仿晶状体层状结构对称式变焦透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜，包括外壳及设于外壳内的第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透镜单元包括前置透镜，所述第三透镜单元包括后置透镜，所述第二透镜单元依次包括压环一、透镜一、压环二、透镜二、压环三、透镜三、压环四、透镜四及压环五，及形成于其间的第一、第二、第三密封腔，所述密封腔内盛有光学液体。本发明专利技术的变焦透镜通过注入或抽出密封腔内的光学液体来改变透明弹性透镜的表面曲率半径，从而实现在设计要求的变焦范围内连续变焦。本发明专利技术具有体积小、成像质量高、光轴稳定、操作方便、易加工等优点，可广泛应用于各种现代成像系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿生机器视觉装置，尤其涉及一种仿晶状体层状结构对称式变焦透镜。
技术介绍
随着智能化、微型化、集成化的需求日趋增强，仿生机器人技术日益受到关注，已成为工程科学领域发展的热门方向。其原理为通过对生物系统结构、功能、运作机制及控制原理的学习、模仿、复制和再造，来改进现有或创造全新的机械、仪器、加工工艺等。仿生机器人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。对机器人而言，视觉是一种非常重要的感知手段。传统的变焦或调焦，需要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，来调整各光学组件之间的光学距离。因此传统的变焦透镜结构复杂，响应速度有限，而且成本较高。在微型化过程中，传统的变焦透镜其表面和容积之比增大，使得摩擦的影响变得显著，给微型化带来困难。无可置否，人眼不仅结构简单，而且无论是结构尺寸、响应速度，还是所具备的各项非凡功能，都远远高于目前人工制造的任何一种成像设备。其非常关键的一个原因在于，人眼晶状体所具备的各种特性。晶状体借助睫状肌的收缩或放松的调节，能够改变其前后表面的曲率半径，从而改变人眼的屈光度，使不同距离的物体都能成像在视网膜上。但是，根据现有的生物医学研究成果，晶状体前后表面的变化幅度非常小，而且在焦距发生变化的过程中，人眼成像质量没有下降。非常重要的一个原因在于，晶状体是由多层薄膜构成，且其折射率从外层向内层逐渐增加，呈梯度分布。近年来，国内外很多研究者提出了仿生变焦透镜，其变焦原理就是基于人眼改变表面曲率半径的机理，具有体积小、响应快、结构简单、成本低等优点。但是现有的设计均为考虑晶状体的内部结构，同时存在设计自由度少，成像质量不够理想等不足，使得仿生变焦透镜还无法与传统的变焦透镜相比拟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种仿晶状体层状结构对称式变焦透镜，利用透明弹性透镜和光学液体，模仿人眼晶状体的层状结构，提供更大的光学设计自由度，采用对称式光学结构，完善仿生变焦透镜技术，提高成像质量。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜，包括外壳及设于外壳内的第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透镜单元包括前置透镜，所述第三透镜单元包括后置透镜，所述第二透镜单元依次包括压环一、透镜一、压环二、透镜二、压环三、透镜三、压环四、透镜四及压环五，其中，透镜一、透镜二、透镜三、透镜四均为透明弹性透镜；所述透镜一、透镜二及压环二构成第一密封腔，所述透镜二、透镜三及压环三构成第二密封腔，所述透镜三、透镜四及压环四构成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分别通过设于压环二和压环四上的通孔及外壳上的通道连通塞柱一，所述第二密封腔通过设于压环三上的通孔及外壳上的通道连通塞柱二；所述压环三内设有光阑，所述光阑位于第二透镜单元的中心处，作为所述变焦透镜的视场光阑；所述塞柱一内盛有光学液体一，所述光学液体一通过塞柱一的活塞作用进入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二内盛有光学液体二，所述光学液体二通过塞柱二的活塞作用进入或排出所述第二密封腔。进一步的，所述光学液体一和光学液体二具有不同的折射率，满足条件：Nq1<Nq2，其中Nq1是光学液体一的折射率，Nq2是光学液体二的折射率；所述透镜一、透镜二、透镜三、透镜四采用同一种材料制成，具有相同的折射率Ns，且满足条件：Nq1<Ns<Nq2。进一步的，所述透镜一、透镜二、透镜三、透镜四的前后表面均为抛物面，每个抛物面的形状和边缘厚度根据光学设计要求进行优化计算，且满足：各透镜相对于压环三向外凸起。优选的，所述前置透镜安装在外壳前端的凹槽内，由压环一固定。优选的，所述第二透镜单元通过塞子和外壳的螺纹配合安装固定于外壳内部。优选的，所述后置透镜安装在塞子的凹槽内，由压环六通过螺钉固定。优选的，所述压环二和压环四上的通孔设于同一侧，且与设于外壳内侧壁上的凹槽相对，构成所述光学液体一的通道。优选的，所述压环三上的通孔与设于外壳上的一个通孔相对，构成所述光学液体二的通道。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：首先，本专利技术中透明弹性透镜前后表面的初始曲率半径和厚度均为设计变量，可以根据光学设计要求进行优化计算；共采用了四个透明弹性透镜，可以为光学设计额外提供12个设计自由度。其次，本专利技术中透明弹性透镜前后表面均为抛物面；采用非球面能够有效降低初级像差，进一步提高成像质量，同时，抛物面不仅符合实际形变，能够得到较理想的结果，而且便于加工。再次，本专利技术中的透镜组由前置透镜、后置透镜和四个透明弹性透镜组成，并把视场光阑放置在整个变焦透镜的中心区域，将变焦透镜设计成为对称式光学结构，能够有效降低轴外像差，提高成像质量。