CN1407353A - 具有润滑辅助电湿的可调谐液体微透镜 - Google Patents

Abstract

一种可调谐液体微透镜，包括一个绝缘层，一个透明导电液体微滴，以及位于该绝缘层的第一表面上及该微滴与该绝缘层之间的一个润滑层。该微透镜还包括通过该绝缘层及该润滑层与该微滴绝缘的多个电极，该多个电极使其可以被有选择地偏置，以在该微滴与该多个电极的每个之间产生各自的电压势，由此该微滴与平行于该绝缘层的第一表面的一个平面之间的一个角度可以改变，并且该微滴可以相对于该绝缘层重定位。

Description

具有润滑辅助电湿的可调谐液体微透镜

技术领域

本发明涉及微透镜，并且尤其涉及液体微透镜。

背景技术

大多数可调谐微透镜是具有静电控制的折射率的梯度折射率(GRIN)透镜，或者具有机械形状控制的柔性聚合物透镜。两项技术都具有内在的局限性，对这些现有的可调谐微透镜的性能施加了严格的限制。

可调谐梯度折射率透镜具有内在的局限性，与多数电光材料中发现的相对小的电光系数有关。这导致一个小的光学路径调制度，并且因此需要使用厚透镜或极高的电压。此外，许多电光材料显示很强的双折射，导致微透镜性质与偏振有关。

可机械调节的柔性透镜典型地比梯度折射率透镜具有宽得多的可调谐性范围。但是，它们的工作需要外部激励装置如微泵。这种装置的微集成(microintegration)涉及很大的问题，在需要二维可调谐微透镜阵列的情况下尤其严重。

已经尝试使用其它技术制造可调谐微透镜，例如通过自装配单层(SAM)控制的液体微透镜。在2000年1月11日授权的Wohlstadter的美国专利号6,014,259中，描述了其中的一些尝试，这里其全部合并于此作参考。但是，利用自装配单层的微透镜，也存在一些问题，包括材料选择的严格限制，以及强烈的滞后，导致调谐电压断开后微透镜无法回到初始形状。此外，上述微透镜没有一个允许既调节透镜位置又调谐焦距。

在申请人的共同未决美国专利申请系列号09/884,605，Timofei N.Kroupenkine和Shu Yang，2001年6月19日申请，名称为“可调谐液体微透镜”中，提出了一个可调谐液体微透镜。605申请的可调谐液体微透镜允许既调节透镜位置又调谐焦距。在605申请中描述了一个示例性可调谐液体微透镜的一个实施例中，一个透明导电液体的微滴位于包括氟化聚合物例如高度氟化烃的一个支撑基底上。该配置提供了一个液体微透镜，高度可调谐，并且不存在电湿(electrowetting)过程中会发生的众所周知的滞后及粘滑(stick-slip)效应。

发明内容

虽然605申请提供了一个示例性可调谐液体微透镜，但是对于一个可调谐液体微透镜，仍然需要提供材料选择上的更大自由度以及极好的可调谐性，同时减小或消除接触角滞后及粘滑效应。这通过一个改进的可调谐液体微透镜实现，该液体微透镜包括一个绝缘层，一个透明导电液体的微滴，以及根据本发明的原理，位于绝缘层的第一表面上以及微滴与绝缘层之间的一个润滑层。该微透镜还包括多个电极，通过绝缘层及润滑层与微滴绝缘，该多个电极的布置使其可以被有选择地偏置，以在微滴与每个电极之间产生各自的电压势，由此可以改变微滴与垂直于绝缘层第一表面的一个平面之间的角度，并且微滴可以相对于绝缘层重定位。

具有润滑辅助电湿的可调谐液体微透镜允许既调节透镜位置又调谐焦距。此外，该可调谐液体微透镜提供了材料选择上的更大自由度，无接触角滞后或粘滑效应，同时提供极好的调谐控制。

