Основная информация о жидкостных линзах

Жидкостные линзы позволяют системам визуализации преодолевать ограничения глубины резкости (DOF), позволяя регулировать фокус с помощью электроники без каких-либо механических перемещений. Это может быть отличным решением для приложений с различной высотой объекта и рабочим расстоянием. Традиционные решения для этих типов приложений включают моторизованные объективы с переменным увеличением или физическое изменение положения объекта, чтобы сфокусировать его. Другой способ увеличить глубину резкости в традиционном объективе – это увеличить f/# за счет уменьшения размера диафрагмы объектива, формирующего изображение. Однако это также снижает разрешение и количество света, проходящего через систему формирования изображения, тем самым снижая скорость сбора данных и качество изображения. За счет интеграции жидкостной линзы система формирования изображения может изменять фокус электронным способом без ущерба для скорости или качества изображения, независимо от расстояния объекта от камеры.

Как и традиционные оптические линзы из стекла, жидкостные линзы представляют собой отдельные оптические элементы, но состоят из оптического жидкого материала, который может изменять свою форму. Фокусное расстояние стеклянной линзы зависит от материала, из которого она сделана и ее радиуса кривизны. Тот же основной принцип применяется к жидкостным линзам, хотя жидкостные линзы уникальны тем, что их фокусное расстояние можно изменять, изменяя радиус кривизны. Это изменение радиуса управляется электроникой и быстро изменяется в течение миллисекунд. Производители используют электросмачивание, полимеры, изменяющие форму, и методы оптической настройки для управления радиусом кривизны и показателем преломления жидкостной линзы.

Большинство линз для формирования изображений представляют собой многоэлементные сборки, поскольку одна оптическая линза обеспечивает недостаточные характеристики изображения. По этой же причине не рекомендуется использовать жидкостные линзы отдельно. Однако объединение жидкостной линзы с линзой формирования изображения в многоэлементной конструкции позволяет использовать преимущества скорости и гибкости жидкостной линзы. Возможность фокусировки как близко, так и на оптическую бесконечность за миллисекунды делает интеграцию жидкостных линз идеальным выбором для приложений, требующих фокусировки на нескольких расстояниях, когда контролируемые объекты имеют разные размеры или находятся на разных расстояниях от объектива; такие как считывание штрих-кода, сортировка пакетов, безопасность и быстрая автоматизация. Жидкостные линзы можно использовать для максимальной гибкости системы визуализации в широком спектре приложений, требующих быстрой фокусировки.

Фокусное расстояние зависит от показателя преломления стекла и формы поверхностей линз

Уравнение линзы

Это уравнение используется для расчета фокусного расстояния (f) линзы. Уравнение показывает, что фокусное расстояние зависит от показателя преломления (n), радиуса кривизны первой стеклянной поверхности (R₁) и радиуса кривизны второй стеклянной поверхности (R₂). Фокусное расстояние можно уменьшить, увеличив показатель преломления стекла, или уменьшить фокусное расстояние, изменив любой из радиусов кривизны (R). Жидкостные линзы работают за счет электронного управления этими свойствами линз.

Характеристики жидкостных линз

Установка жидкостных линз, используемая в приложении высокоскоростного машинного зрения

Время отклика

Жидкостные линзы имеют очень быстрое время отклика, электрически настраиваются с помощью напряжения или тока и реагируют за миллисекунды. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и трансфокатором часто требуют механической или ручной регулировки для изменения фокуса, что может замедлить работу системы формирования изображения.

Универсальность

Жидкостные линзы могут быть реализованы в различных местах по всей системе формирования изображения, например, встроены внутрь или навинчены на переднюю или заднюю часть объектива формирования изображения.

Размер

В жидкостной линзе отсутствуют механические части, что обеспечивает ее компактную конструкцию. Кроме того, жидкостные линзы сравнимы по функциональности со многими отдельными линзами в сборке. Удалив эти линзы и заменив их небольшой жидкостной ячейкой, можно уменьшить общий размер и вес полной линзы.

Покрытие датчика

Жидкостные линзы ограничены своими небольшими размерами апертуры – самая большая составляет примерно 16 мм в диаметре. Маленькие диафрагмы ограничивают использование жидкостных линз и позволяют использовать их только с датчиками размером примерно до 1/1.8", если линза устанавливается на переднюю часть существующей линзы машинного зрения. Жидкостные линзы, встроенные в системы, не уменьшают зону покрытия сенсора.

Фокусировка

Жидкостные линзы предназначены для работы в очень широком диапазоне оптических сил (фокусных расстояний) на высоких скоростях. За счет исключения движущихся частей и механических регулировок, которые обычно встречаются в объективах с фиксированным фокусным расстоянием и объективах с переменным фокусным расстоянием, процесс фокусировки ускоряется.

