液体透镜及其制备方法、光学器件与流程

[0001]
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种液体透镜及其制备方法，以及一种光学器件。


背景技术：

[0002]
液体透镜是将液体作为透镜，通过改变液体的曲率来改变焦距。目前市场上较为成熟的液体透镜产品是利用介质上电润湿(ewod)原理的可变焦光透镜，它可以通过外加电压改变液滴的形状，进而改变其焦距，该新技术可以使拍照手机在不需配备机械部件的情况下实现自动对焦和变焦，这有助于降低器件成本，且可以充分满足器件进一步小型化的需要。可以预见，随着液体透镜技术的日趋成熟，液体透镜将在光学成像领域，比如在照相机，扫码器，手机，机器视觉，医疗内窥等光学系统中得到越来越广泛的应用。
[0003]
现已商业化的液体透镜产品来自法国varioptic公司。varioptic公司的液体透镜以金属作为电极材料，比如第一电极采用不锈钢，第二电极采用黄铜，同时黄铜电极表面还镀上了金属镍作为保护层，防止加工后黄铜电极在清洗过程中被氧化腐蚀。在具体的制备方法上，varioptic公司通过机械加工方式将金属电极加工成所需形状，不仅生产效率低、成本高、精度低、产品一致性差，而且因金属电极的表面粗糙度偏大，需二次加工才能满足表面低粗糙度的要求。


技术实现要素：

[0004]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种全新的液体透镜及其制备方法，以及一种光学器件，以解决现有的商业化液体透镜产品采用金属作为电极材料，存在生产效率低、成本高、精度低、产品一致性差，而且因金属电极的表面粗糙度偏大，需二次加工才能满足表面低粗糙度的要求等问题。
[0005]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一液体透镜，所述液体透镜至少包括：
[0006]
用于施加电压的第一电极与第二电极，所述第一电极与第二电极包围形成载液腔，所述载液腔外围的所述第一电极和第二电极之间设置有绝缘材料层以使所述第一电极和第二电极相互电隔离；
[0007]
所述载液腔内承载有光学液体，所述光学液体至少包括一非极性液体和位于所述非极性液体上方的一极性液体，所述非极性液体与所述极性液体之间形成液体界面；
[0008]
其中，所述第一电极包括第一玻璃基板和位于所述第一玻璃基板表面的第一ito导电膜，所述第二电极包括第二玻璃基板和位于所述第二玻璃基板表面的第二ito导电膜，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板均位于背离所述载液腔的表面。
[0009]
可选地，所述第一电极内设置有凹槽，所述凹槽构成所述载液腔，所述第二电极覆盖所述凹槽。
[0010]
可选地，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽的宽度为2～3mm，高度为0.5～0.7mm，所述液体透镜的厚度为0.9～1.1mm。
[0011]
可选地，所述第二电极对应所述载液腔的部分形成有缓冲腔，所述缓冲腔向远离所述载液腔的方向延伸。
[0012]
可选地，所述第一ito导电膜表面形成有介电膜和疏水膜，所述介电膜包括三氧化二铝、五氧化二钽、聚对二甲苯中的一种或多种，所述疏水膜包括cytop、teflon af1600中的一种或两种。
[0013]
本发明还提供一种光学器件，其特征在于，所述光学器件包括如上述任一方案中所述的液体透镜。
[0014]
本发明还提供一种液体透镜的制备方法，包括步骤：
[0015]
提供第一玻璃基板，在所述第一玻璃基板上形成第一电极的形状后于第一玻璃基板表面依次形成第一ito导电膜、介电膜和疏水膜，所述第一玻璃基板及位于所述第一基板表面的所述第一ito导电膜构成所述第一电极，所述第一玻璃基板上形成有凹槽，所述凹槽构成载液腔；
[0016]
提供第二玻璃基板，在所述第二玻璃基板上形成第二电极的形状后于第二玻璃基板形成第二ito导电膜，所述第二玻璃基板及位于所述第二基板表面的所述第二ito导电膜构成所述第二电极；
