CN1100205A - 光阑装置 - Google Patents

Abstract

一种具有电致变色元件的摄象透镜***的小型 光阑装置，该电致变色元件的光透射特性随所施加的 电压而变化。该光阑装置也包括第一组多个同心安 置的透明电极、第二组多个同心安置的透明电极，以 及在这些透明电极组的最外层周边上形成的充当这 些透明电极的反电极的第三电极。光阑装置在透明 状态下有足够的光透射比，而在光阻断状态下具有高 的光阻断特性。

Description

本发明涉及一种用于摄象透镜***的光阑装置，该装置装有其光通特性随所施加电压变化的电致变色元件，在该装置中光透射量可由该电致变色元件的光通特性控制。

在一种众所周知的方法中，电致变色元件由于电化学反应在其氧化态和还原态之间呈现不同的光透射特性。通过利用其光通将性的差异，电致变色元件被用来控制其上入射光的光透射量。该电致变色元件含有由诸如WO₃或WOD₃之类的电致变色材料所形成的薄膜，将它置于与如薄膜型锂电极的电解质相接触。如果按使电解质侧为正极侧的方向施加电压，就改变了该元件的状态。

在无色WO₃薄膜的情况下，例如，在其上施加负压，则电子的注入和电解质中的正离子形成M_x+WO_3ex-，该薄膜从无色状态变为显蓝色状态。因此，如果将多个在不同波长范围显不同颜色的电致变色元件彼此叠放在一起，利用其电及光通特性，则可能控制全部可见光范围的光透射量。

至今在例如JP  Patent  Kokai公开公报NO.62-198835题为“光阑装置”中已提出利用上述的电致变色元件的电和光透射特性的光阑装置用于例如照相机的摄象透镜***。根据先有技术出版物的该光阑装置，如图7和8所示，电致变色元件2夹在并封在一对透明基体4A、4B间，借助于垫层3，与电解质一起，将第一组透明电极5和第2组透明电极6安装在透明基体4A和4B内侧里，与电致变色元件2的前，后表面相接触。

至少第一组透明电极5是由多个同心布置的透明电极5a至5d组成，而第二组透明电极起透明电极组5的反电极作用。通过端子7A和7B按从最外层透明电极到最内层透明电极的顺序给透明电极5和6两端施加电压。按从与最外层透明电极5d对齐的光阑装置1的环形区域开始进而到与最内层透明电极5a对齐的环形区域的方向，同透明电极5对齐的光阑装置1的环形区域便从透明状态转变为光阻断状态，以减小入射光的透射直径，从而将透射光量控制到所希望的水平。

同时，要求含有电致变色元件2的照相机的光阑装置1呈现这样的光学特性，即在透明状态有足量的入射光透射，在光阻断状态入射光绝对被阻断。在希望通过改变光阑孔径尺寸来控制景深或者希望通过减小透镜的有效直径来减小象差以改善透镜特性的场合，光阑装置的光阻断特性尤为关键。

现假定，在先有技术的光阑装置1中，光阑孔径最大，与透明电极5a到5d对齐的区域是透明的时候，F数为1.4，光阑孔径最小，仅与最内层透明电极5a对齐的区域是透明的时候，F数为8，电致变色元件2的光透射率在透射期间，和光阻断期间分别为100%和1%，其光透射率各自降低10%的透明电极5和6的光透射率等于（1-0.1）²＝0.9²。在光阑装置孔径最小的时候，从光阻断区域漏出的光量与通过透明区域透射的光量之比率，即S/N比，可从下列公式计算出：

（从与透明电极5b、5c和5d对齐的区域漏出的光量）/（从与透明电极5a对齐的区域透射的光量）＝（与透明电极5a至5c对齐区域的面积测量值）×（光透射比）/（与透明电极5a对齐的区域的面积测值）×（光透射比）  （1）

将上述值代入以上公式，S/N比变成等于[（8/1.4）²-1]×（0.01×0.9²）/1×（1×0.9²）＝0.32。

从这里可以看出从与透明电极5b、5c和5d对齐的环形光阻断区域漏出的光量，由于较大的表面区域，占30%或更多，以而不能满足照相机光阑装置1对光阻断特性的要求。结果由于从与浅的深度的透明电极5b至5d对齐的区域漏出光而不能控制焦深，同时由于漏出的光，通过减小透镜的有效孔径来逐步减小透镜象差的作用也无法实现。

