基于液體透鏡的自動變焦掃描鏡頭的設(shè)計與驗證

張麗芝，孫秀云，陳金珠，崔志英，張 薇，張學典，匡翠方

（1．寧波永新光學股份有限公司，浙江 寧波 315040；2．上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；3．浙江大學 光電科學與工程學院，浙江 杭州 310013）

引 言

隨著條形碼及二維碼的廣泛應用，掃碼器成了必不可少的工具。傳統(tǒng)的單一功能的掃碼器多采用單顆定焦鏡頭，由于鏡頭自身的景深問題使這種掃碼器不具備大的工作距離。在實際的應用中，如大型的倉儲、物流等場合往往需要掃描器有非常大的工作距離，這樣工作人員在不更換掃描器的情況下既能實現(xiàn)近距離的信息讀取又能實現(xiàn)十幾米外的信息讀取。為解決此問題，目前對掃碼器采用了兩款定焦鏡頭，外加激光距離探測及提示功能的方法。掃描過程中先通過距離探測，決定啟用哪款定焦鏡頭進行信息讀?。壕嚯x相對較近的，啟用近距離鏡頭掃描；距離較遠的，采用激光瞄準及遠距離掃描鏡頭。例如ZEBRA旗下DS3608-HD及DS3678-HD系列的掃描產(chǎn)品，可滿足工作人員無需頻繁更換設(shè)備的需求，從而提高了工作效率。但對于掃描器本身，還需要根據(jù)被掃物的距離不斷切換鏡頭，且在近遠場交界處，掃描器會因為臨界值跳動出現(xiàn)反復切換鏡頭的情況，從而影響掃描工作效率。因此，研究人員提出了自動變焦的升級方案，該方案采用一款變焦鏡頭就可以實現(xiàn)大景深的工作范圍。由于是同一款鏡頭自身變焦，其變焦速率遠大于切換鏡頭的速度，可以進一步提升工作效率。

根據(jù)鏡頭的成像原理，每一個固定焦距的掃描鏡頭都會有一個最佳的成像位置，若成像平面偏離了此平面，成像質(zhì)量會下降，圖像變模糊。自動變焦技術(shù)就是為了滿足在多個工作物距下都可清晰成像，同時像面位置保持不變或基本不變的需求而產(chǎn)生的[1]。

自動變焦系統(tǒng)可分為兩種：一種是通過調(diào)整系統(tǒng)中鏡片與鏡片之前的距離或整個鏡頭與像面的距離來實現(xiàn)自動變焦；另一種是通過調(diào)整鏡片形狀來實現(xiàn)鏡頭焦距的變化，使得所有從近到遠的被拍對象都能成像在像面上，從而達到自動變焦的效果。以前者為基礎(chǔ)的自動變焦技術(shù)已經(jīng)比較成熟，已廣泛應用于各種成像鏡頭，例如單反相機鏡頭；以后者為基礎(chǔ)的自動變焦技術(shù)對技術(shù)水平有較高的要求?；谝后w透鏡的自動變焦技術(shù)作為一種新型的變焦方式，通過改變液體透鏡的形狀來實現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)，具有變焦響應快，變焦范圍相對較大，在體積與質(zhì)量上更易小型化等特點，可廣泛應用于圖像采集、光電偵察、手機鏡頭等領(lǐng)域[2]。基于液體透鏡的自動對焦技術(shù)又分為兩種，一種是電潤濕液體透鏡，一種是可變形聚合物液體透鏡。本文采用電潤濕液體透鏡設(shè)計一款成像范圍為80 mm至無窮遠的高分辨率自動變焦掃描鏡頭。

1 液體透鏡自動變焦原理

電潤濕（electrowettong on dielectric，EWOD）技術(shù)是目前廣泛運用于液體鏡頭制造的一種技術(shù)。通過在電極和導電液體之間施加電壓，改變導電液體和絕緣層之間的表面張力，從而使得兩者之間的接觸角改變，其原理如圖1所示[3-4]。

圖1 電潤濕原理圖Fig. 1 Schematic diagram of EWOD

接觸角變化與電壓的關(guān)系如下：

式中：θU為施加電壓后的導電液體與電極接觸角；θ0為沒有施加電壓時導電液體與電極接觸角；γ為液體與接觸環(huán)境的界面張力；ε為介電層的介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；d為介電層厚度；U為施加在液滴與電極之間的電壓[5-7]。

圖2為液體透鏡自動變焦的原理圖，兩種不相融的液體結(jié)合在一起形成彎月形透鏡。一種液體為電解液，如水溶液；另一種液體是絕緣溶液，如非極性油。電壓被施加在水溶液與金屬電極之間，當外界施加電壓時，沿容器周圍的水溶液液面上升，油填充中間部分水溶液空出的空間，從而使兩種液體之間的彎弧形產(chǎn)生變化，最終達到改變透鏡焦距及實現(xiàn)自動變焦的目的[8]。

