TWI434072B

TWI434072B - 可變焦液態透鏡模組

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Publication number: TWI434072B
Application number: TW100102302A
Authority: TW
Original assignee: Nat Univ Chung Hsing
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2014-04-11
Also published as: TW201232048A

Description

可變焦液態透鏡模組

本發明是有關於一種可變焦液態透鏡模組，特別是有關於一種具有可產生雙電場以調整焦距的可變焦液態透鏡模組。

光學凹/凸液態透鏡模組是一種利用電濕潤原理透過一電場來改變模組內一液滴的形狀以調整焦距的裝置。

台灣專利公開號201035593揭露一種電濕潤元件。該電濕潤元件包含一基座，一與該基座電連接且共同界定出一密閉空間的封裝座，一設置在該基座上而與該基座共同配合形成一容槽的恐水擋牆，及容置在該容槽中之一可導電液體與一油滴。藉由在該基座與該封裝座之間產生一電場，可以驅動油滴從一攤平的狀態轉變到一具凸透鏡形狀的狀態。

圖1顯示一傳統的可變焦液態透鏡。該可變焦液態透鏡包括一底電極11，一形成在該底電極11上的疏水層12，一設於該疏水層12上具有凸透鏡形狀的絕緣油滴13，一覆蓋該油滴13與該疏水層12之未被該油滴13遮蓋的區域的可導電液體14，及一與該底電極11及該可導電液體14電性連接的電壓供應源15。當在該底電極11及該可導電液體14之間產生一電場時，該油滴13的曲率變大，藉此改變該液態透鏡的焦距。上述傳統的可變焦液態透鏡的缺點是該油滴13會因重力而下移，造成該液態透鏡之一光軸(X)下移。

美國專利號6,369,954揭露一種可變焦液態透鏡。該可變焦液態透鏡包含一裝有一液體的容室，一界定該容室底側的絕緣層，一設於該絕緣層的上表面的液滴，及一設於該絕緣層的下表面的配置漸變電極層。藉由在該電極層與該液體之間產生一漸變電場，可以驅動該液滴從一具有較小曲率之凸透鏡形狀的狀態轉變到一具有較大曲率之凸透鏡形狀的狀態。該可變焦液態透鏡利用該電極層的結構而可以產生一朝該液滴所覆蓋之該絕緣層的一區域的中心點徑向地漸減的漸變電場，藉此，可以具有液滴定心(drop centering)的效果，亦即具有維持該液滴的中心軸落在一通過該絕緣層之該區域的中心的光軸。

美國專利號7,443,596揭露一種可變焦液態透鏡(如圖2所示)。該可變焦液態透鏡包含一絕緣底壁21，一覆蓋該底壁21之一上表面的絕緣液滴22，一覆蓋該底壁21之一下表面的電極層23，一覆蓋該上表面與該絕緣液體22的可導電液體24，以及用以提供該電極層23與該可導電液體24的電壓供應裝置25。該絕緣壁21具有一界定出一截頭錐形凹槽210的凹槽壁211。該絕緣液滴22藉由該凹槽壁211而可被定心在該凹槽210內。該凹槽210的設計可簡化該可變焦液態透鏡的製作，因此可以解決美國專利號6,369,954中須要利用設計較複雜的該電極層的結構來達到液滴定心的效果。

上述該等文獻的可變焦液態透鏡均使用單一電場來改變液滴的曲率及定心，因此該等可變焦液態透鏡之焦距可調整範圍較小，且定心效果仍有可改善的空間。

本發明之目的，在提供一種可增加焦距可調整範圍與加強油滴定心的可變焦液態透鏡模組。

於是，根據本發明，該可變焦液態透鏡模組包含：一透明上層結構，具有一上導體及一下表面；一透明下層結構，與該上層結構上下地相間隔且具有一下導體及一上表面，該下導體與該上導體可藉由一外部電源而形成電性連接以在該下導體與該上導體之間產生一電場；一圍繞壁，與該上層結構及該下層結構共同界定出一封閉空間；一環狀定心圍牆，自該下層結構的該上表面凸伸入該封閉空間內，與該下層結構共同界定出一凹槽，且具有一上表面；一環狀導體，設於該封閉空間內，環繞該定心圍牆，且具有一內表面，該環狀導體的內表面與該上層結構的下表面、該下層結構的上表面及該定心圍牆的上表面共同界定出一容納室，該環狀導體與該上導體可藉由另一外部電源而形成電性連接以在該環狀導體與該上導體之間產生一電場；一疏水層，形成在該環狀導體的內表面、該下層結構的上表面及該定心圍牆的上表面；一可導電液體，收納於該容納室內且與該上導體電連接；以及一油滴，收納於該容納室內且與該可導電液體不互溶，該油滴至少填滿該凹槽。藉此，當單獨或同時在該下導體與該上導體之間與在該環狀導體與該上導體之間產生電場時，可使得該可導電液體在該疏水層上的濕潤性增加而擴散開，並因此而驅動該油滴朝形成具有較大曲率的凸透鏡形狀的方向移動。