本专利技术的变焦透镜，能够实现在设计要求的变焦范围内连续变焦，具有体积小、成像质量高、光轴稳定、操作方便、易加工等优点，可广泛应用于各种现代成像系统。附图说明图1是本专利技术的变焦透镜的一个实施例的整体结构示意图；图2是图1中实施例的整体3D爆炸图；图3是图1中实施例的整体结构剖视图；图4是图1中实施例的外壳的左视图和剖视图；图5是图1中实施例的压环二的前视图、左视图和剖视图；图6是图1中实施例的压环三的前视图、左视图和剖视图；图7是图1中实施例的压环四的前视图、左视图和剖视图；图8是图1中实施例的前置透镜的结构示意图；图9是图1中实施例的后置透镜的结构示意图；图10是图1中实施例的透镜一的结构示意图；附图标记说明：1-前置透镜；2-透镜一；3-透镜二；4-透镜三；5-透镜四；6-后置透镜；7-螺钉；8-塞子；9-外壳；10-压环一；11-压环二；12-压环三；13-压环四；14-压环五；15-压环六；16-柱塞一；17-柱塞二；18-光学液体一；19-光学液体二。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。下面通过附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细说明。如图1至图10所示，在本专利技术的一个实施例中，一种仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜由外壳9、压环一10、压环二11、压环三12、压环四13、压环五14、压环六15、塞子、柱塞一16、柱塞二17、前置透镜1、后置透镜6、透镜一2、透镜二3、透镜三4、透镜四5以及光学液体一18和光学液体二19组成。其中，前置透镜1作为变焦透镜的第一透镜单元。透镜一2、透镜二3、透镜三4、透镜四5、光学液体一18和光学液体二19作为变焦透镜的第二透镜单元，模拟人眼晶状体的层状结构。压环三12除边缘用于安装部分外，厚度很薄的中心部分作为该变焦透镜的视场光阑，安装在透镜二3和透镜三4之间，处于变焦透镜第二透镜单元的中心位置。后置透镜6作为变焦透镜的第三透镜单元。由此构成整个对称式变焦透镜。如图2和图3所示，前置透镜1安装在外壳9前端的凹槽内，由压环一10固定；依次往外壳9内安装透镜一2、压环二11、透镜弹性透镜2、压环三12、透镜三4、压环四13、透镜四5、压环五14，通过塞子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜，包括外壳及设于外壳内的第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透镜单元包括前置透镜（1），所述第三透镜单元包括后置透镜（6），其特征在于：所述第二透镜单元依次包括压环一（10）、透镜一（2）、压环二（11）、透镜二（3）、压环三（12）、透镜三（4）、压环四（13）、透镜四（5）及压环五（14），其中，透镜一（2）、透镜二（3）、透镜三（4）、透镜四（5）均为透明弹性透镜；所述透镜一（2）、透镜二（3）及压环二（11）构成第一密封腔，所述透镜二（3）、透镜三（4）及压环三（12）构成第二密封腔，所述透镜三（4）、透镜四（5）及压环四（13）构成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分别通过设于压环二（11）和压环四（13）上的通孔及外壳上的通道连通塞柱一（16），所述第二密封腔通过设于压环三（12）上的通孔及外壳上的通道连通塞柱二（17）；所述压环三（12）内设有光阑，所述光阑位于第二透镜单元的中心处，作为所述变焦透镜的视场光阑；所述塞柱一（16）内盛有光学液体一（18），所述光学液体一（18）通过塞柱一（16）的活塞作用进入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二（17）内盛有光学液体二（19），所述光学液体二（19）通过塞柱二（17）的活塞作用进入或排出所述第二密封腔。...

【技术特征摘要】
1.一种仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜，包括外壳及设于外壳内的第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元，以及塞柱一和塞柱二，所述第一透镜单元包括前置透镜（1），所述第三透镜单元包括后置透镜（6），其特征在于：所述第二透镜单元依次包括压环一（10）、透镜一（2）、压环二（11）、透镜二（3）、压环三（12）、透镜三（4）、压环四（13）、透镜四（5）及压环五（14），其中，透镜一（2）、透镜二（3）、透镜三（4）、透镜四（5）均为透明弹性透镜；所述透镜一（2）、透镜二（3）及压环二（11）构成第一密封腔，所述透镜二（3）、透镜三（4）及压环三（12）构成第二密封腔，所述透镜三（4）、透镜四（5）及压环四（13）构成第三密封腔，所述第一密封腔和第三密封腔分别通过设于压环二（11）和压环四（13）上的通孔及外壳上的通道连通塞柱一（16），所述第二密封腔通过设于压环三（12）上的通孔及外壳上的通道连通塞柱二（17）；所述压环三（12）内设有光阑，所述光阑位于第二透镜单元的中心处，作为所述变焦透镜的视场光阑；所述塞柱一（16）内盛有光学液体一（18），所述光学液体一（18）通过塞柱一（16）的活塞作用进入或排出所述第一密封腔和第三密封腔；所述塞柱二（17）内盛有光学液体二（19），所述光学液体二（19）通过塞柱二（17）的活塞作用进入或排出所述第二密封腔。2.根据权利要求1所述的仿人眼晶状体层状结构对称式变焦透镜，其特征在于：所述光学液体一（18）和光学液体二（19）具有不同的折射率，满足条件：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宣银，杜佳玮，梁丹，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33