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焦距可變的鏡面。當裝有液體（一般是水銀）的容器旋轉(zhuǎn)的時候，離心力的作用將使液體表面形成一個正好符合望遠鏡要求的理想凹面。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)動機制的不同，液體變焦鏡頭分為物性控制式和機械驅(qū)動式，如圖1所示。其中，物性控制式變焦鏡頭包括基于液晶材料、電化學活化、介電泳技術和電潤濕技術的液體變焦透鏡。機械驅(qū)動式變焦鏡頭包括基于靜電力驅(qū)動、電磁力驅(qū)動、壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境響應液體變焦透鏡。

圖1：液體變焦透鏡的分類

（1） 機械驅(qū)動式液體可變焦透鏡

機械驅(qū)動式可變焦透鏡采用機械驅(qū)動的方式，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，從而實現(xiàn)變焦。

（a） 基于靜電力驅(qū)動的變焦液體透鏡

靜電力驅(qū)動情況下，通電電極由于電場作用產(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，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)成平行板靜電致動器。當施加電壓時，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)動的變焦液體透鏡

利用電磁場與磁性材料、帶電導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)動腔之間流動。該透鏡結(jié)構(gòu)簡單，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器集成的液體鏡頭，在電場和磁場的共同作用下，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)動電壓低，成像像差小等特點，但是在施加的大電流作用下電極產(chǎn)生的熱量會加速液體介質(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)動的液體變焦鏡頭，該設計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、響應速度快和重力效應小等優(yōu)勢，但是需要用聚四氟乙烯等低摩擦系數(shù)液體對鐵磁流體進行包覆，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，該設計通過注入或抽取液體，改變裝置進出口壓力差值，實現(xiàn)雙凹和雙凸透鏡的轉(zhuǎn)換。鏡頭裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)焦范圍大等優(yōu)點，但是需要液壓泵或者注射器等為其提供驅(qū)動力。

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)行機構(gòu)，設計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)鏡頭孔徑實現(xiàn)變焦。該鏡頭進光孔徑達到34mm，適用于大光圈成像、小巧輕便的成像設備，但是鏡頭響應速度受執(zhí)行機構(gòu)的限制。

（d） 基于環(huán)境響應的變焦液體透鏡

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

圖8：基于激光誘導的液體變焦透鏡

如圖8所示，用激光束加熱，使液滴從中心到邊緣進行熱毛細流動，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、加工簡單等優(yōu)點，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技術控制液晶分子的方向，鏡頭利用諧振頻率下的連續(xù)正弦電信號激勵鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PT）換能器產(chǎn)生超聲振動，用以控制液晶層的分子方向，結(jié)構(gòu)簡單，利于集成設備的小型化。

（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)變化實現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)。通過對電壓驅(qū)動規(guī)律的探究，實現(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。

（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)可以利用靜電場控制平面型液晶微透鏡實現(xiàn)變焦功能。研究成果表明，在不施加外部電場時，液晶分子按照一定角度排列，如圖10（a）所示。在環(huán)形電場作用下，液晶分子取向會趨于電場方向傾斜，并且，隨著電場強度的增大，傾斜角變大。在圖10（b）中，由于電場強度從中心向邊緣增強，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

一種基于預傾角梯度對準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傾角分布。當電場強度為零時，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。當電場作用時，液晶分子沿電場方向垂直均勻分布，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)動下，焦距從47cm變化到700cm。該類鏡頭驅(qū)動電壓較低，但受到電場強度和均勻性的限制，難以實現(xiàn)近焦成像，并且容易造成圖像的光學失真。

（b） 基于電化學活化的變焦液體透鏡

電化學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，實現(xiàn)對溶液中表面活性物質(zhì)濃度的調(diào)控。同時，水溶性分子濃度的變化會導致液體表面張力改變，使液體介質(zhì)產(chǎn)生變形。

圖11：基于電化學活性的液體變焦透鏡

如圖11所示，其為一種毛細管微透鏡，由兩個毛細管表面組成，用過量的自由表面液體填充毛細管孔，表面活性劑在電壓作用下會發(fā)生氧化還原反應，使一個毛細管表面相對于另一表面的表面張力發(fā)生變化。毛細管內(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。實驗中，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)響應時間較長，且變化規(guī)律難以定量分析。

（c） 基于介電泳技術的變焦液體透鏡

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

圖12：基于介電泳技術的液體變焦透鏡 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，利用其潤濕性對硅油滴的空間位置進行限制，減小運動產(chǎn)生的摩擦力。同時，在環(huán)氧SU-8樹脂下表面布置一對環(huán)形同心電極，以產(chǎn)生非均勻電場。當施加電壓時，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。當驅(qū)動電壓達125Vrms時，鏡頭焦距從14.2mm變化到6.3mm。該類透鏡通常需要設計加工復雜的電極結(jié)構(gòu)，而且驅(qū)動電壓較高，調(diào)焦范圍相對較小。

（d） 基于電潤濕技術的變焦液體透鏡

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

圖13：電潤濕原理及實驗

該技術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，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，當施加電壓時，液滴變形導致接觸角減小。

圖14：可調(diào)電潤濕液體透鏡及實驗

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，由于反射片的作用，將入射光功率增大3倍，以增強鏡頭的成像亮度；處于中心光圈模式時，由于邊緣光線被阻擋，從而降低了像差，擴大了景深，提高了鏡頭的光學成像質(zhì)量。不同模式下的透鏡焦距與電壓關系如圖13（d）所示。當驅(qū)動電壓從20V變化到70V時，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，透鏡的光學效率降低，并且驅(qū)動電壓仍然較高。

審核編輯 ：李倩