（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

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本文從基于力致變形（機(jī)械傳動(dòng)）驅(qū)動(dòng)和基于電致變形（智能材料）驅(qū)動(dòng)兩方面分析了柔性變焦透鏡（FVFL）的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)歸納和分析發(fā)現(xiàn)：柔性變焦透鏡均存在溫度、重力對(duì)穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)力致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但響應(yīng)速度慢，不易微型化設(shè)計(jì)；電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊。改善變焦透鏡成像質(zhì)量、降低驅(qū)動(dòng)電壓是目前柔性變焦透鏡的研究熱點(diǎn)。探索新穎的驅(qū)動(dòng)方式，研究低功耗、智能化變焦系統(tǒng)將是柔性變焦透鏡的主要發(fā)展趨勢(shì)。

自適應(yīng)光學(xué)；變焦透鏡；智能材料；彈性薄膜

1 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)光學(xué)變焦成像系統(tǒng)由于存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、機(jī)械磨損嚴(yán)重、加工難度大等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿(mǎn)足智能化光學(xué)設(shè)備對(duì)自動(dòng)化、智能化、微型化光學(xué)變焦系統(tǒng)的要求［1］。近年來(lái)，柔性變焦透鏡已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和透明流體介質(zhì)等組成，無(wú)需機(jī)械移動(dòng)即能實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、制造成本低、無(wú)機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)［2-6］，可望克服傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所面臨的困難。

早在1941年，美國(guó)科學(xué)家E.F.Flint提出了柔性變焦透鏡［7］，但此后并沒(méi)有得到廣泛關(guān)注。直至20世紀(jì)末才涌現(xiàn)出大量關(guān)于柔性變焦透鏡的研究文獻(xiàn)。美國(guó)“三大光學(xué)中心”之一的中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與激光教育研究中心（CREOL）的Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)研究了不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制的自適應(yīng)光學(xué)變焦透鏡，促進(jìn)了該領(lǐng)域多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破［8-10］。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Muhamed Niklaus等人研究了快速響應(yīng)的透明電活性聚合物驅(qū)動(dòng)的彈性體透鏡［11］。德國(guó)弗萊堡大學(xué)Hans Zappe團(tuán)隊(duì)在改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量方面進(jìn)行了大量的研究［12-14］。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的De-Ying Zhang等人在流體自適應(yīng)透鏡的變焦范圍、性能等方面取得一定進(jìn)展［15-16］。瑞士Optotune公司的M.Blum團(tuán)隊(duì)在電磁驅(qū)動(dòng)和手動(dòng)驅(qū)動(dòng)柔性變焦透鏡方面的研究取得了良好進(jìn)展［17］。新加坡國(guó)立大學(xué)周光亞和余洪斌的團(tuán)隊(duì)從2008年開(kāi)始對(duì)變焦透鏡開(kāi)展了大量研究［18-22］，并取得一定進(jìn)展。目前柔性變焦液體透鏡存在液體泄漏，溫度、重力影響等問(wèn)題［5，23］，基于智能材料的柔性變焦透鏡面臨著驅(qū)動(dòng)電壓較高的挑戰(zhàn)［6］，嚴(yán)重限制其發(fā)展和應(yīng)用。

柔性變焦透鏡依據(jù)變焦驅(qū)動(dòng)機(jī)制可分為力致變形驅(qū)動(dòng)變焦透鏡和電致變形驅(qū)動(dòng)變焦透鏡。本文將從力致變形變焦透鏡和電致變形變焦透鏡兩個(gè)方面概括和分析柔性變焦透鏡的發(fā)展現(xiàn)狀。從變焦實(shí)現(xiàn)方式和主要性能參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)和探討柔性變焦透鏡需要解決的主要難題和發(fā)展方向。

2 力致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡

力致變形驅(qū)動(dòng)變焦即是驅(qū)動(dòng)源通過(guò)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)（如絲桿、流體等）將驅(qū)動(dòng)力作用于液體透鏡使透鏡薄膜變形從而實(shí)現(xiàn)變焦，可劃分為基于機(jī)械-力式驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡、基于流體壓力驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡以及基于電磁力作用的變焦透鏡等。

