DE102011113980A1

DE102011113980A1 - Linsensystem mit veränderbarer Refraktionsstärke

Info

Publication number: DE102011113980A1
Application number: DE201110113980
Authority: DE
Inventors: Georg Bretthauer; Ingo Sieber; Thomas Martin; Jörg Nagel; Liane Rheinschmitt; Prof. Dr. Guthoff Rudolf
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21
Also published as: EP2758811A1; WO2013041222A1

Abstract

Linsensystem (1) mit veränderbarer Refraktionsstärke mit einer optischen Achse (12). Die Aufgabe besteht darin, ein Linsensystem mit veränderbarer Refraktionsstärke mit starren Linsenkörpern zu schaffen, das ohne translatorische Bewegungsabläufe und damit ohne den hierfür erforderlichen Raumbedarf auskommt. Die Aufgabe wird durch ein Linsensystem, umfassend mindestens zwei um eine Drehachse gegeneinander verdrehbare Linsenkörper (2, 3), gelöst, wobei die Drehachse mit der optischen Achse des Linsensystems und der Linsenkörper zusammenfällt, die Linsenkörper jeweils eine Linsenfläche mit wendelähnlichem Krümmungsprofil (6, 7) mit einer um die Drehachse winkelabhängig (Winkel α) stetig ansteigenden oder abfallenden Refraktionsstärke und jeweils mindestens einer Refraktionsstärkenstufe an einem jeweiligen Nullwinkel (α = 0°) umfassen, die Nullwinkel der Linsenflächen die resultierende gemeinsame Querschnittsfläche des Linsensystems in mindestens zwei Sektoren einteilen, die Refraktionsstärken der Linsenkörper je Sektor zu einer einheitlichen Refraktionsstärke des Linsensystems zusammensetzen sowie Mittel zur Abschattung der Stufen in der Linsenfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsensystem mit veränderbarer Refraktionsstärke mit einer optischen Achse, umfassend mindestens zwei um eine Drehachse gegeneinander verdrehbare vorzugsweise starre Linsenkörper gemäß des ersten Patentanspruchs.
Fokussierbare Linsensysteme sind optische Bauelemente zur Manipulation von optischen Signalen mit veränderbarer optischer Brechkraft. Ihr Einsatzgebiet liegt in verschiedenen optischen Anwendungen, bei denen eine optische Refraktionsstärke auf Objekt- oder Bildweiten eingestellt werden muss, z. B. Foto- und Videokameras, Mikroskope, Ferngläser, Fernrohre oder Projektoren. Weiterhin können aus optischen Komponenten veränderbarer refraktiver Stärke abbildende optische Systeme mit veränderbarer Vergrößerung gebaut werden, z. B. Zoom-Objektive. Optische Komponenten veränderbarer refraktiver Stärke sind auch für zukünftige intraokulare Implantate erforderlich, welche die Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges nach Verlust durch Presbyopie (Alterssichtigkeit) oder nach Kataraktoperation (chirurgische Behandlung des grauen Stars) wiederherstellen sollen.
Meist kommt für eine Refraktionsstärkenverstellung in fokussierbaren Linsensystemen eine serielle Anordnung starrer Linsenkörper zum Einsatz, bei denen einzelne Linsenkörper entlang der optischen Achse des Linsensystems verschiebbar angeordnet sind (Milton Laikin: Lens design; Ed. 3, Marcel Dekker Inc. New York (2001) S. 331ff).
Alternativ sind beispielsweise aus US 3.305.294 Linsensysteme mit starren Linsenkörpern, bei denen sich die Refraktionsstärke durch lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse verschiebbarer Linsenköper verstellen lässt.
Optische Linsensysteme veränderbarer refraktiver Stärke mit starren Linsenkörpern benötigen ferner für die Verstellung in axialer oder radialer Richtung einen translatorischen Stellantrieb. Translatorische Bewegungen wie auch Stellantriebe benötigen einen Bewegungsraum für die beweglichen Komponenten. Ferner sind translatorische Aktorkonzepte aufgrund von relativ hohen Massenkräften im Vergleich zu rotatorischen Aktorkonzepten stoßempfindlicher.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Linsensystem mit veränderbarer Refraktionsstärke mit starren Linsenkörpern zu schaffen, das ohne translatorische Bewegungsabläufe und damit ohne den hierfür erforderlichen Raumbedarf auskommt.
Die Aufgabe wird durch ein Linsensystem mit den Merkmalen in Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen des Linsensystems wieder.
Die Aufgabe wird durch ein Rotationslinsensystem mit mindestens zwei starren Linsenkörpern mit zusammenfallenden optischen Achsen gelöst, dessen refraktive Stärke durch Rotation einer oder mehrerer Linsenkörper um die optische Achse verändert werden kann. Die refraktive Stärke eines solchen optischen Systems hängt daher vom Verdrehwinkel dieser Linsenkörper um die optische Achse ab.
Folglich weist das Linsensystem mindestens zwei, bevorzugt genau zwei um eine gemeinsame Drehachse gegeneinander verdrehbare Linsenkörper auf, wobei die Drehachse mit der optischen Achse des Linsensystems und der Linsenkörper zusammenfällt.
Die Linsenkörper umfassen jeweils ein wendelähnliches Krümmungsprofil mit winkelabhängiger (Winkel α) stetig ansteigender oder stetig abfallender Refraktionsstärke (jeweils ohne Vorzeichenwechsel), ausgehend von mindestens einer Refraktionsstärkenstufe (im Folgenden auch Stufen genannt) an einem jeweiligem Nullwinkel (α = 0°). Die Stufen folgen dabei entweder einer unstetigen Sprungfunktion oder zur Reduzierung der Gefahr von optischen Artefakten (insbesondere bei einer Abschattung) oder zur besseren Herstellbarkeit einer stetigen Sprungfunktion, d. h. einem in einem Winkelsektor von bevorzugt 0,01° bis 90°, vorzugsweise 0,01° bis 10° weiter bevorzugt 0,02° und 5° verändernden sprungfreien Oberflächenverlauf.
