CN103809225B - 一种仿生变焦透镜及其驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生变焦透镜及其驱动装置，利用双胶合屈光物镜与胶体透镜作为屈光装置，通过模仿人眼角膜与晶状体的变焦特性，利用双胶合屈光物镜作为变焦透镜的第一透镜单元，对光线进行预屈光，采用胶体透镜作为第二透镜单元，模拟人眼晶状体，通过在音圈电机两端分别装有物镜固定架和固定套筒，物镜固定架内装有双胶合屈光物镜，压环与音圈电机内环通过螺纹相联接，压环后端面与胶体透镜前表面相接触，固定套筒与胶体透镜壳体相连，音圈电机内环带动压环挤压胶体透镜前表面改变胶体透镜表面曲率，实现在设计要求的变焦范围内连续变焦。本发明具有光轴稳定、成像质量好、响应迅速等特点，可广泛应用于机器人视觉系统及各种现代成像系统。

Description

一种仿生变焦透镜及其驱动装置

技术领域

本发明涉及仿生机器视觉，尤其是涉及一种基于胶体透镜的仿生变焦透镜及其驱动装置。

背景技术

随着科技水平的不断发展进步，人们对智能化、自动化产品的需求日趋增强，这些已成为工程科学领域研究的重点。机器人是自动化程度较高的机器人，集众多高科技于一身，在工业、军事、防暴、医疗、服务等领域已得到研究与应用。对机器人而言，视觉系统是其获取外部信息的重要途径，在智能化机器人的研究中占据尤为重要的地位。随着工业技术和智能化技术的发展，机器视觉系统的研制获得了很大进展，却仍然滞后于人眼的视觉功能。

在机器人技术的研究中，仿生技术受到广泛关注，仿生机器人已成为智能化机器人领域的研究热点。人眼视觉系统中，光线经过角膜、前房、瞳孔进入人眼，再经过晶状体，由玻璃体最终到达视网膜成像。角膜、前房与玻璃体均有屈光作用，但屈光度是不能改变的，晶状体是唯一能发生焦距变化的屈光部件，通过睫状肌松弛与收缩控制晶状体发生形变，引起曲率变化从而使得人眼焦距发生改变，将光线汇聚到视网膜上。虽然人眼结构并不复杂，但是其结构尺寸、响应速度及智能化程度都远远高于人工制造的成像设备。研制仿人眼特性的变焦及视觉系统，对机器人视觉技术乃至机器人产业的发展有着十分重要的意义。

机器人视觉系统多采用左右两个摄像机，通过控制摄像机的相对运动，模仿人眼双目视觉系统获得目标图像，再经过图像处理系统进行后续处理。其变焦系统通常由传统方法实现，即利用不同凹凸透镜组成光学系统，通过各组件的前后移动调整相对位置来调节焦距，该方式出现较早，技术较成熟，但仿生学特性较弱，结构复杂、响应速度有限、尺寸较大、易磨损。近年来，国内外一些研究者提出液态型变焦透镜，主要是机械驱动式液体透镜以及电湿润式液体透镜，在一定程度上能实现人眼的变焦功能，但其采用液体作为光学介质，容易产生泄漏、光轴稳定性较差，难以满足实际应用需求。

现有技术中公开了一种具有变焦特性的仿生眼装置（申请公布号103192412 A），其通过仿生眼固态型变焦透镜，利用直线步进电机控制变焦透镜变焦，模仿人眼睫状肌驱动晶状体实现变焦过程，具有结构简单、易制备等特点，但是该技术所采用的变焦透镜，采用一体式的透镜结构，将平凸透镜与PDMS镜头简单贴合，未考虑人眼通过角膜、晶状体等进行综合变焦的特性，且成像质量难以保证，镜头中间填充的PDMS流动性较强，影响透镜光轴的稳定性，采用步进电机带动压缩圆盘挤压变焦透镜实现变焦，控制精度、响应速度难以保证，装置整体尺寸不能满足微型化需求。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种仿生变焦透镜及其驱动装置，模仿人眼角膜与晶状体的变焦特性，利用双胶合屈光物镜作为变焦透镜的第一透镜单元，对光线进行预屈光，胶体透镜作为第二透镜单元，并采用弹性渐变型胶体透镜结构，弹性从底部到顶部逐渐变强，有效提高装置的成像质量和光轴稳定性；利用音圈电机改变胶体透镜表面曲率，控制仿生透镜的焦距变化，并根据音圈电机结构特点，采用一体化的传动与连接机构，实现了整个变焦装置体积微型化，有效提高了装置的控制精度和响应速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种仿生变焦透镜，其特征在于：包括前端的双胶合屈光物镜和后端的胶体透镜；

