本發(fā)明屬于仿生制造領(lǐng)域，涉及到一種變焦微透鏡領(lǐng)域，特別是基于聚合物凝膠的一種眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

機(jī)器視覺(jué)用于代替人眼來(lái)測(cè)量和判斷，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子、汽車制造、半導(dǎo)體、軍事、航天等多個(gè)行業(yè)，涉及到計(jì)算機(jī)、人工智能、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。光學(xué)鏡頭作為機(jī)器視覺(jué)的核心，正朝著智能化、微型化、柔性化方向發(fā)展，目前其變焦方式主要通過(guò)多透鏡組合的相對(duì)位置機(jī)械移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、操控困難、成本高、精度低而制約其應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外一些專家、學(xué)者相繼開(kāi)展變焦系統(tǒng)的研究，已取得一定的進(jìn)展。主要在于三個(gè)方面：

一是通過(guò)一種或兩種流體界面形狀的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦，比如2011年比薩大學(xué)Federico Carpi博士等提出了利用介電彈性體驅(qū)動(dòng)的仿生自適應(yīng)透鏡，仿照人眼結(jié)構(gòu)，柔性電極通電使得夾有流體的介電彈性體變形從而實(shí)現(xiàn)焦距變化(Carpi,F.；Frediani,G.；Turco,S.；De Rossi,D.,Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers.Advanced Functional Materials 2011,21(21),4152-4158)；

二是通過(guò)局部折射率變化實(shí)現(xiàn)變焦，比如2000年L.G.Commander等提出一種通過(guò)折射率變化的、由液晶組成的變焦透鏡(Commander,L.G.；Day,S.E.；Selviah,D.R.,Variable focal length microlenses.Optics Communications 2000,177(1-6),157-170)。上述兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)變焦范圍大、響應(yīng)速度快、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，但由于透鏡系統(tǒng)內(nèi)含流體容易造成流體泄露，這將大大降低透鏡的使用周期，同時(shí)，外部驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)大，占用空間大，不易得到應(yīng)用推廣。

三是利用電活性聚合物的應(yīng)用替代上述流體的使用，但是這種方法不可避免需要用到透明電極，如聚(3,4–乙烯二氧噻吩)、銦錫氧化物等，這將限制變焦透鏡的應(yīng)用空間，夾持所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力減弱了電活性聚合物的壽命，并且，透鏡的成像效果受到透明電極透明性的制約(Son,S.I.；Pugal,D.；Hwang,T.；Choi,H.R.；Koo,J.C.；Lee,Y.；Kim,K.；Nam,J.D.,Electromechanically driven variable-focus lens based on transparent dielectric elastomer.Appl Opt 2012,51(15),2987-96)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有變焦透鏡系統(tǒng)的不足，提出本發(fā)明的目的在于：提出一種不依賴流體、透明電極的自適應(yīng)眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，突破以往變焦系統(tǒng)的應(yīng)用局限，實(shí)現(xiàn)變焦微透鏡簡(jiǎn)單、靈活、穩(wěn)定及微型化。

