液体变焦透镜的轮廓检测与焦距测量的方法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.23MB 75 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题来源
本课题来源国家重点基础研究规划(973)项目“视觉功能修复的基础理论与关
键科学问题”的一级子项目“视觉假体微光机电系统研究”课题，本文就其关键
器件液体变焦透镜的轮廓和焦距的检测技术方案做深入研究。液体变焦透镜[1,2]是
近年来很受关注的技术，由于它一改传统机械玻璃变焦透镜依靠机械装置移动的
设计特征，具有快速变焦、无机械移动部件、体积小、价格低、寿命长、低能耗、
成像质量好且无噪音小型化等众多优点，可以广泛应用于微型照相机、手机相机
以及其他以小型化和低能耗为目的数码产品的镜头上，越来越引起世界各国科研
人员的关注和重视。液体变焦透镜技术是融合微电子学、分子力学、物理学、化
学、计算机科学为一体的高度交叉的技术，既具很高的基础科学研究价值，又具
有非常好的产业化实现前景，它将以全面取代传统光学镜头架构为趋势、以时尚
科技为潮流，而引起新一波光学镜头革命的新风暴。
§1.1.1 液体变焦透镜的概念
液体变焦透镜是由一定液体溶液构成，利用电湿性(Electrowetting)技术或者液
压技术，通过改变液滴曲率而实现调整焦距的特殊透镜。电湿性技术是 1875 年，
由美国科学家Lippmann 最先发现。他在实验过程中注意到在电解液和液体金属
（水银等）的接触表面存在非常好的液体毛细作用，而且研究发现这两种液体的表
面张力可以通过施加外部电压予以改变。这种通过施加外界电压来改变处于电解
液中液体金属表面曲率的技术就是后来的电湿性技术[3,4]。
利用电湿性技术所制成的液体变焦透镜的镜头由带有透明端口的小圆筒和疏
水涂层组成。圆筒内充满两种不相溶并具有不同折射系数的液体。其中一种液体
是导电水溶液，另一种是不导电的油。圆筒内表面和一个端口涂有特殊的疏水层，
因此溶液会聚集在另一侧端口处，从而形成半球形。由于导电水溶液的导电性，
通过直接增大或减小加在疏水涂层上的电压就可以改变两种液体相互之间的电润
湿特性，从而改变两种液体接触面的曲率特性即可达到改变焦距的目的[5]。
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图1.1 液体变焦透镜的电湿润效应
利用液压技术[6~12]是另一种公认技术，采用此技术制成的液体变焦透镜的镜头
是由可变形的微小流体镜片组成。其原理是将特殊流体（63%浓度的钠铬酸盐）注
入到由玻璃基板和可产生形变的聚合物组成的空腔内部，聚合物内侧空出多个微
小腔室，从而形成一阵列镜片。应用过程中，对液体施压，进而利用液体改变每
个腔室外聚合物的形状，来达到改变整个透镜焦距的目的。
§1.1.2 液体变焦透镜国内外研究进展与应用情况
液体变焦透镜由于自身的优点和应用的广泛性自一问世就得到了业界的关
注。它可以应用于手机、医疗、工业用内视镜以及数字摄影等领域，特别是对自
动对焦及变焦功能非常注重的小型相机模块。它被业界人士认为是取代光学透镜
最有竞争力的透镜技术。目前世界上相关行业的知名公司和重点实验室都在从事
着液体变焦透镜的架构和工艺的研究和开发工作，而且已经有产品公布于众，这
些研发工作将最终实现液体透镜的技术攻关和产品产业化及商品化。
由于液体变焦透镜巨大的商业价值和广泛的产业化市场，国际上知名的公司
和实验室相继投入了对此产品的研究和开发工作之中。2004 年4月，在德国举办
的CeBIT展览会上，Philips 和Samsung公司分别展出的其自行研制的液体镜片（镜
头）。Philips 所发表的液体镜片的直径和厚度均为 5.5mm，可对范围为 5cm至无穷
远的物体做速度小于 10ms的快速变焦和聚焦。它能适应很多的外界温度变化，并
耐震动，在自动对焦系统方面，镜头不需要机械式的移动镜片，可以节约成品，