所述的双胶合屈光物镜作为变焦透镜的第一透镜单元，对光线进行预屈光，所述的双胶合屈光物镜由低分散的双凸正透镜和高分散的凹凸负透镜粘接而成，其屈光度为40D；

所述胶体透镜作为第二透镜单元，其在未受外力挤压时为平透镜，受外力挤压变形后成为平凸透镜，所述胶体透镜屈光度最大为80D。

进一步的，所述胶体透镜由PDMS溶液与固化剂混合而成，胶体透镜采用弹性渐变型结构，从底部到顶部分成多层，其胶体弹性逐层增强。

本发明的另一目的在于提供一种仿生变焦透镜驱动装置，包括上述任一权利要求中所述的仿生变焦透镜、壳体、物镜固定架、音圈电机、固定套筒和压环；

所述壳体表面加工有带凹槽的凸台，固定套筒通过所述凹槽与胶体透镜联接，所述壳体两端分别设置有透明底面和弹性薄膜，所述胶体透镜设置于透明底面与弹性薄膜之间；所述物镜固定架安装于音圈电机前端面，所述物镜安装于物镜固定架圆孔内，固定套筒前端面固定于音圈电机后端面，固定套筒后端与壳体表面的凸台相联结，所述压环穿过固定套筒内孔与音圈电机内环通过螺纹相联结，压环后端面与壳体一端的弹性薄膜相接触，所述压环通过弹性薄膜作用于胶体透镜使得其前表面曲率发生变化。

本发明还提供了一种视觉成像系统，包括：上述所述的仿生变焦透镜驱动装置、CCD传感器、图像处理模块、驱动控制模块和显示系统，光线经过所述仿生变焦透镜驱动装置后在CCD传感器上成像，所述CCD传感器将采集到的图像数据传送到显示系统和图像处理模块，所述显示系统将接收到的图像数据显示出来，所述图像处理模块将图像数据分析处理后向驱动控制模块输出相应的控制命令，所述驱动控制模块驱动音圈电机带动压环通过弹性薄膜挤压胶体透镜来改变胶体透镜表面曲率。

与现有技术相比，本发明的仿生变焦透镜及其驱动装置，充分考虑人眼的变焦特性，利用双胶合屈光物镜与胶体透镜作为屈光装置，采用弹性渐变型胶体透镜结构，利用音圈电机改变胶体透镜表面曲率，根据音圈电机结构特点，采用一体化的传动与连接机构，能够在设计要求的变焦范围内实现连续变焦，具有结构简单、体积小、易制备、成本低、光轴稳定、成像质量好、响应迅速等特点，可广泛应用于机器人视觉系统及各种现代成像系统。

附图说明

图1是仿生变焦透镜及其驱动装置轴测图。

图2是仿生变焦透镜及其驱动装置剖视图。

图3是胶体透镜结构图。

图4是仿生变焦透镜光学示意图。

图5是物镜固定架结构图。

图6是压环结构图。

图7是固定套筒结构图。

图8是视觉成像系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，一种仿生变焦透镜，包括前端的双胶合屈光物镜3和后端的胶体透镜5；所述的双胶合屈光物镜3作为变焦透镜的第一透镜单元，对光线进行预屈光，其由低分散的双凸正透镜和高分散的凹凸负透镜粘接而成，其屈光度为40D；所述胶体透镜5作为第二透镜单元，在未受外力挤压时为平透镜，受外力挤压变形后成为平凸透镜，所述胶体透镜5屈光度最大为80D。该仿生变焦透镜通过模仿人眼角膜与晶状体的变焦特性，利用双胶合屈光物镜作为变焦透镜的第一透镜单元，模拟角膜功能，对光线进行预屈光，采用胶体透镜作为第二透镜单元，模拟人眼晶状体。

其中，所述胶体透镜5由PDMS溶液与固化剂混合而成，并采用弹性渐变型结构，从底部到顶部分成多层，每层的PDMS溶液与固化剂的配比、加热温度各不相同，弹性从底部到顶部逐渐变强，固化剂与PDMS溶液的配比在1:10到1:40之间，加热成胶体形态，以保证胶体透镜在变焦过程中的光轴稳定性。

如附图1至7所示，一种仿生变焦装置包括上述所述的仿生变焦透镜、物镜固定架1、音圈电机2、物镜3、固定套筒4和压环6；所述壳体8表面加工有带凹槽的凸台，固定套筒4通过所述凹槽与变焦胶体透镜装置5联接，所述壳体8两端分别设置有透明底面7和弹性薄膜9，所述胶体透镜5设置于透明底面7与弹性薄膜9之间。所述物镜固定架1安装于音圈电机2前端面，所述物镜3安装于物镜固定架1圆孔内，固定套筒4前端面固定于音圈电机2后端面，固定套筒4后端与壳体8表面的凸台相联结，所述压环6穿过固定套筒4内孔与音圈电机2内环通过螺纹相联结，压环6后端面与壳体8一端的弹性薄膜9相接触，所述压环6通过弹性薄膜9作用于胶体透镜5使得其前表面曲率可发生变化，其中所述弹性薄膜9可采用弹性较好、光学性能较好的SEBS薄膜，弹性薄膜9通过紫外线胶与胶体透镜5上表面粘结。本实施例通过利用音圈电机输出驱动力，设计特定的压环传动机构，改变胶体透镜表面曲率，控制仿生透镜的焦距变化，使得整个变焦装置体积微型化，提高系统的成像质量、控制精度、响应速度、光轴稳定性。

