固定接觸且振蕩的液體-液體鏡頭和成像系統的製作方法

2023-04-25 08:25:31 1

專利名稱：固定接觸且振蕩的液體-液體鏡頭和成像系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及自適應光學裝置，並且更具體地涉及液體鏡頭以及使用該液體鏡頭的成像系統和成像方法。
背景技術：
由於在機械地移動照相機的鏡頭直到圖像焦點對準過程中所固有的延遲，因此光學聚焦通常是一個緩慢的過程。雖然液體被認為是鏡頭材料的奇特選擇，然而對於需要快速響應的自適應光學器件的應用領域、或者需要小型的或具有成本效益的光學器件的應用領域對液體鏡頭存在興趣。液體鏡頭有利地避免了與移動固體鏡頭相關的重量增加以及製造複雜性。液體鏡頭的界面因表面張力而具有良好的光學性能，在亞毫升量級中表面張力相比重力佔主要地位，並且提供近乎完美球形的且光學光滑至分子級的界面。近來消費水平的無線通信中圖像和多媒體的使用的激增激起了對輕型和耐用的自適應光學器件的追求。然而，對這種鏡頭的需要超越手機和可攜式攝像機而延伸至生物醫學感測和成像、用於偵察和防禦的自主式空中和水下工具、用於微製造的顯微鏡術和自適應光刻等方面的先進技術。

發明內容
在一個方面中，通過提供液體鏡頭而克服現有技術的缺點並且提供另外的優點。該液體鏡頭包括基板和包含第一液體的液滴，其中基板包括在基板的第一表面和第二表面之間延伸貫穿基板的至少一個通道。液滴布置於延伸貫穿基板的至少一個通道當中的一個通道內，並且包括第一小滴部分和第二小滴部分，第一小滴部分具有從基板的第一表面突出的第一毛細表面，第二小滴部分具有從基板的第二表面突出的第二毛細表面。第一小滴部分和第二小滴部分通過所述一個通道連接。液體鏡頭還包括外殼，外殼至少部分地包圍基板並且外殼包括腔室。延伸貫穿基板的至少一個通道當中的所述一個通道位於外殼的腔室內。第二液體布置於腔室內，並且第二液體和包含第一液體的液滴在腔室內直接接觸或間接接觸。提供驅動器以對延伸貫穿基板的所述一個通道內的液滴進行振蕩。在另一個方面中，提供一種成像系統，其包括液體鏡頭和至少一個圖像傳感器。液體鏡頭包括基板和包含第一液體的液滴，其中基板包括在基板的第一表面和第二表面之間延伸貫穿基板的至少一個通道。液滴布置於延伸貫穿基板的至少一個通道當中的一個通道內，並且包括第一小滴部分和第二小滴部分，第一小滴部分具有從基板的第一表面突出的第一毛細表面，第二小滴部分具有從基板的第二表面突出的第二毛細表面。第一小滴部分和第二小滴部分通過所述一個通道連接。液體鏡頭還包括外殼，外殼至少部分地包圍基板並且外殼包括腔室，其中延伸貫穿基板的至少一個通道當中的所述一個通道位於外殼的腔室內。第二液體布置於腔室內，並且第二液體和包含第一液體的液滴在腔室內直接接觸或間接接觸。提供驅動器以對延伸貫穿基板的所述一個通道內的液滴進行振蕩。至少一個成像傳感器耦合至穿過所述一個通道中的液滴的第一小滴部分和第二小滴部分的至少一個成像路徑，以用於通過振蕩的液滴的第一小滴部分和第二小滴部分來拍攝圖像。在又一個方面中，提供一種成像方法，其包括步驟:對液體鏡頭的液滴進行振蕩，其中液體鏡頭包括基板，基板限定了在其第一表面和第二表面之間延伸的通道，液滴被置於通道內，液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，第一小滴部分包括從基板的第一表面突出的第一毛細表面，第二小滴部分包括從基板的第二表面突出的第二毛細表面，其中，液滴的第一小滴部分和第二小滴部分通過通道連接，液體鏡頭還包括外殼，外殼至少部分地包圍基板並且外殼包括腔室，一個通道位於腔室內，並且腔室包括第二液體，第二液體和包含第一液體的液滴在腔室內直接接觸或間接接觸，並且其中，振蕩步驟包括向第一小滴部分或第二小滴部分的至少一者施加振蕩力以對通道內的液滴進行振蕩；以及經由穿過液滴的第一小滴部分或第二小滴部分的至少一者的圖像路徑來拍攝至少一個圖像。在再一個方面中，提供一種製造液體鏡頭的方法，其包括步驟:獲得基板，基板相對於液滴是非溼潤的；在基板中提供從基板的第一表面延伸至第二表面的至少一個通道；在延伸貫穿基板的至少一個通道當中的一個通道內提供包含第一液體的液滴，液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，第一小滴部分具有從基板的第一表面突出的第一毛細表面，第二小滴部分具有從基板的第二表面突出的第二毛細表面，第一小滴部分和第二小滴部分通過所述一個通道連接；提供包括腔室的外殼，腔室封閉延伸貫穿基板的所述一個通道，基板的第一表面有利於限定腔室的第一腔室部分，基板的第二表面有利於限定腔室的第二腔室部分；將第二液體置於腔室的第一腔室部分和第二腔室部分內，第二液體和液滴在腔室內直接接觸或間接接觸。通過本發明的技術實現了另外的特徵和優點。本發明的其它實施例和方面在本文中進行了詳細描述並且被認為是要求保護的發明的一部分。


在說明書的結論處的權利要求中，本發明的一個或多個方面作為示例被特別指出並明確要求保護。通過下文結合附圖所做出的詳細說明，本發明的上述和其它目的、特徵和優點是顯而易見的，在附圖中:圖1A是根據本發明的一個或多個方面的液體-液體鏡頭的一個實施例的橫截面圖示；圖1B是根據本發明的一個或多個方面的示出了圖1A的液體-液體鏡頭的組裝的局部分解等距視圖；圖2A和圖2B示出了根據本發明的一個或多個方面的圖1A的液體-液體鏡頭實施例的液滴響應於驅動器的操作移動，其中圖2A放大地示出了具有從基板第二表面突出的第二毛細表面的第二小滴部分，並且圖2B放大地示出了具有從基板第一表面突出的第一毛細表面的第一小滴部分；圖3是根據本發明的一個或多個方面通過施加於圖示鏡頭結構的右側上的鐵磁流體滴的電磁信號而驅動的固定接觸且振蕩的液體-液體鏡頭的時序；圖4A是根據本發明的一個或多個方面採用振蕩液體-液體鏡頭的成像系統的一個實施例的示意圖，並示出了對位於焦點上的對象的成像；圖4B示出了根據本發明的一個或多個方面包括振蕩液體-液體鏡頭的封裝成像系統的一個實施例(例如，電話中的照相機);圖4C示出了根據本發明的一個或多個方面的沿著圖4B的線4C-4C獲取的封裝成像系統，並在其中示出了採用振蕩液體-液體鏡頭的成像系統的另一個實施例；圖4D示出了根據本發明的一個或多個方面的包括振蕩液體-液體鏡頭的成像系統的另一個實施例(例如，掃描光學顯微鏡);圖5A以圖