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Flüssiglinsen (fokusvariable Linsen)

Flüssiglinsen ermöglichen die Einstellung der Brennweite einer einzelnen Linse. Je nach Prinzip sind Verstellzeiten von wenigen µs bis ms zu erreichen. Die Linsen arbeiten verschleißfrei und ermöglichen viele Millionen Verstellzyklen. Dank hermetischer Abdichtung sind sie gut gegen Verschmutzung geschützt.

Arbeitsweise von Flüssiglinsen: a) durch Elektrokapillarität (links), b) mit Polymermembran (Mitte), c) mit stehender akustischer Welle (rechts). Die elektrische Verstellung von Flüssiglinsen erfolgt über ein serielles Interface, das zur Kommunikation aus verschiedenen BV-Softwarepaketen heraus angesprochen werden kann. (Bilder: Evotron GmbH & Co. KG)

In marktüblichen Produkten werden drei Prinzipien für Flüssiglinsen genutzt:

(a) Elektrokapillarität: Die Wölbung eines Flüssigkeitstropfens kann durch ein elektrisches Feld verändert werden. In einer von zwei Deckgläsern begrenzten Kapsel befindet sich ein leitendes (Wasser) und ein nicht leitendes Medium (Öl) gleicher Dichte, aber unterschiedlicher Brechzahl. Ein angelegtes elektrisches Feld (max. 60VDC) ändert den Radius der Grenzschicht. Freie Öffnungen bis max. 8mm Durchmesser sind möglich. Gebrauchslage, Schwerkraft und Dichteänderungen der Medien bei Temperaturschwankungen führen zum Abbildungsfehler Koma. Der einstellbare Brennweitenbereich ist begrenzt durch den geringen Brechzahlunterschied von Wasser und Öl.

(b) Elastische Polymermembranen: Eine Spule wird durch Bestromung verschoben und drückt definiert auf den äußeren Bereich der Linse: Dadurch ändert sich die Linsenwölbung. Sphärische, asphärische und Zylinderlinsenformen sind möglich. Je nach Gebrauchslage tritt auch hier der Abbildungsfehler Koma auf, was durch steifere Membranen kompensiert werden kann. Temperaturbedingte Brechzahländerungen der Linsenflüssigkeit machen eine Temperaturkompensation/-kalibrierung notwendig. Zudem muss die Brennweite-Steuerstrom-Kennlinie kalibriert werden, da sie exemplarabhängig unterschiedlich verläuft. Diese Linsenart wird am Häufigsten eingesetzt.

(c) Stehende akustische Welle: In der transparent eingekapselten Flüssigkeit entsteht durch periodische Piezo-Anregung die Brechzahlverteilung einer asphärischen Gradientenindex-Linse. Brechzahlverlauf und damit Brechkraft werden durch Schallamplitude und -frequenz (30 bis 1.000kHz) eingestellt. Sehr schnelle Brechkraftwechsel sind möglich (wenige µs). Die Baugröße ist relativ groß. Die freie Öffnung wird mit zunehmender Frequenz kleiner (bei 500kHz ca.1,5mm). Der Fokussierbereich von Flüssiglinsen umfasst bis zu 30dpt bei einer Fokussiergenauigkeit von 0,1dpt. Die freie Öffnung beträgt bis zu 20mm. Je nach Linsenflüssigkeit kann im Wellenlängenbereich von 250 bis 2.000nm gearbeitet werden. Flüssiglinsen werden bereits in zahlreichen Objektiven eingebaut:

(a) Vor dem Objektiv (Einsatz wie Nahlinse): große Abstandsänderungen sind möglich, Anbau an das Filtergewinde.

(b) zwischen Objektiv und Kamera: sinnvoll für C-Mount ab f=35mm. Ermöglicht Makro-Einstellungen sowie bessere optische Auflösung als bei Montage vor dem Objektiv.

(c) im Objektiv (muss bei der Objektivkonstruktion berücksichtigt werden).

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