CN106990459B - 一种具有多层结构的柔性可调透镜及变倍光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多层结构的柔性可调透镜及变倍光学系统。本发明利用刚体透镜、光学液体、多流道玻璃内透镜和透明弹性薄膜作为主要屈光介质，组成多层多流道柔性可调透镜；变倍光学系统包括从左向右依次同轴排列的预屈光透镜组、光阑、柔性可调节变倍透镜组和后屈光透镜组；柔性可调节变倍透镜组包含两块柔性可调透镜，在变倍调节过程中，环形超声波电机通过传动压环挤压柔性可调透镜的外表面，进而改变柔性可调透镜的焦距，协同调节两快柔性可调透镜的焦距即可实现系统的连续变倍调节。本发明具有结构紧凑，控制灵活，光轴稳定，调节范围大，成像质量高的优点，可应用于各种现代光学成像系统及机器人视觉系统中。
Description
技术领域
本发明涉及仿生视觉成像系统，尤其是涉及一种具有多层结构的柔性可调透镜及变倍光学系统。
背景技术
随着技术的发展与进步，人们对视觉成像设备的集成化、便携性和调焦能力的要求越来越高。光学透镜及其变倍成像模块是视觉成像设备的关键部分，对视觉成像系统的结构组成、调节特性和成像质量有着重要的影响。
传统的光学变倍系统采用许多片不同的凹凸透镜组成多个光学透镜组，利用驱动电机对各透镜组的机械位置进行精确的控制，通过改变各透镜组的光学间隔来实现系统焦距与倍率的调节。这种传统的调节方式需要复杂精密的传动机构，尺寸较大、易产生机械磨损，要实现大范围的光学倍率调节往往需要更换不同的透镜组合，不易实现连续、大倍率的光学调节。
近些年，新型可调透镜受到国内外研究者的广泛关注。不同于传统的玻璃透镜，新型可调透镜采用液体或者液晶材料作为主要的光学介质，通过改变透镜的曲率半径或者折射率来进行焦距的调节。但是采用液体作为主要光学液体，不利于保持光轴的稳定性和系统的可靠性，而采用液晶材料往往会受液晶分子极化现象的影响，难以保持理想的成像质量。另外，采用新型可调透镜所设计的光学系统，往往存在屈光介质单一、设计自由度少、成像质量不够理想等不足，使得基于可调透镜的光学系统还无法与传统的采用刚体透镜的光学系统相比拟。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有多层结构的柔性可调透镜及变倍光学系统，利用刚体透镜、光学液体、多流道玻璃内透镜和透明弹性薄膜作为主要屈光介质，组成多层多流道柔性可调透镜，提供更多的光学设计自由度，改善可调透镜的光学稳定性和成像质量；利用预屈光透镜组、光阑、柔性可调节变倍透镜组和后屈光透镜组，形成光学变倍系统，通过控制柔性可调透镜的表面形状来实现系统的倍率调节，提高光学系统的调节能力，实现整个系统的集成化与通用性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有多层结构的柔性可调透镜，包括刚体透镜、内导流环、多流道玻璃透镜、弹性薄膜和外固定环；
所述的外固定环内侧从左向右依次同轴固定着刚体透镜、内导流环、多流道玻璃透镜和弹性薄膜；刚体透镜的右端面与内导流环的左端面相接触；多流道玻璃固定于内导流环和弹性薄膜间，将外固定环内部分成两个相通的腔体，光学液体则充满两个腔体；通过内导流环和多流道玻璃透镜的细孔，光学液体可在两个腔体间流动；
所述的柔性可调透镜在未受到外力挤压时为平凸透镜，当弹性薄膜受外力挤压变形时，成为双凸透镜。
进一步地，所所述的刚体透镜采用透明的有机玻璃(PMMA)材料制作，为凹面朝向像侧的弯月形球面镜片；
进一步地，所述的光学液体的折射率Ng满足条件：1.50<Ng<1.60。
进一步地，所述的内导流环上有若干细长的直角形孔道；所述的多流道玻璃透镜呈双凸状，边缘区域有与直角形孔道相对应的通孔，且折射率满足条件：Ng<Nd，其中Nd是多流道玻璃透镜折射率，Ng为光学液体折射率。
进一步地，所述的弹性薄膜由透明的有机硅(PDMS)材料制成，且薄膜中间区域薄于周边区域。
一种变倍光学系统，包括自左向右同轴排列的预屈光透镜组、光阑、柔性可调节变倍透镜组和后屈光透镜组；预屈光透镜组的左侧为物方空间，后屈光透镜组的右侧为像方空间；
所述的预屈光透镜组包括自左向右同轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中第一透镜和第三透镜为焦距为负、凹面朝像侧的弯月形球面镜片，第二透镜和第四透镜为焦距为正的双凸球面透镜；
