Hudbou budoucnosti jsou pohyblivé čočky a zrcadla, které dokáží měnit své zobrazovací vlastnosti

Aktivní membránové optické prvky na bázi kapalin. Tak se jmenoval projekt, na kterém po dobu tří let pracoval tým pod vedením profesora Antonína Mikše z pražského ČVUT. Projekt byl zaměřen na analýzu, modelování a měření deformace membránových prvků, výzkum optimálních materiálu pro vývoj membránových kapalinových čoček, analýzu optického návrhu s takovýmito prvky a experimentální charakterizaci fyzikálních parametrů aktivních membránových čoček.

Téma projektu nebylo vybráno náhodou. Jde o aktuální problematiku, která je velmi zajímavá a následně též aplikovatelná v praxi ve vývoji budoucích optických systémů a přístrojů, kde mohou aktivní optické prvky principiálně nahradit celou řadu složitých klasických systémů vzhledem k nižším výrobním nákladům, rychlejší změně optických parametrů a možnosti miniaturizace.

Čočky a zrcadla, které se hýbou.
Klasické optické prvky, například čočky a zrcadla, které každý zná z přístrojů jako je fotoaparát, mikroskop nebo dalekohled, mají neproměnné optické a geometrické vlastnosti. V současné době jsou ale zkoumány a mnohdy již i vyráběny optické prvky, které mohou svoje optické a geometrické vlastnosti řízeně měnit, což se jeví jako velice výhodné pro mnohé aplikace,“ přibližuje téma projektu jeden ze členů řešitelského týmu profesor Jiří Novák. „Lze tak například mít jednoduchou čočku, která umožňuje elektronicky plynule přeostřovat na různé vzdálenosti, nebo naopak zrcadlo, které mění řízeným způsobem svůj tvar. Jedním z takových prvků jsou čočky, jež mají jako jednu nebo obě optické plochy elastickou deformovatelnou membránu, která mění svůj tvar v důsledku změny tlaku kapaliny uvnitř čočky. Změnou tlaku kapaliny uvnitř čočky lze tak ovládat zakřivení ploch čočky a její zobrazovací vlastnosti.“

Teoretická analýza a počítačové modelování
Práce na projektu byla rozdělena částečně na teoretickou analýzu a počítačové modelování dané problematiky mechanických a optických vlastností membránových optických prvků a na experimentální práci při ověřování dané problematiky v laboratoři. Společně s Ústavem makromolekulární chemie Akademie věd ČR probíhala spolupráce při vývoji a testování materiálů pro experimentální výrobu elastických membrán.

V rámci teoretické analýzy a modelování byly rozvinuty metody popisu a numerického výpočtu deformací membránových optických prvků a byly vyvinuty některé algoritmy a výpočetní metody pro návrh a analýzu optických soustav s optickými prvky s plynule proměnnými optickými vlastnostmi. V rámci experimentální části projektu byly vyvinuty laboratorní modely zařízení s membránovými prvky pro ověřování teoretických poznatků a charakterizaci membránových optických prvků.

Hlavní výzvou pro nás asi bylo rozvinutí teorie a návrh matematických modelů pro přesný výpočet deformací tenkých elastických membránových prvků, která nebyla pro dané účely dostatečně dobře rozvinuta. Taktéž byly vyvinuty nové metody umožňující primární návrh zoom optických soustav s aktivními optickými čočkami,“ říká profesor Novák.

Využití v praxi? Ano!
Jak mohou být získané poznatky využity v praxi? Mohou být aplikovány při vývoji a aplikacích membránových optických prvků a hybridních optických soustav s takovýmito prvky. Od doby skončení projektu se objevil již celkem velký počet vědeckovýzkumných i komerčních aplikací, které používají například membránové kapalinové čočky. Vlastnosti komerčně vyráběných membránových čoček jsou však stále dosti omezené. Nicméně lze předpokládat, že do budoucna se jejich vlastnosti zlepší, což přispěje k významnějšímu počtu aplikací i v komerční sféře.

Cíle splněny na více než 100 %
Řešitelský tým profesora Mikše dokázal splnit cíle projektu vrchovatě. Posunul rozvoj problematiky teoretické analýzy, popisu a modelování mechanických, optických a materiálových vlastností optických membránových prvků a návrhu hybridních optických soustav s takovými prvky v celosvětovém měřítku. Důkazem je i 15 publikací v impaktovaných zahraničních časopisech, které jsou pravidelně citovány. K úspěchu projektu také přispěla Grantová agentura České republiky. „Bez podpory GA ČR by se náš vědecký tým touto problematikou též zabýval, nicméně určitě ne tak intenzivně a nemohl by provádět experimentální část práce,“ doplňuje profesor Jiří Novák.

profesor Antonín Mikš a profesor Jiří Novák

Cesta nekončí, pokračujeme dál.
V současné době pokračuje tým profesora Mikše v základním výzkumu netradičních optických prvků a možnosti jejich využití v návrhu nových typů optických zobrazovacích a měřicích soustav, které do značné míry mohou změnit optické a optoelektronické systémy budoucnosti. Též spolupracuje na projektech aplikovaného výzkumu a vývoje v oblasti návrhu, konstrukce, výroby a kontroly vysoce precizních optických zobrazovacích soustav pro hi-tech aplikace.

Oblasti teoretického i experimentálního výzkumu, ve kterých bylo v projektu dosaženo znatelného pokroku, lze shrnout v následujících bodech:
 metody teoretické analýzy a počítačových simulací principů elastického chování deformovatelných membrán,
 metodika výběru vhodných optických transparentních materiálů pro membránové fluidní čočky,
 metody teoretické analýzy a počítačových simulací procesů návrhu membránových fluidních optických prvků s laditelnými optickými parametry,
 návrh a realizace unikátního laboratorního modelu membránových zařízení,
 metodika teoretického modelování a měření deformovatelných elastických membrán,
 metody teoretické analýzy, charakterizace a experimentálního ověřování modelů membránových fluidních čoček a hybridních optických soustav s kompenzovanými optickými vadami,
 návrh a analýza vícekomorové membránové fluidní čočky,
 realizace laboratorních modelů membránových čoček a ověření jejich funkčnosti,
 metodika návrhu složitých optických systémů s laditelnou ohniskovou vzdáleností za použití membránových fluidních čoček,
 metody teoretické analýzy a experimentální implementace membránových fluidních čoček do adaptivních optických systémů,
 oblast charakterizace a testování laboratorních modelů aktivních membránových čoček.