附图说明

附图表示本发明的优选实施例，以及与本公开有关的其它信息，其中：

图1A是光波通过一个液体微透镜的图解表示；

图1B是电湿现象的图解表示；

图2A是本发明的一个可调谐液体微透镜的图解表示；

图2B表示用于本发明的一个可调谐液体微透镜的一个示例性电极图形；

图2C-2E表示本发明的可调谐液体微透镜对于图2B的电极的选定偏置的反应；

图3A-C是根据本发明的一个可调谐液体微透镜的示例性实施例的图解表示；

图4表示包括本发明的一个可调谐液体微透镜的一个光学系统；

图5是包括一个平面波导及本发明的一个可调谐液体微透镜的一个设备的图；

图6是利用一个润滑层的本发明的一个可调谐液体微透镜的一个示例性实施例的图解表示；

图7是利用一个润滑层的本发明的一个可调谐液体微透镜的另一个示例性实施例的图解表示；以及

图8是表示图6和图7的微透镜上的材料选择的影响的曲线图。

应当理解到这些图是用于图解的目的，并且未按比例绘制。

具体实施方式

在详细描述本发明的可调谐液体微透镜之前，首先给出一个通常液体微透镜的描述以及电湿现象的一个描述。

参考图1A，显示一个液体微透镜10。该微透镜10包括一个透明液体例如水的小微滴12，直径典型地(但不是必要地)从几微米到几毫米。微滴12位于一个透明基底14上。该基底典型地为疏水的或者包括一个疏水涂层。该液体及基底仅需要对于一个选定波长范围内的光波透明。光波由参考数字16表示。光波通过液体微透镜10并且聚焦在焦平面上的一个焦点或焦斑(由参考数字18表示)处，该焦平面距微滴12与基底14之间的接触平面为焦距“f”。

微滴12与基底14之间的接触角“θ”由界面表面张力(也称为界面能)“γ”决定，通常以毫牛顿每米(mN/m)为单位。如这里所用，γ_S-V为基底与围绕基底14的空气、气体或其它液体之间的界面张力，γ_L-V为微滴12与围绕微滴12的空气、气体或其它液体之间的界面张力，以及γ_S-L为基底14与微滴12之间的界面张力。接触角θ可以由方程(1)决定：

方程(1) $\cos \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{S-V}-{\mathrm{\γ}}_{S-L}}{{\mathrm{\γ}}_{L-V}}$

微滴12的表面曲率半径“R”以米为单位，根据如下方程(2)由接触角θ与以立方米(m³)为单位的微滴体积决定：

方程(2)

焦距以米为单位，是半径R与折射率“n“的函数，其中n_Liquid为微滴12的折射率，n_Vapor为围绕微滴12的空气、气体或其它液体的折射率。焦距f可以由方程(3)决定：

方程(3) $f=\frac{R}{n_{\mathrm{Liquid}}-n_{\mathrm{Vapor}}}$

基底的折射率并不重要，因为光波的入射和出射平面平行。因此，微透镜10的焦距是接触角θ的函数。

图1B演示了可以使用电湿现象可逆地改变一个导电液体(可以是或不是透明的)的微滴22与一个电介质绝缘层24之间的接触角θ，该绝缘层的厚度用“d”表示，介电常数为ε_r。一个电极，例如金属电极26，位于该电介质层24下面，并且通过层24与微滴22绝缘。微滴22可以是例如一个水滴，基底24可以是例如一个聚四氟乙烯/聚对苯二亚甲基(parylene)表面。

当微滴22与电极26之间无电压差时，微滴22保持由微滴22的体积及接触角θ₁定义的形状，其中θ₁如上所述由界面张力γ决定。虚线28表示当电极26与微滴22之间施加一个电压时，微滴22在层24上从其相对于电极26的中心位置同等地展开。电压可以从几伏到几百伏。确切地，当电极26与微滴22之间施加电压时，无论极性，接触角θ从θ₁减小到θ₂。展开量，即，由θ₁与θ₂之差决定，是被加电压V的函数。接触角θ₂可以由方程(4)决定：

方程(4) $\cos \left(V\right)=\cos \mathrm{\θ}(V-0)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{{2\mathrm{d\γ}}_{L-V}}{V}^2$

