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Flüssiglinse Eine ist eine aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehende optische Linse mit elektrisch variierbarer Brennwe

Flüssiglinse

Eine Flüssiglinse ist eine aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehende optische Linse mit elektrisch variierbarer Brennweite.

Prinzipien Bearbeiten

Es existieren verschiedene Prinzipien zur Realisierung von elektrisch steuerbaren Flüssiglinsen.

Zweiphasige Flüssiglinsen Bearbeiten

Zweiphasige Flüssiglinse

Ein Konzept arbeitet mit zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten (wässrig bzw. Öl) von möglichst gleicher Dichte, aber mit unterschiedlichen Brechungsindizes und elektrischen Eigenschaften in einer Kammer. Eine elektrische Spannung bis 60 Volt (zwischen einer Ringelektrode in der Kammer und einer transparenten Indiumzinnoxid-(ITO)-Elektrode außen auf dem Kammerfenster) steuert das elektrische Feld, das über den Effekt der Elektrobenetzung den Kontaktwinkel eines Tropfens der polaren Flüssigkeit (Wasser) innen auf diesem durchsichtigen Kammerfenster verändert. Der halbkugelig anliegende Tropfen wird dadurch an der Innenwand breiter und verringert so die Krümmung seiner Oberfläche (der brechungswirksamen Phasengrenzfläche), wodurch die Linse ihre Brennweite ändert. Damit kann eine Fokussierung oder ein Zoom realisiert werden.

Vier radial angeordnete Elektroden ermöglichen gezielt auch ein dosiertes keilartiges Verzerren oder Verschieben des Tropfens. Damit kann eine optische Bildstabilisierung bei wackelnder Kamera oder sich bewegendem Objekt mithilfe der (Auto-)Fokus-Flüssiglinse erzielt werden. Diese Technik wurde im Februar 2010 von Varioptic vorgestellt.

Einphasige Flüssiglinsen Bearbeiten

Einphasige Flüssiglinse in MEMS-Technologie

Ein anderes Konzept (s. Bild) verwendet MEMS um eine transparente Membran zu deformieren und dadurch einem Flüssigkeitsvolumen eine andere Form zu verleihen die den gewünschten Brechungseffekt hat.

Vorteile Bearbeiten

Flüssiglinsen sind als Linsen variabler Brechkraft besonders klein realisierbar, was vor allem für Kameras in flachen Handys nötig ist. Sie sind schnell, energiesparend und erschütterungsstabil. Die Lösung von Salzen (etwa Kaliumsulfat) im Wasser der Linse macht es leitfähig und erniedrigt seinen Gefrierpunkt sowie seinen Dampfdruck ausreichend, um breite Temperaturbereiche für Betrieb (−20 bis +60 °C) und Lagerung (−40 bis +85 °C) zu gewährleisten (d. h. das Wasser friert weder ein noch verdunstet es). Typisch sind folgende technische Daten:

  • 8 mm Durchmesser
  • 2 mm Dicke
  • 2,5 mm optische Öffnung bei einer zwischen −2 ... +10 dpt einstellbaren Brechkraft
  • Reaktionszeit um 1 ms.

Geschichte Bearbeiten

Zu Demonstrationszwecken für den Physikunterricht wurde bereits 1988 von Werner B. Schneider eine Anordnung angegeben mit der durch eine Spannung die Brennweite einer Linse aus Wasser in einem weiten Brennweitenbereich eingestellt werden konnte. Die technische Verwertung dieser Idee wurde erst später mit der Entwicklung kleiner Digitalkameras realisiert. Der amerikanische Wissenschaftler Tom Krupenkin und seinen Kollegen stellten im August 2002 die erste Flüssiglinse her. Anlässlich der Computermesse CeBIT 2005 stellte die Firma Varioptic eine Anwendung der Flüssiglinse in Form eines optischen Zooms und einer Autofokus-Funktion in einem Fotohandy vor. Forschungen unter Bruno Berge an der Universität von Grenoble (F) in den Jahren 1997 bis 1999 führten zu grundlegende Patenten (etwa über die Kammerform und Zentrierung des Tropfens). Diese Patente werden heute von Varioptic gehalten; diese Firma betreibt nun die Weiterentwicklung. In der heutigen Zeit werden Flüssiglinsen für zahlreiche Anwendung in denen eine automatische, schnelle Fokussierung notwendig ist, genutzt. Dies ist beispielsweise in der industriellen Bildverarbeitung (IBV) zur Überwachung von Fertigungsprozessen (Industrie 4.0) oder der Medizintechnik der Fall.

