CN100399064C - 光器件 - Google Patents

Abstract

一种光器件，包括：一个密封容器，它具有在容器的厚度方向上彼此面对的端壁，以及一个与所述两个端壁均相连的侧壁；第一液体，具有极性或导电性，此第一液体被密封在该容器中；第二液体，被密封在该容器中，且不与所述第一液体相混合；以及一个电压施加单元，用于在所述第一液体上施加一个电压。所述第一液体与第二液体具有相同的比重，且第一液体的透光度低于第二液体的透光度。所述第一液体和第二液体之间的界面根据所述电压施加单元所施加的电压改变形状。形成一条穿过所述端壁、在该容器厚度方向上延伸的光传输路径。

Description

光器件

技术领域

本发明涉及一种光器件。

背景技术

所申请的是一种通过电毛细作用(电浸润)调整透光量的光器件(如：见日本专利申请刊物No.2001-228307)。

如图12A所示，该光器件10包括：一个密封容器16，它的端壁12在该容器16的厚度方向上彼此相对；连接这两个端壁12的侧壁14；具有极性或导电性的第一液体20，其被密封在该容器16中；以及第二液体22，其被密封在该容器16中，且比所述第一液体具有更高的透光度。

具有彼此不混合特性的液体被用作所述第一液体20和第二液体22，且被用作所述第一液体20和第二液体22的液体还具有相同的比重，这样，只有当所述第一液体20和第二液体22被密封在容器16中而没入混合空气或诸如此类的东西时，即使该容器旋转或受到振动，也能保持只有所述第一液体20和第二液体22被密封在容器16中的初始状态，且保持界面24与端壁12大致平行的状态。

该图中的附图标记28是一个电极，用于在所述第一液体20上施加一个电压，附图标记30是覆盖该电极28的一个绝缘膜。

通过用上述电极28在所述第一液体20上施加一个电压，所述第一液体20和第二液体22之间的界面24的形状会因电毛细作用而在图12A的实线和虚线所示的间隙之间进行变化，并因此，构成一条穿过所述端壁12并沿该容器16的厚度方向延伸的光传输路径18。

尤其是，在没有施加电压的状态中，通过使所述第一液体20沿垂直于光传输的方向在整个区域内延伸(如图12A中的实线所示)，使光传输受到阻止或抑制，且随着所施加电压的升高，使所述第二液体22与所述两个端壁12进行接触从而构成传输路径18(如图12A中的虚线所示)，并通过调整所施加的电压来调整传输路经18的尺寸，从而增加或减少所述第二液体22和所述端壁12之一之间的接触区域。

发明内容

在相关技术的这种光器件10中，在所述侧壁14的内侧形成一层用于使第一和第二液体20和22平滑移动的防水膜26。在第一液体20和该防水膜26之间形成的接触角θ由这两者的特性确定，且该接触角θ小于90度。

如图12B所示，随着所述光器件10在沿着光传输方向上的尺寸(其厚度方向上的尺寸)被减小，当在没有施加电压的状态下由于所述第一液体20沿垂直于光传输的方向在整个区域内延伸而可能阻挡所述光传输路径18时，就可能出现以下的情况，即在被施加某电压的状态下，由于所述第二液体22只能接触端壁12之一而不能形成所述光传输路径18，如图12C所示。

这种情况是由于：所述第一液体20和防水膜26之间形成的接触角θ的值小于90度，且界面24在厚度方向上形成一个从所述第一液体20向第二液体22弯曲的凸型曲面(包括球型面)。

