DE102007004080A1

DE102007004080A1 - Variables achromatisches Membranlinsensystem sowie Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102007004080A1
Application number: DE102007004080A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr.-Ing. Reichelt; Armin Dipl.-Ing. Werber; Hans Prof. Dr. Zappe
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein fluidisches Membranlinsensystem mit mehreren Fluidkammern, die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen hintereinander liegen und von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane fluiddicht voneinander getrennt sind. In die Fluidkammern mündet jeweils zumindest ein Fluidkanal, über den der Druck oder das Volumen eines die Fluidkammer ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist. Zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern weisen dabei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex auf. Das Membranlinsensystemjeweiligen Drucks oder Volumens der die Fluidkammern ausfüllenden Fluide derart in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Brennweite der Membranlinse, dass bei der Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert sind. Mit der Erfindung wird somit ein in der Brennweite variables optisches Membranlinsensystem bereitgestellt, das ohne großen technischen Aufwand in ein oder mehreren chromatischen und/oder monochromatischen Abbildungsfehlern korrigiert ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein fluidisches Membranlinsensystem mit mehreren Fluidkammern, die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen hintereinander liegen und von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane fluiddicht voneinander getrennt sind, wobei in die Fluidkammern jeweils zumindest ein Fluidkanal mündet, über den der Druck eines die Fluidkammer ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist, und zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Membranlinsensystems.
Stand der Technik
Membranlinsen mit variabler Brennweite sind bereits aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Membranlinsen haben eine dünne, optisch transparente und hochelastische Membran, bspw. aus Silikonen wie Polydimethylsiloxan, die eine fluidgefüllte Kammer auf zumindest einer Seite begrenzt. Die Membran befindet sich dabei an der Stirnfläche der bspw. zylindrischen Kammer. Durch pneumatische oder hydraulische Aktivierung wird über einen Fluidkanal ein Volumenstrom in die Kammer oder aus der Kammer heraus erzeugt, durch den sich die typischerweise 20 bis 150 μm dünne Membran in Form einer gekrümmten Oberfläche auslenkt. Für Membranen mit konstanter Dicke, homogenen Elastizitätseigenschaften und kreisförmiger Apertur lässt sich druck- oder volumengesteuert eine Membranwölbung erreichen, die über dem größten Teil der Apertur einer sphärischen Fläche entspricht. Über die Einstellung des Druckes und damit des Radius der Membranwölbung lässt sich so bspw. die Brennweite von Linsen über große Bereiche verändern. Sowohl Sammel- als auch Zerstreuungslinsen sind damit realisierbar. Die verwendeten Fluide basieren in der Regel auf Wasser oder wässrigen Salzlösungen mit Brechungsindizes im Bereich von 1,33 ≤ n ≤ 1,66.
Ein gattungsgemäßes fluidisches Membranlinsensystem ist bspw. aus der WO 2006/011937 A2 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein in der Brennweite variables fluidisches Membranlinsensystem sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die eine Korrektur chromatischer und/oder monochromatischer Abbildungsfehler in einem einstellbaren Brennweitenbereich des Membranlinsensystems ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem fluidischen Membranlinsensystem und dem Verfahren gemäß den Patent ansprächen 1 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Membranlinsensystems sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Das vorgeschlagene fluidische Membranlinsensystem weist in bekannter Weise mehrere Fluidkammern auf, die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen hintereinander liegen und von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane fluiddicht voneinander getrennt sind. Der Begriff "fluiddicht" bezieht sich dabei jeweils auf die in den Fluidkammmern befindlichen Fluide. In die Fluidkammern mündet jeweils zumindest ein Fluidkanal, über den der Druck oder das Volumen eines die Fluidkammer ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist. Zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern weisen hierbei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex auf. Das vorgeschlagene Membranlinsensystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuereinheit für die Steuerung des jeweiligen Drucks bzw. Volumens der die Fluidkammern ausfüllenden Fluide vorgesehen ist, die den jeweiligen Druck bzw. das Volumen in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Brennweite der Membranlinse so steuert, dass bei dieser Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert sind. Die Steuereinheit steht dabei mit entsprechenden Druckgebern für die einzelnen Fluidkammern in Verbindung, über die der Druck bzw. das Volumen des Fluids in den Fluidkammern über die Fluidkanäle vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch variiert werden kann. Der Druck bzw. das Volumen lässt sich dabei für jede Fluidkammer unabhängig von den anderen Fluidkammern einstellen.
