CZ24834U1

CZ24834U1 - Membránová kapalinová čočka

Info

Publication number: CZ24834U1
Application number: CZ201225954U
Authority: CZ
Inventors: Novák@Jirí; Miks@Antonín
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze,
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-01-21

Description

Membránová kapalinová čočka

Oblast techniky

Technické řešení se týká membránové kapalinové čočky tvořené základním tělesem s komorou naplněnou kapalinou.

Dosavadní stav techniky

Klasické čočky, vyrobené z optického skla nebo plastů, neumožňují adaptivně měnit své optické a geometrické parametry. Adaptivní čočky, které plynule mění v určitém rozmezí svoji ohniskovou vzdálenost, umožňují konstruovat optické soustavy s plynule proměnnými parametry, jako je ohnisková vzdálenost, zvětšení, apod., aniž by jejich jednotlivé členy musely měnit svoji vzájemio nou polohu. V současné době existuje několik principů, jež umožňují plynule měnit ohniskovou vzdálenost. Jediné komerčně vyráběné typy kapalinových adaptivních čoček využívají aplikace tekutých krystalů nebo principu elektrosmáčivosti. Nevýhodou těchto typů adaptivních kapalinových čoček je zejména náročnost na ovládání, potřebná složitá elektronika, závislost na polarizaci světla a daleko vyšší výrobní náklady nežli mají membránové kapalinové čočky. Membránové kapalinové čočky pracují na principu elastické deformace tenké opticky transparentní membrány, jež funguje jako jedna optická plocha čočky. Za touto membránou se nachází komora, do které je vtlačována vhodná kapalina. Druhá plocha čočky je obvykle fixní rovinná opticky transparentní plocha. Takovéto kapalinové čočky umožňují docílit velmi dobrých zobrazovacích parametrů, avšak jen určitého rozsahu hodnot kladné ohniskové vzdálenosti a působí jako spojná čočka, což je zjevná nevýhoda, neboť v mnoha aplikacích je potřeba kladných i záporných hodnot ohniskové vzdálenosti. V současnosti není žádná z variant membránových čoček s plynulou změnou ohniskové vzdálenosti komerčně nabízena.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny membránovou kapalinovou čočku tvořenou základním tělesem s komorou naplněnou opticky transparentní kapalinou, jejíž jedna část je tvořena pružnými membránami, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že v základním tělese jsou v příčném průběžném otvoru upevněny kolmo k ose otvoru dvě pružné membrány umístěné v navzájem rovnoběžném směru, mezi kterými je prostor vyplněný kapalinou, propojený s rezervoárem kapaliny, opatřeným tlakovým zařízením. Pružné membrány jsou umístěny mezi dvěma destičkami, uzavírajícími příčný otvor, přičemž mezi pružnými membránami a destičkami je další prostor s plynem.

Další prostor s plynem je s výhodou propojen s plnicím ventilem. Pružné membrány jsou ve výhodném provedení ve tvaru čočky s proměnnou kladnou ohniskovou vzdáleností, nastavitelnou pomocí tlakového zařízení. Pružné membrány mohou být rovněž ve tvaru čočky s proměnnou zápornou ohniskovou vzdáleností, nastavitelnou pomocí tlakového zařízení.

Destičky jsou ve výhodném provedení umístěny v rovnoběžném směru a jsou ze skla nebo jiného opticky transparentního materiálu.

Membránová kapalinová čočka podle tohoto technického řešení je adaptivní s proměnnou kladnou a zápornou ohniskovou vzdáleností. Nalezne uplatnění při konstrukci zobrazovacích a měri40 cích optických soustav s proměnnými parametry. Ohniskovou vzdálenost čočky lze ovlivňovat indexem lomu kapaliny a velikostí tlaku kapaliny, jež způsobuje deformaci pružných membrán. Kvalitu zobrazení je možno ovlivňovat vhodnou volbou tloušťky pružných membrán čočky. Řešení umožňuje konstrukci optických soustav s proměnnými charakteristikami, které se vyznačují možností miniaturizace, odstranění pohyblivých částí, redukováním hmotnosti a výrobních ná45 kladů. Výhodou řešení je též jednoduché ovládání změny ohniskové vzdálenosti čočky.

- 1 CZ 24834 Ul

Objasnění obrázků na výkresech

Membránová kapalinová čočka podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsána na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněna schématicky v bokorysu příkladná membránová kapalinová čočka v podobě spojky a na obr. 2 v po5 době rozptylky.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladná membránová kapalinová čočka je tvořena dvěma pružnými, opticky transparentními membránami 2 umístěnými v navzájem rovnoběžném směru, mezi kterými je prostor 3 vyplněný kapalinou, propojený s rezervoárem 4 kapaliny, opatřeným tlakovým zařízením 7. Pružné membrány 2 jsou umístěny mezi dvěma planparalelními destičkami 5, přičemž mezi pružnými membránami 2 a planparalelními destičkami 5 je další prostor 6 s plynem. Další prostor 6 s plynem je propojen s plnicím ventilem 8. Destičky 5 jsou umístěny v rovnoběžném směru a jsou z optického skla. Pružné membrány 2 mohou být ve tvaru čočky s kladnou ohniskovou vzdáleností nebo se zápornou ohniskovou vzdáleností.

