Liquid lense – Thấu kính lỏng | Lấy cảm hứng từ chức năng của mắt người, thấu kính lỏng cải thiện tốc độ và độ tin cậy so với các giải pháp cơ học. Mắt người có thể điều chỉnh tiêu điểm theo môi trường với tốc độ cực nhanh; tương tự như vậy, tròng kính dạng lỏng của Corning mô phỏng các đặc tính linh hoạt và dễ thích ứng của mắt để tạo ra phản ứng nhanh với các tình huống thay đổi.

Quá trình này được thực hiện nhờ một công nghệ gọi là điện làm ướt, sử dụng tín hiệu điện để điều khiển dung dịch lỏng thành một thấu kính hoạt động được.

Hiện tượng điện hóa xảy ra khi một giọt chất lỏng cách điện (ví dụ như giọt dầu) đọng lại trên một bề mặt phẳng, được làm bằng vật liệu dẫn điện được phủ một lớp cách điện và kỵ nước, sau đó cả giọt và bề mặt đều được ngâm trong chất lỏng dẫn điện (ví dụ: chất điện phân). Sau đó, điện áp được đặt giữa chất nền dẫn điện và chất lỏng dẫn điện làm cho giọt chất lỏng thay đổi hình dạng. Hiệu ứng này được gọi là làm ướt bằng điện.

Thiết kế cấu trúc Liquid lense – Thấu kính lỏng có thể điều chỉnh đảm bảo:

• Trục quang học ổn định nhờ định tâm hình nón của giọt nước.
• Không nhạy cảm với định hướng, bằng cách sử dụng hai chất lỏng có mật độ bằng nhau
• Khả năng chống sốc cao nhờ cấu trúc cơ học đơn giản và mật độ bằng nhau Tùy thuộc vào điện áp đặt vào, thấu kính có thể là thấu kính phân kỳ, thấu kính phẳng hoặc thấu kính hội tụ.

Công suất quang học (khả năng hội tụ hoặc phân kỳ ánh sáng của ống kính) của Liquid lense – Thấu kính lỏng Corning® Varioptic® là phản ứng tuyến tính so với điện áp. Mối quan hệ giữa công suất quang (OP, tính bằng diop) và khoảng cách lấy nét (d, tính bằng mét) được cho bởi: OP = 1/d

Một số sản phẩm thấu kính lỏng liquid lense Varioptic của Corning (USA)

Liquid lense – Thấu kính lỏng C-C-39N0-A1-160

Liquid lense – Thấu kính lỏng C-C-39N0-250

C-C-Series C-C-39N0-250 là vật kính C-Mount có thể điều khiển lấy nét điện tử, dựa trên Ống kính lấy nét có thể thay đổi A-39N0. Nó kết hợp tất cả các thành phần điện tử cần thiết để điều khiển ống kính và chỉ cần nguồn điện DC; tiêu điểm có thể được điều khiển thông qua đầu vào RS232, I²C, Analog hoặc SPI. Với EFL 25 mm và tương thích với cảm biến 2/3”, nó được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng thị giác máy.

Hệ thống tích hợp Liquid lense – Thấu kính lỏng Varioptic

– Manual focus: người dùng chỉnh focus bằng tay, bằng núm xoay chẳng hạn
– Vòng kín Closed-loop Auto Focus: đây là phương pháp lấy nét tự động tiêu chuẩn, trong đó bộ xử lý chạy vòng lặp tối ưu hóa độ tương phản để tối đa hóa
độ sắc nét của hình ảnh
– Vòng lặp mở Open-loop: đây là chế độ trong đó lệnh lấy nét được gửi trực tiếp đến ống kính, từ phép đo khoảng cách bên ngoài
ví dụ
– Chế độ hỗn hợp: sự kết hợp giữa vòng lặp mở để tìm kiếm thô và vòng lặp kín để tinh chỉnh tiêu điểm

Closed-loop Auto Focus lấy nét tự động tiêu chuẩn

Đây là phương pháp lấy nét tự động tiêu chuẩn, trong đó bộ xử lý chạy vòng lặp tối ưu hóa độ tương phản để tối đa hóa độ sắc nét của hình ảnh.

Tự động lấy nét vòng kín Closed-loop Auto Focus bao gồm:

• Cảm biến hình ảnh
• Một thấu kính quang học bao gồm thấu kính lấy nét cố định và một thấu kính có thể điều chỉnh được
• IC điều khiển ống kính có thể điều chỉnh
• Bộ xử lý (ISP, FPGA…)

Bộ xử lý thực hiện các tác vụ sau:

• Đo độ tương phản trên đầu ra hình ảnh của cảm biến
• Sửa đổi lệnh IC điều khiển để tối đa hóa độ tương phản hình ảnh này.

