顧海鵬，洪華杰，范紀(jì)紅

(1.國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

蜂群作戰(zhàn)是未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)的一種重要方式，小型無(wú)人機(jī)對(duì)微小型光電載荷的探測(cè)能力也提出了迫切的需求。當(dāng)前受制于傳統(tǒng)光學(xué)組件式鏡頭的體積，小型光電平臺(tái)只能配備定焦鏡頭，制約了探測(cè)的距離和分辨率的提升。

液態(tài)透鏡技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在新領(lǐng)域應(yīng)用上的諸多不足，其具有變焦響應(yīng)快，變焦范圍相對(duì)較大，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在體積與質(zhì)量上更易小型化等特點(diǎn)。液態(tài)透鏡可廣泛應(yīng)用于光電偵察、圖像采集、手機(jī)鏡頭等領(lǐng)域，由于其在體積方面突出的優(yōu)越性，已成為微納領(lǐng)域一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。液態(tài)透鏡的研究至今已有近半個(gè)世紀(jì)的歷史，期間各個(gè)領(lǐng)域的研究人員提出了許多不同的方案。為了指導(dǎo)液態(tài)透鏡未來(lái)的研究方向，本文對(duì)前人的工作做了系統(tǒng)性的總結(jié)，對(duì)不同的技術(shù)路線以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)指出了當(dāng)前研究中的不足，提出了未來(lái)可行的研究?jī)?nèi)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(lái)，出現(xiàn)過許多不同的方案，但總的來(lái)說，液態(tài)透鏡根據(jù)其工作原理，可以分為兩個(gè)方向：一種是利用電力直驅(qū)的液態(tài)透鏡；另一種是利用機(jī)械力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦的液態(tài)透鏡[1]。

1.1 “電潤(rùn)濕”透鏡

法國(guó)科學(xué)家Lippmann在1898年實(shí)驗(yàn)中觀察到了毛細(xì)下降現(xiàn)象(electrocapillarity)，這是電潤(rùn)濕的最早定義。1981年，貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)“電潤(rùn)濕”效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，提出了“電潤(rùn)濕顯示”的概念(EWOD)，其原理如圖1所示[2]。

圖1 電潤(rùn)濕效應(yīng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of electro-wetting effect

當(dāng)小體積的液滴處于導(dǎo)體表面時(shí)，由于其表面張力，會(huì)收縮為一個(gè)凸起的近似半球，其與電極接觸點(diǎn)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(duì)液滴和導(dǎo)體之間施加電壓后，液滴的接觸角會(huì)減小為θv，如圖1(b)所示，這種現(xiàn)象就稱為“電潤(rùn)濕”效應(yīng)。由于液滴與電極直接接觸會(huì)導(dǎo)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(zhì)層，這不僅可以抑制電解反應(yīng)，還能增加未通電下的接觸角[3]。針對(duì)電潤(rùn)濕效應(yīng)，英國(guó)物理學(xué)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(guān)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(zhì)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(dāng)施加在電極與液滴之間的電壓V變化時(shí)，接觸角會(huì)發(fā)生改變，從而改變液滴的曲率。實(shí)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(rùn)濕”效應(yīng)作為原理的液態(tài)透鏡具有以下2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

1) 由于利用該原理的透鏡沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此體積可以控制在很小的范圍內(nèi)，且設(shè)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(zhì)量很高的透鏡。

雖然其優(yōu)勢(shì)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(qū)動(dòng)電壓較高。目前利用“電潤(rùn)濕”效應(yīng)的液態(tài)透鏡驅(qū)動(dòng)電壓一般在40 V以上，在有效變焦范圍內(nèi)，電壓往往會(huì)達(dá)到70 V，這就需要一個(gè)較大的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)透鏡，一定程度上抵消了透鏡本身小體積所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。

2) 其面形被楊氏方程所描述，當(dāng)電壓確定后面形就隨之確定，形成一個(gè)球面。目前的研究中只能對(duì)其接觸角范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的自由度較小，實(shí)際應(yīng)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(duì)不同波長(zhǎng)的光線折射率不同，最終形成的圖像會(huì)存在色差。其次，由于“電潤(rùn)濕”效應(yīng)形成的曲面本質(zhì)上是一個(gè)球面，其在成像的過程中會(huì)存在球差，圖像邊緣會(huì)出現(xiàn)畸變，當(dāng)前CCD的像素較高，成像清晰，光學(xué)系統(tǒng)的成像缺陷將被明顯地顯示在圖像上。為了對(duì)這些像差進(jìn)行校正，則需要加入一系列透鏡組矯正，或使用計(jì)算機(jī)后處理，一定程度上限制了液態(tài)透鏡在微小型光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 機(jī)械液壓式透鏡