为改变该不合适之处，有人也提出一种光阑装置9，如图9所示，其中将两个光阑装置1叠加在一起来改善光阻断特性。在光阑装置9中，与图7和8所示的光阑装置1中类似的部分或元件用同样的标号绘出，并为简洁起见对此不作相应的描述。对于该光阑装置9，由于要使入射光通过两层电致变色元件2，四层透明电极5和6，S/N比可根据该公式（1）获得：[（8/1.4）²-1]×0.01×0.9⁴/1×（1²×0.9⁴）＝0.0032。

可以看出，对于光阑装置9，由六层组成，其中两层电致变色元件2，四层透明电极5、6，在光阑开度最小时，从与透明电极5b、5c和5d对齐的环形光阻断区域漏出的光量是光阑装置1的1/100。结果大大改善了光阻断特性，同时也可满足对照相机或类似物的摄象透镜***的光阑装置的在透明状态中光透射特性和光阻断状态中光阻断特性的要求。

然而，对于图9中所示的光阑装置9，通过上述的安排其光阻断特性改善了，其总厚度大致是图7和8中所示的光阑装置1的两倍，这样，由于光阑装置9这种厚度的增加，整个光学***的厚度变为近似于含有在图7和8中所示的光阑装置的光学***厚度的三倍。

另外，由于入射光必须通过四层透明电极5和6，在光通状态时透射光的光量大大降低了。例如，把具有极优透射比的铟-锡-氧化物（ITO）用作透明电极的材料，由于该透明电极的光吸收，经每层透明电极，光透射比率约下降10%，因此整个光阑装置9的光透射比在其总量中占较高值（1-0.1）⁴＝0.66。

因此本发明的一个目的是提供一种光阑装置，在该装置中在透明状态和光阻断状态期间分别保持足够大的透射比和高的光阻断特性，并且其具有小的尺寸有利于在摄象透镜***中使用。

一方面，本发明提供一种其中装有与第一组透明电极和第二组透明电极在一起的电致变色元件的光阑装置，该元件的光透射特性随施加其两端的电压而变化。第一和第二组各有多个透明电极的同心阵列。将第一组透明电极和第二组透明电极安置在电致变色元件的两侧。将对第一和第二组透明电极起反电极作用的第三电极安置在第一和第二组透明电极的最外层周边上。

第二方面，本发明提供一种用在光学***中的其中装有与第一组透明电极和第二组透明电极在一起的电致变色元件的光阑装置，该元件的光透射特性随施加其两端的电压而变化。第一和第二组各有多个透明电极的同心阵列。将第一组透明电极和第二组透明电极安置在电致变色元件的两侧。将对第一和第二组透明电极起相反电极作用的第三电极安置在该光学***有效直径之外的第一和第二组透明电极的最外层周边上。该反电极沿光轴弯曲并且最好相对于第一和第二组透明电极与光轴平行。

如果顺序地对安置在电致变色元件两侧的第一和第二组透明电极和安置来作为其反电极的第三电极施加电压，在电致变色元件的前、后表面形成光阻断层，从而在光阻断状态下无需增加光阑装置的厚度即可保持足够的光阻断特性。

既然第一和第二组透明电极每组都由多个同心排列的透明电极组成，为实现光阑效应，从最外层透明电极开始，顺序对这些透明电极施加电压使入射光的光透射直径逐渐变小。

由于将安置在电致变色元件两侧以便对第一和第二组透明电极起反电极作用的第三电极安置在摄象透镜***的有效直径之外，从而可避免镜筒尺寸的增大。另外，将反电极弯曲成与光轴平行进一步避免了镜筒直径的增大。

根据本发明，将每组由多个同心安置的透明电极组成的第一和第二组透明电极安置在电致变色元件的前、后表面，将起反电极作用的第三电极安置在第一和第二组透明电极的最外层周边上。从最外层透明电极开始，顺序将电压施加于第三电极和第一及第二组透明电极，以顺序形成同心的光阻断层，从而获得逐渐减小入射光直径的效果。另外，整个厚度没有增加，而在光阑（light  stop）状态下可保持足够的光阻断特性。

