TW201350922A - 液體透鏡 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種液體透鏡，包括一密封殼體、一液態介質、一氣態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，其中，所述液態介質、氣態介質和奈米碳管拉膜結構均設置於所述密封殼體內，所述奈米碳管拉膜結構與所述氣態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置並與所述奈米碳管拉膜結構電連接。本發明提供的液體透鏡具有結構簡單、變焦速度快、變焦精度高以及成本低廉的優點。

Description

液體透鏡

本發明涉及一種液體透鏡，尤其涉及一種含奈米碳管拉膜結構的液體透鏡。

液體透鏡係一種新型的依據仿生學原理提出的光學元件，其由液體材料製作而成，可通過控制外部形狀或改變內部折射率而變焦。

根據工作原理和結構的不同，目前的液體透鏡可分為三類：（1）基於電潤濕(Electrowetting)原理的雙液體透鏡；（2）通過機械力改變透鏡外形和體積的單液體透鏡；（3）通過加電改變液晶分子排列狀態從而引起折射率變化的液晶透鏡。其中，基於電潤濕原理的雙液體透鏡係當前液體透鏡發展的主流方向，法國的Varioptic公司和荷蘭的Philps公司的產品都屬此類。

與先前的自動對焦鏡頭相比，液體透鏡因為少了移動的機械結構，所以具有體積小、反應速度快、耗電量小、無磨損、壽命長等優點，故，在手機、數碼相機、網路攝像頭、內窺鏡等追求輕、薄、短、小的光學系統中具有很好的應用前景。

然而，對於基於電潤濕原理的雙液體透鏡而言，由於其包含兩種互不相溶、性質各異的液體，且其密封腔內設置有需經過憎水處理的絕緣層，而且其對電極的設置也有特定的要求，故，該種雙液體透鏡的結構較為複雜，其製備成本也較高。對於通過機械力改變透鏡外形和體積的單液體透鏡而言，由於機械力較難控制，故，該種單液體透鏡的變焦精度和工作穩定性均較差。對於通過加電改變液晶分子排列狀態從而引起折射率變化的液晶透鏡而言，由於其製備成本較高，限制了其產業化發展。

有鑒於此，確有必要提供一種結構簡單、成本低廉、具有較高的變焦精度和工作穩定性的液體透鏡，可方便應用於手機、數碼相機、網路攝像頭、內窺鏡等多種電子、光學設備中。

本發明提供一種液體透鏡，包括一密封殼體、一液態介質、一氣態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，其中，所述液態介質、氣態介質和奈米碳管拉膜結構均設置於所述密封殼體內，所述奈米碳管拉膜結構與所述氣態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置並與所述奈米碳管拉膜結構電連接。

進一步地，所述密封殼體由一剛性部分和一柔性部分組成。

進一步地，所述液體透鏡包括一剛性的保護罩，用於保護所述密封殼體的柔性部分。

進一步地，所述奈米碳管拉膜結構包括一層奈米碳管拉膜或多層重疊設置的奈米碳管拉膜。

本發明還提供另一種液體透鏡，包括一密封殼體、兩種互不相容的液態介質、一氣態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，其中，所述液態介質、氣態介質和奈米碳管拉膜結構均設置於所述密封殼體內，所述奈米碳管拉膜結構與所述氣態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置並與所述奈米碳管拉膜結構電連接。

進一步地，所述兩種互不相容的液態介質之間形成一個弧形的介面。

進一步地，所述奈米碳管拉膜結構包括一層奈米碳管拉膜或多層重疊設置的奈米碳管拉膜。

相對於先前技術，本發明所提供的液體透鏡具有以下優點：其一，結構簡單。本發明提供的液體透鏡只包括密封殼體、液態介質、氣態介質、奈米碳管拉膜結構和電極五個元件，故，結構簡單易於製備，且成本低廉。其二，變焦精度高。本發明通過給奈米碳管拉膜結構通電來加熱氣態介質，通過熱脹冷縮效應改變氣態介質的體積，進而利用氣體膨脹時增大的壓強來改變液態介質的形狀，最終達到液體透鏡變焦的目的。由於奈米碳管拉膜結構通電時間，氣態介質溫度、體積，液態介質形狀，和液體透鏡焦距之間存在著既定的規律，故，可以通過控制其中一個參數來精確控制液體透鏡的焦距變化。其三，變焦速度快。由於奈米碳管拉膜結構具有很高的電導率和熱導率以及很小的單位面積熱容，故，該奈米碳管拉膜結構具有升降溫速度快（即熱回應速度快）的優點，從而能快速調節液體透鏡的焦距。

