DE1255342B

DE1255342B - Flexibles optisches System fuer die UEbertragung von Licht oder optischen Bildern

Info

Publication number: DE1255342B
Application number: DEM63831A
Authority: DE
Inventors: Michi Mukojima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-01-18
Filing date: 1965-01-18
Publication date: 1967-11-30
Also published as: US3414344A

Description

DEUTSCHES VfflTW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KI.: 42 h - 1/01

Nummer: 1 255 342

Aktenzeichen: M 63831IX a/42 h

1 255 342 Anmeldetag: 18.Januar 1965

Auslegetag: 30. November 1967

Die Erfindunng betrifft ein vielseitig verwendbares flexibles optisches System, das sich durch eine leichte und einfache Konstruktion auszeichnet und in welchem Licht oder optische Bilder durch eine Vielzahl von einander berührenden sphärischen Linsen, die in Reihe in einer Röhre angeordnet sind, längs eines Weges beliebiger Krümmung an einen gewünschten Punkt übertragen werden.

Es hat schon seit langem ein Bedürfnis nach einem System für die Übertragung von Licht oder optischen Bildern an einen gewünschten Punkt längs eines beliebig gekrümmten Weges bestanden. Eines der bis jetzt zur Erfüllung dieses Bedürfnisses entwickelten Verfahren für die Übertragung von optischen Bildern besteht darin, daß eine Reihe von Linsen in einer Röhre mit solchem Abstand voneinander angeordnet ist, daß jede Linse am konjugierten Punkt der vorhergehenden sitzt. Bei einem anderen Verfahren werden lichtleitende Fasern verwendet, die in einem lichtdurchlässigen Fasernbündel zusammengefaßt sind. Jedes dieser Systeme hat jedoch einen schwerwiegenden Fehler. Mit dem bekannten Linsensystem ist es schwierig, Licht oder Bilder längs eines Weges zu übertragen, der einen kleinen Krümmungsradius aufweist, während es bei dem Fasemsystem sehr schwierig ist, ein Fasernbündel herzustellen, das gute optische Eigenschaften hat. Optische Systeme nach der vorliegenden Erfindung haben diese Nachteile nicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System zu schaffen, bei dem Licht oder optische Bilder längs eines Weges jeder gewünschten Krümmung übertragen werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches System zur Übertragung von Licht oder optischen Bildern zu schaffen, das einfacher und wirtschaftlicher in der Konstruktion ist als die bekannten.

Die Erfindung soll an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele im folgenden noch näher erläutert werden. In diesen zeigen

Fig. 1 und 2 Draufsichten auf die Teile zweier verschiedener Anordnungen nach der Erfindung, teilweise im Schnitt, um die inneren Teile der Konstruktion darzustellen,

F i g. 3 bis 5 schematische Darstellungen mit verschiedenen optischen Wegen, die gewählt wurden, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu zeigen.

In F i g. 1 ist eine Vielzahl von sphärischen Linsen G in Reihe und in Berührung miteinander in einer flexiblen Röhre P angeordnet, die Iichtundurch-Flexibles optisches System für die Übertragung
von Licht oder optischen Bildern

Anmelder:

Michi Mukojima, Tokio
Vertreter:

Dipl.-Phys. G. Liedl, Patentanwalt,
ίο München 22, Steinsdorfstr. 22

Als Erfinder benannt:
Michi Mukojima, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 18. Januar 1964 (2183)

