1.相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119，要求2019年2月1日提交的第62/800,088号美国临时申请的优先权权益，其内容通过引用全文纳入本文。
2.技术领域
本公开一般涉及液体透镜。更具体地，本公开涉及用于液体透镜的导电液体的组成，所述液体透镜传输高百分比的波长在电磁波谱的红外部分中的入射电磁波。
3.背景技术
液体透镜是一种类型的变焦透镜，其一般包括腔体，并且在腔体中设置有导电液体和绝缘液体。液体彼此不混溶并且具有不同的折射率，以使得液体之间的界面(弯月面)形成透镜。腔体包含电极。电极可基于电润湿原理来操纵透镜的形状。例如，可在导电液体与腔体表面之间施加电压以增加或降低表面相对于导电液体的湿润能力以及改变界面的形状。改变界面的形状(例如，曲率)改变了透镜的焦距或焦点。
迄今为止，导电液体通常包括溶于水或另一种极性非离子溶剂的离子化合物，其中离子化合物分离成相应的阳离子和阴离子，因此形成导电液体。绝缘液体通常是油、烷烃或烷烃混合物。在通常用作导电液体的液体中存在的一个或多个羟基(-OH)可有利地使导电液体不与用于绝缘液体的典型液体混溶。
为了使液体透镜针对所需应用来最佳地操作，导电液体和绝缘液体二者均应对期望被感测的入射电磁波的波长透明。换言之，导电液体和绝缘液体不应吸收所讨论的入射电磁波的波长。吸收所讨论的入射电磁波的波长阻止了所讨论的入射电磁波的波长透射通过液体透镜。采用液体透镜的大多数应用是为了感测波长在400nm至700nm之间的电磁波谱的可见光部分(并进行成像)。通常用于这些应用的导电液体对波长在该范围内的入射电磁波高度透明。
然而，通常用于液体透镜的导电液体可能使得液体透镜不适于旨在感测波长比电磁波谱的可见部分中的电磁波波长更长的入射电磁波(例如，在电磁波谱的红外部分中的电磁波)的应用。
因此，需要一种导电液体，其对波长比可见区的长的电磁波充分透明，并且还可与常用的绝缘液体相容。
技术实现要素：
本公开满足了这些需要，这是因为，发现二氰胺阴离子和三氰基甲根阴离子可与抗衡阳离子形成离子化合物，该离子化合物：(1)具有-20℃或更低的熔点；(2)在20℃下的密度更接近1.0g/cm3，因此更易与常用的绝缘液体配对；(3)尽管缺少羟基但是与常用的绝缘液体不混溶；以及(4)对波长比可见区域长的电磁波充分透明。因此，这种二氰胺阴离子或三氰基甲根阴离子与阳离子抗衡离子的离子化合物形成了合适的导电液体以用于旨在感测波长在红外区中的电磁波的应用的液体透镜。
根据本公开的第1方面，一种用于液体透镜的导电液体包括：二氰胺阴离子和阳离子抗衡离子的离子化合物，所述二氰胺阴离子具有以下通式：
并且所述阳离子抗衡离子是咪唑鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓、磷鎓、吡啶鎓、吡咯啉鎓、锍阳离子，或提供期望性质的任何其他阳离子中的一种。在一个实施方式中，导电液体在-20摄氏度至70摄氏度之间处于液相。在一个实施方式中，对于波长在1400nm至1550nm之间的电磁波，导电液体在1mm的厚度内具有至少50％的透射率(在一些实施方式中，包括至少85％)。在一个实施方式中，所述阳离子抗衡离子是具有下述通式的咪唑鎓阳离子：
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团。在一个实施方式中，咪唑鎓阳离子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓，1-苄基-3-甲基咪唑鎓，1-丁基-3-甲基咪唑鎓，1-己基-3-甲基咪唑鎓中的一种。在一个实施方式中，咪唑鎓阳离子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子。在一个实施方式中，所述阳离子抗衡离子是具有下述通式的吡咯烷鎓阳离子：
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团。在一个实施方式中，吡咯烷鎓阳离子是N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子，1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子中的一种。在一个实施方式中，吡咯烷鎓阳离子是N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子。在一个实施方式中，导电液体由前述离子化合物中的一种，或者不止一种的前述离子化合物的混合物组成。在一个实施方式中，导电液体包括一种或多种前述离子化合物与另一种液体的混合物。在一个实施方式中，导电液体包括一种或多种前述离子化合物与另一种液体的混合物，其中，所述一种或多种前述离子化合物占导电液体的至少50％重量％，占导电液体的至少60％重量％，占导电液体的至少70％重量％，占导电液体的至少80％重量％，占导电液体的至少90重量％，或者占导电液体的至少99重量％。
根据本公开的第2方面，一种用于液体透镜的导电液体包括：三氰基甲根阴离子和阳离子抗衡离子的离子化合物，所述三氰基甲根阴离子具有以下通式：
并且所述阳离子抗衡离子是咪唑鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓、磷鎓、吡啶鎓、吡咯啉鎓、锍阳离子，或提供期望性质的任何其他阳离子中的一种。在一个实施方式中，导电液体在-20摄氏度至70摄氏度之间处于液相。在一个实施方式中，对于波长在1400nm至1550nm之间的电磁波，导电液体在1mm的厚度内具有至少50％的透射率(在一些实施方式中，包括至少85％)。在一个实施方式中，所述阳离子抗衡离子是具有下述通式的咪唑鎓阳离子：
