Die Erfindung bezieht sich auf eine Linse mit elektrisch steuerbarer Brennweite. und insbesondere auf eine solche, deren Brennweite praktisch trägheitslos, z.B. während einer
Millisekunde oder weniger, entsprechend einem Signal geändert werden kann.
Eine derartige Linse mit rasch veränderbarer Brennweite wird z.B. benötigt, wenn die Aufgabe vorliegt, einen
Laserstrahl in einer Objektebene zu konzentrieren und dort einen Brennfleck möglichst grosser und zeitlich konstanter
Energiedichte zu erzielen. Da der Durchmesser des Brenn flecks bei Laserstrahlen nur wenige Vielfache der Wellenlänge betragen kann, wirken sich bereits kleinste Veränderungen des
Abstandes zwischen Fokussierungslinse und Objektebene, etwa infolge von die Apparatur treffenden Erschütterungen, erheblich auf die Energiedichte und Grösse des Brennflecks aus.
Mit einer triigheitslos steuerharen Linse könnte man durch einen von den Erschütterungen abgeleitete Steuergrive die
Brennweite so nachsteuern, dass der Fokus der Linse stets mit der Objektebene zuzusammenfällt, und somit eine konstante
Energiedichte im Brennfleck eingehalten wird. Andere
Anwendungen können z.B. darin.bestehen, eine Lichtmodula tion durchzuführen oder eine ständig scharfe Abbildung eines in rascher Bewegung befindfichen Gegenstandes in einer
Bildebene zu vermitteln. Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht daher darin, eine Konstruktion einer optischen Linse mit möglichst trägheitslos durch ein Steuersignal veränderbarer
Brennweite anzugeben.
Optische Linsensysteme mit veränderbarer Brennweite sind an sich bereits unter dem Namen Varioptik oder Gummilinse bekannt; es handelt sich bei ihnen um ein System mit einer Mehrzahl von Glaslinsen, durch deren relative Verschiebung eine Änderung der Brennweite des Systems erzielbar ist. Soweit diese Verschiebung durch einen kleinen Elektromotor bewirkt wird, könnte man von einem optischen Linsensystem mit steuerbarer Brennweite sprechen. Für die oben erörterte Aufgabe ist ein solches System jedoch unbrauchbar, da die mechanische Trägheit bei einer solchen Verschiebung viel zu gross ist.
Es ist auch schon ein einzelnes Linsenelement mit veränderbarer Brennweite bekannt geworden, bei dem wenigstens eine Bergrenzungsfläche aus einem elastischen Material besteht und deren Brechungsmedium eine Flüssigkeit ist. auf welche vermittels eines am Ende eines Schlauches angebrachten Gummiballes von Hand ein Druck ausgeübt werden kann. Ein derartiges Linsenelement war vorzugsweise zur Verwendung bei Brillen mit der jeweiligen Sehentfernung angepasster Dioptrie vorgesehen. Für die gestellte Aufgabe ist diese Konstruktion jedoch wegen zu grosser Trägheit unbrauchbar.
Die Aufgabe, eine optische Linse mit steuerbarer Brennweite für rasche Brennweitenänderungen anzugeben, wird gemäss der Erfindung durch ein Gehäuse gelöst, welches durch zwei Öffnungen einen Lichtwegfreigibt, von denen wenigstens eine mit einer transparenten Membran bedeckt ist, durch eine Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses und durch einen piezoelektrischen Körper in Beriihrung mit der Flüssigkeit, welcher bei Anlegen einer variablen Spannung wenigstens eine seiner Dimensionen verändert, derart, dass ein zusätzlicher Flüssigkeitsdruck auf die Membran ausgeübt und ihr Krümmungsradius in Abhängigkeit von der angelegten Spannung verändert wird.
Nach einer Weiterbildung ist der piezoelektrische Körper mit einer im optischen Strahlengang liegenden optisch transparenten Platte. z.B. einer Glasplatte verbunden, welche der Membran unmittelhar gegenübersteht und die Dimensions änderung des piezolektrischen Körpers senkrecht zur Linseofläche auf das Flüssigkeitsvolumen vor der Membran überträgt. Eine besonders zweckmässige Ausgestaltung besteht darin, dass der piezolektrische Körper als Hohlzylinder ausgebildet ist und auf der Innen- und Aussenseite zwecks Zuführung einer Steuerspannung metallisiert ist.
Die Brennweite einer optischen Linse derartiger Konstruktion kann durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektro'den des piezoelektrischen Körpers in sehr kurzer Zeit und in raschem Wechsel verändert werden, so dass die Einflüsse von Erschütterungsschwingungen von einer Frequenz von 1 kHz und mehr durch eine Wechselspannung entsprechender Frequenz und Amplitude kompensiert werden können. Eine nützliche Weiterbildung der Erfindung besteht ferner darin, das Gehäuse mit einer seitlichen Öffnung zu versehen, in welcher sich ein verschiebbarer Kolben befindet, durch dessen Verschiebung ein bestimmter Normaldruck in der Kammer zwecks Einstellung einer normalen Krümmung der Membran hergestellt wird. Versieht man diesen Kolben mit einem Feingewinde, so kann der Druck in der Kammer sehr genau eingestellt werden.
Der zylindrische piezoelektrische Körper weist eine Polarisation in radialer Richtung auf und ist auf der Innen- und Aussenseite mit als Elektroden dienenden Metallisierungen versehen.
Das Material für die Membran kann aus einem elastischen und transparenten Stoff, vorzugsweise aus Hostaphan bestehen. Bei einer Dicke von etwa 100 St ist eine derartige Membran hinreichend elastisch, um den Druckschwankungen der Flüssigkeit praktisch trägheitslos zu folgen.
