力致变形驱动和电致变形驱动的柔性变焦透镜分析

摘要：本文从基于力致变形(机械传动)驱动和基于电致变形(智能材料)驱动两方面分析了柔性变焦透镜(FVFL)的发展现状。通过归纳和分析发现:柔性变焦透镜均存在温度、重力对稳定性的影响。传统力致变形驱动的柔性变焦透镜变焦范围大，但响应速度慢,不易微型化设计;电致变形驱动的柔性变焦透镜响应速度快、结构紧凑。改善变焦透镜成像质量、降低驱动电压是目前柔性变焦透镜的研究热点。探索新颖的驱动方式，研究低功耗、智能化变焦系统将是柔性变焦透镜的主要发展趋势。

关键词：自适应光学;变焦透镜;智能材料;弹性薄膜

1. 引言

随着科技的发展，传统光学变焦成像系统由于存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对自动化、智能化、微型化光学变焦系统的要求。近年来，柔性变焦透镜已引起国内外学者的广泛关注，柔性变焦透镜通常由透明弹性薄膜和透明流体介质等组成，无需机械移动即能实现焦距的调节，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，可望克服传统光学系统所面临的困难。

早在1941年，美国科学家E. F. Flint提出了柔性变焦透镜，但此后并没有得到广泛关注。直至20世纪末才涌现出大量关于柔性变焦透镜的研究文献。美国“三大光学中心”之一的中佛罗里达大学光学与激光教育研究中心(CREOL)的Shin-Tson Wu团队研究了不同驱动机制的自适应光学变焦透镜，促进了该领域多项关键技术的突破。瑞士洛桑联邦理工学院Muhamed Niklaus等人研究了快速响应的透明电活性聚合物驱动的弹性体透镜。德国弗莱堡大学Hans Zappe团队在改善柔性变焦透镜成像质量方面进行了大量的研究。美国加州大学圣地亚哥分校的De-Ying Zhang等人在流体自适应透镜的变焦范围、性能等方面取得一定进展。瑞士Optotune公司的M. Blum团队在电磁驱动和手动驱动柔性变焦透镜方面的研究取得了良好进展。新加坡国立大学周光亚和余洪斌的团队从2008年开始对变焦透镜开展了大量研究，并取得一定进展。目前柔性变焦液体透镜存在液体泄漏，温度、重力影响等问题，基于智能材料的柔性变焦透镜面临着驱动电压较高的挑战，严重限制其发展和应用。

柔性变焦透镜依据变焦驱动机制可分为力致变形驱动变焦透镜和电致变形驱动变焦透镜。本文将从力致变形变焦透镜和电致变形变焦透镜两个方面概括和分析柔性变焦透镜的发展现状。从变焦实现方式和主要性能参数进行分析，总结和探讨柔性变焦透镜需要解决的主要难题和发展方向。

2. 力致变形驱动的柔性变焦透镜

力致变形驱动变焦即是驱动源通过中间传动环节(如丝杆、流体等)将驱动力作用于液体透镜使透镜薄膜变形从而实现变焦，可划分为基于机械-力式驱动的变焦透镜、基于流体压力驱动的变焦透镜以及基于电磁力作用的变焦透镜等。2.1 机械-力驱动的柔性变焦透镜

机械-力驱动主要是通过伺服电机等方式来驱动。2006年，美国中佛罗里达大学Shin-Tson Wu团队的Hongwen Ren等人提出了采用伺服电机驱动的柔性变焦透镜，如图1所示，伺服电机旋转拉动绳子压缩橡皮薄膜2，导致透镜薄膜4变形，实现焦距可调。该透镜结构紧凑，成本低，但是结构受重力影响严重，不易微型化。2010年该团队的Su Xu等人设计了如图2所示的力润湿透镜(Mechanical-wetting lens)结构，通过旋转螺纹冒，红色环形凸出结构驱动蓝色薄膜，从而实现手动驱动变焦，可以实现可见光和近红外成像。

图1.变焦透镜结构示意图

图2.力润湿透镜及其工作原理

2011年，瑞士Optotune公司的M.Blum等人提出了用旋转丝杆驱动的液体自适应透镜[17]。2013年，德国弗莱堡大学的Peter Liebetraut等人提出通过多个伺服驱动使透镜产生非对称变形，从而实现变焦和像差的控制[25]，其结构如图3所示。该研究仿造人眼睫状肌通过悬韧带向晶状体提供径向应力的机制，结构较为复杂，对控制精度要求较高。

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4. 存在的问题及发展趋势

4.1 存在的问题随着新型驱动和智能材料的快速发展，人们对柔性变焦透镜的研究和开发工作得到蓬勃发展和进步。柔性变焦透镜涉及机械、光学、材料等领域，距离广泛应用还有一定的差距，许多问题尚待进一步深入研究，目前存在的问题主要表现在以下方面：

(1)液体透镜蒸发泄漏现象严重，重力及温度的变化影响系统稳定性;(2)目前对像差的校正的研究较少，总的成像效果不是很理想;(3)介电弹性薄膜所需驱动电压较高，很难实现微型化、低功耗设计。IPMC、压电驱动所需电压不高，但是变焦范围小。同时变形薄膜的松弛现象，影响光学性能的稳定;(4)焦变迟滞现象的研究很少，这对精确控制焦距变化至关重要;

(5)实现智能化变焦以及焦距的精确、快速控制仍是一难题。

4.2 发展趋势

随着智能化、自动化时代的到来，智能化光学设备、先进医疗设备(如内窥镜)、自适应光学系统等对新型光学变焦器件的要求不断升级，柔性变焦透镜的低功耗、微型化、模块化、智能化发展将促使这些领域的快速变革。

(1)柔性变焦透镜的性能优化。降低重力、温度、泄漏等对柔性变焦透镜工作性能的影响，校正柔性变焦透镜的像差，提高系统的响应速度。(2)进行系统的动力学研究。探明材料弹性模量、膜厚、变形等因素对系统整体性能的影响，为实际应用奠定理论基础。(3)基于智能材料的柔性变焦透镜的研究。寻求和探索新型驱动方式一直是柔性光学乃至整个驱动领域研究的热点之一。

5. 结束语

本文从力致变形驱动和电致变形驱动的柔性变焦透镜两方面进行分析和总结。总的来说，液体变焦透镜均存在蒸发泄漏，重力、温度的影响等问题。力致变形柔性变焦透镜主要有机械-力驱动变焦透镜、流体压力驱动变焦透镜和电磁力驱动变焦透镜。机械-力、压力驱动的柔性变焦透镜变焦范围大，但整体系统复杂、系统稳定性较差、响应时间慢等严重制约其发展和应用，电磁力驱动的柔性变焦透镜具有响应速度快、变焦范围大及功耗低等优点已得到良好应用。电致变形(智能材料)驱动的柔性变焦透镜以介电弹性体(DE)驱动的变焦透镜的研究为主要方向，响应速度快、结构紧凑、功耗低，但驱动电压高这一难题使其距离实际应用还有一段距离。通过设计合理的透镜结构改善柔性变焦透镜成像质量，扩大变焦范围等是目前的主要研究热点。提高变焦透镜的稳定性以及低功耗智能化设计，基于智能材料驱动的柔性变焦透镜的研究等是未来的主要发展趋势。由于柔性变焦透镜具有控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，有可能全面覆盖传统光学镜头的应用领域，将是以后光学发展的重要热点方向之一。

        审核编辑：彭菁