PL191979B1 - Element optyczny o zmiennych właściwościach oraz sposób wytwarzania elementu optycznego o zmiennych właściwościach - Google Patents

Abstract

1. Element optyczny o zmiennych właściwościach, w postaci soczewki płasko wypukłej umieszczonej w obudowie z zaciskiem, znamienny tym, że tworzy go, płytka górna (2) o dowolnym przekroju, płytka dolna (3) w postaci płytki płasko-równoległej o grubości znacząco większej od płytki górnej, a przestrzeń między płytkami, stanowiąca obszar optyczny (8) wypełniona jest płynem, w środkowej części obszaru optycznego umieszczona jest podpora punktowa (1), w postaci kulki wykonanej z przejrzystego materiału o współczynniku załamania równym współczynnikowi załamania płynu wypełniającego ten obszar, krawędzie płytek górnej i dolnej otoczone są elastycznym kołnierzem (5), ponad to między zaciskiem (7) a płytką górną (2) znajduje się podpora liniowa (4), w kształcie pierścienia.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element optyczny o zmiennych właściwościach oraz sposób wytwarzania elementu o zmiennych właściwościach, takich jak soczewki o dowolnych kształtach powierzchni granicznych, na przykład sferycznej, asferycznej, toroidalnej, cylindrycznej ze zmienną ogniskową, oraz odpowiednie z nimi zwierciadła i kliny optyczne.

Wytworzenie elementu o zmiennych właściwościach optycznych jest od dawna celem prac wielu konstruktorów, jednak powtarzalne ich wykonanie stało się możliwe dopiero po uzyskaniu odpowiednich materiałów spełniających wysokie wymagania stawiane elementom optycznym.

Znany z opisu patentowego US 3161718 (De Luca) 15.12.1964, element optyczny znajdujący się w obudowie, składa się z dwu komór ciśnieniowych z zbiornikami płynów o różnych współczynnikach załamania tworzących dwie soczewki o wspólnej powierzchni granicznej. Soczewki mogą przybierać różne postacie w zależności od ilości przetłoczonych płynów, które je wypełniają, takie rozwiązanie pozwala na tworzenie układów achromatycznych.

Z opisu patentowego US 3598479 (Wright) 10.08.1971, znana jest soczewka o zmiennej ogniskowej stosowana w okularach, których moc jest zmieniana poprzez przetłaczanie płynu z zasobnika znajdującego się w zauszniku okularów.

Z opisu patentowego DE 3630700(Simens) 17.03.1986, znany jest zespół soczewek płasko-wklęsłych i wypukłych oraz obustronnie wklęsłych i wypukłych wypełnionych przejrzystym płynem wtłaczanym z zewnętrznych zbiorników.

Z opisu patentowego PL 182796 (Silver) 01.06.1996 znane są okulary posiadające soczewki wypełnione przejrzystym płynem. Ilość płynu może być jednorazowo uzupełniana przez zewnętrzną pompkę, którą po ustawieniu żądanej mocy soczewki usuwa się, uniemożliwiając ich dalszą regulację.

Wyżej wymienione elementy optyczne o zmiennych właściwościach składają się z dwóch zespołów połączonych ze sobą, obszaru optycznego tworzącego soczewkę i zbiornika płynu z którego przetłacza się płyn. Wadami tych rozwiązań są nieszczelności połączeń, oraz duże zmiany ciśnienia w obszarze optycznym.

Znana jest z opisu JP 62049302 (CANON INC) 04.03.1987.soczewka o zmiennej ogniskowej, której zmianę uzyskuje się poprzez wciskanie pierścienia w powierzchnie miękkiego elastycznego tworzywa, powodując tym powstanie sferycznego przetłoczenia, którego promień maleje przy wzroście nacisku na pierścień. Wadami tego rozwiązania są trudności w uzyskaniu odpowiednich materiałów spełniających wymagania stawiane tego typu elementom optycznym, skrajnie mała odporność mechaniczna powierzchni zewnętrznych, a przy stosowaniu płytek ochronnych, bardzo duży wzrost nacisków na pierścień.

Istotę wynalazku stanowi konstrukcja elementu optycznego o zmiennych właściwościach oraz sposób wytworzenia elementu optycznego o zmiennych właściwościach.

Element optyczny o zmiennych właściwościach, w postaci soczewki płasko wypukłej umieszczonej w obudowie z zaciskiem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że tworzy go, płytka górna o dowolnym przekroju, płytka dolna w postaci płytki płasko równoległej o grubości znacząco większej od płytki górnej, a przestrzeń między płytkami, stanowiąca obszar optyczny wypełniona jest płynem, w środkowej części obszaru optycznego umieszczona jest podpora punktowa w postaci kulki wykonanej z przejrzystego materiału o współczynniku załamania równym współczynnikowi załamania płynu wypełniającego ten obszar, krawędzie płytek górnej i dolnej otoczone są elastycznym kołnierzem, a między zaciskiem i płytką górną znajduje się podpora liniowa w kształcie pierścienia.

