CN108803016A - 基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统 - Google Patents

基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统，属于光学设计领域。本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，采用双焦距透镜实现窝区成像，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像。本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，包括物面、固定透镜、光阑、液体透镜、双焦距透镜和图像传感器，固定透镜位于物面和光阑之间，光阑位于固定透镜和液体透镜之间，液体透镜位于光阑和双焦距透镜之间，双焦距透镜位于液体透镜和图像传感器之间。本发明能够实现基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像，且具有结构简单和体积较小的优点。

Description

基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统，属于光学设计领域。
背景技术
大视场、高分辨率成像一直是成像领域追求的目标，传统的光学成像系统为了实现大视场和高分辨率，需要采用多个透镜组成，存在系统笨重，体积大，价格昂贵的缺点，基于人眼的窝区成像作为一种新型的大视场高分辨率成像系统，它能够对感兴趣的局部区域进行高分辨率成像，同时对大视场区域进行模糊成像，大大减小需要采集的图像数据。目前常用的窝区成像方法包括液晶空间光调制器、可变形镜、仿视网膜成像传感器以及可由多个不同分辨率的光路通道组成，但这些方法各自有各自的缺点，如液晶空间光调制器和可变形镜存在价格昂贵，控制系统复杂的缺点，仿视网膜成像传感器加工工艺难度较大，多个不同分辨率的光路通道的光路结构复杂，体积庞大，而且目前的窝区成像不能对不同距离的物体进行成像，即不能实现变焦功能。
发明内容
针对现有技术传统窝区成像存在的结构复杂、体积庞大、不能变焦的问题，本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统要解决的技术问题是：实现基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像，且具有结构简单和体积较小的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，采用双焦距透镜实现窝区成像，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像。
采用双焦距透镜实现窝区成像实现方法如下：通过设计双焦距透镜的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，其中，双焦距透镜中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上，然而双焦距透镜大视场区域的焦距使得大视场光线不满足高斯成像，无法高分辨率清晰成像在图像传感器上。即通过设计双焦距透镜实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。
本发明公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，包括物面、固定透镜、光阑、液体透镜、双焦距透镜和图像传感器。固定透镜位于物面和光阑之间，光阑位于固定透镜和液体透镜之间，液体透镜位于光阑和双焦距透镜之间，双焦距透镜位于液体透镜和图像传感器之间，其中双焦距透镜具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为边缘区域的焦距和中心区域的焦距。物面的小视场平行光线和小视场倾斜光线依次经过固定透镜、光圈、液体透镜、双焦距透镜后成像在图像传感器上，由于小视场平行光线和小视场倾斜光线只经过双焦距透镜的中心区域，通过设计双焦距透镜中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，成像点为小视场光线像点，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上。物面大视场平行光线和大视场倾斜光线在依次经过固定透镜、光圈、液体透镜、双焦距透镜后成像在图像传感器上。由于大视场平行光线和大视场倾斜光线只经过双焦距透镜的边缘区域，双焦距透镜的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，使得大视场光线不满足高斯成像，大视场平行光线像点和大视场倾斜光线像点不能聚焦在同一点，因而在图像传感器上成模糊像。物面上的小视场光线能够聚焦在图像传感器上，成清晰的高分辨率图像，而物面上的大视场光线无法清晰聚焦在图像传感器上，成模糊的低分辨率图像，实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。
双焦距透镜具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为较长的边缘区域焦距和较短的中心区域焦距。双焦距透镜左侧曲面的曲率半径为R1,双焦距透镜的右侧由两个不同曲率半径的曲面组成，分别为双焦距透镜右侧边缘曲面和双焦距透镜右侧中心曲面，双焦距透镜右侧边缘曲面的曲率半径为R2，双焦距透镜右侧中心曲面为R3，双焦距透镜的光学折射率为n，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧边缘曲面的距离为d1，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧中心曲面的距离为d2，双焦距透镜较长的边缘区域焦距f1和较短的中心区域焦距f2由公式(1)计算得到。
