受到昆虫和人类眼睛等生物结构的启发，研究人员通过研究液体的折射率、表面张力和接触角等物理参量，实现对透明介质的操纵，有望克服传统机械式变焦系统的局限。

液体镜头一般用液体材料填充乙烯基袋形镜片。其原理是通过施加电流或电压来控制液体透镜的曲率，也就是该液体透镜的焦点。与当前由玻璃或塑料制成的镜头不同，液体镜头本身无需移动即可控制焦距。

液体变焦技术作为一种新型的变焦方式，通过改变液体透镜的形状或折射率来实现焦距的调节。目前，商用的液体变焦镜头可分为渐变折射率镜头和变曲率镜头两种，分别通过控制液晶材料的排列晶向和液体界面曲率调节焦距。美国LENSVECTOR公司生产的LV-S3系列渐变折射率透镜，利用动态可调的电场改变液晶分子取向以调节镜头的折射率；法国VARIOPTIC公司研制的Arctic316型电润湿变焦镜头和美国HOLO-CHIP公司生产的APL-1050型变曲率液体透镜，分别通过改变电压和填充液体压力的方式完成焦距的调节。液态镜头是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，是一种可以动态调整透镜折射率或通过改变其表面形状来改变焦距的光学元件，有着传统光学透镜无法比拟的性能。

液态镜头成未来？

传统变焦手段“走到头”的原因，就是因为多个固定镜头要进行前后推拉，如果镜片不出现移动，而是可以自己改变弧度，进而改变光路，那变焦难题不就迎刃而解了吗？

实际上，液态镜头的原理并不复杂，它比传统镜头更早的进入到我们的眼中——人眼之所以能无缝调节焦距，就是因为睫状肌在自动调整晶状体的弧度，人之所以近视的原因，也是因为睫状肌长期收缩导致的痉挛，肌肉无法正常舒张看清远方。

液态镜头的原理就是如此，通过电压改变液晶形成的镜片曲率，从而实现焦距变化（其实，LCD屏幕就是利用液晶加压改变旋转方向的特性，来让屏幕显示不同颜色）。2013年，人们已经将液态镜头做到了1厘米左右的大小，并能实现400焦段的清晰成像。

除了液晶之外，利用油和水的形变也能实现折射效果：通过施加电压，让油层形成凸透镜，产生聚光效果。不过从小雷找的资料来看，施加的电压普遍在50V—100V左右，在手机上实现的希望渺茫。

除了用液晶和油之外，液态镜头的探索方向也极为多样：利用液滴的高频振荡调整焦距、用挤压的办法直接调整液体曲率、利用液体对薄膜施加压力实现焦距调节……华为的专利其实并不算新奇，2010年，三星、索尼、佳能就有了液态镜头的相关专利，而液态镜头要上手机的传闻甚至可以追溯到2006年。

液态镜头的出现，很好的缓解了传统光学变焦过程中镜片所占的体积，尤其是在需要小型透镜的场合下——例如肠内镜，液态镜头发挥出了非常大的威力。加州大学就曾利用液态镜头，为病人做了胆囊切除术；液态镜头也已经被用在了微型扫码器上。

液态镜头有哪些特性？

首先，对于光学镜头的不确定性，纯电路可量化的液态镜头对焦更加准确，光学数据更精准；

其次，它可以实现几毫秒内在不同焦距的迅速转换，这无疑是自动对焦系统的理想组件。

第三，由于镜头本身没有任何移动的部件，所以它更能抵抗振动，冲击。

第四，其能够在一定程度上降低相机模组的体积和重量，也能够降低本体的重量；

第五，液态镜头由于不需要过多的玻璃镜片作为光路传输的路径，在体积缩小的同时实现一体化的设计方案；

最后，液态镜头不需要额外的机械装置让其保持聚焦状态，只需要极小的电压即可实现变焦和定焦，理论上也会更加省电一些。

简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其自身曲率来改变焦距的新型光学元件，由于没有移动部件，故被称为固态AF系统。

