DE1572763A1

DE1572763A1 - Lens for simultaneous sharp imaging of objects at different distances in a common image plane

Info

Publication number: DE1572763A1
Application number: DE19671572763
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Nissen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-10-11
Filing date: 1967-10-11
Publication date: 1970-03-12

Description

Zinse zur gleichzeitigen scharfen Allbildung von unterschied-lich weit entfernten Gegenständen in einer gemeinsamen Bildebene Ein bisher ungelöstes optisches Problem besteht darin, mittels einer einzigen Zinse unterschiedlich weit entfernte Gegenstände gleichzeitig in einer gemeinsamen Bildebene scharf abzubilden. Es sind bereits Brillengläser bekannt, die aus zwei übereinander angeordneten Zinsen bestehen, von denen die untere für den Lesebereich und die obere für den entfernteren Sichtbereich dienen soll. Eine derartige Brille weist einen erheblichen Nachteil auf. Da sich die Leselinse in der unteren Hälfte des Brillenglases befinde-, ist es Brillenträgern nicht möglich, während des Gehens oder Treppensteigens den Boden vor ihren Füßen scharf zu beobachten, da in dieser Blickrichtung gerade die nur für den Kurzbereich verwendbare Leselinse liegt. Sie sind damit einer erhöhten Unfallgefahr ausgesetzt.Interest rate for the simultaneous sharp formation of objects at different distances in a common image plane A hitherto unsolved optical problem is to use a single interest rate to depict objects at different distances in sharp focus at the same time in a common image plane. There are already known spectacle lenses which consist of two superimposed interest, of which the lower one is intended to serve for the reading area and the upper one for the more distant viewing area. Such glasses have a significant disadvantage. Since the reading lens is in the lower half of the spectacle lens, it is not possible for spectacle wearers to keep a sharp eye on the floor in front of their feet while walking or climbing stairs, as the reading lens, which can only be used for short ranges, is in this direction of view. You are therefore exposed to an increased risk of accidents.

Auch für Kameras, Fernrohre, Mikroskope, Projektoren und andere optische Systeme wäre es sehr vorteilhaft, eine Linse zur Verfügung zu haben, die im Stande ist, unterschiedlich weit entfernte Gegenstände oder Bilder in einer Bildebene gleichzeitig scharf abzubilden. Bisher mußte man sich damit behelfen, die Gegenstands- und/oder Bildweiten oder aber die Blickrichtung zu verändern, um jedenfalls zeitlich nacheinander die unterschiedlich weit entfernten Gegenstände oder Bilder scharf abzubilden. Die deutsche Patentschrift 98 716 zeigt bereits eire aus mehrerer Stücken zusammengesetzte Linse, die mehrere dicht be°einanderliegende, aber beliebig im Raum verteilte Brennpunkte aufweist, Sie dient in der Fotografie als sogenannter "Weichzeichner" zur Darstellunggedämpfer Konturen. Eine scharfe Abbildung ist damit nicht möglich.Also for cameras, telescopes, microscopes, projectors and other optical Systems it would be very beneficial to have a lens available that is capable is, objects or images at different distances in one image plane at the same time image sharply. So far you had to make do with the object and / or To change image widths or the direction of view, at least one after the other to focus on objects or images that are at different distances. the German patent specification 98 716 already shows eire composed of several pieces Lens, the several focal points that are close together but are randomly distributed in space It is used in photography as a so-called "soft focus" to dampen the image Contours. A sharp image is therefore not possible.

