forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2003/2004]
Projekt:
Die Industrie zeigt seit langem Interesse an adaptiver Optik,
wie sie beispielsweise in Autofokus- bzw. Zoomsystemen benötigt
wird. Derzeit werden Linsen mit fester Brennweite mechanisch
entweder durch einen Tauchspulenantrieb über kleine
Wegstrecken oder motorisch über längere Wegstrecken verschoben.
In stark miniaturisierter Form sind Autofokussysteme
mit Tauchspulenantrieb in CD-Spielern verwirklicht.
Wünschenswert sind adaptive Systeme ohne mechanische
Verstellvorrichtungen. Damit derartige adaptive Linsen in vielen
industriellen Anwendungen eingesetzt werden können, sollen
sie einen Verstellbereich von mehreren Dioptrien aufweisen.
Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz basiert auf einer Änderung
der geometrischen Form von Linsen und Spiegeln. Die
Formänderung wird über ein magnetisches Feld in Verbindung
mit magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide) gesteuert, wodurch
nennenswerte Dioptrieänderungen realisierbar sind. Die
äußere Form der adaptiven Linsen bzw. Spiegel ergibt sich aus
dem Innendruck der Flüssigkeit in Verbindung mit einer vorgespannten
Membran.
Der prinzipielle Aufbau ist in folgender Abb. 1 dargestellt:
Bewegte magn.
Flüssigkeit
Ausschreibung 2003/2004:
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren
Magnetisch verstellbare Adaptive Linsen auf Basis
von Nanopartikeln
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Membran Flüssiglinse
Magnetische Flüssigkeiten erhält man, indem magnetische
Nanopartikel im Bereich von 2 bis 10 nm in wässrige, alkoholische
oder organische Lösungen gebracht werden. Ein Benetzungsmittel
verhindert, dass die Einzelpartikel miteinander verklumpen.
Bereits um 1960 wurden von der NASA diese „Ferrofluids“
mit dem Ziel entwickelt, Flüssigkeiten im schwerelosen
Zustand einzuschließen. Verwendung finden sie heute im
nichtoptischen Bereich als Dichtmittel in Drehdurchführungen
oder in hochwertigen Lautsprechersystemen.
In Abwesenheit eines magnetischen Feldes sind die magnetischen
Momente der Nanopartikel willkürlich orientiert und die
Flüssigkeit zeigt keinerlei Magnetisierung. Beim Anlegen eines
externen magnetischen Feldes orientieren sich die magnetischen
Momente sofort entlang der Feldlinien; wenn das magnetische
Feld abklingt, verteilen sich die Momente sehr schnell
wieder willkürlich. In einem Gradientenfeld reagiert das gesamte
Volumen wie eine homogene magnetische Flüssigkeit und
formt sich entsprechend dem Feldlinienverlauf. Das Verhalten
der magnetischen Flüssigkeit ist am besten mit dem Verhalten
von Eisenfeilspänen im magnetischen Feld vergleichbar. Die
Flüssigkeit kann von einem Magneten immer nur angezogen,
jedoch niemals abgestoßen werden.
Membran
Ferrofluid-Aktor
Linsengehäuse
Abb. 1: Adaptive Membranlinse
mit Aktor aus magnetischer Flüssigkeit
(Querschnittskizze und geplante
Realisierung).