Element optyczny o zmiennych własnościach, w innej postaci wykonania, stanowiący dwie soczewki mające wspólną powierzchnię graniczną, charakteryzujący się tym, że tworzą go kolejno ułożone, płytka górna, płytka środkowa i płytka dolna, przełożone podporami liniowymi i podporą liniową wewnętrzną, w postaci pierścieni, przy czym podpora liniowa wewnętrzna stanowi pierścień o mniejszej średnicy od pozostałych podpór, pierwszy obszar optyczny jest wypełniony płynem o innym współczynniku załamania niż drugi obszar optyczny, ponad to krawędzie płytek otoczone są elastycznym kołnierzem, zabezpieczającym przed wyciekami i mieszaniem się płynów, a w podporach znajdują się kanały przepływowe.

Element optyczny o zmiennych właściwościach, w kolejnej odmianie wykonania według wynalazku, w postaci dwu soczewek mających wspólną powierzchnię graniczną charakteryzujący się tym, że tworzy go, podpora przestrzenna w postaci soczewki płasko wypukłej, podpora liniowa w postaci

PL 191 979 B1 pierścienia, między podporami umieszczona jest płytka, a obszar optyczny jest wypełniony płynem, ponad to krawędzie płytki i podpory przestrzennej otoczone są elastycznym kołnierzem.

Element optyczny o zmiennych właściwościach, w następnej odmianie wykonania według wynalazku, w postaci soczewki dwu wypukłej, charakteryzujący się tym, że tworzy go, płytka górna, płytka dolna i dwie podpory liniowe w kształcie pierścieni, a między płytkami górną i dolną znajduje się elastyczna podpora liniowa w kształcie pierścienia o mniejszej średnicy niż pozostałe podpory, ponad to obszar optyczny wypełniony jest płynem.

Sposób wytwarzania elementu optycznego o zmiennych właściwościach, w którym zmienia się kształt co najmniej jednej powierzchni granicznej obszaru optycznego, charakteryzuje się tym, że co najmniej jedną płytkę o dowolnym przekroju przegina się sprężyście, na co najmniej jednej parze dowolnie ukształtowanych podpór, a w podporach wykonuje się kanały przepływowe.

Przekrój płytki jest jednym z czynników który określa kształt uzyskiwanej powierzchni granicznej danego elementu optycznego. Na przykład płytka płasko-równoległa pozwala na uzyskiwanie powierzchni odkształconej zbliżonej do sfery, płytka o zmieniającej się grubości w kierunku jej środka pozwala na uzyskanie powierzchni asferycznych. Proporcje grubości płytek wykonanych z tego samego materiału pozwalają uzyskać różne wielkości odkształceń i tak powierzchnia graniczna cienkiej płytki zmienia się bardziej niż płytki o większej grubości. W przypadku dużych różnic grubości, płytka o znacznie większej grubości odkształca się pomijalnie mało, co pozwala na tworzenie elementów o jednej powierzchni nie zmieniającej się, na przykład soczewki płasko wypukłej.

Również uformowanie podpór wpływa na zmianę kształtu powierzchni płytki przeginanej między nimi. Płytka przeginana na podporze w postaci kołowego pierścienia przybiera postać zbliżoną do powierzchni sferycznej, przeginana na podporze eliptycznej uzyskuje kształt zbliżony do powierzchni torycznej, przeginana na dwu prostych równoległych uzyskuje kształt zbliżony do powierzchni cylindrycznej.

Elementy optyczne uzyskane poprzez sprężyste przeginanie płytek stanowiących powierzchnie graniczne, zezwalają na przykładanie mniejszych sił niezbędnych do wprowadzania określonych zmian ich własności optycznych, co umożliwia budowę lżejszych i prostszych konstrukcji przyrządów optycznych zawierających te elementy, ma to szczególne znaczenie przy wytwarzaniu sprzętu optycznego bezpośrednio używanego przez człowieka, jak na przykład lupy i okulary.

Elementy zachowują stałe, lub niewiele zmieniające się ciśnienie płynu w obszarze optycznym co zapobiega zmianom jego właściwości w zależności od czynników zewnętrznych.

