仿晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，包括外殼及設(shè)于外殼內(nèi)的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡，所述第三透鏡單元包括后置透鏡，所述第二透鏡單元依次包括壓環(huán)一、透鏡一、壓環(huán)二、透鏡二、壓環(huán)三、透鏡三、壓環(huán)四、透鏡四及壓環(huán)五，及形成于其間的第一、第二、第三密封腔，所述密封腔內(nèi)盛有光學(xué)液體。本發(fā)明的變焦透鏡通過注入或抽出密封腔內(nèi)的光學(xué)液體來改變透明彈性透鏡的表面曲率半徑，從而實現(xiàn)在設(shè)計要求的變焦范圍內(nèi)連續(xù)變焦。本發(fā)明具有體積小、成像質(zhì)量高、光軸穩(wěn)定、操作方便、易加工等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代成像系統(tǒng)。
【專利說明】
仿晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種仿生機(jī)器視覺裝置，尤其涉及一種仿晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能化、微型化、集成化的需求日趨增強(qiáng)，仿生機(jī)器人技術(shù)日益受到關(guān)注，已成為工程科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向。其原理為通過對生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、運作機(jī)制及控制原理的學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造，來改進(jìn)現(xiàn)有或創(chuàng)造全新的機(jī)械、儀器、加工工藝等。仿生機(jī)器人集眾多高科技于一身，其應(yīng)用不僅從制造領(lǐng)域走向非制造領(lǐng)域，而且正以驚人的速度不斷向軍事、防暴、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等非工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展。
[0003]對機(jī)器人而言，視覺是一種非常重要的感知手段。傳統(tǒng)的變焦或調(diào)焦，需要采用特殊的驅(qū)動電機(jī)對獨立組件的機(jī)械位置提供精準(zhǔn)的控制，實現(xiàn)獨立組件沿著精確計算的軌跡移動，來調(diào)整各光學(xué)組件之間的光學(xué)距離。因此傳統(tǒng)的變焦透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)速度有限，而且成本較高。在微型化過程中，傳統(tǒng)的變焦透鏡其表面和容積之比增大，使得摩擦的影響變得顯著，給微型化帶來困難。無可置否，人眼不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且無論是結(jié)構(gòu)尺寸、響應(yīng)速度，還是所具備的各項非凡功能，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前人工制造的任何一種成像設(shè)備。其非常關(guān)鍵的一個原因在于，人眼晶狀體所具備的各種特性。晶狀體借助睫狀肌的收縮或放松的調(diào)節(jié)，能夠改變其前后表面的曲率半徑，從而改變?nèi)搜鄣那舛?，使不同距離的物體都能成像在視網(wǎng)膜上。但是，根據(jù)現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)研究成果，晶狀體前后表面的變化幅度非常小，而且在焦距發(fā)生變化的過程中，人眼成像質(zhì)量沒有下降。非常重要的一個原因在于，晶狀體是由多層薄膜構(gòu)成，且其折射率從外層向內(nèi)層逐漸增加，呈梯度分布。
[0004]近年來，國內(nèi)外很多研究者提出了仿生變焦透鏡，其變焦原理就是基于人眼改變表面曲率半徑的機(jī)理，具有體積小、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。但是現(xiàn)有的設(shè)計均為考慮晶狀體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時存在設(shè)計自由度少，成像質(zhì)量不夠理想等不足，使得仿生變焦透鏡還無法與傳統(tǒng)的變焦透鏡相比擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種仿晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，利用透明彈性透鏡和光學(xué)液體，模仿人眼晶狀體的層狀結(jié)構(gòu)，提供更大的光學(xué)設(shè)計自由度，采用對稱式光學(xué)結(jié)構(gòu)，完善仿生變焦透鏡技術(shù)，提高成像質(zhì)量。