1.引 言

變焦光學系統(tǒng)是照相機、攝像機等許多光學儀器中的關鍵組成部分，它必須滿足兩個基本條件：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)的變焦光學系統(tǒng)需要通過機械裝置移動鏡組來實現(xiàn)變焦, 系統(tǒng)的各個參量是根據變焦時各運動組分的共軛距改變量之和為零，即建立相關的微分方程來確定的。但由于存在機械可動部件，此類鏡頭變焦速度慢、價格昂貴、堅固性差，而且不易在諸如內窺鏡、拍照手機等便攜式微小型裝置中實現(xiàn)。

因此，許多不同類型的微型變焦透鏡結構相繼出現(xiàn)，如液壓式微透鏡[2,3]，基于液晶的微變焦透鏡[4]，基于介質上電潤濕的液體變焦透鏡[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，從而達到調節(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額外的泵，與一般光電產品相容性不好，而且如果泵壓力過大，會對 PDMS 薄膜造成破壞。基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、多焦點和像面難以穩(wěn)定等問題。而基于介質上電潤濕的雙液體變焦透鏡是通過外加電壓改變液面曲率來實現(xiàn)變焦，它不同于液晶菲涅爾變焦透鏡[6]，這種透鏡無機械可動部件、結構小、壽命長、功耗低，具有重要的應用價值和巨大的市場前景，為實現(xiàn)無機械運動變焦提供了可能。

本文所設計的基于圓錐結構的雙液體變焦透鏡系統(tǒng)與基于圓柱結構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動的傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)有很大區(qū)別，即無需機械運動就可實現(xiàn)電驅動快速變焦。為了使其滿足變焦光學系統(tǒng)的基本條件，提出并發(fā)展了一種新的變焦光學系統(tǒng)理論與設計方法。

2.電濕效應雙液體變焦透鏡

電濕效應是一種物理化學現(xiàn)象，它通過在固體-液體界面之間施加電場來改變液-固表面的張力系數，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層后仍然可以用電控制液滴的接觸角，稱為基于介質上的電濕效應[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構如圖 1 所示。玻璃管內壁鍍有透明電極，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的液體，一種為導電液體，另一種為絕緣液體。在導電液體和內壁透明電極之間施加電壓后，導電液體與電極間電場改變，從而實現(xiàn)接觸角和接觸面形狀的改變，達到液體透鏡變焦的目的。

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