液态透镜技术在工业镜头中的应用

什么是液态透镜技术？

传统的光学透镜由光学材料制造，无论使用哪种光学材料（光学玻璃、光学晶体或者光学塑料）制作的透镜都是固体，不能改变大小和曲率。使用这类透镜的光学系统，只能通过在光轴上前后移动某个透镜来改变整个光学系统的对焦点。

与传统透镜有所不同，液态透镜是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的光学参数（焦距、曲率半径等），有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质变为液体，更准确地来说就是一种通过改变其表面曲率来动态调整透镜焦距的新型光学元件。这种内部参数变化采用电控方式，能够实现毫秒级的变化与自动化编程。

从仿生学上来说，液态透镜的创意也许来自于人体的眼球，人类的眼睛之所以既能看清远处，又能看清近处就是因为眼球的晶状体在睫状肌的控制下可以改变曲率，从而实现整个眼睛视觉系统工作距离的改变。

液态透镜的两种技术路线

目前商业化量产的液态镜头，主要有两种技术路线来实现。

一种是以V公司为代表的双液电润湿法透镜，另外一种是以O公司为代表的液体填充式透镜。

双液体透镜由两种液体组成，由于两种液体存在折射率差，因此交界面就可以发生折射，如果我们可以用外部控制信号改变分界面的曲率，那么这个液态透镜就实现了光学参数的改变。

这里需要重点介绍一下电润湿原理，电润湿效应最早在1876年由加布里尔·李普曼（Gabriel Lippmann）发现，电润湿效应施加于两种非混合流体，一种导电的溶液和一种不导电的油，且两者具有不同的折射率，以及相同的密度。由于流体不混合，它们形成像透镜一样光滑且弯曲的分界面。我们通过向导电溶液施加电压而改变两种液体表面相互作用的方式，从而改变分界面的曲率半径。

左图：双液电润湿液态透镜           右图：液体填充式液态透镜
而液体填充式透镜结构类似于人眼的晶状体结构。具有高折射率的光学液体被密封在由柔性聚合物制成的弹性薄膜中，利用电磁驱动压紧或松弛分布于侧边的环形膜层区，由于密封液体积不变，压紧时液体从侧边挤压到中心通光孔中，液体的曲率半径变小，焦距变小；反之松弛侧边环形区域膜层时，通光孔中的光学液体扩散开，液体的曲率半径变大，焦距变大。

液态透镜在机器视觉中的应用

在机器视觉应用中，产品质量检测或条形码扫描应用场景下，通常利用高f/#镜头的大景深，但是随着f/#的增加，更大的景深也会带来明显的缺点。因为光圈尺寸被减小了，通过系统的光线更少，降低了分辨率，延长了曝光时间，这对产线的效率提升是不利的。

设计一个含有液态透镜的镜头，可以避免这个缺点。液态透镜的使用，使镜头可以用更紧凑的光学结构完成对焦，且有毫秒级的调整速度，比传统纯机械平移镜片结构调焦的镜头更块，更耐用，且完全不用考虑景深的问题。

在快速移动的装配线，多个前景后景的条形码检测的使用场景下，传统的机械镜头为了适应不同的工作距离或者需要移动和调整，会延迟产线速度降低生产效率，或者需要增加系统成本通过使用多个镜头和相机来弥补。如果装配了液态镜头，可以在镜头位置保持不动，物距发生变化时，利用外接电控瞬时（毫秒级）调整液态透镜的曲率半径完成对焦，如同人眼，远眺和微观可以自由快速切换。

同样，在机器视觉中远心镜头常用在固定物距下检测尺寸，一旦物距变化超过镜头景深，就需要调整远心镜头的工作距离，配备有液态透镜的远心镜头因为具备瞬时调整功能，也就不存在物距超过镜头景深范围这个问题，即可实现单一远心镜头现实多物距的尺寸检测而无需调整镜头位置。

随着工业自动化和机器视觉行业的持续增长，行业对快速、耐用和可靠的视觉系统的需求也相应增加。液态镜头是提高机器视觉速度、效率和集成度的重要组成部分和解决方案之一。