專利名稱：薄液體透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其中包含有兩種不同液體的液體透鏡，更具體地，涉及一種具有用于容納液體的孔的液體透鏡，以最小的深度打孔以實(shí)現(xiàn)薄厚度以及小體積。
背景技術(shù)：
通常所用的透鏡模件使用由焦距固定的固體(例如，玻璃)制成的透鏡。為了執(zhí)行聚焦，這種透鏡模件采用多個(gè)彼此間距離可調(diào)的固體透鏡。這就限制了產(chǎn)品的小型化并且使用于聚焦的驅(qū)動方式變得復(fù)雜。
為了克服該問題，新近出現(xiàn)了一種液體透鏡。即，透鏡其中包含有兩種不同的液體，并且適于通過改變液體之間交界面(或彎月面)的曲率半徑來調(diào)節(jié)其焦點(diǎn)。液體透鏡的特征在于簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這保證了小型化，并且更加容易執(zhí)行聚焦。
在21世紀(jì)早期，對使用電潤濕(electrowetting)的液體透鏡的進(jìn)行了卓有成效的研究，產(chǎn)生了多種應(yīng)用。此外，加速了將這種液體透鏡應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的努力。液體透鏡在更小尺寸、低功耗、高響應(yīng)速度、以及良好的再現(xiàn)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的固體透鏡。因此，近來嘗試將液體透鏡應(yīng)用于安裝在移動電話和PDA中相機(jī)的自動聚焦模件。
將參照附圖詳細(xì)描述傳統(tǒng)的液體透鏡。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖。
如圖1所示，傳統(tǒng)液體透鏡包括室10、透明板20、以及兩種液體。室10設(shè)置有具有球形截面的孔。透明板20密封孔12的下表面。此外，兩種不能混合的液體容納在孔12中。
這里，絕緣膜涂敷于孔12的內(nèi)壁上，以保證液體透鏡的操作。
此外，兩種類型的液體基本上等重，但折射率不同。一種液體是導(dǎo)電的，以及另一種液體是不導(dǎo)電的。通常，位于頂部的液體是導(dǎo)電的電解液A，而位于底部的液體是不導(dǎo)電的絕緣液B。
當(dāng)容納在孔12中時(shí)，由于液體A、B對于孔12壁的不同親和力，所以兩種液體A、B具有預(yù)定度數(shù)的初始接觸角θ，從而形成預(yù)定的交界面形狀。電解液A和絕緣液B與絕緣膜相配合，以在液體A、B之間形成凹陷的交界面。
如上所述配置的液體透鏡當(dāng)施加電壓時(shí)進(jìn)行電潤濕并且具有銳角的最終接觸角。即，電解液A和絕緣液B具有向上凸的交界面，以起到透鏡的作用。
當(dāng)不考慮制造余量或環(huán)境因素時(shí)，通過液體的初始接觸角(當(dāng)施加0電壓時(shí)的接觸角)、最終接觸角(在最高操作電壓時(shí)的接觸角)、以及孔12的形狀來確定液體透鏡的理想高度。電解液A和絕緣液B將控制在液體透鏡中采用的透鏡特性。由此，孔12沒有任何外來成分(例如，妨礙透光的氣泡)地填充有純電解液A和絕緣液B，隨后將其密封。由此，根據(jù)電解液A和絕緣液B之間交界面的高度來改變液體透鏡的高度。
當(dāng)通過電解液A、絕緣液B、以及孔的內(nèi)壁來確定接觸角時(shí)，電解液A和絕緣液B之間的交界面(下文中，稱為“交界面(interface)”)變成部分球形。在由于電潤濕而使交界面具有銳角的接觸角的情況下，交界面也變成部分球形。
這里，初始接觸角為液體特性所特有的值，由此根據(jù)容納在孔12中的液體類型而變化。例如，在孔12填充有接觸角為δ(大于θ)的絕緣液B的情況下，如圖2所示，交界面更凹。以這種方式，交界面更大的初始接觸角導(dǎo)致更凹的交界面，從而需要更深的孔12。由此，增加了液體透鏡的總高度，阻礙了產(chǎn)品的小型化。
為了制造用于液體透鏡的室10，孔12具有由液體的初始接觸角及其形狀所確定的最小高度。隨后，考慮到安全因素，使孔12的高度最優(yōu)化，以設(shè)計(jì)出具有較小深度的透鏡。
此外，在孔12內(nèi)壁的下部中形成底切部(undercut)以便于制造的情況下，當(dāng)改變交界面以形成最終接觸角時(shí)，交界面和孔12內(nèi)壁的接觸點(diǎn)可位于底切部的下方，從而使透鏡功能失效。
