Оптический элемент

Оптический элемент

Реферат

Изобретение относится к оптическим устройствам с изменяемыми оптическими параметрами и может быть использовано, например, в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием.

Известны объективы с переменным фокусным расстоянием, основанные на применении подвижных оптических элементов, см., например, [1] - US №4097124, G 02 B 15/18, 27.06.1978; [2] - US №4099844, G 02 B 15/14, 11.07.1978; [3] - US №4861146, G 02 B 7/11, 29.08.1989; [4] - RU №2093867 (C1), G 02 B 3/14, 20.10.1997; [5] - US №5075709, G 03 B 1/18, 24.12.1991; [6] - US №5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, 30.11.1993. Конструктивно такие объективы представляют собой систему линз, в которой отдельные линзы или группы линз имеют возможность изменения своего положения для изменения фокусного расстояния объектива. Для таких объективов характерно наличие достаточно сложных механических узлов и приводных механизмов, обеспечивающих возможность перемещения линз или групп линз в процессе изменения фокусного расстояния. Обусловленная этим сложность конструктивного выполнения и невозможность миниатюризации являются основным недостатком таких устройств.

Известны оптические устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов.

Например, в устройствах, описанных в [7] - US №5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, 11.08.1992 (fig.5, 6) и [8] - RU №2234722 (С2), G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, 20.08.2004, применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемым оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.

Аналогичный принцип изменения фокусного расстояния, основанный на деформации жидкостной линзы, реализован в оптическом элементе, описанном в [9] - RU №2046388 (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, 20.10.1995. Этот оптический элемент представляет собой полую линзу, выполненную из прозрачного упругого эластичного материала, причем одна из поверхностей линзы выполнена с постоянным радиусом кривизны, а другая - с обеспечением возможности изменения кривизны под давлением жидкости, находящейся в полости линзы. В отличие от устройств [7] и [8] объем жидкости в полости линзы не является постоянным, а регулируется поршневым механизмом, нагнетающим жидкость через патрубок из соответствующего резервуара. За счет давления, создаваемого жидкостью, деформируемая поверхность линзы изгибается, изменяя фокусное расстояние оптического элемента.

Общим для оптических элементов, описанных в [7]-[9], является наличие в них механических приводных узлов для перестройки оптических параметров, что ограничивает возможность миниатюризации и сужает сферу возможного применения таких оптических элементов.

Стремление уйти от механических приводных узлов для перестройки оптических параметров приводит к разработке оптических элементов, в которых эта перестройка осуществляется под воздействием физических полей.

Например, известен оптический элемент, описанный в [10] - RU №2037164 (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, 09.06.1995, в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Этот оптический элемент содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран, исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки размещены прозрачные пленочные электроды, например, из In₂O₃. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента. Достоинствами рассмотренного оптического элемента являются электронное управление его оптическими параметрами и возможность выполнения в малых габаритах, а недостатком - нестабильность параметров в условиях механических воздействий (вибрация, тряска и т.п.).

Известен управляемый оптический элемент, описанный в [11] - US №6369954 (B1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, 09.04.2002, в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления. Этот оптический элемент как наиболее близкий по совокупности существенных признаков принят в качестве прототипа.

Оптический элемент, принятый в качестве прототипа, содержит контейнер, заключающий в себе две несмешивающиеся, прозрачные в области рабочих длин волн жидкости, различающиеся своими показателями преломления. В качестве первой жидкости используется диэлектрическая жидкость с показателем преломления n≈1,45, в качестве второй жидкости - электропроводящая жидкость с показателем преломления n≈1,35.

Контейнер выполнен в виде прозрачной в области рабочих длин волн кюветы, изготовленной из диэлектрического материала. На внутренней поверхности первой стенки кюветы располагается капля первой жидкости, остальное пространство полости кюветы заполнено второй жидкостью. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента, в частности его фокусное расстояние.

Для фиксации положения этой межфазной поверхности участок внутренней поверхности первой стенки кюветы, окружающий участок, с которым контактирует капля первой жидкости, подвергнут обработке, обеспечивающей ее повышенную смачиваемость второй жидкостью. При этом остальные участки внутренних поверхностей обеих стенок кюветы, в том числе участок внутренней поверхности первой стенки кюветы, с которым контактирует капля первой жидкости, остаются необработанными и сохраняют исходную характеристику смачиваемости.

