液體透鏡的類型：反射式和透射式

液體鏡頭是使用一種或多種液體制作而成的，通過控制液面形狀改變光學(xué)參數(shù)的透鏡。

液體透鏡主要有兩種類型：反射式和透射式。

反射式液體透鏡是一個(gè)焦距可變的鏡面。當(dāng)裝有液體（一般是水銀）的容器旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，離心力的作用將使液體表面形成一個(gè)正好符合望遠(yuǎn)鏡要求的理想凹面。反射式的液體透鏡只須改變旋轉(zhuǎn)速度，就能使液面的形狀改變成需要的形狀，這可以大大降低制造大型天文望遠(yuǎn)鏡的加工難度和成本。

透射式液體透鏡按照液體變焦驅(qū)動(dòng)機(jī)制的不同，液體變焦鏡頭分為物性控制式和機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(xué)活化、介電泳技術(shù)和電潤(rùn)濕技術(shù)的液體變焦透鏡。機(jī)械驅(qū)動(dòng)式變焦鏡頭包括基于靜電力驅(qū)動(dòng)、電磁力驅(qū)動(dòng)、壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境響應(yīng)液體變焦透鏡。

圖1：液體變焦透鏡的分類

（1） 機(jī)械驅(qū)動(dòng)式液體可變焦透鏡

機(jī)械驅(qū)動(dòng)式可變焦透鏡采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式，通過調(diào)節(jié)透鏡腔體壓力或改變外界環(huán)境使液體介質(zhì)的曲率或折射率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)變焦。

（a） 基于靜電力驅(qū)動(dòng)的變焦液體透鏡

靜電力驅(qū)動(dòng)情況下，通電電極由于電場(chǎng)作用產(chǎn)生相互作用力，施加于鏡頭填充液。

一種由平面電極靜電驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：基于靜電力吸引的液體變焦透鏡

圖2中，（a）為透鏡的截面結(jié)構(gòu)，（b）為無電壓狀態(tài)，（c）為有電壓狀態(tài)。

鏡頭裝置通過彈性聚合物薄膜將高介電常數(shù)液體封裝在薄玻璃片上的腔體中。同時(shí)，分別在薄膜下表面和薄玻璃片上表面沉積環(huán)形金屬電極構(gòu)成平行板靜電致動(dòng)器。當(dāng)施加電壓時(shí)，平行板電極由于靜電吸引相互靠近，腔內(nèi)液體被擠向透鏡中心，改變了薄膜的曲率。該透鏡結(jié)構(gòu)緊湊（小于6mm×6mm×0.7mm）、驅(qū)動(dòng)電壓低（小于25V），可以利用MEMS制造工藝批量化生產(chǎn)。

（b） 基于電磁力驅(qū)動(dòng)的變焦液體透鏡

利用電磁場(chǎng)與磁性材料、帶電導(dǎo)體和鐵磁流體的相互作用產(chǎn)生電磁力，直接或間接地作用于透鏡腔體內(nèi)部填充液體。

圖3：基于電磁鐵系統(tǒng)的液體變焦透鏡

圖3為基于電磁鐵系統(tǒng)的液體變焦鏡頭，利用透鏡下方的電磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)彈性薄膜上的環(huán)形釹磁鐵，控制透鏡室內(nèi)的液體彈性薄膜凸起或凹陷，使填充液體在透鏡腔和驅(qū)動(dòng)腔之間流動(dòng)。該透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焦距變化范圍較大，但是由于電磁系統(tǒng)的引入，增大了鏡頭體積。

圖4：基于PDMS彈性薄膜與電磁微致動(dòng)器集成的液體變焦透鏡

如圖4所示，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性薄膜與電磁微致動(dòng)器集成的液體鏡頭，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下，附著在薄膜上的帶狀金屬電極在洛倫茲力驅(qū)動(dòng)下將引起薄膜均勻變形，并通過液體介質(zhì)傳遞到透鏡腔體。該類鏡頭具有驅(qū)動(dòng)電壓低，成像像差小等特點(diǎn)，但是在施加的大電流作用下電極產(chǎn)生的熱量會(huì)加速液體介質(zhì)的蒸發(fā)，影響鏡頭成像性能的穩(wěn)定性。

圖5：基于鐵磁流體的液體變焦透鏡

如圖5所示，一種由鐵磁流體驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭，該設(shè)計(jì)采用鐵磁流體作為活塞，通過電磁鐵吸引控制透鏡腔內(nèi)液體的壓力，從而改變透鏡的曲率和焦距，具有成像質(zhì)量高、響應(yīng)速度快和重力效應(yīng)小等優(yōu)勢(shì)，但是需要用聚四氟乙烯等低摩擦系數(shù)液體對(duì)鐵磁流體進(jìn)行包覆，防止其粘附于流道內(nèi)壁，且較難集成。