所述的柔性可调节变倍透镜组包括同轴排列的第一柔性可调透镜、第一环形超声波电机、第一传动压环、第二柔性可调透镜、第二环形超声波电机和第二传动压环；所述第一柔性可调透镜和第二柔性可调透镜均采用上述的具有多层结构的柔性可调透镜；
所述的第一环形超声波电机的内环与第一传动压环的外侧面通过螺纹相联结，第一柔性可调透镜右端面的弹性薄膜与第一传动压环的左端面相接触，第一传动压环通过弹性薄膜作用于第一柔性可调透镜使其右端面曲率半径发生变化；
所述的第二环形超声波电机的内环与第二传动压环的外侧面通过螺纹相联结，第二柔性可调透镜左端面的弹性薄膜与第二传动压环的右端面相接触，第二传动压环通过弹性薄膜作用于第二柔性可调透镜使其左端面曲率半径发生变化；
所述的后屈光透镜组包括自左向右同轴排列的第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述的第五透镜是焦距为正、凹面朝向物侧的弯月形球面镜片，所述的第六透镜是焦距为负、凹面朝向像侧的弯月形球面镜片，所述的第七透镜为焦距为正的双凸球面透镜，第六透镜和第七透镜胶合在一起形成胶合镜片。
进一步地，所述的第一柔性可调透镜的右端面和第二柔性可调透镜的左端面间的初始距离L满足关系：L＝fr1+fr2，其中fr1为第一柔性可调透镜的后焦距，fr2为第二柔性可调透镜的前焦距；在初始状态，通过环形超声波电机调节两个柔性可调透镜的焦距使其满足fr1＝fr2，则此时第一柔性可调透镜和第二柔性可调透镜组成无焦系统，且倍率a＝fr2/fr1＝1。在倍率调节过程中，保持第一柔性可调透镜的后焦距fr1和第二柔性可调透镜的前焦距fr2之和等于L，通过协同控制两柔性可调透镜的表面形状，调节柔性可调透镜的焦距，进而改变系统的倍率。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、利用刚体透镜、内导流环、多流道玻璃透镜、弹性薄膜和外固定环组成两个相通的密闭腔体，将光学液体充满两个腔体，形成多层多流道的固液混合结构，减小液体所占比重，增加液体流动的阻尼力，有效改善可调透镜的光学稳定性和成像质量。
2、柔性可调透镜各层介质的光学间隔、表面曲率均为设计变量，可以根据实际应用需求进行优化计算，共有四个屈光介质层，可为光学设计提供9个设计自由度。
3、单个柔性可调透镜的屈光度可通过调节表面曲率在任意设计范围内实现精确调节，通过协同控制两个柔性可调透镜的表面形状，所述的变倍光学系统可灵活的实现大范围的连续变倍。
4、利用预屈光透镜组、光阑、柔性可调节变倍透镜组和后屈光透镜组形成光学变倍系统，通过多组透镜进行像差补偿，并把视场光阑放置在预屈光透镜组和柔性可调节变倍透镜组之间，有效提高成像质量。
5、本发明具有结构紧凑，控制灵活，光轴稳定，调节范围大、操作方便及成像质量高的优点，可广泛应用于各种现代光学成像系统及机器人视觉系统中。
附图说明
图1是具有多层结构的柔性可调透镜的轴测图。
图2是具有多层结构的柔性可调透镜剖视图。
图3是外固定环结构图。
图4是内导流环结构图。
图5是多流道玻璃透镜结构图。
图6是刚体透镜结构图。
图7是变倍光学系统结构示意图。
图8a是变倍光学系统小倍率时的结构示意图。
图8b是变倍光学系统大倍率时的结构示意图。
图中：1、预屈光透镜组，2、光阑，3、柔性可调节变倍透镜组，4、后屈光透镜组，101、第一透镜，102、第二透镜，103、第三透镜，104、第四透镜，301、第一柔性可调透镜，302、第一环形超声波电机，303、第一传动压环，304、第二柔性可调透镜，305、第二环形超声波电机，306、第二传动压环，401、第五透镜，402、第六透镜，403、第七透镜，3011、外固定环，3012、刚体透镜，3013、内导流环，3014、多流道玻璃透镜，3015、弹性薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，在本发明的一个实施例中，一种具有多层结构的柔性可调透镜，包括刚体透镜3012、内导流环3013、多流道玻璃透镜3014、弹性薄膜3015和外固定环3011；所述的外固定环3011内侧从左向右依次同轴固定着刚体透镜3012、内导流环3013、多流道玻璃透镜3014和弹性薄膜3015；刚体透镜3012的右端面与内导流环3013的左端面相接触；多流道玻璃3014固定于内导流环3013和弹性薄膜3015间，将外固定环3011内部分成两个相通的腔体，光学液体3016则充满两个腔体；通过内导流环3013和多流道玻璃透镜3014的细孔，光学液体3016可在两个腔体间流动；在未受到外力挤压时，所述的柔性可调透镜为平凸透镜，当弹性薄膜3015的边缘区域受外力挤压时，光学液体3016涌向弹性薄膜3015中间区域，使其成为双凸透镜。
