EP1846782A1 - Variable optik - Google Patents

Variable optik

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Publication number
EP1846782A1
EP1846782A1 EP06706693A EP06706693A EP1846782A1 EP 1846782 A1 EP1846782 A1 EP 1846782A1 EP 06706693 A EP06706693 A EP 06706693A EP 06706693 A EP06706693 A EP 06706693A EP 1846782 A1 EP1846782 A1 EP 1846782A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
electrode
wall
container
variable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06706693A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Mohr
Manfred Dick
Jürgen Kühnert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Meditec AG
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Meditec AG filed Critical Carl Zeiss Meditec AG
Publication of EP1846782A1 publication Critical patent/EP1846782A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G—PHYSICS
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
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    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/005—Diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a variable optics, and in particular an optic whose interaction properties with electromagnetic radiation (for example, light including IR and / or UV light) are electrically influenced.
  • the invention particularly relates to variable optics for controllably influencing the radiation which interacts with the optics.
  • Liquid crystal optics are corrected dynamically).
  • the invention proposes a variable, in particular membraneless optics according to the independent claims.
  • Intrinsic causes for the inadequate function of known variable optics are primarily gravity and temperature-dependent influences.
  • Errors in the shape of the interface which are gravitational and temperature-dependent, can be compensated according to the invention by a correction by applying a specific correction potential profile to the individual electrodes.
  • the correction profile can be adjusted individually and dynamically.
  • Several correction profiles can stored and assigned to a specific application.
  • a variable optics according to the invention has a container with two dielectric fluids accommodated therein, between which forms a phase interface. Furthermore, the optics has at least two electrodes for applying a voltage thereto, so that an electric field is established, which passes through the phase interface.
  • the container in a second aspect of the invention, includes a conductive and a dielectric fluid which form therebetween a phase interface comprising the.
  • Container touched along a wall area.
  • the optic has at least two electrodes for applying a voltage thereto, of which one electrode is arranged in another wall region arranged at an angle to the said wall region.
  • the container includes a conductive and a dielectric fluid forming a phase interface therebetween. Furthermore, the optic has at least two electrodes for applying a voltage thereto, of which one electrode is arranged in a transparent wall region. Urxter another aspect of the invention is one of the fluids reflective, in particular a metallic liquid.
  • the operation of the invention may be explained as forming an inhomogeneous electric field by applying a voltage to the electrodes in the dielectric fluid, which exerts a force on this fluid.
  • the interface then changes its position so that the force exerted on the fluid is compensated for by a counterforce provided by the surface tension of the interface.
  • liquids with similar or the same density can be provided as fluids.
  • Opposing wall areas ' of the container can have transparent areas, through which a beam path can be guided. This beam path can pass through the interface and / or be reflected at it, wherein the (main) curvatures of the interface can be influenced by the applied voltages.
  • the beam path can also be limited by the one fluid in that this fluid is partially or substantially non-transparent.
  • the other, transparent fluid is in contact with the opposed wall portions of the container, the nontransparent fluid surrounding at least one of the contact portions.
  • the beam limitation is influenced in terms of shape and / or size by a voltage applied to the electrodes voltage.
  • the two fluids may have different spectral transmissions.
  • the central beam that passes through only one of the fluids, on exiting the container on a different spectral distribution than a circumferential or peripheral beam that passes through both fluids.
  • the latter thus has a different color than the central beam, and is controllable in terms of its share of the passage area by the applied voltage.
  • a light beam incident through a peripheral wall of the container may, after (total) reflection at the interface, exit through an opposite part of the peripheral wall.
  • the location and / or the angle of the light emission is influenced by applying a voltage to the electrodes.
  • the container may be arranged in a parallel beam path, wherein a divergent light beam emanating from a light source is collimated by a collimator optics. At a distance from the interface corresponding to the reciprocal refractive power of the interface, an intensity distribution of the light passing through the chamber resulting from the voltage applied to the electrodes results.
  • the container may also be arranged between a gap through which radiation to be analyzed passes and a detector sensitive to this radiation.
  • a gap through which radiation to be analyzed passes
  • a detector sensitive to this radiation.
  • the container can also be arranged in a collimated beam path in such a way that a beam of light passing through the container passes from the interface into a light beam passing through the container Applying a voltage to the electrodes selectable direction is performed.
  • FIG. 2 shows a variable optics according to the invention with two dielectrics and electrodes in the lid and bottom area
  • variable lens ⁇ according to the first embodiment with two dielectrics and an electrode 'on the circumferential wall
  • FIG. 4 shows a variable optics according to a second embodiment with a conductive liquid
  • Electrodes in the lid and in the bottom area are Electrodes in the lid and in the bottom area
  • FIG. 5 shows a variable optics with a directly contacted metallic liquid and an electrode in the lid area
  • FIG. 6 shows another variable optical system with a totally reflecting interface
  • FIG. 7 shows a variable lens according to the third embodiment with a directly contacted conductive fluid and an electrode in the cover area
  • FIG. 8 shows another variable optical system according to the third embodiment with a directly contacted conductive able fluid and an electrode on the peripheral wall
  • FIG. 9 shows a variable lens according to the invention with a to-• ⁇ sharmlichen electrode for adjusting a contact angle
  • FIG. 10 shows a variable optics according to the invention with a plurality of electrodes for setting a spectrally different deflection angle
  • FIG. 11 shows a variable optics according to the invention with a plurality of electrodes for providing an adjustable deflection angle
  • FIG. 12 shows a variable optics according to the invention with differently transparent fluids for providing an adjustable diaphragm
  • FIG. 13 shows a variable optics according to the invention with differently colored fluids for providing an adjustable color filter
  • Figure 14 shows an exemplary arrangement of a plurality of individually controllable electrodes
  • FIG. 15 shows a section of an exemplary electrode arrangement in a variable optical system according to the invention for providing a lens array.
  • FIG. 1 shows a variable optical system in which a chamber 1 has a bottom area 3, an edge area 5 and a lid area 7.
  • the chamber 1 contains two dielectric fluids S 1 and 9 2 , with densities d x and d 2 , dielectric constants Si and ⁇ 2 and refractive indices Ti 1 and ⁇ i 2 , respectively.
  • the two fluids form because of their limited mixing allow a (phase) interface 11 between them. Both fluids can be slightly soluble in the other fluid.
  • the boundary surface 11 is limited by a peripheral area 13, the part 'of the chamber.
  • the two fluids have X 9 and S ⁇ adhesions to the surface material of the peripheral portion 13 and cohesions, from which a contact angle between the surface of CXQ peripheral portion '13 and the interface 11 results. - ⁇ .
  • the chamber 1 has electrodes 15, 17, which in this example are arranged on the lid region 7 and the bottom region 3.
  • the chamber 1 ' is cylindrical
  • the electrode 15 consists of a plurality of concentric annular individual electrodes
  • the electrode 17 is transparent and covers the bottom 3.
  • a arranged around the chamber control electrode 18 is provided.
  • the chamber may alternatively also be cuboid, or / and the electrodes may each be strip-shaped or polygonal. It can also be provided in each case a plurality of electrodes.
  • the electrodes if provided on a part of the chamber wall penetrated by a light beam (see below), and therefore transparent, can be made, for example, of indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • Preferred ITO layers have, depending on the desired resistance, a thickness of about 15 to 310 nm and are preferably separated from the substrate, ie from the lid, by an SiO 2 layer of 20 to 70 nm thickness. Such layers have a transmittance of more than 80%. It is preferred if adjacent transparent electrodes are separated by a region of a likewise transparent, but insulating material, which preferably has an identical or similar refractive index as the electrode material in order to reduce transit time differences. In order to Furthermore, a grid-shaped ground electrode can be arranged between the upper cover glass and the control electrodes, so that the field lines are bundled locally in the grid openings.
  • the electrodes are connected to controllable by a control computer • voltage sources 19 so that builds up upon application of a voltage in the dielectric fluids 9 ⁇ and 9 2 j in each case an electric field ⁇ .
  • the electric field formed is inhomogeneous and discontinuous at the interface and therefore causes a force on the dielectrics and their interface.
  • the interface is deformed, so that due to the surface tension, a counterforce occurs.
  • the interface assumes such a form in equilibrium that force and counterforce ' compensate each other.
  • Suitable dielectrics include water • (s "80, 4) and •. a hydrocarbon mixture of similar density - ( ⁇ »2, 2).
  • the boundary surface 11 for a top-incident beam 2 is convex, and the refractive index of the second fluid is higher than that of the first fluid, so that a collecting effect occurs.
  • the stress-dependent influence mainly consists in a flattening or bulging of the interface in the middle region (indicated by arrows in FIG. 1), accompanied by a displacement of a peripheral region of the interface in the opposite direction, because the volume of the fluids is largely the same remains (apart from electrostriction).
  • the two fluids are practically density-equal (d x «d 2 )
  • d x «d 2 in the de-energized case a nearly perfectly spherical interface (minimum surface) results, so that an applied stress causes a certain, radially symmetric asphericity.
  • the asphericity can be reduced by an overall 'suitable applied voltage.
  • At least one of the electrodes for example the one on the
  • Lid region arranged, not ring or circular, but formed from a plurality of intersecting, each substantially linear electrodes.
  • An exemplary arrangement is shown in FIG. , Individually adjustable voltages are applied to the electrodes.
  • By a suitable, symmetrical selection of the voltages results in an approximately toric distortion of the interface, the orientation of the major axes is given by the voltage ratio of the intersecting electrodes.
  • An asymmetric stress distribution results in a lateral displacement of the interface relative to the position of the optical axis in the zero field case.
  • the electrodes on the other hand also be sectored but arranged concentrically, so that different sectors can be driven with different voltages. As a result, the interface is displaced laterally, if opposing sectors are driven in opposite directions, or distorted, for example, oval.
  • the spacings of adjacent transparent structures are preferably in the range 5 .mu.m-100 .mu.m, but may also be from 2 .mu.m or up to 400 .mu.m.
  • the total number of electrode strips is at least 10 to 40, but may also be up to 1000 or even 4000 depending on the application.