這種技術(shù)通常會(huì)利用可伸縮的彈性薄膜將液態(tài)封裝限制在一個(gè)密閉的微型腔內(nèi)，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(lái)改變，液態(tài)受壓充入或抽出液態(tài)腔時(shí)，其形狀與曲率發(fā)生變化，形成凸透鏡或凹透鏡，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)液態(tài)透鏡的變焦。

圖2 液壓薄膜液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)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(lái)控制液態(tài)進(jìn)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?jī)?chǔ)液腔，6是液體進(jìn)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(chǔ)液腔中的液體進(jìn)入彈性薄膜封閉的內(nèi)腔中，彈性薄膜受壓鼓起，形成凸透鏡[4]。

相比于“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡，基于液壓驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡具有以下2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

1) 在體積相近的情況下，液壓驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡通常具有更短的響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)遲滯不明顯。

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

但目前的液壓驅(qū)動(dòng)液態(tài)透鏡也具有以下3點(diǎn)問題：

1) 薄膜的壽命和機(jī)械強(qiáng)度。液壓驅(qū)動(dòng)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(huì)隨著液態(tài)不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷被拉伸或收縮。如果應(yīng)用于焦距改變頻率較高的場(chǎng)合，薄膜的壽命能否維持預(yù)期的時(shí)間是一個(gè)必須考慮的問題。此外，常用的PDMS薄膜長(zhǎng)時(shí)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(duì)成像質(zhì)量的影響。由于當(dāng)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(shí)間即可成型)，不同的生產(chǎn)條件下薄膜的質(zhì)量差距較大，粗糙的表面會(huì)影響成像的清晰度以及透光率，不均勻的薄膜會(huì)造成面形誤差，帶來(lái)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(lǐng)域，但“機(jī)械液壓式”透鏡在微型化的過程中存在很多微結(jié)構(gòu)制造以及驅(qū)動(dòng)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(rùn)濕”效應(yīng)有相似之處，工作原理都是利用兩種液體的交界面來(lái)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(jié)構(gòu)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(shí)線表示電壓為0時(shí)的輪廓，虛線表示接入電壓V1時(shí)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(qū)動(dòng)效率，一般會(huì)將電極刻蝕為特殊形狀。同時(shí)要產(chǎn)生介電力驅(qū)動(dòng)，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(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of mediate-electric liquid lens

由于“介電力”原理與“電潤(rùn)濕”效應(yīng)高度相似性，其優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)也基本相同。但在“介電力”透鏡中，由于電極的形狀對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的影響較大，因此一系列針對(duì)電極形狀的優(yōu)化研究大大降低了“介電力”效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓，在有效變焦范圍內(nèi)，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(zhì)特殊的材料，其中應(yīng)用最多的是向列相液晶，其分子的質(zhì)心和普通液體一樣在整個(gè)體系中是無(wú)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(duì)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(dāng)施加外界電場(chǎng)后，棒狀液晶分子的指向會(huì)沿電場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)而改變?cè)摲较蛏系恼凵渎实葏?shù)，其結(jié)構(gòu)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(chǎng)，進(jìn)而使折射率發(fā)生梯度變化，更嚴(yán)格地說，是光軸方向發(fā)生了變化[6]。

圖4 液晶透鏡結(jié)構(gòu)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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(jí)，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(jī)械損耗和能耗都很低，液晶透鏡由于其體積微小，所需的驅(qū)動(dòng)電壓也較小，通常都在40 V以內(nèi)。

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(lǐng)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(yīng)用于成像光學(xué)。

1.5 電、磁致伸縮聚合物液態(tài)透鏡

近年來(lái)，電、磁致伸縮材料(人工肌肉)成為材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)，這類材料具有和生物肌肉類似的性質(zhì)，在受到電、磁刺激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉伸、收縮的現(xiàn)象，在電、磁刺激撤去后，又能恢復(fù)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(qū)動(dòng)微小型結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dāng)兩側(cè)電極接入電壓時(shí)，包覆著液體的部分會(huì)扭曲變形，曲率進(jìn)而減小[7]。

