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Verfahren und Einrichtung zur steht
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tigen Veränderung optischer Eigenschaften Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Einrichtung zur stetigen Veränderung optischer Eigenschaften
durch stetige Veränderung der optischen Weglänge in einem nicht-festen Medium, das
die gewünschten Eigenschaften besitzt.
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An optischen Geräten ist es laufend notwendig , die Eigenschaften
optischer Elemente, wie Transmission, Lichtstreuung, Dispersien und Brennweite,
steti.g zu verändern. So wird z.B. bei Farbvergrö3erungsgeräten eine schnelle,genaue
und einfache Binstellung unterschiedlicher Filter dichten und eine hart oder weich
zeichnende Ausleuchtung gefordert, bei Aufnahmekameras z.B. , ist oft die unterschiedliche
Farbtemperatur zu korrigieren, oder es soll zur Erzielung spezieller Effekte eine
Farbverfremdung vorgenommen werden, auch eine verlaufende Filter rung ist manchmal
erwünscht. Ebenso ist es vorteilhaft, die Brennweite von Linsen oder Spiegeln zu
verändern, besonders, wenn es aus konstruktiven Grinden,z.3.Scharfeirlstellung im
Nahbereich, nicht möglich ist, es sei denn mit einer Serie von Vorsatzlinsen. Um
Einstellungsarbeiten dieser Art, oder das Einsetzen verschiedener Elemente, je nach
Anforderung, zu vereinfachen oder die Zahl der Elemente zu verringern, ist es wünschenswert,
eine möglichst einfache Einrichtung zu schaffen, die die gewünschten Eigenschaften
durch eine Stellgröße vornimmt.
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In den bekannten erfahren zur 'Erzielung einer stetig veränderlichen
Farbzusammensetzung, einer stetigen IIelligkeltsregelung, einer stetigen Regelung
des Streuvermögens oder der Dispersion bzw der Brennweite, werden optische Elemente
verfqendet,die gleichbleibende Eigenschaften besitzen und nur mehr oder weniger
weit in den ,trahlengang eigeschoben oder im Strahlengang einer Anordnung optischer
Elemente bewegt werden.
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Die bekrnten Verfahren und Einrichtungen besitzen Nachteile, so z..B.
bei Farbvergrößerungsgeräten die Notwendigkcit,gefilterte mit ungefilterten Lichtanteilen
"micohen" zu müssen, um eine gleichmäßige kusleuchtung des Formates zu erzielen,was
unter einem erheblichen Intensitätsverlust geschieht.Bei Nahaufnahmen z.B. ist as
von Nachteil, mehrere Vorsatzlinsen verwenden zu müssen.
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Eine stetig regelbare Filterung ohne die Notwendigkeit der "Mischung"
gefilterter mit ungefilterten Lichtanteilen, eine verlaufende Filterung, eine stetige
Veränderung des Streuvermögens eines Filtere, also der stufenlose Übergang von harter
zu weichzeichnender Ausleuchtung, eine blendenlose Helligkeitsregelung, die stufenlose
Regelung der Dispersion eines Prismas oder der Brennweite von Linsen und Spiegeln,konnten
mit einfachen Mitteln nicht realisiert werden.
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Der Erfindung lag also die Aufgabe zugrunde,ein Verfahren und eine
Einrichtung zur stetigen Veränderung optischer Eigenschaften der eingangs genannten
Art vorzuschlagen, mittels derer unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile
eine einfache -und genaue Veränderung optischer Eigenschaften durch eine Stellgröße
möglich ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dies dadurch er reicht,
daß eine stetige Veränderung der optischen Weglänge in einem nicht- festem Medium
eine Veränderung derjenigen optischen Ligenschaften bewirkt,die von der Schichtdicke
des betreffenden Mediums abhängig sind.
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Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet,daß man die gewünschten optischen
Elemente
mit stetig veränderlichen Eigenschaften dadurch erhalt, daß nicht- feste Medien,
mit von der Schichtdicke abhängigen Eigenschaften, hermetisch in einem Behälter,
bestehend aus transparenten Trennflächen und einem elastischen Reservoir, eingeschlossen
sind und in geeigneten Vorrichtungen so angeordnet sind, daß Stellgrößen stetige
Veränderungen der gewünschten Eigenschaften-durch Veränderungen der Abstände zwischen
den transparenten Trennflächen, bewirken.
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Die Steuerung des Abstandes zwischen den transparenten Trennflächen
kann durch externe Steuerzylinder oder ähnlichen Vorrichtungen, welche mit dem hermetischen
Behälter verbunden sind, erfolgen.
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Die transparenten Trernifenster können auch in der Form beweglicher-
Stempel, als Bestandteile des hermetischen Behälters ausgeführt werden.
