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Die Erfindung betrifft ein sphärisch wirkendes Linsensystem mit veränderbarer
Brennweite, bestehend aus zwei senkrecht zueinander gekreuzten Zylindergliedern
mit sich verändernder Brechkraft.
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Es sind drei Arten von Linsensystemen mit veränderlicher Brennweite
bekannt. Die erste Art sieht eine flexible Linse, die meistens mit einer Flüssigkeit
gefüllt ist, vor, deren Form verändert werden kann. Die zweite Art besitzt mehrere
Einzellinsen, die entlang der optischen Achse verschiebbar sind. Die dritte Art
enthält mehrere kegelige Elemente, aus denen sich die Linse zusammensetzt. Bei Verschiebung
dieser Elemente senkrecht zur optischen Achse wird der Radius und somit die Brennweite
der Linse verändert. Die erstgenannte Art hat den Nachteil, daß eine genaue Linsenform
durch die flexible Linse nur sehr schwer herstellbar ist. Bei der zweitgenannten
Art ist es nachteilig, daß die Linsenteile entlang der optischen Achse verstellt
werden müssen, und bei der an dritter Stelle angeführten Art verursacht die Herstellung
der kegeligen Linsenelemente große Schwierigkeiten.
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Es ist bekannt, daß zwei zylindrische Linsen, von denen eine eine
positive Kurvenfläche und die andere eine negative Kurvenfläche aufweist, den gleichen
Effekt hervorrufen wie ein Prisma. Der Winkel des simulierten Prismas ist bestimmt
durch die relative Lage der Linsen. Sind nun die beiden Linsen verschiebbar, kann
der Winkel des entsprechenden Prismas verändert werden.
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Auch ist eine simulierte sphärische Linse bekannt, die mit Hilfe von
Zylinderlinsen einen Obergang von sammelnder zu zerstreuender Brechkraft bildet,
jedoch ist es für ein Vermeiden, daß unterschiedliche Punkte im Bildbereich unterschiedliche
Brennweite aufweisen, erforderlich, jeder der beiden Zylinderlinsen eine sehr geringe
Veränderung der Brennweite entlang ihrer Längsachse zu verleihen. Dies hat aber
den Nachteil, daß jede der beiden Zylinderlinsen eine für die meisten technischen
Verwendungszwecke unmögliche Länge aufweisen muß. Um diesen Nachteil zu vermeiden,
ist es bekannt, die eine der beiden genannten Zylinderlinsen doppelt so lang wie
die andere auszubilden, wobei die längere an ihren Enden die doppelte und entgegengesetzte
Brennweite besitzt als die kürzere an den entsprechenden Enden, und für die Simulierung
einer sphärischen Linse mit veränderlicher Brennweite zwei derartige Zylinderlinsenpaare
vorzusehen. Das Verstellen der Zylinderlinsen der bekannten Linse bereitet große
Schwierigkeiten infolge der konischen Flächen der Linsenteile, so daß ein aufwendiger
und folglich auch störanfälliger Verschiebemechanismus erforderlich ist.
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Die Erfindung geht aus von zwei senkrecht zueinander gekreuzten Zylindergliedern
mit veränderbarer Brechkraft und besteht darin, daß jedes Zylinderglied aus zwei
in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene gegeneinander verschiebbaren, mit
planen Flächen sich einander berührenden Linsen besteht, deren beide einander nicht
berührenden, der Objekt- bzw. Bildebene zugewandten Zylinderflächen je einen konvexen
und einen konkaven Teil, jedoch in entgegengesetzter Reihenfolge, aufweisen und
deren Meridiankurven kubische Parabeln sind mit Wendetangenten parallel zu den Planflächen.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines in den Figuren veranschaulichten
bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein Linsensystem
für die Simulierung einer zylindrischen Linse mit veränderbarer Brechkraft, F i
g. 2 eine Seitenansicht eines der in der F i g. 1 gezeigten Elemente und F i g.
3 ein Linsensystem zur Simulierung einer sphärischen Linse mit veränderbarer Brennweite.
Zwei identische Elemente 10 bzw. 20 sind durch die Einstellvorrichtungen
31, 32 gegeneinander bewegbar. Um die folgende Beschreibung zu erleichtern, wird
die Richtung der drei rechtwinkelig zueinander verlaufenden Koordinatenachsen
t, x und z in der F i g. 1 gezeigt. Die optische Achse verläuft in Richtung
der t-Achse. Die Elemente 10, 20 haben beide je eine plane Fläche 10A bzw.
20A und je eine eindimensional gebogene Fläche 10 B bzw. 20 B, eine
sogenannte Zylinderfläche. Die Stärke jedes Elements ist eine kubische Funktion
der Entfernung von der x-Achse, so daß ein Teil der gebogenen Flächen 10B und 20B
konkav und ein anderer Teil dieser Flächen konvex ist. Die Variierung in der Stärke
entlang der Länge jedes Elements und die Kurvenform wird deutlicher gezeigt in F
i g. 2. Die Stärke der Elemente ist ausdrückbar durch nachstehende Gleichung dritter
Ordnung: t = a x3 -I- d (1)
worin darstellt: t = die Stärke des Elements,
x = die Entfernung entlang dem Element gemessen von dem Punkt, an dem die Richtung
der Kurvenform sich ändert, a = eine beliebige Konstante und d = die Stärke des
Elements, bei x gleich Null. Die Stärke der Elemente in der z-Richtung ist konstant.
