專利名稱：一種電場力控制的液體透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液體透鏡結構，尤其是涉及一種在電壓控制下能有效改變液體形 狀從而改變焦距的介電泳液體透鏡結構。
背景技術：
液體透鏡是由液體制成，模仿人眼晶狀體的聚焦原理，通過控制液體發生形狀變 化從而引起折射率變化來實現聚焦和變焦。與傳統的透鏡相比，液體透鏡具有體積小、無需 外部機械裝置、反應速度快、無磨損、壽命長、成本低等特點。液體透鏡能在電壓下可控地動 態調節焦距，具有傳統透鏡不可比擬的優點。液體透鏡已經開始逐漸走入市場，應用于手 機，相機，內窺鏡等數碼攝影、醫療、工業、通信領域。液體透鏡主要有以下幾種工作原理1、 通過機械力改變透鏡外形和體積；2、通過加電改變液晶分子排列；3、基于電潤濕或介電泳 的原理使液體發生形變。電潤濕現象可以用Young-Lippmann方程來描述cos θ = cos θγ + U2
2ασ/ν其中，θ為施加電壓之后的液固接觸角，θ γ為無電壓時的初始液固接觸角，%為 真空介電常數，為介質層的相對介電常數，d為介質層的厚度，Qlv為液體和空氣接觸的 表面張力，U為施加的電壓。1995年Gorman等人第一次實現了基于電潤濕原理的液體透 鏡。他們將液滴置于透明電極上，通過施加電壓使液滴發生了形變[1]。2000年，Berge和 Peseux在先前Gorman等人實驗的基礎上，在電極上覆蓋了介質層。他們的問題在于如何 將液滴中心固定在光軸上[2]。2004年Philips公司提出了流體聚焦技術，將導電水溶液 和油灌注到圓柱體容器中，在底面和側壁上施加電壓，在液體表面發生形變的同時，確保形 變液面固定在圓柱體軸線上[3]。隨后，Varioptic公司將導電溶液和油封裝在圓錐形容器 中，使液體透鏡在光軸穩定性上有了很大的提高[4]。但電潤濕液體透鏡多選用導電性溶液 作為其中一種液體，實驗表明易發生電化學反應，若要克服電化學反映則需在電極上覆蓋 絕緣層，為實現較低的工作電壓，通常需要很薄的絕緣層，這在工藝制備上具有一定難度。介電泳控制不導電液體也能運用到液體透鏡當中。Chih-Cheng Cheng和J. Andrew Yeh在上下基板為ITO玻璃的容器中灌入一種低介電常數液滴和同密度的高介電常數的液 體，利用DEP原理，在電壓0-200V范圍內焦距從34mm變化到12mm，上升和下降時間分別為 650ms和300ms[5] [6]。但此結構下的透鏡，液滴會在平板上移動，不能控制透鏡的位置。 Hongwen Ren和Shin-Tson Wu利用DEP力使液滴形成透鏡陣列的同時改變焦距[7]。這樣 利用電場控制液滴分開并形成透鏡，不能控制每個液滴的大小，不利于實現工業生產的標 準化。Su Xu, Yeong-Jyh Lin和Shin-Tson Wu提出了碗型電極DEP微透鏡陣列的制備[8]， 但碗型電極制備困難，很容易因為各種原因導致電場分布不均勻，而使液體運動不能形成 透鏡效果。為了克服現有液體透鏡的不足，本發明提供一種介電泳液體透鏡結構，采用兩種不導電液體，避免了電化學反應，免去了介質層的制備。壁電極的加入使電場的場強分布集 中在障壁周圍，液體界面處恰好能獲得較高的場強，從而能在較低的電壓使液體運動。壁電 極還能控制液體位置不發生移動，并且液體界面離開壁電極后不再向中間運動。本發明使 用的兩種不導電且不相混容的液體，其表面自由能和介電常數與現有介電泳液體透鏡相比 也有所不同，使透鏡的控制電壓，透鏡效果有一定區別。參考文獻[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.

