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Einleitung:
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Die Erfindung betrifft eine eigentlich ursprünglich passive transmissive optische Komponente, beispielsweise eine Linse, mit optisch-funktionalen variablen Eigenschaften, beispielsweise der Brennweite.
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Stand der Technik:
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Adaptive Optiken spielen in der Angewandten und Technischen Optik eine wichtige Rolle; man kann ohne Auswechslung der Linse oder anderer optischer Komponenten die funktionalen Eigenschaften den gegebenen Umständen sofort und ohne großen Aufwand anpassen. Meist sind adaptive Optiken in Form von mechanisch-optischen Aufbauten realisiert worden. Dabei handelt es sich beispielsweise um konventionelle Linsen, deren Abstände man mechanisch variieren kann. Allerdings sind dazu feinmechanische Vorrichtungen erforderlich, und die einzelnen optischen Komponenten müssen bewegt werden. Daher sind solche Aufbauten sehr anfällig gegenüber diversen Umwelteinflüssen wie Vibration oder Verschmutzung. Man ist daher bestrebt, adaptive Optiken zu entwickeln, die möglichst ohne mechanische Verstellvorrichtungen auskommen können. Eine Alternative dazu stellen die Flüssiglinsen dar [1]: B. Berge hat 2002 ein Konzept entwickelt, bei dem zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten schichtweise übereinanderliegen. Legt man nun eine Spannung an, so verändert sich die Form der Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeiten und somit auch deren optisch-funktionalen Eigenschaften wie Refraktion, Brennweite etc. (Electrowetting). Dabei kann ein gesamtes Objektiv mit starrer und verstellbarer Optik durch eine einzelne adaptive Optik ersetzt werden. Auch andere Anbieter wie beispielsweise Edmund Optics/optotune bieten ebenfalls elektrisch adaptive Optiken auf Flüssigkeitsbasis an [2]: dabei ist eine optische Flüssigkeit zwischen zwei Polymermembranen eingeschlossen. Diese werden wiederum seitlich mit einem Ring gehaltert. Durch eine elektrische Ansteuerung wird die Form des Ringes und somit die Form der damit verbundenen Polymermembran und damit die des optischen Flüssigkeitskörpers verändert. Dadurch kann die Brennweite kontrolliert eingestellt werden. Eine andere Art von adaptiven Optiken stellen die sogenannten viskosen Linsen dar. Die Linse selber ist aus einem viskosen Material hergestellt worden, deren Form sich durch mechanische Kräfteeinwirkung ändern kann: durch bloße Druckeinwirkung kann somit die Brennweite kontrolliert gesteuert werden. Auch feste, aber deformierbare Linsen können als adaptive Optiken eingesetzt werden; das beste Beispiel hierfür ist das (menschliche) Auge.
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Aufgabenstellung:
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, dass passive transmissive optische Komponenten entwickelt werden sollen, deren optische und/oder funktionale Eigenschaften kontrolliert gesteuert und somit zeitlich veränderbar sind, ohne dass ein allzu großer apparativer Aufwand erforderlich ist. Dies ist besonders für die Mikrotechnik bzw. Mikrooptik wichtig, bei der im Allgemeinen wenig Platz zur Verfügung steht.
