液體變焦技術的發展與展望

李零印，王一凡

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

近幾年來，液體變焦技術在光學領域引起了人們極大的關注。隨著法國Varioptic公司Arctic系列“液體透鏡技術”的推出，一種可以改變焦距的液體透鏡技術成為光學領域眾多學者研發創新的熱點。液體透鏡在使用材料和實現形式上與傳統透鏡有所不同，它是一種使用一種或多種液體制成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的內部參數［1］，有著傳統光學透鏡無法比擬的性能。從仿生態學角度來分析，人類的眼球具有極強的調節能力，可通過睫狀肌的收縮與松弛，調整晶狀體的曲率，實現對光線和背景目標的適應［2］性。針對液體變焦技術，目前研究人員正在研究如何采用非移動的形式實現自主變焦的功能，以解決傳統變焦系統無法超越的難點。

早在70年代，國外一些公司已開始研究新型液體變焦透鏡理論和技術推廣方案［3］，目前，液體變焦技術在美國、日本、歐洲取得了顯著成果。國內國防科技大學，上海理工大學有關液體透鏡的研究也在同步進行。理論上，一種無需輸出光學元件的位移量，而是通過改變光學元件自身性質的變焦距方式已經得到認證［4-7］。

在變焦鏡頭中使用液體透鏡，可以避免傳統變焦系統的機械傳動環節，可無需改變鏡組位置，完成變焦功能，從而推動變焦系統向小型化、靈巧方面發展。尋求一種全新、高集成度、智能化的控制系統有望給生物醫療、通訊技術、智能機器人、空間光學領域帶來前所未有的突破。

2 液體變焦透鏡的實現形式

實現液體變焦有3種方法:改變可變焦液體透鏡內部折射率變化，采用物理化學方法改變液體密度透過率等內在參數;改變液體表面曲率，通過對液體表面加壓，改變腔體表面曲率半徑，實現連續變焦;基于電潤濕效應，改變液體透鏡內部液體分布，實現透鏡的整體形變進行調焦。針對這3種液體透鏡變焦技術實現方法，這里介紹一些典型液體變焦透鏡的實現形式。

美國加州大學圣地亞哥分校研究的液體變焦透鏡［8］結構如圖1所示，其腔體由聚二甲基硅氧烷制成，直徑為20 mm，厚度為8 mm，它通過在腔體注入濃度63%的鉻酸鈉溶液，由液壓馬達的輸入輸出改變液體透鏡容積，精準控制柱形腔體的體積，改變液體表面曲率，調節液體透鏡焦距變化來實現變焦。這種變焦距液體透鏡結構小巧，成本低廉，但是光軸不穩，焦距變化范圍有限，圖像不夠清晰，需要依靠彈性薄片材料和液體的匹配確保成像質量，具體變焦公式推導見文獻［1］。

圖1 改變液體表面曲率實現變焦示意圖Fig.1 Schematic diagram of varifocal by changing liquid surface curve

電潤濕效應［9］是一種物理化學現象，是通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性，圖2(a)簡單示意了導電液體在鍍有電極和絕緣層固體表面上產生電濕效應的過程，其工作原理如圖2(b)所示。2003年，美國Lucent公司研究出世界上首個純電力控制液體變焦透鏡，液體變焦透鏡的參數通過電場控制，這為后續的控制系統設計和液體變焦透鏡的推廣提供了更廣闊的發展空間。

圖2 液體變焦透鏡的電潤濕效應Fig.2 Electrowetting effect of the liquid zoom lens

圖3 雙液體變焦透鏡Fig.3 Varifocal lens with dual liquid

2004年，荷蘭Philips公司研發出一種具有里程碑意義的變焦液體透鏡—無活動機械部件的液體透鏡［10］，其原理是采用互不相溶且具有不同折射率的液體(水和油)材料來確保液體在任何方位都能保持球面形狀，通過導電液體施加電壓，調節液體疏水性能，改變液體表面張力，從而改變致電液體與介電層的接觸角θ，實現液體透鏡的調焦，如圖3所示。

反射式液體變焦透鏡［11］的原理是用置有液體容器的旋轉面代替反射望遠鏡的傳統玻璃鏡面，當液體容器旋轉時，由于離心力的作用會形成一個理想凹面，凹面的形狀取決于旋轉速度，這樣即可輕松改變反射面凹面形狀，完成反射變焦。圖4為美國哥倫比亞大學研制的6 m反射式液體透鏡，制造成本僅為同規格傳統透鏡的1%。

