DE2916192C2

DE2916192C2 -

Info

Publication number: DE2916192C2
Application number: DE2916192A
Authority: DE
Inventors: Georges Verrieres Le Buisson Fr Bret; Guy Paris Fr Michelet
Original assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Current assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1988-06-23
Also published as: US4407567A; FR2425085A1; GB2020445A; DE2916192A1; GB2020445B; JPS54146648A; JPS6150281B2; FR2425085B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit variabler Brennweite.

Aus App. Opt. 1975, 1297-1302 ist ein Spiegel mit einer piezo elektrischen Doppelschicht bekannt, die variabel gekrümmt wer den kann. Optische Systeme mit variabler Brennweite wurden be reits in der DE-OS 28 17 525 vorgeschlagen.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf optische Systeme mit variabler Brennweite, insbesondere auf Objektive mit variab ler Brennweite, die gewöhnlich "Zoom" genannt werden.

Diese Objektive sind optische Komplexe oder Kombinationen, welche gleichzeitig konvergente und divergente optische Ele mente (Diopter) umfassen, deren Krümmungen bei den bekannten Objektivausführungen ein für alle Mal durch die ursprüngliche Bearbeitung der Elemente festgelegt ist.

Um bei diesen optischen Komplexen Variationen der Brennweite zu erzielen, ist es erforderlich, bestimmte optische Elemen te bezüglich anderer, die ortsfest gehalten sind, zu verschie ben.

Bei den bekannten dioptrischen Komplexen ist es äußerst schwie rig, sich von Aberrationen des Chromatismus, des Stigmatis mus und der Sphärizität über den gesamten Variationsbereich der Brennweiten hinweg freizumachen.

Außerdem werden bei den bekannten Objektiven veränderlicher Brennweite optische Elemente, beispielsweise Linsen verwendet, deren Herstellung eine hochentwickelte Technik erfordert, wo durch diese Objekte höchst kostspielig werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mängeln abzu helfen und ein Objektiv mit variabler Brennweite zu schaffen, welches bei gleicher Leistungsfähigkeit wie die bekannten Objektive einen einfacheren Aufbau hat und kostengünstiger herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale ge löst:
wenigstens zwei, piezoelektrische Doppelschichten umfassende optische Elemente veränderlicher Brennweite,
wenigstens eine elektrische Spannungsquelle zur Speisung der Doppelschichten und
elektronische Steuermittel zur Steuerung der Speisespannung der Doppelschichten in den jeweiligen optischen Elementen in Abhängigkeit von der gewünschten Objektivvergrößerung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Spiegel veränder licher Brennweite.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Linsen veränderlicher Brennweite.

Bei wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung be stehen die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einem Spiegel oder einem catadioptrischen System veränderli cher Brennweite und einer Linse veränderlicher Brennweite.

Gemäß einem weiteren charakteristischen Merkmal der Erfindung sind die optischen Elemente veränderlicher Brennweite rela tiv zueinander mit konstantem oder veränderbarem Abstand an geordnet.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeich nung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Prinzip eines Objektivs mit variabler Brennweite gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schaubildliche, teilweise aufgebrochene Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Objektes mit variabler Brennweite;

Fig. 3 ein Schaltschema für die elektronischen Steuermittel des Objektivs aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schaubildliche Teilansicht von Mitteln zur axialen Verstellung eines optischen Elementes des Objektivs aus Fig. 2;

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer anderen Ausführungs form eines Objektivs mit variabler Brennweite;

Fig. 6 das optische Schema eines anderen Objektivs;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Objektivs mit variab ler Brennweite, welches aus Linsen veränderlicher Brennweite besteht;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Objektivs, welches aus einer Linse und einem Spiegel veränderlicher Brennweiten gebildet ist;

Fig. 9 eine Teilansicht einer Variante des Objektivs aus Fig. 8 mit einem catadioptrischen System;

