RU2149434C1 - Adaptive optical device which is based on liquid lens - Google Patents

Abstract

FIELD: optical instruments. SUBSTANCE: device is designed as lens, which consists of liquid and absorbs control beam. In addition device has control beam source, mirror and tray. Mirror reflects controlled beam at angle of 45 degrees and passes controlling beam or reflects controlling beam and passes controlled beam. Body of lens is generated by controlling beam in thin layer of non-volatile material with positive tension response in volatile solvent with addition of paint that absorbs controlling beam. EFFECT: decreased size, increased tuning range for lens focus length, contactless control of position and automatic centering of lens body. 2 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к области адаптивной оптоэлектроники, в частности к созданию адаптивного рефрактивного оптического устройства на основе самоцентрирующейся жидкой линзы. The invention relates to the field of adaptive optoelectronics, in particular to the creation of an adaptive refractive optical device based on a self-centering liquid lens.

Известен способ [1] получения адаптивного оптического элемента на основе жидкой поверхности. Это параболическое ртутное зеркало во вращающемся цилиндрическом сосуде, которое было предложено Р. Вудом. В зависимости от скорости вращения сосуда менялось фокусное расстояние такого зеркала. Однако из-за ядовитых паров ртути, больших габаритов и ограничения ориентации оптической оси лишь направлением вектора ускорения силы тяжести, а также ухудшения качества изображения из-за вибраций электродвигателя такие зеркала не нашли применения. A known method [1] for producing an adaptive optical element based on a liquid surface. This is a parabolic mercury mirror in a rotating cylindrical vessel, which was proposed by R. Wood. Depending on the speed of rotation of the vessel, the focal length of such a mirror changed. However, due to toxic mercury vapors, large dimensions and the restriction of the orientation of the optical axis only to the direction of the acceleration vector of gravity, as well as the deterioration of image quality due to vibration of the electric motor, such mirrors did not find application.

Известен способ [2] использования в качестве оптического элемента свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией. Однако использование поверхностей диэлектрических жидкостей в качестве катоптрических элементов оптики неэффективно из-за их низкой отражательной способности, которая не превышает нескольких процентов. Например, для жидкости с максимальным показателем преломления n = 1.7413 (йодо-метилен), при нормальном падении света на ее поверхность, коэффициент отражения R = (n - 1)²/(n + 1)² ≈ 7.3%.The known method [2] use as an optical element of the free surface of a liquid deformed by thermocapillary convection. However, the use of surfaces of dielectric liquids as catoptric elements of optics is inefficient because of their low reflectivity, which does not exceed several percent. For example, for a liquid with a maximum refractive index n = 1.7413 (iodine-methylene), with normal incidence of light on its surface, the reflection coefficient R = (n - 1)² / (n + 1)² ≈ 7.3%.

Известно адаптивное оптическое устройство [3] на основе мембранного зеркала, изменяющего свою форму под действием электростатических приводов, которые представляют собой проводящие прокладки. В этом устройстве, в принципе, невозможно самоцентрирование оптического элемента (зеркала). Поскольку зеркало имеет большой размер активной области, равный 25 мм, и требует множества управляющих электродов для изменения его профиля, а статическое отклонение мембраны прямо пропорционально квадрату радиуса привода, то миниатюризация мембранного зеркала практически невозможна. Known adaptive optical device [3] based on a membrane mirror that changes shape under the action of electrostatic drives, which are conductive gaskets. In this device, in principle, self-centering of an optical element (mirror) is impossible. Since the mirror has a large active region size of 25 mm and requires many control electrodes to change its profile, and the static deflection of the membrane is directly proportional to the square of the radius of the drive, miniaturization of the membrane mirror is practically impossible.

Известен оптический элемент с регулируемой кривизной [4], выполненный в виде многослойной структуры, содержащей слой пористого материала, изменяющего свои линейные размеры в зависимости от концентрации паров жидкости в окружающем пространстве. Недостаток такого устройства состоит в том, что минимальные размеры оптического элемента ограничены, он имеет большую инерционность и не обладает свойством самоцентрирования, а также не позволяет бесконтактно управлять местоположением элемента на плоскости, получать фокусные расстояния меньше нескольких сантиметров. Known optical element with adjustable curvature [4], made in the form of a multilayer structure containing a layer of porous material that changes its linear dimensions depending on the concentration of liquid vapor in the surrounding space. The disadvantage of this device is that the minimum size of the optical element is limited, it has a large inertia and does not have the property of self-centering, and also does not allow contactless control of the location of the element on the plane, to obtain focal lengths less than a few centimeters.

