CN101435915A

CN101435915A - 可变外型棱镜

Info

Publication number: CN101435915A
Application number: CNA2007101681486A
Authority: CN
Inventors: 侯胜发
Original assignee: Lite On IT Corp
Current assignee: Lite On IT Corp
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-05-20
Also published as: US20090122417A1

Abstract

本发明为一种可变外型棱镜，包括：一容器，该容器内含一第一种液体和一第二种液体，其中该第一种液体是可导电的，该第二种液体是绝缘的，该第一种液体和该第二种液体具有不同折射率，该第一种液体和该第二种液体彼此不相溶，因此该第一种液体和该第二种液体间存在一液面；一第一电极，该第一电极与该第一种液体相接触；以及一第二电极，该第二电极为多数个，且环状分布于该第一种液体和该第二种液体周围，该些第二电极由一绝缘层所包覆，避免与该第一种液体和该第二种液体接触，且该些第二电极可分别与该第一电极形成一多数个电极群组；其中，通过对该些电极群组施以不同电压，可改变该第二种液体的表面张力，进而改变该液面的形状。

Description

可变外型棱镜

技术领域

本发明涉及一可变外型棱镜，尤指一种采用电湿润原理制造而成的可变外型棱镜。

背景技术

电湿润(Electro-wetting)主要原理为：在液体施加一电压，通过液体表面张力的减少和液体与一接触层间接触角的改变，控制该液体和接触层间的湿润性(Wettability)。

请参阅图1，其所绘示为美国专利(US 7,126,903)所揭露的一利用电湿润原理所制造而成的可变焦点透镜(Variable Focus Lens)的剖面图。该可变焦点透镜主要包括：一圆柱形液体容器5(Cylindrical Fluid Chamber)，该容器5内含两种不相溶液体A和液体B；一第一电极2(Electrode)；一第二电极12；一第一透明层4(Transparent Layer)；一第二透明层6；一绝缘层8(Insulator)；一接触层10(Contact Layer)；以及由不相溶液体A和液体B所形成的一液面14(Interface)。此外，第一电极2和第二电极12间可施加一电压。

液体A为绝缘(Electrically Insulating)，可为硅油(Silicone Oil)或烷烃(Alkane)；液体B为导电(Electrically Conducting)，可为盐类的溶液。液体A和液体B被设计为具有近似的密度(Density)，如此将可避免重力作用(Gravitational Effect)在对液体A和液体B影响时，改变光线原本被设计行进的方向。为了达成液体A和液体B具有近似的密度，可通过改变液体A(硅油或烷烃)的分子结构来达成。此外，液体A和液体B具有不同的折射率(Refractive Index)，其中液体A的折射率高于液体B的折射率。第一电极2为环状形，位于圆柱形液体容器5的外侧，且为避免第一电极2与液体A和液体B接触，第一电极2被绝缘层8所包覆。接触层10位于圆柱形容器5的内侧，与液体A和液体B接触。第二电极12为圆形，位于液体容器5的一侧，且与导电的液体B相接触。透明层4位于容器5的左侧，可被视为光线的入射面；透明层6位于容器5的右侧，可被视为光线的出射面。

如图1所示，当没有施加电压于第一电极2和第二电极12间时(V0＝0)，由于液体B的表面张力(SurfaceTension)比液体A的表面张力大，且接触层10对液体B的湿润性在电压为零时来说相对较大，因此，此时液体B与接触层10的接触角θo大于90度(例如140度)。

由于电湿润原理，接触层10对液体B的湿润性可通过对第一电极2和第二电极12间的电压来改变，经由改变接触层10对液体B的湿润性，进而改变液体B与接触层10的接触角，最终改变液体A和液体B间的液面14的外形。也就是说可变焦点透镜的主要特征是：通过对第一电极2和第二电极12间电压的控制，来改变液面14的变化，进而控制可变焦点透镜的焦点位置。

举例来说，请参阅图2(A)，其所绘示为一具有相对小偏压电压的可变焦点透镜的剖面图。当施加一相对较小偏压电压(例如V1＝20～150V)于第一电极2和第二电极12间时，由于液体B的表面张力依然比液体A的表面张力大，且在此偏压下，接触层10对液体B的湿润性比在电压为零时来说相对较大，因而液体B对接触层10的接触角θ1会介于90度和140度之间(例如100度)。在此组态下，由于液体A的折射率高于液体B的折射率，此时可变焦点透镜可视为一凹透镜(Concave)，亦即，该可变焦点透镜具有一负数值的功率。

