RU181238U1

RU181238U1 - Print head for acoustic printer

Info

Publication number: RU181238U1
Application number: RU2017138151U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-07-06

Abstract

Полезная модель относится к акустическим принтерам и, более конкретно, к микролинзам с субдифракционном разрешением для печатающих головок таких принтеров.Задачей настоящей полезной модели является повышение пространственного разрешения печатающей акустической головки, выше дифракционного предела и упрощение устройства линзы.Указанная задача достигается тем, что печатающая головка для акустического принтера содержит акустически проводящую подложку, пьезоэлектрический преобразователь, контактирующий с задней поверхностью акустически проводящей подложки, а на противоположной или передней стороне подложки размещается одна или несколько звукопроводящих акустических линз, при этом скорость звука в материале подложки выше, чем скорость звука в чернилах, новым является то, что микролинза выполнена в виде звукопроводящей частицы с характерными размерами не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, и выполнена из материала с продольной скоростью звука больше скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 1.2 до 2.0 и формирующей непосредственно на своей теневой границе фотонную струю с пространственным разрешением, превышающий дифракционный предел.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме шарика.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме усеченного шарика.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме кубика.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме цилиндра при падении излучения на его плоский торец.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме кругового конуса.Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме пирамиды. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.The invention relates to acoustic printers and, more specifically, to subdiffraction microlenses for the printheads of such printers. The objective of this utility model is to increase the spatial resolution of the printhead above the diffraction limit and simplify the lens design. This task is achieved by the fact that the printhead for an acoustic printer contains an acoustically conductive substrate, a piezoelectric transducer in contact with the rear surface of the acoustics a conductive substrate, and on the opposite or front side of the substrate one or more sound-conducting acoustic lenses are placed, while the speed of sound in the substrate material is higher than the speed of sound in ink, the new thing is that the microlens is made in the form of a sound-conducting particle with characteristic dimensions of at least λ, where λ is the wavelength of the radiation used, and is made of a material with a longitudinal speed of sound greater than the speed of sound in the environment in the range from about 1.2 to 2.0 and forming directly on a shadowed photon stream with a spatial resolution exceeding the diffraction limit. In addition, the microlens can be made in the shape of a ball. In addition, the microlens can be made in the form of a truncated ball. In addition, the microlens can be made in the shape of a cube. In addition, the microlens can be made in the form of a cylinder when radiation falls on its flat end. In addition, the microlens can be made in the form of a circular cone. In addition, the microlens can be made in the form of a pyramid. 6 c.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к акустическим принтерам и, более конкретно, к микролинзам с субдифракционном разрешением для печатающих головок таких принтеров.The invention relates to acoustic printers and, more specifically, to subdiffraction resolution microlenses for the printheads of such printers.

Известно, что обычные струйные принтеры имеют фундаментальный недостаток, заключающийся в необходимости применения сопел с небольшими отверстиями для выброса струек чернил, которые легко забиваются. Характерный размер отверстия для выброса струек чернил является критическим параметром конструкции струйного принтера, поскольку он определяет размер капель чернил, которые выбрасывает струя. В результате размер отверстия для выброса не может быть увеличен, так как при этом уменьшается пространственное разрешение на носителе записи.Conventional inkjet printers are known to have a fundamental disadvantage in the need for nozzles with small openings for ejecting ink streams that are easily clogged. The characteristic size of the hole for ejecting ink streams is a critical parameter in the design of the inkjet printer because it determines the size of the ink droplets that the jet ejects. As a result, the size of the ejection port cannot be increased, since this reduces the spatial resolution on the recording medium.

В акустических струйных принтерах нет сопел, которые могут засориться и поэтому повышается надежность и качество печати. Этот факт особенно важен при наличии большого количества чернил. Кроме того, в акустических струйных принтерах печать может выполняться с использованием большего количества чернил, чем обычная струйная печать, включая чернила, имеющие более высокую вязкость и краски, содержащие пигменты и другие частичные компоненты.Acoustic inkjet printers do not have nozzles that can clog and therefore improve print reliability and quality. This fact is especially important when there is a large amount of ink. In addition, in acoustic inkjet printers, printing can be performed using more ink than conventional inkjet printing, including inks having a higher viscosity and inks containing pigments and other partial components.