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Lösungsweg:
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Zunächst wird der Lösungsweg anhand einer Linse bezüglich der Brennweite erläutert und anschließend auf weitere passive optische Komponenten bezüglich anderer optischer Eigenschaften ausgedehnt und verallgemeinert. Außerdem werden ein paar exemplarische Beispiele eingehender erörtert. Eine Linse besitzt je nach Funktion eine bi- oder plankonvexe oder -konkave Form. Im allgemein besteht eine Linse aus einem optischen (transparenten) Material mit homogenen optischen Eigenschaften, d. h. das Material an der Oberfläche besitzt dieselben optischen Materialeigenschaften wie das Material innerhalb des Linsenvolumens (abgesehen von Spezialfällen wie Linsenfehler-korrigierte Linsensysteme bestehend z. B. aus Korn- und Flintglas oder Linsen mit unerwünschten fertigungsbedingten Produktionsfehlern, die außerhalb der Toleranzgrenze liegen und daher Ausschussware darstellen). Nun kann man sich den Linsenkörper in eine äußere Hülle (Außenhülle) und einem inneren Bereich (Innenbereich oder Innenraum) unterteilt vorstellen. Durch Wegnahme des Materials aus dem inneren Bereich entsteht im Linsenkörper ein Hohlraum und man erhält so einen Hohlkörper mit derselben äußeren Form der ursprünglichen Linse, sozusagen einen hohlen Linsenkörper (Hohllinse), allerdings mit veränderten optisch-funktionalen Eigenschaften im Vergleich zur ursprünglichen Linse, da die Brechzahlverteilung im Innenbereich sich verändert hat. Die Außenhülle dient nun als Gefäß oder Leerbehälter für ein fluides Medium (Fluidum oder Fluidmedium), bzw. zu dessen Aufnahme. Das fluide Medium muss fließfähig sein; dabei kann es sich um eine Flüssigkeit oder Gas oder um irgendein anderes fließfähiges Medium (Pulver, Sand, Rauch, Dampf, Aerosol, Lösung, Emulsion, Schaum, Suspension, oder irgendein anderes homogenes oder heterogenes Gemisch (Dispersion) etc.) handeln. Durch Ausbildung von mindestens einem Anschluss, besser von zwei Anschlüssen geeignet zum Einleiten und Ableiten des Fluidums lässt sich das fluide Medium mit einer bestimmten Brechzahl einführen und abführen. Dabei ist es egal, ob das Fluidum gasförmig oder flüssig ist. Mittels der Anschlüsse lässt sich der Innenraum mit dem Fluidum auffüllen und dadurch die Brechzahlverteilung im Innenbereich der Linse gezielt einstellen und somit die Brennweite kontrolliert steuern. Jede Art von Linse (Sammellinse, Streulinse, bikonvexe, bikonkave, plankonvexe, plankonkave, konkav-konvexe oder konvex-konkave Linse) oder Kombinationen hiervon kann für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Anstelle einer konventionellen Sammel- oder Streulinse kann auch eine Fresnellinse eingesetzt werden, oder Kombinationen zwischen einer konventionellen Linse oder einer Fresnellinse mit anderen optischen Komponenten wie beispielsweise eine konventionelle Linse mit einer anderen konventionellen Linse oder mit einer Fresnellinse, oder eine Kombination zwischen zwei Fresnellinsen, oder eine konventionelle Linse oder eine Fresnellinse mit einer Gitterstruktur oder einem Prisma oder einer anderen optischen Komponente, die keine Linse darstellt. Auch komplexe Linsensysteme wie z. B. ein Linsen-Array oder -Dublett oder Objektive oder Kombinationen hiervon oder mit anderen passiven oder aktiven optischen Nicht-Linsen-Komponenten zählen dazu. Auch bei achromatischen Linsensystemen ist es denkbar, deren funktionale Eigenschaften wie Brechungsindex durch den Durchfluss des Fluidums zu steuern, so dass der farbfehlerfreie Bereich sich dadurch frei verschieben lässt. Der Durchfluss von Fluidum durch den inneren Hohlraum der Linse ist auch geeignet, die Linse zu kühlen oder auch aufzuheizen, damit es eine genau definierte Temperatur erreichen kann.