表的方式示出了根據本發明的一個或多個方面的用于振蕩液體-液體鏡頭的光學模型的結果，並且以黑色曲線示出聚焦的物距，其中以灰色陰影表示相應景深，並且兩個目標被置於焦點範圍掃描的極限附近，該極限用虛線來表示；圖5B示出了根據本發明的一個或多個方面的通過對利用圖5A中標記的兩個目標的振蕩液體-液體鏡頭(用作光學序列的物鏡)所拍攝的圖像的清晰度進行分析而獲得的實驗數據；圖6A是根據本發明的一個或多個方面的液體-液體鏡頭結構的局部圖示，其中重力(g)的方向顯示為從上至下；圖6B是根據本發明的一個或多個方面的圖6A的液體-液體鏡頭的局部圖示，其中使重力(g)的方向轉向顯示為從右至左；圖7是根據本發明的一個或多個方面的液體-液體鏡頭的另一個實施例的橫截面圖示；圖8A是根據本發明的一個或多個方面的包括鏡頭基板的液體-液體鏡頭的局部圖示；圖8B是根據本發明的一個或多個方面的包括鏡頭基板的液體-液體鏡頭的替換實施例的局部圖示；圖8C是根據本發明的一個或多個方面的包括鏡頭基板的液體-液體鏡頭的另一個實施例的局部圖示；以及圖8D是根據本發明的一個或多個方面的示出圖8A至圖8C所示的液體-液體鏡頭的共振頻率相對液滴體積的圖表，並且插入圖表示出了圖8A至圖SC所示的每個構造的試驗測得的頻率響應；以及圖9是根據本發明的一個方面的採用振蕩液體-液體鏡頭的成像方法的一個實施例的流程圖。
具體實施例方式本文中公開的是極大地加快了的聚焦的範例，其中，不是將鏡頭移動至最終位置，而是使所述鏡頭的形狀連續振蕩，並因此使其焦距連續振蕩。在振蕩周期中，焦距在其全部範圍值中演變，並且同步高速傳感器被用來拍攝不同焦點處的清晰圖像。已實驗性地實現了 0.0l秒範圍內的聚焦，其小于振蕩周期。這是通過使採用小(例如，毫米大小)液體鏡頭的系統在其共振頻率下振動而得以實現的。更具體地，本文中通過示例方式進行描述的是具有振蕩焦距的液體-液體鏡頭，其通過與振蕩「同步地」抓拍圖像可以在給定範圍內拍攝任何圖像平面。通過振蕩鏡頭，改變焦距的任務有效地從機械操縱轉換到圖像拍攝的電子定時，圖像拍攝的電子定時可以被顯著更快地實現。對於在共振處驅動並且以固定接觸線(pinned contact line)為特徵的毫升量級的液體鏡頭而言已展示了 IOOHz頻率的高保真度成像。理論預測已表明:通過尺寸減小的鏡頭使顯著更快響應成為可能。雖然某些策略已使用隔膜來容納液體鏡頭，然而特別感興趣的是液體鏡頭僅受到其自身表面張力約束，主要是因為隔膜對圖像質量的不利影響以及在生產均勻持久的隔膜方面的製造挑戰。然而，即使表面張力束縛策略在實踐中也是不合適的，因為重力將孔徑限制為數毫米並且幾分鐘以後蒸發阻止了穩定的操作。為解決這些問題，本文中公開的是液體-液體鏡頭結構以及使用該液體-液體鏡頭結構的成像系統和方法，其通過實現至少高達30Hz的穩定操作、釐米量級的孔徑、取向獨立和長期穩定性而減輕先前液體鏡頭的缺點。液體-液體鏡頭通過以下方式形成:使兩小滴的第一高折射率液體通過基板(例如，板)中的第一通道(例如，圓孔)耦合併且提供包圍板和液體鏡頭的諸如水之類的第二液體，其中鏡頭系統由外殼(例如，透明丙烯酸塑料盒)封閉。通過使第一液體的小滴的密度(P D)與諸如水之類的周圍液體的密度(Pw)相匹配，毛細長度(與(P D- P w)4/2成比例)可以從毫米(對於氣液鏡頭中的典型液體而言，例如空氣中的水鏡頭)增加至釐米。為了引起小滴曲率的變化(為了實現焦距變化)，期望以非侵入方式致動封閉的鏡頭系統。為了這個目的，在基板中提供一個或多個第二通道(或開口)，第二通道中每一個均容納兩小滴不相容的鐵磁流體。利用置於外殼外部的相對較小電磁驅動器，當鐵磁流體小滴在基板的任一側上的固定容積的第一和第二腔室部分內移動時，鐵磁流體滴可以作為「液體活塞」來使第一液滴(即，液體鏡頭)移動。可以向電磁驅動器(例如，具有鐵芯的150圈電磁體)提供振蕩電壓信號(例如，振幅為3伏特)以產生振蕩磁場，振蕩磁場進而產生鐵磁流體滴的振蕩運動，以及隨後產生液滴(即，液體鏡頭)的振蕩運動。簡言之，單一電磁可用於擾亂單一鐵磁流體滴(包括兩個耦合的鐵磁流體小滴)，其中毛細(即，類似彈性力)作用成為回復力。下面參考附圖，附圖未按比例繪製，並且為便於理解而被簡化，其中所有不同附圖所使用的相同附圖標記指相同或相似部件。圖1A示出根據本發明的一個或多個方面的由100概括表示的液體鏡頭結構的一個實施例。液體鏡頭結構100 (其在本文中可替換地稱為液體-液體鏡頭結構)包括基板110，基板110具有相對的第一主表面111和第二主表面112。基板110在周圍存在諸如水之類的液體的情況下相對於鏡頭和驅動器液體是非溼潤的，並且在一個示例中包括諸如陽極電鍍鋁之類的疏水性材料。基板110本身可以由這樣的非溼潤材料形成，或者可以塗覆有非溼潤材料，但不必在本文中所描述的一個或多個通道(或者開口)中也進行塗覆。在圖示的示例中，基板110包括在第一主表面111和第二表面112之間延伸貫穿基板110的第一通道113和第二通道114。這些第一通道113和第二通道114僅顯示作為示例。在其它實施方式中，多個通道的陣列可以提供用於本文中所述的液體-液體鏡頭系統的液體鏡頭部分或驅動器部分。例如，在其它實施方式中，多個通道可以提供用於該結構的液體鏡頭部分或驅動器部分或者其兩者，每個通道根據需要具有共同的橫向橫截面面積(例如，共同的直徑)、或者具有不同橫向橫截面面積(例如，不同直徑)。通過提供具有不同橫截面面積的通道，或者使不同量的液體從相同橫截面面積的通道突出，耦合小滴的陣列可以實現不同聚焦特性或不同驅動特性。將液滴120置於基板110的第一通道113內。作為示例,容納液滴的每個通道(用作液體鏡頭系統的鏡頭部分)可以包括貫穿基板的圓柱形孔(或鑽孔)，其中每個液滴是一滴透明液體，例如，矽油。然而，本領域技術人員將會注意到:其它液體可替換地用作液體鏡頭。因為基板110是非溼潤的，因此液滴120在基板上不擴散，並且在由外殼140 (下文描述)和基板110限定的腔室內的液滴120、第二液體130 (例如，水)之間的液體-液體-固體接觸線被固定在第一通道113的邊緣121處。液滴120特徵在於包括第一小滴部分201(參見圖2A和圖2B)和第二小滴部分202，第一小滴部分201包括從基板110的第一表面111突出的第一毛細表面，並且第二小滴部分202 (圖2A和圖2B)包括從基板110的第二表面112突出的第二毛細表面。