液體變焦鏡頭的研究進(jìn)展

黃 翔，林四英，谷丹丹，卜振翔，易偉勁，謝培欽，王凌云 *

(1. 廈門(mén)大學(xué) 機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 361102； 2.廈門(mén)大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門(mén) 361005)

1 引 言

近年，在工業(yè)4.0時(shí)代背景下，“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略快速深入，智能制造成為了現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展方向[1-2]。發(fā)展高端制造裝備產(chǎn)業(yè)，對(duì)加快制造業(yè)朝著智能化、經(jīng)濟(jì)化和綠色化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平等具有很大的推動(dòng)作用[3]。機(jī)器視覺(jué)在智能制造中用于實(shí)現(xiàn)定位操控、特征識(shí)別、瑕疵檢測(cè)、部件裝配和分類(lèi)計(jì)數(shù)等功能[4-10]。光學(xué)變焦鏡頭作為視覺(jué)成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過(guò)在一定范圍內(nèi)變換焦距，以調(diào)節(jié)影像大小和景物范圍。傳統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)由一系列焦距固定的透鏡組成，利用光學(xué)元件結(jié)合復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦[11-12]。變焦過(guò)程中需要對(duì)透鏡組的運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制，操作復(fù)雜、可靠性低、體積大和成本高，難以滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)在智能制造裝備中的成像需求[13-14]。因此，研發(fā)微型化、智能化、低功耗和低成本的新型變焦系統(tǒng)，成為許多研究人員追求的熱點(diǎn)[15]。

受到昆蟲(chóng)和人類(lèi)眼睛等生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)[16-19]，研究人員通過(guò)研究液體的折射率、表面張力和接觸角等物理參量，實(shí)現(xiàn)對(duì)透明介質(zhì)的操縱，有望克服傳統(tǒng)機(jī)械式變焦系統(tǒng)的局限。液體變焦技術(shù)作為一種新型的變焦方式，通過(guò)改變液體透鏡的形狀或折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)[20]。目前，商用的液體變焦鏡頭可分為漸變折射率鏡頭和變曲率鏡頭兩種，分別通過(guò)控制液晶材料的排列晶向和液體界面曲率調(diào)節(jié)焦距[21]。美國(guó)LENSVECTOR公司生產(chǎn)的LV-S3系列漸變折射率透鏡，利用動(dòng)態(tài)可調(diào)的電場(chǎng)改變液晶分子取向以調(diào)節(jié)鏡頭的折射率；法國(guó)VARIOPTIC公司研制的Arctic316型電潤(rùn)濕變焦鏡頭和美國(guó)HOLOCHIP公司生產(chǎn)的APL-1050型變曲率液體透鏡，分別通過(guò)改變電壓和填充液體壓力的方式完成焦距的調(diào)節(jié)。

液體變焦鏡頭無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械變焦結(jié)構(gòu)，具有體積小、響應(yīng)快、成本低和集成度高等特點(diǎn)，大幅簡(jiǎn)化了光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有利于集成設(shè)備的小型化和輕量化。本文針對(duì)物性控制式和機(jī)械驅(qū)動(dòng)式兩種不同的變焦驅(qū)動(dòng)方式，概括了液體變焦鏡頭的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了其在光流控芯片內(nèi)的集成應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)液體變焦鏡頭研究面臨的難題進(jìn)行分析，探討了相應(yīng)的解決措施，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向進(jìn)行了展望和總結(jié)。

2 液體變焦鏡頭的分類(lèi)

按照液體變焦驅(qū)動(dòng)機(jī)制的不同，液體變焦鏡頭分為物性控制式和機(jī)械驅(qū)動(dòng)式，如圖1所示。其中，物性控制式變焦鏡頭包括基于液晶材料、電化學(xué)活化、介電泳技術(shù)和電潤(rùn)濕技術(shù)的液體變焦鏡頭。機(jī)械驅(qū)動(dòng)式變焦鏡頭包括基于靜電力驅(qū)動(dòng)、電磁力驅(qū)動(dòng)、壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境響應(yīng)液體變焦鏡頭。

圖1 液體變焦鏡頭的分類(lèi) Fig.1 Classification of liquid variable-focus lenses

2.1 物性控制式液體變焦鏡頭

物性控制式液體變焦鏡頭依靠鏡頭內(nèi)填充介質(zhì)材料本身的物理性質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)規(guī)律的探究，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)材料的分子取向、表面張力、接觸角和潤(rùn)濕性等參數(shù)的操控，如液晶材料[22-28]、電化學(xué)技術(shù)[29]、介電泳技術(shù)[30-33]和電潤(rùn)濕技術(shù)[34-40]。

