ES2989057T3

ES2989057T3 - Lente adaptativa

Info

Publication number: ES2989057T3
Application number: ES18736850T
Authority: ES
Inventors: Pierre Craen; Vladimir Kartashov; Nicolas Tallaron
Original assignee: Polight ASA
Current assignee: Polight ASA
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2024-11-25
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: KR102692744B1; JP7063921B6; JP2023085482A; KR102624410B1; JP2020525821A; US11231528B2; JP7063921B2; EP3646068B1; ES2989061T3; PL3646067T3; US11693159B2; JP7304292B2; AU2018294509A1; CN110998374A; FI3646068T3; EP3646068A1; CN111033321A; CN111033321B; DK3646068T3; EP3646067B1

Abstract

La invención se refiere a una lente ajustable en la que se puede ajustar la potencia óptica. La lente consta de un cuerpo de lente deformable, no fluido, intercalado entre una membrana delgada y flexible y una ventana posterior transparente, y un sistema de actuador que sirve para cambiar la forma general de la membrana y el cuerpo de la lente. La membrana está preformada para tener una inclinación sagital de al menos 10 μm, de modo que la lente tenga una potencia óptica distinta de cero cuando el sistema de actuador no esté activado. Para lograr un amplio rango de potencia óptica para la lente, la membrana debe estar hecha preferiblemente de un material que tenga un módulo de Young en el rango de 2 a 1.000 MPa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Lente adaptativa

La presente invención se refiere a una lente adaptativa con una potencia óptica determinada distinta de cero (o, de manera equivalente, distancia focal finita) que puede ajustarse dentro de un intervalo de potencia óptica y a métodos para producir la lente.

Antecedentes de la invención

Con los avances recientes en los equipos ópticos, como las cámaras de los teléfonos móviles, los aparatos de escaneo y la visión artificial, existe una demanda de lentes pequeñas capaces de enfocar rápidamente. En las cámaras de los teléfonos móviles, la cantidad de píxeles ha ido en aumento, pero existe una demanda de lentes compactas de calidad suficiente para aprovechar al máximo los píxeles. Esto requiere capacidades de enfoque además de un tamaño pequeño, especialmente si la cámara también está adaptada para otros fines, como leer códigos de barras y escanear imágenes de objetos cercanos a la cámara. La adición de capacidades de enfoque a la lente también permite el uso de aperturas más grandes, lo que aumenta la sensibilidad a la luz del sistema sin sufrir la reducción de la profundidad de campo de la lente.

Las lentes de vidrio convencionales se han considerado demasiado caras para muchos fines, incluso si se han usado en algunas cámaras móviles, pero siguen siendo inajustables y se han realizado investigaciones para encontrar otras soluciones. Un área prometedora ha sido el desarrollo de lentes hechas de polímeros blandos. Estos tienen algunas propiedades ópticas y pueden conformarse para enfocar la acción mediante fuerzas electrostáticas, estirando la lente de polímero blando o conformando la superficie de polímero blando para obtener una conformación elegida. Otra solución propuesta ha sido usar un polímero blando con un índice de refracción graduado, pero ha resultado ser complicado de producir con una calidad suficientemente buena. Los problemas relacionados con estas soluciones han consistido en obtener una superficie de lente suficientemente buena, tanto en la curvatura como en la calidad de continuidad de la superficie.

Otras soluciones propuestas incorporan el uso de un líquido colocado en una cavidad dentro de una lente donde la conformación de la cavidad se ajusta para ajustar la distancia focal de la lente. Los ejemplos que muestran esto se analizan en las Solicitudes de Patente Japonesas, Publicaciones números JP2002239769, JP2001257932, JP2000081503, JP2000081504 JP10144975 JP11133210, JP10269599 y JP2002243918. Es más, esto se analiza en un artículo de T. Kaneko et al: “Lente de enfoque dinámico de respuesta rápida con actuador bimorfo piezoeléctrico multicapa”, Micro-Opto-Mechanic Systems, editor Richard R. A. Syms, Actas de SPIE, vol. 4075 (2000). Todos estos se basan en un líquido confinado dentro de una cavidad, que actúa como una lente y donde al menos una de las superficies puede conformarse mediante una fuerza aplicada. Esto tiene la desventaja de que la presión aplicada para conformar la lente tiene que comprimir el fluido o la cavidad, lo que requiere grandes fuerzas, o deben proporcionarse cámaras adicionales para expulsar una parte del líquido de la cavidad. Los cambios de volumen debidos a las fluctuaciones de temperatura también pueden causar problemas.