液体透镜由变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜和液体透镜右侧固定曲面组成，变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R4，液体透镜右侧固定曲面的曲率半径为R5，液体透镜的左右侧曲面距离为d3，液体的光学折射率为nl。当液体透镜在被施加驱动电压或者由外界提供压力后，左侧的高分子弹性薄膜将发生形变，即左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R4发生变化，从而导致液体透镜的焦距发生变化。变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R′4，液体透镜的左右侧曲面距离变为d4。液体透镜变焦前的焦距fl和焦距后的焦距f’l由式(2)计算得到。
当物面的位置发生变化时，物面移动后的小视场平行光线在依次经过固定透镜、光圈、液体透镜、双焦距透镜后成像在图像传感器上，成像点为小视场光线像点，然而物面移动后的小视场倾斜光线由于物距的变化，不满足高斯成像，因而成像在图像传感器上的点为未变焦小视场倾斜光线像点，小视场光线像点和未变焦小视场倾斜光线像点不在同一个点上，因此，移动后的物面的小视场光线不能清晰的成像在图像传感器上，图像质量将变得模糊。
当物面的位置未发生变化时，小视场平行光线和小视场倾斜光线在依次经过固定透镜、光圈、液体透镜、双焦距透镜后成像在图像传感器上，成像点为小视场光线像点。当物面的位置发生变化时，可通过高斯公式求得液体透镜焦距的变化量，从而施加驱动电压或者由外界提供压力，使得液体透镜的高分子弹性薄膜发生形变，变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径R4发生变化。移动后的物面小视场的平行光线和倾斜光线在依次经过固定透镜、光圈、变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜、双焦距透镜后成像在图像传感器上。由于重新调整液体透镜的焦距，使得移动后的物面仍然满足高斯成像，所以移动后的物面小视场的平行光线和倾斜光线的像点交为一点。因此，移动后的物面的小视场光线能够清晰的成像在图像传感器上，图像重新变得清晰，即实现双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像。
作为优选，为提高液体透镜的焦距调节速度，所述的液体透镜优选电动液体透镜。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，采用双焦距透镜实现窝区成像，相比于液晶空间光调制器、可变形镜、仿视网膜成像传感器和多个不同分辨率的光路通道等其他窝区成像方式，具有结构简单，体积小的特点。
2、本发明公开的一种基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像，即实现对不同物距的清晰窝区成像。
3、本发明公开的一种基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，采用电动液体透镜，能够提高液体透镜的焦距调节速度。
附图说明
图1为一种基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统的光路原理图；
图2为双焦距透镜原理图；
图3为液体透镜原理图；
图4为物距变化后，液体透镜未变焦的小视场光路图；
图5为物距变化后，液体透镜变焦的小视场光路图；
其中，1-物面、2-固定透镜、3-光阑、4-液体透镜、5-双焦距透镜、6-图像传感器、7-小视场平行光线、8-小视场倾斜光线、9-大视场平行光线、10-大视场边缘倾斜光线、11-小视场光线像点、12-大视场平行光线像点、13-大视场倾斜光线像点、14-双焦距透镜左侧曲面、15-双焦距透镜右侧边缘曲面、16-双焦距透镜右侧中心曲面、17-变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜、18-液体透镜右侧固定曲面、19-变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜、20-移动后的物面、21-物面移动后的小视场倾斜光线、22-未变焦小视场倾斜光线像点、23-变焦小视场光线像点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，采用双焦距透镜实现窝区成像，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像。
采用双焦距透镜实现窝区成像实现方法如下：通过设计双焦距透镜的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，其中，双焦距透镜中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上，然而双焦距透镜大视场区域的焦距使得大视场光线不满足高斯成像，无法满足高分辨率清晰成像在图像传感器上。即通过设计双焦距透镜实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。
实施例2：
