基于液体透镜的自动变焦扫描镜头的设计与验证

2021-01-20张丽芝孙秀云陈金珠崔志英张学典匡翠方

光学仪器 2020年6期

张丽芝，孙秀云，陈金珠，崔志英，张薇，张学典，匡翠方

（1．宁波永新光学股份有限公司，浙江宁波 315040；2．上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；3．浙江大学光电科学与工程学院，浙江杭州 310013）

引言

随着条形码及二维码的广泛应用，扫码器成了必不可少的工具。传统的单一功能的扫码器多采用单颗定焦镜头，由于镜头自身的景深问题使这种扫码器不具备大的工作距离。在实际的应用中，如大型的仓储、物流等场合往往需要扫描器有非常大的工作距离，这样工作人员在不更换扫描器的情况下既能实现近距离的信息读取又能实现十几米外的信息读取。为解决此问题，目前对扫码器采用了两款定焦镜头，外加激光距离探测及提示功能的方法。扫描过程中先通过距离探测，决定启用哪款定焦镜头进行信息读取：距离相对较近的，启用近距离镜头扫描；距离较远的，采用激光瞄准及远距离扫描镜头。例如ZEBRA旗下DS3608-HD及DS3678-HD系列的扫描产品，可满足工作人员无需频繁更换设备的需求，从而提高了工作效率。但对于扫描器本身，还需要根据被扫物的距离不断切换镜头，且在近远场交界处，扫描器会因为临界值跳动出现反复切换镜头的情况，从而影响扫描工作效率。因此，研究人员提出了自动变焦的升级方案，该方案采用一款变焦镜头就可以实现大景深的工作范围。由于是同一款镜头自身变焦，其变焦速率远大于切换镜头的速度，可以进一步提升工作效率。

根据镜头的成像原理，每一个固定焦距的扫描镜头都会有一个最佳的成像位置，若成像平面偏离了此平面，成像质量会下降，图像变模糊。自动变焦技术就是为了满足在多个工作物距下都可清晰成像，同时像面位置保持不变或基本不变的需求而产生的[1]。

自动变焦系统可分为两种：一种是通过调整系统中镜片与镜片之前的距离或整个镜头与像面的距离来实现自动变焦；另一种是通过调整镜片形状来实现镜头焦距的变化，使得所有从近到远的被拍对象都能成像在像面上，从而达到自动变焦的效果。以前者为基础的自动变焦技术已经比较成熟，已广泛应用于各种成像镜头，例如单反相机镜头；以后者为基础的自动变焦技术对技术水平有较高的要求。基于液体透镜的自动变焦技术作为一种新型的变焦方式，通过改变液体透镜的形状来实现焦距的调节，具有变焦响应快，变焦范围相对较大，在体积与质量上更易小型化等特点，可广泛应用于图像采集、光电侦察、手机镜头等领域[2]。基于液体透镜的自动对焦技术又分为两种，一种是电润湿液体透镜，一种是可变形聚合物液体透镜。本文采用电润湿液体透镜设计一款成像范围为80 mm至无穷远的高分辨率自动变焦扫描镜头。

1 液体透镜自动变焦原理

电润湿（electrowettong on dielectric，EWOD）技术是目前广泛运用于液体镜头制造的一种技术。通过在电极和导电液体之间施加电压，改变导电液体和绝缘层之间的表面张力，从而使得两者之间的接触角改变，其原理如图1所示[3-4]。

图1 电润湿原理图Fig. 1 Schematic diagram of EWOD

接触角变化与电压的关系如下：

式中：θU为施加电压后的导电液体与电极接触角；θ0为没有施加电压时导电液体与电极接触角；γ为液体与接触环境的界面张力；ε为介电层的介电常数；ε0为真空介电常数；d为介电层厚度；U为施加在液滴与电极之间的电压[5-7]。

图2为液体透镜自动变焦的原理图，两种不相融的液体结合在一起形成弯月形透镜。一种液体为电解液，如水溶液；另一种液体是绝缘溶液，如非极性油。电压被施加在水溶液与金属电极之间，当外界施加电压时，沿容器周围的水溶液液面上升，油填充中间部分水溶液空出的空间，从而使两种液体之间的弯弧形产生变化，最终达到改变透镜焦距及实现自动变焦的目的[8]。