Otro ejemplo de un elemento de dispositivo óptico transparente que comprende una microlente y un método para proporcionar compensación térmica y de tensión y ajustar la resistencia mecánica y la curvatura de una microlente ajustable se muestra en el documento WO 2016/009078.

Las soluciones anteriores tienen inconvenientes en el sentido de que:

• no pueden proporcionar una adaptación en tiempo real;

• realmente no pueden proporcionar una buena calidad óptica;

• añaden un espesor o una complejidad que no son adecuados para soluciones en miniatura, como los módulos de cámara de los teléfonos móviles; y

• se usa un líquido que es difícil en términos de fabricación y que da como resultado una baja fiabilidad y robustez y un rendimiento inestable.

Una desventaja de muchas de las lentes de la técnica anterior con enfoque ajustable es que son ajustables en un intervalo alrededor de cero o con una potencia óptica muy pequeña, lo que significa que deben combinarse con lentes tradicionales para proporcionar la potencia óptica / amplificación necesaria y las capacidades de formación de imágenes. Esto aumenta los costes y los requisitos de espacio.

Compendio de la invención

Por lo tanto, un objeto de esta invención es proporcionar un conjunto de lentes ajustable y compacto adecuado para producciones en masa y con una potencia óptica inherente distinta de cero.

La invención está definida por la reivindicación 1.

En un primer aspecto, la invención proporciona un conjunto de lentes ópticas que comprende un cuerpo de lente deformable y no fluido intercalado entre una ventana posterior transparente y una membrana transparente y flexible para formar una lente con un eje óptico que es normal a una parte de la superficie de la ventana posterior, la membrana está preconformada para dar una primera conformación general a la membrana y al cuerpo de la lente, con el que la lente tiene una Sag de al menos 10 ^m, y un sistema actuador para aplicar una fuerza para cambiar la conformación general de la membrana y el cuerpo de la lente de la primera conformación general a una segunda conformación general con la que la lente tiene una propiedad óptica diferente.

A continuación, se resumirán una serie de rasgos, elementos, ejemplos e implementaciones preferidos y/u opcionales. Los rasgos o elementos descritos en relación con una realización o un aspecto pueden combinarse con las otras realizaciones o aspectos, o aplicarse a estos, cuando corresponda. Por ejemplo, los rasgos estructurales y funcionales aplicados en relación con el conjunto de lentes también se pueden usar como rasgos en relación con el método y viceversa. Es más, las explicaciones de los mecanismos subyacentes de la invención tal como las han realizado los autores se presentan con fines explicativos y no deben usarse en el análisisex post factopara deducir la invención.

El hecho de que la membrana transparente y flexible esté preconformada significa que la membrana ha adquirido su conformación antes de ensamblarse en el conjunto de lentes. Cuando se ensambla con el cuerpo de la lente y la ventana posterior, la membrana tendrá preferiblemente una conformación de campana (convexa o cóncava) con una sección central que tendrá una conformación esférica o al menos sustancialmente esférica, correspondiente a la conformación de una superficie de lente ordinaria. Esto se ilustra en la figura 3B. La Sag de al menos 10 ^m resultante de la preconformación de la membrana debe medirse cuando el sistema actuador no está activado, es decir, en el estado “predeterminado”, “inherente” o de “cero voltios” de la lente. Una circunferencia de la sección central con la conformación sustancialmente esférica en el estado predeterminado define una abertura del conjunto de lentes.

La Sag se ilustra en la figura 2 y se define como la altura de la superficie de la lente desde su cuerda determinada por:

Donde R es el radio de curvatura (de la sección central de la membrana) y D es la longitud de la cuerda igual al diámetro de la abertura. Una Sag de al menos 10 ^m no se limita a valores específicos del diámetro de la abertura o el radio de curvatura (de la primera conformación general) y, por lo tanto, se adapta a lentes de diferentes tamaños y resistencias. En otras realizaciones, se prefiere que la Sag sea de al menos 15 ^m o al menos 20 ^m.

La Sag está relacionado con la potencia óptica (PO) por

donde n es el índice de refracción del cuerpo de la lente.

En la siguiente tabla 1 se determinan valores ejemplares de longitud de cuerda, diámetro de abertura y potencia óptica para Sag >_10 ^m y n = 1.57.

