專利名稱：可變外型棱鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及 一 可變外型棱鏡，尤指 一 種采用電濕潤原 理制造而成的可變外型棱鏡。
背景技術：
電濕潤(Electro-wetting)主要原理為在液體施力口 一電壓，通過液體表面張力的減少和液體與 一 接觸層間接 觸角的改變，控制該液體和接觸層間的濕潤性 (Wettabi1ity)。
請參閱圖1，其所繪示為美國專利(US 7,126,903) 所揭露的 一 利用電濕潤原理所制造而成的可變焦點透鏡 (Variable Focus Lens)的咅lj面圖。該可變焦點透鏡主要 包括 一 圓柱形液體容器5 (Cylindrical Fluid Chamber)， 該容器5內含兩種不相溶液體A和液體B; —第 一 電極2 (Electrode);—第二電極12;—第一透明層 4(Transparent Layer); —第二透明層 6 ， 一絕緣層 8 (Insulator) ， 一接角蟲層10(Contact Layer); 以及由不 相溶液體A和液體B所形成的一液面14 (Interface)。此 外，第 一 電極2和第二電極12間可施加 一 電壓。
液體 A為絕緣(Electrically Insulating), 可為硅 油(Silicone Oil)或烷烴(Alkane); 液體 B 為導電 (Electrically Conducting), 可為鹽類的溶液。液體 A 和液體B被設計為具有近似的密度(Density)，如此將可 避免重力作用(Gravitational Effect)在對液體A和液體 B影響時，改變光線原本被設計行進的方向。為了達成液 體A和液體B具有近似的密度，可通過改變液體A (硅油或 烷烴)的分子結構來達成。此外，液體A和液體B具有不 同的折射率(Refractive Index)，其中液體A的折射率高 于液體B的折射率。第 一 電極2為環狀形，位于圓柱形液 體容器5的外側，且為避免第 一 電極2與液體A和液體B 接觸，第 一 電極2被絕緣層8所包覆。接觸層10位于圓 柱形容器5的內偵IJ ，與液體A和液體B接觸。第二電極12 為圓形，位于液體容器5的 一 側，且與導電的液體B相接 觸。透明層4位于容器5的左側，可被視為光線的入射面； 透明層6位于容器5的右側，可被視為光線的出射面。
如圖1所示，當沒有施加電壓于第 一 電極2和第二電 極12間時(V0 = 0)，由于液體B的表面張力(SurfaceTension)比液體A的表面張力大，且接觸層10對液體B 的濕潤性在電壓為零時來說相對較大，因此，此時液體B 與接觸層10的接觸角e o大于90度(例如140度)。
由于電濕潤原理，接觸層10對液體B的濕潤性可通 過對第一電極2和第二電極12間的電壓來改變，經由改 變接觸層1 0對液體B的濕潤性，進而改變液體B與接觸 層IO的接觸角，最終改變液體A和液體B間的液面14的
外形。也就是說可變焦點透鏡的主要特征是通過對第一 電極2和第二電極12間電壓的控制，來改變液面14的變
化，進而控制可變焦點透鏡的焦點位置。
舉例來說，請參閱圖2 ( A)，其所繪示為 一 具有相對 小偏壓電壓的可變焦點透鏡的剖面圖。當施加 一 相對較小 偏壓電壓(例如Vl二20 150V)于第 一 電極2和第二電極12 間時，由于液體B的表面張力依然比液體A的表面張力大， 且在此偏壓下，接觸層10對液體B的濕潤性比在電壓為 零時來說相對較大，因而液體B對接觸層10的接觸角9 1 會介于90度和140度之間(例如100度)。在此組態下， 由于液體A的折射率高于液體B的折射率，此時可變焦點 透鏡可視為一凹透鏡(Concave),亦即，該可變焦點透鏡 具有 一 負數值的功率。
請參閱圖2(B)，其所繪示為 一 具有相對大偏壓電壓 的可變焦點透鏡的剖面圖。當施加 一 相對較大電壓(例如V2 = 150 200V)于第一電極2和第二電極12間時，由于液 體B的表面張力轉而比液體A的表面張力小，且在此偏壓 下，接觸層1 0對液體B的濕潤性更大，因而液體B對接