Известно, что размер отдельных элементов изображения («пикселей»), отпечатанных акустическим принтером, может контролироваться во время работы либо путем изменения размера отдельных капель, которые наносятся на носитель записи, либо путем регулирования количества капель, которые используются для формирования отдельных пикселей печатного изображения, смотри, например, заявку на патент США № 944698 от 19 декабря 1986 года.It is known that the size of individual image elements (“pixels”) printed by an acoustic printer can be controlled during operation, either by changing the size of individual drops that are applied to the recording medium, or by adjusting the number of drops that are used to form individual pixels of the printed image, see, for example, US Patent Application No. 944698 of December 19, 1986.

Известно, что акустическое излучение оказывает давление излучения на объекты, но которые оно падает. Если акустическое излучение падает на границу раздела (свободную поверхность) жидкость - воздух по направлению из жидкости, то акустическое давление излучения, может достигать достаточно высокого уровня, чтобы диспергировать отдельные капли жидкости. Для увеличения величины акустического давления акустическое излучение фокусируют на свободной поверхности [KA Krause, «Focusing Ink Jet Head», IBM Technical Disclosure Bulletin, том 16, № 4, сентябрь 1973 г., стр. 1168-1170; B. Hadimioglu, S.A. Elrod, D. L. Steinmetz, M. Lim, J.C. Zesch, B. T. Khuri-Yakub*, E. G. Rawson, and C. F. Quate ACOUSTIC INK PRINTING // 1992 ULTRASONICS SYMPOSIUM, рр. 929-935].It is known that acoustic radiation puts radiation pressure on objects, but which it falls. If the acoustic radiation falls on the interface (free surface) of the liquid - air in the direction from the liquid, then the acoustic radiation pressure can reach a high enough level to disperse individual drops of liquid. To increase the acoustic pressure, the acoustic radiation is focused on a free surface [KA Krause, “Focusing Ink Jet Head”, IBM Technical Disclosure Bulletin, Volume 16, No. 4, September 1973, pp. 1168-1170; B. Hadimioglu, S.A. Elrod, D. L. Steinmetz, M. Lim, J.C. Zesch, B. T. Khuri-Yakub *, E. G. Rawson, and C. F. Quate ACOUSTIC INK PRINTING // 1992 ULTRASONICS SYMPOSIUM, pp. 929-935].

Для этих целей используют фокусирующие системы с конической апертурой (рупора) и сферические пьезоэлектрические оболочки [Патент США № 4308547], плоские пьезоэлектрические преобразователи с системой электродов [Патент США № 4697105], акустические сферические линзы [Патенты США № 944698, 944490, 944698 и 944701], в патенте США № 7621624, предложена высокоэффективная ультразвуковая струйная головка на основе линзы Френеля, в патентах США № 4751529, 4751530 рассмотрены сферические акустические линзы для акустического принтера, выполненные в виде сферических углублений в подложке имеющей скорость звука в материале подложки выше, чем скорость звука в чернилах. Характерный размер формируемых капель чернил пропорционален размеру области фокусировки фокусирующей системы.For these purposes, focusing systems with a conical aperture (horn) and spherical piezoelectric sheaths are used [US Patent No. 4308547], flat piezoelectric transducers with an electrode system [US Patent No. 4697105], acoustic spherical lenses [US Patents No. 944698, 944490, 944698 and 944701 ], in US patent No. 7621624, proposed a high-performance ultrasonic inkjet head based on a Fresnel lens, in US patent No. 4751529, 4751530 considered spherical acoustic lenses for an acoustic printer, made in the form of spherical recesses a substrate having a speed of sound in the substrate material is higher than the speed of sound in the ink. The characteristic size of the generated ink droplets is proportional to the size of the focusing area of the focusing system.