其中cosθ(V＝0)为微滴22与电极26之间未施加电压时绝缘层24与微滴22之间的接触角，γ_L-V为上述微滴界面张力，ε_r为绝缘层的介电常数，ε₀为8.85×10^-12F/m——真空的介电常数。

图2A和2B表示如下所述可以既改变位置又改变焦距的一个可调谐液体微透镜。确切地参考图2A，可调谐液体微透镜100包括位于一个透明电介质绝缘层104的第一表面上的一个透明导电液体的微滴102。绝缘层104可以是，例如，具有氟化聚合物例如高度氟化烃涂层的聚酰亚胺。无论如何，绝缘层104应当提供预定值的接触角及接触角滞后，并且具有适用于被加电压的较高的电介质击穿强度。微透镜100包括通过绝缘层104与微滴102绝缘的多个电极106a-106d。微透镜100也可以包括一个透明支撑基底110，支撑电极106和绝缘层104。电极106和支撑基底110可以分别是，例如，金和玻璃。

图2B是电极106a-106d的一个示例性配置的顶视图。尽管显示四个电极106a-106d的配置，但是，可以根据微透镜100的调谐的所需的控制水平利用其它数量、组合及图形的电极106。每个电极106a-106d耦合到各个电压V₁-V₄，并且最初相对于电极106居中的微滴102耦合到微滴电极108，微滴电极108耦合到电压V_O。

当微滴102与任何电极106之间无电压差(即V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝V_O)并且微滴相对于电极106和象限I至IV居中时，微滴102呈现根据上述方程(1)-(3)由接触角θ及微滴102的体积决定的形状。图2C用虚线表示微滴102的这个初始位置。通过有选择地在微滴102与电极106之间施加一个电压势，可以调节微滴102的位置及微透镜100的焦距。如果在所有四个电极上施加相同的电压，即V₁＝V₂＝V₃＝V₄≠V_O，则微滴102在象限I、II、III和IV中同等地(即沿横轴X和Y同等地)展开，如图2D的虚线所示。本质上，微滴102与绝缘层104之间的接触角θ减小。在此情况下，微透镜100的焦距从初始接触角时(即V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝V_O时)的微透镜焦距增大。

图2E表示，通过有选择地使电极106相对于微滴102偏置，也可以相对于绝缘层104的第一表面上微滴102的初始位置改变微滴102沿X和Y轴的横向位置。例如，通过使V₁＝V₃＝V_O，且通过使V₂大于V₄，微滴102被吸引向电极106b的较高电压并且移向象限II。通过调节微滴102的横向位置，也调节了焦平面上微透镜的焦斑的横向位置。

从上述例子应当很明显，电极106可以以任何数量的组合相对于微滴电极(并且因此微滴102)有选择地偏置，以调节接触角θ，并且由此修改微透镜100的焦距。同样地，电极106可以以任何数量的组合有选择地偏置，以使微滴102相对于绝缘层104上的初始位置重定位，由此调节微透镜的焦斑的横向位置。因此，微透镜允许三维调节焦斑——焦斑的位置由焦距及焦平面上焦斑的横向位置决定，焦平面与微透镜的第一表面平行且距微透镜为一个焦距。

图3A表示使微滴102耦合到一个电压V_O，例如地或其它恒定电压水平的一个方式。微透镜100a可以包括一个支撑基底110a，支撑基底110a包括一个导电玻璃，例如铟锡氧化物玻璃。该导电玻璃耦合到电压V_O，并且电极116使基底110a耦合到微滴102。电极116和支撑基底110a可以共同视为一个微滴电极。图3A还表示绝缘电介质层104可以包括一个电介质层114以及一个疏水涂层112。涂层112应当提供一个相对高的接触角θ。一个例子是高度氟化聚合物，例如聚四氟乙烯或具有与聚四氟乙烯类似的化学结构的其它材料。低表面能材料，例如含硅聚合物或分子也是适合的。在一个实施例中，绝缘层104a包括位于一个聚酰亚胺电介质层114上的一个聚四氟乙烯薄膜的涂层112。