Andere Typen von Flüssiglinsen Bearbeiten

Eine zweite Art der Flüssiglinse basiert auf einer Flüssigkristall-Schicht zwischen Glasplatten, in der die optisch aktiven Moleküle durch eine angelegte elektrische Spannung nicht gedreht werden, sondern sich radial nach außen hin stärker konzentrieren. Der notwendige Diffusionsvorgang benötigt Zeit und bewirkt dann außen einen höheren Brechungsindex (und damit eine höhere zerstreuende Wirkung) der Linse. Im Jahre 2006 konnte ein Labormuster mit 1 cm Durchmesser seine Brechkraft binnen 3 Minuten ändern; Miniaturisierung (0,5 bis 1 mm Durchmesser) lässt eine Einstellzeit von 1 s erwarten. Ein erster Hinweis auf diese Technologie findet sich in einem Artikel von L.G. Commander et al. aus dem Jahre 1995.

Schon im Jahre 1940 veröffentlichte R. Graham den Artikel "A variable focus lens and its use" über eine flüssigkeitsgefüllte verformbare Kammer. Alle drei Arten von Flüssiglinsen haben einen flüssigen optisch aktiven Kern.

Verwandte Erscheinungen Bearbeiten

  • das natürliche Vorbild etwa des menschlichen Auges, in dem in einer flüssigkeitsgefüllten Kammer eine elastische Linse mit Muskelkraft überwiegend unwillkürlich zur Fokussierung verformt wird
  • die Optische Abbildung durch fallende, liegende oder schwebende Wassertropfen
  • die Verformung von Flüssigkeitsoberflächen durch Rühren, Rotieren oder durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds
  • Retroreflexion von Sonnenlicht durch Tautropfen auf Gräsern
  • Störung der Retroreflexion an Verkehrstafeln durch feine Kondenswassertropfen, durch Regentropfen oder einen Wasserfilm
  • Flüssigkeitsstandsanzeiger durch Schaugläser mit 90°-Rippung innen, die nur ohne anliegende Flüssigkeit mit ausreichend hohem Brechungsindex zu Total- oder Retroreflexion führt
  • Sammelspiegelwirkung von großen Auslagenscheiben unter der Wirkung von Lüftungs- oder Winddruck sowie Isolierfenster-Doppelscheiben, deren Flächen sich unter dem Einfluss von Innentemperatur, der Gasfüllung, Diffusion und atmosphärischem Außendruck geringfügig wölben, wodurch Brennweiten im 10-Meter-Bereich entstehen, die das Sonnenlicht zu Lichtmustern auf der Straße bündeln.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Arnaud Pouydebasquea, et al.: Varifocal liquid lenses with integrated actuator, high focusing power and low operating voltage fabricated on 200 mm wafers. In: Sensors and Actuators A: Physical. Band 172, Nr. 1, 2011, S. 432–435, doi:10.1016/j.proeng.2010.09.139 (englisch, sciencedirectassets.com [PDF; abgerufen am 18. Februar 2017]).
  2. Dierk Fricke, Evgeniia Denker, Annice Heratizadeh, Thomas Werfel, Merve Wollweber, Bernhard Roth: Non-Contact Dermatoscope with Ultra-Bright Light Source and Liquid Lens-Based Autofocus Function. In: MDPI (Hrsg.): Applied Sciences. Band 9, Nr. 11, 2019, S. 2177, doi:10.3390/app9112177 (mdpi.com [abgerufen am 3. Juni 2019]).
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Veröffentlichungsdatum:
Eine Flussiglinse ist eine aus verschiedenen Flussigkeiten bestehende optische Linse mit elektrisch variierbarer Brennweite Inhaltsverzeichnis 1 Prinzipien 1 1 Zweiphasige Flussiglinsen 1 2 Einphasige Flussiglinsen 2 Vorteile 3 Geschichte 4 Andere Typen von Flussiglinsen 5 Verwandte Erscheinungen 6 Weblinks 7 EinzelnachweisePrinzipien BearbeitenEs existieren verschiedene Prinzipien zur Realisierung von elektrisch steuerbaren Flussiglinsen Zweiphasige Flussiglinsen Bearbeiten nbsp Zweiphasige FlussiglinseEin Konzept arbeitet mit zwei nicht mischbaren Flussigkeiten wassrig bzw Ol von moglichst gleicher Dichte aber mit unterschiedlichen Brechungsindizes und elektrischen Eigenschaften in einer Kammer Eine elektrische Spannung bis 60 Volt zwischen einer Ringelektrode in der Kammer und einer transparenten Indiumzinnoxid ITO Elektrode aussen auf dem Kammerfenster steuert das elektrische Feld das uber den Effekt der Elektrobenetzung den Kontaktwinkel eines Tropfens der polaren Flussigkeit Wasser innen auf diesem durchsichtigen Kammerfenster verandert Der halbkugelig anliegende Tropfen wird dadurch an der Innenwand breiter und verringert so die Krummung seiner Oberflache der brechungswirksamen Phasengrenzflache wodurch die Linse ihre Brennweite andert Damit kann eine Fokussierung oder ein Zoom realisiert werden Vier radial angeordnete Elektroden ermoglichen gezielt auch ein dosiertes keilartiges Verzerren oder Verschieben des Tropfens Damit kann eine optische Bildstabilisierung bei wackelnder Kamera oder sich bewegendem Objekt mithilfe der Auto Fokus Flussiglinse erzielt werden Diese Technik wurde im Februar 2010 von Varioptic vorgestellt Einphasige Flussiglinsen Bearbeiten nbsp Einphasige Flussiglinse in MEMS TechnologieEin anderes Konzept s Bild verwendet MEMS um eine transparente Membran zu deformieren und dadurch einem Flussigkeitsvolumen eine andere Form zu verleihen die den gewunschten Brechungseffekt hat 1 Vorteile BearbeitenFlussiglinsen sind als Linsen variabler Brechkraft besonders klein realisierbar was vor allem fur Kameras in flachen Handys notig ist Sie sind schnell energiesparend und erschutterungsstabil Die Losung von Salzen etwa Kaliumsulfat im Wasser der Linse macht es leitfahig und erniedrigt seinen Gefrierpunkt sowie seinen Dampfdruck ausreichend um breite Temperaturbereiche fur Betrieb 20 bis 60 C und Lagerung 40 bis 85 C zu gewahrleisten d h das Wasser friert weder ein noch verdunstet es Typisch sind folgende technische Daten 8 mm Durchmesser 2 mm Dicke 2 5 mm optische Offnung bei einer zwischen 2 10 dpt einstellbaren Brechkraft Reaktionszeit um 1 ms Geschichte BearbeitenZu Demonstrationszwecken fur den Physikunterricht wurde bereits 1988 von Werner B Schneider eine Anordnung angegeben mit der durch eine Spannung die Brennweite einer Linse aus Wasser in einem weiten Brennweitenbereich eingestellt werden konnte Die technische Verwertung dieser Idee wurde erst spater mit der Entwicklung kleiner Digitalkameras realisiert Der amerikanische Wissenschaftler Tom Krupenkin und seinen Kollegen stellten im August 2002 die erste Flussiglinse her Anlasslich der Computermesse CeBIT 2005 stellte die Firma Varioptic eine Anwendung der Flussiglinse in Form eines optischen Zooms und einer Autofokus Funktion in einem Fotohandy vor Forschungen unter Bruno Berge an der Universitat von Grenoble F in den Jahren 1997 bis 1999 fuhrten zu grundlegende Patenten etwa uber die Kammerform und Zentrierung des Tropfens Diese Patente werden heute von Varioptic gehalten diese Firma betreibt nun die Weiterentwicklung In der heutigen Zeit werden Flussiglinsen fur zahlreiche Anwendung in denen eine automatische schnelle Fokussierung notwendig ist genutzt Dies ist beispielsweise in der industriellen Bildverarbeitung IBV zur Uberwachung von Fertigungsprozessen Industrie 4 0 oder der Medizintechnik 2 der Fall Andere Typen von