In der deutschen Patentschrift 393.094 ist dagegen eine Linse beschrieben, die aus einem Glaskörner mit darin verteilt angeordneten, kegeligen Bohrungen besteht, die stirnseitig von konvex gewchlIffenen Gläsern abgedeckt sind. Jedoch sind scharfe Abbildungen mit dieser Zinse ebenfalls nicht möglich, da sie aufgrund von unkontrollierten Lichtstreuungen und -brechungen wie eine Mattscheibe erscheint. Darüber hinaus wäre auch eine Herstellung dieser Zinse - wenn überhau#t - dann nur unter außerordentlichen Schwierigkeiten möglich.In the German patent specification 393.094, on the other hand, a lens is described which consists of a glass grain with conical bores arranged distributed therein, which are covered on the front side by convex glass. However, sharp images are also not possible with this interest rate, since it appears like a focusing screen due to uncontrolled light scattering and refraction. In addition , the production of this rate of interest - if at all - would then only be possible with extraordinary difficulties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Linse zur gleichzeitigen scharfen Abbildung von unterschiedlich weit entfernten Gegenständen oder Bildern in einer gemeinsamen Bildebene zu schaffen, um die eingangs aufgezeigten Schwierigkeiten zu beseitigen. Sie geht dabei von einer Zinse der letztgenannten Art aus, die aus mindestens zwei Stoffarten besteht, die sich bezüglich ihrer Brechungsindices unterscheiden und ist dadurch gekennzeichnet, daß aus diesen Stoffarten eine große Zahl von stabförmigen, dicht gebündelten Elementen hergestellt ist, welche eine gemeinsame optische Achse und gemeinsame konvexe, konkave oder ebene Stirnflächen aufweisen, die in ihrer Gesamtheit die Linsenoberfläche bilden, und wobei die verschiedene Brechungsindices aufweisenden Elemente mit statistischer Gleichmäßigkeit über den Linsenquerschnitt verteilt sind.The invention is based on the object of creating a lens for the simultaneous sharp imaging of objects or images at different distances in a common image plane in order to eliminate the difficulties mentioned at the beginning. It assumes an interest of the last-mentioned type , which consists of at least two types of material that differ in terms of their refractive indices and is characterized in that a large number of rod-shaped, tightly bundled elements are made from these types of material, which have a common optical axis and have common convex, concave or flat end faces which in their entirety form the lens surface, and wherein the elements having different refractive indices are distributed with statistical uniformity over the lens cross section.

Mit den unterschiedlichen Brechungsindices der einzelnen Linsenelemente sind unterschiedliche Brennweiten verbunden. Besteht eine solche Zinse beispielsweise aus zwei bezüglich des Brechungsindex sich unterscheidenden Stoffarten, so kann die eine für die Abbildung von Gegenständen aus dem Nahbereich in einer Bildebene und die andere für die Abbildung von Gegenständen aus dem Fernbereich in der gleichen Bildebene dienen.With the different refractive indices of the individual lens elements different focal lengths are connected. Is there such an interest rate, for example of two types of material that differ in terms of the refractive index, so can one for the imaging of objects from close range in an image plane and the other for the imaging of objects from a distance in the same Serve image plane.

Die von den Linsenteilen für den Nahbereich erzeugten Bilder der fernen Gegenstände und die von Teilen für den Fernbereich erzeugten Bilder naher Gegenstände sind in dieser Schärfe-Ebene nicht erkennbar, weil sie verschwommen sind. Sie werden jeweils in einer anderen Ebene scharf abgebildet. Auf diese weise erhält man eine im wesentlichen unbegrenzte Tiefenschärfe. Erfindungsgemäß besteht die Linse aus parallel zur optischen Achse geschichteten Fasern aus Glas oder durchsichtigen Kunst- stoffen unterschiedlicher Brechungsindices. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Zinse, da die Glasfasertechnik und Glasfaseroptik inzwischen beherrscht wird. The images of the distant objects generated by the lens parts for the close range and the images of near objects produced by the parts for the far range cannot be recognized in this sharpness plane because they are blurred. They are each shown in focus in a different plane. In this way one obtains an essentially unlimited depth of field. According to the invention , the lens consists of fibers made of glass or transparent plastics with different refractive indices, layered parallel to the optical axis. This enables a simple production of the interest, since the fiber optics technology and fiber optics are now mastered.

