DE3600325A1 - Objektiv mit veraenderlicher brennweite - Google Patents

Objektiv mit veraenderlicher brennweite

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Description

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.
Vy 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 der gewünschten hohen Geschwindig-
Bank (München) KIo 3939 8Ji
Deulsi he Bank (Muni.tii:nj Klo ?86 1060
keit wie auch nicht die Anforderungen in bezug auf Kompaktheit und niedrige Kosten. Hieraus erhebt sich die Forderung und der Bedarf für ein neuartiges sowie verbessertes Objektivsystem, 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, Nr. 118 618/1983 sowie 10 224/1985 und in der US-PS 3 520 592 (K.G. Leib et al.) vorgeschlagen worden. Die US-PS 3 520 592 und die JP-Patent-Offenlegungsschrift Nr. 10 224/1985 offenbareneinfache Objektive mit veränderlicher Brennweite, die ein Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit erreichen lassen. Insbesondere weist ein solches Objektiv mit veränderlicher Brennweite eine Festkörperlinse (massive Linse) mit optischer Anisotropie und eine Einrichtung zur Änderung einer Polarisationsrichtung des auf die Linse einfallenden Lichts auf.
Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite gemäß der JP-Patentveröffentlichung Nr. 10 224/1985.
Dieses Objektiv hat eine Polarisationsplatte 1, ein Element 2 zur Drehung der Polarisationsebene, eine doppelbrechende 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 KH„P0.-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 und parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verläuft. 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 insbesondere 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 fl. 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.
Das herkömmliche Objektiv mit veränderlicher Brennweite zur Änderung der Polarisationsrichtung von Licht hat den Vorteil,daß die Brennweite innerhalb eines weiten Bereichs verändert werden kann.
Die beigefügte Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung
eines optischen Anzeigegeräts, bei dem ein Objektiv 8 mit veränderlicher Brennweite zur Anwendung kommt.
Ein Laserstrahl von einem Halbleiterlaser 6 wird durch ein Kollimatorobjektiv 7, das Objektiv 8 mit veränderlicher Brennweite, einen -Polarisationsstrahlenteiler 9, ein λ/4-Plättchen 10 und eine Fokussierlinse 11 auf eine Aufzeichnungsplatte 12 für eine optische Information fokussiert. Der von dieser Platte 12 reflektierte Strahl geht wieder durch die Fokussierl inse 11 sowie das Λ/4-Plättchen 10 und erreicht den polarisierten Strahlenteiler 9.
Der auf den Polarisationsstrahlenteiler 9 treffende reflektierte Strahl geht auf dem Vorwärts- und Rückwärtsweg zweimal durch das λ/4-Plättchen 10. Die Polarisationsrichtung wird von derjenigen des auf den Strahlenteiler 9 fallenden Strahls zu einer dazu rechtwinkligen Richtung geändert. Der reflektierte Strahl wird somit von einem Mehrschichtenfilm, der an einer Diagonalen des Polarisationsstrahlenteilers 9 ausgebildet ist, reflektiert. Durch eine Empfangslinse 13 wird der zweimal reflektierte Strahl auf einen lichtelektrischen Strahlungsempfänger 14 fokussiert, der in Übereinstimmung mit der Strahlintensität den Laserstrahl in einen elektrischen Strom umsetzt. Das analoge Stromsignal wird durch ein Datenverarbeitungsgerät 15 in digitale Daten umgewandelt.
Bei dem beschriebenen, herkömmlichen optischen Datenanzeigegerät muß die Richtung des linear polarisierten Strahls, der auf den Strahlenteiler 9 fällt, immer konstant sein.
Wenn das Gerät jedoch das herkömmliche Objektiv mit veränderlicher Brennweite, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwen-
det, so wird die linear polarisierte Strahlaustrittsrichtung bei jeder Änderung der Brennweite verändert. Das hatzum Ergebnis, daß die Richtung des linear polarisierten, auf den Polarisationstrahlenteiler 9 fallenden Strahls nicht immer konstant eingehalten werden kann.
In einem üblichen Gerät, bei dem ein linear polarisierter Strahl, wie ein Laserstrahl, zur Anwendung kommt und das beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise ein optisches Datenanzeigegerät sein kann, muß wenigstens ein der Polarisationsebene zugeordnetes optisches Glied, z.B. ein λ/4-Plättchen oder ein polarisierter Strahlenteiler, oft mit Blick auf die Spezifikationen und die Gerätausgestaltung verwendet werden. Bei einem herkömmlichen Objektiv mit veränderlicher Brennweite kann eine gewünschte Brennweite mit hoher Geschwindigkeit gewählt werden. Ein solches Objektiv ist jedoch nicht mit allen anderen optischen Geräten zusammenschaltbar oder kompatibel.
