液体变焦镜头的研究进展

摘要：相比于传统的机械变焦镜头，液体变焦镜头具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点，被广泛应用于图像采集、目标追踪和特征识别等领域。焦距调节方式决定了液体镜头的性能和应用，本文概括了基于液晶材料、介电泳、电化学、电润湿原理的物性控制式变焦镜头和基于静电力、电磁力、压力调节和环境响应的机械驱动式变焦镜头的研究现状，介绍了液体变焦镜头在光流控芯片内的集成应用，并指出当前面临的主要问题和解决方案。最后，对液体变焦镜头的发展前景和研究方向进行了展望和总结。 
 
关键词 ：液体镜头,  焦距调节,  物性控制,  机械驱动

1 引言　　

近年，在工业4.0时代背景下，“中国制造2025”战略快速深入，智能制造成为了现代制造业的主要发展方向。发展高端制造装备产业，对加快制造业朝着智能化、经济化和绿色化方向转型升级，提高生产效率、产品质量和技术水平等具有很大的推动作用。机器视觉在智能制造中用于实现定位操控、特征识别、瑕疵检测、部件装配和分类计数等功能。光学变焦镜头作为视觉成像系统的关键部件，通过在一定范围内变换焦距，以调节影像大小和景物范围。传统的变焦光学系统由一系列焦距固定的透镜组成，利用光学元件结合复杂的运动实现变焦。变焦过程中需要对透镜组的运动轨迹精确控制，操作复杂、可靠性低、体积大和成本高，难以满足机器视觉在智能制造装备中的成像需求。因此，研发微型化、智能化、低功耗和低成本的新型变焦系统，成为许多研究人员追求的热点。

受到昆虫和人类眼睛等生物结构的启发，研究人员通过研究液体的折射率、表面张力和接触角等物理参量，实现对透明介质的操纵，有望克服传统机械式变焦系统的局限。液体变焦技术作为一种新型的变焦方式，通过改变液体透镜的形状或折射率来实现焦距的调节。目前，商用的液体变焦镜头可分为渐变折射率镜头和变曲率镜头两种，分别通过控制液晶材料的排列晶向和液体界面曲率调节焦距。美国LENSVECTOR公司生产的LV-S3系列渐变折射率透镜，利用动态可调的电场改变液晶分子取向以调节镜头的折射率；法国VARIOPTIC公司研制的Arctic316型电润湿变焦镜头和美国HOLO-CHIP公司生产的APL-1050型变曲率液体透镜，分别通过改变电压和填充液体压力的方式完成焦距的调节。

液体变焦镜头无需复杂的机械变焦结构，具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点，大幅简化了光学成像系统的结构，有利于集成设备的小型化和轻量化。本文针对物性控制式和机械驱动式两种不同的变焦驱动方式，概括了液体变焦镜头的发展现状，并介绍了其在光流控芯片内的集成应用。同时，对液体变焦镜头研究面临的难题进行分析，探讨了相应的解决措施，并对未来的发展趋势和研究方向进行了展望和总结。

2 液体变焦镜头的分类　　

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镜头。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镜头。

图1.液体变焦镜头的分类

2.1 物性控制式液体变焦镜头

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，如液晶材料、电化学技术、介电泳技术和电润湿技术。

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图7. 基于静电吸引的液体变焦镜头。（ａ ）透镜 截面结构；（ｂ）无电压状态；（ｃ ）加电压状态

图8. 3种常见的电磁驱动液体镜头结构。（ａ）基于电磁吸引的液体变焦镜头；（ｂ）基于通电线圈洛伦兹力驱动的液体变焦镜头；（ｃ）基于铁磁流体流动的液体变焦镜头

图10. 激光诱导变焦透镜的原理及实验

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5 结论与展望

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。本文介绍了物性控制和机械驱动两种不同液体变焦镜头的驱动机制，并报道了其在光流控芯片集成方面的研究进展。物性控制式液体镜头，通过电场调控液晶材料的分子取向，以及基于介电泳、电化学和电润湿原理的液滴操纵等方式实现变焦功能。该类变焦系统具有体积小、噪声小、响应快和成本低等特点。而机械驱动液体镜头是利用静电力、电磁力、腔体压力调节和环境参数来控制弹性薄膜曲率或填充介质的折射率，变焦系统受介质材料的导电率和介电常数等电特性参数的影响较小，并且结构简单，调焦范围大。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。

(1)3D打印技术的应用。利用3D打印增材制造技术能够实现对腔体和流道等复杂结构的加工，进一步优化镜头结构，提高镜头的光学性能。

(2) 电子芯片的集成。将CMOS和微处理器等电子芯片与液体镜头相结合，使光学变焦系统朝着集成化、紧凑化和小型化方向发展，有效缩短了系统的响应时间，提高图像的采集、评价和处理能力。

(3) 智能传感的融合。通过在透镜腔体、弹性薄膜上布置柔性传感器对液体压力变化进行检测，有望实现对系统成像像差的实时反馈和补偿校正。

通过调研液体变焦技术的发展现状，综合考虑与实际需求结合的重大问题，未来建议在系统反馈、像差校正、变焦响应和透镜材料等方面加强研究，为液体变焦系统的商业化发展奠定理论和应用基础。同时，加快对介电凝胶微透镜与超薄平面“超透镜”等方向的研究，着力增强现代智能变焦技术的多样性和适用性。

来源:光行天下  节选（中国光学 第12卷 第6期）

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