DE3600324A1

DE3600324A1 - Objektiv mit veraenderlicher brennweite

Info

Publication number: DE3600324A1
Application number: DE19863600324
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Yokohama Kanagawa Nishimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-01-09
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1986-07-10
Also published as: JPS61160715A; FR2575839A1; GB8600424D0; GB2171535A

Description

Objektiv mit veränderlicher Brennweite

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite und insbesondere auf Verbesserungen an einem Objektiv, dessen Brennweite mit hoher Geschwindigkeit im Ansprechen auf ein elektrisches Signal verändert werden kann.

In einem herkömmlichen optischen Objektivsystem mit veränderlicher Brennweite, d.h. in einem Zoom-Objektiv, wird eine Brennweite durch Bewegen einer Mehrzahl von Linsengruppen, die jeweils aus einer Mehrzahl von einzelnen Linsen bestehen, um den Abstand zwischen den Linsengruppen zu ändern, verändert. In einem solchen Objektivsystem ist jedoch ein Bewegungsmechanismus erforderlich, um die Linsengruppen zu bewegen. Das herkömmliche Objektivsystem erfüllt nicht in zufriedenstellender Weise eine Änderung in der Brennweite mit hoher Geschwindigkeit wie auch nicht

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die Anforderungen in bezug auf Kompaktheit und niedrige Kosten. Hieraus erhebt sich die Forderung und der Bedarf für ein neuartiges sowie verbessertes Obj.ektivsystem, das eine hohe Leistung bietet.

Objektive mit veränderlicher Brennweite, die die obigen Probleme lösen und sich bewegende Teile im wesentlichen ausschließen, sind in den JP-Patent-Offenlegungsschriften Nr. 157 213/1982 und Nr. 118 618/1983 (der Anmelderin) vorgeschlagen worden. Diese Objektive haben bei Anlegen eines elektrischen Felds an die entsprechenden Kristallplatten Objektivfunktionen, wobei die elektrischen Felder zur Änderung der Brennweiten verändert werden. Die Brennweiten können mit hoher Geschwindigkeit eingestellt werden. Ein herkömmliches Objektiv, das einen solchen photoelektrischen Kristall verwendet, macht es jedoch erforderlich, ein hohes elektrisches Feld an den Kristall anzulegen, und der Änderungsbereich der Brennweite ist klein.

Die JP-Patent-Veröffentlichung Nr. 10 224/1985 und die US-PS 3 520 592 offenbaren Objektive mit veränderlichen Brennweiten, von denen jedes eine Festkörperlinse (massive Linse) mit optischer Anisotropie sowie eine Einrichtung zur Änderung einer Polarisationsrichtung eines auf die Linse fallenden Lichts aufweist. Diese Objektive mit veränderlicher Brennweite können einen weiten Brennweitenbereich bieten.

Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite gemäß der JP-Patent-Veröffentlichung Nr. 10 224/1985.

Dieses Objektiv hat eine Polarisationsplatte 1, ein Element 2 zur Drehung der Polarisationsebene, eine doppelbrechende

- 5 Linse 3, eine Energiequelle 4 und einen Schalter 5.

Das Element 2 dreht eine Polarisationsebene von durch die Polarisationsplatte 1 übertragenem Licht bei Anlegen eines elektrischen Felds. Beispielsweise ist das Element 2 durch Ausbilden von transparenten Elektroden an zwei Hauptflächen einer Z-geschnittenen monokristallinen KhLPO,-Platte gefertigt. /

Die doppelbrechende Linse 3 ist so ausgebildet, daß eine optische Achse, die im folgenden als Z-Achse bezeichnet wird, des Kristalls rechtwinklig zur Hauptachse der Linse liegt und die Z-Achse parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 1 ist. Ein Brechungsindex der doppelbrechenden Linse 3 längs der Polarisationsrichtung rechtwinklig zur Hauptachse der Linse und parallel zur Zeichnungsebene ist als ein ordinärer Strahlenbrechungsindex nO gegeben, während ein Brechungsindex der Linse längs der zu ihrer Hauptachse und zur Zeichnungsebene rechtwinkligen Polarisationsrichtung als ein extraordinärer Strahlenbrechungsindex ne gegeben ist.