附图8为采用上述仿生变焦透镜驱动装置的视觉成像系统的一实施例，包括上述所述的仿生变焦透镜驱动装置、CCD传感器10、图像处理模块、驱动控制模块40和显示系统20，光线经过所述仿生眼装置后在CCD传感器10上成像，所述CCD传感器10将采集到的图像数据传送到显示系统20和图像处理模块30，所述显示系统20将收到的图像数据实时显示出来，所述图像处理模块30将图像数据分析处理后向驱动控制模块40输出相应的控制命令，所述驱动控制模块40驱动音圈电机2带动压环6在弹性薄膜54表面前后移动，所述压环6透过弹性薄膜54挤压胶体透镜53，来改变胶体透镜53表面曲率，进而改变变焦胶体透镜装置5焦距。

本发明工作原理如下：

本发明利用双胶合屈光物镜与胶体透镜作为屈光装置，通过模仿人眼角膜与晶状体的变焦特性，利用双胶合屈光物镜作为变焦透镜的第一透镜单元，模拟角膜功能，对光线进行预屈光，采用胶体透镜作为第二透镜单元，模拟人眼晶状体。通过在音圈电机两端分别装有物镜固定架和固定套筒，物镜固定架内装有双胶合屈光物镜，压环与音圈电机内环通过螺纹相联接，压环后端面与胶体透镜前表面相接触，固定套筒与胶体透镜壳体相连，音圈电机接收到外部输入的驱动信号后，音圈电机内环带动压环挤压胶体透镜前表面改变胶体透镜表面曲率，实现在设计要求的变焦范围内连续变焦。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种仿生变焦透镜，其特征在于：包括前端的双胶合屈光物镜（3）和后端的胶体透镜（5）；

所述的双胶合屈光物镜（3）作为变焦透镜的第一透镜单元，对光线进行预屈光，所述的双胶合屈光物镜（3）由低分散的双凸正透镜和高分散的凹凸负透镜粘接而成，其屈光度为40D；

所述胶体透镜（5）作为第二透镜单元，其在未受外力挤压时为平透镜，受外力挤压变形后成为平凸透镜，所述胶体透镜（5）屈光度最大为80D。

2.根据权利要求1所述的仿生变焦透镜，其特征在于：所述胶体透镜（5）由PDMS溶液与固化剂混合而成，胶体透镜（5）采用弹性渐变型结构，从底部到顶部分成多层，其胶体弹性逐层增强。

3.一种仿生变焦透镜驱动装置，其特征在于，包括上述任一权利要求中所述的仿生变焦透镜、壳体（8）、物镜固定架（1）、音圈电机（2）、固定套筒（4）和压环（6）；

    所述壳体（8）表面加工有带凹槽的凸台，固定套筒（4）通过所述凹槽与胶体透镜（5）联接，所述壳体（8）两端分别设置有透明底面（7）和弹性薄膜（9），所述胶体透镜（5）设置于透明底面（7）与弹性薄膜（9）之间；所述物镜固定架（1）安装于音圈电机（2）前端面，所述物镜（3）安装于物镜固定架（1）圆孔内，固定套筒（4）前端面固定于音圈电机（2）后端面，固定套筒（4）后端与壳体（8）表面的凸台相联结，所述压环（6）穿过固定套筒（4）内孔与音圈电机（2）内环通过螺纹相联结，压环（6）后端面与壳体（8）一端的弹性薄膜（9）相接触，所述压环（6）通过弹性薄膜（9）作用于胶体透镜（5）使得其前表面曲率发生变化。

4.一种视觉成像系统，其特征在于，包括：权利要求3所述的仿生变焦透镜驱动装置、CCD传感器（10）、图像处理模块（30）、驱动控制模块（40）和显示系统（20），光线经过所述仿生变焦透镜驱动装置后在CCD传感器（10）上成像，所述CCD传感器（10）将采集到的图像数据传送到显示系统（20）和图像处理模块（30），所述显示系统（20）将接收到的图像数据实时显示出来，所述图像处理模块（30）将图像数据分析处理后向驱动控制模块（40）输出相应的控制命令，所述驱动控制模块（40）驱动音圈电机（2）带动压环（6）通过弹性薄膜（9）挤压胶体透镜（5）来改变胶体透镜（5）表面曲率。