CN100405086C - 基于介质上电润湿的电控流体变焦透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于光学变焦透镜领域一种基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜。包括夹在透明基板和透明盖板之间的装有一个导电性或绝缘性或局部绝缘性圆环和两种流体的中空腔室；透明基板上依次覆盖具有特定图形的导电薄膜及疏水性绝缘介质膜；圆环底部表面具有亲水性，顶部和内外壁具有疏水性；圆环内壁的母线可以是具有任意倾斜角度的直线或曲线；圆环与基板、盖板相互平行，且与后两者具有一定的间距。本发明能够实现导电性或极性液体的自居中，具有工艺简单、成本低廉、结构灵活、无机械可动部件，变焦范围大、速度快、成像清晰，功耗很低的特点，在拍照手机、内窥镜等便携式光学系统中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学变焦透镜领域，特别涉及基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜。
背景技术
拍照手机已经成为目前消费类电子产品中销量最大的一种，然而，拍照手机所拍摄出来的图片质量离人们的期望还有很大距离。除了所使用的CMOS成像芯片像素较低外，拍照手机的另一个主要缺陷是采用了固定焦距的微小型透镜，因此造成光线采集和分辨能力都非常差。为了进一步提高成像质量，除了将CMOS成像芯片的像素从目前的数十万增加至百万量级外，采用具有微小型变焦透镜的光学系统是其发展的必然趋势。
变焦透镜是照相机、摄像机、显微镜、望远镜等许多光学系统中的关键元件。传统变焦镜头一般由两片或更多透镜组合而成，有些甚至还需结合棱镜等其它光学部件。它们通常是利用电机和齿轮等机械装置来调节透镜间的相对位置，从而实现变焦。由于存在机械可动部件，此类镜头变焦速度慢、价格昂贵、坚固性差，而且不易实现微小型化，所以它们不适用于拍照手机等便携式微小型光学系统。研发变焦范围大、速度快、失真度小、可靠性高且廉价的微型变焦透镜已经成为近几年国际上的研发热点。
现在已经提出了多种基于不同机制的微型变焦透镜结构，其中以利用介质上的电润湿效应(electrowetting on dielectric，EWOD)研发出的液体变焦透镜最引人注目。所谓EWOD是指利用固态疏水性介质层下面电极的电势来控制液体的表面张力，从而改变液体与介质层表面之间的接触角。与传统变焦透镜(调节透镜间的相对位置)的变焦方式不同，微型液体变焦透镜以微量透明液体为透镜的主体，利用EWOD改变液体的形状从而实现变焦的功能。这种通过改变液面曲率来实现变焦的透镜有很多优点：由于无机械可动部件，使其非常适用于对可靠性和耐用度要求高的场合；透镜结构紧凑小巧并且功耗很低，非常适用于内窥镜和拍照手机等便携设备；基于EWOD的流体变焦透镜的另一个突出优点是透镜性能随着尺寸的减小而提高，即尺寸越小，透镜变焦响应时间越短，透镜受重力及惯性的影响越小，焦距的可调范围更广。
目前有关基于EWOD的液体变焦透镜结构的报道如：
美国加利福尼亚大学的S.Kwon和Luke P.Lee于2001年在文献“S.Kwon，L.P.Lee.Focal Length Control By Microfabricated Planar Electrodes-Based LiquidLens(μPELL)[A].11th International Conference on Solid-State Sensors andActuators，Transducers’01，2001.”中提出了一种基于EWOD的微流体变焦透镜的原型，其特点是以空气与透明导电液滴间的半球形界面作为透镜，并采用电容耦合方式施加电压，避免了电极直接插入液滴中所造成的光学失真。但这种结构不具有光轴自居中特性，而且受重力影响严重，当器件倾斜或抖动时，会影响光轴位置。
2003年贝尔实验室和美国朗讯科技的T.Krupenkin等人在文献“T.Krupenkin，S.Yang，P.Mach.Tunable Liquid Microlens.Applied Physics Letters，2003，82(3)：316-31”中提出一种新的流体变焦透镜结构，其特点是将四个独立的控制电极对称式的制作在同一平面上，即可调节透镜纵向焦距，又可调节液体自身的横向位置，最终实现透镜焦点的三维可调性。
