Конструкция миниатюрного комбинированного объектива-моноблока с жидкими линзами Текст научной статьи по специальности «Физика»

КОНСТРУКЦИЯ МИНИАТЮРНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ОБЪЕКТИВА-МОНОБЛОКА С ЖИДКИМИ ЛИНЗАМИ

Андрей Вячеславович Голицын

Новосибирский филиал Института физики полупроводников СО РАН «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники», 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Николаева, 8, заведующий отделом моделирования оптико-электронных приборов,

тел. (383)333-17-01, e-mail: golitsyn@oesd.ru Игорь Олегович Михайлов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: mio@sibmail.ru

Виктор Брунович Шлишевский

Сибирская государственная геодезическая академия, 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

Обсуждаются некоторые особенности оптимального конструирования миниатюрных оптических систем на основе жидких (жидкостных) линз с изменяемым фокусным расстоянием.

Ключевые слова: жидкая линза, конструкция, оптическая система, переменное фокусное расстояние, радиус кривизны.

THE DESIGN OF THE MINIATURE LENSES-MONOBLOCK BASED ON OF LIQUID LENSES

Andrey V. Golitsyn

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics», 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1 Lavrentiev avenue, tel. (383)333-17-01, e-mail: golitsyn@oesd.ru

Igor O. Mikhailov

Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, Russia, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)344-29-29, e-mail: mio@sibmail.ru

Viktor B. Shlishevsky

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Doctor of Technical Science, Professor, Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru

Some peculiarities of the optimal design of miniature optical systems based on liquid lenses with variable focal length have been discussed in this paper.

Key words: liquid lens, construction, optical system, variable focal length, radius of curve.

Введение

Одним из перспективных направлений развития современной оптотехники является разработка и создание оптических систем на основе жидкостных оптических элементов, которые при определенных условиях позволяют в значительных пределах изменять радиусы кривизны своих преломляющих поверхностей, а вместе с ними - и свое фокусное расстояние [1].

Уже отдельно взятая капля жидкости сама по себе образует криволинейную поверхность и, следовательно, может быть использована в качестве линзы. Ее форма определяется величиной поверхностного натяжения и свойствами подложки, на которую она помещается.

Для управления поверхностным натяжением существует несколько методов, но наибольший интерес проявляется к эффекту электросмачивания из-за высокой скорости реакции и низкого энергопотребления. Электросмачивание (electmwettmg) - это технология, позволяющая контролировать и регулировать поверхностное натяжение в капле жидкости с помощью электрических потенциалов [2]. За счет изменения внешнего электрического поля между жидкостью и основанием, на котором она находится, изменяется смачиваемость основания, что приводит к изменению радиуса кривизны капли и ее фокусного расстояния.

Однако жидкостную (жидкую) линзу (ЖЛ) в виде отдельной капли не так легко получить строго заданного размера и еще сложнее надежно зафиксировать ее форму. Кроме того, на открытом воздухе она будет постепенно испаряться и, следовательно, менять свои характеристики.

На рис. 1 показан конструктивный вариант ЖЛ, заключенной в герметичную камеру [3]. Здесь роль линзы играет объем специальной токонепроводящей жидкости (например, масла), граничащей с несмешиваемой токопроводящей жидкостью (например, водой) вместо воздуха, что снимает проблему испарения. Поверхностное натяжение между обеими жидкостями задается и контролируется посредством специальных электропроводящих контактов.

8 2 17 9

Рис. 1. ЖЛ в герметичной камере:

1, 4 - защитные стекла; 2 - токопроводящая жидкость; 3 - токонепроводящая жидкость; 5 - корпус; 6 - изолирующий слой; 7 - токопроводящий слой; 8 -изоляторы; 9 - электроконтакты; 10 - управляемая преломляющая поверхность ЖЛ

Подобная конструкция представляет собой автономный жидколинзовый модуль (ЖЛМ), по оптическим свойствам фактически эквивалентный двухлинзовой склейке с регулируемым радиусом кривизны общей поверхности. Функции защитных стекол могут также выполнять твердотельные линзы различной формы из разных материалов, и тогда система усложняется.

Нашей задачей являлась разработка компактной и жесткой конструкции миниобъектива с ЖЛ.

Так как перефокусировка оптических систем с ЖЛ осуществляется без линейного перемещения оптических компонентов, а размеры ЖЛ достаточно малы, то наиболее перспективной для них выглядит сборка типа «моноблок», с элементами, ориентированными относительно друг друга с необходимой степенью точности и жестко соединенными между собой клеем.

Анализ типовых компоновок линзовых оптических систем и особенностей их юстировки, позволил предложить принцип конструирования миниатюрных оптических систем на базе ЖЛМ, который поясняется на рис. 2 на примере простейшего двухкомпонентного оптического блока, состоящего из предварительно отрегулированного ЖЛМ и отдельной твердотельной линзы.

Рис. 2. Принцип сборки и юстировки двухкомпонентного оптического блока:

1 - ЖЛМ; 2 - эластичное кольцо (резиновое или силиконовое); 3 - твердотельная линза; Р1-Р3 - прилагаемые силы, обеспечивающие необходимые юстировочные подвижки

Для получения качественного изображения при юстировке используется не только поперечное перемещение линз, но и их наклон с одновременной регулировкой воздушного промежутка между оптическими компонентами.

В начальном положении (рис. 2, а) все элементы - ЖЛМ, эластичное кольцо сечения, согласованного с заданным воздушным промежутком между оптическими компонентами, и линза - устанавливаются последовательно и свободно, причем, как видно, оптические оси ОО компонентов 1 и 3 не совпадают, т. е. система не центрирована. В процессе юстировки системы (рис. 2, б) используются упругие свойства эластичного кольца: наклон выполняется приложением силы Р1, с помощью силы Р2 осуществляется центрирование оптических компонентов, силой Р3 регулируется воздушный промежуток между ними. Центрирование и наклон контролируются каким-либо известным оптическим методом, а величина воздушного промежутка d - при помощи индикатора часового типа. Достигнутое положение деталей фиксируется клеем, залитым в зазор по контуру (рис. 2, в). Полученный монолитный оптический блок вклеивается в специальную стеклянную оправу, дополнительно усиливающую конструкцию, а та, в свою очередь, помещается в защитный пластиковый корпус, позволяющий закрепить весь узел на монтажной основе.

Когда расстояние d между компонентами 1 и 3 превышает допустимую толщину (диаметр сечения) кольца 2, между ним и ЖЛМ может быть установлено дополнительное жесткое пластиковое или стеклянное кольцо требуемого размера; сущность и последовательность регулировок, а также общее конструктивное исполнение, от этого не изменяются. Вариант такого рода конструкции сложной комбинированной оптической системы с ЖЛ показан на рис. 3.

Плоскость изображения

Линия управления жидкими линзами

Рис. 3. Вариант конструкции сложной комбинированной оптической системы с ЖЛ

Заключение

Собираемые по предлагаемой методике конструкции оптических систем должны обеспечить высокую стабильность оптических параметров, поскольку все их элементы закрепляются жестко и изготавливаются из материалов (жидкостей, стекла, пластика) с близкими по значениям температурными коэффициентами линейного расширения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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. Шлишевский // 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.

2. 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. - V. 104 (3). - P. 222-228.

3. Pat. 8238033 US. Liquid Lens Device and Manufacturing Method Therefor / Y. Takai, T. Yoshida, M. Shimase, H. Ishiguro. Publication Date: 08.07.2012.

© А. В. Голицын, И. О. Михайлов, В. Б. Шлишевский, 2014