Czy można zbudować płaską soczewkę?



Podobne dokumenty
Lekcja 173, 174. Temat: Silniki indukcyjne i pierścieniowe.

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. ZADANIE TEORETYCZNE 2 CHŁODZENIE LASEROWE I MELASA OPTYCZNA

Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

wiat o mo e by rozumiane jako strumie fotonów albo jako fala elektromagnetyczna. Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala p aska

2.Prawo zachowania masy

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Optyka geometryczna i falowa

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 23 marca 2012 r. zawody III stopnia (finałowe)

WZORU UŻYTKOWEGO EGZEMPLARZ ARCHIWALNY. d2)opis OCHRONNY. (19) PL (n) Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, PL

NUMER IDENTYFIKATORA:

PREFABRYKOWANE STUDNIE OPUSZCZANE Z ŻELBETU ŚREDNICACH NOMINALNYCH DN1500, DN2000, DN2500, DN3200 wg EN 1917 i DIN V

Grupa bezpieczeństwa kotła KSG / KSG mini

WZORU UŻYTKOWEGO PL Y1 B60Q 1/26 ( ) F21W 101/00 ( ) Frieske Tomasz, Bydgoszcz, PL BUP 22/09

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

Cel modelowania neuronów realistycznych biologicznie:

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 14/14

Badanie silnika asynchronicznego jednofazowego

ANALOGOWE UKŁADY SCALONE

Badanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi (BLDCM)

(12) OPIS OCHRONNY WZORU PRZEMYSŁOWEGO

Współczesne nowoczesne budownictwo pozwala na wyrażenie indywidualnego stylu domu..

NAJWAŻNIEJSZE ZALETY LAMP DIODOWYCH

LABORATORIUM TECHNOLOGII NAPRAW WERYFIKACJA TULEJI CYLINDROWYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Bazy danych. Andrzej Łachwa, UJ, /15

DTR.ZL APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ INSTRUKCJA OBSŁUGI (DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA)

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

Harmonogramowanie projektów Zarządzanie czasem

Udoskonalona wentylacja komory suszenia

EGZEMPLARZ ARCHIWALNY WZORU UŻYTKOWEGO. (19) PL (n) (i2,opis OCHRONNY

DE-WZP JJ.3 Warszawa,

PRZEPISY KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

SPRAWDZIANY Z MATEMATYKI

Regulamin Zarządu Pogórzańskiego Stowarzyszenia Rozwoju

Pomiar mocy pobieranej przez napędy pamięci zewnętrznych komputera. Piotr Jacoń K-2 I PRACOWNIA FIZYCZNA

SERI A 93 S E RI A 93 O FLUSH GRID WITHOUT EDGE TAB

STATUT KOŁA NAUKOWEGO KLUB INWESTORA

Soczewkowanie grawitacyjne 3

Załącznik nr pkt - szafa metalowa certyfikowana, posiadająca klasę odporności odpowiednią

FOTOMETRYCZNE PRAWO ODLEGŁOŚCI (O9)

Od redakcji. Symbolem oznaczono zadania wykraczające poza zakres materiału omówionego w podręczniku Fizyka z plusem cz. 2.

II. WNIOSKI I UZASADNIENIA: 1. Proponujemy wprowadzić w Rekomendacji nr 6 także rozwiązania dotyczące sytuacji, w których:

dyfuzja w płynie nieruchomym (lub w ruchu laminarnym) prowadzi do wzrostu chmury zanieczyszczenia

2) Drugim Roku Programu rozumie się przez to okres od 1 stycznia 2017 roku do 31 grudnia 2017 roku.

Wyznaczanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia przy pomocy równi pochyłej

Tester pilotów 315/433/868 MHz

Standardowe tolerancje wymiarowe

1) Dziekan lub wyznaczony przez niego prodziekan - jako Przewodniczący;

INSTRUKCJA BHP PRZY RECZNYCH PRACACH TRANSPORTOWYCH DLA PRACOWNIKÓW KUCHENKI ODDZIAŁOWEJ.

