CN106324827B - 一种谐振式液体振镜及其驱动方法 - Google Patents

一种谐振式液体振镜及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振式液体振镜及其驱动方法，谐振式液体振镜由下透明基板(1)和上透明基板(2)及侧壁(3)构成中空腔体里封闭有不相溶的导电性或极性液体(4)和不导电的非极性液体或气体(5)；在下透明基板上设有透明平行对电极即左电极(6A)和右电极(6B)，在对电极对上依次制作有绝缘介质层(7)、疏水层(8)、绝缘性圆环(9)，导电性或极性液体位于疏水层上，将导电性或极性液体钉扎于中空腔体的中心，导电性或极性液体构成的液滴在下方左电极和右电极上投影分布的面积相同；带有偏压的相位相差为180度的交流电压分别施加在平行对电极上，交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，液滴达到可重复的最大的振动状态。

Description

一种谐振式液体振镜及其驱动方法
技术领域
本发明涉及光学器件及可穿戴透明显示领域，特别涉及液体振镜领域。
背景技术
随着Google眼镜、Apple Watch等一系列智能穿戴产品的面世，引起了人们对消费电子的更进一步的追求，智能可穿戴式设备将把人们生活带到新的高峰，而智能化是社会发展的必然趋势。穿戴式设备，特别是智能眼镜中最关键的是显示器，目前的显示技术还无法完全满足重量、体积、能耗等技术指标要求。可用于扫描系统的扫描器(振镜)主要有：旋转多面镜、声光扫描镜、电光扫描镜、MEMS扫描镜等，其中小型化MEMS二维扫描振镜由于结构紧凑、功耗低，非常适合便携系统的显示应用，因此成为研究中的热点并得到了广泛的应用。
目前全球范围内有多家公司都在致力于MEMS振镜的研究当中，研究也都主要集中在如何减小MEMS振镜反射面积及提高扫描频率。其中反射面积可以小至半径为0.5mm，扫描频率可达40kHz。
对于需要实现全高清透明显示(1920*1080 60Hz帧频)的器件来说，行扫描频率要达到60kHz，目前的MEMS振镜仍不能完全满足使用条件，主要原因包括工作电压高、尺寸较大、工作频率低、无法实现透明显示等。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种谐振式液体振镜及其驱动方法，采用带有偏压的相位相差为180度的交流电压驱动，使得液体振镜实现高频谐振，从而实现光线的往返扫描。
技术方案：电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力界面能，从而改变两者之间的接触角而推动液体运动。本发明针对透明扫描显示需求创新性地提出了一种液体振镜技术，为满足高分辨率显示的需要，提出采用谐振工作模式的液体振镜，实现高速扫描。
所述表面式液体振镜是由两个平行的透明基板及侧壁构成的中空腔体里，封闭有不相溶的导电性或极性液体和不导电的非极性液体或气体。在下方的透明基板上制作有透明平行电极对即左电极和右电极，在电极对上依次制作有绝缘介质层和疏水层，导电性或极性液体和疏水层相接触。在疏水层上制作有绝缘性圆环将导电性或极性液体钉扎于中空腔体的中心，也是平行电极对的中心对称轴线上。导电性或极性液体构成的液滴在下方左电极和右电极上投影分布的面积相同。带有偏压的相位相差为180度的交流电压分别施加在平行电极对上，交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，液滴达到可重复的最大的振动状态。
作为本发明的另一种优选方案为：所述立体式液体振镜由两个平行的透明基板及侧壁构成的中空腔体里，封闭有不相溶的导电性或极性液体和不导电的非极性液体或气体。在下方的透明基板上制作有透明电极，在透明电极上制作有绝缘介质层。侧壁为方形结构，在其中的对向的两个面上分别制作有透明或不透明的对向电极对，在对向电极对上依次制作有绝缘介质层和疏水层，导电性或极性液体和侧壁上的疏水层相接触。带有偏压的相位相差为180度的交流电压分别施加在对向电极对上，交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，使导电性或极性液体和不导电的非极性液体或气体的交界面形状发生周期性的变化，使入射光线发生周期性的偏转。下方的透明电极接地或施加交流电压的偏压电压或其它控制电压。
液体振镜的尺寸可以控制为30微米～5毫米，但为获得高速扫描，尺寸最好在30微米～100微米之间。对我们提出的这种新型液体振镜性能进行了模拟研究，证明其可以获得200kHZ的谐振频率，可实现光线的高速扫描。
应尽量选用折射率相差较大的导电性或极性液体和不导电的非极性液体或气体，可提高光线偏转角度。两者之间的光学折射率需相差0.1以上，0.3以上更佳，可以获得更大的光线偏转角。
该技术具有工作电压低、响应速度快、透明、尺寸小等优势，解决了传统穿戴式显示器笨重、使用不便的问题。
有益效果：本发明创新性地提出一种基于电润湿原理的液体振镜技术实现高速光扫描，从而使获得一种可实现透明显示的高分辨率显示技术成为可能。此外高速液体振镜还可以用于激光电视、手机投影显示、全息显示、视网膜医学成像、3D激光扫描与打印、激光雕刻、激光测绘等各个领域，应用前景非常广泛。液体振镜的稳定的周期性的往复振动，使得入射光线在交界面处发生变化，实现光线的往返扫描。该技术具有工作电压低、扫描频率高、透明、尺寸小等优势，解决了传统穿戴式显示器笨重、使用不便的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
图1为本发明谐振式液体振镜的结构图；
图2为表面式液体振镜的改进的电极结构图；
图3为电压驱动波形；
图4为改进的驱动波形；
图5表面式液体振镜一个周期内液滴振动情况，相位分别为
时的液滴形状变化示意图；
图6表面式液体振镜光束射入液滴不同状态后光线偏转的示意图；
图7立体式液体振镜结构图；
图8立体式液体振镜的振动状态及光线偏转示意图。
