[科普中国]-变焦透镜

简介

液体透镜、微透镜以及微透镜阵列已经在光学测试设备、光通信和光信息处理等领域有了广泛的应用。液体透镜、微透镜以及微透镜阵列已经在光学测试设备、光通信和光信息处理等领域有了广泛的应用。1

随着科技的发展，传统光学变焦成像系统由于存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对自动化、智能化、微型化光学变焦系统的要求。近年来，柔性变焦透镜已引起国内外学者的广泛关注，柔性变焦透镜通常由透明弹性薄膜和透明流体介质等组成，无需机械移动即能实现焦距的调节，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，可望克服传统光学系统所面临的困难。柔性变焦透镜依据变焦驱动机制可分为力致变形驱动变焦透镜和电致变形驱动变焦透镜。

力致变形驱动变焦透镜力致变形驱动变焦即是驱动源通过中间传动环节( 如丝杆、流体等) 将驱动力作用于液体透镜使透镜薄膜变形从而实现变焦，可划分为基于机械-力式驱动的变焦透镜、基于流体压力驱动的变焦透镜以及基于电磁力作用的变焦透镜等。机械-力驱动的柔性变焦透镜变焦范围大，但结构不够紧凑，稳定性较差，适合于对结构和控制精度要求不高的场合。流体压力驱动的变焦透镜结构紧凑，但存在液体泄漏等问题。电磁驱动变焦透镜响应非常快，变焦范围大，功耗低，易于控制，适合于控制精度要求高的场合。目前，温度对系统稳定性的影响可以通过温度传感器反馈得以改善，但是液体挥发、重力效应对液体透镜的光学性能和稳定性影响有待进一步的研究。2

机械-力驱动的柔性变焦透镜机械-力驱动主要是通过伺服电机等方式来驱动。2006年，美国中佛罗里达大学Shin-TsonWu团队的Hongwen Ren等人提出了采用伺服电机驱动的柔性变焦透镜，伺服电机旋转拉动绳子压缩橡皮薄膜，导致透镜薄膜4变形，实现焦距可调。该透镜结构紧凑，成本低，但是结构受重力影响严重，不易微型化。2010年该团队的Su Xu等人设计了力润湿透镜(Mechanical-wetting lens) 结构，通过旋转螺纹冒，环形凸出结构驱动薄膜，从而实现手动驱动变焦，可以实现可见光和近红外成像。

流体压力驱动的柔性变焦透镜美国加州大学圣地亚哥分校De-Ying Zhang等人在2003年研究了液压驱动的柔性变焦透镜的变焦范围，在校正像差方面并没有开展研究。2004年，美国加州大学伯克利分校的Ki-HunJeong等人提出利用液压驱动的双胶合透镜阵列，双合透镜使光学畸变得到抑制，并使焦距可调范围增大。台湾中央大学Yiin-Kuen Fu等人对液压驱动的双凸柔性变焦微透镜的像差进行了研究，通过选择最优的膜厚比，球差得到改善。

电磁驱动变焦透镜2010年，德国弗莱堡大学的Daniel Mader等人研究了电磁驱动的变焦透镜，能够校正低阶像差，如色差、球差。韩国先进科学技术研究所的Seok Woo Lee等人研究了电磁驱动柔性变焦透镜的通电发热问题。2011年，该所的Hyun-hwan Choi等人提出了电磁驱动的变焦透镜，两折射面弹性薄膜厚度不同，该透镜可以降低球差。2011年新加坡国立大学余洪斌等人提出了电磁驱动的可变焦透镜控制薄膜变形实现焦距的正负可调。

浙江大学的Dan Liang等人研究了基于聚合物透镜的仿人眼系统，由仿生角膜透镜，音圈马达，压缩环，仿生晶状体，基体，CCD传感器组成。控制音圈电流，驱动压缩环改变晶状体曲率，从而实现变焦。

电致变形驱动的柔性变焦透镜随着智能材料的快速发展，电活性聚合物(Electroactive polymer，EAP)、压电材料等具有力电耦合特性的智能材料由于其价格低廉，易于制作和实现等特点，在微光学驱动领域具有广阔的前景。近年来，人们利用智能材料的力电耦合特性进行驱动方面的研究，已展现出良好的应用前景。3

电致变形驱动的柔性变焦透镜主要利用材料的电致动特性，将电能转化为机械能，使液体透镜的形状发生改变，从而实现焦距的可调。具有结构紧凑、变焦范围大、响应速度快及易于集成等特点，但是温度、重力等外部条件对其性能的影响较大。DE驱动的变焦透镜的驱动电压高是限制其应用的主要因素，许多学者通过将驱动薄膜与透镜薄膜分离来降低驱动电压。IPMC驱动变焦的特点是驱动电压低，但是输出力较小，响应较DE慢。随着智能材料的广泛研究，利用智能材料的力电耦合特性仍是微光学系统驱动的合适之选。

