CN111830611A - 一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜 - Google Patents

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Abstract

一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其基本结构在于包括透镜载体(1)、介质电润湿线墙(2)及透明的上、下盖片；透镜载体(1)主体为通孔状结构，介质电润湿线(3)以排绕方式在通孔内壁与外壁之间纵向穿绕成线匝状，线墙沿纵向分成n个区域块，各区域块线墙间电绝缘；所述的介质电润湿线(3)由导电线芯(5)外裹绝缘层(6)形成；通孔内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料，通过与介质电润湿线墙(2)发生的电润湿效应，改变弯曲界面形状以实现光学变焦；不同线墙分别施加不同的控制电压后，可使弯曲界面发生形变，也可使界面沿轴向偏转，可构造任意光瞳形状的光可变焦透镜或可调光学器件。

Description

一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜
技术领域
本发明专利涉及一种新颖的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜结构及其工作原理，属于光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域。
背景技术
传统的变焦系统是通过移动透镜相对光电传感器的位置来实现变焦，很容易受到外力的损伤而出现故障，并且传统变焦系统的响应时间较长。液体变焦透镜系统不需要任何的机械传动装置，系统也不易受到外力损伤。液体变焦透镜是通过改变液体的形状来实现变焦，其响应时间只有几个毫秒，且无需机械移动即能实现焦距的调节，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，可望克服传统光学系统所面临的困难。
目前国际上研制的液体变焦透镜模型主要有以下几种：
(a)充液型变焦透镜，它通过改变注入腔体内液体的体积来改变腔体顶面薄膜的曲率，从而达到调节焦距的目的。结构简单，价格低廉但这种透镜需要一个额外的泵来提供压力以改变液体顶面薄膜的曲率，如果压力过大会给弹性薄膜造成毁灭性的破坏。
(b)基于液晶的微变焦透镜，它将透镜置于液晶氛围中，通过改变施加的电压来调节液晶的折射率，从而实现对透镜焦距的控制。此种透镜易于实现阵列化，但是由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。
(c)基于介质电润湿(EWOD)的流体变焦透镜，它利用外加电压来调节液面的曲率，进而改变透镜的焦距。该类型透镜结构小巧，焦距调节范围大。Philips公司发布的基于介质电润湿(EWOD)的流体变焦透镜基本工作原理如下：透镜材料由折射率不同的两种不混溶液体组成，一种是导电性水溶液(高折射率)，另一种是不导电性油(低折射率)，将两种液体加入上下两面透明的短圆筒中。由于圆筒侧壁进行了绝缘疏水性处理，因此两种液体界面能够形成稳定的曲面，起到透镜的作用。当施加与疏水性处理面直交的电场时，导电水溶液与侧壁之间的界面张力因电润湿效应的作用而降低，从而改变两种液体界面的形状，最终导致透镜焦距的变化。Varioptic公司的液体透镜结构与此类似。但他们的变焦透镜方案所采用的材料价格昂贵，装置复杂，产品良品率低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜结构，简化制作过程，改进生产工艺，解决液体透镜的生产成本问题。
