液體變焦鏡頭在光流控芯片內的集成應用與問題及解決方案

摘要：相比于傳統(tǒng)的機械變焦鏡頭，液體變焦鏡頭具有體積小、響應快、成本低和集成度高等特點，被廣泛應用于圖像采集、目標追蹤和特征識別等領域。焦距調節(jié)方式決定了液體鏡頭的性能和應用，本文概括了基于液晶材料、介電泳、電化學、電潤濕原理的物性控制式變焦鏡頭和基于靜電力、電磁力、壓力調節(jié)和環(huán)境響應的機械驅動式變焦鏡頭的研究現狀，介紹了液體變焦鏡頭在光流控芯片內的集成應用，并指出當前面臨的主要問題和解決方案。最后，對液體變焦鏡頭的發(fā)展前景和研究方向進行了展望和總結。

1 引言

近年，在工業(yè)4.0時代背景下，“中國制造2025”戰(zhàn)略快速深入，智能制造成為了現代制造業(yè)的主要發(fā)展方向。發(fā)展高端制造裝備產業(yè)，對加快制造業(yè)朝著智能化、經濟化和綠色化方向轉型升級，提高生產效率、產品質量和技術水平等具有很大的推動作用。機器視覺在智能制造中用于實現定位操控、特征識別、瑕疵檢測、部件裝配和分類計數等功能。光學變焦鏡頭作為視覺成像系統(tǒng)的關鍵部件，通過在一定范圍內變換焦距，以調節(jié)影像大小和景物范圍。傳統(tǒng)的變焦光學系統(tǒng)由一系列焦距固定的透鏡組成，利用光學元件結合復雜的運動實現變焦。變焦過程中需要對透鏡組的運動軌跡精確控制，操作復雜、可靠性低、體積大和成本高，難以滿足機器視覺在智能制造裝備中的成像需求。因此，研發(fā)微型化、智能化、低功耗和低成本的新型變焦系統(tǒng)，成為許多研究人員追求的熱點。

受到昆蟲和人類眼睛等生物結構的啟發(fā)，研究人員通過研究液體的折射率、表面張力和接觸角等物理參量，實現對透明介質的操縱，有望克服傳統(tǒng)機械式變焦系統(tǒng)的局限。液體變焦技術作為一種新型的變焦方式，通過改變液體透鏡的形狀或折射率來實現焦距的調節(jié)。目前，商用的液體變焦鏡頭可分為漸變折射率鏡頭和變曲率鏡頭兩種，分別通過控制液晶材料的排列晶向和液體界面曲率調節(jié)焦距。美國LENSVECTOR公司生產的LV-S3系列漸變折射率透鏡，利用動態(tài)可調的電場改變液晶分子取向以調節(jié)鏡頭的折射率；法國VARIOPTIC公司研制的Arctic316型電潤濕變焦鏡頭和美國HOLO-CHIP公司生產的APL-1050型變曲率液體透鏡，分別通過改變電壓和填充液體壓力的方式完成焦距的調節(jié)。

液體變焦鏡頭無需復雜的機械變焦結構，具有體積小、響應快、成本低和集成度高等特點，大幅簡化了光學成像系統(tǒng)的結構，有利于集成設備的小型化和輕量化。本文針對物性控制式和機械驅動式兩種不同的變焦驅動方式，概括了液體變焦鏡頭的發(fā)展現狀，并介紹了其在光流控芯片內的集成應用。同時，對液體變焦鏡頭研究面臨的難題進行分析，探討了相應的解決措施，并對未來的發(fā)展趨勢和研究方向進行了展望和總結。

2 液體變焦鏡頭的分類

按照液體變焦驅動機制的不同，液體變焦鏡頭分為物性控制式和機械驅動式，如圖1所示。其中，物性控制式變焦鏡頭包括基于液晶材料、電化學活化、介電泳技術和電潤濕技術的液體變焦鏡頭。機械驅動式變焦鏡頭包括基于靜電力驅動、電磁力驅動、壓力調節(jié)和環(huán)境響應液體變焦鏡頭。

圖1.液體變焦鏡頭的分類

2.1 物性控制式液體變焦鏡頭

物性控制式液體變焦鏡頭依靠鏡頭內填充介質材料本身的物理性質變化實現焦距調節(jié)。通過對電壓驅動規(guī)律的探究，實現了介質材料的分子取向、表面張力、接觸角和潤濕性等參數的操控，如液晶材料、電化學技術、介電泳技術和電潤濕技術。

圖7. 基于靜電吸引的液體變焦鏡頭。（ａ ）透鏡 截面結構；（ｂ）無電壓狀態(tài)；（ｃ ）加電壓狀態(tài)

圖8. 3種常見的電磁驅動液體鏡頭結構。（ａ）基于電磁吸引的液體變焦鏡頭；（ｂ）基于通電線圈洛倫茲力驅動的液體變焦鏡頭；（ｃ）基于鐵磁流體流動的液體變焦鏡頭

圖10. 激光誘導變焦透鏡的原理及實驗

5 結論與展望

液體變焦鏡頭無需復雜的機械部件，大大簡化了光學成像系統(tǒng)結構，符合智能制造裝備的發(fā)展趨勢。本文介紹了物性控制和機械驅動兩種不同液體變焦鏡頭的驅動機制，并報道了其在光流控芯片集成方面的研究進展。物性控制式液體鏡頭，通過電場調控液晶材料的分子取向，以及基于介電泳、電化學和電潤濕原理的液滴操縱等方式實現變焦功能。該類變焦系統(tǒng)具有體積小、噪聲小、響應快和成本低等特點。而機械驅動液體鏡頭是利用靜電力、電磁力、腔體壓力調節(jié)和環(huán)境參數來控制彈性薄膜曲率或填充介質的折射率，變焦系統(tǒng)受介質材料的導電率和介電常數等電特性參數的影響較小，并且結構簡單，調焦范圍大。隨著先進醫(yī)療儀器、智慧安防設備及智能制造裝備的快速發(fā)展，將對自適應液體變焦鏡頭提出更高的要求，促進液體變焦鏡頭在結構、制造和應用等方面快速優(yōu)化升級。

（1）3D打印技術的應用。利用3D打印增材制造技術能夠實現對腔體和流道等復雜結構的加工，進一步優(yōu)化鏡頭結構，提高鏡頭的光學性能。

（2） 電子芯片的集成。將CMOS和微處理器等電子芯片與液體鏡頭相結合，使光學變焦系統(tǒng)朝著集成化、緊湊化和小型化方向發(fā)展，有效縮短了系統(tǒng)的響應時間，提高圖像的采集、評價和處理能力。

（3） 智能傳感的融合。通過在透鏡腔體、彈性薄膜上布置柔性傳感器對液體壓力變化進行檢測，有望實現對系統(tǒng)成像像差的實時反饋和補償校正。

通過調研液體變焦技術的發(fā)展現狀，綜合考慮與實際需求結合的重大問題，未來建議在系統(tǒng)反饋、像差校正、變焦響應和透鏡材料等方面加強研究，為液體變焦系統(tǒng)的商業(yè)化發(fā)展奠定理論和應用基礎。同時，加快對介電凝膠微透鏡與超薄平面“超透鏡”等方向的研究，著力增強現代智能變焦技術的多樣性和適用性。
編輯：lyn