Bei dem Verfahren zum Betrieb eines derartigen fluidischen Membranlinsensystems werden die Fluidkammern entsprechend mit Fluiden befällt, von denen zumindest zwei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Für eine vorgebbare oder vorgegebene Brennweite wird jeweils der erforderliche Druck berechnet und eingestellt, bei dem bei dieser Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert werden. Für eine Achromatisierung des Membranlinsensystems durch die Verwendung der unterschiedlichen optischen Fluide werden folgende drei Basisgleichungen herangezogen:
wobei φ die Brechkraft, ν = (n_d – 1)/Δn die Abbe-Zahl und c = c₁ – c₂ = R₁ ^–1 – R₂ ^–1 die Durchbiegung einer Linse sind. Gleichung (3) bezieht sich dabei auf den Spezialfall eines Linsensystems mit beidseitig ebenen Endflächen, die beim vorliegenden Linsensystem durch die transparenten Abdeckungen gebildet werden können. Durch die Berücksichtigung dieser Gleichungen bei dem Betriebsverfahren bzw. in der Steuereinheit können für jede vorgegebene Brennweite, die mit dem Linsensystem einzustellen ist, die einzustellenden Membranradien berechnet werden, mit denen die Brennweite erzielt wird und gleichzeitig (bei dieser Brennweite) eine minimale chromatische und/oder monochromatische Aberration erreicht wird. Die für diese Membranradien erforderlichen Drücke bzw. Volumina in den Fluidkammern werden dann eingestellt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein in der Brennweite variables Membranlinsensystem bereitgestellt, dessen chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler auf technisch einfache Weise zumindest teilweise korrigiert sind. Die Korrektur betrifft hierbei vorzugsweise in erster Linie die chromatische Aberration und optional zusätzlich die monochromatischen Fehler. Bei gegebenen optischen Medien und vorgegebenen starren Geometrien des Membranlinsensystems werden dabei die flexiblen Membrane gezielt so deformiert, dass die chromatischen und/oder monochromatischen Abbildungsfehler minimiert werden.
So sind bspw. bei einem Dreikammersystem mit zwei elastischen Membranen mehrere unterschiedliche Kombinationen der beiden Membranradien möglich, um eine vorbestimmte Brenn- bzw. Schnittweite zu erzielen. Bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem und dem zugehörigen Betriebsverfahren wird diejenige Kombination gefunden und eingestellt, bei der die chromatischen und/oder monochromatischen Fehler minimal werden. Durch die Anordnung der flexiblen Membranen im Inneren der die Fluidkammern bildenden Kavität wird die Gefahr mechanischer Zerstörung deutlich verringert und das Eindringen von Gasen minimiert. Dies erfolgt durch die vorzugsweise starren, optisch transparenten Abdeckungen bzw. Endflächen, die die angrenzenden Fluidkammern hermetisch verschließen. Die Seitenwände der Kavität bzw. der Fluidkammern mit integrierten Fluidkanälen sind dabei vorzugsweise aus Silizium gebildet.
Für die Herstellung eines derartigen Membranlinsensystems werden vorzugsweise Methoden und Technologien der Mikrosystemtechnik eingesetzt, die auch eine Miniaturisierbarkeit des Linsensystems ermöglichen. Eine waferbasierte Prozesstechnik erlaubt eine kostengünstige Batch-Fabrikation in großen Stückzahlen. Für die Herstellung wird vorzugsweise mit lithographischen Methoden ein rückseitig mit Siliziumdioxid beschichteter Siliziumwafer von der Rückseite belichtet, um die Strukturen für die Linsenapertur und die Fluidkanäle zunächst in Photoresist und in anschließenden Ätzprozessen, wie bspw. RIE (reaktives Ionenätzen) und ICP-unterstütztes Tiefenätzen (DRIE in induktiv gekoppeltem Plasmaätzer), in das Silizium zu übertragen. Nach Ätzung von etwa der halben Waferdicke wird auf die Vorderseite des Wafers eine dünne Elastomermembran, vorzugsweise Polydimethylsiloxan (PDMS), im Spin-Coating-Verfahren aufgebracht. Vorteilhafterweise kann dadurch die Membran mit einer definierten Dicke aufgebracht werden. Eine Vorbehandlung des Wafers mit einem Haftvermittler (Primer) kann dabei die schon sehr gute Adhäsion erhöhen, wodurch eine nahezu kovalente Bindung der Membran am Siliziumträger erreicht werden kann. Dies ist wichtig, um beim späteren Betrieb eine gute Haftung der Membran an den Aperturrändern des Linsensystems zu gewährleisten und damit eine Delamination zu vermeiden. In einem weiteren Ätzschritt von der Rückseite wird der Wafer bis zur Membran durchgeätzt, so dass eine freistehende Membran über der Linsenöffnung gebildet wird. Nachfolgend wird eine dünne Glasplatte auf die Waferrückseite gebondet, so dass eine Kammer für das Fluid entsteht. Die weiteren Kammern werden durch Stapelung mehrerer Wafer realisiert, die in gleicher Weise verarbeitet wurden (bis auf den obersten Wafer jedoch ohne die dünne Glasplatte), und miteinander verbondet werden. Abschließend erfolgt dann eine blasenfreie Befüllung der Kammer mit den Fluiden.