Известно адаптивное оптическое устройство [5], состоящее из линзы, образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок и пропускающей управляемый пучок, и источника управляющего излучения, в котором линза образуется за счет изменения показателя преломления материала под действием управляющего пучка. Устройство представляет собой оптический переключатель, т.е. дефлектор, предназначенный для изменения пути (направления) управляемого луча, и не позволяет производить его фокусировку, что является его недостатком. An adaptive optical device [5] is known, consisting of a lens formed from a liquid that absorbs a control beam and transmits a controlled beam, and a control radiation source in which the lens is formed by changing the refractive index of the material under the action of the control beam. The device is an optical switch, i.e. a deflector designed to change the path (direction) of the controlled beam, and does not allow it to focus, which is its drawback.

Целью изобретения является миниатюризация размеров и расширение диапазона перестройки фокусного расстояния линзы, а также достижение бесконтактного управления местоположением линзы и самоцентрирования ее тела в управляющий пучок. The aim of the invention is the miniaturization of sizes and expanding the range of adjustment of the focal length of the lens, as well as achieving contactless control of the location of the lens and self-centering of its body in the control beam.

Цель достигается формированием тела линзы с помощью эффекта концентрационно-капиллярной конвекции [6] управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок и пропускающего управляемый пучок красителя, а форма преломляющей поверхности линзы (т.е. фокусное расстояние линзы) и ее апертура определяются мощностью управляющего пучка, летучестью растворителя и поверхностным натяжением раствора, а также концентрацией красителя и его спектральной характеристикой. The goal is achieved by forming the lens body using the effect of concentration-capillary convection [6] with a control beam in a thin layer of a solution of a non-volatile positive tensoactive substance in a volatile solvent with the addition of an absorbing control beam and transmitting a controlled dye beam, and the shape of the refractive lens surface (i.e., focal the distance of the lens) and its aperture are determined by the power of the control beam, the volatility of the solvent and the surface tension of the solution, as well as the concentration of the dye and its ektralnoy characteristic.

На чертеже изображены возможные оптические схемы адаптивного оптического устройства. Оно состоит из линзы (1), образованной из жидкости, поглощающей излучение управляющего пучка (2) и пропускающей управляемый пучок (3); зеркала (4, 4'); кюветы (5) и источника управляющего излучения. The drawing shows possible optical circuits of an adaptive optical device. It consists of a lens (1) formed from a liquid that absorbs radiation from the control beam (2) and transmits a controlled beam (3); mirrors (4, 4 '); cuvettes (5) and a source of control radiation.

Тело линзы (1) формируется управляющим пучком (2) в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего излучение управляющего пучка и пропускающего управляемый пучок красителя. Раствор помещен в герметичную кювету (5). Управляющий пучок (2) создается точечным источником света, в качестве которого можно использовать лазер или ртутную дуговую лампу типа ДРШ-100. Дихроичное зеркало (4, 4') отражает под углом 45^o управляемый пучок (3) и пропускает управляющий пучок (2) или отражает под углом 45^o управляющий пучок (2) и пропускает управляемый пучок (3).The body of the lens (1) is formed by the control beam (2) in a thin layer of a solution of a non-volatile positive tensoactive substance in a volatile solvent with the addition of a radiation-absorbing control beam and transmitting a controlled dye beam. The solution was placed in an airtight cell (5). The control beam (2) is created by a point light source, which can be used as a laser or a mercury arc lamp of the DRSh-100 type. The dichroic mirror (4, 4 ') reflects a controlled beam (3) at an angle of 45^o and transmits a control beam (2) or reflects a control beam (2) at an angle of 45^o and transmits a controlled beam (3).