實施例一

請參閱圖1，本發明實施例提供一種液體透鏡10，該液體透鏡10包括一密封殼體110；一液態介質130和一氣態介質120，該液態介質130和氣態介質120均設置於所述密封殼體110的內部；一奈米碳管拉膜結構140，該奈米碳管拉膜結構140設置於所述氣態介質120中，且與所述液態介質130隔離；以及一第一電極150和一第二電極160，該第一電極150與第二電極160間隔設置且與所述奈米碳管拉膜結構140電連接。

所述密封殼體110用於盛裝所述液態介質130和氣態介質120。所述密封殼體110由位於其上端的剛性部分112和位於其下端的柔性部分114組成。所述剛性部分112和柔性部分114結合的方式不限，只要保證所述密封殼體110的密封性即可。本實施例中，所述剛性部分112和所述柔性部分114通過黏結而組合在一起。所述剛性部分112和柔性部分114的形狀不限，本實施例中，所述剛性部分112選用圓柱體形狀，所述柔性部分114選用直徑與上述圓柱體相等的半凸透鏡形狀。

所述剛性部分112由硬性材料製成，硬性材料可保證所述剛性部分112不發生變形，從而不會影響所述液體透鏡10的變焦精度和工作穩定性。硬性材料可選玻璃、樹脂、石英或塑膠等。本實施例中，所述剛性部分112優選為由高透明度、高絕緣性的玻璃製成。

所述柔性部分114由柔性材料製成，柔性材料可使該柔性部分114在微小壓力下變形，以達到改變所述液體透鏡10的焦距的目的。柔性材料可選柔性高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，本實施例中，所述柔性部分114優選為由高透明度的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜製成。所述剛性部分112和柔性部分114的尺寸（直徑）可隨該液體透鏡10的用途在1毫米至10厘米之間調整。本實施例中，所述剛性部分112和柔性部分114的直徑均為1厘米。

所述液態介質130的成分不限，可選電解質溶液、非電解質溶液、有機溶液、無機溶液、親水性溶液以及親油性溶液中的一種或多種。優選地，本實施例中，所述液態介質130優選為黏度較大的液體，如親油性溶液，當該液態介質130黏度較大時，其與密封殼體110形成的接觸角的最大值較大，從而使該液體透鏡10的焦距可調範圍較大。

所述液態介質130主要填充於所述密封殼體110的柔性部分114，所述液態介質130的體積可小於、等於或略大於所述柔性部分114的體積，優選地，本實施例中的液態介質130正好充滿所述柔性部分114。

所述氣態介質120為非氧化性氣體，如氮氣、惰性氣體、氫氣等。本實施例中所述氣態介質120優選氬氣。選用非氧化性氣體作為本發明中的氣態介質120，可防止所述奈米碳管拉膜結構140在通電加熱過程中發生氧化燒損。

所述氣態介質120在所述密封殼體110內的氣壓在0.5~1.5個大氣壓之間，本實施例中優選1個大氣壓。

所述第一電極150和第二電極160可由銀、銅、鋁等金屬或其合金製成，也可由氧化銦錫、金屬性奈米碳管等材料製成。所述第一電極150和第二電極160的形狀不限，可以為片狀、線狀或其他任意形狀。本實施例中，優選使用金屬性奈米碳管材料製成的電極。

可以理解，本發明可設置複數個電極，其數量不限，只需確保任意兩個相鄰的電極均分別與所述奈米碳管拉膜結構140的兩端電連接即可。

所述奈米碳管拉膜結構140為一柔性自支撐結構，其既可懸空設置於所述氣態介質120中，也可緊貼所述密封殼體110的內壁設置。當所述奈米碳管拉膜結構140緊貼所述密封殼體110的內壁設置時，其緊貼於所述密封殼體110的剛性部分112的內壁設置。本實施例中的奈米碳管拉膜結構140優選為懸空設置於所述密封殼體110內。當所述奈米碳管拉膜結構140懸空設置時，該奈米碳管拉膜結構140的兩端通過導電膠分別與所述第一電極150和第二電極160固定，且所述第一電極150和第二電極160均固定於所述密封殼體110上。當所述奈米碳管拉膜結構140緊貼所述密封殼體110的內壁設置時，通過導電膠直接固定於內壁上。

所述奈米碳管拉膜結構140為一具有較薄厚度的面狀結構。所述奈米碳管拉膜結構140的橫向尺寸可隨所述密封殼體110的尺寸大小而調節。優選地，本實施例中，所述奈米碳管拉膜結構140的橫向尺寸等於所述密封殼體110的直徑。

