FI116245B - Säädettävä optinen systeemi sekä menetelmä sen käyttämiseksi ja valmistamiseksi - Google Patents

Description

116245 Säädettävä optinen systeemi sekä menetelmä sen käyttämiseksi ja valmistamiseksi - Reglerat optiskt system och metod för användning och tillverkning av dess 5 Keksintö koskee pienikokoista ja kevyttä optista systeemiä, jonka polttoväli on säädettävissä.

Optiset järjestelmät koostuvat tyypillisesti useista optisista elementeistä. Optisissa elementeissä ja niistä kootuissa järjestelmissä esiintyy aina kuvausvirheitä. Optisessa suunnittelussa pyritään parhaaseen mahdolliseen tulokseen loppusovelluksen 10 kannalta. Yleisesti tavoitteena on, että tarkasteltava esinepiste voitaisiin kuvata ku-vapisteenä. Esimerkiksi kamerassa ja muissa kuvantoistoon tarkoitetuissa optisissa systeemeissä on otettava huomioon mahdollisen näyttölaitteen ominaisuuksien lisäksi myös ihmisen silmän erotuskyky, kun iteroidaan tarvittavaa kuvatarkkuutta ja pistekokoa. Yleisesti erotuskyvyllä, resoluutiolla tarkoitetaan järjestelmän kykyä 15 erottaa yksityiskohtia. Erotuskyky ilmaistaan tyypillisesti pienimpänä kulmaetäisyy-tenä kahden pisteen välillä, jotka juuri ja juuri erotetaan kahdeksi eri pisteeksi. Ihmissilmän keskimääräinen erotuskyky on noin 60 kulmasekuntia.

Optisia kuvausvirheitä korjataan tai kompensoidaan tyypillisesti yhdistelemällä erilaisia linssejä sopivasti. Linssiä tai linssiyhdistelmää, jonka polttoväli on positiivi- • *·· 20 nen, sanotaan yleisesti positiiviseksi linssiksi. Positiivisia linssejä, jotka kokoavat : ’ i ’: säteitä, ovat esimerkiksi kupera-kupera tai tasokupera linssi. Vastaavasti polttovälil- :" ’; tään negatiivisia, hajottavia, koveria linssejä tai linssiyhdistelmiä sanotaan yleisesti : negatiivisiksi linsseiksi. Kuvausvirheitä korjattaessa valitaan sopivasti lasilaatu, linssien paksuus ja muoto, apertuurien paikka ja linssin päällyste. Tyypillisesti op-’..! 25 tista järjestelmää suunniteltaessa haetaan tarkoituksenmukaista tasapainoa eri kuva-

• I

usvirheiden välille, jotta saadaan kulloinkin riittävän hyvä lopputulos.

} ; I * Kuvanlaatu on usein sitä parempi, mitä useampia linssejä sen tuottamiseen on käy- : ’ ‘ : tetty. Esimerkiksi kuvantoiston kannalta ideaalinen optinen systeemi voisi käsittää 20 linssiä, sillä oikein yhdisteltyinä eri lasilajit ja linssityypit kumoavat toistensa ;,; ’ 30 kuvausvirheitä. Kuitenkin, jos tarkoituksena on aikaansaada kevyt optiikka pieneen ' *; · ‘ tilaan, on linssien lukumäärä pidettävä huomattavasti pienempänä, ja siten kuvan- ; ’: : laadusta tingittävä. Karkeasti voidaan todeta, että optisen systeemin suorituskyky on ·;··· sitä parempi, mitä useammasta linssistä se rakentuu. Kuitenkin suunnittelussa on otettava huomioon sekin tosiasia, että noin 5 % valosta heijastuu takaisin joka lins- 2 116245 sistä. Sen lisäksi, että monilinssisissä systeemeissä valoteho alenee, useita elementtejä sisältävät jäqestelmät ovat painavia ja kalliita. Vaikka kuvanlaatu saadaankin hyväksi, rajoittavat koko, painoja kustannukset tällaisen optiikan sovellettavuutta ja käyttökohteita.

5 Tunnettu laite, jossa optiikkaa yleisesti käytetään, on kamera. Eräs tunnetun tekniikan mukainen optinen ratkaisu, joka on suunniteltu pieneen kameraan, on esitetty julkaisussa US 6,342,975. Linssisysteemissä ensimmäinen ja toinen linssiryhmä ovat positiivisia, ja kolmas linssiryhmä on negatiivinen. Ensimmäinen linssiryhmä sisältää negatiivisen ja positiivisen linssin. Toinen linssiryhmä sisältää säädettävän 10 aukon sekä negatiivisen ja positiivisen linssin. Kolmas linssiryhmä sisältää positiivisen ja negatiivisen linssin. Kun optiikka tarkennetaan laajakulmaisesta lähinäkymästä teleskooppiseen kaukonäkymään, kukin linssiryhmistä liikkuu kohdepuolta kohti, eli ensimmäiseen linssiryhmään päin. Lisäksi ensimmäisen ja toisen linssi-ryhmän välinen etäisyys kasvaa, ja toisen ja kolmannen linssiryhmän välinen etäi-15 syys pienenee. Tässä ratkaisussa on kuitenkin paljon yksittäisiä optisia elementtejä, mikä tekee optisesta ratkaisusta kalliin. Lisäksi, kun linssien lukumäärä kasvaa, optinen järjestelmä vaatii enemmän tilaa ja siitä tulee painavampi. Optisten elementtien sijoittelu toistensa suhteen ja niiden mekaanisen liikkuvuuden toteutus ja kontrollointi vaativat tarkkuutta. 1

Toinen yksinkertainen, pieneen kameraan soveltuva linssisysteemi on esitetty jul-; ·. kaisussa US 6,040,949. Ratkaisussa on pyritty siihen, että kamera ja sen optinen jär- , ·: ·, jestelmä voidaan toteuttaa mahdollisimman pienikokoisina. Optinen järjestelmä si- sältää linssisysteemin, jonka kolme linssiryhmää on esitetty tunnettua tekniikkaa kuvaavassa kuviossa 1. Ensimmäinen linssiryhmä 101 kuviossa 1 koostuu tasokove-: 25 rasta linssistä ja sen valontaittokyky on negatiivinen. Toinen linssiryhmä 103 kuvi- : · ‘ ossa 1 koostuu kupera-kuperasta linssistä ja sen valontaittokyky on positiivinen.

