調(diào)整相機(jī)鏡頭的焦距可以改變視角，微型鏡頭也可以通過(guò)一種名為電潤(rùn)濕的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)整。電潤(rùn)濕方法通過(guò)施加電壓來(lái)改變自由表面與固體表面接觸點(diǎn)的受力平衡。然而，由于自由面會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，致使我們無(wú)法立即捕捉到焦點(diǎn)。在本文中，我們將探討施加電壓時(shí)，維持自由面的臨界阻尼所需的最佳粘度值。
焦距簡(jiǎn)介
設(shè)想您正在拍照，并通過(guò)放大及縮小來(lái)獲取最佳的拍攝效果。此時(shí)此刻，您便是在使用變焦鏡頭來(lái)改變相機(jī)的焦距。焦距是指當(dāng)聚焦于拍攝對(duì)象時(shí)，鏡頭的光心或光聚集點(diǎn)與相機(jī)傳感器之間的距離。
較短的焦距可獲取更廣的視角，同時(shí)拍攝對(duì)象也會(huì)變小。長(zhǎng)焦距可以使拍攝對(duì)象放大，視角則會(huì)變得狹窄。
左圖：短焦距。右圖：長(zhǎng)焦距。
傳統(tǒng)的變焦鏡頭是通過(guò)使用移動(dòng)部件來(lái)改變焦距的，然而這并不適用于微型鏡頭。作為替代，微型鏡頭可以使用電潤(rùn)濕等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距的改變。
利用電潤(rùn)濕技術(shù)開(kāi)發(fā)微流體透鏡
電潤(rùn)濕是一種通過(guò)在導(dǎo)電流體與固定表面之間施加電壓來(lái)改變接觸點(diǎn)的受力平衡的工藝。對(duì)于單個(gè)鏡頭來(lái)說(shuō)，電潤(rùn)濕技術(shù)可以改變流體的半月面形狀，進(jìn)而改變透鏡焦距。
現(xiàn)在，讓我們了解一下由 Philips FluidFocus 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的電潤(rùn)濕透鏡教學(xué)模型。
此教學(xué)模型由一個(gè)密封腔與兩種不相溶的液體組成，下層液體為導(dǎo)電流體，上層液體為絕緣流體。兩種液體的密度和粘度互相匹配。該教程還運(yùn)用了一種稱為介質(zhì)上電潤(rùn)濕（electrowetting on dielectric，簡(jiǎn)稱 EWOD）的技術(shù)，即在導(dǎo)電層上放置了一層較薄的電介質(zhì)，作為固體表面。
施加電壓時(shí)，透鏡中的導(dǎo)電流體會(huì)增加，半月面的彎曲方向?qū)?huì)從凸面轉(zhuǎn)變?yōu)榘济妫缦聢D所示。
電潤(rùn)濕引起的彎曲方向變化。當(dāng)施加電壓時(shí)，彎曲方向從 A 轉(zhuǎn)變?yōu)?B。
圖片來(lái)源：Philips
這種變化來(lái)源于外加電壓對(duì)表面潤(rùn)濕特性的改變，同時(shí)這種響應(yīng)也引起了流體位置發(fā)生變化。變化的曲率能夠改變焦距，我們便可以將兩種流體之間的半月面用作變焦透鏡。
盡管到目前為止，我們探討的設(shè)計(jì)僅涉及了功能性方面，可能還無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速改變焦距。這帶來(lái)的問(wèn)題是，每次當(dāng)您進(jìn)行變焦操作時(shí)，都不得不等待相機(jī)鏡頭調(diào)整追蹤圖像的位置。為了避免這種情況，我們可以優(yōu)化電潤(rùn)濕工藝以制備一種具有最快響應(yīng)時(shí)間的透鏡。
借助仿真優(yōu)化電潤(rùn)濕透鏡
當(dāng)我們改變施加于電潤(rùn)濕透鏡的電壓時(shí)，流體的接觸角會(huì)急劇地發(fā)生變化。我們可以從下面幾張由 Philips 拍攝的照片中觀察到這種變化。
半月面的形狀在施加下列電壓時(shí)的變化：C：0 V，D：100 V，E：120 V。
圖片來(lái)源：Philips
上述變化帶來(lái)了一種干擾，即會(huì)在界面中產(chǎn)生表面張力波。這可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)衰減也需要一段時(shí)間。例如，在此模型中，當(dāng)電壓從 100 V 切換到 120 V 后，仍然有 2 ms 的時(shí)間可以觀察到高階模式。
圖片顯示了在電壓從 100 V 切換到 120 V 之后，2 ms 內(nèi)電潤(rùn)濕透鏡的情況。在這兩種情況下，絕緣流體的粘度為 10 mPa·s。左圖：流體速度幅值（顏色）和方向（箭頭）。右圖：流體壓力（顏色）和邊界速度（箭頭）。
為了對(duì)透鏡進(jìn)行優(yōu)化，我們希望通過(guò)將這一過(guò)程中半月面的振動(dòng)減至最小來(lái)加速焦距轉(zhuǎn)換。因此，需要在系統(tǒng)中加入臨界阻尼來(lái)獲取最快響應(yīng)時(shí)間。
為了達(dá)到這一目的，我們通過(guò)調(diào)整絕緣流體的粘度來(lái)改變其阻尼。本文借助了COMSOL Multiphysics? 軟件中的兩相流，移動(dòng)網(wǎng)格接口來(lái)精確模擬兩種不同流體的流動(dòng)及測(cè)試不同的粘度值。
通過(guò)繪制不同時(shí)間點(diǎn)的半月面中心位置曲線來(lái)比較不同粘度值帶來(lái)的變化。
從不同粘度值的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，50 mPa·s 時(shí)最為接近臨界阻尼，因此這一粘度值被視為電潤(rùn)濕透鏡中的絕緣流體的最佳粘度值。
Philips FluidFocus 團(tuán)隊(duì)在他們的數(shù)值模型中運(yùn)用了這種界面追蹤方法。借助這一技術(shù)，他們開(kāi)發(fā)出了一種具有較大變焦范圍的電潤(rùn)濕微透鏡。
PHILIPS? 電潤(rùn)濕透鏡和安裝有此透鏡的相機(jī)。
圖片來(lái)源源：Philips。
下載教學(xué)模型，自己動(dòng)手測(cè)試不同的粘度值及分析電潤(rùn)濕透鏡涉及的物理現(xiàn)象。
作者：Caty Fairclough
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