CN101097264B

CN101097264B - 可调焦距的透镜

Info

Publication number: CN101097264B
Application number: CN 200610090839
Authority: CN
Inventors: 叶哲良; 郑至成; 张家铭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: EP1873560B1; EP1873560A3; CN101097264A; EP1873560A2

Abstract

本发明提供一种透镜。该透镜包括一非导电的液体微滴和一包括一第一表面的底板。该底板用以放置该液体微滴并且包括一组第一电极。该组第一电极的一第一配置方式使该组第一电极可被选择性地施加偏压，由此在该液体微滴与各个该第一电极之间分别形成一第一电位，通过改变在该液体微滴与各个该第一电极间的该各第一电位，该液体微滴与平行于该第一表面的一平面之间的一角度为可调整的，亦即该透镜的焦距为可调整的。

Description

可调焦距的透镜

技术领域

本发明涉及一种光学系统中的透镜，特别是涉及一种可调整焦距的透镜。

背景技术

一般而言，可变焦的光学系统的镜头大致区分为机械式变焦和电子式变焦两种。机械式变焦的镜头利用镜头本身前后伸缩的变化来达成变焦的目的。由于对愈来愈轻薄短小的数字相机或具拍照功能的手机来说，机械式变焦的镜头太厚、体积太大，许多轻薄型相机采用电子式变焦的镜头。

在现有技术中，电子式变焦技术是以液珠(droplet)为镜片，并利用电湿效应(electrowetting)控制液珠的形状和曲率，由此改变液珠的焦距(focallength)。该液珠必须为可导电的水或电解液。美国第US 6,545,815号专利的内容即为一相关范例；其中所揭露的透镜装置是将一透明导电的液珠置于一润滑层和绝缘层上，在该绝缘层下方有多个控制电极和一液珠电极，该液珠电极与该液珠直接接触并提供电压给该液珠。利用调整控制电极与液珠电极两者间的电压差，即可改变该液珠与润滑层之间的接口特性和接触角度，进而改变该液珠的形状和焦距特性。

请参阅图1。图1绘示一利用电湿效应变焦的透镜的示意图。在透镜10中，液珠11与用以放置液珠11的底板14之间有一绝缘层12，标号15和16分别表示上述的控制电极和液珠电极。

现有技术中采用电湿效应的透镜有几个不可避免的缺点。举例而言，由于该液珠电极与该液珠直接接触，除了耗电量较高之外，还可能会将该液珠加热或电解，影响该液珠的特性。此外，一般的液珠是以水为基本材料，因此还有现有技术面临液珠可能会蒸发的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可调焦距的透镜。

根据本发明的一较佳具体实施例为一透镜。该透镜包括一非导电的液体微滴和一包括一第一表面的底板。该底板用以放置该液体微滴并且包括一组第一电极。该组第一电极的一第一配置方式使该组第一电极可被选择性地施加偏压(bias)，由此在该液体微滴与各个该第一电极之间分别形成一第一电位，通过改变在该液体微滴与各个该第一电极间的该各第一电位，该液体微滴与平行于该第一表面的一平面之间的一角度为可调整的，亦即该透镜的焦距为可调整的。

根据本发明的另一较佳具体实施例也为一透镜。该透镜包括一腔室与一电极。该腔室中充满一第一液体与一第二液体微滴。该第一液体与该第二液体微滴互不相溶(non-miscible)。该第一液体为非导电的(non-conductive)，该第二液体微滴则为绝缘的。该电极放置于该腔室内，并且用以形成一电场。通过控制该电场，该第一液体与该第二液体微滴间的一界面为可调整的。

本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1为一利用电湿效应变焦的透镜的示意图；

图2A为根据本发明的第一较佳具体实施例的透镜的示意图；

图2B为该第一较佳具体实施例进一步包括一润滑层的示意图；

图2C为该第一较佳具体实施例进一步包括一顶板的示意图；

图3为根据本发明的第二较佳具体实施例的透镜的示意图；

图4为根据本发明的第三较佳具体实施例的透镜的示意图；

图5A、图5B及图5C分别为电极的排列方式的示意图。

主要元件符号说明：

10：透镜 11：液珠

12：绝缘层 14：底板

15：控制电极 16：液珠电极

20：透镜 22A、22B：液体微滴

24：底板 25：第一电极

26：润滑层 27：顶板

28：第二电极 30：透镜

32A、32B：液体微滴 34：底板

37：顶板 38：电极

40：透镜 42：腔室

44：第一液体 45：界面

46：第二液体 48：第三电极

具体实施方式

本发明的一主要目的在于提供一种可调焦距的透镜及应用该透镜的光学系统。

任何材质都有一定的介电特性并具有一特定的介电系数。在外加电场下，各种材质都会受到不同程度的极化(polarization)，并且，受极化后的材质内的分子会倾向于顺着外加电场的方向排列。由于各种材质的极化程度不同，若将两种不同的材质(例如两种不互溶的液体)置放在一起，并外加一电场使该电场穿透这两种材质之间的界面(interface)时，该界面会受一“介电力(dielectric force)”的作用而变形。另一方面，受到极化的一液体微滴中会包括许多电偶极矩(electric dipole moment)。如果外加电场的空间分布是不均匀的，该液体微滴中的电偶极矩就会受到“介电泳力(dielectrophoreticforce)”的影响，进行不同程度的漂移运动。因此，利用电场分布对电偶极矩造成强弱不一的吸引力可改变该液体微滴的形状。

