仿生液體變焦鏡頭研究啟示

□衢州華茂外國語學校 鄭俊捷、鄭煜堃、殷莉莉

仿生液體變焦鏡頭研究啟示

□衢州華茂外國語學校 鄭俊捷、鄭煜堃、殷莉莉

灑滿陽光的黃金海岸，鱗次櫛比的大廈，以及我們大笑的瞬間……讓我們一次又一次地拿起相機，留下那些最珍貴的時刻吧。然而，相機自動變焦的時間慢，這讓我們傷透了腦筋。看著拍出來的照片，我們一次又一次地皺起了眉頭。

針對這個問題，我們查閱了相關資料，發現原來我們使用的相機鏡頭是通過增加鏡頭透鏡片的個數來達到變焦效果的，但是這樣的結構導致了鏡頭變焦的速度大為減慢，而且專業鏡頭的昂貴身價也讓常人難以接受（佳能長焦鏡頭在10萬元以上）。看來這種傳統相機鏡頭存在很大的缺陷。那我們能不能從根本上加以解決呢？

我們的創新想法最初來源于眼睛。大家想想看，我們的眼睛真的是最神奇的相機。變焦速度快，體積小，簡單而高效。那為何不能利用仿生學的原理改變傳統鏡頭的結構呢？

帶著問題，我們與校科技輔導員金老師交流了有關想法。沒想到，老師對我們的創意給予了高度評價。在初步論證方案的可行性之后，我們師生又進一步完善了項目方案，之后就正式開始了我們極富想象力的探索之旅。

我們的目標，就是設計一個以液體鏡頭代替復雜透鏡組裝置。達成目標的關鍵是找到一種類似于晶狀體的軟質透明物質，它可在外力作用下產生形變，從而改變它的焦距。

材料準備

我們準備了來自家中廚房的透明彈性PVE保鮮膜，還有PVC圓柱體空心筒。我們的初步設想是先制作一個“晶狀體”，把兩快膜邊緣粘緊，再穿上一圈細線，在兩端留出一個線頭，做出圖1的形狀，再在其中充入水（填充物暫且用水）并密封。拉著A、B兩個線頭，就可以任意調節它的形狀了。

在圓柱形筒上刻出CD、EF兩條凹槽，可以使“晶狀體”放入“鏡頭”，而兩個線頭留在外面以供人調節，如圖2所示。

圖2

效果測試

圖3最終實物模型

將4支光線筆通過裝置射向光屏，可以觀察到光線有明顯偏折，調節A、B兩個節點，可以看到光線偏折角度有變化，光屏上的4個點間距在調節節點時有較大變化。實驗證明這種方案是有效的，美中不足的是做起來很困難。首先水容易漏，其次曲面會影響刻度尺，使讀數有誤差，最后這個“晶狀體”在使用時會受到地球重力的影響，形狀會變成上小下大的形狀，影響成像。

我們針對這些問題進行了改進，改進后的方案正是我們最終完成的模型。材料大致相同，只是PVC管多增加了一個。要求是兩個管子能恰好緊密地套在一起（如圖3所示）。在AB面和CD上裹一層PVE膜。這樣的話，在兩個筒里面充上填充液體，兩頭的PVE膜就會凸起來，形成聚焦作用的曲面。調節兩個筒的間距（即圖3中h）的大小，就可以更輕松地變焦了。

至于填充的液體，我們想到了硅酸鈉溶液。硅酸鈉，俗稱水玻璃，溶于水后，它會形成粘稠的透明液體。實驗操作中我們也配制并使用了這樣的填充物。它的折光率比水大得多，可以用較大的量來達到同樣的折光率。但是硅酸鈉有強堿性，時間一久PVE膜的粘合劑就會被腐蝕，容易失落，測量時也容易弄到手上。我們在這個階段也吃了不少苦頭。

一次生活中的感悟，讓我們得到了靈感。經過不斷深入思考，堅持不懈的改進，我們終于有了初步的成果，并獲得了第25屆浙江省青少年科技創新大賽創新項目一等獎的好成績。這次經歷，讓我們明白只有敢于設想，刻苦鉆研，才能在科學探究的道路上前進。

時間過去一年多了，畢業使我們這個小組不得不分開一段時間。但是我們對這個裝置的改進還遠遠沒有結束。由于要應用到相機里，我們打算在控制兩個筒時使用微電機，編制程序來精確調節，使對焦變焦更準確。還得考慮讓裝置盡可能縮小體積，以便于大批量生產，期待我們的喜訊吧。

（指導老師 金友濱）