Gemäß Fig. 1 fällt das durch die Polarisationsplatte 1 linear polarisierte Licht auf die doppelbrechende Linse 3 ohne eine Änderung in der Polarisationsrichtung, wenn der Schalter 5 geöffnet ist. Das durch die doppelbrechende Linse 3 tretende Licht wird mit dem Brechungsindex nO gebrochen und hat somit eine Brennweite f1. In diesem Fall hat das übertragene Licht die gleiche Polarisationsrichtung, die das einfallende Licht hat, d.h. eine zur Zeichnungsebene parallele Richtung. Wird der Schalter 5 geschlossen, so wird das Licht jedoch durch das Element 2 zur Drehung der Polarisationsebene um 90° zirkulär polarisiert, d.h. in einer zur Zeichnungsebene rechtwinkligen Richtung. Das

durch die doppelbrechende Linse 3 tretende Licht hat somit eine durch den Brechungsindex ne bestimmte Brennweite f2.

Bei dem herkömmlichen Objektiv mit veränderlicher Brennweite zur Änderung der Polarisationsrichtung kann die Brennweiteneinstellung nicht -kontinuierlich, jedoch diskret sein. Obwohl ein solches Objektiv mit veränderlicher Brennweite Vorteile in bezug auf einen einfachen Aufbau und ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit bietet, ist das Feld der praktischen Anwendungsmöglichkeiten begrenzt. Als Vorrichtung in der Praxis zeigt das herkömmliche Objektiv mit veränderlicher Brennweite Mangel in bezug auf Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erörterten Probleme konzipiert und befaßt sich mit der Aufgabe, ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite zu schaffen, bei dem die Brennweiten kontinuierlich verändert werden können, während ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt wird.

Um die obige Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite geschaffen, das umfaßt: eine erste optische Einrichtung mit wenigstens einem Paar aus einem optischen Element und einer Regeleinrichtung für die Polarisationscharakteristik, wobei das optische Element in Abhängigkeit von Polarisationscharakteristiken eines einfallenden Lichtstrahls im wesentlichenunterschiedliche Brechungskennwerte aufweisen kann sowie die Regeleinrichtung für die Polarisationscharakteristik imstande ist,die Polarisationscharakteristiken des auf das optische Element fallenden Lichtstrahls zu regeln, und eine zweite optische Einrichtung zur kontinuierlichen Änderung einer Brennweite in einem Längenbereich, der

gleich der oder größer ist als die durch die erste optische Einrichtung geänderte Brennweite.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: -

Fig. 1 die schematische Darstellung des bereits erörterten, herkömmlichen Objektivs mit veränderlicher Brennweite;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen des Objektivs mit veränderlicher Brennweite, bei dem die Brennweite kontinuierlich zu verändern ist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 2 als erste Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigten Objektiv mit veränderlicher Brennweite entsprechen die Elemente 1 - 5 den gleichen Elementen von Fig. 1, und dieses Objektiv ist weitgehend dem herkömmlichen Objektiv gleich mit der Ausnahme, daß als zweite optische Einrichtung ein Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite hinzugefügt ist.

