仿水晶體對焦的液態鏡頭
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/10/02 03:28:24
相機功能不斷推陳出新，現在更有科學家希望模仿人眼，研究液態鏡頭。相較於固態鏡頭，液態鏡頭具體積小、低耗能、不怕摔等優點，而且還可以做到相當清晰的近拍效果，十分有機會引領未來攝影潮流。
文／楊嘉慧
審稿／（台湾）清華大學奈米工程與微系統研究所教授 葉哲良、（台湾）清華大學奈米工程與微系統研究所博士生 蔡智偉
多透鏡組成的相機鏡頭
近年來，數位攝影幾乎融入一般人的生活，越來越多人喜歡上傳照片到網路上與親友分享。不管是數位相機或傳統相機，拍照的基本原理都是利用光學鏡頭，將物體影像投射在底片或 CCD（電荷耦合元件）、CMOS（互補式金氧半場效電晶體）等影像感測器上，以記錄影像。
為了得到好的拍照品質，相機的鏡頭都是由多個透鏡組成，因為單一透鏡會有嚴重的色差與像差問題。色差的產生是因為可見光包含各種波長，當光經過透鏡時，由於透鏡材料對不同波長的光會有不同折射率，致使不同顏色的光線聚焦在不同位置上。像差問題主要是因使用的光學透鏡有一定厚度，並非理想透鏡，因此通過透鏡不同位置的光線無法聚焦在同一點上。要消除色差與像差，常用的方法是利用多個透鏡校正以及非球面透鏡設計，讓光波經多次折射，最後聚焦在同一點上。
消除色差示意圖。透鏡容易有色差的問題（左圖），可加上匹配之凹透鏡，消除色差（右圖）。（電腦繪圖：姚裕評）
相機的感測器位置一般是設計在光學鏡頭的有效焦距上，此位置即是物體在遠處時通過鏡頭的聚焦位置，但是當物體越來越靠近相機時，光線會聚焦到影像感測器的後方，造成影像感測器記錄到的影像變得模糊，此時便需靠對焦機制來讓光線聚焦點重新回到影像感測器上。
清華大學奈米工程與微系統研究所博士生蔡智偉表示，對焦技術主要可以區分為兩種，一為鏡頭的有效焦距保持不變，而是藉由調整鏡頭與影像感測器的距離來讓光線聚焦到影像感測器上。例如體積小的手機照相機就是以音圈馬達移動整個鏡頭的位置。不過，馬達移動範圍有限，無法修正由於近拍所導致的嚴重像差，而限制了相機對焦範圍。
另外一種方式是藉由調整鏡頭的有效焦距，將物體因靠近鏡頭所造成的偏移聚焦點重新聚焦到影像感測器上。一般的照相機多是採用此對焦技術，以機械式馬達移動鏡頭內的光學透鏡，控制透鏡的相對距離以變焦方式達到對焦的效果。
鏡頭變焦簡單示意圖，藍光代表拍攝物體的入射平行光線，黃光為拍攝物的邊界入射光，示意圖只移動凹透鏡對焦。當平行入射光經過第一個凸透鏡時，光線折向焦點方向，因此凹透鏡離第一個凸透鏡越遠，能收集的入射光線範圍越寬，反之則越窄。故相機從近拍（圖左）改成遠拍（圖右）時，需先將凹透鏡左移。凹透鏡左移，物像變大，等同於把物體往前移，而使光聚焦到光感測器上。（電腦繪圖：姚裕評）
仿水晶體對焦的液態鏡頭
圖為兩顆直徑約1公分的液態鏡頭模組。（影像來源：楊嘉慧）
由於相機越來越普及，業者為了增加相機對消費者的吸引力，莫不絞盡腦汁增加相機的功能，除了附加攝影、錄音功能，還推出智慧辨識人臉與寵物、高倍率光學變焦、防手震等功能。現在更有科學家研究液態鏡頭，希望利用液態透鏡可隨時改變曲率、調整焦距的特性，取代機械式馬達的對焦技術。清華大學奈米工程與微系統研究所教授葉哲良與博士生蔡智偉、楊志誠、楊中堯等，成功研發出的介電式液態透鏡，利用電壓操控液態透鏡的液珠變形，以改變鏡面曲率的方式達到對焦的效果。這種液態鏡頭不但具體積小、低耗能等優點，還可以得到非常清晰的近拍畫面，將來十分有機會取代固態鏡頭在手機照相機等微影像光學系統上的用途。
介電式液態鏡頭示意圖。以矽油當透鏡液，與等比重封裝液（醇類溶液）同時密封於光學封裝內。當施以電壓時，介電力會由具高介電常數的醇類溶液往具低介電常數的矽油擠壓，藉此改變矽油的曲率。（電腦繪圖：姚裕評）
介電式液態透鏡的結構是以直徑約 0.5 公分的無色透明矽油（又稱為二甲基矽氧烷）為透鏡，矽油被封裝在與其不互溶的醇類溶液之中。介電式液態鏡頭的對焦方式與眼睛類似，眼睛是利用睫狀肌改變水晶體的曲率，調整焦距；介電式液態鏡頭則是使用超距力（介電力）控制做為光學鏡片的矽油液珠曲率來對焦。
蔡智偉表示，所謂介電力（一種靜電力）簡單而言是指當電壓輸入到驅動電極上時，會在兩絕緣液體（矽油及醇類溶液）的介面產生電場，此電場所誘發的作用力即為介電力。介電力作用方向會由具高介電常數的醇類溶液往具低介電常數的矽油擠壓，因此改變矽油的曲率。而施加的電壓越高，醇類溶液由四周擠壓矽油的力量就會越大，曲率也會隨之增加（即曲率半徑大幅縮減）、焦點距離變短；反之，低電壓則會讓曲率降低、焦點距離變長。換句話說，近拍時通以高電壓，遠拍則降低電壓。目前介電式液態鏡頭可清楚近拍距離 1 公分的物體。
圖為介電式液態鏡近拍500元紙鈔，可將紙鈔上細緻的紋路拍攝出來。（影像來源：葉哲良）
葉哲良表示，介電式液態鏡頭的優點是只要一顆透鏡即可達到對焦功能，不像固態鏡頭還需馬達調整多個透鏡的相對位置。介電式液態鏡頭的耐摔性也非常好，可承受 5 公尺高落下的衝擊力。此外，它的耗能也十分低，光是鏡頭對焦，數位相機耗能約為 1 瓦（W），照相手機約數百毫瓦（mW），介電式液態鏡頭則不到 1 毫瓦。不過，液態鏡頭和固態鏡頭一樣會有色差、像差等問題，但問題較為單純，主要是液珠引起的球面像差。介電式液態鏡頭可應用的範圍很廣泛，除了做為照相手機鏡頭，還可應用在顯微鏡、內視鏡、微型投影機、監視器、甚至可對焦人工水晶體等。
(a)圖乃是介電式液態透鏡與2M畫素的模組結合之相機在離物體1公分近的距離所擷取到的影像。而(b)圖則將對焦調整到80 cm處的海綿寶寶。（影像來源：葉哲良）
文／楊嘉慧
審稿／（台湾）清華大學奈米工程與微系統研究所教授 葉哲良、（台湾）清華大學奈米工程與微系統研究所博士生 蔡智偉
多透鏡組成的相機鏡頭
近年來，數位攝影幾乎融入一般人的生活，越來越多人喜歡上傳照片到網路上與親友分享。不管是數位相機或傳統相機，拍照的基本原理都是利用光學鏡頭，將物體影像投射在底片或 CCD（電荷耦合元件）、CMOS（互補式金氧半場效電晶體）等影像感測器上，以記錄影像。
為了得到好的拍照品質，相機的鏡頭都是由多個透鏡組成，因為單一透鏡會有嚴重的色差與像差問題。色差的產生是因為可見光包含各種波長，當光經過透鏡時，由於透鏡材料對不同波長的光會有不同折射率，致使不同顏色的光線聚焦在不同位置上。像差問題主要是因使用的光學透鏡有一定厚度，並非理想透鏡，因此通過透鏡不同位置的光線無法聚焦在同一點上。要消除色差與像差，常用的方法是利用多個透鏡校正以及非球面透鏡設計，讓光波經多次折射，最後聚焦在同一點上。
消除色差示意圖。透鏡容易有色差的問題（左圖），可加上匹配之凹透鏡，消除色差（右圖）。（電腦繪圖：姚裕評）
相機的感測器位置一般是設計在光學鏡頭的有效焦距上，此位置即是物體在遠處時通過鏡頭的聚焦位置，但是當物體越來越靠近相機時，光線會聚焦到影像感測器的後方，造成影像感測器記錄到的影像變得模糊，此時便需靠對焦機制來讓光線聚焦點重新回到影像感測器上。
清華大學奈米工程與微系統研究所博士生蔡智偉表示，對焦技術主要可以區分為兩種，一為鏡頭的有效焦距保持不變，而是藉由調整鏡頭與影像感測器的距離來讓光線聚焦到影像感測器上。例如體積小的手機照相機就是以音圈馬達移動整個鏡頭的位置。不過，馬達移動範圍有限，無法修正由於近拍所導致的嚴重像差，而限制了相機對焦範圍。