本发明提出的一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜结构，参见图1，包括透镜载体1、介质电润湿线墙2及透明的上、下盖片；透镜载体1主体部分为通孔状结构，介质电润湿线3以排绕方式在通孔内壁与外壁之间穿绕成一层或几层线匝状(有点类似于环形变压器线匝绕法)，密排的介质电润湿线3在通孔腔壁处形成了介质电润湿线墙2，其中，核心部件介质电润湿线3由导电线芯5外裹绝缘层6形成，绝缘层6外可涂敷疏水层7以提高线芯外表面疏水性，有时绝缘层与疏水层合二为一，参见图2；由此，介质电润湿墙包含了电润湿效应的两个重要元素一导电层和绝缘疏水层，当然，疏水层也可以在此墙形成后再涂敷设置；用透明的上、下盖片将通孔内部空间密封为透镜腔4，腔内存储两种或多种具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料。
上、下盖片中的一片与导电液体接触的表面如果设有透明导电层，则可作为电极I引出；盖片表面未设透明导电层时，则设有其它导电材料与导电液体接触并作为电极I引出，特别是透镜载体1材料为导电介质时，其可直接与导电液体接触也可作为电极I引出；介质电润湿线3各抽头合并为另一电极II引出。
本发明可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电润湿线3与导电液体接触后在电压作用下发生的电润湿效应，与透镜载体1无关，故透镜载体1材质可为导电体，也可为非导电体；形状也不限定，作为透镜使用形状优选为通孔圆管状或如图3所示的通孔圆锥状，作为其它可调光学部件使用时，可选择其它任意形状。
导电液体与绝缘液体接触形成的弯曲界面起着透镜作用，在电压作用下导电液体与介质电润湿线墙2的界面张力因电润湿效应的作用而降低，从而改变弯曲界面形状以实现光学焦距的调谐。
区别于一般的可变透镜和液体透镜装置，本发明的透镜可按区域设置介电润湿墙，各介电润湿墙均可独立施加控制电压。如图4所示，载体1内壁按纵向分成n个区域，各区域穿绕不同的介质电润湿线匝段，各线匝段间电绝缘，形成n个介电润湿墙，每个线匝段的抽头合并引出一个电极II，形成电极组(II_1，II_2，…II_n)，各电极可分别施加不同的控制电压，可使液体接触面发生形变的同时沿轴向偏转，从而控制透镜焦点三维移动，也可控制液体弯曲面变为可控制偏转方向的平面。
介质电润湿线墙2可由n根不同的介质电润湿线并排沿内壁纵向穿绕而成，每根线可独立施加控制电压信号，参见图5。
同样地，介质电润湿线墙2也可设置为多层线排结构，每层可单独施加电压控制，参见图6。
介质电润湿线墙2的设置可由粗线芯设置一层或多层线墙，而后在线墙的缝隙间设置细线，以提高填充率和平整度，参见图7。
介质电润湿线墙(2)的设置可由细线芯设置一层或多层线墙，而后使用粗线在线墙接触液体侧稀疏设置一层粗线，以提高液体与线墙的接触面积，参见图8。
当介质电润湿线墙具有一定硬度时，可以舍去透镜母体1，而只用介质电润湿线墙构造透镜主体，在墙的外侧刷涂粘胶等以防止墙体漏液；或使用编织技术，例如将介质电润湿线编织成透镜腔主体，同时充当介质电润湿线墙作用，参见图9。
此外，以本发明为基础的层叠方案，透镜腔3内存储的液体可为三种及以上液体。
有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：
本专利将线匝穿绕技术与现代光学技术相结合，设计了一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜结构，具有重要的经济和技术价值。本发明设计的器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。
创新之处在于：
1)发明了介质电润湿线，然后将此线应用于液体变焦透镜类产品的构造，并提供电润湿效应驱动。将传统的液体变焦透镜的核心部件即提供电润湿效应的绝缘介电层的制作，转化为生产工艺成熟的线芯加工，大大简化了生产工艺，提高了良品率。一举打破了液体变焦透镜被国外技术垄断的局面，加速推进液体变焦透镜的国产化。
2)因本发明可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电润湿线与导电液体间发生的电润湿效应，与透镜载体材质、形状均无关，故可以构造任意光瞳形状的光可变焦透镜，例如三角形光瞳，四边形甚至多边形光瞳，打破了可变焦透镜圆形光瞳的限制；也可以设计并制备各种异型腔体结构的可调光学器件，将会给可调光学器件设计与制备带入一片新天地。
3)简单易行、丰富多彩的控制电极设置，为可调光学器件的控制与应用带来无限可能。