Ein Brechungsindex des Objektivs 6 wird durch ein von einer veränderlichen Spannungsquelle 7 angelegtes elektrisches Feld geändert, so daß die Brennweite des Objektivs 6 einer kontinuierlichen Änderung unterliegt. Es ist hier festzuhalten, daß eine Brennweitenänderung normalerweise nicht groß ist. Als Material für das Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite kommt beispielsweise ein Kristall

mit einem primären photoelektrischen Effekt, d.h. einem Pockels-Effekt, oder ein Kristall mit einem sekundären photoelektrischen Effekt, d.h. einem Kerr-Effekt, in Betracht. Der erwähnte Kristall muß jedoch nicht zur Anwendung kommen. Eine optische Anisotropie eines Materials, z.B. eines Flüssigkristalls, wird verwendet, um die Molekülorientierung des Flüssigkristalls zu ändern und damit den Brechungsindex willkürlich zu regeln. Alternativ wird durch ein verformbares, transparentes, elastisches Material eine gekrümmte Oberfläche gebildet, deren Krümmungsradius durch ein Betätigungsglied geregelt wird, um eine kontinuierliche Brennweitenänderung zu erhalten. Bei einem Objektiv mit veränderlicher Brennweite, das aus dem obigen Element gebildet ist, kann auf Grund der Beschränkungen in den Materialeigenschaften und eines Steuersystems zur Regelung einer Treiberspannung in der gleichen Weise wie bei einem Kristall mit dem oben erwähnten photoelektrischen Effekt kein großer Anstieg in der Brennweitenänderung erwartet werden.

Der Aufbau des Objektivs 6 mit veränderlicher Brennweite wird anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Das Objektiv 6 weist KHpPO.-Kristallglieder 8 und 9 mit Rrkels-Effekt sowie transparente Elektroden 10 auf. Auf dieses Objektiv

6 fällt ein polarisiertes Strahlenbündel 11. Die Kristallglieder 8 und 9 sind so angeklebt, daß die Kristallrichtungen x¹ und y' mit Bezug zu einer vierfach gedrehten invertierten Bildachse, die als Z'-Achse bezeichnet wird, rechtwinklig zueinander sind. Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite. Die Grenzfläche der Kristallglieder 8 und 9 ist zur Z'-Achse symmetrisch. Wenn von der veränderlichen Spannungsquelle

7 eine Spannung V an die transparenten Elektroden 10 gelegt wird, so tritt auf Grund des Pockels-Effekts ein

Unterschied im Brechungsindex zwischen den Kristallgliedern 8 und 9 auf. Die Grenzfläche dieser Glieder 8,9 ist gekrümmt, womit ein Objektiv mit einer Brennweite f erhalten wird. Wenn die Spannung V von der Spannungsquelle 7 kontinuierlich geändert wird, dann erfährt die Brennweite f eine kontinuierliche Äaderung. Ein derartiges Objektiv mit veränderlicher Brennweite ist im einzelnen in der JP-Patent-Veröffentlichung Nr. 118 618/1983 beschrieben. Es können Objektive mit veränderlicher Brennweite, die auf den oben genannten Prinzipien beruhen, wie auch ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite, das in der JP-Patent-Veröffentlichung Nr. 157 213/1982 offenbart ist, verwendet werden.

Die Brennweite des Objektivs wird bei dieser Ausführungsform mittels einer Kombination der doppelbrechenden Linse 3 und des Objektivs 6 mit veränderlicher Brennweite bestimmt. Ziemlich diskrete Brennpunkte werden durch den Schalter 5 eingeregelt. In einem Bereich zwischen den Brennpunkten F1 sowie F2 werden die Brennweiten f1 und f2 kontinuierlich durch Einregeln der Spannung der veränderlichen Spannungsquelle 7 geändert. In diesem Fall ist der Brennweitenänderungsbereich gleich dem oder größer als der Abstand zwischen den Brennpunkten F1 und F2.