'.. .· Kolmas linssiryhmä 104 kuviossa 1 koostuu yhdistetyistä kupera-kuperasta ja taso- koverasta linssistä, ja kolmannen linssiryhmän 104 valontaittokyky on positiivinen. Tarkasteltava, kuvattava kohde kuviossa 1 sijaitsee linssiryhmän 101 vasemmalla : 30 puolella 105 ja kohteesta muodostetaan kuva linssisysteemin oikealle puolelle 106.

/. Optinen akseli 107 kulkee linssien keskipisteiden kautta. Ensimmäisen linssiryhmän ;.; 101 ja toisen linssiryhmän 103 välissä on säädeltävä aukko eli apertuuri 102. Kuvaa ’ ; · ’ tarkennettaessa eli tiettyä näkymän osaa suurennettaessa (zoomattaessa) toisen lins- : : : siryhmän 103 ja kolmannen linssiryhmän 104 paikkaa muutetaan optista akselia • i * · 35 pitkin. Esitetyssä ratkaisussa on edullisesti vain 4 yksittäistä linssiä.

116245 3

Edellä mainituissa julkaisuissa linssiryhmiä liikutetaan optista akselia pitkin järjestelmän polttovälin muuttamiseksi. Linssien liikuttaminen suhteessa toisiinsa on hyvin tyypillinen tapa muuttaa järjestelmän optisia ominaisuuksia, kuten polttoväliä, suurennusta, tarkennusta tai kuvakulmaa. Toinen tunnettu, etenkin kameroissa käy-5 tetty tapa muuttaa polttoväliä tai taitekerrointa on vaihtaa käytetty linssi erityyppiseksi. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että kameralinssin eteen on sijoitettu kiekko, jossa on erilaisia, erityyppisiä linssejä, joita voidaan vaihdella halutun kohteen kuvaamiseksi mahdollisimman tarkasti. Linssien tai kiekon mekaaninen liikuttaminen vaatii aina tilaa, jota pienissä laitteissa on minimaalisesti. Lisäksi melo kaaniset säädöt on tehtävä tarkasti sekä asennusvaiheessa että laitetta käytettäessä, jotta optiset komponentit asettuvat tarkasti oikeille paikoilleen suhteessa optiseen akseliin ja suhteessa toisiinsa.

Eräs tyypillinen tunnetun tekniikan mukainen, pieniin kameroihin soveltuva optinen systeemi on yksipolttovälinen, jolloin mekaanista polttovälinsäätöä ei tehdä lain-15 kaan. Ratkaisussa etäisyys kuvauskohteesta kameraan rajoittuu suhteellisen pienelle välille, mikäli kuvanlaatu halutaan pitää hyvänä. Kuva on siis laadukas vain tietyllä keskialueella, mutta lähi- tai kaukoetäisyydellä olevista kohteista ei saada muodostettua tarkkaa kuvaa. Polttovälin säätömahdollisuus on yleensä toivottu ominaisuus optisissa sovelluksissa ja niitä hyödyntävissä laitteissa.

20 Keksinnön tavoitteena on toteuttaa pienikokoinen, kompakti, kevyt, paranneltu op-: ·. tinen järjestelmä, jonka polttoväli on säädettävissä.

v : Tavoitteet toteutetaan siten, että tuotetaan kompakti optinen järjestelmä, joka sisäl- tää ensimmäisen optisen komponentin, jonka polttoväli on muunneltavissa eri etäi-· syyksille, ja toisen optisen komponentin, jonka läpi kulkevan säteen optinen matka 25 on säädettävissä siten, että toisen optisen komponentin läpi kulkevan säteilyn opti-;" *; nen matka vastaa ensimmäisen optisen komponentin polttoväliä. Lisäksi tavoitteet toteutetaan siten, että optiset komponentit asennetaan paikoilleen kiinteästi ja kom-.:. ponenttien kiinteät paikat säilyvät komponenttien optisten ominaisuuksien muuttu- '···, essa.

; Y j 30 Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisissä patenttivaatimuksissa.

. ". Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä patenttivaatimuksis- sa.

;. -; Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan toteutetaan pienikokoinen, säädettävä optinen järjestelmä, jossa on kuvataso, jolle muodostetaan kuva optisella järjestel- 116245 4 mällä tarkasteltavasta kohteesta, ensimmäinen optinen komponentti, jonka polttovä-lietäisyys on säädettävissä, ja prisma, jonka läpi kulkevan säteen optinen matka on säädettävissä sellaiseksi, että se vastaa ensimmäisen optisen elementin polttovä-lietäisyyttä. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan muodostetaan kuva en-5 simmäisen optisen elementin polttovälietäisyydellä sijaitsevasta, tarkasteltavasta kohteesta kuvatasolle siten, että ensimmäinen optinen komponentti, prisma ja kuvataso ovat kiinteästi paikoillaan toistensa suhteen.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisen optisen järjestelmän optiset elementit ovat muuttuvamuotoinen linssi ja prisma, jossa on ilmarako. Linssin opti-10 siä ominaisuuksia voidaan edullisesti muokata muuttamalla linssin muotoa. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan linssiä ei tarvitse siirtää tai liikuttaa kiinteältä paikaltaan polttovälietäisyyden muuttamiseksi. Kun muuttuvamuotoinen linssi on paksu, sen polttoväli on lyhyt. Tällöin tarkasteltava kohde on lähellä ja näkymä on laaja. Kun linssi on ohut ja sen polttoväli on pitkä, optiikka toimii niin sanottuna te-15 leobjektiivina. Tarkasteltava kohdealue on suhteellisen etäällä linssistä ja näkymä on tyypillisesti kapea. Ohut linssi, jonka polttoväli on pitkä, toimii siis kaukoputki-maisesti.

