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Die Erfindung betrifft eine optische Linsenanordnung mit einem verformbaren, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen aufweisenden Linsenkörper zur Beeinflussung eines Strahlenganges gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1
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Aus der
DE 696 35 310 T2 ist eine gattungsbildende optische Linsenanordnung mit einem plastisch verformbaren Linsenkörper mit durch dessen Verformung bewirkter veränderlicher Brennweite bekannt. Bei dieser bekannten Linsenanordnung wird der Linsenkörper mittels eines beheizbaren Metallringes als Aktuatorelement gehalten, wodurch aufgrund dessen Ausdehnung der Linsenkörper über wenige Prozent seines Durchmessers in radialer Richtung gedehnt und dadurch die Brennweite verändert wird. Zur Erhitzung des Metallringes kann jedes beliebiges konventionelles Heizverfahren verwendet werden. Anstelle eines beheizbaren Metallringes als Aktuatorelement kann der Ring auch aus einem Formgedächtnis-Metall, aus einem magnetostriktiven oder aus einem piezoelektrischen Material hergestellt werden. Ferner wird auch die Herstellung eines solchen Ringes aus bimetallischen Elementen beschrieben. Schließlich wird gemäß dieser
DE 696 35 310 T2 ausgeführt, dass ein solcher Ring als Aktuatorelement nicht den gesamten Umfang des Linsenkörpers umschließen muss, sondern auch aus zwei oder mehreren Segmenten aufgebaut werden kann.
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Als ein Nachteil dieser bekannten optischen Linsenanordnung gemäß der
DE 696 35 310 T2 kann darin gesehen werden, dass mit dem mit dem Umfang des Linsenkörpers verbundenen Aktuatorelement nur beschränkte Verformungsmöglichkeiten des Linsenkörpers realisierbar sind.
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Weiterhin beschreibt auch die
DE 10 2011 053 566 A1 eine optische Linsenanordnung mit einer Linse aus elastisch verformbaren Material, wobei zur Verformung der Linse jeweils auf diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils zwei Kraftangriffsabschnitte mit Stellelementen verwendet werden. Als Stellelemente werden beispielhaft Druckelemente, Kraftelemente, Piezoelemente, Hebelmechaniken, Formgedächtnismaterialen oder Ähnliches genannt. Schließlich wird auch darauf hingewiesen, dass solche Stellelemente zu einem einzigen Stellelement, bspw. einem Ringaktuator verbunden werden können.
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Auch mit einer solchen bekannten optischen Linsenanordnung gemäß der
DE 10 2011 053 566 A1 , bei der die die Verformung des Linsenkörpers bewirkenden Kräfte über den Linsenrand eingebracht werden, sind die Verformungsmöglichkeiten und somit auch die Beeinflussung des Strahlenganges durch die Linsenanordnung nur beschränkt möglich.
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Andere Lösungsansätze sind aus den Druckschriften
US 2012/0170134 A1 ,
JP 2008-058841 A und
US 2010/0182703 A1 bekannt. Die darin beschriebenen Linsenanordnungen umfassen jeweils Linsen, die mit einer transparenten Flüssigkeit gefüllt und einseitig oder beidseitig mit einer transparenten deformierbaren Membran überzogen sind. Durch elektrisch ansteuerbare piezoelektrische Aktuatoren, die im Randbereich der Membranen angeordnet sind, lassen sich deren Krümmungsradien und damit die Form und Lichtbrechungseigenschaften der Linsen gezielt steuern. Nachteilig ist der komplexe Aufbau derartiger Linsen.
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Eine weitere Lösung zeigt die
WO 2010/015093 A1 , ebenfalls mit einer Linse, die sich über elektrisch ansteuerbare piezoelektrische Aktuatoren gezielt verformen lässt. In diesem Fall ist die Linse als Festkörper aus einem elastisch verformbaren Material ausgebildet. Die piezoelektrischen Aktuatoren sind dabei im Mehrschichtverfahren in den Linsenkörper eingebettet. Ein Nachteil dieser Lösung ist ebenfalls ein aufwendiger Linsenaufbau.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung die eingangs genannte optische Linsenanordnung derart weiterzubilden, dass weitgehend unbeschränkte Möglichkeiten hinsichtlich der Verformung des Linsenkörpers ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Linsenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße optische Linsenanordnung ist-mit einem verformbaren, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen aufweisenden Linsenkörper zur Beeinflussung eines Strahlenganges, bei welcher der Rand des Linsenkörpers zumindest bereichsweise kraftschlüssig mit einem den Linsenkörper umrahmenden Linsenhalter verbunden ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Linsenkörper im Randbereich netzartig ausgebildete Zugfasern aufweist, wobei der Linsenhalter als Aktuator zur Kraftbeaufschlagung der Zugfasern ausgebildet ist.
