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Strahlenbrechende oder spiegelnde optische Vorrichtung mit veränderlicher
Fokalwirkung Die Erfindung betrifft eine strahlenbrechende oder spiegelnde optische
Vorrichtung mit veränderlicher Fokalwirkung. Unter optischen Vorrichtungen mit veränderlicher
Fokalwirkung werden strahlenbrechende oder spiegelnde Systeme verstanden, die sich
so verstellen lassen, daß die Brechkraft dabei stetig geändert wird, wobei die Brechkraft
als Kehrwert der Brennweite definiert ist. Eine Änderung der Brechkraft läßt sich
zwar immer dadurch erreichen, daß man in einem System eine oder mehrere Linsen entlang
der optischen Achse verschiebt oder indem man in den Strahlengang weitere Linsen
einschaltet, doch wird beispielsweise die Verschiebung einer Linse häufig dann als
nachteilig empfunden, wenn aus konstruktiven Gründen kein Raum für die Verschiebung
vorhanden ist, andererseits kann durch Einschalten weiterer Linsen in den Strahlengang,
welche z. B. auf einer drehbar gelagerten exzentrischen Scheibe angeordnet sein
können, keine stetige Veränderung der Fokalwirkung des Systems erzielt werden.
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Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil dadurch, daß zur Einstellung
der Fokalwirkung wenigstens ein senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung verschiebbares
optisches Glied vorgesehen ist, dessen Oberfläche derart deformiert ist, daß sich
wenigstens die eine Hauptkrümmung in einem Flächenelement der Oberfläche bei Übergang
zu
einem benachbarten Flächenelement stetig ändert Läßt man auf
das optische Glied längs der optischen Achse der Vorrichtung ein eng begrenztes
Lichtbündel (Elementarbündel) fallen, so erfährt dieses eine Brechung oder Reflexion,
je nachdem das Glied ein durchsichtiger Glaskörper ist oder eine reflektierende
Oberfläche besitzt, wobei die Fokalwirkungen dieses Gliedes proportional den Hauptkrümmungen
in dem Oberflächenelement, welches in der optischen Achse liegt, sind. Verschiebt
man das optische Glied senkrecht zur optischen Achse, so ändern sich die Fokalwirkungen
der Vorrichtung entsprechend den Krümmungen der - Flächenelemente, welche jeweils
in der optischen Achse liegen.
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Dabei genügt es, wenn nur eine Fläche des optischen Gliedes deformiert
ist, und im Fall einer brechenden Wirkung eines einlinsigen optischen Gliedes kann
die andere Fläche ein konstantes Krümmungsmaß aufweisen, z. B. der Einfachheit halber
eben sein.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, der deformierten Oberfläche des
optischen Gliedes eine solche Form zu geben, daß die durch parallele Schnitte normal
zur Verschiebungsrichtung gebildeten benachbarten Schnittkurven eine unterschiedliche
Krümmung aufweisen und die Schnittkurven, welche durch Schnitte senkrecht zu den
erstgenannten Schnitten und senkrecht zur optischen Achse gebildet werden, konstante
Krümmung aufweisen. Dadurch wird erreicht, daß sich bei Verschiebung des optischen
Gliedes die Brechkräfte nur in den Normalebenen zur Verstellrichtung ändern, nicht
aber die Brechkraft in den Ebenen senkrecht dazu, so daß, sofern die Krümmungsänderung
in den Normalebenen bekannt ist, leicht eine bestimmte Brechkraftänderung durch
Verschieben des optischen Gliedes erzielt werden kann.
