液體透鏡研究現狀與展望

崔建國，王潤詩，袁 偉，彭 俊，陳余燕

(重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶 400054)

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液體透鏡研究現狀與展望

崔建國，王潤詩，袁 偉，彭 俊，陳余燕

(重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶 400054)

液體透鏡在圖像采集、目標追蹤、生物識別和其他便攜式電子設備中具有極大的應用潛力。液體透鏡與機械變焦透鏡相比具有易于加工、結構緊湊、電壓直接驅動和功耗低等突出優點，已成為當今微納研究領域的研究熱點之一。綜述了國內外現有液體透鏡技術的發展現況，通過總結前人的研究方法，展望了未來液體透鏡的發展方向。

液體透鏡；介質上電潤濕效應；光學變焦；介電電泳效應

隨著科學技術的不斷進步，人們越來越離不開各種各樣的便攜式電子產品。其中，手機和平板電腦更是在人們的生活中占據重要的一席之地。隨時按動快門記錄生活的美好瞬間已成為人們生活的樂趣之一，為此自拍和隨手拍應運而生。遺憾的是現有手機和平板的變焦性能(電子變焦)并不能很好地滿足高清晰度拍照的需要。借助介質上電潤濕效應研制的液體透鏡不但可以很好地實現光學變焦，而且可以實現便攜式電子產品的輕量化、便攜化和低功耗[1]。液體透鏡可廣泛應用于圖像采集、目標追蹤、生物識別等眾多領域，具有獨特的吸引力，已成為當今微納研究領域的研究熱點之一。在液體透鏡的發展過程中，學者們提出了眾多的實現方法，其研究各有特色。為了更好地指明研究方向，本文在總結前人工作的基礎上，對比了目前主流研究技術的優缺點，并在此基礎上對液體透鏡的未來發展做出了展望。

1 介質上電潤濕效應

Aleksandr Froumkine于1936年發現了電潤濕效應，其特性就是在外加電壓的電場力作用下會引起液滴的形狀改變，從而使液滴與介質層的接觸角發生改變，這樣液滴表層的潤濕特性也會隨之改變[2-3]。介質上電潤濕效應是電潤濕效應的延伸與拓展，有學者發現，如果直接將液滴置于金屬板上，并對金屬板和置于液滴中的電極通電，其潤濕特性不僅不佳，而且有時還會有氣泡產生，這就阻礙了實驗的繼續進行，如果在金屬板上旋涂一層絕緣膜，用此膜將液滴與金屬板分開，在施加電壓時不僅不會影響潤濕效應，反而可以獲得十分穩定的實驗結果，于是這種介質上電潤濕效應便被研究者廣泛采用[4]。

2 液體透鏡的起源

液體透鏡的研究最早起源于17世紀的英國，科學家Stephen Gray在不同直徑的小孔中滴入水滴，為了避免水滴重力的影響，同時借助表面的張力將水滴束縛在小孔之中，小孔的直徑均小于等于0.3 mm。Gray發現水滴表面的曲率會隨著小孔孔徑的變化而變化，這樣就可以得到不同放大倍率的透鏡，基于此制作了一臺利用水滴進行光學變焦的顯微鏡[5]。

液體透鏡真正被制作出來是在1995年，Gorman等利用介質上電潤濕原理在透明的電極上放置液滴，并對其通電改變其外形，實現了液體透鏡的變焦功能。2000年，B.Berge等共同對Gorman的研究進行了改進與完善，并成立了專業的商業公司[6]。因為液體透鏡有著較好的發展前景，吸引了不少團隊與公司，他們紛紛致力于研制性能優越，實用性強的液體透鏡[7-9]。目前，Philips公司與VariOptic公司是世界上最知名的兩家研制液體透鏡的公司，雖然在某些報道及文章中有提到他們研制出的產品，但時至今日仍未看到液體透鏡在各大數碼產品中廣泛應用，說明液體透鏡從產生到普及還有較長的一段路要走。

3 液體透鏡研究現狀

在液體透鏡的研究中，研究者既有采用單液體，也有采用雙液體。雙液體透鏡大多利用介質上電潤濕原理設計，單液體的液體透鏡多通過注射器抽吸改變腔室內的液體體積來實現變焦功能。