Die Aktuierung der elastischen Membranen erfolgt bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch über die optisch wirksamen Fluide, wobei bei Gasen deren Kompressibilität zu beachten ist. Bei Flüssigkeiten kann die Membranauslenkung direkt mittels einer druckinitiierten Volumenänderung in der jeweiligen Kammer erfolgen. Sehr schnelle Schaltzeiten werden bspw. mit Piezo-Stellgliedern erreicht. Um deren geringe Stellwege teilweise zu kompensieren, können Stellglieder verwendet werden, die großflächig an das breite Ende einer trichterförmigen Flüssigkeitssäule gekoppelt werden. Kleine Stellwege bewirken dann große Volumenströme des Fluids.
Mögliche Anwendungen des vorgeschlagenen pneumatisch oder hydraulisch aktuierten, Brennweitenverstellbaren Membranlinsensystems reichen von relativ einfacher Beleuchtungsoptik über Elemente zur Strahlformung, als Alternative zu traditionellen Autofokussystemen bis hin zu anspruchsvollen abbildenden Systemen wie variablen Teleskop- oder Zoomsystemen für Inspektions- und Überwachungssysteme, PDAs, Mobiltelefone, Webcams usw. Ein großer Bedarf an derartigen variablen achromatischen optischen Systemen liegt auch im Bereich der Endoskopie für in-vivo Imagingsysteme. Grundsätzlich werden derartige Membranlinsensysteme benötigt, um qualitativ hochwertige Abbildungen von spektral breitbandig erscheinenden Objekten mit veränderlichem Abbildungsmaßstab zu realisieren oder eine multispektrale, variable Strahlformung (z. B. von Weißlicht) vorzunehmen. Zwei hintereinander geschaltetete vorgeschlagene Systeme erlauben die Realisierung eines Zooms ohne die einzelnen Glieder mechanisch gegeneinander verschieben zu müssen. Der Aperturdurchmesser des vorgeschlagenen Membranlinsensystems kann dabei von einigen Mikrometern bis hin zu einigen Zentimetern reichen. Weiterhin lassen sich bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem auch beliebige Aperturgeometrien realisieren.
Die Steuereinheit berechnet bei dem vorgeschlagenen Membranlinsensystem vorzugsweise die jeweils erforderlichen Membranradien bzw. Drücke oder Volumina nicht selbst, sondern greift auf eine in einem internen Speicher hinterlegte LUT (Look-Up-Table) zurück. In dieser Tabelle sind (vorausberechnet) für die unterschiedlichen einstellbaren Brennweiten die entsprechenden einzustellenden Drücke bzw. Volumina hinterlegt, mit denen bei diesem Membranlinsensystem die optimale Korrektur erreicht wird.