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团。在一个实施方式中，咪唑鎓阳离子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓，1-苄基-3-甲基咪唑鎓，1-丁基-3-甲基咪唑鎓，1-己基-3-甲基咪唑鎓中的一种。在一个实施方式中，咪唑鎓阳离子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓，1-苄基-3-甲基咪唑鎓，1-丁基-3-甲基咪唑鎓，1-己基-3-甲基咪唑鎓中的一种。在一个实施方式中，所述阳离子抗衡离子是具有下述通式的吡咯烷鎓阳离子：
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团。在一个实施方式中，吡咯烷鎓阳离子是N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子，1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子中的一种。在一个实施方式中，吡咯烷鎓阳离子是N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子。在一个实施方式中，导电液体包括一种或多种前述离子化合物与另一种液体的混合物，其中，所述一种或多种前述离子化合物占导电液体的至少50％重量％，占导电液体的至少60％重量％，占导电液体的至少70％重量％，占导电液体的至少80％重量％，占导电液体的至少重量90％，或者占导电液体的至少99重量％。
根据本公开的第3方面，一种液体透镜包括：透镜主体，其形成腔体，所述腔体保留有导电液体和绝缘液体，所述导电液体与绝缘液体不混溶并且在导电液体与绝缘液体之间形成界面；所述导电液体包括二氰胺阴离子和阳离子抗衡离子，或者三氰基甲根阴离子和阳离子抗衡离子的离子化合物，所述二氰胺阴离子具有下述通式：
三氰基甲根阴离子具有以下通式：
并且所述阳离子抗衡离子是咪唑鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓、磷鎓、吡啶鎓、吡咯啉鎓或锍阳离子中的一种。在一个实施方式中，导电液体在-20摄氏度至70摄氏度之间处于液相。在一个实施方式中，导电液体具有密度，并且绝缘液体具有密度，导电液体的密度与绝缘液体的密度在20摄氏度下相差在0.10g/cm3以内。在一个实施方式中，阳离子抗衡离子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-苄基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-丁基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-己基-3-甲基咪唑鎓阳离子，1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子，N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子，1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子，或三己基十四烷基磷鎓阳离子中的一种。在一个实施方式中，导电液体的离子化合物是二氰胺N-甲基-N-乙基吡咯烷鎓。在一个实施方式中，导电液体的离子化合物是二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓。在一个实施方式中，导电液体的离子化合物是三氰基甲烷化1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓。在一个实施方式中，导电液体的离子化合物是三氰甲烷化1-乙基-3-甲基咪唑鎓。在一个实施方式中，对于波长在1400nm至1550nm之间的电磁波，导电液体在1mm的厚度内具有至少50％的透射率(包括一些实施方式中的至少80％，以及一些实施方式中的至少85％)。
在以下的具体实施方式中给出了另外的特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言通过所作描述是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施方式，包括以下的具体实施方式和权利要求书在内的本文所描述的实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。
附图说明
图1是可采用导电液体和绝缘液体的液体透镜的一些实施方式的平面截面图，所述导电液体和绝缘液体在界面处保持分离，并且界面用作透镜来操纵(例如聚焦)电磁波；
图2A是可采用导电液体和绝缘液体的液体透镜的另一些实施方式的截面透视图，所述导电液体和绝缘液体在界面处保持分离，并且界面用作透镜来操纵(例如聚焦)电磁波；
图2B是图2A的液体透镜实施方式的平面截面图，导电液体和绝缘液体设置在液体透镜中并且在界面处保持分离，界面用作透镜来操纵(例如聚焦)电磁波；
图3是对于二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓(作为导电液体)和二苯基二甲基锗烷(作为绝缘液体)，(a)当电压增加时和(b)当电压减小时，接触角根据所施加的电压而变化的图表；
图4A是通过乙二醇的入射电磁波的百分透射率根据电磁波的波长而变化的图表；
图4B是通过二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓的入射电磁波的百分透射率根据电磁波的波长而变化的图表；
图5是通过几个液体透镜的入射电磁波的百分透射率的图表，每个透镜采用不同的导电液体和绝缘液体，其说明了当导电液体包括具有三氰基甲根阴离子或二氰胺阴离子中的任一种的离子化合物时，波长在红外部分中的电磁波的透射率得到提高；并且
图6是对于包含本公开的导电液体的液体透镜，光学功率根据电压而变化(电润湿曲线)，以及波前误差根据电压而变化的图表。
具体实施方式
示例性液体透镜的结构