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

電、磁致伸縮材料是當(dāng)前最接近生物肌肉的一種材料，這種驅(qū)動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了機(jī)械式液態(tài)透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)電壓大。目前電、磁致伸縮材料所需的驅(qū)動(dòng)電壓都為kV量級(jí)，對(duì)微小型機(jī)電系統(tǒng)來(lái)說很難達(dá)到。

2) 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。依據(jù)現(xiàn)有研究成果，驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間一般在500 ms左右，恢復(fù)的響應(yīng)時(shí)間在200 ms左右。

總的來(lái)說，這類液態(tài)透鏡應(yīng)用前景很大，但是針對(duì)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(guó)外對(duì)液態(tài)透鏡的研究起步較早，最早可以追溯至18世紀(jì)的英國(guó)，天文學(xué)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(xué)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?yàn)榧∪飧淖兞司铙w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(gè)光學(xué)鏡片組成的光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多，這一來(lái)源于自然界的啟示激發(fā)了光學(xué)研究者們很大的興趣，自此開始了對(duì)液態(tài)透鏡的研究[9]。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2000年，法國(guó)的B.Berge在其“電潤(rùn)濕”效應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，提出了使用兩種互不相溶的液體利用“電潤(rùn)濕”效應(yīng)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(dǎo)電水溶液。兩種液體具有相同的密度和不同的折射率，該設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生變化。在實(shí)驗(yàn)中，為了簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)電壓較高，在電壓達(dá)到90 V以上時(shí)，焦距才會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，而在200 V左右時(shí)，焦度才會(huì)達(dá)到100左右的屈光度，如此高的驅(qū)動(dòng)電壓，很大程度上限制了這個(gè)方案的實(shí)用性。此外，焦距對(duì)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(zhǔn)確關(guān)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(duì)上述研究的不足，B.Berge在2005年改進(jìn)了鏡頭的設(shè)計(jì)使得驅(qū)動(dòng)電壓降低至60 V左右，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)做出了改進(jìn)，如圖6(c)所示。基電極上增加了一個(gè)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(qiáng)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(guó)Varioptic公司，專門從事液態(tài)透鏡的設(shè)計(jì)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(dá)-30℃～85℃。2017年，B.Berge公布了一系列不同液體在不同電解質(zhì)涂層表面的電潤(rùn)濕效應(yīng)特性數(shù)據(jù)，為研究者提供了設(shè)計(jì)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(shù)，即“電潤(rùn)濕”效應(yīng)，進(jìn)行了液態(tài)透鏡的研究。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)，其不同點(diǎn)在于：Philips的產(chǎn)品使得液滴的末端可以在透鏡的側(cè)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(chǔ)上，使用2片液態(tài)透鏡與3片塑料透鏡組成了一個(gè)固-液組合鏡頭。該項(xiàng)研究中，Philips詳細(xì)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(yīng)當(dāng)盡可能高，其計(jì)算表明放大系數(shù)為2時(shí)，折射率差應(yīng)當(dāng)大于0.2，同時(shí)這兩種液體的粘度要適中，太低會(huì)引起震蕩，太高則會(huì)使得系統(tǒng)響應(yīng)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(zhǎng)，因此使用液態(tài)透鏡就會(huì)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(duì)像差進(jìn)行消除,最終透鏡的組合如圖7(c)所示。但是實(shí)驗(yàn)的成像效果并不理想，成像質(zhì)量受多個(gè)因素影響，導(dǎo)致成像在清晰度與色彩還原上均未達(dá)到商用的水平[14]。遺憾的是這項(xiàng)研究之后，Philips沒有針對(duì)該技術(shù)發(fā)布更多的研究?jī)?nèi)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(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了液態(tài)透鏡的研究，其結(jié)構(gòu)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(biāo)注的方向上下移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)會(huì)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(gè)儲(chǔ)液腔，組成透鏡的下部液體通過孔22與儲(chǔ)液腔14相連，組成透鏡上部的液體通過孔28與儲(chǔ)液腔32相連，該設(shè)計(jì)可以保證40在移動(dòng)時(shí)，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(rùn)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(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of Optotune liquid lens

