DE102008064512A1

DE102008064512A1 - Optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses oder einer Brechkraft

Info

Publication number: DE102008064512A1
Application number: DE102008064512A
Authority: DE
Inventors: Tatiana Maiorova
Original assignee: Maiorova Tatiana Dmitrov
Current assignee: Future Optics GbR
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Vorgestellt wird eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit mindestens einer optischen Achse, mit mindestens zwei in den optischen Strahlengang einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen, die jeweils eine Brechkraft und eine optische Achse aufweisen und deren optische Achsen jeweils mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung gebracht werden können oder mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung sind, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahlengang zwischen den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen mindestens eine Änderung der Richtung und/oder der Vergenz erfährt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Optische Anordnungen und Vorrichtungen zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses oder einer Brechkraft sind seit langem bekannt. So werden die varifokalen Linsen bereits seit der ersten Hälfte des 19-ten Jahrhunderts in den Proceedings of the Royal Academy erwähnt. Dagegen wurde eine erste optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses mit einem stationären Bild 1902 zum Patent angemeldet ( US 696,788 ). Eine Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses in diskreten Schritten in Form einer Trommel mit verschiedenen Paaren an optischen Elementen mit einer Brechkraft geht ebenfalls mindestens auf die erste Hälfte des 20-ten Jahrhunderts zurück (z. B.: DT 1 284 117 , in der weitere Zwischenschritte beim Ändern eines Abbildungsverhältnisses thematisiert werden).
Versuche Brechkraft zu schalten haben ebenfalls vor vielen Jahren stattgefunden ( GB 1 318 042 und DT 2 320 626 ), ohne dass sie Eingang in den kommerziellen Bereich gefunden hätten.
In den letzten Jahrzehnten sind große Fortschritte bei der Korrektur der optischen Fehler bei optischen Anordnungen zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses erzielt worden, so dass zumindest bei einem kleinen Durchstimmbereich eines solchen Abbildungsverhältnisses die optische Qualität akzeptabel ist. Auch wurde die Wirtschaftlichkeit der Anordnungen durch Verwendung von z. T. gleichen Komponenten verbessert, s. US 6,853,494 B2 . Die Handhabung der varifokalen Linsen wurde durch Autofokus einfacher. Lediglich die optischen Anordnungen zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses oder einer Brechkraft in diskreten Schritten haben sich kaum verändert. So entnimmt man z. B. EP 1 969 995 A1 oder der Broschüre „Augenuntersuchungen mit der Spaltlampe” der Ophthalmologischen Geräte von Carl Zeiss mit der DS-Nr.: 000000-1152-354 (http://www.zeiss.de/88256DE40004A9B4/0/840D17B8342A2D3B882571D8007D923A/$file/spaltlampen_augenunters_de.pdf), dass außer Korrektur optischer Fehler in den letzten mehr als 50 Jahren hier nichts passiert ist.
Im Wesentlichen blieben diese Anordnungen weiterhin unhandlich und insgesamt unbefriedigend. Zwar kann eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten nach Stand der Technik (1) einen großen Dynamikbereich in dem Abbildungsverhältnis (großes Verhältnis Maximal- zu Minimalabbildungsverhältnis) aufweisen, wobei optimale optische Qualität über den gesamten Dynamikbereich praktisch gleich bleibend sein kann. Dabei ist der Entwicklungsaufwand einer solchen Anordnung eher gering. Doch es gibt viele große Nachteile. Nur wenige diskrete Abbildungsverhältnisse sind möglich, keine Zwischenwerte. Da die Rotationsachse der Anordnung den optischen Strahlengang schneidet, sind aufwendige mechanische Lösungen notwendig. Dies ist ein Grund mit, warm die Anordnung unzumutbar groß, voluminös, lang, schwer und langsam ist. Sie hat wegen großer Hebel große Momente beim Bewegen (Rotation der Anordnung) und somit hohe Trägheit und es treten Probleme beim Stabilisieren in der Endstellung auf. Sie verbraucht viel Energie, wenn sie bewegt wird. Das Abbildungsverhältnis entspricht selten exakt dem Wunsch des Anwenders. Durch die hohe Trägheit und die großen Momente der Anordnung muss die Vorrichtung, die die Anordnung enthält, besonders robust und stabil ausgeführt werden. Daher ist nicht nur die Anordnung selbst groß, sie macht die sie aufnehmende Vorrichtung zusätzlich größer und schwerer. Verwendung findet eine solche Anordnung meist in den low-end Mikroskopen und anderen stationären optischen Beobachtungsvorrichtungen. Wegen der Größe, dem Gewicht, dem Energieverbrauch und der Langsamkeit ist eine Verwendung im Comsumer-Bereich, also z. B. Kamera-Handys, Kameras, Camcorder, usw. ausgeschlossen.
Auf der anderen Seite bietet eine gebräuchliche optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses eine stufenlose Verstimmung durch eine Translationsbewegung einer oder mehrerer Komponenten und es ist keine Rotationsbewegung der Anordnung nötig. Die Nachteile sind jedoch gravierend: optische Eigenschaften, z. B. optische Fehler ändern sich mit dem Abbildungsverhältnis, es ist ein hoher Entwicklungsaufwand notwendig, es werden viele z. T. bewegte Linsen benötigt. Die Anordnung ist schwer zu justieren, deren Ansteuerung ist kompliziert. Die Bewegungen der Linsen müssen kodiert werden, da sie höchst nichtlinear zu erfolgen haben. Es werden hohe Anforderungen an die bewegte Mechanik gestellt. Die Anordnung ist langsam, insbesondere bei großen Änderungen im Abbildungsverhältnis. Sie ist schwer, hat einen hohen Verschleiß und es tritt z. T. Hysteresis auf. Optische Fehler bei größerer Dynamik sind nicht akzeptabel, es treten große chromatische Aberrationen und Verzeichnungen (Bildfeldwölbung) auf. Ein weiterer Nachteil ist die durch größere minimale Blendenzahlen und viele zusätzliche Oberflächen ausgeprägte Lichtschwache. Der Energieverbrauch beim vollen Ausnutzen der Dynamik ist ebenfalls sehr groß. Im Falle der Verwendung in Fotokameras, bieten die gegen das Gehäuse bewegten Teile dem Staub, anderen Kleinstpartikeln und Flüssigkeiten eine Möglichkeit in das Gehäuse einzudringen. Die Anordnung ist außerdem teuer, was sowohl an den hohen Entwicklungs- als auch den Komponenten- und Herstellungskosten liegt. Diese Anordnung findet sowohl im Consumer- als auch im professionellen Bereich zwar schon seit Jahrzehnten aber nur mehr oder weniger zögerlich Verwendung. Das Angebot ist meist nur ein schlechter Kompromiss aus Preis, Qualität und Handhabung.
Der neuliche Versuch mit Linsen variabler Brechkraft eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses mit einem kleinen Dynamikbereich und ohne bewegte Teile aufzubauen (Sensors, Cameras, and Systems for Scientific/Industrial Applications VIII. Edited by Blouke, Morley M.. Proceedings of the SPIE, Volume 6501, pp. 650109 (2007)), kann einerseits als gescheitert, anderseits aber als Ausgangspunkt für andere Lösungen betrachtet werden. Gescheitert ist der Versuch, weil eine an sich kontinuierliche Anordnung wegen sehr starken chromatischen Aberrationen nur im Schaltbetrieb mit nur zwei Stellungen (1× und 2,5×) betrieben wird, dazu mit vier Linsen variabler Brechkraft, wo prinzipiell eigentlich nur zwei gebraucht werden. Das Ergebnis kann auf http://www.youtube.com/watch?v=cZLqY1tselM betrachtet werden. Sowohl das Zeitverhalten, als auch die optische Qualität und die Anzahl der verschiedenen Abbildungsverhältnisse sind nicht das, was man sich wünscht. Die Autoren schlagen selbst vor, die verschiedenen Farben nacheinander aufzunehmen, um der chromatischen Fehler Herr zu werden. Dies ist kein guter Vorschlag für ein Mikroskop, Kopflupe oder ein anderes Beobachtungsgerät, mit dem man nicht mit einem Kamerachip Bilder aufnimmt, sondern direkt mit dem Auge betrachtet. Auch die Länge der Anordnung ist mit 29 mm z. B. für eine Handykamera nicht geeignet.
Es steht also fest, dass wenige einzelne Forderungen des Marktes durch die o. a. Anordnungen aus dem Stand der Technik erfüllt sind, dagegen füllen die Nachteile bei allen Lösungen ganze Listen.
Dabei rufen viele Comsumer-Geräte nahezu nach neuen Lösungen zum Einstellen eines Abbildungsverhältnisses, so Kamera-Handys, Kameras, Camcorder, Webcams, Ferngläser. Aber auch der professionelle Bereich mit gleichen Geräten und außerdem mit Fernrohren, Mikroskopen, Stereomikroskopen, Mikroskopen für medizinische Eingriffe, kopfgetragenen Lupen und Mikroskopen, ebenfalls für medizinische Eingriffe sowie für Feinarbeiten, Endoskopen, Barcode-Readern, Bioscannern usw. ist mit vorhandenen Lösungen nicht wirklich zufrieden.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine optische Anordnung zum Ändern des Abbildungsverhältnisses und/oder der Brechkraft zu finden, die preiswert, schnell, kompakt, kurz, ev. flächig, mit großem Dynamikbereich bei hoher optischer Qualität im gesamten oder nahezu gesamten Nutzbereich, ev. kontinuierlich oder zumindest quasi kontinuierlich, einfach zu entwickeln, einfach aufzubauen und zu justieren und einfach anzusteuern ist und die geringe Momente, falls bewegt und einen geringen Energiebedarf hat. Eine solche Lösung wird nachfolgend stufenweise vorgestellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine geschickte Änderung der Richtung oder der Vergenz des optischen Strahlenganges zwischen den die optische Anordnung zum Ändern des Abbildungsverhältnisses und/oder der Brechkraft bildenden, einschwenkbaren optischen Elementen und/oder eine Kombination der beiden Lösungen, wie unter Anspruch 1 dargelegt, gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausführungen der Erfindung auf.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sogar die kleinen Handykameras mit der Einstellmöglichkeit für unterschiedliche Abbildungsverhältnisse auszurüsten und zwar sowohl diskret als auch quasi kontinuierlich und dazu mit großem Dynamikbereich.
Der Begriff der Brechkraft wird im Folgenden im Sinne des englischen Ausdrucks „optical power” benutzt und findet Anwendung nicht nur bei brechenden optischen Elementen, z. B. Linsen, sondern bei jeder Art der optischen Transformation, z. B. auch bei reflektierenden und beugenden optischen Elementen wie z. B. Spiegeln und diffraktiven optischen Elementen (DOEs).
Zum Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten gewählt. Diese Anordnung soll eine optische Achse aufweisen, entlang der sich das Licht durch die Anordnung ausbreitet. Diese Anordnung soll ebenfalls mindestens zwei optische Elemente umfassen, die in den optischen Strahlengang einschwenkbar und/oder einschiebbar und/oder umschwenkbar und/oder einschaltbar und/oder umschaltbar sind. Die Begriffe einschwenkbar und einschiebbar werden im Folgenden unter „einschwenkbar” zusammengefasst. Diese optischen Elemente sollen jeweils eine Brechkraft aufweisen, die auch Null sein kann. Der Fall Brechkraft gleich Null kann durch ein reales optisches Element, z. B. eine planparallele Glasplatte, oder aber auch durch einen Platzhalter realisiert werden. Jedes der optischen Elemente soll auch eine optische Achse aufweisen. Diese optische Achse soll entweder mit der optischen Achse der Anordnung im We sentlichen in Deckung gebracht werden können oder mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung sein. Vorzugsweise sind die optischen Elemente paarweise mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung oder sie können paarweise mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung gebracht werden. Diese optischen Elemente können eine refraktive und/oder eine diffraktive und/oder eine reflektive optische Wirkung zeigen. Diese einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente sind vorzugsweise Linsen, können aber auch andere optische Elemente, die eine Brechkraft aufweisen, sein, z. B. Spiegel, DOEs (Diffraktives Optisches Element), Prismen, verspiegelte Prismen oder Kombinationen davon. Noch liest sich die Beschreibung auch auf die Anordnung aus der 1. Eins der größten Probleme dieser Anordnung ist deren geometrische Größe und die großen Momente. Ein Weg dieses Problem anzugehen, ist den optischen Strahlengang zusammen zu legen, so dass diese geometrische Größe schrumpft. Dies kann durch Verwendung von Spiegeln geschehen, aber auch durch andere optische Elemente mit umlenkender Wirkung, wie z. B. Prismen, verspiegelte Prismen, DOEs, Wellenleiter usw. Erfindungsgemäß erfolgt der Einsatz dieser umlenkenden Elemente im optischen Strahlengang zwischen den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen.
Eine weitere Möglichkeit, den Stand der Technik weiter zu entwickeln, ist die Anordnung eines Vergenz änderndes Elementes zwischen den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen. Dabei kann dieses Vergenz-ändernde Element beweglich oder auch stationär sein. Gleiches trifft für das richtungsändernde (umlenkende) Element zu. Die Vergenzänderung soll durch mindestens eine Linse und/oder einen Spiegel und/oder ein Prisma und/oder einen Wellenleiter und/oder ein DOE und/oder ein anderes optisches Element mit Vergenz ändernden optischen Eigenschaften realisiert werden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft kein Zwischenbild auf. In speziellen Situationen, die weiter hinten dargelegt werden, in den die Verwendung eines Zwischenbildes aber geboten ist, ist die Verwendung einer Anordnung mit Zwischenbild auch möglich.
Der Fall ohne Zwischenbild wird gewöhnlich durch die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente, insbesondere Linsen, mit paarweise Brechkräften mit unterschiedlichen Vorzeichen oder paarweise Brechkräften Null realisiert.
Der Fall mit Zwischenbild wird gewöhnlich durch die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente, insbesondere Linsen, mit paarweise Brechkräften mit gleichen, insbesondere positiven, Vorzeichen oder paarweise Brechkräften Null realisiert. Bei Verwendung der Anordnung mit Zwischenbild ist darauf zu achten, dass das Zwischenbild nicht in die Nähe der umlenkenden Elemente fällt oder diese umlenkenden Elemente sollen von sehr guten optischer Qualität sein. Denn in der Zwischenbildnähe werden Staub oder schlechte Oberflächenqualität sehr gut abgebildet, was sich negativ in der Abbildungsqualität der Gesamtanordnung bemerkbar macht.
Die mechanische Anordnung der mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente geschieht vorzugsweise auf dem selben Träger. Je nach Gesamtanzahl der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente ist der Träger ein Steg, ein Kreuz oder eine sternförmige mechanische Anordnung. In machen Fällen kann der Träger ein Kreis oder ein Ring oder eine Trommel sein. Es sind aber auch andere Lösungen denkbar.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente um eine Achse rotierbar angeordnet. Sie können aber auch auf einer Linie angeordnet sein und linear verschiebbar sein. Sie können auch kipp- oder schwenkbar angeordnet sein.
Ein weiteres mögliches Merkmal der Erfindung ist, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente paarweise respektive eingeschwenkt, umgeschwenkt, eingeschaltet oder umgeschaltet werden. Die paarweise einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente weisen vorzugsweise jeweils paarweise ein definiertes Abbildungsverhältnis oder eine definierte Brechkraft auf.
Zum Realisieren eines großen Dynamikbereiches eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft können auch mindestens eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft kombiniert werden, so dass die bereits erwähnten Eigenschaften in der kombinierten Anordnung erscheinen.
Besonders elegant und kompakt erscheint in diesem Zusammenhang eine Kombination mit mindestens einem optischen Element variabler Brechkraft auf der Seite der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft. Dieses Element kann innerhalb der anderen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten positioniert sein, aber auch außerhalb, wenn es den Strahlengang innerhalb der Anordnung beeinflusst und/oder umgekehrt die Anordnung den Strahlengang am Ort des optischen Elements variabler Brechkraft beeinflusst. Dabei wird vorzugsweise jedem Element eines sich im Strahlengang befindenden Paares aus den mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen mindestens ein optisches Element variabler Brechkraft zugeordnet. Weiter befindet sich vorzugsweise mindestens ein optisches Element variabler Brechkraft vor oder hinter dem jeweiligen einen der mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente, die sich im optischen Strahlengang befinden, wobei das optische Element variabler Brechkraft und das einschwenkbare optische Element nicht direkt benachbart sein müssen. Bevorzugt wird als das optische Element variabler Brechkraft eine Linse variabler Brechkraft verwendet. Diese Linse variabler Brechkraft kann eine Flüssigkeit und/oder ein Gel und/oder flüssige Kristalle und/oder Polymere und/oder elektoaktive Polymere und/oder zwei Flüssigkeiten enthalten und/oder unter der Benutzung des elekrowetting Effektes angesteuert werden. Solche Linsen sind hinlänglich bekannt. Beispiele dieser Linsen findet man in EP 1019738 oder US 2005/0113912 , deren Offenbarungsgehalt hiermit vollumfänglich übernommen wird. Statt einer Linse variabler Brechkraft kann aber auch ein Spiegel oder ein anderes optisches Element variabler Brechkraft Verwendung finden.
Bei einer Kombination mindestens einer optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und einer optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit optischen Elementen variabler Brechkraft wird man vorzugsweise den Verstimmungsbereich der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft so wählen, dass die Lücken zwischen den diskreten Abbildungsverhältnissen und/oder Brechkräften vollständig geschlossen werden. Um die Anforderungen an die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brech kraft möglichst gering zu halten, wird man vorzugsweise die diskreten Werte der Abbildungsverhältnisse und/oder der Brechkraft im gleichen Verhältnis zu einander wählen, so dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft optimal an alle Lücken angepasst ist. Damit wird der Korrekturaufwand für die optischen Fehler geringer. Dies ist auf alle Fälle ein Thema bei den optischen Elementen variabler Brechkraft, insbesondere Linsen variabler Brechkraft.
