RU2282221C1

RU2282221C1 - Optical member

Info

Publication number: RU2282221C1
Application number: RU2004139134/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Кась нович Мешковский (RU); Игорь Касьянович Мешковский
Original assignee: Игорь Касьянович Мешковский
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-08-20

Abstract

FIELD: optical devices with variable optical parameters, applicable in manufacture of miniature objective lenses with a variable focal length.

SUBSTANCE: the optical member has a container. The container comprises two transparent immiscible liquids with various indices of reflection. They are transparent in the area of operating wave-lengths. The first one is a dielectric. The second one features the properties of electric conduction. The liquids are engageable with each other with formation of an interface separating them. The interface curvature determines the optical parameters of the optical member. For control of the curvature of this interface the container is provided wits electrodes. A porous matrix with liquids with formation of an interface separating them is performed by impregnation.

EFFECT: developed a modification of an optical member with variable optical parameters using the effect of curvature of the interface formed on the boundary of engagement of two immiscible liquids with various indices of reflection, adapted to mass reproduction and featuring a stability to mechanical actions.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим устройствам с изменяемыми оптическими параметрами и может быть использовано, например, в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием.The invention relates to optical devices with variable optical parameters and can be used, for example, in the production of miniature lenses with variable focal length.

Известны объективы с переменным фокусным расстоянием, основанные на применении подвижных оптических элементов, см., например, [1] - US №4097124, G 02 B 15/18, 27.06.1978; [2] - US №4099844, G 02 B 15/14, 11.07.1978; [3] - US №4861146, G 02 B 7/11, 29.08.1989; [4] - RU №2093867 (C1), G 02 B 3/14, 20.10.1997; [5] - US №5075709, G 03 B 1/18, 24.12.1991; [6] - US №5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, 30.11.1993. Конструктивно такие объективы представляют собой систему линз, в которой отдельные линзы или группы линз имеют возможность изменения своего положения для изменения фокусного расстояния объектива. Для таких объективов характерно наличие достаточно сложных механических узлов и приводных механизмов, обеспечивающих возможность перемещения линз или групп линз в процессе изменения фокусного расстояния. Обусловленная этим сложность конструктивного выполнения и невозможность миниатюризации являются основным недостатком таких устройств.Known lenses with variable focal length based on the use of movable optical elements, see, for example, [1] - US No. 4097124, G 02 B 15/18, 06/27/1978; [2] - US No. 4099844, G 02 B 15/14, 07/11/1978; [3] - US No. 4861146, G 02 B 7/11, 08/29/1989; [4] - RU No. 2093867 (C1), G 02 B 3/14, 10.20.1997; [5] - US No. 5075709, G 03 B 1/18, 12.24.1991; [6] - US No. 5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, 11/30/1993. Structurally, such lenses are a lens system in which individual lenses or groups of lenses have the ability to change their position to change the focal length of the lens. Such lenses are characterized by the presence of rather complex mechanical units and drive mechanisms that provide the ability to move lenses or groups of lenses in the process of changing the focal length. The complexity of the design and the impossibility of miniaturization are the main disadvantage of such devices.

Известны оптические устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов.Known optical devices with variable optical parameters based on the use of deformable optical elements.

Например, в устройствах, описанных в [7] - US №5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, 11.08.1992 (fig.5, 6) и [8] - RU №2234722 (С2), G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, 20.08.2004, применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемым оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.For example, in the devices described in [7] - US No. 5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, 08/11/1992 (fig. 5, 6) and [8] - RU No. 2234722 (C2) , G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, 08/20/2004, an optical element is used consisting of two lenses, the first of which is a lens with fixed parameters, and the second is a deformable liquid lens with variable optical parameters. The second lens is limited on one side by the surface of the first lens, and on the other by a transparent deformable membrane, while the space between the membrane and the first lens is filled with a transparent liquid of constant volume. The refractive indices of the fluid, the membrane and the first lens are selected as close as possible to each other. The transparent deformable membrane is enclosed in a rigid annular rim, which is connected to the peripheral part of the first lens with a flexible jumper, which makes it possible to change the distance between the membrane rim and the first lens. Changing the distance between the rim of the membrane and the first lens is carried out by a mechanical drive, such as a screw. When this distance changes, the liquid filling the volume between the membrane and the first lens changes the deflection of the membrane, which leads to a change in the focal length of the optical element.

