Vloeistoflenzen Arnout Diels, Jeroen Deryckere 2 december 2009
Inhoudsopgave 1 Inleiding
1
2 Liquid Crystal Lenzen
2
3 Elektrische lensvervorming 3.1 Electrowetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Dielectrophoretisch effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 3 5
4 Geluidsgestuurde lenzen
7
5 Mechanisch gestuurde vloeistoflenzen 5.1 Vloeistof injectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Gebruik van foto-polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Commerci¨ele lenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 9 9 9
6 Thermisch gestuurde vloeistoflenzen
11
7 Besluit
11
1
Inleiding
Vloeistoflenzen zijn aan een sterke opmars bezig. Voor toepassingen zoals GSM, webcam’s,. . . hebben ze een zekere toekomst. Ze werken sneller, zijn compacter, energiezuiniger, etc. Momenteel bestaan er een aantal technologie¨en, waaronder geluidsgestuurde, thermisch gestuurde, mechanisch aangedreven, direct1 elektrisch gemanipuleerde vloeistoflenzen. Direct elektrische manipulatie wordt in verschillende vormen toegepast. Een eerste categorie wordt vertegenwoordigd door Liquid Cristal (LC) lenzen. In tegenstelling tot alle andere soorten vloeistoflenzen (ook de mechanische), wordt de focuslengte bij LC lenzen geregeld door de brekingsindex elektrisch aan te passen. Bij alle andere technieken wordt de vorm van de lens aangepast. De tweede categorie in direct elektrisch gemanipuleerde lenzen, namelijk elektrische lensvervorming, bestaat uit lenzen gebaseerd op electrowetting en di¨elektrische 1 Een elektrisch aangedreven servomotor die dan mechanisch een vlies vervormt, hoort bijvoorbeeld niet thuis in deze categorie.
1
lenzen. Doordat momenteel de vloeistoflenzen meer en meer op microschaal worden gebruikt, wordt de aandrijving vaak elektronisch uitgevoerd.
2
Liquid Crystal Lenzen
Men kan een klassieke lens zien als een apparaat dat een faseverandering toevoegt aan het licht dat er doorgaat, die afhankelijk is van de positie op de lens. Bij een klassieke lens gebeurt dit door het verschil in dikte en het hebben van een vaste brekingsindex. Een LC lens kan hetzelfde bereiken, maar dan zonder variatie in dikte en wel door het vari¨eren van de brekingsindex (die afhankelijk is van het elektrisch veld). Net zoals in typische LCD’s, kan een continue overgang benaderd worden door een discrete uitvoering: pixels. Door een LC lens ook discreet uit te voeren, met elementjes waarvan de spanning zodanig wordt aangepast dat de brekingsindex naar wens verandert, kan het continue fase profiel van een klassieke lens benaderd worden. Een illustratie hiervan is te zien in figuur 1, en een voorbeeld van een benodigd spanningsprofiel bij een cilindrische lens in figuur 2. Men hoeft niet te werken in aparte pixel-cellen zolang men het elektrisch veld juist verdeeld krijgt over de vloeistof, en het beoogd faseprofiel toch kan benaderen [3].
Figuur 1: Faseprofiel van een lens en de discrete benadering[3]
3
Elektrische lensvervorming
Twee technieken van dit type worden hier besproken: electrowetting en het dielectrophoretisch effect (het gebruik maken van verschil in di¨elektrische constante) Beide hebben een gelijkaardige lensstructuur, hebben snelle responsetimes, maar gebruiken verschillende soorten vloeistoffen [9]. De electrowetting lens gebruikt twee niet mengbare vloeistoffen, waarvan ´e´en geleidend is, en de andere niet. De niet-geleidende maakt contact met de wand, en door hier elektrische velden op aan te brengen kan de contacthoek gevarieerd worden, en zo ook de brandpuntsafstand. In tegenstelling tot electrowetting gebruikt de di¨elektrische lens twee niet-geleidende vloeistoffen met verschillende brekingsindex. Wanneer op dit mengsel een elektrisch veld aangelegd wordt, zal er een
2
Figuur 2: Vereist voltage om een bepaald faseprofiel te genereren[3] herverdeling van het mengsel optreden. Door een juiste keuze van constructie kan zo lenswerking kan gerealiseerd worden.
