揭秘液態(tài)透鏡的類(lèi)型和工作原理

01 ? 導(dǎo)語(yǔ)

在了解液態(tài)透鏡之前，小編想先來(lái)跟大家聊聊人眼。我們之所以能夠看到東西，是因?yàn)橛泄馍淙氲搅宋覀兊难劬Ξ?dāng)中。所以漆黑一片的夜里，我們啥也看不見(jiàn)。光線進(jìn)入到我們的眼球之后，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)非常重要的部分，叫做晶狀體，它里面包裹著的是柔軟、透明的蛋白質(zhì)，可以把它想象成一個(gè)棗核型的果凍。外界光線在晶狀體的折射下，會(huì)非常準(zhǔn)確地聚焦在眼球最后方的視網(wǎng)膜上。人類(lèi)之所以能夠看清不同距離的物體，正是因?yàn)檠矍蛑械慕逘罴∧軌蜃詣?dòng)調(diào)整眼球中晶狀體的弧度，從而改變不同光線的折射角度使其準(zhǔn)確地聚焦在視網(wǎng)膜上。所以當(dāng)你看遠(yuǎn)處的物體時(shí)，眼前的近處物體就開(kāi)始模糊；反之，當(dāng)注視到眼前的物體時(shí)，遠(yuǎn)處的物體卻開(kāi)始出現(xiàn)虛化。

圖1（a）人眼結(jié)構(gòu)示意圖,（b）液態(tài)鏡頭示意圖

本質(zhì)上透鏡成像和我們?nèi)搜塾^察并且記錄影像的方式是一樣的。液態(tài)透鏡是使用一種或多種液體制作而成的一個(gè)無(wú)機(jī)械部件，并通過(guò)控制液面形狀無(wú)限可變的透鏡，是對(duì)人類(lèi)晶狀體的仿生化模仿，最終使用時(shí)效果也大致與眼球相同，在不同模式下能實(shí)現(xiàn)焦距和焦點(diǎn)的變化，它有著傳統(tǒng)光學(xué)透鏡無(wú)法比擬的性能，可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)改變液體界面的曲率，在超短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)流暢、快速變焦。

02 ? 發(fā)展過(guò)程

圖2 液態(tài)透鏡的發(fā)展

17世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水滴的表面曲率會(huì)隨孔徑的變化而變化；

1875年，Lippmann 研究了電毛細(xì)現(xiàn)象；

1936年，F(xiàn)roumkin 對(duì)電潤(rùn)濕現(xiàn)象進(jìn)行了研究；

1995年，Gorman 等人利用電潤(rùn)濕現(xiàn)象第1 次實(shí)現(xiàn)了變焦液體透鏡；

2000年，法國(guó)Berge 等研究員改進(jìn)了設(shè)計(jì)并創(chuàng)立Varioptic公司；

2004年，荷蘭Philip公司開(kāi)發(fā)出新型無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件的變焦液體透鏡；

2006年，Varioptic公司推出兩款產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)液體透鏡商業(yè)化；

2021年，小米宣布將在手機(jī)上使用液態(tài)鏡頭。

03 ? 工作原理

液體透鏡主要有兩種類(lèi)型：反射式和透射式。

反射式是指一個(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。

透射式按照驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)可大致分為兩類(lèi)：一種是機(jī)械驅(qū)動(dòng)，常見(jiàn)的變焦方式有靜電力驅(qū)動(dòng)、電磁力驅(qū)動(dòng)、壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境響應(yīng)；另一種是物性驅(qū)動(dòng)，一般是使用液晶材料、電化學(xué)技術(shù)、介電泳技術(shù)和電潤(rùn)濕技術(shù)。

圖3 液態(tài)透鏡驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)

