液态镜头使AR/VR设备能够匹配人眼视觉动力学

液态镜头最早是由法国科学家Bruno Berge¹于20世纪90年代中期开发出来的，其设计概念是通过操纵液体的形状来改变其折射光线的方式，就像不同形状的玻璃透镜表现出不同的光线折射特性一样。Berge于2002年成立了一家名为Varioptic的公司，以将此技术商业化，该公司于2017年被康宁公司（Corning）收购，现以Varioptic^® 品牌名称出售产品。

传统型镜头（包括固定焦距和变焦镜头）通常采用固态组件。要改变镜头特性（比如：改变焦距），只能通过手动或机械方式移动镜头的实体位置完成。举例来说，要调整显微镜的焦点，需要转动旋钮，以调整镜头的高度（与测试样本的距离）。  

通过利用电池电量改变镜头组件的位置，并结合相应的传感器和用户输入，相机变焦镜头可能能够自动调整焦距。使用这些方法时，在对组件进行物理调整的过程中，将会出现延迟。而在使用液态镜头的情况下，只需数毫秒时间即可完成变更。

电调谐镜头

如今，一种常见的液态镜头制造方法称为“电润湿”，需要两种不可混合的液体（比如：油和水）。两种液体相遇的弯曲界面成为光学元件，充当镜头。施加电流后，将改变光学元件的半径（增加静电压力），从而改变“镜头”的曲率。

图示描绘了电润湿液态镜头的工作原理，在本例中为康宁® Varioptic® 可变焦液态镜头。（图片© Corning)

施加的电压越高，所产生的曲率则越大，从而改变镜头焦距。液态镜头（也称为电调谐或“智能”镜头）甚至可以从凸形切换为凹形。这种快速调整使液态镜头可用于多种应用。“由于能够在数毫秒时间内近距离聚焦和无限远聚焦，使内置液态镜头成为需要在多种不同距离下聚焦应用的理想选择，在这些应用中，被检测物体具有不同的尺寸或者与镜头的距离有所不同。”²

毫秒级的调整速度只是液态镜头相对于传统玻璃或塑料的优点之一。液态镜头无需机械元件进行操作，这有助于实现紧凑的系统设计。液态镜头甚至可以用于替换整个镜头组件中的单个镜头层，以减少整体尺寸和重量。

同时，液态镜头还提供广泛的焦距选项，取代了许多固定焦距镜头和笨重的变焦镜头。此外，液态镜头的尺寸比标准相机镜头减少多达85%³，这使液态镜头适用于需要最小化尺寸和重量的移动和光学设备应用。

6mm液态镜头在不同的电压下呈现不同的形状，从凸形到平面再到凹形。（图片来源：Phillips/Phys.org）

液态镜头消耗的能量很少。相比需要进行机械调整以改变焦点或放大所采集图像的标准光学设备，液态镜头只需消耗很小一部分能量即可完成调整。而且，由于无任何易磨损的运动部件，液态镜头更具耐久性：“标准机械镜头能够承受约100,000次循环，而液态镜头可以承受多达约50,000,000次循环。”⁴

但是，使用液态可调谐镜头时面临一些挑战。液态镜头仅可提供较小的光圈尺寸，最大直径为16毫米。由于这个原因，液态镜头仅提供有限的传感器覆盖范围，并且仅可与最大尺寸为1/1.8英寸的传感器搭配使用（将镜头改装到现有镜头前部的情况下）。⁵ 

此外，液态镜头可能难以与某些类型的设备集成使用。液态镜头适用于与滤光片和光圈搭配使用，用于使用距离传感器或控制器的高速应用。液态镜头具有相对通用性，举例来说，液态镜头可以在成像系统的不同位置使用，或者嵌入或螺纹连接到成像镜头中使用。在将液态镜头嵌入系统内部的情况下，传感器覆盖范围不受限制。⁶

