顧海鵬，洪華杰，范紀紅

(1.國防科技大學 智能科學學院,湖南 長沙 410073;2.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

引言

蜂群作戰(zhàn)是未來無人作戰(zhàn)的一種重要方式，小型無人機對微小型光電載荷的探測能力也提出了迫切的需求。當前受制于傳統(tǒng)光學組件式鏡頭的體積，小型光電平臺只能配備定焦鏡頭，制約了探測的距離和分辨率的提升。

液態(tài)透鏡技術的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)光學系統(tǒng)在新領域應用上的諸多不足，其具有變焦響應快，變焦范圍相對較大，制造成本低，結構簡單，在體積與質量上更易小型化等特點。液態(tài)透鏡可廣泛應用于光電偵察、圖像采集、手機鏡頭等領域，由于其在體積方面突出的優(yōu)越性，已成為微納領域一個重要的研究熱點。液態(tài)透鏡的研究至今已有近半個世紀的歷史，期間各個領域的研究人員提出了許多不同的方案。為了指導液態(tài)透鏡未來的研究方向，本文對前人的工作做了系統(tǒng)性的總結，對不同的技術路線以及各自的優(yōu)缺點進行了對比分析，同時指出了當前研究中的不足，提出了未來可行的研究內容。

1 液態(tài)透鏡的原理分析

液態(tài)透鏡自從概念提出以來，出現(xiàn)過許多不同的方案，但總的來說，液態(tài)透鏡根據(jù)其工作原理，可以分為兩個方向：一種是利用電力直驅的液態(tài)透鏡；另一種是利用機械力驅動實現(xiàn)變焦的液態(tài)透鏡[1]。

1.1 “電潤濕”透鏡

法國科學家Lippmann在1898年實驗中觀察到了毛細下降現(xiàn)象(electrocapillarity)，這是電潤濕的最早定義。1981年，貝爾實驗室對“電潤濕”效應的動力學特性進行了分析研究，提出了“電潤濕顯示”的概念(EWOD)，其原理如圖1所示[2]。

圖1 電潤濕效應原理圖Fig.1 Schematic diagram of electro-wetting effect

當小體積的液滴處于導體表面時，由于其表面張力，會收縮為一個凸起的近似半球，其與電極接觸點上的切線方向與電極平面之間的夾角稱為接觸角，在圖1(a)中表示為θ0。對液滴和導體之間施加電壓后，液滴的接觸角會減小為θv，如圖1(b)所示，這種現(xiàn)象就稱為“電潤濕”效應。由于液滴與電極直接接觸會導致液體的電解，Berge通過研究提出了在液滴和電極之間加入疏水性的電介質層，這不僅可以抑制電解反應，還能增加未通電下的接觸角[3]。針對電潤濕效應，英國物理學家Thomas-Young于1805年提出了著名的楊氏方程，量化地描述了接觸角與電壓之間的關系：

(1)

式中：θv為施加電壓后的接觸角；θ0為沒有施加電壓的初始接觸角；ε為介電層的介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；γLG為液體與接觸環(huán)境的界面張力；d是介質層厚度；V是施加在電極與液滴之間的電壓。從楊氏方程可以看出，當施加在電極與液滴之間的電壓V變化時，接觸角會發(fā)生改變，從而改變液滴的曲率。實際使用中，為了消除不同位姿下的重力影響，經(jīng)常使用鹽水、甘油這兩種密度相近、互不相溶的液體，利用液-液接觸面形成折射表面。

利用“電潤濕”效應作為原理的液態(tài)透鏡具有以下2點優(yōu)勢。

1) 由于利用該原理的透鏡沒有機械結構，因此體積可以控制在很小的范圍內，且設備的損耗較小。

2) 透鏡的凸面或凹面是由液-液交界面形成的，因此能自發(fā)形成表面質量很高的透鏡。

雖然其優(yōu)勢相較于傳統(tǒng)透鏡很突出，但是目前的研究中仍然發(fā)現(xiàn)了許多不足。

1) 驅動電壓較高。目前利用“電潤濕”效應的液態(tài)透鏡驅動電壓一般在40 V以上，在有效變焦范圍內，電壓往往會達到70 V，這就需要一個較大的電源來驅動透鏡，一定程度上抵消了透鏡本身小體積所帶來的優(yōu)勢，限制了其在實際中的應用。

2) 其面形被楊氏方程所描述，當電壓確定后面形就隨之確定，形成一個球面。目前的研究中只能對其接觸角范圍進行設計，設計的自由度較小，實際應用中需要配合一系列固態(tài)透鏡或液態(tài)透鏡，增大了體積。

3) 存在包括球差、畸變、色差等像差。液態(tài)透鏡由于其填充的液態(tài)對不同波長的光線折射率不同，最終形成的圖像會存在色差。其次，由于“電潤濕”效應形成的曲面本質上是一個球面，其在成像的過程中會存在球差，圖像邊緣會出現(xiàn)畸變，當前CCD的像素較高，成像清晰，光學系統(tǒng)的成像缺陷將被明顯地顯示在圖像上。為了對這些像差進行校正，則需要加入一系列透鏡組矯正，或使用計算機后處理，一定程度上限制了液態(tài)透鏡在微小型光電探測領域的應用。

