CZ25953U1 - Kapalinová čočka - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zobecněné kapalinové čočky tvořené dvěma oddělenými komorami naplněnými opticky transparentními kapalinami s obecně různým indexem lomu, která umožňuje měnit odděleně a navzájem nezávisle zakřivení obou ploch čočky a tím plynule měnit ohniskovou vzdálenost čočky a definovaným způsobem ovlivňovat vady zobrazení (aberace) čočky.

Dosavadní stav techniky

Současné klasicky používané čočky, vyrobené z optického skla nebo plastů, neumožňují aktivně měnit své optické a geometrické parametry, tj. mají stálý tvar, neměnný index lomu materiálu čočky, jejich ohnisková vzdálenost a další základní parametry jsou neproměnné. Naproti tomu, aktivní kapalinové čočky, které plynule mění v určitém rozmezí svoji ohniskovou vzdálenost, umožňují principielně navrhovat a konstruovat optické soustavy s vlastnostmi, které lze jen těžko nebo nelze vůbec pomocí klasických čoček s fixní ohniskovou vzdáleností dosáhnout. Takovéto optické soustavy nemají analogii v současných klasických optických soustavách a jejich využití je výhodné zejména z hlediska možnosti miniaturizace, snížení složitosti optomechanické konstrukce a výrobních nákladů, vyšší robustnosti a rychlejší změny parametrů takových optických soustav. Technologie současných aktivních kapalinových čoček, jež umožňují plynule měnit ohniskovou vzdálenost, spočívá na různých fyzikálních principech. Komerčně vyráběné typy kapalinových čoček využívají změny indexu lomu u tekutých krystalů řízené elektrickým polem respektive změny tvaru jednoho povrchu na základě principu elektrosmáčivosti nebo deformace elastické membrány tlakem kapaliny. U kapalinových čoček na bázi tekutých krystalů je zjevnou nevýhodou pixelová struktura čočky, omezené možnosti změny ohniskové vzdálenosti a závislost na polarizaci světla, což významným způsobem limituje využití takových čoček v komplexnějších optických zobrazovacích systémech. U kapalinových čoček, které mění svůj tvar, aby docílily řízené plynulé změny ohniskové vzdálenosti čočky, se obvykle mění pouze poloměr křivosti jedné optické plochy čočky a druhá optická plocha je neměnného tvaru. Čočky pracující na principu elektrosmáčivosti mění tvar rozhraní mezi dvěma nemísitelnými kapalinami na základě změny napětí přivedeného na elektrody vhodně rozmístěné po okraji čočky. Nevýhodou těchto typů aktivních kapalinových čoček je zejména náročnost na ovládání, potřebná složitá elektronika, vyšší výrobní náklady a především velmi malé průměry, kterých současné čočky dosahují. 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 pomocí různých principů vhodná kapalina. Druhá plocha čočky je obvykle rovinná opticky transparentní plocha neměnného tvaru. Takovéto čočky umožňují docílit velmi dobrých zobrazovacích vlastností, avšak pouze omezeného 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. Všechny zmiňované typy současných aktivních kapalinových čoček vzhledem ke své optické konstrukci neumožňují eliminovat či potlačit aberace čočky a dosáhnout tak lepší kvality zobrazení.

Existuje řešení membránové kapalinové čočky podle užitného vzoru CZ 24834, kde je řešená membránová kapalinová čočka s plynule proměnnou ohniskovou vzdáleností, která je tvořena jednou komorou naplněnou opticky transparentní kapalinou, kdy změnou objemu kapaliny jsou deformovány dvě pružné membrány tvořící komoru s kapalinou. Avšak toto řešení neumožňuje plynule a navzájem nezávisle měnit poloměry křivosti obou optických ploch čočky a též je čočka tvořena pouze jednou kapalinou s daným indexem lomu a nelze tak efektivně ovlivňovat barevnou vadu čočky a rozsah dosažitelných hodnot ohniskové vzdálenosti. Též není možno cíleně ovlivňovat vady zobrazení čočky pro různé hodnoty ohniskové vzdálenosti čočky, na rozdíl od navrhovaného řešení, kde dvojice kapalin s různými indexy lomu a dva navzájem nezávisle proměnné poloměry křivosti čočky zajišťují velmi dobrou možnost korekce vad zobrazení čočky.

