Жидкая линза

Обучение - Современная наука

В прошлом году на Турнире Юных Физиков предлагалось решить следующую задачу:

Разработайте систему жидкой линзы с регулируемым фокусным расстоянием. Исследуйте качество и возможные варианты применения разработанной Вами системы.

Поскольку я занимался этой задачей, хочу немного поделиться своими наработками.

Начнём просто с определения оптической линзы:

Оптическая линза – прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями.

Жидкая линза может менять своё фокусное расстояние, но для этого надо менять и кривизну поверхностей. Учитывая этот факт, дадим определение жидкой линзе:

Жидкая оптическая линза – прозрачное жидкое тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, кривизну которых можно изменять.

Для изготовления линз широко применяется стекло, реже пластмассы. В настоящее время всё большее и большее применение получают жидкие линзы, в силу своей компактности, а при использовании высококачественных материалов они ничуть не уступают обычным стеклянным линзам.

В ходе работы, я поставил следующие цели:

рассмотреть варианты создания жидких линз;

изучить качество получаемого изображения;

рассмотреть возможность практического применения;

применить в простой оптической системе;

доказать эквивалентность жидкой и стеклянной линз.

Жидкую линзу можно найти в быту, однако для этого надо немножечко поискать. Вот некоторые линзы, которые мне удалось найти:

капля на прозрачной поверхности;

граница раздела двух несмешивающихся жидкостей;

вращающаяся жидкость;

две упругие плёнки, между которыми жидкость.

Рассмотрим каждый из вариантов подробнее.

1. Капля на прозрачной поверхности.

Наверное, каждому приходилось видеть капли на оконном стекле во время дождя. Смотря на неё, можно было рассмотреть перевёрнутое и во много раз уменьшенное изображение того, что за окошком.

Именно это явление и было взято в качестве первого варианта жидкой линзы.

Капля является собирающей линзой. Например, с помощью неё можно увеличить текст.

Что же касается видов линз, которые можно получить таким методом, то это в первую очередь собирающая линза на поверхности.

Однако если на каплю пометить в маленькое колечко или трубочку, диаметр которой будет мал, то здесь будут иметь место капиллярные явления, и мы получим рассеивающую линзу.

Фокусное расстояние капли можно изменять путём добавления количества жидкости в каплю в первом случае, и изменять диаметр трубочки во второй случае.

Оптическая сила капли колеблется от 20 дптр для капель 8 – 9 мм и около 200 дптр для капель-брызг (менее 4 мм). Определено экспериментально.

Однако такая линза очень капризна и имеет массу ограничений и недостатков, например, ограничен радиус кривизны капли, капля должна располагаться в строго горизонтальном положении, форма зависит от свойств поверхности и т.д. В общем, сложно с ней работать.

2. Граница раздела двух несмешивающихся жидкостей.

По сути это та же капелька, но только не на стекле, а на жидкости. Сущность этой модели заключается в помещении в сосуд с жидкостью капли другой жидкости, причём жидкости должны быть несмешивающиеся. Фокусное расстояние линзы меняется путём добавление или уменьшения количества жидкости в капле.

Недостатки такой модели заключаются опять таки в ограниченности радиуса кривизна капли, она работает только в горизонтальном положении, требуется отсутствие вибрации и т.д. Одним словом, применять сложно.

3. Вращающаяся жидкость.

Естественным способом получения линзы такой формы является вращение ёмкости цилиндрической формы. В предложенной нами установке ёмкость с жидкостью закрепляется в подшипник (обозначен красным цветом). В процессе вращения возникают центробежные силы, которые и придают жидкости параболическую форму.

Разберёмся, какие виды линз можно получить, используя данную модель. Легко понять, что мы можем изменять кривизну только одной поверхности, поэтому вид линзы будет зависеть от скорости вращения, и от формы стакана.

Итак, если взять простую плоскодонную мензурку, то мы получим рассеивающую плоско-вогнутую линзу. Если сделать дно немного выпуклым внутрь, то у нас получается двояковогнутая линза. А вот сделав дно выпуклым наружу, при небольших скоростях мы будем получать вогнуто-выпуклую линзу с положительным мениском. А если ещё, увеличивая скорость, превысить некую критическую, то мы получим выпукло0вогнутую линзу с отрицательным мениском.

Однако представленную ранее установку собрать проблематично, поэтому рассмотрим две похожий модели.

Эти модели лишь различаются способом крепления ёмкости с жидкостью. В наших опытах мы использовали плоскодонные ёмкости.

Собрав установку согласно первой модели, мы получили следующие результаты. Здесь представлены фотографии изображения под ёмкостью Как видно, данная линза является рассеивающей, как и следовало того ожидать.

