液态镜头的发展与应用

最近小米推出了一款新手机，广告宣传说它搭载了具有液态镜头的相机。这一期我们就说一下液态镜头这些年的发展。

记得2013年，有一家叫Polight的挪威公司来到Nokia的会议室，向我们介绍他们的液态镜头技术。Polight宣称与流行的VCM 自动对焦技术相比，它可以做到更快速对焦，没有Ringing Effect，景深可以程序控制，以及可以让模组小型化等优点。

当时他们把这款叫做'Tlens’的液态镜头装在一台iPad的主相机上，现场让我们来试验。我当时用它体验了一下拍照和视频录像，确实对焦速度快到几乎无感，而且可以结合软件改变景深实现一些背景虚化的效果，第一感觉真是amazing！

然后我们就一起讨论其实现原理，以及应用它在做相机产品时候的一些技术细节。当谈到温度特性的时候，问题就来了。第一：当时这款产品在温度较低的时候不能工作，需要把它加热到一定的温度才可以使用。第二：它在不同温度时候的特性也不一样，需要根据温度做对应处理。而且量产后部件的一致性也是个问题。

这些问题都足够致命，直接导致我们放弃采用这项技术。看起来，他们也曾经尝试把这项技术卖给Apple，结果很明显，Apple估计也看到了这项技术在工程应用和最终产品质量上可能带来的的风险，所以和Nokia做出了一样的选择。

虽然Nokia和Apple这些手机公司当时都没有跟进液态镜头技术，但是不代表这项技术没有应用场景。这些年，液态镜头技术在德国和美国的工业视觉领域都取得了不错的进展。由于工业相机的使用环境相对可控 —— 厂房的温度一般都是室温，所以不少工业自动化相机采用了液态镜头技术。

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。

据传华为也曾经考虑在手机相机应用液态镜头技术。目前还不知道这项技术在手机相机领域到底表现如何，相信搭载液态镜头的小米手机相机测试报告很快就会出来，让我们拭目以待。