Ist der Durchmesser aller Fasern der gleiche und der Aufbau der Zinse sehr regelmäßig, so ist das gewöhnlich nachteilig, wbil hierdurch entsprechend sehr deutliche Beugungsfiguren ent-stehen, insbesondere dann, wenn die Stäbe nicht nur einen kreisförvigen, sondern-durch Versintern dder Verschmelzen einenwie es meistens geschieht - regelmäßig sechseckigen Querschnitt erhalten, so daß eine Bienenwabenatruktur entsteht. Um die Störung der Abbildung durch die so hervorgerufene, z.B. sechsstrahligen Beugungsfiguren zu vermeiden, empfiehlt es sich, den verschiedenen Brechungsindiees der Fasern verschieden große Durchmesser zuzu-ordnen. If the diameter of all fibers is the same and the structure of the interest is very regular, this is usually a disadvantage, as this results in very clear diffraction patterns , especially when the rods are not only circular, but - by sintering and fusing - one like that mostly happens - regularly obtained hexagonal cross-section, so that a honeycomb structure is created. In order to avoid the disturbance of the image caused by the six-ray diffraction patterns, for example , it is advisable to assign different diameters to the different refraction indices of the fibers.

Ein anderer Weg zur Vermeidung störender Beugungsfiguren ist der, den überwiegenden Teil der Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern auszubilden. Another way of avoiding disruptive diffraction patterns is to design the majority of the fibers with different diameters .

Verlaufen die Fasern parallel zur optischen Achse, so gilt folgende Beziehung: Je kleiner der Durchmesser der einzelnen Fasern im Verhältnis zu deren Länge ist, und je weniger die auf die Linse auftreffenden Lichtstrahlen zur optischen Achse geneigt sind und je kleiner die Brechungsindices der Linsenma- terialien sind, umso größer ist der Krümmungaradius der Linse auf dieser betreffeirden Eintrittsfläche zu wählen. If the fibers run parallel to the optical axis, the following relationship applies: The smaller the diameter of the individual fibers in relation to their length , and the less the light rays striking the lens are inclined to the optical axis and the smaller the refractive indices of the lens materials are, the greater the radius of curvature of the lens on this relevant entrance surface is to be selected.

Für besonders steil zur optischen Achse verlaufenden Lichtstrahlen empfehlen sich hohe Brechungsindices und ein großes Verhältnis von Durchmesser zur Länge der Fasern und ferner den Fasern eine Kegel- oder Pyramidenform zu geben. Deren Achsen sollen dann etwa eine solche Richtung aufweisen, wie der Hauptteil der betreffenden Strahlen in der Zinse selbst haben würde, wenn diese nur aus einem Material mit dem zugehörigen Brechungsindex bestünde. Weiterhin ist es möglich, die Fasern derartig locker zu schichten, daß zwischen ihnen Luftkanäle (mit Brechungsindex 1) ver- bleiben. Dadurch kann der Brechkraftbereich der Zinse erweitert werden. For light rays that run particularly steeply to the optical axis, it is advisable to have high refractive indices and a large ratio of diameter to length of the fibers and also to give the fibers a cone or pyramid shape. Their axes should then have approximately the same direction as the main part of the rays concerned would have in the interest itself if it were only made of a material with the associated refractive index. It is also possible to layer the fibers so loosely that air channels (with a refractive index of 1) remain between them. This allows the refractive power range of the interest to be expanded .

Es ist auch möglich, die Luftkanäle durch Herauslösen einer Fasersorte mit einem Lösungsmittel auf chemischem Wege oder durch Ausschmelzen oder Sublimieren herzustellen. Diene herauszu- lösende Fasersorte braucht dabei keinerlei optische Qualität zu besitzen. It is also possible to produce the air channels by dissolving a fiber type with a solvent chemically or by melting or subliming. The type of fiber to be removed does not need to be of any optical quality .

Um störende Lichtstrahlen, die nicht zu scharfen Abbildung bei- tragen, zu beseitigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Stäbchen oder Fasern mit einer Schicht zu umgeben, die Reflexionen möglichst verhindert und/oder stark lichtabsorbierend wixtund/oder einen hohen Brechungsindex aufweist. In order to eliminate disruptive light rays that do not contribute to sharp imaging , it is proposed according to the invention to surround the rods or fibers with a layer that prevents reflections as much as possible and / or wixes them in a highly light-absorbing manner and / or has a high refractive index.

Soll direkt mit dem Auge durch die erfindungsgemäße Linse ge- blickt werden, wie es beispielsweise bei Brillengläsern, Haft- schalen oder Okularen der Fall ist, so ist es erforderlich, die einzelnen Fasern der Linse mit einem mehrfach kleineren Durch- messer auszubilden, als die Augenpupille ihn aufweist, damit das Auge nicht nur die Wirkung einzelner Fasern oder deren Umrisse wahrnimmt. If the lens according to the invention is to be viewed directly with the eye , as is the case, for example, with spectacle lenses, adhesive shells or eyepieces, it is necessary to design the individual fibers of the lens with a diameter that is several times smaller than that Eye pupil has it so that the eye does not only perceive the effect of individual fibers or their outlines.

Die Linse gemäß der Erfindung kann mit Vorteil sowohl für Brillengläser als auch für Okulare, ferner für Objektive, bei- spielsweise von Kameras und andere optische Systeme verwendet werden. The lens according to the invention can advantageously be used both for spectacle lenses and for eyepieces, and also for lenses, for example cameras and other optical systems .

Zur Herstellung der Zinse wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Glas- und ' oder Kunststoffasern oder -stäbe mit entsprechenden optischen Eigenschaften in Parallelschichtung zu einem Stab zusammengefügt und miteinander verschmolzen, versintert oder verklebt werden, worauf der so entstandene Stab senkrecht zur Faserrichtung in Scheiben .geschnitten und die Scheiben in Linsenform geschliffen oder geprellt werden. Anstelle einer gleichmäßigen statistischen Verteilung der fasern mit verschiedenen Brechungeindices über die gesamte Linsenfläche ist oft die Bevorzugung bestimmter Gebiete der Linse mit einem oder mehreren Brechungsindiees vorteilhaft. In der Zeichnung sind zwei Ausführungebeispiele der Erfindung dargestellt, Es zeigt: Fig. 1 einen Schnitt senkrecht zur optischen Achse durch eine Zinse gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Linse gem. Fig. 1, Fig. 3 den Strahlenverlauf durch eine Zinse gemäß der Erfindung und Fig. ¢ eine andere Yariante der erfindungsgemäßen Linse im Axialschnitt. To produce the tin , a method is proposed according to the invention , which is characterized in that glass and ' or plastic fibers or rods with corresponding optical properties are combined in parallel layers to form a rod and fused, sintered or glued together, whereupon the rod formed in this way is perpendicular cut into slices to the grain direction and the slices are ground or bruised in the shape of a lens. Instead of a uniform statistical distribution of the fibers with different refractive indices over the entire lens surface, it is often advantageous to prefer certain areas of the lens with one or more refractive indices. Figure 1 is a section perpendicular to the optical axis by a Zinse according to the invention, Figure 2 is an axial section gem through the lens Figure 1, Figure 3 shows the beam path by: In the drawing, two Ausführungebeispiele of the invention are shown: FIG..... Zinse according to the invention and FIG. ¢ Another variant of the lens according to the invention in axial section.