2.1.1 基于液晶材料的變焦鏡頭

大約在40年前，研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用靜電場(chǎng)控制平面型液晶微透鏡實(shí)現(xiàn)變焦功能[41]。研究成果表明[42]，在不施加外部電場(chǎng)時(shí)，液晶分子按照一定角度排列，如圖2(a)所示。在環(huán)形電場(chǎng)作用下，液晶分子取向會(huì)趨于電場(chǎng)方向傾斜，并且，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，傾斜角變大。在圖2(b)中，由于電場(chǎng)強(qiáng)度從中心向邊緣增強(qiáng)，因此中心的液晶分子傾斜角度較小。白俄羅斯新材料化學(xué)研究所Bezruchenko等人[22]提出了一種基于預(yù)傾角梯度對(duì)準(zhǔn)的液晶透鏡制備方法。通過(guò)摩擦和紫外線照射獲得理想的液晶分子預(yù)傾角分布。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，液晶分子非均勻分布，并在初始狀態(tài)下形成具有最小焦距值的雙折射透鏡。當(dāng)電場(chǎng)作用時(shí)，液晶分子沿電場(chǎng)方向垂直均勻分布，能夠得到無(wú)窮大的焦距值。實(shí)驗(yàn)中，使用直徑為2 mm的液晶透鏡，在0～10V的電壓驅(qū)動(dòng)下，焦距從47 cm變化到700 cm。該類(lèi)鏡頭驅(qū)動(dòng)電壓較低，但受到電場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性的限制，難以實(shí)現(xiàn)近焦成像，并且容易造成圖像的光學(xué)失真。

圖2 不同電壓下液晶分子取向示意圖[42] Fig.2 Liquid crystal molecular orientation model at various voltages[42]

2.1.2 基于電化學(xué)活化的變焦鏡頭

電化學(xué)活化作用能夠使水溶性分子在表面非活性態(tài)和表面活性態(tài)之間轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中表面活性物質(zhì)濃度的調(diào)控。同時(shí)，水溶性分子濃度的變化會(huì)導(dǎo)致液體表面張力改變，使液體介質(zhì)產(chǎn)生變形[43]。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院Lopez等[29]設(shè)計(jì)了一種毛細(xì)管微透鏡，由兩個(gè)毛細(xì)管表面組成，用過(guò)量的自由表面液體填充毛細(xì)管孔，如圖3所示。表面活性劑在電壓作用下會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使一個(gè)毛細(xì)管表面相對(duì)于另一表面的表面張力發(fā)生變化。毛細(xì)管內(nèi)液體曲率的改變將引起焦距的變化，而且這一過(guò)程是可逆的。實(shí)驗(yàn)中，獲得透鏡的最小焦距值為0.5 mm，主要取決于液體的體積。該類(lèi)鏡頭的焦距調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，且變化規(guī)律難以定量分析，因此目前報(bào)道的研究相對(duì)較少。

圖3 電化學(xué)活化液體透鏡示意圖[29] Fig.3 Schematic of electrochemically activated liquid lens[29]

2.1.3 基于介電泳技術(shù)的變焦鏡頭

介電泳效應(yīng)指在非均勻電場(chǎng)的作用下，由于介質(zhì)顆粒極化程度不同，導(dǎo)致正負(fù)電荷受力不均產(chǎn)生側(cè)向位移[44]。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校江洪睿等人[30]提出了一種基于柔性襯底的介電泳力作用液體變焦鏡頭，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于介電泳力作用的液體變焦鏡頭結(jié)構(gòu)和器件[30] Fig.4 Structure and device of the variable-focus liquid lens based on dielectrophoresis force[30]

該介電液體透鏡包含硅油和多元醇兩種密度相等的不導(dǎo)電液體。在柔性基底上表面沉積一層特氟龍(Teflon)薄膜，利用其潤(rùn)濕性對(duì)硅油滴的空間位置進(jìn)行限制，減小運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。同時(shí)，在環(huán)氧SU-8樹(shù)脂下表面布置一對(duì)環(huán)形同心電極，以產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。當(dāng)施加電壓時(shí)，由于多元醇的介電常數(shù)比被包圍的硅油液滴的介電常數(shù)大，電場(chǎng)作用產(chǎn)生的介電泳力使液體向內(nèi)擠壓變形，從而增大硅油液滴與基底的接觸角。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)125 Vrms時(shí)，鏡頭焦距從14.2 mm變化到6.3 mm。該類(lèi)透鏡通常需要設(shè)計(jì)加工復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)，而且驅(qū)動(dòng)電壓較高，調(diào)焦范圍相對(duì)較小。

