CC BY
207
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 681.7.067 : 681.7.072 : 681.7.013.624
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СБОРКИ И ЮСТИРОВКИ ЛИНЗОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЖИДКОСТНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ
Игорь Олегович Михайлов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 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
Сергей Михайлович Чурилов
Новосибирский филиал Института физики полупроводников СО РАН им. А. В. Ржанова «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники», 630090,
Россия, г. Новосибирск, пр-кт акад. Лаврентьева, 2/1, заместитель руководителя, тел. (383)330-72-40, e-mail: oos@oesd.ru
Виктор Брунович Шлишевский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 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. Предлагается принцип их конструирования на базе жидколинзовых модулей из материалов (жидкостей, стекла, пластика) с близкими температурными коэффициентами линейного расширения. Принцип поясняется на примере простейшего двухкомпонентного оптического блока, состоящего из предварительно отрегулированного жидколинзового модуля и отдельной твердотельной линзы.
Рассматривается схема устройства для юстировки и контроля оптических «моноблоков», включающих жидколинзовые элементы. Юстировка осуществляется поперечным смещением линз, их наклоном и регулировкой воздушного промежутка между компонентами. Приводятся примеры конструкций сложных комбинированных оптических систем с жидкими линзами при различных соотношениях между диаметрами оптических компонентов. Собираемые по предлагаемой методике конструкции оптических систем с жидкими линзами обладают высокой стабильностью своих оптических параметров.
Ключевые слова: жидкая линза, конструкция, оптическая система, переменное фокусное расстояние, радиус кривизны, сборка, юстировка.
106
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
SOME PECULIARITIES OF ASSEMBLY AND ALIGNMENT OF LENS OPTICAL SYSTEMS WITH LIQUID COMPONENTS
Igor O. Mikhailov
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc. Prof., Department of Nanosystems and Optical Devices, tel. (383)344-29-29, e-mail: mio@sibmail.ru
Sergey M. Churilov
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, Deputy Branch Director, tel. (383)330-72-40, e-mail: oos@oesd.ru
Viktor B. Shlishevsky
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Nanosystems and Optical Devices, tel. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
Some features of the optimal design of miniature optical systems based on liquid lens with a variable focal length are discussed. The principles for their design on the base of liquid lens modules made of materials with similar temperature coefficients of linear expansion (liquids, glass, plastic) is proposed. The principles are illustrated by the example of a simple two-component optical block consisted of a pre-adjusted liquid lens module and a solid lens. The structure diagram for adjustment and control of optical "monoblock" with liquid lens elements is considered. The alignment is carried out by transverse displacement of the lenses, by their tilt and adjustment of the air gap between the components. The examples of structures of complex optical systems with liquid lenses of different ratios between the diameters of the optical components are given. Assembled by the proposed method optical system constructions with liquid lenses have high stability of their optical parameters.
Key words: liquid lens, construction, optical system, variable focal length, radius of curve, assembly, aligning.
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, 2]. Это замечательное свойство жидкостных (или жидких) линз (ЖЛ) существенно расширяет функциональные возможности оптических систем в реальном времени (автоматическая фокусировка и стабилизация изображения, быстрое плавное изменение увеличения и др.), что немаловажно для адаптивной оптики. Одновременно появляется возможность замены нескольких твердотельных линз одной управляемой ЖЛ. В итоге, при наличии соответствующих технологий ЖЛ в ряде случаев могут стать дешевой альтернативой асферическим и градиентным твердотельным компонентам. Кроме того, использование жидкостей с другими, отличными от твердых материалов, значениями показателей преломления и дисперсии дает новые
107
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
комбинации оптических сред для осуществления более совершенной ахроматической коррекции оптических систем с целью повышения их качества изображения в широкой области длин волн [3-5], что автоматически влечет за собой комплексное улучшение тактико-технических характеристик оптико-электронных приборов. Ярким демонстрационным примером успешного применения ЖЛ может служить панкратический прицел для стрелкового оружия с технологией адаптивного увеличения «RAZAR» (Rapid Adaptive Zoom for Assault Rifles), основанной на использовании набора управляемых полимерных ЖЛ [6].
По-видимому, впервые эффективно действующая ЖЛ-система с регулируемым радиусом кривизны была реализована на принципах, предложенных в патентах [7, 8]. Вскоре к подобным разработкам активно подключился целый ряд фирм и компаний, таких как «Koninklijke Philips Electronics N. V.» [9], «Fuji Photo Film Co., Ltd.» совместно с «Fujinon Corporation» [10], «Fujifilm Corporation» [11], «Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd.» [12-14], «Sony Corporation» [15, 16] и др. Сравнительно недавно появилось сообщение [17], что технологией производства ЖЛ заинтересовался и отечественный холдинг «Швабе», входящий в Госкорпорацию Ростех.
