液態(tài)鏡頭的穩(wěn)定性和重復(fù)性

本文展示了 Optotune 聚焦可調(diào)透鏡的卓越性能。具體而言，我們使用了集成 Optotune EL-16-40-TC-VIS-5D的遠(yuǎn)心電子透鏡模塊，以展示在具有極淺景深 (DoF) 的透鏡系統(tǒng)中液體透鏡的穩(wěn)定性和可重復(fù)性能。

如圖 1 所示，對兩種不同的使用情況進(jìn)行了探討：第一種情況包括長期保持（持續(xù)數(shù)天），液體透鏡焦距功率保持不變；第二種情況包括多次、隨機和快速（毫秒級）跳離和跳回預(yù)定焦距功率值。情況 A 代表很少需要重新對焦的檢測應(yīng)用，其穩(wěn)定性主要依賴于液體透鏡的材料和驅(qū)動特性，以及 Optotune 控制器的熱補償，而情況 B 則與液體透鏡的動態(tài)使用有關(guān)，在這種情況下，校準(zhǔn)查找表可用于在預(yù)定的工作距離上持續(xù)重復(fù)對焦，或使用基于對比度的自動對焦程序。在后一種情況下，需要測試液體透鏡的可重復(fù)性能。

圖 1：兩個使用案例的說明。案例 A（左）復(fù)制了在特定焦距功率下的長期保持；案例 B（右）復(fù)制了在預(yù)定焦距功率值下的快速重新聚焦。

這些測試結(jié)果表明，Optotune 液體透鏡可以放心、可靠地用于對穩(wěn)定性和重復(fù)性要求極高的苛刻應(yīng)用中，如電子和半導(dǎo)體檢測、芯片粘接檢測、計量等。穩(wěn)定性和可重復(fù)性均在 +/- 10 mdpt 的范圍內(nèi)。

實驗裝置和方法

圖 2 顯示了成像測試的實驗裝置。由于 Sill 的遠(yuǎn)心 2x 鏡頭 S5VPJ6420 集成了EL-16-40-TC-VIS-5D，具有相對較高的放大倍率和較淺的景深（在數(shù)值孔徑 NA 為 0.18、f 值為5.5 時≈ ± 50 μm），通常用于半導(dǎo)體或計量等檢測應(yīng)用，因此被選用。為了控制液體鏡頭，使用了 Optotune 的四通道工業(yè)控制器 ICC-4C。相機是 Basler acA2040 - 55um，像素尺寸為 3.45 μm，分辨率為 320 萬像素（傳感器格式為 1/1.8"）。使用的是 CCS 藍(lán)色背光。

為了監(jiān)測液體透鏡焦距功率的穩(wěn)定性和可重復(fù)性（分別為情況 A 和情況 B），使用了一種基于對比度的方法。使用了空間線頻率為 100 lp/mm 的朗奇標(biāo)尺目標(biāo)（圖 3），在圖像空間中的頻率為 50 lp/mm。對比度指標(biāo)是使用索貝爾濾波器在 x 和 y 兩個方向上計算得出的，計算公式如下：

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()

圖 2：實驗裝置顯示集成了EL-16-40-TC 的 Sill 2x 遠(yuǎn)心鏡頭 S5VPJ6420。

圖 3：用于計算對比度的朗奇裁決目標(biāo)圖像（50 lp/mm）。

對于 A 和 B 兩種情況，在實驗開始時（對于特定的工作距離），都要進(jìn)行焦距功率掃描，這樣做有兩個目的：一方面，可以精確地找到與最佳聚焦相對應(yīng)的焦距功率；另一方面，可以將對比度漂移與實驗其余部分的焦距功率漂移聯(lián)系起來。

圖 4：測試開始前對比度與焦距功率校準(zhǔn)曲線示例

用例 A 和 B 也被復(fù)制到單獨測試液體透鏡的實驗裝置中，即使用 Shack-Hartmann 傳感器 (SHS) 來監(jiān)測 EL-16-40-TC-5D 的折射率和波前誤差特性。

圖 5：帶準(zhǔn)直光源的夏克-哈特曼傳感器

案例 A：長期焦距保持（穩(wěn)定性）

對于案例 A，在焦距為 -2 dpt 和 + 2 dpt 時進(jìn)行了為期四天的長期保持，對應(yīng)的工作距離分別為 ≈ 76 mm和 ≈ 60 mm。如圖 6 所示，圖像對比度保持在實驗開始時設(shè)定的最佳焦距的 5%以內(nèi)。如圖 6 右側(cè)所示，這與最大焦距漂移 (±) 10 mdpt 相對應(yīng)。

圖 6：-2 和 +2 dpt 時長期焦點功率保持的結(jié)果

同樣的實驗使用 Shack-Hartmann 傳感器進(jìn)行了 10 個小時。因此，影響遠(yuǎn)心透鏡支架的振動和其他光學(xué)元 件的漂移等外部因素可以忽略不計。圖 7 所示的結(jié)果證實，使用 ICC-4C 控制的 EL-16-40-TC 具有出色的穩(wěn) 定性，其焦距功率在大部分實驗中都保持在 ≈ 6-7 mdpt（≈ +/- 3.5 mdpt）的范圍內(nèi)，而波動主要是由于 Shack-Hartmann 傳感器受到噪聲的影響。