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Flächen, welche diesen Anforderungen genügen, sind beispielsweise
durch Kegelflächen, insbesondere Kreiskegelflächen, Tonnenflächen us@w.; gegebene,
d. h. durch Flächen von der Art torischer Flächen, welche sich dadurch auszeichnen,
daß ihre Schnittkurven in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiedene Krümmungen
aufweisen. Wird als deformierte Fläche eine Kreiskegelfläche gewählt, so entspricht
einer Verschiebung der Fläche in dem oben angegebenen Sinn eine gleichförmige Änderung
der Brennweite in der Normalebene zur Verschiebungsrichtung, weil bei Kreiskegelflächen
der Krümmungsradius der durch die Normalschnitte zur erzeugenden Mantellinie gebildeten
Kreise linear zu- oder abnimmt, je nachdem, ob man sich von der Kegelspitze entfernt
oder ihr nähert.
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Da bei optischen Systemen die Fokalwirkung als reziproker "vVer,t
der Brennweite häufig maßgebender ist als die Brennweite, hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, die deformierte Fläche nach Art einer toreschen Fläche zu bilden, welche
in zwei zueinander senkrechten Hauptschnitten verschiedene Krümmungen besitzt, jedoch
so, daß sie 'in dem einen Hauptschnitt, nämlich dem Rotationsschnitt, eine konstante
Krümmung hat, daß sich aber in dem anderen Hauptschnitt, nämlich dem Meridianschnitt,.
die .Krümmung in Richtung des Rotationsschnittes gleichförmig und stetig ändert.
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Zur näheren Erläuterung dienen die Fig. i bis 3, welche Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes zeigen, aus denen auch weitere Einzelheiten der Erfindung
ersichtlich sind, und zwar zeigt Fig. i'das Konstruktionsprinzip einer toreschen
Fläche mit gleichförmig und stetig veränderte Meridiankrümmung für den Spezialfall
des Rotationskrümmungsmaßes Null in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 die Paarung
von zwei Gliedern mit j e eines Fläche nach Fig. i, Fig. 3 die Kreuzung von zwei
Gliederpaaren nach Fig. 2. -Es soll zunächst das Konstruktionsprinzip der toreschen
Fläche nach Fig. i für den Spezialfall des Rotationskrümmungsmaßes Null erläutert
werden.
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Eine Fläche der gekennzeichneten Art ist, wenn nicht zu grolle Strahlenbündelquerschnitte
beeinflußt werden sollen, technisch herstellbar, denn sie bildet sich im Spezialfall
der Rotationskrümmung Null mit genügender Genauigkeit aus einer Schar von geraden
Linien gemäß folgender Konstruktionsvorschrift (Feg. i). Es wird ein Kreisbogen
AB vom Radius y, festgelegt und. im Mittelpunkt S des Kreisbogens die Normale
SAT zur Kreisfläche gezogen. In einiger Entfernung wird durch einen Punkt G der
Normalen eine Gerade C-D festgelegt, die parallel zur Kreistangente im Punkt S verläuft.
In den Normalebenen zur Geraden C-D zieht man nun diejenigen Geraden, welche die
Gerade C-D schneiden und die den Kreisbogen AB
treffen. Die Schar aller dieser
Geraden bildet dann die Fläche mit der Rotationskrümmung Null. In Fig. i ist die
Geradenschar über die Gerade C-D nach links verlängert, um zu erkennen, daß sich
beiderseits der Geraden C-D symmetrische Verhältnisse ergeben, im besonderen ist
links auch die zum Kreisbogen AB symmetrische Krümmung durch einen Kreisbogen
A' B' dargestellt. Entsprechend dieser Konstruktionsvorschrift ist dann auch
die technische Herstellung möglich. Es'läßt sich mathematisch unschwer, beweisen,
daß das meridionale Krümmun@gsmaß längs der Normalen SN sich proportional mit. der
Verrückung auf SN ändert. Die eben gemachte Beschränkung auf die Fläche mit Rotationskrümmung
Null diente nur der Anschaulichkeit. Es ist einzusehen, daß das Gesetz der Fläche
auch auf endliche Rotationskrümmung übertragbar ist.
