CN115612450A - 一种用于液体透镜的流体介质、液体透镜模块及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于液体透镜的流体介质、液体透镜模块及其用途,所述用于液体透镜的流体介质包括绝缘液体与导电液体,所述绝缘液体包括脂肪族锗烷化合物和/或脂肪族硅烷化合物。本发明可实现在宽温度范围内液体透镜的透明度、迟滞和响应时间等保持不变,从而提高了液体透镜性能的稳定性,保证了液体透镜技术应用的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于透镜制造技术领域,涉及液体透镜,尤其涉及一种用于液体透镜的流体介质、液体透镜模块及其用途。
背景技术
近些年,随着科学技术的进步与消费需求的增长,能够自动聚焦且快速连续变焦的液体透镜已被商业化,广泛应用于消费电子、工业成像系统和医疗应用,成为未来透镜发展的一个重要方向。基于电润湿现象的液体透镜,通常包括两种互不相溶的等密度液体,即导电液体和绝缘液体,该两相液体保持接触并形成弯月形界面,通过施加电压控制液体的形状从而引起弯月面变化,从而达到可变焦距效果。
尽管液体透镜已引起诸多关注,液体透镜技术也成为研究热点,然而满足广泛范围温度需求的液体透镜仍不尽人意,例如两相液体在高温环境下易互溶,从而产生浑浊现象,引起透明度缺失、迟滞大、响应时间缓慢等可靠性问题。液体透镜具有自动聚焦和快速连续变焦的特点,在广泛温度范围内,液体透镜具有优异性却不能稳定保持,主要原因为两相液体在高温(60℃以上)容易产生互溶,待冷却至常温后发生浑浊现象,使得液体的透明度缺失,且造成液-液/固-液界面张力发生变化,从而导致经历高温环境后液体透镜性能下降,主要表现为迟滞大、响应时间缓慢等。尽管相关研究者在尽力缩短液体浑浊后透明度恢复所需时间,使得透明度可在12h,8h,或4h内恢复至原来的95%,然而其迟滞和响应时间等不能维持稳定,未能满足液体透镜的高可靠性要求。
因此,发展一种具有高可靠性的液体透镜是刻不容缓的,而液体透镜满足宽温度范围需求,其关键是液体在宽温度范围适宜,需要寻找一种具有高可靠性的绝缘液体。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种用于液体透镜的流体介质、液体透镜模块及其用途,其包含特定结构的绝缘液体,可实现在宽温度范围内透明度、迟滞和响应时间等保持不变,从而提高了液体透镜性能的稳定性,保证了液体透镜技术应用的可靠性。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种用于液体透镜的流体介质,所述用于液体透镜的流体介质包括绝缘液体与导电液体,所述绝缘液体包括脂肪族锗烷化合物和/或脂肪族硅烷化合物。
本发明提供的用于液体透镜的流体介质中包含具有脂肪族锗烷化合物和/或脂肪族硅烷化合物的绝缘液体,在宽温度范围(-40~85℃)的环境中,保持长达1000h后,液体的透明度、迟滞和响应时间等性能可几乎保持不变,从而提高了液体透镜的性能稳定性,拓宽了液体透镜技术的应用领域。
作为本发明一个优选技术方案,所述脂肪族锗烷化合物具有如下式所示结构:
其中,R1、R2、R3、R4和R′之间相同或不同,分别独立地选自烷基,同一化学式中,R′可相同或不同;
n表示0~20的整数;
R1、R2、R3、R4和R′的分子量分别≤200。
作为本发明一个优选技术方案,所述脂肪族锗烷化合物选自六甲基二锗、六乙基二锗、四乙氧基锗或四丁基锗中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明一个优选技术方案,所述脂肪族硅烷化合物具有如下式所示结构:
其中,R1、R2、R3、R4和R′之间相同或不同,分别独立地选自烷基,同一化学式中的R′相同或不同;
n表示0~20的整数;
R1、R2、R3、R4和R′的分子量分别≤200。
