產品介紹
工業鏡頭
Varioptic® 液態鏡頭
Corning® Varioptic® 液態鏡頭系列
- 從單鏡頭模組到自動對焦鏡頭可供選購
- 電控調焦大幅降低鏡頭體積
- 高度耐用、極度靜音
- 高速對焦，最快可在 1 個影格 (frame) 內完成自動對焦
- 鏡頭提供針對可見光及近紅外光之抗反射鍍膜可供選擇
Corning® Varioptic® 液態鏡頭係透過調整電壓來改變液體界面形狀的光學裝置
透過液體凸面改變焦距可使光學鏡組之體積大幅減少
Electrowetting 電濕潤
當一滴絕緣液體（如油滴）被放置在一個由導電材料製成並覆蓋有絕緣和疏水層的平面上並浸入導電液體（如電解液）後
在導電基底及導電液體之間施加電壓，此時液滴將會產生形變，此種現象稱之為電濕潤（Electrowetting）
如圖可見液滴形狀隨電壓增加而改變
鏡頭結構
液態鏡頭結構可確保以下特性：
- 液滴之錐形中心將形成穩定光軸
- 使用相同密度之兩種液體可消除方向性
- 簡單機械結構及液體的相同密度造就鏡頭高度抗震
根據所施加的電壓高低，鏡頭可以依需求調整成為凹透鏡、平透鏡、凸透鏡
表現參數
屈光率 vs. 電壓
Corning® Varioptic® 鏡頭的屈光率與電壓呈線性關係
光學成像品質
成像品質則由波前誤差 (WFE) 來衡量
WFE以奈米均方根表示透鏡之實際形狀與完美球面透鏡之間的偏差情形
一般透鏡之 WFE 落在 50 nm之內，相當於光學平整度 λ/10 之透鏡
透光度
每個鏡頭的標準版本都具備可見光優化之抗反射鍍膜，因此在近紅外線範圍內 (700nm ~) 透光度將稍微下降
若為近紅外光優化之抗反射鍍膜鏡頭在 700 ~ 1100 nm 波長範圍之透光度則相較平整
400 nm 以下的透光度損失則來自於抗反射鍍膜及鏡頭所使用之硼矽玻璃
A-25H0 配備可見光範圍優化之抗反射鍍膜
A-25H1 配備近紅外光範圍優化之抗反射鍍膜
對焦模式
Corning® Varioptic® 液態鏡頭可使用下列多種模式調整對焦
- 手動對焦：使用者可使用例如旋鈕等裝置自行調整對焦
- 閉迴路模式：此為標準自動對焦方式，處理器依對比度優化以最大化圖像銳利度
- 開迴路模式：此模式下來自外部量測器 (距離、溫度) 查表後之對焦指令將被直接傳送到鏡頭
- 混合模式：結合開迴路模式進行粗略查詢並使用閉迴路模式精確調整對焦
- 掃描模式：此模式下將對液態鏡頭之全屈光度範圍進行連續掃描
閉迴路自動對焦
閉迴路系統由以下元件組成：
- 影像感測器
- 包含定焦光學元件及可調整鏡片之光學鏡頭
- 可調整鏡片之驅動晶片
- 處理器 （如ISP、FPGA等）
處理器將執行以下動作：
- 量測影像感測器回傳影像之對比度
- 調整驅動晶片參數以最大化影像之對比度
Corning® Varioptic® 液態鏡頭搭載已優化之自動對焦演算法
整體性能仍取決於各種系統參數例如感測器之幀率及處理速度，但通常自動對焦行程可於 8 - 12 影格 (frame) 內完成
開迴路控制
盡管閉迴路自動對焦已非常快速，仍有部分情況無法取得回傳影像以繼續對焦動作
此時就需要利用不須感測器回傳資料的開迴路對焦
開迴路對焦使用查表方式聯動焦距及驅動晶片指令
最初此表可透過簡單方式進行校正因鏡頭響線性且穩定，校正後即可透過外部設備觸發對焦
- 測距器即時量測物體距離
- 查詢事先指定之距離及焦距相應之驅動指令
透過此外部設備測距並查表
開迴路控制將可以極快速度完成自動對焦行程，約在 1 影格 (frame) 內
開閉迴路對比
閉迴路系統之主要優點在於其容易整合
因開迴路系統仍須以下配套
- 距離量測器
- 溫度感測器
- 生產過程中之校正程序
此外，開迴路系統亦容易受到選配之其他元件影響，一旦調整搭配之元件則可能須要個別校正
因此為了發揮液態鏡頭之最佳性能，開閉迴路系統應搭配使用
以開迴路系統作粗略查表並利用閉迴路系統做精確微調
掃描模式
此模式特別適合部分不須保持影像對焦之應用，尤其是即時影像解碼
對焦時的屈光度改變隨時間呈現線性變化，使得液態鏡頭在幾乎不停改變焦距時仍能成功取像
其原理為掃描液態鏡頭所有屈光度範圍以對焦距離從無限遠到最近距離都能夠至少取得 1 個影格之準焦影像
取得之影像更可同時平行分析並解碼