Bilden die optischen Elemente variabler Brechkraft selbst eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit einer Abbildungsverhältnisund/oder Brechkraftdynamik M („Verstimmungsbereich”), so kann man für den oben geschilderten Sachverhalt schreiben:
M > M_ij für alle M_ij > 1 und M > 1/M_ij für alle M_ij < 1, wobei V_i = M_ij·V_j und V_i, V_j die diskreten, aufeinander folgenden Abbildungsverhältnisse oder Brechkräfte der Anordnung sind.
Die Anforderungen an die optischen Elemente variabler Brechkraft werden vorzugsweise für eher gering gehalten, wenn eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit optischen Elementen variabler Brechkraft eine Abbildungsverhaltnisdynamik und/oder Brechkraftdynamik M im Bereich unter 2,5, bevorzugt unter 2,0, weiter bevorzugt unter 1,7 aufweist. Diese Angaben sind allerdings z. T. abhängig von der Anzahl der verwendeten Linsen variabler Brechkraft, deren Ansteuerung und deren gegenseitigen Abständen. Anderseits macht eine Abbildungsverhältnisdynamik oder Brechkraftdynamik M unter 1,1 kaum einen Sinn, in den meisten Anwendungen werden mindestens 1,2 bevorzugt, weiter bevorzugt wird M >= 1,3. Zusammen mit den Anforderungen an die optischen Elemente variabler Brechkraft ergibt sich ein Bereich für M zwischen 1,1 und 2,5, bevorzugt zwischen 1,2 und 2,0, weiter bevorzugt zwischen 1,3 und 1,7.
Vorzugsweise werden die optischen Elemente variabler Brechkraft so angesteuert, dass der Verstimmungsbereich oberhalb des maximalen und/oder unterhalb des minimalen diskreten Abbildungsverhältniswertes und/oder Brechkraftwertes der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten im Wesentlichen den halben kontinuierlichen Verstimmungsbereich der Anordnung aus den optischen Elementen variabler Brechkraft beträgt.
Bevorzugt werden beim Verstimmen des Abbildungsverhältnisses und/oder der Brechkraft min destens zwei optische Elemente variabler Brechkraft gegensinnig angesteuert werden, d. h. wenn die Brechkraft des einen Elementes erhöht wird, wird die Brechkraft des anderen Elementes verringert und umgekehrt. Dadurch lassen sich zumindest teilweise die optischen Fehler der optischen Elemente variabler Brechkraft, die bei deren Verstimmen auftreten, dynamisch korrigieren. Damit kann oft erreicht werden, dass zumindest ein optischer Fehler von mindestens zwei optischen Elementen variabler Brechkraft insgesamt kleiner ist als die Summe der einzelnen optischen Fehler der dazugehörigen optischen Elemente variabler Brechkraft. Des Weiteren kann oft auch erreicht werden, dass zumindest ein optischer Fehler von mindestens zwei optischen Elementen variabler Brechkraft insgesamt kleiner ist als jeder einzelne optische Fehler der dazugehörigen optischen Elemente variabler Brechkraft. Es wird also vorzugsweise einem optischen Design Vorzug gegeben, in dem die optischen Fehler der Elemente variabler Brechkraft durch deren paarweise Anordnen und/oder geeignetes Ansteuern zumindest teilweise korrigiert werden. Eine andere Möglichkeit, die optischen Fehler zu korrigieren, besteht darin, dass die verwendeten Materialien sinnvoll gewählt werden. Zum Einen kann man Materialien wählen, die an sich bereits möglichst keine oder nur kleine optischen Fehler verursachen, zum Anderen kann man Materialien wählen, die in deren Kombination möglichst keine oder nur kleine optischen Fehler verursachen. So wäre z. B. bei den Linsen variabler Brechkraft, die aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten bestehen, die Möglichkeit gegeben, diese beiden Flüssigkeiten so zu wählen, dass in der zweiten Flüssigkeit der optischen Fehler aus der ersten Flüssigkeit gerade aufgehoben oder zumindest verringert wird, siehe hierzu US 2007/146490 , deren Offenbarungsgehalt hiermit vollumfänglich übernommen wird. Bei Linsen variabler Brechkraft, die Flüssigkeiten verwenden, ist auch die Möglichkeit gegeben, Linsen mit drei und mehr Flüssigkeiten zu verwenden, von den mindestens zwei Flüssigkeiten verschieden sein müssen. Diese Linsen bilden zwei- und mehrfach Linsen, die noch bessere Korrekturmöglichkeiten bieten.
Normalerweise bedürfen nicht nur die optischen Elemente variabler Brechkraft oder allgemein die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft einer Korrektur der optischen Fehler. Auch andere optische Komponenten, insbesondere die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente, werden vorzugsweise korrigiert.
Der konventionelle und somit der einfachste Weg die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente zu korrigieren ist bereits jedes optische Element für sich zu korrigieren und dann ev. noch eine „über-Alles”-Korrektur anzubringen. Korrigiert man aber jedes optische Element für sich, bedeutet das zum Einen, dass die Korrekturglieder mit eingeschwenkt oder umgeschwenkt werden müssen, zum Anderen werden die gleichen Teile der Korrektur und damit der Korrekturglieder unnötigerweise bei allen Korrekturgliedern verwendet. Dies bedeutet einen unnötigen Materialmehraufwand, der sich in höherer Masse der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente und damit höheren Momenten niederschlägt, die für die Bewegung der Anordnung notwendig sind.
Daher wird bevorzugt, aber nicht zwingend, eine Basiskorrektur außerhalb der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im stationären Teil der die Anordnung enthaltenden Vorrichtung für die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente verwendet. Diese Basiskorrektur kann an einer Stelle aber auch an zwei und mehr Stellen angebracht werden. Diese Basiskorrektur ist allen einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elementen gemeinsam. Die restliche Korrektur findet dann bevorzugt innerhalb des beweglichen Teils der Anordnung vorzugsweise an den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elementen selbst statt.
Da die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente normalerweise unterschiedlich groß sind, kann es aus Gründen einer besseren Gewichtsverteilung und/oder einer Gewichtseinsparung sinnvoll sein, den Hauptteil der Korrektur oder die Gesamtkorrektur für die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente an den jeweils kleineren Komponenten anzubringen.
Die Korrektur zumindest eines der jeweiligen optischen Elemente erfolgt durch eine Kombination anderer optischer Elemente, so dass das resultierende optische Element jeweils bezüglich mindestens eines optischen Fehlers zumindest teilweise korrigiert ist. Üblich ist die Verwendung einer Kombination von Linsen negativer und positiver Brechkraft, die z. T. zusammengekittet sein können.
Um hohe Massen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente und damit hohe Momente beim Bewegen der Anordnung zu vermeiden, werden die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente vorzugsweise aus Kunststoff und/oder Leichtmetall und/oder anderen gewichtssparenden Materialien und/oder einer Kombination dieser Materialien gefertigt. Bei bestimmten Anforderungen ist die Verwendung anderer Materialien, z. B. Glas, aber nicht ausgeschlossen.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Eine Möglichkeit ist die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse der Anordnung verlaufen zu lassen. Sie können vorzugsweise äquidistant um diese Rotationsachse rotieren. Die Oberflächen der einschwenkbaren optischen Elemente sind in diesem Falle vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene angeordnet.
Eine andere Möglichkeit, die erfindungsgemäße optische Anordnung zu realisieren, ist die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse der Anordnung verlaufen zu lassen. Dabei liegen die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene der Anordnung oder in der Rotationsebene der Anordnung.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann auch aus beliebigen zwei, auch gleichartigen, der oben beschriebenen Anordnungen innerhalb eines zusammenhängenden Strahlenganges bestehen, wobei die Kombination nicht unbedingt eine Richtungsänderung oder eine Vergenzänderung aufweisen muss. Die beiden enthaltenen optischen Anordnungen können dabei in einander verschachtelt sein, sie können direkt aufeinander folgen oder über weitere optische Komponenten miteinander verbunden sein.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann auch aus einer optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft, z. B. in diskreten Schritten, wobei die Anordnung nicht unbedingt eine Richtungsänderung oder eine Vergenzänderung aufweisen muss, und einer beliebigen optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft innerhalb eines zusammenhängenden Strahlenganges bestehen. Die beiden enthaltenen optischen Anordnungen können dabei in einander verschachtelt sein, sie können direkt aufeinander folgen oder über weitere optische Komponenten miteinander verbunden sein. Diese Kombination der optischen Anordnungen weist bevorzugt die Eigenschaft auf, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft so angesteuert werden kann, dass die Abbildungsverhältniszwischenwerte oder Brechkraftzwischenwerte zu den diskreten Werten der anderen Anordnung kontinuierlich geliefert werden. Dabei kann bevorzugt gelten, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft eine Ab bildungsverhältnis- und/oder Brechkraftdynamik M hat, wobei:
M > M_ij für alle M_ij > 1 und M > 1/M_ij für alle M_ij < 1, wobei V_i = M_ij·V_j und V_i, V_j die diskreten, aufeinander folgenden Abbildungsverhältnisse oder Brechkräfte der anderen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten alleine sind. Wieder weist die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft vorzugsweise eine Abbildungsverhältnisdynamik und/oder Brechkraftdynamik M in dem Bereich 1,1 bis 2,5, bevorzugt zwischen 1,2 und 2,0, weiter bevorzugt 1,3 bis 1,7. Dabei kann die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft so angesteuert werden, dass der Verstimmungsbereich oberhalb des maximalen und/oder unterhalb des minimalen diskreten Abbildungsverhältniswertes und/oder des Brechkraftwertes der anderen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten im Wesentlichen den halben kontinuierlichen Verstimmungsbereich der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft beträgt.
Allgemein ist es für die beschrieben optischen Anordnungen günstig, wenn auch nicht unbedingt notwendig, dass die Zeit für den Wechsel zwischen den benachbarten diskreten Stellungen V_i und V_j der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und die Zeit zum vollständigen Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft um im Wesentlichen M' = M_ij sich weniger als Faktor 10, bevorzugt weniger als Faktor 3, weiter bevorzugt weniger als Faktor 2, optimal weniger als Faktor 1,5 unterscheiden.
Des Weiteren ist es für die beschrieben optischen Anordnungen günstig, wenn auch nicht unbedingt notwendig, dass die Zeit für den Wechsel zwischen zwei nicht benachbarten diskreten Stellungen V_i und V_k der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten kürzer ist als das doppelte, bevorzugt kürzer ist als das 1,5-fache, weiter bevorzugt kürzer ist als das 1,2-fache, optimal kürzer ist als das 1,1 fache der Zeit für den Wechsel zwischen zwei benachbarten diskreten Stellungen V_i und V_j.
Vorzugsweise gilt es für die beschriebenen optischen Anordnungen, dass es Bereiche in den Werten der Abbildungsverhältnisse und/oder Brechkräfte gibt, in den einzelne Werte der Abbildungsverhältnisse und/oder Brechkräfte durch unterschiedliche Kombinationen der diskreten und kontinuierlichen Werte angesteuert werden können.
Im Hinblick auf die in der optischen Anordnung enthaltene optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit mechanisch bewegten Teilen soll es bevorzugt gelten, dass die mechanische Bewegung durch piezoelektrische oder andere Ansteuerung realisiert wird, die sich durch Schnelligkeit auf kurzen Wegen auszeichnet. Es wird so ausgenutzt, dass durch eine kleine Abbildungsverhältnis- und/oder Brechkraftdynamik M die Linse oder die Linsen der Anordnung nur über kurze Distanzen bewegt werden. Daraus ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass der Korrekturaufwand der Anordnung klein bleibt.
Für die insbesondere kleinen Anordnungen kann vorteilhaft sein, dass deren beweglicher bzw. rotierbarer Teil im Wesentlichen als ein Ganzes hergestellt wird, das sowohl optische wie mechanische Elemente enthält. Die Herstellung kann in einem Gussverfahren, insbesondere im Spritzgussverfahren, durchs Fräsen oder Laser- oder Flüssigkeitsstrahlbearbeitung oder deren Kombinationen aus einem Ausgangsmaterial, insbesondere aus einem Stück Ausgangsmaterial erfolgen.
Eine optische Anordnung zu Brechkraftänderung mit einigen der oben beschriebenen Eigenschaften kann als ein variables Objektiv in einer optischen Vorrichtung eingesetzt werden. Sie kann aber auch als ein variables Okular eingesetzt werden. In der Anordnung kann auch eins der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente dem Okular und eins dem Objektiv zugeordnet werden und/oder eins dem Okular und eins einem anderen funktionellen Teil einer optischen Vorrichtung und/oder eins dem Objektiv und eins einem anderen funktionellen Teil einer optischen Vorrichtung.
Für optische Vorrichtungen und Geräte, die besonders kompakt oder flach ausfallen sollen und die die erfindungsgemäße Anordnung enthalten, kann es vorteilhaft sein, dass die optische Strahlung in diese Anordnung und/oder aus dieser Anordnung über mindestens eine Umlenkvorrichtung ein- und/oder ausgekoppelt wird. Diese Umlenkvorrichtung kann z. B. ein Spiegel oder ein Prisma oder ein verspiegeltes Prisma sein.
Für manche Anwendungen kann es vorteilhaft sein, dass die erfindungsgemäße optische Anordnung und/oder sie enthaltende Vorrichtung eine weitere Vorrichtung enthält, die bewirkt, dass diese optische Anordnung Strahlung aus mindestens zwei verschiedenen Raumwinkeln empfangen kann und/oder in mindestens zwei Raumwinkel senden kann. Eine solche Vorrichtung kann ein Kippspiegel und/oder ein rotierender Spiegel und/oder ein rotierendes Prisma und/oder zwei gegeneinander rotierende Prismen oder optische Keile und/oder eine Kippvorrichtung und/oder eine Schwenkvorrichtung und/oder eine Rotationsvorrichtung und/oder eine elektrisch und/oder magnetisch gesteuerte Ablenkvorrichtung und/oder Umlenkvorrichtung sein. Zu den Anwendungen, die eine solche Vorrichtung notwendig machen, könnten eine Überwachungskamera, eine Webcam, ein Bioscanner, z. B. für Pupillen- oder Gesichtserkennung oder ein Fahrassistenzsystem in einem Fahrzeug sein, wobei unter Fahrzeug jedes mobile technische und nicht technische System mit eigenem Antrieb zu verstehen ist.
Auch wenn die erfindungsgemäße Anordnung deutlich besser, kleiner und effizienter ist als entsprechende Anordnungen aus dem Stand der Technik, so sind weitere Verbesserungen möglich. Die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente der Anordnung werden vorzugsweise derart angeordnet, dass die Unwucht des beweglichen Teils der Anordnung beim Rotieren bei Erhalt der Eigenschaften möglichst klein ist. Da wo es angebracht ist (s. Beschreibung der Zeichnungen), werden die beweglichen optischen Elemente der Anordnung vorzugsweise äquidistant um die Rotationsachse angeordnet. Ebenfalls wo angezeigt, werden die beweglichen optischen Elemente der Anordnung vorzugsweise in verschiedenen Entfernungen von der Rotationsachse angeordnet, wobei bevorzugt die schwereren der beweglichen optischen Elemente der Anordnung zumindest teilweise achsnäher angeordnet werden als die leichteren.
Eine Vorrichtung, die eine Variante der beschriebenen optischen Anordnung enthält, kann für bestimmte Zwecke auch Stellglieder für die ansteuerbaren optischen und/oder mechanischen und/oder piezoelektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen und/oder nach dem Prinzip des Elektrobenetzens funktionierenden und/oder weiteren für Stellzwecke verwendbaren Elemente, eine Ansteuerung sowie eine Verbindung zwischen der optischen Anordnung bzw. deren Stellgliedern und der Ansteuerung enthalten. Des Weiteren kann diese Vorrichtung Messvorrichtungen bzw. Messköpfe, mindestens ein Steuer-/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen oder mindestens eine Verbindung zwischen dem Steuer-/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen und den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen enthalten. Sie kann, muss aber nicht, eine Messwertanzeige, eine Einheit zu drahtgebundener und/oder drahtloser Kommunikation mit anderen drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationseinheiten, eine Recheneinheit mit optional einer Speichermöglichkeit und/oder einer Software- oder Hardware-Auswerteeinheit und/oder einer Einheit zur Eingabe und/oder Ausgabe weiterer Informationen und/oder einer Einheit zu drahtgebundener und/oder drahtloser Kommunikation mit anderen drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationseinheiten, die eventuell Bestandteile anderer Recheneinheiten oder Kommunikationsgeräte sind, eine Verbindung zwischen der Ansteuerung der Stellglieder und dem Steuer-/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen, eine analoge oder digitale Reglereinheit oder eine Verbindung, die die Entstehung einer Regelschleife realisiert, enthalten. Eine solche Vorrichtung ist vorzugsweise in der Lage Bild- und/oder Sprach- und/oder andere Audiodaten und/oder Messwertdaten zu speichern und/oder drahtgebunden und/oder drahtlos zu senden und/oder zu empfangen.
In vielen Geräten, z. B. einem Kamerahandy, einer Kamera, einer Video-Kamera, einer Webcam, einem Mikroskop, einem Endoskop, einem Spaltlampenmikroskop, einem Barcode-Reader, einem Bioscanner, einem Fahrzeug mit oder ohne Fahrassistenzsystem, einer kopfgetragene Lupe oder Mikroskop oder einer Stereo-Variante dieser Geräte, lässt sich vorteilhaft mindestens eine optische Anordnung oder eine Kombination der optischen Anordnungen nach der vorliegenden Beschreibung im abbildenden Strahlengang und/oder im Beleuchtungsstrahlengang des Gerätes verwenden.
Das Verfahren zum Ansteuern einer der obigen optischen Anordnungen kann in diskreten Schritten und/oder kontinuierlich und/oder quasi kontinuierlich erfolgen.
Das Verfahren zum Ansteuern einer der obigen optischen Anordnungen oder einer beliebigen optischen Anordnung kann vorteilhaft mindestens die folgenden Schritte enthalten:

– Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in eine erste Richtung
– Stoppen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft
– Zurücksetzen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in eine zweite Richtung um im Wesentlichen M' = M_ij, wenn sich die Gesamtanordnung zwischen den diskreten Stellungen V_i und V_j und die optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten sich in der diskreten Stellung V_i befunden hat und gleichzeitig Ändern der Einstellung der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten von der Stellung V_i in die Stellung V_j
– weiteres Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Ab bildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in die erste Richtung

Dieses Verfahren zeichnet sich vorteilhafter Weise dadurch aus, dass die Schritte Stoppen und Zurücksetzen weniger als 1,0 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,5 Sekunden, weiter bevorzugt weniger als 0,2 Sekunden, optimal weniger als 0,1 Sekunde dauern.
Dieses Verfahren zeichnet sich vorteilhafter Weise auch dadurch aus, dass das Ändern der Einstellung der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten von der Stellung V_i in die Stellung V_j weniger als 1,0 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,5 Sekunden, weiter bevorzugt weniger als 0,2 Sekunden, optimal weniger als 0,1 Sekunde dauert.
Vorteilhafter Weise wird während der Schritte Stoppen und Zurücksetzen der optische Strahlengang für die Beobachtung nicht nutzbar gemacht. Diese die Nichtnutzbarmachung des Strahlenganges für die Beobachtung kann bevorzugt durch Abblocken und/oder Unscharfstellen des Strahlenganges geschehen.
Weitere Details und Ausführungen der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Die Figuren zeigen:
1. Eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten (Stand der Technik)
2. Eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft (Stand der Technik).
3. Eine Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und mit Rotationsachse parallel zu den optischen Achsen der optischen Elemente. Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges.
4. Eine Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und mit Rotationsachse parallel zu den optischen Achsen der optischen Elemente. Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges.
5. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und zwei Platzhaltern mit Rotationsachse parallel zu optischen Achsen der optischen Elemente. Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges.
6. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit vier Linsen und mit Rotationsachse parallel zu optischen Achsen der optischen Elemente. Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges.
7. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit sechs Linsen und mit Rotationsachse parallel zu optischen Achsen der optischen Elemente. Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges.
8. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und mit der Rotationsachse senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges. Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges.

a. Beide Linsen im Strahlengang (0°-Stellung)
b. Keine der Linsen im Strahlengang (90°-Stellung)
c. Beide Linsen im Strahlengang, aber anders herum als in 8a. (180°-Stellung)

9. Die Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten, mit zwei Linsen und mit Rotationsachse senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges. Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges, korrespondiert zu den Fällen 8a und 8c.
10. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit vier Linsen und mit der Rotationsachse senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges. Draufsicht auf die Ebene des optisehen Strahlenganges.

a. 0°-Stellung: erstes Linsenpaar im Strahlengang
b. 90°-Stellung: zweites Linsenpaar im Strahlengang
c. 180°-Stellung: erstes Linsenpaar im Strahlengang, umgekehrte Reihenfolge zu Fall a
d. 270°-Stellung: zweites Linsenpaar im Strahlengang, umgekehrte Reihenfolge zu Fall b

11. Direkter Größenvergleich einer herkömmlichen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten nach 1 mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach 3.
12. Eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit einem Schmidt-Pechan-Prisma zum Zusammenlegen des innen liegenden Strahlenganges.
13. Eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit einer weiteren Prismen-Anordnung zum Zusammenlegen des innen liegenden Strahlenganges.
14. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhaltnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und mit der Rotationsachse senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges erweitert um zwei Linsen variabler Brechkraft. Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges, mit aufgespannt durch die optischen Achsen der optischen Elemente.
15. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen und mit Rotationsachse parallel zu optischen Achsen der optischen Elemente erweitert um zwei Linsen variabler Brechkraft. Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges, mit aufgespannt durch die optischen Achsen der optischen Elemente.
16. Eine Kombination der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit Zusammenlegung des innen liegenden Strahlenganges und Linsen variabler Brechkraft.
17. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern ei nes Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten (Fortentwicklung 1)

a) Stand der Technik
b) unwuchtärmere und momentreduzierte Verteilung der optischen Elemente
c) verbesserte unwuchtärmere und momentreduzierte Verteilung der optischen Elemente

18. Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten (Fortentwicklung 7)

a) gewichtsreduzierte Linsenformen
b) unwuchtärmere und momentreduzierte Verteilung der optischen Elemente
c) verbesserte unwuchtärmere und momentreduzierte Verteilung der optischen Elemente

