什么是液態透鏡技術

傳統的光學透鏡由光學材料制造，無論使用哪種光學材料（光學玻璃、光學晶體或者光學塑料）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系統，只能通過在光軸上前后移動某個透鏡來改變整個光學系統的對焦點。

與傳統透鏡有所不同，液態透鏡是一種使用一種或多種液體制成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的光學參數（焦距、曲率半徑等），有著傳統光學透鏡無法比擬的性能。簡單來說就是透鏡的介質變為液體，更準確地來說就是一種通過改變其表面曲率來動態調整透鏡焦距的新型光學元件。這種內部參數變化采用電控方式，能夠實現毫秒級的變化與自動化編程。

從仿生學上來說，液態透鏡的創意也許來自于人體的眼球，人類的眼睛之所以既能看清遠處，又能看清近處就是因為眼球的晶狀體在睫狀肌的控制下可以改變曲率，從而實現整個眼睛視覺系統工作距離的改變。

液態透鏡的兩種技術路線

目前商業化量產的液態鏡頭，主要有兩種技術路線來實現。

一種是以V公司為代表的雙液電潤濕法透鏡，另外一種是以O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生折射，如果我們可以用外部控制信號改變分界面的曲率，那么這個液態透鏡就實現了光學參數的改變。

這里需要重點介紹一下電潤濕原理，電潤濕效應最早在1876年由加布里爾·李普曼（Gabriel Lippmann）發現，電潤濕效應施加于兩種非混合流體，一種導電的溶液和一種不導電的油，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。我們通過向導電溶液施加電壓而改變兩種液體表面相互作用的方式，從而改變分界面的曲率半徑。



雙液電潤濕液態透鏡 而液體填充式透鏡結構類似于人眼的晶狀體結構。具有高折射率的光學液體被密封在由柔性聚合物制成的彈性薄膜中，利用電磁驅動壓緊或松弛分布于側邊的環形膜層區，由于密封液體積不變，壓緊時液體從側邊擠壓到中心通光孔中，液體的曲率半徑變小，焦距變小；反之松弛側邊環形區域膜層時，通光孔中的光學液體擴散開，液體的曲率半徑變大，焦距變大。



液體填充式液態透鏡

液態透鏡在機器視覺中的應用

在機器視覺應用中，產品質量檢測或條形碼掃描應用場景下，通常利用高f/#鏡頭的大景深，但是隨著f/#的增加，更大的景深也會帶來明顯的缺點。因為光圈尺寸被減小了，通過系統的光線更少，降低了分辨率，延長了曝光時間，這對產線的效率提升是不利的。

設計一個含有液態透鏡的鏡頭，可以避免這個缺點。液態透鏡的使用，使鏡頭可以用更緊湊的光學結構完成對焦，且有毫秒級的調整速度，比傳統純機械平移鏡片結構調焦的鏡頭更塊，更耐用，且完全不用考慮景深的問題。

在快速移動的裝配線，多個前景后景的條形碼檢測的使用場景下，傳統的機械鏡頭為了適應不同的工作距離或者需要移動和調整，會延遲產線速度降低生產效率，或者需要增加系統成本通過使用多個鏡頭和相機來彌補。

如果裝配了液態鏡頭，可以在鏡頭位置保持不動，物距發生變化時，利用外接電控瞬時（毫秒級）調整液態透鏡的曲率半徑完成對焦，如同人眼，遠眺和微觀可以自由快速切換。

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同樣，在機器視覺中遠心鏡頭常用在固定物距下檢測尺寸，一旦物距變化超過鏡頭景深，就需要調整遠心鏡頭的工作距離，配備有液態透鏡的遠心鏡頭因為具備瞬時調整功能，也就不存在物距超過鏡頭景深范圍這個問題，即可實現單一遠心鏡頭現實多物距的尺寸檢測而無需調整鏡頭位置。

隨著工業自動化和機器視覺行業的持續增長，行業對快速、耐用和可靠的視覺系統的需求也相應增加。液態鏡頭是提高機器視覺速度、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