DE3644225C2

DE3644225C2 -

Info

Publication number: DE3644225C2
Application number: DE3644225A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Ebina Kanagawa Jp Kushibiki; Noriyuki Sagamihara Kanagawa Jp Nose; Takeshi Baba; Toshiyuki Nakajima; Masahiro Atsugi Kanagawa Jp Okuda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-12-24
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1989-02-02
Also published as: JPS62148903A; DE3644225A1; US4783153A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit veränderba rer Brennweite nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die DE-OS 34 24 068 ein optisches Bauteil veränderbarer Brenn weite, bei dem auf einem elastomeren Körper durch ein Fassungs glied eine optisch wirksame Fläche definiert wird, deren Krüm mung dadurch gesteuert geändert werden kann, daß auf den Kör per mit Hilfe des Fassungsgliedes direkt oder indirekt ein positiver oder negativer Druck ausgeübt wird.

Allerdings ist dieses optische Bauteil mit dem Problem behaf tet, daß in der Nähe des Umfangs der Öffnung eine stärkere Verformung entsteht als im Bereich der Öffnungsmitte, z. B. aufgrund der Spannungskonzentration in der Nähe des Umfangs der Öffnung. Dadurch entsteht eine nicht-sphärische Oberflä che mit einer stärkeren Krümmung in der Nähe der Öffnungs- Peripherie, so daß es schwierig ist, eine gewünschte Ober flächenverformung zu erhalten. Dies macht es unmöglich, ge wünschte optische Kennwerte zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bau teil mit veränderbarer Brennweite zu schaffen, welches in der Lage ist, während der Verformung konstant eine sphärische Oberfläche oder eine gewünschte asphärische Oberfläche bei zubehalten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungs form eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit veränderlicher Brennweite, und

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Aus führungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils mit veränderlicher Brennweite.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen opti schen Bauteils mit veränderlicher Brennweite. Diese Ausfüh rungsform umfaßt ein elastisches oder elastomeren Körper (Elastomerteil) 1, eine wahlweise vorzusehende Halteplatte 2 aus beispielsweise Glas, eine Lochplatte 3 als Fassungs- und Verformungsglied oder mit einer Öffnung 4 zum Veranlassen einer Verformung des Elastomerteils 1, und eine optische Mittel achse 5.

Das Elastomerteil 1 besitzt in seinem Inneren entlang der optischen Achse 5 einen Schermodulgradienten. Der Gradient des Schermoduls (Schubmoduls) kann vorzugsweise einen konti nuierlichen Verlauf haben, wobei sich der Schermodul allmäh lich entlang der optischen Achse des Elastomerteils ändert. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Elastomerteil einen durchgehenden Schermodulgradienten, der von einem maximalen Schermodul an der Oberfläche des Elastomerteils, die im Be reich der Öffnung 4 freiliegt, allmählich zu der Halteplatte 2 hin abnimmt. Das Elastomerteil 1 wird bei dieser Ausfüh rungsform vorab in Form einer konvexen Linse hergestellt, je doch ist die Form nicht auf diese spezielle Möglichkeit be schränkt. Das Elastomerteil 1 kann vielmehr eine praktisch beleibige ursprüngliche Gestalt haben, z. B. die Form einer Platte oder einer konkaven Linse haben. Der zu schaffende Schermodulgradient kann abhängen von der gewünschten Form des optischen Bauteils mit veränderlicher Brennweite, und er kann sich kontinuierlich in einer Richtung entlang der opti schen Achse 5 ändern. Alternativ kann, wenn das optische Bauteil mit veränderlicher Brennweite beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte Ausgestaltung aufweist, ein Elastomer teil 1 mit einem Paar Lochplatten 3 vorgesehen sein, wobei die Lochplatten das Elastomerteil 1 in Richtung der opti schen Achse 5 sandwichartig einfassen. Dabei kann das Elasto merteil 1 einen Gradienten besitzen, der in der Nähe der beiden Lochplatten 3 relativ groß und im Bereich einer Quer mittellinie 6 relativ klein ist. In diesem Fall können die Schermoduln an den beiden Oberflächen im Bereich der Loch platten gleich groß oder unterschiedlich sein.

