一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統及成像方法
2023-06-07 11:27:26
專利名稱：一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統及成像方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統及成像方法，屬於眼內微光學成像技術領域，用於眼部視覺功能修復。
背景技術：
人的視覺系統由眼屈光介質和視覺神經系統組成，形成了光信號傳播、光電轉換和電信號處理，最後由視覺中樞結合人們的生活經驗進行感知的完整過程。但是由於各種原因，如外傷或先天和後天的疾病，破壞了這種完整的視覺迴路，使之可能喪失視覺功能。 當然這其中有些疾病是可以通過治療而恢復視覺功能，但仍然有一些疾病是無法通過醫學治療而恢復的。隨著醫學與工程學的交叉發展，人們開始用工程學的辦法尋求一種視覺假體，通過刺激失明患者視覺系統中仍有部分功能的神經組織的方法，幫助盲人重新獲得有意義的視覺。由於其重大醫學應用價值和經濟價值，世界各國正投入大量的人力物力進行人工視覺的研究。視覺假體主要分為成像系統、視覺信息處理與控制單元以及視神經電刺激器三個主要部分。經對現有的文獻檢索發現，目前國內對視覺假體的研究主要集中在對視覺假體的原理、視神經刺激方案等方面，而對組成視覺假體的主要部件「成像系統」研究甚少。專利號為200610119252. 1，授權日期為2009年5月27日，名為「可植入的視覺假體」的專利文獻只是提供了一種能夠使盲人部分復明的可植入的視覺假體的整體技術方案，其中的成像系統僅僅描述為一廣角短焦距透鏡組或者可變焦透鏡組所構成的微光學透鏡組，並給定了該微光學透鏡組的一些特性參數，但該專利對透鏡組的具體實現方案並未深入分析；專利號為200610024505. 7，授權日期為2009年2月4日，名為「基於微光機電系統的可調節人工晶體」的專利文獻雖然提供了一種能用於視覺假體中的變焦透鏡系統，但該變焦透鏡系統是在微型馬達的驅動下帶動一個負透鏡運動而達到變焦的目的，這種通過機械位移的變焦方式在如人眼那麼小的空間裡來實現並不是最佳之選。
發明內容
本發明公開了一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統及成像方法，其目的在於克服現有視覺成像技術多集中於原理，有的成像系統需要微型馬達帶動等弊端， 本發明設計的雙液體變焦透鏡光學成像系統，是一種全新的可模擬人眼成像的變焦光學系統，不僅解決了研製用於視覺功能修復的眼內微光學成像系統的技術問題，而且結構小，實施方便、響應速度快，為人工視覺假體的製作提供了有價值的關鍵技術方案。一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，它包括圓柱管，雙液體變焦透鏡上蓋，雙液體變焦透鏡下蓋，固定焦距透鏡，平板玻璃片，油性絕緣液體和水性導電液體，其特點是圓柱管的上端與雙液體變焦透鏡上蓋密閉連接，圓柱管的下端與雙液體變焦透鏡下蓋密閉連接，雙液體變焦透鏡上蓋的中心位置開孔密閉嵌入固定焦距透鏡，固定透鏡之外對稱設置兩個小孔，雙液體變焦透鏡下蓋中心位置密閉連接平板玻璃片，整體形成一個圓柱形容器，圓柱管內壁、下端面以及與雙液體變焦透鏡下蓋接觸的圓柱管外壁部分塗覆一層疏水介電層，圓柱形容器通過小孔先後注入兩種液體，即水性導電液體和油性絕緣液體。圓柱管外壁以及與導電液體接觸的雙液體變焦透鏡下蓋分別引出一個電極，在這兩個電極之間施加一個外部電壓，通過調節外加電場改變雙液體透鏡的液體界面曲率半徑，驅動透鏡系統變焦，將雙液體變焦透鏡和固定焦距透鏡結合，實現系統的變焦範圍與人眼的變焦範圍一致。所述的圓柱管和雙液體變焦透鏡下蓋材料為金屬材料。所述固定焦距透鏡浸入到圓柱形容器內的液體中。與現有技術相比，本發明具有結構小、實施方便、響應速度快等特點，為人工視覺假體的製作提供了有價值的關鍵技術方案。