另一方面，将第一和第二组透明电极安置在电致变色元件的前、后表面上，而将对第一和第二组透明电极起反电极作用的第三电极安置在光学***有效直径之外，这样可实现小型高性能的摄象透镜***而不增大镜筒的直径或长度。

还有，通过在与光轴平行的方向上弯曲第三电极，该电极对第一和第二组透明电极起反电极作用以控制入射光的透射直径，镜筒的直径还可进一步减小。本发明的光阑最好可与前可变光阑型摄象透镜***联用，在该***中将光阑装置安置在前透镜组之前面。

图1是根据本发明第一个实施例的光阑装置的纵向截面图。

图2是图1所示光阑装置的前视图。

图3是示出具有在图1中所示的光阑装置的摄象透镜***的部件分解示意侧视图。

图4是根据本发明第二个实施例的光阑装置的纵向截面图。

图5是具有在图4中所示光阑装置的摄象透镜***的部件分解示意侧视图。

图6是具有本发明第三实施例的光阑装置的前可变光阑型摄象透镜***的示意性侧视图。

图7是传统光阑装置的前视图。

图8是其纵向截面图。

图9是另一个传统光阑装置的纵向截面图。

参照诸附图，详细说明本发明的最佳实施例。光阑装置10包括电致变色元件11，如图1和2所示，该元件由溶解在无水溶剂例如甲醇中的碘化银和碘化钠组成。电致变色元件11通过***垫圈13被封装在一对透明玻璃基体12A和12B之间。

在玻璃基体12A和12B的相对内表面上，有由多个同心安置的透明电极14a至14d构成的第一组透明电极14，有类似地由多个同心安置的透明电极15a到15d构成的第二组透明电极15，将环形第三透明电极16A和16B同心地安置在第一和第二透明电极组14和15的最外层周边上。换句话说，第一组透明电极14和第三透明电极16A被安置成与电致变色元件11的前表面相接触，而第二组透明电极15和另一透明电极16B被安置成与电致变色元件11的后表面相接触。

第一组透明电极14、第二组透明电极15和第三透明电极16A和16B都是通过在玻璃基体12A和12B的内侧表面上涂敷透明导电膏或定形印制透明导电膏或定形印制透明导电膜而形成的。虽然为简化图示起见在图1和2中没有精确示出，但第一组透明电极14的透明电极14a到14d的表面积之和约等于第三透明电极16A的表面积，而第二组透明电极15的透明电极15a到15d的表面积之和约等于第三透明电极16B的表面积。

第三透明电极16A和16B分别构成第一组透明电极14和第二组透明电极15的反电极。即在各种光学元件中，其光透射特性被所施加的电压所改变，诸如液晶装置，该装置分子的排列被均匀施加在电极上的电场所改变，从而其光通特性被改变。这样将电极安置成使液晶装置夹在其间。

相反，对于电致变色元件，通过在电极和面向其的电致变色元件之间交换电荷来改变光透射特性，因此电场的取向或是否均匀无关紧要。换句话说，可以将控制电致变色元件11的光透射特性的透明电极14、15和16安置在所希望的任意位置。因此，就本发明的第一方面而言，根据上述的电致变色元件的特征，将作为反电极的第三透明电极16A、16B安置在第一组透明电极14和第二组透明电极15的最外层周边上。

将第一组透明电极14的透明电极14b、14c、14d与作为其中心的最内层透明电极14a同心地安置。同时将第二组透明电极15的透明电极15b，15c，15d同作为其中心最内层透明电极15a同心地安置。这样，电极组14、15充当控制入射光透射孔径直径的电极。另一方面，最外层第三透明电极16充当第一和第二透明电极组14、15的共同反电极。本发明的第二方面，如后面将要说明的，将第三透明电极16安置在光学***有效直径D之外。

如图2所示，部分地将第一组透明电极14、第二组透明电极15和第三透明电极16导出玻璃基体12的外周边并与端子17a到17d、18a到18d和19a、19b相连，这些端子适合于将电压施加到这些透明电极。即，透明电极14a到14d分别与端子17a到17d相连接，透明电极15a到15d分别与端子18a到18d相连接，第三透明电极16A和16B分别与端子19a和19b相连接。同时，将端子17至19连接到电压施加装置（未示出）上。