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Für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Filter zählen
zu diesen Eigenschafte.n die spektrale Transmission, Helligkeitsregelung, verlaufende
Dichte und veränderbares Streuvermögen.
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Bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prismen lälSt
sich der Dispersionsgrad durch Neigung der transparen-4 ten Penster zueinander,
stetig regeln.
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Bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Linsen und
Spiegeln sind statt transparenter Fenster elastische transparente oder verspiegelte
Folien in geeigneten Vorrichtungen gehaltert, sodaß Veränderungen der Lage der Folienhalterungen
Veränderungen der Foliengestalten, ein Durchbiegen der Folien, zur Folge haben und
somit den eingeschlossenen Medien die Gestalt von Linsen, bzw. deren Oberflächen
die Gestalt von Spiegeln aufprägen und deren Brennweite 90 stetig verändert werden
kann.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der der Durchführung
dieses Verfahrens dienenden.Einrichtungen bes-teht in - der stetigen Veränderbarkeit
der optischen F.igenschaften von Filtern, Prismen und Linsen;
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der Möglichkeit, eine Einrichtung durch die Verwendung unterschiedlicher Fülimedien
den unterschiedlichsten Anforderungen anzupassen; - - der Möglichkeit, ein Filter
mit stetig veränderbarein Streuvermögen herzustellen; - der Möglichkeit, dieses
Verfahren sowohl in Transmission als in Refkexion anzuwenden; - der hohen Zuverlässigkeit,
die aus dem einfacnen iufbau resultiert; - der einfachen Bedienung; - einem vergleichsweise
geringen Herstellungsaufwand.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in den Querschnittszeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele, meist in drei unterschiedlichen Positionen a),
b), c), näher erläutern.
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Es zeigen : Figur 1 - ein erfindungsgemäß ausgeführtes Filter mit
veränderlicher optischer Weglänge; Figur 2 - ein erfindungsgemäß ausgeführtes Filter
mit konstanter gesamter optischer Weglänge; Figur 3 - ein er£indungsgenäß ausgeführtes
Filter in Reflexion, mit veränderlicher optischer Weglänge; Figur 4 - ein erfindungsgemäß
ausgeführtes Filter mit verlaufender Dichte bzw,. ein Prisma veränderlicher Dispersion;
Figur 5 - ein erfindungungsgemäß ausgeführtes Mehrfachfilter konstanter gesamter
optischer Weglänge und geringster innerer Reflexionsverluste durch Immersion der
Trennfenster in geeignete Immersionsmedien; Figur 6 - eine erfindungsgemäß ausgeführte
linse bzw.Spiegel; Figur 7 - eine erfindungsgemäß ausgeführte Linse bzw. Spiegel
mit Kompensation der durch ein Schwerefeld hervorrufbaren Deformation der elastischen
Folie.
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In den folgenden Ausführungen werden einige Vereinfachungen getroffen,die
der Übersichtlichkeit und dem leichteren Verständnis dienen,jedoch keinen Einfluß
auf die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung haben.
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Die Darstellung in Figur 1 a) zeigt schematisch ein erfindungsgemäß
hergestelltes Filter veränderlicher Dichte -oder veränderlichen Streuvermögens mit
veränderlicher optischer Weglänge.Es ist dadurch gekennzeichnet, daß ein mit geeignetem
farbigem oder streuendem Medium 3, gefüllter herneetischer Behälter,bestehend aus
transparenten Fenstern'l und 4 und einem elastischen Reservoir 2,in einer geeigneten
mechanischen Vorrichtung so eingebaut ist,daß eine Veränderung des Abstandes der
transparenten Fenster unter Beibehaltung der Planparallellität, durch eine äußere
Stellgröße erfolgen kann.Beim. Zusammendrücken der transparenten Fenster eines Filters
nach Figur 1 a) wird eine Volumenänderung des vom Licht (Pfeil) durchsetzten Mediumanteils
erzeugt,Es wird Medium aus dem Zwischenraum in das Reservoir gepresst,wobei sich
die Dichte des Filters stetig verringert, Figur 1 b),c).Der minimale Abstand der
Fenster voneinander ist durch die Viskosität des Mediums und durch seine Oberflächenspannung
an der Trennschicht Fenster/Medium begrenzt.In der Praxis beträgt dieser minimale
Abstand nur Wenige Tausendstel Millimeter. Da die Dichte nicht in linearem Zusammenhang
zum Abstand der transparenten Fenster steht,ist die Transmission bei minimalem Pensterabstand
praktisch Null,sodaß ein Filterhub von wenigen Millimetern zur Erzielung großer
Dichteveränderungen ausreicht. Die Zeitkonstante der Verstellung, die maximale Verstellt,eschwindigkeit
hängt im wesentlichen von der Geometrie, der Viskosität,d£r Oberflächenspannung
und dem Filterhub ab.