Ống kính Varioptic Corning cung cấp các thuật toán lấy nét tự động đã được tối ưu hóa cho ống kính có thể điều chỉnh. Hiệu suất tổng thể phụ thuộc vào nhiều thông số hệ thống như tốc độ khung hình cảm biến và tốc độ xử lý; thông thường, vòng lấy nét tự động hoàn chỉnh có thể được hoàn thành trong 8 đến 12 khung hình.

Open-loop Vòng lặp mở

Vòng lặp mở là chế độ trong đó lệnh lấy nét được gửi trực tiếp đến ống kính, chẳng hạn như từ phép đo khoảng cách bên ngoài.

Mặc dù vòng kín Closed-loop Auto Focus của ống kính có thể điều chỉnh cực kỳ nhanh nhưng vẫn có những trường hợp không thể thu được nhiều khung hình để thực hiện vòng lấy nét. Trong trường hợp này, giải pháp là sử dụng lấy nét vòng hở, trong đó không sử dụng phản hồi cảm biến.

Lấy nét vòng lặp mở dựa trên bảng tra cứu trong đó khoảng cách lấy nét mong muốn được liên kết với lệnh IC điều khiển. Bảng tra cứu này ban đầu được hiệu chỉnh thông qua một quy trình dễ dàng vì phản ứng của ống kính là tuyến tính và ổn định. Việc lấy nét sau đó được kích hoạt thông qua một thiết bị bên ngoài bên ngoài, ví dụ:

• Thiết bị đo khoảng cách (máy đo từ xa) đo vị trí vật thể theo thời gian thực.
• Một tập hợp các khoảng cách được xác định trước, v.v.

Thông qua việc bổ sung thiết bị bổ sung này, điều khiển vòng lặp mở cho phép lấy nét cực nhanh trong đó chỉ có thể lấy nét trong một khung hình.

So sánh Vòng kín closed-loop và vòng lặp mở open-loop

Ưu điểm chính của hệ thống vòng kín là sự tích hợp đơn giản. Thật vậy, một hệ thống vòng hở sẽ cần:

• Thiết bị đo khoảng cách
• Cảm biến nhiệt độ
• Hiệu chuẩn thiết bị trong quá trình sản xuất

Ngoài ra, hệ thống vòng hở có thể dễ bị ảnh hưởng bởi bất kỳ biến thể nào trong hệ thống. Để có hiệu suất tối ưu, nên kết hợp vòng lặp mở và vòng kín: vòng lặp mở để tìm kiếm thô và vòng kín để tìm kiếm tinh.

Chế độ quét Sweep mode

Chế độ này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng mà hình ảnh không cần phải lấy nét, điển hình như trên các ứng dụng giải mã bay. Đường tăng tiêu cự là sự thay đổi tuyến tính của công suất quang của thấu kính lỏng theo thời gian, cho phép thu được hình ảnh trong khi Ống kính lỏng vẫn đang chuyển động mà hầu như không có thời gian ổn định.

Nguyên tắc là bao phủ toàn bộ phạm vi công suất quang của thấu kính lỏng, chẳng hạn như tiêu điểm di chuyển giữa vô cực và khoảng cách ngắn, đảm bảo tập trung mọi đối tượng được nhắm mục tiêu ít nhất vào một hình ảnh.

Việc thu thập được hình ảnh sau đó có thể được phân tích và giải mã song song. Phương pháp này có thể cực kỳ nhanh vì nó không yêu cầu bất kỳ thời gian ổn định nào giữa 2 vị trí lấy nét dựa vào đặc tính duy nhất của Ống kính lỏng là có thể cung cấp chất lượng quang học cao ngay cả khi công suất quang đang được thay đổi.

Ưu điển của Liquid lens thấu kính lỏng Corning® Varioptic® Lenses

Các giải pháp cơ học truyền thống bị hạn chế ở khả năng cung cấp hình ảnh sắc nét một cách liên tục và đáng tin cậy. Ống kính Corning® Varioptic® (Hình 1) cung cấp các giải pháp cải tiến cho những thách thức quang học phức tạp. Ống kính Varioptic cho phép lấy nét nhanh và lấy nét vi mô mà không cần các bộ phận chuyển động. Hệ thống camera truyền thống yêu cầu các bộ phận chuyển động có thể bắt đầu bị mòn và hỏng trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị. Để so sánh, thấu kính lỏng hoạt động mà không cần sử dụng các bộ phận chuyển động cơ học, loại bỏ phần lớn công việc bảo trì thường liên quan đến hệ thống thị giác.

