仿晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，包括外殼及設于外殼內的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡，所述第三透鏡單元包括后置透鏡，所述第二透鏡單元依次包括壓環一、透鏡一、壓環二、透鏡二、壓環三、透鏡三、壓環四、透鏡四及壓環五，及形成于其間的第一、第二、第三密封腔，所述密封腔內盛有光學液體。本發明的變焦透鏡通過注入或抽出密封腔內的光學液體來改變透明彈性透鏡的表面曲率半徑，從而實現在設計要求的變焦范圍內連續變焦。本發明具有體積小、成像質量高、光軸穩定、操作方便、易加工等優點，可廣泛應用于各種現代成像系統。
【專利說明】
仿晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡
技術領域
[0001]本發明涉及一種仿生機器視覺裝置，尤其涉及一種仿晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡。
【背景技術】
[0002]隨著智能化、微型化、集成化的需求日趨增強，仿生機器人技術日益受到關注，已成為工程科學領域發展的熱門方向。其原理為通過對生物系統結構、功能、運作機制及控制原理的學習、模仿、復制和再造，來改進現有或創造全新的機械、儀器、加工工藝等。仿生機器人集眾多高科技于一身，其應用不僅從制造領域走向非制造領域，而且正以驚人的速度不斷向軍事、防暴、醫療、服務、娛樂等非工業領域擴展。
[0003]對機器人而言，視覺是一種非常重要的感知手段。傳統的變焦或調焦，需要采用特殊的驅動電機對獨立組件的機械位置提供精準的控制，實現獨立組件沿著精確計算的軌跡移動，來調整各光學組件之間的光學距離。因此傳統的變焦透鏡結構復雜，響應速度有限，而且成本較高。在微型化過程中，傳統的變焦透鏡其表面和容積之比增大，使得摩擦的影響變得顯著，給微型化帶來困難。無可置否，人眼不僅結構簡單，而且無論是結構尺寸、響應速度，還是所具備的各項非凡功能，都遠遠高于目前人工制造的任何一種成像設備。其非常關鍵的一個原因在于，人眼晶狀體所具備的各種特性。晶狀體借助睫狀肌的收縮或放松的調節，能夠改變其前后表面的曲率半徑，從而改變人眼的屈光度，使不同距離的物體都能成像在視網膜上。但是，根據現有的生物醫學研究成果，晶狀體前后表面的變化幅度非常小，而且在焦距發生變化的過程中，人眼成像質量沒有下降。非常重要的一個原因在于，晶狀體是由多層薄膜構成，且其折射率從外層向內層逐漸增加，呈梯度分布。
[0004]近年來，國內外很多研究者提出了仿生變焦透鏡，其變焦原理就是基于人眼改變表面曲率半徑的機理，具有體積小、響應快、結構簡單、成本低等優點。但是現有的設計均為考慮晶狀體的內部結構，同時存在設計自由度少，成像質量不夠理想等不足，使得仿生變焦透鏡還無法與傳統的變焦透鏡相比擬。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種仿晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，利用透明彈性透鏡和光學液體，模仿人眼晶狀體的層狀結構，提供更大的光學設計自由度，采用對稱式光學結構，完善仿生變焦透鏡技術，提高成像質量。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
一種仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，包括外殼及設于外殼內的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡，所述第三透鏡單元包括后置透鏡，所述第二透鏡單元依次包括壓環一、透鏡一、壓環二、透鏡二、壓環三、透鏡三、壓環四、透鏡四及壓環五，其中，透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四均為透明彈性透鏡； 所述透鏡一、透鏡二及壓環二構成第一密封腔，所述透鏡二、透鏡三及壓環三構成第二密封腔，所述透鏡三、透鏡四及壓環四構成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分別通過設于壓環二和壓環四上的通孔及外殼上的通道連通塞柱一，所述第二密封腔通過設于壓環三上的通孔及外殼上的通道連通塞柱二 ；所述壓環三內設有光闌，所述光闌位于第二透鏡單元的中心處，作為所述變焦透鏡的視場光闌；
所述塞柱一內盛有光學液體一，所述光學液體一通過塞柱一的活塞作用進入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二內盛有光學液體二，所述光學液體二通過塞柱二的活塞作用進入或排出所述第二密封腔。
[0007]進一步的，所述光學液體一和光學液體二具有不同的折射率，滿足條件:Nqi〈Nq2，其中Nq1是光學液體一的折射率，Nq2是光學液體二的折射率；所述透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四采用同一種材料制成，具有相同的折射率Ns，且滿足條件:Nqi〈NS〈Nq2。
[0008]進一步的，所述透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四的前后表面均為拋物面，每個拋物面的形狀和邊緣厚度根據光學設計要求進行優化計算，且滿足:各透鏡相對于壓環三向外凸起。
[0009]優選的，所述前置透鏡安裝在外殼前端的凹槽內，由壓環一固定。
[0010]優選的，所述第二透鏡單元通過塞子和外殼的螺紋配合安裝固定于外殼內部。
[0011]優選的，所述后置透鏡安裝在塞子的凹槽內，由壓環六通過螺釘固定。
