（西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

（西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

本文從基于力致變形（機械傳動）驅動和基于電致變形（智能材料）驅動兩方面分析了柔性變焦透鏡（FVFL）的發(fā)展現(xiàn)狀。通過歸納和分析發(fā)現(xiàn)：柔性變焦透鏡均存在溫度、重力對穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)力致變形驅動的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但響應速度慢，不易微型化設計；電致變形驅動的柔性變焦透鏡響應速度快、結構緊湊。改善變焦透鏡成像質量、降低驅動電壓是目前柔性變焦透鏡的研究熱點。探索新穎的驅動方式，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。

自適應光學；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)光學變焦成像系統(tǒng)由于存在結構復雜、體積笨重、機械磨損嚴重、加工難度大等缺點，已無法滿足智能化光學設備對自動化、智能化、微型化光學變焦系統(tǒng)的要求［1］。近年來，柔性變焦透鏡已引起國內外學者的廣泛關注，柔性變焦透鏡通常由透明彈性薄膜和透明流體介質等組成，無需機械移動即能實現(xiàn)焦距的調節(jié)，具有結構緊湊、控制靈活、制造成本低、無機械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點［2-6］，可望克服傳統(tǒng)光學系統(tǒng)所面臨的困難。

早在1941年，美國科學家E.F.Flint提出了柔性變焦透鏡［7］，但此后并沒有得到廣泛關注。直至20世紀末才涌現(xiàn)出大量關于柔性變焦透鏡的研究文獻。美國“三大光學中心”之一的中佛羅里達大學光學與激光教育研究中心（CREOL）的Shin-Tson Wu團隊研究了不同驅動機制的自適應光學變焦透鏡，促進了該領域多項關鍵技術的突破［8-10］。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Muhamed Niklaus等人研究了快速響應的透明電活性聚合物驅動的彈性體透鏡［11］。德國弗萊堡大學Hans Zappe團隊在改善柔性變焦透鏡成像質量方面進行了大量的研究［12-14］。美國加州大學圣地亞哥分校的De-Ying Zhang等人在流體自適應透鏡的變焦范圍、性能等方面取得一定進展［15-16］。瑞士Optotune公司的M.Blum團隊在電磁驅動和手動驅動柔性變焦透鏡方面的研究取得了良好進展［17］。新加坡國立大學周光亞和余洪斌的團隊從2008年開始對變焦透鏡開展了大量研究［18-22］，并取得一定進展。目前柔性變焦液體透鏡存在液體泄漏，溫度、重力影響等問題［5，23］，基于智能材料的柔性變焦透鏡面臨著驅動電壓較高的挑戰(zhàn)［6］，嚴重限制其發(fā)展和應用。

柔性變焦透鏡依據(jù)變焦驅動機制可分為力致變形驅動變焦透鏡和電致變形驅動變焦透鏡。本文將從力致變形變焦透鏡和電致變形變焦透鏡兩個方面概括和分析柔性變焦透鏡的發(fā)展現(xiàn)狀。從變焦實現(xiàn)方式和主要性能參數(shù)進行分析，總結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 力致變形驅動的柔性變焦透鏡

力致變形驅動變焦即是驅動源通過中間傳動環(huán)節(jié)（如絲桿、流體等）將驅動力作用于液體透鏡使透鏡薄膜變形從而實現(xiàn)變焦，可劃分為基于機械-力式驅動的變焦透鏡、基于流體壓力驅動的變焦透鏡以及基于電磁力作用的變焦透鏡等。

2.1 機械-力驅動的柔性變焦透鏡

機械-力驅動主要是通過伺服電機等方式來驅動。2006年，美國中佛羅里達大學Shin-Tson Wu團隊的Hongwen Ren等人提出了采用伺服電機驅動的柔性變焦透鏡，如圖1所示，伺服電機旋轉拉動繩子壓縮橡皮薄膜2，導致透鏡薄膜4變形，實現(xiàn)焦距可調［24］。該透鏡結構緊湊，成本低，但是結構受重力影響嚴重，不易微型化。2010年該團隊的Su Xu等人設計了如圖2所示的力潤濕透鏡（Mechanical-wetting lens）結構，通過旋轉螺紋冒，紅色環(huán)形凸出結構驅動藍色薄膜，從而實現(xiàn)手動驅動變焦，可以實現(xiàn)可見光和近紅外成像［10］。

圖1 變焦透鏡結構示意圖Fig.1 Side view of the liquid lens cell

2011年，瑞士Optotune公司的M.Blum等人提出了用旋轉絲桿驅動的液體自適應透鏡［17］。2013年，德國弗萊堡大學的Peter Liebetraut等人提出通過多個伺服驅動使透鏡產生非對稱變形，從而實現(xiàn)變焦和像差的控制［25］，其結構如圖3所示。該研究仿造人眼睫狀肌通過懸韌帶向晶狀體提供徑向應力的機制，結構較為復雜，對控制精度要求較高。

