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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(jī)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。

從仿生學(xué)上來說，液態(tài)透鏡的創(chuàng)意也許來自于人體的眼球，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(xiàn)整個眼睛視覺系統(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)路線來實現(xiàn)。

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(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。

這里需要重點介紹一下電潤濕原理，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。

左圖：雙液電潤濕液態(tài)透鏡           右圖：液體填充式液態(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??；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(kuò)散開，液體的曲率半徑變大，焦距變大。

液態(tài)透鏡在機(jī)器視覺中的應(yīng)用

在機(jī)器視覺應(yīng)用中，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(jī)械平移鏡片結(jié)構(gòu)調(diào)焦的鏡頭更塊，更耐用，且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(jī)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(jī)來彌補(bǔ)。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(jī)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。

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