此外，國(guó)外也有許多高校與科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了液態(tài)透鏡的研究。目前對(duì)液態(tài)透鏡研究最為廣泛的是韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)(Chonbuk National University，Korea)任教的Hongwen Ren教授，Hongwen Ren教授主要研究方向?yàn)橐壕э@示，因此主要對(duì)液晶材料在液態(tài)透鏡上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。2006年，Hongwen Ren教授針對(duì)液晶液態(tài)透鏡的諸多不足提出了一項(xiàng)改進(jìn)方案，即使用玻璃殼體代替玻璃透鏡，結(jié)構(gòu)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(nèi)部涂敷有ITO電極，LC單元內(nèi)的電極與球殼內(nèi)的電極之間接入電壓后，即可產(chǎn)生梯度分布的電場(chǎng)。先前的研究中，為了產(chǎn)生梯度分布的電場(chǎng)，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(nèi)填充介電常數(shù)不同的物質(zhì)，進(jìn)而改變電場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)化透鏡的光學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能[16]。

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

2014年，Hongwen Ren基于液晶技術(shù)提出了一種多電極驅(qū)動(dòng)的菲涅爾透鏡，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(yīng)，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(qū)動(dòng)液晶菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)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(jī)械液壓式透鏡，其結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示。薄膜腔的周圍有類似于光圈的葉輪結(jié)構(gòu)，葉輪可被驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)，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(jié)構(gòu)原理Fig.11 Structure diagram of variable aperture membrane lens

2007年，Hongwen Ren和Shin-Tson Wu對(duì)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(gè)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(lái)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(nèi)部，作為透鏡的光學(xué)部分。進(jìn)行變形時(shí)，對(duì)橡膠模施加壓力即可，如圖12(d)所示。實(shí)驗(yàn)中透鏡的響應(yīng)時(shí)間約為40 ms，已經(jīng)達(dá)到較高的水平[19]。

圖12 Hongwen Ren透鏡結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)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(wú)膜的機(jī)械液壓式透鏡，如圖13所示。其具有與光軸垂直的上下2個(gè)透明窗口，頂部和底部腔體內(nèi)填充折射率不同、互不相溶的兩種液體，且對(duì)液體的導(dǎo)電性沒有要求。填充時(shí)，液體交界面位于凸出部分的銳邊上，底部有一個(gè)螺絲通入腔體內(nèi)部，旋入或旋出螺絲就可改變腔體內(nèi)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(yīng)時(shí)間約為50 ms[20]。

圖13 無(wú)膜機(jī)械液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，還能在二維平面上改變光軸的位置，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。圖14(a)是電極結(jié)構(gòu)，其被分為4個(gè)電極，黑線是ITO刻蝕的部分，通過對(duì)4個(gè)部分施加V1～V4的不同電壓，實(shí)現(xiàn)光軸的移動(dòng)[21]，在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，韓國(guó)Jae Yong An和日本Atsushi Takei等人也進(jìn)行了光軸控制的研究[22-23]。

圖14 T.Krupenkin的四電極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)，介電液1散亂地分布在極板間，如圖15(a)所示。當(dāng)極板間接入電壓時(shí)，介電液1向下極板上刻蝕出的圓孔陣列聚集，按照?qǐng)D15(b)～圖15(c)的順序形成透鏡陣列，電壓撤去后，介電液1又會(huì)逐漸沉積。該透鏡陣列單個(gè)透鏡的通光孔徑為140 μm，驅(qū)動(dòng)電壓在60 V左右，透鏡的響應(yīng)時(shí)間較短，上升時(shí)間約30 ms，下降時(shí)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(guó)的Jeongmin Lee等研究了一款特別的液態(tài)透鏡，它可以同時(shí)改變自身的焦距和光圈大小，結(jié)構(gòu)如圖16所示。

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

其中l(wèi)ens body是內(nèi)部為錐面的電極，middle plate為使用MEMS加工技術(shù)制備的ITO電極。原理上使用“電潤(rùn)濕”效應(yīng)與介電力共同驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為60 V時(shí)響應(yīng)時(shí)間為80 ms，焦距在9.04 mm處飽和。光圈的變化利用ITO電極驅(qū)動(dòng)周圍的不透明液體實(shí)現(xiàn)，其光圈驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)孔徑在0 V時(shí)為4.75 mm，200 V時(shí)為1.35 mm[25]。

