液态镜头是什么？它是怎么工作的？

随着手机拍照的大规模普及，越来越多的人拿起手机记录生活，摄像头的各种参数也逐渐被大众所熟知。相较于大家比较关注的CMOS尺寸和像素，镜头这个话题的热度比较冷清。目前主流的镜头都是使用玻璃作为镜片，通过调节镜片之前的间距来实现对焦。但是，还有一种使用液体来实现对焦的镜头，今天就介绍一下这种有趣的液态镜头。

首先来看一下液态镜头的实际效果：

可以看到，镜头可以在一个相当大的范围内连续调节焦距，并且整个过程非常顺滑。

液态镜头不使用传统的玻璃作为光学透镜，而是使用透明的油滴，没错，就是一滴油 和一滴水 。

传统的镜头是使用一组镜片，通过调节镜片的间距来调节整个光学系统的焦点，因为每个镜片的曲率半径是没有办法变化的，所以单一的镜片就不能实现对焦。

液态镜头则恰恰相反，它通过改变“镜片”的曲率半径来实现对焦，这非常类似于人眼的晶状体，如下图所示：

与人眼通过睫状肌控制晶状体的形状不同，液态镜头利用了一种叫做电润湿（Electrowetting） 的现象，简单的说就是通过改变电压来改变抗水表面的亲水性，由于原先抗水的表面现在变得更吸水，油膜不得不改变其形式。

所以液态镜头就是在两块玻璃板之间，夹着一滴水和一滴油，在没有电场的时候，水滴和油滴都处于松弛状态，此时充当“镜片”的油滴是一个凹透镜。

而当我们施加了一定的电压之后，右侧电极的金属表面变得更加亲水 ，于是就把更多的水吸引到镜头的边缘，也就是镜头中间的水会变少，此时油滴自然而然地就会变成一个边缘薄 ，中间厚 地凸透镜，其曲率半径以及焦点地位置都会随之发生变化。

目前世界上最大的制造液态镜头的公司是Varioptic，镜头的外形类似于一个小金属按钮，电极的触点则是在镜头的前后两侧，所以通过把它夹在两块覆盖铜箔的电路板之间就可以对它进行供电。

要驱动这个镜头需要比较高的电压，并且需要专用的芯片来驱动：HV892，这款芯片来自于Supertex。我们需要通过IIC来控制它。所以使用Arduino作为驱动板。

液态镜头相较于传统的机械对焦镜头的优势就是体积小，对焦速度快，对焦范围大。比如在生产线上识别条形码的时候，不同高度的货品通过时需要连续地快速精确对焦。

液态镜头技术解析和利弊

小米最近推出了带有全球首款液态镜头的智能手机Mix Fold之后，很多人都想知道这种液态镜头技术到底是什么？

嗯，这并不是一项新技术，已经有15年的历史了。

小米Mix Fold上的液态镜头可以使一个镜头同时带来远摄和微距照片捕捉能力，但这项技术还有更多的功能。这篇文章用全面的例子帮助大家非常详细地理解什么是液态镜头技术。同时让我们继续学习液体透镜技术的优缺点。

文章从液体透镜技术的基本定义到它的工作机理、优缺点等各个方面。

什么是液态镜头技术？

要了解液态镜头技术，你首先需要知道传统的相机系统是如何工作的。

传统的摄像系统，无论是智能手机还是数码单反，本质上都是机械的。这里的意思是，如果你想在使用单反相机的时候对焦一个物体，你需要先换镜头，然后用马达或者手动变焦，这是一个机械过程。

同样，在智能手机上需要将镜头切换到长焦镜头，才能点击远处拍摄对象的照片。在这两种情况下，这个过程都是物理机械的。

换镜头、放大、找到景深、聚焦在被摄物上都要花一些时间。除此之外，在传统的相机系统中，我们不能用一个镜头拍摄不同焦距的图像。例如，超宽，长焦，微距都有各自的焦距。

我们需要切换到专用镜头，使用不同的焦距不同的拍摄条件。这就是为什么我们看到手机摄像头模块采用了多个摄像头。传统相机系统受到单一焦距和相对缓慢的机械变焦过程的限制。