在該實施例中，液滴和第二液體為直接接觸並且是不相容的，其中液滴120的第一和第二毛細表面是本文中公開的液體-液體鏡頭的液體至液體界面表面，並且如上所述因為表面張力而呈近乎完美的球形形狀。液滴120的第一小滴部分201和第二小滴部分202通過置於基板110的第一通道113內的液滴120的液體主體部分直接相連(即，互連)。小滴部分的相對曲率產生類似彈性力的力，隨著力作用在液滴120的質量上而使液滴120成為自然振蕩器。根據本發明的一個方面，可證明:對於一定參數範圍可以協調地驅動液滴120，使得小滴部分201、202的形狀本質上是球形的並因此適於光學器件。此外，迫使液體鏡頭處於系統共振允許以非常小的能量輸入使振蕩運動可持續。通過利用非溼潤基板固定接觸線可以使與動接觸線、粘滯性或其它因素相關聯的損耗最小化。此外，使振蕩以毛細作用與慣性平衡(與粘滯性相對)的時間尺度和長度尺度出現。液體鏡頭的自然頻率與鏡頭的半徑R_3/2成比例，並因此，利用適度大小的鏡頭可以獲得非常高頻的響應。如所述，圖1A的圖示液體-液體鏡頭結構100還包括外殼140、布置在由外殼140限定的腔室內的第二液體130、以及驅動器150。在一個實施例中，該腔室包括第一腔室部分131和第二腔室部分132，這兩個腔室部分中的每一個均實質填充有第二液體130。在一個實施例中，外殼140包括底壁、前和後兩個壁、兩個側壁以及頂部(或蓋)，所述頂部(或蓋)可移除以允許進入外殼的內部，如圖1B所不。在一個實施例中，夕卜殼140是透明殼體,其中側壁配置有壁架142以將基板支撐和保持在外殼內。在一個實施例中，驅動器150配置成在第一腔室部分131和第二腔室部分132之間非侵入性、間接地振蕩液滴120。作為一個示例，驅動器150可以包括布置在第二通道114內的鐵磁流體滴151以及電磁驅動器152，第二通道114在基板110的第一主表面111和第二主表面112之間延伸。通過示例，鐵磁流體滴151的特徵可以在於包括第一小滴部分210(參見圖2A和圖2B)和第二小滴部分211 (參見圖2A和圖2B)，第一小滴部分210包括從基板110的第一表面111突出的第一毛細表面，第二小滴部分211包括從基板110的第二表面112突出的第二毛細表面。鐵磁流體滴151的第一和第二毛細表面是所公開的液體-液體鏡頭結構中的液體-液體界面表面。第一小滴部分210和第二小滴部分211通過布置於基板110的第二通道114內的鐵磁流體滴151的液體主體部分而直接相連(即，互連)。電磁驅動器152 (例如,具有鐵芯的150圈電磁體)產生振蕩磁場,振蕩磁場進而產生鐵磁流體滴151的振蕩運動，以及隨後(經由不能壓縮的第二液體130)產生液滴120(即，液體鏡頭)的振蕩運動。如同液體鏡頭滴120，鐵磁流體滴151的相對曲率產生類似彈性力的力，隨著力作用在鐵磁流體滴151的質量上而使鐵磁流體滴151成為自然振蕩器。鐵磁流體滴151用作「液體活塞」，從而當鐵磁流體滴振蕩時使第二液體130交替地在第一腔室部分131和第二腔室部分132內移動，因此驅動液體鏡頭滴120。在圖示實施例中，採用單一電磁驅動器152 (通過示例)以擾亂單一鐵磁流體滴151，其中毛細作用為回復力。然而，如下文進一步解釋說明的，多個電磁驅動器可用於更積極地控制鐵磁流體滴151的振蕩。另夕卜，在其它實施中，可以提供多個第二通道114，具有共同橫向橫截面面積(例如，共同的直徑)、或者不同橫向橫截面面積(例如，不同直徑)。通過提供具有不同橫截面面積的多個第二通道114，或者使不同量的鐵磁流體滴從通道突出，可以實現液體鏡頭系統的不同驅動特性，如下文進一步解釋說明的。本領域技術人員通過本文提供的描述將注意到:液滴120的形狀(特別是液滴的上和下界面)是連續的，或者通過鐵磁流體滴151的連續或間歇振蕩經由周圍第二液體130的不能壓縮的運動而連續地或間歇地改變，由此產生可用於聚焦入射光101的自適應液體鏡頭。圖1B示出了根據本發明的一個或多個方面用於組裝液體-液體鏡頭結構100的一個實施例。需要注意的是，該製造結構和方法僅通過示例而提供。製造過程可以包括:使基板110的第一通道113和第二通道114預先變溼以確保那些通道中的各個液體將潮溼。為了實現這一點，用相應的第一液體(第一通道113中)或鐵磁流體(第二通道114中)擦洗貫穿基板的通道。在該過程中，基板110的第一主表面111和第二主表面112不與任一種流體接觸，因為如果液體擦洗到通道的外部，則使固定變得困難。使基板乾燥，同時留下剩餘液體(僅少量液體應在任一通道中)，當使用油時基板將不會完全乾燥。然後，使外殼140填充滿不相容的第二流體130 (參見圖1A)，並且在外殼140的兩個側壁中的壁架142上方也填充滿第二流體130。需要注意的是，填充外殼的整個腔室是可接受的，知道的是當零件增加至液體-液體鏡頭結構時第二流體將溢出。然後，基板110被置於液體填充的外殼內，其中以一定角度保持基板以確保在基板下未截留有氣泡。基板被置於平的壁架142上並固定至壁架142，從而確保不相容的第二液體包圍基板。接下來，注射器可用於開始用第一液體填充第一通道113。通過使注射器尖端接觸至通道並圍繞圓周作業同時注射流體而開始，直到橫穿直徑完全形成毛細表面。在這出現之後，可以通過保持注射器尖端靜止不動並將流體注射到柱中來進行填充步驟。然後，針對鐵磁流體滴重複該過程。為了確保每對耦合小滴被固定，小滴必須過充超出通道的端部。如果所有區域未固定，則使注射器尖端圍繞通道緣邊以圓形運動方式進行移動(不增加更多的流體)，同樣不與基板110的第一主表面或第二主表面接觸。
