CN1979224A - 薄液体透镜 - Google Patents

Abstract

将用于容纳液体的孔的深度最小化，以获得薄液体透镜。在液体透镜中，室具有形成于其中的孔。绝缘和电解的不可混合的液体容纳在孔中，绝缘液位于底部，以形成球形交界面，绝缘液和电解液具有不同的折射率。孔具有大于或等于在电润湿发生之前初始交界面的高度以及在电润湿发生至最大量时最终交界面的高度中较大一个的高度。考虑到由接触角和孔的倾斜角控制的液体交界面的形状，液体透镜具有以最小深度穿的孔，从而实现了薄厚度和小型化，并且提高了透镜的可操作性。

Description

薄液体透镜

优选权声明

本申请要求于2005年12月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-120540号的优先权，其公开的内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种其中包含有两种不同液体的液体透镜，更具体地，涉及一种具有用于容纳液体的孔的液体透镜，以最小的深度打孔以实现薄厚度以及小体积。

背景技术

通常所用的透镜模件使用由焦距固定的固体(例如，玻璃)制成的透镜。为了执行聚焦，这种透镜模件采用多个彼此间距离可调的固体透镜。这就限制了产品的小型化并且使用于聚焦的驱动方式变得复杂。

为了克服该问题，新近出现了一种液体透镜。即，透镜其中包含有两种不同的液体，并且适于通过改变液体之间交界面(或弯月面)的曲率半径来调节其焦点。液体透镜的特征在于简单的内部结构，这保证了小型化，并且更加容易执行聚焦。

在21世纪早期，对使用电润湿(electrowetting)的液体透镜的进行了卓有成效的研究，产生了多种应用。此外，加速了将这种液体透镜应用于工业应用的努力。液体透镜在更小尺寸、低功耗、高响应速度、以及良好的再现性方面优于传统的固体透镜。因此，近来尝试将液体透镜应用于安装在移动电话和PDA中相机的自动聚焦模件。

将参照附图详细描述传统的液体透镜。

图1是示出根据本发明第一实施例的传统液体透镜的截面图。图2是示出根据本发明第二实施例的传统液体透镜的截面图。图3是示出根据本发明第三实施例的传统液体透镜的截面图。

如图1所示，传统液体透镜包括室10、透明板20、以及两种液体。室10设置有具有球形截面的孔。透明板20密封孔12的下表面。此外，两种不能混合的液体容纳在孔12中。

这里，绝缘膜涂敷于孔12的内壁上，以保证液体透镜的操作。

此外，两种类型的液体基本上等重，但折射率不同。一种液体是导电的，以及另一种液体是不导电的。通常，位于顶部的液体是导电的电解液A，而位于底部的液体是不导电的绝缘液B。

当容纳在孔12中时，由于液体A、B对于孔12壁的不同亲和力，所以两种液体A、B具有预定度数的初始接触角θ，从而形成预定的交界面形状。电解液A和绝缘液B与绝缘膜相配合，以在液体A、B之间形成凹陷的交界面。

如上所述配置的液体透镜当施加电压时进行电润湿并且具有锐角的最终接触角。即，电解液A和绝缘液B具有向上凸的交界面，以起到透镜的作用。

当不考虑制造余量或环境因素时，通过液体的初始接触角(当施加0电压时的接触角)、最终接触角(在最高操作电压时的接触角)、以及孔12的形状来确定液体透镜的理想高度。电解液A和绝缘液B将控制在液体透镜中采用的透镜特性。由此，孔12没有任何外来成分(例如，妨碍透光的气泡)地填充有纯电解液A和绝缘液B，随后将其密封。由此，根据电解液A和绝缘液B之间交界面的高度来改变液体透镜的高度。

当通过电解液A、绝缘液B、以及孔的内壁来确定接触角时，电解液A和绝缘液B之间的交界面(下文中，称为“交界面(interface)”)变成部分球形。在由于电润湿而使交界面具有锐角的接触角的情况下，交界面也变成部分球形。

这里，初始接触角为液体特性所特有的值，由此根据容纳在孔12中的液体类型而变化。例如，在孔12填充有接触角为δ(大于θ)的绝缘液B的情况下，如图2所示，交界面更凹。以这种方式，交界面更大的初始接触角导致更凹的交界面，从而需要更深的孔12。由此，增加了液体透镜的总高度，阻碍了产品的小型化。