發明內容
技術問題為了克服電潤濕液體透鏡易擊穿，介質層制備困難，及現有介電泳液體 透鏡結構難以固定液體位置等問題，本發明提供一種介電泳液體透鏡結構，該結構不易擊 穿，無需介質層，能有效固定液體位置，實現動態控制焦距。技術方案本發明解決其技術問題所采用的技術方案是該結構由縱橫排列的液 體透鏡單元組成，每個液體透鏡單元的組成為在第二透明基板上制作障壁，在障壁上覆蓋 第二電極，在第二電極之間灌注第一液體，第二液體覆蓋在第一液體上，第一透明基板上覆 蓋第一電極，第一電極位于第二液體上。在本發明優選技術方案中，第二電極上覆蓋有疏水層。在本發明優選技術方案中，在第一電極上增加薄膜晶體管陣列，每個液體透鏡單 元內第一液體和第二液體的交界面可以單獨調整，即液體透鏡單元的焦距可單獨調整。
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在本發明優選技術方案中，液體透鏡單元為旋轉對稱結構，排列方式可以是行列 矩陣式排列、或品字狀排列、或蜂窩狀排列。有益效果本發明的有益效果是，與傳統電潤濕透鏡相比，第一液體和第二液體與 第一電極和第二電極之間無需絕緣層，工作電壓低，不易擊穿，第一電極位于中間隔斷上， 有利于固定透鏡光軸位置，結構簡單。


圖1是本發明優選實施例結構圖；以上的圖中有1、第一透明基板，2、第二液體，3、障壁，4、第二透明基板，5、第一液 體，6、第一液面，7、第一電極，8、第二電極。
具體實施例方式圖1所示為本發明優選實施例結構圖，主要包括第二透明基板4，可采用玻璃、透 明樹脂等材料，在第二透明基板4上制作障壁3，可以在第二透明基板4上直接印制金屬網 孔形成障壁3，障壁3可以直接作為第二電極8，例如銀、鐵、銅網孔等，或者利用SU-8等材 料經紫外曝光形成此障壁3，再在障壁3上鍍上導電膜形成第二電極8。障壁3可以制成矩 形、梯形等形狀，也可以是沒有尖角的圓弧形。在障壁3之間灌注第一液體5，第一液體5選 用介電常數小、表面自由能小的液體，例如二甲基硅氧烷、正己烷、異辛烷、十六烷、正癸醇 等，第二液體2覆蓋在第一液體5上，第二液體2選用介電常數大、表面自由能大的液體，例 如丙三醇、乙二醇等，也可以第一液體5選用介電常數大、表面自由能大的液體，而第二液 體2選用介電常數小、表面自由能小的液體。第一透明基板1同第二透明基板4 一樣，可采 用玻璃、透明樹脂等材料。第一透明基板1上需要鍍上導電膜，形成第一電極7，也可以選用 具有導電性的基板，例如ITO玻璃等。將第一電極7蓋在第二液體2上，形成單透鏡結構。 在第二電極8上還可以覆蓋疏水層，例如，聚四氟乙烯，cytop等材料，以減小液體界面運動 的遲滯性。但是與電潤濕器件不同，此處疏水層無需完整包覆第二電極8，當在第一電極7 和第二電極8之間施加電壓時，第一液面6會發生移動，從而實現透鏡動態調節焦距，例如 第一電極7接地，第二電極8接正電壓，第一電極7和第二電極8之間產生非均勻電場，第 一液體5和第二液體2在非均勻電場下產生介電泳力，介電泳力作用介電常數大的液體，如 第一液體5，向場強梯度大的地方流動，同時第一液面6發生形變，即在第二電極8的表面發 生移動。由于電場強度集中第二電極8周圍，液體界面處恰好能獲得較高的場強，從而在較 低的電壓下液體就能運動。圖1中液體單透鏡單元為旋轉對稱結構，液體透鏡陣列排列方式可以是行列矩陣 式排列、或品字狀排列、或蜂窩狀排列。另外，在第一電極7上增加薄膜晶體管陣列，每個液 體透鏡單元內第一液體和第二液體的交界面可以單獨調整，即液體透鏡單元的焦距可單獨調整。
權利要求
一種電場力控制的液體透鏡，包括第一透明基板(1)、第二透明基板(4)、第一電極(7)、第二電極(8)、第一液體(5)以及第二液體(6)，其特征是在所述的第二透明基板(4)上制作有障壁(3)，在所述的障壁(3)上覆蓋所述的第二電極(8)，在第二電極(8)之間灌注所述的第一液體(5)，所述的第二液體(2)覆蓋在所述的第一液體(5)上，在所述的第一透明基板(1)上覆蓋所述的第一電極(7)，該第一電極(7)位于所述的第二液體(2)上。
2.根據權利要求1所述的一種電場力控制的液體透鏡，其特征是第二電極(8)上覆 蓋疏水層。
3.根據權利要求1所述的一種電場力控制的液體透鏡，其特征是在第一電極(7)上 增加薄膜晶體管陣列。
4.根據權利要求1所述的一種電場力控制的液體透鏡，其特征是液體透鏡單元為旋 轉對稱結構，排列方式可以是行列矩陣式排列、或品字狀排列、或蜂窩狀排列。全文摘要
本發明公開了一種電場力控制的液體透鏡，它是在第二透明基板(4)上制作障壁(3)，在障壁(3)上覆蓋第二電極(8)，在第二電極(8)之間灌注第一液體(5)，第二液體(2)覆蓋在第一液體(5)上，第一透明基板(1)上覆蓋第一電極(7)，第一電極(7)蓋于第二液體(2)上。該液體透鏡結構無需絕緣層，不發生電化學反應，透鏡光軸固定，驅動電壓低，結構簡單。
文檔編號G02B26/02GK101915989SQ20101023921
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者夏軍, 姚曉寅 申請人:東南大學