Jotta tarkasteltavan kohdepinnan piste kuvautuisi kuvatasolle terävänä, linssin läpi kulkevat säteet muodostavat kuvapisteen kuvatasolla, joka sijaitsee polttopiste-20 etäisyyden päässä linssistä. Koska linssin polttopiste-etäisyyttä voidaan keksinnön mukaisesti muuttaa, on muutettava vastaavasti myös linssin läpäisseen säteilyn kul-. ·: ·. kemaa matkaa, jotta kuvatasolle muodostuisi tarkka kuva tarkasteltavasta kohteesta.

.. Säteen prismassa kulkema matka, niin sanottu optinen matka vastaa edullisen suori- .''! tusmuodon mukaan linssin polttopiste-etäisyyttä siten, että säteet kulkevat yhtä pit- 25 kän matkan kohdetasolta linssin keskustaan kuin linssin keskustasta kuvatasolle. : · ‘ Sen sijaan, että optisia elementtejä tunnetun tekniikan mukaisesti siirrettäisiin opti- *...: sen matkan pidentämiseksi, säteiden kulkemaa matkaa muutetaan keksinnön edulli sen suoritusmuodon mukaan prismassa tapahtuvien heijastusten avulla. Tuleva säde ;: ’ etenee prismassa suoraviivaisesti heijastelematta rajapinnoista, jolloin sen kulkema : * ”: 30 optinen matka prismassa on lyhyt. Kun linssin polttopiste-etäisyys kasvaa, voidaan X säteen prismassa kulkemaa optista matkaa pidentää siten, että prismassa aikaansaa daan moninkertaisia heijastuksia ennen kuin säde kohtaa kuvatason. Näin säteilyn prismassa kulkemaa optista matkaa voidaan säätää ilman, että optista elementtiä : : mekaanisesti liikutetaan tai siirretään kiinteältä paikaltaan.

35 Säteen kulkeman optisen matkan säätämiseksi käytetään keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan prismaa, jossa on ilmarako. Kun linssi on paksu ja polttovä- 5 lietäisyys lyhyt, prisman ilmarako täytetään nesteellä, jonka taitekerroin on tietyllä tarkkuudella sama kuin prisman materiaalilla. Prismassa ei tapahdu heijastuksia, vaan säteily etenee sen läpi kuvatasolle lähes suoraviivaisesti. Kun järjestelyä käytetään teleobjektiivina, linssi on ohut ja sen polttovälietäisyys on pitkä. Tällöin edulli-5 sen suoritusmuodon mukaan prisman rako tyhjennetään nesteestä, jolloin prisman tasojen välisessä raossa on ilmaa. Koska ilman taitekerroin on eri kuin prisman materiaalin, säteet heijastuvat prisman materiaalin ja ilman rajapinnassa. Heijastuneet säteet kohtaavat prismassa edelleen muita rajapintoja, jotka voivat olla pinnoitettu heijastavilla kalvoilla. Tapahtuu siis useita heijastuksia, minkä seurauksena pris-10 maan tulevan säteen optinen matka pitenee. Heijastusten avulla optista matkaa ja sitä kautta polttovälietäisyyttä voidaan kasvattaa ns. Pechan prismoilla yli kolminkertaiseksi ja eräillä muilla prismatyypeillä jopa lähes kuusinkertaiseksi.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisella optisella järjestelmällä on mahdollista saada tarkkoja kuvia eri etäisyydellä olevista kohteista, eli säätää kohteen ja 15 kameran välistä etäisyyttä. Tunnetun tekniikan mukaisella yksipolttovälisellä optiikalla, jota tyypillisesti käytetään pienissä, esimerkiksi puhelinlaitteisiin asennettavissa kameroissa, tällainen säätö ei onnistu. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisella laitteistolla ja menettelyllä saadaan laadullisesti parempia kuvia sekä lähi- että kaukoalueelta, koska tunnetun tekniikan mukainen kiinteäpolttovälinen op-20 tilkka soveltuu käytettäväksi vain rajallisella keskialueella. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan polttoväli on säädettävissä lyhyeksi lähikohteiden kuvaa- • '·* miseksi ja pitkäksi kaukokohteiden toistamiseksi. Edullisesti kuvakulma lähinäky- : mässä on laaja ja kaukonäkymä kuvautuu kaukoputkimaisesti, kapeammalla kuva- kulmalla. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisella optisella järjestelmällä : 25 säädöt laajan ja kapean kuvakulman, lähi- ja kaukonäkymän välillä ovat nopeita.

Monilinssisillä kameraobjektiiveilla säätö linssejä tai linssiryhmiä liikuttamalla ha- ’·· · t luttu kuvakulman muutos aikaansaadaan paljon hitaammin kuin käyttämällä kek- * · sinnön mukaista linssin optisten ominaisuuksien muuntamista sen muotoa muuttamalla ja prisman ilmaraon täyttämistä nesteellä tai tyhjentämistä nesteestä. Keksin-·;;; 30 nön edullisen suoritusmuodon mukainen, hyvän kuvanlaadun tuottava optinen jär- ' · · ·' jestelmä on lisäksi monilinssisiin kameraobjektiiveihin verrattuna kevyt ja kompak- : V: ti, joten se soveltuu pieniinkin laitteisiin.

: · ‘ Keksintöä kuvataan seuraavassa tarkemmin oheisten kuvien avulla, joissa , , · kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista optista järjestelmää, 6 kuvio 2 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista optista järjestelmää, ja kuvio 3 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista optista järjestelmää.

