CN106526720A - 聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统 - Google Patents

聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统 Download PDF

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程祥
阎华�
焦志伟
丁玉梅
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Abstract

本发明公开了一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，包括变焦微透镜和可调电压源，变焦微透镜通过导线和可调电压源的正负极连接构成闭合回路，通过改变可调电压源的输出电压可以控制变焦微透镜的焦距变化。变焦微透镜包括聚合物凝胶、正极、绝缘体和负极。正极、绝缘体和负极为一定厚度的同心圆环结构，由中心向外依次分布，且表面平齐，三者同一侧贴有圆形聚合物凝胶。正极和负极可由铜、银、石墨烯等高导电薄片或薄膜制成，绝缘体可由POM等不易变形的绝缘材料构成。本发明一种变焦微透镜系统利用具有电流变行为的聚合物凝胶作为透镜主体、自驱动方式实现变焦行为，不依托流体，稳定、方便、能耗低、成本低，结构简单，厚度薄，易于实现微型化。

Description

聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统
技术领域
本发明属于仿生制造领域，涉及到一种变焦微透镜领域，特别是基于聚合物凝胶的一种眼球仿生变焦微透镜系统。
背景技术
机器视觉用于代替人眼来测量和判断，已广泛应用于光学、电子、汽车制造、半导体、军事、航天等多个行业，涉及到计算机、人工智能、光机电一体化等多个领域。光学镜头作为机器视觉的核心，正朝着智能化、微型化、柔性化方向发展，目前其变焦方式主要通过多透镜组合的相对位置机械移动来实现，但这种方法结构复杂、体积庞大、操控困难、成本高、精度低而制约其应用。
国内外一些专家、学者相继开展变焦系统的研究，已取得一定的进展。主要在于三个方面：
一是通过一种或两种流体界面形状的控制来实现变焦，比如2011年比萨大学Federico Carpi博士等提出了利用介电弹性体驱动的仿生自适应透镜，仿照人眼结构，柔性电极通电使得夹有流体的介电弹性体变形从而实现焦距变化(Carpi,F.；Frediani,G.；Turco,S.；De Rossi,D.,Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like ElectroactiveElastomers.Advanced Functional Materials 2011,21(21),4152-4158)；
二是通过局部折射率变化实现变焦，比如2000年L.G.Commander等提出一种通过折射率变化的、由液晶组成的变焦透镜(Commander,L.G.；Day,S.E.；Selviah,D.R.,Variable focal length microlenses.Optics Communications 2000,177(1-6),157-170)。上述两种方法均能够实现变焦范围大、响应速度快、高分辨率等优点，但由于透镜系统内含流体容易造成流体泄露，这将大大降低透镜的使用周期，同时，外部驱动模块过大，占用空间大，不易得到应用推广。
三是利用电活性聚合物的应用替代上述流体的使用，但是这种方法不可避免需要用到透明电极，如聚(3,4–乙烯二氧噻吩)、铟锡氧化物等，这将限制变焦透镜的应用空间，夹持所产生的预应力减弱了电活性聚合物的寿命，并且，透镜的成像效果受到透明电极透明性的制约(Son,S.I.；Pugal,D.；Hwang,T.；Choi,H.R.；Koo,J.C.；Lee,Y.；Kim,K.；Nam,J.D.,Electromechanically driven variable-focus lens based on transparentdielectric elastomer.Appl Opt 2012,51(15),2987-96)。
发明内容
针对现有变焦透镜系统的不足，提出本发明的目的在于：提出一种不依赖流体、透明电极的自适应眼球仿生变焦微透镜系统，突破以往变焦系统的应用局限，实现变焦微透镜简单、灵活、稳定及微型化。