1.2 機械液壓式透鏡

這種技術通常會利用可伸縮的彈性薄膜將液態(tài)封裝限制在一個密閉的微型腔內，如圖2所示。彈性薄膜的曲率半徑可以通過施加外部壓力來改變，液態(tài)受壓充入或抽出液態(tài)腔時，其形狀與曲率發(fā)生變化，形成凸透鏡或凹透鏡，由此來實現(xiàn)液態(tài)透鏡的變焦。

圖2 液壓薄膜液態(tài)透鏡結構圖Fig.2 Structure diagram of hydraulic membrane liquid lens

圖2中1是環(huán)形的密封環(huán)，2是用來控制液態(tài)進入或流出的橡膠膜，3是玻璃基板，4是高透光的彈性薄膜，5是外部儲液腔，6是液體進出的通道。透鏡的工作過程如圖2(b)所示，橡膠膜受到外部壓力彎曲后，擠壓儲液腔中的液體進入彈性薄膜封閉的內腔中，彈性薄膜受壓鼓起，形成凸透鏡[4]。

相比于“電潤濕”液態(tài)透鏡，基于液壓驅動的液態(tài)透鏡具有以下2點優(yōu)勢。

1) 在體積相近的情況下，液壓驅動的液態(tài)透鏡通常具有更短的響應時間，系統(tǒng)遲滯不明顯。

2) 液壓驅動的液態(tài)透鏡驅動方式多樣化，可以使用手動、音圈電機、蝸輪蝸桿等多種驅動方式，驅動電壓依據(jù)驅動方式的不同也具有較多的可選擇性。

但目前的液壓驅動液態(tài)透鏡也具有以下3點問題：

1) 薄膜的壽命和機械強度。液壓驅動的液態(tài)透鏡有一層彈性薄膜將兩種不同的液態(tài)分開，該薄膜會隨著液態(tài)不斷往復運動，不斷被拉伸或收縮。如果應用于焦距改變頻率較高的場合，薄膜的壽命能否維持預期的時間是一個必須考慮的問題。此外，常用的PDMS薄膜長時間與液體接觸還可能存在褶皺，收縮等問題。

2) 薄膜的粗糙度以及面形精度對成像質量的影響。由于當前彈性薄膜多使用PDMS薄膜，其成型工藝為固化工藝(將1∶10的固化劑與材料混合，靜置一段時間即可成型)，不同的生產(chǎn)條件下薄膜的質量差距較大，粗糙的表面會影響成像的清晰度以及透光率，不均勻的薄膜會造成面形誤差，帶來更多不可控的像差。

3) 目前液態(tài)透鏡主要研究集中在微透鏡、微透鏡陣列領域，但“機械液壓式”透鏡在微型化的過程中存在很多微結構制造以及驅動上的難題需要解決。

1.3 介電力液態(tài)透鏡

介電力現(xiàn)象與“電潤濕”效應有相似之處，工作原理都是利用兩種液體的交界面來形成折射面，以此減輕重力的影響，并且增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其結構原理如圖3所示。綠色與灰色分別代表兩種不同的液體1與液體2，其中實線表示電壓為0時的輪廓，虛線表示接入電壓V1時變形后的輪廓。其區(qū)別在于介電力并不是通過在液體和電極板之間施加電壓產(chǎn)生的，只需給電極通電就可產(chǎn)生介電力并完成變形，為了提高驅動效率，一般會將電極刻蝕為特殊形狀。同時要產(chǎn)生介電力驅動，則要求作為主體的液體1介電常數(shù)較小，液體2介電常數(shù)較大[5]。

圖3 介電力液態(tài)透鏡結構示意圖Fig.3 Structure diagram of mediate-electric liquid lens

由于“介電力”原理與“電潤濕”效應高度相似性，其優(yōu)勢與缺點也基本相同。但在“介電力”透鏡中，由于電極的形狀對驅動電壓的影響較大，因此一系列針對電極形狀的優(yōu)化研究大大降低了“介電力”效應的驅動電壓，在有效變焦范圍內，40 V左右的電壓即可使透鏡焦距產(chǎn)生較大幅度的變化。

1.4 液晶材料液態(tài)透鏡

液晶材料是一種性質特殊的材料，其中應用最多的是向列相液晶，其分子的質心和普通液體一樣在整個體系中是無序的，然而與一般液體不同的是，液晶處于各向異性的狀態(tài)，這種狀態(tài)是液晶分子所具有的圓棒狀外形決定的。更確切地說，向列相液晶是圓柱對稱的，即該體系中有一根軸線，平行于該軸方向，液晶各物理參數(shù)是一組數(shù)值，垂直于該軸方向，參數(shù)是另一組數(shù)值。當施加外界電場后，棒狀液晶分子的指向會沿電場發(fā)生改變，進而改變該方向上的折射率等參數(shù)，其結構如圖4所示。通過在特殊形狀的ITO電極上施加電壓，產(chǎn)生梯度變化的電場，進而使折射率發(fā)生梯度變化，更嚴格地說，是光軸方向發(fā)生了變化[6]。