3.1 國外液體透鏡研究現狀

3.1.1 雙液體透鏡的研究

2000年法國的B.Berge和J.Peseux提出的雙液體透鏡模型如圖1所示。該模型采用的雙液體是Na2So4溶液和硅油。該液體透鏡借助介質上電潤濕原理，通過使兩液體的交界面形狀發生變化來實現焦距改變。該透鏡與眾不同之處在于，改變了雙液體的放置順序，將油滴放在下面，水滴放在上面。在實驗中，焦距發生改變的初始驅動電壓為80 V，在0～200 V條件下，液滴屈光度可實現從30°到100°的變化[10]。但因該透鏡對驅動電壓的要求較高，故不便嵌入便攜式電子設備中使用。

1為Na2So4溶液，2為水溶液。 圖1 B.Berge等2000年提出的液體透鏡原理圖

為了改進液體透鏡的性能，B.Berge等在2005年對上述液體透鏡進行了改進，采用的雙液體為水與非極性油，其介電層用的是聚對二甲苯，厚度為5 μm，如圖2所示。這種新型的液體透鏡，其驅動電壓在30 V便有屈光度改變，在60 V時改變效果較為明顯。但該液體透鏡光軸的穩定性不十分理想，作者提出的解決方案是使雙液體的密度盡可能相等，并將液-液交界面盡量調節到透鏡的中間位置[11]。

圖2 B.Berge等2005年提出液體透鏡改性模型

2005年B.Berge等還提出了另一款將液體透鏡與機械鏡頭結合工作的液體透鏡，其中后者用于獲取圖像，前者負責變焦。該液體透鏡的優點是：可利用手機電源變壓輸出0～60 V電壓，實現變焦[12]。

2004年S.Kuipera和 B.H.W.Hendriks等研制了一種雙液體透鏡，其使用的材料是20%的氯化鋰鹽溶液和非極性油。該透鏡可由50 V的直流電壓來驅動，通過觀察雙液體交界面的形變情況來研究焦距的變化[13]。2005年S.Kuipera等對其研制的雙液體透鏡做了改進。雙液體使用的是折射率為1.540和1.344的鹽溶液與非極性油。該液體透鏡的性能十分優越，它的驅動電壓為50～100 V，每次轉換的能耗為0.5 μJ，保持液滴形狀無需耗能，變形轉換時間只需要10 ms，轉換的速度相當快[14]。因在水中加入鹽后可降低其冰點，透鏡在-40 ℃條件下都可工作。美中不足的是：此次改進液體透鏡的驅動電壓仍然較高，對于便攜式電子設備來說，驅動仍然較為困難。

圖3 S.Kuipera等研制的液體透鏡的原理圖

2007年J.Andrew Yeh等研究的雙液體透鏡中，其變焦方式與前面提到的幾種方法類似，焦距變化范圍為34 mm～12 mm，使用的電壓范圍為0～200 V[14]。該透鏡對電壓要求高，且開啟與關閉透鏡所需的時間都相對較長。但該透鏡的亮點之處是：首次清晰地描繪了接觸角隨電壓的變化情況，如圖4所示。

圖4 J.Andrew Yeh等研制液體透鏡的接觸角 隨電壓變化情況

2015年韓國的Hongwen Ren等借助介電電泳效應，利用ITO導電玻璃研制了一種新穎的具有徑向叉指條紋電極的可調焦液體透鏡[15-16]。該透鏡的突出優點是驅動電壓較低，可在0～28 V電壓的驅動作用下可實現5～12 mm的焦距變化。但該透鏡的不足之處是透鏡封裝后外形尺寸較大，約2 cm×2 cm，且透鏡的響應時間較長，往復變焦一次時間為2.5 s。

3.1.2 對于單液體透鏡的研究

在單液體透鏡研究方面，國內外學者使用的方法十分類似，大都采用抽吸方式改變透鏡內液體體積，使彈性膜發生形變，以此達到調焦的目的。

2007年Hongwen Ren等設計了一款多層結構的單液體透鏡，其外形如圖5所示。它是在兩塊玻璃圓盤上各鉆一個5 mm的小孔，上面圓盤的孔洞用50 μm厚的PDMS薄膜來密封，下面圓盤的孔洞用與PDMS具有相同楊氏模量(3 MPa)的薄膜來密封，其厚度為100 μm。它們都作為彈性薄膜，只不過上面平板的膜布置在兩層玻璃的外部，下面的膜則布置在兩層玻璃的內部[17]。 實驗中單液體使用的是水，因為水具有低反射率和高冰點的缺點，為使用高反射率低冰點的液體，筆者建議未來可以使用二甲基硅油(n=1.60)等替代物。該液體透鏡的上升變形時間為35 ms，下降時間為40 ms，響應速度非常迅速。不過實驗中研究者是通過鋼筆擠壓薄膜改變腔內液體體積與薄膜外形輪廓來達到變焦的目的，如圖6和圖7所示。這種驅動方式對于透鏡的使用來說十分不便，因為借助外力來改變膜的形狀，對膜的壽命和變形量的精確控制來說是十分不利的。

圖5 Hongwen Ren等研制的液體透鏡示意圖

圖6 Hongwen Ren設計的單液體透鏡結構原理圖

3.2 國內液體透鏡的研究現狀

相對于國外研究來說，國內對液體透鏡技術的研究起步較晚，致力于研制液體透鏡的機構數量較少。國內研究液體變焦透鏡的機構主要有東南大學、四川大學、蘭州大學和中科院等[9]，雖然國內液體透鏡的研究原理大多與國外相同，但在應用上卻有獨到之處。

圖7 單液體透鏡受外力壓迫進行調焦的原理圖

3.2.1 國內雙液體透鏡的研究

國內在雙液體透鏡的研究方面有許多相似之處，下面主要介紹三種較有特色的。2012年胡曉東等研制了基于離子液體的雙液體透鏡[18]。其實驗中采用的雙液體為正十二烷與離子液。借助的也是介質上電潤濕效應，其變焦情況如圖8所示(其中，f代表焦距)。采用離子液體制作透鏡可以改進常規液體透鏡的性能，因它不會揮發、反應速度更快，需要的電壓相對較低，能耐受的溫度相對較高，因而可能會成為液體透鏡未來的研究方向之一。

圖8 基于離子液體的透鏡變焦示意圖

液體透鏡不僅可以變焦用于放大與縮小圖像，還可利用介質上電潤濕效應制成光學開關。2014年，王明華等通過電壓驅動使黑色液滴發生移動來關閉或開啟光孔，研究實現了 1×2的光學開關，原理如圖9所示[19]。他們在底部電極的中部固定了一個柱體來放置黑色液滴，其他的空間由硅油填充。染色液滴的兩端開有相距4.9 mm、直徑1.8 mm的小孔，作為光的傳輸通道。當只對一個電極通電且所加電壓小于30 V時，光可完全通過光孔，無光損耗。當電壓高于30 V時，逐漸出現光損耗；當電壓等于50 V時，右光孔被堵住；當電壓大于50 V時，兩孔都被堵住，其開關響應時間為52～250 ms。當對2個電極同時施加電壓為53 V時，光衰減最大為29 dB。該開關透鏡在光交換網絡中具有較好的應用前景，如可制作成可變光衰減器、光路由器等。

圖9 液體透鏡用作光學開關示意圖

Cheng-Chian Yu等研制了一種特殊的雙液體光圈，與現有雙液體透鏡采用相同的驅動原理，除了構造略有不同外，液體光圈改變的也不是交界面的接觸角而是液滴直徑。在該光圈中，介質層被鍍在頂板上，且透鏡底板區域用紫外照射處理，使其成為親水區域。通過預先調整兩塊ITO玻璃基板之間的距離，可使鹽溶液與頂上的玻璃基板之間產生一個合適的接觸面積，然后再加電壓使接觸區域的鹽溶液的導電性能發生變化，在此基礎上可實現液滴直徑改變，其結構如圖10所示。該液體光圈的反應時間非常短，從電壓關閉狀態(0 V)到電壓開啟狀態(200 V)，并回歸到電壓關閉狀態所需的時間分別為10 ms與15 ms。在能耗方面也是極低的，光圈的最大功耗僅為2.45 μW[20]。該研究美中不足之處是透光率較低，但其壽命遠大于機械光圈，若在將來的研究中能將液體透鏡與液體光圈有機結合，那將可實現更多的光學功能。