现在参考图1，该图例示了一种示例性液体透镜10的简化截面图。液体透镜10包括透镜主体12。透镜主体12形成腔体14。腔体14保留导电液体16和绝缘液体18。导电液体16和绝缘液体18不混溶，因此，在导电液体16与绝缘液体18之间形成界面20。由于导电液体16和绝缘液体18具有不同的折射率，因此，界面20作为透镜操作。
在一些实施方式中，多个层协同形成透镜主体12并因此形成腔体14，导电液体16和绝缘液体18设置在腔体14内。例如，在所示的实施方式中，透镜主体12包括第一外层22和第二外层24，以及设置在第一外层22与第二外层24之间的中间层26。中间层26可以包括孔洞28，该孔洞28穿过中间层26形成以限定一部分腔体14。第一窗30被设置在第一外层22处。第二窗32被设置在第二外层24处。
第一窗30和第二窗32足够得透明，以能够使具有期望被感测的波长36的电磁波34通过液体透镜10。具有波长36的入射电磁波34通过第一窗30进入液体透镜10，在导电液体16与绝缘液体18之间的界面20处被操纵，然后通过第二窗32离开液体透镜10。在一些实施方式中，第一外层22和/或第二外层24全部都对期望被感测的电磁波34的波长36足够得透明。由于电磁波34可穿过中间层26中的孔洞28，因此中间层26无需对期望被感测的电磁波34的波长36透明，但是中间层26可以对该波长36透明。
在一些实施方式中，第一外层22的外表面38和/或第二外层24的外表面40分别基本上是平面。因此，即使液体透镜10作为透镜来操作(例如，通过折射穿过界面20的电磁波34来操作)，液体透镜10的外表面38、40可以是平坦的，而不像一些固定透镜的外表面那样弯曲。在另一些实施方式中，第一外层22的外表面38和/或第二外层24的外表面40可以分别是弯曲的(例如凹面或凸面)。因此，液体透镜10可以包括集成的固定透镜。
液体电极10还包括与导电液体16电连通的共用电极42。此外，液体透镜10包括一个或多个驱动电极44，其可以被设置在腔体14的侧壁附近或侧壁处，并且与导电液体16和绝缘液体18隔绝。可向共用电极42和一个或多个驱动电极44施加不同的电压，以通过被称为电润湿的现象来改变如本文所述的界面20的形状。换言之，可操纵电压以增加或降低腔体14的表面46相对于导电液体16的湿润能力，并且改变界面20的形状或位置。在一些实施方式中，操纵电压以改变界面20的形状，这改变了液体透镜10的焦距或焦点。例如，这种焦距的改变能够使液体透镜10执行自动对焦功能。在另一些实施方式中，操纵电压以改变界面20相对于液体透镜10的光轴48的位置(例如，倾斜)。例如，界面20的这种倾斜能够使液体透镜10执行光学稳像(OIS)功能。可以在透镜主体12相对于图像传感器，固定透镜或透镜堆叠体，壳体，或其中可包含液体透镜10的装置的其他部件物理不移动的情况下来实现界面20的调整。为了提供大范围的焦距和倾斜角，导电液体16与绝缘液体18之间的光学折射率有显著差异可能是有益的。在一些实施方式中，导电液体16和绝缘液体18具有基本上相同的密度，这可有助于避免界面20的形状或倾斜因为透镜主体12的物理取向改变(例如因重力所致)而发生改变。
在液体透镜10的一些实施方式中，腔体14包括顶部空间50和基底部分52。例如，液体透镜10的中间层26中的孔洞28可以限定腔体14的基底部分52。液体透镜10的第一外层22中的凹陷54可以限定腔体14的顶部空间50，并且顶部空间50可以被设置在中间层26的孔洞28之外，如本文所述。在所示的实施方式中，至少一部分导电液体16被设置在腔体14的顶部空间50中，并且绝缘液体18被设置在腔体14的基底部分52内。基本上所有或一部分的绝缘液体18可以被设置在腔体14的基底部分52内。在一些实施方式中，界面20的周界56接触腔体14的基底部分52内的腔体14的表面46。
在例示的实施方式中，腔体14(更具体来说，腔体14的基底部分52)是渐缩的，使得腔体14的截面积在从第一窗30向第二窗32的方向上沿着光轴48减小。例如，腔体14的基底部分52具有窄端58和宽端60。术语“窄”和“宽”是相对术语，意为窄端58比宽端60更窄。腔体14的这种渐缩可以有助于导电液体16与绝缘液体18之间的界面20沿着光轴48维持对准。在另一些实施方式中，腔体14可以是渐缩的，以使得腔体14的截面积在从第一窗30向着第二窗32的方向上沿着光轴48增加，或者腔体14不是渐缩的，以使得腔体14的截面积沿着光轴48基本上保持恒定。
在所例示的实施方式中，液体透镜10还包括导电层62。至少一部分的导电层62面向腔体14。导电层62可以是导电涂层，所述导电涂层在第一外层22和/或第二外层24结合于中间层26之前被施加于中间层26。导电层62可包含金属材料、导电聚合物材料、另一种合适的导电材料、或其组合。导电层62可以由单个层或多个层形成，其中的一些或全部的层是导电的。在一些实施方式中，导电层62限定了共用电极42和/或一个或多个驱动电极44。例如，在第一外层22和/或第二外层24结合到中间层26之前，导电层62可以被施涂于中间层26的基本上整个外表面。在将导电层62施涂于中间层26之后，可以将导电层62分割成各种导电元件(例如，共用电极42和/或驱动电极44)。在一些实施方式中，导电层62在划线64处被分割，以使共用电极42和驱动电极44彼此隔离(例如，电学隔离)。在一些实施方式中，划线64是导电层62中的间隙。例如，划线64可以是宽度为约5μm、约10μm、约15μm、约20μm、约25μm、约30μm、约35μm、约40μm、约45μm、约50μm或者由所列数值限定的任何范围的间隙。
在所例示的实施方式中，液体透镜10还包括绝缘层66，所述绝缘层66被设置在驱动电极44层上并且面向腔体14。例如，为了形成绝缘层66，在第二外层24和中间层26结合在一起之后，但是在第一外层22和中间层26结合之前，可在导电层62和第二窗32上施涂绝缘涂层。因此，绝缘层66覆盖腔体14处的至少一部分导电层62以及第二窗32。绝缘层66对旨在穿过液体透镜10以用于感测的电磁波34的波长36足够得透明。在另一些实施方式中，为了形成绝缘层66，在第一外层22和/或第二外层24结合于中间层26之前，向中间层26施涂绝缘涂层。