作为本发明一个优选技术方案,所述脂肪族硅烷化合物选自六乙基二硅氧烷、六甲基二硅烷、四乙基硅烷或六乙烯基二硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明一个优选技术方案,所述绝缘液体的密度为0.700~1.200g/cm3,例如可以是0.700g/cm3、0.750g/cm3、0.800g/cm3、0.850g/cm3、0.900g/cm3、0.950g/cm3、1.000g/cm3、1.150g/cm3或1.200g/cm3,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述绝缘液体的折射率1.40~1.50nD 20,例如可以是1.40nD 20、1.42nD 20、1.43nD 20、1.44nD 20、1.45nD 20、1.46nD 20、1.48nD 20或1.50nD 20,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述绝缘液体的粘度为0~25mPa·s,例如可以是0mPa·s、1mPa·s、5mPa·s、8mPa·s、10mPa·s、12mPa·s、15mPa·s、18mPa·s、20mPa·s、23mPa·s或25mPa·s,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一个优选技术方案,所述导电液体的凝固点≤-20℃。
优选地,所述导电液体与所述绝缘液体的密度差小于0.01g/cm3。
优选地,所述绝缘液体在所述导电液体内的溶解度<0.001g。
本发明中的绝缘液体不溶于或极微溶于导电液体,两相液体在较宽的高温范围内,不容易产生浑浊现象,避免了液体的透明度缺失,造成液-液两相界面张力发生变化,进而导致液体透镜性能下降的问题。
优选地,所述导电液体包括水、乙二醇或丙三醇中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述导电液体还包括辅剂,所述辅剂包括无机盐或有机盐。
优选地,所述无机盐包括氯化钠和/或溴化钠。
优选地,所述有机盐包括乙酸钾和/或乙酸铯。
优选地,所述辅剂的含量为0.1wt.%~6wt.%,例如可以是0.1wt.%、0.2wt.%、0.5wt.%、1.0wt.%、2.0wt.%、3.0wt.%、4.0wt.%、4.5wt.%、5.0wt.%、5.5wt.%或6.0wt.%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面,本发明提供了一种液体透镜模块,所述的液体透镜模块包括流体腔室,所述流体腔室内填充有第一方面所述的用于液体透镜的流体介质。
本发明提供的液体透镜模块的流体腔室内,具有特定结构的绝缘液体,使得导电液体与绝缘液体两相液体在宽温度范围内具有高稳定性,使得液体透镜经历宽温度范围(-40~85℃)且保持0~1000h后,仍具有以下优势:(1)绝缘液体与导电液体具有极低的溶解性;(2)绝缘液体与导电液体始终保持高透明,其透过率≥98%;(3)电压-屈光度曲线重合度≥98%,迟滞变化幅度≤15%;(4)响应时间变化幅度≤10%。
作为本发明一个优选技术方案,所述液体透镜模块还包括第一透明基板与第二透明基板,所述流体腔室设置于所述第一透明基板与所述第二透明基板之间。
所述第一透明基板与所述流体腔室之间设置有第一电极,所述第二透明基板与所述流体腔室之间设置有第二电极。
优选地,所述第一透明基板与所述第一电极之间设置有第一粘接部,所述第二透明基板与所述第二电极之间设置有第二粘接部。
优选地,所述第二透明基板靠近所述流体腔室的一侧表面设置有隔离膜层。
优选地,所述隔离膜层包括二甲苯线性聚合物、硅氧烷或无定形含氟聚合物中的任意一种。
优选地,所述二甲苯线性聚合物包括聚对二甲苯C、聚对二甲苯D、聚对二甲苯N、聚对二甲苯AF-4、聚对二甲苯HT或聚对二甲苯VT-4中的任意一种。
第三方面,本发明提供了一种第二方面所述的液体透镜模块的用途,所述液体透镜模块用于相机、手机、内窥镜、遥测表和牙科摄像机。
本发明提供的液体透镜模块包括含有脂肪族锗烷或脂肪族硅烷的绝缘液体,在宽温度范围内,液体透镜的透明度、迟滞和响应时间等性能可几乎保持不变,从而提高了液体透镜的性能稳定性,拓宽了液体透镜技术的应用领域。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值,还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明提供的一种用于液体透镜的流体介质,其包含特定结构的绝缘液体,具有良好的温度可靠性,且无毒无害,环保友好;