且没有机械磨损的问题，大大提高了镜片的使用寿命，其取像模块搭配了VGA级
别的CMOS影响感测器，达到了比较高的图像分辨率，非常适用在照相手机或数码
相机等小型光学产品上。美国DARPA 研制的液压技术液体镜片可以实现焦距在
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41-72mm之间，数值孔径在 0.24-0.058 之间自如地可控地变化，其开发的产品有望
于2008 年于世人见面[13]。
BELL 实验室的液体透镜是由透明绝缘腔体、导电液体小液滴和承载液体小
液滴的两个控制电极组成。其焦距的改变可以通过改变两个控制电极的偏置电压
来实现，而透镜的位置还可以通过增加其中一个控制电极的电压来自如移动。利
用其他技术的液体透镜也在研发当中，2005 年，麻省理工学院（MIT）和美国加
州理工大学，以及其他的几个研究单位共同开发了一种可变形的微小流体镜片，
这种镜片是将高折射率的流体（浓度 63%钠铬盐溶液）灌入玻璃基板与可产生形
变的聚合物（PDMS）之间，聚合物内侧空出多个微小腔室而形成的一阵列镜片。
其焦距的改变是通过对流体施加压力，利用液压来改变每个腔室外聚合物的形状，
进行改变整个镜片的折射率来实现的 。制作方法乃利用类似平板印刷的方式便可
以达到。
图1.2 BELL实验室研制的液体透镜
位于法国里昂的专业从事液体透镜研制和生产的VARIOPTIC公司在 2005 年9
月正式宣布其最新的技术“点润湿法”正式参与市场运用，该公司采用的技术与
Philips运用的技术类似，都是利用两种不相溶的液体相接触并密封在由两侧有导电
极板组成的小筒里面，通过控制两侧极板的偏置电压来改变液滴外形曲率调整焦
距。其Arctic416 产品的直径不到 8mm，厚度小于 2mm，Varioptic提供 2种驱动，
可用于 3种接口(GPIO, I2C, PWM)，并于 2007 年1月，Varioptic公司推出了第一
个液体透镜自动对焦相机模块－AFCM MI285，它特为自动对焦 7.75mm液体透镜
－Arctic 416－所进行开发的，可为 2MP相机模块提供一个最小的脚位（8.5mm），
从而为液体透镜走上产业化的道路奠定基础。我国的一些研究机构对于液体变焦
透镜的开发仍然处于起步阶段，有很多的相关研究学术论文发表，其工艺流程、
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机构制造有了很大的进步[14]。
图1.3 Varioptic 公司的液体透镜工作机理
尽管液体变焦透镜的研究和产业化取得了长足的进步，得到了业界的关注和
瞩目，但仍存在很多制约商品化和实际应用的问题没有解决，光学业界对此技术
能否真正成功仍存在诸多疑虑。例如，正如Varioptic公司所述液体透镜的光轴的稳
定性仍然是个挑战，光轴位置的漂移会削减液体镜片性能上的表现；液体镜头里
的曲率是否足够精密，或是否有多次曲面，以便达到高质量成像仍不无疑问；液
体是否真的能通过高低温苛刻的要求，如水可能在零度温度下结冰等问题，都存
在问号。而本文主要以液体透镜为检测基础，应用光、机、电等技术对液体变焦
透镜中的两种液体的接触表面外形进行检测，并开发精密的检测控制系统的对液
体透镜的焦距进行快速、准确地测量，从而为液体透镜的研发和性能评估提供辅
助分析和检测工具。
§1.2 液体变焦透镜轮廓检测和焦距测量
液体变焦透镜研究与开发的关键就是寻找两种具有电湿润特性的特殊液体，
从而利用“电湿润”技术实现电控焦距的目的。由于其变焦性能的实现是通过两
种液体接触面形的变化来实现的，故其轮廓可以作为反映由两种电湿润液体所构
成的透镜的性能；同时作为一种透镜，其焦距也是描述液体透镜指标的一个重要
而普遍的参数。
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§1.2.1 液滴轮廓检测的方法
液滴轮廓外形检测的比较传统而成熟的方法是通过对其接触角的检测来实现