5 Kuviossa 2 on esitetty keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukainen optinen järjestelmä, jonka ensimmäinen optinen komponentti on paksu linssi 204, jonka polttovälietäisyys on lyhyt, ja toinen optinen komponentti on prisma 201. Prismassa 201 on rako 202, joka on täytetty täyteaineella, jonka taitekerroin on sama kuin prisman taitekerroin. Näin prismassa 201 aikaansaadaan sen läpi kulkevalle säteelle io linssin 204 polttovälietäisyyttä vastaava optinen matka ja linssistä 204 polttovä-lietäisyydellä oleva kohde tarkentuu kuvatasolle 203.

Kuviossa 2 esitetyssä suoritusmuodossa linssi 204 on kokoava, positiivinen, paksu linssi. Linssin polttovälietäisyys on suhteellisen lyhyt, joten tarkasteltava kohde 200, joka on edullisesti polttovälietäisyydellä, on suhteellisen lähellä linssiä. Nuoli 15 200 kuvaa reunasäteen 206 ja keskisäteen 205 välistä kohdepintaa, joka on siis puo let todellisesta, kahden reunasäteen väliin jäävästä kohdepinnasta. Tässä suoritusmuodossa kuvautuva kohdepinta 200, eli näkymä on laaja. Lisäksi kuviossa 2 on kuvataso 203, jolle muodostetaan kuva optisella järjestelmällä tarkasteltavasta kohteesta. Kuvatasolla tarkoitetaan tässä yleisesti paikkaa tai pintaa, johon muodoste-20 taan kuva tarkasteltavasta kohteesta keksinnön mukaisen optisen järjestelmän avul-, * ’ la. Kuvataso ei ole välttämättä taso. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaises- Y sa prismassa 201 on tasomainen rako 202, jonka leveys on muutaman mikrometrin suuruusluokkaa. Edullisesti rako kulkee prisman halki yhdestä kulmasta vastakkai-:.: : seen kulmaan muodostaen tason siten, että kaikki prisman kautta kulkevat säteet • *,: 25 kulkevat raon kautta. Kuviossa 2 esitetyssä edullisessa suoritusmuodossa rako 202 on täytetty nesteellä, jonka taitekerroin on tietyllä tarkkuudella sama kuin prisman materiaalin taitekerroin. Tällöin prisman taitto-ominaisuudet ovat vastaavat kuin yh-tenäisen prisman, jossa ei ole rakoa. Säteily, joka on yleisesti valosäteilyä, läpäisee . · · ·. esitetyn raollisen prisman 201 siten kuin se läpäisisi homogeenisen prisman.

: 30 Tarkasteltavasta kohteesta tulevien säteiden kulkua on kuvattu seuraamalla kes- '. kisäteen 205 ja reunasäteen 206 kulkua. Keskisäteen 205 kulkua kohdetasolta 200 ;, optisen järjestelmän kautta kuvatasolle 203 on kuvattu yhtenäisellä viivalla. Reu- ’ ’ nasädettä 206 kuvaa katkoviiva. Keskisäde 205 tulee optiseen järjestelmään sen ‘ ' keskipisteen kautta, optista akselia pitkin. Tässä suoritusmuodossa keskisäde 205 35 kulkee optisella akselilla olevan linssin 204 keskipisteen kautta. Positiivinen, kupera 7 linssi 204 kokoaa kuvatasolta tulevat säteet ja ohjaa ne edelleen prismalle 201. Kuvatason 203 etäisyys linssistä määräytyy linssin polttovälietäisyyden mukaan. Edullisesti tarkasteltava kohdepinta tai -taso on polttovälietäisyydellä linssistä. Prismassa 201 säteet taittuvat suoraan kuvatasolle 203, jonne muodostuu sitä kohdetason 5 200 pistettä, josta säde lähti, vastaava kuvapiste. Reunasäde 206 osuu linssiin 204 vinosti. Linssi kokoaa säteet ja ne taittuvat prismassa 201 siten, että kohdetason 200 reunapiste kuvautuu kuvatason 203 vastakkaiseen reunaan. Säteiden prismassa 201 kulkema optinen matka vastaa linssin 204 polttovälietäisyyttä. Edullisesti yhdestä kohdetason 200 pisteestä saadaan muodostettua yksi kuvapiste kuvatasolle 203.

10 Kuviossa 2 esitetyssä suoritusmuodossa kohdetaso 200, eli näkymä, jonka optinen järjestelmä toistaa, on laaja. Toisin sanoen järjestelmän kuvakulma on suuri. Laaja kuvakulma aikaansaadaan tyypillisesti silloin, kun optisen järjestelmän polttoväli on suhteellisen pieni.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön toisen edullisen suoritusmuodon mukainen opti-15 nen järjestelmä, joka sisältää vastaavat optiset komponentit kuin kuvion 2 suoritusmuoto. Keksinnön edullisissa suoritusmuodoissa ensimmäinen optinen komponentti on muuttuvamuotoinen linssi, jolloin sen optisia ominaisuuksia, erityisesti tässä polttovälietäisyyttä, voidaan säätää muuttamalla linssin muotoa, tyypillisesti kaarevuutta. Ensimmäinen optinen komponentti voi olla myös linssiyhdistelmä, joka 20 koostuu useammasta yksittäisestä linssielementistä. Edullisesti ainakin yksi lins-sielementeistä on muuttuvamuotoinen linssi. Toisena optisena komponenttina on *.·;·, prisma, jonka läpi kulkevien säteiden optista matkaa voidaan säätää siten, että sätei- :.. den prismassa kulkema optinen matka vastaa linssin kulloistakin, säädeltävää polt- ."l1 tovälietäisyyttä. Prismassa sen läpi kulkevien säteiden optista matkaa säädetään ;;1 · 25 edullisesti säätämällä prismassa tapahtuvia kokonaisheijastuksia prisman raossa.

·’ Edullisesti keksinnön optisia elementtejä ei siirretä, vaan niiden paikat ovat kiinteät :: ja optisia ominaisuuksia voidaan muuttaa liikuttamatta niitä.