2.1.4 基于電潤(rùn)濕技術(shù)的變焦鏡頭

圖5 電潤(rùn)濕原理及實(shí)驗(yàn)[45]。(a)介質(zhì)上電潤(rùn)濕原理示意圖；(b)加壓前后液滴潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn) Fig.5 Principle and experiment of electrowetting[45]. (a)Schematic diagram of electrowetting-on-dielectric. (b)Wettability test of droplet before and after applying voltage

圖6 可調(diào)電潤(rùn)濕液體鏡頭結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)[34]。(a)透鏡結(jié)構(gòu)；(b)環(huán)形光圈模式；(c)中心光圈模式；(d)焦距與電壓的關(guān)系 Fig.6 Structure and experiment of the switchable electrowetting liquid lens[34]. (a)Cell structure. (b)Annular aperture mode. (c)Central clear aperture mode. (d)The relations between focal length and applied voltage

四川大學(xué)王瓊?cè)A等人[34]設(shè)計(jì)了一種基于環(huán)形光圈和中心光圈調(diào)焦模式的光學(xué)微透鏡，結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。該裝置利用偏振片和液晶材料控制著不同偏振方向入射光線的通斷。圖6(b)和6(c)分別顯示了初始狀態(tài)和液晶材料施加電壓狀態(tài)下，入射光線在透鏡內(nèi)的路徑。處于環(huán)形光圈模式時(shí)，由于反射片的作用，將入射光功率增大3倍，以增強(qiáng)鏡頭的成像亮度；處于中心光圈模式時(shí)，由于邊緣光線被阻擋，從而降低了像差，擴(kuò)大了景深，提高了鏡頭的光學(xué)成像質(zhì)量。不同模式下的透鏡焦距與電壓關(guān)系如圖6(d)所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓從20 V變化到70 V時(shí)，中心光圈模式透鏡的調(diào)焦范圍為(-∞,-66.7 mm)∪(+32.4 mm,+∞)。而環(huán)形光圈模式透鏡只能聚焦，調(diào)焦范圍為(+18.4 mm,+∞)。相比于傳統(tǒng)的電潤(rùn)濕鏡頭[35-36]，這類(lèi)液體鏡頭能夠在高分辨率、大光功率的環(huán)形孔徑模式和大景深、小像差的環(huán)形孔徑模式之間切換，但是由于有效孔徑的減小和偏振片的作用，透鏡的光學(xué)效率降低，并且驅(qū)動(dòng)電壓仍然較高。

2.2 機(jī)械驅(qū)動(dòng)式液體變焦鏡頭

機(jī)械驅(qū)動(dòng)是液體鏡頭變焦的另一種實(shí)現(xiàn)方式，其通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭腔體壓力和改變外界環(huán)境使液體介質(zhì)的界面曲率或折射率的變化。常見(jiàn)的變焦方式有靜電力驅(qū)動(dòng)[47-48]、電磁力驅(qū)動(dòng)[49-53]、壓力調(diào)節(jié)[54-58]和環(huán)境響應(yīng)[59-60]。

2.2.1 基于靜電力驅(qū)動(dòng)的變焦鏡頭

靜電力驅(qū)動(dòng)情況下，通電電極由于電場(chǎng)作用產(chǎn)生相互作用力，施加于鏡頭填充液。法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Pouydebasque等人[47]研發(fā)了一種由平面電極靜電驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 基于靜電吸引的液體變焦鏡頭[47]。(a)透鏡截面結(jié)構(gòu)；(b)無(wú)電壓狀態(tài)；(c)加電壓狀態(tài) Fig.7 Variable-focus liquid lens by electrostatic attraction[47]. (a)Cross-sectional structure of the lens. (b)Without an applied voltage. (c)With an applied voltage

鏡頭裝置通過(guò)彈性聚合物薄膜將高介電常數(shù)液體封裝在薄玻璃片上的腔體中。同時(shí)，分別在薄膜下表面和薄玻璃片上表面沉積環(huán)形金屬電極構(gòu)成平行板靜電致動(dòng)器。當(dāng)施加電壓時(shí)，平行板電極由于靜電吸引相互靠近，腔內(nèi)液體被擠向透鏡中心，改變了薄膜的曲率。該鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊(小于6 mm×6 mm×0.7 mm)、驅(qū)動(dòng)電壓低(小于25 V)，利用MEMS制造工藝批量化生產(chǎn)增強(qiáng)了產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。

