摘要:本文從基于力致變形(機(jī)械傳動(dòng))驅(qū)動(dòng)和基于電致變形(智能材料)驅(qū)動(dòng)兩方面分析了柔性變焦透鏡(FVFL)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)歸納和分析發(fā)現(xiàn):柔性變焦透鏡均存在溫度、重力對(duì)穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)力致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡變焦范圍大,但響應(yīng)速度慢,不易微型化設(shè)計(jì);電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊。改善變焦透鏡成像質(zhì)量、降低驅(qū)動(dòng)電壓是目前柔性變焦透鏡的研究熱點(diǎn)。探索新穎的驅(qū)動(dòng)方式,研究低功耗、智能化變焦系統(tǒng)將是柔性變焦透鏡的主要發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:自適應(yīng)光學(xué);變焦透鏡;智能材料;彈性薄膜
1. 引言
隨著科技的發(fā)展,傳統(tǒng)光學(xué)變焦成像系統(tǒng)由于存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、機(jī)械磨損嚴(yán)重、加工難度大等缺點(diǎn),已無(wú)法滿足智能化光學(xué)設(shè)備對(duì)自動(dòng)化、智能化、微型化光學(xué)變焦系統(tǒng)的要求。近年來(lái),柔性變焦透鏡已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和透明流體介質(zhì)等組成,無(wú)需機(jī)械移動(dòng)即能實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié),具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、制造成本低、無(wú)機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn),可望克服傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所面臨的困難。
早在1941年,美國(guó)科學(xué)家E. F. Flint提出了柔性變焦透鏡,但此后并沒(méi)有得到廣泛關(guān)注。直至20世紀(jì)末才涌現(xiàn)出大量關(guān)于柔性變焦透鏡的研究文獻(xiàn)。美國(guó)“三大光學(xué)中心”之一的中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與激光教育研究中心(CREOL)的Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)研究了不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制的自適應(yīng)光學(xué)變焦透鏡,促進(jìn)了該領(lǐng)域多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Muhamed Niklaus等人研究了快速響應(yīng)的透明電活性聚合物驅(qū)動(dòng)的彈性體透鏡。德國(guó)弗萊堡大學(xué)Hans Zappe團(tuán)隊(duì)在改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量方面進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的De-Ying Zhang等人在流體自適應(yīng)透鏡的變焦范圍、性能等方面取得一定進(jìn)展。瑞士Optotune公司的M. Blum團(tuán)隊(duì)在電磁驅(qū)動(dòng)和手動(dòng)驅(qū)動(dòng)柔性變焦透鏡方面的研究取得了良好進(jìn)展。新加坡國(guó)立大學(xué)周光亞和余洪斌的團(tuán)隊(duì)從2008年開(kāi)始對(duì)變焦透鏡開(kāi)展了大量研究,并取得一定進(jìn)展。目前柔性變焦液體透鏡存在液體泄漏,溫度、重力影響等問(wèn)題,基于智能材料的柔性變焦透鏡面臨著驅(qū)動(dòng)電壓較高的挑戰(zhàn),嚴(yán)重限制其發(fā)展和應(yīng)用。
柔性變焦透鏡依據(jù)變焦驅(qū)動(dòng)機(jī)制可分為力致變形驅(qū)動(dòng)變焦透鏡和電致變形驅(qū)動(dòng)變焦透鏡。本文將從力致變形變焦透鏡和電致變形變焦透鏡兩個(gè)方面概括和分析柔性變焦透鏡的發(fā)展現(xiàn)狀。從變焦實(shí)現(xiàn)方式和主要性能參數(shù)進(jìn)行分析,總結(jié)和探討柔性變焦透鏡需要解決的主要難題和發(fā)展方向。
2. 力致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡
力致變形驅(qū)動(dòng)變焦即是驅(qū)動(dòng)源通過(guò)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)(如絲桿、流體等)將驅(qū)動(dòng)力作用于液體透鏡使透鏡薄膜變形從而實(shí)現(xiàn)變焦,可劃分為基于機(jī)械-力式驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡、基于流體壓力驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡以及基于電磁力作用的變焦透鏡等。2.1 機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡
機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)伺服電機(jī)等方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。2006年,美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)Shin-Tson Wu團(tuán)隊(duì)的Hongwen Ren等人提出了采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡,如圖1所示,伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)繩子壓縮橡皮薄膜2,導(dǎo)致透鏡薄膜4變形,實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)。該透鏡結(jié)構(gòu)緊湊,成本低,但是結(jié)構(gòu)受重力影響嚴(yán)重,不易微型化。2010年該團(tuán)隊(duì)的Su Xu等人設(shè)計(jì)了如圖2所示的力潤(rùn)濕透鏡(Mechanical-wetting lens)結(jié)構(gòu),通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋冒,紅色環(huán)形凸出結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)藍(lán)色薄膜,從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)變焦,可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和近紅外成像。
圖1.變焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.力潤(rùn)濕透鏡及其工作原理
2011年,瑞士Optotune公司的M.Blum等人提出了用旋轉(zhuǎn)絲桿驅(qū)動(dòng)的液體自適應(yīng)透鏡[17]。2013年,德國(guó)弗萊堡大學(xué)的Peter Liebetraut等人提出通過(guò)多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)使透鏡產(chǎn)生非對(duì)稱變形,從而實(shí)現(xiàn)變焦和像差的控制[25],其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該研究仿造人眼睫狀肌通過(guò)懸韌帶向晶狀體提供徑向應(yīng)力的機(jī)制,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)控制精度要求較高。
......
