神奇的液態鏡片

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神奇的液態鏡片

2021-05-10

0、引言

小米首款折疊屏旗艦智能手機MIX FOLD于2021年3月正式發布，搭載全球首發的液態鏡頭。小米雷布斯官宣“一顆鏡頭，既是長焦鏡頭，也是微距鏡頭。這是一個神奇的創新，仿生學原理，就像手機鏡頭里裝入人眼晶狀體。可流動的液體通過薄膜包裹，替代傳統光學鏡片，實現了焦距和焦點的變化嗎。MIX，正在用創新看見未來。”

1、人眼仿生學

人眼沒有光學鏡頭那么復雜，但卻是世界上最精密的光學成像系統。光線進入到我們的眼球之后，會經過晶狀體；晶狀體不停調整形狀改變屈光度，讓我們看到的東西永遠保持清晰。人眼通過睫狀肌壓迫晶狀體實現對焦，構造簡單卻又反應迅速，非光學鏡頭所能比擬。

2、 液態鏡片

顧名思義，液態鏡片同傳統光學鏡片的最大不同在材質上，液態鏡片不是由形狀固定的玻璃或樹脂材料組成，而是由特殊的液體組成，是柔性的的，是可以形變的。液態鏡片宛若人眼晶狀體被睫狀肌牽引，通過改變鏡片的彎曲程度來實現快速變焦和對焦。

液態鏡片主要有兩大類：反射式液態鏡片和折射式液態鏡片。

1. 反射式液態鏡片是一個可變焦距的反射鏡，當裝有液體的容器旋轉時，離心力將使液體表面形成一個理想的凹面。通過簡單的旋轉速度改變，就能改變鏡面的曲率，可用于替代加工周期長、加工成本高的傳統玻璃反射鏡。

2. 折射式液態鏡片，又可以分成三類：漸變折射率透鏡(液晶)、液體填充式透鏡、電潤濕效應透鏡。

①　漸變折射率透鏡，通過改變施加在液晶上的電壓來調節液晶折射率，從而實現變焦。該技術控制電壓低，容易陣列化；但可調焦距范圍小、光能損失大、畸變大。

②　液體填充式透鏡，是通過填充和排出液體使表面的曲率發生變化而變焦的透鏡，使用機械裝置對腔內液體施加壓力，從而使液體在體腔內重新分配，改變曲率半徑。該技術驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、變焦范圍大；但其結構較為復雜、對震動和重力的影響較為敏感。

③　電潤濕效應透鏡，是通過改變施加的電壓來控制液體在固體表面上的潤濕特性的液體透鏡。那么電潤濕效應又是什么呢？簡單來說就是通過電壓來控制液滴的表面形狀。更準確來說，電潤濕效應是一種物理化學現象，通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性，從而改變液滴的接觸角，使其能像人眼的晶狀體一樣改變曲率實現變焦。同時，對施加電壓的不同，其表面曲率會發生變化，從而實現光學變焦。

3、 液態鏡片的應用

傳統光學鏡頭每次變焦和對焦操作都需要大量機械部件（包括齒輪、電機、軸承等）參與，復雜的機械結構運動帶來的機械磨損必然會導致鏡頭壽命縮短和成像質量下降。而由液態鏡片組成的鏡頭內部沒有（或有很少）機械部件，采用全電控的方式工作；在工作中，只需要改變電流或電壓即可實現焦距的快速變化，部件之間幾乎不存在磨損的問題，鏡頭不但更加輕巧，也更加結實耐用。再有就是液體鏡片的所有動作都是通過電流控制的，但功耗相比需要通過電機驅動多枚鏡片的傳統鏡頭而言卻小很多，是一種高效節能的技術。

液態鏡片能大幅度改變鏡片曲面形狀，使液體鏡頭可以輕松擁有超小對焦距離的微距功能，而無須向傳統鏡頭那樣需要使用特殊的多鏡片組設計。僅通過改變液態鏡片的形狀，可連續改變光焦度，從而實現遠景到近景的連續對焦。極大的提高了放大倍率以及畫質效果。還能減小液態鏡頭從遠景到近景的FOV變化，遠景到一般近景的變焦過程中幾乎沒有呼吸效應，更適合視頻拍攝。