Варифокальная жидкая линза
VARIFOCAL LIQUID LENS

Изобретение относится к области оптофлюидики, адаптивной оптики и оптоэлектроники и может быть использовано для создания адаптивной оптической системы, меняющей знак фокусного расстояния и перестраивающей оптические характеристики без использования системы подвижных линз.
Жидкостные оптические элементы являются хорошей альтернативой механическим системам, поскольку могут выполнять неограниченное число циклов без какого-либо износа, обладают высокой скоростью фокусировки и переориентации за счет свойств текучести жидкости, а также возможностью обновления оптической среды путем прокачивания жидкости
Известна жидкая линза [1], представляющая собой поверхность раздела (мениск) между водой и маслом, при этом вода находится в микрорезервуаре с прозрачным дном и боковыми стенкам из термочувствительного гидрогеля с добавлением наночастиц золота хорошо поглощающих ИК-излучение, а слой масла находится сверху. Изменение объема стенок гидрогеля вызываемое ИК-облучением приводит к изменению величины и знака кривизны мениска, и, следовательно, и фокусного расстояния. Несмотря на широкий диапазон перестройки фокусного расстояния и возможность работать как собирающей, так и рассеивающей линзой, серьезными недостатками данной линзы являются: дороговизна используемых материалов; сложная и дорогостоящая процедура изготовления ячейки для жидкостей с использованием методов микрофабрикации; весьма ограниченный набор рабочих жидкостей, которые должны быть полностью несмешивающимися и иметь существенно разные показатели преломления; а также необходимость дополнительно стабилизировать поверхность раздела между таким жидкостями путем гидрофобизации зоны их контакта.
В работе [2] предложена варифокальная линза в виде мениска двух несмешивающихся жидкостей (нижний слой - вода, верхний слой - 1-бромдодекан), заполняющих цилиндрическую кювету (6 мм в диаметре) с прозрачными верхней и нижней стенками, и выступом апертуры, составляющей 3 мм в диаметре, в области мениска для его удержания. Перестройка фокусного расстояния осуществляется изменением величины и знака кривизны мениска путем ручного перемещения подвижного поршня, вмонтированного в нижней части кюветы. К недостаткам данного способа можно отнести грубый, а именно ручной, механизм перестройки фокусного расстояния, который, учитывая наличие более плотной верхней жидкости, может привести к выходу мениска из зоны удержания и, как следствие, опрокидыванию двухслойной системы.
Известна варифокальная линза [3], представляющая собой порцию жидкости (деионизированная вода) заполняющую цилиндрическую кювету с боковыми стенками из пьезоэлектрика и дном из силиконовой мембраны. Свободная поверхность жидкости поддерживает выпуклую форму при резонансной частоте напряжения приложенному к пьезоэлектрическому преобразователю, а фокусное расстояние изменяется с величиной управляющего напряжения. К недостаткам такой линзы можно отнести следующее: невозможность менять знак фокусного расстояния (поверхность жидкости работает только как собирающая линза), и ограничение ее применимости в составе комплексных устройств связанное с возбуждением паразитных вибраций.
В статье [4] продемонстрирована варифокальная жидкая линза в виде сидячей капли электропроводной жидкости на диэлектрической подложке, покрытой тонким слоем диэлектрика, а между подложкой и диалектиком вмонтирована сеть управляющих электродов. Управление фокусным расстоянием такой линзы осуществляется путем изменения ее кривизны, в зависимости от прикладываемого к электродам электрического напряжения. К существенным недостаткам такой линзы относятся: крайне малый диапазон перестройки фокусного расстояния (около 20% от начального значения, соответствующего нулевому напряжению), невозможность изменения знака фокусного расстояния (капля работает только как собирающая линза), необходимость использования смачивающей пленки диэлектрической жидкости для предотвращения гистерезиса краевого угла смачивания капли в процессе перестройки фокусного расстояния. Кроме этого, использование в качестве материала линзы электропроводящих жидкостей, накладывается ограничение на применимость такой линзы, а сложная система электродов требует разработки программного комплекса управления.
Известна варифокальная жидкая линза [5], тело которой в виде сидячей капли формируется из слоя раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с помощью эффекта концентрационно-капиллярной конвекции, управляемого пучком света, а перестройка фокусного расстояния осуществляется путем изменения мощности пучка. Несмотря на малые размеры и большой диапазон перестройки фокусного расстояния, данная линза имеет следующие недостатки: необходимо использовать герметичную ячейку для предотвращения утечек растворителя, а также подогревать крышку кюветы во избежание конденсации на ней паров, приводящих к оптическим помехам; ограничение на выбор пары рабочих жидкостей к которым предъявляются требования взаимной растворимости, большой разницы в поверхностном натяжении и давлении насыщенных паров между жидкостями. Кроме того, данная капля работает только как собирающая линза.
Техническим результатом данного изобретения является существенное упрощение процедуры управления фокусным расстоянием и конструкции жидкой линзы, расширение диапазона изменения фокусного расстояния в режимах собирающей и рассеивающей линзы, расширение диапазона жидкостей, применяемых для формирования тела линзы, и, в целом, повышение надежности работы варифокальной линзы.
Технический результат достигается тем, что изменение фокусного расстояния линзы в виде капли нелетучей жидкости, с добавлением поглощающего пучок лазера красителя, сидячей на прозрачной подложке происходит вследствие деформации ее свободной поверхности, вызываемой центробежными термокапиллярными силами, индуцированными тепловым воздействием управляющего лазерного пучка [6-8], при этом величина и знак фокусного расстояния определяются мощностью управляющего пучка.