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Eine solche Netzstruktur aus Zugfasern ist im Randbereich des Linsenkörpers derart integriert, dass eine solche Struktur im Bereich des Linsenrandes durch Zug „aktiviert“ werden kann, um somit eine sehr spezielle Veränderung der Linsenform, quasi durch Matrix-Ansteuerung der eingearbeiteten Netzstruktur, zu erlangen. Bei einer solchen Matrix-Ansteuerung sind der Formgebung des Linsenkörpers im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt, insbesondere dann, wenn mehrere Lagen solcher Netzstrukturen im Randbereich des Linsenkörpers eingearbeitet sind.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Zugfasern nicht nur auf den Randbereich des Linsenkörpers beschränkt sein, sondern können den gesamten Linsenkörper durchziehen.
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Schließlich ist es auch möglich, die genannten Zugfasern zusammen mit dem Linsenkörpers als integralen Bestandteil desselben auszubilden.
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Die erfindungsgemäßen optischen Linsenanordnungen sind geeignet für den Einsatz in optische Systeme, bspw. Kamerasysteme oder Lichtsysteme für Fahrzeuge, die mit einer solchen erfindungsgemäßen optischen Linsenanordnung oder mit mehreren solchen optischen Linsenanordnungen ausgestattet werden können.
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Eine weitere nicht erfindungsgemäße optische Linsenanordnung mit einem verformbaren, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen aufweisenden Linsenkörper zur Beeinflussung eines Strahlenganges, bei welcher der Rand des Linsenkörpers zumindest bereichsweise kraftschlüssig mit einem den Linsenkörper umrahmenden Linsenhalter verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Übertragung von Druck- und/oder Zugkräften auf den Linsenkörper wenigstens ein an die Kontur eines Randab-schnittes des Linsenkörpers angepasstes Aktuatorelement vorgesehen ist, welches mit dem Linsenkörper im Randbereich einer Linsenoberfläche kraftschlüssig angeordnet ist.
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Bei dieser Linsenanordnung wird die die Linseneigenschaften verändernde Kraft nicht über den Rand des Linsenkörpers, sondern über eine der beiden Linsenoberflächen in deren Randbereich eingebracht. Damit wird durch eine ganzheitlich umlaufende oder partielle auf die Linsenoberfläche einwirkende Zug- oder Druckkraft die Dicke des Linsenkörpers im Bereich des Aktuatorelementes verändert, wodurch der Linsenkörper symmetrische oder unsymmetrisch verformt wird und dadurch ein komplexer Verlauf des Strahlenganges erreichbar ist.
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Zur Erzeugung der auf die Linsenoberfläche einwirkenden Druck- und/oder Zugkräften ist das Aktuatorelement als metallisches Element ausgeführt werden, und es kann über eine durch Erwärmung bzw. Abkühlung bewirkte Längenänderung senkrecht zur Oberfläche eine Druck- bzw. Zugkraft erzeugt werden. Ferner ist es möglich, für das Aktuatorelement bimetallisches Material oder Formgedächtnislegierungen, vorzugsweise Legierungen mit Zweiweg-Memoryeffekt zu wählen, um die Einstellung der Druck- bzw. Zugkraft erfindungsgemäß durch Steuerung der Temperatur des Aktuatorelementes vorzunehmen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein weiteres Aktuatorelement zusätzlich auf der gegenüberliegenden Linsenoberfläche des Linsenkörpers angeordnet. Damit ist es möglich, sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch auf den Linsenkörper einwirkende Druck- und/oder Zugkräften zu erzeugen, wodurch hochkomplexe Verformungen des Linsenkörpers erzeugt werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Aktuatorelement unter Anpassung an die Kontur des Randes des Linsenkörpers rahmenförmig ausgebildet. Damit kann entsprechend der Kontur des Linsenkörpers, also beispielsweise kreisförmig oder rechteckförmig das Aktuatorelement daran angepasst werden, also beispielsweise als rechteckförmiger Rahmen oder als Kreisring ausgebildet werden.
