【自有技術大講堂】工業鏡頭-液態鏡頭介紹

導語   

工業鏡頭作為機器視覺的重要做成部分，在行業內有著大量的應用，隨著技術的發展和消費者的需求，在某些情況下，傳統的定倍和變倍鏡頭已無法滿足使用需求，各大廠商也一直在探索光學鏡頭的新邊界，而液態鏡頭是一種使用一種或多種液體制成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的內部參數，有著傳統光學透鏡無法比擬的性能，成為了未來發展的一個趨勢。

概述

鏡頭可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭，變焦鏡頭實現變焦有幾種方式，改變鏡頭組內部結構來改變焦距（機械手段）或者改變鏡頭的曲率來改變焦距（液態），而后者即為我們要說的液態鏡頭。

液體透鏡主要分為三大類：漸變折射率透鏡（液晶）、液體填充式透鏡、電潤濕效應透鏡。

漸變折射率透鏡（液晶）：漸變折射率透鏡，是改變施加在液晶上的電壓，從而來調節液晶折射率，從而實現變焦。這種技術的優點是：控制電壓低，容易實現陣列化；但缺點也很明顯：焦距可調范圍小、光能損失大，加上液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真，導致成像扭曲。

液體填充式透鏡：是通過填充和吸出液體使表面的曲率發生變化而變焦的透鏡，使用機械裝置對腔內液體施加壓力，從而使液體在體腔內重新分配，改變曲率半徑。這種方法驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學性能決定，與填充液體無關、變焦范圍大等優點。其缺點是：鏡頭較大時對震動和重力的影響較為敏感、結構較為復雜。

電潤濕效應透鏡：是通過改變施加的電壓來控制液體在固體表面上的潤濕特性的液體透鏡。電潤濕效應是一種物理化學現象，通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性（潤濕特性指的是液體維持和固體表面接觸的能力）。從而改變液滴的接觸角，使其能像人眼的晶狀體一樣改變曲率實現變焦。同時，對施加電壓的不同，其表面曲率會發生變化，從而實現光學變焦。

優點

與傳統鏡頭相比，液態鏡頭具有以下優點：

1. 耗電量比相機更低

2. 體積更加小巧，有利于減小照相機體積

3. 無活動部件，靜音，無需馬達

4. 對焦速度更加迅速 5. 以水為鏡保證畫質

6. 體積更小適用范圍更廣

7. 更加環保

8. 提供比標準固定焦距鏡頭范國更大的聚焦距離

應用

由于液態鏡頭可以快速調焦的特性，因此可適應位于不同工作距離處的物體或不同高度的物體，從而克服這些限制。如讀碼、字符識別等，在其他如醫療器件內窺鏡等，手機攝像頭等領域，液態鏡頭也具有很大潛力；

結語

液態鏡頭無需復雜的機械部件，大大簡化了光學成像系統結構，有著傳統光學透鏡無法比擬的性能，成為目前行業未來發展的一個趨勢。但同樣還有很多要解決的難題，生產工藝、重力的影響以及材料等因素，能否大規模生產并替代傳統的光學鏡頭，仍需時間來驗證，但未來可期。

參考文獻

[1]黃翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易偉勁, & 謝培欽等. (2019). 液體變焦鏡頭的研究進展. 中國光學, 12(6), 16. 

[2]崔建國, 王潤詩, 袁偉, 彭俊, & 陳余燕. (2016). 液體透鏡研究現狀與展望. 重慶理工大學學報：自然科學, 30(11), 6.