液體變焦鏡頭在光流控芯片內(nèi)的集成應(yīng)用與問題及解決方案

摘要：相比于傳統(tǒng)的機(jī)械變焦鏡頭，液體變焦鏡頭具有體積小、響應(yīng)快、成本低和集成度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于圖像采集、目標(biāo)追蹤和特征識(shí)別等領(lǐng)域。焦距調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了液體鏡頭的性能和應(yīng)用，本文概括了基于液晶材料、介電泳、電化學(xué)、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(diào)節(jié)和環(huán)境響應(yīng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)式變焦鏡頭的研究現(xiàn)狀，介紹了液體變焦鏡頭在光流控芯片內(nèi)的集成應(yīng)用，并指出當(dāng)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(jìn)行了展望和總結(jié)。

1 引言

近年，在工業(yè)4.0時(shí)代背景下，“中國制造2025”戰(zhàn)略快速深入，智能制造成為了現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展方向。發(fā)展高端制造裝備產(chǎn)業(yè)，對加快制造業(yè)朝著智能化、經(jīng)濟(jì)化和綠色化方向轉(zhuǎn)型升級，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平等具有很大的推動(dòng)作用。機(jī)器視覺在智能制造中用于實(shí)現(xiàn)定位操控、特征識(shí)別、瑕疵檢測、部件裝配和分類計(jì)數(shù)等功能。光學(xué)變焦鏡頭作為視覺成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過在一定范圍內(nèi)變換焦距，以調(diào)節(jié)影像大小和景物范圍。傳統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)由一系列焦距固定的透鏡組成，利用光學(xué)元件結(jié)合復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦。變焦過程中需要對透鏡組的運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制，操作復(fù)雜、可靠性低、體積大和成本高，難以滿足機(jī)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(diǎn)。

受到昆蟲和人類眼睛等生物結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對透明介質(zhì)的操縱，有望克服傳統(tǒng)機(jī)械式變焦系統(tǒng)的局限。液體變焦技術(shù)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(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)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(diào)節(jié)焦距。美國LENSVECTOR公司生產(chǎn)的LV-S3系列漸變折射率透鏡，利用動(dòng)態(tài)可調(diào)的電場改變液晶分子取向以調(diào)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(chǎn)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(diào)節(jié)。

液體變焦鏡頭無需復(fù)雜的機(jī)械變焦結(jié)構(gòu)，具有體積小、響應(yīng)快、成本低和集成度高等特點(diǎn)，大幅簡化了光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有利于集成設(shè)備的小型化和輕量化。本文針對物性控制式和機(jī)械驅(qū)動(dòng)式兩種不同的變焦驅(qū)動(dòng)方式，概括了液體變焦鏡頭的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了其在光流控芯片內(nèi)的集成應(yīng)用。同時(shí)，對液體變焦鏡頭研究面臨的難題進(jìn)行分析，探討了相應(yīng)的解決措施，并對未來的發(fā)展趨勢和研究方向進(jìn)行了展望和總結(jié)。

2 液體變焦鏡頭的分類

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)和電潤濕技術(shù)的液體變焦鏡頭。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(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、接觸角和潤濕性等參數(shù)的操控，如液晶材料、電化學(xué)技術(shù)、介電泳技術(shù)和電潤濕技術(shù)。

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

圖8. 3種常見的電磁驅(qū)動(dòng)液體鏡頭結(jié)構(gòu)。（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(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭；（ｃ）基于鐵磁流體流動(dòng)的液體變焦鏡頭

圖10. 激光誘導(dǎo)變焦透鏡的原理及實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論與展望

液體變焦鏡頭無需復(fù)雜的機(jī)械部件，大大簡化了光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，符合智能制造裝備的發(fā)展趨勢。本文介紹了物性控制和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩種不同液體變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并報(bào)道了其在光流控芯片集成方面的研究進(jìn)展。物性控制式液體鏡頭，通過電場調(diào)控液晶材料的分子取向，以及基于介電泳、電化學(xué)和電潤濕原理的液滴操縱等方式實(shí)現(xiàn)變焦功能。該類變焦系統(tǒng)具有體積小、噪聲小、響應(yīng)快和成本低等特點(diǎn)。而機(jī)械驅(qū)動(dòng)液體鏡頭是利用靜電力、電磁力、腔體壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境參數(shù)來控制彈性薄膜曲率或填充介質(zhì)的折射率，變焦系統(tǒng)受介質(zhì)材料的導(dǎo)電率和介電常數(shù)等電特性參數(shù)的影響較小，并且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)焦范圍大。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。

（1）3D打印技術(shù)的應(yīng)用。利用3D打印增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對腔體和流道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，進(jìn)一步優(yōu)化鏡頭結(jié)構(gòu)，提高鏡頭的光學(xué)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(jié)合，使光學(xué)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(yīng)時(shí)間，提高圖像的采集、評價(jià)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(jìn)行檢測，有望實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)成像像差的實(shí)時(shí)反饋和補(bǔ)償校正。

通過調(diào)研液體變焦技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮與實(shí)際需求結(jié)合的重大問題，未來建議在系統(tǒng)反饋、像差校正、變焦響應(yīng)和透鏡材料等方面加強(qiáng)研究，為液體變焦系統(tǒng)的商業(yè)化發(fā)展奠定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。同時(shí)，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(qiáng)現(xiàn)代智能變焦技術(shù)的多樣性和適用性。
編輯：lyn