DD283466A5 - Moltifokales, nichtachromatisiertes optisches system - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein multifokales, nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System, das beispielsweise bei Augenlinsen einschließlich jene des intraokularen Kontakt- und Brillentyps, optischen Geräten und Einrichtungen, wie fotografischer Kameras, Teleskopen, Mikroskopen, Kopieren und spektrografischen Instrumenten angewendet werden kann. Das neue optische System ist gekennzeichnet durch a) ein erstes Linsenglied, welches ein doppelbrechendes Linsenglied ist, und b) ein zweites, an das genannte erste Linsenglied angrenzendes Linsenglied, wobei die Wölbungen der gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Linsenglieder im wesentlichen identisch oder komplementär sind. Fig. 1{Multifokal, nichtachromatisiert, doppelbrechend; Augenlinse; Linsenglied; Wölbung, komplementär}

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein multifokales nichtachromatisiertes optisches System und insbesondere auf ein solches System, in welchem mindestens eines der Linsenglieder eine doppelbrechende Linse ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Doppelbrechende Linsen sind schon seit einiger Zeit bekannt. Die britische Patentschrift Nr. 231848 beschreibt eine doppelbrechende Linse, welche als ein Polarisator verwendet wird. Da eine doppelbrechende Linse zwei orthogonal polarisierte Lichtstrahlen unterschiedlicher Vergenz erzeugt, wird entweder eine Blende oder eine isotrope Linse verwendet, um einen der beiden polarisierten Strahlen zu eliminieren, um so einenStrahl nur eines Polarisationstyps zu schaffen. Das US-Patent Nr. 2317809 charakterisiert eine doppelbrechende Plankonvexlinse, die an ihrer konvexen Seite an eine isotrope Plankonkavlinse gekittet ist. Die Anordnung wirkt wie eine Linse mit positiver Brechkraft für Licht im Zustand der linearen Polarisation und wie

eine parallele Platte mit optischer Brechkraft Null für Licht des anderen orthogonalen Polaritätszustandes. Die Linsenanordnung ist in einem Sucher für fotografische Zwecke integriert. Indem britischen Patent Nr. 865361 ist eine prismatische doppelbrechende Linse mit einer isotropen Decklinse in einer solchen Weise kombiniert, daß die beiden optischen Wirkungen der Kombination der Linsen äquidistant aus der Targetwirkung hervorgehen. Das optische System ist in einer optischen Vorrichtung zur Prüfung des menschlichen Auges eingebaut. Die Vorrichtung trennt die beiden Bilder, die von den o- und e-Strahlen gebildet werden, so daß die beiden Bilder mit unterschiedlichem Schärfegrad während der Augenprüfung gleichzeitig und nebeneinander betrachtet werden können. In dem US-Patent Nr. 3211 048 sind Plankonvex^/Plankonkav-Duplet-Linsenanordnungen erwähnt, die aus identischen doppelbrechenden Materialien hergestellt sind. In den Anordnungen kann eine der beiden doppelbrechenden Linsen durch eine isotrope Linse mit einer ebenen Fläche ersetzt werden. Die Anordnungen arbeiten im Einklang mit einer Dispersionseinrichtung, d.h. einem Prisma, und einem Polarisator in einem Spektrometer. Das US-Patent Nr.3432238 offenbart auch Duplets von doppelbrechenden Plankonkav-/Plankonvex-Linsen zur Herstellung von Phasenverschiebungen des auftreffenden polarisierten Lichtes. Die sich ergebenden Interferenzmuster werden in einer spektrometrischen Vorrichtung verwertet.

Da eine doppelbrechende Linse eine optische Wirkung, die einer Ebene der linearen Polarisation, und eine andere optische Wirkung hat, die der anderen, orthogonalen Ebene der Polarisation zugeordnet ist, können Mittel, die in der Lage sind, die Polarisationsebene zu drehen, verwendet werden, um eine der beiden optischen Wirkungen auszuwählen, wenn das auftreffende Licht linear polarisiert ist. Das US-Patent Nr.3410624 verwendet eine elektrooptische Steuervorrichtung (eine Kerr-Zelle) zusammen mit doppelbrechenden Linsen und Prismen. Es ist offenbart, in diesem Patent, das m Systeme, die jeweils eine elektrooptische Zelle umfassen, 2^m Brennpunkte erzeugen können. Eine gleichartige Anordnung aus η elektrooptischen Zellen und η doppelbrechenden Linsen ist in dem französischen Patent Nr. 1 552198 offenbart. Das US-Patent Nr.3520592 und Eng. u.a. „Vielfachabbildung mit doppelbrechenden Linsen", Applied Optics, Band 8, Nr. 10, Seiten 2117-21120 (Oktober 1969) offenbaren jeweils ein optisches fokussierendes System unter Verwendung einer oder mehrerer doppelbrechender Linsen, wobei jede Linse mit einer Steuereinrichtung für die Polarisationsebene des Lichtes verbunden ist. Das US-Patent Nr. 3 563632 offenbart einen digitalen optischen Brennpunktmodulator, in welchem eine Anordnung von in einer Linie aufeinanderfolgenden Stufen, von denen jede eine Kerr-Zelle und eine doppelbrechende Linse mit fortlaufender Krümmung besitzt, in einen gemeinsamen elektrolytischen Behälter versenkt ist. Die Linsen sind so geformt, daß die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Elektrolyten kompensiert wird. Das US-Patent Nr.3565510 offenbart die Verwendung zweier doppelbrechender Linsen pro Kerr-Zelle in einem System, analog zu demjenigen, das in dem zuvor genannten US-Patent 3563632 erwähnt ist. Osipov „Binäre polarisierende Linsen", Optical Technology, Band 40, Nr.5, Seiten 277—279 (Mai 1973) beschreibt eine binäre polarisierende Linse, bestehend aus einem PlankonvexVPIankonkav-doppelbrechenden optischen System. Dieses optische System kann mit einer isotropen Linse kombiniert werden, um einen parallelen Vergleichsstrahl und einen fokussierten Signalstrahl zu erzeugen, wobei die Strahlen orthogonal polarisiert sind, und zwar zur Verwendung in Lasersystemen. Das US-Patent Nr.3758201 offenbart eine doppelbrechende PlankonvexVPIankonkav-Dupletlinse in Kombination mit einem isotropen optischen System mit variabler optischer Wirkung. Das System wird bei der Augenprüfung verwendet. Das US-Patent Nr. 3 990 798 offenbart ein doppelbrechendes PlankonvexVPIankonkav-Linsenduplet zur Verwendung als oder in einem Okular eines Mikroskops, um die Bilder der Objektebenen in einer einfachen Bildebene zu erzeugen. PlankonveX'/Plankonkav-Dupletlinsen, die aus doppelbrechendem Material hergestellt sind, sind auch in dem US-Patent Nr.4566762 offenbart, das ein duales Fokussiersystem beschreibt, in welchem die Bilder bei unterschiedlich entfernten Objekten eine identische Vergrößerung aufweisen. Das US-Patent Nr.4575849 offenbart doppelbrechende PlankonvexVPIankonkav-Linsen, welche als Phasenplatten in einer optischen Filter-Polarisator-Kombination verwendet werden.

Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, daß doppelbrechende Linsen zuerst in PlankonvexVPIankonkav-Linsenanordnungen verwendet wurden. Eine solche Anordnung wurde in einem Fall,d.h. bei Osipov, mit einer isotropen Linse kombiniert, um einen Parallelstrahl polarisierten Lichtes zu erzeugen. Eine Kombination einer prismatischen doppelbrechenden und einer prismatischen isotropen Linse wird in dem britischen Patent Nr.865361, oben, verwendet, um zwei nebeneinanderliegende Bildereines Gegenstandes zum Zweck der Augenprüfung zu erzeugen. Außerdem sind Anordnungen von Systemen, bei denen jedes System eine doppelbrechende Linse und eine Steuervorrichtung zur Orientierung der Polarisationsebene enthält, als Systeme mit variabler Brennweite in verschiedenen Patenten vorgeschlagen worden.

Bei den oben erwähnten Erstoffenbarungen sind anorganische Kristalle, beispielsweise Quarz und Kalzit, als doppelbrechende Linsenmaterialien erwähnt. Die Doppelbrechung kann auch eine Eigenschaft einiger Arten organischer Polymere sein. Daher beschreiben beispielsweise die US-Patente 4384107, 4393194,4933196,4433132,4446305, 4461 886, 4461 886, 4461 887, 4503248,4520189,4521588,4525413,4575547,4608429 und 4628125 Polymere, welche eine hohe Doppelbrechung aufweisen und die optischen Eigenschaften einachsiger Kristalle nachbilden. Solche doppelbrechenden Polymere sind für die Verwendung mit isotropen Schichten in mehrlagigen, Licht übertragenden und polarisierenden Einrichtungen vorgeschlagen. Die Tatsache, daß viele Polymere doppelbrechend sein können, beispielsweise durch Anlagen einer Spannung, ist bekannt. Das ganze Feld der Fotoelastizität und die Spannungsanalyse mittels polarisierten Lichtes beruht auf diesem Phänomen. Es ist auch bekannt, daß durch Strecken eines Polymers über seinen Elastizitätsbereich hinaus diesem Polymer irreversibel Doppelbrechung verliehen werden kann. Diese Erwähnung erfolgt in dem US-Patent Nr.3522985.

Augenlinsen haben Vielfachbrennpunkte, und insbesondere Kontaktlinsen, die diese Eigenschaften besitzen, sind bekannt, beispielsweise aus den US-Patenten 3794414, 4162122,4210391,4340283, 4338005,4637 697, 4641934, 4642112 und 4655565. Es ist bei diesen Linsen üblich, daß die optischen Medien, die bei ihrer Herstellung verwendet werden, isotrop sind. Die gleichzeitigen Merkmale der Mehrfachvergrößerung werden durch Schaffung von Linsen mit geeigneten geometrischen ^j Parametern erreicht.

Ziel der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein multifokales, beispielsweise bifokales, trifokales, quadrafokales etc., nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System zu schaffen, bei welchem mindestens zwei Brennpunkte mit völliger Unabhängigkeit voneinander ausgewählt sind.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein multifokales nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System zu schaffen, das ein Minimum an unerwünschten Brennpunkten oder optischen Wirkungen aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein multifokales nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System zu schaffen, welches in bezug auf die Bildhelligkeit, das chromatische Verhalten und die Unabhängigkeit der Wahl der optischen Wirkungen im Vergleich mit anderen bekannten Typen multifokaler optischer Systeme besser ist und das vollständig oder teilweise aus optischen Qualitätspolymeren hergestellt ist. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System mit einer oder mehreren Lichtpolarisator-Vorrichtungen und wahlweise einem oder mehreren polarisierenden Filtern zu kombinieren, um eine Selektion der optischen Wirkungen oder Kombinationen der optischen Wirkungen aus einer Vielzahl verfügbarer optischer Wirkungen heraus zu ermöglichen.

Zur Aufgabe der Erfindung gehört es außerdem, ein multifoka|es nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System zu schaffen, bei welchem mindestens einer Linsenoberfläche eine Form unabhängig von den physikalischen Parametern der bei der Herstellung der Linsenglieder und unabhängig von den vorgewählten Brennpunkten verwendeten Medien gegeben ist. Das optische System soll einen beliebigen gewünschten Grad der chromatischen Aberration in mindestens einem Brennpunkt der vorgewählten Brennpunkte aufweisen.

Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, Augenlinsen, insbesondere Brillenlinsen, Kontaktlinsen und intraokulare Linsen zu schaffen, die auf dem nichtachromatisierten doppelbrechenden optischen System basieren.

Die Erfindung umfaßt weiter das Einbauen sowohl des doppelbrechenden optischen Systems als auch anderer optischer Einrichtungen, in die ein solches optisches System eingebaut ist, beispielsweise Augendiagnostikgeräte, Kameras, Teleskope und Ferngläser, Mikroskope, Kopierer, optische Banken, spektrografische Instrumente etc.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein multifokales nichtachromatisiertes, doppelbrechendes optisches System gelöst, welches umfaßt:

a) ein erstes Linsenglied, welches ein doppelbrechendes Linsenglied ist, und

b) ein zweites Linsenglied, das an das genannte erste Linsenglied angrenzt, wobei die Wölbungen der gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und der zweiten Linsenglieder im wesentlichen identisch oder komplementär sind, wobei das genannte zweite Linsenglied

(i) ein doppelbrechendes Linsenglied ist, das eine optische Achse unterschiedlicher Orientierung gegenüber derjenigen der optischen Achse mit doppelbrechendem Linsenglied (a) besitzt oder

(ii) ein doppelbrechendes Linsenglied, wobei beide Brechungsindexe von denjenigen des doppelbrechenden Linsengliedes (a) abweichen oder

(iii) ein doppelbrechendes Linsenglied, wobei der Brechungsindex für die ordentliche Lichtwelle der gleiche ist wie derjenige für das doppelbrechende Linsenglied (a), aberwobei der Brechungsindexfür die außerordentlichen Lichtwellen von demjenigen für das doppelbrechende Linsenglied (a) abweicht oder

(iv) ein doppelbrechendes Linsenglied, worin der Brechungsindex für die außerordentlichen Lichtwellen der gleiche ist wie derjenige für das doppelbrechende Linsenglied (a), aberwobei der Brechungsindex für die ordentlichen Lichtwellen sich von demjenigen für das doppelbrechende Linsenglied (a) unterscheidet, oder

(v) ein isotropes Linsenglied, das dafür geschaffen ist, daß für das Licht, das parallel mit der Linsenachse auftrifft, das genannte optische System gleichzeitig mindestens zwei Brennpunkte besitzt, von denen jeder auf irgendeine vorgewählte positive oder negative Brennweite auf der Achse des optischen Systems positioniert ist, und außerdem dafür geschaffen ist, daß irgendeiner Oberfläche entweder des ersten oder zweiten Linsengliedes unabhängig von den genannten vorgewählten Brennpunkten eine Wölbung gegeben ist.

Das neue optische System weist entweder eine perfekte oder nichtperfekte Geometrie auf. Ferner weist dieses System keinen unerwünschten Brennpunkt oder Brennpunkte auf.

Ein anderes Merkmal besteht darin, daß in dem optischen System ein oder mehrere der doppelbrechenden Linsenglieder aus einem doppelbrechenden Polymermaterial hergestellt sind.

Das System ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Linsenglied (a) mit mindestens einem anderen doppelbrechenden Linsenglied (b), (i), (ii), (iii) und/oder (iv) kombiniert ist.

Nach einer anderen Ausführungsform ist das optische System dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Linsenglied (a) mit mindestens einem isotropen Linsenglied (b) (v) kombiniert ist und mindestens ein Polarisatormittel anstelle einer doppelbrechenden Linse und/oder mindestens ein polarisierendes Filter umfaßt.

Der Ausdruck „angrenzend", der in bezug auf die relative Positionierung der ersten und zweiten Linsenglieder des doppelbrechenden optischen Systems hierbei verwendet wird, ist dazu bestimmt, daß der Fall enthalten ist, bei dem sich solche Glieder in direkter wechselseitiger Berührung für ihre im wesentlichen gesamten gegenüberliegenden Flächen befinden, d. h.

„Linsensystem" oder „Linse im Verbund", wie unten definiert, undfürden Fall, bei dem solche gegenüberliegenden Flächen von ihrer gemeinsamen Achse einen kurzen Abstand getrennt sind, der in typischer Weise ein Abstand von einigen Millimetern oder weniger ist.

Der Ausdruck „im wesentlichen identisch oder komplementär", wie er bei den Wölbungen der gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Linsenglieder des multifokalen nichtachromatisierten doppelbrechenden optischen Systems hierfür angewendet wird, soll so verstanden werden, daß das so viel bedeutet, daß solche Oberflächen, die so angeordnet sein müssen, daß sie Kontakt miteinander haben, sich an jedem Punkt entlang ihrer gegenseitigen Schnittstelle treffen. Daher wurden in dem Fall der im wesentlichen identischen Wölbungen solche Wölbungen flach oder planar sein, d. h. die Oberflächen würden einen unendlichen Wölbungsradius haben, und in dem Fall der komplementären Wölbungen wurden solche Oberflächen beispielsweise durch Anpassen· konkaver und konvexer Oberflächen dargestellt werden.

Die Ausdrücke „Linsensystem" oder „Linsen im Verbund" sollen in der Weise verstanden werden, daß sie sich auf ein optisches System beziehen, das mindestens zwei Linsenglieder, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen der angrenzenden Linsenglieder, die im wesentlichen identisch oder komplementär sind, umfaßt, so daß die beiden Linsenglieder entlang ihrer gegenüberliegenden Oberflächen zusammengekittet werden können, d.h. in optischen Plankonkav-VPlankonvex-Systemen. Diese Ausdrücke werden auch bei einem optischen System angewendet, bei dem die gegenüberliegenden Linsenoberflächen in einem bestimmten Abstand getrennt sind, um eine oder mehrere optische Einrichtungen anstelle einer Linse, beispielsweise eine polarisierende Vorrichtung, zu akkomodieren.

Der Ausdruck „Linsen in Kontakt" soll hierbei unter Bezugnahme auf ein optisches System verstanden werden, das mindestens zwei Linsenglieder umfaßt, wobei das optische System im wesentlichen das Erfordernis befriedigt, daß die optische Wirkung des optischen Systems gleich der Summe der optischen Wirkungen der Linsenglieder ist.

Der Ausdruck „nichtachromatisiert" soll unter Bezugnahme auf eine Linse oder auf optische Systeme verstanden werden, welche eine oder mehrere optische Wirkungen aufweisen, welche noch von der Wellenlänge desfokussierten (d.h. benutzen) Lichtes infolge des Dispersionsverhaltens der doppelbrechenden und/oder isotropen Medien, die bei der Herstellung der Linse oder des Linsensystems verwendet werden, abhängen.

Der Ausdruck „achromatisiert" soll unter Bezugnahme auf ein optisches System verstanden werden, welches eine oder mehrere Wirkungen aufweist, wobei mindestens eine von diesen einen dioptrischen Wert aufweist, welcher für mindestens zwei verschiedene Wellenlängen des fokussierten (d. h. benutzten) Lichtes konstant ist.

Das multifokale nichtachromatisierte und achromatisierte doppelbrechende optische System der vorliegenden Erfindung enthält zahlreiche Permutationen und Kombinationen eines doppelbrechenden Linsengliedes mit mindestens einem anderen doppelbrechenden Linsengliedes und/oder mindestens einem isotropen Linsenglied, wie oben erläutert, die dafür geschaffen sind, daß in einem solchen System mindestens zwei der resultierenden Brennpunkte oder optischen Wirkungen vorwählbar sind, daß solche Brennpunkte entlang derselben Linsenachse für das Licht liegen, welches parallel mit der Linsenachse auftrifft, und daß irgendeine Krümmung entweder des ersten oder des zweiten Linsengliedes unabhängig von den vorgewählten Brennpunkten ausgewählt wird. Innerhalb der Beschränkungen, die durch diese Erfordernisse auferlegt sind, ist es möglich, aus der sehr weiten Vielfalt multifokaler optischer Gestaltungen irgendeine zur Verfügung zu stellen, um einer beliebigen Anzahl praktischer Erfordernisse gerecht zu werden.

So enthält die Erfindung beispielsweise optische Systeme, in welchen: ein einzelnes doppelbrechendes Linsenglied mit einem oder mehreren isotropen Linsengliedern kombiniert ist, um ein Linsensystem oder eine Reihe von Linsen zu schaffen; ein doppelbrechendes Linsenglied ist mit mindestens einem anderen doppelbrechenden Linsenglied kombiniert, entweder als Linsensystem oder als eine Reihe solcher Linsen, wahlweise mit einem oder mehreren isotropen Linsengliedern, und so weiter. Zusätzlich, und wie es unten erklärt wird, kann ein beliebiges der multifokalen doppelbrechenden optischen Systeme dieser Erfindung in Verbindung mit anderen polarisierenden Medien oder polarisierenden Filtern, die zwischen einem oder mehreren angrenzenden Paaren der doppelbrechenden Linsenglieder und/oder vor oder hinter dem optischen System positioniert sind, verwertet werden; dadurch ist die Selektion einer oder mehrerer optischer Wirkungen unter einer Vielfalt verfügbarer optischer Wirkungen möglich.

Der Spielraum bei der Auswahl optischer Wirkungen, die durch das multifokale doppelbrechende optische System dieser Erfindung möglich sind, kann bei einer beliebigen Anzahl der Anwendungen vorteilhaft ausgenutzt werden, in beträchtlichem Maße bei der Gestaltung bifokaler Augenlinsen, wobei sogar relativ große Abweichungen in der optischen Wirkung leicht mit relativ dünnen Linsen erreicht werden können, und bei verschiedenen Typen von optischen Geräten und Vorrichtungen, die Teleskope, Ferngläser, Video- und fotografische Kameralinsen, Mikroskope, Kopierer, optische Banken, spektrografische Instrumente etc. umfassen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1: ist eine schematische Darstellung eines doppelbrechenden optischen Systems in Übereinstimmung mit der

Erfindung, das eine „perfekte Geometrie" aufweist; Fig. 2: ist eine schematische Darstellung eines doppelbrechenden optischen Systems, das in ein optisches System der

- vorliegenden Erfindung eingebaut ist; Fig.3A, 3 B, 4 u. 5: sind schematische Darstellungen verschiedener anderer Ausführungsformen doppelbrechender Linsensysteme in

Übereinstimmung mitder Erfindung; Fig. 6: ist eine schematische Darstellung eines doppelbrechenden optischen Systems dieser Erfindung in Kombination mit

einer polarisierenden Vorrichtung; Fig. 7: ist eine schematische Darstellung eines doppelbrechenden aufrechtstehenden Systems, das aus zwei

doppelbrechenden Linsengliedern hergestellt ist, die mehr als zwei gleichzeitige optische Wirkungen aufweisen; Fig. 8: ist eine schematische Darstellung des optischen Systems der Fig. 7 in Kombination mit einer polarisierenden Vorrichtung

und die Fig.9A und 9 B: sind schematische Darstellungen von Drauf- bzw. Seitenansichten einer Brillenlinse, in die ein doppelbrechendes optisches System nach dieser Erfindung eingebaut ist.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

A. Multifokale nichtachromatisierte doppelbrechende optische Systeme

Alle bekannten doppelbrechenden optischen Systeme besitzen eine optische Achse (d. h. die Achse im Inneren des kristallinen doppelbrechenden Mediums), welche senkrecht auf der Linsenachse steht. Deshalb weist ein optisches System zwei spezielle Brechungszahlen auf, n₀ (für die ordentlichen Wellen oder Strahlen) und n„ (für die außerordentlichen Wellen oder Strahlen), aber nur für den besonderen Fall, in dem die e-Strahlen quer zu der doppelbrechenden Linse in einer Richtung laufen, welche senkrecht, d.h. orthogonal zu der optischen Achse ist. Für alle anderen Richtungen besitzen die e-Strahlen einen wirksamen Brechungsindex n_ejeff, welcher einen Wert zwischen n_ound n„ aufweist. In einem solchen Fall ist es nicht möglich, mit beliebiger Genauigkeit die optische Leistung oder das Verhalten des optischen Systems für die Strahlen vorherzusagen. Aus diesem Grund kann es wünschenswert sein, ein bifokales Linsensystem zu verwenden, das zwei unabhängig getrennte optische Leistungen (oder Brennpunkte) mit dem zusätzlichen Merkmal aufweist, daß die e-Strahlen die doppelbrechende Linse in einer Richtung queren, welche ausschließlich senkrecht zur optischen Achse verläuft. Der Fall, in dem alle e-Strahlen die doppelbrechende Linse in einer orthogonalen Richtung zu der optischen Achse queren, werden auf die Ausführungsform mit der „perfekten Geometrie" des hierbei beschriebenen doppelbrechenden optischen Systems zurückgeführt. Fig. 1 stellt eine Ausführungsform eines doppelbrechenden optischen Systems mit perfekter Geometrie dar, die ein isotropes Linsenglied 10 besitzt, das kugelförmige Oberflächen R₁ und R₂ und ein isotropes Linsenglied 30 besitzt, das kugelförmige Oberflächen R3 und R₄ vor und hinter dem doppelbrechenden Linsenglied 20 besitzt, das komplementäre kugelförmige Oberflächen R₂ und R₃ besitzt, wobei der dicke Pfeil dessen optische Achse anzeigt (wie es bei allen nachfolgenden Figuren auch der Fall sein wird). Bei Bestimmung der vorgewählten optischen Wirkungen (welche¹ auch die entsprechenden Brennpunkte kennzeichnen) D_a und D_b für das optische System werden die folgenden Einschränkungen für ein bifokales optisches System mit perfekter Geometrie angewendet:

D34 + D₀ + D₁₂ = D₃ (1a)

D₃₄ + D_e + D₁₂ = D_b (1 b)

und die „perfekte Geometrie"-Beschränkung:

(n,-I)X-^-=-D₁₂ (2)

R₂

wobei D₁₂ und D₃₄ die optischen Wirkungen der vorderen bzw. hinteren isotropen Linsenglieder sind, und D₀ und D₈ sind die optischen Wirkungen des doppelbrechenden Linsengliedes für die o-Strahlen und die e-Strahlen. Bei dieser Ausführungsform mit perfekter Geometrie wird die Relation

(3)

n₀ - 1 n„ - 1 angewendet, oder D_e = m d₀ (4)

wobei m = —- ist. (5)

n_o - 1

Damit wird das bifokale optische System mit perfekter Geometrie der Fig. 1 beschrieben durch:

D₀= X(D₀-I) (6a)

n₀ — n_e

D₈= x(n.-1) (6b)

n₀ — n_e

D₃₄ = D₃ - D₀ - D₁₂ (7)

Wenn beispielsweise der Radius R₃ vorgewählt ist, dann kann R₂ im Hinblick auf die Gleichungen (6 a oder 6 b) berechnet werden. Dann muß mit dem berechneten Radius R₂ und Gleichung (2) der Radius R₁ bestimmt werden, und mit dem vorgewählten Radius R₃ und Gleichung (7) kann R₄ berechnet werden. Im Prinzip kann irgendeiner der vier Radien vorgewählt werden. Bei der allgemeinen Ausführungsform eines doppelbrechenden optischen Systems mit nichtperfekter Geometrie queren die e-Wellen die doppelbrechende Linse in einer Richtung, welche nicht notwendigerweise senkrecht auf der optischen Achse steht. Die e-Strahlen besitzen daher einzelne effektive Brechzahlen n_{eieff mit} Werten zwischen n_e und n_o. Da weder die tatsächlichen Brechzahlen n_eeff, noch die Wege der e-Strahlen in der doppelbrechenden Linse bisher bekannt sind, sind die Wege und die tatsächlichen Brechzahlen n_e/eff wechselseitig abhängig, wobei die wirkliche Leistung eines optischen Systems, in das eine doppelbrechende Linse eingebaut ist, nicht auf den Werten von n_e und der Linsengeometrie unmittelbar gehalten werden kann. Einer vernünftigen Berechnung der Leistung doppelbrechender Linsen muß eine detaillierte Durchrechnung eines Strahls der eine solche Linse passierenden Lichtstrahlen zugrunde liegen. Eine solche Durchrechnung eines Strahls umfaßt die Bestimmung der Brillenglieder der Lichtausbreitungsvektoren vor und nach einer beliebig orientierten Schnittstelle zwischen einem isotropen und einem doppelbrechenden Medium. Bei einer gegebenen Auswahl oder Orientierung der optischen Achse des

doppelbrechenden Mediums schließt diese Bestimmung die Hyugensche Konstruktion ein, d. h. den allgemeinen Fall einer Konstruktion einer Tangentialebene eines elliptischen Toroids; siehe beispielsweise J. Strong: „Entwürfe der klassischen Optik", S. 138, W. H. Freeman und Company (1958). Auf der Grundlage solcher Strahlendurchrechnungen, welche natürlich auch bei o-Strahlen angewendet werden können, können praktisch alle interessierenden Leistungsdaten von Linsen, beispielsweise optische Wirkungen von Linsen, Bildschärfe, chromatische und sphärische Aberration bewertet werden. Die Einbeziehung der Fresnel-Formeln für die übertragene Lichtamplitude, die die Grenze zwischen zwei optischen Medien kreuzt, erlaubt auch die Bestimmung der übertragenen Intensitäten einer mehrschichtigen Linse.

Beispiele doppelbrechender optischer Systeme mit nichtperfekter Geometrie in Übereinstimmung mit der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den beigefügten Figuren 2 bis 5 angegeben:

Definition

DVO Der hintere Scheitelbrechwert für o-Strahlen aus den üblichen Berechnungen des

hinteren Scheitelbrechwertes; DVE der hintere Scheitelbrechwert füre-Strahlen aus den üblichen Berechnungen des

hinteren Scheitelbrechwertes;

DO der hintere Scheitelbrechwert für o-Strahlen aus den Strahlendurchrechnungen;

DE der hintere Scheitelbrechwert füre-Strahlen aus den Strahlendurchrechnungen;

ACM das „Schärfemaß", d. h. das Verhältnis zwischen dem Bereich des minimalen Brennflecks und dem Bereich

(d. h. Querschnitt) der Linse; PTR der Prozentsatz der mittleren übertragenen Intensität der einfallenden Intensität, die mit einer optischen

Wirkung verbunden ist;

n₀ die Brechzahl der doppelbrechenden Linse für die o-Strahlen;

n_e die Brechzahl des doppelbrechenden Linsengliedes für die e-Strahlen indem Fall, in welchem diee-Strahlen

senkrecht zur optischen Achse verlaufen;

ni2 die Brechzahl des isotropen Linsengliedes, das die Radien Ri und R₂ besitzt;

Π34 die Brechzahl des isotropen Linsengliedes, das die Radien R₃ und R₄ besitzt;

gamma derWinkel zwischen der optischen Achse und der Linsenachse;

alpha_r derWinkel zwischen den einfallenden Lichtstrahlen der Linsenachse;

alpha_p derWinkel zwischen der Ebene, die von den einfallenden Lichtstrahlen und der Linsenachse gebildet wird, und

der Ebene, die von der optischen Achse des doppelbrechenden Linsengliedes und der Linsenachse gebildet wird;

R₁, R₂, R₃ und R₄ die Radien der sphärischen Linsenoberfläche des optischen Systems der Fig. 2 bis 5; d der Durchmesser des optischen Systems;

Cn, C₂₃ und C₃₄ die Linsenmittendicke des optischen Systems der Fig. 2 bis 5; DF der inverse Abstand (in Diotrien) zwischen dem Brennfleck und der Mitte der hinteren Oberfläche des

optischen Systems; D_pr die prismatische optische Wirkung in prismatischen Dioptrien (1 prismatische Dioptrie = 1 cmAbweichung

pro Meter).

Die Konstruktionsbeschreibungen des doppelbrechenden Linsengliedes 20 der Fig. 2 sind wie folgt:

Vorderer Oberflächenradius:

hinterer Oberflächenradius:

Mittendicke:

Linsensystemdurchmesser:

Orientierung der optischen Linse:

Brechzahlen: n₀ = 1,443; n„ = 1,8

Richtung des einfallenden Lichtes:

R2	7,5 mm
R3	7,8 mm
C23 =	0,05 mm
d	6mm
gamma =	90°
n0	1,443; n„
alpha. =	0°.

Tabelle 1A:

Berechnete Werte für die o-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig.

DVO DO ACM PTR

2,39 2,84 4,8 x 10~^J 93%

Tabelle 1B: Berechnete Werte für die e-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 2

DVE DE ACM PTR

4,42 5,11 2,85 X 10"³ 79%

Die vorhergehenden Daten zeigen, daß die tatsächlichen hinteren Scheitelbrechwerte DO und DE größer sind als die entsprechenden Werte von DVO und DVE. Das ist infolge der von Null verschiedenen Öffnung des eintreffenden Lichtstrahlenbündels so. Es kann tatsächlich gezeigt werden, daß für das einfallende Licht der Nullparameter DO und DVO vollständig übereinstimmen und DE und DVE fast übereinstimmen. Für den Fall des axial einfallenden Lichtes sind die beiden Brennflecke genau auf der Linsenachse lokalisiert. Es ist festzustellen, daß die Bildschärfe der e-Strahlen im Vergleich mit der Schärfe der o-Strahlen hervorragend ist. Die Übertragungsverluste für e-Strahlen sind höher als für die o-Strahlen, weil die e-Strahlen in einem größeren Maß abweichen als die o-Strahlen.

Bei dem doppelbrechenden optischen System der Fig.3 A und 3 B ist das doppelbrechende Linsenglied 20 der Fig. 2 mit den isotropen Linsengliedern 10 und 30 kombiniert. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden optischen Systemen ist die Orientierung der optischen Achse des doppelbrechenden Linsengliedes 30, welches im wesentlichen senkrecht auf der Linsenachse in Fig.3A steht und bezüglich der Linsenachse in Fig.3 B annähernd 60° geneigt ist. Die Linsenparameter für beide Linsensysteme sind so gewählt, daß die Linsensysteme für die ordentlichen Strahlen (d. h. sie weisen eine optische Null-Wirkung auf) praktisch afokal sind und daß sie für die e-Strahlen eine positive optische Wirkung aufweisen. Die Parameter sind wie folgt:

Radien:

Mittendicken:

Linsensystemdurchmesser: LinseYimedien:

= 1,8

n₃₄ = 1,443

Orientierung des einfallenden Lichtes: Richtung des einfallenden Lichtes:

Tabelle 2 A:

Berechnete Werte für die o-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 3 A

R,	= 7,85 mm
R2	= 7,5mm
R3	= 7,8 mm
R4	= 7,8 mm
C12	= 0,04mm
C23	= 0,05 mm
C34	= 0,03 mm
d	= 6mm
n,2	= 1,443
n0	= 1,443; ne
n34	= 1,443
gamma	= 90°
alpha.	= 0°

DVO DO ACM PTR

-,10 -,10 0,75 x 10"³ 93%

Tabelle 2B:

Berechnete Werte für die E-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 3 A

DVE DE ACM PTR

1,93 2,11 7,5 X 10~³ 85%

Für alle parallel zur Linsenachse einfallenden Strahlen sind die beiden Brennflecken wieder genau auf der Linsenachse lokalisiert. Die übertragene Intensität der e-Strahlen ist im Vergleich mit dem Fall der einzelnen doppelbrechenden Linse (Fig. 2) angestiegen, aber die Schärfe hat sich leicht verschlechtert.

Dennoch ist unter Bezugnahme auf das optische System der Fig.3A die Leistung des Systems für außeraxial eintreffendes Licht vorhanden. Die Diskussion der Berechnungen, die in den Tabellen 3 und 4 unten erklärt ist, ist auf die e-Strahlen beschränkt, da die o-Strahlen sich in einer Weise verhalten, die aus bekannten isotropen Linsen bestimmt werden kann. Erstens sind die Daten für den Fall eines Bundes einfallender Lichtstrahlen, wobei der Winkel zwischen der Ebene der Einfallsund der optischen Achse des doppelbrechenden Linsengliedes Null ist, unten in Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3:

Richtung des einfallenden Lichtes: alpha, = 30°; alpha _p = 0°

DVE*	DF	ACM	PTR	Dpr
1,93	1,93	98 x 10~3	89%	0,75
Berechnet für axial einfallendes Licht.

Aus diesen Daten läßt sich abschätzen, daß ein doppelbrechendes optisches System in Übereinstimmung mit der Erfindung eine effektive optische Wirkung DF aufweist, welche praktisch mit der optischen Wirkung DVE für axial einfallendes Licht identisch

Von einem Gesichtspunkt der Linsenkonstruktion kann eine solche Charakteristik vorteilhaft sein, beispielsweise im Fall einer Augenlinse und insbesondere einer Kontaktlinse, wobei es wünschenswert sein kann, dieselbe effektive optische Wirkung ohne Rücksicht auf den Winkel des einfallenden Lichtes bezüglich der Linsenachse aufrechtzuerhalten, sogar dann, wenn etwas Verlust an Bildschärfe auftreten kann.

Zweitens sind die Leistungsdaten dieses optischen Systems für außeraxial einfallende Lichtstrahlen, wobei die optische Achse senkrecht auf der Ebene des einfallenden Lichtes steht, in Tabelle 4 nachfolgend wiedergegeben:

Tabelle 4:

Richtung des einfallenden Auflichtes: alpha, = 30°; alpha_p = 90°

DVE*	DF	ACM-e-Strahlen	PTR	Dpr
1,93	2,24	35 χ 10"3	89%	0,74
* Berechnet für axial einfallendes Licht.

Für diese Art des einfallenden Lichtes zeigen vergleichende Analysen, daß das doppelbrechende optische System dieser Erfindung ähnlich einem isotropen optischen System mit gleichartiger optischer Wirkung DVE sehr viel leistet. Die praktische Konsequenz davon besteht sozusagen darin, daß die normalen optischen Verhältnisse und Eigenschaften bei dem vorliegenden doppelbrechenden optischen System für diese Art des einfallenden Lichtes im wesentlichen genau so bleiben. Die kombinierten Daten der Tabellen 3 und 4 geben an, daß in dem Fall einer biofokalen Kontaktlinse die Leseverstärkung vorzugsweise durch die e-Strahlen und die Abstandsverstärkung vorzugsweise durch die o-Strahlen zur Verfugung gestellt wird. Dieselben Daten geben ferner an, daß die optische Achse einer bifokalen Kontaktlinse in einer Richtung orientiert sein sollte, welche im wesentlichen vertikal ist, wobei das Gesichtsfeld horizontal interpretiert ist, beispielsweise von links nach rechts. Umgekehrt, wo das Gesichtsfeld primär in vertikaler Richtung betrachtet wird, geben die Daten der Fig. 3 und 4 an, daß die Richtung der optischen Achse der bifokalen Kontaktlinse im wesentlichen horizontal sein sollte.

Wie oben erklärt, sind nur ein doppelbrechendes Linsenglied und ein isotropes Linsenglied erforderlich, um zwei unabhängig vorgewählte optische Wirkungen zu schaffen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, ein drei-oder mehrgliedriges optisches System für besondere Anwendungen zu schaffen. Ein derartiges optisches System, das durch diese Erfindung betrachtet wird, und in Fig. 3A schematisch dargestellt ist, enthält eine sclerale Kontaktlinse, bei welcher ein doppelbrechendes Linsenglied 20, dessen Durchmesser dem maximalen Durchmesser der Pupillle entspricht, eingebettet und in ein isotropes Linsenglied eingehüllt ist, dessen Durchmesser dem Durchmesser der Sclera entspricht. Das isotrope Linsenglied vor und hinter dem doppelbrechenden Linsenglied 10 bzw. 30 kann als die beiden isotropen Linsenglieder des gesamten optischen Systems betrachtet werden. Die verschiedenen Glieder können aus denselben oder verschiedenen optischen Medien hergestellt werden. Beispielsweise kann ein doppelbrechender Polymer, wie etwa irgendein in den oben angeführten bekannten Patenten beschriebener, beispielsweise Polymethylmethakrylat, der gestreckt worden ist, mit beliebigen bekannten isotropen Linsenmedien kombiniert werden, wie beispielsweise Hydromethylmethakrylat-Polymer oder (ungestreckt) Polymethylmethakrylat, um eine bifokale Kontaktlinse gemäß dieser Erfindung zu schaffen.

Fig. 4 gibt ein anderes doppelbrechendes optisches System in Übereinstimmung mit dieser Erfindung wieder, welches die folgenden Konstruktionsparameter für das doppelbrechende Linsenglied 20 und das isotrope Linsenglied 30 besitzt:

Radien:

Mittendicken:

Linsensystemdurchmesser:

Linsenmedien: n_o = 1,443; n_e = 1,8

Orientierung des einfallenden Lichtes: Richtung des einfallenden Lichtes:

Tabelle 5A:

Berechnete Werte für die o-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 4

DVO DO ACM PTR

R2	38mm
R3 =	50mm
R4	-50mm
C23	0,2 mm
C34	1,0mm
d	6mm
Πο	1,443; n„
n34	1,443
gamma =	90°
alpha, =	0°

20,63 20,77 0,007 χ 10~^J 93%

Tabelle5B:

Berechnete Werte für die Ε-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 4

DVE DE ACM PTR

22,96 23,03 0,008 x 10~³ 88%

Die vorangehenden Ergebnisse zeigen an, daß die doppelbrechenden optischen Systeme der vorliegenden Erfindung als eine bifokale intraokulare Linse verwendet werden können.

Wie in Fig.3B dargestellt, sind die doppelbrechenden optischen Systeme in Übereinstimmung mit der Erfindung für die · Orientierung der optischen Achse auch bifokal, anstelle senkrecht zu der Linsenachse.

Tabelle 6A: Berechnete Werte für die o-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 3 B

DVO DO ACM . PTR

-,1O -,10 0,75 X 1CT³93%

Tabelle 6B: Berechnete Werte für die Ε-Strahlen des doppelbrechenden Linsengliedes der Fig. 3 B

DVE** DE ACM PTR

1,93 1,80 68X10"³ 85%

·· Berechnet für gamma = 90°.

Wie aus den vorhergehenden Berechnungen ersichtlich ist, hat sich die mit den e-Strahlen verbundene optische Wirkung verringert. Das geschieht infolge der Tatsache, daß die effektiven Brechzahlen n_e,_eff kleiner als n_e sind. Die Abbildungsqualität für die e-Strahlen ist schlechter als für den Fall von gamma = 90°. Deshalb wird es nur in wenigen Beispielen geeignet sein, andere Winkel zwischen den optischen und den Linsenachsen als gamma = 90° zu verwenden.

Bei den meisten nur geringen Abweichungen von gamma = 90° kann die Linsenleistung jedoch zufriedenstellend sein. Deshalb liegt es im Geltungsbereich der Erfindung, eine Folie eines doppelbrechenden Polymers zu biegen, dessen optische Achse innerhalb der Folienebene liegt, so daß sie eine zylindrische Oberfläche aufweist, wobei die Achse des Zylinders senkrecht auf den dann kreisförmigen optischen Achsen steht. Der Zylinderradius kann beispielsweise einen bestimmten Wert aufweisen, welcher einem der Radien der doppelbrechenden Linsen entspricht. Die Analyse einer solchen Linse zeigt, daß sie meistens identisch mit einer Linse durchgeführt wird, welche eine optische Achse aufweist, die senkrecht auf der Linsenachse, die durch die Linse verläuft, steht. Es ist offenbar, daß die Annäherung mit steigendem Zylinderradius dichter wird. Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde ein doppelbrechendes Linsenglied mit einem oder zwei isotropen Linsengliedern kombiniert, um zwei verschiedene optische Wirkungen zu schaffen, deren Größe bei völliger Unabhängigkeit voneinander ausgewählt werden kann, sogar bei einem verbleibenden freien geometrischen Parameter für das Verbundlinsensystem. Beispielsweise ist im Fall einer Kontaktlinse dieser freie Parameter für die Konstruktion der hinteren Oberflächenwölbung des optischen Systems verfügbar. Dieser Effekt kann im allgemeinen auch durch Kombinieren zweier doppelbrechender Linsenglieder erreicht werden. Um nur zwei optische Wirkungen zu erzeugen, muß der Winkel zwischen den optischen Achsen der beiden doppelbrechenden Linsen 90° sein, so daß die o-Strahlen in der ersten doppelbrechenden Linse die e-Strahlen in der zweiten und umgekehrt sein werden. Diese Konfiguration, welche auf ein „gekreuztes doppelbrechendes" optisches System zurückgeführt werden kann, ist in Fig. 5 dargestellt.

Die Konstruktionsparameter des optischen Systems der Fig. 5, das aus den doppelbrechenden Linsengliedern 20 und 21 besteht, sind wie folgt:

Vorderer Oberflächenradius: 7,9 mm

Zwischenoberflächenradius: _A 7,5mm

HintererOberflächenradius: 7,8mm

Mittendicke, erste Linse: 0,06 mm

Mittendicke,zweite Linse: 0,06mm

Linsensystemdurchmesser: 6,0 mm Optische Medien

erste Linse: n₀ = 1,443; n_e = 1,8

zweiteLinse: n₀ = 1,443; n_e = 1,8

Orientierung deroptischenAchsen: gamma,= gamma₂ = 90°

Winkel zwischen den optischen Achsen: 90°

Richtung des einfallenden Lichtes: alpha_r = 0°

Beider Berechnung, wie sie in Tabelle 7 erklärt ist, haben die folgenden Werte die hierin angegebenen Definitionen:

Wert Definition

DOE Die mit den o-Strahlen in der ersten und den e-Strahlen in der zweiten Linse verbundene optische Wirkung.

DEO Die mit den e-Strahlen in der ersten und mit den o-Strahlen in der zweiten Linse verbundene optische Wirkung.

DVOE und

DVEO Die entsprechenden optischen Wirkungen, die bei den Berechnungen des herkömmlichen hinteren

Scheitelbrechwertes erhalten wurden.

Tabelle 7: Berechnete Werte für das doppelbrechende optische System der Fig. 5

DVOE DOE DVEO DEO

1,60 1,84 -2,66 -2,82

Die durch das optische System der Fig. 5 geschaffene Abbildungsschärfe ist für axial einfallendes Licht von derselben Größenordnung wie in dem Fall des isotrop-doppelbrechenden optischen Systems, beispielsweise derjenigen der Fig.3A. Gekreuzte doppelbrechende Konfigurationen sind in der Lage, große Wirkungsdifferenzen für die beiden entstehenden orthogonal polarisierten Lichtwellen sogar mit sehr dünnen'Linsen zu erzeugen. Folglich können solche Konfigurationen für Kontaktlinsen verwertet werden.

Die vorhergehenden Ausführungsformen machen deutlich, daß das doppelbrechende optische System gemäß dieser Erfindung vorteilhaft als eine Augenkontaktlinse oder als eine intraokulare Linse verwendet werden kann, wobei mindestens zwei verschiedene optische Wirkungen, und zwar mindestens eine für das Sehen in die Ferne und mindestens eine zum Lesen erforderlich sind. --

Die Ausführungsformen der vorliegenden doppelbrechenden optischen Systeme können auch als Augenbrillenlinsen dienen oder in diese integriert sein. Eine bevorzugte Ausführungsform einer solchen Linse ist in den Figuren 9 A und 9 B dargestellt, wobei das Bezugszeichen 40 den bifokalen doppelbrechenden Linsenteil darstellt, beispielsweise mit einem doppelbrechendisotropen optischen System zum Lesen und zum Sehen in die Ferne, und das Bezugszeichen 50 stellt den monofokalen Linsenteil zum Sehen in die Ferne dar, der aus herkömmlichen isotropen Medien hergestellt ist. Bei der Brillenlinse der Fig.9Aund9Bist die optische Wirkung entsprechend den o-Strahlen des Linsenteils 50. Das in den Teilen 40 und 50 vorteilhaft verwendete isotrope Medium ist durch und durch dasselbe, beispielsweise Polyakrylat, und das doppelbrechende Medium, aus welchem das doppelbrechende Linsenglied des Teils 40 konstruiert ist, ist gezogenes Polyakrylat. Zum Lesen werden primär axial einfallende Lichtstrahlen benutzt, d. h. die Augenbewegung ist so, daß eine gerade Linie (nämlich die Linsenachse) zwischen dem zu lesenden Text und der Pupille gehalten wird. Eine solche Augenbewegung schließt üblicherweise keine Kopfbewegung ein. Der typische Leseabstand vor den Augen beträgt etwa 40cm, und gedruckte Texte erstrecken sich typischerweise 20cm von links nach rechts. Folglich überstreicht die Augenlinsenachse einen Winkel während des Lesens der horizontal gedruckten Texte von annähernd 30°. Die Linse eines Augenglases liegt typischerweise 12 mm vorder Hornhaut des Auges. Deshalb mißt die Zone einer Brillenlinse, welche die Lesewirkung zur Verfügung stellt, nicht mehr als annähernd 1 cm in der horizontalen Richtung. In einem beliebigen Fall braucht die Leseverstärkungszone nicht beliebig breiter als 2 cm zu sein. In der vertikalen Richtung kann die Leseverstärkungszone nur 1 bis 1,5cm messen. Die Zone kann vorteilhaft am unteren Teil der Brillenlinse positioniert sein, wie das in der Ausführungsform der Fig.9A und 9B dargestellt ist.

Die Verwendung eines doppelbrechenden bifokalen optischen Systems innerhalb einer solchen Leseverstärkungszone bietet entscheidene Vorteile gegenüber herkömmlichen bifokalen Zweizonen-Brillenlinsen, wobei beide Zonen jeweils monofokal sind. Obwohl die obigen Betrachtungen für die erforderlichen Maße einer Leseverstärkungszone gelten, könnte mansieauch bei herkömmlichen bifokalen Brillenlinsen anwenden, wie solche Linsen, die üblicherweise beträchtlich größere Leseverstärkungszonen aufweisen. Dies ist hauptsächlich in der Tatsache begründet, daß herkömmliche Brillenlinsen mit einem solchen kleinen Bereich einer höheren optischen Wirkung kosmetisch unansehnlich sein würden. Doppelbrechende Linsensysteme haben im Vergleich das Aussehen monofokaler Linsen; das bedeutet, daß die Leseverstärkungszone aus der Fefnsehzone nicht sichtbar ist, insbesondere, wenn, wie zuvor festgestellt, die doppelbrechende Linse eine Brechzahl n_o aufweist, die mit der Brechzahl identisch ist, die in der Linse für die Fernsicht verwendet wird. Im Gegensatz dazu kann eine ziemlich kleine Leseverstärkungszone ziemlich gorße Lesewirkungen bei bescheidenen Linsendicken hervorbringen, welche das Gesamtgewicht der Brillenlinsen verringern kann. Schließlich ist festzustellen, daß das doppelbrechende optische System die erforderlichen optischen Wirkungen sowohl für das Lesen als auch für das Sehen in die Ferne gleichzeitig liefert. Deshalb erstreckt sich das Gesichtsfeld über den gesamten Brillenlinsenbereich, welcher für den Fall wichtig ist, wo das Sehen in die Ferne nach unten erforderlich ist, oder beispielsweise dann, wenn die entfernten Objekte von irgendjemandem in einer geneigten Position betrachtet werden. Bei den vorliegenden bifokalen Brillen muß man den Kopf beträchtlich nach vorn neigen, um in der Lage zu sein, über die Leseverstärkungszone hinweg zu sehen. Wie oben erwähnt, werden die beiden optischen Wirkungen des doppelbrechenden Linsensystems durch zwei orthogonal polarisierte Lichtwellen erzeugt. Wenn beispielsweise die Fernsehwirkung mit einer Lichtwelle in einer vertikalen Polarisationsebene und die Lesewirkung mit einer Lichtwelle in einer horizontalen Polarisationsebene verbunden ist, können Sonnenschutzgläser, in die polarisierende Filter eingebaut sind, vorteilhaft verwendet werden, um ausschließlich jede einzelne der beiden verfügbaren Wirkungen in Abhängigkeit von der Blickrichtung auszuwählen.

Solche Sonnenschutzgläser müßten ein eingebautes polarisierendes Filter aufweisen, welches in der größeren Zone für den Fernsehbereich vertikal polarisiertes Licht erzeugt, und ein polarisierendes Filter, welches in dem kleineren Bereich für das Lesen horizontal polarisiertes Licht erzeugt. Die Verteilung des Fernseh- und Lesebereiches entspricht der Verteilung, die aus Fig.9A erkennbar ist. Bei solchen Sonnenbrillen wird das defokussierte Licht, das von der optischen Lesewirkung herrührt, in der optischen Fernsehwirkung eliminiert und umgekehrt, ohne Intensitätsverluste, wenn man es vergleicht mit der Lichtintensität, die aus herkömmlichen polarisierenden Sonnenbrillen verfügbar ist, d.h. im wesentlichen 50% der einfallenden Lichtintensität sind in jedem der beiden Brennpunkte verfügbar.

Das körperliche Aussehen von Sonnenbrillen einer solchen Konstruktion ist von dem der herkömmlichen polarisierenden Sonnenbrillen, die kosmetisch vorteilhaft sind, nicht zu unterscheiden.

Wenn die optischen Achsen der beiden doppelbrechenden Linsen nicht bei 90° liegen, werden im allgemeinen vier verschiedene optische Wirkungen vorhanden sein, weil jeweils die optischen o- und e-Wirkungen der ersten Linse mit den optischen o- und e-Wirkungen der zweiten Linse kombinieren. Bei dem optischen System der Fig. 5 wurden die beiden zusätzlichen optischen Wirkungen-,51 und-,47 Dioptrien betragen, d.h. die Linse ist praktisch trifokal. %

Ein doppelbrechendes optisches System, in das zwei doppelbrechende Linsenglieder 20 und 21 eingebaut sind, in welchem der Winkel zwischen den optischen Achsen von 90° verschieden ist, ist in Fig. 7 gezeigt. Im allgemeinen sind die vier optischen Wirkungen eines optischen Systems, in dem zwei doppelbrechende Glieder untergebracht sind, gegeben durch:

Dio+D_2o = D₃ ' (8a)

D₁₀+D₂₆ = D₀ ^r'"*(8b)

Die + D_2e = D_c (8c)

D_1e + D_2e=D_d (8d)

worin Dio die optische Wirkung der ersten Linse für die o-Strahlen, Die die optische Wirkung der ersten Linse für die e-Strahlen ist

usw., und D₃, D₀, D₀, D_d sind die resultierenden optischen Wirkungen der Kombinationen, wobei die beiden Linsen in Kontakt

sind.

In guter Annäherung ist die optische Wirkung einer Linse gegeben durch (s. J. Strong, loc.cit., S.131):

D = In- D x S, . (9)

worin D die optische Wirkung ist, η ist die Brechzahl und S ist der sogenannte „Formfaktor" der Linse. Die Gleichung (9) kann auch im Fall einer doppelbrechenden Linse mit nicht perfekter Geometrie (beispielsweise Fig.3A, 4 und 5) angewendet werden. Im Hinblick auf Gleichung (9) sind die optischen Wirkungen D_lo und Di_e der ersten Linse für die o- und e-Strahlen gegeben durch:

(10a) (10b)

(10c)

(5') n_1o — 1

ist und worin n_le und n_lo die Brechzahlen der ersten Linse für die e- bzw. o-Strahlen sind. Analoge Verhältnisse gelten für die zweite Linse.

Bei einer spezifischen Ausführungsform wird die Linse, die aus zwei doppelbrechenden Linsengliedern besteht und aus demselben doppelbrechenden Medium hergestellt ist, diskutiert. Im Hinblick auf die Gleichungen (5'), (10) und (8) sind die vier optischen Wirkungen des optischen Systems gemäß dieser Erfindung gegeben durch:

D₁₀+ D₂₀ = D₃ (11a)

D_lo + m x D₂₀ = D₀ (11 b)

m x D₁₀ + D₂₀ = Dc (11c)

m x D₁₀ +m x D₂₀= D_d - (11d).

Dieser Gleichungssatz ist redundant; deshalb ist es nicht möglich, die vier optischen Wirkungen unabhängig voneinander vorzuwählen. Die Gleichung (11) erlaubt nur die Vorwahl von zwei der resultierenden vier optischen Wirkungen. Dies trifft auch für den Fall der beiden doppelbrechenden Linsenglieder zu, die aus verschiedenen doppelbrechenden Medien hergestellt sind. Wenn ein optisches System nach Fig.7 trifokal sein soll, müssen zwei der vier optischen Wirkungen gleich sein. Wie aus Gleichung (11) offenbar hervorgeht, gibt es nur zwei Möglichkeiten:

D₃ = D_d oder (12)

D₀ = D₀. ' ' (13)

In dem Fall, wo D₃ = D_d, ist D_1o = D_2o und folglich D₃ = D_d = 0. Die drei optischen Wirkungen dieses optischen Systems sind dann:

\ D₀ = D₁₀ x (1 - m) (14)

D_a = D_d = 0 (15)

Dc= -D₂₀X (1 -m) (16)

	D10	= (nl0 -	X	Si
	Di.	= (η1ε -	X	S,
oder	Die	= mi x
wobei	mi	nie -
-D
-D
Dio
1

das heißt, sie weisen einen völlig gleichen Abstand auf. Das konstante Intervall zwischen den drei optischen Wirkungen kann freigewählt sein, d. h. zwei der vier optischen Wirkungen können vorgewählt sein. Die Wahl des Intervalls bestimmt der Wert D₁₀. Bei irgendeiner gegebenen Wahl einer Linsenoberfläche bestimmt dann D₁₀ die anderen Linsenoberflächen, falls die beiden Linsen gemeinsame oder komplementäre gegenüberliegende Oberflächen besitzen. Der Fall D_d = D₀ resultiert in D₁₀ = D₂₀, und die drei optischen Wirkungen sind gegeben durch

D_a = 2xD_1o (17)

D_b = D₀ = (m + 1) x D₁₀ (18)

D_d = 2 xm χ D₁₀. (19)

Wie aus den Gleichungen (17) bis (19) erkannt werden kann, bestimmt ein Wert für eine der drei optischen Wirkungen auch die anderen beiden optischen Wirkungen; deshalb gibt es für diesen besonderen Fall die Möglichkeit, zwei optische Wirkungen unabhängig voneinander vorzuwählen, nicht.

Aus der vorangegangenen Diskussion ist es offenbar, daß durch den Zusatz einer isotropen Linse die Zahl der optischen Wirkungen bis zu einer gewünschten Zahl der Werte verschoben werden kann, ohne natürlich die Unterschiede zwischen den einzelnen optischen Wirkungen zu verändern.

Wenn in einem optischen System, in dem zwei doppelbrechende Linsen untergebracht sind, die doppelbrechenden Linsen mit einem Freiheitsgrad für die Drehung um die Linsenachse versehen sind, wirkt das optische System entweder als eine vier- oder bifokale Linse, wenn nichtpolarisiertes Licht verwendet wird, oder als eine vier-, bi- oder monofokale Linse, wenn polarisiertes Licht auf das optische System trifft. Fig. 8 zeigt schematisch ein solches Linsensystem, welches einen Polarisator 60 und zwei doppelbrechende Linsenglieder 20 und 21 unterbringt. Wie oben angegeben, können nur zwei der vier verfügbaren optischen Wirkungen unabhängig vorbestimmt sein, wenn zwei doppelbrechende Linsenglieder und keine isotropen Linsenglieder in dem System integriert sind. Wenn beispielsweise eines der beiden doppelbrechenden Linsenglieder mit einem anderen isotropen oder doppelbrechenden Linsenglied kombiniert wird, weist das kombinierte Linsenglied zwei unabhängig wählbare optische Wirkungen D₁ und D₂ auf. Folglich sind die vier resultierenden optischen Wirkungen nun gegeben durch:

D₁+ D₂₀ = D₃ (20 a)

D₁-HmXD₂₀ = D₁, (20 b)

D₂ + D₂₀ = D₀ (2oc)

D₂ + m x D₂₀ = D_d. ' (2Od)

Aus dem Gleichungssatz (20) kann geschlossen werden, daß jedenfalls drei der vier optischen Wirkungen vorgewählte Werte sein können, wobei nur eine übrigbleibt, die vierte optische Wirkung, als eine Funktion der vorgewählten optischen Wirkungen. Die obigen Ergebnisse verallgemeinernd kann Folgendes geschlußfolgert werden:

(1) Eine einzelne doppelbrechende Linse eines gegebenen Mediums weist zwei verschiedene gleichzeitige optische Wirkungen auf; nur eine der beiden optischen Wirkungen kann ein gegebener vorgewählter Wert sein, wobei die zweite optische Wirkung eine Funktion dieses vorbestimmten Wertes ist.

(2) Ein Linsensystem, das aus einem doppelbrechenden Linsenglied und einem isotropen oder anderen doppelbrechenden Linsenglied besteht, weist zwei optische Wirkungen auf, von denen jede in völliger Unabhängigkeit voneinander vorgewählt sein kann.

(3) Ein optisches System, das aus zwei doppelbrechenden Linsen besteht, weist im allgemeinen vier optische Wirkungen auf; zwei der vier optischen Wirkungen können unabhängig vorgewählt sein und die beiden verbleibenden optischen Wirkungen sind Funktionen der-zwei ausgewählten optischen Wirkungen.

(4) Wenn die zwei doppelbrechenden Linsen mit einem isotropen oder anderen doppelbrechenden Linsenglied kombiniert sind, können drei der vier verfügbaren optischen Wirkungen vorgewählt sein, wobei nur die vierte eine Funktion der drei vorgewählten Wirkungen ist.

(5) Es kann gezeigt werden, daß in einem optischen System mit drei doppelbrechenden Linsen nur drei der insgesamt nicht resultierenden optischen Wirkungen unabhängig vorbestimmt sein können.

(6) Wenn die drei doppelbrechenden Linsen mit einem isotropen oder anderen doppelbrechenden Linsenglied kombiniert sind, können vier der acht resultierenden optischen Wirkungen willkürlich vorgegebene vorgewählte Werte sein. Im allgemeinen ist die Anzahl N der resultierenden optischen Wirkungen eines optischen Systems mit M doppelbrechenden Linsen durch (siehe beispielsweise Eng. et al., loc. cit, oben):

N = 2^M ' (21)

gegeben.

Die Anzahl N_frei der optischen Wirkungen, die bei völliger Unabhängigkeit auszuwählen ist, ist

N_fr8i = M. (22)

Wenn in dem System, das aus M doppelbrechenden Linsengliedern besteht, mindestens ein Glied mit einem isotropen oder einem anderen doppelbrechenden Linsenglied kombiniert wird, ist die Anzahl der resultierenden optischen Wirkungen wieder · N, aber die Anzahl Nfrei ist durch

N_frei = M + 1 ' (23)

gegeben.

Die obigen Verhältnisse sind für den Fall der M vorbestimmten doppelbrechenden Medien zu verwenden. Wenn es eine Auswahl in der Trennung der M doppelbrechenden Medien gibt, ist es möglich, daß mehr als die N_frei optischen Wirkungen bestimmte, gewünschte Werte sein können.

Doppelbrechende Linsen und Linsensysteme bieten die Möglichkeit, verschiedene Intensitäten verschiedenen optischen Wirkungen zuzuschreiben. Bei der Diskussion der Intensitätsverhältnisse muß zuerst festgestellt werden, daß die Amplitude des einfallenden natürlichen Lichtes vektoriell geteilt wird, d.h. die den o- bzw. e-Wellen zugehörigen Amplituden A₀ und A₆ weisen

jeweils einen Wert ·

(24)

auf, worin A die Amplitude des einfallenden Lichtes ist. Es folgt daraus, daß 50% der verfügbaren Intensitäten auf jeden der beiden Brennpunkte gerichtet ist. Deshalb ist das Verhältnis der Intensität des fokussierten und des defokussierten Lichtes in jedem der beiden Brennpunkte 1:1. Dies braucht den Vergleich mit anderen bekannten simultanen bifokalen Bildlinsenkonstruktionen, wie oben stehend, nicht zu scheuen.

Dieses Verhältnis kann jeden gewünschten Wert angeben, wenn auf ein optisches System mit mindestens einer doppelbrechenden Linse linear polarisiertes Licht auftrifft. Fig. 6 illustriert schematisch ein doppelbrechendes optisches System, bei dem die relative Orientierung der optischen Achse des doppelbrechenden Linsengliedes 20 mit Bezug auf die Vibrationsebene des einfallenden polarisierten Lichtes durch den Winkel Beta charakterisiert ist. Das polarisierte Licht wird von einer Polarisationsvorrichtung 80 erzeugt. Die Intensitäten I₀ und l_e, die zu den o- bzw. e-Strahlen gehören, sind gegeben durch

I₀ = Ip sin² beta (25 a)

l_e = I₀ cos² beta, (25b)

worin l_p die Intensität des einfallenden polarisierten Lichtes ist. Im Hinblick auf Gleichung (25) ist es klar, daß das Verhältnis zwischen I₀ und l_e durch eine genaue Auswahl des Winkels Beta jeden Wert angeben kann. Wenn für die Erzeugung des polarisierten Lichtes ein gemeinsames Polarisationsfilter verwendet wird, wird dies erreicht, wie richtig eingeschätzt, mit einem Verlust an Gesamtintensität. Aber bei bestimmten Anwendungen kann es wichtiger sein, die Intensität des defokussierten Lichtes auf eine optische Wirkung zu verringern, als höhere, aber gleiche Intensitäten für beide optische Wirkungen zu haben. Außerdem ist es bei einigen Anwendungen möglich, einen Polarisator hoher Durchlässigkeit zu verwenden, wie dies beispielsweise in US-PS 3552985 offenbart ist, in welcher die gesamte verfügbare Intensität unbeeinflußt ist. Die obigen Betrachtungen beziehen sich im allgemeinen auf doppelbrechende bifokale optische Systeme, d. h. auf Systeme mit beispielsweise zwei gekreuzten doppelbrechenden Linsengliedern (Fig. 5) oder ein optisches System mit einem doppelbrechenden und einem oder mehreren isotropen Linsengliedern (Fig.3A, 3B und 4).

Die zu den vier optischen Wirkungen eines doppelbrechenden optischen Systems nach Fig. 7 gehörenden Intensitäten sind gegeben durch:

1(00) = (1/2) x cos²beta₁₂ (26a)

KOE) = (1/2) x sin²beta₁₂ ' (26 b)

KEO) = (1/2) χ sin²beta₁₂ (26c)

KEE) = (1/2) x cos²beta₁₂ (26 d)

wobei 1(00) die zu den o-Strahlen in der ersten und den o-Strahlen in der zweiten doppelbrechenden Linse und so fort gehörende Intensität ist. I ist die Intensität des einfallenden unpolarisierten Lichtes, und betau ist der Winkel zwischen den optischen Achsen der beiden doppelbrechenden Linsenglieder. Aus der Gleichung (26) geht offensichtlich hervor, daß ein bestimmter Freiheitsgrad bezüglich der zuzuschreibenden Intensitäten für die verschiedenen optischen Wirkungen vorhanden ist. Wenn beispielsweise das optische System, das trifokal hergestellt ist, in allen drei optischen Wirkungen gleiche Intensitäten aufweist, dann ist für den obigen Fall D₁₀ = -D₂₀ der Winkel beta₁₂ bestimmt durch:

1(00) + KEE) = I(OE) = KEO) ' (27)

oder ,

cos²beta₁₂ = (sin²beta₁₂)/2 (27')

darausfolgt

beta₁₂ = 54,7°. ' (28)

Für den anderen möglichen Fall, D₁₀ = D₂₀, oben, muß der Winkel zwischen den beiden optischen Achsen beta₁₂ = 35,3° (29)

Bei Verwendung eines polarisierenden Filters vor einem optischen System mit zwei doppelbrechenden Linsengliedern und wahlweise einem oder mehreren isotropen Linsengliedern, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, sind die zu den vier sich ergebenden optischen Wirkungen gehörenden Intensitäten gegeben durch:

KOO) = (I/2) x sin²beta x cos²beta₁₂ . (30a)

i(0E) = (\/Z) χ sin²beta x sin²beta₁₂ (30 b)

I(EO) = (I/2) x cos²beta x sin²beta₁₂ . (30c)

I(EE) = (I/2) χ cos²beta x cos²beta₁₂. (3Od)

Die Gleichung (30) gibt an, daß das optische System der Fig. 8 mono-, bi- oder quadrafokal sein kann, wenn die Freiheitsgrade für die Drehung der doppelbrechenden Linsen um die Linsenachse zur Verfügung stehen.

B. Multifokale doppelbrechende Linsensysteme, die achromatisch sind oder welche einen vorbestimmten Wert der chromatischen Aberration aufweisen

Multifokale optische Systeme in Übereinstimmung mit diese Erfindung, welche ein oder mehrere doppelbrechende und ein oder mehr isotrope Linsenglieder vereinigen, können auch in einem sich verändernden Grad achromatisiert sein. Die folgenden Betrachtungen für achromatisierende optische Systeme sind im Einklang mit dem Formalismus, wie beispielsweise durch M.Herzbergerin „Handbuch der Physik", McGraw-Hill, 1967, S. 6-42 vorgestellt. Die Behandlung des Achromatismus von Herzberger unterscheidet sich leicht von der üblicher verwendeten Theorie, wie sie beispielswiese in J. Strong loc. cit. S. 319 oder M. Born, „Optik", Springer-Verlag 1972 S. 82 vorgestellt ist. Außerdem muß festgestellt werden, daß die folgende Beschreibung der achromatisierten doppelbrechenden optischen Systeme hierin erfordert, daß die einzelnen Glieder zueinander „benachbart" sind, wie dieser Ausdruck oben definiert ist, aber nicht wie die oben beschriebenen nichtachromatisierten optischen Systeme, d.h. die Fig. 1,3 A, 3 B und 4 bis 9, brauchen sie nicht zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen mit identischer oder komplementärer Wölbung zu besitzen.

Ein optisches System, das ein doppelbrechendes Linsenglied und mindestens ein isotropes Linsenglied umfaßt, entweder mit perfekter oder nicht perfekter Geometrie, ist in beiden vorgewählten optischen Wirkungen achromatisch, wenn die folgenden Gleichungssätze gelöst werden können (diskutiert ist der allgemeinere Fall eines doppelbrechenden und zweier isotroper einzelner Linsen), wobei dieser Fall die Ausführungsform mit perfekter Geometrie enthält:

Di,bi + D_2o,_b| + D₃,_b| = D₃,_bi (31 a)

Dv + D_2o,_r + D₃,_r = D_a,_r (31 b)

Di,bi + D_2e,_b| + D₃,_b| = D_b,bi ' (31 c)

D₁,r + D_2e,r + D₃,_r = Db,r (31 d)

mit den Bedingungen:

D,,bi = D_a,_r = D_a und (32)

Db.bi = D_b,_r = D_b. (33)

In den Gleichungssätzen (31) bis (33) bezieht sich Di,_Di auf die optische Wirkung der isotropen Linse „1" für blaues („bl") Licht, D_2o,bi auf die optische Wirkung der doppelbrechenden Linse „2" für die o-Strahlen und für blaues („bl") Licht, D₃,, auf die optische Wirkung der isotropen Linse 3 für rotes („r") Licht und so weiter.

Es wird bemerkt, daß die Zahlen „bl" und „r" nur bedeuten, daß sie sich auf zwei verschiedene Wellenlängen beziehen, und daß die Beschreibung, welche nachfolgt, sich nicht auf zwei bestimmte Wellenlängen entsprechend blauem oder rotem Licht beschränkt.

Es wird nun und im folgenden von derTatsache Gebrauch gemacht, daß der Formfaktor S einer Linse, s. oben, bis zu einer dichten Näherung gegeben ist durch:

wobei D die optische Wirkung einer Linse ist und η die Brechzahl ist, die zu dieser optischen Wirkung gehört. Wegen der Einfachheit wird der n—1 von nun an n' genannt, d.h. n' = η - 1.

Beispielsweise sind deshalb die optischen Wirkungen D_3b| und D_3r durch den Ausdruck

D₃,r = D₃,bi x -~-η ₃,bi

miteinander verbunden.

Wenn das optische System der Gleichung (31) in beiden optischen Wirkungen achromatisch sein muß, muß die folgende Bedingung befriedigt sein:

D2o,bi — D_2e,bi = D_20-I- — D_2e,_r, (35)

das führt zu der Beschränkung

ⁿ2o,bl ~ ⁿ2e,bl = Π₂ο,γ — n_2er. (36)

Die Differenz zwischen der Brechzahl für e- und für o-Wellenwird als die Doppelbrechung des Mediums bezeichnet. Folglich kann ein optisches System mit einem doppelbrechenden Linsenglied und mindestens einem isotropen Linsenglied achromatisch hergestellt sein, und zwar bei beiden vorgewählten optischen Wirkungen für Ausführungsformen sowohl mit nicht perfekter als auch mit perfekter Geometrie, wenn die Doppelbrechung des doppelbrechenden Linsengliedes bei zwei Targetwellenlängen identisch ist, beispielsweise „bl" und „r", wie oben angegeben.

Ein zur Erzeugung von zwei vorgewählten optischen Wirkungen geeignetes optisches System mit einer doppelbrechenden Linse und zwei isotropen Linsen kann im allgemeinen bei einer der beiden vorgewählten optischen Wirkungen achromatisch sein. Beispielsweise wird ein optisches System beschrieben, bei dem die optische Wirkung, die den e-Strahlen entspricht, achromatisch ist. Dann müssen die folgenden Gleichungssätze lösbar sein:

Di,bi + D_2e,_b| + D₃,bi = D_a._bi Di,r + D_2e,_r + D₃,_r = D_a,_r Di ,bi + D_2o,bi + D₃,_b| = D_b,bi.

Im Hinblick auf die Gleichungen (9') und (34) werden diese Gleichungssätze transformiert in:

,(37 a) (37 b) (37 c)

n¹.

n¹

2o, bl 2o, bl

n'.

2 α , r

, , n'_f) , . 1 ,bl ,Io, υ Χ

^3J2o,bl

3,bl

a,bl

α, r

b,bl

(38)

Außerdem muß für eine achromatische Linse die Bedingung D_a,bi = D_a,_r

(39)

gültig sein. D_a,_b| und D_a,_r können ebenso bestimmte vorgewählte verschiedene Werte sein, wenn die Linse eine bestimmte chromatische Aberration bei dieser optischen Wirkung aufweisen sollte.

Gleichung (38) kann im allgemeinen resultierend aus der genauen Beschreibung von Di,bi, D_2o,bi und D_3fb! und im Hinblick auf

Gleichung (34) aller anderen optischen Wirkungen gelöst werden.

Bei einer bestimmten optischen Wirkung einer Linse verbleibt ein Freiheitsgrad für die Geometrie der Linse. Folglich weisen drei Linsen, die Kontakt miteinander haben, drei solche Freiheitsgrade auf, zwei Linsen, die zusammengesetzt sind (d. h. an einer gemeinsamen Oberfläche teilhaben) und mit einer dritten Linse Kontakt haben, weisen zwei Freiheitsgrade auf, und.drei zusammengesetzte Linsen weisen indes einen Freiheitsgrad für die Geometrie eines solchen optischen Systems auf.

Wenn es erwünscht ist, daß das optische System der Gleichung (38) sowohl in einer der vorgewählten optischen Wirkungen Achromasie als auch eine perfekte Geometrie aufweist, kann dies auf verschiedenen Wegen wie folgt erreicht werden:

(1) Das doppelbrechende Linsenglied kann vorn positioniert sein, so daß Licht zuerst darauf trifft, und die erste Oberfläche der doppelbrechenden Linse ist plan.

(2) Die Geometrie des optischen Systems kann durch die Bedingung

D₁ = -D_2e,_fs

(40)

eingeschränkt sein, wobei D_2eif_S die Oberflächenwirkung der ersten Oberfläche der doppelbrechenden Linse, die an die erste isotrope Linse grenzt, und D₁ die optische Wirkung der ersten Linse ist und sowohl Di als auch D_2e,f_S mit einer beliebigen sichtbaren Wellenlänge korrespondieren.

(3) Wenn die beiden isotropen Linsenglieder vor dem doppelbrechenden Linsenverbund positioniert sind, muß die Bedingung D₁ + D₃ = -D₂.,,. (41)

befriedigt sein, wobei D₃ die optische Wirkung der verbleibenden isotropen Linse ist.

Genau genommen wird nur eine Geometrie gemäß (1) eine Art perfekter Geometrie sowohl für „bl" als auch „r" Wellenlängen sein, und (2) und (3) erzeugen perfekte Geometrien für die Wellenlänge, die nur in den Gleichungen (40) und (41) ausgewählt wird. Aber infolge der üblicherweise bescheidenen Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahlen der isotropen und .

doppelbrechenden Medien resultieren die Beschränkungen (2) und (3) in Geometrien, weiche im wesentlichen perfekt sind.

Nachfolgend werden achromatisierende doppelbrechende optische Systeme bei zwei ausgewählten optischen Wirkungen

beschrieben.

In dem Fall eines optischen Systems, in dem zwei gekreuzte doppelbrechende Linsenglieder untergebracht sind, jedoch kein

isotropes Linsenglied, muß der folgende Gleichungssatz lösbar sein: D_1o,bi + D_2e,_bi = D„,_b|

D,o.r+D_2e,_r=D_a,_r '

Die,bi + D_2o,bi = D_b(b|

Die,r + D_2o,r=D_b,_r mit den achromatischen Bedingungen:

D_a,bi - D_a,_r = D_b,_b| - D_b,r = 0

Die Gleichungen (42) und (43) können gelöst werden, vorausgesetzt die folgende Bedingung ist gültig:

("ΐο,Γ - riie.r) — (r)2o,r — n_2e,_r) = (n_i0/b| - Πι,^ι) - (n_2o,bi — n_2e,bi).

(42 a) (42 b) (42 c) (42 d)

Folglich muß die Differenz zwischen den Doppelbrechungen der beiden Linsen für die beiden betrachteten Wellenlängen gleich sein. Dies wiederum läuft auf eine Beschränkung auf die doppelbrechenden Medien hinaus.

Schließlich wird ein optisches System mit zwei eingebauten gekreuzten doppelbrechenden Linsengliedern und zwei isotropen Linsengliedern beschrieben. Wenn ein solches System bei beiden vorgewählten optischen Wirkungen achromatisch sein soll, muß der folgende Gleichungssatz lösbar sein:

Di,_bi + D_2o,_bi + D_3e,bi + D„,_b| = D_a,_b| Di,r + D_2o,r + D_3e,_r + D₄,_r = D_a,_r

Di.bi + D_2e,_b| + D₃c_bi + D„,bi = D_b,_b| Di,r+D_2e,_r + D_3o,_r-t-D₄,_r= D,,_r, welcher transformiert wird in

(45 a) (45 b) (45c) (45 d)

n¹

3e,bl

n'

3o,bl

1,χ 2o_?r 3o.r

n¹

^h':

:2o,bl

^{1 nI}2o,bl

2o, bl

ⁿ'3o,bl ⁿ'4,bl

2g, r

^nt

2o,bl

n¹

n¹

3o.,bl

^D2o,bl

3o,bl

4,bl

a,bl

n,r

'b,bl

(46)

Wenn die beiden vorgewählten optischen Wirkungen achromatisch sein müssen, muß auch die Gleichung (43) gültig sein.

Die Gleichung (46) kann im allgemeinen gelöst werden, jedoch nur für den Fall von zwei verschiedenen doppelbrechenden Medien.

Wie oben bereits erklärt, ist ein Freiheitsgrad für die Geometrie einer Linse mit einer bestimmten optischen Wirkung vorhanden.

Wenn die vier Linsen der Gleichung (46) im Kontakt, aber nicht im Verbund sind, gibt es höchstens vier Freiheitsgrade für Konstruktionszwecke. Diese Freiheitsgrade können verwendet werden, um optische Systeme mit perfekter Geometrie zu erzeugen.

Wenn es beispielsweise erwünscht ist, abzusichern, daß alle e-Strahlen sich in rechten Winkeln mit der optischen Achse in dem ersten doppelbrechenden Linsenglied befinden, muß dieses Linsenglied hinter einem isotropen Linsenglied positioniert sein, wobei das isotrope Linsenglied eine optische Wirkung Di aufweist, welche die Bedingung

D₁ =-D₂.* . (47)

befriedigt, wobei D_2e,f_S die optische Wirkung der vorderen Oberfläche des ersten doppelbrechenden Linsengliedes für eine sichtbare Wellenlänge ist.

Wenn sowohl die e-Strahlen in dem ersten doppelbrechenden Linsenglied als auch die e-Strahlen in dem zweiten doppelbrechenden Linsenglied senkrecht zu den entsprechenden optischen Achsen verlaufen, dann müssen die vorderen Oberflächen der beiden doppelbrechenden Linsenglieder so gekennzeichnet sein, daß außer der Gleichung (47) auch die Bedingung

Di + D_2o=-D₃.,fs (48)

befriedigt sein muß. D_3/fs ist die optische Wirkung der vorderen Oberfläche der zweiten doppelbrechenden Linse für e-Strahlen und für eine sichtbare Wellenlänge. Da nur zwei Freiheitsgrade erforderlich sind, um die Gleichungen (47) und (48) zu befriedigen und da vier Freiheitsgrade verfügbar sind, kann ein optisches System in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zur Verfugung stehen, welches zwei unabhängig vorgewählte achromatische optische Wirkungen aufweist und auch für beide Linsenglieder perfekte Geometrien aufweist.

Es muß festgestellt werden, daß für Linsenglieder hoher Doppelbrechung die Abhängigkeit der Brechzahl für die e-Strahlen von der Richtung der e-Strahlen in der doppelbrechenden Linse wichtiger sein kann als die Abhängigkeit der genannten Brechzahl von der Wellenlänge. Folglich können Ausführungsformen mit perfekter Geometrie für die Konstruktion achromatisierter multifokaler doppelbrechender optischer Systeme besonders wichtig sein.

Wenn die beiden doppelbrechenden Linsenglieder nicht gekreuzt sind, d. h. wenn der Winkel zwischen den beiden optischen Achsen anders ist als 90° oder 0°, weist dieses Linsensystem, wie oben allgemein dargestellt, vier optische Wirkungen auf. Da die o-Strahlen in einer doppelbrechenden Linse mit ordentlichen Lichtstrahlen in einer isotropen Linse gleichzustellen sind, läßt sich das Konzept der perfekten Geometrie nicht für die o-Strahlen anwenden. Deshalb ist die zu den o-Strahlen gehörende optische Wirkung sowohl der ersten als auch der zweiten doppelbrechenden Linse unabhängig davon achromatisiert, ob das optische System die Beschränkung der perfekten Geometrie für die e-Strahlen befriedigt oder nicht. Folglich befriedigen die optischen Wirkungen, die den o- und e-Strahlen, den o- und e-Strahlen und den e- und o-Strahlen in der ersten bzw. zweiten doppelbrechenden Linse zugehörig sind, die strengen achiOmatischen und/oder Beschränkungen der perfekten Geometrie; nur die Kombination der optischen Wirkung dere-Strahlen in der ersten und dere-Strahlen in der zweiten doppelbrechenden Linse ist nicht einer Ausführungsform mit perfekter Geometrie zugehörig. Da den vorgewählten Werten, wie oben angeführt, drei der vier resultierenden optischen Wirkungen zugeschrieben werden können, ist es vorteilhaft, die o—o-, die o—e- und die e—o-Wirkungen vorzuwählen.

Bei allen vorangegangenen Betrachtungen wurde angenommen, daß das einfallende Licht aus parallelen Lichtstrahlen besteht. Wenn irgendeines der diskutierten optischen Systeme mit Licht von Nicht-Null-Vergenz verwendet werden soll, kann eine Sammellinse, die das Nicht-Null-Vergenzlicht umkehrt in Null-Vergenz-Licht, vor dem optischen System positioniert werden. Diese Sammellinse selbst kann ein bekannter oder herkömmlicher Achromat sein. Die Berechnung der dann verfügbaren vorwählbaren optischen Wirkungen des Systems mit einem oder mehr eingebauten zusätzlichen isotropen Linsengliedern kann auf der Basis der beschriebenen Ergebnisse für einfallendes paralleles Licht nach den Standardverfahren der Optik ausgeführt werden. Es ist tatsächlich im allgemeinen möglich, irgendeine Zahl j > 2 der nachfolgenden isotropen Linsenglieder durch zwei isotrope Linsenglieder mit den optischen Wirkungen D_x und D_y zu ersetzen, d. h.

D,,_b| + D₂,bi + ... Dj,_b, = D_x,bi + D_y,bi (49a)

Di,r + D₂,, + ... Dj,_r = D_x,_r + D_y,_r (49b)

können nach D_x und D_Y aufgelöst werden.

Aus dem Vorangegangenen geht offensichtlich hervor, daß sowohl die Hinzufügung polarisierender Mittel als auch das Vorsehen eines Freiheitsgrades für die Drehung der doppelbrechenden Linsenglieder und solcher polarisierender Mittel um die Linsenachse die optischen Systeme der vorliegenden Erfindung in achromatische Linsensysteme mit veränderlicher optischer Wirkung umwandelt.

Alle vorgelegten Betrachtungen für nichtachromatisierte Linsen und Linsensysteme, wie oben dargelegt, lassen sich auch auf achromatisierte Linsen und Linsensysteme anwenden.

Die Kombinationen der vorliegenden optischen Systeme, entweder achromatisiert oder nichtachromatisiert, schaffen leistungsfähige optische Einrichtungen und Geräte. Da die Summe der Achromate auch achromatisch ist, sind Einrichtungen mit veränderlicher optischer Wirkung dazu geeignet, achromatische Einzel- oder Mehrfachwirkungen zu schaffen, faJls achromatische optische Systeme verwendet werden in Kombination mit anderen achromatischen optischen Systemen. Durch eine ganz bestimmte Drehung der polarisierenden Mittel und/oder durch die Drehung doppelbrechender Linsenglieder oder optischer Systeme können verschiedene optische Wirkungen ausgewählt werden.

Außerdem können zwei oder mehr doppelbrechende optische Systeme, entweder achromatisiert oder nichtachromatisiert, in einem System kombiniert werden, in welchem ein oder mehrere der Linsensysteme auch einen Freiheitsgrad für die Translation entlang der Achse des Linsensystems aufweisen. Ein solches kombiniertes System kann als eine Einrichtung mit veränderlicher optischer Wirkung verwendet werden, wie es aus der normalen Optik bekannt ist. Zusätzliche Freiheitsgrade für die Drehung der doppelbrechenden Linsenglieder und/oder polarisierenden Mittel können zusätzliche Freiheitsgrade für die Auswahl der erwünschten optischen Wirkungen hinzufügen.

Diese Bemerkungen sollen nur als ein Kennzeichen des sehr großen Gebietes möglicher Anwendungen der optischen Systeme nach der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Solche Anwendungen schließen beispielsweise Kameras, Teleskope, Mikroskope, Fotokopierer, optische Banken, optische Einrichtungen für Roboter usw. ein.

Obwohl die erklärenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben sind, sollte es verständlich sein, daß die Erfindung nicht auf diese bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, und daß verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vom Fachmann auf diesem Gebiet vorgenommen werden können, ohne daß dabei vom Geltungsbereich oder Geist der Erfindung abgewichen wird.

Claims (11)

1. Multifokales nichtachromatisiertes doppelbrechendes optisches System, gekennzeichnet durch

a) ein erstes Linsenglied, welches ein doppelbrechendes Linsenglied ist, und

b) ein zweites, an das genannte erste Linsenglied angrenzendes Linsenglied, wobei die Wölbungen der gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Linsenglieder im wesentlichen identisch oder komplementär sind, wobei das genannte zweite Linsenglied

(i) ein doppelbrechendes Linsenglied ist, das eine optische Achse besitzt, deren Orientierung von derjenigen der optischen Achse des doppelbrechenden Linsengliedes (a) abweicht, oder (ii) ein doppelbrechendes Linsenglied, worin beide Brechzahlen von denjenigen des doppelbrechenden Linsengliedes (a) verschieden sind, oder (iii) ein doppelbrechendes Linsenglied, in welchem die Brechzahl für die ordentlichen Lichtwellen die gleiche ist wie diejenige für das doppelbrechende Linsenglied (a), aber wobei die Brechzahl für . die außerordentlichen Lichtwellen von derjenigen für das doppelbrechende Linsenglied (a) abweicht, oder

(iv) ein doppelbrechendes Linsenglied, unter der Voraussetzung, daß für Licht, welches parallel mit der Linsenachse einfällt, das genannte optische System gleichzeitig mindestens zwei Brennpunkte besitzt, die beide in einer beliebigen positiven oder negativen Brennweite auf der Achse des optischen Systems positioniert sind, und weiter unter der Voraussetzung, daß irgendeiner Oberfläche entweder des ersten oder des zweiten Linsengliedes eine Wölbung unabhängig von den genannten vorgewählten Brennpunkten gegeben ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine perfekte Geometrie.

3. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nichtperfekte Geometrie.

4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es keinen unerwünschten Brennpunkt oder Brennpunkte aufweist.

5. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der doppelbrechenden Linsenglieder, die darin verwertet werden, aus einem doppelbrechenden Polymermaterial hergestellt sind.

6. Optisches System nach Anspruch 4, das als Augenlinse verwendet wird.

7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Augenlinse eine Kontaktlinse ist.

8. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Linsenglied (a) mit mindestens einem anderen doppelbrechenden Linsenglied (b), (i), (ii), (iii) und/oder (iv) kombiniert ist.

9. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Linsenglied (a) mit mindestens einem isotropen Linsenglied (b) (v) kombiniert ist.

10. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das weiterhin mindestens ein Polarisatormittel anstelle einer doppeibrechenden Linse und/oder mindestens ein polarisierendes Filter umfaßt.

11. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches optisches System in optischen Einrichtungen, Geräten oder Vorrichtungen verwendet wird.