在图3B的投影图所示的一个微透镜100B的另一个实施例中，微滴电极116可以是，例如，在一个区域或多个区域蒸发或相反沉积在绝缘层104(未显示)的第一表面上的一个金电极，当微滴102沿绝缘层104的第一表面改变位置时，保证电极116与微滴102保持接触。尽管电极116用于当微滴102改变位置时与微滴102保持接触，但是微滴102基本位于绝缘层104的第一表面上。微透镜100B可以包括一个支撑基底100a，支撑基底100a不需要是导电的并且可以是例如不导电的玻璃，用作绝缘层104与电极106的机械支撑层。如果那样，则微滴电极116可以直接耦合到电压V_O。或者，支撑层110a可以是耦合到电压V_O的导电玻璃基底。在该实施例中，微滴电极116可以耦合到支撑层110a。图3B还显示电极106a-106d及其各自的电源线118a-118d，电源线118a-118d分别耦合到电压V₁-V₄。尽管图3B未显示绝缘层104，但是这仅是用于图解目的，并且绝缘层104使微滴102及电极116与电极106a-106d绝缘。

图3C表示一个可调谐液体微透镜100C的一个示例性实施例，其中不需要电极116，由此减少了电极116与微透镜的任何潜在干涉。微透镜100C包括位于绝缘层104b的第一表面上的微滴102。微透镜100C还包括一个透明导电支撑层110a，用作一个微滴电极，位于与绝缘层104b的第一表面相对的绝缘层104b的第二表面。显示微透镜100C的横截面，以表示绝缘层104b包括由绝缘层104b定义并贯通的一个小孔118。微滴102占据小孔118的至少一部分，由此使微滴102与微滴电极即支撑基底110a电通信。然后支撑基底110a耦合到电压V_O。在此示例性实施例中，绝缘层104b也不是必须是透明的，只要小孔足够大，使得通过小孔的光足够用于特定应用。

液体微滴可以是对于所需波长透明并且固有导电或者可以例如通过使用各种添加剂使其导电的任何液体。典型的例子包括各种盐的水溶液。电极可以是任何固体导电材料，可以是或不是透明的，例如金、铝或铟锡氧化物玻璃。绝缘层可以是提供足够高的电介质强度以及预定值的接触角及接触角滞后的任何固体电介质或一组固体电介质。绝缘层可以是或不是透明的。例子包括固体聚合物，例如聚酰亚胺和聚对苯二亚甲基。支撑基底可以是对于给定波长透明的任何基底，例如玻璃或固体聚合物。被加电压取决于选定材料、微透镜的布局以及接触角的所需变化，如方程(1)-(4)所指导。典型的电压可以在0伏与大约200伏之间变化，尽管可接受的电压不限于此范围。

在一个实施例中，微透镜的液体微滴可以被与微滴不混溶的液体基本包围。周围的液体可以有助于防止微透镜微滴蒸发。当微滴是水基的时，可以使用各种油或高分子重醇(例如戊醇、辛醇等)。

图3C的微透镜100C被测试。该微透镜包括微滴102，微滴102包括20μl的0.01 KNO₃水溶液。绝缘层104b包括一个3μm厚的聚酰亚胺层，涂覆一层极薄(≈0.02至2μm)的高度氟化聚合物，提供大约109°的初始接触角。一组四个金电极106如图2B和3C所示排列。微透镜包括一个ITO(铟锡氧化物)玻璃板作为图3C所示的导电透明支撑基底110a。施加0V与大约150V之间的工作电压。

演示了微透镜的焦距在6mm与8mm之间范围内的可逆调节。还演示了沿绝缘层表面在任何横向方向大约3mm范围内的微镜位置的调节。应当理解到得到的结果不表示微透镜的限制，而是用于表明可以制造能既改变焦距又改变焦斑位置的一个可调谐液体微透镜。

