液态变焦技术靠谱吗?

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作者:光学王美丽
链接:https://www.zhihu.com/question/24027947/answer/31622418
来源:知乎
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我认为液态变焦技术很靠谱,而且很有发展前途,在不久的将来,液体透镜会出现在我们生活的方方面面。
正文开始
大家人生最初接触透镜,应该和我一样,放大镜和眼镜。像这样:

类似放大镜和眼镜,这样依靠物理打磨成型,或者其他加工方法成型的镜片,在光学里叫做物理透镜。物理透镜一直在人们的生活中扮演着重要角色。但是,物理透镜有个缺点,在有些应用,比如我们熟悉的望远镜中,单个透镜达不到变化焦距的效果,所以需要运用多个透镜形成透镜组。要调节透镜组的焦距,就要变化其中每个透镜之间的距离。
(此处可以想象单反相机的镜头,调节焦距就需要转动镜头来调节镜头内透镜的距离)
常见的相机镜头横切面看起来是这样的:

确实是货真价实的各种透镜啊,而且卡住透镜的结构都非常精密。大家常说女的不好玩单反的,因为有的单反机身加镜头实在太重,而且体积太大。
这里就引出固定透镜的一个重要特性就是它仅存在一个焦距。要实现焦距的变化,只能采取让透镜一部分作机械运动的方法。所以,通过机械运动的方式来实现调焦,总是相当笨重缓慢,不方便。因为我现在的研究主要和液晶有关,所以我在回答里只说液晶透镜。
1888年,奥地利植物学家赖尼泽尔在加热胆甾醇苯甲酸晶体时发现了液晶。到现在短短一百多年里,液晶技术的发展真的是突飞猛进。数码产品的显示器是现在大家最常见的应用(第一次见到真的液晶,是同学手机屏幕摔碎以后她惊呼“我的手机流水了!”)
液晶透镜是什么?液晶微透镜依靠液晶的电光效应,使液晶小盒产生透镜效果的一种典型的微光学元件,具有体积小、厚度薄、易于集成、成像质量好、响应时间相对较快等优点。
所谓的液晶小盒有多小呢?看下图:

这个算是最新的在我心里很厉害的研究成果了。它是2013年美国肯特液晶中心(Kent State University)Liwei Li在OPTICS EXPRESS上发表的一种能够精确控制液晶位相包络分布而接近衍射极限的非固定电极“floating electrode”结构变焦液晶透镜。
图中标出1cm的那一小块透明的地方,就是液晶透镜了。它的可调焦距是40mm至无穷远,有没有感觉很赞? 从小透镜连接出来到左边像U盘一样的,就是为了控制透镜焦距。
下图是它的调焦效果:

第一幅图是焦距为400mm的物理透镜清晰成像,第二幅图是焦距为400mm的液晶透镜清晰成像。从这两幅可以看出液晶透镜的成像在清晰度上已经非常接近玻璃透镜。
第三幅图是液晶透镜在焦距为无穷远时对400mm处的物的模糊成像。第二幅图和第三幅图可以看出液晶透镜确实可以大范围调节焦距。没错,液晶透镜确实可以大范围调节焦距。
也许你会说,第二幅图效果不如第一幅图效果。这个是有原因的:液晶态是一种介于液体和晶体之间的状态,液晶实物是像油一样的粘稠液体,你能想象那种光透过黏糊糊液体的样子吗?光学上解释为双折射效应,在这里就不求甚解了。恩就这样~ 现在手机的摄像头主要采用的是一些像非球面和自由曲面光学零件、折射—衍射混合的光学零件等新型光学零件,但是现在的手机越来越轻薄,限制它们变得更轻薄的原因其中之一就是摄像头元件不能再变薄了。现阶段因为液晶透镜的状态还是不能长期稳定,所以还无法运用在实际手机摄像头中。不过回看近三年的研究,我感觉液晶透镜的大范围运用就在不久的将来啦~

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