此模式可以非常快速，因其在兩個屈光準焦位置之間不需要任何穩定時間即可利用液態鏡頭之特性取得高成像品質
相關參數可依據應用場景進行微調(上昇時間、屈光度範圍等)
A-16F0 – 掃描模式之下之屈光度及波前誤差曲線
Varioptic 液態鏡頭之優勢
傳統鏡頭之對焦方式係根據物體距離以機構方式移動鏡片組以調整後截距 (鏡組至影像感測器之距離)
但此方式將有以下缺點：
- 需要體積龐大且脆弱的馬達模組
- 內部精密元件之摩擦可能在數十萬次操作後導致損壞及故障
- 移動鏡片組時可能產生噪音及高功耗
而 Corning® Varioptic® 液態鏡頭則有以下優勢：
- 無須移動部件
- 壽命可達數億次操作
- 速度相較致動機構快上許多
- 堅固耐用以及無比耐振能力：通過 4200g / 0.23 ms / 100 次 在二不同方向之振動測試
- 從無窮遠到 5 公分內之近距離對焦能力
- 至多數 mW 之低功耗
- 完全靜音
應用領域
- 條碼掃描器
- 消費性電子產品
- 雷射
- AR/VR
- 生物識別
- 機器視覺
光學量測應用實例
Corning® 曾與某小型零件製造商合作客製一套光學控制方法並針對其計量需求提供解決方案
光學量測不僅需要最佳的成像品質，還需要極低的光學像差以準確地對獲取的影像進行測量
而 Corning® 的液態鏡頭正具備符合此需求的快速且可控的自動對焦功能
客戶期望光學系統具備以下性能：
- 毫米等級的對焦範圍
- 極低失真的遠心鏡頭
- 自動擷取最準焦影像
- 能相容尺寸較大感測器（1"）以最大化光效
液態鏡頭光學模組的選擇
Corning® Varioptic® 依需求提供 x1 倍遠心光學模組
模組整合之液態鏡頭具有超過 10mm 物空間再聚焦範圍
因此即使是極窄景深之下依然能夠捕捉不同景深之影像
自動擷取最準焦影像
液態鏡頭的自動對焦能力和低波前誤差使得光學系統能夠拍攝出高品質且低失真的影像並具有優異的遠心度
Corning® Varioptic® 整合之電控元件搭配優化之漸變對焦演算法掃描整個拍攝範圍及銳利度檢測法，使得自動擷取最準焦影像成為可能
條碼掃描應用實例
Corning® 與條碼掃描業界龍頭合作研發新一代條碼掃描器
而業界強調快速及準確度之於條碼掃描器之重要性且必須堅固耐用以應用於相對嚴苛的倉庫環境
因此新一代條碼掃描器除了必須能夠更快更準確地掃描取像之外亦必須兼顧其耐用性
客戶期望新一代條碼掃描器具備以下性能：
- 高速對焦：無限遠至數公分距離內可高速對焦
- 高品質影像：確保條碼清晰度
- 適用惡劣環境：須面對倉庫中多灰塵及溫濕度變化等惡劣環境條件
- 輕巧體積：手持掃描須相對輕巧且體積小
液態鏡頭光學模組的選擇
Corning® Varioptic® 依客戶需求提供封裝液態鏡頭 A-25H0
該鏡頭具備 2.5mm 之光圈尺寸以及廣至 18 度之動態屈光度範圍
其低波前誤差使得光學系統能夠拍攝出高品質影像
並能夠讀取近乎全距離範圍之條碼
快速反應抗震抗衝擊
由於液體鏡頭組件具有等密度特性，能夠抗震動、加速度及衝擊
緊湊的封裝亦使得其非常容易整合至光學系統中
搭配 Corning® Varioptic® 之電控元件模組，液體鏡頭已被優化以最小化反應時間
結合 ToF 飛時測距感測器，條碼掃描器能夠在開迴路模式下控制液態鏡頭，即時拍攝物件在不同景深之最準焦影像且無須手動重新對焦
生物顯微應用實例
Corning® 曾協助某公司開發移動式顯微鏡以分析並監測紅血球
此一專案之最大挑戰是如何在極窄之景深範圍內拍攝清晰且銳利之微觀影像
液態鏡頭無須倚賴移動部件即可進行再對焦，改善了其遠距操作紅血球樣品分析之品質
客戶期望將液態鏡頭整合至現有顯微鏡以達到以下性能：
- 幾毫米之間的極窄對焦範圍
- 高成像品質
- 自動擷取最準焦影像
- 最大化光通量以對應未來暗場取像用途
液態鏡頭光學模組的選擇
Corning® Varioptic® 依客戶需求提供封裝液態鏡頭 A-58N0
該鏡頭具備 5.8 mm 之光圈尺寸以及廣至 15 度之動態屈光度範圍
整合具備動態光學範圍之液態鏡頭後
無須移動部件即可改變焦距拍攝生物樣本不同景深之影像
大光圈高進光量造就微觀高品質成像
