什么是液態(tài)透鏡技術(shù)

傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡由光學(xué)材料制造，無(wú)論使用哪種光學(xué)材料（光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體或者光學(xué)塑料）制作的透鏡都是固體，不能改變大小和曲率。使用這類透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，只能通過(guò)在光軸上前后移動(dòng)某個(gè)透鏡來(lái)改變整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)焦點(diǎn)。

與傳統(tǒng)透鏡有所不同，液態(tài)透鏡是一種使用一種或多種液體制成的無(wú)機(jī)械連接的光學(xué)元件，可以通過(guò)外部控制改變光學(xué)元件的光學(xué)參數(shù)（焦距、曲率半徑等），有著傳統(tǒng)光學(xué)透鏡無(wú)法比擬的性能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是透鏡的介質(zhì)變?yōu)橐后w，更準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)就是一種通過(guò)改變其表面曲率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整透鏡焦距的新型光學(xué)元件。這種內(nèi)部參數(shù)變化采用電控方式，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的變化與自動(dòng)化編程。

從仿生學(xué)上來(lái)說(shuō)，液態(tài)透鏡的創(chuàng)意也許來(lái)自于人體的眼球，人類的眼睛之所以既能看清遠(yuǎn)處，又能看清近處就是因?yàn)檠矍虻木铙w在睫狀肌的控制下可以改變曲率，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)眼睛視覺(jué)系統(tǒng)工作距離的改變。

液態(tài)透鏡的兩種技術(shù)路線

目前商業(yè)化量產(chǎn)的液態(tài)鏡頭，主要有兩種技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一種是以V公司為代表的雙液電潤(rùn)濕法透鏡，另外一種是以O(shè)公司為代表的液體填充式透鏡。

雙液體透鏡由兩種液體組成，由于兩種液體存在折射率差，因此交界面就可以發(fā)生折射，如果我們可以用外部控制信號(hào)改變分界面的曲率，那么這個(gè)液態(tài)透鏡就實(shí)現(xiàn)了光學(xué)參數(shù)的改變。

這里需要重點(diǎn)介紹一下電潤(rùn)濕原理，電潤(rùn)濕效應(yīng)最早在1876年由加布里爾·李普曼（Gabriel Lippmann）發(fā)現(xiàn)，電潤(rùn)濕效應(yīng)施加于兩種非混合流體，一種導(dǎo)電的溶液和一種不導(dǎo)電的油，且兩者具有不同的折射率，以及相同的密度。由于流體不混合，它們形成像透鏡一樣光滑且彎曲的分界面。我們通過(guò)向?qū)щ娙芤菏┘与妷憾淖儍煞N液體表面相互作用的方式，從而改變分界面的曲率半徑。



雙液電潤(rùn)濕液態(tài)透鏡 而液體填充式透鏡結(jié)構(gòu)類似于人眼的晶狀體結(jié)構(gòu)。具有高折射率的光學(xué)液體被密封在由柔性聚合物制成的彈性薄膜中，利用電磁驅(qū)動(dòng)壓緊或松弛分布于側(cè)邊的環(huán)形膜層區(qū)，由于密封液體積不變，壓緊時(shí)液體從側(cè)邊擠壓到中心通光孔中，液體的曲率半徑變小，焦距變小；反之松弛側(cè)邊環(huán)形區(qū)域膜層時(shí)，通光孔中的光學(xué)液體擴(kuò)散開(kāi)，液體的曲率半徑變大，焦距變大。



液體填充式液態(tài)透鏡

液態(tài)透鏡在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用

在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)或條形碼掃描應(yīng)用場(chǎng)景下，通常利用高f/#鏡頭的大景深，但是隨著f/#的增加，更大的景深也會(huì)帶來(lái)明顯的缺點(diǎn)。因?yàn)楣馊Τ叽绫粶p小了，通過(guò)系統(tǒng)的光線更少，降低了分辨率，延長(zhǎng)了曝光時(shí)間，這對(duì)產(chǎn)線的效率提升是不利的。

設(shè)計(jì)一個(gè)含有液態(tài)透鏡的鏡頭，可以避免這個(gè)缺點(diǎn)。液態(tài)透鏡的使用，使鏡頭可以用更緊湊的光學(xué)結(jié)構(gòu)完成對(duì)焦，且有毫秒級(jí)的調(diào)整速度，比傳統(tǒng)純機(jī)械平移鏡片結(jié)構(gòu)調(diào)焦的鏡頭更塊，更耐用，且完全不用考慮景深的問(wèn)題。

在快速移動(dòng)的裝配線，多個(gè)前景后景的條形碼檢測(cè)的使用場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的機(jī)械鏡頭為了適應(yīng)不同的工作距離或者需要移動(dòng)和調(diào)整，會(huì)延遲產(chǎn)線速度降低生產(chǎn)效率，或者需要增加系統(tǒng)成本通過(guò)使用多個(gè)鏡頭和相機(jī)來(lái)彌補(bǔ)。

如果裝配了液態(tài)鏡頭，可以在鏡頭位置保持不動(dòng)，物距發(fā)生變化時(shí)，利用外接電控瞬時(shí)（毫秒級(jí)）調(diào)整液態(tài)透鏡的曲率半徑完成對(duì)焦，如同人眼，遠(yuǎn)眺和微觀可以自由快速切換。

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同樣，在機(jī)器視覺(jué)中遠(yuǎn)心鏡頭常用在固定物距下檢測(cè)尺寸，一旦物距變化超過(guò)鏡頭景深，就需要調(diào)整遠(yuǎn)心鏡頭的工作距離，配備有液態(tài)透鏡的遠(yuǎn)心鏡頭因?yàn)榫邆渌矔r(shí)調(diào)整功能，也就不存在物距超過(guò)鏡頭景深范圍這個(gè)問(wèn)題，即可實(shí)現(xiàn)單一遠(yuǎn)心鏡頭現(xiàn)實(shí)多物距的尺寸檢測(cè)而無(wú)需調(diào)整鏡頭位置。

隨著工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)，行業(yè)對(duì)快速、耐用和可靠的視覺(jué)系統(tǒng)的需求也相應(yīng)增加。液態(tài)鏡頭是提高機(jī)器視覺(jué)速度、效率和集成度的重要組成部分和解決方案之一。

審核編輯：劉清