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Fluide Medien:
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Auch können zwei oder mehrere verschiedene Flüssigkeiten oder fluide Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften (Brechzahl, Transmission o. a.) durch jeweils eine eigene Zuleitung eingeleitet werden, weil jede Flüssigkeit seine eigene Zuleitung besitzt, die man kontrolliert und unabhängig von den anderen Flüssigkeitszuleitungen steuern kann. Dabei kann es sich um miteinander mischbare oder nicht mischbare Flüssigkeiten handeln. Falls es sich um miteinander mischbare Flüssigkeiten handelt, kann man die entsprechende optimale optische oder funktionale Eigenschaft durch das Mischungsverhältnis einstellen. Falls es sich um nicht-mischbare Flüssigkeiten handelt, kann man andere optische Effekte erzielen: beispielsweise wenn sich die erste Flüssigkeit im oberen und die zweite Flüssigkeit im unteren Bereich des Linsenkörpers befinden, können zwei verschiedene Brennpunkte mit unterschiedlichen Brennweiten realisiert werden. Der Lichteinfall auf die jeweiligen Brennpunkte ist dann asymmetrisch. Im Falle einer heterogen dispergierten Phase aus zwei sich nicht homogen mischbaren Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechungsindizes kann man die Brennweite ebenfalls mittels des Mischungsverhältnisses einstellen. Wenn beide Phasen unterschiedliche Brechungsindizes besitzen und man einen Konzentrationsgradient innerhalb des Flüssigkeitsvolumens erzielen kann, bei dem die Konzentration der ersten Phase von unten nach oben abnimmt und die Konzentration der zweiten Phase von unten nach oben zunimmt, woraus ein Brechzahlgradient resultiert, dann kann bei einfallendem Licht sogar eine Brennlinie parallel oder sogar direkt entlang auf der optischen Achse der Linse erzeugen werden. Wenn anstelle von zwei Phasen sich nur eine Phase im Hohlraum befindet, die aber anisotrop ist (d. h. der Brechungsindex abhängig von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts ist) und das einfallende Licht unpolarisiert oder zyklisch polarisiert ist, dann lassen sich zwei verschiedene Brennpunkte mit unterschiedlichen Brennweiten realisieren, wobei die beiden Brennpunkte sich hinsichtlich ihrer Polarisation unterscheiden. Wenn das einfallende Licht linear polarisiert ist, lässt sich beim Wechsel der Polarisationsebene der Brennpunkt wechseln. Weiterhin ist auch eine heterogene Dispersion aus zwei Phasen denkbar, die beide optisch unterschiedlich aktiv und unterschiedlich anisotrop sind. So ergeben sich auch hier beim Einfall von unpolarisiertem oder zyklisch polarisiertem Licht zwei verschiedene Brennpunkte mit hinsichtlich ihrer Polarisation jeweils unterschiedlich fokussiertem Licht. Wenn nun das Mischungsverhältnis zwischen den beiden dispergierten Phasen verändert wird, dann lassen sich die beiden Brennpunkte noch räumlich auseinanderziehen; und wenn ein Konzentrationsgradient der einzelnen Phasen im inneren Linsenhohlraum vorliegt, entstehen mehrere Brennlinien parallel zur optischen Achse, und der Lichteinfall in die jeweiligen Brennlinien kann asymmetrisch gestaltet werden. Man kann auch die Zuleitung für eine Flüssigkeit so ausgestalten, dass diese aus zwei Unterzuleitungen besteht, die vor dem eigentlichen Eintritt in den hohlen Linsenkörper sich vereinigen: die erste Unterzuleitung ist für die eigentliche Flüssigkeit und die zweite Unterzuleitung für eine Verdünnungsflüssigkeit vorgesehen (je nach Anforderung kann es sich um Verdünnungsmedien mit einem polaren (z. B. Wasser) oder unpolaren Charakter (z. B. n-Hexan) oder um Verdünnungsmedien handeln, die sowohl einen polaren als auch einen unpolaren Charakter besitzen (wäßrig gelöste Tenside, Alkohole)). Dadurch kann man die Wirkung der Flüssigkeit auf die optischen oder funktionalen Eigenschaften besonders genau und gezielt einstellen. So kann man auch eine Flüssigkeit mischen und mit dieser den Linsenhohlraum füllen, die denselben Brechungsindex besitzt wie das ursprüngliche Linsenmaterial, das aus dem Inneren der Linse entfernt worden ist bzw. wie das Linsenmaterial der Außenhülle der Linse, so dass der erfindungsgemäße Effekt temporär verschwindet. Übrig bleiben dann nur noch beobachtbare Effekte, die von der Turbulenz oder von einer Schlierenbildung im Fluidum herrühren. Innerhalb des Linsenhohlraums müssen die beiden oder mehreren