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，包括外殼及設(shè)于外殼內(nèi)的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡，所述第三透鏡單元包括后置透鏡，所述第二透鏡單元依次包括壓環(huán)一、透鏡一、壓環(huán)二、透鏡二、壓環(huán)三、透鏡三、壓環(huán)四、透鏡四及壓環(huán)五，其中，透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四均為透明彈性透鏡； 所述透鏡一、透鏡二及壓環(huán)二構(gòu)成第一密封腔，所述透鏡二、透鏡三及壓環(huán)三構(gòu)成第二密封腔，所述透鏡三、透鏡四及壓環(huán)四構(gòu)成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分別通過設(shè)于壓環(huán)二和壓環(huán)四上的通孔及外殼上的通道連通塞柱一，所述第二密封腔通過設(shè)于壓環(huán)三上的通孔及外殼上的通道連通塞柱二 ；所述壓環(huán)三內(nèi)設(shè)有光闌，所述光闌位于第二透鏡單元的中心處，作為所述變焦透鏡的視場光闌；
所述塞柱一內(nèi)盛有光學(xué)液體一，所述光學(xué)液體一通過塞柱一的活塞作用進(jìn)入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二內(nèi)盛有光學(xué)液體二，所述光學(xué)液體二通過塞柱二的活塞作用進(jìn)入或排出所述第二密封腔。
[0007]進(jìn)一步的，所述光學(xué)液體一和光學(xué)液體二具有不同的折射率，滿足條件:Nqi〈Nq2，其中Nq1是光學(xué)液體一的折射率，Nq2是光學(xué)液體二的折射率；所述透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四采用同一種材料制成，具有相同的折射率Ns，且滿足條件:Nqi〈NS〈Nq2。
[0008]進(jìn)一步的，所述透鏡一、透鏡二、透鏡三、透鏡四的前后表面均為拋物面，每個拋物面的形狀和邊緣厚度根據(jù)光學(xué)設(shè)計要求進(jìn)行優(yōu)化計算，且滿足:各透鏡相對于壓環(huán)三向外凸起。
[0009]優(yōu)選的，所述前置透鏡安裝在外殼前端的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)一固定。
[0010]優(yōu)選的，所述第二透鏡單元通過塞子和外殼的螺紋配合安裝固定于外殼內(nèi)部。
[0011]優(yōu)選的，所述后置透鏡安裝在塞子的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)六通過螺釘固定。
[0012]優(yōu)選的，所述壓環(huán)二和壓環(huán)四上的通孔設(shè)于同一側(cè)，且與設(shè)于外殼內(nèi)側(cè)壁上的凹槽相對，構(gòu)成所述光學(xué)液體一的通道。
[0013]優(yōu)選的，所述壓環(huán)三上的通孔與設(shè)于外殼上的一個通孔相對，構(gòu)成所述光學(xué)液體二的通道。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
首先，本發(fā)明中透明彈性透鏡前后表面的初始曲率半徑和厚度均為設(shè)計變量，可以根據(jù)光學(xué)設(shè)計要求進(jìn)行優(yōu)化計算；共采用了四個透明彈性透鏡，可以為光學(xué)設(shè)計額外提供12個設(shè)計自由度。
[0015]其次，本發(fā)明中透明彈性透鏡前后表面均為拋物面；采用非球面能夠有效降低初級像差，進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，同時，拋物面不僅符合實際形變，能夠得到較理想的結(jié)果，而且便于加工。
[0016]再次，本發(fā)明中的透鏡組由前置透鏡、后置透鏡和四個透明彈性透鏡組成，并把視場光闌放置在整個變焦透鏡的中心區(qū)域，將變焦透鏡設(shè)計成為對稱式光學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠有效降低軸外像差，提高成像質(zhì)量。
[0017]本發(fā)明的變焦透鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)計要求的變焦范圍內(nèi)連續(xù)變焦，具有體積小、成像質(zhì)量高、光軸穩(wěn)定、操作方便、易加工等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代成像系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的變焦透鏡的一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中實施例的整體3D爆炸圖；
圖3是圖1中實施例的整體結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖4是圖1中實施例的外殼的左視圖和剖視圖； 圖5是圖1中實施例的壓環(huán)二的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖6是圖1中實施例的壓環(huán)三的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖7是圖1中實施例的壓環(huán)四的前視圖、左視圖和剖視圖；
