CC BY
16
УДК 681.7.013.624
ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ЖИДКОСТНАЯ АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
Рассмотрен вариант расчета двухкомпонентной жидкостной адаптивной оптической системы видеокамеры технического зрения для медицинского направления и изменение кор-рекционных свойств адаптивной системы при аккомодации.
Ключевые слова: жидкостная, адаптивная, оптическая система. TWO-COMPONENTAL LIQUID ADAPTIVE OPTICAL SYSTEM
Victor S. Efremov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor of Nanosystems and Optical Devices Department, tel. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
The variant of calculation of two-componental liquid adaptive optical system of a videocamera of technical sight for a medical direction and change of correctional properties of adaptive system at accommodation is considered.
Key words: liquid, adaptive, optical system.
В последние годы возрос интерес к оптическим системам с жидкими (жидкостными) линзами (ЖЛ), основанными на различных физических принципах [1-4]. Применение ЖЛ может оказаться эффективным в измерительной и медицинской технике, дистанционно управляемых устройствах систем безопасности и др., когда в процессе работы необходим режим аккомодации (оперативно перенастраиваться на разно удаленные объекты). Оптика видеокамер медицинского направления, «мобильников» и устройств считывания штрих-кодов, как правило, не требует рекордных оптических характеристик.
Наиболее распространенный прием фокусировки на заданное расстояние, особенно широко используемый в живой природе, аккомодация хрусталика глаза. В технических устройствах роль хрусталика может заменить ЖЛ на эффекте электросмачивания. Оптическую систему рационально выполнить в виде единой ЖЛ, радиусы кривизны, которой регулируется, например, за счет эффекта электросмачивания («electrowetting») [5]. Так как ЖЛ для изменения фокусного расстояния не нуждаются в продольных подвижках, то конструктивно вся система может быть выполнена в виде сборки типа «моноблок» с элементами, ориентированными относительно друг друга с необходимой степенью точности [6].
В докладе проиллюстрирована возможность применения состыкованных ЖЛ для аккомодации на разные расстояния до объекта.
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема двухкомпонентной жидкостной
адаптивной оптической системы
Определяя параметры двухкомпонентной жидкостной адаптивной системы, для последующего моделирования ее по программе расчета оптических систем <^етах» воспользуемся оптическими характеристиками глаза человека.
Как известно, при аккомодации с бесконечности до расстояния наилучшего видения (250мм) главное (суммарное) фокусное расстояние глаза изменяется от 16 до13 мм. Диаметр входного зрачка примем равным 3 мм, что соответствует нормальной освещенности объекта. Поле зрения примем равным 10° (зона четкого видения глаза, примерно 6°-7°).
Показатели преломления веществ составляющих глаз: роговицы «0=1,376; передней глазной камеры и0=1,336; центра хрусталика «0=1,403; задней глазной камеры «0=1,336. На основании этого выберем комбинацию показатели преломления электропроводящей и электро непроводящей жидкостей из [7] (состав №20).
Результаты расчетного моделирования подобной системы для расстояний до объекта 0,25, 0,5 и 1000 мм, 5, 10, 1000 м и да приведены в таблице для единой плоскости изображения равной 5-16,72мм.
Таблица
Оптические характеристики и коэффициенты Зейделя двухкомпонентной
жидкостной адаптивной системы
Расстояние до объекта, м Радиус по-верхн ., мм Фокусное расстояние линзы, мм Аберрационные коэффициенты Зейделя
Ге /'непр /'пр Вт Вп §ГУ Ву
0,25 5,16 16,69 -13,43 9,55 0,0113 0,0027 0,0042 0,0021 -0,0009
0,50 5,32 17,19 -13,83 9,84 0,0101 0,0024 0,0042 0,0021 -0,0001
1,00 5,43 17,53 -14,11 10,04 0,0095 0,0022 0,0041 0,0020 -0,0001
5,00 5,50 17,78 -14,31 10,18 0,0090 0,0021 0,0040 0,0020 -0,0001
10,0 5,50 17,78 -14,31 10,18 0,0090 0,0021 0,0040 0,0020 -0,0001
1000,0 5,51 17,81 -14,34 10,20 0,0089 0,0020 0,0040 0,0020 -0,0001
да 5,52 17,84 -14,37 10,22 0,0089 0,0020 0,0040 0,0020 -0,0001
/'е - суммарное жидкой линзы; /'непр - электро непроводящей линзы; /'пр - электропроводящей линзы
К достоинствам данной системы следует отнести быстрое (в пределах мс) изменение фокусного расстояния, постоянство относительного отверстия, малый диапазон (менее 1 мм) изменения радиуса кривизны преломляющей поверхности ЖЛ.
