一種仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置，利用雙膠合屈光物鏡與膠體透鏡作為屈光裝置，通過模仿人眼角膜與晶狀體的變焦特性，利用雙膠合屈光物鏡作為變焦透鏡的第一透鏡單元，對光線進行預屈光，采用膠體透鏡作為第二透鏡單元，模擬人眼晶狀體，通過在音圈電機兩端分別裝有物鏡固定架和固定套筒，物鏡固定架內(nèi)裝有雙膠合屈光物鏡，壓環(huán)與音圈電機內(nèi)環(huán)通過螺紋相聯(lián)接，壓環(huán)后端面與膠體透鏡前表面相接觸，固定套筒與膠體透鏡殼體相連，音圈電機內(nèi)環(huán)帶動壓環(huán)擠壓膠體透鏡前表面改變膠體透鏡表面曲率，實現(xiàn)在設計要求的變焦范圍內(nèi)連續(xù)變焦。本發(fā)明具有光軸穩(wěn)定、成像質(zhì)量好、響應迅速等特點，可廣泛應用于機器人視覺系統(tǒng)及各種現(xiàn)代成像系統(tǒng)。
【專利說明】—種仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機器視覺，尤其是涉及一種基于膠體透鏡的仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科技水平的不斷發(fā)展進步，人們對智能化、自動化產(chǎn)品的需求日趨增強，這些已成為工程科學領域研究的重點。機器人是自動化程度較高的機器人，集眾多高科技于一身，在工業(yè)、軍事、防暴、醫(yī)療、服務等領域已得到研究與應用。對機器人而言，視覺系統(tǒng)是其獲取外部信息的重要途徑，在智能化機器人的研究中占據(jù)尤為重要的地位。隨著工業(yè)技術和智能化技術的發(fā)展，機器視覺系統(tǒng)的研制獲得了很大進展，卻仍然滯后于人眼的視覺功倉泛。
[0003]在機器人技術的研究中，仿生技術受到廣泛關注，仿生機器人已成為智能化機器人領域的研究熱點。人眼視覺系統(tǒng)中，光線經(jīng)過角膜、前房、瞳孔進入人眼，再經(jīng)過晶狀體，由玻璃體最終到達視網(wǎng)膜成像。角膜、前房與玻璃體均有屈光作用，但屈光度是不能改變的，晶狀體是唯一能發(fā)生焦距變化的屈光部件，通過睫狀肌松弛與收縮控制晶狀體發(fā)生形變，引起曲率變化從而使得人眼焦距發(fā)生改變，將光線匯聚到視網(wǎng)膜上。雖然人眼結構并不復雜，但是其結構尺寸、響應速度及智能化程度都遠遠高于人工制造的成像設備。研制仿人眼特性的變焦及視覺系統(tǒng)，對機器人視覺技術乃至機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義。
[0004]機器人視覺系統(tǒng)多采用左右兩個攝像機，通過控制攝像機的相對運動，模仿人眼雙目視覺系統(tǒng)獲得目標圖像，再經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)進行后續(xù)處理。其變焦系統(tǒng)通常由傳統(tǒng)方法實現(xiàn)，即利用不同凹凸透鏡組成光學系統(tǒng)，通過各組件的前后移動調(diào)整相對位置來調(diào)節(jié)焦距，該方式出現(xiàn)較早，技術較成熟，但仿生學特性較弱，結構復雜、響應速度有限、尺寸較大、易磨損。近年來，國內(nèi)外一些研究者提出液態(tài)型變焦透鏡，主要是機械驅(qū)動式液體透鏡以及電濕潤式液體透鏡，在一定程度上能實現(xiàn)人眼的變焦功能，但其采用液體作為光學介質(zhì)，容易產(chǎn)生泄漏、光軸穩(wěn)定性較差，難以滿足實際應用需求。