因此，通常，所述靠电毛细作用(电浸润)来调整透光量的光器件10在光传输方向上的尺寸(在厚度方向上的尺寸)小型化方面有一个限制。

另一方面，装有这种光器件10的成像装置的小型化是值得追求的，且如何实现所述光器件10在光传输方向上的尺寸(其厚度方向上的尺寸)小型化将成为一个重要的问题。

本发明正是鉴于这种环境做出的，并寻求提供一种有利于推进小型化的光器件。

根据本发明的一个实施方案提供的一种光器件包括：一个具有端壁和一个侧壁的密封容器，端壁在容器的厚度方向上彼此面对，侧壁与两个端壁均相连；第一液体，具有极性或导电性，此第一液体被密封在该容器中；第二液体，被密封在该容器中，且不与所述第一液体相混合；以及一个电压施加单元，用于在所述第一液体上施加一个电压。所述第一液体与第二液体具有相同的比重，且第一液体的透光度低于第二液体的透光度。而且，所述第一液体和第二液体之间的界面会根据所述电压施加单元所施加的电压而改变形状。另外，形成一条穿过所述端壁、在该容器厚度方向上延伸的光传输路径。而且，在侧壁内侧的对应于所述第一液体的部分上形成一层亲水膜，这层亲水膜相对于第一液体的浸润性高于它相对于第二液体的浸润性。另外，在侧壁内侧的对应于所述第二液体的部分上形成一层防水膜，这层防水膜相对于第二液体的浸润性高于它相对于第一液体的浸润性。

根据本发明，当没有施加电压时，在所述第一和第二液体之间的界面是平的。因此，即使缩小该光器件在光传输方向上的尺寸，在施加电压的状态下，它也可能可靠地使所述第二液体与所述两个端壁均接触，而不象相关技术中的光器件那样。

因此，就可能在施加电压的状态下可靠地形成一条光传输路径，且因此有助于获得更小更薄的光器件。

附图说明

图1为一剖面图，表示本发明一个实施方案中光器件的配置；

图2A和2B所示为电毛细作用的原理，其中，图2A所示为施加电压前的状态，图2B所示为施加电压后的状态；

图3所示为没有在光器件上施加电压的状态；

图4所示为在光器件上施加第一电压E1的状态；

图5所示为在光器件上施加一个其值大于第一电压E1的第二电压E2的状态；

图6所示为在光器件上施加一个其值大于第二电压E2的第三电压E3的状态；

图7为一线图，表示纯水和乙醇的混合比例及其比重和折射率特性；

图8为一线图，表示纯水和乙二醇的混合比例及其比重和折射率特性；

图9为表示纯水、乙醇和乙二醇的比重和折射率的图形；

图10为表示各种液体的比重和折射率的图形；

图11为一表格，表示使用的各种液体的比重和折射率的值；以及

图12A、12B和12C表示相关技术的光器件的配置，其中，图12A所示的配置图中，保证容器有充足的厚度，图12B所示的图中，表示容器在厚度方向上的尺寸减少的情况下光传输路径受到阻挡的状态，以及图12C所示的图中，表示容器在厚度方向上的尺寸减少的情况下不能形成光传输路径的状态。

具体实施方式

通过在所述容器侧壁的内表面的对应于第一液体的部分上形成一层亲水膜，以及通过在该容器的所述侧壁的内表面的对应于第二液体的部分上形成一层防水膜，来解决上面所讨论的问题。

下面将参照附图阐述本发明的实施方案。

首先，讨论本发明的这种光器件所使用的电毛细作用(电浸润)的原理。

图2A和2B示出电毛细作用的原理。图2A所示为施加电压前的状态，而图2B所示为施加电压后的状态。

如图2A所示，在基片1的表面上形成第一电极2，并在该电极2的表面上形成绝缘膜3。

在该绝缘膜3的表面上放置具有极性或导电性的第一液体4，且第二电极5与该第一液体4电连接。

如图2A所示，在第一电极2和第二电极5上没有施加电压的状态中，所述第一液体4的表面由于表面张力形成一个向上拱起的近似球形。在这点上，所述绝缘膜3表面和第一液体4与该绝缘膜3相接触处的液体表面之间形成的角度θ，换句话说，接触角θ被记作θ0。

然而，如图2B所示，当在第一电极2和第二电极5上施加电压E时，由于在所述绝缘膜3的表面上发生例如正电荷的聚积，所以电场(静电力)便作用于构成第一液体4的粒子。因此，构成第一液体4的粒子受到吸引，所述第一液体4相对于绝缘膜3的浸润性提高，且接触角θ变为θ1，它小于θ0。而且，该接触角θ随电压值E的升高而变小。

这被称为电毛细作用。

下面将说明本实施方案的光器件40。

图1所示为本实施方案中的光器件40的配置剖面图。

如图1所示，所述光器件40包括：容器42、第一液体44、第二液体46和一个电压施加单元。

容器42包括：在该容器42的厚度方向上彼此相对的端壁4202，一个与这两个端壁4202均相连的侧壁4204，以及一个被这些端壁4202和侧壁4204所密封的容器空间42A。

