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摘要：本文從基于力致變形(機(jī)械傳動)驅(qū)動和基于電致變形(智能材料)驅(qū)動兩方面分析了柔性變焦透鏡(FVFL)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過歸納和分析發(fā)現(xiàn):柔性變焦透鏡均存在溫度、重力對穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)力致變形驅(qū)動的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但響應(yīng)速度慢,不易微型化設(shè)計(jì)；電致變形驅(qū)動的柔性變焦透鏡響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊。改善變焦透鏡成像質(zhì)量、降低驅(qū)動電壓是目前柔性變焦透鏡的研究熱點(diǎn)。探索新穎的驅(qū)動方式，研究低功耗、智能化變焦系統(tǒng)將是柔性變焦透鏡的主要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)光學(xué)；變焦透鏡；智能材料；彈性薄膜

1. 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)光學(xué)變焦成像系統(tǒng)由于存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、機(jī)械磨損嚴(yán)重、加工難度大等缺點(diǎn)，已無法滿足智能化光學(xué)設(shè)備對自動化、智能化、微型化光學(xué)變焦系統(tǒng)的要求。近年來，柔性變焦透鏡已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和透明流體介質(zhì)等組成，無需機(jī)械移動即能實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、制造成本低、無機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，可望克服傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所面臨的困難。

早在1941年，美國科學(xué)家E. F. Flint提出了柔性變焦透鏡，但此后并沒有得到廣泛關(guān)注。直至20世紀(jì)末才涌現(xiàn)出大量關(guān)于柔性變焦透鏡的研究文獻(xiàn)。美國“三大光學(xué)中心”之一的中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與激光教育研究中心(CREOL)的Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)研究了不同驅(qū)動機(jī)制的自適應(yīng)光學(xué)變焦透鏡，促進(jìn)了該領(lǐng)域多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Muhamed Niklaus等人研究了快速響應(yīng)的透明電活性聚合物驅(qū)動的彈性體透鏡。德國弗萊堡大學(xué)Hans Zappe團(tuán)隊(duì)在改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量方面進(jìn)行了大量的研究。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的De-Ying Zhang等人在流體自適應(yīng)透鏡的變焦范圍、性能等方面取得一定進(jìn)展。瑞士Optotune公司的M. Blum團(tuán)隊(duì)在電磁驅(qū)動和手動驅(qū)動柔性變焦透鏡方面的研究取得了良好進(jìn)展。新加坡國立大學(xué)周光亞和余洪斌的團(tuán)隊(duì)從2008年開始對變焦透鏡開展了大量研究，并取得一定進(jìn)展。目前柔性變焦液體透鏡存在液體泄漏，溫度、重力影響等問題，基于智能材料的柔性變焦透鏡面臨著驅(qū)動電壓較高的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制其發(fā)展和應(yīng)用。

柔性變焦透鏡依據(jù)變焦驅(qū)動機(jī)制可分為力致變形驅(qū)動變焦透鏡和電致變形驅(qū)動變焦透鏡。本文將從力致變形變焦透鏡和電致變形變焦透鏡兩個方面概括和分析柔性變焦透鏡的發(fā)展現(xiàn)狀。從變焦實(shí)現(xiàn)方式和主要性能參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)和探討柔性變焦透鏡需要解決的主要難題和發(fā)展方向。

2. 力致變形驅(qū)動的柔性變焦透鏡

力致變形驅(qū)動變焦即是驅(qū)動源通過中間傳動環(huán)節(jié)(如絲桿、流體等)將驅(qū)動力作用于液體透鏡使透鏡薄膜變形從而實(shí)現(xiàn)變焦，可劃分為基于機(jī)械-力式驅(qū)動的變焦透鏡、基于流體壓力驅(qū)動的變焦透鏡以及基于電磁力作用的變焦透鏡等。

2.1 機(jī)械-力驅(qū)動的柔性變焦透鏡

機(jī)械-力驅(qū)動主要是通過伺服電機(jī)等方式來驅(qū)動。2006年，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)的Hongwen Ren等人提出了采用伺服電機(jī)驅(qū)動的柔性變焦透鏡，如圖1所示，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)拉動繩子壓縮橡皮薄膜2，導(dǎo)致透鏡薄膜4變形，實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)。該透鏡結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，但是結(jié)構(gòu)受重力影響嚴(yán)重，不易微型化。2010年該團(tuán)隊(duì)的Su Xu等人設(shè)計(jì)了如圖2所示的力潤濕透鏡(Mechanical-wetting lens)結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)螺紋冒，紅色環(huán)形凸出結(jié)構(gòu)驅(qū)動藍(lán)色薄膜，從而實(shí)現(xiàn)手動驅(qū)動變焦，可以實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外成像。

