Was ist eine Liquid-Lens-Kamera und wie funktioniert sie?

Flüssiglinsen sind eine relativ neue Technologie, die in der Welt der Embedded Vision schnell an Bedeutung gewinnt. Sie bieten mehrere Vorteile gegenüber Standardlinsen in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine Autofokus-Kamera erforderlich ist. Darüber hinaus waren ihre Anpassungsfähigkeit und Vielseitigkeit Schlüsselfaktoren für ihre breite Akzeptanz. Dieser Blog beleuchtet, was Liquid-Lens-Technologie ist und wie sie funktioniert.

Also, lassen Sie uns einsteigen.

Was ist eine Flüssiglinse?

Eine Flüssiglinse ist eine Kameratechnologie, die eine statische optische Glaslinse ersetzt. Sie verwendet eine optische Flüssigkeit in der Mitte einer Zellstruktur und funktioniert ähnlich wie eine Augenlinse. Eine Flüssiglinse ermöglicht es der Linse, ihre Form durch Anpassung der Flüssigkeit im Inneren zu verändern, was die Fokussiergeschwindigkeit und die Brennweite verbessert.

Wie funktioniert eine Liquid-Lens-Kamera?

Betrachten Sie einen einzelnen Wassertropfen auf einem Blatt, wie er in Fotopublikationen zu sehen ist. Die Flüssigkeit in einer Flüssiglinse lenkt  das Licht auf einen Bildsensor, ähnlich wie dieser Tropfen natürliches Licht bricht. Mechanische Komponenten werden in Flüssiglinsen nur selten verwendet. Stattdessen enthalten sie eine klare Flüssigkeitskapsel. Die Form dieser Kapsel kann verändert werden, indem auf einen Teil von ihr Druck ausgeübt wird. Durch Zusammendrücken oder Strecken werden der Lichtverlauf durch die optische Flüssigkeit sowie die Brennweite verändert.

In einer Flüssiglinsenkameranutzt die Linse verschiedene Methoden, um Druck auf die verwendete Kapsel auszuüben. Eine davon ist als „Electrowetting“ bekannt – hierbei wird Wasser mit einer separaten Schicht aus nichtleitendem Öl in der Linse kombiniert. Zusätzlich können die Krümmung und der Brechungseffekt durch das Anlegen einer Spannung über die Grenzfläche innerhalb von Sekundenbruchteilen verändert werden.

Unterschiede zwischen Flüssiglinse und traditioneller Linse

Der primäre Unterschied besteht darin, dass traditionelle Kamerasysteme optische Linsen aus Glas mit einem festen Krümmungsradius verwenden. Flüssiglinsen hingegen sind winzige Zellen, die eine optische Flüssigkeit (eine Kombination aus Wasser und Öl) enthalten, deren Form verändert werden kann, was zu variabler Krümmung und variablen Brennweiten führt.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass Flüssiglinsen beim Bestimmen der Schärfentiefe und beim Fokussieren auf Objekte deutlich schneller sind als optische Linsen. Dadurch können sie den Fokus auch dann zuverlässig halten, wenn sich das Objekt bewegt, während optische Linsen Schwierigkeiten haben, den Fokus wiederherzustellen.

Wie unterscheidet sich der Autofokus mit Flüssiglinse vom VCM-Autofokus?

Der Autofokus in Kameras wird überwiegend mit zwei Linsentypen realisiert – einer Flüssiglinse und einer VCM-(Voice-Coil-Motor)-Autofokuslinse. In Flüssiglinsen befinden sich keine mechanischen Teile, was sie einzigartig macht. Eine VCM-Autofokus-Kamera hingegen ist auf die mechanische Bewegung der Linse angewiesen, um den Fokus zu verändern. Dies führt zu Herausforderungen wie Verschleiß (was eine reduzierte Lebensdauer impliziert), erhöhter Wärmeabfuhr, höherem Stromverbrauch, längerer Fokussierzeit usw. In all diesen Parametern ist die Flüssiglinse überlegen. So ist beispielsweise die 3.4-MP-Autofokus-Kamera See3CAM_30 von e-con Systems – basierend auf dem onsemi AR0330 – mit einer Flüssiglinse ausgestattet, die eine überlegene Autofokus-Leistung liefert.

Betrachten wir nun einige Nachteile von Flüssiglinsen im Vergleich zu VCM-Autofokuslinsen. Flüssiglinsen sind deutlich teurer als VCM-Linsen. Außerdem ist die Lieferkette für VCM-Autofokuslinsen wesentlich breiter, was eine bessere Verfügbarkeit und größere Lieferantenvielfalt bietet.

Möchten Sie mehr über das Autofokussieren in Flüssiglinsen und VCM erfahren? Bitte lesen Sie unseren Blog  Liquid-Lens-Autofokus vs. Voice-Coil-Motor-(VCM)-Autofokus.

Vorteile und Nachteile von Flüssiglinsen

Im vorherigen Abschnitt haben wir die Unterschiede zwischen einer Flüssiglinse und einer VCM-Autofokuslinse betrachtet. In diesem Abschnitt werfen wir einen umfassenden Blick auf die Vor- und Nachteile von Flüssiglinsen.

