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Fließender Fokus

Flüssiglinsen-Technologien im Vergleich

Flüssiglinsen ermöglichen innerhalb von Millisekunden die reproduzierbare Fokussierung von Objekten bei unterschiedlichen Arbeitsabständen. Im Beitrag werden die beiden führenden Technologien Elektrobenetzung und formveränderte Polymerlinsen vorgestellt sowie Vorteile und anwendungsseitige Grenzen diskutiert.

Bild: Corning IncorporatedBild: Corning Incorporated
Funktionsweise Varioptic Linse: Wasser-Öl Grenzfläche ohne angelegte Spannung (l.). Durch Anlegen der Spannung (r.) vergrößert das Wasser seine Oberfläche zur Ringelektrode. Das Öl wird zur Mitte hin verdrängt, so dass sich der Krümmungsradius der Grenzfl

Bild: Edmund Optics GmbHBild: Edmund Optics GmbH

Bild: Optotune AGBild: Optotune AG
Funktionsweise Optotune Linse: Linse im stromlosen Zustand (l.). Ein konstanter Strom durch den Aktuator führt zu einem konstanten Druck auf den Container (r.). Die Krümmung der Membran passt sich der Druckänderung an.

Elektrobenetzung

Die Form eines Wassertropfens auf einer Metalloberfläche wird definiert durch das Verhältnis der Oberflächenspannungen der beteiligten Medien: Wasser, Metall und Luft. Erzeugt man durch das Einführen einer isolierenden Schicht zwischen Metall und Wassertropfen eine Kondensator-ähnliche Struktur und legt eine Spannung zwischen Wasser und Metall an, beobachtet man, dass sich die Form des Tropfens verändert. Mit höherer Spannung strebt der Wassertropfen danach, seine Kontaktfläche zum Metall zu vergrößern. Er wird somit flacher, der Krümmungsradius des Tropfens ändert sich. Der Effekt, dass sich die Benetzungseigenschaft einer Flüssigkeit auf einer Oberfläche mit elektrischen Feldern manipulieren lässt, nennt sich Elektrobenetzung.

Corning Varioptic Flüssiglinsen basieren auf einer versiegelten Zelle mit zwei unmischbaren Flüssigkeiten: einer Wasserlösung und einem elektrisch nicht-leitenden Öl. Die Flüssigkeiten unterscheiden sich in ihrem Brechungsindex, wodurch sich eine Brechkraft ergibt, sobald deren Grenzfläche gekrümmt ist. Beide Flüssigkeiten müssen allerdings identische Massendichten vorweisen. Nur so ist eine sphärische Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten und eine Resistenz bezüglich negativen Einflüssen durch Schwerkraft, Vibrationen und Erschütterungen gewährleistet. Über den Elektrobenetzungseffekt kann durch Variation einer angelegten Spannung die Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten manipuliert werden. Veränderungen des elektrostatischen Drucks, der auf die leitende Wasserlösung ausgeübt wird, führen zu einer Änderung des Krümmungsradius der Öl-Wasser Grenzfläche. Dieser Prozess läuft ohne nennenswerte Hysterese innerhalb von 10 bis 50ms ab, und ist für mehr als eine Milliarde Zyklen reproduzierbar. Aufgrund des Kondensator-ähnlichen Aufbaus verbrauchen die Corning Varioptic Flüssiglinsen nur sehr wenig elektrische Leistung, sodass sie auch für batteriegetriebene, mobile Geräte geeignet sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich durch den Betrieb der Linse keine Temperaturänderungen ergeben, und somit Veränderungen in der Brechkraft aufgrund von selbst-induzierten thermischen Effekten ausbleiben.

Als herausfordernd erweist sich allerdings, dass die elektrostatische Kraft, welche die Veränderung der Flüssigkeitsgrenzfläche hervorruft, verhältnismäßig schwach ist. Um die Form einer Flüssiglinse zu manipulieren, sind daher hohe Spannungen notwendig, was zu einer Begrenzung der Größe der Flüssiglinsen führt. Derzeit bietet Corning Varioptic drei Autofokuslinsen mit freien Aperturen an (1,6, 2,5 und 3,9mm), welche bei Spannungen von ca. 50 bis 60V betrieben werden. Es stehen verschiedene Treiber zur Verfügung, welche die Spannung bereitstellen. Während die kleinen Aperturen den Einsatz dieser Flüssiglinsen in manchen Anwendungen ausschließt, bieten sie aber den Vorteil, dass sich durch Schwerkraft induzierte Abbildungsfehler im Rahmen halten. Somit ist kaum ein Unterschied in der Bildqualität erkennbar, unabhängig davon, ob man die Linse horizontal oder vertikal betreibt.

Edmund Optics GmbH

Dieser Artikel erschien in inVISION 1 (März) 2020 - 17.03.20.
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