2018年，韓國(guó)的Il Song Park等人將液壓驅(qū)動(dòng)與“電潤(rùn)濕”效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，研究了一種復(fù)合液態(tài)透鏡的性能，其結(jié)構(gòu)如圖17所示。周圍是被PDMS(聚二甲基硅氧烷)所封閉的驅(qū)動(dòng)腔體，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)，環(huán)形的銣磁體就會(huì)被吸下，將驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的液體壓入透鏡腔，抬升液面的高度，改變物距與像距，同時(shí)利用透鏡腔內(nèi)壁上的電潤(rùn)濕效應(yīng)，改變液面的面形。實(shí)驗(yàn)中初始焦距為8.94 mm，電壓從0 V～90 V改變時(shí)，焦距呈指數(shù)增長(zhǎng)，直至透鏡變?yōu)榘济?。焦距在電壓?30 V時(shí)，在-13.42 mm處飽和，液面高度每1 V變化為24 μm[26]。

圖17 復(fù)合液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17 Structure diagram of compound liquid lens

根據(jù)上文文獻(xiàn)的一些介紹分析可以看到，國(guó)外對(duì)液態(tài)透鏡的研究主要集中在基于“電潤(rùn)濕”效應(yīng)與介電力驅(qū)動(dòng)方面，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡研究相對(duì)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(rùn)濕”效應(yīng)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(rùn)濕”效應(yīng)的特性設(shè)計(jì)了集成在透鏡上的光圈。近年來(lái)，也有將液壓驅(qū)動(dòng)與“電潤(rùn)濕”效應(yīng)結(jié)合使用的趨勢(shì)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于國(guó)外對(duì)液態(tài)透鏡的原理研究已經(jīng)較為成熟，國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，目前針對(duì)液態(tài)透鏡展開研究的機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、四川大學(xué)、東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)、上海理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等。

2008年，清華大學(xué)微電子研究所的康明等人研究了一種“懸環(huán)”結(jié)構(gòu)的液態(tài)透鏡，如圖18所示。有一個(gè)圓環(huán)電極懸浮在液體中，液滴被鉗制在環(huán)形電極內(nèi)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(gè)狀態(tài)之間變化，可以實(shí)現(xiàn)曲率變化和焦距調(diào)節(jié)。電壓從0～40 V之間變化時(shí)，焦距可以在8.51 mm～55.9 mm之間變化，在電壓45 V時(shí)接觸角飽和，該設(shè)計(jì)有效減小了所需的驅(qū)動(dòng)電壓[27]。

圖18 “懸環(huán)”結(jié)構(gòu)液態(tài)透鏡Fig.18 Hanging ring structure liquid lens

四川大學(xué)的Qionghua Wang教授對(duì)液態(tài)透鏡的研究目前在國(guó)內(nèi)來(lái)說較為豐富。2011年，Qionghua Wang與Lei Li教授研究了一種機(jī)械液壓式薄膜液態(tài)透鏡，其結(jié)構(gòu)如圖19所示。玻璃腔體被分隔為3個(gè)部分，左右兩側(cè)的腔體內(nèi)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(gè)可以擠壓的活塞，活塞向下擠壓時(shí)，中間腔體容積減小，液體通過擠壓與兩側(cè)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(dāng)活塞被拉起時(shí)，中間腔容積減小，兩側(cè)的液體擠壓薄膜進(jìn)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(jī)械液壓式透鏡結(jié)構(gòu)原理Fig.19 Structure diagram of machineryhydraulic lens with piston

2015年，Qionghua Wang教授與韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)的Hongwen Ren合作研究了一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的折返式液態(tài)透鏡，其結(jié)構(gòu)原理如圖20(a)所示。在一般的電潤(rùn)濕液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加入了一個(gè)位于透鏡前方的圓形反射膜和一個(gè)位于透鏡后方的環(huán)形反射膜，整體結(jié)構(gòu)接近于天文望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，該透鏡的光路如圖20(b)所示。該設(shè)計(jì)通過多次折返提高了3倍的光功率，當(dāng)電壓在47 V～62 V的范圍變化時(shí)，焦距可在21.1 mm～91.9 mm范圍內(nèi)變化[29]。

圖20 折返式“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡原理結(jié)構(gòu)圖Fig.20 Structure diagram of foldback electro-wetting liquid lens

2019年，Qionghua Wang教授基于電潤(rùn)濕效應(yīng)提出了一種非球面調(diào)諧的固-液復(fù)合液態(tài)透鏡，在一般的“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(dǎo)致的像差，其結(jié)構(gòu)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(dāng)電壓從30 V增加到75 V時(shí)，焦距從265 mm減小到20.5 mm[30]。