特別地，在孔12的內(nèi)壁向內(nèi)傾斜以使其如圖3所示向下變窄，以獲得具有較小深度的透鏡的情況下，盡管具有相同的接觸角，但從交界面的邊緣部分到中間部分的高度與圖1中所示的第一傳統(tǒng)實(shí)例的高度不同。這里，高度差根據(jù)孔12內(nèi)壁的傾斜角的改變而變化。如上所述，根據(jù)交界面的接觸角和內(nèi)壁的形狀來最優(yōu)化孔12的最小高度，以有效地設(shè)計(jì)出液體透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，因此，根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例的目的在于提供具有用于容納液體的孔的液體透鏡，以最小深度打孔來實(shí)現(xiàn)薄厚度以及小體積。
根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)該目的的本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種液體透鏡，其包括室，具有形成于其中的孔；以及絕緣和電解的不可混合的液體，容納在孔中，絕緣液位于底部，以形成球形交界面，絕緣液和電解液具有不同的折射率，其中，孔具有大于或等于在電潤濕發(fā)生之前初始交界面的高度以及在電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)最終交界面的高度中較大一個(gè)的高度。
初始交界面具有根據(jù)下列等式1和2的高度，y＝Xtan(θ′/2)...... 等式1X=R[tanαtanα-tan(θ′/2)]]]>......等式2其中，y是高度值，X是孔最上端的半徑，R是孔最下端的半徑，θ′為初始交界面的接觸角-π/2，以及α為孔內(nèi)壁的傾斜角。
此外，最終交界面具有根據(jù)上述等式1以及下列等式3、等式4、和等式5的高度，Voil=π3(X3-R3)tanα-(sgn)πρ33(cos3θ′-3cosθ′+2)]]>......等式3
其中，在θ′≥0的情況下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1，X＝ρsinθ′ ......等式4Pw=[Voil+π3R3tanαπ3{sin3θw′tanα-(sgn)(cos3θw′+2)}]13]]>......等式5其中，在θ′≥0的情況下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1，以及其中，y是高度值，X是孔最上端的半徑，R是孔最下端的半徑，θw′為初始交界面的接觸角-π/2，α為孔內(nèi)壁的傾斜角，ρ為初始交界面的曲率半徑，ρw為最終交界面的曲率半徑，以及Voil是絕緣溶液的體積。
優(yōu)選地，將孔的傾斜角設(shè)置成相對于通過將180度減去初始交界面的接觸角而獲得的值大10至50度。
此外，在孔內(nèi)壁發(fā)生電潤濕之前，孔填充有絕緣液，當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)，孔填充有電解液，并且將孔的體積加上根據(jù)上面等式3所計(jì)算出的值，以限定絕緣溶液的體積Voil，從而設(shè)定孔的高度。


從以下參照附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和其它優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖；
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳統(tǒng)液體透鏡的截面圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的在電潤濕發(fā)生之前液體透鏡的截面圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)液體透鏡的截面圖；以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的液體透鏡的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的在電潤濕發(fā)生之前液體透鏡的截面圖。
如圖4所示，本發(fā)明的液體透鏡包括室100、下部透明板200、電解液A和絕緣液B。室100設(shè)置有孔110，該孔具有以預(yù)定角度α向下變窄的傾斜內(nèi)壁。孔110的內(nèi)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，不可混合的電解液A和絕緣液B容納在孔110中。這里，盡管在附圖中沒有示出，但是將絕緣膜涂敷到孔110的內(nèi)壁上，以確保液體透鏡的可操作性，以及將上部透明板附著至孔110的上表面上，以密封電解液A和絕緣液B。
此外，電解液A和絕緣液B基本等重，但折射率不同。電解液A位于液體B的上部。
室100的形狀以及電解液A和絕緣液B的特性與在傳統(tǒng)液體透鏡中所使用的相同，由此，對此將不再做更詳細(xì)地描述。