液态镜头的应用

凭借小尺寸、高速调整、通用性、低功耗等优点，液态镜头可以方便地内置在不同的系统和设备中，满足广泛的应用需求，例如：

• 智能手机摄像头——液态镜头具有紧凑尺寸和高能效优点，是移动设备的理想选择。
• 机器视觉——适用于需要快速自动化检测的应用，比如代码读取、包装分拣和质量控制。
• 无人机和无人驾驶飞行器——液态镜头提供快速可变焦距，当机载装置在地面上方的不同高度或者在距物体不同的距离处行进时，液态镜头的焦距可以动态调整。液态镜头在农业检测和监测、地理信息/地图系统、监视等应用中尤其有用。
• 测量和尺寸绘制——“与距离传感器和相机搭配使用时，液态镜头可以快速对3D物体的不同平面成像。然后在软件中将这些图像拼接在一起，以创建准确的3D渲染图示。”⁷

微型液态镜头。（图片来源）

这些小型可变焦液态镜头尤其适用于AR/VR设备，因为AR/VR设备“需要紧凑、轻巧、快速、低功耗并且静音的镜头进行变焦和聚焦”。⁸

液态镜头在AR/VR/MR设备中的应用

现在变得越来越普遍的做法是，头戴式AR/VR/MR（统称“XR”）设备采用多种焦距设计，以提供更自然的观看场景。多焦点、可变焦距和中心凹光学元件创造出更自然的观看体验，可与人类视觉系统的工作原理相匹配。人类眼睛拥有一个中心凹区域（眼睛指向中心的清晰焦点区域）和周边感知功能（中心凹周围的图像逐渐变得焦点不清晰）。举例来说，XR设备内置的光学元件可能有一个焦点用于感知“距离较近”的元素，而另一个焦点则用于感知距离较远的元素。

使用液态镜头时，可以扫视一定范围的焦距，相比仅拥有两个或三个焦平面的设备，能够与人类视觉更加匹配。液态镜头有望提供瞬间、高分辨率可调焦距调整功能，以跟上人类视觉系统的调焦速度。

使用液态镜头实现“扫视”的图像示例，其中可以使用头戴式设备中的单个光学组件模拟多个焦距，以聚焦于花朵或前景（顶部），并逐渐将焦点转移回建筑物和背景（下）。（图片来源）

测量可变焦XR设备

为适应XR设备不断变化的焦距，制造商们采用了许多方法，其中包括采用液态镜头。这些方法有助于为设备用户创造更逼真、光学上更舒适的观看体验。然而，这对显示器质量测试提出了独特的挑战。制造商们需要精确测量配备固定光学元件的AR/VR系统，以确保足够的图像清晰度、亮度、对比度、颜色及其他特性。对于变焦系统，制造商们现在必须在每个不同的预期焦距或区域测试这些测量参数。

然而，用于显示器测试的成像计量系统传统上依赖于手动对焦镜头，由于多种原因，这将会引起测量问题。测量系统的任何手动调整都会引入误差，因此这对于手动镜头而言将是一个问题。如果不进行计算检查和平衡，手动对焦还可能在测量过程中发生意外移动。  

如果发生这种情况，对焦不准可能会影响测量结果的准确性。举例来说，头戴式XR设备中虚拟图像的清晰度通常通过计算MTF测量值来测试。如果测量系统对焦不准导致图像清晰度较低，XR显示器可能无法通过MTF测试。请考虑下面所示的图像。由于显示器失焦，头戴式设备中所采集形状的黄色边缘变得模糊。在这类斜边MTF分析中，显示器将会无法通过测试，这并不是因为显示器存在缺陷——原因仅在于测量光学元件引入的对焦不准问题。

测量过程中对焦不准对MTF斜边分析的影响。在显示器焦点对准的情况下（左），可以采集到准确的测量结果。但随着显示器失焦（右），头戴式设备中所采集形状的黄色边缘变得模糊，导致MTF测量不准确。

当使用扩展焦距镜头时，测量系统的光圈实际上会随着每次焦距变化而移动。这在XR显示器测试中至关重要，因为测量系统光圈的位置旨在模拟用户眼睛瞳孔的位置，以准确表征用户在头戴式设备中看到的内容。