其中，所述的光学液体3016采用高透明的光学液体，且折射率Ng为1.56，满足条件：1.50<Ng<1.60；所述的内导流环3013上有6个细长的直角形孔道；所述的多流道玻璃透镜3014呈双凸状，其边缘区域有6个与内导流环3013中的孔道相连的通孔，且折射率为1.65，满足条件：Ng<Nd，其中Nd是多流道玻璃透镜折射率，Ng为光学液体折射率；所述的弹性薄膜3015由透明的有机硅(PDMS)材料制成，PDMS材料由PDMS溶液和固化剂混合交联固化而成，混合比例采用1:20，且薄膜中间区域较薄，周边区域较厚。
如附图7所示，在本发明的另一个实施例中，一种变倍光学系统包括自左向右同轴排列的预屈光透镜组1、光阑2、柔性可调节变倍透镜组3和后屈光透镜组4；预屈光透镜组1的左侧为物方空间，后屈光透镜组4的右侧为像方空间；
所述的预屈光透镜组1包括自左向右同轴排列的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104，其中第一透镜101和第三透镜103为焦距为负、凹面朝像侧的弯月形球面镜片，第二透镜102和第四透镜104为焦距为正的双凸球面透镜；
所述的柔性可调节变倍透镜组3包括同轴排列的第一柔性可调透镜301、第一环形超声波电机302、第一传动压环303、第二柔性可调透镜304、第二环形超声波电机305和第二传动压环306；所述第一柔性可调透镜301和第二柔性可调透镜304均采用所述的具有多层结构的柔性可调透镜；
所述的第一环形超声波电机302的内环与第一传动压环303的外侧面通过螺纹相联结，第一柔性可调透镜301右端面的弹性薄膜与第一传动压环303的左端面相接触，第一传动压环303通过弹性薄膜作用于第一柔性可调透镜301使其右端面曲率半径发生变化；
所述的第二环形超声波电机305的内环与第二传动压环306的外侧面通过螺纹相联结，第二柔性可调透镜304左端面的弹性薄膜与第二传动压环306的右端面相接触，第二传动压环306通过弹性薄膜作用于第二柔性可调透镜304使其左端面曲率半径发生变化；
所述的后屈光透镜组4包括自左向右同轴排列的第五透镜401、第六透镜402和第七透镜403，所述的第五透镜401是焦距为正、凹面朝向物侧的弯月形球面镜片，所述的第六透镜402是焦距为负、凹面朝向像侧的弯月形球面镜片，所述的第七透镜403为焦距为正的双凸球面透镜，第六透镜402和第七透镜403胶合在一起形成胶合镜片。
如附图8a、8b所示，在变倍成像过程中，外界物体发出的光线通过预屈光透镜组1和光阑2后进入柔性可调节变倍透镜组3，经过柔性可调节变倍透镜组3的倍率调节后进入后屈光透镜组4，最后成像于图像传感器。设第一柔性可调透镜301的右端面和第二柔性可调透镜304的左端面间的初始距离为L，第一柔性可调透镜301的后焦距为fr1，第二柔性可调透镜304的前焦距fr2，系统倍率为a，在初始状态，令L＝fr1+fr2，并通过环形超声波电机调节两个柔性可调透镜的焦距使其满足fr1＝fr2，则此时第一柔性可调透镜301和第二柔性可调透镜304组成无焦系统，且倍率a＝fr2/fr1＝1。在倍率调节过程中，保持第一柔性可调透镜301的后焦距fr1和第二柔性可调透镜304的前焦距fr2之和等于L，通过协同控制两柔性可调透镜的表面形状，即可调节柔性可调透镜的焦距，进而改变系统的倍率。当减小第一柔性可调透镜301的后焦距fr1，增大第二柔性可调透镜304的前焦距fr2时，系统的倍率a增大；当减小fr2，增大fr1时，系统的倍率a则相应的减小。单个柔性可调透镜的焦距可通过调节表面曲率在任意设计范围内实现精确调节，协同控制两个柔性可调透镜的表面曲率，所述的变倍光学系统可灵活的实现大范围的连续变倍。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有多层结构的柔性可调透镜，其特征在于：包括刚体透镜(3012)、内导流环(3013)、多流道玻璃透镜(3014)、弹性薄膜(3015)和外固定环(3011)；
