DE69103764T2

DE69103764T2 - Verfahren zur herstellung von linsen mit variabelem brechungsindex.

Info

Publication number: DE69103764T2
Application number: DE69103764T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Fujimoto; David Harrison; Gerhard Maier
Original assignee: Thomson Consumer Electronics Inc
Current assignee: Technicolor USA Inc
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2011-10-19
Also published as: AU8733591A; ES2063528T3; EP0555262B1; JPH06502052A; ATE110890T1; DE69103764D1; HK13797A; US5421848A; EP0555262A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Linsen mit einem in drei Dimensionen variierenden Brechungsindex.
Es sind Linsen bekannt, die einen variablen Brechungsindex aufweisen, wie zum Beispiel die Linse des Typs Luneburg oder des Typs Eaton-Lippmann.
Des weitern ist bekannt, z.B. aus der US 4 288 337, daß Linsen mit variablen Brechungsindizes als Radarreflektoren oder, wie bekannt aus E. F. Buckley; "Stepped-Index Luneburg Lenses" (Luneburg-Linsen mit abgestuftem Index); Electronic Design, 13. April 1960, als Teil eines Antennensystems verwendet werden können.
Wie von Buckley in dem zitierten Artikel beschrieben, stellt es ein bekanntes Verfahren zur Fertigung von Luneburg-Linsen dar, eine hemisphärische Schalen-Konstruktion mit einer bestimmten Anzahl von Schichten zu verwenden.
Gemäß dem genannten US-Patent können die Schichten zur Fertigung von Luneburg- und Eaton-Lippmann-Linsen durch gemischte Nichtleiter hergestellt werden. Einen derartigen gemischter Nichtleiter kann man erhalten durch Mischen von expandierten Partikel, die man aus der Gruppe bestehend aus expandierten Polystyrolen, expandierten Polyethylenen, expandierten Polyurethanen, Glasballons und Silikaballons auswählt, mit aus den genannten expandierte Partikeln bestehenden metallbeschichteten Partikeln, deren Oberflächen beschichtet wurden mit einem dünnen Film ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Silber und Magnesium in geeigneten Verhältnissen, so daß man eine gewünschte Dielektrizitätskonstante erhält, worauf man diese vermittels eines Bindemittels in die gewünschte Form bringt.
Aus dem Artikel "A multiple-beam multiple-frequency sherical Lens Antenna System providing hemispherical Coverage" (Sphärisches Linsenantennensystem für Mehrfachstrahl/Mehrfachfrequenz mit hemisphärischem Erfassungsbereich), von M. A. Mitchell et al., 6. International Conference on Antennas and Propagation (ICAP) 1989, Part 1, S. 394 - 398, ist bekannt, daß die relative Dielektrizitätskonstante und damit der Brechungsindex eines Isoliermaterials, wie etwa Polystyrol, durch Veränderung der Dichte des Materials modifiziert werden kann. Hierdurch lassen sich hemisphärische Schalen mit bestimmten Brechungsindizes herstellen.
Aus der US 3 307 196 ist ein Verfahren bekannt, welches die Herstellung von zweidimensionalen dielektrischen Linsen, etwa einer Scheibe, durch Winden eines band-, naht- oder streifenförmigen Moduls erlaubt.
In dem US-Patent 3 307 196 wird vorgeschlagen, eine dreidimensionale dielektrische Linse durch einzelne Anfertigung von gewundenen Scheiben, welche einander überlagert werden, zu fertigen. Die überlagernden Scheiben weisen aufeinanderfolgend unterschiedliche Durchmesser und dielektrische Profile auf und könnten geformt werden, beginnend mit einzelnen im wesentlichen Streifen- oder Bandmodulen, indem man aufeinanderfolgend unterschiedliche Längen von den Enden der verschiedenen Streifen mit hoher Dielektrizitätskonstante abschneidet und dann die sich ergebenden Streifen aufeinanderfolgend unterschiedlicher Längen erneut windet.