Изменение фокусного расстояния оптического элемента осуществляется путем деформации межфазной поверхности под воздействием электрического поля. Для этой цели оптический элемент оснащен двумя электродами. Первый из электродов расположен на внешней стороне первой стенки кюветы и охватывает кольцом зону расположения капли первой жидкости. Второй электрод непосредственно контактирует со второй жидкостью. Электроды через схему управления подключены к источнику питания - источнику напряжения постоянного тока 250 В. При включении источника питания жидкости оказываются под воздействием электрического поля, влияющего на условия формирования разделяющей их межфазной поверхности, что приводит к ее деформации (изменению кривизны). Изменяя величину напряжения с помощью схемы управления можно в определенных пределах изменять кривизну межфазной поверхности и тем самым управлять фокусным расстоянием оптического элемента.

Достоинствами оптического элемента, принятого в качестве прототипа, являются электронное управление его оптическими параметрами и возможность выполнения в малых габаритах, а недостатками - нестабильность параметров в условиях механических воздействий (вибрация, тряска и т.п.) и сложность воспроизведения в массовом производстве. Первый недостаток обусловлен отсутствием какой-либо механической фиксации, формируемой внутри кюветы межфазной поверхности. Второй недостаток обусловлен сложной, плохо механизируемой технологией изготовления и связанной с этим низкой повторяемостью характеристик от образца к образцу.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка модификации оптического элемента с изменяемыми оптическими параметрами, использующего эффект кривизны межфазной поверхности, образующейся на границе взаимодействия двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления, адаптированного к воспроизведению в массовом производстве и обладающего устойчивостью к механическим воздействиям (вибрация, тряска и т.п.).

Сущность изобретения заключается в следующем. Оптический элемент содержит контейнер, выполненный из прозрачного в области рабочих длин волн диэлектрического материала, заключающий в себе две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления, первая из которых является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности, взаимодействующие между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента, при этом контейнер оснащен электродами, служащими для управления кривизной этой межфазной поверхности. В отличие от прототипа, в качестве контейнера используется пористая матрица, заполнение которой указанными жидкостями с образованием разделяющей их межфазной поверхности осуществлено путем пропитки.

В частных случаях реализации заявляемого оптического элемента в качестве материала пористой матрицы используется пористое силикатное стекло марки "ДВ-1" или аналогичный ему материал, пористая матрица имеет цилиндрическую форму и пропитана первой жидкостью со стороны первого своего торца, а второй жидкостью - со стороны второго торца и боковой поверхности.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются схематическим чертежом, представленным на чертеже, иллюстрирующим состав и взаимодействие основных частей заявляемого оптического элемента на примере выполнения его с пористой матрицей цилиндрической формы.

Заявляемый оптический элемент в рассматриваемом примере выполнения содержит пористую матрицу 1 цилиндрической формы, выполненную из прозрачного в области рабочих длин волн диэлектрического материала и служащую контейнером для двух прозрачных в области рабочих длин волн несмешивающихся жидкостей 2 и 3 с различными показателями преломления. Жидкость 2 является диэлектриком и заполняет свою часть пористой матрицы 1 со стороны ее первого торца 4. Жидкость 3 обладает свойствами электропроводности и заполняет остальную часть пористой матрицы 1 со стороны ее второго торца 5 и боковой поверхности. Заполнение пористой матрицы 1 диэлектрической жидкостью 2 и электропроводящей жидкостью 3 осуществлено путем ее последовательной пропитки этими жидкостями.

В качестве диэлектрической жидкости 2 может использоваться, например, минеральное масло, в частности прозрачное бесцветное минеральное масло "Marcol 52" (показатель преломления n≈1,46). В качестве электропроводящей жидкости 3 может использоваться, например, вода (показатель преломления n≈1,33). В качестве материала пористой матрицы 1 может использоваться, например, пористое силикатное стекло марки "ДВ-1" (показатель преломления стекла n≈1,47) или аналогичный ему материал. Все указанные жидкости и материал прозрачны для света видимого диапазона.

Внутреннее строение пористой матрицы 1, выполненной из пористого силикатного стекла "ДВ-1" или аналогичного ему материала, представляет собой губчатую структуру с твердым каркасом и сквозными порами в виде хаотично расположенных взаимосвязанных каверн, объем которых может достигать порядка 30% от общего объема пористой матрицы 1.

Внутри пористой матрицы 1 заполняющие ее поры диэлектрическая жидкость 2 и электропроводящая жидкость 3 взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности 6.

