CC BY
205
ЖИДКИЕ ЛИНЗЫ - НОВАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Андрей Вячеславович Голицын
Новосибирский филиал Института физики полупроводников СО РАН «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники», 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Николаева, д. 8, заведующий отделом моделирования оптико-электронных приборов, тел. (383) 333-17-01, e-mail: [email protected]
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, , кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Игорь Олегович Михайлов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Наталия Вадимовна Оревкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Борис Викторович Федоров
Отделение Секции Прикладных проблем при Сибирском Отделении РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Терешковой, д. 30, кандидат технических наук, начальник отделения, тел. (383) 330-71-46, e-mail: [email protected]
Виктор Брунович Шлишевский
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383) 361-08-66, e-mail: [email protected]
Обсуждаются возможности использования новых компонентов на основе оптических жидкостей, обеспечивающих возможность управляемого изменения фокусного расстояния оптических систем. Приводятся результаты анализа патентной и научно-технической литературы в части способов формирования жидких линз и управления их оптическими параметрами.
Ключевые слова: жидкая линза, оптико-электронная система, оптическая система, переменное фокусное расстояние, радиус кривизны.
LIQUID LENSES AS THE NEW OPTICAL ELEMENT BASE FOR OPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES
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: [email protected] Victor S. Efremov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Igor O. Mikhailov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Natalia V. Orevkova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, senior teacher, of Nanosystems and optical devices department, tel. (383) 343-91-11, e-mail: [email protected]
Boris V. Fedorov
Branch of the section of applied problems of the SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 30, Tereshkovoi, Candidate of Technical Science, tel. (383) 330-71-46, e-mail: [email protected]
Viktor B. Shlishevsky
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Doctor of Technical Science, Professor, Professor of Photogrammetry and Remote Sensing devices department, tel. (383) 361-08-66, e-mail: [email protected]
The possibility of using new components based on optical liquids is discussed. These components give the opportunity to control the focal length of optical systems. The analytic review of patent and scientific and technical literature on ways of constructing liquid lenses and controlling their optical parameters is given.
Key words: liquid lens, optoelectronic system, optical system, variable focal length, radius of
curve.
Жидкие (или жидкостные) линзы (ЖЛ), в отличие от обычных твердотельных, позволяют при определенных условиях в значительных пределах изменять свое фокусное расстояние. Это уникальное свойство существенно расширяет функциональные возможности оптических систем в реальном времени, что немаловажно для адаптивной оптики. Кроме того, появляется возможность использования одной управляемой ЖЛ вместо нескольких твердотельных.
В последние годы ЖЛ заинтересовался ряд крупных компаний, занимающихся информационными технологиями и видеотехникой. В частности, компания Philips анонсировала оптическую систему «Fluid Focus», работающую за счет изменения электрического потенциала, приложенного к гидрофобному покрытию. Размеры опытного образца «Fluid Focus» составили несколько миллиметров, диапазон перестройки фокусного расстояния - от 50 мм до бесконечности, время перестройки - менее 10 мс. Разработкой аналогичных систем занимаются также компании Bell Labs, Varioptic и др.
Преимущества ЖЛ в значительной степени справедливы и в микрометро-вой области размеров. МикроЖЛ могут найти себе применение в различных оптических устройствах, как более компактные и простые объективы. Например, малый размер микрокамер позволит использовать их в качестве фото-и видеокамер, в сверхминиатюрных (менее 100 мм) беспилотных летательных аппаратах и др.
В связи с успехами в области нанотехнологий и нанотехники представляется целесообразным миниатюризировать ЖЛ для создания интеллектуальных наносистем, т. е. интегрировать сенсорную, логически-аналитическую, двигательную и исполнительную функции в одном устройстве. В вопросе применения нанотехнологий к ЖЛ можно выделить два направления:
1. Максимально возможное и, вместе с тем, оптимальное уменьшение размеров ЖЛ. Если линза используется в качестве объектива к цифровой матрице, то все элементы камеры (ЖЛ, управляющие элементы, электрические контакты, ПЗС-матрица, фильтры) должны располагаться на одном чипе для повышения надежности, быстродействия, уменьшения цены и размера.