2.1 機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡

機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)伺服電機(jī)等方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。2006年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)的Hongwen Ren等人提出了采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡，如圖1所示，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)繩子壓縮橡皮薄膜2，導(dǎo)致透鏡薄膜4變形，實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)［24］。該透鏡結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，但是結(jié)構(gòu)受重力影響嚴(yán)重，不易微型化。2010年該團(tuán)隊(duì)的Su Xu等人設(shè)計(jì)了如圖2所示的力潤(rùn)濕透鏡（Mechanical-wetting lens）結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋冒，紅色環(huán)形凸出結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)藍(lán)色薄膜，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)變焦，可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和近紅外成像［10］。

圖1 變焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Side view of the liquid lens cell

2011年，瑞士Optotune公司的M.Blum等人提出了用旋轉(zhuǎn)絲桿驅(qū)動(dòng)的液體自適應(yīng)透鏡［17］。2013年，德國(guó)弗萊堡大學(xué)的Peter Liebetraut等人提出通過(guò)多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)使透鏡產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)變形，從而實(shí)現(xiàn)變焦和像差的控制［25］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該研究仿造人眼睫狀肌通過(guò)懸韌帶向晶狀體提供徑向應(yīng)力的機(jī)制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)控制精度要求較高。

圖2 力潤(rùn)濕透鏡及其工作原理Fig.2 Principle diagram of mechanical-wetting lens

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)的彈性體變焦透鏡Fig.3 Elastomeric lenses driven by servo motor

美國(guó)Holochip公司［26］和瑞士Optotune公司［27］分別在2010年提出了通過(guò)旋轉(zhuǎn)透鏡外圈壓縮薄膜實(shí)現(xiàn)變焦的手動(dòng)調(diào)焦透鏡，表1是Holochip公司和Optotune公司手動(dòng)可調(diào)變焦透鏡的產(chǎn)品對(duì)比。Holochip公司APL系列變焦透鏡具有數(shù)值孔徑可調(diào)、焦距變化范圍大、溫度適應(yīng)范圍寬、低噪音以及光學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。Optotune公司ML系列具有無(wú)色差、功耗低、操作容易等特點(diǎn)。

表1 手動(dòng)可調(diào)變焦透鏡對(duì)比Table 1 Comparison of commercially manually actuated tunable lenses

2.2 流體壓力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡

2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)柔性變焦透鏡

美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校De-Ying Zhang等人［28］在2003年研究了液壓驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡的變焦范圍，在校正像差方面并沒(méi)有開(kāi)展研究。2004年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Ki-Hun Jeong等人提出利用液壓驅(qū)動(dòng)的雙膠合透鏡陣列，雙合透鏡使光學(xué)畸變得到抑制，并使焦距可調(diào)范圍增大［29］。臺(tái)灣中央大學(xué)Yiin-Kuen Fu等人對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的雙凸柔性變焦微透鏡的像差進(jìn)行了研究，通過(guò)選擇最優(yōu)的膜厚比，球差得到改善［30］。2009年，臺(tái)灣中正大學(xué)Guo-Hua Feng等人針對(duì)變焦透鏡的像差缺陷提出了流控雙凸變焦透鏡系統(tǒng)［31］如圖4所示，使像差得到了改善。2011年，德國(guó)弗萊堡大學(xué)Philipp Waibel等人［32］提出了基于硅材料多腔的消色差變焦微透鏡，結(jié)構(gòu)如圖5所示，比單腔透鏡色差減小30％以上；并指出應(yīng)用不同的液體和額外的腔體，可以校正高階像差，獲得更好的圖像質(zhì)量。

圖4 流控變焦透鏡示意圖Fig.4 Schematic of meniscus/Biconvex lens optical system

圖5 多腔變焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic drawing of a three-chamber lens

圖6 液壓驅(qū)動(dòng)仿生電子眼示意圖及實(shí)物圖Fig.6 Diagram of hydraulic drive bionic electronic eye

2011年，美國(guó)伊利諾大學(xué)香檳分校的Inhwa Jung等人對(duì)可調(diào)焦球面仿生電子眼進(jìn)行了研究［33］，提出了如圖6所示結(jié)構(gòu)。在該仿生電子眼系統(tǒng)中，以透明薄彈性膜（PDMS）作為變形薄膜，仿生視網(wǎng)膜的曲率和仿生晶狀體的成像焦距由液壓系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制?？烧{(diào)仿生視網(wǎng)膜可以改善變焦透鏡的成像質(zhì)量。

