液態(tài)透鏡在機器視覺中的應(yīng)用

傳統(tǒng)光學(xué)透鏡由光學(xué)材料制造，無論使用哪種光學(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)，只能通過在光軸上前后移動某個透鏡來改變整個光學(xué)系統(tǒng)的對焦點。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機械連接的光學(xué)元件，可以通過外部控制改變光學(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)透鏡無法比擬的性能。簡單來說就是透鏡的介質(zhì)變?yōu)橐后w，更準(zhǔn)確地來說就是一種通過改變其表面曲率來動態(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)毫秒級的變化與自動化編程。

一、液態(tài)透鏡技術(shù)路線

1.雙液電潤濕法透鏡

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改變分界面的曲率，那么這個液態(tài)透鏡就實現(xiàn)了光學(xué)參數(shù)的改變。電潤濕效應(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。

2.液體填充式透鏡

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，通光孔中的光學(xué)液體擴散開，液體的曲率半徑變大，焦距變大。

二、液態(tài)透鏡在機器視覺中的應(yīng)用

在產(chǎn)品質(zhì)量檢測或條形碼掃描應(yīng)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(tǒng)的光線更少，降低了分辨率，延長了曝光時間，這對產(chǎn)線的效率提升是不利的。設(shè)計一個含有液態(tài)透鏡的鏡頭，可以避免這個缺點。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)完成對焦，且有毫秒級的調(diào)整速度，比傳統(tǒng)純機械平移鏡片結(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(tǒng)的機械鏡頭為了適應(yīng)不同的工作距離或者需要移動和調(diào)整，會延遲產(chǎn)線速度降低生產(chǎn)效率，或者需要增加系統(tǒng)成本通過使用多個鏡頭和相機來彌補。如果裝配了液態(tài)鏡頭，可以在鏡頭位置保持不動，物距發(fā)生變化時，利用外接電控瞬時（毫秒級）調(diào)整液態(tài)透鏡的曲率半徑完成對焦，如同人眼，遠(yuǎn)眺和微觀可以自由快速切換。

同樣，在機器視覺中遠(yuǎn)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(diào)整遠(yuǎn)心鏡頭的工作距離，配備有液態(tài)透鏡的遠(yuǎn)心鏡頭因為具備瞬時調(diào)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(xiàn)單一遠(yuǎn)心鏡頭現(xiàn)實多物距的尺寸檢測而無需調(diào)整鏡頭位置。

審核編輯：湯梓紅