本发明的技术方案是利用具有电流变行为的聚合物凝胶作为透镜主体、并自驱动的方式，具体方案如下：一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，包括变焦微透镜和可调电压源，变焦微透镜通过导线和可调电压源的正负极连接构成闭合回路，通过改变可调电压源的输出电压可以控制变焦微透镜的焦距变化。变焦微透镜包括聚合物凝胶、正极、绝缘体和负极。正极、绝缘体和负极为一定厚度的同心圆环结构，由中心向外依次分布，且表面平齐，三者同一侧贴有圆形聚合物凝胶。正极含有直径小于10mm的通孔。聚合物凝胶可以是带有增塑剂的PVC凝胶等透明的电流变凝胶。正极和负极可由铜、银、石墨烯等高导电薄片或薄膜制成，绝缘体可由POM等不易变形的绝缘材料构成。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，变焦微透镜中正极、负极通电时，正极通孔处的聚合物凝胶往孔内发生蠕动变形，形成弯月形截面(上下表面曲率分别设为R1、R2)。由于蠕动变形造成通孔边界处凝胶镜片厚度h增大，使得R2>R1，根据透镜制造者公式，因此形成变焦凹透镜。随着电压的增加，R2>>R1，焦距将变得很小。平行光经过变焦微透镜时光线发散到不透明光屏上。绝缘体的存在，使聚合物凝胶集中向正极通孔中蠕动变形，而避免向正极侧面蠕动，可使正极孔内蠕动变形最大化，从而焦距变化最大。正负极之间的电压可调范围为可根据聚合物凝胶的材料而定，使得焦距变化范围为∞～0mm。由于通电功率小，能耗低。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，组合式透镜包括所述变焦微透镜、凸透镜、夹持装置和可调电压源。变焦微透镜和凸透镜为同轴布置，距离为L，由夹持装置结合在一起，夹持装置可以是固定结构，也可以是让变焦微透镜和凸透镜同轴移动变化距离的活动结构。通过移动变焦微透镜与凸透镜之间的距离L或者通过可调电压源调压控制变焦微透镜的焦距，可以使得组合式透镜的焦距会在凸透镜固有焦距基础上发生变化。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，焦距测量装置包括平行光源、支架、变焦微透镜、半透明光屏、CCD摄像机、壳体和电脑。平行光源、支架、半透明光屏的主体均为圆柱形结构、从左到右同轴分布。支架的中心含有圆孔，用于安装变焦微透镜。半透明光屏是由一定厚度的非遮光材料构成，使得CCD摄像机在右侧可录制像的变化。壳体用于安装平行光源、支架、半透明光屏以及CCD摄像机，并提供使各器件工作的电源装置、距离调节装置以及变焦微透镜调压装置。电脑连接CCD摄像机以获取实时数据。平行光源将平行光照射在安装有变焦微透镜的支架上，半透明光屏获得光斑像，通过右侧布置的CCD摄像机录制半透明光屏上光斑像的变化过程，电脑在预先设置好各工作件距离、CCD摄像机放大倍率、通电电压情形下通过软件实时显示焦距变化。通过焦距测量装置可得到不同电压下变焦微透镜焦距变化过程、响应速度及焦距稳定值。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其优点在于：(1)利用具有电流变行为的聚合物凝胶作为透镜主体、自驱动的方式实现变焦行为，不依托流体，稳定、方便、能耗低、成本低；(2)聚合物凝胶位于正负极同一侧，拆卸、安装方便，同时不需要透明电极的夹持，不产生预应力并不受透明电极透明性影响，结构简单，厚度薄，易于实现微型化；(3)绝缘体的使用，使得变形最大化，焦距变化范围从零到无穷远的大范围自动调节；(4)本系统含有测焦装置，能够实时反映焦距变化过程，并得到不同电压下变焦微透镜的响应速度及焦距稳定值，以便对变焦微透镜的使用提供参考。
附图说明
图1是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统示意图。
图2是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统的变形原理示意图。
图3是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统的大变形示意图。
图4是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统的成像原理示意图。
图5是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统的组合透镜系统示意图。
图6是本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统的焦距测量装置示意图。
图中：1-变焦微透镜，2-聚合物凝胶镜片，3-正极，4-绝缘体，5-负极，6-可调电压源，7-平行光，8-不透明光屏，9-凸透镜，10-夹持装置，11-可调电压源，12-平行光源，13-支架，14-半透明光屏，15-CCD摄像机，16-壳体，17-电脑。
具体实施方式