请参阅图2(B)，其所绘示为一具有相对大偏压电压的可变焦点透镜的剖面图。当施加一相对较大电压(例如V2＝150～200V)于第一电极2和第二电极12间时，由于液体B的表面张力转而比液体A的表面张力小，且在此偏压下，接触层10对液体B的湿润性更大，因而液体B对接触层10的接触角θ2会小于90度(例如60度)。在此组态下，由于液体A的折射率高于液体B的折射率，此时可变焦点透镜可视为一凸透镜(Convex)，亦即，该可变焦点透镜具有一正数值的功率。

由以上说明可知，通过电湿润原理，亦即通过改变对第一电极2和第二电极12间偏压电压大小，可进而改变液体A和液体B间的液面14的外形，最终实现可变焦点透镜。

然而，由于上述的可变焦点透镜是采用单一的电极群组(第一电极2和第二电极12)，使得两不相溶液体A和液体B间的液面14所产生的变形只能为圆对称，因此，可变焦点透镜只能形成凸透镜或凹透镜的效果，并不具备改变光束行进方向的功能。而在改变光束行进方向的相关公知技术中(例如美国专利4118109，7217002)，都是利用外在的可动机构组件来带动光学组件(如反射镜或棱镜)，来造成光束行进方向的改变，但是这样的方式需要增加额外机构的成本以及额外容纳机构的空间。

发明内容

本发明的主要目的，是利用电湿润原理及采用多数个电极群组，提供一种可改变外型的棱镜，此棱镜不需要外在的移动机构去改变棱镜的位置或角度，就可以改变光束的行进方向。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种可变外型棱镜，包括：一容器，该容器内含一第一种液体和一第二种液体，其中该第一种液体是可导电的，该第二种液体是绝缘的，该第一种液体和该第二种液体具有不同折射率，该第一种液体和该第二种液体彼此不相溶，因此该第一种液体和该第二种液体间存在一液面；一第一电极，该第一电极与该第一种液体相接触；以及一第二电极，该第二电极为多数个，且环状分布于该第一种液体和该第二种液体周围，该些第二电极由一绝缘层所包覆，避免与该第一种液体和该第二种液体接触，且该些第二电极可分别与该第一电极形成一多数个电极群组；其中，通过对该些电极群组施以不同电压，可改变该第二种液体的表面张力，进而改变该液面的形状。

再者，一种可变外型棱镜，包括：一圆柱形容器，该圆柱形容器包含一圆柱边，其中该容器内含彼此不相溶的一第一种液体和一第二种液体，因此该第一种液体和该第二种液体存在一液面，该第一种液体和该第二种液体具有不同折射率；一接触层，位于该容器的圆柱边内侧；一第一电极，该第一电极位于与该第二种液体相接触；以及一第二电极，该第二电极为多数个，该些第二电极环状分布于该容器的圆柱边外侧，且该些第二电极由一绝缘层所包覆，避免该些第二电极与该第一种液体和该第二种液体接触，且该些第二电极可分别与该第一电极形成多数个电极群组；其中，该接触层与该第二种液体之间存在一湿润性，且该湿润性会影响该液面的形状，该湿润性可由对该些电极群组施以电压所控制，因此，通过对该些电极群组施以不同电压，可改变该液面的形状。

再者，一种照明系统，包括：一光源；一透镜；以及一可变外型棱镜；其中，当一光束由该光源射出后，该光束先经由该透镜调整该光束适当的聚焦状况，然后照射至该可变外型棱镜，此时通过对该可变外型棱镜的多数个电极群组施以不同程度的电压，使得该光束可从任意角度射出。

本发明的功效：

采用本发明的可变外型棱镜作为改变光束行进方向组件的照明系统，不需要利用外在的可动机构组件来带动光学组件，使照明系统的体积显著的减少，亦可避免可动机构组件带动光学组件时，所可能产生的躁音。

