固體彈性透鏡元件及其制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請以2010年5月26日提交的申請?zhí)朜o. 12/787,665的美國專利為優(yōu)先權(quán)，其發(fā) 明名稱為"Solid Elastic Lens Element And Method Of Making Same"。上述申請的優(yōu)先 權(quán)被要求并且在此通過引用整體合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開大體上涉及一種用于合并入光學(xué)成像系統(tǒng)中的透鏡元件，以及，更具體地， 涉及一種包含多個(gè)固體彈性透鏡的透鏡元件。
【背景技術(shù)】
[0003] 多種透鏡，例如，多焦透鏡和變焦透鏡，通常采用一個(gè)或多個(gè)不可變形的(也就是 說，諸如玻璃或聚碳酸酯的剛性）透鏡元件，這些透鏡元件常常借助發(fā)動機(jī)提供的力沿著成 像軸移動。
[0004] 近些年，無發(fā)動機(jī)的電響應(yīng)透鏡元件已經(jīng)引起了光學(xué)系統(tǒng)的研宄者和設(shè)計(jì)者不斷 增加的注意。一種無發(fā)動機(jī)的電響應(yīng)透鏡元件為"液體透鏡"透鏡元件，其通常包括剛性的 或彈性的隔膜(membrane)，該隔膜填充有一種或多種具有大于1的折射率的液體。液體透 鏡技術(shù)已經(jīng)引起了許多通常認(rèn)為傳統(tǒng)的固體透鏡元件和配備發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)體積過大并且 耗能多的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的注意。關(guān)于液體透鏡元件的建議已經(jīng)提出了各種用于改變集成 入光學(xué)系統(tǒng)的液體透鏡元件的光學(xué)性質(zhì)的方法。在液體透鏡元件已經(jīng)被提出的情況下，改 變這種透鏡元件的光學(xué)性質(zhì)的建議性選擇可以總結(jié)為三大類別：電潤濕、液體注射和機(jī)械 致動。
[0005] 根據(jù)電潤濕的過程，液體透鏡元件被提供為具有至少兩種不互溶的液體和施加到 該液體透鏡元件的電壓。該液體透鏡元件的表面張力根據(jù)所施加的電壓而改變，引起所述 至少兩種液體之間的界面的曲率的改變。
[0006] 根據(jù)液體注射的過程，在鄰近液體透鏡元件處提供泵，其將液體泵入該透鏡元件 并且從該透鏡元件中抽出液體。在液體被泵入該透鏡元件和從該透鏡元件抽出時(shí)，透鏡元 件的光學(xué)性質(zhì)改變。
[0007] 根據(jù)機(jī)械致動的過程，透鏡元件被提供為具有保護(hù)在殼體內(nèi)的可變形的隔膜，和 被限制在由該殼體、隔膜和端板限定的空腔內(nèi)的聚焦液體。致動器向隔膜施加力，其改變?nèi)?納聚焦液體的空腔的幾何形狀。
[0008] 對于用于改變液體透鏡元件的光學(xué)性質(zhì)的所有三種方法而言已經(jīng)注意到了問題。 對于電潤濕，已經(jīng)被注意到的一個(gè)問題是反復(fù)流過透鏡元件的電流隨著時(shí)間過去將會改變 透鏡元件的特性，致使其中使用透鏡元件的任何系統(tǒng)不可靠而且不可預(yù)測。對于涉及電潤 濕的提議而言另一個(gè)需要注意的問題是電潤濕通常包括提供兩種液體。由于液體之間的參 考指數(shù)差比較小，透鏡元件的光學(xué)能力（power)被降低。
[0009] 關(guān)于液體注射方法，用于提供這種液體注射的泵必須復(fù)雜而且精準(zhǔn)，這需要制造 相當(dāng)昂貴的系統(tǒng)并且很難實(shí)現(xiàn)可接受的小型化。
[0010] 關(guān)于機(jī)械致動方法，由于難于處理聚焦液體，透鏡元件組件的制造已經(jīng)證明有問 題。而且，由于具有空腔內(nèi)的聚焦液體的可變形隔膜的脆弱結(jié)構(gòu)，該組件不能承受高溫操作 (例如，高于45攝氏度)。更進(jìn)一步，該組件易受濕氣和環(huán)境因素的影響，因此限制了其使用 壽命。例如，用于可變形隔膜的特定材料的選擇會吸灰。最后，而且最關(guān)鍵地，液體透鏡在 使用壽命中很容易泄露。
[0011] 由于對于用于改變可變形透鏡元件的光學(xué)性質(zhì)的電潤濕、液體注射和機(jī)械致動方 法而言所注意到的問題，商業(yè)部署的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中繼續(xù)幾乎完全 依賴于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)致動的剛性透鏡元件。然而，配備發(fā)動機(jī)致動的剛性元件的光學(xué)系統(tǒng) 的可實(shí)現(xiàn)的小型化和節(jié)能依然被限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種透鏡元件，其包括殼體和耦合于殼體的透光 (light transmissive)蓋。第一彈性固體透鏡被布置在該殼體內(nèi)并且由第一計(jì)示硬度表 征。該第一彈性固體透鏡具有面向光源的第一表面和鄰近該透光蓋的相對的第二表面；第 一透鏡的第一和第二表面限定了第一透鏡的厚度。第二彈性固體透鏡具有面向光源的第一 表面和鄰近并且基本上符合（conform to)第一彈性固體透鏡的第一表面的相對的第二表 面。第二透鏡的第一和第二表面限定了第二厚度。更進(jìn)一步，第二透鏡由第二計(jì)示硬度表 征。第二透鏡的厚度小于第一透鏡厚度，并且第二計(jì)示硬度大于第一計(jì)示硬度。
