DE2817525A1 - Optisches system mit variabler brennweite - Google Patents

Optisches system mit variabler brennweite

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DE2817525A1
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Description

DB.-ING. TIPL-ΙΓ Γ. M. S". Π"| THYS. DH. DIPL.-PHYS.
HÖGER - STElLFJECHT - GRIESSBACH - HAECKER
PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
A 42 839 m Anmelder: Fa. QUANTEL S.A.
m - 168 17, Avenue de l'Atlantiqu
12. April 197 8 Z. I. 91400 ORSAY
Frankreich
Beschreibung
Optisches System mit variabler Brennweite
Die Erfindung betrifft ein optisches System mit variabler Brennweite, insbesondere Linsen und rückstrahlende Systeme.
In den französischen Patentanmeldungen 77 12 799 und 77 12 800 der Anmelderin sind Anwendungen piezoelektrischer Materialien zur Realisierung optischer Elemente mit veränderlicher Brennweite, beispielsweise Spiegel und Linsen, beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Linse mit variabler Brennweite sowie ein catadioptrisches System mit veränderlicher Brennweite als bevorzugte Ausführungsform zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische System eine wenigstens teilweise aus transparentem Material gefertigte, mit einem Adaptionsmedium für den Brechungsindex gefüllte Küvette umfaßt, bei der wenigstens eine von der optischen Achse des Systems durchsetzte Wand eine piezoelektrische Doppelschicht enthält, und daß die Krümmung dieser Wand in Abhängigkeit von einer an die Doppelschicht angelegten elektrischen Spannung modifizierbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die aus piezoelektrischem Material bestehende Doppelschicht aus transparenten Bestandteilen gebildet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Doppelschicht aus undurchsichtigen, piezoelektrischen Materialien, wobei die erwähnte Wand eine Schicht oder Lamelle aus transparentem Material umfaßt, auf welcher die Doppelschicht befestigt ist. Dabei ist in der Doppelschicht ein Fenster für den Durchtritt des Lichtes ausgespa it.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Linse mit veränderlicher Brennweite;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines rückstrahlenden oder catadioptrischen, plankonkaven Systems mit veränderlicher Brennweite;
Fig. 3 eine Ansicht eines rückstrahlenden, plankonvexen Systems mit veränderlicher Brennweite;
Fig. 4 eine Ansicht eines rückstrahlenden, bikonvexen Systems mit zwei Elementen veränderlicher Krümmung ;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines catadioptrischen Systems mit zv/ei Elementen variabler K lümmung,
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von denen eines bikonkav ist;
Fig. 6 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform
eines catadioptrischen Systems ähnlich demjenigen in Fig. 5 und
Fig. 7 eine Ansicht eines konkav-konvexen, rückstrah-
lenJen Systems mit zwei Elementen veränderlicher Krümmung.
Die in Fig. 1 dargestellte Linse umfaßt eine Küvette 1 aus transparentem Material, deren Wände 2 und 3 von der optischen Achse X-X der Linse durchsetzt v/erden.
Die Wand 2 der Küvette wird von einer Schicht oder Lamelle 4 aus transparentem Maberial gebildet, auf welcher eine BiIarnelle oder Doppelschicht 5 aus piezoelektrischem Material befestigt ist, wobei die Doppelschicht aus den beiden Elementen 6 und 7 besteht. Die transparente Lamelle 4 besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid.
Elektroden 8, 9, 10 sind an den Elementen 6 und 7 der Dopoelschicht 5 sowie an der Trennfläche zwischen diesen Elementen befestigt.
Im Mittelteil der Wand 2, welcher die optische Achse X-X umgibt, ist in der Doppelschicht 5 ein Fenster 11 derart ausgespart, daß das Licht die Wand 2 durchdringen kann.
Die so gebildete Wand 2 ist schließlich an der Küvette unter Zwis chens ch al tung einer Dichtungsverbindung 12 befestigt:.