圖4示出了在電潤濕發(fā)生之前電解液A和絕緣液B之間的交界面(下文中，稱為“交界面”)。此外，在圖4的室100中，交界面的最底端與孔110的底面鄰接，并且交界面的外邊緣與內(nèi)壁的最上端鄰接。即，交界面的外邊緣的高度與內(nèi)壁的最上端的高度相同。這使得室的高度最小。室100的較小高度降低了液體透鏡的總高度，以保證小體積，并且縮短了穿過液體透鏡內(nèi)部的光的路徑，以提高其透射能力(transmissibility)。
然而，如果室100形成為比圖4中所示更低的高度，則交界面不成形為部分(partial)球形，由此形成不均勻的折射率，從而電解液A和絕緣液B不能起到透鏡的作用。
此外，由于在交界面和孔110的底面之間的接觸點(diǎn)處不存在絕緣液B，優(yōu)選地，孔110高于交界面而形成，使得其底面與交界面隔開預(yù)定距離，以允許在孔110的整個(gè)底面上存在絕緣液B。
為了使室100的高度最小，孔110具有根據(jù)以下等式的最小高度。
當(dāng)高度設(shè)定為Y時(shí)，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定義。
y＝Xtan(θ′/2)......等式1這里，X是孔110最上端的半徑，θ′為初始交界面處的接觸角，即，通過將電潤濕發(fā)生之前交界面的接觸角減去π/2所獲得的角度。
其間，根據(jù)等式2，將通過作為孔110最下端半徑的R表示作為孔110最上端半徑的X。
X=R[tanαtanα-tan(θ′/2)]]]>......等式2這里，明顯地，將內(nèi)壁的傾斜角α設(shè)定為大于θ′/2，使得孔110在內(nèi)壁的最上端處與交界面鄰接。
在將孔110最上端的半徑X設(shè)定為預(yù)定值的情況下，可僅使用等式1來計(jì)算出高度Y。但是，在將孔110最下端的半徑R以及內(nèi)壁傾斜角α設(shè)定為預(yù)定值的情況下，可根據(jù)等式1和等式2來獲得高度Y。
圖5是示出當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)液體透鏡形狀的截面圖。
如圖5所示，當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)，交界面最大程度地向上凸出，并且交界面的邊緣與孔110的下部圓周鄰接。這里，如果交界面的高度大于通過等式1和等式2所獲得的高度Y，則交界面的中心部分位于孔110的外部，使得交界面不能成形為部分球形。這會導(dǎo)致不均勻的反射率，阻礙電解液A和絕緣液B起到透鏡的作用。
因此，孔110具有大于在電潤濕發(fā)生之前初始交界面的高度以及在電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)交界面的高度中較大一個(gè)的高度。
為了計(jì)算圖5中所示交界面的高度，首先，應(yīng)該確定絕緣液A的體積，隨后應(yīng)該設(shè)定最終交界面(即，當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí))的接觸角。
首先，根據(jù)下面的等式3計(jì)算絕緣液A的體積Voil。
Voil=π3(X3-R3)tanα-(sgn)πρ33(cos3θ′-3cosθ′+2)]]>.....等式3
這里，在θ′≥0的情況下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1，ρ表示初始交界面的曲率半徑，并且根據(jù)下面的等式4來定義。
X＝ρsinθ′......等式4通過上述等式4確定絕緣液A的體積Voil，可根據(jù)下面的等式5來獲得在施加電壓之后最終交界面的曲率半徑ρw。
Pw=[Voil+π3R3tanαπ3{sin3θw′tanα-(sgn)(cos3θ3′+2)}]13]]>......等式5這里，在θ′≥0的情況下，(sgn)＝+1，在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1。
以這種方法，當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)，最終交界面的曲率半徑ρw確定交界面高度，由此，孔110具有大于或等于在電潤濕發(fā)生之前初始交界面的高度以及在電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)交界面的高度中較大一個(gè)的高度。
在電潤濕法中所用的典型液體具有150度或大于150度的接觸角，由此，如圖4所示，孔110通常具有最小高度。
