DE2916192A1

DE2916192A1 - Objektiv mit variabler brennweite

Info

Publication number: DE2916192A1
Application number: DE19792916192
Authority: DE
Inventors: Georges Bret; Guy Michelet
Original assignee: Quantel SA
Current assignee: Quantel SA
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1979-11-15
Also published as: GB2020445A; US4407567A; FR2425085A1; JPS54146648A; GB2020445B; DE2916192C2; FR2425085B1; JPS6150281B2

Description

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER BOEHME

m - 168 17, Avenue de 1'Atlantique

11. April 1979 91400 Orsay, Frankreich

Beschreibung Objektiv mit variabler Brennweite Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit variabler Brennweite.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf optische Systeme mit variabler Brennweite, insbesondere auf Objektive mit variabler Brennweite, die gewöhnlich "Zoom" genannt werden.

Diese Objektive sind optische Komplexe oder Kombinationen, welche gleichzeitig konvergente und divergente optische Elemente (Diopter) umfassen, deren Krümmungen bei den bekannten Objektivausführungen ein für alle Mal durch die ursprüngliche Bearbeitung der Elemente festgelegt ist.

Um bei diesen optischen Komplexen Variationen der Brennweite zu erzielen, ist es erforderlich, bestimmte optische Elemente bezüglich anderer, die ortsfest gehalten sind, zu verschieben.

Bei den bekannten dioptrischen Komplexen ist es äußerst schwierig, sich von Aberrationen des Chromatismus, des Stigmatismus und der Sphärizität über den gesamten Variationsbereich der Brennweiten hinweg freizumachen.

Außerdem werden bei den bekannten Objektiven veränderlicher Brennweite optische Elemente, beispielsweise Linsen verwendet, deren Herstellung eine hochentwickelte Technik erfordert, wodurch diese Objektive höchst kostspielig werden.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mangeln abzuhelfen und ein Objektiv mit variabler Brennweite zu schaffen, welches bei gleicher Leistungsfähigkeit wie die bekannten
Objektive einen einfacheren Aufbau hat und kostengünstiger
herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

wenigstens zwei, piezoelektrische Doppelschichten umfassende optische Elemente veränderlicher Brennweite,
wenigstens eine elektrische Spannungsquelle zur Speisung der Doppelschichten und

elektronische Steuermittel zur Steuerung der Speisespannung
der Doppelschichten in den jeweiligen optischen Elementen in Abhängigkeit von der gewünschten Objektiwergroßerung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Spiegel veränderlicher Brennweite.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Linsen veränderlicher Brennweite.

Bei wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung bestehen die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus
einem Spiegel oder einem catadioptrischen System veränderlicher Brennweite und einer Linse veränderlicher Brennweite.

Gemäß einem weiteren charakteristischen Merkmal der Erfindung sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite relativ zueinander mit konstantem oder veränderbarem Abstand an-

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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Prinzip eines Objektivs mit variabler Brennweite gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schaubildliche, teilweise aufgebrochene Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Objektivs mit variabler Brennweite;

Fig. 3 ein Schaltschema für die elektronischen Steuermittel des Objektivs aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schaubildliche Teilansicht von Mitteln zur axialen Verstellung eines optischen Elementes des Objektivs aus Fig. 2;

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Objektivs mit variabler Brennweite;

Fig. 6 das optische Schema eines anderen Objektivs;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Objektivs mit variabler Brennweite, welches aus Linsen veränderlicher Brennweite besteht;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Objektivs, welches aus einer Linse und einem Spiegel veränderlicher Brennweiten gebildet ist;

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Fig. 9 eine Teilansicht einer Variante des Objektivs aus Fig. 8 mit einem catadioptrischen System;

Fig.10 bis 13 graphische Darstellungen des Speisespannungsverlaufs bei einem Objektiv mit variabler Brennweite in Abhängigkeit von den gewünschten Vergrößerungen, wobei als optische Elemente im Objektiv verwendete Spiegel eine vorbestimmte Dicke haben und verschiedene Entfernungen zwischen Objekt und Objektiv angenommen sind;

Fig.14 eine entsprechende graphische Darstellung wie in Fig. 13, jedoch für Spiegel mit zwei verschiedenen Dicken;