图1为基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统的光路原理图，本实施例公开的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，包括物面1、固定透镜2、光阑3、液体透镜4、双焦距透镜5和图像传感器6。固定透镜2位于物面1和光阑3之间，光阑3位于固定透镜2和液体透镜4之间，液体透镜4位于光阑3和双焦距透镜5之间，双焦距透镜5位于液体透镜4和图像传感器6之间，其中双焦距透镜6具有两个不同的焦距。物面的小视场平行光线7和小视场倾斜光线8依次经过固定透镜2、光圈3、液体透镜4、双焦距透镜5后成像在图像传感器6上，由于小视场的这些光线只经过双焦距透镜5的中心区域，通过设计双焦距透镜5中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像公式，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上7，聚焦点为小视场光线像点11。而物面大视场平行光线9和大视场倾斜光线10在依次经过固定透镜2、光圈3、液体透镜4、双焦距透镜5后成像在图像传感器6上，由于大视场的这些光线只经过双焦距透镜5的边缘区域，双焦距透镜的边缘区域的焦距使得大视场光线不再满足高斯成像公式，大视场平行光线9成像点为大视场平行光线像点12，大视场边缘倾斜光线10成像点为大视场倾斜光线像点13，可以看出，大视场平行光线像点12和大视场倾斜光线像点13不能聚焦在同一点，因而在图像传感器上成模糊像。综述，物面1上的小视场光线可以较好的聚焦在图像传感器6上，成清晰的高分辨率图像，而物面1上的大视场光线不能很好的聚焦在图像传感器6上，成模糊的低分辨率图像，实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。
图2为双焦距透镜原理图，双焦距透镜5具有两个不同的焦距，边缘区域具有一个较长的焦距，中心区域具有一个较短的焦距。双焦距透镜左侧曲面14的曲率半径为R1,双焦距透镜5的右侧由两个不同曲率半径的曲面组成，分别为双焦距透镜右侧边缘曲面15和双焦距透镜右侧中心曲面16，双焦距透镜右侧边缘曲面15的曲率半径为R2，双焦距透镜右侧中心曲面16为R3，双焦距透镜5的光学折射率为n，双焦距透镜5的左边缘到双焦距透镜右侧边缘曲面15的距离为d1，双焦距透镜5的左边缘到双焦距透镜右侧中心曲面16的距离为d2，双焦距透镜较长的边缘区域焦距f1和较短的中心区域焦距f2由公式(3)计算得到。f1的取值范围为0～500mm，f2的取值范围为0～500mm。
图3为液体透镜原理图，液体透镜4由变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜17和液体透镜右侧固定曲面18组成，变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜17的曲率半径为R4，液体透镜右侧固定曲面18的曲率半径为R5，液体透镜4的左右侧曲面距离为d3，液体的光学折射率为nl。当液体透镜4在施加驱动电压或者由外界提供压力后，左侧的高分子弹性薄膜将发生形变，即曲率半径发生变化，从而导致液体透镜4的焦距发生变化。变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R′4，液体透镜4的左右侧曲面距离变为d4，液体透镜变焦前的焦距fl和焦距后的焦距f’l可由式(4)计算得到，fl的取值范围-200，+200mm,f’l的取值范围-200，+200mm。
图4为物距变化后，液体透镜未变焦的小视场光路图。当物面1的位置发生变化时，移动后的物面20的小视场平行光线7在依次经过固定透镜2、光圈3、液体透镜4、双焦距透镜5后成像在图像传感器6上，成像点为小视场光线像点11，然而物面移动后的小视场倾斜光线21由于物距的变化，不再满足高斯成像公式，因而成像在图像传感器6上的点为未变焦小视场倾斜光线像点22，由图2可知，小视场光线像点11和未变焦小视场倾斜光线像点22不在同一个点上，因此，移动后的物面20的小视场光线不能清晰的成像在图像传感器6上，图像质量将由原理的清晰变得模糊。
图5为物距变化后，液体透镜变焦的小视场光路图。当物面1的位置未发生变化时，小视场平行光线7和小视场倾斜光线8在依次经过固定透镜2、光圈3、液体透镜4、双焦距透镜5后成像在图像传感器6上，成像点为小视场光线像点11。当物面1的位置发生变化时，可通过高斯公式求得液体透镜4焦距的变化量，从而施加驱动电压或者由外界提供压力，使得液体透镜的高分子弹性薄膜发生形变，变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜19的曲率半径发生变化。移动后的物面20的小视场平行光线7和物面移动后的小视场倾斜光线21在依次经过固定透镜2、光圈3、变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜19、双焦距透镜5后成像在图像传感器6。由于重新调整了液体透镜4的焦距，使得移动后的物面20仍然满足高斯公式，所以移动后的物面20的小视场平行光线7和物面移动后的小视场倾斜光线21成像的像点交为一点，为变焦小视场光线像点23。因此移动后的物面20的小视场光线能够清晰的成像在图像传感器6上，图像重新变得清晰，即实现双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，其特征在于：采用双焦距透镜实现窝区成像，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像。
2.如权利要求1所述的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，其特征在于：采用双焦距透镜实现窝区成像实现方法如下，通过设计双焦距透镜的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，其中，双焦距透镜中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上，然而双焦距透镜大视场区域的焦距使得大视场光线不满足高斯成像，无法高分辨率清晰成像在图像传感器上；即通过设计双焦距透镜实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。