Die Erfindung wurde im Hinblick auf die oben dargelegte Situation konzipiert und ihre Aufgabe ist es, ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite zu schaffen, bei dem ein Umschalten zwischen wenigstens zwei Polarisationsrichtungen bei einer identischen Brennweite ausgeführt und immer ein Lichtstrahl, der eine vorbestimmte Polarisationsrichtung hat, erzeugt werden kann.
Um die Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite geschaffen, das ein optisches Element mit in Abhängigkeit von den Polarisationskenndaten oder -Charakteristiken des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlichen Brechungskenndaten, eine erste optische Einrichtung zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls
sowie eine zweite optische Einrichtung zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des einer gewünschten Brechung durch das optische Element unterworfenen Lichtstrahls in Übereinstimmung mit den von der ersten optischen Einrichtung bestimmten Polarisationscharakterstiken umfaßt.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung des bereits erörterten, herkömmlichen Objektivs mit veränderlicher Brennweite;
Fig. 2 die schematische Darstellung des ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite verwendenden, bereits erläuterten optischen Datenanzeigegeräts;
Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen von Objektiven mit veränderlicher Brennweite in einer ersten bzw. zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Das in Fig. 3 als erste Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigte Objektiv mit veränderlicher Brennweite hat eine Polarisationsplatte 1, Elemente 2. sowie 2„ zur Drehung der Polarisationsebene, eine doppelbrechende Linse 3, Energiequellen 4. sowie 4„ und Schalter 5. sowie 5„. Der Aufbau dieses Objektivs in der ersten Ausführungsform ist weitgehend demjenigen bei dem herkömmlichen Objektiv gleich mit der Ausnahme, daß eine weitere Vorrichtung zur Drehung einer Polarisationsebene mit dem Drehelement 2_, der Energiequelle 42 und dem Schalter 5? hinter der doppelbrechenden Linse 3 zugefügt ist.
Um die Brennweite bei dieser Ausführungsform zu verändern, wird genauso vorgegangen wie bei dem herkömmlichen Gerät, ßei dieser ersten Ausführungsform kann die Polarisa tion·; ri eh tun g eines Austrittsstrahls in einer vorbestimmten Richtung verlaufen, Um beispielsweise die Polari-
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sationsrichtung des Austrittsstrahls mit derjenigen des Einfallsstrahls, d.h. in einer zur Zeichnungsebene von Fig. 3 parallelen Richtung, auszurichten, wenn der Schalter 5. geöffnet ist, verläuft die Richtung des polarisierten Lichts von der doppelbrechenden Linse 3 parallel zu derjenigen der Zeichn-ungsebene, und der durch das die Polarisationsebene drehende Element 2_ tretende Strahl wird unter der Bedingung, daß der Schalter 5„ ebenfalls geöffnet ist, parallel zur Zeichnungsebene gehalten. Wird der Schalter 5. geschlossen, dann ist jedoch die Polarisationsrichtung des Austrittsstrahls rechtwinklig zur Zeichnungsebene, und in diesem Fall wird, wenn der Schalter 52 ebenfalls geschlossen wird, der polarisierte Strahl vom die Polarisationsebene drehenden Element 2? um 90° gedreht. Das hat zum Ergebnis, daß die Polarisationsrichtung des Austrittsstrahls zu derjenigen des einfallenden Lichts gleich ist, d.h., in einer zur Zeichnungsebene parallelen Richtung verläuft. Deshalb wird, auch wenn die Brennweite von f1 zu f2 geändert wird, die Polarisationsrichtung konstant eingehalten.
Wenn das in Fig. 3 gezeigte Objektiv mit veränderlicher Brennweite als das Objektiv 8 für ein Strahlenbündelungs-Lagekontrollobjektiν in dem optischen Datenanzeigegerät von Fig. 2 verwendet wird, dann wirddie Endpolarisationsrichtung konstantgehalten, selbst wenn die Polarisationsrichtung zur Regelung der Lage des Brennpunkts oder der Fokussierungslage geändert wird, so daß man die gewünschten Funktionen erlangt. Die Polarisationsrichtung des polarisierten Strahlenteilers 9 wird gleich der des Laserstrahls gehalten.
