仿人眼變焦系統的設計

□金禮偉

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

仿人眼變焦系統的設計

□金禮偉

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

根據人眼變焦原理及方法，通過模擬人眼變焦功能的特性，研制出一種小型的變焦透鏡。設計了仿人眼變焦系統的整體結構和CCD圖像傳感器的整體電路，繪制了電路的PCB圖，并對其光學系統進行分析，結合光學透鏡組合公式計算出焦距的變化范圍及光學參數，實現了對透鏡的焦距調節和圖像采集。

科學研究及統計表明，人類感知客觀世界80%～90%以上的信息是通過人眼視覺系統完成的［1］。然而，根據世界衛生組織的統計，全球失明人口共4 500萬。中國約有900萬盲人，占全世界盲人總數的1/5左右。眼部疾病直接導致病人無法像正常人一樣通過眼睛有效獲取外界信息，按照當前的醫學技術發展水平，當眼球遭受不可逆的損害而光感完全喪失后，無法通過手術讓患者恢復視力。因此，創造人工視覺幫助盲人重獲視覺的研究是一大挑戰，也存在著巨大的現實意義和商用價值，值得眾多研究者去嘗試和探索。仿人眼視覺假體是一種通過刺激視覺神經系統，使失明患者重新獲得視覺的人工器官。仿人眼的研究方向主要為仿人眼視覺采集系統、仿人眼視覺認識系統、仿人眼視覺神經系統等。根據人眼視覺變焦的特性，模擬人眼擠壓晶狀體，研制出一種小型的變焦透鏡，為仿人眼視覺認識系統、仿人眼視覺神經系統提供前端的輸入信號。

1　變焦系統的現狀

人類在20世紀60年代初期就開始用控制系統理論來理解和研究眼球運動系統。隨著科技的發展和醫學的進步，以及對眼睛的結構和生理功能認識的加深，人們對于機器視覺的功能可以進一步集成，且對于眼睛的一些功能可以用算法來實現。而且，隨著機器視覺的廣泛應用，對于機器視覺的研究也越來越結合實際的功用而不是純理論的研究。因此，近十幾年來對于機器視覺研究的界限失去了準確的劃分，取而代之的是根據應用模仿了人眼的全部或一部分功能。人的眼睛有很多特殊的功能，變焦特性是其中之一。人眼對視覺信息采集是依賴類似照相機成像的光學系統實現的，筆者根據人眼的變焦功能設計了仿人眼變焦系統。

所謂的變焦能力，包括光學變焦（Optical Zoom）與數碼變焦（Digital Zoom）兩種。傳統光學變焦成像系統存在結構復雜、體積笨重、機械磨損嚴重、加工難度大等缺點［3］，而數碼變焦只能將原先的圖像尺寸裁小，讓圖像在LCD屏幕上變得比較大，但并不會使細節更清晰。柔性變焦透鏡無需機械移動即能實現焦距的調節，具有結構緊湊、控制靈活、制造成本低、無機械磨損、易于集成等諸多優點，有望克服傳統光學系統所面臨的困難［3］。

綜合現階段研究成果，變焦透鏡按照驅動方式不同可分為以下幾種類型：電機驅動、智能材料驅動、微型液壓泵驅動，以及電場作用等。若按照變焦透鏡物理狀態則可劃分為液體型與固態型變焦透鏡。不同的工作方式，變焦效果有所差異，變焦過程也不盡相同，但大部分最終都是通過改變透鏡表面形狀，使透鏡表面曲率發生變化來實現變焦的目的。另外也有通過利用材料特性控制電壓大小，來改變材料的折射率，進而實現焦距變化的。不同的工作類型與驅動方式適用于不同的應用場合。

目前國際上研制的液體變焦透鏡模型（如圖1所示）主要有以下幾種：①充液型變焦透鏡，它通過改變注入腔體內液體的體積來改變腔體頂面薄膜的曲率，從而達到調節焦距的目的；②基于液晶的微變焦透鏡，它將透鏡置于液晶氛圍中，通過改變施加的電壓來調節液晶的折射率，從而實現對透鏡焦距的控制；③基于介質電潤濕的流體變焦透鏡，它利用外加電壓來調節液面的曲率，進而改變透鏡的焦距［4］。

圖1　液體變焦透鏡

以上幾種模型既各有優點又各有不足。充液型變焦透鏡結構簡單、價格低廉，但這種透鏡需要一個額外的泵來提供壓力以改變液體頂面薄膜的曲率，如果壓力過大會給彈性薄膜造成毀滅性的破壞。基于液晶的變焦透鏡易于實現陣列化，但是液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真。基于介質電潤濕的流體變焦透鏡結構小巧，折射率變化范圍大，但這種變焦透鏡所采用的材料價格昂貴，實驗裝置復雜。

