Europäischer Erfinderpreis

Liquide Linsen

Bruno Berge, Erfinder der Flüssiglinsen

Bruno Berge, Erfinder der Flüssiglinsen

Jedes Kind weiß, dass sich Öl und Wasser nicht mischen lassen, doch den meisten Erwachsenen wird die Tatsache neu sein, dass die beiden Stoffe kombiniert werden können, um damit Bilder aufzunehmen. Die Flüssiglinse, ein vom französischen Physiker und Unternehmer Bruno Berge erfundenes und patentiertes optisches Bauteil, revolutioniert den Markt für optische Instrumente. Diese innovative Linse bildet die Grundlage für bessere, günstigere und kleinere optische Geräte und findet bereits in einer breiten Palette von Produkten Anwendung, darunter ID-Lesegeräte (z. B. Strichcode- oder Ausweislesegeräte) und Industriekameras.

Liquide LinsenVom Wissenschaftler zum Unternehmer

Man braucht schon das feine Gespür eines Erfinders, um das wirtschaftliche Potenzial im Verhalten eines Wassertropfens zu erkennen, der durch Elektrizität angeregt wird. Seine untrügliche Voraussicht ließ Bruno Berge einen neuen Weg einschlagen, auf dem sich der verdienstvolle Wissenschaftler in einen erfolgreichen Unternehmer verwandelte.

Berge begann seine wissenschaftliche Karriere an der Universität Grenoble in Frankreich, wo er zunächst seinen Doktortitel in Physik erwarb. Nach zwei Jahren Forschungstätigkeit als Postdoktorand an der University of Chicago kehrte er 1991 nach Grenoble zurück. Dort übernahm er einen Forschungsauftrag zur Untersuchung von Trennschichten – der Grenzen zwischen nicht mischbaren Flüssigkeiten – am französischen Forschungszentrum CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique).

In seiner Freizeit ging Berge seiner eigenen Forschung nach und führte Experimente durch. Dabei stieß er schließlich auf ein um die Wende zum 20. Jahrhundert von seinem Landsmann Gabriel Lippmann entdeckten physikalischen Phänomen. Der Physiker Lippmann hatte im Jahr 1908 den Nobelpreis für die Erfindung der Farbfotografie erhalten.

Berge faszinierte das von Lippmann untersuchte Phänomen des „Electrowetting“ (Elektrobenetzung oder elektrischer Kapillareffekt), das die formverändernde Wirkung einer elektrischen Ladung bezeichnet, die auf eine Flüssigkeit auf einer leitenden Oberfläche wirkt.

„Anfangs hatte ich keinen konkreten Verwendungs- zweck im Sinn, doch ich erkannte das Potenzial der Technologie. Die Frage war nur, wofür man sie einsetzen könnte.“

Formwandler

Nach Auffassung von Berge würde sich durch die Veränderung der Form einer Flüssigkeit auch ihr Lichtbrechungsverhalten verändern und sie somit praktisch in eine Linse verwandeln. Vergleichbar mit einem Wassertropfen, der als Lupe fungieren kann, lassen sich zwei klare, nicht mischbare Flüssigkeiten je nach Wölbung ihrer Trennschicht als Linse verwenden. Da sich diese Wölbung unter Einwirkung eines elektrischen Feldes verändert, ermöglichen die beiden Flüssigkeiten die Aufnahme und Scharfstellung eines Bildes.

Dank eines Forschungsstipendiums konnte Berge den Prototyp einer Flüssiglinse entwickeln, die bereits unter Einwirkung einer geringen Menge an Elektrizität ihren Fokus verändert.

Rückblickend erinnert sich Berge: „Anfangs hatte ich keinen konkreten Verwendungszweck im Sinn, doch ich erkannte das Potenzial der Technologie. Die Frage war nur, wofür man sie einsetzen könnte.“

Auf eigene Faust

Ermutigt durch den Erfolg seines ersten Prototyps stellte Berge seine Erfindung zunächst dem Kamerahersteller Canon vor. Als das Unternehmen eine Zusammenarbeit ablehnte, entschloss er sich, im Alleingang weiterzumachen, anstatt ein Unternehmen als Käufer anzuwerben.

