CH541815A

CH541815A - Optische Linse mit elektrisch steuerbarer Brennweite

Info

Publication number: CH541815A
Application number: CH128171A
Authority: CH
Inventors: Hansjoachim Dr Hamisch
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1971-02-12
Filing date: 1971-02-12
Publication date: 1973-09-15

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linse mit elektrisch steuerbarer Brennweite. und insbesondere auf eine solche, deren Brennweite praktisch trägheitslos, z.B. während einer
Millisekunde oder weniger, entsprechend einem Signal geändert werden kann.

Eine derartige Linse mit rasch veränderbarer Brennweite wird z.B. benötigt, wenn die Aufgabe vorliegt, einen
Laserstrahl in einer Objektebene zu konzentrieren und dort einen Brennfleck möglichst grosser und zeitlich konstanter
Energiedichte zu erzielen. Da der Durchmesser des Brenn flecks bei Laserstrahlen nur wenige Vielfache der Wellenlänge betragen kann, wirken sich bereits kleinste Veränderungen des
Abstandes zwischen Fokussierungslinse und Objektebene, etwa infolge von die Apparatur treffenden Erschütterungen, erheblich auf die Energiedichte und Grösse des Brennflecks aus.

Mit einer triigheitslos steuerharen Linse könnte man durch einen von den Erschütterungen abgeleitete Steuergrive die
Brennweite so nachsteuern, dass der Fokus der Linse stets mit der Objektebene zuzusammenfällt, und somit eine konstante
Energiedichte im Brennfleck eingehalten wird. Andere
Anwendungen können z.B. darin.bestehen, eine Lichtmodula tion durchzuführen oder eine ständig scharfe Abbildung eines in rascher Bewegung befindfichen Gegenstandes in einer
Bildebene zu vermitteln. Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht daher darin, eine Konstruktion einer optischen Linse mit möglichst trägheitslos durch ein Steuersignal veränderbarer
Brennweite anzugeben.

Optische Linsensysteme mit veränderbarer Brennweite sind an sich bereits unter dem Namen Varioptik oder Gummilinse bekannt; es handelt sich bei ihnen um ein System mit einer Mehrzahl von Glaslinsen, durch deren relative Verschiebung eine Änderung der Brennweite des Systems erzielbar ist. Soweit diese Verschiebung durch einen kleinen Elektromotor bewirkt wird, könnte man von einem optischen Linsensystem mit steuerbarer Brennweite sprechen. Für die oben erörterte Aufgabe ist ein solches System jedoch unbrauchbar, da die mechanische Trägheit bei einer solchen Verschiebung viel zu gross ist.

Es ist auch schon ein einzelnes Linsenelement mit veränderbarer Brennweite bekannt geworden, bei dem wenigstens eine Bergrenzungsfläche aus einem elastischen Material besteht und deren Brechungsmedium eine Flüssigkeit ist. auf welche vermittels eines am Ende eines Schlauches angebrachten Gummiballes von Hand ein Druck ausgeübt werden kann. Ein derartiges Linsenelement war vorzugsweise zur Verwendung bei Brillen mit der jeweiligen Sehentfernung angepasster Dioptrie vorgesehen. Für die gestellte Aufgabe ist diese Konstruktion jedoch wegen zu grosser Trägheit unbrauchbar.

Die Aufgabe, eine optische Linse mit steuerbarer Brennweite für rasche Brennweitenänderungen anzugeben, wird gemäss der Erfindung durch ein Gehäuse gelöst, welches durch zwei Öffnungen einen Lichtwegfreigibt, von denen wenigstens eine mit einer transparenten Membran bedeckt ist, durch eine Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses und durch einen piezoelektrischen Körper in Beriihrung mit der Flüssigkeit, welcher bei Anlegen einer variablen Spannung wenigstens eine seiner Dimensionen verändert, derart, dass ein zusätzlicher Flüssigkeitsdruck auf die Membran ausgeübt und ihr Krümmungsradius in Abhängigkeit von der angelegten Spannung verändert wird.

Nach einer Weiterbildung ist der piezoelektrische Körper mit einer im optischen Strahlengang liegenden optisch transparenten Platte. z.B. einer Glasplatte verbunden, welche der Membran unmittelhar gegenübersteht und die Dimensions änderung des piezolektrischen Körpers senkrecht zur Linseofläche auf das Flüssigkeitsvolumen vor der Membran überträgt. Eine besonders zweckmässige Ausgestaltung besteht darin, dass der piezolektrische Körper als Hohlzylinder ausgebildet ist und auf der Innen- und Aussenseite zwecks Zuführung einer Steuerspannung metallisiert ist.

