CC BY
48
УДК 535.32
ВЛИЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
ЖИДКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ЭФФЕКТЕ ЭЛЕКТРОСМАЧИВАНИЯ НА ЕГО КОРРЕКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
Виктор Сергеевич Ефремов
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: ews49@mail.ru
Диана Георгиевна Макарова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: diana_ssga@mail.ru
В статье рассмотрены коррекционные свойства жидкостных оптических преломляющих элементов, выполненных из разных материалов.
Ключевые слова: показатель преломления материала, сферическая аберрация, субмиллиметровый диапазон длин волн.
INFLUENCE OF REFRACTIVE INDEX OF LIQUID ELEMENTS BASED ON ELECTROWETTING TO CORRECTIONAL PROPERTIES
Victor S. Efremov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, Plakhotnogo, 10, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail.ru
Diana G. Makarova
Siberian state academy of geodesy, the post-graduate student at the faculty of Nanosystems and optotechnics, 630108, Russia, Novosibirsk, Plachotnogo, 10, tel. (383)343-22-11, e-mail: diana ssga@mail.ru
The article describes correction properties of liquid optical refractive elements made of different materials.
Key words: a parameter of refraction of a material, spherical aberration, a submillimetric range of lengths of waves.
В настоящее время в качестве силовой оптики начинают применяться жидкостные элементы (жидкие линзы) с управляемыми оптическими характеристиками как на гидростатическом эффекте, так и на эффекте электросмачивания [1, 3]. Основным преломляющим материалом линз на эффекте электросмачивания являются жидкости в комбинации «проводящая - не проводящая». Эти жидкие материалы, сильно отличающиеся по своим физико-химическим свойствам, имеют, однако, незначительное отличие по показателю преломления. Диапазон изменений показателя преломления используемых жидкостей лежит в интервале значений от 1,7 до 1,33.
Настоящая работа является продолжением [2] по исследованию коррекционных свойств оптических элементов, выполненных из разных материалов. Целью работы является исследование влияния показателей преломления жидкостного элемента с эффектом электросмачивания на его коррекционные свойства для совершенствования оптической элементной базы с изменяемыми оптическими характеристиками.
Рассмотрим влияние показателей преломления жидкостей, составляющих преломляющую поверхность жидкостного элемента (линзы на эффекте электросмачивания), на распределение суммы Зейделя по поверхностям и всего жидкостного элемента для сферической аберрации. Согласно теории аберрации третьего порядка минимальной сферической аберрацией обладает плосковыпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью в сторону параллельного пучка лучей.
В качестве примера рассмотрим коррекционные свойства одиночной плосковыпуклой линзы на эффекте электросмачивания, выполненной из разных жидких материалов, заключенных между двух кварцевых плоскопараллельных пластин. Рассматриваемые линзы будут иметь одинаковое фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:4 и угол поля зрения 10°. В табл. 1 представлены некоторые параметры жидкостного оптического элемента на эффекте электросмачивания: радиусы
преломляющих поверхностей, жидкости и составы жидкостей из работы [3]. Для сохранения оптической силы радиус преломляющей поверхности Rз принимает значения согласно варианту в табл. 1.
Для оценки влияния сочетания показателей преломления на величину преломляющей поверхности введем коэффициент
nDпр
х = - р
пп
Онепр
где Пг)пр - показатель преломления проводящей жидкости,
ПЕ>тпр - показатель преломления непроводящей жидкости
Таблица 1
Некоторые параметры жидкостного оптического элемента на эффекте электросмачивания
Вариан т Жидкости не проводящая / проводящая пО - жидкости X Rз, мм
пОнепр не проводящая пОпр проводящая
1 1-бромнафталин/ состав 14 [3] 1,6582 1,3515 0,815 30.65
2 состав 27 [3] 1,5405 1,3846 0,899 14.60
3 состав 14 [3] 1,4774 1,3515 0,916 12.33
4 октан / состав 3 [3] 1,3974 1,3995 1,002 -9,91
5 1,1,1,5,5,5 - гексафтор ацетилацетон / состав 3 [3] 1,3342 1,3995 1,049 -6.49
На рис. 1 представлена типовая оптическая схема жидкостного элемента.
Рис. 1. Оптическая схема жидкостного элемента:
1, 4 - защитные стекла, 2- не проводящая жидкость, 3 - проводящая жидкость
В табл. 2 приведены результаты численного моделирования жидкостного элемента по определению величины коэффициента аберраций Зейделя SI при разных значениях комбинаций показателей преломления.
Таблица 2
Значения SI для разных комбинаций показателей преломления жидкостей
Поверхнос ти SI по поверхностям жидкостного элемента для варианта
1 2 3 4 5
Я3=30.65 мм ^=14,60 мм ^=12,33 мм ^=-9,910 мм ^=-6,49 мм
1 -0,000000 -0,000000 -0,000000 0,000000 -0,000000
2 -0,000000 -0,000000 -0,000000 0,000000 -0,000000
3 0,172290 0,760079 1,262508 6709,460 0,244234
4 -0,003222 -0,004219 -0,005232 -0,008520 -0,000316
5 0,017630 0,016355 0,017115 0,022901 0,000717
I 0,186698 0,772214 1,274392 6709,47 0,244636
На рис. 2 представлен график зависимости суммарной величины коэффициента аберраций Зейделя SI от отношения показателей преломления проводящей и не проводящей жидкостей, составляющих жидкостный элемент. График соответствует до разрыва функции на «плюс бесконечности» (точка 5-го варианта в график не включена).
По результатам моделирования можно сделать вывод о влиянии комбинации показателей преломления жидких материалов на распределение сферической аберрации по поверхностям и суммарно для всего элемента.
Q
10000 L 1000 100 10 1
од
0,8
Рис. 2. График изменения SI в зависимости от отношения х
Наименьшие значения SI жидкостный элемент имеет при минимальных значениях х. При значениях х, близких к 1, жидкостный элемент становится афокальным, независимо от радиуса преломляющей поверхности, и SI стремится к бесконечности. При значениях х более 1 жидкостный элемент меняет знак радиуса преломляющей поверхности, а численное значение уменьшается примерно в два раза, что приводит к уменьшению относительного отверстия.
Таким образом, для проектирования жидкостного элемента наибольший интерес представляют комбинации жидкостей с минимальным значением отношения показателей преломления проводящей и не проводящей жидкостей.
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,
B. 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. Макарова Д. Г., Ефремов В. С. Коррекционные свойства полевого компенсатора астрообъектива в субмиллиметровом диапазоне длин волн // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012.
VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное
приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб.
материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. -
C. 116-120.
3. Pat. EP1979771B1. Multi-phase liquid composition and variable- focus optical lens driven by electrowetting that incorporates the / Amiot F., Malet G., Liogier D'ardhuy Gaёtan; Assignee Varioptic, SA. Publication Date: 11/02/2011.
