АДАПТИВНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ЖИДКОЙ ЛИНЗЫ Российский патент 2000 года по МПК G02B26/06 G02B3/14 

Изобретение относится к области адаптивной оптоэлектроники, в частности к созданию адаптивного рефрактивного оптического устройства на основе самоцентрирующейся жидкой линзы.

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.

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%.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Форма преломляющей поверхности линзы и ее апертура определяются интенсивностью управляющего излучения, летучестью и поверхностным натяжением раствора, а также концентрацией красителя и его спектральной характеристикой.

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.

Предполагается использование этого устройства в различных оптоэлектронных приборах, где необходимо бесконтактное управление оптическими параметрами.

Литература
1. Вуд Р.В. Ртутный параболоид в качестве отражательного телескопа. 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).

3. Grosso R. P., Yellin M. Мембранное зеркало как элемент адаптивной оптической системы. 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).

5. US 4585301 A, 29.04.86.

6. Безуглый Б. А. Канд. диссертация. Москва, МГУ, 1983, 270 с.

Адаптивное оптическое устройство состоит из линзы, образованной из жидкости, поглощающей управляющий пучок, источника управляющего излучения, зеркала и кюветы. Зеркало отражает под углом 45^o управляемый пучок и пропускает управляющий пучок или отражает под углом 45° управляющий пучок и пропускает управляемый пучок. Тело линзы формируется управляющим пучком в тонком слое раствора нелетучего положительно тензоактивного вещества в легколетучем растворителе с добавкой поглощающего управляющий пучок красителя. Обеспечивается миниатюризация размеров и расширение диапазона перестройки фокусного расстояния линзы, а также бесконтактное управление местоположением и самоцентрирование ее тела. 1 ил.

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.