[0017]
于所述第一玻璃基板的载液腔内注入光学液体，所述光学液体至少包括一非极性液体和位于所述非极性液体上方的一极性液体，所述非极性液体与所述极性液体之间形成液体界面；
[0018]
将完成光学液体注入的第一电极和第二电极相贴合，所述第二电极覆盖所述载液腔，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板均位于背离所述载液腔的表面，于所述载液腔外围的所述第一电极和第二电极之间涂布uv胶并经固化，以使所述第一电极和第二电极电隔离。
[0019]
可选地，在所述第一玻璃基板上形成第一电极的形状和在所述第二玻璃基板上形成第二电极的形状的方法均包括热压成型和刻蚀方法中的一种或两种的结合。
[0020]
可选地，所述热压成型包括步骤：
[0021]
将对应的玻璃基板放置于模具平台，在惰性气体氛围下加热以使玻璃基板软化；
[0022]
采用模具将玻璃基板挤压成型以制备成所需形状；
[0023]
经退火和冷却后从模具平台中释放得到的结构。
[0024]
可选地，在所述第一玻璃基板上形成多个第一电极的形状，在依次形成第一ito导电膜、介电膜和疏水膜后经切割得到多个第一电极；在所述第二玻璃基板上形成多个第二电极的形状，在形成所述第二ito导电膜后经切割得到多个第二电极。
[0025]
如上所述，本发明的液体透镜选用玻璃为电极材料，首先解决了现有技术中采用金属材料作为电极存在的粗糙度大的问题，因而无需二次加工来满足低粗糙度的要求。且玻璃电极抗氧化，耐腐蚀，无需另外再镀保护层。相较于金属机械加工存在的效率低、成本高、产能受限制等缺点，本发明的液体透镜因采用玻璃电极而可以通过wlo工艺(wafer level optics晶圆级光学元件)制作，可以极大提高生产效率，且加工精度高(可以达到nm级别)，产品一致性好，玻璃在清洗过程不用担心表面被氧化腐蚀等问题，有助于提高液体透镜的品质及降低其生产成本，有助于液体透镜的大规模推广应用。
附图说明
[0026]
图1显示为本发明提供的液体透镜的结构示意图。
[0027]
图2显示为本发明的液体透镜的制备方法中采用液压成型的步骤示意图。
[0028]
元件标号说明
[0029]
11
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第一电极
[0030]
111
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第一玻璃基板
[0031]
112
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第一ito导电膜
[0032]
12
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第二电极
[0033]
121
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第二玻璃基板
[0034]
122
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第二ito导电膜
[0035]
123
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缓冲腔
[0036]
131
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非极性液体
[0037]
132
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极性液体
[0038]
133
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液体界面
[0039]
14
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绝缘材料层
[0040]
15
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介电膜