第一组的透明电极14a到14d和第二组的透明电极15a到15d保持各自相等的电势值。如果通过电压施加装置（未示出）对端子17，18和19施加电压，溶解在无水溶剂中的银析出并沉积在透明电极14a到14d和15a到15d的表面上，致使与这些透明电极14a到14d和15a到15d对齐的光阑装置10的环形固定区域从透明状态变为光阻断状态。结果，如果对第三透明电极16施加电压，同时以从最外层透明电极14d、15d到最内层透明电极14a、15a的进行顺序对透明电极14和15施加电压，透明区域逐渐变窄以控制入射光的透射孔径直径。对于上述光阑装置10，在光阑装置10孔径最大时的F数设置为1.4，这时所有第一组透明电极14的透明电极14a到14d和第二组透明电极15的透明电极15a到15d是透明的，而在光阑装置10孔径最小时F数设置为8，这时只有最内层透明电极14a15a是透明的。另一方面，在光透射状态和光阻断状态下，分别将电致变色元件11的透射比设置为100%和1%，而透明电极的透射比假设为每层减少10%。

对于这些考虑到的预定值，由于光阑装置10是具有分别固定在电致变色元件11前、后表面上的第一组透明电极14和第二组透明电极15的双层结构，入射光的透射比为（1-0.1）²＝0.9²。结果，在光阑装置10孔径最小时从光阻断区域漏出的光量与通过透明区域的光量的比率，即S/N之比可从下式计算出：

（从与透明电极14b-15b，14c-15c和14d-15d对齐的区域漏出的光量）/（从与透明电极14a-15a对齐的区域透射的光量）＝（与透明电极14b-15b、14c-15c和14d-15d对齐的区域的表面大小）×（透射比）/（与透明电极14a-15a对齐的区域的表面大小）×（透射比）。

将上面预定值代入上式，[（8/1.4）²-1]×（0.01）²×（0.9）²/[1²×（0.9）²]＝0.0032。这样S/N比具有与四层光阑装置8的S/N比相等的值，以致于显然能保持足以作为照相机的光阑装置的光阻断特性。另一方面，对于含有两层透明电极的光阑装置10入射光的透射比下降为（0.9）²＝0.81，以致于与上述的具有四层透明电极的光阑装置8相比，光量增加了23%。

上述的光阑装置10是装在如图3所示的摄象透镜***20内的。该摄象透镜***20包括（从前边起）前透镜组22，变焦组23（Varietur），光阑装置10，由一固定透镜和一组可动透镜构成的内调焦组24，由IR吸收玻璃构成的低通滤光片25，CCD盖玻璃和表面平行面板，以及CCD传感器26。

这样从前组透镜22入射到摄象透镜***20上的入射光通过变焦组23导入光阑装置10。用以通过光阑装置10控制入射光透射孔径直径的控制损伤是这样进行的：将基于透射过光阑装置10，低通滤光片25和CCD传感器26的光量的CCD传感器26的A/D转换器数字输出供给第三透明电极16，并通过一个编码器从较外层周边开始进行到较内周边供给第一组透明电极14的端子和第二组透明电极15的端子。

要注意光阑装置10有与在图7和8中所示的传统光阑装置1相等的厚度，有单个电致变色元件和两层透明电极，以致于安置在光阑装置10前、后的变焦组23或内调焦组24的透镜间的距离没有增大，于是摄象透镜***20的整个长度或前透镜直径均可保持与传统的摄象透镜***的相等。

另一方面，由于将该光阑装置10的第三透明电极16安置在摄象透镜***的有效直径D之外，光阑装置10与传统的光阑装置相比直径较大。然而，如从图3可见，直径增大的光阑装置10没有超出前组透镜22的投影尺寸之外，因而无镜筒直径增大的风险。尽管如此，可以制出具有尺寸紧凑的呈现高的入射光透射比和优良的光阻断特性的摄象透镜***20。

图4示出根据本发明一个改型实施例的光阑装置30。类似前一个实施例的光阑装置10，光阑装置30包括一个被一对透明基体32A、32B和垫圈33包围的电致变色元件31，分别同心安置在电致变色元件31两表面上的第一组（34）透明电极34a到34d和第二组（35）透明电极35a到35d，以及分别安置在第一组透明电极34和第二组透明电极35较外周边上的第三透明电极36A、36B。这样光阑装置30有与前一个实施例的光阑装置10相同的基本结构。