圖4 液晶透鏡結構原理Fig.4 Structure diagram of liquid crystal lens

使用液晶材料制作的液態(tài)透鏡有著獨特的優(yōu)勢。

1) 使用液晶材料制作的液態(tài)透鏡體積很小，尺寸一般都處在微米量級，目前的研究成果中液晶層的厚度一般僅有幾十微米。

2) 透鏡的機械損耗和能耗都很低，液晶透鏡由于其體積微小，所需的驅動電壓也較小，通常都在40 V以內。

但是液晶材料的特性很大程度上限制了其適用范圍，根據(jù)液晶材料的原理，通常要搭配偏振鏡使用，這就大大降低了透過的光能。此外，液晶本身的原理使得光在透過液晶后還存在一次較大的損耗，因此使用液晶的液態(tài)透鏡一般被用于顯示領域，例如2D/3D顯示等，這種特性也使得液晶材料的液態(tài)透鏡很難應用于成像光學。

1.5 電、磁致伸縮聚合物液態(tài)透鏡

近年來，電、磁致伸縮材料(人工肌肉)成為材料學科的研究熱點，這類材料具有和生物肌肉類似的性質，在受到電、磁刺激時，會產(chǎn)生拉伸、收縮的現(xiàn)象，在電、磁刺激撤去后，又能恢復原狀，此現(xiàn)象被稱為介電彈性現(xiàn)象(dielectric elastomer，DE)。這種特殊的材料特性很適合用于驅動微小型結構，因此近幾年也出現(xiàn)了一些利用電、磁致伸縮材料制備的液態(tài)透鏡，其基本結構如圖5所示。液體被包覆在兩層DE薄膜之中，DE薄膜周邊密封，并在薄膜外包覆電極，當兩側電極接入電壓時，包覆著液體的部分會扭曲變形，曲率進而減小[7]。

圖5 電、磁致伸縮材料液態(tài)透鏡結構Fig.5 Structure diagram of liquid lens by electric and magnetic telescopic materials

電、磁致伸縮材料是當前最接近生物肌肉的一種材料，這種驅動方式大大簡化了機械式液態(tài)透鏡的結構設計，可以實現(xiàn)結構的微型化，目前研究中該透鏡直徑僅1.85 mm左右。

但作為剛剛起步的研究，這類材料存在的問題也較多。

1) 所需的驅動電壓大。目前電、磁致伸縮材料所需的驅動電壓都為kV量級，對微小型機電系統(tǒng)來說很難達到。

2) 響應時間較長。依據(jù)現(xiàn)有研究成果，驅動的響應時間一般在500 ms左右，恢復的響應時間在200 ms左右。

總的來說，這類液態(tài)透鏡應用前景很大，但是針對這些問題還有很多研究工作需要展開。

2 液態(tài)透鏡研究現(xiàn)狀

國外對液態(tài)透鏡的研究起步較早，最早可以追溯至18世紀的英國，天文學家Stephen Gray發(fā)現(xiàn)將液態(tài)滴入銅板上的小孔可以起到放大圖像的作用，并以此原理制作了最早的液態(tài)顯微鏡[8]。之后隨著解剖與生物醫(yī)學的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)人類的眼球之所以能夠很容易地看清不同距離的物體，是因為肌肉改變了晶狀體的曲率，以及晶狀體到視網(wǎng)膜的距離，這顯然比人類制造的往往由數(shù)個光學鏡片組成的光學系統(tǒng)簡單得多，這一來源于自然界的啟示激發(fā)了光學研究者們很大的興趣，自此開始了對液態(tài)透鏡的研究[9]。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2000年，法國的B.Berge在其“電潤濕”效應的研究基礎上，提出了使用兩種互不相溶的液體利用“電潤濕”效應形成液態(tài)透鏡的模型，如圖6(a)所示，其中1是絕緣的非極性液體，可使用溴萘、溴萘、硅油等，2是導電水溶液。兩種液體具有相同的密度和不同的折射率，該設計消除了透鏡在不同位姿下重力的影響。在液體與基板之間施加電壓后，1所代表的液體形狀就會發(fā)生變化。在實驗中，為了簡化模型，使用了如圖6(b)所示的原型，中間的灰色部分是一塊環(huán)氧樹脂制造的透鏡。該液態(tài)透鏡的驅動電壓較高，在電壓達到90 V以上時，焦距才會產(chǎn)生明顯的變化，而在200 V左右時，焦度才會達到100左右的屈光度，如此高的驅動電壓，很大程度上限制了這個方案的實用性。此外，焦距對圖6(b)中灰色的環(huán)氧樹脂透鏡的精度十分敏感，因此焦距與電壓的準確關系也難以確定[10]。

圖6 Berge透鏡系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of Berge lens system