本發(fā)明的技術(shù)方案是利用具有電流變行為的聚合物凝膠作為透鏡主體、并自驅(qū)動(dòng)的方式，具體方案如下：一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，包括變焦微透鏡和可調(diào)電壓源，變焦微透鏡通過(guò)導(dǎo)線和可調(diào)電壓源的正負(fù)極連接構(gòu)成閉合回路，通過(guò)改變可調(diào)電壓源的輸出電壓可以控制變焦微透鏡的焦距變化。變焦微透鏡包括聚合物凝膠、正極、絕緣體和負(fù)極。正極、絕緣體和負(fù)極為一定厚度的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由中心向外依次分布，且表面平齊，三者同一側(cè)貼有圓形聚合物凝膠。正極含有直徑小于10mm的通孔。聚合物凝膠可以是帶有增塑劑的PVC凝膠等透明的電流變凝膠。正極和負(fù)極可由銅、銀、石墨烯等高導(dǎo)電薄片或薄膜制成，絕緣體可由POM等不易變形的絕緣材料構(gòu)成。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，變焦微透鏡中正極、負(fù)極通電時(shí)，正極通孔處的聚合物凝膠往孔內(nèi)發(fā)生蠕動(dòng)變形，形成彎月形截面(上下表面曲率分別設(shè)為R1、R2)。由于蠕動(dòng)變形造成通孔邊界處凝膠鏡片厚度h增大，使得R2>R1，根據(jù)透鏡制造者公式，因此形成變焦凹透鏡。隨著電壓的增加，R2>>R1，焦距將變得很小。平行光經(jīng)過(guò)變焦微透鏡時(shí)光線發(fā)散到不透明光屏上。絕緣體的存在，使聚合物凝膠集中向正極通孔中蠕動(dòng)變形，而避免向正極側(cè)面蠕動(dòng)，可使正極孔內(nèi)蠕動(dòng)變形最大化，從而焦距變化最大。正負(fù)極之間的電壓可調(diào)范圍為可根據(jù)聚合物凝膠的材料而定，使得焦距變化范圍為∞～0mm。由于通電功率小，能耗低。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，組合式透鏡包括所述變焦微透鏡、凸透鏡、夾持裝置和可調(diào)電壓源。變焦微透鏡和凸透鏡為同軸布置，距離為L(zhǎng)，由夾持裝置結(jié)合在一起，夾持裝置可以是固定結(jié)構(gòu)，也可以是讓變焦微透鏡和凸透鏡同軸移動(dòng)變化距離的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)移動(dòng)變焦微透鏡與凸透鏡之間的距離L或者通過(guò)可調(diào)電壓源調(diào)壓控制變焦微透鏡的焦距，可以使得組合式透鏡的焦距會(huì)在凸透鏡固有焦距基礎(chǔ)上發(fā)生變化。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，焦距測(cè)量裝置包括平行光源、支架、變焦微透鏡、半透明光屏、CCD攝像機(jī)、殼體和電腦。平行光源、支架、半透明光屏的主體均為圓柱形結(jié)構(gòu)、從左到右同軸分布。支架的中心含有圓孔，用于安裝變焦微透鏡。半透明光屏是由一定厚度的非遮光材料構(gòu)成，使得CCD攝像機(jī)在右側(cè)可錄制像的變化。殼體用于安裝平行光源、支架、半透明光屏以及CCD攝像機(jī)，并提供使各器件工作的電源裝置、距離調(diào)節(jié)裝置以及變焦微透鏡調(diào)壓裝置。電腦連接CCD攝像機(jī)以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。平行光源將平行光照射在安裝有變焦微透鏡的支架上，半透明光屏獲得光斑像，通過(guò)右側(cè)布置的CCD攝像機(jī)錄制半透明光屏上光斑像的變化過(guò)程，電腦在預(yù)先設(shè)置好各工作件距離、CCD攝像機(jī)放大倍率、通電電壓情形下通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示焦距變化。通過(guò)焦距測(cè)量裝置可得到不同電壓下變焦微透鏡焦距變化過(guò)程、響應(yīng)速度及焦距穩(wěn)定值。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)利用具有電流變行為的聚合物凝膠作為透鏡主體、自驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)變焦行為，不依托流體，穩(wěn)定、方便、能耗低、成本低；(2)聚合物凝膠位于正負(fù)極同一側(cè)，拆卸、安裝方便，同時(shí)不需要透明電極的夾持，不產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力并不受透明電極透明性影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度薄，易于實(shí)現(xiàn)微型化；(3)絕緣體的使用，使得變形最大化，焦距變化范圍從零到無(wú)窮遠(yuǎn)的大范圍自動(dòng)調(diào)節(jié)；(4)本系統(tǒng)含有測(cè)焦裝置，能夠?qū)崟r(shí)反映焦距變化過(guò)程，并得到不同電壓下變焦微透鏡的響應(yīng)速度及焦距穩(wěn)定值，以便對(duì)變焦微透鏡的使用提供參考。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)的變形原理示意圖。

