DE10358906A1

DE10358906A1 - Optisches Element, optisches System sowie optisches Gerät

Info

Publication number: DE10358906A1
Application number: DE10358906A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Obrebski
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: DE10358906B4

Abstract

Es wird unter anderem ein optisches Element (10) beschrieben, beispielsweise eine Linse mit veränderlicher Fokallänge, mit einem Aufnahmebehälter (11), der ein erstes formflexibles Medium (12) sowie ein zweites formflexibles Medium (13) beinhaltet, wobei die Medien (12, 13) in dem Aufnahmebehälter (11) räumlich fixiert sind und wobei sich die beiden Medien (12, 13) an wenigstens einer Grenzfläche (14) berühren. Weiterhin sind Mittel zum Ändern der Größe und/oder Form der Grenzfläche(n) (14) zwischen den beiden Medien (12, 13) vorgesehen. Um eine mögliche Zerstörung der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Mediums (12, 13), etwa durch Erschütterung, zu vermeiden, sind erfindungsgemäß Mittel (30) zum Stabilisieren (Stabilisierungsmittel) der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Mediums (12, 13) vorgesehen. Dabei können die Stabilisierungsmittel (30) beispielsweise wenigstens ein Element mit einer Maschenstruktur aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein optisches Element gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein optisches System sowie ein optisches Gerät.
Aus dem Stand der Technik sind bereits veränderliche optische Elemente bekannt. Ein bekanntes optisches Element weist einen Tropfen einer leitenden Flüssigkeit auf, der auf einer Isolationsschicht aufgetragen ist. Die Isolationsschicht wiederum bedeckt eine flache Elektrode. Bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes, das durch eine zwischen der Leiterflüssigkeit und der Elektrode angelegte Spannung verursacht wird, kann die Benetzung wesentlich vergrößert werden. Dieses bekannte Phänomen wird auch als Elektrobenetzen (electro-wetting) bezeichnet.

Eine Umsetzung dieses Phänomens ist beispielsweise aus der US-A-5,659,330 bekannt. Darin wird eine Anzeigeeinrichtung beschrieben, bei der einzelne Tropfen einer Leiterflüssigkeit auf einer Isolationsschicht angeordnet sind. Unterhalb dieser Isolationsschicht sind Elektroden vorhanden. Durch die selektive Erzeugung eines elektrischen Feldes kann die Form eines jeden Tropfens der Leiterflüssigkeit variiert werden, wodurch ein farbiges Pixel eines Bildes erzeugt wird.

Eine Lösung, wie die vorstehend beschriebene Art optischer Elemente auch im Bereich von Linsenelementen eingesetzt werden kann, ist in der DE 698 04 119 T2 beschrieben. Die darin geschilderte Erfindung liegt auf dem Gebiet verstellbarer Fokuslinsen, und dort insbesondere auf dem Gebiet flüssiger Linsen mit einem verstellbaren, elektrisch gesteuerten Fokus. Dabei soll es mit dem dort beschriebenen Linsenelement möglich sein, den Fokus mit Hilfe des sogenannten „Elektrobenetzens" kontinuierlich zu verstellen. Gemäß dieser bekannten Lösung wird ein optisches Element zum veränderbaren Einstellen der Fokallänge bereitgestellt. Bei der Fokallänge handelt es sich generell um den Abstand des Brennpunkts zur Ebene des optischen Elements, beispielsweise zur Linsenebene.

Das optische Element besteht aus einem Aufnahmebehälter, der eine erste, elektrisch leitfähige Flüssigkeit sowie einen Tropfen einer zweiten, isolierenden Flüssigkeit beinhaltet. Die beiden Flüssigkeiten sind nicht mischbar und im Aufnahmebehälter räumlich fixiert. Die beiden Flüssigkeiten berühren einander an einer Grenzfläche. Der Tropfen der zweiten Flüssigkeit ist konzentrisch um die optische Achse des optischen Elements herum angeordnet, wobei die optische Achse ebenfalls durch einen transparenten Bereich des Bodens des Aufnahmebehälters verläuft. Die erste, elektrisch leitfähige Flüssigkeit liegt zumindest bereichsweise an Elektroden an, die sich innerhalb des Aufnahmebehälters befinden. Darüber hinaus ist wenigstens eine weitere Elektrode vorgesehen, die außerhalb des Behälterbodens angeordnet ist. Dabei ist diese weitere Elektrode auf der dem Behälterinnenraum abgewandten Oberfläche des Behälterbodens angeordnet.

Schließlich weist das bekannte optische Element Mittel zum Ändern der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten auf. Über diese Mittel kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Dadurch ändert sich die Benetzbarkeit der mit der ersten, leitfähigen Flüssigkeit überdeckten Fläche, so dass sich darüber auch die Form des Tropfens der zweiten, isolierenden Flüssigkeit verändert. Durch die Variation der Größe und/oder Form der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten kann der Fokus des optischen Elements kontinuierlich verstellt werden.

Ähnliche Lösungen sind beispielsweise auch aus der WO 03/071335 A2 sowie der WO 03/069380 A1 bekannt.

Alle die bekannten Lösungen weisen jedoch einen Nachteil auf. Die darin beschriebenen optischen Elemente können durch Erschütterungen zerstört werden, in dem das entsprechende Medium, das insbesondere in Form eines Tropfens vorliegt, in mehrere Einzeltropfen zerfällt. Insbesondere, wenn das optische Element als Linse eingesetzt wird, werden durch eine solche Aufspaltung des Tropfens die optischen Eigenschaften der Linse erheblich verändert. Die bekannten Lösungen eignen sich daher nur für die Realisierung sehr kleiner optischer Elemente.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Element der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein optisches Element bereitgestellt werden, mit dem einer Zerstörung des optischen Elements durch Zerfall in mehrere Tropfen wirksam entgegengewirkt werden kann. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes optisches System sowie Gerät bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das optische Element mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, das optische System mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 31 sowie das optische Gerät mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 32. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optischen Element beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optischen System und jeweils umgekehrt. Analoges gilt für das erfindungsgemäße optische Gerät.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nunmehr geeignete Stabilisierungsmittel verwendet werden, die einem unerwünschten Zerfall wirksam entgegenwirken.