在所例示的液体透镜10的实施方式中，绝缘层66覆盖原本会暴露于腔体14的一部分驱动电极44，以使导电液体16和绝缘液体18与驱动电极44隔绝。然而，在例示的实施方式中，绝缘层66不覆盖暴露于腔体14的至少一部分共用电极42。因此，共用电极42与导电液体16电学连通。
另一种示例性透镜的结构
现在参考图2A和2B，该图例示了另一种示例性液体透镜200的简化截面图。液体透镜200包括：包含盖部分202的透镜主体201，衬垫204，基底部分206，窗210和窗238。透镜主体201形成腔体213。腔体213保留导电液体16和绝缘液体18。
盖部分202被放置在基底部分206的上方但是通过衬垫204而与基底部分206分离。盖部分202包括由导电金属薄片形成的金属盖208，盘形玻璃窗210密封到该金属盖208，例如，通过由胶粘剂形成的密封物212来密封。盖具有圆形开口214，其允许电磁波34穿过而到达玻璃窗210。圆形开口214以液体透镜200的光轴Δ为中心并且在垂直于光轴Δ的平面上。
从光轴向外移动，金属盖208包括环形平坦部分216，其包围开口214并且优选垂直于光轴Δ。部分216的内表面的第一部位接触窗210的外表面，并且部分216的内表面的径向外部接触窗210和密封物212的外边缘。部分216的外边缘弯曲以形成边缘218，该边缘218大致以直角平行于光轴Δ延伸并且从部分216延伸向基底部分206。边缘218还优选接触密封物212。根据该实施方式，从边缘218出发，其本为“S”形(例如波状)的部分220远离光轴Δ延伸，使得边缘218连接到另一个环形平坦部分222，该环形平坦部分222优选至少基本上垂直于光轴Δ延伸。该“S”形部分220被设计成当液体透镜200内侧的流体施加压力时，其允许窗210有一定的移动，但是仅在平行于光轴Δ的方向上移动。
来自部分222的直角弯部连接到至少基本上平行于光轴Δ延伸的环形边沿部分224，这形成了液体透镜200的外边沿并且包围衬垫204和基底部分206。形成金属盖208的金属片的外边缘的部分224的端部优选通过卷曲而在区域226处向内朝向光轴Δ弯曲，以使其将衬垫204和基底部分206保持就位。
衬垫204可由聚合物形成并且截面可以是环形和基本“L”形，以使得该“L”的第一边或枝228的外表面接触并平行于金属盖208的环形平坦部分222的内表面，并且该“L”的第二边或枝230的外表面接触并平行于金属盖208的边沿部分224的内表面，因此增大接触表面。其他形状对于衬垫204也是可行的。例如，在一些实施方式中，衬垫204可以仅包括第一枝228。第一枝228和第二枝230的内表面接触基底部分206的表面。通过金属盖208的卷曲区域226施加的压力，在第二枝230的端部处的区域232向着光轴Δ向内弯曲(因此变成弯曲部分232)，并且此时衬垫204的内表面在基底部分206的角上施加压力，并且保持其就位。第一枝228的端部表面234面向光轴Δ，并且暴露于液体透镜200的内腔室。
基底部分206优选包括环形电极236，该环形电极236由导电材料形成，优选金属，大致垂直于光轴Δ定位的盘形玻璃窗238粘附于该环形电极236并且通过密封物240(例如，胶粘剂或粘合剂)密封。在环形电极236中形成以光轴Δ为中心的开口242，以允许光穿过玻璃窗238到达液体透镜200，或者从液体透镜200穿过玻璃窗238。玻璃窗238位于开口242的外侧上。环形电极236以环的形状模制或加工，该环的形状具有多个表面并且这些表面优选相对于光轴Δ旋转对称，现将对其进行更具体描述。
包围开口242的环形电极236的内边缘244优选是倾斜表面，例如，与光轴Δ成约45度，并且向上面向液体透镜200。毗邻且包围内边缘244的是环形平坦部分246，其也一般垂直于光轴Δ，并且毗邻该环形平坦部分246的是另一个倾斜边缘248，其同样面向液体透镜200并且大致平行于内表面244。毗邻并围绕倾斜边缘248的是环形平坦表面250，其内部部分暴露于液体透镜200的内腔室，并且其外部部分提供了与衬垫204的枝228的内表面接触的第一接触表面。毗邻表面250的是边缘表面252，其总体上平行于光轴Δ，该边缘表面252优选提供与衬垫204的枝230的内表面接触的第二接触表面。毗邻边缘表面252的环形平坦外表面254从液体透镜200面向外，并且向着光轴Δ延伸回。在边缘表面252与外表面254之间的大体直角的角是优选接触衬垫204的内部区域的角，该衬垫204的内部区域通过金属盖208的卷曲区域226弯曲。毗邻外表面254的另一表面256从液体透镜200向外延伸，其大体平行于光轴Δ，并且毗邻表面256，大体垂直于光轴Δ的环形表面258向着光轴Δ向内延伸。径向面向内的表面260大体平行于光轴Δ而毗邻环形表面258延伸，并且向着液体透镜200的内腔室延伸回。表面260毗邻环形平坦表面262，平坦表面262也大体上垂直于光轴Δ，其在环形电极236的内边缘244处终止。环形平坦表面262的径向内部接触玻璃窗238，并且环形平坦表面262的径向外部接触密封物240，其将窗238保持就位。
环形电极236优选包括用于接收窗238的接触表面260，262，用于接收绝缘液体18的内边缘244，用于与衬垫204的内表面接触的第一接触表面250和第二接触表面252，以及用于与衬垫204的弯曲部分232接触并且在表面252与254之间的角，由此保持环形电极236就位。
虽然图2A未示出，但是在图2B中显示出，液体透镜200在窗210和238之间形成的腔体213内包含导电液体16和绝缘液体18。绝缘液体18可以是电介质，其被定位成覆盖玻璃窗238的表面上的环形电极236的开口242。绝缘液体18的边缘优选落在环形电极236的一部分内边缘244内。导电液体16填充腔体213的剩余体积。导电液体16或绝缘液体18均不直接接触环形电极236的暴露表面，该暴露表面已经被绝缘层覆盖，如下文更详细解释。暴露于腔体213的金属盖208的“S”形区域220的导电液体16与其电接触。