的。所谓接触角,是指在一固体水平平面上滴一液滴,固体表面上固、液、气三相
交界点处其气—液界面和固—液界面两切线把液相夹在其中时所成的角度。接触
角的基本理论是Young于1805 年提出的[15]，主要用来反映了两种相接触材料的物
理特性，对于开发新产品和研究产品新性能有着重要的指导意义。
传统的接触角的测量方法有很多，如躺滴法和悬滴法，Wilhelmy 吊片法，竖
板毛细升高法，竖板毛细和Wilhelmy吊片组合法[16]，光学方法和液滴外形法[17]等，
这些方法测量设备简单、便于操作，但只针对气—液—固类型的接触角，不适合
处于密闭容器内参数的测量。
本文提到的液体透镜是由透明的盛装筒和装于其中的两种不相溶液体构成，
无法采用接触角的概念和方法对其轮廓进行检测，因此，本文针对其特殊性提出
了成像加图像处理的方式对两种不溶液滴接触面外形进行直接检测的方法，并开
发了快速、准确、方便的接触面轮廓检测系统。
§1.2.2 透镜焦距的测量方法
作为透镜，焦距无疑是描述透镜汇聚光线或发散光线能力特性的最重要参数。
透镜焦距测量的方法有很多，比较简单的如根据高斯成像原理的直准法、自准法、
位移法等；利用共轭像原理的分光计法、激光共轭法等。这些方法设备简单，但
传统的焦距测量装置结构复杂、体积庞大，且自动化成度低，无法满足方便快速
测量双液体变焦透镜的焦距的目的。本文针对液体透镜的特点，利用小孔空间定
焦的测量方法，通过步进扫描算法、遗传算法等多种空间定位的算法，探讨了快
速、自动及高精度的透镜焦距的检测方法。其方法不但可以实时自动地监测液体
变焦透镜的变化，加快液体变焦透镜研制和开发过程，而且具有很高的推广性，
适合各种类型透镜焦距的检测。
§1.3 论文主要研究工作及内容安排
§1.3.1 本文的主要研究工作
本项目主要研究液体变焦透镜中的两种不溶液体接触面轮廓的检测和透镜焦
距测量的系统，采用光机电、计算机技术相结合的方法，实现对透明圆筒内两种
特殊液体的接触轮廓面和利用液体电湿润技术所开发的液体变焦透镜的焦距进行
自动、快速检测。
本文的前部分讨论其接触轮廓面的检测系统，内容主要包括：
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采用激光照明，由成像及光电器件，通过高速、高分辨率的CCD对轮廓外
形进行成像以及数据采集，并进行图像文件保存；
用图象处理模块对检测的图象进行处理，得到检测到的待测轮廓外形的数
据；
根据处理的结果数据，建立数学模型，讨论相应的合适可靠的拟合方法，
给出具体的小误差的数学模型；
第二部分论述了利用小孔空间定焦来检测液体透镜焦距的方法，并建立相应
的测量系统，内容主要包括：
建立检测试验平台，介绍系统设备；
分析此种透镜焦距检测的思想，并建立基本的数学模型；
通过对三维空间定位的有效、快速算法的探讨，构建透镜焦距检测流程；
本文通过对样品液体变焦透镜的接触轮廓面与透镜焦距的检测，为液体变焦
透镜的研究提供科学的、准确的数据分析依据，同时由于本项目的扩展性，具有
很好的通用性，可以作为一般透镜焦距的快速自动检测系统。
§1.3.2 论文的内容安排
本论文共分六章：
第一章为绪论，主要介绍课题的来源和意义、国内外研究现状、以及液体变
焦透镜参数的检测等。
第二章主要对液体变焦透镜的液滴接触轮廓面与焦距的检测系统的总体设计
进行介绍，对系统总体框架、硬件设备以及与计算机的接口进行论述。
第三章主要论述液体透镜的液滴接触轮廓测量系统，介绍设计方案、图像的
采集和处理以及曲线拟合过程。
第四章主要论述了液体透镜焦距的测量系统，介绍设计的方案、焦距测量方
法以及遗传算法导入系统测量的过程。
第五章则主要介绍课题的系统参数选择、实验数据及结果，并对实验系统作
简单的性能分析。
第六章对本课题工作进行了总结。
第二章 系统总体设计
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第二章 系统总体设计