2. Применение наноматериалов для повышения характеристик ЖЛ. Например, для ЖЛ с гидравлическим управлением параметров необходима прозрачная, упругая, эластичная пленка (мембрана), которая в микроЖЛ должна будет иметь определенную толщину и структуру.
В 2012 г. научно-исследовательской лабораторией перспективных оптикоэлектронных систем и технологий НИС ФГБОУ ВПО «СГГА» проведены патентно-информационные исследования по использованию жидкостей в составе оптических компонентов оптико-электронных систем различного назначения. Основной задачей ставилось получение исходных данных для определения перспектив и направления развития ЖЛ: их применения, назначения, устройства, материалов, приводов и управления формой поверхности, а также уровня техники, использующей такую элементную базу. Общая глубина поиска по источникам патентной и научно-технической информации составила 20 лет, по ведущим странам - 10 лет, что обусловлено быстрым обновлением высокотехнологичной элементной базы. Было выявлено заявок и патентов: США - 1 822, Европатент -255, Япония - 161, Россия (СССР) - 25, WIPO(РСТ) - 483. Проведен анализ источников научно-технической информации в количестве 106 источников.
К настоящему времени предложены и испытаны различные принципы формирования ЖЛ и способы управления их основными оптическими параметрами (радиусами кривизны и фокусным расстоянием): 1) на гидравлической основе [1 - 6], 2) на управляемых жидких кристаллах [7 - 13], 3) на центробежном эффекте, 4) с механическим изменением диаметра [14], 5) с использованием действия внешнего электрического поля, 6) на эффекте электросмачивания [15 - 19].
Перечисленные принципы и способы непосредственно влияют и на конструкцию линзы: ЖЛ, построенные на принципах 1), 3) и 4), требуют применения эластичных мембран, а у ЖЛ, построенных на принципах 2), 5) и 6), сферическая преломляющая поверхность располагается между двух защитных стекол.
В качестве примера на рис. 1, а показана принципиальная конструкция ЖЛ на гидравлической основе.
Камера 1 покрыта прозрачными эластичными мембранами 2 и заполнена оптически прозрачной жидкостью 3. Давление в камере управляется поршнем 4. Физические свойства жидкости и мембраны позволяют формировать сферическую поверхность ЖЛ от выпуклой (рис. 1, б) до вогнутой (рис. 1, в).
г)
Рис. 1. ЖЛ на гидравлической основе: 1 - корпус (оправа), 2 - мембрана,
3 - оптическая жидкость, 4 - поршень, 5 - разделительное стекло
Недостатком конструкции является равенство радиусов г и г2 кривизны поверхностей ЖЛ по номиналу и противоположность их по знаку (коэффициент связи поверхностей г\1г2 = -1). Влиять на значения радиусов противоположных поверхностей здесь возможно выбором либо толщины мембраны, либо упругости ее материала. Но, так или иначе, коэффициент связи поверхностей останется отрицательным, что не позволяет получить линзы менискового типа.
Если камеру разделить на две части при помощи стекла 5, как показано на рис. 1, г, и управлять давлением в каждой из камер независимо друг от друга, то получается ЖЛ, способная совмещать в себе все типы линз. В этом случае показатели преломления жидкостей в камерах могут быть разными, и система становится достаточно универсальной.
Изменение увеличения, даваемого подобной ЖЛ, демонстрирует рис. 2.
Рис. 2. Изображения с различным увеличением, даваемые ЖЛ из этанола при изменении ее фокусного расстояния
Существенным ограничением в применении ЖЛ относительно большого диаметра является ориентация в пространстве ее оптической оси. Только если ось ЖЛ перпендикулярна поверхности Земли, ее сферическая преломляющая поверхность будет симметрична относительно оси. Во всех остальных случаях гравитация Земли будет искажать форму поверхности ЖЛ и ухудшать качество даваемого ей изображения; наибольшие искажения будут наблюдаться при ориентации оптической оси параллельно поверхности Земли.