Die Linse gemäß Fig. 1 und 2 ist aus drei Fasersorten 1, 2 und 3 aufgebaut, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen, die durch unterschiedliche Schraffuren gekennzeichnet sind. Die einzelnen Fasern weisen unterschiedliche Querachnittsformen und -größen auf und verlaufen parallel zur optischen Achse 4. Die Fasern 1, 2 und 3 unterschiedlicher Brechungeindices sind dabei mit statistischer Gleichmäßigkeit über den gesamten Linsenquerschnitt verteilt.The lens according to FIGS. 1 and 2 is made up of three types of fiber 1, 2 and 3, which have different refractive indices, which are indicated by different hatching Marked are. The individual fibers have different cross-sectional shapes and sizes and run parallel to the optical axis 4. The fibers 1, 2 and There are 3 different refractive indices with statistical uniformity Distributed over the entire lens cross-section.

Aus Fig. 3 ist das Zustandekommen einer einzigen scharfen Abbildung von zwei unterschiedlich weit von einer Linse 5 entfernten Gegenständen 6 und 7 erkennbar. Der Einfachheit der Darstellung halber weist die Linse 5 nur zwei Fasersorten 1' und 2' unterschiedlicher Brechungsindices auf. Der Brechungsindex einer Faser 11-ist dabei größer als einer Faser 21. Sie besitzen also unterschiedliche Brennpunkte F1 und F2, welche auf einer gemeinsamen optischen Achse V liegen. Der Gegenstand 6, der reit von der Zinse entfernt ist, wird in,einer Bildebene 8 hinter der Zinse 5 durch Linsenelemente von der Art 2' mit kleinerem Brechungsindex und größerer Brennaite F2 scharf als Bild B1 abgebildet. Ein bedeutend näher vor der Zinse befindlicher Gegenstand 7 wird dagegen durch Linsenelemente von der Art den Elementes 1' mit größerem Brechungsindex und kleinerer Brennweite F1 in der gleichen Ebene 8 als Bild B2 ebenfalls scharf abgebildet, wie die Strahlenkonstruktion zeigt.From Fig. 3 the creation of a single sharp image of two objects 6 and 7 that are differently distant from a lens 5 can be seen. For the sake of simplicity of illustration, the lens 5 has only two types of fiber 1 'and 2' of different refractive indices. The refractive index of a fiber 11 is greater than that of a fiber 21. They therefore have different focal points F1 and F2 which lie on a common optical axis V. The object 6, which is already at a distance from the interest rate, is sharply imaged as image B1 in an image plane 8 behind the interest rate 5 by lens elements of the type 2 'with a smaller refractive index and greater focal length F2. An object 7 that is significantly closer in front of the interest is, however, also sharply imaged by lens elements of the type 1 'with a larger refractive index and smaller focal length F1 in the same plane 8 as image B2, as the ray construction shows.

Der gleiche Gegenstand 7 wird von den Linsenelementen 2# erst weit hinter der Bildebene 8 scharf abgebildet, so daß er in der Bildebene 8 nicht wahrgenommen wird. Umgekehrt würde der Gegenstand 6 durch die Linsenelemente 1' bereits weit vor der Bildebene 8 scharf abgebildet und damit also ebenfalls in der Bildebene 8 nicht wahrgenommen werden können.The same object 7 is only sharply imaged by the lens elements 2 # far behind the image plane 8, so that it is not perceived in the image plane 8. Conversely , the object 6 would already be sharply imaged by the lens elements 1 ′ far in front of the image plane 8 and thus likewise cannot be perceived in the image plane 8.

Durch die facettenartige Zusammensetzung der Zinse 5 aus Elementen 1r und 2' unterschiedlicher Brechungsindices wird es also möglich, sowohl den Gegenstand 6 als-auch den Gegenstand 7 in einer Bildebene 8 scharf abzubilden. The facet-like composition of the interest 5 from elements 1r and 2 'of different refractive indices therefore makes it possible to image both the object 6 and the object 7 sharply in an image plane 8.

Eine Linse aus Stoffen mit mehr als zwei verschiedenen Brechungsindices weist entsprechend mehr Brennweiten auf und damit eine entsprechend größere Tiefenschärfe.A lens made from materials with more than two different refractive indices accordingly has more focal lengths and thus a correspondingly greater depth of field.

