In this thesis, a novel type of tunable fluidic lens that incorporates a distensible PDMS (Polydime-thylsiloxane) membrane, actuated by magnetic force, is described. Using an elastomer membrane fabricated by spin coating on a PET film/wafer, the membrane on the liquid-filled cavity serves as a tunable lens with external force generated by a voice-coil and interacting, with a magnet. By controlling the input voltage applied to the voice-coil, the redistribution of the stored liquid in the chamber deforms the PDMS membrane. Resulting from the experiment, the range of the focal length is 49mm ~ 146mm over the input voltage of 1V ~ 10V (maximum current ~ 1.5 A). Additionally, the images captured through the designed lens depending on the status of the lens activity are compared and analyzed in this paper.
The designed lens has a simple structure consisting of four parts; a channel ring, a reservoir of silicone rubber, a supporting ring, and a voice-coil frame. The channel/supporting ring has a circular arc hole. The shape of each ring is similar, and the sizes of the holes are different due to the role of the supporting/channel ring. The channel ring serves as a path for the liquid. It is located on a ring-shaped supporter to secure a space that allows horizontal movement of the liquid. The supporting ring is attached to the reservoir. This ring prevents the mem-brane from being crushed, as the PDMS membrane directly located on the rubber- reservoir can be crushed due to the flexibility of the rubber. Through this arc-shaped hole, the distribution of the liquid can occur when the magnet pushes the top of the reservoir. The reservoir, made of silicone rubber, is a mixture of two commercial products by Dow corning (3481 and 81), thus making it a flexible container. The voice-coil frame connected to the chamber has a diameter of 5 mm. It is located between the glass and the chamber. In our structure, the tunable lens has number of advantages in terms of its structural features compared with other types of lenses. One is that an inlet/outlet is not needed to operate the lens. Other advantages are that the lens is simple to fabricate and is thin and compact size.
The operation principle of this lens is explained. The state of the PDMS membrane of the lens is flat. In this case, external force is not generated, meaning there is no liquid movement in the chamber of the lens. There-fore, the incident light goes through the lens aperture without a converging effect. The operation occurs when voltage of a range of 1V ~ 10V is applied to the voice-coil. The magnetic force which is exerted by the external electricity applied to voice-coil is the operation power for the tunable lens, which thus controls the focal length. The magnet is laid on the reservoir to press the top of it. The magnetic force induced by the current in the voice-coil takes the magnet down to the voice-coil frame, and this action causes the reservoir to squeeze the liquid into the lens chamber. This then causes liquid movement in vertical and horizontal directions through the channel. This moving liquid pushes the PDMS membrane. Finally, the PDMS membrane swells outward and creates a convex- lens, thus activating the lens effect.
The focal length of the liquid-filled tunable lens while varying the input voltage to the voice-coil was measured using the optical experiment setup. A collimated laser beam 5mm in diameter with a peak wavelength of 532 nm impinges perpendicular to the designed tunable lens. We used the iris to shrink the collimated beam size for accurate measurement. When the input voltage is applied to the voice-coil, the magnet starts pressing the liquid-filled chamber and the PDMS membrane of lens deforms, converging the collimated light. For an accurate focal length measurement, a CCD camera captures the focal spot image by adjusting the horizontal position between the CCD camera and the tunable lens. A power supply is used to control the input-voltage to generate the magnetic force that causes the PDMS membrane to be deformed.
To describe the focal property of the tunable lens, the focal length was calculated using the equation. The experimental and calculated results were then compared. When finding the value of the calculated focal length, the measured height of the membrane is used and adapted to the equation. As a filling liquid, ethanol (refractive index=1.363 at a wavelength of 532 nm) is used in the tunable lens instead of pure water.
When no voltage is applied to the voice-coil, the focal length is close to infinity. As the input voltage is increased, the focal length of the lens is reduced. This indicates that a higher voltage induces greater magnetic force from the voice-coil. Therefore, the deformation of the lens occurs more actively. Voltages of 5V and 10V show only a slight difference due to the current limitation. The effect of the PDMS membrane is negligible. The focal length of the lens changes in a range from infinity to 49 mm.
To evaluate the image quality of the tunable lens, we prepared a printed character as an object and then positioned the tunable lens on the object. To check the gravity effect of the liquid, the lens was placed a vertical direction. A commercial digital camera was positioned in front of the lens about 30 cm away from the lens. Due to the shadow of the magnet on the lens, the captured image is somewhat tilted. The two pictures were taken under differing states of the lens. Input voltage is not applied to the coil and the membrane is therefore flat and shows no convergence effect. A clear image of the character is observed, and the size of the character is identical to that of the object. As the voltage is applied and the membrane starts to deform, the observed image is enlarged. The enlarged image indicates that the focal length of the lens is decreased.
본 논문은 Magnetic force를 actuator로 하여, 탄성을 갖는 PDMS 막의 변형을 일으켜 초점을 변형시키는 초점가변렌즈에 대한 연구이다. PET/wafer위에 탄성 중합체 솔루션을 코팅하여 막을 형성하였다. 액체가 채워진 cavity위에 놓여진 얇은 막은 보이스 코일에 의해 생기는 외부 힘에 의하여 변형을 일으킴으로써, 초점가변렌즈로 사용된다. 보이스 코일에 인가되는 전압의 세기를 조절하여, 챔버안의 액체의 이동을 야기한다. 이 힘은 PDMS 막의 변형을 가져온다. 실험 결과, 입력 전압이 1V~10V일 때, 초점거리는 49 mm ~ 146 mm까지 변한다. 또한, 렌즈 상태에 따른 캡춰된 이미지를 비교하고, 결과를 분석하였다.
