DE102007004080A1

DE102007004080A1 - Fluid membrane lens system, has control unit controlling pressure or volume of fluid that fills fluid chambers and controlling pressure based on predetermined focal length, such that chromatic and/or monochromatic aberrations are minimized

Info

Publication number: DE102007004080A1
Application number: DE102007004080A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr.-Ing. Reichelt; Armin Dipl.-Ing. Werber; Hans Prof. Dr. Zappe
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-07

Abstract

The system has a set of fluid chambers (a-c) lying consequently on an optical axis between a pair of covers (3). The chambers are seperated from each other by two flexible membranes (1). A fluid channel (4) is discharged into the chambers, where the pressure of the fluid is influenceable, and is transparent. A control unit (5) controls the respective pressure or volume of the fluid that fills the fluid chambers. The control unit controls the pressure based on predetermined focal length of the system, such that chromatic and/or monochromatic aberrations are minimized. An independent claim is also included for a method for operating a fluid membrane lens system with a set of fluid chambers.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein fluidisches Membranlinsensystem mit mehreren Fluidkammern, die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen hintereinander liegen und von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane fluiddicht voneinander getrennt sind, wobei in die Fluidkammern jeweils zumindest ein Fluidkanal mündet, über den der Druck eines die Fluidkammer ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist, und zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Membranlinsensystems.The The present invention relates to a fluidic membrane lens system with multiple fluid chambers on one optical axis of the membrane lens system between two for optical radiation of a wavelength range transparent covers in a row and of which at least two each by at least two flexible, for optical Radiation of the wavelength range transparent membrane fluid-tight are separated from each other, in each case at least in the fluid chambers a fluid channel opens, via which the pressure of a the fluid chamber filling, for optical radiation the wavelength range of transparent fluid influenced and at least two of the fluids in the fluid chambers are one another have different refractive index. The invention also relates a method for operating such a membrane lens system.

Stand der TechnikState of the art

Membranlinsen mit variabler Brennweite sind bereits aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Membranlinsen haben eine dünne, optisch transparente und hochelastische Membran, bspw. aus Silikonen wie Polydimethylsiloxan, die eine fluidgefüllte Kammer auf zumindest einer Seite begrenzt. Die Membran befindet sich dabei an der Stirnfläche der bspw. zylindrischen Kammer. Durch pneumatische oder hydraulische Aktivierung wird über einen Fluidkanal ein Volumenstrom in die Kammer oder aus der Kammer heraus erzeugt, durch den sich die typischerweise 20 bis 150 μm dünne Membran in Form einer gekrümmten Oberfläche auslenkt. Für Membranen mit konstanter Dicke, homogenen Elastizitätseigenschaften und kreisförmiger Apertur lässt sich druck- oder volumengesteuert eine Membranwölbung erreichen, die über dem größten Teil der Apertur einer sphärischen Fläche entspricht. Über die Einstellung des Druckes und damit des Radius der Membranwölbung lässt sich so bspw. die Brennweite von Linsen über große Bereiche verändern. Sowohl Sammel- als auch Zerstreuungslinsen sind damit realisierbar. Die verwendeten Fluide basieren in der Regel auf Wasser oder wässrigen Salzlösungen mit Brechungsindizes im Bereich von 1,33 ≤ n ≤ 1,66.membrane lenses Variable focal length are already from numerous publications known. Diaphragm lenses have a thin, optically transparent and highly elastic membrane, for example of silicones such as polydimethylsiloxane, the one fluid filled chamber on at least one side limited. The membrane is located at the end face the example. Cylindrical chamber. By pneumatic or hydraulic activation is a fluid flow through a volume flow into the chamber or generated out of the chamber through which typically 20 to 150 μm thin membrane in the form of a curved Surface deflects. For membranes with constant Thick, homogeneous elasticity properties and circular Aperture can be controlled by pressure or volume a membrane curvature reach that over the most part corresponds to the aperture of a spherical surface. about the adjustment of the pressure and thus the radius of the membrane curvature For example, the focal length of lenses can be changed over change large areas. Both collecting and Diverging lenses are thus realizable. The fluids used are usually based on water or aqueous salt solutions with refractive indices in the range of 1.33 ≤ n ≤ 1.66.

Ein gattungsgemäßes fluidisches Membranlinsensystem ist bspw. aus der WO 2006/011937 A2 bekannt.A generic fluidic membrane lens system is, for example, from the WO 2006/011937 A2 known.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein in der Brennweite variables fluidisches Membranlinsensystem sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die eine Korrektur chromatischer und/oder monochromatischer Abbildungsfehler in einem einstellbaren Brennweitenbereich des Membranlinsensystems ermöglichen.The Object of the present invention is one in the focal length variable fluidic membrane lens system and a method to indicate its operation, the correction of chromatic and / or monochromatic aberration in an adjustable focal length range enable the membrane lens system.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem fluidischen Membranlinsensystem und dem Verfahren gemäß den Patent ansprächen 1 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Membranlinsensystems sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the fluidic membrane lens system and the method according to the patent claims 1 and 19 solved. Advantageous embodiments of the membrane lens system and the Method are the subject of the dependent claims or leave The following description and the embodiments remove.

Das vorgeschlagene fluidische Membranlinsensystem weist in bekannter Weise mehrere Fluidkammern auf, die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen hintereinander liegen und von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane fluiddicht voneinander getrennt sind. Der Begriff "fluiddicht" bezieht sich dabei jeweils auf die in den Fluidkammmern befindlichen Fluide. In die Fluidkammern mündet jeweils zumindest ein Fluidkanal, über den der Druck oder das Volumen eines die Fluidkammer ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist. Zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern weisen hierbei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex auf. Das vorgeschlagene Membranlinsensystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuereinheit für die Steuerung des jeweiligen Drucks bzw. Volumens der die Fluidkammern ausfüllenden Fluide vorgesehen ist, die den jeweiligen Druck bzw. das Volumen in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Brennweite der Membranlinse so steuert, dass bei dieser Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert sind. Die Steuereinheit steht dabei mit entsprechenden Druckgebern für die einzelnen Fluidkammern in Verbindung, über die der Druck bzw. das Volumen des Fluids in den Fluidkammern über die Fluidkanäle vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch variiert werden kann. Der Druck bzw. das Volumen lässt sich dabei für jede Fluidkammer unabhängig von den anderen Fluidkammern einstellen.The proposed fluidic membrane lens system comprises in a known manner a plurality of fluid chambers, which lie on an optical axis of the membrane lens system between two transparent optical radiation for a wavelength range covers one behind the other and at least two of which are at least two flexible, transparent to optical radiation of the wavelength range membrane fluid-tight from each other are separated. The term "fluid-tight" refers in each case to the fluids located in the fluid chamber chambers. In each case, at least one fluid channel, via which the pressure or the volume of a fluid which fills the fluid chamber and is transparent to optical radiation of the wavelength range, opens into the fluid chambers. At least two of the fluids in the fluid chambers in this case have a different refractive index. The proposed membrane lens system is characterized in that a control unit is provided for the control of the respective pressure or volume of the fluids filling the fluid chambers, which controls the respective pressure or the volume as a function of a prescribable focal length of the membrane lens such that in this Focal length one or more chromatic and / or monochromatic aberrations are minimized. The control unit is in communication with corresponding pressure transmitters for the individual fluid chambers, via which the pressure or the volume of the fluid in the fluid chambers can be varied hydraulically or pneumatically via the fluid channels. The pressure or the volume can be for each fluid chamber regardless of the set other fluid chambers.

Bei dem Verfahren zum Betrieb eines derartigen fluidischen Membranlinsensystems werden die Fluidkammern entsprechend mit Fluiden befällt, von denen zumindest zwei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Für eine vorgebbare oder vorgegebene Brennweite wird jeweils der erforderliche Druck berechnet und eingestellt, bei dem bei dieser Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert werden. Für eine Achromatisierung des Membranlinsensystems durch die Verwendung der unterschiedlichen optischen Fluide werden folgende drei Basisgleichungen herangezogen:

wobei φ die Brechkraft, ν = (n_d – 1)/Δn die Abbe-Zahl und c = c₁ – c₂ = R₁ ^–1 – R₂ ^–1 die Durchbiegung einer Linse sind. Gleichung (3) bezieht sich dabei auf den Spezialfall eines Linsensystems mit beidseitig ebenen Endflächen, die beim vorliegenden Linsensystem durch die transparenten Abdeckungen gebildet werden können. Durch die Berücksichtigung dieser Gleichungen bei dem Betriebsverfahren bzw. in der Steuereinheit können für jede vorgegebene Brennweite, die mit dem Linsensystem einzustellen ist, die einzustellenden Membranradien berechnet werden, mit denen die Brennweite erzielt wird und gleichzeitig (bei dieser Brennweite) eine minimale chromatische und/oder monochromatische Aberration erreicht wird. Die für diese Membranradien erforderlichen Drücke bzw. Volumina in den Fluidkammern werden dann eingestellt.In the method for operating such a fluidic membrane lens system, the fluid chambers are respectively filled with fluids, at least two of which have a different refractive index from each other. For a predefinable or predetermined focal length, the required pressure is calculated and set in each case, in which one or more chromatic and / or monochromatic aberrations are minimized at this focal length. For achromatization of the membrane lens system by using the different optical fluids, the following three basic equations are used:

where φ is the refractive power, ν = (n _d -1) / Δn the Abbe number and c = c ₁ - c ₂ = R ₁ ^-1 - R ₂ ^{-1 are} the deflection of a lens. Equation (3) refers to the special case of a lens system with end faces which are flat on both sides and can be formed by the transparent covers in the present lens system. By taking into account these equations in the operating method or in the control unit, for each given focal length to be set with the lens system, the membrane radii to be set can be calculated, with which the focal length is achieved and at the same time (at this focal length) a minimum chromatic and / or or monochromatic aberration is achieved. The pressures or volumes in the fluid chambers required for these membrane radii are then adjusted.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein in der Brennweite variables Membranlinsensystem bereitgestellt, dessen chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler auf technisch einfache Weise zumindest teilweise korrigiert sind. Die Korrektur betrifft hierbei vorzugsweise in erster Linie die chromatische Aberration und optional zusätzlich die monochromatischen Fehler. Bei gegebenen optischen Medien und vorgegebenen starren Geometrien des Membranlinsensystems werden dabei die flexiblen Membrane gezielt so deformiert, dass die chromatischen und/oder monochromatischen Abbildungsfehler minimiert werden.With The present invention thus becomes a variable in focal length Membrane lens system provided, the chromatic and / or monochromatic aberrations in a technically simple way at least partially corrected. The correction preferably applies here primarily the chromatic aberration and optionally in addition the monochromatic errors. For given optical media and predetermined rigid geometries of the membrane lens system while the flexible membrane is deliberately deformed so that the chromatic and / or monochromatic aberrations are minimized.

So sind bspw. bei einem Dreikammersystem mit zwei elastischen Membranen mehrere unterschiedliche Kombinationen der beiden Membranradien möglich, um eine vorbestimmte Brenn- bzw. Schnittweite zu erzielen. Bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem und dem zugehörigen Betriebsverfahren wird diejenige Kombination gefunden und eingestellt, bei der die chromatischen und/oder monochromatischen Fehler minimal werden. Durch die Anordnung der flexiblen Membranen im Inneren der die Fluidkammern bildenden Kavität wird die Gefahr mechanischer Zerstörung deutlich verringert und das Eindringen von Gasen minimiert. Dies erfolgt durch die vorzugsweise starren, optisch transparenten Abdeckungen bzw. Endflächen, die die angrenzenden Fluidkammern hermetisch verschließen. Die Seitenwände der Kavität bzw. der Fluidkammern mit integrierten Fluidkanälen sind dabei vorzugsweise aus Silizium gebildet.So are, for example, in a three-chamber system with two elastic membranes several different combinations of the two membrane radii possible to a predetermined focal distance to achieve. In the proposed membrane lens system and the associated operating method becomes that combination found and adjusted, in which the chromatic and / or monochromatic Mistakes become minimal. By the arrangement of the flexible membranes inside the cavity forming the fluid chambers significantly reduces the risk of mechanical damage and minimize the penetration of gases. This is done by the preferred rigid, optically transparent covers or end surfaces, which hermetically seal the adjacent fluid chambers. The side walls of the cavity or the fluid chambers with integrated fluid channels are preferably made of Silicon formed.

Für die Herstellung eines derartigen Membranlinsensystems werden vorzugsweise Methoden und Technologien der Mikrosystemtechnik eingesetzt, die auch eine Miniaturisierbarkeit des Linsensystems ermöglichen. Eine waferbasierte Prozesstechnik erlaubt eine kostengünstige Batch-Fabrikation in großen Stückzahlen. Für die Herstellung wird vorzugsweise mit lithographischen Methoden ein rückseitig mit Siliziumdioxid beschichteter Siliziumwafer von der Rückseite belichtet, um die Strukturen für die Linsenapertur und die Fluidkanäle zunächst in Photoresist und in anschließenden Ätzprozessen, wie bspw. RIE (reaktives Ionenätzen) und ICP-unterstütztes Tiefenätzen (DRIE in induktiv gekoppeltem Plasmaätzer), in das Silizium zu übertragen. Nach Ätzung von etwa der halben Waferdicke wird auf die Vorderseite des Wafers eine dünne Elastomermembran, vorzugsweise Polydimethylsiloxan (PDMS), im Spin-Coating-Verfahren aufgebracht. Vorteilhafterweise kann dadurch die Membran mit einer definierten Dicke aufgebracht werden. Eine Vorbehandlung des Wafers mit einem Haftvermittler (Primer) kann dabei die schon sehr gute Adhäsion erhöhen, wodurch eine nahezu kovalente Bindung der Membran am Siliziumträger erreicht werden kann. Dies ist wichtig, um beim späteren Betrieb eine gute Haftung der Membran an den Aperturrändern des Linsensystems zu gewährleisten und damit eine Delamination zu vermeiden. In einem weiteren Ätzschritt von der Rückseite wird der Wafer bis zur Membran durchgeätzt, so dass eine freistehende Membran über der Linsenöffnung gebildet wird. Nachfolgend wird eine dünne Glasplatte auf die Waferrückseite gebondet, so dass eine Kammer für das Fluid entsteht. Die weiteren Kammern werden durch Stapelung mehrerer Wafer realisiert, die in gleicher Weise verarbeitet wurden (bis auf den obersten Wafer jedoch ohne die dünne Glasplatte), und miteinander verbondet werden. Abschließend erfolgt dann eine blasenfreie Befüllung der Kammer mit den Fluiden.For the production of such a membrane lens system, methods and technologies of microsystem technology are preferably used, which also allow a miniaturization of the lens system. A wafer-based process technology allows cost-effective batch production in large quantities. For the production, preferably a silicon wafer coated on the back side with lithographic methods is exposed from the rear side to cover the structures for the lens aperture and the fluid channels first in photoresist and in subsequent etching processes, such as RIE (reactive ion etching) and ICP-assisted deep etching (US Pat. DRIE in inductively coupled plasma etcher) to transfer into the silicon. After etching about half the wafer thickness, a thin elastomeric membrane, preferably polydimethylsiloxane (PDMS), is spin-coated onto the front surface of the wafer. Advantageously, thereby the membrane can be applied with a defined thickness. A pretreatment of the wafer with a primer can increase the already very good adhesion, whereby a nearly covalent bond of the membrane can be achieved on the silicon substrate. This is important to ensure good adhesion of the membrane to the aperture edges of the lens system during subsequent operation and thus to avoid delamination. In a further etching step from the rear side, the wafer is etched through to the membrane, so that a freestanding membrane is formed over the lens opening. Subsequently, a thin glass plate is bonded to the wafer back, creating a chamber for the fluid. The other chambers are realized by stacking a plurality of wafers, which have been processed in the same way (except for the uppermost wafer but without the thin glass plate), and are bonded together. Finally, then carried out a bubble-free filling of the chamber with the fluids.

Die Aktuierung der elastischen Membranen erfolgt bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch über die optisch wirksamen Fluide, wobei bei Gasen deren Kompressibilität zu beachten ist. Bei Flüssigkeiten kann die Membranauslenkung direkt mittels einer druckinitiierten Volumenänderung in der jeweiligen Kammer erfolgen. Sehr schnelle Schaltzeiten werden bspw. mit Piezo-Stellgliedern erreicht. Um deren geringe Stellwege teilweise zu kompensieren, können Stellglieder verwendet werden, die großflächig an das breite Ende einer trichterförmigen Flüssigkeitssäule gekoppelt werden. Kleine Stellwege bewirken dann große Volumenströme des Fluids.The Actuation of the elastic membranes takes place in the proposed Membrane lens system preferably hydraulically or pneumatically via the optically effective fluids, with gases whose compressibility is to be noted. For liquids, the membrane deflection directly by means of a pressure-initiated volume change in the respective chamber. Be very fast switching times For example, achieved with piezo actuators. To their small travel paths partially compensate, actuators can be used be the large-scale to the broad end of a coupled funnel-shaped liquid column become. Small travel paths then cause large volume flows of the fluid.

Mögliche Anwendungen des vorgeschlagenen pneumatisch oder hydraulisch aktuierten, Brennweitenverstellbaren Membranlinsensystems reichen von relativ einfacher Beleuchtungsoptik über Elemente zur Strahlformung, als Alternative zu traditionellen Autofokussystemen bis hin zu anspruchsvollen abbildenden Systemen wie variablen Teleskop- oder Zoomsystemen für Inspektions- und Überwachungssysteme, PDAs, Mobiltelefone, Webcams usw. Ein großer Bedarf an derartigen variablen achromatischen optischen Systemen liegt auch im Bereich der Endoskopie für in-vivo Imagingsysteme. Grundsätzlich werden derartige Membranlinsensysteme benötigt, um qualitativ hochwertige Abbildungen von spektral breitbandig erscheinenden Objekten mit veränderlichem Abbildungsmaßstab zu realisieren oder eine multispektrale, variable Strahlformung (z. B. von Weißlicht) vorzunehmen. Zwei hintereinander geschaltetete vorgeschlagene Systeme erlauben die Realisierung eines Zooms ohne die einzelnen Glieder mechanisch gegeneinander verschieben zu müssen. Der Aperturdurchmesser des vorgeschlagenen Membranlinsensystems kann dabei von einigen Mikrometern bis hin zu einigen Zentimetern reichen. Weiterhin lassen sich bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem auch beliebige Aperturgeometrien realisieren.Possible Applications of the proposed pneumatically or hydraulically actuated, Focal length adjustable diaphragm lens system range from relative simple illumination optics via elements for beam shaping, as an alternative to traditional autofocus systems to sophisticated ones imaging systems such as variable telescope or zoom systems for Inspection and surveillance systems, PDAs, mobile phones, Webcams etc. A great need for such variables Achromatic optical systems are also in the field of endoscopy for in vivo imaging systems. Basically Such membrane lens systems needed to qualitatively high quality images of spectrally broadband appearing objects to realize with variable magnification or a multispectral, variable beam shaping (eg of white light) make. Two proposed systems connected in series allow the realization of a zoom without the individual members to move mechanically against each other. The aperture diameter of the proposed membrane lens system can be of some Microns to a few centimeters. Continue to leave in the proposed membrane lens system also arbitrary Realize aperture geometries.

Die Steuereinheit berechnet bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem vorzugsweise die jeweils erforderlichen Membranradien bzw. Drücke oder Volumina nicht selbst, sondern greift auf eine in einem internen Speicher hinterlegte LUT (Look-Up-Table) zurück. In dieser Tabelle sind (vorausberechnet) für die unterschiedlichen einstellbaren Brennweiten die entsprechenden einzustellenden Drücke bzw. Volumina hinterlegt, mit denen bei diesem Membranlinsensystem die optimale Korrektur erreicht wird.The Control unit calculates in the proposed membrane lens system preferably the respective required membrane radii or pressures or volumes do not themselves, but accesses one in one internal Memory deposited LUT (Look-Up-Table) back. In this Table are (predicted) for the different ones adjustable focal lengths the corresponding pressures to be set or volumes deposited with which in this membrane lens system the optimal correction is achieved.