Flüssigkeitskomponenten nicht unbedingt homogen gemischt sein, sondern es kann auch eine inhomogene Flüssigkeitsverteilung (z. B. ein Konzentrationsgradient innerhalb des Fluidums) vorliegen. Damit verbunden sind auch die entsprechenden physikalisch-optischen und optisch-funktionalen Eigenschaften räumlich inhomogen verteilt, wie beispielsweise Brechzahl, Absorption oder Dispersionseigenschaften. So besitzt die Linse beispielswiese in ihrer oberen Hälfte eine höhere Dispersion als in ihrer unteren Hälfte oder umgekehrt. So hat die Linse zwei Funktionen: erstens eine Strahlformung (Fokussierung oder Kollimation) und zweitens eine Dispersion wie ein Prisma. Anstelle eines Linsenhohlkörpers kann man auch ein Prismenhohlkörper oder etwas anderes nehmen. Bei dem fluiden Medium muss es sich nicht unbedingt um eine Flüssigkeit handeln, es kann auch jedes andere fließfähige Medium wie Gas o. a. dazu benutzt werden. Anstelle von flüssigen oder gasförmigen Fluiden kann man sich auch andere Fluidmedien vorstellen, wie beispielsweise Pulver (z. B. mit einem Korndurchmesser in Nanometergröße), sandartige Medien oder (bipolare) Elektrolyte/Polyelektrolyte. Man kann auch magnetische Nanopartikel entweder in reiner oder in gelöster Form verwenden. Dadurch wird das fließfähige Medium magnetisch, und man kann es durch ein extern angelegtes Magnetfeld steuern, beispielsweise in der Zu- oder Ableitung oder auch innerhalb des Linsenkörpers. Eventuell kann man durch das externe Magnetfeld auch die funktionalen Eigenschaften des fließfähigen magnetischen Mediums beeinflussen, beispielsweise Orientierung der magnetischen Nanopartikel. Eine magnetische Flüssigkeit kann auch so ausgestaltet werden, dass der magnetische Flüssigkeitskörper durch Einwirkung des externen Magnetfeldes seine Form sogar ohne äußere Linsenhülle ändern kann. Analoges gilt auch für elektrisch aufgeladene Partikel und elektrische Felder. Auch zweiphasige Fluide wie beispielsweise Polymerlösungen oder auch Salzlösungen sind denkbar. Auch Niederdruckplasmen könnten ein fluides Medium darstellen, die man durch den Linsenkörper fließen lassen kann. Eine besondere Flüssigkeit sind auch Elektrolyte oder Pyroelektrolyte oder auch LCD/Flüssigkeitskristalle oder andere Fluidmedien mit anisotropen Eigenschaften. Besonders bei letzterem läßt sich die Polarisation durch Anlegen einer externen Spannung an in den (Linsen-)körper implementierte Elektroden kontrolliert steuern, eventuell auch ortsaufgelöst, wenn man den Linsenkörper vorher in kleine Kammern unterteilt, bei der jede Kammer sein eigenes Zu- und Ableitungssystem und Elektroden- und Spannungsversorgungssystem besitzt und unabhängig voneinander steuerbar ist (siehe Ausführungen weiter unten). Der Weg zu einem SLM (Spatial Light Modulator) ist dann nicht mehr allzu weit. Wenn als fluides Medium Flüssigkristalle verwandt werden und in der Außenhülle der optischen Komponenten Elektroden eingebaut werden, so lässt sich bei Spannungsbeaufschlagung auch die gewünschte Polarisation einstellen. Durch eine (schlagartige) Änderung der Transmission von 100% auf 0% (oder umgekehrt) lässt sich auch ein ortsaufgelöster fluidooptischer Schalter in Linsenform realisieren und aus einer passiven optischen Komponente wird eine aktive optische Komponente mit fokussierenden Eigenschaften. Neben extern angelegter Spannung oder Magnetfelder kann auch durch Erwärmung, mechanischem Druck, akustische Wellen u. a. die optischen Eigenschaften des Fluidums und somit die funktionalen Eigenschaften der optischen Komponente verändert werden. Als ein spezielles Ausführungsbeispiel kann man eine zu untersuchende flüssige Analytlösung oder ein anderes Analytmedium durch einen Linsenhohlkörper fließen lassen. Je nach Brechzahl des flüssigen Analyten ändert sich die Brennweite, und der Brennpunkt wandert von einer räumlichen Position zu einer anderen. Hängt nun die Brechzahl der flüssigen Analytlösungen von der Konzentration und der Analytart des in ihr gelösten Analyten ab, so ist die Brennweite bzw. die Position des Brennpunktes ein Maß für die Analytkonzentration oder der Analytart in der Flüssigkeit. Ebenfalls kann dadurch auch die Absorption und somit die Intensität des fokussierten Lichtstrahls im Brennpunkt beeinflusst werden. Anstelle einer Linse kann man auch ein Hohlprisma oder einen Hohlkörper basierend auf einer anderen optischen Komponente verwenden.