Аналогичный принцип изменения фокусного расстояния, основанный на деформации жидкостной линзы, реализован в оптическом элементе, описанном в [9] - RU №2046388 (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, 20.10.1995. Этот оптический элемент представляет собой полую линзу, выполненную из прозрачного упругого эластичного материала, причем одна из поверхностей линзы выполнена с постоянным радиусом кривизны, а другая - с обеспечением возможности изменения кривизны под давлением жидкости, находящейся в полости линзы. В отличие от устройств [7] и [8] объем жидкости в полости линзы не является постоянным, а регулируется поршневым механизмом, нагнетающим жидкость через патрубок из соответствующего резервуара. За счет давления, создаваемого жидкостью, деформируемая поверхность линзы изгибается, изменяя фокусное расстояние оптического элемента.A similar principle of changing the focal length, based on the deformation of a liquid lens, is implemented in the optical element described in [9] - RU No. 2046388 (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, 10.20.1995. This optical element is a hollow lens made of a transparent elastic elastic material, and one of the lens surfaces is made with a constant radius of curvature, and the other with the possibility of changing the curvature under pressure of the liquid in the lens cavity. Unlike devices [7] and [8], the volume of fluid in the cavity of the lens is not constant, but is regulated by a piston mechanism that pumps fluid through the pipe from the corresponding reservoir. Due to the pressure created by the fluid, the deformable surface of the lens bends, changing the focal length of the optical element.

Общим для оптических элементов, описанных в [7]-[9], является наличие в них механических приводных узлов для перестройки оптических параметров, что ограничивает возможность миниатюризации и сужает сферу возможного применения таких оптических элементов.Common to the optical elements described in [7] - [9] is the presence of mechanical drive units in them for tuning optical parameters, which limits the possibility of miniaturization and narrows the scope of possible application of such optical elements.

Стремление уйти от механических приводных узлов для перестройки оптических параметров приводит к разработке оптических элементов, в которых эта перестройка осуществляется под воздействием физических полей.The desire to get away from mechanical drive units for tuning optical parameters leads to the development of optical elements in which this tuning is carried out under the influence of physical fields.

Например, известен оптический элемент, описанный в [10] - RU №2037164 (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, 09.06.1995, в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Этот оптический элемент содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран, исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки размещены прозрачные пленочные электроды, например, из In₂O₃. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента. Достоинствами рассмотренного оптического элемента являются электронное управление его оптическими параметрами и возможность выполнения в малых габаритах, а недостатком - нестабильность параметров в условиях механических воздействий (вибрация, тряска и т.п.).For example, an optical element is known, described in [10] - RU No. 2037164 (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, 06/09/1995 , in which the change in focal length is carried out under the influence of an electric field. This optical element contains a disk-shaped cuvette made of a transparent dielectric material, into the cavity of which a drop of a transparent dielectric liquid, for example glycerin, is introduced. The size of the cavity of the cuvette in the direction of the light flux is selected based on the value of the capillary constant of the liquid-cuvette system, so that the capillary effect of the fluid adhering to the walls of the cuvette is ensured. A circular recess is made in the front wall of the cell (the first from the side of the light flux), in the area of which a flexible deformable portion of the free surface of the liquid is formed - a kind of liquid deformable lens, the curvature of the surface of which depends on the forces of surface tension and volume pressure. Transparent film electrodes, for example, of In ₂ O ₃ , are placed on the outer surfaces of both walls of the cuvette located in the path of the light flux, as well as on the inner surface of the front wall around the recess. These electrodes are connected through a control circuit to a power source that creates an electric field in the space between the electrodes that acts on the forces of surface tension and volume pressure in a liquid lens. As a result of the action of the electric field, the liquid lens is deformed, the curvature of its surface and, therefore, the refractive properties change, which leads to a change in the focal length of the optical element. The advantages of the considered optical element are the electronic control of its optical parameters and the ability to perform in small dimensions, and the disadvantage is the instability of the parameters under mechanical stress (vibration, shaking, etc.).

Известен управляемый оптический элемент, описанный в [11] - US №6369954 (B1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, 09.04.2002, в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления. Этот оптический элемент как наиболее близкий по совокупности существенных признаков принят в качестве прототипа.Known controlled optical element described in [11] - US No. 6369954 (B1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, 04/09/2002, in which the optical surface is formed on the border section of two immiscible liquids with different refractive indices. This optical element as the closest in the aggregate of essential features adopted as a prototype.

Оптический элемент, принятый в качестве прототипа, содержит контейнер, заключающий в себе две несмешивающиеся, прозрачные в области рабочих длин волн жидкости, различающиеся своими показателями преломления. В качестве первой жидкости используется диэлектрическая жидкость с показателем преломления n≈1,45, в качестве второй жидкости - электропроводящая жидкость с показателем преломления n≈1,35.The optical element, adopted as a prototype, contains a container containing two immiscible, transparent in the region of the working wavelengths of the liquid, differing in their refractive indices. As the first liquid, a dielectric liquid with a refractive index n≈1.45 is used, as a second liquid, an electrically conductive liquid with a refractive index n≈1.35 is used.