在操作时，在环形电极236与金属盖208之间施加电压(优选振荡电压)，金属盖208起到第二电极的作用并且与导电液体16接触。由于电润湿效应增加了内边缘244被水润湿的能力，因此该电压改变了导电液体16与绝缘液体18之间的界面20的曲率。导电液体16和绝缘液体18具有不同的折射率，使得电磁波34在界面20处被折射。电磁波34穿过窗210和238，并且穿过导电液体16与绝缘液体18之间的界面20。
将绝缘层(其例如是聚合物)施加于基底部分206的顶部和侧面，即，施加于表面252、250、248、246、244以及施加在窗238的表面上，以保证电润湿有效。可将聚合物软涂层400施加于与衬垫204接触的金属盖208的暴露内表面，换言之，施加在部分224和222的内表面上方，以及“S”形部分220的内部的至少一部分上。衬垫204在外表面和内表面上可分别涂覆有聚合物软涂层402和404。这些是分别与金属盖208和基底部206接触的区域。聚合物涂层406可被施加于环形电极236的外边缘表面252和顶表面250，在绝缘层上(例如，与衬垫204接触的表面)。
液体透镜10和液体透镜200是为本文所述的新型导电液体16提供背景的实例，并不意味着将新型导电液体16的适用性限制为具有不同结构和构成的液体透镜。本文所述的新型导电液体16可有利地用于任何液体透镜结构。
绝缘层
液体透镜10的绝缘层66，以及施加于基底部分206的顶部和侧面，即，施加于液体透镜200的表面252、250、248、246、244以及施加在液体透镜200的窗238的表面上的绝缘层例如可以是：
·硅酮聚合物PDSM；
·无定形含氟聚合物，例如，购自杜邦公司(DuPont)的AF 1600和AF 1601；
·聚(亚芳基醚)；
·氟化聚(亚芳基醚)；
·氟化或未氟化的对二甲苯线性聚合物，例如聚对二甲苯，例如，聚对二甲苯C、聚对二甲苯F或聚对二甲苯AF-4、聚对二甲苯VT-4、聚对二甲苯N或聚对二甲苯D；
·无定形含氟聚合物，例如，来自旭硝子玻璃公司(Asahi Glass Co)的
·来自苏威公司(Solvay)的聚合物；
·芳族乙烯基硅氧烷聚合物，例如，来自陶氏化学公司(Dow Chemical)的二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯(DVS-BCB)；
·类金刚石碳(DLC)；
·聚(四氟乙烯)；
·聚乙烯；
·聚丙烯；
·含氟乙烯丙烯聚合物；
·聚萘；
·氟化聚萘；和
·类硅酮聚合膜SiOxCyHz。
绝缘液体
在一些实施方式中，绝缘液体18的电导率小于1x10-8S/m，小于1x10-10S/m，或小于1x10-14S/m。绝缘液体18可以是有机化合物或无机化合物或者它们的混合物。这些有机或无机化合物的实例包括烃、Si基单体、低聚物和聚合物，以及它们的混合物。其他实例包括Ge基单体、低聚物和聚合物，以及Si—Ge基单体、低聚物和聚合物。
烃可以是线性，支化或包含一个或多个环部分，其是饱和、不饱和、或部分不饱和的。烃可具有约8至约35个碳原子，或者10至约20个碳原子。烃可具有高于100℃的沸点。烃可包括单一烃或者冰点低于-20℃的石油馏出物。
烃可包括双键和/或三键形式的一个或多个不饱和度。然而，在暴露于紫外辐射时，超过2个或3个双键或三键可增加分解的风险。在一些实施方式中，烃不包含任何双键或三键，在这种情况中，烃在本文中可被称为烷烃。
烃还可包括一个或多个杂原子，其作为取代基和/或中断烃链和/或环的原子或原子的基团。这些杂原子包括但不限于氧、硫、氮、磷、卤原子(主要是氟、氯、溴和/或碘)。应注意，一个或多个杂原子的存在不应影响两种流体的不混溶性。
绝缘液体18可以是包含超过99.8％烷烃的混合物。这样的混合物可包含芳族基团和/或不饱和部分，其比值低于绝缘液体18的1重量％(例如，低于约0.5重量％)。烷烃的混合物可能包括杂质，其作为烷烃制备的副产物存在(例如，当它们通过蒸馏过程获得时)。
用于绝缘液体18的一些示例性烃包括：线性或支化烷烃，例如，癸烷(C10H22)、十二烷(C12H24)、角鲨烷(C30H62)等；包含一个或多个环的烷烃，例如，叔丁基环己烷(C10H20)等；稠环系，例如α-氯萘、α-溴萘、顺、反-十氢化萘(C10H18)等；烃的混合物，例如，作为V、P获得的那些(购自埃克森美孚公司(Exxon Mobil))等，以及它们的混合物。
如所提到的，绝缘液体18可包括硅基化合物。这种硅基化合物可包括式Ia、Ib或Ic的硅氧烷：
其中，R1、R2和R′各自独立地代表烷基、(杂)芳基、(杂)芳烷基、(杂)芳烯基或(杂)芳炔基，并且n被包含在约1至20之间，或者1至10之间(例如，1、2、3、4或5)，并且注意在式Ic中n大于2。
所述硅基化合物可包括式II的硅烷：
其中，R1、R2和R′如上文定义，并且m被包含在约1至约20之间，或者约1至约10之间(例如，1、2或3)。
所述硅基化合物可包括式III的单硅烷：
其中，R1和R2如上文定义，并且R3和R4各自独立地代表烷基、(杂)芳基、(杂)芳烷基、(杂)芳基烯基或(杂)芳基炔基。
在上式中：(1)烷基意为具有约1至约10个碳原子，或约1至约6个碳原子的直链或支链烷基；烷基可包括甲基、乙基、正丙基、异丙基；烷基可以是卤代的，例如，可以包括1,1,1-三氟丙基；(2)(杂)芳基意为包含约5至约12个原子的芳族或杂芳族基团，其形成至少一个(例如一个)芳环和/或杂芳环，所述环任选地被一个或多个卤素取代(例如，1、2、3个卤素原子，例如，氟、氯和/或溴)，并且任选地与一个或多个饱和、部分饱和或不饱和的环体系稠合；(杂)芳基可包括苯基、萘基、双环[4.2.0]辛三烯基，其任选地被1、2或3个卤素原子取代；(3)(杂)芳烷基如上文关于烷基和(杂)芳基中的每一者所定义；(杂)芳烷基可包括苄基、苯乙基，其任选地被1、2或3个卤素原子取代；以及(4)(杂)芳基烯基和(杂)芳基炔基对应于满足下述的基团：其中(杂)芳基部分如上文所定义，并且烯基和炔基代表如上文定义的直链或支化烷基且分别还包括一个或多个(例如一个)双键或者一个或多个(例如一个)三键。
