Meer focus met vloeistoflenzen

waterdruppel

Na een klein decennium van experimenteren, lijkt de vloeistoflens ook in visionsystemen aan terrein te winnen. vloeistoflenzen kennen namelijk een grote Depth of Field (DOF) waarbij de focus elektronisch kan worden aangepast, zonder dat er mechanische bewegingen nodig zijn. Dit kan een goede oplossing zijn voor toepassingen met verschillende objecthoogtes en werkafstanden.

Conventionele oplossingen voor dit soort toepassingen zijn onder andere gemotoriseerde zoomlenzen of fysieke herpositionering van het object om het in beeld te brengen. Een andere manier om de DOF in een traditionele lens te verhogen, is het vergroten van de f/# door het verkleinen van het diafragma. Dit kan echter ook de resolutie en de hoeveelheid licht die door het imagingsysteem komt verminderen. Hierdoor neemt de ­acquisitiesnelheid toe en de beeldkwaliteit af. Door een vloeistoflens te integreren, kan een visionsysteem elektronisch scherpstellen zonder dat dit ten koste gaat van de snelheid of beeldkwaliteit, ongeacht de afstand van het object tot de camera.

Ontwerp met meerdere elementen

Net als traditionele optische lenzen van glas zijn vloeistoflenzen enkelvoudige optische elementen, maar ze zijn samengesteld uit een optisch vloeibaar materiaal dat van vorm kan veranderen. De brandpuntsafstand van een glazen lens is afhankelijk van het materiaal waarvan het is ­gemaakt en de kromtestraal. Hetzelfde basisprincipe geldt voor vloeistoflenzen, hoewel deze uniek zijn in die zin dat ze hun brandpuntsafstand kunnen veranderen door hun kromtestraal te veranderen. Deze verandering in de straal wordt elektronisch geregeld en verandert snel in de orde van milliseconden. Fabrikanten maken gebruik van technologieën die ­variëren van electrowetting tot vorm veranderende polymeren om de kromtestraal en de brekingsindex van de vloeistoflens te regelen. Zowel de technologieën als de bijbehorende producten worden in dit artikel ­beschreven.

lens structure

De meeste imaging-lenzen zijn samengesteld uit meerdere elementen omdat één enkele optische lens onvoldoende presteert. Om dezelfde ­reden is het gebruik van enkel een vloeistoflens op zich niet aan te raden. Door een vloeistoflens met een beeldlens in een multi-element ontwerp te integreren, kan echter gebruik worden gemaakt van de snelheid en flexibiliteit van een vloeistoflens. De mogelijkheid om zowel van dichtbij als tot in ‘optisch oneindig’ in milliseconden scherp te kunnen stellen, maakt de integratie van vloeistoflenzen een ideale keuze voor toepassingen die op meerdere afstanden moeten worden scherpgesteld. Hierbij zijn de te inspecteren objecten van verschillende omvang of bevinden ze zich op verschillende afstanden van de lens. Denk aan het lezen van streepjescodes, het sorteren van verpakkingen, veiligheid en snelle automatisering. Vloeistoflenzen kunnen worden gebruikt om de flexibiliteit van het imagingsysteem te maximaliseren in een breed scala aan toepassingen die snel scherpstellen vereisen.

Variabele Focus lenzen met electrowetting

Vloeistoflenzen met variabele focus maken gebruik van een proces dat electrowetting wordt genoemd. Dit is de toepassing van elektrische velden voor het manipuleren van de bevochtigingseigenschappen, en dus de vorm en kromming, van een vloeistof. De vloeistoflenscel bevat twee onmengbare vloeistoffen: een niet-geleidende olie en een wateroplossing, gescheiden door een interface. Door het toepassen van een spanning op de interface tussen de twee vloeistoffen verandert de kromming, en dus de brandpuntsafstand, van de lens binnen tientallen milliseconden. Door meer spanning toe te passen, neemt de totale kromming en het optische vermogen van de vloeistoflens toe. De capacitieve kenmerken van de vloeistoflenzen maakt, zodra er een thermisch evenwicht is bereikt, een stabiele werking in omgevingen met hoge temperaturen mogelijk. Bovendien hebben de twee vloeistoffen in de lens dezelfde dichtheid, waardoor het systeem ongevoelig is voor trillingen en schokken.

Focus-Tuneable lenzen

Een ander type vloeistoflens is de Focus-Tunable-lens. Deze bestaat uit een optische, met vloeistof gevulde verpakking, die is afgesloten met een polymeermembraan. Een stroom-gestuurde actuator oefent vervolgens druk uit op het membraan, waardoor de kromming van de lens (en dus het optische vermogen) verandert. Door hun stroomafhankelijkheid werken elektrisch-gerichte afstembare lenzen met lage bedrijfsspanningen en scherpstellen gebeurt in milliseconden. Deze lenzen veranderen de polarisatie niet, hebben een hoge laserschadegrens en introduceren minimale afwijkingen.

Integratie

Vaak worden vloeistoflenzen geïntegreerd in andere lenzen. Zo kunnen variabele focus-vloeistoflenzen lastig zijn om mee te werken, omdat ze door hun kleine formaat moeilijk te gebruiken zijn. Voor variabele focus vloeistoflenzen zijn er lenzen met een vaste brandpuntsafstand beschikbaar die uit losse elementen bestaan. Hierdoor zijn ze eenvoudig tot de gewenste lenssamenstelling samen te bouwen, waarbij ook in een potentiometer is voorzien voor de aansturing. Er zijn ook enkele camerafabrikanten die de mogelijkheid bieden om de variabele focus vloeistoflens direct in de camera te integreren.

schema vloeistoflenzen

Ook de Focus Tunable lenzen worden meestal met een vaste lens gecombineerd voor toepassingen met een grote DOF. In dit geval wordt de vloeistoflens voor de lens met vast brandpuntsafstand geplaatst. Bevestiging gaat gewoon middels C-mount. Aangezien dit het diafragma wel kan ­beperken, dient wel rekening gehouden te worden met vignettering.

Vloeistoflenzen zijn innovatieve optische componenten die kunnen ­worden ingezet om krachtige en flexibele visionsystemen te creëren. Ze bieden de ideale oplossing voor toepassingen die een snelle scherpstelling, hoge doorvoersnelheid, hoge DOF en een goede aanpassing van de werkafstand vereisen. Het beste resultaat wordt verkregen door vanaf het begin vloeistoflenzen in het ontwerpproces mee te nemen. En rekening te houden met de voordelen en beperkingen van de verschillende oplossingen.

Bron: www.edmundoptics.com