Контейнер выполнен в виде прозрачной в области рабочих длин волн кюветы, изготовленной из диэлектрического материала. На внутренней поверхности первой стенки кюветы располагается капля первой жидкости, остальное пространство полости кюветы заполнено второй жидкостью. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента, в частности его фокусное расстояние.The container is made in the form of a cuvette transparent in the region of working wavelengths made of dielectric material. A drop of the first liquid is located on the inner surface of the first wall of the cuvette; the remaining space of the cavity of the cuvette is filled with the second liquid. The liquids interact with each other with the formation of an interphase surface separating them, the curvature of which determines the optical parameters of the optical element, in particular its focal length.

Для фиксации положения этой межфазной поверхности участок внутренней поверхности первой стенки кюветы, окружающий участок, с которым контактирует капля первой жидкости, подвергнут обработке, обеспечивающей ее повышенную смачиваемость второй жидкостью. При этом остальные участки внутренних поверхностей обеих стенок кюветы, в том числе участок внутренней поверхности первой стенки кюветы, с которым контактирует капля первой жидкости, остаются необработанными и сохраняют исходную характеристику смачиваемости.To fix the position of this interphase surface, a portion of the inner surface of the first wall of the cuvette, the surrounding area that the drop of the first liquid is in contact with, is subjected to a treatment that provides its increased wettability by the second liquid. In this case, the remaining sections of the inner surfaces of both walls of the cuvette, including the portion of the inner surface of the first wall of the cuvette with which a drop of the first liquid is in contact, remain untreated and retain the original wettability characteristic.

Изменение фокусного расстояния оптического элемента осуществляется путем деформации межфазной поверхности под воздействием электрического поля. Для этой цели оптический элемент оснащен двумя электродами. Первый из электродов расположен на внешней стороне первой стенки кюветы и охватывает кольцом зону расположения капли первой жидкости. Второй электрод непосредственно контактирует со второй жидкостью. Электроды через схему управления подключены к источнику питания - источнику напряжения постоянного тока 250 В. При включении источника питания жидкости оказываются под воздействием электрического поля, влияющего на условия формирования разделяющей их межфазной поверхности, что приводит к ее деформации (изменению кривизны). Изменяя величину напряжения с помощью схемы управления можно в определенных пределах изменять кривизну межфазной поверхности и тем самым управлять фокусным расстоянием оптического элемента.The change in the focal length of the optical element is carried out by deformation of the interphase surface under the influence of an electric field. For this purpose, the optical element is equipped with two electrodes. The first of the electrodes is located on the outer side of the first wall of the cuvette and surrounds the ring with the area of the drop of the first liquid. The second electrode is in direct contact with the second liquid. The electrodes through a control circuit are connected to a power source - a DC voltage source of 250 V. When you turn on the power source, the liquids are exposed to an electric field that affects the formation conditions of the interface separating them, which leads to its deformation (change in curvature). By changing the magnitude of the voltage using the control circuit, it is possible, within certain limits, to change the curvature of the interface and thereby control the focal length of the optical element.

Достоинствами оптического элемента, принятого в качестве прототипа, являются электронное управление его оптическими параметрами и возможность выполнения в малых габаритах, а недостатками - нестабильность параметров в условиях механических воздействий (вибрация, тряска и т.п.) и сложность воспроизведения в массовом производстве. Первый недостаток обусловлен отсутствием какой-либо механической фиксации, формируемой внутри кюветы межфазной поверхности. Второй недостаток обусловлен сложной, плохо механизируемой технологией изготовления и связанной с этим низкой повторяемостью характеристик от образца к образцу.The advantages of the optical element adopted as a prototype are the electronic control of its optical parameters and the ability to perform in small dimensions, and the disadvantages are the instability of the parameters under mechanical stress (vibration, shaking, etc.) and the complexity of reproduction in mass production. The first drawback is due to the absence of any mechanical fixation formed inside the interfacial cuvette. The second drawback is due to the complex, poorly mechanized manufacturing technology and the associated low repeatability of the characteristics from sample to sample.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка модификации оптического элемента с изменяемыми оптическими параметрами, использующего эффект кривизны межфазной поверхности, образующейся на границе взаимодействия двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления, адаптированного к воспроизведению в массовом производстве и обладающего устойчивостью к механическим воздействиям (вибрация, тряска и т.п.).The task to which the claimed invention is directed is to develop a modification of an optical element with variable optical parameters, using the effect of the interfacial surface curvature formed at the interface between two immiscible liquids with different refractive indices, adapted for reproduction in mass production and resistant to mechanical stresses ( vibration, shaking, etc.).

