CN110850583A - 可反馈控制型液体变焦透镜及其焦距测量与反馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像领域，更具体地涉及一种可反馈控制型液体变焦透镜及其焦距测量与反馈系统。所述可反馈控制型液体变焦透镜可包括透镜腔体、环形敏感单元、弹性薄膜和透明盖板，所述透镜腔体设有与其内腔流体连通的液体流道，其下表面与所述透明盖板密封接合，上表面与所述弹性薄膜密封接合，所述透镜腔体内充满透明液体，所述环形敏感单元附着于所述弹性薄膜表面，用于检测所述透镜腔体内的液体压力变化导致所述弹性薄膜的曲率变化。本发明实现了透镜成像焦距的在线精确测量，整个系统结构简单，成本低，并且有利于载体设备的小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，更具体地涉及一种可反馈控制型液体变焦透镜及其焦距测量与反馈系统。
背景技术
焦距调节是相机成像的基本功能。传统的变焦光学系统由一系列焦距固定的透镜组成，利用光学元件结合复杂的运动实现变焦。变焦过程中需要对透镜组运动轨迹精确控制，操作复杂、可靠性低、体积大和成本高，难以满足机器视觉在智能制造装备中的成像需求。因此，近年来针对液体变焦透镜研究受到了大量的关注。液体透镜通过改变液体的表面曲率实现对出射光线偏折角度的控制，达到变焦目的。与传统机械变焦透镜相比，液体透镜结构简单，体积小巧，响应速度快，噪声小，成本低，集成度高等的优点，在生物医疗、机器人技术、智能制造等领域有着重要的应用价值。
机械驱动式液体变焦系统通过外部集成微流体泵、音圈马达、压电驱动器和形状记忆合金等流体压力控制装置，实现对透镜腔体内部液体压力的调节和透镜焦距的变化。其相对于电润湿和介电泳等电气驱动式液体变焦系统，具有结构简单，变焦范围大等特点，并且不受透镜内部填充液体的导电率和介电常数等电性质参数影响。
但是，机械驱动式液体变焦系统由于受到外部集成装置对透镜腔内液体压力控制精度的影响，比如压电驱动器和形状记忆合金的迟滞和蠕变现象，导致透镜焦距变化难于精确控制和保证，并且变焦重复精度较差。
发明内容
本发明旨在提供一种可反馈控制型液体变焦透镜及具有这种可反馈控制型液体变焦透镜的液体透镜焦距调节系统和液体透镜成像装置，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一方面，提供了一种可反馈控制型液体变焦透镜，可包括透镜腔体、环形敏感单元、弹性薄膜和透明盖板，所述透镜腔体设有与其内腔流体连通的液体流道，其下表面与所述透明盖板密封接合，上表面与所述弹性薄膜密封接合，所述透镜腔体内充满透明液体，所述环形敏感单元附着于所述弹性薄膜表面，用于检测所述透镜腔体内的液体压力变化导致所述弹性薄膜的曲率变化。
进一步地，所述环形敏感单元的圆心与所述弹性薄膜的中心重合。
进一步地，所述环形敏感单元采用直写、激光烧结或沉积生长工艺形成在所述弹性薄膜的圆周外侧上。
进一步地，所述环形敏感单元为电阻式、电容式或电压式敏感单元。
进一步地，所述环形敏感单元由石墨烯、碳纳米管或压电材料制成。
进一步地，所述弹性薄膜采用压合或粘接工艺贴合于所述透镜腔体。
进一步地，所述透明盖板粘接于所述透镜腔体。
根据本发明的另一方面，提供了一种液体透镜焦距调节系统，可包括可反馈控制型液体变焦透镜、透镜焦距控制模块、信号处理模块和成像焦距显示模块，所述可反馈控制型液体变焦透镜为如上所述的可反馈控制型液体变焦透镜，所述信号处理模块与所述环形敏感单元、透镜焦距控制模块和成像焦距显示模块电连接，用于对所述环形敏感单元的输出信号进行处理以得到实时焦距并显示在所述成像焦距显示模块上，以及将实时焦距值与设定目标值进行比较，输出反馈信号作用于所述透镜焦距控制模块，所述透镜焦距控制模块用于对所述可反馈控制型液体变焦透镜的焦距进行调节。
进一步地，所述透镜焦距控制模块可采用包括但不限于电磁驱动微量泵、压电驱动器、形状记忆合金、音圈马达等装置，通过电压/电流信号驱动实现对透镜腔内压力调节。
进一步地，所述液体透镜焦距调节系统还可包括图像采集处理模块和图像显示模块，所述图像采集处理模块用于对通过所述可反馈控制型液体变焦透镜的光信号进行采集、处理并显示在所述图像显示模块上。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：(1)将环形敏感单元布置于弹性薄膜表面，可以实现透镜成像焦距的在线精确测量；(2)实现了液体透镜闭环控制和焦距反馈补偿，相比于传统的开环控制系统，具有更高的焦距控制精度和重复度；(3)整个系统结构简单，成本低，并且有利于载体设备的小型化和集成化。
附图说明
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
图1是本发明的可反馈控制型液体变焦透镜的立体示意图；
图2是图1所示的可反馈控制型液体变焦透镜的分解图；
图3是本发明的液体透镜焦距调节及测量系统的原理框图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1和2所示，一种可反馈控制型液体变焦透镜1可包括透镜腔体11、环形敏感单元12、弹性薄膜13和透明盖板14，其中，透镜腔体11设有与其内腔111流体连通的液体流道112。液体流道112与外部供液装置(例如图3所示的透镜焦距控制模块6)流体连通，以将透明液体填充到透镜腔体11的内腔111中并通过改变内腔111的压力来实现焦距调节。透镜腔体11的下表面与透明盖板14密封接合，例如，采用粘接的方式；上表面与弹性薄膜13密封接合，例如，采用压合或粘接等工艺。环形敏感单元12附着于弹性薄膜13表面。环形敏感单元12具有良好的应变敏感特性，可检测到弹性薄膜13曲率引起的边缘受力的变化。具体地说，当透镜腔体11内的液体压力变化导致弹性薄膜13的曲率改变，环形敏感单元12输出的相应电信号。