圖2 力潤濕透鏡及其工作原理Fig.2 Principle diagram of mechanical-wetting lens

圖3 伺服驅動的彈性體變焦透鏡Fig.3 Elastomeric lenses driven by servo motor

美國Holochip公司［26］和瑞士Optotune公司［27］分別在2010年提出了通過旋轉透鏡外圈壓縮薄膜實現(xiàn)變焦的手動調焦透鏡，表1是Holochip公司和Optotune公司手動可調變焦透鏡的產品對比。Holochip公司APL系列變焦透鏡具有數(shù)值孔徑可調、焦距變化范圍大、溫度適應范圍寬、低噪音以及光學性能良好等優(yōu)點。Optotune公司ML系列具有無色差、功耗低、操作容易等特點。

表1 手動可調變焦透鏡對比Table 1 Comparison of commercially manually actuated tunable lenses

2.2 流體壓力驅動的柔性變焦透鏡

2.2.1 液壓驅動柔性變焦透鏡

美國加州大學圣地亞哥分校De-Ying Zhang等人［28］在2003年研究了液壓驅動的柔性變焦透鏡的變焦范圍，在校正像差方面并沒有開展研究。2004年，美國加州大學伯克利分校的Ki-Hun Jeong等人提出利用液壓驅動的雙膠合透鏡陣列，雙合透鏡使光學畸變得到抑制，并使焦距可調范圍增大［29］。臺灣中央大學Yiin-Kuen Fu等人對液壓驅動的雙凸柔性變焦微透鏡的像差進行了研究，通過選擇最優(yōu)的膜厚比，球差得到改善［30］。2009年，臺灣中正大學Guo-Hua Feng等人針對變焦透鏡的像差缺陷提出了流控雙凸變焦透鏡系統(tǒng)［31］如圖4所示，使像差得到了改善。2011年，德國弗萊堡大學Philipp Waibel等人［32］提出了基于硅材料多腔的消色差變焦微透鏡，結構如圖5所示，比單腔透鏡色差減小30％以上；并指出應用不同的液體和額外的腔體，可以校正高階像差，獲得更好的圖像質量。

圖4 流控變焦透鏡示意圖Fig.4 Schematic of meniscus/Biconvex lens optical system

圖5 多腔變焦透鏡結構示意圖Fig.5 Schematic drawing of a three-chamber lens

圖6 液壓驅動仿生電子眼示意圖及實物圖Fig.6 Diagram of hydraulic drive bionic electronic eye

2011年，美國伊利諾大學香檳分校的Inhwa Jung等人對可調焦球面仿生電子眼進行了研究［33］，提出了如圖6所示結構。在該仿生電子眼系統(tǒng)中，以透明薄彈性膜（PDMS）作為變形薄膜，仿生視網(wǎng)膜的曲率和仿生晶狀體的成像焦距由液壓系統(tǒng)進行主動控制?？烧{仿生視網(wǎng)膜可以改善變焦透鏡的成像質量。

2.2.2 氣壓驅動的柔性變焦透鏡

氣壓驅動變焦透鏡有普通氣壓和熱氣壓驅動的變焦透鏡。2009年，新加坡國立大學的余洪斌團隊提出了一種普通氣壓驅動的透鏡結構［20］，如圖7所示。通過適當調節(jié)兩端氣室的氣壓，可以任意改變透鏡的凹凸形狀，從而實現(xiàn)焦距可調。該結構復雜，同時重力效應、液體泄漏對透鏡的穩(wěn)定性均有不利的影響。

圖7 普通氣壓驅動透鏡結構示意圖及實物圖Fig.7 Schematic drawing of pneumatic lens

2011年，德國弗萊堡大學Wei Zhang等人［34］采用熱壓壓力驅動進行變焦，提出如圖8所示結構，該變焦透鏡總功耗低于250 mW。2012年，韓國國立慶北大學 June Kyoo Lee等人［35］提出如圖9所示熱壓驅動變焦透鏡，溫度對介質折射率影響較小是該結構的優(yōu)點。熱壓驅動的變焦透鏡響應時間慢，且溫度對介質折射率有影響，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 Wei Zhang等提出的熱氣壓變焦透鏡示意圖Fig.8 Schematic diagram of lens based on thermopneumatic actuator proposed by Wei Zhang

2015年，新加坡南洋理工大學的Q.H.Song等人［36］提出了基于可重構的超材料可調太赫茲（THz）透鏡陣列，輸入氣壓使PDMS膨脹導致液滴高度增加，從而控制超材料透鏡焦距的變化。結構及驅動原理如圖10所示。

圖9 June Kyoo Lee等人提出的熱氣壓驅動變焦透鏡Fig.9 Lens with thermopneumatic actuator proposed by June Kyoo Lee

圖10 氣壓驅動超材料變焦透鏡陣列Fig.10 Tunable metamaterial lens array

目前，普通氣壓驅動變焦透鏡的研究較少，主要是由于氣體泄漏、需額外提供氣壓泵等因素限制其發(fā)展。而熱壓壓力驅動功耗低，不需額外的設備，但響應緩慢，液體介質折射率受溫度影響較大。

2.3 電磁驅動變焦透鏡

2010年，德國弗萊堡大學的Daniel Mader等人［37］研究了電磁驅動的變焦透鏡，能夠校正低階像差，如色差、球差。韓國先進科學技術研究所的Seok Woo Lee等人［38］研究了電磁驅動柔性變焦透鏡的通電發(fā)熱問題。2011年，該所的Hyunhwan Choi等人［39］提出了電磁驅動的變焦透鏡，兩折射面彈性薄膜厚度不同，該透鏡可以降低球差，結構如圖11所示。該結構稍顯復雜，存在重力、溫度、液體泄漏等問題，但在球差校正方面提出了一種有效的解決方案。2011年新加坡國立大學余洪斌等人提出了電磁驅動的可變焦透鏡［22］，如圖12所示?？刂票∧ぷ冃螌崿F(xiàn)焦距的正負可調。