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Kammer:
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Desweiteren kann man den Innenraum der Linse in verschiedene Kammern unterteilen, die jeweils ihre eigenen Zuleitungen besitzen. Dabei kann jede Kammer nur eine oder mehrere Zuleitungen für eine oder mehrere verschiedene Flüssigkeiten besitzen. Somit kann man unabhängig voneinander die Kammern mit verschiedenen Flüssigkeiten in unterschiedlicher Konzentration befüllen oder entleeren. Als ein weiteres Ausführungsbeispiel kann man sich den hohlen Innenbereich der Linse in viele, zur optischen Achse und zueinander parallele längliche Unterkammern unterteilt vorstellen. Befüllt man abwechselnd diese länglichen Unterkammern mit zwei verschiedenen Fluiden mit jeweils unterschiedlicher Brechzahl, dann kann man zwei unterschiedliche Brennpunkte mit zwei verschiedenen Brennweiten mit fast symmetrischem Lichteinfall bewerkstelligen. Befüllt man dagegen die oberen Unterkammern mit dem ersten Fluidum und die unteren Unterkammern mit dem zweiten Fluidum, dann entstehen ebenfalls zwei Brennpunkte mit unterschiedlicher Brennweite, aber mit asymmetrischem Lichteinfall. Man kann auch jede einzelne Unterkammer mit einem Fluidum anderer Brechzahl befüllen: beispielsweise wenn das Fluidum eine Lösung oder Mischung ist, kann die Konzentration von unten nach oben zunehmen. Durch diesen Konzentrationsgradient kann man eine Brennlinie parallel zur optischen Achse mit asymmetrischem Lichteinfall erzeugen. In einer speziellen Ausführungsform kann der Hohlraum im Linsenkörper nicht das fast gesamte Innenvolumen umfassen, sondern nur ein Teil davon, beispielsweise die Hälfte, während die andere Hälfte durch konventionelles Linsenmaterial mit fester Konsistenz wie z. B. Glas oder Polymere aufgefüllt worden ist. Dabei kann dieses feste Linsenmaterial gleich oder anders als das feste Material der Linsenaußenhülle sein. Auch muss die Form des mit Fluidum bestückten Hohlraums innerhalb des Linsenkörpers nicht die gleiche Form der Außenhülle der Linse besitzen, sondern kann eine davon unabhängige oder abweichende Form haben; beispielsweise kann der mit Fluidum gefüllte Hohlraum eine Kugel- oder Quaderform oder eine bikonkave Form besitzen, während die Außenkontur der Linse beispielsweise bikonvex ist (und somit die Wirkung der bikonkaven Form des inneren Hohlraums teilweise aufhebt), oder der mit Fluidum durchflossene Hohlraum innerhalb des Linsenkörpers kann sich in Form eines Rohres oder Kanals mäanderförmig durch den Linsenkörper winden. Dies ist besonders gut geeignet, um die Linse abzukühlen oder auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen. Anstelle von mäanderförmigen Kanälen kann man auch andere Kanalformen benutzen, z. B. spiralförmige oder andere kurvenartige Kanalstrukturen. Auch kann man sich mehrere verschieden geformte Hohlräume innerhalb eines (Linsen-)körpers vorstellen: einmal einen linsenförmigen Hohlraum, der beispielsweise in der oberen Hälfte des Linsenkörpers sich befindet und genau dieselbe Form besitzt wie die Außenhülle der Linse (oder genau die gegenteilige Form der Außenhülle der Linse besitzt, z. B. bei einer Bikonvexlinse besitzt der Hohlraum eine bikonkave Form (, bspw. um die Wirkung der bikonvexen Außenhülle teilweise oder vollständig aufzuheben), und in der unteren Hälfte des Linsenkörpers ist ein prismaförmiger Hohlkörper ausbebildet, um Licht zu dispergieren. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich im Linsenhohlraum wieder ein fester Kern befinden, der durch das Fluidum umspült wird; oder das Fluidum kann durch einen äußeren Mantel hindurchgeleitet werden, um die Lichtführung zu manipulieren oder eine Strahlformung des einfallenden Lichtstrahls durchzuführen. Auch diese Konfiguration ist geeignet, um den Linsenkörper zu kühlen oder aufzuheizen, um es auf eine bestimmte Temperatur zu bringen.