Die optisch wirksamen Flächen z. B. des Elements 20 sind die Wendefläche
20B und die plane Fläche 20A. Die Stellung des Elements 20 gegenüber dem
Element 10 kann als um 180° um seine optische Achse verdreht angesehen werden.
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Die zwei in F i g. 1 gezeigten Elemente haben denselben Effekt wie
eine einzelne zylindrische Linse; d. h., sie simulieren eine einzelne zylindrische
Linse. Wenn die Position der Elemente 10 und 20
entlang der x-Achse
geändert wird, so wird die Brechkraft der simulierten zylindrischen Linse verändert.
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Die oben aufgeführte Gleichung 1 kann umgeschrieben werden, so daß
die Elemente 10, 20 durch die unten genannten Gleichungen 2, 3 definiert
werden. Diese Gleichungen tragen der Tatsache Rechnung, daß bei einer Stellung wie
in F i g. 1, in der die Entfernung x für jedes Element dem gleichen Koordinatensystem
zugeteilt ist, der Punkt, an dem die Kurvenform von konkav zu konvex wechselt, von
der Stelle x gleich Null um einen Betrag x0 entfernt ist.
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t10= - to - k (x -!- x,)3 , (2) t20 = -I-
to + k (x - x.)3, (3) worin x. = die seitlicheVerlagerung jederLinse
(dieHälfte der Gesamt-Querverbindung der Linsen), to = die Stärke der Linse
an der Stelle, wo x = x0 und k = eine beliebige Konstante ist.
Nur
der Teil des Lichts, der durch das Gebiet hindurchgeht, wo die genannten Elemente
sich überschneiden, kann zum Formen eines Bildes verwendet werden. Das in F i g.
1 gezeigte Linsensystem hat eine Bildebene, die parallel verläuft zur Objektebene,
und die Brennweite des Linsensystems wird in der unten aufgeführten Gleichung 4
gegeben. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Entfernung zwischen der Objektebene
und der Bildebene in den Zeichnungen nur schematisch gezeigt wird.
worin fz = der Brechungsindex des Materials, aus dem die Elemente 10 und 20 hergestellt
wurden, ist.
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Die Einstellvorrichtungen 31, 32, welche die Elemente 10, 20 rechtwinklig
zur optischen Achse bewegen, um die Brennweite der Vorrichtung zu ändern, sind nicht
im Detail gezeigt oder beschrieben, da es sich um konventionelle Vorrichtungen handelt.
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Es ist bekannt, daß durch die Kombination von zwei zylindrischen Linsen,
deren Achsen rechtwinklig zueinander verlaufen, eine sphärische Linse erhalten werden
kann.
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F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
worin zwei der oben beschriebenen Linsenglieder, bestehend aus den Elementen 11,
12, 21 und 22, verwendet sind, um eine sphärische Linse zu simulieren. Durch Ändern
der Lage der Elemente ist es möglich, die Brechkraft der entsprechenden sphärischen
Linse zu verändern.
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Wie in F i g. 3 gezeigt, schwankt die Stärke der Elemente 11 und 21
in der x-Richtung, und die Stärke der Elemente 12 und 22 schwankt in der Richtung.
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Die Elemente 11 und 21 werden verschoben in einem Maß, das durch den
Buchstaben g in F i g. 3 gekennzeichnet ist, und die Elemente 12 und 22 verschieben
sich in einem Maß, das durch den Buchstaben h in F i g. 3 gekennzeichnet ist. Wenn
die Entfernungen g und h gleich sind, hat das System keinen Astigmatismus; sind
die Entfernungen g und h jedoch ungleich, so ist die Wirkung dieselbe wie diejenige,
die dadurch entsteht, daß zwei zylindrische Linsen kombiniert werden, die verschiedene
Brechkräfte haben, wodurch ein astigmatisches Bild entsteht. Um das weiteste Gesichtsfeld
zu erhalten, sollte die Entfernung zwischen dem ersten Satz Elemente und dem zweiten
Satz Elemente so kurz wie möglich sein.
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Ein Vorteil der Linse der vorliegenden Erfindung ist, daß die Elemente
leicht herzustellen sind. Der Grund hierfür ist, daß die kurvenförmige Fläche der
Elemente der vorliegenden Erfindung nur in einer Dimension gebogen ist, d. h. die
Flächengleichung die dritte Koordinate nicht enthält. Man kann auch sagen, die Stärke
der Elemente schwankt als eine Funktion der x-Koordinate, aber nicht als eine Funktion
der z-Koordinate. In Anbetracht dieser Tatsache können die Elemente leicht durch
Schleif-oder Formtechniken hergestellt werden. Diese Art von Technik sieht zunächst
die Bildung eines Schleif-oder Formelements vor, mit einer Oberfläche, deren Meridian
der Kurvenform 20B entspricht, die in F i g. 2 gezeigt ist. Ein Stück Glas wird
dann unter dieser Form hin- und herbewegt, wodurch in dasselbe die gewünschte Form
geschliffen wird.
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:Nach einer anderen Herstellungsart werden die Linsen so gewonnen,
daß zuerst eine Form hergestellt wird, in die geschmolzenes Glas oder Kunststoff
eingegossen wird. Gegossene Elemente sind im allgemeinen weniger präzise als geschliffene
Elemente.