Сущность изобретения заключается в следующем. Оптический элемент содержит контейнер, выполненный из прозрачного в области рабочих длин волн диэлектрического материала, заключающий в себе две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления, первая из которых является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности, взаимодействующие между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента, при этом контейнер оснащен электродами, служащими для управления кривизной этой межфазной поверхности. В отличие от прототипа, в качестве контейнера используется пористая матрица, заполнение которой указанными жидкостями с образованием разделяющей их межфазной поверхности осуществлено путем пропитки.The invention consists in the following. The optical element contains a container made of a dielectric material transparent in the region of working wavelengths, comprising two immiscible liquids transparent in the region of working wavelengths with different refractive indices, the first of which is dielectric, and the second has electrical conductivity properties that interact with each other to form the interface separating them, the curvature of which determines the optical parameters of the optical element, while the container is equipped with electrodes, zhaschimi to control the curvature of the interface. Unlike the prototype, a porous matrix is used as a container, the filling of which with the indicated liquids with the formation of an interface separating them is carried out by impregnation.

В частных случаях реализации заявляемого оптического элемента в качестве материала пористой матрицы используется пористое силикатное стекло марки "ДВ-1" или аналогичный ему материал, пористая матрица имеет цилиндрическую форму и пропитана первой жидкостью со стороны первого своего торца, а второй жидкостью - со стороны второго торца и боковой поверхности.In particular cases of the implementation of the inventive optical element, porous matrix material of the DV-1 brand or similar material is used as the porous matrix material, the porous matrix has a cylindrical shape and is impregnated with the first liquid from the side of its first end and the second liquid from the side of the second end and side surface.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются схематическим чертежом, представленным на чертеже, иллюстрирующим состав и взаимодействие основных частей заявляемого оптического элемента на примере выполнения его с пористой матрицей цилиндрической формы.The invention and the possibility of its implementation are illustrated by the schematic drawing presented in the drawing, illustrating the composition and interaction of the main parts of the inventive optical element on the example of its implementation with a porous matrix of cylindrical shape.

Заявляемый оптический элемент в рассматриваемом примере выполнения содержит пористую матрицу 1 цилиндрической формы, выполненную из прозрачного в области рабочих длин волн диэлектрического материала и служащую контейнером для двух прозрачных в области рабочих длин волн несмешивающихся жидкостей 2 и 3 с различными показателями преломления. Жидкость 2 является диэлектриком и заполняет свою часть пористой матрицы 1 со стороны ее первого торца 4. Жидкость 3 обладает свойствами электропроводности и заполняет остальную часть пористой матрицы 1 со стороны ее второго торца 5 и боковой поверхности. Заполнение пористой матрицы 1 диэлектрической жидкостью 2 и электропроводящей жидкостью 3 осуществлено путем ее последовательной пропитки этими жидкостями.The inventive optical element in the considered embodiment contains a porous matrix 1 of a cylindrical shape made of a dielectric material transparent in the region of working wavelengths and serving as a container for two immiscible liquids 2 and 3 transparent in the region of working wavelengths with different refractive indices. The liquid 2 is a dielectric and fills its part of the porous matrix 1 from the side of its first end 4. The liquid 3 has the properties of electrical conductivity and fills the rest of the porous matrix 1 from the side of its second end 5 and side surface. The porous matrix 1 was filled with dielectric liquid 2 and electrically conductive liquid 3 by sequentially impregnating it with these liquids.

В качестве диэлектрической жидкости 2 может использоваться, например, минеральное масло, в частности прозрачное бесцветное минеральное масло "Marcol 52" (показатель преломления n≈1,46). В качестве электропроводящей жидкости 3 может использоваться, например, вода (показатель преломления n≈1,33). В качестве материала пористой матрицы 1 может использоваться, например, пористое силикатное стекло марки "ДВ-1" (показатель преломления стекла n≈1,47) или аналогичный ему материал. Все указанные жидкости и материал прозрачны для света видимого диапазона.As dielectric liquid 2, for example, mineral oil can be used, in particular, Marcol 52 transparent colorless mineral oil (refractive index n≈1.46). As the electrically conductive liquid 3 can be used, for example, water (refractive index n≈1.33). As the material of the porous matrix 1, for example, porous silicate glass of the DV-1 brand (glass refractive index n≈1.47) or a similar material can be used. All specified liquids and material are transparent to visible light.

