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液體透鏡

2012-07-30 18:08

可實現(xiàn)無機械活動部件調(diào)焦的革命性新型成像系統(tǒng)——液體透鏡

當(dāng)前一般典型的變焦透鏡系統(tǒng)是借助改變兩個定焦透鏡的間距來調(diào)整焦距的，這種透鏡系統(tǒng)已經(jīng)存在了一百多年，其技術(shù)的成熟度無與倫比，但是，這種透鏡系統(tǒng)由于是依靠機械運動來進行焦距調(diào)整的，因此具有無法規(guī)避的缺點，例如機械部件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不靈便、制作成本高等，尤其是由此所造成的一些無法彌補的性能缺陷，限制了傳統(tǒng)的機械變焦透鏡系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，例如調(diào)整速度慢、系統(tǒng)可靠性差、耐沖擊和抗破壞能力差、因機械磨損的存在而使得工作壽命不長等等。

人們不斷地努力尋找各種方案來解決這些問題，但是均因效果不甚理想而未能成功。現(xiàn)在，一種新型的液體透鏡的出現(xiàn)，從根本上徹底解決了這個問題！它不使用任何的機械活動部件，而是依靠施加不同的支流電壓來改變液滴的形狀，從而改變液滴的曲率，進而得到不同焦距的透鏡來實現(xiàn)調(diào)焦的。由于沒有了任何機械活動部件，上述傳統(tǒng)的機械變焦透鏡系統(tǒng)的各種缺點和缺陷被一掃而空，取而代之的是無與倫比的優(yōu)勢和優(yōu)點，液體透鏡的出現(xiàn)，是透鏡成像系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的革命性的里程碑。

液體透鏡是基于電濕效應(yīng)的原理來實現(xiàn)其功能的。

電濕效應(yīng)是一種物理化學(xué)現(xiàn)象，它通過在固體液體界面之間施加電場來改變液固表面的張力系數(shù)，從而改變液體和固體之間接觸角的大小。一滴液體停留在固體的表面會形成具有一定曲率的液滴形狀，其曲率取決于液體和固體之間的接觸角，當(dāng)接觸角增大時，液滴的曲率增大；反之，如果接觸角減小，液滴的曲率也會隨之減小。這也就意味著，利用電濕效應(yīng)，改變固體和液體之間的電壓，可以改變液滴的曲率形狀，從而使得液滴的屈光度發(fā)生變化。近年來研究發(fā)現(xiàn)在液滴與電極間插入一層薄的絕緣介質(zhì)層后仍然可以用電控制液滴的接觸角，稱為基于介質(zhì)上的電濕效應(yīng)，并且固液接觸角在外加電壓的作用下可以得到更大程度的改變。

基于電濕效應(yīng)的液體透鏡的結(jié)構(gòu)原理

液體透鏡的結(jié)構(gòu)如下圖所示。兩端是透明玻璃的錐形容器中依次注入兩種互不浸潤且折射率各不相同的液體，一種為導(dǎo)電液體（水），另一種為絕緣液體（油）。容器的內(nèi)壁分別為正負(fù)兩個電極，其中在錐形電極表面上沉淀一層疏水介電層（絕緣層）使其與另一個電極相互絕緣。

在兩個電極之間施加電壓后，導(dǎo)電液體與錐形電極間電場改變，由于電濕效應(yīng)的存在，二者之間的接觸角將發(fā)生改變，從而使得導(dǎo)電液體和絕緣液體在容器內(nèi)的形狀發(fā)生變化，進而導(dǎo)致油水接觸面形狀的改變，達到變焦的目的，實現(xiàn)液體透鏡電控變焦的功能。

早在1965年，弗蘭克·赫伯特在他的科幻小說《沙丘》里就提到過一種叫做“油透鏡”的可變焦透鏡，它給科學(xué)家們賦予了創(chuàng)新的靈感。30多年后真正的液體透鏡也終于開始誕生了，這始于美國加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的研究團隊的科學(xué)家們研發(fā)出的一種集成型液體變焦透鏡(Liquid Zoom Lens)——一種以液壓控制的液體透鏡，這種厚度只有8mm的液體透鏡是通過壓力來改變它的形狀和焦距的。2003年1月28日，Lucent公司研究部門的科學(xué)家推出世界上第一款純電力控制的液體變焦透鏡，它在電場作用下能改變自己的光學(xué)特性。2004年5月5日，在CeBIT博覽會上，Philips公司展出了他們的新產(chǎn)品——具有里程碑意義的新型變焦液體透鏡——一款基于電濕效應(yīng)的無機械活動部件的可變焦液體透鏡系統(tǒng)

非常遺憾的是，由于各種技術(shù)上的缺陷和不足，上述的液體透鏡最終都沒有投入商品化生產(chǎn)和應(yīng)用，這種狀況一直持續(xù)到2007年才由法國派諾特公司液體透鏡事業(yè)部的前身——法國VariOptic公司所打破。

法國VariOptic公司也研究液體透鏡，他們在2004年12月2日推出了更新款的液體透鏡VariOptic公司的液體透鏡可以說是菲利普的升級版，特別是對于它里面一些固有的弊病都做了改進。VariOptic的液體透鏡也是用電浸潤方法，在涂有絕緣層的金屬基板上面放置一個小水滴，加在基板上的電壓用于改變液滴與器壁之間的夾角，這種液體透鏡結(jié)構(gòu)簡單，用的也是兩種等密度的液體，一種是導(dǎo)電的電解質(zhì)水溶液，一種是絕緣的油，一個錐形器皿充當(dāng)眼瞼的作用，把水和油像三明治似的夾在器皿的兩個窗口中間，這使得可操作的液體是一定量的，并可在一定程度上起到穩(wěn)定光軸的作用，水與油之間界面的形狀依靠加在錐形器皿上的電壓來控制，不同的電壓引起兩種液體界面彎曲度的變化，從而導(dǎo)致透鏡焦距的變化。本文的前段“基于電濕效應(yīng)的液體透鏡的結(jié)構(gòu)原理”所描述的正是VariOptic公司的液體透鏡的原理和構(gòu)造。