圖4 哥倫比亞大學的6 m反射式液體透鏡Fig.4 Six-meter liquid mirror in Columbia University

3 液體變焦技術的優異性和發展潛力

基于液體透鏡技術的變焦距系統，在理論上已經有很深的積累，在國內微機械研究領域，已經取得一定的進展，一旦液體變焦透鏡在工程上獲得應用，它將會與自適應光學一起，在傳統變焦結構設計基礎上，為光學技術發展提供支持。液體透鏡技術的出現，可推動光學系統加快實現微型化、智能化的進程，滿足民用(手機攝像頭自動調焦、醫療器械內窺鏡)、軍備(大口徑液體反射鏡)等各領域的需求。因此，開展液體變焦技術在變焦距中的應用，包括如何獲得高穩定性能的液體材料，如何整合現有的液體透鏡技術以獲得簡單結構、成像質量優異的變焦距系統，有著不可估計的市場應用價值。

液體變焦透鏡之所以在光學領域備受推崇，在于其優異的性能和發展潛力。它突破了傳統的變焦鏡組設計方法，實現了輕量化，其半徑厚度比約為1∶5～10(傳統鏡組設計約為 1～5∶1);隨著系統整體質量的降低，驅動功率也大大降低。由于使用薄膜晶體管，可以對電場進行精確控制，從而提高分辨率;它的驅動電壓最高達+60 V，而電流不會超過1 mA，單個液體變焦透鏡的耗電量不會超過10 mV;由于液體透鏡基于液體表面張力運作，液體表面的平滑度遠遠大于傳統透鏡的機械加工精度，其表面粗糙度在1 nm以下，故有好的表面精度;另外，由于傳統的透鏡使用光柵結構，往往疑似有炫光效應，需采用高成本的顏色校驗法，而液體透鏡有好的調光性能，在溶解特定溶質時，可以調節光學特性，消除色差。

圖5(a)為美國物理學院2009年在不同焦距下利用MATLAB擬合液體的波前面型結果，PV，RMS數量級已經到了日常使用的范圍，圖5(b)為美國中央福羅里達州大學的分辨率為25 lp/mm液體透鏡技術，上述兩項試驗結論，讓變焦距液體透鏡的研究者更有信心去取得更好的成績。

圖5 液體變焦透鏡波前面型擬合結果Fig.5 Wavefront fitting result of varifocal liquid lens

4 需解決的問題

目前，液體透鏡技術的研究主要集中在如何獲得有效的變焦方法，液體變焦透鏡結構穩定性的實現，對整個液體變焦透鏡系統的分析，純液體變焦系統光學設計的研究等，但目前設計的單個液體透鏡，一旦確定了光學系統所需要的光焦度，就不再有其他設計自由度來校正各種像差，因此，很難獲取極高的成像質量;另外，如何提高液體透鏡透過率、色散等性能也有待進一步研究，這里分幾個方面闡述限制液體變焦透鏡發展的不利因素。

(1)液體膨脹系數大于固體膨脹系數，液體透鏡對溫度、重力等環境等因素敏感，如何克服溫度場，重力場對液體透鏡的影響，對液體透鏡的工程應用起著決定作用。

(2)液體透鏡的離軸系統和非對稱液體透鏡研究是液體透鏡獲得更廣泛應用的最佳途徑，由于液體透鏡的特殊性能，其在離軸系統和非對稱系統的應用研究必然有著廣闊的前景。

(3)成熟的液體透鏡產品太少，除了美國Lu-cent公司、法國Varioptic公司及荷蘭 Philiphs公司研制的電潤濕液體透鏡具有較為成熟的形式之外，其余公司和科研單位的研究都處于實驗階段。

5 結束語

液體透鏡的發展，將為光學儀器的變革提供助力，其特殊的功能和變焦形式，在變焦距系統中有著傳統變焦無法比擬的優勢。目前關于液體變焦透鏡技術的研究大多在液體透鏡本身和材料方面，但臺灣的學者已涉足對液體變焦透鏡系統的研究，并取得了一些試驗成果。雖然傳統變焦系統已日趨成熟，但在一些對尺寸有嚴格限定，又要求有很好變焦能力的領域諸如醫療、通信等，變焦系統還有很多問題尚待解決。液體變焦透鏡鏡頭技術有可能全面覆蓋傳統光學鏡頭的應用領域，從而引發一場光學鏡頭技術變革，應該說液體變焦透鏡技術將會在光學相關產業得到廣泛應用。

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