用于绝缘液体18的一些示例性的硅基化合物包括六甲基二硅烷，二苯基二甲基硅烷，氯苯基三甲基硅烷，苯基三甲基硅烷，苯乙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，苯基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，聚二甲基硅氧烷，四-苯基四甲基三硅氧烷，聚(3,3,3-三氟丙基甲基硅氧烷)，3,5,7-三苯基九甲基-五硅氧烷，3,5-二苯基八甲基四硅氧烷，1,1,5,5-四苯基-1,3,3,5-四甲基-三硅氧烷，六甲基环三硅氧烷，以及正辛基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷。
绝缘液体18可包含一种或多种锗烷(Ge)基物质。示例性的锗烷基化合物包括六甲基二锗烷，六乙基二锗烷，二苯基二甲基锗烷，1-萘基三乙基锗烷(1-naphtyltriethylgermane)和苯基三甲基锗烷。
绝缘液体18可包括至少一种被一个或多个苯基和/或其他基团取代的Si基和/或Ge基化合物，所述其他基团例如氟化或未氟化的烷基(乙基、正丙基、正丁基)，线性或支化烷基、氯化或溴化苯基、苄基，卤代苄基；或者绝缘液体18包括Si基和/或Ge基化合物的混合物，其中，至少一种化合物被一个或多个苯基和/或其他基团取代，所述其他基团例如氟化或未氟化的烷基(乙基、正丙基、正丁基)，线性或支化烷基，氯化或溴化苯基，苄基，卤代苄基。一些具体的实例包括双(九氟己基)四甲基二硅氧烷和(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物。
一种示例性的绝缘液体18包括十二烷、九氟己基甲基硅氧烷/二甲基硅氧烷共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷和聚二甲基硅氧烷。占总重量的示例性重量百分比包括：十二烷(12-30％)；(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物(15-63％)；双(九氟己基)四甲基二硅氧烷(15-60％)；和聚二甲基硅氧烷(10-30％)。另一种示例性的绝缘液体18包括1-萘基三乙基锗烷，正辛基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，以及聚苯基醚SANTOLIGHT另一种示例性的绝缘液体18包括十二烷、(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷、六甲基二锗烷和六乙基二锗烷。调整绝缘液体18的各个组分的重量百分比影响绝缘液体18的密度、粘度和折射率。
导电液体
在一些实施方式中，本公开的新型导电液体16包括二氰胺阴离子和三氰基甲根阴离子中的一种或多种与阳离子抗衡离子的离子化合物。二氰胺阴离子通过式IV表示：
三氰基甲根阴离子通过式V表示：
已经发现，相比于包含羟基的常用导电液体16，包含二氰胺阴离子或三氰基甲根阴离子和阳离子抗衡离子的离子化合物：(1)更可能具有更接近-20℃或更低的熔点；(2)更可能在20℃下具有更接近1.0g/cm3的密度并因此更易与常用的绝缘液体18配对；(3)尽管缺少羟基但是与常用的绝缘液体18不混溶；以及(4)对波长36比可见区域长的电磁波34更加透明。
不希望囿于理论，认为，在常规导电液体中存在的一个或多个羟基至少部分地起到使导电液体与典型的绝缘液体不混溶的作用，但是也吸收波长大于或等于1400nm的电磁波。通过吸收波长大于或等于1400nm的电磁波，这些羟基可阻止导电液体透射足够百分比的要被感测和加工且波长大于或等于1400nm的入射电磁波通过液体透镜。因此，所述一个或多个羟基可阻止使用常规导电液体的液体透镜被用于旨在感测波长大于或等于1400nm的电磁波的应用。在一些实施方式中，本文公开的离子化合物几乎不具有羟基，这可以帮助解决常规导电液体用在涉及波长大于或等于1400nm的电磁波的应用中的短处。
可涉及感测波长大于或等于1400nm的电磁波的示例性应用是光通信，其可涉及感测具有1550nm典型波长的电磁波。此外，一些激光雷达测量方法可涉及感测波长为1550nm的电磁波。又例如，短波红外(SWIR)成像可涉及感测波长在900nm至1700nm之间的电磁波(例如，利用InGaAs传感器)。
在一些实施方式中，导电液体和绝缘液体具有帮助它们相容以用于液体透镜应用的性质。例如，导电液体和绝缘液体的密度可以相同或基本相同(例如，20摄氏度下相差不超过约3.10-3g/cm3)。另外，导电液体和绝缘液体的运动粘度可以充分地低和/或相同或基本相同(例如，在预期应用的温度范围内彼此相差在0cSt和±5cSt以内)。另外，导电液体和绝缘液体的熔点可充分地低(例如，-20摄氏度或更低，例如，-40摄氏度)。在一些应用中，导电液体和绝缘液体在-20摄氏度至70摄氏度的温度范围内(例如，在标准压力下，例如1atm下)可以为液相。在另一些应用中，导电液体和绝缘液体在-40摄氏度至85摄氏度的温度范围内(例如，在标准压力下，例如1atm下)可以为液相。
二氰胺阴离子和三氰基甲根阴离子均可与许多可能的阳离子抗衡离子匹配以形成用作或用于导电液体16的离子化合物。与二氰胺阴离子或三氰基甲根阴离子配对的示例性阳离子抗衡离子包括咪唑鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓、磷鎓、吡啶鎓、吡咯啉鎓、和锍基阳离子。
咪唑鎓阳离子具有下述通式VI，