3.基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，其特征在于：包括物面(1)、固定透镜(2)、光阑(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)和图像传感器(6)；固定透镜(2)位于物面(1)和光阑(3)之间，光阑(3)位于固定透镜(2)和液体透镜(4)之间，液体透镜(4)位于光阑(3)和双焦距透镜(5)之间，双焦距透镜(5)位于液体透镜(4)和图像传感器(6)之间，其中双焦距透镜(5)具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为边缘区域的焦距和中心区域的焦距；物面的小视场平行光线(7)和小视场倾斜光线(8)依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，由于小视场平行光线(7)和小视场倾斜光线(8)只经过双焦距透镜(5)的中心区域，通过设计双焦距透镜(5)中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，成像点为小视场光线像点(11)，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上；物面大视场平行光线(9)和大视场倾斜光线(10)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上；由于大视场平行光线(9)和大视场倾斜光线(10)只经过双焦距透镜(5)的边缘区域，双焦距透镜(5)的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，使得大视场光线不满足高斯成像，大视场平行光线像点(12)和大视场倾斜光线像点(13)不能聚焦在同一点，因而在图像传感器(6)上成模糊像；物面上的小视场光线能够聚焦在图像传感器(6)上，成清晰的高分辨率图像，而物面上的大视场光线无法清晰聚焦在图像传感器(6)上，成模糊的低分辨率图像，实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像；
双焦距透镜(5)具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为较长的边缘区域焦距和较短的中心区域焦距；双焦距透镜左侧曲面(14)的曲率半径为R1,双焦距透镜的右侧由两个不同曲率半径的曲面组成，分别为双焦距透镜右侧边缘曲面(15)和双焦距透镜右侧中心曲面(16)，双焦距透镜右侧边缘曲面(15)的曲率半径为R2，双焦距透镜右侧中心曲面(16)为R3，双焦距透镜的光学折射率为n，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧边缘曲面的距离为d1，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧中心曲面的距离为d2，双焦距透镜较长的边缘区域焦距f1和较短的中心区域焦距f2由公式(1)计算得到；
液体透镜(4)由变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)和液体透镜右侧固定曲面(18)组成，变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)的曲率半径为R4，液体透镜右侧固定曲面(18)的曲率半径为R5，液体透镜的左右侧曲面距离为d3，液体的光学折射率为nl；当液体透镜(4)在被施加驱动电压或者由外界提供压力后，左侧的高分子弹性薄膜将发生形变，即左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R4发生变化，从而导致液体透镜的焦距发生变化；变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(19)的曲率半径为R′4，液体透镜的左右侧曲面距离变为d4；液体透镜变焦前的焦距fl和焦距后的焦距f’l由式(2)计算得到；
当物面的位置发生变化时，物面移动后的小视场平行光线(21)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，成像点为小视场光线像点，然而物面移动后的小视场倾斜光线(21)由于物距的变化，不满足高斯成像，因而成像在图像传感器上的点为未变焦小视场倾斜光线像点，小视场光线像点(11)和未变焦小视场倾斜光线像点(22)不在同一个点上，因此，移动后的物面的小视场光线不能清晰的成像在图像传感器上，图像质量将变得模糊；
当物面的位置未发生变化时，小视场平行光线(8)和小视场倾斜光线(9)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，成像点为小视场光线像点(8)；当物面的位置发生变化时，可通过高斯公式求得液体透镜(4)焦距的变化量，从而施加驱动电压或者由外界提供压力，使得液体透镜的高分子弹性薄膜发生形变，变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径R4发生变化；移动后的物面小视场的平行光线和倾斜光线在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上；由于重新调整液体透镜(4)的焦距，使得移动后的物面(20)仍然满足高斯成像，所以移动后的物面(20)小视场的平行光线(21)和倾斜光线的像点交为一点；因此，移动后的物面(20)的小视场光线能够清晰的成像在图像传感器上，图像重新变得清晰，即实现双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像。
4.如权利要求3所述的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，其特征在于：所述的液体透镜(4)为电动液体透镜。
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