圖1是模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統結構示意圖；圖2是雙液體變焦透鏡中兩種液體界面為平面時系統的結構參數示意圖；該情況下外加電壓使雙液體變焦透鏡的液體界面面型為平面，液體界面與前後兩個光學面的光學間距分別為Cl1和d2，其他參數說明請參看實施例；圖3是雙液體變焦透鏡中兩種液體界面為曲面時系統的結構參數示意圖；即外加電壓使雙液體變焦透鏡的液體界面為球面，其曲率半徑為R，液體界面與前後兩個光學面的光學間距分別為d'工和…2，其他參數同上；圖4是系統將不同物距的物體都成像到固定像面時物距與系統焦距之間的關係曲線。1、固定焦距透鏡，2、小孔，3、雙液體變焦透鏡上蓋，4、圓柱管，5、平板玻璃片，6、雙液體變焦透鏡下蓋，7、油性絕緣液體，8、水性導電液體，9、疏水介電層。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本實用新型加以詳細說明。如圖1所示一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，它包括圓柱管 4，雙液體變焦透鏡上蓋3，雙液體變焦透鏡下蓋6，固定焦距透鏡1，平板玻璃片5，油性絕緣液體7和水性導電液體8，圓柱管4的上端與雙液體變焦透鏡上蓋3密閉連接，圓柱管4的下端與雙液體變焦透鏡下蓋6密閉連接，雙液體變焦透鏡上蓋3的中心位置開孔並密閉嵌入固定焦距透鏡1，固定焦距透鏡1之外的雙液體變焦透鏡上蓋3上對稱設置兩個小孔2， 雙液體變焦透鏡下蓋6中心位置密閉連接平板玻璃片5，整體形成一個圓柱形容器，圓柱管內壁、下端面以及與雙液體變焦透鏡下蓋接觸的圓柱管外壁部分塗覆一層疏水介電層9，容器通過小孔2向內先後注入兩種液體，即水性導電液體8和油性絕緣液體7 ；油性絕緣液體與水性導電液體各佔圓柱形金屬容器體積的一半。本實施例圓柱管4和雙液體變焦透鏡下蓋6材料為銅，圓管內徑為6. 5mm ；固定焦距透鏡1和平板玻璃片5材料均為BK7玻璃，折射率n3 = n4 = 1. 5168 ；固定焦距透鏡前後兩個折射面的曲率半徑分別為Rtll = Ilmm和Rtl2 = -70mm,中心厚度dQ1 = 2mm ；平板玻璃片的厚度Cltl3 = 0. 3mm ；固定焦距透鏡1浸入液體中的高度(Itl2 = 0. 7mm ；圓柱管4內壁、下端面以及與雙液體變焦透鏡下蓋接觸的圓柱管外壁部分塗覆的疏水介電層材料為派瑞林或特氟龍；金屬容器內油性絕緣液體為溴代十二烷，其折射率Ii1 = 1.45 ；水性導電液體為氯化鈉水溶液，其折射率為n2 = 1. 3398 ；圓柱管的長度(Itl = 6mm。一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統的成像方法，是在圓柱管外壁以及與導電液體接觸的雙液體變焦透鏡下蓋分別引出一個電極，在這兩個電極之間施加一個外部電壓，該電壓使圓柱管內壁上的介電層兩面聚集了正負電荷，通過調節外加電場致使導電液體與圓柱管內壁之間的液體界面張力發生改變，從而引起液體界面的形狀變化， 改變雙液體透鏡的液體界面曲率半徑，由於導電液體和絕緣液體的折射率不相同，因此外加電壓導致透鏡焦距變化，由雙液體變焦透鏡和固定焦距透鏡的結合，實現系統的變焦範圍與人眼的變焦範圍一致。