マニラ大学の研究者、低コストの液体レンズを開発

May, 20, 2025, Manila--可変焦点レンズを使用すると、レンズや他のコンポーネントを交換することなく、イメージングシステムのビームプロファイルを変化させることができる。液体レンズは、多くの場合、水を使用するため、このようなチューナブルレンズシステムに多くの可能性を提供する。しかし、機械的に調整された液体レンズは多くの電力を消費し、すぐに摩耗し、マイクロ流体システムのような多くの非機械的なアプローチは複雑でコストがかかる。

現在、フィリピンの研究者たちは、水滴の自然な形状とサイズを利用して、静止水滴を可変液体レンズとして使用することにより、シンプルで費用対効果の高いチューナブルレンズシステムを開発した(Results Opt., doi:10.1016/j.rio.2025.100824)。チームは、スライドガラスを小さなプラスチック繊維で覆い、液滴がスライドの表面を平らにするのではなく、凸レンズに似た球形に保たれた。液滴内の水の量を調整するだけで、水滴の焦点距離が変わる。

球状の液滴のバランスをとる
ほとんどの液体レンズを含む非機械的なチューナブルレンズは、電気的、熱的、光学的など、非接触の力によってレンズの形状または表面プロファイルを変更することによって調整される。このようなチューナブルレンズシステムでは、水が広く用いられるのは、その利用可能性、安定性、電気的同調性、および高い光透過率によるものである。

新しい研究では、アテネオ・デ・マニラ大学(Ateneo de Manila University)を拠点とする科学者が、エレクトロスピニング(電界紡糸法)と呼ばれる技術を使用して、酸化インジウムスズガラスで作られた基板上にポリ塩化ビニル(PVC)繊維を作成した。エレクトロスピニングは、重力に対抗して電気力を動かし、ポリマ溶液をマイクロスケールまたはナノスケールの糸に伸ばして乾燥させるよく知られた技術である。

実験で使用したPVC糸は直径が3µm未満で、ガラス表面にランダムに配向されていた。エレクトロスピニング時間が長くなるにつれて、より多くのファイバが堆積した。研究チームは、PVC繊維の堆積前後でガラス上の液滴の水滴の接触角を測定し、ファイバが表面をより疎水性にすることを確認した。

実験中、研究チームは、ポリマを含まないガラス基板とPVC糸を異なる厚さの層に堆積させたガラス基板の様々なバージョンに乗ったとき、543.5nmの緑色レーザからのビームを水滴を通して照らした。より多くのファイバが堆積されるにつれて角度が増加し、7分の制限まで、その後、水接触角度に変化はなかった。しかし、ガラス上に大量のPVCファイバを塗布すると、基板の光透過率が低下したため、研究チームは、3分間のエレクトロスピニングが適切な長さであることが判断した。

異なる直径
チームは、最大60μLの異なる容量の水滴で実験した。チームは、レーザがレンズを通過した後のビームスポット径を測定し、水滴をセットアップに導入した後に直径が増加し、水滴の量が増加するにつれて直径が増加し続けることを発見した。液滴とガラスの間の接触角の最大の変化は5〜10μLの容量で発生したが、パラメータは45〜60μLの間では目立った変化がなかった。液滴が大きいほど、液滴の焦点距離は長くなる。

チームは、ビームがガウス強度特性を維持していることを確認した。これは、回折が最小限であることを示している。さらに、水量の増加に伴ってビーム幅が大きくなることに注目した。このことは、液滴がビームの焦点をぼかしたり拡大したりできる調整可能な凸レンズのように機能することを示唆している。研究チームは、低コストの液体レンズが、教室から実験室まで、さらに、おそらく調整可能な光ビームを必要とする複雑なシステムで、複数のアプリケーションを見つけることを望んでいる。