Błędy fotografii akwarystycznej

HiTiN Sp. z o. o. Przekaźnik kontroli temperatury RTT 4/2 DTR Katowice, ul. Szopienicka 62 C tel/fax.: + 48 (32)

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Zagospodarowanie magazynu

tel/fax lub NIP Regon

BADANIE WŁASNOŚCI FAL ELEKTOMAGNETYCZNYCH

Dr inż. Andrzej Tatarek. Siłownie cieplne

Woda to życie. Filtry do wody.

ZASADY WYPEŁNIANIA ANKIETY 2. ZATRUDNIENIE NA CZĘŚĆ ETATU LUB PRZEZ CZĘŚĆ OKRESU OCENY

Gruntowy wymiennik ciepła PROVENT- GEO

KURS GEOMETRIA ANALITYCZNA

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo fotowoltaiczne

INFORMACJA PRASOWA. Cel: zakup komputerów, budowa sieci LAN, zakup i wdroŝenie aplikacji aktualnie dostępnych na rynku.

Jak usprawnić procesy controllingowe w Firmie? Jak nadać im szerszy kontekst? Nowe zastosowania naszych rozwiązań na przykładach.

WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji. Laboratorium Obróbki ubytkowej materiałów.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ćwiczenie 5 Hologram gruby

14P2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM PODSTAWOWY

Strategia rozwoju kariery zawodowej - Twój scenariusz (program nagrania).

KARTA OCENY ZGODNOŚCI Z LSR

INSTRUKCJA MONTAŻU, UŻYTKOWANIA. i KONSERWACJI. Sp. z o.o. System mocowań: Uwaga: ul. Ziejkowa 5, Gostynin,

Druk nr 1013 Warszawa, 9 lipca 2008 r.

CZUJNIKI OBECNOŚCI ARGUS OSZCZĘDZAJ ENERGIĘ Z CZUJNIKAMI OBECNOŚCI ARGUS

Wymagania edukacyjne z fizyki do gimnazjum Gimnazjum Sióstr Salezjanek w Ostrowie Wielkopolskim

WZORU UŻYTKOWEGO. d2)opis OCHRONNY (19) PL (11)62749 EGZEMPLARZ ARCHIWALNY. Zbigniew Kuska, Mysłowice, PL Michał Żydek, Piekary Śląskie, PL

INSTRUKCJA OBSŁUGI WD2250A. WATOMIERZ 0.3W-2250W firmy MCP

Ć W I C Z E N I E N R O-9

Komputer i urządzenia z nim współpracujące

Badania (PN-EN A1:2010) i opinia techniczna drzwi zewnętrznych z kształtowników aluminiowych z przekładką termiczną systemu BLYWEERT TRITON

Kod pracy. Po udzieleniu odpowiedzi do zadań 1 20, wypełnij tabelkę

OFERTA SPRZEDAŻY DZIAŁEK INWESTYCYJNYCH POŁOŻONYCH W CZĘSTOCHOWIE ULICA KORFANTEGO

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

Statystyczna analiza danych w programie STATISTICA. Dariusz Gozdowski. Katedra Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydział Rolnictwa i Biologii SGGW

POWIATOWY URZĄD PRACY

PODNOŚNIK KANAŁOWY WWKR 2

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 09/06. ROBERT P. SARZAŁA, Łódź, PL WŁODZIMIERZ NAKWASKI, Łódź, PL MICHAŁ WASIAK, Łódź, PL

SST SZCZEGÓŁOWE SPECYFIKACJE TECHNICZNE.

WYKRYWANIE BŁĘDÓW W UKŁADACH OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ Z WYŁĄCZNIKAMI RÓŻNOCOWO PRĄDOWYMI

DRGANIA MECHANICZNE. materiały uzupełniające do ćwiczeń. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Matematyka z plusemdla szkoły ponadgimnazjalnej WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE TRZECIEJ LICEUM. KATEGORIA B Uczeń rozumie:

WZORU Y1 (2?) Numer zgłoszenia: /TJ\ ]ntc]7-

Temat: Rodzaje połączeń mechanicznych

8. Zginanie ukośne. 8.1 Podstawowe wiadomości

PROCEDURA OCENY RYZYKA ZAWODOWEGO. w Urzędzie Gminy Mściwojów

Podstawa magnetyczna do eksperymentów

Na podstawie art.4 ust.1 i art.20 lit. l) Statutu Walne Zebranie Stowarzyszenia uchwala niniejszy Regulamin Zarządu.