lässig ist. In geeignetem Abstand von der hintersten sphärischen Linse G' ist ein Okular E angeordnet. In einem optischen Übertragungssystem, das so aufgebaut ist, kann eine sphärische Linse ähnlich den in Reihe angeordneten sphärischen Licht- oder Bildübertragungslinsen als Objektiv (nicht dargestellt) für dieses optische System verwendet werden. Ein optisches Bild, das vom Objektiv am vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse der Reihe gebildet wird oder Licht, das von einem Körper reflektiert wird, der in direkter Berührung mit der ersten sphärischen Linse angeordnet ist, wird durch die Reihe der genannten sphärischen Linsen G weitergeleitet und erzeugt ein reelles Bild an einem Punkt nahe der hintersten sphärischen Linse G'. Dieses reelle Bild kann durch ein Okular Z? dadurch vergrößert werden, daß dieses in eine geeignete Stellung gebracht wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ein gegabeltes Binokularsystem vorgesehen, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Bei diesem steht eine sphärische Linse G 1, die am Ende einer Reihe von Linsen angeordnet ist, mit zwei sphärischen Linsen G 2 und G 2' in Berührung, die ihrerseits das Ende einer getrennten Reihe von Linsen darstellen. Dadurch wird das Licht, welches durch die mit der Linse Gl endenden Reihe übertragen wird, geteilt und durch die zwei Reihen, die durch die Linsen G 2 und G 2' bezeichnet sind, weiter übertragen, so daß das optische Bild mit zwei Augen betrachtet werden kann. Die Zahl der licht- oder bildübertragenden Wege, die auf diese Weise hergestellt werden können, ist nicht auf zwei beschränkt.

709 690/215

Die im vorstehenden beschriebene Übertragung von optischen Bildern durch eine Reihe von sphärischen Linsen, kann auf der Grundlage der Überlegung verstanden werden, daß ein optisches Endbild im allgemeinen dann hergestellt werden kann, wenn ein gegebenes optisches Bild durch jeden Satz einet gegebenen Anzahl von Sätzen von sphärischen, in Reihe angeordneten Linsen wiederholt erzeugt wird, bei denen aneinandergrenzende Linsen in Berührung miteinander stehen und die gegebene Anzahl von Linsensätzen vom Brechungsindex der Linsen relativ zum umgebenden Medium abhängt.

Beispielsweise gibt es drei Möglichkeiten, wenn der Brechungsindex der sphärischen Linsen und dei Radius derselben dieselben sind:

1. Unter der Annahme, daß der Brechungsindex des Materials der sphärischen Linsen, wie in F i g. 3, gleich 2 ist, wird das Licht des optischen Bildes, das aus dem vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse G 3' austritt, auf den hintersten Punkt der benachbarten sphärischen Linse G 3" fokussiert, die mit der erstgenannten sphärischen Linse G 3' in Berührung steht, und bildet ein reelles Bild mit dem Maßstab und der Orientierung oder Lage 1: — 1 in Beziehung zu dem erstgenannten optischen Bild. Dies ist in F i g. 3 dargestellt.

2. Unter der Annahme, daß der Brechungsindex n, wie in Fig. 4, gleich *h = 1,333 ist, geht das Licht des optischen Bildes, das am vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse G 4' eintritt, durch die benachbarte sphärische Linse G 4", die in Berührung mit ihr steht, hindurch und verläßt die Linse G 4" als ein paralleles Lichtbündel. Dies ist in F i g. 4 dargestellt. Wenn zwei oder mehr Sätze von vier sphärischen Linsen jeweils in Reihe angeordnet sind, wobei jede Linse in Berührung mit den angrenzenden Linsen steht, und am vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse des ersten Satzes von vier sphärischen Linsen Licht eintritt, wird dieses in jedem Linsensatz auf den hintersten Punkt der vierten sphärischen Linse fokussiert und bildet ein reelles Bild mit dem Maßstab 1: — 1 in Beziehung auf das zuerst genannte Bild in der vierten Linse des letzten Satzes von Linsen.

3. Unter der Annahme, daß der Brechungsindex n, wie in Fig. 5, gleich 1,52759 ist, geht das Licht des optischen Bildes, das am vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse G 5' einer Reihe von sphärischen Linsen eintritt, durch die zweite sphärische Linse hindurch und wird auf den Mittelpunkt der dritten sphärischen Linse GS'" fokussiert und bildet dort ein reelles Bild. In diesem Fall wird das Licht, das am vordersten Punkt der vordersten Linse in einen Satz von Linsen einfällt, auf den hintersten Punkt der jeweils fünften Linse in jedem Satz der in Reihe angeordneten Linsen fokussiert, bei dem jede Linse in Berührung mit den angrenzenden Linsen steht, und bildet ein reelles Bild 1:1 bezüglich Maßstab und Lage in Beziehung auf das erstgenannte Bild.