Wird das Objektiv mit veränderlicher Brennweite in dieser Ausführungsform in dem vorher beschriebenen Datenanzeige-
.-11-
gerät oder in einem anderen optischen System verwendet, so werden die in Fig. 3 gezeigten, die Polarisationsebene drehenden Elemente 2 und 2? miteinander verknüpft oder verriegelt, um eine für eine vorgegebene Anwendung gewünschte und geeignete Polarisationsrichtung zu erhalten. Ein Programm für die Betätigung der Schalter 5. und 5„ zum Schalten der die Polarisationsebene drehenden Elemente 2, und 2p wird (Fig. 2) in das (eine Zentraleinheit umfassende) Datenverarbeitungsgerät 15 eingegeben, um eine mit der Polarisationsrichtung des in den Polarisationsstrahlenteiler eintretenden Strahls kompatible Polarisationsrichtung einzustellen. Diese Softwarestruktur kann auch bei einem Objektiv mit veränderlicher Brennweite einer zweiten Ausführungsform, auf die noch eingegangen werden wird, zur Anwendung kommen.
Bei dem Objektiv mit veränderlicher Brennweite in der ersten Ausführungsform können die Polarisationscharakteristiken des Strahls willkürlich in Übereinstimmung mit den Kennwerten des verwendeten Geräts oder optischen Systems und beispielsweise eines zu photographierenden Objekts geändert werden. Das Objektiv mit veränderlicher Brennweite ist für ein optisches System mit dem oben erwähnten polarisierten Strahlenteiler wirksam und leistungsfähig.
Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Dieses Objektiv umfaßt eine Polarisationsplatte 1, die Polarisationsebene drehende Elemente Z^, Z^, .... 2 , 2 ., doppelbrechende Linsen 3., 3?, ... 3 mit unterschiedlichen Krümmungsradien, Energiequellen 4., 4„, ... 4 ,·4η+1 und Schalter 5^ 52> ... 5n> 5n+1-
N Objektive wechseln mit (n+1) Elementen zur Drehung der Polarisationsebene, doppelbrechenden Linsen, Energiequellen und Schaltern ab, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Bei dieser Ausführungsform ermöglicht ein ausgewähltes Schalten der Schalter 5γ, 52> ... 5 eine diskrete Einstellung der Brennpunkte F1, F2, ... FN (wobei N = 2n ist). Zusätzlich kann, wenn der Schalter 5 . für das letzte
Drehelement 2 , in der gleichen Weise wie bei der ersten n + 1 a
Ausführungsform geöffnet/geschlossen wird, die Polarisationsrichtung des Austrittsstrahls in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform vorbestimmt werden.
Kombinationen der AN/AUS-Schaltvorgänge der Schalter 5., 5p, ... 5,5 , werden von einem einen Mikrocomputer enthaltenden (nicht gezeigten) Steuersystem im praktischen Betrieb geregelt. Unter Verwendung eines Strahls mit einer vorbestimmten Polarisationsrichtung kann eine gewünschte aus den Brennweiten ft, f2, ... fN gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier erläuterten Ausführungsformen begrenzt. Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedenartige Änderungen und Abwandlungen möglich.
Beispielsweise kann die Polarisationsrichtung des Austrittsstrahls zu derjenigen des Einfallsstrahls unterschiedlich sein.
Das die Polarisationsebene drehende Element verändert, wenn an dieses ein elektrisches Feld gelegt wird, die Polarisationsrichtung. Dieses Drehelement kann jedoch durch ein solches gebildet sein, das eine Phasenkompensationsplatte verwendet, es kann ein die Polarisationsrichtung
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.c 360032b
durch eine Doppelbrechung und Anwendung einer mechanischen Belastung mit einem optisch-elastischen Effekt drehendes Element oder ein Element, wie ein Faraday-Drehg1ied, zur Drehung der Polarisationsrichtung unter Anwendung eines magnetischen Faraday-Effekts sein.
Die optische Achse der doppelbrechenden Linse und deren Ausgestaltung sind nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Bei diesen Ausführungsformen ist die doppelbrechende Lins<beispielsweise als ein optisches Glied angegeben, das die Brechungskennwerte im wesentlichen in Abhängigkeit von den Polarisationscharakteristiken des einfallenden Strahls verändert. Anstelle der doppelbrechenden Linse kann jedoch ein Flüssigkristallobjektiv für eine Orientierung von Kristallmolekülen in irgendeiner gewünschten Richtung zur Anwendung kommen. Des weiteren kann irgendein optisches Element, wenn es die oben erwähnten Charakteristiken aufweist, verwendet werden.
Bei den erwähnten Ausführungsbeispielen dient die Polarisationsplatte 1 dazu, den linear polarisierten Strahl zu erhalten. Wenn jedoch ein im wesentlichen linear polarisierter Laserstrahl zur Anwendung kommt, dann kann die Polarisationsplatte 1 entfallen.