Das Membranlinsensystem kann im einfachsten Aufbau aus drei Fluidkammern aufgebaut sein, die durch zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membranen fluiddicht voneinander getrennt sind. Selbstverständlich sind jedoch auch mehr als drei Kammern und – damit verbunden – mehr als zwei transparente Membrane möglich.The Membrane lens system can in the simplest structure of three fluid chambers Being constructed by two flexible, for optical radiation the wavelength range transparent membranes fluid-tight are separated from each other. Of course, however also more than three chambers and - associated with it - more as two transparent membranes possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das vorgeschlagene Membranlinsensystem sechs Fluidkammern, die jeweils paarweise durch eine flexible transparente Membran voneinander getrennt sind. Die jeweiligen Paare sind durch eine für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente, starre Platte voneinander getrennt. Dieses Membranlinsensystem umfasst somit insgesamt drei flexible Membrane und vier starre Platten, die die sechs Fluidkammern voneinander trennen. Mit einem derartig ausgebildeten Membranlinsensystem stehen drei unabhängig voneinander einstellbare Membranradien zur Verfügung, die neben der Korrektur der chromatischen Aberration eine zusätzliche unabhängige Korrektur monochromatischer Abbildungsfehler, bspw. der sphärischen Aberration, bieten. Die zwischengeschalteten starren Platten können zudem zusätzlich mit optischen Schichten versehen werden, die der Entspiegelung, Filterung oder Bündelbegrenzung dienen. Sie werden vorzugsweise aus Kunststoff- oder Glasmaterialien gebildet, die ähnliche oder Idealerweise gleiche optische Eigenschaften (Brechungsindex, Dispersion) aufweisen wie die sie umgebenden Liquide. Falls kein Brechungsindex-Matching möglich ist, werden durch entspiegelte Flächen Störreflexe und Lichtverluste im optischen System unterdrückt. Eine Ausbildung als Graufilter kann verwendet werden, um den Intensitätsabfall des Membranlinsensystems im Feld, d. h. am Bildrand, auszugleichen. Optisch lokal opake Schichten können eingesetzt werden, um den Strahlengang in Form von Apertur- oder Feldblenden zu begrenzen.In An advantageous embodiment comprises the proposed membrane lens system six fluid chambers, each in pairs through a flexible transparent Membrane are separated. The respective pairs are through one for optical radiation of the wavelength range transparent, rigid plate separated from each other. This membrane lens system thus comprises a total of three flexible membranes and four rigid plates, which separate the six fluid chambers. With such a thing trained diaphragm lens system are three independent mutually adjustable membrane radii available, the in addition to the correction of chromatic aberration an additional independent correction of monochromatic aberrations, For example, the spherical aberration, offer. The intermediary rigid panels can also be used with optical Layers are provided by the anti-reflection, filtering or Serve bundle limitation. They are preferably made of plastic or glass materials formed similar or, ideally have the same optical properties (refractive index, dispersion) like the liquids around them. If no refractive index matching is possible, by anti-reflective surfaces Disturbing reflections and light losses in the optical system suppressed. Training as a gray filter can be used to reduce the intensity of the membrane lens system in the field, d. H. at the edge of the picture, to compensate. Optically local opaque layers can be used to limit the beam path in the form of aperture or field apertures.

In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Membranlinsensystems werden Fluide mit anormaler relativer Teildispersion eingesetzt, um zusätzlich das sekundäre Spektrum zu korrigieren. Dadurch kann ein variables Linsensystem realisiert werden, das für drei Wellenlängen dieselbe Schnittweite aufweist.In a development of the proposed membrane lens system Fluids with abnormal relative partial dispersion used in addition to to correct the secondary spectrum. This can be a be realized variable lens system for three Wavelengths have the same cutting width.

Bei vertikalem Einbau von insbesondere größeren Linsen können unerwünschte Gravitationskräfte auf die Membrane wirken und bspw. zur sog. Schwerkraftkoma führen. Auch Stöße oder starke Beschleunigungen können die Abbildungsgüte verschlechtern. Durch Dichteanpassung der optischen Fluide kann diesen Einflüssen entgegengewirkt werden. Ebenso können solche Fluide verwendet werden, die bzgl. ihres Temperaturverhaltens im vorgesehenen Bereich möglichst stabil sind.at vertical installation of especially larger lenses can cause unwanted gravitational forces act on the membrane and, for example, lead to the so-called gravity coma. Also shocks or strong accelerations can deteriorate the image quality. By density adjustment The optical fluids can counteract these influences become. Likewise, such fluids can be used, the with regard to their temperature behavior in the intended area as possible are stable.

Die Aperturform des vorgeschlagenen Membranlinsensystems ist nicht auf kreisförmige Öffnungen begrenzt, sondern kann beliebige Aperturgeometrien umfassen. So können bspw. rechteckige Aperturen vorgesehen sein, um variable achromatische Zylinderlinsen zu bilden.The Aperture shape of the proposed membrane lens system is not on limited circular openings, but can include any aperture geometries. For example, rectangular Apertures may be provided to variable achromatic cylindrical lenses to build.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den das Volumen der Fluidkammern begrenzenden Hohlkörper nicht nur rein zylindrisch, sondern in beliebiger Gestalt auszuformen, bspw. in Form eines Kegelstumpfes. Auf diese Weise lassen sich bspw. die an den Stirnflächen einer Fluidkammer angebrachten elastischen Membranen bei einem in der Fluidkammer vorherrschenden Druck unterschiedlich verformen, so dass zwei unterschiedliche Radien der beiden Membranen bei gleichem Druck oder Volumen in der Kammer realisierbar sind.A Another possibility is the volume of the Not only purely cylindrical, but in any shape ausform, for example. In the form of a truncated cone. In this way, for example, the. At the end faces a fluid chamber attached elastic membranes at a in deform the prevailing pressure of the fluid chamber differently, so that two different radii of the two membranes at the same Pressure or volume in the chamber can be realized.

Die transparenten Abdeckungen des Membranlinsensystems können sowohl als ebene Platten als auch als gekrümmte Platten realisiert werden, die dann bspw. eine sphärische oder asphärische Linsenfläche bilden können. Die Ausbildung dieser transparenten Abdeckungen hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Auch eine Ausbildung dieser Abdeckungen als flexible Membrane ist möglich.The transparent covers of the membrane lens system can both as flat plates and as curved plates be realized, which then, for example, a spherical or can form aspherical lens surface. The design of these transparent covers depends on the respective application. Also an education of these covers as a flexible membrane is possible.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere der vorgeschlagenen Membranlinsensysteme als Array angeordnet. Insbesondere Membranlinsensysteme mit kleinem (Apertur-)Durchmesser lassen sich mit hohem Füllfaktor im Array anordnen. Die Fluidkammern der einzelnen Linsensysteme können dabei über mikrofluidische Kanäle miteinander verbunden werden, um alle jeweils an der gleichen Position in den Membranlinsensystemen angeordneten Membrane des Arrays gleichermaßen auszulenken, ohne dabei den Steuerungsaufwand, d. h. die Anzahl der erforderlichen Druckeinrichtungen zu erhöhen. Derartige Systeme sind bspw. für Anwendungen interessant, die eine integrale optische Abbildung einsetzen (integral imaging).In a development of the invention will be several of the proposed Membrane lens systems arranged as an array. In particular membrane lens systems with small (aperture) diameter can be with high fill factor Arrange in the array. The fluid chambers of the individual lens systems can do this via microfluidic channels be connected to each other at the same position in the membrane lens systems arranged membrane of the array alike to deflect, without the control effort, d. H. the number to increase the required pressure devices. such Systems are, for example, interesting for applications that require a use integral optical imaging (integral imaging).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Membranlinsensystem sowie das zugehörige Betriebsverfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The proposed membrane lens system and the associated Operating methods will be described below with reference to exemplary embodiments briefly explained in connection with the drawings. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems; 1 a first example of an embodiment of the membrane lens system;

2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems; 2 a second example of an embodiment of the membrane lens system;

3 ein Beispiel für die sphärische Aberration in Abhängigkeit von der Durchbiegung des Linsensystems der 2 in Abhängigkeit von der Brennweite; 3 an example of the spherical aberration depending on the deflection of the lens system of the 2 depending on the focal length;

4 vorberechnete Membranradien für ein Linsensystem gemäß 2 in Abhängigkeit von der Brennweite; 4 precalculated membrane radii for a lens system according to 2 depending on the focal length;

5 den Strahlenverlauf durch ein Membranlinsensystem gemäß 2 für jeweils eine beispielhafte Sammel- bzw. Zerstreuungslinse mit Blendenzahl f/5; 5 the beam path through a membrane lens system according to 2 for each an exemplary collection or diverging lens with f / 5 f-number;

6 die chromatische Längsaberration und die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) für das beispielhafte sammelnde Membranlinsensystem gemäß 5; 6 the longitudinal chromatic aberration and the modulation transfer function (MTF) for the exemplary collecting membrane lens system according to 5 ;

7 zwei Beispiele mit unterschiedlichen Ausgestaltungen der Fluidkammern; 7 two examples with different embodiments of the fluid chambers;

8 vier Beispiele für unterschiedliche Aperturgeometrien in Aufsicht; 8th four examples of different aperture geometries in supervision;

9 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems mit integrierter Blende; und 9 an example of an embodiment of the membrane lens system with integrated aperture; and

10 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems mit einer als Linse fester Brennweite ausgebildeten Abdeckung. 10 an example of an embodiment of the membrane lens system with a designed as a lens fixed focal length cover.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt ein erstes Beispiel eines Membranlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel umfasst das Membranlinsensystem drei Kammern a, b, c, die durch zwei elastische Membrane 1 fluiddicht voneinander getrennt sind. Das Membranlinsensystem wird aus drei übereinander gebondeten Siliziumsubstraten 2 gebildet, zwischen denen die Membrane 1 liegen. Die Lichteintritts- und Lichtaustrittsseite sind jeweils über eine optisch transparente Platte 3 hermetisch dicht abgeschlossen. In die einzelnen Fluidkammern a, b, c werden in diesem Beispiel über Fluidkanäle 4 in den Siliziumsubstraten 2 unterschiedliche Liquide mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, d. h. vor allem unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlichem Dispersionsverhalten, eingefüllt, wie dies mit der unterschiedlichen Schraffur in der 1 angedeutet ist. Durch eine druckgeregelte Volumenänderung in den Kammern a und c lässt sich das Volumen in Kammer b verändern, um damit die Membranradien gezielt einzu stellen. Die Ansteuerung der Druckgeber p erfolgt dabei über die in der Figur angedeutete Steuereinheit 5. 1 shows a first example of a membrane lens system according to the present invention. In this example, the membrane lens system comprises three chambers a, b, c passing through two elastic membranes 1 fluid-tightly separated from each other. The membrane lens system is made of three superimposed bonded silicon substrates 2 formed between which the membrane 1 lie. The light entry and exit sides are each over an optically transparent plate 3 hermetically sealed. In the individual fluid chambers a, b, c are in this example via fluid channels 4 in the silicon substrates 2 different Liquide with different optical properties, ie above all different refractive index and different dispersion behavior, filled, as with the different hatching in the 1 is indicated. By a pressure-controlled volume change in the chambers a and c, the volume in chamber b can be changed in order to set the membrane radii specifically einzu. The control of the pressure transducer p is carried out via the indicated in the figure control unit 5 ,

Die drei weiter oben angeführten Basisgleichungen (Gleichungen (1) bis (3)) führen zu einem Gleichungssystem, das nach den Durchbiegungsparametern c der drei Einzelkammern a, b, c aufgelöst werden kann:

wobei die Determinante D durch

gegeben ist. Dabei sind φ = Φ_a + φ_b + φ_c die Gesamtbrechkraft, n_a, n_b, n_c, die jeweiligen Brechungsindizes sowie Δn_a, Δn_b, Δn_c, die jeweiligen Hauptdispersionen. Die Krümmungsradien R der einzelnen Membranflächen ergeben sich dann aus den Durchbiegungsparametern

Bezogen auf die beiden Membrankrümmungen c lässt sich auch schreiben

The three basic equations given above (equations (1) to (3)) lead to a system of equations which can be resolved according to the deflection parameters c of the three individual chambers a, b, c:

wherein the determinant D by

given is. In this case, φ = φ _a + φ _b + φ _{c are} the total refractive power, n _a , n _b , n _c , the respective refractive indices and Δn _a , Δn _b , Δn _c , the respective main dispersions. The radii of curvature R of the individual membrane surfaces then result from the deflection parameters

