【自有技术大讲堂】工业镜头-液态镜头介绍

导语   

工业镜头作为机器视觉的重要做成部分，在行业内有着大量的应用，随着技术的发展和消费者的需求，在某些情况下，传统的定倍和变倍镜头已无法满足使用需求，各大厂商也一直在探索光学镜头的新边界，而液态镜头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内部参数，有着传统光学透镜无法比拟的性能，成为了未来发展的一个趋势。

概述

镜头可分为定焦镜头和变焦镜头，变焦镜头实现变焦有几种方式，改变镜头组内部结构来改变焦距（机械手段）或者改变镜头的曲率来改变焦距（液态），而后者即为我们要说的液态镜头。

液体透镜主要分为三大类：渐变折射率透镜（液晶）、液体填充式透镜、电润湿效应透镜。

渐变折射率透镜（液晶）：渐变折射率透镜，是改变施加在液晶上的电压，从而来调节液晶折射率，从而实现变焦。这种技术的优点是：控制电压低，容易实现阵列化；但缺点也很明显：焦距可调范围小、光能损失大，加上液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真，导致成像扭曲。

液体填充式透镜：是通过填充和吸出液体使表面的曲率发生变化而变焦的透镜，使用机械装置对腔内液体施加压力，从而使液体在体腔内重新分配，改变曲率半径。这种方法驱动功耗小，镜头光圈大小灵活、外形仅有薄膜力学性能决定，与填充液体无关、变焦范围大等优点。其缺点是：镜头较大时对震动和重力的影响较为敏感、结构较为复杂。

电润湿效应透镜：是通过改变施加的电压来控制液体在固体表面上的润湿特性的液体透镜。电润湿效应是一种物理化学现象，通过改变液体-固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性（润湿特性指的是液体维持和固体表面接触的能力）。从而改变液滴的接触角，使其能像人眼的晶状体一样改变曲率实现变焦。同时，对施加电压的不同，其表面曲率会发生变化，从而实现光学变焦。

优点

与传统镜头相比，液态镜头具有以下优点：

1. 耗电量比相机更低

2. 体积更加小巧，有利于减小照相机体积

3. 无活动部件，静音，无需马达

4. 对焦速度更加迅速 5. 以水为镜保证画质

6. 体积更小适用范围更广

7. 更加环保

8. 提供比标准固定焦距镜头范国更大的聚焦距离

应用

由于液态镜头可以快速调焦的特性，因此可适应位于不同工作距离处的物体或不同高度的物体，从而克服这些限制。如读码、字符识别等，在其他如医疗器件内窥镜等，手机摄像头等领域，液态镜头也具有很大潜力；

结语

液态镜头无需复杂的机械部件，大大简化了光学成像系统结构，有着传统光学透镜无法比拟的性能，成为目前行业未来发展的一个趋势。但同样还有很多要解决的难题，生产工艺、重力的影响以及材料等因素，能否大规模生产并替代传统的光学镜头，仍需时间来验证，但未来可期。

参考文献

[1]黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, & 谢培钦等. (2019). 液体变焦镜头的研究进展. 中国光学, 12(6), 16. 

[2]崔建国, 王润诗, 袁伟, 彭俊, & 陈余燕. (2016). 液体透镜研究现状与展望. 重庆理工大学学报：自然科学, 30(11), 6.