本發明利用該下導體與該上導體所組合而成的一電極組合及該環狀導體與該上導體所組合而成的另一電極組合而可同時在該容納室內產生雙電場以擴大該可變焦液態透鏡模組的可調焦距的範圍及加強該油滴的定心效果。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之兩個較佳具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

如圖3至圖5所示，本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組包含：一透明上層結構3，具有一上導體32及一下表面30；一透明下層結構4，與該上層結構3上下地相間隔且具有一下導體42及一上表面40，該下導體42與該上導體32可藉由一第一外部電源51而形成電性連接以在該下導體42與該上導體32之間產生一電場，該下導體42與該上導體32共同形成一縱向電極組合；一圍繞壁61，藉由一黏膠9固著於該上層結構3及該下層結構4且與該上層結構3及該下層結構4共同界定出一封閉空間60；一環狀定心圍牆62，自該下層結構4的該上表面40凸伸入該封閉空間60內，與該下層結構4共同界定出一凹槽63，且具有一上表面621；一環狀導體64，設於該封閉空間60內，環繞該定心圍牆62，藉由該黏膠9固著於該上層結構3及該下層結構4，且具有一內表面641，該環狀導體64的內表面641與該上層結構3的下表面30、該下層結構4的上表面40及該定心圍牆62的上表面621共同界定出一容納室65，該環狀導體64與該上導體32可藉由一第二外部電源52而形成電性連接以在該環狀導體64與該上導體32之間產生一電場，該環狀導體64與該上導體32共同形成一側向電極組合；一疏水層66，形成在該環狀導體64的內表面641、該下層結構4的上表面40及該定心圍牆62的上表面621；一可導電液體7，收納於該容納室65內且與該上導體32電連接；以及一油滴8，收納於該容納室65內且與該可導電液體7不互溶，該油滴8至少填滿該凹槽63。藉此，當單獨或同時在該下導體42與該上導體32之間與在該環狀導體64與該上導體32之間產生電場時，可使得該可導電液體7在該疏水層66上的濕潤性增加而擴散開，並因此而驅動該油滴8自一初始狀態(在尚未施加任何電場下，因油滴8在疏水層66上的濕潤性而擴散開使得具有一略呈攤平的形狀，如圖5)朝形成具有較大曲率的凸透鏡形狀(如圖6)的方向移動。圖5與圖6同時也顯示本較佳具體例的油滴8的一中心軸(Y)與該可變焦液態透鏡模組的一光軸(X)重疊，其並未因形成凸透鏡形狀且受重力影響而產生位移。

在本較佳具體例中，該下導體42的面積大於該油滴8的面積且在有施加或沒有施加電場下都足以與該油滴8重疊；該上層結構3更具有一透明上基材31，該上導體32為一層形成在該上基材31的透明導電材所構成，且界定出該上層結構3的該下表面30；該下層結構4更具有一透明下基材41與一介電層43，該下導體42為一層形成在該下基材41的透明導電材所構成，且夾設於該下基材41與該介電層43之間，該介電層43界定出該下層結構4的該上表面40；該環狀導體64藉由該黏膠絕緣地固接於該上導體32；該圍繞壁61係圍繞該環狀導體64且與該環狀導體64的一外表面上的一疏水層貼設；該油滴8的量足以在初始狀態下(尚未施加任何電場)覆蓋該定心圍牆62的上表面621的疏水層66且部份覆蓋該該環狀導體64的內表面641上的疏水層66。

較佳下，該油滴8與該可導電液體7的體積比低於3:7，更佳為介於2:8至1:9的範圍。當該體積比在3:7以上時，在施加電場下，該油滴8因重量過重不易被該可導電液體7所驅動，而當該體積比低於1:9時，該油滴8的量不足以形成所要的凸透鏡的。

較佳下，該上基材31與該下基材41為玻璃材料所製成，該透明導電材料為銦錫氧化物(ITO)，該介電層43為氮化矽(SiN_x )所製成，該定心圍牆62係由光阻材料所構成，該圍繞壁61為環形且由壓克力材料所製成，該疏水層66係由鐵弗龍材料所構成，該可導電液體7為一水溶液電解質，例如0.01%的KNO₃ (硝酸鉀)導電液體，及該油滴8為矽油。