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Die Küvette 1, deren der Wand 2 gegenüberliegende Wand 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel plan ist, ist mit einem Adaptionsmedium 13 für den Brechungsindex gefüllt, bei dem es sich um eine gelatinöse Substanz, eine Flüssigkeit oder eine andere Substanz, beispielsweise um Silikonöle handeln kann.
Die Linse umfaßt weiterhin eine Expansionskammer 14, die mit der Küvette 1 kommuniziert.
Bei der dargestellten Ausfuhrungsform ist die Viand 3 der Linse plan. Es 'wird erfindungsgemäß jedoch auch in Betracht gezogen, dieser Wand eine bestimmte Krümmung zu geben.
Sie kann gegebenenfalls auch von einer Wand analog zur Wand 2 gebildet sein.
Wenn an die Elektroden 8, 9 und 10 der Wand 2 eine elektrische Spannung angelegt wird, verformt sich die Doppelschicht 5 und ruft eine Krümmung der Lamelle 4 hervor, die mit dem Potentialunterschied an den Elektroden der Doppelschicht 2 variiert und ihrerseits eine Variation der Brennweite der Linse erzeugt.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Lamelle 4 an einer freien Fläche der aus den Bestandteilen 6, 7 bestehenden Doppelschicht 5 befestigt.
Die Lamelle 4 kann bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen angeordnet werden, wobei beide Elemente wiederum mit einem Fenster für den Lichtdurchtritt
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versehen werden.
Die Wand 2 kann ferner auch von einem einzigen piezoelektrischen Element gebildet sein, welches mit einer Lamelle aus transparentem Material verbunden ist, welches keine piezoelektrischen Eigenschaften besitzt.
Wenn schließlich die verwendeten, piezoelektrischen Materialien transparent sind, kann die Wand 2 der Linse in einfacher Weise lediglich aus der Doppelschicht 5 bestehen. Die transparente, biegsame Lamelle 4 wird dann überflüssig.
Das in Fig. 2 dargestellte catadioptrische oder rückstrahlende System umfaßt eine Küvette 15, die von einer Seitenwand 16 und zwei Stirnwänden 17 und 18 gebildet ist. Die erste Stirnwand 17 besteht aus einem starren, transparenten Material mit einem ersten Brechungsindex n1, während die zweite Stirnwand 18 von einer Doppelschicht aus piezoelektrischem Material besteht und von zwei Elementen 19 und 20 gebildet ist, die durch eine Schicht 21 aus elektrisch leitendem Material voneinander getrennt sind. Diese Schicht 21 bildet eine erste Elektrode für die Spannungsversorgung der Doppelschicht. Die freie Fläche des Elementes 19 trägt eine zweite Elektrode 22, wobei eine Spannungsquelle 23 mit Anschlüssen der Elektroden 21 und 22 verbunden ist.
Die so aufgebaute Küvette ist mit einem Adaptionsmedium 24 für den Brechungsindex gefüllt, das beispielsweise eine gelatinöse Substanz, eine Flüssigkeit oder eine andere Substanz, beispielsweise Silikonöl, sein kann. Die Oberfläche des Elements 20 der piezoelektrischen Doppelschicht ist mit einer Schicht 25 aus reflektierendem Material bedeckt.
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Das in Fig. 2dargestellte System bildet somit eine Linse mit veränderlicher Brennweite, die von dem in der Küvette enthaltenen Medium 24 und einem Spiegel mit variabler Brennweite gebildet ist, wobei der Spiegel mit variabler Brennweite aus der mit der reflektierenden Schicht 25 bedeckten, piezoelektrischen Doppelschicht der Wand 18 besteht.
Wenn die Dicke der starren Wand 17 der Küvette nicht vernachlässigbar ist, und wenn der Brechungsindex n., dieser Wand vom Brechungsindex n2 des Mediums 24 verschieden ist, kann das System auch so aufgefaßt werden, als enthielte es außerdem eine Lamelle oder Schicht mit parallelen Flächen, die von der Wand 17 gebildet ist.
Man erhält auf diese Weise ein Rückstrahlsystem, welches einfallende Strahlen I1 ablenkt, um sie, wie in Fig. 2 dargestellt, in reflektierte Strahlen R- umzuwandeln.
Die Ablenkung der Lichtstrahlen, welche von der Wand 17 hervorgerufen wird, hängt von den relativen Unterschieden der Brechungsindizes no der Luft, n.. des die Wand 17 bildenden Materials und n2 des Mediums 24 ab.
Das in Fig. 2 dargestellte System umfaßt schließlich noch eine Expansionskammer 25, die mit der Küvette 15 in Verbindung steht.
Bei dem System gemäß Fig. 3 handelt es sich um eine zu dem System der Fig. 2 analoge Konstruktion mit Ausnahme der Tatsache, daß anstelle eines Konkavspiegels mit variabler Brennweite ein Konvexspiegel mit variabler Brennweite getreten ist. Dieser Konvexspiegel besteht aus einer piezoelektrischen
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Doppelschicht 2G aus den beiden Elementen 27, 28, die in konkaver Form gegen das Innere der Küvette gerichtet sind. Das innere Element 23 trägt auf seiner mit dem Adaptionsmedium in Kontakt stehenden Fläche eine Beschichtung 29 aus reflektierendem Material. Das übrige System weist einen analogen Aufbau wie das System gemäß Fig. 2 auf und wird daher im einzelnen nicht mehr beschrieben.
Das auf diese Weise gebildete, plankonkave catadioptrische System verwandelt einfallende Strahlen I- in der dargestellten Weise in reflektierte Strahlen R2.
Bei den beiden, soeben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die starre, transparente Wand der Küvette, die der von der piezoelektrischen Doppellamelle gebildeten Wand gegenüberliegt, plan. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Wand jedoch auch konkav oder konvex sein.
Das in Fig. 4 dargestellte, rückstrahlende System unterscheidet sich von den im voranstehenden beschriebenen Systemen dadurch, daß es durch den Zusammenbau zweier piezoelektrischer Elemente 30,31 mit variabler Krümmung gebildet ist. Die beiden Elemente 30 und 31 sind an einem Ring 32 befestigt, der die Seitenwand des Systems bildet und mit einer Expansionskammer 33 versehen ist. Die piezoelektrische Doppelschicht 30 besteht bei dieser Ausführungsform aus den beiden konvexen Elementen 34 und 35, die gegen das Äußere des Systems gerichtet und von einer Schicht 36 aus elektrisch leitendem Material getrennt sind. Die Schicht 3 6 ist mit einer ersten Anschlußklemme für die Doppelschicht verbunden. Die freie Oberfläche des Elementes 34 trägt eine weitere Anschlußelektrode 37. Die auf diese Weise gebildete Doppelschicht wird von
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einer ersten Spannungsquelle 3 8 mit Spannung versorgt.
Die zweite Doppel%chicht 31 umfaßt eine Schicht oder Lamelle 39 aus transparentem Material, die auf einem Element 40 aus piezoelektrischem Material befestigt ist. In dem die optische Achse des Systems umgebenden Bereich ist aus dem Element 40 ein Fenster 41 für den Durchtritt des Lichtes ausgespart.
Die beiden Elemente 3 9 und 40 sind ebenfalls in konvexer Form gegen die Außenseite des Systems hin gerichtet. Die beiden Elemente sind von einer elektrisch leitenden Schicht 44 getrennt. Das piezoelektrische Element 40 trägt auf seiner freien Oberfläche eine Elektrode 45, die zusammen mit der Schicht 44 die Elektroden der Doppelschicht 31 für den Anschluß an eine zweite Spannungsquelle 46 bildet.
Die Oberfläche der ersten Doppelschicht 30, welche mit dem Adaptionsmedium 43 in Kontakt ist, ist mit einer Schicht 47 aus reflektierendem Material bedeckt.
Das soeben beschriebene System bildet somit eine Linse mit veränderlicher Brennweite, die von dem in der Küvette 42 enthaltenen Medium 43 gebildet wird, wobei die Linse von den beiden Doppelschichten 30 und 31 mit veränderlichen Krümmungen begrenzt ist und ein Spiegel mit veränderlicher Brennweite vorgesehen ist, der von der mit der reflektierenden Schicht 47 versehenen Doppelschicht 30 gebildet ist. Dieses System ist daher ebenso wie die beiden vorangehenden Systeme ein Rückstrahlsystem.
Das in Fig. 5 dargestellte System ist weitgehend dem System gemäß Fig. 4 ähnlich und wird daher nicht in allen Einzel-
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heiten mehr beschrieben.
Das System gemäß Fig. 5 umfaßt eine Doppelschicht 43, die konvex in das Innere des Systems gerichtet ist, während die der Doppelschicht 31 in Fig. 4 entsprechende Schicht konvex nach außen gekehrt ist. Die Doppelschicht 48 umfaßt ein Element 49 aus transparentem Material, auf dem ein Element 50 aus piezoelektrischem Material angeordnet ist. Im Element 50 ist wieder für den Lichtdurchtritt ein Fenster 51 ausgespart.
Das System gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 4 lediglich dadurch, daß es eine piezoelektrische Doppelschicht 52 enthält, die einen Spiegel mit veränderlicher Brennv/eite bildet, jedoch konkav nach außen gekehrt ist, während die entsprechende Doppelschicht des Systems gemäß Fig. 4 konkav nach innen gekehrt ist. Im übrigen ist das System gemäß Fig. G analog zu demjenigen der Fig. 4.
Das in Fig. 7 dargestellte System umfaßt zwei piezoelektrische DoppeIschichten 53 und 54, die konkav nach außen gekehrt sind. Diese Doppelschichten sind mit einer ringförmigen Seitenwand
55 zusammengefügt, die ihrerseits mit einer Expansionskammer
56 ausgestattet ist. Die beiden Doppelschichten und die Seitenwand 55 bestimmen eine Kammer 57, die, wie in den vorhergehenden Fällen, ein Adaptionsmedium 58 für den Brechungsindex enthält. Die Doppelschichten 53 und 54 sind ebenso aufgebaut, wie die im voranstehenden beschriebenen, entsprechenden Doppelschichten. Die Doppelschicht 53 bildet einen Spiegel mit variabler Brennweite und trägt eine Schicht 59 aus reflektierendem Material, während die Doppelschicht 54 ein Element 60 aus transparentem Material enthält, das an einem piezoelektrischen Element 61 befestigt ist. Das Element 61
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ist in seinem Mittelteil wieder mit einem Fenster 62 versehen, um das Licht durchtreten zu lassen.
Das auf diese Weise gebildete System bildet ein bikonkaves, rückstrahlendes, optisches System mit variabler Brennweite.
Bei den in Fig. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind die piezoelektrischen Elemente der Doppelschichten, welche das Licht durchtreten lassen, auf der Außenseite des in der Küvette des Systems enthaltenen Mediums angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Element jedoch auch in Kontakt mit diesem Medium stehen, d.h. auf der Innenseite der Küvette angeordnet sein.
Im übrigen kann dieses piezoelektrische Element durch eine Doppelschicht ersetzt sein, die aus zwei piezoelektrischen Elementen gebildet ist und auf welcher eine transparente Schicht oder Lamelle befestigt ist. Die beiden Elemente der Doppelschicht werden in diesem Fall mit einem Fenster für den Lichtdurchtritt versehen.
