傳統的變焦鏡頭使用由一組複雜的玻璃或塑膠透鏡，加上精密的步進馬達與一些機械結構組成，藉由馬達改變鏡片間之距離達到變焦的目的。但是這種方式的機械結構複雜且脆弱，價錢昂貴，並需要極大的空間來換取變焦範圍，不利於攜帶式3C產品的應用。因此，尋找一種異於傳統鏡頭之變焦技術，方能跳脫出原有空間的限制。藉由分析人眼水晶體調節焦距的方式，科學家了解到水晶體即為一種天然液體透鏡，如圖12。它藉由睫狀肌調節水晶體的曲率，使人類可以清楚地看到不同距離之景物，這種方式因為不需要精密的步進裝置與複雜的機械結構，因此可以降低成本，且可以將變焦系統的空間大幅縮小。
圖12、人眼水晶體聚焦成像的示意圖[8]。
最早的液體透鏡可以追溯到 17 世紀，當時 Stephan Gray利用液滴作為顯微鏡的透鏡，製作方式是在平板上鑽孔，將液滴滴入孔洞中，利用孔徑大小的不同，來改變液滴的曲率變化。現今的液體透鏡，其變焦的技術可區分為4類：(1) 液壓作用(fluidic
pressure)、(2) 熱效應(thermal
effect)、(3) 介電泳動(dielectrophoresis,
DEP)、(4) 電潤濕。所謂的液壓作用是指利用外力使液壓改變，進而改變液滴的曲率來達到變焦的目的，如圖13。
圖13、液壓式液體透鏡結構與改變曲率機制之示意圖：1.環形密封環；2.橡膠薄膜；3.玻璃平板；4.彈性薄膜；5.液體；6.小孔[9]。
而熱效應變焦技術，是藉由水凝膠(hydrogel)在不同溫度下會有吸水膨脹及脫水收縮的現象。當水凝膠受冷時會吸水膨脹，進而擠壓水相使液滴凸起形成凸透鏡，如圖14。
圖14、熱效應作用製作的液體透鏡之示意圖：a. 水-油界面形成之液體透鏡；b. 結構截面圖；c~f. 不同溫度下，水/油界面變化[10]。
圖15、微透鏡陣列形成過程：(a)兩種不同液體，L-1 隨機分布於絕緣層上；(b)透鏡形成；(c)加電壓時的穩定狀態；(d)不加電壓時的穩定狀態[11]。
至於介電泳動的變焦原理，則是利用在不均勻電場下，低介電常數L-1液體易往低電場移動的特性，如圖15。此乃因高介電常數L-2液體易被電場極化，而受電極吸引，並將L-1液體擠壓至非電極區形成透鏡。而本文欲探討的電潤濕變焦技術，則是採用Yang-Lippmann方程式。透過調控電壓來改變液滴接觸角，進而達到變焦的目的。圖16為Varioptic公司提出的變焦液體透鏡結構圖。
圖16、左圖為光學透鏡的垂直剖面，其組成包括封裝液-水及透鏡液體-油滴。在電壓還沒有接通時，凹面油滴會形成光擴散，這是因為油的折射率大於水的(Snell定律)。右圖為電壓導通狀態，在其影響下水會推壓油滴成為凸面和使光通過它並聚焦[1]。
液體透鏡變焦系統較傳統變焦鏡頭具有許多的優勢，例如不需驅動馬達來移動透鏡組以完成變焦程序。此外，因為無須透鏡組來變焦，故不需精密機械定位的伸縮鏡筒。所以，變焦液體透鏡具有體積小，裝置精簡成本低，以及能耗少的優勢。這些優勢對於可攜式3C產品，例如手機、平板電腦、行車記錄器等，符合其輕薄短小低耗能之特性需求。然而，液體透鏡穩定性仍有待驗證，常見的問題有光軸穩定性、透鏡液體及封裝液體穩定性等。目前主要的技術開發者有Philips、Sony、Samsung及Varioptic等，圖17為Philip液體透鏡及其封裝成鏡頭組的外觀與結構。圖18為Varioptic所販售的液體透鏡。
圖17、Philips液體透鏡及其封裝成鏡頭組的外觀與結構[12]。
圖18、Varioptic所販售的液體透鏡[1]。
由於液體透鏡的鏡面是液態，故無法如傳統玻璃或塑膠透鏡一樣，維持固定的光軸中心。為了避免液體透鏡因環境因素造成光軸偏移，在設計液體透鏡之液滴儲槽的幾何形狀時，會特別考慮光軸的幾何對稱性及最低能勢。使得光軸本身具有自動補償偏移的能力，圖19為幾種具代表性之液滴儲槽的幾何形狀。
圖19、具光軸穩定的液滴儲槽幾何形狀。
此外，液體透鏡中的透鏡液體與封裝液體，有以下的要求，包括
- 儲存穩定性要高，兩液體長期接觸不會產生化學反應、乳化或互溶。
- 穿透率及透明性要高
- 兩液體的介電常數差異要大
- 操作溫度範圍要大
- 兩液體的密度越接近越好
- 黏度低及黏滯係數要小
- 兩液體的折射率差要大
- 透鏡液體的導電度要低
為了達到高穩定性，透鏡液體通常選擇低活性及低表面張力的矽油類，例如聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。PDMS擁有低化學活性、與水不互溶、透明且黏度低、密度接近水、操作溫度寬、介電常數低、導電度低等特性。低化學活性故儲存穩定性高、與水不互溶可降低液體劣化速率、透明有助於光穿透、低黏度讓液滴變焦速度加快、介電常數差異大能提升電潤濕效率及降低操作電壓、操作溫度寬以適用於各種氣候環境、液體密度越接近越能克服重力或浮力干擾、折射率大則有助於變焦範圍的提升、導電度低可避免電解發生。
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