圖 7：使用 Shack-Hartmann 傳感器進(jìn)行長期焦距功率保持的結(jié)果

情況 B：快速焦距跳變（可重復(fù)性）

在案例 B 中，在特定工作距離下，將鏡頭調(diào)離并調(diào)回對應(yīng)最佳對比度的焦距。使用的焦距為 -2、0 和 + 2dpt。在 0 dpt 的實驗中，焦距跳變的范圍是 +/- 2 dpt，在-2 和 + 2 dpt 的實中，焦距跳變的范圍是 +/- 1dpt。圖 8 顯示了 0 dpt 實驗中隨機連續(xù)的焦點功率躍變。在抓取圖像之前，每次焦距功率躍變都有 30 毫秒的沉淀時間。

圖 8：隨機焦點功率跳變到 0 dpt 的列表。每次跳躍都是 0.25 dpt 的倍數(shù)，重復(fù) 10 次。

圖 9：在焦距功率分別為 -2、0 和 +2 dpt 時進(jìn)行的短期重復(fù)性測試結(jié)果。通過將在不同焦點功率躍遷時獲得的對比度值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（右側(cè)）與描述對比度和焦點功率之間關(guān)系的曲線（左側(cè)）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以得出結(jié)論：可重復(fù)性可在 +/- 10 mdpt 的范圍內(nèi)實現(xiàn)。

圖 9 顯示了這些實驗的結(jié)果，即描述對比度和焦距之間關(guān)系的曲線（左），以及與每次焦距躍變相關(guān)的對比度下降的平均值和 STD（右）。從圖 9 左側(cè)可以看出，景深隨著焦距的減小而略有增加（曲線變寬）。這是由于在不同的實驗中使用的是恒定的光圈，而不同的焦距會導(dǎo)致放大率的微小變化，從而導(dǎo)致數(shù)值孔徑的變化。另一方面，從圖 9 右側(cè)可以看出，對比度從未低于 95%，因此在所有工作距離/焦距下，重復(fù)性都在 +/- 10 mdpt 范圍內(nèi)。

圖 10 所示的類似實驗也是使用 SHS 進(jìn)行的。如左上圖所示，使用液體透鏡的全部調(diào)諧范圍（≈-3 至 4dpt）對其進(jìn)行隨機調(diào)諧，在兩次跳變之間以 0 mA “復(fù)位” 。三階多項式擬合用于模擬隨機電流躍變與各自焦距功率值之間的關(guān)系（右上圖）。然后利用這條 “ 校準(zhǔn)曲線 ” 來推斷焦點功率誤差，計算方法是 SHS記錄的實際值減去擬合得到的預(yù)期值。

圖 10 左下圖顯示，即使在 EL-16-40-TC-5D 調(diào)諧范圍內(nèi)最極端的負(fù)焦距和正焦距下，焦距功率誤差也保持在 +/- 10 mdpt 的范圍內(nèi)，而右下圖顯示了焦距功率誤差的分布情況。

圖 10：使用 SHS 進(jìn)行的重復(fù)性測試。在液體透鏡上施加了 250 次隨機電流跳變，兩次跳變之間重置為 0mA（左上圖），從而得到了一條校準(zhǔn)曲線（右上圖），該曲線以電流和焦距功率之間的三階多項式擬合為模型。左下圖顯示了校準(zhǔn)曲線的焦距功率和焦距功率誤差之間的關(guān)系，表明誤差保持在 +/- 10 mdpt 的范圍內(nèi)。右下圖顯示了焦距功率誤差的分布情況。

結(jié)論

Optotune 液態(tài)透鏡已成為在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速聚焦的出色解決方案。與依靠物理移動光學(xué)元件來調(diào)整焦距的傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)不同，Optotune 技術(shù)通過電氣改變夾在薄膜和玻璃之間的液體核心元件的曲率來實現(xiàn)快速驅(qū)動。這一創(chuàng)新技術(shù)可在 3 至 20 毫秒的驚人時間范圍內(nèi)調(diào)整焦距，具體取決于液體透鏡的清晰孔徑，同時保持緊湊的外形。

在使用液體透鏡檢測或測量過程、距離、物體平面度等的特定應(yīng)用中，頻繁快速調(diào)整焦距時的可重復(fù)性和長期對焦穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性變得至關(guān)重要。最重要的是，必須保證液體透鏡的焦距功率保持在整個透鏡系統(tǒng)的景深 (DOF) 范圍內(nèi)，尤其是精密檢測和計量中常用的高倍遠(yuǎn)心透鏡，景深可淺至幾十微米。本白皮書中介紹的測試表明，Optotune EL-16-40-TC-5D 可以提供這種級別的性能，在 +/- 10 mdpt 范圍內(nèi)具有長期穩(wěn)定性和短期可重復(fù)性。即使是在要求最苛刻的應(yīng)用中，如電子和半導(dǎo)體檢測、芯片粘接檢測、計量等，這種性能水平也能令人滿意。

請注意，Optotune 并不保證在所有條件和操作模式下都能實現(xiàn) +/- 10 mdpt 的重復(fù)性。 有關(guān)官方重復(fù)性規(guī)格，請參閱透鏡數(shù)據(jù)表。

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