CN110456432A - 一种液体透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体透镜及其制备方法，液体透镜包括：外壳，外壳具有U形结构；嵌套于外壳内侧的电极，电极用于施加电压；设置于外壳和电极之间的绝缘垫，绝缘垫用于阻隔外壳与电极的电连接；相互平行的上玻璃板和下玻璃板，用于与外壳、电极、绝缘垫合围形成密封的液体腔；容置于液体腔中的光学液体，光学液体至少包括一导电液体和一不导电液体，且导电液体与不导电液体之间形成液体界面；其中，上玻璃板与外壳之间具有第一密封胶层，下玻璃板与电极之间具有第二密封胶层。通过结构和制备方法的优化设计，获得无气泡、密封性能好、制造工艺简单的液体透镜，可以广泛应用于光学聚焦、变焦系统中。

Description

一种液体透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种液体透镜领域，尤其涉及一种可变焦距的液体透镜以及制备过程。

背景技术

在光学成像领域，液体透镜技术近年来受到越来越多的关注。液体透镜技术是以一种或两种液体为基材，通过改变液体表面曲率达到变焦的目的。与传统变焦系统的设计加工方法完全不同，液体透镜系统通过微流控技术实现系统的微型化，可以不采用任何的移动组件，且具有一定的自主变焦能力。基于电润湿原理的液体透镜应用越来越普及，其特殊优势在于响应速度快、结构占用空间小、成像质量好。其中透镜结构的密封设计效果直接决定了透镜性能的好坏。

然而，已知液态镜头在使用过程中，由于温度变化、机械振动等恶劣环境会导致透镜的密封失效，继而产生液体泄露的风险。

因此，提高液体透镜的密封性成为本技术领域人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种密封性能好的液体透镜及其制备方法，提高在温度变化、机械振动等恶劣环境下的可靠性和延长寿命。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种液体透镜，所述液体透镜至少包括：