圖11 折射面膜厚不等的變焦透鏡原理示意圖Fig.11 Principle diagram of double-sided fluidic lens

圖12 電磁驅動變焦透鏡結構及其變焦原理Fig.12 Structure and principle diagram of electromagnetically actuated tunable lenses

浙江大學的Dan Liang等人［40］研究了基于聚合物透鏡的仿人眼系統(tǒng)，如圖13所示，由仿生角膜透鏡，音圈馬達，壓縮環(huán)，仿生晶狀體，基體，CCD傳感器組成?？刂埔羧﹄娏鳎寗訅嚎s環(huán)改變晶狀體曲率，從而實現(xiàn)變焦。

圖13 電磁驅動的仿生光學系統(tǒng)示意圖Fig.13 Schemaitc of electromagnetically actuated biomimetic optical system

瑞士Optotune公司通過集成補償透鏡（Offset Lens）的方法擴展電磁驅動變焦透鏡的焦距變化范圍（可獲得負焦距），并采用溫度傳感器進行反饋調節(jié)克服了溫度對介質折射率的影響［41］，已經(jīng)取得了良好的商業(yè)應用［42］。

表2列出了力致變形驅動變焦透鏡的主要參數(shù)。機械-力驅動的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但結構不夠緊湊，穩(wěn)定性較差，適合于對結構和控制精度要求不高的場合。流體壓力驅動的變焦透鏡結構緊湊，但存在液體泄漏等問題。電磁驅動變焦透鏡響應非?？?，變焦范圍大，功耗低，易于控制，適合于控制精度要求高的場合。目前，溫度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響可以通過溫度傳感器反饋得以改善，但是液體揮發(fā)、重力效應對液體透鏡的光學性能和穩(wěn)定性影響有待進一步的研究。

表2 力致變形驅動的柔性變焦透鏡主要性能參數(shù)對比Table 2 Main performance parametrs comparison of mechanical variable-focus lenses

3 電致變形驅動的柔性變焦透鏡

隨著智能材料的快速發(fā)展，電活性聚合物（Electroactive polymer，EAP）、壓電材料等具有力電耦合特性的智能材料［46-47］由于其價格低廉，易于制作和實現(xiàn)等特點，在微光學驅動領域具有廣闊的前景。近年來，人們利用智能材料的力電耦合特性進行驅動方面的研究［48-49］，已展現(xiàn)出良好的應用前景。

3.1 基于壓電驅動的柔性變焦系統(tǒng)

2004年，日本科學技術振興機構的H.Oku等人［50］對壓電驅動的變焦透鏡進行了實驗研究，通過壓電泵的形式進行驅動。該透鏡受重力影響嚴重，同時變焦范圍?。寗恿π。?。2009年，H.Oku為了解決壓電驅動力小的問題提出了內置液壓放大器的壓電堆棧式驅動的變焦透鏡［51］。

德國弗萊堡大學的Jan Draheim研究團隊從2009年開始研究了壓電驅動的單腔自適應透鏡［52］，雙腔自適應透鏡變焦透鏡［53］，分別如圖14、15所示。壓電驅動變焦透鏡變焦范圍小，但具有結構緊湊、易于制造和驅動電壓低等優(yōu)點。

圖14 壓電驅動單腔變焦透鏡Fig.14 Single lenses driven by piezoelectric actuator

3.2 基于電活性聚合物的柔性變焦透鏡

電活性聚合物（EAP）在外加電場作用下產生大變形，某些EAP材料的形變量可以達到100％，且響應快，被廣泛應用于可調光學、觸覺系統(tǒng)、人工肌肉、壓力傳感和仿生機器人等領域［54-57］。常用的電活性聚合物可分為離子型和電子型電活性聚合物。

圖15 壓電驅動雙腔變焦透鏡Fig.15 Double chamber varifocus lens deiven by piezoelectric actuator

3.2.1 基于離子型電活性聚合物的變焦透鏡

常用于微驅動的離子型聚合物有IPMC（Ionic Polymer Metal Composite，離子聚合物復合材料）、水凝膠等。2009年，日本的Ippei SHIMIZU等人［58］制備了一種IMPC驅動的微型變焦距透鏡（variable-focal length lens，VFLL），如圖16所示。該設計充分利用IPMC驅動電壓低的特性，變形薄膜選用PDMS薄膜，結構功耗低、可微型化。

圖16 IPMC驅動的變焦透鏡原理Fig.16 Principle diagram of VFLL driven by IPMC

2012年，西安交通大學王延杰等人［59］設計了花瓣狀IPMC和環(huán)形IPMC驅動的變焦透鏡，實驗分析了不同尺寸IPMC的驅動性能，但沒有在光學性能方面進行研究。