Вообще говоря, 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. При этом растекание жидкости по поверхности характеризуется величиной так называемого краевого угла 0, который на плоской подложке будет острым в случае большого растекания при хорошем смачивании поверхности, и тупым в случае слабого растекания при плохом смачивании поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Формы капли жидкости и соответствующие краевые углы 0
Для управления поверхностным натяжением существует несколько методов [1], но наибольший интерес проявляется к эффекту электросмачивания из-за высокой скорости реакции и низкого энергопотребления. Электросмачивание («electrowetting») - это технология, позволяющая контролировать и регулировать поверхностное натяжение в капле жидкости с помощью электрических потенциалов [18]. 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.
108
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Приведенная на рис. 1 схема не только поясняет основную концепцию ЖЛ в виде простых капель, но и раскрывает некоторые проблемы, связанные с их практической реализацией и применением. В частности, саму каплю жидкости не так легко получить строго заданного размера и еще сложнее надежно зафиксировать ее форму и положение. Кроме того, на открытом воздухе она будет постепенно испаряться и, следовательно, менять свои характеристики.
На рис. 2 показан конструктивный вариант ЖЛ, заключенной в герметичную камеру [19]. Здесь: 1 и 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. В данном случае 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. В качестве простейших токопроводящих жидкостей обычно используются водные растворы солей (электролиты), а в качестве токонепроводящих - различные углеводородные соединения [20].
Конструкция на рис. 2 представляет собой автономный жидколинзовый модуль (ЖЛМ), по оптическим свойствам фактически эквивалентный двухлинзовой склейке с регулируемым радиусом кривизны общей поверхности. Функции защитных стекол могут выполнять не только плоскопараллельные пластины, но также и твердотельные линзы различной формы из разных материалов, и тогда система усложняется.
Рис. 2. ЖЛ в герметичной камере
Очевидно, что конструирование подобных устройств требует новых подходов, а их сборка и юстировка - разработки новых оригинальных методов с применением специальных установок и приспособлений [21].
Поскольку перефокусировка оптических систем с ЖЛ осуществляется без линейного перемещения оптических компонентов, а размеры ЖЛ, как правило, не очень велики, то наиболее оптимальной для них выглядит сборка типа «мо-
109
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
ноблок» с элементами, ориентированными относительно друг друга с необходимой степенью точности и жестко соединенными между собой клеем без дополнительных оправ, что минимизирует массогабаритные характеристики всей сборочной единицы.
Анализ типовых компоновок и особенностей юстировки линзовых оптических систем [22-24] позволил предложить принцип их конструирования на базе ЖЛМ из материалов (жидкостей, стекла, пластика) с близкими по значениям температурными коэффициентами линейного расширения [21]. Указанный принцип поясняется на рис. 3 на примере простейшего двухкомпонентного оптического блока, состоящего из предварительно отрегулированного ЖЛМ и отдельной твердотельной линзы.
Для получения качественного изображения при юстировке используется не только поперечное перемещение линзы, но и ее наклон с одновременной регулировкой воздушного промежутка между оптическими компонентами.
В начальном положении (рис. 3, а) все элементы - ЖЛМ 1, эластичное кольцо (резиновое или силиконовое) 2 сечения, согласованного с заданным воздушным промежутком между оптическими компонентами, и линза 3 - 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. 3, 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. 3, 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.
2
3
1
Р.
2
ОО модуля 1
в)
ОО линзы 2
а)
110
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Если расстояние d между компонентами 1 и 3 превышает допустимую толщину (диаметр сечения) кольца 2, то между ними может быть установлено вспомогательное жесткое пластиковое или стеклянное кольцо требуемого размера; сущность и последовательность регулировок, а также общее конструктивное исполнение от этого не изменяются.
На рис. 4 представлена принципиальная оптико-кинематическая схема устройства для юстировки и контроля таких оптических блоков в практических условиях [25].
