張 欣，李敏嫦

(1.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510000)

引言

透鏡的發(fā)明豐富了控制光的手段。新的材料、結(jié)構(gòu)、造型被應(yīng)用于透鏡的設(shè)計(jì)，使透鏡的光學(xué)性能得到大幅度提升。如今，透鏡被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、天文觀測、照明、通信等眾多領(lǐng)域。近年來，人們對光品質(zhì)的重視不斷提高，對LED照明產(chǎn)品的關(guān)鍵光學(xué)元件——透鏡提出了具體的多樣化的功效需求。

受益于光學(xué)、材料等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，透鏡發(fā)展出豐富的類型。根據(jù)對光線的會(huì)聚或發(fā)散作用，透鏡可分為正負(fù)透鏡，即凹凸透鏡。基于透鏡的關(guān)鍵制作材料，透鏡可分為玻璃透鏡、硅膠透鏡、PMMA(亞克力)透鏡、樹脂透鏡、液體透鏡、薄膜透鏡等?；谕哥R的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或造型，透鏡可分為菲涅爾透鏡、自聚焦透鏡、非球面透鏡、復(fù)眼透鏡、導(dǎo)光柱、TIR(total internal reflection，全內(nèi)反射)透鏡等。不同類型透鏡的發(fā)展歷程見圖1。

圖1 透鏡的進(jìn)化歷程Fig.1 Evolutionary process of lens

1 透鏡技術(shù)的進(jìn)化路徑

1.1 物體分割進(jìn)化路線

分割是系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向，是將整體的、單一體的物體逐步分隔成多個(gè)部分，這樣的分割基本上是可以無限制地進(jìn)行到物體轉(zhuǎn)變?yōu)檎婵?，然后到“理想系統(tǒng)”。從本質(zhì)上來講，分割路線展示的是系統(tǒng)從宏觀層次到微觀層次的跳躍[1]。透鏡系統(tǒng)的進(jìn)化從單顆透鏡開始，向多顆透鏡發(fā)展(圖2)。

圖2 單-雙-多透鏡系統(tǒng)進(jìn)化路徑Fig.2 Single-double-multi-lens evolution

根據(jù)TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的“物體分割進(jìn)化路線”，透鏡接下來的分割在分子層次上進(jìn)行，分割進(jìn)化路線(圖3)。

圖3 透鏡的物體分割進(jìn)化路線Fig.3 The object segmentation evolution of the lens

1.2 物體表面特性進(jìn)化路線

物體表面特征進(jìn)化路線從光滑的平面開始，繼而形成凹凸、形成微雕表面、形成有特殊特性的表面?？赏ㄟ^多種方法得到特殊性質(zhì)的表面，如使用具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)、使用各種場及其組合。

透鏡通過表面與光產(chǎn)生折射作用。因此，改變透鏡表面的微觀形狀和特征是實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行改良的重要資源。透鏡初時(shí)是表面光滑的凸凹透鏡。光學(xué)玻璃、硅膠、樹脂等材料豐富了透鏡表面的特性。非球面透鏡提高銳度和分辨率，使透鏡小型化。無論是不同材料的透鏡，還是非球面透鏡，都是單系統(tǒng)不同參數(shù)的進(jìn)化(圖4)。

圖4 透鏡單系統(tǒng)進(jìn)化路線Fig.4 Single lens system evolution

透鏡的另一進(jìn)化方向是表面形狀變復(fù)雜(圖5)，向微雕表面方向進(jìn)化。1822年產(chǎn)生的菲涅爾透鏡鏡片表面一側(cè)為平面，另一側(cè)為由小到大的同心圓紋理(圖6)。紋理根據(jù)光的干涉、擾射、相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計(jì)，可使聚光作用保持而透鏡變薄、成本降低。1980年出現(xiàn)利用光刻工藝制作的微透鏡和微透鏡陣列?，F(xiàn)微透鏡的尺寸已達(dá)納米級。

圖5 透鏡表面特征進(jìn)化路線Fig.5 Lens surface features evolution

圖6 菲涅爾透鏡Fig.6 Fresnel lens

1.3 透鏡向超系統(tǒng)進(jìn)化

技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化，可以在資源約束的條件下，通過系統(tǒng)合并增加功能或降低費(fèi)用[2]。根據(jù)向超系統(tǒng)進(jìn)化法則的趨勢，系統(tǒng)進(jìn)化有技術(shù)系統(tǒng)與超系統(tǒng)集成參數(shù)化增加的趨勢。