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Des Weiteren ist nach einer Ausgestaltung
das Aktuatorelement derart ausgebildet, dass eine Zug- und/oder Druckkraft im Wesentlichen parallel zur optischen Achse auf den Linsenkörper übertragen wird. Weiterhin ist es weiterbildungsgemäß auch vorgesehen, das Aktuatorelement derart auszubilden, dass eine Zug- und/oder Druckkraft im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse auf den Linsenkörper übertragen wird.
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Ferner kann das das Aktuatorelement so ausgebildet werden, dass durch dessen Verdrehen gegenüber dem Linsenhalter in Bezug auf die optische Achse eine Zug- und/oder Druckkraft auf den Linsenkörper ausgeübt wird.
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Schließlich sieht weiterbildungsgemäß eine Ausbildung des Aktuatorelementes derart aus, dass durch dessen Neigen gegenüber dem Linsenhalter eine Zug- und/oder Druckkraft auf den Linsenkörper ausgeübt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer optischen Linsenanordnung in einer Draufsicht und mehreren Schnittansichten des Schnittes I-I nach 1a),
- 2 eine schematische Darstellung einer optischen Linsenanordnung in einer Draufsicht und mehreren Schnittansichten des Schnittes I-I nach 2a),
- 3 schematische Darstellungen einer Linsenanordnung mit netzartig ausgebildeten Zugfasern als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, und
- 4 schematische Darstellungen einer Linsenanordnung mit netzartig ausgebildeten zu Fasern als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Die optische Linsenanordnung 1 gemäß den 1a) bis 1c) umfasst einen bikonvexen Linsenkörper 2 aus elastisch verformbarem Material, welcher an seinem Rand umlaufend an einem ringförmig ausgebildeten Linsenhalter 3 befestigt ist, wie dies in der Draufsicht nach 1a) gezeigt ist. Dieser Linsenhalter 3 kann bekannterweise tubusförmig ausgebildet sein.
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Des Weiteren ist ein ebenfalls ringförmig ausgebildetes Aktuatorelement 4 mit einem gegenüber dem Linsenhalter 3 geringfügig kleineren Durchmesser vorgesehen und liegt mit seiner Stirnseite auf einer Linsenoberfläche 2.1 des Linsenkörpers 2 direkt benachbart zum umlaufenden Rand des Linsenkörpers 2 an und ist kraftschlüssig mit der Linsenoberfläche 2.1 verbunden oder auf derselben angeordnet, wie dies aus der Schnittansicht gemäß 1 b) ersichtlich ist. Auch dieses Aktuatorelement 4 kann tubusförmig ausgebildet sein.
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Bei einer Relativbewegung zwischen dem Linsenhalter 3 und dem Aktuatorelement 4 verändert sich die Linsendicke des Linsenkörpers 3 und damit auch deren Brennweite. Bewegen sich beispielsweise der Linsenhalter 3 und das Aktuatorelement 4 aufeinander zu, so wird ausgehend vom Zustand gemäß 1 b) aus einem Linsenkörpers 3 mit großer Linsendicke ein Linsenkörper 3 mit kleiner Linsendicke, wie dies in der Schnittansicht nach 1c) dargestellt ist. Zur Veränderung der Linsendicke des Linsenkörpers 3 kann sich sowohl das Aktuatorelement 4 gegenüber dem Linsenhalter 3, oder umgekehrt, der Linsenhalter 3 gegenüber dem Aktuatorelement 4 bewegen, um eine die Linsendicke verändernde Druck- oder Zugkraft zu erzeugen.
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Das Aktuatorelement 4 ist zur Erzeugung einer die Linsendicke des Linsenkörpers 2 verändernde Druck- oder Zugkraft aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, um über eine Erwärmung bzw. Abkühlung bewirkte Längenänderung senkrecht zur Linsenoberfläche 2.1 des Linsenkörpers 2 eine Druck- oder Zugkraft zu erzeugen.
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Ferner ist es möglich, für das Aktuatorelement 4 bimetallisches Material oder Formgedächtnislegierungen, vorzugsweise Legierungen mit Zweiweg-Memoryeffekt zu wählen, um die Einstellung der Druck- oder Zugkraft durch Steuerung der Temperatur des Aktuatorelementes vorzunehmen.
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Die Linsenanordnung 1 gemäß den 1 kann alternativ auch mit einem Aktuatorelement 4 aufgebaut werden, welches nur aus einem Kreissegment als Aktuatorelement 4 besteht und damit der Kontur eines Rand- bzw. Umfangsabschnittes des Linsenkörpers 2 folgt. Die Bogenlänge eines solchen Aktuatorelementes 4 kann beliebig gewählt werden. Ferner ist es auch möglich mehrere solcher kreissegmentförmigen Aktuatorelemente 4 auf einer Linsenoberfläche 2.1 kraftschlüssig anzuordnen. Damit wird oder werden nur ein partieller Bereich oder mehrere partielle Bereiche der Linsenoberfläche 2.1 entsprechend der Lage des kreissegmentförmigen Aktuatorelementes 4 mit einer Druck-oder Zugkraft beaufschlagt.
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Werden mehrere kreissegmentförmige Aktuatorelemente 4 eingesetzt, so können diese derart angesteuert werden, dass jedes dieser Aktuatorelementes 4 die Linsenoberfläche 2.1 mit Druck- und/oder Zugkräften mit unterschiedlichen Werten beaufschlagt wird.
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Mit solchen Aktuatorelementen kann die Linsenform des Linsenkörpers beliebig verformt und dadurch beliebige Linseneigenschaften generiert werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Linsenanordnung 1, welche sich von derjenigen nach 1 darin unterscheidet, dass auch die weitere Linsenoberfläche 2.2, die der Linsenoberfläche 2.1 gegenüberliegt, ein weiteres Aktuatorelement 4 zugeordnet ist, wie dies insbesondere aus Schnittdarstellungen gemäß den 2b) bis 2d) ersichtlich ist. Auch dieses weitere Aktuatorelement 4 ist kreisringförmig ausgebildet. Beide Aktuatorelemente 4 und 4.1 sind identisch ausgebildet und liegen achsensymmetrisch bezüglich der Linsenachse B auf der Linsenoberfläche 2.1 bzw. 2.2 kraftschlüssig an.
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Durch eine synchrone Bewegung dieser beiden Aktuatorelemente 4 und 4.1 wird der Linsenkörper 3 entweder in Richtung der Linsenachse B durch Erzeugen einer Druckkraft zusammengedrückt oder durch Erzeugen einer Zugkraft auseinandergezogen, wie dies die 2c) und 2d) zeigen. Gemäß 2c) wird beim Zusammendrücken des Linsenkörpers 3 zur Erzeugung einer dünnen Linse überflüssiges Linsenmaterial am Rande nach außen gedrückt, während umgekehrt gemäß 2d) bei der Vergrößerung der Linsendicke Linsenmaterial nach innen gezogen wird. Um sowohl Druck- als auch Zugkräfte in den Linsenkörper 3 einleiten können, sollte dieser aus plastischem Material bestehen. Dies bietet zusätzlich gegenüber der Verwendung eines elastischen Materials den Vorteil, dass nur Verstellenergie zur Verstellung aufgebracht werden muss.
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Natürlich ist es auch möglich, die beiden Aktuatorelemente 4 und 4.1 hinsichtlich der Linsenachse B unsymmetrisch anzusteuern, wodurch es sich in Bezug auf die Achse B unsymmetrische Formen des Linsenkörpers 2 einstellen lassen. Ebenso ist es möglich die beiden Aktuatorelemente 4 und 4.1 unterschiedlich auszubilden, um weitere nicht näher beschriebene Effekte zu erlangen.
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Eine unsymmetrische Verformung des Linsenkörpers 3 lässt sich auch dadurch erzielen, dass das Aktuatorelement 4 gemäß der Linsenanordnung nach 1 oder wenigstens ein Aktuatorelement 4 oder 4.1 nach 2 gegenüber dem Linsenhalter 3 verdreht oder aus einer zur optischen Achse A senkrechten Lage in eine hierzu schrägen Stellung bewegt wird.
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Schließlich ist es auch möglich, den Linsenhalter
3 der Linsenanordnung
1 gemäß den
1 und
2 zusätzlich zu dem Aktuatorelement
4 bzw. den Aktuatorelementen
4 und
4.1 ebenso als Aktuatorelement auszubilden, wie dies aus dem Stand der Technik gemäß der
DE 696 35 310 T2 und der
DE 10 2011 053 566 A1 bekannt ist.
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Eine erfindungsgemäße optische Linsenanordnung ist mit einem verformbaren, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen aufweisenden Linsenkörper zur Beeinflussung eines Strahlenganges aufgebaut, bei welcher der Rand des Linsenkörpers zumindest bereichsweise kraftschlüssig mit einem den Linsenkörper umrahmenden Linsenhalter verbunden ist. Dabei ist der Linsenkörper im Randbereich mit netzartig ausgebildeten Zugfasern ausgebildet, die zur Kraftbeaufschlagung mit dem Linsenhalter als Aktuator verbunden sind.