Cách truyền thống để thực hiện chức năng lấy nét tự động là di chuyển cơ học mô-đun ống kính để điều chỉnh độ dài tiêu cự phía sau (khoảng cách đến cảm biến hình ảnh) tùy thuộc vào khoảng cách đối tượng. Phương pháp này bộc lộ một số nhược điểm:

• Yêu cầu động cơ cồng kềnh và dễ vỡ
• Ma sát của các bộ phận nhỏ dẫn đến hư hỏng, trục trặc sau vài trăm nghìn lần tác động
• Tiếng ồn và mức tiêu thụ điện năng cao khi di chuyển khối lượng lớn của mô-đun ống kính

Các đặc điểm độc đáo của Ống kính Varioptic Corning mang lại những điều sau:

• Không có bộ phận chuyển động
• Độ bền hàng trăm triệu chu kỳ
• Tốc độ: nhanh hơn nhiều so với các thiết bị truyền động cơ khí
• Độ bền và khả năng chống sốc cơ học chưa từng có: được thử nghiệm ở mức 4200g / 0,23ms /100 lần (x2 hướng)
• Khả năng lấy nét gần: từ vô cực đến dưới 5 cm
• Tiêu thụ điện năng thấp: lên tới vài mW ở mức ống kính
• Hoạt động im lặng

Lợi ích khi tích hợp thấu kính lỏng liquid lense vào hệ thống

Thời gian đáp ứng

Thấu kính lỏng có thời gian phản hồi rất nhanh, có thể điều chỉnh bằng điện thông qua điện áp hoặc dòng điện và phản hồi chỉ trong vài mili giây. Ống kính có tiêu cự cố định và zoom thường dựa vào các điều chỉnh cơ học hoặc thủ công để thay đổi tiêu cự, điều này có thể làm chậm hệ thống hình ảnh.

Tính linh hoạt

Thấu kính lỏng có thể được triển khai ở nhiều vị trí khác nhau trong toàn bộ hệ thống hình ảnh, chẳng hạn như được nhúng bên trong hoặc luồn vào phía trước hoặc phía sau của thấu kính tạo ảnh.

Kích cỡ nhỏ gọn

Cơ học được loại bỏ trong thấu kính lỏng giúp chúng có thiết kế nhỏ gọn. Ngoài ra, thấu kính lỏng có chức năng tương đương với nhiều thấu kính riêng lẻ trong một bộ phận. Bằng cách loại bỏ những thấu kính đó và thay thế chúng bằng một tế bào chất lỏng nhỏ, kích thước và trọng lượng tổng thể của thấu kính đầy đủ sẽ giảm đi.

Vùng phủ sóng cảm biến

Ống kính lỏng bị giới hạn bởi kích thước khẩu độ nhỏ – đường kính lớn nhất khoảng 16mm. Khẩu độ nhỏ hạn chế thấu kính lỏng và chỉ cho phép sử dụng với cảm biến lên tới khoảng 1/1,8” nếu thấu kính được trang bị thêm vào mặt trước của thấu kính thị giác máy hiện có. Ống kính lỏng được nhúng bên trong hệ thống không làm giảm phạm vi phủ sóng của cảm biến.

Lấy nét

Thấu kính lỏng được thiết kế để hoạt động trên một phạm vi công suất quang học (tiêu cự) rất rộng ở tốc độ cao. Bằng cách loại bỏ các bộ phận chuyển động và điều chỉnh cơ học thường thấy ở ống kính zoom và tiêu cự cố định, quá trình lấy nét sẽ nhanh hơn.

Sự phức tạp của việc tích hợp

Tùy thuộc vào thiết bị sẵn có và ứng dụng, thấu kính lỏng có thể khó tích hợp. Ống kính lỏng có thể được sử dụng cùng với nhiều phụ kiện, chẳng hạn như bộ lọc và khẩu độ, được yêu cầu bởi nhiều ứng dụng tốc độ cao, chẳng hạn như cảm biến khoảng cách hoặc bộ điều khiển.

Tuổi thọ

Thấu kính lỏng tiêu thụ rất ít năng lượng. Thấu kính cơ học thông thường có khả năng ~ 100.000 chu kỳ, trong khi thấu kính lỏng có thể chịu được khoảng ~ 50.000.000 chu kỳ.

Tham khảo thêm ứng dụng  thấu kính lỏng liquid lense trong Camera công nghiệp Machine Vision.