DE102005005933A1

DE102005005933A1 - Variable Optik

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Publication number: DE102005005933A1
Application number: DE102005005933A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Mohr; Manfred Dr. Dick; Jürgen Kühnert
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US20080310031A1; EP1846782A1; US7929218B2; WO2006084653A1; JP2008530587A

Abstract

Eine variable Optik zum steuerbaren Beeinflussen von mit der Optik wechselwirkender elektromagnetischer Strahlung, umfassend: DOLLAR A einen Behälter (1), DOLLAR A ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches erstes Fluid (9¶1¶), DOLLAR A ein in dem Behälter aufgenommenes dielektrisches zweites Fluid (9¶2¶), 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, DOLLAR A wenigstens eine erste Elektrode (15), DOLLAR A 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

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 wechselwirkenden 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 Kontaktwinkel 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 Lageveränderung der Grenzfläche auf Grund der eingestellten Spannung verändern sich in gezielter Weise die Eigenschaften der Optik. Je nach der Geometrie des Behälters 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.

Unter 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 verringern, 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 zirkumferentiales 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 durchsetzender Lichtstrahl von der Grenzfläche in eine durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden wählbaren Richtung geführt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und den folgenden Beispielen an Hand der Figuren beschrieben. Hierbei zeigt
1 eine erfindungsgemäße variable Optik mit zwei Dielektrika,
2 eine erfindungsgemäße variable Optik mit zwei Dielektrika und Elektroden im Deckel- und Bodenbereich,
3 eine variable Optik gemäß der ersten Ausführungsform mit zwei Dielektrika und einer Elektrode an der Umfangswand,
4 eine variable Optik gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer leitfähigen Flüssigkeit und Elektroden im Deckel- und im Bodenbereich,
5 eine variable Optik mit einer direkt kontaktierten metallischen Flüssigkeit und einer Elektrode im Deckelbereich,
6 eine weitere variable Optik mit einer total reflektierenden Grenzfläche,
7 eine variable Optik gemäß der dritten Ausführungsform mit einer direkt kontaktierten leitfähigen Flüssigkeit und einer Elektrode im Deckelbereich,
8 eine andere variable Optik gemäß der dritten Ausführungsform mit einer direkt kontaktierten leit fähigen Flüssigkeit und einer Elektrode an der Umfangswand,
9 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer zusätzlichen Elektrode zur Einstellung eines Randwinkels,
10 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer Mehrzahl von Elektroden zur Einstellung eines spektral unterschiedlichen Ablenkwinkels,
11 eine erfindungsgemäße variable Optik mit einer Mehrzahl von Elektroden zur Bereitstellung eines einstellbaren Ablenkwinkels,
12 eine erfindungsgemäße variable Optik mit unterschiedlich transparenten Fluiden zur Bereitstellung einer einstellbaren Blende,
13 eine erfindungsgemäße variable Optik mit unterschiedlich farbigen Fluiden zur Bereitstellung eines einstellbaren Farbfilters,
14 eine beispielhafte Anordnung einer Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Elektroden, und
15 einen Ausschnitt einer beispielhaften Elektrodenanordnung in einer variablen Optik gemäß der Erfindung zur Bereitstellung eines Linsenarrays.
In der 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 9₁ und 9₂ , mit Dichten d₁ bzw. d₂, Dielektrizitätszahlen ε₁ bzw. ε₂ und Brechungsindizes n₁ bzw. n₂. 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 9₁ und 9₂ Adhäsionen zu dem Oberflächenmaterial des Umfangsbereichs 13 sowie Kohäsionen auf, aus welchen ein Randwinkel α₀ 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 konzentrischen, 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 gebündelt sind.
Die Elektroden sind an von einem Steuercomputer regelbare Spannungsquellen 19 angeschlossen, so daß sich bei Anlegen einer Spannung in den dielektrischen Fluiden 9₁ und 9₂ jeweils ein elektrisches Feld aufbaut. In Folge der Elektrodengeometrie oder/und der gekrümmten Grenzfläche zwischen Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätszahlen 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 (ε ≈ 80,4) und ein Kohlenwasserstoffgemisch ähnlicher Dichte (ε ≈ 2,2).
Die Kammer 1 wirkt zusammen mit den in ihr enthaltenen Fluiden für ein den transparenten Deckel- 5 und Bodenbereich 3 durchsetzendes Strahlbündel 2 wie eine Linse, deren Wirkung je nach dem Unterschied in den Brechungsindizes n₁ bzw. n₂ 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 Zylindersymmetrie der Anordnung gewahrt bleibt, besteht der spannungsabhängige Einfluß hauptsächlich in einer Abflachung oder Ausbeulung der Grenzfläche im mittleren Bereich (in 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 Elektrostriktion). Wenn die beiden Fluide praktisch dichtegleich sind (d₁ ≈ d₂), resultiert im spannungslosen Fall eine nahezu perfekt sphärische Grenzfläche (Minimalfläche), so daß eine angelegte Spannung eine bestimmte, radialsymmetrische Asphärizität bewirkt. Sind die Fluide nicht dichtegleich, so daß die Grenzfläche im spannungslosen Fall nicht sphärisch ist, kann die Asphärizität durch eine geeignete 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 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 Potentialmuster bereitgestellt, so wird dadurch die Grenzfläche in entsprechender Weise verformt. Daraus resultiert im weiteren Verlauf des durchtretenden Lichtstrahls 2 für jeden 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 je 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/m² 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 einmalig 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 2 ist eine Anordnung, dargestellt, bei der der Umfangsbereich 13a einer der Elektroden 17a gegenüberliegt; der Spannungssteuerteil entspricht dabei dem in 1 dargestellten. Wegen der unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen der beiden Fluide 9a₁ 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 11a zwischen den Fluiden 9a₁ und 9a₂ ausgeübt wird. Durch Wahl unterschiedlicher Potentiale an den Elektroden 15a kann die Grenzfläche weitgehend frei geformt werden.