  • the control is done digitally, for example with approx. 1000 steps, where both positive and negative voltage signs are possible.
  • the voltage changes preferably occur within a few (for example 3) milliseconds.
  • the generated field strength is locally in the range up to 1000 V / m, preferably up to 400 V / m; In this case, field gradients, ie local variations of the field strength, occur in the range up to about 10 kV / cm 2 , in particular up to about 10 kV / m.
  • the arrangement of the electrode structures may be grid-shaped or, for the compensation of special optical errors, circular or elliptical.
  • the electrodes For a permanent imprint of a specific field distribution, the electrodes. be formed by separated, preferably transparent charge islands in the manner of a flash memory, which get a certain charge distribution once imprinted and maintain this charge distribution over a longer period.
  • FIG. 2 shows an arrangement in which the peripheral region 13a faces one of the electrodes 17a; the voltage control part corresponds to the in. Figure 1 shown. Because of the different dielectric constants of the two fluids 9ai and 9a 2 , the field strength, and thus the field line density on the one hand, and the field line direction on the other hand in the two fluids are different, so that in turn a force on the interface IIa between the fluids Oa 1 and 9a second is exercised. By choosing different potentials at the electrodes 15a, the interface can be largely freely shaped.
  • an annular electrode 17b is disposed on the beam portion Ib, while a counter electrode 15b is disposed on the peripheral portion 3b.
  • the interface edge adjacent to the peripheral region 13b is located in the edge region 3b of the counterelectrode 15b. Again this is an area of high field strength (indicated by dashed lines), and because of the angled one. Arrangement of the electrodes 15b and 17b to each other, the field inhomogeneity is high. In this example, the shape of the interface if so, affects the voltage applied to the electrodes 15b and 17b.
  • dielectrics are understood as meaning substances whose conductivity is zero or so small that a real static dielectric constant can be specified for them, in particular less than 1 S / m, preferably 0, 1 S / m, or theirs specific electrical resistance is greater than 1 ⁇ .-m, preferably 10 ⁇ -m.
  • Such fluids whose specific electrical resistance is less than 1 ⁇ -m, or whose conductivity is greater than 1 S / m, are considered to be conductive in the context of this application; These include, for example, sufficiently concentrated aqueous salt solutions.
  • salt solutions it is preferable to use a low-frequency alternating voltage, for example in the frequency range below 10000 Hz, preferably from 100 to 2000 Hz, to avoid electrolysis effects instead of a DC voltage.
  • the liquid 9C 2 is conductive - it is, for example, a 20% aqueous LiCl solution or Na 2 CrO 4 solution - provides its surface, including its interface with the dielectric fluid 9C 1 - for example, a phenylmethyl siloxane mixture with a Addition of carbon tetrabromide, whose density is equal to the density of the salt solution - an equipotential surface on which the electric field lines are perpendicular.
  • the 9c in the dielectric fluid x by applying a voltage to the electrodes 15c, 17c • structured field is inhomogeneous.
  • the applied voltage generates a charge surplus in the part of the conductive liquid, that of the electrode .
  • a change in the contact angle also means a change in the interface shape, for example a flattening.
  • the refractive indices of the fluids are different, the optical properties of the optics also change with the voltage; In the example of a flattening of the interface, the refractive power of the interface 11c decreases.
  • the chamber wall is formed at least in the vicinity of the circumferential area in a manner limiting a marginal angle hysteresis ⁇ , preferably to 2 ° or less ( ⁇ ⁇ 2 °).
  • the bottom and top portions of the chamber are planar and parallel to each other; but in a preferred embodiment, they may also individually or both have a concave or in particular a convex shape. In the latter case, the edge area can be dispensed with by Kainmer are in direct contact and together form a plano-convex or biconvex lens shape.
  • the bottom and top portions of the chamber may be arranged flat and angled with each other, forming a prismatic shape.
  • the bottom and top portions may be made of optically transparent materials with optical effect.
  • the bottom and top regions can be flat, convex, concave, aspherical or with a diffractive structure.
  • the transparent electrodes are applied to the flat or curved surfaces.
  • an optical effect already results from the curvature of the outer surfaces of the fluids, or their inclination against each other.
  • the variable optical effect of the interface which can be influenced by applying a voltage to the electrodes.
  • top, bottom and optionally edge region can consist of different, in particular dielectric materials, or be surface-treated in different ways.
  • the fluids contained in the chamber they can have different adhesion (wetting strength) and thus contact angle.
  • regions of different adhesion may be provided in one or more of these regions, in, for example, concentric arrangement about an optical axis to promote centering of the fluids about that axis. It is particularly preferred if the fluid arranged in contact with the lid region has a higher adhesion to its surface than to the surface of the bottom region, and / or the fluid arranged in contact with the bottom region has a higher adhesion to its surface than to the surface of the lid. has area. In an arrangement as in FIG. 2 or FIG. 4, it is preferred if the fluid arranged in contact with the edge region has a higher surface to its surface Adhesion than to the surface of the bottom portion. These arrangements each promote the stability of the interface.
  • the interface Hd is reflective, so that the bottom or top region of the variable optics are not penetrated by a light beam reflected at the interface Hd.
  • the lower of the fluids 9d 2 is a metallic liquid, at the interface Hd of which the incident light beam 2d is substantially reflected.
  • the interface Hd thus acts as a mirror adjustable by the voltage applied to the electrodes.
  • Suitable metallic liquids are, for example, mercury, gallium-aluminum alloys and sodium-potassium alloys, the latter in particular cesium may be added.
  • An alloy of 78 at% K and 22 at% Na melts at -12, 6 0 C and has a density of 0, 73 g / cm 3 .
  • With a suitable hydrocarbon or hydrocarbon mixture as a dielectric fluid can be easily adjusted density equality.
  • the density of n-decane is also 0, 73 g / cm 3 (melting point -29, 7 ° C), which is of n-undecane 0, 74 g / cm 3 (melting point: -25, 6 ° C).
  • kerosene which, depending on its provenance, has a slightly higher density and a slightly higher melting point; Addition of cesium in an appropriate amount to the alkali metal alloy further lowers its melting point and increases its density according to the density of kerosene. Because of the high electrical conductivity of the alkali metal alloys, the reflectivity of their interface to a hydrocarbon (mixture) is high.
  • the interface between non-metallic fluids is, if their refractive indices are different, too to a certain extent reflective. For some applications, such as beam control purposes, a low reflectance is sufficient. Particularly high reflectivity is observed at the interface of an optically denser to an optically thinner medium (see Figure 6), provided that the angle of incidence to Einfallslot • is sufficiently large (total reflection).
  • one of the fluids, 9e 2 is a 20% aqueous LiCl solution having a density of 1.12 g / cm 3 and a refractive index of 1.38;
  • the other fluid, 9ei f is a solution of a few percent carbon tetrabromide in a phenylmethylsiloxane mixture, with the same density as the aqueous solution, and a refractive index of about 1.55.
  • Refractive indices results in a critical angle of total reflec- tion of just under 63 °; ie, a light beam incident on the organic / aqueous phase interface at an incident angle of 63 ° or higher is reflected 100%.
  • intransparent electrodes 15e can be arranged on the cover area 7e of the chamber Ie in this area. These electrodes 15e are located in close proximity to the interface He on the side of the dielectric (organic) phase, and thus the field of them 'generated acts effectively particularly on the boundary surface a He. It is preferable to guide the reflected light beam through the edge portion 5e of the chamber Ie, since this allows a more compact structure.
  • This edge region 5e is preferably designed so that the entering and reflected, exiting light beam pass through opposite parts of the edge region in such a way that effects due to refraction of light are minimized.
  • the part of the edge region 5e "for the emerging light beam can be formed curved in the direction of the entrance slot.
  • a non-metallic but conductive liquid for example an aqueous LiCl solution
  • a dielectric liquid is in each case coated with a dielectric liquid.
  • the optic in the case of a convex meniscus has a scattering effect on the passing light beam 2f.
  • the aqueous solution is directly (galvanically) contacted by an electrode 17f.
  • Umfahcfs Symposium 13f 15f turn an inhomogeneous electrical ⁇ ULTRASONIC field can be built up in the dielectric fluid.
  • the interface again represents an equipotential surface whose potential is given by the applied voltage.
  • the contact angle ⁇ is essentially due to the • surface texture. of the peripheral region 13f and the adhesion and cohesion properties of the two liquids 9f ⁇ and 9f 2 .
  • the galvanic contact can also be provided by an at least partially metallized bottom area.
  • Liquid non-contacting electrode 18g provided. Incidentally, this arrangement corresponds to that of FIG. 7.
  • the voltage applied to the electrode 18g causes an excess of charge at its surface opposite the conductive liquid which is at a different potential, which is reflected in a similar excess of charge in the conductive liquid.
  • the charged layers form a voltage-dependent capacitor with the intervening part of the bottom region of the chamber.
  • the energy of this capacitor varies depending on the position of the peripheral region relative to the electrode 18g, resulting in a force on the interface and a voltage dependent variation of the contact angle 'results.
  • With the voltage applied to the electrode 18g so the contact angle is adjustable, and thus the curvature of the interface.
  • the opposing electrodes 15g additionally create an inhomogeneous field in the dielectric liquid which allows further interference with the interface shape.
  • the interface between the two fluids if they have different refractive indices, usually results in a spectrally different beam deflection.
  • the angle of incidence of a light beam 2h to be analyzed is influenced by applying a voltage to the electrodes 15h, 17h of a variable optical system according to FIG. 10, different spectral components of the light beam are also deflected to different degrees.
  • Each light-sensitive element of a detector 21h arranged in the region of the deflected light beam therefore registers a different spectral component of the analyzed light depending on the applied voltage.
  • the incident light beam 2i is deflected by the arrangement of FIG. 11 according to the applied voltage, or in the case of normal incidence not distracted.
  • the chamber geometry is cuboid, that is, the peripheral region 5i consists of four rectangles.