为了制造用于液体透镜的室10，孔12具有由液体的初始接触角及其形状所确定的最小高度。随后，考虑到安全因素，使孔12的高度最优化，以设计出具有较小深度的透镜。

此外，在孔12内壁的下部中形成底切部(undercut)以便于制造的情况下，当改变交界面以形成最终接触角时，交界面和孔12内壁的接触点可位于底切部的下方，从而使透镜功能失效。

特别地，在孔12的内壁向内倾斜以使其如图3所示向下变窄，以获得具有较小深度的透镜的情况下，尽管具有相同的接触角，但从交界面的边缘部分到中间部分的高度与图1中所示的第一传统实例的高度不同。这里，高度差根据孔12内壁的倾斜角的改变而变化。如上所述，根据交界面的接触角和内壁的形状来最优化孔12的最小高度，以有效地设计出液体透镜。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的上述问题，因此，根据本发明特定实施例的目的在于提供具有用于容纳液体的孔的液体透镜，以最小深度打孔来实现薄厚度以及小体积。

根据用于实现该目的的本发明的一个方面，提供了一种液体透镜，其包括：室，具有形成于其中的孔；以及绝缘和电解的不可混合的液体，容纳在孔中，绝缘液位于底部，以形成球形交界面，绝缘液和电解液具有不同的折射率，其中，孔具有大于或等于在电润湿发生之前初始交界面的高度以及在电润湿发生至最大量时最终交界面的高度中较大一个的高度。

初始交界面具有根据下列等式1和2的高度，

y＝Xtan(θ′/2)    ......  等式1

$X=R\left[\frac{\tan \mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\α}-\tan ({\mathrm{\θ}}^{\′}/2)}\right]$ ......等式2

其中，y是高度值，X是孔最上端的半径，R是孔最下端的半径，θ′为初始交界面的接触角-π/2，以及α为孔内壁的倾斜角。

此外，最终交界面具有根据上述等式1以及下列等式3、等式4、和等式5的高度，

$V_{\mathrm{oil}}=\frac{\mathrm{\π}}{3}(X^3-R^3)\tan \mathrm{\α}-\left(\mathrm{sgn}\right)\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}^3}{3}(\mathrm{co}{s}^3{\mathrm{\θ}}^{\′}-3\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+2)$ ......等式3

其中，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情况下，(sgn)＝-1，

X＝ρsinθ′   ......    等式4

$P_w={\left[\frac{V_{\mathrm{oil}}+\frac{\mathrm{\π}}{3}{R}^3\tan \mathrm{\α}}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\{\mathrm{si}{n}^3{\mathrm{\θ}}_w^{\′}\tan \mathrm{\α}-\left(\mathrm{sgn}\right)(\mathrm{co}{s}^3{\mathrm{\θ}}_w^{\′}+2)\}}\right]}^{\frac{1}{3}}$ ......等式5

其中，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情况下，(sgn)＝-1，以及

其中，y是高度值，X是孔最上端的半径，R是孔最下端的半径，θ_w′为初始交界面的接触角-π/2，α为孔内壁的倾斜角，ρ为初始交界面的曲率半径，ρ_w为最终交界面的曲率半径，以及V_oil是绝缘溶液的体积。

优选地，将孔的倾斜角设置成相对于通过将180度减去初始交界面的接触角而获得的值大10至50度。

此外，在孔内壁发生电润湿之前，孔填充有绝缘液，当电润湿发生至最大量时，孔填充有电解液，并且将孔的体积加上根据上面等式3所计算出的值，以限定绝缘溶液的体积V_oil，从而设定孔的高度。

附图说明

从以下参照附图的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征和其它优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是示出根据本发明第一实施例的传统液体透镜的截面图；

