一種仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置，包括雙凸內透鏡、內支撐環、彈性薄膜和光學液體組成的仿生固液混合可調透鏡，以及彈性圈、固定環、轉環、上蓋、下蓋及設于固定環和轉環內的活動葉片組成的調焦裝置；通過轉環的轉動帶動葉片轉動擠壓彈性圈，彈性橢球狀薄膜內的光學液體在彈性圈的擠壓下朝薄膜前后端面集中，引起薄膜前后表面發生形變，實現透鏡系統的連續變焦。本發明模擬人眼的結構特點與調節機理，利用多層固液混合介質作為可調透鏡的屈光單元，利用葉片與彈性圈調節裝置模擬人眼睫狀肌，具有結構緊湊、光軸穩定、變焦范圍大、操作方便、成本低的特點，可廣泛應用于各種現代光學成像系統及機器人視覺中。
【專利說明】
一種仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置
技術領域
[0001]本發明涉及仿生機器視覺技術，尤其是涉及一種仿生固液混合可調透鏡及其調焦
目.0
【背景技術】
[0002]隨著科技的不斷發展，人們對微型化、集成化、便攜式的新型機器視覺設備的需要日益增長。可調透鏡及其調焦裝置是機器視覺設備的關鍵元件，在新型光學系統設計中占據重要的地位。傳統的變焦系統多采用不同的凹凸透鏡組成變焦透鏡組，通過電機驅動不同透鏡組前后移動來調節焦距，這種方式往往結構復雜、尺寸較大、易磨損、變焦范圍有限、靈活性差，要實現大范圍的變焦往往需要更換不同的透鏡組合。經過長期的進化，人眼視覺系統形成了精密的生理結構，有著獨特的調節機理。人眼主要是通過睫狀肌的松弛與收縮來控制晶狀體的形狀，進而改變其表面曲率，使得觀察目標聚焦于視網膜上。眼球的光學介質主要由角膜、房水、晶狀體組成，是一個多層的固液混合結構，有著良好的光軸穩定性與成像效果。研究人眼的結構特點，設計新型仿生可調透鏡及其驅動裝置，對機器視覺技術的發展和新型光學系統設計有著十分重要的意義。
現有技術中公開了一種仿人眼晶狀體調節的液體變焦透鏡及其像差校正方法(授權公告號:CN103576217 B)，其利用光學液體和多層彈性薄膜作為屈光單元，通過柱塞裝置控制光學液體的注入來調節焦距，該技術可有效的校正像差，但是未考慮人眼具有固液混合的多層結構，通過角膜、房水、晶狀體進行綜合變焦的特性，透鏡中主要采用光學液體作為屈光介質，影響光軸的穩定性和系統的可靠性，采用柱塞裝置控制光學液體的注入來實現變焦，控制精度、響應速度難以保證，裝置的整體尺寸難以滿足集成化的需要。
【發明內容】
[0003]為克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置，模擬人眼的結構特點與調節機理，利用雙凸內透鏡、支撐環、光學液體和彈性橢球狀薄膜組成多層固液混合的光學結構，提高光學系統的光軸穩定性、可靠性與成像質量；利用葉片與彈性圈調節裝置模擬人眼睫狀肌，并以此控制可調透鏡的表面形變來調節系統的焦距，采用集成化的傳動與連接機構，實現了整個調焦裝置的微型化、集成化與通用性。
[0004]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
一種仿生固液混合可調透鏡，包括雙凸內透鏡、內支撐環、彈性薄膜和光學液體；
所述內支撐環由前內支撐環和后內支撐環組成，所述雙凸內透鏡固定于所述內支撐環內，所述彈性薄膜包裹所述內支撐環，并與所述內支撐環的側面粘接，形成彈性薄膜和內支撐環的外緣圍成的外腔，以及彈性薄膜、內支撐環的內緣及雙凸內透鏡圍成的兩個內腔，所述外腔和兩個內腔內均充滿光學液體，所述前內支撐環和后內支撐環的環體上設有若干個通孔，所述光學液體經所述通孔在外腔和兩個內腔之間流動。
[0005]進一步的，所述雙凸內透鏡采用BK7玻璃制成。
[0006]進一步的，所述彈性薄膜由有機硅材料制成，且圍成所述內腔的區域彈性強且較薄，圍成所述外腔的區域彈性弱且較厚。
[0007]一種仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，包括上述的仿生固液混合可調透鏡，以及彈性圈、固定環、轉環、上蓋和下蓋；
