CN106896432A - 一种自动变焦的仿生柔性镜头及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变焦的仿生柔性镜头及其应用，其中仿生柔性镜头包括：变形腔，由两透明或局部透明的介电弹性体薄膜连接围成；透明柔性导体，包覆在所述变形腔的外表面；透明导电液，密封在所述变形腔内，使两介电弹性体薄膜鼓出。本发明的仿生柔性镜头由柔性智能材料制成，不含有复杂的机械结构，通过柔性智能材料的本证应变即可实现焦距的灵活调整；仿生柔性镜头的变焦范围较宽，可作为人工晶状体进行应用，也可以在光学成像系统中进行应用；本发明的仿生柔性镜头结构简单，制作成本远低于现有技术。

Description

一种自动变焦的仿生柔性镜头及其应用

技术领域

本发明涉及光学与仿生学领域，尤其涉及一种自动变焦的仿生柔性镜头及其应用。

背景技术

据统计我国现有视力障碍人数约为1400万人，占人口总量的1％，与此同时现有医疗技术在恢复视力方面面临着一些考验，其中很大一部分来自硬件的不足。即现有的技术很难制造出与人体高度契合的晶状体、视网膜等视觉结构。因此研究者们将目光投向仿生学领域，对生物眼部工作原理进行了一些模仿，使视觉恢复技术获得一定进步。

现有人工晶状体主要通过硅胶、聚甲基丙烯酸甲酯、水凝胶等人工合成材料，在模具中制作出合适的焦距，再通过与患者本身视觉器官的融合，实现了单焦点人工晶状体。这种技术的一个主要问题在于晶状体焦距固定，不能同时满足看近、看远两个要求，灵活性较差。

同时近几年新兴的以美国Tetraflex可调节人工晶状体为代表的一系列多焦点人工晶状体也面临着适用条件苛刻、术后易产生眩晕等难题。同时因为现有技术都选择通过人体睫状肌的牵拉来实现人工晶状体的变焦，因此在睫状肌松弛的患者身上很难应用这些新兴技术。

再从可变焦镜头技术来看，现有的应用于摄影、摄像方面的光学镜头，在自动对焦方面一般采用电机(如音圈马达)移动透镜，改变镜头到CCD的位置，并通过图像分析，使镜头收敛到最清晰位置。

例如，公开号为CN103809225A的中国专利文献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。

然而这需要复杂的机械结构，在医用领域方面显然是难以实现的。

发明内容

本发明提供了一种自动变焦的仿生柔性镜头，不含有复杂的机械结构，可实现灵活变焦。

一种自动变焦的仿生柔性镜头，包括：

变形腔，由两透明或局部透明的介电弹性体薄膜连接围成；

透明柔性导体，包覆在所述变形腔的外表面；

透明导电液，密封在所述变形腔内，使两介电弹性体薄膜鼓出。

本发明中所述介电弹性体薄膜的局部透明是指围成变形腔的部位是透明的。介电弹性体薄膜是具有高介电常数的弹性体材料，其在外界电刺激下可改变形状或体积，当外界电刺激撤销后，又能恢复到原始形状或体积，从而产生应力和应变，将电能转换成机械能。

本发明的变形腔由介电弹性体薄膜围成，变形腔外表面的透明柔性导体和内部的透明导电液分别连接外电路的两端电极，在介电弹性体薄膜的两侧形成电势差，介电弹性体薄膜舒展，变形腔的曲率发生改变，从而实现仿生柔性镜头的自动变焦。

本发明不含有复杂的机械结构，通过改变施加在透明柔性导体和透明导电液之间的电压即可实现仿生柔性镜头的自动、灵活变焦。

本发明的仿生柔性镜头还包括：

固定框；

弹性固定膜，绷设在固定框上，中部设有镂空区域，所述的变形腔绷设在镂空区域内。

固定框采用刚度较大的材料制成，固定框和弹性固定膜用于固定仿生柔性镜头。变形腔绷设在镂空区域内，弹性固定膜对其有牵拉作用。对变形腔的介电弹性体薄膜两侧施加电压后，介电弹性体薄膜舒张，同时在弹性固定膜的拉力作用下，变形腔的形状发生变化，从而仿生柔性镜头的曲率发生变化，实现变焦。

作为优选，所述的介电弹性体薄膜为VHB膜。所述的介电弹性体薄膜均处于等双轴预拉伸的状态。

仿生柔性镜头焦距的变化范围与介电弹性体薄膜的厚度有关，介电弹性体薄膜越厚则在电场作用下的形变越大，仿生柔性镜头则拥有较大的焦距变化范围。

作为优选，所述的介电弹性体薄膜等双轴预拉伸前的厚度为0.5～2mm。进一步优选的，等双轴预拉伸的比为3×3，具体参数亦可根据实际情况调整。

作为优选，所述的介电弹性体薄膜由外电路提供驱动力；透明导电液连接外电路的正极，透明柔性导体接地。

包覆在变形腔外表面的透明柔性导体接地，而变形腔内部的透明导电液连接外电路的正极，可以增加仿生柔性镜头的安全性。

作为优选，所述的外电路电压为4kv～9kv。上述厚度的介电弹性体薄膜在实际使用时，外电路电压为4kv～9kv时效果较佳。外电路电压的具体大小需根据介电弹性体薄膜的厚度与目标焦距来进行确定。

作为优选，所述的透明柔性导体为导电凝胶。

作为优选，所述的透明导电液为水或海藻酸钠溶液。

海藻酸钠是一种天然多糖，具有稳定性、溶解性、粘性和安全性，其溶液还具有很强的导电性。为了兼顾透明度与导电性的要求，进一步优选的，所述的透明导电液为质量百分比浓度为0.3％～0.6％的海藻酸钠溶液。

作为优选，所述的变形腔上设有透明导电液出入口。

通过透明导电液出入口可以改变变形腔内透明导电液的量，从而调整变形腔的初始曲率和预拉伸比；使用后，还可以通过透明导电液出入口排出透明导电液，使介电弹性体薄膜恢复原始形状，延长介电弹性体薄膜的使用寿命。

本发明的仿生柔性镜头可作为人工晶状体进行应用；也可以在光学成像系统中进行应用。

本发明还提供了一种自动对焦的光学成像系统，包括：如上所述的自动变焦的仿生柔性镜头、摄像头、显示模块、图像处理模块和控制模块；

光线透过仿生柔性镜头后在摄像头上成像，摄像头将采集到的图像数据传送到显示模块和控制模块；

所述的显示模块将接收到的图像数据实时显示出来；

所述的图像处理模块将接收到的图像数据分析处理后向控制模块输出相应的控制命令；

控制模块根据控制命令改变向所述的介电弹性体薄膜所施加的电压大小调节介电弹性体薄膜的张力，改变所述的仿生柔性镜头的曲率，实现光学成像系统的自动对焦。

该光学成像系统结构简单，可实现自动对焦，且对焦精准。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的仿生柔性镜头由柔性智能材料制成，不含有复杂的机械结构，通过柔性智能材料的本证应变即可实现焦距的灵活调整；仿生柔性镜头的变焦范围较宽，可作为人工晶状体进行应用，也可以在光学成像系统中进行应用；本发明的仿生柔性镜头结构简单，制作成本远低于现有技术。

附图说明

图1为本发明的仿生柔性镜头的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的仿生柔性镜头包括：固定框1、弹性固定膜2和变形腔3。

固定框1，为圆环形，直径10cm，采用亚克力材质；弹性固定膜2为两张绷设在固定框1上的介电弹性体薄膜31，两张介电弹性体薄膜31外围通过硅胶相互粘合，两张介电弹性体薄膜31的中间围成变形腔3。介电弹性体薄膜31贴合在一起的部分作为弹性固定膜2将变形腔3固定在固定框1上。

介电弹性体薄膜31为3M公司的VHB膜，绷设在固定框1上时经过等双轴预拉伸，等双轴预拉伸比为3×3，等双轴预拉伸前的厚度为1mm。

变形腔3的直径为3cm，变形腔3的外表面涂覆有透明导电凝胶32，变形腔3内充入浓度为0.5％的海藻酸钠溶液33约5毫升，充入海藻酸钠溶液33后，变形腔3的两个面分别鼓出，变形腔3的初始焦距为7cm。

变形腔3设有导电液通道4，通过导电液通道4充入或排出海藻酸钠溶液，充入海藻酸钠溶液后密封导电液通道4。导电液通道4的内径为0.5mm。

透明导电凝胶32接地，变形腔3内部的海藻酸钠溶液连接外电路的正极，与外电路的正极形成等势体。

外电路的电压为4kV～9kV，采用自行升压的1.5V小容量电池，通过电压差进行控制，实际电流在微安级别，并且高压部分只在变形腔3内部，对使用者人身安全不会造成危害。