Wesentlich dabei ist, dass die Krümmungsprofile der im Linsensystem beteiligten Linsen aufeinander abgestimmt sind. Dabei setzen sich die Refraktionsstärken der einzelnen Linsen in jedem durch die Nullwinkel der Linsenkörper begrenzten Sektoren des Linsensystems zu einer einheitlichen Refraktionsstärke zusammen.
Der Grundgedanke umfasst die Kombination mehrerer wendelähnlicher optischer Grenzflächen zu einem Linsensystem, das die refraktiven Stärken in seinen Sektoren, d. h. zwischen zwei Refraktionsstufen ändert, wenn eine oder mehrere Linsen mit solchen wendelähnlichen optischen Grenzflächen um die optische Achse verdreht werden.
Jeder Linsenkörper weist zwei optische Flächen auf, wobei eine Fläche vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, d. h. einen winkelunabhängigen und einstellungsunabhängigen radialen Profilverlauf aufweist, während die andere Fläche einem nicht rotationssymmetrischen bevorzugt wie vorgenannt wendelähnlich gekrümmten Verlauf folgt. Zwei benachbarte Linsen im Linsensystem liegen bevorzugt mit den rotationssymmetrischen Flächen aneinander und lassen sich gegeneinander verdrehen.
In einer Ausfürungsform passen die genannten Profilverläufe dieser aneinander liegenden Flächen ineinander (im Sinne einer relativ zueinander verdrehbaren Positiv-negativ-Formpassung), sodass der sich bildende Spalt über den gesamten oder überwiegendenden Profilverlauf eine konstante Breite aufweist. Die rotationssymmetrischen Flächen sind vorzugsweise plan.
In einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine rotationssymmetrische Fläche ein winkelunabhängiges Krümmungsprofil z. B. entsprechend einer konvexen oder konkaven Formgebung oder rotationssymmetrische diffraktive Strukturen auf.
Vorzugsweise weist ein Linsenkörper folglich eine rotationssymmetrische vorzugsweise plane und eine wendelähnlich gekrümmte Linsenseite auf, wobei die wendelähnlich gekrümmte Seite mit einem sphärischen oder asphärischen Halbprofil gestaltet ist. Ausgehend von einer Linse mit einem Krümmungsradius R₀ im Nullwinkel berechnet sich die Krümmung 1/R des Krümmungsverlaufs der gekrümmten Linsenoberfläche vorzugsweise linear um den Faktor k proportional zum Winkel α gemäß folgender Beziehung
Liegen zwei oder eine größere Anzahl dieser Linsenkörper (im Folgenden auch Linsen genannt) mit gegenläufig verändernder Krümmungsprofilerstreckung und je einer Stufe übereinander, teilen deren Nullwinkel – sofern sie nicht übereinander liegen – die resultierende gemeinsame Querschnittsfläche des Linsensystems in mindestens zwei bzw. in eine größere Anzahl Sektoren ein. Die resultierende gemeinsame Querschnittsfläche ist die Querschittsfläche des optischen Strahlenverlaufs, die von allen Linsenflächen überdeckt wird. Weist eine Linse genau eine Stufe auf, erstreckt sich der Winkel α auf einen Wertebereich von 0° bis 360°.
Eine Variante sieht vor, die beiden Oberflächen einer Linse mit nichtlinear vom Winkel α abhängigen Krümmungsverlauf so zu gestalten, dass die Linse insgesamt dennoch einen linear vom Winkel α abhängigen optischen Refraktionsstärkenverlauf aufweist. In diesem Fall besteht ein Linsensystem vorzugsweise aus zwei identischen Linsen oder zwei Linsen mit identischen vom Winkel α abhängigen optischen Refraktionsstärkenverlauf.
Eine Ausführungsform sieht vor, die optischen Artefakte durch optische Filter zu reduzieren, beispielsweise durch Monochromfilter oder Polarisationsfilter. Die Filterflächen sind entweder dem Filtersystem vorgeschaltet oder direkt auf der zum Lichteinfall hinweisenden Filterfläche durch Beschichtung aufgebracht.
Eine Linse mit nichtlinear vom Winkel α abhängigen optischen Eigenschaften lässt sich zudem zur Korrektur bestimmter optischer Wirkungen wie z. B. eines Astigmatismus nutzen.
Eine weitere Ausführungsform sieht Linsenkörper mit jeweils mindestens zwei Stufen vor, wobei jeder der gestuften Linsenkörper des Linsensystems vorzugsweise dieselbe Anzahl an Stufen mit jeweils einem eigenen Nullwinkel aufweist. Die Linsenfläche eines jeden Linsenkörpers wird durch die Stufen jeweils in gleiche Sektoren mit gleicher Winkelerstreckung unterteilt. Zwischen zwei Refraktionsstärkenstufen eines Linsenkörpers erstreckt sich dann ein Winkel α von α = 360°/N (2) (N = Anzahl der Refraktionsstärkenstufen). Die Sektoren pro Linsenkörper weisen zwischen zwei Stufen jeweils ein mit dem Winkel α mit der Drehachse zunehmendes oder abnehmendes (wendelähnliches) Krümmungsprofil der vorgenannten Art mit winkelabhängiger stetig ansteigender oder abfallender Refraktionsstärke auf. Weiter bevorzugt weisen alle durch die Nullwinkel begrenzten Sektoren eines Linsenkörpers dasselbe winkelabhängige wendelähnliche Krümmungsprofil auf.