在照明領(lǐng)域，透鏡與反光杯的主要功能相似且作用對象相似，屬于競爭系統(tǒng)。TIR透鏡集成了透鏡與反光杯兩系統(tǒng)的優(yōu)勢，沿著參數(shù)差異化增加的方向進(jìn)化。TIR透鏡一般與大功率的COB光源配合使用，并使用避免眩光的遮光罩。透鏡與遮光罩的主要功能不同，作用對象相同，互為聯(lián)合系統(tǒng)。兩個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，形成防眩TIR透鏡(圖7)。TIR透鏡表面將雜光方向改變，從而防眩光。

圖7 透鏡向超系統(tǒng)進(jìn)化路線Fig.7 The evolution of the lens to the supersystem

1.4 透鏡進(jìn)化樹

根據(jù)構(gòu)建進(jìn)化樹的基本方法構(gòu)建透鏡的進(jìn)化樹，如圖8所示。透鏡沿不同方向進(jìn)化，進(jìn)化的速度各不相同，每個(gè)進(jìn)化方向進(jìn)行技術(shù)研發(fā)都有創(chuàng)新的空間。

圖8 透鏡進(jìn)化樹Fig.8 Lens evolution tree

2 透鏡技術(shù)在照明領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2.1 透鏡技術(shù)的功效矩陣分析

通過整理2000—2016年透鏡的專利申請數(shù)據(jù)，得出技術(shù)功效矩陣中透鏡的功效矩陣，如圖9所示。

根據(jù)透鏡的功效矩陣?yán)锩娴膶＠麛?shù)量和功效的關(guān)系，可以得到不同功效按照專利申請數(shù)量由多到少的排列(圖10)?？梢钥闯?，2000—2016年透鏡的專利申請主要是在“提高光效”和“光均勻分布”方面專利數(shù)量最多，是透鏡主要集中改善的功效，專利數(shù)量在500個(gè)左右；功效“降低成本”、“滿足光束角”、“生產(chǎn)加工安裝方便”、“提高發(fā)光面積”專利申請數(shù)量接近200個(gè)左右，數(shù)量相對較

圖9 透鏡功效矩陣Fig.9 Lens efficiency matrix

圖10 LED照明燈具透鏡申請專利數(shù)量和功效的關(guān)系Fig.10 The relationship between the number of lens patents and efficacy

多；功效“防眩光”、“簡化結(jié)構(gòu)”、“聚光”、“提高亮度”數(shù)量在100個(gè)左右；功效“散熱”、 “光線柔和”、“通用性”、“使用安全”、“透光性”、“散射性”、“延長壽命”、“降低重量”、“調(diào)節(jié)角度(可變焦)”、“提高顯色性”、“易清理”、“環(huán)?！毕鄬＠麛?shù)量較少。通過以上的專利分析，根據(jù)透鏡功效矩陣，專利申請數(shù)量較少的功效，有可能是還未被關(guān)注的機(jī)會(huì)點(diǎn)，也有可能是對透鏡來說不太重要的功能點(diǎn)。所以，不能單憑各個(gè)功效的專利數(shù)量的多少確定透鏡有價(jià)值的技術(shù)突破點(diǎn)，需要同時(shí)關(guān)注用戶的需求。

2.2 用戶需求分析

為了得到用戶對于透鏡的的需求情況，對用戶進(jìn)行了問卷調(diào)研。用戶主要是照明設(shè)計(jì)師、燈具設(shè)計(jì)師、燈具廠商、燈具施工方等人員，進(jìn)行了問卷調(diào)研[4]。問卷如下：

最后共收到33份有效問卷，其中照明設(shè)計(jì)師8位、結(jié)構(gòu)工程師7位、燈具設(shè)計(jì)師5位、燈具經(jīng)銷商4位、產(chǎn)品經(jīng)理4位、光學(xué)工程師2位、燈具廠商3位。在問卷中列舉了專利檢索到的23種功效，依次為“提高光效、滿足光束角、光分布均勻、防眩光、可調(diào)角度、聚光、透光性、簡化結(jié)構(gòu)、提高顯色性、通用性、生產(chǎn)加工安裝方便、降低成本、光線柔和、散熱、提高亮度、提高發(fā)光面積、延長壽命、使用安全、環(huán)保、降低重量和易清理”，問卷要求用戶將認(rèn)為最重要的5個(gè)透鏡的功能選出來，并依次排序按照不同功效用戶需求度排列由大到小(圖11)。