Кривизна межфазной поверхности 6 определяет оптические параметры оптического элемента, в частности его фокусное расстояние. Кривизна межфазной поверхности 6 является управляемым параметром, зависящим от электрического напряжения, приложенного к электродам 7 и 8. В представленном на чертеже примере электрод 7 выполнен в виде плоского кольца, прилегающего к пористой матрице 1 со стороны торца 4 (т.е. со стороны диэлектрической жидкости 2), а электрод 8 выполнен в виде цилиндрической муфты, охватывающей пористую матрицу 1 со стороны боковой поверхности (т.е. со стороны электропроводящей жидкости 3). Положение электродов 7 и 8 на пористой матрице 1 зафиксировано оправой 9, выполненной из диэлектрического материала. Электроды 7 и 8 посредством соответствующих проводов подключаются через схему управления к источнику питания, например, как и в прототипе, к источнику напряжения постоянного тока 250 В (на чертеже не показано). Источник питания и схема управления обеспечивают возможность формирования необходимого электрического напряжения для изменения кривизны межфазной поверхности 6.

При необходимости герметизации заявляемый оптический элемент размещается, например, в герметичной камере (на чертеже не показано), оснащенной соответствующими оптическими окнами, обеспечивающими прохождение света вдоль оптической оси, перпендикулярной торцам 4 и 5 пористой матрицы 1.

Процесс изготовления заявляемого оптического элемента состоит из изготовления пористой матрицы 1, пропитки ее жидкостями 2 и 3 и оснащения электродами 7 и 8.

Процесс изготовления пористой матрицы 1 можно проиллюстрировать на примере ее изготовления из пористого силикатного стекла "ДВ-1". Пористое силикатное стекло "ДВ-1" - промышленно изготавливаемый материал, применяемый, в частности, в осушительных патронах; технология его изготовления и характерные особенности подробно описаны, например, в [12] - Мешковский И.К. Композиционные оптические материалы на основе пористых матриц. Монография. - Санкт-Петербург, 1998 (с.3-13, 56-69, 184-198, 271-273, рис.174). В общих чертах процесс изготовления пористого стекла "ДВ-1" состоит в следующем. Пористое стекло "ДВ-1" изготавливается на базе состава: Na₂O - 7 (%, мол), В₂О₃ - 23 (%, мол), SiO₂ - 70 (%, мол). Технология изготовления состоит из следующих основных этапов: стекловарение и выработка заготовок, отжиг заготовок, химическая обработка (выщелачивание). На первом этапе приготавливается гомогенный расплав, содержащий Na₂O, В₂О₃, SiO₂, из которого в процессе отвердения формируются заготовки необходимой формы, в рассматриваемом случае цилиндрические стержни определенного размера. Затем, на втором этапе, полученные заготовки, представляющие собой стеклообразный отвердевший раствор окислов, подвергаются термической обработке, при которой происходит распад гомогенного раствора на две фазы. В результате этого процесса в твердом теле возникают области химической неоднородности, обогащенные кислоторастворимыми компонентами стекла: Na₂O и В₂O₃. При соответствующем выборе режима термообработки эти области образуют дисперсную фазу в виде замкнутых включений, касающихся друг друга. Третий этап заключается в выщелачивании этих включений. Выщелачивание приводит к переходу в раствор основной доли Na₂O, В₂O₃ и некоторой доли SiO₂. Поскольку окислы, переходящие в раствор, образовывали до этого фрагменты структуры стекла, то переход их в раствор приводит к возникновению взаимосвязанных каверн, совокупность которых образует пористую структуру с хаотическим расположением сквозных пор, напоминающую природную губку. Твердый каркас такого пористого стекла составляет отвердевший расплав SiO₂ (диэлектрик, прозрачный для света видимого диапазона, показатель преломления n≈1,47). При этом в зависимости от условий обработки на втором и третьем этапах можно получать пористое стекло с определенным размером пор, выбираемым в широком диапазоне значений (от десятков до тысяч ангстрем и выше), что обеспечивает возможность для реализации разнообразных вариантов практического выполнения заявляемого оптического элемента.

Из полученных заготовок (пористых стеклянных цилиндрических стержней) путем механической обработки, включающей обрезку и полировку торцов, изготавливается требуемое для производства оптических элементов количество пористых матриц 1.

Далее пористая матрица 1 пропитывается диэлектрической жидкостью 2 и электропроводящей жидкостью 3. Пропитка осуществляется, например, следующим образом. Вначале дозированная капля диэлектрической жидкости 2 наносится в центр поверхности торца 4. За счет смачивания жидкостью 2 стенок пор в них возникает капиллярное течение, под действием которого жидкость 2 заполняет соответствующую часть тела пористой матрицы 1 со стороны торца 4. Затем осуществляется пропитка пористой матрицы 1 электропроводящей жидкостью 3, например, путем окунания пористой матрицы 1 в ванну с жидкостью 3. В результате жидкость 3 заполняет оставшуюся часть пористой матрицы 1 и приходит во взаимодействие с жидкостью 2. За счет взаимодействия жидкостей 2 и 3 внутри пористой матрицы 1 образуется разделяющая эти жидкости межфазная поверхность 6, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента. При этом, поскольку жидкости 2 и 3 связаны порами пористой матрицы 1, сформированная таким образом межфазная поверхность 6 оказывается весьма устойчивой к механическим воздействиям. Кроме этого результатом пропитки пористой матрицы 1 является повышение ее прозрачности и уменьшение светорассеяния по сравнению с исходным "сухим" состоянием. Обусловлено это вытеснением воздуха из пор пористой матрицы 1 и замещением его жидкостями 2 и 3, показатель преломления которых ближе к показателю преломления материала пористой матрицы 1, чем показатель преломления воздуха.

Затем к пористой матрице 1 пристыковываются электроды 7 и 8, оснащенные соответствующими проводами, после чего электроды 7 и 8 фиксируются на поверхности пористой матрицы 1 с помощью оправы 9. В случае необходимости вся конструкция герметизируется.

Изготовленный таким образом оптический элемент готов для эксплуатации.

В процессе эксплуатации оптического элемента управление его фокусным расстоянием осуществляется, как и в прототипе, путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам 7 и 8. Это напряжение воздействует на текущие условия формирования межфазной поверхности 6, в результате чего изменяется ее кривизна и, следовательно, фокусное расстояние оптического элемента.

Рассмотренная конструкция заявляемого оптического элемента отличается технологичностью, позволяет автоматизировать процессы изготовления и получать образцы с повторяемыми характеристиками, которые, к тому же, характеризуются устойчивостью к механическим воздействиям. Последнее, как отмечалось выше, обусловлено тем, что формирование межфазной поверхности 6, разделяющей несмешивающиеся жидкости 2 и 3, осуществлено не в кювете при свободном состоянии жидкостей, что имеет место в прототипе, а внутри твердого пористого прозрачного тела - внутри пористой матрицы 1, где эти жидкости находятся в связанном состоянии, образуя устойчивую композицию с материалом пористой матрицы 1. Все эти положительные качества заявляемого оптического элемента, наряду с электронным управлением оптическими параметрами и возможностью миниатюризации, делают заявляемый оптический элемент пригодным к воспроизведению в условиях массового производства и привлекательным для целого ряда применения, например в миниатюрных объективах с переменным фокусным расстоянием.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и решает поставленную задачу по разработке модификации оптического элемента с изменяемыми оптическими параметрами, использующего эффект кривизны межфазной поверхности, образующейся на границе взаимодействия двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления, адаптированного к воспроизведению в массовом производстве и обладающего устойчивостью к механическим воздействиям.

Источники информации

1. US №4097124, G 02 B 15/18, опубл. 27.06.1978.

2. US №4099844, G 02 B 15/14, опубл. 11.07.1978.

3. US №4861146, G 02 B 7/11, опубл. 29.08.1989.

4. RU №2093867, (C1), G 02 B 3/14, опубл. 20.10.1997.

5. US №5075709, G 03 B 1/18, опубл. 24.12.1991.

6. US №5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, опубл. 30.11.1993.

7. US №5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, опубл. 11.08.1992.

8. RU №2234722, (С2), G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, опубл. 20.08.2004.

9. RU №2046388, (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, опубл. 20.10.1995.

10. RU №2037164, (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, опубл. 09.06.1995.

11. US №6369954, (В1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, опубл. 09.04.2002.

12. Мешковский И.К. Композиционные оптические материалы на основе пористых матриц. Монография. - Санкт-Петербург, 1998 (с.3-13, 56-69, 184-198, 271-273, рис.174).

1. Оптический элемент, содержащий контейнер, выполненный из прозрачного в области рабочих длин волн диэлектрического материала, заключающий в себе две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления, первая из которых является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности, взаимодействующие между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента, при этом контейнер оснащен электродами, служащими для управления кривизной этой межфазной поверхности, отличающийся тем, что в качестве контейнера используется пористая матрица, заполнение которой указанными жидкостями с образованием разделяющей их межфазной поверхности осуществлено путем пропитки.

2. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что пористая матрица имеет цилиндрическую форму и пропитана первой жидкостью со стороны первого своего торца, а второй жидкостью - со стороны второго торца и боковой поверхности.

3. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала пористой матрицы используется пористое силикатное стекло марки "ДВ-1" или аналогичный ему материал.