2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡

氣壓驅(qū)動(dòng)變焦透鏡有普通氣壓和熱氣壓驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡。2009年，新加坡國(guó)立大學(xué)的余洪斌團(tuán)隊(duì)提出了一種普通氣壓驅(qū)動(dòng)的透鏡結(jié)構(gòu)［20］，如圖7所示。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)兩端氣室的氣壓，可以任意改變透鏡的凹凸形狀，從而實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)。該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)重力效應(yīng)、液體泄漏對(duì)透鏡的穩(wěn)定性均有不利的影響。

圖7 普通氣壓驅(qū)動(dòng)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖Fig.7 Schematic drawing of pneumatic lens

2011年，德國(guó)弗萊堡大學(xué)Wei Zhang等人［34］采用熱壓壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變焦，提出如圖8所示結(jié)構(gòu)，該變焦透鏡總功耗低于250 mW。2012年，韓國(guó)國(guó)立慶北大學(xué) June Kyoo Lee等人［35］提出如圖9所示熱壓驅(qū)動(dòng)變焦透鏡，溫度對(duì)介質(zhì)折射率影響較小是該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。熱壓驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡響應(yīng)時(shí)間慢，且溫度對(duì)介質(zhì)折射率有影響，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 Wei Zhang等提出的熱氣壓變焦透鏡示意圖Fig.8 Schematic diagram of lens based on thermopneumatic actuator proposed by Wei Zhang

2015年，新加坡南洋理工大學(xué)的Q.H.Song等人［36］提出了基于可重構(gòu)的超材料可調(diào)太赫茲（THz）透鏡陣列，輸入氣壓使PDMS膨脹導(dǎo)致液滴高度增加，從而控制超材料透鏡焦距的變化。結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)原理如圖10所示。

圖9 June Kyoo Lee等人提出的熱氣壓驅(qū)動(dòng)變焦透鏡Fig.9 Lens with thermopneumatic actuator proposed by June Kyoo Lee

圖10 氣壓驅(qū)動(dòng)超材料變焦透鏡陣列Fig.10 Tunable metamaterial lens array

目前，普通氣壓驅(qū)動(dòng)變焦透鏡的研究較少，主要是由于氣體泄漏、需額外提供氣壓泵等因素限制其發(fā)展。而熱壓壓力驅(qū)動(dòng)功耗低，不需額外的設(shè)備，但響應(yīng)緩慢，液體介質(zhì)折射率受溫度影響較大。

2.3 電磁驅(qū)動(dòng)變焦透鏡

2010年，德國(guó)弗萊堡大學(xué)的Daniel Mader等人［37］研究了電磁驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡，能夠校正低階像差，如色差、球差。韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的Seok Woo Lee等人［38］研究了電磁驅(qū)動(dòng)柔性變焦透鏡的通電發(fā)熱問(wèn)題。2011年，該所的Hyunhwan Choi等人［39］提出了電磁驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡，兩折射面彈性薄膜厚度不同，該透鏡可以降低球差，結(jié)構(gòu)如圖11所示。該結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，存在重力、溫度、液體泄漏等問(wèn)題，但在球差校正方面提出了一種有效的解決方案。2011年新加坡國(guó)立大學(xué)余洪斌等人提出了電磁驅(qū)動(dòng)的可變焦透鏡［22］，如圖12所示?？刂票∧ぷ冃螌?shí)現(xiàn)焦距的正負(fù)可調(diào)。

圖11 折射面膜厚不等的變焦透鏡原理示意圖Fig.11 Principle diagram of double-sided fluidic lens

圖12 電磁驅(qū)動(dòng)變焦透鏡結(jié)構(gòu)及其變焦原理Fig.12 Structure and principle diagram of electromagnetically actuated tunable lenses

浙江大學(xué)的Dan Liang等人［40］研究了基于聚合物透鏡的仿人眼系統(tǒng)，如圖13所示，由仿生角膜透鏡，音圈馬達(dá)，壓縮環(huán)，仿生晶狀體，基體，CCD傳感器組成。控制音圈電流，驅(qū)動(dòng)壓縮環(huán)改變晶狀體曲率，從而實(shí)現(xiàn)變焦。

圖13 電磁驅(qū)動(dòng)的仿生光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.13 Schemaitc of electromagnetically actuated biomimetic optical system

瑞士Optotune公司通過(guò)集成補(bǔ)償透鏡（Offset Lens）的方法擴(kuò)展電磁驅(qū)動(dòng)變焦透鏡的焦距變化范圍（可獲得負(fù)焦距），并采用溫度傳感器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)克服了溫度對(duì)介質(zhì)折射率的影響［41］，已經(jīng)取得了良好的商業(yè)應(yīng)用［42］。

表2列出了力致變形驅(qū)動(dòng)變焦透鏡的主要參數(shù)。機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但結(jié)構(gòu)不夠緊湊，穩(wěn)定性較差，適合于對(duì)結(jié)構(gòu)和控制精度要求不高的場(chǎng)合。流體壓力驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡結(jié)構(gòu)緊湊，但存在液體泄漏等問(wèn)題。電磁驅(qū)動(dòng)變焦透鏡響應(yīng)非?？欤兘狗秶?，功耗低，易于控制，適合于控制精度要求高的場(chǎng)合。目前，溫度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響可以通過(guò)溫度傳感器反饋得以改善，但是液體揮發(fā)、重力效應(yīng)對(duì)液體透鏡的光學(xué)性能和穩(wěn)定性影響有待進(jìn)一步的研究。

表2 力致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡主要性能參數(shù)對(duì)比Table 2 Main performance parametrs comparison of mechanical variable-focus lenses

3 電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡

隨著智能材料的快速發(fā)展，電活性聚合物（Electroactive polymer，EAP）、壓電材料等具有力電耦合特性的智能材料［46-47］由于其價(jià)格低廉，易于制作和實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在微光學(xué)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有廣闊的前景。近年來(lái)，人們利用智能材料的力電耦合特性進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方面的研究［48-49］，已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

3.1 基于壓電驅(qū)動(dòng)的柔性變焦系統(tǒng)

2004年，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)的H.Oku等人［50］對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)壓電泵的形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該透鏡受重力影響嚴(yán)重，同時(shí)變焦范圍?。?qū)動(dòng)力小）。2009年，H.Oku為了解決壓電驅(qū)動(dòng)力小的問(wèn)題提出了內(nèi)置液壓放大器的壓電堆棧式驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡［51］。

德國(guó)弗萊堡大學(xué)的Jan Draheim研究團(tuán)隊(duì)從2009年開(kāi)始研究了壓電驅(qū)動(dòng)的單腔自適應(yīng)透鏡［52］，雙腔自適應(yīng)透鏡變焦透鏡［53］，分別如圖14、15所示。壓電驅(qū)動(dòng)變焦透鏡變焦范圍小，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造和驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。

圖14 壓電驅(qū)動(dòng)單腔變焦透鏡Fig.14 Single lenses driven by piezoelectric actuator

3.2 基于電活性聚合物的柔性變焦透鏡

電活性聚合物（EAP）在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生大變形，某些EAP材料的形變量可以達(dá)到100％，且響應(yīng)快，被廣泛應(yīng)用于可調(diào)光學(xué)、觸覺(jué)系統(tǒng)、人工肌肉、壓力傳感和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域［54-57］。常用的電活性聚合物可分為離子型和電子型電活性聚合物。

圖15 壓電驅(qū)動(dòng)雙腔變焦透鏡Fig.15 Double chamber varifocus lens deiven by piezoelectric actuator

3.2.1 基于離子型電活性聚合物的變焦透鏡

常用于微驅(qū)動(dòng)的離子型聚合物有IPMC（Ionic Polymer Metal Composite，離子聚合物復(fù)合材料）、水凝膠等。2009年，日本的Ippei SHIMIZU等人［58］制備了一種IMPC驅(qū)動(dòng)的微型變焦距透鏡（variable-focal length lens，VFLL），如圖16所示。該設(shè)計(jì)充分利用IPMC驅(qū)動(dòng)電壓低的特性，變形薄膜選用PDMS薄膜，結(jié)構(gòu)功耗低、可微型化。

圖16 IPMC驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡原理Fig.16 Principle diagram of VFLL driven by IPMC

2012年，西安交通大學(xué)王延杰等人［59］設(shè)計(jì)了花瓣?duì)領(lǐng)PMC和環(huán)形IPMC驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡，實(shí)驗(yàn)分析了不同尺寸IPMC的驅(qū)動(dòng)性能，但沒(méi)有在光學(xué)性能方面進(jìn)行研究。

