液态镜头的稳定性和重复性

本文展示了 Optotune 聚焦可调透镜的卓越性能。具体而言，我们使用了集成 Optotune EL-16-40-TC-VIS-5D的远心电子透镜模块，以展示在具有极浅景深 (DoF) 的透镜系统中液体透镜的稳定性和可重复性能。

如图 1 所示，对两种不同的使用情况进行了探讨：第一种情况包括长期保持（持续数天），液体透镜焦距功率保持不变；第二种情况包括多次、随机和快速（毫秒级）跳离和跳回预定焦距功率值。情况 A 代表很少需要重新对焦的检测应用，其稳定性主要依赖于液体透镜的材料和驱动特性，以及 Optotune 控制器的热补偿，而情况 B 则与液体透镜的动态使用有关，在这种情况下，校准查找表可用于在预定的工作距离上持续重复对焦，或使用基于对比度的自动对焦程序。在后一种情况下，需要测试液体透镜的可重复性能。

图 1：两个使用案例的说明。案例 A（左）复制了在特定焦距功率下的长期保持；案例 B（右）复制了在预定焦距功率值下的快速重新聚焦。

这些测试结果表明，Optotune 液体透镜可以放心、可靠地用于对稳定性和重复性要求极高的苛刻应用中，如电子和半导体检测、芯片粘接检测、计量等。稳定性和可重复性均在 +/- 10 mdpt 的范围内。

实验装置和方法

图 2 显示了成像测试的实验装置。由于 Sill 的远心 2x 镜头 S5VPJ6420 集成了EL-16-40-TC-VIS-5D，具有相对较高的放大倍率和较浅的景深（在数值孔径 NA 为 0.18、f 值为5.5 时≈ ± 50 μm），通常用于半导体或计量等检测应用，因此被选用。为了控制液体镜头，使用了 Optotune 的四通道工业控制器 ICC-4C。相机是 Basler acA2040 - 55um，像素尺寸为 3.45 μm，分辨率为 320 万像素（传感器格式为 1/1.8"）。使用的是 CCS 蓝色背光。

为了监测液体透镜焦距功率的稳定性和可重复性（分别为情况 A 和情况 B），使用了一种基于对比度的方法。使用了空间线频率为 100 lp/mm 的朗奇标尺目标（图 3），在图像空间中的频率为 50 lp/mm。对比度指标是使用索贝尔滤波器在 x 和 y 两个方向上计算得出的，计算公式如下：

sx = cv2.Sobel(img, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=5)
 sy = cv2.Sobel(img, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=5)
 magnitude = cv2.magnitude(sx, sy)
contrast_metric = magnitude.mean()

图 2：实验装置显示集成了EL-16-40-TC 的 Sill 2x 远心镜头 S5VPJ6420。

图 3：用于计算对比度的朗奇裁决目标图像（50 lp/mm）。

对于 A 和 B 两种情况，在实验开始时（对于特定的工作距离），都要进行焦距功率扫描，这样做有两个目的：一方面，可以精确地找到与最佳聚焦相对应的焦距功率；另一方面，可以将对比度漂移与实验其余部分的焦距功率漂移联系起来。

图 4：测试开始前对比度与焦距功率校准曲线示例

用例 A 和 B 也被复制到单独测试液体透镜的实验装置中，即使用 Shack-Hartmann 传感器 (SHS) 来监测 EL-16-40-TC-5D 的折射率和波前误差特性。

图 5：带准直光源的夏克-哈特曼传感器

案例 A：长期焦距保持（稳定性）

对于案例 A，在焦距为 -2 dpt 和 + 2 dpt 时进行了为期四天的长期保持，对应的工作距离分别为 ≈ 76 mm和 ≈ 60 mm。如图 6 所示，图像对比度保持在实验开始时设定的最佳焦距的 5%以内。如图 6 右侧所示，这与最大焦距漂移 (±) 10 mdpt 相对应。

图 6：-2 和 +2 dpt 时长期焦点功率保持的结果

同样的实验使用 Shack-Hartmann 传感器进行了 10 个小时。因此，影响远心透镜支架的振动和其他光学元 件的漂移等外部因素可以忽略不计。图 7 所示的结果证实，使用 ICC-4C 控制的 EL-16-40-TC 具有出色的稳 定性，其焦距功率在大部分实验中都保持在 ≈ 6-7 mdpt（≈ +/- 3.5 mdpt）的范围内，而波动主要是由于 Shack-Hartmann 传感器受到噪声的影响。