另外一種方式是藉由調整鏡頭的有效焦距，將物體因靠近鏡頭所造成的偏移聚焦點重新聚焦到影像感測器上。一般的照相機多是採用此對焦技術，以機械式馬達移動鏡頭內的光學透鏡，控制透鏡的相對距離以變焦方式達到對焦的效果。
鏡頭變焦簡單示意圖，藍光代表拍攝物體的入射平行光線，黃光為拍攝物的邊界入射光，示意圖只移動凹透鏡對焦。當平行入射光經過第一個凸透鏡時，光線折向焦點方向，因此凹透鏡離第一個凸透鏡越遠，能收集的入射光線範圍越寬，反之則越窄。故相機從近拍（圖左）改成遠拍（圖右）時，需先將凹透鏡左移。凹透鏡左移，物像變大，等同於把物體往前移，而使光聚焦到光感測器上。（電腦繪圖：姚裕評）
仿水晶體對焦的液態鏡頭
圖為兩顆直徑約1公分的液態鏡頭模組。（影像來源：楊嘉慧）
由於相機越來越普及，業者為了增加相機對消費者的吸引力，莫不絞盡腦汁增加相機的功能，除了附加攝影、錄音功能，還推出智慧辨識人臉與寵物、高倍率光學變焦、防手震等功能。現在更有科學家研究液態鏡頭，希望利用液態透鏡可隨時改變曲率、調整焦距的特性，取代機械式馬達的對焦技術。清華大學奈米工程與微系統研究所教授葉哲良與博士生蔡智偉、楊志誠、楊中堯等，成功研發出的介電式液態透鏡，利用電壓操控液態透鏡的液珠變形，以改變鏡面曲率的方式達到對焦的效果。這種液態鏡頭不但具體積小、低耗能等優點，還可以得到非常清晰的近拍畫面，將來十分有機會取代固態鏡頭在手機照相機等微影像光學系統上的用途。
介電式液態鏡頭示意圖。以矽油當透鏡液，與等比重封裝液（醇類溶液）同時密封於光學封裝內。當施以電壓時，介電力會由具高介電常數的醇類溶液往具低介電常數的矽油擠壓，藉此改變矽油的曲率。（電腦繪圖：姚裕評）
介電式液態透鏡的結構是以直徑約 0.5 公分的無色透明矽油（又稱為二甲基矽氧烷）為透鏡，矽油被封裝在與其不互溶的醇類溶液之中。介電式液態鏡頭的對焦方式與眼睛類似，眼睛是利用睫狀肌改變水晶體的曲率，調整焦距；介電式液態鏡頭則是使用超距力（介電力）控制做為光學鏡片的矽油液珠曲率來對焦。
蔡智偉表示，所謂介電力（一種靜電力）簡單而言是指當電壓輸入到驅動電極上時，會在兩絕緣液體（矽油及醇類溶液）的介面產生電場，此電場所誘發的作用力即為介電力。介電力作用方向會由具高介電常數的醇類溶液往具低介電常數的矽油擠壓，因此改變矽油的曲率。而施加的電壓越高，醇類溶液由四周擠壓矽油的力量就會越大，曲率也會隨之增加（即曲率半徑大幅縮減）、焦點距離變短；反之，低電壓則會讓曲率降低、焦點距離變長。換句話說，近拍時通以高電壓，遠拍則降低電壓。目前介電式液態鏡頭可清楚近拍距離 1 公分的物體。
圖為介電式液態鏡近拍500元紙鈔，可將紙鈔上細緻的紋路拍攝出來。（影像來源：葉哲良）
葉哲良表示，介電式液態鏡頭的優點是只要一顆透鏡即可達到對焦功能，不像固態鏡頭還需馬達調整多個透鏡的相對位置。介電式液態鏡頭的耐摔性也非常好，可承受 5 公尺高落下的衝擊力。此外，它的耗能也十分低，光是鏡頭對焦，數位相機耗能約為 1 瓦（W），照相手機約數百毫瓦（mW），介電式液態鏡頭則不到 1 毫瓦。不過，液態鏡頭和固態鏡頭一樣會有色差、像差等問題，但問題較為單純，主要是液珠引起的球面像差。介電式液態鏡頭可應用的範圍很廣泛，除了做為照相手機鏡頭，還可應用在顯微鏡、內視鏡、微型投影機、監視器、甚至可對焦人工水晶體等。
(a)圖乃是介電式液態透鏡與2M畫素的模組結合之相機在離物體1公分近的距離所擷取到的影像。而(b)圖則將對焦調整到80 cm處的海綿寶寶。（影像來源：葉哲良）