Такие фокусирующие устройства имеют низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом, определяемым для идеальной линзы.Such focusing devices have low spatial resolution, limited by the diffraction limit determined for an ideal lens.

В качестве прототипа выбрано устройство по патенту США № 5041849, в котором описана печатающая головка для акустического принтера, содержащая пьезоэлектрический преобразователь, контактирующий с задней поверхностью акустически проводящей подложки, а на противоположной или передней стороне подложки размещается одна или несколько звукопроводящих акустических линз, выполненных в виде круговой зонной линзы Френеля.The device according to US patent No. 5041849, which describes a print head for an acoustic printer containing a piezoelectric transducer in contact with the rear surface of an acoustically conductive substrate, and one or more sound-conducting acoustic lenses made in the form of a prototype, is selected as a prototype. Fresnel circular zone lens.

Такая акустическая линза имеет низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом для линзы, т.е. не может быть менее половины длины волны используемого излучения и сложность конструкции линзы, кроме того величина апертуры линзы должна быть не менее 10-15λ для формирования сферически сходящегося фронта .Such an acoustic lens has a low spatial resolution, limited by the diffraction limit for the lens, i.e. cannot be less than half the wavelength of the radiation used and the complexity of the lens design, in addition, the magnitude of the lens aperture must be at least 10-15λ to form a spherically converging front.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука. - 1970]:The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which sets the concentration limit (focusing) of the acoustic field using lens systems [Born M., Wolf E., Fundamentals of Optics - M .: Science. - 1970]:

h=2.44 λFD^-1,h = 2.44 λFD ^-1 ,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens, F is the focal length of the focusing device.

Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.The transverse size of the radiation focusing area increases with an increase in the focal length, wavelength of the radiation used and a decrease in the characteristic size of the focusing device.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.The diameter of the Airy spot h is an important parameter of the focusing system, which determines its own resolution in the focal plane, determines the quality of the resulting image and the region of acoustic energy concentration for an ideal focusing device: a lens or a mirror antenna. It shows the minimum distance between the field of point sources in the focal plane that this system is able to register. The maximum resolution of an ideal lens system cannot exceed λ / 2.

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of an Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006); Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B. S. Luk'yanchuk, Z. B. Wang, W. D. Song, and M. H. Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает непосредственно в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the “photon nanostructure” effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys. Lett., 89, 221118 (2006); YF Lu, L. Zhang, WD Song, YW Zheng, and BS Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); BS Luk'yanchuk, ZB Wang , WD Song, and MH Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). The photon stream arises directly in the region of the shadow surface of dielectric microspherical particles - the so-called near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization and high optical field intensity in the focusing region. It was shown that with a plane wave incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to one third of the wavelength is achievable, which is below the classical diffraction limit.

Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением превышающий критерий Рэлея необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k_хна поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k_х>k₀n, где k₀=2π/λ - волновое число в среде, n - акустический показатель преломления среды.To focus elastic waves with a transverse resolution exceeding the Rayleigh criterion, it is necessary to focus elastic waves near the interface between two media with different values of the acoustic refractive index. The ratio of sound velocities is called the acoustic refractive index of the first medium with respect to the second. Near the interface, surface elastic waves are excited, the constructive interference of which can lead to a decrease in the transverse size of the focusing region below the diffraction limit. Since acoustic surface waves have a projection of the wave vector k _x onto the transverse coordinate x greater than the wave number in the medium: k _x > k ₀ n, where k ₀ = 2π / λ is the wave number in the medium, n is the acoustic refractive index of the medium.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, рр. 1348-1356].Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwave volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 s .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].

Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [

and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Luk`yanchuk, N. I. Zheludev, S. A. Maier, N. J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].Later, the possibility of obtaining photonic nanostructures was studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles [Minin IV, Minin OV Quasioptics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], Multilayer layered inhomogeneous microspherical particles with a radial gradient of the refractive index [

and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], as well as hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], Discs [B. Luk`yanchuk, NI Zheludev, SA Maier, NJ Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); CY. Liu and CC. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], Cylinder spheres [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник, цилиндр, при падении излучения на его торец и т.д. [I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin,O. V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В.Минин, О.В.Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10.].It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, for example, a cube, a truncated ball, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a volume hexagon, a cylinder, when radiation falls on its end, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O. V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // "Vestnik NSU. Series: Information Technology". 2014, No. 4, C.4-10.].

