李零印，王一凡

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

近幾年來，液體變焦技術在光學領域引起了人們極大的關注。隨著法國Varioptic公司Arctic系列“液體透鏡技術”的推出，一種可以改變焦距的液體透鏡技術成為光學領域眾多學者研發(fā)創(chuàng)新的熱點。液體透鏡在使用材料和實現(xiàn)形式上與傳統(tǒng)透鏡有所不同，它是一種使用一種或多種液體制成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的內(nèi)部參數(shù)［1］，有著傳統(tǒng)光學透鏡無法比擬的性能。從仿生態(tài)學角度來分析，人類的眼球具有極強的調(diào)節(jié)能力，可通過睫狀肌的收縮與松弛，調(diào)整晶狀體的曲率，實現(xiàn)對光線和背景目標的適應［2］性。針對液體變焦技術，目前研究人員正在研究如何采用非移動的形式實現(xiàn)自主變焦的功能，以解決傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)無法超越的難點。

早在70年代，國外一些公司已開始研究新型液體變焦透鏡理論和技術推廣方案［3］，目前，液體變焦技術在美國、日本、歐洲取得了顯著成果。國內(nèi)國防科技大學，上海理工大學有關液體透鏡的研究也在同步進行。理論上，一種無需輸出光學元件的位移量，而是通過改變光學元件自身性質(zhì)的變焦距方式已經(jīng)得到認證［4-7］。

在變焦鏡頭中使用液體透鏡，可以避免傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)的機械傳動環(huán)節(jié)，可無需改變鏡組位置，完成變焦功能，從而推動變焦系統(tǒng)向小型化、靈巧方面發(fā)展。尋求一種全新、高集成度、智能化的控制系統(tǒng)有望給生物醫(yī)療、通訊技術、智能機器人、空間光學領域帶來前所未有的突破。

2 液體變焦透鏡的實現(xiàn)形式

實現(xiàn)液體變焦有3種方法:改變可變焦液體透鏡內(nèi)部折射率變化，采用物理化學方法改變液體密度透過率等內(nèi)在參數(shù);改變液體表面曲率，通過對液體表面加壓，改變腔體表面曲率半徑，實現(xiàn)連續(xù)變焦;基于電潤濕效應，改變液體透鏡內(nèi)部液體分布，實現(xiàn)透鏡的整體形變進行調(diào)焦。針對這3種液體透鏡變焦技術實現(xiàn)方法，這里介紹一些典型液體變焦透鏡的實現(xiàn)形式。

美國加州大學圣地亞哥分校研究的液體變焦透鏡［8］結構如圖1所示，其腔體由聚二甲基硅氧烷制成，直徑為20 mm，厚度為8 mm，它通過在腔體注入濃度63%的鉻酸鈉溶液，由液壓馬達的輸入輸出改變液體透鏡容積，精準控制柱形腔體的體積，改變液體表面曲率，調(diào)節(jié)液體透鏡焦距變化來實現(xiàn)變焦。這種變焦距液體透鏡結構小巧，成本低廉，但是光軸不穩(wěn)，焦距變化范圍有限，圖像不夠清晰，需要依靠彈性薄片材料和液體的匹配確保成像質(zhì)量，具體變焦公式推導見文獻［1］。

圖1 改變液體表面曲率實現(xiàn)變焦示意圖Fig.1 Schematic diagram of varifocal by changing liquid surface curve

電潤濕效應［9］是一種物理化學現(xiàn)象，是通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性，圖2(a)簡單示意了導電液體在鍍有電極和絕緣層固體表面上產(chǎn)生電濕效應的過程，其工作原理如圖2(b)所示。2003年，美國Lucent公司研究出世界上首個純電力控制液體變焦透鏡，液體變焦透鏡的參數(shù)通過電場控制，這為后續(xù)的控制系統(tǒng)設計和液體變焦透鏡的推廣提供了更廣闊的發(fā)展空間。

圖2 液體變焦透鏡的電潤濕效應Fig.2 Electrowetting effect of the liquid zoom lens

圖3 雙液體變焦透鏡Fig.3 Varifocal lens with dual liquid

2004年，荷蘭Philips公司研發(fā)出一種具有里程碑意義的變焦液體透鏡—無活動機械部件的液體透鏡［10］，其原理是采用互不相溶且具有不同折射率的液體(水和油)材料來確保液體在任何方位都能保持球面形狀，通過導電液體施加電壓，調(diào)節(jié)液體疏水性能，改變液體表面張力，從而改變致電液體與介電層的接觸角θ，實現(xiàn)液體透鏡的調(diào)焦，如圖3所示。