Die Erfindung ist insbesondere für große optische Elemente mit variabler Fokallänge einsetzbar, beispielsweise für große Linsen (Variolinsen) und dergleichen. Während die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen für die Realisierung großer optischer Elemente aus den oben geschilderten Gründen problematisch sind, führt der Einsatz der erfindungsgemäßen Stabilisierungsmittel nunmehr zu dem Ergebnis, dass auch große optische Elemente realisiert werden können. Wenn die optischen Elemente beispielsweise in Form von variablen Linsen ausgebildet sind, können mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise Linsen mit einem Durchmesser von größer 5mm hergestellt werden. Insbesondere lassen sich auch Linsen realisieren, die einen Durchmesser bis 5cm oder auch mehr aufweisen können. Derartige Linsen finden beispielsweise in Mikroskopen, etwa Operationsmikroskopen, und dergleichen Anwendung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Element bereitgestellt, mit einem Aufnahmebehälter, der ein erstes formflexibles Medium sowie ein zweites formflexibles Medium beinhaltet, wobei die Medien in dem Aufnahmebehälter räumlich fixiert sind und wobei sich die beiden Medien an wenigstens einer Grenzfläche berühren, und mit Mitteln zum Ändern der Größe und/oder Form der Grenzfläche(n) zwischen den beiden Medien. Das optische Element ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Stabilisieren (Stabilisierungsmittel) der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Mediums vorgesehen sind.

Die Stabilisierungsmittel können die Oberflächenstrukturen des ersten und/oder zweiten Mediums zusammenhalten, ohne dass dabei die optische Qualität des optischen Elements wesentlich beeinträchtigt wird. Dabei erfolgt die Stabilisierung, wie weiter unten noch näher erläutert wird, vorzugsweise durch den Einsatz äußerer und/oder innerer Strukturen.

Das optische Element weist wenigstens einen Aufnahmebehälter auf, der ein erstes formflexibles Medium und ein zweites formflexibles Medium beinhaltet, die sich an einer Grenzfläche berühren. Dabei können beispielsweise formflexible Medien verwendet werden, die nicht mischbar sind.

Weiterhin sollen Mittel zum Ändern der Größe und/oder Form der Grenzfläche zwischen den Medien vorgesehen sein. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Medientypen beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass die Medien formflexibel sind. „Formflexibel" bedeutet im Lichte der vorliegenden Beschreibung, dass die Medien keine starre Oberfläche aufweisen, sondern dass sich die Medien innerhalb des Aufnahmebehälters in ihrer Form verändert können.

Die Stabilisierungsmittel können auf unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet sein, so dass die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen beschränkt ist. Nachfolgend werden hierzu einige nicht ausschließliche Beispiele beschrieben.

Vorteilhaft können die Stabilisierungsmittel zumindest teilweise im Bereich der Grenzfläche(n) zwischen den beiden formflexiblen Medien vorgesehen sein. Dabei soll jedoch auch mit umfasst sein, dass zumindest zeitweilig ein gewisser Abstand zwischen den Stabilisierungsmitteln und der/den Grenzfläche(n) besteht. Dieser Abstand ist dabei so zu wählen, dass eine Zerstörung der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Mediums nicht auftreten kann.

Beispielsweise können die Stabilisierungsmittel als wenigstens eine – insbesondere elastische – Folie, insbesondere als Lochfolie, oder dergleichen ausgebildet sein. In diesem Fall handelt es sich bei den Stabilisierungsmitteln um eine Stabilisierungsfolie. Wenn die Stabilisierungsmittel als durchgängige Folie ausgebildet sind, ist es nicht erforderlich, dass die beiden formflexiblen Medien nicht mischbar sind.

In weiterer Ausgestaltung können die Stabilisierungsmittel wenigstens ein Element mit einer Maschenstruktur, insbesondere mit wenigstens einer – möglicherweise elastische – Struktur aus Fäden und/oder Bändern, oder dergleichen aufweisen. Es können auch zwei oder mehr solcher Elemente vorgesehen sein. Dies gilt übrigens auch für die als Folie ausgebildeten Stabilisierungsmittel. Bei der elastischen Ausgestaltung des wenigstens einen Elements handelt es sich um ein optionales Merkmal, das für die Durchführbarkeit der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist. In diesem Fall handelt es sich bei den Stabilisierungsmitteln beispielsweise um ein Stabilisierungsnetz. Das Stabilisierungsnetz kann vorteilhaft als feinmaschiges Netz aus Fäden oder Bändchen ausgebildet sein, die die Oberflächenstruktur des Mediums zusammenhalten und die optische Qualität nicht wesentlich beeinträchtigen. Die einzelnen Fäden sind vorteilhaft nicht zu dick ausgebildet.

Allerdings ist auch eine Dickenvariation über die gesamte Kontur möglich. Insbesondere dort, wo große Belastungen auf die Stabilisierungsmittel einwirken, wenn sich die Grenzfläche zwischen den Medien ändert, können die Fäden dicker sein als beispielsweise dort, wo eine geringere Belastung auftritt.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien beschränkt, aus denen die Stabilisierungsmittel hergestellt sein können. Beispielsweise handelt es sich bei geeigneten Materialien um Glasfasern, um Nylon und dergleichen.

Vorteilhaft können die Stabilisierungsmittel zumindest bereichsweise oder teilweise transparent ausgebildet sein. Dadurch wird die optische Qualität des optischen Elements durch die zusätzlichen Stabilisierungsmittel nicht beeinträchtigt. Grundsätzlich sind jedoch auch nicht transparente Stabilisierungsmittel denkbar, solange diese die Funktion des optischen Elements nicht beeinträchtigen, etwa, wenn diese nicht zu dick sind.

Die Stabilisierungsmittel können je nach Ausgestaltungsform im ersten und/oder zweiten formflexiblen Medium angeordnet sein.

Beispielsweise können die Stabilisierungsmittel innerhalb des zweiten formflexiblen Mediums angeordnet sein. In einem solchen Fall ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Stabilisierungsmittel in einer Weise ausgebildet sind, um das zweite formflexible Medium an der/den Oberfläche(n) der Stabilisierungsmittel festzuhalten, insbesondere durch eine besondere Oberflächenbeschichtung der Stabilisierungsmittel. Beispielsweise können die Stabilisierungsmittel, etwa ein Stabilisierungsnetz, mit einem Material oberflächenbeschichtet sein, oder aus einem Material bestehen, das das zweite Medium, etwa in Form eines Öls, an der Oberfläche „festhält", wenn das Stabilisierungsnetz innerhalb des zweiten Mediums plaziert ist. Die Stabilisierungsmittel sind somit in einer Weise ausgestaltet, dass deren Oberfläche(n) für das zweite formflexible Medium benetzbar gemacht/gehalten wird.

Ebenso ist möglich, dass die Stabilisierungsmittel innerhalb des ersten formflexiblen Mediums angeordnet sind. In einem solchen Fall können die Stabilisierungsmittel beispielsweise in einer Weise ausgebildet sein, um das zweite formflexible Medium von der/den Oberfläche(n) der Stabilisierungsmittel zu verdrängen, insbesondere durch eine besondere Oberflächenbeschichtung der Stabilisierungsmittel. Beispielsweise können die Stabilisierungsmittel, etwa ein Stabilisierungsnetz, mit einem Material oberflächenbeschichtet sein, oder aus einem Material bestehen, das das zweite Medium, etwa in Form eine Öls, von der Oberfläche verdrängt, wenn das Stabilisierungsnetz außerhalb des zweiten Mediums plaziert ist. Gleichzeitig soll das andere Medium, nämlich das erste Medium, in dem sich die Stabilisierungsmittel dann befinden – etwa Wasser – nicht von den Stabilisierungsmitteln verdrängt werden.

Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, bei denen Stabilisierungsmittel sowohl innerhalb des ersten formflexiblen Mediums als auch innerhalb des zweiten formflexiblen Mediums angeordnet sind.

Vorzugsweise können die Stabilisierungsmittel zumindest bereichsweise eine Vorspannung aufweisen. Das bedeutet, dass die Stabilisierungsmittel mit einer vorgeformten Kontur ausgebildet sein können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass diese vorgeformte Kontur an die Kontur der Grenzfläche zwischen den beiden Medien angepasst ist, beispielsweise im Bereich der maximalen und/oder minimalen Ausdehnung des zweiten Mediums. Dies wird allgemein im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung noch näher erläutert.

Vorteilhaft können die Stabilisierungsmittel den gleichen oder zumindest einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen wie das formflexible Medium, in dem sie sich befinden. Wenn sich die Stabilisierungsmittel innerhalb des zweiten Mediums befinden, sollte deren Material den Brechungsindex des zweiten Mediums, etwa eines Öls oder dergleichen, haben. Wenn sich die Stabilisierungsmittel außerhalb des zweiten Mediums befinden, sollten sie vorzugsweise den Brechungsindex des ersten Mediums, beispielsweise Wasser, haben.

Erfindungsgemäß weist das optische Element nunmehr in Bezug auf das zweite Medium je nach Ausgestaltung eine innere und/oder äußere Struktur zur Stabilisierung auf, wodurch der Gefahr eines Zerfalls des ersten und/oder zweiten Mediums und einer damit einhergehenden Zerstörung entgegengewirkt werden kann.

Vorteilhaft kann eine oder mehrere Wandungen des Aufnahmebehälters zumindest bereichsweise transparent ausgebildet sein, um einen Lichtdurchtritt zu ermöglichen.

Beispielsweise kann wenigstens eines der formflexiblen Medien zumindest bereichsweise transparent ausgebildet ist. Vorteilhaft ist jedoch vorgesehen, dass beide formflexiblen Medien zumindest teilweise transparent ausgebildet sind.

Vorteilhaft kann das zweite formflexible Medium zumindest bereichsweise an wenigstens einer Anlagefläche innerhalb des Aufnahmebehälters anliegen. Ebenso liegt natürlich auch das erste Medium zumindest bereichsweise an wenigstens einer Anlagefläche innerhalb des Aufnahmebehälters an.

Dabei kann sich die Anlagefläche an unterschiedlichen Orten innerhalb des Aufnahmebehälters befinden, so dass die Erfindung nicht auf bestimmte Anordnungs- beziehungsweise Ausbildungsvarianten beschränkt ist. Nachfolgend werden hierzu einige nicht ausschließliche Beispiele beschrieben. Bei der Anlagefläche kann es sich beispielsweise um zumindest einen Teilbereich einer Behälteraußenwand, etwa den Behälterboden und/oder ein Deckelelement und/oder wenigstens eine Seitenwand handeln. Bei der letztgenannten Variante ist insbesondere eine Ausgestaltung realisierbar, bei der das Medium nicht den Behälterboden berührt, sondern nur an den seitlichen Wänden anliegt. Natürlich sind auch Ausgestaltungsvarianten denkbar, bei denen es sich bei der genannten Anlagefläche um zumindest einen Teilbereich einer im Aufnahmebehälter-Innenraum befindlichen Zwischenschicht handelt. Dort, wo das Medium an der Anlagefläche des Aufnahmebehälters anliegt, ist dieses vorzugsweise aus einem transparenten Material gebildet, sodass von außen in den Aufnahmebehälter eintretendes Licht durch die Behälterwände und die im Aufnahmebehälter befindlichen transparenten Medien hindurchstrahlen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Anlageflächen durch zumindest Teilbereiche der Seitenwände gebildet werden, ist dies nicht unbedingt erforderlich, eventuell sogar schädlich (Streulicht), so dass die Anlageflächen in einem solchen Fall auch aus einem nicht transparenten Material gebildet sein können.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Medientypen beschränkt. Beispielsweise kann das erste formflexible Medium und/oder das zweite formflexible Medium eine Flüssigkeit sein. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Medium um Wasser, um Wasser mit Salzzusätzen und dergleichen handeln, während das zweite Medium als Öl ausgebildet ist. Natürlich können die Medien auch in anderer Weise ausgebildet sein. Wichtig ist lediglich, dass die Medien formflexibel sind. Daher ist es beispielsweise auch denkbar, dass das erste Medium und/oder das zweite Medium gelartig ausgebildet ist/sind.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das zweite formflexible Medium in Form eines oder mehrerer Tropfen ausgebildet ist. Dabei ist unter einem Tropfen generell eine kleine Mediummenge von zumindest bereichsweise kugeliger oder länglich runder Form zu verstehen.

Vorzugsweise können das erste formflexible Medium und das zweite formflexible Medium die gleiche Dichte aufweisen, um Gravitationseffekte auszuschließen.

Weiterhin können das erste formflexible Medium und das zweite formflexible Medium durchaus unterschiedliche optische Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche optische Indizes, aufweisen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das erste Medium und das zweite Medium unterschiedliche Brechungszahlen aufweisen. So ist gemäß einem vorteilhaften – nicht ausschließlichen – Beispiel vorgesehen, dass das erste Medium eine niedrige Brechzahl (Brechungsindex) aufweist, während das zweite Medium eine hohe Brechzahl aufweist.

Wenn die Medien an einer transparenten Anlagefläche anliegen, beispielsweise an einer zumindest teilweise transparenten Wandung des Aufnahmebehälters, weisen diese transparenten Bereiche der Anlagefläche beziehungsweise der Behälterwand vorzugsweise die gleiche oder eine ähnliche Brechzahl wie das anliegende Medium auf. Dadurch werden gebrochene Strahlengänge und unerwünschte Reflexionen vermieden.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass ein formflexibles Medium über die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) derart in Richtung des jeweils anderen formflexiblen Mediums verschoben wird, dass sich die Krümmung wenigstens einer Grenzfläche zwischen den beiden formflexiblen Medien ändert.

Wie eingangs bereits dargelegt wurde, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für die Mittel zur Änderung der Grenzfläche(n) zwischen den Medien beschränkt. Nachfolgend werden hierzu einige nicht ausschließliche Beispiele angegeben.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das optische Element auf der Basis des wie weiter oben bereits beschriebenen Elektrobenetzens (Electrowetting) ausgebildet ist. Dabei wirken die Mittel zum Ändern der Grenzfläche zwischen den beiden Medien auf ein elektrisch leitendes Medium ein. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird die Benetzbarkeit einer Oberfläche, an der das elektrisch leitende Medium anliegt, durch dieses elektrisch leitende Medium verändert, sodass sich dadurch indirekt auch die Kontur des elektrisch isolierenden Mediums verändern kann.

