Varifocal Concave–Convex Lens Using Viscoelastic Gel and Ultrasound Vibration

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作者
Shunsuke Hashimoto,Yuki Harada,Kôsuke Nakamura,Takahiro Iwase,Jessica Onaka,Mami Matsukawa,Daisuke Koyama
出处
期刊:IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (9): 2703-2710 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tuffc.2022.3194861
摘要

A varifocal concave–convex lens using ultrasound and transparent viscoelastic gel is reported. The configuration of the lens is simple and thin, consisting of four pieces of a piezoelectric ultrasound transducer, a glass disk, and a transparent silicone gel film. It uses a combination of the ultrasound resonant flexural standing- and traveling-wave modes excited by in-phase and four-phase drives so that the lens can change its shape to both concave and convex by switching the resonance mode with the same structure. The acoustic radiation force (ARF) originated from the resonant flexural vibration modes changed the surface profile of the gel. Convex and concave deformation were generated at the center of the lens at the resonance frequencies of 38 and 60 kHz, respectively, indicating that a varifocal concave–convex lens could be fabricated by controlling the driving frequency, voltage amplitude, and phase differences among the ultrasound transducers. The deformational displacement on the lens surface and the change in the focal length increased with the input voltage amplitude. The optical microscopic images observed through the lens were enlarged $1.28\times $ (reduced $0.92\times $ ) in the convex (concave) mode with 20 ${V}_{\text {pp}}$ . The response time for focusing and the temperature stability under operation were evaluated. By switching the resonance vibration modes of the lens through the input signals to multiple ultrasound transducers, the variable-focus function with both concave and convex lenses was achieved in the same configuration.

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