以下將以實施例來說明本發明各目的之實施方式與功效。須注意的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

實施例1

可變焦液態透鏡模組的製作

在一ITO玻璃基板的ITO層上沉積一氮化矽介電層以形成該下層結構。以蝕刻方式移除該介電層的一部份以曝露該ITO層的一部份以做為電連接一外部電源之用。在該介電層上塗佈一負型光阻劑材料(該光阻劑材料包含Black Matrix(BM)黑色樹脂層和JSR THB-120N負型光阻層)，在軟烤之後，使用一具有該定心結構圖案的光罩對該光阻劑材料進行黃光製程，以曝光顯影的方式在該介電層上形成一環狀定心結構。該介電層與該環狀定心結構共同界定出該凹槽。在該介電層的一表面(不包含被該定心結構所遮掩及所圍住的表面)上貼一膠布，再塗佈一鐵氟龍(購自DuPont^TM TeflonAF 1600)於該定心結構之曝露在該介電層上的一表面及該定心結構所圍住之該介電層的表面上，以形成一鐵氟龍疏水層，之後移除該膠布。使用一金屬環做為該環狀導體，將一電線焊接至該金屬環，接著將該金屬環以浸塗方式在該金屬環的表面上接續形成一絕緣層(材料：polyimide聚醯亞胺光阻)，一介電層(二氧化鈦)，與一鐵氟龍疏水層。將該浸塗後的金屬環貼設於一環狀壓克力圍壁的一內表面，並在該金屬環與該環狀壓克力圍壁的下端面塗上UV固化樹脂，以與該下層結構的該介電層貼合固結而形成一容室。將矽油注入該凹槽，及將0.01%的KNO₃ 導電液體(矽油與導電液體的體積比1:9與2:8)注入填滿該容室內。將一導電膠帶貼設於一第二ITO玻璃基板的一ITO層上以形成該上層結構。在該金屬環與該環狀壓克力圍壁的上端面塗上一3M黏膠，再將該上層結構藉由該黏膠結合固接於該金屬環與該環狀壓克力圍壁的上端面，以形成該可變焦液態透鏡模組。

可變焦液態透鏡模組功能測試

可變焦液態透鏡模組之影像化觀察實驗

影像化觀察實驗是將實施例所製備的該可變焦液態透鏡模組放在一CCD(電荷偶合器)鏡頭底下，藉由CCD攝影機觀看設置於該可變焦液態透鏡下之待觀察字體在沒施加電壓以及施加電壓下字體因液態透鏡曲率的變化而產生變化的情形。

側向電極組合施壓對液態透鏡曲率的變化

圖7(a)-7(f)分別顯示在側向電極組合施加不同的電壓，0伏，5伏，10伏，15伏，20伏及25伏，造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形。圖6(b)-6(f)因為施加電壓改變了液-液界面曲率，字體漸漸地改變，由圖7(b)和圖7(e)可看出透鏡邊緣，字體漸漸往內部靠攏，不再方正，到圖7(f)後，由於矽油變成凸透鏡並且縮小至凹槽中間區域，導致透鏡光圈變小，使透鏡不能再使用。雖然如此，此結果也證明縱向與橫向電極組合所產生的雙電場具有強化定心的效果。另外，因為所使用的介電材料特性，當加電壓至30伏以上會產生崩潰，也導致液態透鏡不再有曲率變化。

縱向電極組合施壓對液態透鏡曲率的變化

圖8(a)-8(f)分別顯示在縱向電極組合施加不同的電壓，0伏，5伏，10伏，15伏，20伏及25伏，造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形。圖8(c)與圖8(d)的字體的改變較為明顯，亦即電壓操作在10伏或15伏時的變化曲率的行為比其他電壓效果來的明顯。另外，當電壓操作在30伏以上時，依然會有崩潰不再作用之情形。

縱向與側向電極組合同時施壓對液態透鏡曲率的變化

圖9(a)-9(f)分別顯示在縱向電極組合施加一固定電壓(15伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，0伏，5伏，10伏，15伏，20伏及25伏，造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形。當在側向電極組合施加20伏以上時(如圖9(e))，矽油形成凸透鏡且曲率變大，而這時候的縱向電極組合所產生的電場會加速該導電液體推動矽油而將矽油擠到凹槽的中間區域，影響液態透鏡的行為。此結果也再次證明縱向與橫向電極組合所產生的雙電場具有強化定心的效果。