В работе [Минин И.В., Минин О.В. Акустический аналог феномена фотонной струи // Вестник СГУГиТ, вып. 1 (33), 2016, с. 139-147.] было показано, что в акустическом диапазоне возможно формирование акустического аналога фотонной струи с локализацией акустического поля вблизи теневой поверхности частицы с субволновым размером.In the work [Minin I.V., Minin O.V. Acoustic analogue of the photon jet phenomenon // Bulletin of SSUGiT, vol. 1 (33), 2016, p. 139-147.] It was shown that in the acoustic range it is possible to form an acoustic analogue of a photon jet with localization of the acoustic field near the shadow surface of a particle with a sub-wave size.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение пространственного разрешения печатающей акустической головки, выше дифракционного предела и упрощение устройства линзы.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the spatial resolution of the print acoustic head above the diffraction limit and simplifying the lens design.

Указанная задача достигается тем, что печатающая головка для акустического принтера содержит акустически проводящую подложку, пьезоэлектрический преобразователь, контактирующий с задней поверхностью акустически проводящей подложки, а на противоположной или передней стороне подложки размещается одна или несколько звукопроводящих акустических линз, при этом скорость звука в материале подложки выше, чем скорость звука в чернилах, новым является то, что линза выполнена в виде звукопроводящей частицы с характерными размерами не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, и выполнена из материала с продольной скоростью звука больше скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 1.2 до 2.0 и формирующей непосредственно на своей теневой границе фотонную струю с пространственным разрешением, превышающий дифракционный предел.This task is achieved in that the print head for an acoustic printer contains an acoustically conductive substrate, a piezoelectric transducer in contact with the rear surface of the acoustically conductive substrate, and one or more sound-conducting acoustic lenses are placed on the opposite or front side of the substrate, while the speed of sound in the substrate material is higher than the speed of sound in ink, new is that the lens is made in the form of a sound-conducting particle with characteristic dimensions of at least λ, where λ is the wavelength of the radiation used, and is made of a material with a longitudinal speed of sound greater than the speed of sound in the environment in the range from about 1.2 to 2.0 and forming a photonic jet with a spatial resolution directly above its shadow boundary that exceeds the diffraction limit.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме шарика.In addition, the microlens can be made in the form of a ball.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме усеченного шарика.In addition, the microlens can be made in the form of a truncated ball.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме кубика.In addition, the microlens can be made in the form of a cube.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме цилиндра при падении излучения на его плоский торец.In addition, the microlens can be made in the form of a cylinder when radiation is incident on its flat end.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме кругового конуса.In addition, the microlens can be made in the form of a circular cone.

Кроме того, микролинза может быть выполнена в форме пирамиды.In addition, the microlens can be made in the form of a pyramid.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 показан пример формирования фотонной струи диэлектрическими мезоразмерными частицами в виде сферы (а), куба (б), шестигранника (в-г), конуса (д-е), цилиндра, при падении излучения на его плоский торец (ж).In FIG. Figure 1 shows an example of the formation of a photon jet by dielectric mesoscale particles in the form of a sphere (a), a cube (b), a hexagon (c-d), a cone (e), a cylinder, when radiation falls on its flat end (g).

На Фиг. 2 приведен вариант схемы предлагаемой микролинзы.In FIG. 2 shows a variant of the proposed microlenses scheme.