Fig. 10 bis 13 graphische Darstellungen des Speisespannungs verlaufs bei einem Objektiv mit variabler Brenn weite in Abhängigkeit von den gewünschten Vergröße rungen, wobei als optische Elemente im Objektiv ver wendete Spiegel eine vorbestimmte Dicke haben und verschiedene Entfernungen zwischen Objekt und Objek tiv angenommen sind;

Fig. 14 eine entsprechende graphische Darstellung wie in Fig. 13, jedoch für Spiegel mit zwei verschiedenen Dicken;

Fig. 15 entsprechende Kurven wie in Fig. 13 und 14 für ein Objektiv mit variabler Brennweite, dessen einer Spiegel im nicht angeregten Zustand einen von Null verschiedenen Krümmungsradius besitzt, und

Fig. 16 Kurven ähnlich denen in Fig. 10 bis 13 auf linear graduiertem Papier, aus denen sich die Einfachheit der Beziehungen ergibt, welche die Anregungsspannung mit der resultierenden Vergrößerung verbindet.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Objektiv mit variabler Brennweite gemäß der Erfindung, welches aus zwei Spiegeln M₁ und M₂ mit den Scheitelpunkten S₁ bzw. S₂ gebildet ist. Die Krüm mungsmittelpunkte und die Brennpunkte der Spiegel M₁ und M₂ sind mit C₁, F₁ bzw. C₂, F₂ bezeichnet. S₁S₂ ist die Ent fernung zwischen den Scheitelpunkten der beiden Spiegel, S₁A ist die Position eines Objekts mit Bezug auf den Spie gel M₁, von dessen Scheitel aus gemessen. AB ist das zu be obachtende Objekt, A′ B′ ist das vom Spiegel M₁ vom Objekt AB gelieferte Bild und A′′ B′′ ist das vom Objektiv insgesamt erzeugte Bild des Objekts AB.

| γ₁ | ist der transversale Vergrößerungsmodul des Spiegels M₁

| γ₂ | ist der transversale Vergrößerungsmodul des Spiegels M₂

| γ _R | ist der Gesamtvergrößerungsmodul des optischen Systems mit variabler Brennweite

| q _R | = | γ₁ | · | γ₂ |

Bei den Spiegeln M₁ und M₂ des in Fig. 1 dargestellten Ob jektivs mit variabler Brennweite handelt es sich um Spiegel veränderlicher Brennweite, wie sie in den französischen Patentanmeldungen Nr. 77 12 799 und 77 12 800 vom 27. April 1977 erläutert sind.

Wie in diesen Anmeldungen beschrieben, umfassen die Spiegel jeweils eine Bilamelle oder Doppelschicht, von der zumindest ein Bestandteil aus piezoelektrischem Material besteht. Eine freie Seite der Doppelschicht trägt die reflektierende Ober fläche des Spiegels. Die Doppelschicht wird von einer Gleich spannungsquelle gespeist.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt die Bildebene des Objektivs im Scheitel S₁ des Spiegels M₁.

Durch Variationen der Krümmungen der Spiegel M₁ und M₂ und Aufrechterhaltung einer konstanten Entfernung zwischen Ge genstandsebene AB und Bildebene A′ B′ ist es möglich, die transversale Vergrößerung des Objektivs zu variieren. Die Veränderung der Krümmungen der Spiegel M₁ und M₂ wird da durch erhalten, daß man die elektrischen Spannungen, die durch die jeweiligen Spannungsquellen an die Spiegel angelegt sind, verändert.

Das in Fig. 2 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite besteht aus einer rohrförmigen Fassung 1, an deren einem En de ein erster Spiegel M₁ veränderlicher Brennweite angeord net ist, der von einer zentralen Öffnung 2 durchbrochen ist. Diese Öffnung 2 dient der Ausbildung des vom Objektiv ge lieferten Bildes. Am gegenüberliegenden Ende der Fassung 1 ist ein zweiter Spiegel M₂ kleineren Durchmessers als der Spiegel M₁ angeordnet und mittels Streben 3 koaxial an der Fassung befestigt. Die Streben 3 schließen jeweils Winkel von 120° zwischen sich ein und sind einerseits mit der Fassung 1 und andererseits mit einem Teil 4 fest verbunden, welches an der nicht reflektierenden Seite des Spiegels M₂ befestigt ist.