环形敏感单元12的开口处为引脚121，用于与外部信号处理模块15(参见图3)连接。环形敏感单元12的应变检测原理不限于敏感单元体的电阻、电容及电压的变化，即，其可以是电阻式、电容式或电压式的敏感单元。环形敏感单元12例如可以由石墨烯、碳纳米管或压电材料等制成。具体地，环形敏感单元2可以采用直写、激光烧结或沉积生长等工艺布置于圆形弹性薄膜12上的圆周外侧。这里强调一下，环形敏感单元12的圆心应尽可能有弹性薄膜13的中心重合，以提高环形敏感单元12的准确性。
如图3所示，一种液体透镜焦距调节及测量系统可包括可反馈控制型液体变焦透镜1、信号处理模块2、透镜焦距控制模块3和成像焦距显示模块4。可反馈控制型液体变焦透镜1包括透镜腔体11、环形敏感单元12、弹性薄膜13和透明盖板14。它们的具体结构已在上文进行了描述。信号处理模块2与环形敏感单元12、透镜焦距控制模块3和成像焦距显示模块4电连接。透镜焦距控制模块3与透镜腔体11的液体流道112流体连通，控制透镜腔体11内液体的压力。具体地，透镜焦距控制模块3可采用包括但不限于电磁驱动微量泵、压电驱动器、形状记忆合金、音圈马达等装置，通过电压/电流信号驱动实现对透镜腔内压力调节。当液体压力变化，弹性薄膜13的曲率改变，敏感单元12输出信号，信号经过信号处理模块2处理(数模转换、信号放大、整流和滤波等)，并通过查表法获得实时焦距值，输出到成像焦距显示模块4显示；同时,将实时焦距值与目标值比较，输出反馈信号作用于透镜焦距控制模块3，实现焦距的反馈补偿。该液体透镜焦距调节系统实现了液体透镜闭环控制和焦距反馈补偿，相比于传统的开环控制系统，具有更高的焦距控制精度和重复度。
应该注意，本发明的液体透镜焦距调节系统在初次使用时需要标定，即确定驱动焦距控制模块3的驱动电信号、经过信号处理模块2处理后的敏感单元12的输出信号以及透镜焦距值之间的映射关系。
进一步地，所述液体透镜焦距调节及测量系统还可包括图像采集处理模块5和图像显示模块6。其中，图像采集处理模块5，可采用但不限于CCD和COMS相机，通过对光电信号的采集，并且经过滤波和放大处理后输出，通过图像显示模块6显示。应该理解，成像焦距显示模块5和图像显示模块6可以集成在一起，通常是一块LCD或LED屏等。整个液体透镜成像装置结构简单，成本低，并且有利于载体设备的小型化和集成化。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，包括透镜腔体、环形敏感单元、弹性薄膜和透明盖板，所述透镜腔体设有与其内腔流体连通的液体流道，其下表面与所述透明盖板密封接合，上表面与所述弹性薄膜密封接合，所述透镜腔体内充满透明液体，所述环形敏感单元附着于所述弹性薄膜表面，用于检测所述透镜腔体内的液体压力变化导致所述弹性薄膜的曲率变化。
2.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述环形敏感单元的圆心与所述弹性薄膜的中心重合。
3.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述环形敏感单元采用直写、激光烧结或沉积生长工艺形成在所述弹性薄膜的圆周外侧上。
4.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述环形敏感单元为电阻式、电容式或电压式敏感单元。
5.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述环形敏感单元由石墨烯、碳纳米管或压电材料制成。
6.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述弹性薄膜采用压合或粘接工艺贴合于所述透镜腔体。
7.如权利要求1所述的可反馈控制型液体变焦透镜，其特征在于，所述透明盖板粘接于所述透镜腔体。
8.一种液体透镜焦距调节及测量系统，其特征在于，包括可反馈控制型液体变焦透镜、透镜焦距控制模块、信号处理模块和成像焦距显示模块，所述可反馈控制型液体变焦透镜为如权利要求1至7中的任一项所述的可反馈控制型液体变焦透镜，所述信号处理模块与所述环形敏感单元、透镜焦距控制模块和成像焦距显示模块电连接，用于对所述环形敏感单元的输出信号进行处理以得到实时焦距并显示在所述成像焦距显示模块上，以及将实时焦距值与设定目标值进行比较，输出反馈信号作用于所述透镜焦距控制模块，所述透镜焦距控制模块用于对所述可反馈控制型液体变焦透镜的焦距进行调节。
9.如权利要求8所述的液体透镜焦距调节系统，其特征在于，所述透镜焦距控制模块包括电磁驱动微量泵、压电驱动器、形状记忆合金或音圈马达。
10.如权利要求8所述的液体透镜焦距调节系统，其特征在于，还包括图像采集处理模块和图像显示模块，所述图像采集处理模块用于对通过所述可反馈控制型液体变焦透镜的光信号进行采集、处理并显示在所述图像显示模块上。
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