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können die optischen Elemente, wie gezeigt Linsen sein, sie können aber auch durch andere optische Elemente ersetzt werden. Auch die Umlenkwinkel und die Anzahl der Umlenkungen können anders sein, ohne den Schutzbereich zu verlassen. Auch alle Kombinationen der der vorgestellten Anordnungen, deren Anzahl sehr groß ist, fallen in den Schutzumfang der Erfindung.
In 1 wird eine optische Anordnung 100a zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten, gehörend zum Stand der Technik, dargestellt. Die Linsen 101a, 102a, 104a und 105a, z. B. auf einer Trommel oder einem seitlich angeordneten sternförmigen Träger montiert, können um die mechanische Bewegungsachse 108a auf der Kreisbahn 109a rotiert werden und somit in den Strahlengang mit der optischen Achse 107a eingeschwenkt werden. Jedes Linsenpaar weist eine gemeinsame optische Achse 110a, 111a oder 112a auf und kann in zwei verschiedenen Stellungen im optischen Strahlengang positioniert werden, und damit einmal ein Abbildungsverhältnis von größer oder gleich eins und einmal von kleiner oder gleich eins erzeugen, z. B. einmal V_ia und einmal 1/V_ia. Das Abbildungsverhältnis wird durch die Linse mit dem V-Bezeichner bestimmt, die sich im optischen Strahlengang um die optische Achse 107a am optischen Ausgang der Anordnung (hier V_ia) befindet. Üblicherweise enthält eine solche Anordnung eine Position, die nicht durch Linsen besetzt ist (in 1 die Stellung mit den Platzhaltern 103a und 106a mit V_ka = 1/V_ka = 1). In diesem Falle wird das ursprüngliche Abbildungsverhältnis nicht verändert. Diese Platzhalter werden aus formellen Gründen z. T. als Elemente mit Brechkraft Null bezeichnet. Üblicher- aber nicht notwendigerweise enthält eine solche Anordnung drei oder fünf verschiedene Abbildungsverhältnisse bei zwei Platzhaltern und zwei oder vier Linsen respektive. Bei Vollbesetzung mit vier oder sechs Linsen sind es respektive vier oder sechs Abbildungsverhältnisse. Es können u. U. auch mehr Abbildungsverhältnisse sein. Je nachdem, ob die jeweiligen Linsenpaare aus zwei Linsen positiver Brechkraft oder aus je einer Linsen positiver und negativer Brechkraft bestehen, erscheint zwischen den Linsen respektive ein Zwischenbild oder nicht. In der 1 ist der Fall ohne Zwischenbild dargestellt. Für die Änderung eines Abbildungsverhältnisses alleine (der afokale Fall) genügen die Linsen der Bedingung, dass die Summe der Brennweiten dem Linsenabstand gleich ist.
Üblicherweise wird dem Fall ohne Zwischenbild Vorzug gegeben, weil er deutlich kompakter ausfällt, obwohl die Anordnung immer noch sehr groß bleibt. Der Fall mit Zwischenbild wird in den seltenen Fällen verwendet, in den wegen der Länge des Strahlenganges ein Zwischenbild für die Wiederherstellung der Abbildungsqualität benötigt wird. Diese Anordnung enthält dann meistens keine Platzhalter, sondern ist mit Linsen voll besetzt, weil sonst wegen der Bildumkehr noch ein zusätzlicher (einschwenkbarer) Inverter für die Stellung mit den Platzhaltern nötig wäre. Das würde die Abmessungen der Anordnung noch weiter vergrößern.
Die optischen Elemente sind üblicherweise paarweise im Wesentlichen äquidistant um die mechanische Achse angeordnet, insbesondere sind sie alle üblicherweise im Wesentlichen äquidistant um die mechanische Achse angeordnet.
Die der Einfachheit halber als Einfachlinsen dargestellten Linsen sind normalerweise Linsengruppen, deren Teillinsen oft miteinander verkittet sind. Damit werden die optischen Fehler der Anordnung korrigiert. Die Korrekturmöglichkeiten sind gut bis sehr gut. Auch wenn die in 1 dargestellten optischen Elemente Linsen sind, sind diese optischen Elemente nicht auf Linsen beschränkt. Die Linsen könnten, auch teilweise, durch andere optischen Elemente, die eine Brechkraft aufweisen, ersetzt werden, z. B. Spiegel, DOEs o. ä. Manchmal wäre in solchen Fällen eine Anpassung des Strahlenganges an diese optischen Elemente erforderlich.
Die gravierenden Nachteile der Anordnung in 1 sind die in den meisten Fällen nicht akzeptablen, sehr großen geometrischen Abmessungen, hohes Gewicht, großes Volumen und die wenigen diskreten Abbildungsverhältnisse, sowie die hohen Drehmomente der Anordnungen. In manchen Fällen befindet sich nahezu die gesamte bewegte Masse außen, was mit darauf zurück zuführen ist, dass sich die optische und die Rotationsachse der Anordnung schneiden. Es sind dann mehr oder minder aufwendige Lösungen notwendig, um die mechanische Drehachse im Schnittpunkt virtuell zu machen durch Verlagerung der mechanischen Anordnung aus dem Strahlengang.
2 stellt eine einfache Variante einer optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft 100b nach Stand der Technik dar, wobei zwei der drei Linsen entlang der optischen Achse 107b längs der Wege 120b und 121b verschiebbar angeordnet sind. Auch hier sind die der Einfachheit halber als Einfachlinsen dargestellte Linsen normalerweise Linsengruppen, deren Teillinsen oft miteinander verkittet sind.
Das dargestellte afokale System besteht in diesem einfachsten Aufbau aus zwei Linsen positiver Brechkraft 10lb und 103b und einer Linse negativer Brechkraft 102b doppelter Stärke, die zwischen den Linsen positiver Brechkraft angeordnet ist. Ein solches System kann kein Bild erzeugen, hat aber je nach Lage der Linse negativer Brechkraft ein variables Abbildungsverhältnis. Wird das System vor eine fokussierende Linsengruppe vorgeschaltet, so ändert sich zwar die Brennweite des Gesamtsystems, nicht aber die Bildlage, wenn die Linse negativer Brechkraft verschoben wird. Eine der Linsen positiver Brechkraft 103b steht dabei fest und die andere wird nichtlinear zur Linse negativer Brechkraft bewegt. Mit dieser Anordnung lässt sich das Abbildungsverhältnis kontinuierlich ändern, allerdings bei dieser Einfachversion nur in einem minimalen Dynamikbereich M, ansonsten machen sich verheerende optische Fehler bemerkbar. Will man diesen Bereich ausdehnen, muss man aufwendig durch wesentlich mehr sehr sorgfältig ausgewählte Linsen korrigieren und/oder größere Abmessungen zulassen und/oder besondere Lösungen bei der Anordnung der Linsen anstreben. Dem Vorteil der kontinuierlich veränderlichen Brennweite steht ein sehr hoher optischer und mechanischer Konstruktionsaufwand entgegen. Weitere Nachteile sind bereits eingangs ausführlich diskutiert worden.
3 stellt eine Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100c zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei durch Rotation um die Rotationsachse 108c einschwenkbaren Linsen 101c und 102c und mit Rotationsachse 108c parallel zu den optischen Achsen 110c und 111c der optischen Elemente 101c und 102c respektive dar. Gezeigt wird die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges mit der optischen Achse 107c, mit aufgespannt durch die optischen Achsen der optischen Elemente. Vergleichbar 1 liegt hier eine Anordnung von Linsen vor, in diesem Falle zwei Linsen 101c und 102c, die rotierbar um die mechanische Achse 108c angeordnet sind. Die Rotationsebene der Linsen steht allerdings im Unterschied zu 1 senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges. Die optischen Achsen 110c und 111c der Linsen fallen mit der optischen Achse des Gesamtstrahlenganges 107c zusammen. Die mechanische Achse 108c und die optische Achse des Gesamtstrahlenganges 107c liegen in der gleichen Ebene. Die mechanische Achse 108c und die optische Achse des Gesamtstrahlenganges 107c im Bereich der Linsen sind zueinander parallel. Dies ist für die Erfindung nicht zwingend, es macht die Anordnung einfacher und übersichtlicher.
Der optische Strahlengang in der 3a verläuft eingangs durch die erste Linse positiver Brechkraft 102c zum ersten Spiegel 130c, an dem er um 90° umgelenkt wird, dann weiter zum zweiten Spiegel 131c, wo er eine zweite Umlenkung um 90° erfährt. Es müssen nicht unbedingt zwei Umlenkungen sein und auch nicht unbedingt um jeweils 90°. Diese Anordnung ist aber besonders einfach aufzubauen und zu übersehen. Weiter verläuft der Strahlengang durch die zweite Linse 101c mit der negativen Brechkraft und verlässt die Anordnung. Die Anordnung weist hier ein Abbildungsverhältnis von 1/V_ic mit V_ic > 1 auf.
In 3b sind die Linsen 101c und 102c um die Rotationsachse 108c gegenüber der Anordnung aus 3a um 180° rotiert. Der optische Strahlengang in 3b verläuft jetzt eingangs durch die erste Linse negativer Brechkraft 101c zum ersten Spiegel 130c, an dem er um 90° umgelenkt wird, dann weiter zum zweiten Spiegel 131c, wo er eine zweite Umlenkung um 90° erfährt. Weiter verläuft der Strahlengang durch die zweite Linse 102c mit der positiven Brechkraft und verlässt die Anordnung. Die Anordnung weist jetzt ein Abbildungsverhältnis von V_ic mit V_ic > 1 auf. Es handelt sich bei der Linse 102c um eine Linse positiver Brechkraft und bei der Linse 101c um eine Linse negativer Brechkraft. Es liegt also ähnlich 1 ein Fall ohne Zwischenbild vor. Es wäre auch eine Bestückung mit zwei Linsen positiver Brechkraft möglich, dies würde den Strahlengang zum Einen erheblich verlängern, zum Anderen müsste dafür Sorge getragen werden, dass das nun vorhandene Zwischenbild nicht in der Nähe der Spiegel entsteht oder die Spiegel müssten eine sehr gute optische Qualität aufweisen, um nicht die Abbildungsqualität der Anordnung nachteilig zu beeinflussen, denn alle Oberflächen auf den Spiegeln sowie Staub werden in der Zwischenbildnähe sehr genau abgebildet.
Aus einer anderen Perspektive zeigt die 4 die gerade beschriebene Anordnung. Sie ist von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges zu sehen, der Einfachheit halber wurden nur die Linsen und die mechanische Rotationsachse abgebildet. Die optischen Achsen der Linsen gehen durch deren Mitten (nicht abgebildet).
Der große Unterschied zu der Anordnung aus der 1 ist, dass die linearen geometrischen Abmessungen der rotierenden Einheit mit den einschwenkbaren Linsen bei gleichen optischen Wegen erheblich kleiner sind und zwar mindestens Faktor 2 bis 4, je nach Anwendungsfall. Dadurch, dass die Gesamtabmessungen im Wesentlichen durch die Abmessungen der optischen Elemente, hier Linsen, selbst bestimmt werden und nicht durch deren Abstand entlang des optischen Strahlenganges, ist die Ausdehnung außerhalb der Ebene des optischen Strahlenganges auch während des Ein-/Umschwenkes der Linsen nicht viel größer als die Abmessungen der optischen Elemente. Die Flächen und Volumina, die durch die Anordnung nach 3 und 4 im Betrieb eingeschlossen werden, sind in etwa Faktor 4 bis 10 kleiner als die der Anordnung nach 1, wieder je nach Anwendungsfall.
Diese Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist besonders kompakt, leicht, schnell und mit geringem Energieverbrauch. Durch nur zwei optische Elemente (hier: Linsen) oder Gruppen solcher Elemente sind aber nur zwei verschiedene Abbildungsverhältnisse möglich: V_ic und 1/V_ic. Die Momente sind verglichen mit der Anordnung aus 1 ca. eine Größenordnung kleiner, zum Einen durch kürzere Hebel, zum Anderen durch die achsnähere Gewichtsverteilung und natürlich auch die Verwendung nur eines Linsenpaares statt zwei.
Ein möglicher aber nicht ausschließlicher Montagevorschlag wäre, die Linsen beidseitig auf einem sehr kurzen Steg zu montieren, der beide Linsen verbindet und der mittig auf der mechanischen Achse aufsetzt.
Die Linsen sind hier und z. T. im Folgenden der Einfachheit halber gleich groß gezeigt worden. In Praxis werden die Linsen oft unterschiedliche Größen, angepasst an die tatsächlichen Verhältnisse im Strahlengang, aufweisen, s. 17 und 18.
Die nächste der einfachsten Lösungen 100d gezeigt in 5 beansprucht kaum mehr Platz als die in 4, bietet aber durch zusätzlich zwei von optischen Elementen freie Positionen 103d und 106d (Platzhalter: Brechkraft jeweils Null) drei verschiedene Abbildungsverhältnisse: 1, V_id und 1/V_id. Das Abbildungsverhältnis 1 kann in den beiden Stellungen der Anordnung erreicht werden, in der sich die beiden Platzhalter in dem Strahlengang befinden. Das Abbildungsverhält nis V_id mit V_id > 1 wird mit der Linse negativer Brechkraft 101d am Anfang und mit der Linse positiver Brechkraft 102d am Ausgang der Anordnung erreicht. Das Abbildungsverhältnis 1/V_id wird mit der umgekehrten Anordnung der Linsen durch eine Rotation der Anordnung um 180° erreicht. Die übrigen Eigenschaften sind ähnlich der Lösung aus 4, der Einfachheit halber wurden nur die Linsen 101d und 102d, die Platzhalter 103d und 106d und die mechanische Rotationsachse 108d gezeigt. Der Unterschied zur 4 liegt in dem leicht größeren radialen Abstand der Linsen, so dass die Platzhalter die volle lichte Öffnung für den Strahlengang haben. Beim Abstand der Linsen aus der 4 wäre der Strahlengang sonst teilweise beschnitten.
Die Draufsicht der Anordnung aus 5 auf die Ebene des optischen Strahlenganges ist praktisch mit der aus der 3 gleich, bis auf den geringfügig größeren Linsenabstand von der Rotationsachse. Zu den Fällen 3a und 3b müsste allerdings noch der Fall mit den Linsen außerhalb des Strahlenganges 107c hinzukommen.
Auch hier wäre ein möglicher aber nicht ausschließlicher Montagevorschlag, die Linsen beidseitig auf einem Steg zu montieren, der beide Linsen verbindet und der mittig auf der mechanischen Achse aufsetzt. Allerdings müsste in diesem Falle die Steglänge entsprechend den Anforderungen etwas größer sein als in 4.
Die Momente dieser Anordnung sind kaum größer als in dem Fall aus 4. Es liegt eine ähnlich günstige Gewichtsverteilung vor, die Hebel sind wegen der leicht größeren Steglänge etwas größer.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100e zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten jetzt mit vier Linsen 101e, 102e, 104e und 105e und mit der mechanischen Rotationsachse 108e parallel zu den optischen Achsen der optischen Elemente zeigt die 6. Die Art der Ansicht von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges ist wieder die gleiche wie in den 4 und 5. Die Draufsicht, ähnlich der in 3, ist leicht vorstellbar. Die Brechkräfte der Linsen positiver Brechkraft 101e und 102e sind dabei voneinander verschieden. Gleiches gilt für die Linsen negativer Brechkraft 104e und 105e. Die nur wenig komplexere Lösung als die in 5 bietet mit vier optischen Elementen oder Elementegruppen (wobei die zwei freien Plätze aus der 5 mit Linsen aufgefüllt worden sind) vier verschiedene Abbildungsverhältnisse: V_ie, V_je, 1/V_ie und 1/V_je. Der Einfachheit halber wurden wieder nur Linsen und die Rotationsachse gezeigt.
Hier wäre ein möglicher, aber wiederum nicht ausschließlicher, mit einfachster Montagevorschlag, die Linsen auf einem Kreuz oder zwei gekreuzten Stegen, die die Linsen verbinden, zu montieren. Das Kreuz oder die gekreuzten Stege würden mittig auf der mechanischen Achse aufsetzen. Der Linsenabstand entspricht dem aus der 5.
Die Momente sind wegen der vier statt zwei Linsen zwar höher als in der 5, die radiale Gewichtsverteilung und die Hebellänge sind aber im Wesentlichen gleich. Daher sind die Momente bis zu einer Größenordnung kleiner als in der klassischen Anordnung aus der 1.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100f zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten hier mit sechs Linsen 101f, 102f, 113f, 104f, 105f und 114f und mit Rotationsachse 108f parallel zu optischen Achsen der optischen Elemente. Die Ansicht ist ähnlich wie in den 4 bis 6 von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges. Wiederum ist die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges ähnlich wie in 3, lediglich um einige Linsen erweitert, leicht vorstellbar.
Die Lösung aus der 7 weist sechs optische Elemente oder Elementegruppen auf und bietet damit sechs verschiedene Abbildungsverhältnisse: V_if, V_jf, V_kf, 1/V_if, 1/V_jf und 1/V_kf. Wären zwei Plätze geeignet freigelassen worden, würden sich fünf verschiedene Abbildungsverhältnisse: 1, V_if, V_jf, 1/V_if und 1/V_jf ergeben. Der Einfachheit halber wurden in der Abbildung nur die Linsen und die Rotationsachse gezeigt.
Eine vorteilhafte, aber wiederum nicht ausschließliche, mit einfachste Montagemöglichkeit, wäre die Linsen auf einem sternförmigen Träger mit sechs Armen oder drei unter 120° gekreuzten Stegen, die die Linsen verbinden, zu montieren. Der sternförmige Träger oder die gekreuzten Stege würden mittig auf der mechanischen Achse aufsetzen. Der Linsenabstand ist geringfügig größer als der aus der 6. Unter dem Weglassen eines Linsenpaares könnte ein Steg oder zwei Arme eines sternförmigen Trägers ebenfalls wegfallen.
Die Momente sind wegen des größeren Linsenabstandes geringfügig größer unter Verwendung von vier Linsen, bei sechs Linsen entsprechend größer. Die Momente sind aber immer noch fast eine Größenordnung kleiner als in der 1. Eine Praxislösung mit radialen Linsenabständen gleich den aus 5 und 6 trotz mehr Linsen zeigt 18.
Die Anordnungen aus den 3 bis 7 haben gemeinsam, dass die Rotationsachse mit der realen und nicht der virtuellen mechanischen Achse zusammenfällt, was die gesamte Anordnung inklusive Mechanik einfacher und leichter macht. Des Weiteren gibt es noch die Möglichkeit, zwei oder mehr Rotationsanordnungen nebeneinander zu platzieren, was mit einem endlichen Aufwand die Dynamik der Anordnung enorm erweitert.
Die 8 stellt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100g zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten dar. Die Anordnung enthält ähnlich 3 zwei Linsen 101g und 102g. Die Rotationsachse 108g steht allerdings senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges. Abgebildet ist die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges, mit aufgespannt durch die optischen Achsen 110g und 111g der optischen Elemente. Die 8a bis c zeigen die unterschiedlichen Rotationsstellungen der Anordnung. In der 8a befinden sich beide Linsen im optischen Strahlengang (0°-Stellung). In der 8b befindet sich keine der Linsen im Strahlengang: die Anordnung aus dem Fall 8a wurde um 90° gedreht. In der 8c sind wieder beide Linsen im Strahlengang, aber anders herum als unter 8a: die Anordnung aus dem Fall 8a wurde um 180° gedreht.
Ähnlich wie in der 3a verläuft der optische Strahlengang in 8a eingangs durch die erste Linse negativer Brechkraft 101g zum ersten Spiegel 130g, an dem er um 90° umgelenkt wird, dann weiter zum zweiten Spiegel 131g, wo er eine zweite Umlenkung um 90° erfährt. Weiter verläuft der Strahlengang durch die zweite Linse 102g mit der positiven Brechkraft und verlässt die Anordnung. Die Anordnung weist hier ein Abbildungsverhältnis von V_ig mit V_ig > 1 auf. Der Strahlengang könnte selbstverständlich auch anders gestaltet sein, für die Erfindung selbst ist mindestens eine Umlenkung des Strahlenganges wichtig.
In der 8b befindet sich keine der Linsen im Strahlengang: die Anordnung weist hier ein Abbildungsverhältnis von 1 auf.
Der optische Strahlengang verläuft in 8c eingangs durch die erste Linse positiver Brechkraft 102g zum ersten Spiegel 130g, an dem er um 90° umgelenkt wird, dann weiter zum zweiten Spiegel 131g, wo er eine zweite Umlenkung um 90° erfährt. Weiter verläuft der Strahlengang durch die zweite Linse 101g mit der negativen Brechkraft und verlässt die Anordnung. Die Anordnung weist hier ein Abbildungsverhältnis von 1/V_ig mit V_ig > 1 auf.
Der Strahlengang ist also prinzipiell genauso wie in der 3, die Rotationsachse und die Anordnung der optischen Elemente auf dem Rotationsträger sind aber andere.
Es handelt sich bei der Linse 101g um eine Linse negativer Brechkraft und bei der Linse 102g um eine Linse positiver Brechkraft. Es liegt also ähnlich 1 und 3 ein Fall ohne Zwischenbild vor. Wieder wäre auch eine Bestückung mit zwei Linsen positiver Brechkraft möglich, dies würde den Strahlengang zum Einen erheblich verlängern, zum Anderen müsste dafür Sorge getragen werden, dass das nun vorhandene Zwischenbild nicht in der Nähe der Spiegel entsteht oder die Spiegel müssten eine sehr gute optische Qualität aufweisen, um nicht die Abbildungsqualität der Anordnung nachteilig zu beeinflussen, denn alle Oberflächen auf den Spiegeln sowie Staub werden in der Zwischenbildnähe sehr genau abgebildet.
Aus einer anderen Perspektive zeigt die 9 die gerade beschriebene Anordnung. Sie ist von vorne/hinten in Richtung des Strahlenganges zu sehen, der Einfachheit halber wurden nur die Linsen 101g und 102g und die mechanische Rotationsachse 108g, sowie der Rotationssinn abgebildet.
Der große Unterschied zu der Anordnung aus der 1 ist, dass die geometrischen Abmessungen der rotierenden Einheit mit den einschwenkbaren Linsen erheblich kleiner sind und zwar mindestens Faktor 2 bis 4, ähnlich wie das bei der Anordnung aus der 3 der Fall ist. Die Gesamtabmessungen sind zu einem großen Teil durch die Abmessungen der optischen Elemente, hier Linsen, selbst bestimmt und nicht wie in der 1 durch den Abstand dieser Elemente entlang des optischen Strahlenganges. Der wesentliche Unterschied zu der Anordnung aus der 3 ist, dass sie Rotationsachse in der 8 senkrecht auf der Strahlengangebene steht. Die einschwenkbaren/umschwenkbaren optischen Elemente rotieren in der Strahlengangebene, was u. U. noch eine kompaktere Bauweise als in der 3 erlaubt, vorausgesetzt, die optischen Wege sind lang genug. Was mit dieser Anordnung nicht oder nur schwierig geht, ist die Hintereinanderanordnung der Rotationsanordnungen, was mit der Anordnung aus der 3 problemlos gelingt.
Diese Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist also besonders kompakt, leicht, schnell und mit geringem Energieverbrauch. Durch nur zwei optische Elemente (hier: Linsen) oder Gruppen solcher Elemente und gedachte zwei Platzhalter, sind aber nur drei verschiedene Abbildungsver hältnisse möglich: 1, V_ig und 1/V_ig.
Die Momente (ähnlich der Anordnung aus 3) sind verglichen mit der Anordnung aus 1 ca. eine Größenordnung kleiner, zum Einen durch kürzere Hebel, zum Anderen durch die achsnähere Gewichtsverteilung und natürlich auch die Verwendung nur eines Linsenpaares statt zwei.
Ein möglicher, aber nicht ausschließlicher, Montagevorschlag wäre, die Linsen beidseitig auf einem sehr kurzen Steg zu montieren, der beide Linsen verbindet und der mittig auf der mechanischen Achse aufsetzt. Die Linsen könnten auch direkt auf die Rotationsachse montiert werden. Dies würde aber u. U. bedeuten, dass ab einer bestimmten Linsendicke und wenn der Strahlengang die lichte Öffnung mindestens einer Linse vollständig ausfüllt, der Fall dargestellt in 8b) nicht möglich ist und es wären nur zwei verschiedene Abbildungsverhältnisse möglich: V_ig und 1/V_ig ähnlich 3 und 4.
Ersetzt man die gedachten Platzhalter in der 8 durch zwei Linsen, bekommt man die Anordnung 100h aus der 10 mit vier Linsen 101h, 102h, 104h und 105h und mit der mechanischen Rotationsachse 108h senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges 107h. Abgebildet ist die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges 107h, mit aufgespannt durch die optischen Achsen der optischen Elemente. Die 10a bis 10d zeigen die unterschiedlichen Rotationsstellungen der Anordnung. In der 10a befindet sich das erste Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 101h, und aus der Linse negativer Brechkraft 104h im optischen Strahlengang (0°-Stellung). Das zweite Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 102h, und aus der Linse negativer Brechkraft 105h befindet sich außerhalb des optischen Strahlengangs. In der 10b befindet sich das erste Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 101h, und aus der Linse negativer Brechkraft 104h außerhalb des optischen Strahlengangs (90°-Stellung). Das zweite Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 102h, und aus der Linse negativer Brechkraft 105h befindet sich im optischen Strahlengang. In der 10c befindet sich wieder das erste Linsenpaar 101h, und 104h im optischen Strahlengang, allerdings anders herum als in der 10a (180°-Stellung). Das zweite Linsenpaar aus der Linse 102h, und 105h befindet sich außerhalb des optischen Strahlengangs. In der 10d befindet sich das erste Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 101h, und aus der Linse negativer Brechkraft 104h außerhalb des optischen Strahlengangs (270°-Stellung). Das zweite Linsenpaar aus der Linse positiver Brechkraft 102h, und aus der Linse negativer Brechkraft 105h befindet sich im optischen Strahlengang, allerdings anders herum als in der 10c.
Die nur wenig komplexere Lösung als die in 8 bietet mit vier optischen Elementen oder Elementegruppen (wobei die zwei freien Plätze aus der 8 mit Linsen aufgefüllt worden sind) vier verschiedene Abbildungsverhältnisse: V_ih, V_jh, 1/V_ih und 1/V_jh.
Hier wäre ein möglicher, aber wiederum nicht ausschließlicher, mit einfachster Montagevorschlag, die Linsen auf einem Kreuz oder zwei gekreuzten Stegen, die die Linsen verbinden, zu montieren. Das Kreuz oder die gekreuzten Stege würden mittig auf der mechanischen Achse aufsetzen. Der Linsenabstand entspricht dem aus der 8.
Die Momente sind wegen der vier statt zwei Linsen zwar höher als in der 8, die radiale Gewichtsverteilung und die Hebellänge sind aber gleich. Daher sind die Momente bis zu einer Größenordnung kleiner als in der klassischen Anordnung aus der 1.
Bei etwas größerem Abstand der Linsen von der Drehachse wäre eine Anordnung auch mit 6 Linsen möglich. Der Vorteil in den Abmessungen gegenüber der klassischen Anordnung aus 1 wäre aber nicht mehr so groß wie in den anderen zuvor beschriebenen Fällen, daher wird auf entsprechende Abbildungen und detaillierte Beschreibung verzichtet. Die Herleitung ist aber für einen Fachmann sehr einfach.
Ein weiterer Unterschied zwischen der Anordnung nach 1 und den Anordnungen nach 3 bis 10 liegt in der Richtung der Lichtstrahlen beim Verlassen der Anordnung. Während diese Richtung bei der Anordnung nach 1 die gleiche ist wie beim Eintritt in die Anordnung, ist sie bei den Anordnungen nach 3 bis 10 genau entgegengesetzt, kann aber durch die Umlenkung innerhalb der Anordnung beliebig sein.
Einen direkten Größenvergleich einer herkömmlichen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten nach 1 mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach 3 zeigt die 11. Es ist sofort ersichtlich, dass die Reduktion der linearen Abmessungen um einen Faktor 2 mühelos möglich ist, mit einigem Aufwand auch mehr. Die Reduktion in der Fläche kann eine Größenordnung erreichen. Das Gleiche gilt ungefähr fürs Volumen, da die Ausdehnung in die dritte Dimension im Wesentlichen durch die Abmessungen der optischen Elemente gegeben ist und die sind in allen Anordnungen im We sentlichen gleich groß.
Die Momente der Anordnungen sind bereits z. T. diskutiert worden. Im direkten Vergleich sieht man leicht die Beiträge der Abmessungen und der Gewichtsverteilung. Besonders deutlich ist die extrem achsferne Gewichtsverteilung in der Anordnung nach 1 und die achsnahe Gewichtsverteilung der Anordnung nach einer der 3 bis 10.
Die Wege, auf den die optischen Elemente bewegt werden, sind in den Anordnungen nach 3 bis 10 deutlich kleiner (über Faktor 2 für die Linsenmitten). Das reduziert den Energieaufwand und erhöht die Geschwindigkeit der Anordnung. Durch die kleinen Momente wird der Energieaufwand noch weiter und noch viel deutlicher reduziert und die Geschwindigkeit noch weiter erhöht.