圖3是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)的大變形示意圖。

圖4是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)的成像原理示意圖。

圖5是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)的組合透鏡系統(tǒng)示意圖。

圖6是本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)的焦距測(cè)量裝置示意圖。

圖中：1-變焦微透鏡，2-聚合物凝膠鏡片，3-正極，4-絕緣體，5-負(fù)極，6-可調(diào)電壓源，7-平行光，8-不透明光屏，9-凸透鏡，10-夾持裝置，11-可調(diào)電壓源，12-平行光源，13-支架，14-半透明光屏，15-CCD攝像機(jī)，16-殼體，17-電腦。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括變焦微透鏡1和可調(diào)電壓源6，變焦微透鏡1通過(guò)導(dǎo)線和可調(diào)電壓源6的正負(fù)極連接構(gòu)成閉合回路，通過(guò)改變可調(diào)電壓源6的輸出電壓可以控制變焦微透鏡1的焦距變化。變焦微透鏡1包括聚合物凝膠鏡片2、正極3、絕緣體4和負(fù)極5。正極3、絕緣體4和負(fù)極5為一定厚度的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由中心向外依次分布，且表面平齊，三者同一側(cè)貼有圓形聚合物凝膠鏡片2。正極3含有直徑小于10mm的通孔。聚合物凝膠鏡片2可以是帶有增塑劑的PVC凝膠等透明的電流變凝膠。正極3和負(fù)極5可由銅、銀、石墨烯等高導(dǎo)電薄片或薄膜制成，絕緣體4可由POM等不易變形的絕緣材料構(gòu)成。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，如圖2所示，變焦微透鏡中正極3、負(fù)極5通電時(shí)，正極3通孔處的聚合物凝膠鏡片2往孔內(nèi)發(fā)生蠕動(dòng)變形，形成彎月形截面(上下表面曲率分別設(shè)為R1、R2)。如圖3所示，由于蠕動(dòng)變形造成通孔邊界處凝膠鏡片厚度h增大，使得R2>R1，根據(jù)透鏡制造者公式，因此形成變焦凹透鏡。隨著電壓的增加，R2>>R1，焦距將變得很小。如圖4所示，平行光7經(jīng)過(guò)變焦微透鏡1時(shí)光線發(fā)散到不透明光屏8上。絕緣體4的存在，使聚合物凝膠鏡片2集中向正極3通孔中蠕動(dòng)變形，而避免向正極3側(cè)面蠕動(dòng)，可使正極3孔內(nèi)蠕動(dòng)變形最大化，從而焦距變化最大。正負(fù)極之間的電壓可調(diào)范圍為可根據(jù)聚合物凝膠的材料而定，使得焦距變化范圍為∞～0mm。比如一種PVC凝膠，通過(guò)電壓范圍0～1kV，使得焦距變化范圍為∞～20mm。由于通電功率小，能耗低。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，如圖5所示，組合式透鏡包括所述變焦微透鏡1、凸透鏡9、夾持裝置10和可調(diào)電壓源11。變焦微透鏡1和凸透鏡9為同軸布置，距離為L(zhǎng)，由夾持裝置9結(jié)合在一起，夾持裝置9可以是固定結(jié)構(gòu)，也可以是讓變焦微透鏡1和凸透鏡9同軸移動(dòng)變化距離的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，如絲杠螺母結(jié)構(gòu)。通過(guò)移動(dòng)變焦微透鏡1與凸透鏡9之間的距離L或者通過(guò)調(diào)電壓源11調(diào)壓控制變焦微透鏡9的焦距，可以使得組合式透鏡的焦距會(huì)在凸透鏡固有焦距基礎(chǔ)上發(fā)生變化。

本發(fā)明一種聚合物凝膠眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，如圖6所示，焦距測(cè)量裝置包括平行光源12、支架13、變焦微透鏡1、半透明光屏14、CCD攝像機(jī)15、殼體16和電腦17。平行光源12、支架13、半透明光屏14的主體均為圓柱形結(jié)構(gòu)、從左到右同軸分布。支架13的中心含有圓孔，用于安裝變焦微透鏡1。半透明光屏14是由一定厚度的非遮光材料構(gòu)成，使得CCD攝像機(jī)15在右側(cè)可錄制像的變化。殼體16用于安裝平行光源12、支架13、半透明光屏14以及CCD攝像機(jī)15，并提供使各器件工作的電源裝置、距離調(diào)節(jié)裝置以及變焦微透鏡調(diào)壓裝置。電腦17連接CCD攝像機(jī)以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。平行光源12將平行光照射在安裝有變焦微透鏡1的支架13上，半透明光屏14獲得光斑像，通過(guò)右側(cè)布置的CCD攝像機(jī)錄制半透明光屏上光斑像的變化過(guò)程，電腦17在預(yù)先設(shè)置好各工作件距離、CCD攝像機(jī)放大倍率、通電電壓情形下通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示焦距變化。通過(guò)焦距測(cè)量裝置可得到不同電壓下變焦微透鏡1焦距變化過(guò)程、響應(yīng)速度及焦距穩(wěn)定值。