Zwierciadlane elementy optyczne nie wymagają stosowania płynu jako czynnika zmieniającego kształt powierzchni granicznej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia element optyczny w postaci soczewki o zmiennej ogniskowej z podporą punktową i liniową, fig.2 przedstawia element optyczny z fig. 1 po odkształceniu płytki, fig. 3 przedstawia element optyczny w postaci dwu soczewek mających wspólną powierzchnię graniczną z podporami liniowymi w kształcie pierścieni, fig. 4 przedstawia element optyczny z fig. 3 po odkształceniu płytek, fig 5, przedstawia element optyczny stanowiący dwie soczewki, mające wspólną powierzchnię graniczną z podporą przestrzenną w postaci soczewki płasko wypukłej, fig. 6 przedstawia element optyczny z fig. 5 po odkształceniu płytki, fig. 7 przedstawia element optyczny stanowiący dwuwypukłą soczewkę o zmiennej ogniskowej z elastyczną podporą liniową w kształcie pierścienia, fig. 8 przedstawia element optyczny z fig. 7 po odkształceniu płytek.

Element optyczny w postaci soczewki płasko wypukłej o zmiennej ogniskowej przedstawiony na fig. 1 składa się z obudowy 6 z zaciskiem 7, w której znajduje się płytka górna 2 o dowolnym przekroju, płytka dolna 3 w postaci płytki płasko-równoległej, o grubości znacząco większej od płytki górnej. Przestrzeń między płytkami stanowiąca obszar optyczny 8 wypełniona jest płynem. W środkowej części obszaru optycznego umieszczona jest podpora punktowa 1 w postaci kulki z przejrzystego materiału o współczynniku załamania zgodnym z płynem wypełniającym ten obszar. Krawędzie płytek otoczone są elastycznym kołnierzem 5, a między zaciskiem 7, a płytką górną 2, znajduje się podpora liniowa 4, w postaci pierścienia.

Zmianę ogniskowej soczewki pokazano na fig. 2 którą uzyskuje się przez przesunięcie zacisku 7, stykającym się z podporą liniową 4, która wygina płytkę górną 2 na podporze punktowej 1. Płytka dolna 3 odkształca się pomijalnie mało.

Element optyczny w postaci dwu soczewek o zmiennej ogniskowej, mających wspólną powierzchnię graniczną przedstawiony na fig. 3, składa się z obudowy 18 z zaciskiem 19, w której znaj4

PL 191 979B1 dują się kolejno ułożone, płytka górna 10, płytka środkowa 12 i płytka dolna 11, przełożone podporami liniowymi 13; 14 w kształcie pierścieni, przy czym podpora 14 stanowi pierścień o mniejszej średnicy niż pozostałe podpory 13. Płytka górna 10 i płytka środkowa 12 tworzą pierwszy obszar optyczny 15, natomiast płytka środkowa 12 i płytka dolna 11, tworzą drugi obszar optyczny 16. Obszary te wypełnione są płynami o różnych współczynnikach załamania. Krawędzie płytek 11; 12; 10, są otoczone elastycznym kołnierzem 17, zabezpieczającym soczewkę przed wyciekami i mieszaniem się płynów. W podporach wykonane są kanały przepływowe 9 umożliwiające swobodne przemieszczanie się płynu.

Zmianę parametrów optycznych soczewek pokazaną na fig. 4 uzyskuje się, przez przesunięcie zacisku 19 powodujące przeginanie płytek 10; 12 na podporach 13; 14. Płytka dolna 11 umieszczona między parą jednakowych podpór liniowych 13 w postaci pierścieni o tej samej średnicy, nie ulega odkształceniu zachowując pierwotny kształt nie zależny od wielkości nacisków na podpory. Płytki 10; 12, wyginane na podporach 14; 13 obejmujące pierwszy obszar optyczny 15, tworzą soczewkę dwu wypukłą, w której płytka 12, jest wspólna z drugim obszarem optycznym 16, i z płytką 11 tworzy soczewkę płasko wklęsłą. Taki element optyczny, tworzy w określonych zakresach zmian swoich właściwości układ achromatyczny.

Element optyczny w postaci soczewki o zmiennej ogniskowej przedstawiony na fig. 5 składa się, z obudowy 24 z zaciskiem 25, w której umieszczona jest podpora liniowa 22, w postaci pierścienia, oraz podpora przestrzenna 21 stanowiąca soczewkę płasko wypukłą, między podporami umieszczona jest płytka 20. Obszar optyczny 26, między podporą przestrzenną 21 a płytką 20 wypełniony jest płynem. Krawędzie podpory 21 i płytki 20 otoczone są elastycznym kołnierzem 23.

Zmianę parametrów optycznych soczewki pokazanej na fig. 6 uzyskuje się, przez stopniowe przeginanie płytki 20 na powierzchni podpory przestrzennej 21, poprzez zacisk 25 i podporę liniową 22. Moc optyczna takiego elementu zmienia się od wielkości bliskiej zeru, do wartości określonej mocą soczewki będącej podporą przestrzenną.