Внутреннее строение пористой матрицы 1, выполненной из пористого силикатного стекла "ДВ-1" или аналогичного ему материала, представляет собой губчатую структуру с твердым каркасом и сквозными порами в виде хаотично расположенных взаимосвязанных каверн, объем которых может достигать порядка 30% от общего объема пористой матрицы 1.The internal structure of the porous matrix 1, made of porous silicate glass "DV-1" or a similar material, is a sponge structure with a solid frame and through pores in the form of randomly interconnected caverns, the volume of which can reach about 30% of the total volume of the porous matrix one.

Внутри пористой матрицы 1 заполняющие ее поры диэлектрическая жидкость 2 и электропроводящая жидкость 3 взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности 6.Inside the porous matrix 1, the dielectric liquid 2 and the electrically conductive liquid 3 filling its pores interact with each other with the formation of the interphase surface 6 separating them.

Кривизна межфазной поверхности 6 определяет оптические параметры оптического элемента, в частности его фокусное расстояние. Кривизна межфазной поверхности 6 является управляемым параметром, зависящим от электрического напряжения, приложенного к электродам 7 и 8. В представленном на чертеже примере электрод 7 выполнен в виде плоского кольца, прилегающего к пористой матрице 1 со стороны торца 4 (т.е. со стороны диэлектрической жидкости 2), а электрод 8 выполнен в виде цилиндрической муфты, охватывающей пористую матрицу 1 со стороны боковой поверхности (т.е. со стороны электропроводящей жидкости 3). Положение электродов 7 и 8 на пористой матрице 1 зафиксировано оправой 9, выполненной из диэлектрического материала. Электроды 7 и 8 посредством соответствующих проводов подключаются через схему управления к источнику питания, например, как и в прототипе, к источнику напряжения постоянного тока 250 В (на чертеже не показано). Источник питания и схема управления обеспечивают возможность формирования необходимого электрического напряжения для изменения кривизны межфазной поверхности 6.The curvature of the interfacial surface 6 determines the optical parameters of the optical element, in particular its focal length. The curvature of the interfacial surface 6 is a controlled parameter that depends on the voltage applied to the electrodes 7 and 8. In the example shown in the drawing, the electrode 7 is made in the form of a flat ring adjacent to the porous matrix 1 from the side of the end 4 (i.e., from the side of the dielectric liquid 2), and the electrode 8 is made in the form of a cylindrical sleeve covering the porous matrix 1 from the side of the side surface (i.e., from the side of the electrically conductive liquid 3). The position of the electrodes 7 and 8 on the porous matrix 1 is fixed by a frame 9 made of a dielectric material. The electrodes 7 and 8 through the corresponding wires are connected through a control circuit to a power source, for example, as in the prototype, to a DC voltage source of 250 V (not shown). The power source and control circuit provide the ability to generate the necessary electrical voltage to change the curvature of the interfacial surface 6.

При необходимости герметизации заявляемый оптический элемент размещается, например, в герметичной камере (на чертеже не показано), оснащенной соответствующими оптическими окнами, обеспечивающими прохождение света вдоль оптической оси, перпендикулярной торцам 4 и 5 пористой матрицы 1.If necessary, sealing the inventive optical element is placed, for example, in a sealed chamber (not shown), equipped with appropriate optical windows that allow light to pass along the optical axis perpendicular to the ends 4 and 5 of the porous matrix 1.

Процесс изготовления заявляемого оптического элемента состоит из изготовления пористой матрицы 1, пропитки ее жидкостями 2 и 3 и оснащения электродами 7 и 8.The manufacturing process of the inventive optical element consists of manufacturing a porous matrix 1, impregnating it with liquids 2 and 3 and equipping it with electrodes 7 and 8.