Рис. 4. Принципиальная схема юстировочного устройства
Качество юстировки контролируется при помощи оптико-электронной системы 1-4. Лазерный источник излучения 1 формирует узкий параллельный световой пучок, проходящий через всю оптическую систему и настраиваемый так, чтобы в отсутствие оптических компонентов он попадал в центр квадрантного фотоприемника 2. Тогда после установки контролируемой сборочной единицы фотоприемник будет генерировать сигнал, пропорциональный величине поперечного смещения пучка в плоскости его светочувствительных элементов. Далее этот сигнал поступает в блок обработки 3, который формирует информацию в удобном для оператора виде и выводит ее, например, на монитор компьютера 4. Базовым оптическим элементом является ЖЛМ 7, который закрепляется на опорной детали 8 шеллаком или центрировочной смолой 9. Юстируемый оптический компонент (в частности, твердотельная линза) 5 устанавливается через эластичное (резиновое) кольцо 6 соответствующего сечения. Его центрирование выполняется винтовыми механизмами 11, а наклон регулируется рычажно-
111
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
винтовыми механизмами 12. Воздушный промежуток между юстируемым элементом 5 и ЖЛМ 7 контролируется индикатором часового типа 13. Достигнутое положение деталей фиксируется клеем 10, заливаемым в зазор по контуру.
Конструктивный вариант устройства рассмотренной схемы приведен на рис. 5. На основании 1 закреплена несущая стойка 2 и квадрантный фотоприемник 3 с блоком обработки сигнала. С кронштейном 4 при помощи регулировочных винтов 7 связано базирующее устройство 5 с собираемой и юстируемой линзовой оптической системой 6. Гайка 9 дает возможность перемещать вдоль стойки 2 кронштейны 8 и 12, разделенные кольцом 11. На кронштейне 8 установлены три юстировочных винтовых и рычажно-винтовых механизма высокой чувствительности 10, с помощью которых выполняются тонкие подвижки юстируемого оптического компонента. Кронштейн 12, кроме перемещения вдоль стойки 2, может вращаться вокруг нее, что позволяет вводить индикатор часового типа 13 в область измерений при контроле воздушных промежутков между оптическими компонентами. В верхней части стойки 2 неподвижно закреплен кронштейн 14 с установленным в нем источником лазерного излучения 15. Регулировкой опор 16 выставляется устойчивое положение всего устройства.
Рис. 5. Вариант конструкции юстировочного устройства
112
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Сборка и юстировка оптической системы выполняются в следующей последовательности.
1. ЖЛМ 1 при помощи шеллака или центрировочной смолы закрепляется на базирующем устройстве 2 (рис. 6, а). При включенном источнике лазерного излучения винтами 3 регулируется центрирование прошедшего через оптический компонент лазерного пучка относительно фоточувствительных площадок квадрантного фотоприемника. Контроль выполняется по визуальным индикаторам, например, на мониторе компьютера.
а) б) в)
Рис. 6. Последовательность установки компонентов линзовой оптической системы на базирующем устройстве
После предварительной настройки на ЖЛМ помещается резиновое кольцо 4 (рис. 6, б), внутренний диаметр которого больше световых диаметров граничащих оптических компонентов, а сечение согласовано с воздушным промежутком между этими компонентами. На кольцо устанавливается второй оптический компонент (твердотельная линза) 5 (рис. 6, в). С внешней стороны в зазор между деталями наносится клей.
2. Кронштейн 1 при помощи гайки 2 перемещается в нижнее положение, как показано на рис. 7, а. При включенном лазерном источнике излучения, формирующем узкий параллельный пучок лучей 5, винтами 3 юстировочного устройства выполняется центрирование твердотельного оптического компонента, а наклон и воздушный промежуток юстируются винтами 4.
3. Для контроля и юстировки воздушного промежутка в оптической системе индикатор 1 перемещается в положение, показанное на рис. 7, б. Поворотом трех винтов 2 на равные углы юстируется воздушный промежуток между оптическими компонентами. Контроль осуществляется индикатором часового типа 1.
Вариант такого рода конструкции сложной комбинированной оптической системы с ЖЛ при близких (или равных) диаметрах оптических элементов показан на рис. 8, а. Здесь: 1 - твердотельная линза, 2 и 3 - ЖЛМ, 4 и 5 - эластичные кольца, 6 и 7 - клеевые слои, 8 - жесткое промежуточное кольцо, 9 - стеклянная оправа, 10 - пластиковый корпус, 11 - электропровода.
113
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
а) б)
Рис. 7. Юстировка твердотельного компонента оптической системы
б)
Рис. 8. Варианты конструкции сложной комбинированной оптической системы с ЖЛМ:
а) при близких (или равных) диаметрах оптических элементов; б) при заметно различающихся диаметрах оптических элементов
114
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Аналогичная, по сути, конструкция может быть использована и в том случае, когда оптические элементы достаточно сильно различаются по диаметру (рис. 8, б).
Собираемые по предлагаемой методике конструкции оптических систем с ЖЛ должны обеспечить высокую стабильность своих 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
A. В. Голицын, В. С. Ефремов, И. О. Михайлов, Н. В. Оревкова, Б. В. Федоров, В. Б. Шли-шевский // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 7-11.
