崔建國，王潤詩，袁 偉，彭 俊，陳余燕

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

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液體透鏡研究現(xiàn)狀與展望

崔建國，王潤詩，袁 偉，彭 俊，陳余燕

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

液體透鏡在圖像采集、目標(biāo)追蹤、生物識(shí)別和其他便攜式電子設(shè)備中具有極大的應(yīng)用潛力。液體透鏡與機(jī)械變焦透鏡相比具有易于加工、結(jié)構(gòu)緊湊、電壓直接驅(qū)動(dòng)和功耗低等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今微納研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。綜述了國內(nèi)外現(xiàn)有液體透鏡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況，通過總結(jié)前人的研究方法，展望了未來液體透鏡的發(fā)展方向。

液體透鏡；介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)；光學(xué)變焦；介電電泳效應(yīng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)絹碓诫x不開各種各樣的便攜式電子產(chǎn)品。其中，手機(jī)和平板電腦更是在人們的生活中占據(jù)重要的一席之地。隨時(shí)按動(dòng)快門記錄生活的美好瞬間已成為人們生活的樂趣之一，為此自拍和隨手拍應(yīng)運(yùn)而生。遺憾的是現(xiàn)有手機(jī)和平板的變焦性能(電子變焦)并不能很好地滿足高清晰度拍照的需要。借助介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)研制的液體透鏡不但可以很好地實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦，而且可以實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品的輕量化、便攜化和低功耗[1]。液體透鏡可廣泛應(yīng)用于圖像采集、目標(biāo)追蹤、生物識(shí)別等眾多領(lǐng)域，具有獨(dú)特的吸引力，已成為當(dāng)今微納研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在液體透鏡的發(fā)展過程中，學(xué)者們提出了眾多的實(shí)現(xiàn)方法，其研究各有特色。為了更好地指明研究方向，本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)比了目前主流研究技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)液體透鏡的未來發(fā)展做出了展望。

1 介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)

Aleksandr Froumkine于1936年發(fā)現(xiàn)了電潤濕效應(yīng)，其特性就是在外加電壓的電場(chǎng)力作用下會(huì)引起液滴的形狀改變，從而使液滴與介質(zhì)層的接觸角發(fā)生改變，這樣液滴表層的潤濕特性也會(huì)隨之改變[2-3]。介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)是電潤濕效應(yīng)的延伸與拓展，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如果直接將液滴置于金屬板上，并對(duì)金屬板和置于液滴中的電極通電，其潤濕特性不僅不佳，而且有時(shí)還會(huì)有氣泡產(chǎn)生，這就阻礙了實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，如果在金屬板上旋涂一層絕緣膜，用此膜將液滴與金屬板分開，在施加電壓時(shí)不僅不會(huì)影響潤濕效應(yīng)，反而可以獲得十分穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，于是這種介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)便被研究者廣泛采用[4]。

2 液體透鏡的起源

液體透鏡的研究最早起源于17世紀(jì)的英國，科學(xué)家Stephen Gray在不同直徑的小孔中滴入水滴，為了避免水滴重力的影響，同時(shí)借助表面的張力將水滴束縛在小孔之中，小孔的直徑均小于等于0.3 mm。Gray發(fā)現(xiàn)水滴表面的曲率會(huì)隨著小孔孔徑的變化而變化，這樣就可以得到不同放大倍率的透鏡，基于此制作了一臺(tái)利用水滴進(jìn)行光學(xué)變焦的顯微鏡[5]。

液體透鏡真正被制作出來是在1995年，Gorman等利用介質(zhì)上電潤濕原理在透明的電極上放置液滴，并對(duì)其通電改變其外形，實(shí)現(xiàn)了液體透鏡的變焦功能。2000年，B.Berge等共同對(duì)Gorman的研究進(jìn)行了改進(jìn)與完善，并成立了專業(yè)的商業(yè)公司[6]。因?yàn)橐后w透鏡有著較好的發(fā)展前景，吸引了不少團(tuán)隊(duì)與公司，他們紛紛致力于研制性能優(yōu)越，實(shí)用性強(qiáng)的液體透鏡[7-9]。目前，Philips公司與VariOptic公司是世界上最知名的兩家研制液體透鏡的公司，雖然在某些報(bào)道及文章中有提到他們研制出的產(chǎn)品，但時(shí)至今日仍未看到液體透鏡在各大數(shù)碼產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，說明液體透鏡從產(chǎn)生到普及還有較長的一段路要走。

