专利名称：一种可动态控制的液体透镜结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态可控的液体透镜结构，尤其是涉及一种在电压控制下能有效 改变液体形状从而改变焦距的液体透镜结构。
背景技术：
液体透镜是由液体制成，模仿人眼晶状体的聚焦原理，通过控制液体发生形状变 化从而引起折射率变化来实现聚焦和变焦。与传统的透镜相比，液体透镜具有体积小、无需 外部机械装置、反应速度快、无磨损、寿命长、成本低等特点。液体透镜能在电压下可控地动 态调节焦距，具有传统透镜不可比拟的优点。液体透镜已经开始逐渐走入市场，应用于手 机，相机，内窥镜等数码摄影、医疗、工业、通信领域。液体透镜主要有以下几种工作原理1、 通过机械力改变透镜外形和体积；2、通过加电改变液晶分子排列；3、基于电润湿或介电泳 的原理使液体发生形变。电润湿现象可以用Young-Lippmann方程来描述cos θ = cos θγ + -^j- U2
2ασ1ν其中，θ为施加电压之后的液固接触角，θ γ为无电压时的初始液固接触角，%为 真空介电常数，为介质层的相对介电常数，d为介质层的厚度，Qlv为液体和空气接触的 表面张力，U为施加的电压。1995年Gorman等人第一次实现了基于电润湿原理的液体透 镜。他们将液滴置于透明电极上，通过施加电压使液滴发生了形变[1]。2000年，Berge和 Peseux在先前Gorman等人实验的基础上，在电极上覆盖了介质层。他们的问题在于如何 将液滴中心固定在光轴上[2]。2004年Philips公司提出了流体聚焦技术，将导电水溶液 和油灌注到圆柱体容器中，在底面和侧壁上施加电压，在液体表面发生形变的同时，确保形 变液面固定在圆柱体轴线上[3]。随后，Varioptic公司将导电溶液和油封装在圆锥形容器 中，使液体透镜在光轴稳定性上有了很大的提高[4]。但电润湿液体透镜多选用导电性溶液 作为其中一种液体，实验表明易发生电化学反应，若要克服电化学反映则需在电极上覆盖 绝缘层，为实现较低的工作电压，通常需要很薄的绝缘层，这在工艺制备上具有一定难度。介电泳控制不导电液体也能运用到液体透镜当中。Chih-Cheng Cheng和J. Andrew Yeh在上下基板为ITO玻璃的容器中灌入一种低介电常数液滴和同密度的高介电常数的液 体，利用DEP原理，在电压0-200V范围内焦距从34mm变化到12mm，上升和下降时间分别为 650ms和300ms[5] [6]。但此结构下的透镜，液滴会在平板上移动，不能控制透镜的位置。 Hongwen Ren和Shin-Tson Wu利用DEP力使液滴形成透镜阵列的同时改变焦距[7]。这样 利用电场控制液滴分开并形成透镜，不能控制每个液滴的大小，不利于实现工业生产的标 准化。Su Xu, Yeong-Jyh Lin和Shin-Tson Wu提出了碗型电极DEP微透镜阵列的制备[8]， 但碗型电极制备困难，很容易因为各种原因导致电场分布不均勻，而使液体运动不能形成 透镜效果。为了克服现有液体透镜的不足，本发明提供一种介电泳液体透镜结构，采用两种不导电液体，避免了电化学反应，免去了介质层的制备。壁电极的加入使电场的场强分布集 中在障壁周围，液体界面处恰好能获得较高的场强，从而能在较低的电压使液体运动。壁电 极还能控制液体位置不发生移动，并且液体界面离开壁电极后不再向中间运动。本发明使 用的两种不导电且不相混容的液体，其表面自由能和介电常数与现有介电泳液体透镜相比 也有所不同，使透镜的控制电压，透镜效果有一定区别。参考文献[1]Christopher B. Gorman, Hans A. Biebuyck, George Μ. ffhitesides. Control of the Shape of Liquid Lenses on a Modified Gold Surface Using an Applied Electrical Potential across a Self-Assembled Monolayer. Langmuir,1995,11 (6), 2242-2246.