圖8是圖1中實施例的前置透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9是圖1中實施例的后置透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10是圖1中實施例的透鏡一的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖標(biāo)記說明:1_前置透鏡；2_透鏡一 ；3_透鏡二 ；4_透鏡三；5_透鏡四；6-后置透鏡'7-螺釘；8_塞子；9_外殼；10_壓環(huán)一 ；11_壓環(huán)二 ；12_壓環(huán)三；13_壓環(huán)四；14_壓環(huán)五；15_壓環(huán)六；16_柱塞一 ；17_柱塞二 ；18_光學(xué)液體一 ；19_光學(xué)液體二。
【具體實施方式】
[0019]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0020]下面通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]如圖1至圖10所示，在本發(fā)明的一個實施例中，一種仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡由外殼9、壓環(huán)一 10、壓環(huán)二 11、壓環(huán)三12、壓環(huán)四13、壓環(huán)五14、壓環(huán)六15、塞子、柱塞一 16、柱塞二 17、前置透鏡1、后置透鏡6、透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4、透鏡四5以及光學(xué)液體一 18和光學(xué)液體二 19組成。其中，前置透鏡I作為變焦透鏡的第一透鏡單元。透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4、透鏡四5、光學(xué)液體一 18和光學(xué)液體二 19作為變焦透鏡的第二透鏡單元，模擬人眼晶狀體的層狀結(jié)構(gòu)。壓環(huán)三12除邊緣用于安裝部分外，厚度很薄的中心部分作為該變焦透鏡的視場光闌，安裝在透鏡二 3和透鏡三4之間，處于變焦透鏡第二透鏡單元的中心位置。后置透鏡6作為變焦透鏡的第三透鏡單元。由此構(gòu)成整個對稱式變焦透鏡。
[0022]如圖2和圖3所示，前置透鏡I安裝在外殼9前端的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)一 10固定；依次往外殼9內(nèi)安裝透鏡一 2、壓環(huán)二 11、透鏡彈性透鏡2、壓環(huán)三12、透鏡三4、壓環(huán)四13、透鏡四5、壓環(huán)五14，通過塞子8和外殼9的螺紋配合，將以上安裝在外殼9內(nèi)部的部件進(jìn)行固定；后置透鏡6安裝在塞子8的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)六15通過螺釘固定；壓環(huán)二 11和壓環(huán)四13在同一側(cè)均有一通孔，與外殼9內(nèi)側(cè)壁上的凹槽相對；壓環(huán)三12的一側(cè)有一個通孔，與外殼9另一個通孔相對。柱塞一 16內(nèi)充滿光學(xué)液體一 18，與外殼9內(nèi)側(cè)壁凹槽相對的通孔連通，也就與壓環(huán)二 11和壓環(huán)四13的通孔連通，光學(xué)液體一 18將充滿由透鏡一 2、壓環(huán)二
11、透鏡二 3形成的第一密封腔和由透鏡三4、壓環(huán)四13、透鏡四5形成的第三密封腔；柱塞二17內(nèi)充滿光學(xué)液體二 19，與外殼9另一個通孔連通，也就與壓環(huán)三12的通孔連通，光學(xué)液體二 19將充滿由透鏡二 3、壓環(huán)三12、透鏡三4形成的第二密封腔。
[0023]如圖4所示，外殼9左側(cè)有內(nèi)螺紋，與塞子8的外螺紋進(jìn)行配合，用于固定和鎖緊。外殼9內(nèi)側(cè)預(yù)留一個凹槽，在凹槽中心有一通孔與柱塞一 16連通。外殼9另一側(cè)還有一個通孔，與柱塞二 17連通。
[0024]如圖5和圖7所不，壓環(huán)二 11和壓環(huán)四13在同一側(cè)有一通孔，與外殼9內(nèi)側(cè)的凹槽相對，保證柱塞一 16能夠通過外殼9上的通孔和凹槽，與壓環(huán)二 11和壓環(huán)四13的通孔連通。如圖6所示，壓環(huán)三12外側(cè)有一通孔，內(nèi)側(cè)有兩個通孔，其中心徑向相對，并在壓環(huán)內(nèi)部連通，保證柱塞二 17能夠通過外殼9上的另一個通孔，與壓環(huán)三12內(nèi)側(cè)的兩個通孔均連通。
[0025]柱塞一 16內(nèi)充滿去離子水，其折射率為Nq1=L 333 ;柱塞二 17內(nèi)充滿乙基硅油，其折射率為Nq2=L 438 ;滿足條件:Nqi〈Nq2。透鏡一 2、透鏡二 3、透鏡三4和透鏡四5均采用固化PDMS材料，其折射率為Ns=L 404，滿足條件:Nqi〈Ns〈Nq2。固化PDMS材料由PDMS溶液和固化劑混合交聯(lián)固化而成，混合比例采用1:20。