日本Eamex公司開(kāi)發(fā)了基于硅膠的可變焦鏡頭，利用IPMC向中央開(kāi)口部分?jǐn)D壓囊中的硅膠，使硅膠表面發(fā)生彎曲形成鏡頭，如圖17所示。通過(guò)控制IPMC的運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)焦距。該變焦鏡頭零部件個(gè)數(shù)少、構(gòu)造簡(jiǎn)單，尺寸較小，主要用于手機(jī)的相機(jī)功能［60］。基于IPMC驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是驅(qū)動(dòng)力過(guò)小，嚴(yán)重縮小了透鏡的變焦范圍，因此限制了其發(fā)展和應(yīng)用。

圖17 Eamex公司IPMC驅(qū)動(dòng)的變焦鏡頭Fig.17 Lenses driven by IPMC（Eamex）

圖18 水凝膠驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡Fig.18 Lenses driven by hydrogels

2006年，美國(guó)威斯康辛大學(xué)的Liang Dong等人通過(guò)熱敏型水凝膠驅(qū)動(dòng)液體與油形成的交界面實(shí)現(xiàn)變焦［61］，如圖18（a）圖所示。溫度變化導(dǎo)致液體微透鏡焦距變化，從而實(shí)現(xiàn)變焦。該結(jié)構(gòu)緊湊，利于與光電系統(tǒng)集成，但是水凝膠的響應(yīng)較慢。2008年，該團(tuán)隊(duì)Xuefeng Zeng等人［62］研究了紅外光響應(yīng)水凝膠驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡，如圖18（b）所示。2010年，他們又提出了熱響應(yīng)型水凝膠驅(qū)動(dòng)的微透鏡陣列［63］，如圖18（c）圖所示，每個(gè)微透鏡單元可以獨(dú)立控制。2012年，該團(tuán)隊(duì)的Difeng Zhu等人［64］研究了GO-GMA水凝膠驅(qū)動(dòng)的變焦液體微透鏡陣列，響應(yīng)速度較以前報(bào)道的更快，如圖18（d）所示，該研究采用溫敏聚合物水凝膠參雜甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）與功能化石墨烯氧化物（GO）用以提高響應(yīng)時(shí)間，采用珀?duì)柼?yīng)促進(jìn)局部散熱代替結(jié)構(gòu)自發(fā)散熱，同時(shí)變焦微透鏡制作在半球殼上，獲得更大的視場(chǎng)（Field of View，F(xiàn)OV）。但是液體泄漏、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度對(duì)折射率的影響、響應(yīng)慢等是溫敏水凝膠驅(qū)動(dòng)變焦的缺陷。該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了色差方面的研究。

3.2.2 基于電子型電活性聚合物的變焦透鏡

常用于微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的電子型電活性聚合物有DE（Dielectric Elastomer，介電彈性體）、PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）等。2002年，瑞士洛桑理工學(xué)院的Muhamed Niklaus等人［11］研究了基于DE驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元與透鏡變形薄膜分離以降低驅(qū)動(dòng)電壓，魯棒性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)微型化、陣列化，但是焦距變化范圍小。

2011年，意大利比薩大學(xué)的Federico Carpi等人［47］提出了介電彈性薄膜驅(qū)動(dòng)的可調(diào)焦距透鏡，用DE模擬人眼睫狀肌的功能，結(jié)構(gòu)如圖19所示，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、響應(yīng)快、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2013年，西安交通大學(xué)的Tongqing Lu等人［65］建立了文獻(xiàn)［47］的計(jì)算模型，分析了預(yù)拉伸、液體薄膜的尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)透鏡曲率半徑的影響，為后續(xù)基于介電彈性薄膜的變焦透鏡的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖19 DEA變焦透鏡Fig.19 Lenses driven by DEA

2011年，韓國(guó)三星先進(jìn)技術(shù)研究院Seung Tae Choi等人［66］提出采用多個(gè)電活性聚合物驅(qū)動(dòng)器以降低變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電壓，如圖20所示。該研究在降低驅(qū)動(dòng)電壓方面得到較大突破，但是該結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，EAP驅(qū)動(dòng)器的一致性控制很難保證，穩(wěn)定性較差。

圖20 EAP驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡Fig.20 Lenses driven by EAP actuator

圖21 DE驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡Fig.21 Lenses driven by annular DE