In Fig. 4 ist eine Linse mit pyramidenförmigen Fasern dargestellt, deren gedachten Spitzen sich auf der optischen Achse 4 schneiden. Schichtet man Fasern zweier verschiedener Brechungsindices derart locker, daß zwischen ihnen Luftkanäle freibleiben, so kann auch durch Kombination der erfindungsgemäßen Zinse mit einer herkömmlichen bzw. der Augenlinse ein Linsensystem geschaffen werden, das eine Brechkraft mehr, also drei Brechkräfte aufweist.In Fig. 4 a lens with pyramidal fibers is shown, the imaginary tips of which intersect on the optical axis 4. One layered Fibers of two different refractive indices so loose that air channels between them remain free, so can also by combining the interest rate according to the invention with a conventional or the eye lens, a lens system can be created that has a refractive power has more, i.e. three refractive powers.

Zur Yerwendung in Linsensystemen oder in der Kombination mit wenigstene einer herkömmlichen Zinse erfüllt eine Planparallele Platte ohne Linsenschliff aber mit den sonstigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Linse den gleichen Zweck, wie erfindungsgemäße Linsen, die mit eingeschliffenen gekrümmten Flächen versehen sind.For Yerwendung in lens systems or in combination with a conventional wenigstene Zinse with the other properties of the lens of the invention satisfies a plane-parallel plate with no lens cut but the same purpose, such as lenses according to the invention, which are provided with ground curved surfaces.

Die erfindungsgemäße Zinse kann auch verwendet worden, um ein und den-selben Gegenstand in zwei verschiedenen Ebenen gleichzeitig abzubildenThe interest rate according to the invention can also be used to depict one and the same object in two different planes at the same time

Claims

Claims 1 Zinse for the simultaneous sharp image of objects at different distances in a common image plane, consisting of at least two types of material which differ in terms of their refractive indices , characterized in that a large number of rod-shaped, tightly bundled elements ( 1-3 is produced), which and common, convex a common optical axis, concave or having flat end faces constituting the lens surface in its entirety, and wherein the different Breohungsindices having elements (1 - 3) .with statistical uni- formity across the lens cross-section distributed are. 2 Lens according to Claim 1, characterized in that it consists of fibers or rods ( 1-3) made of glass or transparent plastics with different refractive indices , layered parallel to the optical axis (4, 4 #). . 3 Zinse according to claim 1 and 2, characterized in that the different breadth indices are assigned different diameters of the fibers. 4 Lens according to claim 1 and 2, characterized in that the majority of the fibers have different diameters . 5 lens according to claim 1 - 4, characterized in that the fibers have conical or pyramid-shaped lateral surfaces, the axes of which have approximately the same direction as the majority of the light rays coming to the image from the point in question would have 4.er interest if the Linsenur would be made of a material having the same refractive index, itie the fiber in question. 6 lens according to claim 1-5, characterized in that the fibers are so loosely layered in that remain between them air channels (with refractive index 1). .7 lens according to claim 1 - 6, characterized in that the Fibers are surrounded by a layer of bind, which prevents reflections hinders and / or has a strong light-absorbing effect and / or one has a high refractive index. 8 interest rate according to claim 1-7, characterized in that the Pasern have a diameter that is several times smaller than the pupil of a human eye. 9 Lens according to claims 1-8, characterized by their use. as a spectacle lens, adhesive shell or eyepiece. 10 interest according to claims 1 - 8, characterized by their use in the lenses of cameras and other optical systems. 11 method for producing lenses according to claim 1 - 10, characterized in that glass and / or plastic fibers with corresponding optical properties in parallel layered together to form a rod and interconnected son-bolted, sintered or glued, whereupon the rod cut transversely to the grain in Seheiben and the Lenticular discs are ground or pressed. 12 method for producing interest according to claims 6 and 10, characterized in that between the production of the rods the fibers with optical qualities are embedded in them, which after de = cutting the bars into slices from the Slices are detached, melted or sublimated.