針對上述研究的不足，B.Berge在2005年改進了鏡頭的設計使得驅動電壓降低至60 V左右，同時對結構做出了改進，如圖6(c)所示。基電極上增加了一個錐形面，液滴與基板在錐形面上接觸，這樣不僅可以增加液滴的接觸角，還可以增強透鏡光軸的穩(wěn)定性。依靠在液態(tài)透鏡上的研究，B.Berge成立了法國Varioptic公司，專門從事液態(tài)透鏡的設計與生產(chǎn)工作[11]。目前Varioptic公司已有數(shù)款液態(tài)透鏡以及液態(tài)透鏡組成的鏡頭產(chǎn)品問世，其中最小的透鏡產(chǎn)品A-16F外徑僅6.2 mm，總厚度1.8 mm，工作溫度范圍可達-30℃～85℃。2017年，B.Berge公布了一系列不同液體在不同電解質涂層表面的電潤濕效應特性數(shù)據(jù)，為研究者提供了設計參考[12]。

圖7 Philips透鏡系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of Philips lens system

2004年，Philips公司與Varioptic公司使用了相同的技術，即“電潤濕”效應，進行了液態(tài)透鏡的研究。其結構原理如圖7所示。圖7(a)是未通電前的透鏡狀態(tài)，圖7(b)是通電后的透鏡狀態(tài)。Philips公司研究的透鏡與Varioptics的透鏡在結構上十分類似，都是將兩種互不相溶的液體封裝在密閉腔體內，其不同點在于：Philips的產(chǎn)品使得液滴的末端可以在透鏡的側壁上延伸，通過這種方式盡可能地增加接觸角的變化范圍[13]。2007年，Philips在其液態(tài)透鏡研究的基礎上，使用2片液態(tài)透鏡與3片塑料透鏡組成了一個固-液組合鏡頭。該項研究中，Philips詳細地說明和討論了利用該種液態(tài)透鏡制備鏡頭需要解決的問題。首先兩種液體的折射率差值應當盡可能高，其計算表明放大系數(shù)為2時，折射率差應當大于0.2，同時這兩種液體的粘度要適中，太低會引起震蕩，太高則會使得系統(tǒng)響應遲滯。另外，由于大多數(shù)材料的折射率取決于通過光的波長，因此使用液態(tài)透鏡就會使得所成像產(chǎn)生色差，提出利用選擇特定阿貝數(shù)組合的液體以及額外的矯正透鏡對像差進行消除,最終透鏡的組合如圖7(c)所示。但是實驗的成像效果并不理想，成像質量受多個因素影響，導致成像在清晰度與色彩還原上均未達到商用的水平[14]。遺憾的是這項研究之后，Philips沒有針對該技術發(fā)布更多的研究內容。

除了Varioptic以及Philips兩家公司外，另一家瑞士的公司Optotune則基于液壓機械結構技術進行了液態(tài)透鏡的研究，其結構如圖8所示。彈性薄膜15將上下兩種液態(tài)分開，其中40可以沿圖中標注的方向上下移動，移動時會擠壓或拉伸15所示的彈性薄膜，彈性薄膜將腔體分為32和14兩個儲液腔，組成透鏡的下部液體通過孔22與儲液腔14相連，組成透鏡上部的液體通過孔28與儲液腔32相連，該設計可以保證40在移動時，透鏡上下兩部分液體的體積變化和為零。這里的上下兩種液體與“電潤濕”原理類似，為兩種折射率不同但密度相同或接近的兩種液體，以此消除重力的影響，但由于有薄膜的阻隔，并不要求兩種液體互不相溶[15]。

圖8 Optotune液態(tài)透鏡結構圖Fig.8 Structure diagram of Optotune liquid lens

此外，國外也有許多高校與科研機構進行了液態(tài)透鏡的研究。目前對液態(tài)透鏡研究最為廣泛的是韓國全北國立大學(Chonbuk National University，Korea)任教的Hongwen Ren教授，Hongwen Ren教授主要研究方向為液晶顯示，因此主要對液晶材料在液態(tài)透鏡上的應用進行了研究。2006年，Hongwen Ren教授針對液晶液態(tài)透鏡的諸多不足提出了一項改進方案，即使用玻璃殼體代替玻璃透鏡，結構如圖9所示。中間是普通的LC單元，在LC單元之上有一玻璃球殼，球殼內部涂敷有ITO電極，LC單元內的電極與球殼內的電極之間接入電壓后，即可產(chǎn)生梯度分布的電場。先前的研究中，為了產(chǎn)生梯度分布的電場，一般在球形玻璃或聚合物的表面涂敷ITO電極，再將該層放置于液晶層上，相比之下，該研究可以在球殼內填充介電常數(shù)不同的物質，進而改變電場強度，優(yōu)化透鏡的光學與動力學性能[16]。

圖9 應用玻璃球殼的液晶液態(tài)透鏡結構Fig.9 Structure diagram of liquid crystal lens on applied glass spherical shell

2014年，Hongwen Ren基于液晶技術提出了一種多電極驅動的菲涅爾透鏡，其結構如圖10所示。其設計核心在于下基板的兩塊像素電極1和2，兩塊像素電極的形狀均經(jīng)過精心的設計，且通過一層鈍化層連接在一起。通過在上基板的公共電極與像素電極1、2之間施加不同的電壓，可精確控制不同位置液晶分子的指向，優(yōu)化邊緣效應，得到了性能優(yōu)良的液晶菲涅爾透鏡，使得菲涅爾透鏡誤差從35%下降到16.9%[17]。

