李零印，王一凡

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

近幾年來(lái)，液體變焦技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域引起了人們極大的關(guān)注。隨著法國(guó)Varioptic公司Arctic系列“液體透鏡技術(shù)”的推出，一種可以改變焦距的液體透鏡技術(shù)成為光學(xué)領(lǐng)域眾多學(xué)者研發(fā)創(chuàng)新的熱點(diǎn)。液體透鏡在使用材料和實(shí)現(xiàn)形式上與傳統(tǒng)透鏡有所不同，它是一種使用一種或多種液體制成的無(wú)機(jī)械連接的光學(xué)元件，可以通過(guò)外部控制改變光學(xué)元件的內(nèi)部參數(shù)［1］，有著傳統(tǒng)光學(xué)透鏡無(wú)法比擬的性能。從仿生態(tài)學(xué)角度來(lái)分析，人類(lèi)的眼球具有極強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，可通過(guò)睫狀肌的收縮與松弛，調(diào)整晶狀體的曲率，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線(xiàn)和背景目標(biāo)的適應(yīng)［2］性。針對(duì)液體變焦技術(shù)，目前研究人員正在研究如何采用非移動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)自主變焦的功能，以解決傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)無(wú)法超越的難點(diǎn)。

早在70年代，國(guó)外一些公司已開(kāi)始研究新型液體變焦透鏡理論和技術(shù)推廣方案［3］，目前，液體變焦技術(shù)在美國(guó)、日本、歐洲取得了顯著成果。國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)，上海理工大學(xué)有關(guān)液體透鏡的研究也在同步進(jìn)行。理論上，一種無(wú)需輸出光學(xué)元件的位移量，而是通過(guò)改變光學(xué)元件自身性質(zhì)的變焦距方式已經(jīng)得到認(rèn)證［4-7］。

在變焦鏡頭中使用液體透鏡，可以避免傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可無(wú)需改變鏡組位置，完成變焦功能，從而推動(dòng)變焦系統(tǒng)向小型化、靈巧方面發(fā)展。尋求一種全新、高集成度、智能化的控制系統(tǒng)有望給生物醫(yī)療、通訊技術(shù)、智能機(jī)器人、空間光學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的突破。

2 液體變焦透鏡的實(shí)現(xiàn)形式

實(shí)現(xiàn)液體變焦有3種方法:改變可變焦液體透鏡內(nèi)部折射率變化，采用物理化學(xué)方法改變液體密度透過(guò)率等內(nèi)在參數(shù);改變液體表面曲率，通過(guò)對(duì)液體表面加壓，改變腔體表面曲率半徑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦;基于電潤(rùn)濕效應(yīng)，改變液體透鏡內(nèi)部液體分布，實(shí)現(xiàn)透鏡的整體形變進(jìn)行調(diào)焦。針對(duì)這3種液體透鏡變焦技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，這里介紹一些典型液體變焦透鏡的實(shí)現(xiàn)形式。

美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校研究的液體變焦透鏡［8］結(jié)構(gòu)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(guò)在腔體注入濃度63%的鉻酸鈉溶液，由液壓馬達(dá)的輸入輸出改變液體透鏡容積，精準(zhǔn)控制柱形腔體的體積，改變液體表面曲率，調(diào)節(jié)液體透鏡焦距變化來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦。這種變焦距液體透鏡結(jié)構(gòu)小巧，成本低廉，但是光軸不穩(wěn)，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(zhì)量，具體變焦公式推導(dǎo)見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。

圖1 改變液體表面曲率實(shí)現(xiàn)變焦示意圖Fig.1 Schematic diagram of varifocal by changing liquid surface curve

電潤(rùn)濕效應(yīng)［9］是一種物理化學(xué)現(xiàn)象，是通過(guò)改變液體-固體界面的外加電壓來(lái)控制液體在固體面上的潤(rùn)濕特性，圖2(a)簡(jiǎn)單示意了導(dǎo)電液體在鍍有電極和絕緣層固體表面上產(chǎn)生電濕效應(yīng)的過(guò)程，其工作原理如圖2(b)所示。2003年，美國(guó)Lucent公司研究出世界上首個(gè)純電力控制液體變焦透鏡，液體變焦透鏡的參數(shù)通過(guò)電場(chǎng)控制，這為后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和液體變焦透鏡的推廣提供了更廣闊的發(fā)展空間。

圖2 液體變焦透鏡的電潤(rùn)濕效應(yīng)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(fā)出一種具有里程碑意義的變焦液體透鏡—無(wú)活動(dòng)機(jī)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(lái)確保液體在任何方位都能保持球面形狀，通過(guò)導(dǎo)電液體施加電壓，調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)液體透鏡的調(diào)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(zhuǎn)面代替反射望遠(yuǎn)鏡的傳統(tǒng)玻璃鏡面，當(dāng)液體容器旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用會(huì)形成一個(gè)理想凹面，凹面的形狀取決于旋轉(zhuǎn)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(guó)哥倫比亞大學(xué)研制的6 m反射式液體透鏡，制造成本僅為同規(guī)格傳統(tǒng)透鏡的1%。

