一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统及成像方法

摘要

一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统，圆柱管的上、下端分别与双液体变焦透镜上、下盖密闭连接，双液体变焦透镜上盖的中心位置密闭嵌入固定焦距透镜，固定聚焦透镜之外对称设置两个小孔；双液体变焦透镜下盖中心位置密闭连接平板玻璃片，圆柱管内壁、下端面以及与双液体变焦透镜下盖接触的圆柱管外壁部分涂覆一层疏水介电层，圆柱形容器内置水性导电液体和油性绝缘液体。圆柱管外壁以及与导电液体接触的双液体变焦透镜下盖分别引出一个电极，在这两个电极之间施加一个外部电压，通过调节外加电场改变双液体透镜的液体界面曲率半径，驱动透镜系统变焦，本发明结构小、实施方便、响应速度快，可实现系统变焦范围与人眼的变焦范围一致。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统及成像方法，属于眼内微光学成像技术领域，用于眼部视觉功能修复。

背景技术

人的视觉系统由眼屈光介质和视觉神经系统组成，形成了光信号传播、光电转换和电信号处理，最后由视觉中枢结合人们的生活经验进行感知的完整过程。但是由于各种原因，如外伤或先天和后天的疾病，破坏了这种完整的视觉回路，使之可能丧失视觉功能。当然这其中有些疾病是可以通过治疗而恢复视觉功能，但仍然有一些疾病是无法通过医学治疗而恢复的。随着医学与工程学的交叉发展，人们开始用工程学的办法寻求一种视觉假体，通过刺激失明患者视觉系统中仍有部分功能的神经组织的方法，帮助盲人重新获得有意义的视觉。由于其重大医学应用价值和经济价值，世界各国正投入大量的人力物力进行人工视觉的研究。

视觉假体主要分为成像系统、视觉信息处理与控制单元以及视神经电刺激器三个主要部分。经对现有的文献检索发现，目前国内对视觉假体的研究主要集中在对视觉假体的原理、视神经刺激方案等方面，而对组成视觉假体的主要部件“成像系统”研究甚少。专利号为200610119252.1，授权日期为2009年5月27日，名为“可植入的视觉假体”的专利文献只是提供了一种能够使盲人部分复明的可植入的视觉假体的整体技术方案，其中的成像系统仅仅描述为一广角短焦距透镜组或者可变焦透镜组所构成的微光学透镜组，并给定了该微光学透镜组的一些特性参数，但该专利对透镜组的具体实现方案并未深入分析；专利号为200610024505.7，授权日期为2009年2月4日，名为“基于微光机电系统的可调节人工晶体”的专利文献虽然提供了一种能用于视觉假体中的变焦透镜系统，但该变焦透镜系统是在微型马达的驱动下带动一个负透镜运动而达到变焦的目的，这种通过机械位移的变焦方式在如人眼那么小的空间里来实现并不是最佳之选。

发明内容

本发明公开了一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统及成像方法，其目的在于克服现有视觉成像技术多集中于原理，有的成像系统需要微型马达带动等弊端，本发明设计的双液体变焦透镜光学成像系统，是一种全新的可模拟人眼成像的变焦光学系统，不仅解决了研制用于视觉功能修复的眼内微光学成像系统的技术问题，而且结构小，实施方便、响应速度快，为人工视觉假体的制作提供了有价值的关键技术方案。

一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统，它包括圆柱管，双液体变焦透镜上盖，双液体变焦透镜下盖，固定焦距透镜，平板玻璃片，油性绝缘液体和水性导电液体，其特点是：圆柱管的上端与双液体变焦透镜上盖密闭连接，圆柱管的下端与双液体变焦透镜下盖密闭连接，双液体变焦透镜上盖的中心位置开孔密闭嵌入固定焦距透镜，固定透镜之外对称设置两个小孔，双液体变焦透镜下盖中心位置密闭连接平板玻璃片，整体形成一个圆柱形容器，圆柱管内壁、下端面以及与双液体变焦透镜下盖接触的圆柱管外壁部分涂覆一层疏水介电层，圆柱形容器通过小孔先后注入两种液体，即水性导电液体和油性绝缘液体。

圆柱管外壁以及与导电液体接触的双液体变焦透镜下盖分别引出一个电极，在这两个电极之间施加一个外部电压，通过调节外加电场改变双液体透镜的液体界面曲率半径，驱动透镜系统变焦，将双液体变焦透镜和固定焦距透镜结合，实现系统的变焦范围与人眼的变焦范围一致。

所述的圆柱管和双液体变焦透镜下盖材料为金属材料。

所述固定焦距透镜浸入到圆柱形容器内的液体中。

与现有技术相比，本发明具有结构小、实施方便、响应速度快等特点，为人工视觉假体的制作提供了有价值的关键技术方案。

附图说明

图1是模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统结构示意图；

图2是双液体变焦透镜中两种液体界面为平面时系统的结构参数示意图；

该情况下外加电压使双液体变焦透镜的液体界面面型为平面，液体界面与前后两个光学面的光学间距分别为d₁和d₂，其他参数说明请参看实施例；

图3是双液体变焦透镜中两种液体界面为曲面时系统的结构参数示意图；

即外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为球面，其曲率半径为R，液体界面与前后两个光学面的光学间距分别为d′₁和d′₂，其他参数同上；