本發明可實現系統的變焦範圍與人眼的變焦範圍一致，其理論分析如下由於視網膜在人眼對不同物距成像時是固定不動的，即成像面的位置是不變的。因此針對本專利設計的系統來說首先應該確立一個固定像面，本實施例中將外加電壓使雙液體變焦透鏡的液體界面為平面時透鏡對最近物點與最遠物點成像像點的中點位置確立為固定像面的位置。然後考慮將不同物距的物體成像到所確定的固定像面上對應的液體界面曲率半徑為多大，此時對應的透鏡的焦距為多少，即可以獲取物距與系統焦距的關係。具體步驟如下1.參考圖2中所示的各個參數，在外加電壓使雙液體變焦透鏡的液體界面為平面時，計算系統對無窮遠物體成像的像點到平板玻璃片的距離為Γ =O ；2.參考圖2中所示的各個參數，在外加電壓使雙液體變焦透鏡的液體界面為平面時，計算系統對最小物距Itl = -IOOmm成像的像點到平板玻璃片的距離為1 『 Q ；3.確定固定像面到平板玻璃片的距離即光學成像系統到視網膜的距離為Γ f
權利要求
1.一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，它包括圓柱管，雙液體變焦透鏡上蓋，雙液體變焦透鏡下蓋，固定焦距透鏡，平板玻璃片，油性絕緣液體和水性導電液體， 其特徵在於圓柱管的上端與雙液體變焦透鏡上蓋密閉連接，圓柱管的下端與雙液體變焦透鏡下蓋密閉連接，雙液體變焦透鏡上蓋的中心位置開孔密閉嵌入固定焦距透鏡，固定透鏡之外對稱設置兩個小孔，雙液體變焦透鏡下蓋中心位置密閉連接平板玻璃片，整體形成一個圓柱形容器，圓柱管內壁、下端面以及與雙液體變焦透鏡下蓋接觸的圓柱管外壁部分塗覆一層疏水介電層，圓柱形容器通過小孔先後注入兩種液體，即水性導電液體和油性絕緣液體。
2.根據權利要求1所述的模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統的成像方法， 其特徵在於圓柱管外壁以及與導電液體接觸的雙液體變焦透鏡下蓋分別引出一個電極， 在這兩個電極之間施加一個外部電壓，通過調節外加電場改變雙液體透鏡的液體界面曲率半徑，驅動透鏡系統變焦，將雙液體變焦透鏡和固定焦距透鏡結合，實現系統的變焦範圍與人眼的變焦範圍一致。
3.根據權利要求1所述的模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，其特徵在於所述的圓柱管和雙液體變焦透鏡下蓋材料為金屬材料。
4.根據權利要求1所述的模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，其特徵在於所述固定焦距透鏡浸入到圓柱形容器內的液體中。
全文摘要
一種模擬人眼變焦的雙液體變焦透鏡光學成像系統，圓柱管的上、下端分別與雙液體變焦透鏡上、下蓋密閉連接，雙液體變焦透鏡上蓋的中心位置密閉嵌入固定焦距透鏡，固定聚焦透鏡之外對稱設置兩個小孔；雙液體變焦透鏡下蓋中心位置密閉連接平板玻璃片，圓柱管內壁、下端面以及與雙液體變焦透鏡下蓋接觸的圓柱管外壁部分塗覆一層疏水介電層，圓柱形容器內置水性導電液體和油性絕緣液體。圓柱管外壁以及與導電液體接觸的雙液體變焦透鏡下蓋分別引出一個電極，在這兩個電極之間施加一個外部電壓，通過調節外加電場改變雙液體透鏡的液體界面曲率半徑，驅動透鏡系統變焦，本發明結構小、實施方便、響應速度快，可實現系統變焦範圍與人眼的變焦範圍一致。
文檔編號G02B26/02GK102156348SQ20111008121
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者莊松林, 彭潤玲, 王大振, 陳家璧 申請人:上海理工大學