图2 电润湿液体透镜自动对焦原理Fig. 2 EWOD liquid lens autofocus

电润湿液体透镜自动变焦特点：

1）没有机械结构，体积可以控制在很小的范围内；

2）功率＜1 mW；

3）透镜的凸面或凹面是由液-液交界面形成的，因此能自发形成表面质量很高的透镜；

4）驱动电压较高，一般需要≥30 V。

2 液体透镜自动变焦的扫描镜头设计

2.1 镜头参数确定

变焦镜头由物侧至像侧依次为液体镜片、光阑、镜片1、镜片2、镜片3、镜片4和镜片5，其中镜片3、镜片4和镜片5采用塑料非球面，结构如图3所示。该镜头设计目标：最高分辨率为160 lp/mm处MTF＞0.2；变焦范围为80 mm至无穷远；变焦响应时间＜2 ms。

图3 成像系统图Fig. 3 Imaging system

利用Zemax软件，采用玻塑混合结构（2G3P）作为基体镜头，配合液体透镜（Optotune EL-3-10）进行仿真设计。根据面型方程式[9]

式中：y为透镜垂直光轴的径向坐标值；Z（y）为非球面透镜沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/R，R表示对应非球面透镜面型中心曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、··为高次非球面系数。

设计的变焦镜头参数如表1所示。非球面透镜高次项系数如表2所示。液体透镜的参数如表3所示。

2.2 变焦镜头像差分析

透镜1与透镜2胶合能有效控制零件的组装偏心，液体透镜位于整个镜头的最前端，有利于组装生产。从整体结构布局分析，镜头较适合量产及组装。

变焦镜头成像系统的设计结果见表4。

三种不同物距的传递函数对比见图4、图5、图6，图中曲线表征不同线对下测得的MTF随视场的变化，其中S-MTF表示弧矢方向MTF，T-MTF表示子午方向MTF。MTF越接近衍射极限，说明成像系统的解像能力越强，分辨率越高。考虑到物距较近时，由主动照明进入成像系统的通光量较大，在80 lp/mm处系统的MTF＞0.2，即可满足成像要求。同理，远距离成像时，在160 lp/mm处系统的MTF＞0.2，即可满足成像要求。

表1 变焦镜头参数Tab. 1 Zoom lens parameters

表2 非球面透镜高次项系数Tab. 2 High order coefficient of aspheric lens

表3 液体透镜的参数Tab. 3 Liquid lens parameters

表4 系统设计结果Tab. 4 System design result parameters

图4 物距 80 mm 时 MTF 示意图Fig. 4 MTF when object distance is 80 mm

图5 物距 500 mm 时 MTF 示意图Fig. 5 MTF when object distance is 500 mm

图6 物距无穷远时 MTF 示意图Fig. 6 MTF when object distance is infinity

不同物距时得到镜头的场曲与畸变见图7、图8、图9。镜头的场曲数值越小说明成像后的MTF曲线平坦度越好，成像清晰度越好。

2.3 变焦镜头实测结果

图7 物距 80 mm 时场曲及畸变Fig. 7 Field curvature when object distance is 80 mm

图8 物距 500 mm 时场曲及畸变Fig. 8 Field curvature when object distance is 500 mm

图9 物距无穷远时场曲及畸变Fig. 9 Field curvature when object distance is infinity

自动变焦扫描镜头成品的实测MTF-视场曲线（使用TRIOPTICS公司ImageMaster HR型传递函数仪测试所得）如图10、图11、图12所示。

实测数据与理论设计值的差异对比见表5、表6、表7。

自动变焦扫描镜头样品实测MTF曲线达到了设计预期，即物距80 mm时，全视场MTF≥0.2；物距500 mm时，全视场MTF≥0.2；物距无穷远时，半视场内MTF≥0.2。设计可以满足扫描成像需求。

图10 物距 80 mm 时 MTF 实测曲线Fig. 10 MTF test curve when object distance is 80 mm

图11 物距 500 mm 时 MTF 实测曲线Fig. 11 MTF test curve when object distance is 500 mm

图12 物距无穷远时 MTF 实测数据Fig. 12 MTF test curve when object distance is infinity

3 结论与展望

本文针对条码扫描行业目前存在的问题及对自动变焦技术的需求，设计了一款结合可变形聚合物液体透镜的自动扫描镜头，该扫描镜头成像范围为80 mm至无穷远。研究表明：此镜头成像质量可以达到设计预期，满足扫描需求。自动变焦镜头精度高、稳定性好、响应快、体积小，符合智能制造行业的发展趋势，可为未来光电设备实现微小型化、高质量化提供参考。