CN105842763B - 一种仿生固液混合可调透镜及其调焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生固液混合可调透镜及其调焦装置，包括双凸内透镜、内支撑环、弹性薄膜和光学液体组成的仿生固液混合可调透镜，以及弹性圈、固定环、转环、上盖、下盖及设于固定环和转环内的活动叶片组成的调焦装置；通过转环的转动带动叶片转动挤压弹性圈，弹性椭球状薄膜内的光学液体在弹性圈的挤压下朝薄膜前后端面集中，引起薄膜前后表面发生形变，实现透镜系统的连续变焦。本发明模拟人眼的结构特点与调节机理，利用多层固液混合介质作为可调透镜的屈光单元，利用叶片与弹性圈调节装置模拟人眼睫状肌，具有结构紧凑、光轴稳定、变焦范围大、操作方便、成本低的特点，可广泛应用于各种现代光学成像系统及机器人视觉中。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器视觉技术，尤其是涉及一种仿生固液混合可调透镜及其调焦装置。
背景技术
随着科技的不断发展，人们对微型化、集成化、便携式的新型机器视觉设备的需要日益增长。可调透镜及其调焦装置是机器视觉设备的关键元件，在新型光学系统设计中占据重要的地位。传统的变焦系统多采用不同的凹凸透镜组成变焦透镜组，通过电机驱动不同透镜组前后移动来调节焦距，这种方式往往结构复杂、尺寸较大、易磨损、变焦范围有限、灵活性差，要实现大范围的变焦往往需要更换不同的透镜组合。经过长期的进化，人眼视觉系统形成了精密的生理结构，有着独特的调节机理。人眼主要是通过睫状肌的松弛与收缩来控制晶状体的形状，进而改变其表面曲率，使得观察目标聚焦于视网膜上。眼球的光学介质主要由角膜、房水、晶状体组成，是一个多层的固液混合结构，有着良好的光轴稳定性与成像效果。研究人眼的结构特点，设计新型仿生可调透镜及其驱动装置，对机器视觉技术的发展和新型光学系统设计有着十分重要的意义。
现有技术中公开了一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜及其像差校正方法（授权公告号：CN103576217 B），其利用光学液体和多层弹性薄膜作为屈光单元，通过柱塞装置控制光学液体的注入来调节焦距，该技术可有效的校正像差，但是未考虑人眼具有固液混合的多层结构，通过角膜、房水、晶状体进行综合变焦的特性，透镜中主要采用光学液体作为屈光介质，影响光轴的稳定性和系统的可靠性，采用柱塞装置控制光学液体的注入来实现变焦，控制精度、响应速度难以保证，装置的整体尺寸难以满足集成化的需要。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种仿生固液混合可调透镜及其调焦装置，模拟人眼的结构特点与调节机理，利用双凸内透镜、支撑环、光学液体和弹性椭球状薄膜组成多层固液混合的光学结构，提高光学系统的光轴稳定性、可靠性与成像质量；利用叶片与弹性圈调节装置模拟人眼睫状肌，并以此控制可调透镜的表面形变来调节系统的焦距，采用集成化的传动与连接机构，实现了整个调焦装置的微型化、集成化与通用性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种仿生固液混合可调透镜，包括双凸内透镜、内支撑环、弹性薄膜和光学液体；
所述内支撑环由前内支撑环和后内支撑环组成，所述双凸内透镜固定于所述内支撑环内，所述弹性薄膜包裹所述内支撑环，并与所述内支撑环的侧面粘接，形成弹性薄膜和内支撑环的外缘围成的外腔，以及弹性薄膜、内支撑环的内缘及双凸内透镜围成的两个内腔，所述外腔和两个内腔内均充满光学液体，所述前内支撑环和后内支撑环的环体上设有若干个通孔，所述光学液体经所述通孔在外腔和两个内腔之间流动。
进一步的，所述双凸内透镜采用BK7玻璃制成。
进一步的，所述弹性薄膜由有机硅材料制成，且围成所述内腔的区域弹性强且较薄，围成所述外腔的区域弹性弱且较厚。