改善变焦透镜的成像质量，设计合理的结构降低变焦系统所需的驱动电压仍是当前研究的热点。如果基于智能材料的柔性变焦透镜得以实用，必将对光学成像领域产生巨大影响，同时也将促进相关联行业的进步。

基于压电驱动的柔性变焦系统2004年，日本科学技术振兴机构的H． Oku等人对压电驱动的变焦透镜进行了实验研究，通过压电泵的形式进行驱动。该透镜受重力影响严重，同时变焦范围小( 驱动力小)。2009年，H．Oku为了解决压电驱动力小的问题提出了内置液压放大器的压电堆栈式驱动的变焦透镜。德国弗莱堡大学的Jan Draheim研究团队从2009年开始研究了压电驱动的单腔自适应透镜，双腔自适应透镜变焦透镜。压电驱动变焦透镜变焦范围小，但具有结构紧凑、易于制造和驱动电压低等优点。

基于电活性聚合物的柔性变焦透镜电活性聚合物(EAP) 在外加电场作用下产生大变形，某些EAP材料的形变量可以达到100%，且响应快，被广泛应用于可调光学、触觉系统、人工肌肉、压力传感和仿生机器人等领域。常用的电活性聚合物可分为离子型和电子型电活性聚合物。4

常用于微驱动的离子型聚合物有IPMC(Ion-ic Polymer Metal Composite，离子聚合物复合材料)、水凝胶等。2009年，日本的Ippei SHIMIZU等人制备了一种IMPC驱动的微型变焦距透镜(variable-focal length lens，VFLL) 。该设计充分利用IPMC驱动电压低的特性，变形薄膜选用PDMS薄膜，结构功耗低、可微型化。

用于微驱动领域的电子型电活性聚合物有DE(Dielectric Elastomer，介 电 弹 性 体 )、PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷) 等。2002年，瑞 士 洛 桑 理 工 学 院 的Muhamed Niklaus等人研究了基于DE驱动的变焦透镜，通过驱动单元与透镜变形薄膜分离以降低驱动电压，鲁棒性强，可实现微型化、阵列化，但是焦距变化范围小。

存在的问题随着新型驱动和智能材料的快速发展，人们对柔性变焦透镜的研究和开发工作得到蓬勃发展和进步。柔性变焦透镜涉及机械、光学、材料等领域，距离广泛应用还有一定的差距，许多问题尚待进一步深入研究，目前存在的问题主要表现在以下方面：

(1) 液体透镜蒸发泄漏现象严重，重力及温度的变化影响系统稳定性；

(2)目前对像差的校正的研究较少，总的成像效果不是很理想；

(3) 介电弹性薄膜所需驱动电压较高，很难实现微型化、低功耗设计。IPMC、压电驱动所需电压不高，但是变焦范围小。同时变形薄膜的松弛现象，影响光学性能的稳定；

(4) 焦变迟滞现象的研究很少，这对精确控制焦距变化至关重要；

(5) 实现智能化变焦以及焦距的精确、快速控制仍是一难题。

目前国际上研制的液体变焦透镜模型主要有以下几种：

（1）充液型变焦透镜，它通过改变注入腔体内液体的体积来改变腔体顶面薄膜的曲率，从而达到调节焦距的目的。

（2）基于液晶的微变焦透镜，它将透镜置于液晶氛围中，通过改变施加的电压来调节液晶的折射率，从而实现对透镜焦距的控制。

（3）基于介质电润湿的流体变焦透镜，它利用外加电压来调节液面的曲率，进而改变透镜的焦距。

以上几种模型各有优点也各有不足。充液型变焦透镜结构简单，价格低廉但这种透镜需要一个额外的泵来提供压力以改变液体顶面薄膜的曲率，如果压力过大会给弹性薄膜造成毁灭性的破坏。基于液晶的变焦透镜，此种透镜易于实现阵列化，但是由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。基于介质上电润湿的流体变焦透镜，结构小巧，折射率变化范围大，但这种变焦透镜所采用的材料价格昂贵，实验装置复杂。

发展趋势随着智能化、自动化时代的到来，智能化光学设备、先进医疗设备( 如内窥镜)、自适应光学系统等对新型光学变焦器件的要求不断升级，柔性变焦透镜的低功耗、微型化、模块化、智能化发展将促使这些领域的快速变革。

(1) 柔性变焦透镜的性能优化。降低重力、温度、泄漏等对柔性变焦透镜工作性能的影响，校正柔性变焦透镜的像差，提高系统的响应速度。

(2) 进行系统的动力学研究。探明材料弹性模量、膜厚、变形等因素对系统整体性能的影响，为实际应用奠定理论基础。

(3) 基于智能材料的柔性变焦透镜的研究。寻求和探索新型驱动方式一直是柔性光学乃至整个驱动领域研究的热点之一。