Процесс изготовления пористой матрицы 1 можно проиллюстрировать на примере ее изготовления из пористого силикатного стекла "ДВ-1". Пористое силикатное стекло "ДВ-1" - промышленно изготавливаемый материал, применяемый, в частности, в осушительных патронах; технология его изготовления и характерные особенности подробно описаны, например, в [12] - Мешковский И.К. Композиционные оптические материалы на основе пористых матриц. Монография. - Санкт-Петербург, 1998 (с.3-13, 56-69, 184-198, 271-273, рис.174). В общих чертах процесс изготовления пористого стекла "ДВ-1" состоит в следующем. Пористое стекло "ДВ-1" изготавливается на базе состава: Na₂O - 7 (%, мол), В₂О₃ - 23 (%, мол), SiO₂ - 70 (%, мол). Технология изготовления состоит из следующих основных этапов: стекловарение и выработка заготовок, отжиг заготовок, химическая обработка (выщелачивание). На первом этапе приготавливается гомогенный расплав, содержащий Na₂O, В₂О₃, SiO₂, из которого в процессе отвердения формируются заготовки необходимой формы, в рассматриваемом случае цилиндрические стержни определенного размера. Затем, на втором этапе, полученные заготовки, представляющие собой стеклообразный отвердевший раствор окислов, подвергаются термической обработке, при которой происходит распад гомогенного раствора на две фазы. В результате этого процесса в твердом теле возникают области химической неоднородности, обогащенные кислоторастворимыми компонентами стекла: Na₂O и В₂O₃. При соответствующем выборе режима термообработки эти области образуют дисперсную фазу в виде замкнутых включений, касающихся друг друга. Третий этап заключается в выщелачивании этих включений. Выщелачивание приводит к переходу в раствор основной доли Na₂O, В₂O₃ и некоторой доли SiO₂. Поскольку окислы, переходящие в раствор, образовывали до этого фрагменты структуры стекла, то переход их в раствор приводит к возникновению взаимосвязанных каверн, совокупность которых образует пористую структуру с хаотическим расположением сквозных пор, напоминающую природную губку. Твердый каркас такого пористого стекла составляет отвердевший расплав SiO₂ (диэлектрик, прозрачный для света видимого диапазона, показатель преломления n≈1,47). При этом в зависимости от условий обработки на втором и третьем этапах можно получать пористое стекло с определенным размером пор, выбираемым в широком диапазоне значений (от десятков до тысяч ангстрем и выше), что обеспечивает возможность для реализации разнообразных вариантов практического выполнения заявляемого оптического элемента.The manufacturing process of the porous matrix 1 can be illustrated by the example of its manufacture from porous silicate glass "DV-1". Porous silicate glass "DV-1" is an industrially manufactured material used, in particular, in drying cartridges; its manufacturing technology and characteristic features are described in detail, for example, in [12] - I. Meshkovsky. Composite optical materials based on porous matrices. Monograph. - St. Petersburg, 1998 (p. 3-13, 56-69, 184-198, 271-273, Fig. 174). In general terms, the process of manufacturing porous glass "DV-1" is as follows. Porous glass "DV-1" is made on the basis of the composition: Na ₂ O - 7 (%, mol), В ₂ О ₃ - 23 (%, mol), SiO ₂ - 70 (%, mol). The manufacturing technology consists of the following main stages: glass making and the development of preforms, annealing of preforms, chemical treatment (leaching). At the first stage, a homogeneous melt is prepared containing Na ₂ O, B ₂ O ₃ , SiO ₂ , from which, during the hardening process, preforms of the required shape are formed, in this case cylindrical rods of a certain size. Then, at the second stage, the obtained preforms, which are a glassy hardened solution of oxides, are subjected to heat treatment, in which a homogeneous solution decomposes into two phases. As a result of this process, regions of chemical heterogeneity appear in the solid, enriched with acid-soluble glass components: Na ₂ O and B ₂ O ₃ . With the appropriate choice of the heat treatment mode, these regions form a dispersed phase in the form of closed inclusions tangent to each other. The third step is to leach these inclusions. Leaching leads to the transition to the solution of the main fraction of Na ₂ O, B ₂ O ₃ and a certain fraction of SiO ₂ . Since the oxides passing into the solution formed fragments of the glass structure before, their transition into the solution leads to the appearance of interconnected caverns, the combination of which forms a porous structure with a random arrangement of through pores resembling a natural sponge. The solid skeleton of such a porous glass is a hardened SiO ₂ melt (dielectric transparent to visible light, refractive index n≈1.47). Moreover, depending on the processing conditions in the second and third stages, it is possible to obtain porous glass with a certain pore size, selected in a wide range of values (from tens to thousands of angstroms and above), which makes it possible to implement various options for the practical implementation of the inventive optical element.

Из полученных заготовок (пористых стеклянных цилиндрических стержней) путем механической обработки, включающей обрезку и полировку торцов, изготавливается требуемое для производства оптических элементов количество пористых матриц 1.From the obtained blanks (porous glass cylindrical rods) by machining, including trimming and polishing the ends, the number of porous matrices 1 required for the production of optical elements is made.