一种仿生固液混合可调透镜的调焦装置，包括上述的仿生固液混合可调透镜，以及弹性圈、固定环、转环、上盖和下盖；
所述弹性圈套设于所述仿生固液混合可调透镜上，并将所述仿生固液混合可调透镜的中径包围；
所述固定环和转环套设于所述弹性圈上，所述固定环和转环之间活动安装有N个弧形叶片，所述N个叶片的内缘围成圆形，环绕所述弹性圈，所述转环旋转时带动所述N个叶片转动并挤压所述弹性圈；
所述下盖与所述固定环联接，所述上盖与所述转环联接，所述下盖和上盖的中心处开有通光孔，供光线通过所述仿生固液混合可调透镜。
优选的，所述固定环上设有N个柱形孔和一个环形凹槽；所述叶片的上表面设有传动销，下表面设有固定柱，所述固定柱与所述固定环上的柱形孔相匹配，将叶片活动安装于固定环上；所述转环上设有N个狭槽，所述狭槽与所述叶片上的传动销相匹配，使得所述转环旋转时带动所述N个叶片转动并挤压所述弹性圈。
优选的，所述固定环与所述转环于边缘的联接处分别设有凸起/凹槽，并通过所述凸起/凹槽活动联接。
优选的，所述下盖与所述仿生固液混合可调透镜在接触面处胶接，并通过设于下盖内缘的弧形凹槽和设于固定环外缘的环形凸起与所述固定环联接。所述上盖与所述仿生固液混合可调透镜在接触面处胶接，并通过设于上盖内缘的弧形凹槽和设于转环外缘的环形凸起与所述转环联接。
优选的，所述叶片的数目N的取值范围为：6≤N≤12。
进一步的，所述转环的边缘设有凸起的传动部，所述传动部的外缘上设有齿条。
本发明的工作原理如下：模拟人眼的结构特点与调节机理，利用多层固液混合介质作为可调透镜的屈光单元。进一步的，利用叶片与弹性圈调节装置模拟人眼睫状肌，叶片的传动销可在狭槽内随着转环的转动而移动，弹性圈安装于叶片所围成的圆环内，并将弹性椭球状薄膜中径包围，转环的转动会带动叶片转动，改变多个叶片所围成面积，进而改变弹性圈的直径，弹性椭球状薄膜内的光学液体在弹性圈的挤压下朝薄膜前后端面集中，引起薄膜前后表面发生形变，实现透镜系统的连续变焦。
本发明还提供了一种光学成像系统，包括：如上所述的调焦装置，以及齿轮驱动模块、CMOS传感器、图像处理模块和显示模块，光线经过所述调焦装置中的仿生固液混合透镜后，成像于CMOS传感器上，所述CMOS传感器将图像信息传送至图像处理模块和显示模块，所述图像处理模块分析处理所述图像信息，并向所述齿轮驱动模块发送控制命令，驱动所述调焦装置挤压其内部的仿生固液混合透镜，改变所述仿生固液混合透镜的表面形状，所述显示模块用于实时显示接受到的图像信息。
本发明的仿生固液混合可调透镜及其调焦装置，模拟人眼的结构特点与调节机理，利用双凸内透镜、支撑环、光学液体和弹性椭球状薄膜组成多层固液混合的光学结构，提高了光学系统的光轴稳定性、可靠性与成像质量；利用叶片与弹性圈调节装置模拟人眼睫状肌，并以此控制可调透镜的表面形变来调节系统的焦距，能够在设计要求的变焦范围内实现连续变焦。本发明的仿生固液混合可调透镜及其调焦装置体积小、质量轻、光轴稳定、变焦范围大，且操作方便、成本低、易于加工，可广泛应用于各种现代光学成像系统及机器人视觉中。
附图说明
图1是本发明的仿生固液混合可调透镜的一个实施例的剖视图；
图2是图1中实施例的轴测图；
图3是图1实施例中支撑环的轴测图；
图4是本发明的仿生固液混合可调透镜及其调焦装置的实施例的立体视图；
图5是图4中实施例的分离视图；
图6是图4实施例中叶片的立体视图；
图7图4实施例中叶片与固定环的装配示意图；
图8是图4实施例中转环的立体视图；
图9是本发明的光学成像系统的结构组成示意图；
