Beschreibung
Adaptives optisches Element mit einem Polymeraktor Die Erfindung bezieht sich auf ein adaptives optisches Element, aufweisend einen Polymeraktor mit mindestens einer insbesondere elektroaktiven Polymerlage, an die sich beidseitig jeweils eine Elektrodenlage anschließt. Ein adaptives optisches Element wird beispielsweise von Ron Pelrine u. a. in „Smart structures and materials 2001" herausgegeben durch Proceedings of SPIE, Vol 4329 (2001), Seiten 335 bis 349 beschrieben. Dieser Veröffentlichung gemäß kann eine adaptive Optik durch Membranaktoren erzeugt werden, bei denen die Membran als elektroaktives Polymer ausgeführt ist. Wird über an die sich beidseitig an die elektroaktive Polymerlage anschließenden Elektrodenlagen ein elektrisches Feld in der Polymerlage aufgebaut, so ist die Membran bestrebt, ihre Fläche zu vergrößern. Durch eine ringförmige Einspannung der Membran kann erreicht werden, dass die Flächenvergrößerung der Polymerlage in eine Durchbiegung derselben umgewandelt wird, so dass hierdurch ein durch die Membran geleiteter optischer Strahlengang beeinflusst wird. Zu diesem Zweck müssen die Polymerlage sowie die Elektrodenlagen trans- parent für das durchzuleitende Licht ausgeführt sein. Als transparente Elektrodenmaterialien können beispielsweise Graphitgele, Elektrolytgele oder auch dünne Metallschichten zum Einsatz kommen.
Als Polymerlage für den Polymeraktor können Elastomere wie z. B. Silikon verwendet werden. Hierdurch lässt sich ein e- lektrostatischer Elastomeraktor erzeugen, bei dem die Verformung der Polymerlage aufgrund der gegenseitigen Anziehung der
Elektrodenlagen bei Vorliegen eines elektrischen Feldes erfolgt. Die Polymerlage kann jedoch auch aus einem elektroaktiven Polymer wie z. B. PMMA (Polymethyl Methacrylate) bestehen. Bei elektroaktiven Polymeren wird die Verformung aufgrund der Anziehung der Elektrodenlagen zusätzlich durch eine aktive Verformung des elektroaktiven Polymers im elektrischen Feld unterstützt. Weitere Materialien für die Polymerlage können durch Mischungen der genannten Materialien untereinander oder mit anderen Materialien erhalten werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein adaptives optisches Element mit einem Polymeraktor anzugeben, mit dem das optische Element adaptiv an vergleichsweise viele optische Anwendungsfälle angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der Elektrodenlagen in Schichtelektroden aufgeteilt ist, derart, dass mittels der Schichtelektroden ein e- lektrisches Feld mit lokal sich verändernder Feldstärke er- zeugbar ist. Die Aufteilung der Elektrodenlagen in Schichtelektroden kann durch eine geeignete Strukturierung der E- lektrodenlage erfolgen. Z. B. kann bei einer Bedampfung der Polymerlage mit einem Metall vor diesem Beschichtungsvorgang eine Maskierung der Polymerlage vorgenommen werden. Die ein- zelnen Schichtelektroden sind vorteilhaft dazu geeignet, beispielsweise durch Anlagen unterschiedlicher Spannungen einen Feldstärkegradienten in dem in der Polymerlage gebildeten e- lektrischen Feld zu erzeugen. Hierdurch kann der Grad der Verformung der Polymerlage, welcher von dem elektrischen Feld direkt abhängig ist, lokal beeinflusst werden, so dass sich die Gestalt des Polymeraktors gezielt ändern lässt. Beispielsweise könnte durch asymmetrische Verformung eines Sta-
pelaktors ein Prisma mit variablem Winkel der Prismenflächen geschaffen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zur selben Elektrodenlage gehörenden Schichtelektroden elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch die Reihenschaltung der Schichtelektroden kann in Richtung der Reihenschaltung in den Schichtelektroden ein vom elektrischen Widerstand der Schichtelektroden und den dazwischenliegenden Verbindun- gen abhängiger Spannungsabfall erzeugt werden, so dass vorteilhaft auch die durch die Schichtelektroden erzeugten e- lektrischen Einzelfelder in ihrer Feldstärke abnehmen. Durch eine geeignete geometrische Aufteilung der betreffenden E- lektrodenlage in Schichtelektroden lässt sich damit eine Feldstärkenverteilung des auf die Polymerlage wirkenden e- lektrischen Gesamtfeldes erzeugen, die an den Anwendungsfall des adaptiven optischen Elementes angepasst sein kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese- hen, dass zumindest ein Teil der Schichtelektroden unabhängig voneinander kontaktierbar sind. Damit kann vorteilhafterweise an jede der Schichtelektroden ein anderes Potential angelegt werden, wodurch sich das adaptive optische Element optimal an die Anforderungen des Anwendungsfalles anpassen lässt. Insbe- sondere können durch einen Kalibriervorgang Fertigungsunge- nauigkeiten aus der Herstellung des Polymeraktors dadurch ausgeglichen werden, dass ein Kalibrierungspotential an der Schichtelektrode gerade zum Ausgleich der durch die Ferti- gungsungenauigkeiten bewirkten geometrischen Abweichungen vom Sollwert führt.