由上应当很明显，所述微透镜可以设计为当微滴与电极106之间无电压差时具有所需的接触角θ以及所需的接触角滞后。这可以通过选择如上述方程所指导的适当的材料、尺寸及体积实现。因此微透镜允许微滴曲率及位置控制上的很大自由度，由此导致微透镜、焦距、焦斑位置及数值孔径上的宽范围的可调谐性。

一个普通熟练的技术人员应当认识到本发明的微透镜可以在一些光电应用中利用。例如，微透镜可以用于实现一个光学信号发送器204如激光器与一个光学信号接收器202如光电探测器之间的最佳耦合。这在图4中表示。从图4应当理解到来自发送器204的光学信号是发散的，并且将在焦平面206后面聚焦。如上所述通过有选择地偏置多个电极106以实现最佳耦合，可以调节透镜焦距以及微透镜100的焦平面206内焦斑208的横向定位。偏置电极可以被有选择地偏置，直到在接收器202处探测到最高功率——表示发送器204与接收器202之间的最佳耦合。目前，光电组件，即并入光电元件的物理设备，例如激光器和/或光电探测器，通过使部件物理地移动以实现最佳耦合而被定标。该过程可能很慢并且相当昂贵。通过在设备中包括本发明的至少一个微透镜，可以不需要物理地对准部件以实现最佳耦合。更确切地说，可以调节本发明的微透镜的焦距及焦斑的横向位置，以使光学信号从一个发送器重导向到一个固定的接收器。

在图5所示的另一个示例性应用中，利用本发明的一个微透镜100，或多个微透镜，使一个光电元件如光电探测器506与一个嵌入式平面波导504耦合，光电探测器506通过一个球格阵列在一个印刷电路板500上进行表面安装。光通过平面波导504的芯502传播，如方向箭头所示。光被反射镜边缘508反射到印刷电路板500的上表面510。一个可调谐液体微透镜100位于印刷电路板500的上表面510上，并且在所示方向使光502导向光电探测器506。为了调谐微透镜100以优化光从平面波导504到光电探测器506的传输，可以有选择地偏置可调谐液体微透镜100的电极，以调节微透镜100的焦距及横向焦斑位置。通过应用适当的电压保持微透镜的形状。

图6和7表示一个可调谐液体微透镜的另一个示例性实施例，该微透镜能够既改变焦斑位置又改变焦距，同时增大了可调谐液体微透镜中可利用的材料的范围。首先，简要提供了“粘滑”现象的概述。如结合图1B在上面提供的电湿的概述中所提到的，通过在电极26与微滴22之间施加电压，可以改变层24与微滴22之间的接触角θ。粘滑现象会导致接触角θ在被加电压下递增地改变，而不是从初始接触角平滑地过渡为最终接触角。当施加电压时，微滴可以“粘”在基底24的表面并且保持第一接触角θ_x一段时间。最后，在被加电压下，微滴“滑动”以定义一个新的接触角θ_y。在初始接触角与最终接触角之间的过渡过程中，这些递增的跳跃可能发生好几次，取决于被加电压。因为微滴最初粘然后滑，所以接触角θ递增地改变，并且落在例如θ_x与θ_y之间的接触角不能容易地实现。

相信粘滑现象主要是由于基底24中的不均匀性、杂质或污染物引起的，导致微滴22与基底24之间界面张力的局部不一致性。粘滑现象会限制利用电湿精确调谐微透镜的能力。

与粘滑现象密切相关的另一个现象是接触角滞后现象。接触角滞后是指前进微滴的接触角(如在电压从例如0V增大到V_O过程中在给定电压V_O处得到的角度)与缩进微滴的接触角(如在相同电压V_O处但在电压从例如V_O减小到0V过程中得到的角度)之差。接触角滞后导致微滴接触角与微滴历史有关——即电压是减小还是增大——并且使通过电湿的微滴控制变复杂。并且，如果该滞后足够高，当去掉电压时，它将阻止微滴回到其初始形状。但是，注意尽管粘滑和接触角滞后是密切相关的现象，但是它们不是相同的。特别是，在某些条件下有可能获得与任何明显的粘滑特性无关的接触角滞后特性。