  • An individually controllable electrode 18i ', 18i " is arranged on each rectangle, so that the fluids 9i, 9i 2 contained in the chamber can be exposed to an electric field oriented transversely to the direction of incidence of the light beam 2i, thereby making the boundary Hi asymmetric with respect to the optical axis 23i inclined (Hi 1 indicated by dashed lines), from which an adjustable by the applied voltages Deflection in one or both perpendicular to the beam direction directions results.
  • This arrangement is thus suitable for deflecting an incident light beam (or infrared beam) adjustably in one or two mutually perpendicular directions. In the latter case, the deflection can take place in the form of a line-by-line deflection by sawtooth-like varying in the two mutually perpendicular directions at different speeds, preferably come in its period voltages.
  • a plurality of deflected partial light beams can also be formed from the incident light beam 2i by generating differently deflecting fields in different grids of the electrode structure.
  • one of the fluids 9J 2 contacts both the lid portion 7j and the bottom portion 3j centrally, while the other fluid 9J 1 contacts only the lid portion 7j peripherally and portions of the rim portion 5j.
  • This peripheral fluid 9J 1 has a much lower transmittance for a beam 2j incident on the optics, collimated by a collimator optic 27j.
  • peripheral regions 13j ', 13j " one at the edge region, the other at the lid region, may also be interchanged
  • the influence of the interface 11j, and in particular its contact angle ⁇ in one of these regions, has a change in diameter
  • a change in the voltages applied to the electrodes thus causes a change in intensity in the passing beam 2j ', thus realizing an adjustable diaphragm effect the peripheral region 13j 'does not jump like, but gradually varies radially due to the different angle of 90 ° from the edge angle (see the schematic intensity diagram in Figure 12), such diaphragm has in addition to the adjustability also the property of reduced diffraction effects.
  • the transmittances are not different or not only integrally different but, above all, different in spectral subregions; ie T 1 ( ⁇ ) ⁇ T 2 ( ⁇ ), where ⁇ represents the wavelength of the light and T ( ⁇ ) the spectral transmittance.
  • one of the fluids, 9k 2 predominantly absorbs in the blue and ultraviolet spectral range (ie it looks yellow-orange), the other 9k ⁇ , predominantly in the red and infrared spectral range (thus looks greenish).
  • the change in the applied voltages then has the result that the filtering effect of the transmitted-through fluids changes to the transmitted beam 2k 1 (see schematic spectra shown in FIG. 13); that is, this arrangement realizes an adjustable color filter.
  • n x and n 2 it may be advantageous to fluids with similar possible refractive indices n x and n 2 to choose different color but in this application.
  • a physical beam splitter arranged downstream of the chamber, for example in the form of a centrally arranged catching mirror inclined towards the direction of the passing beam (not shown), the central beam part can also be separated from the peripheral beam part.
  • Eye defects occur.
  • the observation, surveying and Documentation of the eye and the application of therapy radiation into the eye by means of ophthalmological diagnosis and therapy devices can thus be significantly improved.
  • An advantageous embodiment is the realization of a high-resolution. Fundus camera.
  • the microstructured shape of the electrode scheme is designed so that higher aberrations of the optical element can be selectively set dynamically and variably. ⁇ In the special case of a planar basic structure, this enables the production of dynamically variable refractive micro-optics.
  • the freely deformable interface also allows the replacement of mechanical focussing, lens revolvers and filter pivoting devices, for example in fundus cameras and slit lamps.
  • a freely deformable beam profile to realize, for example, an ophthalmic illumination with an individually adjustable profile.
  • the adjustable beam profile it is possible to individually control the curing of liquid plastics.
  • a diagnostic or therapeutic beam can be deflected in a raster-shaped manner and applied to the eye.
  • An advantageous embodiment of a therapy device using the variable optics is the realization of a beam-guided laser for the ablation of tissue parts of the eye.
  • a plurality of electrodes 15m are alternately driven so as to give a wavy boundary surface lim 'and lim', respectively.
  • the periodicity of the boundary undulation, and thus the distance a 'or a "from associated focus points 31m' and 31m" in the respective focal plane 29m 'and 29m ", respectively, is determined by the periodicity of the drive (not shown) Interface undulation, and thus the distance f or f "of the respective focal plane from the variable optics Im, is determined by the magnitude of the applied voltage differences.
  • variable regular or random lens array with controllable focal length of the single lenses and variable lens diameters (array resolution), for example for a dynamic, variable Shack-Hartmann sensor.
  • variable optics Due to the variable optics according to the invention, it has become possible to impose higher-order aberrations on the dioptric basic correction of the wavefront with the resolution of the electrode arrangement.
  • the control can take place in a structured manner and be aligned with the Zernike polynomials, which serve mathematically to describe aberrations of higher order.
  • variable optics can be incorporated in any optical systems; for example, as part of a zoom system
  • the invention provides a variable optical element whose variability is based, at least in part, on the influence of an electric field on the interface of one dielectric fluid with another fluid.

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Abstract

Eine Variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, umfassend: einen Behälter (1), ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid (9X), ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches zweites Fluid (92), wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid eine Phasengrenzfläche (11) ausgebildet ist und wobei eine Dielektrizitätszahl des ersten Fluids von einer Dielektrizitätszahl des zweiten Fluids verschieden ist, wenigstens eine erste Elektrode (15), wenigstens eine zweite Elektrode (17), welche relativ zu der ersten Elektrode derart angeordnet ist, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, welches die Phasengrenzfläche (11) durchsetzt.

Description

Variable Optik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Optik, und insbesondere eine Optik, deren Wechselwirkungseigenschaften mit elektromagnetischer Strahlung (zum Beispiel Licht inklusive IR- und/oder UV-Licht) elektrisch beeinflußbar sind. Die Erfindung betrifft besonders eine variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen der mit der Optik Wechsel- wirkenden Strahlung.
Aus der abbildenden Optik ist bekannt , daß die monochromatische •Bildqualität durch Aberrationen höherer Ordnung negativ beeinflußt wird. Um diese zu beseitigen oder zu unterdrücken ist . die Herstellung asphärischer Linsen oder Reflexionsoptiken bekannt geworden. Mit monolithischen Phasenplatten kann man ebenfalls fixe Aberrationen kompensieren, um die Abbildungsgüte zu verbessern .
Es sind variable Optiken bekannt, deren Variabilität • auf einer Abstandsänderung zwischen zwei optischen Elementen beruht, solche, bei denen die Variabilität auf einer Änderung eines Brechungsindex beruht, und solche, bei denen die Variabilität auf einer Änderung einer Flächenkrümmung beruht . Unter den letzteren sind in neuerer Zeit besonders ' solche auf den Markt gelangt , bei denen die Änderung der Flächenkrümmung dadurch erreicht wird, daß der Kontakt- winkel einer Flüssigkeit zu einer Oberfläche durch Anlegen einer elektrischen Spannung beeinflußt wird. Eine solche Vorrichtung wird in der übersetzten europäischen Patentschrift DE 698 04 119 T2 beschrieben, deren Offenbarung hiermit durch Inbezugnahme vollumfänglich einbezogen ist . Bei bekannten variablen Optiken ist man lediglich in der
Lage die dioptrische Brechkraft in großen Bereichen variabel nachzustellen (höhere Aberrationen können gemäß Stand der Technik momentan nur mit kleinen Amplituden <
10 μm zum Beispiel mit adaptiven Spiegeln oder adaptiven
Flüssigkristalloptiken dynamisch korrigiert werden) . Die gleichzeitige Korrektur der dioptrischen Brechkraft im
Bereich bis 20 D und beliebiger höherer Aberrationen mit einem optischen Element ist bisher nicht bekannt .
Es hat sich herausgestellt , daß die bekannten Vorrichtungen solcher Art in zweierlei Hinsicht unzureichend sind: Einerseits erlauben sie lediglich die Beeinflussung der dioptrischen Brechkraft, was für viele Anwendungen nicht ausreicht ; andererseits genügt die Qualität der optischen Wirkung einer solchen Anordnung vielen Anforderungen nicht .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine variable Optik bereitzustellen, die vielfältiger oder/und genauer steuerbar ist .
Dazu schlägt die Erfindung eine variable, insbesondere membranlose Optik gemäß den unabhängigen Ansprüchen vor.
Intrinsische Ursache für die unzureichende Funktion bekannter variabler Optiken sind vor allem Schwerkraft- und temperaturabhängige Einflüsse .
Fehler in der Form der Grenzfläche, die Schwerkraft und temperaturabhängig sind, lassen sich erfindungsgemäß durch eine Korrektur ausgleichen, indem ein bestimmtes Korrektur - Potential - Profil an die einzelnen Elektroden angelegt wird . Das Korrekturprofil läßt sich dabei individuell und dynamisch einstellen. Mehrere Korrekturprofile können abgespeichert und einer bestimmten Applikation zugeordnet werden .
Unter einem ersten Aspekt weist eine erfindungsgemäße variable Optik einen Behälter mit zwei darin aufgenommenen dielektrischen Fluiden auf, zwischen denen sich eine Phasengrenzfläche ausbildet . Ferner weist die Optik wenigstens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung daran auf, so daß ein elektrischen Feld aufgebaut wird, das die Phasengrenzfläche durchsetzt .
Durch eine Lageyeränderung der Grenzfläche auf Grund der eingestellten Spannung verändern sich in gezielter . Weise die Eigenschaften der Optik . Je nach der Geometrie des Be- hälters oder/und der Elektroden wird ■ dadurch eine Asphärizität der Grenzfläche bereitgestellt oder eine bestehende Asphärizität reduziert oder beseitigt .
Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält der Behälter ein leitfähiges und ein dielektrisches Fluid, die zwischen sich eine Phasengrenzfläche ausbilden, die den. Behälter entlang eines Wandbereichs berührt . Ferner weist die Optik wenigstens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung daran auf, von denen eine Elektrode in einem anderen, zu dem genannten Wandbereich gewinkelt angeordneten Wandbereich angeordnet ist .