圖8 3種常見(jiàn)的電磁驅(qū)動(dòng)液體鏡頭結(jié)構(gòu)[49-51]。(a)基于電磁吸引的液體變焦鏡頭；(b)基于通電線圈洛倫茲力驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭；(c)基于鐵磁流體流動(dòng)的液體變焦鏡頭 Fig.8 Structure of three common electromagnetically driven liquid lenses[49-51]. (a) Electromagnetic attraction varifocal liquid lens. (b) Electric coil Lorentz force driven varifocal liquid lens. (c) Ferrofluid-based fluid varifocal liquid lens

2.2.2 基于電磁力驅(qū)動(dòng)的變焦鏡頭

利用電磁場(chǎng)與磁性材料、帶電導(dǎo)體和鐵磁流體的相互作用產(chǎn)生電磁力，直接或間接地作用于鏡頭腔體內(nèi)部填充液體。圖8為3種常見(jiàn)的電磁力驅(qū)動(dòng)變焦鏡頭結(jié)構(gòu)原理。韓國(guó)明基大學(xué)Sang等人[49]設(shè)計(jì)了基于電磁鐵系統(tǒng)的液體變焦鏡頭，原理如圖8(a)所示。利用透鏡下方的電磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)彈性薄膜上的環(huán)形釹磁鐵，控制透鏡室內(nèi)的液體彈性薄膜凸起或凹陷，使填充液體在透鏡腔和驅(qū)動(dòng)腔之間流動(dòng)。該鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焦距變化范圍較大，但是由于電磁系統(tǒng)的引入，增大了鏡頭體積。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Lee等人[50]提出了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性薄膜與電磁微致動(dòng)器集成的液體鏡頭，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8(b)。在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下，附著在薄膜上的帶狀金屬電極在洛倫茲力驅(qū)動(dòng)下將引起薄膜均勻變形，并通過(guò)液體介質(zhì)傳遞到透鏡腔體。該類(lèi)鏡頭具有驅(qū)動(dòng)電壓低，成像像差小等特點(diǎn)，但是在施加的大電流作用下電極產(chǎn)生的熱量會(huì)加速液體介質(zhì)的蒸發(fā)，影響鏡頭成像性能的穩(wěn)定性。美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)Wu等人[51]研究了一種由鐵磁流體驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭，如圖8(c)所示。該研究采用鐵磁流體作為活塞，通過(guò)電磁鐵吸引控制透鏡腔內(nèi)液體的壓力，從而改變透鏡的曲率和焦距，具有成像質(zhì)量高、響應(yīng)速度快和重力效應(yīng)小等優(yōu)勢(shì)，但是需要用聚四氟乙烯等低摩擦系數(shù)液體對(duì)鐵磁流體進(jìn)行包覆，防止其粘附于流道內(nèi)壁，并且至今仍未能實(shí)現(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在鏡頭結(jié)構(gòu)中的集成。

圖9 壓力調(diào)節(jié)液體鏡頭結(jié)構(gòu)[54-56]。(a)基于液壓控制的液體變焦鏡頭；(b)基于手動(dòng)操縱的液體變焦鏡頭；(c)基于形狀記憶合金變形的液體變焦鏡頭 Fig.9 Structures of pressure adjusted liquid lenses [54-56].(a)Variable-focus liquid lens based on hydraulic control.(b)Variable-focus liquid lens based on manual actuation. (c)Variable-focus liquid lens based on shape memory alloy deformation

2.2.3 基于壓力調(diào)節(jié)的變焦鏡頭

壓力調(diào)節(jié)式液體變焦鏡頭通過(guò)在鏡頭液體腔內(nèi)充液、擠壓或改變孔徑等方式調(diào)節(jié)腔室壓力，使透鏡薄膜曲率或者介質(zhì)材料折射率發(fā)生變化。南京郵電大學(xué)梁忠誠(chéng)等人[54]設(shè)計(jì)了一種基于液壓控制的光學(xué)變焦透鏡，結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)注入或抽取液體，改變裝置進(jìn)出口壓力差值，實(shí)現(xiàn)雙凹和雙凸透鏡的轉(zhuǎn)換。鏡頭裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)焦范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但是需要液壓泵或者注射器等為其提供驅(qū)動(dòng)力。印度理工學(xué)院Patra等人[55]提出了一種基于線性驅(qū)動(dòng)器的手動(dòng)變焦透鏡，如圖9(b)所示。該變焦透鏡通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓改變鏡頭下腔室的體積，從而改變上下層液體間的界面曲率。當(dāng)鏡頭孔徑為3 mm時(shí)，理論聚焦范圍在0.1～0.5 m之間，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，但焦距調(diào)節(jié)范圍較小，并且難以精確控制。美國(guó)猶他大學(xué)Hasan等人[56]以形狀記憶合金彈簧為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的大光圈液體變焦透鏡如圖9(c)所示。利用形狀記憶合金彈簧控制壓縮環(huán)的變形，通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭孔徑實(shí)現(xiàn)變焦。該鏡頭進(jìn)光孔徑達(dá)到34 mm，適用于大光圈成像、小巧輕便的成像設(shè)備，但是鏡頭響應(yīng)速度受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制。