圖21 “非球面調(diào)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(xué)的夏軍教授也在開展液態(tài)透鏡的相關(guān)研究，2008年，夏軍教授申請(qǐng)了一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的液態(tài)透鏡專利[31]；2009年，夏軍教授對(duì)介電力驅(qū)動(dòng)變形的液態(tài)透鏡進(jìn)行了仿真分析[32]；2010年，夏軍教授對(duì)氧化鋅四足納米晶粗化的介質(zhì)表面上的電潤(rùn)濕效應(yīng)進(jìn)行了研究[33]。

上海理工大學(xué)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(duì)“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡的面形進(jìn)行了計(jì)算，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明了相同密度的兩種液體形成的交界面是一個(gè)球面[34]。

2014年，Runling Peng教授探索了“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)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(lái)提高變焦范圍與成像質(zhì)量，經(jīng)過仿真分析，變焦范圍超過自然人眼，分辨率基本達(dá)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(duì)透鏡響應(yīng)滯后的影響，最后得出了降低油粘度、降低結(jié)構(gòu)表面粗糙度都可以提高響應(yīng)速度的結(jié)論[36]。

北京理工大學(xué)的研究以液態(tài)透鏡的應(yīng)用為主。2014年，北京大學(xué)的張晨光利用楊氏方程與Laplace方程解算了基于電潤(rùn)濕效應(yīng)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(guān)的參數(shù)與焦距之間的關(guān)系[37-38]。2016年，北京理工大學(xué)的宋秀萍在張晨光的研究基礎(chǔ)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(shí)其焦距未達(dá)到無(wú)窮遠(yuǎn)，160 V電壓下達(dá)到最小焦距9.03 cm，0～20 V內(nèi)焦距變化速率最大[39]。

2015年，南京郵電大學(xué)的王評(píng)在基于“電潤(rùn)濕”效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)液態(tài)透鏡的像差進(jìn)行了測(cè)量，并利用兩片液態(tài)透鏡設(shè)計(jì)了無(wú)機(jī)械移動(dòng)的光學(xué)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(zhì)量，他又設(shè)計(jì)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(dá)到7[2]。

中科院的研究有其獨(dú)到之處。2013年，中科院長(zhǎng)春精密機(jī)械與物理研究所的劉永明等人分析了液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的薄膜液態(tài)透鏡的面形，并對(duì)面形做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其優(yōu)化原理如圖22(a)所示，其中Ω為可變形的柔性結(jié)構(gòu)。利用SIMP算法尋找Ω的最優(yōu)質(zhì)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(shí)，PV值分別是初始結(jié)構(gòu)的5.7%、11.9%和2.5%，RMS值分別是初始結(jié)構(gòu)的11.2%、21.9%和45.4%，優(yōu)化后的高級(jí)球差基本消失[40]。

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

國(guó)內(nèi)對(duì)液態(tài)透鏡沒有開展過多的基礎(chǔ)研究，更多地集中在液態(tài)透鏡的應(yīng)用上，例如使用液態(tài)透鏡組合鏡頭，實(shí)現(xiàn)變焦成像，以及設(shè)計(jì)一些特殊結(jié)構(gòu)或加入透鏡組，對(duì)液態(tài)透鏡的像差進(jìn)行校正。

2015年，四川大學(xué)的Qionghua Wang教授基于“電潤(rùn)濕”液態(tài)透鏡設(shè)計(jì)了一套彩色全息變焦顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖23所示。該設(shè)計(jì)中使用液態(tài)透鏡代替了傳統(tǒng)的機(jī)械變焦系統(tǒng)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)焦彩色全息投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理如圖24(a)所示，平板整體被立柱分隔為數(shù)個(gè)微型腔，薄膜將平板整體分為上下2個(gè)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了激光的緊密聚焦，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光斑大小的精確控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖25所示。其中偏振轉(zhuǎn)換器用于將激光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光或線偏振光，液態(tài)透鏡使用的是機(jī)械液壓式驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(lái)說，液壓驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡需要更多考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用一些巧妙的結(jié)構(gòu)，在小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)透鏡變形，這方面科研內(nèi)容相對(duì)較少?；凇半姖?rùn)濕效應(yīng)”的液態(tài)透鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，從科研角度來(lái)說研究?jī)?nèi)容更豐富，實(shí)驗(yàn)更易操作。