外壳，所述外壳具有U形结构；

嵌套于所述外壳内侧的电极，所述电极用于施加电压；

设置于所述外壳和所述电极之间的绝缘垫，所述绝缘垫用于阻隔所述外壳与所述电极的电连接；

相互平行的上玻璃板和下玻璃板，用于与所述外壳、电极、绝缘垫合围形成密封的液体腔；

容置于所述液体腔中的光学液体，所述光学液体至少包括一导电液体和一不导电液体，且所述导电液体与所述不导电液体之间形成液体界面；

其中，所述上玻璃板与所述外壳之间具有第一密封胶层，所述下玻璃板与所述电极之间具有第二密封胶层。

可选地，所述电极与所述光学液体接触的面依次镀有介电膜和疏水膜，所述疏水膜覆盖所述介电膜。

可选地，所述第一密封胶层或第二密封胶层中还含有用于限定密封胶层厚度的玻璃微珠，所述玻璃微珠与所述玻璃板和所述电极或所述外壳接触。

可选地，所述外壳的外侧边设有斜边，其斜边与垂直方向的倾斜角度包括5～10°，所述斜边处的厚度包括0.15～0.2mm。

可选地，所述U形结构的厚度包括0.1～0.15mm。

可选地，所述导电溶液包括水、醇、盐溶液中的任意一种或两种以上的混合物；所述不导电溶液包括硅油、氯苯中的任意一种或两种的混合物。

可选地，所述导电液体与所述不导电液体的密度相同。

可选地，所述液体腔中有三层液体分层，所述不导电液体将所述导电液体隔开。

本发明还提供了一种液体透镜的制备方法，该制备方法至少包括如下步骤：

1)提供一侧边为斜边的外壳和一上玻璃板，将所述上玻璃板通过密封胶粘结到所述外壳上，所述上玻璃板与所述外壳之间形成第一密封胶层；

2)将绝缘垫装入所述外壳中，形成第一部件，并将所述第一部件浸没于第一液体中；

3)提供一下玻璃板和一电极，将所述下玻璃板通过密封胶粘结在所述电极上，所述下玻璃板与所述电极之间形成第二密封胶层；

4)通过移液管将第二液体滴入所述下玻璃板与所述电极形成的凹槽中，并将所述第二部件浸没于所述第一液体中；

5)将所述第一部件与所述第二部件在所述第一液体中组合，形成第三部件，所述第一部件与所述第二部件之间形成液体腔，所述液体腔内容置有所述第一液体与所述第二液体；

6)将所述第三部件放入预压模具中进行轴向预压，然后将所述第三部件放入卷边模具中进行压制成型；

7)将所述第三部件从所述卷边模具中取出，形成液体透镜；

其中，步骤5)～7)在所述第一液体中进行，所述第一液体为导电液体，所述第二液体为不导电液体或所述第一液体为不导电液体，所述第二液体为导电液体。

可选地于，所述外壳具有U形结构。

可选地，步骤6)中，所述轴向预压的压力包括0.05～2MPa，使得所述外壳、电极、绝缘垫之间轴向无空隙。

可选地，步骤6)中，所述压制成型的压力包括4～40MPa，使得所述外壳向液体透镜中心发生弯折。

可选地，步骤6)中所述卷边模具的材料包括碳素工具钢，硬度包括50～60HRC；所述卷边模具具有与所述外壳的侧边相匹配的斜边，其倾斜角度包括30°～50°。

可选地，所述预压模具与所述卷边模具相同。

可选地，步骤1)或步骤3)中，所述粘结的具体步骤为：首先将所述密封胶均匀涂于所述玻璃板中所要粘结的区域，将玻璃微珠放置于所述密封胶中，将所述电极放置于所要粘结的位置，然后缓慢施压，直至所述玻璃微珠与所述玻璃板和所述电极接触。

可选地，步骤4)中，在通过移液管将第二液体滴入所述上玻璃板与所述第二电极形成的凹槽之前，还包括通过移液管将第三液体滴入所述上玻璃与所述第二电极形成的凹槽中，所述第三液体与所述第一液体为导电液体。

可选地，所述第三液体与所述第一液体相同。

本发明还提供了一种光学系统，所述光学系统包括如上述任一项所述的液体透镜。

如上所述，本发明通过结构和工艺的优化设计，获得无气泡、密封性能好、制造工艺简单的液体透镜，可以广泛应用于光学聚焦、变焦系统。

附图说明

图1显示为实施例一中将上玻璃板通过密封胶粘贴到外壳上的结构示意图。

图2显示为实施例一中斜边的细节放大图。

图3显示为实施例一中将绝缘垫装入外壳中的结构示意图。

图4显示为实施例一中将电极通过密封胶粘结在下玻璃上的结构示意图。

图5显示为实施例一中通过移液管将第二液体滴入到电极与下玻璃板形成的凹槽中的结构示意图。

图6显示为实施例一中将第一部件与第二部件在第一液体中组合形成第三部件的结构示意图。

图7显示为实施例一中对第三部件进行压制的结构示意图。

图8显示为实施例二中液体透镜的结构示意图。

元件标号说明

101 外壳

102 第一密封胶层

103 上玻璃板

104 绝缘垫

105 第一液体

106 电极

107 第二密封胶层

108 下玻璃板

109 第二液体

110 液体腔

111 液体界面

1011 U形结构

1012 斜边

1013 施压区域

1014 弯折

1061 平面区域

1062 内孔区域

201 外壳

202 第一密封胶层

203 上玻璃板

204 绝缘垫

205 第一液体

206 电极

207 第二密封胶层

208 下玻璃板

209 第二液体

210 液体腔

211 第三液体

2011 U形结构

2012 斜边

α 倾斜角

d 斜边厚度

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图1～7所示，本实施例提供一种液体透镜及其制备方法。

如图7所示，本发明提供了一种液体透镜。液体透镜包括外壳101、嵌套于外壳101的内侧的电极106、设置于外壳101和电极106之间的绝缘垫104、相互平行的上玻璃板103和下玻璃板108、上玻璃板103和下玻璃板108与外壳101、电极106、绝缘垫104合围形成密封的液体腔110、容置于液体腔110中的第一液体105、第二液体109以及第一液体105与第二液体109形成液体界面111。其中，外壳101具有U形结构1011、斜边1012和弯折1014，上玻璃板103与外壳101之间具有第一密封胶层102，下玻璃板108与电极106之间具有第二密封胶层107。

下面通液体透镜的制备过程进一步说明本实施例的技术方案。

如图1所示，进行步骤1)，提供侧边为斜边1012的外壳101，将上玻璃板103通过密封胶粘贴到外壳101上，外壳101与上玻璃板103之间形成密封胶层102。

作为示例，外壳101的材料包括金属铁、铁合金、金属铜、铜合金、金属铝、铝合金中的任意一种，硬度为5～20HRC。

作为示例，外壳101具有U形结构1011。U形结构的厚度为0.1～0.15mm。U形形状简单易于加工，可以使用简单的机械加工就可以实现。液体透镜在使用过程中，U形结构可以为其提供柔性缓冲。