日本Eamex公司開發(fā)了基于硅膠的可變焦鏡頭，利用IPMC向中央開口部分擠壓囊中的硅膠，使硅膠表面發(fā)生彎曲形成鏡頭，如圖17所示。通過控制IPMC的運動來調節(jié)焦距。該變焦鏡頭零部件個數(shù)少、構造簡單，尺寸較小，主要用于手機的相機功能［60］。基于IPMC驅動的柔性變焦透鏡的驅動電壓低，結構簡單，但是驅動力過小，嚴重縮小了透鏡的變焦范圍，因此限制了其發(fā)展和應用。

圖17 Eamex公司IPMC驅動的變焦鏡頭Fig.17 Lenses driven by IPMC（Eamex）

圖18 水凝膠驅動的變焦透鏡Fig.18 Lenses driven by hydrogels

2006年，美國威斯康辛大學的Liang Dong等人通過熱敏型水凝膠驅動液體與油形成的交界面實現(xiàn)變焦［61］，如圖18（a）圖所示。溫度變化導致液體微透鏡焦距變化，從而實現(xiàn)變焦。該結構緊湊，利于與光電系統(tǒng)集成，但是水凝膠的響應較慢。2008年，該團隊Xuefeng Zeng等人［62］研究了紅外光響應水凝膠驅動的變焦透鏡，如圖18（b）所示。2010年，他們又提出了熱響應型水凝膠驅動的微透鏡陣列［63］，如圖18（c）圖所示，每個微透鏡單元可以獨立控制。2012年，該團隊的Difeng Zhu等人［64］研究了GO-GMA水凝膠驅動的變焦液體微透鏡陣列，響應速度較以前報道的更快，如圖18（d）所示，該研究采用溫敏聚合物水凝膠參雜甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）與功能化石墨烯氧化物（GO）用以提高響應時間，采用珀爾帖效應促進局部散熱代替結構自發(fā)散熱，同時變焦微透鏡制作在半球殼上，獲得更大的視場（Field of View，F(xiàn)OV）。但是液體泄漏、結構復雜、溫度對折射率的影響、響應慢等是溫敏水凝膠驅動變焦的缺陷。該團隊在此基礎上還進行了色差方面的研究。

3.2.2 基于電子型電活性聚合物的變焦透鏡

常用于微驅動領域的電子型電活性聚合物有DE（Dielectric Elastomer，介電彈性體）、PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）等。2002年，瑞士洛桑理工學院的Muhamed Niklaus等人［11］研究了基于DE驅動的變焦透鏡，通過驅動單元與透鏡變形薄膜分離以降低驅動電壓，魯棒性強，可實現(xiàn)微型化、陣列化，但是焦距變化范圍小。

2011年，意大利比薩大學的Federico Carpi等人［47］提出了介電彈性薄膜驅動的可調焦距透鏡，用DE模擬人眼睫狀肌的功能，結構如圖19所示，該設計具有結構緊湊、重量輕、響應快、功耗低、成本低等優(yōu)點。2013年，西安交通大學的Tongqing Lu等人［65］建立了文獻［47］的計算模型，分析了預拉伸、液體薄膜的尺寸等結構參數(shù)對透鏡曲率半徑的影響，為后續(xù)基于介電彈性薄膜的變焦透鏡的設計提供了依據(jù)。

圖19 DEA變焦透鏡Fig.19 Lenses driven by DEA

2011年，韓國三星先進技術研究院Seung Tae Choi等人［66］提出采用多個電活性聚合物驅動器以降低變焦透鏡驅動電壓，如圖20所示。該研究在降低驅動電壓方面得到較大突破，但是該結構較為復雜，EAP驅動器的一致性控制很難保證，穩(wěn)定性較差。

圖20 EAP驅動的變焦透鏡Fig.20 Lenses driven by EAP actuator

圖21 DE驅動的變焦透鏡Fig.21 Lenses driven by annular DE

圖22 基于DEA泵的變焦透鏡Fig.22 Liquid lens based on DEA

2013年，美國哈佛大學Samuel Shian等人［67］研究了透明電活性聚合物彈性薄膜的透鏡，焦距變化3倍需要提供驅動電壓高達4.5kV。2013年，韓國全北國立大學Lichun Ren等人［68］研究了基于DE氣泡驅動器的變焦透鏡，該透鏡具有功耗低、穩(wěn)定等特點。2014年，美國俄亥俄州立大學Kang Wei等人［69］為了降低驅動電壓，將透鏡薄膜與驅動薄膜分離，將環(huán)形的DE作為驅動器，結構如圖21所示。2014年，新加坡的Gih-Keong Lau等人［70］分析了使用DE驅動調節(jié)液體薄膜透鏡面臨的問題，如驅動電壓高、應力大、薄膜電擊穿、液體介質泄漏、穩(wěn)定性、焦距變化范圍受限制等。同時提出了將DEA與透鏡分離，采用隔膜泵調節(jié)透鏡，如圖22所示，從而可使DEA柔性變焦透鏡驅動電壓降低。

2014年，臺灣大學Dao Liang等人［71］提出基于離子電極的變焦透鏡。驅動薄膜與變形薄膜未分離（同一PDMS薄膜），采用透明NaCl溶液作為液體介質，同時作為PDMS的一個電極。該研究采用離子電極，為結構簡化提供一種新思路，但是變焦范圍小，PDMS的另一電極表面鍍金影響薄膜透明度。