Die Spiegel M₁ und M₂ sind über Leitungen 5 und 6 mit einem Steuergehäuse 7 verbunden, welches eine Hochspannung lie fernde Spannungsquelle enthält, die ausgehend von einer klei nen (nicht dargestellten) Batterie von beispielsweise 1,5 V eine Gleichspannung liefert, deren Wert zwischen 0 und 1100 V variieren kann. Das Gehäuse 7 enthält weiterhin elektroni sche Steuermittel, die nachstehend beschrieben werden und dazu dienen, den beiden Spiegeln M₁ und M₂ die jeweiligen Spannungen zu liefern, deren Werte derart koordiniert sind, daß man die gewünschte Vergrößerung des Objektivs erhält. Ferner weist das Gehäuse 7 einen Knopf 8 zur Einstellung der Brennweite des Objektivs, einen Knopf 9 zur Ein- und Aus schaltung sowie einen Knopf 10 zur Einstellung der Entfer nung auf.

Die im Gehäuse 7 enthaltenen, elektronischen Steuermittel sind in Fig. 3 dargestellt. Sie umfassen im wesentlichen einen Kleinrechner 11, welcher einen Mikroprozessor enthält und dessen einer Eingang über eine Steuerschaltung 12 mit dem Knopf 8 verbunden ist. Der Knopf dient über die Steuer schaltung 12 der Regulierung der Objektivvergrößerung im Sinne eines "Zoom"-Objektivs. Ein anderer Eingang des Kleinrechners 11 ist über eine Steuerschaltung 13 für die Entfernungsein stellung mit dem Knopf 10 verbunden. Der Kleinrechner 11 weist zwei Ausgänge auf, die über eine Zwischenschaltung 14 mit den beiden Eingängen einer elektrische Hochspannung lie fernden Speisespannungsquelle 15 verbunden ist. Die Speise spannungsquelle weist zwei Ausgänge 16 und 17 auf, an die die Spiegel M₁ bzw. M₂ angeschlossen werden, um an sie die den gewünschten Vergrößerungen entsprechenden Spannungen V₁, V₂ anlegen zu können.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 umfaßt schließlich noch eine An zeigevorrichtung 11 a für die Brennweite und eine weitere An zeigevorrichtung 11 b für die Anzeige der Objektentfernung. Beide Anzeigen 11 a und 11 b sind mit dem Kleinrechner 11 ver bunden.

Die Anzeigevorrichtungen bestehen vorzugsweise aus Digital anzeigen auf der Basis von Flüssigkristallen, insbesondere des nematischen Typs.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die bei den Spiegel M₁ und M₂ relativ zueinander ortsfest gehalten. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es mög lich, wenigstens einen der Spiegel im Inneren der Fassung 1 verschieblich auszubilden.

Fig. 4 zeigt eine Teilansicht eines Objektivs mit variabler Brennweite, bei dem der Spiegel M₂ axial verschieblich ist.

Bei dieser Ausführungsform ist der Spiegel M₂ auf einer Achse 18 befestigt, die an ihrem anderen Ende eine Manschette 19 trägt. Die Manschette 19 ist in einer Muffe 20 gleitver schieblich, die ihrerseits über Streben 21 an der Fassung des nicht dargestellten Objektivs befestigt ist. Für große Verschiebungen des Spiegels M₂ ist in der Muffe 20 ein Mikro motor 22 angeordnet, dessen Ausgangswelle 23 mit Gewinde versehen ist und mit einem Innengewinde in der Manschette 19 zusammenwirkt, um eine axiale Verschiebung der letzteren und damit des Spiegels M₂ zwischen zwei Extremstellungen hervorzurufen. Die eine dieser Extremstellungen ist in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt. Der Spiegel M₂ ist über dehn bare Leiter 24 mit einer nicht dargestellten Speisespannungs quelle verbunden.

