专利名称：液体透镜阵列及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种液体透镜阵列及其使用方法。
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
为了克服现有液体透镜阵列存在的液体灌注困难，透镜单元焦距不一致，被分割 液滴不均勻的问题，本发明提出一种液体透镜阵列，该液体透镜阵列可以实现均勻的具有 相同焦距的透镜，并在工作状态中可以实现液体体积的自动修正，从而保证透镜焦距的一 致性。本发明还提供上述液体透镜阵列的使用方法。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(9)位于靠近第二基板(7)的一侧，通过下述步 骤灌注两种不混溶液体时，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)，通过外部加压的方式逐渐将第二液体(4)灌入腔体，在第二液体(4)灌入第二基板[7]和第一隔断(6)之间的腔体的过程中存在两种接触面，即第一接触面C3)和第二接触 面(11)，两种接触面均为第一液体( 和第二液体的接触面，第一接触面C3)位于第 一隔断(6)的孔内，第二接触面(11)位于第二基板(7)和第一隔断(6)之间，R1A2分别为 第二接触面(11)在垂直、平行于第二基板(7)方向的曲率半径，R1'、！V分别为第一接触 面(3)在垂直、平行于第二基板(7)方向的曲率半径，σ为表面张力，调整第一隔断(6)与 第二基板(7)之间的距离与第一隔断(6)上网状孔径之间的比例关系，以及改变第一隔断 (6)和第二基板(7)的疏水特性，使满足方程0)，(ι ι λ ( ι ι λσ — + — <σ —+ — (2)。KR1 Rl) \R[ K)作为本发明的改进，第二基板上覆有导电层。更进一步的，还可在第二基板导电层 上还覆有绝缘层。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(1 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加压方式灌注两种不混溶液体，第二导 通槽位于靠近第二基板的一侧，具体灌注方法为(1)首先灌注第一液体，使第一液体充满所述封闭腔体；灌注的方式可以任意，如 通过加压的方式将第一液体由第二导通槽灌入，充满所述封闭腔体后由第一导通槽流出， 当然也可以通过加压的方式将第一液体由第一导通槽灌入，充满所述封闭腔体后由第二导 通槽流出；在充满第一液体后，第二导通槽连通到第二液体，通过外部加压的方式将第二液 体灌入腔体，第二液体逐渐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。上述液体透镜阵列的使用方法还可以是采用如下的灌注方法(1)首先灌注第一液体，使之充满所述封闭腔体；(2)当第二液体为不导电液体时，第二基板上有导电层，在第二基板的导电层与第 二液体之间加载电压(可采用公知的方法加载电压，在第二液体中插入电极，然后在第二 基板的导电层和插入第二液体的电极间加载电压)，灌注第二液体；当第二液体为导电液 体时，第二基板上由里及表依次覆盖有导电层和绝缘层，在第二基板的导电层与第二液体 之间加载电压，灌注第二液体。上述液体透镜阵列的使用方法还可以是，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，在第一液体2逐渐充满腔体的过程中存在如 图3所示的两种接触面，即第一接触面3和第二接触面11，两种接触面为第一液体与空气的 接触面且呈曲面，因此存在拉普拉斯压力，即
权利要求
1.一种液体透镜阵列，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(2)、第二液体 (4)，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，通 过下述步骤灌注两种不混溶液体时在先灌注第一液体(2)使之充满所述封闭腔体后，第二导通槽(9)连通到第二液体 (4)，通过外部加压的方式逐渐将第二液体(4)灌入腔体，在第二液体(4)灌入第二基板 (7)和第一隔断(6)之间的腔体的过程中存在两种接触面，即第一接触面(3)和第二接触 面(11)，两种接触面均为第一液体(2)和第二液体(4)的接触面，第一接触面(3)位于第 一隔断(6)的孔内，第二接触面(11)位于第二基板(7)和第一隔断(6)之间，RpR2分别为 第二接触面(11)在垂直、平行于第二基板(7)方向的曲率半径，R1'、！V分别为第一接触 面(3)在垂直、平行于第二基板(7)方向的曲率半径，σ为表面张力，调整第一隔断(6)与 第二基板(7)之间的距离与第一隔断(6)上网状孔径之间的比例关系，以及改变第一隔断 (6)和第二基板(7)的疏水特性，使满足方程(2)，
2.如权利要求1所述的液体透镜阵列，其特征在于，第二基板(7)上覆有导电层。
3.如权利要求2所述的液体透镜阵列，其特征在于，第二基板(7)导电层上还覆有绝缘层。
4.如权利要求1-3中任一项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)。
5.如权利要求1-3中任一项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。
6.权利要求1-5中任一项所述的液体透镜阵列的使用方法，其特征在于，通过下述步 骤经加压方式灌注两种不混溶液体为(1)首先灌注第一液体(2)，使之充满所述封闭腔体；(2)在充满第一液体(2)后，第二导通槽(9)连通到第二液体(4)，通过外部加压的方 式将第二液体(4)灌入腔体，使第二液体(4)逐渐将第一液体(2)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(2)由第一导通槽(8)流出。
7.如权利要求6所述的液体透镜阵列的使用方法，其特征在于，步骤(1)中通过加压的 方式灌注第一液体(2)。
8.权利要求1-5中任一项所述的液体透镜阵列的使用方法，其特征在于，灌注方法为(1)首先灌注第一液体(2)，使之充满所述封闭腔体；(2)当第二液体(4)为不导电液体时，第二基板(7)上有导电层，在第二基板(7)的导 电层与第二液体(4)之间加载电压，灌注第二液体(4)；当第二液体为导电液体时，第二基板上由里及表依次覆盖有导电层和绝缘层，在第二基板(7)的导电层与第二液体(4)之间 加载电压，灌注第二液体(4)。
9.权利要求1-5中任一项所述的液体透镜阵列的使用方法，其特征在于，通过改变第 一导通槽(8)和第二导通槽(9)两端的压力差实现液体透镜阵列焦距的改变。
10.权利要求1-5中任一项所述的液体透镜阵列的使用方法，其特征在于，当位于第一 隔断(6)和第二基板(7)之间的腔体内的第二液体⑷为不导电液体时，第一隔断(6)为导 电材料，第二基板(7)上有导电层，在第一隔断(6)与第二基板(7)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(6)和第二基板(7)之间的腔体内的第二液体(4) 为导电液体时，第一隔断(6)表面覆盖绝缘层，第二基板(7)上有导电层，在第一隔断(6) 与第二基板(7)的导电层之间加载电压实现液体透镜阵列焦距的改变。
全文摘要
本发明涉及一种液体透镜阵列及其使用方法。液体透镜阵列包括上、下设置的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，调整第一隔断与第二基板之间的距离与第一隔断上网状孔径之间的比例关系，以及改变第一隔断和第二基板的疏水特性，使满足方程(2)。
文档编号G02B26/02GK102053291SQ201010578040
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