-1 CZ 25953 Ul

Podstata technického řešení

Některé výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zobecněnou membránovou kapalinovou čočkou podle předkládaného řešení. Tato membránová kapalinová čočka obsahuje dvě, navzájem rovnoběžně umístěné, planparalelní destičky z opticky transparentních materiálů, které jsou upevněny v objímce vnitřního kruhového průřezu. První planparalelní destička je pevně uchycena po celém okraji u jejího jednoho konce a druhá planparalelní destička je pevně uchycena po celém okraji u jejího druhého konce. Dále membránová kapalinová čočka obsahuje první a druhou pružnou membránu, mezi nimiž je prostor pro vyplnění kapalinou. Tyto pružné membrány jsou upevněny celým svým obvodem k vnitřnímu plášti objímky. První prostor mezi první planparalelní destičkou a první pružnou membránou a druhý prostor mezi druhou planparalelní destičkou a druhou pružnou membránou jsou vyplněny stlačeným plynem. Podstatou nového řešení je, že prostor mezi první a druhou pružnou membránou pro vyplnění kapalinou je dále rozdělen středovou planparalelní destičkou rovnoběžně umístěnou s první a s druhou planparalelní destičkou a připevněnou celým svým obvodem k vnitřnímu plášti objímky na dvě komory. První komora o objemu V₃ je vytvořená mezi první pružnou membránou a středovou planparalelní destičkou a je vyplněna kapalinou o indexu lomu n₃. Druhá komora o objemu V_; vznikne mezi středovou planparalelní destičkou a druhou pružnou membránou a je vyplněna kapalinou o indexu lomu n₅. Každá z komor je propojená s rezervoárem kapalin o příslušném indexu lomu opatřenými tlakovým zařízením.

První planparalelní destička, druhá planparalelní destička a středová planparalelní destička mohou být například z optického skla nebo z plastů či z různých opticky transparentních materiálů. Objímka může být složená z několika částí.

Kapalinová čočka podle tohoto řešení je adaptivní s proměnnou kladnou a zápornou ohniskovou vzdáleností. Tato konstrukce zobecněné kapalinové čočky s plynule měnitelnou lámavostí, respektive ohniskovou vzdáleností, a dvěma plynule měnitelnými poloměry křivosti, umožňuje měnit definovaně její aberační vlastnosti, což je vlastnost, kterou klasická čočka ani jiné současné aktivní kapalinové čočky nemají.

Lze tak pomocí zobecněné kapalinové čočky dle tohoto řešení konstruovat zcela nové optické soustavy, které nemají klasickou analogii. Je možné tak například navrhnout takovou optickou soustavu, složenou z několika zobecněných kapalinových čoček, která může být teleskopem s proměnným zvětšením a zároveň může být mikroskopem s proměnným zvětšením, fotografickým objektivem s proměnnou ohniskovou vzdáleností, a podobně. Tohoto účinkuje dosaženo plynulou změnou lámavostí a poloměrů křivosti jednotlivých členů takové optické soustavy. Toto je vlastnost, kterou žádná klasická optická soustava nemá. Zobecněná kapalinová čočka dle tohoto řešení nalezne uplatnění při konstrukci zcela nových a unikátních zobrazovacích a měřicích optických soustav s proměnnými parametry. Ohniskovou vzdálenost, respektive lámavost, čočky' lze ovlivňovat indexy lomu kapalin a velikostí tlaku kapalin, jež způsobuje deformaci pružných membrán. Kvalitu zobrazení a aberace čočky je možno ovlivňovat vhodnou volbou indexů lomu kapalin a nastavením vhodné kombinace zakřivení obou membrán čočky. Řešení umožňuje konstrukci optických soustav s proměnnými charakteristikami, které se vyznačují možností miniaturizace, odstranění pohyblivých částí, redukováním hmotnosti a výrobních nákladů. Výhodou řešení je též relativně jednoduché ovládání změny ohniskové vzdálenosti čočky.

Objasnění obrázků na výkresech

Zobecněná kapalinová čočka podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsána na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1 je znázorněna schematicky v bokorysu příkladná kapalinová čočka v podobě spojné čočky a na Obr. 2 v podobě rozptylné čočky.