在这些情况下，每当调整设备的焦点，以将光圈重置到正确的位置时，都需要重新定位测量系统，这不仅需要花费时间，而且会增加测量设置出错的风险。对于焦点的每次微小变更，手动调整测量设置不仅效率低下、不方便，而且对于量产环境下的测试完全不切实际。 

手动对焦镜头的另一个缺点在于，用户几乎不可能执行有效的离焦MTF分析。离焦MTF分析通过在多个测量区域内测量斜边MTF，以评估XR显示器的对焦一致性。经过多次迭代，将测量系统的焦点从未对焦调整到对焦，然后再回到未对焦状态。根据MTF分析结果，在每个步骤中进行测量，以找到适当的焦距，确保针对所有区域产生最佳对焦结果。

离焦MTF分析数据示例，为显示器上所有九个区域中每个区域的每个焦点设置提供MTF分析结果。每条线显示给定区域的结果，每个点显示特定对焦马达计数下的MTF测量值。显示器上所有区域的最一致对焦出现在测量系统的大约10个对焦马达计数位置。

在使用手动镜头的情况下，目前并无有效的方法用于测试离焦MTF。原因有很多，包括需要测试的焦距太多，每个测量区域的最佳焦距未知，而且每次手动调整镜头都会显著增加测量时间和出错风险。如果每次焦距调整都会改变入射光瞳位置（比如扩展焦距镜头），则情况尤为如此。

要确保视觉质量，XR备制造商需要单套显示器测量解决方案，以确保能够快速、轻松地适应多个焦点的测试需求。

瑞淀XRE镜头：灵活的解决方案

瑞淀推出的新型XRE 镜头采用正在申请专利的设计，并且内置独特的内部对焦机制，能够有效解决这些测试需求。该系统提供电子对焦功能，可以立即针对多个焦平面调整焦距。XRE镜头与ProMetric 相机和 TrueTest™ 软件中的TT-ARVR™测试模块搭配使用，可用于在一系列焦距（从0.5米到无限远）下高度精确地测量XR显示器。

由于XRE镜头采用内部对焦机制，因此重新对焦不会增加系统的总体长度，也不会在采集新测量值之前改变光圈的位置。该镜头消除了手动重新对焦的需要，并减少了潜在的对位和对焦误差。而且，该镜头系统在焦点调整过程中无需手动操作，这意味着电子对焦可以与测量序列同步自动进行，从而最大限度地提高效率。

瑞淀的XRE 镜头 解决方案，折叠配置可与ProMetric I 成像色度计（后）搭配使用，非折叠配置可与ProMetric Y 成像亮度计（前）搭配使用。

如需了解更多有关XR设备（配备液态镜头或采用众多其他光学设计）可视化参数、质量考虑因素和测量解决方案的信息，请观看以下由瑞淀光学开发经理主讲的网络研讨会：“以复制人类视觉的方式进行XR显示器测试：适用于头戴式设备内置显示器的灵活光学测量解决方案”。

 

 

 

 

 

 

 

CITATIONS

1. “Lenses go liquid.” European Inventor Award, 2013. (Retrieved May 27, 2022)
2. Liquid Lens Basics, Section 7.1 of the Imaging Resource Guide, Edmund Optics. (Retrieved 5/26/22)
3. “Lenses go liquid.” European Inventor Award, 2013. (Retrieved May 27, 2022)
4. Bruno Berge, Jérôme Broutin, et al., “Liquid Lens base on electrowetting: actual developments on larger aperture and multiple electrodes design for image stabilization or beam steering.” SPIE Proceedings Volume 8616, MOEMS and Miniaturized Systems XII; 861612, 2023. DOI 10.1117/12.2006847
5. Liquid Lens Features, Applications, and Technology, Section 7.2 of the Imaging Resource Guide, Edmund Optics. (Retrieved 5/26/22)
6. Ibid.
7. Ibid.
8. Leihao Chen, Michele Ghilardi, James J.C. Busfield, and Federico Carpi, “Electrically Tunable Lenses: A Review.” Frontiers in Robotics and AI, 8:678046, June 9, 2019. DOI 10.3389/frobt.2021.678046