2.3 用戶需求與技術(shù)現(xiàn)狀的對比

在22項(xiàng)功效中，我們找出對于用戶需求排名前五的透鏡的功效需求為：提高光效、滿足光束角、光分布均勻、防眩光、可調(diào)角度。這五項(xiàng)透鏡的功效對應(yīng)的專利數(shù)量為：“提高光效”專利有478個(gè)，排名第1位；“滿足光束角”專利163個(gè)，排名第4位；“光均勻分布”專利477個(gè)，排名第2位；“防眩光”專利113個(gè)，排名第7位；“可調(diào)角度(變焦)”專利數(shù)量12個(gè)，排名第19位；我們不難看出“防眩光”、“可調(diào)角度(變焦)”兩項(xiàng)功效，專利數(shù)量較少，但是卻是用戶迫切需要改善的功效，特別是“可調(diào)角度(變焦)”的專利數(shù)量截至2016年底只有12項(xiàng)，所以還處于“藍(lán)海競爭”環(huán)境中，如果就這個(gè)功效進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，取得技術(shù)突破的機(jī)率會(huì)相對較高?！疤岣吖庑А?、“光均勻分布”、“滿足光束角”幾項(xiàng)功效，專利數(shù)量較多，專利排名靠前。經(jīng)過分析，這兩項(xiàng)是用戶需要迫切改善的功效，但專利申請數(shù)量也很多，所以產(chǎn)生的技術(shù)突破難度較大。然而如果是近年研究的熱點(diǎn)問題，則依然有技術(shù)研發(fā)的必要。按照不同功效用戶需求度由大到小排列，找出用戶需求度高，專利申請數(shù)量相對少的功效，作為后續(xù)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。而用戶需求度高，專利申請數(shù)量較多的功效，可以根據(jù)專利申請年限和數(shù)量的關(guān)系判斷其是不是熱點(diǎn)研究的專利方向，為后續(xù)研究方向提供參考。

圖11 LED燈具透鏡功效需求排名Fig.11 The performance requirements of LED lamps lens

圖12所示是LED照明燈具的透鏡2000—2016年的“提高光效”專利數(shù)量分布圖。

圖12 透鏡提高光效的專利數(shù)量分布圖Fig.12 Distribution of the number of patents for improve the lens efficacy

通過圖12不難發(fā)現(xiàn)2012—2014年三年間，透鏡的數(shù)量急劇增長。這也說明近幾年中LED透鏡的“提高光效”的功效受到了空前的關(guān)注。但是到2015年、2016年專利數(shù)量急劇下降，分析其背后的原因是提高光效的技術(shù)值已經(jīng)達(dá)到了一定高度，創(chuàng)新空間有限。同樣可以看到圖13“光分布均勻”的功效在2008—2013年期間穩(wěn)步上升，到2014年達(dá)到頂峰。但在2015年、2016年都有了較大幅度的下降，其原因同樣是由于“光分布均勻的” 技術(shù)值已經(jīng)達(dá)到了一定高度，創(chuàng)新空間有限。

圖13 透鏡的光均勻分布專利數(shù)量分布圖Fig.13 Distribution of the number of patents for uniform distribution of light

根據(jù)2006—2016年“防眩光”功效的專利數(shù)量分布圖(圖14)，可以看出專利數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，這說明“防眩光”功效現(xiàn)在依然是被關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)，也可以作為我們的技術(shù)創(chuàng)新方向。

圖14 透鏡的防眩光專利數(shù)量分布圖Fig.14 Distribution of the number of patents for anti-glare of lens

透鏡的滿足光束角專利數(shù)量分布圖見圖15，透鏡的可調(diào)角度專利數(shù)量分布見圖16?！翱烧{(diào)角度(變焦)”的專利數(shù)量較少，但是用戶需求較高，是可以進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的較好的方向。所以選擇這個(gè)方向作為透鏡技術(shù)進(jìn)化的突破點(diǎn)。

圖15 透鏡的滿足光束角專利數(shù)量分布圖Fig.15 Distribution of the number of patents for meeting the lens beam angle

根據(jù)專利庫中查到的專利，變焦透鏡技術(shù)是通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)齒輪件，改變透鏡與LED燈的距離來實(shí)現(xiàn)焦距的改變，多運(yùn)用在紅外線攝像頭和監(jiān)控?cái)z像頭產(chǎn)品中。在光學(xué)器件中還出現(xiàn)了可變焦菲涅爾透鏡，是一種涉及利用電場改變液晶折射率而調(diào)焦的透鏡。通過調(diào)節(jié)奇偶波帶驅(qū)動(dòng)電壓大小，可改變液晶折射率，實(shí)現(xiàn)二級焦距調(diào)節(jié)，其連續(xù)變焦效果好且變焦范圍理論上不受限制。

