CN1989428A - 基于液体的光学器件、用以控制这种器件的方法以及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学器件，包括：具有内壁的容器，容器将第一液体(A)以及电敏感的第二液体(B)封闭起来，液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触，界面(14)与所述内壁形成接触角；以及可通过电压来控制界面(14)形状的电极组件(2；12)；光学器件具有在接触角的第一值和接触角的第二值之间的工作范围，第一值在50°－110°的范围内，而第二值在70°－130°的范围内，第二值大于第一值。已经发现，界面(14)对位置变化的响应速度是接触角(θ)的函数，在(θ)＝90°附近，响应速度达到最大值，而且在给定的区间内是这个最大值的至少75％。因此，可以获得具有优越响应特性的光学器件。

Description

基于液体的光学器件、用以控制这种器件的方法以及电子装置

本发明涉及一种光学器件，包括：具有内壁的容器，所述容器将第一液体和电敏感的第二液体封闭起来，所述液体是不能混溶的，并通过界面互相接触，所述界面与内壁形成接触角；以及用于通过电压来控制界面形状的电极组件。

本发明还涉及用于控制这种光学器件的方法。

本发明还涉及包括这种光学器件的电子装置。

基于液体操控的光学器件正迅速得到大量的商业应用，这不仅是因为它们没有机械活动部件，而且这些器件的结构相对比较简单，从而使它们更加便宜和耐用。

国际专利申请WO03/069380公开了一种圆柱形的可变焦距透镜，包括两种具有不同折射率的不混溶流体，其中一种流体是导电的，而另一种流体是绝缘的。这些流体优选具有相似的密度，以避免与透镜方位有关的液体方位的重力相关性。两种流体之间的界面形状是通过把电压加到透镜两端来进行控制的，它可以用来使透镜的焦点发生变化。圆柱体的壁以及圆柱体的其中一个透明端盖上涂有疏水性的涂层，以确保至少在切断状态时，一般为极性液体的导电流体不会浸湿所述侧壁，从而使流体之间保持界线分明的界面。

虽然基于液体的光学器件显示了很大的潜力，但是，也存在与这类器件相关的一些问题。其中一个问题是界面的响应时间，也就是说，界面从其初始位置改变到取决于外加电压的位置所花的时间会相当长。在用户要求有快速响应时间的应用场合，比如在数字式静物摄影机、带有摄像功能的移动电话或双层光记录系统如蓝光光碟录影机中，尤其不希望出现这样的情况。

本发明的目的是要提供一种能够实现界面的快速响应时间的光学器件。

本发明还有一个目的是要提供包括这种光学器件的电子装置。

本发明的另一个目的是要提供用于控制这种光学器件的方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种光学器件，包括：具有内壁的容器，所述容器将第一液体以及电敏感的第二液体封闭起来，所述液体是不能混溶的，并通过界面互相接触，所述界面与内壁形成接触角；以及可通过电压来控制界面形状的电极组件；光学器件具有在接触角的第一值和接触角的第二值之间的工作范围，第一值在50°-110°的范围内，而第二值在70°-130°的范围内，第二值大于第一值。

本发明基于这样的认识，那就是，界面的响应时间是界面与容器内壁之间的接触角的函数，当接触角处于大约50°-130°的范围内时，所实现的响应速度为最大值的至少75％。

优选的是，所述工作范围以90度为中心，因为在这一角度时，转换速度处于其最大值。

关于这一点，应当认识到在美国专利申请US2001/0017985中公开了一种光学器件，它包括两种不能混溶的液体，这两种液体具有相同的折射率但透射率不同，而且其中有一种液体是导电的。通过改变这两种液体之间的分界面，则穿过器件的光路中的每种液体的量发生变化，于是就得到了光阑(diaphragm)。在此专利申请中显示出了一个实施例，其中分界面和假想垂直轴线之间的接触角被建议为最好在90°附近，以实现光学器件的构造高度的下降。这是通过使容器的接触侧壁相对于光学器件的光轴产生倾斜来实现的。不过，应当强调的是，这一专利申请并没有公开液体界面和容器内壁之间具有大约90°的接触角，也没有公开这样的接触角对于光学器件的转换速度将是有利的。因此，本发明对于美国专利申请US2001/0017985来说具有新颖性和创造性。

在一实施例中，所述第一液体和第二液体的其中至少一种包括降低表面张力的化合物，它可以是氟化有机化合物，例如三氟乙醇或三氟醋酸钠。由于在0伏特时，界面和容器内壁之间的接触角θ服从下面的关系式：

cos(θ)＝(γ_L1/IW-γ_L2/IW)/γ_L1/L2  (1)

其中γ定义了光学器件各部分之间的表面张力，比如标号L1表示第一液体，标号L2表示第一液体，而标号IW表示容器内壁，因此，通过加入适当的表面活性成分，就可以降低其中一种液体与内壁之间的表面张力，从而迫使界面和内壁之间的接触角接近90°。