在一組耦合小滴的固定建立之後，體積可以設定。例如，通過使用對注射器的測量，或通過視覺檢查，每個耦合小滴的體積可以設定。對於體積的視覺檢查，從輪廓獲得每個小滴的高度(h)，由於知道通道的半徑(a)，並利用球冠的公式V=IA^h (a2+h2)，因此可以確定體積(例如，使用照相機和LabView實施)。接下來是相同步驟以建立鐵磁流體滴。在兩組耦合小滴被填充並固定之後，隨後加入不相容的第二液體(即，周圍液體)，以便不擾亂耦合小滴，直到外殼內達到過充條件(凸彎月面)。最後，可以將外殼140的頂部141固定至外殼上,例如,通過將頂部141以一定角度向下放置於外殼上以便不向鏡頭系統增加氣泡，並且在它密封時使不相容的第二液體(即，周圍液體)移動。頂部141被附著為達到外殼的平衡，以在外殼內形成不透流體的密封腔室。如所述，圖2A和圖2B示出根據本發明的一個或多個方面的可變焦距的液體-液體鏡頭結構100的操作。在操作中，當電磁驅動器152處於磁化狀態220(在施加於電磁驅動器152的振蕩信號中示出)下時，鐵磁流體滴151的第一小滴部分210在外殼140的第一腔室部分131內具有較大體積(如圖2A所示)，以及當驅動器信號停止作用221時(圖2B)，慣性和表面張力使鐵磁流體滴151的第二小滴部分211在第二腔室部分132內變得較大，如圖2B所示。當電磁驅動器起作用以對鐵磁流體滴151進行操作至圖2A所示的程度時，不能壓縮的第二液體130操作以迫使液滴120中更多的第一液體進入在外殼140的第二腔室部分132內延伸的第二小滴部分202。這進而在聚焦入射光101中產生較長焦距。在相反條件下，即大部分第一液體處於外殼140的第一腔室部分131內的第一小滴部分201中，獲得較短焦距，如圖2B所示。以這種方式，液滴120的焦距隨著鐵磁流體滴振蕩而連續地變化，這進而使入射光101的折射發生變化，並因此使焦點發生變化，從而提供液體鏡頭中的自適應焦距能力。

圖3示出了本文中所公開的液體-液體鏡頭的可操作示例。需要注意的是，在本文所描述的結構中，三重接觸線(即，液體-液體-固體接觸線)固定在貫穿基板形成的每個通道(或開口)的周邊處。這些固定接觸線消除了在許多其它自適應液體鏡頭策略中遇到的與前進和後退接觸線相關聯的粘滯性損耗。然而，通過驅動該裝置處於系統共振可以提高裝置的總效率。在圖3的示例中，該系統在共振下振蕩，並且液滴120 (例如，矽油液體鏡頭)的運動和瞬時形狀受到鐵磁流體滴151的控制，其中水(圖未示)圍繞封閉系統中的兩組耦合小滴。在該示例中，第一和第二小滴通道的直徑均為5_，並且受到小於5伏特(峰峰值)的驅動。在圖3所考慮的情況下，包括周圍水(圖未示)的液體鏡頭系統在8.6Hz處展示了共振行為，圖3示出了一個完整的周期。本文中所公開的液體-液體鏡頭結構可以結合併用於各種成像系統中。圖4A示出了採用振蕩液體-液體鏡頭結構100 (如上文結合圖1A至圖3所描述的)的整體由400表示的成像系統的一個實施例。如所述，液體-液體鏡頭結構100包括基板110，基板110包括貫穿基板的含有至少一個液滴120 (用作液體鏡頭)的至少一個第一通道，以及含有至少一個鐵磁流體滴151 (便於驅動液體鏡頭)的至少一個第二通道，如本文中所描述。液體-液體鏡頭結構還包括限定密封腔室的外殼140，密封腔室包括位於基板的相對側的第一腔室部分131和第二腔室部分132，兩個腔室部分均填充有第二液體，例如，水。基板是非溼潤的，並且液滴120和鐵磁流體滴151被固定在貫穿基板110的它們各自的通道的邊緣處。在圖4A的示例中，成像系統400還包括控制器410，例如包括通用目的計算機控制器410，其設有(例如)邏輯電路以控制鐵磁流體滴151的振蕩並因此控制液體-液體鏡頭結構100的液滴120的振蕩，以及經由圖像傳感器420控制對一個或多個聚焦圖像的拍攝。需要注意的是，在該示例中，在鐵磁流體滴151的上方和下方對準地採用兩個電磁驅動器152、152』，以通過對耦合小滴產生順序拉力來控制鐵磁流體滴的運動，從而使頂側體積變得較大或者使底側體積變得較大，如上文所解釋說明的。這進而改變了鏡頭液滴進入第一腔室部分131或第二腔室部分132中的突出體積。通過如此使鏡頭液滴120移動，操縱耦合小滴的曲率的半徑，曲率半徑進而改變對象430的焦距。通過將圖像傳感器420置於液體鏡頭的一側，並將可選光學部件425置於另一側，可以聚焦處於各種位置處的對象430。需要注意的是，在圖示示例中，圖像傳感器420被置於外殼140 (在一個實施例中為透明殼體(或外殼))的上方，並且與穿過液滴120 (具體地，穿過液滴120的第一振蕩小滴部分201和第二小滴部分202)的圖像路徑對準。此外，圖像路徑穿過外殼140、以及任何附加光學部件425 (例如，大孔徑鏡頭)，附加光學部件425可以與本文中所描述的振蕩液體鏡頭一起使用。產生的成像系統具有限定範圍內的焦距，其中在掃描期間可以拍攝位於該範圍內的對象。需要注意的是，圖像傳感器420可以包括任何合適的成像裝置。在一個示例中，圖像傳感器是數位照相機或攝像機的一部分。如上所述，在具有如圖4A所示的振蕩焦距的光學系統中，聚焦的任務發生變化。不是操縱固定形狀的鏡頭的位置，而是圖像記錄的定時將與鏡頭的振蕩同步，並且在系統聚焦期間的時間間隔內拍攝照片。使用今天的高速照相機可以容易地實施快速電子定時。結果是:自適應鏡頭比現有光學器件的機械移動顯著快得多。本文中所描述的液體鏡頭的振蕩速度比振蕩周期快。例如，通過以系統的共振頻率驅動系統，可使鏡頭的界面保持球形，並且使振蕩幅度最大化。振蕩焦距鏡頭與高速照相機的組合還提供了三維(3-D)成像的能力。例如，基于振蕩鏡頭的顯微鏡物鏡能夠在調查樣品內部不同深度處進行快速掃描。高速照相機將在單一鏡頭振蕩周期內獲得足夠圖像以通過去卷積產生3-D圖像。這樣一種系統還將以與鏡頭振蕩速率相等的幀速率獲得3-D顯微鏡電影。作為一個不例，EX-Fl高速照相機(由Casio推向市場)將與本文中所描述的振蕩液體鏡頭一起使用。圖4B和圖4C示出了在電話450 (例如，電話照相機)中實施的圖4A的成像系統。如圖4C的局部橫截面圖中所在一個實施例中液體-液體鏡頭結構100可以置於圖像傳感器420和可選光學部件425之間。鐵磁流體滴151的運動以及隨後的液滴120 (S卩，液體鏡頭)的運動由單一電磁驅動器152引起(在該示例中)。通過進一步示例，如本文中所描述的液體-液體鏡頭結構將用於如圖4D所示的顯微鏡470內。在該成像系統中，液體-液體鏡頭結構100被置於目鏡471 (或圖像傳感器)和物鏡(包括光學部件425)之間。通過引起液滴120 (即，液體鏡頭)的焦距的變化，觀察器472 (或者，可替換地，為自動成像傳感器)可以掃描目標對象430的各種深度。為支持分析，對如本文中所描述的釐米量級的液體-液體鏡頭的光學性能進行評估。具體地，獲得用于振蕩液體-液體鏡頭的理論光學模型(光學序列中具有附加靜止元件)的結果，如圖5A所示。通過黑曲線500示出聚焦的物距,其中相應的景深顯示為灰色501。兩個目標被置於聚焦範圍掃描的極端502、503附近。在該圖表中，通過實的黑曲線500示出在單一振蕩周期期間聚焦的物距。圖5B示出通過對經由如本文中所述的液體-液體鏡頭結構拍攝的圖像的清晰度進行分析而獲得的實驗數據。