反射型液体镜头

在2000年以前，天文望远镜的造价高达数千万美元，个人几乎是不可能拥有的，只能共享。天文学家何其多也，而天文望远镜何其少也。主要原因就在于传统镜头技术高昂的制作和维护成本。

传统望远镜的镜头，采用磨光金属、坚硬的玻璃和大型的镜面。制造望远镜需要使用非常复杂的加工技术，并且付出大量人工工时，才能使反射镜达到理想的表面。打磨望远镜用的反射镜的工作常常要延续好几年。而哈勃空间望远镜的失败也让我们了解了玻璃镜头何等脆弱。

上个世纪末，物理学家乌德为了解决这个困难，创造了液体镜面：他在一个大容器里旋转水银，得到一个理想的抛物面，由于水银能很好地反射光线，所以能起反射镜的作用。

2004 年底，法国的 Varioptic 公司发布了一项可用于手机的采用了电子技术的液体镜头专利。这种镜头的透镜是一个小型透明管状容器，在容器中包含油和水两种液体，通过电润湿效应调整这两种互不融合的液体接触面的曲率，就可以改变透镜的屈光度，从而让镜头实现自动变焦，并且准确地把焦点放在需要拍照的物体上。

几乎与此同时，加利福尼亚大学也发明了液体镜头，它通过改变厚度仅为8mm的两种不同的液体交接处月牙形表面的形状，实现焦距的变化。这种液体镜头相对于传统的变焦系统而言，兼顾了紧凑的结构和低成本两方面的优势。

我们知道，传统的变焦镜头是通过调整两个固定焦距的镜头之间的距离来实现变焦的。而传导型液体镜头使用两种不能融合的液体，每一种液体拥有不同的折射率，生成一种与传统的高质量的光学镜头一样的可变聚焦镜头，而镜头大小却可以减少到10mm，甚至更小。两种液体，其中一种是导电的水性溶液，另一种是不导电的油。这两种液体被装在小型管状容器中，在容器内形成相当与玻璃镜头的月牙型的曲面，曲面的曲率就是液体镜头的焦距。油的抗水表面的湿润效果可以使用电压来改变（故名电润湿），令表面变得更亲水（湿润）或更抗水。由于原先抗水（或亲水）的表面现在变得更吸水（或抗水），油层不得不改变其形式，因此，通过调整在容器两端的直流电电压，就可以改变两种不同的液体交接处月牙形表面的曲率，也就是镜头的焦距。

据了解，液体镜头每次的变焦过程所消耗的能量仅为0.1 微焦耳(mJ)，而变焦所用的时间从最极端的凸面到凹面也仅需几微秒。另外，两种液体的边界非常光滑和规整，使得液体镜头可用于诸如医学上用的内窥镜成像系统，也可以应用在空间狭小的其他领域，如显微镜照相机。

液体镜头通过改变液体的压力来调整焦距。这样设备可以在一个很小的固定距离范围内实现变焦系统。而且，这种液体镜头非常容易批量生产，成本将大幅度下降。

液态镜头可以与所有高性能微型相机模块兼容实现自动变焦，规格从小到大，可达 1/2.5 英寸；分辨率从 3 Mp 到 10 Mp 甚至更高。 液态镜头的光学性能接近衍射极限，不会影响到与之匹配的固定镜头的性能。同时，尽管液态镜头是为可见光而设计的，但在接近红外光时，也保持着相同的透明度。

极大的变焦范围使得其可以适应极宽距离范围的变焦和聚焦，从几厘米到近乎无限远。

液体镜头可以用于焦距搜索，即自动聚焦，或者通过其他传感器获得目标距离信息，使用开环模式。

在相机模块中使用液态镜头极为简单方便。从视觉技术看，是按照整体系统和功能来选择液态镜头的位置布局的：对于纯焦距控制，液态镜头应该被置于尽可能接近孔径光阑平面，可以是在相机镜头前端（Add-on 附加模块），光学组件中或后面。（在上次的读码器中，采用的是 Add-on 的布局）

由于液态镜头本身没有移动组件（除了液面变化），因此其机械设计非常简单，帮助缩短相机的设计和制造周期。采用液态镜头进行自动聚焦，无需复杂机械执行机构，取而代之的是直接的电子元件和简单的软件编程。

三星电机（Samsung Electro-Mechanics Co.）曾在CeBIT 2004上宣布将供应手机用液体镜头（Liquid Lens）相机模块，它采用的就是Varioptic公司的专利。据介绍，采用液体镜头后相机模块可以做得更薄，而且镜头不需要做物理运动，因此还能大大减少耗电量。采用这种镜头的模块厚度只增加了2mm，支持5cm～无限远聚焦,驱动电压为0～40V,驱动频率为1kHz。

飞利浦也推出过模仿人类眼球功能的小型液体镜头。它的两种液体被装在一个直径3毫米、高2.2毫米的小型管状容器当中，该镜头最近可对距离其5cm的物体聚焦，而远近焦距可在10微秒的瞬间内完成调节。

人的眼球也是通过改变焦距来观察远近不同的物体，不同的是，人是通过眼球周围的肌肉调节焦距。因此，可以说这种新型镜头周围的电场就相当于人类眼球周围的肌肉。

另外，在摄影器材领域，佳能在 2014 年也公布新款10-22mm f/3.5-4.5镜头专利，值得注意的是，这款镜头专利中首次出现了佳能的液态镜片技术。除此以外，包括三星、索尼、奥林巴斯等在内的主要相机制造商目前均已注册了自己的液态镜头专利。Akkord Electronics 甚至已经推出采用液态镜头的摄像头设备。

这几年，视觉和图像处理在工业制造领域被越来越多的广泛使用，而一些工业相机产品也开始采用液态镜头技术。

例如我们前面提到的某款进阶型图像读码器产品，就是通过在光学镜头前加装的液态镜头模块附件，来实现图像成像聚焦的。

在工业制造领域，液态镜头的主要优势体现在其耐用性（无移动部件）、反应时间短、光学质量优、耗电量低以及体积小等方面。同时液态镜头在安装、设置和维护时无需打开读码器并手动接触镜头，因而操作非常简便。相对其他自动聚焦装置而言，这种液态镜头的反应速度极快。在读取随工件变化或因工件转变而变化的距离时，这样镜头也非常适用。

光学零件加工的现状及发展 有时，在软件(设计)阶段看起来成功的镜头在转移到制造、装配和测试时会遇到障碍。闭合设计和制造之间的回路将使设计的迭代更少并改善现实世界的性能。光学设计者必须考虑诸如单个镜片的可制造性、制造中的统计分布假设、面形的不规则模型以及在公差中的堆叠等问题。

2023-08-15

智能光学(Smart Optics or Intelligent Optics)，是传统光学与现代计算机系统相结合的产物。智能光学集新材料、计算机信息、电子、紧密加工等现代技术于一体，极大地扩展了传统光学系统应用领域。

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