[发明专利]基于离子液体的电润湿变焦透镜

说明书

技术领域

本发明属于微光学技术领域，涉及一种使用离子液体作为导电液体的液体电润湿变焦透镜，具体涉及一种可用于低温、高温、真空等较苛刻条件下，能够适应外界环境温度剧烈变化，既可用于普通成像系统又能用于近红外成像的液体变焦透镜。

背景技术

变焦透镜在光学系统中具有十分重要的作用。近年来随着光通信技术的发展以及对便携式摄像装置需求的不断增大，微型变焦透镜的需求随之增大。目前市场上的微型镜头主要是小型的传统机械运动透镜，其采用玻璃或者塑料通过注塑的方法得到小镜头，然后通过光学几何设计，将小型的镜头集成在位置可调的微型镜筒内，通过改变镜头的位置完成改变镜头焦距的目的。由于需要对透镜光学系统不断进行优化设计，传统机械运动透镜组结构复杂、能耗高、易磨损、造价昂贵，尺寸濒临极限，已不能满足产业发展的需求。为实现变焦透镜的微型化并提高其使用寿命，目前国际上已经提出了一些新型变焦微透镜技术，液体透镜就是其中的一种，相较于其他新型微透镜而言，液体透镜的结构最为简单，且成像质量较好。

通过外加电压改变部分导电液体接触角的现象称为电润湿效应(electrowetting)，电润湿效应可用于控制微小液滴的表面曲率。基于电润湿的液体变焦透镜利用电压改变液体的表面张力，从而改变液滴的表面曲率，实现液体透镜的变焦。与传统的机械运动透镜组相比，基于电润湿的变焦液体透镜的优势在于结构简单、体积小、重量轻、电功耗低、成本低、磨损小、轻便易携带。基于以上优点，液体透镜已经开始工业化规模生产，并广泛地应用于光学装置、显示装置和微机电系统中。

目前国际上多家公司公开了焦距可调的液体透镜的设计和相关专利(US6014259，US6538823，US6545815，US6625351，US6665127，US6768539，US6778328，US6893877，EP1963894A2，EP1804090A1，EP1870741A1，EP1870742，EP1884805，CN200580011389.9，CN02141675.3，CN200710086069.0)。其中，ASTART公司采用压电材料的膜片改变液体膜的曲率方向和半径，从而达到使液体透镜变焦的目的。LUCENT公司提出了改变电极的设计、电极的表面特性、电极间表面特性等方法来调节液体透镜的焦距，并于2003年推出世界上第一款纯电力控制的液体变焦透镜，在电场作用下能改变自己的光学特性。。2004年，荷兰PHILIPS公司展出了利用Fluid Focus技术开发出的新型无机械活动部件的变焦液体透镜。2006年法国VARIOPTIC公司推出了两款液体透镜Arctic320及Arctic416，实现了商品化的液体透镜，可应用于手机、医疗以及数字摄影市场。

基于电润湿的变焦液体透镜的液体由导电液体和填充液体两种液体组成。为实现较好的变焦功能，要求这两种液体必须具有相匹配的密度和较大的折射率差以及较小的粘度和合适的表面张力。另外，为满足液体透镜商业化的要求，必须保证这两种液体在较高温度下，如80℃长期运行不变质、不混合、不挥发。但是，一般传统的液体透镜使用无机盐的水溶液作为导电液体，在长时间的较高温温度下两种液体之间易产生物理变化和化学反应，无机盐的水溶液在较高温度时易挥发，使透镜可靠性不佳，而当外界环境温度高于80℃时，液体透镜无法工作。迄今为止也没有关于具有较好的高温可靠性的液体透镜的报道。而当温度低于0℃时，由于受到水自身物理化学性质的制约，使得使用无机盐的水溶液作为导电液体的液体透镜无法使用，即使可以通过向无机盐的水溶液中添加抗凝剂的方法降低其凝固点，但其极限值也只能达到-20℃。目前，没有关于可用于低温(＜-20℃)情况下液体透镜的相关报道。并且，当环境温度剧烈变化时，由于无机盐的水溶液具有挥发性，容易在顶部端面产生微小液滴，降低成像质量，影响成像效果。尽管大量的专利描述了基于电润湿的液体透镜的机械构造，但未公开液体透镜的液体组成物。而且，在这些专利中也没有给出可以根本防止两种液体混合、挥发的可用于液体透镜的液体组成物。众所周知，在红外成像技术中所使用的红外胶片能记录波长在0.4～1.35μm间的可见光和近红外线，而具有红外摄影功能的数码相机的光电耦合器(CCD)能响应的波谱为0.4～1.1μm。因为水对0.9～1.1μm之间的近红外线有较强的吸收作用，所以使用无机盐的水溶液作为导电液体制作的液体透镜无法用于近红外成像。基于上述原因，使用无机盐的水溶液作为导电液体制作的液体透镜，其使用范围受到很大限制。