Fig.15 entsprechende Kurven wie in Fig. 13 und 14 für ein Objektiv mit variabler Brennweite, dessen einer Spiegel im nicht angeregten Zustand einen von Null verschiedenen Krümmungsradius besitzt, und

Fig. 16 Kurven ähnlich denen in Fig. 10 bis 13 auf linear graduiertem Papier, aus denen sich die Einfachheit der Beziehungen ergibt, weiche die Anregungsspannung mit der resultierenden Vergrößerung verbindet.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Objektiv mit variabler Brennweite gemäß der Erfindung, welches aus zwei Spiegeln M₁ und M-mit den Scheitelpunkten S- bzw. S₂ gebildet ist. Die Krümmungsmittelpunkte und die Brennpunkte der Spiegel M₁ und M₂ sind mit C..,. F₁ bzw. C₂, F₂ bezeichnet. S₁S₂ ist die Entfernung zwischen den Scheitelpunkten der beiden Spiegel, S₁A ist die Position eines Objekts mit Bezug auf den Spie-

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gel M₁, von dessen Scheitel aus gemessen. AB ist das zu beobachtende Objekt, A'B¹ ist das vom Spiegel M₁ vom Objekt AB gelieferte Bild und A¹¹B" ist das vom Objektiv insgesamt erzeugte Bild des Objekts AB.

ist der transversale Vergroßerungsmodul des Spiegels M.

ist der transversale Vergroßerungsmodul des Spiegels M,

ist der Gesamtvergrößerungsmodul des optischen Systems mit variabler Brennweite

•

Bei den Spiegeln M₁ und M_ des in Fig. 1 dargestellten Objektivs mit variabler Brennweite handelt es sich um Spiegel veränderlicher Brennweite, wie sie in den französischen Patentanmeldungen Nr. 77 12 799 und 77 12 800 vom 27. April 19 77 erläutert sind.

Wie in diesen Anmeldungen beschrieben, umfassen die Spiegel jeweils eine Bilamelle oder Doppelschicht, von der zumindest ein Bestandteil aus piezoelektrischem Material besteht. Eine freie Seite der Doppelschicht trägt die reflektierende Oberfläche des Spiegels. Die Doppelschicht wird von einer Gleich

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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt die Bildebene des Objektivs im Scheitel S₁ des Spiegels M₁.

Durch Variation der Krümmungen der Spiegel M₁ und M₂ und Aufrechterhaltung einer konstanten Entfernung zwischen Gegenstandsebene AB und Bildebene A¹B¹ ist es möglich, die transversale Vergrößerung des Objektivs zu variieren. Die Veränderung der Krümmungen der Spiegel M₁ und M_ wird dadurch erhalten, daß man die elektrischen Spannungen, die durch die jeweiligen SρannungsqueIlen an die Spiegel angelegt sind, verändert.

Das in Fig. 2 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite besteht aus einer rohrförmigen Fassung 1, an deren einem Ende ein erster Spiegel M₁ veränderlicher Brennweite angeordnet ist, der von einer zentralen Öffnung 2 durchbrochen ist. Diese öffnung 2 dient der Ausbildung des vom Objektiv gelieferten Bildes. Am gegenüberliegenden Ende der Fassung 1 ist ein zweiter Spiegel M₂ kleineren Durchmessers als der Spiegel M₁ angeordnet und mittels Streben 3 koaxial an der Fassung befestigt. Die Streben 3 schließen jeweils Winkel von 120° zwischen sich ein und sind einerseits mit der Fassung 1 und andererseits mit einem Teil 4 fest verbunden, welches an der nicht reflektierenden Seite des Spiegels M₂ befestigt ist.

Die Spiegel M₁ und M₂ sind über Leitungen 5 und 6 mit einem Steuergehäuse 7 verbunden, welches eine Hochspannung liefernde Spannungsquelle enthält, die ausgehend von einer kleinen (nicht dargestellten) Batterie von beispielsweise 1,5 V

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eine Gleichspannung liefert, deren Wert zwischen 0 und 1100 V variieren kann. Das Gehäuse 7 enthält weiterhin elektronische Steuermittel, die nachstehend beschrieben werden und dazu dienen, den beiden Spiegeln M₁ und M₂ die jeweiligen Spannungen zu liefern, deren Werte derart koordiniert sind, daß man die gewünschte Vergrößerung des Objektivs er--hält. Ferner weist das Gehäuse 7 einen Knopf 8 zur Einstellung der Brennweite des Objektivs, einen Knopf 9 zur Ein- und Ausschaltung sowie einen Knopf 10 zur Einstellung der Entfernung auf.