然而，可在孔110的內(nèi)壁中形成有腔，以在電潤濕發(fā)生之前填充有絕緣液B以及當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)填充有電解液A。在這種情況下，當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)，填充在腔中的絕緣液B的一部分流出腔，以使絕緣液B的中心部分更向上凸。由此，圖5中所示的交界面高度可為孔110的最小高度。結(jié)果，當(dāng)正如所述形成腔時(shí)，通過將腔的體積加入由等式3計(jì)算的值來確定絕緣液B的體積Voil。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的液體透鏡的截面圖。
如圖6所示，孔110的內(nèi)壁可以較小的角度傾斜，并且可基本上水平地形成交界面，以進(jìn)一步地減小孔110的高度。
然而，以非常小的角度傾斜的孔110的內(nèi)壁增加了液體透鏡的寬度，從而使其尺寸增加。此外，這使得光穿過的孔110的底面變窄，從而降低了光的透射能力。
因此，優(yōu)選地，相對于通過將180度減去初始交界面的接觸角而獲得的值大10至50度來形成孔110。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，考慮到由接觸角和孔的傾斜角所控制的液體交界面的形狀以最小深度穿孔，從而實(shí)現(xiàn)薄厚度和小型化，并且提高了液體透鏡的可操作性。
盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種液體透鏡，包括室，具有形成于其中的孔；以及絕緣和電解的不可混合的液體，容納在所述孔中，所述絕緣液位于底部，以形成球形交界面，所述絕緣液和所述電解液具有不同的折射率，其中，所述孔具有大于或等于在電潤濕發(fā)生之前初始交界面的高度以及當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)最終交界面的高度中較大一個(gè)的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體透鏡，其中，所述初始交界面具有根據(jù)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徑，R是所述孔最下端的半徑，θ′為所述初始交界面的接觸角-π/2，以及α為所述孔內(nèi)壁的傾斜角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體透鏡，其中，所述最終交界面具有根據(jù)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的情況下，(sgn)＝+1，以及在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1，X＝ρsinθ′......等式4 其中，在θ′≥0的情況下，(sgn)＝+1，以及在θ′＜0的情況下，(sgn)＝-1，以及其中，y是所述高度值，X是所述孔最上端的半徑，R是所述孔最下端的半徑，θw′為所述初始交界面的接觸角-π/2，α為所述孔內(nèi)壁的傾斜角，ρ為所述初始交界面的曲率半徑，ρw為所述最終交界面的曲率半徑，以及Voil是絕緣溶液的體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體透鏡，其中，當(dāng)在所述孔的所述內(nèi)壁中不發(fā)生電潤濕時(shí)，所述孔填充有所述絕緣液，以及當(dāng)電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)，所述孔填充有所述電解液，以及，其中，將所述孔的體積加上根據(jù)上面等式3所計(jì)算出的值，以限定所述絕緣溶液的所述體積Voil，從而設(shè)定所述孔的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的液體透鏡，其中，所述孔的所述傾斜角被設(shè)置成相對于通過將180度減去所述初始交界面的所述接觸角而獲得的值大10至50度。
全文摘要
將用于容納液體的孔的深度最小化，以獲得薄液體透鏡。在液體透鏡中，室具有形成于其中的孔。絕緣和電解的不可混合的液體容納在孔中，絕緣液位于底部，以形成球形交界面，絕緣液和電解液具有不同的折射率?？拙哂写笥诨虻扔谠陔姖櫇癜l(fā)生之前初始交界面的高度以及在電潤濕發(fā)生至最大量時(shí)最終交界面的高度中較大一個(gè)的高度?？紤]到由接觸角和孔的傾斜角控制的液體交界面的形狀，液體透鏡具有以最小深度穿的孔，從而實(shí)現(xiàn)了薄厚度和小型化，并且提高了透鏡的可操作性。
文檔編號G02B3/12GK1979224SQ200610160990
公開日2007年6月13日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者吳炳度 申請人:三星電機(jī)株式會社