图2是示出根据本发明第二实施例的传统液体透镜的截面图；

图3是示出根据本发明第三实施例的传统液体透镜的截面图；

图4是示出根据本发明的在电润湿发生之前液体透镜的截面图；

图5是示出根据本发明的当电润湿发生至最大量时液体透镜的截面图；以及

图6是示出根据本发明第四实施例的液体透镜的截面图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。

图4是示出根据本发明的在电润湿发生之前液体透镜的截面图。

如图4所示，本发明的液体透镜包括室100、下部透明板200、电解液A和绝缘液B。室100设置有孔110，该孔具有以预定角度α向下变窄的倾斜内壁。孔110的内壁具有球形截面。下部透明板200用于密封孔110的下表面。此外，不可混合的电解液A和绝缘液B容纳在孔110中。这里，尽管在附图中没有示出，但是将绝缘膜涂敷到孔110的内壁上，以确保液体透镜的可操作性，以及将上部透明板附着至孔110的上表面上，以密封电解液A和绝缘液B。

此外，电解液A和绝缘液B基本等重，但折射率不同。电解液A位于液体B的上部。

室100的形状以及电解液A和绝缘液B的特性与在传统液体透镜中所使用的相同，由此，对此将不再做更详细地描述。

图4示出了在电润湿发生之前电解液A和绝缘液B之间的交界面(下文中，称为“交界面”)。此外，在图4的室100中，交界面的最底端与孔110的底面邻接，并且交界面的外边缘与内壁的最上端邻接。即，交界面的外边缘的高度与内壁的最上端的高度相同。这使得室的高度最小。室100的较小高度降低了液体透镜的总高度，以保证小体积，并且缩短了穿过液体透镜内部的光的路径，以提高其透射能力(transmissibility)。

然而，如果室100形成为比图4中所示更低的高度，则交界面不成形为部分(partial)球形，由此形成不均匀的折射率，从而电解液A和绝缘液B不能起到透镜的作用。

此外，由于在交界面和孔110的底面之间的接触点处不存在绝缘液B，优选地，孔110高于交界面而形成，使得其底面与交界面隔开预定距离，以允许在孔110的整个底面上存在绝缘液B。

为了使室100的高度最小，孔110具有根据以下等式的最小高度。

当高度设定为Y时，使孔110的高度最小，即，等于交界面的高度，并且高度Y由等式1定义。

y＝Xtan(θ′/2)    ......    等式1

这里，X是孔110最上端的半径，θ′为初始交界面处的接触角，即，通过将电润湿发生之前交界面的接触角减去π/2所获得的角度。

其间，根据等式2，将通过作为孔110最下端半径的R表示作为孔110最上端半径的X。

$X=R\left[\frac{\tan \mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\α}-\tan ({\mathrm{\θ}}^{\′}/2)}\right]$ ......等式2

这里，明显地，将内壁的倾斜角α设定为大于θ′/2，使得孔110在内壁的最上端处与交界面邻接。

在将孔110最上端的半径X设定为预定值的情况下，可仅使用等式1来计算出高度Y。但是，在将孔110最下端的半径R以及内壁倾斜角α设定为预定值的情况下，可根据等式1和等式2来获得高度Y。

图5是示出当电润湿发生至最大量时液体透镜形状的截面图。

如图5所示，当电润湿发生至最大量时，交界面最大程度地向上凸出，并且交界面的边缘与孔110的下部圆周邻接。这里，如果交界面的高度大于通过等式1和等式2所获得的高度Y，则交界面的中心部分位于孔110的外部，使得交界面不能成形为部分球形。这会导致不均匀的反射率，阻碍电解液A和绝缘液B起到透镜的作用。

因此，孔110具有大于在电润湿发生之前初始交界面的高度以及在电润湿发生至最大量时交界面的高度中较大一个的高度。

为了计算图5中所示交界面的高度，首先，应该确定绝缘液A的体积，随后应该设定最终交界面(即，当电润湿发生至最大量时)的接触角。

首先，根据下面的等式3计算绝缘液A的体积V_oil。

$V_{\mathrm{oil}}=\frac{\mathrm{\π}}{3}(X^3-R^3)\tan \mathrm{\α}-\left(\mathrm{sgn}\right)\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}^3}{3}({\cos }^3{\mathrm{\θ}}^{\′}-3\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+2)$ .....等式3