제안된 렌즈는 4 가지의 성분으로 이루어져있다. 지지 링, 실리콘 고무로 만들어진 저장고, 채널 링, 보이스 코일 프레임은 이 렌즈를 구성하는 주요 부속품이다. 채널 링과 지지 링은 링 가운데 원형 아크 모양의 홀을 가지고 있다. 이 둘의 모양은 비슷하지만 하는 역할이 다르기 때문에 그 크기가 다르다. 채널 링은 저장고에서 나오는 액체의 통로를 만들어주는 역할을 한다. 지지 링은 저장고와 결합된다. 이 링은 저장고의 유연성 때문에 생기는 막의 쭈그러짐을 방지한다. 이러한 아크 모양의 홀로 인하여, 챔버내의 액체의 이동이 이루어질 수 있다. 저장고 위에 놓여진 희토류 자석이 저장고를 누를 때, 액체의 이동이 이루어진다. 저장고는 다우코닝사의 실리콘 고무로 이루어져있다. 이 실리콘 고무는 플렉시블 컨테이너 제작에 필수적이기 때문에 저장고의 주 물질로 이용된다. 보이스 코일은 지름이 5mm인 챔버의 아래쪽의 보이스 코일 프레임에 연결되어 있다. 이 것은 챔버와 유리 사이에 위치한다. 제안된 구조는 다른 구조의 렌즈와 비교하였을 때, 구조적인 측면에서 장점을 갖는다. 첫 번째는 렌즈를 동작할 때 필요한 액체를 넣을 수 있는 투입구가 필요하지 않다. 다른 장점은 공정이 용이하고, 렌즈의 사이즈가 작다.
이 제안된 렌즈의 구조는 본문에 설명되어있다. 외부의 힘이 작용하지 않는다면, 렌즈의 PDMS 막은 평평하다. 즉, 챔버내에서 액체의 이동이 없다는 것을 말한다. 따라서, 렌즈의 유리를 통하여 들어온 입사 광은 모아지지 않고 평행하게 진행한다. 1V~10V의 전압을 보이스 코일에 인가하였을 경우에는, 렌즈가 동작하게 된다. 코일에 인가된 전압에 의해 생긴 magnetic force는 초점가변렌즈의 동작시키는 힘이 된다. 저장고위쪽에 놓여진 자석은 magnetic force과 반응하여 저장고의 위쪽부분을 누른다. 보이스 코일에 흐르는 전류에 의해 생긴 magnetic force는 보이스 코일 쪽으로 자석이 이동하게 된다. 이러한 움직임은 저장고에 고여있는 액체를 챔버 안쪽으로 옮기는 근원이 된다. 액체는 채널을 통해 수직 수평방향으로 이동하여, PDMS membrane을 위로 밀어 올리게 된다. 따라서, PDMS 막은 외부로 부풀어 오르게 되며, 이때의 동작은 볼록렌즈로 동작하게 되어, 입사광의 모임이 발생한다.
액체가 채워진 초점가변렌즈의 초점거리는 보이스 코일에 인가된 전압, 즉 코일을 흐르는 전류의 세기에 따라 거리가 달라진다. 광학실험을 통하여 렌즈의 초점거리를 측정하였다. 5mm 크기의 평행 빔을 렌즈의 구경에 통과시켰다. 보이스 코일에 전압이 인가되면, 자석은 저장고의 위쪽 부분을 누르기 시작한다. 즉, 렌즈를 동작시켜놓은 상태에서 초점거리를 측정하였다. 빔 사이즈의 크기를 제어하기 위하여 아이리스를 사용하였다. 정확한 초점거리 측정을 위하여, CCD 카메라를 이용하여 초점의 크기를 관찰하면서 정확한 초점거리를 확인하였다. 그리고, 측정된 저장고의 부피를 계산하여 실제 측정된 값과 비교를 하였다. 초점가변렌즈의 액체로서 에탄올 (굴절률=1.363)을 사용하였다.
보이스 코일에 전압이 인가되지 않았을 경우에는, 렌즈의 초점거리는 무한대이다. 입력 전압이 증가할수록 초점거리는 감소한다. 즉, 높은 전압이 인가될수록 보이스 코일에 흐르는 전류의 세기가 커지게 된다. 이는 magnetic force를 증가시키게 되고, 더 많은 PDMS 막의 de-formation을 야기시킨다. 5V와 10V의 전압을 인가하였을 경우에 초점거리가 비슷하게 되는데, 이는 5V의 전압이 인가되었을 경우, 저장고의 변형이 최대로 이루어졌기 때문이다. 그 결과 렌즈의 초점거리는 무한대에서 49 mm까지 변화된다.
초점가변렌즈의 이미지 비교를 위하여, 인쇄된 글자를 준비하였다. 그리고, 문자 앞에 렌즈를 위치시켰다. 전압이 인가되고, 인가되지 않았을 경우의 렌즈를 통한 이미지를 확인하였다. 두 개의 이미지 비교에서 확인 되듯이, 인쇄된 글자가 확대되어 보인다. 이는 렌즈의 초점거리가 변함으로써 생기는 현상이다.
