DE19913263A1 - Optisches System - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Geräteumhüllung und mit einem oder mehreren optischen Elementen (3), bei welchen zumindest eine reflektierende Fläche vorhanden ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zur Veränderung der optischen Abbildung (insbesondere der Brennweite) mindestens eines der im Beobachtungsstrahlengang angeordneten optischen Elemente ein aktiver bzw. adaptiver Spiegel (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Geräteumhüllung und mit einem oder mehreren optischen Elementen, bei welchen zumindest eine reflektierende Fläche vorhanden ist.

Derart einfache Geräte sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt und werden für die unterschiedlichsten Anwendungen verwendet. Beispielsweise seien hier Feldstecher und Freisichtgeräte genannt.

Als vergrößernde optische Systeme insbesondere mit Bildumkehrvorrichtung sind insbesondere Sehhilfen, Projektoren, Feldstecher und Fernrohre (auch Autokollimations- und Fluchtfernrohre) bekannt.

Diese lassen sich nach dem Stand der Technik insbesondere manuell durch das Gegeneinanderverschieben oder Einschieben von Linsen(gruppen) in ihrem Brechwert und ihrer Abbildungsgüte (Bildfehler) verändern. Dies erlaubt die Anpassung der optischen Parameter des Gerätes an die Bedürfnisse des Benutzers.

Insbesondere in der astronomischen Optik werden Spiegel eingesetzt, die sich durch die aktive Veränderung der Oberfläche optisch beeinflussen lassen (aktive Optik, adaptive Optik).

Eine verwendete Technologie der adaptiven Spiegel ist z. B. beschrieben in den Aufsätzen

• - "Technology and applications of micromachined silicon adaptive mirrors" von Gleb Vdovin und Simon Middelhoek vom 31.10.1996 im Rahmen des ESPRIT Projektes zu MicroOpticalSiliconSystems (MOSIS)
• - "Flexible mirror micromachined in silicon" von Gleb Vdovin und P.M.Sarro in Applied Optics, Vol. 34, No. 16, 1. Juni 1995
• - "Electrostatic actuators control on-chip mirror's flexible surface" in der Zeitschrift OLE vom September 1995;
  außerdem wird der Einsatz von adaptiven Spiegeln beispielsweise in folgenden Patenten und Patentanmeldungen beschrieben:
  EP 0167877, US 4,838,679, US 5,229,889, US 5,420,655, US 5,452,024 und US 5,633,755.

Adaptive Spiegel werden fast ausschließlich dazu eingesetzt, um Bildaberrationen zu beseitigen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Veränderung der optischen Abbildung, (insbesondere Vergrößerung) eines (insbesondere von einer Person, insbesondere in den Händen oder am Kopf, tragbaren) optischen Systems möglichst platzsparend zu realisieren ohne dabei die Anzahl der optischen Flächen zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs realisiert.

Das erfindungsgemäße vergrößernde optische System mit einer Geräteumhüllung und mit mehreren optischen Elementen zeichnet sich dadurch aus, daß zur Veränderung der Brennweite und der Abbildungseigenschaften mindestens eines der im Beobachtungsstrahlengang angeordneten optischen Elemente ein aktiver bzw. adaptiver Spiegel ist. Dadurch wird das Gewicht und der benötigte Platz reduziert, was insbesondere für tragbare kleinere Geräte wichtig ist. Die zusätzliche Elektronik mit Energiespeicher relativiert zwar diesen Gewinn an Leichtigkeit etwas aber nicht wesentlich, da der Energiebedarf derartiger Spiegel relativ gering gehalten werden kann.

Mögliche Einsatzgebiete der Erfindung sind insbesondere bei vergrößernden Sehhilfen, Fernrohren, Feldstechern, Kopflupen, Phoroptern und Freisichtgeräten zu sehen.

Durch die Verwendung des aktiven Spiegels auch zur Veränderung der Brennweite lassen sich die sonst benötigten optischen Elemente zur Brennweitenvariation einsparen, wodurch man insbesondere zu kürzeren Bauweiten bei den betroffenen Geräten kommt.

Vorzugsweise ist im Beobachtungsstrahlengang eine Bildumkehrvorrichtung angeordnet, welche vorzugsweise aus einem Prismensystem aufgebaut ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der aktive bzw. adaptive Spiegel Teil des Bildumkehrsystems ist.

Ohne Einsatz pneumatischer oder hydraulischer Systeme kann bei ausreichender Energieversorgung der aktive bzw. adaptive Spiegel mit einer elektrischen bzw. elektronischen Stell- und Steuerungseinrichtung verbunden sein.

Dabei sollte an der Geräteumhüllung eine Verstelleinrichtung angebracht sein, mit welcher die elektrische bzw. elektronische Steuerungseinrichtung beeinflußt werden kann und die elektrische bzw. elektronische Steuerungseinrichtung zum Betrieb des Spiegels sollte im Gehäuse des vergrößernden optischen Systems enthalten sein.