关于结合图2A至3C所述的示例性可调谐液体微透镜，通过选择包括例如氟化聚合物如高度氟化烃的一个合适的绝缘层，可以避免任何明显的接触角滞后及粘滑。尽管这是避免滞后及粘滑问题的一个可接受的解决方案，但是还需要扩大可用作本发明的可调谐液体微透镜中绝缘层的材料的范围。

参考图6，表示一个可调谐液体微透镜600。可调谐液体微透镜600具有与图2A的微透镜100相同的基本结构，并且同样的元件共用相同的参考数字。但是，可调谐液体微透镜600包括位于绝缘层104的第一表面上的一个相对薄的润滑层800(用剖面线表示)。润滑层800在绝缘层104的第一表面上展开，并且微滴102位于润滑层800上，使得润滑层800位于绝缘层104与微滴102之间。

角度θ_a通常在微滴102与平行于绝缘层104的第一表面的一个平面602之间定义。如同结合图2A-3C所述的接触角θ，通过在电极106与微滴102之间有选择地施加电压，可以改变角度θ_a。这样，可调谐微透镜600的焦距。润滑层使微滴102与绝缘层104隔离，并且在微滴102与润滑层800之间提供空间均匀的界面张力。因为微滴102不接触任何局部不均匀性或杂质，否则将导致微滴102与绝缘层104之间的接触角滞后及粘滑效应，所以可以选择更宽范围的材料用于绝缘层104。

如同图2A-3C的微透镜，该微透镜还可以通过有选择地偏置电极106，改变其相对于绝缘层104，即沿平面602的位置。这样，可以改变可调谐液体微透镜600的焦斑位置。

图6表示当微滴102位于润滑层800上时，绝缘层800可以作为使液体微滴102与绝缘层104隔离的一个液体层。在图7所示的另一个示例性可调谐液体微透镜700中，微透镜700包括周围的液体802(用剖面线表示)，液体802包括润滑层800，液体802与微滴102不混溶，并且基本包围微滴102的表面。

角度θ_b在微透镜700的微滴102与平行于绝缘层104的第一表面的一个平面604之间定义。如同微透镜600，通过相对于微滴102有选择地偏置电极106，可以改变角度θ_b，以改变微透镜700的焦距。并且，微滴102可以相对于绝缘层104，即沿平面604重定位，以改变微透镜700的焦斑位置。

如图6和7所示，润滑层800可以沿绝缘基底104的第一表面展开，或者微透镜微滴102可以完全浸没在包括润滑层800的液体802中。润滑层800应当对于所需的光波长透明，尽管如果利用图3C所示的带小孔118的一个结构可以不必这样。在此情况下，如果选择用于支撑导电层的材料的表面能超过某个阈值，则润滑层不占据小孔118。这是因为润滑剂可以仅弄湿(即提供零接触角)具有低于如下进一步说明的某个阈值的表面能的表面。润滑层应当是电介质的，并且其选择方式应当使其弄湿微透镜微滴102下面的电介质基底104。一个示例性润滑层800包括与微滴102不混溶的一个低表面能的液体。一个示例性液体是硅油。也可以使用许多氟化有机液体，例如氟硅氧烷如FMS-131、FMS-221(聚(3，3，3-三氟丙基甲基硅氧烷))及SIB1816.0[双(十三氟辛基)四甲基硅氧烷]，可从Gelest，Inc ofTullytown，Pennsylvania获得。基底通过润滑层的弄湿可以是完全的或者在润滑层与绝缘层104之间具有一个有限的但是小的接触角。在两种情况下，润滑层800在微透镜微滴102的下面自然地构成一个薄层，并且基本阻止了接触角滞后及“粘滑”特性。

图6的微透镜600与图7的微透镜700都显示一个润滑层800使微滴102与绝缘层104隔离。为了保证润滑层800在微滴102与绝缘层104之间构成一个隔离层，必须选择具有合适的表面能γ的材料。当然，可以稍微通过试验及误差选择材料，但是也可以利用以下的原理。

假定例如最简单的理论情况：微滴102为球形，如图7所示，当微滴102与电极106之间未施加电压时，即微滴102的表面被液体802完全包围，并且微滴102与平行于绝缘层104的第一表面的一个平面604成180°角。当未施加电压时，角度θ_b最初由基底104与微滴102之间的界面张力(γ_S-L)、基底104与润滑液体800之间的界面张力(γ_S-F)以及微滴102与润滑液体802之间的界面张力(γ_L-F)决定。角度θ_b可以通过以下方程(5)决定：

方程(5) $\cos {\mathrm{\θ}}_b=\frac{{\mathrm{\γ}}_{S-F}-{\mathrm{\γ}}_{S-L}}{{\mathrm{\γ}}_{L-F}}$

其中γ_ij(i，j＝S，L或F)为上述界面表面能。γ_ij的值可以根据方程(6)决定：

方程(6) ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\γ}}_i+{\mathrm{\γ}}_j-2{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ij}}\sqrt{{\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\γ}}_j}$

其中Φ_ij为无量纲的交互作用参数，可以从有关材料的分子性质计算，并且对于有机系统接近于1。

例如，如所述γ_S-L表示基底104与微滴102之间的界面表面张力或界面能。基底104的表面能表示为γ_S。该符号指的是所讨论材料(在此情况下如基底104)与其饱和蒸汽之间的界面表面能。

此外，如果θ_b为180°——上述情况下保证润滑层800使绝缘层104与微滴102隔离的条件——则cosθ_b为负1(-1)。为了设计180°的接触角，则从方程(5)得到方程(7)：

方程(7) $\frac{{\mathrm{\γ}}_{S-F}-{\mathrm{\γ}}_{S-L}}{{\mathrm{\γ}}_{L-F}}\≤-1,$ 或γ_S-F-γ_S-L≥γ_L-F

该概念在图8中最好地表示，图8是对于两个不同的γ_F——20mN/m和16mN/m，绝缘层的角度θ_b关于γ_S的曲线，分别对应包括DMS-T11硅油和DMS-T00硅油的润滑液体，二者都由Gelest，Inc ofTullytown，Pennsylvania制造。图8的曲线可以利用方程(5)和(6)生成。假定微滴102为水，γ_L为72mN/m。从图8的曲线，假定微滴102以及特征为16mN/m的γ_F的润滑液体802，如果绝缘层104的材料特征γ_S小于或等于大约26mN/m(用虚线902表示)，则达到180°的角度θ_b，并且还满足方程(7)。同样地，假定微滴102以及特征为20mN/m的γ_F的润滑液体，如果绝缘层104的材料特征γ_S小于或等于大约36mN/m(用虚线904表示)，则达到180°的角度θ_b。

以上例子演示了如果使用润滑液体辅助电湿，则可以使用一个宽范围的材料及其各自的沉积技术。甚至，为了提供无润滑剂的无粘滑、低滞后特性，应当使用一个高度均匀、超洁净、低能的表面。这很大程度上使可用的材料限制为例如高度氟化烃的材料及类似材料。此外，选定的材料必须仔细沉积，以保证所需程度的洁净度及表面均匀性。有可能克服这些问题，但是解决方案可能潜在涉及复杂的和昂贵的步骤和设备。另一方面，使用润滑层800允许较大范围的材料选择，因为不需要高度均匀、超洁净、低能的表面。例如，如果使用γ_F为20mN/m的润滑剂，则较宽范围的材料将满足表面能γ_S小于大约36mN/m的条件，包括普通的聚合物例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。并且，较少需要避免材料沉积过程中的表面污染物及非均匀性，因此导致较简单且较不昂贵的沉积技术。

尽管显示可调谐液体微透镜600、700具有图2A所示的基本结构，但是例如结合图3A-3C显示及描述的其它微透镜结构是同样合适的。同样，可调谐液体微透镜600、700可以用于例如结合图4和图5描述的各种光电应用中。

可调谐液体微透镜600、700可以既调节透镜位置又调谐焦距。此外，可调谐液体微透镜600、700在材料选择上提供更大的自由度，同时通过避免接触角滞后及粘滑现象提供极好的可调谐性。

