פוקוס קומפקטי ומהיר: עדשות פולימר בעלות כיוון חשמלי

טל קויאטק, פרולוג אופטיקה

יישומים רבים כיום דורשים שימוש בעדשות בעלות אורך מוקד מתכוונן. תכנונים אופטיים ניתנים היום למימוש תוך שימוש במספר רכיבים קטן ביותר. מאמר זה מציג עדשות פולימר בעלות אורך מוקד מתכוונן המאופיינות בזמן תגובה מהיר, טווח כוונון רחב, ומפתחים אופטיים גדולים. לעדשות מעין אלו יישומים רבים בתחום הרפואי, עיבוד חומרים, ומערכות בקרה אוטומטיות (Machine Vision).

מבוא
עדשות עם אורך מוקד משתנה מאפשרות פתרון קומפקטי יותר מאלה בגישות הקונבנציונליות. בתכנון האופטי המסורתי, אורך המוקד משתנה באמצעות שינוי מכאני של כל המכלול האופטי, אשר מצריך עזרים מכאניים יקרי ערך. לעומת זאת, בעדשות עם יכולת כיוון, אותו ביצוע אופטי ניתן להשיג ללא התערבות מכאנית אלא על ידי שינוי העקמומיות של העדשה. המערכת האופטית הכללית הופכת קומפקטית כאשר ברוב המקרים ניתן להפחית במספר העדשות. אפוא, המערכת יכולה להיות יותר אמינה וקלה יותר וכתוצאה מכך מאפשרת יעילות אנרגיה מוגברת.
כאן נציג עדשות פולימר בעלות פוקוס משתנה, המורכבות מנוזל אופטי וממברנה דקה ואלסטית. בהשוואה לטכנולוגיות אחרות המציגות עדשות עם פוקוס משתנה, היתרון בעדשות מסוג זה הוא הטווח הרחב של אורך המוקד בשילוב עם מפתח רחב. בנוסף, כיוון העדשה מתבצע על ידי שינויים מזעריים במתח, ללא היסטרזיס ומתאפיינת בזמן תגובה קצר בטווח של מילי-שניות.

עדשות פולימר המשנות צורה
העדשות המתכוננות מורכבות מחומר פולימרי אלסטי. העדשה מבוססת על אלמנט המכיל נוזל אופטי הנאטם על ידי ממברנה דקה (תמונה 1).
בעזרת מפעיל אלקטרומגנטי הנמצא בגוף העדשה המפעיל לחץ מבוקר על טבעת הסובבת מיכל עם נוזל. כאשר מגדילים את הלחץ, נוזל נלחץ אל תוך העדשה והממברנה מתעמקת. על ידי טכניקה זו, עקמומיות העדשה ואיתה גם מרחק המוקד, משתנים רק על ידי שינוי הזרם המגיע אל העדשה. בניגוד לטכנולוגיות אחרות, אורך המוקד יכול להשתנות בטווח רחב אפילו בשילוב עם מפתח עדשה גדול. לדוגמא, אורך המוקד עם עדשה בעלת מפתח של 10 מילימטרים יכול להשתנות החל מ-20 מילימטרים ועד 120 מילימטרים (תמונה 2).
אורך המוקד האחורי (BFL) של העדשות הפולימריות שונות כפונקציה של הזרם מוצגים בתמונה 3.
סימוני השגיאה מצביעים על שגיאה סטנדרטית מעדשה לעדשה. כתוצאה מחריגות אלה, יש לבצע כיול ראשוני של עדשה במערכת אופטית ללא חוג משוב. אולם, עדשות הפולימר אינן מציגות היסטרזיס. העדשה פועלת בעזרת מתח נמוך מ-5 וולטים וזרם הנע בין 0 ל-300 מיליאמפר, עם זרם גבוה יותר כתגובה עבור אורכי המוקד הקצרים יותר. ראשית, ניתן לקבוע את אורך המוקד ההתחלתי (כאשר אין זרם) בתהליך הייצור והוא מוגבל עד 500 מילימטר. בנוסף, ניתן לקבוע את טווח השינוי של אורך המוקד על פי צרכי השימוש על ידי צורת העדשה והבחירה של שינוי הנוזל האופטי, ואף את המאפיינים של הממברנה. בהסתמך על היישום, ניתן להשתמש בשני נוזלים בעלי מקדם החזרה שונה. נוזלים אלה מאופיינים על ידי מקדם החזרה ומאפייני פיזור שונים. נוזל המכונה בעל “פיזור נמוך”
(low dispertion-LD) מאופיין במספר Abbe שערכו 100 ומקדם שבירה 1.3 (באורך גל 589 ננומטר). נוזל המכונה בעל “שבירה גבוהה” (high refractive – HR) מאופיין במספר Abbe שערכו 32 ומקדם שבירה 1.559.

