DE3913398A1 - Fluessiglinse mit stufenlos veraenderlicher brennweite - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssiglinse (Fluid lens) oder ein gekoppeltes System aus solchen Flüssiglinsen, die auf Grund ihrer Konstruktion fähig ist, stufenlos und sehr schnell große Änderungen der Brennweite zu ermöglichen.

Das wird dadurch bewirkt, daß bei jeder Flüssiglinse der starre Teil, also der ringförmige Hohlzylinder, aus festem Material wie Metall oder Kunststoff besteht, der flexible Teil, also die den Zylinder nach beiden offenen Seiten begrenzenden Flächen aus durchsichtigem, hochelas­ tischem Material besteht wie z.B. Akryl- oder Silikon­ membranen.

Dabei kann eine solche Membran auch aus transparentem starrem Material (Glas) bestehen und bereits eine ge­ wisse lichtbrechende Wirkung durch sphärischen, asphäri­ schen oder zylindrischen Schliff haben.

Zu denken ist hier an eine Bildschirmbrille, die in der Grundkonzeption einer normalen Fernbrille gleicht, durch eine elastische zusätzliche Membran mit Zylin­ dermantel jedoch zur Flüssiglinse wird und dann elek­ tronisch auf jede angepeilte Entfernung automatisch eingestellt werden kann.

Der Hohlraum zwischen dem Zylinder und den beiden Membranen wird von einer gasfreien hochtransparenten Flüssigkeit mit hohem Brechungsindex und niedrigem Gefrierpunkt erfüllt.

Durch eine Öffnung im Zylinderring ist das Volumen der Flüssigkeit in der Linse leicht mittels eines gekoppelten Druckzylinders mit Kolben, der von der gleichen Flüssigkeit erfüllt ist, zu regeln. Durch Veränderung des Flussigkeitsvolumens in der Flüssiglinse ändert sich die elastische Membran und nimmt je nach Konstruktion sphärische oder asphärische Gestalt an.

Auf diese Weise wird der optisch zunächst unwirksame, mit Flüssigkeit erfüllte Membranzylinder je nach Volu­ menänderung zwischen den Membranen von der Zerstreuungs­ linse zur Sammellinse.

In einem Bereich von -10 bis +10 Dioptrien ist das mit minimalem technischen Aufwand zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit,das zwischen den Membranen befindliche Flüssigkeitsvolumen so zu verschieben,daß eine optische Wirkung durch die Formänderung der Mem­ branen entsteht ist dadurch möglich, daß die Membranen ringartig von starren Materialien gefaßt sind,in einen zylindrischen Tubus eingelassen und der zwischen den Membranen liegende Hohlraum mit Flüssigkeit ausgefüllt wird.

Bei der räumlichen Distanzveränderung der Fassungsringe im Tubus zueinander werden wiederum die Membranen durch Druck oder Zug (a-)-sphärisch verändert und die Flüssiglinse optisch aktiv.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man in den starren Zylinder der Flüssiglinse fensterartige Durch­ brechungen anbringt, diese mit elastischen Membranen verschließt und dann von außen an diesen Membranen mechanisch oder elektromagnetisch Druckänderungen in der Kapsel bewirkt.

Dieses Verfahren hat den großen Vorteil des geschlosse­ nen Systems und ist somit ohne besonderen Aufwand jeder­ zeit in einer Anordnung auszutauschen.

Es ist möglich endlich viele solcher Flüssiglinsen auf derselben optischen Achse in einem Tubus hintereinan­ der anzuordnen und jede dieser Flüssiglinsen einzeln zu steuern.

Dabei sind die Möglichkeiten Luft - Flüssiglinse - Luft - Flüssiglinse - Luft usw. wie auch die Kombinationen Luft - Flüssiglinse - niedrig brechende Flüssigkeit - Flüssiglinse - niedrig brechende Flüssigkeit - Flüssig­ linse usw. - Luft gegeben.

Hauptanliegen der Erfindung soll sein, stark sehbehinder­ ten Menschen,bei denen die Fähigkeit zur Nahsicht durch Kreislauf- und Stoffwechselentgleisungen ungeheuer schwankend ist und stetig eine praktisch nicht durchführ­ bare Änderung der Brechkraft der Nahbrille erforderlich wäre, durch Flüssiglinsen in Lupenform, oder durch in Brillenfassungen eingepaßte Flüssiglinsen, die einfach und genau justierbar, jedoch mechanisch oder elektromag­ netisch oder sogar mit elektronischer Steuerung schnell akkomodativ tätig werden können, zu helfen.

