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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass die optische Achse einer Linseneinheit der optischen Einrichtung lateral versetzbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Kamera mit der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung sowie ein Verfahren zur Verschiebung einer optischen Achse einer Linseneinheit der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung.
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In vielen optischen Einrichtungen, wie zum Beispiel Kameras, sind Linsen zu Linseneinheiten zusammengefasst, die ein im Wesentlichen kompaktes Modul ausbilden. Eine solche Linseneinheit ist je nach zu realisierendem Freiheitsgrad gelagert bzw. aufgehangen. Insbesondere in Richtung der optischen Achse ist eine hohe Positionsgenauigkeit zu gewährleisten, um optische Aufnahmen mit ausreichender Bildqualität zu gewährleisten. Das heißt, dass Bewegungen der Linseneinheit aus der Ebene ihrer eingestellten Position – sogenanntes out-of-plane-movement – zu minimieren ist. Weitere Anforderungen an Kameras bestehen üblicherweise darin, dass diese ein möglichst geringes Gewicht sowie ein geringes Volumen, insbesondere eine geringe Bauhöhe, aufweisen sollen.
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Weiterhin bekannt sind Bildstabilisierungseinrichtungen mit einem elektroaktiven Materialbauteil, welches dazu dient kann, unbeabsichtigte Bewegungen senkrecht zur optischen Achse und/oder in Richtung der optischen Achse zu kompensieren. Insbesondere in Zusammenhang mit einer Autofokus-Funktion lassen sich dadurch optimale optische Aufnahmen bei geringem Bauvolumen gewährleisten.
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Die
US 8,054,566 B2 offenbart zum Beispiel in
17a eine Einrichtung, bei der die Linseneinheit mittels eines elektroaktiven Materialbauteils gegen eine massive Anlage gedrückt wird, wobei eine Spiralfeder ebenfalls eine Gegenkraft aufbringt. Durch Variation der elektrischen Spannung am elektroaktiven Materialbauteil lässt sich die Position der Linseneinheit in Richtung der optischen Achse der Linseneinheit einstellen. Eine Bildstabilisierung ist in
7A und eine Autofokusfunktion ist in
1A dargestellt.
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Die
US 2007/0122132 A1 offenbart eine optische Einrichtung, bei der die Linsenelemente in axialer Richtung schwingen können. Etwaige Verstellungen der Linsen werden über herkömmliche Aktoren realisiert.
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Eine ähnliche Ausgestaltung zeigt das Dokument
US 7,680,408 B2 , bei dem Federn zur Realisierung einer Kipp- bzw. Taumelbewegung der Linsenanordnung vorgesehen sind. Hier wird zwar das Problem der axialen Positionsgenauigkeit gelöst, indem die Federn als Lagerungs- bzw. Aufhängungsvorrichtungen der optischen Elemente agieren. Nachteilig daran ist jedoch die relativ große Bauhöhe, da zur Bildstabilisierung die optischen Elemente mindestens um 100 μm lateral verfahren bzw. verschoben werden müssen, um eine Winkelungenauigkeit bei Rotationen des abbildenden Systems von 1° kompensieren zu können, was in nachteiliger Weise eine ungünstige Bauhöhe von über 5 mm zur Folge hat.
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Der
US 7,777,975 B2 ist ein Linsenmodul entnehmbar, bei dem elektroaktives Material zur Realisierung einer translatorischen Bewegung einer Linse in Richtung ihrer optischen Achse genutzt wird. Die Realisierung eines lateralen Versatzes der optischen Achse ist hier jedoch nicht vorgesehen.
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Dies trifft ebenso auf den Gegenstand der
US 7,729,068 B2 zu, bei der ebenfalls kein lateraler Versatz möglich ist.
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Das Dokument
US 7,983,546 B2 offenbart eine Bildstabilisierungseinrichtung, bei der ein Lateralversatz der optischen Achse einer Linseneinheit möglich ist. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Linseneinheit in axialer Richtung schwingen kann. Als Aktoren zur Bewegung der Linsen dienen hier Magnetspulen bzw. Motoren, die gegen Federkräfte arbeiten. Derartige Aktoren bewirken wesentlich größere Kräfte als elektroaktive Materialien, so dass die Linseneinheit zur Aufnahme bzw. Übertragung dieser großen Kräfte entsprechend massiv auszugestalten ist. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Linseneinheit in axialer Richtung schwingen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine optische Einrichtung sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die Einhaltung einer bestimmten Position einer Linseneinheit in Richtung der optischen Achse mit der Möglichkeit der lateralen Verschiebung der optischen Achse in einfacher, kostengünstiger sowie zuverlässiger Weise vereinbart. Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist die Realisierung einer Kamera mit der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße optische Einrichtung nach Anspruch 1 sowie durch die Kamera nach Anspruch 9 und das Verfahren zur Verschiebung einer optischen Achse einer Linseneinheit nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Einrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Die erfindungsgemäße optische Einrichtung umfasst eine Linseneinheit sowie eine die Linseneinheit in Richtung deren optischer Achse stützende Axial-Lagerungseinrichtung, die mit wenigstens einem elektroaktiven Materialbauteil mechanisch gekoppelt ist, welches eine parallel zur optischen Achse wirkende Kraftkomponente in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung realisiert. Mit dem elektroaktiven Materialbauteil ist bei Variation der an ihm angelegten elektrischen Spannung auf Grund seiner dadurch erzeugten Form- und/oder Längenänderung die Linseneinheit translatorisch in einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit verläuft, bewegbar. Dabei realisiert die Axial-Lagerungseinrichtung eine Gegenkraft zu der von dem elektroaktiven Materialbauteil parallel zur optischen Achse aufgebrachten Kraftkomponente.