Die Krümmungsprofile sind bevorzugt zudem als Fresnellinsenprofil gestaltet, was eine erheblich geringere Bauhöhe des Linsensystems ermöglicht, sowie eine Gewichtsreduzierung ermöglicht, wodurch sich ein geringerer Energiebedarf des Antriebs erzielen lässt. Weiterhin wird dadurch ein größerer Brechkraftbereich des Linsensystems ermöglicht. Mögliche Artefakte lassen sich durch eine Abschattung der Stufen des Fresnellinsenprofils reduzieren.
Die Refraktionsstärke der Linsenkörper ist vorzugsweise am jeweiligen Nullwinkel oder einem anderen Winkel α gleich Null.
Zur Vermeidung von optischen Artefakten sind Mittel zur Abschattung der Stufen in den Linsen vorgesehen. Dabei entsteht je nach Verdrehzustand und Anzahl der Sektoren des Linsensystems ein mono-, bi- oder multifokales Linsensystem mit veränderbaren refraktiven Gesamtstärken. Zur Reduktion des Fokalitätsgrades und um ein monofokales Rotationslinsensystem zu erhalten ist zusätzlich ein Mittel zur Obskuration von Sektoren im Rotationslinsensystem erforderlich.
Um den Fokalitätsgrad des Linsensystems zu reduzieren und um ein monofokales Linsensystem mit homogener refraktiver Gesamtstärke zu erhalten, umfassen die Mittel zur Abschattung auch die vollständige Abschattung von einzelnen Sektoren der resultierenden gemeinsamen Querschnittsfläche. Bevorzugt erstrecken sich die Mittel auf die Obskuration von Sektoren, welche eine abweichende refraktive Stärke als die übrigen Sektoren des Linsensystems aufweisen. Dabei kennzeichnen sich die Mittel dadurch, dass die Mittel zusätzlich einen oder mehrere Sektoren in einer Linsenfläche vollständig abdecken.
Die technischen Umsetzungen dieser Mittel umfassen vorzugsweise jeweils einen oder mehrere lichtundurchlässige Sektoren auf jedem Linsenkörper, die bevorzugt als lichtundurchlässige Blende entweder nur die Stufe (bei Multifokaleinstellung) oder die Stufe mit einem oder beiden angrenzenden Sektorbereichen (vorzugsweise bei monofokaler Einstellung) abdecken.
Eine alternative Ausführungsform der Mittel umfasst eine fächerartige Abdeckung, die einen variablen oder fixen abzuschattenden Sektorabschnitt des Linsensystem überspannt. Vorzugsweise ist die Abdeckung für eine Synchronbewegung mit den gegeneinander verdrehbaren Linsenkörpern an diese mechanisch angebunden.
Die Linsen weisen wie vorgenannt bevorzugt eine rotationssymmetrische, weiter bevorzugt zudem plane (ebene) Linsenfläche auf, die gemeinsam mit benachbarten Linsen mit einer entsprechend angepassten Gegenfläche einen Spalt bilden. Zwischen den beiden Linsenkörpern erstreckt sich ein spaltförmiger Zwischenraum (Spalt), bevorzugt planer Spalt mit winkelunabhängigem und einstellungsunabhängigem radialen Spaltprofilverlauf. Dieser Zwischenraum, vorzugsweise planer Spalt ist für den Fall, dass eine gegeneinander gerichtete Rotationsführung zwischen den Linsen vorgesehen ist, als trockenes oder geschmiertes Gleitlager oder gas- oder flüssigkeitsbasiertes Fluidlager konzipierbar. Eine mögliche Ausführung eines Fluidlagers sieht eine Fluidzuführungsleitung (z. B. Kanüle) vor, die das Fluid in das Zentrum, d. h. in den zentralen Drehpunkt der Linsen führt und vorzugsweise als Drehachse dient. Translatorische Bewegungen der einzelnen Linsen gegeneinander sind nicht oder im Falle einer Gaslagerung nur in einem engen Bereich möglich.
Alternativ werden die Linsen oder ein Teil der Linsen eines Linsensystems jeweils über einen angetriebenen Außenlagerring drehend und/oder translatorisch gelagert. Jede Linse ist im System entweder starr eingebunden oder über einen Außenlagerring drehbar oder in axiale Richtung gelagert und angetrieben. Eine Gleit- oder Fluidlagerung sowie eine entsprechend rotationssymmetrische Gestaltung der zueinander gerichteten Linsenflächen der vorgenannten Art sind dabei nicht mehr erforderlich. Folglich ist eine Gestaltung der zueinander zugewandten Linsenflächen zweier benachbarter Linsen nicht zwingend in ihrer Topographie aneinander anzupassen, da der Zwischenraum zwischen diesen nicht mehr als Teil einer Lagerung erforderlich ist.
Zusammengefasst umfassen die wesentlichen Merkmale des Rotationslinsensystems

a) die wendelähnlichen optischen Grenzflächen der Linsen, deren radiale Halbprofile ihre Krümmungsparameter in Abhängigkeit vom Winkel α um die optische Achse ändern,
b) die Kombination mehrerer solcher wendelähnlicher optischer Grenzflächen zu einem Linsensystem, das die refraktive Stärke in seinen Sektoren ändert, wenn eine oder mehrere Linsen mit solchen wendelähnlichen Grenzflächen um die optische Achse verdreht werden sowie
c) die optionale Obskuration von Sektoren im Rotationslinsensystem, welche eine andere refraktive Stärke als die übrigen Sektoren des Linsensystems aufweisen, um den Fokalitätsgrad des Linsensystems zu reduzieren und um ein monofokales Linsensystem mit homogener refraktiver Gesamtstärke zu erhalten.