Das Membranlinsensystem kann im einfachsten Aufbau aus drei Fluidkammern aufgebaut sein, die durch zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membranen fluiddicht voneinander getrennt sind. Selbstverständlich sind jedoch auch mehr als drei Kammern und – damit verbunden – mehr als zwei transparente Membrane möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das vorgeschlagene Membranlinsensystem sechs Fluidkammern, die jeweils paarweise durch eine flexible transparente Membran voneinander getrennt sind. Die jeweiligen Paare sind durch eine für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente, starre Platte voneinander getrennt. Dieses Membranlinsensystem umfasst somit insgesamt drei flexible Membrane und vier starre Platten, die die sechs Fluidkammern voneinander trennen. Mit einem derartig ausgebildeten Membranlinsensystem stehen drei unabhängig voneinander einstellbare Membranradien zur Verfügung, die neben der Korrektur der chromatischen Aberration eine zusätzliche unabhängige Korrektur monochromatischer Abbildungsfehler, bspw. der sphärischen Aberration, bieten. Die zwischengeschalteten starren Platten können zudem zusätzlich mit optischen Schichten versehen werden, die der Entspiegelung, Filterung oder Bündelbegrenzung dienen. Sie werden vorzugsweise aus Kunststoff- oder Glasmaterialien gebildet, die ähnliche oder Idealerweise gleiche optische Eigenschaften (Brechungsindex, Dispersion) aufweisen wie die sie umgebenden Liquide. Falls kein Brechungsindex-Matching möglich ist, werden durch entspiegelte Flächen Störreflexe und Lichtverluste im optischen System unterdrückt. Eine Ausbildung als Graufilter kann verwendet werden, um den Intensitätsabfall des Membranlinsensystems im Feld, d. h. am Bildrand, auszugleichen. Optisch lokal opake Schichten können eingesetzt werden, um den Strahlengang in Form von Apertur- oder Feldblenden zu begrenzen.
In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Membranlinsensystems werden Fluide mit anormaler relativer Teildispersion eingesetzt, um zusätzlich das sekundäre Spektrum zu korrigieren. Dadurch kann ein variables Linsensystem realisiert werden, das für drei Wellenlängen dieselbe Schnittweite aufweist.
Bei vertikalem Einbau von insbesondere größeren Linsen können unerwünschte Gravitationskräfte auf die Membrane wirken und bspw. zur sog. Schwerkraftkoma führen. Auch Stöße oder starke Beschleunigungen können die Abbildungsgüte verschlechtern. Durch Dichteanpassung der optischen Fluide kann diesen Einflüssen entgegengewirkt werden. Ebenso können solche Fluide verwendet werden, die bzgl. ihres Temperaturverhaltens im vorgesehenen Bereich möglichst stabil sind.
Die Aperturform des vorgeschlagenen Membranlinsensystems ist nicht auf kreisförmige Öffnungen begrenzt, sondern kann beliebige Aperturgeometrien umfassen. So können bspw. rechteckige Aperturen vorgesehen sein, um variable achromatische Zylinderlinsen zu bilden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den das Volumen der Fluidkammern begrenzenden Hohlkörper nicht nur rein zylindrisch, sondern in beliebiger Gestalt auszuformen, bspw. in Form eines Kegelstumpfes. Auf diese Weise lassen sich bspw. die an den Stirnflächen einer Fluidkammer angebrachten elastischen Membranen bei einem in der Fluidkammer vorherrschenden Druck unterschiedlich verformen, so dass zwei unterschiedliche Radien der beiden Membranen bei gleichem Druck oder Volumen in der Kammer realisierbar sind.
