用于成像的液態(tài)鏡頭

液態(tài)鏡頭可快速調(diào)節(jié)焦距，以適應(yīng)位于不同工作距離的物體。 液態(tài)鏡頭是含有光學(xué)級液體的小型元件。 在施加電流或電壓時，液體會改變鏡片的形狀。 這一變化在幾毫秒內(nèi)發(fā)生，會導(dǎo)致鏡頭的光學(xué)功率發(fā)生變化，從而改變焦距和工作距離。許多制造商設(shè)計了液態(tài)鏡頭，它們的操作過程略有不同：電潤濕，電流驅(qū)動的聚合物或聲音壓電。 對于需要快速對焦、高生產(chǎn)量和適應(yīng)景深與工作距離的應(yīng)用而言，將液態(tài)鏡頭集成到成像系統(tǒng)中是理想的解決方案。

圖1：在高速機(jī)器視覺應(yīng)用中使用的液態(tài)鏡頭設(shè)置

液態(tài)鏡頭功能

響應(yīng)時間

液態(tài)鏡頭具有非?？斓捻憫?yīng)時間，可通過電壓或電流進(jìn)行電調(diào)諧，并在數(shù)毫秒內(nèi)響應(yīng)。 固定焦距和變焦鏡頭通常依靠機(jī)械或手動調(diào)節(jié)來改變焦點，這會減慢成像系統(tǒng)的速度。

通用性

液態(tài)鏡頭可以在整個成像系統(tǒng)的各個位置實現(xiàn)，也可以嵌入到成像鏡頭的前部或后部或穿入其中。

尺寸

液態(tài)鏡頭消除了機(jī)械原理，從而可以實現(xiàn)緊湊的設(shè)計。 另外，液態(tài)鏡頭在功能上可與組件中的許多單個鏡頭相媲美。 通過取下這些鏡頭并用一個小的液態(tài)元件代替它們，可以減小整個鏡頭的整體尺寸和重量。

傳感器覆蓋率

液態(tài)鏡頭受其較小的光圈尺寸限制-大的直徑約為16毫米。 小孔限制了液態(tài)鏡頭，并且只有在將鏡頭改裝到現(xiàn)有機(jī)器視覺鏡頭的正面時，才允許與大約1 / 1.8英寸的傳感器一起使用。 嵌入系統(tǒng)內(nèi)部的液態(tài)鏡頭不會減少傳感器的覆蓋范圍。

調(diào)焦

液態(tài)鏡頭設(shè)計為可在很寬的光焦度（焦距）范圍內(nèi)高速運(yùn)行。 通過消除固定焦距和變焦鏡頭中通常存在的運(yùn)動部件和機(jī)械調(diào)整，聚焦過程變得更快。

整合的復(fù)雜性

取決于可用的設(shè)備和應(yīng)用，液態(tài)鏡頭可能難以集成。 液態(tài)鏡頭可與許多附件一起使用，例如濾鏡和光圈，這是許多高速應(yīng)用所必需的，例如距離傳感器或控制器。

壽命

液態(tài)鏡頭消耗很少的能量。 典型的機(jī)械鏡頭可承受約100,000個循環(huán)，而液態(tài)鏡頭可承受約50,000,000個循環(huán)（Berge，2013年）。

液態(tài)鏡頭的應(yīng)用

液態(tài)鏡頭的適應(yīng)性，速度和多功能性使其成為各種機(jī)器視覺，生命科學(xué)以及測量和檢查應(yīng)用的理想選擇。 由于其傳統(tǒng)的機(jī)械布局，標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺鏡頭難以在需要快速重新聚焦的高速或準(zhǔn)確應(yīng)用中捕獲清晰，準(zhǔn)確的圖像。

機(jī)器視覺

大批量裝配線需要快速，準(zhǔn)確和準(zhǔn)確的生產(chǎn)量。 當(dāng)需要在多個距離上聚焦時，將液態(tài)鏡頭集成到檢查系統(tǒng)中是一種優(yōu)良，緊湊且經(jīng)濟(jì)的解決方案。 液態(tài)鏡頭是條形碼檢查，包裝分揀，質(zhì)量控制和快速自動化的理想解決方案（參見圖2）。