图4是系统将不同物距的物体都成像到固定像面时物距与系统焦距之间的关系曲线。

1、固定焦距透镜，2、小孔，3、双液体变焦透镜上盖，4、圆柱管，5、平板玻璃片，6、双液体变焦透镜下盖，7、油性绝缘液体，8、水性导电液体，9、疏水介电层。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型加以详细说明。

如图1所示：一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统，它包括圆柱管4，双液体变焦透镜上盖3，双液体变焦透镜下盖6，固定焦距透镜1，平板玻璃片5，油性绝缘液体7和水性导电液体8，圆柱管4的上端与双液体变焦透镜上盖3密闭连接，圆柱管4的下端与双液体变焦透镜下盖6密闭连接，双液体变焦透镜上盖3的中心位置开孔并密闭嵌入固定焦距透镜1，固定焦距透镜1之外的双液体变焦透镜上盖3上对称设置两个小孔2，双液体变焦透镜下盖6中心位置密闭连接平板玻璃片5，整体形成一个圆柱形容器，圆柱管内壁、下端面以及与双液体变焦透镜下盖接触的圆柱管外壁部分涂覆一层疏水介电层9，容器通过小孔2向内先后注入两种液体，即水性导电液体8和油性绝缘液体7；油性绝缘液体与水性导电液体各占圆柱形金属容器体积的一半。

本实施例圆柱管4和双液体变焦透镜下盖6材料为铜，圆管内径为6.5mm；固定焦距透镜1和平板玻璃片5材料均为BK7玻璃，折射率n₃＝n₄＝1.5168；固定焦距透镜前后两个折射面的曲率半径分别为R₀₁＝11mm和R₀₂＝-70mm，中心厚度d₀₁＝2mm；平板玻璃片的厚度d₀₃＝0.3mm；固定焦距透镜1浸入液体中的高度d₀₂＝0.7mm；圆柱管4内壁、下端面以及与双液体变焦透镜下盖接触的圆柱管外壁部分涂覆的疏水介电层材料为派瑞林或特氟龙；金属容器内油性绝缘液体为溴代十二烷，其折射率n₁＝1.45；水性导电液体为氯化钠水溶液，其折射率为n₂＝1.3398；圆柱管的长度d₀＝6mm。

一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统的成像方法，是在圆柱管外壁以及与导电液体接触的双液体变焦透镜下盖分别引出一个电极，在这两个电极之间施加一个外部电压，该电压使圆柱管内壁上的介电层两面聚集了正负电荷，通过调节外加电场致使导电液体与圆柱管内壁之间的液体界面张力发生改变，从而引起液体界面的形状变化，改变双液体透镜的液体界面曲率半径，由于导电液体和绝缘液体的折射率不相同，因此外加电压导致透镜焦距变化，由双液体变焦透镜和固定焦距透镜的结合，实现系统的变焦范围与人眼的变焦范围一致。

本发明可实现系统的变焦范围与人眼的变焦范围一致，其理论分析如下：由于视网膜在人眼对不同物距成像时是固定不动的，即成像面的位置是不变的。因此针对本专利设计的系统来说首先应该确立一个固定像面，本实施例中将外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为平面时透镜对最近物点与最远物点成像像点的中点位置确立为固定像面的位置。然后考虑将不同物距的物体成像到所确定的固定像面上对应的液体界面曲率半径为多大，此时对应的透镜的焦距为多少，即可以获取物距与系统焦距的关系。具体步骤如下：

1.参考图2中所示的各个参数，在外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为平面时，计算系统对无穷远物体成像的像点到平板玻璃片的距离为l′_∞；

2.参考图2中所示的各个参数，在外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为平面时，计算系统对最小物距l₀＝-100mm成像的像点到平板玻璃片的距离为l′₀；

3.确定固定像面到平板玻璃片的距离即光学成像系统到视网膜的距离为l′_f

$l_f^{\prime }=\frac{l_{\infty }^{\prime }+l_0^{\prime }}{2}$

4.参考图3中所示的各个参数，在外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为曲面时，计算系统将任何物距成像到固定像面时物距与双液体变焦透镜液体界面曲率之间的关系。即给出系统将物体成像在固定像面上即视网膜上时物距与双液体变焦透镜液体界面曲率之间的关系。

5.在外加电压使双液体变焦透镜的液体界面为曲面时，计算系统将任何物距成像到固定像面即视网膜上时物距与系统焦距之间的关系。

根据以上所给定的相关参数的取值以及物距与双液体变焦透镜液体界面曲率之间的关系可以模拟出物距与系统焦距的关系曲线如图4所示，该曲线给出了系统在对100mm(对应于20岁人的近点距离)到无穷远处物距成像时系统的焦距值为18mm到23mm，模拟结果表明该系统的变焦范围与人眼成像系统对任意距离的物体自动调焦时的变焦范围是一致的。本发明成功实现了一种模拟人眼变焦的双液体变焦透镜光学成像系统。