Tabla 1

En la presente descripción, la abertura se refiere a la abertura en el conjunto de lentes tal como se definió anteriormente, y no a la apertura práctica de un dispositivo óptico en el que se usa el conjunto de lentes, que a menudo es variable. Por tanto, para un tamaño de apertura y un cuerpo de lente determinados, existe una correlación directa entre la Sag y la potencia óptica, y estos se usarán indistintamente en la presente descripción. Por lo tanto, en una formulación alternativa, el primer aspecto de la invención puede definirse usando la potencia óptica en lugar de la Sag, donde con la primera conformación general la lente tiene una primera potencia óptica sustancial, distinta de cero. El valor preferido de la primera potencia óptica (y el tamaño de apertura) depende en gran medida de la aplicación en la que se va a usar el conjunto de lentes. En las realizaciones preferidas, la primera potencia óptica es de al menos 5 dioptrías, tal como al menos 10 dioptrías, tal como al menos 20 dioptrías.

La Sag inherente o la potencia óptica de la primera conformación general es ventajosa, ya que la mayoría de las lentes ajustables pequeñas de la técnica anterior tienen una potencia óptica inherente nula o insustancial, ofreciendo, por lo tanto, una potencia óptica total a un voltaje máximo de quizás unas pocas dioptrías. Por tanto, tales lentes deben combinarse normalmente con una lente estándar que tenga la potencia óptica alrededor de la cual se desea el ajuste. Con dichas lentes se usa una membrana deformable que es plana o casi plana a cero voltios y normalmente está hecha de vidrio, por ejemplo, Pyrex, zafiro, SiO<2>o BPSG, con un módulo de Young en el intervalo de decenas de GPa. Se pueden encontrar ejemplos de tales conjuntos de lentes, por ejemplo, en los documentos WO 2008/035983, WO 2010/005315 o WO 2014/147060.

En esta memoria descriptiva, el cuerpo de lente deformable y no fluido está hecho preferiblemente de un material elástico. Como el cuerpo de la lente no contiene fluido, no se necesita una carcasa hermética para sujetar el cuerpo de la lente y no hay riesgo de fugas. Se prefiere que el cuerpo de la lente no sea fluido, ya que tiene un módulo elástico mayor de 300 Pa. En una realización preferida, el cuerpo de la lente está hecho de un polímero blando, que puede incluir varios materiales diferentes, tales como silicona, geles poliméricos, una red polimérica de polímeros reticulados o parcialmente reticulados y un aceite miscible o una combinación de aceites. El uso de un polímero blando permite producir lentes en las que el polímero está en contacto con el aire u otros gases compresibles, por lo que se requiere mucha menos fuerza al ajustar la distancia focal de la lente. También facilita la producción, ya que el polímero se mantendrá en su lugar incluso si las diferentes etapas de producción se localizan en diferentes posiciones o instalaciones. Como se mencionó anteriormente, también permite proporcionar canales de fuga o burbujas de gas compresible para reducir la fuerza requerida necesaria para ajustar la lente y reducir los esfuerzos causados por las fluctuaciones de temperatura y presión en el entorno. Para no ejercer ninguna presión sobre la membrana relativamente delgada y blanda, el cuerpo de la lente tiene preferiblemente una parte de superficie superior que tiene una conformación correspondiente a la conformación de la membrana preconformada.

La ventana trasera es preferiblemente un sustrato plano y transparente de, por ejemplo, SiO<2>o vidrio. La ventana trasera tiene preferiblemente una superficie plana orientada hacia el cuerpo de la lente. La superficie opuesta de espaldas al cuerpo de la lente puede ser plana o puede tener una conformación convexa o cóncava, por ejemplo, esférica, para constituir una parte posterior de la lente. Sin embargo, en otras realizaciones, la ventana trasera puede ser un sustrato curvo, tal como una sección de superficie esférica y una conformación asférica.