圖2：此動畫說明了將液態(tài)鏡頭安裝到機(jī)器視覺成像系統(tǒng)中進(jìn)行檢查的優(yōu)點。 在標(biāo)準(zhǔn)檢查系統(tǒng)中，不同高度的物體在快速移動的傳送帶上經(jīng)過時會成像。 標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭需要對每個對象進(jìn)行機(jī)械重新聚焦，從而導(dǎo)致延遲，從而限制高通量。 無需機(jī)械平移的液態(tài)鏡頭通過在幾毫秒內(nèi)重新聚焦到不同的高度，克服了這些速度和景深限制。

生命科學(xué)

液態(tài)鏡頭改善并簡化了顯微鏡成像應(yīng)用中的焦點堆疊（“ z堆疊”）過程。 由于景深有限，在使用高放大倍率物鏡成像時，通常需要進(jìn)行焦點堆疊。 液態(tài)鏡頭可以快速而準(zhǔn)確地聚焦到各種物平面，從而加快了聚焦堆疊的過程。 液態(tài)鏡頭可以很容易地集成到套管透鏡中或顯微鏡內(nèi)的無限空間中。

液態(tài)鏡頭通常用于眼科，在眼科中，屈光控制和景深調(diào)節(jié)至關(guān)重要。 標(biāo)準(zhǔn)的眼科設(shè)備包含用于調(diào)節(jié)人眼的多個玻璃鏡片。 這些透鏡可以用單個液態(tài)鏡頭代替，從而加快了成像或診斷過程，并減小了眼科設(shè)備（如OCT和phoropter）的總體尺寸。

無人機(jī)

通過將液態(tài)鏡頭添加到無人機(jī)（UAV）成像系統(tǒng)，可以在各種高度上快速保持圖像清晰度。 液態(tài)鏡頭在農(nóng)業(yè)檢查和監(jiān)控，地理信息系統(tǒng)以及監(jiān)控應(yīng)用中特別有利。

測量和尺寸渲染

與距離傳感器和相機(jī)配對時，液態(tài)鏡頭可以快速成像3D對象的不同平面。 然后將這些圖像在軟件中縫合在一起，以創(chuàng)建準(zhǔn)確的三維渲染。

液態(tài)鏡頭技術(shù)

可變焦液態(tài)鏡頭

圖3：可變焦液態(tài)鏡頭技術(shù)

可變焦液態(tài)鏡頭使用稱為電潤濕的過程進(jìn)行聚焦，該過程是施加電場來控制液體的潤濕特性，從而控制其形狀和曲率。液態(tài)鏡頭元件包含兩種不混溶的液體：非導(dǎo)電油和被界面分開的水溶液。在兩種液體之間的界面上施加電壓會在數(shù)十毫秒內(nèi)更改鏡頭的曲率，從而改變鏡頭的焦距。施加更多的電壓會增加液態(tài)鏡頭的總體曲率和光焦度。

一旦達(dá)到熱平衡，可變焦距液態(tài)鏡頭的電容特性可使其在高溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。此外，鏡頭內(nèi)的兩種液體具有相同的密度，從而使系統(tǒng)對振動和沖擊不敏感。

可變焦液態(tài)鏡頭可能難以使用，因為它們的小尺寸使其難以與現(xiàn)有物鏡一起使用。它們更適合*集成到光學(xué)設(shè)計中，因為它們的尺寸較小。

可調(diào)焦鏡頭

圖4：Optotune電動可調(diào)焦鏡頭

Optotune電動可調(diào)焦鏡頭由一個充滿液體的光學(xué)容器組成，該容器用聚合物膜密封。 電流驅(qū)動的致動器在膜片上施加壓力，從而導(dǎo)致透鏡的曲率（從而改變光焦度）發(fā)生變化。

由于其電流依賴性，電動可調(diào)焦鏡頭的工作電壓較低，聚焦時間可在數(shù)毫秒之內(nèi)。 這些鏡頭不會改變偏振，具有較高的激光損傷閾值，并且會引入小的像差。

液態(tài)鏡頭技術(shù)比較

下表比較了EdmundOptics®提供的兩種液態(tài)鏡頭技術(shù)。 這些產(chǎn)品提供類似的技術(shù)，具有各種優(yōu)勢，并且技術(shù)規(guī)格非常適合廣泛的應(yīng)用。

*上表中的規(guī)格參考的是整個產(chǎn)品系列的總范圍，而不是單個產(chǎn)品。

參考

Bruno Berge. "Small, resilient liquid lenses - Portrait." YouTube. 14 April 2013. Web. 15, February 2018.