所述彈性圈套設于所述仿生固液混合可調透鏡上，并將所述仿生固液混合可調透鏡的中徑包圍；
所述固定環和轉環套設于所述彈性圈上，所述固定環和轉環之間活動安裝有N個弧形葉片，所述N個葉片的內緣圍成圓形，環繞所述彈性圈，所述轉環旋轉時帶動所述N個葉片轉動并擠壓所述彈性圈；
所述下蓋與所述固定環聯接，所述上蓋與所述轉環聯接，所述下蓋和上蓋的中心處開有通光孔，供光線通過所述仿生固液混合可調透鏡。
[0008]優選的，所述固定環上設有N個柱形孔和一個環形凹槽；所述葉片的上表面設有傳動銷，下表面設有固定柱，所述固定柱與所述固定環上的柱形孔相匹配，將葉片活動安裝于固定環上；所述轉環上設有N個狹槽，所述狹槽與所述葉片上的傳動銷相匹配，使得所述轉環旋轉時帶動所述N個葉片轉動并擠壓所述彈性圈。
[0009]優選的，所述固定環與所述轉環于邊緣的聯接處分別設有凸起/凹槽，并通過所述凸起/凹槽活動聯接。
[0010]優選的，所述下蓋與所述仿生固液混合可調透鏡在接觸面處膠接，并通過設于下蓋內緣的弧形凹槽和設于固定環外緣的環形凸起與所述固定環聯接。所述上蓋與所述仿生固液混合可調透鏡在接觸面處膠接，并通過設于上蓋內緣的弧形凹槽和設于轉環外緣的環形凸起與所述轉環聯接。
[0011]優選的，所述葉片的數目N的取值范圍為:6彡N彡12。
[0012]進一步的，所述轉環的邊緣設有凸起的傳動部，所述傳動部的外緣上設有齒條。
[0013]本發明的工作原理如下:模擬人眼的結構特點與調節機理，利用多層固液混合介質作為可調透鏡的屈光單元。進一步的，利用葉片與彈性圈調節裝置模擬人眼睫狀肌，葉片的傳動銷可在狹槽內隨著轉環的轉動而移動，彈性圈安裝于葉片所圍成的圓環內，并將彈性橢球狀薄膜中徑包圍，轉環的轉動會帶動葉片轉動，改變多個葉片所圍成面積，進而改變彈性圈的直徑，彈性橢球狀薄膜內的光學液體在彈性圈的擠壓下朝薄膜前后端面集中，弓丨起薄膜前后表面發生形變，實現透鏡系統的連續變焦。
[0014]本發明還提供了一種光學成像系統，包括:如上所述的調焦裝置，以及齒輪驅動模塊、CMOS傳感器、圖像處理模塊和顯示模塊，光線經過所述調焦裝置中的仿生固液混合透鏡后，成像于CMOS傳感器上，所述CMOS傳感器將圖像信息傳送至圖像處理模塊和顯示模塊，所述圖像處理模塊分析處理所述圖像信息，并向所述齒輪驅動模塊發送控制命令，驅動所述調焦裝置擠壓其內部的仿生固液混合透鏡，改變所述仿生固液混合透鏡的表面形狀，所述顯示模塊用于實時顯示接受到的圖像信息。
[0015]本發明的仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置，模擬人眼的結構特點與調節機理，利用雙凸內透鏡、支撐環、光學液體和彈性橢球狀薄膜組成多層固液混合的光學結構，提高了光學系統的光軸穩定性、可靠性與成像質量；利用葉片與彈性圈調節裝置模擬人眼睫狀肌，并以此控制可調透鏡的表面形變來調節系統的焦距，能夠在設計要求的變焦范圍內實現連續變焦。本發明的仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置體積小、質量輕、光軸穩定、變焦范圍大，且操作方便、成本低、易于加工，可廣泛應用于各種現代光學成像系統及機器人視覺中。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的仿生固液混合可調透鏡的一個實施例的剖視圖；
圖2是圖1中實施例的軸測圖；
圖3是圖1實施例中支撐環的軸測圖；
圖4是本發明的仿生固液混合可調透鏡及其調焦裝置的實施例的立體視圖；
圖5是圖4中實施例的分離視圖；
圖6是圖4實施例中葉片的立體視圖；
圖7圖4實施例中葉片與固定環的裝配示意圖；
圖8是圖4實施例中轉環的立體視圖；
圖9是本發明的光學成像系統的結構組成示意圖；
附圖標記說明:1-仿生固液混合可調透鏡，11-雙凸內透鏡，12內支撐環，121-前內支撐環，122-后內支撐環，123-通孔，13-彈性薄膜，141-外腔，142-內腔，2-下蓋，3-固定環，4-葉片，41-固定柱，42-傳動銷，5-轉環，51-狹槽，52-傳動部，6-彈性圈，7-上蓋，8-齒輪驅動模塊，9-CM0S傳感器，10-圖像處理模塊，11-顯示模塊。