圖2 電潤濕液體透鏡自動對焦原理Fig. 2 EWOD liquid lens autofocus

電潤濕液體透鏡自動變焦特點：

1）沒有機械結(jié)構(gòu)，體積可以控制在很小的范圍內(nèi)；

2）功率＜1 mW；

3）透鏡的凸面或凹面是由液-液交界面形成的，因此能自發(fā)形成表面質(zhì)量很高的透鏡；

4）驅(qū)動電壓較高，一般需要≥30 V。

2 液體透鏡自動變焦的掃描鏡頭設(shè)計

2.1 鏡頭參數(shù)確定

變焦鏡頭由物側(cè)至像側(cè)依次為液體鏡片、光闌、鏡片1、鏡片2、鏡片3、鏡片4和鏡片5，其中鏡片3、鏡片4和鏡片5采用塑料非球面，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該鏡頭設(shè)計目標：最高分辨率為160 lp/mm處MTF＞0.2；變焦范圍為80 mm至無窮遠；變焦響應時間＜2 ms。

圖3 成像系統(tǒng)圖Fig. 3 Imaging system

利用Zemax軟件，采用玻塑混合結(jié)構(gòu)（2G3P）作為基體鏡頭，配合液體透鏡（Optotune EL-3-10）進行仿真設(shè)計。根據(jù)面型方程式[9]

式中：y為透鏡垂直光軸的徑向坐標值；Z（y）為非球面透鏡沿光軸方向在高度為y的位置時，距非球面頂點的距離矢高；c=1/R，R表示對應非球面透鏡面型中心曲率半徑；k為圓錐系數(shù)；A、B、C、D、E、F、··為高次非球面系數(shù)。

設(shè)計的變焦鏡頭參數(shù)如表1所示。非球面透鏡高次項系數(shù)如表2所示。液體透鏡的參數(shù)如表3所示。

2.2 變焦鏡頭像差分析

透鏡1與透鏡2膠合能有效控制零件的組裝偏心，液體透鏡位于整個鏡頭的最前端，有利于組裝生產(chǎn)。從整體結(jié)構(gòu)布局分析，鏡頭較適合量產(chǎn)及組裝。

變焦鏡頭成像系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果見表4。

三種不同物距的傳遞函數(shù)對比見圖4、圖5、圖6，圖中曲線表征不同線對下測得的MTF隨視場的變化，其中S-MTF表示弧矢方向MTF，T-MTF表示子午方向MTF。MTF越接近衍射極限，說明成像系統(tǒng)的解像能力越強，分辨率越高?？紤]到物距較近時，由主動照明進入成像系統(tǒng)的通光量較大，在80 lp/mm處系統(tǒng)的MTF＞0.2，即可滿足成像要求。同理，遠距離成像時，在160 lp/mm處系統(tǒng)的MTF＞0.2，即可滿足成像要求。

表1 變焦鏡頭參數(shù)Tab. 1 Zoom lens parameters

表2 非球面透鏡高次項系數(shù)Tab. 2 High order coefficient of aspheric lens

表3 液體透鏡的參數(shù)Tab. 3 Liquid lens parameters

表4 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果Tab. 4 System design result parameters

圖4 物距 80 mm 時 MTF 示意圖Fig. 4 MTF when object distance is 80 mm

圖5 物距 500 mm 時 MTF 示意圖Fig. 5 MTF when object distance is 500 mm

圖6 物距無窮遠時 MTF 示意圖Fig. 6 MTF when object distance is infinity

不同物距時得到鏡頭的場曲與畸變見圖7、圖8、圖9。鏡頭的場曲數(shù)值越小說明成像后的MTF曲線平坦度越好，成像清晰度越好。

2.3 變焦鏡頭實測結(jié)果

圖7 物距 80 mm 時場曲及畸變Fig. 7 Field curvature when object distance is 80 mm

圖8 物距 500 mm 時場曲及畸變Fig. 8 Field curvature when object distance is 500 mm

圖9 物距無窮遠時場曲及畸變Fig. 9 Field curvature when object distance is infinity

自動變焦掃描鏡頭成品的實測MTF-視場曲線（使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型傳遞函數(shù)儀測試所得）如圖10、圖11、圖12所示。

實測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值的差異對比見表5、表6、表7。

自動變焦掃描鏡頭樣品實測MTF曲線達到了設(shè)計預期，即物距80 mm時，全視場MTF≥0.2；物距500 mm時，全視場MTF≥0.2；物距無窮遠時，半視場內(nèi)MTF≥0.2。設(shè)計可以滿足掃描成像需求。

圖10 物距 80 mm 時 MTF 實測曲線Fig. 10 MTF test curve when object distance is 80 mm

圖11 物距 500 mm 時 MTF 實測曲線Fig. 11 MTF test curve when object distance is 500 mm

圖12 物距無窮遠時 MTF 實測數(shù)據(jù)Fig. 12 MTF test curve when object distance is infinity

3 結(jié)論與展望

本文針對條碼掃描行業(yè)目前存在的問題及對自動變焦技術(shù)的需求，設(shè)計了一款結(jié)合可變形聚合物液體透鏡的自動掃描鏡頭，該掃描鏡頭成像范圍為80 mm至無窮遠。研究表明：此鏡頭成像質(zhì)量可以達到設(shè)計預期，滿足掃描需求。自動變焦鏡頭精度高、穩(wěn)定性好、響應快、體積小，符合智能制造行業(yè)的發(fā)展趨勢，可為未來光電設(shè)備實現(xiàn)微小型化、高質(zhì)量化提供參考。

表5 物距 80 MM 時 MTF 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比@80 lp/mmTab. 5 Comparison of MTF measured data and theoretical data at object distance of 80 mm for 80 lp/mm

表6 物距 500 MM 時 MTF 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比@120 lp/mmTab. 6 Comparison of MTF measured data and theoretical data at object distance of 500 mm for 120 lp/mm