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，如图1所示，该系统包括变焦微透镜1和可调电压源6，变焦微透镜1通过导线和可调电压源6的正负极连接构成闭合回路，通过改变可调电压源6的输出电压可以控制变焦微透镜1的焦距变化。变焦微透镜1包括聚合物凝胶镜片2、正极3、绝缘体4和负极5。正极3、绝缘体4和负极5为一定厚度的同心圆环结构，由中心向外依次分布，且表面平齐，三者同一侧贴有圆形聚合物凝胶镜片2。正极3含有直径小于10mm的通孔。聚合物凝胶镜片2可以是带有增塑剂的PVC凝胶等透明的电流变凝胶。正极3和负极5可由铜、银、石墨烯等高导电薄片或薄膜制成，绝缘体4可由POM等不易变形的绝缘材料构成。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，如图2所示，变焦微透镜中正极3、负极5通电时，正极3通孔处的聚合物凝胶镜片2往孔内发生蠕动变形，形成弯月形截面(上下表面曲率分别设为R1、R2)。如图3所示，由于蠕动变形造成通孔边界处凝胶镜片厚度h增大，使得R2>R1，根据透镜制造者公式，因此形成变焦凹透镜。随着电压的增加，R2>>R1，焦距将变得很小。如图4所示，平行光7经过变焦微透镜1时光线发散到不透明光屏8上。绝缘体4的存在，使聚合物凝胶镜片2集中向正极3通孔中蠕动变形，而避免向正极3侧面蠕动，可使正极3孔内蠕动变形最大化，从而焦距变化最大。正负极之间的电压可调范围为可根据聚合物凝胶的材料而定，使得焦距变化范围为∞～0mm。比如一种PVC凝胶，通过电压范围0～1kV，使得焦距变化范围为∞～20mm。由于通电功率小，能耗低。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，如图5所示，组合式透镜包括所述变焦微透镜1、凸透镜9、夹持装置10和可调电压源11。变焦微透镜1和凸透镜9为同轴布置，距离为L，由夹持装置9结合在一起，夹持装置9可以是固定结构，也可以是让变焦微透镜1和凸透镜9同轴移动变化距离的活动结构，如丝杠螺母结构。通过移动变焦微透镜1与凸透镜9之间的距离L或者通过调电压源11调压控制变焦微透镜9的焦距，可以使得组合式透镜的焦距会在凸透镜固有焦距基础上发生变化。
本发明一种聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，如图6所示，焦距测量装置包括平行光源12、支架13、变焦微透镜1、半透明光屏14、CCD摄像机15、壳体16和电脑17。平行光源12、支架13、半透明光屏14的主体均为圆柱形结构、从左到右同轴分布。支架13的中心含有圆孔，用于安装变焦微透镜1。半透明光屏14是由一定厚度的非遮光材料构成，使得CCD摄像机15在右侧可录制像的变化。壳体16用于安装平行光源12、支架13、半透明光屏14以及CCD摄像机15，并提供使各器件工作的电源装置、距离调节装置以及变焦微透镜调压装置。电脑17连接CCD摄像机以获取实时数据。平行光源12将平行光照射在安装有变焦微透镜1的支架13上，半透明光屏14获得光斑像，通过右侧布置的CCD摄像机录制半透明光屏上光斑像的变化过程，电脑17在预先设置好各工作件距离、CCD摄像机放大倍率、通电电压情形下通过软件实时显示焦距变化。通过焦距测量装置可得到不同电压下变焦微透镜1焦距变化过程、响应速度及焦距稳定值。

Claims (7)

1.聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：包括变焦微透镜和可调电压源，变焦微透镜通过导线与可调电压源的正负极连接构成闭合回路，通过改变可调电压源的输出电压可以控制变焦微透镜的焦距变化；变焦微透镜包括聚合物凝胶、正极、绝缘体和负极，正极、绝缘体和负极为一定厚度的同心圆环结构，由中心向外依次分布，且表面平齐，三者同一侧贴有圆形聚合物凝胶，正极含有通孔。
2.根据权利要求1所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：正极含有直径小于10mm的通孔。
3.根据权利要求1所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：聚合物凝胶是带有增塑剂的PVC凝胶等透明的电流变凝胶。
4.根据权利要求1所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：正极和负极可由铜、银、石墨烯等高导电薄片或薄膜制成。
5.根据权利要求1所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：绝缘体可由POM等不易变形的绝缘材料构成。
6.根据权利要求1所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：在变焦微透镜一定距离处同轴布置凸透镜，并由夹持装置结合在一起构成组合透镜。
7.根据权利要求6所述的聚合物凝胶眼球仿生变焦微透镜系统，其特征在于：夹持装置是固定结构，或是让变焦微透镜和凸透镜同轴移动变化距离的活动结构。
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