(2)本发明提供的一种用于液体透镜的流体介质、液体透镜模块及其用途,其中,液体透镜模块的流体腔室内,填充了含有脂肪族锗或脂肪族硅的绝缘液体,具有较高的可靠性,在宽温度范围(-40~85℃)内,保持长达1000h后,液体透镜的透明度、迟滞和响应时间等性能几乎保持不变,从而提高了液体透镜的稳定性,拓宽了液体透镜技术的应用领域。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的液体透镜模块的结构示意图。
其中,1-流体腔室;2-第一透明基板;3-第二透明基板;4-第一电极;5-第二电极;6-第一粘接部;7-第二粘接部;8-隔离膜层。
具体实施方式
需要理解的是,在本发明的描述中,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中,本发明提供了一种用于液体透镜的流体介质,所述用于液体透镜的流体介质包括绝缘液体与导电液体,所述绝缘液体包括脂肪族锗烷化合物和/或脂肪族硅烷化合物。
在一些实施方式中,所述脂肪族锗烷化合物具有如下式所示结构:
其中,R1、R2、R3、R4和R′之间相同或不同,分别独立地选自烷基,同一化学式中,R′可相同或不同;
n表示0~20的整数;
R1、R2、R3、R4和R′的分子量分别≤200。
在一些实施方式中,所述脂肪族锗烷化合物选自六甲基二锗、六乙基二锗、四乙氧基锗或四丁基锗中的任意一种或至少两种的组合。
在一些实施方式中,所述脂肪族硅烷化合物具有如下式所示结构:
其中,R1、R2、R3、R4和R′之间相同或不同,分别独立地选自烷基,同一化学式中的R′相同或不同;
n表示0~20的整数;
R1、R2、R3、R4和R′的分子量分别≤200。
在一些实施方式中,所述脂肪族硅烷化合物选自六乙基二硅氧烷、六甲基二硅烷、四乙基硅烷或六乙烯基二硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
本发明提供的不同的脂肪族锗烷化合物与脂肪族硅烷化合物的物理性质参数如表1所示。
表1
化合物 | 密度(g·cm<sup>-3</sup>) | 折射率(n<sub>D</sub><sup>20</sup>) | 粘度(mPa·s) |
六乙基二硅氧烷 | 0.844 | 1.433 | 6.68 |
六甲基二硅烷 | 0.715 | 1.422 | 6.11 |
六甲基二锗 | 1.175 | 1.456 | 8.83 |
六乙基二锗 | 1.142 | 1.498 | 10.59 |
四乙氧基锗 | 1.134 | 1.4049 | 7.82 |
四乙基硅烷 | 0.761 | 1.402 | 5.48 |
四丁基锗 | 0.930 | 1.455 | 8.98 |
六乙烯基二硅氧烷 | 0.840 | 1.467 | 6.27 |
在一些实施方式中,所述绝缘液体的密度为0.700~1.200g/cm3,所述绝缘液体的折射率1.40~1.50nD 20,所述绝缘液体的粘度为0~25mPa·s。
在一些实施方式中,所述导电液体的凝固点≤-20℃。
在一些实施方式中,所述导电液体与所述绝缘液体的密度差小于0.01g/cm3。
在一些实施方式中,所述绝缘液体在所述导电液体内的溶解度<0.001g。
在一些实施方式中,所述导电液体包括水、乙二醇或丙三醇中的任意一种或至少两种的组合。所述导电液体还包括辅剂,辅剂的含量(质量百分比)为0.1wt.%~6wt.%。所述辅剂包括无机盐或有机盐。所述无机盐包括氯化钠和/或溴化钠。所述有机盐包括乙酸钾和/或乙酸铯。
在另一个具体实施方式中,本发明提供了一种液体透镜模块,所述的液体透镜模块包括流体腔室1,所述流体腔室1内填充有一个具体实施方式中所述的用于液体透镜的流体介质。
本发明中的高折射率液体透镜的原理是利用介质上电润湿原理的可变焦光透镜,通过在两个绝缘的透明基板之间充满流体介质,流体介质包括了导电液体与绝缘液体(非导电液体),导电液体与绝缘液体之间形成弯月形的液-液两相界面,将两个透明基板分别固定在相应的电极上,通过施加电压控制液体的润湿性,引起液-液两相界面的变化,进而达到可变焦距效果。
本发明提供的液体透镜模块中,流体腔室1内包含绝缘液体与导电液体,两相液体之间形成液-液界面,绝缘液体采用具有特定结构的物质,使得导电液体与绝缘液体两相液体在宽温度范围内具有高稳定性,实现液体透镜经历宽温度范围(-40~85℃)且保持0~1000h后,绝缘液体与导电液体仍具有极低的溶解性,绝缘液体与导电液体始终保持高透明,透过率≥98%,并且电压-屈光度曲线重合度≥98%。