可變焦透鏡組是通過機(jī)械運(yùn)用使透鏡之間的空間位置發(fā)生改變，從而達(dá)到改變焦距的目的，這種鏡頭不符合當(dāng)今鏡頭薄型化、輕型化、能耗小的要求。之后發(fā)展出了電控變焦透鏡，其中有的能夠?qū)崿F(xiàn)變焦的效果，但電極控制復(fù)雜；有的控制簡單，但調(diào)焦范圍很小，從而限制其智能應(yīng)用于通光孔徑小、調(diào)焦范圍小的領(lǐng)域。

變焦透鏡組通過改變光斑照射距離，從而改變光斑效果?，F(xiàn)有的變焦透鏡組僅有變焦功能，當(dāng)光通過透鏡后可能造成光的照射質(zhì)量變差。部分專利在變焦透鏡的表面都有兩個(gè)以上的微透鏡，通過微透鏡使光斑質(zhì)量好、色彩均勻、光效更高。

根據(jù)功效矩陣部分對透鏡功效矩陣(圖9)的結(jié)果進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)“可調(diào)角度變焦”是用戶迫切需要改善的功效，并且從LED燈具透鏡的專利功效矩陣可以看出目前變焦透鏡相對專利申請數(shù)量不多，技術(shù)成熟度不高，發(fā)展空間較大。

通過分析近年來透鏡技術(shù)的功效矩陣和用戶需求[3]，可得出以下結(jié)論：對于LED燈具的透鏡功效，用戶需求最強(qiáng)烈的前五項(xiàng)依次是：提高光效、滿足光束角、光分布均勻、防眩光和可調(diào)角度(變焦)。前三項(xiàng)的需求最強(qiáng)且專利數(shù)量較多；后兩項(xiàng)功效需求相關(guān)的專利數(shù)量較少，用戶需求尚未得到充分滿足。其中，“可調(diào)角度(變焦)”功效的技術(shù)成熟度不高，仍有較大的提升空間。除此，改善“可調(diào)角度(變焦)”功效對于優(yōu)化“防眩光”功效有輔助作用。因此，“可調(diào)角度(變焦)”是一個(gè)用戶需求較高但專利數(shù)量較少的技術(shù)創(chuàng)新方向，該方向可能是照明領(lǐng)域透鏡技術(shù)進(jìn)化的突破點(diǎn)。

3 照明領(lǐng)域的變焦技術(shù)

變焦照明是非成像光學(xué)的一個(gè)研究方向，通常指光源發(fā)光角度的改變或是照明區(qū)域光斑大小的改變[4]。許多照明場景對照明產(chǎn)品提出焦距調(diào)節(jié)的功能要求，比如需要根據(jù)展品調(diào)節(jié)照明效果的博物館、需要大范圍變焦照明的舞臺、需要在夜間監(jiān)控時(shí)根據(jù)紅外攝像機(jī)變焦范圍來調(diào)整照射范圍的紅外照明設(shè)備、需要對目標(biāo)物進(jìn)行定向投光的照相機(jī)閃光燈。目前，實(shí)現(xiàn)變焦照明的方法有兩種，傳統(tǒng)固體透鏡的機(jī)械式變焦和液體透鏡變焦。

3.1 機(jī)械式變焦

機(jī)械式變焦使用傳統(tǒng)的固體透鏡，實(shí)現(xiàn)方案有兩種。一種是連續(xù)變焦，通過改變透鏡與光源的距離，達(dá)到光束焦距的變化。另一種是定焦變焦，通過改變光源前的光學(xué)系統(tǒng)的焦距，達(dá)到定量改變光束的焦距。

1)連續(xù)變焦。連續(xù)變焦照明系統(tǒng)使用固態(tài)透鏡進(jìn)行配光，通常采用固定光源、移動(dòng)透鏡的方式。光束隨著透鏡的連續(xù)移動(dòng)發(fā)生連續(xù)變焦。固態(tài)透鏡可采用整體菲涅爾透鏡、多片式透鏡組和凸透鏡結(jié)合反光杯的形式。整體菲涅爾透鏡在變焦時(shí)，需要移動(dòng)整個(gè)透鏡或光源，移動(dòng)時(shí)的范圍有限且不好控制[5]。多片式透鏡組可組合使用不同類型的透鏡，發(fā)揮協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對光線的多樣化調(diào)節(jié)，但透鏡數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致燈具變大、變重，增加操作控制的難度。單顆凸透鏡無法高效收集大角度光束，難以達(dá)到小角度照明的效果；凸透鏡結(jié)合反光杯的方式可提高光能的利用率，但凸透鏡的移動(dòng)行程和配光部件數(shù)量的增加不利于燈具設(shè)計(jì)的小型化，且燈光效果容易產(chǎn)生不可控的色差。