[0012]優選的，所述壓環二和壓環四上的通孔設于同一側，且與設于外殼內側壁上的凹槽相對，構成所述光學液體一的通道。
[0013]優選的，所述壓環三上的通孔與設于外殼上的一個通孔相對，構成所述光學液體二的通道。
[0014]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
首先，本發明中透明彈性透鏡前后表面的初始曲率半徑和厚度均為設計變量，可以根據光學設計要求進行優化計算；共采用了四個透明彈性透鏡，可以為光學設計額外提供12個設計自由度。
[0015]其次，本發明中透明彈性透鏡前后表面均為拋物面；采用非球面能夠有效降低初級像差，進一步提高成像質量，同時，拋物面不僅符合實際形變，能夠得到較理想的結果，而且便于加工。
[0016]再次，本發明中的透鏡組由前置透鏡、后置透鏡和四個透明彈性透鏡組成，并把視場光闌放置在整個變焦透鏡的中心區域，將變焦透鏡設計成為對稱式光學結構，能夠有效降低軸外像差，提高成像質量。
[0017]本發明的變焦透鏡，能夠實現在設計要求的變焦范圍內連續變焦，具有體積小、成像質量高、光軸穩定、操作方便、易加工等優點，可廣泛應用于各種現代成像系統。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的變焦透鏡的一個實施例的整體結構示意圖；
圖2是圖1中實施例的整體3D爆炸圖；
圖3是圖1中實施例的整體結構剖視圖；
圖4是圖1中實施例的外殼的左視圖和剖視圖； 圖5是圖1中實施例的壓環二的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖6是圖1中實施例的壓環三的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖7是圖1中實施例的壓環四的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖8是圖1中實施例的前置透鏡的結構示意圖；
圖9是圖1中實施例的后置透鏡的結構示意圖；
圖10是圖1中實施例的透鏡一的結構示意圖；
附圖標記說明:1_前置透鏡；2_透鏡一 ；3_透鏡二 ；4_透鏡三；5_透鏡四；6-后置透鏡'7-螺釘；8_塞子；9_外殼；10_壓環一 ；11_壓環二 ；12_壓環三；13_壓環四；14_壓環五；15_壓環六；16_柱塞一 ；17_柱塞二 ；18_光學液體一 ；19_光學液體二。
【具體實施方式】
[0019]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。
[0020]下面通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明。
[0021]如圖1至圖10所示，在本發明的一個實施例中，一種仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡由外殼9、壓環一 10、壓環二 11、壓環三12、壓環四13、壓環五14、壓環六15、塞子、柱塞一 16、柱塞二 17、前置透鏡1、后置透鏡6、透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4、透鏡四5以及光學液體一 18和光學液體二 19組成。其中，前置透鏡I作為變焦透鏡的第一透鏡單元。透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4、透鏡四5、光學液體一 18和光學液體二 19作為變焦透鏡的第二透鏡單元，模擬人眼晶狀體的層狀結構。壓環三12除邊緣用于安裝部分外，厚度很薄的中心部分作為該變焦透鏡的視場光闌，安裝在透鏡二 3和透鏡三4之間，處于變焦透鏡第二透鏡單元的中心位置。后置透鏡6作為變焦透鏡的第三透鏡單元。由此構成整個對稱式變焦透鏡。
[0022]如圖2和圖3所示，前置透鏡I安裝在外殼9前端的凹槽內，由壓環一 10固定；依次往外殼9內安裝透鏡一 2、壓環二 11、透鏡彈性透鏡2、壓環三12、透鏡三4、壓環四13、透鏡四5、壓環五14，通過塞子8和外殼9的螺紋配合，將以上安裝在外殼9內部的部件進行固定；后置透鏡6安裝在塞子8的凹槽內，由壓環六15通過螺釘固定；壓環二 11和壓環四13在同一側均有一通孔，與外殼9內側壁上的凹槽相對；壓環三12的一側有一個通孔，與外殼9另一個通孔相對。柱塞一 16內充滿光學液體一 18，與外殼9內側壁凹槽相對的通孔連通，也就與壓環二 11和壓環四13的通孔連通，光學液體一 18將充滿由透鏡一 2、壓環二
11、透鏡二 3形成的第一密封腔和由透鏡三4、壓環四13、透鏡四5形成的第三密封腔；柱塞二17內充滿光學液體二 19，與外殼9另一個通孔連通，也就與壓環三12的通孔連通，光學液體二 19將充滿由透鏡二 3、壓環三12、透鏡三4形成的第二密封腔。
[0023]如圖4所示，外殼9左側有內螺紋，與塞子8的外螺紋進行配合，用于固定和鎖緊。外殼9內側預留一個凹槽，在凹槽中心有一通孔與柱塞一 16連通。外殼9另一側還有一個通孔，與柱塞二 17連通。
[0024]如圖5和圖7所不，壓環二 11和壓環四13在同一側有一通孔，與外殼9內側的凹槽相對，保證柱塞一 16能夠通過外殼9上的通孔和凹槽，與壓環二 11和壓環四13的通孔連通。如圖6所示，壓環三12外側有一通孔，內側有兩個通孔，其中心徑向相對，并在壓環內部連通，保證柱塞二 17能夠通過外殼9上的另一個通孔，與壓環三12內側的兩個通孔均連通。
[0025]柱塞一 16內充滿去離子水，其折射率為Nq1=L 333 ;柱塞二 17內充滿乙基硅油，其折射率為Nq2=L 438 ;滿足條件:Nqi〈Nq2。透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4和透鏡四5均采用固化PDMS材料，其折射率為Ns=L 404，滿足條件:Nqi〈Ns〈Nq2。固化PDMS材料由PDMS溶液和固化劑混合交聯固化而成，混合比例采用1:20。