附图标记说明：1-仿生固液混合可调透镜，11-双凸内透镜，12内支撑环，121-前内支撑环，122-后内支撑环，123-通孔，13-弹性薄膜，141-外腔，142-内腔，2-下盖，3-固定环，4-叶片，41-固定柱，42-传动销，5-转环，51-狭槽，52-传动部，6-弹性圈，7-上盖，8-齿轮驱动模块，9-CMOS传感器，10-图像处理模块，11-显示模块。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1-3所示，在本发明的一个实施例中，一种仿生固液混合可调透镜，包括双凸内透镜11、内支撑环12、弹性椭球状薄膜13和光学液体；所述的内支撑环12由前内支撑环121和后内支撑环122组成，前内支撑环121和后内支撑环122侧面均开有8个通孔123。双凸内透镜11安装在内支撑环12内部的凹槽里。弹性薄膜13包裹内支撑环12，并与内支撑环12的侧面粘接，从而形成弹性薄膜13和内支撑环12的外缘围成的外腔141，以及弹性薄膜13、内支撑环12的内缘及双凸内透镜11围成的两个内腔142。外腔141和两个内腔142内均充满光学液体，光学液体可以经过通孔123在外腔141和两个内腔142之间流动。
本实施例中的仿生固液混合可调透镜模拟人眼的的结构特点，采用固液混合多层介质作为屈光单元，利用弹性椭球状薄膜的表面形变调节焦距，提高了光学系统的光轴稳定性、可靠性与成像质量。
作为优选方案，双凸内透镜11采用BK7玻璃制成，弹性薄膜13由有机硅（PDMS）材料制成，且薄膜通光区域较薄，周边区域较厚，弹性中间强周边弱，以保证受到弹性圈挤压时，形变主要发生在弹性椭球状薄膜的中间区域。
如附图4-8所示，本发明的另一个实施例提供了一种仿生固液混合透镜调焦装置，包括上述的仿生固液混合可调透镜1、下盖2、固定环3、转环5、弹性圈6、上盖7以及安装于固定环3和转环5内的叶片4。所述的下盖7与仿生固液混合可调透镜1下端面结合处相联结，下盖7上开有两个弧形凹槽，固定环3安装于下盖7上，固定环3上开有多个柱形孔和一个环形凹槽，多个叶片4通过固定柱安装于固定环3上，转环5安装于叶片上方，上固定环7安装于转环5上方，并与仿生固液混合可调透镜1的上端面结合处相联结，转环5上开有多个狭槽51，叶片4的传动销可在狭槽51内随着转环5的转动而移动，弹性圈6安装于叶片4所围成的圆环内，并将仿生固液混合可调透镜1的中径包围。固定环3上开有多个柱形孔，在其下表面加工有一个环形凸起；所述的转环5上开有多个狭槽，在前后表面加工有两个环形凸起。所述的叶片4为圆弧形，且前后表面分别加工有固定柱41和传动销42，优选的，叶片4的数目为6到12个。椭球状弹性薄膜13与内支撑环12、上盖7、下盖1接触处采用紫外线胶进行粘结固定。转换的凸起与固定环的凹槽相互配合，使得转换可以沿着凹槽转动。
本实施例中的调焦装置通过模拟人眼的结构特点与调节机理，利用叶片与弹性圈调节装置模拟人眼睫状肌，采用集成化的传动与连接机构，设计特定的转环叶片传动装置，并以此控制可调透镜的表面形变来调节系统的焦距，实现了整个调焦装置的微型化、集成化与通用性。
附图9为本发明中采用上述仿生固液混合可调透镜及其调教装置的光学成像系统的一实施例，包括上述的调焦装置及其中的仿生固液混合可调透镜1、齿轮驱动模块8、CMOS传感器9、图像处理模块10、显示模块11，光线经过所述仿生固液混合透镜1后，成像于CMOS传感器9上，所述的CMOS传感器9将图像信息传送至图像处理模块10和显示模块11，所述的图像处理模块10将图像信息进行分析处理后，向齿轮驱动模块8发送控制命令，驱动调焦装置挤压仿生固液混合透镜1，进而改变仿生固液混合透镜1的表面形状，所述的显示模块11则将所接受到的图像信息实时显示。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种仿生固液混合可调透镜，其特征在于：包括双凸内透镜（11）、内支撑环（12）、弹性薄膜（13）和光学液体（14）；
所述内支撑环（12）由前内支撑环（121）和后内支撑环（122）组成，所述双凸内透镜（11）固定于所述内支撑环（12）内，所述弹性薄膜（13）包裹所述内支撑环（12），并与所述内支撑环（12）的侧面粘接，形成弹性薄膜（13）和内支撑环（12）的外缘围成的外腔（141），以及弹性薄膜（13）、内支撑环（12）的内缘及双凸内透镜（11）围成的两个内腔（142），所述外腔（141）和两个内腔（142）内均充满光学液体，所述前内支撑环（121）和后内支撑环（122）的环体上设有若干个通孔（123），所述光学液体经所述通孔（123）在外腔（141）和两个内腔（142）之间流动。