附图说明

图1所绘示为美国专利(US 7,126,903)所揭露的一利用电湿润原理所制造而成的可变焦点透镜的剖面图；

图2(A)所绘示为一具有相对小偏压电压的可变焦点透镜的剖面图；

图2(B)所绘示为一具有相对大偏压电压的可变焦点透镜的剖面图；

图3(A)所绘示为本发明的可改变外形棱镜的俯视图；

图3(B)所绘示为本发明的可改变外形棱镜的剖视图；

图4(A)所绘示为本发明的可改变外形棱镜在不同电压控制下的液面变化的剖面图；

图4(B)所绘示为本发明的可改变外形棱镜在不同电压控制下的液面变化的剖面图；

图4(C)所绘示为本发明的可改变外形棱镜在不同电压控制下的液面变化的剖面图；

图4(D)所绘示为本发明的可改变外形棱镜在不同电压控制下的液面变化的剖面图；

图5所绘示为一具有十组电极群组的本发明的可改变外型棱镜的俯视图；

图6所绘示为应用本发明的可变外型棱镜所构成的一照明系统。

本发明图式中所包含的各组件列示如下：

电极 2、12、24、26

透明层 4、6、28、30

容器 5、22

绝缘层 8、32

接触层 10、34

液面 14、36

液体 A、B

具体实施方式

本发明主要利用电湿润原理及多数个电极群组来制造一种可改变外型棱镜，此棱镜不需要外在的移动机构去改变棱镜的位置或角度，就可以改变光束的行进方向。

请参阅图3(A)和图3(B)，其所绘示分别为本发明的可改变外形棱镜的俯视图和剖视图。该可改变外形棱镜主要包括：一圆柱形液体容器22，该容器22内含两种不相溶液体A和液体B；多数个第一电极24；一第二电极26；一第一透明层28；一第二透明层30；一绝缘层32；一接触层34；以及由该不相溶液体A和液体B所形成的一液面36。

液体A为绝缘，可为硅油(silicone oil)；液体B为导电，可为盐类的溶液。液体A和液体B被设计为具有近似的密度，如此将可避免重力作用在对液体A和液体B影响时，改变光线原本被设计行进的方向。此外，液体A和液体B具有不同的折射率，在本实施例中，液体B的折射率高于液体A的折射率。多数个第一电极24平均地环状分布于该圆柱形容器22的外侧，且为避免第一电极24与液体A和液体B接触，第一电极24被绝缘层32所包覆。第二电极26为圆形，位于容器22的下侧且与导电的液体B相接触，且第二电极26为透明，可以让光线穿过，此外，多数个第一电极24可分别与第二电极26组成多数个电极群组。接触层34位于圆柱形容器22的内侧，与液体A和液体B接触。透明层28位于容器22的上侧，可被视为光线的入射面；透明层30位于容器22的下侧，可被视为光线的出射面。

由于电湿润原理，接触层34对液体B的湿润性，亦即液体B对接触层34的接触角，可通过对第一电极24和第二电极26间(电极群组)的偏压来控制。在本实施例中，电压V0代表没有施加电压在第一电极24和第二电极26间，在此组态下，由于液体B的表面张力比液体A的表面张力大，且接触层34对液体B的湿润性相对较低，因而液体B对接触层34的接触角大于90度(θ1)；电压V1代表施加一个适当的中等电压在第一电极24和第二电极26间，在此组态下，由于液体A的表面张力和液体B的表面张力相等，且接触层34对液体B的湿润性相较没有施加电压时大，因而液体B对接触层34的接触角接近90度(θ2)；电压V2代表施加一个大电压在第一电极24和第二电极26间，在此组态下，由于液体B的表面张力比液体A的表面张力小，且接触层34对液体B的湿润性相较比施加电压V1时更大，因而液体B对接触层34的接触角小于90度(θ3)。

图4(A)至图4(D)为在不同电压控制下，可改变外形棱镜的液面变化的剖面图。请参阅图4(A)，当不施加任何电压(V0)于左侧电极群组和右侧电极群组时，液体B左侧对接触层34的接触角大于90度(θ1)，且液体B右侧对接触层34的接触角亦大于90度(θ1)。

请参阅图4(B)，当同时施加一中等电压(V1)于左侧电极群组和右侧电极群组时，液体B左侧对接触层34的接触角等于90度(θ2)，且液体B右侧对接触层34的接触角亦等于90度(θ2)，此时液面36为水平。在此组态下，光束通过可改变外形棱镜后，并不会改变原本行进方向。

请参阅图4(C)，当施加一较大电压(V2)于左侧电极群组而不施加任何电压(V0)于右侧电极群组时，液体B左侧对接触层34的接触角小于90度(θ3)，液体B右侧对接触层34的接触角大于90度(θ0)，此时液面36会向右倾斜。在此组态下，光束通过可改变外形棱镜后会向左偏折。

请参阅图4(D)，当不施加任何电压(V0)于左侧电极群组而施加一较大电压(V2)于右侧电极群组时，液体B左侧对接触层34的接触角大于90度(θ0)，液体B右侧对接触层34的接触角小于90度(θ2)，此时液面36会向左倾斜。在此组态下，光束通过可改变外形棱镜后会向右偏折。

为了更具体说明本发明的可改变外形棱镜，可经由控制电极群组的电压来改变光束的方向，以下将以一具有十组电极群组的可改变外型棱镜来作说明。请参阅图5，其所绘示为一具有十组电极群组的可改变外型棱镜的俯视图。十组第二电极(P1～P10)沿着容器22外围平均分布，光束由纸面上方，先后经由液体A、液体B，而垂直入射纸面下方。若通过对这十组电极群组施以不同程度的电压，则可以改变液体A和液体B间的液面36，进而控制光束射出的方向。举例来说，如果希望光束在射出可变外型棱镜时能向右上方偏折，则可变外型棱镜的液面36必需向左下方倾斜，此时只需要对电极P2、P3施加相对较大的电压；对电极P1、P4施加次大的电压；对电极P5、P10施加中等电压；对电极P6、P9施加较小的电压；对电极P7、P8不施加电压；如此便可让可变外型棱镜的液面36向左下方倾斜，使得光束向右上方偏折。