【具體實施方式】
[0017]為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
[0018]如圖1-3所示，在本發明的一個實施例中，一種仿生固液混合可調透鏡，包括雙凸內透鏡11、內支撐環12、彈性橢球狀薄膜13和光學液體；所述的內支撐環12由前內支撐環121和后內支撐環122組成，前內支撐環121和后內支撐環122側面均開有8個通孔123。雙凸內透鏡11安裝在內支撐環12內部的凹槽里。彈性薄膜13包裹內支撐環12，并與內支撐環12的側面粘接，從而形成彈性薄膜13和內支撐環12的外緣圍成的外腔141，以及彈性薄膜13、內支撐環12的內緣及雙凸內透鏡11圍成的兩個內腔142。外腔141和兩個內腔142內均充滿光學液體，光學液體可以經過通孔123在外腔141和兩個內腔142之間流動。
[0019]本實施例中的仿生固液混合可調透鏡模擬人眼的的結構特點，采用固液混合多層介質作為屈光單元，利用彈性橢球狀薄膜的表面形變調節焦距，提高了光學系統的光軸穩定性、可靠性與成像質量。
[0020]作為優選方案，雙凸內透鏡11采用BK7玻璃制成，彈性薄膜13由有機硅(PDMS)材料制成，且薄膜通光區域較薄，周邊區域較厚，彈性中間強周邊弱，以保證受到彈性圈擠壓時，形變主要發生在彈性橢球狀薄膜的中間區域。
[0021]如附圖4-8所示，本發明的另一個實施例提供了一種仿生固液混合透鏡調焦裝置，包括上述的仿生固液混合可調透鏡1、下蓋2、固定環3、轉環5、彈性圈6、上蓋7以及安裝于固定環3和轉環5內的葉片4。所述的下蓋7與仿生固液混合可調透鏡I下端面結合處相聯結，下蓋7上開有兩個弧形凹槽，固定環3安裝于下蓋7上，固定環3上開有多個柱形孔和一個環形凹槽，多個葉片4通過固定柱安裝于固定環3上，轉環5安裝于葉片上方，上固定環7安裝于轉環5上方，并與仿生固液混合可調透鏡I的上端面結合處相聯結，轉環5上開有多個狹槽51，葉片4的傳動銷可在狹槽51內隨著轉環5的轉動而移動，彈性圈6安裝于葉片4所圍成的圓環內，并將仿生固液混合可調透鏡I的中徑包圍。固定環3上開有多個柱形孔，在其下表面加工有一個環形凸起；所述的轉環5上開有多個狹槽，在前后表面加工有兩個環形凸起。所述的葉片4為圓弧形，且前后表面分別加工有固定柱41和傳動銷42，優選的，葉片4的數目為6到12個。橢球狀彈性薄膜13與內支撐環12、上蓋7、下蓋I接觸處采用紫外線膠進行粘結固定。轉換的凸起與固定環的凹槽相互配合，使得轉換可以沿著凹槽轉動。
[0022]本實施例中的調焦裝置通過模擬人眼的結構特點與調節機理，利用葉片與彈性圈調節裝置模擬人眼睫狀肌，采用集成化的傳動與連接機構，設計特定的轉環葉片傳動裝置，并以此控制可調透鏡的表面形變來調節系統的焦距，實現了整個調焦裝置的微型化、集成化與通用性。
[0023]附圖9為本發明中采用上述仿生固液混合可調透鏡及其調教裝置的光學成像系統的一實施例，包括上述的調焦裝置及其中的仿生固液混合可調透鏡1、齒輪驅動模塊8、CMOS傳感器9、圖像處理模塊10、顯示模塊11，光線經過所述仿生固液混合透鏡I后，成像于CMOS傳感器9上，所述的CMOS傳感器9將圖像信息傳送至圖像處理模塊10和顯示模塊11，所述的圖像處理模塊10將圖像信息進行分析處理后，向齒輪驅動模塊8發送控制命令，驅動調焦裝置擠壓仿生固液混合透鏡1，進而改變仿生固液混合透鏡I的表面形狀，所述的顯示模塊11則將所接受到的圖像信息實時顯示。
[0024]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種仿生固液混合可調透鏡，其特征在于:包括雙凸內透鏡(11)、內支撐環(12)、彈性薄膜(13)和光學液體(14); 所述內支撐環(12)由前內支撐環(121)和后內支撐環(122)組成，所述雙凸內透鏡(11)固定于所述內支撐環(12)內，所述彈性薄膜(13)包裹所述內支撐環(12)，并與所述內支撐環(12)的側面粘接，形成彈性薄膜(13)和內支撐環(12)的外緣圍成的外腔(141)，以及彈性薄膜(13)、內支撐環(12)的內緣及雙凸內透鏡(11)圍成的兩個內腔(142)，所述外腔(141)和兩個內腔(142)內均充滿光學液體，所述前內支撐環(121)和后內支撐環(122)的環體上設有若干個通孔(123)，所述光學液體經所述通孔(123)在外腔(141)和兩個內腔(142)之間流動。