12 stellt eine weitere Ausführungsform 100i einer optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten dar. Die grundsätzliche Anordnung aus 1 bleibt zwar erhalten, durch die Verwendung eines Schmidt-Pechan-Prisma 150i zur Zusammenlegung des innen liegenden Strahlenganges, werden die Abmessungen bis zum Faktor 3 kleiner beim gleichen optischen Weg. Diese Ausführungsform ist nicht auf die Verwendung eines Schmidt-Pechan-Prisma beschränkt. Auch andere Formen sind für die Zusammenlegung des Strahlenganges geeignet. So zeigt die 13 eine weitere Ausführungsform 100j einer optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit einer weiteren Prismen-Anordnung 150j zur Zusammenlegung des innen liegenden Strahlenganges. Ähnlich den Anordnungen nach 3 bis 10 zeigt die Richtung der Lichtstrahlen beim Verlassen der Anordnung nicht in die ursprüngliche Richtung, sondern hier 45° entgegen der Eintrittsrichtung. Auch weitere Anordnungen mit einer oder mehreren Umlenkungen innerhalb der optischen Anordnung durch Spiegel, Prismen oder andere optische Umlenkelemente sind möglich.
Die Vorteile bei den Abmessungen sind vergleichbar den der Anwendungen aus 3 bis 10, allerdings erhöht das Prisma das Gewicht der Anordnung deutlich, auch wenn dieses Gewicht nicht bewegt wird. Die linearen Abmessungen sind ca. Faktor 3 kleiner, Flächen und Volumina knappe Größenordnung. Bei den Momenten ist ist der Vorteil auf ca. Faktor 3 beschränkt, weil die Gewichtsverteilung wie in der Anordnung aus der 1 bleibt.
Die Anordnungen aus den 12 und 13 erlauben deutlich längere optische Wege als in dem Fall ohne Zusammenlegung des optischen Strahlenganges in dem gleichen oder kleineren Volumen und somit verringern sie die Gefahr von optischen Abbildungsfehlern. Dies wird ganz besonders interessant bei Kombinationen mit Anordnungen zur kontinuierlichen Änderung eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft, die im Folgenden dargestellt werden.
Die 14 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100k zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen 101k und 102k und mit der Rotationsachse 108h senkrecht zur Ebene des optischen Strahlenganges, vergleichbar Anordnung aus 8, erweitert um zwei Linsen variabler Brechkraft 140k und 141k. Dargestellt ist die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges, aufgespannt durch die optische Achse 107k der Anordnung. Durch die Ergänzung um Linsen variabler Brechkraft, die eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft bilden, entsteht eine optische Anordnung zum quasikontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft über große Bereiche. Die diskreten Änderungen machen die große Dynamik aus, die allerdings nur wenige Schritte umfasst. Die mindestens zwei Linsen variabler Brechkraft erlauben das Ausfüllen der Zwischenbereiche und benötigen daher nur einen kleinen Dynamikbereich, was vom Vorteil für die optische Qualität der Anordnung ist. Die Linsen variabler Brechkraft sind am Eingang und am Ausgang der ursprünglichen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten nach 8 angeordnet. Diese Position der Linsen variabler Brechkraft ist mit einigen Vorteilen verbunden. So brauchen sie weniger stark angesteuert zu werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen, als wenn sie innerhalb der ursprünglichen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten nach 8 angeordnet gewesen wären oder wenn sie in einer geringeren Entfernung von einander auf einer Seite dieser Anordnung positioniert worden wären, obwohl diese Positionierungen ebenfalls möglich und manchmal auch sinnvoll sind. Die weniger starke Ansteuerung der Linsen variabler Brechkraft hat geringere optische Fehler zu Folge, daher ist weniger Aufwand notwendig, um diese Fehler zu korrigieren. Da diese Linsen mit den heute verwendbaren Materialien nur unzulänglich intern korrigiert werden können (2-Flüssigkeiten-Linsen) oder zusätzliche Linsen verwendet werden müssen (2-Flüssigkeiten-Linsen und andere Linsen variabler Brechkraft), ist das ein wichtiger Punkt beim Design der Anordnung. Des Weiteren benötigt die weniger starke Ansteuerung der Linsen variabler Brechkraft weniger Steuerspannung und auch weniger Energie. Das sind wichtige Punkte insbesondere bei mobilen Anwendun gen.
Als Beispiel sind 2-Flüssigkeitenlinsen wie z. B. der Firmen Philips oder Varioptic gezeigt worden. Es hätten aber beliebige Linsen variabler Brechkraft sein können, die z. B. auf der Basis von Flüssigkristallen, Polymeren, Gelen, einer Flüssigkeit oder elektroaktiven Polymeren entwickelt worden sind (Firmen Optotune, Holochip, Rhovision etc).
Auch Anordnungen nach 10 mit vier einschwenkbaren Linsen könnten mit Linsen variabler Brechkraft kombiniert werden und auch solche mit sechs einschwenkbaren Linsen.
Die 15 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100l zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit zwei Linsen 101l und 102l und mit einer Rotationsachse 108l, die sich allerdings in der Ebene des optischen Strahlenganges befindet, vergleichbar Anordnung aus 3, erweitert um zwei Linsen variabler Brechkraft 140l und 141l. Dargestellt ist die Draufsicht auf die Ebene des optischen Strahlenganges, aufgespannt durch die optischen Achse 107l der Anordnung. Alle weiteren Bemerkungen aus der Beschreibung der 14 gelten auch hier.
Auch Anordnungen mit vier einschwenkbaren Linsen könnten mit Linsen variabler Brechkraft kombiniert werden und alle anderen, z. B. die im Zusammenhang mit den 3 bis 7 vorgestellt worden sind.
Eine Kombination 100m von Linsen variabler Brechkraft mit der diskreten optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit Zusammenlegung des Strahlenganges durch ein Prisma im Innern der Anordnung zeigt die 16. Diese Anordnung weist praktisch alle Vorzüge der Anordnungen aus den 14 und 15 auf. Leicht nachteilig sind aber die etwas größeren Momente und etwas größeres Gewicht.
Die Linsen variabler Brechkraft aus der 16 könnten durch eine beliebige optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft z. B. aus der 2 ersetzt werden. Es läge eine Kombination der Anordnungen aus den 12 und 2 vor. Auch eine reine eine Kombination der Anordnungen aus den 1 und z. B. 2 ließe sich ähnlich wie die Anordnungen aus den 14 bis 16 im quasi kontinuierlichen Verfahren ansteuern. In beiden Kombinationen könnte sich die Anordnung aus 2 vor oder nach der An ordnung aus der 12 oder 1 befinden, und zwar sowohl direkt als auch durch weitere optische Elemente beabstandet. Eine weitere Variante wäre eine Kombination mit der Anordnung nach 2 innerhalb der Anordnungen nach 12 oder 1, eventuell in einer reduzierten Form. Die beispielhafte Anordnung aus 2 könnte in diesem Absatz durch eine beliebige optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft ersetzt werden, z. B. die aus US 6,853,494 , US 7,315,423 oder US 5,859,729 , deren Offenbarungsgehalt hiermit vollumfänglich übernommen wird.
Die beschriebenen Kombinationen unter Beteiligung der Anordnung nach 2, die stellvertretend für eine beliebige optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft angegeben ist, haben hier den Vorteil, dass sie nur einen relativ kleinen Dynamikbereich in den Abbildungsverhältnissen aufweisen müssen, um die Zwischenbereiche zwischen den diskreten Werten der Abbildungsverhältnisse ausfüllen zu können. Das bedeutet, dass diese Anordnungen zum Einen relativ kompakt entworfen werden können. Zum Anderen brauchen die Linsen nur um relativ kleine Distanzen bewegt werden, was Verwendung piezoelektrischer oder anderer Stellglieder zulässt, die schnell bei kleinen Auslenkungen sind.
Die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente in den beschriebenen Anordnungen sind üblicherweise paarweise im Wesentlichen äquidistant um die mechanische Achse angeordnet, insbesondere sind sie alle üblicherweise im Wesentlichen äquidistant um die mechanische Achse angeordnet. Wird die Gewichtsverteilung aber durch unterschiedliche Linsengrößen und Linsengewichte zu ungleichmäßig, könnte durch die Variation des Abstandes von der Achse und/oder andere Maßnahmen die Unwucht im Wesentlichen beseitigt werden, was sich positiv sowohl auf den Energieverbrauch der Anordnung, deren Schnelligkeit und Vibrationsfreiheit als auch auf die Lebensdauer auswirken würde. Besonders einfach würde das im afokalen Fall geschehen, mit etwas Rechen- und Entwicklungsaufwand ginge es aber auch in allen anderen Fällen. Diese Art und Weise die Unwucht zu beseitigen käme unter Umständen ohne Zusatzgewichte aus, was sich auf das Gewicht der Gesamtanordnung positiv auswirken würde. Hierzu einige Beispiele:
Praktische Ausführungen 100n und 100o einer optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten korrespondierend zu den Anordnungen 100a und 100f in den 1 und 7 zeigen die 17 und 18 respektive. Abgebil det in 17 ist eine Anordnung 100n ähnlich 1, wobei in 17 die Größe der Linsen an die Größe des Strahlenganges angepasst ist, wie es eigentlich schon im Stand der Technik auch üblich ist. Der Vorteil der Größenanpassung ist Einsparung des Materials, ein kleineres Gewicht der Anordnung und damit kleinerer Konstruktionsaufwand, insgesamt kleinere Momente und damit ein kleinerer Energiebedarf der Anordnung. Durch die entstehende größere Unwucht wird der kleinere Energiebedarf der Anordnung allerdings z. T. wieder relativiert.
In 17a ist die an die sonst übliche Reihenfolge angelehnte Reihenfolge der Linsen zu sehen, also so, dass die Abbildungsverhältnisstufen bei der Rotationsbewegung der Anordnung möglichst stetig von unten nach oben zu- oder von oben nach unten abnehmen. Dies ist in der 17a der Fall bis auf den Wechsel von dem drittgrößten Abbildungsverhältnis auf das viertgrößte Abbildungsverhältnis und umgekehrt. Dieser Wechsel muss geeignet kodiert werden, er ist auf dem direkten Weg durch fortschreitende gleichmäßige Rotation der einschwenkbaren Elemente in die gleiche Richtung in der gewünschten Reihenfolge nicht zu erreichen.
Noch mehr Kodieraufwand erfordert die Anordnung nach 17b, da jede Rotationsbewegung der Anordnung zuerst ein Abbildungsverhältnis mindestens zwei Stufen weiter ansteuert. Die 17b stellt eine bezüglich der Gewichtsverteilung geringfügig verbesserte Lösung dar. Die schwerere Linse positiver Brechkraft 102n hat mit der Linse negativer Brechkraft 105n die Plätze getauscht.
Damit die Abbildungsverhältnisstufen an der Bedienungsschnittstelle stetig von unten nach oben zu oder von oben nach unten ab nehmen, wie es die Ergonomie erfordert, wird die Bewegung an der Bedienungsschnittstelle geeignet auf elektronischem oder mechanischem Wege vorzugsweise umkodiert und damit die richtige Bewegung der Rotationsanordnung erreicht.
Der Vorteil der Anordnung nach 17b gegenüber der Anordnung nach 17a liegt in kleinerer Unwucht wegen der etwas besseren Gewichtsverteilung, was einen kleineren Energiebedarf bewirkt. Die Unwuchtfreiheit kann durch eine geeignete Wahl der Basis- und der Restkorrektur der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente/Linsen noch weiter optimiert werden. Das Gewicht der Restkorrekturglieder und dessen Verteilung ist nämlich ein Parameter, das geeignet variiert werden kann. Neben geeigneter Materialwahl könnte auch das Anbringen der Haupt- oder Gesamtkorrektur von der Restkorrektur an der kleineren Komponente das Mittel der Wahl sein.
Die Unwucht kann noch weiter wie in 17c reduziert werden, in dem die schweren Linsen achsnäher angebracht werden. Zu beachten ist jedoch, dass dies nur im afokalen Fall ohne weiteres zulässig ist. Außerdem muss das optische Design geändert werden und die Linsen durch andere, an die kleinere Distanz angepassten, ersetzt werden. Die Unwuchtfreiheit macht sich dann in einem kleineren Energiebedarf, Schnelligkeit und Vibrationsfreiheit, geringeren Ansprüchen an die die Anordnung aufnehmende Vorrichtung (weniger robust und schwer) bemerkbar. Dies ist ein Schritt in die Richtung mobile Anwendungen.
Ähnlich wie 17 Verbesserungen der Eigenschaften der Anordnung aus 1 gezeigt hat, zeigt 18 Verbesserungen zu Anordnung aus 7. 18a zeigt wiederum eine Anordnung 100o angelehnt an die aus 7, in der die Größe der Linsen an die Größe des Strahlenganges angepasst ist. Der Vorteil der Größenanpassung ist Einsparung des Materials, ein kleineres Gewicht der Anordnung und damit kleinerer Konstruktionsaufwand, insgesamt kleinere Momente und damit ein kleinerer Energiebedarf der Anordnung. Durch die entstehende größere Unwucht wird der kleinere Energiebedarf der Anordnung allerdings z. T. wieder relativiert. Dafür kann, bedingt durch kleinere Linsenabmessungen, der Linsenabstand von der Rotationsachse verkleinert werden. Die Differenz in der Strahlenganglänge kann sehr einfach durch den Spiegelabstand kompensiert werden, so dass sich eine neue Auslegung der Linsen erübrigt. Dazu ist die resultierende Differenz in der Strahlenganglänge ohnehin relativ klein. Die Anordnung 100o' mit dem kleineren Linsenabstand von der Rotationsachse ergänzt um einen Linsenplatztausch der Linsen 102o und 105o, der wieder einen noch kleineren Linsenabstand bewirkt, zeigt 18b. Die Linsenmitten rotieren hier auf der Kreisbahn 109'o' mit einem ca. 25% kleineren Radius als dem der Kreisbahn 109o in 18a. Der Platzbedarf in der Fläche wie auch im Volumen reduziert sich auf kaum mehr als die Hälfte des Platzbedarfs aus der Anordnung in 18a. Eine weitere Reduzierung des Platzbedarfs erfolgt durch die Aufgabe der Äquidistanz der Linsenmitten auf der Kreisbahn. Die Linsen 102o'' und 113o'' in 18c sind von der Linse 101'' weiter weg gerutscht. Dadurch können alle Linsen noch achsnäher angeordnet werden. Die Linsenmitten rotieren jetzt auf der Kreisbahn 109''o'' mit einem ca. 33% kleineren Radius als in 18a. Der Platzbedarf in der Fläche wie auch im Volumen reduziert sich damit auf weniger als die Hälfte des Platzbedarfs aus der Anordnung in 18a und ist genauso groß wie im Falle der in 6 dargestellten Anordnung mit 4 Linsen. All diese Maßnahmen bewirken einen kleineren Energiebedarf, was sich vor Allem bei mobilen Anwendungen bemerkbar macht. Die Überlegungen zu der Basis- und der Restkorrektur der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente/ Linsen gelten entsprechend wie bei der Besprechung der 17.
Die nachfolgende Tabelle stellt die Eigenschaften der beschriebenen Anordnungen zusammen.

In Abhängigkeit von der Anzahl der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente und/oder Platzhalter wird die Anzahl der diskreten Abbildungsverhältnisse und die Dynamik der Abbildungsverhältnisse angegeben. Der Teil „Mit analoger Verstimmung” beschreibt Kombinationen optischer Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten mit optischen Anordnungen zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft, z. B. nach 14, 15 oder 16. „Ohne analoge Verstimmung” gilt für optische Anordnungen zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten alleine, z. B. nach 3 bis 10, 12, 13, 17 oder 18.

Anordnung		Anzahl diskrete Abb. verhältnisse	Dynamik Abbildungsverhältnis
Linsen	Platzhalter		Ohne analoge Verstimmung			Mit analoger Verstimmung
Linsen	Platzhalter		M' = 1.3	M' = 1.4	M' = 1.5	M' = 1.3	M' = 1.4	M' = 1.5
6	0	6	3.71	5.38	7.59	4.80	7.53	11.39
4	2	5	2.86	3.84	5.06	3.71	5.38	7.59
4	0	4	2.20	2.74	3.38	2.86	3.84	5.06
2	2	3	1.69	1.96	2.25	2.20	2.74	3.38
2	0	2	1.30	1.40	1.5	1.69	1.96	2.25

Voraussetzung: der Quotient M' = M_ij der benachbarten Abbildungsverhältnisse V_i und V_j ist in etwa gleich für alle Abbildungsverhältnisse und die Dynamik der analogen Verstimmung des Abbildungsverhältnisses M ist in etwa gleich M'. Ist M > M' sind die rechten drei Spalten eher als Mindestwert zu nehmen.

Des Weiteren ist zu bemerken, dass eine Dynamik M = 1.3 mit zwei Linsen variabler Brechkraft oder M = 1.5 mit vier Linsen variabler Brechkraft bereits heute bei sehr guter Qualität zu erreichen ist. So sind also jetzt schon quasikontinuierliche optische Anordnungen zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft realisierbar, die sehr schnell sind, einen großen Gesamtdynamikbereich bei exzellenter Abbildungsqualität aufweisen und dazu noch so klein sind, dass sie in mobilen Geräten Anwendung finden können. Für mobile Anwendungen spricht auch der geringe Energiebedarf der Anordnungen.
Anzumerken ist noch, dass die Tabelle Angaben zu einfachen Anordnungen macht. Würden in der Anordnung nach 15 die in den 5 und 6 dargestellten Anordnungen hintereinander angeordnet, würde sich die Anzahl der diskreten Abbildungsverhältnisse auf 12 erhöhen, was in einer Gesamtdynamik im Abbildungsverhältnis von deutlich jenseits von 10 bereits bei M = 1,3 und weit jenseits von 20 bei M = 1,5, beides im Falle mit der analogen Verstimmung, resultieren würde. Das sind Zahlen, die mit der vorliegenden Erfindung sofort realisierbar sind, die aber bei der direkten Anwendung optischer Elemente variabler Brechkraft wohl noch auf Jahre unerreichbar bleiben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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- http://www.youtube.com/watch?v=cZLqY1tselM [0007]