Die im Gehäuse 7 enthaltenen, elektronischen Steuermittel sind in Fig. 3 dargestellt. Sie umfassen im wesentlichen einen Kleinrechner 11, welcher einen Mikroprozessor enthält und dessen einer Eingang über eine Steuerschaltung 12 mit dem Knopf 8 verbunden ist. Der Knopf dient über die Steuerschaltung 12 der Regulierung der .Objektivvergrößerung im Sinne eines "Zoom"-Objektivs. Ein anderer Eingang des Kleinrechners 11 ist über eine Steuerschaltung 13 für die Entfernungseinstellung mit dem Knopf 10 verbunden. Der Kleinrechner 11 weist zwei Ausgänge auf, die über eine Zwischenschaltung mit den beiden Eingängen einer elektrische Hochspannung liefernden Speisespannungsquelle 15 verbunden ist. Die Speisespannungsquelle weist zwei Ausgänge 16 und 17 auf, an die die Spiegel M, bzw. M- angeschlossen werden, um an sie die den gewünschten Vergrößerungen entsprechenden Spannungen V₁, V_ anlegen zu können.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 umfaßt schließlich noch eine Anzeigevorrichtung 11a für die Brennweite und eine weitere Anzeigevorrichtung 11b für die Anzeige der Objektentfernung. Beide Anzeigen 11a und 11b sind mit dem Kleinrechner 11 ver-

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Die Anzeigevorrichtungen bestehen vorzugsweise aus Digitalanzeigen auf der Basis von Flüssigkristallen, insbesondere des nematischen Typs.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Spiegel M- und M₂ relativ zueinander ortsfest gehalten. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, wenigstens einen der Spiegel im Innern der Fassung 1 verschieblich auszubilden.

Fig. 4 zeigt eine Teilansicht eines Objektivs mit variabler Brennweite, bei dem der Spiegel M_ axial verschieblich ist.

Bei dieser Ausführungsform ist der Spiegel M- auf einer Achse 18 befestigt, die an ihrem anderen Ende eine Manschette 19 trägt. Die Manschette 19 ist in einer Muffe 20 gleitverschieblich, die ihrerseits über Streben 21 an der Fassung des nicht dargestellten Objektivs befestigt ist. Für große Verschiebungen des Spiegels M₂ ist in der Muffe 20 ein Mikromotor 22 angeordnet, dessen Ausgangswelle 23 mit Gewinde versehen ist und mit einem Innengewinde in der Manschette 19 zusammenwirkt, um eine axiale Verschiebung der letzteren und damit des Spiegels M₂ zwischen zwei Extremstellungen hervorzurufen. Die eine dieser Extremstellungen ist in Fig. strichpunktiert dargestellt. Der Spiegel M₂ ist über dehnbare Leiter 24 mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden.

Zur Ausführung kleiner und selbst großer Verschiebungen von etwa 10 cm kann der Mikromotor 22 auch durch einen Stapel

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piezoelektrischer Keramikelernente ersetzt werden, welche die Längsverschiebung des Spiegels M„ bewirken.

Das in Fig. 2 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite arbeitet auf seiner optischen Achse XX.

Das in Fig. 5 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite arbeitet außerhalb seiner Achse. Dieses Objektiv umfaßt, ebenso wie das im voranstehenden beschriebene Objektiv, eine rohrförmige Fassung 30, an deren einem Ende ein erster Spiegel M. veränderlicher Brennweite angeordnet ist. Die Fassung

30 weist einen hohlen, seitlich vorspringenden Ansatz auf, der ein Gehäuse 31 bildet, das relativ zur Fassung 30 schräg verläuft und an dessen Ende gegenüber dem ersten Spiegel M.. der zweite Spiegel M- des Objektives angeordnet ist.

In einer Seitenwand des Gehäuses 31 ist ein Fenster 33 ausgespart, aus dem das vom Spiegel M- reflektierte Licht austritt. Dieses austretende Licht liefert schließlich das vom Objektiv erzeugte Bild außerhalb der Fassung. Die optischen Achsen der Spiegel M₁ und M„ sind mit dem gleichen Winkel gegenüber der Achse der Fassung 30 geneigt.

Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 umfaßt auch das in Fig. 5 dargestellte Objektiv elektronische Steuer- und Speisemittel für die Spiegel M- und M₂, die im Gehäuse

31 angeordnet sind. Das Gehäuse 31 trägt ebenfalls wieder einen Ein- und Ausschaltknopf 34, einen Knopf 35 zur Regulierung des "Zoom"-Effekts und einen Knopf 36, mit dem das Objektiv auf das zu beobachtende Objekt eingestellt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 verläuft das Ausgangs-

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bündel des Objektivs parallel zur optischen Achse des Spiegels M₁. Die Richtung dieses Strahlenbündels kann jedoch auch in anderer Weise verlaufen. Das in Fig. 6 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt außer den beiden Spiegeln M₁ und M₂ veränderlicher Brennweiten einen Planspiegel M.,, der dazu dient, das vom Spiegel M₂ herkommende Licht in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Systems zu reflektieren. Auch dieses Objektiv arbeitet außerhalb seiner optischen Achse.

Das in Fig. 7 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt keine Spiegel mehr . sondern statt dessen Linsen veränderlicher Brennweiten. Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei Linsen L₁, L₂ und L₃ vorgesehen. Jede Linse weist eine Küvette 40 auf, von der wenigstens eine Wand 41 aus transparentem Material besteht, während die gegenüberliegende Wand 42 aus einer Lamelle 43 aus durchsichtigem, biegsamem Material besteht, auf das eine piezoelektrische Doppelschicht 44 aufgeklebt ist. Die Doppelschicht 24 ist in ihrem Mittelbereich, der die optische Achse des Systems umgibt, mit einem Fenster 45 für den Lichtdurchtritt versehen. Die Küvette 40 ist schließlich mit einem der Adaption des Brechungsindex dienenden Medium 46 gefüllt. Die Doppelschicht 44 wird durch eine Spannungsquelle 47 gespeist.

Eine Linse dieser Art ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 77 12 801 vom 27. April 1977 beschrieben. Die Spannungsquellen der Linsen L₁, L₂ und L₃ sind mit elektronischen Steuer- und Speisemitteln verbunden, die dazu dienen, die für die gewünschten Linsenkrümmungen erforderlichen Spannungen zu liefern. Diese Spannungen müssen an die jeweiligen Doppelschichten der Linsen angelegt werden, um eine bestimm-

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te Vergrößerung des Objektivs zu erhalten.

Das in Fig. 8 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt eine Linse L₁ veränderlicher Brennweite des oben beschriebenen Typs und einen Spiegel M_ veränderlicher Brennweite, der auf der optischen Achse der Linse L₁ angeordnet ist. Ein weiterer, ebener Spiegel M₃ liegt im Strahlenverlauf des vom Spiegel M₂ reflektierten Bündels derart, daß eine Ausbildung des vom Objektiv gelieferten Bildes in einer Ebene senkrecht zur optischen Objektivachse gewährleistet ist. Die Linse L₁ und der Spiegel M₂ sind bei dieser Ausführungsform von der gleichen Art wie die Elemente, die bei den voranstehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Sie weisen jeweils eine piezoelektrische Doppelschicht auf, die der Veränderung ihrer Krümmung dient. Die Doppelschicht wird aus einer zugeordneten elektrischen Spannungsquelle gespeist. Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und 8 sind die Spannungsquellen jeweils als einzelne Quellen dargestellt. Statt dessen kann man auch lediglich eine einzige, allen optischen Elementen gemeinsame Spannungsquelle verwenden, die so viele Ausgänge hat, wie verschiedene Spannungen benötigt werden. Diese Spannungsquelle wird ebenfalls wieder über elektrische Steuermittel gesteuert, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurden.

Fig. 9 ist eine Teilansicht eines Objektivs mit variabler Brennweite ähnlich dem Objektiv aus Fig. 8, wobei jedoch der Spiegel M₂ veränderlicher Brennweite durch ein catadioptrisches oder rückstrahlendes System C₂ veränderlicher Brennweite ersetzt wurde. Ein derartiges System ist in der französischen Zusatzpatentanmeldung Nr. 78 09 152 vom 29. März 1978 beschrieben. Im übrigen ist das Objektiv gemäß Fig. 9 analog

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zu demjenigen gemäß Fig. 8 und wird infolgedessen im einzelnen nicht mehr beschrieben.