1)??機(jī)械驅(qū)動(dòng)式液態(tài)透鏡

機(jī)械驅(qū)動(dòng)式液態(tài)透鏡通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭腔體壓力和改變外界環(huán)境使液體介質(zhì)的界面曲率和折射率改變，從而實(shí)現(xiàn)變焦。

a.??基于液晶材料的變焦透鏡

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4(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4(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4 液晶材料透鏡在不同電壓下液晶分?取向示意圖

b.??基于電化學(xué)活化的液態(tài)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5 電化學(xué)活化液態(tài)透鏡示意圖

圖5展示了一種毛細(xì)管微透鏡，由兩個(gè)毛細(xì)管表面組成，用過(guò)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(guò)程是可逆的。該類(lèi)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)的液態(tài)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6 基于介點(diǎn)泳力作用的液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)和器件

圖6展示了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(shù)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。該類(lèi)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.??基于介電潤(rùn)濕技術(shù)的液態(tài)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7 介電潤(rùn)濕原理圖

該技術(shù)通過(guò)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。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。液滴與介質(zhì)間接觸角余弦值的改變不僅與電壓值變化有關(guān)，也受介電層厚度和介電常數(shù)變化的影響。圖7展示了加壓前后液滴接觸角變化情況?？梢?jiàn)，當(dāng)施加電壓時(shí)，液滴變形導(dǎo)致接觸角減小。

圖8 介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡工作原理圖

介電潤(rùn)濕液體透鏡的工作原理如圖8所示：在雙液體透鏡之中， 電壓加在電解液和金屬電極之間，相當(dāng)于一個(gè)可變電容器。當(dāng)施加外界電壓時(shí)，電容器兩端電壓升高，兩極板電量增多，在面電荷密度固定的條件下，只有使極板表面積增大，才能在絕緣層兩側(cè)積聚更多的電荷，水溶液開(kāi)始加大與疏水層的接觸面積，即所謂的“減弱了疏水性能”。同時(shí)，由于容器內(nèi)空間和液體體積均不變，電解液沿容器周?chē)好嫔仙?，油?huì)填補(bǔ)原本是電解液占用的空間，從而使兩種液體界面的弧度產(chǎn)生改變，最終達(dá)到改變透鏡焦距的目的。

2)? 物性控制式液體液態(tài)透鏡

物性控制式液體液態(tài)透鏡依靠鏡頭內(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(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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.??基于靜電力驅(qū)動(dòng)的液態(tài)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。圖9展示了一種由平面電極靜電驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭。

圖9 基于靜電吸引的液態(tài)透鏡 (a)透鏡的截面結(jié)構(gòu)圖，(b)無(wú)電壓狀態(tài)，(c)有電壓狀態(tài)

鏡頭裝置通過(guò)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、驅(qū)動(dòng)電壓低，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)的液態(tài)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10?基于PDMS彈性薄膜與電磁微致動(dòng)器集成的液態(tài)透鏡

圖10展示了一種由聚二甲基硅氧烷(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(guò)液體介質(zhì)傳遞到透鏡腔體。該類(lèi)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。

c.??基于壓力調(diào)節(jié)的液態(tài)透鏡

壓力調(diào)節(jié)式液體變焦鏡頭通過(guò)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11 基于液壓控制的液態(tài)透鏡結(jié)構(gòu)

圖11展示了一種液壓控制的液態(tài)鏡頭，該設(shè)計(jì)通過(guò)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12 基于形狀記憶合金的液態(tài)透鏡

圖12展示了一種有形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的液態(tài)透鏡，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(guò)調(diào)節(jié)鏡頭孔徑實(shí)現(xiàn)變焦。

d.??基于環(huán)境響應(yīng)的液態(tài)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(guò)改變曲率或折射率調(diào)節(jié)焦距。

圖13 激光誘導(dǎo)的液態(tài)透鏡原理及實(shí)驗(yàn)圖

圖13 展示了一種激光誘導(dǎo)的液態(tài)透鏡，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(guò)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(lèi)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。