Implant ślimakowy wszczepiany jest w ślimak ucha wewnętrznego (przeczytaj artykuł Budowa ucha

Informacje uzyskiwane dzięki spektrometrii mas

Wykonanie materiałów reklamowych i dostarczenie ich do siedziby Zamawiającego

EGZEMPLARZ ARCRMLW 9 OPIS OCHRONNY PL Data zgłoszenia: WZORU UŻYTKOWEGO 13) Y1. (2\J Numer zgłoszenia:

Transkrypt:

FOTON 124, Wiosna 2014 13 Czy można zbudować płaską soczewkę? Stanisław Urban Instytut Fizyki UJ Każdy z nas zna zasadę działania soczewek optycznych. Zbudowane są one z przezroczystego materiału i mają zmienną grubość. Ograniczające powierzchnie (zwykle sferyczne) mają wspólną oś optyczną, na której położone są dwa punkty zwane ogniskami. Przecinają się w nich promienie światła lub przedłużenia promieni, które przed dojściem do soczewki biegły równolegle do osi optycznej. Dzieje się tak dzięki temu, iż promienie przechodzące przez soczewkę w różnej odległości od osi mają zróżnicowaną drogę optyczną s = dn, gdzie d jest grubością materiału, a n współczynnikiem załamania światła. O zdolności skupiającej (rozpraszającej) decydują więc promienie sfer i współczynnik załamania światła użytego materiału, najczęściej szkła. Aby uzyskać możliwość zmiany długości ogniskowej, potrzebnej w wielu urządzeniach (aparatach fotograficznych, mikroskopach, lunetach itp.), trzeba zbudować układy soczewek z możliwością płynnej regulacji odległości między nimi. Jest to zwykle mało praktyczne z powodu dużych rozmiarów i ciężaru takich urządzeń. Czy można zbudować soczewki pozbawione tych niedogodności? Okazuje się, że jest to możliwe, jeśli wykorzysta się sterowaną zmienność współczynnika załamania światła przy stałej grubości ośrodka optycznego. Możliwość taką daje ośrodek złożony z ciekłokrystalicznego (CK) nematyka. Pokrótce opiszemy zasadę działania takiej soczewki. Wcześniej jednak parę informacji, czym jest nematyk i jakie ma własności decydujące o zastosowaniu do tego celu (zob. także artykuł dr Joanny Janik w Fotonie 94/2006). Nematyczny ciekły kryształ (NLC) składa się z cząsteczek o silnie wydłużonym kształcie, jak pokazuje to rys. 1. Rys. 1. Budowa typowej molekuły tworzącej fazę nematyczną W określonym zakresie temperatur, pomiędzy tzw. punktem klarowania (T NI ) a punktem przejścia fazowego do fazy krystalicznej lub smektycznej, następuje spontaniczna organizacja molekuł w ten sposób, iż ich długie osie ustawiają się (średnio) wzdłuż pewnego kierunku zwanego direktorem n, rys. 2a, przy czym