2　仿人眼變焦系統設計

2.1系統的功能模塊組成

人眼球光學系統是一個典型的透鏡組合，它由透鏡角膜和晶狀體組合而成。通過睫狀肌收縮驅動晶狀體改變形狀，從而實現晶狀體焦距的變化，即眼球系統焦距的變化，從而實現使不同距離處目標物體在視網膜上清晰成像。其成像特點可以概括為：晶狀體焦距可變，而接收器（視網膜）位置固定［5］。

對比人眼變焦功能，仿人眼變焦系統采用液體變焦透鏡，通過變焦機構擠壓透鏡表面，改變透鏡曲率來達到變焦效果。由此可知，仿人眼變焦系統主要包括以下部分：圖像傳感器、變焦透鏡、驅動裝置，以及支撐結構等。

圖像傳感器與人眼中視網膜的功能相似，是視覺系統不可或缺的重要元件。圖像傳感器將轉換獲取的數據傳輸至中央處理器，等待進一步的處理后獲得最終的圖像信息。仿人眼裝置結構設計中對結構尺寸、成像質量要求高，需要以盡可能小的尺寸得到盡可能好的成像質量。在仿生眼球的機構中，視網膜擬采用Sony公司的平面960H CCD芯片傳感器ICX669AKA，該系列芯片尺寸小，集成化程度高，直接輸出數字信號，便于開發。在重要元件尺寸及安裝方式確定的基礎上，仿人眼要盡量模仿人眼眼球實際尺寸大小，實現其集成化設計。圖像經過鏡頭傳遞到CCD傳感器（ICX669AKA）上，CCD傳感器所得到的信號經模擬前端處理單元（CXD5148GG）初步處理后傳到數字信號處理器（CXD4129GG），再由數字信號處理器輸出模擬視頻信號和數字視頻信號，然后傳到顯示裝置或視頻轉換芯片等進行下一步處理。

變焦透鏡主要由五部分組成，如圖2所示。五部分的材料為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。第一部分為PMMA透鏡，第二部分為HDPE變形環，第三部分為PBT位移環，第四部分為SEBS透鏡，第五部分為PDMS液體。其中，前三部分均為高透明度材質，且折射率、傳播率等光學性能均優異。PDMS與PMMA的折射率n1、n2分別是1.405、1.485。利用透明PMMA、硅橡膠PDMS和彈性體SEBS材料設計組合而成的變焦透鏡，具有透光性好的特點。通過驅動裝置控制變焦透鏡曲率半徑變化，可以實現連續可控變焦。

圖2　變焦透鏡

驅動裝置的選擇直接影響整體結構尺寸大小、驅動及其控制方式等，主要有以下幾種實現方式：微型直線電機、微型泵、超磁致伸縮材料、壓電材料和智能材料等。壓電材料具有精度高、反應迅速和抗干擾能力強等優點，由它所組成的驅動與控制裝置結構簡單、反應敏捷。壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動。因此選用環形壓電陶瓷HPSt150/20-15/25，作為驅動裝置。

支撐結構主要用于支撐、組裝各個部件，整體結構尺寸為45 mm×45 mm×70 mm，如圖3所示（電路板未裝配）。

圖3　整體結構三維剖視圖

2.2光學性能分析

正常人眼的視角大致數據為向外95°，向內60°，向上60°，向下75°。雖然人眼睛的視場角度可達到150°，但可以同時清晰地觀察物體只有在視軸周圍6～8°的范圍。因此，在觀察目標物體時，眼球會自動旋轉到視軸對準目標。人眼光學系統的基本特征參數見表1。

表1　人眼光學系統基本特征

其中，根據理想光學系統中厚透鏡的基本理論知識，SEBS透鏡是可以看作焦距為f的平凸透鏡與焦距為-f的平凹透鏡的組合，即凹凸透鏡。即此凹凸薄透鏡相當于平行板玻璃，實際上是焦距為無限大的透鏡。平行的入射光線通過平行玻璃板之后仍然是平行的出射光線。

變焦透鏡可以近似看作雙平凸透鏡的組合，其中位于上部的平凸透鏡的球面曲率半徑為r1，位于下部的平凸透鏡的球面曲率半徑為r2。由于PDMS與PMMA的折射率相差僅為0.08，計算時假設n=n1=n2=1.44。