In der in 3 dargestellten Anordnung ist eine ringförmige Elektrode 17b am Bodenbereich 1b angeordnet, während eine Gegenelektrode 15b am Randbereich 3b angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel liegt der dem Umfangsbereich 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·|d₁ – d₂|/(d₁ + 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 Beschleunigungsrichtung 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 4 dargestellten Anordnung ist eine solche leitfähige Flüssigkeit 9c₂ unter einem dielektrischen Fluid 9c₁ angeordnet; im Übrigen ist die Struktur dieser variablen Optik ähnlich der in 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 Phenylmethylsiloxan-Gemisch mit einem Zusatz von Kohlenstofftetrabromid, 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 9c₁ 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 Bodenbereichs 3c entstehende Kapazität stellt sich ein neuer, spannungsabhängiger Randwinkel α zwischen der Grenzfläche 11c und der Oberfläche des Bodenbereichs ein. Eine Änderung des Randwinkels, bei gleichbleibendem Volumen der Fluide, bedeutet auch eine Änderung der Grenzflächenform, zum Beispiel 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 11c ab. Hinsichtlich einer möglichst genauen Einstellbarkeit der Grenzflächenkrümmung ist es bevorzugt, wenn die Kammerwand wenigstens in der Umgebung des Umfangsbereichs 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 Kammer 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 verschiedenen, 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 Deckelbereichs aufweist. Bei einer Anordnung wie in 2 oder 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 Grenzfläche.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die Grenzfläche 11d reflektiv, so daß Boden- oder Deckelbereich der variablen Optik von einem an der Grenzfläche 11d reflektierten Lichtstrahl nicht durchsetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das untere der Fluide 9d₂ eine metallische Flüssigkeit, an deren Grenzfläche 11d der einfallende Lichtstrahl 2d im Wesentlichen reflektiert wird. Die Grenzfläche 11d 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 –12,6°C und hat eine Dichte von 0,73 g/cm³. Mit einem geeigneten Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch 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 Kohlenwasserstoffgemisch) 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 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, 9e₁ , ist eine Lösung von einigen Prozent Kohlenstofftetrabromid 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 Totalreflexion 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 1e angeordnet werden können. Diese Elektroden 15e befinden sich in unmittelbarer Nähe zu der Grenzfläche 11e auf der Seite der dielektrischen (organischen) Phase, und das von ihnen erzeugte Feld wirkt also besonders effektiv auf die Grenzfläche 11e ein. Es ist bevorzugt, den reflektierten Lichtstrahl durch den Randbereich 5e der Kammer 1e 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 7 und 8 ist jeweils 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 Umfangsbereich 13f angeordnete Gegenelektroden 15f kann wiederum ein inhomogenes elektrisches Feld in der dielektrischen Flüssigkeit aufgebaut werden. Die Grenzfläche stellt wiederum eine Äquipotentialfläche dar, deren Potential durch die angelegte Spannung gegeben ist. Der Randwinkel α ist im Wesentlichen durch die Oberflächen-Beschaffenheit des Umfangsbereichs 13f und die Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften der beiden Flüssigkeiten 9f₁ 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 9 in dem Umfangsbereich 13g eine die Flüssigkeit nicht kontaktierende Elektrode 18g vorgesehen. Im Übrigen entspricht diese Anordnung derjenigen der 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 Umfangsbereichs 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 10 beeinflußt wird, werden auch unterschiedliche spektrale Komponenten des Lichtstrahls in unterschiedlichem Maß abgelenkt. Jedes lichtempfindliche Element eines im Bereich des abgelenkten Lichtstrahls angeordneten Detektors 21h registriert also je nach angelegter Spannung eine andere spektrale Komponente des analysierten Lichts. Durch eine derartige Anordnung wird also ein Spektrometer 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 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 9i₁ , 9i₂ einem quer zur Einfallsrichtung des Lichtstrahls 2i orientierten elektrischen Feld ausgesetzt werden können. Dadurch wird die Grenzfläche 11i asymmetrisch zur optischen Achse 23i geneigt (gestrichelt angedeutet 11i'), 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 einstellbar 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 12 kontaktiert eines der Fluide 9j₂ sowohl den Deckelbereich 7j wie den Bodenbereich 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 12), besitzt eine solche Blende neben der Einstellbarkeit auch die Eigenschaft verringerter Beugungseffekte.
In der in 13 dargestellten Variante der Anordnung nach 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, 9k₁ , vorwiegend im roten und infraroten Spektralbereich (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' ändert (siehe in 13 dargestellte schematische Spektren); das heißt, diese Anordnung realisiert ein einstellbares Farbfilter.
Um in dieser Variante unerwünschte Brechungseffekte zu minimieren, kann es in dieser Anwendung vorteilhaft sein, Fluide mit möglichst ähnlichen Brechungsindizes n₁ 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 dargestellt), 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 11 ein Diagnose- oder Therapiestrahl rasterförmig 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 15 gezeigten Beispiel sind eine Vielzahl von Elektroden 15m alternierend so angesteuert, daß ein gewellte Grenzfläche 11m' bzw. 11m'' resultiert. Die Periodizität der Grenzflächenwellung, und damit der Abstand a' bzw. a'' von zugehörigen Fokuspunkten 31m' bzw. 31m'' in der jeweiligen 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