作为控制光学器件内各种不同表面张力的一种备选方法，通过在光学器件处于空闲状态时，也就是在将要使用它之前，把非零电压施加到光学器件上，也可以实现在所要求范围内的接触角。为此，光学器件还包括在所述空闲状态时提供非零电压给电极组件的驱动电路。于是，容器内壁与第一和/或第二液体之间可以保持较大的表面张力，其优点是，只需要较低的电压将接触角转换到极限值，即远离90°接触角的值。

与之类似的是，本发明提供了一种用于控制光学器件的方法，所述光学器件包括：具有内壁的容器，所述容器将第一液体(A)以及电敏感的第二液体(B)封闭起来，所述液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触，所述界面与所述内壁形成接触角；以及可通过电压来控制界面(14)形状的电极组件(2；12)；所述光学器件具有在接触角的第一值和接触角的第二值之间的工作范围，第一值在50°-110°的范围内，而第二值在70°-130°的范围内，第二值大于第一值，

所述方法包括在光学器件处于空闲状态时提供非零电压给电极组件的步骤，用以使界面和容器内壁之间形成在50°-130°范围内的接触角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子装置，其包括：如权利要求1-5中任何一项所述的光学器件；定向在光学器件后面的图像传感器；以及连接在图像传感器和电极组件之间的驱动电路。这种电子装置受益于光学器件的更高转换速度，对于其中光学器件的转换速度是限速步骤的那些功能比如自动聚焦算法来说，它可以用来提高电子装置的工作频率。

在一实施例中，所述驱动电路设置成用来在光学器件处于空闲状态时提供非零电压给电极组件。这就使得现有技术的光学器件也能够从本发明中得到好处。

现在将参考附图通过非限制性的实例来更加详细地介绍本发明，在这些附图中：

图1示意性地示出了现有技术的可变焦距透镜；

图2示意性地示出了作用在这种光学器件界面上的力；

图3示意性地示出了随接触角而变的响应时间；

图4示意性地示出了根据本发明的光学器件；

图5示意性地示出了根据本发明的另一种光学器件；和

图6示意性地示出了根据本发明的电子装置。

应当认识到，附图仅仅是示意性的而不是按比例绘制的。还应当认识到，在所有附图中使用了相同的标号来表示同样或类似的部件。

在附图1中示出了如国际专利申请WO03/069380中所公开的一种可变焦距透镜。这种可变焦距透镜包括装在圆筒形腔室内的第一流体A和第二流体B。流体是不能混溶的，具有不同的折射率但优选具有同样的密度，以避免对包括流体之间的界面14的流体的位向(orientation)产生取决于位向的重力效应。圆筒形腔室还包括第一端部4和第二端部6。透明端部4和6可以是玻璃或聚合物盖子，或者用其它适当的透明材料制成，它们可以是透镜状的。

第一端部4以及圆筒形腔室的内壁用疏水性涂层比如杜邦公司的AF1600^TM覆盖，它可以与聚对二甲苯撑叠层结合起来，用以在没有外加电压的情况下通过绝缘流体A来限定导电流体B的边界。通过将嵌入腔室壁中的圆筒形电极2与第二端盖6上的环形电极12之间的电压从V1值变为V2值，就可以使界面14的形状从位向(a)中所示的凸起形状以连续的方式转换成位向(b)中所示的凹入形状，其中环形电极12优选是透明的并与第二流体B导电接触或电容相连。于是，通过圆柱体的光路L的焦点被改变。

当没有电压施加在电极组件2、12上时，实际的接触角θ是由公式(1)所表示的力确定的。一般来说，例如上述现有技术可变焦距透镜的这种光学器件的容器内壁上的涂层是这样选择的，使其与第二液体B相互之间具有很强的反润湿作用。因此，当这种光学器件处于空闲状态时，界面14与容器内壁之间的接触角θ接近180°。

然而，本发明基于这样的认识，即，界面对位置变化的响应时间可以被表示为这一接触角的函数。图2示意性地示出了作用在界面14边缘上的力。这就产生下面的所得力F(θ)：

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=({\mathrm{\γ}}_{L2/\mathrm{IW}}-\frac{{\mathrm{\ϵV}}^2}{{2d}_{\mathrm{par}}}-{\mathrm{\γ}}_{L1/\mathrm{IW}}+{\mathrm{\γ}}_{L1/L2}\cos \mathrm{\θ})\mathrm{\πd}---\left(2\right)$

其中ε是内壁上绝缘涂层的介电常数，d_par是这一涂层的厚度，而d是在与侧壁的接触线处测得的弯液面直径。

F(θ)对θ求导就可得到下面的表达式：

$\frac{\∂F\left(\mathrm{\θ}\right)}{\∂\mathrm{\θ}}=-\mathrm{\πd}{\mathrm{\γ}}_{L1/L2}\sin \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