在本实施方案中，所述端壁4202采用盘状板的形式，侧壁4204采用外径与所述端壁4202外径相同的空心圆柱的形式，且容器空间42A采用扁圆柱的形式。

另外，所述端壁4202和侧壁4204用绝缘材料制成，且该端壁4202用透明材料制成，以允许光透过。

如：透明并具有绝缘特性的合成树脂材料，或透明玻璃材料可以用来作为所述端壁4202的材料。

在所述侧壁4204的内侧上以一个空心圆柱的形式形成一个沿该侧壁4204整个圆周延伸的第一电极48(负电极)，且在该电极48内侧的整个圆周上以一个空心圆柱的形式形成绝缘膜50以覆盖该第一电极48的全部。

在这两个端壁4204之一的内表面上的某个位置上并向其外圆周形成第二电极52(正电极)，该电极以与此端壁4204同心的环的形式延伸。所述第二电极52在容器空间42A中裸露它的部分内圆周，且该第二电极52用所述绝缘膜50与第一电极48进行绝缘。

在这两个端壁4204之一的内表面上的某个位置上和覆盖所述第二电极50内的全部区域，形成一层能透光的透明亲水膜54。这层亲水膜54这样形成：其相对于所述第一液体44的浸润性高于它相对于第二液体46的浸润性。

在所述容器42的外部提供一个具有可变输出电压的电源56。该电源56的负电压输出端与第一电极48电相连，且该电源56的正电压输出端与第二电极52电相连。

在本实施方案中，上述电压施加单元可以包括所述第一电极48、第二电极52和电源56。

所述第一液体44具有极性或导电性，并被密封在容器42中。

所述第二液体46不与第一液体44混合，并被密封在容器42中。

另外，所述第一液体44与第二液体46具有相同的比重，且第一液体44的透光度低于第二液体46的透光度。

后面将对第一液体44和第二液体46进行详细说明。

在所述侧壁4204内侧的对应于第一液体44的部分上形成一层亲水膜58，并在该侧壁4204内侧的对应于第二液体46的部分上形成一层防水膜60。

所述亲水膜58这样设置：它相对于所述第一液体44的浸润性高于它相对于第二液体46的浸润性。换句话说，这样设置亲水膜58：所述第一液体44相对于该亲水膜58的接触角应小于第二液体46相对于该亲水膜58的接触角。

例如，可以通过在所述侧壁4204的内表面加上亲水聚合物或表面活性剂来形成该亲水膜58，且对此有多种已知材料可以使用。

所述防水膜60这样设置：它相对于所述第二液体46的浸润性高于它相对于第一液体44的浸润性。换句话说，这样设置所述防水膜60：所述第二液体46相对于该防水膜60的接触角应小于第一液体44相对于该防水膜60的接触角。

例如，可以通过在所述侧壁4204的内表面加上氟化物混合物的防水剂及其类似物来形成该防水膜60，且对此有多种已知材料可以使用。

首先，在容器42的容器空间42A中和提供有防水膜60一侧的所述端壁4202上注入所述第二液体46，这样，其液位便处于该防水膜60的上沿。然后，在其上将所述第一液体44注入，并通过除去内部的空气来将第二液体46和第一液体44密封在该容器空间42A中。

这样，处在所述第一液体44所在的端壁4202内表面的整个外圆周上的第一液体44的整个区域通过与其接触电地与第二电极52相连，且处在所述容器空间42A的整个外圆周上的第一液体44的整个区域面对着第一电极48，在它们之间有绝缘膜50、所述亲水膜58和防水膜60。

因此，当通过所述电源56在第一电极48和第二电极52上加上一个电压时，便有一个电压加在所述第一液体44上。

下面将说明该光器件40的操作。

图3所示为在所述光器件40上没有施加电压的状态，图4所示为在所述光器件40上施加第一电压E1的状态，图5所示为在所述光器件40上施加一个其值高于第一电压E1的第二电压E2的状态，以及图6所示为在所述光器件40上施加一个其值高于第二电压E2的第三电压E3的状态。