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Eine solche Netzstruktur aus Zugfasern ist im Randbereich des Linsenkörpers derart integriert, dass eine solche Struktur im Bereich des Linsenrandes durch Zug „aktiviert“ werden kann, um somit eine sehr spezielle Veränderung der Linsenform, quasi durch Matrix-Ansteuerung der eingearbeiteten Netzstruktur, zu erlangen. Bei einer solchen Matrix-Ansteuerung sind der Formgebung des Linsenkörpers im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt, insbesondere dann, wenn mehrere Lagen solcher Netzstrukturen im Randbereich des Linsenkörpers eingearbeitet sind.
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Als Aktuatorelement für einen solchen Linsenkörper eignen sich die bereits oben beschriebenen Verfahren und Materialien.
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In den oben erläuterten Ausführungsbeispielen wird als Linsenkörper 2 eine bikonvexe Linsenform verwendet. Anstelle dieser bikonvexen der Litzen vom können auch andere Linsenformen eingesetzt werden.
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Die 3 und 4 zeigen optische Linsenanordnungen 1 mit ebenso einem plastisch oder elastisch verformbaren, zwei gegenüberliegende Linsenoberflächen aufweisenden Linsenkörper 2 zur Beeinflussung eines Strahlenganges auf, wobei der Linsenkörpers 2 über in denselben sich fortsetzenden Zugfasern 5 mit einem diesen Linsenkörpers 2 umrahmenden Linsenhalter 3 verbunden ist.
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Die 3a) und 3b) zeigen Linsenkörper 2, bei welchen diese Zugfaser 5 eine netzartige Struktur im Randbereich des Linsenkörpers 2 bilden.
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So ist jede einzelne Zugfaser 5 gemäß 3a) radial auf dem Umfang des Randbereichs des kreisförmigen Linsenkörpers 2 ausgerichtet, so dass sie mit einem Ende im Randbereich des Linsenkörpers 3 verlaufen und mit ihrem anderen Ende mit dem Linsenhalter 3 verbunden sind. Der Linsenhalter 3 ist dabei als Aktuator zur Kraftbeaufschlagung der Zugfaser 5 ausgebildet.
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Gemäß 3b) ist der Linsenkörper 2 mit einer rechteckförmigen Kontur ausgebildet, wobei in den Eckbereichen jeweils zwei Paare parallel zu den Außenkanten des Linsenkörpers 2 verlaufende Zugfaser 5 vorgesehen sind, die einenends im Randbereich des Linsenkörpers 2 verlaufenden und andernends mit dem rechteckförmigen der Linsenhalter 3 verbunden sind. Der Linsenhalter 3 dient in diesem Fall ebenso als Aktuator zur Kraftbeaufschlagung der Zugfasern 5.
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Die 4a) und 4b) zeigen dagegen Linsenkörper 2, bei welchen die Zugfasern 5 bis in das Innere des Linsenkörpers 2 eine netzartige Struktur bilden.
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So bildet gemäß 4a) ein kreisförmiger Linsenhalter 3 zusammen mit Zugfasern 5 eine speichenradähnliche Netzstruktur. Hierzu verbinden radial verlaufende Zugfasern 5 einen inneren Zugfaserring 5.1 mit dem Linsenhalter 3, wobei diese Zugfasern 5 zusammen mit dem Zugfaserring 5.1 in dem Linsenkörper 3 verlaufen.
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Die Linsenanordnung 1 gemäß 4b) ist mit einem Linsenkörper 2 und einer Netzstruktur aus Zugfasern 5 entsprechend 3b) ausgebildet, wobei zusätzlich von jedem im Eckbereich angeordneten Paar von Zugfasern 5 jeweils eine Zugfaser 5.1 durch den gesamten Linsenkörper 2 verläuft, so dass zusammen im inneren des Linsenkörpers 2 eine rechteckförmiger Ring entsteht.
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Die Zugfasern gemäß den 3 und 4 können auch als integrale Bestandteile des Linsenkörpers 2 ausgebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optische Linsenanordnung
- 2
- Linsenkörper
- 2.1
- Linsenoberfläche
- 2.2
- Linsenoberfläche
- 3
- Linsenhalter
- 4
- Aktuatorelement
