Flüssiglinsen

WassertropfenAufBlatt_01_0.pngSmartphones sind heute regelmäßig mit hoch auflösenden Kameras ausgestattet, zwangsläufig auch mit den dazu passenden Optiken, die zur Scharfstellung mikromechanische Vorrichtungen benötigen. Wenn die inzwischen dafür eingesetzten Voice-Coil-Motoren auch erstaunlich klein, sparsam und nahezu geräuschfrei sind, so ist doch der technische Aufwand zu ihrer Herstellung recht ansehnlich.

Viel eleganter und kostengünstiger wäre die Auto-Focus-Funktion mit Linsen variierbarer Dioptrienzahl zu realisieren - ähnlich der Linse im menschlichen Auge, die durch den Ziliarmuskel unterschiedlich gewölbt wird und da mit die Lage ihres Brennpunktes verändert. 

Genau das verspricht die Technologie "Electrowetting", umgesetzt von der französischen Firma Varioptic in Produkte namens "Liquid Lenses", die ihre optischen Eigenschaften unter dem Einfluss einer Steuerspannung in weiten Bereichen linear verändern.

Webseite der Firma Varioptic

Electrowetting - das Prinzip

ElectroWettingTrial_01_0.pngElectrowetting oder Elektrobenetzung basiert auf der Polarisierbarkeit bestimmter Flüssigkeiten wie etwa Wasser und der daraus resultierenden Oberflächenspannung.

Das Prinzip lässt sich in einem recht simplen Versuch zeigen, wie links abgebildet. Ein Tropfen Wasser auf einer isolierenden Oberfläche bildet aufgrund der Oberflächenspannung eine recht kugelige Oberfläche aus (geringe Benetzung). Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (Elektrode) lässt sich diese Oberflächenspannung reduzieren und der Tropfen nimmt eine deutlich flachere Gestalt an (hohe Benetzung).

Mit dieser Kenntnis können elektrisch fokussierbare Optiken gebaut werden:

LiquidLensPrinciple_01_0.pngMan gebe 2 nicht mischbare Flüssigkeiten exakt gleicher Dichte, aber mit unterschiedlichen optischen Brechungs-kennzahlen in einem "Käfig" aus 2 parallelen Glas-platten. Eine der Flüssigkeiten ist elektrisch leitfähig (polarisierbar), die andere nicht.

Nun braucht es noch 2 Elektroden - auf der leit-fähigen Seite dient dazu ein Metallring, auf der nicht leitfähigen Gegenseite einen Innenkonus. Diese spezielle Form dient letztlich zur Stabilisierung der optischen Achse.

Nun lässt sich durch Anlegen einer Spannung im Bereich von etwa 0..60V die Brechzahl der gezeigten Anordnung über eine Skala von etwa -5 .. 15 dpt stufenlos verändern, wobei es eine Ansprechschwelle bei etwa 30 V gibt, an den sich ein nahezu linearer Bereich anschließt. 

Grundlagenartikel zum Electrowetting
Vorstellung Liquid Lens Technology

Flüssiglinsen von Varioptic

Family A316 - A39N0 - B617_0.jpgVarioptic hat auf Basis dieses Prinzips mehrere Produktfamilien entwickelt und zur Marktreife geführt, darunter solche mit variablen Fokus, variablen Tilt, komplette Objektive sowie Kamera-Referenzdesigns. Die elektrisch steuerbaren Flüssiglinsen bieten dabei erhebliche technische Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen:

Großer optischer Variationsbereich
Bei einer Flüssiglinse mit 3 mm Öffnung kann ein Verstellbereich von bis zu 40 Dioptrien realisiert werden, etwa das 10-fache des menschlichen Auges.

Robustheit
Tests mit 100 Millionen Verstellzyklen haben bei Flüssiglinsen keinerlei Degradation der Eigenschaften verursacht, während mechanische Systeme wie z.B. Piezos, Mikromotoren und Voice-Coil-Motoren (VCM) typischerweise nach einigen 100.000 Zyklen aufgeben.

Schockfestigkeit
Bei Fallversuchen schlagen sich die Flüssiglinsen deutlich besser als mechanische Lösungen wie VCMs. Ihre Übertragungskurve bleibt vor und nach den Tests gleich, während bei VCMs jeder Schock geringfügige Lageänderungen hervorruft, der die Scharfstellung beeinträchtigt.

Geschwindigkeit
Die Flüssigkeits-Rekonfiguration geschieht in einem Zeitbereich von einigen
10 Millisekunden und damit nahezu unmerklich für die menschliche Wahrnehmung.

Geringer Stromverbrauch
Flüssiglinsen verbrauchen nur etwa 15 mW einschließlich Treiber und sind damit 10-fach sparsamer als VCMs, Piezos oder Mikromotoren.

Linsen, Objektive und Referenzdesigns

CameraRefDesign_HDR60_01_0.pngFür seine Produkte stellt Varioptic vollständige Entwicklungskits bereit, einschließlich der Generatoren zur Erzeugung der Aktorspannung sowie der notwendigen Steuersoftware. Daneben gibt es ein Kamera Referenzdesign auf Basis des Sony imx136 Sensors mit 2.4 Megapixeln (1080p60), HDMI-Ausgang und USB-Ifce zu  einem Windows-Host samt GUI zur Konfiguration.

Development Kits von Varioptic

 

VariopticLogo_01.pngVarioptic wurde 2002 von Dr. Bruno Berge gegründet und 2012 als Geschäftsbereich von  Parrot SA übernommen. Varioptic entwickelt, fertigt und vermarktet elektrisch steuerbare  Miniaturoptiken basierend auf der proprietären, patentierten, programmierbaren Liquid-Lens-Technologie. Die von Variotic entwickelten technischen Lösungen adressieren verschiedene Bereiche des Digitalkamerasektors, wie etwa Biometrie, Machine Vision sowie Kameras für Medizin und Unterhaltungselektronik.

st