液態透鏡基礎原理

液態透鏡基礎原理

液態透鏡可以透過電子方式調節焦距而不需要任何機械操作，從而使成像系統克服景深 (DOF) 的限制。這非常適合不同物體高度和工作距離的應用。對於這類應用，傳統解決方案是採用電動變焦鏡頭，或重新將物體置於焦距內。另外一種增大傳統鏡頭景深的方法是，透過減小成像鏡頭光圈尺寸來增大 f/#。但是，這也會導致分辨率下降和成像系統進光量減少，從而降低採集速度和圖像品質 (更多f/#詳情請參見 f/# (鏡頭光圈 / 光圈設定))。成像系統安裝液態透鏡之後，無論物體和相機的距離有多遠，都可以進行電子變焦，而不影響速度和成像品質。

就如利用玻璃製成的傳統光學鏡頭一樣，液態透鏡也屬於個別光學元件，但其材質是可以改變形狀的光學液體材料。玻璃鏡頭的焦距取決於其材質和曲率半徑。液體透鏡也遵循相同的基本原理，但其獨特之處在於可以透過改變曲率半徑來改變焦距。這種半徑變化採用電控方式，能夠實現毫秒級的變化。製造商利用從電潤濕到形變聚合物再到聲光調節等各種技術，控制液體透鏡曲率半徑和折射率。

大多數成像鏡頭皆為多鏡片鏡頭，因為單光學鏡片的成像效能不足。因此，只使用液態透鏡就不適合。但是，在多鏡片設計中結合使用液態透鏡和成像鏡頭，就可以發揮液態透鏡的速度和彈性優勢。液態透鏡能夠以毫秒級的反應時間在近距離或光學無窮遠處對焦，這對於條碼讀取、包裝分類、安保以及快速自動化等需要在多個位置進行對焦的應用來說是一種理想選擇，它們的檢測物體或者擁有不同的尺寸，或者與鏡頭保持不同的距離。在需要快速對焦的各種應用中，可以使用液態透鏡大幅度的提高成像系統的彈性。

Figure 1: The Lens Maker’s Equation can be used to calculate the focal length of a lens.

圖 1: 焦距取決於玻璃的折射率和鏡片外型曲率。

造鏡者公式

(1)$$ \frac{1}{f} = \left( n-1 \right) \times \left( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} \right) $$

(1)

$$ \frac{1}{f} = \left( n-1 \right) \times \left( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} \right) $$

造鏡者公式 用於計算鏡片焦距 ($ \small{f} $) 並且公式中說明焦距取決於折射率 (($ \small{n} $)，鏡片左邊表面的曲率半徑 ($ \small{R_1} $)，以及鏡片右邊表面的曲率半徑 ($ \small{R_2} $)。上圖說明焦距可以通過增加玻璃的折射率來縮短焦距-或是改變曲率半徑 ($ \small{R} $) – 來縮短。液態透鏡的工作原理是用電控方式改變鏡片曲率進而改變焦距。

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