[發(fā)明專利]一種基于液體透鏡的仿生視覺快速調(diào)焦方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610895981.X
• 申請(qǐng)日: 2016-10-14
• 公開（公告）號(hào): CN106249325B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 婁小平;褚翔;孟曉辰;祝連慶;董明利;潘志康;樊凡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B3/14
• 分類號(hào): G02B3/14;G02B7/28
• 代理公司: 北京律恒立業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及一種主動(dòng)式與被動(dòng)式結(jié)合的仿生視覺快速調(diào)焦方法，屬于自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自動(dòng)調(diào)焦成像系統(tǒng)作為仿生視覺的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)具有抗干擾性好、精度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)及實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于相機(jī)成像、機(jī)器視覺、數(shù)字監(jiān)控以及遙感雷達(dá)等領(lǐng)域。尤其是基于主動(dòng)式測距的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像采集和圖像處理技術(shù)逐步成熟，基于被動(dòng)式的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)也進(jìn)入快速發(fā)展。但是這兩種方式各自的不足也很明顯，主動(dòng)式測距法由于精度、體積限制了它在仿生視覺領(lǐng)域的應(yīng)用，被動(dòng)式圖像處理法則會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境的多樣性及噪聲干擾無法確保每次系統(tǒng)的調(diào)焦效果為最佳。這些局限性都限制了兩種方法的單獨(dú)應(yīng)用。而且，傳統(tǒng)的仿生視覺系統(tǒng)多是基于工學(xué)方法，利用攝像機(jī)獲得目標(biāo)圖像進(jìn)行處理。但這種攝像機(jī)鏡頭一般采用定焦鏡頭，不能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)焦距，也不能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行放大及縮小的觀測，變焦透鏡則可以實(shí)現(xiàn)這樣的需求。變焦鏡頭從組成方式及工作原理上可以分為傳統(tǒng)變焦距鏡頭以及液體變焦鏡頭。傳統(tǒng)鏡片組合式變焦鏡頭就是利用改變透鏡組之間的間隔來實(shí)現(xiàn)焦距的變化，這種方式必須采用特殊驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)獨(dú)立組件的機(jī)械位置提供精準(zhǔn)的控制，并且鏡頭內(nèi)多個(gè)組件的動(dòng)作必須保證同步，這對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了苛刻的要求，移動(dòng)透鏡組改變焦距時(shí)，往往也會(huì)伴隨著像面的移動(dòng)。因此，還需對(duì)像面的移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。近年來，隨著變焦鏡頭不斷朝著微型化、智能化、穩(wěn)定化、低功耗、成像質(zhì)量高的方向發(fā)展，這種傳統(tǒng)的調(diào)焦方式已經(jīng)很難滿足實(shí)際需求。

液體變焦鏡頭是指通過模擬人眼晶狀體變焦功能，以不同驅(qū)動(dòng)方式改變透鏡表面曲率，從而實(shí)現(xiàn)透鏡焦距大小的變化。它避免了傳統(tǒng)調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損和壽命低等缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元部件難以完成的功能，推動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)向小型化、靈巧化發(fā)展，可應(yīng)用于手機(jī)、相機(jī)、攝像、顯微鏡、醫(yī)療領(lǐng)域、光學(xué)測試設(shè)備、光通信和光信息處理、仿生視覺等領(lǐng)域。可以說，隨著液體鏡頭的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

2009年，中國科學(xué)院研究生院張薇等以液體透鏡(包括折衍混合的液體透鏡)為核心元件,設(shè)計(jì)了可調(diào)焦內(nèi)窺系統(tǒng)、二元變焦內(nèi)窺系統(tǒng)和連續(xù)變焦手機(jī)鏡頭三種不同類型的微型光學(xué)系統(tǒng),在滿足系統(tǒng)尺寸及使用功能的基礎(chǔ)上,初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中無移動(dòng)組件的調(diào)焦、變焦功能。2012年，中國科學(xué)院大學(xué)張鷹等利用液體透鏡設(shè)計(jì)了一種長焦距變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2.5倍的可見光變焦，分利用液體透鏡變焦范圍的基礎(chǔ)上有效縮短了系統(tǒng)尺寸，系統(tǒng)總長僅135mm，全視場MTF值高于0.5。2015年，徠卡顯微系統(tǒng)(上海)有限公司張祥翔等利用Optotune公司的液體變焦透鏡作為顯微鏡自動(dòng)調(diào)焦裝置。并對(duì)液體變焦透鏡在生物顯微鏡上的調(diào)焦功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并獲取了系統(tǒng)在不同焦距的圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液體變焦透鏡可以使系統(tǒng)的景深擴(kuò)展1mm以上，并且保持了良好的成像質(zhì)量。同年，上海理工大學(xué)潘逸君使用雙液體透鏡組成變焦系統(tǒng)，得到了一個(gè)視場60°，變倍比6.2倍的變焦系統(tǒng)。但以上應(yīng)用主要依靠人眼觀測及主觀意識(shí)來判斷圖像清晰度，并沒有使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、精確性增強(qiáng)，也凸顯了主動(dòng)式調(diào)焦方法的局限性及不足。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)的目的在于提供了一種基于液體透鏡的仿生視覺快速調(diào)焦方法，包括步驟：a)對(duì)前方固定距離目標(biāo)物體進(jìn)行標(biāo)定；b)通過標(biāo)定將激光位移傳感器測得的數(shù)值進(jìn)行分析；c)獲得仿生視覺成像系統(tǒng)不同工作距離與液體變焦透鏡所需調(diào)節(jié)信息之間的曲線關(guān)系，得到大步長調(diào)焦方程；d)啟動(dòng)成像裝置控制系統(tǒng)；e)控制系統(tǒng)根據(jù)所述大步長調(diào)焦方程，驅(qū)動(dòng)液體變焦鏡頭調(diào)節(jié)焦距，使系統(tǒng)成像位置快速調(diào)整到預(yù)正焦點(diǎn)；f)系統(tǒng)采集圖像；g)判斷采集圖像的清晰度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若不符合，在預(yù)正焦點(diǎn)附近采用小步長調(diào)焦算法，繼續(xù)采集圖像；h)直至獲取到符合標(biāo)準(zhǔn)的清晰圖像，調(diào)焦結(jié)束。

優(yōu)選地，所述大步長調(diào)焦方程由物距-焦距-控制電流三者之間的關(guān)系決定。

優(yōu)選地，所述調(diào)焦算法由基于Sobel算子的灰度梯度函數(shù)結(jié)合改進(jìn)的爬山搜索策略組成。

優(yōu)選地，所述液體變焦透鏡體積尺寸為45×25.5mm-55×35.5mm，響應(yīng)時(shí)間為1.5ms-3ms。

優(yōu)選地，所述液體變焦透鏡為液體填充方式。

優(yōu)選地，所述液體填充方式是使用光學(xué)透明彈性薄膜將液體限制在腔體當(dāng)中，通過液體的壓力來控制薄膜面形變化。應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明