固体弹性透镜元件及其制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请以2010年5月26日提交的申请号No. 12/787,665的美国专利为优先权，其发 明名称为"Solid Elastic Lens Element And Method Of Making Same"。上述申请的优先 权被要求并且在此通过引用整体合并于此。
技术领域
[0002] 本公开大体上涉及一种用于合并入光学成像系统中的透镜元件，以及，更具体地， 涉及一种包含多个固体弹性透镜的透镜元件。
【背景技术】
[0003] 多种透镜，例如，多焦透镜和变焦透镜，通常采用一个或多个不可变形的(也就是 说，诸如玻璃或聚碳酸酯的刚性）透镜元件，这些透镜元件常常借助发动机提供的力沿着成 像轴移动。
[0004] 近些年，无发动机的电响应透镜元件已经引起了光学系统的研宄者和设计者不断 增加的注意。一种无发动机的电响应透镜元件为"液体透镜"透镜元件，其通常包括刚性的 或弹性的隔膜(membrane)，该隔膜填充有一种或多种具有大于1的折射率的液体。液体透 镜技术已经引起了许多通常认为传统的固体透镜元件和配备发动机的系统体积过大并且 耗能多的光学系统设计者的注意。关于液体透镜元件的建议已经提出了各种用于改变集成 入光学系统的液体透镜元件的光学性质的方法。在液体透镜元件已经被提出的情况下，改 变这种透镜元件的光学性质的建议性选择可以总结为三大类别：电润湿、液体注射和机械 致动。
[0005] 根据电润湿的过程，液体透镜元件被提供为具有至少两种不互溶的液体和施加到 该液体透镜元件的电压。该液体透镜元件的表面张力根据所施加的电压而改变，引起所述 至少两种液体之间的界面的曲率的改变。
[0006] 根据液体注射的过程，在邻近液体透镜元件处提供泵，其将液体泵入该透镜元件 并且从该透镜元件中抽出液体。在液体被泵入该透镜元件和从该透镜元件抽出时，透镜元 件的光学性质改变。
[0007] 根据机械致动的过程，透镜元件被提供为具有保护在壳体内的可变形的隔膜，和 被限制在由该壳体、隔膜和端板限定的空腔内的聚焦液体。致动器向隔膜施加力，其改变容 纳聚焦液体的空腔的几何形状。
[0008] 对于用于改变液体透镜元件的光学性质的所有三种方法而言已经注意到了问题。 对于电润湿，已经被注意到的一个问题是反复流过透镜元件的电流随着时间过去将会改变 透镜元件的特性，致使其中使用透镜元件的任何系统不可靠而且不可预测。对于涉及电润 湿的提议而言另一个需要注意的问题是电润湿通常包括提供两种液体。由于液体之间的参 考指数差比较小，透镜元件的光学能力（power)被降低。
[0009] 关于液体注射方法，用于提供这种液体注射的泵必须复杂而且精准，这需要制造 相当昂贵的系统并且很难实现可接受的小型化。
[0010] 关于机械致动方法，由于难于处理聚焦液体，透镜元件组件的制造已经证明有问 题。而且，由于具有空腔内的聚焦液体的可变形隔膜的脆弱结构，该组件不能承受高温操作 (例如，高于45摄氏度)。更进一步，该组件易受湿气和环境因素的影响，因此限制了其使用 寿命。例如，用于可变形隔膜的特定材料的选择会吸灰。最后，而且最关键地，液体透镜在 使用寿命中很容易泄露。
[0011] 由于对于用于改变可变形透镜元件的光学性质的电润湿、液体注射和机械致动方 法而言所注意到的问题，商业部署的光学系统的设计者在光学系统的设计中继续几乎完全 依赖于传统的发动机致动的刚性透镜元件。然而，配备发动机致动的刚性元件的光学系统 的可实现的小型化和节能依然被限制。
【发明内容】