Das Prinzip des Elektrobenetzens über die Erzeugung eines elektrischen Feldes kann nun vorsehen, dass das erste formflexible Medium und das zweite formflexible Medium eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das Medium mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise ein Öl, kann zwischen dem Medium mit der größeren elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise Wasser oder Wasser mit Zusätzen sowie wenigstens einer Elektrode angeordnet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Medium mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, während auf der anderen Oberfläche des Substrats die wenigstens eine Elektrode angeordnet ist. Wenn nun ein elektrisches Feld zwischen der wenigstens einen Elektrode und dem Medium mit der größeren elektrischen Leitfähigkeit angelegt wird, wird dadurch die Grenzfläche zwischen den beiden formflexiblen Medien verändert. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der WO 03/069380 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit einbezogen wird.

In anderer Ausgestaltung können die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zur Einwirkung auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sein, wobei die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zum Erzeugen eines Drucks auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind und wobei ein Medium über diese Mittel an wenigstens einer Grenzfläche in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des jeweils anderen Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird oder werden kann. Derartige Mittel können konstruktiv einfach und in energiesparender Weise ausgestaltet werden, wobei solche Mittel häufig nur sehr kleine Steuerspannungen benötigen.

Durch diese Mittel wird erreicht, dass ein Druck auf das entsprechende Medium ausgeübt wird, sodass dieses an der Grenzfläche in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des jeweils anderen Mediums verschoben – insbesondere gedrückt – werden kann. Bei dieser Vorzugsrichtung kann es sich in dem Fall, in dem das optische Element als Linsenelement ausgebildet ist, vorzugsweise um die optische Achse des Linsenelements handeln. Die Änderung der Brennweite des optischen Elements und damit die Änderung der Fokallänge in einem optischen Gerät erfolgt dann quasi durch das Herausdrücken des einen Mediums in Richtung des anderen Mediums.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zur Einwirkung auf das zweite Medium ausgebildet sind und dass das zweite Medium über diese Mittel an wenigstens einer Grenzfläche in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des ersten Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird oder werden kann. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zur Einwirkung auf das erste Medium ausgebildet sind und dass das erste Medium über diese Mittel an wenigstens einer Grenzfläche in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des zweiten Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird oder werden kann.

In weiterer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass sich die beiden Medien an zwei Grenzflächen berühren und dass ein Medium über die Mittel zum Ändern der Grenzflächen an einer oder beiden Grenzflächen in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des jeweils anderen Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird oder werden kann. In einem solchen Fall ist es beispielsweise auch möglich, dass zwei Vorzugsrichtungen – für jede Grenzfläche eine – gewählt werden können. Hierbei können die Vorzugsrichtungen gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung entgegengesetzt ausgerichtet sein.

Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Medium über die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) derart in Richtung des jeweils anderen Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird, dass sich die Krümmung wenigstens einer Grenzfläche zwischen den beiden Medien ändert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform kann das zweite formflexible Medium allseitig von dem ersten formflexiblen Medium umschlossen sein, wobei die Mittel zum Ändern der Grenzfläche zur Einwirkung auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind und wobei die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zum Erzeugen eines Drucks auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind.

Bei dieser Lösung ist eine besondere Anlagefläche nicht erforderlich. Vielmehr ist das zweite Medium, das im Ausgangszustand vorteilhaft eine kugelartige Konfiguration aufweist, von allen Seiten von dem ersten Medium umgeben. Bei dem ersten Medium kann es sich beispielsweise wiederum um Wasser und bei dem zweiten Medium vorteilhaft um ein geeignetes Öl handeln. Die beiden Medien weisen vorteilhaft die gleiche Dichte ab, damit das zweite Medium innerhalb des ersten Mediums in Position gehalten wird und nicht absinken kann, das heißt, damit Gravitationseffekte wirksam ausgeschlossen werden können.

Die Mittel zum Ändern der Grenzfläche üben nun einen Druck auf das erste und/oder zweite Medium aus. Wenn der Druck auf das erste Medium ausgeübt wird, wird der Druck vom ersten auf das zweite Medium übertragen, so dass dieses an der Druck-Einwirkstelle komprimiert wird, was die Größe und/oder Form der Grenzfläche zwischen den beiden Medien verändert. Beispielsweise kann das zweite Medium von der ursprünglich kugelartigen Ausgangsform in eine elliptische Konfiguration gebracht werden. Wenn der Druck auf das zweite Medium ausgeübt wird, wird sich dieses gegen das erste Medium ausdehnen, so dass sich auch in diesem Fall die Größe und/oder Form der Grenzfläche zwischen den beiden Medien ändern wird.

Beispielsweise können die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) als mechanische Mittel ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Kolbeneinrichtung, einer Zylindereinrichtung, und dergleichen.

In anderer Ausgestaltung können die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) beispielsweise auch in Form einer ansteuerbaren Membran ausgebildet sein.

Dabei ist die Erfindung selbstverständlich ebenfalls nicht auf bestimmte Antriebsarten für die Mittel zum Ändern der Grenzfläche beschränkt. So ist es etwa möglich, dass die Mittel elektrisch betätigbar ausgebildet sind. Die in einem solchen Fall benötigten Spannungen liegen im unteren Voltbereich. Daher sind solche Mittel besonders energiesparend und kosteneffizient einsetzbar. Selbstverständlich sind auch andere Antriebsarten für die Mittel zum Ändern der Grenzfläche möglich. So ist es beispielsweise denkbar, dass diese magnetisch und/oder elektromagnetisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder piezoelektrisch betätigbar ausgebildet sind. Die Auswahl der jeweils geeigneten Antriebsart ergibt sich je nach Anwendungsart und Einsatzort des optischen Elements.

Die weiter oben bereits erwähnte räumliche Fixierung des ersten und/oder zweiten formflexiblen Mediums innerhalb des Aufnahmebehälters kann mittels geeigneter Fixiermittel erfolgen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das optische Element in Form eines Linsenelements ausgestaltet ist, bei dem ein Strahlengang definiert durch das Linsenelement hindurchlaufen soll. Die räumliche Fixierung erfolgt vorzugsweise mittels dazu geeigneter Fixiermittel. Dabei ist die Erfindung jedoch nicht auf bestimmte Typen von Fixiermitteln beschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, können die Fixiermittel in Form einer besonderen Oberflächengestaltung der Anlagefläche und/oder in Form einer besonderen Oberflächenbeschaffenheit der Anlagefläche ausgebildet sein. Die Oberfläche ist dabei vorteilhaft so gestaltet, dass sie das anliegende Medium in Position halten kann. Die besondere Oberflächenbeschaffenheit kann beispielsweise mittels einer besonderen Oberflächenbeschichtung realisiert werden. Vorteilhaft kann eine besondere Oberflächenbeschaffenheit bezüglich der Benetzbarkeit vorgesehen sein. Dabei ist die Erfindung natürlich nicht auf die genannten Beispiele beschränkt.