Flussiglinsen BearbeitenEine zweite Art der Flussiglinse basiert auf einer Flussigkristall Schicht zwischen Glasplatten in der die optisch aktiven Molekule durch eine angelegte elektrische Spannung nicht gedreht werden sondern sich radial nach aussen hin starker konzentrieren Der notwendige Diffusionsvorgang benotigt Zeit und bewirkt dann aussen einen hoheren Brechungsindex und damit eine hohere zerstreuende Wirkung der Linse Im Jahre 2006 konnte ein Labormuster mit 1 cm Durchmesser seine Brechkraft binnen 3 Minuten andern Miniaturisierung 0 5 bis 1 mm Durchmesser lasst eine Einstellzeit von 1 s erwarten Ein erster Hinweis auf diese Technologie findet sich in einem Artikel von L G Commander et al aus dem Jahre 1995 Schon im Jahre 1940 veroffentlichte R Graham den Artikel A variable focus lens and its use uber eine flussigkeitsgefullte verformbare Kammer Alle drei Arten von Flussiglinsen haben einen flussigen optisch aktiven Kern Verwandte Erscheinungen Bearbeitendas naturliche Vorbild etwa des menschlichen Auges in dem in einer flussigkeitsgefullten Kammer eine elastische Linse mit Muskelkraft uberwiegend unwillkurlich zur Fokussierung verformt wird die Optische Abbildung durch fallende liegende oder schwebende Wassertropfen die Verformung von Flussigkeitsoberflachen durch Ruhren Rotieren oder durch Anlegen eines ausseren Magnetfelds Retroreflexion von Sonnenlicht durch Tautropfen auf Grasern Storung der Retroreflexion an Verkehrstafeln durch feine Kondenswassertropfen durch Regentropfen oder einen Wasserfilm Flussigkeitsstandsanzeiger durch Schauglaser mit 90 Rippung innen die nur ohne anliegende Flussigkeit mit ausreichend hohem Brechungsindex zu Total oder Retroreflexion fuhrt Sammelspiegelwirkung von grossen Auslagenscheiben unter der Wirkung von Luftungs oder Winddruck sowie Isolierfenster Doppelscheiben deren Flachen sich unter dem Einfluss von Innentemperatur der Gasfullung Diffusion und atmospharischem Aussendruck geringfugig wolben wodurch Brennweiten im 10 Meter Bereich entstehen die das Sonnenlicht zu Lichtmustern auf der Strasse bundeln Weblinks BearbeitenTunable liquid microlens Applied Physics Letters 20 Januar 2003 Flussiglinse fokussiert Licht auf Kommando Wissenschaft de 28 Januar 2003 Flussiglinse mit optischem Zoom avguide ch 13 Marz 2005 Flussiglinse bringt Autofokus und Zoom in Handys Welt am Sonntag 13 Marz 2005 Fast flussig und doch superscharf Wissenschaft de 25 Mai 2006 Firma Varioptic Entwickler und Hersteller Erlauterungen Demo Videos Flussiglinse mit elektrisch einstellbarer Brennweite PDF 143 kB Veroffentlichung in Physik und Didaktik 1988 A Lens with an Adjustable Focal Length PDF 190 kB Veroffentlichung in Physics Teacher 1993Einzelnachweise Bearbeiten Arnaud Pouydebasquea et al Varifocal liquid lenses with integrated actuator high focusing power and low operating voltage fabricated on 200 mm wafers In Sensors and Actuators A Physical Band 172 Nr 1 2011 S 432 435 doi 10 1016 j proeng 2010 09 139 englisch sciencedirectassets com PDF abgerufen am 18 Februar 2017 Dierk Fricke Evgeniia Denker Annice Heratizadeh Thomas Werfel Merve Wollweber Bernhard Roth Non Contact Dermatoscope with Ultra Bright Light Source and Liquid Lens Based Autofocus Function In MDPI Hrsg Applied Sciences Band 9 Nr 11 2019 S 2177 doi 10 3390 app9112177 mdpi com abgerufen am 3 Juni 2019 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Flussiglinse amp oldid 224497692