2. Физико-технологические основы построения оптико-информационных систем для видимого, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн / Д. В. Алантьев, А. В. Гельфанд, А. В. Голицын, А. В. Гусаченко, Г. Е. Журов, Ю. Л. Кравченко, И. И. Кремис, Кузнецов С. А., Паулиш А. Г., Федоринин В. Н., Шлишевский В. Б. // Юбилейный сборник избранных трудов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (1964-2014) / Ред. А. В. Латышев, А. В. Двуреченский, А. Л. Асеев. - Новосибирск: Параллель, 2014. -С. 736-760.
3. Ефремов В. С., Макарова Д. Г., Шлишевский В. Б. Условия построения двухкомпонентных жидкостных систем переменного увеличения // Изв. вузов. Приборостроение. -2014. - Т. 57, № 7. - С. 55-59.
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. Голицын А. В., Сейфи Н. А. Численная оценка дисперсии идеального жидкостного оптического материала для устранения хроматизма положения // Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика-2014». - СПб.: Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2014. - Т. 3. - С. 64-66.
6. Szondy D. RAZAR riflescope brings push-button zoom to the battlefied. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.gizmag.com/sandia-razar-adaptive-zoom-riflescope/34366/ (дата обращения: 19.02.2015).
7. Pat. 1999018456 WO. Lens With Variable Focus / B. Berge, J. Peseux. Publication Date: 04.15.1999.
8. Pat. 2000058763 WO. Drop Centering Device / B. Berge. Publication Date: 03.24.2000.
9. 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.
10. Pat. 7180678 US. Lens Unit and Image Taking Apparatus / T. Kato, T. Kiuchi, H. Miyano. Publication Date: 02.20.2007.
11. Pat. 7224534 US. Optical Element, Optical Unit, and Image-Taking Apparatus / T. Ootsu-ka, T. Kato, H. Miyano. Publication Date: 05.29.2007.
12. Pat. 2007/0247724 US. Liquid Lens With Curved Contact Surface / M. S. Jung. Publication Date: 10.25.2007.
115
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
13. Pat. 7656588 US. Liquid for Liquid Lens With High Reliability / J. Y. Bae, H. S. Choi, H. Y. Jung, J. Y. Kim. Publication Date: 02.02.2010.
14. Pat. 7680406 US. Liquid-Lens Assembly / M. S. Jung. Publication Date: 03.16.2010.
15. Pat. 7298559 US. Variable Focus Lens and Optical Device Using the Same as Well as Method of Manufacturing Variable Focus Lens / Y. Kato, F. Mueda. Publication Date: 11.20.2007.
16. Pat. 8238033 US. Liquid Lens Device and Manufacturing Method Therefor / Y. Takai, T. Yoshida, M. Shimase, H. Ishiguro. Publication Date: 08.07.2012.
17. «Швабе» разрабатывает технологии производства жидкостных линз. [Электронный ресурс]. URL: http://ria.ru/economy/20150310/1051706839.html (дата обращения: 12.03.2015).
18. Light Actuation of Liquid by Optoelectrowetting / P. Y. Chioua, H. Moonb, H. Toshiyoshic, C.-J. Kimb, M. C. Wua // Sensors and Actuators A: Physical. - 2003. -Vol. 104 (3). - P. 222-228.
19. Pat. 8238033 US. Liquid Lens Device and Manufacturing Method Therefor / Y. Takai, T. Yoshida, M. Shimase, H. Ishiguro. Publication Date: 08.07.2012.
20. Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Оптические материалы и ахроматическая коррекция типовых компонентов оптических систем: учеб. пособие. - Новосибирск: СГГА,
2013. - 284 с.
21. Голицын А. В., Михайлов И. О., Шлишевский В. Б. Конструкция миниатюрного комбинированного объектива-моноблока с жидкими линзами // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-
2014. Х 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.
22. Маламед Е. Р. Конструирование оптических приборов космического базирования: учеб. пособие. - СПб.: ГИТМО (ТУ), 2002. - 292 с.
23. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: учеб. пособие. -СПб.: Политехника, 2007. - 579 с.
24. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения. - Л.: Машиностроение, 1989. - 221 с.
25. Михайлов И. О., Шлишевский В. Б. Устройство и метод юстировки жидколинзовых систем // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр., 13-25 апреля 2015 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. Т. 2. - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - С. 171-173.
Получено 05.08.2015
© И. О. Михайлов, С. М. Чурилов, В. Б. Шлишевский, 2015
116