同时，前一个实施例的光阑装置10的电致变色元件11是被玻璃基体12A、12B所包围，而在本实施例中透明基体32A，32B是由考虑到其优良的可加工性的透明合成树脂形成的，诸如PMMA。

对于上述的光阑装置30，将第三透明电极36安置在光学***有效直径D′之外，同时将其弯曲成与透镜***的光轴平行，致使光阑装置30呈现一个U形截面轮廓，（如在后面将说明的）。这样本光阑装置的光学特性，诸如光透射比或光阻断特性都自然地与前面所述的光阑装置10的相同。

将光阑装置30装入如图5所示的摄象装置40中。摄象透镜***40的结构，除光阑装置30以外，均与图3所示的摄象透镜***20一样，用同样标号代表其部件或元件，因此为简洁起见这里不作相应的描述。

对于上述光阑装置30将构成第一组透明电极34和第二组透明电极35的反电极的第三透明电极36与光轴平行地向前弯曲，致使界定了具有宽度对应于摄象透镜***有效直径D′的空间H朝向前组透镜22，（如图5所示）。通过利用光阑装置30的空间H作为构成所谓Varietur的变焦部件23的移动范围，可使摄象透镜***40在纵向尺寸上变得紧凑。光阑装置30在径向尺寸上也是紧凑的，为进一步减小镜筒尺寸可将摄象透镜***的其它组件安置在光阑装置30附近。

图6示出一个所谓的前置可变光阑型摄象透镜***50，它具有安置在前透镜51前面的光阑装置52。由于在本前置可变光阑型摄象透镜***50中将光阑装置52安置在前透镜51前面，故该摄象透镜***50的厚度由光阑装置52的外径来确定。

光阑装置52具有与前面第二个实施例的光阑装置30相同的基本结构，因此这里为简洁起见不作详细描述。总之，构成第一组透明电极54和第二组透明电极55的反电极的第三透明电极56被弯曲成与光轴平行，因此整个光阑装置52呈现帽状形态。

光阑装置52的内径，换句话说，摄象透镜***的有效直径近似等于镜筒57的外径，因此可将光阑装置52固定在靠近前透镜51的镜筒57的孔径外。具有固定在其中的光阑装置52的摄象透镜***50口径较小、尺寸紧凑，同时光透镜比及光阻断特性优良。

虽然在上述实施例中是以同心环的方式安置第一组透明电极和第二组透明电极，但也可以同心菱形或椭园形方式安置它们。相互面对的第一组透明电极和第二组透明电极可安置成具有不干扰光阻挡特性的偏离。相对于第一组透明电极和第二级透明电极构成反电极的第三电极安置在光学***有效直径之外，于是对使用透明电极作为这些第三电极没有特别要求。

Claims (4)

1、一种光阑装置，它包括：

其光透射特性随施加于其两端的电压变化的电致变色元件，

每组具有多个透明电极的同心阵列的第一组透明电极和第二组透明电极，所述第一组透明电极和第二组透明电极安置在所述电致变色元件的两侧，以及

对所述第一组透明电极和第二组透明电极构成反电极的第三电极，所述第三电极安置在所述第一组透明电极和第二组透明电极的最外层周边上。

2、一种用于光学***中的光阑装置，它包括：

其光透射特性随施加于其两端的电压而变化的电致变色元件，

各有多个透明电极的同心阵列的第一组透明电极和第二组透明电极，所述第一组透明电极和第二组透明电极安置在光学***有效直径内的所述电致变色元件两侧，以及

对所述第一组透明电极和第二组透明电极构成反电极的第三电极，所述第三电极安置在所述第一组透明电极和第二组透明电极最外层周边上，该光学***有效直径之外。

3、如权利要求2的用于光学***中的光阑装置，其特征在于：将安置在该光学***有效直径以外对所述第一组透明电极和第二组透明电极形成反电极的第三电极相对于所述第一组透明电极和第二组透明电极沿该光学***的光轴弯折。

4、如权利要求3所述用于光学***中的光阑装置，其特征在于：将安置在该光学***有效直径之外的第三电极相对于所述第一组透明电极和第二组透明电极弯折成与该光学***的光轴平行。

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