3 技術(shù)分析與發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)機(jī)械式變焦鏡頭依靠精密機(jī)構(gòu)，驅(qū)使光路中部分光學(xué)器件相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變焦距，由于其鏡片數(shù)量多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，一般體積較大，光軸一致性精度不高、變焦響應(yīng)速度慢。而由液態(tài)透鏡構(gòu)成的鏡頭從原理上改善了這一狀況，可在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍變焦，且響應(yīng)速度快。

由液態(tài)透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，可有效解決機(jī)械式變焦鏡頭的問題，勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)光電偵察中的重要發(fā)展領(lǐng)域。目前傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中，一種新的光學(xué)設(shè)計(jì)思路——自由光學(xué)曲面的設(shè)計(jì)，也已成為現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要研究方向，其在不增加光學(xué)元件數(shù)量的前提下增加了更多的設(shè)計(jì)自由度，可以有效減小光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)殘差和光學(xué)元件數(shù)量，改善系統(tǒng)成像性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自由曲面本質(zhì)上是設(shè)計(jì)一類復(fù)雜的、非旋轉(zhuǎn)對(duì)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(xué)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(gè)柔性面，是否可以通過某種方式精確控制其面形以達(dá)到預(yù)期的變形？“電潤(rùn)濕”效應(yīng)所制備的透鏡根據(jù)其原理，本質(zhì)上是一個(gè)球面，要控制面形從原理上來(lái)說難度較高，目前也未見有研究者提出相應(yīng)的研究方法；而液壓驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡其本質(zhì)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(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡視為球面處理，或者認(rèn)為液態(tài)透鏡焦距一旦確定，就沒有設(shè)計(jì)的自由度，這種看法從力學(xué)的角度來(lái)說是不完備的。2017年，捷克共和國(guó)的PETR POKORNY等人利用位移與格林-拉格朗日應(yīng)變之間的精確關(guān)系，結(jié)合圣維南-基爾霍夫材料定律，推導(dǎo)出了液態(tài)透鏡的精確面形，并且指出初始施加的預(yù)應(yīng)力對(duì)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(shù)路線混合使用的思路，例如固-液混合透鏡，“電潤(rùn)濕”與機(jī)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(zhì)量，最大幅度地優(yōu)化液態(tài)透鏡的性能。

因此，如何對(duì)液態(tài)透鏡的面形進(jìn)行精確的控制，最大程度地消除系統(tǒng)的像差，簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是液態(tài)透鏡大量進(jìn)入商用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)透鏡需要解決的重要問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)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(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)焦距的功能，更出現(xiàn)了調(diào)節(jié)物、像距以及光圈等豐富的研究成果。

國(guó)內(nèi)對(duì)液態(tài)透鏡的研究尚處于起步階段，與國(guó)外的高水平研究成果還存在一定的差距，但國(guó)內(nèi)開展的應(yīng)用性研究對(duì)液態(tài)透鏡的設(shè)計(jì)也具有一定的指導(dǎo)意義。液態(tài)透鏡從目前取得的成果來(lái)看，是未來(lái)光電偵察平臺(tái)實(shí)現(xiàn)微小型化、高質(zhì)量化、低成本化的關(guān)鍵技術(shù)之一，從科研角度來(lái)說亦具有很大的研究?jī)r(jià)值。液態(tài)透鏡的原理是其實(shí)現(xiàn)功能的核心，我們認(rèn)為未來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)繼續(xù)以攻克核心技術(shù)為主，在完成單個(gè)透鏡功能的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行透鏡組合的研究，或者更進(jìn)一步研究多液態(tài)透鏡聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，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(shí)用產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中還有很多的研究工作需要繼續(xù)進(jìn)行，期間亦會(huì)經(jīng)過從液-固組合鏡頭向液-液組合鏡頭轉(zhuǎn)換這樣一個(gè)過渡階段。

液態(tài)透鏡的兩種原理各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍也不盡相同，研究者在選擇研究方向時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)自身的需要選擇合適的研究方向?？傊?，液態(tài)透鏡是個(gè)很新穎的研究方向，新的設(shè)計(jì)層出不窮，未來(lái)必將一步步走向?qū)嶋H應(yīng)用，逐漸替代傳統(tǒng)透鏡，在光電領(lǐng)域大放異彩。