2)定焦變焦。實(shí)現(xiàn)定焦變焦的光學(xué)系統(tǒng)燈頭可以旋轉(zhuǎn)，并可以通過定位柱及定位槽固定位置。將不同透鏡旋轉(zhuǎn)至光源的前方并固定，就可以實(shí)現(xiàn)透鏡的切換，達(dá)到變焦的目的[6](圖17)。

圖17 定焦變焦示意圖[6]Fig.17 Fixed zoom system[6]

3.2 液體透鏡變焦

液體透鏡是由一種或多種液體制成的光學(xué)元件，包括反射式和透射式。反射式液體透鏡是將裝有液體的容器旋轉(zhuǎn)，通過離心力形成液面形狀可改、焦距可調(diào)的凹鏡面，應(yīng)用時(shí)的限制因素較多。透射式液體透鏡可運(yùn)用電力控制液體，實(shí)現(xiàn)透鏡聚焦點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)換，即在凹凸兩種透鏡形狀間無縫切換，并且快速、精確地控制透鏡的屈光度。在照明領(lǐng)域，性能更優(yōu)的透射式液體透鏡是變焦液體透鏡的主流類型，而反射式液體透鏡的被關(guān)注度較低。

液體透鏡的界面的表面張力受微米級的重力支配，因而具有極高的光學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)接近完美球形的、光學(xué)平滑至分子級的界面。相對于通常較為龐大且笨重的外部變焦機(jī)構(gòu)，運(yùn)用液體變換的方式改變透鏡焦距可大大減小機(jī)構(gòu)的體積(圖18)。

圖18 一款液體透鏡Fig.18 A liquid lens

3.2.1 透射式液體透鏡當(dāng)前的技術(shù)分類

根據(jù)變焦控制的原理，透射式液體透鏡可以分為兩大類，一類是漸變折射率透鏡，另一類是液面曲率變化透鏡。

1)漸變折射率透鏡。漸變折射率透鏡通過改變填充液體的折射率來改變液體透鏡的折射率(圖19)。驅(qū)動(dòng)填充液體折射率改變的形式有施加電壓、改變溫度、施加聲駐波等。其中，施加電壓的應(yīng)用較普遍，主要指液晶透鏡。液晶透鏡的主要材料是具有雙折射效應(yīng)的液品，其對不同的偏振光具有不同的折射率，通過加電壓來改變電極之間液晶分子的排列狀態(tài)，從而改變透鏡折射率，達(dá)到控制焦距。

圖19 液晶透鏡原理示意圖[7]Fig.19 Schematic diagram of Liquid crystal lens[7]

液晶具有良好電控特性，改變電壓可使液晶透鏡的焦距在負(fù)值和正值之間轉(zhuǎn)換，且驅(qū)動(dòng)功耗較低。液晶透鏡形成的根本原因是由于折射率的非均勻分布而不是厚度的變化[8]。與固態(tài)透鏡相比，液晶透鏡具有體積小、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、焦距可調(diào)、響應(yīng)時(shí)間短、易集成等優(yōu)點(diǎn)。但液晶透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓較高，制備工藝精細(xì)，測試要求技術(shù)先進(jìn)，生產(chǎn)條件苛刻，成本相對較高，這是阻礙液晶透鏡大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的直接原因[9]。液晶透鏡在光學(xué)成像、光束的控制與整形、微流體傳感、自適應(yīng)光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光子學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值[8]，已應(yīng)用到實(shí)際場景，如電控調(diào)焦微型投影儀、LED照明產(chǎn)品、內(nèi)窺鏡、小型便攜攝像設(shè)備的光學(xué)器件等。