2.如權利要求1所述的仿生固液混合可調透鏡，其特征在于:所述雙凸內透鏡(11)采用BK7玻璃制成。3.如權利要求1所述的仿生固液混合可調透鏡，其特征在于:所述彈性薄膜(13)由有機硅材料制成，且圍成所述內腔(142)的區域彈性強且較薄，圍成所述外腔(141)的區域彈性弱且較厚。4.一種仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:包括權利要求1-3任一項所述的仿生固液混合可調透鏡(1)，以及彈性圈(6)、固定環(3)、轉環(5)、上蓋(7)和下蓋(2)； 所述彈性圈(6)套設于所述仿生固液混合可調透鏡(I)上，并將所述仿生固液混合可調透鏡(I)的中徑包圍； 所述固定環(3 )和轉環(5 )套設于所述彈性圈(6 )上，所述固定環(3 )和轉環(5 )之間活動安裝有N個弧形葉片(4)，所述N個葉片的內緣圍成圓形，環繞所述彈性圈(6)，所述轉環(5)旋轉時帶動所述N個葉片轉動并擠壓所述彈性圈(6); 所述下蓋(2)與所述固定環(3)聯接，所述上蓋(7)與所述轉環(5)聯接，所述下蓋(2)和上蓋(7)的中心處開有通光孔，供光線通過所述仿生固液混合可調透鏡(I)。5.如權利要求4所述的仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:所述固定環(3)上設有N個柱形孔；所述葉片(4)的上表面設有傳動銷(42)，下表面設有固定柱(41)，所述固定柱(41)與所述固定環(3)上的柱形孔相匹配，將葉片(4)活動安裝于固定環(3)上；所述轉環(5 )上設有N個狹槽(51)，所述狹槽(51)與所述葉片(4)上的傳動銷(42 )相匹配，使得所述轉環(5)旋轉時帶動所述N個葉片轉動并擠壓所述彈性圈(6)。6.如權利要求5所述的仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:所述固定環(3)與所述轉環(5)于邊緣的聯接處分別設有凸起/凹槽，并通過所述凸起/凹槽活動聯接。7.如權利要求6所述的仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:所述下蓋(2)與所述仿生固液混合可調透鏡(I)在接觸面處膠接，并通過設于下蓋(2)邊緣的弧形凹槽和設于固定環(3)邊緣的環形凸起與所述固定環(3)聯接；所述上蓋(7)與所述仿生固液混合可調透鏡(I)在接觸面處膠接，并通過設于上蓋(7)內緣的弧形凹槽和設于轉環(5)外緣的環形凸起與所述轉環(5)聯接。8.如權利要求4-7任一項所述的仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:所述葉片(4)的數目N的取值范圍為:6彡N彡12。9.如權利要求8所述的仿生固液混合可調透鏡的調焦裝置，其特征在于:所述轉環(5)的邊緣設有凸起的傳動部(52)，所述傳動部(52)的外緣上設有齒條。10.一種光學成像系統，其特征在于，包括:權利要求4-9任一項所述的調焦裝置，以及齒輪驅動模塊(8)、CMOS傳感器(9)、圖像處理模塊(10)和顯示模塊(11)，光線經過所述調焦裝置中的仿生固液混合透鏡(I)后，成像于CMOS傳感器(9)上，所述CMOS傳感器(9)將圖像信息傳送至圖像處理模塊(10)和顯示模塊(11)，所述圖像處理模塊(10)分析處理所述圖像信息，并向所述齒輪驅動模塊(8)發送控制命令，驅動所述調焦裝置擠壓其內部的仿生固液混合透鏡(I )，改變所述仿生固液混合透鏡(I)的表面形狀，所述顯示模塊(11)用于實時顯示接受到的圖像信息。
【文檔編號】G02B3/14GK105842763SQ201510967681
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月22日
【發明人】王宣銀, 梁丹, 杜佳瑋
【申請人】浙江大學