（c） 基于壓力調(diào)節(jié)的變焦液體透鏡

壓力調(diào)節(jié)式液體變焦鏡頭通過在鏡頭液體腔內(nèi)充液、擠壓或改變孔徑等方式調(diào)節(jié)腔室壓力，使透鏡薄膜曲率或者介質(zhì)材料折射率發(fā)生變化。

圖6：基于液壓控制的液體變焦透鏡

如圖6所示，該設(shè)計(jì)通過注入或抽取液體，改變裝置進(jìn)出口壓力差值，實(shí)現(xiàn)雙凹和雙凸透鏡的轉(zhuǎn)換。鏡頭裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)焦范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但是需要液壓泵或者注射器等為其提供驅(qū)動(dòng)力。

圖7：基于液壓控制的液體變焦透鏡

如圖7所示，以形狀記憶合金彈簧為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的大光圈液體變焦透鏡，其利用形狀記憶合金彈簧控制壓縮環(huán)的變形，通過調(diào)節(jié)鏡頭孔徑實(shí)現(xiàn)變焦。該鏡頭進(jìn)光孔徑達(dá)到34mm，適用于大光圈成像、小巧輕便的成像設(shè)備，但是鏡頭響應(yīng)速度受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制。

（d） 基于環(huán)境響應(yīng)的變焦液體透鏡

環(huán)境響應(yīng)式液體變焦鏡頭利用液體介質(zhì)對(duì)溫度和振動(dòng)等外部環(huán)境參數(shù)變化的響應(yīng)，通過改變曲率或折射率調(diào)節(jié)焦距。

圖8：基于激光誘導(dǎo)的液體變焦透鏡

如圖8所示，用激光束加熱，使液滴從中心到邊緣進(jìn)行熱毛細(xì)流動(dòng)，從而改變液滴表面的局部曲率。通過調(diào)整激光束的功率，液滴可以作為聚焦透鏡或發(fā)散透鏡。該類透鏡具有制造成本低、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是液體受熱后蒸發(fā)速度加快，影響成像的穩(wěn)定性。

圖9：基于超聲壓電激勵(lì)的液體變焦透鏡

如圖9所示，其為一種液晶與超聲結(jié)合的變焦透鏡，該透鏡使用超聲振動(dòng)技術(shù)控制液晶分子的方向，鏡頭利用諧振頻率下的連續(xù)正弦電信號(hào)激勵(lì)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PT）換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，用以控制液晶層的分子方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于集成設(shè)備的小型化。

（2） 物性控制式液體可變焦透鏡

物性控制式液體變焦鏡頭依靠鏡頭內(nèi)填充介質(zhì)材料本身的物理性質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)。通過對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)規(guī)律的探究，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)材料的分子取向、表面張力、接觸角和潤(rùn)濕性等參數(shù)的操控。

（a） 基于液晶材料的變焦液體透鏡

大約在40年前，研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用靜電場(chǎng)控制平面型液晶微透鏡實(shí)現(xiàn)變焦功能。研究成果表明，在不施加外部電場(chǎng)時(shí)，液晶分子按照一定角度排列，如圖10（a）所示。在環(huán)形電場(chǎng)作用下，液晶分子取向會(huì)趨于電場(chǎng)方向傾斜，并且，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，傾斜角變大。在圖10（b）中，由于電場(chǎng)強(qiáng)度從中心向邊緣增強(qiáng)，因此中心的液晶分子傾斜角度較小。

圖10：基于液晶材料的液體變焦透鏡

一種基于預(yù)傾角梯度對(duì)準(zhǔn)的液晶透鏡制備方法，通過摩擦和紫外線照射獲得理想的液晶分子預(yù)傾角分布。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，液晶分子非均勻分布，并在初始狀態(tài)下形成具有最小焦距值的雙折射透鏡。當(dāng)電場(chǎng)作用時(shí)，液晶分子沿電場(chǎng)方向垂直均勻分布，能夠得到無窮大的焦距值。使用直徑為2mm的液晶透鏡，在0～10V的電壓驅(qū)動(dòng)下，焦距從47cm變化到700cm。該類鏡頭驅(qū)動(dòng)電壓較低，但受到電場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性的限制，難以實(shí)現(xiàn)近焦成像，并且容易造成圖像的光學(xué)失真。

（b） 基于電化學(xué)活化的變焦液體透鏡

電化學(xué)活化作用能夠使水溶性分子在表面非活性態(tài)和表面活性態(tài)之間轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中表面活性物質(zhì)濃度的調(diào)控。同時(shí)，水溶性分子濃度的變化會(huì)導(dǎo)致液體表面張力改變，使液體介質(zhì)產(chǎn)生變形。