[0041]
21
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玻璃基板
[0042]
22
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模具平台
[0043]
23
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模具
具体实施方式
[0044]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0045]
请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
[0046]
如图1所示，本发明提供一种液体透镜，所述液体透镜至少包括：用于施加电压的第一电极11与第二电极12，所述第一电极11与第二电极12包围形成载液腔，所述载液腔外围的所述第一电极11和第二电极12之间设置有绝缘材料层14以使所述第一电极11和第二电极12相互电隔离，以防止第一电极11与第二电极12之间的电击穿，避免液体透镜漏电的问题；所述载液腔内承载有光学液体，所述光学液体至少包括一非极性液体131和位于所述非极性液体131上方的一极性液体132，所述非极性液体131与所述极性液体132之间形成液体界面133，该液体界面133优选为弧形界面，所述非极性液体131位于所述液体界面133的下方而所述极性液体132位于所述液体界面133的弧形部内；其中，所述第一电极11包括第一玻璃基板111和位于所述第一玻璃基板111表面的第一ito导电膜112，所述第二电极12包括第二玻璃基板121和位于所述第二玻璃基板121表面的第二ito导电膜122，所述第一玻璃
基板111和第二玻璃基板121均位于背离所述载液腔的表面(即可以直接作为液体透镜的外壳)，或者说所述第一ito导电膜112和第二ito导电膜122位于由第一玻璃基板111和第二玻璃基板121围成的结构内部，且与光学液体相邻。本发明的液体透镜选用玻璃做为电极材料，首先解决了现有技术中采用金属材料作为电极存在的粗糙度大的问题，因而无需二次加工来满足低粗糙度的要求。且玻璃电极抗氧化，耐腐蚀，无需另外再镀保护层。相较于金属机械加工存在的效率低、成本高、产能受限制等缺点，本发明的液体透镜因采用玻璃电极而可以通过wlo工艺(wafer level optics晶圆级光学元件)制作，可以极大提高生产效率，且加工精度高(可以达到nm级别)，产品一致性好，玻璃在清洗过程不用担心表面被氧化腐蚀等问题，有助于提高液体透镜的品质及降低其生产成本，有助于液体透镜的大规模推广应用。
[0047]
需要说明的是，本说明书中的“第一”及“第二”只是出于描述的方便而并不具有实质上的限定意义，比如可以将形成有凹槽的电极定义为第二电极12而将另一电极定义为第一电极11。
[0048]
所述第一玻璃基板111和第二玻璃基板121可以为钠钙基或硅硼基基片玻璃中的任意一种，可以通过磁控溅射技术(当然也可以采用贴ito膜的方法，但优选磁控溅射)在对应的玻璃基板上形成对应的ito导电膜。
[0049]
本实施例中，作为示例，所述第一电极11内设置有凹槽(未标示)，所述凹槽构成所述载液腔，所述第二电极12覆盖所述凹槽。这种结构的设计有利于简化光学液体的灌充，提高液体透镜的性能。
[0050]
在进一步的示例中，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽的宽度d1为2～3mm(本说明书在涉及数值范围的描述时，均包括端点值，向后不再单独说明)，较优地为2.5mm，高度d2为0.5～0.7mm，所述液体透镜的厚度d5为0.9～1.1mm。这些参数是发明人结合电极制备工艺的难度以及综合液体透镜的变焦范围等因素而制定的，经实验发现在这些参数范围内制备的液体透镜，不仅光学性能好，而且制备良率高。为使液体透镜尽量小型化，作为示例，所述第二电极12的最大厚度(包括第二玻璃基板121和第二ito导电膜122的厚度)d3为0.2mm左右。
[0051]