附图说明
图1是一种线墙式电润湿驱动液体透镜结构示意图，图中有1-透镜载体、2-介质电润湿线墙、3-透镜腔、4-介质电润湿线、8-电极抽头，线墙被分为3个区域，有3个控制电极抽头，分别施加不同的电压可独自改变每个介质电润湿墙的界面张力；
图2是介质电润湿线结构示意图，图中有5-导电线芯、6-绝缘层、7-疏水层；
图3A是通孔为圆锥状结构的示意图，图中排线可倾斜排布；
图3B是通孔为双圆锥状结构的示意图；
图4是电润湿液体透镜四墙驱动原理图，公共电极为导电液体引脚，抽头4-1，4-2，4-3， 4-4作为4个控制电极，分别施加适当的电压可独自改变介质电润湿墙的4个面的界面张力，可将双液体接触面改造为平面、斜面等，也可控改变光线方向，使焦点发生一定角度的移动；
图5是电润湿线墙间隔式线排示意图；
图6是电润湿线墙多层式线排结构示意图；
图7是电润湿线墙多层多芯径式排线示意图之一；
图8是电润湿线墙多层多芯径式排线示意图之二；
图9是网状电润湿线墙与透镜载体合二为一示意图；
图10是利用转移法将电润湿线墙贴合至透镜载体示意图。
具体实施方式
本申请实施例提出一种线墙式排绕式电润湿驱动液体透镜，可应用于包含光学变焦需求的透镜系统。所述的液体透镜镜头装置可应用于具有成像功能的光学系统中，例如，显微镜、望远镜、人工生物眼等；也可应用于具有摄像功能的设备中，如手机镜头、相机、CCD镜头等，本申请并不限定于所述镜头装置应用场景，上述说明仅是举例。
具体的，所述的液体透镜可以包括通孔状透镜载体1和穿绕其上的介质电润湿线3而形成的介质电润湿线墙2及封装透明液体的上、下盖片；所述的介质电润湿线3由导电线芯5 外裹绝缘层6形成，必要时其外可再涂敷疏水层7；所述的介质电润湿线3以排绕方式在通孔内壁与外壁之间穿绕成线匝状，在通孔腔壁处形成介质电润湿线墙2；被透明的上、下盖片密封的通孔内部作为透镜腔4，其内存储两种或多种导电液体和绝缘液体作为透镜材料，具有折射率互异、互不相溶的特性，导电液体和绝缘液体的接触曲面起着透镜作用，在电极 I和电极II之间施加电压，导电液体与介质电润湿线墙2发生电润湿效应使液体表面张力降低，从而改变液体弯曲界面形状，以实现光学变焦。
因可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电润湿线4与导电液体间发生的电润湿效应，与透镜载体1无关，故透镜载体1材质可为导电体，也可为非导电体；形状也不限定，作为透镜使用形状优选为通孔圆管状或如图3A圆锥状或图3B所示的双圆锥状；作为其它可调光学部件使用时，可选择其它任意形状。
关于电极的设置，分为公共电极和控制电极。
下面分三种情况对公共电极设置进行介绍。
方案一，所述的上、下盖片中至少有一片表面设有透明导电层，该层与导电液体接触的表面充分接触，作为公共电极I引出。
方案二，为尽量减少上、下盖片对光的反射损失，所述的上、下盖片表面未设有透明导电层，此时，可在导电液体与密封盖片间设置其它导电材料与导电液体接触并作为公共电极 I引出。
方案三，所述的透镜载体1为导电材料制作而成时，导电液体与透镜载体直接接触作为公共电极I引出。
控制电极设置可丰富多彩化，例如分以下六种情况设置。
方案一，当使用一根介质电润湿线3穿绕透镜母体1而成介质电润湿线墙2时，控制电极由所述的介质电润湿线3两抽头任意一个，或者二者合并为另一电极II引出。
方案二，如图4所示，对透镜母体1分多段使用介质电润湿线3穿绕，此时，介质电润湿线墙2被剖分为n个独立单元，例如墙4_1、4_2，4_3，…，对各电极抽头施加不同的控制电压，每一单元都可以独立地发生电润湿作用，控制电极可命名为II_1、II_2，…II_n。在这种情况下，各控制电极施加相同的控制电压，则液体透镜弯曲界面为球面，且变焦控制效果与前述方案一相同；当各控制电极施加不同的控制电压时，液体透镜弯曲界面可发生偏转，可使透镜光轴发生一定角度的偏折，当透镜系统存在抖动时，可通过自适应地调整控制电压，改变焦点位置，由此可改善抖动带入的成像像质变差现象。此外还可以作为拓展使用，例如可作为级联使用，也可将液体接触面改造成非球面应用。
方案三，如图5所示，介质电润湿线墙2可由n根不同的介质电润湿线并排沿内壁纵向穿绕而成，例如5_1，5_2，5_3，…，每根线芯周期性地出现在介质电润湿线墙上，每根线芯可独立施加控制电压信号，以备某些场合需周期性控制电极之需。