具體地，通過放置液體-液體鏡頭作為圖5A所確定的兩個目標502、503的光學序列的物鏡來獲得數據。兩個對象的最大清晰度完全異相，曲線505對應於503處的對象，而曲線506對應於502處的對象，這如同從模型所預期的。圖6A和圖6B示出了具有不同重力取向的液體-液體鏡頭的不變性。在圖6A中，液體-液體鏡頭結構示出具有平行於重力矢量(g)方向的光學軸線，而圖6B示出了具有垂直於重力矢量(g)取向的光學軸線的液體-液體鏡頭結構。通過保持重力邦德數Btl < 1，表面張力相對於重力將佔優勢。因此，可以使小滴保持它們的球形形狀，而不考慮重力的方向。在圖6A和圖6B中，局部示出所述液體-液體鏡頭系統，包括具有液滴120 (用作液體鏡頭)和鐵磁流體滴151 (用作驅動器)的基板110。如上文解釋說明的，兩滴均包括具有第一和第二小滴部分的耦合小滴，第一和第二小滴部分分別延伸至基板110的第一和第二主表面的上方和下方。就該構造而言，對於圖6A和圖6B中示出的兩種情況從曲率的均勻(球形)半徑所測得的最大偏差小於1%。通過使液體-液體鏡頭系統中使用的流體密度匹配而可以進一步增強對於重力取向的不變性。通過進一步示例，圖7示出了圖1A至圖3的液體-液體鏡頭結構100，其具有圖4A的成像系統實施例的雙電磁驅動器152、152』。該液體-液體鏡頭結構是雙受力結構，其中包括鐵磁流體滴151且佔用基板110中的第二通道的耦合鐵磁流體小滴受到布置於鐵磁流體滴的上方和下方的電磁驅動器152、152』的控制。具體地，可以向電磁驅動器152、152』提供彼此異相180°的電壓以驅使鐵磁流體滴振蕩，進而通過填充液體-液體鏡頭結構的第一腔室部分131和第二腔室部分132的不能壓縮的浸沒液體130的相應移動而將鐵磁流體滴的振蕩傳遞至液滴120 (即，液體鏡頭)。結果是可控地聚焦入射光101的自適應液體鏡頭，如本文中所描述的。隨著對網絡視頻日益增長的興趣，對於給定圖像面實現每秒30幀的成像速率將是感興趣的。當小滴振蕩時，每個圖像面可以被聚焦兩次(當小滴朝向對象移動時聚焦一次，以及當其遠離對象行進時聚焦一次)。因此，超過15Hz的系統共振是高度期望的。一種增強液體-液體鏡頭系統的共振頻率的方式是使系統中的有效彈性力變硬。由於表面張力(在液體鏡頭和驅動器部分中)是主飛彈性力，因此增加毛細效應(通過小滴)將增加整個系統的共振頻率。減小鏡頭大小可能會達不到預期目標，因此用較小驅動器的陣列進行致動是一個可能的解決方案。圖8A至圖8C示出三種不同基板(B卩，基板110 (圖8A)、基板110』(圖8B)和基板110」(圖8C))，其可用於如本文中所描述的液體-液體鏡頭結構中。在圖8A中，基板110與上文結合圖1A至圖7所述的基本相同，其中第一通道113和第二通道114設置成貫穿基板110以容納形成液滴120和鐵磁流體滴151的各個耦合小滴，如圖8A所示。通過示例，圖8A至圖8C的三個基板中的通道113是具有5mm孔徑(以及無量綱化體積V/Vsph=0.5，其中Vsph是直徑與孔相同的球體體積)的5mm孔徑通道。在圖8B中，示出三個第二通道114』，其容納三個不同的耦合的鐵磁流體滴151』。在圖8C的示例中，七個第二通道114」設置在基板110」中，其用於容納七個不同的鐵磁流體滴151」。通過示例，圖8A中通道114的半徑可以是2.5mm,圖8B中通道114』的半徑可以是1.5mm,以及圖8C中通道114」的半徑可以是1.25mm。圖8D示出了圖8A至圖8C所示的三種液體-液體鏡頭系統構造的實驗測得的頻率響應(針對每種情況通過最大振幅歸一化)，其中向電磁驅動器提供3伏特振幅的諧波輸入。示出了驅動較小驅動器的陣列顯著增加了整個系統頻率響應，即，通過使用較小驅動器的陣列可以獲得顯著較高的共振頻率。例如，通過小的小滴陣列進行驅動，能獲得超過30Hz(與針對範圍內每個焦距的每秒60次掃描相對應)的共振頻率。實現了液體-液體鏡頭的實驗和理論模型之間的良好一致性。圖9示出採用如本文中所述的振蕩液體鏡頭的成像方法的一個實施例。成像方法900包括:使如本文中所述的液體-液體鏡頭的固定接觸液滴振蕩910 ；以及在振蕩液體-液體鏡頭的同時，通過振蕩液滴來拍攝一個或多個圖像920。具體地，通過液滴的第一小滴部分和第二小滴部分拍攝一個或多個圖像，第一小滴部分和第二小滴部分分別延伸出基板的第一和第二表面，其中存在液滴的通道由基板限定。拍攝圖像被轉送至控制器，控制器包括(在一個實施例中)具有邏輯電路以基於一個或多個圖像標準(例如，圖像清晰度)對拍攝圖像進行評估930的計算機。本領域技術人員在某種程度上使用現有圖像分析軟體可以容易地完成數字圖像的評估。然後，基於評估選擇一個或多個拍攝圖像作為一個或多個最終圖像940。取決於實施方式，最終圖像可以組合成對象的3-D表示。本領域技術人員將注意到:本文中所述的固定接觸且振蕩的液體-液體鏡頭提供了尋求焦距快速變化的成像系統的新的解決方案。可以利用非侵入性振蕩驅動方法以小且輕質封裝來製造液體鏡頭，如本文中所描述的。有利地，相對較小電壓水平可用於啟動機構，從而使液體-液體鏡頭的應用變得實用。本文中公開的是具有能夠拍攝給定振蕩範圍內的任何圖像面的振蕩焦距的液體-液體鏡頭。鏡頭的特徵在於通過圓柱形通道(或孔)耦合的具有緊靠非溼潤基板的固定接觸線的兩個小滴部分。不能壓縮的第二液體在封閉腔室中包圍液體鏡頭。非侵入電磁驅動器可用於使基板中第二圓柱形通道(或孔)內的耦合的鐵磁流體滴振蕩。鐵磁流體滴的振蕩經由不能壓縮的周圍液體引起液體鏡頭小滴的相應振蕩。小滴部分的曲率的變化弓I起焦距的變化。小滴的相對曲率產生使系統成為自然振蕩器的類似彈性力的力。由於圖像拍攝定時是電子的，因此它得以快速實現，使得鏡頭的頻率響應僅受到系統的共振頻率的限制。提出的液體鏡頭是耦合的小滴系統，可以以非常小的輸入使耦合的小滴系統在共振處振蕩。當振蕩足夠快時，鏡頭可被認為總是適時地非常接近於期望焦距；因此，在液體-液體鏡頭後提出了快速聚焦的想法。有利地，使用本文中公開的液體-液體鏡頭結構可以獲得釐米量級的孔徑。在規模足夠小使得重力不佔優勢的情況下，耦合小滴的液體鏡頭(具有固定接觸線)相對於表面張力平衡流體慣性，並且可以使系統振蕩。實驗結果表明毫米量級的液體鏡頭、甚至釐米量級的鏡頭是可行的。本文中公開的大孔徑快速自適應液體-液體鏡頭相對於現有方法提供獨特的優點和能力。