Mit einem Objektiv mit veränderlicher Brennweite gemäß der Erfindung, wie es oben beschrieben wurde, kann, obwohl die Brennweite durch Änderung der Polarisationsrichtung des Strahls verändert wird, die Polarisationsrichtung des Austrittsstrahls vorbestimmt werden. Das Objektiv mit veränderlicher Brennweite kann in geeigneter und vorteilhafter W-eise in dem optischen Datenanzeigegerät von Fig.2
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verwendet werden und auch bei optischen Abtast- bzw. Aufnahmegeräten, z.B. einer optischen Scheibe (Platte), bei einem nach dem Autofokussierprinzip arbeitenden Lageermittlungsgerät und bei optischen Systemen, die mit verschiedenen Arten von polarisierten Strahlen arbeiten, Anwendung finden. - -Z.^,
Wenn das Objektiv mit veränderlicher Brennweite in einem spezifischen optischen System zur Anwendung gelangt, dann kann es=an irgendeiner Stelle, an der die Funktion des Geräts nicht gestört wird, eingesetzt werden. Die die Polarisationsebene drehenden Elemente, die doppelbrechenden Linsen und/oder die erste und zweite optische Einrichtung müssen nicht benachbart zueinander angeordnet werden.
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— Leerseite —

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Objektiv mit veränderlicher Brennweite, gekennzeichnet
    - durch ein optisches Element (3), das in Abhängigkeit von einem einfallenden Lichtstrahl im wesentlichen unterschiedliche Brechungscharakteristiken aufweist,
    - durch eine erste optische Einrichtung (2.) zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des auf das optische Element (3) fallenden Strahls und durch eine zweite, mit der ersten optischen Einrichtung verriegelte optische Einrichtung (2?) zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des einer vorbestimmten Brechung durch das optische Element (3) unterworfenen Lichts.
  2. 2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine doppelbrechende Linse (3) umfaßt.
  3. 3, Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite optische Einrichtung eine Polarisationsebene drehende Elemente (2 , 2_) umfassen, von denen jedes
    - einen photoelektrischen Kristall mit einer in einer vorbestimmten Richtung mit Bezug auf eine optische Achse des Objektivs ausgerichteten optischen Achse,
    - ein Paar von an zwei entgegengesetzten Flächen des photoelektrischen Kristalls ausgebildeten Elektroden und
    - eine dem Elektrodenpaar eine Spannung zuführende Einrichtung (4., 4„) aufweist.
  4. 4. Objektiv mit veränderlicher Brennweite, gekennzeichnet
    - durch eine Mehrzahl von optischen, längs einer optischen Achse des Objektivs angeordneten Elementen (3., 32> ... 3 ), von denen jedes in Abhängigkeit von Polarisationscharakteristiken eines einfallenden Lichtstrahls im wesentlichen unterschiedliche Brechungscharakteristiken aufweist,
    - durch erste optische Einrichtungen (2,, 2„, ...2 ), die jeweils mit der Mehrzahl von optischen Elementen ausgerichtet sind sowie die Polasrisationscharakteri stiken der auf die optischen Elemente einfallenden Strahlen regeln, und
    - durch eine zweite optische Einrichtung (2 ,), die an der Austrittsseite des Strahls an dem von einer Lichtquelle am weitesten entfernten optischen Element (3 ) zur Regelung der Polarisationscharakteristiken der von den optischen Elementen austretenden Strahlen angeordnet und mit den ersten optischen Einrichtungen verriegelt ist.
    Γ 'J *
    3 -
    Objektiv mit veränderlicher Brennweite, gekennzeichnet
    - durch wenigstens ein optisches Element (3) mit in Abhängigkeit von Polarisationscharakteristiken eines einfallenden Lichtstrahls im wesentlichen unterschiedlichen Brechungscharakteristiken,
    - durch eine in Übereinstimmung mit dem wenigstens einen optischen Element angeordnete erste optische Einrichtung (2.) zur Regelung der Polarisationscharakteristiken des auf das optische Element fallenden Strahls,
    - durch eine zweite optische Einrichtung (2„) zur Regelung der Polarisationscharaktenstiken des Strahls von dem wenigstens einen optischen Element, die an der Austrittsseite des Strahls an dem von einer Lichtquelle (6) am weitesten entfernten und wenigstens einen optischen Element angeordnet ist,
    - durch einen den Strahl mit einer von der zweiten optischen Einrichtung (2?) bestimmten Polarisationsebene übertragenden polarisierten Strahlenteiler (9), der zwischen der zweiten optischen Einrichtung sowie einer Strahlungsfläche angeordnet ist, und
    - durch ein einen vorbestimmten, linear polarisierten, vom polarisierten Strahlenteiler erzeugten Strahl in einen zirkulär polarisierten Strahl umwandelndes X/-Plättchen (10).
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