Das vorgenannte Phänomen bringt die folgenden Ergebnisse:

a) Ein reelles Bild 1: — 1 oder 1:1 bezüglich Maßstab und Lage wird am selben Punkt in jedem Satz in einer Reihe von Sätzen von sphärischen Linsen gebildet, ohne daß irgendeine Änderung in der Größe des Bildes hervorgerufen wird.

b) Die Lage und Größe der optischen Pupille, die in jedem Satz einer Reihe von Sätzen von sphärischen Linsen gebildet wird, bleibt längs der ganzen Reihe dieselbe. Dadurch wird, abgesehen von der Absorption des Lichtes im Medium und von Lichtverlusten als Folge der Reflexion an den Grenzen der Linsen, eine Verminderung der Lichtsträke vermieden.

c) Da sphärische Linsen verwendet werden, braucht ίο nur für zwei benachbarte sphärische Linsen

eine optische Achse berücksichtigt werden. Daher kann das Licht über einen Weg in beliebiger Krümmung übertragen werden, auf dem die sphärischen Linsen in Reihe angeordnet und in Berührung mit benachbarten Linsen sind. Es ist klar, daß der Brechungsindex gegenüber dem vorgenannten Wert geändert werden kann, solange das Verhältnis des Brechungsindex des umgebenden Mediums zum Brechungsindex der sphäri-_ ao sehen Linsen den vorgenannten Wert behält. Beispielsweise muß unter der Annahme, daß der die sphärischen Linsen umgebende Raum mit Wasser gefüllt ist, der Brechungsindex n= 1,33 · Vs = 1,78 betragen, da der Brechungsindex n₂ von Wasser 1,33 ist. Ein optisches Glas, das einen solchen Brechungsindex hat, kann aus schwerem Flintglas ausgewählt werden.

Es ist ferner möglich, durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers jeder folgenden Linse in der Reihe sphärischer Linsen ein vergrößertes oder verkleinertes Bild an der hintersten sphärischen Linse zu erhalten. Auch kann ein optisches Bild noch genau übertragen werden, selbst wenn nicht der Brechungsindex aller sphärischen Linsen derselbe ist, wenn nur vorgesehen ist, daß die sphärischen Linsen in periodischer Weise angeordnet sind, so daß das optische Bild periodisch am hintersten Punkt oder im Mittelpunkt der periodischen Reihe fokussiert wird.

Zur Zahl Z der sphärischen Linsen in jedem Satz einer vollständigen Reihe, wie sie in dem vorbeschriebenen, flexiblen optischen System verwendet wird, ist folgendes zu sagen:

a) Im Fall Z=2, wie in Fig. 3, kann unter der Annahme, daß N eine positive ganze Zahl ist, das an den hintersten Punkt der letzten sphärischen Linse einer vollständigen Reihe von 2 N sphärischen Linsen fokussierte Bild durch ein Okular beobachtet werden, während das parallele Lichtbündel, das aus der letzten sphärischen Linse (entsprechend G 3' in Fig. 3) vollständiger Reihen von 2yV + 1 sphärischen Linsen austritt durch ein geeignetes Okular als optisches Bild desselben Maßstabes oder in vergrößertem Maßstab beobachtet werden kann. Das bedeutet, daß jede Zahl von sphärischen Linsen in jedem Satz verwendet werden kann.

b) Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die sich; berührenden sphärischen Linsen G₄' und G₄" hintereinander in der wassergefüllten Röhre P angeordnet sind. Dabei ist der Brechungsindex der Linsen n_x = 1,56210 und der des Wassers n₂ = 1,3333. Hierbei kann das reelle optische Bild, das auf den hintersten Punkt der letzten Linse in einer Serie von 4 N sphärischen Linsen fokussiert wird, durch ein Okular im selben oder im vergrößerten Maßstab beobachtet werden, während das divergierende Lichtbündel, das aus der letzten sphärischen Linse in einer Reihe von 4 N + 1 sphärischen Linsen austritt,

Claims

oder das parallele Lichtbündel, das aus der letzten sphärischen Linse einer Reihe von 4N+2 sphärischen Linsen austritt, oder das konvergierende Lichtbündel, das aus der letzten Linse einer Reihe von 4 N + 3 sphärischen Linsen austritt, durch ein geeignetes Okular als optisches Bild beobachtet werden kann. Das bedeutet, daß jede Anzahl sphärischer Linsen in einer Reihe verwendet werden kann. c) Im Fall ein Brechungsindex der sphärischen Linsen von η = 1,52759 gewählt wird, wie in F i g. 5, kann die Zahl der in Reihe liegenden sphärischen Linsen zur Beobachtung eines optischen Bildes jede Zahl sein, die verschieden von der Anzahl 5ΛΓ ist, wenn ein geeignetes Okular gewält wird. Um ein optisches Bild am vordersten Punkt der ersten sphärischen Linse einer Reihe von sphärischen Linsen zu erzeugen, kann der zu beobachtende Körper direkt in Berührung mit der ersten Linse angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, oder ein anderes Objektiv kann verwendet werden, ao um das optische Bild an den vordersten Punkt der vordersten Linse zu fokussieren. Die bisherige Beschreibung betrifft den Fall, daß ein optisches Bild am vordersten Punkt der vordersten Linse erzeugt wird. Wenn jedoch ein Bündel von parallelen Lichtstrahlen, die von einem Körper ausgehen, welcher von der ersten Linse entfernt ist, in die erste sphärische Linse einfällt, wird das erste optische Bild, das — wie in F i g. 3 dargestellt — in der Reihe von sphärischen Linsen zu fokussieren ist, auf den vordersten Punkt der zweiten sphärischen Linse fokussiert. Daher tritt aus der letzten spärischen Linse einer Reihe von 2 N sphärischen Linsen wieder das Bündel der parallelen Lichtstrahlen aus. Im Fall ein Brechungsindex von n—1,3333 = 4/3 gewählt wird, wie in Fig. 4, so wird das vorerwähnte erste optische Bild, das zuerst fokussiert werden soll, in der Linsenreihe auf den vordersten Punkt der dritten sphärischen Linse fokussiert, während das Bündel parallelen Lichts aus der letzten sphärischen Linse einer Reihe von 4 N sphärischen Linsen austritt. Im Fall schließlich der Brechungsindex der sphärischen Linsen η = 1,5279 gewählt wird, wie in F i g. 5, so wird, wenn das divergierende Lichtbündel, das von einem Körper ausgeht, welcher nahe dei vorderen sphärischen Linse der Reihe in diese einfällt, das vorgenannte erste optische Bild, das zu fokussieren ist, in der Reihe zuerst auf den vordersten Punkt der dritten sphärischen Linse fokussiert, und ein divergierendes Lichtbündel tritt aus der letzten sphärischen Linse der Reihe von 5 N sphärischen Linsen aus. Jedoch kann in jedem der vorgenannten Fälle durch Anpassung der Lage des Okulars oder durch Hinzufügen von ein oder zwei zusätzlichen sphärischen Linsen an das Ende der Reihe ein optisches Bild in derselben Weise, wie in dem Fall, wo das optische Bild am vordersten Punkt der vorderen sphärischen Linse erzeugt wird. Die vorstehende Beschreibung kann den Eindruck erwecken, daß die Erfindung zwei verschiedene Typen von optischen Systemen vorsieht, eines zur Beobachtung von Bildern, die in Berührung mit der ersten sphärischen Linse des optischen Systems stehen, und eines anderen für die Beobachtung von Bildern oder Körpern, die in einiger Entfernung vom optischen System angeordnet sind. Die Versuche, die bis jetzt gemacht worden sind, zeigen jedoch, daß es sich grundsätzlich um ein einziges optisches Sy- stern handelt, das angepaßt werden kann an die Verwendung sowohl bei der Beobachtung von Bildern, die in Berührung mit der ersten sphärischen Linse stehen, als auch bei einem optischen System und für Bilder oder Körper, die in einiger Entfernung vom optischen System angeordnet sind. Der Grund dafür ist, daß die Brennweite einer sphärischen Linse sehr klein ist und die Verschiebung des Brennpunkts als Folge der Verschiebung des zu beobachtenden Körpers ebenfalls sehr klein ist und nicht groß genug, um für die meisten Anwendungsfälle einen großen Unterschied zu ergeben. In Übereinstimmung mit den Versuchen, die vom Erfinder gemacht worden sind, wurden gute Resultate bei Verwendung von BK7-Glas (Brechungsindex η = 1,5168) als Material für die sphärischen Linsen erhalten, wobei nur eine kleine Justierung des Okulars in dem in F i g. 5 dargestellten Fall notwendig war, in dem der Brechungsindex 1,52759 betragen sollte. Dies zeigt, daß Unterschiede im Brechungsindex des Materials der sphärischen Linsen in dem vorgenannten Umfang die Wirksamkeit der Erfindung nicht beeinträchtigen. Wie im vorstehenden ausgeführt, kann das erfindungsgemäße, für viele Zwecke verwendbare flexible optische System, das Licht oder optische Bilder wirkungsvoll längs beliebig gekrümmter Wege leiten kann, mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele und deren konstruktive Gestaltung beschränkt. Patentansprüche:

1. Optisches System für die Übertragung von Licht oder optischen Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von sphärischen Linsen in Reihe in einer lichtdichten, flexiblen Röhre angeordnet sind, wobei angrenzende Linsen in Berührung miteinander stehen und eine Anzahl von Sätzen sphärischer Linsen bilden, die wiederholt das Bild in jedem Satz der Reihe fokussieren.

2. Flexibles optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der hinteren Endlage angeordnete sphärische Linse der Reihe direkt mit zwei oder mehr sphärischen Linsen in Berührung steht, wobei diese anderen Linsen die vordere Linse weiterer Reihen von sphärischen Linsen bilden, welche in einer lichtdichten Röhre angeordnet sind und zwei oder mehr optische Wege für die Übertragung von Licht oder optischen Bildern entstehen.

3. Flexibles optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex und die Größe aller sphärischen Linsen gleich sind.

4. Flexibles optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer Vergrößerung der Durchmesser jeder sphärischen Linse größer ist als der der vorhergehenden.

5. Flexibles optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer Verkleinerung der Durchmesser jeder sphärischen Linse kleiner ist als der der vorhergehenden.

6. Flexibles optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex jeder sphärischen Linse in jedem Satz der Reihe so geändert ist, daß das durch die Reihe der sphärischen Linsen übertragene Bild auf eine vorbestimmte Stelle in jedem Satz der Reihe fokussiert wird.

7. Fexibles optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex jeder der sphärischen Linsen eines Satzes in der Reihe in solcher Weise verändert wird, daß ein optisches Bild, das durch die Reihe der sphärischen Linsen übertragen wird, auf den Mittelpunkt einer der sphärischen Linsen fokus-

siert wird, die in einer vorbestimmten Stellung in jedem Satz der Reihe liegt.

8. Flexibles optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Reihen der sphärischen Linsen ein verstellbares Okular angeordnet ist.

9. Flexibles optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein beliebiges Objektiv mit Abstand vor der ersten Linse der Reihe der sphärischen Linsen so angebracht wird, daß ein optisches Bild auf den vordersten Punkt der vordersten sphärischen Linse fokussiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen