基于液體透鏡的自動變焦掃描鏡頭的設計與驗證

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近距離的信息讀取又能實現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取：距離相對較近的，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系列的掃描產品，可滿足工作人員無需頻繁更換設備的需求，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，成像質量會下降，圖像變模糊。自動變焦技術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生的[1]。

自動變焦系統(tǒng)可分為兩種：一種是通過調整系統(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自動變焦；另一種是通過調整鏡片形狀來實現鏡頭焦距的變化，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。以前者為基礎的自動變焦技術已經比較成熟，已廣泛應用于各種成像鏡頭，例如單反相機鏡頭；以后者為基礎的自動變焦技術對技術水平有較高的要求。基于液體透鏡的自動變焦技術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焦距的調節(jié)，具有變焦響應快，變焦范圍相對較大，在體積與質量上更易小型化等特點，可廣泛應用于圖像采集、光電偵察、手機鏡頭等領域[2]。基于液體透鏡的自動對焦技術又分為兩種，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）技術是目前廣泛運用于液體鏡頭制造的一種技術。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；ε0為真空介電常數；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生變化，最終達到改變透鏡焦距及實現自動變焦的目的[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）沒有機械結構，體積可以控制在很小的范圍內；

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)形成表面質量很高的透鏡；

4）驅動電壓較高，一般需要≥30 V。

2 液體透鏡自動變焦的掃描鏡頭設計

2.1 鏡頭參數確定

變焦鏡頭由物側至像側依次為液體鏡片、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，結構如圖3所示。該鏡頭設計目標：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，采用玻塑混合結構（2G3P）作為基體鏡頭，配合液體透鏡（Optotune EL-3-10）進行仿真設計。根據面型方程式[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；A、B、C、D、E、F、··為高次非球面系數。

設計的變焦鏡頭參數如表1所示。非球面透鏡高次項系數如表2所示。液體透鏡的參數如表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。從整體結構布局分析，鏡頭較適合量產及組裝。

變焦鏡頭成像系統(tǒng)的設計結果見表4。

三種不同物距的傳遞函數對比見圖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。考慮到物距較近時，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Tab. 1 Zoom lens parameters

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

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

表4 系統(tǒng)設計結果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型傳遞函數儀測試所得）如圖10、圖11、圖12所示。

實測數據與理論設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MTF≥0.2。設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 實測數據Fig. 12 MTF test curve when object distance is infinity

3 結論與展望

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的需求，設計了一款結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：此鏡頭成像質量可以達到設計預期，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，可為未來光電設備實現微小型化、高質量化提供參考。

表5 物距 80 MM 時 MTF 實測數據與理論數據對比@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 實測數據與理論數據對比@120 lp/mmTab. 6 Comparison of MTF measured data and theoretical data at object distance of 500 mm for 120 lp/mm