仿生液体变焦镜头研究启示

□衢州华茂外国语学校 郑俊捷、郑煜堃、殷莉莉

仿生液体变焦镜头研究启示

□衢州华茂外国语学校 郑俊捷、郑煜堃、殷莉莉

洒满阳光的黄金海岸，鳞次栉比的大厦，以及我们大笑的瞬间……让我们一次又一次地拿起相机，留下那些最珍贵的时刻吧。然而，相机自动变焦的时间慢，这让我们伤透了脑筋。看着拍出来的照片，我们一次又一次地皱起了眉头。

针对这个问题，我们查阅了相关资料，发现原来我们使用的相机镜头是通过增加镜头透镜片的个数来达到变焦效果的，但是这样的结构导致了镜头变焦的速度大为减慢，而且专业镜头的昂贵身价也让常人难以接受（佳能长焦镜头在10万元以上）。看来这种传统相机镜头存在很大的缺陷。那我们能不能从根本上加以解决呢？

我们的创新想法最初来源于眼睛。大家想想看，我们的眼睛真的是最神奇的相机。变焦速度快，体积小，简单而高效。那为何不能利用仿生学的原理改变传统镜头的结构呢？

带着问题，我们与校科技辅导员金老师交流了有关想法。没想到，老师对我们的创意给予了高度评价。在初步论证方案的可行性之后，我们师生又进一步完善了项目方案，之后就正式开始了我们极富想象力的探索之旅。

我们的目标，就是设计一个以液体镜头代替复杂透镜组装置。达成目标的关键是找到一种类似于晶状体的软质透明物质，它可在外力作用下产生形变，从而改变它的焦距。

材料准备

我们准备了来自家中厨房的透明弹性PVE保鲜膜，还有PVC圆柱体空心筒。我们的初步设想是先制作一个“晶状体”，把两快膜边缘粘紧，再穿上一圈细线，在两端留出一个线头，做出图1的形状，再在其中充入水（填充物暂且用水）并密封。拉着A、B两个线头，就可以任意调节它的形状了。

在圆柱形筒上刻出CD、EF两条凹槽，可以使“晶状体”放入“镜头”，而两个线头留在外面以供人调节，如图2所示。

图2

效果测试

图3最终实物模型

将4支光线笔通过装置射向光屏，可以观察到光线有明显偏折，调节A、B两个节点，可以看到光线偏折角度有变化，光屏上的4个点间距在调节节点时有较大变化。实验证明这种方案是有效的，美中不足的是做起来很困难。首先水容易漏，其次曲面会影响刻度尺，使读数有误差，最后这个“晶状体”在使用时会受到地球重力的影响，形状会变成上小下大的形状，影响成像。

我们针对这些问题进行了改进，改进后的方案正是我们最终完成的模型。材料大致相同，只是PVC管多增加了一个。要求是两个管子能恰好紧密地套在一起（如图3所示）。在AB面和CD上裹一层PVE膜。这样的话，在两个筒里面充上填充液体，两头的PVE膜就会凸起来，形成聚焦作用的曲面。调节两个筒的间距（即图3中h）的大小，就可以更轻松地变焦了。

至于填充的液体，我们想到了硅酸钠溶液。硅酸钠，俗称水玻璃，溶于水后，它会形成粘稠的透明液体。实验操作中我们也配制并使用了这样的填充物。它的折光率比水大得多，可以用较大的量来达到同样的折光率。但是硅酸钠有强碱性，时间一久PVE膜的粘合剂就会被腐蚀，容易失落，测量时也容易弄到手上。我们在这个阶段也吃了不少苦头。

一次生活中的感悟，让我们得到了灵感。经过不断深入思考，坚持不懈的改进，我们终于有了初步的成果，并获得了第25届浙江省青少年科技创新大赛创新项目一等奖的好成绩。这次经历，让我们明白只有敢于设想，刻苦钻研，才能在科学探究的道路上前进。

时间过去一年多了，毕业使我们这个小组不得不分开一段时间。但是我们对这个装置的改进还远远没有结束。由于要应用到相机里，我们打算在控制两个筒时使用微电机，编制程序来精确调节，使对焦变焦更准确。还得考虑让装置尽可能缩小体积，以便于大批量生产，期待我们的喜讯吧。

（指导老师 金友滨）