Unter einem dritten Aspekt der Erfindung enthält der Behälter ein leitfähiges und ein dielektrisches Fluid, die zwischen sich eine Phasengrenzfläche ausbilden. Ferner weist die Optik wenigstens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung daran auf, von denen eine Elektrode in einem transparenten Wandbereich angeordnet ist . Urxter einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eines der Fluide reflektiv, insbesondere eine metallische Flüssigkeit .
Die Funktionsweise der Erfindung kann so erklärt werden, daß sich durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden in dem dielektrischen Fluid ein inhomogenes elektrisches Feld ausbildet, das eine Kraft auf dieses Fluid ausübt . Die Grenzfläche verändert daraufhin ihre Lage so, daß die auf das Fluid ausgeübte Kraft durch eine durch die Oberflächenspannung der Grenzfläche bereitgestellte Gegenkraft kompensiert wird.
Um zum Beispiel Beschleunigungs- und Lageeinflüsse zu ver- ringern, können als Fluide Flüssigkeiten mit ähnlicher oder gleicher Dichte vorgesehen sein.
Einander gegenüberliegende Wandbereiche 'des Behälters können transparente Bereiche aufweisen-, durch die ein Strahlengang geführt werden kann. Dieser Strahlengang kann die Grenzfläche durchsetzen und/oder an ihr reflektiert werden, wobei die (Haupt-) Krümmungen der Grenzfläche durch die angelegten Spannungen beeinflußbar sind.
Der Strahlengang kann aber auch durch das eine Fluid begrenzt sein, indem dieses Fluid teilweise oder weitgehend intransparent ist . In diesem Fall steht das andere, transparente Fluid mit den einander gegenüberliegenden Wandbereichen des Behälters in Kontakt, wobei das intransparente Fluid wenigstens einen der Kontaktbereiche umgibt . Die Strahlbegrenzung wird dabei hinsichtlich Form oder/und Größe durch eine an die Elektroden angelegte Spannung beeinflußt .
In ähnlicher Weise können die beiden Fluide unterschiedliche spektrale Transmissionen aufweisen. In einem solchen Fall weist das zentrale Strahlenbündel, das nur eines der Fluide durchsetzt, bei Austritt aus dem Behälter eine andere SpektralVerteilung auf als ein zirkumferen- tiales oder peripheres Strahlenbündel, das beide Fluide durchsetzt . Letzteres hat also eine andere Farbe als das zentrale Strahlenbündel , und ist hinsichtlich seines Anteils an der Durchtrittsfläche durch die angelegte Spannung steuerbar .
Insoweit die Grenzfläche reflektiv ist , kann ein durch eine Umfangswand des Behälters einfallender Lichtstrahl nach (Total-) Reflektion an der Grenzfläche durch einen gegenüberliegenden Teil der umfangswand wieder austreten. Hierbei wird der Ort oder/und der Winkel des Lichtaustritts durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden beeinflußt .
Der Behälter kann in einem parallelen Strahlengang angeordnet sein, wobei ein von einer Lichtquelle ausgehender divergenter Lichtstrahl durch eine Kollimatoroptik kollimiert wird. In einem Abstand von der Grenzfläche, der der reziproken Brechkraft der Grenzfläche entspricht, resultiert dabei eine durch die an die Elektroden angelegte Spannung beeinflußbare Intensitätsverteilung des die Kammer durchsetzenden Lichts .
Der Behälter kann auch zwischen einem Spalt, durch den zu analysierende Strahlung hindurchtritt, und einem für diese Strahlung empfindlichen Detektor angeordnet sein. In Folge der wellenlängenabhängigen Lichtbrechung an der Grenzfläche wird der von dem Detektor registrierte Spektralbereich der zu analysierenden" Strahlung variiert .
Der Behälter kann auch in einem kollimierten Strahlengang in der Weise angeordnet sein, daß ein den Behälter durch- setzender Lichtstrahl von der Grenzfläche in eine durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden wählbaren Richtung geführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Er- findung sind in den abhängigen Ansprüchen und den folgenden Beispielen an Hand der Figuren beschrieben . Hierbei zeigt
Figur 1 eine erfindungsgemäße variable Optik mit zwei Dielektrika,
Figur 2 eine erfindungsgemäße variable Optik mit zwei Dielektrika und Elektroden im Deckel- und Bodenbereich,
Figur 3 eine variable Optik ■ gemäß der ersten Ausführungsform mit zwei Dielektrika und einer Elektrode ' an der Umfangswand,
Figur 4 eine variable Optik gemäß einer zweiten Aus- führungsform mit einer leitfähigen Flüssigkeit und
Elektroden im Deckel- und im Bodenbereich,
Figur 5 eine variable Optik mit einer direkt kontaktierten metallischen Flüssigkeit und einer Elektrode im Deckelbereich,
Figur 6 eine weitere variable Optik mit einer total reflektierenden Grenzfläche,
Figur 7 eine variable Optik gemäß der dritten Ausführungsform mit einer direkt kontaktierten leitfähigen Flüssigkeit und einer Elektrode im Deckelbereich,
Figur 8 eine andere variable Optik gemäß der dritten Aus- führungsform mit einer direkt kontaktierten leit- fähigen Flüssigkeit und einer Elektrode an der Um- fangswand,
Figur 9 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer zu- • ■ sätzlichen Elektrode zur Einstellung eines Randwinkels,
Figur 10 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer Mehrzahl von Elektroden zur Einstellung eines • spektral unterschiedlichen Ablenkwinkels,
Figur 11 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer Mehrzahl von Elektroden zur Bereitstellung eines einstellbaren Ablenkwinkels,
Figur 12 eine erfindungsgemäße variable Optik mit unterschiedlich transparenten Fluiden zur Bereitstellung einer einstellbaren Blende,
Figur 13 eine erfindungsgemäße variable Optik mit unter- schiedlich farbigen Fluiden zur Bereitstellung eines einstellbaren Farbfilters,
Figur 14 eine beispielhafte Anordnung einer Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Elektroden, und
Figur 15 einen Ausschnitt einer beispielhaften Elektrodenanordnung in einer variablen Optik gemäß der Erfindung zur Bereitstellung eines Linsenarrays .
In der Figur 1 ist eine variable Optik dargestellt, bei der eine Kammer 1 einen Bodenbereich 3 , einen Randbereich 5 und einen Deckelbereich 7 aufweist . Die Kammer 1 enthält zwei dielektrische Fluide S1 und 92 , mit Dichten dx bzw. d2 , Dielektrizitätszahlen Si bzw. ε2 und Brechungsindizes Ti1 bzw. τi2 - Die beiden Fluide bilden wegen ihrer begrenzten Misch- barkeit eine (Phasen-) Grenzfläche 11 zwischen sich aus . Dabei können beide Fluide im jeweils anderen Fluid in geringem Maße löslich sein. Die Grenzfläche 11 wird durch einen Umfangsbereich 13 begrenzt , der Teil ' der Kammer 1 ist . Außerdem weisen die beiden Fluide 9X und S^ Adhäsionen zu dem Oberflächenmaterial des Umfangsbereichs 13 sowie Kohäsionen auf, aus welchen ein Randwinkel CXQ zwischen der Oberfläche des Umfangsbereichs' 13 und der Grenzfläche 11 resultiert . - ■ .
Ferner weist die Kammer 1 Elektroden 15 , 17 auf, die in diesem Beispiel an dem Deckelbereich 7 und dem Bodenbereich 3 angeordnet sind. In diesem Beispiel ist' die Kammer 1 zylindrisch, die Elektrode 15 besteht aus mehreren konzen- trischen, ringförmigen Einzelelektroden, und die Elektrode 17 ist transparent und bedeckt den Boden 3. Zusätzlich ist eine um die Kammer herum angeordnete Steuerelektrode 18 vorgesehen . Die Kammer kann alternativ auch quaderförmig sein, oder/und die Elektroden können jeweils streifenförmig oder polygonal sein. Es können auch jeweils mehrere Elektroden vorgesehen sein . Ferner können die Elektroden, sofern an einem von einem Lichtstrahl (siehe unten) durchsetzten Teil der Kammerwand angeordnet und deshalb transparent, zum Beispiel aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) gefertigt sein.
Bevorzugte ITO-Schichten haben, je nach gewünschtem Widerstand, eine Dicke von etwa 15 bis 310 nm und sind bevorzugt von der Unterlage, also vom Deckel, durch eine SiO2-Schicht von 20 bis 70 nm Dicke getrennt . Solche Schichten haben einen Transmissionsgrad von mehr als 80 % . Es ist bevorzugt, wenn benachbarte transparente Elektroden durch einen Bereich eines ebenfalls transparenten, aber isolierenden Materials getrennt sind, das vorzugsweise einen gleichen oder ähnlichen Brechungsindex wie das Elektrodenmaterial aufweist , um Laufzeitunterschiede zu reduzieren. Um verzer- rende Einflüsse der Elektrodenzuleitungen zu reduzieren, kann ferner eine gitterförmige Masseelektrode ■ zwischen dem oberen Abdeckglas und den Steuerelektroden angeordnet sein, so daß die Feldlinien lokal in den Gitteröffnungen gebün- delt sind.
Die Elektroden sind an von einem • Steuercomputer regelbare Spannungsquellen 19 angeschlossen, so daß sich bei Anlegen einer Spannung in den dielektrischen Fluiden 9ϊ und 92 j eweils ein elektrisches Feld ■ aufbaut . In Folge der Elektrodengeometrie oder/und der gekrümmten Grenzfläche zwischen Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitäts- zahlen ist das aufgebaute elektrische Feld inhomogen sowie unstetig an der Grenzfläche und bewirkt daher eine Kraft auf die Dielektrika und ihre Grenzfläche . Dadurch wird die Grenzfläche verformt , so daß auf Grund der Oberflächenspannung eine Gegenkraft auftritt . Die Grenzfläche nimmt im Gleichgewicht eine solche Form an, daß Kraft und Gegenkraft ' einander kompensieren. Geeignete Dielektrika sind beispielsweise Wasser • (s « 80 , 4) • und . ein Kohlenwasserstoffgemis.ch ähnlicher Dichte - (ε » 2 , 2) .