圖23 DE驅動變焦透鏡Fig.23 Liquid lens driven by DE

2015年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院微系統(tǒng)空間技術實驗室Luc Maffli等人［72］設計如圖23所示的驅動與變形薄膜分離的快速變焦透鏡，變形薄膜采用低能耗有機硅彈性體，該變焦透鏡在175μs可以使焦距變化20％。

表3列出了電致變形驅動的柔性變焦透鏡的一些主要參數(shù)對比。電致變形驅動的柔性變焦透鏡主要利用材料的電致動特性，將電能轉化為機械能，使液體透鏡的形狀發(fā)生改變，從而實現(xiàn)焦距的可調。具有結構緊湊、變焦范圍大、響應速度快及易于集成等特點，但是溫度、重力等外部條件對其性能的影響較大。DE驅動的變焦透鏡的驅動電壓高是限制其應用的主要因素，許多學者通過將驅動薄膜與透鏡薄膜分離來降低驅動電壓。IPMC驅動變焦的特點是驅動電壓低，但是輸出力較小，響應較DE慢。隨著智能材料的廣泛研究，利用智能材料的力電耦合特性仍是微光學系統(tǒng)驅動的合適之選。改善變焦透鏡的成像質量，設計合理的結構降低變焦系統(tǒng)所需的驅動電壓仍是當前研究的熱點。如果基于智能材料的柔性變焦透鏡得以實用，必將對光學成像領域產生巨大影響，同時也將促進相關聯(lián)行業(yè)的進步。

表3 電致變形驅動柔性變焦透鏡的主要參數(shù)對比Tab.3 Main parameters comparison of electrostrictive variable-focus lenses

4 存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在的問題

隨著新型驅動和智能材料的快速發(fā)展，人們對柔性變焦透鏡的研究和開發(fā)工作得到蓬勃發(fā)展和進步。柔性變焦透鏡涉及機械、光學、材料等領域，距離廣泛應用還有一定的差距，許多問題尚待進一步深入研究，目前存在的問題主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）液體透鏡蒸發(fā)泄漏現(xiàn)象嚴重，重力及溫度的變化影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（2）目前對像差的校正的研究較少，總的成像效果不是很理想；

（3）介電彈性薄膜所需驅動電壓較高，很難實現(xiàn)微型化、低功耗設計。IPMC、壓電驅動所需電壓不高，但是變焦范圍小。同時變形薄膜的松弛現(xiàn)象，影響光學性能的穩(wěn)定；

（4）焦變遲滯現(xiàn)象的研究很少，這對精確控制焦距變化至關重要；

（5）實現(xiàn)智能化變焦以及焦距的精確、快速控制仍是一難題。

4.2 發(fā)展趨勢

隨著智能化、自動化時代的到來，智能化光學設備、先進醫(yī)療設備（如內窺鏡）、自適應光學系統(tǒng)等對新型光學變焦器件的要求不斷升級，柔性變焦透鏡的低功耗、微型化、模塊化、智能化發(fā)展將促使這些領域的快速變革。

（1）柔性變焦透鏡的性能優(yōu)化。降低重力、溫度、泄漏等對柔性變焦透鏡工作性能的影響，校正柔性變焦透鏡的像差，提高系統(tǒng)的響應速度。

（2）進行系統(tǒng)的動力學研究。探明材料彈性模量、膜厚、變形等因素對系統(tǒng)整體性能的影響，為實際應用奠定理論基礎。

（3）基于智能材料的柔性變焦透鏡的研究。尋求和探索新型驅動方式一直是柔性光學乃至整個驅動領域研究的熱點之一。

5 結束語

本文從力致變形驅動和電致變形驅動的柔性變焦透鏡兩方面進行分析和總結?？偟膩碚f，液體變焦透鏡均存在蒸發(fā)泄漏，重力、溫度的影響等問題。力致變形柔性變焦透鏡主要有機械-力驅動變焦透鏡、流體壓力驅動變焦透鏡和電磁力驅動變焦透鏡。機械-力、壓力驅動的柔性變焦透鏡變焦范圍大，但整體系統(tǒng)復雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、響應時間慢等嚴重制約其發(fā)展和應用，電磁力驅動的柔性變焦透鏡具有響應速度快、變焦范圍大及功耗低等優(yōu)點已得到良好應用。電致變形（智能材料）驅動的柔性變焦透鏡以介電彈性體（DE）驅動的變焦透鏡的研究為主要方向，響應速度快、結構緊湊、功耗低，但驅動電壓高這一難題使其距離實際應用還有一段距離。通過設計合理的透鏡結構改善柔性變焦透鏡成像質量，擴大變焦范圍等是目前的主要研究熱點。提高變焦透鏡的穩(wěn)定性以及低功耗智能化設計，基于智能材料驅動的柔性變焦透鏡的研究等是未來的主要發(fā)展趨勢。由于柔性變焦透鏡具有控制靈活、制造成本低、無機械磨損、易于集成等諸多優(yōu)點，有可能全面覆蓋傳統(tǒng)光學鏡頭的應用領域，將是以后光學發(fā)展的重要熱點方向之一。

［1］SHI J，STRATTON Z，LIN S C S，et al..Tunable optofluidic microlens through active pressure control of an air liquid interface［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2010，9（2-3）：313-318.

［2］SCHUHLADEN S，PETSCH S，LIEBETRAUT P，et al..Miniaturized tunable imaging system inspired by the human eye［J］.Optics Letters，2013，38（20）：3991-3994.