所述奈米碳管拉膜結構140包括複數個均勻分佈的奈米碳管，該複數個奈米碳管有序排列。所謂有序排列係指奈米碳管的排列方向有規則。所述奈米碳管拉膜結構140中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。

所述奈米碳管拉膜結構140的厚度為1奈米~100微米。優選地，本實施例中，該奈米碳管拉膜結構140的厚度為0.5微米~5微米。所述奈米碳管拉膜結構140的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。優選地，所述奈米碳管拉膜結構140的單位面積熱容小於1.7×10^-6焦耳每平方厘米開爾文。

請一併參閱圖3至圖6，所述奈米碳管拉膜結構140可以係單層的奈米碳管拉膜132，也可以由多層奈米碳管拉膜132重疊設置而成。所述奈米碳管拉膜132可通過拉取一奈米碳管陣列直接獲得。該奈米碳管拉膜132包括複數個擇優取向排列的奈米碳管134，且相鄰的兩個奈米碳管134之間通過凡德瓦力首尾相連，形成一自支撐的結構。

可以理解，通過將複數個奈米碳管拉膜132重疊鋪設，可以製備出不同面積與厚度的奈米碳管拉膜結構140。當奈米碳管拉膜結構140包括複數個重疊設置的奈米碳管拉膜132時，相鄰的奈米碳管拉膜132中的奈米碳管134的排列方向形成一夾角β，0˚≦β≦90˚。多層重疊設置的奈米碳管拉膜132，尤其係多層重疊交叉設置的奈米碳管拉膜132相對單層奈米碳管拉膜132具有更高的強度，故在將所述奈米碳管拉膜結構140放入所述氣態介質120中時，可確保奈米碳管拉膜結構140的結構不被破壞或改變。然而，所述液體透鏡10對該奈米碳管拉膜結構140的透光率有較高要求（大於等於70%），當所述奈米碳管拉膜結構140中重疊設置了過多的奈米碳管拉膜132時，會導致整個奈米碳管拉膜結構140的厚度過大，從而影響該奈米碳管拉膜結構140的透光率。故，所述奈米碳管拉膜結構140中並非設置越多層的奈米碳管拉膜132越好。優選地，所述奈米碳管拉膜結構140中的奈米碳管拉膜132的層數不大於10層。更優選地，所述奈米碳管拉膜結構140中包括兩層奈米碳管拉膜132。

由於奈米碳管134的軸嚮導電性能遠遠大於其徑向導電性能，當所述奈米碳管拉膜結構140包括複數個重疊設置的奈米碳管拉膜132，且相鄰的奈米碳管拉膜132中的奈米碳管134的排列方向一致（即β=0˚）時，可將所述奈米碳管拉膜結構140從第一電極150向第二電極160的方向延伸設置，從而使所述液體透鏡10工作時，流經所述奈米碳管拉膜結構140的電流最大，整個裝置的功耗最小，同時提高該液體透鏡10的變焦速度。

所述液體透鏡10未通電時，可作為一普通的具有固定焦距的鏡頭使用。當通過所述第一電極150和第二電極160給所述液體透鏡10通電時，該液體透鏡10可作為一可變焦的鏡頭使用。其具體工作原理如下：首先，通過所述第一電極150和第二電極160給所述液體透鏡10中的奈米碳管拉膜結構140通電，所述奈米碳管拉膜結構140通電後溫度升高，所述奈米碳管拉膜結構140將熱量快速傳導給所述氣態介質120，所述氣態介質120溫度升高後體積增大，所述氣態介質120施加於所述液態介質130的壓強增大，改變所述液態介質130的形狀，同時改變所述柔性部件114的形狀（曲率半徑），最終改變所述液體透鏡10的焦距。可以理解，所述液體透鏡10的焦距變化的幅度與通電時間有關，在其變化幅度的極限範圍內，通電時間越長，焦距變化的幅度越大。另外，所述液體透鏡10的焦距變化幅度的極限範圍與所述液態介質130的性質有關，尤其係所述液態介質130的黏度。即，所述液態介質130的黏度越大，所述液體透鏡10的焦距變化幅度的極限值越大，反之亦然。