[0013] 在一個(gè)例子中，通過Shore方法測量的第一彈性固體透鏡的第一計(jì)示硬度小于 0060,并且通過Shore方法測量的第二彈性固體透鏡的第二計(jì)示硬度在A20到A60的范圍 內(nèi)。
[0014] 在另一個(gè)例子中，第一計(jì)示硬度小于0030。
[0015] 在又一個(gè)例子中，第二計(jì)示硬度在A25到A35的范圍內(nèi)。
[0016] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一厚度在0. 5毫米到0. 8毫米的范圍內(nèi)，而第二厚度在 12. 5微米到0. 20毫米范圍內(nèi)。
[0017] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種標(biāo)記讀取終端，其包括成像組件，該成像組件包 括具有多個(gè)像素的圖像傳感器。該標(biāo)記讀取終端進(jìn)一步包括用于存儲圖像數(shù)據(jù)的存儲器， 和用于處理圖像數(shù)據(jù)以嘗試解碼在圖像數(shù)據(jù)中表示的可解碼標(biāo)記的控制器。標(biāo)記讀取終 端進(jìn)一步包括用于將目標(biāo)圖像聚焦到圖像傳感器上的透鏡組件。透鏡組件包括透光蓋、鄰 近透光蓋布置的第一彈性固體透鏡和鄰近第一彈性固體透鏡布置并且基本上符合第一彈 性固體透鏡的第二彈性固體透鏡。第一彈性固體透鏡由第一厚度和第一計(jì)示硬度表征。第 二彈性固體透鏡由第二厚度和第二計(jì)示硬度表征。第一透鏡厚度大于第二透鏡厚度，而第 一計(jì)示硬度小于第二計(jì)示硬度。標(biāo)記讀取終端可操作以在至少第一和第二不同的透鏡設(shè)置 (lens setting)之間移動透鏡組件的透鏡設(shè)置。透鏡組件具有在第一透鏡設(shè)置處的第一最 佳焦平面和在第二透鏡設(shè)置處的第二最佳焦平面。標(biāo)記讀取終端進(jìn)一步可操作以在透鏡組 件在第一透鏡設(shè)置時(shí)曝光圖像數(shù)據(jù)的第一幀并且在透鏡組件在第二透鏡聚焦設(shè)置時(shí)曝光 圖像數(shù)據(jù)的第二幀。該終端進(jìn)一步被配置以使得該終端可操作以使得圖像數(shù)據(jù)的第一和第 二幀的每一個(gè)進(jìn)行解碼嘗試以解碼可解碼的標(biāo)記。
[0018] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供標(biāo)記讀取終端，其包括發(fā)射激光的激光源，和使激光 掃描過目標(biāo)的掃描裝置。該終端可操作以使得掃描過目標(biāo)的激光的最佳焦平面基于透鏡組 件的當(dāng)前透鏡設(shè)置而改變。標(biāo)記讀取終端進(jìn)一步包括用于將目標(biāo)的圖像聚焦在圖像傳感器 上的透鏡組件。該透鏡組件包括透光蓋、鄰近透光蓋布置的第一彈性固體透鏡和鄰近第一 彈性固體透鏡布置的并且基本上符合第一彈性固體透鏡的第二彈性固體透鏡。第一彈性固 體透鏡由第一厚度和第一計(jì)示硬度表征。第二彈性固體透鏡由第二厚度和第二計(jì)示硬度表 征。第一透鏡厚度大于第二透鏡厚度，而第一計(jì)示硬度小于第二計(jì)示硬度。該終端可操作 以在第一透鏡設(shè)置和第二透鏡設(shè)置之間移動透鏡組件，并且是進(jìn)一步可操作以當(dāng)透鏡組件 在第一透鏡設(shè)置時(shí)產(chǎn)生對應(yīng)于第一掃描的第一信號和當(dāng)透鏡元件在第二透鏡設(shè)置時(shí)產(chǎn)生 對應(yīng)于第二掃描的第二信號。該終端進(jìn)一步可操作的以嘗試?yán)玫谝恍盘柡偷诙盘柦獯a 可解碼的標(biāo)記。
[0019] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了制造透鏡元件的方法。該方法包括以下步驟：提供 殼體和透光蓋、由聚二甲基硅氧烷與劑（agent)以大于20 :1的比例進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)（cross link)形成第一彈性固體透鏡；將第一彈性固體透鏡鄰近透光蓋固定在殼體內(nèi)，由氟化乙丙 烯形成第二彈性固體透鏡，和將第二彈性固體透鏡鄰近第一彈性固體透鏡固定在殼體內(nèi)。
[0020] 在一個(gè)例子中，第一彈性固體透鏡的厚度在0. 5毫米到0. 8毫米的范圍內(nèi)，而第二 彈性固體透鏡的厚度在12. 5微米到25微米的范圍內(nèi)。