液態鏡頭的低波前誤差使得細胞大小之樣本亦能夠拍攝出高品質影像，其大光圈亦使得光通量大幅提升
Corning® Varioptic® 整合之電控元件搭配優化之漸變對焦演算法掃描整個拍攝範圍及銳利度檢測法，使得自動擷取最準焦影像成為可能
A-series 單鏡頭
Corning® Varioptic® 液態鏡頭具可變焦功能，並在機械、電氣和光學設計上提供高度自由度
A-P-series / A-PE-series 附加軟排線及電路板模組
A-P-series 系列為已封裝之 A-sereis 鏡頭，旨在使整合更簡便，鏡頭內建 FPC 軟排線可連接到標準 FPC 連接器
A-PE-series 則為 Corning® Varioptic® 液態鏡頭之高度整合版本，係將 A-P-series 搭配專用電路板組合之模組
加入溫度補償演算法以改善開迴路自動對焦並加速響應時間以符合日益增長的感測器幀率需求
可減少用戶端整合及開發工作如硬體及鏡頭校正等
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| 型號 | A-16FX-P31 | A-25HX-P33 | A-39NX-P37 | A-58NX-P37 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 長度 mm | 7.0 | 8.8 | 15.5 | 15.5 | |||
| 厚度 mm | 3.0 | 2.8 | 5.2 | 6.3 | |||
| 電路板模組 A-PE | N/A | A-PE-25HX-33 | A-PE-39NX-37 | A-PE-58NX-37 | |||
| 型錄 | |||||||
| 含熱敏電阻 *X=0,1,9 依選用鏡頭鍍膜規格而定 |
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C-Series 自動對焦鏡頭模組
C-S-Series
C-S-series 為將 A-series 變焦液態鏡頭模組固定至 M12 (S-mount) 接口
可安裝至標準 M12 感測器基板並與 A-series 鏡頭共用相同驅動程式，FPC 軟排線相容 0.5mm 連接器
內建自動對焦致動器並另有內建IR濾光片版本可供選擇
C-H-Series
C-H-series 則適用 M8 接口，FPC 軟排線相容 1mm 之 4 pin 連接器
內建自動對焦致動器並另有內建IR濾光片版本可供選擇
C-u-Series
將 C-S-series 自動對焦鏡頭模組搭配特定轉接環，則可用於顯微放大用途
與 C-S-series 使用相同軟排線因此需搭配相同連接器
C-C-Series 電控液態鏡頭
C-C-series 係 A-39N0 變焦鏡頭搭配電控對焦模組之 C-mount 鏡頭
已集成所有必需電子元件，僅需一條DC供電
無噪音並支援 I2C、類比、RS232 及 SPI 介面及閉迴路控制
C-T-Series 電控遠心液態鏡頭
C-T-Series 電控對焦遠心鏡頭基於 A-39N0 變焦液態鏡頭模組
集成所有必需電子元件，僅需一條DC供電並適用於C-Mount相機
可變焦距、無噪音並支援 I2C、RS232介面及閉迴路控制
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| C-T-39N0-A1-005 | C-T-39N0-A1-010 | |||||
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| 鏡頭接口 | C-Mount | |||||
| 光學倍率 | 0.5 X | 1 X | ||||
| 成像圈直徑 | 16 mm | 16 mm | ||||
| 工作距離 | 116-128 mm | 102-118 mm | ||||
| TV 畸變 | ≤ 0.1% | ≤ 0.1% | ||||
| 光學精度 | 8.8 µm | 5.5 µm | ||||
| 遠心度 Telecentricity | ≤ 0.1º | ≤ 0.1º | ||||
| 連接器規格 | 6 pin | |||||
| 型錄 | ||||||