Beispielsweise ist denkbar, dass die Fixierung der Medien durch eine geeignete Wahl der Oberflächenmaterialien und/oder lokale Oberflächenbeschichtungen innerhalb des Aufnahmebehälters, beispielsweise der Wand des Aufnahmebehälters, erfolgt. Ebenso kann die räumliche Fixierung der Medien über das Anlegen einer geeigneten, vorzugsweise festgelegten Spannung, erfolgen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das erste Medium als elektrisch leitfähiges Medium und das zweite Medium als elektrisch isolierendes Medium ausgebildet ist. Eine solche Möglichkeit ist generell in der DE 698 04 119 T2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit einbezogen wird. Natürlich ist es auch denkbar, die räumliche Fixierung über die konstruktive Ausgestaltung der Wände innerhalb des Aufnahmebehälters zu erreichen, beispielsweise in dem diese mit geeigneten Vorsprüngen, Kanten, Hinterschneidungen, Aussparungen und dergleichen versehen sind.

Die Fixiermittel haben generell die Aufgabe, dass die Position der Medien innerhalb des Aufnahmebehälters unverändert bleibt, sodass über das optische Element insbesondere ein definierter Strahlengang erzeugt werden kann.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass in der Anlagefläche des Aufnahmebehältersbeispielsweise in einer Zwischenschicht – an der das zweite Medium anliegt, eine Öffnung vorgesehen ist, und dass das zweite Medium im Bereich dieser Öffnung fixiert ist. Die Öffnung kann sich insbesondere um eine optische Achse des optischen Elements herum erstrecken, sodass ein Lichtstrahl durch diese Öffnung und anschließend durch das erste und zweite Medium hindurchtreten kann. Insbesondere sind im Bereich der Öffnung dazu alle in Frage kommenden Komponenten des optischen Elements transparent ausgebildet.