法国UMR光谱实验室与Varioptic公司的B.Berge等在文献“B.Berge，J.Peseux.Variable Focal Lens Controlled By an External Voltage：An Application ofElectrowetting.European Physical Journal E，2000，3(2)，159-163.”、“C.Gabay，B.Berge，G.Dovillaire，et al.Dynamic Study of A Varioptic Variable Focal Lens[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2002，4767：159-165”和“B.Berge.Liquid Lens Technology：Principle of Electrowetting BasedLenses and Applications to Imaging.18th IEEE International Conference on MicroElectro Mechanical Systems，MEMS 2005，2005，227-230”中、及荷兰飞利浦研究实验室的S.Kuiper在文献“S.Kuiper，B.H.W.Hendriks.Variable-Focus Liquid LensFor Miniature Cameras.Applied Physics Letters，2004，85(7)：1128-1130.”和“B.Hendriks，S.Kuiper.Through A Lens Sharply.IEEE Spectrum，2004，41(12)：20-24.”中，报导了他们所在实验室研发的液体变焦透镜已经达到了实用化水平。2004年Varioptic公司已经将其生产技术转让给韩国三星电子，2006年初正以月产量10万个的规模批量生产，计划在不远的将来实现共计100万个/月的生产规模，三星电子已经宣布在最新上市的拍照手机中安装了这种液体变焦透镜。Varioptic公司和飞利浦研究实验室研发的液体变焦透镜结构非常类似，它们都是采用由透明基板、导电性圆环和透明盖板组成的内部填满两种互不混溶液体的密闭结构，其中导电性圆环的底部与透明基板直接紧密接触，它的顶部和内壁与液体的接触区都覆盖有疏水性薄膜，而它的底部与外壁不与液体接触。二者在结构上的主要区别在于前者采用的是内壁为圆锥形的导电性圆环，而后者采用的是内壁为圆柱形的导电性圆环。
发明内容
本发明的目的在于提出基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜，所述电控变焦流体透镜是在透明基板和透明盖板之间装有一个圆环和两种互不混溶流体的中空腔室，其特征是圆环与基板、盖板相互平行，且圆环与基板、盖板之间各有间距；所述圆环具有导电性或绝缘性或局部绝缘性，其底部表面具有亲水性薄膜，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性薄膜。
所述间距为5微米～5毫米。
所述透明基板上依次覆盖导电薄膜及疏水性绝缘介质薄膜。所述疏水性绝缘介质薄膜是绝缘介质膜和疏水性材料薄膜的复合膜或是具有疏水性的单一材料的绝缘介质膜。
所述导电薄膜是氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜或金属铝(Al)薄膜。
所述圆环内壁的母线为具有任意倾斜角度的直线或曲线。
所述中空腔室和圆环内填充的两种互不混溶流体，其一是绝缘性液体或气体，其二是导电性或极性液体；具有不同的折射系数及相同或不同的密度，并且导电性或极性液体处于绝缘性流体的包围之中。
所述电控变焦流体透镜，其主体结构为在透明基板和透明盖板之间的装有一个导电性圆环和两种耳不混溶流体的中空腔室；其四种结构分别是，
a.导电性圆环的底部表面具有亲水性，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；
b.局部绝缘性圆环的底部表面覆盖有导电薄膜并进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；
c.局部绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；圆环的内侧壁依次覆盖有导电薄膜及疏水性薄膜；
d.绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；
本发明的有益效果是利用圆环底部的亲水性表面钉扎住圆环与基板间的导电性或极性液体，通过控制圆环上的局部电极与疏水性基板电极间的电压或通过控制疏水性基板上电极间的电压，改变导电性或极性液体与疏水性基板表面间的接触角，引起圆环内两种流体交界面的曲率及位置发生变化，从而实现变焦透镜的功能。上述结构能够实现流体透镜内导电液体的自居中，具有工艺简单、成本低、结构灵活、变焦速度快、范围广，成像清晰、功耗小的特点。
附图说明
图1为基于介质上电润湿的流体变焦透镜的一个实例的结构示意图。
图2为基于介质上电润湿的流体变焦透镜的另一个实例的结构示意图。
图3为基于介质上电润湿的流体变焦透镜的第3个实例的结构示意图。
图4为第3个实例中透明电极的俯视图。
图5为基于介质上电润湿的流体变焦透镜的第4个实例的结构示意图。
图6为第4个实例中非透明电极的俯视图。
图7为基于介质上电润湿的流体变焦透镜的第5个实例的结构示意图。
图8为本实施例的变焦透镜成像效果图。
具体实施方式