Принцип работы варифокальной жидкой линзы поясняется на Фиг. 1. Здесь 1 - сидячая капля жидкости, 2 - прозрачная подложка, 3 - пучок лазера. В отсутствие лазерного излучения сидячая капля жидкости на прозрачной плоской подложке представляет собой собирающую линзу, Фиг. 1(a), фокусное расстояние которой связано с радиусом кривизны ее свободной поверхности как , где R радиус кривизны свободной поверхности капли,  коэффициент преломления жидкости. При включении пучка лазера, направленного нормально к основанию капли, температура ее свободной поверхности в зоне воздействия пучка повышается, вследствие поглощения излучения в объеме капли, приводя к локальному понижению поверхностного натяжения. В результате на свободной поверхности капли возникает центробежное поле термокапиллярных сил, которые благодаря вязкости перемещают жидкость из нагреваемой зоны к холодной кромке капли, вызывая тем самым деформацию ее свободной поверхности, Фиг. 1(б-д). Форма свободной поверхности и величина ее деформации зависит от мощности управляющего лазерного пучка. Постепенное увеличение мощности управляющего лазерного пучка (показано осью мощности пучка на Фиг. 1) вызывает последовательное изменение свободной поверхности капли: уплощение свободной поверхности, приводящее к увеличению радиуса кривизны, а, следовательно, и фокусного расстояния капли, Фиг. 1(б), вплоть до момента когда свободная поверхность становится почти плоской, а ее фокусное расстояние стремится к бесконечности, Фиг. 1(в); изменение знака кривизны вследствие деформации свободной поверхности капли в виде термокапиллярного углубления [6-8], сопровождающееся уменьшением абсолютной величины радиуса кривизны и фокусного расстояния, Фиг. 1(г-д). В первом случае капля является варифокальной собирающей линзой, а во втором - варифокальной рассеивающей линзой. Уменьшение мощности пучка позволяет обратимо менять величину и знак фокусного расстояния. Выключение пучка лазера приводит к релаксации деформации свободной поверхности капли, в следствие чего, последняя принимает первоначальную форму, Фиг. 1(a).
На Фиг. 2 показана зависимость фокусного расстояния капли бензилового спирта (R=9.7 мм при Р=0 мВт), сидящей на предметном стекле, в зависимости от мощности управляющего пучка лазера (Х=532 нм, диаметр пучка d=0.8 мм). Для обеспечения поглощения излучения лазера бензиловый спирт слегка окрашен кристаллическим фиолетовым красителем. Как видно на Фиг. 2 с увеличением Р лазера от 0 до 40 мВт фокусное расстояние F капли возрастает от +18 до +56 мм (в 3 раза). В диапазоне от 40 до 53 мВт имеет место переходное состояние - свободная поверхность капли проходит положение R→∞, а затем в капле начинает формироваться термокапиллярное углубление, кривизна меняет знак и при дальнейшем увеличении Р до 200 мВт, F варьируется от -200 до -2.7 мм.
На Фиг. 3 в качестве иллюстрации изменения кривизны поверхности капли представлены изображения сетки, полученные с помощью линзы на основе капли этиленгликоля на стеклянной подложке, управляемой пучком лазера (λ=532 нм, d=0.8 мм): (а) начальное положение - лазер выключен, радиус кривизны R=6 мм; (б) капля облучается пучком лазера Р=85 мВт, положительный радиус кривизны увеличился до R=25 мм; (в) мощность лазера составляет Р=125 мВт, поверхность капли вогнута, а радиус кривизны вогнутого участка поверхности равен R=-61 мм.
Таким образом, предлагаемая варифокальная жидкая линза, отличаясь простотой и надежностью, обладает следующими преимуществами: широкий диапазон перестройки фокусного расстояния и возможность изменения знака фокусного расстояния; в качестве рабочей жидкости может быть использована любая нелетучая жидкость, которая формирует на подложке сидячую каплю с отличным от нуля краевым углом смачивания; не требуется изготовление герметичной ячейки или ячейки со сложной структурой внутренней поверхности стенок; управление фокусным расстоянием осуществляется бесконтактно с помощью пучка лазера. Кроме того, для деформации поверхности можно использовать любой пучок света, например, сфокусированное излучение фотодиода, ртутной или галогеновой лампы, достаточно лишь чтобы излучение поглощалось либо в объеме капли путем добавления красителя или выбором длины волны излучения поглощаемого самой жидкостью, либо материалом подложки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zeng X., Jiang Н. Tunable liquid microlens actuated by infrared light-responsive hydrogel. // Applied Physics Letters, 93, 151101, 2008.
2. Patra R., Agarwal S., Kondaraju S., Bahga S.S. Membrane-less variable focus liquid lens with manual actuation. // Optics Communications, 389, 74-78, 2017.
3. Feng G.H., Liu J.H. Simple-structured capillary-force-dominated tunable-focus liquid lens based on the higher-order-harmonic resonance of a piezoelectric ring transducer. // Applied Optics, 52(4), 829-837, 2013.
4. Krupenkin Т., Yang S., Mach P. Tunable liquid microlens. // Appl. Phys. Lett., 82(3), 316-318, 2003.
5. Безуглый Б.А., Шепеленок С.В., Тарасов О.А. Адаптивное оптическое устройство на основе жидкой линзы. // Патент РФ 2149434, 20.05.2000.
6. Da Costa G., Calatroni J. Transient deformation of liquid surfaces by laser-induced thermocapillarity. // Applied Optics, 18(2), 233-235, 1979.
7. Helmers H., Witte W. Holographic study of laser-induced liquid surface deformations. // Optics Communications, 49(1), 21-23, 1984.
8. Безуглый Б.А., Иванова H.A., Зуева А.Ю. Термокапиллярная деформация тонкого слоя жидкости, вызванная пучком лазера. // ПМТФ, 42(3), 130-134, 2001.