§2.1 系统总体结构
图2.1 为本课题的液体变焦透镜轮廓检测和焦距测量系统的结构框架图。其中
图(a)为透镜轮廓检测系统图，图(b)为焦距测量系统图。系统主要由液体变焦透镜
承载台、
CCD 图像采集部分、照明激光光源、激光光线整形扩束器、光电转换器、
三维精密调整装置、高速多通道数据采集卡和上位机计算机组成。
Fluidic
lens
CCD
Camera
Computer
USB
Cable
(a) 透镜轮廓检测
A/D Card
Pin
Hole
Sample Lens
RS232
Pulse
Signal
3-D Scanning Stage
Controller
Computer
Voltage Adaptor
PD
He-Ne
Laser
B-E
3-D
Scanning
stage
(b) 焦距测量系统
图2.1 系统总体结构图
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§2.1.1 测量系统结构
透镜轮廓检测系统由液体变焦透镜承载台、CCD图像采集部分和控制计算机
组成。采集数据通过USB通用并行总线接口进行高速实时传输并在计算机上同步
显示，并以BMP格式保存在计算机中，通过对图像处理方法的探索和应用实现对
两种液体接触面轮廓的检测。CCD图像采集部分主要包括CCD图像摄像机及其微
调架、照明光源（未标出），其中CCD图像摄像机的镜头采用C制式的标准镜头，
适合进行物体近场图像采集，其最大分辨率可达 1600*1200，可以达到 50X变焦，
接口为 2.0USB通用并行总线，传输速度更快，既有图像连续回显功能可供初始定
位，也能够进行图像拍摄功能达到图像采集的目的，可实现高速图像拍摄、数据
存储和图像同步显示。
焦距测量系统由液体变焦透镜承载台、精密三维步进电机、光电转换器、高
速多通道数据采集卡和控制计算机组成。待测透镜被固定于三维可调得基座上；
精密三维调整台的X轴、Y轴、Z轴由步进电机驱动，步进速度和步进量可由三维
步进电机驱动器控制；数据采集部分采用高速多通道的A/D数据采集卡，对光电转
换器件的输出模拟信号进行检测并以一定的采样频率转换为数字信号通过PC的
PCI BUS 进行数据传输；光束扩束器实现对激光光源的窄光束进行扩束整形，使
输出光为标准平行光，作为系统的原始输入光源。
系统的器件定位、光轴角度及位置的调整主要通过手动方式进行，并在检测
开始前完成，由于CCD照相机是 50X变焦的，只要通过计算机实现CCD照相机的
图像实时连续回显功能，就可以确定CCD镜头与检测透镜的处于初始合适距离内，
图像的清晰度可以透过微调CCD支撑平台进行控制。
§2.1.2 测量系统层次构架
本测量系统是软件控制的硬件测量系统，主要为上位机软件层、硬件固件层
和硬件控制层。操作系统平台采用一般PC Windows，
Microsoft visual C++为软件开
发环境，固件驱动为硬件供应商提供。自主开发的上位机软件通过调用固件驱动
的API直接对各个物理硬件控制，通过图像处理算法和快速搜索算法，对硬件检测
过程和结果进行驱动和分析，从而实现界面友好，功能协调统一的功能。
摘要：

第一章绪论1/69第一章绪论§1.1课题来源本课题来源国家重点基础研究规划(973)项目“视觉功能修复的基础理论与关键科学问题”的一级子项目“视觉假体微光机电系统研究”课题，本文就其关键器件液体变焦透镜的轮廓和焦距的检测技术方案做深入研究。液体变焦透镜[1,2]是近年来很受关注的技术，由于它一改传统机械玻璃变焦透镜依靠机械装置移动的设计特征，具有快速变焦、无机械移动部件、体积小、价格低、寿命长、低能耗、成像质量好且无噪音小型化等众多优点，可以广泛应用于微型照相机、手机相机以及其他以小型化和低能耗为目的数码产品的镜头上，越来越引起世界各国科研人员的关注和重视。液体变焦透镜技术是融合微电子学、分子...

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