液體焦化透鏡的發(fā)展現(xiàn)狀

1液體x射線(xiàn)成像系統(tǒng)國(guó)外研究現(xiàn)狀隨著人類(lèi)生活的逐步提高，人們對(duì)各種產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高。由于有很多機(jī)械部件，操作人員不靈活，生產(chǎn)費(fèi)高，普通多鏡面成像系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求。人們希望有一個(gè)更方便的成像系統(tǒng)，并且可以達(dá)到相同的成像目的。近幾年來(lái),國(guó)外一些公司破除了多年來(lái)人們對(duì)固體透鏡的認(rèn)識(shí),另辟蹊徑,使用液體作為透鏡的主要組成部分,研制成功一種新型的透鏡——液體變焦透鏡,取得了很大成功.2不同結(jié)構(gòu)的液體透鏡系統(tǒng)液體透鏡是使用一種或多種液體制作而成的一個(gè)無(wú)機(jī)械部件,并通過(guò)控制液面形狀無(wú)限可變的透鏡.它與傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的最大區(qū)別在于:傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)都是使用具有固定焦距的樹(shù)脂或玻璃等透明物質(zhì)做成的一系列透鏡的組合,而新型的液體透鏡成像系統(tǒng)卻僅僅是由一個(gè)可變焦的透鏡組成的.3變通法的變通法—液體透鏡的發(fā)展階段早在1965年,弗蘭克·赫伯特在他的科幻小說(shuō)《沙丘》里就提到過(guò)一種叫做“油透鏡”的可變焦透鏡,是它給科學(xué)家們賦予了靈感.30多年后真正的液體透鏡也終于誕生了,這就是美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出的一種集成型液體變焦透鏡(liquidzoominglens),一種以液壓控制的液體透鏡.加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的液體透鏡是由兩個(gè)裝滿(mǎn)液體的透鏡腔所組成,以背靠背方式緊貼在玻璃基板的兩側(cè).腔體則是由具有彈性的聚二甲基硅氧烷(PolyDiMethylSilioxane,PDMS)所制成,直徑約20mm,厚度只有8mm,在每個(gè)腔體中注入63%的鉻酸鈉溶液(折射率=1.5),并以PDMS薄膜密封,透鏡腔的出、入口設(shè)有活塞,并由一個(gè)與腔體集成在一起的微型泵來(lái)控制壓力,進(jìn)而改變透鏡的焦距.這種集成型液體變焦透鏡是利用液體的連通原理,通過(guò)作用于與液體透鏡連通的另一個(gè)液體容器,用擠壓或拉伸力使之產(chǎn)生物理形變來(lái)控制其焦距,這種控制方法屬于機(jī)械力控制.2003年1月28日,Lucent公司研究部門(mén)的科學(xué)家推出世界上第一款純電力控制的液體變焦透鏡,在電場(chǎng)作用下能改變自己的光學(xué)特性.這種液體透鏡是在帶有特殊涂層的基底上由一種導(dǎo)電液滴(例如硫酸鉀溶液)形成的,在基底上安放有觸點(diǎn),在這些觸點(diǎn)上加電就能控制透鏡的焦距,做成的產(chǎn)品大小可從幾十微米至幾毫米不等.由于它的透鏡表面是液體與空氣的交界面,故變焦的效率高,但同時(shí)也帶來(lái)一個(gè)弊端,其表面只能平放,不好控制,而且對(duì)周?chē)h(huán)境的要求苛刻.為改善其可控性,2004年5月5日,在CeBIT博覽會(huì)上,菲利普公司展出了他們的新產(chǎn)品——具有里程碑意義的新型變焦液體透鏡,這是一款特殊的無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件的可變焦液體透鏡系統(tǒng).菲利普公司的這種液體透鏡是由兩種互不相溶且具有不同折射率的液體組成(如圖1所示):一種是導(dǎo)電的水溶液,另一種則是不導(dǎo)電的油.把兩者裝在一個(gè)一端有透明蓋板的短管里面,管的內(nèi)壁和另一端的蓋板上都涂有疏水性材料,這使得水溶液由于表面張力的作用向沒(méi)有疏水性材料的一端彎曲成了一個(gè)半球狀,通過(guò)在兩片電極上加一直流電壓,致使液面曲率發(fā)生改變,從而改變透鏡焦距.這種方法叫做“電浸潤(rùn)法”.菲利普公司此次展示出的這種液體透鏡具有諸多優(yōu)點(diǎn).