液体镜头介绍

液体镜头是使用一种或多种液体制作而成的，通过控制液面形状改变光学参数的透镜。

液体透镜主要有两种类型：反射式和透射式。

反射式液体透镜是一个焦距可变的镜面。当装有液体（一般是水银）的容器旋转的时候，离心力的作用将使液体表面形成一个正好符合望远镜要求的理想凹面。反射式的液体透镜只需改变旋转速度，就能使液面的形状改变成需要的形状，这可以大大降低制造大型天文望远镜的加工难度和成本。

透射式液体透镜按照液体变焦驱动机制的不同，液体变焦镜头分为物性控制式和机械驱动式，如图1所示。其中，物性控制式变焦镜头包括基于液晶材料、电化学活化、介电泳技术和电润湿技术的液体变焦透镜。机械驱动式变焦镜头包括基于静电力驱动、电磁力驱动、压力调节和环境响应液体变焦透镜。

图1：液体变焦透镜的分类 机械驱动式液体可变焦透镜

机械驱动式可变焦透镜采用机械驱动的方式，通过调节透镜腔体压力或改变外界环境使液体介质的曲率或折射率发生改变，从而实现变焦。

1.基于静电力驱动的变焦液体透镜

静电力驱动情况下，通电电极由于电场作用产生相互作用力，施加于镜头填充液。一种由平面电极静电驱动的液体变焦镜头，结构如图2所示。

图2：基于静电力吸引的液体变焦透镜

图2中，（a）为透镜的截面结构，（b）为无电压状态，（c）为有电压状态。镜头装置通过弹性聚合物薄膜将高介电常数液体封装在薄玻璃片上的腔体中。同时，分别在薄膜下表面和薄玻璃片上表面沉积环形金属电极构成平行板静电致动器。当施加电压时，平行板电极由于静电吸引相互靠近，腔内液体被挤向透镜中心，改变了薄膜的曲率。该透镜结构紧凑（小于6mm×6mm×0.7mm）、驱动电压低（小于25V），可以利用MEMS制造工艺批量化生产。

2. 基于电磁力驱动的变焦液体透镜

利用电磁场与磁性材料、带电导体和铁磁流体的相互作用产生电磁力，直接或间接地作用于透镜腔体内部填充液体。

图3：基于电磁铁系统的液体变焦透镜

图3为基于电磁铁系统的液体变焦镜头，利用透镜下方的电磁系统驱动弹性薄膜上的环形钕磁铁，控制透镜室内的液体弹性薄膜凸起或凹陷，使填充液体在透镜腔和驱动腔之间流动。该透镜结构简单，焦距变化范围较大，但是由于电磁系统的引入，增大了镜头体积。

图4：基于PDMS弹性薄膜与电磁微致动器集成的液体变焦透镜

如图4所示，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性薄膜与电磁微致动器集成的液体镜头，在电场和磁场的共同作用下，附着在薄膜上的带状金属电极在洛伦兹力驱动下将引起薄膜均匀变形，并通过液体介质传递到透镜腔体。该类镜头具有驱动电压低，成像像差小等特点，但是在施加的大电流作用下电极产生的热量会加速液体介质的蒸发，影响镜头成像性能的稳定性。

图5：基于铁磁流体的液体变焦透镜

如图5所示，一种由铁磁流体驱动的液体变焦镜头，该设计采用铁磁流体作为活塞，通过电磁铁吸引控制透镜腔内液体的压力，从而改变透镜的曲率和焦距，具有成像质量高、响应速度快和重力效应小等优势，但是需要用聚四氟乙烯等低摩擦系数液体对铁磁流体进行包覆，防止其粘附于流道内壁，且较难集成。

3.基于压力调节的变焦液体透镜

压力调节式液体变焦镜头通过在镜头液体腔内充液、挤压或改变孔径等方式调节腔室压力，使透镜薄膜曲率或者介质材料折射率发生变化。

图6：基于液压控制的液体变焦透镜

如图6所示，该设计通过注入或抽取液体，改变装置进出口压力差值，实现双凹和双凸透镜的转换。镜头装置具有结构简单、调焦范围大等优点，但是需要液压泵或者注射器等为其提供驱动力。

图7：基于液压控制的液体变焦透镜

如图7所示，以形状记忆合金弹簧为执行机构，设计的大光圈液体变焦透镜，其利用形状记忆合金弹簧控制压缩环的变形，通过调节镜头孔径实现变焦。该镜头进光孔径达到34mm，适用于大光圈成像、小巧轻便的成像设备，但是镜头响应速度受执行机构的限制。

4.基于环境响应的变焦液体透镜

环境响应式液体变焦镜头利用液体介质对温度和振动等外部环境参数变化的响应，通过改变曲率或折射率调节焦距。

图8：基于激光诱导的液体变焦透镜

如图8所示，用激光束加热，使液滴从中心到边缘进行热毛细流动，从而改变液滴表面的局部曲率。通过调整激光束的功率，液滴可以作为聚焦透镜或发散透镜。该类透镜具有制造成本低、加工简单等优点，但是液体受热后蒸发速度加快，影响成像的稳定性。

图9：基于超声压电激励的液体变焦透镜

如图9所示，其为一种液晶与超声结合的变焦透镜，该透镜使用超声振动技术控制液晶分子的方向，镜头利用谐振频率下的连续正弦电信号激励锆钛酸铅压电陶瓷（PT）换能器产生超声振动，用以控制液晶层的分子方向，结构简单，利于集成设备的小型化。