本发明是以“介电力”和“介电泳力”的机制来控制液体微滴的几何形状，进而达到调整透镜的焦距的目的。根据本发明，该液体微滴可为液晶或任何介电材料(dielectric material)。该液体微滴并不需具有导电性。此外，用以产生电场的任一电极并不需要和该液体微滴相互接触，本发明因此可避免现有技术中的诸多缺点。

请参阅图2A，图2A为根据本发明的第一较佳具体实施例的透镜的示意图。透镜20包括一液体微滴22A、22B和一底板24。曲线22A和22B分别表示未受电场影响前和受电场影响后的液体微滴的形状。底板24用以放置该液体微滴并且包括一组第一电极25。各个第一电极25可被选择性地施加不同的偏压，由此在该液体微滴与各第一电极25之间分别形成一第一电位。通过改变在该液体微滴与各个该第一电极间的该各第一电位，该液体微滴与底板24之间的接触角度为可调整的，亦即该透镜的焦距可通过控制电场分布来调整。

为了增加光学焦距调变的效果，上述的底板24可如图2B所示，进一步包括一润滑层26。润滑层26放置于该液体微滴与该组第一电极25之间，其材质可以为铁氟龙(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、厚膜光致抗蚀剂、苯二甲基(parylene)、氧化硅、氮化硅，或任何绝缘材料。润滑层26的作用在于降低该液体微滴与底板24之间的摩擦力。

请参阅图2C。图2C绘示图2A的透镜的另一种变形。该透镜20可进一步包括一顶板(upper plate)27。顶板27包括一组第二电极28，该组第二电极28的配置方式也使该组第二电极28可被选择性地施加偏压，由此在该液体微滴与各个该第二电极28之间分别形成一第二电位。同时使用该组第二电极28和该组第一电极25同样可达成改变该液体微滴的形状的效果。

请参阅图3。图3为根据本发明的第二较佳具体实施例的透镜30的示意图。透镜30包括一液体微滴32A、32B、一底板34和一顶板37。曲线32A和32B分别表示未受电场影响前和受电场影响后的液体微滴的形状。第二较佳具体实施例与第一较佳具体实施例的主要差别在于透镜30中的底板34仅供放置该液体微滴，产生电场、改变焦距的功能是由顶板37中的多个电极38负责。

请参阅图4。图4为根据本发明的第三较佳具体实施例的透镜40的示意图。透镜40包括一腔室42、一第一液体44，以及一第二液体46。该第一液体44与该第二液体46都置于该腔室42之内。

该第一液体44为非导电的(non-conductive)；该第二液体46为绝缘的(insulating)。该第一液体44具有一第一介电系数，该第二液体46则具有一第二介电系数，并且该第二介电系数不等于该第一介电系数。在此实施例中，该第二液体46与该第一液体44互不相溶(non-miscible)。因此，该第二液体46与该第一液体44之间存在有一接口(interface)45。

透镜40也包括一组第三电极48。该组第三电极48的配置方式使各个电极48可被选择性地施加偏压，由此形成穿过该界面45的一电场。通过改变该电场，令该接口45受到“介电力”和“介电泳力”的影响，即可调整该接口45的形状与角度。由此，透镜40的一焦距为可调整的。

请参阅图5A、图5B、图5C。在实际应用中，上述的各实施例中的第一电极、第二电极、第三电极48各自的排列方式可如同图5A所示的矩阵状，也可如图5B所示的同心圆状，或是如图5C所示的环状。第三电极48则可如图4所示，排列为平行状。只要能达到控制液珠形状的效果，其它各种电极的排列方式也可适用在本发明的实施例中。

根据本发明的可调焦距的透镜提供了一种有效的变焦方式。由于根据本发明的电极不需要如现有技术的电湿效应与液体微滴直接接触，因此可减少耗电量。此外，本发明也不具有现有技术中液珠可能被加热、分解，或是蒸发的诸多问题。

通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具有相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims

1.一种透镜(lens)，包括：

一腔室(chamber)，该腔室中充满一第一液体与一第二液体微滴，该第一液体与该第二液体微滴互不相溶(non-miscible)，该第一液体为非导电的(non-conductive)，该第二液体微滴为绝缘的(insulating)，并且该第一液体与该第二液体微滴具有不同介电系数；以及

一组电极，该组电极用以形成一电场，其中该第二液体微滴被该腔室的一下壁和该第一液体包覆，该下壁为一平面且该第二液体微滴具有一曲面，通过控制该电场，该第一液体与该第二液体微滴间的一界面为可调整的。

2.如权利要求1所述的透镜，该透镜进一步包括：

一润滑层，该润滑层放置于该第一液体、该第二液体微滴与该组电极之间。

3.如权利要求2所述的透镜，其中该润滑层包括铁氟龙(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、厚膜光致抗蚀剂、苯二甲基(parylene)、氧化硅、或氮化硅。

4.如权利要求1所述的透镜，其中该第一液体包括液晶、醚、酮、或醇。

5.如权利要求1所述的透镜，其中该组电极排列为环状、矩阵状、平行状、或同心圆状。

6.如权利要求2所述的透镜，其中该润滑层包括任何绝缘材料。

7.如权利要求1所述的透镜，其中该第一液体包括任何可被电场极化的有机材料。