用于成像的液态镜头

用于成像的液态镜头

液态镜头可快速调节焦距，以适应位于不同工作距离的物体。 液态镜头是含有光学级液体的小型元件。 在施加电流或电压时，液体会改变镜片的形状。 这一变化在几毫秒内发生，会导致镜头的光学功率发生变化，从而改变焦距和工作距离。许多制造商设计了液态镜头，它们的操作过程略有不同：电润湿，电流驱动的聚合物或声音压电。 对于需要快速对焦、高生产量和适应景深与工作距离的应用而言，将液态镜头集成到成像系统中是理想的解决方案。

图1：在高速机器视觉应用中使用的液态镜头设置

液态镜头功能

响应时间

液态镜头具有非常快的响应时间，可通过电压或电流进行电调谐，并在数毫秒内响应。 固定焦距和变焦镜头通常依靠机械或手动调节来改变焦点，这会减慢成像系统的速度。

通用性

液态镜头可以在整个成像系统的各个位置实现，也可以嵌入到成像镜头的前部或后部或穿入其中。

尺寸

液态镜头消除了机械原理，从而可以实现紧凑的设计。 另外，液态镜头在功能上可与组件中的许多单个镜头相媲美。 通过取下这些镜头并用一个小的液态元件代替它们，可以减小整个镜头的整体尺寸和重量。

传感器覆盖率

液态镜头受其较小的光圈尺寸限制-大的直径约为16毫米。 小孔限制了液态镜头，并且只有在将镜头改装到现有机器视觉镜头的正面时，才允许与大约1 / 1.8英寸的传感器一起使用。 嵌入系统内部的液态镜头不会减少传感器的覆盖范围。

调焦

液态镜头设计为可在很宽的光焦度（焦距）范围内高速运行。 通过消除固定焦距和变焦镜头中通常存在的运动部件和机械调整，聚焦过程变得更快。

整合的复杂性

取决于可用的设备和应用，液态镜头可能难以集成。 液态镜头可与许多附件一起使用，例如滤镜和光圈，这是许多高速应用所必需的，例如距离传感器或控制器。

寿命

液态镜头消耗很少的能量。 典型的机械镜头可承受约100,000个循环，而液态镜头可承受约50,000,000个循环（Berge，2013年）。

液态镜头的应用

液态镜头的适应性，速度和多功能性使其成为各种机器视觉，生命科学以及测量和检查应用的理想选择。 由于其传统的机械布局，标准的机器视觉镜头难以在需要快速重新聚焦的高速或准确应用中捕获清晰，准确的图像。

机器视觉

大批量装配线需要快速，准确和准确的生产量。 当需要在多个距离上聚焦时，将液态镜头集成到检查系统中是一种优良，紧凑且经济的解决方案。 液态镜头是条形码检查，包装分拣，质量控制和快速自动化的理想解决方案（参见图2）。

图2：此动画说明了将液态镜头安装到机器视觉成像系统中进行检查的优点。 在标准检查系统中，不同高度的物体在快速移动的传送带上经过时会成像。 标准成像镜头需要对每个对象进行机械重新聚焦，从而导致延迟，从而限制高通量。 无需机械平移的液态镜头通过在几毫秒内重新聚焦到不同的高度，克服了这些速度和景深限制。

生命科学

液态镜头改善并简化了显微镜成像应用中的焦点堆叠（“ z堆叠”）过程。 由于景深有限，在使用高放大倍率物镜成像时，通常需要进行焦点堆叠。 液态镜头可以快速而准确地聚焦到各种物平面，从而加快了聚焦堆叠的过程。 液态镜头可以很容易地集成到套管透镜中或显微镜内的无限空间中。

液态镜头通常用于眼科，在眼科中，屈光控制和景深调节至关重要。 标准的眼科设备包含用于调节人眼的多个玻璃镜片。 这些透镜可以用单个液态镜头代替，从而加快了成像或诊断过程，并减小了眼科设备（如OCT和phoropter）的总体尺寸。

无人机

通过将液态镜头添加到无人机（UAV）成像系统，可以在各种高度上快速保持图像清晰度。 液态镜头在农业检查和监控，地理信息系统以及监控应用中特别有利。

测量和尺寸渲染

与距离传感器和相机配对时，液态镜头可以快速成像3D对象的不同平面。 然后将这些图像在软件中缝合在一起，以创建准确的三维渲染。

液态镜头技术

可变焦液态镜头

图3：可变焦液态镜头技术

可变焦液态镜头使用称为电润湿的过程进行聚焦，该过程是施加电场来控制液体的润湿特性，从而控制其形状和曲率。液态镜头元件包含两种不混溶的液体：非导电油和被界面分开的水溶液。在两种液体之间的界面上施加电压会在数十毫秒内更改镜头的曲率，从而改变镜头的焦距。施加更多的电压会增加液态镜头的总体曲率和光焦度。

一旦达到热平衡，可变焦距液态镜头的电容特性可使其在高温环境中稳定运行。此外，镜头内的两种液体具有相同的密度，从而使系统对振动和冲击不敏感。

可变焦液态镜头可能难以使用，因为它们的小尺寸使其难以与现有物镜一起使用。它们更适合*集成到光学设计中，因为它们的尺寸较小。

可调焦镜头

图4：Optotune电动可调焦镜头

Optotune电动可调焦镜头由一个充满液体的光学容器组成，该容器用聚合物膜密封。 电流驱动的致动器在膜片上施加压力，从而导致透镜的曲率（从而改变光焦度）发生变化。

由于其电流依赖性，电动可调焦镜头的工作电压较低，聚焦时间可在数毫秒之内。 这些镜头不会改变偏振，具有较高的激光损伤阈值，并且会引入小的像差。

液态镜头技术比较

下表比较了EdmundOptics®提供的两种液态镜头技术。 这些产品提供类似的技术，具有各种优势，并且技术规格非常适合广泛的应用。

*上表中的规格参考的是整个产品系列的总范围，而不是单个产品。

参考

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