Lenti a cristalli liquidi: design e aspetti HW/SW

Il nostro percorso sulle lenti a cristalli liquidi è quasi giunto al termine, un ultimo sforzo ci permetterà di introdurre alcuni aspetti di design generali che potranno essere implementati in camere per dispositivi Mobile. Le fotocamere digitali in miniatura che vediamo in molti telefoni cellulari e altri prodotti sono un passo importante per l’evoluzione delle lenti a cristalli liquidi. Il processo di progettazione e costruzione di questi sistemi ottici può essere molto complesso, anche con l'ausilio di moderni software di progettazione ottica. Concluderemo, con la descrizione di alcuni aspetti software e hardware delle microcamere digitali. In particolare, analizzeremo la struttura di un modulo di microcamera, descrivendo la parte hardware che ne compone e che definisce un layout di controllo per le lenti a cristalli liquidi.

1.    LC design

La tecnica più comune per realizzare lenti a cristalli liquidi (LC) è quella di utilizzare superfici di substrato per strofinamento, comunemente praticata nel settore dei display. La figura 1 mostra uno schema generale per fabbricare cellule LC. Un materiale di allineamento (come poliimmide, PI) è rivestito su un substrato di vetro ITO (ossido di indio stagno). Dopo la completa polimerizzazione ad alta temperatura, si crea uno strato ultra-sottile sulla superficie (Figura 1a). Successivamente, lo strato è lucidato in una direzione con un rullo di sfregamento (Figura 1b) e due degli stessi substrati di vetro ITO sono assemblati per formare una camera (omogenea), il cui divario (gap) può essere controllato utilizzando pellicole di Mylar (Figura 1c). Infine, molecole di cristalli liquido vengono iniettate nella camera omogenea (Figura 1d).

figura1

Figura 1: Esempio di costruzione di una LC Lens

Le lenti di vetro tradizionali (Figura 2) sono quasi sempre prodotti con superfici ottiche sferiche, in quanto sono le più facili da fare e sono semplici da testare. Nel processo di progettazione ottica, superfici asferiche non consentono una perfetta correzione della qualità dell'immagine. Le microcamere, di solito, implementano lenti a cristalli liquidi e sono tenute ad essere più piccole possibili; il parametro “Track Total” (TT) ne permette di valutarne le caratteristiche. Il TT è la distanza dalla prima superficie dell'obiettivo al piano del sensore, solitamente misurato dal fuoco all'infinito.

figura2

Figura 2: Struttura di fabbricazione di una LC lens

La struttura ottica per fotocamere reali è composta da più lenti, per cui la potenza ottica è ripartita lungo l'asse ottico. La figura 3 mostra un sistema con due lenti sottili positive. Quando l'elemento anteriore ha potenza ottica più positiva (lunghezza focale corta) dell'elemento posteriore, il TT diminuisce anche se il sistema EFL è costante.
EFL è spesso chiamata la lunghezza focale effettiva (EFL), per distinguerla da altri parametri comunemente utilizzati, quali: Front focal length (FFL), o distanza focale anteriore (FFD), è la distanza dal punto focale anteriore del sistema al vertice della prima superficie ottica. 
Back focal length (BFL), o la distanza focale posteriore (BFD), è la distanza dal vertice dell'ultima superficie ottica del sistema al punto focale posteriore.
In pratica, per lenti microcamere, il rapporto di TT per EFL è di solito tra 1,15x e 1,30x. Forzare il progetto per essere più piccolo in termini di lunghezza, renderebbe impossibile controllare le aberrazioni geometriche. La lunghezza focale EFL deve talvolta ridursi per contribuire a ridurre il TT.

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Figura 3: La ridistribuzione della potenza ottica di un modulo microcamera può cambiare la sua lunghezza.

I sistemi di imaging ottico convenzionali e telecamere con autofocus, richiedono il posizionamento fisico di una lente mobile per mettere a fuoco un'immagine di un oggetto su un sensore o per modificare l'ingrandimento complessivo del sistema. Questo è solitamente realizzato per mezzo di un ingombrante sistema di posizionamento meccanico. Alcune aziende hanno ideato soluzioni alternative [...]

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2 Commenti

  1. Avatar photo Emanuele 11 Novembre 2015
  2. Avatar photo Maurizio 11 Novembre 2015

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