[发明专利]基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法及系统

权利要求书

1.基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像方法，其特征在于：采用双焦距透镜实现窝区成像，在窝区成像基础上增加液体透镜实现对不同物距的变焦窝区成像；

采用双焦距透镜实现窝区成像实现方法如下，通过设计双焦距透镜的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，即较长的边缘区域焦距和较短的中心区域焦距。双焦距透镜中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上，然而双焦距透镜大视场区域的焦距使得大视场光线不满足高斯成像，无法高分辨率清晰成像在图像传感器上；即通过设计双焦距透镜实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像。

2.基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，其特征在于：包括物面(1)、固定透镜(2)、光阑(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)和图像传感器(6)；固定透镜(2)位于物面(1)和光阑(3)之间，光阑(3)位于固定透镜(2)和液体透镜(4)之间，液体透镜(4)位于光阑(3)和双焦距透镜(5)之间，双焦距透镜(5)位于液体透镜(4)和图像传感器(6)之间，其中双焦距透镜(5)具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为边缘区域的焦距和中心区域的焦距；物面的小视场平行光线(7)和小视场倾斜光线(8)依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，由于小视场平行光线(7)和小视场倾斜光线(8)只经过双焦距透镜(5)的中心区域，通过设计双焦距透镜(5)中心区域的焦距使得小视场光线满足高斯成像，成像点为小视场光线像点(11)，能够较好的高分辨率清晰成像在图像传感器上；物面大视场平行光线(9)和大视场倾斜光线(10)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上；由于大视场平行光线(9)和大视场倾斜光线(10)只经过双焦距透镜(5)的边缘区域，双焦距透镜(5)的边缘区域的焦距与中心区域的焦距不相等，使得大视场光线不满足高斯成像，大视场平行光线像点(12)和大视场倾斜光线像点(13)不能聚焦在同一点，因而在图像传感器(6)上成模糊像；物面上的小视场光线能够聚焦在图像传感器(6)上，成清晰的高分辨率图像，而物面上的大视场光线无法清晰聚焦在图像传感器(6)上，成模糊的低分辨率图像，实现中心小视场高分辨率，边缘大视场低分辨率的窝区成像；

双焦距透镜(5)具有两个不同的焦距，所述的两个不同的焦距分别为较长的边缘区域焦距和较短的中心区域焦距；双焦距透镜左侧曲面(14)的曲率半径为R₁,双焦距透镜的右侧由两个不同曲率半径的曲面组成，分别为双焦距透镜右侧边缘曲面(15)和双焦距透镜右侧中心曲面(16)，双焦距透镜右侧边缘曲面(15)的曲率半径为R₂，双焦距透镜右侧中心曲面(16)为R₃，双焦距透镜的光学折射率为n，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧边缘曲面的距离为d₁，双焦距透镜的左边缘到双焦距透镜右侧中心曲面的距离为d₂，双焦距透镜较长的边缘区域焦距f₁和较短的中心区域焦距f₂由公式(1)计算得到；

液体透镜(4)由变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)和液体透镜右侧固定曲面(18)组成，变形前的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)的曲率半径为R₄，液体透镜右侧固定曲面(18)的曲率半径为R₅，液体透镜的左右侧曲面距离为d₃，液体的光学折射率为n_l；当液体透镜(4)在被施加驱动电压或者由外界提供压力后，左侧的高分子弹性薄膜将发生形变，即左侧高分子弹性薄膜的曲率半径为R₄发生变化，从而导致液体透镜的焦距发生变化；变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(19)的曲率半径为R′₄，液体透镜的左右侧曲面距离变为d₄；液体透镜变焦前的焦距f_l和焦距后的焦距f’_l由式(2)计算得到；

当物面的位置发生变化时，物面移动后的小视场平行光线(21)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，成像点为小视场光线像点，然而物面移动后的小视场倾斜光线(21)由于物距的变化，不满足高斯成像，因而成像在图像传感器上的点为未变焦小视场倾斜光线像点，小视场光线像点(11)和未变焦小视场倾斜光线像点(22)不在同一个点上，因此，移动后的物面的小视场光线不能清晰的成像在图像传感器上，图像质量将变得模糊；

当物面的位置未发生变化时，小视场平行光线(8)和小视场倾斜光线(9)在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、液体透镜(4)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上，成像点为小视场光线像点(8)；当物面的位置发生变化时，可通过高斯公式求得液体透镜(4)焦距的变化量，从而施加驱动电压或者由外界提供压力，使得液体透镜的高分子弹性薄膜发生形变，变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜的曲率半径R₄发生变化；移动后的物面小视场的平行光线和倾斜光线在依次经过固定透镜(2)、光圈(3)、变形后的液体透镜左侧高分子弹性薄膜(17)、双焦距透镜(5)后成像在图像传感器(6)上；由于重新调整液体透镜(4)的焦距，使得移动后的物面(20)仍然满足高斯成像，所以移动后的物面(20)小视场的平行光线(21)和倾斜光线的像点交为一点；因此，移动后的物面(20)的小视场光线能够清晰的成像在图像传感器上，图像重新变得清晰，即实现双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像。

3.如权利要求2所述的基于双焦距透镜和液体透镜的变焦窝区成像系统，其特征在于：所述的液体透镜(4)为电动液体透镜。