本发明的可变外型棱镜亦可应用于一照明系统，作为照明系统中改变光束行进方向的组件。请参阅图6，其所绘示为应用本发明的可变外型棱镜所构成的一照明系统。该照明系统主要包括：一光源42；一透镜44；以及一可变外型棱镜46；其中该光源42可为一LED(Light-Emitting Diode)。当光束由光源42射出后，光束先经由透镜44调整光束适当的聚焦状况，然后照射至可变外型棱镜46。此时通过对可变外型棱镜中多数个电极群组施以不同程度的电压，则可将可变外型棱镜内的液面向任何方向倾斜，如此一来，则可将此光束从任意角度射出。

由于此照明系统采用可变外型棱镜作为改变光束行进方向的组件，因此不需要利用外在的可动机构组件来带动光学组件，如此一来，此照明系统的体积将可显著的减少，此外，亦可避免可动机构组件带动光学组件时，所可能产生的躁音。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求保护的范围所界定者为准。

Claims

1.一种可变外型棱镜，其特征在于，包括：

一容器，该容器内含一第一种液体和一第二种液体，其中该第一种液体是导电的，该第二种液体是绝缘的，该第一种液体和该第二种液体具有不同折射率，该第一种液体和该第二种液体彼此不相溶，因此该第一种液体和该第二种液体间存在一液面；

一第一电极，该第一电极与该第一种液体相接触；以及

一第二电极，该第二电极为多数个，且环状分布于该第一种液体和该第二种液体周围，该些第二电极由一绝缘层所包覆，避免与该第一种液体和该第二种液体接触，且该些第二电极分别与该第一电极形成一多数个电极群组；

其中，通过对该些电极群组施以不同电压，以改变该第二种液体的表面张力，进而改变该液面的形状。

2.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述第一种液体和该第二种液体的密度近似。

3.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述容器为圆柱形。

4.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述液面经由对该些电极群组施以不同电压而向任一方向倾斜，且倾斜的程度由电压的大小来控制。

5.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述容器另包含一第一透明层和一第二透明层，该第一透明层和该第二透明层分别位于该容器的两端，该第一透明层视为光束的入射面，而该第二透明层视为光束的出射面。

6.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述第一电极为透明。

7.如权利要求1所述的可变外型棱镜，其特征在于，在不施以任何电压于该些电极群组时，该可变外型棱镜为一透镜。

8.一种可变外型棱镜，其特征在于，包括：

一圆柱形容器，该圆柱形容器包含一圆柱边，其中该容器内含彼此不相溶的一第一种液体和一第二种液体，因此该第一种液体和该第二种液体存在一液面，该第一种液体和该第二种液体具有不同折射率；

一接触层，位于该容器的圆柱边内侧；

一第一电极，该第一电极位于与该第二种液体相接触；以及

一第二电极，该第二电极为多数个，该些第二电极环状分布于该容器的圆柱边外侧，且该些第二电极由一绝缘层所包覆，避免该些第二电极与该第一种液体和该第二种液体接触，且该些第二电极分别与该第一电极形成多数个电极群组；

其中，该接触层与该第二种液体之间存在一湿润性，且该湿润性会影响该液面的形状，该湿润性由对该些电极群组施以电压所控制，因此，通过对该些电极群组施以不同电压，以改变该液面的形状。

9.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述第一种液体是绝缘的，该第二种液体是导电的。

10.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述第一种液体和该第二种液体的密度近似。

11.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述液面经由对该些电极群组施以不同电压而向任一方向倾斜，且倾斜的程度由电压的大小来控制。

12.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述第一电极为透明。

13.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述容器另包含一第一透明层和一第二透明层，分别位于该圆柱形容器的两侧，该第一透明层视为光束的入射面，而该第二透明层视为光束的出射面。

14.如权利要求8所述的可变外型棱镜，其特征在于，在不施以任何电压于该些电极群组时，该可变外型棱镜为一透镜。

15.一种照明系统，其特征在于，包括：

一光源；

一透镜；以及

一可变外型棱镜；

其中，当一光束由该光源射出后，该光束先经由该透镜调整该光束适当的聚焦状况，然后照射至该可变外型棱镜，此时通过对该可变外型棱镜的多数个电极群组施以不同程度的电压，使得该光束从任意角度射出。

16.如权利要求15所述的可变外型棱镜，其特征在于，所述光源为一LED。