[0026]柱塞一 16與相對于外殼9內側壁凹槽的通孔連通，也就與壓環二 11和壓環四13的通孔連通，去離子水將充滿由透鏡一 2、壓環二 11、透鏡二 3形成的第一密封腔和由透鏡三4、壓環四13、透鏡四5形成的第三密封腔；柱塞二 17與外殼9另一個通孔連通，也就與壓環三12的通孔連通，乙基硅油將充滿由透鏡二 3、壓環三12、透鏡三4形成的第二密封腔。其工作原理如下:當柱塞一 16往密閉容腔內注入去離子水時，透鏡一 2和透鏡四5將往外膨脹，發生形變，此時焦距變小；當柱塞二 17往密閉容腔內注入乙基硅油時，增加的液體體積首先作用于透鏡二 3和透鏡三4，使其往外膨脹，發生形變；因為透鏡二 3和透鏡三4往外膨脹，所以透鏡一 2和透鏡四5也將往外膨脹，發生形變，此時焦距變小。反之，當柱塞一 16從密閉容腔內抽出去離子水時，透鏡一 2和透鏡四5往里回縮，發生形變，此時焦距變大；當柱塞二 17從密閉容腔內抽出乙基硅油時，因為液體體積減少，透鏡二 3和透鏡三4往里回縮，發生形變；因為透鏡二 3和透鏡三4往里回縮，所以透鏡一 2和透鏡四5也將往里回縮，發生形變，此時焦距變大。通過對兩個柱塞的獨立控制，能夠在設計要求的變焦范圍內連續變焦。
[0027]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】
1.一種仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，包括外殼及設于外殼內的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡(I )，所述第三透鏡單元包括后置透鏡(6)，其特征在于: 所述第二透鏡單元依次包括壓環一(10 )、透鏡一(2 )、壓環二( 11)、透鏡二( 3 )、壓環三(12)、透鏡三(4)、壓環四(13)、透鏡四(5)及壓環五(14)，其中，透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4 )、透鏡四(5 )均為透明彈性透鏡；所述透鏡一(2 )、透鏡二( 3 )及壓環二( 11)構成第一密封腔，所述透鏡二(3)、透鏡三(4)及壓環三(12)構成第二密封腔，所述透鏡三(4)、透鏡四(5)及壓環四(13)構成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分別通過設于壓環二( 11)和壓環四(13)上的通孔及外殼上的通道連通塞柱一(16)，所述第二密封腔通過設于壓環三(12)上的通孔及外殼上的通道連通塞柱二(17);所述壓環三(12)內設有光闌，所述光闌位于第二透鏡單元的中心處，作為所述變焦透鏡的視場光闌； 所述塞柱一(16)內盛有光學液體一(18)，所述光學液體一(18)通過塞柱一(16)的活塞作用進入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二(17)內盛有光學液體二(19)，所述光學液體二( 19)通過塞柱二( 17)的活塞作用進入或排出所述第二密封腔。2.根據權利要求1所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述光學液體一(18)和光學液體二(19)具有不同的折射率，滿足條件:Nqi〈Nq2，其中Nq1是光學液體一(18)的折射率，Nq2是光學液體二(19)的折射率；所述透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4 )、透鏡四(5 )采用同一種材料制成，具有相同的折射率Ns，且滿足條件:Nqi〈NS〈Nq2。3.根據權利要求2所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4)、透鏡四(5)的前后表面均為拋物面，每個拋物面的形狀和邊緣厚度根據光學設計要求進行優化計算，且滿足:各透鏡相對于壓環三(12)向外凸起。4.根據權利要求1-3任一項所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述前置透鏡(I)安裝在外殼(9)前端的凹槽內，由壓環一(10)固定。5.根據權利要求4所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述第二透鏡單元通過塞子(8)和外殼(9)的螺紋配合安裝固定于外殼(9)內部。6.根據權利要求5所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述后置透鏡(6)安裝在塞子(8)的凹槽內，由壓環六(15)通過螺釘固定。7.根據權利要求5或6所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述壓環二(11)和壓環四(13)上的通孔設于同一側，且與設于外殼(9)內側壁上的凹槽相對，構成所述光學液體一(18)的通道。8.根據權利要求7所述的仿人眼晶狀體層狀結構對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述壓環三(12)上的通孔與設于外殼(9)上的一個通孔相對，構成所述光學液體二(19)的通道。
【文檔編號】G02B3/14GK105842840SQ201510932318
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月15日
【發明人】王宣銀, 杜佳瑋, 梁丹
【申請人】浙江大學