調整相機鏡頭的焦距可以改變視角，微型鏡頭也可以通過一種名為電潤濕的方法來實現(xiàn)焦距的調整。電潤濕方法通過施加電壓來改變自由表面與固體表面接觸點的受力平衡。然而，由于自由面會產生振動，致使我們無法立即捕捉到焦點。在本文中，我們將探討施加電壓時，維持自由面的臨界阻尼所需的最佳粘度值。

焦距簡介

設想您正在拍照，并通過放大及縮小來獲取最佳的拍攝效果。此時此刻，您便是在使用變焦鏡頭來改變相機的焦距。焦距是指當聚焦于拍攝對象時，鏡頭的光心或光聚集點與相機傳感器之間的距離。

較短的焦距可獲取更廣的視角，同時拍攝對象也會變小。長焦距可以使拍攝對象放大，視角則會變得狹窄。

左圖：短焦距。右圖：長焦距。

傳統(tǒng)的變焦鏡頭是通過使用移動部件來改變焦距的，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濕等工藝來實現(xiàn)焦距的改變。

利用電潤濕技術開發(fā)微流體透鏡

電潤濕是一種通過在導電流體與固定表面之間施加電壓來改變接觸點的受力平衡的工藝。對于單個鏡頭來說，電潤濕技術可以改變流體的半月面形狀，進而改變透鏡焦距。

現(xiàn)在，讓我們了解一下由 Philips FluidFocus 團隊開發(fā)的電潤濕透鏡教學模型。

此教學模型由一個密封腔與兩種不相溶的液體組成，下層液體為導電流體，上層液體為絕緣流體。兩種液體的密度和粘度互相匹配。該教程還運用了一種稱為介質上電潤濕（electrowetting on dielectric，簡稱 EWOD）的技術，即在導電層上放置了一層較薄的電介質，作為固體表面。

施加電壓時，透鏡中的導電流體會增加，半月面的彎曲方向將會從凸面轉變?yōu)榘济妫缦聢D所示。

 電潤濕引起的彎曲方向變化。當施加電壓時，彎曲方向從 A 轉變?yōu)?B。

圖片來源：Philips

這種變化來源于外加電壓對表面潤濕特性的改變，同時這種響應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，我們探討的設計僅涉及了功能性方面，可能還無法實現(xiàn)快速改變焦距。這帶來的問題是，每次當您進行變焦操作時，都不得不等待相機鏡頭調整追蹤圖像的位置。為了避免這種情況，我們可以優(yōu)化電潤濕工藝以制備一種具有最快響應時間的透鏡。

借助仿真優(yōu)化電潤濕透鏡

當我們改變施加于電潤濕透鏡的電壓時，流體的接觸角會急劇地發(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的變化：C：0 V，D：100 V，E：120 V。

圖片來源：Philips

上述變化帶來了一種干擾，即會在界面中產生表面張力波。這可能會導致振動，同時振動衰減也需要一段時間。例如，在此模型中，當電壓從 100 V 切換到 120 V 后，仍然有 2 ms 的時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 內電潤濕透鏡的情況。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）。

為了對透鏡進行優(yōu)化，我們希望通過將這一過程中半月面的振動減至最小來加速焦距轉換。因此，需要在系統(tǒng)中加入臨界阻尼來獲取最快響應時間。

為了達到這一目的，我們通過調整絕緣流體的粘度來改變其阻尼。本文借助了COMSOL Multiphysics? 軟件中的兩相流，移動網(wǎng)格接口來精確模擬兩種不同流體的流動及測試不同的粘度值。

 通過繪制不同時間點的半月面中心位置曲線來比較不同粘度值帶來的變化。

從不同粘度值的測試結果來看，50 mPa·s 時最為接近臨界阻尼，因此這一粘度值被視為電潤濕透鏡中的絕緣流體的最佳粘度值。

Philips FluidFocus 團隊在他們的數(shù)值模型中運用了這種界面追蹤方法。借助這一技術，他們開發(fā)出了一種具有較大變焦范圍的電潤濕微透鏡。

PHILIPS? 電潤濕透鏡和安裝有此透鏡的相機。

圖片來源源：Philips。

下載教學模型，自己動手測試不同的粘度值及分析電潤濕透鏡涉及的物理現(xiàn)象。

作者：Caty Fairclough 

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