Ein weiteres Anliegen der Erfindung ist es, durch geeig­ nete Wahl einer optisch klaren hochlichtbrechenden Flüssig­ keit oft erforderliche extrem dicke und schwere Brillen­ gläser sowohl im Sammel- wie im Zerstreuungsbereich in ihrer Dicke und ihrem Gewicht erheblich zu reduzieren. Ein weiteres Anliegen ist die Finanzierbarkeit von Seh­ hilfen für den Nahbereich bei Menschen, bei denen sich diese Werte oft in kurzer Zeit ändern.

Durch Flüssiglinsen in Brillenfassungen, deren Innen­ druck und damit die Brechkraft auch von optischen Laien leicht zu verändern ist, kann diesem Problem abgeholfen werden.

In einer Zeit, in der fast jeder Arbeitsplatz mit Bild­ schirmtätigkeit verbunden ist, treten immer mehr unüber­ windliche Schwierigkeiten mit den bisherigen Sehhilfen auf.

Die Bildschirmbrille (60 cm) ist zum Lesen der Konzepte zu schwach, die Lesebrille (33 cm) für den Bildschirm zu stark.

Die Mehrstärkenbrille ist durch zu kleine Gesichtsfel­ der und ständige Korrektur der Zwangskopfhaltung für den Langzeitbetrieb nicht geeignet.

Ähnliches oder noch Schlimmeres gilt für das Gleitsicht­ glas bei dem der klare Sichtkanal sehr eng ist und jedes seitliche Auswandern der Augen zu prismatischen Verzerrungen unterschiedlicher Größe führt.

Nach längerer Bildschirmtätigkeit stellen sich Kopf­ schmerzen ein.

Gleiches gilt auch für das Gleitsichtglas:eine paradoxe Kopfzwangshaltung für nahe Entfernungen.

Als ideal wäre also eine Brille anzusehen, die auf der einen Seite den Schliff einer normal angepaßten Fern­ brille hat, auf den anderen Seite jedoch eine Flüssig­ linse aufweist, die sich maximal in einem Anpassungs­ bereich von 3,5 Dioptrien bewegen muß, also bei der entsprechenden Einstellung nur minimale Membranauslen­ kungen und Flüssigkeitsverschiebungen aufweist. Diese Flüssiglinse wird von einem eingebauten Mikro­ druckrezeptor, der Fehler wie atmosphärischen Druck und Temperatur automatisch ausgleicht, gesteuert.

Entfernungsmeßwerte, die von Ultraschall- oder Infrarot­ rezeptoren in der Brillenfassung ermittelt werden gehen wie die Werte der Druckrezeptoren zum Rechner. Dieser ermittelt in Bruchteilen einer Sekunde den Druck, der unter gegebenen Umständen nötig ist, die Flüssiglinse auf eine fixierte Entfernung einzustellen.

Damit ist der vollautomatische Akkomodationsvorgang, wie ihn beim jugendlichen menschlichen Auge die Linse in Ver­ bindung mit dem Gehirn leistet, auch beim alterssichtigen Auge als Verbindung von Flüssiglinse mit dem Rechner ge­ währleistet.

Ein gutes Stück Lebensqualität kehr damit ins Berufs­ leben des alternden Bildschirmtätigen zurück. Die Kosten für eine solche vollautomatische Brille werden nach einer entsprechenden Entwicklungsphase sicherlich unter denen einer optisch erheblich aufwendigeren Gleit­ sichtbrille liegen.

Der Preisverfall im Bereich der elektronischen Klein­ rechner ist ja allseits bekannt.
Bezugszeichen

 1 Zylinderring
 2 Membran(en)
 3 Ringfassungen
 4 Elektromagneten
 5 Tubus
 6 Fenstermembranen
 7 Druckzylinder
 8 Druckkolben
 9 Flüssigkeit
10 Druckrezeptor
11 Ventil(e)

Claims (13)

1. Optische Flüssiglinse zur Verwendung als Sammel­ und Zertreuungslinse mit einem großen Bereich stufenlos regulierbarer Brennweite dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus einem zylindrischen starren Man­ tel aus Stoffen wie Metall oder Kunsstoff, sowie einer oder zwei transparenten, vollelastischen Membranen aus Stoffen wie Akryl oder Silikon be­ steht, weiterhin der zwischen den Membranen und dem Zylindermantel liegende Hohlraum von einer glasklaren Flüssigkeit erfüllt ist, deren Brech­ ungsindex auf jeden Fall höher als der des Me­ diums außerhalb beider Membranen - im Normal­ fall : Luft - ist.

2. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Flüssigkeitsvolumens innerhalb beider Membranen und damit die Ver­ änderung der Brechkraft der Linse über eines oder mehrere Ventile durch einen in einem mit Flüssigkeit erfüllten Zylinder gleitenden Kol­ ben geschieht. (Abbildung 1).

3. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen konzentrisch an den Rändern starr gefaßt sind und in einem mit Flüssigkeit erfüllten Tubus mechanisch oder elektromagnetisch einander genähert oder voneinander entfernt werden,wobei im ersten Fall eine Sammellinse, im zweiten Fall eine Zertstreuungslinse entsteht. (Abbildung 2). Eine Veränderung der Brennweite ist stufenlos möglich.

4. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß auch andere steuerbare Mechanismen den Druck zwischen den Membranen und damit die Brennweite stufenlos verändern.

5. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß außer der vom Zylindermantel und den bei­ den Membranen begrenzten Flüssigkeitskammer mit ihrer optischen Wirkung noch zusätzlich elastische Elemente fensterartig im Zylinder­ mantel eingebracht sind, über die von außen mechanisch oder elektromagnetisch Druckänder­ ungen in die Kapsel übertragen werden. (Abbildung 3). Die Flüssiglinse stellt so ein in sich ge­ schlossenes System dar und hat damit den Vor­ teil einer jederzeit schnellen Auswechselbar­ keit der gesamten Flüssiglinse.

6. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß in einem Hohlzylinder (Tubus) mehrere die­ ser Flüssiglinsen, jede für sich einzeln steuer­ bar, in der gleichen optischen Achse hinterein­ andergeschaltet werden können und damit herkömm­ liche Linsensysteme in ihrer Variationsmöglichkeit erheblich verbessert werden können.

7. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Flüssiglinsen nicht nur durch ein gasförmiges Medium wie Luft voneinander trennbar sind, sondern auch durch flüssige trans­ parente Medien niedrigeren Brechungsindexes.

8. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß alle verwendeten Flüssigkeiten sehr tiefe Gefrierpunkte und gleichzeitig relativ hohe Sie­ depunkte aufweisen.

9. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß eine jederzeitliche Nachjustierung des opti­ schen Nullwertes der Flüssiglinse, der abhängig ist vom atmosphärischen Druck und der Temperatur, durch Druckrezeptoren in der Flüssigkammer möglich ist. Dabei wird der durch die Störfak­ toren veränderte Druck in der Flüssigkeitskammer laufend gemessen und über einen Rechner mittels mechanischer oder elektromagnetischer druckaus­ gleichender Aggregate auf Nullwertstellung ge­ bracht.

10. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß von Ultraschall- oder Infrarotsensoren, die außerhalb der Flüssiglinse, jedoch in der Höhe des optischen Mittelpunktes der Flüssig­ linse liegen variable Entfernungen angepeilt wer­ den können und diese Entfernungen jeweils von einem Rechner nach den Gesetzen der physikalischen Optik in unterschiedliche Brennweiten der Flüssig­ linse durch Zu- und Abnahme des Flüssigkeits­ volumens in der Kammer umgesetzt werden.

11. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 8, 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen eine asphärische Dickengestal­ tung aufweisen und so bei Druckänderungen in der Kapsel der Flüssiglinse in der Flüssiglinse asphärische Ablenkungen der Membran erfolgen.

12. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß beide Membranen aus transparentem,starrem Ma­ terial (Glas) bestehen und der von Zylinderring und Membranen eingeschlossene Hohlraum mit einer extrem hochlichtbrechenden Flüssigkeit erfüllt ist,die eine wesentliche Verringerung der Dicke und des Gewichtes einer herkömmlichen Linse be­ wirkt. Ein Druckausgleich bei den bekannten Störfakto­ ren kann über elastische fensterartige Strukturen im Zylindermantel erfolgen.

13. Optische Flüssiglinse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssiglinse mit Farbstoffen unter­ schiedlicher Intensität und Farbtemperatur (Wellenlänge) versetzt werden kann und damit vor allem bei farbigen Bildschirmen unerwünsch­ tes farbiges Streulicht durch Absorption in der Flüssiglinse (Komplementärfarbe) auf ein Minimum gesenkt werden und damit der Bildkon­ trast und die Bildqualität erheblich verbessert werden kann.