专利名称：液体透镜阵列及其灌注方法
技术领域：
本发明涉及一种液体透镜阵列及其灌注方法。
背景技术：
液体透镜与传统的固体透镜相比具有动态变焦的功能，是未来超薄光学摄像和显 示系统的重要器件。液体透镜通常由两种不混溶的液体组成。两种液体的折射率不同，当 两种液体的交界面为曲面时便具有透镜功能。改变两种液体交界面的曲率半径将改变液体 透镜的焦距。液体透镜的焦距的改变可以通过多种方式，例如利用压力、电润湿力、介电泳 力等。将上述液体透镜制备成阵列结构便可以实现一种焦距可变的液体透镜阵列。然而 当前液体透镜阵列在均勻性和一致性方面存在问题，主要是由于两种不混融液体的灌注和 封装过程造成的。如图1所示目前常见的液体透镜阵列结构。在第一基板1和第二基板7 之间是两种不混溶液体，即第一液体2和第二液体4，第一隔断6将第二液体4分割成独立 的液体透镜单元，通常第一隔断6上还有一层疏水层5来控制第一液体2和第二液体4之 间的接触面3。在图1所示的液体透镜阵列结构中，为了实现具有相同焦距的透镜阵列，需 精确控制第一隔断6所分割的第二液体4的体积，即第一隔断6所分割的第二液体4必需 具有相同的体积。为了实现第二液体4的精确体积控制，研究者提出了多种方法，例如采用 易挥发液体做为第二液体4的溶剂，通过将溶剂挥发来控制第二液体4的体积，或是将覆盖 有第二液体4的第二基板插入第一液体2的器皿中，通过疏水层5来实现第二液体4的分 割。然而上述方式制备的液体透镜阵列受到制备过程中温度、湿度、材料表面加工精度等多 种因素的影响，且一旦制备结束便无法再对不均勻的液体透镜阵列进行后期的修正。
发明内容
本发明提出一种液体透镜阵列的灌注方法，可以自组装方式实现均勻的具有相同 焦距的透镜。本发明还提供采用上述灌注方法的液体透镜阵列。所述液体透镜阵列的灌注方法为所述液体透镜阵列包括互相平行的第一基板 和第二基板，第一基板与第二基板通过中间的中空的第二隔断形成封闭腔体，第一基板与 第二基板之间设有与它们平行的第一隔断，通过第一隔断将上述封闭腔体分割成上下两个 腔体，分别用于盛装两种不混溶液体第一液体、第二液体，第一隔断上分布有网状孔，可使 第一液体和第二液体在孔内形成曲面接触面，第二隔断上设有第一导通槽和第二导通槽， 第一导通槽和第二导通槽分设于第一隔断的两侧，其中第二导通槽位于靠近第二基板的一 侧，所述灌注方法为通过在第二液体和第二基板之间加载电压，改变第二液体与第二基板之间的接触 角，使第二液体逐步由第二导通槽流入并沿着第二基板的表面移动，从而将第一液体从第 一隔断与第二基板之间驱离，直至第二液体充满第一隔断与第二基板之间的腔体，被驱离的第一液体由第一导通槽流出。可以通过加载电压产生的介电泳力或电润湿力来改变第二液体与第二基板之间 的接触角。作为本发明的优选方案，第二基板上覆有导电层，所述第二液体为不导电液体，或 者在在第二基板导电层上还覆有绝缘层，即第二基板上里及表依次覆盖有导电层和绝缘 层，所述第二液体为不导电液体。使用上述灌注方法的液体透镜阵列，特征在于，包括上、下设置的互相平行的第一 基板(1)和第二基板(7)，第一基板(1)与第二基板(7)通过中间的中空的第二隔断(10) 形成封闭腔体，第一基板(1)与第二基板(7)之间设有与它们平行的第一隔断(6)，通过第 一隔断(6)将上述封闭腔体分割成上下两个腔体，分别用于盛装两种不混溶液体第一液体 O)、第二液体G)，第一隔断(6)上分布有网状孔，可使第一液体( 和第二液体(4)在孔 内形成曲面接触面，第二隔断(10)上设有第一导通槽(8)和第二导通槽(9)，第一导通槽 (8)和第二导通槽(9)分设于第一隔断(6)的两侧，其中第二导通槽(9)位于靠近第二基板 (7)的一侧，第二基板(7)上覆有导电层。