CC BY
62
УДК 681.7.013.624
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАСАДНОЙ ЖИДКОЙ ЛИНЗЫ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРЕДНЕГО ОТРЕЗКА ОБЪЕКТИВА ВИДЕОКАМЕРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и опто-техники, тел. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
Диана Георгиевна Макарова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: Diana_ssga@mail.ru
Виктор Брунович Шлишевский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
Рассмотрен вариант расчета оптической системы видеокамеры для телеуправляемых робототехнических устройств, состоящей из жидкой линзы с изменяемым фокусным расстоянием и объектива типа «Тессар».
Ключевые слова: оптическая система, жидкая линза, переменное фокусное расстояние, увеличение.
USAGE OF A MOUNTED LIQUID LENS FOR VARIATION OF A FRONT SEGMENT OF THE OBJECTIVE OF VIDEOCAMERA THE ROBOT TECHNICAL OF ARRANGEMENTS
Victor S. Efremov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and Optical Devices Department, tel. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
Diana G. Makarova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Post-graduate student of Nanosystems and Optical Devices Department, tel. (383)344-29-29, e-mail: Diana_ssga@mail.ru
Viktor B. Shlishevsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Science, Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
The alternative of calculation of an optical system of a videocamera for long-distance the robot technical the devices, consisting of a liquid lens with a changed focal length and an objective such as «Тессар» surveyed.
Key words: optical system, liquid lens, variable focal length, magnifying.
В последние годы значительно возрос интерес к оптическим системам с жидкими (жидкостными) линзами (ЖЛ), основанными на различных физических принципах [1-4]. В частности, их применение может оказаться эффективным в измерительной и медицинской технике, дистанционно управляемых устройствах систем безопасности и др., когда в процессе работы необходимо оперативно перенастраиваться на разноудаленные объекты. При этом оптика видеокамер телеуправляемых робототехнических средств должна обладать достаточно большими относительными отверстиями, чего не требуется для «мобильников» и устройств считывания штрих-кодов.
Одним из наиболее распространенных приемов фокусировки на заданное расстояние, особенно широко используемый в фотографии, является применение вспомогательной линзы (рис. 1). Основной объектив тогда функционирует в неизменных условиях, а наведение на конечные расстояния производится при помощи сменных насадных линз с фиксированными фокусными расстояниями. Именно последние рационально заменить на одну-единственную ЖЛ, радиус кривизны, которой регулируется, например, за счет эффекта электросмачивания («electшwettmg») [5]. Так как ЖЛ 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 и жестко соединенными между собой клеем без дополнительных оправ [6].
Рис. 1. Фокусировка оптической системы на конечное расстояние
с помощью насадной линзы:
1 - насадная линза; 2 - основной объектив
В докладе проиллюстрированы возможности применения ЖЛ для изменения переднего отрезка объективов видеокамер робототехнических устройств на примере базового объектива по схеме «Тессар» [7] с относительным отверстием 1:4,5. С целью обеспечения эффективной работы в реальных условиях освещения объектов при сохранении диаметра входного зрачка относительное отверстие было увеличено до значения 1:2, а фокусное расстояние, наоборот, уменьшено до 6,5 мм, для чего перед и после базового объектива введено по одной линзе. Полученной модификации присвоено обозначение «М-Тессар». Комбинация составляющих ЖЛ растворов выбрана из [8] (состав 27); значение коэффициента дисперсии Аббе определено приблизительно (поскольку для большинства наполнителей ЖЛ оптические константы не приводятся, а даются
1 2
только значения показателей преломления п0), по «основным» жидкостям (эти-ленгликоль и вода - по 48 %); расчет системы ЖЛ + «М-Тессар» выполнен для фокусировки на объекты, находящиеся на расстояниях от 500 мм до 10 000 м.
Оптическая система ЖЛ + «М-Тессар» показана на рис. 2. Здесь 1 - ЖЛ, состоящая из непроводящей и проводящей жидкостей, помещенных между двух плоских защитных стекол, 2 - 6-линзовый объектив «М-Тессар».
1 2
/
_____ / гп
----- \ Ц]
и
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема ЖЛ + «М-Тессар»:
1 - жидкая линза; 2 - объектив «М-Тессар»
Результаты расчетного моделирования подобной системы для расстояний до объекта 500, 750 и 1 000 мм, 5, 10 и 10 000 м приведены в табл.
Таблица
Оптические характеристики системы ЖЛ + «М-Тессар»
Параметр Расстояние до объекта, м
0,5 0,75 1,0 5,0 10,0 10 000
Радиус ЖЛ, мм 8,09 8,35 8,49 8,86 8,91 8,98
Линейное поле зрения в плоскости предметов, м 0,36 0,54 0,72 3,62 7,25 6561,0
Размер изображения, мм 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
Линейное увеличение, х105, 660 440 330 66 33 0,0376
крат
Полихроматическая концентрация энергии в пределах пиксела 5 х 5 мкм
Дифракционный предел 0,92 0,92 0,92 0,92 0,92 0,92
В центре поля зрения 0,61 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62
Для зоны поля зрения 0,707 0,62 0,61 0,60 0,60 0,60 0,60
На краю поля зрения 0,72 0,71 0,71 0,72 0,72 0,72
В качестве примера качества аберрационной коррекции на рис. 3 представлены графики концентрации энергии в пределах пиксела 5 х 5 мкм системы ЖЛ + «М-Тессар» при расстоянии до объекта 500 мм.
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.
Рис. 3. Графики концентрации энергии в пределах пиксела 5 х 5 мкм системы ЖЛ + «М-Тессар» при расстоянии до объекта 500 мм
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 ГЕО-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. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 1. - С. 76-80.
7. Вычислительная оптика: Справочник. Изд. 2. / М. М. Русинов [и др.]; под ред. М. М. Русинова. - СПб.: Политехника, 2008. - 424 с.
8. 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, Д. Г. Макарова, В. Б. Шлишевский, 2015