Das Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite muß nicht an der Austrittsseite (Fig. 2) der doppelbrechenden Linse 3, die als erste optische Einrichtung dient, angeordnet sein. Wenn beispielsweise das Objektiv 6 im wesentlichen dieselbe optische Achse wie die erste optische Einrichtung hat, dann kann das Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite an irgendeiner Stelle sogar in einem optischen System angeordnet sein, in dem der Strahlengang durch einen Spiegel od.dgl,- geändert wird. Einschließlich des Objektivs 6 mit veränderlicher Brennweite können die Objektive mit

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veränderlicher Brennweite gemäß der Erfindung und die jeweiligen Bauteile, die die Objektive bilden, an gewünschten Stellen in bestimmten optischen Systemen in Verbindung mit anderen optischen Gliedern und den Nenn- oder Betriebsdaten der Vorr-ichtung angeordnet werden.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite, das eine Polarisationsplatte 1, Elemente 2., 2», ... 2 zur Drehung der Polarisationsebene, doppelbrechende Linsen 3., 3_?, ... 3 mit unterschiedlichen Krümmungsradien, Energiequellen 4,, 4_?, ... 4 und Schalter 5., 5„, ··· 5 umfaßt.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform sind η Sätze von die Polarisationsebene drehenden Elementen, Energiequellen und Schaltern vor dem Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite angeordnet.

Die Schalter 5., 5„, ... 5 werden in ausgewählter Weise geschaltet, um diskrete Brennpunkte F1, F2, ... FN, wobei N= 2 ist, einzustellen. In derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform wird die veränderliche Spannungsquelle 7 eingeregelt, um die Brennweiten f1, f2, ... fN nahe den entsprechenden Brennpunkten F1, F2, ... FN (mit der Numerierung 2ⁿ) kontinuierlich zu ändern.

Wenn die Brennweitenänderung so festgesetzt ist, daß sie gleich der oder größer als die durch Betätigung des Schalters erhaltene diskrete Brennweite ist, dann können die diskreten Brennpunkte kontinuierlich durch die Änderungen im Objektiv 6 mit veränderlicher Brennweite interpoliert werden. Die Schalter 5", 5„, ... 5 und die veränderliche Spannung-squel Ie werden so betrieben, daß sich die Brenn-

weiten zwischen den Brennpunkten F1, F2, ... FN kontinuierlich ändern.

Bei der praktischen Anwendung der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine Kombination in den AN/AUS-Betätigungen der Schalter 5., 5„, ... 5 und des Betriebs der veränderlichen Spannungsquelle 7 durch ein (nicht gezeigtes) Steuersystem, das einen Mikrocomputer enthält, geregelt, so daß eine gewünschte Brennweite erhalten wird. Bei der ersten Ausführungsform kann eine gewünschte kontinuierliche Brennweite durch die gleiche, oben beschriebene Technik erhalten werden. Die Schalter werden unter Verknüpfung miteinander und unter Steuerung durch ein in einen Mikrocomputer od. dgl. eingegebenes Programm geregelt betätigt. Die Brennweiten können in Übereinstimmung mit den Zielen und Zwecken von verschiedenen Vorrichtungen, die jeweils mit einem erfindungsgemäßen Objektiv mit veränderlicher Brennweite ausgestattet sind, verändert werden.

Als Vorrichtungen, bei denen das Objektiv mit veränderlicher Brennweite gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen kann, können als Beispiele genannt werden: eine Vorrichtung, die einen gegenwärtig bei einer optischen Platte, Scheibe od. dgl. verwendeten Antrieb für einen optischen Abtaster ersetzt, eine Lageermittlungsvorrichtung, die eine Stelle auf einer nach dem Prinzip der Autofokussierung arbeitenden Fläche ermittelt, und eine Vorrichtung zur Änderung eines Fokussierzustands (Fokusposition) des Strahls auf einer Strahlungsfläche. Ferner kann das Objektiv mit veränderlicher Brennweite bei einem Gerät zur Änderung eines Strahldurchmessers für verschiedene Zwecke oder bei anderen verschiedenartigen Vorrichtungen zur Änderung einer Brennweite in einem optischen System zur Anwendung gelangen.

- ^ 360032Λ

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier erläuterten Ausführungsformen begrenzt. Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedenartige Änderungen und Abwandlungen mögl ich.

Beispielsweise kann dann, wenn eine Lichtquelle einen linear polarisierten Strahl erzeugt, z.B. einen Laserstrahl, die Polarisationsplatte weggelassen werden.