圖10 多極驅動液晶菲涅爾透鏡結構Fig.10 Structure diagram of multipole-driven crystal Fresnel lens

2005年，Hongwen Ren和 Shin-Tson Wu研究了一種可以改變光圈大小的機械液壓式透鏡，其結構如圖11(a)所示。薄膜腔的周圍有類似于光圈的葉輪結構，葉輪可被驅動桿驅動，向中心收縮，擠壓液體腔，使薄膜形成曲率近似為R的形狀，如圖11(b)所示。該透鏡的通光孔徑尺寸為12.5 mm，厚度為5 mm[18]。

圖11 可變光圈薄膜透鏡結構原理Fig.11 Structure diagram of variable aperture membrane lens

2007年，Hongwen Ren和Shin-Tson Wu對液態(tài)透鏡開展了研究，首先使用兩塊透明玻璃板，分別鉆2個5 mm小孔，再將孔分別用PDMS彈性薄膜和橡膠膜密封，如圖12(a)和圖12(b)所示。接下來將這兩塊玻璃疊放在一起后，周圍用環(huán)氧樹脂封裝，中間填充純水，如圖12(c)所示。這里要注意的是橡膠膜在透鏡外部，彈性薄膜在透鏡內部，作為透鏡的光學部分。進行變形時，對橡膠模施加壓力即可，如圖12(d)所示。實驗中透鏡的響應時間約為40 ms，已經(jīng)達到較高的水平[19]。

圖12 Hongwen Ren透鏡結構與驅動原理示意圖Fig.12 Hongwen Ren lens structure and drive schematic diagram

2017年，印度的Roshan Patra等人研究了一種無膜的機械液壓式透鏡，如圖13所示。其具有與光軸垂直的上下2個透明窗口，頂部和底部腔體內填充折射率不同、互不相溶的兩種液體，且對液體的導電性沒有要求。填充時，液體交界面位于凸出部分的銳邊上，底部有一個螺絲通入腔體內部，旋入或旋出螺絲就可改變腔體內的壓力，以此改變液體交界面的曲率，其焦距為-500 mm～500 mm，響應時間約為50 ms[20]。

圖13 無膜機械液態(tài)透鏡結構示意圖Fig.13 Structure diagram of machinery liquid lens without membrane

2003年，T.Krupenkin等人提出了一種四電極的液態(tài)透鏡，在改變焦距的基礎上，還能在二維平面上改變光軸的位置，其結構如圖14所示。圖14(a)是電極結構，其被分為4個電極，黑線是ITO刻蝕的部分，通過對4個部分施加V1～V4的不同電壓，實現(xiàn)光軸的移動[21]，在這項研究的基礎上，韓國Jae Yong An和日本Atsushi Takei等人也進行了光軸控制的研究[22-23]。

圖14 T.Krupenkin的四電極結構Fig.14 Structure diagram of four-electrode on T.Krupenkin

2008年，Hongwen Ren提出了一種基于介電力的液態(tài)透鏡陣列,其結構如圖15所示。為了形成微透鏡陣列，將兩種互不相溶的介電液封裝在兩層玻璃板之間，介電液1(L1)的介電常數(shù)較低，折射率較高，介電液2(L2)的介電常數(shù)較高，折射率較低，上下玻璃基板上涂敷有電極，下基板上的電極被刻蝕出圓孔陣列，極板間未接入電壓時，介電液1散亂地分布在極板間，如圖15(a)所示。當極板間接入電壓時，介電液1向下極板上刻蝕出的圓孔陣列聚集，按照圖15(b)～圖15(c)的順序形成透鏡陣列，電壓撤去后，介電液1又會逐漸沉積。該透鏡陣列單個透鏡的通光孔徑為140 μm，驅動電壓在60 V左右，透鏡的響應時間較短，上升時間約30 ms，下降時間約250 ms[24]。

圖15 Hongwen Ren介電力液態(tài)透鏡Fig.15 Hongwen Ren mediate-electric liquid lens

2017年，韓國的Jeongmin Lee等研究了一款特別的液態(tài)透鏡，它可以同時改變自身的焦距和光圈大小，結構如圖16所示。

圖16 可變焦距與光圈液態(tài)透鏡結構示意圖Fig.16 Structure diagram of zoomable and aperture liquid lens

其中l(wèi)ens body是內部為錐面的電極，middle plate為使用MEMS加工技術制備的ITO電極。原理上使用“電潤濕”效應與介電力共同驅動，驅動電壓為60 V時響應時間為80 ms，焦距在9.04 mm處飽和。光圈的變化利用ITO電極驅動周圍的不透明液體實現(xiàn)，其光圈驅動結構孔徑在0 V時為4.75 mm，200 V時為1.35 mm[25]。