[0005]現(xiàn)有技術中公開了一種具有變焦特性的仿生眼裝置(申請公布號103192412 A)，其通過仿生眼固態(tài)型變焦透鏡，利用直線步進電機控制變焦透鏡變焦，模仿人眼睫狀肌驅(qū)動晶狀體實現(xiàn)變焦過程，具有結構簡單、易制備等特點，但是該技術所采用的變焦透鏡，采用一體式的透鏡結構，將平凸透鏡與PDMS鏡頭簡單貼合，未考慮人眼通過角膜、晶狀體等進行綜合變焦的特性，且成像質(zhì)量難以保證，鏡頭中間填充的PDMS流動性較強，影響透鏡光軸的穩(wěn)定性，采用步進電機帶動壓縮圓盤擠壓變焦透鏡實現(xiàn)變焦，控制精度、響應速度難以保證，裝置整體尺寸不能滿足微型化需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置，模仿人眼角膜與晶狀體的變焦特性，利用雙膠合屈光物鏡作為變焦透鏡的第一透鏡單元，對光線進行預屈光，膠體透鏡作為第二透鏡單元，并采用彈性漸變型膠體透鏡結構，彈性從底部到頂部逐漸變強，有效提高裝置的成像質(zhì)量和光軸穩(wěn)定性；利用音圈電機改變膠體透鏡表面曲率，控制仿生透鏡的焦距變化，并根據(jù)音圈電機結構特點，采用一體化的傳動與連接機構，實現(xiàn)了整個變焦裝置體積微型化，有效提高了裝置的控制精度和響應速度。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
一種仿生變焦透鏡，其特征在于:包括前端的雙膠合屈光物鏡和后端的膠體透鏡；
所述的雙膠合屈光物鏡作為變焦透鏡的第一透鏡單元，對光線進行預屈光，所述的雙膠合屈光物鏡由低分散的雙凸正透鏡和高分散的凹凸負透鏡粘接而成，其屈光度為40D ；所述膠體透鏡作為第二透鏡單元，其在未受外力擠壓時為平透鏡，受外力擠壓變形后成為平凸透鏡，所述膠體透鏡屈光度最大為80D。
[0008]進一步的，所述膠體透鏡由PDMS溶液與固化劑混合而成，膠體透鏡采用彈性漸變型結構，從底部到頂部分成多層，其膠體彈性逐層增強。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置，包括上述任一權利要求中所述的仿生變焦透鏡、殼體、物鏡固定架、音圈電機、固定套筒和壓環(huán)；
所述殼體表面加工有帶凹槽的凸臺，固定套筒通過所述凹槽與膠體透鏡聯(lián)接，所述殼體兩端分別設置有透明底面和彈性薄膜，所述膠體透鏡設置于透明底面與彈性薄膜之間；所述物鏡固定架安裝于音圈電機前端面，所述物鏡安裝于物鏡固定架圓孔內(nèi)，固定套筒前端面固定于音圈電機后端面，固定套筒后端與殼體表面的凸臺相聯(lián)結，所述壓環(huán)穿過固定套筒內(nèi)孔與音圈電機內(nèi)環(huán)通過螺紋相聯(lián)結，壓環(huán)后端面與殼體一端的彈性薄膜相接觸，所述壓環(huán)通過彈性薄膜作用于膠體透鏡使得其前表面曲率發(fā)生變化。
[0010]本發(fā)明還提供了一種視覺成像系統(tǒng)，包括:上述所述的仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置、CXD傳感器、圖像處理模塊、驅(qū)動控制模塊和顯示系統(tǒng)，光線經(jīng)過所述仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置后在CXD傳感器上成像，所述CXD傳感器將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送到顯示系統(tǒng)和圖像處理模塊，所述顯示系統(tǒng)將接收到的圖像數(shù)據(jù)顯示出來，所述圖像處理模塊將圖像數(shù)據(jù)分析處理后向驅(qū)動控制模塊輸出相應的控制命令，所述驅(qū)動控制模塊驅(qū)動音圈電機帶動壓環(huán)通過彈性薄膜擠壓膠體透鏡來改變膠體透鏡表面曲率。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置，充分考慮人眼的變焦特性，利用雙膠合屈光物鏡與膠體透鏡作為屈光裝置，采用彈性漸變型膠體透鏡結構，利用音圈電機改變膠體透鏡表面曲率，根據(jù)音圈電機結構特點，采用一體化的傳動與連接機構，能夠在設計要求的變焦范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)變焦，具有結構簡單、體積小、易制備、成本低、光軸穩(wěn)定、成像質(zhì)量好、響應迅速等特點，可廣泛應用于機器人視覺系統(tǒng)及各種現(xiàn)代成像系統(tǒng)。
