液体变焦技术的发展与展望

李零印，王一凡

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.中国科学院大学，北京100049)

1 引言

近几年来，液体变焦技术在光学领域引起了人们极大的关注。随着法国Varioptic公司Arctic系列“液体透镜技术”的推出，一种可以改变焦距的液体透镜技术成为光学领域众多学者研发创新的热点。液体透镜在使用材料和实现形式上与传统透镜有所不同，它是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数［1］，有着传统光学透镜无法比拟的性能。从仿生态学角度来分析，人类的眼球具有极强的调节能力，可通过睫状肌的收缩与松弛，调整晶状体的曲率，实现对光线和背景目标的适应［2］性。针对液体变焦技术，目前研究人员正在研究如何采用非移动的形式实现自主变焦的功能，以解决传统变焦系统无法超越的难点。

早在70年代，国外一些公司已开始研究新型液体变焦透镜理论和技术推广方案［3］，目前，液体变焦技术在美国、日本、欧洲取得了显著成果。国内国防科技大学，上海理工大学有关液体透镜的研究也在同步进行。理论上，一种无需输出光学元件的位移量，而是通过改变光学元件自身性质的变焦距方式已经得到认证［4-7］。

在变焦镜头中使用液体透镜，可以避免传统变焦系统的机械传动环节，可无需改变镜组位置，完成变焦功能，从而推动变焦系统向小型化、灵巧方面发展。寻求一种全新、高集成度、智能化的控制系统有望给生物医疗、通讯技术、智能机器人、空间光学领域带来前所未有的突破。

2 液体变焦透镜的实现形式

实现液体变焦有3种方法:改变可变焦液体透镜内部折射率变化，采用物理化学方法改变液体密度透过率等内在参数;改变液体表面曲率，通过对液体表面加压，改变腔体表面曲率半径，实现连续变焦;基于电润湿效应，改变液体透镜内部液体分布，实现透镜的整体形变进行调焦。针对这3种液体透镜变焦技术实现方法，这里介绍一些典型液体变焦透镜的实现形式。

美国加州大学圣地亚哥分校研究的液体变焦透镜［8］结构如图1所示，其腔体由聚二甲基硅氧烷制成，直径为20 mm，厚度为8 mm，它通过在腔体注入浓度63%的铬酸钠溶液，由液压马达的输入输出改变液体透镜容积，精准控制柱形腔体的体积，改变液体表面曲率，调节液体透镜焦距变化来实现变焦。这种变焦距液体透镜结构小巧，成本低廉，但是光轴不稳，焦距变化范围有限，图像不够清晰，需要依靠弹性薄片材料和液体的匹配确保成像质量，具体变焦公式推导见文献［1］。

图1 改变液体表面曲率实现变焦示意图Fig.1 Schematic diagram of varifocal by changing liquid surface curve

电润湿效应［9］是一种物理化学现象，是通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性，图2(a)简单示意了导电液体在镀有电极和绝缘层固体表面上产生电湿效应的过程，其工作原理如图2(b)所示。2003年，美国Lucent公司研究出世界上首个纯电力控制液体变焦透镜，液体变焦透镜的参数通过电场控制，这为后续的控制系统设计和液体变焦透镜的推广提供了更广阔的发展空间。

图2 液体变焦透镜的电润湿效应Fig.2 Electrowetting effect of the liquid zoom lens

图3 双液体变焦透镜Fig.3 Varifocal lens with dual liquid

2004年，荷兰Philips公司研发出一种具有里程碑意义的变焦液体透镜—无活动机械部件的液体透镜［10］，其原理是采用互不相溶且具有不同折射率的液体(水和油)材料来确保液体在任何方位都能保持球面形状，通过导电液体施加电压，调节液体疏水性能，改变液体表面张力，从而改变致电液体与介电层的接触角θ，实现液体透镜的调焦，如图3所示。

反射式液体变焦透镜［11］的原理是用置有液体容器的旋转面代替反射望远镜的传统玻璃镜面，当液体容器旋转时，由于离心力的作用会形成一个理想凹面，凹面的形状取决于旋转速度，这样即可轻松改变反射面凹面形状，完成反射变焦。图4为美国哥伦比亚大学研制的6 m反射式液体透镜，制造成本仅为同规格传统透镜的1%。