2.2.4 基于環(huán)境響應(yīng)的變焦鏡頭

環(huán)境響應(yīng)式液體變焦鏡頭利用液體介質(zhì)對(duì)溫度和振動(dòng)等外部環(huán)境參數(shù)變化的響應(yīng)，通過(guò)改變曲率或折射率調(diào)節(jié)焦距。俄羅斯秋明國(guó)立大學(xué)Malyuk等人[59]提出了一種由激光誘導(dǎo)的馬蘭戈尼力驅(qū)動(dòng)的液體變焦透鏡，如圖10所示。用激光束加熱，使液滴從中心到邊緣進(jìn)行熱毛細(xì)流動(dòng)，從而改變液滴表面的局部曲率。通過(guò)調(diào)整激光束的功率，液滴可以作為聚焦透鏡或發(fā)散透鏡。該類(lèi)透鏡具有制造成本低、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是液體受熱后蒸發(fā)速度加快，影響成像的穩(wěn)定性。日本同志社大學(xué)Shimizu等人[60]設(shè)計(jì)一種液晶與超聲結(jié)合的變焦透鏡，該透鏡使用超聲振動(dòng)技術(shù)控制液晶分子的方向，如圖11所示。鏡頭利用諧振頻率下的連續(xù)正弦電信號(hào)激勵(lì)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，用以控制液晶層的分子方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于集成設(shè)備的小型化。

圖10 激光誘導(dǎo)變焦透鏡的原理及實(shí)驗(yàn)[59] Fig.10 Principle and experiment of varifocal liquid lens actuated by laser-induced[59]

圖11 超聲壓電激勵(lì)液晶透鏡[60] Fig.11 Liquid crystal lens actuated by ultrasonic piezoelectric [60]

3 光流控芯片集成的變焦鏡頭

光流控技術(shù)將液體變焦鏡頭集成于微流控芯片中，對(duì)生物分子等樣品檢測(cè)發(fā)揮較大作用[61-67]。武漢大學(xué)楊奕等人[61-62]近年來(lái)在光流控芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面做了大量的研究，先后提出了用于流動(dòng)環(huán)境中單細(xì)胞操縱的液體熱梯度折射率(GRIN)透鏡和用于檢測(cè)流動(dòng)細(xì)胞的三維液-液雙凸變焦鏡頭，結(jié)構(gòu)如圖12所示。在圖12(a)中，注入光流控芯片的中心流溫度低于側(cè)流，使流體在橫向流動(dòng)中形成雙向梯度折射率分布，并通過(guò)光場(chǎng)力和阻力的協(xié)同作用對(duì)流動(dòng)環(huán)境中單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行捕獲分析。此類(lèi)芯片可對(duì)280 μm人胚胎腎細(xì)胞的捕獲，表明其在高質(zhì)量成像、檢測(cè)和細(xì)胞處理等芯片上有應(yīng)用潛力。在圖12(b)中，三維雙凸透鏡利用輔助彎曲微通道產(chǎn)生的Dean流三維成像，通過(guò)控制液體的流速調(diào)節(jié)透鏡的形狀和焦距。此類(lèi)芯片可對(duì)小鼠骨髓瘤細(xì)胞和急性早幼粒細(xì)胞成像，證明其在細(xì)胞成像和分析系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

此外，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)Wee等人[63]利用兩種光學(xué)性質(zhì)各向同性液體結(jié)合向列液晶材料實(shí)現(xiàn)了雙折射透鏡在光流控芯片中的集成。研究中使用向列相液晶材料控制入射光線的偏振方向，并通過(guò)操縱流道內(nèi)兩種不同液體之間的界面實(shí)現(xiàn)變焦。設(shè)計(jì)的雙折射液晶透鏡能夠用于捕獲納米顆粒的光鑷、3D顯示的微透鏡陣列等集成的微流控系統(tǒng)中。新加坡南洋理工大學(xué)Song等人[64]開(kāi)發(fā)了基于液體變焦鏡頭的流式細(xì)胞儀。該裝置借助填充液的體積變化控制柔性包覆膜曲率實(shí)現(xiàn)變焦，具有良好的聚焦性和非散射性，在細(xì)胞顆粒計(jì)數(shù)和粒徑選擇方面比以往的片上流式細(xì)胞儀具有更高的效率和精度。香港理工大學(xué)Zhang等人[65-66]報(bào)道了一種借助介電泳力連續(xù)調(diào)節(jié)變焦光流控透鏡，利用透鏡裝置玻璃基底上下表面沉積的圖案化電極產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓從0 V增加到260 V時(shí)，焦距值從-1 mm左右逐漸減小到負(fù)無(wú)窮，再?gòu)恼裏o(wú)窮逐漸減小到+1 mm左右。該芯片裝置體現(xiàn)了物性變焦液體鏡頭的優(yōu)勢(shì)，相比前面提到的光流控芯片，它無(wú)需連續(xù)液體供應(yīng)，具有較寬的調(diào)焦范圍，但驅(qū)動(dòng)電壓較高。