所述的外固定环(3011)内侧从左向右依次同轴固定着刚体透镜(3012)、内导流环(3013)、多流道玻璃透镜(3014)和弹性薄膜(3015)；刚体透镜(3012)的右端面与内导流环(3013)的左端面相接触；多流道玻璃(3014)固定于内导流环(3013)和弹性薄膜(3015)间，将外固定环(3011)内部分成两个相通的腔体，光学液体(3016)则充满两个腔体；所述的内导流环(3013)上有若干细长的直角形孔道；所述的多流道玻璃透镜(3014)呈双凸状，边缘区域有与直角形孔道相对应的通孔；通过内导流环(3013)和多流道玻璃透镜(3014)的细孔，光学液体(3016)可在两个腔体间流动；
所述的柔性可调透镜在未受到外力挤压时为平凸透镜，当弹性薄膜(3015)受外力挤压变形时，成为双凸透镜。
2.根据权利要求1所述的一种具有多层结构的柔性可调透镜，其特征在于：所述的刚体透镜(3012)采用透明的有机玻璃(PMMA)材料制作，为凹面朝向像侧的弯月形球面镜片。
3.根据权利要求1所述的一种具有多层结构的柔性可调透镜，其特征在于：所述的光学液体(3016)的折射率Ng满足条件：1.50<Ng<1.60。
4.根据权利要求1所述的一种具有多层结构的柔性可调透镜，其特征在于：多流道玻璃透镜折射率Nd大于光学液体折射率Ng。
5.根据权利要求1所述的一种具有多层结构的柔性可调透镜，其特征在于：所述的弹性薄膜(3015)由透明的有机硅(PDMS)材料制成，且薄膜中间区域薄于周边区域。
6.一种变倍光学系统，其特征在于：包括自左向右同轴排列的预屈光透镜组(1)、光阑(2)、柔性可调节变倍透镜组(3)和后屈光透镜组(4)；
所述的预屈光透镜组(1)包括自左向右同轴排列的第一透镜(101)、第二透镜(102)、第三透镜(103)和第四透镜(104)，其中第一透镜(101)和第三透镜(103)为焦距为负、凹面朝像侧的弯月形球面镜片，第二透镜(102)和第四透镜(104)为焦距为正的双凸球面透镜；
所述的柔性可调节变倍透镜组(3)包括同轴排列的第一柔性可调透镜(301)、第一环形超声波电机(302)、第一传动压环(303)、第二柔性可调透镜(304)、第二环形超声波电机(305)和第二传动压环(306)；所述第一柔性可调透镜(301)和第二柔性可调透镜(304)均采用权利要求1所述的具有多层结构的柔性可调透镜；
所述的第一环形超声波电机(302)的内环与第一传动压环(303)的外侧面通过螺纹相联结，第一柔性可调透镜(301)右端面的弹性薄膜与第一传动压环(303)的左端面相接触，第一传动压环(303)通过弹性薄膜作用于第一柔性可调透镜(301)使其右端面曲率半径发生变化；
所述的第二环形超声波电机(305)的内环与第二传动压环(306)的外侧面通过螺纹相联结，第二柔性可调透镜(304)左端面的弹性薄膜与第二传动压环(306)的右端面相接触，第二传动压环(306)通过弹性薄膜作用于第二柔性可调透镜(304)使其左端面曲率半径发生变化；
所述的后屈光透镜组(4)包括自左向右同轴排列的第五透镜(401)、第六透镜(402)和第七透镜(403)，所述的第五透镜(401)是焦距为正、凹面朝向物侧的弯月形球面镜片，所述的第六透镜(402)是焦距为负、凹面朝向像侧的弯月形球面镜片，所述的第七透镜(403)为焦距为正的双凸球面透镜，第六透镜(402)和第七透镜(403)胶合在一起形成胶合镜片。
7.根据权利要求6所述的一种变倍光学系统，其特征在于：所述的第一柔性可调透镜(301)的右端面和第二柔性可调透镜(304)的左端面间的初始距离L满足关系：L＝fr1+fr2，其中fr1为第一柔性可调透镜(301)的后焦距，fr2为第二柔性可调透镜(304)的前焦距；在初始状态，通过环形超声波电机调节两个柔性可调透镜的焦距使其满足fr1＝fr2，则此时第一柔性可调透镜(301)和第二柔性可调透镜(304)组成无焦系统，且倍率a＝fr2/fr1＝1；在倍率调节过程中，保持第一柔性可调透镜的后焦距fr1和第二柔性可调透镜的前焦距fr2之和等于L，通过协同控制两柔性可调透镜的表面形状，调节柔性可调透镜的焦距，进而改变系统的倍率。
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- 2017-05-09 CN CN201710321798.3A patent/CN106990459B/zh active Active
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| CN106990459A (zh) | 2017-07-28 |
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