液體透鏡、微透鏡以及微透鏡陣列已經在光學測試設備、光通信和光信息處理等領域有了廣泛的套用。液體透鏡、微透鏡以及微透鏡陣列已經在光學測試設備、光通信和光信息處理等領域有了廣泛的套用。
傳統的變焦系統是通過移動透鏡相對光電感測器的位置來實現變焦，很容易受到外力的損傷而出現故障，並且傳統變焦系統的回響時間較長。液體變焦透鏡系統不需要任何的機械傳動裝置，系統也不易受到外力損傷。由於液體變焦透鏡是通過改變液體的形狀來實現變焦，其回響時間只有幾個毫秒。
基本介紹
- 中文名：變焦透鏡
- 外文名：zoom lens
- 性質：天文學專有名詞
- 相關機構：中國天文學名詞審定委員會
- 別稱：液體變焦透鏡
- 領域：光學神經網路、CCD探測
簡介,力致變形驅動變焦透鏡,機械-力驅動的柔性變焦透鏡,流體壓力驅動的柔性變焦透鏡,電磁驅動變焦透鏡,電致變形驅動的柔性變焦透鏡,基於壓電驅動的柔性變焦系統,基於電活性聚合物的柔性變焦透鏡,存在的問題,發展趨勢,
簡介
隨著科技的發展，傳統光學變焦成像系統由於存在結構複雜、體積笨重、機械磨損嚴重、加工難度大等缺點，已無法滿足智慧型化光學設備對自動化、智慧型化、微型化光學變焦系統的要求。近年來，柔性變焦透鏡已引起國內外學者的廣泛關注，柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和透明流體介質等組成，無需機械移動即能實現焦距的調節，具有結構緊湊、控制靈活、製造成本低、無機械磨損、易於集成等諸多優點，可望克服傳統光學系統所面臨的困難。柔性變焦透鏡依據變焦驅動機制可分為力致變形驅動變焦透鏡和電致變形驅動變焦透鏡。
力致變形驅動變焦透鏡
力致變形驅動變焦即是驅動源通過中間傳動環節( 如絲桿、流體等) 將驅動力作用於液體透鏡使透鏡薄膜變形從而實現變焦，可劃分為基於機械-力式驅動的變焦透鏡、基於流體壓力驅動的變焦透鏡以及基於電磁力作用的變焦透鏡等。機械-力驅動的柔性變焦透鏡變焦範圍大，但結構不夠緊湊，穩定性較差，適合於對結構和控制精度要求不高的場合。流體壓力驅動的變焦透鏡結構緊湊，但存在液體泄漏等問題。電磁驅動變焦透鏡回響非常快，變焦範圍大，功耗低，易於控制，適合於控制精度要求高的場合。目前，溫度對系統穩定性的影響可以通過溫度感測器反饋得以改善，但是液體揮發、重力效應對液體透鏡的光學性能和穩定性影響有待進一步的研究。
機械-力驅動的柔性變焦透鏡
機械-力驅動主要是通過伺服電機等方式來驅動。2006年，美國中佛羅里達大學Shin-TsonWu團隊的Hongwen Ren等人提出了採用伺服電機驅動的柔性變焦透鏡，伺服電機旋轉拉動繩子壓縮橡皮薄膜，導致透鏡薄膜4變形，實現焦距可調。該透鏡結構緊湊，成本低，但是結構受重力影響嚴重，不易微型化。2010年該團隊的Su Xu等人設計了力潤濕透鏡(Mechanical-wetting lens) 結構，通過旋轉螺紋冒，環形凸出結構驅動薄膜，從而實現手動驅動變焦，可以實現可見光和近紅外成像。
流體壓力驅動的柔性變焦透鏡
美國加州大學聖地亞哥分校De-Ying Zhang等人在2003年研究了液壓驅動的柔性變焦透鏡的變焦範圍，在校正像差方面並沒有開展研究。2004年，美國加州大學伯克利分校的Ki-HunJeong等人提出利用液壓驅動的雙膠合透鏡陣列，雙合透鏡使光學畸變得到抑制，並使焦距可調範圍增大。台灣中央大學Yiin-Kuen Fu等人對液壓驅動的雙凸柔性變焦微透鏡的像差進行了研究，通過選擇最優的膜厚比，球差得到改善。
電磁驅動變焦透鏡
2010年，德國弗萊堡大學的Daniel Mader等人研究了電磁驅動的變焦透鏡，能夠校正低階像差，如色差、球差。韓國先進科學技術研究所的Seok Woo Lee等人研究了電磁驅動柔性變焦透鏡的通電發熱問題。2011年，該所的Hyun-hwan Choi等人提出了電磁驅動的變焦透鏡，兩折射面彈性薄膜厚度不同，該透鏡可以降低球差。2011年新加坡國立大學余洪斌等人提出了電磁驅動的可變焦透鏡控制薄膜變形實現焦距的正負可調。
浙江大學的Dan Liang等人研究了基於聚合物透鏡的仿人眼系統，由仿生角膜透鏡，音圈馬達，壓縮環，仿生晶狀體，基體，CCD感測器組成。控制音圈電流，驅動壓縮環改變晶狀體曲率，從而實現變焦。
電致變形驅動的柔性變焦透鏡
隨著智慧型材料的快速發展，電活性聚合物(Electroactive polymer，EAP)、壓電材料等具有力電耦合特性的智慧型材料由於其價格低廉，易於製作和實現等特點，在微光學驅動領域具有廣闊的前景。近年來，人們利用智慧型材料的力電耦合特性進行驅動方面的研究，已展現出良好的套用前景。