-2CZ 25953 Ul

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladná zobecněná kapalinová čočka, Obr. 1 a Obr. 2, je tvořena třemi planparalelními destičkami i, 4, 7 z opticky transparentního materiálu umístěnými v navzájem rovnoběžném směru, mezi nimiž jsou upevněny po kruhovém obvodu velmi tenké opticky transparentní pružné membrány 8 a 9, jejichž plochy mají plynule měnitelnou hodnotou jejich poloměrů křivosti. První planparalelní destička i s indexem lomu nj a o tloušťce £ je pevně uchycená po celém okraji u jednoho konce objímky 10, jejíž vnitřní průřez je kruhový. Druhá planparalelní destička 7 s indexem lomu ny a o tloušťce ty je pevně uchycená po celém okraji u druhého konce objímky 10. Středová planparalelní destička 4 má index lomu rn a tloušťku Laje celým svým obvodem připevněná k vnitřnímu plášti objímky 10. Planparalelní destičky i, 4, 7 mohou být vyrobeny z optického skla nebo optických plastů s obecně různými indexy lomu. První pružná membrána 8 a druhá pružná membrána 9 jsou rovněž pevně uchycené svým obvodem k vnitřnímu plášti objímky 10 čočky. Mezi středovou planparalelní destičkou 4 a první pružnou membránou 8 je takto vytvořena první komora 3 o objemu V3 vyplněná kapalinou o indexu lomu 113 a propojená s rezervoárem kapaliny, opatřeným tlakovým zařízením, které není v obrázku zakresleno. Obdobně vznikne mezi střední planparalelní destičkou 4 a druhou pružnou membránou 9 druhá komora 5 o objemu V5 vyplněná kapalinou o indexu lomu 115, která je propojená s rezervoárem kapaliny, opatřeným tlakovým zařízením, opět není v obrázku zakresleno. První prostor 2 mezi zadní plochou první planparalelní destičky 1 a první pružnou membránou 8 je vyplněn stlačeným plynem, např. vzduchem, s indexem lomu 112. Stejně tak druhý prostor 6 mezi druhou pružnou membránou 9 a první plochou třetí planparalelní destičky 7 je vyplněn stlačeným plynem o indexu lomu n_é. Stlačený plyn může mít obecně různé hodnoty indexu lomu n₂ a rif, a může být pod určitými, uživatelem zvolenými, hodnotami tlaku £2 a βδ· S výhodou lze pro plnění těchto komor použít jako vhodný plyn suchý vzduch nebo dusík s indexem lomu n = 1. Stlačený plyn zajišťuje plynulou deformaci membrán jak v kladném tak záporném směru. První pružná membrána 8 a druhá pružná membrána 9 tak mohou být jak kladnou, tak i se zápornou křivostí, a lze tak jejich vhodnou kombinací získat čočku s kladnou ohniskovou vzdáleností, Obr. 1, nebo se zápornou ohniskovou vzdáleností, Obr. 2.

Princip funkce zobecněné kapalinové čočky dle tohoto řešení je následující. V počátečním stavu je čočka nastavena takovým způsobem, že první pružná membrána 8 a druhá pružná membrána 9 upnuté po okraji vnitřního kruhového průřezu objímky 10 jsou rovnoběžné s planparalelními destičkami I, 4, 7, a mají tedy rovinný tvar. Takováto čočka působí opticky jako soustava planparalelních destiček a tedy výsledná lámavost čočky je nulová. Změnou objemu kapalin v první komoře 3 a v druhé komoře 5 pomocí externího tlakového zařízení lze docílit deformace pružných membrán. Pomocí tohoto tlakového mechanismu, který může být založen například na mechanickém či elektromagnetickém principu, je umožněno měnit plynule a nezávisle množství kapaliny mezi první pružnou membránou 8 respektive druhou pružnou membránou 9 a středovou planparalelní destičkou 4, důsledkem čehož je plynulá a navzájem nezávislá změna poloměrů křivosti pružných membrán 8 a 9, a tím i odpovídající změna lámavosti. Z optického hlediska si lze představit zobecněnou čočku jako kombinaci dvou kapalinových čoček s jednou plochou rovinou, přičemž tyto rovinné plochy jsou tvořeny stěnami dělicí středové planparalelní destičky

4. Vhodným nastavením křivostí obou ploch pružných membrán 8 a 9 lze získat čočku o plynule měnitelné ohniskové vzdálenosti a zároveň lze korigovat aberace, tedy vady zobrazení, čočky. Změnou objemu kapaliny v první komoře 3 a v druhé komoře 5 lze tak měnit plynule zakřivení ploch pružných membrán 8 a 9 a vytvořit tak jejich vhodnou kombinací čočku s kladnou ohniskovou vzdáleností, Obr. 1, nebo se zápornou ohniskovou vzdáleností, Obr.2. Změna objemu kapaliny v první komoře 3 a v druhé komoře 5, jež způsobí deformaci pružných membrán 8 a 9, může být realizována různými technickými způsoby - servomotorem, piezoelektrickými či elektromagnetickými aktuátory a podobně. Jako materiál pro výrobu pružných membrán lze s výhodou využít např. polydimetylsiloxan (PDMS), který má vhodné elastické vlastnosti a je zcela transparentní pro světlo. Materiálem kapalin může být s výhodou destilovaná voda či jiné neagresivní opticky transparentní kapaliny. Změnou kapalin v první komoře 3 a v druhé komoře 5,

-3 CZ 25953 Ul to je změnou hodnot indexu lomu a disperzní závislosti, lze poté ovlivňovat rozsah ohniskové vzdálenosti a zobrazovací vlastnosti čočky. Vady zobrazení čočky lze ovlivnit vhodnou volbou kombinace křivostí první pružné membrány 8 a druhé pružné membrány 9.

