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      南陽福鑫光學有限責任公司

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      何謂液體鏡頭

      美國加利福尼亞大學的科學家發明了液體鏡頭,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。

          而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。而液體鏡頭則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。根據加利福尼亞大學的科學家的試驗,這種液體鏡頭非常容易批量生產,而且成本將大幅度下降。

          無獨有偶,法國的Varioptic公司在2004年年底發布了一項用于手機的采用了電子技術的液體鏡頭專利。使用這種鏡頭的手機,只要在鏡頭中加入幾滴油或者水,就可以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。 Varioptic表示對液體鏡頭技術在拍照手機和200萬以下像素的數碼照像機領域取得突破很有信心。

          現在,隨著拍照手機等的流行,人們對微型變焦鏡頭的需求持續膨脹,讓原本在2000年就已經在天文望遠鏡中成功實現的液體鏡頭受到人們的密切關注。畢竟,天文望遠鏡與拍照手機等消費電子的市場不可同言而語。

        液體鏡頭可以按照不同方式進行分類,如有使用一種液體的,也有使用發射率不同的完全不能融合的兩種液體的。目前,液體鏡頭按照實現方式的不同可以分成傳導型和反射型兩類。

          2000年以前,天文望遠鏡的造價都高達數千萬美元,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。2000年后,只用100多萬美元,科學家就造成了一個巨大的天文望遠鏡。成本降低的關鍵是首次采用了液體鏡頭,而不是傳統采用的磨光金屬、堅硬的玻璃和大型的境面。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。制造望遠鏡的人要付出大量辛勤的勞動才能使反射鏡有這樣的表面。研磨望遠鏡用的反射鏡的工作常常要延續好幾年。美國的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。

          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。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。通常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,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。

          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發射曲面。英國 Columbia 大學(UBC) 的科學家已經研制了一架直徑236英寸(6米)液體發射境面望遠鏡(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。
        液體鏡頭正在向一“大”一“小”兩極發展。大,可以作為大型天文望遠鏡的鏡頭;小,則可以作為拍照手機的變焦鏡頭。而微型液體鏡頭由于面向消費市場而受到異常的追捧。

          移動電話、手提電腦和微型監視應用等都對集成的變焦鏡頭有特殊的需求,而在很小的空間里集成具有很強變焦能力的傳統鏡頭基本是不可能的。不過,目前滿足這種應用需求的液體鏡頭開始浮出水面。

       消費電子采用傳導型液體鏡頭

          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。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。這兩種液體被裝在一個加有彈簧裝置的很小的管子里,管子的內部和彈簧裝置涂上防水材料,通過彈簧裝置加壓和調整在管子兩端的直流電電壓,在管子的一端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。根據相關測試,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毫秒。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。

          這種模仿人類眼球功能的小型液體鏡頭已經由飛利浦公司推出。它的兩種液體被裝在一個直徑3毫米、高2.2毫米的小型管狀容器當中,該鏡頭最近可對距離其5cm的物體聚焦,而遠近焦距可在10微秒的瞬間內完成調節。

          人的眼球也是通過改變焦距來觀察遠近不同的物體,不同的是,人是通過眼球周圍的肌肉調節焦距。因此,可以說這種新型鏡頭周圍的電場就相當于人類眼球周圍的肌肉。

          韓國三星電機(Samsung Electro-Mechanics Co.)在CeBIT 2004上宣布將供應手機用液體鏡頭(Liquid Lens)相機模塊,它采用的是Varioptic公司的專利。據介紹,采用液體鏡頭后相機模塊可以做得更薄,而且鏡頭不需要做物理運動,因此還能大大減少耗電量。目前采用這種鏡頭的模塊厚度只增加了2mm,支持5cm~無限遠聚焦,驅動電壓為0~40V,驅動頻率為1kHz。(李梅/計算機世界報 第10期 B1)

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