液体透镜在变焦系统中的应用

变焦系统是指焦距在-定范围内变化，而像面位置保持不变或基本不变的系统。与定焦镜头相比，变焦镜头的放大倍率可变，无需调整光学系统的位置即可以不同的分辨率对目标成像，能有效提高探测效率，所以具有广泛的应用范围和良好的应用前景。

变焦距光学系统在各种成像系统 (如照相机)中扮演着重要角色 。J。传统变焦距光学系统通常由几个光学组件组成，依靠组件的前后移动来调整焦距或放大率，这种系统的缺点是独立元件(或组件)必须沿着精确计算的轨迹移动，必须采用特殊的驱动电机对独立组件的机械位置提供精准的控制，而且多个组件的动作必须保证同步，这些均对系统的机械结构提出了苛刻的要求，使得传统变焦系统结构复杂，而且成本较高。当今变焦技术对变焦镜头的成像质量和功能提出了更加苛刻的要求，简单、轻孝紧凑以及高速变焦的需求急速上升，因此，寻求取代系统机械动作的途径，从而降低系统复杂程度 目前在成像系统设计中备受关注。

与传统变焦系统相比，低成本、低复杂度、易于微型化、牢固性好、可快速调整光学参数的新型变焦系统的设计更具吸引力。这种新型变焦系统可以是基于某种可以调整光学参数的主动光学组件，比如能够 自主变焦的透镜。自主变焦透镜的发展对于-系列实际应用-无论是矫正视力的主动调焦眼镜 ，还是各种照相机、便携摄像机和手机摄像头4刮中的快速非动力学变焦装置，都起到了重要作用∩以想象，如果有-种可调节透镜能够通过改变其形状或者折射率的分布而不是依靠移动部件实现焦距的连续变化，变焦系统的设计将会出现根本性的改变。

液体透镜是近年来提出的-种新型光学元件，它是利用某种控制方法改变镜头的折射率或形状来调整焦距，实现变焦功能的，是-种全新的变焦方式。液体透镜的变焦响应速度快、功耗低、无噪声等诸多特点完全不同于传统镜片，透镜参数的可调性为光学设计过程提供了-个全新的自由度，必将会使现有的诸多变焦系统得到大幅度的简化。如果能将液体透镜应用于变焦系统的设计而不需要引入任何机械运动部件，将会给变焦距光学系统的发展带来革命性的变化。因此，利用液体透镜获得高成像质量的变焦距光学系统是- 个非常具有吸引力的研究方向。

2 液体透镜的分类到目前为止，有关液体透镜的研究可归结为两大类：-类是渐变折射率透镜，另-类是曲率变化的透镜，本节简要分析和说明了它们的原理和特点。

2.1 渐变折射率透镜渐变折射率透镜主要用到的材料是液晶。液晶具有双折射效应，对不同的偏振光具有不同的折射率，通过控制液晶分子的方向可以控制材料的折射率，也就是说，液晶分子以某种方式排列晶向时，就形成了折射率的渐变，从而产生了透镜效应。

控制液晶材料折射率渐变的方法是目前的研究热点方向之-。它是通过电场的设计将电极巧妙地设置在特殊的位置，通过控制电压，在液晶中形成-个轴对称的不均匀电场，通常使用切片电极施加不同的电压来实现。 J。另-种产生渐变折射率的方法是在液晶中混入聚合物。当聚合物聚合时，即使施加电压，它也会将液晶锁定在原来的晶向而不会发生改变，这也会导致透镜在整个孔径范围内具有不同的折射率，这类透镜已经商品化的代表是 LensVector公司的自聚焦透镜(LVAF)，通过在透明的氧化铟锡(ITO)电极之间放人特殊的隐藏物质层(Hid-den Layer)改变折射率，该项技术已经获得专利。

隐藏层由两种折射率完全相同而介电属性不同的材料构成，材料光学透明，可以产生动态可调、形状可变的电场(如图 1所示)，从而精确控制液晶分子的旋转方向。LensVector公司的液体透镜口径只有1.49 mm，号称世界最小的自聚焦透镜，焦距范围为。-10 cm，相比较而言焦距范围较52 中国光学 第6卷由于上述的2片式系统无法控制系统像差，他们又对近红外波段(0.8，0.85，0.9 m)展开了复杂设计，增加额外的镜片进行像差补偿。光学系统仍用 2片液体透镜提供光学变焦，在液体透镜间插入玻璃镜片校正像散和其它像差。设计的光学系统(F/2.8-4.45)如图 12所示，系统光学总长22 mm，采用0.6 cm(1/4 in)光学传感器，长焦时物距为 15 em，短焦时物距为 6.5 cm。图 13为其调制传递函数(MTF)曲线，从 MTF曲线中可以看出系统仍存在-定的像散，中间焦距(图 13(b))由于系统整体的对称性好，所以像质最好。