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团，应注意有机基团中的羟基数目优选为0。在咪唑鎓阳离子的一些实施方式中，R’是甲基并且R是乙基，该阳离子被称为1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子。离子化合物二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓在26摄氏度的密度为1.101g/cm3，在21摄氏度的粘度为16.8mPa*s，熔点为-21摄氏度，并且折射率(589nm)为1.516。离子化合物三氰基甲烷化1-乙基-3-甲基咪唑鎓在25摄氏度的密度为1.08g/cm3，在25摄氏度的粘度为14.0cP，熔点为-11℃，并且折射率(589nm)为1.512。二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓和三氰基甲烷化1-乙基-3-甲基咪唑鎓二者的密度均适合与绝缘液体18的典型组分匹配。适于一些实施方式的另一种咪唑鎓阳离子是1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓阳离子。离子化合物二氰胺1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓在24摄氏度的密度为1.11g/cm3，在18摄氏度的粘度为16mPa*s，并且熔点低于室温。适于一些实施方式的另一种咪唑鎓阳离子是1-苄基-3-甲基咪唑鎓阳离子。离子化合物二氰胺1-苄基-3-甲基咪唑鎓在24摄氏度的密度为1.16g/cm3，在25摄氏度的粘度为78.5mPa*s，并且熔点低于室温。适于一些实施方式的另一种咪唑鎓阳离子是1-丁基-3-甲基咪唑鎓阳离子。离子化合物二氰胺1-丁基-3-甲基咪唑鎓在25摄氏度的密度为1.06g/cm3，在25摄氏度的粘度为28mPa*s，并且熔点低于0摄氏度。离子化合物三氰基甲烷化1-丁基-3-甲基咪唑鎓在25摄氏度的密度为1.05g/cm3并且在25摄氏度的粘度为27.3cP。适于一些实施方式的另一种咪唑鎓阳离子是1-己基-3-甲基咪唑鎓阳离子。离子化合物三氰基甲烷化1-己基-3-甲基咪唑鎓在24摄氏度的密度为1.02g/cm3，在25摄氏度的粘度为39.2cP，并且熔点低于室温。
吡咯烷鎓阳离子具有下述通式VII，
其中，R是氢或烷基，并且R’是氢或任何有机基团，应注意有机基团中的羟基数目优选为0。在吡咯烷鎓阳离子的一些实施方式中，R是乙基并且R’是甲基，该阳离子被称为N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓阳离子。在一些实施方式中，离子化合物二氰胺N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓可以是适合用作或用于导电液体16的离子化合物。在一些实施方式中，离子化合物三氰基甲烷化N-乙基-N-甲基吡咯烷鎓可以是适合用作或用于导电液体16的离子化合物。
适于一些实施方式的另一种吡咯烷鎓阳离子是1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子。离子化合物二氰胺1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓在20摄氏度的密度为1.02g/cm3，在20摄氏度的粘度为46mPa*s，并且熔点为-55摄氏度。离子化合物三氰基甲烷化1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓在25摄氏度的密度为1.01g/cm3，在25摄氏度的粘度为26.9cP。二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓和三氰基甲烷化1-乙基-3-甲基咪唑鎓二者的密度均适合与绝缘液体18的典型组分匹配。二氰胺1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓的远低于-20℃的熔点使得该离子化合物适合于导电液体16用于液体透镜10的许多应用。
哌啶鎓阳离子具有下述通式VIII，
其中，R是氢或有机基团，并且R’是氢或有机基团，其中，有机基团中的羟基数目可以为0。
磷鎓阳离子具有下述通式IX，
其中，R1、R2、R3、R4各自独立地为氢或任何有机基团，其中，有机基团中的羟基数目可以为0。适于一些实施方式的磷鎓阳离子是三己基十四烷基磷鎓阳离子。离子化合物二氰胺三己基十四烷基磷鎓在28摄氏度的密度为0.90g/cm3，在25摄氏度的粘度为361mPa*s，并且熔点低于室温。离子化合物三氰基甲烷化三己基十四烷基磷鎓也可以商购。
吡吡鎓阳离子具有下述通式X，
其中，R可以是氢或任何有机基团，其中，有机基团中的羟基数目可以为0。
吡咯啉鎓阳离子具有下述通式XI，
其中，R可以是氢或任何有机基团，其中，有机基团中的羟基数目可以为0。
锍阳离子具有下述通式XII，
其中，R1、R2和R3可以是氢或任何有机基团，其中，有机基团中的羟基数目可以为0。
导电液体16还可包括溶剂。然而，导电液体16中的含羟基物质的重量/重量总浓度应低于20％，低于10％，低于5％，或低于1％。不包括羟基的示例性极性溶剂包括二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二烷基乙二醇醚、二烷基丙二醇醚、碳酸酯和内酰胺。
现在参考图3，进行电润湿实验，以确定对于二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓(作为导电液体16)和二苯基二甲基锗烷(作为绝缘液体18)，接触角根据电压而变化的情况。该图表显示，在高于30伏特的电压范围中的电润湿迟滞低。
现在参考图4A和4B，进行实验以确定对于(a)二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓；和(b)乙二醇二者，入射电磁波34的百分透射率根据电磁波34的波长36变化的情况。图4A说明了乙二醇的结果。图4B说明了二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓的结果。在这两个实验中，入射电磁波34被引导到的液体的厚度为1mm。实验结果证明，对于波长36在800nm至2200nm的范围内，尤其是在1400nm至1600nm之间，特别是在1550nm的入射电磁波34，二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓通常比乙二醇具有更高的透射率(百分透射率)。