本发明提出基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜。其结构是在透明基板和透明盖板之间为装有一个圆环和两种流体的中空腔室，圆环与基板、盖板相互平行，且圆环与基板、盖板之间各有间距。
上述电控变焦流体透镜包括四种实现方案：
a.在透明基板和透明盖板之间的装有一个导电性圆环和两种流体的中空腔室；导电性圆环的底部表面具有亲水性，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性。
b.在透明基板和透明盖板之间的装有一个局部绝缘性圆环和和两种流体的中空腔室；局部绝缘性圆环的底部表面覆盖有导电薄膜并进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性。
c.在透明基板和透明盖板之间的装有一个局部绝缘性圆环和两种流体的中空腔室；局部绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；圆环的内侧壁依次覆盖有导电薄膜及疏水性薄膜。
d.在透明基板和透明盖板之间的装有一个绝缘性圆环和两种流体的中空腔室；绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性。
本发明上述的透明基板上依次覆盖具有特定图形的导电薄膜及疏水性绝缘介质膜；疏水性绝缘介质膜可以是具有疏水性的单一材料的绝缘介质膜，也可以是绝缘介质膜和疏水性材料薄膜的复合膜。
所述的导电性或绝缘性或局部绝缘性圆环内壁的母线可以是具有任意倾斜角度的直线或曲线；圆环与基板、盖板相互平行，且与两者的间距为5微米～5毫米。
所述的中空腔室和圆环内填充有一种绝缘性液体或气体和一种导电性液体，此两种流体互不混溶，具有不同的折射系数及相同或不同的密度，并且导电性液体处于绝缘性流体的包围之中。
所述的导电薄膜是氧化铟锡(ITO)等透明导电薄膜或铝(Al)等金属薄膜。
下面结合附图例举实施例对本发明作进一步描述，但并不是对本发明提出的流体透镜结构及其制备工艺的限定。
实例1
如图1所示。在一块透明基板11上，依次覆盖有透明导电薄膜13和绝缘介质薄膜14，由于所选绝缘介质膜具有一定的亲水性，所以在其上还覆盖有强疏水性薄膜18。中空腔室15内充满有一种绝缘性液体19和一种导电性或极性液体16。两种液体均透明且互不混溶，具有不同的折射率以及足够相近的密度。为使导电性液体或极性16处于中心位置，置入一个具有通孔的导电性圆环17，圆环17的底面与基板11平行且两者之间具有一定间隙，导电性或极性液体16处于该间隙以及圆环17通孔内。圆环17的通孔的母线根据需要可以是具有任意倾斜角度的直线，也可以是弧形曲线。导电圆环17底部表面具有亲水性且直接与导电性或极性液体接触，其余各面均覆盖有疏水涂层18。在腔室15上方放有一块透明盖板12，使整个腔室密闭。
当无外加电压时，导电性或极性液体16将自然地处于图示A状态。“O”代表圆环17的通孔的轴线，导电性或极性液体16将始终以O为轴线稳定于圆环17内，使得O与透镜光轴重合。
当在导电薄膜13和导电圆环17间施加一定电压时，导电性或极性液体16与基板表面间的接触角会相应减小，而液体16的上边缘被钳制在圆环17底部亲水性表面的外边界处，从而引起圆环内的导电液体向下运动至B状态，使得两种流体交界面处的液面位置及曲率发生相应的变化，由此调节了透镜的焦距。
实例2
图2所示，透明基板11、透明盖板12、透明导电薄膜13、绝缘介质薄膜14、疏水性薄膜18、腔室15、导电性或极性液体16、绝缘性液体19以及中心轴O等部分与图1所示的实例1中描述的相同。A和B描述的状态同样也分别代表未加电及施加一定电压后导电液体所处位置。
在本实例中，用于稳定导电性或极性液体16的绝缘性圆环21同样具有一个以O为轴的通孔。绝缘性圆环21可以自身具有疏水性，也可以通过表面处理的方法而变为疏水性，其底部表面覆盖有亲水性的导电层22，以提供一个与导电性或极性液体16的电接触。图2所示的圆环21的通孔母线为圆弧形，当在导电层22与透明导电薄膜13间施加一定电压时，导电液体与基板表面间的接触角会相应减小，从而引起圆环内的导电液体向下运动，液面由A所示的凸状态变为B所示的凹状态，从而可以显著扩展透镜焦距的调节范围。
实例3
图3所示，透明基板11、透明盖板12、绝缘介质薄膜14、疏水性薄膜18、导电性或极性液体16、绝缘性液体19以及中心轴O等部分与图1所示的实例1中描述的相同。A和B描述的状态同样也分别代表未加电及施加一定电压后导电液体所处位置。
在此实例中，圆环与腔室连为一体而形成具有中心通孔的腔室31，这样就简化了圆环的固定问题。在腔室31中，中心通孔周围另分布有数个小通孔33，使得上下两部分绝缘性液体19互相连通。底部表面进行亲水性处理32，其余部分进行疏水性处理。透明基板11上的透明电极13、绝缘介质薄膜14以及疏水薄膜18均通过光刻方法刻蚀成特定图形，其中透明电极的图形如图4所示被刻蚀成互不连通的两部分13A和13B。导电性或极性液体16与透明电极13B直接接触。当在透明电极13A和13B间施加一定电压时，液体16将处于B所示状态。