Die Kammer 1 wirkt zusammen mit den in ihr enthaltenen Fluiden für ein den transparenten Deckel- 5 und Boden- bereich 3 durchsetzendes Strahlbündel 2 wie eine Linse, deren Wirkung je nach dem Unterschied in den Brechungsindizes H1 bzw. H2 sowie je nach der Grenzflächenkrümmung sammelnd oder ' zerstreuend ist . Im dargestellten Beispiel ist die Grenzfläche 11 für ein von oben einfallendes Strahlbündel 2 konvex, und der Brechungsindex des zweiten Fluids ist höher als der des ersten Fluids , so daß eine sammelnde Wirkung eintritt . Wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, verändert sich die Form der Grenzfläche, und die SammelWirkung der Flüssigkeitslinse wird je nach Höhe der Spannung mehr oder weniger beeinflußt . Da der Randwinkel α in diesem Beispiel unbeeinflußt, und die ZyIinderSymmetrie der Anordnung gewahrt bleibt , besteht der spannungsabhängige Einfluß hauptsächlich in einer Abflachung oder Ausbeulung der Grenzfläche im mittleren Bereich (in Figur 1 durch Pfeile angedeutet) , begleitet von einer Verschiebung eines peripheren Bereichs der Grenzfläche in gegenläufiger Richtung, weil das Volumen der Fluide weitestgehend gleich bleibt (abgesehen von Elek- trostriktion) . Wenn die beiden Fluide praktisch dichte- gleich sind (dx « d2) , resultiert im spannungslosen Fall eine nahezu perfekt sphärische Grenzfläche (Minimalfläche) , so daß eine angelegte Spannung eine bestimmte, radial- symmetrische Asphärizität bewirkt . Sind die Fluide nicht dichtegleich, so daß die Grenzfläche im spannungslosen Fall nicht sphärisch ist , kann die Asphärizität durch eine ge- ' eignete angelegte Spannung reduziert werden.
In einer Variante der oben beschriebenen Optik ist
• wenigstens eine der Elektroden, beispielsweise die an dem
Deckelbereich angeordnete, nicht ring- oder kreisförmig, sondern aus einer Vielzahl von einander kreuzenden, jeweils im Wesentlichen linearen Elektroden gebildet . Eine beispielhafte Anordnung ist in Figur 14 dargestellt ., An die Elektroden sind jeweils individuell einstellbare Spannungen angelegt . Durch geeignete, symmetrische Wahl der Spannungen resultiert eine annähernd torische Verzerrung der Grenzfläche, wobei die Orientierung der Hauptachsen durch das Spannungsverhältnis der einander kreuzenden Elektroden gegeben ist . Eine asymmetrische Spannungsverteilung resultiert in einer lateralen Verschiebung der Grenzfläche relativ zur Lage der optischen Achse im Nullfeldfall . Wenn die Engstellen 83 der Elektroden 41 einen hinreichend großen elektrischen Widerstand aufweisen, bewirkt eine an ihre beiden Enden 43 , 45 angelegte Potentialdifferenz einen Stromfluß durch die Elektroden 41 mit ihren flächigen und daher besser leitenden Teilstücken 81 , und damit einen stufenförmigen Spannungsabfall entlang ihrer Längs- erstreckung. Damit kann für jedes Teilstück 81 der von einer solchen Elektrodenanordnung 16 bedeckten Fläche ein elektrisches Potential weitgehend frei eingestellt werden. Wird durch eine solche Vielzahl von Elektroden ein Poten- tialmuster bereitgestellt, so wird dadurch die Grenzfläche in entsprechender Weise verformt . Daraus resultiert im weiteren Verlauf des durchtretenden Lichtstrahls 2 für j eden Querschnitt , abhängig vom Abstand von der Optik, ein im Wesentlichen frei formbares Intensitätsmuster. • ■ • Die Elektroden können andererseits auch konzentrisch, aber sektoriert angeordnet sein, so daß verschiedene Sektoren mit unterschiedlichen Spannungen angesteuert werden können . Hierdurch wird die Grenzfläche seitlich verlagert, falls einander gegenüberliegende Sektoren gegenläufig angesteuert werden, oder zum Beispiel oval verzerrt .
Die Abstände benachbarter transparenter Strukturen liegen bevorzugt im Bereich 5 μm - 100 μm, können aber auch ab 2 μm bzw. bis zu 400 μm betragen. Die Gesamtzahl der Elektrodenstreifen beträgt wenigstens 10 bis 40 , kann aber j e nach Anwendung auch bis zu 1000 oder sogar 4000 betragen. Die Ansteuerung erfolgt beispielsweise digital, zum Beispiel mit ca . 1000 Stufen, wobei sowohl positive als auch negative Spannungs-Vorzeichen möglich sind . Die Spannungswechsel erfolgen bevorzugt innerhalb weniger (zum Beispiel 3 ) Millisekunden. Die erzeugte Feldstärke liegt lokal im Bereich bis zu 1000 V/m, bevorzugt bis zu 400 V/m; dabei treten Feldgradienten, also örtliche Variationen der Feldstärke, im Bereich bis zu etwa 10 kV/cm2, insbesondere bis zu etwa 10 kV/m auf .
Die Anordnung der Elektrodenstrukturen kann rasterförmig oder, für den Ausgleich spezieller optische Fehler, kreis- oder ellipsenförmig sein. Für eine dauerhafte Aufprägung einer bestimmten Feldverteilung können die Elektroden . durch separierte, bevorzugt transparente Ladungsinseln nach Art eines Flash-Speichers gebildet sein, die eine bestimmte Ladungsverteilung einma- lig aufgeprägt bekommen und die diese Ladungsverteilung über längere Zeit beibehalten.
In den im Folgenden dargestellten Varianten sind der Struktur oder/und Funktion nach entsprechende Komponenten mit gleichen Ziffern, aber zwecks Unterscheidung mit zusätzlichen Kleinbuchstaben bezeichnet .
In der Figur 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der der ümfangsbereich 13a einer der Elektroden 17a gegenüberliegt; der Spannungssteuerteil entspricht dabei dem in . Figur 1 dargestellten. Wegen der unterschiedlichen Dielektrizitäts- zahlen der beiden Fluide 9ai und 9a2 ist die Feldstärke, und damit die Feldliniendichte einerseits, sowie die Feldlinienrichtung andererseits in den beiden Fluiden unterschiedlich, so daß wiederum eine Kraft auf die Grenzfläche IIa zwischen den Fluiden Oa1 und 9a2 ausgeübt wird. Durch Wahl unterschiedlicher Potentiale an den Elektroden 15a kann die Grenzfläche weitgehend frei geformt werden.
In der in Figur 3 dargestellten Anordnung ist . eine ringförmige Elektrode 17b am Bαdenbereich Ib angeordnet , während eine Gegenelektrode 15b am Randbereich 3b angeordnet ist . Im dargestellten Beispiel liegt der dem Ümfangsbereich 13b benachbarte Grenzflächenrand in dem Randbereich 3b der Gegenelektrode 15b gegenüber. Wiederum ist dies ein Bereich hoher Feldstärke (angedeutet durch gestrichelte Feldlinien) , und wegen der gewinkelten. Anordnung der Elektroden 15b und 17b zueinander ist auch die Feldinhomogenität hoch. In diesem Beispiel wird also die Form der Grenzfläche eben- falls durch, die an die Elektroden 15b und 17b angelegte Spannung beeinflußt .
In allen diesen Varianten und Ausführungsformen ist es bevorzugt , wenn das dichtere Fluid unten angeordnet ist , unabhängig davon, ob der Boden- oder der Deckelbereich unten angeordnet ist . Wenn der Dichteunterschied zwischen den Fluiden hinreichend klein ist, insbesondere der relative Dichteunterschied ' Δd = 2* J d1 - d2 | / (di + d2) kleiner als 0 , 1 ist , kann die variable Optik auch schräg zur • Schwerkraftrichtung, oder mit dem nur geringfügig dichteren Fluid oben angeordnet sein. Gleichbedeutend mit der Schwerkraftrichtung kann in einigen Anwendungen eine Beschleuniτ gungsrichtung sein.
Unter Dielektrika werden im Rahmen dieser Anmeldung solche Substanzen verstanden, deren Leitfähigkeit Null oder so klein ist, daß für sie eine reelle statische Dielektrizitätskonstante angegeben werden kann, insbesondere kleiner als 1 S/m, vorzugsweise 0 , 1 - S/m, bzw. ihr spezifischer- elektrischer Widerstand größer ist als 1 Ω.-m, vorzugsweise 10 Ω-m. Solche Fluide, deren spezifischer elektrischer Widerstand kleiner ist als 1 Ω-m, bzw. deren Leitfähigkeit größer ist als 1 S/m, werden im Rahmen dieser Anmeldung als leitfähig betrachtet ; dazu gehören zum Beispiel hinreichend konzentrierte wäßrige Salzlösungen. Bei Verwendung von Salzlösungen ist es bevorzugt, zur Vermeidung von Elektrolyseeffekten statt einer Gleichspannung eine niederfrequente WechselSpannung, zum Beispiel im Frequenzbereich unterhalb 10000 Hz, bevorzugt von 100 bis 2000. Hz, zu verwenden.