斜边1012的细节放大图如图2所述。作为示例，斜边1012在垂直方向的倾斜角度α可以选为5～10°，斜边1012处的外壳厚度d为0.15～0.2mm.。在侧边设置角度，有利于在后续的紧密加工中，产生径向卷边，从而有利于部件径向紧密。

如图3所示，进行步骤2)，将绝缘垫104装入外壳101中，形成第一部件，并将第一部件浸没于第一液体105(未绘出)中。

绝缘垫104起到绝缘和密封的作用，用于提高密封性及防止电极与外壳之间的电击穿。

作为示例，第一液体105为导电液体，包括水、醇、盐溶液或者为以上的混合物或不导电液体，包括包括硅油、氯苯中的任意一种或两种的混合物。在本实施例中，第一液体为导电液体，选用水为第一液体105。

如图4所示，进行步骤3)，将电极106通过密封胶粘结在下玻璃108上，电极106与下玻璃108之间形成第二密封胶层107。

作为示例，电极106的材料选用黄铜、铝合金等。

作为示例，电极106在进行粘结之前，还需镀介电膜和疏水膜(未绘出)。介电膜是为了防止电极106的电击穿。在本实施例中，对电极106与光学液体接触的面即平面区域1061和内孔区域1062依次镀介电膜和疏水膜，其具体做法为：先于电极106的平面区域1061和内孔区域1062镀2～20μm的介电膜聚对二甲苯，再于电极106的平面区域1061和内孔区域1062镀20～100nm的疏水膜特氟纶。

作为示例，第一密封胶层102和第二密封胶层107内含有玻璃微珠(未绘出)。其主要作用是用于固定密封胶的厚度，以使上玻璃板103与下玻璃板108水平且平行。玻璃微珠的添加方式一般有两种，一种提前加入密封胶中，与密封胶一起涂于密封区域；一种是先将密封胶涂于密封区域，再将玻璃微珠放入密封胶中。在本实施例中，采用第二种方法，首先将密封胶均匀涂于玻璃板中所要粘结的区域，将玻璃微珠放置于所述密封胶中，然后将电极放置于适当位置，然后缓慢施压，直至玻璃微珠与玻璃板和电极或外壳接触，最后进行固化。在本实施例中，固化时间为24小时，以保证密封胶的彻底固化。其涂胶的厚度大于等于玻璃微珠的直径，以便密封胶与玻璃板和电极充分接触，以保证密封效果。

如图5所示，进行步骤4)，通过移液管将第二液体109滴入到电极106与下玻璃板108形成的凹槽中，形成第二部件，并将第二部件浸没于所述第一液体105(未绘出)中。

作为示例，第二液体109为不导电液体，选用硅油、氯苯等有机溶剂或以上混合物。在本实施例中，选用硅油为第二液体109。

如图6所示，进行步骤5)，将第一部件、第二部件在第一液体中组合，形成第三部件，第一部件与第二部件之间形成液体腔110，液体腔110内具有第一液体105和第二液体109。

如图7所示，进行步骤6)，将第三部件放入预压模具(未绘出)中，进行轴向预压，施压区域为1013，以保证第一部件与第二部件轴向的紧密接触。接着将第三部件放入卷边模具(未绘出)中继续对施压区域1013施压以促使外壳发生卷边成型，形成弯折1014。

作为示例，预压模具与卷边模具可以为同一模具。在本实施例中，模压成型的的具体过程为：首先对第三部件进行轴向预压，其预压的压力大小一般为0.05-2MPa，在保证外壳101、电极106、绝缘垫104之间轴向无任何空隙的同时，又防止过高的压力导致的液体腔中的气泡不易排出。接着对第三部件进一步施压，其成型压力的大小一般为4～40Mpa，使外壳101的斜边部分103向中心卷边，从而形成径向压力以保证外壳101、电极106、绝缘垫104之间径向紧密贴合。在实施例中，采用先预压再压制成型的方法，可以使液体透镜的轴向与径向都紧密贴合，从而保证液体透镜的密封性。

本实施例的模具与液体透镜的尺寸相匹配，卷边模具凸模、凹模材料可选用碳素工具钢，例如T8A等，可保证模具硬度在50～60HRC之间，使外壳101发生卷边成型的同时模具不产生变形。而且，本发明的卷边模具内侧设有斜边，其斜边的角度一般在30-50°之间，以促使斜边1012向液体透镜的中心卷边。

本实施例的制备的液体透镜可应用于光学系统，将平面电极装入透镜筒中，再将本实施例制备完成的液体透镜放入，最后用挡圈轴向固定，即可完成液体透镜光学系统的组装。

在本实施例中，通过采用高强度的密封胶和用于限定密封胶厚度的玻璃微珠，解决透镜密封和装配精度的问题；采用U形结构，为液体透镜提供缓冲；采用轴向预压+卷边成型的压制方式，可以使得液体透镜中部件贴合紧密。通过以上方法，大大提高了液体透镜的密封性，从而使得液体透镜可以广泛应用于光学聚焦、变焦系统中。

实施例二

本实施例提供一种液体透镜以及制备方法，与实施例一相比，在不增加机械尺寸的情况下，实现屈光强度增大一倍效果。

本实施例与实施例一技术方案基本相同，不同之处在于本实施例中液体腔中光学液体由三层液体组成。

如图8所示，本实施例提供的液体透镜包括：液体透镜包括外壳201、嵌套于外壳201的内侧的电极206、设置于外壳201和电极206之间的绝缘垫204、相互平行的上玻璃板203和下玻璃板208、上玻璃板203和下玻璃板208与外壳201、电极206、绝缘垫204合围形成密封的液体腔210、容置于液体210中的第一液体205、第二液体209以及第三液体211。其中，外壳201具有U形结构2011和斜边2012，上玻璃板203与外壳201之间具有第一密封胶层202，下玻璃板208与电极206之间具有第二密封胶层207。

作为示例，第一液体205和第三液体211为导电液体，包括水、醇、盐溶液或以上的混合物，第二液体209为不导电液体，包括硅油、氯苯等有机溶剂或以上的混合物。第一液体205和第三液体211可以相同，也可以不同。在本实施例中，第一液体205与第三液体211相同，都选用水，第二液体209选用硅油。

相应的，实施例二与实施例一制备方法也稍有不同。

在步骤4)中，首先通过移液管将第三液体211滴入下玻璃板208与电极206形成的凹槽中，第三液体209的高度小于电极206的内侧面2062的高度，然后再通过移液管将第二液体209滴入下玻璃板208与电极206形成的凹槽中，第二液体209位于第三液体211的上方，且第三液体209的高度不高于第二电极206的高度。这样，可以提高第二液体209与第三液体211在液体腔210中稳定性。

其余液体透镜的制备步骤与实施例一一致，为避免重复，在此不再赘述。

本实施例的制备的三层液体的液体透镜可应用于光学系统，将平面电极装入透镜筒中，再将本实施例制备完成的液体透镜放入，最后用挡圈轴向固定，即可完成液体透镜光学系统的组装。但与实施例一不同的是，此透镜筒中有三块透镜，径向由透镜筒定位。通过合理的光学设计，可实现成像质量高的变焦光学系统，如红外光学系统、激光测试系统或数码相机中。

本实施例发明的液体透镜通过增加液体层数以及对电极进行的改进，可以实现在不增加机械尺寸的情况下，实现屈光度增大一倍，极大地提高了液体透镜的性能。

综上，本发明的液体透镜及其制备方法，液体透镜包括外壳，所述外壳具有U形结构；嵌套于所述外壳内侧的电极，所述电极用于施加电压；设置于所述外壳和所述电极之间的绝缘垫，所述绝缘垫用于阻隔所述外壳与所述电极的电连接；相互平行的上玻璃板和下玻璃板，用于与所述外壳、电极、绝缘垫合围形成密封的液体腔；容置于所述液体腔中的光学液体，所述光学液体至少包括一导电液体和一不导电液体，且所述导电液体与所述不导电液体之间形成液体界面；其中，所述上玻璃板与所述外壳之间具有第一密封胶层，所述下玻璃板与所述电极之间具有第二密封胶层。通过采用高强度的密封胶和用于限定密封胶厚度的玻璃微珠，解决透镜密封和装配精度的问题；采用U形结构，为液体透镜提供缓冲；采用轴向预压+卷边成型的压制方式，可以使得液体透镜中部件贴合紧密。通过结构和制备方法的改进，大大提高了液体透镜的密封性，从而使得液体透镜可以广泛应用于光学聚焦、变焦系统中。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种液体透镜，其特征在于，所述液体透镜至少包括：