本发明的仿生柔性镜头的变焦原料如下：

通过外电路向海藻酸钠溶液33施加电压后，透明导电凝胶32带有负电荷，海藻酸钠溶液带有正电荷，正负电荷相互吸引对两层介电弹性体薄膜31形成了沿其平面法向的挤压作用，使得原本经过预拉伸的介电弹性体薄膜31变薄，面积增大，整体效果为介电弹性体薄膜31舒张，同时，外周没有施加电压的弹性固定膜2会对变形腔3的介电弹性体薄膜31产生拉力，同样使得变形腔3处的介电弹性体薄膜31舒张，变形腔3的形状发生改变，其曲率也发生变化，从而实现变焦。

当电压逐渐增大时，变形腔3处的介电弹性体薄膜31逐渐舒张，仿生柔性镜头的曲率半径逐渐增大，从而焦距随之增大；由于介电弹性体薄膜31处于等双轴预拉伸状态，具有回弹力，撤去电压后，仿生柔性镜头在介电弹性体的回弹力作用下逐渐恢复至初始设计的焦距。

本发明的仿生柔性镜头的整体重量不超过50g，焦距变化率可以达到60％以上，随着电压的增大，焦距变化越来越明显；当外加电压达到8kV时，焦距变化率可以达到60％，变焦范围可以覆盖远近不同像距的成像要求。

本发明的仿生柔性镜头可作为人工晶状体进行应用；也可以在光学成像系统中进行应用。

本发明还提供了一种自动对焦的光学成像系统，包括：如上所述的自动变焦的仿生柔性镜头、摄像头、显示模块、图像处理模块和控制模块；

光线透过仿生柔性镜头后在摄像头上成像，摄像头将采集到的图像数据传送到显示模块和控制模块；

所述的显示模块将接收到的图像数据实时显示出来；

所述的图像处理模块将接收到的图像数据分析处理后向控制模块输出相应的控制命令；

控制模块根据控制命令改变向所述的介电弹性体薄膜31所施加的电压大小调节介电弹性体薄膜31的张力，改变所述的仿生柔性镜头的曲率，实现光学成像系统的自动对焦。

该光学成像系统结构简单，通过图像分析算法对镜头成像进行分析后，可以控制电压使得镜头成像达到最清晰状态，从而模拟人眼实现自动对焦功能。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，包括：

变形腔，由两透明或局部透明的介电弹性体薄膜连接围成；

透明柔性导体，包覆在所述变形腔的外表面；

透明导电液，密封在所述变形腔内，使两介电弹性体薄膜鼓出。

2.根据权利要求1所述的自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，还包括：

固定框；

弹性固定膜，绷设在固定框上，中部设有镂空区域，所述的变形腔绷设在镂空区域内。

3.根据权利要求1所述的自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，所述的透明柔性导体为导电凝胶。

4.根据权利要求1所述的自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，所述的透明导电液为质量百分比浓度为0.3％～0.6％的海藻酸钠溶液。

5.根据权利要求1所述的自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，所述的介电弹性体薄膜由外电路提供驱动力；透明导电液连接外电路的正极，透明柔性导体接地。

6.根据权利要求1所述的自动变焦的仿生柔性镜头，其特征在于，所述的变形腔上设有透明导电液出入口。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的自动变焦的仿生柔性镜头作为人工晶状体的应用。

8.一种如权利要求1～6任一项所述的自动变焦的仿生柔性镜头在光学成像系统中的应用。

9.一种自动对焦的光学成像系统，其特征在于，包括：如权利要求1～6任一项所述的自动变焦的仿生柔性镜头、摄像头、显示模块、图像处理模块和控制模块；

光线透过仿生柔性镜头后在摄像头上成像，摄像头将采集到的图像数据传送到显示模块和控制模块；

所述的显示模块将接收到的图像数据实时显示出来；

所述的图像处理模块将接收到的图像数据分析处理后向控制模块输出相应的控制命令；

控制模块根据控制命令改变向所述的介电弹性体薄膜所施加的电压大小调节介电弹性体薄膜的张力，改变所述的仿生柔性镜头的曲率，实现光学成像系统的自动对焦。