In der in Figur 4 dargestellten Anordnung ist eine solche leitfähige Flüssigkeit 9c2 unter einem dielektrischen Fluid 9cx angeordnet; im übrigen ist die Struktur dieser variablen
Optik ähnlich der in Figur 2 gezeigten. Da die Flüssigkeit 9C2 leitfähig ist - es handelt sich beispielsweise um eine 20%ige wäßrige LiCl-Lösung oder Na2CrO4-Lösung - stellt ihre Oberfläche, also auch ihre Grenzfläche zu dem dielektrischen Fluid 9C1 - beispielsweise ein Phenylmethyl- siloxan-Gemisch mit einem Zusatz von Kohlenstoff- tetrabromid, dessen Dichte gleich der Dichte, der Salzlösung ist - eine Äquipotentialfläche dar, auf der die elektrischen Feldlinien senkrecht stehen. Das bedeutet, daß das in dem dielektrischen Fluid 9cx durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 15c, • 17c aufgebaute Feld inhomogen ist . Außerdem erzeugt die angelegte Spannung einen Ladungsüberschuß in dem Teil der leitfähigen Flüssigkeit, die der Elektrode .17c gegenüberliegt . Durch die so unter Einschluß des dazwischenliegenden Teils des Bodenbe- reichs 3c entstehende Kapazität stellt sich ein neuer, spannungsabhängiger Randwinkel α zwischen der Grenzfläche llc und der Oberfläche des Bodenbereichs ein. Eine Änderung des Randwinkels , bei gleichbleibendem Volumen der Fluide, bedeutet auch eine Änderung der Grenzflächenform, zum Bei- spiel eine Abflachung. Da die Brechungsindizes der Fluide verschieden sind., ändern sich dem zu Folge auch die optischen Eigenschaften der Optik mit der Spannung; im Beispiel einer Abflachung der Grenzfläche nimmt die Brechkraft der Grenzfläche llc ab. Hinsichtlich einer möglichst genauen Einstellbarkeit der Grenzflächenkrümmung ist es bevorzugt, wenn die Kammerwand wenigstens in der Umgebung des Umfangs- bereichs in einer Weise ausgebildet ist, die eine Randwinkelhysterese δα begrenzt, vorzugsweise auf 2° oder weniger (δα < 2° ) .
In den beschriebenen Ausführungsformen und Varianten sind Boden- und Deckelbereich der Kammer plan und zueinander parallel; in einer bevorzugten Ausführungsform können sie aber auch einzeln oder beide eine konkave oder insbesondere eine konvexe Form aufweisen. Im letzteren Fall kann auf den Randbereich verzichtet werden, indem Boden- und Deckelbe- reich der Kainmer im direkten Kontakt stehen und zusammen eine plankonvexe oder bikonvexe Linsenform bilden. In besonderen Anwendungsfällen können Boden- und Deckelbereich der Kammer plan und zueinander gewinkelt angeordnet sein, wobei sie eine prismatische Form bilden. In speziellen Fällen können die Boden- und Deckelbereiche aus optisch transparenten Materialen mit optischer Wirkung bestehen. Die Boden- und Deckelbereiche können plan, konvex, konkav, asphärisch oder mit einer diffraktiv wirkenden Struktur ausgeführt sein. Somit wird eine gewünschte refraktive und diffraktive Wirkung erzielt . Die transparenten Elektroden werden auf die ebenen bzw. gekrümmten Oberflächen aufgebracht . In diesen Fällen resultiert eine optische Wirkung schon aus der Krümmung der Außenflächen der Fluide, oder ihrer Neigung gegeneinander. Hinzu kommt die variable optische Wirkung der durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden beeinflußbaren Grenzfläche .
Ferner können Deckel- , Boden- und ggf. Randbereich aus ver- schiedenen, insbesondere dielektrischen Materialien bestehen, oder in unterschiedlicher Weise oberflächenbearbeitet sein. Sie können insbesondere bezüglich der in der Kammer enthaltenen Fluide verschiedene Adhäsion (Benetzungsstärke) und damit Randwinkel aufweisen. Es können auch Bereiche unterschiedlicher Adhäsion in einem oder mehreren dieser Bereiche vorgesehen sein, in beispielsweise konzentrischer Anordnung um eine optische Achse, um die Zentrierung der Fluide um diese Achse zu fördern. Es ist besonders bevorzugt, wenn das in Kontakt zu dem Deckelbereich angeordnete Fluid zu dessen Oberfläche eine höhere Adhäsion als zur Oberfläche des Bodenbereichs aufweist , oder/und das in Kontakt zu dem Bodenbereich angeordnete Fluid zu dessen Oberfläche eine höhere Adhäsion als zur Oberfläche des Deckel- bereichs aufweist. Bei einer Anordnung wie in Figur 2 oder Figur 4 ist es bevorzugt, wenn das in Kontakt zu dem Randbereich angeordnete Fluid zu dessen Oberfläche eine höhere Adhäsion als zur Oberfläche des Bodenbereichs aufweist . Diese Anordnungen fördern jeweils die Stabilität der Grenz- fläche .
In der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform ist die Grenzfläche Hd reflektiv, so daß Boden- oder Deckelbereich der variablen Optik von einem an der Grenzfläche Hd reflektierten Lichtstrahl nicht durchsetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das untere der Fluide 9d2 eine metallische Flüssigkeit, an deren Grenzfläche Hd der einfallende Lichtstrahl 2d im Wesentlichen reflektiert wird. Die Grenzfläche Hd wirkt somit als durch die an die Elektroden angelegte Spannung justierbarer Spiegel .
Geeignete metallische Flüssigkeiten sind beispielsweise Quecksilber, Gallium-Aluminium-Legierungen und Natrium- Kalium-Legierungen, wobei letzteren insbesondere Cäsium zugesetzt sein kann. Eine Legierung aus 78 at% K und 22 at% Na schmilzt bei -12, 60C und hat eine Dichte von 0, 73 g/cm3. Mit einem geeigneten Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasser- stoffgemisch als dielektrischem Fluid kann leicht Dichtegleichheit eingestellt werden. Beispielsweise ist die Dichte von n-Dekan ebenfalls 0 , 73 g/cm3 (Schmelzpunkt -29, 7°C) , die von n-Undekan ist 0 , 74 g/cm3 (Schmelzpunkt -25, 6°C) . Geeignet ist auch Kerosin, das je nach Provenienz eine etwas höhere Dichte und einen etwas höheren Schmelzpunkt hat; ein Zusatz von Cäsium in geeigneter Menge zu der Alkalimetall-Legierung erniedrigt deren Schmelzpunkt weiter und erhöht ihre Dichte entsprechend der Dichte des Kerosins . Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Alkalimetall-Legierungen ist die Reflektivität ihrer Grenzfläche zu einem Kohlenwasserstoff (gemisch) hoch.
Auch die Grenzfläche zwischen nicht-metallischen Fluiden ist, sofern deren Brechungsindizes unterschiedlich sind, zu einem gewissen Grad reflektiv. Für einige Anwendungen, beispielsweise Strahlführungs-Kontrollzwecke, ist ein geringer Reflektionsgrad ausreichend. Besonders große Reflektivität wird an der Grenzfläche eines optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium beobachtet (siehe Figur 6) , sofern der Einfallswinkel zum Einfallslot • hinreichend groß ist (Totalreflexion) . Beispielsweise ist eines der Fluide, 9e2, eine 20%ige wäßrige LiCl-Lösung mit einer Dichte von 1, 12 g/cm3 und einem Brechungsindex von 1, 38 ; das andere Fluid, 9eif ist eine Lösung von einigen Prozent Kohlenstoff- tetrabromid in einer Phenylmethylsiloxan-Mischung, mit gleicher Dichte wie die- wäßrige Lösung, und einem Brechungsindex von etwa 1, 55. Aus dem Verhältnis dieser. Brechungsindizes resultiert ein Grenzwinkel der Totalrefle- xion von knapp 63 ° ; d.h. ein Lichtstrahl , der unter einem- Einfallswinkel von 63° oder höher auf die Grenzfläche organische/wäßrige Phase trifft, wird zu 100% reflektiert . Der Bereich um das Einfallslot 4e herum wird dabei nicht von dem Lichtstrahl 2e durchsetzt, so daß in diesem Bereich intransparente Elektroden 15e an dem Deckelbereich 7e der Kammer Ie angeordnet .werden können. Diese Elektroden 15e befinden sich in unmittelbarer Nähe zu der Grenzfläche He auf der Seite der dielektrischen (organischen) Phase, und das von ihnen' erzeugte Feld wirkt also besonders effektiv auf die Grenzfläche He ein. Es ist bevorzugt, den reflektierten Lichtstrahl durch den Randbereich 5e der Kammer Ie zu führen, da dies einen kompakteren Aufbau ermöglicht . Dieser Randbereich 5e ist bevorzugt so ausgebildet, daß der eintretende und reflektierte, austretende Lichtstrahl gegenüberliegende Teile des Randbereichs so durchsetzen, daß Effekte durch Lichtbrechung minimiert sind. Der Teil des Randbereichs 5e" für den austretenden Lichtstrahl kann dabei in Richtung des Einfallslots gekrümmt ausgebildet sein. In den Figuren 7 und 8 ist j eweils eine nicht-metallische, aber leitfähige Flüssigkeit , beispielsweise eine wäßrige LiCl-Lösung, mit einer dielektrischen Flüssigkeit überschichtet . Da die dielektrische Flüssigkeit in diesem Fall einen größeren Brechungsindex hat als die wäßrige Lösung, hat die Optik in dem dargestellten Fall eines konvexen Meniskus zerstreuende Wirkung auf den ■ durchtretenden Lichtstrahl 2f . Die wäßrige Lösung ist durch eine Elektrode 17f direkt (galvanisch) kontaktiert . Mittels entfernt von und insbesondere geneigt zu dem Umfahcfsbereich 13f angeordnete Gegenelektroden 15f kann, wiederum ein inhomogenes elektri- ■ sches Feld in der dielektrischen Flüssigkeit aufgebaut werden. Die Grenzfläche stellt wiederum eine Äquipotentialfläche dar, deren Potential durch die angelegte Spannung gege- ben ist . Der Randwinkel α ist im Wesentlichen durch die •Oberflächen-Beschaffenheit . des ümfangsbereichs 13f und die Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften der beiden Flüssigkeiten 9fχ und 9f2 festgelegt . Der galvanische Kontakt kann in einer Variante auch durch einen wenigstens teilweise metallisierten Bodenbereich bereitgestellt sein.