Erfindungsgemäß werden auch Objektive mit variabler Brennweite in Betracht gezogen, die ausschließlich aus catadioptrischen Systemen veränderlicher Brennweiten oder auch aus catadioptrischen Systemen und Spiegeln veränderlicher Brennweiten bestehen.

Die Figuren 10 bis 13 zeigen den Verlauf der Spannungen, die an die Spiegel veränderlicher Brennweiten eines beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Objektivs gemäß der Erfindung angelegt werden müssen, und zwar bei einer vorgegebenen Spiegeldicke und bei verschiedenen Entfernungen zwischen dem zu beobachtenden Objekt und dem Objektiv selbst. Die Spannungskurven sind auf halblogarithmisches Papier gezeichnet, wobei die logarithmisch unterteilte Abszisse den Vergrößerungen entspricht, während die linear geteilte Ordinate den Speisespannungswerten entspricht.

Die in Rede stehenden Kurven wurden entsprechend einem Rechenprogramm erstellt, welches auf Berechnungen beruht, die ihrerseits unter Gauss'sehen Bedingungen gemacht wurden. Die dabei angenommenen Relationen waren sogenannte Chasles'sehen Relationen der geometrischen Optik.

Die in Fig. 10 dargestellten Kurven wurden für eine Entfernung S₁A des Spiegels M^ zum Objekt erstellt, die 10 m betrug. Die Entfernung S.. S₂ zwischen den Scheiteln der Spiegel M^ und M₂ wurde dabei als Parameter genommen. Die Werte für diese Entfernungen zwischen den Punkten S« und S, sind: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 1; 1,5; 2 und 3.

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Die Speisespannungen V₁ und V„ der Spiegel M₁ und M_ variieren zwischen etwa +600 V und -1600 V, während die entsprechenden Vergrößerungen im Bereich zwischen 5x10 und 1 liegen.

Die Kurven der Fig. 10 wurden für Spiegel M₁ und M~ erstellt, deren Krümmung 0 ist, wenn ihre jeweiligen Speisespannungen V₁ bzw. V₂ ebenfalls Null betragen.

Anhand dieser Kurven läßt sich feststellen, daß sich die Speisespannungen für die Spiegel M₁ und M₂ ausgehend von einer gewünschten Vergrößerung für eine bestimmte Entfernung S₁S zwischen den Spiegeln leicht ermitteln läßt, und zwar für eine Entfernung zwischen Objekt und Spiegel M₁ von 10 m. Die Kurven der Figuren 11 , 12 und 13 sind zu denjenigen der Fig. 10 analog, sie wurden jedoch für Entfernungen S₁A zwischen dem zu beobachtenden Gegenstand und dem ersten Spiegel M₁ des Objektivs erstellt, die 50, 500 bzw. 5000 m betrugen. Die Kurvenverläufe lesen sich in der gleichen Weise wie diejenigen der Fig. 10.

Die Gesamtbetrachtung der vier Kurvenscharen erlaubt die Feststellung, daß je mehr die Entfernung zwischen Objekt und erstem Spiegel M₁ des Objektivs zunimmt, umso kleiner der Variationsbereich der resultierenden Vergrößerung in Abhängigkeit von Veränderungen der an die beiden Spiegel angelegten Spannungen wird, und zwar bei denselben Entfernungswerten S₁S₂, die als Parameter genommen werden.

Die Kurven der Fig. 14 stellen die Speisespannungen V₁ und V₂ der Spiegel M₁ bzw. M₂ bei zwei verschiedenen Spiegeldikken dar. Die Entfernung S₁A des Objekts vom Spiegel M₁ und

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die Entfernung S₁S₂ zwischen den Scheiteln der beiden Spiegel sind konstant. In dem besonderen Fall der Fig. 14 beträgt die Entfernung S-A 10 m, während der Abstand S-S-zwischen den Spiegeln M- und M₂ gleich 0,4 m ist. Die Kurven, deren Schnittpunkt in Fig. 14 am höchsten liegt, entsprechen Spiegeln mit einer Dicke von 10 m, während die Kurven, deren Schnittpunkt tiefer liegt, Spiegeln mit einer

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Dicke von 6x10 m entsprechen.

Aus den Kurven der Fig. 14 folgt, daß der erforderliche Spannungsbereich zur Erzielung einer vorgegebenen Vergrößerungsvariation umso kleiner ist, je kleiner die Spiegeldicke ist.