14 FOTON 124, Wiosna 2014 środki ciężkości molekuł są rozłożone chaotycznie (porządkują się one w płaszczyznach dopiero po przejściu do którejś z faz smektycznych). Takie ułożenie molekuł powoduje, iż faza N jest optycznie dwójłomna wiązka światła po przejściu z powietrza do ośrodka rozszczepia się na promień zwyczajny (n o ) i nadzwyczajny (n e ), co pokazuje rys. 2b. Podobne anizotropowe własności nematyka dotyczą wielu innych własności fizycznych: podatności magnetycznej, przenikalności dielektrycznej, współczynników sprężystości, współczynników lepkości i innych. Czyste związki CK posiadają na ogół fazę N w stosunkowo wąskim zakresie temperatur i rzadko w zakresie temperatury pokojowej. Dlatego tworzy się mieszaniny kilku związków o składzie gwarantującym pożądane własności fizyczne i termiczne (dla celów użytkowych konieczny uznaje się zakres fazy N pomiędzy 20 C a +80 C). a) b) Rys. 2. a) Uporządkowanie molekuł w fazie nematycznej; b) Zależność temperaturowa współczynników załamania światła w fazie izotropowej (Is) i nematycznej (N) jednego z najbardziej znanych związków ciekłokrystalicznych 5CB (pentylo-cyjanobifenyl), który posiada fazę nematyczną w zakresie temperatury pokojowej T Ni = 34,5 C. Wkładka przedstawia dwójłomność optyczną Δn = n e n o Ciekły kryształ nematyczny znajdujący się w butelce ma charakterystyczny proszkowy biały kolor będący efektem rozpraszania światła na domenach o rozmiarach zbliżonych do długości fali świetlnej w zakresie widzialnym. Objętościowa próbka musi zatem zostać uporządkowana. Wykorzystuje się do tego celu pole magnetyczne, pole elektryczne lub specjalnie spreparowane powierzchnie ograniczające warstwę nematyka (tzw. efekt kotwiczenia molekuł).

FOTON 124, Wiosna 2014 15 Dwa ostatnie sposoby stosuje się w komórkach elektrooptycznych ekranach LCD oraz omawianych tu soczewkach NLC. W zależności od orientacji direktora, sterowanej zewnętrznym polem elektrycznym o odpowiednim natężeniu, zmienia się efektywny współczynnik załamania światła komórki o stałej grubości d. Wytwarzając gradient w rozkładzie direktora uzyskuje się gradient n, a zatem gradient drogi optycznej s promieni. Co więcej, efekt taki może być sterowany zmianą napięcia przykładanego do komórki, dzięki czemu uzyskuje się możliwość sterowania długością ogniskowej f soczewki NLC. Idea zastąpienia zmienności grubości przez zmienność współczynnika załamania światła przy budowie płaskich soczewek zrodziła się na początku lat 80. XX wieku. Podstawowym problemem w rozwoju elektrycznie sterowanych soczewek NLC była powolność reakcji układu na zmianę napięcia sterującego. Aby uzyskać pożądany zakres zmian f soczewka musi być dość gruba (d = 100 µm w porównaniu do d ~ 5 µm w ekranach LCD). Czas reakcji direktora na wyłączenie pola elektrycznego dany jest zależnością τ off = γ 1 d 2 /πk, gdzie γ 1 i K są odpowiednio lepkością rotacyjną i stałą elastyczną NLC zaś τ off opisuje, jak szybko direktor relaksuje do stanu wyjściowego, gdy wyłączymy pole elektryczne. Dla typowej mieszaniny nematycznej τ off ~ 10 s, a więc z praktycznego punktu widzenia jest stanowczo za długi. Czas narastania τ on jest rzędu milisekund dzięki m.in. jego odwrotnej zależności od kwadratu przyłożonego napięcia U oraz dużej wartości anizotropii dielektrycznej Δε = ε ε, gdzie ε i ε są stałymi dielektrycznymi mierzonymi dla direktora zorientowanego równolegle lub prostopadle do mierzącego pola elektrycznego (τ on ~ Δεγ 1 d 2 /πku 2 ). W ostatnich kilku latach pojawiła się możliwość istotnego skrócenia τ off dzięki wytworzeniu przez chemików mieszanin NLC wykorzystujących interesujące zjawisko zmiany znaku anizotropii dielektrycznej w zakresie częstości kilohercowych, co ilustruje rys. 3. Przy częstościach kilohercowych mieszanina wykazuje dodatnią anizotropię dielektryczną, przy tzw. częstości cross-over wynosi ona zero, zaś przy częstości rzędu 1 MHz przyjmuje wartość ujemną. W takiej sytuacji uzyskuje się wpływ na skracanie obu czasów, τ on i τ off, przez przyłożenie pól elektrycznych o różnych częstościach (np. 1 khz i 1 MHz). Jest to tzw. nematyk z podwójnym adresowaniem (ang. dual-frequency NLC). Przedstawię pokrótce rozwiązanie konstrukcyjne opracowane przez zespół Olega Lawrentowicza z Kent State University (Ohio, USA) [zob. Applied Optics 45 (19), 4576 4582 (2006)]. Zbudowana przez nich komórka przedstawiona jest na rys. 4. Górna aluminiowa elektroda posiada okrągły otwór, przez który może przechodzić wiązka spolaryzowanego światła. Dolna elektroda zbudowana jest ze szkła pokrytego przezroczystą przewodzącą warstwą tlenku indu (ITO). Od strony wewnętrznej obu elektrod napylona jest warstwa SiO x, na której kotwiczone są molekuły nematyka pod kątem ok. 45 do płaszczyzn; taka wyjściowa orientacja molekuł znacznie ułatwia sterowanie warstwą nematyka. W omawianym przypadku średnica otworu D = 300 µm, grubość warstwy ne-

