Flüssiglinse

Grundidee und Funktionsweise

Eine Flüssiglinse ist eine optische Linse aus verschiedenen Flüssigkeiten, deren Brennweite elektrisch verändert werden kann. Sie ermöglicht damit Fokussierung oder Zoom ohne das mechanische Verschieben fester Linsenelemente. Besonders wichtig ist ihre variable Brechkraft: Sie verändert, wie stark Licht gebrochen wird und damit, in welcher Entfernung ein scharfes Bild entsteht.

Zweiphasige Flüssiglinsen

Bei diesem Konzept befinden sich zwei nicht mischbare Flüssigkeiten – eine wässrige und eine ölartige – in einer Kammer. Sie sollen möglichst die gleiche Dichte besitzen, unterscheiden sich aber im Brechungsindex und in ihren elektrischen Eigenschaften.

Eine Spannung bis 60 Volt zwischen einer Ringelektrode in der Kammer und einer transparenten Indiumzinnoxid-(ITO)-Elektrode auf dem Kammerfenster erzeugt ein elektrisches Feld. Durch Elektrobenetzung verändert dieses den Kontaktwinkel des polaren Wassertropfens am durchsichtigen Kammerfenster. Der zunächst halbkugelige Tropfen wird an der Innenwand breiter; dadurch wird seine Oberfläche weniger stark gekrümmt. Diese Phasengrenzfläche zwischen den Flüssigkeiten ist brechungswirksam und bestimmt daher die Brennweite.

Vier radial angeordnete Elektroden können den Tropfen außerdem keilartig verformen oder verschieben. So ist eine optische Bildstabilisierung bei einer wackelnden Kamera oder bei bewegten Objekten möglich. Varioptic stellte diese Technik im Februar 2010 vor.

Einphasige und weitere Bauarten

Eine einphasige Flüssiglinse kann MEMS verwenden. MEMS sind mikroelektromechanische Systeme: Sie verformen eine transparente Membran und geben dadurch einem Flüssigkeitsvolumen eine Form, die den gewünschten Brechungseffekt erzeugt.

Eine weitere Art enthält eine Flüssigkristall-Schicht zwischen Glasplatten. Eine Spannung dreht die optisch aktiven Moleküle dabei nicht, sondern bewirkt, dass sie sich radial nach außen stärker konzentrieren. Der Diffusionsvorgang benötigt Zeit; außen entsteht ein höherer Brechungsindex und damit eine stärker zerstreuende Wirkung. Ein Labormuster mit 1 cm Durchmesser änderte 2006 seine Brechkraft innerhalb von 3 Minuten. Bei einer Miniaturisierung auf 0,5 bis 1 mm Durchmesser wird eine Einstellzeit von 1 s erwartet. Ein Hinweis auf diese Technologie findet sich bei L. G. Commander et al. aus dem Jahr 1995.

R. Graham veröffentlichte bereits 1940 den Artikel „A variable focus lens and its use“ über eine flüssigkeitsgefüllte verformbare Kammer. Allen drei Arten von Flüssiglinsen gemeinsam ist ein flüssiger optisch aktiver Kern.

Vorteile und technische Daten

Flüssiglinsen lassen sich sehr klein bauen und eignen sich deshalb besonders für Kameras in flachen Handys. Sie sind schnell, energiesparend und erschütterungsstabil. Gelöste Salze, etwa Kaliumsulfat, machen das Wasser leitfähig und senken Gefrierpunkt sowie Dampfdruck. Dadurch sind Betriebsbereiche von −20 bis +60 °C und Lagerbereiche von −40 bis +85 °C möglich: Das Wasser friert nicht ein und verdunstet nicht.

Typische Daten sind:

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

Entwicklung und Anwendungen

1988 beschrieb Werner B. Schneider für den Physikunterricht eine Anordnung, bei der die Brennweite einer Wasserlinse durch Spannung über einen weiten Bereich eingestellt werden konnte. Technisch nutzbar wurde die Idee erst mit kleinen Digitalkameras.

Tom Krupenkin und seine Kollegen stellten im August 2002 die erste Flüssiglinse her. Auf der CeBIT 2005 zeigte Varioptic ein Fotohandy mit optischem Zoom und Autofokus-Funktion. Forschungen von Bruno Berge an der Universität Grenoble in den Jahren 1997 bis 1999 führten zu grundlegenden Patenten, etwa zur Kammerform und zur Zentrierung des Tropfens. Diese Patente werden von Varioptic gehalten.

Heute werden Flüssiglinsen eingesetzt, wenn eine automatische und schnelle Fokussierung nötig ist, zum Beispiel in der industriellen Bildverarbeitung zur Überwachung von Fertigungsprozessen in der Industrie 4.0 sowie in der Medizintechnik.