Fig. 15 zeigt Kurven, die denjenigen in Fig. 10 bis 13 entsprechen. Die Kurven der Fig. 15 sind jedoch mit Hilfe eines Objektivs gewonnen, bei dem der Spiegel M- derart vorgeformt war, daß er bei Vorliegen einer Spannung von Null an seinen Klemmen einen Krümmungsradius von 0,6m besaß. Die Entfernung S^A des Objekts vom ersten Spiegel M- des Objektivs ist gleich 1 m; die Entfernung S-S₂ zwischen den Scheiteln der Spiegel M- und M„ wird wieder als Parameter genommen. Die Kurve der Fig. 16 entspricht denjenigen der Figuren 10 bis 13, ist jedoch auf Millimeterpapier dargestellt, wobei die Teilungen auf der Abszisse und Ordinate linear sind. Die Kurve der Fig. 16 wurde für eine Entfernung S-A zwischen Objekt und erstem Spiegel M- des Objektivs erstellt, die 30 m betrug. Der Abstand S-S- zwischen den Scheiteln der Spiegel M₁ und M₂ betrug 0,4 m. Man erkennt in Fig. 16 die Linearität der Speisespannungsvariation des Spiegels M₂ in Abhängigkeit von der resultierenden Vergrößerung. Diese Linearität ist eine besonders interessante Eigenschaft, denn eine lineare Veränderung läßt sich mit Hilfe einer elektronischen

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Schaltung leicht realisieren.

Die Speisespannung des Spiegels ML ist mit der resultierenden Vergrößerung K. durch die Beziehung \/ oi. )q »V.

verknüpft, in welcher b ein algebraischer Koeffizient ist. Die Speisespannung V₁ des Spiegels M.. ist durch die Bezie el

gegeben, in welcher a ein algebraischer Koeffizient ist. Auch dies ist eine einfache Funktion.

Es ist bekannt, daß die Brennweite des Objektivs und seine Vergrößerung quasi-linear miteinander verbunden sind. Die nachstehende Tabelle gibt für eine bestimmte Anzahl von Werten für die Entfernung S.,A zwischen Objekt und erstem Spiegel M^ eines erfindungsgemäßen Objektives, wobei die Abstände S^S₂ zwischen den beiden Spiegeln M₁ und M₂ entweder als konstanter oder als variabler Parameter angenommen sind, die Beziehungen zwischen den maximalen und minimalen Brennweiten des Objektivs in Abhängigkeit von den an die Spiegel M- und M₂ angelegten Speisespannungen V₁ und V₂.

Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß es besonders interessant ist, gleichzeitig die Spannungen V₁ und V₂ und den Abstand zwischen den Spiegeln M₁ und M₂ variieren zu lassen.

Die verschiedenen, im voranstehenden beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Objektive haben gegenüber bekannten Systemen folgende Vorteile:

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Sie bestehen aus besonders einfachen optischen Kombinationen.

Sie gestatten eine vollkommene und kontinuierliche Einstellung in der ortsfesten Bildebene im Verlauf der Veränderung der auf das Bild und den Gegenstand bezogenen Brennweiten der Kombination für ein ortsfestes Objekt.

Wenn man die Speisespannungen an jeden Spiegel oder die anderen optischen Elemente des erfindungsgemäßen Objektivs nicht gleichförmig und in vernünftiger Weise anlegt, erhält man für feste Bild- und Gegenstandsebenen eine vollkommene Beherrschung der longitudinalen und transversalen Aberrationen.

Die Krümmung 1/R eines Spiegels veränderlicher Brennweite ist mit dem elektrischen Feld E, welches an ihn angelegt wird, durch folgende Beziehung verknüpft:

1/3 C=L K⁽¹⁾ χ E + K⁽²⁾ XE²+ + K⁽ⁿ⁾ Eⁿ _y

wobei R der Krümmungsradius des Spiegels und K von der Dicke des Spiegels, seiner Befestigungsart an einem oder zwei Keramikelementen, von piezoelektrischen Konstanten, von seinem Durchmesser, von Elastizitätsmodulen der Materialien, von der Qualität der Sinterung der Keramikelemente usw. abhängt.

Der Ausdruck erster Ordnung dieser Beziehung gibt den Ausdruck für die mittlere Spiegelkrümmung.