可變焦液態透鏡模組之光學焦距量測

焦距的量測是藉由雷射射出一穩定光訊號穿透可變焦液態透鏡，產生一小點投射在一鏡面反射層，施加不同的電壓後，此點會產生模糊，之後移動鏡面夾具的距離，直到小點清晰時，此時液態透鏡與鏡面的距離為此液態透鏡的焦距。

圖10顯示固定施加縱向電極組合電壓(15伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡(矽油和導電液體體積比例為1:9與2:8)焦距的變化情形。實驗結果顯示液態透鏡量測之焦距範圍約為15cm~84cm。跟其他文獻的透鏡比，具有較小的驅動電壓，適合焦距為中距離的光學元件來使用。

實施例2- 5

實施例2-5的液態透鏡的製作除了在矽油和導電液體體積比例不同外(分別為1:9，2:8，3:7，4:6)，其餘結構皆與實施例1相同。

可變焦液態透鏡模組之光學焦距量測

圖11顯示在液態透鏡的矽油和導電液體體積比例為1:9(實施例2)下固定施加側向電極組合電壓(5伏，10伏，15伏，20伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形。實驗結果顯示液態透鏡量測之焦距範圍約為18cm~87cm。

圖12顯示在液態透鏡的矽油和導電液體體積比例為2:8(實施例3)下固定施加側向電極組合電壓(5伏，10伏，15伏，20伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形。實驗結果顯示液態透鏡量測之焦距範圍約為21cm~90cm。

圖13顯示在液態透鏡的矽油和導電液體體積比例為3:7(實施例4)下固定施加側向電極組合電壓(5伏，10伏，15伏，20伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形。實驗結果顯示液態透鏡量測之焦距範圍約為69cm~81cm。

圖14顯示在液態透鏡的矽油和導電液體體積比例為4:6(實施例5)下固定施加側向電極組合電壓(5伏，10伏，15伏，20伏)並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形。實驗結果顯示液態透鏡量測之焦距範圍約為69cm~75cm。

從上述實施例2-5的液態透鏡焦距量測實驗結果顯示，當矽油佔體積在約3/10以上時，液-液曲面很難藉由電壓被推動，導致焦距沒有太大的改變。另外，當矽油佔體積在約3/10以下時，藉由調整縱向與側向電極組合的電壓，可以擴大該可變焦液態透鏡模組的可調焦距的範圍。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．底電極

12．．．疏水層

13．．．絕緣油滴

14．．．可導電液體

15．．．電壓供應源

X．．．光軸

21．．．絕緣壁

22．．．絕緣液滴

23．．．電極層

24．．．可導電液體

25．．．電壓供應裝置

210．．．截頭錐形凹槽

211．．．凹槽壁

3．．．上層結構

30．．．下表面

31．．．上基材

32．．．上導體

4．．．下層結構

40．．．上表面

41．．．下基材

42．．．下導體

43．．．介電層

51．．．第一外部電源

52．．．第一外部電源

60．．．封閉空間

61．．．圍繞壁

62．．．定心圍牆

621．．．上表面

63．．．凹槽

64．．．環狀導體

641．．．內表面

65．．．容納室

66．．．疏水層

7．．．可導電液體

8．．．油滴

9．．．黏膠

Y．．．中心軸

圖1是一示意圖，說明一習知的液態透鏡的結構；

圖2是一示意圖，說明另一習知的液態透鏡的結構；

圖3是一示意圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組的部份結構；

圖4是一示意圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組的部份結構；

圖5是一示意圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組在未施加電場的結構；

圖6是一示意圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組在施加電場的結構；

圖7(a)-7(f)是影像圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組在側向電極組合施加不同的電壓(單一電場)造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形；

圖8(a)-8(f)是影像圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組在縱向電極組合施加不同的電壓(單一電場)造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形；

圖9(a)-9(f)是影像圖，說明本發明之一較佳具體例之該可變焦液態透鏡模組在縱向與橫向電極組合施加不同的電壓(雙電場)造成該可變焦液態透鏡之液-液界面曲率的改變，並使得字體變化的影像情形；

圖10是焦距變化數據圖，說明本發明之實施例1在固定施加縱向電極組合電壓並同時在側向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形；

圖11是焦距變化數據圖，說明本發明之實施例2在固定施加側向電極組合電壓並同時在縱向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形；

圖12是焦距變化數據圖，說明本發明之實施例3在固定施加側向電極組合電壓並同時在縱向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形；

圖13是焦距變化數據圖，說明本發明之實施例4在固定施加側向電極組合電壓並同時在縱向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形；以及

圖14是焦距變化數據圖，說明本發明之實施例5在固定施加側向電極組合電壓並同時在縱向電極組合施加不同的電壓，液態透鏡焦距的變化情形。