Сложность интеграции

В зависимости от доступного оборудования и области применения жидкостные линзы может быть сложно интегрировать. Жидкостные линзы можно использовать вместе со многими аксессуарами, такими как фильтры и диафрагмы, которые требуются для многих высокоскоростных приложений, таких как датчики расстояния или контроллеры.

Срок службы

Жидкостные линзы потребляют очень мало энергии. Типичные механические линзы выдерживают ~100000 циклов, тогда как жидкостные линзы выдерживают примерно ~50 000 000 циклов.

Адаптивность, скорость и универсальность жидкостных линз делают их идеальными для различных приложений машинного зрения, наук о жизни, а также измерений и инспекций. Из-за своей традиционной механической компоновки стандартные линзы машинного зрения не могут снимать резкие и точные изображения в высокоскоростных или точных приложениях, требующих быстрой перефокусировки.

Применения

Машинное зрение

Сборочные линии с большими объемами требуют быстрой и точной производительности. Интеграция жидкостной линзы в систему контроля – оптимальное, компактное и экономичное решение, когда требуется фокусировка на нескольких расстояниях. Жидкостные линзы – идеальное решение для проверки штрих-кодов, сортировки упаковки, контроля качества и быстрой автоматизации.

Естественные науки

Жидкостные линзы улучшают и упрощают процесс наложения фокуса («z-стеки») в приложениях микроскопии. Накопление фокуса часто требуется при получении изображений с помощью объективов с большим увеличением из-за их ограниченной глубины резкости. Жидкостная линза может быстро и точно сфокусироваться на различных плоскостях объекта, что ускоряет наложение фокуса. Жидкостные линзы легко интегрируются в тубусные линзы или в бесконечное пространство в микроскопе. Жидкостные линзы часто используются в офтальмологии, где контроль рефракции и регулировка глубины резкости имеют решающее значение. Стандартное офтальмологическое оборудование содержит несколько стеклянных линз, которые используются для адаптации к человеческому глазу. Эти линзы можно заменить одной жидкостной линзой, что ускорит процесс визуализации или диагностики и уменьшит общий размер офтальмологического оборудования, такого как ОКТ и фороптеры.

Беспилотные летательные аппараты

За счет добавления жидкостной линзы к системе формирования изображения беспилотного летательного аппарата (БПЛА) резкость изображения быстро сохраняется на различных высотах. Жидкостные линзы особенно полезны при сельскохозяйственном контроле и мониторинге, системах географической информации и при наблюдении.

Измерение и размерная визуализация

В сочетании с датчиком расстояния и камерой жидкостная линза может быстро отображать различные плоскости трехмерного объекта. Затем изображения сшиваются вместе с помощью программного обеспечения для создания точной трехмерной визуализации.

Технология жидкостных линз

Жидкостные линзы Corning® Varioptic®

Жидкостные линзы с переменным фокусным расстоянием фокусируются с помощью процесса, называемого электросмачиванием, который представляет собой приложение электрических полей для управления смачивающими свойствами, а, следовательно, формой и кривизной жидкости. Ячейка жидкостной линзы содержит две несмешивающиеся жидкости: непроводящее масло и водный раствор, разделенные границей раздела. Приложение напряжения на границе раздела между двумя жидкостями изменяет кривизну и, следовательно, фокусное расстояние линзы в течение десятков миллисекунд. Приложение большего напряжения увеличивает общую кривизну и оптическую силу жидкостной линзы. Емкостные характеристики жидкостных линз с регулируемым фокусным расстоянием обеспечивают стабильную работу в высокотемпературных средах после достижения теплового равновесия. Кроме того, две жидкости внутри линзы имеют одинаковую плотность, что делает систему нечувствительной к вибрации и ударам. С жидкостными линзами с переменным фокусным расстоянием может быть сложно работать, поскольку их небольшой размер затрудняет их использование с существующими объективами. Они лучше подходят для полной интеграции в оптические конструкции, где их размер не является ограничивающим фактором.

Схема, иллюстрирующая принцип работы линзы Corning® Varioptic®

Линзы Optotune с электрической фокусировкой

Линзы Optotune с электрической настройкой фокуса состоят из контейнера, заполненного оптической жидкостью и герметизированного полимерной мембраной. Актуатор, управляемый током, оказывает давление на мембрану, вызывая изменение кривизны линзы (и, следовательно, оптической силы). Из-за своей зависимости от тока перестраиваемые линзы с электрической фокусировкой работают с низким рабочим напряжением и фокусируются за миллисекунды. Эти линзы не изменяют поляризацию, имеют высокий порог лазерного повреждения и вносят минимальные аберрации.

Схема, иллюстрирующая принцип работы линзы Optotune