Zur Ausführung kleiner und selbst großer Verschiebungen von etwa 10 cm kann der Mikromotor 22 auch durch einen Stapel piezoelektrischer Keramikelemente ersetzt werden, welche die Längsverschiebung des Spiegels M₂ bewirken.

Das in Fig. 2 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite arbeitet auf seiner optischen Achse XX.

Das in Fig. 5 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite arbeitet außerhalb seiner Achse. Dieses Objektiv umfaßt, ebenso wie das im voranstehenden beschriebene Objektiv, eine rohrförmige Fassung 30, an deren einem Ende ein erster Spie gel M₁ veränderlicher Brennweite angeordnet ist. Die Fassung 30 weist einen hohlen, seitlich vorspringenden Ansatz auf, der ein Gehäuse 31 bildet, das relativ zur Fassung 30 schräg verläuft und an dessen Ende gegenüber dem ersten Spiegel M₁ der zweite Spiegel M₂ des Objektives angeordnet ist.

In einer Seitenwand des Gehäuses 31 ist ein Fenster 33 aus gespart, aus dem das vom Spiegel M₂ reflektierte Licht aus tritt. Dieses austretende Licht liefert schließlich das vom Objektiv erzeugte Bild außerhalb der Fassung. Die optischen Achsen der Spiegel M₁ und M₂ sind mit dem gleichen Winkel gegenüber der Achse der Fassung 30 geneigt.

Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 umfaßt auch das in Fig. 5 dargestellte Objektiv elektronische Steuer- und Speisemittel für die Spiegel M₁ und M₂, die im Gehäuse 31 angeordnet sind. Das Gehäuse 31 trägt ebenfalls wieder einen Ein- und Ausschaltknopf 34, einen Knopf 35 zur Regu lierung des "Zoom"-Effekts und einen Knopf 36, mit dem das Objektiv auf das zu beobachtende Objektiv eingestellt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 verläuft das Ausgangs bündel des Objektivs parallel zur optischen Achse des Spiegels M₁. Die Richtung dieses Strahlenbündels kann je doch auch in anderer Weise verlaufen. Das in Fig. 6 darge stellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt außer den beiden Spiegeln M₁ und M₂ veränderlicher Brennweiten einen Planspiegel M₃, der dazu dient, das vom Spiegel M₂ herkom mende Licht in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Systems zu reflektieren. Auch dieses Objektiv arbeitet außerhalb seiner optischen Achse.

Das in Fig. 7 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt keine Spiegel mehr, sondern statt dessen Linsen ver änderlicher Brennweiten. Bei der dargestellten Ausführungs form sind drei Linsen L₁, L₂ und L₃ vorgesehen. Jede Linse weist eine Küvette 40 auf, von der wenigstens eine Wand 41 aus transparentem Material besteht, während die gegenüber liegende Wand 42 aus einer Lamelle 43 aus durchsichtigem, biegsamen Material besteht, auf das eine piezoelektrische Doppelschicht 44 aufgeklebt ist. Die Doppelschicht 24 ist in ihrem Mittelbereich, der die optische Achse des Systems umgibt, mit einem Fenster 45 für den Lichtdurchtritt verse hen. Die Küvette 40 ist schließlich mit einem der Adaption des Brechungsindex dienenden Medium 46 gefüllt. Die Doppel schicht 44 wird durch eine Spannungsquelle 47 gespeist.

