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。

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