Die bekannten Verfahren zur Fertigung dreidimensionaler Linsen weisen zwei Nachteile auf. Es ist entweder möglich, nur die Variierung des benötigten Brechungsindexes anzunähern, welcher von der Dielektrizitätskonstante abhängt. Oder es ist erforderlich, eine große Zahl von Schritten auszuführen. Dies bedeutet, daß noch kein leichtes und praktisches Verfahren zum feinen Variieren des Brechungsindexes erreicht wurde.
Durch die Verwendung von Schalen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten und damit unterschiedlichen Brechungsindizes treten Reflektionsverluste auf, durch die Energie von den dielektrischen Grenzen reflektiert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Fertigung von Linsen mit einem variablen Brechungsindex anzugeben, welches die Unzulänglichkeiten des Standes der Technik überwindet.
Dies läßt sich durch ein Verfahren nach Anspruch 1 verwirklichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Hestellung von dreidimensionalen Linsen mit einem variablen Brechungsindex n durch Wickeln eines Materials mit einem bestimmten Brechungsindex, z.B. Materialien wie aus der US 4 288 337 bekannt, in die endgültige Form der herzustellenden Linse.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Verfahren mit einer verminderten Anzahl von Schritten vorgestellt wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Linsen mit einem besseren Flächenwirkungsgrad erzeugt werden, indem Oberflächenwellen vermieden werden, die an den sphärischen Grenzen entstehen, und indem eine genauere Phase der kolliminierten Strahlen an den Speisepunkten (feed points) erreicht wird, wodurch die Linse weniger frequenzabhängig wird.
Weist das Materials mit dem bestimmten Brechungsindex die Form eines Fadens auf, so läßt sich das Verfahren zur Fertigung einfacher durchführen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf die folgende Beschreibung und die dazugehörigen Zeichnungen verweisen. Darin zeigen
Fig. 1 einen bekannten Luneburg-Linsen- Radarreflektor,
Fig. 2 eine bekannte Luneburg-Linsen-Antenne,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform,
Fig. 4a, b möliche Formen des verwendeten Fadens.
Vor der detaillierten Beschreibung sie darauf hingewiesen, daß in der bevorzugten Ausführungsform die herzustellenden Linsen in der Lage sind, elektromagnetische Wellen, vorzugsweise Mikrowellen, zu brechen. In diesem Fall ist das Material mit einem bestimmten Brechungsindex n ein Isoliermaterial und der Brechungsindex n wird angegeben durch den Ausdruck
E = n²,
wobei E die relative dielektrische Konstante ist.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform mit Linsen für elektromagnetische Wellen dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf derartige Linsen beschränkt ist. Durch Verwendung eines Materials mit einem geeignten Brechungsindex lassen sich auch Linsern herstellen, die jegliche anderen Wellen, z.B. Schallwellen, brechen.
Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Luneburg-Linse 10, die als Radarreflektor arbeitet und dem Stand der Technk entspricht. Eine einfallende Welle 11 wird durch die Linse 10 derart fokussiert, daß die Welle auf einen Brennpunkt 12 fokussiert wird. Die Welle wird von einem Reflektor 13 reflektiert, wobei die reflektierte Welle 14 erzeugt wird, die durch die Linse 10 derart gelenkt wird, daß sie die Linse 10 in derselben Richtung verläßt aus der die einfallende Welle 11 kam.
Um die einfallende Welle 11 und die reflektierte Welle 14 in der gewünschten Weise zu lenken, ist es notwendig, daß das Verhältnis zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante E(r) und dem normalisierten Radius r/a definiert ist durch
E(r) = 2 - (r/a)², (1)
wobei r der Abstand vom Mittelpunkt,
a der Radius der Linse 10 und
r/a = 1,0 an der äußeren Oberfläche der Linse ist.