對於釐米量級孔徑的鏡頭而言，通過不同驅動策略產生超過30Hz(S卩，幀捕獲速率高達60Hz)的振蕩來增加光聚集是可能的(例如，從空氣中1.68mm直徑液體鏡頭至IOmm直徑液體-液體鏡頭，光聚集能力增加了 30倍)。能量效率得到保持，同時在重力取向幾乎不變的所有設計中消除了先前空氣中液體(liquid-1n-air)鏡頭設計在傳統上所困擾的長期穩定性問題(例如，因為蒸發)。本領域技術人員將注意到:本文提出的耦合小滴鏡頭系統可應用於很多應用中，包括行動電話、攝像機、以及具有視頻記錄能力的其它小的輕質消費產品。其它應用包括高速自適應成像、可攜式攝像機、以及針對較小要求應用(重點在於能耗)的通過鏡頭陣列和可重構性的其它3-D圖像再現。例如，其它應用包括用於偵察和防禦的自主微型飛行器，其將受益於許多方向的而不僅僅是直視前方(或下方)的成像能力。所提出的液體-液體鏡頭的相對較小尺寸和較高能量效率適於將數個這些鏡頭安裝於這樣小的飛行器中，以一直沿所有方向實現成像。如本領域技術人員將理解的，上述控制器的各個方面可以實施為系統、方法或電腦程式產品。因此，控制器的各個方面可以呈完全硬體實施例、完全軟體實施例(包括固件、常駐軟體、微碼等)、或組合軟體和硬體方面的實施例(本文中通常均稱為「電路」、「模塊」或「系統」)的形式。此外，控制器的各個方面可以呈包括在一個或多個計算機可讀介質(具有包括在其上的計算機可讀程序代碼)中的電腦程式產品的形式。可以採用一個或多個計算機可讀介質的任何組合。計算機可讀介質可以是計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可以是但不限於電子、磁、光學或半導體系統、設備或裝置，或上述任何合適的組合。計算機可讀存儲介質的更具體示例(非詳盡列表)包括如下:具有一個或多個電線的電連接、可攜式計算機磁碟、硬碟、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM或快閃記憶體)、光纖、可攜式光碟只讀存儲器(CD-ROM)、光存儲裝置、磁存儲裝置、或上述任何合適的組合。在本文獻的上下文中，計算機可讀存儲介質可以是包含或存儲由指令執行系統、設備或裝置使用或與指令執行系統、設備或裝置結合使用的程序的任何有形介質。計算機可讀信號介質可以包括例如以基帶或作為載波的一部分傳播的數據信號，其中計算機可讀程序代碼包括於傳播的數據信號中。這樣的傳播信號可以呈各種形式中的任何一種，包括但不限於電磁、光學或其任何合適的組合。計算機可讀信號介質可以是非計算機可讀存儲介質但能夠通信、傳播或傳輸由指令執行系統、設備或裝置使用或與指令執行系統、設備或裝置結合使用的程序的任何計算機可讀介質。包括在計算機可讀介質上的程序代碼可以通過使用合適的介質進行傳輸，所述合適的介質包括但不限於無線、有線、光纖電纜、RF等，或上述任何合適的組合。可以用一個或多個程式語言的任何組合來寫入用於執行本發明的各個方面的操作的電腦程式代碼，所述程式語言包括面向對象程式語言(例如Java、Smalltalk、C++等)和常規程序程式語言(例如「C」程式語言或類似程式語言)。上文參考根據本發明實施例的方法、設備(系統)和電腦程式產品的流程示和/或框圖對本發明的各個方面進行描述。將理解的是:可以通過電腦程式指令來實施流程示和/或框圖的某些方框，以及流程示和/或框圖中方框的組合。這些電腦程式指令可以提供給通用計算機、專用計算機或其它可編程數據處理設備的處理器以生產機器，使得經由計算機或其它可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實施流程圖和/或框圖的方框中指定的功能/動作的手段。
這些電腦程式指令還可以存儲在能夠指導計算機、其它可編程數據處理設備或其它裝置以特定方式起作用的計算機可讀介質中，使得存儲在計算機可讀介質中的指令可以生產包括實施流程圖和/或框圖的方框中指定的功能/動作的指令的製品。電腦程式指令還可以加載到計算機、其它可編程數據處理設備或其它裝置上，以在計算機、其它可編程設備或其它裝置上執行一系列可操作步驟，從而產生計算機實現處理，使得在計算機或其它可編程設備上執行的指令提供了用於實施流程圖和/或框圖的方框中指定的功能/動作的處理。附圖中的流程圖和框圖示出了根據本發明各種實施例的系統、方法和電腦程式產品的可能實施方式的構造、功能性和操作。就這一點而言，流程圖或框圖中某些方框可以代表代碼的模塊、節段或部分，其包括用於實施指定邏輯功能的一個或多個可執行指令。還應注意的是，在一些可供選擇的實施方式中，方框中提及的功能可以不按照附圖所述的順序出現。例如，事實上可以基本同時執行連續示出的兩個方框，或者有時以相反的順序執行這些方框，這取決於涉及的功能性。還將注意的是:框圖和/或流程示的某些方框、以及框圖和/或流程示中方框的組合可以由執行特定功能或動作的基於硬體的專用系統、或專用硬體和計算機指令的組合進行實施。本文中使用的術語僅僅是為了描述具體實施例的目的，而不是旨在限制本發明。如本文中使用的，單數形式「一」和「所述」也旨在包括複數形式，除非上下文另外清楚地指出。還將理解的是:術語「包括」、「具有」和「包含」是開放式連繫動詞。因此，「包括」、「具有」或「包含」 一個或多個步驟或元件的方法或裝置擁有那些一個或多個步驟或元件，但不限於僅擁有那些一個或多個步驟或元件。同樣，「包括」、「具有」或「包含」一個或多個特徵的方法的步驟或裝置的元件擁有那些一個或多個特徵，但不限於僅擁有那些一個或多個特徵。此外，以某種方式配置的裝置或結構至少以該方式進行配置，但還可以以未列出的方式進行配置。所附權利要求中的所有手段或步驟外加功能元件的相應結構、材料、動作和等同物(若有的話)旨在包括與具體要求保護的其它要求保護元件結合執行功能的任何結構、材料或動作。為了圖示和說明的目的，已給出本發明的描述，但不是旨在以公開的形式窮舉或限制本發明。在不背離本發明的範圍和精神的情況下許多變型和變化對於本領域普通技術人員而言將是顯而易見的。
權利要求