作为示例，所述绝缘材料层14优选具有较好粘附效果的材料，以在起到绝缘效果的同时实现所述载液腔的良好密封。在一示例中，所述绝缘材料层14为uv胶。
[0052]
所述极性液体132为导电液体，包括但不限于水、醇和盐溶液中的一种或多种，在本实施例中，所述极性液体132优选水。所述非极性液体131为不导电液体，包括硅油、氯苯等有机溶剂或以上的混合物。在本实施例中，所述非极性液体131优选硅油。
[0053]
作为示例，所述第二电极12对应所述载液腔的部分形成有缓冲腔123，所述缓冲腔123向远离所述载液腔的方向延伸。所述缓冲腔123的结构可以根据需要设置。本实施例中，作为示例，所述缓冲腔123类似m型，且所述缓冲腔123为2个，2个缓冲腔123间隔分布，且对应位于载液腔的上方。在液体透镜使用过程中，由于环境温度变化或者振动跌落等原因，液体透镜内部压力可能发生变化，因此部分液体可能会汽化而产生气泡，且这种汽化是不可逆的。本发明通过设置缓冲结构，能够有效地卸载器件的压力变化，从而防止气泡产生，提高液体透镜的稳定性和使用寿命。
[0054]
作为示例，所述第一ito导电膜112表面形成有介电膜15和疏水膜(未示出)，且优
选所述介电膜15位于所述第一ito导电膜112的表面而所述疏水膜位于所述介电膜15的表面。所述介电膜15包括三氧化二铝、五氧化二钽和聚对二甲苯中的一种或多种，比如选用聚对二甲苯；所述介电膜15的厚度可为1～10μm，所述疏水膜包括cytop和teflon af1600中的一种或两种，比如选用teflon af1600，所述疏水膜的厚度可为20～100nm。设置所述介电膜15，可以有效防止所述第一电极11的击穿，而设置所述疏水膜，可以获得更好的电润湿效果。
[0055]
由于选用玻璃作为电极，因而本发明的液体透镜表面无需电镀镍层等防腐层，制备工艺可以极大简化，产品一致性好，有助于降低其制备成本，有助于其大规模推广应用。
[0056]
本发明还提供一种光学器件，所述光学器件包括如上述任一方案中所述的液体透镜。所述光学器件可以为照相机、扫描器、手机、医疗内窥镜等需要透镜的器件中。基于本发明的液体透镜的光学器件，体积可以进一步缩小，成本可以进一步降低。
[0057]
本发明还提供一种液体透镜的制备方法，该制备方法可以用于制备前述方案中所述的液体透镜，故前述对所述液体透镜的描述可全文引用至此，当然，也可以用于制备其他结构的液体透镜。具体地，所述制备方法包括：
[0058]
提供第一玻璃基板，在所述第一玻璃基板上形成第一电极的形状后于第一玻璃基板表面依次形成第一ito导电膜、介电膜和疏水膜，所述第一玻璃基板及位于所述第一基板表面的所述第一ito导电膜构成所述第一电极，所述第一玻璃基板上形成有凹槽，所述凹槽构成载液腔(所述第一ito导电膜覆盖所述凹槽的表面)；
[0059]
提供第二玻璃基板，在所述第二玻璃基板上形成第二电极的形状后于第二玻璃基板形成第二ito导电膜，所述第二玻璃基板及位于所述第二基板表面的所述第二ito导电膜构成所述第二电极，所述第二电极内可以形成有缓冲腔；
[0060]
于所述第一玻璃基板的载液腔内注入光学液体，所述光学液体至少包括一非极性液体和位于所述非极性液体上方的一极性液体，所述非极性液体与所述极性液体之间形成液体界面；
[0061]
将完成光学液体注入的第一电极和第二电极相贴合，所述第二电极覆盖所述载液腔，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板均位于背离所述载液腔的表面，于所述载液腔外围的所述第一电极和第二电极之间涂布uv胶并经固化，以使所述第一电极和第二电极电隔离，若第二电极内形成有缓冲腔，则缓冲腔对应位于所述缓冲腔的上方，通过设置缓冲结构，能够有效地卸载器件的压力变化，从而防止气泡产生，提高液体透镜的稳定性和使用寿命。
[0062]
本发明由于采用玻璃基板制备液体透镜，而玻璃本身具有低粗糙度的特点，故本发明无需二次加工以满足液体透镜的表面低粗糙度要求，且玻璃本身具有较好的防腐蚀效果，因而无需担心在后续清洗过程中被氧化腐蚀。因而相较于现有技术，本发明的液体透镜的制备方法可以极大简化，可以极大提高生产效率，且加工精度高(可以达到nm级别)，产品一致性好。
