本發(fā)明屬于仿生制造領域，涉及到一種變焦微透鏡領域，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：

機器視覺用于代替人眼來測量和判斷，已廣泛應用于光學、電子、汽車制造、半導體、軍事、航天等多個行業(yè)，涉及到計算機、人工智能、光機電一體化等多個領域。光學鏡頭作為機器視覺的核心，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多透鏡組合的相對位置機械移動來實現(xiàn)，但這種方法結構復雜、體積龐大、操控困難、成本高、精度低而制約其應用。

國內外一些專家、學者相繼開展變焦系統(tǒng)的研究，已取得一定的進展。主要在于三個方面：

一是通過一種或兩種流體界面形狀的控制來實現(xiàn)變焦，比如2011年比薩大學Federico Carpi博士等提出了利用介電彈性體驅動的仿生自適應透鏡，仿照人眼結構，柔性電極通電使得夾有流體的介電彈性體變形從而實現(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)；

二是通過局部折射率變化實現(xiàn)變焦，比如2000年L.G.Commander等提出一種通過折射率變化的、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實現(xiàn)變焦范圍大、響應速度快、高分辨率等優(yōu)點，但由于透鏡系統(tǒng)內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，外部驅動模塊過大，占用空間大，不易得到應用推廣。

三是利用電活性聚合物的應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用空間，夾持所產(chǎn)生的預應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)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(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、透明電極的自適應眼球仿生變焦微透鏡系統(tǒng)，突破以往變焦系統(tǒng)的應用局限，實現(xiàn)變焦微透鏡簡單、靈活、穩(wěn)定及微型化。

本發(fā)明的技術方案是利用具有電流變行為的聚合物凝膠作為透鏡主體、并自驅動的方式，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電壓源，變焦微透鏡通過導線和可調電壓源的正負極連接構成閉合回路，通過改變可調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、絕緣體和負極。正極、絕緣體和負極為一定厚度的同心圓環(huán)結構，由中心向外依次分布，且表面平齊，三者同一側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。正極和負極可由銅、銀、石墨烯等高導電薄片或薄膜制成，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、負極通電時，正極通孔處的聚合物凝膠往孔內發(fā)生蠕動變形，形成彎月形截面(上下表面曲率分別設為R1、R2)。由于蠕動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)過變焦微透鏡時光線發(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變形，而避免向正極側面蠕動，可使正極孔內蠕動變形最大化，從而焦距變化最大。正負極之間的電壓可調范圍為可根據(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、夾持裝置和可調電壓源。變焦微透鏡和凸透鏡為同軸布置，距離為L，由夾持裝置結合在一起，夾持裝置可以是固定結構，也可以是讓變焦微透鏡和凸透鏡同軸移動變化距離的活動結構。通過移動變焦微透鏡與凸透鏡之間的距離L或者通過可調電壓源調壓控制變焦微透鏡的焦距，可以使得組合式透鏡的焦距會在凸透鏡固有焦距基礎上發(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、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構、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成，使得CCD攝像機在右側可錄制像的變化。殼體用于安裝平行光源、支架、半透明光屏以及CCD攝像機，并提供使各器件工作的電源裝置、距離調節(jié)裝置以及變焦微透鏡調壓裝置。電腦連接CCD攝像機以獲取實時數(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，通過右側布置的CCD攝像機錄制半透明光屏上光斑像的變化過程，電腦在預先設置好各工作件距離、CCD攝像機放大倍率、通電電壓情形下通過軟件實時顯示焦距變化。通過焦距測量裝置可得到不同電壓下變焦微透鏡焦距變化過程、響應速度及焦距穩(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、自驅動的方式實現(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極同一側，拆卸、安裝方便，同時不需要透明電極的夾持，不產(chǎn)生預應力并不受透明電極透明性影響，結構簡單，厚度薄，易于實現(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窮遠的大范圍自動調節(jié)；(4)本系統(tǒng)含有測焦裝置，能夠實時反映焦距變化過程，并得到不同電壓下變焦微透鏡的響應速度及焦距穩(wěn)定值，以便對變焦微透鏡的使用提供參考。

附圖說明

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-負極，6-可調電壓源，7-平行光，8-不透明光屏，9-凸透鏡，10-夾持裝置，11-可調電壓源，12-平行光源，13-支架，14-半透明光屏，15-CCD攝像機，16-殼體，17-電腦。

具體實施方式

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和可調電壓源6，變焦微透鏡1通過導線和可調電壓源6的正負極連接構成閉合回路，通過改變可調電壓源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和負極5。正極3、絕緣體4和負極5為一定厚度的同心圓環(huán)結構，由中心向外依次分布，且表面平齊，三者同一側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和負極5可由銅、銀、石墨烯等高導電薄片或薄膜制成，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、負極5通電時，正極3通孔處的聚合物凝膠鏡片2往孔內發(fā)生蠕動變形，形成彎月形截面(上下表面曲率分別設為R1、R2)。如圖3所示，由于蠕動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)過變焦微透鏡1時光線發(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通孔中蠕動變形，而避免向正極3側面蠕動，可使正極3孔內蠕動變形最大化，從而焦距變化最大。正負極之間的電壓可調范圍為可根據(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和可調電壓源11。變焦微透鏡1和凸透鏡9為同軸布置，距離為L，由夾持裝置9結合在一起，夾持裝置9可以是固定結構，也可以是讓變焦微透鏡1和凸透鏡9同軸移動變化距離的活動結構，如絲杠螺母結構。通過移動變焦微透鏡1與凸透鏡9之間的距離L或者通過調電壓源11調壓控制變焦微透鏡9的焦距，可以使得組合式透鏡的焦距會在凸透鏡固有焦距基礎上發(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構、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成，使得CCD攝像機15在右側可錄制像的變化。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15，并提供使各器件工作的電源裝置、距離調節(jié)裝置以及變焦微透鏡調壓裝置。電腦17連接CCD攝像機以獲取實時數(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，通過右側布置的CCD攝像機錄制半透明光屏上光斑像的變化過程，電腦17在預先設置好各工作件距離、CCD攝像機放大倍率、通電電壓情形下通過軟件實時顯示焦距變化。通過焦距測量裝置可得到不同電壓下變焦微透鏡1焦距變化過程、響應速度及焦距穩(wěn)定值。