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Herstellung:
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Die Herstellung des Hohlkörpers einer solchen Linse kann durch die Fertigung zweier Halbformen erfolgen, die danach zusammengefügt werden. Dabei muss man auch auf die Anschlüsse achten: mindestens ein Anschluss muss realisiert werden, der gleichzeitig als Zuleitung und als Ableitung fungiert, d. h. erst wird durch den Anschluss das fluide Medium eingeführt und anschließend durch denselben Anschluss wird das fluide Medium wieder abgeleitet und ausgetauscht. Vorteilhafterweise werden aber mindestens zwei Anschlüsse realisiert; der erste Anschluss als Zuleitung und der zweite Anschluss als Ableitung, so dass beide gleichzeitig in Betrieb genommen werden können und ein Durchfluss des fluiden Mediums realisiert werden kann. Damit kann man die optischen und funktionalen Eigenschaften der Linse zeitabhängig steuern. Durch das Hinzufügen eines jeden weiteren Anschlusses kann man den Zu- und Abfluss genauer steuern und kontrollieren. Auch eine hohle Glaskapillare kann als ein einfaches Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dienen: die Glaskapillare fungiert selber als Hohllinse, die Zuleitung sind bereits in Form der Glaskapillare selber realisiert worden und die Glaswände der Glaskapillare dient als refraktives Medium für die Linsenaußenhülle. Fließt nun ein Fluidum durch die Glaskapillare, so ändert sich aus oben besagtem Grunde die optisch-funktionalen Eigenschaften der Glaskapillare. Analoges gilt auch für Mikrokanalstrukturen in einem transparenten optofluiden Mikrochip (z. B. μ-TAS)
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optische Eigenschaften (zunächst hauptsächlich nur für Linse):
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Durch den Einsatz von fluiden Medien können noch andere optische und/oder funktionale Eigenschaften kontrolliert gesteuert werden wie beispielsweise das spektrale Absorptionsverhalten oder Transmissionsverhalten oder Reflexionsverhalten. Beispielsweise kann durch Einleitung einer rotgefärbten Flüssigkeit erreicht werden, dass nur noch Rotanteile des einfallenden Lichts transmittiert werden. Damit hat man sowohl eine Strahlformungsfunktion (Fokussierung oder Kollimation) mit einer Filterfunktion verbunden. Selbstverständlich können auch andere Farben verwendet werden. Auch andere optische und funktionale Eigenschaften der optischen Komponente, insbesondere der Linse, können durch das durchströmende Fluidum gesteuert werden, wie beispielsweise der komplexe Brechungsindex, Polarisationsverhalten, dielektrische Eigenschaften, Brechung (Refraktion), Beugung (Diffraktion), Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, Dispersionseigenschaften, Beugungseffizienz, numerische Apertur usw.. Auch lassen sich in gewissen Grenzen die mechanischen Eigenschaften oder andere physikalische Eigenschaften wie Gewicht, Festigkeit oder Schallgeschwindigkeit leicht variieren, falls es für die Anwendung relevant sein sollte.
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optische Komponenten
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Das Prinzip, die funktionalen und/oder optischen Eigenschaften einer optischen Komponente mittels eines durch einen entsprechend ausgestalteten Hohlkörper fließenden fluiden Mediums variabel zu gestalten, beschränkt sich nicht nur auf einzelne Linsen, sondern kann auch auf alle möglichen optisch passiven (und eventuell auch optisch aktiven) Komponenten ausgedehnt werden. Zu diesen optischen Nicht-Linsen-Komponenten zählen beispielsweise Spiegel (Planspiegel, Hohlspiegel, Wölbspiegel usw.), verschiedene Arten von Prismen (einfaches Prisma, Reflexionsprisma, Dispersionsprisma, Polarisationsprisma, Nicolsches Prisma, Rochon Prisma usw.), Gitter (Amplituden- oder Phasengitter, Echelette-Gitter usw.), planparallele Platten (z. B. zum kontrolliert gesteuerten Versatz eines einfallenden Lichtstrahls), optische Keile, Lichtwellenleiter (-stäbe), planare Wellenleiter (mit Totalreflexion oder verspiegelten Innenseiten wie Hohllichtwellenleiter), Filter, Deckgläser, optische Fenster, Strahlteiler, (Iris-)Blenden, Objektive (
DE 10 2014 111 167 , dort Seite 16) lambda/4-Plättchen, Verzögerungsplatten, Polarisatoren, Strahlfallen, Laserstäbe (z. B. laseraktives Medium für einen Flüssigkeitslaser), Diffraktive Optische Elemente (DOE), Volumen-Bragg-Gitter (VBG), Sonderoptiken, Strahlformer, Homogenisierer/Diffusoren, elliptische Diffusoren, Vortex-Linsen, Etalons, optische Masken wie Lithographiemasken usw., Abschwächer, Faraday Isolatoren, Abschwächer, Retroreflektoren, Kollimatoren, Faseroptiken, photonische Kristalle und andere optische Komponenten, wie sie beispielsweise in einschlägigen Produktkatalogen von den großen optischen Anbietern wie bspw.