3 液體透鏡研究現(xiàn)狀

在液體透鏡的研究中，研究者既有采用單液體，也有采用雙液體。雙液體透鏡大多利用介質(zhì)上電潤濕原理設(shè)計(jì)，單液體的液體透鏡多通過注射器抽吸改變腔室內(nèi)的液體體積來實(shí)現(xiàn)變焦功能。

3.1 國外液體透鏡研究現(xiàn)狀

3.1.1 雙液體透鏡的研究

2000年法國的B.Berge和J.Peseux提出的雙液體透鏡模型如圖1所示。該模型采用的雙液體是Na2So4溶液和硅油。該液體透鏡借助介質(zhì)上電潤濕原理，通過使兩液體的交界面形狀發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)焦距改變。該透鏡與眾不同之處在于，改變了雙液體的放置順序，將油滴放在下面，水滴放在上面。在實(shí)驗(yàn)中，焦距發(fā)生改變的初始驅(qū)動(dòng)電壓為80 V，在0～200 V條件下，液滴屈光度可實(shí)現(xiàn)從30°到100°的變化[10]。但因該透鏡對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的要求較高，故不便嵌入便攜式電子設(shè)備中使用。

1為Na2So4溶液，2為水溶液。 圖1 B.Berge等2000年提出的液體透鏡原理圖

為了改進(jìn)液體透鏡的性能，B.Berge等在2005年對(duì)上述液體透鏡進(jìn)行了改進(jìn)，采用的雙液體為水與非極性油，其介電層用的是聚對(duì)二甲苯，厚度為5 μm，如圖2所示。這種新型的液體透鏡，其驅(qū)動(dòng)電壓在30 V便有屈光度改變，在60 V時(shí)改變效果較為明顯。但該液體透鏡光軸的穩(wěn)定性不十分理想，作者提出的解決方案是使雙液體的密度盡可能相等，并將液-液交界面盡量調(diào)節(jié)到透鏡的中間位置[11]。

圖2 B.Berge等2005年提出液體透鏡改性模型

2005年B.Berge等還提出了另一款將液體透鏡與機(jī)械鏡頭結(jié)合工作的液體透鏡，其中后者用于獲取圖像，前者負(fù)責(zé)變焦。該液體透鏡的優(yōu)點(diǎn)是：可利用手機(jī)電源變壓輸出0～60 V電壓，實(shí)現(xiàn)變焦[12]。

2004年S.Kuipera和 B.H.W.Hendriks等研制了一種雙液體透鏡，其使用的材料是20%的氯化鋰鹽溶液和非極性油。該透鏡可由50 V的直流電壓來驅(qū)動(dòng)，通過觀察雙液體交界面的形變情況來研究焦距的變化[13]。2005年S.Kuipera等對(duì)其研制的雙液體透鏡做了改進(jìn)。雙液體使用的是折射率為1.540和1.344的鹽溶液與非極性油。該液體透鏡的性能十分優(yōu)越，它的驅(qū)動(dòng)電壓為50～100 V，每次轉(zhuǎn)換的能耗為0.5 μJ，保持液滴形狀無需耗能，變形轉(zhuǎn)換時(shí)間只需要10 ms，轉(zhuǎn)換的速度相當(dāng)快[14]。因在水中加入鹽后可降低其冰點(diǎn)，透鏡在-40 ℃條件下都可工作。美中不足的是：此次改進(jìn)液體透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓仍然較高，對(duì)于便攜式電子設(shè)備來說，驅(qū)動(dòng)仍然較為困難。