图4 哥伦比亚大学的6 m反射式液体透镜Fig.4 Six-meter liquid mirror in Columbia University

3 液体变焦技术的优异性和发展潜力

基于液体透镜技术的变焦距系统，在理论上已经有很深的积累，在国内微机械研究领域，已经取得一定的进展，一旦液体变焦透镜在工程上获得应用，它将会与自适应光学一起，在传统变焦结构设计基础上，为光学技术发展提供支持。液体透镜技术的出现，可推动光学系统加快实现微型化、智能化的进程，满足民用(手机摄像头自动调焦、医疗器械内窥镜)、军备(大口径液体反射镜)等各领域的需求。因此，开展液体变焦技术在变焦距中的应用，包括如何获得高稳定性能的液体材料，如何整合现有的液体透镜技术以获得简单结构、成像质量优异的变焦距系统，有着不可估计的市场应用价值。

液体变焦透镜之所以在光学领域备受推崇，在于其优异的性能和发展潜力。它突破了传统的变焦镜组设计方法，实现了轻量化，其半径厚度比约为1∶5～10(传统镜组设计约为 1～5∶1);随着系统整体质量的降低，驱动功率也大大降低。由于使用薄膜晶体管，可以对电场进行精确控制，从而提高分辨率;它的驱动电压最高达+60 V，而电流不会超过1 mA，单个液体变焦透镜的耗电量不会超过10 mV;由于液体透镜基于液体表面张力运作，液体表面的平滑度远远大于传统透镜的机械加工精度，其表面粗糙度在1 nm以下，故有好的表面精度;另外，由于传统的透镜使用光栅结构，往往疑似有炫光效应，需采用高成本的颜色校验法，而液体透镜有好的调光性能，在溶解特定溶质时，可以调节光学特性，消除色差。

图5(a)为美国物理学院2009年在不同焦距下利用MATLAB拟合液体的波前面型结果，PV，RMS数量级已经到了日常使用的范围，图5(b)为美国中央福罗里达州大学的分辨率为25 lp/mm液体透镜技术，上述两项试验结论，让变焦距液体透镜的研究者更有信心去取得更好的成绩。

图5 液体变焦透镜波前面型拟合结果Fig.5 Wavefront fitting result of varifocal liquid lens

4 需解决的问题

目前，液体透镜技术的研究主要集中在如何获得有效的变焦方法，液体变焦透镜结构稳定性的实现，对整个液体变焦透镜系统的分析，纯液体变焦系统光学设计的研究等，但目前设计的单个液体透镜，一旦确定了光学系统所需要的光焦度，就不再有其他设计自由度来校正各种像差，因此，很难获取极高的成像质量;另外，如何提高液体透镜透过率、色散等性能也有待进一步研究，这里分几个方面阐述限制液体变焦透镜发展的不利因素。

(1)液体膨胀系数大于固体膨胀系数，液体透镜对温度、重力等环境等因素敏感，如何克服温度场，重力场对液体透镜的影响，对液体透镜的工程应用起着决定作用。

(2)液体透镜的离轴系统和非对称液体透镜研究是液体透镜获得更广泛应用的最佳途径，由于液体透镜的特殊性能，其在离轴系统和非对称系统的应用研究必然有着广阔的前景。

(3)成熟的液体透镜产品太少，除了美国Lu-cent公司、法国Varioptic公司及荷兰 Philiphs公司研制的电润湿液体透镜具有较为成熟的形式之外，其余公司和科研单位的研究都处于实验阶段。

5 结束语

液体透镜的发展，将为光学仪器的变革提供助力，其特殊的功能和变焦形式，在变焦距系统中有着传统变焦无法比拟的优势。目前关于液体变焦透镜技术的研究大多在液体透镜本身和材料方面，但台湾的学者已涉足对液体变焦透镜系统的研究，并取得了一些试验成果。虽然传统变焦系统已日趋成熟，但在一些对尺寸有严格限定，又要求有很好变焦能力的领域诸如医疗、通信等，变焦系统还有很多问题尚待解决。液体变焦透镜镜头技术有可能全面覆盖传统光学镜头的应用领域，从而引发一场光学镜头技术变革，应该说液体变焦透镜技术将会在光学相关产业得到广泛应用。

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