Die Erfindung ist des Weiteren nicht auf bestimmte Einsatzgebiete für die optischen Elemente beschränkt. So ist es beispielsweise denkbar, dass es sich bei den optischen Elementen um solche zum veränderbaren Einstellen der Fokallänge in einem optischen Gerät, etwa um variable Linsenelemente oder andere, beispielsweise elektrisch ansteuerbare optische Elemente handelt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße optische Element als Linsenelement, beispielsweise als sphärisches Linsenelement, Zylinder-Linsenelement und dergleichen, oder als Prismenelement, beispielsweise als Prismenelement mit variablen spektralen Aufspaltungsvermögen, oder als Spiegelelement, etwa als schaltbarer Spiegel, oder dergleichen ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird das optische Element jedoch als Linsenelement mit variabler Brennweite eingesetzt. Natürlich ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese konkreten Beispiele beschränkt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein optisches System bereitgestellt, aufweisend wenigstens ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes optisches Element. Bei einem solchen optischen System kann es sich beispielsweise um eine Anordnung von optischen Elementen, beispielsweise eine Anordnung von variablen Linsenelementen oder dergleichen handeln.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein optisches Gerät bereitgestellt, aufweisend wenigstens ein wie vorstehend beschriebenes optisches Element oder ein wie vorstehend beschriebenes optisches System. Dabei ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf bestimmte Typen optischer Geräte beschränkt. So können die erfindungsgemäßen optischen Elemente bei allen optischen Geräten eingesetzt werden, bei denen eine Änderung der Fokallänge notwendig ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Video-Camcorder, Kameras, Ferngläser, Brillen mit Nah- und Fernsicht, anpassbare Brillen und dergleichen handeln. Besonders vorteilhaft kann es sich bei einem solchen optischen Gerät um ein Fernrohr, oder ein Mikroskop, insbesondere ein Operationsmikroskop, oder ein Endoskop handeln.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung ein optisches Element, das nach dem Prinzip des Elektrobenetzens funktioniert und bei dem Stabilisierungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert sind;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit Stabilisierungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit Stabilisierungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit Stabilisierungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit Stabilisierungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Zusammenhang mit der 1 wird zunächst die grundlegende Funktionsweise des Elektrobenetzens (Electrowettings) beschrieben. Ein optisches Element 10, das in den 1a und 1b jeweils ausschnittsweise dargestellt ist, weist einen Aufnahmebehälter 11 auf, in dem sich zwei unterschiedliche formflexible Medien 12, 13, die jedoch eine zumindest ähnliche Dichte aufweisen, befinden. Die beiden Medien, bei denen es sich im vorliegenden Beispiel um Flüssigkeiten handelt, sind nicht mischbar und berühren sich an einer Grenzfläche 14.
Bei dem ersten Medium 12 handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Medium wie beispielsweise Wasser oder Wasser mit Salzzusatz. Dieses erste Medium ist transparent. Bei dem zweiten Medium 13 handelt es sich um ein elektrisch weniger leitfähiges bis elektrisch isolierendes Medium, beispielsweise um ein Öl. Das zweite Medium 13 soll ebenfalls transparent sein.
Bei dem optischen Element 10 handelt es sich beispielsweise um ein Linsenelement mit variabler Fokallänge, eine sogenannte Variolinse.
Der Aufnahmebehälter 11 wird unter anderem begrenzt durch ein Deckelelement 16 sowie ein Substrat 15, bei dem es sich beispielsweise um eine Dielektrikumsschicht handelt und auf dem auf der Unterseite (die dem Behälterinnenraum abgewandte Oberfläche) wenigstens eine erste Elektrode 17 angeordnet ist. Das Substrat 15 bildet in diesem Fall den Behälterboden. Diese vorgenannten Elemente können bevorzugt zumindest teilweise, das heißt im Bereich des Lichtdurchtritts, transparent sein.
Innerhalb des Aufnahmebehälters 11, und mit dem elektrisch leitfähigen Medium 12 in Verbindung stehend ist wenigstens eine zweite Elektrode 18 vorgesehen. Über die beiden Elektroden 17, 18 kann ein elektrisches Feld 19 erzeugt werden. Bei Anwesenheit eines solchen elektrischen Feldes 19, das durch eine Spannung zwischen dem elektrisch leitenden Medium 12 (über die Elektrode 18) und der Elektrode 17 verursacht wird, kann die Benetzbarkeit der Substratschicht 15 in Bezug auf das erste Medium 12 wesentlich verändert werden.
Im Ausgangszustand gemäß 1a bedeckt das elektrisch nicht leitende Medium 13 einen Großteil des Substrats 15. Die Krümmung der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 ist relativ flach. Bei Beaufschlagung mit einer Spannung erhöht sich die Benetzbarkeit der Substratoberfläche in Bezug auf das elektrisch leitende Medium 12, wodurch sich die Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 verändert. Dieser Zustand ist in 1b dargestellt. Das zweite Medium 13 weist dann eine wesentlich kompaktere Kontur auf. Die Krümmung der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 ist wesentlich steiler. Durch eine Variation der Größe und/oder Form der Grenzfläche 14 ändert sich die Fokallänge des optischen Elements 10.
Über eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) kann die Beaufschlagung mit einer geeigneten Spannung erfolgen, so dass darüber die Fokallänge des optischen Elements (10) punktuell und genau gesteuert werden kann.
Im Betrieb des optischen Elements 10 kann, beispielsweise durch Erschütterungen, die Situation auftreten, dass das zweite Medium 13, das in dem vorliegenden Beispiel in Tropfenform vorliegt, zerstört wird, indem der Tropfen in mehrere kleinere Tropfen zerfällt. Um einer solchen Zerstörung durch Zerfall entgegenzuwirken, sind in dem Aufnahmebehälter 11 Stabilisierungsmittel 30 für das zweite Medium 13 vorgesehen. Diese Stabilisierungsmittel 30, die im vorliegenden Beispiel eine Maschenstruktur aufweisen und folglich als Stabilisierungsnetz 31 ausgebildet sind, können das tropfenförmige Medium 13 zusammenhalten, ohne die optische Qualität des optischen Elements 10 zu beeinträchtigen. Dazu sind die einzelnen Maschen des Stabilisierungsnetzes 31 vorzugsweise transparent ausgebildet. Das Stabilisierungsnetz 31 befindet sich außerhalb des Tropfens 13 aus zweitem Medium 13 und innerhalb des Mediums 12. Es ist jedoch im Bereich der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 angeordnet. Da sich das Stabilisierungsnetz 31 innerhalb des ersten Mediums 12 befindet, weist es vorzugsweise einen Brechungsindex auf, der dem des ersten Mediums 12 entspricht oder aber diesem zumindest ähnlich ist.
Das Stabilisierungsnetz ist über geeignete Befestigungselemente 33, etwa durch Kleben, Schweißen, mechanische Befestigung oder dergleichen, an dem Aufnahmebehälter 11 befestigt. Da sich das Stabilisierungsnetz 31 innerhalb des ersten Mediums 12 befindet, ist es vorteilhaft mit einer Oberflächenbeschichtung versehen oder aus solch einem Material hergestellt, dass das zweite Medium 13 von der Oberfläche des Stabilisierungsnetzes 31 verdrängt wird, das erste Medium 12 hingegen nicht. Auf diese Weise wird das zweite Medium 13 innerhalb des Stabilisierungsnetzes 31 gehalten. Sollte es zu einer Zerstörung des Tropfens kommen, können die Teiltropfen nicht aus dem Stabilisierungsnetz 31 entweichen. Aufgrund der räumlichen Nähe werden die Teiltropfen, sofern sie denn überhaupt entstehen, sehr schnell wieder zusammenfinden und den ursprünglichen Tropfen bilden.
Die Anordnung des Stabilisierungsnetzes 31 sowie dessen Ausgestaltung sind vorteilhaft so gewählt, dass das Stabilisierungsnetz eine Konturänderung der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 von 1a nach 1b, und zurück, problemlos zuläßt, ohne dass dessen Stabilisierungseigenschaften dadurch geschmälert werden.
In 2 ist ein anderes optisches Element 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem es sich um ein Linsenelement mit veränderlicher Brennweite handeln soll. Das optische Element 10 soll in einem optischen Gerät mit veränderlicher Fokallänge, beispielsweise in einem Operationsmikroskop oder einem Endoskop (jeweils nicht dargestellt) eingesetzt werden. Gleiche Bauteile wie bei dem optischen Element 10 aus 1 sind dabei mit identischen Bezugsziffern versehen.
Das in 2 dargestellte optische Element 10 besteht zunächst aus einem Aufnahmebehälter 11, der unter anderem durch einen Behälterboden 20 und einen diesem gegenüberliegenden Behälterdeckel 16 begrenzt ist. Senkrecht zum Behälterboden 20 verläuft die optische Achse 25, entlang derer der Strahlengang 21 eines Lichtstrahls durch das optische Element 10 hindurch verläuft.