[0012] 在本发明的一个方面，提供了一种透镜元件，其包括壳体和耦合于壳体的透光 (light transmissive)盖。第一弹性固体透镜被布置在该壳体内并且由第一计示硬度表 征。该第一弹性固体透镜具有面向光源的第一表面和邻近该透光盖的相对的第二表面；第 一透镜的第一和第二表面限定了第一透镜的厚度。第二弹性固体透镜具有面向光源的第一 表面和邻近并且基本上符合（conform to)第一弹性固体透镜的第一表面的相对的第二表 面。第二透镜的第一和第二表面限定了第二厚度。更进一步，第二透镜由第二计示硬度表 征。第二透镜的厚度小于第一透镜厚度，并且第二计示硬度大于第一计示硬度。
[0013] 在一个例子中，通过Shore方法测量的第一弹性固体透镜的第一计示硬度小于 0060,并且通过Shore方法测量的第二弹性固体透镜的第二计示硬度在A20到A60的范围 内。
[0014] 在另一个例子中，第一计示硬度小于0030。
[0015] 在又一个例子中，第二计示硬度在A25到A35的范围内。
[0016] 在本发明的另一个方面，第一厚度在0. 5毫米到0. 8毫米的范围内，而第二厚度在 12. 5微米到0. 20毫米范围内。
[0017] 在本发明的另一个方面，提供一种标记读取终端，其包括成像组件，该成像组件包 括具有多个像素的图像传感器。该标记读取终端进一步包括用于存储图像数据的存储器， 和用于处理图像数据以尝试解码在图像数据中表示的可解码标记的控制器。标记读取终 端进一步包括用于将目标图像聚焦到图像传感器上的透镜组件。透镜组件包括透光盖、邻 近透光盖布置的第一弹性固体透镜和邻近第一弹性固体透镜布置并且基本上符合第一弹 性固体透镜的第二弹性固体透镜。第一弹性固体透镜由第一厚度和第一计示硬度表征。第 二弹性固体透镜由第二厚度和第二计示硬度表征。第一透镜厚度大于第二透镜厚度，而第 一计示硬度小于第二计示硬度。标记读取终端可操作以在至少第一和第二不同的透镜设置 (lens setting)之间移动透镜组件的透镜设置。透镜组件具有在第一透镜设置处的第一最 佳焦平面和在第二透镜设置处的第二最佳焦平面。标记读取终端进一步可操作以在透镜组 件在第一透镜设置时曝光图像数据的第一帧并且在透镜组件在第二透镜聚焦设置时曝光 图像数据的第二帧。该终端进一步被配置以使得该终端可操作以使得图像数据的第一和第 二帧的每一个进行解码尝试以解码可解码的标记。
[0018] 在本发明的另一个方面，提供标记读取终端，其包括发射激光的激光源，和使激光 扫描过目标的扫描装置。该终端可操作以使得扫描过目标的激光的最佳焦平面基于透镜组 件的当前透镜设置而改变。标记读取终端进一步包括用于将目标的图像聚焦在图像传感器 上的透镜组件。该透镜组件包括透光盖、邻近透光盖布置的第一弹性固体透镜和邻近第一 弹性固体透镜布置的并且基本上符合第一弹性固体透镜的第二弹性固体透镜。第一弹性固 体透镜由第一厚度和第一计示硬度表征。第二弹性固体透镜由第二厚度和第二计示硬度表 征。第一透镜厚度大于第二透镜厚度，而第一计示硬度小于第二计示硬度。该终端可操作 以在第一透镜设置和第二透镜设置之间移动透镜组件，并且是进一步可操作以当透镜组件 在第一透镜设置时产生对应于第一扫描的第一信号和当透镜元件在第二透镜设置时产生 对应于第二扫描的第二信号。该终端进一步可操作的以尝试利用第一信号和第二信号解码 可解码的标记。
[0019] 在本发明的另一个方面，提供了制造透镜元件的方法。该方法包括以下步骤：提供 壳体和透光盖、由聚二甲基硅氧烷与剂（agent)以大于20 :1的比例进行交联反应（cross link)形成第一弹性固体透镜；将第一弹性固体透镜邻近透光盖固定在壳体内，由氟化乙丙 烯形成第二弹性固体透镜，和将第二弹性固体透镜邻近第一弹性固体透镜固定在壳体内。
[0020] 在一个例子中，第一弹性固体透镜的厚度在0. 5毫米到0. 8毫米的范围内，而第二 弹性固体透镜的厚度在12. 5微米到25微米的范围内。