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Die Axial-Lagerungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie eine Verschiebung der Linseneinheit und somit einen lateralen Versatz der optischen Achse der ermöglicht.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Axial-Lagerungseinrichtung ein erstes Lagerungsteil sowie ein zweites Lagerungsteil aufweist, wobei sich das erste Lagerungsteil an einem Gehäuse der optischen Einrichtung abstützt und das zweite Lagerungsteil mechanisch mit der parallel zur Richtung der optischen Achse der Linseneinheit verlaufenden Komponente der von dem elektroaktiven Materialbauteil bewirkten Kraft in Richtung des ersten Lagerungsteils beaufschlagt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Axial-Lagerungseinrichtung eine Wälzlagerungseinrichtung ist, die Wälzkörper aufweist, die zwischen dem ersten Lagerungsteil und dem zweiten Lagerungsteil angeordnet sind, wobei das Material des elektroaktiven Materialbauteils ein dielektrisches Elastomer ist, welches als passiver Elastomerfilm zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt ist, und das elektroaktive Materialbauteil ein adaptives Materialsystem ist, welche hohe Dehnungen bis zu 300% erzeugen kann.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die optische Einrichtung eine Linseneinheit sowie eine die Linseneinheit in Richtung deren optischer Achse stützende Axial-Lagerungseinrichtung, die mit wenigstens einem elektroaktiven Materialbauteil mechanisch gekoppelt ist, welches eine parallel zur optischen Achse wirkende Kraftkomponente in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung realisiert. Mit dem elektroaktiven Materialbauteil ist bei Variation der an ihm angelegten elektrischen Spannung auf Grund seiner dadurch erzeugten Form- und/oder Längenänderung die Linseneinheit translatorisch in einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit verläuft, bewegbar. Dabei realisiert die Axial-Lagerungseinrichtung eine Gegenkraft zu der von dem elektroaktiven Materialbauteil parallel zur optischen Achse aufgebrachten Kraftkomponente.
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Die Axial-Lagerungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie eine Verschiebung der Linseneinheit und somit einen lateralen Versatz der optischen Achse der ermöglicht. Es ist hier erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Axial-Lagerungseinrichtung ein erstes Lagerungsteil sowie ein zweites Lagerungsteil aufweist, wobei sich das erste Lagerungsteil an einem Gehäuse der optischen Einrichtung abstützt und das zweite Lagerungsteil mechanisch mit der parallel zur Richtung der optischen Achse der Linseneinheit verlaufenden Komponente der von dem elektroaktiven Materialbauteil bewirkten Kraft in Richtung des ersten Lagerungsteils beaufschlagt ist Weiterhin ist vorgesehen, dass die Axial-Lagerungseinrichtung eine Wälzlagerungseinrichtung ist, die Wälzkörper aufweist, die zwischen dem ersten Lagerungsteil und dem zweiten Lagerungsteil angeordnet sind, wobei das elektroaktive Materialbauteil eine Polymer- oder Gummischicht ist, und diese Schicht zwischen Platten eines Kondensators angeordnet ist, und die Platten des Kondensators durch auf die Polymer- oder Gummischicht gedruckte Elektroden aus Graphit realisiert sind.
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Günstigerweise ist das Material des elektroaktiven Materialbauteils ein dielektrisches Elastomer. Elektroaktive Materialbauteile, die in der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können, sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen wie zum Beispiel bis zu 300% erzeugen können.
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Sie basieren auf dem Prinzip eines nachgiebigen elektrostatischen Kondensators, bei dem ein passiver Elastomerfilm zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt ist. Bei Anlage einer elektrischen Spannung ziehen sich die gegenüberliegenden Elektroden an. Dadurch wird der inkompressible Elastomerfilm in Dickenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus, so dass auf damit gekoppelte Einrichtungen eine Antriebskraft zur Verschiebung ausgeübt werden kann.
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Das heißt, die elektroaktiven Materialbauteile wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um und können derart als Aktuatoren dienen. Bauteile aus elektroaktivem Material sind relativ leicht herstellbar und können standardmäßig in optische Geräte integriert werden. Sie sind in der Lage, in einem breiten Anregungsbereich von Frequenzen geringe Kräfte zu erzeugen. Zum Beispiel können die bevorzugten dielektrischen Elastomere Maximalwerte von 10 mN erzeugen. Entsprechend gering sind die Reaktionskräfte zur Herstellung eines statischen Gleichgewichtes, so dass relativ geringe Festigkeiten abstützender Einrichtungen ausreichend sind. Zudem werden auf Grund der geringen Normalkräfte bei Verschiebung der optischen Achse auch nur entsprechend geringe Reibkräfte realisiert, so dass die Verschiebung der optischen Achse erleichtert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die vom elektroaktiven Materialbauteil bewegte Masse relativ gering sein kann, wobei es sich herausgestellt hat, dass für die erfindungsgemäße optische Einrichtung ein Wert von weniger als 270 mg Gewicht der Linseneinheit realistisch ist.
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Die Kopplung der Axial-Lagerungseinrichtung mit dem elektroaktiven Materialbauteil muss dabei nicht zwingend unmittelbar realisiert sein, sondern es können auch weitere Elemente zwischen der Axial-Lagerungseinrichtung sowie dem elektroaktiven Materialbauteil angeordnet sein. Durch die Stützung der Linseneinheit in der Richtung der optischen Achse mittels der Axial-Lagerungseinrichtung wird erreicht, dass die Linseneinheit nur in einer Ebene verschiebbar ist und nicht entlang der optischen Achse. Dadurch wird eine Relativbewegung zwischen der Linseneinheit und der Axial-Lagerungseinrichtung ermöglicht, so dass letztendlich die Linseneinheit relativ zum Gehäuse der optischen Einrichtung und zu wenigstens einem Teil der Axial-Lagerungseinrichtung verschiebbar ist. Das heißt, dass in Richtung der optischen Achse der Linseneinrichtung ein statisches Gleichgewicht dadurch erzeugt wird, dass von dem elektroaktiven Materialbauteil von einer Seite eine Kraft aufgebracht wird und von der Axial-Lagerungseinrichtung eine entgegengesetzte Kraft erzeugt wird, wobei sich die Axial-Lagerungseinrichtung sowie auch das elektroaktive Materialbauteil letztendlich am Gehäuse der optischen Einrichtung abstützen. Dabei umfasst die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht nur eine Ausgestaltung, mit der die erwähnten Kräfte als einzelne Vektoren wirken, sondern gegebenenfalls auch als Linien- oder Streckenlasten, die das statische Gleichgewicht herstellen. Es lässt sich dadurch in einfacher konstruktiver Ausgestaltung die Verschiebung der optischen Achse realisieren, ohne zusätzlich eine Einrichtung zur Einhaltung der Position der Linseneinheit in Richtung der optischen Achse vorzusehen. Es wird dabei ein nur relativ geringes Gewicht sowie ein geringes Volumen und insbesondere eine geringe Bauhöhe der optischen Einrichtung benötigt.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Axial-Lagerungseinrichtung selbst kein elektroaktives Material aufweist, sondern lediglich Elemente aus herkömmlichen Werkstoffen wie zum Beispiel Kunststoffen oder Metallen, die bei Variation einer angelegten elektrischen Spannung weder ihre Form noch ihre Länge ändern.
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Die optische Einrichtung ist derart ausgestaltet, dass dem lateralen Versatz eine Reibkraft von weniger als 10% der von dem elektroaktivem Materialbauteil parallel zur optischen Achse aufgebrachten Kraft entgegenwirkt. Diese Ausgestaltung wird durch einen geringen Reibfaktor in der Axial-Lagerungseinrichtung bewirkt, der wiederum auf der Ausgestaltung der Axial-Lagerungseinrichtung mit einem Wälzlager oder Gleitlager beruht, welches sehr leichtgängige Relativbewegungen zulässt.
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Die Wälzkörper sind vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser von 0,2 mm bis 1,0 mm aus Keramik, PTFE, Stahl oder Glas. In alternativer Ausgestaltung kann statt einer Wälzlagerungseinrichtung auch eine Gleitlagerungseinrichtung angeordnet sein, wobei jedoch auch eine solche Gleitlagerungseinrichtung derart auszugestalten ist, dass sie eine ähnlich reibungsarme Verschiebebewegung wie eine Wälzlagerungseinrichtung zulässt. Bei der erwähnten Ausgestaltung der Axial-Lagerungseinrichtung als Wälzlagerungseinrichtung sind in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit verläuft, auf einer Kreisbahn gleichmäßig verteilt lediglich vorzugweise drei Kugeln als Wälzkörper angeordnet.
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Die axiale Belastung der Axial-Lagerungseinrichtung realisiert eine ständige Druckbeaufschlagung der Axial-Lagerungseinrichtung. Durch die Beaufschlagung des zweiten Lagerungsteils mittels der axial verlaufenden Komponente der von dem elektroaktiven Materialbauteil bewirkten Kraft wird eine Abstützung des zweiten Lagerungsteils auf dem ersten Lagerungsteil bewirkt. Die Axial-Lagerungseinrichtung wiederum stützt sich am Gehäuse ab. Dadurch wird gewährleistet, dass die Axial-Lagerungseinrichtung bzw. deren erstes Lagerungsteil nicht vom Gehäuse abhebt, so dass sich auch die mit der Axial-Lagerungseinrichtung fest verbundene Linseneinheit nicht axial verschieben kann. Die parallel zur optischen Achse verlaufende Komponente der von dem elektroaktiven Materialbauteil bewirkten Kraft sowie die dadurch erzeugte Reaktionskraft von der Axial-Lagerungseinrichtung bringen die Linseneinheit parallel zur optischen Achse ins statische Gleichgewicht.
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Die vom elektroaktiven Materialbauteil aufgebrachte, parallel zur optischen Achse wirkende Kraftkomponente ist eine Komponente einer elastischen Rückstellkraft des elektroaktiven Materialbauteils. Damit wird ständig eine in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung gerichtete Kraft realisiert, und zwar unabhängig davon, ob eine elektrische Spannung am elektroaktiven Materialbauteil anliegt. Der Betrag der in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung wirkenden Kraft ist jedoch von der Größe der angelegten elektrischen Spannung abhängig.
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In vorteilhafter Weise ist die optische Einrichtung derart ausgestaltet, dass das elektroaktive Materialbauteil an seiner der Linseneinheit gegenüberliegenden Seite mittels einer Fixierungseinrichtung fixiert ist und das elektroaktive Materialbauteil zwischen seiner der Linseneinheit zugewandten Seite und seiner der Fixierungseinrichtung zugewandten Seite eine Erstreckungsrichtung aufweist, die eine erste Komponente aufweist, die parallel zur optische Achse verläuft, und eine zweite Komponente aufweist, die senkrecht zur optischen Achse verläuft. Damit wird – in Bezug zur optischen Achse – ein schräger Verlauf der Erstreckungsrichtung des elektroaktiven Materialbauteils zwischen der Fixierungseinrichtung und der Anschlussstelle an der Linseneinheit definiert bzw. eine insgesamt konische Form des elektroaktiven Materialbauteils ausgebildet. Die Erstreckungsrichtung beschreibt dabei den Verlauf des elektroaktiven Materialbauteils zwischen der Linseneinheit und der Fixierungseinrichtung. Dadurch, dass das elektroaktive Materialbauteil von der Linseneinheit schräg zur Fixierungseinrichtung verläuft, lässt sich unter Ausnutzung der elastischen Rückstellkraft nach mechanischer Vorspannung des elektroaktiven Materialbauteils eine ständige Zugspannung realisieren, die bewirkt, dass das elektroaktive Materialbauteil ständig entlang der optischen Achse in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung gezogen wird. Durch die bevorzugte symmetrische Anordnung mehrerer elektroaktiver Materialbauteile bzw. einer symmetrischen Ausgestaltung eines elektroaktiven Materialbauteils eine symmetrische Zugkraft ausgeübt, so dass auch eine symmetrische Kraftausübung durch das elektroaktive Materialbauteil in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung realisiert wird. Durch die ständige Kraftbeaufschlagung mittels des elektroaktiven Materialbauteils kann ein Versatz der Linseneinheit in der optischen Achse von weniger als 5 μm und bei ausreichenden Spannkräften sogar weniger als 1 μm gewährleistet werden.
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In weiterer günstiger Ausgestaltung der optischen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Linseneinheit mechanisch an ein Trägerelement angeschlossen ist, das wiederum mechanisch mit dem elektroaktiven Materialbauteil gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Trägerelement zwischen dem elektroaktiven Materialbauteil und der Axial-Lagerungseinrichtung angeordnet. In alternativer Ausgestaltung ist das elektroaktive Materialbauteil an den Rand des Trägerelementes angeschlossen. Bei einer Ausgestaltung der Axial-Lagerungseinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Lagerungsteil ergibt sich somit ein schichtweiser Aufbau durch das elektroaktive Materialbauteil, das Trägerelement sowie dem zweiten Lagerungsteil und dem ersten Lagerungsteil, wobei Wälzkörper zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerungsteil angeordnet sind. Das Trägerelement ist vorzugsweise aus einem transparenten Werkstoff wie zum Beispiel Glas hergestellt. Zur Volumen- sowie Gewichtseinsparung kann vorgesehen sein, dass das Trägerelement gleichzeitig das zweite Lagerungsteil der Axial-Lagerungseinrichtung ist, so dass ein solches, aus Glas hergestelltes Trägerelement auf Wälzkörpern der Axial-Lagerungseinrichtung ruht und beispielsweise mittels Klebung mit dem elektroaktiven Materialbauteil verbunden ist, so dass durch Variation der elektrischen Spannung am elektroaktiven Materialbauteil mit geringsten Reibungsverlusten eine Verschiebung des Trägerelementes und der daran angeschlossenen Linseneinheit in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit ermöglicht wird.
