一种电湿驱动液体透镜的制作方法

本发明专利涉及一种新颖的线圈式电湿驱动液体透镜结构及其工作原理，属于光电成像、光电传感和光信息处理器件的技术领域。

背景技术：

光学变焦镜头通常是由多组独立的凸/凹透镜组成的，有的透镜是固定的，有的是可以沿光轴前后滑动的。复杂的变焦镜头可以包含多达三十多个独立的透镜以及多个移动部件。手机摄像头朝着小型化、专业化、智能化发展，作为可将多摄像头整合为单一摄像头的关键组件-液体可变透镜，具有广阔的市场前景。液体变焦透镜无需机械移动，而是通过改变液体的形状来实现变焦，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，有望结束手机镜头的多摄像头模拟光学大变焦的发展纷争。

基于电湿效应的液体变焦透镜，它利用外加电压来调节液体弯曲界面的曲率，进而改变透镜的焦距。该类型透镜结构小巧，焦距调节范围大。典型的液体可变透镜如荷兰philips公司发布的fluidfocus和法国varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，这些透镜的变焦是利用电湿驱动方法通过改变液体的弯曲界面曲率进而调节焦距。这种技术采用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但这些利用电控方法的小型变焦液体透镜结构复杂，材料昂贵，良品率低，国内尚无成熟的商用品出现。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种线圈式电湿驱动液体透镜结构，简化制作过程，改进生产工艺，解决液体透镜的生产成本问题。

本发明提出的一种线圈式电湿驱动液体透镜结构，包括介质电湿线圈1、透明的上盖片2和下盖片3及外壳4；其中，介质电湿线圈1由介质电湿线7环形紧密缠绕而成空腔状，线圈外部设有粘胶涂覆层5以实现线圈1内空腔能盛装液体，涂覆层外设有外壳4以保护线圈免受外部影响，当然为缩小体积，外壳有时也可省去；核心组件介质电湿线7由导电线芯8外裹绝缘层9形成，绝缘层9外可涂敷疏水层10以提高线芯外表面疏水性，有时绝缘层与疏水层合二为一；因此，介质电湿线圈包含了电湿效应的两个重要元素-导电层和绝缘疏水层，当然，疏水层也可以在线圈形成后再涂敷设置于其内腔；

线圈内部腔体空间被透明的上盖片2和下盖片3密封为透镜腔6，腔内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料。

关于电极的设置，分为公共电极和控制电极：上盖片2、下盖片3与导电液体接触的表面设有透明导电层作为公共电极，或设有其它导电材料与导电液体接触并作为公共电极，外壳4为导电材料制作而成时，有时外壳直接与导电液体接触也作为公共电极；介质电湿线圈1的抽头作为控制电极。透镜腔形状可为圆管、锥管、双锥管、双曲管、波浪形管等。作为双液体透镜使用，透镜腔形状优选为圆管、锥管；当透镜腔内存储的液体可为三种及以上时，腔形状可优选双锥管、双曲管或波浪形管。

导电液体与绝缘液体接触形成的弯曲界面起着透镜作用，在公共电极与控制电极之间施加电压，导电液体与介质电湿线圈的界面张力因电湿效应作用而降低，从而改变弯曲界面形状以实现光学变焦。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本专利将线圈形成技术与现代光学技术相结合，设计了一种线圈式电湿驱动液体透镜结构，具有重要的经济和技术价值。本发明设计的器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。

创新之处在于：

1)发明了介质电湿线，然后将此线应用于液体变焦透镜类产品的构造，并提供电湿效应驱动。将传统的液体变焦透镜的核心部件即提供电湿效应的绝缘介电层的制作，转化为生产工艺成熟的线芯加工，大大简化了生产工艺，提高了良品率。

2)因本发明可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电湿线与导电液体间发生的电湿效应，与透镜腔体形状均无关，故可以构造任意形状的可变焦液体透镜。

附图说明

图1是一种线圈式电湿驱动液体透镜结构示意图。图中有1-介质电湿线圈、2-上盖片、3-下盖片、4-外壳、5-粘胶、6-透镜腔、7-介质电湿线。

图2是介质电湿线结构示意图，图中有8-导电线芯、9-绝缘层、10-疏水层；

图3是透镜腔体为圆锥状结构的示意图；

图4是透镜腔体为双圆锥状结构的示意图。

图5是透镜腔体为波浪状结构的示意图。

具体实施方式

本申请实施例提出一种线圈式电湿驱动液体透镜结构，可广泛应用于包含光学变焦需求的透镜系统。

具体的，参见图1，本发明包括介质电湿线圈1、透明的上盖片2和下盖片3及外壳4；其中，介质电湿线圈1由介质电湿线7环形紧密缠绕而成空腔状，线圈外部设有粘胶涂覆层5以实现线圈1内空腔能盛装液体，涂覆层外设有外壳4以保护线圈免受外部影响；核心组件介质电湿线7由导电线芯8外裹绝缘层9形成，绝缘层9外可涂敷疏水层10以提高线芯外表面疏水性，有时绝缘层与疏水层合二为一，参见图2；因此，介质电湿线圈包含了电湿效应的两个重要元素-导电层和绝缘疏水层，当然，疏水层也可以在线圈形成后再涂敷设置于其内腔；

