[发明专利]一种电场力控制的液体透镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体透镜结构，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介电泳液体透镜结构。

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：

cosθ=cosθY+ϵ0ϵd2dσlvU2]]>

其中，θ为施加电压之后的液固接触角，θ_Y为无电压时的初始液固接触角，ε₀为真空介电常数，ε_d为介质层的相对介电常数，d为介质层的厚度，σ_lv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匀，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：