实施例
制备采用导电液体16的几种示例性液体透镜制剂，所述导电液体16包括具有二氰胺阴离子或三氰基甲根阴离子的离子化合物。实施例揭示了包括离子化合物并且所述离子化合物具有二氰胺阴离子或三氰基甲根阴离子的导电液体16可以具有与绝缘液体18的密度相匹配的密度(在例如20摄氏度的温度下相差在0.10g/cm3以内)。例如，密度匹配到相差在0.01g/cm3以内，在0.005g/cm3以内，或在0.001g/cm3以内。然后将示例性的制剂包含到液体透镜200中，并且确定液体透镜200(包括导电液体16和绝缘液体18二者)的透射率根据入射电磁波34的波长36而变化的情况。在图5中比较了示例性液体透镜200的制剂的透射率和商购的液体透镜200的透射率。
实施例1
在实施例1的制剂中，导电液体16是100重量％的二氰胺1-乙基-3-甲基咪唑鎓。绝缘液体18包括十二烷、(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷和聚二甲基硅氧烷。注意，导电液体16和绝缘液体18的密度匹配。
实施例2
在实施例2的制剂中，导电液体16是100重量％的三氰基甲烷化1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓。绝缘液体18包括十二烷、(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷和聚二甲基硅氧烷。注意，导电液体16和绝缘液体18的密度匹配到相差在0.001g/cm3以内。
实施例3
在实施例3的制剂中，导电液体16包括三氰基甲烷化1-乙基-3甲基唑咪鎓和γ-丁内酯。绝缘液体18包括十二烷、(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷和聚二甲基硅氧烷。注意，导电液体16和绝缘液体18的密度匹配到相差在0.005g/cm3以内。
现在参考图5，测试上述制剂实施例1，以确定电磁波34通过液体透镜200的透射率根据入射电磁波34的波长36而变化的情况，液体透镜200包括配制的导电液体16和绝缘液体18。测试透射率的液体透镜200不包括抗反射涂层。抗反射涂层的使用只会增加透射率。然后将制剂实施例1的透射率与比较制剂的透射率进行比较。比较制剂是可以商标透镜以A-25H型号购自的商购液体透镜。的A-25H型号变焦透镜使用包含水和乙二醇二者的导电液体。
如图5的图表所揭示的，制剂实施例1像比较制剂那样对波长36在900nm至1150nm范围内的电磁波34透明。相比于比较制剂，制剂实施例1对波长36大于1150nm(至少包括1150nm至1800nm的范围)的电磁波34更加透明。制剂实施例1对于波长36在900nm至约1570nm的电磁波34具有超过85％的透射率。相比于比较制剂，制剂实施例1对波长36在1400nm至1600nm之间的电磁波34透明得多。例如，实施例制剂1-3透射约90％的波长36为1550nm的入射电磁波34，而比较制剂透射57％的该波长36的入射电磁波34。波长36为1550nm的入射电磁波34的90％透射率接近于无抗反射涂层时的理论极限92％。此外，用于透射率实验的样品的厚度比导电液体的一些应用中的厚。因此，这些应用的透射率水平将比此处指示的结果高。预计对于制剂实施例2和3具有极相似的特征。
实施例4
在实施例4的制剂中，导电液体16包括二氰胺1-乙基-3甲基唑咪鎓。绝缘液体18包括1-萘基三乙基锗烷，正辛基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，以及聚苯基醚SANTOLIGHT注意，密度匹配到相差在0.008g/cm3以内。
实施例5
在实施例5的制剂中，导电液体16包括二氰胺1-乙基-3-甲基唑咪鎓。绝缘液体18包括十二烷、(25-35％九氟己基甲基硅氧烷)(65-75％二甲基硅氧烷)共聚物、双(九氟己基)四甲基二硅氧烷、六甲基二锗烷和六乙基二锗烷。
实施例6
在实施例6的制剂中，导电液体16包括二氰胺1-乙基-3-甲基唑咪鎓。绝缘液体18包括正辛基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷，六甲基二锗烷和六乙基二锗烷。
将实施例6的导电液体16和绝缘液体18包含到液体透镜200中。图6例示了电润湿曲线，其例示了光学功率和波前误差根据施加于液体透镜10的电压而变化的情况。在-5D至 15D屈光度范围中，计算透镜的迟滞在0.6D处最大。由均方根波前误差(RMS WFE)量化的光学质量最大为65nm。这些值在2.5m通光孔径上测量。
本领域技术人员会注意到，在实施例1、2、3、5和6中，导电液体16的光学折射率比绝缘液体18高。对应的液体透镜10将在低电压下会聚并且在较高电压下变得发散。在实施例4中，导电液体16比绝缘液体18具有更低的光学折射率。对应的液体透镜10将在低电压下发散并在较高电压下变得会聚。任何一种类型的情况可用于设计使用液体透镜的具有自动对焦、或倾斜或更高像差校正的光学系统，前提是在整个系统的设计中考虑驱动参数随电压变化的迹象。
在上文的实施例1、2、4、5和6中，离子化合物是100重量％的导电液体16。在实施例3中，离子化合物是80重量％的导电液体16。在一些实施方式中，离子化合物是至少80重量％的导电液体16，至少85重量％的导电液体16，至少90重量％的导电液体16，至少95重量％的导电液体16，至少97重量％的导电液体16，或者约100重量％或100重量％的导电液体16。用于制造离子化合物的制造过程可得到痕量的杂质，例如在作为离子化合物存在的液体中所存在的水。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离权利要求的精神或范围的情况下进行各种修改和变动。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
