基于介质上电润湿的钳制式液体变焦透镜

　　变焦透镜是照相机、摄像机、显微镜、望远镜等许多光学系统中的关键元件。传统变焦镜头一般由两片或更多透镜组合而成, 有些甚至还需结合棱镜等其它光学部件。它们通常是利用电机和齿轮等机械装置来调节透镜间的相对位置, 从而实现变焦。由于存在机械可动部件, 此类镜头变焦速度慢、价格昂贵、坚固性差, 而且不易实现微小型化, 所以它们不适用于拍照手机等便携式微小型光学系统。

　　研发变焦范围大、速度快、失真度小、可靠性高且廉价的微型变焦透镜已经成为近几年国际上的研发热点。现在已经提出了多种基于不同机制的微型变焦透镜结构, 其中以利用介质上的电润湿效应( Electr ow et t ing-on- dielectr ic, EWOD) 研发出的液体变焦透镜最引人注目。所谓EWOD 是指利用固态疏水性介质层下面电极的电势来控制液体的表面张力, 从而改变液体与介质层表面之间的接触角。与传统变焦透镜调节透镜间相对位置的变焦方式不同, 微型液体变焦透镜以微量透明液体为透镜的主体, 利用EWOD 改变液体的形状从而实现变焦的功能。这种通过改变液面曲率来实现变焦的透镜有很多优点: 由于无机械可动部件, 使其非常适用于对可靠性和耐用度要求高的场合; 透镜结构紧凑小巧并且功耗很低, 非常适用于内窥镜和拍照手机等便携设备; 基于EWOD 的液体变焦透镜的另一个突出优点是透镜性能随着尺寸的减小而提高, 即尺寸越小,透镜变焦响应时间越短, 透镜受重力及惯性的影响越小, 焦距的可调范围更广。

　　目前, 国外已经报道了一些基于EWOD 的液体变焦透镜结构[ 1-7] 。其中, 以B. Ber ge 先后所在的法国UMR 光谱实验室与Variopt ic 公司[ 3-5] 以及S.Kuiper 所在的荷兰飞利浦研究实验室[ 6-7] 研发的液体变焦透镜最引人注目, 目前已经达到了实用化水平。这两家公司的液体变焦透镜结构非常类似, 都是采用由透明基板、导电性圆环和透明盖板组成的密闭结构, 结构内部填充着两种互不混溶的液体; 导电性圆环的底部与透明基板均是直接紧密接触, 圆环的顶部和内壁与液体的接触区都覆盖有疏水性薄膜, 而它的底部与外壁不与液体接触。两种变焦透镜在结构上的主要区别在于前者采用的是内壁为圆锥形的导电性圆环, 而后者采用的是内壁为圆柱形的导电性圆环。本文基于EWOD 效应提出了一种新型液体变焦透镜结构, 它采用一个悬置于透明下极板上方一定间距处的金属圆环作为液面的钳制部件, 不仅简化了制造工艺, 而且获得了较为理想的变焦效果。

　　1 透镜结构与工作原理

　　我们提出的液体变焦透镜的截面结构示意图如图1 所示。在一块玻璃底板上, 依次覆盖有透明导电薄膜和疏水性介质薄膜。为钳制住器件中心作为透镜的水滴, 置入一个具有竖直圆孔的金属圆环, 圆环的底面与底板平行且两者之间具有一定间隙, 水处于该间隙以及圆环通孔内。金属圆环底部表面及内壁具有亲水性且直接与水接触, 其余各面均覆盖有疏水涂层。在腔室上方为一块透明盖板, 使整个腔室密闭。