仿生液體變焦鏡頭研究啟示

□衢州華茂外國語學(xué)校 鄭俊捷、鄭煜堃、殷莉莉

仿生液體變焦鏡頭研究啟示

□衢州華茂外國語學(xué)校 鄭俊捷、鄭煜堃、殷莉莉

灑滿陽光的黃金海岸，鱗次櫛比的大廈，以及我們大笑的瞬間……讓我們一次又一次地拿起相機(jī)，留下那些最珍貴的時(shí)刻吧。然而，相機(jī)自動(dòng)變焦的時(shí)間慢，這讓我們傷透了腦筋?？粗某鰜淼恼掌覀円淮斡忠淮蔚匕櫰鹆嗣碱^。

針對(duì)這個(gè)問題，我們查閱了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)原來我們使用的相機(jī)鏡頭是通過增加鏡頭透鏡片的個(gè)數(shù)來達(dá)到變焦效果的，但是這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了鏡頭變焦的速度大為減慢，而且專業(yè)鏡頭的昂貴身價(jià)也讓常人難以接受（佳能長焦鏡頭在10萬元以上）?？磥磉@種傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭存在很大的缺陷。那我們能不能從根本上加以解決呢？

我們的創(chuàng)新想法最初來源于眼睛。大家想想看，我們的眼睛真的是最神奇的相機(jī)。變焦速度快，體積小，簡單而高效。那為何不能利用仿生學(xué)的原理改變傳統(tǒng)鏡頭的結(jié)構(gòu)呢？

帶著問題，我們與?？萍驾o導(dǎo)員金老師交流了有關(guān)想法。沒想到，老師對(duì)我們的創(chuàng)意給予了高度評(píng)價(jià)。在初步論證方案的可行性之后，我們師生又進(jìn)一步完善了項(xiàng)目方案，之后就正式開始了我們極富想象力的探索之旅。

我們的目標(biāo)，就是設(shè)計(jì)一個(gè)以液體鏡頭代替復(fù)雜透鏡組裝置。達(dá)成目標(biāo)的關(guān)鍵是找到一種類似于晶狀體的軟質(zhì)透明物質(zhì)，它可在外力作用下產(chǎn)生形變，從而改變它的焦距。

材料準(zhǔn)備

我們準(zhǔn)備了來自家中廚房的透明彈性PVE保鮮膜，還有PVC圓柱體空心筒。我們的初步設(shè)想是先制作一個(gè)“晶狀體”，把兩快膜邊緣粘緊，再穿上一圈細(xì)線，在兩端留出一個(gè)線頭，做出圖1的形狀，再在其中充入水（填充物暫且用水）并密封。拉著A、B兩個(gè)線頭，就可以任意調(diào)節(jié)它的形狀了。

在圓柱形筒上刻出CD、EF兩條凹槽，可以使“晶狀體”放入“鏡頭”，而兩個(gè)線頭留在外面以供人調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2

效果測試

圖3最終實(shí)物模型

將4支光線筆通過裝置射向光屏，可以觀察到光線有明顯偏折，調(diào)節(jié)A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以看到光線偏折角度有變化，光屏上的4個(gè)點(diǎn)間距在調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)時(shí)有較大變化。實(shí)驗(yàn)證明這種方案是有效的，美中不足的是做起來很困難。首先水容易漏，其次曲面會(huì)影響刻度尺，使讀數(shù)有誤差，最后這個(gè)“晶狀體”在使用時(shí)會(huì)受到地球重力的影響，形狀會(huì)變成上小下大的形狀，影響成像。

我們針對(duì)這些問題進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的方案正是我們最終完成的模型。材料大致相同，只是PVC管多增加了一個(gè)。要求是兩個(gè)管子能恰好緊密地套在一起（如圖3所示）。在AB面和CD上裹一層PVE膜。這樣的話，在兩個(gè)筒里面充上填充液體，兩頭的PVE膜就會(huì)凸起來，形成聚焦作用的曲面。調(diào)節(jié)兩個(gè)筒的間距（即圖3中h）的大小，就可以更輕松地變焦了。

至于填充的液體，我們想到了硅酸鈉溶液。硅酸鈉，俗稱水玻璃，溶于水后，它會(huì)形成粘稠的透明液體。實(shí)驗(yàn)操作中我們也配制并使用了這樣的填充物。它的折光率比水大得多，可以用較大的量來達(dá)到同樣的折光率。但是硅酸鈉有強(qiáng)堿性，時(shí)間一久PVE膜的粘合劑就會(huì)被腐蝕，容易失落，測量時(shí)也容易弄到手上。我們?cè)谶@個(gè)階段也吃了不少苦頭。

一次生活中的感悟，讓我們得到了靈感。經(jīng)過不斷深入思考，堅(jiān)持不懈的改進(jìn)，我們終于有了初步的成果，并獲得了第25屆浙江省青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新項(xiàng)目一等獎(jiǎng)的好成績。這次經(jīng)歷，讓我們明白只有敢于設(shè)想，刻苦鉆研，才能在科學(xué)探究的道路上前進(jìn)。

時(shí)間過去一年多了，畢業(yè)使我們這個(gè)小組不得不分開一段時(shí)間。但是我們對(duì)這個(gè)裝置的改進(jìn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。由于要應(yīng)用到相機(jī)里，我們打算在控制兩個(gè)筒時(shí)使用微電機(jī)，編制程序來精確調(diào)節(jié)，使對(duì)焦變焦更準(zhǔn)確。還得考慮讓裝置盡可能縮小體積，以便于大批量生產(chǎn)，期待我們的喜訊吧。

（指導(dǎo)老師 金友濱）