圖22 基于DEA泵的變焦透鏡Fig.22 Liquid lens based on DEA

2013年，美國(guó)哈佛大學(xué)Samuel Shian等人［67］研究了透明電活性聚合物彈性薄膜的透鏡，焦距變化3倍需要提供驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)4.5kV。2013年，韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)Lichun Ren等人［68］研究了基于DE氣泡驅(qū)動(dòng)器的變焦透鏡，該透鏡具有功耗低、穩(wěn)定等特點(diǎn)。2014年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Kang Wei等人［69］為了降低驅(qū)動(dòng)電壓，將透鏡薄膜與驅(qū)動(dòng)薄膜分離，將環(huán)形的DE作為驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)如圖21所示。2014年，新加坡的Gih-Keong Lau等人［70］分析了使用DE驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)液體薄膜透鏡面臨的問(wèn)題，如驅(qū)動(dòng)電壓高、應(yīng)力大、薄膜電擊穿、液體介質(zhì)泄漏、穩(wěn)定性、焦距變化范圍受限制等。同時(shí)提出了將DEA與透鏡分離，采用隔膜泵調(diào)節(jié)透鏡，如圖22所示，從而可使DEA柔性變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電壓降低。

2014年，臺(tái)灣大學(xué)Dao Liang等人［71］提出基于離子電極的變焦透鏡。驅(qū)動(dòng)薄膜與變形薄膜未分離（同一PDMS薄膜），采用透明NaCl溶液作為液體介質(zhì)，同時(shí)作為PDMS的一個(gè)電極。該研究采用離子電極，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化提供一種新思路，但是變焦范圍小，PDMS的另一電極表面鍍金影響薄膜透明度。

圖23 DE驅(qū)動(dòng)變焦透鏡Fig.23 Liquid lens driven by DE

2015年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院微系統(tǒng)空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Luc Maffli等人［72］設(shè)計(jì)如圖23所示的驅(qū)動(dòng)與變形薄膜分離的快速變焦透鏡，變形薄膜采用低能耗有機(jī)硅彈性體，該變焦透鏡在175μs可以使焦距變化20％。

表3列出了電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡的一些主要參數(shù)對(duì)比。電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡主要利用材料的電致動(dòng)特性，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使液體透鏡的形狀發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)焦距的可調(diào)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、變焦范圍大、響應(yīng)速度快及易于集成等特點(diǎn)，但是溫度、重力等外部條件對(duì)其性能的影響較大。DE驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓高是限制其應(yīng)用的主要因素，許多學(xué)者通過(guò)將驅(qū)動(dòng)薄膜與透鏡薄膜分離來(lái)降低驅(qū)動(dòng)電壓。IPMC驅(qū)動(dòng)變焦的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓低，但是輸出力較小，響應(yīng)較DE慢。隨著智能材料的廣泛研究，利用智能材料的力電耦合特性仍是微光學(xué)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的合適之選。改善變焦透鏡的成像質(zhì)量，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)降低變焦系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)電壓仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。如果基于智能材料的柔性變焦透鏡得以實(shí)用，必將對(duì)光學(xué)成像領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，同時(shí)也將促進(jìn)相關(guān)聯(lián)行業(yè)的進(jìn)步。

表3 電致變形驅(qū)動(dòng)柔性變焦透鏡的主要參數(shù)對(duì)比Tab.3 Main parameters comparison of electrostrictive variable-focus lenses

4 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 存在的問(wèn)題

隨著新型驅(qū)動(dòng)和智能材料的快速發(fā)展，人們對(duì)柔性變焦透鏡的研究和開(kāi)發(fā)工作得到蓬勃發(fā)展和進(jìn)步。柔性變焦透鏡涉及機(jī)械、光學(xué)、材料等領(lǐng)域，距離廣泛應(yīng)用還有一定的差距，許多問(wèn)題尚待進(jìn)一步深入研究，目前存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）液體透鏡蒸發(fā)泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重，重力及溫度的變化影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（2）目前對(duì)像差的校正的研究較少，總的成像效果不是很理想；

（3）介電彈性薄膜所需驅(qū)動(dòng)電壓較高，很難實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗設(shè)計(jì)。IPMC、壓電驅(qū)動(dòng)所需電壓不高，但是變焦范圍小。同時(shí)變形薄膜的松弛現(xiàn)象，影響光學(xué)性能的穩(wěn)定；

（4）焦變遲滯現(xiàn)象的研究很少，這對(duì)精確控制焦距變化至關(guān)重要；

（5）實(shí)現(xiàn)智能化變焦以及焦距的精確、快速控制仍是一難題。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能化、自動(dòng)化時(shí)代的到來(lái)，智能化光學(xué)設(shè)備、先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備（如內(nèi)窺鏡）、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等對(duì)新型光學(xué)變焦器件的要求不斷升級(jí)，柔性變焦透鏡的低功耗、微型化、模塊化、智能化發(fā)展將促使這些領(lǐng)域的快速變革。