这里，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情况下，(sgn)＝-1，

ρ表示初始交界面的曲率半径，并且根据下面的等式4来定义。

X＝ρsinθ′    ......    等式4

通过上述等式4确定绝缘液A的体积V_oil，可根据下面的等式5来获得在施加电压之后最终交界面的曲率半径ρ_w。

$P_w={\left[\frac{V_{\mathrm{oil}}+\frac{\mathrm{\π}}{3}{R}^3\tan \mathrm{\α}}{\frac{\mathrm{\π}}{3}\{{\sin }^3{\mathrm{\θ}}_w^{\′}\tan \mathrm{\α}-\left(\mathrm{sgn}\right)({\cos }^3{\mathrm{\θ}}_3^{\′}+2)\}}\right]}^{\frac{1}{3}}$ ......等式5

这里，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情况下，(sgn)＝-1。

以这种方法，当电润湿发生至最大量时，最终交界面的曲率半径ρ_w确定交界面高度，由此，孔110具有大于或等于在电润湿发生之前初始交界面的高度以及在电润湿发生至最大量时交界面的高度中较大一个的高度。

在电润湿法中所用的典型液体具有150度或大于150度的接触角，由此，如图4所示，孔110通常具有最小高度。

然而，可在孔110的内壁中形成有腔，以在电润湿发生之前填充有绝缘液B以及当电润湿发生至最大量时填充有电解液A。在这种情况下，当电润湿发生至最大量时，填充在腔中的绝缘液B的一部分流出腔，以使绝缘液B的中心部分更向上凸。由此，图5中所示的交界面高度可为孔110的最小高度。结果，当正如所述形成腔时，通过将腔的体积加入由等式3计算的值来确定绝缘液B的体积V_oil。

图6是示出根据本发明另一实施例的液体透镜的截面图。

如图6所示，孔110的内壁可以较小的角度倾斜，并且可基本上水平地形成交界面，以进一步地减小孔110的高度。

然而，以非常小的角度倾斜的孔110的内壁增加了液体透镜的宽度，从而使其尺寸增加。此外，这使得光穿过的孔110的底面变窄，从而降低了光的透射能力。

因此，优选地，相对于通过将180度减去初始交界面的接触角而获得的值大10至50度来形成孔110。

如上所述，根据本发明的优选实施例，考虑到由接触角和孔的倾斜角所控制的液体交界面的形状以最小深度穿孔，从而实现薄厚度和小型化，并且提高了液体透镜的可操作性。

尽管已经结合优选实施例示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员而言，在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和改变。

Claims (5)

1.一种液体透镜，包括：

室，具有形成于其中的孔；以及

绝缘和电解的不可混合的液体，容纳在所述孔中，所述绝缘液位于底部，以形成球形交界面，所述绝缘液和所述电解液具有不同的折射率，

其中，所述孔具有大于或等于在电润湿发生之前初始交界面的高度以及当电润湿发生至最大量时最终交界面的高度中较大一个的高度。

2.根据权利要求1所述的液体透镜，其中，所述初始交界面具有根据下列等式1和等式2的高度，

y＝Xtan(θ′/2)......等式1

其中，y是所述高度值，X是所述孔最上端的半径，R是

所述孔最下端的半径，θ′为所述初始交界面的接触角-π/2，

以及α为所述孔内壁的倾斜角。

3.根据权利要求2所述的液体透镜，其中，所述最终交界面具有根据上述等式1以及下列等式3、等式4、和等式5的高度，

其中，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，以及在θ′＜0的情况下，(sgn)＝-1，

X＝ρsinθ′......等式4

其中，在θ′≥0的情况下，(sgn)＝+1，以及在θ′＜0的

情况下，(sgn)＝-1，以及

其中，y是所述高度值，X是所述孔最上端的半径，R是所述孔最下端的半径，θ_w′为所述初始交界面的接触角-π/2，α为所述孔内壁的倾斜角，ρ为所述初始交界面的曲率半径，ρ_w为所述最终交界面的曲率半径，以及V_oil是绝缘溶液的体积。

4.根据权利要求3所述的液体透镜，其中，当在所述孔的所述内壁中不发生电润湿时，所述孔填充有所述绝缘液，以及当电润湿发生至最大量时，所述孔填充有所述电解液，以及，

其中，将所述孔的体积加上根据上面等式3所计算出的值，以限定所述绝缘溶液的所述体积V_oil，从而设定所述孔的高度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液体透镜，其中，所述孔的所述倾斜角被设置成相对于通过将180度减去所述初始交界面的所述接触角而获得的值大10至50度。

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