液態鏡頭的穩定性和重復性

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

如圖 1 所示，對兩種不同的使用情況進行了探討：第一種情況包括長期保持（持續數天），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）跳離和跳回預定焦距功率值。情況 A 代表很少需要重新對焦的檢測應用，其穩定性主要依賴于液體透鏡的材料和驅動特性，以及 Optotune 控制器的熱補償，而情況 B 則與液體透鏡的動態使用有關，在這種情況下，校準查找表可用于在預定的工作距離上持續重復對焦，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性能。

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

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

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（在數值孔徑 NA 為 0.18、f 值為5.5 時≈ ± 50 μm），通常用于半導體或計量等檢測應用，因此被選用。為了控制液體鏡頭，使用了 Optotune 的四通道工業控制器 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 藍色背光。

為了監測液體透鏡焦距功率的穩定性和可重復性（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 的朗奇標尺目標（圖 3），在圖像空間中的頻率為 50 lp/mm。對比度指標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 遠心鏡頭 S5VPJ6420。

圖 3：用于計算對比度的朗奇裁決目標圖像（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系起來。

圖 4：測試開始前對比度與焦距功率校準曲線示例

用例 A 和 B 也被復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) 來監測 EL-16-40-TC-5D 的折射率和波前誤差特性。

圖 5：帶準直光源的夏克-哈特曼傳感器

案例 A：長期焦距保持（穩定性）

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

圖 6：-2 和 +2 dpt 時長期焦點功率保持的結果

同樣的實驗使用 Shack-Hartmann 傳感器進行了 10 個小時。因此，影響遠心透鏡支架的振動和其他光學元 件的漂移等外部因素可以忽略不計。圖 7 所示的結果證實，使用 ICC-4C 控制的 EL-16-40-TC 具有出色的穩 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，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 傳感器進行長期焦距功率保持的結果

情況 B：快速焦距跳變（可重復性）

在案例 B 中，在特定工作距離下，將鏡頭調離并調回對應最佳對比度的焦距。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，重復 10 次。

圖 9：在焦距功率分別為 -2、0 和 +2 dpt 時進行的短期重復性測試結果。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準偏差（右側）與描述對比度和焦點功率之間關系的曲線（左側）進行關聯，可以得出結論：可重復性可在 +/- 10 mdpt 的范圍內實現。

圖 9 顯示了這些實驗的結果，即描述對比度和焦距之間關系的曲線（左），以及與每次焦距躍變相關的對比度下降的平均值和 STD（右）。從圖 9 左側可以看出，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，而不同的焦距會導致放大率的微小變化，從而導致數值孔徑的變化。另一方面，從圖 9 右側可以看出，對比度從未低于 95%，因此在所有工作距離/焦距下，重復性都在 +/- 10 mdpt 范圍內。

圖 10 所示的類似實驗也是使用 SHS 進行的。如左上圖所示，使用液體透鏡的全部調諧范圍（≈-3 至 4dpt）對其進行隨機調諧，在兩次跳變之間以 0 mA “復位” 。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系（右上圖）。然后利用這條 “ 校準曲線 ” 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期值。

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

圖 10：使用 SHS 進行的重復性測試。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。左下圖顯示了校準曲線的焦距功率和焦距功率誤差之間的關系，表明誤差保持在 +/- 10 mdpt 的范圍內。右下圖顯示了焦距功率誤差的分布情況。

結論

Optotune 液態透鏡已成為在工業和醫療應用等多個領域實現快速聚焦的出色解決方案。與依靠物理移動光學元件來調整焦距的傳統透鏡系統不同，Optotune 技術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快速驅動。這一創新技術可在 3 至 20 毫秒的驚人時間范圍內調整焦距，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用中，頻繁快速調整焦距時的可重復性和長期對焦穩定性等關鍵特性變得至關重要。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的景深 (DOF) 范圍內，尤其是精密檢測和計量中常用的高倍遠心透鏡，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 范圍內具有長期穩定性和短期可重復性。即使是在要求最苛刻的應用中，如電子和半導體檢測、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 +/- 10 mdpt 的重復性。 有關官方重復性規格，請參閱透鏡數據表。

有關性能實驗的更多信息和背景，請隨時與我們的羅經理聯系，電話：18162698939，lql@sinteclaser.com。