Claims

Eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit mindestens einer optischen Achse, mit mindestens zwei in den optischen Strahlengang einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen, die jeweils eine Brechkraft und eine optische Achse aufweisen und deren optische Achsen jeweils mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung gebracht werden können oder mit der optischen Achse der Anordnung im Wesentlichen in Deckung sind, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahlengang zwischen den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elementen mindestens eine Änderung der Richtung und/oder der Vergenz erfährt.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und/oder kontinuierlich und/oder quasikontinuierlich erfolgt.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente eine Brechkraft Null hat.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente eine der folgenden Kombinationen bilden: (i) 2 optische Elemente mit Brechkraft ungleich Null, 0 optische Elemente mit Brechkraft gleich Null, (ii) 2 optische Elemente mit Brechkraft ungleich Null, 2 optische Elemente mit Brechkraft gleich Null, (iii) 4 optische Elemente mit Brechkraft ungleich Null, 0 optische Elemente mit Brechkraft gleich Null, (iv) 4 optische Elemente mit Brechkraft ungleich Null, 2 optische Elemente mit Brechkraft gleich Null, (v) 6 optische Elemente mit Brechkraft ungleich Null, 0 optische Elemente mit Brech kraft gleich Null.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente eine refraktive und/oder eine diffraktive und/oder eine reflektive optische Wirkung zeigen.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente Linsen und/oder Spiegel und/oder verspiegelte Prismen und/oder DOEs und/oder photonische Kristalle und/oder deren Kombinationen sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderung durch mindestens einen Spiegel und/oder ein Prisma und/oder einen Wellenleiter und/oder ein DOE und/oder ein anderes optisches Element mit umlenkenden optischen Eigenschaften realisiert wird.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das richtungsändernde Element nicht beweglich ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das richtungsändernde Element beweglich ist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergenzänderung durch mindestens eine Linse und/oder einen Spiegel und/oder ein Prisma und/oder einen Wellenleiter und/oder ein DOE und/oder ein anderes optisches Element mit vergenzändernden optischen Eigenschaften realisiert wird.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das vergenzändernde optische Element unbeweglich ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das vergenzändernde optische Element beweglich ist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung kein Zwischenbild aufweist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente der Anordnung paarweise Brennweiten mit unterschiedlichen Vorzeichen oder paarweise Brennweiten Null haben.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Zwischenbild aufweist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente der Anordnung paarweise Brennweiten mit gleichen, insbesondere positiven, Vorzeichen haben.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenbild nicht in die Nähe der optischen Elemente zur Richtungsänderung oder Vergenzänderung fällt.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente zur Richtungsänderung oder Vergenzänderung in der Zwischenbildnähe eine sehr gute optische Qualität aufweisen.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente auf dem selben Träger montiert sind.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Steg, ein Kreuz oder eine sternförmige mechanische Anordnung ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente auf einem Kreis oder einem Ring angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente um eine Achse rotierbar angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Elemente auf einer Linie, oder kipp- oder schwenkbar angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Elemente linear verschiebbar angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente paarweise respektive eingeschwenkt, umgeschwenkt, eingeschaltet oder umgeschaltet werden.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die paarweise einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente jeweils paarweise ein definiertes Abbildungsverhältnis oder eine definierte Brechkraft aufweisen.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft enthält.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens ein optisches Element variabler Brechkraft enthält.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine optische Element variabler Brechkraft innerhalb der Anordnung befindet.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine optische Element variabler Brechkraft außerhalb der Anordnung befindet und den Strahlengang innerhalb der Anordnung beeinflusst und/oder umgekehrt die Anordnung den Strahlengang am Ort des optischen Elements variabler Brechkraft beeinflusst.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Element eines sich im Strahlengang befindenden Paares aus den mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente mindestens ein optisches Element variabler Brechkraft zugeordnet ist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein optisches Element variabler Brechkraft vor oder hinter dem jeweiligen einen der mindestens zwei einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente befindet, wobei sie nicht direkt benachbart sein müssen.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element variabler Brechkraft eine Linse variabler Brechkraft ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse variabler Brechkraft eine Flüssigkeit und/oder ein Gel und/oder flüssige Kristalle und/oder Polymere und/oder elektoaktive Polymere und/oder zwei Flüssigkeiten enthält und/oder unter der Benutzung des elekrowetting Effektes angesteuert wird.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element variabler Brechkraft ein Spiegel variabler Brechkraft ist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente variabler Brechkraft so angesteuert werden können, dass die Abbildungsverhältniszwischenwerte oder Brechkraftzwischenwerte zu den diskreten Werten der Anordnung kontinuierlich geliefert werden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente variabler Brechkraft selbst eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit einer Abbildungsverhältnis- und/oder Brechkraftdynamik M bilden, wobei gilt: M >= M_ij für alle M_ij >= 1 und M >= 1/M_ij für alle M_ij <= 1, wobei V_i = M_ij·V_j und V_i, V_j die diskreten, aufeinander folgenden Abbildungsverhältnisse oder Brechkräfte der Anordnung sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente variabler Brechkraft selbst eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit einer Abbildungsverhältnisdynamik und/oder Brechkraftdynamik M in dem Bereich 1,1 bis 2,5, bevorzugt zwischen 1,2 und 2,0, weiter bevorzugt 1,3 bis 1,7 bilden.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente variabler Brechkraft so angesteuert werden können, dass der Verstimmungsbereich oberhalb des maximalen und/oder unterhalb des minimalen diskreten Abbildungsverhältniswertes und/oder Brechkraftwertes der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten im Wesentlichen den halben kontinuierlichen Verstimmungsbereich der Anordnung aus den optischen Elementen variabler Brechkraft beträgt.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verstimmen des Abbildungsverhältnisses und/oder der Brechkraft mindestens zwei optische Elemente variabler Brechkraft gegensinnig angesteuert werden, d. h. wenn die Brechkraft des einen Elementes erhöht wird, wird die Brechkraft des anderen Elementes verringert und umgekehrt.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optischer Fehler von mindestens zwei optischen Elementen variabler Brechkraft insgesamt kleiner ist als die Summe der einzelnen optischen Fehler der dazugehörigen optischen Elemente variabler Brechkraft.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optischer Fehler von mindestens zwei optischen Elementen variabler Brechkraft insgesamt kleiner ist als jeder einzelne optische Fehler der dazugehörigen optischen Elemente variabler Brechkraft.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fehler der Elemente variabler Brechkraft durch deren paarweise Anordnen und/oder geeignetes Ansteuern zumindest teilweise korrigiert werden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fehler der Elemente variabler Brechkraft durch geeignete Materialwahl zumindest teilweise korrigiert werden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 28 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fehler der Zwei- oder Mehrflüssigkeiten-Linsen durch geeignete Wahl der verwendeten Flüssigkeiten und/oder der Materialien der Linsenfenster zumindest teilweise korrigiert werden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Zwei- oder Mehrflüssigkeitenlinse enthält, die mindestens zwei optisch wirksame Grenzflächen zwischen den Flüssigkeiten beinhaltet.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optischer Fehler durch die Verwendung der Zwei- oder Mehrflüssigkeitenlinse, die mindestens zwei optisch wirksame Grenzflächen zwischen den Flüssigkeiten beinhaltet, kleiner ist als derselbe Fehler unter der Verwendung einer gewöhnlichen Zweiflüssigkeitenlinse mit einer optisch wirksamen Grenzfläche.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 47 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Korrektur der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente als eine gemeinsame Basiskorrektur für alle diese Elemente außerhalb dieser einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente stattfindet.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Korrektur der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente außerhalb der Basiskorrektur für alle diese Elemente innerhalb des beweglichen Teils der Anordnung an den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elementen selbst stattfindet.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptanteil der optischen Korrektur oder die Gesamtkorrektur der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente, die an den einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elementen stattfinden soll, an dem kleineren Element eines Paares stattfindet.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eins der jeweiligen optischen Elemente eine Kombination anderer optischer Elemente ist, so dass das resultierende optische Element jeweils bezüglich mindestens eines optischen Fehlers zumindest teilweise korrigiert ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine der jeweiligen optischen Elemente eine Kombination von Linsen negativer und positiver Brechkraft ist und/oder jeweils bezüglich mindestens eines optischen Fehlers zumindest teilweise korrigiert ist.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente vorzugsweise aus Kunststoff und/oder Leichtmetall und/oder anderen gewichtssparenden Materialien und/oder einer Kombination dieser Materialien gefertigt werden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse der Anordnung verlaufen.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse der Anordnung äquidistant um diese Rotationsachse rotieren können.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei mindestens teilweise von einander unabhängige Rotationsvorrichtungen mit einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elementen enthält.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente in der Mitte der optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse der Anordnung verlaufen.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 53 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene der Anordnung verlaufen und/oder in der Rotationsebene der Anordnung liegen.
Eine optische Anordnung, die mindestens zwei Anordnungen nach Anspruch 1 und/oder dem Oberbegriff davon und/oder einem der Ansprüche 2 bis 59 innerhalb eines Strahlenganges enthält.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden enthaltenen optischen Anordnungen in einander verschachtelt sind.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden enthaltenen optischen Anordnungen direkt aufeinander folgen.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden enthaltenen optischen Anordnungen weitere optische Komponenten angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff davon oder einem der Ansprüche 2 bis 63, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft innerhalb eines zusammenhängenden Strahlenganges kombiniert wird.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Anordnungen direkt aufeinander folgen.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden optischen Anordnungen weitere optische Komponenten angeordnet sind.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Anordnungen in einander verschachtelt sind.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach einem der Ansprüche 64 bis 67, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft so angesteuert werden kann, dass die Abbildungsverhältniszwischenwerte oder Brechkraftzwischenwerte zu den diskreten Werten der anderen Anordnung kontinuierlich geliefert werden.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach einem der Ansprüche 64 bis 68, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft eine Abbildungsverhältnis- und/oder Brechkraftdynamik M hat, wobei gilt: M >= M_ij für alle M_ij >= 1 und M >= 1/M_ij für alle M_ij <= 1, wobei V_i = M_ij·V_j und V_i, V_j die diskreten, aufeinander folgenden Abbildungsverhältnisse oder Brechkräfte der anderen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten alleine sind.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach einem der Ansprüche 64 bis 69, da durch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft eine Abbildungsverhältnisdynamik und/oder Brechkraftdynamik M in dem Bereich 1,1 bis 2,5, bevorzugt zwischen 1,2 und 2,0, weiter bevorzugt 1,3 bis 1,7 aufweist.
Eine Kombination der optischen Anordnungen nach einem der Ansprüche 64 bis 70, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft so angesteuert werden kann, dass der Verstimmungsbereich oberhalb des maximalen und/oder unterhalb des minimalen diskreten Abbildungsverhältniswertes und/oder des Brechkraftwertes der anderen optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten im Wesentlichen den halben kontinuierlichen Verstimmungsbereich der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft beträgt.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 71, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit für den Wechsel zwischen den benachbarten diskreten Stellungen der Abbildungsverhältnisse V_i und V_j der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und die Zeit zum vollständigen Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft um im Wesentlichen M' = M_ij sich weniger als Faktor 10, bevorzugt weniger als Faktor 3, weiter bevorzugt weniger als Faktor 2, optimal weniger als Faktor 1,5 unterscheiden.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 72, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit für den Wechsel zwischen zwei nicht benachbarten diskreten Stellungen der Abbildungsverhältnisse V_i und V_k der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten kürzer ist als das doppelte, bevorzugt kürzer ist als das 1,5-fache, weiter bevorzugt kürzer ist als das 1,2-fache, optimal kürzer ist als das 1,1 fache der Zeit für den Wechsel zwischen zwei benachbarten diskreten Stellungen der Abbildungsverhältnisse V_i und V_j.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 73, dadurch gekennzeichnet, dass es Bereiche in den Werten der Abbildungsverhältnisse und/oder Brechkräfte gibt, in den einzelne Werte der Abbildungsverhältnisse und/oder Brechkräfte durch unterschiedliche Kombinationen der diskreten und kontinuierlichen Werte angesteuert werden können.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 74 enthaltend eine optische Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft mit mechanisch bewegten Teilen, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bewegung durch piezoelektrische oder andere Ansteuerung realisiert wird, die sich durch Schnelligkeit auf kurzen Wegen auszeichnet.
Eine optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 75, dadurch gekennzeichnet, dass deren rotierbarer Teil im Wesentlichen als ein Ganzes hergestellt wird und dabei sowohl optische wie mechanische Elemente enthält.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des rotierbaren Teils, das im Wesentlichen als ein Ganzes bearbeitet wird, in einem Gussverfahren, insbesondere im Spritzgussverfahren und/oder durchs Fräsen und/oder durch Laser- und/oder Flüssigkeitsstrahlbearbeitung und/oder deren Kombination erfolgt.
Eine optische Anordnung zu Brechkraftänderung nach einem der Ansprüche 1 bis 77, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein variables Objektiv einer optischen Vorrichtung bildet.
Eine optische Anordnung zu Brechkraftänderung nach einem der Ansprüche 1 bis 77, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein variables Okular einer optischen Vorrichtung bildet.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 77, dadurch gekennzeichnet, dass eins der einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren und/oder einschaltbaren und/oder umschaltbaren optischen Elemente dem Okular und eins dem Objektiv einer optischen Vorrichtung zugeordnet werden kann und/oder eins dem Okular und eins einem anderen funktionellen Teil dieser optischen Vorrichtung und/oder eins dem Objektiv und eins einem anderen funktionellen Teil dieser optischen Vorrichtung.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 80, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlung in diese Anordnung und/oder aus dieser Anordnung über mindestens eine Umlenkvorrichtung ein- und/oder ausgekoppelt wird.
Eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 81, dadurch gekennzeichnet, dass sie und/oder sie enthaltende Vorrichtung eine weitere Vorrichtung enthält, die bewirkt, dass diese optische Anordnung Strahlung aus mindestens zwei verschiedenen Raumwinkeln empfangen kann und/oder in mindestens zwei Raumwinkel senden kann.
Eine optische Anordnung und/oder sie enthaltende Vorrichtung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung, die bewirkt, dass diese optische Anordnung Strahlung aus mindestens zwei verschiedenen Raumwinkeln empfangen kann und/oder in mindestens zwei Raumwinkel senden kann, ein Kippspiegel und/oder ein rotierender Spiegel und/oder ein rotierendes Prisma und/oder zwei gegeneinander rotierende Prismen und/oder eine Kippvorrichtung und/oder eine Schwenkvorrichtung und/oder eine Rotationsvorrichtung und/oder eine elektrisch und/oder magnetisch gesteuerte Ablenkvorrichtung und/oder Umlenkvorrichtung ist.
Eine optische Anordnung und/oder sie enthaltende Vorrichtung nach Anspruch 82 oder 83, dadurch gekennzeichnet, dass diese optische Anordnung und/oder sie enthaltende Vorrichtung ein Teil einer Webcam, einer Überwachungskamera oder eines Fahrassistenzsystems in einem Fahrzeug sind, wobei unter Fahrzeug jedes mobile technische und nicht technische System mit eigenem Antrieb zu verstehen ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff davon oder nach einem der Ansprüche 2 bis 84, dadurch gekennzeichnet, dass die einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente der Anordnung derart angeordnet sind, dass die Unwucht des beweglichen Teils der Anordnung beim Rotieren bei Erhalt der Eigenschaften möglichst klein ist.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 85, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen optischen Elemente der Anordnung äquidistant um die Rotationsachse angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 85, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen optischen Elemente der Anordnung in verschiedenen Entfernungen von der Rotati onsachse angeordnet sind.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 87, dadurch gekennzeichnet, dass die schwereren der beweglichen optischen Elemente der Anordnung zumindest teilweise achsnäher angeordnet sind als die leichteren.
Eine optische Anordnung nach Anspruch 85 oder 86, dadurch gekennzeichnet, dass ihre alle einschwenkbaren und/oder umschwenkbaren optischen Elemente, die in deren Größe zumindest teilweise an die Größe des Strahlenganges angepasst worden sind, sich in einer kleineren Entfernung von der Rotationsachse befindenden, als die kleinste Entfernung, die mit nicht an die Strahlenganggröße angepassten optischen Elementen möglich wäre.
Eine Vorrichtung mit zumindest folgenden Bestandteilen: – eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 89, – Stellglieder für die ansteuerbaren optischen und/oder mechanischen und/oder piezoelektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen und/oder nach dem Prinzip des Elektrobenetzens funktionierenden und/oder weiteren für Stellzwecke verwendbaren Elemente – eine Ansteuerung – eine Verbindung zwischen der optischen Anordnung bzw. deren Stellgliedern und der Ansteuerung
Eine Vorrichtung nach Anspruch 90 ergänzt durch folgende Bestandteile: – Messvorrichtungen bzw. Messköpfe – mindestens ein Steuer-/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen – mindestens eine Verbindung zwischen dem Steuer-/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen und den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen
Eine Vorrichtung nach Anspruch 90 oder 91 ergänzt durch eine oder mehrere der folgenden optionalen Bestandteile: – eine Messwertanzeige – eine Einheit zu drahtgebundener und/oder drahtloser Kommunikation mit anderen drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationseinheiten – eine Recheneinheit mit optional einer Speichermöglichkeit und/oder einer Software- oder Hardware-Auswerteeinheit und/oder einer Einheit zur Eingabe und/oder Ausgabe weiterer Informationen und/oder einer Einheit zu drahtgebundener und/oder drahtloser Kommunikation mit anderen drahtgebundenen und/oder drahtlosen Kommunikationseinheiten, die eventuell Bestandteile einer anderer Recheneinheiten oder Kommunikationsgeräte sind – Verbindung zwischen der Ansteuerung der Stellglieder und dem Steuer/Aufnahmegerät zu den Messvorrichtungen bzw. Messköpfen – eine analoge oder digitale Reglereinheit – eine Verbindung, die die Entstehung einer Regelschleife realisiert
Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 90 bis 92, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung in der Lage ist Bild- und/oder Sprach- und/oder andere Audiodaten und/oder Messwertdaten zu speichern und/oder drahtgebunden und/oder drahtlos zu senden und/oder zu empfangen.
Ein Gerät, z. B. ein Kamerahandy, eine Kamera, eine Video-Kamera, eine Webcam, ein Mikroskop, ein Endoskop, ein Spaltlampenmikroskop, ein Barcode-Reader, ein Bioscanner, ein Fahrzeug mit oder ohne Fahrassistenzsystem, kopfgetragene Lupe oder Mikroskop oder eine Stereo-Variante dieser Geräte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Anordnung oder eine Kombination der optischen Anordnungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche im abbildenden Strahlengang und/oder im Beleuchtungsstrahlengang des Gerätes Verwendung findet.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 94, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung in diskreten Schritten und/oder kontinuierlich und/oder quasikontinuierlich erfolgt.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung enthaltend eine optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten und eine optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens die folgenden Schritte enthält: – Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in eine Richtung – Stoppen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft – Zurücksetzen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft um im Wesentlichen M' = M_ij, wenn sich die Gesamtanordnung zwischen den diskreten Stellungen V_i und V_j und die optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten sich in der diskreten Stellung V_i befindet und Ändern der Einstellung der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten von der Stellung V_i in die Stellung V_j – weiteres Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in die eine Richtung
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 94, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens die folgenden Schritte enthält: – Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in eine Richtung – Stoppen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft – Zurücksetzen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft um im Wesentlichen M = M_ij, wenn sich die Gesamtanordnung zwischen den diskreten Stellungen V_i und V_j und die optische Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten sich in der diskreten Stellung V_i befindet und Ändern der Einstellung der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten von der Stellung V_i in die Stellung V_j – weiteres Verstimmen der optischen Anordnung zum kontinuierlichen Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in die eine Richtung
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 96 oder 97, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte Stoppen und Zurücksetzen weniger als 1,0 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,5 Sekunden, weiter bevorzugt weniger als 0,2 Sekunden, optimal weniger als 0,1 Sekunde dauern.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 96 bis 98, dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern der Einstellung der optischen Anordnung zum Ändern eines Abbildungsverhältnisses und/oder einer Brechkraft in diskreten Schritten von der Stellung V_i in die Stellung V_j weniger als 1,0 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,5 Sekunden, weiter bevorzugt weniger als 0,2 Sekunden, optimal weniger als 0,1 Sekunde dauert.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 96 bis 99, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schritte Stoppen und Zurücksetzen der optische Strahlengang für die Beobachtung nicht nutzbar gemacht wird.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer optischen Anordnung nach Anspruch 100, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtnutzbarmachung des Strahlenganges für die Beobachtung durch Abblocken und/oder Unscharfstellen des Strahlenganges geschieht.