Die transparenten Abdeckungen des Membranlinsensystems können sowohl als ebene Platten als auch als gekrümmte Platten realisiert werden, die dann bspw. eine sphärische oder asphärische Linsenfläche bilden können. Die Ausbildung dieser transparenten Abdeckungen hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Auch eine Ausbildung dieser Abdeckungen als flexible Membrane ist möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere der vorgeschlagenen Membranlinsensysteme als Array angeordnet. Insbesondere Membranlinsensysteme mit kleinem (Apertur-)Durchmesser lassen sich mit hohem Füllfaktor im Array anordnen. Die Fluidkammern der einzelnen Linsensysteme können dabei über mikrofluidische Kanäle miteinander verbunden werden, um alle jeweils an der gleichen Position in den Membranlinsensystemen angeordneten Membrane des Arrays gleichermaßen auszulenken, ohne dabei den Steuerungsaufwand, d. h. die Anzahl der erforderlichen Druckeinrichtungen zu erhöhen. Derartige Systeme sind bspw. für Anwendungen interessant, die eine integrale optische Abbildung einsetzen (integral imaging).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Membranlinsensystem sowie das zugehörige Betriebsverfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems;
2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems;
3 ein Beispiel für die sphärische Aberration in Abhängigkeit von der Durchbiegung des Linsensystems der 2 in Abhängigkeit von der Brennweite;
4 vorberechnete Membranradien für ein Linsensystem gemäß 2 in Abhängigkeit von der Brennweite;
5 den Strahlenverlauf durch ein Membranlinsensystem gemäß 2 für jeweils eine beispielhafte Sammel- bzw. Zerstreuungslinse mit Blendenzahl f/5;
6 die chromatische Längsaberration und die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) für das beispielhafte sammelnde Membranlinsensystem gemäß 5;
7 zwei Beispiele mit unterschiedlichen Ausgestaltungen der Fluidkammern;
8 vier Beispiele für unterschiedliche Aperturgeometrien in Aufsicht;
9 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems mit integrierter Blende; und
10 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Membranlinsensystems mit einer als Linse fester Brennweite ausgebildeten Abdeckung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein erstes Beispiel eines Membranlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel umfasst das Membranlinsensystem drei Kammern a, b, c, die durch zwei elastische Membrane 1 fluiddicht voneinander getrennt sind. Das Membranlinsensystem wird aus drei übereinander gebondeten Siliziumsubstraten 2 gebildet, zwischen denen die Membrane 1 liegen. Die Lichteintritts- und Lichtaustrittsseite sind jeweils über eine optisch transparente Platte 3 hermetisch dicht abgeschlossen. In die einzelnen Fluidkammern a, b, c werden in diesem Beispiel über Fluidkanäle 4 in den Siliziumsubstraten 2 unterschiedliche Liquide mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, d. h. vor allem unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlichem Dispersionsverhalten, eingefüllt, wie dies mit der unterschiedlichen Schraffur in der 1 angedeutet ist. Durch eine druckgeregelte Volumenänderung in den Kammern a und c lässt sich das Volumen in Kammer b verändern, um damit die Membranradien gezielt einzu stellen. Die Ansteuerung der Druckgeber p erfolgt dabei über die in der Figur angedeutete Steuereinheit 5.
Die drei weiter oben angeführten Basisgleichungen (Gleichungen (1) bis (3)) führen zu einem Gleichungssystem, das nach den Durchbiegungsparametern c der drei Einzelkammern a, b, c aufgelöst werden kann:
wobei die Determinante D durch
gegeben ist. Dabei sind φ = Φ_a + φ_b + φ_c die Gesamtbrechkraft, n_a, n_b, n_c, die jeweiligen Brechungsindizes sowie Δn_a, Δn_b, Δn_c, die jeweiligen Hauptdispersionen. Die Krümmungsradien R der einzelnen Membranflächen ergeben sich dann aus den Durchbiegungsparametern
Bezogen auf die beiden Membrankrümmungen c lässt sich auch schreiben
Für eine gewünschte variable Brechkraft und vorgegebene Fluide lassen sich somit die erforderlichen Membranradien angeben. Mit drei Fluiden und drei zu befüllenden Kammern ergeben sich 6 verschiedene Konfigurationen bezüglich der Kammerbefüllung. Günstigerweise wird die Konfiguration gewählt, bei der gleichzeitig, d. h. zusätzlich zur Korrektur der chromatischen Abbildungsfehler, die monochromatischen Aberrationen (z. B. sphärische Aberration) am geringsten sind.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der sphärischen Aberration besteht darin, die optisch starren Endflächen nicht eben, sondern sphärisch oder auch asphärisch gekrümmt auszubilden. Im Falle sphärischer Endflächen ist es möglich, Gleichung (3) entsprechend den gewählten starren Radien anzupassen, um zur Lösung zu gelangen.
2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Membranlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel werden sechs Fluidkammern a, b1, b2, c1, c2 und d realisiert, die jeweils paarweise durch eine elastische Membran 1 voneinander getrennt sind. Die einzelnen Paare sind über dünne optisch transparente Platten 6 voneinander getrennt. Diese beiden innen liegenden transparenten Platten 6, bspw. Glasplatten, gewährleisten eine voneinander unabhängige Auslenkung der einzelnen Membranen 1. Die weiteren Elemente entsprechen denen der 1.