觸層10的接觸角9 2會小于90度(例如60度)。在此組態
下，由于液體A的折射率高于液體B的折射率，此時可變
隹 乂 、、、點透鏡可視為一凸透鏡(Convex),亦即，該可變焦點透
鏡具有一正數值的功率。
由以上說明可知，通過電濕潤原理，亦即通過改變對
第一電極2和第二電極12間偏壓電壓大小，可進而改變
液體A和液體B間的液面14的外形，最終實現可變焦點
透鏡。
然而，由于上述的可變焦點透鏡是采用單一的電極群
組(第 一 電極2和第二電極12)，使得兩不相溶液體A和液
體B間的液面14所產生的變形只能為圓對稱，因此，可
變焦點透鏡只能形成凸透鏡或凹透鏡的效果，并不具備改
變光束行進方向的功能。而在改變光束行進方向的相關公
知技術中(例如美國專利4118109， 7217002)，都是利用外在的可動機構組件來帶動光學組件(如反射鏡或棱鏡)，來 造成光束行進方向的改變，但是這樣的方式需要增加額外 機構的成本以及額外容納機構的空間。
發明內容
本發明的主要目的，是利用電濕潤原理及采用多數個 電極群組，提供一種可改變外型的棱鏡，此棱鏡不需要外 在的移動機構去改變棱鏡的位置或角度，就可以改變光束 的行進方向。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是 一種可變外型棱鏡，包括 一容器，該容器內含一第 一種液體和 一 第二種液體，其中該第 一 種液體是可導電 的，該第二種液體是絕緣的，該第 一 種液體和該第二種液 體具有不同折射率，該第 一 種液體和該第二種液體彼此不 相溶，因此該第 一 種液體和該第二種液體間存在 一 液面； 一第一電極，該第一電極與該第一種液體相接觸；以及一 第二電極，該第二電極為多數個，且環狀分布于該第一種 液體和該第二種液體周圍，該些第二電極由 一 絕緣層所包 覆，避免與該第一種液體和該第二種液體接觸，且該些第 二電極可分別與該第 一 電極形成 一 多數個電極群組；其 中，通過對該些電極群組施以不同電壓，可改變該第二種 液體的表面張力，進而改變該液面的形狀。
再者，一種可變外型棱鏡，包括 一圓柱形容器， 該圓柱形容器包含一圓柱邊，其中該容器內含彼此不相溶 的 一 第 一 種液體和 一 第二種液體，因此該第 一 種液體和該第二種液體存在一液面，該第一種液體和該第二種液體具
有不同折射率； 一接觸層，位于該容器的圓柱邊內側；一
第 一 電極，該第 一 電極位于與該第二種液體相接觸；以及 一第二電極，該第二電極為多數個，該些第二電極環狀分 布于該容器的圓柱邊外側，且該些第二電極由 一 絕緣層所
包覆，避免該些第二電極與該第一種液體和該第二種液體
接觸，且該些第二電極可分別與該第 一 電極形成多數個電
極群組；其中，該接觸層與該第二種液體之間存在一濕潤
性，且該濕潤性會影響該液面的形狀，該濕潤性可由對該
些電極群組施以電壓所控制，因此，通過對該些電極群組
施以不同電壓，可改變該液面的形狀。
再者， 一種照明系統，包括 一光源；一透鏡以
及一可變外型棱鏡；其中，當一光束由該光源射出后，該
光束先經由該透鏡調整該光束適當的聚焦狀況，然后照、射
至該可變外型棱鏡，此時通過對該可變外型棱鏡的多數個
電極群組施以不同程度的電壓，使得該光束可從任意角度射出。
本發明的功效
采用本發明的可變外型棱鏡作為改變光束行進方向
組件的照明系統，不需要利用外在的可動機構組件來帶動 光學組件，使照明系統的體積顯著的減少，亦可避免可動 機構組件帶動光學組件時，所可能產生的躁音。
圖1所繪示為美國專利(US 7， 126， 903)所揭露的一 利用電濕潤原理所制造而成的可變焦點透鏡的剖面圖2 ( A )所繪示為 一 具有相對小偏壓電壓的可變焦 點透鏡的剖面圖2 (B)所繪示為一具有相對大偏壓電壓的可變焦 點透鏡的剖面圖3 ( A )所繪示為本發明的可改變外形棱鏡的俯視
圖3 ( B )所繪示為本發明的可改變外形棱鏡的剖視