La ventana trasera puede formar la cubierta de vidrio para un dispositivo que implique el conjunto de lentes, tal como la cámara de un teléfono móvil. Esto reducirá la cantidad de capas y mejorará la calidad óptica al reducir el destello y mejorar la transmitancia. La ventana trasera puede tener un revestimiento antirreflectante (ARC, por sus siglas en inglés) y también proporcionar una función de filtro de infrarrojos, posiblemente combinada con las propiedades de filtrado del cuerpo de la lente. En otra realización, la ventana trasera forma parte de un sustrato transparente de una pantalla táctil. Estas pantallas táctiles son estándar en muchos dispositivos electrónicos, tales como teléfonos móviles, tabletas, monitores de ordenador, GPS, reproductores multimedia, relojes, etc. Una pantalla sensible al tacto de este tipo puede basarse en diferentes tecnologías de pantalla táctil, tales como sistemas resistivos, sistemas capacitivos, sistemas de ondas acústicas de superficie, sistemas de infrarrojos, etc., todos los cuales implican un sustrato transparente en su base.

En una realización alternativa, se añade una capa de polímero extra entre la ventana trasera y una cubierta de vidrio en el lado de la ventana trasera opuesto al cuerpo de la lente. Esto proporciona la ventaja de ser más compacto y mejor en términos de transmitancia y efecto fantasma que las soluciones de la técnica anterior, ya que implica menos interfaz aire/vidrio. También elimina la necesidad de aplicar un revestimiento AR en la ventana trasera.

Se prefiere que la propiedad óptica diferente de la lente con la segunda conformación general de la membrana y el cuerpo de la lente sea la Sag y/o la potencia óptica y/o la aberración óptica. Esto significa que al cambiar la conformación general se ajusta la Sag y, por lo tanto, la potencia óptica o la aberración “además” de la primera potencia óptica predeterminada de la lente. Por lo tanto, es posible hacer un ajuste de enfoque dinámico o una corrección de aberración dinámica alrededor de casi cualquier potencia óptica usando solo la lente según la invención.

Para una aplicación específica en la que se determinan D y n, es común definir el intervalo dinámico de la lente ajustable por sus valores de potencia óptica en lugar de por los valores de Sag. El intervalo de potencia óptica es la diferencia entre la potencia óptica más alta y más baja que la lente puede obtener por medio del sistema de actuador. La primera potencia óptica resultante de la preconformación de la membrana puede ser un punto final o estar dentro de este intervalo de potencia óptica; la potencia óptica se denomina ajustable “alrededor” de la primera potencia óptica en ambos casos. Se prefiere que el intervalo de potencia óptica sea de al menos 2 dioptrías o 4 dioptrías, tal como al menos 6 dioptrías o preferiblemente al menos 10 dioptrías. Los intervalos de valores de Sag correspondientes se pueden calcular usando la ecuación (2) anterior.

Las simulaciones y los experimentos han demostrado que para que una membrana preconformada proporcione un intervalo de potencia óptica sustancial, una membrana debe ser preferiblemente blanda y muy flexible en relación con las membranas de vidrio de la técnica anterior. Por ello, se prefiere que la membrana preconformada en el conjunto de lentes según el primer aspecto esté formada por un material que tenga un módulo de Young en un intervalo de 1 MPa a 10000 MPa, tal como entre 100 MPa y 10000 MPa, tal como entre 100 MPa y 7000 MPa, por ejemplo, entre 100 MPa y 5000 MPa, preferiblemente entre 2 MPa a 1000 MPa.

La membrana puede estar formada por un gran número de materiales diferentes, tales como acrílicos, poliolefinas, poliésteres, siliconas, poliuretanos y otros.

Los intervalos preferibles de los parámetros para la membrana preconformada son:

Espesor: 5 pm a 30 pm

Sag: 10 pm a 500 pm

Longitud de la cuerda / diámetro de la abertura: 1 mm a 60 mm

Una membrana preconformada con tal espesor puede no mantener su conformación si se deja sola. Cuando el cuerpo de la lente está intercalado entre la membrana y la ventana posterior, las dimensiones de la configuración y el tamaño del cuerpo de la lente se ajustan preferiblemente de modo que el cuerpo de la lente llene el espacio convexo bajo la membrana preconformada y, por lo tanto, proporcione soporte para al menos la sección central de la membrana.

La membrana permanece preferiblemente sin estirar cuando se ensambla la lente de modo que la primera conformación general es el resultado de la preconformación y el relleno únicamente por parte del cuerpo de la lente. Obtener la conformación general insertando el cuerpo de la lente en el espacio entre la membrana y la ventana posterior bajo presión para “levantar” la membrana estirándola daría como resultado un comportamiento dinámico muy deficiente.

