一种基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头及其控制方法与流程

本发明涉及内窥镜，具体涉及一种基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头及其控制方法。

背景技术：

1、变焦是摄像头的一个常用功能，可实现对被摄物体的放大、缩小，满足不同的观察需求。用光学玻璃或塑料等材料制作的传统透镜或透镜组在不改变镜片之间距离或方位的情况下无法实现变焦，然而，在一些特殊领域，例如医用内窥镜领域，光学系统结构尺寸受限的条件下，无法通过机械结构或者电机驱动使内窥镜镜头中的光学镜片产生运动，其变焦功能的实现也成了一个难题。

2、液体变焦透镜可在不使用移动组件的情况下实现变焦，从而能够代替传统透镜应用到一些特殊的光学系统中。根据实现的原理，液体变焦透镜可分为：基于液体折射率变化的变焦透镜、基于液体表面曲率变化的液体透镜、基于电润湿流体接触角变化的液体透镜。其中，基于电润湿流体接触角变化的液体透镜由于响应速度快、使用寿命长、焦距变化范围大而具有广泛的应用前景。利用这一效应制作的液体变焦透镜通过改变驱动电压u来改变导电液体与疏水层的接触角，使导电液体的表面曲率发生变化，进而实现变焦。

3、如图1所示，医用电子内窥镜是集中了图像传感器、光学镜头、照明光源、机械装置等于一体的检测仪器，它经人体的天然孔道，或者是经手术做的小切口进入人体内，对病变、手术区域成像，辅助医生进行手术操作或者检查。

4、由于医用内窥镜需要在物距不变的情况下实现对局部病变组织图像的放大，因此，在医用内窥镜中变焦功能至关重要。然而，医用硬性内窥镜一般为细长的柱状结构，便于其通过小切口进入人体，例如电子腹腔内窥镜的外径通常为10mm甚至更小，在这样的结构中，留给光学系统的空间非常小，而传统的变焦镜头普遍需要通过镜片的移动实现变焦，但狭小的空间无法容纳调焦的机械结构或电动马达，导致镜片的运动受限，因此无法实现变焦功能。所以，目前绝大多数的电子腹腔镜镜头为定焦镜头，没有变焦功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头及其控制方法，解决内窥镜镜头的变焦问题。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头，该镜头从物方到像方依次包括：第一定焦镜片、第一液体透镜、孔径光阑、第二定焦镜片、第二液体透镜和第三定焦镜片；第一定焦镜片、第一液体透镜、孔径光阑、第二定焦镜片、第二液体透镜和第三定焦镜片组成镜头组；

4、第一定焦镜片、第二定焦镜片和第三定焦镜片用于改善系统像差，分担部分光焦度；

5、第一液体透镜和第二液体透镜为双液体电润湿变焦透镜或三液体电润湿变焦透镜中的一种或两者的组合，在外加电压作用下，可改变透镜焦距，使内窥镜镜头实现变焦。

6、进一步的，第一定焦镜片、第二定焦镜片和第三定焦镜片为普通玻璃透镜。

7、进一步的，该镜头还包括第一蓝宝石保护玻璃和第二蓝宝石保护玻璃；第一蓝宝石保护玻璃位于第一定焦镜片前方，第二蓝宝石保护玻璃位于第三定焦镜片后方，第一蓝宝石保护玻璃和第二蓝宝石保护玻璃用于保护镜头组。

8、进一步的，该镜头还包括图像传感器和图像传感器保护玻璃；图像传感器用于接收镜头组所成的像，对其进行光电转换后输出数字图像；图像传感器保护玻璃位于图像传感器的感光面，用于保护图像传感器的感光表面。

9、进一步的，该镜头还包括变焦旋钮、第一电压模块和第二电压模块；使用过程中转动变焦旋钮，控制系统接收到目标焦距信号，向第一电压模块和第二电压模块发出指令；第一电压模块向第一液体透镜施加的相应的电压，第一液体透镜的焦距随之改变；第二电压模块向第二液体透镜施加的相应的电压，第二液体透镜的焦距随之改变；进而整个光学系统的焦距改变，实现内窥镜镜头的变焦。

10、一种内窥镜，该内窥镜包括上述中任意一项所述的基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头。

11、一种控制方法，应用于上述中任意一项所述的基于电润湿效应的变焦内窥镜镜头，该方法包括：

12、接收目标焦距信号；

13、根据目标焦距信号向第一液体透镜和第二液体透镜施加的相应的电压，使第一液体透镜和第二液体透镜的焦距发生变化，进而使整个光学系统的焦距改变，实现内窥镜镜头的变焦。

14、进一步的，为使内窥镜镜头的焦距f′稳定变化且保证变焦过程中每一个部件位置固定，将镜片之间的距离、镜片到像面的距离设置为定值，得到内窥镜镜头的焦距f′、第一液体透镜焦距f2′与第二液体透镜焦距f3′之间的关系式：

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17、

18、上式首先根据内窥镜镜头的焦距f′确定第一液体透镜焦距f2′，再根据第一液体透镜焦距f2′确定第二液体透镜焦距f3′，由此根据目标内窥镜镜头的焦距f′确定出第一液体透镜焦距f2′和第二液体透镜焦距f3′。其中，p为内窥镜镜头的光焦度；f′为内窥镜镜头的焦距，p1为定焦镜片的光焦度；p2为第一液体透镜的光焦度；f2′为第一液体透镜的焦距，p3为第二液体透镜的光焦度；f3′为第二液体透镜的焦距，l′为系统像面到第二液体透镜像方主平面的距离；e1为定焦镜片像方主平面到第一液体透镜物方主平面的距离；e2为第一液体透镜像方主平面到第二液体透镜物方主平面的距离。

19、进一步的，三液体电润湿变焦透镜包括：第一保护玻璃、第一导电液、绝缘液、第二导电液、第二保护玻璃以及外围的圆柱形容器，容器内壁依次镀导电层、介电层和疏水层；对三液体电润湿变焦透镜施加电压的情况下，导电液与疏水层之间的固-液接触角发生变化，使导电液与绝缘液界面曲率改变，三液体电润湿变焦透镜的焦距随之改变，最终使整个光学系统，即内窥镜镜头的焦距发生改变。

20、进一步的，结合三液体电润湿变焦透镜的结构及杨氏－李普曼方程，得到单片三液体电润湿变焦透镜焦距与驱动电压的关系式；

21、再结合内窥镜镜头的焦距、第一液体透镜焦距与第二液体透镜焦距之间的关系式，得到第一液体透镜的驱动电压以及第二液体透镜的驱动电压。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

23、本发明将电润湿液体透镜应用到内窥镜镜头中，使内窥镜镜头在狭小的空间内实现连续变焦功能，并为电润湿液体变焦透镜设计了专门的电压驱动方程，使其焦距能按照设计的变焦曲线变化，两片电润湿液体透镜组合后便能使内窥镜镜头实现连续变焦，具体为：1、在驱动电压的控制下，本发明的变焦内窥镜镜头焦距可在2.36mm～3.44mm范围内连续变化，实现以不同倍率对被摄物体进行放大，满足医生的使用需求；2、本发明通过改变液体透镜的驱动电压实现变焦，其响应时间可达到毫秒级，而传统的变焦镜头通常通过电动马达或者手动操作机械结构实现变焦，导致系统变焦速度慢；3、本发明中镜头不含移动组件，不会出现由于部件卡死导致镜头失效的情况；4、本发明的变焦内窥镜镜头的外径小于8mm，可安装到内窥镜前端；5、本发明中的液体变焦镜头可承受约50000000次的动作，而传统镜头的机械调焦大约可以使用约100000次。