圖4 (A)所繪示為本發明的可改變外形棱鏡在不同 電壓控制下的液面變化的剖面圖4 (B)所繪示為本發明的可改變外形棱鏡在不同 電壓控制下的液面變化的剖面圖4 (C)所繪示為本發明的可改變外形棱鏡在不同 電壓控制下的液面變化的剖面圖4 (D)所繪示為本發明的可改變外形棱鏡在不同 電壓控制下的液面變化的剖面圖5所繪示為 一 具有十組電極群組的本發明的可改變外型棱鏡的俯視圖6所繪示為應用本發明的可變外型棱鏡所構成的 一照明系統。
本發明圖式中所包含的各組件列示如下
電極2、 12、
透明層4、 6、
容器5、 22
絕緣層 8、 32
接觸層10、 34
液面14、 36
液體A、 B
具體實施例方式
本發明主要利用電濕潤原理及多數個電極群組來制 造 一 種可改變外型棱鏡，此棱鏡不需要外在的移動機構去 改變棱鏡的位置或角度，就可以改變光束的行進方向。
請參閱圖3 (A)和圖3 (B)，其所繪示分別為本發 明的可改變外形棱鏡的俯視圖和剖視圖。該可改變外形棱 鏡主要包括 一 圓柱形液體容器22 ，該容器22內含兩種不
相溶液體A和液體B;多數個第一電極24;—第二電極26;一第一透明層28; —第二透明層30; —絕緣層32; —接 觸層34 ;以及由該不相溶液體A和液體B所形成的 一 液面36。
液體A為絕緣，可為硅油(silicone oil);液體B為 導電，可為鹽類的溶液。液體A和液體B被設計為具有近 似的密度，如此將可避免重力作用在對液體A和液體B影 響時，改變光線原本被設計行進的方向。此外，液體A和 液體B具有不同的折射率，在本實施例中，液體B的折射 率高于液體A的折射率。多數個第 一 電極24平均地環狀 分布于該圓柱形容器22的外側，且為避免第 一 電極24與 液體A和液體B接觸，第 一 電極24被絕緣層32所包覆。 第二電極26為圓形，位于容器22的下側且與導電的液體 B相接觸，且第二電極26為透明，可以讓光線穿過，此外， 多數個第 一 電極24可分別與第二電極26組成多數個電極 群組。接觸層34位于圓柱形容器22的內偵lj ，與液體A和 液體B接觸。透明層28位于容器22的上側，可被視為光 線的入射面；透明層30位于容器22的下側，可被視為光 線的出射面。
由于電濕潤原理，接觸層34對液體B的濕潤性，亦 即液體B對接觸層34的接觸角，可通過對第 一 電極24和 第二電極26間(電極群組)的偏壓來控制。在本實施例中， 電壓V0代表沒有施加電壓在第一電極24和第二電極26間，在此組態下，由于液體B的表面張力比液體A的表面
張力大，且接觸層34對液體B的濕潤性相對較低，因而 液體B對接觸層34的接觸角大于90度(e 1);電壓VI代
表施加一個適當的中等電壓在第一電極24和第二電極26 間，在此組態下，由于液體A的表面張力和液體B的表面 張力相等，且接觸層34對液體B的濕潤性相較沒有施加 電壓時大，因而液體B對接觸層34的接觸角接近90度(9 2);電壓V2代表施加 一 個大電壓在第 一 電極24和第二電 極26間，在此組態下，由于液體B的表面張力比液體A 的表面張力小，且接觸層34對液體B的濕潤性相較比施 加電壓VI時更大，因而液體B對接觸層34的接觸角小于 90度(e 3)。
圖4(A)至圖4(D)為在不同電壓控制下，可改變 外形棱鏡的液面變化的剖面圖。請參閱圖4(A)，當不施 加任何電壓(V0)于左側電極群組和右側電極群組時，液體 B左側對接觸層34的接觸角大于90度(9 1)，且液體B 右側對接觸層34的接觸角亦大于90度(6 1)。
請參閱圖4(B)，當同時施加 一 中等電壓(VI)于左側 電極群組和右側電極群組時，液體B左側對接觸層34的 接觸角等于90度(9 2)，且液體B右側對接觸層34的接 觸角亦等于90度(9 2)，此時液面36為水平。在此組態 下，光束通過可改變外形棱鏡后，并不會改變原本行進方向。
請參閱圖4(C)，當施加 一 較大電壓(V2)于左側電極 群組而不施加任何電壓(V0)于右側電極群組時，液體B左 側對接觸層34的接觸角小于90度(6 3)，液體B右側對 接觸層34的接觸角大于90度(9 0)，此時液面36會向右 傾斜。在此組態下，光束通過可改變外形棱鏡后會向左偏 折。
請參閱圖4(D)，當不施加任何電壓(V0)于左側電極 群組而施加一較大電壓(V2)于右側電極群組時，液體B左 側對接觸層34的接觸角大于90度(9 0)，液體B右側對 接觸層34的接觸角小于90度(9 2)，此時液面36會向左 傾斜。在此組態下，光束通過可改變外形棱鏡后會向右偏 折。
為了更具體說明本發明的可改變外形棱鏡，可經由控 制電極群組的電壓來改變光束的方向，以下將以一具有十 組電極群組的可改變外型棱鏡來作說明。請參閱圖5 ，其 所繪示為 一 具有十組電極群組的可改變外型棱鏡的俯視 圖。十組第二電極(P1 P10)沿著容器22外圍平均分布， 光束由紙面上方，先后經由液體A、液體B ，而垂直入射 紙面下方。若通過對這十組電極群組施以不同程度的電 壓，則可以改變液體A和液體B間的液面36 ，進而控制光 束射出的方向。舉例來說，如果希望光束在射出可變外型棱鏡時能向右上方偏折，則可變外型棱鏡的液面36必需 向左下方傾斜，此時只需要對電極P2 、P3施加相對較大
的電壓；對電極Pl、 P4施加次大的電壓；對電極P5、 P10 施加中等電壓；對電極P6、 P9施加較小的電壓；對電極 P7 、 P8不施加電壓；如此便可讓可變外型棱鏡的液面36 向左下方傾斜，使得光束向右上方偏折。
本發明的可變外型棱鏡亦可應用于 一 照明系統，作為 照明系統中改變光束行進方向的組件。請參閱圖6 ，其所 繪示為應用本發明的可變外型棱鏡所構成的 一 照明系統。
該照明系統主要包括一光源42;—透鏡44;以及一可
變外型棱鏡 46 ; 其中該光源 42 可為一 LED (Light-Emitting Diode)。當光束由光源42射出后， 光束先經由透鏡44調整光束適當的聚焦狀況，然后照射 至可變外型棱鏡46。此時通過對可變外型棱鏡中多數個電 極群組施以不同程度的電壓，則可將可變外型棱鏡內的液 面向任何方向傾斜，如此一來，則可將此光束從任意角度 射出。
由于此照明系統采用可變外型棱鏡作為改變光束行 進方向的組件，因此不需要利用外在的可動機構組件來帶 動光學組件，如此一來，此照明系統的體積將可顯著的減 少，此外，亦可避免可動機構組件帶動光學組件時，所可 能產生的躁音。綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然 其并非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本 發明的精神和范圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發 明的保護范圍當視權利要求保護的范圍所界定者為準。
權利要求
1. 一種可變外型棱鏡，其特征在于，包括一容器，該容器內含一第一種液體和一第二種液體，其中該第一種液體是導電的，該第二種液體是絕緣的，該第一種液體和該第二種液體具有不同折射率，該第一種液體和該第二種液體彼此不相溶，因此該第一種液體和該第二種液體間存在一液面；一第一電極，該第一電極與該第一種液體相接觸；以及一第二電極，該第二電極為多數個，且環狀分布于該第一種液體和該第二種液體周圍，該些第二電極由一絕緣層所包覆，避免與該第一種液體和該第二種液體接觸，且該些第二電極分別與該第一電極形成一多數個電極群組；其中，通過對該些電極群組施以不同電壓，以改變該第二種液體的表面張力，進而改變該液面的形狀。
2. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述第 一 種液體和該第二種液體的密度近似。
3. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述容器為圓柱形。
4. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述液面經由對該些電極群組施以不同電壓而向任一方 向傾斜，且傾斜的程度由電壓的大小來控制。
5. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于，所述容器另包含一第一透明層和一第二透明層，該第一透 明層和該第二透明層分別位于該容器的兩端，該第 一 透明 層視為光束的入射面，而該第二透明層視為光束的出射 面。
6. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述第一 電極為透明。
7. 如權利要求1所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 在不施以任何電壓于該些電極群組時，該可變外型棱鏡為一透鏡。
8. —種可變外型棱鏡，其特征在于，包括一圓柱形容器，該圓柱形容器包含一圓柱邊，其中該 容器內含彼此不相溶的一第一種液體和一第二種液體，因 此該第 一 種液體和該第二種液體存在 一 液面，該第 一 種液體和該第二種液體具有不同折射率；一接觸層，位于該容器的圓柱邊內偵IJ ;一第 一 電極，該第 一 電極位于與該第二種液體相接 觸；以及一第.二電極，該第二電極為多數個，該些第二電極環狀分布于該容器的圓柱邊外側，且該些第二電極由 一 絕緣層所包覆，避免該些第二電極與該第種液體和該第二種液體接觸，且該些第二電極分別與該第電極形成多數個電極群組g巾，該接觸層與該第二種液體之間存在一濕潤性，且該濕潤性會影響該液面的形狀，該濕潤性由對該些電極群組施以電壓所控制，因此，通過對該勝電極群組施以不同電壓，以改變該液面的形狀。
9. 如權利要求8所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述第 一 種液體是絕緣的，該第二種液體是導電的。
10. 如權利要求8所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述第 一 種液體和該第二種液體的密度近似。
11. 如權利要求8所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述液面經由對該些電極群組施以不同電壓而向任一方向傾斜，且傾斜的程度由電壓的大小來控制。
12.如權利要求8所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 所述第 一 電極為透明。
13.如權利要求8所述的可變外型棱鏡，其特征在于，所述容器另包含 一 第 一 透明層和 一 第二透明層，分別位于 該圓柱形容器的兩側，該第 一 透明層視為光束的入射面， 而該第二透明層視為光束的出射面。
14.如權利要求 在不施以任何電壓于 一透鏡。8所述的可變外型棱鏡，其特征在于， 該些電極群組時，該可變外型棱鏡為
15. —種照明系統，其特征在于，包括一光源； 一透鏡；以及 一可變外型棱鏡；其中，當一光束由該光源射出后，該光束先經由該透 鏡調整該光束適當的聚焦狀況，然后照射至該可變外型棱 鏡，此時通過對該可變外型棱鏡的多數個電極群組施以不 同程度的電壓，使得該光束從任意角度射出。
16.如權利要求15所述的可變外型棱鏡，其特征在于，所述光源為一 LED。
全文摘要
本發明為一種可變外型棱鏡，包括一容器，該容器內含一第一種液體和一第二種液體，其中該第一種液體是可導電的，該第二種液體是絕緣的，該第一種液體和該第二種液體具有不同折射率，該第一種液體和該第二種液體彼此不相溶，因此該第一種液體和該第二種液體間存在一液面；一第一電極，該第一電極與該第一種液體相接觸；以及一第二電極，該第二電極為多數個，且環狀分布于該第一種液體和該第二種液體周圍，該些第二電極由一絕緣層所包覆，避免與該第一種液體和該第二種液體接觸，且該些第二電極可分別與該第一電極形成一多數個電極群組；其中，通過對該些電極群組施以不同電壓，可改變該第二種液體的表面張力，進而改變該液面的形狀。
文檔編號G02B5/06GK101435915SQ200710168148
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月13日 優先權日2007年11月13日
發明者侯勝發 申請人:建興電子科技股份有限公司