CN103454705B - 液体透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液体透镜,包括一密封壳体、一设置于该密封壳体内的液态介质、一碳纳米管拉膜结构以及至少两个间隔设置的电极,其中,所述碳纳米管拉膜结构设置于密封壳体内且与所述液态介质接触,所述电极与碳纳米管拉膜结构电连接。本发明提供的液体透镜具有结构简单、变焦速度快、变焦精度高以及成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体透镜,尤其涉及一种含碳纳米管拉膜结构的液体透镜。
背景技术
液体透镜是一种新型的依据仿生学原理提出的光学元件,其由液体材料制作而成,可通过控制外部形状或改变内部折射率而变焦。
根据工作原理和结构的不同,目前的液体透镜可分为三类:(1)基于电润湿(Electrowetting)原理的双液体透镜;(2)通过机械力改变透镜外形和体积的单液体透镜;(3)通过加电改变液晶分子排列状态从而引起折射率变化的液晶透镜。其中,基于电润湿原理的双液体透镜是当前液体透镜发展的主流方向,法国的Varioptic公司和荷兰的Philps公司的产品都属此类。
与传统的自动对焦镜头相比,液体透镜因为少了移动的机械结构,所以具有体积小、反应速度快、耗电量小、无磨损、寿命长等优点,因此在手机、数码相机、网络摄像头、内窥镜等追求轻、薄、短、小的光学系统中具有很好的应用前景。
然而,对于基于电润湿原理的双液体透镜而言,由于其包含两种互不相溶、性质各异的液体,且其密封腔内设置有需经过憎水处理的绝缘层,而且其对电极的设置也有特定的要求,因此,该种双液体透镜的结构较为复杂,其制备成本也较高。对于通过机械力改变透镜外形和体积的单液体透镜而言,由于机械力较难控制,因此,该种单液体透镜的变焦精度和工作稳定性均较差。对于通过加电改变液晶分子排列状态从而引起折射率变化的液晶透镜而言,由于其制备成本较高,限制了其产业化发展。
有鉴于此,确有必要提供一种结构简单、成本低廉、具有较高的变焦精度和工作稳定性的液体透镜,可方便应用于手机、数码相机、网络摄像头、内窥镜等多种电子、光学设备中。
发明内容
一种液体透镜,包括一密封壳体、一设置于所述密封壳体内的液态介质、一碳纳米管拉膜结构以及至少两个电极,其中,所述碳纳米管拉膜结构设置于所述密封壳体内且与所述液态介质接触,所述至少两个电极间隔设置且与所述碳纳米管拉膜结构电连接。
进一步地,所述碳纳米管拉膜结构包括一层碳纳米管拉膜或多层重叠设置的碳纳米管拉膜。
相对于现有技术,本发明所提供的液体透镜具有以下优点:其一,结构简单。本发明提供的液体透镜只包括密封壳体、液态介质、碳纳米管拉膜结构和电极四个组件,因此结构简单易于制备,且成本低廉。其二,变焦精度高。本发明通过给碳纳米管拉膜结构通电来加热液态介质,从而改变液态介质的密度,进而改变液态介质的折射率,最终达到液体透镜变焦的目的。由于碳纳米管拉膜结构通电时间,液态介质温度、密度、折射率,和液体透镜焦距之间存在着既定的规律,因此,可以通过控制其中一个参数来精确控制液体透镜的焦距变化。其三,变焦速度快。由于碳纳米管拉膜结构具有很高的电导率和热导率以及很小的单位面积热容,因此,该碳纳米管拉膜结构具有升降温速度快(即热响应速度快)的优点,从而能快速调节液体透镜的焦距。
附图说明
图1为本发明实施例提供的液体透镜的示意图。
图2为图1的液体透镜中第一种碳纳米管拉膜结构的爆破图。
图3为图1的液体透镜中第二种碳纳米管拉膜结构的爆破图。
图4为图1的液体透镜中第三种碳纳米管拉膜结构的爆破图。
图5为本发明实施例提供的液体透镜中单层碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。
主要元件符号说明
10 | 液体透镜 |
110 | 密封壳体 |
120 | 液态介质 |
130 | 碳纳米管拉膜结构 |
132 | 碳纳米管拉膜 |
134 | 碳纳米管 |
140 | 第一电极 |