Polychromatic difraction MTFCycle/mm(a)11.8mm(a)Atfocus of11.8mmFluidic 1ensl -0m 上 上zo1m 0uI臼星鲭 口 -i 血 -目宣萱雷- - - 。耄 -jF气- / - ～ 22-m m～ ～ - ～ 图 12 光学结构简图(F/2.8～4.45)Fig.12 Schematic drawing of bifocal zoom lens(F/2.8～4.45、Cycle/mmfb1 10.65mm(b)Atfocus of10.65mm图 13 不同焦距下的 MTF曲线Fig.13 MTF plot at different focuses3.4 显微镜在光学显微镜中最常见的调焦方式是移动样品或物镜，这种方式严重地限制了对样品的扫描速度和深度。如果在光路中引入液体透镜，则可以轻松获得几百微米的轴向调焦而不需要任何移动部件，从而能够有效扩大景深。通过适当地控制和计算，可实现对样品或局部(表面形貌)的三维重构，目前已有多种显微镜，包括宽视场显微镜、共聚焦显微镜和双分子显微镜等应用了液体透镜 洲 。

亚利桑那大学的 Sheng Liu等人利用液体透镜实现了单次曝光下显微镜的景深扩展 。他们设计的快速变焦显微镜不仅可以获得宽视场，而且通过快速调整焦距可进行光学立体取样，利Cycle/mm(c)4.46mm(c)Atfocus of4.46mm用反卷积技术实现了厚样品的三维重构，而不像其它方式那样需要多幅图片的细致重合”。

由于液体透镜变焦速度快，可以在-次曝光时间内完成对样品不同深度的采集，也因为液体透镜在变焦过程中是可寻址的，所以无论是不连续或者连续调焦，设计的系统均可以轻松获得所需焦距。试 验 中，他 们采 用 Varioptic公 司 的ARCTIC系列产品，探测器选用黑 白CCD传感器(Dragonfly2，Point Grey Research)，1 024 pixel×768 pixel，帧频为 15 frame/s，样品为几根仙人掌的刺，所拍摄的照片如图14所示。

图14(a)是显微物镜对近距离对焦，只有前面的刺的尖端处于强聚焦，而其它的刺则因为离焦较大而变得模糊；图 14(b)是经过物镜对相应54 中国光学 第6卷。

0 8L 至专o 4苫0 2n n0 6 8 1 3.6 20 4 27 2 34 40 8 47 6 54 4 61 2 68Spatial fcquency/(cycle mm )Polvchromatlc d1 faction M I F lsu ac mⅥge 1 oB(a)短焦(a)ShortfoCUSIl”s o x 2 5 O0；I ntol。 ～ 。

O 8至至O～2n n0 6 8 I3 6 204 27 2 34 40 8 47 6 54 4 61 2 68Spatial fquency/(eycle mm )Polvchromatic dltli'action MTF。TH U M A。R 1 5，2 0。12。 ， I‰ ag。 ‰ r aio n f·图16 MTF曲线图(b)长焦(b)Longfocus2 5000 rS 3 50(]0I]11ll >5 0000 mr1l u 1 00.8 0.8詈 ! g 0.6 S 0.6～～ 耋 r - -～～ 赣暑 0.4墨暑 0.4 0 2O 2- 0l O 08 -D∞ -0 04 -0 02 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0I 01 0 08 0 06 -0 O4 -O O2 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0lFocus shift/km Focus shift/kmPolychmmatic diftaction through focus MTF Polychromatic difraction through focus MTF I Con”fig ， ” Spatial frequency：68 000 cycle/mm Configuratlon 1 of 25 结束语(a)短焦(a)ShortfoCHS(b)长焦fb)Longfocus图 17 光学系统各视场 MTF的离焦曲线Fig.17 MTF plots for different focuses液体透镜技术是当前的研究热点之-，利用液体透镜进行变焦系统设计可以有效降低系统复杂程度，是-种全新的变焦方式。伴随商业化产品的出现，液体透镜在变焦系统中的应用引起了广泛关注，其焦距可调、变焦迅速、低功耗、低成本