上述液体透镜阵列适用于第二液体为不导电液体时的灌注，当第二基板(7)的导 电层上还覆有绝缘层，此时液体透镜阵列适用于第二液体为导电液体时的灌注。如权利要求4或5所述的液体透镜阵列，其特征在于，第一隔断(6)与第二基板 (7)之间还设有支撑隔断(12)。如权利要求6所述的液体透镜阵列，其特征在于，第一隔断(6)与支撑隔断(12) 为一个整体，通过两次曝光，一次显影制备。作为本发明的改进，第一隔断与第二基板之间还设有支撑隔断。优选第一隔断与 支撑隔断为一个整体，通过两次曝光，一次显影制备。上述液体透镜阵列的使用方法可以是，通过改变第一导通槽和第二导通槽两端的 压力差实现液体透镜阵列焦距的改变。上述液体透镜阵列的使用方法还可以是，当位于第一隔断和第二基板之间的腔体 内的第二液体为不导电液体时，第一隔断为导电材料，第二基板上有导电层，在第一隔断与 第二基板之间加载电压实现液体透镜阵列焦距的改变；当位于第一隔断和第二基板之间 的腔体内的第二液体为导电液体时，第一隔断表面导电，且覆盖绝缘层，第二基板上有导电 层，在第一隔断与第二基板的导电层之间加载电压实现液体透镜阵列焦距的改变。由于每个液体透镜单元的第一液体和第二液体彼此都相通，保证了所有液体透 镜单元的曲面接触面具有相同的拉普拉斯压力，即所有液体透镜单元的曲率半径相等，从 而制备完成具有相同焦距的液体透镜单元，同时在工作状态中可以实现液体体积的自动修 正，保证焦距的一致。本发明的有益效果是，提出一种液体透镜阵列新结构，实现了两种液体透镜阵列 的自组装方式，保证了液体透镜阵列焦距的相等，且具有焦距自动校正功能，结构简单，适 合制备大面积的具有均勻一致焦距的液体透镜阵列。
图1是传统液体透镜阵列结构示意图。
图2是本发明提出的液体透镜阵列结构的第一优选实施例示意图。图3是液体透镜阵列通过压力实现自组装的示意图。图4是液体透镜阵列通过电场力实现自组装的示意图。 图5是本发明提出的液体透镜阵列结构的第二优选实施例示意图。图6a是第一隔断的俯视图，6b，6c，6d分别是图6a所对应的支撑隔断12的示意 图。以上图中有1.第一基板；2.第一液体；3.第一接触面；4.第二液体；5.疏水层； 6.第一隔断；7.第二基板；8.第一导通槽；9.第二导通槽；10.第二隔断；11.第二接触面； 12.支撑隔断。图7液体透镜阵列焦距变化效果示意图。
具体实施例方式图2中所示是本发明的液体透镜阵列的第一优选实施例。图中第一基板1和第二 基板7是透明基板，可以是玻璃、透明树脂(例如亚克力)、PET膜等材料，第一基板1和第 二基板7之间通过第二隔断10连接在一起，第二隔断10可以是具有密封性的各种树脂胶， 例如AB胶，其主要作用是在第一基板1和第二基板7之间形成一个封闭的腔体，在封闭的 腔体里包含有两种不混融的液体，即第一液体2和第二液体4，两种液体的折射率不同，第 一液体2可以是烷类矿物油，例如硅油，十二烷，十四烷，十六烷等，第二液体4可以是与第 一液体2不混溶的醇类，例如丙二醇，丙三醇等，也可以是不混融的去离子水，第一液体2和 