圖12 基于液體變焦鏡頭集成的光流控芯片[61-62]。(a)用于流動(dòng)環(huán)境中生物細(xì)胞捕捉的熱梯度折射率液體鏡頭；(b)三維液-液雙凸凹變焦鏡頭用于生物細(xì)胞成像 Fig.12 Varifocal liquid lens integrated optofluidic chip[61-62].(a)Thermal gradient refractive index liquid lens for trapping single living cell in flowing environments. (b)Switchable 3D liquid-liquid biconvex lens for biological cell image

4 存在的問(wèn)題

液體變焦技術(shù)涉及材料學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、微流體、微制造和微機(jī)電系統(tǒng)等眾多學(xué)科領(lǐng)域[68]，其能夠克服傳統(tǒng)的固體鏡頭組合的變焦局限，適用于高精度、快響應(yīng)、小體積和低成本的成像設(shè)備，有著廣闊的市場(chǎng)前景。目前，液體變焦技術(shù)尚未在數(shù)碼攝影、醫(yī)學(xué)成像和機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，主要因?yàn)樯杏幸恍﹩?wèn)題需要解決[15]。

4.1 驅(qū)動(dòng)電壓

傳統(tǒng)的液晶、介電泳和電潤(rùn)濕等介電材料驅(qū)動(dòng)的物性控制式變焦鏡頭通常需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓，阻礙了液體鏡頭的商業(yè)化進(jìn)程。針對(duì)這一問(wèn)題，日本秋田縣高級(jí)技術(shù)研究所Ye等人[69]在液晶介質(zhì)和孔狀電極之間布置一層薄的弱導(dǎo)電材料，使直徑為15 mm液晶透鏡實(shí)現(xiàn)了低至11 V的電壓驅(qū)動(dòng)。比利時(shí)根特大學(xué)Beeckman等人[70]利用光刻工藝制作緊密排布的多電極結(jié)構(gòu)，并使用高介電常數(shù)薄膜和浮動(dòng)電極有效降低了液晶變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)電壓。上海理工大學(xué)彭潤(rùn)玲等人[71-72]先后研究了雙層和單層介電膜結(jié)構(gòu)對(duì)電潤(rùn)濕雙液透鏡驅(qū)動(dòng)電壓的影響。結(jié)果表明，在雙層介電膜結(jié)構(gòu)中，當(dāng)疏水層薄膜厚度比高介電常數(shù)薄膜厚度小很多時(shí)，液體鏡頭可實(shí)現(xiàn)低壓驅(qū)動(dòng)；在單層介電膜結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)減小膜厚有利于降低鏡頭的驅(qū)動(dòng)電壓。韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院Won等人[73]在保持介電層厚度恒定的前提下，研究了多層介電薄膜結(jié)構(gòu)和液體介質(zhì)類(lèi)型對(duì)電潤(rùn)濕變焦鏡頭驅(qū)動(dòng)電壓的影響(見(jiàn)表1)。由表1可知，多層介電薄膜結(jié)構(gòu)有利于提高介電薄膜的擊穿電壓，降低液體鏡頭的驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)，將0.1wt.%十二烷基硫酸鈉(SDS)加入去離子水(D.I water)中能夠降低鏡頭的工作電壓。

表1 4種介質(zhì)層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 液體蒸發(fā)