3.1
Electrowetting
Het aanbrengen van elektrostatische lading kan de capillaire krachten bij een interface sterk benvloeden, doordat de oppervlaktespanning wordt versterkt of tegengewerkt door de elektrische krachtwerking. Afhankelijk van de opstelling, kan dit effect zich in grotere of kleinere mate uiten. Door bijvoorbeeld een geleidend elektrolyt te plaatsen op een gecoate elektrode, kan men een aanzienlijk effect bekomen bij het aanbrengen van spanningen (zie figuur 3). De contacthoek die het elektrolyt maakt met de isolator kan dan beschreven
Figuur 3: Electrowetting opstelling met gecoate elektrode[12]
3
Figuur 4: Effectief gebruikte lensopstelling[16] worden als [12]: cos θ = cos θ0 +
c 2 V 2γ
waarbij θ0 de natuurlijke contacthoek is. Dit fenomeen kan dan worden uitgebreid naar bruikbare lensopstellingen, zoals op figuur 4 te zien is. Twee belangrijke punten [1] bij het maken van een goede lens met deze techniek, zijn enerzijds het matchen van de densiteiten van de twee vloeistoffen, en anderzijds het centreren van de druppel op de optische as. Als de densiteiten exact aan elkaar gelijk zijn, zal de interface tussen de twee vloeistoffen, onafhankelijk van de ori¨entatie, perfect bolvormig zijn en is de lens ook beter bestand tegen schokken. Belangrijk om inzien is wel, dat in tegenstelling tot de klassieke lenssystemen, bij deze systemen de lenswerking verbetert bij verkleining van de dimensies [10]. Kuiper en Hendriks bouwden en bestudeerden een gelijkaardige, cylindrische opstelling (zie figuur 5). De contacthoek kan hier analoog berekend worden, en hieruit volgt het focusvermogen D. (1/focale lengte). cos θ =
γwi − γwc + V2 γci 2γci df
D = D0 +
(ni − nc ) 2 V 2γci df R
Zoals te zien is op de figuur, kan door de spanning te vari¨eren de contacthoek sterk gevarieerd worden. Voor deze 3-mm-diameter lens verkreeg men vermogens van −100 and +50 diopters. De optische kwaliteit van deze lens hing echter sterk samen de radiale symmetrie van de meniscus. Kuiper en Hendriks bemerkten nog volgende interessante punten [10]: • Voor toepassingen (bv. gsm camera) wordt vaak vereist dat lenzen in operatie blijven in erg grote temperatuurranges ( -30 tot +70 C). Dit kan bereikt worden door gebruik te maken van complexere vloeistofsamenstellingen. 4
Figuur 5: Cilindrische electrowetting lensopstelling van Kuiper en Hendriks[10] • De focussnelheid (de tijd die een lens nodig heeft om haar focus te veranderen) is ook belangrijk. Door plotse spanningsvariaties aan te leggen krijgt men in het algemeen geval oscillaties. De snelste convergentie naar een nieuwe stabiele focus verkrijgt men dan door kritische demping te gebruiken. De stijgtijd kan uitgedrukt worden in functie van de dichtheid, diameter van de lens en oppervlaktespanning. Hieruit blijkt inderdaad dat voor kleinere lenzen grote snelheden kunnen gehaald worden. Varioptic, een bedrijf gevestigd in Frankrijk, is veruit marktleider op het gebied van vloeistoflenzen. Zij heeft de technologie van electrowetting sterk ontwikkeld, en past deze onder andere toe in camerachips [16]. Deze chips worden al gebruikt in producten zoals webcams. Een voorbeeld hiervan is de Fujitsu Siemens Webcam 130 AF [11].
