科普 || 揭秘液态透镜
共 11381字，需浏览 23分钟
· 2023-11-07
点击下方卡片，关注“新机器视觉”公众号
重磅干货，第一时间送达
在了解液态透镜之前，小编想先来跟大家聊聊人眼。我们之所以能够看到东西，是因为有光射入到了我们的眼睛当中。所以漆黑一片的夜里，我们啥也看不见。光线进入到我们的眼球之后，会经过一个非常重要的部分，叫做晶状体，它里面包裹着的是柔软、透明的蛋白质，可以把它想象成一个枣核型的果冻。外界光线在晶状体的折射下，会非常准确地聚焦在眼球最后方的视网膜上。人类之所以能够看清不同距离的物体，正是因为眼球中的睫状肌能够自动调整眼球中晶状体的弧度，从而改变不同光线的折射角度使其准确地聚焦在视网膜上。所以当你看远处的物体时，眼前的近处物体就开始模糊；反之，当注视到眼前的物体时，远处的物体却开始出现虚化。
图1（a）人眼结构示意图,（b）液态镜头示意图
本质上透镜成像和我们人眼观察并且记录影像的方式是一样的。液态透镜是使用一种或多种液体制作而成的一个无机械部件，并通过控制液面形状无限可变的透镜，是对人类晶状体的仿生化模仿，最终使用时效果也大致与眼球相同，在不同模式下能实现焦距和焦点的变化，它有着传统光学透镜无法比拟的性能，可通过调节参数改变液体界面的曲率，在超短时间内实现流畅、快速变焦。
图2 液态透镜的发展
17世纪，英国科学家发现水滴的表面曲率会随孔径的变化而变化；
1875年，Lippmann 研究了电毛细现象；
1936年，Froumkin 对电润湿现象进行了研究；
1995年，Gorman 等人利用电润湿现象第1 次实现了变焦液体透镜；
2000年，法国Berge 等研究员改进了设计并创立Varioptic公司；
2004年，荷兰Philip公司开发出新型无机械活动部件的变焦液体透镜；
2006年，Varioptic公司推出两款产品，实现液体透镜商业化；
2021年，小米宣布将在手机上使用液态镜头。
液体透镜主要有两种类型：反射式和透射式。
反射式是指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须改变旋转速度，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。
透射式按照驱动方式分类可大致分为两类：一种是机械驱动，常见的变焦方式有静电力驱动、电磁力驱动、压力调节和环境响应；另一种是物性驱动，一般是使用液晶材料、电化学技术、介电泳技术和电润湿技术。
图3 液态透镜驱动方式分类
1) 机械驱动式液态透镜
机械驱动式液态透镜通过调节镜头腔体压力和改变外界环境使液体介质的界面曲率和折射率改变，从而实现变焦。
a. 基于液晶材料的变焦透镜
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4(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4(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4 液晶材料透镜在不同电压下液晶分⼦取向示意图
b. 基于电化学活化的液态透镜
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5 电化学活化液态透镜示意图
图5展示了一种毛细管微透镜，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。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。
c. 基于介电泳技术的液态透镜
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6 基于介点泳力作用的液态透镜结构和器件
图6展示了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。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。
d. 基于介电润湿技术的液态透镜
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7 介电润湿原理图
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。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。液滴与介质间接触角余弦值的改变不仅与电压值变化有关，也受介电层厚度和介电常数变化的影响。图7展示了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8 介电润湿驱动的液态透镜工作原理图
介电润湿液体透镜的工作原理如图8所示：在双液体透镜之中， 电压加在电解液和金属电极之间，相当于一个可变电容器。当施加外界电压时，电容器两端电压升高，两极板电量增多，在面电荷密度固定的条件下，只有使极板表面积增大，才能在绝缘层两侧积聚更多的电荷，水溶液开始加大与疏水层的接触面积，即所谓的“减弱了疏水性能”。同时，由于容器内空间和液体体积均不变，电解液沿容器周围液面上升，油会填补原本是电解液占用的空间，从而使两种液体界面的弧度产生改变，最终达到改变透镜焦距的目的。
2) 物性控制式液体液态透镜
物性控制式液体液态透镜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，通过调节电压来实现对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。
a. 基于静电力驱动的液态透镜
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。图9展示了一种由平面电极静电驱动的液体变焦镜头。
图9 基于静电吸引的液态透镜 (a)透镜的截面结构图，(b)无电压状态，(c)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、驱动电压低，可以利用MEMS制造工艺批量化生产。
b. 基于电磁力驱动的液态透镜
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10 基于PDMS弹性薄膜与电磁微致动器集成的液态透镜
图10展示了一种由聚二甲基硅氧烷(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。
c. 基于压力调节的液态透镜
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11 基于液压控制的液态透镜结构
图11展示了一种液压控制的液态镜头，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12 基于形状记忆合金的液态透镜
图12展示了一种有形状记忆合金驱动的液态透镜，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。
d. 基于环境响应的液态透镜
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13 激光诱导的液态透镜原理及实验图
图13 展示了一种激光诱导的液态透镜，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。
1) 消费电子
图14 手机镜头结构示意图
随着消费电子设备的流行，各大公司开始着力于液态镜头的研究，近年来，液体镜头开始向手机应用渗透，2020年5月，华为的液体镜头专利曾一度引起轰动，今年3月，小米正式发布搭载液体镜头的小米 MIX。与传统光学镜片相比，液体镜头有着耗电量更低、体积更小；不需要活动部件和马达，静音，对焦速度更快范围更广等特点。
2) 显微成像
图15 显微镜变焦系统
在显微镜技术中，快速Z聚焦和图像稳定性一直是一个难以权衡的问题，尤其是获取三维信息（DFF）或计算具有扩展景深（EDOF）的图像。目前的技术，如步进电机Z执行器或压电，由于速度慢（步进电机Z致动器）或行程和振动小（压电定位器），定位器正在影响生命科学业务的吞吐量。将这两种不同的技术结合起来以克服这些问题一直是必要的瓶颈，增加了系统的复杂性和成本。可调液体透镜提供了一种通用、紧凑且经济高效的解决方案来克服这一挑战。由于没有平移力学，液体透镜有可能在几毫秒内聚焦，结合粗糙和精细的聚焦范围，确保没有振动。
3) 机器视觉
图16 机器视觉流水线分拣系统
液态镜头材质是可改变形状的光学液态材料，采用电控方式来改变曲率半径，从而改变焦距。在高速高可变性的应用中，动态自动对焦能够自动适用工作距离的变化。在机器视觉成像系统的一个标准的检查系统中，不同高度的物体在快速移动的传送带上经过时被成像，液液态透镜的引入克服了速度和景深的限制，重新聚焦到不同高度的时长仅仅需要毫秒。
4) 医疗检测
图17 医疗内窥镜成像
由于医用内窥镜光学系统要求的物距范围非常广（3至100mm），普通光学系统在这样大景深范围内实现清晰成像难度较大，这就使得内窥镜在使用状态下的成像质量受到一定限制。同时，如何在物距不变的情况下实现局部范围内病灶的图像放大，也是医生希望实现的功能。
然而，内窥镜光学系统对系统尺寸及镜片数量的要求非常严格，传统光学系统很难实现变焦。因此又成为了液态透镜的一个重要突破方向。
液体变焦镜头无需复杂的机械部件，大大简化了光学成像系统结构符合智能制造装备的发展趋势。随着先进医疗仪器、智慧安防设备及智能制造装备的快速发展，将对自适应液体变焦镜头提出更高的要求，促进液体变焦镜头在结构制造和应用等方面快速优化升级。
但同时，液体镜头还有很多要解决的难题，包括生产工艺、重力效应、像差缺陷以及材料等因素，能否大规模生产并替代传统的光学镜头，仍需时间来验证，但未来可期。
参考文献：
[1] 黄翔,林四英,谷丹丹,卜振翔,易伟劲,谢培钦,王凌云.液体变焦镜头的研究进展[J].中国光学,2019,12(06):1179-1194.
[2] 郑浩斌, 何焰蓝, & 丁道一. (2008). 液体透镜的诞生和发展. 物理与工程, 18(4), 42-47.
[3]Sato, S. (1979). Liquid-crystal lens-cells with variable focal length. Japanese Journal of Applied Physics, 18(9), 1679.
[4] Bezruchenko, V. S., Muravsky, A. A., Murauski, A. A., Stankevich, A. I., & Mahilny, U. V. (2016). Tunable liquid crystal lens based on pretilt angle gradient alignment. Molecular crystals and liquid crystals, 626(1), 222-228.
[5] López, C. A., Lee, C. C., & Hirsa, A. H. (2005). Electrochemically activated adaptive liquid lens. Applied physics letters, 87(13), 134102.
[6] Lu, Y. S., Tu, H., Xu, Y., & Jiang, H. (2013). Tunable dielectric liquid lens on flexible substrate. Applied physics letters, 103(26), 261113.
[7] Mishra, K., Van den Ende, D., & Mugele, F. (2016). Recent developments in optofluidic lens technology. Micromachines, 7(6), 102.
[8] Pouydebasque, A., Bridoux, C., Jacquet, F., Moreau, S., Sage, E., Saint-Patrice, D., ... & Vigier-Blanc, E. (2011). Varifocal liquid lenses with integrated actuator, high focusing power and low operating voltage fabricated on 200 mm wafers. Sensors and actuators A: physical, 172(1), 280-286.
[9] Oh, S. H., Rhee, K., & Chung, S. K. (2016). Electromagnetically driven liquid lens. Sensors and Actuators A: Physical, 240, 153-159.
[10] Cheng, H. C., Xu, S., Liu, Y., Levi, S., & Wu, S. T. (2011). Adaptive mechanical-wetting lens actuated by ferrofluids. Optics Communications, 284(8), 2118-2121.
[11] Malyuk, A. Y., & Ivanova, N. A. (2018). Varifocal liquid lens actuated by laser-induced thermal Marangoni forces. Applied Physics Letters, 112(10), 103701.
[12] 张鹰, 张新, 史广维, 王超, & 王钰. (2013). 液体透镜在变焦系统中的应用. 中国光学, 6(1), 46-56.
声明：部分内容来源于网络，仅供读者学习、交流之目的。文章版权归原作者所有。如有不妥，请联系删除。