El sistema actuador sirve para cambiar la conformación general de la membrana y el cuerpo de la lente. El sistema actuador puede unirse a la membrana para cambiar la conformación general o puede actuar sobre la membrana a través de otra estructura o medio, tal como un soporte que sostiene la membrana o el cuerpo de la lente o un fluido. En una realización preferida, el sistema actuador comprende actuadores piezoeléctricos tales como el PZT en una superficie de la membrana fuera de la sección central. Dichos materiales piezoeléctricos son fáciles de formar y controlar, y son compatibles con las técnicas de procesamiento a escala de oblea. Como normalmente se formarán para rodear la sección central de la membrana, también pueden definir una abertura para una configuración óptica usando el conjunto de lentes. En otra realización preferida, el sistema actuador comprende un motor de bobina de voz (VCM, por sus siglas en inglés) que puede ofrecer una fuerza y carrera o amplitud mayores que los actuadores piezoeléctricos, y deja espacio para aperturas más grandes o cualquier otro medio que pueda usarse para aplicar una fuerza que pueda provocar la flexión de la membrana preconformada, puede ser un actuador piezoeléctrico, un actuador electrostático o cualquier otro tipo de actuador.

En otra realización preferida, el conjunto de lentes según el primer aspecto comprende además un marco rígido que rodea el cuerpo de la lente para soportar una circunferencia de la membrana. En esta realización, la membrana, el marco y la ventana trasera forman una cavidad que sostiene el cuerpo de la lente. Tal marco rígido puede servir para varios fines, como el soporte para sostener la membrana, el confinamiento transversal del cuerpo de la lente. El marco se forma preferiblemente usando técnicas de producción a escala de oblea, por ejemplo, en silicio, y debe formarse para que sea mucho menos deformable que la membrana para que sirva como un marco rígido. Esto se puede obtener con un marco de silicio (módulo de Young de unos pocos cientos de GPa) con un espesor de cientos de micrómetros o unos pocos milímetros. Es posible que se necesiten medios mecánicos para asegurar la concentricidad de la membrana con respecto a la ventana posterior. Esta precisión requerida de esta concentricidad variará según la aplicación, el nivel de calidad óptica requerido y la potencia óptica de cada componente óptico del sistema óptico en el que se use.

Si bien la membrana se fija preferiblemente al marco, la ventana trasera puede estar unida solo al cuerpo de la lente y, por lo tanto, flotar libremente en relación con el marco. Esto sirve para compensar la compensación térmica, ya que el cuerpo de la lente puede expandirse con poco o ningún impacto en la membrana. En una realización alternativa, la ventana trasera se puede unir al marco mediante un material blando para formar una estructura más cerrada y/o rígida. En este caso, la expansión térmica del cuerpo de la lente puede compensarse entonces de otras maneras.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 ilustra una lente ajustable de un documento de la técnica anterior.

La figura 2 ilustra varios parámetros de diseño para un conjunto de lentes según la invención.

Las figuras 3A y B ilustran una vista desde arriba y una vista lateral en sección transversal de un conjunto de lentes según una realización preferida de la invención.

Las figuras 4A y B ilustran vistas desde arriba en cuartos de una realización del conjunto de lentes.

Las figuras 5A y B ilustran vistas 3D de una realización del conjunto de lentes.

Las figuras 6A y B son gráficos que muestran la dependencia del intervalo de potencia óptica frente al módulo de Young de la membrana para las realizaciones de las figuras 4A y B, respectivamente.

Las figuras 7A y B son gráficos que muestran la deformación de la membrana a diferentes voltajes para las realizaciones de las figuras 4A y B, respectivamente, y con un módulo de Young de la membrana igual a 44 MPa.

Las figuras 8 y 9 ilustran sistemas actuadores alternativos según diferentes realizaciones de la invención.

La figura 10 ilustra una vista en sección transversal de un conjunto de lentes con una capa de polímero extra y una cubierta de vidrio según una realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

El conjunto de lentes según las realizaciones preferidas de la presente invención se basa en la tecnología de lentes en T desarrollada por PoLight AS y descrita en detalle en Solicitudes de Patente previas, como WO 2008/035983, WO 2010/005315 o WO 2014/147060. Z En donde se pueden encontrar más detalles sobre un conjunto de lentes en T con el que se puede usar la membrana preconformada según la invención.

