TW201350923A

TW201350923A - 液體透鏡

Info

Publication number: TW201350923A
Application number: TW101120994A
Authority: TW
Inventors: Jie Li; Kai-Li Jiang; Shou-Shan Fan
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-16
Also published as: CN103454705A; US20130321928A1; US10234605B2; US20180210117A1; CN103454705B; TWI454751B; US10416357B2

Abstract

本發明提供一種液體透鏡，包括一密封殼體、一設置於該密封殼體內的液態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個間隔設置的電極，其中，所述奈米碳管拉膜結構設置於密封殼體內且與所述液態介質接觸，所述電極與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，故，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。

一種液體透鏡，包括一密封殼體、一設置於所述密封殼體內的液態介質、一奈米碳管拉膜結構以及至少兩個電極，其中，所述奈米碳管拉膜結構設置於所述密封殼體內且與所述液態介質接觸，所述至少兩個電極間隔設置且與所述奈米碳管拉膜結構電連接。

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、奈米碳管拉膜結構和電極四個元件，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液態介質，從而改變液態介質的密度，進而改變液態介質的折射率，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，液態介質溫度、密度、折射率，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。

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120，該液態介質120設置於所述密封殼體110的內部；一奈米碳管拉膜結構130，該奈米碳管拉膜結構130設置於所述密封殼體110的內部，且與所述液態介質120接觸，用於加熱該液態介質120；以及一第一電極140和一第二電極150，該第一電極140與第二電極150間隔設置且與所述奈米碳管拉膜結構130電連接。

所述密封殼體110用於盛裝液態介質120。所述密封殼體110由硬性材料製成，硬性材料可保證所述密封殼體110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，所述密封殼體110優選為由高透明度、高絕緣性的玻璃製成。所述密封殼體110的形狀不限，只要能彙聚光線即可。本實施例中，所述密封殼體110優選為凸透鏡形狀。所述密封殼體110的尺寸（直徑或邊長）可隨該液體透鏡的用途在1毫米至10厘米之間調整。本實施例中，所述凸透鏡形狀的密封殼體的直徑為1厘米。

所述液態介質120的成分不限，只需滿足其電阻率大於所述奈米碳管拉膜結構130的電阻率即可。當所述液態介質120的電阻率大於所述奈米碳管拉膜結構130的電阻率時，在對所述奈米碳管拉膜結構130通電時，即可發揮所述奈米碳管拉膜結構130升降溫速度快的優點，從而快速調節所述液體透鏡10的焦距。優選地，本實施例中，所述液態介質120的電阻率大於0.01歐姆·米。

所述液態介質120可選非電解質溶液、水及有機溶劑等中的一種或多種。其中，所述水包括純淨水、自來水、淡水及海水等，所述有機溶劑包括甲醇、乙醇及丙酮等。本實施例中，所述液態介質120優選純淨水。

另外，所述液態介質120優選為溫度敏感型液體，所謂溫度敏感型液體，係指密度隨溫度變化而變化的幅度較大的液體。利用溫度敏感型液體作為本發明中的液態介質120時，可以提高所述液體透鏡10的變焦範圍，並能提高所述液體透鏡10的變焦靈敏度。

所述液態介質120可完全充滿所述密封殼體110，也可部分充滿所述密封殼體110。優選地，本實施例中的液態介質120部分充滿所述密封殼體110。

所述第一電極140和第二電極150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140和第二電極150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130的兩端電連接即可。

所述奈米碳管拉膜結構130為一柔性自支撐結構，其既可懸浮設置於所述液態介質120中，也可緊貼所述密封殼體110的內壁設置。本實施例中的奈米碳管拉膜結構130優選為懸浮設置於所述液態介質120中。當所述奈米碳管拉膜結構130懸浮設置時，該奈米碳管拉膜結構130的兩端通過導電膠分別與所述第一電極140和第二電極150固定，且所述第一電極140和第二電極150均固定於所述密封殼體110上。當所述奈米碳管拉膜結構130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。

為了提高該液體透鏡10的工作效率，減少電流損耗，可以在該奈米碳管拉膜結構130的表面以及該第一電極140和第二電極150中未與該奈米碳管拉膜結構130接觸的部分塗覆一層絕緣導熱的矽脂，以隔絕所述奈米碳管拉膜結構130或第一電極140或第二電極150和所述液態介質120之間的電流流通，且不影響上述部件之間的熱交換或熱流通。

所述奈米碳管拉膜結構130為一具有較薄厚度的面狀結構。所述奈米碳管拉膜結構130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130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130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130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130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130的厚度為0.5微米~5微米。所述奈米碳管拉膜結構130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130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2至圖5，所述奈米碳管拉膜結構130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130。當奈米碳管拉膜結構130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130放入所述液態介質120中時，可確保奈米碳管拉膜結構130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130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130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130的厚度過大，從而影響該奈米碳管拉膜結構130的透光率。故，所述奈米碳管拉膜結構130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130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130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130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130從第一電極140向第二電極150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130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140和第二電極150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140和第二電極150給所述液體透鏡10中的奈米碳管拉膜結構130通電，所述奈米碳管拉膜結構130通電後溫度升高，所述奈米碳管拉膜結構130將熱量快速傳導給所述液態介質120，所述液態介質120溫度升高後密度變小（或變大，與液態介質120的性質有關），從而導致所述液態介質120的折射率變小（或變大），最終增大（或減小）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120的性質有關，尤其係所述液態介質120的溫度敏感性。即，所述液態介質120的密度對溫度越敏感，所述液體透鏡10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、奈米碳管拉膜結構和電極四個元件，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液態介質，從而改變液態介質的密度，進而改變液態介質的折射率，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，液態介質溫度、密度、折射率，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．．．液體透鏡

110．．．密封殼體

120．．．液態介質

130．．．奈米碳管拉膜結構

132．．．奈米碳管拉膜

134．．．奈米碳管

140．．．第一電極

150．．．第二電極

圖1為本發明實施例提供的液體透鏡的示意圖。

圖2為圖1的液體透鏡中第一種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖3為圖1的液體透鏡中第二種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖4為圖1的液體透鏡中第三種奈米碳管拉膜結構的爆破圖。

圖5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。