04 ? 應(yīng)用

1)??消費(fèi)電子

圖14 手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖

隨著消費(fèi)電子設(shè)備的流行，各大公司開(kāi)始著力于液態(tài)鏡頭的研究，近年來(lái)，液體鏡頭開(kāi)始向手機(jī)應(yīng)用滲透，2020年5月，華為的液體鏡頭專(zhuān)利曾一度引起轟動(dòng)，今年3月，小米正式發(fā)布搭載液體鏡頭的小米 MIX。與傳統(tǒng)光學(xué)鏡片相比，液體鏡頭有著耗電量更低、體積更??；不需要活動(dòng)部件和馬達(dá)，靜音，對(duì)焦速度更快范圍更廣等特點(diǎn)。

2)??顯微成像

在顯微鏡技術(shù)中，快速Z聚焦和圖像穩(wěn)定性一直是一個(gè)難以權(quán)衡的問(wèn)題，尤其是獲取三維信息（DFF）或計(jì)算具有擴(kuò)展景深（EDOF）的圖像。目前的技術(shù)，如步進(jìn)電機(jī)Z執(zhí)行器或壓電，由于速度慢（步進(jìn)電機(jī)Z致動(dòng)器）或行程和振動(dòng)小（壓電定位器），定位器正在影響生命科學(xué)業(yè)務(wù)的吞吐量。將這兩種不同的技術(shù)結(jié)合起來(lái)以克服這些問(wèn)題一直是必要的瓶頸，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本?？烧{(diào)液體透鏡提供了一種通用、緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來(lái)克服這一挑戰(zhàn)。由于沒(méi)有平移力學(xué)，液體透鏡有可能在幾毫秒內(nèi)聚焦，結(jié)合粗糙和精細(xì)的聚焦范圍，確保沒(méi)有振動(dòng)。

3)??機(jī)器視覺(jué)

液態(tài)鏡頭材質(zhì)是可改變形狀的光學(xué)液態(tài)材料，采用電控方式來(lái)改變曲率半徑，從而改變焦距。在高速高可變性的應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)自動(dòng)對(duì)焦能夠自動(dòng)適用工作距離的變化。在機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢查系統(tǒng)中，不同高度的物體在快速移動(dòng)的傳送帶上經(jīng)過(guò)時(shí)被成像，液液態(tài)透鏡的引入克服了速度和景深的限制，重新聚焦到不同高度的時(shí)長(zhǎng)僅僅需要毫秒。

4)??醫(yī)療檢測(cè)

由于醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)要求的物距范圍非常廣（3至100mm），普通光學(xué)系統(tǒng)在這樣大景深范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)清晰成像難度較大，這就使得內(nèi)窺鏡在使用狀態(tài)下的成像質(zhì)量受到一定限制。同時(shí)，如何在物距不變的情況下實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)病灶的圖像放大，也是醫(yī)生希望實(shí)現(xiàn)的功能。

然而，內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)尺寸及鏡片數(shù)量的要求非常嚴(yán)格，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)變焦。因此又成為了液態(tài)透鏡的一個(gè)重要突破方向。

05 ? 總結(jié)與展望

液體變焦鏡頭無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械部件，大大簡(jiǎn)化了光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)符合智能制造裝備的發(fā)展趨勢(shì)。隨著先進(jìn)醫(yī)療儀器、智慧安防設(shè)備及智能制造裝備的快速發(fā)展，將對(duì)自適應(yīng)液體變焦鏡頭提出更高的要求，促進(jìn)液體變焦鏡頭在結(jié)構(gòu)制造和應(yīng)用等方面快速優(yōu)化升級(jí)。

但同時(shí)，液體鏡頭還有很多要解決的難題，包括生產(chǎn)工藝、重力效應(yīng)、像差缺陷以及材料等因素，能否大規(guī)模生產(chǎn)并替代傳統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，仍需時(shí)間來(lái)驗(yàn)證，但未來(lái)可期。

編輯：黃飛