[0021] 本发明的另一个方面，提供了一种制造透镜元件的方法。该方法包括以下步骤：提 供壳体和透光盖，由聚二甲基硅氧烷与剂以大于20 :1的比例进行交联反应形成第一弹性 固体透镜；将第一弹性固体透镜邻近透光盖固定在壳体内，由聚二甲基硅氧烷与剂以小于 10 :1的比例进行交联反应形成第二弹性固体透镜，和将第二弹性固体透镜邻近第一弹性 固体透镜固定在壳体内。
【附图说明】
[0022] 这里描述的特征参照下面的附图描述可以被更好地理解。这些附图不一定按比 例，而是主要强调说明本发明的主题。在附图中，相似的数字是用来描述不同附图中的相似 部分。
[0023] 图1示意性图示了根据本发明的一个实施例的透镜元件的透视图； 图2A和2B示意性图示了在非致动状态下的图1的透镜元件的横截面图； 图3示意性图示了根据本发明的另一个实施例的图1的透镜元件的横截面图； 图4示意性图示了包括致动器组件的聚焦装置； 图5示意性图示了环形部件的透视图； 图6示意性图示了与电功率输入单元结合的聚焦装置的物理形式图，其中聚焦装置包 括包含音圈的致动器组件。 图7示意性图示了在致动状态下的图2A的透镜元件的横截面图； 图8示意性图示了根据本发明的另一个实施例的在致动状态下的透镜元件的横截面 图； 图9示意性图示了在致动状态下图6的透镜元件的横截面图； 图10示意性图示了具有聚焦装置的可变透镜组件的实施例； 图11示意性图示了具有聚焦装置和与该聚焦装置相连的额外的光学元件的可变透镜 组件的实施例； 图12是具有根据本发明的一个实施例的透镜组件的基于图像传感器的标记读取终端 的框图； 图13是具有手持壳体的标记读取终端的透视图； 图14是图示了标记读取终端的操作方面的时序图； 图15是具有可变透镜组件的基于激光扫描的标记读取终端的框图； 图16示意性图示了具有手持壳体的标记读取终端的透视图； 图17是图示了标记读取终端的操作方面的时序图。
【具体实施方式】
[0024] 参照图1和2A，分别示出了透镜元件10的透视图和横截面侧视图。透镜元件10 包括壳体12、两个透光弹性固体透镜和透光盖14。在所示的实施例中，壳体12是盖14压 合在其中的简单的环形结构。两个透镜对着盖14嵌套在一起。壳体12的其他结构是可能 的，将在下面的内容中被详细描述。两个弹性固体透镜和盖14 一起限定了光轴16。
[0025] 透光盖14可以由具有或没有光学能力的固体透光材料提供，或通过能够展示曲 率的可变形隔膜提供，该曲率用于限定具有光学能力的透镜表面，诸如在图2B中示出的。 在所示实施例中，透光盖14是固体玻璃片。
[0026] 第一弹性固体透镜18被布置在壳体12内。第一透镜18 -侧20以盖14为界，相 对侧22以第二弹性固体透镜24为界，并且由壳体12环绕其外直径周边。第一透镜18进 一步由其柔软和弹性性质来表征。在一个例子中，第一透镜18具有通过Shore方法，诸如 ASTM D2240、IS0 7619 和 ISO 868、DIN 53505 或 JIS K 6253,测量得到的小于 0060 的计示 硬度。在另一个例子中，该计示硬度小于0030。通过非限制性比较的方式，第一弹性固体透 镜18表现为海绵体橡胶和软凝胶的相似的特性。第一弹性固体透镜18的材料可以表现为 粘弹性，意味着当经过短时间间隔的变形时，该材料像弹性固体那样，但是在长时间间隔的 情况下该材料像粘性液体那样。优选地，第一透镜18的材料表现为滞弹性，其中该材料在 负载移除后完全重新恢复到其原始状态。
[0027] 用于第一弹性固体透镜18的一种可能材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS)。PDMS是一 种娃基有机聚合物，其通过与诸如CAS注册号为6339