由組合透鏡的光學知識可知組合透鏡的焦距為［5］：

式中：r1、r2分別為上下兩球面半徑；d為透鏡厚度，即對稱軸上兩球面頂點距離。

通過環形壓電陶瓷對變焦透鏡的PBT位移環施加壓力，因為PBT的彈性模量是HDPE的10倍多，PBT的截面面積是HDPE的2倍多，HDPE的厚度是PBT的2倍多，因此施加相同的力所產生的壓縮值HDPE是PBT的40倍多。因此，PBT位移環的被壓縮量可以忽略，可以看作在驅動裝置的作用下發生純位移變化。在驅動裝置的作用下，HDPE變形環被壓縮，因此，中間腔內體積發生變化。但是由于中間為PDMS液體，體積可以看作不能被壓縮，產生壓力，且PMMA的彈性模量遠大于SEBS的彈性模量，因此會改變SEBS的形狀。

若變形后為非球面，假設將變焦透鏡表面形狀用球面代替類似拋物面的非球面，在最大位移h及原始半徑r0相同情況下，Z方向最大的位移誤差可用以下表達式描述［6］：

式中：h為拱高。

由上式及參數數據可知，ΔZmax＜3 μm，可將變形后透鏡表面當作標準的球面進行分析處理。

由于整個擠壓變形過程中液體體積是保持不變的，利用球冠所對應的球缺體積公式（Vqq）為：

式中：Vqq為球缺體積；R為球面半徑。

因此，考慮實際d的大小，可得驅動器位移與變焦透鏡焦距之間的關系：

表2　位移與焦距關系

由表2可以看出工作位移越小，等量位移的焦距變化越大，體積變化基本相近。而壓電陶瓷的位移為壓縮位移，即壓電陶瓷的位移越大，HDPE的壓縮量越小。壓電陶瓷的工作位移為0～24 μm，符合系統要求，驅動器的工作電壓為0～112.5 V，可以采用成熟的壓電陶瓷驅動器進行外接輸入電壓。

仿人眼瞳孔有效直徑D為5 mm，像方焦距變化范圍為15.91～24.02 mm。

另外，視場角2ω計算公式為：

式中：d'為畫幅的對角線長度；f'為鏡頭的焦距。最終系統的光學系統技術參數如表3所示：

表3　仿人眼光學系統技術參數

3　結論

根據人眼變焦原理及方法，通過模擬人眼變焦功能特性，模擬人眼擠壓晶狀體，研制出一種小型的變焦透鏡。設計了仿人眼變焦系統的整體結構，以及CCD傳感器的整體電路；繪制了電路的PCB圖，并對其光學系統進行分析；結合光學透鏡組合公式，計算出焦距的變化范圍及光學參數，實現了透鏡的焦距變化和圖像采集。本系統具有機械結構簡單、零件少、液體工作壓力小、變焦性能好、整體結構尺寸小等特點，實現了模仿人眼變焦和采集圖像的視覺功能，具有較大的市場潛力和醫學應用價值。

［1］毛曉波，陳鐵軍.仿生型機器視覺研究［J］.計算機應用研究，2008，25（10）：2903-2905.

［2］SHI J J，STRATTON Z，LIN S-C S，et al.Tunable Optofluidic Microlens through Active Pressure Control of an Air Liquid Interface［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2010，9（2）：313-318.

［3］賈書海，唐振華，董君，等.柔性變焦透鏡發展現狀［J］.中國光學，2015，8（4）：535-547.

［4］胡曉東，曲超，張世國，等.電潤濕離子液體變焦透鏡［J］.光電工程，2012，39（2）：53-58.

［5］ 岳樹盛.工程光學［DB/OL］.http：//www.doc88.com/p-5 00834767328.html.

［6］ REN H W，FOX D，ANDERSORY A，et al.Tunable-focus Liquid Lens Controlled Using a Servo Motor［J］.Optics Express，2006，14（18）：8031-8036.

According to the zoom principles and methods of human eyes and by simulating the functional characteristics on human eye zooming，a compact zoom lens are developed with the design of the monolithic construction of the humanoid eye zoomsystemand the integrated circuit for CCD image sensor and its PCB circuit diagram while its optical system is analyzed.By calculating the range of focal length and optical parameters in conjugation of combinational formula of the optical lens adjustment of the focal length of the lens and image acquisition could be achieved.

仿人眼；變焦透鏡；設計

Humanoid Eye；Zoom Lens；Design

Q692

B

1672-0555（2016）01-017-05

2015年10月

金禮偉（1990—）男，本科，助理工程師，主要從事MES、智能調度、機器人調試、仿人眼等研究工作