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28 Wissenschaft & Forschung [2002] Projekt: Ausschreibung 2002: Aktive Optik Adaptive optische Komponenten stellen aufgrund ihrer zahlreichen Einsatzmöglichkeiten gegenwärtig ein besonders aktives Teilgebiet in der angewandten Optikforschung dar.So könnten beispielsweise Zoom-Objektive künftig nicht mehr mit mechanisch bewegten Linsengruppen, sondern mit variablen Einzellinsen aufgebaut werden, die eine dynamisch steuerbare Brennweite aufweisen.Dies wäre etwa für die Endoskopie, bei der die kleinen Abmessungen den Einsatz mechanisch bewegter Linsengruppen nahezu unmöglich machen, von großem Interesse.Eine weitere Anwendungsmöglichkeit solcher Linsen könnte z.B. die Einkopplung von Licht in optische Fasern sein, um so die Koppeleffizienz durch die Brennweite der Linse zu steuern. In den letzten Jahren wurde unter anderem der Ansatz verfolgt, den Effekt der Elektrokapillarität für solche adaptive Linsen auszunützen.Dabei handelt es sich um folgenden physikalischen Zusammenhang: Im thermodynamischen Gleichgewicht besitzen kleine, auf einer festen Unterlage ruhende Flüssigkeitstropfen die Form einer Kugelkappe und stellen damit vom optischen Gesichtspunkt eine plankonvexe Linse dar.Werden elektrische Ladungen an die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Unterlage gebracht, verändert sich die zugehörige Grenzflächenenergie und damit die Benetzung der Unterlage durch den Tropfen. Demzufolge dehnt sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung der Tropfen aus oder zieht sich zusammen.Optisch gesehen bedeutet dies eine Änderung des Krümmungsradius' der Tropfenoberfläche, wodurch sich die Brennweite der flüssigen Linse steuern lässt.Durchstimmbare Mikrolinsen auf der Basis von Elektrokapillarität wurden bereits vorgestellt.Diese Systeme besitzen eine Apertur von mehreren Millimetern und sind für den Einsatz in Mobiltelefon-Kameras vorgesehen. Im Projekt „Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen“ hat nun der Lehrstuhl für Mikrooptik am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg ein neues System entworfen (Abb.1), welches sich von den bisherigen Systemen durch seine erheblich reduzierten Abmessungen Elektrisch gesteuerte Benetzung für adaptive Mikrolinsen Institut für Mikrosystemtechnik der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Abb. 1: Labormuster eines elektrisch steuerbaren Mikrolinsensystems. Die flüssige Linse befindet sich unter dem Glasfenster. Die Außenabmessungen (hier: Kantenlänge 8 mm) können noch erheblich verringert werden. und den Einsatz der Halbleiter-Prozesstechnologie unterscheidet.Die Vorteile dieses Ansatzes liegen einerseits in der Möglichkeit, das System aufgrund seiner geringen Größe in der Endoskopie einzusetzen, und andererseits – bedingt durch die Halbleiter-Standardprozesse – auch große Stückzahlen kostengünstig herstellen zu können. Zentrales Strukturelement des Systems ist ein Rezess, der in ein kristallines Material geätzt wird.Dieser nimmt die flüssige Linse auf und stabilisiert diese, so dass das System in jeder Einbaulage verwendet werden kann.Gleichzeitig definiert der Rezess die Apertur der Linse, die je nach Design 300 – 1000 µm beträgt.Das kristalline Grundmaterial ist mit verschiedenen funktionalen Schichten belegt.Diese isolieren den Tropfen elektrisch von der Gegenelektrode und sorgen durch ihre chemischen Oberflächeneigenschaften dafür, dass der Tropfen einen hohen Anfangskontaktwinkel (d.h. ohne angelegte Spannung)
aufweist. Dies ist Voraussetzung für einen großen dynamisch zugänglichen Brennweitenbereich des Systems. Die flüssige Linse ist von einer zweiten Flüssigkeit umgeben, welche Oberflächenschwingungen, wie sie durch Erschütterungen entstehen, effizient dämpft. Wie anhand von hydrodynamischen Simulationen gezeigt werden konnte, klingen die Oberflächenschwingungen mit einer Zeitkonstante von unter 1 ms ab. Die gesamte Struktur wird beidseitig durch ein Glasfenster gekapselt. Die Schnittweiten der gefertigten Systeme, gemessen vom Glasfenster zum Brennpunkt, können in einem Bereich von 2 – 20 mm gesteuert werden. Dazu sind Spannungen von lediglich 0 – 25 V erforderlich (Abb. 2) bei einer geringen Leistungsaufnahme von nur 1,5 mW. Schnittweite [µm] Abb. 2: Typische Schnittweite- Spannungs-Kennlinie eines elektrisch steuerbaren Mikrolinsensystems wie in Abb. 1 gezeigt. Spannung U [µm] Das Projekt wurde im Februar 2005 abgeschlossen. Die erarbeiteten Verfahren und gewonnenen Erfahrungen fließen in das neue Projekt „Adaptive Linsenarrays mit variablem Abstand“ ein, bei dem mittels der Elektrokapillarität nicht nur die Brennweite von Mikrolinsen in einem Array, sondern auch deren Abstand zueinander gesteuert werden soll. 29
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