本发明提供的液体透镜模块包括含有脂肪族锗或脂肪族硅的绝缘液体,在宽温度范围内,液体透镜的透明度、迟滞和响应时间等性能可几乎保持不变,从而提高了液体透镜的性能稳定性,拓宽了液体透镜技术的应用领域,可适用于相机、手机、内窥镜、遥测表和牙科摄像机。
在一些实施方式中,如图1所示,所述液体透镜模块还包括第一透明基板2与第二透明基板3,所述流体腔室1设置于所述第一透明基板2与所述第二透明基板3之间。第一透明基板2与所述流体腔室1之间设置有第一电极4,所述第二透明基板3与所述流体腔室1之间设置有第二电极5。所述第一透明基板2通过第一粘接部6固定于所述第一电极4,所述第二透明基板3通过第二粘接部7固定于所述第二电极5。所述第二透明基板3靠近所述流体腔室1的一侧表面设置有隔离膜层8,具有绝缘或疏水作用,并与两相液体交接处形成三相界面。
在一些实施方式中,所述隔离膜层8包括二甲苯线性聚合物、硅氧烷或无定形含氟聚合物中的任意一种。
在一些实施方式中,所述二甲苯线性聚合物包括聚对二甲苯C、聚对二甲苯D、聚对二甲苯N、聚对二甲苯AF-4、聚对二甲苯HT或聚对二甲苯VT-4中的任意一种。
实施例1
本实施例提供了一种液体透镜模块,包括流体腔室1、第一透明基板2、第二透明基板3、第一电极4与第二电极5。流体腔室1内填充有绝缘液体与导电液体,形成液-液两相界面,其具体物理参数如表2所示,并计算了绝缘液体与导电液体之间的折射率差(折射率差Δn=∣绝缘液体折射率-导电液体折射率∣)。
流体腔室1设置于第一透明基板2与第二透明基板3之间。第一透明基板2与流体腔室1之间设置有第一电极4,第二透明基板3与流体腔室1之间设置有第二电极5。第一透明基板2通过第一粘接部6固定于第一电极4,第二透明基板3通过第二粘接部7固定于第二电极5。第二透明基板3靠近流体腔室1的一侧表面涂覆有聚对二甲苯C疏水膜层。
表2
实施例2
本实施例提供了一种液体透镜模块,包括流体腔室1、第一透明基板2、第二透明基板3、第一电极4与第二电极5。流体腔室1内填充有绝缘液体与导电液体,形成液-液两相界面,其具体物理参数如表3所示,并计算了绝缘液体与导电液体之间的折射率差(折射率差Δn=∣绝缘液体折射率-导电液体折射率∣)。
流体腔室1设置于第一透明基板2与第二透明基板3之间。第一透明基板2与流体腔室1之间设置有第一电极4,第二透明基板3与流体腔室1之间设置有第二电极5。第一透明基板2通过第一粘接部6固定于第一电极4,第二透明基板3通过第二粘接部7固定于第二电极5。第二透明基板3靠近流体腔室1的一侧表面涂覆有聚对二甲苯N疏水膜层。
表3
实施例3
本实施例提供了一种液体透镜模块,包括流体腔室1、第一透明基板2、第二透明基板3、第一电极4与第二电极5。流体腔室1内填充有绝缘液体与导电液体,形成液-液两相界面,其具体物理参数如表4所示,并计算了绝缘液体与导电液体之间的折射率差(折射率差Δn=∣绝缘液体折射率-导电液体折射率∣)。
流体腔室1设置于第一透明基板2与第二透明基板3之间。第一透明基板2与流体腔室1之间设置有第一电极4,第二透明基板3与流体腔室1之间设置有第二电极5。第一透明基板2通过第一粘接部6固定于第一电极4,第二透明基板3通过第二粘接部7固定于第二电极5。第二透明基板3靠近流体腔室1的一侧表面涂覆有聚对二甲苯AF-4疏水膜层。
表4
实施例4
本实施例提供了一种液体透镜模块,包括流体腔室1、第一透明基板2、第二透明基板3、第一电极4与第二电极5。流体腔室1内填充有绝缘液体与导电液体,形成液-液两相界面,其具体物理参数如表5所示,并计算了绝缘液体与导电液体之间的折射率差(折射率差Δn=∣绝缘液体折射率-导电液体折射率∣)。
流体腔室1设置于第一透明基板2与第二透明基板3之间。第一透明基板2与流体腔室1之间设置有第一电极4,第二透明基板3与流体腔室1之间设置有第二电极5。第一透明基板2通过第一粘接部6固定于第一电极4,第二透明基板3通过第二粘接部7固定于第二电极5。第二透明基板3靠近流体腔室1的一侧表面涂覆有聚对二甲苯HT疏水膜层。
表5
实施例5