Relative to the two membrane curvatures c can also be written

Für eine gewünschte variable Brechkraft und vorgegebene Fluide lassen sich somit die erforderlichen Membranradien angeben. Mit drei Fluiden und drei zu befüllenden Kammern ergeben sich 6 verschiedene Konfigurationen bezüglich der Kammerbefüllung. Günstigerweise wird die Konfiguration gewählt, bei der gleichzeitig, d. h. zusätzlich zur Korrektur der chromatischen Abbildungsfehler, die monochromatischen Aberrationen (z. B. sphärische Aberration) am geringsten sind.For a desired variable refractive power and given fluids can thus specify the required membrane radii. With Three fluids and three chambers to be filled arise 6 different configurations regarding chamber filling. Conveniently, the configuration is chosen at the same time, d. H. in addition to correcting the chromatic aberration, the monochromatic aberrations (eg, spherical aberration) are lowest.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der sphärischen Aberration besteht darin, die optisch starren Endflächen nicht eben, sondern sphärisch oder auch asphärisch gekrümmt auszubilden. Im Falle sphärischer Endflächen ist es möglich, Gleichung (3) entsprechend den gewählten starren Radien anzupassen, um zur Lösung zu gelangen.Another possibility for reducing the spherical aberration is to form the optically rigid end surfaces not even, but spherical or aspherical curved. In the case of spherical end faces, it is possible to match equation (3) according to the selected rigid radii to reach the solution.

2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Membranlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel werden sechs Fluidkammern a, b1, b2, c1, c2 und d realisiert, die jeweils paarweise durch eine elastische Membran 1 voneinander getrennt sind. Die einzelnen Paare sind über dünne optisch transparente Platten 6 voneinander getrennt. Diese beiden innen liegenden transparenten Platten 6, bspw. Glasplatten, gewährleisten eine voneinander unabhängige Auslenkung der einzelnen Membranen 1. Die weiteren Elemente entsprechen denen der 1. 2 shows another example of a membrane lens system according to the present invention. In this example, six fluid chambers a, b1, b2, c1, c2 and d are realized, each in pairs by an elastic membrane 1 are separated from each other. The individual pairs are over thin optically transparent plates 6 separated from each other. These two inside transparent plates 6 , For example. Glass plates, ensure an independent deflection of the individual membranes 1 , The other elements correspond to those of 1 ,

Auch hier kann wiederum ein Gleichungssystem aufgestellt werden, das jedoch unterbestimmt ist und somit unendliche viele Lösungen liefert, wie die folgenden Gleichungen zeigen: (φ = ca(na – 1) + cb(nb – 1) + cc(nc – 1) + cd(nd – 1) (10) 0 = caΔna + CbΔnb + ccΔnc + CdΔnd (11) Here again, a system of equations can be set up, but it is under-determined and thus provides infinite solutions, as the following equations show: (φ = c a (n a - 1) + c b (n b - 1) + c c (n c - 1) + c d (n d - 1) (10) 0 = c a .DELTA.n a + C b .DELTA.n b + c c .DELTA.n c + C d .DELTA.n d (11)

Der zusätzliche Freiheitsgrad wird genutzt, um monochromatische Aberrationen wie bspw. den Öffnungsfehler (sphärische Aberration) der Linse zu korrigieren.Of the additional degree of freedom is used to monochromatic Aberrations such as the opening error (spherical Aberration) of the lens.

Die Kammerbefüllung erfolgt in optimaler Reihenfolge der Liquide. Die Systemoptimierung kann hierbei mit Strahldurchrechnungs-Software erfolgen, mit der sich die erforderlichen Membranradien für eine feste Brennweite berechnen lassen. Durch wiederholte Systemoptimierung bei gleich bleibenden optischen Medien jedoch unterschiedlichen Brennweiten kann eine Look-Up-Tabelle für die erforderlichen Radien bei jeweiliger Brennweite für den gewünschten Brennweitenbereich aufgestellt werden.The Chamber filling takes place in optimal order of the liquids. The system optimization can be done with beam calculation software take place, with which the required membrane radii for calculate a fixed focal length. Through repeated system optimization but with different optical media but different Focal lengths can be a look-up table for the required Radii at the respective focal length for the desired Focal length range can be set up.

Eine weitere erfindungsgemäße Variante dieses Mehrkammersystems der 2 sieht vor, die erste und letzte Kammer mit einem Gas oder Luft sowie die Kammern b1, b2 und c1, c2 mit jeweils gleichem optischen Liquid zu befüllen. Für das Berechnungsmodell werden die Kammern b1, b2 und c1, c2 als jeweils eine Kammer b bzw. c behandelt, wie in 2 veranschaulicht ist. Da in den Kammern a und d die Dispersion dann vernachlässigbar ist (Δn_a = Δn_d = 0) sowie der Brechungsindex näherungsweise zu Eins wird (n_a = n_d ≈ 1), reduziert sich obiges Gleichungssystem (10), (11) und kann aufgelöst werden zu

Another inventive variant of this multi-chamber system of 2 provides to fill the first and last chamber with a gas or air and the chambers b1, b2 and c1, c2, each with the same optical liquid. For the calculation model, the chambers b1, b2 and c1, c2 are each treated as a chamber b or c, as in 2 is illustrated. Since in the chambers a and d, the dispersion is then negligible (Δn _a = Δn _d = 0) and the refractive index is approximately one (n _a = n _d ≈ 1), the above equation system (10), (11) and can be resolved too

Hierbei sind in den beiden Durchbiegungen c_b = c₃ – c₅ und c_c = c₅ – c₇ drei unabhängige Radien verfügbar, welche zur Minimierung des Öffnungsfehlers genutzt werden. Mit den gegebenen optischen Medien findet man Durchbiegungen mit entweder minimaler sphärischer Aberration oder Durchbiegungen, für die diese sogar zu Null wird.Here are in the two deflections c _b = c ₃ - c ₅ and c _c = c ₅ - c ₇ three independent radii available, which are used to minimize the opening error. With the given optical media, one finds deflections with either minimal spherical aberration or deflections for which it even becomes zero.

Mit einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich für eine feste Brennweite ein parabelförmiger Verlauf des Öffnungsfehlers über der als Durchbiegungsparameter gewählten Krümmung c₃ mit keiner, einer oder zwei Nullstellen. 3 zeigt eine Höhenliniendarstellung des Öffnungsfehlers in Abhängigkeit der Krümmung c₃ für einen Brennweitenbereich von –40 mm ≤ f' ≤ +40 mm mit markiertem Verlauf der Nullstellen. Gestrichelte Linien entsprechen den Lösungen für die die sphärische Aberration zu Null wird. Auf diese Weise wird ein c3 gefunden, das für die jeweilige Konfiguration optimal im Sinne einer minimalen sphärischen Aberration ist. Die Flächenkrümmungen c₅ und c₇ leiten sich dann direkt aus den oben angegebenen Gleichungen ab. Die sphärische Aberration und der chromatische Fehler der planparallelen Platten werden bei der Berechnung der erforderlichen Membranradien in Form eines variablen Offsets berücksichtigt und vorgehalten.With such a configuration, a parabolic shape of the aperture error over the curvature c ₃ selected as a deflection parameter with no, one or two zeros results for a fixed focal length. 3 shows a contour plot of the aperture error as a function of the curvature c ₃ for a focal length range of -40 mm ≤ f '≤ +40 mm with marked course of the zeros. Dashed lines correspond to solutions for which the spherical aberration becomes zero. In this way a c3 is found which is optimal for the respective configuration in the sense of a minimal spherical aberration. The surface curvatures c ₅ and c ₇ are then derived directly from the equations given above. The spherical aberration and the chromatic aberration of the plane-parallel plates are taken into account and stored in the calculation of the required membrane radii in the form of a variable offset.

Für die Steuereinheit zur Steuerung des Drucks oder Volumens in den einzelnen Fluidkammern des Membranlinsensystems werden die für die einzelnen einstellbaren Brennweiten erforderlichen Drücke, für die sich eine gewünschte Abbildungskorrektur ergibt, vorzugsweise vorausberechnet und in Form einer Tabelle hinterlegt. 4 zeigt hierzu ein Beispiel für vorbestimmte Membranradien für ein Membranlinsensystem gemäß der Ausgestaltung der 2. Die einzustellenden Membranradien für die drei Membrane können aus dieser Figur oder einer der Figur zugrunde liegenden Tabelle entnommen werden. Diese Berechnung wurde unter Einsatz von n_b = 1.3250, Δn_b = 0.003788, ν_b = 85.8 und n_c = 1.5000, Δn_c = 0.0120, ν_c = 41.7 als optischen Liquiden in den Kammern b1, b2 und c1, c2 durchgeführt.For the control unit for controlling the pressure or volume in the individual fluid chambers of the membrane lens system, the pressures required for the individual adjustable focal lengths, for which a desired imaging correction results, are preferably precalculated and stored in the form of a table. 4 shows an example of predetermined membrane radii for a membrane lens system according to the embodiment of 2 , The membrane radii to be set for the three membranes can be taken from this figure or from a table on which the figure is based. This calculation was made under Use of n _b = 1.3250, Δn _b = 0.003788, ν _b = 85.8 and n _c = 1.5000, Δn _c = 0.0120, ν _c = 41.7 performed as optical liquids in the chambers b1, b2 and c1, c2.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein variables achromatisches optisches Membranlinsensystem bereitgestellt, das einen Volumen begrenzenden Hohlkörper mit einer Symmetrieachse, starren optischen Stirnflächen sowie zumindest zwei innen liegenden elastischen Membranen umfasst, welche den Hohlkörper in vorgegebenen axialen Abständen derart unterteilen, dass mehrere abgeschlossene Fluidkammern entstehen. In diese Fluidkammern kann über in den Hohlkörper integrierte Fluidkanäle, die mit Fluidreservoirs verbunden sind, blasenfrei ein optisches Fluid eingefüllt werden, dessen Druck oder Volumen sich unabhängig voneinander mittels Druckgebern derart regeln lässt, dass sich vordefinierte Membranwölbungen einstellen. Die Membranwölbungen werden für die verwendeten optischen Fluide derart vorbestimmt und eingestellt, dass die Brennweite des optischen Systems variabel veränderbar ist und gleichzeitig chromatische und optional auch monochromatische Abbildungsfehler minimiert werden. Mit dem System können sowohl Sammel- als auch Zerstreuungslinsen realisiert werden.With The present invention thus becomes a variable achromatic optical membrane lens system provided that has a volume limiting hollow body with a symmetry axis, rigid optical end faces and at least two inside comprises elastic membranes which the hollow body in subdivide predetermined axial distances such that several closed fluid chambers arise. In these fluid chambers can via fluid channels integrated in the hollow body, which are connected to fluid reservoirs, bubble-free an optical Be filled with fluid, its pressure or volume itself Regulate independently by means of pressure transmitters lets that predefined membrane bulges to adjust. The membrane buckles are for the used optical fluids so predetermined and adjusted, that the focal length of the optical system variable variable is and at the same time chromatic and optionally also monochromatic Aberrations are minimized. With the system can Both collecting and diverging lenses are realized.

In der 5 ist beispielhaft der Strahlenverlauf durch das Membranlinsensystem der 2 in zwei unterschiedlichen Einstellungen des Membranlinsensystems dargestellt. Die obere Teilabbildung zeigt das Membranlinsensystem in einer Betriebsweise, bei der es eine Sammellinse bildet. Die untere Teilabbildung zeigt das gleiche Membranlinsensystem in einer Betriebsweise, bei der es eine Zerstreuungslinse bildet. Beide Ausgestaltungen unterscheiden sich im unterschiedlichen Druck bzw. Volumen in den einzelnen Fluidkammern.In the 5 is exemplary of the beam path through the membrane lens system of 2 shown in two different settings of the membrane lens system. The upper part illustration shows the membrane lens system in a mode of operation in which it forms a converging lens. The lower part figure shows the same membrane lens system in a mode of operation in which it forms a diverging lens. Both embodiments differ in the different pressure or volume in the individual fluid chambers.

6 zeigt für das sammelnde Membranlinsensystem der 5 die berechnete Modulationsübertragungsfunktion sowie die berechnete chromatische Längsaberration. 6 shows for the collecting membrane lens system of 5 the calculated modulation transfer function and the calculated longitudinal chromatic aberration.

Der das Volumen der Fluidkammern begrenzende Hohlkörper muss nicht in jedem Falle rein zylindrisch sein, wie dies in den 1 und 2 der Fall ist. Vielmehr besteht die Möglichkeit, diesen Hohlkörper und damit die äußeren Begrenzungen der Fluidkammern je nach Anwendung beliebig zu gestalten. 7 zeigt hierzu zwei beispielhafte Ausgestaltungen. Im linken Teil der Figur weist der Hohlraum eine konische Form auf, in der rechten Teilabbildung ist der Hohlraum aus zwei zylindrischen Teilvolumina unterschiedlichen Durchmessers zusammengesetzt.The volume of the fluid chambers delimiting the hollow body does not always have to be purely cylindrical, as in the 1 and 2 the case is. Rather, it is possible to make this hollow body and thus the outer boundaries of the fluid chambers, depending on the application. 7 shows two exemplary embodiments. In the left part of the figure, the cavity has a conical shape, in the right part of the figure, the cavity is composed of two cylindrical partial volumes of different diameters.

Auch die Aperturgeometrien des Membranlinsensystems lassen sich beliebig gestalten. 8 zeigt hierzu beispielhaft vier unterschiedliche Ausgestaltungen bzw. geometrische Formen der Apertur in Aufsicht.The aperture geometries of the membrane lens system can also be designed as desired. 8th For this purpose, four exemplary embodiments or geometric shapes of the aperture in supervision.

