液态远心镜头

2020/03/05

    任何光学成像镜头在静止状态下都只有一个可清晰对焦成像的位置,(从光学原理上来说就是镜头对焦的物面位置和镜头的像面位置是一一对应的,如果镜头不做调整那么只有一个可清晰对焦的物体位置),如果要让镜头能够在固定的安装位置同时对焦不同深度的物面,就需要调整镜头里镜片和相机感光芯片的相对位置,这是光学成像原理决定的。我们通常把这个调整称之为对焦。

    现有的光学镜头对焦一般有手动和电动两种模式,例如定焦镜头,在镜头上有一组旋钮就是用来调整对焦的,常见的工业定焦镜头都是手动来旋转,通过肉眼或算法的判断,一边旋转一边判断是否完成对焦,知道确认对焦实现。手动实现的优势是:镜头成本低,产品体积小,易维护。劣势是:调整的效率太低,精度低,不稳定,不能远端控制。在工业应用或安防领域因为需要提高对焦效率、提高稳定性,有些需要远程控制等因素,所以电动对焦就有了手动对焦无法比拟的优势。但电动对焦的问题是:成本太高,体积太大,对焦效率不是太高,且不易维护,维护成本高,使用寿命有限。

    电动对焦的问题主要是因为电机驱动镜片组在镜头中做线性运动,属于机械运动,且很多时候镜片在运动中还在做旋转运动,对焦是否完成需要算法来判断,所以运动过程需要反复。这个过程花费的时间会大大降低对焦的效率,同时对镜头来说镜片的同轴度是对成像质量有非常大的影响的,镜片的移动对整体同轴度的影响也是很严重的。现在电机驱动虽然已经做的非常小了,但因为需要配合电机做镜片精准移动的机构部分,所以整体下来也会造成镜头的体积变得很大,且成本高,维护性差的问题。

    液态镜片的在镜头中的完成对焦工作,从原理上来说对目前现有的对焦方式来说是一个颠覆,液态镜片的对焦类似于人眼,它可以通过给定的电压产生形变(镜片前后曲率发生变化),这种改变因为本身没有移动或转动,因而可控、稳定、且效率高(毫秒级的调整速度)。不需要运动的机构部分,因此整体的结构相比较电机的结构要小型化很多。

液态远心镜头

    无光学视差、小畸变、高分辨率、高锐度……这些一直是远心光学镜头区别于其他光学镜头的优势。但远心镜头和其他固定倍率镜头一样,在设计之初就确定了它本身的对焦位置,也就是镜头的重要参数之一——工作距离,这个工作距离是无法调整的。

    因为远心镜头目前还没有特定的行业标准,不同的镜头厂家自己去定义不同型号镜头的工作距离。这样的问题是客户的应用场景被限制死了,实际安装的空间和拍摄环境的变化就很难调整。对应于固定平面的特征检测问题不是很大,但如果检测的物体特征不是平面,假设是台阶面或曲面等,或者每次要检测的物体特征相对于镜头都会有不确定的位移偏移的化,这就会产生很多问题。针对这些情况,以往的策略是客户会要求镜头有足够大的景深来保证使用。但我们知道用景深图像往往是一种无奈之举,因为景深其实是一个动态变量,不同的工作距离落差在景深内的图像清晰度都会有差异,这个不确定的变量经常导致算法检测的不稳定性。而且镜头的景深其实也是非常有限的,对超出景深的检测,就只能多设置几个图像采集工位,分区域不同工作距离来对应检测就是唯一的解决方案了。但这种方式的代价是成本高、效率低、稳定性差。

    我们知道液态透镜的形变是通过电压来控制的,且型变的变化速度是毫秒级的,这就意味着液体透镜的变化是稳定可控且高效的。我们利用液态透镜的这个优势性能结合远心镜头的光路一起开发,就实现了毫秒级稳定变化工作距离的光学系统,这个光学系统开发的镜头既保留了远心镜头的优势性能又从根源上解决了远心镜头单一工作距离的瓶颈。

    在不动镜头相机的情况下,通过切换液态镜片驱动电压的大小可以在一定的工作距离范围内改变镜头的对焦位置。我们可以从上图看到对焦位置从底面的二维码图标减小到相机的顶面。有兴趣的朋友可以在网站上看这个测试的动态视频。想了解这款液态远心镜头的相信光学参数可以直接联系公司。我们后续还会做其他的液态镜头的产品和测试试验,有兴趣的可以持续关注我们