La figura 1 ilustra una lente 11 ajustable de la técnica anterior con un cuerpo 12 deformable intercalado entre una ventana trasera 3 y una membrana 14 plana y flexible. Adicionalmente, se proporciona una película 8 piezoeléctrica sobre la membrana que dobla la membrana hacia arriba (línea discontinua) para cambiar la potencia óptica cuando se aplica un voltaje.

Las figuras 3A y B ilustran una vista desde arriba (fig. 3A) y una vista lateral en sección transversal (fig. 3B) de un conjunto 1 de lentes según una realización preferida de la invención. En este caso, el conjunto de lentes comprende un cuerpo 2 de lente deformable y no fluido intercalado entre una ventana trasera 3 y una membrana 4 transparente y flexible para formar una lente con un eje 6 óptico que es normal a una parte de la superficie de la ventana trasera. Los diversos componentes del conjunto de lentes se mantienen unidos por un marco 9 rígido que normalmente rodea el cuerpo de la lente. El marco 9 puede comprender partes separadas que también proporcionen otra función en el conjunto. Por ejemplo, la ventana trasera 3 también puede actuar como soporte para otros componentes y puede formar parte del marco a este respecto. El marco 9 forma una abertura cuadrada con esquinas redondeadas. La membrana está preconformada para dar una primera conformación general a la membrana y al cuerpo de la lente, con lo que la lente tiene una Sag mínima de al menos 10 pm o una primera potencia óptica correspondiente. Adicionalmente, se proporciona un sistema 7 actuador para aplicar una fuerza para cambiar la conformación general de la membrana y el cuerpo de la lente desde la primera conformación general a una segunda conformación general (línea discontinua 4a) con la que la lente tiene una propiedad óptica diferente.

Una sección central de la membrana preconformada tiene una conformación sustancialmente esférica para funcionar como una superficie de lente, pero puede tener pequeñas diferencias para corregir diversas aberraciones ópticas. La forma preconformada de la membrana puede ser una conformación de campana (figura 3B), una conformación esférica (no mostrada) u otras. En el caso de una membrana en conformación de campana, la sección central se puede definir como situada dentro de los puntos de inflexión de la curva, ya que las áreas exteriores tendrán una conformación cóncava y, por lo tanto, no contribuirán al enfoque. Una circunferencia de, o dentro de, esta sección central define una abertura del conjunto de lentes. En general, cuanto mayor es la apertura, mayor es la lente y más luz puede captar.

El cuerpo 2 de la lente no llena completamente el volumen de la cavidad formada entre la membrana 4, el marco 9 y la ventana trasera 3, y el aire u otro fluido compresible llena el volumen restante. Esto permite el cambio de tamaño de este volumen y, por lo tanto, el cambio de conformación de la membrana.

El cuerpo de la lente puede tener una conformación correspondiente a la conformación de la membrana preconformada de modo que colindar con ellos no cambiará la conformación de la membrana. Esto se puede hacer conformando previamente el cuerpo de la lente antes del conjunto o inyectando un material moldeable entre la ventana posterior y la membrana. En una realización específica, se inyecta una mezcla de reacción líquida entre la ventana posterior y la membrana. Luego, la lente se coloca en un horno a alta temperatura durante un tiempo específico y la mezcla de reacción líquida se convierte en un polímero viscoelástico no fluido conformado según la conformación de la membrana preconformada.

Simulaciones

Se han realizado varias simulaciones con el conjunto de lentes ilustrado en las figuras 3A y B, comprendiendo el sistema actuador una película 8 PZT piezoeléctrica. En las simulaciones, la disposición de la película PZT y el módulo de Young de la membrana 4 varían. El voltaje de la PZT varió entre 0 V y 40 V, y el intervalo de potencia óptica es de PO (40 V) a PO (OV).

Las figuras 4A y B ilustran una vista desde arriba en cuarto del conjunto de lentes ilustrado en las figuras 3A y B con dos diseños diferentes de película piezoeléctrica 8. En ambos casos, el diámetro del orificio en la película PZT es de 1.55 mm y forma una abertura 5 concéntricamente con la sección central de la membrana 4. Las figuras 5A y B ilustran una vista 3D de los conjuntos de lentes de las figuras 4A y B, donde están el cuerpo 2 de la lente, la ventana trasera 3 y las paredes 9 laterales.

Para ambas realizaciones de las figuras 4A y B, se simuló el intervalo de potencia óptica para variar el módulo de Young de la membrana. Los resultados se representan gráficamente en las figuras 6A y B que muestran la dependencia del intervalo de potencia óptica frente al módulo de Young.