Das optische Bauteil veränderlicher Brennweite gemäß Fig. 1 ähnelt dem in der obenerwähnten DE-OS 34 24 068 beschriebenen Bauteil, mit der Ausnahme, daß das Elastomerteil 1 den oben näher beschriebenen Scher modulgradienten besitzt.

Für den Betrieb des optischen Bauteils wird die Lochplatte 3 als Einrichtung zur Ausübung eines positiven oder negativen Drucks entlang der optischen Achse 5 bewegt, damit sich die Ober flächengestalt des Elastomerteils 1 ändert. Hierzu wird das Elastomerteil 1 veranlaßt, aus der Öffnung 4 der Lochplatte 3 auszutreten oder in die Öffnung zurückzusinken, um die ge wünschte Brennweite zu erhalten. Wenn das Elastomerteil ver anlaßt wird, aus der Öffnung vorzutreten, wird die Loch platte 3 entlang der optischen Achse 5 in Richtung auf die Halteplatte 2 bewegt, um das Elastomerteil 1 zusammenzu pressen. Wird andererseits das Elastomerteil 1 veranlaßt, zurückzusinken, so geschieht dies dadurch, daß die Loch platte 3 nach oben bewegt wird, um auf das Elastomerteil 1 einen Unterdruck auszuüben. Das in Fig. 2 dargestellte opti sche Bauteil kann ähnlich gehandhabt werden wie das Bauteil nach Fig. 1, indem zumindest eine der Lochplatten 3 ent lang der optischen Achsen bewegt wird, um die relative Lage der Lochplatten 3 zu ändern. Der Schermodul des Elastomer teils 1 liegt vorzugsweise im Bereich von 10⁴ bis 10⁸ dyn/cm² (10³-10⁷ N/m²), insbesondere im Bereich von 10⁴ bis 10⁷ dyn/cm² (10³-10⁶ N/m²). Folglich kann der Schermodul gradient des Elastomerteils 1 vorzugsweise in den genannten Bereichen liegen.

Der Schermodul (oder Steifigkeitsmodul) läßt sich im vor liegenden Zusammenhang definieren als ein Schermodul, wie er mit Hilfe eines Rheometers gemessen wird, welches ein Paar Kreisplatten oder eine Kombination aus einer Kreisplatte und einem Konus (ASTM D-4065) aufweist. Ein handelsübliches Rheometer dieses Typs ist das Universal Rheometer RDS 700, hergestellt von der Firma Rheometrics Co.

Für gewöhnlich wird ein optisches Bauteil bei Zimmertempe ratur verwendet, es kann jedoch auch vorkommen, daß höhere oder niedrigre Temperaturen herrschen, so daß die oben ange gebenen Bereiche des Schermoduls zu verstehen sind für eine Temperatur, bei der das optische Bauteil eingesetzt wird.

Im folgenden soll etwas näher auf die Bedeutung des Scher modulgradienten eingegangen werden. In einem optischen Bau teil mit veränderlicher Brennweite, das von einem Elastomer teil Gebrauch macht, welches nicht den oben erläuterten Schermodulgradienten besitzt, sondern in seinem Inneren einen gleichförmigen einheitlichen Schermodul besitzt, be steht die Neigung, daß in der Nähe des Umfangs der Öffnung 4 eine starke Verformung auftritt und lediglich in der Nähe der optischen Achse 5 eine kleinere Verformung stattfindet. Dies hat zur Folge, daß die Oberfläche des Elastomerteils 1 eine nicht-sphärische (nicht-kugelige) Oberfläche ist, deren Krümmungsradius in der Nähe des Umfangs der Öffnung größer ist. Demzufolge ist es schwierig, eine sphärische oder eine asphärische Oberfläche mit einer gewünschten Krümmung zu erhalten.