Mithilfe staatlicher Zuschüsse, insbesondere seitens der Organisation für geistiges Eigentum und Technologietransfer France Innovation Scientifique et Transfert SA, und führender französischer und internationaler Investmentfonds gründete Berge im Jahr 2002 das Unternehmen Varioptic mit dem Ziel, seine Flüssiglinsentechnologie zu kommerzialisieren.

Im Zuge dessen gab der ehemalige Physiker und Neuunternehmer sogar seine Physikprofessur am École Normale Supérieure de Lyon auf, um sich auf die Herausforderungen konzentrieren zu können, die die Leitung eines Unternehmens mit sich bringt. Eineinhalb Jahre lang bekleidete Berge die Position des CEO bei dem Start-up-Unternehmen, dann gab er die Leitung an Etienne Paillard ab, um sich als Chief Technology Officer wieder der Forschung und Entwicklung seiner aufstrebenden Technologie widmen zu können. Noch heute ist Berge CTO bei Varioptic.

Die Technologie von Varioptic ist bereits in zahlreichen Geräten, z. B. ID-Lesegeräten und Industriekameras, anzutreffen und sieht einer vielversprechenden Zukunft auf dem gigantischen Mobiltelefonmarkt entgegen.

Neben Kameras gibt es noch zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. Endoskope, Laser und Geräte für die Augenheilkunde.

Ein flüssiges Leichtgewicht

Die Flüssiglinsentechnologie weist gegenüber herkömmlichen Linsen zahlreiche Vorteile auf. Im Gegensatz zu den typischen Array-Anordnungen von Linsen in optischen Geräten, die zum Fokussieren oder Vergrößern des aufgenommenen Bildes mechanisch eingestellt werden müssen, beinhaltet eine Flüssiglinse keine beweglichen Teile. Folglich beträgt ihr Energieverbrauch nur einen Bruchteil des Verbrauchs herkömmlicher Linsensysteme.

Diese Effizienz ist besonders bei Mobilgeräten von Interesse, wo eine längere Akkulaufzeit einen immensen Vorteil darstellt. Ein weiterer bedeutender Vorzug der Flüssiglinsen besteht in ihrer geringen Größe. Da sie bis zu 85 % kleiner sind als herkömmliche Kameralinsen, eignen sie sich optimal für mobile und optische Geräte, bei denen Größen- und Gewichtseinsparungen entscheidend sind.

„Flüssiglinsen sind bei ähnlicher Leistung bis zu 85 % kleiner als Kameralinsen.“

Hohe Stoßfestigkeit

Die Linsen von Varioptic fokussieren nachweislich schneller als herkömmliche Feststofflinsen, da nur die darin enthaltene Flüssigkeit verändert wird. Da keine mechanischen Teile vorhanden sind, bieten sie außerdem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber den häufigen Erschütterungen, denen Mobilgeräte oft ausgesetzt sind. Dank ihrer Stoßfestigkeit können sie sogar in Industriekameras eingesetzt werden, die wesentlich strengeren Anforderungen unterliegen als Produkte für die Verbraucherindustrie.

Eine typische Industriekamera, die zum Scannen von Produkten auf einem Förderband installiert ist, befindet sich im Dauerbetrieb. Diese mit einer mechanischen Fokussierungsvorrichtung ausgestatteten Geräte halten in der Regel 100.000 bis 2 Mio. Fokussierungszyklen stand, bevor sie repariert oder ausgetauscht werden müssen.

Flüssiglinsen absolvieren problemlos mehr als 100 Mio. Zyklen ohne Leistungseinbußen.