Eine einfache und effektive Realisierung der Erfindung erhält man, wenn der aktive bzw. adaptive Spiegel an einem Prisma des Prismensystems an einer Planfläche angebracht ist und die sonst dort angebrachte Reflexionsfläche ersetzt.

Dabei ist vorzugsweise der Raum zwischen Prisma und Spiegel mit einem flexiblen Material, vorzugsweise einer Flüssigkeit, aufgefüllt, welches denselben Brechungsindex wie das Material des Prismas besitzt, und seitlich der Reflexionsfläche des Spiegels sollte ein flexibler Ausbreitungsraum zur Aufnahme des zwischen Prisma und Spiegel verdrängten Materials vorgesehen werden.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung, wenn in dem vergrößernden optischen System ein Autofokussystem integriert ist, welches gekoppelt mit der Energieversorgung und der Steuereinheit die automatische Anpassung der notwendigen optischen Abbildungsparameter übernimmt.

Als eine mögliche Quelle für den aktiven Spiegel wäre die Firma OKO Technologies, Reinier de Graafweg 300, 2625 DJ Delft, The Netherlands zu nennen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert, wobei das nachfolgende Beispiel keinen abschließenden Charakter für die Erfindung hat und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhaltet.

Es sind zu sehen in

Fig. 1 ein binokulares Fernglas mit einem aktiven Spiegel am Umkehrprisma;

Fig. 2 ein weiteres Umkehrprisma mit aktivem Spiegel; und

Fig. 3 ein Freisichtgerät mit aktivem Spiegel.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel handelt es sich um einen Feldstecher (1), bei welchem der Einsatz an einer spiegelnden Fläche (2) des dort eingesetzten Prismas (3) erfolgt. In der Fig. 2 ist das Prisma (3) mit dem an diesem angebrachten aktiven Spiegel (4) nochmals detailliert dargestellt.

Der Feldstecher (1) besteht aus zwei Tuben (5a, 5b) mit je einem Okular (5aa, 5ba) und einem Objektiv (5ab, 5bb), welche jeweils aus einer oder mehreren Linsen aufgebaut sein können. Am Okular (5aa, 5ba) ist eine Verstelleinrichtung (6a, 6b) angebracht, welche eine Anpassung der Abbildung durch den Feldstecher (1) an die Fehlsichtigkeit des individuellen Benutzers ermöglicht. Zwischen den Tuben (5a, 5b) befindet sich eine Brücke (5c), welche eine Schwenkbewegung der beiden Tuben (5a, 5a) relativ zur Brücke (5c) erlauben, um den Feldstecher 1) zum Transport zusammenzufalten. Zwischen Okular (5aa, 5ba) und Objektiv (5ab, 5bb) ist jeweils ein Umkehrprisma (3) angeordnet, welches die Strahlengänge aufrichtet.

An dem Umkehrprisma (3) ist eine der Reflexionsflächen (2) durch einen aktiven Spiegel (4) ersetzt, welcher eine Veränderung der Brennweite ermöglicht.

Der Raum zwischen Prisma (3) und aktivem Spiegel (4), der eigentlich luftgefüllt ist, ist vorzugsweise mit einer index­ matching Flüssigkeit gefüllt. Diese Flüssigkeit hat einen dem Material des Prismas (3) angepaßten Brechungsindex, wodurch der Strahlengang optimiert wird und Reflexionsverluste vermieden werden.

Die Steuerung des adaptiven Spiegels (4) kann dann entweder manuell über eine Spannungsversorgung (in der Figur nicht dargestellt) nach dem Stand der Technik erfolgen, oder durch eine elektronische Regelung eines Autofokussystems (nicht in der Figur dargestellt) nach dem Stand der Technik.

In Kombination mit einem Autofokussystem erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Feldstechers (1) einem Benutzer das automatische Umschalten zwischen Fern/Nah- Anwendungen, z. B. kann der beobachtete Gegenstand verfolgt werden. Dazu sind an dem Feldstecher (1) Einstellelemente in Form von Tasten und Drehrädern nach dem Stand der Technik angeordnet, welche aber in dieser Ansicht nicht sichtbar sind.

Durch einen weiteren aktiven Spiegel könnte die manuelle Einstellung an die Fehlsichtigkeit des Auges entfallen. Dazu wird die entsprechende Fehlsichtigkeit entweder über ein Eingabeelement manuell eingegeben oder man sieht im Feldstecher (1) eine Meßeinrichtung zur automatischen Erfassung der Fehlsichtigkeit des Benutzers nach dem Stand der Technik vor, so daß sich die Abbildungseigenschaften des Feldstechers (1) automatisch auf den jeweiligen Benutzer einstellen. Man erhält so eine automatische elektronische Regelung des Brechwertes und oder der Brennweite in optischen Geräten.