.:, Kuvion 3 suoritusmuodossa optista järjestelmää käytetään kaukonäkymän kuvaami- seksi. Ensimmäinen optinen komponentti on ohut, muuttuvamuotoinen linssi 304, Ί ’ 30 jonka polttovälietäisyys on pitkä. Toinen optinen komponentti on prisma 301, jossa v on ilmatäytteinen rako 302. Ilman taitekerroin on eri kuin prisman 301 taitekerroin •,,,! ja säteen prismassa 301 kulkema optinen matka vastaa linssin polttovälietäisyyttä.

: -, Tarkasteltavan kohteen kuva muodostuu kuvatasolle 303.

Kuviossa 3 optisen järjestelmän polttovälietäisyys on suuri, joten kuvakulma on 35 pieni ja näkymä, kuvatasolle kuvautuva kohdeala melko suppea. Kuviossa esitetty- 8 jen keskisäteen 305 ja reunasäteen 306 väliin muodostuva kohdeala 300 on puolet todellisesta, reunasäteiden väliin muodostuvasta kohdealasta. Tyypillisesti kuvatun suoritusmuodon mukaista järjestelyä käytetään teleobjektiivina, kun kuvataan kaukaisia kohteita. Näkymä vastaa jokseenkin kaukoputken näkymää: kaukaiset kohteet 5 suhteellisen pieneltä alalta tarkentuvat kuvatasolle hyvin. Tässä suoritusmuodossa käytetään tyypillisesti ohutta linssiä 304, jonka polttoväli on pitkä. Ohuella linssillä tarkoitetaan linssiä, jonka paksuus on pieni verrattuna sen pallopinnan säteeseen. Ohut linssi soveltuu käytettäväksi, kun tulevat säteet ovat lähes optisen akselin suuntaisia, eli niiden tulokulma on pieni. Kun kuvakulma on pieni, kuten kuviossa 10 3, myös säteet saapuvat optiseen järjestelmään pienessä tulokulmassa.

Kuviossa 3 esitetyssä suoritusmuodossa prisman 301 rako 302 on tyhjä täyteaineesta, eli sen täytteenä on ilmaa. Kuviossa 3 esitetyssä suoritusmuodossa valon keskisäteen 305 kulkua kohdetasolta 300 optisen järjestelmän kautta kuvatasolle 303 on kuvattu yhtenäisellä viivalla. Reunasädettä 306 kuvaa katkoviiva. Keskisäde 305 15 kulkee järjestelmän keskipisteen kautta kulkevaa optista akselia pitkin prismaan, jossa se heijastuu ilmaraon 302 reunalta prisman 301 vastakkaiseen reunaan. Prisman 301 reunasta taittunut säde kohtaa ilmaraon 302 tarpeeksi suuressa kulmassa läpäistääkseen ilmaraon 302 ja säde etenee prisman kuvatasoa 303 vasten olevaan reunaan. Tulokulma kuvatasoa 303 vasten olevaan reunaan on kuitenkin niin pieni, 20 että säde heijastuu jälleen prisman 301 viereiseen sivuun, siitä edelleen ilmaraon 302 reunaan, josta säde taittuu kuvatasolle 303 muodostaen sinne kuvapisteen.

• ·; ·, Reunasäde 306 kulkee optisen järjestelmän ensimmäiseen komponenttiin, joka tässä !.. on linssi 304. Positiivinen linssi 304 kokoaa säteet ja ohjaa ne prismalle 301 tietyssä ; tulokulmassa. Reunasäde 306 taittuu prisman 301 ilmaraon 302 reunalta prisman : 25 301 vastakkaiselle sivulle. Prisman 301 sivulta taittunut säde tulee lähes koh- »f k • · ‘ tisuoraan ilmarakoon 302, jolloin kokonaisheijastusta ei enää tapahdu, vaan säde lä- \1 päisee ilmaraon 302 suoraa rataa prisman 301 kuvatasoa 303 vasten olevalle sivulle.

Tästä reunasäde 306 heijastuu prisman 301 viereiselle sivulle, josta se etenee pris-;i1 man 301 ilmarakoa 302 vasten olevan reunan kautta, heijastuen siitä kuvatasolle ; ‘": 30 3 03, jonne se muodostaa kuvapisteen.

Λ: Tässä edullisessa suoritusmuodossa prismaan 301 tuleva valo taittuu prismassa 301 ; useaan kertaan ennen kuin se saavuttaa kuvatason 303. Valon prismassa 301 kul- ,1··, kema optinen matka on edullisesti jopa 3,8-kertainen verrattuna valon homogeeni- » » . sessa prismassa kulkemaan matkaan. Yleisesti säteiden prismassa 301 kulkema op- 35 tinen matka pitenee, kun aikaansaadaan kokonaisheijastuksia raon ja prisman rajapinnassa. Kokonaisheijastuksia aikaansaadaan, kun raon täyteaine valitaan taiteker- 9 toimeltaan sopivaksi ja säteet saapuvat siihen tietyssä kulmassa. Tyypillisesti koko-naisheijastavana raon täyteaineena on ilma, jonka taitekerroin on eri kuin prisman materiaalin.