圖3 S.Kuipera等研制的液體透鏡的原理圖

2007年J.Andrew Yeh等研究的雙液體透鏡中，其變焦方式與前面提到的幾種方法類似，焦距變化范圍為34 mm～12 mm，使用的電壓范圍為0～200 V[14]。該透鏡對(duì)電壓要求高，且開啟與關(guān)閉透鏡所需的時(shí)間都相對(duì)較長。但該透鏡的亮點(diǎn)之處是：首次清晰地描繪了接觸角隨電壓的變化情況，如圖4所示。

圖4 J.Andrew Yeh等研制液體透鏡的接觸角 隨電壓變化情況

2015年韓國的Hongwen Ren等借助介電電泳效應(yīng)，利用ITO導(dǎo)電玻璃研制了一種新穎的具有徑向叉指條紋電極的可調(diào)焦液體透鏡[15-16]。該透鏡的突出優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓較低，可在0～28 V電壓的驅(qū)動(dòng)作用下可實(shí)現(xiàn)5～12 mm的焦距變化。但該透鏡的不足之處是透鏡封裝后外形尺寸較大，約2 cm×2 cm，且透鏡的響應(yīng)時(shí)間較長，往復(fù)變焦一次時(shí)間為2.5 s。

3.1.2 對(duì)于單液體透鏡的研究

在單液體透鏡研究方面，國內(nèi)外學(xué)者使用的方法十分類似，大都采用抽吸方式改變透鏡內(nèi)液體體積，使彈性膜發(fā)生形變，以此達(dá)到調(diào)焦的目的。

2007年Hongwen Ren等設(shè)計(jì)了一款多層結(jié)構(gòu)的單液體透鏡，其外形如圖5所示。它是在兩塊玻璃圓盤上各鉆一個(gè)5 mm的小孔，上面圓盤的孔洞用50 μm厚的PDMS薄膜來密封，下面圓盤的孔洞用與PDMS具有相同楊氏模量(3 MPa)的薄膜來密封，其厚度為100 μm。它們都作為彈性薄膜，只不過上面平板的膜布置在兩層玻璃的外部，下面的膜則布置在兩層玻璃的內(nèi)部[17]。 實(shí)驗(yàn)中單液體使用的是水，因?yàn)樗哂械头瓷渎屎透弑c(diǎn)的缺點(diǎn)，為使用高反射率低冰點(diǎn)的液體，筆者建議未來可以使用二甲基硅油(n=1.60)等替代物。該液體透鏡的上升變形時(shí)間為35 ms，下降時(shí)間為40 ms，響應(yīng)速度非常迅速。不過實(shí)驗(yàn)中研究者是通過鋼筆擠壓薄膜改變腔內(nèi)液體體積與薄膜外形輪廓來達(dá)到變焦的目的，如圖6和圖7所示。這種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于透鏡的使用來說十分不便，因?yàn)榻柚饬砀淖兡さ男螤?，?duì)膜的壽命和變形量的精確控制來說是十分不利的。

圖5 Hongwen Ren等研制的液體透鏡示意圖

圖6 Hongwen Ren設(shè)計(jì)的單液體透鏡結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 國內(nèi)液體透鏡的研究現(xiàn)狀

相對(duì)于國外研究來說，國內(nèi)對(duì)液體透鏡技術(shù)的研究起步較晚，致力于研制液體透鏡的機(jī)構(gòu)數(shù)量較少。國內(nèi)研究液體變焦透鏡的機(jī)構(gòu)主要有東南大學(xué)、四川大學(xué)、蘭州大學(xué)和中科院等[9]，雖然國內(nèi)液體透鏡的研究原理大多與國外相同，但在應(yīng)用上卻有獨(dú)到之處。