线圈内部腔体空间被透明的上盖片2和下盖片3密封为透镜腔6，腔内存储具有不同的折射率、互不相溶的透明导电液体和绝缘液体作为透镜材料。

导电液体与绝缘液体接触形成的弯曲界面起着透镜作用，在公共电极与控制电极之间施加电压，导电液体与介质电湿线圈的界面张力因电湿效应作用而降低，从而改变弯曲界面形状以实现光学变焦。

关于电极的设置，分为公共电极和控制电极：上盖片2、下盖片3与导电液体接触的表面设有透明导电层作为公共电极，或设有其它导电材料与导电液体接触并作为公共电极，外壳4为导电材料制作而成时，有时外壳直接与导电液体接触也作为公共电极；介质电湿线圈1的抽头作为控制电极。透镜腔形状可为圆管、锥管、双锥管、双曲管、波浪形管等。作为双液体透镜使用，透镜腔形状优选为圆管、锥管，参见图1和图3；当透镜腔内存储的液体可为三种及以上时，腔形状可优选双锥管(参见图4)、双曲管或波浪形管(参见图5)。

当透镜介质为导电液体+绝缘液体构成单弯曲界面时，控制电极为线圈抽头，可选抽头之一作为电极，或两抽头并接为一电极。

下面分三种情况对公共电极设置进行介绍。

方案一，上盖片或下盖片与导电液体接触的表面设有透明导电层，作为公共电极。

方案二，为尽量减少上、下盖片对光的反射损失，所述的上、下盖片表面未设有透明导电层，此时，可在导电液体与密封盖片间设置其它导电材料与导电液体接触并作为公共电极。

方案三，所述的外壳为导电材料制作而成时，导电液体与导电外壳直接接触作为公共电极。

当透镜介质为导电液体+绝缘液体+导电液体构成三液体双弯曲界面时，公共电极为线圈抽头，可选抽头之一作为电极，或两抽头并接为一电极。此时，上盖片和下盖片与导电液体接触的表面均设有透明导电层，作为上、下控制电极，施加不同的电压独立控制三液体透镜的上弯曲界面和下弯曲界面。

实施例1，先制作圆柱状或圆锥状骨架，使用常规线圈密排绕法制作线圈1，完成后从骨架上取下，外周涂敷粘胶将线圈1做成一个侧壁不漏液体的容器壁，安装至外壳即可。介质电湿线线芯8优选的而不限于采用软质金属细导电线，例如铜线、银线、金线、铝线、铁线或钽、铌等，可也选用非金属导电材料制作例如导电硅橡胶等；根据圆(锥)筒内径尺寸的不同可选用不同芯径的线芯，从微米量级到毫米量级不等；线芯外周蒸镀或涂敷微米量级的派瑞林作为绝缘层，典型值可取1-10微米，也可选用电容器常用的绝缘介电材料，如氧化钽(铌)、氧化铝等高介电系数材料以降低驱动电压；疏水层主要起疏水修饰作用，故采用微米级以下甚至纳米级的聚四氟乙烯聚合物材料涂层来实现，也可在绝缘层外侧制作表面微结构来提高疏水性，疏水层也可在电湿线圈设置完成后再另行涂敷。外壳根据需要可采用铸模方式实现金属或非金属制作。

透明的上下盖片采用高性能的薄玻璃片，透明盖片的导电层可采用真空镀膜方法制备的ito层实现。绝缘液体采用溴代十二烷，导电液体采用配置为密度与之相等的氯化锂水溶液，以去除重力的影响。

实施例2，介质电湿线圈1可采用铜(或其它金属)杆用拉丝机拉细得到的铜(或其它金属)丝分别通过聚酰胺树脂绝缘层和自粘性绝缘层逐层包裹形成线圈。线圈1外周涂敷粘胶后，如果器件强度足够，可以省去外壳以便压缩器件体积。

实施例3，因本发明可变液体透镜的变焦驱动力来自于介质电湿线7与导电液体间发生的电湿效应，与透镜腔形状无关，故可以构造任意腔形状的光可变焦透镜，例如长方体腔、圆柱腔、圆锥腔、双圆锥腔、双曲腔、波浪形腔以及上述形状的任意组合；对于双液体透镜，即透镜腔内灌注了互不混溶的两种液体，分别为导电液体和绝缘液体，优选为圆锥腔形状的透镜腔，便于透镜光轴的稳定，两电极分别为介质电湿线7抽头和导电液体通过玻璃导电层或其它方式引出的电极；对于三液体透镜，即透镜腔内灌注了两两互不混溶的三种液体，从上到下顺序分别为导电液体、绝缘液体和导电液体，优选为双圆锥腔形状的透镜腔，参见附图4，便于透镜光轴的稳定，公共电极为介质电湿线7抽头，控制电极分别为两导电液体通过玻璃导电层或其它方式引出的电极；对于多液体透镜，即透镜腔内灌注了两两互不混溶的三种以上液体，参见图5，与上盖片和下盖片接触的设置为导电液体，电湿效应只能驱动两弯曲界面，例如界面1和界面2，其它弯曲界面当成固定透镜使用，可选用波浪形腔形状的透镜腔或双圆锥腔、双曲腔等的组合，电极控制方案同三液体透镜；上下盖片选用用于手机屏制作的化学强化光学玻璃或其他类似材料，例如钠硅酸盐玻璃材料，康宁大猩猩玻璃，或者还可以采用制作oled的有机玻璃。使用介电系数高达20的五氧化二钽(ta2o5)或相对介电常数35-50的五氧化二铌(nb2o5)作为介质电湿线的绝缘介电层，可大大降低器件驱动电压。