2018年，韓國的Il Song Park等人將液壓驅動與“電潤濕”效應結合起來，研究了一種復合液態(tài)透鏡的性能，其結構如圖17所示。周圍是被PDMS(聚二甲基硅氧烷)所封閉的驅動腔體，驅動腔體通過下部的小孔與中間的透鏡腔連接。圖中黃色部分是封裝驅動腔的PDMS薄膜，其上固定有一塊環(huán)形的釹磁鐵。下方的電磁鐵通電時，環(huán)形的銣磁體就會被吸下，將驅動腔內的液體壓入透鏡腔，抬升液面的高度，改變物距與像距，同時利用透鏡腔內壁上的電潤濕效應，改變液面的面形。實驗中初始焦距為8.94 mm，電壓從0 V～90 V改變時，焦距呈指數(shù)增長，直至透鏡變?yōu)榘济?。焦距在電壓?30 V時，在-13.42 mm處飽和，液面高度每1 V變化為24 μm[26]。

圖17 復合液態(tài)透鏡結構示意圖Fig.17 Structure diagram of compound liquid lens

根據(jù)上文文獻的一些介紹分析可以看到，國外對液態(tài)透鏡的研究主要集中在基于“電潤濕”效應與介電力驅動方面，對液壓驅動的液態(tài)透鏡研究相對較少，但目前兩種原理都有產(chǎn)品面世。研究路線從基本的“電潤濕”效應出發(fā)，研究了如何增大接觸角，如何改變透鏡光軸，以及利用“電潤濕”效應的特性設計了集成在透鏡上的光圈。近年來，也有將液壓驅動與“電潤濕”效應結合使用的趨勢。

2.2 國內研究現(xiàn)狀

由于國外對液態(tài)透鏡的原理研究已經(jīng)較為成熟，國內的研究起步較晚，目前針對液態(tài)透鏡展開研究的機構有清華大學、北京理工大學、四川大學、東南大學、南京郵電大學、上海理工大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等。

2008年，清華大學微電子研究所的康明等人研究了一種“懸環(huán)”結構的液態(tài)透鏡，如圖18所示。有一個圓環(huán)電極懸浮在液體中，液滴被鉗制在環(huán)形電極內部，通過改變環(huán)形電極與底部透明電極間的電壓，可以改變液體的與底部疏水層的接觸角，使得液滴的表面在A、B兩個狀態(tài)之間變化，可以實現(xiàn)曲率變化和焦距調節(jié)。電壓從0～40 V之間變化時，焦距可以在8.51 mm～55.9 mm之間變化，在電壓45 V時接觸角飽和，該設計有效減小了所需的驅動電壓[27]。

圖18 “懸環(huán)”結構液態(tài)透鏡Fig.18 Hanging ring structure liquid lens

四川大學的Qionghua Wang教授對液態(tài)透鏡的研究目前在國內來說較為豐富。2011年，Qionghua Wang與Lei Li教授研究了一種機械液壓式薄膜液態(tài)透鏡，其結構如圖19所示。玻璃腔體被分隔為3個部分，左右兩側的腔體內填充液體1，中間的腔體填充液體2，與中間腔體連通的上部有一個可以擠壓的活塞，活塞向下擠壓時，中間腔體容積減小，液體通過擠壓與兩側腔體相隔的薄膜促使薄膜變形，使中心一部分凸透鏡聚焦有效區(qū)域；當活塞被拉起時，中間腔容積減小，兩側的液體擠壓薄膜進入中間腔，使中間有效區(qū)域成為凹透鏡。該透鏡焦距可在-12.6 mm～12.5 mm之間變化，整體尺寸約為14 mm[28]。

圖19 帶活塞機械液壓式透鏡結構原理Fig.19 Structure diagram of machineryhydraulic lens with piston

2015年，Qionghua Wang教授與韓國全北國立大學的Hongwen Ren合作研究了一種基于電潤濕效應的折返式液態(tài)透鏡，其結構原理如圖20(a)所示。在一般的電潤濕液態(tài)透鏡結構的設計基礎上加入了一個位于透鏡前方的圓形反射膜和一個位于透鏡后方的環(huán)形反射膜，整體結構接近于天文望遠鏡的設計，該透鏡的光路如圖20(b)所示。該設計通過多次折返提高了3倍的光功率，當電壓在47 V～62 V的范圍變化時，焦距可在21.1 mm～91.9 mm范圍內變化[29]。

圖20 折返式“電潤濕”液態(tài)透鏡原理結構圖Fig.20 Structure diagram of foldback electro-wetting liquid lens

2019年，Qionghua Wang教授基于電潤濕效應提出了一種非球面調諧的固-液復合液態(tài)透鏡，在一般的“電潤濕”液態(tài)透鏡結構基礎上，在通光孔徑的后部基板上加入了一片非球面固態(tài)透鏡，以此消除液體變形表面偏離球面所導致的像差，其結構如圖21所示。圖中黃色指示的部分即非球面液態(tài)透鏡，該透鏡有效通光孔徑約為6 mm，當電壓從30 V增加到75 V時，焦距從265 mm減小到20.5 mm[30]。

圖21 “非球面調諧”固-液混合液態(tài)透鏡Fig.21 Aspherical tuning solid-liquid hybrid liquid lens