在所述电源56没有电压加在所述第一电极48和第二电极52上(E＝0)的状态中，如图3所示，所述容器空间42A的整个外圆周处的第一液体44的整个区域与亲水膜58的表面接触，其接触角为90度，所述容器空间42A的整个外圆周处的第二液体46的整个区域与防水膜60的表面接触，其接触角为90度。

这样，在所述第一液体44和第二液体46之间形成的界面62为一平面。

在这点上，由于所述第一液体44延伸到垂直于光传输的方向上的整个区域，所以在所述容器42的厚度方向上传播的光受到阻挡。

当所述电源56在第一电极48和第二电极52上施加第一电压E1时(其中E1＞0V)，如图4所示，由于电毛细作用，所述界面62的形状就会变成一个从所述第二液体46指向第一液体44的向外弯曲的凸型曲面(球面)，这样，界面62的中心现在靠近于其中一个端壁4202。换句话说，第一液体44的厚度在该中心处最小，且从该中心向所述容器空间42A的外圆周移动得越远，其厚度变得越大(越厚)。

在这点上，所述第一液体44相对于防水膜60的接触角小于90度，且在侧壁4204(防水膜60)处，第一液体44沿该侧壁4204进入第二液体46。

当所述电源56在第一电极48和第二电极52上施加一个其值大于第一电压E1的第二电压E2时(其中E2＞E1)，如图5所示，所述界面62的凸型曲面(球面)的坡度变大，且该界面62的中心达到其中一个端壁4202(亲水膜54)。

结果，所述第一液体44在与界面62接触的端壁4202(亲水膜54)上消失，在容器区域42A的中心(这两个端壁4202的中心)形成一个只有第二液体46存在的区域64，且利用该区域64形成一条穿过所述端壁4202并沿该容器42的厚度方向延伸的光传输路径66。

当所述电源56在第一电极48和第二电极52上施加一个其值大于第二电压E2的第三电压E 3时(其中E3＞E2)，如图6所示，所述界面62的凸型曲面(球面)的坡度变得更大。

在容器区域42A的中心(这两个端壁4202的中心)形成的只有第二液体46存在的区域64的直径加大，且所述光传输路径66的直径加大。

这样，通过调整所述电源56加在第一电极48和第二电极52上的电压，便可能加大或缩小只有第二液体46存在的区域64的直径，且可能执行加大或缩小所述光传输路径66的直径的孔径操作。

根据本实施方案，当没有施加电压时，所述第一液体44相对于亲水膜58和相对于防水膜60的接触角θ为90度，所述第二液体46相对于亲水膜46和相对于防水膜58的接触角为90度，且所述界面62为一平面。因此，与常规光器件不同，即使缩小光器件40在光传输方向上的尺寸(其厚度方向上的尺寸)，也可能使所述第二液体46在有电压施加的状态下可靠地与这两个端壁4202均接触。

因此，在有电压施加的状态下能可靠形成所述光传输路径66，且这有助于获得更薄的器件。

通常，如果所述第一和第二液体44和64之间的界面62呈现一种从第一液体44向第二液体46弯曲的凹曲面形状(见图12A)，则出现第二液体46存在于第一液体44和第一电极48之间的情况，这样，由于经第一电极48施加的电压受到第二液体46的妨碍，因此在第一液体44上施加电压就变得更加困难，在第一液体44中不能可靠地产生电毛细作用，且这不利于稳定孔径操作。

相反，在本实施方案中，由于所述第一和第二液体44和46之间的界面62为一平面，所以在第一液体44和第一电极48之间绝对不存在第二液体46。这样，经所述第一电极48施加的电压被加在第一液体44上，而不受第二液体46的妨碍，因此，在第一液体44中能可靠地产生电毛细作用，且这有利于稳定孔径操作。

另外，由于所述防水膜60在侧壁4204的对应于第二液体46的部分上形成，所以如果第一液体44到达该防水膜60的位置，则第一液体44的表面平滑地在该防水膜60上移动，且这有助于快速的孔径操作。

另外，由于所述亲水膜54在第一液体44那一侧的端壁4202上形成，所以该亲水膜54相对于第一液体44非常容易被浸湿。这样，当所述第二液体46在与端壁4202接触后从第一液体44这一侧的端壁4204离开时，脱离所述亲水膜54对于第二液体46来说很容易，且这有助于快速的孔径操作。

