仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜及其像差校正方法技术

本发明专利技术公开了一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜及其像差校正方法。在第一层、第二层圆形透明薄膜之间安装第一圆环，形成正透镜容腔；在第二、第三层圆形透明薄膜之间安装第二圆环，形成负透镜容腔；第一个柱塞装置的无杆腔经第一软管与正透镜容腔连通，第二个柱塞装置的无杆腔经第二软管与负透镜容腔连通，所述两容腔内均充满透明液体，构成正、负透镜两个部分。它不仅能够在设计要求的变焦范围内实现连续变焦，而且还能同时校正初级位置色差、初级球差和初级正弦差，使成像更加完善。本发明专利技术结构简单，体积小，质量轻，光轴稳定，连续变焦，响应迅速，精确度高，操作方便，易于加工，成本低廉，可广泛应用于各种现代成像系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仿生机器视觉装置，尤其涉及一种。
技术介绍
随着科学技术的发展，人们对于高科技产品，如智能化、自动化的辅助机器人及相关产品的需求日趋增强，这些已成为工程科学领域发展的方向。机器人技术集众多高科技于一身，其应用不仅从制造领域走向非制造领域，而且正以惊人的速度不断向军事、防暴、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。对机器人来说，视觉也是一种重要的感知外界环境的手段，其研制尽管获得了很大进展，但仍然相对滞后于其他功能，例如行走、手臂手指的运动等领域。在机器人共性技术的研究中，仿生技术日益受到关注，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。因此仿人机器人开始成为机器人领域的趋势，代表着机器人智能化程度。无可置否，虽然人眼结构并不复杂，但是无论是结构尺寸，还是响应速度，其智能化程度都远远高于人工制造的任何一种成像设备。人眼能够在不同距离的物体之间迅速切换，关键是通过睫状肌运动改变晶状体前后表面的形状，以变焦的方式实现调焦功能。传统的机械变焦需要两个或两个以上的光学组件组成光学系统，通过各组件的前后移动调整相对位置来实现。其系统必须采用特殊的驱动电机对独立组件的机械位置提供精准的控制实现独立组件沿着精确计算的轨迹移动，而且多个组件的动作必须保证同步，使传统变焦系统结构复杂，响应速度有限，而且成本较高。要得到高质量的成像，大的变焦范围，就需要更多的组件数目，结构也越复杂，系统长度越长。同时表面和容积之比的增加使得摩擦的影响变得显著，所有这些都给运动部件缩小装置的规模带来了困难。液体变焦透镜就是基于人眼改变表面曲率半径实现变焦的原理提出的一种仿生学新型光学元件，具有体积小、寿命长、成本低、能耗小、易操作、响应速度快，且具有一定自主变焦能力的特点。国内外已经提出了不少种类的液体变焦透镜，主要分为两种，一种是机械驱动式液体变焦透镜，一种是电湿润式液体变焦透镜。但是不论哪种液体变焦透镜，均未考虑变一焦过程中引起的像差变化及其校正。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，是带有像差校正功能的液体变焦透镜，不仅能够实现连续变焦，而且还能同时校正初级位置色差、初级球差和初级正弦差。人眼能够在不同距离的物体之间迅速切换，关键是通过睫状肌的伸缩运动改变晶状体前后表面的形状和曲率，以变焦的方式实现调焦功能。因为前房和玻璃体均为液体，晶状体通过悬韧带悬置其中，所以在睫状肌伸缩运动的驱动下，晶状体在改变其自身前后表面形状和曲率的同时，还改变了前房和玻璃体与晶状体共用曲面的形状和曲率。如果将晶状体、前房和玻璃体都看成光学元件，那么三者的焦距均发生了变化。但是人眼只有调焦功能，所以是通过晶状体的调节机制，以变焦的形式实现人眼的调焦功能。同时还保证了成像的质量，并没有因焦距的变化而造成像差的剧烈变化。其原理类似于双胶合透镜的设计过程，对于确定的光焦度，设计胶合面的曲率，同时合理选择正负透镜的材料，就能同时校正球差和正弦差。而色差则是通过分配正负透镜的光焦度来实现。本专利技术采用的技术方案如下:一、一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜:本专利技术包括第一层圆形透明薄膜、第二层圆形透明薄膜、第三层圆形透明薄膜、第一圆环、第二圆环、第一软管、第二软管、第一柱塞装置和第二柱塞装置；在第一层圆形透明薄膜和第二层圆形透明薄膜之间安装第一圆环，形成正透镜容腔；在第二层圆形透明薄膜和第三层圆形透明薄膜之间安装第二圆环，形成负透镜容腔；第一个柱塞装置的无杆腔经第一软管与正透镜容腔连通，第二个柱塞装置的无杆腔经第二软管与负透镜容腔连通，所述两容腔内均充满透明液体，构成正、负透镜两个部分。所述三层圆形透明薄膜和两个圆环的直径相同。所述第一圆环和第二圆环横截面均为梯形；所述两个圆环与第二层圆形透明薄膜相连接的底面内径相同，第一圆环与第一层圆形透明薄膜相连接的底面内径和第二圆环与第三层圆形透明薄膜相连接的底面内径相同，且大于两个圆环与第二层圆形透明薄膜相连接的底面内径。所述正透镜容腔和负透镜容腔内应充满相同或不相同的透明液体。所述第二层圆形透明薄膜至少与另外两层圆形透明薄膜中的一层圆形透明薄膜，采用不同的材料，且需要满足条件:在变焦过程中，第三层圆形透明薄膜的表面曲率小于第二层圆形透明薄膜的表面曲率，以保证负透镜部分始终保持负透镜效果。所述两个圆环采用相同的料，且需要满足条件:在变焦过程中，不会发生形变。