瑞士Optotune可調(diào)透鏡ELM-F系列技術(shù)交流

一、品牌與產(chǎn)品概述

Optotune成立于2008年，總部位于瑞士迪蒂孔，是一家專注于可調(diào)光學(xué)元件的公司。公司從蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目起步，逐漸發(fā)展成為在全球光學(xué)元件領(lǐng)域具備一定規(guī)模的企業(yè)。Optotune的業(yè)務(wù)覆蓋工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療影像、激光加工和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，其可調(diào)焦液體透鏡已應(yīng)用于多種成像和檢測場景。

ELM-F系列是Optotune與其光學(xué)合作伙伴共同開發(fā)的鏡頭模塊產(chǎn)品線。該系列由固定焦距透鏡組成，專門設(shè)計(jì)用于在光路中容納Optotune的電動(dòng)可調(diào)透鏡。通過將液體透鏡與定焦鏡片集成在一個(gè)完整模塊中，ELM-F系列簡化了視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，減少了用戶在光學(xué)調(diào)試方面的工作量。

該系列目前支持S接口和C接口兩種規(guī)格的相機(jī)，適配傳感器尺寸最高可達(dá)4/3英寸，焦距覆蓋范圍從5mm至300mm。

主要產(chǎn)品類型：

EL系列（電動(dòng)可調(diào)焦透鏡） —— 通過電流驅(qū)動(dòng)改變焦距，無需機(jī)械移動(dòng)部件

ML系列（手動(dòng)可調(diào)焦透鏡） —— 零保持功耗設(shè)計(jì)，適用于需要大通光孔徑的場景

ELM-F系列（電動(dòng)透鏡模塊——定焦型） —— 集成定焦鏡頭與液體透鏡的一體化模塊

ELM-T系列（電動(dòng)透鏡模塊——遠(yuǎn)心型） —— 集成遠(yuǎn)心鏡頭與液體透鏡，保持遠(yuǎn)心特性

S接口ELM-F系列 —— 適配S接口相機(jī)的小型化緊湊模組

C接口ELM-F系列 —— 適配C接口相機(jī)的中大傳感器模組

光束控制振鏡（2D鏡面） —— 基于音圈技術(shù)的二維光束偏轉(zhuǎn)器件

光束偏移器件 —— 用于圖像穩(wěn)定和高精度定位的光束控制組件

激光散斑消除器 —— 降低激光成像中的散斑噪聲

控制器系列 —— 包括ICC-1C、ICC-4C-500、ECC-1C等多種鏡頭驅(qū)動(dòng)控制方案

二、主要型號(hào)

以下是Optotune C接口ELM-F系列中10個(gè)具有代表性的產(chǎn)品型號(hào)：

三、產(chǎn)品介紹

3.1 技術(shù)架構(gòu)與組成

ELM-F系列鏡頭的構(gòu)成主要包含以下幾個(gè)部分：

固定焦距光學(xué)透鏡組：用于提供基礎(chǔ)的光學(xué)成像能力

電動(dòng)可調(diào)透鏡（液體透鏡） ：安裝在光路中的特定位置，通?？拷怅@

外殼與機(jī)械結(jié)構(gòu)：采用C接口或S接口標(biāo)準(zhǔn)，便于與各類工業(yè)相機(jī)連接

控制器接口：通過Hirose連接器與外置控制器（ICC系列）或內(nèi)置控制電路（ECC-1C）相連

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

傳感器支持：最高1.1英寸，像素尺寸最小支持2.7 μm

焦距范圍：5 mm至300 mm（含S接口和C接口全線產(chǎn)品）

F#：常見值為2.8至5.6

透鏡控制方式：兼容ICC-1C/ICC-4C-500外部控制器，或采用嵌入式ECC-1C控制器

透光波段：鏡片材料在400nm至2500nm范圍內(nèi)具備較高透光率

3.3 工作原理

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)鏡頭位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，這種方式存在響應(yīng)速度受限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械磨損等局限性。

Optotune的液體透鏡技術(shù)采用了不同的實(shí)現(xiàn)路徑。其核心結(jié)構(gòu)由一個(gè)容器、光學(xué)流體、音圈線軸與彈性聚合物薄膜組成。容器內(nèi)填充光學(xué)流體，并由薄膜密封。音圈線軸通過電流驅(qū)動(dòng)，將光學(xué)流體推入或推離薄膜中心，從而改變薄膜的曲度。薄膜曲度的變化直接改變了透鏡的屈光度，實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)。