Element optyczny w postaci soczewki dwu wypukłej o zmiennej ogniskowej przedstawiony na fig. 7 składa się z obudowy 32 z zaciskiem 33, w której znajduje się płytka górna 28, płytka dolna 29 i dwie podpory liniowe 30 w kształcie pierścieni. Między płytkami 28; 29 umieszczona jest elastyczna podpora 31 w postaci pierścienia o mniejszej średnicy niż podpory 30, a obszar optyczny 34 wypełniony jest płynem.

Zmianę ogniskowej soczewki pokazanej na fig. 8 uzyskuje się, poprzez przesunięcie zacisku 33, który poprzez podpory liniowe 30 powoduje ugięcie płytek 28; 29 z jednoczesnym niewielkim odkształceniem elastycznej podpory liniowej 31.

Wynalazek znajduje zastosowanie przy budowie lup z soczewką o zmiennej mocy przeznaczonej do obserwacji przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach od oka obserwatora i przekraczających jego możliwości akomodacyjne.

Elementy optyczne wykonane według wynalazku w postaci soczewek o zmiennej ogniskowej mogą znaleźć zastosowanie przy budowie okularów korygujących wadę starczowzroczności oraz mogą służyć jako elementy dopasowujące wzrok obserwatora do przyrządów optycznych.

Claims (6)

1. Element optyczny o zmiennych właściwościach, w postaci soczewki płasko wypukłej umieszczonej w obudowie z zaciskiem, znamienny tym, że tworzy go, płytka górna (2) o dowolnym przekroju, płytka dolna (3) w postaci płytki płasko-równoległej o grubości znacząco większej od płytki górnej, a przestrzeń między płytkami, stanowiąca obszar optyczny (8) wypełniona jest płynem, w środkowej części obszaru optycznego umieszczona jest podpora punktowa (1), w postaci kulki wykonanej z przejrzystego materiału o współczynniku załamania równym współczynnikowi załamania płynu wypełniającego ten obszar, krawędzie płytek górnej i dolnej otoczone są elastycznym kołnierzem (5), ponad to między zaciskiem (7) a płytką górną (2) znajduje się podpora liniowa (4), w kształcie pierścienia.

2. Element optyczny o zmiennych właściwościach, stanowiący dwie soczewki mające wspólną powierzchnię graniczną, umieszczony w obudowie z zaciskiem, znamienny tym, że tworzą go kolejno ułożone, płytka górna (10), płytka środkowa (12), płytka dolna (11), przełożone podporami liniowymi (13) i podporą liniową wewnętrzną (14), w kształcie pierścieni, przy czym podpora liniowa wewnętrzna (14) stanowi pierścień o mniejszej średnicy, niż pozostałe podpory liniowe (13), pierwszy obszar optyczny (15)

PL 191 979 B1 jest wypełniony płynem o innym współczynniku załamania, niż drugi obszar optyczny (16), ponadto krawędzie płytek (11); (12); (10), otoczone są elastycznym kołnierzem zabezpieczającym przed wyciekami i mieszaniem się płynów, a w podporach znajdują się kanały przepływowe (9).

3. Element optyczny o zmiennych właściwościach w postaci dwu soczewek mających wspólną powierzchnię graniczną, umieszczony w obudowie z zaciskiem, znamienny tym, że tworzy go, podpora przestrzenna (21) w postaci soczewki płasko wypukłej, podpora liniowa (22) w postaci pierścienia, między podporami umieszczona jest płytka (20), a obszar optyczny (26), jest wypełniony płynem, ponad to krawędzie podpory przestrzennej (21) i płytki (20) otoczone są elastycznym kołnierzem (23).

4. Element optyczny o zmiennych właściwościach, w postaci soczewki dwuwypukłej umieszczonej w obudowie z zaciskiem, znamienny tym, że tworzy go, płytka górna (28), płytka dolna (29) i dwie podpory liniowe (30), w kształcie pierścieni, między płytkami umieszczona jest elastyczna podpora liniowa (31), w postaci pierścienia o mniejszej średnicy niż podpory (30), ponad to obszar optyczny (34) wypełniony jest płynem.

5. Sposób wytwarzania elementu optycznego o zmiennych właściwościach, w którym zmienia się kształt co najmniej jednej powierzchni granicznej obszaru optycznego, znamienny tym, że co najmniej jedną płytkę, o dowolnym przekroju przegina się sprężyście, na co najmniej jednej parze dowolnie ukształtowanych podpór.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w podporach wykonuje się kanały przepływowe.