Eine Linse dieser Art ist in der französischen Patentanmel dung Nr. 77 12 801 vom 27. April 1977 beschrieben. Die Span nungsquellen der Linsen L₁, L₂ und L₃ sind mit elektronischen Steuer- und Speisemitteln verbunden, die dazu dienen, die für die gewünschten Linsenkrümmungen erforderlichen Span nungen zu liefern. Diese Spannungen müssen an die jeweiligen Doppelschichten der Linsen angelegt werden, um eine bestimm te Vergrößerung des Objektivs zu erhalten.

Das in Fig. 8 dargestellte Objektiv mit variabler Brennweite umfaßt eine Linse L₁ veränderlicher Brennweite des oben be schriebenen Typs und einen Spiegel M₂ veränderlicher Brenn weite, der auf der optischen Achse der Linse L₁ angeordnet ist. Ein weiterer, ebener Spiegel M₃ liegt im Strahlenver lauf des vom Spiegel M₂ reflektierten Bündels derart, daß eine Ausbildung des vom Objektiv gelieferten Bildes in einer Ebene senkrecht zur optischen Objektivachse gewährleistet ist. Die Linse L₁ und der Spiegel M₂ sind bei dieser Ausfüh rungsform von der gleichen Art wie die Elemente, die bei den voranstehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Sie wei sen jeweils eine piezoelektrische Doppelschicht auf, die der Veränderung ihrer Krümmung dient. Die Doppelschicht wird aus einer zugeordneten elektrischen Spannungsquelle gespeist. Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und 8 sind die Span nungsquellen jeweils als einzelne Quellen dargestellt. Statt dessen kann man auch lediglich eine einzige, allen optischen Elementen gemeinsame Spannungsquelle verwenden, die so viele Ausgänge hat, wie verschiedene Spannungen benötigt werden. Diese Spannungsquelle wird ebenfalls wieder über elektrische Steuermittel gesteuert, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurden.

Fig. 9 ist eine Teilansicht eines Objektivs mit variabler Brennweite ähnlich dem Objektiv aus Fig. 8, wobei jedoch der Spiegel M₂ veränderlicher Brennweite durch ein catadioptri sches oder rückstrahlendes System C₂ veränderlicher Brennwei te ersetzt wurde. Ein derartiges System ist in der französi schen Zusatzpatentanmeldung Nr. 78 09 152 vom 29. März 1978 beschrieben. Im übrigen ist das Objektiv gemäß Fig. 9 analog zu demjenigen gemäß Fig. 8 und wird infolgedessen im einzel nen nicht mehr beschrieben.

Erfindungsgemäß werden auch Objektive mit variabler Brennweite in Betracht gezogen, die ausschließlich aus catadioptrischen Systemen veränderlicher Brennweiten oder auch aus catadioptri schen Systemen und Spiegeln veränderlicher Brennweiten beste hen.

Die Fig. 10 bis 13 zeigen den Verlauf der Spannungen, die an die Spiegel veränderlicher Brennweiten eines beispielswei se in Fig. 2 dargestellten Objektivs gemäß der Erfindung an gelegt werden müssen, und zwar bei einer vorgegebenen Spie geldicke und bei verschiedenen Entfernungen zwischen dem zu beobachtenden Objekt und dem Objektiv selbst. Die Spannungs kurven sind auf halblogarithmisches Papier gezeichnet, wobei die logarithmisch unterteilte Abszisse den Vergrößerungen ent spricht, während die linear geteilte Ordinate den Speise spannungswerten entspricht.

Die in Rede stehenden Kurven wurden entsprechend einem Re chenprogramm erstellt, welches auf Berechnungen beruht, die ihrerseits unter Gauss′schen Bedingungen gemacht wurden. Die dabei angenommenen Relationen waren sogenannte Chasles′sche Relationen der geometrischen Optik.

Die in Fig. 10 dargestellten Kurven wurden für eine Entfer nung S₁A des Spiegels M₁ zum Objekt erstellt, die 10 m be trug. Die Entfernung S₁S₂ zwischen den Scheiteln der Spiegel M₁ und M₂ wurde dabei als Parameter genommen. Die Werte für diese Entfernungen zwischen den Punkten S₁ und S₂ sind: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 1; 1,5; 2 und 3.