尽管是按照示例性实施例来描述本发明的，但是并不限于此。更确切地，附加的权利要求书应当被广泛地解释为包括那些熟练的技术人员可以不偏离本发明的等价物的界限和范围而进行的本发明的其它变型和实施例。

Claims (10)

1.一种可调谐液体微透镜，包括：

一个绝缘层；

一个透明导电液体微滴；

位于所述绝缘层的第一表面上及所述微滴与所述绝缘层之间的一个润滑层；以及

通过所述绝缘层及所述润滑层与所述微滴绝缘的多个电极，

所述多个电极使其可以被有选择地偏置，以在所述微滴与所述多个电极的每个之间产生各自的电压势，

由此所述微滴与平行于所述绝缘层的所述第一表面的一个平面之间的一个角度可以改变，并且所述微滴可以相对于所述绝缘层重定位。

2.权利要求1的可调谐液体微透镜，进一步包括一个微滴电极，用于关于所述多个电极偏置所述微滴。

3.权利要求2的可调谐液体微透镜，其中所述微滴电极包括位于沿所述绝缘层的第二表面的一个导电透明基底，所述第二表面与所述第一表面相对，所述绝缘层定义贯通所述绝缘层的一个小孔，由此所述微滴至少部分占据所述小孔并且与所述微滴电极电通信。

4.权利要求2的可调谐液体微透镜，其中所述微滴电极包括：

位于沿所述绝缘层的第二表面的一个导电透明基底，所述第二表面与所述第一表面相对；以及

使所述微滴耦合到所述导电透明基底的导线。

5.权利要求1的可调谐液体微透镜，其中所述微滴被与所述微滴不混溶的润滑液体基本包围，所述润滑液体包括所述润滑层。

6.权利要求1的可调谐液体微透镜，其中所述润滑层包括硅油。

7.一种调谐液体微透镜的方法，所述液体微透镜包括一个透明导电液体微滴，一个绝缘层，以及位于所述绝缘层的第一表面上及所述微滴与所述绝缘层之间的一个润滑层，该方法包括步骤：

有选择地使通过所述绝缘层及所述润滑层与所述微滴绝缘的多个电极偏置，以在所述微滴与所述多个电极的每个之间产生各自的电压势。

8.权利要求7的方法，其中所述有选择地偏置的步骤包括有选择地偏置所述多个电极，以改变所述微滴与平行于所述绝缘层的所述第一表面的一个平面之间的一个角度，以及以使所述微滴相对于所述绝缘层重定位。

9.一种设备，包括：

一个发送器，所述发送器提供一个光学信号；

一个接收器，所述接收器接收所述光学信号；以及

一个可调谐液体微透镜，用于使所述光学信号从所述发送器导向所述接收器，所述可调谐液体微透镜包括：

    一个绝缘层；

    一个透明导电液体微滴；

    位于所述绝缘层的第一表面上及所述微滴与所述绝缘层之间的一个润滑层；以及

    通过所述绝缘层及所述润滑层与所述微滴绝缘的多个电极，

    所述多个电极使其可以被有选择地偏置，以在所述微滴与所述多个电极的每个之间产生各自的电压势，

    由此所述微滴与平行于所述绝缘层的所述第一表面的一个平面之间的一个角度可以改变，并且所述微滴可以相对于所述绝缘层重定位，

由此可以调节所述微透镜的焦距及焦斑的横向位置，以使所述光学信号从所述发送器导向所述接收器。

10.一种传输光学信号的方法，包括步骤：

使所述光学信号从第一位置导向一个液体微透镜，所述液体微透镜包括一个透明导电液体微滴，一个绝缘层，以及位于所述绝缘层的第一表面上及所述微滴与所述绝缘层之间的一个润滑层；以及

调谐所述液体微透镜以重导向所述光学信号，所述调谐步骤包括步骤：

    有选择地使通过所述绝缘层与所述微滴绝缘的多个电极偏置，以在所述微滴与所述多个电极的每个之间产生各自的电压势。

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