Fig. 2 zeigt eine andere Anwendung der Luneburg-Linse 10. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist, daß hier eine einfallende Welle, wie beispielsweise 11a, auf einen ersten Brennpunkt 12a gelenkt und von einem ersten Feederhorn 20a empfangen wird. Auf dieselbe Weise werden die einfallenden Wellen 11b und 11c auf Brennpunkte 12b bzw. 12c gelenkt und von Feederhorns 20b bzw. 20c empfangen. Die von den Feederhorns 20a, 20b und 20c empfangenen Signale werden nicht dargestellten Empfängern zugeführt.
Selbstverständlich kann das System nach Fig. 2 auch als Sendeantenne arbeiten, wenn an die Feederhorns 20a, 20b und 20c Sender angeschlossen sind.
Gemäß der Erfindung wird die dreidimensionale Linse 10 hergestellt, indem ein Isoliermaterial, welches vorzugsweise die Form eines Fadens aufweist, gewickelt wird. Dieses wird im Prinzip in Fig. 3 dargestellt.
Beginnend am Mittelpunkt einer zu fertigenden Linse 10' wird ein nichtleitender Faden 21 um den Mittelpunkt gewickelt. Dieser Faden weist zumindest anfangs eine relative Dielektrizitätskonstante von E = 2,0 auf. Mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt nimmt die effektive relative Dielektrizitätskonstante E(r) der zu fertigenden Linse 10' gemäß der Formel (1) ab.
Die effektive relative Dielektrizitätskonstante kann durch Variieren der die relativen Dielektrizitätskonstante E des Fadens variiert werden. Dies könnte z.B. durch eine Variierung der chemischen Zusammensetzung oder durch eine Variierung der Dichte des Fadens mit der Länge erreicht werden. Eine Variierung der Dichte mit der Länge könnte z.B. durch eine Variierung des Drucks mittels einer vor der zu fertigenden Linse 10' angeordneten Presse erreicht werden.
Eine andere Möglichkeit der Variierung der relativen Dielektrizitätskonstante E erreicht man mittels eines Fadens, der durch mehrere Litzen gebildet wird, wobei die Anzahl und/oder die relative Dielektrizitätskonstante E dieser Litzen sich mit der Länge verändern kann.
Noch eine weitere Möglichkeit ist es, die effektive Dielektrizitätskonstante E durch Variieren der Menge an eingeschlossener Luft zu variieren (E = 1).
Dies ließe sich z.B. durch Variieren der Dicke des Fadens verwirklichen, wobei die Menge an eingeschlossener Luft erhöht und damit die effektive relative Dielektrizitätskonstante vermindert wird.
Eine weitere Möglichkeit ist es, einen gefalteten (gecrimpten) Faden zu verwenden, z.B. wie in Fig. 4a oder 4b gezeigt, welcher unter Verwendung unterschiedlicher Streckkräfte gestreckt werden könnte.
Die Dielektrizitätskonstante des Fadens läßt sich ebenfalls über die Länge mithilfe eines metallischen Anstrichs varrieren. In diesem Fall wird ein nichtleitender Faden niedriger Dichte mit konstanter Dielektrizitätskonstante verwendet, und während er in die Form der herzustellenden Linse gewickelt wird werden kleine Bereiche des Fadens mit einem Anstrich versehen und zwar mit einem zur Erlangung des korrekten Dielektrizitätskonstantenprofils erforderlichen Abstand. Dies bedeutet, daß der verwendete Faden für einen bestimmten Wert des effektiven Brechungsindexes mit einer Farbe angestrichen wird, die metallisch sein kann. Dicke, Dichte und/oder Intensität dieses Anstriches können variiert werden. Dies stellt ein einfaches Verfahren dar und ergibt eine relativ leichte Linse
Es sei erwähnt, daß elektromagnetische Streuung durch einzelne Litzen des Fadens bis zur Vernachlässigbarkeit verringert werden kann, indem man die radialen Ausdehnungen des Fadens 21 klein hält.