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Die erfind@ungsgemäße Vorrichtung kann nun ein oder mehrere dioptrische
bzw. katoptrische Glieder aufweisen, welche jedes mindestens eine torische Fläche
nach Fig. i besitzen kann, die also in dem einen Hauptschnitt (Rotationsschnitt)
ein konstantes Krümmungsmaß hat, während in dem anderen Hauptschnitt (Meridianschnitt)
das Krümmungsmaß in Richtung des Rotationsschnittes insbesondere gleichförmig und
stetig sich verändert, d. h., daß die Ableitung ges meridionalen Krümmungsmaßes
nach dem zum Rotationsschnitt parallelen
Längselement an allen Stellen
des Rotationsäquators gleich groß ist.
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Jedes optische Glied wird nun in der optischen Vorrichtung so benutzt,
daß ein begrenztes Strahlenbündel wahlweise verschiedene Stellen des Rotationsschnittes
durchstrahlt, um dadurch eine gewünschte Veränderung der Fokalwirkung herbeizuführen.
Es ist dabei belanglos, ob die optischen Glieder selbst quer zur optischen Achse
des Strahlenganges in Richtung des Rotationsschnittes bewegt werden oder ob sie
feststehen und der Strahlengang durch an sich bekannte Mittel in der genannten Richtung
verlagert wird.
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Ist das konstante Krümmungsmaß ungleich Null, dann kann das optische
Glied um einen Punkt im Abstand des reziproken Wertes dieses Krümmungsmaßes drehbar
angeordnet sein, so daß sich mit dem Drehwinkel die Brechkraft in der Normalebene
zur Verschiebungsrichtung linear ändert. Ist das kom stante Krümmungsmaß gleich
Null, geht diese Drehbewegung in eine Verschiebung des optischen Gliedes senkrecht
zur optischen Achse der Vorrichtung über. In beiden Fällen durchstrahlt ein Elementarbündel
in der optischen Achse je nach Lage des optischen Gliedes verschiedene Stellen des
Rotationsschnittes.
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Um auch- mit weiter geöffneten Strahlenbündeln arbeiten zu können,
sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig.2 vorteilhaft zwei optische
Glieder mit je einer torischen Fläche der vorher beschriebenen Art hintereinander
so gepaart, daß ihre Rotationsschnitte parallel stehen und die gleichförmige und
stetige Folge der verschiedenen Krümmungsmaße der Meridianschnitte in beiden Gliedern
gegensinnig verläuft. Zwei derart angeordnete optische Glieder, insbesondere wenn
die konstanten Krümmungsmaße ihrer Oberflächen in den Rotationsschnitten gleich
Null sind, summieren sich in allen Punkten des Deckungsbereiches praktisch zu der
Wirkung einer Zylinderlinse. Ordnet man die beiden Glieder des Paares darüber hinaus
so an, daß sie in Richtung des Rotationsschnitte gegeneinander verschiebar sind,
dann erhält man stets die Wirkung einer Zylinderlinse, jedoch mit dem Vorteil, daß
durch die gegenläufige Verschiebung der optischen Glieder die Brechkraft oder --
um auch spiegelnde Flächen mit einzuschließendie Fokalwirkung in der Normalebene
zur Verschiebungsrichtung gleichförmig stetig geändert wird.
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In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes kann man gemäß Fig.
3 zwei Glieder bzw. Gliederpaar hintereinander mit senkrecht gekreuzten Rotationsschnitten
anordnen. Durch entsprechende gegenseitige Verstellung der einzelnen Glieder in
der soeben beschriebenen Weise hat man es in der Hand, die Fokalwirkungen in zwei
senkrechten Hauptschnitten einzeln zu variieren und somit in der Kombination nach
Belieben sphärische und zylindrische Fokalwirkungen einzustellen.
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Um eine bestimmte zylindrische Fokalwirkung in ein gewünschtes Azimut
einzustellen, können schließlich in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
die optischen Glieder um eine Achse, welche senkrecht auf den axialen Flächenelementen
der Glieder steht, drehbar angeordnet sein.