圖11：基于電化學(xué)活性的液體變焦透鏡

如圖11所示，其為一種毛細(xì)管微透鏡，由兩個(gè)毛細(xì)管表面組成，用過量的自由表面液體填充毛細(xì)管孔，表面活性劑在電壓作用下會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使一個(gè)毛細(xì)管表面相對(duì)于另一表面的表面張力發(fā)生變化。毛細(xì)管內(nèi)液體曲率的改變將引起焦距的變化，而且這一過程是可逆的。實(shí)驗(yàn)中，獲得透鏡的最小焦距值為0.5mm，主要取決于液體的體積。該類鏡頭的焦距調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，且變化規(guī)律難以定量分析。

（c） 基于介電泳技術(shù)的變焦液體透鏡

介電泳效應(yīng)指在非均勻電場(chǎng)的作用下，由于介質(zhì)顆粒極化程度不同，導(dǎo)致正負(fù)電荷受力不均產(chǎn)生側(cè)向位移。

圖12：基于介電泳技術(shù)的液體變焦透鏡 如圖12所示，一種基于柔性襯底的介電泳力作用液體變焦鏡頭，該介電液體透鏡包含硅油和多元醇兩種密度相等的不導(dǎo)電液體。在柔性基底上表面沉積一層特氟龍（ Teflon）薄膜，利用其潤(rùn)濕性對(duì)硅油滴的空間位置進(jìn)行限制，減小運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。同時(shí)，在環(huán)氧SU-8樹脂下表面布置一對(duì)環(huán)形同心電極，以產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。當(dāng)施加電壓時(shí)，由于多元醇的介電常數(shù)比被包圍的硅油液滴的介電常數(shù)大，電場(chǎng)作用產(chǎn)生的介電泳力使液體向內(nèi)擠壓變形，從而增大硅油液滴與基底的接觸角。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)125Vrms時(shí)，鏡頭焦距從14.2mm變化到6.3mm。該類透鏡通常需要設(shè)計(jì)加工復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)，而且驅(qū)動(dòng)電壓較高，調(diào)焦范圍相對(duì)較小。

（d） 基于電潤(rùn)濕技術(shù)的變焦液體透鏡

介質(zhì)上電潤(rùn)濕技術(shù)（EWOD）是目前運(yùn)用廣泛的制造液體鏡頭的技術(shù)之一。

圖13：電潤(rùn)濕原理及實(shí)驗(yàn)

該技術(shù)通過在液體和電極之間施加電壓，改變液滴及其接觸面的潤(rùn)濕性，使得液滴和介質(zhì)表面接觸角發(fā)生變化，其原理如圖13（a）所示。液滴的接觸角變化與施加的電壓U之間的關(guān)系，可由 Young-Lippmann方程表示。根據(jù)該方程可知，液滴與介質(zhì)間接觸角余弦值cosθ的改變不僅與電壓值變化有關(guān)，也受介電層厚度d和介電常數(shù)ε變化的影響。圖13（b）所示為加壓前后液滴接觸角變化情況。可見，當(dāng)施加電壓時(shí)，液滴變形導(dǎo)致接觸角減小。

圖14：可調(diào)電潤(rùn)濕液體透鏡及實(shí)驗(yàn)

如圖14所示，其為一種基于環(huán)形光圈和中心光圈調(diào)焦模式的光學(xué)微透鏡，結(jié)構(gòu)如圖14（a）所示。該裝置利用偏振片和液晶材料控制著不同偏振方向入射光線的通斷。圖14（b）和14（c）分別顯示了初始狀態(tài)和液晶材料施加電壓狀態(tài)下，入射光線在透鏡內(nèi)的路徑。處于環(huán)形光圈模式時(shí)，由于反射片的作用，將入射光功率增大3倍，以增強(qiáng)鏡頭的成像亮度；處于中心光圈模式時(shí)，由于邊緣光線被阻擋，從而降低了像差，擴(kuò)大了景深，提高了鏡頭的光學(xué)成像質(zhì)量。不同模式下的透鏡焦距與電壓關(guān)系如圖13（d）所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓從20V變化到70V時(shí)，中心光圈模式透鏡的調(diào)焦范圍為（-∞，-66.7mm）∪（+32.4mm，+∞）。而環(huán)形光圈模式透鏡只能聚焦，調(diào)焦范圍為（+18.4mm，+∞）。相比于傳統(tǒng)的電潤(rùn)濕鏡頭，這類液體鏡頭能夠在高分辨率、大光功率的環(huán)形孔徑模式和大景深、小像差的環(huán)形孔徑模式之間切換，但是由于有效孔徑的減小和偏振片的作用，透鏡的光學(xué)效率降低，并且驅(qū)動(dòng)電壓仍然較高。

審核編輯 ：李倩