［3］BEADIE G，SANDROCK M L，WIGGINS M J，et al..Tunable polymer lens［J］.Optics Express，2008，16（16）：11847-11857.

［4］REN H，WU S T.Variable-focus liquid lens［J］.Optics Express，2007，15（10）：5931-5936.

［5］NGUYEN N T.Micro-optofluidic lenses：a review［J］.Biomicrofluidics，2010，4（3）：031501.

［6］SHIAN S，DIEBOLD R M，CLARKE D R.High-speed，compact，adaptive lenses using in-line transparent dielectric elastomer actuator membranes［J］.SPIE，2013，8687：86872D-7.

［7］FLINT E F.Variable focus lens：U.S.Patent 2，300，251［P］.1942-10-27.

［8］REN H，WU S T.Variable-focus liquid lens by changing aperture［J］.Applied Physics Letters，2005，86（21）：211107.

［9］XU S，REN H，LIN Y J，et al..Adaptive liquid lens actuated by photo-polymer［J］.Optics Express，2009，17（20）：17590-17595.

［10］XU S，LIU Y，REN H，et al..A novel adaptive mechanical-wetting lens for visible and near infrared imaging［J］.Optics Express，2010，18（12）：12430-12435.

［11］NIKLAUS M，ROSSET S，SHEA H.Array of lenses with individually tunable focal-length based on transparent ion-implanted EAPs［J］.SPIE，2010，7642：76422K-76422K-12.

［12］WERBER A，ZAPPE H.Tunable microfluidic microlenses［J］.Applied Optics，2005，44（16）：3238-3245.

［13］REICHELT S，ZAPPE H.Design of spherically corrected，achromatic variable-focus liquid lenses［J］.Optics Express，2007，15（21）：14146-14154.

［14］WAIBEL P，MADER D，LIEBETRAUT P，et al..Chromatic aberration control for tunable all-silicone membrane microlenses［J］.Optics Express，2011，19（19）：18584-18592.

［15］ZHANG D Y，JUSTIS N，LO Y H.Fluidic adaptive zoom lens with high zoom ratio and widely tunable field of view［J］.Optics Communications，2005，249（1）：175-182.

［16］JUSTIS N B，ZHANG D Y，LO Y.Fluidic adaptive lens systems with pumping systems：U.S.Patent 7，826，145［P］.2010-11-2.

［17］BLUM M，B ELER M，GR TZEL C，et al.Compact optical design solutions using focus tunable lenses［J］.SPIE，2011，8167：81670W-9.

［18］HONGBIN Y，GUANGYA Z，SIONG C F，et al..Simple method for fabricating solid microlenses with different focal lengths［J］.Photonics Technology Letters，IEEE，2008，20（19）：1624-1626.

［19］YU H B，ZHOU G Y，CHAU F S，et al..A liquid-filled tunable double-focus microlens［J］.Optics Express，2009，17（6）：4782-4790.

［20］HONGBIN Y，GUANGYA Z，SIONG C F，et al..Lens with transformable-type and tunable-focal-length characteristics［J］.Selected Topics in Quantum Electronics，IEEE，2009，15（5）：1317-1322.

［21］YU H，ZHOU G，LEUNG H M，et al..Tunable liquid-filled lens integrated with aspherical surface for spherical aberration compensation［J］.Optics Express，2010，18（10）：9945-9954.

［22］YU H，ZHOU G，CHAU F S，et al..Tunable electromagnetically actuated liquid-filled lens［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2011，167（2）：602-607.

［23］WANG L，OKU H，ISHIKAWA M.An improved low-optical-power variable focus lens with a large aperture［J］.Optics Express，2014，22（16）：19448-19456.

［24］REN H，F(xiàn)OX D，ANDERSON P A，et al..Tunable-focus liquid lens controlled using a servo motor［J］.Optics Express，2006，14（18）：8031-8036.

［25］LIEBETRAUT P，PETSCH S，LIEBESKIND J，et al..Elastomeric lenses with tunable astigmatism［J］.Light：Science＆Applications，2013，2（9）：e98.

［26］HOLOCHIP.［EB/OL］.［2013-06-15］.http://www.holochip.com/products/apl.html.

［27］OPTOTUNE［EB/OL］.［2013-02-21］.http://www.optotune.com/technology/focus-tunable-lenses.

［28］ZHANG D Y，LIEN V，BERDICHEVSKY Y，et al..Fluidic adaptive lens with high focal length tunability［J］.Applied Physics Letters，2003，82（19）：3171-3172.

［29］JEONG K H，LIU G，CHRONIS N，et al..Tunable microdoublet lens array［J］.Optics Express，2004，12（11）：2494-2500.

［30］FUH Y K，LIN M X，LEE S.Characterizing aberration of a pressure-actuated tunable biconvex microlens with a simple spherically-corrected design［J］.Optics and Lasers in Engineering，2012，50（12）：1677-1682.

［31］FENG G H，CHOU Y C.Flexible meniscus/biconvex lens system with fluidic-controlled tunable-focus applications［J］.Applied Optics，2009，48（18）：3284-3290.

［32］WAIBEL P，MADER D，LIEBETRAUT P，et al.Tunable all-silicone multi-chamber achromatic microlens［C］.IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems（MEMS），Cancun，MEXICO，2011：728-731.