1.一種液體鏡頭,包括: 基板，其包括在所述基板的第一表面和第二表面之間延伸貫穿所述基板的至少一個通道; 包含第一液體的液滴，所述液滴布置於延伸貫穿所述基板的所述至少一個通道當中的一個通道內，所述液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，所述第一小滴部分具有從所述基板的所述第一表面突出的第一毛細表面，所述第二小滴部分具有從所述基板的所述第二表面突出的第二毛細表面，所述第一小滴部分和所述第二小滴部分通過所述一個通道連接; 外殼，其至少部分地包圍所述基板並且包括腔室，延伸貫穿所述基板的所述至少一個通道當中的所述一個通道位於所述外殼的所述腔室內； 布置於所述腔室內的第二液體，所述第二液體與包含所述第一液體的所述液滴在所述腔室內直接接觸或間接接觸；以及 驅動器，其用于振蕩所述一個通道內的所述液滴。
2.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中所述基板的所述第一表面有利於限定所述腔室的第一腔室部分，並且所述基板的所述第二表面有利於限定所述腔室的第二腔室部分，並且其中所述第二液體實質填充所述第一腔室部分和所述第二腔室部分。
3.根據權利要求2所述的液體鏡頭，其中所述第二液體和包含所述第一液體的所述液滴在所述第一腔室部分內直接接觸，並且在所述第二腔室部分內直接接觸。
4.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中所述驅動器經由布置於所述外殼的所述腔室內的所述第二液體操作性地耦合至所述一個通道內的所述液滴。
5.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中所述驅動器包括振蕩器，所述振蕩器操作性地耦合至所述液滴的所述第一小滴部分或所述第二小滴部分中至少一者，以用於使所述一個通道內的所述液滴振蕩，其中所述振蕩器允許所述一個通道內的所述液滴連續或間歇地振蕩，並因此允許所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分連續或間歇地振蕩。
6.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中所述第二液體與包含所述第一液體的所述液滴直接接觸且不相容。
7.根據權利要求6所述的液體鏡頭，其中延伸貫穿所述基板的所述一個通道是延伸貫穿所述基板的第一通道，並且其中所述基板的所述第一表面有利於限定所述腔室的第一腔室部分，並且所述基板的所述第二表面有利於限定所述腔室的第二腔室部分，所述第二液體實質填充所述第一腔室部分和所述第二腔室部分，並且其中所述驅動器包括: 至少一個鐵磁流體滴，其布置於在所述基板的所述第一表面和所述第二表面之間延伸貫穿所述基板的至少一個第二通道中，當所述至少一個鐵磁流體滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分之間振蕩時，所述至少一個鐵磁流體滴使所述液滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分內移動；以及 電磁驅動器，其用於使所述至少一個第二通道內的所述至少一個鐵磁流體滴振蕩，並因此使所述第一通道內的所述液滴振蕩。
8.根據權利要求7所述的液體鏡頭，其中所述驅動器包括布置於在所述基板的所述第一表面和所述第二表面之間延伸貫穿所述基板的多個第二通道中的多個鐵磁流體滴，其中所述多個鐵磁流體滴中的每個鐵磁流體滴的體積小於延伸貫穿所述基板的所述第一通道內的所述液滴的體積，當所述多個鐵磁流體滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分之間振蕩時，所述多個鐵磁流體滴使所述液滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分內移動。
9.根據權利要求7所述的液體鏡頭，其中所述電磁驅動器是第一電磁驅動器，並且其中所述驅動器還包括第二電磁驅動器，所述第一電磁驅動器和所述第二電磁驅動器一起使所述至少一個第二通道內的所述至少一個鐵磁流體滴振蕩，並因此使所述第一通道內的所述液滴振蕩。
10.根據權利要求1所述的液體鏡頭,其中所述第一液體包括高折射率流體,並且所述第二液體包括水。
11.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中選擇所述第一液體、所述第二液體和所述基板以有利於使所述液滴保持固定在所述基板位於所述一個通道的邊緣處。
12.根據權利要求1所述的液體鏡頭，其中所述外殼包括至少布置於所述液滴的所述第一小滴部分或所述第二小滴部分之上的透明殼體部分，並且其中所述腔室是密封腔室。
13.一種成像系統，所述成像系統包括: 液體鏡頭，其包括: 基板，其包括在所述基板的第一表面和第二表面之間延伸貫穿所述基板的至少一個通道； 包含第一液體的液滴，所述液滴布置於延伸貫穿所述基板的所述至少一個通道當中的一個通道內，所述液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，所述第一小滴部分具有從所述基板的所述第一表面突出的第一`毛細表面，所述第二小滴部分具有從所述基板的所述第二表面突出的第二毛細表面，所述第一小滴部分和所述第二小滴部分通過所述一個通道連接; 外殼，其至少部分地包圍所述基板並且包括腔室，延伸貫穿所述基板的所述至少一個通道當中的所述一個通道位於所述外殼的所述腔室內； 布置於所述腔室內的第二液體，所述第二液體和包含所述第一液體的所述液滴在所述腔室內直接接觸或間接接觸；和 驅動器，其用于振蕩延伸貫穿所述基板的所述一個通道內的所述液滴；並且 所述成像系統還包括: 至少一個成像傳感器，其耦合至穿過所述一個通道中的振蕩的所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分的至少一個成像路徑，以用於通過振蕩的所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分來拍攝圖像。
14.根據權利要求13所述的成像系統，其中所述至少一個成像傳感器操作性地耦合到至少一個圖像路徑，以用於在所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分連續或間歇地振蕩的同時通過振蕩的所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分來拍攝圖像。
15.根據權利要求13所述的成像系統，還包括控制器，所述控制器耦合至所述驅動器並且配置成控制所述基板的所述一個通道內的所述液滴的振蕩。