第二液体4之间通过第一隔断6进行分割，第一隔断6固定在第二隔断10上，第一隔断6 为网状孔结构，即矩阵状、或品字状排列的圆形孔、或六边形孔、或方形孔，第一隔断6可以 是透明的树脂薄膜，例如PET膜，也可以是不透明的金属薄膜，为了增加第一液体2和第二 液体4的在孔内的第一接触面3的曲率半径的变化范围，第一隔断6的表面可以覆盖一层 疏水层，例如聚四氟乙烯材料形成的薄膜层，即增加第一接触面3与第一隔断6的接触角， 为了实现液体透镜阵列中两种不混溶液体的灌注，在第二隔断10上有两个导通槽，即第一 导通槽8和第二导通槽9，导通槽可以是圆形的、或方形的导管，在图2中，第二导通槽9为 液体导入槽，第一导通槽8为液体导出槽，通过控制导通槽两端的压力可以实现液体透镜 焦距的调整，例如当第二导通槽9入口处的压力大于第一导通槽8入口处的压力时，将导致 第二液体4的流入和第一液体2的流出，从而减小第一接触面3的曲率半径，获得更小焦距 的透镜阵列。图2所示的优选实施例可以实现一种通过加压方式实现自组装的液体灌注。图3 中所示为实现两种不混融液体的灌注方法，第一基板1和第二基板7通过第二隔断10形成 一个封闭的腔体，在未灌注液体前腔体内充满空气，首先灌注的是第一液体2，可以通过加 压的方式将第一液体2由第二导通槽9灌入，直到充满整个腔体，并由第一导通槽8流出， 在充满第一液体2后，第二导通槽9联通到第二液体4，通过加电方式实现自组装的液体灌 注，即通过改变第二基板7表面的润湿性，来实现第二液体4的灌注，在第二液体4灌入的 过程中存在图3中所示的两种接触面，即第一接触面3和第二接触面11，此时两种接触面 为第一液体2和第二液体4的接触面，第一接触面3由第一隔断6的孔径形状决定，例如圆 形孔时，第一接触面3为球面，第二接触面11为圆柱面，R1为第二接触面11在垂直于第二基板7方向的曲率半径，R1'为第一接触面3在垂直于第二基板7方向的曲率半径。如图 4中所示，为实现加电方式自组装第二基板7表面需覆盖一层导电层，例如通过射频磁控溅 射制备一层ITO导电薄膜，当第二液体4为不导电液体时，例如丙三醇，在第二液体4和第 二基板7导电层之间加载电压，产生介电泳力，在介电泳力驱动下，第二液体4将逐步由第 二导通槽9流入并沿着第二基板7的表面移动，从而将第一液体2从下半部腔体驱赶到上 半部腔体(第一隔断6与第一基板1之间的空间)，由于第一隔断6的存在，加电过程中第 一接触面3为半球面，且存在拉普拉斯压力，从而阻止第二液体4进一步流入上半部腔体， 当第二液体4为导电液体时，例如离子液体，需在第二基板7导电层上再覆盖一层绝缘层， 例如氧化铝，在第二液体4和第二基板7导电层之间加载电压，产生电润湿力，同样在电润 湿力驱动下，第二液体4将逐步由第二导通槽9流入并沿着第二基板7的表面移动，从而将 第一液体2从下半部腔体驱赶到上半部腔体。图2所示的优选实施例可以实现均勻的液体透镜阵列。假设相连液体透镜单元的 曲率半径不等，则两个液体透镜单元的拉普拉斯压力不相等，当液体透镜阵列处于稳定状 态，及第一导通槽8和第二导通槽9两端封闭时，上述两个液体透镜单元会在拉普拉斯压力 差作用下调整为曲率半径相等，从而消除压力差，依此类推，在稳定状态，所有液体透镜单 元的曲率半径相等，即焦距相等。 图2所示的优选实施例可以实现焦距动态调整，即通过改变第一导通槽8和第二 导通槽9入口处的压力来实现焦距的调整。