Далее пористая матрица 1 пропитывается диэлектрической жидкостью 2 и электропроводящей жидкостью 3. Пропитка осуществляется, например, следующим образом. Вначале дозированная капля диэлектрической жидкости 2 наносится в центр поверхности торца 4. За счет смачивания жидкостью 2 стенок пор в них возникает капиллярное течение, под действием которого жидкость 2 заполняет соответствующую часть тела пористой матрицы 1 со стороны торца 4. Затем осуществляется пропитка пористой матрицы 1 электропроводящей жидкостью 3, например, путем окунания пористой матрицы 1 в ванну с жидкостью 3. В результате жидкость 3 заполняет оставшуюся часть пористой матрицы 1 и приходит во взаимодействие с жидкостью 2. За счет взаимодействия жидкостей 2 и 3 внутри пористой матрицы 1 образуется разделяющая эти жидкости межфазная поверхность 6, кривизна которой определяет оптические параметры оптического элемента. При этом, поскольку жидкости 2 и 3 связаны порами пористой матрицы 1, сформированная таким образом межфазная поверхность 6 оказывается весьма устойчивой к механическим воздействиям. Кроме этого результатом пропитки пористой матрицы 1 является повышение ее прозрачности и уменьшение светорассеяния по сравнению с исходным "сухим" состоянием. Обусловлено это вытеснением воздуха из пор пористой матрицы 1 и замещением его жидкостями 2 и 3, показатель преломления которых ближе к показателю преломления материала пористой матрицы 1, чем показатель преломления воздуха.Next, the porous matrix 1 is impregnated with a dielectric liquid 2 and an electrically conductive liquid 3. The impregnation is carried out, for example, as follows. First, a metered drop of dielectric liquid 2 is applied to the center of the surface of the end face 4. Due to the wetting of the pore walls 2 by the liquid, a capillary flow occurs in them, under which the liquid 2 fills the corresponding part of the body of the porous matrix 1 from the side of the end face 4. Then, the porous matrix 1 is electrically conductive liquid 3, for example, by dipping the porous matrix 1 in a bath of liquid 3. As a result, the liquid 3 fills the remainder of the porous matrix 1 and comes into interaction with the liquid 2. t of the interaction of liquids 2 and 3 inside the porous matrix 1, an interphase surface 6 separating these liquids is formed, the curvature of which determines the optical parameters of the optical element. Moreover, since liquids 2 and 3 are connected by the pores of the porous matrix 1, the interphase surface 6 thus formed is very resistant to mechanical stress. In addition, the result of the impregnation of the porous matrix 1 is to increase its transparency and reduce light scattering compared with the initial "dry" state. This is due to the displacement of air from the pores of the porous matrix 1 and its replacement with fluids 2 and 3, the refractive index of which is closer to the refractive index of the material of the porous matrix 1 than the refractive index of air.

Затем к пористой матрице 1 пристыковываются электроды 7 и 8, оснащенные соответствующими проводами, после чего электроды 7 и 8 фиксируются на поверхности пористой матрицы 1 с помощью оправы 9. В случае необходимости вся конструкция герметизируется.Then, electrodes 7 and 8 equipped with corresponding wires are docked to the porous matrix 1, after which the electrodes 7 and 8 are fixed on the surface of the porous matrix 1 using the frame 9. If necessary, the entire structure is sealed.

Изготовленный таким образом оптический элемент готов для эксплуатации.The optical element made in this way is ready for operation.

В процессе эксплуатации оптического элемента управление его фокусным расстоянием осуществляется, как и в прототипе, путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам 7 и 8. Это напряжение воздействует на текущие условия формирования межфазной поверхности 6, в результате чего изменяется ее кривизна и, следовательно, фокусное расстояние оптического элемента.During operation of the optical element, its focal length is controlled, as in the prototype, by changing the voltage applied to the electrodes 7 and 8. This voltage affects the current conditions for the formation of interphase surface 6, as a result of which its curvature and, therefore, the focal length optical element.