Zumindest in einem Bereich um die optische Achse 25 herum weist der Behälterboden 20 und ebenso der Behälterdeckel 16 einen transparenten Bereich auf. Natürlich ist es auch denkbar, dass der gesamte Behälterboden 20 und der gesamte Behälterdeckel 16 aus einem transparenten Material gebildet sind.
Innerhalb des Aufnahmebehälters 11 befinden sich zwei unterschiedliche, jeweils formflexible Medien 12, 13. Beide Medien 12, 13 sind nicht mit einander mischbar, weisen unterschiedliche optische Eigenschaften (unterschiedliche Brechzahlen n1 und n2) auf und verfügen zumindest über eine ähnliche Dichte. Darüber hinaus sind beide Medien 12, 13 transparent. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es sich bei den formflexiblen Medien 12, 13 um Flüssigkeiten handeln, wobei beispielsweise das erste Medium 12 als Wasser und das zweite Medium 13 als Öl ausgebildet sein kann.
Innerhalb des Aufnahmebehälters 11 befindet sich in diesem eine als Anlagefläche 22 ausgebildete Zwischenschicht, die wiederum über eine Öffnung 28 verfügt.
Ebenso wie der transparente Bereich des Behälterbodens 20 ist auch die Öffnung 28 innerhalb der Zwischenschicht 22 konzentrisch um die optische Achse 25 herum ausgebildet.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel sind solche Oberflächen innerhalb des Aufnahmebehälters 11, die mit dem ersten Medium 12 benetzt werden, durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet, während diejenigen Oberflächen, die mit dem zweiten Medium 13 benetzt werden, durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet sind.
Die beiden Flüssigkeiten 12, 13 sind über geeignete Mittel im Aufnahmebehälter 11 räumlich fixiert, wobei die zweite Flüssigkeit 13 zumindest bereichsweise an der als Anlagefläche ausgebildeten Zwischenschicht 22 innerhalb des Aufnahmebehälters 11 anliegt. Dabei ist die zweite Flüssigkeit 13 ebenfalls im Bereich der Öffnung 28 fixiert, sodass sich die Flüssigkeit 13, die zumindest im Bereich der Grenzfläche 14 zwischen der ersten und zweiten Flüssigkeit 12, 13 eine Tropfenform aufweist, konzentrisch um die optische Achse 25 herum erstreckt.
Ein in das optische Element 10 eintretender Lichtstrahl 21 durchläuft somit zunächst den transparenten Bereich des Behälterbodens 20, anschließend die zweite Flüssigkeit 13 sowie die Öffnung 28 in der Anlagefläche 22 innerhalb des Aufnahmebehälters 11, dann die erste Flüssigkeit 12 und anschließend einen transparenten Bereich des Behälterdeckels 16.
Eine Veränderung der Brennweite des optischen Elements 10 und damit eine Veränderung der fokalen Länge des optischen Geräts erfolgt nun in einer Weise, das die Größe und/oder Form der Grenzfläche 14 – zum Beispiel deren Krümmung – zwischen den beiden Flüssigkeiten 12, 13 verändert wird. Dies erfolgt über entsprechend ausgestaltete Mittel 23. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Mittel 23 zum Ändern der Grenzfläche 14 in Form einer Membran 24 ausgebildet, die einen Teil der Zwischenschicht 22 bildet. An oder in der Membran 24 befindet sich wenigstens ein Magnet- oder Metallplättchen 26. Auf dieses Plättchen 26 kann mittels eines Elektromagneten 27 eingewirkt werden.
Wenn das Plättchen 26 als Magnetplättchen ausgebildet ist, kann dieses, je nach Polung, bei Betätigung des Elektromagneten 27 in Richtung des Behälterbodens 20 angezogen, oder aber in Richtung des Behälterdeckels 16 abgestoßen werden. Wenn das Plättchen 26 als Metallplättchen ausgebildet ist, wird dieses bei Betätigung des Elektromagneten 27 angezogen.
Durch die Mittel 23 zum Ändern der Grenzfläche 14 ist es nunmehr möglich, auf die Flüssigkeit 13 direkt einzuwirken. Dies geschieht in einer Weise, dass die zweite Flüssigkeit 13 an der Grenzfläche 14 zur ersten Flüssigkeit 12 in zumindest einer Vorzugsrichtung – im vorliegenden Beispiel in Richtung der optischen Achse 25 – in Richtung der ersten Flüssigkeit 12 gedrückt wird. Dies erfolgt in besonders einfacher und energiesparender Weise durch eine Betätigung der Membran 24.
Im Ausgangszustand befindet sich die Membran 24 in ihrer waagerechten Ausgangsstellung. Die zweite Flüssigkeit 13 weist auf der Anlagefläche 22 eine Tropfenform auf, wobei die Grenzfläche 14 zwischen den Flüssigkeiten 12 und 13 eine flache Krümmung aufweist. Dies ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt.
Wenn nun der Elektromagnet 27 betätigt wird und das Plättchen 26 beispielsweise in Richtung des Behälterbodens 20 angezogen wird, führt dies dazu, dass sich auch die Membran 24 in Richtung des Behälterbodens 20 auslenkt. Dadurch wird die zweite Flüssigkeit 13 durch die Öffnung 28 herausgedrückt, wodurch sich die Krümmung der Grenzfläche 14 in eine wesentlich gewölbtere Form ändert, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die zweite Flüssigkeit 13 wird somit in Richtung der optischen Achse 25 in Richtung der ersten Flüssigkeit 12 gedrückt, wodurch sich ebenfalls eine Änderung der Fokallänge des optischen Geräts (nicht dargestellt) ergibt.
Um eine Zerstörung des Tropfens der zweiten Flüssigkeit 13, etwa durch Erschütterungen oder dergleichen zu verhindern, sind wiederum Stabilisierungsmittel 30 vorgesehen, zu deren Grundaufbau und Funktionsweise zunächst auf die Ausführungen in 1 Bezug genommen und verwiesen wird. Bei den Stabilisierungsmitteln 30 handelt es sich um eine – beispielsweise elastische – Stabilisierungsfolie 32, insbesondere eine Lochfolie, oder aber um ein wie weiter oben beschriebenes Stabilisierungsnetz mit Maschenstruktur. Die Stabilisienungsfolie 32 ist über geeignete Befestigungselemente 33 an der Anlagefläche 22 angeordnet.
Im Unterschied zu 1 befindet sich die Stabilisierungsfolie 32, die vorteilhaft aus einem transparenten Material besteht, innerhalb des zweiten Mediums 13, so dass sie vorzugsweise aus einem Material mit gleichem oder ähnlichem Brechungsindex hergestellt ist. Vorteilhaft ist die Stabilisierungsfolie 32 in einer Weise oberflächenbeschichtet beziehungsweise besteht aus einem Material, dass das zweite Medium 13 an deren Oberfläche festgehalten wird.
Die Form der Stabilisierungsmittel 30 kann durch eine gewisse Vorspannung gegeben sein. Dies wird anhand der 3 bis 5 erläutert. In den 3 bis 5 sind in vereinfachter Darstellung nur einige wesentliche Merkmale eines beispielsweise wie weiter oben beschriebenen – optischen Elements 10 dargestellt, da hier die Ausgestaltung und Anordnung der Stabilisierungsmittel 30 im Vordergrund stehen soll. Es ist dargestellt eine Substratschicht 15, auf der ein Tropfen eines elektrisch nicht leitfähigen formflexiblen zweiten Mediums 13 angeordnet ist. Das zweite Medium 13 ist von einem elektrisch leitfähigen formflexiblen Medium 12 umgeben. Die beiden Medien 12, 13 berühren sich an einer Grenzfläche 14. Bei den Stabilisierungsmitteln 30 handelt es sich um wenigstens ein Stabilisierungselement mit Maschenstruktur, ein Stabilisierungsnetz 31.
In 3 befindet sich ein Stabilisierungsnetz 31 innerhalb des zweiten Mediums 13. Es weist eine aufgrund einer Vorspannung eingestellte Vorkontur auf, die der Kontur der Grenzfläche 14 bei minimaler Ausdehnung des zweiten Mediums 13 angenähert ist. Dies ist im oberen Teil von 3 dargestellt. Wenn sich die Größe und/oder Form der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 ändert, beispielsweise durch Anwesenheit eines elektrischen Feldes, dehnt sich das Medium 13 im in 3 dargestellten Beispiel aus, so dass sich die Grenzfläche 14 von dem Stabilisierungsnetz 31 entfernt. Dieser Zustand ist im unteren Teil von 3 dargestellt.
In 4 ist ein Stabilsierungsnetz 31 innerhalb des zweiten, elektrisch leitfähigen Mediums 12 angeordnet. Auch dieses Stabilisierungsnetz 31 weist eine aufgrund einer Vorspannung eingestellte Vorkontur auf, die im Unterschied zu 3 diesmal jedoch der Kontur der Grenzfläche 14 bei maximaler Ausdehnung des zweiten Mediums 13 angenähert ist. Dies ist im oberen Teil von 4 dargestellt. Wenn sich die Größe und/oder Form der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 ändert, beispielsweise durch Anwesenheit eines elektrischen Feldes, dehnt sich das Medium 13 im in 4 dargestellten Beispiel aus, so dass sich die Grenzfläche 14 dem Stabilisierungsnetz 31 annähert. Dieser Zustand ist im unteren Teil von 4 dargestellt.
In 5 schließlich sind Stabilisierungsmittel dargestellt, die aus zwei Elementen mit Maschenstruktur, im vorliegenden Beispiel aus zwei Stabilisierungsnetzen 31, 31a gebildet sind. Die Stabilisierungsnetze 31, 31a weisen eine aufgrund einer Vorspannung eingestellte Vorkontur auf, die im Hinblick auf das Stabilisierungsnetz 31 der Kontur der Grenzfläche 14 bei minimaler Ausdehnung des zweiten Mediums 13 und im Hinblick auf das Stabilisierungsnetz 31a der Kontur der Grenzfläche bei maximaler Ausdehnung des zweiten Mediums 13 angenähert ist. Wenn sich die Größe und/oder Form der Grenzfläche 14 zwischen den beiden Medien 12, 13 ändert, beispielsweise durch Anwesenheit eines elektrischen Feldes, dehnt sich das Medium 13 im in 5 dargestellten Beispiel aus, wobei sich die Grenzfläche 14 jedoch immer zwischen den beiden Stabilisierungsnetzen 31, 31a befindet.