Um auch den Randwinkel α beeinflussen zu können, ist in der
■ Anordnung der Figur .9 in dem ümfangsbereich 13g eine die
Flüssigkeit nicht kontaktierende Elektrode 18g vorgesehen. Im Übrigen entspricht diese Anordnung derjenigen der Figur 7. Durch die an die Elektrode 18g angelegte Spannung tritt an ihrer der leitfähigen, auf anderem Potential liegenden Flüssigkeit gegenüberliegenden Oberfläche ein Ladungsüberschuß auf, der sich in einem ebensolchen Ladungsüberschuß mit entgegengesetztem Vorzeichen in der leitfähigen Flüssigkeit widerspiegelt . Zusammen bilden die geladenen Schichten mit dem dazwischenliegenden Teil des Bodenbereichs der Kammer einen spannungsabhängig geladenen Kondensator. Die Energie dieses Kondensators variiert je nach Lage des ümfangsbereichs relativ zu der Elektrode 18g, woraus eine Kraft auf die Grenzfläche und eine spannungs- abhängige Variation des Randwinkels ' resultiert . Mit der an die Elektrode 18g angelegten Spannung ist also der Randwinkel einstellbar, und damit die Krümmung der Grenzfläche . Die gegenüberliegenden Elektroden 15g erzeugen zusätzlich ein inhomogenes Feld in der dielektrischen Flüssigkeit, das eine weitere Beeinflussung der Grenzflächenform erlaubt .
Die Grenzfläche zwischen den zwei Fluiden hat, sofern diese unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, in der Regel eine spektral unterschiedliche Strahlablenkung zur Folge. In dem der Auftreffwinkel eines zu analysierenden Lichtstrahls 2h durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 15h, 17h einer variablen Optik nach Figur 10 beeinflußt wird, werden auch unterschiedliche spektrale Komponenten des Lichtstrahls in unterschiedlichem Maß abgelenkt . Jedes lichtempfindliche Element eines im Bereich des abgelenkten Lichts-trahls angeordneten Detektors 21h registriert also je nach angelegter Spannung eine andere spektrale Komponente des analysierten Lichts . Durch eine derartige Anordnung wird also ein Spektrorneter realisiert .
In einem Fall, in dem die spektrale Zusammensetzung keine Rolle spielt, zum Beispiel bei einem aus einer entsprechenden Lichtquelle 25i austretenden nahezu monochromatischen Laserstrahl, wird .durch eine Anordnung nach Figur 11 der einfallende Lichtstrahl 2i gemäß der anliegenden Spannung abgelenkt, bzw. bei senkrechtem Einfall nicht abgelenkt . In diesem Fall ist die Kammergeometrie quaderförmig, das heißt der Umfangsbereich 5i besteht aus vier Rechtecken. An jedem Rechteck ist eine individuell ansteuerbare Elektrode 18i ' , 18i" angeordnet, so daß die in der Kammer enthaltenen Fluide 9ilf 9i2 einem quer zur Einfallsrichtung des Lichtstrahls 2i orientierten elektrischen Feld ausgesetzt werden können. Dadurch wird die Grenzfläche Hi asymmetrisch zur optischen Achse 23i geneigt (gestrichelt angedeutet Hi 1 ) , woraus eine durch die angelegten Spannungen einstellbare Ablenkung in einer oder beiden zur Strahlrichtung senkrechten Richtungen resultiert . Diese Anordnung eignet sich also dazu, einen einfallenden Lichtstrahl (oder Infrarot-Strahl) in einer oder zwei zueinander senkrechten Richtungen ein- stellbar abzulenken. Im letzteren Fall kann die Ablenkung durch in den zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich schnell sägezahnartig variierende, in ihrer Periode vorzugsweise kommensurable Spannungen in Form einer zeilenweisen Ablenkung erfolgen.
Mit einer rasterförmigen Elektrodenstruktur wie oben beschrieben können in einer Variante auch aus dem einfallenden Lichtstrahl 2i mehrere abgelenkte Teillichtstrahlen gebildet werden, indem in verschiedenen Rastern der Elektrodenstruktur verschieden ablenkende Felder erzeugt werden.
In der Anordnung der Fluide nach Figur 12 kontaktiert eines der Fluide 9J2 sowohl den Deckelbereich 7j wie den Bodenbe- reich 3j mittig, während das andere Fluid 9J1 nur den Deckelbereich 7j peripher, sowie Teile des Randbereichs 5j berührt . Dieses periphere Fluid 9J1 hat einen wesentlich geringeren Transmissionsgrad für einen auf die Optik auftreffenden, durch eine Kollimatoroptik 27j parallelisierten Strahl 2j . In dieser Anordnung treten zwei Umfangsbereiche 13j ' , 13j " auf, einer am Randbereich, der andere am Deckelbereich. Deckel- und Bodenbereich könnten auch vertauscht sein. Eine Beeinflussung der Grenzfläche 11j , und insbesondere ihres Randwinkels α in einem dieser Bereiche, hat eine Durchmesserveränderung des Kontaktbereichs 12j des transparenteren Fluids zu dem Deckel- bzw. Bodenbereich zur Folge . Eine Veränderung der an die Elektroden angelegten Spannungen bewirkt also eine IntensitätsVeränderung in dem durchtretenden Strahl 2j ' . Durch eine solche Anordnung wird damit eine einstellbare Blendenwirkung realisiert . Da der Transmissionsgrad an dem Umfangsbereich 13j ' nicht sprung- artig, sondern wegen des von 90 ° verschiedenen Randwinkels allmählich radial variiert (siehe das schematische Intensitätsdiagramm in Figur 12) , besitzt eine solche Blende neben der Einstellbarkeit auch die Eigenschaft verringerter Beugungseffekte .
In der in Figur 13 dargestellten Variante der Anordnung nach Figur 12 sind die Transmissionsgrade nicht , oder nicht nur integral verschieden, sondern vor allem in spektralen Teilbereichen verschieden; also T1 (λ) ≠ T2 (λ) , wobei λ die Wellenlänge des Lichtes repräsentiert und T (λ) den spektralen Transmissionsgrad. Beispielsweise absorbiert eines der Fluide, 9k2, vorwiegend im blauen und ultravioletten Spektralbereich (sieht also gelb-orange aus) , das andere, 9kχ, vorwiegend im roten und infraroten Spektral- bereich (sieht also grünlich aus) . Die Veränderung der anliegenden Spannungen hat dann zur Folge, daß sich die Filterwirkung der durchstrahlten Fluide auf den durchtretenden Strahl 2k 1 ändert (siehe in Figur 13 dargestellte schematische Spektren) ; das heißt, diese Anordnung realisiert ein eins-tellbares Farbfilter.
Um in dieser Variante unerwünschte Brechungseffekte zu minimieren, kann es in dieser Anwendung vorteilhaft sein, Fluide mit möglichst ähnlichen Brechungsindizes nx und n2 , aber verschiedener Farbe zu wählen. Durch einen der Kammer nachgeordneten physikalischen Strahlenteiler, zum Beispiel in Form eines zentral angeordneten, zur Richtung des durchtretenden Strahls geneigten Fangspiegels (nicht darge- stellt) , kann zudem der zentrale Strahlteil von dem peripheren Strahlteil separiert werden.
Weitere Anwendungen ergeben sich auf dem Gebiet der
Ophthalmologie, indem zum Beispiel mit der gemäß der Erfindung frei formbaren Grenzfläche ein Ausgleich von
Augenfehlern erfolgt . Die Beobachtung, Vermessung und Dokumentation des Auges sowie die Applikation von Therapiestrahlung in das Auge mittels ophthalmologischen Diagnose- und Therapiegeräten kann somit wesentlich verbessert werden. Eine vorteilhafte Ausführung ist die Realisierung einer hochauflösenden . Funduskamera . Die mikrostrukturierte Ausformung des Elektrodenschemas ist so gestaltet, daß höhere Aberrationen des optischen Elements gezielt dynamisch und variabel eingestellt werden können. ■ Im Sonderfall einer ebenen Grundstruktur ist damit die Herstellung dynamisch variabler refraktiver Mikrooptiken gegeben.
Die frei formbare Grenzfläche ermöglicht auch den Ersatz von mechanischen Fokussierungen, Objektivrevolvern und Filter-Schwenkeinrichtungen, zum Beispiel in Funduskameras und Spaltlampen. Bei letzteren ist es mit einem frei formbaren Strahlprofil möglich, beispielsweise eine ophthalmologische Beleuchtung mit individuell einstellbarem Profil zu realisieren. Ferner ist es in einer anderen Anwendung dank des einstellbaren Strahlprofils möglich, die Aushärtung von flüssigen Kunststoffen individuell zu steuern.
Weiterhin kann mit einer ophthalmologischen Ausführung gemäß Figur 11 ein Diagnose- oder Therapiestrahl rasterfδrmig abgelenkt und in das Auge appliziert werden.
Eine vorteilhafte Ausführung eines Diagnosegerätes unter
Verwendung der Variablen Optik ist die Realisierung einer
Scanning-Funduskamera. Eine vorteilhafte Ausführung eines Therapiegerätes unter Verwendung der variablen Optik ist die Realisierung eines strahlgeführten Lasers zur Ablation von Gewebeteilen des Auges .
In dem in der Figur 15 gezeigten Beispiel sind eine Vielzahl von Elektroden 15m alternierend so angesteuert , daß ein gewellte Grenzfläche lim ' bzw. lim" resultiert . Die Periodizität der Grenzflächenwellung, und damit der Abstand a ' bzw. a" von zugehörigen Fokuspunkten 31m' bzw . 31m" in der j eweiligen Fokusebene 29m' bzw. 29m" , wird durch die Periodizität der Ansteuerung (nicht dargestellt) bestimmt . Die Amplitude der Grenzflächenwellung, und damit der Abstand f bzw. f" der jeweiligen Fokusebene von der variablen Optik Im, wird von der Höhe der angelegten Spannungsdifferenzen bestimmt .
Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, ein variables reguläres oder statistisches Linsenarray mit steuerbarer Brennweite der Einzellinsen und variabler Linsendurchmesser (Auflösung des Arrays) zu realisieren, beispielsweise für einen dynamischen, variablen Shack-Hartmann-Sensor.