Im Gegensatz dazu werden solche Schwierigkeiten durch das erfindungsgemäße Bauteil mit variabler Brennweite verhindert.

Der Grund dafür ist noch nicht vollständig geklärt, kann jedoch in folgendem gesehen werden: Bei dem erfindungsge mäßen Bauteil mit veränderlicher Brennweite besitzt das Elastomerteil, wie es in Verbindung mit der Ausführungs form nach Fig. 1 erläutert wurde, einen solchen Schermodul gradienten, daß der Schermodul umso größer wird, desto dichter man sich an der Oberfläche der Öffnung befindet, so daß die gesamte Verformungsenergie minimiert werden kann, wenn der freie Energieaustausch eines Bereichs in der Nach barschaft der Oberfläche des Elastomerteils 1 in der Öff nung 4 so klein wie möglich gemacht wird. Wenn deshalb das Elastomerteil 1 einen Überdruck oder einen Unterdruck durch Einwirkung der Lochplatte 3 empfängt, besitzt der Oberflä chenbereich des Elastomerteils 1 die Neigung, in einem Be reich in der Nähe des Umfangs der Öffnung 4, der eine größere Fläche aufweist, eine kleinere Verformung zu verur sachen, während in einem Bereich dicht bei der optischen Achse 5 eine größere Verformung verursacht wird. Demzufolge erfährt der Oberflächenbereich des Elastomerteils 1 eine solche Verformung, daß eine nicht-sphärische Oberfläche ge schaffen wird, die in der Nähe des Umfangs eine kleinere Krümmung und in der Nähe der optischen Achse 5 eine größere Krümmung besitzt, abhängig von dem internen Schermodul gradienten, wodurch in dem Elastomerteil insgesamt die oben erwähnte unerwünschte Verformung, die eine nicht-sphärische Oberfläche mit größerer Krümmung am Umfang erzeugt, neutra lisiert wird. Als Gesamtergebnis erhält man ein optisches Bauteil mit veränderlicher Brennweite, welches sich ver formen kann, während eine sphärische oder eine gewünschte asphärische Oberfläche beibehalten wird. Weiterhin hat ein kleinerer Schermodulgradient die Funktion, in einem Bereich in der Nähe des Umfangs eine größere Krümmung zu schaffen, während ein größerer Gradient die Funktion hat, in der Nähe des Umfangs eine kleinere Krümmung zu schaffen. Mithin ist es möglich, ein optisches Bauelement mit veränderlicher Brennweite zu schaffen, das in der Lage ist, eine Verformung zu veranlassen, während eine sphärische oder eine gewünschte asphärische Oberfläche beibehalten wird, z. B. dadurch, daß man einen kleineren Schermodulgradienten vorsieht, wenn eine sphärische oder eine asphärische Oberfläche mit einer großen Krümmung insgesamt gewünscht wird, oder dadurch, daß man einen größeren Schermodulgradienten vorsieht, um eine sphä rische oder eine aspärische Oberfläche mit insgesamt klei nerer Krümmung zu erhalten.

Es ist erforderlich, daß das Elastomerteil mit einem Scher modulgradienten in Richtung der optischen Achse nicht nur die Eigenschaft besitzt, ansprechend auf eine beaufschlagende Belastung eine Formänderung durch Spannung zu veranlassen, sondern außerdem Reversibilität besitzt, um bei Fortfall der Spannung aufgrund einer Belastungs-Beseitigung die Ursprungs form weiter anzunehmen. Das den Schermodulgradienten auf weisende Elastomerteil läßt sich leicht dadurch herstellen, daß man beispielsweise eine optisch transparente Elastomer Substanz mischt mit einer optisch transparenten anorgani schen Substanz, um einen Konzentrations-Gradienten der anor ganischen Substanz zu bilden. Der Konzentrations-Gradient der anorganischen Substanz kann beispielsweise dadurch er halten werden, daß man eine Sedimentation verwendet oder Schwerkräfte ausnutzt.