4. 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
4.1 存在的問(wèn)題隨著新型驅(qū)動(dòng)和智能材料的快速發(fā)展,人們對(duì)柔性變焦透鏡的研究和開(kāi)發(fā)工作得到蓬勃發(fā)展和進(jìn)步。柔性變焦透鏡涉及機(jī)械、光學(xué)、材料等領(lǐng)域,距離廣泛應(yīng)用還有一定的差距,許多問(wèn)題尚待進(jìn)一步深入研究,目前存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下方面:
(1)液體透鏡蒸發(fā)泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重,重力及溫度的變化影響系統(tǒng)穩(wěn)定性;(2)目前對(duì)像差的校正的研究較少,總的成像效果不是很理想;(3)介電彈性薄膜所需驅(qū)動(dòng)電壓較高,很難實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗設(shè)計(jì)。IPMC、壓電驅(qū)動(dòng)所需電壓不高,但是變焦范圍小。同時(shí)變形薄膜的松弛現(xiàn)象,影響光學(xué)性能的穩(wěn)定;(4)焦變遲滯現(xiàn)象的研究很少,這對(duì)精確控制焦距變化至關(guān)重要;
(5)實(shí)現(xiàn)智能化變焦以及焦距的精確、快速控制仍是一難題。
4.2 發(fā)展趨勢(shì)
隨著智能化、自動(dòng)化時(shí)代的到來(lái),智能化光學(xué)設(shè)備、先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備(如內(nèi)窺鏡)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等對(duì)新型光學(xué)變焦器件的要求不斷升級(jí),柔性變焦透鏡的低功耗、微型化、模塊化、智能化發(fā)展將促使這些領(lǐng)域的快速變革。
(1)柔性變焦透鏡的性能優(yōu)化。降低重力、溫度、泄漏等對(duì)柔性變焦透鏡工作性能的影響,校正柔性變焦透鏡的像差,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(2)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。探明材料彈性模量、膜厚、變形等因素對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響,為實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。(3)基于智能材料的柔性變焦透鏡的研究。尋求和探索新型驅(qū)動(dòng)方式一直是柔性光學(xué)乃至整個(gè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
5. 結(jié)束語(yǔ)
本文從力致變形驅(qū)動(dòng)和電致變形驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡兩方面進(jìn)行分析和總結(jié)。總的來(lái)說(shuō),液體變焦透鏡均存在蒸發(fā)泄漏,重力、溫度的影響等問(wèn)題。力致變形柔性變焦透鏡主要有機(jī)械-力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡、流體壓力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡和電磁力驅(qū)動(dòng)變焦透鏡。機(jī)械-力、壓力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡變焦范圍大,但整體系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、響應(yīng)時(shí)間慢等嚴(yán)重制約其發(fā)展和應(yīng)用,電磁力驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡具有響應(yīng)速度快、變焦范圍大及功耗低等優(yōu)點(diǎn)已得到良好應(yīng)用。電致變形(智能材料)驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡以介電彈性體(DE)驅(qū)動(dòng)的變焦透鏡的研究為主要方向,響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低,但驅(qū)動(dòng)電壓高這一難題使其距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的透鏡結(jié)構(gòu)改善柔性變焦透鏡成像質(zhì)量,擴(kuò)大變焦范圍等是目前的主要研究熱點(diǎn)。提高變焦透鏡的穩(wěn)定性以及低功耗智能化設(shè)計(jì),基于智能材料驅(qū)動(dòng)的柔性變焦透鏡的研究等是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。由于柔性變焦透鏡具有控制靈活、制造成本低、無(wú)機(jī)械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn),有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域,將是以后光學(xué)發(fā)展的重要熱點(diǎn)方向之一。
審核編輯:彭菁
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原文標(biāo)題:柔性變焦透鏡發(fā)展現(xiàn)狀
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