实例4
图5所示，透明基板11、透明盖板12、绝缘介质薄膜14、疏水性薄膜18、导电性或极性液体16、绝缘性液体19、腔室31、亲水性处理32、小通孔33以及中心轴O等部分与图3所示的实例3中描述的相同。A和B描述的状态同样也分别代表未加电及施加一定电压后导电液体所处位置。
与实例3不同的是，本实例采用非透明电极方案。透明基板上覆盖的导电薄膜41是采用鋁(Al)等金属薄膜。导电薄膜41通过光刻方法刻蚀成特定图形，其俯视图如图6所示。
图7所示为实例3的结构示意图。图中透明基板11、透明盖板12、绝缘介质薄膜14、疏水性薄膜18、导电性或极性液体16、绝缘性液体19、中空腔室31、小通孔33、中心轴O以及透明导电薄膜13A、13B等部分与图3所示的实例3中描述的相同。A和B描述的状态同样也分别代表未加电及施加一定电压后导电液体所处位置。
本实例中，腔室31的中心通孔内壁上依次覆盖有导电薄膜52、绝缘介质膜51以及疏水性薄膜18。当透明导电薄膜13A与13B之间未施加电压时，导电性或极性液体16将处于A位置；当施加电压于13A和13B时，导电或极性液体16将处于B位置；若此时再在导电薄膜52与透明电极13B之间施加一定电压，则导电性或极性液体16将处于C所示位置。
引入电极52的目的在于能更大程度地调节透镜焦距。腔室31的中心通孔的母线可以是具有任意倾斜角的直线，也可以是弧形曲线。特别地，当母线为直线且倾斜角为90度时，中心通孔为圆柱形竖直通孔，此时施加于透明导电薄膜13A与13B之间的电压只会改变液体透镜的位置，而施加于透明导电薄膜13B与导电薄膜52之间的电压只会改变透镜的曲率，如此便实现了透镜位置及曲率均可独立调节的流体变焦透镜。
制造实例：
1、以1-2mm厚的透明玻璃板为透明基板11，在真空溅射台中以ITO靶为ITO材料源，溅射ITO形成透明导电薄膜13；然后采用旋涂法在透明导电薄膜13上依次制作1-2μm厚的绝缘介质层14(聚酰亚胺ZKPI-306)及20nm的疏水性薄膜18(AF1600)。
2、以黄铜为原材料，采用机械加工方法制作所需形状的导电圆环17，其表面通过浸蘸
AF1600进行疏水性处理；导电圆环17的底部表面经机械抛光除去已有疏水层，露出具有一定亲水性的黄铜。
3、以去离子水为极性液体16，空气为与其互不混溶的绝缘性流体19。
4、采用透明玻璃板为透明盖板12；中空腔室15、31采用绝缘塑料经机械加工成所需形状。
本实施例的变焦透镜成像效果如图8所示。被成像物体(橡胶小人)位于透镜前40cm处，当未加电时，由于透镜没有对该物体聚焦，所成图像模糊不清(图8a)；当外加电压调节至37V时，透镜对该物体清晰成像(图8b)。测得的透镜电容值约为300pF，完成一次变焦所消耗的能量仅为0.2μJ。透镜屈光率的改变量达到12-40D，是同尺寸下人眼的3到10倍。
Claims (4)
1.一种基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜，所述电控变焦流体透镜是在相互平行的透明基板和透明盖板之间装有一个圆环和两种互不混溶流体的中空腔室，圆环底部表面具有亲水性薄膜，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性薄膜，其特征是具有导电性或绝缘性或局部绝缘性的圆环放置在两种互不混溶流体的中，圆环与基板、盖板之间各有间距5微米～5毫米；并且圆环内壁的母线为具有任意倾斜角度的直线或曲线。
2.根据权利要求1所述基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜，其特征是所述中空腔室和圆环内填充的两种互不混溶流体，其一是绝缘性液体或气体，其二是导电性或极性液体；具有不同的折射系数及相同或不同的密度，并且导电性或极性液体处于绝缘性流体的包围之中。
3.根据权利要求1所述基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜，其特征是所述电控变焦流体透镜，其主体结构为在透明基板和透明盖板之间的装有一个导电性圆环和两种流体的中空腔室；其四种结构分别是，
a.导电性圆环的底部表面具有亲水性，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；
b.局部绝缘性圆环的底部表面覆盖有导电薄膜并进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；
c.局部绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性；圆环的内侧壁依次覆盖有导电薄膜及疏水性薄膜；
d.绝缘性圆环的底部表面进行亲水性处理，圆环顶部表面和圆环的内外侧壁具有疏水性。
4.根据权利要求3所述基于介质上电润湿的电控变焦流体透镜，其特征是所述导电薄膜是氧化铟锡透明导电薄膜。
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