150 | 第二电极 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参见图1,本发明实施例提供一种液体透镜10,该液体透镜10包括一密封壳体110;一液态介质120,该液态介质120设置于所述密封壳体110的内部;一碳纳米管拉膜结构130,该碳纳米管拉膜结构130设置于所述密封壳体110的内部,且与所述液态介质120接触,用于加热该液态介质120;以及一第一电极140和一第二电极150,该第一电极140与第二电极150间隔设置且与所述碳纳米管拉膜结构130电连接。
所述密封壳体110用于盛装液态介质120。所述密封壳体110由硬性材料制成,硬性材料可保证所述密封壳体110不发生变形,从而不会影响所述液体透镜10的变焦精度和工作稳定性。硬性材料可选玻璃、树脂、石英或塑料等。本实施例中,所述密封壳体110优选为由高透明度、高绝缘性的玻璃制成。所述密封壳体110的形状不限,只要能汇聚光线即可。本实施例中,所述密封壳体110优选为凸透镜形状。所述密封壳体110的尺寸(直径或边长)可随该液体透镜的用途在1毫米至10厘米之间调整。本实施例中,所述凸透镜形状的密封壳体的直径为1厘米。
所述液态介质120的成分不限,只需满足其电阻率大于所述碳纳米管拉膜结构130的电阻率即可。当所述液态介质120的电阻率大于所述碳纳米管拉膜结构130的电阻率时,在对所述碳纳米管拉膜结构130通电时,即可发挥所述碳纳米管拉膜结构130升降温速度快的优点,从而快速调节所述液体透镜10的焦距。优选地,本实施例中,所述液态介质120的电阻率大于0.01欧姆·米。
所述液态介质120可选非电解质溶液、水及有机溶剂等中的一种或多种。其中,所述水包括纯净水、自来水、淡水及海水等,所述有机溶剂包括甲醇、乙醇及丙酮等。本实施例中,所述液态介质120优选纯净水。
另外,所述液态介质120优选为温度敏感型液体,所谓温度敏感型液体,是指密度随温度变化而变化的幅度较大的液体。利用温度敏感型液体作为本发明中的液态介质120时,可以提高所述液体透镜10的变焦范围,并能提高所述液体透镜10的变焦灵敏度。
所述液态介质120可完全充满所述密封壳体110,也可部分充满所述密封壳体110。优选地,本实施例中的液态介质120部分充满所述密封壳体110。
所述第一电极140和第二电极150可由银、铜、铝等金属或其合金制成,也可由氧化铟锡、金属性碳纳米管等材料制成。所述第一电极140和第二电极150的形状不限,可以为片状、线状或其它任意形状。本实施例中,优选使用金属性碳纳米管材料制成的电极。
可以理解,本发明可设置多个电极,其数量不限,只需确保任意两个相邻的电极均分别与所述碳纳米管拉膜结构130的两端电连接即可。
所述碳纳米管拉膜结构130为一柔性自支撑结构,其既可悬浮设置于所述液态介质120中,也可紧贴所述密封壳体110的内壁设置。本实施例中的碳纳米管拉膜结构130优选为悬浮设置于所述液态介质120中。当所述碳纳米管拉膜结构130悬浮设置时,该碳纳米管拉膜结构130的两端通过导电胶分别与所述第一电极140和第二电极150固定,且所述第一电极140和第二电极150均固定于所述密封壳体110上。当所述碳纳米管拉膜结构130紧贴所述密封壳体110的内壁设置时,通过导电胶直接固定于内壁上。
为了提高该液体透镜10的工作效率,减少电流损耗,可以在该碳纳米管拉膜结构130的表面以及该第一电极140和第二电极150中未与该碳纳米管拉膜结构130接触的部分涂覆一层绝缘导热的硅脂,以隔绝所述碳纳米管拉膜结构130或第一电极140或第二电极150和所述液态介质120之间的电流流通,且不影响上述部件之间的热交换或热流通。
所述碳纳米管拉膜结构130为一具有较薄厚度的面状结构。所述碳纳米管拉膜结构130的横向尺寸可随所述密封壳体110的尺寸大小而调节。优选地,本实施例中,所述碳纳米管拉膜结构130的横向尺寸等于所述密封壳体110的直径。
所述碳纳米管拉膜结构130包括多个均匀分布的碳纳米管,该多个碳纳米管有序排列。所谓有序排列是指碳纳米管的排列方向有规则。所述碳纳米管拉膜结构130中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米,所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米,所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。
所述碳纳米管拉膜结构130的厚度为1纳米~100微米。优选地,本实施例中,该碳纳米管拉膜结构130的厚度为0.5微米~5微米。所述碳纳米管拉膜结构130的单位面积热容小于2×10-4焦耳每平方厘米开尔文。优选地,所述碳纳米管拉膜结构130的单位面积热容小于1.7×10-6焦耳每平方厘米开尔文。
请一并参见图2至图5,所述碳纳米管拉膜结构130可以是单层的碳纳米管拉膜132,也可以由多层碳纳米管拉膜132重叠设置而成。所述碳纳米管拉膜132可通过拉取一碳纳米管阵列直接获得。该碳纳米管拉膜132包括多个择优取向排列的碳纳米管134,且相邻的两个碳纳米管134之间通过范德华力首尾相连,形成一自支撑的结构。
可以理解,通过将多个碳纳米管拉膜132重叠铺设,可以制备出不同面积与厚度的碳纳米管拉膜结构130。当碳纳米管拉膜结构130包括多个重叠设置的碳纳米管拉膜132时,相邻的碳纳米管拉膜132中的碳纳米管134的排列方向形成一夹角β,0˚≤β≤90˚。多层重叠设置的碳纳米管拉膜132,尤其是多层重叠交叉设置的碳纳米管拉膜132相对单层碳纳米管拉膜132具有更高的强度,故在将所述碳纳米管拉膜结构130放入所述液态介质120中时,可确保碳纳米管拉膜结构130的结构不被破坏或改变。然而,所述液体透镜10对该碳纳米管拉膜结构130的透光率有较高要求(大于等于70%),当所述碳纳米管拉膜结构130中重叠设置了过多的碳纳米管拉膜132时,会导致整个碳纳米管拉膜结构130的厚度过大,从而影响该碳纳米管拉膜结构130的透光率。因此,所述碳纳米管拉膜结构130中并非设置越多层的碳纳米管拉膜132越好。优选地,所述碳纳米管拉膜结构130中的碳纳米管拉膜132的层数不大于10层。更优选地,所述碳纳米管拉膜结构130中包括两层碳纳米管拉膜132。
由于碳纳米管134的轴向导电性能远远大于其径向导电性能,当所述碳纳米管拉膜结构130包括多个重叠设置的碳纳米管拉膜132,且相邻的碳纳米管拉膜132中的碳纳米管134的排列方向一致(即β=0˚)时,可将所述碳纳米管拉膜结构130从第一电极140向第二电极150的方向延伸设置,从而使所述液体透镜10工作时,流经所述碳纳米管拉膜结构130的电流最大,整个装置的功耗最小,同时提高该液体透镜10的变焦速度。
所述液体透镜10未通电时,可作为一普通的具有固定焦距的镜头使用。当通过所述第一电极140和第二电极150给所述液体透镜10通电时,该液体透镜10可作为一可变焦的镜头使用。其具体工作原理如下:首先,通过所述第一电极140和第二电极150给所述液体透镜10中的碳纳米管拉膜结构130通电,所述碳纳米管拉膜结构130通电后温度升高,所述碳纳米管拉膜结构130将热量快速传导给所述液态介质120,所述液态介质120温度升高后密度变小(或变大,与液态介质120的性质有关),从而导致所述液态介质120的折射率变小(或变大),最终增大(或减小)所述液体透镜10的焦距。可以理解,所述液体透镜10的焦距变化的幅度与通电时间有关,在其变化幅度的极限范围内,通电时间越长,焦距变化的幅度越大。另外,所述液体透镜10的焦距变化幅度的极限范围与所述液态介质120的性质有关,尤其是所述液态介质120的温度敏感性。即,所述液态介质120的密度对温度越敏感,所述液体透镜10的焦距变化幅度的极限值越大,反之亦然。
本发明所提供的液体透镜具有以下优点:其一,结构简单。本发明提供的液体透镜只包括密封壳体、液态介质、碳纳米管拉膜结构和电极四个组件,因此结构简单易于制备,且成本低廉。其二,变焦精度高。本发明通过给碳纳米管拉膜结构通电来加热液态介质,从而改变液态介质的密度,进而改变液态介质的折射率,最终达到液体透镜变焦的目的。由于碳纳米管拉膜结构通电时间,液态介质温度、密度、折射率,和液体透镜焦距之间存在着既定的规律,因此,可以通过控制其中一个参数来精确控制液体透镜的焦距变化。其三,变焦速度快。由于碳纳米管拉膜结构具有很高的电导率和热导率以及很小的单位面积热容,因此,该碳纳米管拉膜结构具有升降温速度快(即热响应速度快)的优点,从而能快速调节液体透镜的焦距。
另外,本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化,当然,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (20)
1.一种液体透镜,包括一密封壳体、一液态介质、一碳纳米管拉膜结构以及至少两个电极,所述液态介质和碳纳米管拉膜结构均设置于所述密封壳体内,所述碳纳米管拉膜结构与所述液态介质相接触,所述至少两个电极间隔设置且与所述碳纳米管拉膜结构电连接。
2.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构紧贴所述密封壳体的内壁设置。
3.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构悬浮设置于所述液态介质中。
4.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构包括多个均匀分布且有序排列的碳纳米管。
5.如权利要求4所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构包括单层碳纳米管拉膜。
6.如权利要求4所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构包括多层重叠设置的碳纳米管拉膜。
7.如权利要求6所述的液体透镜,其特征在于,所述相邻的两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排列方向形成一夹角β,0°≤β≤90°。
8.如权利要求6所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜结构包括两层重叠设置的碳纳米管拉膜。
9.如权利要求5或6所述的液体透镜,其特征在于,所述碳纳米管拉膜包括多个通过范德华力首尾相连且沿一固定方向择优取向排列的碳纳米管。
10.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述液态介质的电阻率大于所述碳纳米管拉膜结构的电阻率。
11.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述液态介质包括非电解质溶液、水及有机溶剂中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述液态介质的电阻率大于0.01欧姆·米。
13.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述液态介质为温度敏感型液体。
14.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述密封壳体由硬性材料制成。
15.如权利要求14所述的液体透镜,其特征在于,所述硬性材料包括玻璃、树脂中的一种或多种。
16.如权利要求14所述的液体透镜,其特征在于,所述硬性材料包括石英、塑料中的一种或多种。
17.如权利要求14所述的液体透镜,其特征在于,所述硬性材料为绝缘性的透明材料。
18.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述密封壳体为凸透镜形状。
19.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述电极由金属、氧化铟锡、金属性碳纳米管中的一种或多种材料制成。
20.如权利要求1所述的液体透镜,其特征在于,所述电极由合金制成。
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