Flüssiglinsen bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen optischen Linsen, wie zum Beispiel:

1. Sie sind im Vergleich zu traditionellen Linsen, die in Embedded-Kamera-Lösungen verwendet werden, recht kompakt.
2. Sie sind zudem schneller, verfügen über mehr Brennweiten und benötigen deutlich weniger Leistung als eine motorisierte Kamera.
3. Ein großes Kameramodul mit mehreren Linsen ist nicht erforderlich – eine einzelne Flüssiglinse kann alle Brennweiten abdecken.
4. Sie bieten eine gute Bildstabilisierung.

Allerdings weist die Flüssiglinsentechnologie ebenfalls einige Nachteile auf, nämlich:

1. Experten sind der Ansicht, dass Lichtstreuung Probleme verursachen kann.
2. Das Verhindern des Fließens von Flüssigkeiten in engen Bereichen kann sich als herausfordernd erweisen.
3. Flüssiglinsen sind selbst bei Stückzahlen von mehreren zehntausend tendenziell teurer als andere Linsen.

Wichtige Anwendungen des Flüssiglinsen-Autofokus in Embedded Vision

Liquid-Lens-Kameras sind Autofokus-Kameras, die typischerweise in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Kamera auf Objekte in variierenden Entfernungen fokussieren muss. Sie können sowohl mit kleinen als auch mit großen Sensorformaten sowie mit sichtbarem und nahinfrarotem Licht arbeiten, was sie für eine Vielzahl von Embedded-Vision-Anwendungen geeignet macht. Während die Liste der Anwendungen nahezu unbegrenzt sein könnte, betrachten wir hier einige der beliebtesten:

• E-Commerce und industrielle Anwendungen
• Life Sciences
• Biometrie

E-Commerce

Die Liquid-Lens-Technologie trägt zur Verbesserung der E-Commerce-Logistik bei. Sowohl fest montierte als auch tragbare Barcode-Scanner verwenden Flüssiglinsen. Das Scannen von Barcodes zur Paketverfolgung erfolgt während des Versands mehrfach. Flüssiglinsen werden beim Abholen mit Handscannern, an Logistik-Hubs mit fest installierten Scannern und bei der Zustellung erneut mit Handscannern eingesetzt. Flüssiglinsenkamera, die in solchen industriellen Umgebungen verwendet werden, machen die Paketverfolgung schnell, präzise und zuverlässig.

Life Sciences

Flüssiglinsen sind dafür bekannt, Mikroskopie-Anwendungen aufgrund ihrer nahtlosen Autofokus-Fähigkeit zu ermöglichen. Sie stellen sicher, dass mehrere Objektebenen abgedeckt werden. Darüber hinaus können sie in Miniaturkameras integriert werden, was für mikroskopische Geräte sehr nützlich ist.

Biometrie

Der explosionsartige Anstieg der digitalen Transformation hat den dringenden Bedarf an erhöhten Sicherheitssystemen vorangetrieben. Flüssiglinsenbasierte Lösungen sind effizienter als herkömmliche optische Lösungen, wenn es darum geht, zukunftsfähigere Sicherheitsprotokolle wie die Iriserkennung zu realisieren. Sie bieten die erforderliche Genauigkeit und Geschwindigkeit sowie die Autofokus-Leistung, um das reibungslose Funktionieren dieser kontaktlosen Identifikations- und Verifikationssysteme zu ermöglichen.

Weitere beliebte Anwendungsfälle von Embedded Vision unter Einsatz von Flüssiglinsen sind smart farming, UAV, Zahnmedizin, Dokumentenscanner, Wundvermessungsgeräte usw.

Flüssiglinsen sind zweifellos die Bildgebungstechnologie der Zukunft. Da Kameras zu einem immer alltäglicheren Bestandteil unseres Lebens geworden sind, hat der Drang nach technologischen Weiterentwicklungen zu kleineren Kameras mit stetig wachsenden Fähigkeiten geführt.

Liquid-Lens-Kameras von e-con Systems

e-con Systems treibt seit nahezu zwei Jahrzehnten Innovationen im Bereich Embedded Vision voran. Wir sind stolz darauf, an der Spitze der Innovationskurve zu stehen, indem wir zukunftsfähige Kameralösungen entwickeln. Bitte werfen Sie einen Blick auf einige unserer Liquid-Lens-Kameras:

• See3CAM_160– 16MP Autofokus USB 3.1 Gen 1 Kamera
• e-CAM160A_MI298_MOD – 16MP Autofokus-Kameramodul
• See3CAM_130– 4K Autofokus USB Kamera
• e-CAM130_MI1335_MOD – 13MP Autofokus-Kameramodul
• See3CAM_30 – 3,4 MP Autofokus USB Kamera mit Flüssiglinse

Wenn Sie Unterstützung bei der Integration von Kameras in Ihre Produkte suchen, schreiben Sie uns bitte an camerasolutions@e-consystems.com. Sie können auch unseren Camera Selector besuchen, um einen vollständigen Überblick über unser Kameraportfolio zu erhalten.