Результаты проведенных исследований следует рассматривать как начальную часть работы по обоснованию и выбору наиболее эффективных методических и технических решений по применению ЖЛ в изделиях различного (в том числе, двойного) назначения, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, а также разработке предложений по рациональному развитию новой элементной базы в интересах различных заказчиков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Zhang, D.-Y. Fluidic Adaptive Lens with High Focal Length Tunability / D.-Y. Zhang [et
al.] // Applied Physics Letters. - 2003. - vol. 82. - pp. 3171-3172.
2. Moran, P. M. Fluidic Lenses with Variable Focal Length / P. M. Moran [et al.] // Applied
Physics Letters. - 2006. - vol. 88. - pp. 041120-1-041120-3.
3. Chronis, N. Tunable Liquid-filled Microlens Array Integrated with Microfluidic Network / N. Chronis [et al.] // Optics Express. - 2003. - vol. 11. - pp. 2370-2379.
4. Agarwal, M. Polymer-based Variable Focal Length Microlens System / M. Agarwal [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2004. - vol. 14. - pp. 1665-1673.
5. Ren, H. Variable-focus liquid lens / H. Ren, S.-T. Wu // OPTICS EXPRESS. - 2007. - vol. 15(10). - p. 5931-5936.
6. Pouydebasque, A. Thin varifocal liquid lenses actuated below 10V for mobile phone / A. Pouydebasque [et al.] // Proc. of SPIE. - 2012. - vol. 8252. - pp. 82520P-1-82520P-11.
7. Sato, S. Liquid-crystal Lens-cells with Variable Focal Length / S. Sato // Japanese Journal of Applied Physics. - 1979. - vol. 17. - pp. 1679-1684.
8. Commander, L. G. Variable Focal Length Microlenses / L. G. Commander, S. E. Day, D.R. Selviah // Optics Commnuications. - 2000. - vol. 177. - pp. 157-170.
9. Г.В. Вдовин. Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. I. Теория // Г.В. Вдовин, И.Р. Гуральник, С.П. Котова, М.Ю. Локтев, А.Ф. Наумов. Квантовая электроника. 26, №3, 1999 с. 256 - 260.
10. Kowel S.T., Cleverly D.S. Proc. of NASA Con. (Virginia, USA, 1981, p. 329).
11. Chan W.W., Kowel S T. Appl. Optics, 36, 8958 (1997).
12. Nose T., Masuda S., Sato S. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 199, 27 (1991).
13. Nose T., Masuda S., Sato S. JpnJ. Appl. Phys, 31, 1643 (1992).
14. Ren, H. Variable-focus liquid lens by changing aperture / H. Ren, Sh.-T. Wu // Applied Physics Letters. - 2005. - vol. 86.
15. Chiou, P. Y. Light actuation of liquid by optoelectrowetting / P. Y. Chiou [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 2003. - vol. 104(3). - p. 222-228.
16. Gabay, C. Dynamic Study of a Varioptic Variable Focal Lens / C. Gabay [et al.] // Proceedings of SPIE. - 2002. - vol. 4767m. - pp. 159-165.
17. Kuiper, S. Variable-focus liquid lens for miniature cameras / S. Kuiper, B. H. W. Hendriks // Applied Physics Letters. - 2004. - vol. 85(7). - p. 1128-1130.
18. Hendriks, B. H. W. Electrowetting-Based Variable-Focus Lens for Miniature Systems / B. H. W. Hendriks [et al.] // Optical Review. - 2005. - vol. 12(3). - p. 255-259.
19. Park J. A liquid lenses based on electrowetting: A Thesis ... the degree of Master of Science in Electrical Engineering. Louisiana. 2007. - 65 p.
© А.В. Голицын, В.С. Ефремов, И.О. Михайлов, Н.В. Оревкова, Б.В. Федоров, В.Б. Шлишевский, 2013