Bei einer Ausgestaltung eines Membranlinsensystems gemäß 2 mit zwischenliegenden starren Platten 6 können diese Platten auch zusätzlich so beschichtet oder ausgebildet sein, dass sie eine integrierte Blende bilden. 9 zeigt ein Beispiel für die Realisierung eines derartigen Membranlinsensystems mit einer integrierten Blende 8.In one embodiment of a membrane lens system according to 2 with intermediate rigid plates 6 In addition, these plates may additionally be coated or formed in such a way that they form an integrated diaphragm. 9 shows an example of the realization of such a membrane lens system with an integrated aperture 8th ,

10 zeigt schließlich noch beispielhaft eine Ausgestaltungsmöglichkeit, bei der eine der starren Abdeckplatten 3 des Membranlinsensystems eine Linse 9 fester Brennweite bildet. 10 Finally, by way of example, shows a design possibility in which one of the rigid cover plates 3 of the membrane lens system a lens 9 fixed focal length forms.

11: flexible Membranflexible membrane
22: Siliziumsubstratsilicon substrate
33: optisch transparente Platte (Abdeckung)optical transparent plate (cover)
44: Fluidkanälefluid channels
55: Steuereinheitcontrol unit
66: dünne optisch transparente Plattethin optically transparent plate
77: Aperturaperture
88th: integrierte Blendeintegrated cover
99: Linselens
a–ca-c: Fluidkanälefluid channels
pp: Druckgeberthruster

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2006/011937 A2 [0003]

Claims

A fluidic membrane lens system comprising a plurality of fluid chambers (a-d), which covers on one optical axis of the membrane lens system between two covers which are transparent to optical radiation of a wavelength range (US Pat. 3 ) are arranged one behind the other, - of which at least two in each case by at least two flexible, transparent to optical radiation of the wavelength range membrane ( 1 ) are separated from each other in a fluid-tight manner, and - in each of which at least one fluid channel ( 4 ), via which the pressure of a fluid chamber (a-d) filling, for transparent optical radiation of the wavelength range can be influenced, wherein at least two of the fluids in the fluid chambers (a-d) have a different refractive index, characterized in that a control unit ( 5 ) is provided for controlling the respective pressure or volume of the fluids filling the fluid chambers (a-d), which controls the respective pressure as a function of a predeterminable focal length of the membrane lens system such that one or more chromatic and / or monochromatic aberrations are minimized at the focal length are.

Membrane lens system according to claim 1, characterized in that the control unit ( 5 ) comprises a memory with a table indicating the respective pressure for minimizing for different focal lengths and to which the control unit ( 5 ) in the control.

Membrane lens system according to claim 1 or 2, characterized in that between the transparent covers ( 3 ) three fluid chambers (a-c) are arranged, which are separated by the two flexible, transparent to optical radiation of the wavelength range membrane ( 1 ) are separated from each other in a fluid-tight manner.

Membrane lens system according to claim 1 or 2, characterized in that between the transparent covers ( 3 ) six fluid chambers (a-d) are arranged, each in pairs by a flexible, transparent to optical radiation of the wavelength range membrane ( 1 ) are separated from one another in a fluid-tight manner, wherein the individual pairs are each guided by a rigid plate (4) transparent to optical radiation of the wavelength range ( 6 ) are separated from each other.

Membrane lens system according to claim 4, characterized in that the rigid plates ( 6 ) are provided with a coating for anti-reflection and / or filtering and / or opening limitation.

Membrane lens system according to claim 4 or 5, characterized in that the rigid plates ( 6 ) have the same or similar optical properties, in particular refractive index and dispersion, as the fluids surrounding them.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the fluids in the fluid chambers (a-d) has an abnormal relative partial dispersion and the control unit ( 5 ) is designed so that it controls the respective pressure as a function of the predeterminable focal length of the membrane lens system so that the membrane lens system has the same focal length at the focal length for three wavelengths.

Membrane lens system according to one of the claims 1 to 7, characterized in that the fluid chambers (a-d) by cylindrical or frustoconical cavities are formed.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 8, characterized in that one or both covers ( 3 ) are flat plates.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 8, characterized in that one or both covers ( 3 ) are curved plates.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 8, characterized in that one or both covers ( 3 ) are rigid lenses of spherical or aspheric form.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 8, characterized in that one or both covers ( 3 ) flexible membrane ( 1 ) are.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the fluids have the same density to minimize the influence of gravity and strong accelerations.

Membrane lens system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the fluid chambers (a-d) in stacked and interconnected silicon substrates ( 2 ) are formed.

Membrane lens system according to one of the claims 1 to 14, which is manufactured by methods of microsystems technology.

Membrane lens system according to one of the claims 1 to 15, characterized in that one by outline and location the liquid chambers (a-d) fixed lens aperture has a non-circular shape, in the non-rotational symmetric Aberrations of the membrane lens system corrected at least partially are.

Array of membrane lens systems, which after a of claims 1 to 16 are formed.

An array according to claim 17, wherein the respective ones in the same place between the covers ( 3 ) lying fluid chambers (a-d) of the membrane lens systems are interconnected by fluid channels, so that they can be controlled together.

Method for operating a fluidic membrane-lens system having a plurality of fluid chambers (a-d), which are provided on an optical axis of the membrane-lens system between two covers transparent to optical radiation of a wavelength range (US Pat. 3 ) are arranged one behind the other, - of which at least two in each case by at least two flexible, transparent to optical radiation of the wavelength range membrane ( 1 ) are separated from each other in a fluid-tight manner, and - in each of which at least one fluid channel ( 4 ), via which the pressure or the volume of a fluid, which fills the fluid chamber (a-d) and is transparent to optical radiation of the wavelength range, can be influenced, in which the fluid chambers (a-c) are filled with fluids, at least two of which are mutually separate have different refractive index, characterized in that is calculated and adjusted for a given focal length of the respectively required pressure or the respective required volume, wherein at the focal length one or more chromatic and / or monochromatic aberrations are minimized.

A method according to claim 19, characterized in that during the filling of the fluid chambers (a-d), an order of the fluids between the two transparent covers ( 3 ) at which the least monochromatic aberration occurs.

A method according to claim 19, characterized in that in a membrane lens system according to claim 4 or 5, the two to the transparent covers ( 3 ) adjoining fluid chambers (a, d) with a gas or gas mixture and the two each via the transparent plates ( 6 ) adjacent fluid chambers (b1, b2 or c1, c2) are filled with the same fluid.

Method according to claim 19, characterized that the fluid chambers (a-c) with fluids of the same density be filled to the influence of gravity and strong To minimize accelerations.