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In weiterer günstiger Ausgestaltung der optischen Einrichtung ist vorgesehen, dass diese mindestens drei elektroaktive Materialbauteile aufweist, die sich in Bezug zur optischen Achse der Linseneinheit radial erstrecken. Eine besonders günstige Ausgestaltung besteht damit in der Ausbildung eines achs-symmetrischen Malteserkreuzes durch vier elektroaktive Materialbauteile, so dass bei Variation der Spannungen an diesen einzelnen elektroaktiven Materialbauteilen und Definition der optischen Achse als eine z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems die vier elektroaktiven Materialbauteile die Linseneinheit innerhalb eines bestimmten Bereiches in einer Ebene in alle x- und y-Positionen bewegen und dort fixieren können. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine Ausgestaltung mit vier extra angeordneten elektroaktiven Materialbauteilen eingeschränkt, sondern es kann auch vorgesehen sein, dass lediglich ein elektroaktives Materialbauteil vorhanden ist, welches mindestens drei sich radial von der optischen Achse erstreckende Sektoren aufweist, die zumindest am äußeren Rand des elektroaktiven Materialbauteils mechanisch voneinander getrennt sind, wie zum Beispiel durch Schlitze zwischen den Sektoren.
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Das elektroaktive Materialbauteil umfasst eine Polymer- bzw. Gummischicht, die insbesondere eine Silikonmembran sein kann. Diese Schicht ist zwischen Platten eines Kondensators angeordnet, so dass das elektroaktive Materialbauteil insgesamt einen Sandwich-Aufbau aufweist.
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In günstiger Ausgestaltung sind die Platten des Kondensators durch auf die Polymer- bzw. Gummischicht gedruckte Elektroden aus Graphit, insbesondere Ruß, sogenanntem ”Carbon Black” realisiert.
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Vorzugsweise bestehen die Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß oder einem Ruß-Silikon-Gemisch.
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Sie können dabei Ionen aus Gold, Kuper und Chrom und dergleichen aufweisen.
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Des Weiteren können die Elektroden Flüssigmetalle aufweisen und/oder Metallpulver, insbesondere metallische Nanopartikel aus Gold, Silber und Kupfer, sowie gegebenenfalls leitfähige Polymere. In besonderer Ausführungsform können die Elektroden steif ausgeführt sein und an verformbaren Anschlüssen angeschlossen sein, um der Formänderung der Polymer- bzw. Gummischicht folgen zu können.
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Bei Beaufschlagung der Elektroden mit Spannung ziehen sie sich an, so dass die Polymer- bzw. Gummischicht zusammengequetscht wird. Dadurch dehnt sich die Polymer- bzw. Gummischicht in der Richtung senkrecht zur Quetschrichtung aus.
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Das heißt, dass bei Variation der an einem jeweiligen elektroaktiven Materialbauteil bzw. einem Sektor eines elektroaktiven Materialbauteils angelegten elektrischen Spannung eine Quetschung und demzufolge eine Längung des elektroaktiven Materialbauteils bzw. des jeweiligen Segmentes bewirkt wird, wodurch die Linseneinheit von dem gelängten Bereich geschoben wird und der gegenüberliegend angeordnete Bereich bzw. das gegenüberliegend angeordnete Segment sich verkürzen kann. Bei Wiederherstellung der Ausgangsspannung am betätigten elektroaktiven Material nimmt dieses wieder seine Ausgangsform bzw. Ausgangslänge an, so dass die Linseneinrichtung auf Grund der elastischen Rückstellkraft des zuvor gequetschten elektroaktiven Materialbauteilbereiches wieder in ihre Ausgangsposition zurückgezogen wird. Entsprechend erfolgt eine Verschiebung der optischen Achse der Linseneinheit, wenn zwei benachbarte elektroaktive Materialbauteilbereiche betätigt werden, wobei dann jeweils gegenüberliegende elektroaktive Materialbauteilbereiche verkürzt werden. Die gequetschten Bereiche bringen die erwähnte elastische Rückstellkraft auf, um die Linseneinheit wieder in die Ausgangsposition zurückzuziehen, wenn die Spannung wieder normalisiert wird. Dadurch lässt sich auch eine gleichzeitige Verschiebung der Linseneinheit in x- und y-Richtung s realisieren. Zur Bewirkung größerer Kräfte zwecks Verschiebung der Linseneinheit können elektroaktive Materialbauteile eingesetzt werden, die in mehreren Schichten elektroaktive Polymere aufweisen.
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Die erfindungsgemäße optische Einrichtung ist dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn sie zur Bestimmung der Position der Linseneinheit wenigstens einen Magneten und einen Hall-Sensor aufweist, wobei der Hall-Sensor im Magnetfeld des Magneten angeordnet ist oder durch Betätigung des elektroaktiven Materialbauteils der Magnet in eine Position bewegbar ist, in der sich der Hall-Sensor im Magnetfeld des Magneten befindet. Das heißt, dass der Magnet einem statisch angeordneten Hall-Sensor angenähert wird. Das Magnetfeld, in welchem der Hall-Sensor angeordnet ist oder in welchem er positionierbar ist, weist dabei wenigstens 10% seiner maximalen Stärke auf. Das heißt, dass die Einrichtung derart ausgestaltet ist, dass die größtmögliche Entfernung des Magneten zum Hallsensor so groß ist, dass sich bei einer Bewegung des Magneten über diese größtmögliche Distanz das Magnetfeld in Bezug zu seiner maximalen Größe um maximal 90% verändert.
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Vorzugsweise sind zwei Hall-Sensoren angeordnet, die eine Bewegung der Linseneinheit in zwei senkrecht zueinander sowie senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Richtungen detektieren und messen können. Dabei kann bei Definition der optischen Achse als z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems jeweils ein Hall-Sensor zur Erfassung der Position der Linseneinheit in x-Richtung und ein Hall-Sensor für die Erfassung der Position in y-Richtung vorgesehen sein.
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Alternativ oder auch hinzukommend zu der Ausgestaltung der optischen Einrichtung mit Magnet und Hall-Sensor kann die optische Einrichtung zur Selbstdetektion der Position der Linseneinheit über die Erfassung der Änderung der Kapazität der elektroaktiven Materialbauteile bzw. der Änderung des Widerstandes der Elektroden an den elektroaktiven Materialbauteilen eingerichtet sein.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße optische Einrichtung eine Justiervorrichtung umfassen, mit der die Position der Linseneinheit senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit voreinstellbar und fixierbar ist. In vervollständigender Ausgestaltung kann die optische Einrichtung eine Einstellungseinrichtung aufweisen, mit der eine Justierung der Linseneinheit in Richtung der optischen Achse möglich ist. Dies kann zum Beispiel durch ein Innengewindeteil, welches mechanisch an dem zweiten Lagerungsteil der Axial-Lagerungseinheit angeschlossen ist, sowie ein Außengewindeteil, welches mit der Linseneinheit gekoppelt ist und welches in das Außengewindeteil eingeschraubt ist, realisiert sein. Durch Verdrehung des Innengewindeteils im Außengewindeteil lässt sich die Position der Linseneinheit in der Richtung der optischen Achse einstellen.
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Die erfindungsgemäße optische Einrichtung wird zum Beispiel als Bildstabilisator oder auch ergänzend zu einem weiteren Bildstabilisator in Kameras verwendet, insbesondere in Zusammenwirkung mit Kameramodulen, die über einen Autofokus bzw. einen optischen Zoom verfügen.
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Die Einrichtung umfasst in dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise eine Bildstabilisierungseinrichtung, die im Wesentlichen koaxial zur optischen Achse der Linseneinheit ausgerichtet ist. Die Bildstabilisierungseinrichtung kann einen Bild-Sensor aufweisen zur Aufnahme von mittels der Linseneinheit fokussierten Bildern. Außerdem umfasst sie ein weiteres elektroaktives Materialbauteil, welches dazu dient, unbeabsichtigte Bewegungen der Kamera, wie z. B. Schütteln, senkrecht zur optischen Achse der Linseneinheit zu kompensieren, um die Schärfe des fokussierten Bildes zu gewährleisten. Zur Kompensation von Bewegungen entlang der Achse der Linseneinheit kann die Bildstabilisierungseinrichtung einen weiteren Sensor aufweisen, wobei das weitere elektroaktive Materialbauteil in diesem Fall auch derart eingerichtet ist, Bewegungen in dieser Richtung auszuführen.
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Zudem oder alternativ kann die erfindungsgemäße Einrichtung eine Autofokussierung aufweisen, die ggf. durch ein drittes elektroaktives Materialbauteil realisiert ist, wobei dieses dritte elektroaktive Materialbauteil die Brennweite innerhalb der Linseneinheit einstellen kann.
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In weiterer günstiger Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße optische Einrichtung eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, mit der die elektrische Spannung am elektroaktiven Materialbauteil bzw. an einem Sektor des elektroaktiven Materialbauteils zwecks Steuerung der Bewegung der Linseneinheit einstellbar ist.
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Mit der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung lässt sich innerhalb kürzester Zeit und mit minimalem Energieeinsatz eine gewünschte Position der optischen Achse der Linseneinheit realisieren. Dies begünstigt den Einsatz eines derartigen Bildstabilisators als Kamerabestandteil in Mobiltelefonen, zumal eine geringe Bauhöhe von weniger als 3 mm realistisch ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kamera, welche eine erfindungsgemäße optische Einrichtung umfasst, wie zum Beispiel eine in einem Mobiltelefon angeordnete Kamera. Neben der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung kann die Kamera zusätzlich ein Gyroskop zur Erfassung der Lage im Raum aufweisen.
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Die Erfindung wird ergänzt durch ein Verfahren zur Verschiebung einer optischen Achse einer Linseneinheit, wobei die Linseneinheit einer erfindungsgemäßen optischen Einrichtung durch Änderung der Spannung an einem elektroaktiven Materialbauteil der optischen Einrichtung lateral zur optischen Achse der Linseneinheit verschoben wird. Die Verschiebung bezieht sich dabei selbstverständlich auf die Ausgangsposition der optischen Achse der Linseneinheit.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße optische Einrichtung in Ansicht von der Seite,
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2 den in 1 gekennzeichneten Teilbereich A in vergrößerter Ansicht,
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3 eine erfindungsgemäße optische Einrichtung in perspektivischer Explosionsdarstellung,
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4 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße optische Einrichtung.
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Die in 1 dargestellte optische Einrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 10, welches in 1 lediglich als eine Bodenplatte dargestellt ist. Eine Linseneinheit 20 definiert eine optische Achse 21. Die Linseneinheit dient zur Fokussierung eines Bildes zwecks Aufnahme dieses Bildes mittels eines CMOS-Sensors 100, der im Strahlengang der optischen Achse 21 angeordnet ist. Die Linseneinheit 20 hängt an einem Trägerelement 70, welches gleichzeitig als ein zweites Lagerungsteil 32 einer Axial-Lagerungseinrichtung 30 dient. Diese Axial-Lagerungseinrichtung 30 umfasst des Weiteren ein erstes Lagerungsteil 31, welches sich auf dem Gehäuse 10 abstützt. Zwischen dem ersten Lagerungsteil 31 und dem zweiten Lagerungsteil 32 sind Wälzkörper 33 in Form von Kugeln angeordnet. Mit dem Trägerelement 70 ist ein elektroaktives Materialbauteil 40 fest verbunden, wobei dieses elektroaktive Materialbauteil 40 an seinen Randbereichen mittels einer Fixierungseinrichtung 50 fixiert ist.
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Es ist ersichtlich, dass die Erstreckungsrichtung 60 des elektroaktiven Materialbauteils 40 in Bezug zur optischen Achse 21 schräg verläuft. Das heißt, dass in einer Richtung parallel zur optischen Achse 21 gesehen der mittels der Fixierungseinrichtung 50 fixierte Rand des elektroaktiven Materialbauteils 50 sowie dessen auf dem Trägerelement 70 aufliegende Bereich in z-Richtung nicht die gleiche Position haben, sondern zueinander versetzt sind und eine insgesamt konische Form ausbilden. Das bedeutet, dass das elektroaktive Materialbauteil 40 sich mit einer ersten Komponente 61 parallel zur optischen Achse 21 erstreckt und mit einer zweiten Komponente 62 der Erstreckungsrichtung 60 sich senkrecht zur optischen Achse 21 erstreckt.
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Im Ausgangs- bzw. Ruhezustand ist das elektroaktive Materialbauteil 40 gedehnt, so dass eine ständig wirkende elastische Rückstellkraft vom elektroaktiven Materialbauteil 40 auf das Trägerelement 70 und demzufolge auf den Wälzkörper 33 und auf das erste Lagerungsteil 31 wirkt. Dies hat zur Folge, dass die Axial-Lagerungseinrichtung 30 ständig parallel zur optischen Achse 21 mit einer Kraft Fz beaufschlagt wird, so dass sich das zweite Lagerungsteil 32 nicht vom ersten Lagerungsteil 31 abheben kann, was die exakte Anordnung der Linseneinheit in einer bestimmten Position in der Richtung der optischen Achse 21 bzw. in z-Richtung gewährleistet.
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Durch Variation einer elektrischen Spannung am elektroaktiven Materialbauteil 40 lässt sich dieses in seiner Form und Länge ändern, so dass es zu einer entsprechenden Verschiebung des damit gekoppelten und als Trägerelement 70 ausgeführten zweiten Lagerungsteils 32 kommt und auch die daran angeschlossene Linseneinheit 20 und deren optische Achse 21 lateral verschoben wird. Dadurch, dass das elektroaktive Materialbauteil 40 nur eine relativ geringe Kraft aufbringt ist demzufolge auch der in der Axial-Lagerungseinrichtung 30 zu überwindende Reibwiderstand sehr gering, so dass auch die Axial-Lagerungseinrichtung 30 mit einer nur relativ geringen Festigkeit ausgestaltet werden braucht und die optische Einrichtung 1 insgesamt mit geringem Gewicht sowie mit geringem Volumen realisiert werden kann.
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Zur Vor-Einstellung der Position der Linseneinheit 20 in x-Richtung sowie in y-Richtung umfasst die beispielhaft dargestellte optische Einrichtung eine Justiervorrichtung 110, die einen Stift 111 sowie eine Schraube 112 mit einer Scheibe 113 aufweist, wobei mit der Schraube 112 und der Scheibe 113 die Fixierung der Axial-Lagerungseinrichtung 30 am Gehäuse 10 gewährleistet wird und mit dem Stift 111 die gewünschte Position in x-Richtung sowie y-Richtung gewährleistet wird.
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Die Kraftbeaufschlagung der Axial-Lagerungseinrichtung 30 durch das elektroaktive Materialbauteil 40 ist deutlich in der Detailansicht A in 2 erkennbar, die den mit A gekennzeichneten Bereich aus 1 vergrößert darstellt. Es ist ersichtlich, dass im elektroaktiven Materialbauteil 40 eine Zugkraft F wirkt, die, bedingt durch die schräge Erstreckungsrichtung 60 des elektroaktiven Materialbauteils 40, eine parallel zur optischen Achse verlaufende Komponente Fz sowie eine senkrecht dazu verlaufende Komponente Fx aufweist. Die parallele Komponente Fz wirkt vom elektroaktiven Materialbauteil 40 auf das als Trägerelement 70 ausgestaltete zweite Lagerungsteil 32 der Axial-Lagerungseinrichtung 30. Zur Realisierung des gewünschten statischen Gleichgewichtes in z-Richtung drückt von der anderen Seite der Wälzkörper 33 mit der Gegenkraft Fg gegen das Trägerelement 70. Der Wälzkörper 33 wiederum stützt sich auf den ersten Lagerungsteil 31 der Axial-Lagerungseinrichtung 30 ab. Dadurch wird erreicht, dass das Trägerelement 70, an welchem die Linseneinheit 20, wie in 1 dargestellt, befestigt ist, ständig in Richtung der Axial-Lagerungseinrichtung 30 gezogen wird und sich somit nur in der Ebene der Auflage des Trägerelementes 70 auf den Wälzkörpern 33 bewegen kann.
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Aus 3 ist eine Ausführungsform der optischen Einrichtung 1 ersichtlich, bei der das elektroaktive Materialbauteil 40 durch radial verlaufende Schlitze 42 voneinander getrennte Sektoren 41 aufweist. Dadurch bildet sich im Wesentlichen die Form eines sogenannten Malteserkreuzes um die optische Achse 21 herum aus. In geringfügiger Abweichung zu der dargestellten Ausführungsvariante könnten statt eines einzelnen elektroaktiven Materialbauteils 40 mit vier Sektoren auch vier einzelne, in ähnlicher Weise angeordnete elektroaktive Materialbauteile 40 vorhanden sein, wobei sich jedes dieser elektroaktiven Materialbauteile an das Trägerelement 70 anschließt.
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Es ist ersichtlich, dass Randzonen der vier Sektoren 41 des elektroaktiven Materialbauteils 40 zwischen zwei die Fixierungseinrichtung 50 ausbildenden Rahmenhälften 51, 52 aufgenommen und eingeklemmt werden, wie es ebenfalls in 1 erkennbar ist.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsvariante sind im ersten Lagerungsteil 31 der Axial-Lagerungseinrichtung 30 vier Wälzkörper 33 angeordnet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung 1 sieht jedoch vor, dass stattdessen in regelmäßigen Winkelabständen nur drei Wälzkörper 33 angeordnet sind.
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In 4 ist dargestellt, dass die optische Einrichtung 1 zudem einen Hall-Sensor 80 aufweisen kann, der nahe einem Magneten 90 angeordnet ist. Bei Bewegung des mit dem elektroaktiven Materialbauteil 40 gekoppelten Trägerelementes 70 bewegt sich somit ein fest auf diesem Trägerelement 70 angeordneter Magnet 90, so dass sich der Abstand des Hall-Sensors 80 zum Magnet 90 ändert und damit auch die Stärke des Magnetfeldes am Hall-Sensor 80 ändert, so dass die Positionsveränderung des Trägerelementes 70 mittels des Hall-Sensors 80 festgestellt werden kann. Dadurch wird in einfacher Weise die Steuerung bzw. die Regelung der Verschiebebewegung der Linseneinheit ermöglicht, da bei Abweichung der Position der Linseneinheit von einer Soll-Position diese Abweichung mittels des Hall-Sensors 80 sowie des Magneten 90 erkannt werden kann und in entsprechender Weise Steuerungs- bzw. Regelungsmaßnahmen ergriffen werden können, um die Ist-Position der Linseneinheit bzw. ihrer optischen Achse 21 der Soll-Position anzugleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optische Einrichtung
- 10
- Gehäuse
- 20
- Linseneinheit
- 21
- optische Achse
- 30
- Axial-Lagerungseinrichtung
- 31
- erstes Lagerungsteil
- 32
- zweites Lagerungsteil
- 33
- Wälzkörper
- 40
- elektroaktives Materialbauteil
- 41
- Sektor
- 42
- Schlitz
- 50
- Fixierungseinrichtung
- 51
- Erste Rahmenhälfte
- 52
- Zweite Rahmenhälfte
- F
- Kraft
- Fz
- parallele Kraftkomponente
- Fx
- senkrechte Kraftkomponente
- 60
- Erstreckungsrichtung
- 61
- erste Komponente
- 62
- zweite Komponente
- Fg
- Gegengraft
- 70
- Trägerelement
- 80
- Hall-Sensor
- 90
- Magnet
- 100
- CMOS-Sensor
- 110
- Justiervorrichtung
- 111
- Stift
- 112
- Schraube
- 113
- Scheibe
- x
- x-Achse
- y
- y-Achse
- z
- z-Achse