Die Brennweite einer optischen Linse derartiger Konstruktion kann durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektro'den des piezoelektrischen Körpers in sehr kurzer Zeit und in raschem Wechsel verändert werden, so dass die Einflüsse von Erschütterungsschwingungen von einer Frequenz von 1 kHz und mehr durch eine Wechselspannung entsprechender Frequenz und Amplitude kompensiert werden können. Eine nützliche Weiterbildung der Erfindung besteht ferner darin, das Gehäuse mit einer seitlichen Öffnung zu versehen, in welcher sich ein verschiebbarer Kolben befindet, durch dessen Verschiebung ein bestimmter Normaldruck in der Kammer zwecks Einstellung einer normalen Krümmung der Membran hergestellt wird. Versieht man diesen Kolben mit einem Feingewinde, so kann der Druck in der Kammer sehr genau eingestellt werden.

Der zylindrische piezoelektrische Körper weist eine Polarisation in radialer Richtung auf und ist auf der Innen- und Aussenseite mit als Elektroden dienenden Metallisierungen versehen.

Das Material für die Membran kann aus einem elastischen und transparenten Stoff, vorzugsweise aus Hostaphan bestehen. Bei einer Dicke von etwa 100 St ist eine derartige Membran hinreichend elastisch, um den Druckschwankungen der Flüssigkeit praktisch trägheitslos zu folgen.

Bei der Herstellung einer derartigen Membran ergibt sich häufig eine gewisse Doppelbrechung durch eine Überdehnung in einer bestimmten Richtung. Diese Doppelbrechung kann gegebenenfalls dazu verwendet werden, um mit der variablen Linse zugleich die Wirkung einer im Strahlengang gegebenenfalls erforderlichen A/4 Platte zu erzielen, was fiir die Beeinflussung des Polarisationszustandes der Lichtstrahlen erwünscht sein kann. Als Flüssigkeit zur Füllung der Linse hat sich Silikonöl gut bewährt. Den Berechungsindex der Flüssigkeit, bzw. der obenerwähnten transparenten Glasplatte.

stellt man zweckmässig so ein, dass beide Medien gleichen Brechungsindex haben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile von Ausfiihrungsbeispielen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichungen erläutert, von denen:
Figur 1 die mechanische Konstruktion eines erfindungsgemäss ausgebildeten Linsenelementes im Schnitt
Figur 2 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Linse zeigt.

In Figur list 1 ein zylindrisches Gehäuse. welches zwei Öffnungen 2 und 3 für den Durchtritt eines Lichtstrahlenbündels aufweist. In der Öffnung 3 ist mittels zweier Ringe 4 und 4a eine transparente elastische Folie 5 aufgespannt. In dem Gehäuse befindet sich ein Zylinder aus piezoelektrischem Material 6, z.B. aus einer Bleizirkontitanat-Keramik, welcher den Strahlengang umschliesst und an dem der Membran zugewandten Ende mit einer transparenten Glasplatte 7 abgedeckt ist. Die Innen- und Aussenseite des piezoelektrischen Zylinders ist metallisiert; die Metallisierung ist mit (nicht gezeigten) elektrischen Zuführungsdrähten versehen.

Der gesamte Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 einerseits, der Aussenwand des piezokeramischen Zylinders 6 andererseits und der der Membran zugewandten Seite der
Glasplatte 7 ist mit einer Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, ausgefüllt.

In der Wandung des Gehäuses 1 befindet sich eine Bohrung 8, in welcher mit einem Kolben 10 versehen, eine Druckschraube
9 eingesetzt ist. Mittels der Druckschraube 9 und des Kolbens
10 kann der Flüssigkeitsdruck fein eingestellt werden. Wenn der Druck der Flüssigkeit erhöht wird, so beult sich der freitragende Teil der Membran 5 nach aussen, während bei einer Druckverringerung die Krümmung der Membran 5 abgeflacht wird, so dass die Brechkraft der Linse verändert wird. Wei 1 eine Spannung an den piezokeramischen Zylinder 6 angelegt wird, so vergrössert er entweder seinen Durchmesser und seine Länge oder verringert sie je nach der Polarität der angelegten Spannung. Die Änderung der Brechkraft der Linse mit der elastischen transparenten Membran 5 ist der angelegten Spannung etwa proportional.

Die Maximalfrequenz der Linse ist durch die Bedingung begrenzt, dass eine Eigenschwingungen der elastischen Membran 5 erregt werden dürfen. Bei der Messung des Frequenzganges einer derartigen Linse ergab sich, dass bis etwa 3 X 103 kHz die Amplitude praktisch konstant ist, und dass erst oberhalb dieser Frequenz Eigenschwingungen der
Membran bemerkbar werden. Es ist natürlich möglich, durch Wahl eines anderen Membranmaterials, einer anderen Stärke und eines anderen Durchmessers der Membran die Eigenschwingungsgrenze noch weiter zu erhöhen.

Da die Erschütterungsschwingungen, welche die optische Apparatur über die Unterstützungsfläche, z.B. die Tischplatte, erreichen, meistens unter 1 000 l Hz liegt, kann mit der erfindungsgemässen Linse eine wirksame Kompensation von durch mechanischen Schwingungen hervorgerufenen Störungen erzielt werden.

Das piezoelektrische Steuerelement der variablen Linse besitzt eine äusserst geringe Trägheit, da die Masse des beweglichen mittleren Teils der Membran sehr klein ist.

In Figur 2 ist eine schematische und teilweise als Schaltung ausgeführte Ansicht einer Regeleinrichtung mit einer variablen Linse dargestellt. Diese Regeleinrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird nur als Anwendungsbeispiel beschrieben. In dieser Figur bedeutet 11 einen Lichtstrahl von geringer Divergenz, der von einem nichtgezeigten Laser erzeugt ist und mittels einer Aufzeichnungslinse 12 auf die Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers 13 fokussiert wird. Der Aufzeichnungsträger 13 ist vorzugsweise ein aus Plastikmaterial bestehendes Band, welches mit einem Metallüberzug versehen ist. Wenn der Brennpunkt der Aufzeichnungslinse 12 genau den metallischen Überzug trifft, so wird dieser weggebrannt, so dass beim Transport des Bandes eine durchsichtige Spur erzeugt wird.

Die Bewegung des Aufzeichnungsträgers 13 kann stufenweise sein, so dass die Spur durch eine Anzahl aufeinanderfolgender transparenter Stellen gebildet wird, welche ein Signal darstellen. Infolge von Dickenänderungen des Aufzeichnungsträgers, ferner infolge mechanischer Stösse und Temperaturänderungen, kann sich die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers aus der Brennebene der Aufzeichnungslinse 12 wegbewegen, z.B. um eine Strecke Az, so dass die
Energiedichte des Brennflecks des Laserstrahls verringert wird und keine Verbrennung der metallischen Schicht stattfindet.

Zur Vermeidung einer Signalverfälschung ist ein Strahlenteiler in Form eines halbtransparenten Spiegels 14 in dem Strahl 11 vorgesehen, von welchem ein Teil des von dem Brennfleck auf dem Aufzeichnungsträger 13 zurückgeworfenen Lichts abgelenkt wird und einen Kontrollstrahl 1 1a bildet. Der
Kontrollstrahl passiert einen weiteren halbdurchsichtigen Spiegel 18, ferner eine Zylinderlinse 15 und eine Blende 16 mit einer schlitzförmigen Öffnung und tritt dann in eine Photozelle
17 ein. Der von dem Strahlenteiler 18 reflektierte Teil des Kontrollstrahls gelangt in eine zweite Photozelle 19.

Zwischen der Photozelle 19 und Erde ist ein Spannungsteiler 20 vorgesehen, von dem ein Abgriff so eingestellt werden kann, dass die Ausgangsspannung der Photozelle 19 gleich der Ausgangsspannung der Photozelle 17 ist, wenn der Brennfleck des Laserstrahls 11 genau auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 13 liegt. Annähernde Gleichheit der Ausgangsspannung wird durch geeignete Wahl der Reflektionseigenschaften des Strahlenteilers 18 erzielt.

Die Ausgangsspannungen der Photozellen 17 und 19 werden den Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers 21 zugeführt, welcher diese Spannungen vergleicht und an seinem Ausgang eine Differentialspannung erzeugt, die je nach der Richtung der Verschiebung des Aufzeichnungsträgers 13 aufgrund mechanischerStösse.Sch'vingungen oderTemperatur- iinctenlngen positiv oder negativ sein kann. I)ie- A usgangsspan- nung des Differcntialvcrstiirkers 21 gelangt dann Ztl edlem Leistungsverstärker 22. welcher eine Ausgangsspannung bis zu t l 100 Volt abgibt.

Diese Ausgangsspannung ist mit dem Eingang einer regelbaren Linse 23 der erfindungsgemässen Ausführung verbunden, derart, dass die Brechkraft und Brennweite derselben entsprechend den Änderungen der verstärkten Differentialspannung am Ausgang des Differential- verstärkers 21 variiert wird. Die Änderungen der Brechkraft der Linse 23 verursachen eine Verschiebung Az des Brennflecks der Aufzeichnungslinse 12 in eine solche Richtung, dass die Verschiebung des Aufzeichnungstrtigers 13, welche die
Differentialspannung verursacht hat, kompensiert und der Brennfleck auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 13.

festgehalten wird. Je nachdem, ob der Aufzeichnungsträger 13 in Richtung zur Aufzeichnungslinse 12 oder von ihr weg verschoben war, ist die an der regelbaren Linse 22 anliegende Spannung positiv oder negativ und die Brechkraft derselben sinngemäss vergrössert oder verringert.

Bei einem praktisch aufgeftihrten Beispiel ergab sich eine Brechkraftänderung von: tf = 26-l0¯3cm- f2
Bei einer Änderung der Regelspannung um 100 Volt, unabhängig von der Brechkraft, welche sich bei einer
Regelspannung von 0 Volt ergibt.

Das optische System mit der Aufzeichnungslinse 12 und der regelbaren Linse 23 bietet einen Einstellbereich von 1 50 ii bei einer Brennweite von 16 mm. Das Aufzeichnungssystem erfordert eine Fokussierung innerhalb von von 1 oder 2 ,u, so dass die Verwendung einer regelbaren Linse gemäss der
Erfindung wesentlich zur Verringerung der mechanischen Anforderungen des Aufzeichnungssystems beitragen kann.

Claims

PATENTANSPRUCH

Optische Linse mit elektrisch steuerbarer Brennweite, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1), welches durch zwei Öffnungen (2, 3) einen Lichtweg freigibt, von denen wenigstens eine mit einer transparenten Membran (5) bedeckt ist, durch eine Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses und durch einen piezoelektrischen Körper (6) in Berührung mit der Flüssigkeit, welcher bei Anlegen einer variablen Spannung wenigstens eine seiner Dimensionen verändert, derart, dass ein zusätzlicher Flüssigkeitsdruck auf die Membran (5) ausgeübt und ihr Krümmungsradius in Abhängigkeit von der Spannung verändert wird.

UNTERANSPRÜCHE 1. Optische Linse nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (6) mit einem im optischen Strahlengang liegenden massiven, optisch transparenten Körper. z.B. einer Glasplatte (7), verbunden ist, welcher der Membran unmittelbar gegenübersteht und die Dimensionsänderung des piezoelektrischen Körpers auf das Flüssigkeitsvolumen vor der Membran überträgt.

2. Optische Linse nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse ebenfalls aus piezoelektrischem Material besteht und auf der Innen- und Aussenseite zwecks Zuführung einer Steuerspannung metallisiert ist.

3. Optische Linse nach Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch eine transparente Platte innerhalb des Gehäuses, durch einen piezoelektrischen Körper, welcher mit der transparenten Platte fest verbunden ist und mit dieser und dem Gehiiuseman- tcl ein geschlossenes Volumen hildet. durch eine Fliissigkeits füllung dieses Volumens.

welche auch den Raum zwischen der .lembran und der transparenten Platte ausfiillt und das Brechungsmedium der steuerbaren Linse hildet, derart, dass bei Anlegen einer veränderlichen Spannung an den piezoelektrischen Körper und einer entsprechenden Zusammenziehung oder Ausdehung desselben ein Cher- oder Unterdruck auf die Flüssigkeit zwischen der Membran und der transparenten Platte ausgeübt und die Membran deformiert wird, so dass die Brechkraft der Linse in Ahhängigkeit von der angelegten Spannung variiert wird.

4. Optische Linse nach Unteranspruch 3. dadurch gekennzeichnet. dass das Gehäuse zumindest angenähert zylindrisch ausgebildet ist und an seinen Enden Öffnungen aufweist. deren eine durch die Membran geschlossen ist, dass der piezoelektrische Körper ehenfalls zylindrisch gestaltet ist und die andere Öffnung umschliesst, und dass die Transparentplatte an dem einen Ende des zylindrischen piezoelektrischen Körpers gegenüber der mit der Membran abgedeckten Öffnung befestigt ist.

5. Optische Linse nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet. dass der zylindrische piezoelektrische Körper radial polarisiert und zur Verbindung mit entgegengesetzten Polen einer Steuerspannungsquelle auf der Innen- und Aussenseite metallisiert ist.

6. Optische Linse nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet. dass das Gehäuse eine seitliche Öffnung besitzt, in welcher sich ein verschiebbarer Kolhen befindet, durch dessen Verschiebung der Druck in der Kammer zur Einstellung einer hestimmten Krümmung der Membran veränderhar ist.

7. Optische Linse nach Unteranspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass dieser Kolhen mit einem Feingewinde versehen ist, derart, dass durch Drehen des Kolbens eine Verschiebung in der Längsrichtung desselben erfolgt.

X. Optische Linse nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus Polyterephthalat he- steht.

9. Optische Linse nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Membran etwa 100 i beträgt, und dass die Flüssigkeit ein Silikonöl ist.

10. Optische Linse nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet. dass der Brechungsindex der Glasplatte und der Flüssigkeit praktisch gleich sind.

11. Optische Linse nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran Doppelbrechungseigenschaften besitzt und eine solche Dicke hat, dass die Phasendifferenz zwischen beiden Komponenten bei senkrechtem Durchgang 1/4 entspricht.