Auch hier kann wiederum ein Gleichungssystem aufgestellt werden, das jedoch unterbestimmt ist und somit unendliche viele Lösungen liefert, wie die folgenden Gleichungen zeigen: (φ = ca(na – 1) + cb(nb – 1) + cc(nc – 1) + cd(nd – 1) (10) 0 = caΔna + CbΔnb + ccΔnc + CdΔnd (11)
Der zusätzliche Freiheitsgrad wird genutzt, um monochromatische Aberrationen wie bspw. den Öffnungsfehler (sphärische Aberration) der Linse zu korrigieren.
Die Kammerbefüllung erfolgt in optimaler Reihenfolge der Liquide. Die Systemoptimierung kann hierbei mit Strahldurchrechnungs-Software erfolgen, mit der sich die erforderlichen Membranradien für eine feste Brennweite berechnen lassen. Durch wiederholte Systemoptimierung bei gleich bleibenden optischen Medien jedoch unterschiedlichen Brennweiten kann eine Look-Up-Tabelle für die erforderlichen Radien bei jeweiliger Brennweite für den gewünschten Brennweitenbereich aufgestellt werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante dieses Mehrkammersystems der 2 sieht vor, die erste und letzte Kammer mit einem Gas oder Luft sowie die Kammern b1, b2 und c1, c2 mit jeweils gleichem optischen Liquid zu befüllen. Für das Berechnungsmodell werden die Kammern b1, b2 und c1, c2 als jeweils eine Kammer b bzw. c behandelt, wie in 2 veranschaulicht ist. Da in den Kammern a und d die Dispersion dann vernachlässigbar ist (Δn_a = Δn_d = 0) sowie der Brechungsindex näherungsweise zu Eins wird (n_a = n_d ≈ 1), reduziert sich obiges Gleichungssystem (10), (11) und kann aufgelöst werden zu
Hierbei sind in den beiden Durchbiegungen c_b = c₃ – c₅ und c_c = c₅ – c₇ drei unabhängige Radien verfügbar, welche zur Minimierung des Öffnungsfehlers genutzt werden. Mit den gegebenen optischen Medien findet man Durchbiegungen mit entweder minimaler sphärischer Aberration oder Durchbiegungen, für die diese sogar zu Null wird.
Mit einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich für eine feste Brennweite ein parabelförmiger Verlauf des Öffnungsfehlers über der als Durchbiegungsparameter gewählten Krümmung c₃ mit keiner, einer oder zwei Nullstellen. 3 zeigt eine Höhenliniendarstellung des Öffnungsfehlers in Abhängigkeit der Krümmung c₃ für einen Brennweitenbereich von –40 mm ≤ f' ≤ +40 mm mit markiertem Verlauf der Nullstellen. Gestrichelte Linien entsprechen den Lösungen für die die sphärische Aberration zu Null wird. Auf diese Weise wird ein c3 gefunden, das für die jeweilige Konfiguration optimal im Sinne einer minimalen sphärischen Aberration ist. Die Flächenkrümmungen c₅ und c₇ leiten sich dann direkt aus den oben angegebenen Gleichungen ab. Die sphärische Aberration und der chromatische Fehler der planparallelen Platten werden bei der Berechnung der erforderlichen Membranradien in Form eines variablen Offsets berücksichtigt und vorgehalten.
Für die Steuereinheit zur Steuerung des Drucks oder Volumens in den einzelnen Fluidkammern des Membranlinsensystems werden die für die einzelnen einstellbaren Brennweiten erforderlichen Drücke, für die sich eine gewünschte Abbildungskorrektur ergibt, vorzugsweise vorausberechnet und in Form einer Tabelle hinterlegt. 4 zeigt hierzu ein Beispiel für vorbestimmte Membranradien für ein Membranlinsensystem gemäß der Ausgestaltung der 2. Die einzustellenden Membranradien für die drei Membrane können aus dieser Figur oder einer der Figur zugrunde liegenden Tabelle entnommen werden. Diese Berechnung wurde unter Einsatz von n_b = 1.3250, Δn_b = 0.003788, ν_b = 85.8 und n_c = 1.5000, Δn_c = 0.0120, ν_c = 41.7 als optischen Liquiden in den Kammern b1, b2 und c1, c2 durchgeführt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein variables achromatisches optisches Membranlinsensystem bereitgestellt, das einen Volumen begrenzenden Hohlkörper mit einer Symmetrieachse, starren optischen Stirnflächen sowie zumindest zwei innen liegenden elastischen Membranen umfasst, welche den Hohlkörper in vorgegebenen axialen Abständen derart unterteilen, dass mehrere abgeschlossene Fluidkammern entstehen. In diese Fluidkammern kann über in den Hohlkörper integrierte Fluidkanäle, die mit Fluidreservoirs verbunden sind, blasenfrei ein optisches Fluid eingefüllt werden, dessen Druck oder Volumen sich unabhängig voneinander mittels Druckgebern derart regeln lässt, dass sich vordefinierte Membranwölbungen einstellen. Die Membranwölbungen werden für die verwendeten optischen Fluide derart vorbestimmt und eingestellt, dass die Brennweite des optischen Systems variabel veränderbar ist und gleichzeitig chromatische und optional auch monochromatische Abbildungsfehler minimiert werden. Mit dem System können sowohl Sammel- als auch Zerstreuungslinsen realisiert werden.