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es besonders vorteilhaft, wenn die zur selben Elektrodenlage gehörenden Schichtelektro-
den auf konzentrischen Ringen angeordnet sind. Dabei können die Schichtelektroden beispielsweise jeweils Ringe bilden, die auf den konzentrischen Kreisen liegen. Diese Ringe können jedoch ihrerseits wiederum in Ringsegmente aufgeteilt werden. Mit einer zentralsymmetrischen Anordnung der Schichtelektroden auf konzentrischen Kreisringen lässt sich beispielsweise das optische Element vorteilhaft als Linse verwenden, wobei der Polymeraktor dann transparent ausgeführt sein muss. Mittels der Schichtelektroden lässt sich die Linsenkrümmung di- rekt beeinflussen, so dass abhängig vom angelegten Potential die Brennweite der Linse stufenlos einstellbar ist. Weiterhin lassen sich optische Abbildungsfehler korrigieren (z. B. Astigmatismus) .
Eine alternative Lösung der oben genannten Aufgabe sieht vor, dass die Polymerlage eine lokal sich verändernde Dicke aufweist, derart, dass mittels der Elektrodenlage ein elektrisches Feld mit lokal sich verändernder Feldstärke erzeugbar ist. Durch die Herstellung der Polymerlage mit lokal sich verändernder Dicke wird vorteilhaft erreicht, dass auch bei einer Anordnung der Elektrodenlagen ohne Aufteilung in einzelne Schichtelektroden ein elektrisches Feld mit lokal sich verändernder Feldstärke in der Polymerlage erzeugt wird, da der Abstand der sich beidseits der Polymerlage befindenden Elektrodenlagen abhängig von der Polymerlagendicke verringert oder vergrößert. Je geringer nämlich der Abstand zwischen den Elektrodenlagen wird, desto stärker ist das zwischen den E- lektrodenlagen befindliche elektrische Feld bei jeweils gleichem an den Elektrodenlagen anliegenden Potential. Damit lässt sich beispielsweise bei einer linsenförmig gekrümmten
Polymerlage durch Variation des an den Elektrodenlagen anliegenden Potentials die Linsenkrümmung verstärken oder abschwächen.
Gemäß einer Ausgestaltung beider alternativen Erfindungslösungen ist vorgesehen, dass der Polymeraktor auf einer starren, ebenen Unterlage wie z. B. einer Glasplatte montiert ist. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine Seite des Polyme- rakors mit hoher Präzision herstellen, wobei die Unterlage das optische Element gleichzeitig stabilisiert. Durch Anlegen eines Potentials an die Elektrodenlagen bzw. Schichtelektroden kann dann beispielsweise die Krümmung der freien Fläche der Polymerlage beeinflusst werden, wobei durch die ebene Bezugsfläche auf der anderen Seite des Polymeraktors die für optische Elemente geforderte Präzision erreicht wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Polymeraktor eine kreisförmige Grundfläche aufweist. Hierdurch ist dieser besonders für optische Elemente mit zentralsymmetrischer Geometrie geeignet. Alternativ könnte der Polymeraktor selbstverständlich auch andere Grundflächen aufweisen, wenn die zugehörigen optischen Elemente beispielsweise zylindrische oder linienhafte Geometrien aufweisen sollen.
Außerdem besteht vorteilhaft die Möglichkeit, dass auf den Polymeraktor eine Reflektionsschicht aufgebracht ist. Hierdurch wird als optisches Element ein Spiegel erhalten, wobei die Gestaltänderung des Polymeraktors zur Beeinflussung der
Spiegelkrümmung verwendet werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elementes als Sammellinse im schematischen Schnitt,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des optischen Elementes geschnitten in einer perspektivischen Darstellung, Figur 3 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfin- dungsgemäßen optischen Elementes als Linsen in der Seitenansicht, Figur 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elementes als Hohlspiegel im Schnitt und Figur 7 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elementes als Prisma von der Seite.