2018年4月，意大利照明品牌Targetti在法蘭克福照明展發(fā)布的新品ZENO射燈采用了液晶透鏡進(jìn)行配光(圖20)，實(shí)現(xiàn)光束角從10°～50°的調(diào)節(jié)。ZENO射燈接入物聯(lián)網(wǎng)，用戶可以通過兼容IOS和安卓的無線CASAMBI控件，控制燈光的開關(guān)、亮度、色溫和光束角。同年5月，華南師范大學(xué)等單位申請了一項(xiàng)關(guān)于液晶透鏡汽車前大燈及自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光方法的專利，通過在配光鏡與燈泡之間增加液晶透鏡和聚合物穩(wěn)定液晶玻璃，用于控制燈泡光束的發(fā)散度，從而達(dá)到自動(dòng)切換近光燈模式和遠(yuǎn)光燈模式。同年7月，京東方科技集團(tuán)股份有限公司申請了光線調(diào)節(jié)裝置和照明設(shè)備的專利，同樣采用液晶透鏡進(jìn)行調(diào)整光線出射的方向。

圖20 Targetti的ZENO射燈Fig.20 Targetti ZENO spotlight

2)液面曲率變化透鏡。液面曲率變化透鏡根據(jù)不同的物理機(jī)制來控制透鏡曲率的改變，從而改變焦距。液面曲率變化透鏡的驅(qū)動(dòng)形式主要有三種。

(a)基于電潤濕效應(yīng)的變焦透鏡?；陔姖櫇裨恚淖冸妷簭亩淖兺哥R內(nèi)部液體的分布，實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)(圖21)。此類透鏡具有集成性好、尺寸小、變焦快、焦距可調(diào)范圍大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在介質(zhì)層容易被擊穿、介質(zhì)層制備較困難等待優(yōu)化的缺陷。

圖21 基于電潤濕原理的液體透鏡原理示意圖[10]Fig.21 Schematic diagram of liquid lens using phenomenon-electrowetting principle[10]

目前，將基于電潤濕效應(yīng)的變焦技術(shù)應(yīng)用于照明領(lǐng)域的主要為外資企業(yè)。2005年，皇家飛利浦電子股份有限公司率先申請了基于電潤濕液體透鏡進(jìn)行改變光分布的照明設(shè)備的專利。2009—2010年，日本索尼集團(tuán)申請了三項(xiàng)基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡及照明設(shè)備的專利，涉及照明設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法等方面。2016年，汽車零配件供應(yīng)商海拉發(fā)布一款應(yīng)用了獨(dú)創(chuàng)的高清液晶照明技術(shù)的汽車頭燈(圖22)。頭燈的光線經(jīng)過透鏡組的調(diào)節(jié)后，穿過高清液晶顯示屏后出光。汽車檢測周圍環(huán)境和駕駛情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液晶顯示屏和25個(gè)LED燈來調(diào)整光斑形狀、亮度、投射距離等照明效果，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)曲線照明、自適應(yīng)燈光明暗界限、無眩目遠(yuǎn)光照明等智能照明效果。從2016年3月海拉胡克雙合有限公司申請的發(fā)明專利“照明裝置”可得知，汽車頭燈的高清液晶顯示屏是基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡陣列。

圖22 應(yīng)用高清液晶照明技術(shù)的海拉車頭燈Fig.22 Hella headlamp with matrix HD system

(b)基于介電原理的變焦透鏡?；诮殡娪驹硎雇哥R內(nèi)液體發(fā)生形變，從而使透鏡焦距變化(圖23)。與基于電潤濕效應(yīng)的變焦透鏡結(jié)構(gòu)相近，但基于介電力的液體透鏡具有無須介質(zhì)層、不出現(xiàn)氣泡、無接觸角飽和、無焦耳熱的優(yōu)勢，可以有更廣的變焦范圍、更穩(wěn)定的性能，但也存在難以固定液體位置等問題。

圖23 基于介電力的液體透鏡結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.23 Schematic diagram of liquid lens using dielectricity [11]

(c)柔性變焦透鏡。柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和流體介質(zhì)等組成，有力致變形驅(qū)動(dòng)和電致變形驅(qū)動(dòng)兩種形式。力致變形驅(qū)動(dòng)包括機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)(圖24)、流體壓力驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)，電致變形驅(qū)動(dòng)包括壓電驅(qū)動(dòng)和電活性聚合物驅(qū)動(dòng)[12]。在實(shí)際應(yīng)用中，柔性變焦透鏡的形變力來源于一種或多種驅(qū)動(dòng)形式。

圖24 機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.24 Schematic diagram of liquid lens made in mechanical way [12]

