| 液体透镜 |
2012-07-30 18:08 |
可实现无机械活动部件调焦的革命性新型成像系统——液体透镜
当前一般典型的变焦透镜系统是借助改变两个定焦透镜的间距来调整焦距的，这种透镜系统已经存在了一百多年，其技术的成熟度无与伦比，但是，这种透镜系统由于是依靠机械运动来进行焦距调整的，因此具有无法规避的缺点，例如机械部件繁多、结构复杂、操作不灵便、制作成本高等，尤其是由此所造成的一些无法弥补的性能缺陷，限制了传统的机械变焦透镜系统的应用范围，例如调整速度慢、系统可靠性差、耐冲击和抗破坏能力差、因机械磨损的存在而使得工作寿命不长等等。 Z|% 2495\
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人们不断地努力寻找各种方案来解决这些问题，但是均因效果不甚理想而未能成功。现在，一种新型的液体透镜的出现，从根本上彻底解决了这个问题！它不使用任何的机械活动部件，而是依靠施加不同的支流电压来改变液滴的形状，从而改变液滴的曲率，进而得到不同焦距的透镜来实现调焦的。由于没有了任何机械活动部件，上述传统的机械变焦透镜系统的各种缺点和缺陷被一扫而空，取而代之的是无与伦比的优势和优点，液体透镜的出现，是透镜成像系统技术发展的革命性的里程碑。 =+S3S{\CK
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液体透镜是基于电湿效应的原理来实现其功能的。 k#*yhG,]'
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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之间接触角的大小。一滴液体停留在固体的表面会形成具有一定曲率的液滴形状，其曲率取决于液体和固体之间的接触角，当接触角增大时，液滴的曲率增大；反之，如果接触角减小，液滴的曲率也会随之减小。这也就意味着，利用电湿效应，改变固体和液体之间的电压，可以改变液滴的曲率形状，从而使得液滴的屈光度发生变化。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，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。 /$,=>
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基于电湿效应的液体透镜的结构原理 u/'s d t
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液体透镜的结构如下图所示。两端是透明玻璃的锥形容器中依次注入两种互不浸润且折射率各不相同的液体，一种为导电液体（水），另一种为绝缘液体（油）。容器的内壁分别为正负两个电极，其中在锥形电极表面上沉淀一层疏水介电层（绝缘层）使其与另一个电极相互绝缘。 D])YP0|}
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在两个电极之间施加电压后，导电液体与锥形电极间电场改变，由于电湿效应的存在，二者之间的接触角将发生改变，从而使得导电液体和绝缘液体在容器内的形状发生变化，进而导致油水接触面形状的改变，达到变焦的目的，实现液体透镜电控变焦的功能。 {dXBXC/Ju
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早在1965年，弗兰克·赫伯特在他的科幻小说《沙丘》里就提到过一种叫做“油透镜”的可变焦透镜，它给科学家们赋予了创新的灵感。30多年后真正的液体透镜也终于开始诞生了，这始于美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究团队的科学家们研发出的一种集成型液体变焦透镜(Liquid Zoom Lens)——一种以液压控制的液体透镜，这种厚度只有8mm的液体透镜是通过压力来改变它的形状和焦距的。2003年1月28日，Lucent公司研究部门的科学家推出世界上第一款纯电力控制的液体变焦透镜，它在电场作用下能改变自己的光学特性。2004年5月5日，在CeBIT博览会上，Philips公司展出了他们的新产品——具有里程碑意义的新型变焦液体透镜——一款基于电湿效应的无机械活动部件的可变焦液体透镜系统 Z[S+L"0
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非常遗憾的是，由于各种技术上的缺陷和不足，上述的液体透镜最终都没有投入商品化生产和应用，这种状况一直持续到2007年才由法国派诺特公司液体透镜事业部的前身——法国VariOptic公司所打破。 :qTcxzV
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法国VariOptic公司也研究液体透镜，他们在2004年12月2日推出了更新款的液体透镜VariOptic公司的液体透镜可以说是菲利普的升级版，特别是对于它里面一些固有的弊病都做了改进。VariOptic的液体透镜也是用电浸润方法，在涂有绝缘层的金属基板上面放置一个小水滴，加在基板上的电压用于改变液滴与器壁之间的夹角，这种液体透镜结构简单，用的也是两种等密度的液体，一种是导电的电解质水溶液，一种是绝缘的油，一个锥形器皿充当眼睑的作用，把水和油像三明治似的夹在器皿的两个窗口中间，这使得可操作的液体是一定量的，并可在一定程度上起到稳定光轴的作用，水与油之间界面的形状依靠加在锥形器皿上的电压来控制，不同的电压引起两种液体界面弯曲度的变化，从而导致透镜焦距的变化。本文的前段“基于电湿效应的液体透镜的结构原理”所描述的正是VariOptic公司的液体透镜的原理和构造。 bXwoJ2
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VariOptic公司的液体透镜由于解决了之前的各种弊病，它结构简单、性能稳定、工作可靠、制造简单、成本低廉、体形小巧，因此非常适合大批量生产并应用在诸如内窥镜、智能手机、平板电脑、条码扫描仪、工业视觉系统等便携式微小型装置中实现无机械活动部件的变焦光学系统。在与中国的代工厂建立起合作伙伴关系后，2007年首批商品化液体透镜开始交付客户。2011年VariOptic公司被法国派诺特公司收购，当年12月完成合并后成立了独立运作的液体透镜事业部，继续为客户提供独步全球的液体透镜产品。
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