3.2
Dielectrophoretisch effect
De dielectrische lens gebruikt twee di¨elektrische vloeistoffen (en dus geen elektrolyt). Bij het aanleggen van een elektrisch veld, zal de vloeistof met de laagste permittiviteit de neiging hebben te migreren naar plaatsen van laag elektrisch veld, en vica versa. Di¨elektrische lenzen zijn erg stabiel en kunnen hoge voltages verdragen. (dit in tegenstelling tot electrowetting lenzen, wiens dunne coating op de elektrodes een beperking oplegt). Ze verbruiken ook weinig vermogen, wat het vormen van microbubbels tijdens focusveranderingen tegengaat. (i.t.t. electrowetting waar Jouleverliezen in het elektrolyt dit vervolgens sterk kunnen opwarmen). Om de gewenste werking te verkrijgen, moet het elektrisch veld over de vloeistoffen inhomogeen zijn, zodoende dat de migratie kan plaatsvinden. Om een
5
Figuur 6: Di¨elektrische lensopstelling met vlakke elektrodes. Door het inhomogeen elektrisch veld kan door de spanning te vari¨ereren de contacthoek toch aangepast worden[7]
Figuur 7: Di¨elektrische lensopstelling met gekromde elektrodes[15] gewenst veld te cre¨eeren, kan men de elektrodes op de lens etsen met gaten of ringen. Dit doet echter de kost van het fabricageproces sterk oplopen. Speciale elektrodes zijn echter niet noodzakelijk om lenswerking te verkrijgen. Zelfs met twee parallelle plaatelektrodes verkrijgt men toch een inhomogeen veld in een dielektrisch vloeistofmengsel door de krommende interface tussen de twee vloeistoffen. Door de spanning over de platen te vari¨eren, kan men toch een effectieve lens maken (zie figuur 6) [7]. Wanneer men betere manipulatie beoogt, zal men toch voor complexere elektrodeconstructies gaan. Een eenvoudige kromming in de onderste elektrode bijvoorbeeld, laat toe de lens beter te positioneren, en met lagere voltages toch voldoende veldsterktes te genereren [15]. Een voorbeeld van dergelijke constructie is te zien in figuur 7. Nog complexere elektrodes laten ook toe, gehele microlens array’s te maken. Een voorbeeld van dergelijke constructie is terug te vinden in figuur 8. Bij het aanleggen van een initieel veld, migreert de vloeistof met de laagste permittiviteit naar de openingen, waardoor men een gewenste beginvorm bekomt. Door dan de spanning te relaxeren of versterken, zal de samenduwing verwakken en versterken en de lens respectievelijk minder bol of boller worden. Door de zeer kleine afmetingen van de individuele microlensjes wordt de vorm voornamelijk sferisch aangenomen. Wanneer de spanning wegvalt, spreidt de vloeistof zich niet terug volledig uit omwille van de oppervlaktespanning en neemt haar natuurlijke contacthoek aan. Hieruit, gecombineerd met het bolvormig aangenomen volume van elk microlensje, kan dan de focusafstand berekend worden. Wanneer
6
Figuur 8: Di¨elektrische microlens-array opstelling, en het vormingsproces van de microlenzen[9] men het verband kent tussen contacthoek en aangelegde spanning, kan men de focusafstand in functie van de spanning uitdrukken. Met die kennis kan men dan het voltage correct aanpassen voor een vereiste focusafstand [9].
4
Geluidsgestuurde lenzen
Een derde type vloeistoflenzen focuseert op basis van geluid. De lens bestaat uit twee druppels water die heen en weer bewegen door een cilinder gemaakt in een teflon substraat. De waterdruppels werken als een lens, door te bewegen gaan deze lenzen steeds in en uit focus. Dit is te zien op figuur 9. De beweging van de druppels wordt gedreven door een drukgolf - op de resonantiefrequentie van de vloeistof - gegenereerd door een luidspreker. De druk van deze golf wordt niet groter dan 25P a (= 2.5 ∗ 10−4 atm). Voor een lens met doorsnede 1mm is de eerste resonantiefrequentie 100Hz. Dit wil zeggen dat de lens 100 keer per seconde in en uit focus gaat [2]. Op de as met de lens wordt een camera geplaatst die in dit geval 100 beelden per seconde maakt. Softwarematig worden dan de beelden behouden die in focus zijn. Op figuur 10 kun je beelden zien genomen door een lens die eerst in focus is, dan uit focus en terug in focus. Het voordeel van een dergelijke lens is de snelheid. Door hoge resonantiefrequenties is de lens zeer snel in focus (0.01s voor een lens die werkt op een frequentie van 100Hz), en blijft quasi altijd in focus. Dit is aanzienlijk sneller vergeleken met een mechanische lens. Het kan zelfs nog sneller, onderzoekers aan het Rensselaer Polytechnic Institute slaagden erin lenzen te maken die werken op 150Hz en beweren dat men met voldoende kleine druppels tot 100kHz kan gaan. Een tweede voordeel is dat het er niet toe doet waar het object is, op een bepaald moment zal het wel in het brandpunt van de lens komen. Een derde voordeel is ook dat deze techniek energiebesparend werkt. Andere vloeistoflenzen focuseren door grootte en vorm van het contactoppervlak met de vloeistof te veranderen. Dit kost tijd en energie, terwijl dit bij deze lens niet het geval is. Het water heeft hier een constant contactoppervlak. De volgende stap alvorens dit type lens op de markt te brengen is de verpakking. Met moet zorgen dat de lens bestand is tegen schokken en verdamping [13]. 7
Figuur 9: Vloeistoflens die in & uit focus beweegt[13]
Figuur 10: Beelden genomen door een geluidsgestuurde vloeistoflens[2]
8
5
Mechanisch gestuurde vloeistoflenzen
Een grote familie vloeistoflenzen is degene waar een vloeistof tussen een polymeer membraan zit. Door druk uit te oefenen op het membraan vervormt dit, en daardoor worden de optische eigenschappen van de vloeistof veranderd (bv. focale lengte verschuift). Deze lenzen zijn onderzocht door Louisiana Tech University in Ruston en door The Institute of Materials Research and Engineering in Singapore. De firma Holochip Corp. heeft reeds dergelijke lenzen op de markt gebracht. Hieronder worden een aantal methodes besproken om de druk op het membraan te veranderen.
