圆锥双液体变焦光学系统的研究

1.引 言

变焦光学系统是照相机、摄像机等许多光学仪器中的关键组成部分，它必须满足两个基本条件：能够改变焦距，焦距改变过程中保持像面位置不变[1]。传统的变焦光学系统需要通过机械装置移动镜组来实现变焦, 系统的各个参量是根据变焦时各运动组分的共轭距改变量之和为零，即建立相关的微分方程来确定的。但由于存在机械可动部件，此类镜头变焦速度慢、价格昂贵、坚固性差，而且不易在诸如内窥镜、拍照手机等便携式微小型装置中实现。

因此，许多不同类型的微型变焦透镜结构相继出现，如液压式微透镜[2,3]，基于液晶的微变焦透镜[4]，基于介质上电润湿的液体变焦透镜[5]。其中液压式微透镜是通过改变充入腔体内液体的体积来改变腔体顶面高分子聚合物聚二甲基硅氧烷 (PolydimethylsiIoxane, PDMS)薄膜的曲率，从而达到调节焦距的目的，但这种微透镜由于采用液压的方式需要一个额外的泵，与一般光电产品相容性不好，而且如果泵压力过大，会对 PDMS 薄膜造成破坏。基于液晶的微变焦透镜是利用电压改变液晶的折射率来控制液晶透镜的焦距，但是液晶透镜存在大色差、多焦点和像面难以稳定等问题。而基于介质上电润湿的双液体变焦透镜是通过外加电压改变液面曲率来实现变焦，它不同于液晶菲涅尔变焦透镜[6]，这种透镜无机械可动部件、结构小、寿命长、功耗低，具有重要的应用价值和巨大的市场前景，为实现无机械运动变焦提供了可能。

本文所设计的基于圆锥结构的双液体变焦透镜系统与基于圆柱结构双液体变焦透镜系统[7]有所不同，与基于固定焦距透镜运动的传统变焦系统有很大区别，即无需机械运动就可实现电驱动快速变焦。为了使其满足变焦光学系统的基本条件，提出并发展了一种新的变焦光学系统理论与设计方法。

2.电湿效应双液体变焦透镜

电湿效应是一种物理化学现象，它通过在固体-液体界面之间施加电场来改变液-固表面的张力系数，从而改变液体和固体接触角的大小。近年来研究发现在液滴与电极间插入一层薄的绝缘介质层后仍然可以用电控制液滴的接触角，称为基于介质上的电湿效应[8~10]，并且固液接触角在外加电压的作用下可以得到更大程度的改变。圆锥形双液体变焦透镜的结构如图 1 所示。玻璃管内壁镀有透明电极，锥形电极表面上沉淀一层疏水介电层，圆锥形容器中依次注入两种互不浸润的液体，一种为导电液体，另一种为绝缘液体。在导电液体和内壁透明电极之间施加电压后，导电液体与电极间电场改变，从而实现接触角和接触面形状的改变，达到液体透镜变焦的目的。

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