[发明专利]一种具有多层结构的柔性可调透镜及变倍光学系统

说明书

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。

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。