3)多種技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)變焦的透鏡?；趩我蛔兘辜夹g(shù)的透鏡可能在實(shí)際應(yīng)用中不能充分滿足需求。因此，研究人員結(jié)合多種技術(shù)，針對特定的使用場景，研發(fā)出新型液體透鏡，滿足實(shí)際需求。2015年7月，法雷奧照明湖北技術(shù)中心有限公司申請的發(fā)明專利：內(nèi)腔式透鏡裝置以及照明和/或信號指示設(shè)備，通過向透鏡的內(nèi)腔注入不同顏色或不同折射率的流體(液體或氣體)，實(shí)現(xiàn)透鏡在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)不同的外觀或具有不同的光學(xué)性質(zhì)。

3.2.2 當(dāng)前國內(nèi)專利數(shù)量和現(xiàn)狀

根據(jù)以下液體透鏡相關(guān)的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索：液體、流體、液體透鏡、流體透鏡、透鏡、變焦、調(diào)焦、焦距、對焦、光焦度、曲率、曲面、屈光度、折射率、焦點(diǎn)、聚焦、焦、光、照明、燈、潤濕、介電、膜和液晶。

檢索得到申請日自1987年4月至2019年6月的專利320個(gè)，除去重復(fù)和高度相似者，余下248個(gè)。下面基于此248個(gè)專利，從液體透鏡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)分支和照明領(lǐng)域液體透鏡技術(shù)的申請人等方面進(jìn)行分析。

1)液體透鏡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，液體透鏡技術(shù)的應(yīng)用在成像光學(xué)系統(tǒng)中較廣泛，但在非成像光學(xué)系統(tǒng)中較少。如圖25所示，在248個(gè)專利中，有224個(gè)專利的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槌上窆鈱W(xué)，如相機(jī)、顯示設(shè)備、眼鏡、望遠(yuǎn)鏡等，占總數(shù)的90%以上；應(yīng)用于非成像光學(xué)的液體透鏡相關(guān)專利僅有16個(gè)，占總數(shù)的7%；此外，有8項(xiàng)專利將液體透鏡技術(shù)在同時(shí)包含成像光學(xué)和非成像光學(xué)的系統(tǒng)中應(yīng)用或無限定應(yīng)用領(lǐng)域，如自動(dòng)對焦補(bǔ)光的相機(jī)、胃腸道內(nèi)的兼具圖像采集和定向聚焦進(jìn)行光療法處置的醫(yī)學(xué)設(shè)備，占比為3%。由此可見，液體透鏡調(diào)焦技術(shù)在非成像光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常有限。液體透鏡技術(shù)在非成像光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有兩個(gè)方向，一是照明設(shè)備，二是太陽能光伏設(shè)備。應(yīng)用于非成像光學(xué)領(lǐng)域的16個(gè)專利中，13個(gè)為照明設(shè)備方向，3個(gè)為光伏方向。

圖25 液體透鏡專利的應(yīng)用領(lǐng)域分布Fig.25 Distribution of the application area of patents for liquid lens

2)不同液體透鏡技術(shù)的應(yīng)用情況。上述的248個(gè)專利全部涉及透射式液體透鏡，主要采用液面曲率變化透鏡技術(shù)，最常用的是基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡，其次是柔性變焦透鏡和基于介電效應(yīng)的變焦透鏡。涉及以液晶透鏡技術(shù)為代表的漸變折射率透鏡技術(shù)的專利很少，僅有9項(xiàng)。部分專利涉及多種技術(shù)，被重復(fù)計(jì)數(shù)。

在成像光學(xué)領(lǐng)域，透鏡技術(shù)的應(yīng)用狀況與整體狀況接近。但在非成像光學(xué)的照明方向，從可查到的13項(xiàng)專利中得知，主流技術(shù)是液面曲率變化透鏡技術(shù)，未見漸變折射率透鏡技術(shù)。但國外已有采用液晶透鏡技術(shù)進(jìn)行變焦的燈具，有可能因國外的透鏡技術(shù)持有方未在中國申請專利或其專利在檢索時(shí)尚未公開。數(shù)據(jù)表明，各種變焦液體透鏡技術(shù)在照明領(lǐng)域被應(yīng)用的次數(shù)都較有限，國內(nèi)研究人員對照明設(shè)備采用液體透鏡實(shí)現(xiàn)變焦的研究尚處于起步階段。

3)照明領(lǐng)域液體透鏡技術(shù)專利的申請人。由表1可知，上述13項(xiàng)照明方向的液體透鏡相關(guān)專利的申請人大多數(shù)為公司，液體透鏡技術(shù)正走向?qū)嶋H的產(chǎn)品應(yīng)用。其中，外資公司申請的專利件數(shù)多于本土公司和個(gè)人，且主要使用基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡技術(shù)。本國法人申請的專利多采用柔性變焦透鏡或基于介電效應(yīng)的液體透鏡技術(shù)，可見國內(nèi)研究者對基于電潤濕效應(yīng)的液體透鏡技術(shù)在照明領(lǐng)域應(yīng)用的探索尚處于初期，缺乏可實(shí)際應(yīng)用的成果。