Ein Element zur Drehung der Polarisationsebene wird von einem solchen Element gebildet, das bei Anlegen eines elektrischen Felds an dieses die Polarisationsebene dreht. Dieses drehende Element kann beispielsweise auch ein solches sein, das die Polarisationsrichtung durch eine Doppelbrechung unter Anwendung einer mechanischen Belastung mit einem optisch-elastischen Effekt dreht, oder ein Element, wie ein Faraday-Drehelement, das die Polarisationsebene durch Anwendung des magnetischen Faraday-Effekts dreht.

Die optische Achse der doppelbrechenden Linse, deren Gestalt und die Reihenfolge in der Anordnung dieser Linse sowie des Objektivs 6 sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Bei einem erfindungsgemäßen Objektiv mit veränderlicher Brennweite, wie es oben beschrieben wurde, kann der Änderungsbereich in der Brennweite erweitert werden, wie auch die Brennweite kontinuierlich verändert werden kann. Darüber hinaus hat die erste optische Einrichtung, die aus dem Objektiv mit veränderlicher Brennweite, um eine diskrete Brennweite zu erhalten, besteht, im Prinzip einen unendlichen Brennweitenänderungsbereich. Durch Hinzufügen der zweiten optischen Einrichtung zur Interpolation der diskreten Brennpunkte, um eine kontinuierlich sich ändernde

Brennweite zu erhalten, kann eine unendliche kontinuierliche Brennweitenänderung erlangt werden. Durch Anwendung sowohl eines kennzeichnenden Merkmals eines herkömmlichen Objektivs mit veränderlicher Brennweite, das nur eine diskrete Brennweite liefert, und eines kennzeichnenden Merkmals eines Objektivs mii veränderlicher Brennweite, das nur eine kontinuierliche Brennweite in einem engen Bereich liefert, und durch ein Kompensieren der Nachteile, die diese Objektive mit veränderlicher Brennweite aufweisen, kann ein ideales Objektiv mit veränderlicher Brennweite erzielt und geschaffen werden. Da des weiteren das Objektiv mit veränderlicher Brennweite elektrisch gesteuert werden kann, kann es mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden, und hat es einen einfachen Aufbau.

-/lh..

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Objektiv mit veränderlicher Brennweite, gekennzeichnet

- durch eine erste optische Einrichtung, die mit einem optischen Element (2, 3) mit in Abhängigkeit von Polarisationskennwerten eines einfallenden Lichtstrahls im wesentlichen verschiedenartigen Brechungscharakteristiken sowie mit einer Polarisationscharakteristik-Regeleinrichtung (4, 5) zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls versehen ist, und

- durch eine zweite optische Einrichtung (6), die imstande ist, ihre Brennweite in einem Bereich zu ändern, der gleich oder größer ist als derjenige der ersten optischen Einrichtung,

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Einrichtung eine Mehrzahl von opti-

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sehen Elementen (2., 2„, ... 2 , 3 , 3„, ... 3 ) umfaßt, die in Verknüpfung miteinander regelbar sind.

3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine doppelbrechende Linse (3) umfaßt. '"'

4. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationscharakteristik-Regeleinrichtung umfaßt:

- einen photoelektrischen Kristall (2) mit einer in einer vorbestimmten Richtung mit Bezug auf eine optische Achse des Objektivs mit veränderlicher Brennweite ausgerichteten optischen Achse,

- ein Paar von an zwei entgegengesetzten Flächen des photoelektrischen Kristalls ausgebildeten Elektroden und

- eine dem Elektrodenpaar eine Spannung zuführende Ein r i c h t u η g (4).

5. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationscharakteristik-Regeleinrichtung den einfallenden Lichtstrahl zwischen zwei linear polarisierenden Flächen, die zueinander rechtwinklig sind, umschaltet.

6. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einrichtung (6) grundsätzlich einen photoelektrischen Kristall (8, 9) umfaßt.