Durch die erfindungsgemäße variable Optik ist es möglich geworden, mit der Auflösung der Elektrodenanordnung Aberrationen höherer Ordnung auf die dioptrische Grundkorrektur der Wellenfront aufzuprägen. Dabei kann die Ansteuerung strukturiert erfolgen und an den Zernike Polynomen ausgerichtet sein, welche mathematisch zur Beschreibung von Abbildungsfehlern (Aberrationen) höherer Ordnung dienen.
Mit dieser neuartigen variablen Optik ist man daher in der Lage, mit einem optischen Element eine nahezu beliebige Korrektur der Wellenfront dynamisch einzustellen.
Die variable Optik läßt sich in beliebige optische Systeme einbringen; zum Beispiel als Teil eines Zoomsystem einer
Kamera. Dabei kann man bei einer gegebenen Fokussierung
( zum Beispiel Sphäre = 10 dpt . ) durch Modifikation der sphärischen Oberfläche eine ideale Asphäre oder aberrationskorrigierte Linse für die konkreten Abbildungsgeometrie einstellen, um eine optimale
Abbildungsqualität zu erzielen. Dies ist infolge der dynamischen und variablen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Optik für beliebige Abbildungsgeometrien einstellbar.
Zusammengefaßt stellt die Erfindung ein variables optisches Element bereit, dessen Variabilität wenigstens teilweise auf dem Einfluß eines elektrischen Feldes auf die Grenzfläche eines dielektrischen Fluids zu einem anderen Fluid beruht .

Claims

Patentansprüche
1. Variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, wobei die Optik umfaßt :
einen Behälter,
ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid,
ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches zweites Fluid, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid eine Phasengrenzfläche ausgebildet ist und wobei eine Dielektrizitätszahl des ersten Fluids von einer Dielektrizitätszahl des zweiten Fluids ver- schieden ist,
wenigstens eine erste Elektrode,
wenigstens eine zweite Elektrode, welche relativ zu der ersten Elektrode derart angeordnet ist, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt , welches die Phasengrenzfläche durchsetzt .
2. Variable Optik nach Anspruch 1, wobei für
Δε = 2 * I εl - ε2 I / (sl + s2)
gilt : Δε > 0 , 1,
wobei Sl die Dielektrizitätszahl des ersten Fluids repräsentiert ,
ε2 die Dielektrizitätszahl des zweiten. Fluids repräsentiert ,
Δε einen relativen Unterschied zwischen den Dielektrizitätszahlen des ersten und des zweiten Fluids repräsentiert . ■ • '
3. Variable Optik nach Anspruch 2 , wobei gilt : Δε > 0 , 3 , insbesondere Δε > 0 , 5 , bevorzugt Δε > 0 , 7, besonders bevorzugt Δε > 0, 9.
4. Variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, wobei die Optik umfaßt :
einen Behälter,
ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid,
ein in dem Behälter aufgenommenes elektrisch leit- fähiges zweites Fluid, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid eine Phasengrenzfläche ausgebildet ist,
wenigstens eine erste Elektrode,
wenigstens eine zweite Elektrode, welche relativ zu der ersten Elektrode derart angeordnet ist, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld er- zeugt , welches das erste Fluid durchsetzt, wobei der Behälter- einen ersten Wandbereich -umfaßt , an dem die wenigstens eine erste Elektrode angeordnet ist,
wobei die Phasengrenzfläche an einem von dem ersten Wandbereich verschiedenen zweiten Wandbereich anliegt, und
wobei an sämtlichen Orten, wo die Phasengrenzfläche an dem zweiten Wandbereich anliegt, dieser sich unter einem Winkel von mehr als 40° bezüglich dem ersten Wandbereich erstreckt .
5. Variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, wobei die Optik umfaßt :
einen Behälter,
ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid,
ein in dem Behälter aufgenommenes elektrisch leit- fähiges zweites Fluid, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid eine Phasengrenzfläche ausgebildet ist ,
wenigstens eine erste Elektrode,
wenigstens eine zweite Elektrode, welche relativ zu der ersten Elektrode derart angeordnet ist, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt , welches das erste Fluid durchsetzt, wobei der Behälter wenigstens einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereich umfaßt ,
wobei die wenigstens eine erste Elektrode an dem transparenten Wandbereich angeordnet ist .
6. Variable Optik nach Anspruch 5 , wobei die Phasengrenzfläche an einem von dem ersten Wandbereich verschiedenen- zweiten Wandbereich anliegt .
7. Variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, wobei die Optik umfaßt :
einen Behälter,
ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid,
ein in dem Behälter aufgenommenes reflektives, insbesondere metallisches zweites Fluid, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid . eine Phasengrenzfläche ausgebildet ist,
wenigstens eine erste Elektrode,
wenigstens eine zweite Elektrode, welche relativ zu der ersten Elektrode derart angeordnet ist, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, welches das erste Fluid durchsetzt .
8. Variable Optik nach, einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei für
Δn = 2 * I nl - n2 j / (nl + n2)
gilt : Δn > 0 , 01,
wobei
nl ' die Brechzahl des ersten Fluids repräsentiert,
n2 die Brechzahl des zweiten Fluids repräsentiert,
Δn einen relativen Unterschied zwischen den Brechzahlen des ersten und des zweiten Fluids repräsen- tiert .
9. Variable Optik nach Anspruch 8, wobei gilt : Δn > 0, 03 , insbesondere Δn > 0 , 06, insbesondere Δn > 0 , 1.
10. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , wobei die wenigstens eine erste Elektrode für die elektromagnetische Strahlung transparent ist .
11. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , wo- bei das erste Fluid oder/und das zweite Fluid eine
Flüssigkeit ist .
12. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei für
Δd = 2 * I dl - d2 I / (dl + d2)
gilt : Δd < 0 , 1,
wobei Δd einen relativen Dichteunterschied, zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid repräsentiert ,
dl eine Dichte des ersten Fluids- repräsentiert und
d2 eine Dichte des zweiten Fluids repräsentiert . •
13. Variable Optik nach Anspruch 12 , wobei gilt : Δd < 0 , 03 , insbesondere Δd < 0 , 01 , insbesondere Δd < 0 , 003.
14. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode an einander gegenüberliegenden Seiten' des Behälters angeordnet sind.
15. Variable Optik einem der Ansprüche 1 bis 14 , wobei die Phasengrenzfläche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist .
16.' Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 15 , • wobei eine Innenwand des Behälters einen ersten Oberflächenbereich aufweist , welcher für das erste Fluid eine größere Adhäsion aufweist als für das zweite Fluid, und wobei die Innenwand des Behälters einen zweiten Oberflächenbereich aufweist, welcher für das erste Fluid eine kleinere Adhäsion aufweist als für das zweite Fluid .
17. Variable Optik nach Anspruch 16, wobei der erste Ober- flächenbereich und der zweite Oberflächenbereich aneinander angrenzen, und die Phasengrenzfläche an wenigstens einem Teil einer Grenzlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich anliegt .
18. Variable Optik nach Anspruch 17 , wobei die Grenzlinie ringförmig geschlossen ist und die Phasengrenzfläche an der Grenzlinie über deren ganzen Umfang anliegt .
19. Variable Optik nach einem der Ansprüche 16 bis 18 , wobei der Behälter eine erste Wand, eine der ersten Wand gegenüber liegende zweite Wand und einer zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand such erstreckende Um- fangswand umfaßt , und wobei der erste Oberflachen- bereich an der ersten Wand bereitgestellt ist und der zweite Oberflächenbereich an der Umfangswand bereitgestellt .
20. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 19 , wo- bei die erste Elektrode eine Mehrzahl von Teilelektroden umfaßt, welche durch isolierende Zwischenräume voneinander separiert sind.
21. Variable Optik nach Anspruch 20 , ferner umfassend wenigstens eine Spannungsquelle zum Einstellen von elektrischen Potentialen der Mehrzahl von Teilelektroden.
22. Variable Optik nach Anspruch 21, wobei die Spannungs- quelle ein Widerstandnetzwerk umfaßt .
23. Variable Optik nach einem der Ansprüche 20 bis 22 , wobei der Behälter einen ersten Wandbereich, einen dem ersten Wandbereich gegenüber liegenden zweiten Wand- bereich und einen zwischen dem ersten Wandbereich und dem zweiten Wandbereich sich_, erstreckenden Umfangs- wandbereich umfaßt, und wobei die erste Elektrode an dem ersten Wandbereich bereitgestellt ist und die zweite Elektrode an dem zweiten Wandbereich bereitge- stellt ist .
24. Variable Optik nach. Anspruch 23 , wobei an dem Umfangs- wandbereich eine dritte Elektrode bereitgestellt ist .
25. Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 24 , wo- bei der Behälter wenigstens einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereich umfaßt .
26. Variable - Optik nach Anspruch 25 , wobei der Behälter wenigstens einen ersten und einen zweiten für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereich umfaßt, und wobei die Phasengrenzfläche zwischen dem ersten für die Strahlung transparenten Wandbereich und dem zweiten für die Strahlung transparenten Wand- bereich angeordnet ist .
27. Variable Optik nach Anspruch 26 , wobei die mit der Optik wechselwirkende elektromagnetische Strahlung den ersten und den zweiten Wandbereich und die Phasen- grenzflache durchsetzt .
28. Variable Optik nach Anspruch 25 , wobei der Behälter wenigstens einen ersten und einen zweiten für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereich umfaßt , welche auf einer gleichen Seite der Phasengrenzfläche angeordnet sind.
29. Variable Optik nach Anspruch 28 , wobei die mit der Optik wechselwirkende elektromagnetische Strahlung den ersten und den zweiten Wandbereich durchsetzt und von der Phasengrenzfläche reflektiert wird.
30. Variable Optik nach Anspruch 25, wobei die mit der Optik wechselwirkende elektromagnetische Strahlung den wenigstens einen transparenten Wandbereich durchsetzt, von der Phasengrenzfläche reflektiert wird und dann den wenigstens einen transparenten Wandbereich erneut durchsetzt .
31. Variable Optik nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite transparente Wandbereich ein transparentes Elektrodenarray besitzt, mit dem es gelingt , die ebene oder quasisphärische Oberfläche der variablen Optik rαikrostrukturiert auszuformen.
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