Bevorzugte Beispiele für die anorganische Substanz umfassen optisch transparente Stoffe wie Silicagel und transparentes Aluminiumoxid. Besonders bevorzugte Stoffe sind Kieselerde in der Form von Silicagel und gedampfter Kieselerde. Die Kieselerde muß sich nicht aus Siliciumdioxid (SiO₂) aus schließlich zusammensetzen, sondern kann in Form eines Hydrats vorliegen oder ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Übergangsmetall, ein Seltene-Erde-Metall oder derglei chen enthalten. Auch eignet sich Kieselerde, die zum Zweck der Neutralisierung von Silanolgruppen (Si-OH) einer Fett affinitäts-Behandlung unterworfen wurde, wie man es bei Silicagel und dergleichen beobachtet. Es ist ebenfalls mög lich, in die Oberfläche einer Kieselerdesubstanz eine orga nische Funktionsgruppe einzubringen, indem man eine Behand lung mit einer Reihe von organischen Silanverbindungen durch führt, die allgemein als Silankoppelmittel bezeichnet werden, z. B. Trimethylchlorsilan, Vinyltrimethoxysilan und γ-Gly cidoxypropyltrimethylsilan oder organische Titanverbindungen, die als "Titanat-Koppelmittel" bezeichnet werden.

Die anorganische Substanz kann in irgendeiner Form verwendet werden, einschließlich Granulatform oder zerkleinerte oder pulverisierte Partikel. Im allgemeinen verwendet man die an organische Substanz vorzugsweise in Form von Pulver oder Teilchen, einschließlich Teilchen der obengenannten Form, deren mittlere Teilchengröße vorzugsweise 50 µm oder weniger, am meisten bevorzugt 0,5 bis 50 µm, insbesondere 1 bis 20 µm beträgt, um eine Lichtstreuung zu vermeiden. Die Menge der mit der Elastomer-Substanz vermischten anorganischen Substanz liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 30 Gew.-Teile pro 100 Teile Elastomer-Substanz, abhängig von dem gewünschten Schermodulgradienten.

Die Elastomer-Substanz, die im Rahmen der vorliegenden Erfin dung zu verwenden ist, kann ausgewählt werden aus einer breiten Vielfalt von Substanzen, einschließlich Polymer- Substanzen wie Polysiloxane und Gummi, die nicht nur die Eigenschaft besitzen, ansprechend auf eine beaufschlagende Belastung eine Formänderung durch Spannung zu veranlassen, sondern ebenfalls Reversibilität besitzen, damit bei Fort fall der Beanspruchung die ursprüngliche Form durch Weg fall der Spannung wiederhergestellt wird. Unter diesen Stoffen sind Polysiloxane besonders bevorzugt, da sie einen hohen Schermodul besitzen und außerdem hervorragende opti sche Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus lassen sich die mechanischen Festigkeitseigenschaften dieser Stoffe, z. B. die Zugfestigkeit und die Zerreißfestigkeit, dadurch er höhen, daß man die oben genannte anorganische Substanz, insbesondere eine Kieselerde, einbringt.

Ein durch Mischen von Kieselerde mit einem Polysiloxan er haltenes Elastomerteil hat gegenüber einem Elastomerteil, welches nur aus Polysiloxan besteht, verbesserte physikali sche Eigenschaften, z. B. besitzt der Stoff eine Zugfestig keit, die bis zu 50mal größer ist als ein Elastomerteil aus nur Polysiloxan. Die Zerreißfestigkeit ist etwa 6 bis 7mal höher, und die Bruchdehnung ist bis zu 5mal größer als bei einem Teil aus nur Polysiloxan. Außerdem erhält man einen breiten Bereich für den Schermodul, nämlich einen Bereich von 5 × 10³ dyn/cm² bis 10⁹ dyn/cm² (5 × 10² bis 10⁸ N/m²).