Собрав установку второго типа (с вращающимся подвесом), мы получили рассеивающую линзу параболической формы. В качестве ёмкости с жидкостью использовался обычный гранёный стакан.

В качестве недостатков можно выделить опять же строго горизонтальное расположение, а также требуется отсутствие вибрации.

Особенностью данной линзы является её форма.

4. Две упругие плёнки, между которыми вода.

Этот вариант линзы позаимствован у природы: за основу был взят принцип работы хрусталика глаза.

Самый первый опыт был не очень удачный.

Работала она почти как стеклянная. Надо было накачать достаточно воды, чтобы не было аберраций. А причина была в том, что сама конструкция была довольно гибкой, а в качестве плёнки использовалась обычная плёнка для пищевых продуктов. Очевидно, что эластичность у неё почти отсутствует.

Поэтому, учтя эти два факта был создан новый образец.

Теперь каркас был из толстого оргстекла, а в качестве плёнки мы использовали плёнку из триплекса. Этот образец можно было назвать жидкой линзой, поскольку фокусное расстояние у неё менялась от 15 до 25 ДПТР. Некоторые изображения, полученные с этой линзой, а также модель самой линзы можно видеть на рисунке.

Принцип работы такой жидкой линзы прост: две мягкие эластичные плёнки зажаты между пластинами с круглыми отверстиями. Через небольшую трубочку в пространство между плёнками закачивается или откачивается глицерин. Глицерин использовался по 2 причинам: показатель преломления у него больше, чем у воды, а также под воздействием водопроводной воды эта плёнка мутнела.

С помощью данной технологии можно получить линзы двух видов:

двояковыпуклая;

двояковогнутая.

А если ещё использовать разделитель между плёнками, то можно получить ещё такие виды линз, как:

плоско-выпуклая;

вогнуто-выпуклая (положительный мениск);

плоско-вогнутая;

выпукло-вогнутая (отрицательный мениск).

Следует сказать пару слов о том, как плёнка влияет на систему. Поскольку толщина её составляет 0,8 мм (что не мало в данном случае), то, казалось бы её обязательно надо включать в расчёты. Размышляя над этим вопросом, мы взяли одну из линз и накачали её воздухом. Как видно из фотографии, влияние не очень значительно, если учесть, что объект располагался на расстоянии около 130 - 140 метров, а снимок делался с расстояния 17 сантиметров.

Теоретически линзу можно рассчитать, используя формулы ниже:

Разобравшись с самой жидкой линзой попробуем применить её. Например, в обычном проекционном аппарате.

Коротко расскажу о нём.

Проекционный аппарат применяется для получения увеличенных изображений. Принцип его работы предельно прост: кадр плёнки или рисунок на прозрачной плёнке помещается от объектива на расстоянии d, удовлетворяющему условию: F < d < 2F. Для освещения плёнки используется электрическая лампа. Для концентрации светового потока от источника света на плёнку применяется конденсор. Конденсор представляет собой систему из линз, собирающих расходящийся от источника света световой поток на кадре плёнки. Изображение ярко освещённой плёнки создаётся на экране с помощью объектива.

Резкость изображения подстраивается с помощью объектива. Поэтому заменим стеклянную линзу объектива на жидкую.

В прикреплённом ниже файле содержиться видео с фокусировкой проекционного аппарата с жидкой линзой.

-

Как видно, изображение полученное при помощи жидкое линзы эквивалентно изображению, полученному при помощи стеклянной.

На мой взгляд оно могло быть и лучше, если такую линзу собирать не в домашних условиях при помощи гнутой отвёртки и пилы, а на токарном станке, и использую качественную плёнку, а не извлечённую из триплекса.

В данной статье были:

рассмотрены варианты жидких линз и способы их получения;

рассмотрены варианты применения жидких линз в простых оптических системах;

жидкая линза применена в проекционном аппарате;

доказана эквивалентность качества изображения, полученного при помощи жидкой и стеклянной линзы.

Сделаем некоторые выводы:

жидкие линзы эквиваленты стеклянным линзам;

качество изображение не ухудшается, а возможно улучшение при использовании качественных материалов;

жидкие оптические системы дешевле и экономичнее при использовании в бытовой технике

оптические системы, собранные из жидких линз, ничем не уступают системам из стеклянных линз.

В заключение хочу отметить, что жидкие линзы уже используются. Например, своё применение они нашли в камере для мобильного телефона. Одна французская фирма (Varioptic) как раз занимается разработкой в этой области. Качество изображения даже лучше, чем при использовании стеклянных линз. Однако в ней не используется никаких поршневых систем - изменение фокусного расстояния в ней достигается за счет уменьшения или увеличения электрического потенциала.

Вот, кажется и всё, что требовалось сказать о жидких линзах и системах жидких линз.

Спасибо за внимание! :-)