方案四，如图6所示，介质电润湿线墙2也可设置为多层线排结构，例如6_1，6_2，…，每层可单独施加电压控制。
方案五，如图7所示，介质电润湿线墙2的设置可由粗线芯设置一层或多层线墙7_1，而后在线墙的缝隙间设置细线7_2，以提高填充率和平整度。
方案六，如图8所示，介质电润湿线墙2的设置可由细线芯设置一层或多层线墙8_1，而后使用粗线在线墙接触液体侧稀疏设置一层或几层粗线8_2，以提高液体与线墙的接触面积。
所述的透镜腔3内存储的液体可为三种及以上液体。
具体实施例1：透镜母体1可采用金属圆筒或圆锥筒，作防锈处理，内径典型值可取0.1mm-100mm。介质电润湿线导电线芯5优选的而不限于采用软质金属细导电线，例如铜线、银线、金线、铝线、铁线或钽、铌等，可也选用非金属导电材料制作例如导电硅橡胶等；根据圆(锥)筒内径尺寸的不同可选用不同芯径的线芯，从微米量级到毫米量级不等；线芯外周蒸镀或涂敷微米量级的派瑞林作为绝缘层，典型值可取1-10微米，也可选用电容器常用的绝缘介电材料，如氧化钽(铌)、氧化铝等高介电系数材料以降低驱动电压；疏水层主要起疏水修饰作用，故采用微米级以下甚至纳米级的聚四氟乙烯聚合物材料涂层来实现，也可在绝缘层外侧制作表面微结构来提高疏水性，疏水层也可在电湿线芯墙设置完成后再另行涂敷。根据不同的需求，线芯端面形状可以多样化，圆形、椭圆形、圆角矩形等均可。
使用线梭或其它加工工具以排绕方式在圆(锥)筒通孔内壁与外壁之间纵向穿绕成一层或多层线匝，由此，介质电润湿线以纵向方式排列，在通孔腔壁处形成和圆(锥)筒通孔内壁一样分布的介质电润湿线墙，线墙与通孔腔内壁间可预涂粘胶或紫外固化胶作为固定使用。线墙的设置可以多样化，例如可以设置多层线墙，每一层使用不同的电极控制，每层线墙可纵向分成n份并使用不同的电极控制，线墙的线可以粗细搭配设置，例如先用粗线设置一层线墙，然后再在粗线之间设置细线填充，以增加填充比及表面平整度；或者先用细线芯设置一层或多层线墙，而后使用粗线在线墙接触液体侧稀疏设置一层或几层粗线，以提高液体与线墙的接触面积。
透明的上下盖片采用高性能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生产的型号WESTChester，PA19380的生化实验专用盖玻片)，该玻片韧性很好，透光率高；透明盖片的导电层可采用真空镀膜方法制备的ITO层实现。绝缘液体采用溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，导电液体采用配置为密度与之相等的食盐水溶液，以去除重力的影响。
具体实施例2：因透镜母体1导电与否不是核心要素，可采用硅橡胶或塑料等制作而成的非金属圆筒或圆锥筒，这是由于硅橡胶等易于成型，能通过模具注塑加工方法实现大规模生产；若要求母体导电时，可在上述材料中添加导电介质做成导电硅橡胶或塑料即可。介质电润湿线可参考聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺复合层漆包线的制作方法完成，但是绝缘层厚度控制在10微米以内，以降低电润湿效应控制电压。可以等到介质电润湿线墙在透镜母体1上安装到位后，疏水层另行通过浸蘸疏水剂FOTs于线墙表面实现，以提高液体初始接触角。导电流体分别采用氯化锂水溶液或硫酸钠水溶液，绝缘流体采用苯甲基硅氧烷。
具体实施例3：因本发明可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电润湿线3与导电液体间发生的电润湿效应，与透镜载体1材质、形状均无关，故可以构造任意光瞳形状的光可变焦透镜，例如三角形光瞳，四边形甚至多边形光瞳，此一举突破了可变焦透镜圆形光瞳的限制；也可以设计并制备各种异型腔体结构的可调光学器件，结合简单易行、丰富多彩的控制电极设计，必定会给可调光学器件设计与制备带入一片新天地，并由此构造形成其它的光学可调器件。上下盖片选用用于手机屏制作的化学强化光学玻璃或其他类似材料，例如钠硅酸盐玻璃材料，康宁大猩猩玻璃，或者还可以采用制作OLED的有机玻璃。