Die Speisespannungen V₁ und V₂ der Spiegel M₁ und M₂ variie ren zwischen etwa +600 V und -1600 V, während die entspre chenden Vergrößerungen im Bereich zwischen 5×10^-2 und 1 lie gen.

Die Kurven der Fig. 10 wurden für Spiegel M₁ und M₂ erstellt, deren Krümmung 0 ist, wenn ihre jeweiligen Speisespannungen V₁ bzw. V₂ ebenfalls Null betragen.

Anhand dieser Kurven läßt sich feststellen, daß sich die Speisespannungen für die Spiegel M₁ und M₂ ausgehend von einer gewünschten Vergrößerung für eine bestimmte Entfer nung S₁S₂ zwischen den Spiegeln leicht ermitteln läßt, und zwar für eine Entfernung zwischen Objekt und Spiegel M₁ von 10 m. Die Kurven der Fig. 11, 12 und 13 sind zu denjeni gen der Fig. 10 analog, sie wurden jedoch für Entfernungen S₁A zwischen dem zu beobachtenden Gegenstand und dem ersten Spiegel M₁ des Objektivs erstellt, die 50, 500 bzw. 5000 m betrugen. Die Kurvenverläufe lesen sich in der gleichen Wei se wie diejenigen der Fig. 10.

Die Gesamtbetrachtung der vier Kurvenscharen erlaubt die Feststellung, daß je mehr die Entfernung zwischen Objekt und erstem Spiegel M₁ des Objektivs zunimmt, umso kleiner der Variationsbereich der resultierenden Vergrößerung in Ab hängigkeit von Veränderungen der an die beiden Spiegel an gelegten Spannungen wird, und zwar bei denselben Entfernungs werten S₁S₂, die als Parameter genommen werden.

Die Kurven der Fig. 14 stellen die Speisespannungen V₁ und V₂ der Spiegel M₁ bzw. M₂ bei zwei verschiedenen Spiegel dicken dar. Die Entfernung S₁A des Objekts vom Spiegel M₁ und die Entfernung S₁S₂ zwischen den Scheiteln der beiden Spie gel sind konstant. In dem besonderen Fall der Fig. 14 be trägt die Entfernung S₁A 10 m, während der Abstand S₁S₂ zwischen den Spiegeln M₁ und M₂ gleich 0,4 m ist. Die Kur ven, deren Schnittpunkt in Fig. 14 am höchsten liegt, ent sprechen Spiegeln mit einer Dicke von 10^-3 m, während die Kurven, deren Schnittpunkt tiefer liegt, Spiegeln mit einer Dicke von 6×10^-4 m entsprechen.

Aus den Kurven der Fig. 14 folgt, daß der erforderliche Span nungsbereich zur Erzielung einer vorgegebenen Vergrößerungs variation umso kleiner ist, je kleiner die Spiegeldicke ist.

Fig. 15 zeigt Kurven, die denjenigen in Fig. 10 bis 13 ent sprechen. Die Kurven der Fig. 15 sind jedoch mit Hilfe eines Objektivs gewonnen, bei dem der Spiegel M₁ derart vorge formt war, daß er bei Vorliegen einer Spannung von Null an seinen Klemmen einen Krümmungsradius von 0,6 m besaß. Die Entfernung S₁A des Objekts vom ersten Spiegels M₁ des Objek tivs ist gleich 1 m; die Entfernung S₁S₂ zwischen den Schei teln der Spiegel M₁ und M₂ wird wieder als Parameter genom men. Die Kurve der Fig. 16 entspricht denjenigen der Fig. 10 bis 13, ist jedoch auf Millimeterpapier dargestellt, wo bei die Teilungen auf der Abszisse und Ordinate linear sind. Die Kurve der Fig. 16 wurde für eine Entfernung S₁A zwischen Objekt und erstem Spiegel M₁ des Objektivs erstellt, die 30 m betrug. Der Abstand S₁S₂ zwischen den Scheiteln der Spiegel M₁ und M₂ betrug 0,4 m. Man erkennt in Fig. 16 die Linearität der Speisenspannungsvariation des Spiegels M₂ in Abhängigkeit von der resultierenden Vergrößerung. Diese Linea rität ist eine besonders interessante Eigenschaft, denn eine lineare Veränderung läßt sich mit Hilfe einer elektronischen Schaltung leicht realisieren.