מאפיינים אופטיים ומכאניים
באיפיון האופטי כמו גם במכאני, שני גורמים מכריעים באינטגרציה של עדשות בעלות כיוון הם סף המהירות וסף הפגיעה הקיימים במערכות אופטיות. על ידי מפרטים אלו ניתן לקבוע אילו עדשות קונבנציונליות במערכת ניתן לשפר או אפילו להחליף בעדשת הפולימר בעלת צורה משתנה.

שגיאת חזית הגל
בתמונה 4 ניתן לראות את שגיאת שורש ממוצע הריבועים (
– Root mean square) של חזית הגל בעדשה בעלת כיוון המאופיינת במפתח של 6 מילימטרים כפונקציה של עוצמת ההגדלה לשני הכיוונים. כאשר העדשה עומדת (והציר האופטי מאוזן) כוח המשיכה יוצר אסימטריה ולפיכך מתרחשת שגיאה, לעומת זאת עם ממברנה דקה ניתן להשיג תוצאות אופטיות טובות גם במצב כזה. ההשפעה של כוח המשיכה קטנה בהרה על ממברנה עבה, אבל טווח הכיוון המעשי של מרחק המוקד הופך קטן יותר. במצב אנכי ניתן לראות כי שגיאת העדשה הינה רק 0.09λ
(ב-10 דיופטר). בגלל כוח המשיכה, ערך זה הינו 0.13λ במצב שהעדשה עומדת.

מהירות התמקדות
בגלל זמן התגובה הקצר, עדשות הפולימר מותאמות בצורה אידיאלית ליישומים דינאמיים המצריכים שינויים מהירים של המיקוד. האלקטרומגנט מאפשר שינוי מהיר מאוד של נפח העדשה, ואיתו, שינוי מהיר של מרחק המוקד. בתמונה 5, מוצגות עקומות התגובה עבור שינוי בזרם של שתי עדשות פולימר האחת עם מפתח של 6 מילימטרים והשניה עם מפתח של 10 מילימטרים. זמן התגובה עבוד העדשות בטווח של 2 עד 3 מילי-שניות (תלוי בגודל העדשה). לאחר שינוי הזרם, נדרשות 10 מילי-שניות עד שהעדשות נמצאות במצב היציב ללא תנודתיות.

תמסורת וסף פגיעה
הנוזלים והממברנה הדקה שבשימוש מראים על בליעה נמוכה בטווח אורכי הגל שבין 250 ננומטרים ועד 2000 ננומטרים. התמסורת המירבית שניתן להשיג על ידי עדשת פולימר מוגבלת עד 96-97 אחוזים, כתוצאה מהחומרים האלסטיים העדשה טרם יכולה לשמש כחוסמת אור. תמונה 6 מציגה את התמסורת של עדשת הפולימר בעלת נוזל בעל “פיזור נמוך” עבור זכוכיות עם ציפוי בפס רחב. בדיקות חבלה התבצעו על מקור גל רציף ועל מקור פולסי לייזר. לא נצפו נזקים של העדשות אפילו עם הספק של kW/cm² ואנרגיה של J/cm² . לא ניתן לקבוע מהו סף הנזק האפקטיבי עקב הגבלת ההספק של מקורות הלייזר.

מאפיינים תרמיים
בעוצמות גבוהות, הבליעה יכולה לגרום לחימום העדשה. כתוצאה מכך, הנוזל האופטי מתרחב ואורך המוקד מתקצר. בניגוד לעדשות זכוכית קונבנציונליות, את החום שמשפיע על אורך המוקד ניתן לתקן על ידי פיצוי בעזרת הזרם המוזן לעדשה. למטרה זו, משולב חיישן טמפרטורה בעדשת הפולימר. בעזרת מערכת בקרה על אורך המוקד ניתן להגיע לאורך מוקד קבוע שלא תלוי בשינויי טמפרטורה.

טווח רחב של יישומים
לעדשות פולימר בעלות כיוון חשמלי יש יתרון במגוון יישומים ליצירת מערכות קומפקטיות, עמידות ובעלות מיקוד מהיר. למשל, עיבוד שבבי, ראייה ממוחשבת, מיקרוסקופיה ורפואת עיניים.

עיבוד שבבי בלייזר
בגלל סף הפגיעה הגבוה שלהן, עדשות הפולימר בהחלט מתאימות ליישומים כמו עיבוד שבבי. בתמונה 7, מוצגת לדוגמא מערכת סריקה עם עדשה בעלת כיוון חשמלי, מראות Galvo ועדשת F-Theta. הקוטר של קרן הלייזר ניתן לשינוי על ידי מרחיב קרניים במידת הצורך. בנוסף, המערכת האופטית מורכבת משילוב עדשה בעלת כיוון ועדשה קעורה עם אורך מוקד מתוקן. העדשה בעלת כיוון חשמלי היא עדשה מרכזת אשר מאופיינת באורך מוקד חיובי בלבד. אולם, ניתן להשיג אורך מוקד שלילי על ידי שילוב עדשה שלילית שמפצה. על ידי שינוי אורך המוקד של העדשה בעלת הכיוון, זוית הדיברגנס (divergence) אחרי מערכת העדשות השתנתה. יחד עם מיקוד עדשת F-Theta בקצה המסלול האופטי, ישתנה מיקום הפוקוס ב-150 מילימטרים. על מנת שזה יקרה יש לשנות רק 50 מיליאמפר. מנגד, במערכים קונבנציונליים העדשה או מישור האובייקט חייבים תרגום מכאני. בדרך כלל, תרגום מכאני מורכב מבחינה טכנית, מצריך זמן ופחות אמין. אחרי מערכת העדשות כיוון הקרן נשלטת על ידי מראות galvo. יחד עם עדשות ה-F-Theta, הקרן יכולה להתמקד בכל נקודה במישור X-Y. בתצורה הזאת, מיקום המוקד נשלט בכל שלושת הצירים, לא רק במהירות גבוהה ודיוק מירבי, אלא גם עם מינימום מכניקה.