16.根據權利要求13所述的成像系統，其中所述液體鏡頭是固定接觸且振蕩的液體鏡頭。
17.根據權利要求13所述的成像系統，其中所述基板的所述第一表面有利於限定所述腔室的第一腔室部分，並且所述基板的所述第二表面有利於限定所述腔室的第二腔室部分，並且其中所述第二液體實質填充所述第一腔室部分和所述第二腔室部分，並且其中所述第二液體與包含所述第一液體的所述液滴在所述第一腔室部分內直接接觸、在所述第二腔室部分內直接接觸、並且是不相容的。
18.根據權利要求13所述的成像系統，其中延伸貫穿所述基板的所述一個通道是延伸貫穿所述基板的第一通道，並且所述驅動器包括: 至少一個鐵磁流體滴，其布置於在所述基板的所述第一表面和所述第二表面之間延伸貫穿所述基板的至少一個第二通道中，當所述至少一個鐵磁流體滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分之間振蕩時，所述至少一個鐵磁流體滴使所述液滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分內移動；以及 電磁驅動器，其用於使所述至少一個第二通道內的所述至少一個鐵磁流體滴振蕩，並因此使所述第一通道內的所述液滴振蕩。
19.根據權利要求13所述的成像系統，其中所述外殼包括布置於所述液滴的所述第一小滴部分或所述第二小滴部分中至少一者之上的透明殼體部分，並且其中所述腔室是密封腔室。
20.一種成像方法，其包括步驟: 對液體鏡頭的液滴進行振蕩，所述液體鏡頭包括基板，所述基板限定了在其第一表面和第二表面之間延伸的通道，所述液滴被置於所述通道內，所述液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，所述第一小滴部分包括從所述基板的所述第一表面突出的第一毛細表面，所述第二小滴部分包括從所述基板的所述第二表面突出的第二毛細表面，其中所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分通過所述通道連接，所述液體鏡頭還包括外殼，所述外殼至少部分地包圍所述基板並且包括腔室，一個通道位於所述腔室內，並且所述腔室包括第二液體，所述第二液體與包含第一液體的所述液滴在所述腔室內直接接觸或間接接觸，並且其中所述振蕩步驟包括向所述第一小滴部分或所述第二小滴部分的至少一者施加振蕩力以對所述通道內的所述液滴進行振蕩；以及 經由穿過所述液滴的所述第一小滴部分或所述第二小滴部分的至少一者的圖像路徑來拍攝至少一個圖像。
21.根據權利要求20所述的成像方法，還包括步驟: 通過振蕩的所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分來拍攝多個圖像； 基於至少一個圖像標準來評估所拍攝的圖像；並且 基於所述評估來選擇至少一個所拍攝的圖像作為最終圖像。
22.根據權利要求21所述的成像方法，其中所述拍攝步驟發生在振蕩的所述液體鏡頭的整個振蕩周期，並且所述評估步驟包括從所述多個圖像選擇至少一個聚焦圖像。
23.一種製造液體鏡頭的方法，其包括步驟: 獲得基板，所述基板相對於液滴是非溼潤的； 在所述基板中提供從所述基板的第一表面延伸至第二表面的至少一個通道； 在延伸貫穿所述基板的所述至少一個通道當中的一個通道內提供包含第一液體的所述液滴，所述液滴包括第一小滴部分和第二小滴部分，所述第一小滴部分具有從所述基板的所述第一表面突出的第一毛細表面，所述第二小滴部分具有從所述基板的所述第二表面突出的第二毛細表面，所述第一小滴部分和所述第二小滴部分通過所述一個通道連接；提供包括腔室的外殼，所述腔室封閉延伸貫穿所述基板的所述一個通道，所述基板的所述第一表面有利於限定所述腔室的第一腔室部分，所述基板的所述第二表面有利於限定所述腔室的第二腔室部分，其中所述第一小滴部分位於所述腔室的所述第一腔室部分中，並且所述第二小滴部分位於所述腔室的所述第二腔室部分中；以及 將第二液體置於所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分內，所述第二液體和所述液滴在所述腔室內直接接觸或間接接觸。
24.根據權利要求23所述的方法，還包括將驅動器操作性地耦合至所述一個通道內的所述液滴的所述第一小滴部分或所述第二小滴部分中的至少一者，以用于振蕩所述液滴，並因此振蕩所述液滴的所述第一小滴部分和所述第二小滴部分，其中振蕩所述液滴有利於在不同焦距處通過所述液體鏡頭拍攝圖像。
25.根據權利要求23所述的方法，其中所述第二液體與包含所述第一液體的所述液滴直接接觸且不相容，以及延伸貫穿所述基板的所述一個通道是延伸貫穿所述基板的第一通道，並且其中所述基板的所述第一表面有利於限定所述腔室的第一腔室部分，並且所述基板的所述第二表面有利於限定所述腔室的第二腔室部分，所述第二液體實質填充所述第一腔室部分和所述第二腔室部分，並且其中操作性地耦合所述驅動器的步驟包括: 提供至少一個鐵磁流體滴，將所述至少一個鐵磁流體滴置於在所述基板的所述第一表面和所述第二表面之間延伸貫穿所述基板的至少一個第二通道內，當所述至少一個鐵磁流體滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分之間振蕩時，所述至少一個鐵磁流體滴使所述液滴在所述腔室的所述第一腔室部分和所述第二腔室部分內移動；並且提供電磁驅動器，所述電磁驅動器用于振蕩所述至少一個第二通道內的所述至少一個鐵磁流體滴，並因此振蕩所述第一`通道內的所述液滴。
全文摘要
提供一種振蕩的液體鏡頭以及使用該鏡頭的成像系統和方法。液體鏡頭包括基板，基板具有延伸貫穿基板的通道開口。液滴布置在通道內，並且液滴的尺寸被確定為具有第一小滴部分和第二小滴部分，第一小滴部分包括從第一基板表面突出的第一毛細表面，第二小滴部分包括從第二基板表面突出的第二毛細表面。液體鏡頭還包括外殼，外殼至少部分地包圍基板並且包括腔室。液滴駐留於腔室內，液體鏡頭包括布置於腔室內並與液滴直接或間接接觸的第二液體，並且液體鏡頭還包括用于振蕩通道內的液滴的驅動器。
文檔編號G02B3/12GK103201653SQ201180036939
公開日2013年7月10日 申請日期2011年7月26日 優先權日2010年7月27日
發明者阿米爾·H·希爾莎, 伯納德·A·馬盧因, 麥可·J·福格爾, 程麗麗, 約瑟夫·D·奧列斯 申請人:倫斯勒理工學院