這一過程沒有機(jī)械移動(dòng)部件，屈光度的變化由電流控制。調(diào)節(jié)速度可達(dá)毫秒級(jí)，調(diào)節(jié)范圍取決于透鏡型號(hào)，例如EL-3-10型號(hào)的調(diào)焦范圍為-13 dpt至+13 dpt。

ELM-F系列將這種液體透鏡預(yù)集成到經(jīng)過光學(xué)優(yōu)化的定焦鏡頭模塊中，用戶無需自行設(shè)計(jì)鏡頭與液體透鏡的配合方案，可直接選用已測試完成的完整模組。

四、優(yōu)勢特點(diǎn)

4.1 焦距調(diào)節(jié)速度快

液體透鏡通過電流驅(qū)動(dòng)薄膜形變來改變屈光度，調(diào)節(jié)時(shí)間在毫秒級(jí)別。相比于傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)焦，這種方式在需要頻繁切換工作距離的場景中能夠提供更快的響應(yīng)速度。

4.2 無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件

液體透鏡內(nèi)部沒有滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，整個(gè)調(diào)焦過程依靠液體形變完成。這一特性減少了機(jī)械損耗帶來的故障風(fēng)險(xiǎn)，也降低了對(duì)潤滑和密封的維護(hù)需求。

4.3 使用壽命較長

由于沒有機(jī)械磨損部件，液體透鏡在常規(guī)使用條件下的調(diào)焦循環(huán)壽命可超過10億次。這一數(shù)據(jù)基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的耐久性測試，在工業(yè)自動(dòng)化等需要頻繁調(diào)焦的應(yīng)用場景中具備實(shí)際參考價(jià)值。

4.4 結(jié)構(gòu)緊湊

液體透鏡本身尺寸較小，通光孔徑范圍從3mm到42mm不等。集成到ELM-F模塊后，整體尺寸仍然保持緊湊，適合空間受限的嵌入式視覺系統(tǒng)。

4.5 重復(fù)精度較高

液體透鏡的屈光度調(diào)節(jié)重復(fù)精度可控制在±0.1 dpt以內(nèi)。這一精度水平來自電流控制的可重復(fù)性和膜片形變的穩(wěn)定性，配合控制器的閉環(huán)調(diào)節(jié)，可滿足對(duì)聚焦穩(wěn)定性有要求的應(yīng)用需求。

五、主要應(yīng)用領(lǐng)域

5.1 條形碼讀取與物流分揀

在快遞物流中心的自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，物品大小和輸送距離各不相同，對(duì)焦需要持續(xù)調(diào)整。ELM-F系列配合液體透鏡的快速調(diào)焦能力，可以在不同物距下保持條形碼的清晰成像。達(dá)明機(jī)器人公司的資料顯示，ELM-F系列已應(yīng)用于包裹分揀、讀碼器等物流自動(dòng)化場景。

5.2 工業(yè)檢測與質(zhì)量控制

在電子元件的表面檢測、PCB板焊點(diǎn)檢查、IC芯片外觀檢測等自動(dòng)化光學(xué)檢測場景中，相機(jī)系統(tǒng)需要快速適應(yīng)不同高度和角度的檢測對(duì)象。ELM-F系列模塊提供了低F數(shù)設(shè)計(jì)和經(jīng)過測試的光學(xué)方案，有助于簡化檢測系統(tǒng)的集成工作。

5.3 醫(yī)療影像與生命科學(xué)

在顯微成像、微孔板讀取、體外受精培養(yǎng)監(jiān)測等生命科學(xué)應(yīng)用中，樣本的Z軸位置可能存在微小差異。液體透鏡的快速調(diào)節(jié)能力支持在較短時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)焦平面的圖像數(shù)據(jù)，提升成像效率。同時(shí)，由于沒有機(jī)械移動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，適用于對(duì)圖像穩(wěn)定性有要求的顯微成像場景。

5.4 機(jī)器人視覺與嵌入式視覺

協(xié)作機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和無人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)對(duì)視覺系統(tǒng)的尺寸和重量有較高要求。S接口ELM-F系列的小型化設(shè)計(jì)適配這類平臺(tái)的安裝空間，焦距范圍覆蓋5mm至25mm，可選控制器集成方案也為系統(tǒng)集成提供了靈活性。