實施例二

請參閱圖2，本發明實施例提供另一種液體透鏡20，該液體透鏡20包括一密封殼體210；一第一液態介質230、一第二液態介質232和一氣態介質220，該第一液態介質230、第二液態介質232和氣態介質220均設置於所述密封殼體210的內部；一奈米碳管拉膜結構240，該奈米碳管拉膜結構240設置於所述氣態介質220中，且與所述第一液態介質230和第二液態介質232隔離；以及一第一電極250和一第二電極260，該第一電極250與第二電極260間隔設置且與所述奈米碳管拉膜結構240電連接。

所述密封殼體210用於盛裝所述第一液態介質230、第二液態介質232和氣態介質220。與實施例一中的密封殼體110的結構不同，本實施例中的密封殼體210整體均由硬性材料製成，硬性材料可保證所述密封殼體210不發生變形，從而不會影響所述液體透鏡20的變焦精度和工作穩定性。硬性材料可選玻璃、樹脂、石英或塑膠等。本實施例中，所述密封殼體210優選為由高透明度、高絕緣性的玻璃製成。

所述密封殼體210的形狀不限，本實施例中優選為圓柱體形狀。所述密封殼體210的尺寸（直徑）可隨該液體透鏡20的用途在1毫米至10厘米之間調整。本實施例中，所述密封殼體210的直徑優選為1厘米。

進一步地，可對所述密封殼體210的內壁做親水憎油處理。

所述第一液態介質230與所述第二液態介質232為互不相容的兩種液體。所述第一液態介質230的密度小於所述第二液態介質232的密度。故，在所述密封殼體210中，所述氣態介質220位於最上端。所述第一液態介質230與所述氣態介質220接觸，位於中間部分。所述第二液態介質232與所述第一液態介質230接觸且與所述氣態介質220隔離，位於最下端。

所述第一液態介質230為一親油性溶液，所述第二液態介質232為一親水性溶液。由於所述密封殼體210的內壁具有親水憎油性質，所以所述第一液態介質230和第二液態介質232之間的介面呈一下凹的弧形。在本實施例中，所述第一液態介質230作為該液體透鏡20中的工作液體，即在該液體透鏡20工作時，通過改變所述第一液態介質230的形狀（由第一液態介質230與第二液態介質232之間的介面決定）來改變該液體透鏡20的焦距。

可以理解的，所述第一液態介質230和第二液態介質232均為透明液體。

所述氣態介質220為非氧化性氣體，如氮氣、惰性氣體、氫氣等。本實施例中所述氣態介質220優選氬氣。選用非氧化性氣體作為本發明中的氣態介質220，可防止所述奈米碳管拉膜結構240在通電加熱過程中發生氧化燒損。

所述氣態介質220在所述密封殼體210內的氣壓在0.5~1.5個大氣壓之間，本實施例中優選1個大氣壓。

所述第一電極250和第二電極260可由銀、銅、鋁等金屬或其合金製成，也可由氧化銦錫、金屬性奈米碳管等材料製成。所述第一電極250和第二電極260的形狀不限，可以為片狀、線狀或其他任意形狀。本實施例中，優選使用金屬性奈米碳管材料製成的電極。

可以理解，本發明可設置複數個電極，其數量不限，只需確保任意兩個相鄰的電極均分別與所述奈米碳管拉膜結構240的兩端電連接即可。

所述奈米碳管拉膜結構240的結構、位置、尺寸等參數與實施例一中奈米碳管拉膜結構140相同。

所述液體透鏡20未通電時，可作為一普通的具有固定焦距的鏡頭使用。當通過所述第一電極250和第二電極260給所述液體透鏡20通電時，該液體透鏡20可作為一可變焦的鏡頭使用。其具體工作原理如下：首先，通過所述第一電極250和第二電極260給所述液體透鏡20中的奈米碳管拉膜結構240通電，所述奈米碳管拉膜結構240通電後溫度升高，所述奈米碳管拉膜結構240將熱量快速傳導給所述氣態介質220，所述氣態介質220溫度升高後體積增大，所述氣態介質220施加於所述第一液態介質230的壓強增大，改變所述第一液態介質230的形狀，最終改變所述液體透鏡20的焦距。可以理解，所述液體透鏡20的焦距變化的幅度與通電時間有關，在其變化幅度的極限範圍內，通電時間越長，焦距變化的幅度越大。另外，所述液體透鏡20的焦距變化幅度的極限範圍與所述第一液態介質230和第二液態介質232的性質有關。即，所述第一液態介質230的黏度越大、親油性越高，所述第二液態介質232的親水性越高，則所述液體透鏡20的焦距變化幅度的極限值越大，反之亦然。