[2]B.Berge and J. Peseux. Variable focal lens controlled by an external voltage :An application of electrowetting. Eur. Phys. J. E,2000,3,159-163.[3]B. H. W. Hendriks, S. Kuiper, M. A. J. Van Aa, C. A. Renders and T. W. Tukker. Electrowetting-Based Variable-Focus Lens for Miniature Systems. OPTICAL REVIEW, 2005，12(3) ,255-259.[4] Lisa Saurei, Jerome Peseux, Frederic Laune and Bruno Berge. Tunable liquid lens based on electrowetting technology :principle, properties and applications.l_3Sept 2004, presented at the 10th Annual Micro-optics Conference, Jena, Germany.[5]Chih-Cheng Cheng, C. Alex Chang and J. Andrew Yeh. Variable focus dielectric liquid droplet lens.OPTICS EXPRESS，2006，14(9)，4101-4106.[6]Chih-Cheng Cheng and J. Andrew Yeh. Dielectrically actuated liquid lens. OPTICSEXPRESS,2007，15(12)，7140-7145.[7]Hongwen Ren and Shin-Tson ffu. Tunable-focus liquid microlens array using dielectrophoretic effect. OPTICS EXPRESS，2008，16(4)，2646-2652.[8]Su Xu, Yeong-Jyh Lin, and Shin-Tson ffu. Dielectric liquid microlens with well-shaped Electrode. OPTICS EXPRESS,2009,17(13),10499-10505.
发明内容
技术问题为了克服电润湿液体透镜易击穿，介质层制备困难，及现有介电泳液体 透镜结构难以固定液体位置等问题，本发明提供一种介电泳液体透镜结构，该结构不易击 穿，无需介质层，能有效固定液体位置，实现动态控制焦距。技术方案本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该结构由纵横排列的液 体透镜单元组成，每个液体透镜单元的组成为在第二透明基板上覆盖第二电极，在第二透 明基板上制作绝缘层，在绝缘层上制作障壁，在障壁上覆盖第一电极，障壁之间灌注第一液 体，第二液体覆盖在第一液体上，第一透明基板位于第二液体上。在本发明优选技术方案中，第一电极上覆盖有疏水层。在本发明优选技术方案中，第一透明基板1上覆盖导电膜。在本发明优选技术方案中，在第一电极上增加薄膜晶体管阵列，每个液体透镜单
4元内第一液体和第二液体的交界面可以单独调整，即液体透镜单元的焦距可单独调整。在本发明优选技术方案中，液体透镜单元为旋转对称结构，排列方式可以是行列 矩阵式排列、或品字状排列、或蜂窝状排列。有益效果本发明的有益效果是，与传统电润湿透镜相比，第一液体和第二液体与 第一电极和第二电极之间无需绝缘层，工作电压低，不易击穿，第一电极和第二电极位于相 同的第二透明基板上，降低了第一透明基板的制备工艺要求，成本低，第一电极位于中间隔 断上，有利于固定透镜光轴位置，结构简单。
图1是本发明优选实施例结构图；以上的图中有1、第一透明基板，2、第二液体，3、障壁，4、绝缘层，5、第二透明基 板，6、第一液体，7、第一液面，8、第一电极，9、第二电极。