表1 13項(xiàng)照明方向?qū)＠纳暾埲?/p>

3.2.3 液體透鏡技術(shù)的未來預(yù)測

從透鏡的技術(shù)進(jìn)化歷程不難發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)化樹的主進(jìn)化路徑的分割進(jìn)化路線中，液體透鏡是未來進(jìn)化的重要方向。目前液體透鏡技術(shù)的研究不僅涉及到制備方法、出光質(zhì)量優(yōu)化、變焦速度提高等透鏡本體的方面，還發(fā)展到在多種光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。液體透鏡的良好電控性為智能化照明的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的想象空間。企業(yè)可以先投入一定的研發(fā)力量進(jìn)行這方面的技術(shù)儲備和研發(fā)，也可進(jìn)行專利布局。隨著其參數(shù)性能的不斷提高、成本的不斷降低，達(dá)到可以大量推廣和產(chǎn)業(yè)化的水平，則市場潛力巨大，可為企業(yè)帶來大量的利潤，也可大大提高企業(yè)的市場競爭力。

1)漸變折射率透鏡技術(shù)方面。目前，液晶透鏡技術(shù)的研究集中在材料微觀形貌結(jié)構(gòu)的改善和復(fù)雜的電極設(shè)計(jì)上，如研發(fā)液晶菲涅爾透鏡、降低液晶透鏡的驅(qū)動(dòng)電壓、進(jìn)一步壓縮液晶透鏡的焦距等。但隨著研發(fā)涉及的技術(shù)愈發(fā)復(fù)雜，研發(fā)成本會(huì)阻礙液晶透鏡技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化。而過去十幾年，液晶顯示技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，目前應(yīng)用大尺寸液晶面板的電視市場增速放緩，液晶面板高世代線產(chǎn)能向中小尺寸轉(zhuǎn)移，全球的液晶顯示面板產(chǎn)業(yè)正進(jìn)行洗牌和調(diào)整，有利于降低液晶產(chǎn)品的成本，推動(dòng)液晶透鏡技術(shù)在照明領(lǐng)域的發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。

2)液面曲率變化透鏡技術(shù)方面。柔性變焦透鏡在照明領(lǐng)域目前僅應(yīng)用于體量較大、變焦精度需求較低、變焦實(shí)現(xiàn)成本低的照明設(shè)備?；陔姖櫇裥?yīng)的液體透鏡技術(shù)在圖像采集的變焦系統(tǒng)和三維圖形顯示設(shè)備方向的應(yīng)用已成熟，但在照明產(chǎn)品方向的應(yīng)用尚較少。未來，基于電潤濕變焦液體透鏡技術(shù)會(huì)從成像光學(xué)向非成像光學(xué)遷移，企業(yè)可依托于現(xiàn)有的電潤濕液體透鏡技術(shù)，研發(fā)可變焦照明產(chǎn)品。與此同時(shí)，與電潤濕液體透鏡具有相似結(jié)構(gòu)的介電力液體透鏡技術(shù)也值得關(guān)注。

4 總結(jié)和展望

透鏡技術(shù)經(jīng)過數(shù)百年的進(jìn)化，如今功能愈發(fā)豐富，對光的控制也從粗糙變得精確，形態(tài)已從傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)展到液態(tài)，從光滑平面發(fā)展到納米級的微雕表面，并向超系統(tǒng)進(jìn)化實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一步優(yōu)化。液體透鏡研究是目前各領(lǐng)域研究透鏡技術(shù)的發(fā)展趨勢。為實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)測未來的透鏡技術(shù)將因融合而趨向復(fù)雜，這種融合既包括固體透鏡和液體透鏡技術(shù)的融合，也包括不同變焦液體透鏡技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合。目前已有個(gè)別液體透鏡技術(shù)填充的流體使用了氣體，預(yù)測未來透鏡技術(shù)可能往氣態(tài)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更豐富的光學(xué)性能。在照明領(lǐng)域，LED燈具“可調(diào)角度變焦”是用戶迫切需要改善的功效，但目前的技術(shù)和產(chǎn)品仍有較大的提升空間。液體透鏡在變焦功能上有傳統(tǒng)固體透鏡不可比擬的優(yōu)勢，其在照明產(chǎn)品的應(yīng)用有希望逐步普及。