5.1
Vloeistof injectie
Deze lenzen zijn gebaseerd op het injecteren van extra vloeistof tussen de membranen om de vervorming te veroorzaken of een druk uitoefenen op een nietsamendrukbare vloeistof zodat er elders vervorming ontstaat. Het injecteren van vloeistof kan gebeuren door een externe druk. De externe druk kan worden veroorzaakt door allerlei mechanische systemen zoals een servomotor, . . . Op figuur 11a zie je een lens met een reservoir vloeistof (5). Door de druk op een rubberen membraan (2) te vari¨eren pompt men vloeistof tussen het polymeer membraan (4) en verschuift men bijgevolg de focale lengte van de lens[6]. Op figuur 11b werkt men met een niet-samendrukbare vloeistof. De druk bovenaan zorgt ervoor dat er een lens wordt gevormd onderaan[8]. Op figuur 12 wordt een servo aandrijfmechanisme getoond voor een lens met een reservoir. Wanneer de servomotor tegenwijzerzin draait, wordt de draad aangespannen en daardoor een kracht uitgeoefend op het rubberen membraan. Zo gaat de lens vervormen. Door de servomotor goed te regelen kan de lens snel focuseren [6].
5.2
Gebruik van foto-polymeren
Deze lenzen werken ongeveer met hetzelfde principe als de lenzen hierboven met niet-samendrukbare vloeistoffen. Hier gebruikt men ook een niet-samendrukbare vloeistof, maar de lens wordt gestuurd door gepolariseerd UV-licht. Onderaan de lens zijn twee gaten, het lens gat en het reservoir gat. Beide gaten zijn afgedekt met een elastisch membraan. Bovenaan het membraan op het reservoir gat is er een stuk foto-polymeer vastgemaakt. Wanneer daarop gepolariserd UV-licht op invalt, buigt het polymeer. Daardoor herverdeelt het volume nietsamendrukbare vloeistof zich en gaat de lens in focuserende toestand. Dit is te zien op figuur 13 [14].
5.3
Commerci¨ ele lenzen
De firma Holochip Corp. heeft licentie op de technologie van adaptieve polymeerlenzen. Ze produceren lenzen die compatibel zijn met huidig gebruikt materiaal (zoals lenshouders, . . . ) in onderzoek. De lens is bestand tegen schokken, reageert snel en heeft een groot bereik in focale lengte. Een nadeel is dat zwaartekracht een afwijking kan geven op het membraan[5].