反射式液體變焦透鏡［11］的原理是用置有液體容器的旋轉面代替反射望遠鏡的傳統(tǒng)玻璃鏡面，當液體容器旋轉時，由于離心力的作用會形成一個理想凹面，凹面的形狀取決于旋轉速度，這樣即可輕松改變反射面凹面形狀，完成反射變焦。圖4為美國哥倫比亞大學研制的6 m反射式液體透鏡，制造成本僅為同規(guī)格傳統(tǒng)透鏡的1%。

圖4 哥倫比亞大學的6 m反射式液體透鏡Fig.4 Six-meter liquid mirror in Columbia University

3 液體變焦技術的優(yōu)異性和發(fā)展?jié)摿?/h2>

基于液體透鏡技術的變焦距系統(tǒng)，在理論上已經(jīng)有很深的積累，在國內(nèi)微機械研究領域，已經(jīng)取得一定的進展，一旦液體變焦透鏡在工程上獲得應用，它將會與自適應光學一起，在傳統(tǒng)變焦結構設計基礎上，為光學技術發(fā)展提供支持。液體透鏡技術的出現(xiàn)，可推動光學系統(tǒng)加快實現(xiàn)微型化、智能化的進程，滿足民用(手機攝像頭自動調(diào)焦、醫(yī)療器械內(nèi)窺鏡)、軍備(大口徑液體反射鏡)等各領域的需求。因此，開展液體變焦技術在變焦距中的應用，包括如何獲得高穩(wěn)定性能的液體材料，如何整合現(xiàn)有的液體透鏡技術以獲得簡單結構、成像質(zhì)量優(yōu)異的變焦距系統(tǒng)，有著不可估計的市場應用價值。

液體變焦透鏡之所以在光學領域備受推崇，在于其優(yōu)異的性能和發(fā)展?jié)摿ΑＫ黄屏藗鹘y(tǒng)的變焦鏡組設計方法，實現(xiàn)了輕量化，其半徑厚度比約為1∶5～10(傳統(tǒng)鏡組設計約為 1～5∶1);隨著系統(tǒng)整體質(zhì)量的降低，驅動功率也大大降低。由于使用薄膜晶體管，可以對電場進行精確控制，從而提高分辨率;它的驅動電壓最高達+60 V，而電流不會超過1 mA，單個液體變焦透鏡的耗電量不會超過10 mV;由于液體透鏡基于液體表面張力運作，液體表面的平滑度遠遠大于傳統(tǒng)透鏡的機械加工精度，其表面粗糙度在1 nm以下，故有好的表面精度;另外，由于傳統(tǒng)的透鏡使用光柵結構，往往疑似有炫光效應，需采用高成本的顏色校驗法，而液體透鏡有好的調(diào)光性能，在溶解特定溶質(zhì)時，可以調(diào)節(jié)光學特性，消除色差。

圖5(a)為美國物理學院2009年在不同焦距下利用MATLAB擬合液體的波前面型結果，PV，RMS數(shù)量級已經(jīng)到了日常使用的范圍，圖5(b)為美國中央福羅里達州大學的分辨率為25 lp/mm液體透鏡技術，上述兩項試驗結論，讓變焦距液體透鏡的研究者更有信心去取得更好的成績。

圖5 液體變焦透鏡波前面型擬合結果Fig.5 Wavefront fitting result of varifocal liquid lens

4 需解決的問題

目前，液體透鏡技術的研究主要集中在如何獲得有效的變焦方法，液體變焦透鏡結構穩(wěn)定性的實現(xiàn)，對整個液體變焦透鏡系統(tǒng)的分析，純液體變焦系統(tǒng)光學設計的研究等，但目前設計的單個液體透鏡，一旦確定了光學系統(tǒng)所需要的光焦度，就不再有其他設計自由度來校正各種像差，因此，很難獲取極高的成像質(zhì)量;另外，如何提高液體透鏡透過率、色散等性能也有待進一步研究，這里分幾個方面闡述限制液體變焦透鏡發(fā)展的不利因素。