如果这种液体镜头能够商业化，这可以减少相机模块中镜头的数量和镜头的尺寸。实际情况是，目前智能手机上的相机模块需要使用多个不同曲率的镜头——大约六到七个镜头。如果将这些堆叠镜头中的一些替换为液态镜头，这将大大减小整个镜头组的厚度。另外，激活镜头的其他配件数量和功耗也会减少，这将让相机镜头的设计变得更简单，制造也更容易。

何谓，液态镜头？

我们知道，镜面的理想曲线是一条抛物线，不同曲率的抛物线其焦距不一样。传统的变焦镜头是通过调整两个固定焦距的镜头之间的距离来实现变焦。而液态镜头目前随着技术变化，也分好几种。如：反射式液体镜头——旋转水银，得到一个理想的抛物面；自适应性液态照相机镜头——由一对水滴组成,它们暴露于高频声波下往返振动,随之改变透镜的焦距；介电式液态镜头——使用液体聚焦光线，通过不同的电压改变液体的形状从而控制成像。有使用一种液体的，也有使用发射率不同的完全不能融合的两种液体的。（还有的使用液态硅等等，就不一一列举）

应用较多的：介电式液态镜头。其原理如下：

不管是一种液体还是两种液体的介电式液体镜头，根据相关测试，每次的变焦过程所消耗的能量仅为0.1 微焦耳(mJ)，而变焦所用的时间从最极端的凸面到凹面也仅需几毫秒。

液态镜头的优点：

耗电量比相机更低；体积更加小巧，有利于减小照相机体积；无活动部件，静音，无需马达；对焦速度更加迅速；以水为镜保证画质；体积更小适用范围更广；更加环保；提供比标准固定焦距镜头范国更大的聚焦距离。

液态镜头的应用：

简单来说，当我们需要一会看远一会看近，镜头就必须得像眼睛一样，能自动变焦来适应。

如，读取不同尺寸箱子上的条码或读取因随传送带移动而导致其与固定式读码器之间的焦距变化的工件。特别碰到快速且多次变焦的情况，液态镜头的自动变焦能力相对机械变焦来说不是高一星半点。

举个例子：

(同一镜头同一视野的不同焦距的影像)

工业相机：

除此之外，焦距差的情况均可使用，如激光行业：

目前液态镜头各种液态材质在不断尝试，各种行业也在不断尝新，如手机、相机、工业相机、天文望远镜等等。液态镜头的技术将不断提升，应用范围将越来越广。

都有哪些液态镜头技术？

液体变焦镜头的分类　　

按照液体变焦驱动机制的不同，液体变焦镜头分为物性控制式和机械驱动式，如图1所示。其中，物性控制式变焦镜头包括基于液晶材料、电化学活化、介电泳技术和电润湿技术的液体变焦镜头。机械驱动式变焦镜头包括基于静电力驱动、电磁力驱动、压力调节和环境响应液体变焦镜头。

物性控制式液体变焦镜头

物性控制式液体变焦镜头依靠镜头内填充介质材料本身的物理性质变化实现焦距调节。通过对电压驱动规律的探究，实现了介质材料的分子取向、表面张力、接触角和润湿性等参数的操控，如液晶材料、电化学技术、介电泳技术和电润湿技术。

就以目前的商用成果来看，液态镜头大致可分为渐变折射镜头、液态填充式镜头以及电润湿效应镜头，其中渐变折射率透镜由两个间隔器分离并密封的玻璃基板组成，中间则是液晶材料。当电场应用于透镜时，液晶分子会改变方向，导致通过透镜的光线重新聚焦。通过管理电场和液晶分子的方向，可以塑造光束。通过改变施加在液晶上的电压，从而来调节液晶折射率，从而实现变焦。优点是控制电压低，容易实现阵列化；缺点是焦距可调范围小、光能损失大，加上液晶会造成光学失真，成像会发生扭曲。

首先是原理上，我们的目的是为了实现焦距改变，因此，学过初中物理的光学就知道，光在进入不同介质后会发生折射，比如常见的筷子插水杯，看起来变弯了。

那么我们要实现焦距改变，首先得有折射发生，因此要让光从空气再进入另外一个介质，而且还得保证光进去后能出来，因此该介质得有较高的透过率。

双液体透镜由两种液体组成，他们存在折射率差，因此交界面就可以发生折射。

液体填充式透镜是通过填充和吸出液体使表面的曲率发生变化而变焦的透镜，使用机械装置对腔内液体施加压力，从而使液体在体腔内重新分配，改变曲率半径。优点是驱动功耗小，变焦范围大、光圈大小灵活、外形是由薄膜力学性能决定的，与填充液体无关。缺点是镜头较大时对震动和重力的影响较为敏感、结构较复杂。