图 7：使用 Shack-Hartmann 传感器进行长期焦距功率保持的结果

情况 B：快速焦距跳变（可重复性）

在案例 B 中，在特定工作距离下，将镜头调离并调回对应最佳对比度的焦距。使用的焦距为 -2、0 和 + 2dpt。在 0 dpt 的实验中，焦距跳变的范围是 +/- 2 dpt，在-2 和 + 2 dpt 的实中，焦距跳变的范围是 +/- 1dpt。图 8 显示了 0 dpt 实验中随机连续的焦点功率跃变。在抓取图像之前，每次焦距功率跃变都有 30 毫秒的沉淀时间。

图 8：随机焦点功率跳变到 0 dpt 的列表。每次跳跃都是 0.25 dpt 的倍数，重复 10 次。

图 9：在焦距功率分别为 -2、0 和 +2 dpt 时进行的短期重复性测试结果。通过将在不同焦点功率跃迁时获得的对比度值的平均值和标准偏差（右侧）与描述对比度和焦点功率之间关系的曲线（左侧）进行关联，可以得出结论：可重复性可在 +/- 10 mdpt 的范围内实现。

图 9 显示了这些实验的结果，即描述对比度和焦距之间关系的曲线（左），以及与每次焦距跃变相关的对比度下降的平均值和 STD（右）。从图 9 左侧可以看出，景深随着焦距的减小而略有增加（曲线变宽）。这是由于在不同的实验中使用的是恒定的光圈，而不同的焦距会导致放大率的微小变化，从而导致数值孔径的变化。另一方面，从图 9 右侧可以看出，对比度从未低于 95%，因此在所有工作距离/焦距下，重复性都在 +/- 10 mdpt 范围内。

图 10 所示的类似实验也是使用 SHS 进行的。如左上图所示，使用液体透镜的全部调谐范围（≈-3 至 4dpt）对其进行随机调谐，在两次跳变之间以 0 mA “复位” 。三阶多项式拟合用于模拟随机电流跃变与各自焦距功率值之间的关系（右上图）。然后利用这条 “ 校准曲线 ” 来推断焦点功率误差，计算方法是 SHS记录的实际值减去拟合得到的预期值。

图 10 左下图显示，即使在 EL-16-40-TC-5D 调谐范围内最极端的负焦距和正焦距下，焦距功率误差也保持在 +/- 10 mdpt 的范围内，而右下图显示了焦距功率误差的分布情况。

图 10：使用 SHS 进行的重复性测试。在液体透镜上施加了 250 次随机电流跳变，两次跳变之间重置为 0mA（左上图），从而得到了一条校准曲线（右上图），该曲线以电流和焦距功率之间的三阶多项式拟合为模型。左下图显示了校准曲线的焦距功率和焦距功率误差之间的关系，表明误差保持在 +/- 10 mdpt 的范围内。右下图显示了焦距功率误差的分布情况。

结论

Optotune 液态透镜已成为在工业和医疗应用等多个领域实现快速聚焦的出色解决方案。与依靠物理移动光学元件来调整焦距的传统透镜系统不同，Optotune 技术通过电气改变夹在薄膜和玻璃之间的液体核心元件的曲率来实现快速驱动。这一创新技术可在 3 至 20 毫秒的惊人时间范围内调整焦距，具体取决于液体透镜的清晰孔径，同时保持紧凑的外形。

在使用液体透镜检测或测量过程、距离、物体平面度等的特定应用中，频繁快速调整焦距时的可重复性和长期对焦稳定性等关键特性变得至关重要。最重要的是，必须保证液体透镜的焦距功率保持在整个透镜系统的景深 (DOF) 范围内，尤其是精密检测和计量中常用的高倍远心透镜，景深可浅至几十微米。本白皮书中介绍的测试表明，Optotune EL-16-40-TC-5D 可以提供这种级别的性能，在 +/- 10 mdpt 范围内具有长期稳定性和短期可重复性。即使是在要求最苛刻的应用中，如电子和半导体检测、芯片粘接检测、计量等，这种性能水平也能令人满意。

请注意，Optotune 并不保证在所有条件和操作模式下都能实现 +/- 10 mdpt 的重复性。 有关官方重复性规格，请参阅透镜数据表。

有关性能实验的更多信息和背景，请随时与我们的罗经理联系，电话：18162698939，lql@sinteclaser.com。