電致變形驅動的柔性變焦透鏡主要利用材料的電致動特性，將電能轉化為機械能，使液體透鏡的形狀發生改變，從而實現焦距的可調。具有結構緊湊、變焦範圍大、回響速度快及易於集成等特點，但是溫度、重力等外部條件對其性能的影響較大。DE驅動的變焦透鏡的驅動電壓高是限制其套用的主要因素，許多學者通過將驅動薄膜與透鏡薄膜分離來降低驅動電壓。IPMC驅動變焦的特點是驅動電壓低，但是輸出力較小，回響較DE慢。隨著智慧型材料的廣泛研究，利用智慧型材料的力電耦合特性仍是微光學系統驅動的合適之選。
改善變焦透鏡的成像質量，設計合理的結構降低變焦系統所需的驅動電壓仍是當前研究的熱點。如果基於智慧型材料的柔性變焦透鏡得以實用，必將對光學成像領域產生巨大影響，同時也將促進相關聯行業的進步。
基於壓電驅動的柔性變焦系統
2004年，日本科學技術振興機構的H． Oku等人對壓電驅動的變焦透鏡進行了實驗研究，通過壓電泵的形式進行驅動。該透鏡受重力影響嚴重，同時變焦範圍小( 驅動力小)。2009年，H．Oku為了解決壓電驅動力小的問題提出了內置液壓放大器的壓電堆疊式驅動的變焦透鏡。德國弗萊堡大學的Jan Draheim研究團隊從2009年開始研究了壓電驅動的單腔自適應透鏡，雙腔自適應透鏡變焦透鏡。壓電驅動變焦透鏡變焦範圍小，但具有結構緊湊、易於製造和驅動電壓低等優點。
基於電活性聚合物的柔性變焦透鏡
電活性聚合物(EAP) 在外加電場作用下產生大變形，某些EAP材料的形變數可以達到100%，且回響快，被廣泛套用於可調光學、觸覺系統、人工肌肉、壓力感測和仿生機器人等領域。常用的電活性聚合物可分為離子型和電子型電活性聚合物。
常用於微驅動的離子型聚合物有IPMC(Ion-ic Polymer Metal Composite，離子聚合物複合材料)、水凝膠等。2009年，日本的Ippei SHIMIZU等人製備了一種IMPC驅動的微型變焦距透鏡(variable-focal length lens，VFLL) 。該設計充分利用IPMC驅動電壓低的特性，變形薄膜選用PDMS薄膜，結構功耗低、可微型化。
用於微驅動領域的電子型電活性聚合物有DE(Dielectric Elastomer，介 電 彈 性 體 )、PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷) 等。2002年，瑞 士 洛 桑 理 工 學 院 的Muhamed Niklaus等人研究了基於DE驅動的變焦透鏡，通過驅動單元與透鏡變形薄膜分離以降低驅動電壓，魯棒性強，可實現微型化、陣列化，但是焦距變化範圍小。
存在的問題
隨著新型驅動和智慧型材料的快速發展，人們對柔性變焦透鏡的研究和開發工作得到蓬勃發展和進步。柔性變焦透鏡涉及機械、光學、材料等領域，距離廣泛套用還有一定的差距，許多問題尚待進一步深入研究，目前存在的問題主要表現在以下方面：
(1) 液體透鏡蒸發泄漏現象嚴重，重力及溫度的變化影響系統穩定性；
(2)目前對像差的校正的研究較少，總的成像效果不是很理想；
(3) 介電彈性薄膜所需驅動電壓較高，很難實現微型化、低功耗設計。IPMC、壓電驅動所需電壓不高，但是變焦範圍小。同時變形薄膜的鬆弛現象，影響光學性能的穩定；
(4) 焦變遲滯現象的研究很少，這對精確控制焦距變化至關重要；
(5) 實現智慧型化變焦以及焦距的精確、快速控制仍是一難題。
目前國際上研製的液體變焦透鏡模型主要有以下幾種：
（1）充液型變焦透鏡，它通過改變注入腔體內液體的體積來改變腔體頂面薄膜的曲率，從而達到調節焦距的目的。
（2）基於液晶的微變焦透鏡，它將透鏡置於液晶氛圍中，通過改變施加的電壓來調節液晶的折射率，從而實現對透鏡焦距的控制。
（3）基於介質電潤濕的流體變焦透鏡，它利用外加電壓來調節液面的曲率，進而改變透鏡的焦距。
以上幾種模型各有優點也各有不足。充液型變焦透鏡結構簡單，價格低廉但這種透鏡需要一個額外的泵來提供壓力以改變液體頂面薄膜的曲率，如果壓力過大會給彈性薄膜造成毀滅性的破壞。基於液晶的變焦透鏡，此種透鏡易於實現陣列化，但是由於液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真。基於介質上電潤濕的流體變焦透鏡，結構小巧，折射率變化範圍大，但這種變焦透鏡所採用的材料價格昂貴，實驗裝置複雜。
發展趨勢
隨著智慧型化、自動化時代的到來，智慧型化光學設備、先進醫療設備( 如內窺鏡)、自適應光學系統等對新型光學變焦器件的要求不斷升級，柔性變焦透鏡的低功耗、微型化、模組化、智慧型化發展將促使這些領域的快速變革。
(1) 柔性變焦透鏡的性能最佳化。降低重力、溫度、泄漏等對柔性變焦透鏡工作性能的影響，校正柔性變焦透鏡的像差，提高系統的回響速度。
(2) 進行系統的動力學研究。探明材料彈性模量、膜厚、變形等因素對系統整體性能的影響，為實際套用奠定理論基礎。
(3) 基於智慧型材料的柔性變焦透鏡的研究。尋求和探索新型驅動方式一直是柔性光學乃至整個驅動領域研究的熱點之一。