Die Speisespannung des Spiegels M₂ ist mit der resultierenden Vergrößerung q _R durch die Beziehung V₂ ∝ b· γ _R verknüpft, in welcher b ein algebraischer Koeffizient ist.

Die Speisespannung V₁ des Spiegels M₁ ist durch die Bezie hung

gegeben, in welcher a ein algebraischer Koeffizient ist. Auch dies ist eine einfache Funktion.

Es ist bekannt, daß die Brennweite des Objektivs und seine Vergrößerung quasi-linear miteinander verbunden sind. Die nachstehende Tabelle gibt für eine bestimmte Anzahl von Wer ten für die Entfernung S₁A zwischen Objekt und erstem Spie gel M₁ eines erfindungsgemäßen Objektives, wobei die Abstände S₁S₂ zwischen den beiden Spiegeln M₁ und M₂ entweder als konstanter oder als variabler Parameter angenommen sind, die Beziehungen zwischen den maximalen und minimalen Brenn weiten des Objektivs in Abhängigkeit von den an die Spiegel M₁ und M₂ angelegten Speisespannungen V₁ und V₂.

Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß es besonders interessant ist, gleichzeitig die Spannungen V₁ und V₂ und den Abstand zwischen den Spiegeln M₁ und M₂ variieren zu lassen.

Die verschiedenen, im voranstehenden beschriebenen Ausfüh rungsformen erfindungsgemäßer Objekte haben gegenüber be kannten Systemen folgende Vorteile:
Sie bestehen aus besonders einfachen optischen Kombinationen.
Sie gestatten eine vollkommene und kontinuierliche Einstel lung in der ortsfesten Bildebene im Verlauf der Veränderung der auf das Bild und den Gegenstand bezogenen Brennweiten der Kombination für ein ortsfestes Objekt.

Wenn man die Speisespannungen an jeden Spiegel oder die an deren optischen Elemente des erfindungsgemäßen Objektivs nicht gleichförmig und in vernünftiger Weise anlegt, erhält man für feste Bild- und Gegenstandsebenen eine vollkommene Be herrschung der longitudinalen und transversalen Aberrationen.

Die Krümmung 1/R eines Spiegels veränderlicher Brennweite ist mit dem elektrischen Feld E, welches an ihn angelegt wird, durch folgende Beziehung verknüpft:

1/3 ≃ K ⁽¹⁾ × E + K ⁽²⁾ × E² + . . . + K ⁽ⁿ⁾ E ⁿ,

wobei R der Krümmungsradius des Spiegels und K ⁽ⁿ⁾ von der Dicke des Spiegels, seiner Befestigungsart an einem oder zwei Keramikelementen, von piezoelektrischen Konstanten, von sei nem Durchmesser, von Elastizitätsmodulen der Materialien, von der Qualität der Sinterung der Keramikelemente usw. ab hängt.

Der Ausdruck erster Ordnung dieser Beziehung gibt den Ausdruck für die mittlere Spiegelkrümmung.

Hingegen gestatten es die Ausdrücke höherer Ordnung als 1, die Aberrationen zu korrigieren. Praktisch erfolgt die Korrektur der Aberrationen dadurch, daß man die Spiegelkrüm mung lokal variieren läßt, und zwar durch eine sehr kleine Variation des elektrischen Feldes für die in Betracht gezo gene Aberrationszone. Eine solche Variation ist von höherer Ordnung als 1 mit Bezug auf das mittlere elektrische Feld des Spiegels.