На фигурах обозначены: 1 - плоский пьезоэлектрический преобразователь, 2 - звукопроводящая подложка, 3 - звукопроводящая мезоразмерная частичка, 4 - тонкий слой жидких чернил, 5 - свободная поверхность жидкость - воздух, 6 - капля чернил, 7 - носитель записи.The figures indicate: 1 - a flat piezoelectric transducer, 2 - a sound-conducting substrate, 3 - a sound-conducting mesoscale particle, 4 - a thin layer of liquid ink, 5 - a free surface of a liquid - air, 6 - a drop of ink, 7 - recording medium.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что звукопроводящие мезочастицы, например, в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительной продольной скоростью звука в материале частицы лежащего в диапазоне примерно от 1.2 до 2.0 по отношению к скорости звука в чернилах печатающей акустической головки, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.As a result of the studies, it was found that sound-conducting mesoparticles, for example, in the form of a cube or sphere, with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative longitudinal velocity of sound in the material of a particle lying in the range from 1.2 to 2.0 with respect to the speed of sound in the ink of the acoustic printhead, form at its outer border on the opposite side of the incident radiation a local region with increased radiation intensity with transverse dimensions and of order λ / 3-λ / 4 and a length of not more than 10 λ.

При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2, локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.When the characteristic sizes of the mesoscale particle are less than λ / 2, a local concentration of the acoustic field near the particle surface does not occur.

При относительной продольной скорости коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации акустического поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой. При относительной продольной скорости звука в материале мезоразмерной частицы более 2.0 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использовано для диспергирования и нанесения капель чернил на носитель записи.When the relative longitudinal velocity of the refractive index of the material of the mesoscale particle is less than 1.2, the transverse dimension of the local region of the acoustic field concentration becomes of the order of the diffraction limit and can be provided by the forming system. With a relative longitudinal speed of sound in the material of a mesosize particle greater than 2.0, a local concentration of the acoustic field arises inside the particle and cannot be used to disperse and apply ink droplets to the recording medium.

Заявляемая микролинза работает следующим образом.The inventive microlens works as follows.

Как показано на фиг. 2, печатающая акустическая головка содержит плоский пьезоэлектрический преобразователь 1, например, выполненный в виде тонкопленочного преобразователя из ZnO, который непосредственно связан с задней поверхностью подходящей акустически проводящей подложки 2, выполненной, например, кварца, стекла или кремния, при этом скорость звука в материале подложки выше, чем скорость звука в чернилах. На противоположной или передней стороне подложки 2 размещается одна или несколько звукопроводящих акустических микролинз 3, выполненных в виде звукопроводящей частицы с характерными размерами не менее λ, где λ длина волны используемого излучения и из материала с продольной скоростью звука больше скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 1.2 до 2.0.As shown in FIG. 2, the print acoustic head comprises a flat piezoelectric transducer 1, for example, made in the form of a thin film ZnO transducer, which is directly connected to the back surface of a suitable acoustically conductive substrate 2, made, for example, quartz, glass or silicon, while the speed of sound in the substrate material higher than the speed of sound in ink. On the opposite or front side of the substrate 2 there is one or more sound-conducting acoustic microlenses 3 made in the form of a sound-conducting particle with characteristic dimensions of at least λ, where λ the wavelength of the radiation used and from a material with a longitudinal speed of sound is greater than the speed of sound in the environment in the range of about from 1.2 to 2.0.

При работе пьезоэлектрического преобразователя 1, в подложке 2 возбуждается акустическая волна, которая распространяется по направлению к границе раздела жидкость - воздух 4. Акустические волны освещают одну или несколько звукопроводящих мезоразмерных частичек 3 при почти нормальных углах падения. В результате интерференции излучения и фокусировки поверхностных волн формируется область фокусировки непосредственно на теневой границе частицы 3, превышающей дифракционный предел. В качестве мезоразмерных частиц могут быть использованы частицы различной формы, фиг. 1. Частица 3 находится в тонком слое жидких чернил 4. при фокусировки акустического излучения частицей 3 на свободную поверхность жидкость - воздух 5, происходит формирование капли чернил 6, имеющей достаточную скорость, чтобы достигнуть носителя записи 7.When the piezoelectric transducer 1 is operating, an acoustic wave is excited in the substrate 2, which propagates towards the liquid-air interface 4. Acoustic waves illuminate one or more sound-conducting mesoscale particles 3 at almost normal incidence angles. As a result of interference of the radiation and focusing of the surface waves, a focusing region is formed directly on the shadow boundary of the particle 3, which exceeds the diffraction limit. As mesosized particles, particles of various shapes can be used, FIG. 1. Particle 3 is in a thin layer of liquid ink 4. when the acoustic radiation is focused by particle 3 on the free surface of the liquid - air 5, an ink drop 6 is formed at a sufficient speed to reach the recording medium 7.

