Адаптивное оптическое устройство на основе жидкой линзы

Адаптивное оптическое устройство на основе жидкой линзы

Реферат

 

Адаптивное оптическое устройство состоит из линзы, образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок, источника управляющего излучения, зеркала и кюветы. Зеркало отражает под углом 45^o управляемый пучок и пропускает управляющий пучок или отражает под углом 45° управляющий пучок и пропускает управляемый пучок. Тело линзы формируется управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок красителя. Обеспечивается миниатюризация размеров и расширение диапазона перестройки фокусного расстояния линзы, а также бесконтактное управление местоположением и самоцентрирование ее тела. 1 ил.

Изобретение относится к области адаптивной оптоэлектроники, в частности к созданию адаптивного рефрактивного оптического устройства на основе самоцентрирующейся жидкой линзы.

Известен способ [1] получения адаптивного оптического элемента на основе жидкой поверхности. Это параболическое ртутное зеркало во вращающемся цилиндрическом сосуде, которое было предложено Р. Вудом. В зависимости от скорости вращения сосуда менялось фокусное расстояние такого зеркала. Однако из-за ядовитых паров ртути, больших габаритов и ограничения ориентации оптической оси лишь направлением вектора ускорения силы тяжести, а также ухудшения качества изображения из-за вибраций электродвигателя такие зеркала не нашли применения.

Известен способ [2] использования в качестве оптического элемента свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией. Однако использование поверхностей диэлектрических жидкостей в качестве катоптрических элементов оптики неэффективно из-за их низкой отражательной способности, которая не превышает нескольких процентов. Например, для жидкости с максимальным показателем преломления n = 1.7413 (йодо-метилен), при нормальном падении света на ее поверхность, коэффициент отражения R = (n - 1)²/(n + 1)² 7.3%.

Известно адаптивное оптическое устройство [3] на основе мембранного зеркала, изменяющего свою форму под действием электростатических приводов, которые представляют собой проводящие прокладки. В этом устройстве, в принципе, невозможно самоцентрирование оптического элемента (зеркала). Поскольку зеркало имеет большой размер активной области, равный 25 мм, и требует множества управляющих электродов для изменения его профиля, а статическое отклонение мембраны прямо пропорционально квадрату радиуса привода, то миниатюризация мембранного зеркала практически невозможна.

Известен оптический элемент с регулируемой кривизной [4], выполненный в виде многослойной структуры, содержащей слой пористого материала, изменяющего свои линейные размеры в зависимости от концентрации паров жидкости в окружающем пространстве. Недостаток такого устройства состоит в том, что минимальные размеры оптического элемента ограничены, он имеет большую инерционность и не обладает свойством самоцентрирования, а также не позволяет бесконтактно управлять местоположением элемента на плоскости, получать фокусные расстояния меньше нескольких сантиметров.

Известно адаптивное оптическое устройство [5], состоящее из линзы, образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок и пропускающей управляемый пучок, и источника управляющего излучения, в котором линза образуется за счет изменения показателя преломления материала под действием управляющего пучка. Устройство представляет собой оптический переключатель, т.е. дефлектор, предназначенный для изменения пути (направления) управляемого луча, и не позволяет производить его фокусировку, что является его недостатком.

Целью изобретения является миниатюризация размеров и расширение диапазона перестройки фокусного расстояния линзы, а также достижение бесконтактного управления местоположением линзы и самоцентрирования ее тела в управляющий пучок.

Цель достигается формированием тела линзы с помощью эффекта концентрационно-капиллярной конвекции [6] управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок и пропускающего управляемый пучок красителя, а форма преломляющей поверхности линзы (т.е. фокусное расстояние линзы) и ее апертура определяются мощностью управляющего пучка, летучестью растворителя и поверхностным натяжением раствора, а также концентрацией красителя и его спектральной характеристикой.

На чертеже изображены возможные оптические схемы адаптивного оптического устройства. Оно состоит из линзы (1), образованной из жидкости, поглощающей излучение управляющего пучка (2) и пропускающей управляемый пучок (3); зеркала (4, 4'); кюветы (5) и источника управляющего излучения.

Тело линзы (1) формируется управляющим пучком (2) в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего излучение управляющего пучка и пропускающего управляемый пучок красителя. Раствор помещен в герметичную кювету (5). Управляющий пучок (2) создается точечным источником света, в качестве которого можно использовать лазер или ртутную дуговую лампу типа ДРШ-100. Дихроичное зеркало (4, 4') отражает под углом 45^o управляемый пучок (3) и пропускает управляющий пучок (2) или отражает под углом 45^o управляющий пучок (2) и пропускает управляемый пучок (3).

Форма преломляющей поверхности линзы и ее апертура определяются интенсивностью управляющего излучения, летучестью и поверхностным натяжением раствора, а также концентрацией красителя и его спектральной характеристикой.

К достоинствам данного устройства можно отнести: - малые размеры линзы от 1500 мкм вплоть до 100 мкм позволяют использовать ее для сопряжения с миниатюрными элементами оптоэлектронных устройств (например, для введения излучения в световоды); - большой диапазон фокусных расстояний от 0.6 мм до 6 мм; - бесконтактное управление с помощью пучка света местоположением и оптическими характеристиками (фокусным расстоянием и апертурой) линзы; - самоцентрирование линзы в максимум интенсивности управляющего пучка; - малое количество деталей в конструкции устройства обеспечивает надежность в работе.

Предполагается использование этого устройства в различных оптоэлектронных приборах, где необходимо бесконтактное управление оптическими параметрами.

Литература 1. Вуд Р.В. Ртутный параболоид в качестве отражательного телескопа. Astrophys. J. 29 164 (1909).

2. Block M.J., Harwit M. Free surface of liquids as an optical element. J. Opt. Soc. Am. 48(7), 480-482 (1958).

3. Grosso R. P., Yellin M. Мембранное зеркало как элемент адаптивной оптической системы. J. Opt. Soc. Am. 67 399 - 406 (1977).

4. Клим О.В., Мешковский И.К. Исследование оптико-физических характеристик термосорбционного оптического элемента на основе пористого стекла. Оптика и спектроскопия. 82(1), 51-54 (1997).

5. US 4585301 A, 29.04.86.

6. Безуглый Б. А. Канд. диссертация. Москва, МГУ, 1983, 270 с.

Формула изобретения

Адаптивное оптическое устройство, состоящее из линзы (1), образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок (2), и источника управляющего излучения, отличающееся тем, что дополнительно содержит зеркало (4, 4'), отражающее под углом 45^o управляемый пучок (3) и пропускающее управляющий пучок (2) или отражающее под углом 45^o управляющий пучок (2) и пропускающее управляемый пучок (3), и кювету (5), причем тело линзы формируется управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок красителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1