例如增加第二导通槽9入口处的压力，使其大 于第一接触面3和第一导通槽8入口处的压力和，则第二液体4发生净流入，而第一液体2 发生净流出，第一接触面3的曲率半径逐渐变小，液体透镜的焦距变小，或是相反第一导通 槽8入口处的压力与第一接触面3的压力和大于第二导通槽9入口处的压力，则第一接触 面3的曲率半径逐渐变大，液体透镜的焦距变大。图2所示的优选实施例可以实现电场力调整焦距。此时第一隔断6可以采用导电 材料，例如不锈钢板，第二基板7上增加一层导电层，例如ITO导电层，当第二液体4为不导 电液体时，例如丙三醇，在第一隔断6和第二基板7上导电层之间增加电压，将产生介电泳 力，在介电泳力的作用下，第二液体4与第一隔断6的接触角将变化，即第一接触面3的曲 率半径发生变化，从而改变液体透镜的焦距，当第二液体4为导电液体时，例如含有Nacl， Kcl的去离子水，或是离子液体，需在第一隔断6上增加一层绝缘层，例如氧化铝，此时在第 一隔断6和第二基板7上导电层之间增加电压，将产生电润湿力，在电润湿力的作用下，第 二液体4与第一隔断6的接触角将变化，从而改变液体透镜的焦距。图5所示是本发明的液体透镜阵列的第二优选实施例。其与图2所示优选实施 例的主要区别在于在第一隔断6与第二基板7之间增加一个支撑隔断12，从而在实现大面 积液体透镜阵列时，支撑隔断12可以稳定第一隔断6与第二基板7之间的距离，支撑隔断 12可以采用透明树脂材料制备，例如su8光刻胶。支撑隔断12的结构可以是图6所示结 构(图中结构用黑色区域表示)，为清晰描述第一隔断6与支撑隔断12之间的对应关系， 图6a中首先显示的是第一隔断6的正面俯视图形结构，即呈品字状排列的圆孔阵列，支撑 隔断12则位于相邻三个呈品字状排列的圆孔的中心位置，支撑隔断12的截面形状可以是 图6b所示的三角形，图6c中所示的圆形，或图6d中所示的多边形，支撑隔断12的需满足 既保证不同液体透镜单元之间第二液体4的连通，同时需尽量不遮挡液体透镜单元的成像光路，本领域的研究人员可以根据需要设计各种支撑隔断12的形状。图5所示的第一隔断6和支撑隔断12还可以是一个整体，即采用su8材料经过两 次曝光一次显影完成。具体而言，首先采用勻胶或涂覆的方法在第二基板7上制备su8厚 膜，然后采用非传统的曝光方法，即首先曝光支撑隔断12结构，例如图6b，c, d中的任一或 类似的图案，此时采用充分曝光，保证支撑隔断12图案一直曝光到底板及与第二基板7完 全接触，第二曝光第一隔断6图案，例如图6a图案，在两次图案位置对准的前提下，第二进 行不充分曝光，即第一隔断6图案只曝光到su8厚膜的上半段，两次曝光后通过显影便可以 实现图5所示的结构。本领域的研究人员可以根据需要，采用类似的两次曝光方法，利用各 种光刻胶实现上述结构。图7所示为液体透镜阵列焦距变化效果示意图。图中液体透镜阵列为品字状排列，透镜的孔径为1mm，第一液体为硅油，第二液体为去离子水，透镜后方是文字图片。图7a 是文字被清晰聚焦时拍摄的图片，此时在第二导通槽进一步增加压力，将导致液体透镜阵 列的焦距发生变化，从而变为图7b所示的文字模糊后的拍摄图片。
权利要求