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 verschieden 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.
Variable Optik nach Anspruch 1, wobei für Δε = 2·|ε1 – ε2|/(ε1 + ε2)gilt: Δε > 0,1, wobei ε1 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.
Variable Optik nach Anspruch 2, wobei gilt: Δε > 0,3, insbesondere Δε > 0,5, bevorzugt Δε > 0,7, besonders bevorzugt Δε > 0,9.
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 leitfähiges 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 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.
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 leitfähiges 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.
Variable Optik nach Anspruch 5, wobei die Phasengrenzfläche an einem von dem ersten Wandbereich verschiedenen zweiten Wandbereich anliegt.
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.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei für Δn = 2·|n1 – n2|/(n1 + n2)gilt: Δn > 0,01, wobei n1 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 repräsentiert.
Variable Optik nach Anspruch 8, wobei gilt: Δn > 0,03, insbesondere Δn > 0,06, insbesondere Δn > 0,1.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die wenigstens eine erste Elektrode für die elektromagnetische Strahlung transparent ist.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Fluid oder/und das zweite Fluid eine Flüssigkeit ist.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei für Δd = 2·|d1 – d2|/(d1 + d2)gilt: Δd < 0,1, wobei Δd einen relativen Dichteunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid repräsentiert, d1 eine Dichte des ersten Fluids repräsentiert und d2 eine Dichte des zweiten Fluids repräsentiert.
Variable Optik nach Anspruch 12, wobei gilt: Δd < 0,03, insbesondere Δd < 0,01, insbesondere Δd < 0,003.
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.
Variable Optik einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Phasengrenzfläche zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
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.
Variable Optik nach Anspruch 16, wobei der erste Oberflächenbereich und der zweite Oberflächenbereich aneinander angrenzen, und die Phasengrenzfläche an wenigstens einem Teil einer Grenzlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich anliegt.
Variable Optik nach Anspruch 17, wobei die Grenzlinie ringförmig geschlossen ist und die Phasengrenzfläche an der Grenzlinie über deren ganzen Umfang anliegt.
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 Umfangswand umfaßt, und wobei der erste Oberflächenbereich an der ersten Wand bereitgestellt ist und der zweite Oberflächenbereich an der Umfangswand bereitgestellt.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die erste Elektrode eine Mehrzahl von Teilelektroden umfaßt, welche durch isolierende Zwischenräume voneinander separiert sind.
Variable Optik nach Anspruch 20, ferner umfassend wenigstens eine Spannungsquelle zum Einstellen von elektrischen Potentialen der Mehrzahl von Teilelektroden.
Variable Optik nach Anspruch 21, wobei die Spannungsquelle ein Widerstandnetzwerk umfaßt.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Behälter einen ersten Wandbereich, einen dem ersten Wandbereich gegenüber liegenden zweiten Wandbereich und einen zwischen dem ersten Wandbereich und dem zweiten Wandbereich sich erstreckenden Umfangswandbereich umfaßt, und wobei die erste Elektrode an dem ersten Wandbereich bereitgestellt ist und die zweite Elektrode an dem zweiten Wandbereich bereitgestellt ist.
Variable Optik nach Anspruch 23, wobei an dem Umfangswandbereich eine dritte Elektrode bereitgestellt ist.
Variable Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Behälter wenigstens einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereich umfaßt.
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 Wandbereich angeordnet ist.
Variable Optik nach Anspruch 26, wobei die mit der Optik wechselwirkende elektromagnetische Strahlung den ersten und den zweiten Wandbereich und die Phasengrenzfläche durchsetzt.
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.
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.
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.
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 mikrostrukturiert auszuformen.