Hingegen gestatten es die Ausdrücke höherer Ordnung als 1, die Aberrationen zu korrigieren. Praktisch erfolgt die Korrektur der Aberrationen dadurch, daß man die Spiegelkrümmung lokal variieren läßt, und zwar durch eine sehr kleine Variation des elektrischen Feldes für die in Betracht gezo-

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gene Aberrationszone. Eine solche Variation ist von höherer Ordnung als 1 mit Bezug auf das mittlere elektrische Feld des Spiegels.

Wie man an den verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen erkennen konnte, ist es möglich, die erfindungsgemäßen Objektive sowohl außerhalb als auch auf der optischen Achse arbeiten zu lassen.

Die erfindungsgemäßen Objektive haben nur ein geringes Gewicht, geringe Herstellungskosten und sie können sehr leicht mit sehr niedrigem Energieverbrauch betrieben werden, der praktisch dem Entladungsstrom eines Kondensators entspricht.

Bei den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besitzen die zur Herstellung der Doppelschichten an den optischen Elementen verwendeten, piezoelektrischen Materialien eine piezoelektrische Konstante d₃i zwischen 15Ox1O~¹² und 25θχ1θ"¹² m-v"¹.

Die als Beispiele angegebenen Kurven beziehen sich auf Objektive, welche mit Spiegeln veränderlicher Brennweite ausgerüstet sind. Es lassen sich jedoch auch analoge Kurven für Objektive erhalten, die mit Linsen, catadioptrischen Systemen oder Kombinationen solcher Systeme mit Spiegeln oder Linsen ausgerüstet sind.

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Krümmung von M₁ und M₂ = Null bei V₁ und V, = Null

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Claims

Patentansprüche :

1. Objektiv mit variabler Brennweite, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

wenigstens zwei, piezoelektrische Doppelschichten umfassende optische Elemente (M₁, M-; L₁, L„, L₃; L₁, M_) veränderlicher Brennweite,

wenigstens eine elektrische Spannungsquelle (15) zur Speisung der Doppelschichten und

elektronische Steuermittel (11, 12, 13) zur Steuerung der Speisespannung der Doppelschichten in den jeweiligen optischen Elementen in Abhängigkeit von der gewünschten Objektivvergrößerung.

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Spiegel

(M₁ , M₂) sind.

3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Linsen

(L₁, L₂, L₃) sind.

4. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einer Linse (L₁) und einem Spiegel (M₂) bestehen.

5. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einer Linse (L₁) und einem catadioptrischen System (C₂) bestehen .

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6. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus zwei catadioptrischen Systemen bestehen.

7. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einem Spiegel und einem catadioptrischen System bestehen .

8. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite relativ zueinander mit konstantem oder veränderbarem' Abstand angeordnet sind.

9. Objektiv nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem Objekt erzeugte Bild sich auf der optischen Achse des Objektivs in der Scheitelebene eines der Spiegel (M₁) ausbildet und dieser Spiegel (M..) in seiner Mitte eine die optische Achse des Spiegels umgebende Öffnung (2) aufweist.

10. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 , 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem Objekt erzeugte Bild sich außerhalb der optischen Achse des Objektivs ausbildet und ein zusätzlicher Ablenkspiegel (M₃) im Ausgangsstrahlenverlauf der Spiegel (M.. , M₂) angeordnet ist.

11. Objektiv nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Spiegel. (M₁ , M») in gleichen Winkeln zur mittleren Ausbreitungsrichtung des in das Objektiv eintretenden Lichtes geneigt sind.

909646/0601

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11. April 1979

12. Objektiv nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel einen Kleinrechner (11) mit wenigstens einem Mikroprozessor und mit demEingang des Kleinrechners verbundene Steuerschaltungen (8, 12; 10, 13) für die Einstellung von Brennweite bzw. Objektentfernung umfassen, und der Ausgang des Kleinrechners (11) Steuersignale für die Speisespannungsquelle (15) der piezoelektrischen Doppelschichten liefert.

13. Objektiv nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel (11,

• 12, 13) und die Spannungsquelle (15) in einem Steuergehäuse (7_f 31) angeordnet sind, das mit einer die optischen Elemente (M₁, M»; L₁, L„, L₃; L₁, M₂) aufnehmenden Fassung (1, 30) verbunden ist.