16 FOTON 124, Wiosna 2014 matyka d = 110 µm, częstość f co = 12 khz, Δε = 3,2 (1 khz), Δε = 3,1 (50 khz), Δn = 0,22 przy λ = 589 nm (dane dla temperatury 20 C). Obecność otworu powoduje nieliniowy rozkład pola elektrycznego wewnątrz warstwy nematyka, co wywołuje niejednorodną orientację direktora, a w konsekwencji efekt soczewkowania. Napięcia sterowania zmieniają się przy obu częstościach w zakresie 0 5 V. Rys. 3. Przykład własności dielektrycznych mieszaniny z efektem cross-over (z badań własnych autora prowadzonych przy współpracy z Instytutem Chemii Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie) a) b) Rys. 4. Schemat nematycznej soczewki z podwójnym adresowaniem. a) Rozkład molekuł bez włączonego pola. Molekuły są ustawione w jednym kierunku i nachylone pod kątem α 45 do płaszczyzny elektrody, b) Rozkład molekuł w układzie dwóch soczewek po przyłożeniu napięcia pomiędzy elektrodami. Jedna soczewka ogniskuje promienie poza ogniskową, druga zaś koryguje ten efekt

FOTON 124, Wiosna 2014 17 Wiązka światła liniowo spolaryzowana wzdłuż osi x i przechodząca przez różne obszary soczewki w kierunku osi z ma różne drogi optyczne n eff d, gdzie nn o e neff 2 2 1/2 ( n cos n sin ) o jest lokalnym, zależnym od napięcia, efektywnym współczynnikiem załamania nematyka, zaś α jest lokalnym kątem pomiędzy kierunkiem polaryzacji światła a direktorem w danym miejscu soczewki. Badania wykazały, że pojedyncza komórka nie ogniskuje wiązki na osi soczewki. Efekt ten dało się wyeliminować przez złożenie dwóch komórek głowa do głowy. Stworzyło to dodatkowo możliwość operowania czterema napięciami sterowania: po dwa dla każdej komórki przy dwóch częstościach. Taki podwójny układ soczewek rozszerzył znacznie zdolność zbierającą (optical power), która może się zmieniać w granicach od 0 do 520 dioptrii przy częstości 50 khz oraz od 0 do +400 dioptrii przy częstości 1 khz. Równocześnie podwójne adresowanie spowodowało skrócenie czasu reakcji podczas zmiany ogniskowej soczewek do około 0,4 s w porównaniu z 10 s, charakteryzującymi normalną soczewkę NLC o tej samej grubości. Istnieje też możliwość zwiększenia apertury układu kilka razy, co jest istotne dla zastosowań w aparatach fotograficznych i kamerach. Podsumowując można stwierdzić, iż odpowiedź na postawione w tytule pytanie jest twierdząca. Zastosowanie nematyka CK z podwójnym adresowaniem pozwala zminiaturyzować soczewki oraz łatwo zmieniać długość ogniskowej w szerokim zakresie przy użyciu napięcia kilku woltów o częstościach kilohercowych. Umożliwia to budowę aparatów fotograficznych i innych urządzeń o niewielkich rozmiarach i małym ciężarze. e