圖4 哥倫比亞大學(xué)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(shù)的優(yōu)異性和發(fā)展?jié)摿?/h2>

基于液體透鏡技術(shù)的變焦距系統(tǒng)，在理論上已經(jīng)有很深的積累，在國(guó)內(nèi)微機(jī)械研究領(lǐng)域，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，一旦液體變焦透鏡在工程上獲得應(yīng)用，它將會(huì)與自適應(yīng)光學(xué)一起，在傳統(tǒng)變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為光學(xué)技術(shù)發(fā)展提供支持。液體透鏡技術(shù)的出現(xiàn)，可推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)加快實(shí)現(xiàn)微型化、智能化的進(jìn)程，滿(mǎn)足民用(手機(jī)攝像頭自動(dòng)調(diào)焦、醫(yī)療器械內(nèi)窺鏡)、軍備(大口徑液體反射鏡)等各領(lǐng)域的需求。因此，開(kāi)展液體變焦技術(shù)在變焦距中的應(yīng)用，包括如何獲得高穩(wěn)定性能的液體材料，如何整合現(xiàn)有的液體透鏡技術(shù)以獲得簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量?jī)?yōu)異的變焦距系統(tǒng)，有著不可估計(jì)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

液體變焦透鏡之所以在光學(xué)領(lǐng)域備受推崇，在于其優(yōu)異的性能和發(fā)展?jié)摿?。它突破了傳統(tǒng)的變焦鏡組設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了輕量化，其半徑厚度比約為1∶5～10(傳統(tǒng)鏡組設(shè)計(jì)約為 1～5∶1);隨著系統(tǒng)整體質(zhì)量的降低，驅(qū)動(dòng)功率也大大降低。由于使用薄膜晶體管，可以對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行精確控制，從而提高分辨率;它的驅(qū)動(dòng)電壓最高達(dá)+60 V，而電流不會(huì)超過(guò)1 mA，單個(gè)液體變焦透鏡的耗電量不會(huì)超過(guò)10 mV;由于液體透鏡基于液體表面張力運(yùn)作，液體表面的平滑度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)透鏡的機(jī)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(tǒng)的透鏡使用光柵結(jié)構(gòu)，往往疑似有炫光效應(yīng)，需采用高成本的顏色校驗(yàn)法，而液體透鏡有好的調(diào)光性能，在溶解特定溶質(zhì)時(shí)，可以調(diào)節(jié)光學(xué)特性，消除色差。

圖5(a)為美國(guó)物理學(xué)院2009年在不同焦距下利用MATLAB擬合液體的波前面型結(jié)果，PV，RMS數(shù)量級(jí)已經(jīng)到了日常使用的范圍，圖5(b)為美國(guó)中央福羅里達(dá)州大學(xué)的分辨率為25 lp/mm液體透鏡技術(shù)，上述兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)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(jī)。

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

4 需解決的問(wèn)題

目前，液體透鏡技術(shù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)液體變焦透鏡系統(tǒng)的分析，純液體變焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的研究等，但目前設(shè)計(jì)的單個(gè)液體透鏡，一旦確定了光學(xué)系統(tǒng)所需要的光焦度，就不再有其他設(shè)計(jì)自由度來(lái)校正各種像差，因此，很難獲取極高的成像質(zhì)量;另外，如何提高液體透鏡透過(guò)率、色散等性能也有待進(jìn)一步研究，這里分幾個(gè)方面闡述限制液體變焦透鏡發(fā)展的不利因素。

(1)液體膨脹系數(shù)大于固體膨脹系數(shù)，液體透鏡對(duì)溫度、重力等環(huán)境等因素敏感，如何克服溫度場(chǎng)，重力場(chǎng)對(duì)液體透鏡的影響，對(duì)液體透鏡的工程應(yīng)用起著決定作用。

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

(3)成熟的液體透鏡產(chǎn)品太少，除了美國(guó)Lu-cent公司、法國(guó)Varioptic公司及荷蘭 Philiphs公司研制的電潤(rùn)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(shí)驗(yàn)階段。

5 結(jié)束語(yǔ)

液體透鏡的發(fā)展，將為光學(xué)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(tǒng)中有著傳統(tǒng)變焦無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前關(guān)于液體變焦透鏡技術(shù)的研究大多在液體透鏡本身和材料方面，但臺(tái)灣的學(xué)者已涉足對(duì)液體變焦透鏡系統(tǒng)的研究，并取得了一些試驗(yàn)成果。雖然傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)已日趨成熟，但在一些對(duì)尺寸有嚴(yán)格限定，又要求有很好變焦能力的領(lǐng)域諸如醫(yī)療、通信等，變焦系統(tǒng)還有很多問(wèn)題尚待解決。液體變焦透鏡鏡頭技術(shù)有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域，從而引發(fā)一場(chǎng)光學(xué)鏡頭技術(shù)變革，應(yīng)該說(shuō)液體變焦透鏡技術(shù)將會(huì)在光學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

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