[0026]柱塞一 16與相對于外殼9內(nèi)側(cè)壁凹槽的通孔連通，也就與壓環(huán)二 11和壓環(huán)四13的通孔連通，去離子水將充滿由透鏡一 2、壓環(huán)二 11、透鏡二 3形成的第一密封腔和由透鏡三4、壓環(huán)四13、透鏡四5形成的第三密封腔；柱塞二 17與外殼9另一個通孔連通，也就與壓環(huán)三12的通孔連通，乙基硅油將充滿由透鏡二 3、壓環(huán)三12、透鏡三4形成的第二密封腔。其工作原理如下:當(dāng)柱塞一 16往密閉容腔內(nèi)注入去離子水時，透鏡一 2和透鏡四5將往外膨脹，發(fā)生形變，此時焦距變??；當(dāng)柱塞二 17往密閉容腔內(nèi)注入乙基硅油時，增加的液體體積首先作用于透鏡二 3和透鏡三4，使其往外膨脹，發(fā)生形變；因為透鏡二 3和透鏡三4往外膨脹，所以透鏡一 2和透鏡四5也將往外膨脹，發(fā)生形變，此時焦距變小。反之，當(dāng)柱塞一 16從密閉容腔內(nèi)抽出去離子水時，透鏡一 2和透鏡四5往里回縮，發(fā)生形變，此時焦距變大；當(dāng)柱塞二 17從密閉容腔內(nèi)抽出乙基硅油時，因為液體體積減少，透鏡二 3和透鏡三4往里回縮，發(fā)生形變；因為透鏡二 3和透鏡三4往里回縮，所以透鏡一 2和透鏡四5也將往里回縮，發(fā)生形變，此時焦距變大。通過對兩個柱塞的獨立控制，能夠在設(shè)計要求的變焦范圍內(nèi)連續(xù)變焦。
[0027]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，包括外殼及設(shè)于外殼內(nèi)的第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透鏡單元包括前置透鏡(I )，所述第三透鏡單元包括后置透鏡(6)，其特征在于: 所述第二透鏡單元依次包括壓環(huán)一(10 )、透鏡一(2 )、壓環(huán)二( 11)、透鏡二( 3 )、壓環(huán)三(12)、透鏡三(4)、壓環(huán)四(13)、透鏡四(5)及壓環(huán)五(14)，其中，透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4 )、透鏡四(5 )均為透明彈性透鏡；所述透鏡一(2 )、透鏡二( 3 )及壓環(huán)二( 11)構(gòu)成第一密封腔，所述透鏡二(3)、透鏡三(4)及壓環(huán)三(12)構(gòu)成第二密封腔，所述透鏡三(4)、透鏡四(5)及壓環(huán)四(13)構(gòu)成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分別通過設(shè)于壓環(huán)二( 11)和壓環(huán)四(13)上的通孔及外殼上的通道連通塞柱一(16)，所述第二密封腔通過設(shè)于壓環(huán)三(12)上的通孔及外殼上的通道連通塞柱二(17);所述壓環(huán)三(12)內(nèi)設(shè)有光闌，所述光闌位于第二透鏡單元的中心處，作為所述變焦透鏡的視場光闌； 所述塞柱一(16)內(nèi)盛有光學(xué)液體一(18)，所述光學(xué)液體一(18)通過塞柱一(16)的活塞作用進(jìn)入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二(17)內(nèi)盛有光學(xué)液體二(19)，所述光學(xué)液體二( 19)通過塞柱二( 17)的活塞作用進(jìn)入或排出所述第二密封腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述光學(xué)液體一(18)和光學(xué)液體二(19)具有不同的折射率，滿足條件:Nqi〈Nq2，其中Nq1是光學(xué)液體一(18)的折射率，Nq2是光學(xué)液體二(19)的折射率；所述透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4 )、透鏡四(5 )采用同一種材料制成，具有相同的折射率Ns，且滿足條件:Nqi〈NS〈Nq2。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述透鏡一(2)、透鏡二(3)、透鏡三(4)、透鏡四(5)的前后表面均為拋物面，每個拋物面的形狀和邊緣厚度根據(jù)光學(xué)設(shè)計要求進(jìn)行優(yōu)化計算，且滿足:各透鏡相對于壓環(huán)三(12)向外凸起。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述前置透鏡(I)安裝在外殼(9)前端的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)一(10)固定。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述第二透鏡單元通過塞子(8)和外殼(9)的螺紋配合安裝固定于外殼(9)內(nèi)部。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述后置透鏡(6)安裝在塞子(8)的凹槽內(nèi)，由壓環(huán)六(15)通過螺釘固定。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述壓環(huán)二(11)和壓環(huán)四(13)上的通孔設(shè)于同一側(cè)，且與設(shè)于外殼(9)內(nèi)側(cè)壁上的凹槽相對，構(gòu)成所述光學(xué)液體一(18)的通道。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的仿人眼晶狀體層狀結(jié)構(gòu)對稱式變焦透鏡，其特征在于:所述壓環(huán)三(12)上的通孔與設(shè)于外殼(9)上的一個通孔相對，構(gòu)成所述光學(xué)液體二(19)的通道。
【文檔編號】G02B3/14GK105842840SQ201510932318
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月15日
【發(fā)明人】王宣銀, 杜佳瑋, 梁丹
【申請人】浙江大學(xué)