圖7 單液體透鏡受外力壓迫進(jìn)行調(diào)焦的原理圖

3.2.1 國內(nèi)雙液體透鏡的研究

國內(nèi)在雙液體透鏡的研究方面有許多相似之處，下面主要介紹三種較有特色的。2012年胡曉東等研制了基于離子液體的雙液體透鏡[18]。其實(shí)驗(yàn)中采用的雙液體為正十二烷與離子液。借助的也是介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)，其變焦情況如圖8所示(其中，f代表焦距)。采用離子液體制作透鏡可以改進(jìn)常規(guī)液體透鏡的性能，因它不會(huì)揮發(fā)、反應(yīng)速度更快，需要的電壓相對(duì)較低，能耐受的溫度相對(duì)較高，因而可能會(huì)成為液體透鏡未來的研究方向之一。

圖8 基于離子液體的透鏡變焦示意圖

液體透鏡不僅可以變焦用于放大與縮小圖像，還可利用介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)制成光學(xué)開關(guān)。2014年，王明華等通過電壓驅(qū)動(dòng)使黑色液滴發(fā)生移動(dòng)來關(guān)閉或開啟光孔，研究實(shí)現(xiàn)了 1×2的光學(xué)開關(guān)，原理如圖9所示[19]。他們?cè)诘撞侩姌O的中部固定了一個(gè)柱體來放置黑色液滴，其他的空間由硅油填充。染色液滴的兩端開有相距4.9 mm、直徑1.8 mm的小孔，作為光的傳輸通道。當(dāng)只對(duì)一個(gè)電極通電且所加電壓小于30 V時(shí)，光可完全通過光孔，無光損耗。當(dāng)電壓高于30 V時(shí)，逐漸出現(xiàn)光損耗；當(dāng)電壓等于50 V時(shí)，右光孔被堵??；當(dāng)電壓大于50 V時(shí)，兩孔都被堵住，其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間為52～250 ms。當(dāng)對(duì)2個(gè)電極同時(shí)施加電壓為53 V時(shí)，光衰減最大為29 dB。該開關(guān)透鏡在光交換網(wǎng)絡(luò)中具有較好的應(yīng)用前景，如可制作成可變光衰減器、光路由器等。

圖9 液體透鏡用作光學(xué)開關(guān)示意圖

Cheng-Chian Yu等研制了一種特殊的雙液體光圈，與現(xiàn)有雙液體透鏡采用相同的驅(qū)動(dòng)原理，除了構(gòu)造略有不同外，液體光圈改變的也不是交界面的接觸角而是液滴直徑。在該光圈中，介質(zhì)層被鍍?cè)陧敯迳希彝哥R底板區(qū)域用紫外照射處理，使其成為親水區(qū)域。通過預(yù)先調(diào)整兩塊ITO玻璃基板之間的距離，可使鹽溶液與頂上的玻璃基板之間產(chǎn)生一個(gè)合適的接觸面積，然后再加電壓使接觸區(qū)域的鹽溶液的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)液滴直徑改變，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。該液體光圈的反應(yīng)時(shí)間非常短，從電壓關(guān)閉狀態(tài)(0 V)到電壓開啟狀態(tài)(200 V)，并回歸到電壓關(guān)閉狀態(tài)所需的時(shí)間分別為10 ms與15 ms。在能耗方面也是極低的，光圈的最大功耗僅為2.45 μW[20]。該研究美中不足之處是透光率較低，但其壽命遠(yuǎn)大于機(jī)械光圈，若在將來的研究中能將液體透鏡與液體光圈有機(jī)結(jié)合，那將可實(shí)現(xiàn)更多的光學(xué)功能。

3.2.2 國內(nèi)單液體透鏡的研究

黃婷婷等研究的單液體透鏡是由一個(gè)圓柱形空腔、平板玻璃和以熱硫化硅膠為材料制成的薄膜共同組成的，并將單液體封裝在其內(nèi)部。該液體透鏡無需電壓來調(diào)焦，只需借助于物理方法用泵抽吸液體促使薄膜變形而調(diào)焦，其原理圖如圖11所示。透鏡中的單液體可使用純水或硅油，相應(yīng)的透鏡分別稱為“水透鏡”和“油透鏡”。在相同條件下“油透鏡”的變焦效果更好[21]。單液體透鏡的制作相對(duì)簡單，但缺點(diǎn)也較多：如光軸不穩(wěn)定、變焦范圍較窄、成像質(zhì)量不夠好等。除此之外，單液體透鏡還存在著薄膜勞損、液體揮發(fā)、響應(yīng)速度慢和液體體積調(diào)節(jié)量不夠精確等缺點(diǎn)[22]。