液态镜头技术能够改变这一点，它不会把你固定在一种类型的镜头。这是一项新技术，它利用水和油的混合溶液在变动中产生不同的焦距。在液体透镜系统中，我们不需要更换透镜。这种的一个镜头，可以变化出多个焦距，而且它也比传统的相机系统有更快的焦点。

液态镜头是如何工作的？

液态镜头的工作方式相当巧妙。与机械摄像系统不同的是，液体镜头用电驱动来改变焦距。这是液体镜头变焦速度如此之快的主要原因。一个现象是，当液体靠近电场时，它会改变它的流向。这里发生的是电场可以将液体弯曲成不同的形状。

上图，经过电场的水流变弯曲了。

水的形状变化在这里至关重要，它构成了液体透镜技术的基础。如果你取一个水滴并施加电压，你可以将水滴的形状改变为不同的曲率。这个过程叫做电润湿。在几毫秒内，它可以通过改变水滴的形状来创建正曲率、负曲率或中性曲率。光线通过不同的曲率就形成了不同的对焦距离，这就产生了不同的焦距。

此外，在液体透镜系统中，形状是通过电子方式改变的，因此不同焦距之间的变化非常快，大大提高了对焦速度。与机械摄像系统不同的是，液体镜头可以实时发现景深并计算出物体的距离，从而成倍地提高了聚焦速度。

上图：改变曲率就改变了焦距。

因此，如果你想拍摄广角的照片，或者标准的照片，或者微距图像，或者十倍放大的照片，你可以只用一个液体镜头以极高的精度和更快的速度拍摄所有这些。

液态镜头与传统光学透镜有何不同？

传统相机系统中的光学镜头是由玻璃制成的，具有固定的曲率半径。而液体透镜是一种含有光学级液体（水和油的混合物）的小单元，它可以改变形状，从而产生不同的曲率和焦距。这就是液体透镜和光学透镜的主要区别。

除此之外，正如我前面提到的，液态透镜比光学透镜更快地发现景深和焦点。即使被摄体处于运动状态，液体透镜也能有效地锁定焦点，而光学透镜则很难重新获得焦点。

液态镜头的利弊

液体透镜比传统的光学透镜有许多优点。首先，与笨重的单反镜头相比，它的尺寸相当小。其次，它速度更快，提供多种焦距，耗电量也比相机少得多，它是智能手机相机的完美解决方案。

我们不用采用多镜头的大相机模块，只要有一个液体透镜，它就可以处理所有的焦距。除此之外，液态镜头还提供了稳定的图像。目前，液体的作用主要是创造不同的曲率，但也可以帮助稳定图像。

液体透镜用于各种需要机器视觉进行自动检测的工业应用中。它在医学领域也得到了广泛的普及，因为手术中的镜头没有太多的聚焦区域。

谈到液体透镜技术的缺点，主要是因为它仍处于开发阶段，需要一些关键的改进才能被广泛采用。液体透镜技术最早由布鲁诺·伯格于2002年发明，因此这项技术相对较新。伯格现在经营的Varioptic公司是Gorilla玻璃制造商康宁公司的子公司。专家们说，光的散射是这个相机技术中需要解决的一个问题。此外，研究人员必须防止液体泄漏。

上图：Varioptic公司的液态镜头

三星在2006年曾与Varioptic合作，但没有取得成果。小米最近推出了Mix Fold 采用了3x–30x变焦的液态镜头，成为第一家将这项技术引入智能手机的制造商。

现在，我们需要继续观察，看看液态镜头是否修复了它的缺点，是否适合手机厂商大规模采用。

我们将迎来一个新的时代，还有更轻，更快的相机系统。未来这项技术可能成为智能手机新的标准。

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