本發明所提供的液體透鏡具有以下優點：其一，結構簡單。本發明提供的液體透鏡只包括密封殼體、液態介質、氣態介質、奈米碳管拉膜結構和電極五個元件，故，結構簡單易於製備，且成本低廉。其二，變焦精度高。本發明通過給奈米碳管拉膜結構通電來加熱氣態介質，通過熱脹冷縮效應改變氣態介質的體積，進而利用氣體膨脹時增大的壓強來改變液態介質的形狀，最終達到液體透鏡變焦的目的。由於奈米碳管拉膜結構通電時間，氣態介質溫度、體積，液態介質形狀，和液體透鏡焦距之間存在著既定的規律，故，可以通過控制其中一個參數來精確控制液體透鏡的焦距變化。其三，變焦速度快。由於奈米碳管拉膜結構具有很高的電導率和熱導率以及很小的單位面積熱容，故，該奈米碳管拉膜結構具有升降溫速度快（即熱回應速度快）的優點，從而能快速調節液體透鏡的焦距。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10，20．．．液體透鏡

110，210．．．密封殼體

112．．．剛性部分

114．．．柔性部分

120，220．．．氣態介質

130．．．液態介質

140，240．．．奈米碳管拉膜結構

142．．．奈米碳管拉膜

144．．．奈米碳管

150，250．．．第一電極

160，260．．．第二電極

230．．．第一液態介質

232．．．第二液態介質

圖1為本發明第一實施例提供的液體透鏡的示意圖。

圖2為本發明第二實施例提供的液體透鏡的示意圖。

圖3為圖1和圖2的液體透鏡中第一種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖4為圖1和圖2的液體透鏡中第二種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖5為圖1和圖2的液體透鏡中第三種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖6為本發明實施例提供的液體透鏡中單層奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

10．．．液體透鏡

110．．．密封殼體

112．．．剛性部分

114．．．柔性部分

120．．．氣態介質

130．．．液態介質

140．．．奈米碳管拉膜結構

150．．．第一電極

160．．．第二電極

Claims (21)

1. 一種液體透鏡，其包括：一密封殼體、一液態介質、一氣態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，所述液態介質、氣態介質和奈米碳管拉膜結構均設置於所述密封殼體內，所述奈米碳管拉膜結構與所述氣態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置並與所述奈米碳管拉膜結構電連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的液體透鏡，其中，所述密封殼體由一剛性部分和一柔性部分組成。
3. 如申請專利範圍第2項所述的液體透鏡，其中，所述剛性部分由硬性材料製成。
4. 如申請專利範圍第3項所述的液體透鏡，其中，所述硬性材料包括玻璃、樹脂、石英、塑膠中的一種或多種。
5. 如申請專利範圍第2項所述的液體透鏡，其中，所述柔性部分由柔性材料製成。
6. 如申請專利範圍第5項所述的液體透鏡，其中，所述柔性材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種。
7. 如申請專利範圍第1項所述的液體透鏡，其中，所述液態介質為親油性溶液。
8. 一種液體透鏡，其包括：一密封殼體、一第一液態介質、一第二液態介質、一氣態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，所述第一液態介質、第二液態介質、氣態介質和奈米碳管拉膜結構均設置於所述密封殼體內，所述奈米碳管拉膜結構與所述氣態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置並與所述奈米碳管拉膜結構電連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述的液體透鏡，其中，所述密封殼體由硬性材料製成。
10. 如申請專利範圍第9項所述的液體透鏡，其中，所述硬性材料包括玻璃、樹脂、石英、塑膠中的一種或多種。
11. 如申請專利範圍第8項所述的液體透鏡，其中，所述第一液態介質為親油性溶液。
12. 如申請專利範圍第8項所述的液體透鏡，其中，所述第二液態介質為親水性溶液。
13. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述氣態介質為非氧化性氣體。
14. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述電極由金屬、合金、氧化銦錫、金屬性奈米碳管中的一種或多種材料製成。
15. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜結構緊貼所述密封殼體的內壁設置。
16. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜結構懸空設置於所述氣態介質中。
17. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜結構包括複數個均勻分佈且有序排列的奈米碳管。
18. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜結構包括單層奈米碳管拉膜。
19. 如申請專利範圍第1項或第8項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜結構包括多層重疊設置的奈米碳管拉膜。
20. 如申請專利範圍第19項所述的液體透鏡，其中，所述相鄰的兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的排列方向形成一夾角β，0˚≦β≦90˚。
21. 如申請專利範圍第19項所述的液體透鏡，其中，所述奈米碳管拉膜包括複數個通過凡德瓦力首尾相連且沿一固定方向擇優取向排列的奈米碳管。