CC BY
36
УДК 623 : 681.7
ВАРИООБЪЕКТИВ С ЖИДКОЛИНЗОВОЙ СИСТЕМОЙ ИЗМЕНЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры наноси-стем и оптотехники, 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, ассистент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: diana_ssga@mail.ru
Виктор Брунович Шлишевский
Доктор технических наук, профессор, тел. (960)789-39-10, e-mail: svb_dom@ngs.ru
Проанализирован вариант линзового вариообъектива с двухкомпонентной жидкостной системой переменного увеличения.
Ключевые слова: вариообъектив, двухкомпонентная оптическая система, жидкая линза, переменное фокусное расстояние, увеличение.
VARIOLENS WITH THE LIQUID SYSTEM OF FOCUS DISTANCE CHANGE
Victor S. Efremov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor, associate Professor of the Department of Nanosys-tems and Optical Devices, tel. (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail.ru
Diana G. Makarova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., assistant of the Department of Nanosystems and Optical Devices, tel. (383)343-22-11, e-mail: diana_ssga@mail.ru
Victor B. Shlishevsky
D. Sc., Professor, tel. (960)789-39-10, e-mail: svb_dom@ngs.ru
The variant of a variolens with two-component liquid system of variable magnification was analyzed.
Key words: variolens, two-component liquid system, liquid lens, variable focal length, magnification.
В современном оптическом оптико-электронном приборостроении все более широкое применение находят системы с непрерывным изменением масштаба изображения (увеличения) - вариообъективы и трансфокаторы. Вопрос смены увеличения в них традиционно решается путем осевого перемещения оптических компонентов с помощью различного рода электромеханических
устройств, зачастую весьма энергозатратных и недостаточно быстродействующих. Между тем, для ряда оптических систем, прежде всего малогабаритных, фокусное расстояние и масштаб изображения можно регулировать с помощью управляемых жидких (жидкостных) линз (ЖЛ), которые допускают достаточно широкую вариацию радиусов кривизны своих поверхностей за счет различных физических эффектов [1-3]. В частности, фирмой Sandia Corporation анонсируется прицел для автоматических винтовок с технологией адаптивного увеличения «RAZAR» (Rapid Adaptive Zoom for Assault Rifles), основанной на использовании набора управляемых полимерных ЖЛ [4], в работе [5] приводятся примеры конструктивного выполнения простейших ЖЛ и некоторые компоновки ЖЛ-систем в составе вариообъективов фирмы Optotune и т. д.
На рис. 1 показана принципиальная схема вариообъектива с ЖЛ-системой изменения увеличения (ЖЛ СИУ). Положительный компонент 1 проецирует изображение рассматриваемого объекта в плоскость предметов СИУ 2-3, которая и устанавливает требуемый масштаб в плоскости изображений объектива в целом.
3
1 i -►— 2 К_ \ --------
■—►-- ----
________■*•------ f аъ
-►— > ' i d\ i ^^^ d2 >
4- Ü2
.
Рис. 1. Ход лучей в вариообъективе с ЖЛ СИУ для двух крайних
значений увеличения
На практике при компоновке объектива во внимание принимаются также следующие соображения:
- для удобного размещения фотоприемного устройства фокальная плоскость должна быть вынесена за пределы объектива, т. е. задний фокальный отрезок а'ъ должен быть положительным;
- для большей компактности системы плоскости предметов и изображений ЖЛ СИУ должны быть совмещены как друг с другом, так и с фокальной плоскостью всего объектива, что осуществимо, когда /' > а2.
Если указанные исходные параметры известны (заданы), то на основании аналитических соотношений из [6, 7] нетрудно получить комбинацию численных значений фокусных расстояний / и / компонентов СИУ для каждого требуемого увеличения системы р.
Примем для определенности и упрощения расчета «удобные» округленные значения аъ = й2 = 50 мм и /' = 150 мм (тогда й1 = 50 мм).
На рис. 2 приведен пример моделирования варианта подобного вариообъ-ектива с двухкомпонентной ЖЛ СИУ на эффекте электросмачивания («electшwettmg» [1]) для видимой области спектра (Х0 = 589,3 нм). Апертурная диафрагма здесь расположена вблизи третьего компонента, что обеспечивает постоянство относительного отверстия объектива во всем диапазоне изменения его фокусного расстояния /, а сам компонент включает две одинаковые ЖЛ.
Оптическими материалами служат кварцевое стекло (все твердотельные элементы), 1-бромнафталин (непроводящие жидкости) и состав № 2 из [8] (проводящие жидкости).
1
Рис. 2. Схема вариообъектива с двухкомпонентной ЖЛ СИУ (показан ход лучей при двух крайних значениях увеличения Ртт = 0,3х и Ртах = 0,9х):
1 - твердотельный фокусирующий компонент с постоянным фокусным расстоянием; 2, 3 - ЖЛ-компоненты с переменными фокусными расстояниями
В табл. 1, 2 даны расчетные характеристики объектива при постоянном относительном отверстии 1 : 3, линейном размере изображения 6 мм и угле поля зрения 2ю от -7 до -2,5°.
Таблица 1
Оптические характеристики вариообъектива с ЖЛ-системой переменного увеличения
Л, мм 2ю, град Л , мм Л, мм ß
45,1 7,2 -32,19 17,98 0,3
71,5 4,4 -87,29 26,43 0,5
83,7 3,2 -100,17 27,96 0,7
121,1 2,4 215,53 -268,96 0,9
Таблица 2
Концентрация энергии в аберрационном пятне рассеяния
Радиус аберра- Концент рация энергии (в центре поля зрения), %
ционного пятна Дифракцион- л, мм
рассеяния, мкм ный предел 45,1 71,5 83,7 121,1
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
2,0 83,9 10,6 11,1 10,3 9,1
4,0 91,1 23,6 40,2 23,2 20,9
6,0 94,0 37,6 85,8 39,0 34,6
8,0 95,6 57,8 91,0 57,9 52,2
10,0 96,7 94,0 93,1 97,3 76,7
К достоинствам данной системы следует отнести:
- быстрое (в пределах мс) изменение общего фокусного расстояния f;
- возможность выбора плавного или дискретного способа изменения увеличения;
- постоянство относительного отверстия;
- сравнительно простую конструкцию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. 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. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 7-11.
3. Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Оптические материалы и ахроматическая коррекция типовых компонентов оптических систем : учебное пособие. - Новосибирск : СГГА, 2013. - 284 с.
4. Szondy D. RAZAR riflescope brings push-button zoom to the battlefied [Электронный ресурс]. - URL: http://newatlas.com/sandia-razar-adaptive-zoom-riflescope/34366/ (дата обращения: 23.01.2017).
5. Compact optical design solutions using focus tunable lenses / M. Blum, M. Büeler, C. Grätzel, M. Aschwanden [Электронный ресурс]. - URL: http://proceedings. spiedigitallibrary.org/pro-ceeding.aspx?articleid=1661475 (дата обращения 23.01.2017).
6. Ефремов В. С., Макарова Д. Г., Шлишевский В. Б. Формулы параксиальной оптики для двухкомпонентных жидкостных систем переменного увеличения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х 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. 21-25.
7. 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.
8. Pat. EP1979771B1. Multi-phase liquid composition and variable- focus optical lens driven by electrowetting that incorporates the / F. Amiot, G. Malet. Publication Date: 11.02.2011.
© В. С. Ефремов, Д. Г. Макарова, В. Б. Шлишевский, 2017
