用于成像的液態(tài)鏡頭

液態(tài)鏡頭可快速調(diào)節(jié)焦距，以適應位于不同工作距離的物體。 液態(tài)鏡頭是含有光學級液體的小型元件。 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，會導致鏡頭的光學功率發(fā)生變化，從而改變焦距和工作距離。許多制造商設計了液態(tài)鏡頭，它們的操作過程略有不同：電潤濕，電流驅動的聚合物或聲音壓電。 對于需要快速對焦、高生產(chǎn)量和適應景深與工作距離的應用而言，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：在高速機器視覺應用中使用的液態(tài)鏡頭設置

液態(tài)鏡頭功能

響應時間

液態(tài)鏡頭具有非?？斓捻憫獣r間，可通過電壓或電流進行電調(diào)諧，并在數(shù)毫秒內(nèi)響應。 固定焦距和變焦鏡頭通常依靠機械或手動調(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)鏡頭消除了機械原理，從而可以實現(xiàn)緊湊的設計。 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)鏡頭設計為可在很寬的光焦度（焦距）范圍內(nèi)高速運行。 通過消除固定焦距和變焦鏡頭中通常存在的運動部件和機械調(diào)整，聚焦過程變得更快。

整合的復雜性

取決于可用的設備和應用，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)鏡頭的應用

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

機器視覺

大批量裝配線需要快速，準確和準確的生產(chǎn)量。 當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)濟的解決方案。 液態(tài)鏡頭是條形碼檢查，包裝分揀，質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)鏡頭安裝到機器視覺成像系統(tǒng)中進行檢查的優(yōu)點。 在標準檢查系統(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。 標準成像鏡頭需要對每個對象進行機械重新聚焦，從而導致延遲，從而限制高通量。 無需機械平移的液態(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

液態(tài)鏡頭改善并簡化了顯微鏡成像應用中的焦點堆疊（“ z堆疊”）過程。 由于景深有限，在使用高放大倍率物鏡成像時，通常需要進行焦點堆疊。 液態(tài)鏡頭可以快速而準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)至關重要。 標準的眼科設備包含用于調(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，并減小了眼科設備（如OCT和phoropter）的總體尺寸。

無人機

通過將液態(tài)鏡頭添加到無人機（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)控應用中特別有利。

測量和尺寸渲染

與距離傳感器和相機配對時，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)建準確的三維渲染。

液態(tài)鏡頭技術

可變焦液態(tài)鏡頭

圖3：可變焦液態(tài)鏡頭技術

可變焦液態(tài)鏡頭使用稱為電潤濕的過程進行聚焦，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*集成到光學設計中，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容器組成，該容器用聚合物膜密封。 電流驅動的致動器在膜片上施加壓力，從而導致透鏡的曲率（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)鏡頭技術比較

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

*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.