10: optisches Element
11: Aufnahmebehälter
12: erstes formflexibles Medium
13: zweites formflexibles Medium
14: Grenzfläche zwischen den Medien
15: Substratschicht
16: Behälterdeckel
17: erste Elektrode
18: zweite Elektrode
19: elektrisches Feld
20: Behälterboden
21: Lichtstrahlrichtung
22: Anlagefläche (Zwischenschicht)
23: Mittel zum Ändern der Grenzfläche
24: Membran
25: optische Achse
26: Plättchen
27: Elektromagnet
28: Öffnung
30: Stabilisierungsmittel
31: Stabilisierungsnetz
31a: Stabilisierungsnetz
32: Stabilisierungsfolie
33: Befestigungselement

Claims

Optisches Element, mit einem Aufnahmebehälter (11), der ein erstes formflexibles Medium (12) sowie ein zweites formflexibles Medium (13) beinhaltet, wobei die Medien (12, 13) in dem Aufnahmebehälter (11) räumlich fixiert sind und wobei sich die beiden Medien (12, 13) an wenigstens einer Grenzfläche (14) berühren, und mit Mitteln zum Ändern der Größe und/oder Form der Grenzfläche(n) (14) zwischen den beiden Medien (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (30) zum Stabilisieren (Stabilisierungsmittel) der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Mediums (12, 13) vorgesehen sind.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formflexiblen Medien (12, 13) nicht mischbar sind,
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) zumindest im Bereich der Grenzfläche(n) (14) vorgesehen sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) wenigstens ein Element (31, 31a) mit einer Maschenstruktur, insbesondere mit einer Struktur aus Fäden und/oder Bändern, aufweisen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) aus wenigstens einer Folie (32), insbesondere einer Lochfolie, gebildet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) zumindest bereichsweise oder teilweise transparent ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) innerhalb des zweiten formflexiblen Mediums (13) angeordnet sind.
Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) ausgebildet sind, um das zweite formflexible Medium (13) an der/den Oberfläche(n) der Stabilisierungsmittel (30) festzuhalten, insbesondere durch eine besondere Oberflächenbeschichtung der Stabilisierungsmittel (30).
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) innerhalb des ersten formflexiblen Mediums (12) angeordnet sind.
Optisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) ausgebildet sind, um das zweite formflexible Medium (13) von der/den Oberfläche(n) der Stabilisierungsmittel (30) zu verdrängen, insbesondere durch eine besondere Oberflächenbeschichtung der Stabilisierungsmittel (30).
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stabilisierungsmittel (30) sowohl innerhalb des ersten formflexiblen Mediums (12) als auch innerhalb des zweiten formflexiblen Mediums (13) angeordnet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) zumindest bereichsweise eine Vorspannung aufweisen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel (30) den gleichen oder zumindest einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen wie das formflexible Medium, in dem sie sich befinden.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Wandungen (15, 16, 20) des Aufnahmebehälters (11) zumindest bereichsweise transparent ausgebildet ist/sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der formflexiblen Medien zumindest bereichsweise transparent ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite formflexible Medium (13) zumindest bereichsweise an wenigstens einer Anlagefläche (22) innerhalb des Aufnahmebehälters (11) anliegt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste formflexible Medium (12) und/oder das zweite formflexible Medium (13) als Flüssigkeit oder gelartig ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite formflexible Medium (13) in Form eines oder mehrerer Tropfen ausgebildet ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste formflexible Medium (12) und das zweite formflexible Medium (13) die gleiche Dichte aufweisen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste formflexible Medium (12) und das zweite formflexible Medium (13) unterschiedliche optische Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche Brechzahlen, aufweisen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein formflexibles Medium über die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) derart in Richtung des jeweils anderen formflexiblen Mediums verschoben wird, dass sich die Krümmung wenigstens einer Grenzfläche (14) zwischen den beiden formflexiblen Medien ändert.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) auf der Basis des Elektrobenetzens (Electrowetting) ausgebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das erste formflexible Medium (12) und das zweite formflexible Medium (13) eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, dass das Medium (13) mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem Medium (12) mit der größeren elektrischen Leitfähigkeit und wenigstens einer Elektrode (17) angeordnet ist und dass durch Anlegen eines elektrischen Feldes (19) zwischen der wenigstens einen Elektrode (17) und dem Medium (12) mit der größeren elektrischen Leitfähigkeit die Grenzfläche (14) zwischen den beiden formflexiblen Medien (12, 13) verändert wird.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (23) zum Ändern der Grenzfläche(n) zur Einwirkung auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind, dass die Mittel (23) zum Ändern der Grenzfläche(n) zum Erzeugen eines Drucks auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind und dass ein Medium über diese Mittel an wenigstens einer Grenzfläche (14) in zumindest einer Vorzugsrichtung in Richtung des jeweils anderen Mediums verschoben, insbesondere gedrückt, wird oder werden kann.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite formflexible Medium (13) allseitig von dem ersten formflexiblen Medium (12) umschlossen ist, dass die Mittel zum Ändern der Grenzfläche zur Einwirkung auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind und dass die Mittel zum Ändern der Grenzfläche(n) zum Erzeugen eines Drucks auf das erste und/oder zweite Medium ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (23) zum Ändern der Grenzfläche(n) als mechanische Mittel ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Mittel als Kolbeneinrichtung oder Zylindereinrichtung ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (23) zum Ändern der Grenzfläche(n) in Form einer ansteuerbaren Membran (24) ausgebildet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Fixierung des ersten und/oder zweiten formflexiblen Mediums (12, 13) innerhalb des Aufnahmebehälters (11) mittels Fixiermitteln erfolgt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als optisches Element (10) zum veränderbaren Einstellen der Fokallänge in einem optischen Gerät, insbesondere als Linsenelement oder Prismenelement oder Spiegelelement, ausgebildet ist.
Optisches System, aufweisend wenigstens ein optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 30.
Optisches Gerät, aufweisend wenigstens ein optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 30 oder ein optisches System nach Anspruch 31.