Регулировка фокусного расстояния объектива камеры, позволяет вам изменить угол зрения. При помощи эффекта, называемого электросмачиванием миниатюрные линзы также могут добиваться этого изменения. Электросмачивание предполагает изменение баланса сил в точке контакта свободной поверхности жидкости с поверхностью твердого тела при подаче напряжения. Однако, фокусировка не получается мгновенной из-за колебаний, возникающих на свободной поверхности жидкости. В этой статье, мы исследуем оптимальную вязкость жидкости для критического затухания этих колебаний после подачи напряжения.
Коротко о фокусном расстоянии
Представьте себе, что вы фотографируете и зумируете кадр в поисках наилучшей картинки. В этом воображаемом моменте, вы используете объектив с зумом и для изменения фокусного расстояния своей камеры. Фокусное расстояние — это расстояние между оптическим центром или точкой фокусировки в объективе и сенсором камеры, когда объект находится в фокусе.
Более короткое Фокусное расстояние дает более широкий угол и, таким образом, уменьшает масштаб предметов. Большее фокусное расстояние обеспечивает увеличение и узкий угол.
Для настройки своего фокусного расстояния, традиционные объективы с переменным фокусом используют движущиеся части, которые не могут функционировать в миниатюрном масштабе. Вместо этого, миниатюрные линзы используют альтернативные механизмы, такие как электросмачивание, для изменения своего фокусного расстояния.
Разработка миниатюрных жидких линз на основе эффекта электросмачивания
Эффект электросмачивания заключается в прикладывании напряжения между проводящей жидкостью и твердым телом с целью изменения баланса сил в точке контакта. В случае линзы, это может привести к изменению формы мениска жидкости и, посредством этого, к изменению её фокусного расстояния.
Рассмотрим, например, учебную модель, основанную на линзе с электросмачиванием, разработанную группой FluidFocus компании Philips (Philips FluidFocus team).
Эта учебная модель состоит из герметичной камеры с двумя несмешивающимися жидкостями: нижней проводящей и верхней изоляционной (непроводящей). Обе жидкости имеют сопоставимые плотность и вязкость. Модель использует также метод называемый электросмачивание на диэлектрике (electrowetting on dielectric — EWOD), который подразумевает применение тонкого слоя диэлектрика осажденного на слой проводящего материала, такого как поверхность твердого тела.
При увеличении напряжения, приложенного к проводящей жидкости линзы, кривизна мениска изменяется от выпуклой до вогнутой, как на рисунке ниже.
Это изменение возникает из-за того, что смачивающие свойств поверхности изменяются под действием напряжения, вызывая в ответ, соответствующее изменение расположения молекул жидкости в приповерхностном слое. Модифицированная кривизна приводит к изменению фокусного расстояния, что позволяет нам использовать мениск между этими двумя жидкостями в качестве оптической линзы с переменным фокусом.
Хотя конструкция, описанная выше, до сих пор функциональна, она не позволяет быстрое изменение фокусного расстояния. Это является проблемой, потому что вы не желаете ждать всякий раз, пока объектив вашей камеры отрегулирует свою позицию, когда вам это необходимо. Чтобы избежать этого, мы можем оптимизировать процесс электросмачивания для создания линзы с максимально быстрым временем отклика.
Оптимизация линзы с электросмачиванием при помощи моделирования
При переключении напряжения, приложенного к линзе с электросмачиванием, контактный угол жидкости с поверхностью резко изменяется. Можно проследить за происходящими изменениями по следующим фотографиям, предоставленным компанией Philips.
Движение создает возмущение, которое приводит к появлению капиллярных волн на границе раздела жидкостей. Это может вызвать колебания с характерным временем затухания. К примеру, в этой учебной модели, моды высших порядков оставались видимыми на протяжении 2 мс после переключения напряжения со 100 В до 120 В.
Для оптимизации линзы, мы хотим облегчить быстрое смещение фокусного расстояния путем минимизации колебаний мениска, возникающих во время процесса переключения. Следовательно, система должна быть критически демпфирована для достижения максимально быстрого времени отклика.
Для достижения этого, мы можем менять демпфирующие свойства непроводящей жидкости, регулируя ее вязкость. В данной учебной модели используется интерфейс Two-phase Flow, Moving Mesh (Двухфазный Поток, Динамическая Сетка Разбиения) среды COMSOL Multiphysics®, для точного моделирования потока двух разных жидкостей при различных тестовых значениях вязкости.
Из тестовых значений вязкости, оказалось, что величина 50 мПа·с является наиболее близкой к критическому демпфированию. Следовательно, именно она является оптимальной вязкостью для непроводящей жидкости в линзе с электросмачиванием.
Группа FluidFocus из компании Philips использовала этот метод для отслеживания движения границы раздела в своей численной модели. С помощью её, им удалось разработать миниатюрную линзу на эффекте электросмачивания способную изменять свое фокусное расстояние в широком диапазоне значений.
Вы можете протестировать различные значения вязкости и проанализировать физику линзы на эффекте электросмачивания самостоятельно при помощи этой учебной модели.
Для дальнейшего изучения
- Больше информации в статьях о о микрогидродинамике в нашем блоге
PHILIPS является зарегистрированной торговой маркой Koninklijke Philips N.V
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol