DE19605984C1

DE19605984C1 - Variable optical lens for microsystem

Info

Publication number: DE19605984C1
Application number: DE19605984A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Isele
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-02-17
Filing date: 1996-02-17
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2016-02-18

Abstract

The lens has a hollow body (1) of limited volume with two bores (5,6), of defined diameter, lying at a given relative spacing along an axis (8). The bores are sealed by using optically transparent elastic foils (7) with defined flexure points (9) around he edge of the bore. The interior of the hollow space is filled with an optically transparent fluid. By application of a variation of the fluid pressure, the foils flex outwards if a given pressure is reached, and flex inwards upon a subsequent pressure drop.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare optische Linse und ein daraus gebildetes strahloptisches System.The invention relates to an adjustable optical lens and a resulting beam-optical system.

Herkömmliche Linsen bestehen aus Glas und sind damit starre Körper. Daher ist zur Schärfenregulierung ein Zusatzvolumen zur Verschiebung entlang der optischen Achse eines Strahlen gangs notwendig.Conventional lenses are made of glass and are therefore rigid Body. Therefore there is an additional volume for focus adjustment for displacement along the optical axis of a ray necessary.

Ein Verfahren zur Variation der fokalen Distanz optischer Lin sen und optische Linsen, die auf diesem Verfahren beruhen, werden in der FR-PS 1.543.657 beschrieben. Beispielhaft be steht das Okular eines Teleskops aus einer Kammer, die entlang der optischen Achse lichtdurchlässig ist und dort zwei elasti sche, lichtdurchlässige Wände hat. Die Kammer hat eine Verbin dung zu einem auf das Teleskop aufgesetzten Faltenbalg. Dieser so gebildete Hohlraum ist mit einer lichtdurchlässigen Flüs sigkeit gefüllt. Über eine Stellschraube läßt sich der Falten balg zusammendrücken oder auseinanderziehen, so daß die auf der optischen Achse liegenden elastischen Wände nach außen (konvex) gedrückt oder nach innen (konkav) gesogen werden. Auf diese Weise läßt sich der Brennpunkt des System in Grenzen kontinuierlich von reell bis virtuell verstellen.A method of varying the focal distance of optical lines and optical lenses based on this process, are described in FR-PS 1,543,657. Exemplary be stands the eyepiece of a telescope from a chamber that runs along the optical axis is translucent and there two elasti has translucent walls. The chamber has a verb to a bellows placed on the telescope. This thus formed cavity is with a translucent river liquid filled. The folds can be adjusted using an adjusting screw compress or pull the bellows apart, so that the elastic walls lying on the optical axis to the outside (convex) or pulled inwards (concave). On this way the focal point of the system can be limited continuously adjust from real to virtual.

Aus der DE-OS 20 14 732 ist eine kontinuierlich veränderbare Linse bekannt, die klar durchsichtige Scheiben aufweist, von denen mindestens eine aus einem gummielastischen Material be steht. Der Raum zwischen den Scheiben ist mit einer klaren, gegenüber der Umgebung lichtbrechenden Flüssigkeit gefüllt. Ein Behälter ist mit dem Raum zwischen den Scheiben verbunden und ebenfalls mit der Flüssigkeit gefüllt. Dieser Behälter kann nun zusammengedrückt werden, so daß die elastische Scheibe nach außen gewölbt wird. Die Wölbung nimmt kontinuier lich zu oder ab, je nach dem, ob der Behälter zusammengedrückt wird oder sich entspannen kann. From DE-OS 20 14 732 is a continuously changeable Lens known, which has clear transparent lenses, from which be at least one made of a rubber-elastic material stands. The space between the panes is clear, filled with refractive liquid. A container is connected to the space between the panes and also filled with the liquid. This container can now be compressed so that the elastic Disc is arched outwards. The curvature increases continuously Lich up or down, depending on whether the container is compressed will or can relax.