(a) 電壓關(guān)閉狀態(tài)下絕緣油與鹽溶液被置于兩塊ITO玻璃之間，(b)在電壓開啟狀態(tài)下液體光圈的直徑變大

圖10 基于電潤濕效應(yīng)的液體光圈結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 單液體透鏡原理

4 思考與展望

目前，國內(nèi)外液體透鏡研究中較為集中的問題主要有以下3點(diǎn)：

1) 光軸不穩(wěn)定，導(dǎo)致圖像失真。該問題幾乎存在于所有的液體透鏡研究過程之中，無論是基于介質(zhì)上電潤濕原理制作的雙液體透鏡，還是基于物理抽吸實(shí)現(xiàn)變焦的單液體透鏡，該問題都普遍存在著。目前克服該問題較好的方法是來自VariOptic公司Bruno Berge提出的采用錐形結(jié)構(gòu)將液-液交界面盡量調(diào)節(jié)到中間位置。

2) 驅(qū)動(dòng)電壓較高。除少數(shù)情況外，該問題存在于大部分的研究中。多數(shù)研究中，驅(qū)動(dòng)電壓都高達(dá)100 V左右，這也成為阻礙液體透鏡廣泛應(yīng)用的主要原因之一。

3) 接觸角的飽和問題。在電壓較小時(shí)，幾乎觀察不到接觸角的改變，而隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，接觸角容易飽和，即當(dāng)電壓增加到一定程度時(shí)，接觸角不再發(fā)生變化。此外，還要考慮介質(zhì)層電擊穿的問題，驅(qū)動(dòng)電壓不可無限增加。

目前，液體透鏡除了在液體種類選擇(鹽溶液和離子液等)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圓錐狀外形和驅(qū)動(dòng)電極形狀等)上開展深入研究外，還可以將研究視角轉(zhuǎn)到透鏡的擴(kuò)展應(yīng)用上，如光學(xué)控制元器件等方面。作為微納領(lǐng)域的新興技術(shù)，液體透鏡的發(fā)展備受廣大學(xué)者與相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。雖然液體透鏡技術(shù)還存在一定的不足，但其優(yōu)越的性能是傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)無法企及的。通過國內(nèi)外學(xué)者的共同努力，一定能將液體透鏡的技術(shù)共同推進(jìn)，使液體透鏡在將來得到廣泛應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)科技的發(fā)展，更好地提升人們的生活質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Research Status and Prospects of Liquid Lens

CUI Jian-guo, WANG Run-shi, YUAN Wei, PENG Jun, CHEN Yu-yan

(School of Pharmacy & Bioengineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

Liquid lenses have potential applications in image acquisition, target tracking, biometrics, and other portable electronic devices. Comparing with the mechanical zoom lens，liquid lens has become a hot point in micro-nano research field due to the advantages of easy fabrication, compact structure, direct voltage actuation, and low power consumption. This paper reviews the development of domestic and foreign existing liquid lens technology, and prospects for the future development direction of the liquid lens by summarizing the previous research methods.

liquid lens; electrowetting on dielectric; optical zoom; dielectrophoretic effect

2015-12-25 基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAI01B14)；重慶理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)基金項(xiàng)目 (Sk201403) ；重慶理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目(yjg2013205)

崔建國(1974—)，男，遼寧錦州人，博士，副教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)方向研究，E-mail:cjg777@163.com。

崔建國，王潤詩，袁偉，等.液體透鏡研究現(xiàn)狀與展望[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(11):105-110.

format：CUI Jian-guo, WANG Run-shi, YUAN Wei, et al.Research Status and Prospects of Liquid Lens[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):105-110.

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