本实施例提供了一种液体透镜模块,包括流体腔室1、第一透明基板2、第二透明基板3、第一电极4与第二电极5。流体腔室1内填充有绝缘液体与导电液体,形成液-液两相界面,其具体物理参数如表6所示,并计算了绝缘液体与导电液体之间的折射率差(折射率差Δn=∣绝缘液体折射率-导电液体折射率∣)。
流体腔室1设置于第一透明基板2与第二透明基板3之间。第一透明基板2与流体腔室1之间设置有第一电极4,第二透明基板3与流体腔室1之间设置有第二电极5。第一透明基板2通过第一粘接部6固定于第一电极4,第二透明基板3通过第二粘接部7固定于第二电极5。第二透明基板3靠近流体腔室1的一侧表面涂覆有硅氧烷绝缘膜层。
表6
本发明将实施例1~5中的液体透镜模块分别在25℃、-40℃、85℃的条件下,静置1000h后恢复常温,并记录其迟滞与响应时间。
其中,本发明根据液体透镜模块在施加电压时和降低电压时的电压-屈光度曲线,计算在相同电压处的屈光度差值的绝对值,即得到迟滞;另外,采用高速相机记录0到5dpt屈光度变化时间,即得到液体透镜模块的响应时间,结果如表7所示:
表7
由表7可知,本发明实施例1~5的液体透镜模块,实现了经历宽温度范围(-40~85℃)且保持0~1000h后,绝缘液体与导电液体始终保持高透明,迟滞变化幅度≤15%,响应时间变化幅度≤10%。液体透镜模块的透明度、迟滞和响应时间等性能可几乎保持不变,从而提高了液体透镜的性能稳定性。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种用于液体透镜的流体介质,其特征在于,所述用于液体透镜的流体介质包括绝缘液体与导电液体,所述绝缘液体包括脂肪族锗烷化合物和/或脂肪族硅烷化合物。
3.根据权利要求1或2所述的用于液体透镜的流体介质,其特征在于,所述脂肪族锗烷化合物选自六甲基二锗、六乙基二锗、四乙氧基锗或四丁基锗中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于液体透镜的流体介质,其特征在于,所述脂肪族硅烷化合物选自六乙基二硅氧烷、六甲基二硅烷、四乙基硅烷或六乙烯基二硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于液体透镜的流体介质,其特征在于,所述绝缘液体的密度为0.700~1.200g/cm3;
优选地,所述绝缘液体的折射率1.40~1.50nD 20;
优选地,所述绝缘液体的粘度为0~25mPa·s。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于液体透镜的流体介质,其特征在于,所述导电液体的凝固点≤-20℃;
优选地,所述导电液体与所述绝缘液体的密度差小于0.01g/cm3;
优选地,所述绝缘液体在所述导电液体内的溶解度<0.001g;
优选地,所述导电液体包括水、乙二醇或丙三醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述导电液体还包括辅剂,所述辅剂包括无机盐或有机盐;
优选地,所述无机盐包括氯化钠和/或溴化钠;
优选地,所述有机盐包括乙酸钾和/或乙酸铯;
优选地,所述辅剂的含量为0.1wt.%~6wt.%。
8.一种液体透镜模块,其特征在于,所述的液体透镜模块包括流体腔室,所述流体腔室内填充有权利要求1-7任一项所述的用于液体透镜的流体介质。
9.根据权利要求8所述的液体透镜模块,其特征在于,所述液体透镜模块还包括第一透明基板与第二透明基板,所述流体腔室设置于所述第一透明基板与所述第二透明基板之间;
所述第一透明基板与所述流体腔室之间设置有第一电极;
所述第二透明基板与所述流体腔室之间设置有第二电极;
优选地,所述第一透明基板与所述第一电极之间设置有第一粘接部,所述第二透明基板与所述第二电极之间设置有第二粘接部;
优选地,所述第二透明基板靠近所述流体腔室的一侧表面设置有隔离膜层;
优选地,所述隔离膜层包括二甲苯线性聚合物、硅氧烷或无定形含氟聚合物中的任意一种;
优选地,所述二甲苯线性聚合物包括聚对二甲苯C、聚对二甲苯D、聚对二甲苯N、聚对二甲苯AF-4、聚对二甲苯HT或聚对二甲苯VT-4中的任意一种。
10.一种权利要求8或9所述的液体透镜模块的用途,其特征在于,所述液体透镜模块用于相机、手机、内窥镜、遥测表和牙科摄像机。
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