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Durch die Verwendung eines Mediums mit geeigneten Zusätzen, wie oberflächenaktive
Substanzen, kann die Verstellgeschwindigkeit,z.3. für kleine Filterdichten,vergrößert
werden und die minimale Schichtdicke des Mediums ohne die Gefahr des Zusammenhaftens
der 'enster,reduziert werden.
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Vorteilhaft ist bei diesen ; ern eine Dimensionierung des elastischen
Reservoirs derart,daß bei minimaler Dichte-Stellung
in diesem elastischen
Reservoir ein Überdruck herrscht,um so ein schnelleres Auseinanderziehen der transparenten
Fenster in der Stellung minimaler Dichte,zu bewirken.Das- tedium ist dadurch kekennzeichnet,daß
seine spektrale Transmission oder sein Streuvermögen von der Schichtdicke abhängig
ist.Bei geeigneter Wahl des Mediums entfällt ein Farbstoffzusatz unter Ausnutzung
molekularer oder atomarer Absorptionseigenschaften des Mediums.
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(Beispielsweise Kupfertetraminkomplex in wäßriger Lösung) Bei streuenden
Medien verwendet man z.B. stabile reversible Kolloide in geeigneter Lösung.
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Die Anforderungen an die verwendeten Medien sind im Allgemeinen Temperaturstabilität
ihrer optischen Eigenschaften und nicht allzugroße Viskosität,da dadurch die Verstellgeschwindigkeit
solcher Filter verringert wird.
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Die Darstellung in Figur 2 a) zeigt schematisch ein e.rfindungsgemäß
hergestelltes Filter veränderlicher Dichte oder Veränderlichen Streuvermögens mit
konstanter gesamter optischer Weglängenes ist dadurch gekennzeichnet,daB zwei Teilfilter,wie
sie in Figur 1 schematisiert sind,derart kombiniert werden, daß ein Doppelfilter
entsteht,bei welchem der Abstand der beiden äuBeren Fenster konstant bleibt.Es besteht
s drei transparenten Fenstern 1,4,7,den elastischen Reservoiren 2 und 5 und den
beiden Medien 3 und 6. Die Fenster 1 und 7 sind planparallell in festem ADstand
zueinander gehaltert und nur das mittlere Fenster 4 bewegt sich im Zwischenraum;Figur
1 b),c),sodaß es mit seiner Lage zwischen den Außenfenstern die Filterdichte bestimmt.Die
beiden kammern sind mit Medien gefüllt,die- denselben Brechungsindex besitzen,von
denen eines transparent,also ohne ausgeprägte Eigenabsorption,und das andere dagegen
die gewunschte spektrale Absorption oder das gewünschte Streuvermdgen besitzt. Die
Gesamtdichte oder das Streuvermögen ist also von der Dichte oder dem Streuvermögen
des Teilfilters mit Absorptions- oder lichtstreuender Eigenschaft bestimmt.Das passive
Teilfilter mit transparentem Medium mit demselben Brechungsindex wie der des absorbierenden
oder streuenden Mediums im aktiven Teilfilter,dient dazu, daß bei schräg einfallenden
Strahlen
keine seitliche Strahlverschiebung bei einer Lageveränderung
des mittleren Fensters erzeugt wird,wie es stets bei erfindungsgemäßen Einrlciitungen
variabler optische-r Weglänge , der Fall ist.
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Der Vorteil einer konstanten gesamten optischen Weglänge ist besonders
bei großem Filterhub deutlich erkennbar,da so z.B.
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bei Filterung vor einem Kameraobjectiv keine Abbildungsverschiebungen
bei Verstellung der Filterdichte entstehen.
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Die Darstellung in Figur 3 a),b),c),zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes
Filter veränderlicher Dichte oder veränderlichen Streuvermögens,in Reflexion.Es
ist dadurch gekennzeichnet,daß ein transparentes Fenster durch einen Spiegel 8 ersetzt
wird.
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Die Arbeitsweise entspricht der eines Filters nach Figur 1.
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Eine Kompensation der Sbrahlabweichung,wie sie bei Filtern variabler
optischer iZeglänge auftreten kann,kann wiederum in einer Anordnung ähnlich Figur
2 vorgenommcn werden.Lediglich das Fenster 7 der Anordnung in Figur 2 wird durch
einen Spiegel ersetzt. Ein Vorteil dieser Anordung ist die Verdoppelung des im Mediuni
zurückgelegten Weges-,gegenüber einem Filter nach Figur 1. Dadurch lassen sich z.B.
geringere Farbstoffkonzentrationen bei gleichem Filterhub oder größerer Regelbereich
bei gleichem Filteriiub' erzielen.