Форма преломляющей поверхности линзы и ее апертура определяются интенсивностью управляющего излучения, летучестью и поверхностным натяжением раствора, а также концентрацией красителя и его спектральной характеристикой. The shape of the refractive surface of the lens and its aperture are determined by the intensity of the control radiation, the volatility and surface tension of the solution, as well as the concentration of the dye and its spectral characteristic.

К достоинствам данного устройства можно отнести:
- малые размеры линзы от 1500 мкм вплоть до 100 мкм позволяют использовать ее для сопряжения с миниатюрными элементами оптоэлектронных устройств (например, для введения излучения в световоды);
- большой диапазон фокусных расстояний от 0.6 мм до 6 мм;
- бесконтактное управление с помощью пучка света местоположением и оптическими характеристиками (фокусным расстоянием и апертурой) линзы;
- самоцентрирование линзы в максимум интенсивности управляющего пучка;
- малое количество деталей в конструкции устройства обеспечивает надежность в работе.The advantages of this device include:
- the small size of the lens from 1500 microns up to 100 microns allows you to use it for pairing with miniature elements of optoelectronic devices (for example, for introducing radiation into the optical fibers);
- a large range of focal lengths from 0.6 mm to 6 mm;
- non-contact control using a light beam of the location and optical characteristics (focal length and aperture) of the lens;
- self-centering of the lens to the maximum intensity of the control beam;
- a small number of parts in the design of the device provides reliability in operation.

Предполагается использование этого устройства в различных оптоэлектронных приборах, где необходимо бесконтактное управление оптическими параметрами. It is planned to use this device in various optoelectronic devices where contactless control of optical parameters is required.

Литература
1. Вуд Р.В. Ртутный параболоид в качестве отражательного телескопа. Astrophys. J. 29 164 (1909).Literature
1. Wood R.V. Mercury paraboloid as a reflective telescope. Astrophys. J. 29 164 (1909).

2. Block M.J., Harwit M. Free surface of liquids as an optical element. J. Opt. Soc. Am. 48(7), 480-482 (1958). 2. Block M.J., Harwit M. Free surface of liquids as an optical element. J. Opt. Soc. Am. 48 (7), 480-482 (1958).

3. Grosso R. P., Yellin M. Мембранное зеркало как элемент адаптивной оптической системы. J. Opt. Soc. Am. 67 399 - 406 (1977). 3. Grosso R. P., Yellin M. Membrane mirror as an element of an adaptive optical system. J. Opt. Soc. Am. 67 399 - 406 (1977).

4. Клим О.В., Мешковский И.К. Исследование оптико-физических характеристик термосорбционного оптического элемента на основе пористого стекла. Оптика и спектроскопия. 82(1), 51-54 (1997). 4. Klim OV, Meshkovsky I.K. Investigation of the optical and physical characteristics of a thermosorption optical element based on porous glass. Optics and spectroscopy. 82 (1), 51-54 (1997).

5. US 4585301 A, 29.04.86. 5. US 4,585,301 A, 04.29.86.

6. Безуглый Б. А. Канд. диссертация. Москва, МГУ, 1983, 270 с. 6. Bezugly B. A. Cand. thesis. Moscow, Moscow State University, 1983, 270 p.

Claims (1)

Translated fromRussian

Адаптивное оптическое устройство, состоящее из линзы (1), образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок (2), и источника управляющего излучения, отличающееся тем, что дополнительно содержит зеркало (4, 4'), отражающее под углом 45^o управляемый пучок (3) и пропускающее управляющий пучок (2) или отражающее под углом 45^o управляющий пучок (2) и пропускающее управляемый пучок (3), и кювету (5), причем тело линзы формируется управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок красителя.An adaptive optical device consisting of a lens (1) formed of a liquid absorbing a control beam (2) and a control radiation source, characterized in that it further comprises a mirror (4, 4 '), reflecting a controlled beam at an angle of 45^o (3 ) and transmitting the control beam (2) or reflecting at an angle of 45^{o the} control beam (2) and transmitting the controlled beam (3), and the cuvette (5), and the lens body is formed by the control beam in a thin layer of a solution of a non-volatile positive tensoactive substance in a volatile solvent From to by the absorbing dye control beam.