http://www.lasercomponents.com/de/optik/optische-komponenten/ angeboten werden oder in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2014 014 414 aufgelistet sind. Auch sind alle Kombinationen zwischen den einzelnen Komponenten denkbar, egal, ob es sich hierbei um Linsen oder um andere optische Komponenten handelt (optische Hybridkomponenten). Dabei kann man alle möglichen physikalisch-optischen und funktionalen Eigenschaften (nicht nur Brechzahl, auch Transmission etc.) mittels des durch den inneren Hohlraum strömenden Fluids bei allen möglichen optischen Komponenten einschließlich sämtlicher Kombinationen hiervon kontrolliert variieren und steuern. Bei einem Spiegel stellt sich die Frage, welchen Bereich des Spiegels das Fluidum durchströmen soll: entweder den Bereich hinter der Spiegeloberfläche, um den Reflexionsgrad über die Fresnel'schen Formeln zu steuern, oder durch einen mittels des Fluidums zu durchströmenden flachen, abgeplatteten Hohlkörper vor der Spiegeloberfläche, welcher eben zusätzlich vor der Spiegeloberfläche implementiert worden ist, um das Reflexionsspektrum oder das Polarisationsverhalten o. a. zu steuern. In dieser Funktion dient der Hohlkörper als Filter oder Polarisator. Solch ein flacher, abgeplatteter Hohlkörper lässt sich auch vor anderen optischen Komponenten installieren, wie beispielsweise vor einer optischen Gitterstruktur oder vor photonischen Kristallen. Wenn z. B. ein Phasengitter von einem fluiden Medium umspült wird, dann lässt sich abhängig von der Brechzahl des Fluidums die Beugungseigenschaften wie Beugungswinkel oder Beugungseffizienz des Phasengitters kontrolliert einstellen.
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Anhand einiger exemplarischer Beispiele soll das Prinzip der mittels eines durchströmenden Fluidums steuerbaren funktionalen Eigenschaften von optischen Nicht-Linsen-Komponenten eingehend erörtert werden:
- – Bei einem Hohl-Prisma lässt sich die Dispersion mittels des durchströmenden Mediums gezielt steuern. Durch einen Konzentrationsgradienten kann der obere Teil des Prismas eine höhere Dispersion besitzen als der untere Teil des Prismas
- – Bei einer hohlen Gitterstruktur kann man die Brechzahl und somit den Beugungswinkel und/oder die Beugungseffizienz mittels des durchströmenden Mediums kontrolliert einstellen. Bei einem Absorptionsgitter kann man das spektrale Transmissionsverhalten und bei einem Phasengitter die Brechzahl/Phase einstellen
- – Bei einer hohlen planparallelen Platte kann man mittels des durchströmenden Mediums die Farbe und somit das spektrale Absorptionsverhalten der planparallelen Platte und somit deren Filterfunktion reproduzierbar regeln. Auch den Brechungsindex kann man dadurch einstellen und somit die optische Weglänge, den Gangunterschied, die Parallelverschiebung und auch den Bildebenenversatz der Platte steuern. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um Flüssigkristalle (LCD), so lässt sich die Polarisation des einfallenden Lichtes steuern, vergleichbar mit einem λ/4-Plättchens. Wird die hohle planparallele Platte noch in einzelne Kammern unterteilt (Kammerarray), die jede eine unabhängige Zu- und Ableitung sowie ein eigenes Elektrodenpaar besitzt, um extern eine Spannung anlegen zu können, so ist der Weg zu einem Spatial Light Modulator (SLM) nicht mehr weit.