Ein adaptives optisches Element gemäß Figur 1 besteht aus einem Polymeraktor 11, der aus einer transparenten Polymerlage 12 und aus beidseitig auf diese Polymerlage 12 aufgebrachten transparenten Elektrodenlagen 13a, 13b gebildet ist. Die E- lektrodenlagen selbst müssen elastisch sein, um eine spannungsarme Verformung der Polymerlage zu ermöglichen. Als E- lektrodenmaterial kommen beispielsweise leitfähige Polymere infrage. Die Elektrodenlagen sind durch geeignete Strukturierung in elektrisch voneinander isolierte Schichtelektroden 14a, 14b aufgeteilt. Die Schichtelektroden sind, wie in Figur 1 angedeutet, unabhängig voneinander kontaktierbar. Durch Anlegen der Spannungen Ui, U2 und U3 mit der Bedingung Ux < U2 < U3 lässt sich der Polymeraktor aus der strichpunktiert angedeuteten Ausgangslage 15 (unverformt) in den in Figur 1 dargestellten Verformungszustand einer Bikonvexlinse bringen. Dieser Verformungszustand wird erreicht, indem in der Polymerlage durch die jeweils paarweise gegenüberliegenden Schichtelektroden ein elektrisches Feld mit vom Zentrum zu den Seitenrändern hin zunehmender Feldstärke erzeugt wird. Das elektrische Feld bewirkt daher im Zentrum der Polymerlage lediglich eine geringe Verringerung ihrer Dicke und an den
Seitenrändern die stärkste Verringerung der Dicke, wobei sich gleichzeitig der Durchmesser der dargestellten Sammellinse bei im Wesentlichen gleichbleibender Dichte der Polymerlage vergrößert. Die weitgehend unabhängig vom Verformungszustand der Polymerlage 12 konstante Dichte des zum Einsatz kommenden elektroaktiven Polymers ist Voraussetzung für die geforderten homogenen, optischen Eigenschaften des optischen Elementes, die im Fall der Figur 1 auch Voraussetzung für eine Brennweitenänderung der dargestellten Sammellinse ist.
In den folgenden Figuren sind jeweils entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit nochmals erläutert, wie sich Abweichungen zur Figur 1 ergeben. Auch können die technischen Lösungen der Ausfüh- rungsbeispiele gemäß der Figuren 1 bis 6 untereinander kombiniert werden.
Bei dem Polymeraktor gemäß Figur 2 ist nur die obere Elektrodenlage 13a in Schichtelektroden 14 unterteilt. Diese sind jeweils im Wesentlichen ringförmig auf konzentrischen Kreisen bzw. auf dem Mittelpunkt der kreisförmigen Oberfläche der Polymerlage 12 angeordnet. Untereinander sind die Schichtelektroden 14 durch Stege 16 elektrisch miteinander verbunden. Von der inneren Schichtelektrode auf dem Mittelpunkt der Oberflä- ehe der Polymerlage 12 führt ein Kontaktierungssteg 17 zum
Rand der Polymerlage. Über den Kontaktierungssteg 17 und die äußerste Schichtelektrode 14 am Seitenrand der Polymerlage 12 sind die Schichtelektroden 14 mit einer Spannungsquelle 18 kontaktiert, wobei über die Stege 16 eine Reihenschaltung der Schichtelektroden 14 zu Stande kommt. Der elektrische Widerstand der Stege 16 führt dabei zu einem Spannungsabfall an den einzelnen Schichtelektroden. Da die den Schichtelektroden gegenüberliegende Elektrodenlage 13b mit einer Erdung 19 ver-
bunden ist, bewirkt dieser Spannungsabfall an den Schichtelektroden 14 die Erzeugung eines Gradienten der Feldstärke des in der Polymerlage 12 ausgebildeten elektrischen Feldes. Hierdurch lässt sich ein nicht dargestellter Verformungszu- stand des Polymeraktors 11 erzielen.