Typische Beispiele für die Polysiloxane umfassen Polysiloxan- Verbindungen wie Polydimethylsiloxan, Poly-(dimethylsiloxan polydiphenylsiloxan-)Copolymer, Polymethylphenylsiloxan und Poly-(dimethyl-diphenylmethylphenyl-)Siloxan-Copolymer. Diese Verbindungen lassen sich entweder allein oder in Kombination von zwei oder drei Stoffen verwenden. Diese Polysloxane können modifiziert oder denaturiert sein mit Hilfe einer organischen Funktionsgruppe wie z. B. einer Carboxyl-, Amin- oder Vinyl-Gruppe. Derartige Polysiloxane, die mit einer organischen Funktionsgruppe modifiziert sind, werden deshalb bevorzugt, weil sie dem Elastomerteil da durch eine außerordentliche Verformbarkeit verleihen, daß sie verschiedene Arten von Vernetzungs- oder Härtungseigen schaften in Abhängigkeit von Wärme, Licht oder dergleichen zeigen.

Beispiele für Elastomer-Substanzen zur Herstellung des Elasto merteils umfassen Polybutadien, Polychloropren, Polyisopren und ein sogenanntes Acrylgel, welches vernetztes Polymer aus Acrylharz, Methacrylats oder einer Kombination dieser Stoffe, aufgequollen mit Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, enthält.

Das erfindungsgemäße optische Bauelement läßt sich z. B. da durch betreiben, daß man auf das Verformungsglied 3 mecha nisch eine Kraft ausübt.

Im folgenden soll ein spezielles Beispiel für die Herstellung eines Modulationsbauelements mit veränderlicher Brennweite erläutert werden.

Beispiel

Das in Fig. 1 dargestellte optische Bauteil mit veränderli cher Brennweite wurde wie folgt hergestellt:

Das Elastomerteil 1 wurde folgendermaßen hergestellt: Poly dimethylsiloxan (KE 106 der Firma Shinetsu Kagaku Kogyo K. K.) wurde in einer Menge von 100 Gew.-Teilen mit 20 Gew.-Teilen Silicagel (Siloid von der Firma Fuji Division K. K.) bei Zimmertemperatur ausreichend gemischt, und das Gemisch wurde in eine Form gegeben, dessen innere Kontur der Gestalt des Elastomerteils nach Fig. 1 entsprach. Die Abmessungen der Form waren so gewählt, daß das Elastomerteil eine Dicke von 10 mm entlang der optischen Achse, eine Länge von 50 mm und eine Quebreite von 10 mm besaß. Das Elastomer-Gemisch in der Form wurde in einem Zentrifugen-Separator derart ange ordnet, daß seine die Öffnungsoberfläche bildende Seite be züglich der Drehachse der Zentrifuge nach außen zeigte. Dann wurde der Zentrifugen-Separator mit 12 000 UPM gedreht, um einen Konzentrations-Gradienten des Silicagels in dem Ge misch zu erhalten. Dann wurde bei 120°C ausgehärtet, um ein Elastomerteil 1 zu erhalten.

Separat wurde eine Meßprobe zum Messen des Schermoduls des Elastomerteils in gleicher Weise hergestellt. Das Proben- Elastomerteil 1 wurde mit flüssigem Stickstoff abgekühlt, und es wurden drei Probenschichten von jeweils 20 µm Dicke von einer oberen Schicht, einer mittleren Schicht (genau in der Dicken-Mitte) und einer unteren Schicht abge schnitten, betrachtet in Richtung von der Öffnungsseite zur Halteplatte 2 hin. Die drei Probenschichten wurden mit Hilfe eines Spannungstestgeräts gemessen, wobei die Scher moduln der drei Probenschichten von der oberen, der mittle ren und der unteren Schicht folgende durch Messung und Be rechnung ermittelten Werte hatten: 2,4 × 10⁷ dyn/cm² (2,4 × 10⁶ N/m²), 6 × 10⁶ dyn/cm² (6 × 10⁵ N/m²) bzw. 1,1 × 10⁶ dyn/cm² (1,1 × 10⁵ N/m²).

