的毛細(xì)管長(zhǎng)度)增大到幾厘米。
[0029]為了實(shí)現(xiàn)液滴曲率的變化(以實(shí)現(xiàn)焦距變化)，期望以非侵入性的方式致動(dòng)封閉的透鏡系統(tǒng)。為此，在基板中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)第二通道(或開(kāi)口)，每個(gè)通道容納不混溶的鐵磁流體的兩個(gè)連接液滴。在相對(duì)較小的電磁驅(qū)動(dòng)器放置在外殼外部的情況下，當(dāng)鐵磁流體液滴在基板任一側(cè)上的第一腔室部分和第二腔室部分的固定體積內(nèi)移動(dòng)時(shí)，鐵磁流體滴可以用作使第一液滴(即，