通过将θ转换成u，其中u是界面14边缘的垂直偏差，也就是因界面14位置变化引起的界面14与内壁接触点的垂直位移，如图2所示，可以使用下面的关系式：

$\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{\∂F}{\∂u}\frac{\∂u}{\∂\mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

于是，可以导出作用在界面14上的力所用的弹簧常数K：

$K=-\frac{\∂F}{\∂u}=\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\θ}}{\left(\frac{\∂u}{\∂\mathrm{\θ}}\right)}^{-1}=-\mathrm{\πd}{\mathrm{\γ}}_{L1/L2}\sin \mathrm{\θ}{\left(\frac{\∂u}{\∂\mathrm{\θ}}\right)}^{-1}---\left(5\right)$

还发现，接触角θ取决于光学器件的界面高度hi，也就是界面14

与容器内壁的接触点和容器底部之间的距离：

$h_1=\frac{1}{3}d(1+\left(\frac{\frac{1}{2}{\sin }^3\mathrm{\θ}-\frac{3}{2}\sin \mathrm{\θ}+1}{{\cos }^3\mathrm{\θ}}\right))---\left(6\right)$

由于h_i-u＝常数，所以就得到下面的表达式：

$\frac{\∂u}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{{\∂h}_1}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{-1}{2{(\sin \mathrm{\θ}+1)}^2}---\left(7\right)$

将表达式(7)插入表达式(5)中，就得到：

K＝2πγ_L1/L2sinθ(sinθ+1)²(8)

这表明，当接触角θ＝90°时，可实现对应于界面14最快响应时间的最大弹簧常数K。在临界阻尼的情况下，根据众所周知的质量-弹簧公式，K与响应时间τ有关：

$\mathrm{\τ}\∝\sqrt{\frac{m}{K}}---\left(9\right)$

其中m是液体的有效质量。

公式(9)表明，较大的弹簧常数可导致较短的响应时间。而且，比90度大很多的接触角会使夹带在第二液体B和容器内壁之间的第一液体A形成较小的“通道”。当界面从这一位向发生位置变化时，第一液体A在这个“通道”中经受较大的摩擦，从而进一步延迟界面对位置变化的响应。

应当强调的是，这些表达式对于非圆筒形的容器比如圆锥形容器也是有效的。

在图3中，作为基于液体的可变焦距透镜的光学器件，其界面14的响应速度也就是聚焦速度的相关性被表示为接触角θ的函数。为了确保响应速度达到最大值的至少75％，光学器件的工作范围应当被选定在50°-130°的区间内。显然，第一液体A和/或第二液体B的光学性质必须这样来选择，使得光学器件在这一范围内能够实现所要求的光学性能。比如，对于基于液体的可变焦距透镜来说，这些液体的折射率必须这样来选择，使得当接触角θ位于所述范围内时，能够实现所要求的光学器件调焦范围。

光学器件的工作范围不必覆盖50-130°的整个区间；而是可以选择小得多的区间，比如80-100°的区间，这已经大到足以使基于液体的可.变焦距透镜的调焦范围能够从比如2厘米至无穷远。这一区间的优点在于，对于所有的接触角θ值来说，界面14的响应速度是其最大值的至少90％，如图3中所示。所述工作范围对于接触角θ来说优选以90°值为中心，但这并不是必须的。比如，100-120°的工作范围或60-80°的工作范围不能使界面14实现最大的响应速度，但是，对于在这些范围内的所有接触角值来说，响应速度却仍然是最大值的至少80％，对于这种光学器件的很多应用领域来说这仍然是足够好的。

图4示出了根据本发明光学器件的一个实施例，其中对表达式1和8的认识被周来获得具有快速响应时间的光学器件。大约120°的接触角θ是通过选择这样的组合来实现的，即全氟壬烷化合物的液体A、多钨酸钠水溶液的液体B和容器内壁上的聚乙烯涂层的组合。所属领域的技术人员能够很容易地想到其它可供选择的方案；比如，可以将降低表面张力的化合物如三氟乙醇或三氟醋酸钠溶于水中，来作为液体B的一个实施例，它与容器内壁上的特氟隆涂层比如杜邦公司的AF1600组合起来，也可以形成属于本发明的所要求范围内的接触角θ。

图5示出了本发明的另一种光学器件。这种光学器件具有与电极组件相连的驱动电路20，所述电极组件包括圆筒形电极2以及优选是环形的电极12。对驱动电路20进行编程，使得当光学器件处于空闲状态，也就是当它的光学性能没有被利用或者即将被使用时，能够提供非零电压给电极组件。这就可以确保光学器件在其启动之后的第一响应时间也很快。非零电压的值可以通过实验获得。或者，这个值可以通过计算得到，因为接触角θ是由下面的表达式给出的：

