Печатающая головка для акустического принтера

Полезная модель относится к акустическим принтерам и, более конкретно, к микролинзам с субдифракционном разрешением для печатающих головок таких принтеров.
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.
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.
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.
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].
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.
Такие фокусирующие устройства имеют низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом, определяемым для идеальной линзы.
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.
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 .
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]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
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.
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].
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.
х
х
0
0
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 kна поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k>kn, где k=2π/λ - волновое число в среде, n - акустический показатель преломления среды.
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].
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].
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.].
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.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно 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 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.
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.
Полезная модель поясняется чертежами.
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).
На Фиг. 2 приведен вариант схемы предлагаемой микролинзы.
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.
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.
При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2, локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.
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.
Заявляемая микролинза работает следующим образом.
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.
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.
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].
3
3
3
Например, в композитах на основе пористой керамики достижимы плотности материала от 3.3 г/см до 7.4 г/см 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/см и продольной скоростью звука изменяющейся в пределах 6682-5772 м/с.
Заявляемая микролинза для акустического принтера, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных акустических фокусирующих систем с субволновыми размерами.
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.