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Flüssigkeitslinsen
Von einer Handykamera erwarten wir nicht viel. Zum einen verfügt nur eine Handvoll Fotohandys über ein Linsensystem, das in der Lage ist, Objekte in unterschiedlichen Entfernungen automatisch zu fokussieren – was zu vielen unscharfen Schnappschüssen führt.
Aber es könnte eine Lösung für das Problem des Fokussierens von Kamerahandys geben – und eine, die auch in anderen Geräten Verwendung finden könnte. Saman Dharmatilleke, Isabel Rodriguez und Kollegen am Institut für Materialforschung und -technik in Singapur haben vorgeschlagen, die feststehende Kunststofflinse der meisten Kamerahandys durch einen Flüssigkeitstropfen, beispielsweise Wasser, zu ersetzen, der durch Variieren des auf den Tropfen ausgeübten Drucks automatisch fokussiert werden könnte. Das Objektiv des Teams hat keine beweglichen Teile, was es robust macht und nur minimal Strom verbraucht, sodass es keinen Handy-Akku entlädt.
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Darüber hinaus können die optischen Eigenschaften von Flüssigkeiten besser sein als bei Standardlinsenmaterialien. Wasser ist lichtdurchlässiger als Glas oder Plastik, sagt Rodriguez. Wasser lässt sich nicht verkratzen und ist grundsätzlich fehlerfrei.
Die Technologie, die in der 26. Januar-Ausgabe von Angewandte Physik Briefe , basiert auf der Tatsache, dass ein Tropfen einer Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung eine natürliche Krümmung ähnlich der einer herkömmlichen Linse hat. Wenn der Tropfen in eine kleine Vertiefung gegeben wird und Druck darauf ausgeübt wird, ändert sich die Krümmung des Tropfens; mehr Druck erhöht die Krümmung und weniger flacht den Tropfen ab. Wenn sich die Krümmung ändert, ändert sich auch die Brennweite des Objektivs, sodass ein klares Bild aus verschiedenen Entfernungen aufgenommen werden kann. Bei den meisten Kameras bewegt die Autofokus-Funktion das feste Objektiv mechanisch nach vorne oder hinten, um die Brennweite einzustellen. Aber in einer Flüssiglinsenkamera bleibt das Tröpfchen liegen und nur seine Krümmung ändert sich.
Die Forscher testeten Tropfen unterschiedlicher Größe, von 100 Mikrometer bis 3 Millimeter: Alle reagierten innerhalb von Millisekunden auf Druckänderungen. Je größer das Objektiv ist, desto mehr Licht sammelt es natürlich und mehr Licht erzeugt bessere Bilder. Aber wenn ein Tröpfchen zu groß wird, ist es schwieriger, es stabil zu halten. Bis zu zwei Millimeter bleibt das Objektiv durch Oberflächenspannung perfekt in der Öffnung, sagt Rodriguez. Sie müssen es sehr stark schütteln, damit es sich herausbewegt. Sie vermutet, dass Linsen mit einem Durchmesser von ein bis zwei Millimetern ideal für die meisten miniaturisierten Abbildungssysteme sind.
Obwohl dieses Team nicht das erste ist, das Flüssigkeit für Linsen verwendet, ist es das erste, das die Brennweite einfach durch Druck verstellt. Im Jahr 2004 kündigte Philips eine Flüssiglinsensystem , mit einer Technik namens Elektrobenetzung, die auf der intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit von wasserähnlichen Flüssigkeiten beruht. Bei dieser Technik wird ein elektrischer Strom an eine Flüssigkeitslinse angelegt, wodurch die Bindungen der Flüssigkeitsmoleküle verändert werden, wodurch die Krümmung des Tropfens verändert wird. Im Januar hat das französische Unternehmen Varioptik eingeführt Mobiltelefon mit einer elektrisch variablen Flüssiglinse, die eine Version des Elektrobenetzens verwendet, die, sagt Rodriguez, älter als das Philips-Design ist.
Stein Kuiper, der Philips-Forscher, der die Elektrobenetzungstechnik für die Flüssiglinsen seines Unternehmens entwickelt hat, sieht stattdessen Vorteile darin, Druck zu verwenden. Die elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit sind nicht relevant, was ein breiteres Spektrum an Flüssigkeiten und damit optische und mechanische Eigenschaften der Linse ermöglicht. Darüber hinaus, so Kuiper, kann die zum Ändern des Drucks in einem Flüssiglinsensystem erforderliche Spannung geringer sein als in einem System mit Elektrobenetzung. Aus diesen Gründen, sagt er, habe Philips geistige Eigentumsrechte an beiden Objektivtypen aufgebaut.
Derzeit arbeiten Dharmatilleke und sein Team mit einem lokalen Unternehmen zusammen, um ihr Flüssiglinsensystem zu verfeinern und herzustellen, und streben eine Kommerzialisierung der Technologie an. Wie Rodriguez feststellt, erstrecken sich die Anwendungen für diese Objektive über Kamerahandys hinaus auf Webcams und tragbare medizinische Geräte.
Bilder mit freundlicher Genehmigung von Isabel Rodriguez im Institut für Materialforschung und -technik .