由于不涉及平移部件，整个系统可实现紧凑、坚固的机身设计，并能达到数十亿次快速调焦，基于光反馈通过电流改变聚焦形状（曲率），从而改变其焦距，支持2.5D和3D激光处理功能，是激光处理系统实现快速Z轴调光控制的最佳之选，典型应用是3D激光扫描加工/打标。

电润湿效应透镜是通过改变施加的电压来控制液体在固体表面上的润湿特性的液体透镜。更准确来说，通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性，从而改变液滴的接触角，实现如同人眼晶状体一样改变曲率实现变焦。并且，由于施加的电压不同表面曲率会发生变化，从而也就实现无光学元件的变焦。优点是因为没有移动部件，所以响应时间短、变焦范围宽、操作便捷、集成性能好、结构简单。缺点是驱动电压高。

1876年李普曼发现的，他发现利用加电压在液滴上，以及在与液滴接触的面上，液滴的表面张力会发生改变，大名鼎鼎的杨氏公式在这里：

第一个COSθ0是他们的润湿角，即和两种不同液体的交界夹角，受表面张力影响，也和表面能有关；后面的是空气介电常数和介电质层介电常数；介电质层介电常数是因为V公司的创始人，伯格发现，在底部添加介电绝缘层后，能够稳定液体的改变形态，并且降低电压；γ为界面张力，d为介电层厚度，v是电压大小。

上面公式理解后基本上双液体的透镜原理也理解：

通过加电压，改变了两个液体间的交界面，由于存在折射率差，进而改变了液体透镜的焦距：

现在商业化的液态镜头分两家，一家是瑞士的o公司，一家是法国的v公司，v公司被康宁收购了。

Optotune液态镜头是开发和制造工业成型的有源光学组件，使全球各地的客户能够创新发展。成立于2008，核心技术为焦点可调透镜，这是受人眼启发的工作原理。Optotune的产品线进一步添加了激光散斑减少器，2D反射镜，可调谐棱镜和光束移位器。

Optotune公司用的是薄膜液态镜头，比较类似于晶状体，利用磁动或者电机进行驱动，拉松薄膜造成曲率半径改变，从而改变焦距。

液体被密封在弹性薄膜中，利用电磁驱动，压紧或松弛膜层，由于密封体积不变，液体从侧边挤压到通光孔中，液体的曲率发生变化，因此改变焦距。

从上图可以看到，那个箭头的示意图就是表示压紧非aa区，然后通光孔就凸起了。

液态镜头实际上是一种特殊材质的玻璃，在玻璃两侧由压电薄膜（Piezo-film）施加压力，玻璃可以产生形变，从而改变光路，这就是液态镜头的基本原理。

如下图所示：上层玻璃是形变玻璃，两侧的黑色方块表示压电薄膜（Piezo-film），中间的网状物是高分子树脂材料，下面是玻璃基片。

从模组角度来看，从上到下四层：

最上层液体镜片层（liquid lens）；镜头压电控制器 （Actuator）；树脂玻璃层（Polymer）；玻璃基底 （back window）。

液态镜头的对焦原理与人眼类似，人眼是由睫状肌控制水晶体屈光实现聚焦，睫状肌对应‘压电薄膜 Piezo-film’，水晶体对应液态玻璃。

VCM自动对焦技术中，推动镜片移动的音圈马达受到重力以及惯性影响，必然会出现震动（ringing）效应，影响对焦的速度和质量，而液态镜头则完全没有这些局限性。

相比VCM或者其他机械马达，液态镜头的另一个好处是其磨损极低。VCM以及很多工业相机的步进电机在长期使用中产生磨损，导致相机对焦功能失效。采用液态镜头则可以大大延长相机的自动对焦系统寿命。