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Die Darstellung in Figur 4 a),b),c), zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes
Filter veränderlicher verlaufender Dichte oder Streuvermögens,bzw.ein Prisma veränderlicher
Dispersion mit .veränderlicher optischer Weglänge.Es ist dadurch gekennzeichnet,die
die Lageveränderung der transparenten Fenster 1 und 4 zueinander nicht mehr planparallell,wie
in Anornung nach Figur 1 erfolgt,sondern daß die beiden Fenster zueinander geneigt
werden,um eine verlaufende Filterung bei absorbierenden und einen veränderlichen
Verlauf des Streuvermögens bei streuenden Medien und eine stetig veränderliche Dispersion
bei einem Prisma unter Verwendung eines transparenten Mediums'zu erzielen.
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Auch hier läßt sich eine Strahlablenkung vermeiden, indem in einer
Anordnung ähnlich Figur 2 das mittlere Fenster dem gewünschten Verlauf der Dichte,des
Streuvermögens oder der Dispersion entsprechend, geneigt wird.
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Die Darstellung in Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäß herge stelltes
Mehrfachfilter konstanter optisener Weglänge mit mehreren optischen Elementen, wie
sie annand der Figuren 1 bis 4 d-argestellt wurden. Die Vermeidung der inneren Reflexionen
bei Wahrung der individuellen transparenten Trennfenster, wurde durch Einfügen von
passiven Zwischenfiltern, wie in einer Anordung nach Figur 2, ersielt. Dieses Mehrfachfilter
ist dadurch gekennzeichnet, daß sicn fast in einen Rahmen 25, aneordnete, zueinander
parallelle transp.arente Fenter 1, 7, 17, 24, mit den elastischen Reservoiren 2,
9, 15, 21, insgesamt vier getrennte Filter mit den einzelnen unterscWedlichen medien
3, 10, 16, 22 gefüllt, ergeben, und deren Eigenschaften einzeln durch bewegbare
Fenster 4, 11, 14, 20, gesteuert werden. Zur Erzielung der konstanten gesamte d
optischen Weglänge sind die einzelnen Filter durch passive Filter mit klaren Medien
6, 13, 19, getrennt. Die zu diesen Trennfiltern gehörigen Reservoir sind mit 5,
12, 18, bezeichnet. Beliebige Filtereigenschaften können durch ähnliche Mehrfachfilter
erzeugt werden; Die Gesamttransmission solcner Filter ist bei minimaler Dichte durch
das Vermeiden von Trennflächen, wie z.B Luft/Glas/Medium, ähnlich wie bei dem Immersionsprinzip
in der Mikroskopie, besonders hoch.
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Ein Mehrfachfilter, wie es beispielsweise für Farbvergrößerungs--geräte
gewünscht wird, wäre mit drei Farbfiltern, (Yellow, Cyan, Magenta) und einem Filter
veränderlichen Streuvermögens, zusammengesetzt.
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Die Darstellung in Figur 6 zeigt erfindungsgemäß hergestellte Linsen
bzw. Spiegel stetig veränderlicher Brennweite. Sie sind dadurch gekennzeichnet,
daß ein transparentes Medium 28 in einem Behälter, bestenend aus einem transparenten
Fenster, 29, und einer transparenten elastischen Folie, 2o, und dem elastischen
Reservoir, 27, eingeschlossen ist. Die Elastische Folie ist in einer geeigneten
Vorrichtung eingespannt, so daß eine Veränderung der Lage der Haltevorrichtung einer
Veränderung der Foliengestelt, ein Durchbiegen derselben zur Folie hat und somit
dem eingeschlossenen Medium die Gestalt einer Linse bzw.
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deren Oberfläche die Gestalt eines Spiegels aufprägt. Eine
spezielle
Form des Folienquerschnittes gestattet zur Verbesserung der optischen Parameter
eine genau festlegbare Verformung in Abhängigkeit des Behälterdruckes.
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Die DarstellunOb in Figur 7 zei»t eine erfindungsgemäß hergestellte
Linse bzw. Spiegel stetig veränderlicher Brennweite.
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Diese sind dadurch gekennzeichnet, daß zwei Medien 28 und 71 in zwei
Behälter, bestehend aus den transparenten Fenstern 29 und 30 und den elastischen
Reservoiren 27 und 32 gefüllt sind, die durch eine elastische Folie, 26, getrennt
sind. Diese Ausführungsform besitzt gegenüber einer Anordnung nach Figur 6 den Vorteil,
daß der Einfluß eines Schwerefeldes, der bei großen Linsen bzw. Spiegeln dieser
Bauart eine Deformation der Folienoberfläche bewirkt, beseitigt wird, inden man
einen Aufbau bestehend aus zwei Pehültern mit je einem Fenster, die mit unterschiedlichen
Medien gleicher spezifischer Dichte und mit unterschiedlichen Brechungsindizes,
gefüllt sind, und die durch eine transparente elastische Folie getrennt sind, verwendet.