Wie man an den verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungs formen erkennen konnte, ist es möglich, die erfindungsgemäßen Objektive sowohl außerhalb als auch auf der optischen Achse arbeiten zu lassen.

Die erfindungsgemäßen Objektive haben nur ein geringes Ge wicht, geringe Herstellungskosten und sie können sehr leicht mit sehr niedrigem Energieverbrauch betrieben werden, der praktisch dem Entladungsstrom eines Kondensators entspricht.

Bei den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besitzen die zur Herstellung der Doppelschichten an den optischen Elementen verwendeten, piezoelektrischen Materialien eine piezoelektrische Konstante d ₃₁ zwischen 150×10^-12 und 250×10^{-12 m · V-1.
Die als Beispiele angegebenen Kurven beziehen sich auf Objek
tive, welche mit Spiegeln veränderlicher Brennweite ausge
rüstet sind. Es lassen sich jedoch auch analoge Kurven für
Objektive erhalten, die mit Linsen, catadioptrischen Systemen
oder Kombinationen solcher Systeme mit Spiegeln oder Linsen
ausgerüstet sind.}

Claims

1. Objektiv mit variabler Brennweite, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale:
wenigstens zwei, piezoelektrische Doppelschichten aufweisen de optische Elemente (M₁, M₂; L₁, L₂, L₃; L₁, M₂) ver änderlicher Brennweite,
wenigstens eine elektrische Spannungsquelle (15) zur Speisung der Doppelschichten und
elektronische Steuermittel (11, 12, 13) zur Steuerung der Speisespannung der Doppelschichten in den jeweiligen optischen Elementen in Abhängigkeit von der gewünschten Objektivvergrößerung.

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Spiegel (M₁, M₂) sind.

3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite Linsen (L₁, L₂, L₃) sind.

4. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einer Linse (L₁) und einem Spiegel (M₂) bestehen.

5. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einer Linse (L₁) und einem catadioptrischen System (C₂) beste hen.

6. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus zwei catadioptrischen Systemen bestehen.

7. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brennweite aus einem Spiegel und einem catadioptrischen System beste hen.

8. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Elemente veränderlicher Brenn weite relativ zueinander mit konstantem oder veränderba rem Abstand angeordnet sind.

9. Objektiv nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das von einem Objekt erzeugte Bild sich auf der optischen Achse des Objektivs in der Scheitelebene eines der Spiegel (M₁) ausbildet und dieser Spiegel (M₁) in seiner Mitte eine die optische Achse des Spiegels um gebende Öffnung (2) aufweist.

10. Objektiv nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das von einem Objekt erzeugte Bild sich außerhalb der optischen Achse des Objektivs ausbildet und ein zusätzlicher Ablenkspiegel (M₃) im Ausgangsstrahlen verlauf der Spiegel (M₁, M₂) angeordnet ist.

11. Objektiv nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die optischen Achsen der Spiegel (M₁, M₂) in gleichen Winkeln zur mittleren Ausbreitungsrichtung des in das Objektiv eintretenden Lichtes geneigt sind.

12. Objektiv nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel einen Kleinrechner (11) mit wenigstens einem Mikroprozessor und mit dem Eingang des Kleinrechners verbundene Steuerschal tungen (8, 12; 10, 13) für die Einstellung von Brennweite bzw. Objektentfernung umfassen, und der Ausgang des Klein rechners (11) Steuersignale für die Speisespannungsquelle (15) der piezoelektrischen Doppelschichten liefert.

13. Objektiv nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel (11, 12, 13) und die Spannungsquelle (15) in einem Steuerge häuse (7, 31) angeordnet sind, das mit einer die optischen Elemente (M₁, M₂; L₁, L₂, L₃; L₁, M₂) aufnehmenden Fassung (1, 30) verbunden ist.