在很多领域，由于操作空间的限制，camera 模组小型化有非常强烈需求，比如电子内窥镜、显微镜等，以往这些领域都因为尺寸的限制多采用定焦相机。由于sensor 像素尺寸与光圈的限制，成像的景深都比较有限。现在应用液态镜头就可以很好地解决这个问题。

德国的Edmund optics，美国的Variopic （后被康宁玻璃收购）在工业相机领域都有液态镜头产品提供。

Variopic 公司用的是双液体，利用电润湿，由于存在折射率差，因此交界面也有一个半月板，半月板发生形变后改变焦距，此外还有液晶透镜和德仪的用微电机驱动的液态镜头。

液态镜头可以通过电子方式调节焦距而不需要任何机械操作，这样成像系统就可以克服景深 (DOF) 限制。这非常适合不同物体高度和工作距离的应用。对于这种应用，传统解决方案是采用电动变焦镜头，或重新将物体置于焦距内。另外一种增大传统镜头景深的方法是减小成像镜头光圈尺寸，从而增大 f/#。但这也会导致分辨率和成像系统进光量下降，从而降低采集速度和图像质量。成像系统安装液态镜头之后，无论物体和相机的距离有多远，都可以进行电子变焦，而不影响速度和成像质量。

就像利用玻璃制成的传统光学镜头一样，液态镜头也属于单体光学元件，但其材质是可以改变形状的光学液态材料。玻璃镜头焦距取决于其材质和曲率半径。液态镜头也遵从相同的基本原理，但其独特之处在于可以改变曲率半径，从而改变焦距。这种半径变化采用电控方式，能够实现毫秒级的变化。生产厂家利用从电润湿到形变聚合物再到声光调节等各种技术，控制液态镜头曲率半径和折射率。

大多数成像镜头都是多元件镜头，单光学镜头的成像性能难以满足需要。因此只使用液态镜头是不明智的。但在多元件设计中结合使用液态镜头和成像镜头，就可以发挥液态镜头的速度和灵活性优势。液态镜头能够以毫秒级的反应时间在近距离或光学无穷远对焦，这对于条码读取、包装分类、安保和快速自动化等需要在多个位置进行对焦的应用来说是一种理想选择，这些被检测物体要么尺寸不同，要么与镜头之间的距离不同。在需要快速对焦的各种应用中，可以利用液态镜头提高成像系统灵活性。

图 1: 可以利用镜头生产厂家的公式计算镜头焦距。从这个公式中可以发现，焦距与折射率 (n) 和曲率半径 (R) 有关。焦距可以通过增加高折射率玻璃的使用来进行缩短——见上图。或者通过改变曲率半径 (R) 的方法进行缩短——见下图。液态镜头通过电子方式控制其性能。

为什么是液态镜头？

在了解镜头之间，我们先来聊聊人眼。本质上镜头和我们人眼观察并且记录影像的方式是一样的。我们之所以能够看到东西，是因为有光从那个物体射入到了我们的眼睛当中。所以漆黑一片的夜里，我们啥也看不见。

光线进入到我们的眼球之后，会经过一个非常重要的部分，叫做晶状体，它里面包裹着的是柔软、透明的蛋白质，可以把它想象成一个枣核型的果冻。外界光线在晶状体的折射下，会非常准确地聚焦在眼球最后方的视网膜上。聚焦点准确的部分，在我们看来就是清晰的。相反，无论焦点落在视网膜前还是视网膜后，我们看到的画面都是模糊的。

为了让我们想看到的东西永远保持清晰，晶状体就需要不停调整形状，来改变屈光度。睫状肌就是干这个活儿的。您可以试着把手放到眼前，让目光聚焦在手上，然后把手移开，目光再看向远方。几次下来，您会觉得眼睛好像有点累。

这就是睫状肌在辛勤劳作的结果。一双健康的眼睛，从近处10厘米左右的物体，一直到目力所及最远处的物体，都可以做到清晰聚焦。当我们聚焦在近处的某个物体时，远处的东西就会变得模糊起来。这就是晶状体改变形状后的结果。