Акустическая линза 2 для акустического принтера может быть изготовлена, например, из композиционных материалов [И.В. Гусенко, В.Ю. Кунаев, Р.А. Михальцов, Композиционный пьезоматериал с высокой удельной поверхностью // Инженерный вестник Дона, № 2, 2007, с. 132-136; А. В. Смирнов, И. В. Синёв, А. М. Шихабудинов. Акустические свойства композита 0-3 на основе вольфрама и полистирола // Журнал Радиоэлектроники, 2012, № 12; патент РФ № 2280250 и т.д].Acoustic lens 2 for an acoustic printer can be made, for example, of composite materials [I.V. Gusenko, V.Yu. Kunaev, R.A. Mikhaltsov, Composite piezomaterial with a high specific surface // Engineering Herald of the Don, No. 2, 2007, p. 132-136; A.V. Smirnov, I.V. Sinev, A.M. Shikhabudinov. Acoustic properties of composite 0-3 based on tungsten and polystyrene // Journal of Radioelectronics, 2012, No. 12; RF patent No. 2280250, etc.].

Например, в композитах на основе пористой керамики достижимы плотности материала от 3.3 г/см³ до 7.4 г/см³ и скорости звука от 3870 м/с до 600 м/с. С ростом пористости падают значения плотности материала, скорости звука. В композитах на основе вольфрама и полистирола, в зависимости от концентрации вольфрама скорость звука изменяется от 900 до 1700 м/с. В патенте РФ № 2280250 приведены примеры композитов с плотностью 8.79…9.0 г/см³ и продольной скоростью звука изменяющейся в пределах 6682-5772 м/с.For example, in composites based on porous ceramics, material densities from 3.3 g / cm ³ to 7.4 g / cm ³ and sound speeds from 3870 m / s to 600 m / s are achievable. With increasing porosity, the density of the material and the speed of sound decrease. In composites based on tungsten and polystyrene, depending on the concentration of tungsten, the speed of sound varies from 900 to 1700 m / s. In the patent of the Russian Federation No. 2280250 examples of composites with a density of 8.79 ... 9.0 g / cm ³ and a longitudinal speed of sound varying in the range of 6682-5772 m / s are given.

Заявляемая микролинза для акустического принтера, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных акустических фокусирующих систем с субволновыми размерами.The inventive microlens for an acoustic printer, in addition, provides an actual extension of the instrument arsenal of modern acoustic focusing systems with sub-wave sizes.

Техническим результатом является упрощение устройства акустической звукопроводящей микролинзы для акустического принтера и повышение пространственного разрешения не менее чем в 2-3 раза по сравнению с прототипом.The technical result is to simplify the device acoustic conductive microlenses for an acoustic printer and increase spatial resolution by at least 2-3 times compared with the prototype.

Claims

1. The print head for an acoustic printer containing an acoustically conductive substrate, a piezoelectric transducer in contact with the rear surface of the acoustically conductive substrate, and one or more sound-conducting microlenses are placed on the opposite or front side of the substrate, while the speed of sound in the substrate material is higher than the speed of sound in ink, characterized in that the microlens is made in the form of a sound-conducting particle with characteristic dimensions of at least λ, where λ is the wavelength of the used radiation exercises, and is made of a material with a longitudinal speed of sound greater than the speed of sound in the environment in the range of about 1.2 to 2.0.

2. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a ball.

3. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a truncated ball.

4. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a cube.

5. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a cylinder when radiation is incident on its flat end.

6. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a circular cone.

7. The print head for an acoustic printer according to claim 1, characterized in that the microlens is made in the form of a pyramid.