下面将说明本实施方案中使用的第一液体44和第二液体46。

通过混合三种液体来获得第一液体44，它们各自具有互不相同的比重和折射率，且本发明者发现了这样的事实：通过改变这三种液体的混合比例，所述第一液体44的比重和折射率能在大范围内变化。

作为实施例，将首先说明通过混合两种液体获得第一液体44的情况。

通过混合作为这两种液体的纯水和乙醇将获得所述第一液体44，且它们的混合比例将被改变。

如图7所示，随着这些液体的混合比例被改变，所述第一液体44的比重和折射率以线性或曲线变化。

另外，通过混合作为这两种液体的纯水和乙二醇将获得所述第一液体44，且它们的混合比例将被改变。

如图8所示，随着这些液体的混合比例被改变，所述第一液体44的比重和折射率以线性或曲线变化。

注意：纯水的比重和折射率分别为1.0和1.33，乙醇的比重和折射率分别为0.789和1.361，乙二醇的比重和折射率分别为1.113和1.430。

与上述实施例不同，下面将通过混合三种液体来获得所述第一液体44，并改变它们的混合比例。

作为实施例，通过混合作为这三种液体的纯水、乙醇和乙二醇来获得所述第一液体44，并改变它们的混合比例。

如图9所示，通过改变纯水、乙醇和乙二醇的混合比例，便可能使该第一液体44的比重和折射率在大范围R内变化，该范围通过连接纯水、乙醇和乙二醇的三个坐标获得。

另一方面，在图9中示出各种商用的硅油的比重和折射率的坐标。

因此，落在三角区域R中的商用的硅油可以用作所述第二液体46，并通过混合水、乙醇和乙二醇且令其比重和折射率等于上述硅油来获得的第一液体44可以被使用。

在本实施方案中，通过在纯水、乙醇和乙二醇的混合物中溶解碳黑形成第一液体44，其具有黑色，这种构成使其仅用大约0.1mm的厚度就能挡住光线，并有利于获得更薄的光器件。

通过使所述第一液体44的折射率与第二液体46的折射率相等，便能防止在所述界面62处发生透镜效应，且这有利于提高孔径操作的可靠性。

另外，通过在水中混合乙醇来形成第一液体44，能降低其冰点(熔点)，能防止在寒冷的气候中结冰，并使这种光器件40在寒冷的气候中使用成为可能。

在本实施方案中，乙醇的冰点是-114摄氏度，乙二醇的冰点是-13摄氏度，且所述第一液体44的冰点有可能保持在-40摄氏度或以下。

另外，在上述实施方案中，由于三种具有不同比重值的现有液体被混合并用作所述第一液体44，如图9中的区域R所示，所以在大范围中变化是可能的。

换句话说，当比重值不同的两种液体进行混合时，通过改变这两种液体的混合比例获得的第一液体44，其比重只能在连接这些液体坐标的线的范围中变化，如图9所示。

相反，三种液体混合时，所述第一液体44的比重可能在更大的三角区域R内变化，该区域通过连接纯水、乙醇和乙二醇的三个坐标获得。

这样，更容易使所述第一液体44的比重与第二液体46的比重相等，且更容易获得具有所需特性的光器件40。

而且，如图9所示，由于通过混合至少三种液体，如：纯水、乙醇和乙二醇来获得所述第一液体44，这些液体不仅具有不同的比重值，还具有不同的折射率，所以，在更容易使第一液体44的比重与第二液体46的比重相等时，也更容易使第一液体44的折射率与第二液体46的折射率相等，且因此有利于防止产生透镜效应。

另外，在上述实施方案中，说明了通过混合作为几种液体的纯水、乙醇和乙二醇来获得所述第一液体44的情况，但是，所使用的这几种液体不限于纯水、乙醇和乙二醇，而是也可以选择存在的多种现有的液体。

参照图10和图11将给出说明。

图10所示为多种液体的比重和折射率图，以及图11所示为所使用的各种液体的比重值和折射率值。

例如，图10所示，作为被使用的液体，可以考虑属于A组、B组、C组和D组的那些，且在A~D组中使用的液体的实际名称在图11中示出。

如图10中三角区域R1所示，通过在大的三角区域R1中改变这些液体的混合比例便可能改变比重和折射率，其中从A组中选择一种液体、从B组中选择另一种液体并从C组中选择再一种液体以作为三种液体，通过连接它们的坐标而获得该三角区域R1。

