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淺析液態鏡頭技術起源
發布人:新特光電 時間:2018-08-06 關注:

在2000年以前,天文望遠鏡的造價高達數千萬美元,個人幾乎是不可能擁有的,只能共享。天文學家何其多也,而天文望遠鏡何其少也。主要原因就在于傳統鏡頭技術高昂的制作和維護成本。

傳統望遠鏡的鏡頭,采用磨光金屬、堅硬的玻璃和大型的鏡面。制造望遠鏡需要使用非常復雜的加工技術,并且付出大量人工工時,才能使反射鏡達到理想的表面。打磨望遠鏡用的反射鏡的工作常常要延續好幾年。而哈勃空間望遠鏡的失敗也讓我們了解了玻璃鏡頭何等脆弱。

上個世紀末,物理學家烏德為了解決這個困難,創造了液體鏡面:他在一個大容器里旋轉水銀,得到一個理想的拋物面,由于水銀能很好地反射光線,所以能起反射鏡的作用。

2000年后,這種液體鏡面的技術被成功應用于天文望遠鏡,而且極大的降低了望遠鏡的制造成本。

反射望遠鏡上的反射鏡,最好是拋物面的,也就是液體在旋轉的容器里形成的那種表面的形狀。當盛滿液體(通常采用水銀)的容器旋轉時,向心力會產生一個光滑的用于望遠鏡的反射凹面。這樣一個光滑的曲面,完全可以代替需要大量復雜工藝并且價格昂貴的玻璃鏡頭

發展

反射式液體鏡頭已經在大型望遠鏡中得到了應用,代替傳統望遠鏡中使用的玻璃反射境。反射型液體鏡頭絕對不會存在易碎這樣的問題,通過改變液體容器的旋轉速度,可以形成曲率不同的反射曲面。Columbia 大學 ( UBC ) 已經研制了一架直徑236英寸(6米)液體反射鏡面望遠鏡 ( LMT )。作為全球第13大的望遠鏡,其反射曲面是由一個盛滿水銀的容器以 5RPM 的速度旋轉形成的。而這架望遠鏡的造價僅為100萬美元左右,而用傳統技術建造同樣大小的一架望遠鏡約需1億美元。

由于在天文望遠鏡上的成功應用,液體鏡頭技術開始受到人們的關注。雖然上面所說的望遠鏡中使用的反射型液體鏡頭和我們在電子照相設備中使用的傳導型透鏡差別還是不小的,但是,利用液體表面成像、以及通過對液面曲率調整來聚焦的原理,卻給了人們帶來極大的啟發。尤其是本世紀初拍照手機等移動消費電子設備的流行,人們對微型變焦鏡頭的需求持續膨脹,傳導型透鏡中的液態鏡頭技術應運而生。

2004 年底,法國的 Varioptic 公司發布了一項可用于手機的采用了電子技術的液體鏡頭專利。這種鏡頭的透鏡是一個小型透明管狀容器,在容器中包含油和水兩種液體,通過電潤濕效應調整這兩種互不融合的液體接觸面的曲率,就可以改變透鏡的屈光度,從而讓鏡頭實現自動變焦,并且準確地把焦點放在需要拍照的物體上。

幾乎與此同時,加利福尼亞大學也發明了液體鏡頭,它通過改變厚度僅為8mm的兩種不同的液體交接處月牙形表面的形狀,實現焦距的變化。這種液體鏡頭相對于傳統的變焦系統而言,兼顧了緊湊的結構和低成本兩方面的優勢。

我們知道,傳統的變焦鏡頭是通過調整兩個固定焦距的鏡頭之間的距離來實現變焦的。而傳導型液體鏡頭使用兩種不能融合的液體,每一種液體擁有不同的折射率,生成一種與傳統的高質量的光學鏡頭一樣的可變聚焦鏡頭,而鏡頭大小卻可以減少到10mm,甚至更小。兩種液體,其中一種是導電的水性溶液,另一種是不導電的油。這兩種液體被裝在小型管狀容器中,在容器內形成相當與玻璃鏡頭的月牙型的曲面,曲面的曲率就是液體鏡頭的焦距。油的抗水表面的濕潤效果可以使用電壓來改變(故名電潤濕),令表面變得更親水(濕潤)或更抗水。由于原先抗水(或親水)的表面現在變得更吸水(或抗水),油層不得不改變其形式,因此,通過調整在容器兩端的直流電電壓,就可以改變兩種不同的液體交接處月牙形表面的曲率,也就是鏡頭的焦距。

據了解,液體鏡頭每次的變焦過程所消耗的能量僅為0.1 微焦耳(mJ),而變焦所用的時間從最極端的凸面到凹面也僅需幾微秒。另外,兩種液體的邊界非常光滑和規整,使得液體鏡頭可用于諸如醫學上用的內窺鏡成像系統,也可以應用在空間狹小的其他領域,如顯微鏡照相機。

優勢

液體鏡頭通過改變液體的壓力來調整焦距。這樣設備可以在一個很小的固定距離范圍內實現變焦系統。而且,這種液體鏡頭非常容易批量生產,成本將大幅度下降。

液態鏡頭可以與所有高性能微型相機模塊兼容實現自動變焦,規格從小到大,可達 1/2.5 英寸;分辨率從 3 Mp 到 10 Mp 甚至更高。 液態鏡頭的光學性能接近衍射極限,不會影響到與之匹配的固定鏡頭的性能。同時,盡管液態鏡頭是為可見光而設計的,但在接近紅外光時,也保持著相同的透明度。

極大的變焦范圍使得其可以適應極寬距離范圍的變焦和聚焦,從幾厘米到近乎無限遠。

液體鏡頭可以用于焦距搜索,即自動聚焦,或者通過其他傳感器獲得目標距離信息,使用開環模式。

在相機模塊中使用液態鏡頭極為簡單方便。從視覺技術看,是按照整體系統和功能來選擇液態鏡頭的位置布局的:對于純焦距控制,液態鏡頭應該被置于盡可能接近孔徑光闌平面,可以是在相機鏡頭前端(Add-on 附加模塊),光學組件中或后面。

由于液態鏡頭本身沒有移動組件(除了液面變化),因此其機械設計非常簡單,幫助縮短相機的設計和制造周期。采用液態鏡頭進行自動聚焦,無需復雜機械執行機構,取而代之的是直接的電子元件和簡單的軟件編程。

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