Keksinnön kannnalta on edullista, että linssin optisia ominaisuuksia voidaan muut-5 taa vaihtamatta itse linssiä tai liikuttamatta sitä optista akselia pitkin tai suhteessa muihin optisiin elementteihin tai kuva-/kohdetasoihin. Esimerkiksi muuttuvamuo-toisen linssin optisia ominaisuuksia muutetaan linssin taittavan pinnan kaarevuutta muuttamalla. Edullisesti muuttuvamuotoiset linssit ovat elastisia, jolloin niiden halkaisijaa voidaan suurentaa tai pienentää. Keksinnön kannalta ei ole olennaista, min-10 kä muotoinen linssin taittava pinta on, tai millaiseksi se on hiottu. Keksinnön mukaisessa optisessa järjestelmässä voidaan soveltaa niin pallopintaista kuin esimerkiksi hiottua Fresnellin linssiäkin. Edullisen suoritusmuodon mukaan linssima-teriaali voi olla mitä hyvänsä soveltuvaa, läpäisevää, elastista ainetta, kuten siliko-nia, muuta synteettistä polymeeriä, kumia, polyetyleeniä tai polypropyleeniä. Erityi-15 sesti linssin on läpäistävä sellaisia aallonpituuksia, joita keksinnön mukaisella järjestelmällä halutaan tarkastella, eli tyypillisesti näkyvän valon aallonpituuksia. On selvää, että oleellista on materiaalin läpäisevyys, joka edellyttää, että materiaali absorboi tulevaa säteilyä itseensä mahdollisimman vähän, ja sirottaa tai hajottaa tulevia säteitä minimaalisesti. 1

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa käytetty linssi voi myös olla linssiyhdis-telmä, jossa yhdistelmän muodostavat linssit on edullisesti kiinteästi yhdistetty toi-. ·: ·. siinsa jollain sinänsä tunnetulla tavalla. Linssi voi koostua esimerkiksi ohuesta lä päisevästä kuoresta, joka on täytetty aineella, joka on esimerkiksi nestettä, kaasua tai jotain geelimäistä ainetta. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan on ;;; · 25 oleellista, että käytetty linssi on hyvin läpäisevä ja elastinen.

> I

‘: Muutaman prosentin muutos halkaisijassa muuttaa linssin taittokykyä ja polttoväliä eli tarkennusetäisyyttä. Muuttuvamuotoiset linssit ovat yleensä suhteellisen pieniä halkaisijaltaan. Linssin muodon muuttaminen voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, .että elastista linssiä venytetään reunoiltaan tasaisesti. Linssi on paksuin niin sano-30 tussa lepotilassa ja sen halkaisijaa voidaan tasaisesti venyttää, minkä seurauksena ' linssi ohenee ja sen optiset ominaisuudet muuttuvat. Eräs tapa toteuttaa linssin hal- : kaisijan muuttaminen, on asentaa hyvin pienikokoisia mikroelementtejä tasaisesti linssin kehälle. Ohjainyksiköltä saatavien kontrollisignaalien perusteella kukin elementti aikaansaa mekaanisen puristus- tai vetovoiman linssin kehän liikuttamiseksi 35 sisään- tai ulospäin linssin keskipisteestä. Toisen edullisen suoritusmuodon mukaiset elementit ovat erikokoisia, renkaan muotoisia elektrodeja, jotka on sijoitettu sa- 10 mankeskisesti linssin keskipisteen suhteen. Mikroelementtien ohjaaminen voidaan toteuttaa esimerkiksi sähköisesti kytkemällä niihin virta ja indusoimalla siten Unssiin sähkökenttä.

Toisen edullisen suoritusmuodon mukaan linssi voi koostua kahdesta, toisiinsa liu-5 kenemattomasta ainesosasta. Esimerkiksi julkaisussa US 6,369,954 B1 on esitetty muuttuvamuotoinen linssi, joka koostuu ensimmäisestä johtavasta nesteestä ja toisesta, linssiosan toiseen reunaan erottuvasta, ensimmäiseen johtavaan nesteeseen sekoittumattomasta ja liukenemattomasta nesteestä, kuten kirkkaasta öljystä. Käytetyillä nesteillä on eri taitekertoimet. Linssiin on kytketty elektrodeja, jotka on yhdis-10 tetty kytkimen kautta virtalähteeseen tai maahan. Linssin muodostavien nesteiden rajapinnan muotoa muutetaan linssin yli indusoidun sähkökentän avulla. Rajapinnan muotoa voidaan säätää esimerkiksi ohjaamalla virta vain tiettyihin linssiin kytkettyihin elektrodeihin. Tyypillisesti, kun virran arvoa vaihdellaan nollan ja maksimiarvon välillä, aineiden rajapinta muuttaa muotoaan kahden ääriasentonsa välillä. 15 Tällaista menetelmää kutsutaan nimellä sähköinen kostuminen (engl. electrowetting).

Kolmannen edullisen suoritusmuodon mukainen linssi on kiteinen, kaksoistaittava linssi. Linssi koostuu kaksoistaittavista kiteistä, joiden vaakasuuntainen taitekerroin on eri kuin pystysuuntainen taitekerroin. Linssin kiteet ovat tietyssä järjestyksessä, 20 esimerkiksi kaikki vaakasuuntaisesti, tasaisesti, tietyllä etäisyydellä toisistaan. Ki- ; ·. teet käännetään tyypillisesti siten, että indusoidaan sähkökenttä kiteisen linssin yli.

• »* ]-;.f Sähkökentän avulla vaakasuuntaiset kiteet järjestyvät sähkökentän mukaisesti esi- I I k !.. merkiksi tiettyyn asentoon, kuten tiettyyn kulmaan tai pystysuuntaisiksi, jolloin ki- ' “; * teisen linssin taitekerroin muuttuu. Kiteisiä linssejä ja kiteiden ohjaamista on kuvat- * t « j;: (: 25 tu esimerkiksi julkaisussa JP2001272646.

: ’" · Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan prisman optisia ominaisuuksia muo kataan muuttamalla tulevien säteiden prismassa kulkemaa optista matkaa. Edullises-,;. ti sovellettavassa prismassa on rako, tai prisma muodostetaan kahdesta tasakylkises- ‘' ’ · ( tä prismasta, joiden toisiaan vasten olevien kylkien väliin muodostetaan pieni rako.