圖1.變焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.力潤濕透鏡及其工作原理

2011年，瑞士Optotune公司的M.Blum等人提出了用旋轉(zhuǎn)絲桿驅(qū)動的液體自適應(yīng)透鏡[17]。2013年，德國弗萊堡大學(xué)的Peter Liebetraut等人提出通過多個伺服驅(qū)動使透鏡產(chǎn)生非對稱變形，從而實(shí)現(xiàn)變焦和像差的控制[25]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該研究仿造人眼睫狀肌通過懸韌帶向晶狀體提供徑向應(yīng)力的機(jī)制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對控制精度要求較高。

......

4. 存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在的問題

隨著新型驅(qū)動和智能材料的快速發(fā)展，人們對柔性變焦透鏡的研究和開發(fā)工作得到蓬勃發(fā)展和進(jìn)步。柔性變焦透鏡涉及機(jī)械、光學(xué)、材料等領(lǐng)域，距離廣泛應(yīng)用還有一定的差距，許多問題尚待進(jìn)一步深入研究，目前存在的問題主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)液體透鏡蒸發(fā)泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重，重力及溫度的變化影響系統(tǒng)穩(wěn)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(qū)動電壓較高，很難實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗設(shè)計(jì)。IPMC、壓電驅(qū)動所需電壓不高，但是變焦范圍小。同時變形薄膜的松弛現(xiàn)象，影響光學(xué)性能的穩(wěn)定；

(4)焦變遲滯現(xiàn)象的研究很少，這對精確控制焦距變化至關(guān)重要；

(5)實(shí)現(xiàn)智能化變焦以及焦距的精確、快速控制仍是一難題。

4.2 發(fā)展趨勢

隨著智能化、自動化時代的到來，智能化光學(xué)設(shè)備、先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備(如內(nèi)窺鏡)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等對新型光學(xué)變焦器件的要求不斷升級，柔性變焦透鏡的低功耗、微型化、模塊化、智能化發(fā)展將促使這些領(lǐng)域的快速變革。

(1)柔性變焦透鏡的性能優(yōu)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(tǒng)的響應(yīng)速度。

(2)進(jìn)行系統(tǒng)的動力學(xué)研究。探明材料彈性模量、膜厚、變形等因素對系統(tǒng)整體性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

(3)基于智能材料的柔性變焦透鏡的研究。尋求和探索新型驅(qū)動方式一直是柔性光學(xué)乃至整個驅(qū)動領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

5. 結(jié)束語

本文從力致變形驅(qū)動和電致變形驅(qū)動的柔性變焦透鏡兩方面進(jìn)行分析和總結(jié)?？偟膩碚f，液體變焦透鏡均存在蒸發(fā)泄漏，重力、溫度的影響等問題。力致變形柔性變焦透鏡主要有機(jī)械-力驅(qū)動變焦透鏡、流體壓力驅(qū)動變焦透鏡和電磁力驅(qū)動變焦透鏡。機(jī)械-力、壓力驅(qū)動的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但整體系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、響應(yīng)時間慢等嚴(yán)重制約其發(fā)展和應(yīng)用，電磁力驅(qū)動的柔性變焦透鏡具有響應(yīng)速度快、變焦范圍大及功耗低等優(yōu)點(diǎn)已得到良好應(yīng)用。電致變形(智能材料)驅(qū)動的柔性變焦透鏡以介電彈性體(DE)驅(qū)動的變焦透鏡的研究為主要方向，響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低，但驅(qū)動電壓高這一難題使其距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。通過設(shè)計(jì)合理的透鏡結(jié)構(gòu)改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量，擴(kuò)大變焦范圍等是目前的主要研究熱點(diǎn)。提高變焦透鏡的穩(wěn)定性以及低功耗智能化設(shè)計(jì)，基于智能材料驅(qū)動的柔性變焦透鏡的研究等是未來的主要發(fā)展趨勢。由于柔性變焦透鏡具有控制靈活、制造成本低、無機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域，將是以后光學(xué)發(fā)展的重要熱點(diǎn)方向之一。

來源：光行天下

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柔性變焦透鏡發(fā)展現(xiàn)狀