有了这个基础概念，我们再来看看镜头。其实无论是照相机上的镜头还是手机上的镜头，不知道您有没有发现一个现象，它们的内部往往都是由很多枚镜片组成。

尤其是专业照相机的镜头更明显，我们去公园看那些摄影爱好者，或者在体育比赛现场，看体育摄影记者的相机镜头，一般都非常夸张的长。我们经常开玩笑，有时候拍摄现场就像架满了长枪短炮，相当壮观。

如果用人眼来比喻相机系统，镜片就相当于晶状体，相机机身里的底片或者传感器，就相当于视网膜。

那这里问题就来了，为什么相机镜头里要有那么多枚镜片？如果只有一枚镜片难道就不能拍照了吗？

其实完全可以。比如放大镜，就是一枚像枣核型一样的凸透镜片。它可以准确地把光线聚集在一个点上，因此当然可以完成成像过程。

但是成像的质量就会有些问题。以凸透镜为例，如果我们的相机镜头里只有一枚镜片，那会导致画面失真。比如，如果我们要拍摄的物体是一堵砖墙。每一块砖的缝隙明明都是整整齐齐、横平竖直的。但是拍出来的画面，就不是这样了。整个砖墙像是从中间鼓了个包出来，有点像个水桶一样，肚子大两头窄。因此也叫桶形失真，或者叫桶形畸变。

这是凸透镜中间厚四周薄的物理结构决定的，没有办法。因此要修正这种画面失真的情况，就需要用多枚不同形状的镜片来做光学修正。专业数码相机的镜头内部经常会有十枚以上的镜片相互配合，才能最终呈现出畸变较小，色彩准确，尽量还原我们人眼所看到的画面。

手机的镜头也一样，我们经常会听到什么镜头采用了5P、6P、7P的设计。所谓的P就是Plastic，塑料。意思就是，一个黑洞洞的手机镜头里面，就摞着5、6、7片的塑料镜片。

因此这就是为什么我们手机的摄像头没办法像机身一样纤薄，总要突出机身的原因。而且越是主打拍摄性能的手机，突出机身的部分往往越多。

现在的手机一般还都双摄、三摄、四摄的，可想而知里面有多少枚镜片。之所以厂商会不断地增加镜头的数量，是因为我们的手机无法做到光学变焦。就是像我们的人眼一样想聚焦在近处就聚焦在近处，想聚焦在远处就聚焦在远处。

有朋友可能会觉得不对呀！手机在拍照的时候明明可以调节远近啊！这里我们要区分一个概念，就是光学变焦和数码变焦。目前我们的手机在变焦的时候，大多只能数码变焦，说白了就是把一幅照片放大。我们都知道，照片总不能无休止地放大，放大到一定地步，就模糊不清晰了。

但是光学变焦不同。它是通过改变镜头内几枚镜片的远近距离，从而调整光线焦点。这样在拍照时即便我们放大画面，依然能保持清晰。手机镜头模组因为空间太小，很难再有镜片活动的空间，所以手机一般不支持光学变焦。

当然，也有手机曾尝试通过潜望式结构支持光学变焦，但由于结构可靠性、成像质量和成本等问题一直无法普及。

为了让使用者无论远景、近景都能拍摄到清晰的照片。那就只能让手机搭载上更多焦段的摄像头，比如1倍的镜头可以用来拍风景，2倍的镜头可以用来拍人像，10倍的镜头可以用来拍树上的小鸟。涵盖的焦段越多，手机的拍摄效果当然越好，但是现在手机都已经开始挂上四个焦段的摄像头了，以后呢？五镜头六镜头十镜头？

关键是，手机的镜头模组越来越庞大，已经开始挤压其他元器件的空间，这就让手机显得有点不务正业。

于是，液态镜头就应运而生了。它内部的镜片由一层薄膜包裹，里面是液体，可以在电压的驱动下改变形状，就像人眼的晶状体被睫状肌牵引一样。这样就可以做到一颗镜头既看远又看近。手机从此不再需要多个摄像头。

其实，液态镜头的构想至少在20年前就已经出现了，毕竟从仿生学的角度来讲，液态镜头和人眼更为接近。但是受制于材料科学和成本方面的因素，直到今天，普通消费者才有可能真正见到搭载液态镜头的产品。