Die Fertigung dieser nicht rotationssymmetrischen Oberflächenformen der Linsenkörper erfolgt vorzugsweise mit umformenden, urformenden oder spanenden Verfahren, die für die Herstellung von Linsen mit optischer Oberflächenqualität geeignet sind, wie beispielsweise Blankpressen, Spritzgießen oder Ultrapräzisionsdrehen.
Das Rotationslinsensystem wird zur Änderung seiner refraktiven Stärke durch einen rotatorischen manuellen oder maschinellen Antrieb angetrieben. Dadurch ergeben sich gegenüber den in der Optik gewöhnlichen Linearantrieben mehrere signifikante Vorteile:

1. Rotatorische Antriebe (z. B. Elektromotoren) sind im Vergleich zu translatorischen Antrieben (z. B. Linearantrieben) wesentlich einfacher aufgebaut und können mit einem geringeren Aufwand betrieben werden. Dies gilt insbesondere für die elektromechanische Wandlung, wobei ein Linsenkörper direkt in den Rotor des Antriebs integrierbar ist.
2. Eine rotatorische Bewegung einer Linse ermöglicht im Vergleich zu translatorischen Verschiebungen bessere Ausnutzung des Bauraumes, was insbesondere bei begrenzten Raumbedarf vorteilhaft ist.
3. Bei direktem Antrieb durch einen rotatorischen Wandler von nichtmechanischer in mechanische Energie, z. B. einen elektromechanischen Wandler, entfällt die mechanische Wandlung einer Rotations- in eine Translationsbewegung, wie sie häufig bei starren Linsensystemen mit translatorischer Verschiebung entlang der optischen Achse oder senkrecht zu dieser erforderlich ist. Durch die fehlende mechanische Wandlungseinheit und ihre Energieverluste ergibt sich ein geringerer Bauraumbedarf und ein geringerer Energiebedarf des Antriebes.
4. Ein rotatorischer Direktantrieb lässt sich besser in den häufig ringförmigen und begrenzten Bauraum um die kreisförmige Apertur optischer Systeme integrieren (z. B. piezoelektrischer Wanderwellenmotor). Dies ist insbesondere auch bei intraokularen Implantaten der Fall, welche die Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges nach Verlust durch Presbyopie (Alterssichtigkeit) oder nach Kataraktoperation (chirurgische Behandlung des grauen Stars) wiederherstellen sollen. Bei diesen steht nur ein kleiner z. B. zylinderringförmiger Bauraum für den Antrieb optischer Elemente zur Verfügung, der nach Abzug des notwendigen optischen Bereichs im begrenzten Volumen des Kapselsacks verbleibt.
5. Zur Änderung der refraktiven Stärke des Rotationslinsensystems wird aufgrund der reinen Rotation von Linsenkörpern mit kreisförmigem Querschnitt um ihr Zentrum kein Verschiebevolumen benötigt, wie es bei der translatorischen Verschiebung von starren Linsenkörpern zur Änderung der refraktiven Stärke eines optischen Systems von diesen überstrichen wird. Dadurch ergibt sich eine geringere Baugröße für das Rotationslinsensystem im Vergleich zu anderen optischen Systemen mit veränderbarer refraktiver Stärke.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Linsenfläche mit winkelabhängiger Refraktionsstärke durch eine Grenzfläche des Linsenkörpers zu einem anderen optisch-transparenten Festkörper gebildet. Dadurch ist z. B. eine zusätzliche rotationssymmetrische Außenfläche des resultierenden Körpers erzielbar, wodurch einerseits eine zusätzliche refraktive Grundstärke eingebracht werden kann, andererseits eine axiale mechanische Gleitlagerung des drehbaren Körpers gegen eine weitere Festkörperoberfläche realisierbar wird. Weiterhin kann durch die Materialwahl des konjugierten optisch-transparenten Festkörpers und die Form der zusätzlichen rotationssymmetrischen Aussenfläche ein weitgehender Ausgleich chromatischer Aberrationen realisiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das optional auch mit einzelnen oder allen vorgenannten Maßnahmen zusätzlich kombinierbar oder erweiterbar ist. Es zeigt
1a bis d eine erste Ausführung eines Rotationslinsensystems, bestehend aus zwei identischen Linsenkörpern, mit einer planen und einer gekrümmten Linsenfläche,
2 eine Linse des Linsensystems gem. 1a bis d in perspektivischer Darstellung (Finite Elemente); die Unterseite ist eine plane Oberfläche sowie
3a und b eine Linse des Linsensystems einer Ausführungsform in perspektivisch-verzerrter (a) und perspektivischer (b) Darstellung (Finite Elemente); die Unterseite ist eine plane Oberfläche.
Ausführungsform 1:
Die in 1a bis d in zwei Projektionen (a und c bzw. b und d) und zwei Einstellungen (a und b bzw. c und d) dargestellte Ausführung ist ein Linsensystem 1 bestehend aus zwei im Beispiel identischen Linsenkörpern 2 und 3 mit kreisförmiger Apertur. In perspektivischer Darstellung zeigt 2 eine Linse dieses Linsensystems. Jeweils eine Seite der beiden Linsenkörper ist als plane Fläche 4 bzw. 5 gestaltet. Die beiden planen Flächen sind parallel zueinander gerichtet angeordnet, berühren sich vorzugsweise nicht. Sie sind vorzugsweise durch einen Spalt, der als Fluidlager und/oder zur Aufnahme von Blenden nutzbar ist, voneinander getrennt und stellen die beiden inneren Flächen des Linsensystems dar. Sie sind zudem konzentrisch zueinander angeordnet. Die beiden äußeren Flächen 5 und 7 besitzen eine wendelähnliche Oberflächenform. Sie kann bei beiden Linsen 2 und 3 identisch oder von unterschiedlicher Form sein.
Die planen Flächen 4 und 5 sind optional auch durch profilierte Flächen ersetzbar. Diese Flächen weisen eine Topographie unabhängig vom Winkel α auf. Vorzugsweise sind diese dabei so gestaltet, dass sie bei einer zueinander weisenden Anordnung einen winkelunabhängigen und einstellungsunabhängigen radialen Spaltprofilverlauf bilden.
In Grundstellung gem. 1a und b sind die beiden Linsenkörper in ihrer Drehlage um die optische Achse 12 so ausgerichtet, dass die Refraktionsstärkenstufen 8 und 9 parallel zueinander verlaufen und in die gleiche Richtung (Winkelrichtung, vgl. 1a) zeigen. Die Winkel α = 0° zeigen für beide Linsen dabei in die gleiche Richtung. Der Verdrehwinkel φ, d. h. der Winkel, gegen die die beiden Linsen gegeneinander verdreht sind, ist in der Grundstellung Null (φ = 0°).
Bei Rotation der beiden Linsenkörper um den Verdrehwinkel φ gegeneinander (φ ungleich 0°, vgl. 1c) teilt sich die resultierende gemeinsame Querschnittsfläche des Linsensystems (sie ist die Querschnittsfläche, die von den optischen Flächen jeder Linse des Linsensystems überdeckt wird, d. h. nur in der resultierenden Querschnittsfläche durchdringt ein Lichtstrahl alle Linsenflächen des Systems) in zwei Sektoren 10, 11 mit unterschiedlicher refraktiver Stärke. Dadurch würde in einem abbildenden System eine bifokale Abbildung entstehen. Durch die Drehung wurde die Summe der refraktiven Stärken der beiden äußeren wendelähnlichen Linsenkörperflächen in diesem Sektor des optischen Bereichs vergrößert oder verringert. Der zweite Sektor besitzt ebenfalls eine konstante refraktive Stärke, die jedoch wesentlich größer oder kleiner ist, als die des ersten Sektors.
Um ein monofokales Linsensystem (mit homogener refraktiver Stärke) zu erhalten ist es daher erforderlich, den zweiten Sektor optisch undurchlässig auszuführen. Hierzu ist bspw. eine absorbierende Obskuration geeignet. Die refraktive Stärke des optisch durchlässigen Sektors stellt dann die refraktive Gesamtstärke des Linsensystems dar. Durch die Obskuration reduziert sich zwar die Lichtmenge durch das Linsensystem, bei den meisten abbildenden optischen Systemen geht jedoch dadurch keine Bildinformation verloren.
Zur Sicherstellung einer homogenen, monofokalen refraktiven Gesamtstärke des Linsensystems ist eine Obskuration eines Teils der Linsenfläche in der Weise erforderlich, dass nur ein Sektor 10 oder 11 oder ein Teil desselben nicht abgedeckt ist. Für eine Obskuration eines Sektors eignen sich insbesondere fächerförmig gefaltete Blenden oder mehrere Blendenelemente in der Form von Sektoren, die sich je nach dem zu überspannenden Winkelbereich mehr oder weniger auf- oder auseinanderschieben und damit anpassen. Alternativ lassen sich auch Linsenbereiche schwärzen oder elastische oder flüssige Blenden (z. B. Gummifolie oder Flüssigkeitsfilm) als Blenden einsetzen. Die Blenden sind vorzugsweise auf oder zwischen den innen liegenden planen Flächen 4 oder 5 angeordnet. Führen jedoch die über eine äussere Fläche 6 oder 7 auftreffenden Lichtstrahlen zu Lichtstreuung oder unerwünschten Reflexionen oder anderen optischen Artefakten im Linsensystem, so sind die Blenden in dem Linsensystem vorgeschalteten Bereichen anzuordnen. Lichtstrahlen, die die Artefakte auslösen könnten, werden vor Erreichen des Linsensystems durch die Blenden abgefangen.
Insbesondere an den Stufen einer Linsenoberflächen besteht die besondere Gefahr der Streulichtentstehung, welches die optischen Eigenschaften des Rotationslinsensystems verschlechtert und dadurch beispielsweise die Abbildungsqualität in einem optischen Abbildungssystem verringert. Diese unerwünschte Streuung kann verringert oder sogar eliminiert werden, indem die Streuquellen, d. h. die Stufen von einer Blende überspannt werden oder die Stufen durch Abrundungen und flachere Gestaltung entschärft werden.
Alternativ oder ergänzend lassen sich optische Artefakte auch durch Filter oder zu Filterflächen modifizierte (z. B. beschichtete) Linsenflächen reduzieren oder eliminieren, z. B. durch Monochrom-, Farb- oder Polfilter.
Ferner sind optische Artefakte auch dadurch reduzierbar, dass man die Lichtbrechungen im Linsensystem auf mehrere Grenzflächen verteilt und damit die Umlenkungen pro Linsenoberfläche kleiner gestaltet. Dies ist entweder über eine Erhöhung der Linsenzahl auf drei oder mehr Linsen oder durch beidseitige optische Linsentopographie auf den Linsen realisierbar.
Die wendelähnliche Oberflächenform wird vorzugsweise durch ein sich mit dem Winkel α um die optische Achse stetig vorzugsweise linear veränderndes vorzugsweise sphärisches oder asphärisches Halbprofil gebildet. Die Krümmung hängt linear von dem Winkel α ab und berechnet sich gemäß der Gleichung (1). Bei einem sphärischen Halbprofil ist dies der Krümmungsradius R bzw. seine Inverse die Krümmung K (= 1/R). R bzw. K ändern sich in Abhängigkeit des Winkels α, der die Lage des betrachteten Halbprofils in einem linsenkörperfesten Zylinderkoordinatensystem beschreibt vorzugsweise linear gemäß K₁(α) = K₁₀ + a₁₀·α (3) (K₁₀ = Krümmung an der refraktiven Stufe, a₁₀ = winkelspezifische Änderung der Krümmung). In einer solchen stetig oder linear zunehmenden Oberflächenkrümmung tritt an mindestens einem Winkel α eine Stufe 8 auf, die den Krümmungswert wieder zum Ursprungswert K₁₀ zurücksetzt. Beide Linsenkörper werden in ihrer Drehlage um die optische Achse zunächst so aneinander ausgerichtet, dass die Kanten der Stufen beider Oberflächen parallel, d. h. im gleichen Winkel senkrecht zur optischen Achse zueinander ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung wird im Folgenden als „Nulllage” bezeichnet.
Das wie vorgenannt gestaltete Linsensystem weist einen Krümmungsbetrag |K₁| des radialen Halbprofils eines der beiden Linsenkörper auf, der mit dem Winkel β eines raumfesten Zylinderkoordinatensystems zunimmt. Zugleich nimmt der Krümmungsbetrag |K₂| des radialen Halbprofils des anderen Linsenkörpers mit demselben Winkel β ab. Der Winkel β beschreibt dabei die Lage des betrachteten radialen Halbprofils (1). Da die Krümmung einer optischen Grenzfläche ihre optische Brechkraft bzw. ihre refraktive Stärke bestimmt, wird durch diese Krümmungsverläufe der beiden Linsenkörper in Abhängigkeit des Winkels β erreicht, dass die Summe der refraktiven Stärken der beiden äußeren Linsenkörperflächen in einer meridionalen Ebene im gesamten optischen Bereich konstant ist. Sie stellt die refraktive Gesamtstärke des Linsensystems dar.
Durch die tangentiale Steigung dz/dα der beiden äußeren Linsenkörperflächen 5 und 6 werden auftreffende Lichtstrahlen an diesen optischen Grenzflächen jedoch zusätzlich zur radialen Ablenkung auch tangential gebrochen. Meridional auf die erste wendelähnliche Linsenfläche einfallende Strahlen verlassen dadurch ihre meridionale Einfallebene. Sie treffen deshalb nicht mehr in dieser Meridionalebene auf die zweite wendelähnliche optische Grenzfläche, welche dort eine Krümmung K₂(α₁) ihres Halbprofils besitzt, sondern an einem Punkt dieser Grenzfläche, der in dem radialen Halbprofil mit einer Krümmung K₂(α₁ + Δα_tang) ≠ K₂(α₁) (4) (Δα_tang = Winkeldifferenz der meridionalen Einfallsebene des Lichtstrahls zur meridionalen Ebene des Schnittpunktes der zweiten wendelähnlichen optischen Grenzfläche mit dem ausfallenden Lichtstrahl) liegt. Die Stärke dieser Brechung wird wesentlich durch den Geometrieparameter a₁₀ bestimmt, welcher die Krümmungsänderung des Halbprofils in Abhängigkeit des Winkels α beschreibt. In einer günstigen Ausführungsform des Rotationslinsensystems, wie sie – wie in 1a bis d wiedergegeben – z. B. bei linearem Krümmungsverlauf vorliegt, ist die Winkeldifferenz Δα_tang konstant für alle meridional einfallenden Strahlen und diese werden an der zweiten wendelähnlichen optischen Grenzfläche wieder in eine Meridionalebene hinein gebrochen, so dass sich trotz der tangentialen Brechungsanteile für Strahlen aus allen meridionalen Einfallebenen die gleiche refraktive Stärke des Rotationslinsensystems ergibt und damit eine konstante refraktive Gesamtstärke des Rotationslinsensystems resultiert.
Ausführungsform 2:
3a und b zeigen in perspektivisch-verzerrter (mit um den Faktor 20 erhöhter Topographie) bzw. perspektivischer Darstellung eines Finite-Elemente-Modells eine zweite Ausführungsform einer Linse eines Linsensystems mit zwei identischen Linsen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorgenannten und in 1 und 2 gezeigten Variante dadurch, dass die Refraktionsstärke des Linsenkörpers nicht am jeweiligen Nullwinkel, sondern an einem andern Winkel α unendlich ist, d. h. beide Linsen weisen eine vom Winkel α linear abhängig stetig ansteigende wendelähnlich gekrümmte optische Grenzfläche auf.
Die zweite Ausführungsform eignet sich besonders in einem künstlichen Akkommodationssystem als Ersatz der natürlichen menschlichen Augenlinse, welches ein optisches System veränderbarer refraktiver Stärke enthält. Dieses optische System ist geeignet, einen Refraktionsbereich von mindestens 20–23 dpt (Dioptrin) zu gewährleisten. Das Rotationslinsensystem dieser Ausführung wird vorzugsweise mit einem kontinuierlich veränderbaren Brechkrafthub von –2,5 bis +2,5 dpt bevorzugt von –1,5 bis +1,5 dpt auslegt. Die fehlende Grundbrechkraft von 21,5 dpt wird durch eine zusätzlich zum Linsensystem vor- oder nachgeschaltete starre Linse mit konstanter Brechkraft erbracht. Das optische System dieser Ausführungsform besitzt für den Einsatz in einem künstlichen Akkommodationssystem eine Apertur zwischen 3 und 8 mm, vorzugsweise zwischen 4 und 6 mm.

Eine konkrete Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform für den Einsatz in einem Akkommodationssystem der vorgenannten Art weist die in Tab. 1 zusammengefassten technischen Daten auf. Tab. 1: Technische Daten der Linsen in einem Linsensystems gemäß der zweiten Ausfürhungsform für den Einatz in einem künstlichen Akkomodationssystem

Radius	2,5 mm
Dicke am Scheitel	120 μm
minimale Randdicke	50 μm
maximale Randdicke	191 μm
K₀	–24 m^–1
K	7,639 m^–1
minimaler Krümmungsradius im optischen, nicht-obskurierten Bereich	–47,62 mm
maximaler Krümmungsradius im optischen, nicht-obskurierten Bereich	47,62 mm
Linsenmaterial mit Brechungsindex	Glas, n = 1,5
optisches Füllmedium mit Brechungsindex	Luft, n = 1,0

Beide Linsen des Rotationslinsensystems dieser konkreten Ausführung sind konzentrisch derart nacheinander angeordnet, dass die planen Flächen beider Linsenkörper einen geringen Abstand von 20 μm zueinander aufweisen. In der Nullage des Verdrehwinkels φ = 0° sind beide Linsen in ihrer Drehlage um die optische Achse so zueinander ausgerichtet, dass die Kanten der Refraktionsstärkenstufen (vgl. 8, 9 gem. 1a) beider Oberflächen parallel sind und sich genau gegenüber stehen bzw. in die gleiche Richtung zeigen. Bei Verdrehung eines der Linsenkörper im Winkelbereich –22,5° ≤ φ ≤ 22,5° um die optische Achse (vgl. 12 gem. 1a) ändert sich die refraktive Stärke D des optischen Systems gemäß einer paraxialen Vorauslegung des Rotationslinsensystems entsprechend in einem Bereich von –1,5 dpt ≤ ΔD ≤ 1,5 dpt. Um eine homogene, monofokale refraktive Gesamtstärke des optischen Systems zu erhalten, wird ein Teil des optischen Bereichs obskuriert, so dass für alle Verdrehzustände –22,5° ≤ φ ≤ 22,5° der Linsen zueinander nur einer von mehreren Sektoren mit unterschiedlicher refraktiver Stärke optisch durchlässig ist.
Die Obskuration (Blenden) besteht aus zwei planen, absorbierenden Sektoren mit einem Zentriwinkel von je 22,5°. Sie sind im Strahlenverlauf jeweils unmittelbar vor den Linsen positioniert und jeweils an einer dieser befestigt. Die Refraktionsstärkenstufen der Linsen liegen dabei winkelmittig im jeweiligen mit der Linse fest verbundenen obskurierenden Sektor. Die obskurierenden Sektorspitzen sind außerdem entlang der Sprungkanten der Refraktionsstärkenstufen in Richtung des Linsenmittelpunktes im Bereich der optischen Achse (fällt mit Verdrehachse zusammen) um ca. 176 μm über diesen hinaus verschoben, um eine geringfügige Vergrößerung des gesamten Obskurationsbereichs zu erreichen, womit Streu- und sonstige Störlichteinflüsse am Obskurationsrand verhindert oder reduziert werden.
Die beispielhaft vorgenannte Obskuration für Rotationslinsensysteme, bei der die Blenden in Form von Winkelsektoren auf den Linsen den Winkelbereich α von φ_min bis φ_max um die optische Achse vollständig abdecken, ist für alle Ausführungsformen des Linsensystems vorteilhaft. Die Sektorförmigen Blenden erstrecken sich über die wendelähnlichen optischen Grenzflächenbereiche beidseitig einer Refraktionsstärkenstufe jeweils im gleichen maximalen Winkelbereich ±γ, vorzugsweise um φ_min/2 ≤ γ ≤ φ_max/2. Jede Stufe jeder Linse wird mit einer jeweiligen Blende der genannten Art, die mit dieser Linse befestigt ist, abgedeckt.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich dadurch in der genannten Nulllage ein geringerer Lichtmengenverlust durch die Obskuration als in den anderen Verdrehzuständen des Rotationslinsensystems. Der Lichtmengenverlust wird dann maximal bei φ = φ_min und φ = φ_max. Weiterhin werden bei dieser Obskurationsausführung die Refraktionsstärkenstufen der optischen Grenzflächen stets überdeckt. Dadurch entsteht einerseits weniger, nämlich nur noch indirektes Streulicht an den Kanten der Stufen insbesondere der Refraktionsstärkestufen. Außerdem entfällt die bei anderen Obskurationsvarianten vorhandene Notwendigkeit, die Obskuration zur Abdeckung der Kanten an den Stufen bzw. Sprüngen der optischen Oberflächen und zur Vermeidung von direktem Streulicht größer auszuführen, als zum Erzielen eines monofokalen Abbildungsverhaltens des Rotationslinsensystems mindestens erforderlich wäre. Dadurch ergibt sich wiederum ein geringerer Lichtmengenverlust als bei anderen Obskurationsvarianten.
Andererseits können die Oberflächen bei dieser besonders günstigen Obskurationsausführung in den obskurierten Bereichen alternativ als kontinuierlich verlaufend, also als stetige und differenzierbare Oberflächenfunktionen – auch am Übergang vom obskurierten Oberflächenbereich in den nicht-obskurierten Oberflächenbereich – ausgeführt werden. Damit lässt sich eine weitere, starke Verringerung von indirektem Streulicht und damit eine potentielle Verbesserung der Abbildungsqualität des Rotationslinsensystems erzielen. Außerdem ergeben sich große fertigungstechnische Vorteile für die Linsenkörper mit kontinuierlich verlaufender Oberfläche im Vergleich zu solchen mit einem Sprung bzw. einer Stufe in der optischen Oberfläche.