[0063]
需要说明的是，第一电极和第二电极的先后形成顺序并没有严格的规定，比如两者可以在同一台设备中，采用不同的模具依次先后形成，或在不同的设备上同时形成，具体不限。
[0064]
作为示例，在所述第一玻璃基板上形成第一电极的形状和在所述第二玻璃基板上
形成第二电极的形状的方法均包括热压成型和刻蚀方法中的一种或两种的结合，这两种方法都有利于提高加工精度。
[0065]
作为示例，如图2所示，所述热压成型包括步骤：
[0066]
将对应的玻璃基板21放置于模具平台22，在惰性气体氛围下加热以使玻璃基板21软化，比如在将玻璃基板21放置于平台上后，通入氮气以去除加工腔室内的空气，然后利用红外光加热模具平台22和玻璃基板21，以使玻璃基板21加热至软化点；
[0067]
采用模具23将玻璃基板21挤压成型以制备成所需形状，此过程中，可以是仅位于玻璃基板21上的模具23向下移动，以和玻璃基板21底部的模具平台22共同对所述玻璃基板21进行挤压以形成所需形状，也可以是模具平台22载着所述玻璃基板21向上移动，或者模具23和模具平台22同时相向移动，本实施例中优选前者，即位于玻璃基板21上方的模具23向下移动；
[0068]
经退火和冷却后从模具平台22中释放得到的结构，该过程可以包括，在保持较小压力的同时，缓慢降温以退火，由此释放成型后的玻璃基板内的内应力，之后迅速退火冷却至室温，最后将模具平台22中释放即得到形成有既定结构的玻璃基板，比如形成带有凹槽的玻璃基板或形成有缓冲腔的基板，之后采用磁控溅射技术于得到的结构表面电镀形成ito导电膜即得到对应的第一电极及第二电极。
[0069]
若采用刻蚀法，则先在玻璃基板上定义出所需的图形，再采用化学刻蚀和激光刻蚀中的一种或两种的结合以得到所需的结构。
[0070]
作为示例，在所述第一玻璃基板上形成多个第一电极的形状，在依次形成第一ito导电膜、介电膜和疏水膜后经切割得到多个第一电极；在所述第二玻璃基板上形成多个第二电极的形状，在形成所述第二ito导电膜后经切割得到多个第二电极。比如在第一玻璃基板上形成多个间隔的凹槽，相邻凹槽的间距可参考图1中的间距d4所示，比如为0.1mm，之后进行切割以得到所需结构的第一电极。由于采用玻璃基板，本发明可以通过wlo工艺(wafer level optics晶圆级光学元件)制作，可以极大提高生产效率。
[0071]
当然，在其他示例中，在形成多个第一电极和第二电极之后也可以先灌充光学液体，之后将第一电极和第二电极贴合后再进行切割以得到多个液体透镜，本实施例中不做严格限制。
[0072]
综上，本发明的液体透镜及其制备方法，以及一种光学器件。液体透镜包括：用于施加电压的第一电极与第二电极，所述第一电极与第二电极包围形成载液腔，所述载液腔外围的所述第一电极和第二电极之间设置有绝缘材料层以使所述第一电极和第二电极相互电隔离；所述载液腔内承载有光学液体，所述光学液体至少包括一非极性液体和位于所述非极性液体上方的一极性液体，所述非极性液体与所述极性液体之间形成液体界面；其中，所述第一电极包括第一玻璃基板和位于所述第一玻璃基板表面的第一ito导电膜，所述第二电极包括第二玻璃基板和位于所述第二玻璃基板表面的第二ito导电膜，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板均位于背离所述载液腔的表面。本发明的液体透镜选用玻璃为电极材料，首先解决了现有技术中采用金属材料作为电极存在的粗糙度大的问题，因而无需二次加工来满足低粗糙度的要求。且玻璃电极抗氧化，耐腐蚀，无需另外再镀保护层。相较于金属机械加工存在的效率低、成本高、产能受限制等缺点，本发明的液体透镜因采用玻璃电极而可以通过wlo工艺(wafer level optics晶圆级光学元件)制作，可以极大提高生产效
率，且加工精度高(可以达到nm级别)，产品一致性好，玻璃在清洗过程不用担心表面被氧化腐蚀等问题，有助于提高液体透镜的品质及降低其生产成本，有助于液体透镜的大规模推广应用。
[0073]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。