此外，東南大學的夏軍教授也在開展液態(tài)透鏡的相關研究，2008年，夏軍教授申請了一種基于電潤濕效應的液態(tài)透鏡專利[31]；2009年，夏軍教授對介電力驅動變形的液態(tài)透鏡進行了仿真分析[32]；2010年，夏軍教授對氧化鋅四足納米晶粗化的介質表面上的電潤濕效應進行了研究[33]。

上海理工大學的Runling Peng教授也展開了許多液態(tài)透鏡的研究，2013年，Runling Peng教授對“電潤濕”液態(tài)透鏡的面形進行了計算，最后經(jīng)過實驗證明了相同密度的兩種液體形成的交界面是一個球面[34]。

2014年，Runling Peng教授探索了“電潤濕”液態(tài)透鏡在醫(yī)療領域的應用，即能否用液態(tài)透鏡代替人眼中損壞或老化的晶狀體。主要研究了在液態(tài)透鏡中加入兩塊非球面鏡，來提高變焦范圍與成像質量，經(jīng)過仿真分析，變焦范圍超過自然人眼，分辨率基本達到人眼極限[35]。

2017年，Runling Peng教授研究了液態(tài)透鏡中填充的液體粘度對透鏡響應滯后的影響，最后得出了降低油粘度、降低結構表面粗糙度都可以提高響應速度的結論[36]。

北京理工大學的研究以液態(tài)透鏡的應用為主。2014年，北京大學的張晨光利用楊氏方程與Laplace方程解算了基于電潤濕效應的液態(tài)透鏡的面形精度，并研究了與液態(tài)透鏡變焦范圍相關的參數(shù)與焦距之間的關系[37-38]。2016年，北京理工大學的宋秀萍在張晨光的研究基礎上，深入研究了液-固組合透鏡的變焦范圍，加入固體透鏡后，未加電壓時其焦距未達到無窮遠，160 V電壓下達到最小焦距9.03 cm，0～20 V內焦距變化速率最大[39]。

2015年，南京郵電大學的王評在基于“電潤濕”效應的基礎上，對液態(tài)透鏡的像差進行了測量，并利用兩片液態(tài)透鏡設計了無機械移動的光學系統(tǒng)，其變倍比為2.5，焦距可以在20 mm和50 mm間切換。為了提高雙透鏡組的成像質量，他又設計了三液態(tài)透鏡的成像系統(tǒng)，其焦距可以在3 mm～21 mm之間變化，變倍比達到7[2]。

中科院的研究有其獨到之處。2013年，中科院長春精密機械與物理研究所的劉永明等人分析了液壓機械結構驅動的薄膜液態(tài)透鏡的面形，并對面形做出了優(yōu)化設計。其優(yōu)化原理如圖22(a)所示，其中Ω為可變形的柔性結構。利用SIMP算法尋找Ω的最優(yōu)質量分布，使得變形后的面形更接近球面，其仿真效果如圖22(b)所示。最終仿真的優(yōu)化效果在弦高為0.5 mm，透鏡口徑分別為初始100%、95%和90%時，PV值分別是初始結構的5.7%、11.9%和2.5%，RMS值分別是初始結構的11.2%、21.9%和45.4%，優(yōu)化后的高級球差基本消失[40]。

圖22 彈性薄膜面形優(yōu)化柔性結構Fig.22 Structure diagram of elastic membrane surface shape

國內對液態(tài)透鏡沒有開展過多的基礎研究，更多地集中在液態(tài)透鏡的應用上，例如使用液態(tài)透鏡組合鏡頭，實現(xiàn)變焦成像，以及設計一些特殊結構或加入透鏡組，對液態(tài)透鏡的像差進行校正。

2015年，四川大學的Qionghua Wang教授基于“電潤濕”液態(tài)透鏡設計了一套彩色全息變焦顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖23所示。該設計中使用液態(tài)透鏡代替了傳統(tǒng)的機械變焦系統(tǒng)，使得系統(tǒng)結構更加緊湊，可以快速改變重建圖像的放大倍數(shù)[41]。

圖23 液態(tài)透鏡對焦彩色全息投影系統(tǒng)結構圖Fig.23 Structure diagram of liquid lens focusing color holographic projection system

2016年，Qionghua Wang教授提出了微液態(tài)透鏡陣列的集成顯示器，該透鏡陣列使得顯示器可以在二維顯示和三維顯示之間切換。微透鏡陣列的結構原理如圖24(a)所示，平板整體被立柱分隔為數(shù)個微型腔，薄膜將平板整體分為上下2個部分，上下腔分別注入、抽出液體即可完成圖24(b)的變形[42]。

圖24 微透鏡陣列結構原理Fig.24 Structure diagram of micro lens array

2018年，Hongwen Ren教授利用液態(tài)透鏡和偏振鏡實現(xiàn)了激光的緊密聚焦，實現(xiàn)了對光斑大小的精確控制，系統(tǒng)結構如圖25所示。其中偏振轉換器用于將激光轉換為徑向偏振光或線偏振光，液態(tài)透鏡使用的是機械液壓式驅動的液態(tài)透鏡，在超分辨率成像、材料加工和微粒捕獲等方面，可控制光斑大小，使徑向偏振激光的緊密聚焦具有潛在的應用前景[43]。

