1.引 言

變焦光學(xué)系統(tǒng)是照相機(jī)、攝像機(jī)等許多光學(xué)儀器中的關(guān)鍵組成部分，它必須滿足兩個(gè)基本條件：能夠改變焦距，焦距改變過程中保持像面位置不變[1]。傳統(tǒng)的變焦光學(xué)系統(tǒng)需要通過機(jī)械裝置移動(dòng)鏡組來實(shí)現(xiàn)變焦, 系統(tǒng)的各個(gè)參量是根據(jù)變焦時(shí)各運(yùn)動(dòng)組分的共軛距改變量之和為零，即建立相關(guān)的微分方程來確定的。但由于存在機(jī)械可動(dòng)部件，此類鏡頭變焦速度慢、價(jià)格昂貴、堅(jiān)固性差，而且不易在諸如內(nèi)窺鏡、拍照手機(jī)等便攜式微小型裝置中實(shí)現(xiàn)。

因此，許多不同類型的微型變焦透鏡結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，如液壓式微透鏡[2,3]，基于液晶的微變焦透鏡[4]，基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的液體變焦透鏡[5]。其中液壓式微透鏡是通過改變充入腔體內(nèi)液體的體積來改變腔體頂面高分子聚合物聚二甲基硅氧烷 (PolydimethylsiIoxane, PDMS)薄膜的曲率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)焦距的目的，但這種微透鏡由于采用液壓的方式需要一個(gè)額外的泵，與一般光電產(chǎn)品相容性不好，而且如果泵壓力過大，會(huì)對(duì) PDMS 薄膜造成破壞�；�于液晶的微變焦透鏡是利用電壓改變液晶的折射率來控制液晶透鏡的焦距，但是液晶透鏡存在大色差、多焦點(diǎn)和像面難以穩(wěn)定等問題。而基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的雙液體變焦透鏡是通過外加電壓改變液面曲率來實(shí)現(xiàn)變焦，它不同于液晶菲涅爾變焦透鏡[6]，這種透鏡無機(jī)械可動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)小、壽命長(zhǎng)、功耗低，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和巨大的市場(chǎng)前景，為實(shí)現(xiàn)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)變焦提供了可能。

本文所設(shè)計(jì)的基于圓錐結(jié)構(gòu)的雙液體變焦透鏡系統(tǒng)與基于圓柱結(jié)構(gòu)雙液體變焦透鏡系統(tǒng)[7]有所不同，與基于固定焦距透鏡運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)有很大區(qū)別，即無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)快速變焦。為了使其滿足變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本條件，提出并發(fā)展了一種新的變焦光學(xué)系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)方法。

2.電濕效應(yīng)雙液體變焦透鏡

電濕效應(yīng)是一種物理化學(xué)現(xiàn)象，它通過在固體-液體界面之間施加電場(chǎng)來改變液-固表面的張力系數(shù)，從而改變液體和固體接觸角的大小。近年來研究發(fā)現(xiàn)在液滴與電極間插入一層薄的絕緣介質(zhì)層后仍然可以用電控制液滴的接觸角，稱為基于介質(zhì)上的電濕效應(yīng)[8~10]，并且固液接觸角在外加電壓的作用下可以得到更大程度的改變。圓錐形雙液體變焦透鏡的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。玻璃管內(nèi)壁鍍有透明電極，錐形電極表面上沉淀一層疏水介電層，圓錐形容器中依次注入兩種互不浸潤(rùn)的液體，一種為導(dǎo)電液體，另一種為絕緣液體。在導(dǎo)電液體和內(nèi)壁透明電極之間施加電壓后，導(dǎo)電液體與電極間電場(chǎng)改變，從而實(shí)現(xiàn)接觸角和接觸面形狀的改變，達(dá)到液體透鏡變焦的目的。

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