1.一种液体透镜阵列的灌注方法，所述液体透镜阵列包括上、下设置的互相平行的第 一基板(1)和第二基板(7)，其特征在于，第一基板(1)与第二基板(7)通过中间的中空的 第二隔断(10)形成封闭腔体，第一基板(1)与第二基板(7)之间设有与它们平行的第一隔 断(6)，通过第一隔断(6)将上述封闭腔体分割成上下两个腔体，分别用于盛装两种不混溶 液体第一液体O)、第二液体G)，第一隔断(6)上分布有网状孔，可使第一液体( 和第二 液体(4)在孔内形成曲面接触面，第二隔断(10)上设有第一导通槽(8)和第二导通槽(9)， 第一导通槽(8)和第二导通槽(9)分设于第一隔断(6)的两侧，其中第二导通槽(9)位于 靠近第二基板(7)的一侧，所述灌注方法为在先灌注第一液体( 使之充满所述封闭腔体后，第二导通槽(9)连通到第二液体 G)，通过在第二液体⑷和第二基板(7)之间加载电压，改变第二液体⑷与第二基板(7) 之间的接触角，使第二液体(4)逐步由第二导通槽(9)流入并沿着第二基板(7)的表面移 动，从而将第一液体( 从第一隔断(6)与第二基板(7)之间驱离，直至第二液体(4)充满 第一隔断(6)与第二基板(7)之间的腔体，被驱离的第一液体O)由第一导通槽(8)流出。
2.如权利要求1所述的液体透镜阵列的灌注方法，其特征在于，第二基板(7)上覆有导 电层，所述第二液体(4)为不导电液体。
3.如权利要求2所述的液体透镜阵列的灌注方法，其特征在于，第二基板(7)的导电层 上还覆有绝缘层，所述第二液体(4)为导电液体。
4.使用权利要求1-3中任一项所述灌注方法的液体透镜阵列，其特征在于，包括上、下 设置的互相平行的第一基板(1)和第二基板(7)，第一基板(1)与第二基板(7)通过中间的 中空的第二隔断(10)形成封闭腔体，第一基板(1)与第二基板(7)之间设有与它们平行的 第一隔断(6)，通过第一隔断(6)将上述封闭腔体分割成上下两个腔体，分别用于盛装两种 不混溶液体第一液体O)、第二液体G)，第一隔断(6)上分布有网状孔，可使第一液体(2) 和第二液体(4)在孔内形成曲面接触面，第二隔断(10)上设有第一导通槽(8)和第二导通 槽(9)，第一导通槽(8)和第二导通槽(9)分设于第一隔断(6)的两侧，其中第二导通槽(9) 位于靠近第二基板(7)的一侧，第二基板(7)上覆有导电层。
5.如权利要求4所述的液体透镜阵列，其特征在于，第二基板(7)的导电层上还覆有绝 缘层。
6.如权利要求4或5所述的液体透镜阵列，其特征在于，第一隔断(6)与第二基板(7) 之间还设有支撑隔断(12)。
7.如权利要求6所述的液体透镜阵列，其特征在于，第一隔断(6)与支撑隔断(12)为 一个整体，通过两次曝光，一次显影制备。
全文摘要
本发明涉及一种液体透镜阵列及其灌注方法。所述液体透镜阵列包括互相平行的第一基板和第二基板，第一基板与第二基板通过第二隔断形成封闭腔体，第一基板与第二基板之间设有第一隔断，通过第一隔断将上述封闭腔体分割成上下两个腔体，分别用于盛装第一液体、第二液体，第一隔断上分布有网状孔，可使第一液体和第二液体在孔内形成曲面接触面，第二隔断上设有第一导通槽和第二导通槽，第一导通槽和第二导通槽分设于第一隔断的两侧，所述灌注方法为通过在第二液体和第二基板之间加载电压，改变第二液体与第二基板之间的接触角，使第二液体沿着第二基板的表面移动，直至充满第一隔断与第二基板之间的腔体，被驱离的第一液体由第一导通槽流出。
文档编号G02B26/02GK102053362SQ20101057721
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者夏军, 姚晓寅, 程杰杰 申请人:东南大学