[0012]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置軸測圖。
[0014]圖2是仿生變焦透鏡及其驅(qū)動裝置剖視圖。
[0015]圖3是膠體透鏡結構圖。
[0016]圖4是仿生變焦透鏡光學示意圖。[0017]圖5是物鏡固定架結構圖。
[0018]圖6是壓環(huán)結構圖。
[0019]圖7是固定套筒結構圖。
[0020]圖8是視覺成像系統(tǒng)實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然以下所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022]如圖4所示，一種仿生變焦透鏡，包括前端的雙膠合屈光物鏡3和后端的膠體透鏡5 ;所述的雙膠合屈光物鏡3作為變焦透鏡的第一透鏡單元，對光線進行預屈光，其由低分散的雙凸正透鏡和高分散的凹凸負透鏡粘接而成，其屈光度為40D ;所述膠體透鏡5作為第二透鏡單元，在未受外力擠壓時為平透鏡，受外力擠壓變形后成為平凸透鏡，所述膠體透鏡5屈光度最大為80D。該仿生變焦透鏡通過模仿人眼角膜與晶狀體的變焦特性，利用雙膠合屈光物鏡作為變焦透鏡的第一透鏡單元，模擬角膜功能，對光線進行預屈光，采用膠體透鏡作為第二透鏡單元，模擬人眼晶狀體。
[0023]其中，所述膠體透鏡5由PDMS溶液與固化劑混合而成，并采用彈性漸變型結構，從底部到頂部分成多層，每層的PDMS溶液與固化劑的配比、加熱溫度各不相同，彈性從底部到頂部逐漸變強，固化劑與PDMS溶液的配比在1:10到1:40之間，加熱成膠體形態(tài)，以保證膠體透鏡在變焦過程中的光軸穩(wěn)定性。
[0024]如附圖1至7所示，一種仿生變焦裝置包括上述所述的仿生變焦透鏡、物鏡固定架
1、音圈電機2、物鏡3、固定套筒4和壓環(huán)6 ;所述殼體8表面加工有帶凹槽的凸臺，固定套筒4通過所述凹槽與變焦膠體透鏡裝置5聯(lián)接，所述殼體8兩端分別設置有透明底面7和彈性薄膜9，所述膠體透鏡5設置于透明底面7與彈性薄膜9之間。所述物鏡固定架I安裝于音圈電機2前端面，所述物鏡3安裝于物鏡固定架I圓孔內(nèi)，固定套筒4前端面固定于音圈電機2后端面，固定套筒4后端與殼體8表面的凸臺相聯(lián)結，所述壓環(huán)6穿過固定套筒4內(nèi)孔與音圈電機2內(nèi)環(huán)通過螺紋相聯(lián)結，壓環(huán)6后端面與殼體8 一端的彈性薄膜9相接觸，所述壓環(huán)6通過彈性薄膜9作用于膠體透鏡5使得其前表面曲率可發(fā)生變化，其中所述彈性薄膜9可采用彈性較好、光學性能較好的SEBS薄膜，彈性薄膜9通過紫外線膠與膠體透鏡5上表面粘結。本實施例通過利用音圈電機輸出驅(qū)動力，設計特定的壓環(huán)傳動機構，改變膠體透鏡表面曲率，控制仿生透鏡的焦距變化，使得整個變焦裝置體積微型化，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量、控制精度、響應速度、光軸穩(wěn)定性。
[0025]附圖8為采用上述仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置的視覺成像系統(tǒng)的一實施例，包括上述所述的仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置、C⑶傳感器、圖像處理模塊、驅(qū)動控制模塊和顯示系統(tǒng)，光線經(jīng)過所述仿生眼裝置后在CXD傳感器上成像，所述CXD傳感器將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送到顯示系統(tǒng)和圖像處理模塊，所述顯示系統(tǒng)將收到的圖像數(shù)據(jù)實時顯示出來，所述圖像處理模塊將圖像數(shù)據(jù)分析處理后向驅(qū)動控制模塊輸出相應的控制命令，所述驅(qū)動控制模塊驅(qū)動音圈電機2帶動壓環(huán)6在彈性薄膜54表面前后移動，所述壓環(huán)6透過彈性薄膜54擠壓膠體透鏡(53)，來改變膠體透鏡(53)表面曲率，進而改變變焦膠體透鏡裝置(5)焦距。