In vorgenannten Ausführungsformen des Rotationslinsensystems, d. h. mit linearem Krümmungsverlauf der Linsenflächen, gilt auch bei Verdrehung beider Linsenkörper ausgehend von der Nulllage (φ = 0) zueinander, dass die Winkeldifferenz Δα_tang aufgrund der tangentialen Brechungsanteile für alle meridional einfallenden Strahlen konstant ist. Ferner werden diese Brechungsanteile an einer zweiten wendelähnlichen optischen Grenzfläche (im Ausführungsbeispiel an der zweiten Linse) oder an der Summe der weiteren optischen Grenzflächen wieder in eine Meridionalebene hinein gebrochen. Damit ergibt sich trotz der tangentialen Brechungsanteile für Strahlen aus allen meridionalen Einfallebenen die gleiche refraktive Stärke des Rotationslinsensystems, womit eine konstante refraktive Gesamtstärke des Rotationslinsensystems resultiert. Das Ausführungsbeispiel 2 zeigt zudem, dass der Effekt der tangentialen Brechung von Strahlen bei geeignet ausgelegten Rotationslinsensystemen auch in den vorgesehenen Verdrehzuständen des Rotationslinsensystems mit unterschiedlicher refraktiver Stärke keine wesentlichen negativen Auswirkungen auf die optische Abbildungsqualität hat.
Das Ausführungsbeispiel 2 (3a und b) zeigt ferner, dass der Effekt einer tangentialen Brechung von Strahlen bei geeignet ausgelegten Rotationslinsensystemen keine wesentlichen negativen Auswirkungen auf die optische Abbildungsqualität hat. Geeignete Maßnahmen zur Kompensation derartiger negativer Auswirkungen durch die tangentialen Brechungsanteile sind die Verringerung der Krümmungsänderung in Abhängigkeit des Winkels α der wendelähnlichen Grenzflächen, eine Verringerung der Brechungsindexdifferenz zwischen den Medien an den wendelähnlichen optischen Grenzflächen und eine Verringerung der Gesamtdicke des Rotationslinsensystems bzw. des Abstandes zwischen den wendelähnlichen optischen Grenzflächen.
Bezugszeichenliste

1: Linsensystem
2: erste Linse
3: zweite Linse
4: rotationssymmetrische Fläche der ersten Linse
5: rotationssymmetrische Fläche der zweiten Linse
6: äußere gekrümmte Fläche der ersten Linse
7: äußere gekrümmte Fläche der zweiten Linse
8: Refraktionsstärkenstufe der ersten Linse
9: Refraktionsstärkenstufe der zweiten Linse
10: Sektor mit erster refraktiver Stärke
11: Sektor mit zweiter refraktiver Stärke
12: Optische Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3305294 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Milton Laikin: Lens design; Ed. 3, Marcel Dekker Inc. New York (2001) S. 331ff [0003]

Claims

Linsensystem (1) mit veränderbarer Refraktionsstärke mit einer optischen Achse (12), umfassend mindestens zwei um eine Drehachse mit einem Verdrehwinkel φ gegeneinander verdrehbare Linsenkörper (2, 3), wobei a) die Drehachse mit der optischen Achse des Linsensystems und der Linsenkörper zusammenfällt, b) die Linsenkörper jeweils mindestens eine Linsenfläche mit mindestens einem Krümmungsprofil (6, 7) mit einer um die Drehachse winkelabhängig (Winkel α) wendelähnlich stetig ansteigenden oder abnehmenden Refraktionsstärke und jeweils mindestens einer Refraktionsstärkenstufe (8, 9) an einem jeweiligen Nullwinkel (α = 0°) umfassen, c) die Linsenflächen jeder Linse im Linsensystem eine gemeinsame resultierende Querschnittsfläche überdecken, d) die Nullwinkel der Linsenkörper die resultierende gemeinsame Querschnittsfläche in Sektoren (10, 11) einteilen, e) sich die Refraktionsstärken der Linsenkörper in mindestens einem Sektor zu einer einheitlichen und vom Verdrehwinkel φ abhängigen Refraktionsstärke des Linsensystems zusammensetzen sowie f) Mittel zur Abschattung der Stufen in der Linsenfläche.
Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenkörper jeweils eine gleiche Anzahl, aber mindestens je zwei Refraktionsstärkestufen (8, 9) mit jeweils einem eigenen Nullwinkel aufweisen, die Linsenfläche der Linsenkörper durch die Refraktionsstärkestufen jeweils in Sektoren mit identischer Winkelerstreckung unterteilt sind und die Sektoren pro Linsenkörper jeweils ein wendelähnliches Krümmungsprofil mit winkelabhängig stetig ansteigender oder abnehmender Refraktionsstärke aufweisen.
Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stetig ansteigende oder abnehmende Refraktionsstärke der Krümmungsfläche mit dem Winkel α proportional veränderbare Refraktionsstärke ist.
Linsensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abschattung zusätzlich einen oder mehrere Sektoren in der resultierenden gemeinsamen Querschnittsfläche vollständig abdecken.
Linsensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel jeweils einen oder mehrere lichtundurchlässige Sektoren auf jedem Linsenkörper umfassen.
Linsensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Refraktionsstärkenstufe im Bereich der Abschattung einen stetigen verändernden sprungfreien Oberflächenverlauf aufweist.
Linsensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Linsenfläche ein rotationssymmetrisches winkelunabhängiges Krümmungsprofil oder rotationssymmetrische diffraktive Strukturen aufweist.
Linsensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Refraktionsstärke mindestens eines der Linsenkörper am jeweiligen Nullwinkel oder einem andern Winkel α unendlich ist.
Linsensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsprofile als Fresnellinsenprofil gestaltet sind.
Linsensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenfläche mit winkelabhängiger Refraktionsstärke durch eine Grenzfläche des Linsenkörpers zu einem anderen optisch-transparenten Festkörper gebildet wird.