ראייה ממוחשבת
עדשות בעלות כיוון יכולות להשתלב בראייה ממוחשבת, מיקרוסקופיה ועוד יישומי תמונה כגון חקר איכות, מיון חבילות או קריאת ברקוד ובכך לתת פתרון של גמישות, מיקוד מהיר ויכולות זום. שוב, מנגד בטכנולוגיות קונבנציונליות אין צורך בתרגום מכאני על מנת להשיג שינוי באורך המוקד. המערכת האופטית יותר קומפקטית ובעלת חוסן מוגבר. תצורה אפשרית המשלבת עדשת פולימר בעלת כיוון היא מערכת עדשה מתוקנת ומצלמה. בשילוב כזה ניתן יהיה להתאים את הפוקוס עבור מרחקים שונים החל מ-100 מילימטרים ועד מרחק אינסופי במילי-שניות בודדות. בתמונה 8 ניתן לראות את האיכות האופטית בתצורה של מצלמה בעלת חיישן חצי אינץ’, אובייקטיב עם אורך מוקד מתוקן של 25 מילימטרים ועדשה בעלת כיוון חשמלי בשילוב עדשת קיזוז. איכות אופטית הושגה במרחק 200 מילימטרים כמו גם במרחק 400 מילימטרים. פונקציית העברת האפנון הרב גוני נראה עבור הגל הנראה…

מיקרוסקופיה
מיקרוסקופיה דורשת פתרונות מיקוד מבוקר חשמלית וקומפקטי עם זמן תגובה קצר. מעבר ליתרונות הברורים של פתרונות מיקוד קונבנציונליים במיקרוסקופיה, תרגום מכאני פשוט של דגם שולחן יכול לעשות נזק לדגם. בעזרת עדשות פולימר בעלות כיוון, לעומת זאת, שינויים גדולים באורך המוקד אפשריים בזמן קצר ללא כל יתרון בתרגום מכאני. במיקרוסקופ דו-פוטוני בעל עדשה בעלת כיוון, נראתה הזזה בציר האופטי של 700 מיקרומטרים בזמן תגובה של 15 מילי-שניות.

רפואת עיניים
העיקרון המנחה בעדשות פולימר בעלות כיוון דומה לעין האנושית. אכן, קומפקטי, מדוייק ומכשור בעל בדיקה מהירה יכול להתממש בעזרת עדשות בעלות כיוון המיועדות לרפואת עיניים. לפי מיטב המסורת, מכשור לרפואת עיניים מכיל מספר עדשות, ושינוי אורך המוקד מתבצע על ידי הזזה וחילוף עדשה אחת או יותר. מנגד, בעזרת עדשות בעלות כיוון שינוי אורך המוקד יכול להתבצע במהירות על ידי עדשה אחת בלבד. בנוסף, השינוי יכול להתבצע באופן רציף, בדיוק ובזמן אמת. עדשות ספריות בעלות כיוון מוקד עם מפתח של 35 מילימטרים ועוצמת הגדלה בטווח -20 ועד +20 דיופטר זמינות. יותר מכך, יש אפשרות לתכנן עדשות צילינדריות בעלות מפתח של 20 מילימטרים ועוצמת הגדלה בטווח -10 ועד +10.

מסקנות

בתחומים שונים של יישומים אופטיים, עדשות בעלות כיוון יכולות לשפר מערכות קיימות ואף לאפשר טכנולוגיות חדשות. עדשות הפולימר מאפשרות פתרונות מיקוד קומפקטיים ומחליפות מערכות עדשות מסובכות קיימות ללא מכאניקה יקרה. לעדשות הפולימר יתרון בזמן התגובה המהיר, טווחי השינוי הרחבים של אורך המוקד, איכות אופטית גבוהה וסף פגיעה גבוה. החומרים מהם העדשה מיוצרת עמידים לזמן ארוך אשר נבדקו על מיליארדים של מעגלי חיים ויצאו תקינים.
חברת פרולוג אופטיקה מייצגת את חברת OPTOTUNE בישראל.
לפרטים נוספים בקרו באתר החברה