Der Blick für Erfolgspotenzial

Hersteller optischer Geräte haben gerade erst damit angefangen, das beträchtliche Potenzial von Flüssiglinsen zu erschließen. Das an der NASDAQ notierte Unternehmen Cognex stellt Geräte für die industrielle Bildverarbeitung her und hat die Vorteile der Technologie bereits früh erkannt und für seine Zwecke eingesetzt.

Cognex hat sowohl ID-Handlesegeräte als auch stationäre Geräte mit den Flüssiglinsen von Varioptic ausgestattet, nachdem die beiden Firmen im Januar 2010 eine Partnerschaft geschlossen hatten. Im November 2012 kündigte die Lattice Semiconductor Corporation ein neues Videokamera-Entwicklungskit für Hersteller auf Basis der Varioptic-Technologie an.

Varioptic wurde im Mai 2011 von Parrot S.A. erworben. Parrot geht für 2013 von einem neutralen operativen Ergebnis bei Varioptic aus. Der veranschlagte Earn-out für das Jahr 2014 beläuft sich auf 3 Mio. EUR. Zur gleichen Zeit gründete der ehemalige Varioptic-CEO Hamid Farzaneh in den USA ein unabhängiges Unternehmen names Optilux, das über die globalen Exklusivrechte für den Einsatz der Flüssiglinsentechnologie in Smartphones und Tablets verfügt. Bei Varioptic soll der Schwerpunkt weiterhin auf Industrieanwendungen liegen, während Optilux im Wesentlichen die Erschließung des deutlich größeren und dynamischeren Mobilgerätemarkts anstrebt.


Funktionsweise

Zur Erzeugung einer Flüssiglinse wird ein kleiner, nahezu kugelförmiger Tropfen Öl in einer hermetisch geschlossenen Glaszelle platziert, die mit Wasser oder einer ähnlichen klaren Flüssigkeit gefüllt ist, die sich nicht mit Öl mischt. Die beiden Flüssigkeiten werden in einem Metallgehäuse versiegelt, das in der Regel einen Durchmesser von weniger als 10 mm aufweist.

Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Stärke von nur wenigen Milliwatt wird die Form des Öltropfens mittels „Electrowetting“ innerhalb von Hundertstelsekunden verändert. Die daraus resultierende Veränderung der Trennschicht zwischen Öl und Wasser verändert die Brennweite der Linse. Durch die Anpassung der Stromstärke lässt sich die Brennweite einstellen.

Varioptic hat die Flüssiglinsentechnologie weiterentwickelt und die Anzahl der Elektroden rund um die Zelle erhöht. Mittlerweile sind Linsen mit vier und acht Elektroden erhältlich. Dies gestattet eine verbesserte Kontrolle über die Flüssigkeit und ermöglicht eine optische Stabilisierung, die Verzerrungen entgegenwirkt, die z. B. verursacht wird, wenn der Fotograf die Kamera nicht ganz ruhig hält. Eine höhere Anzahl von Elektroden gestattet außerdem die komplexeren visuellen Operationen einiger optischer Instrumente, z. B. Geräten für die Augenheilkunde, Lasern und Mikroskopen.

Die erste Handlupe der WeltDie erste Handlupe der Welt

Linsen werden seit Jahrtausenden als Lupen oder optische Instrumente verwendet. Als der älteste bekannte Fund gilt die sogenannte Linse von Nimrud aus geschliffenem Bergkristall, die in Assyrien, dem heutigen Irak, entdeckt wurde und sich auf das Jahr 750 v. Chr. zurückdatieren lässt.

Dieses oval geformte Stück geschliffenen Bergkristalls ermöglicht eine dreifache Vergrößerung und wurde möglicherweise von einem Handwerker als Hilfsmittel zum Gravieren verschlungener Muster verwendet. Andere Wissenschaftler mutmaßen hingegen, dass die Linse von Nimrud für astronomische Beobachtungen oder lediglich zur Dekoration diente.

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