例如:體積小,直徑只有3mm,長(zhǎng)度2.2mm,可以輕易地把它安放在縮微的光路中;變焦速度快,它的聚焦范圍可以從5cm到無(wú)窮遠(yuǎn)快速改變(只花了不到100ms的時(shí)間);耗電量小,由于直流電壓相當(dāng)于加載于一個(gè)電容器兩端,幾乎不耗電,只需要1μJ的能量足以改變其焦距,最適合應(yīng)用于電池供電的袖珍產(chǎn)品中;壽命長(zhǎng),經(jīng)測(cè)試,100萬(wàn)次的操作對(duì)其性能毫無(wú)影響,并且抗沖擊性能高,激烈的沖擊和顫動(dòng)都不會(huì)影響它的正常使用,對(duì)溫度的適應(yīng)范圍寬,適合作為移動(dòng)設(shè)備使用;另外,成像的質(zhì)量好,兩種液體的界面是一個(gè)非常平滑的規(guī)則的表面,使得這種透鏡的高光學(xué)性能足以滿(mǎn)足作為醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡等的高要求與應(yīng)用.然而菲利普公司的此種液體透鏡還是不完善的.據(jù)有關(guān)專(zhuān)業(yè)人士稱(chēng):“其制作工藝非常復(fù)雜,特別是做成圓柱體,需要用到很高的電壓才能改變液滴的形狀,并且光軸很難穩(wěn)定,制造這種透鏡相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較麻煩.”而法國(guó)VariOptic公司也研究液體透鏡,他們?cè)?004年12月2日推出了更新款的液體透鏡,可以說(shuō)是菲利普公司的升級(jí)版,特別是對(duì)于它里面一些固有的弊端都作了改進(jìn).4電容器兩端電壓對(duì)電解過(guò)程的影響法國(guó)VariOptic公司的透鏡用的也是“電浸潤(rùn)法”.如圖2所示,該液體透鏡是由兩部分組成的:其中一半是玻璃底板,上置一金屬圈,這是液體透鏡其中一個(gè)電極,把電解液滴放在玻璃底板上金屬圈中間;另一半也是一個(gè)玻璃底板,上面裝一個(gè)圓錐形金屬圈,就成為另一個(gè)電極,在金屬圈上附著一層絕緣層,再在絕緣層和玻璃底板上均涂一層疏水性材料,在這樣形成的圓錐形容器里面,放置不導(dǎo)電的油性液體,最后把兩部分扣起來(lái),兩電極之間用絕緣介質(zhì)隔開(kāi),封裝之后,就是VariOptic公司的液體透鏡.這種液體透鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:液體用的是兩種等密度的液體,它們的密度差以及它們的密度平均值的比例必須做到低于10-2.其中一種是能導(dǎo)電的電解液,另一種是絕緣的油,充當(dāng)眼瞼的作用,像三明治似的夾在一個(gè)圓錐形器皿的兩個(gè)窗口中間,這使得可操作的液體是定量的,并可在一定程度上起到穩(wěn)定光軸的作用.電解液與油之間界面的形狀依靠加在電極上的電壓來(lái)控制,不同的電壓引起兩種液體界面彎曲度的變化,從而導(dǎo)致透鏡焦距的變化.當(dāng)用施加電壓的方法去改變這個(gè)界面的形狀時(shí),就可以獲得所期望的折射率.不施加電壓的時(shí)候,界面是稍微凹進(jìn)去的(如圖2所示);當(dāng)電壓加到40V時(shí),界面變成高高凸起的了(如圖3).從本質(zhì)上講,電壓加在電解液和金屬電極之間,就相當(dāng)于一個(gè)可變電容器.如圖1(b)和圖4所示,當(dāng)施加外界電壓時(shí),電容器兩端電壓升高,電容器兩極板電量增多,在面電荷密度σ=limΔS→0ΔQΔSσ=limΔS→0ΔQΔS固定的條件下,電容器極板表面積變化量必須與積聚在絕緣層兩側(cè)的等量異性電荷的變化量成正比.越來(lái)越多的異性電荷又使電解液與電極之間產(chǎn)生越來(lái)越強(qiáng)的相互吸引靜電力,靜電力的增大使得電解液對(duì)油滴產(chǎn)生擠壓作用,因此,電解液開(kāi)始增大與疏水性材料接觸的面積;同時(shí),由于容器內(nèi)空間和液體體積均不變,電解液沿容器周?chē)好嫔仙?油會(huì)填補(bǔ)原本是電解液占用的空間,從而使兩種液體界面的弧度產(chǎn)生改變,最終達(dá)到改變透鏡焦距的目的,這就是“電浸潤(rùn)”的機(jī)理.菲利普和VariOptic公司正是利用這種辦法改變外加電壓引起兩種液體界面彎曲度的變化,做到在凹凸透鏡兩種形狀上來(lái)回?zé)o縫地轉(zhuǎn)換.以上是定性地了解“電浸潤(rùn)”的機(jī)理,下面我們對(duì)這種變化進(jìn)行定量的分析.在尚未施加電壓之前的狀態(tài)是:水溶液及油之間的界面與電極所形成的角度θ比較小.