$\cos \mathrm{\θ}={\cos \mathrm{\θ}}_0+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\γ}}_{L1/L2}d}{V}^2---\left(10\right)$

其中V是外加电压。这一实施例的优点在于，通过增加驱动电路20，就可以改进现有技术的基于液体的光学器件，比如参考图1所详细介绍的可变焦距透镜，所述驱动电路20在光学器件处于空闲状态时能够提供适当的非零电压，也就是迫使接触角θ处于50°-130°范围内的电压。显然，第一液体A和/或第二液体B的光学性质必须这样来选择，使得光学器件在这一范围内能够实现所要求的光学性能。比如，对于基于液体的可变焦距透镜来说，这些液体的折射率必须这样选择，使得当接触角θ位于所述范围内时，能够实现所要求的光学器件调焦范围。

图6示出了本发明的电子装置100。电子装置100包括本发明的光学器件，以及布置在光学器件后面用以记录光学器件所捕获图像的图像传感器30。这一图像可以是由光存储器捕获的任何读数位或者由数字式静物摄影机或带有摄像功能的移动电话所捕获的兆像素(megapixel)图像。

可以作为光学器件一体式部分或者可以是电子装置100一部分的驱动电路20连接在图像传感器30和光学器件的电极组件之间。由于光学器件的响应时间得到了优化，所以包括这种光学器件的本发明电子装置100在某些方面具有改进了的性能，比如可以用来实现自动聚焦算法，其中图像传感器30产生误差信号，而驱动电路20对这一误差信号作出响应。

应当强调的是，就本发明而言，术语“光学器件”并不是用来将本发明装置的应用领域限制在电磁波谱的可见光部分。在不脱离本发明范围的情况下，本发明还可用于这一光谱的其它部分，比如可以用于声学器件。

还应当强调的是，术语“电敏感液体”旨在包括所有其性能可通过因施加电流或电场而产生的力来进行操控的液体，比如极性液体和可极化液体。

应当认识到，上述实施例只是用来举例说明而不是用来限定本发明的，而且所属领域的技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下将能设计出很多备选实施例。在权利要求书中，放置在括号内的任何标号都不应被认为是限制该权利要求的。词语“包括”并不排除那些没有在权利要求中列出的元件或步骤。某个元件前面的词“一”或“一种”并不排除若干个这样的元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实现。在列举了若干手段的器件权利要求中，这些手段可以用同一项硬件来实施。仅凭在互不相同的从属权利要求项中陈述了某些措施的这一事实，并不表示这些措施的组合不能被有利地利用。

Claims (8)

1.一种光学器件，包括：

具有内壁的容器，所述容器将第一液体(A)以及电敏感的第二液体(B)封闭起来，所述液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触，所述界面(14)与所述内壁形成接触角；和

用于通过电压来控制所述界面(14)形状的电极组件(2；12)；

所述光学器件具有在所述接触角的第一值和所述接触角的第二值之间的工作范围，所述第一值在50°-110°的范围内，而所述第二值在70°-130°的范围内，所述第二值大于所述第一值。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述工作范围以90°为中心。

3.根据权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，所述第一液体(A)和所述第二液体(B)的其中至少一种包括降低表面张力的化合物。

4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于，所述降低表面张力的化合物是氟化有机化合物。

5.根据权利要求1或2所述的光学器件，还包括与所述电极组件(2；12)相连的驱动电路(20)，用以在所述光学器件处于空闲状态时提供非零电压给所述电极组件(2；12)。

6.一种用于控制光学器件的方法，所述光学器件包括：

由所述光学器件的光轴来确定位向的具有内壁的容器，所述容器将第一液体(A)以及电敏感的第二液体(B)封闭起来，所述液体(A；B)是不能混溶的，并通过界面(14)互相接触，所述界面(14)与所述内壁形成接触角；以及用于通过电压来控制所述界面(14)形状的电极组件(2；12)；所述光学器件具有在所述接触角的第一值和所述接触角的第二值之间的工作范围，所述第一值在50°-110°的范围内，而所述第二值在70°-130°的范围内，所述第二值大于所述第一值；

所述方法包括在所述光学器件处于空闲状态时提供非零电压给所述电极组件(2；12)的步骤，用以在所述界面(14)和所述容器的所述内壁之间建立在50°-130°范围内的接触角(θ)。

7.一种电子装置(100)，包括：

如权利要求1-5中任一项所述的光学器件；

布置在所述光学器件后面的图像传感器(30)；和

连接在所述图像传感器(30)和所述电极组件(2；12)之间的驱动电路(20)。

8.根据权利要求7所述的电子装置(100)，其特征在于，所述驱动电路(20)设置成用于在所述光学器件处于空闲状态时提供非零电压给所述电极组件(2；12)。

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