In der 5 ist beispielhaft der Strahlenverlauf durch das Membranlinsensystem der 2 in zwei unterschiedlichen Einstellungen des Membranlinsensystems dargestellt. Die obere Teilabbildung zeigt das Membranlinsensystem in einer Betriebsweise, bei der es eine Sammellinse bildet. Die untere Teilabbildung zeigt das gleiche Membranlinsensystem in einer Betriebsweise, bei der es eine Zerstreuungslinse bildet. Beide Ausgestaltungen unterscheiden sich im unterschiedlichen Druck bzw. Volumen in den einzelnen Fluidkammern.
6 zeigt für das sammelnde Membranlinsensystem der 5 die berechnete Modulationsübertragungsfunktion sowie die berechnete chromatische Längsaberration.
Der das Volumen der Fluidkammern begrenzende Hohlkörper muss nicht in jedem Falle rein zylindrisch sein, wie dies in den 1 und 2 der Fall ist. Vielmehr besteht die Möglichkeit, diesen Hohlkörper und damit die äußeren Begrenzungen der Fluidkammern je nach Anwendung beliebig zu gestalten. 7 zeigt hierzu zwei beispielhafte Ausgestaltungen. Im linken Teil der Figur weist der Hohlraum eine konische Form auf, in der rechten Teilabbildung ist der Hohlraum aus zwei zylindrischen Teilvolumina unterschiedlichen Durchmessers zusammengesetzt.
Auch die Aperturgeometrien des Membranlinsensystems lassen sich beliebig gestalten. 8 zeigt hierzu beispielhaft vier unterschiedliche Ausgestaltungen bzw. geometrische Formen der Apertur in Aufsicht.
Bei einer Ausgestaltung eines Membranlinsensystems gemäß 2 mit zwischenliegenden starren Platten 6 können diese Platten auch zusätzlich so beschichtet oder ausgebildet sein, dass sie eine integrierte Blende bilden. 9 zeigt ein Beispiel für die Realisierung eines derartigen Membranlinsensystems mit einer integrierten Blende 8.
10 zeigt schließlich noch beispielhaft eine Ausgestaltungsmöglichkeit, bei der eine der starren Abdeckplatten 3 des Membranlinsensystems eine Linse 9 fester Brennweite bildet.

1: flexible Membran
2: Siliziumsubstrat
3: optisch transparente Platte (Abdeckung)
4: Fluidkanäle
5: Steuereinheit
6: dünne optisch transparente Platte
7: Apertur
8: integrierte Blende
9: Linse
a–c: Fluidkanäle
p: Druckgeber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/011937 A2 [0003]

Claims

Fluidisches Membranlinsensystem mit mehreren Fluidkammern (a–d), – die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen (3) hintereinander liegen, – von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane (1) fluiddicht voneinander getrennt sind, und – in die jeweils zumindest ein Fluidkanal (4) mündet, über den der Druck eines die Fluidkammer (a–d) ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist, wobei zumindest zwei der Fluide in den Fluidkammern (a–d) einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (5) zur Steuerung des jeweiligen Drucks oder Volumens der die Fluidkammern (a–d) ausfüllenden Fluide vorgesehen ist, die den jeweiligen Druck in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Brennweite des Membranlinsensystems so steuert, dass bei der Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert sind.
Membranlinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) einen Speicher mit einer Tabelle umfasst, die den jeweiligen Druck für die Minimierung für unterschiedliche Brennweiten angibt und auf die die Steuereinheit (5) bei der Steuerung zurückgreift.
Membranlinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den transparenten Abdeckungen (3) drei Fluidkammern (a–c) angeordnet sind, die durch die zwei flexiblen, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Membrane (1) fluiddicht voneinander getrennt sind.
Membranlinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den transparenten Abdeckungen (3) sechs Fluidkammern (a–d) angeordnet sind, die jeweils paarweise durch eine flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membran (1) fluiddicht voneinander getrennt sind, wobei die einzelnen Paare jeweils durch eine für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente, starre Platte (6) voneinander getrennt sind.
Membranlinsensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Platten (6) mit einer Beschichtung zur Entspiegelung und/oder Filterung und/oder Öffnungsbegrenzung versehen sind.
Membranlinsensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Platten (6) gleiche oder ähnliche optische Eigenschaften, insbesondere Brechungsindex und Dispersion, wie die sie umgebenden Fluide aufweisen.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, zumindest eines der Fluide in den Fluidkammern (a–d) eine anormale relative Teildispersion aufweist und die Steuereinheit (5) so ausgebildet ist, dass sie den jeweiligen Druck in Abhängigkeit von der vorgebbaren Brennweite des Membranlinsensystems so steuert, dass das Membranlinsensystem bei der Brennweite für drei Wellenlängen die gleiche Schnittweite aufweist.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammern (a–d) durch zylindrische oder kegelstumpfförmige Kavitäten gebildet sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Abdeckungen (3) ebene Platten sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Abdeckungen (3) gekrümmte Platten sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Abdeckungen (3) starre Linsen sphärischer oder asphärischer Form sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Abdeckungen (3) flexible Membrane (1) sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide gleiche Dichte aufweisen, um den Einfluss von Gravitation und starken Beschleunigungen zu minimieren.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammern (a–d) in übereinander gestapelten und miteinander verbundenen Siliziumsubstraten (2) ausgebildet sind.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das mit Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt ist.
Membranlinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Umriss und Lage der Flüssigkeitskammern (a–d) festgelegte Linsenapertur eine nicht kreisrunde Form aufweist, bei der nicht rotations symmetrische Aberrationen des Membranlinsensystems zumindest teilweise korrigiert sind.
Array aus Membranlinsensystemen, die nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet sind.
Array nach Anspruch 17, bei dem die jeweils an gleicher Stelle zwischen den Abdeckungen (3) liegenden Fluidkammern (a–d) der Membranlinsensysteme durch Fluidkanäle miteinander verbunden sind, so dass sie gemeinsam angesteuert werden können.
Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Membranlinsensystems mit mehreren Fluidkammern (a–d), – die auf einer optischen Achse des Membranlinsensystems zwischen zwei für optische Strahlung eines Wellenlängenbereiches transparenten Abdeckungen (3) hintereinander liegen, – von denen zumindest jeweils zwei durch mindestens zwei flexible, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparente Membrane (1) fluiddicht voneinander getrennt sind, und – in die jeweils zumindest ein Fluidkanal (4) mündet, über den der Druck oder das Volumen eines die Fluidkammer (a–d) ausfüllenden, für optische Strahlung des Wellenlängenbereiches transparenten Fluids beeinflussbar ist, bei dem die Fluidkammern (a–c) mit Fluiden befüllt werden, von denen zumindest zwei einen voneinander verschiedenen Brechungsindex aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorgebbare Brennweite der jeweils erforderliche Druck oder das jeweils erforderliche Volumen berechnet und eingestellt wird, bei dem bei der Brennweite ein oder mehrere chromatische und/oder monochromatische Abbildungsfehler minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Befüllung der Fluidkammern (a–d) eine Reihenfolge der Fluide zwischen den beiden transparenten Abdeckungen (3) gewählt wird, bei der die geringste monochromatische Aberration auftritt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Membranlinsensystem gemäß Anspruch 4 oder 5 die beiden an die transparenten Abdeckungen (3) grenzenden Fluidkammern (a, d) mit einem Gas oder Gasgemisch und die jeweils zwei über die transparenten Platten (6) aneinander grenzenden Fluidkammern (b1, b2 bzw. c1, c2) mit dem gleichen Fluid befüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fluidkammern (a–c) mit Fluiden gleicher Dichte befüllt werden, um den Einfluss von Gravitation und starken Beschleunigungen zu minimieren.