I » Ί’ 30 Edullisen suoritusmuodon mukainen raollinen prisma on esimerkiksi tunnettu :, v Pechanin prisma. Raon täyteainetta vaihtamalla, täyteaineen taitekertoimen mukaan voidaan tulevia säteitä ohjata kulkemaan prismassa halutulla tavalla. Esimerkiksi , ·, kun on toivottavaa, että tuleva säde kulkee prismassa mahdollisimman lyhyen mat- ' . kan, valitaan raon täyteaine siten, että säde etenee taittumatta ja heijastumatta suo- 35 raan raon läpi. Tällöin täyteaine valitaan siten, että sen taitekerroin on sama, tai ainakin tietyllä tarkkuudella sama kuin prisman materiaalin. Kun optista matkaa halu- 11 taan pidentää, pyritään aikaansaamaan kokonaisheijastuminen raon reunalta takaisin alkuperäiseen prismalohkoon. Aikaansaatujen kokonaisheijastuksien ja muiden heijastusten avulla prisman läpi kulkevan valon optinen matka voidaan säätää jopa yli kolminkertaiseksi. Valon, tai yleisemmin säteen, prismassa kulkemaa optista mat-5 kaa säädetään keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan samassa suhteessa ja vastaavasti kuin ensimmäisen optisen komponentin polttovälietäisyyttä. Edullisen suoritusmuodon mukaisella optisella järjestelyllä kuvattava kohdepinta voidaan määrittää jopa 3,8-kertaiselle etäisyydelle optiikasta siten, että kohteesta saadaan tarkka kuva kuvatasolle ilman, että tarvitsee liikuttaa mekaanisesti optisia element-io tejä, kuten prismaa, muuttuvamuotoista linssiä tai kuvatasoa.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen prisman rako on hyvin ohut. Raon täyttäminen tietyllä nesteellä ja nesteen poistaminen raosta voidaan toteuttaa usealla tavalla. Erään suoritusmuodon mukaan ohuen raon täyttämisessä ja uudelleentyh-jentämisessä käytetään hyväksi kapillaari-ilmiötä. Tyypillisesti raon täyttämistä nes-15 teellä ja tyhjentämistä täyteaineesta ohjataan sähkökentän avulla. Myös edellä linssin muodonmuutosta kuvattaessa mainitun sähköisen kostumisen (electrowetting) avulla voidaan ohjata ja kontrolloida prisman raon täyttämistä ja tyhjentämistä. Nesteen Uikuttamista kapeassa raossa on kuvattu tarkemmin esimerkiksi julkaisuissa US2002080920 ja US4701021. 1

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukainen optisen järjestelmän polttovälin sää-tö linssin muotoa muuttamalla ja prisman raon täyteainetta vaihtamalla on nopeam-pi kuin tunnetun tekniikan mukaiset säädöt, jotka edellyttävät aina optisten element- » « # !.. tien, tai useammasta elementistä koostuvien optisten komponenttien mekaanista lii- ,"; kuttamista. Lisäksi keksinnön edullisen suoritusmuodon mukainen polttovälisäätöi- ;;: : 25 nen järjestely menee hyvin pieneen tilaan, jolloin se soveltuu erityisen hyvin pieniin : · ‘ laitteisiin, esimerkiksi matkapuhelimiin. Polttovälin säätömahdollisuus parantaa op- *...' tilkan laatua ja optiikka on kevyt, kun optisia komponentteja on järjestelyssä mah dollisimman vähän, tässä edullisesti vain kaksi. Alan ammattilaiselle on ilmeistä, et-’: * tä keksinnön edullisen suoritusmuodon mukainen menetelmä ja järjestely voidaan ": 30 toteuttaa teknisesti monella eri tavalla, käyttämällä erilaisia komponentteja ja kom- ponenttiyhdistelmiä, poikkeamatta keksinnön suojapiiristä.

Claims (23)

1. Säädettävä optinen järjestelmä, jossa on kuvataso (203, 303), jolle muodostetaan kuva optisella järjestelmällä tarkasteltavasta kohteesta, ja 5. ensimmäinen optinen komponentti (204, 304), jonka polttovälietäisyys on sää dettävissä, tunnettu siitä, että järjestelmässä on lisäksi prisma (201, 301), jonka optinen matka on säädettävissä sellaiseksi, että se vastaa ensimmäiselle optiselle komponentille (204, 304) säädettyä polttovä-io lietäisyyttä, kuvan muodostamiseksi ensimmäisen optisen komponentin (204, 304) polttovä-lietäisyydellä sijaitsevasta, tarkasteltavasta kohteesta kuvatasolle (203, 303) siten, että ensimmäinen optinen komponentti (204, 304), prisma (201, 301) ja kuvataso (203, 303) ovat kiinteästi paikoillaan toistensa suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en simmäinen optinen komponentti (204, 304) on muuttuvamuotoinen linssi, jonka kaarevuus on muokattavissa järjestelmän polttovälietäisyyden säätämiseksi. t J I '...

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en- simmäinen optinen komponentti (204, 304) on elastinen, muuttuvamuotoinen linssi, | · ·; * 20 jonka halkaisija on muokattavissa järjestelmän polttovälietäisyyden säätämiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en-. * *'. simmäinen optinen komponentti (204, 304) on kahdesta toisiinsa liukenemattomasta aineesta muodostettu linssi, jonka aineiden rajapinnan muoto on muokattavissa jär-#: _ jestelmän polttovälietäisyyden säätämiseksi. i i ·

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en- . . *. simmäinen optinen komponentti (204, 304) on linssi, joka sisältää kaksoistaittavia , ‘ , kiteitä, ja jonka kiteiden asento on muokattavissa järjestelmän polttovälietäisyyden t t '’ säätämiseksi.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että linssiin on indusoitavissa sähkökenttä linssin optisten ominaisuuksien säätämiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen jäijestelmä, tunnettu siitä, että en-5 simmäinen optinen komponentti (204, 304) koostuu useammasta elementistä, joista ainakin yksi on muuttuvamuotoinen linssi.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että prismassa (201, 301) on rako (202, 302), ja järjestelmässä välineet raon (202, 302) täyttämiseksi täyteaineella ja raon (202, 302) tyhjentämiseksi täyteaineesta, optisen 10 matkan säätämiseksi prismassa (201, 301).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että prisman (201, 301) raossa (202, 302) on nestemäistä täyteainetta, jonka taitekerroin on sama kuin prisman (201, 301) taitekerroin, optisen matkan minimoimiseksi prismassa (201, 301).