Beide Literaturstellen beschreiben Geräte, die handbedient sind und daher einen entsprechenden Raumbedarf haben. In der Mikrosystemtechnik besteht ein Bedarf in der optischen Signal übermittlung, wo solche voluminöse Anordnungen nicht mehr ein satzfähig sind. Moderne CCD-Video-Kameras z. B. bestehen nur aus einer Platine mit etwa 30 mm Kantenlänge. Zu diesen Kame ras gibt es keine adäquaten Objektive. In Weitwinkelbereichen werden bis heute Fixfokusobjektive benutzt. Eine Schärfenregu lierung oder ein Zoom ist mit gängiger Technologie in der Di mension der Kamera nicht realisiert.Both references describe devices that are operated manually are and therefore have a corresponding space requirement. In the Microsystem technology has a need in the optical signal transmission where such voluminous arrangements no longer exist are capable of sentence. Modern CCD video cameras such. B. only exist from a board with an edge length of about 30 mm. To this came ras there are no adequate lenses. In wide-angle areas Fixed focus lenses are still used today. A focus focus The zooming or zooming is in common with common technology dimension of the camera not realized.

Aus diesem Bedarf heraus ergab sich die Aufgabe, die der Er findung zugrunde liegt, nämlich geeignete optische Systeme für die Mikrosystemtechnik bereitzustellen, die leicht herstellbar und mit geringem Aufwand sicher bedienbar sind. Mit einem sol chen System sollen mindestens zwei diskrete (bistabile) strahloptische Geometrien einstellbar sein.From this need emerged the task that the He is based on the invention, namely suitable optical systems for to provide the microsystem technology that is easy to manufacture and can be operated safely with little effort. With a sol system should have at least two discrete (bistable) beam-optical geometries can be adjustable.

Die Erfindung wird durch die im Anspruch 1 angegebene ver stellbare optische Linse gelöst. Der Grundgedanke ist der, wie der zum Stand der Technik zitierte, nämlich die Abkehr von starren Glaslinsen hin zu Linsen, die elastisch sind, so daß deren Brennweite verstellbar ist.The invention is ver by the specified in claim 1 adjustable optical lens solved. The basic idea is how the cited to the prior art, namely the departure from rigid glass lenses towards lenses that are elastic so that whose focal length is adjustable.

Wie im Anspruch 1 angegeben, ist bei der erfindungsgemäßen Linse in bekannter Weise eine Kammer mit lichtdurchlässiger Flüssigkeit gefüllt. Im Bereich der optischen Achse sind zwei durchsichtige elastische Folien in der Kammerwand eingelassen, die aufgrund einer geschlossenen Sollknickstelle in vorbe stimmte Wölbungen springen. In einem an die Kammer angeschlos senen Reservoir befindet sich nämlich eine Einrichtung, mit der auf die Flüssigkeit der für die Volumenänderung notwendige Druck eingeleitet und aufrechterhalten werden kann, wobei die Folien bei vorgegebenem Überdruck in einen nach außen gewölb ten Zustand springen, während sie bei vorgegebenem Unterdruck in einen nach innen gewölbten Zustand springen.As indicated in claim 1, the invention Lens in a known manner, a chamber with translucent Liquid filled. There are two in the area of the optical axis transparent elastic foils embedded in the chamber wall, due to a closed predetermined kink in agreed to jump bulges. In one connected to the chamber namely its reservoir is a facility with that on the liquid that is necessary for the volume change Pressure can be initiated and maintained, with the Foils with a given overpressure in an outward arch state while jumping at a given negative pressure jump to an inwardly bulging state.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Linse nach Anspruch 1 an.The subclaims give advantageous developments of the lens according to claim 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung mit der einzigen Fig. 1 dargestellt und wird in folgendem näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing with the single Fig. 1 and is explained in more detail below.

Der Grundgedanke ist einfach: Die optisch durchsichtige Flüs sigkeit 3 ist in ein starres Volumen 2, 3 blasenfrei einge füllt und wird entweder erwärmt, unter Druck gesetzt, oder es wird ein kleines Flüssigkeitsvolumen daraus abgesogen oder hineingepreßt. Zwei einander gegenüberliegende Bohrungen 5, 6 oder Öffnungen im Hohlkörper 1 sind je durch eine elastische, optisch durchlässige Folie 7 oder Membran verschlossen, so daß ein lichtdurchlässiger Kanal mit einer geraden optischen Achse 8 besteht.The basic idea is simple: the optically transparent liquid 3 is filled in a rigid volume 2 , 3 without bubbles and is either heated, pressurized, or a small volume of liquid is drawn off or pressed into it. Two mutually opposite bores 5 , 6 or openings in the hollow body 1 are each closed by an elastic, optically permeable film 7 or membrane, so that there is a translucent channel with a straight optical axis 8 .