［33］JUNG I，XIAO J，MALYARCHUK V，et al..Dynamically tunable hemispherical electronic eye camera system with adjustable zoom capability［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2011，108（5）：1788-1793.

［34］ZHANG W，ALJASEM K，ZAPPE H，et al..Completely integrated，thermo-pneumatically tunable microlens［J］.Optics Express，2011，19（3）：2347-2362.

［35］LEE J K，PARK K W，LIM G B，et al..Variable-focus liquid lens based on a laterally-integrated thermopneumatic actua-tor［J］.J.Optical Society of Korea，2012，16（1）：22-28.

［36］SONG Q H，ZHU W M，ZHANG W，et al.Tunable metamaterial lens array via metadroplets［C］.IEEE 28th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems（MEMS），Estoril，Portugal，2015：960-963.

［37］MADER D，MARHOFER M，WAIBEL P，et al.Tunable micro-fluidic multi-component micro-lens system with integrated actuator［C］.Micro Electro Mechanical Systems（MEMS），2010 IEEE 23rd International Conference on，Wanchai，Hong Kong，China：IEEE，Jan 24-28，2010：799-802.

［38］LEE S W，LEE S S.Focal tunable liquid lens integrated with an electromagnetic actuator［J］.Applied Physics Letters，2007，90（12）：121129.

［39］CHOI H，HAN D S，WON Y H.Adaptive double-sided fluidic lens of polydimethylsiloxane membranes of matching thickness［J］.Optics Letters，2011，36（23）：4701-4703.

［40］LIANG D，XIANG K，DU J W，et al..Biomimetic optical system using polymer lenses with tunable focus［J］.Optical Engineering，2014，53（10）：105101-105101.

［41］CASUTT S，BUEELER M，BLUM M，et al..Fast and precise continuous focusing with focus tunable lenses［J］.SPIE，2014，8982：89820Y-7.

［42］ODTOTUNE［EB/OL］.［2013-02-21］.http://www.optotune.com/products/focus-tunable-lenses.

［43］KANG J，ZHOU G，YU H，et al.A tunable liquid lens with extended depth of focus［C］.Optical MEMS and Nanophotonics（OPT MEMS），2010 International Conference on，Sapporo，Japan：IEEE，2010：89-90.

［44］IIMURA Y，ONOE H，TESHIMA T，et al..Liquid-filled tunable lenticular lens［J］.J.Micromechanics and Microengineering，2015，25（3）：035030.

［45］LEE Y C，YANG H，LIU W L.Variable focus liquid lens module using direct current electromagnetic driving［C］.Design，Test，Integration and Packaging of MEMS/MOEMS（DTIP），2013 Symposium on，Barcelona，SPAIN：IEEE，APR 16-18，2013：1-5.

［46］CARPI F，BAUER S，DE ROSSI D.Stretching dielectric elastomer performance［J］.Science，2010，330（24）：1759-1761.

［47］CARPI F，F(xiàn)REDIANI G，TURCO S，et al..Bioinspired tunable lens with muscle-like electroactive elastomers［J］.Advanced Functional Materials，2011，21（21）：4152-4158.

［48］HEYDT R，KORNBLUH R，ECKERLE J，et al..Sound radiation properties of dielectric elastomer electroactive polymer loudspeakers［J］.SPIE，2006，6168：61681M-8.

［49］ROSSET S，SHEA H R.Towards fast，reliable，and manufacturable DEAs：miniaturized motor and Rupert the rolling robot［J］.SPIE，2015，9430：943009-11.

［50］OKU H，HASHIMOTO K，ISHIKAWA M.Variable-focus lens with 1-kHz bandwidth［J］.Optics Express，2004，12（10）：2138-2149.

［51］OKU H，ISHIKAWA M.High-speed liquid lens with 2 ms response and 80.3nm root-mean-square wavefront error［J］.Applied Physics Letters，2009，94（22）：221108.

［52］DRAHEIM J，SCHNEIDER F，BURGER T，et al.Single chamber adaptive membrane lens with integrated actuation［C］.2010 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics，Sapporo，Japan：Aug 9-12，2010：15-16.

［53］DRAHEIM J，BURGER T，SCHNEIDER F，et al..Fluidic zoom lens system using two single chamber adaptive lenses with integrated actuation［C］.Micro Electro Mechanical Systems（MEMS），IEEE 24th International Conference on，Cancun，MEXICO：IEEE，JAN 23-27，2011：692-695.

［54］MAHAPATRA S S，YADAV S K，YOO H J，et al..Highly stretchable，transparent and scalable elastomers with tunable dielectric permittivity［J］.J.Materials Chemistry，2011，21（21）：7686-7691.

［55］MOLBERG M，LETERRIER Y，PLUMMER C J G，et al..Frequency dependent dielectric and mechanical behavior of elastomers for actuator applications［J］.J.Applied Physics，2009，106（5）：054112.

［56］LEE S，JUNG K，KOO J，et al..Braille display device using soft actuator［J］.SPIE，2004，5385：368-379.

［57］XU D，TAIRYCH A，ANDERSON I A.Localised strain sensing of dielectric elastomers in a stretchable soft-touch musical keyboard［J］.SPIE，2015，9430：943025-8.