若以γsw表示固體電極與水溶液之間的界面張力,γow表示油與水溶液之間的界面張力,γso表示固體電極與油之間的界面張力,依據(jù)YL高序方程的推演,角度θ的表達(dá)式如下:cosθ0=γsw?γsoγow.(1)cosθ0=γsw-γsoγow.(1)施加電壓后,此時(shí)θ角由下式?jīng)Q定:cosθ=cosθ0?εε02d?U2,(2)cosθ=cosθ0-εε02d?U2,(2)其中ε為絕緣介質(zhì)層的介電常數(shù),ε0為真空介電常數(shù),d為絕緣層的厚度,U為外加電壓.對(duì)(2)式兩邊求導(dǎo)數(shù),稍作整理,就可以得出透鏡面隨外加電壓的變化率:dθdU=εε0Udsinθ=2dεε0(cosθ0?cosθ)√dsinθ.(3)dθdU=εε0Udsinθ=2dεε0(cosθ0-cosθ)dsinθ.(3)再求θ對(duì)U的二階導(dǎo)數(shù):d2θdU=εε0dsin3θ[sin2θ0+(cosθ0?cosθ)2],(4)d2θdU=εε0dsin3θ[sin2θ0+(cosθ0-cosθ)2],(4)式中εε0d＞0?sin3θ＞0?sin2θ0≠0εε0d＞0?sin3θ＞0?sin2θ0≠0,故d2θdU2＞0d2θdU2＞0由此可得出如下結(jié)論:θ隨U變化率隨θ的增加逐漸增加,且透鏡面變化的靈敏度隨外加電壓的增大而不斷增大.由于把透鏡腔做成錐形,VariOptic最突出的優(yōu)勢(shì)就是成功地實(shí)現(xiàn)了“一種能把小液滴穩(wěn)定在平面上的某一給定點(diǎn)的方法.”這里講的就是穩(wěn)定液滴的中心軸.普通的透鏡是通過(guò)鏡頭的伸縮來(lái)調(diào)焦,它的光軸始終保持穩(wěn)定.相比之下,保持液體透鏡光軸的穩(wěn)定性則不那么簡(jiǎn)單.變焦時(shí),由于液體與器壁及液體之間的粘滯作用,液體對(duì)稱(chēng)部分的變化步調(diào)不可能完全一致,從而使光軸在變焦過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏離.如何在變焦過(guò)程中保持光軸的穩(wěn)定性是透鏡設(shè)計(jì)和使用中非常重要的問(wèn)題,如果單純采用平面結(jié)構(gòu),則當(dāng)光軸產(chǎn)生偏離時(shí)是無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)的,然而設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐哥R結(jié)構(gòu)可以使其對(duì)光軸具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,例如錐形結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn).事實(shí)上,透鏡結(jié)構(gòu)與光軸調(diào)節(jié)能力的關(guān)系可用圖5作更進(jìn)一步的說(shuō)明.當(dāng)光軸發(fā)生距離為s的偏移時(shí),就會(huì)產(chǎn)生附加能量:ΔE=(C0?C)γrs2sinθ.(5)ΔE=(C0-C)γrs2sinθ.(5)當(dāng)ΔE>0時(shí),透鏡能夠自動(dòng)恢復(fù)光軸位置;當(dāng)ΔE<0時(shí),光軸位置則無(wú)法自行恢復(fù).(5)式中,C0與C分別為電解液和油性液體在接觸點(diǎn)處的曲率半徑,γ為液體交界面的張力系數(shù),r為油滴半徑,θ為液面與器壁之間夾角.圖5中所示的透鏡結(jié)構(gòu)就具有很好的穩(wěn)定光軸的能力,當(dāng)其光軸發(fā)生偏離s時(shí)所產(chǎn)生的附加能量為ΔE=(atanπ?α2)?1γowrs2sinθ,(6)ΔE=(atanπ-α2)-1γowrs2sinθ,(6)所以當(dāng)光軸偏移s越大時(shí),ΔE就越大,光軸會(huì)自適應(yīng)地被牽引至透鏡中心.下面討論當(dāng)施加電壓時(shí)透鏡的聚焦性能:將透鏡鏡面近似做球面處理,如圖6所示.設(shè)油性液體體積為V,球面半徑為r,由幾何關(guān)系,有:r=[3Vπ+a3tanαtanαsin3(θ?α)+2[1?cos(θ?α)]?cos(θ?α)sin2(θ?α)]13.(7)r=[3Vπ+a3tanαtanαsin3(θ-α)+2[1-cos(θ-α)]-cos(θ-α)sin2(θ-α)]13.(7)由幾何光學(xué)可知,透鏡焦距f′滿(mǎn)足:f′=n2rn2?n1f′=n2rn2-n1,其中n1,n2分別為電解液和油性液體的折射率.