Na obr. 1 a 2 je znázorněno principiální schéma realizace membránové kapalinové čočky s proměnnou kladnou nebo zápornou ohniskovou vzdáleností. Čočka je tvořena základním tělesem I, v němž je vytvořen rezervoár 4 kapaliny a komora, ve které jsou dvě pružné membrány 2, a z vnějších stran je opatřeno dvěma skleněnými destičkami 5. Další prostor 6 mezi skleněnými destičkami 5 a pružnými membránami 2 lze z vnější strany, pomocí plnicího ventilu 8 naplnit vzduchem pod určitým, uživatelem zvoleným, tlakem p₀. Do rezervoáru 4 se zasouvá píst tlakového zařízení 7, který odtud vytlačuje kapalinu do prostoru 3 mezi pružnými membránami 2.

Princip funkce čočky je následující. V první fázi se otevře plnicí ventil 8 a píst se nastaví do střední polohy jeho rozsahu pohybu. Nyní se naplní rezervoár 4 a prostor mezi pružnými membránami 2 kapalinou, např. destilovanou vodou. Pružné membrány 2, které jsou pevně na okraji upnuty v základním tělese 1, mají v této fázi rovinný tvar. Po naplnění kapalinou se napustí do dalšího prostoru 6 mezi pružnými membránami 2 a skleněnými destičkami 5 vzduch pod určitým tlakem a uzavře se plnicí ventil 8. Takto připravená čočka působí po optické stránce jako soustava tří planparalelních destiček. Zasune-li se píst dovnitř rezervoáru 4, zvětší se objem kapaliny mezi pružnými membránami 2 o objem odpovídající objemu, o který se píst zasunul dovnitř rezervoáru 4. Za předpokladu, že je kapalina prakticky nestlačitelná, dojde ke změně tvaru ploch pružných membrán 2, a sice z roviny na paraboloid. Dojde při tom ke zvýšení tlaku vzduchu v dalším prostoru 6 mezi destičkami 5 a pružnými membránami 2. Z optického hlediska bude celá soustava působit jako spojná čočka, tj. spojka, jejíž ohnisková vzdálenost je kladná. Vysune-li se píst z původní nulové polohy směrem ven z rezervoáru 4, zmenší se objem kapaliny mezi pružnými membránami 2 o objem odpovídající objemu, o který se píst vysunul ven z rezervoáru 4. Tlak vzduchu v dalším prostoru 6 mezi destičkami 5 a pružnými membránami 2 pak zatlačí pružné membrány 2 směrem k sobě a dojde ke změně tvaru ploch pružných membrán 2 na paraboloid, tak jako v předcházejícím případě, ale poloměr ve vrcholu paraboloidu bude mír opačné znaménko, než tomu bylo v předcházejícím případě. Z optického hlediska bude celá soustava působit jako záporná čočka, tj. rozpíylka, jejíž ohnisková vzdálenost je záporná. Deformace pružné membrány 2 v důsledku stlačování pístu může být realizována různými způsoby - servomotorem, piezoelektrickými či elektromagnetickými aktuátory a podobně. Jako materiál pro výrobu pružných membrán 2 lze s výhodou využít například polydimetylsiloxan (PDMS), který má vhodné elastické vlastnosti a je zcela transparentní pro světlo. Materiálem kapaliny může být s výhodou destilovaná voda. Změnou kapaliny, tj. změnou indexu lomu a disperzní závislosti, lze poté ovlivňovat rozsah ohniskové vzdálenosti a zobrazovací vlastnosti čočky. Vady zobrazení čočky lze ovlivnit též vhodnou volbou tloušťky pružných membrán 2. Pozice pístu 7 odpovídá vždy určité hodnotě ohniskové vzdálenosti a pro čočku je získána měřením ohniskové vzdálenosti v celém provozním rozsahu.

-2CZ 24834 U1

Průmyslová využitelnost

Membránová kapalinová čočka podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména při konstrukci zobrazovacích a měřicích optických soustav s proměnnými parametry, například jako autofokusační a zobrazovací prvek v optických mikroskopech, systémech optické koherenční tomografie, mobilních telefonech, digitálních fotoaparátech, dálkoměmých soustavách, laserových systémech pro mikromanipulaci, laserových skenovacích systémech, laserových obráběcích systémech, v osvětlovacích soustavách, apod. Čočku bude možno uplatnit též v oftalmologických přístrojích a pomůckách, jako jsou například foroptery, oftahnoskopy, a podobně, jako prvek pro korekci dioptrických vad oka.

Claims

10 NÁROKY NA OCHRANU

1. Membránová kapalinová čočka tvořená základním tělesem (1) s komorou naplněnou opticky transparentní kapalinou, vyznačující se tím, že v základním tělese (1) jsou v příčném průběžném otvoru upevněny kolmo k ose otvoru dvě pružné membrány (2) umístěné v navzájem rovnoběžném směru, mezi kterými je prostor (3) vyplněný kapalinou, propojený s re15 zervoárem (4) kapaliny, opatřeným tlakovým zařízením (7) a pružné membrány (2) jsou umístěny mezi dvěma destičkami (5), uzavírajícími příčný otvor, přičemž mezi pružnými membránami (2) a destičkami (5) je další prostor (6) s plynem.

2. Membránová kapalinová čočka podle nároku 1, vyznačující se tím, že další prostor (6) s plynem je propojen s plnicím ventilem (8).

20

3. Membránová kapalinová čočka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pružné membrány (2) jsou ve tvaru čočky s proměnnou kladnou ohniskovou vzdáleností, nastavitelnou pomocí tlakového zařízení (7).

4. Membránová kapalinová čočka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pružné membrány (2) jsou ve tvaru čočky s proměnnou zápornou ohniskovou vzdáleností, nasta25 vitelnou pomocí tlakového zařízení (7).

5. Membránová kapalinová čočka podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že destičky (5) jsou umístěny v rovnoběžném směru a jsou ze skla nebo jiného opticky transparentního materiálu.