在液體變焦鏡頭中，多數(shù)液體介質(zhì)為水或水基溶液，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)液體蒸發(fā)，影響鏡頭的成像質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于機(jī)械驅(qū)動(dòng)的液體變焦鏡頭，一般使用彈性薄膜包覆填充液體以形成密閉的透鏡腔室，防止液體揮發(fā)逸出。而在電潤(rùn)濕鏡頭中，通常設(shè)計(jì)成雙液結(jié)構(gòu)，利用揮發(fā)性小的油基液滴包裹透鏡液來(lái)減緩液體蒸發(fā)。美國(guó)肯塔基大學(xué)Yang等人[74]研究了甲苯和己烷透鏡在去離子水表面的蒸發(fā)行為，得到了透鏡的使用壽命、最大直徑隨初始體積和液體溫度變化的關(guān)系，為兩相流液體鏡頭的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。蘭州大學(xué)張曉萍等人[75]展示的紅外可變焦離子液體鏡頭，可以克服水基液體造成的蒸發(fā)和熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，同時(shí)在可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)范圍可保持良好的光學(xué)透明度。此外，研究人員對(duì)于高分子介電凝膠自適應(yīng)微透鏡以及超薄平面“超透鏡”的研究[76-79]，克服了由于液體蒸發(fā)現(xiàn)象對(duì)鏡頭成像的影響。

4.3 重力效應(yīng)

液滴的重力效應(yīng)會(huì)使透鏡產(chǎn)生像差，影響鏡頭的成像質(zhì)量。研究表明，當(dāng)液滴體積接近微升尺度或者透鏡孔徑不大于1 mm時(shí)，液體的表面張力能夠抵消重力的作用，鏡頭的重力效應(yīng)可忽略。此外，如果液滴外部充滿(mǎn)另一種不相容液體，有助于減弱鏡頭的重力效應(yīng)[80-82]。四川大學(xué)王瓊?cè)A等人[83]選用光學(xué)凝膠(密度為1.110 g/cm3)為透鏡介質(zhì)，并在側(cè)腔填充20%的氯化鋰溶液(密度為1.115 g/cm3)，通過(guò)液體密度匹配有效克服了重力的影響，減小了鏡頭的成像像差。此外，鏡頭的彈性膜受重力影響產(chǎn)生的變形也將引起成像像差。上海理工大學(xué)張薇等人[84]通過(guò)有限元分析，模擬了重力作用下透鏡的初始變形，研究了透鏡直徑與重力引起的波前像差的關(guān)系。結(jié)果顯示，當(dāng)透鏡孔徑小于或等于5 mm時(shí)，重力引起的波前像差可以忽略。捷克理工大學(xué)POKORNY等人[85]推導(dǎo)出了軸對(duì)稱(chēng)液體鏡頭膜變形的一般計(jì)算公式和數(shù)值方法，可在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)基于彈性薄膜的液體透鏡進(jìn)行準(zhǔn)確建模，并精確分析系統(tǒng)的成像特性。蘇州大學(xué)喬文等人[86]建立了二維軸對(duì)稱(chēng)透鏡模型，對(duì)非均勻膜的非線性變形進(jìn)行了理論研究，同時(shí)提出了一種通過(guò)鋁制模具加工非均質(zhì)膜的新方法，并采用光學(xué)相干層析成像(OCT)系統(tǒng)測(cè)量了透鏡輪廓的動(dòng)態(tài)變化，得到非球面液體透鏡的錐系數(shù)與透鏡變形量之間的曲線關(guān)系。德國(guó)弗萊堡大學(xué)Zhao等人[57]通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)了一種非均勻膜厚的液體可調(diào)非球面透鏡，與傳統(tǒng)液體變焦透鏡相比，其波前像差減小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.4 像差缺陷

像差是評(píng)價(jià)透鏡成像質(zhì)量一個(gè)重要參數(shù)，也是鏡頭設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考察的指標(biāo)。南京郵電大學(xué)孔梅梅等人[87]借助拉普拉斯方程，對(duì)含有非球面界面的液體透鏡進(jìn)行了成像分析。結(jié)果顯示，相比于球面，非球面界面液體透鏡的成像質(zhì)量得到很好改善。美國(guó)科羅拉多大學(xué)Zohrabi等人[88]借助COMSOL、MATLAB和ZEMAX數(shù)值模擬軟件對(duì)基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕技術(shù)的多電極液體變焦鏡頭的兩相流模型、平衡狀態(tài)時(shí)液體界面形狀以及成像特性分別進(jìn)行仿真計(jì)算和優(yōu)化，證實(shí)了多電極結(jié)構(gòu)電潤(rùn)濕變焦鏡頭對(duì)波前像差校正的有效性。荷蘭特文特大學(xué)的Mishra等人[89]使用水和油對(duì)兩相流液體鏡頭進(jìn)行研究。以靜水壓力和麥克斯韋應(yīng)力作為兩個(gè)單獨(dú)控制參數(shù)，調(diào)整兩種不混溶液體之間的界面形狀，從而調(diào)節(jié)油水界面的近軸曲率和橢圓度，獨(dú)立控制鏡頭的焦距和球差。加拿大拉瓦爾大學(xué)的Tigran等人[90]將圖案化電極對(duì)稱(chēng)分割成若干部分，實(shí)現(xiàn)了電壓驅(qū)動(dòng)小孔徑液晶透鏡波前像差的校正。浙江大學(xué)的王宣銀等人[58]提出了一種基于多流道結(jié)構(gòu)的液體壓力調(diào)控的變焦鏡頭，通過(guò)在系統(tǒng)光軸上布置多個(gè)透鏡使成像畸變小于3%。