具体实施例4：因透镜母体1的存在只是辅助透镜的造型，故当介质电润湿线墙具有一定硬度时，可以舍去透镜母体1，而只用介质电润湿线墙构造透镜主体，为防止墙体漏液，在墙的外侧刷涂粘胶等；另一种情形是使用编织技术，例如将介质电润湿线编织成透镜腔主体，此时，介质电润湿线同时充当介质电润湿线墙作用；第三种情况是可以将介质电润湿线排布于与透镜腔互补的立体柱上，然后转移至透镜母体1腔壁，参见图10A和图10B。使用介电系数高达20的五氧化二钽(Ta2O5)或相对介电常数35-50的五氧化二铌(Nb2O5)作为介质电润湿线的绝缘介电层，可大大降低器件驱动电压。
具体实施例5：介质电润湿线的制作工艺可为，导电内芯选用金属铝材料，绝缘介电层设置为致密三氧化二铝膜。三氧化二铝膜可通过气相沉积法、液相化学沉积法、电化学法制备，特别是用电化学法制备的氧化膜，其外包裹着多孔层可作为疏水层使用。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜包括透镜载体(1)、介质电润湿线墙(2)及透明的上、下盖片；所述的透镜载体(1)主体为通孔状结构，介质电润湿线(3)以排绕方式在通孔内壁与外壁之间纵向穿绕成线匝状，在通孔内壁形成介质电润湿线墙(2)，线墙沿纵向分成n个区域块，各区域块线墙间电绝缘；所述的介质电润湿线(3)由导电线芯(5)外裹绝缘层(6)形成；通孔被透明的上、下盖片密封为透镜腔(4)，其内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料，液体间弯曲界面起着透镜作用，通过与介质电润湿线墙(2)发生的电润湿效应，改变弯曲界面形状以实现光学变焦；介质电润湿线墙(2)的n块线墙分别施加不同的控制电压后，可使弯曲界面发生形变，也可使界面沿轴向偏转，从而控制透镜焦点三维移动。
2.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线(3)的外裹绝缘层(6)外可涂敷疏水层(7)；若所述的疏水层(7)具有绝缘性，则绝缘层(6)和疏水层(7)可合二为一；若所述的介质电润湿线(3)不涂敷疏水层(7)，则可在介质电润湿线墙(2)与液体接触面涂敷疏水层。
3.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的上、下盖片中与导电液体接触的表面设有透明导电层并作为公共电极I引出；或设有其它导电材料与导电液体接触并作为公共电极I引出；或所述的透镜载体(1)为导电材料制作而成时，透镜载体直接与导电液体接触作为公共电极I引出。
4.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线(3)各抽头可相互连接为另一控制电极II引出。
5.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，介质电润湿线墙(2)n块线墙分别施加特定的控制电压后，可控制液体弯曲面变为可控制偏转方向的平面。
6.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线墙(2)可设置为多层线排结构，每层可单独施加电压控制。
7.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线墙(2)可由n根不同的介质电润湿线并排沿内壁纵向穿绕而成，每根线可独立施加控制电压信号。
8.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线墙(2)的设置可由粗线芯设置一层或多层线墙，而后在线墙的缝隙间设置细线，以提高填充率和平整度。
9.如权利要求书1所述的电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线墙(2)的设置可由细线芯设置一层或多层线墙，而后使用粗线在线墙接触液体侧稀疏设置一层粗线，以提高液体与线墙的接触面积。
10.如权利要求书1所述的线墙式多电极控制电润湿驱动液体透镜，其特征在于，所述的介质电润湿线墙(2)具有一定硬度时，舍去透镜主体(1)而用介质电润湿线墙(2)充当透镜主体。
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