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että pris man (201, 301) raossa (202, 302) on ilmaa (302) täyteaineena kokonaisheijastusten ja optisen matkan maksimoimiseksi prismassa (201, 301).

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en- : · t simmäinen optinen komponentti (204) on muuttuvamuotoinen, paksu linssi, jonka • · · 20 polttovälietäisyys on lyhyt, ja prismassa (201) on rako (202), joka on täytetty täyte-; ’,' aineella, jonka taitekerroin on sama kuin prisman (201) taitekerroin, muuttuvamuo- ‘ · *; ’ toisen linssin (204) polttovälietäisyyttä vastaavan optisen matkan aikaansaamiseksi • · · ·* ja polttovälietäisyydellä olevan kohteen tarkentamiseksi kuvatasolle (203).

.· . 12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen järjestelmä, tunnettu siitä, että en- 25 simmäinen optinen komponentti (304) on muuttuvamuotoinen, ohut linssi, jonka polttovälietäisyys on pitkä, ja prismassa (301) on rako (302), jonka täytteenä on il-ma, jonka taitekerroin on eri kuin prisman (301) taitekerroin, muuttuvamuotoisen ’: · * linssin polttovälietäisyyttä vastaavan optisen matkan aikaansaamiseksi ja polttovä- lietäisyydellä olevan kohteen tarkentamiseksi kuvatasolle (303). « #

13. Jonkin aiemman patenttivaatimuksen mukainen optinen järjestelmä, tunnettu v siitä, että se on asennettu kannettavaan matkapuhelimeen.

14. Menetelmä kuvan muodostamiseksi kuvatasolle (203, 303) säädettävällä optisella järjestelmällä tarkasteltavasta kohteesta siten, että säädetään ensimmäisen optisen komponentin (204, 304) polttovälietäisyys tarkasteltavan kohteen etäisyyttä vastaavaksi, 5 tunnettu siitä, että säädetään prisman (201, 301) optinen matka sellaiseksi, että se vastaa ensimmäisen optisen komponentin (204, 304) säädettyä polttovälietäisyyttä, ja muodostetaan kuva kohteesta kuvatasolle (203, 303) siten, että ensimmäinen optinen komponentti (204, 304), prisma (201, 301) ja kuvataso (203, 303) ovat 10 kiinteästi paikoillaan toistensa suhteen.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisenä komponenttina (204, 304) olevan, muuttuvamuotoisen linssin kaarevuutta muutetaan polttovälietäisyyden säätämiseksi tarkasteltavan kohteen etäisyyttä vastaavaksi.

16. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäi senä komponenttina (204, 304) olevan, muuttuvamuotoisen, elastisen linssin halkaisijaa muutetaan polttovälietäisyyden säätämiseksi tarkasteltavan kohteen etäisyyttä vastaavaksi.

17. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäi- .·*. 20 senä komponenttina (204, 304) olevan, kahdesta toisiinsa liukenemattomasta ai- : neesta muodostetun linssin aineiden rajapinnan muotoa muutetaan polttovälietäi- |! V syyden säätämiseksi kohteen etäisyyttä vastaavaksi.

18. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisenä komponenttina (204, 304) olevan, kaksoistaittavia kiteitä sisältävän linssin ki- >·· 25 teiden asentoa muutetaan polttovälietäisyyden säätämiseksi tarkasteltavan kohteen : “ ‘: etäisyyttä vastaavaksi.

: : : 19. Jonkin patenttivaatimuksen 15-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : ’'; järjestelmään indusoidaan sähkökenttä linssin optisten ominaisuuksien säätämiseksi. v

: 20. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että prisman : 30 (201, 301) optista matkaa säädetään prismassa (201, 301) olevan raon (202, 302) avulla siten, että rako (202, 302) vuoroin täytetään täyteaineella ja tyhjennetään täyteaineesta.

21. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen optisen komponentin (204) polttovälietäisyys säädetään lyhyeksi, ja prisman 5 (201) rako (202) täytetään täyteaineella, jonka taitekerroin on sama kuin prisman (201) taitekerroin, ensimmäisen optisen komponentin (204) polttovälietäisyyttä vastaavan optisen matkan aikaansaamiseksi prismassa (201) ja polttovälietäisyydellä olevan kohteen tarkentamiseksi kuvatasolle (203).

22. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäi-10 sen optisen komponentin (304) polttovälietäisyys säädetään pitkäksi, ja prisman (301) rako (302) täytetään ilmalla, jonka taitekerroin on eri kuin prisman (301) taitekerroin, ensimmäisen optisen komponentin (304) polttovälietäisyyttä vastaavan optisen matkan aikaansaamiseksi kokonaisheijastusten avulla prismassa (301), ja polttovälietäisyydellä olevan kohteen tarkentamiseksi kuvatasolle (303).

23. Menetelmä optisen j ärj estelmän valmistamiseksi siten, että asetetaan kuvataso (203, 303), jolle kuva kohteesta muodostetaan, ja asennetaan ensimmäinen optinen komponentti (204, 304), jonka polttovälietäisyys on säädettävissä tarkasteltavan kohteen etäisyyttä vastaavaksi, . . tunnettu siitä, että t » ' · ‘ 20 - asennetaan prisma (201, 301), jonka optinen matka on säädettävissä sellaisek- : .: : si, että se vastaa ensimmäisen optisen komponentin (204, 304) säädettyä polt- * » I : .: tovälietäisyyttä, * · siten, että kuva tarkasteltavasta kohteesta on muodostettavissa kuvatasolle, ensim- . . mäisen optisen komponentin (204, 304), prisman (201, 301) ja kuvatason (203, 303) :’ 25 pysyessä kiinteästi paikoillaan toistensa suhteen. • · • 1 » » ♦ » • » • » » t ’ «