Es deseable tener el intervalo de potencia óptica lo más grande posible siempre que no introduzca ninguna aberración sustancial. Con un intervalo de potencia óptica preferido de 5 dpt, se puede ver que el intervalo preferido para el módulo de Young es de 0.8 MPa a 3000 MPa en la figura 6a y de 2 MPa a 10000 MPa en la figura 6b. Si se prefiere un intervalo de potencia óptica de 10 dpt, entonces el intervalo preferido para el módulo de Young es de 2 MPa a 800 MPa en la figura 6a y de 20 MPa a 1000 MPa en la figura 6b. Aún queda por explorar si los intervalos de potencia óptica más altos conducen a astigmatismos o deformaciones no deseadas en la sección central de la membrana en las implementaciones físicas de estas realizaciones.

Las figuras 7A y B son gráficos en que se muestra la deformación de la membrana a diferentes voltajes para las realizaciones de las figuras 4A y B, respectivamente, y con un módulo de Young de la membrana igual a 44 MPa.

En la siguiente tabla se resumen algunos parámetros posibles de la membrana preconformada y el conjunto de lentes (EFL es la distancia focal efectiva, por sus siglas en inglés).

Índice de refracción, n = 1.8

Los parámetros de esta tabla son valores ejemplares que podrían usarse en el diseño de un conjunto de lentes según la invención. Sin embargo, no son valores preferidos o de ninguna manera limitan el alcance de la invención.

Sistema actuador

Se pueden usar actuadores que introduzcan principalmente una presión de compresión/tracción a lo largo de la membrana para deformar la membrana e introducir una variación óptica. Si los actuadores están posicionados simétricamente de manera que la presión tenga una simetría de revolución alrededor del eje óptico, crearán principalmente una variación de enfoque a lo largo del eje óptico. Por diseño, el actuador podría aplicar una presión asimétrica e introducir deformaciones cilíndricas, deformaciones de trébol y otras.

Las películas piezoeléctricas descritas antes son ejemplos de tales actuadores. Pueden ser PZT de película delgada, Piezo a granel o cualquier otra clase que pueda crear suficiente fuerza para doblar la membrana. La película piezoeléctrica de la membrana recibe tensión de tracción cuando se aplica voltaje. Esta tensión hace que la película se contraiga en dimensiones laterales, lo que resulta en la flexión de la membrana. Para cambiar la conformación de la membrana en la sección central, la película piezoeléctrica normalmente tendrá que colocarse dentro de la abertura del marco, lo que puede limitar el tamaño de la sección central y, por lo tanto, la abertura. Por tanto, otros posibles sistemas actuadores son, a veces, relevantes y se describirán a continuación.

No es necesario que la membrana esté en contacto directo con el sistema actuador; puede hacerlo a través de un medio como el cuerpo de la lente. Dado que la membrana es blanda y está soportada por el cuerpo de la lente y dado que el cuerpo de la lente no es fluido, la deformación del cuerpo de la lente cambiará la conformación de la membrana.

Por ejemplo, varios actuadores circundando el cuerpo de la lente pueden activarse en sincronía para apretar la cintura del cuerpo de la lente y empujar la membrana hacia arriba. Al activar solo los actuadores en un lado, la conformación de la membrana se inclinará y el foco se podrá mover transversalmente.

Las figuras 8 y 9 ilustran realizaciones, que no forman parte de la invención, que aplican diferentes actuadores. La figura 8 ilustra una vista lateral y desde arriba de un conjunto 80 de lentes en que se usan cadenas 81 y un motor 82 giratorio como sistema actuador. La rotación del motor aprieta/afloja la cuerda y cambia así la conformación general de la membrana y el cuerpo de la lente.

La figura 9 ilustra un conjunto 91 de lentes en que se usa un sistema actuador basado en VCM (motor de bobina de voz). El sistema actuador implica bobinas 92 mantenidas cerca de la membrana 4 mediante un soporte 93 blando o flexible, e imanes o elementos 94 magnetizables, aquí integrados en el marco 9. Cuando se extrae una corriente a través de las bobinas 92, se induce un campo magnético que interactúa con los imanes 94 para mover las bobinas. Mediante la disposición adecuada de las bobinas, los imanes y la membrana, las bobinas se pueden usar para aplicar una fuerza sobre la membrana en la dirección deseada. La figura 9 solo ilustra una disposición ejemplar, las bobinas y los imanes pueden disponerse para moverse en diferentes direcciones. Alternativamente, las bobinas 92 pueden fijarse y los imanes o elementos 94 magnetizables pueden mantenerse de forma móvil.