Versionen der bevorzugten Ausführungsform können zumindest eine der folgenden Variationen beinhalten:
- anstelle der Form eines Fadens kann das Material mit dem bestimmten Brechungsindex jegliche andere geeignete Form aufweisen, z.B. die eines Streifens, Bandes oder dergleichen;
- durch Verwenden eines geeigneten Isoliermaterials kann die herzustellende Linse in der Lage sein, andere elektromagnetische Wellen, etwa sichtbares oder infrarotes Licht, zu brechen;
- durch einen geeignetes Wickelverfahren können Linsen mit nicht-sphärischen Formen hergestellt werden;
- die herzustellende Linse kann jedes gewünschte Verhältnis zwischen der effektiven Dielektrizitätskonstante E(r) bzw. dem Brechungsindex und dem normalisierten Radius r/a aufweisen, z.B. derart, daß der Brennpunkt 12 innerhalb oder außerhalb der Oberfläche der Linse liegt;
- das Wickelverfahren kann an der Oberfläche eines Kerns beginnen, welcher selbst eine Variierung des Brechungsindexes aufweisen kann und um den Mittelpunkt herum angeordnet sein könnte;
- es können nacheinander und/oder gleichzeitig mehrere Fäden Verwendung finden;
- durch Verwenden eines Materials mit einem geeigneten Brechungsindex können auch Linsen hergestellt werden, die in der Lage sind, jedwede anderen Wellen, z.B. Schallwellen, zu brechen;
- es kann ein Bindemittel Verwendung finden, welches z.B. mit dem nichtleitenden Faden gewickelt werden könnte und, wenn es bei erhöhter Temperatur ausgehärtet wird, eine festere Linse bildet. Natürlich wäre es ebenso möglich, die zu fertigende Linse während des Wicklungsvorgang oder/und danach in ein Bindemittel einzutauchen.
Die Erfindung bietet ein Verfahren zur Fertigung oder Herstellung von dreidimensionalen Linsen mit einem variablen effektiven Brechungsindex durch Wickeln eines Materials mit einem bestimmten Brechungsindex, welcher konstant sein oder mit der Länge variieren kann Dieses Material hat vorzugsweise die Form eines Fadens, welcher zylindrisch sein könnte.
Die bevorzugten Formen der herzustellenden Linse sind sphärisch oder semi-sphärisch. Letztere erreicht man durch ein geignetes Wickelverfahren oder durch Zerschneiden der sphärischen Form.
Das erfinderische Verfahren ermöglicht die Herstellung derartiger Linsen mit einer feinen Variierung des Brechungsindexes.

Claims

1. Verfahren zur Fertigung von Linsen (10) mit einem in drei Dimensionen variierenden Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß ein Material (21) mit einem bestimmten Brechungsindex in die endgültige Form der herzustellenden Linse (10) gewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (21) mit dem bestimmten Brechungsindex die Form eines Fadens aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Form der Linse (10) sphärisch ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die herzustellende Linse (10) eine Linse des Typs Luneburg oder des Typs Eaton-Lippmann ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Material (21) mit dem bestimmten Brechungsindex eine tatsächliche Änderung im Brechungsindex aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (21) selbst aus mehreren Litzen geschaffen ist und die tatsächliche Änderung im Brechungsindex durch eine Variierung des Brechungsindexes und/oder der Anzahl der Litzen erreicht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Faden (21) einen sich mit der Länge ändernden Durchmesser aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (21) mit dem bestimmten Brechungsindex ein dielektrisches Material ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu wickelnde Material (21) gefaltet (gecrimpt) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Variierung des Brechungsindexes dadurch erreicht wird, daß das gecrimpte Material mit einer bestimmten variablen Kraft auseinandergezogen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftmittel verwendet wird, welches mit dem Material (21) mit einem bestimmten Brechungsindex gewickelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftmittel verwendet wird, in welches die herzustellende Linse (10) während des Wickelns oder/und nach dem Wickeln eingetaucht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß kleine Bereiche des zu wickelnden Materials (21) mit einem für das Erreichen des korrekten dielektrischen Konstanten-Profils notwendigen Abstand gefärbt sind.