9
(a) Vloeistof uit reservoir[6]
(b) Met niet samendrukbare vloeistof[8]
Figuur 11: Injecteren van vloeistof in het membraan
Figuur 12: Servomechanisme[6]
10
Figuur 13: Lens met foto-polymeren[14]
6
Thermisch gestuurde vloeistoflenzen
Het basis design van thermisch gestuurde vloeistoflenzen bestaat uit een hydrogel ring - die op temperatuurvariaties reageert - in een systeem met microkanaaltjes. Deze kanaaltjes zijn gevuld met water. Boven op de ring ligt een laag met een opening, en boven op deze laag ligt er olie. Het contactoppervlak tussen de olie en het water doet dienst als lens. Op figuur 14a is de bouw van een dergelijke lens weergegeven. Wanneer de hydrogel reageert op temperatuurvariaties, zet de ring uit of krimpt hij in, waardoor er water door de hydrogel wordt geabsorbeerd of wordt vrijgegeven. Daardoor verandert de druk op het contactoppervlak van de olie en het water, waardoor de vorm ervan verandert. Bijgevolg verandert de focale lengte van de lens, dit is te zien of deel d van figuur 14b. Men heeft voor dit device een responstijd van 20-25s geobserveerd. Daar zijn 1015s inbegrepen voor het opwarmen van een verwarmingstoestel. De resterende tijd is dan de tijd totdat de lens veranderde als respons op de veranderde temperatuur. Men kan ook dergelijke lenzen maken die reageren op pH, licht,. . . [4]
7
Besluit
Er bestaan een heleboel technologie¨en om vloeistoflenzen te maken. Daarvan zijn al enkele gebruikt in commerci¨ele producten. Momenteel zijn dit nog kleine lenzen (op micro-schaal). Het is wachten of de grotere lenzen, gebruikt in digitale (spiegelreflex)camera’s, zullen vervangen worden door vloeistoflenzen. Aan de vele recente publicaties en vele onderzoekstopics is te merken dat vloeistoflenzen toekomst hebben.
11
(a) Bouw vloeistoflens met hydrogel[4]
(b) Temperatuursgevoelige vloeistoflens[4]
Figuur 14: Thermisch gestuurde vloeistoflens
Referenties [1] Bruno Berge. Liquid lens technology for adaptive optics: principle, physical limitations and applications. http://www.varioptic.com/res/ documents/Kogaku%20Symposium%20Paper.pdf, 30 November 2009. [2] Valerie C. Coffey. Varifocal optics: Oscillating liquid lens focuses in a hundredth of a second. http://www.laserfocusworld.com/articles/ 343739, 30 November 2009. [3] Gordon D. Love and Alexander F. Naumov. Modal liquid crystal lenses. www.dur.ac.uk/g.d.love/downloadable/lc_today.pdf, 30 November 2009. [4] Liang Dong, Abhishek K. Agarwal, David J. Beebe, and Jiang Hongrui. Adaptive liquid microlenses activated by stimuli-responsive hydrogels. Nature, 442:551–554, 3 Augustus 2006. [5] Hank Hogan. Through a lens, wetly, 30 November 2009. [6] Ren Hongwen and David Fox. Tunable-focus liquid lens controlled using a servo motor. Optics Express, 14, 4 September 2006. [7] Ren Hongwen, Xianyu Haiqing, Xu Su, and Wu Shin-Tson. Adaptive dielectric liquid lens. http://www.opticsinfobase.org/oe/viewmedia.cfm? uri=oe-16-19-14954&seq=0, 30 November 2009. [8] Ren Hongwen and Wu Shin-Tson. Variable-focus liquid lens. Optics Express, 15, 14 Mei 2007. [9] Ren Hongwen and Wu Shin-Tson. Tunable-focus liquid microlens array using dielectrophoretic effect. http://www.opticsinfobase.org/oe/ viewmedia.cfm?uri=oe-16-4-2646&seq=0, 30 November 2009.
12
[10] S. Kuiper and B. H. W. Hendriks. Variable-focus liquid lens for miniature cameras. http://www-mtl.mit.edu/researchgroups/mems-salon/ Hayden_ApplPhysLett_85_pp1128ff.pdf, November 2009. [11] Pieter Molenaar. Fujitsu-siemens stopt liquid lens in webcam. http://tweakers.net/nieuws/54374/ fujitsu-siemens-stopt-liquid-lens-in-webcam.html, 30 November 2009. [12] Catheriene Quilliet and Bruno Berge. Electrowetting : a recent outbreak. http://www.varioptic.com/res/documents/Electrowetting. pdf, 30 November 2009. [13] Melinda Rose. liquid+sound=fast focusing. http://www.photonics.com/ Content/ReadArticle.aspx?ArticleID=35922, 30 November 2009. [14] Xu Su and Ren Hongwen. Adaptive liquid lens actuated by photo-polymer. Optics Express, 17, 28 September 2009. [15] Xu Su, Lin Yeong-Jyh, and Wu Shin-Tson. Dielectric liquid microlens with well-shaped electrode. http://lcd.creol.ucf.edu/publications/2009/ Opt%20Express%20Xu%20Lens.pdf, 30 November 2009. [16] Varioptics. Autofocus & optical image stabilization. http://www.varioptic.com/en/tech/ technology-autofocus-optical-image-stabilization.php, 30 November 2009.
13