3.2.2 國內單液體透鏡的研究

黃婷婷等研究的單液體透鏡是由一個圓柱形空腔、平板玻璃和以熱硫化硅膠為材料制成的薄膜共同組成的，并將單液體封裝在其內部。該液體透鏡無需電壓來調焦，只需借助于物理方法用泵抽吸液體促使薄膜變形而調焦，其原理圖如圖11所示。透鏡中的單液體可使用純水或硅油，相應的透鏡分別稱為“水透鏡”和“油透鏡”。在相同條件下“油透鏡”的變焦效果更好[21]。單液體透鏡的制作相對簡單，但缺點也較多：如光軸不穩定、變焦范圍較窄、成像質量不夠好等。除此之外，單液體透鏡還存在著薄膜勞損、液體揮發、響應速度慢和液體體積調節量不夠精確等缺點[22]。

(a) 電壓關閉狀態下絕緣油與鹽溶液被置于兩塊ITO玻璃之間，(b)在電壓開啟狀態下液體光圈的直徑變大

圖10 基于電潤濕效應的液體光圈結構示意圖

圖11 單液體透鏡原理

4 思考與展望

目前，國內外液體透鏡研究中較為集中的問題主要有以下3點：

1) 光軸不穩定，導致圖像失真。該問題幾乎存在于所有的液體透鏡研究過程之中，無論是基于介質上電潤濕原理制作的雙液體透鏡，還是基于物理抽吸實現變焦的單液體透鏡，該問題都普遍存在著。目前克服該問題較好的方法是來自VariOptic公司Bruno Berge提出的采用錐形結構將液-液交界面盡量調節到中間位置。

2) 驅動電壓較高。除少數情況外，該問題存在于大部分的研究中。多數研究中，驅動電壓都高達100 V左右，這也成為阻礙液體透鏡廣泛應用的主要原因之一。

3) 接觸角的飽和問題。在電壓較小時，幾乎觀察不到接觸角的改變，而隨著驅動電壓的升高，接觸角容易飽和，即當電壓增加到一定程度時，接觸角不再發生變化。此外，還要考慮介質層電擊穿的問題，驅動電壓不可無限增加。

目前，液體透鏡除了在液體種類選擇(鹽溶液和離子液等)和結構設計(圓錐狀外形和驅動電極形狀等)上開展深入研究外，還可以將研究視角轉到透鏡的擴展應用上，如光學控制元器件等方面。作為微納領域的新興技術，液體透鏡的發展備受廣大學者與相關企業的關注。雖然液體透鏡技術還存在一定的不足，但其優越的性能是傳統光學系統無法企及的。通過國內外學者的共同努力，一定能將液體透鏡的技術共同推進，使液體透鏡在將來得到廣泛應用，從而進一步推動科技的發展，更好地提升人們的生活質量。

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(責任編輯 陳 艷)

Research Status and Prospects of Liquid Lens

CUI Jian-guo, WANG Run-shi, YUAN Wei, PENG Jun, CHEN Yu-yan

(School of Pharmacy & Bioengineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

Liquid lenses have potential applications in image acquisition, target tracking, biometrics, and other portable electronic devices. Comparing with the mechanical zoom lens，liquid lens has become a hot point in micro-nano research field due to the advantages of easy fabrication, compact structure, direct voltage actuation, and low power consumption. This paper reviews the development of domestic and foreign existing liquid lens technology, and prospects for the future development direction of the liquid lens by summarizing the previous research methods.

liquid lens; electrowetting on dielectric; optical zoom; dielectrophoretic effect

2015-12-25 基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2015BAI01B14)；重慶理工大學實驗技術基金項目 (Sk201403) ；重慶理工大學研究生教育教學改革項目(yjg2013205)

崔建國(1974—)，男，遼寧錦州人，博士，副教授，主要從事生物醫學微系統方向研究，E-mail:cjg777@163.com。

崔建國，王潤詩，袁偉，等.液體透鏡研究現狀與展望[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):105-110.

format：CUI Jian-guo, WANG Run-shi, YUAN Wei, et al.Research Status and Prospects of Liquid Lens[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):105-110.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.018

TN942.2+1; O435.2

A

1674-8425(2016)11-0105-06