由此可求得光焦度P(P=f′-1):P=n2?n1n2?[3Vπ+a3tanαtanαsin3(θ?α)+2[1?cos(θ?α)]?cos(θ?α)sin2(θ?α)]?13.(8)Ρ=n2-n1n2?[3Vπ+a3tanαtanαsin3(θ-α)+2[1-cos(θ-α)]-cos(θ-α)sin2(θ-α)]-13.(8)再由角度與電壓的關(guān)系((2)式)可導(dǎo)出光焦度與電壓的關(guān)系.以上是理論分析,由實(shí)驗(yàn)可測(cè)得光焦度P與電壓U的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示:由(3)式的推導(dǎo)結(jié)果可以得出,當(dāng)θ=θ0,即一開(kāi)始施加電壓時(shí),θ隨U變化較為緩慢.此時(shí),P變化也較為緩慢,這與理論推導(dǎo)的dθdUdθdU在θ=θ0時(shí)變化緩慢的結(jié)果是一致的;而當(dāng)電壓在30—60V之間時(shí),電壓與光焦度近似成線(xiàn)性關(guān)系,即U=c·P,其中c為與透鏡結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)的常數(shù);當(dāng)電壓繼續(xù)增大,P逐漸達(dá)到飽和,所以透鏡面的變化越來(lái)越遲緩,這是因?yàn)殡S電壓的增大,θ增大,此時(shí)雖然靜電力不斷增大,但由于θ的影響,使得電解液對(duì)油性液體邊緣垂直擠壓力越來(lái)越小,從而使得透鏡面的變化趨于飽和.5在低溫環(huán)境下的應(yīng)用這種液體透鏡有如下優(yōu)點(diǎn):尺寸小(直徑8mm,厚度2mm),其厚度僅僅是一般透鏡組合的5%;由于去除移動(dòng)鏡頭的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分,其低消耗電力與占據(jù)較小空間就成為液體鏡頭的主要特征.根據(jù)VariOptic公司表示,將它運(yùn)用在拍照手機(jī)產(chǎn)品上,則安裝所需的空間大約是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的50%.它的反應(yīng)速度十分優(yōu)異,例如與被攝物體的距離從5cm拉到無(wú)窮遠(yuǎn)僅需要20ms的時(shí)間.不過(guò),由于使用液體的緣故,這個(gè)反應(yīng)速度會(huì)隨著周?chē)沫h(huán)境溫度而變化.根據(jù)通?；A(chǔ)化學(xué)物理常識(shí),液體在低溫的環(huán)境下黏性會(huì)比較高,改變界面形狀所需的時(shí)間自然會(huì)延長(zhǎng).此外,VariOptic公司所發(fā)現(xiàn)的材料即使在-20℃的低溫環(huán)境下,改變形狀約需30ms左右,也是完全可以接受的.在分辨率方面,在常溫環(huán)境下液體鏡頭搭配普通質(zhì)量的固體鏡頭,能與市面上四分之一具備300萬(wàn)像素的成像器件相媲美,而成像之后的歪曲視差,均方根值約為1μm.而在耗電量方面,驅(qū)動(dòng)電壓最高可以到+60V,消耗電流不會(huì)超過(guò)120μA.考慮到電壓與電流的相位差,液體鏡頭單體的電力消耗不會(huì)超過(guò)1mW,即使將驅(qū)動(dòng)IC考慮在內(nèi),大約是在10mW—15mW之間,是現(xiàn)在普通用的機(jī)械自動(dòng)變焦系統(tǒng)的十分之一.再者,VariOptic公司液體鏡頭的鏡頭面是依賴(lài)液體之間的界面張力而運(yùn)作的,因此界面的平滑度也是必須要仔細(xì)考慮的問(wèn)題,根據(jù)實(shí)際的測(cè)試值,表面粗糙程度最多大約是0.3nm.在安全可靠度方面,由于沒(méi)有活動(dòng)部件,所以就不易損壞,而且更加耐用.VariOptic公司指出,如果施加電壓20天,并從1.5m高處以各種角度進(jìn)行落地實(shí)驗(yàn),看起來(lái)都不成問(wèn)題,且目前正進(jìn)入批量生產(chǎn)的階段.能解決的問(wèn)題:色相差.因物質(zhì)折射率隨波長(zhǎng)改變所引起,傳統(tǒng)的透鏡是使用光柵結(jié)構(gòu),但疑似有旋光效應(yīng),或者使用昂貴的顏色校正方法.這些問(wèn)題在液體透鏡上可避免,因?yàn)樵谌芙馓囟ㄎ镔|(zhì)時(shí),能調(diào)試它們的光學(xué)性能以消除色相差.然而,在實(shí)際的環(huán)境中,水溶液比起油的體熱膨脹率相對(duì)要小很