[0026]本發(fā)明工作原理如下:
本發(fā)明利用雙膠合屈光物鏡與膠體透鏡作為屈光裝置，通過模仿人眼角膜與晶狀體的變焦特性，利用雙膠合屈光物鏡作為變焦透鏡的第一透鏡單元，模擬角膜功能，對光線進行預屈光，采用膠體透鏡作為第二透鏡單元，模擬人眼晶狀體。通過在音圈電機兩端分別裝有物鏡固定架和固定套筒，物鏡固定架內(nèi)裝有雙膠合屈光物鏡，壓環(huán)與音圈電機內(nèi)環(huán)通過螺紋相聯(lián)接，壓環(huán)后端面與膠體透鏡前表面相接觸，固定套筒與膠體透鏡殼體相連，音圈電機接收到外部輸入的驅(qū)動信號后，音圈電機內(nèi)環(huán)帶動壓環(huán)擠壓膠體透鏡前表面改變膠體透鏡表面曲率，實現(xiàn)在設計要求的變焦范圍內(nèi)連續(xù)變焦。
[0027]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種仿生變焦透鏡，其特征在于:包括前端的雙膠合屈光物鏡(3)和后端的膠體透鏡(5)； 所述的雙膠合屈光物鏡(3)作為變焦透鏡的第一透鏡單元，對光線進行預屈光，所述的雙膠合屈光物鏡(3)由低分散的雙凸正透鏡和高分散的凹凸負透鏡粘接而成，其屈光度為40D ； 所述膠體透鏡(5)作為第二透鏡單元，其在未受外力擠壓時為平透鏡，受外力擠壓變形后成為平凸透鏡，所述膠體透鏡(5)屈光度最大為80D。
2.根據(jù)權利要求1所述的仿生變焦透鏡，其特征在于:所述膠體透鏡(5)由PDMS溶液與固化劑混合而成，膠體透鏡(5)采用彈性漸變型結構，從底部到頂部分成多層，其膠體彈性逐層增強。
3.—種仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置，其特征在于，包括上述任一權利要求中所述的仿生變焦透鏡、殼體(8)、物鏡固定架(I)、音圈電機(2)、固定套筒(4)和壓環(huán)(6)； 所述殼體(8)表面加工有帶凹槽的凸臺，固定套筒(4)通過所述凹槽與膠體透鏡(5)聯(lián)接，所述殼體(8)兩端分別設置有透明底面(7)和彈性薄膜(9)，所述膠體透鏡(5)設置于透明底面(7)與彈性薄膜(9)之間；所述物鏡固定架(I)安裝于音圈電機(2)前端面，所述物鏡(3)安裝于物鏡固定架(I)圓孔內(nèi)，固定套筒(4)前端面固定于音圈電機(2)后端面，固定套筒(4)后端與殼體(8)表面的凸臺相聯(lián)結，所述壓環(huán)(6)穿過固定套筒(4)內(nèi)孔與音圈電機(2)內(nèi)環(huán)通過螺紋相聯(lián)結，壓環(huán)(6)后端面與殼體(8) —端的彈性薄膜(9)相接觸，所述壓環(huán)(6)通過彈性薄膜(9)作用于膠體透鏡(5)使得其前表面曲率發(fā)生變化。
4.一種視覺成像系統(tǒng)，其特征在于，包括:權利要求3所述的仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置、CXD傳感器(10)、圖像處理模塊(30)、驅(qū)動控制模塊(40)和顯示系統(tǒng)(20)，光線經(jīng)過所述仿生變焦透鏡驅(qū)動裝置后在CXD傳感器(10)上成像，所述CXD傳感器(10)將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送到顯示系統(tǒng)(20)和圖像處理模塊(30)，所述顯示系統(tǒng)(20)將接收到的圖像數(shù)據(jù)實時顯示出來，所述圖像處理模塊(30)將圖像數(shù)據(jù)分析處理后向驅(qū)動控制模塊(40)輸出相應的控制命令，所述驅(qū)動控制模塊(40)驅(qū)動音圈電機(2)帶動壓環(huán)(6)通過彈性薄膜(9)擠壓膠體透鏡(5 )來改變膠體透鏡(5 )表面曲率。
【文檔編號】G02B3/00GK103809225SQ201410056118
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權日:2014年2月19日
【發(fā)明者】王宣銀, 梁丹, 向可, 曹松曉, 杜佳瑋, 楊俊男 申請人:浙江大學