［58］SHIMIZU I，KIKUCHI K，TSUCHITANI S.Variable-focal length lens using IPMC［C］.ICCAS-SICE 2009，F(xiàn)ukuoka，Ja-pan：IEEE，2009：4752-4756.

［59］WANG Y，CHEN H，LUO B，et al..Design and optimization of small-sized actuators for driving optical lens with different shapes based on IPMCs［J］.SPIE，2012，8430：83401I-7.

［60］EAMEX［EB/OL］.［2013-08-18］，http://www.eamex.co.jp//features/koubunshi/ion/gel.html.

［61］DONG L，AGARWAL A K，BEEBE D J，et al..Adaptive liquid microlenses activated by stimuli-responsive hydrogels［J］.Nature，2006，442（7102）：551-554.

［62］ZENG X，JIANG H.Tunable liquid microlens actuated by infrared light-responsive hydrogel［J］.Applied Physics Letters，2008，93（15）：151101.

［63］ZENG X，LI C，ZHU D，et al..Tunable microlens arrays actuated by various thermo-responsive hydrogel structures［J］.J.Micromechanics and Microengineering，2010，20（11）：115035.

［64］ZHU D，LO C W，LI C，et al..Hydrogel-based tunable-focus liquid microlens array with fast response time［J］.J.Microelectromechanical Systems，2012，21（5）：1146-1155.

［65］LU T，CAI S，WANG H，et al..Computational model of deformable lenses actuated by dielectric elastomers［J］.J.Applied Physics，2013，114（10）：104104.

［66］CHOI S T，LEE J Y，KWON J O，et al..Varifocal liquid-filled microlens operated by an electroactive polymer actuator［J］.Optics Letters，2011，36（10）：1920-1922.

［67］SHIAN S，DIEBOLD R M，CLARKE D R.High-speed，compact，adaptive lenses using in-line transparent dielectric elastomer actuator membranes［J］.SPIE，2013，8687：86872D-7.

［68］REN L，LEE R H，PARK H R，et al..A liquid lens driven by bubble actuator［J］.J.Microelectromechanical Systems，2013，22（5）：1222-1228.

［69］WEI K，DOMICONE N W，ZHAO Y.Electroactive liquid lens driven by an annular membrane［J］.Optics Letters，2014，39（5）：1318-1321.

［70］LAU G K，LA T G，SHIAU L L，et al..Challenges of using dielectric elastomer actuators to tune liquid lens［J］.SPIE，2014，9056：90561J-1.

［71］LIANG D，LIN Z F，HUANG C C，et al..Tunable lens driven by dielectric elastomer actuator with ionic electrodes［J］.Micro＆Nano Letters，2014，9（12）：869-873.

［72］MAFFLI L，ROSSET S，GHILARDI M，et al..Ultrafast all-polymer electrically tunable silicone lenses［J］.Advanced Functional Materials，2015，25（21）：1656-1665.

［73］DRAHEIM J，SCHNEIDER F，KAMBERGER R，et al..Fabrication of a fluidic membrane lens system［J］.J.Micromechanics and Microengineering，2009，19（9）：095013.

賈書海（1969—），男，陜西咸陽人，博士，教授，博士生導師，2000年于西安交通大學獲博士學位，主要從事智能光電傳感技術、智能化光機電一體化技術等方面的研究。E-mail：shjia@mail.xjtu.edu.cn

唐振華（1989—），男，重慶人，碩士研究生，2014年于重慶大學獲學士學位，主要從事智能化光機電一體化技術研究。E-mail：zhtangy@163.com

董 君（1991—），男，安徽安慶人，碩士研究生，2014年于四川大學獲學士學位，主要從事光學測量方面的研究。E-mail：1531430253@qq.com

陳花玲（1954—），女，陜西韓城人，博士，教授，博士生導師，1990年于西安交通大學獲得博士學位，主要從事智能材料與結構、機械振動與噪聲控制理論與技術等方面的研究。E-mail：hlchen@mail.xjtu.edu.cn

柔性變焦透鏡發(fā)展現(xiàn)狀

賈書海*，唐振華，董 君，陳花玲

Recent advances in flexible variable-focus lens

JIA Shu-hai*，TANG Zhen-hua，DONG Jun，CHEN Hua-ling
（School of Mechanical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）
*Corresponding author，E-mail：shjia@mail.xjtu.edu.cn

In this paper，the flexible variable-focus lens（FVFLs）is reviewed from two aspects including mechanical variable-focus lenses and electrostrictive variable-focus lenses.The gravity effect and temperature change exist in most FVFLs.Mechanical variable-focus lenses exhibit very large focal length tunability，but their use is limited by their slow response speed.Electrostrictive variable-focus lenses have simple and compact structure，high response speed.Providing a solution for minimizing optical aberrations and maximizing the tunability of focal length or field of view has drawn much attention in recent years.Exploring new driving technology and developing intelligent focus tunable system with low power comsumption will be the main focus of FVFLs in future.

adaptive optics；variable-focus lens；intelligent materials；elastic membrane

國家自然科學基金委員會與中國民航局聯(lián)合資助項目（No.U1233116）；陜西省工業(yè)攻關計劃資助項目（No.2014K07-02）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（No.20120201110032）

2095-1531（2015）04-0535-13

TH74；O435 文獻標識碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0535

2015-05-13；

2015-06-10