什么？镜头里面有“水”？

我们知道，人类的眼球具有极强的调节能力，可通过睫状肌的收缩与松弛调整晶状体的曲率，实现对光线和背景目标的适应性。那么，从仿生态学的角度，人类“水汪汪”的眼睛对我们发展光学技术有哪些启发或借鉴呢？今天要讲的液体透镜便是其中之一。

 

在深入认识液体透镜前，我们先抛出一个问题：液体透镜这种高大上的黑科技与我们的日常生活有什么联系呢？答案是，联系大了！

 

举个最贴近我们生活的例子——手机摄像头。目前市面上几乎所有的手机变焦都采用数码变焦方式，即使是双摄像头或者三摄像头手机，也只能通过算法去实现两倍或者三倍光学变焦，更大的变焦倍数还是只能通过数码变焦实现。

不过，数码变焦是通过算法将图片进行放大，实际上并没有改变镜头的焦距，所以数码变焦的效果往往很差。

那为什么目前不能在手机上使用光学变焦呢？原因只有一个：空间。要实现光学变焦需要光学镜组和一定的镜片移动距离，如图1所示。手机越做越薄的今天，要在如此纤薄的手机身上装下一个变焦镜组，实在是太困难。

那有没有解决办法呢？液体透镜让我们看到了曙光。

图1 典型变焦镜头镜组

 

那什么是液体透镜？与传统透镜有所不同，液体透镜是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其表面形状来改变焦距的新型光学元件。

 

就目前研究成果来看，液体透镜主要分为三大类：渐变折射率透镜（液晶）、液体填充式透镜、电润湿效应透镜。

 

下面分别介绍这三种液体透镜：

 

渐变折射率透镜，是改变施加在液晶上的电压，从而来调节液晶折射率，从而实现变焦。这种技术的优点是：控制电压低，容易实现阵列化；但缺点也很明显：焦距可调范围小、光能损失大，加上液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真，导致成像扭曲。

液体填充式透镜，是通过填充和吸出液体使表面的曲率发生变化而变焦的透镜，使用机械装置对腔内液体施加压力，从而使液体在体腔内重新分配，改变曲率半径。这种方法驱动功耗小，镜头光圈大小灵活、外形仅有薄膜力学性能决定，与填充液体无关、变焦范围大等优点。其缺点是：镜头较大时对震动和重力的影响较为敏感、结构较为复杂。

图2 液体填充式透镜示意图

   

电润湿效应透镜，是通过改变施加的电压来控制液体在固体表面上的润湿特性的液体透镜。那么电润湿效应又是什么呢？简单来说就是通过电压来控制液滴的表面形状。更准确来说，电润湿效应是一种物理化学现象，通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性，从而改变液滴的接触角，使其能像人眼的晶状体一样改变曲率实现变焦。同时，对施加电压的不同，其表面曲率会发生变化，从而实现光学变焦。

 

下图3左边为未加电压时，整个液体透镜表现为凹透镜；当加上110V电压之后，其液面发生变化，形成一个凸透镜，产生聚光效果。下图4为液体透镜的聚焦效果。这种方法的优点在于响应时间短、变焦范围宽、操作便捷、集成性能好、结构简单等优点，是目前液体透镜最主流的研究方向。但是，目前也存在其驱动电压高（几十到上百伏）、口径很难做大等缺陷。最新研究表明，其驱动电压能降低至30-50V，但这对于手机摄像头来说还是偏高。

图3 (a). 未加电压，(b)电压值为110V

图4 使用液体透镜在定焦、50cm焦距、2cm焦距时对物体成像效果图

 

除了在手机摄像头上具有应用前景，液体透镜还在生物医学微型化方面也有广阔空间。目前研究最火热的就是医用内窥镜的小型化。

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。因此液体透镜又成为一个重要突破方向。美国加利福尼亚大学研究人员展开了液体透镜在医学方面的研究，并成功将其应用于胆囊切除手术（如图5）。

图5 使用液体透镜内窥镜对胆囊的变焦成像

液体变焦透镜一旦在工程上获得应用，它将会与自适应光学一起，在传统变焦结构设计的基础上，为光学技术发展提供支持。液体透镜技术的出现，可推动光学系统加快实现微型化、智能化的进程，满足手机摄像头自动调焦、医疗器械内窥镜等各领域的需求。同时我们也看到，目前设计的单个液体透镜很难获得极高的成像质量，成熟的液体透镜产品太少，很多企业和科研单位的研究都处于实验阶段。

 

但液体透镜的未来仍大为可期。也许将来的某一天，我们使用的手机摄像头不再突出，能在手机越做越薄的趋势下还能实现光学变焦，能拍清楚更远的物体；我们能用上更小的内窥镜，同时能拍出更清晰的病变部位。或许这一切有一天都能通过液体透镜完美实现。

来源：中国科学院光电技术研究所

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本文经授权转载自《中科院之声》微信公众号

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