外壳，所述外壳具有U形结构；

嵌套于所述外壳内侧的电极，所述电极用于施加电压；

设置于所述外壳和所述电极之间的绝缘垫，所述绝缘垫用于阻隔所述外壳与所述电极的电连接；

相互平行的上玻璃板和下玻璃板，用于与所述外壳、电极、绝缘垫合围形成密封的液体腔；

容置于所述液体腔中的光学液体，所述光学液体至少包括一导电液体和一不导电液体，且所述导电液体与所述不导电液体之间形成液体界面；

其中，所述上玻璃板与所述外壳之间具有第一密封胶层，所述下玻璃板与所述电极之间具有第二密封胶层。

2.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述电极与所述光学液体接触的面依次镀有介电膜和疏水膜，所述疏水膜覆盖所述介电膜。

3.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述第一密封胶层或第二密封胶层中还含有用于限定密封胶层厚度的玻璃微珠，所述玻璃微珠与所述玻璃板和所述电极或所述外壳接触。

4.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述外壳的外侧边设有斜边，其斜边与垂直方向的倾斜角度包括5～10°，所述斜边处的厚度包括0.15～0.2mm。

5.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述U形结构的厚度包括0.1～0.15mm。

6.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述导电溶液包括水、醇、盐溶液中的任意一种或两种以上的混合物；所述不导电溶液包括硅油、氯苯中的任意一种或两种的混合物。

7.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述导电液体与所述不导电液体的密度相同。

8.根据权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述液体腔中有三层液体分层，所述不导电液体将所述导电液体隔开。

9.一种液体透镜的制备方法，其特征在于，该制备方法至少包括如下步骤：

1)提供一侧边为斜边的外壳和一上玻璃板，将所述上玻璃板通过密封胶粘结到所述外壳上，所述上玻璃板与所述外壳之间形成第一密封胶层；

2)将绝缘垫装入所述外壳中，形成第一部件，并将所述第一部件浸没于第一液体中；

3)提供一下玻璃板和一电极，将所述下玻璃板通过密封胶粘结在所述电极上，所述下玻璃板与所述电极之间形成第二密封胶层；

4)通过移液管将第二液体滴入所述下玻璃板与所述电极形成的凹槽中，并将所述第二部件浸没于所述第一液体中；

5)将所述第一部件与所述第二部件在所述第一液体中组合，形成第三部件，所述第一部件与所述第二部件之间形成液体腔，所述液体腔内容置有所述第一液体与所述第二液体；

6)将所述第三部件放入预压模具中进行轴向预压，然后将所述第三部件放入卷边模具中进行压制成型；

7)将所述第三部件从所述卷边模具中取出，形成液体透镜；

其中，步骤5)～7)在所述第一液体中进行，所述第一液体为导电液体，所述第二液体为不导电液体或所述第一液体为不导电液体，所述第二液体为导电液体。

10.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，所述外壳具有U形结构。

11.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，步骤6)中，所述轴向预压的压力包括0.05～2MPa，使得所述外壳、电极、绝缘垫之间轴向无空隙。

12.根据权利要求15所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，步骤6)中，所述压制成型的压力包括4～40MPa，使得所述外壳向液体透镜中心发生弯折。

13.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述卷边模具的材料包括碳素工具钢，硬度包括50～60HRC；所述卷边模具具有与所述外壳的侧边相匹配的斜边。

14.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，所述预压模具与所述卷边模具相同。

15.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，步骤1)或步骤3)中，所述粘结的具体步骤为：首先将所述密封胶均匀涂于所述玻璃板中所要粘结的区域，将玻璃微珠放置于所述密封胶中，将所述电极或所述外壳放置于所要粘结的位置，然后缓慢施压，直至所述玻璃微珠与所述玻璃板和所述电极或所述外壳接触。

16.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，步骤4)中，在通过移液管将第二液体滴入所述上玻璃板与所述第二电极形成的凹槽之前，还包括通过移液管将第三液体滴入所述上玻璃与所述第二电极形成的凹槽中，所述第三液体与所述第一液体均为导电液体。

17.根据权利要求9所述的液体透镜的制备方法，其特征在于，所述第三液体与所述第一液体相同。

18.一种光学系统，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的液体透镜。