Fig. 1 zeigt den Aufbau für eine Linse, die bistabile Zu stände einnehmen kann. Das wird durch die Sollknicklinie 9 entlang des Randes der Bohrung an der jeweiligen Folie 7 er reicht. Bei einem gewissen Überdruck im Hohlkörper 1 und Reservoir 2 springt die Folienwölbung nach außen, bzw. ab ei nem gewissen Unterdruck nach innen. Bei geeigneter Dimensio nierung der Folie lassen sich auch tristabile Zustände der Fo lie erreichen. Das kann durch Sollknickstellen an den beiden Folien erzielt werden, die bei verschiedenen Innendrücken um springen. Fig. 1 shows the structure for a lens that can take bistable states. That is through the predetermined crease line 9 along the edge of the bore on the respective film 7, it extends. With a certain overpressure in the hollow body 1 and reservoir 2 , the film curvature jumps outwards, or inwards from a certain underpressure. If the film is suitably dimensioned, tristable states of the film can also be achieved. This can be achieved by kinking the two foils, which jump around at different internal pressures.

Die volumenändernde bzw. druckausübende Einrichtung 4 ist im Prinzip eine der in Anspruch 3 angegebenen. Die Auswahl wird von der vorgesehenen technischen Lösung bestimmt.The volume-changing or pressure-exerting device 4 is in principle one of those specified in claim 3. The choice is determined by the proposed technical solution.

Linsensysteme in dieser Ausführung haben den Vorteil, daß zum Zwecke der Einstellung kein axiales Stellvolumen vorhanden sein muß, da das mechanische Verstellen eines starren Glaskör pers wie bei klassischen Optiken entfällt.Lens systems in this version have the advantage that No axial positioning volume available for the purpose of adjustment must be, since the mechanical adjustment of a rigid glass body pers as with classic optics is eliminated.

BezugszeichenlisteReference list

1 Hohlkörper
2 Vorratsbehälter, Reservoir
3 Flüssigkeit
4 Einrichtung
5 Bohrung
6 Bohrung
7 Folie, Membran
8 optische Achse
9 Sollknicklinie 1 hollow body
2 storage containers, reservoir
3 liquid
4 establishment
5 holes
6 hole
7 foil, membrane
8 optical axis
9 nominal bending line

Claims

1. Adjustable optical lens

- With a volume-limited hollow body ( 1 ), the two on an axis ( 8 ) lying at a predetermined distance to each other arranged holes ( 5 , 6 ) with predetermined diameters, each of which is closed with an optically transparent and elastic film ( 7 ) which has a predetermined crease line ( 9 ) along the edge of the bore,
- With a on the hollow body ( 1 ) connected Reser voir ( 2 ), which contains a bubble-free, optically transparent liquid, and
- With a device ( 4 ) for changing the pressure of the liquid in the hollow body ( 1 ),
- The foils ( 7 ) jump at a predetermined overpressure in the hollow body ( 1 ) along their predetermined bending lines in an outwardly curved state, while they jump at a predetermined negative pressure along their desired folding lines in an inwardly curved state.

2. Adjustable optical lens according to claim 1, in which the predetermined kinks of the films ( 7 ) are designed such that the films ( 7 ) jump at different pressures in the hollow body ( 1 ).

3. Adjustable optical lens according to claim 1 or 2, wherein the device ( 4 ) for changing the pressure in the hollow body is a thermal device such as a heating wire, a volume changing device such as a piezo crystal or a liquid-introducing or suctioning device such as a pump .

4. Adjustable optical lens according to one of the preceding claims, in which the two elastic films ( 7 ) with the liquid-filled hollow body ( 1 ) form a microlens.