Der Polymeraktor 11 gemäß Figur 3 ist in seinem unverformten Zustand dargestellt. Es wird deutlich, dass dieser bereits im unverformten Zustand die Form einer Bikonvexlinse aufweist. Werden die Elektrodenlagen 13a, 13b mit einer Spannung U beaufschlagt, so bildet in der Polymerlage 12 ein elektrisches Feld aus, welches aufgrund des geringeren Abstandes der E- lektrodenlagen 13a, 13b am Seitenrand der Polymerlage dort eine größere Feldstärke aufweist als im Inneren der Polymer- läge, wo der Abstand der Elektrodenlagen 13a, 13b voneinander zu einer Symmetrielinie 20 der Polymerlage hin immer weiter zunimmt . Hierdurch verformt sich entsprechend dem zu Figur 1 beschriebenen Mechanismus die Polymerlage am Seitenrand stärker als in der Mitte, wodurch die Krümmung der Polymerlage 12 verstärkt wird (Verformungszustand 22 strichpunktiert angedeutet) . Dies entspricht einer Modifikation der Brennweite der durch den Polymeraktor 11 gebildeten Sammellinse.
Das optische Element gemäß Figur 4 unterscheidet sich im Auf- bau von dem in Figur 3 dadurch, dass der Polymeraktor 11 über seine transparente Elektrodenlage 13b beispielsweise aus ITO (Indium Tin Oxide) einseitig mit einer ebenen Glasplatte 21 verbunden ist . Die andere Seite des Polymeraktors ist konvex gekrümmt, so dass das optische Element als Plankonvexlinse ausgeführt ist. Werden die Elektrodenlagen 13a, 13b mit einer Spannung U beaufschlagt, so bildet sich der strichpunktiert dargestellte Verformungszustand 22 aus, der zu einer Abflachung der Krümmung der Oberfläche der Polymerlage 12 führt .
Dies lässt sich dadurch erklären, dass durch die feste Verbindung zwischen der Glasplatte 21 und dem Polymeraktor 11 eine Ausdehnung des Seitenrandes weitgehend verhindert wird, so dass durch die Abflachung der Polymerlage 12 in der Mitte das elektroaktive Polymer zum Seitenrand des Polymeraktors hin verlagert wird und dort zu einer Verdickung der Polymerlage 12 führt .
Der Polymeraktor 11 gemäß Figur 5 besteht aus zwei Polymerla- gen 12, zwischen denen eine Elektrodenlage 13b vorgesehen ist. Die Elektrodenlagen 13a auf der Ober- und der Unterseite des durch die Polymerlagen 12 gebildeten Stapels 23 sind mit Schichtelektroden 14a versehen, die entsprechend dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander kontaktiert werden können. Die Elektrodenlage 13b kann mit einer Erdung versehen werden (nicht dargestellt) , so dass sich die Polymerlagen 12 unabhängig voneinander verformen lassen. Hierdurch kann beispielsweise der Verformungszustand 22 einer Kovexkonkavlinse erzeugt werden.
Das optische Element gemäß Figur 6 ist als Hohlspiegel ausgeführt . Der Polymeraktor 12 weist auf der Elektrodenlage 13b eine Reflexionsschicht 24 auf, die als Spiegel zum Einsatz kommt. Diese können beispielsweise aus dünnen, elastischen Metallschichten bestehen. Wird die Elektrodenschicht 13b beispielsweise geerdet, kann durch die Schichtelektroden 14a, die einzeln angesteuert werden können (vgl. Figur 1), der bikonkave Querschnitt der Polymerlage 12 erzeugt werden, wodurch die Reflexionsschicht einen Hohlspiegel ausbildet. Na- türlich kann auch die Elektrodenlage selbst die Reflexionsschicht bilden, wenn diese reflektierende Eigenschaften aufweist. Eine zusätzliche Reflexionsschicht kann dann entfallen (nicht dargestellt) .
Das optische Element gemäß Figur 7 bildet ein Prisma. Dieses ist durch einen Grundkörper 25 gebildet, welcher einseitig den Polymeraktor 11 trägt. Dieser weist Schichtelektroden 14a und eine Elektrodenlage 13b auf, wobei letztere mit der Erdung 18 verbunden ist. Die Schichtelektroden 14a sind vom einen Ende der Polymerlage hin zum anderen Ende der Polymerlage in Reihe geschaltet, so dass diese mit der Spannungsquelle 19 einen Stromkreis 26 bilden. Durch den aufgrund der Reihen- Schaltung sich ergebenden Spannungsabfall über die Schichtelektroden 14a kann die Polymerlage 12 keilförmig verformt werden, wodurch die Geometrie des aus Grundkörper 25 und Polymeraktor 11 gebildeten Prismas verändert werden kann.