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Spezielle Ausführungsbeispiele:
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Plasmalinse
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In der Laserschweißtechnik ist der sogenannte Tiefschweißeffekt bekannt: wenn genügend Laserleistung in das zu bearbeitende Metallstück eingekoppelt werden kann, dann verdampft das Metall von der Metalloberfläche und wird dann vom einfallenden Laserstrahl ionisiert: innerhalb der Schweißkuhle oder dem Dampfkanal bildet sich so eine laserinduzierte Plasmasäule aus. Da diese Plasmasäule aus geladenen Teilchen besteht, besitzt sie deswegen einen fokussierenden Effekt auf die einfallende elektromagnetische Laserstrahlung, so dass der Schweißeffekt u. a. neben der erhöhten Absorption auch dadurch noch verstärkt werden kann. Schon anhand des Tiefschweißeffektes kann man erkennen, dass die Form und Dichteverteilung eines Plasmas durch extern angelegte elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder beeinflusst werden können und dass das Plasma die einfallende Laserstrahlung formt. Da das Plasma aus geladenen Teilchen (in der Regel Ionen) besteht, hat dieses einen Einfluss auf einfallende elektromagnetische Strahlung, beispielsweise UV-, Vis- oder IR-Strahlung (Licht) (und auch auf extern angelegte elektrische und magnetische Felder). Durch ein gezielt angelegtes elektromagnetisches Feld kann man die Größe, Form und Dichteverteilung des Plasmas kontrolliert steuern, so dass dieser genau definiert eingestellte Plasmabereich auf einfallendes Licht eine bestimmte und beabsichtigte Wirkung oder Einfluss besitzt. Dies kann man beispielsweise zur gezielten Strahlformung eines einfallenden (Laser-)strahls verwenden. Diese Vorrichtung kann man auch als Plasmalinse bezeichnen. Auch eine zeitliche Änderung der funktionalen Eigenschaften der Plasmalinse erscheint möglich: durch Änderung des extern angelegten Feldes werden die funktionalen Eigenschaften der Plasmalinse wie Brennweite, Dispersion, „effektive Brechzahl” des Plasmas o. a. verändert, und so kann beispielsweise aus einer fokussierenden Sammellinse eine kollimierende Zerstreuungslinse werden oder umgekehrt. Auch kann durch Änderung des externen Feldes die Funktion des Plasmabereichs komplett verändert werden: aus einer „Plasmalinse” wird dann ein „Plasmaprisma” oder „Plasmagitter”, welches Licht nicht fokussiert oder kollimiert, sondern dispergiert (in einzelne Spektralfarben aufspaltet). Auch Plasma-Hybridelemente wie eine kombinierte „Plasmalinse” mit einer anderen „Plasmalinse” gleichen oder unterschiedlichen Typs, einem „Plasmaprisma” oder einem „Plasmagitter” sind theoretisch vorstellbar. Allerdings ist ein Einsatz in der Mikrotechnik/Mikrooptik wegen der aufwendigen Vorrichtung zur Erzeugung eines externen Feldes und eines Vakuums und eines Plasmas wahrscheinlich zunächst nur beschränkt möglich; es sein denn, man kann eine Mikro-„Plasmalinse” innerhalb eines Mikrosystems ausbilden.
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Rotationsspiegel
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Ein weiteres Beispiel für eine auf Flüssigkeit basierende Optik ist ein Spiegel bestehend aus einer Flüssigkeitsoberfläche. Unter Einwirkung der Schwerkraft und unter völliger Ruhe ist diese absolut glatt. Befindet sich nun die Flüssigkeit in einem Behälter und wird dieser in Rotation versetzt, dann wirken Fliehkräfte auch auf die Flüssigkeitsoberfläche/Flüssigkeit und es bildet sich eine gemäß einem Rotationsellipsoid geformte Flüssigkeitsoberfläche aus. Reflektiert diese Licht, handelt es sich dann dabei um einen fast idealen Hohlspiegel. Allerdings ist ein Einsatz in der Mikrotechnik zunächst nur schwer vorstellbar, da die Vorrichtung, mit der man die Flüssigkeit in Rotation versetzen will, wohl sehr aufwendig und platzbeanspruchend ist.
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Literatur:
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- [1] Im Internet: <URL: http://www.varioptic.com/technology/electrowetting/>, recherchiert am 04.12.2015
- [2] Firmenprospekt Liquid Optics Product catalog der Firma varioptic, Lyon, Frankreich, 2015 Im Internet: <URL: http://www.optotune.com/technology/focus-tunable-lenses>, recherchiert am 04.12.2015
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111167 [0009]
- DE 102014014414 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.lasercomponents.com/de/optik/optische-komponenten/ [0009]