物性控制式液体可变焦透镜

物性控制式液体变焦镜头依靠镜头内填充介质材料本身的物理性质变化实现焦距调节。通过对电压驱动规律的探究，实现了介质材料的分子取向、表面张力、接触角和润湿性等参数的操控。

1. 基于液晶材料的变焦液体透镜

大约在40年前，研究人员发现可以利用静电场控制平面型液晶微透镜实现变焦功能。研究成果表明，在不施加外部电场时，液晶分子按照一定角度排列，如图10（a）所示。在环形电场作用下，液晶分子取向会趋于电场方向倾斜，并且，随着电场强度的增大，倾斜角变大。在图10（b）中，由于电场强度从中心向边缘增强，因此中心的液晶分子倾斜角度较小。

图10：基于液晶材料的液体变焦透镜

一种基于预倾角梯度对准的液晶透镜制备方法，通过摩擦和紫外线照射获得理想的液晶分子预倾角分布。当电场强度为零时，液晶分子非均匀分布，并在初始状态下形成具有最小焦距值的双折射透镜。当电场作用时，液晶分子沿电场方向垂直均匀分布，能够得到无穷大的焦距值。使用直径为2mm的液晶透镜，在0～10V的电压驱动下，焦距从47cm变化到700cm。该类镜头驱动电压较低，但受到电场强度和均匀性的限制，难以实现近焦成像，并且容易造成图像的光学失真。

2.基于电化学活化的变焦液体透镜

电化学活化作用能够使水溶性分子在表面非活性态和表面活性态之间转化，实现对溶液中表面活性物质浓度的调控。同时，水溶性分子浓度的变化会导致液体表面张力改变，使液体介质产生变形。

图11：基于电化学活性的液体变焦透镜

如图11所示，其为一种毛细管微透镜，由两个毛细管表面组成，用过量的自由表面液体填充毛细管孔，表面活性剂在电压作用下会发生氧化还原反应，使一个毛细管表面相对于另一表面的表面张力发生变化。毛细管内液体曲率的改变将引起焦距的变化，而且这一过程是可逆的。实验中，获得透镜的最小焦距值为0.5mm，主要取决于液体的体积。该类镜头的焦距调节响应时间较长，且变化规律难以定量分析。

3.基于介电泳技术的变焦液体透镜

介电泳效应指在非均匀电场的作用下，由于介质颗粒极化程度不同，导致正负电荷受力不均产生侧向位移。

图12：基于介电泳技术的液体变焦透镜

如图12所示，一种基于柔性衬底的介电泳力作用液体变焦镜头，该介电液体透镜包含硅油和多元醇两种密度相等的不导电液体。在柔性基底上表面沉积一层特氟龙（ Teflon）薄膜，利用其润湿性对硅油滴的空间位置进行限制，减小运动产生的摩擦力。同时，在环氧SU-8树脂下表面布置一对环形同心电极，以产生非均匀电场。当施加电压时，由于多元醇的介电常数比被包围的硅油液滴的介电常数大，电场作用产生的介电泳力使液体向内挤压变形，从而增大硅油液滴与基底的接触角。当驱动电压达125Vrms时，镜头焦距从14.2mm变化到6.3mm。该类透镜通常需要设计加工复杂的电极结构，而且驱动电压较高，调焦范围相对较小。

4.基于电润湿技术的变焦液体透镜

介质上电润湿技术（EWOD）是目前运用广泛的制造液体镜头的技术之一。

图13：电润湿原理及实验

该技术通过在液体和电极之间施加电压，改变液滴及其接触面的润湿性，使得液滴和介质表面接触角发生变化，其原理如图13（a）所示。液滴的接触角变化与施加的电压U之间的关系，可由 Young-Lippmann方程表示。根据该方程可知，液滴与介质间接触角余弦值cosθ的改变不仅与电压值变化有关，也受介电层厚度d和介电常数ε变化的影响。图13（b）所示为加压前后液滴接触角变化情况。可见，当施加电压时，液滴变形导致接触角减小。

图14：可调电润湿液体透镜及实验

如图14所示，其为一种基于环形光圈和中心光圈调焦模式的光学微透镜，结构如图14（a）所示。该装置利用偏振片和液晶材料控制着不同偏振方向入射光线的通断。图14（b）和14（c）分别显示了初始状态和液晶材料施加电压状态下，入射光线在透镜内的路径。处于环形光圈模式时，由于反射片的作用，将入射光功率增大3倍，以增强镜头的成像亮度；处于中心光圈模式时，由于边缘光线被阻挡，从而降低了像差，扩大了景深，提高了镜头的光学成像质量。不同模式下的透镜焦距与电压关系如图13（d）所示。当驱动电压从20V变化到70V时，中心光圈模式透镜的调焦范围为（-∞，-66.7mm）∪（+32.4mm，+∞）。而环形光圈模式透镜只能聚焦，调焦范围为（+18.4mm，+∞）。相比于传统的电润湿镜头，这类液体镜头能够在高分辨率、大光功率的环形孔径模式和大景深、小像差的环形孔径模式之间切换，但是由于有效孔径的减小和偏振片的作用，透镜的光学效率降低，并且驱动电压仍然较高。

审核编辑 ：李倩