液態透鏡特性、應用以及技術

液態透鏡特性

液態透鏡可快速調整焦點以適應位於不同工作距離 (WD) 的物體。液態透鏡是含有光學級液態的小型機械或電控單元。當電流或電壓施加到液體透鏡單元時，單元的形狀會改變。這種變化會在幾毫秒內發生，並導致光功率變化，進而導致焦距和工作距離變化。許多製造商設計了透過略有不同的製程操作的液態透鏡：電潤濕、電流驅動聚合物或聲壓電。液態透鏡是需要快速對焦、高吞吐量以及景深 (DOF) 和 WD 調節的成像應用的理想解決方案。

A liquid lens setup used in a high-speed machine vision application.

圖 1: 用於高速機器視覺應用的液態透鏡裝置。

反應時間

液態透鏡具有非常快的響應時間，可節由通過電壓或電流電動調節，並在幾毫秒內響應。定焦鏡頭和變焦鏡頭通常依靠機械或手動方式調整聚焦，這可能會成像系統反應速度變慢。

多元性使用

液態透鏡可以在整個成像系統中的不同位置使用，例如嵌入在鏡頭內或是利用螺紋旋入方式連接到成像鏡頭的前面或後面使用。

尺吋

使用液態透鏡設計可以減少機構件複雜度，讓鏡頭光機設計變得輕巧。此外，液態透鏡在功能上可以等同鏡筒中多個單透鏡組合。把那些鏡片由一個小的液態透鏡取代，讓整體鏡頭的尺寸和重量縮少。

傳感器使用範圍

液態透鏡受其通光孔徑大小的限制-最大的直徑約16毫米。如果把液態透鏡改裝放置於現有機器視覺鏡頭前方，受限於液態透鏡的通光孔徑限制，最大僅允許大約1 / 1.8英寸的傳感器一起使用。液態透鏡如果內崁在鏡頭系統中則不會降低傳感器的覆蓋區域。

聚焦速度

L液態透鏡被設計成可以在很大範圍屈光度下高速的運作。因為聚焦過中沒有傳統定焦鏡頭或是變焦鏡頭中的機構件來回作動聚焦的，讓聚焦過程更快。

整合的複雜性

根據可用的設備和應用，液態透鏡有可能很難整合到系統內。液態透鏡可和許多配件一併使用，例如濾光片和光圈，和許多高速應用會需要用的距離感測器或是控制器。

使用壽命

液態透鏡使用很低的功耗。傳統的鏡頭機械方式調焦大約可以使用100,000次調焦，而液態透鏡可以承受約〜50,000,000次的作動（Berge，2013）。

溫度監控

液態透鏡設計包括一個熱敏電阻，用於監控和修正液態透鏡因為溫度變化產生的效應。

液態透鏡應用

成像資源指南第7.3部份

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液態透鏡具備可調適性，高速反應和通用能性使其可以用於各種機器視覺，生命科學以及測量和檢查應用中。傳統的機器視覺鏡頭採用傳統機械結構設計，對於需要拍攝高速移動物體或是高精度應用需要來回快速聚焦，難以得到得到清晰精確的影像。

機器視覺

大量生產的組裝線需要快速，準確和精確的產出。將液態透鏡整合到檢查系統中對於需要多種距離拍照檢查是一個優化與緊湊且經濟的解決方案。對於條碼檢查，包裹分揀，品質控制和快速自動化液態透鏡是理想解決方案。

This animation illustrates the advantages of implementing a liquid lens into a machine vision imaging system for inspection.

圖 2: 該動畫演示了將液態透鏡應用到機器視覺成像系統中進行檢查的優點。在標準偵測系統中，不同高度的物體在快速移動的傳送帶上經過時會被成像。標準成像鏡頭需要對每個物體進行機械重新聚焦，從而導致延遲，從而限制高吞吐量。液態透鏡無需機械平移，可在幾毫秒內重新聚焦到不同高度，克服了這些速度和景深限制。

生命科學

在顯微鏡成像應用中液態透鏡可改善並簡化聚焦堆疊的過程("zstacking")。聚焦堆疊是高倍物鏡成像時經常用到的拍攝技巧，因為物鏡本身通常景深有限，液態透鏡可以快速而精確地聚焦到各種物面的不同距離，因此加快了聚焦堆疊的速度。液態透鏡可輕鬆整合到管鏡或是顯微鏡無限共軛系統中。液態透鏡通常用在需要折光控制和景深調整的眼科檢查上。標準眼科設備包含多個玻璃鏡片用於人眼聚焦調整。這些鏡片可以由一個液態透鏡取代，可加快成像或診斷過程，並縮小OCT和驗光等眼科設備的體積。

無人機

將液態透鏡整合到無人機（UAV）成像系統中可以飛行在不同高度快速聚焦保持圖像清晰度。液態透鏡特別有利於農業上的檢查和監控，地裡資訊系統以及安防監視應用上。

測量和3D模型描繪

當液態透鏡與距離感測器和相機配對時，可以快速對不同高度的3D物件成像。這些圖像使用軟體無縫拼接再一起描繪出一個準確三維的立體模型。

液態透鏡技術

成像資源指南第7.4部份

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康寧® Varioptic® 可變焦液態透鏡技術

可變焦液態透鏡使用稱為電潤濕的方式進行聚焦，這種做法是加電場控制潤濕的液體的特性，改變形狀和曲率。液態透鏡中包含兩種不混溶的液體：非導電油層和藉由界面分開的水溶液如 圖 3所示。在兩種液體之間的界面上施加電壓會發生曲率變化進而幾十個毫秒內改變透鏡的焦距。增加更多的電壓會產生更彎曲率和液態透鏡的屈光度。可變焦液態透鏡的電容特性使透鏡在高溫環境中液體材料一達到熱平衡後就能穩定運作。此外，透鏡內的兩種液體具有相同的密度，使整體透鏡對振動和衝擊不敏感。可變焦距液態透鏡受限於它們的小尺寸可能難直接應用到現存的光學系統中使用。它們比較適合在初期階段整合設計到光學系統中，這是因為尺寸較小的限制因素。