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Claims (1)

  1. DR.-ING. OIPI .-ΙΓ'(Ϊ. M. SC. Dt=I BHYS. DR. DIPL.-PHYS.
    HÖGER - STELLRECHT - GRIFiSSBACH - HAECKER
    PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
    A 42 839 m Anmelder: Fa. QUANTEL S.A.
    m - 168 17, Avenue de l'Atlantiqi:
    12. April 197 8 Z.T.. 91400 ORSAY
    Frankreich
    Patentansprüche :
    1. Optisches System mit variabler Brennweite, dadurch gekennzeichnet, daß es eine wenigstens teilweise aus transparentem Material gefertigte, mit einem Adaptionsmedium (13) für den Brechungsindex gefüllte Küvette (1) umfaßt, bei der wenigstens eine von der optischen Achse (X-X) des Systems durchsetzte Wand (2) eine piezoelektrische Doppelschicht (5) aufv/eist, und daß die Krümmung der Wand (2) in Abhängigkeit von einer an die Doppelschicht (5) angelegten, elektrischen Spannung modifizierbar ist.
    2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Doppelschicht aus transparentem Material besteht.
    3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Doppelschicht (5) wenigstens eine Schicht (6, 7) aus lichtundurchlässigem Material enthält, daß eine Lamelle (4) aus lichtdurchlässigem Material vorgesehen ist, und daß in der Doppelschicht (5) ein Fenster (11) für den Lichtdurchtritt ausgespart ist.
    4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (39) aus lichtdurchlässigem Material ein Bestandteil der piezoelektrischen Doppelschicht (31) ist.
    5. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
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    m - 168 - 2 - 281 /525
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    daß die lichtdurchlässige Lamelle (4) an einer freien Oberfläche eines der die piezoelektrische Doppelschicht (5) bildenden Bestandteile (6, 7) befestigt ist.
    6. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Lamelle (4) zwischen den die Doppelschicht (5) bildenden Bestandteilen (6, 7) aus piezoelektrischem Material befestigt ist.
    7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (1) eine Expansionskammer (14) für das Adaptionsmedium (13) aufweist.
    8. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Linse mit veränderlicher Brennweite darstellt.
    9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem in der Küvette (15, 42, 57) befindlichen Adaptionsmedium (24, 43, 58) in Kontakt stehende Oberfläche der piezoelektrischen Doppelschicht (18, 26, 30, 52, 53) reflektierend ausgebildet ist und das System damit rückstrahlend wirkt.
    10. System nach Anspruch 9, dadurch-gekennzeichnet, daß die reflektierend ausgebildete Oberfläche der Doppelschicht (13, 26, 30, 52, 53) eine Schicht (25, 29, 47, 59) aus reflektierendem Material umfaßt, die auf demjenigen Element der Doppelschicht abgeschieden ist, welches in Kontakt mit dem Adaptionsmedium (24, 43, 58) steht.
    11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
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    A 42 839 m 001«.L «c
    m-163 -3- Zo 1 /02b
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    daß die Küvette (15) auf der der Doppelschicht (18, 26) gegenüberliegenden Seite eine starre, transparente Wand (17) aufweist.
    12. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (42) auf der der Doppelschicht (30, 52, 53) gegenüberliegenden Seite eine zweite, piezoelektrische Doppelschicht (31, 48, 54) mit veränderlicher Krümmung aufweist, und daß wenigstens ein von der optischen Achse des Systems durchsetzter Teilbereich (41, 51, 62) dieser zweiten Doppelschicht lichtdurchlässig ausgebildet ist.
    13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, piezoelektrische Doppelschicht (31, 48, 54) wenigstens einen Bestandteil (40, 50, 61) aus lichtundurchlässigem Material umfaßt, daß eine Lamelle oder Schicht (39, 49, 60) aus lichtdurchlässigem Material vorgesehen ist, und daß in dem lichtundurchlässigen Bestandteil ein Fenster (41 , 51, 62) für den Lichtdurchtritt ausgespart ist.
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    -4-
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