V případě, že index lomu plynuje roven n_p = n₂ = n₆ = 1, planparalelní destičky 1, 4, 7 jsou vyrobeny ze stejného materiálu s indexem lomu n_d = n₃ = n₅, jejich tloušťka je totožná t_d = f = t₄ = t₇ a jsou upevněny symetricky tak, že jejich okrajové tloušťky jsou totožné t = t₂ = t₃ = t₅= potom se lámavost φ = 1/f (f značí ohniskovou vzdálenost čočky) určí podle následujícího vztahu φ = Φ: * Φ(, ⁽?MU _ Φ₃φ₆(/ + /ήφ₃) __ φ₃φ₆(/ + /Λφ„)

ί)

8(2_?i b

8(/2.-1) kde φ₃ a φ₆ j sou lámavosti třetí a šesté optické plochy čočky tvořené tenkými pružnými membránami 8 a 9, n₃ resp. n₅ jsou hodnoty indexu lomu kapalin vyplňuj ících první komoru 3 a druhou komoru 5 čočky, η resp. r₂ jsou poloměry křivosti pružných membrán 8 a 9, a D je optický průměr čočky.

Průmyslová využitelnost

Zobecněná kapalinová čočka podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména při konstrukci zobrazovacích a měřicích optických soustav s proměnnými parametry, např. jako autofokusační a zobrazovací prvek v optických mikroskopech, systémech optické koherenční tomografie, mobilních telefonech, digitálních fotoaparátech, dálkoměmých soustavách, kolimátorech a autokolimátorech, laserových systémech pro mikromanipulaci, laserových skenovacích systémech, laserových obráběcích systémech, v osvětlovacích soustavách, apod. Čočku bude možno uplatnit též v oftalmologických přístrojích a pomůckách (např. foroptery, oftalmoskopy, a podobně) jako prvek pro korekci dioptrických vad oka. Pomocí těchto zobecněných čoček bude možno konstruovat a vyrábět zcela nové univerzální optické soustavy s proměnnými parametry, které nemají klasickou analogii.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kapalinová čočka obsahující dvě, navzájem rovnoběžně umístěné, planparalelní destičky (1, 7) z opticky transparentních materiálů, které jsou upevněny v objímce (10) vnitřního kruhového průřezu tak, že první planparalelní destička (1) je pevně uchycena po celém okraji u jejího jednoho konce a druhá planparalelní destička (7) je pevně uchycena po celém okraji u jejího druhého konce a dále obsahující první pružnou membránu (8) a druhou pružnou membránu (9), mezi nimiž je prostor pro vyplnění kapalinou a které jsou upevněny celým svým obvodem k vnitřnímu plášti objímky (10) a kde první prostor (2) mezi první planparalelní destičkou (1) a první pružnou membránou (8) a druhý prostor (6) mezi druhou planparalelní destičkou (7) a druhou pružnou membránou (9) jsou vyplněny stlačeným plynem, vyznačující se tím, že prostor mezi první pružnou membránou (8) a druhou pružnou membránou (9) pro vyplnění kapalinou je rozdělen středovou planparalelní destičkou (4) rovnoběžně umístěnou s první planparalelní destičkou (1) a s druhou planparalelní destičkou (7) a připevněnou k vnitřnímu plášti objímky (10) celým svým obvodem na první komoru (3) o objemu (V₃) vytvořenou takto mezi

   -4CZ 25953 Ul první pružnou membránou (8) a středovou planparalelní destičkou (4), kde tato první komora (3) je vyplněna kapalinou o indexu lomu (n₃), a na druhou komoru (5) o objemu (V₅), která vznikne mezi středovou planparalelní destičkou (4) a druhou pružnou membránou (9) a která je vyplněna kapalinou o indexu lomu (n₅), přičemž první komora (3) a druhá komora (5) jsou propojeny s

   5 rezervoáry kapalin o příslušném indexu lomu opatřenými tlakovým zařízením.
2. 2. Kapalinová čočka podle nároku 1, vyznačující se tím, že první planparalelní destička (1), druhá planparalelní destička (7) a středová planparalelní destička (4) jsou z optického skla.
3. 3. Kapalinová čočka podle nároku 1, vyznačující se tím, že první planparalelní io destička (1), druhá planparalelní destička (7) a středová planparalelní destička (4) jsou z plastů.
4. 4. Kapalinová čočka podle nároku 1, vyznačující se tím, že planparalelní destička (1), druhá planparalelní destička (7) a středová planparalelní destička (4) jsou z různých opticky transparentních materiálů.
5. 5. Kapalinová čočka podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že objímka (10) je 15 složená z několika částí.