二、一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜的像差校正方法，该方法的步骤如下:I)在第一层圆形透明薄膜和第二层圆形透明薄膜之间安装第一圆环，并在容腔内充满透明液体，形成正透镜部分；在第二层圆形透明薄膜和第三层圆形透明薄膜之间安装第二圆环，并在容腔内充满透明液体，形成负透镜部分；2)根据成像设计要求，分别确定初级位置色差、初级球差、初级正弦差所需满足的最大像差值和变焦范围；3)给定透明液体的折射率和阿贝数的初始值，在变焦范围内，根据双胶合透镜消初级位置色差公式计算不同焦距下正、负透镜的光焦度分配；根据所求得的光焦度分配和双胶合透镜消初级球差公式，计算不同焦距下第二层圆形透明薄膜所需的表面曲率；将所求得的第二层圆形透明薄膜的表面曲率代入双胶合透镜的初级正弦差计算公式，求得不同焦距下的初级正弦差值；将求得的初级正弦差值与设计要求的最大初级正弦差值对比，若不满足设计要求，就需修改液体的折射率和阿贝数，重新计算不同焦距下的初级位置色差、初级球差和初级正弦差，直到所有焦距下的初级位置色差、初级球差、初级正弦差均小于设计要求的最大像差值为止；此时得到的液体折射率和阿贝数即为所求；4)根据上述求得的透明液体的折射率和阿贝数，选择所需的透明液体；5)确定所需填充的透明液体后，充满正、负透镜容腔，使三层圆形透明薄膜均保持水平状态；根据成像目标的距离确定液体变焦透镜所需的光焦度；根据步骤3)的方法，求出第二层圆形透明薄膜的表面曲率；根据求得的正、负透镜光焦度，将求得的第二层圆形透明薄膜的表面曲率值代入透镜的光焦度计算公式，求出第一层圆形透明薄膜的表面曲率值和第三层圆形透明薄膜的表面曲率值；最后通过两个柱塞装置来改变三层圆形透明薄膜的表面曲率，当达到上述所求的值时，液体变焦透镜就可得到所需的光焦度，同时消除初级位置色差、初级球差、初级正弦差，满足成像设计要求。与
技术介绍
相比，本专利技术具有的有益效果是:本专利技术不仅能够在设计要求的变焦范围内实现连续变焦，而且还能同时校正初级位置色差、初级球差和初级正弦差，使成像更加完善。本专利技术结构简单，体积小，质量轻，光轴稳定，连续变焦，响应迅速，精确度高，操作方便，易于加工，成本低廉，可广泛应用于各种现代成像系统。【附图说明】图1是本专利技术的结构剖面图。图2是本专利技术的变焦示意图。图3是本专利技术实施例的结构示意图。图4是本专利技术实施例变焦过程中的第一种状态。图5是本专利技术实施例变焦过程中的第二种状态。图6是本专利技术实施例变焦过程中的第三种状态。图7是本专利技术实施例变焦过程中的第四种状态。图8是本专利技术实施例像差校正方法过程中的第一个曲线图。图9是本专利技术实施例像差校正方法过程中的第二个曲线图。图10是本专利技术实施例像差校正方法过程中的第三个曲线图。图11是本专利技术实施例像差校正方法过程中的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于：包括第一层圆形透明薄膜、第二层圆形透明薄膜、第三层圆形透明薄膜、第一圆环、第二圆环、第一软管、第二软管、第一柱塞装置和第二柱塞装置；在第一层圆形透明薄膜和第二层圆形透明薄膜之间安装第一圆环，形成正透镜容腔；在第二层圆形透明薄膜和第三层圆形透明薄膜之间安装第二圆环，形成负透镜容腔；第一个柱塞装置的无杆腔经第一软管与正透镜容腔连通，第二个柱塞装置的无杆腔经第二软管与负透镜容腔连通，所述两容腔内均充满透明液体，构成正、负透镜两个部分。

【技术特征摘要】
1.一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:包括第一层圆形透明薄膜、第二层圆形透明薄膜、第三层圆形透明薄膜、第一圆环、第二圆环、第一软管、第二软管、第一柱塞装置和第二柱塞装置；在第一层圆形透明薄膜和第二层圆形透明薄膜之间安装第一圆环，形成正透镜容腔；在第二层圆形透明薄膜和第三层圆形透明薄膜之间安装第二圆环，形成负透镜容腔；第一个柱塞装置的无杆腔经第一软管与正透镜容腔连通，第二个柱塞装置的无杆腔经第二软管与负透镜容腔连通，所述两容腔内均充满透明液体，构成正、负透镜两个部分。2.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:所述三层圆形透明薄膜和两个圆环的直径相同。3.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:所述第一圆环和第二圆环横截面均为梯形；所述两个圆环与第二层圆形透明薄膜相连接的底面内径相同，第一圆环与第一层圆形透明薄膜相连接的底面内径和第二圆环与第三层圆形透明薄膜相连接的底面内径相同，且大于两个圆环与第二层圆形透明薄膜相连接的底面内径。4.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:所述正透镜容腔和负透镜容腔内应充满相同或不相同的透明液体。5.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:所述第二层圆形透明薄膜至少与另外两层圆形透明薄膜中的一层圆形透明薄膜，采用不同的材料，且需要满足条件:在变焦过程中，第三层圆形透明薄膜的表面曲率小于第二层圆形透明薄膜的表面曲率，以保证负透镜部分始终保持负透镜效果。6.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜，其特征在于:所述两个圆环采用相同的材料，且需要满足条件:在变焦过程中，不会发生形变。7.根据权利要求1所述的一种仿人眼晶状体调节的液体变焦透镜的像差校正方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宣银，杜佳玮，向可，梁丹，汤峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：