Коэффициенты Зейделя для монохроматических аберраций практически не изменяются для всех положений аккомодации, кроме SI - определяющую сферическую аберрацию (изменение для крайних положений не более 30%).
В качестве примера аберрационной коррекции на рис. 2 представлены графики концентрации энергии в пределах пиксела 30 х 30 мкм системы при разных расстояниях до объекта.
0.0000 мм
0.0000 мм
3.0000 мм
7 . 500
РгРгаиБ РРЗОМ СЕК1Т1?010 1Ы /т
7 , 500
ЯРЮГиБ РРЗОМ СЕКТОЮ
а
б
0.0000 ММ 3.0000 ММ
7 .500
РгРЮГиБ ради СЕМТЙОЮ 1Ы ЦОХ
7 . 500
ЯРЮШБ РЙОМ СЕЫТКОЮ
в
0.0000 ММ 3.0000 ММ
7 . 500
КРШШиБ РЙОМ СЕ1ЧТ130:Ш 1Ы
7 . 500
КРЮШ5 РЙОИ СЕИП^ОЮ
д
Рис. 2. Графики концентрации энергии в пределах пиксела 30х 30 мкм
при расстоянии до объекта:
а) 0,25м; б) 0,5м; в) 1м; г) 5м; д) 10м; е) 1 000 м
г
е
На основании рис. 2 можно сделать некоторые выводы:
- результаты предварительного расчета показали, что значения концентрация энергии в пикселе не достаточна для получения высококачественного изображения;
- концентрация энергии в пикселе близка по значению для всех положений аккомодации;
- повышение концентрации энергии в пикселе возможно при сферизации плоских поверхностей системы или дополнительным компонентом с постоянной оптической силой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pat. 1999018456 WO. Lens With Variable Focus / B. Berge, J. Peseux. Publication Date: 04.15.1999.
2. Pat. 7126903 US. Variable Focus Lens / B. J. Feenstra, S. Kuiper, S. Stallinga, B. H. W. Hendriks, R. M. Snoeren. Publication Date: 10.24.2006.
3. Жидкие линзы - новая элементная база оптических и оптико-электронных приборов / А. В. Голицын, В. С. Ефремов, И. О. Михайлов, Н. В. Оревкова, Б. В. Федоров, В. Б. Шли-шевский // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 7-11.
4. Голицын А. В., Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Некоторые варианты оптических систем на основе жидкостных элементов // Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика-2014». СПб. : Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2014. -Т. 3. - С. 55.
5. Chioua P. Y., Moonb H., Toshiyoshic H., Kimb C.-J., Wua M. C. Light actuation of liquid by optoelectrowetting // Sensors and Actuators A: Physical. - 2003. - Vol. 104 (3). - P. 222-228.
6. Голицын А. В., Михайлов И. О., Шлишевский В. Б. Конструкция миниатюрного комбинированного объектива-моноблока с жидкими линзами // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 76-80.
7. Pat. EP1979771B1. Multi-phase liquid composition and variable- focus optical lens driven by electrowetting that incorporates the / Amiot F., Malet G., Liogier D'ardhuy Gaëtan. Publication Date: 02.11.2011.
© В. С. Ефремов, 2016