2.如权利要求1所述的仿生固液混合可调透镜，其特征在于：所述双凸内透镜（11）采用BK7玻璃制成。
3.如权利要求1所述的仿生固液混合可调透镜，其特征在于：所述弹性薄膜（13）由有机硅材料制成，且围成所述内腔（142）的区域弹性强且较薄，围成所述外腔（141）的区域弹性弱且较厚。
4.一种仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：包括权利要求1-3任一项所述的仿生固液混合可调透镜（1），以及弹性圈（6）、固定环（3）、转环（5）、上盖（7）和下盖（2）；
所述弹性圈（6）套设于所述仿生固液混合可调透镜（1）上，并将所述仿生固液混合可调透镜（1）的中径包围；
所述固定环（3）和转环（5）套设于所述弹性圈（6）上，所述固定环（3）和转环（5）之间活动安装有N个弧形叶片（4），所述N个叶片的内缘围成圆形，环绕所述弹性圈（6），所述转环（5）旋转时带动所述N个叶片转动并挤压所述弹性圈（6）；
所述下盖（2）与所述固定环（3）联接，所述上盖（7）与所述转环（5）联接，所述下盖（2）和上盖（7）的中心处开有通光孔，供光线通过所述仿生固液混合可调透镜（1）。
5.如权利要求4所述的仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：所述固定环（3）上设有N个柱形孔；所述叶片（4）的上表面设有传动销（42），下表面设有固定柱（41），所述固定柱（41）与所述固定环（3）上的柱形孔相匹配，将叶片（4）活动安装于固定环（3）上；所述转环（5）上设有N个狭槽（51），所述狭槽（51）与所述叶片（4）上的传动销（42）相匹配，使得所述转环（5）旋转时带动所述N个叶片转动并挤压所述弹性圈（6）。
6.如权利要求5所述的仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：所述固定环（3）与所述转环（5）于边缘的联接处分别设有凸起/凹槽，并通过所述凸起/凹槽活动联接。
7.如权利要求6所述的仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：所述下盖（2）与所述仿生固液混合可调透镜（1）在接触面处胶接，并通过设于下盖（2）边缘的弧形凹槽和设于固定环（3）边缘的环形凸起与所述固定环（3）联接；所述上盖（7）与所述仿生固液混合可调透镜（1）在接触面处胶接，并通过设于上盖（7）内缘的弧形凹槽和设于转环（5）外缘的环形凸起与所述转环（5）联接。
8.如权利要求4-7任一项所述的仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：所述叶片（4）的数目N的取值范围为：6≤N≤12。
9.如权利要求8所述的仿生固液混合可调透镜的调焦装置，其特征在于：所述转环（5）的边缘设有凸起的传动部（52），所述传动部（52）的外缘上设有齿条。
10.一种光学成像系统，其特征在于，包括：权利要求4-9任一项所述的调焦装置，以及齿轮驱动模块（8）、CMOS传感器（9）、图像处理模块（10）和显示模块（11），光线经过所述调焦装置中的仿生固液混合透镜（1）后，成像于CMOS传感器（9）上，所述CMOS传感器（9）将图像信息传送至图像处理模块（10）和显示模块（11），所述图像处理模块（10）分析处理所述图像信息，并向所述齿轮驱动模块（8）发送控制命令，驱动所述调焦装置挤压其内部的仿生固液混合透镜（1），改变所述仿生固液混合透镜（1）的表面形状，所述显示模块（11）用于实时显示接受到的图像信息。
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