什麼？鏡頭裡面有「水」？

我們知道，人類的眼球具有極強的調節能力，可通過睫狀肌的收縮與鬆弛調整晶狀體的曲率，實現對光線和背景目標的適應性。那麼，從仿生態學的角度，人類「水汪汪」的眼睛對我們發展光學技術有哪些啟發或借鑒呢？今天要講的液體透鏡便是其中之一。

在深入認識液體透鏡前，我們先拋出一個問題：液體透鏡這種高大上的黑科技與我們的日常生活有什麼聯繫呢？答案是，聯繫大了！

舉個最貼近我們生活的例子——手機攝像頭。目前市面上幾乎所有的手機變焦都採用數碼變焦方式，即使是雙攝像頭或者三攝像頭手機，也只能通過演算法去實現兩倍或者三倍光學變焦，更大的變焦倍數還是只能通過數碼變焦實現。

不過，數碼變焦是通過演算法將圖片進行放大，實際上並沒有改變鏡頭的焦距，所以數碼變焦的效果往往很差。

那為什麼目前不能在手機上使用光學變焦呢？原因只有一個：空間。要實現光學變焦需要光學鏡組和一定的鏡片移動距離，如圖1所示。手機越做越薄的今天，要在如此纖薄的手機身上裝下一個變焦鏡組，實在是太困難。

那有沒有解決辦法呢？液體透鏡讓我們看到了曙光。

圖1 典型變焦鏡頭鏡組

那什麼是液體透鏡？與傳統透鏡有所不同，液體透鏡是一種使用一種或多種液體製成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的內部參數，有著傳統光學透鏡無法比擬的性能。簡單來說就是透鏡的介質由玻璃變為液體。更準確地來說就是一種動態調整透鏡折射率或通過改變其表面形狀來改變焦距的新型光學元件。

就目前研究成果來看，液體透鏡主要分為三大類：漸變折射率透鏡（液晶）、液體填充式透鏡、電潤濕效應透鏡。

下面分別介紹這三種液體透鏡：

漸變折射率透鏡，是改變施加在液晶上的電壓，從而來調節液晶折射率，從而實現變焦。這種技術的優點是：控制電壓低，容易實現陣列化；但缺點也很明顯：焦距可調範圍小、光能損失大，加上液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真，導致成像扭曲。

液體填充式透鏡，是通過填充和吸出液體使表面的曲率發生變化而變焦的透鏡，使用機械裝置對腔內液體施加壓力，從而使液體在體腔內重新分配，改變曲率半徑。這種方法驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學性能決定，與填充液體無關、變焦範圍大等優點。其缺點是：鏡頭較大時對震動和重力的影響較為敏感、結構較為複雜。

圖2 液體填充式透鏡示意圖

電潤濕效應透鏡，是通過改變施加的電壓來控制液體在固體表面上的潤濕特性的液體透鏡。那麼電潤濕效應又是什麼呢？簡單來說就是通過電壓來控制液滴的表面形狀。更準確來說，電潤濕效應是一種物理化學現象，通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性，從而改變液滴的接觸角，使其能像人眼的晶狀體一樣改變曲率實現變焦。同時，對施加電壓的不同，其表面曲率會發生變化，從而實現光學變焦。

下圖3左邊為未加電壓時，整個液體透鏡表現為凹透鏡；當加上110V電壓之後，其液面發生變化，形成一個凸透鏡，產生聚光效果。下圖4為液體透鏡的聚焦效果。這種方法的優點在於響應時間短、變焦範圍寬、操作便捷、集成性能好、結構簡單等優點，是目前液體透鏡最主流的研究方向。但是，目前也存在其驅動電壓高（幾十到上百伏）、口徑很難做大等缺陷。最新研究表明，其驅動電壓能降低至30-50V，但這對於手機攝像頭來說還是偏高。

圖3 (a). 未加電壓，(b)電壓值為110V

圖4 使用液體透鏡在定焦、50cm焦距、2cm焦距時對物體成像效果圖

除了在手機攝像頭上具有應用前景，液體透鏡還在生物醫學微型化方面也有廣闊空間。目前研究最火熱的就是醫用內窺鏡的小型化。

由於醫用內窺鏡光學系統要求的物距範圍非常廣（3至100mm），普通光學系統在這樣大景深範圍內實現清晰成像難度較大，這就使得內窺鏡在使用狀態下的成像質量受到一定限制。同時，如何在物距不變的情況下實現局部範圍內病灶的圖像放大，也是醫生希望實現的功能。

然而，內窺鏡光學系統對系統尺寸及鏡片數量的要求非常嚴格，傳統光學系統很難實現變焦。因此液體透鏡又成為一個重要突破方向。美國加利福尼亞大學研究人員展開了液體透鏡在醫學方面的研究，並成功將其應用於膽囊切除手術（如圖5）。

圖5 使用液體透鏡內窺鏡對膽囊的變焦成像

液體變焦透鏡一旦在工程上獲得應用，它將會與自適應光學一起，在傳統變焦結構設計的基礎上，為光學技術發展提供支持。液體透鏡技術的出現，可推動光學系統加快實現微型化、智能化的進程，滿足手機攝像頭自動調焦、醫療器械內窺鏡等各領域的需求。同時我們也看到，目前設計的單個液體透鏡很難獲得極高的成像質量，成熟的液體透鏡產品太少，很多企業和科研單位的研究都處於實驗階段。

但液體透鏡的未來仍大為可期。也許將來的某一天，我們使用的手機攝像頭不再突出，能在手機越做越薄的趨勢下還能實現光學變焦，能拍清楚更遠的物體；我們能用上更小的內窺鏡，同時能拍出更清晰的病變部位。或許這一切有一天都能通過液體透鏡完美實現。

來源：中國科學院光電技術研究所

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