另外，如图10中三角区域R2所示，通过在大的三角区域R2中改变这些液体的混合比例便可能改变比重和折射率，其中从B组中选择一种液体、从C组中选择另一种液体并从D组中选择再一种液体以作为三种液体，通过连接它们的坐标而获得该三角区域R2。

换句话说，通过选择各种已知的液体和改变其混合比例，便可方便地改变比重和折射率。

应注意，用于所述第一液体的数量不限于三种，也可以使用四种或更多种液体。

另外，在上述实施方案中，描述的是通过混合几种分别具有不同比重和折射率的液体来形成比重等于第二液体46的第一液体44的情况，但还可能通过混合几种分别具有不同比重和折射率的液体来形成第二液体46，以使其比重与第一液体44的比重相等。

而且，在上述实施方案中，描述的是用单独的硅油作为所述第二液体46的情况，但是，可使用几种具有不同特性-如折射率和比重-的硅油，而且虽然可选择一种具有所需特性的硅油可作为第二液体46，但也可选择几种具有不同特性的硅油，改变它们的混合比例，并用它们来作为具有所需折射率和比重的第二液体46。

另外，在上述实施方案中，描述的是通过在所述第一液体44上施加一个DC电压产生电毛细作用的情况，但是，加在第一液体44上的电压不限于DC电压，只要在所述第一液体44中能够产生电毛细作用，就可以使用诸如AC电压、脉冲电压、步进波动电压的任何电压。

本文件要求于2005年3月8日在日本专利局提出的日本优先权文件JP 2005-063324的优先权，其全部内容在法律允许的程度内在这里被引用。

由于文中所揭示的发明在未脱离其精神和一般特征的情况下可以以其他特定形式实施，这些形式中的一些已经陈述过，文中所说明的实施方案在各方面应看作是示例性的并非限制性的。本发明的范围将通过所附权利要求书给出，而不是以上的描述，且应包括落在权利要求书的等同含义和范围中的所有变化。

Claims (4)

1.一种光器件，包括：

一个具有端壁和一个侧壁的密封容器，所述端壁在容器的厚度方向上彼此面对，所述侧壁与两个端壁均相连；

第一液体，其具有极性或导电性，此第一液体被密封在该容器中；

第二液体，其被密封在该容器中，且不与所述第一液体相混合；

电压施加单元，用于在所述第一液体上施加一个电压；其中

所述第一液体与第二液体具有相同的比重，且所述第一液体的透光度低于所述第二液体的透光度。

所述第一液体和所述第二液体之间的界面根据所述电压施加单元所施加的电压改变形状；

形成一条穿过所述端壁、沿该容器厚度方向延伸的光传输路径；

在所述侧壁内侧的对应于所述第一液体的部分上形成一层亲水膜，这层亲水膜相对于所述第一液体的浸润性高于它相对于所述第二液体的浸润性；

在所述侧壁内侧的对应于所述第二液体的部分上形成一层防水膜，这层防水膜相对于所述第二液体的浸润性高于它相对于所述第一液体的浸润性。

2.根据权利要求1的光器件，其中：

所述界面在垂直于该容器厚度方向的平面上形成；

所述亲水膜在所述侧壁内侧的对应于所述第一液体的部分上沿整个圆周被提供；以及

所述防水膜在所述侧壁内侧的对应于所述第二液体的部分上沿整个圆周被提供。

3.根据权利要求1的光器件，其中：

所述电压施加装置包括：第一电极，其在所述侧壁内侧的整个圆周上被提供；以及第二电极，其沿所述第一液体所在侧的端壁内侧的外圆周被提供；以及

提供所述亲水膜和所述防水膜以覆盖所述第一电极的表面。

4.根据权利要求1的光器件，其中：

所述电压施加装置包括：第一电极，其在所述侧壁内侧的整个圆周上被提供；以及第二电极，其沿所述第一液体所在侧的端壁内侧的外圆周被提供；

提供所述亲水膜和所述防水膜以覆盖所述第一电极的表面；

在所述第二电极的内部部分上和在所述第一液体所在侧的端壁内侧上形成另一亲水膜；以及

所述另一亲水膜相对于所述第一液体的浸润性高于它相对于所述第二液体的浸润性。

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