圖25 激光緊密聚焦系統(tǒng)Fig.25 Laser close focus system

從研究角度來說，液壓驅動的液態(tài)透鏡需要更多考慮結構設計，利用一些巧妙的結構，在小體積內實現(xiàn)透鏡變形，這方面科研內容相對較少?；凇半姖櫇裥钡囊簯B(tài)透鏡的機械結構相對簡單，從科研角度來說研究內容更豐富，實驗更易操作。

3 技術分析與發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)機械式變焦鏡頭依靠精密機構，驅使光路中部分光學器件相對運動來改變焦距，由于其鏡片數(shù)量多、機構復雜，一般體積較大，光軸一致性精度不高、變焦響應速度慢。而由液態(tài)透鏡構成的鏡頭從原理上改善了這一狀況，可在較小體積內實現(xiàn)大范圍變焦，且響應速度快。

由液態(tài)透鏡組成的光學系統(tǒng)結構簡單，加工成本低，可有效解決機械式變焦鏡頭的問題，勢必會成為未來光電偵察中的重要發(fā)展領域。目前傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中，一種新的光學設計思路——自由光學曲面的設計，也已成為現(xiàn)代光學的一個重要研究方向，其在不增加光學元件數(shù)量的前提下增加了更多的設計自由度，可以有效減小光學系統(tǒng)設計殘差和光學元件數(shù)量，改善系統(tǒng)成像性能，簡化系統(tǒng)結構。自由曲面本質上是設計一類復雜的、非旋轉對稱的異形曲面，擁有更大自由度和非球面度[44]。然而自由光學曲面加工難度與成本相較于球面鏡要高出很多，那么液態(tài)透鏡作為一個柔性面，是否可以通過某種方式精確控制其面形以達到預期的變形？“電潤濕”效應所制備的透鏡根據(jù)其原理，本質上是一個球面，要控制面形從原理上來說難度較高，目前也未見有研究者提出相應的研究方法；而液壓驅動的液態(tài)透鏡其本質上是彈性薄膜在不同壓力下的變形，大多數(shù)的研究者將液壓驅動的液態(tài)透鏡視為球面處理，或者認為液態(tài)透鏡焦距一旦確定，就沒有設計的自由度，這種看法從力學的角度來說是不完備的。2017年，捷克共和國的PETR POKORNY等人利用位移與格林-拉格朗日應變之間的精確關系，結合圣維南-基爾霍夫材料定律，推導出了液態(tài)透鏡的精確面形，并且指出初始施加的預應力對變形性能幾乎沒有影響[45]。

此外，近幾年的研究中也逐漸出現(xiàn)將多種原理與技術路線混合使用的思路，例如固-液混合透鏡，“電潤濕”與機械液壓混合透鏡等。這些研究的目的都在于消除系統(tǒng)像差，提高成像質量，最大幅度地優(yōu)化液態(tài)透鏡的性能。

因此，如何對液態(tài)透鏡的面形進行精確的控制，最大程度地消除系統(tǒng)的像差，簡化成像系統(tǒng)結構，是液態(tài)透鏡大量進入商用領域替代傳統(tǒng)透鏡需要解決的重要問題。

4 結束語

當前，液態(tài)透鏡的研究已經(jīng)取得了一些令人振奮的成果，顯示出了許多超越傳統(tǒng)透鏡的性能，透鏡不僅實現(xiàn)了調節(jié)焦距的功能，更出現(xiàn)了調節(jié)物、像距以及光圈等豐富的研究成果。

國內對液態(tài)透鏡的研究尚處于起步階段，與國外的高水平研究成果還存在一定的差距，但國內開展的應用性研究對液態(tài)透鏡的設計也具有一定的指導意義。液態(tài)透鏡從目前取得的成果來看，是未來光電偵察平臺實現(xiàn)微小型化、高質量化、低成本化的關鍵技術之一，從科研角度來說亦具有很大的研究價值。液態(tài)透鏡的原理是其實現(xiàn)功能的核心，我們認為未來的研究應當繼續(xù)以攻克核心技術為主，在完成單個透鏡功能的基礎上，再進行透鏡組合的研究，或者更進一步研究多液態(tài)透鏡聯(lián)合運動，最大限度地減小鏡頭的體積。目前，液態(tài)透鏡在向性能穩(wěn)定、優(yōu)越的實用產(chǎn)品轉化過程中還有很多的研究工作需要繼續(xù)進行，期間亦會經(jīng)過從液-固組合鏡頭向液-液組合鏡頭轉換這樣一個過渡階段。

液態(tài)透鏡的兩種原理各有其優(yōu)缺點，適用范圍也不盡相同，研究者在選擇研究方向時應當依據(jù)自身的需要選擇合適的研究方向?？傊簯B(tài)透鏡是個很新穎的研究方向，新的設計層出不窮，未來必將一步步走向實際應用，逐漸替代傳統(tǒng)透鏡，在光電領域大放異彩。