（1）柔性變焦透鏡的性能優(yōu)化。降低重力、溫度、泄漏等對(duì)柔性變焦透鏡工作性能的影響，校正柔性變焦透鏡的像差，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（2）進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。探明材料彈性模量、膜厚、變形等因素對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

（3）基于智能材料的柔性變焦透鏡的研究。尋求和探索新型驅(qū)動(dòng)方式一直是柔性光學(xué)乃至整個(gè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從力致變形驅(qū)動(dòng)和電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡兩方面進(jìn)行分析和總結(jié)?？偟膩?lái)說(shuō)，液體變焦透鏡均存在蒸發(fā)泄漏，重力、溫度的影響等問(wèn)題。力致變形柔性變焦透鏡主要有機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡、流體壓力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡和電磁力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡。機(jī)械-力、壓力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但整體系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、響應(yīng)時(shí)間慢等嚴(yán)重制約其發(fā)展和應(yīng)用，電磁力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡具有響應(yīng)速度快、變焦范圍大及功耗低等優(yōu)點(diǎn)已得到良好應(yīng)用。電致變形（智能材料）驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡以介電彈性體（DE）驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡的研究為主要方向，響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低，但驅(qū)動(dòng)電壓高這一難題使其距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的透鏡結(jié)構(gòu)改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量，擴(kuò)大變焦范圍等是目前的主要研究熱點(diǎn)。提高變焦透鏡的穩(wěn)定性以及低功耗智能化設(shè)計(jì)，基于智能材料驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡的研究等是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。由于柔性變焦透鏡具有控制靈活、制造成本低、無(wú)機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域，將是以后光學(xué)發(fā)展的重要熱點(diǎn)方向之一。

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［73］DRAHEIM J，SCHNEIDER F，KAMBERGER R，et al..Fabrication of a fluidic membrane lens system［J］.J.Micromechanics and Microengineering，2009，19（9）：095013.

賈書(shū)海（1969—），男，陜西咸陽(yáng)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2000年于西安交通大學(xué)獲博士學(xué)位，主要從事智能光電傳感技術(shù)、智能化光機(jī)電一體化技術(shù)等方面的研究。E-mail：shjia@mail.xjtu.edu.cn

唐振華（1989—），男，重慶人，碩士研究生，2014年于重慶大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，主要從事智能化光機(jī)電一體化技術(shù)研究。E-mail：zhtangy@163.com

董 君（1991—），男，安徽安慶人，碩士研究生，2014年于四川大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，主要從事光學(xué)測(cè)量方面的研究。E-mail：1531430253@qq.com

陳花玲（1954—），女，陜西韓城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1990年于西安交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事智能材料與結(jié)構(gòu)、機(jī)械振動(dòng)與噪聲控制理論與技術(shù)等方面的研究。E-mail：hlchen@mail.xjtu.edu.cn

柔性變焦透鏡發(fā)展現(xiàn)狀

賈書(shū)海*，唐振華，董 君，陳花玲

Recent advances in flexible variable-focus lens

JIA Shu-hai*，TANG Zhen-hua，DONG Jun，CHEN Hua-ling
（School of Mechanical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）
*Corresponding author，E-mail：shjia@mail.xjtu.edu.cn

In this paper，the flexible variable-focus lens（FVFLs）is reviewed from two aspects including mechanical variable-focus lenses and electrostrictive variable-focus lenses.The gravity effect and temperature change exist in most FVFLs.Mechanical variable-focus lenses exhibit very large focal length tunability，but their use is limited by their slow response speed.Electrostrictive variable-focus lenses have simple and compact structure，high response speed.Providing a solution for minimizing optical aberrations and maximizing the tunability of focal length or field of view has drawn much attention in recent years.Exploring new driving technology and developing intelligent focus tunable system with low power comsumption will be the main focus of FVFLs in future.

adaptive optics；variable-focus lens；intelligent materials；elastic membrane

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民航局聯(lián)合資助項(xiàng)目（No.U1233116）；陜西省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2014K07-02）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（No.20120201110032）

2095-1531（2015）04-0535-13

TH74；O435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0535

2015-05-13；

2015-06-10