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液態(tài)透鏡在機(jī)器視覺中的應(yīng)用

led13535084363 ? 來源:光行天下 ? 2023-11-18 17:28 ? 次閱讀

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(dòng)某個(gè)透鏡來改變整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的對焦點(diǎn)。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(dòng)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(jí)的變化與自動(dòng)化編程。

一、液態(tài)透鏡技術(shù)路線

1.雙液電潤濕法透鏡

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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(hào)改變分界面的曲率,那么這個(gè)液態(tài)透鏡就實(shí)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

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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(dòng)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(shí)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(shí),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。

二、液態(tài)透鏡在機(jī)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(huì)帶來明顯的缺點(diǎn)。因?yàn)楣馊Τ叽绫粶p小了,通過系統(tǒng)的光線更少,降低了分辨率,延長了曝光時(shí)間,這對產(chǎn)線的效率提升是不利的。設(shè)計(jì)一個(gè)含有液態(tài)透鏡的鏡頭,可以避免這個(gè)缺點(diǎn)。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(jí)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,且完全不用考慮景深的問題。

在快速移動(dòng)的裝配線,多個(gè)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(dòng)和調(diào)整,會(huì)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(gè)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(dòng),物距發(fā)生變化時(shí),利用外接電控瞬時(shí)(毫秒級(jí))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。

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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?yàn)榫邆渌矔r(shí)調(diào)整功能,也就不存在物距超過鏡頭景深范圍這個(gè)問題,即可實(shí)現(xiàn)單一遠(yuǎn)心鏡頭現(xiàn)實(shí)多物距的尺寸檢測而無需調(diào)整鏡頭位置。

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審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:一文了解液態(tài)透鏡技術(shù)

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