Рассмотренная конструкция заявляемого оптического элемента отличается технологичностью, позволяет автоматизировать процессы изготовления и получать образцы с повторяемыми характеристиками, которые, к тому же, характеризуются устойчивостью к механическим воздействиям. Последнее, как отмечалось выше, обусловлено тем, что формирование межфазной поверхности 6, разделяющей несмешивающиеся жидкости 2 и 3, осуществлено не в кювете при свободном состоянии жидкостей, что имеет место в прототипе, а внутри твердого пористого прозрачного тела - внутри пористой матрицы 1, где эти жидкости находятся в связанном состоянии, образуя устойчивую композицию с материалом пористой матрицы 1. Все эти положительные качества заявляемого оптического элемента, наряду с электронным управлением оптическими параметрами и возможностью миниатюризации, делают заявляемый оптический элемент пригодным к воспроизведению в условиях массового производства и привлекательным для целого ряда применения, например в миниатюрных объективах с переменным фокусным расстоянием.The considered design of the inventive optical element is adaptable, allows you to automate manufacturing processes and obtain samples with repeatable characteristics, which, moreover, are characterized by resistance to mechanical stress. The latter, as noted above, is due to the fact that the formation of the interphase surface 6 separating immiscible liquids 2 and 3 was carried out not in a cuvette with the free state of liquids, which takes place in the prototype, but inside a solid porous transparent body inside a porous matrix 1, where these liquids are in a bound state, forming a stable composition with the material of the porous matrix 1. All these positive qualities of the claimed optical element, along with electronic control of optical parameters and possibly Tew miniaturization make the inventive optical element is suitable for playback in mass production and attractive for a variety of applications, for example in miniature lenses with variable focal distance.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и решает поставленную задачу по разработке модификации оптического элемента с изменяемыми оптическими параметрами, использующего эффект кривизны межфазной поверхности, образующейся на границе взаимодействия двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления, адаптированного к воспроизведению в массовом производстве и обладающего устойчивостью к механическим воздействиям.Thus, the above shows that the claimed invention is feasible and solves the problem of developing a modification of an optical element with variable optical parameters, using the effect of the curvature of the interphase surface formed at the interface of two immiscible liquids with different refractive indices, adapted for reproduction in mass production and possessing resistance to mechanical stress.

Источники информацииInformation sources

1. US №4097124, G 02 B 15/18, опубл. 27.06.1978.1. US No. 4097124, G 02 B 15/18, publ. 06/27/1978.

2. US №4099844, G 02 B 15/14, опубл. 11.07.1978.2. US No. 4099844, G 02 B 15/14, publ. 07/11/1978.

3. US №4861146, G 02 B 7/11, опубл. 29.08.1989.3. US No. 4861146, G 02 B 7/11, publ. 08/29/1989.

4. RU №2093867, (C1), G 02 B 3/14, опубл. 20.10.1997.4. RU No. 2093867, (C1), G 02 B 3/14, publ. 10.20.1997.

5. US №5075709, G 03 B 1/18, опубл. 24.12.1991.5. US No. 5075709, G 03 B 1/18, publ. 12/24/1991.

6. US №5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, опубл. 30.11.1993.6. US No. 5267044, H 04 N 5/232, H 04 N 5/225, publ. 11/30/1993.

7. US №5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, опубл. 11.08.1992.7. US No. 5138494, G 02 B 1/06, G 02 C 1/10, publ. 08/11/1992.

8. RU №2234722, (С2), G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, опубл. 20.08.2004.8. RU No. 2234722, (C2), G 02 C 7/04, G 02 B 3/12, publ. 08/20/2004.

9. RU №2046388, (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, опубл. 20.10.1995.9. RU No. 2046388, (C1), G 02 C 7/08, A 61 F 9/00, publ. 10/20/1995.

10. RU №2037164, (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, опубл. 09.06.1995.10. RU No. 2037164, (C1), G 02 B 3/14, G 02 F 1/29, G 02 F 1/33, A 61 F 9/00, publ. 06/09/1995.

11. US №6369954, (В1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, опубл. 09.04.2002.11. US No. 6369954, (B1), G 02 B 1/06, G 02 B 26/00, G 02 F 1/13, publ. 04/09/2002.

12. Мешковский И.К. Композиционные оптические материалы на основе пористых матриц. Монография. - Санкт-Петербург, 1998 (с.3-13, 56-69, 184-198, 271-273, рис.174).12. Meshkovsky I.K. Composite optical materials based on porous matrices. Monograph. - St. Petersburg, 1998 (p. 3-13, 56-69, 184-198, 271-273, Fig. 174).

Claims

1. An optical element containing a container made of a dielectric material transparent in the region of working wavelengths, comprising two immiscible liquids transparent in the region of working wavelengths with different refractive indices, the first of which is dielectric, and the second has electrical conductivity interacting between with the formation of an interphase surface separating them, the curvature of which determines the optical parameters of the optical element, while the container is equipped with electrodes Serving to control the curvature of the interface, characterized in that the container is used as the porous matrix, wherein said liquid filling to form the interface separating them effected by impregnation.

2. The optical element according to claim 1, characterized in that the porous matrix has a cylindrical shape and is impregnated with the first liquid from the side of its first end, and the second liquid from the side of the second end and side surface.

3. The optical element according to claim 1, characterized in that as the material of the porous matrix is used porous silicate glass brand "DV-1" or a similar material.