Si el conjunto de lentes se va a integrar en un dispositivo que ya tiene una cubierta de vidrio, es posible que no se pueda usar la ventana trasera como cubierta de vidrio y se necesite una manera de conectar ópticamente el conjunto de la lente con el dispositivo. La figura 11 ilustra un conjunto 32 de lentes con una capa 33 extra polimérica y una cubierta 31 de vidrio. En este caso, la capa 33 extra polimérica, que es preferiblemente pasiva, proporciona una interfaz óptica flexible sin ninguna interfaz aire/vidrio. La figura 11 también muestra un tope 34 de apertura que podría añadirse en cualquier parte del dispositivo de lente.

Aplicaciones

El conjunto de lentes según la invención se puede usar en una pila de lentes usada para un módulo de cámara en varios dispositivos y, en particular, para teléfonos móviles. Esto tendrá la ventaja de no añadir espesor. Por lo general, la primera lente de la pila es la mejor ubicación para implementar dicha lente de enfoque variable.

La invención también permitirá lentes ajustables más grandes que se puedan ajustar en torno a una potencia óptica distinta de cero. Estas lentes pueden usarse como gafas adaptativas para personas que necesitan corregir la presbicia, la miopía o el astigmatismo, así como en equipos científicos como microscopios o telescopios de plano focal.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un conjunto (1) de lentes ópticas que comprende:

- una membrana (4) transparente y flexible,

- una ventana (3) trasera transparente;

- un cuerpo (2) de lente transparente, deformable y no fluido intercalado entre dicha ventana (3) trasera transparente y dicha membrana (4) transparente y flexible para formar una lente con un eje (6) óptico normal a una parte de la superficie de dicha ventana trasera transparente;

dicha membrana (4) transparente y flexible está preconformada para dar una primera conformación general a dicha membrana transparente y flexible y a dicho cuerpo de lente no fluido, en donde, con dicha primera conformación general, dicha lente tiene una primera potencia óptica sustancial, distinta de cero;

- un marco (9) rígido dispuesto para soportar una circunferencia de la membrana; y

- un sistema (7) actuador para aplicar una fuerza para cambiar la conformación general de la membrana y dicho cuerpo de la lente desde la primera conformación general a una segunda conformación general con la que la lente tiene una propiedad óptica diferente; en donde dicho sistema actuador comprende actuadores (8) piezoeléctricos en una superficie de dicha membrana transparente y flexible,

caracterizado por que

dicha membrana flexible tiene un diámetro de abertura de entre 1 mm y 60 mm y está formada por un material que tiene un módulo de Young en el intervalo entre 2 MPa y 1000 MPa y dicha lente tiene una Sag de al menos 10 |jm cuando dicho sistema (7) actuador no está activado.

2. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho cuerpo (2) de lente no fluido tiene un módulo elástico mayor que 300 Pa.

3. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho cuerpo (2) de lente no fluido está hecho de una red polimérica de polímeros reticulados o parcialmente reticulados, y un aceite miscible o una combinación de aceites.

4. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la lente con la primera conformación general tiene una Sag de al menos 15 jm o al menos 20 jm .

5. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una sección central de la membrana (4) preconformada tiene una conformación sustancialmente esférica y una circunferencia de esta sección central define una abertura del conjunto de lentes.

6. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la Sag de al menos 10 jm para la primera conformación general corresponde a una primera potencia óptica de al menos 5 dioptrías.

7. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la propiedad óptica diferente es la Sag y/o la potencia óptica y/o la aberración óptica.

8. El conjunto (1) de lentes ópticas según las reivindicaciones 5 y 7, donde la propiedad óptica diferente incluye la potencia óptica y donde la lente tiene una segunda potencia óptica con la segunda conformación general, y donde la diferencia entre la primera y la segunda potencia óptica, un intervalo de potencia óptica, es de al menos 2 dioptrías.

9. El conjunto (1) de lentes ópticas según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el cuerpo (2) de la lente tiene una parte de superficie superior que está conformada para tener una conformación correspondiente a la conformación de la membrana (4) preconformada.