具体实施例方式图1所示为本发明优选实施例结构图，主要包括第二透明基板5，可采用玻璃、透 明树脂等材料，第二透明基板5上需要镀上导电膜，形成第二电极9，也可以选用具有导电 性的基板，通过刻蚀形成每个液体透镜单元的第二电极9，例如ITO玻璃等。在第二透明基 板5上制作绝缘层4，绝缘层4选用绝缘的材料，如透明树脂材料su8等，或是在第二透明 基板5上利用模板印制网孔。在绝缘层4上制作障壁3，可以利用金属网孔形成障壁3，障 壁3可以直接作为第二电极8，例如银、铁、铜网孔等，或者利用SU-8等材料经紫外曝光形成 此障壁3，再在障壁3上半部分镀上导电膜，有导电膜的部分为第一电极8，无导电膜的部分 为绝缘层4。障壁3可以制成矩形、梯形等形状，也可以是没有尖角的圆弧形。在障壁3之 间灌注第一液体6，第一液体6可以选用介电常数小、表面自由能小的液体，例如二甲基硅 氧烷、正己烷、异辛烷、十六烷、正癸醇等，第二液体2覆盖在第一液体6上，第二液体2可以 选用介电常数大、表面自由能大的液体，例如丙三醇、乙二醇等，也可以第一液体6选用介 电常数大、表面自由能大的液体，而第二液体2选用介电常数小、表面自由能小的液体。第 一透明基板1位于第二液体2上，第一透明基板1可采用玻璃、透明树脂等材料。在第一 电极8上还可以覆盖疏水层，例如，聚四氟乙烯，cytop等材料，以减小液体界面运动的迟滞 性。但是与电润湿器件不同，此处疏水层无需完整包覆第一电极8，当在第一电极8和第二 电极9之间施加电压时，第一液面7会发生移动，从而实现透镜动态调节焦距，例如第一电 极8接地，第二电极9接正电压，第一电极8和第二电极9之间产生非均勻电场，第一液体 6和第二液体2在非均勻电场下产生介电泳力，介电泳力作用介电常数大的液体，如第二液 体2，向场强梯度大的地方流动，同时第一液面7发生形变，即在第一电极8的表面发生移 动。由于电场强度集中第一电极8周围，液体界面处恰好能获得较高的场强，从而在较低的 电压下液体就能运动。还可以在第一透明基板1覆盖导电膜形成第三电极(图1中省略未画出)，例如透 明导电薄膜ΙΤ0，该导电膜与第二液体2接触，通过在三个电极同时施加电压，可以动态的 改变电场强度分布，从而有效控制第一液面7的移动。图1中液体单透镜单元为旋转对称结构，液体透镜阵列排列方式可以是行列矩阵式排列、或品字状排列、或蜂窝状排列。另外，在第二电极9上增加薄膜晶体管阵列，每个液 体透镜单元内第一液体和第二液体的交界面可以单独调整，即液体透镜单元的焦距可单独调整。
权利要求
一种可动态控制的液体透镜结构，其特征是该结构由纵横排列的液体透镜单元组成，每个液体透镜单元的组成为在第二透明基板(5)上设置第二电极(9)和绝缘层(4)，在绝缘层(4)上制作障壁(3)，在障壁(3)上覆盖第一电极(8)，障壁(3)之间灌注第一液体(6)，在第一液体(6)上覆盖第二液体(2)，在第二液体(2)上端为第一透明基板(1)。
2.根据权利要求1所述的一种可动态控制的液体透镜，其特征是在第一电极(8)上 覆盖疏水层。
3.根据权利要求1所述的一种可动态控制的液体透镜，其特征是第一透明基板(1)上覆盖导电膜。
4.根据权利要求1所述的一种电场力控制的液体透镜，其特征是在第二电极(9)上 增加薄膜晶体管阵列。
5.根据权利要求1所述的一种可动态控制的液体透镜，其特征是液体透镜单元为旋 转对称结构，排列方式可以是行列矩阵式排列、或品字状排列、或蜂窝状排列。
全文摘要
本发明公开了一种可动态控制的液体透镜结构，它是在第二透明基板(5)上覆盖第二电极(9)，在第二透明基板(5)上制作绝缘层(4)，在绝缘层(4)上制作障壁(3)，在障壁(3)上覆盖第一电极(8)，障壁(3)之间灌注第一液体(6)，第二液体(2)覆盖在第一液体(6)上，第一透明基板(1)位于第二液体(2)上。该液体透镜结构侧壁电极上无需绝缘层，不发生电化学反应，透镜光轴固定，驱动电压低，结构简单。
文档编号G02B26/02GK101915988SQ20101023917
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者夏军, 姚晓寅 申请人:东南大学