4.5 系統(tǒng)集成

迄今報(bào)道的液體變焦鏡頭多為獨(dú)立的光學(xué)元件，需要額外提供光源和感光器件。隨著對(duì)系統(tǒng)集成化和小型化的需求越來(lái)越多，研究人員更加著重研究將液體變焦鏡頭集成于光學(xué)成像設(shè)備，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。上海理工大學(xué)張薇等人[91]將可變焦液體透鏡應(yīng)用到內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，在保證分辨率的同時(shí)，擴(kuò)大了系統(tǒng)景深。華南師范大學(xué)楊思華等人[92]開(kāi)發(fā)的基于液體鏡頭的不規(guī)則胃腸道成像的自聚焦光聲內(nèi)窺鏡，解決了探頭離焦掃描導(dǎo)致橫向分辨率下降的問(wèn)題，并在家兔直腸切除實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。上海徠卡顯微系統(tǒng)有限公司張祥翔[93]將Optotune公司生產(chǎn)的液體變焦透鏡集成在20倍顯微系統(tǒng)光路中，使系統(tǒng)的調(diào)焦速度低至15 ms，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。四川大學(xué)王瓊?cè)A等人[94]使用3個(gè)電潤(rùn)濕透鏡和兩個(gè)電驅(qū)動(dòng)液體光學(xué)快門(mén)設(shè)計(jì)的液體變焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)變焦和高分辨率成像。此外，液體變焦鏡頭還在光纖通訊、屈光度測(cè)量和層析成像等方面得到研究與應(yīng)用[95-97]。

5 結(jié)論與展望

液體變焦鏡頭無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械部件，大大簡(jiǎn)化了光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，符合智能制造裝備的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了物性控制和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩種不同液體變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并報(bào)道了其在光流控芯片集成方面的研究進(jìn)展。物性控制式液體鏡頭，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控液晶材料的分子取向，以及基于介電泳、電化學(xué)和電潤(rùn)濕原理的液滴操縱等方式實(shí)現(xiàn)變焦功能。該類(lèi)變焦系統(tǒng)具有體積小、噪聲小、響應(yīng)快和成本低等特點(diǎn)。而機(jī)械驅(qū)動(dòng)液體鏡頭是利用靜電力、電磁力、腔體壓力調(diào)節(jié)和環(huán)境參數(shù)來(lái)控制彈性薄膜曲率或填充介質(zhì)的折射率，變焦系統(tǒng)受介質(zhì)材料的導(dǎo)電率和介電常數(shù)等電特性參數(shù)的影響較小，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)焦范圍大。隨著先進(jìn)醫(yī)療儀器、智慧安防設(shè)備及智能制造裝備的快速發(fā)展，將對(duì)自適應(yīng)液體變焦鏡頭提出更高的要求，促進(jìn)液體變焦鏡頭在結(jié)構(gòu)、制造和應(yīng)用等方面快速優(yōu)化升級(jí)。

(1)3D打印技術(shù)的應(yīng)用。利用3D打印增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)腔體和流道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，進(jìn)一步優(yōu)化鏡頭結(jié)構(gòu)，提高鏡頭的光學(xué)性能。

(2)電子芯片的集成。將CMOS和微處理器等電子芯片與液體鏡頭相結(jié)合，使光學(xué)變焦系統(tǒng)朝著集成化、緊湊化和小型化方向發(fā)展，有效縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高圖像的采集、評(píng)價(jià)和處理能力。

(3)智能傳感的融合。通過(guò)在透鏡腔體、彈性薄膜上布置柔性傳感器對(duì)液體壓力變化進(jìn)行檢測(cè)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)成像像差的實(shí)時(shí)反饋和補(bǔ)償校正。

通過(guò)調(diào)研液體變焦技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮與實(shí)際需求結(jié)合的重大問(wèn)題，未來(lái)建議在系統(tǒng)反饋、像差校正、變焦響應(yīng)和透鏡材料等方面加強(qiáng)研究，為液體變焦系統(tǒng)的商業(yè)化發(fā)展奠定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。同時(shí)，加快對(duì)介電凝膠微透鏡與超薄平面“超透鏡”等方向的研究，著力增強(qiáng)現(xiàn)代智能變焦技術(shù)的多樣性和適用性。