Der adaptive Spiegel (4) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß seine Oberflächengestalt und damit insbesondere der Brechwert durch das Anlegen einer Spannung leicht in vorgegebener Art und Weise verändert werden kann. Solche aktiven Spiegel (4) sind kommerziell erhältlich. Wichtig bei der Auswahl des adaptiven Spiegels (4) ist insbesondere die Anordnung und die Anzahl der unter der verspiegelten Oberfläche angeordneten Aktuatoren sowie deren Dynamik und Leistungsaufnahme.

Der Einsatz von aktiven Spiegeln (4) insbesondere in tragbaren optischen Geräten, wie z. B. vergrößernden Sehhilfen und Feldstechern (1), erlaubt eine einfache Realisierung der Zoomfunktion und/oder eine automatische Anpassung der optischen Abbildung an den jeweiligen Benutzer. Bei den oben genannten Systemen besteht die Möglichkeit, die notwendige Elektronik und Stromversorgung leicht mit in das System zu integrieren, da diese Geräte (1) per se für die Elektronik und Stromversorgung genügend freien Raum aufweisen. Das zusätzliche Gewicht ist dabei relativ gesehen vernachlässigbar.

Die Ausführung der Aktuatorstrukturen unterhalb der Oberfläche der spiegelnden Fläche des aktiven Spiegels (4) muß der jeweils gewünschten optischen Abbildungsqualität angepaßt sein, d. h. je besser die optische Abbildung ausfallen soll, um so größer sollte die Anzahl der Aktuatoren unter der Spiegeloberfläche sein.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für die Erfindung ist der Einsatz insbesondere in vergrößernden Sehhilfen, Feldstechern und Fernrohren (auch Autokollimations- und Fluchtfernrohre), bei welchen durch den Einsatz von adaptiven/aktiven Spiegeln gegebenenfalls sogar andere optische Komponenten (insbesondere Linsen) eingespart werden können.

Eine relativ einfache Möglichkeit ist die direkte Anbringung des Spiegels über ein Umlenkprisma (7) vor dem Auge (8), wie in der Fig. 3 dargestellt.

Die einfachsten Verhältnisse erhält man bei einem Freisichtgerät (9), welches in dem hier dargestellten Beispiel lediglich aus zwei spiegelnden Flächen (10a, 10b) besteht (vorzugsweise in einem Prisma). Eine dieser spiegelnden Flächen (10b) ist ein adaptiver Spiegel (11), welcher eine Veränderung der Vergrößerung des Freisichtsystems (9) ermöglicht.

Ordnet man vor den beiden spiegelnden Flächen (10a, 10b) eine oder mehrere, gegebenenfalls austauschbare Linsen (12) an, so erhält man das Grundprinzip eines Phoropters mit aktiver optischer Komponente.

Die Erfindung setzt also aktive Spiegel neuartig ein, indem sie diese als Zoomelement nutzt und als Substitut eine Spiegelfläche eines Umkehrprismas einsetzt.

Claims (12)

1. Optisches System mit einer Geräteumhüllung und mit einem oder mehreren optischen Elementen, bei welchen zumindest eine reflektierende Fläche vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Brennweite und der Abbildungseigenschaften mindestens eines der im Beobachtungsstrahlengang angeordneten optischen Elemente ein aktiver oder adaptiver Spiegel an einem Spiegelprisma ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System teleskopisch ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobachtungsstrahlengang eine Bildumkehrvorrichtung angeordnet ist und daß die Bildumkehrvorrichtung aus einem Prismensystem aufgebaut ist.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive bzw. adaptive Spiegel Teil des Bildumkehrsystems ist.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive bzw. adaptive Spiegel mit einer elektrischen bzw. elektronischen Steuerungseinrichtung verbunden ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Geräteumhüllung eine Verstelleinrichtung angebracht ist, mit welcher die elektrische bzw. elektronische Steuerungseinrichtung beeinflußt werden kann.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische bzw. elektronische Steuerungseinrichtung zum Betrieb des Spiegels im Gehäuse des vergrößernden optischen Systems enthalten ist.

8. Optisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive bzw. adaptive Spiegel an einem Prisma, vorzugsweise eines Prismensystems, an einer Planfläche angebracht ist und die sonst dort angebrachte Reflexionsfläche ersetzt.

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Prisma und Spiegel mit einem flexiblen Material, vorzugsweise einer Flüssigkeit, aufgefüllt ist, welches denselben Brechungsindex wie das Material des Prismas besitzt und daß sich seitlich der Reflexionsfläche des Spiegels ein flexibler Ausbreitungsraum zur Aufnahme des zwischen Prisma und Spiegel verdrängten Materials befindet.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vergrößernden optischen System ein Autofokussystem integriert ist.

11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Fernglas, Feldstecher, Fernrohr oder eine Sehhilfe ist.

12. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Phoropter oder Freisichtgerät ist.