图中有：下透明基板1、上透明基板2、侧壁3、导电性或极性液体4、不导电的非极性液体或气体5、左电极6A、右电极6B、控制电极6C、绝缘介质层7、疏水层8、绝缘性圆环9、左侧电极10A、右侧电极10B。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，表面式液体振镜由透明基板1和透明基板2及侧壁3构成的中空腔体里，封闭有不相溶的导电性或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5。在透明基板1上依次制作有透明平行电极对6A和6B，在电极层上制作有绝缘介质层7和疏水层8，导电性或极性液体4和疏水层8相接触。在疏水层上制作有绝缘性圆环9将导电性或极性液体4钉扎于中空腔体的中心，也是平行电极对6A和6B的中心对称轴线上。导电性或极性液体构成的液滴4在下方电极对6A和6B上投影分布的面积相同。
所述导电性或极性液体4可以为氯化钾或氯化钠的电解质溶液，所述非极性液体或气体5可以为空气或硅油。
所述液体振镜的电极6A和6B上分别施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压，U_A＝U0+U1sin(2·π·f·t)，U_B＝U0+U1sin(2·π·f·t+π)，应使交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，则导电性液体或极性液体4构成的液滴振动的幅度最大，并可实现周期性的可控振动。另一种改进方案为ITO电极上通过激光刻蚀或湿法刻蚀出如图2所示的电极图案，6A和6B上分别施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压，6C的上下两部分是相通的，6C电极接地或接其它控制电压。电极图案的中心区域为导电性或极性液体的液滴所在区域。U0和U1的电压可以相等也可以不等，范围可在10-150V间变化。
电压的示意波形图如图3所示，6A和6B上分别施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压，U_A＝U0+U1sin(2·π·f·t)，U_B＝U0+U1sin(2·π·f·t+π)，为了避免电压突然加到电极上，而造成导电性或极性液体的液滴偏离中空腔体的中心，可采取缓慢增加电压的方法或采取如图4所示的改进波形方案。在正常的带有偏压的相位相差为180度的交流电压前，增加一段斜坡波形，使得电压在ms量级或更长的时间范围内上升到U0电压，然后再施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压。U0和U1的电压可以相等也可以不等，范围可在10-150V间变化。
在带有偏压的相位相差为180度的交流电压的驱动下，中空腔体内导电性或极性液体的液滴在一个电压周期内的振动偏转情况如图5所示。在此振镜结构中，液滴能不停地振动主要是电极对6A和6B施加不同的交流电压导致两者的接触角变化不一样的结果。而要使得振动稳定并且振动幅度大，应使交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，则导电性液体或极性液体4构成的液滴振动的幅度最大。
在谐振状态，若入射光线从液滴底部中心处入射，则由于液滴的振动状态不同，一个周期的不同时刻液滴的形状不同，即导电性或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5的交界面形状不同，会使得入射光线发生偏转，光线偏转情况如图6所示。利用两种媒质交界面的形状不同改变穿过交界面处的光线传输方向，电压周期变化，光线周期性扫描，实现高速光扫描。
实施例2：
如图7所示，立体式液体振镜的结构是由透明基板1和透明基板2及侧壁3构成的中空腔体里，封闭有不相溶的导电性或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5。在下方的透明基板上制作有透明电极6，在透明电极上制作有绝缘介质层7。侧壁3为方形结构，在其中的对向的两个面上分别制作有透明或不透明的对向电极对10A和10B，在对向电极对10A和10B分别上依次制作有绝缘介质层11和疏水层12，导电性或极性液体4和侧壁上的疏水层12相接触。带有偏压的相位相差为180度的交流电压分别施加在对向电极对10A和10B上，交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，使导电性或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5的交界面形状发生周期性的变化，使入射光线发生周期性的偏转。下方的透明电极6接地或施加交流电压的偏压电压U0或接其它控制电压。
所述导电性或极性液体4可以为氯化钾或氯化钠的电解质溶液，所述非极性液体或气体5可以为空气或硅油。
所述立体式液体振镜的对向电极对10A和10B上分别施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压，U_A＝U0+U1sin(2·π·f·t)，U_B＝U0+U1sin(2·π·f·t+π)，应使交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，则导电性液体或极性液体4可实现周期性的可控振动，导电性液体或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5之间的交界面的形状发生周期性的变动，两种典型的交界面形状如图8所示。U0和U1的电压可以相等也可以不等，范围可在10-150V间变化。
在谐振状态，若入射光线从液滴底部中心处入射，则由于液滴的振动状态不同，一个周期的不同时刻液滴的形状不同，即导电性或极性液体4和不导电的非极性液体或气体5的交界面形状不同，会使得入射光线发生偏转，光线偏转情况如图8所示。利用两种媒质交界面的形状不同改变穿过交界面处的光线传输方向，电压周期变化，光线周期性扫描，实现高速光扫描。

Claims (8)

1.一种谐振式液体振镜，其特征是：由下透明基板(1)和上透明基板(2)及侧壁(3)构成中空腔体里封闭有不相溶的导电性或极性液体(4)和不导电的非极性液体或气体(5)；在下透明基板(1)上制作有透明平行对电极即左电极(6A)和右电极(6B)，在对电极对上依次制作有绝缘介质层(7)和疏水层(8)，导电性或极性液体(4)位于疏水层(8)上，在疏水层(8)上制作有绝缘性圆环(9)将导电性或极性液体(4)钉扎于中空腔体的中心，即平行对电极的中心对称轴线上；导电性或极性液体(4)构成的液滴在下方左电极和右电极上投影分布的面积相同；带有偏压的相位相差为180度的交流电压分别施加在平行对电极上，交流电压的频率的两倍与液滴的固有振动频率一致，使两者发生谐振，液滴达到可重复的最大的振动状态；
所述的对电极，制作在对向的侧壁上，即在相对面的两侧壁上制作有透明或不透明的左侧电极(10A)和右侧电极(10B)，在左侧电极(10A)和右侧电极(10B)上分别制作绝缘介质层和疏水层。
2.如权利要求1所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述导电性或极性液体(4)构成的液滴尺寸为30微米～5毫米。
3.如权利要求2所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述导电性或极性液体(4)构成的液滴尺寸为30微米～100微米。
4.如权利要求1所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述导电性或极性液体(4)与不导电的非极性液体或气体(5)两者之间的光学折射率需相差0.1以上。
5.如权利要求4所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述导电性或极性液体(4)是氯化钾或氯化钠的电解质溶液。
6.如权利要求4所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述不导电的非极性液体或气体(5)是空气或硅油。
7.如权利要求1所述的谐振式液体振镜，其特征是：所述对电极还能刻蚀成包含左电极(6A)、右电极(6B)和控制电极(6C)的两个部分，控制电极(6C)的两个部分分别位于左电极(6A)与右电极(6B)轴线的两侧，形成左电极(6A)、控制电极(6C)、右电极(6B)控制电极(6C)顺序相差90度的排列。
8.一种如权利要求1所述的谐振式液体振镜的驱动方法，其特征是：在左电极(6A)与右电极(6B)或者左侧电极(10A)与右侧电极(10B)上施加带有偏压的相位相差为180度的交流电压，施加时该电压是缓慢由0增长到它的峰值电压；或在正常的带有偏压的相位相差为180度的交流电压前，增加一段斜坡波形，使得电压在ms量级或更长的时间范围内上升到偏压值，然后再施加带有偏压的相位相差为180度的交流电，保证导电性或极性液体构成的液滴不因电压的突然变化而发生移位。
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