An dem so erhaltenen Elastomerteil 1 wurden eine Glasträger platte 2 und eine Lochplatte 3 befestigt, um das in Fig. 1 gezeigte fertige optische Bauteil mit veränderlicher Brenn weite zu vervollständigen.

Das schließlich erhaltene optische Bauteil besaß eine sphä rische Öffnungsfläche mit einem Krümmungsradius von 50 mm, einer Länge a von 25 mm und einem Öffnungsdurchmesser b von 20 mm.

Bei dem so erhaltenen Elastomerteil 1 wurde die Oberflächen gestalt geändert, indem die Lochplatte 3 angedrückt wurde, so daß das Elastomerteil 1 verformt wurde, während eine exakt sphärische Oberfläche mit einem Krümmungsradius im Bereich von 25 bis 110 mm beibehalten wurde.

Vergleichsbeispiel

Ein optisches Bauteil mit veränderlicher Brennweite gemäß Fig. 1 wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß in das Elastomerteil 1 keine Kieselerde eingemischt wurde und das Elastomerteil nicht mit einem Schermodulgradienten ausgestattet wurde. Als die Glas-Lochplatte gegen das so hergestellte Elastomerteil gedrückt wurde, um die Oberflä chenform zu ändern, zeigte die sich einstellende Oberfläche in der Nähe des Öffnungsumfangs eine stärkere Krümmung, be saß also nicht eine gleichförmige sphärische Form.

Die Erfindung schafft mithin ein optisches Bauteil mit ver änderlicher Brennweite, bei dem eine veränderliche Brenn weite durch Verformung geschaffen werden kann, während eine sphärische oder eine gewünschte asphärische Oberfläche bei behalten wird.

Claims

1. Optisches Bauteil veränderbarer Brennweite, mit

- einer optisch wirksamen Fläche als Bestandteil eines elastomeren Körpers,
- einem Fassungsglied, das die optisch wirksame Fläche definiert, und
- eine Einrichtung zur Ausübung eines positiven oder ne gativen Druckes auf den Körper mit Hilfe des Fassungs gliedes oder in Zusammenwirkung mit diesem, um die Krüm mung der optisch wirksamen Fläche gesteuert zu ändern,

dadurch gekennzeichnet, daß der elastomere Körper einen Gradienten im Schermodul längs seiner optischen Achse besitzt.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schermodul von der optisch wirksamen Fläche aus zum Inneren des elastomeren Körpers hin kontinuierlich abnimmt.

3. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Schermodul des elastomeren Körpers im Bereich von 10⁴-10⁸ dyn/cm² (10³-10⁷ N/m²) liegt.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schermodul des elastomeren Körpers im Bereich von 10⁴- 10⁷ dyn/cm² (10³-10⁶ N/m²) liegt.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elastomere Körper eine Elastomer-Substanz und eine an organische Substanz enthält, und daß der Schermodulgradient geschaffen wird durch einen Konzentrations-Gradienten der anorganischen Substanz in dem elastomeren Körper entlang der optischen Achse.

6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Substanz in Form von Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 0,5 bis 50 µm vor handen ist.

7. Bauteil nach Anspruch 6, bei dem die anorganische Substanz die Form von Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 1 bis 20 µm hat.

8. Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die anorganische Substanz in dem Material mit einem Anteil von 0,5 bis 30 Gew.-Teilen pro 100 Gew.- Teile der Elastomer-Substanz enthalten ist.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die anorganische Substanz Kieselerde aufweist.

10. Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Elastomer-Substanz Polysiloxan aufweist.

11. Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die anorganische Substanz Kieselerde und die Elastomer-Substanz Polysiloxan aufweist.