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電潤(rùn)濕液態(tài)鏡頭

     電潤(rùn)濕液態(tài)鏡頭與傳統(tǒng)透鏡有所不同，液體透鏡是一種使用一種或多種液體制成的無(wú)機(jī)械連接的光學(xué)元件，可以通過(guò)外部控制改變光學(xué)元件的內(nèi)部參數(shù)，有著傳統(tǒng)光學(xué)透鏡無(wú)法比擬的性能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是透鏡的介質(zhì)由玻璃變?yōu)橐后w。更準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)就是一種動(dòng)態(tài)調(diào)整透鏡折射率或通過(guò)改變其表面形狀來(lái)改變焦距的新型光學(xué)元件。

     就目前研究成果來(lái)看，液態(tài)鏡頭主要分為三大類：漸變折射率透鏡（液晶）、液體填充式透鏡、電潤(rùn)濕效應(yīng)透鏡。

下面分別介紹這三種液態(tài)鏡頭：

     漸變折射率透鏡，是改變施加在液晶上的電壓，從而來(lái)調(diào)節(jié)液晶折射率，從而實(shí)現(xiàn)變焦。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：控制電壓低，容易實(shí)現(xiàn)陣列化；但缺點(diǎn)也很明顯：焦距可調(diào)范圍小、光能損失大，加上液晶在電場(chǎng)中的非均勻性會(huì)造成較大的光學(xué)失真，導(dǎo)致成像扭曲。

      液體填充式透鏡，是通過(guò)填充和吸出液體使表面的曲率發(fā)生變化而變焦的透鏡，使用機(jī)械裝置對(duì)腔內(nèi)液體施加壓力，從而使液體在體腔內(nèi)重新分配，改變曲率半徑。這種方法驅(qū)動(dòng)功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學(xué)性能決定，與填充液體無(wú)關(guān)、變焦范圍大等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：鏡頭較大時(shí)對(duì)震動(dòng)和重力的影響較為敏感、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

      電潤(rùn)濕效應(yīng)透鏡，是通過(guò)改變施加的電壓來(lái)控制液體在固體表面上的潤(rùn)濕特性的液體透鏡。那么電潤(rùn)濕效應(yīng)又是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)電壓來(lái)控制液滴的表面形狀。更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，電潤(rùn)濕效應(yīng)是一種物理化學(xué)現(xiàn)象，通過(guò)改變液體-固體界面的外加電壓來(lái)控制液體在固體面上的潤(rùn)濕特性，從而改變液滴的接觸角，使其能像人眼的晶狀體一樣改變曲率實(shí)現(xiàn)變焦。同時(shí)，對(duì)施加電壓的不同，其表面曲率會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦。

     下圖3左邊為未加電壓時(shí)，整個(gè)液體透鏡表現(xiàn)為凹透鏡；當(dāng)加上110V電壓之后，其液面發(fā)生變化，形成一個(gè)凸透鏡，產(chǎn)生聚光效果。下圖4為液體透鏡的聚焦效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)時(shí)間短、變焦范圍寬、操作便捷、集成性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前液體透鏡最主流的研究方向。但是，目前也存在其驅(qū)動(dòng)電壓高（幾十到上百伏）、口徑很難做大等缺陷。最新研究表明，其驅(qū)動(dòng)電壓能降低至30-50V，但這對(duì)于手機(jī)攝像頭來(lái)說(shuō)還是偏高。

左：未加電壓 右：電壓值為110V

      除了在手機(jī)攝像頭上具有應(yīng)用前景，液體透鏡還在生物醫(yī)學(xué)微型化方面也有廣闊空間。目前研究最火熱的就是醫(yī)用內(nèi)窺鏡的小型化。

     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。因此液體透鏡又成為一個(gè)重要突破方向。液體變焦透鏡一旦在工程上獲得應(yīng)用，它將會(huì)與自適應(yīng)光學(xué)一起，在傳統(tǒng)變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為光學(xué)技術(shù)發(fā)展提供支持。液體透鏡技術(shù)的出現(xiàn)，可推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)加快實(shí)現(xiàn)微型化、智能化的進(jìn)程，滿足手機(jī)攝像頭自動(dòng)調(diào)焦、醫(yī)療器械內(nèi)窺鏡等各領(lǐng)域的需求。同時(shí)我們也看到，目前設(shè)計(jì)的單個(gè)液體透鏡很難獲得極高的成像質(zhì)量，成熟的液體透鏡產(chǎn)品太少，很多企業(yè)和科研單位的研究都處于實(shí)驗(yàn)階段。

      此次根據(jù)電潤(rùn)濕的原理，通過(guò)Comsol兩相流、靜電場(chǎng)和幾何光學(xué)模塊多物理場(chǎng)耦合仿真了電潤(rùn)濕液體透鏡電壓從低到高的調(diào)節(jié)過(guò)程，使得液體透鏡從散焦到聚焦變化。

     電壓從低到高，液體分界面的變化。

   光路變化

光路龐加萊圖的變化

 

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