(1)液體膨脹系數(shù)大于固體膨脹系數(shù)，液體透鏡對溫度、重力等環(huán)境等因素敏感，如何克服溫度場，重力場對液體透鏡的影響，對液體透鏡的工程應用起著決定作用。

(2)液體透鏡的離軸系統(tǒng)和非對稱液體透鏡研究是液體透鏡獲得更廣泛應用的最佳途徑，由于液體透鏡的特殊性能，其在離軸系統(tǒng)和非對稱系統(tǒng)的應用研究必然有著廣闊的前景。

(3)成熟的液體透鏡產(chǎn)品太少，除了美國Lu-cent公司、法國Varioptic公司及荷蘭 Philiphs公司研制的電潤濕液體透鏡具有較為成熟的形式之外，其余公司和科研單位的研究都處于實驗階段。

5 結束語

液體透鏡的發(fā)展，將為光學儀器的變革提供助力，其特殊的功能和變焦形式，在變焦距系統(tǒng)中有著傳統(tǒng)變焦無法比擬的優(yōu)勢。目前關于液體變焦透鏡技術的研究大多在液體透鏡本身和材料方面，但臺灣的學者已涉足對液體變焦透鏡系統(tǒng)的研究，并取得了一些試驗成果。雖然傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)已日趨成熟，但在一些對尺寸有嚴格限定，又要求有很好變焦能力的領域諸如醫(yī)療、通信等，變焦系統(tǒng)還有很多問題尚待解決。液體變焦透鏡鏡頭技術有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學鏡頭的應用領域，從而引發(fā)一場光學鏡頭技術變革，應該說液體變焦透鏡技術將會在光學相關產(chǎn)業(yè)得到廣泛應用。

［1］ 鄭浩斌，何焰藍，丁道一，等.液體透鏡發(fā)展現(xiàn)狀［J］.物理學和高新技術，2008，37(1):33-37.ZHENG H B，HE Y L，DING D Y，et al..Milestone development of liquid lenses［J］.Physics and High Technology，2008，37(1):33-37.(in Chinese)

［2］ 黃婷婷，梁瑞生，于哲，等.充液型可調(diào)焦液態(tài)透鏡［J］.光學技術，2011，37(3):341-345.HUANG T T，LIANG R SH，YU ZH，et al..Variable-focus liquid lens of liquid-filled type［J］.Optical Technique，2011，37(3):341-345.(in Chinese)

［3］ 彭潤玲，陳家璧，莊松林.電潤效應變焦距光學系統(tǒng)的設計與分析［J］.光學學報，2008，28(6):1141-1146.PENG R L，CHEN J B，ZHUANG S L.Design and analysis of a variable-focus optical system based on electrowetting［J］.Acta Optica Sinica，2008，28(6):1141-1146.(in Chinese)

［4］ 鄭浩斌，何焰藍，丁道一.液體透鏡的誕生和發(fā)展［J］.物理與工程，2008，18(4):42-47.ZHENG H B，HE Y L，DING D Y.The development milestones of liquid lens［J］.Phys.Eng.，2008，18(4):42-47.(in Chinese)

［5］ RYOICHI K，TSUYOSHI T，YUKITOSHI O，et al..Liquid pressure varifocus lens［J］.Opt.Rev.，2005，12(5):405-408.

［6］ YANG H H，YANG CH Y，YEH M.Miniaturized variable-focus lens fabrication using liquid filling technique［J］.Microsyst Technol.，2008，14:1067-1072.

［7］ REN H W，WU SH T.Variable-focus liquid lens［J］.Optics Express，2007，15(10):5931-5936.

［8］ SHAW D，LIN CH W.Design and analysis of an asymmetrical liquid-filled lens［J］.Opt.Eng.，2007，46(12):123002.

［9］ YE M，WANG B，TAKAHASHI T，et al..Properties of variable-focus liquid crystal lens and its application in focusing system［J］.Opt.Rev.，2007，14(4):173-175.

［10］ LIN CH W，SHAW D.Simplified model of an o-ring-drive liquid-filled lens for calculating focal length［J］.Opt.Eng.，2009，48(7):073001.

［11］ OKU H，ISHIKAWA M.High-speed liquid lens with 2 ms response and 80.03 nm rootmean-square wavefront error［J］.Appl.Phys.Lett.，2009，94(22):5931-5936.