[0021] 本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種制造透鏡元件的方法。該方法包括以下步驟：提 供殼體和透光蓋，由聚二甲基硅氧烷與劑以大于20 :1的比例進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)形成第一彈性 固體透鏡；將第一彈性固體透鏡鄰近透光蓋固定在殼體內(nèi)，由聚二甲基硅氧烷與劑以小于 10 :1的比例進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)形成第二彈性固體透鏡，和將第二彈性固體透鏡鄰近第一彈性 固體透鏡固定在殼體內(nèi)。
【附圖說明】
[0022] 這里描述的特征參照下面的附圖描述可以被更好地理解。這些附圖不一定按比 例，而是主要強(qiáng)調(diào)說明本發(fā)明的主題。在附圖中，相似的數(shù)字是用來描述不同附圖中的相似 部分。
[0023] 圖1示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透鏡元件的透視圖； 圖2A和2B示意性圖示了在非致動狀態(tài)下的圖1的透鏡元件的橫截面圖； 圖3示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖1的透鏡元件的橫截面圖； 圖4示意性圖示了包括致動器組件的聚焦裝置； 圖5示意性圖示了環(huán)形部件的透視圖； 圖6示意性圖示了與電功率輸入單元結(jié)合的聚焦裝置的物理形式圖，其中聚焦裝置包 括包含音圈的致動器組件。 圖7示意性圖示了在致動狀態(tài)下的圖2A的透鏡元件的橫截面圖； 圖8示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的在致動狀態(tài)下的透鏡元件的橫截面 圖； 圖9示意性圖示了在致動狀態(tài)下圖6的透鏡元件的橫截面圖； 圖10示意性圖示了具有聚焦裝置的可變透鏡組件的實(shí)施例； 圖11示意性圖示了具有聚焦裝置和與該聚焦裝置相連的額外的光學(xué)元件的可變透鏡 組件的實(shí)施例； 圖12是具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透鏡組件的基于圖像傳感器的標(biāo)記讀取終端 的框圖； 圖13是具有手持殼體的標(biāo)記讀取終端的透視圖； 圖14是圖示了標(biāo)記讀取終端的操作方面的時(shí)序圖； 圖15是具有可變透鏡組件的基于激光掃描的標(biāo)記讀取終端的框圖； 圖16示意性圖示了具有手持殼體的標(biāo)記讀取終端的透視圖； 圖17是圖示了標(biāo)記讀取終端的操作方面的時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 參照圖1和2A，分別示出了透鏡元件10的透視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。透鏡元件10 包括殼體12、兩個(gè)透光彈性固體透鏡和透光蓋14。在所示的實(shí)施例中，殼體12是蓋14壓 合在其中的簡單的環(huán)形結(jié)構(gòu)。兩個(gè)透鏡對著蓋14嵌套在一起。殼體12的其他結(jié)構(gòu)是可能 的，將在下面的內(nèi)容中被詳細(xì)描述。兩個(gè)彈性固體透鏡和蓋14 一起限定了光軸16。
[0025] 透光蓋14可以由具有或沒有光學(xué)能力的固體透光材料提供，或通過能夠展示曲 率的可變形隔膜提供，該曲率用于限定具有光學(xué)能力的透鏡表面，諸如在圖2B中示出的。 在所示實(shí)施例中，透光蓋14是固體玻璃片。
[0026] 第一彈性固體透鏡18被布置在殼體12內(nèi)。第一透鏡18 -側(cè)20以蓋14為界，相 對側(cè)22以第二彈性固體透鏡24為界，并且由殼體12環(huán)繞其外直徑周邊。第一透鏡18進(jìn) 一步由其柔軟和彈性性質(zhì)來表征。在一個(gè)例子中，第一透鏡18具有通過Shore方法，諸如 ASTM D2240、IS0 7619 和 ISO 868、DIN 53505 或 JIS K 6253,測量得到的小于 0060 的計(jì)示 硬度。在另一個(gè)例子中，該計(jì)示硬度小于0030。通過非限制性比較的方式，第一彈性固體透 鏡18表現(xiàn)為海綿體橡膠和軟凝膠的相似的特性。第一彈性固體透鏡18的材料可以表現(xiàn)為 粘彈性，意味著當(dāng)經(jīng)過短時(shí)間間隔的變形時(shí)，該材料像彈性固體那樣，但是在長時(shí)間間隔的 情況下該材料像粘性液體那樣。優(yōu)選地，第一透鏡18的材料表現(xiàn)為滯彈性，其中該材料在 負(fù)載移除后完全重新恢復(fù)到其原始狀態(tài)。
[0027] 用于第一彈性固體透鏡18的一種可能材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS)。PDMS是一 種娃基有機(jī)聚合物，其通過與諸如CAS注冊號為6339