Bei der Herstellung einer derartigen Membran ergibt sich häufig eine gewisse Doppelbrechung durch eine Überdehnung in einer bestimmten Richtung. Diese Doppelbrechung kann gegebenenfalls dazu verwendet werden, um mit der variablen Linse zugleich die Wirkung einer im Strahlengang gegebenenfalls erforderlichen A/4 Platte zu erzielen, was fiir die Beeinflussung des Polarisationszustandes der Lichtstrahlen erwünscht sein kann. Als Flüssigkeit zur Füllung der Linse hat sich Silikonöl gut bewährt. Den Berechungsindex der Flüssigkeit, bzw. der obenerwähnten transparenten Glasplatte.
stellt man zweckmässig so ein, dass beide Medien gleichen Brechungsindex haben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile von Ausfiihrungsbeispielen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichungen erläutert, von denen:
Figur 1 die mechanische Konstruktion eines erfindungsgemäss ausgebildeten Linsenelementes im Schnitt
Figur 2 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Linse zeigt.
In Figur list 1 ein zylindrisches Gehäuse. welches zwei Öffnungen 2 und 3 für den Durchtritt eines Lichtstrahlenbündels aufweist. In der Öffnung 3 ist mittels zweier Ringe 4 und 4a eine transparente elastische Folie 5 aufgespannt. In dem Gehäuse befindet sich ein Zylinder aus piezoelektrischem Material 6, z.B. aus einer Bleizirkontitanat-Keramik, welcher den Strahlengang umschliesst und an dem der Membran zugewandten Ende mit einer transparenten Glasplatte 7 abgedeckt ist. Die Innen- und Aussenseite des piezoelektrischen Zylinders ist metallisiert; die Metallisierung ist mit (nicht gezeigten) elektrischen Zuführungsdrähten versehen.
Der gesamte Raum zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 einerseits, der Aussenwand des piezokeramischen Zylinders 6 andererseits und der der Membran zugewandten Seite der
Glasplatte 7 ist mit einer Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, ausgefüllt.
In der Wandung des Gehäuses 1 befindet sich eine Bohrung 8, in welcher mit einem Kolben 10 versehen, eine Druckschraube
9 eingesetzt ist. Mittels der Druckschraube 9 und des Kolbens
10 kann der Flüssigkeitsdruck fein eingestellt werden. Wenn der Druck der Flüssigkeit erhöht wird, so beult sich der freitragende Teil der Membran 5 nach aussen, während bei einer Druckverringerung die Krümmung der Membran 5 abgeflacht wird, so dass die Brechkraft der Linse verändert wird. Wei 1 eine Spannung an den piezokeramischen Zylinder 6 angelegt wird, so vergrössert er entweder seinen Durchmesser und seine Länge oder verringert sie je nach der Polarität der angelegten Spannung. Die Änderung der Brechkraft der Linse mit der elastischen transparenten Membran 5 ist der angelegten Spannung etwa proportional.
Die Maximalfrequenz der Linse ist durch die Bedingung begrenzt, dass eine Eigenschwingungen der elastischen Membran 5 erregt werden dürfen. Bei der Messung des Frequenzganges einer derartigen Linse ergab sich, dass bis etwa 3 X 103 kHz die Amplitude praktisch konstant ist, und dass erst oberhalb dieser Frequenz Eigenschwingungen der
Membran bemerkbar werden. Es ist natürlich möglich, durch Wahl eines anderen Membranmaterials, einer anderen Stärke und eines anderen Durchmessers der Membran die Eigenschwingungsgrenze noch weiter zu erhöhen.
Da die Erschütterungsschwingungen, welche die optische Apparatur über die Unterstützungsfläche, z.B. die Tischplatte, erreichen, meistens unter 1 000 l Hz liegt, kann mit der erfindungsgemässen Linse eine wirksame Kompensation von durch mechanischen Schwingungen hervorgerufenen Störungen erzielt werden.
Das piezoelektrische Steuerelement der variablen Linse besitzt eine äusserst geringe Trägheit, da die Masse des beweglichen mittleren Teils der Membran sehr klein ist.
In Figur 2 ist eine schematische und teilweise als Schaltung ausgeführte Ansicht einer Regeleinrichtung mit einer variablen Linse dargestellt. Diese Regeleinrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird nur als Anwendungsbeispiel beschrieben. In dieser Figur bedeutet 11 einen Lichtstrahl von geringer Divergenz, der von einem nichtgezeigten Laser erzeugt ist und mittels einer Aufzeichnungslinse 12 auf die Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers 13 fokussiert wird. Der Aufzeichnungsträger 13 ist vorzugsweise ein aus Plastikmaterial bestehendes Band, welches mit einem Metallüberzug versehen ist. Wenn der Brennpunkt der Aufzeichnungslinse 12 genau den metallischen Überzug trifft, so wird dieser weggebrannt, so dass beim Transport des Bandes eine durchsichtige Spur erzeugt wird.
Die Bewegung des Aufzeichnungsträgers 13 kann stufenweise sein, so dass die Spur durch eine Anzahl aufeinanderfolgender transparenter Stellen gebildet wird, welche ein Signal darstellen. Infolge von Dickenänderungen des Aufzeichnungsträgers, ferner infolge mechanischer Stösse und Temperaturänderungen, kann sich die Oberfläche des Aufzeichnungsträgers aus der Brennebene der Aufzeichnungslinse 12 wegbewegen, z.B. um eine Strecke Az, so dass die
Energiedichte des Brennflecks des Laserstrahls verringert wird und keine Verbrennung der metallischen Schicht stattfindet.
Zur Vermeidung einer Signalverfälschung ist ein Strahlenteiler in Form eines halbtransparenten Spiegels 14 in dem Strahl 11 vorgesehen, von welchem ein Teil des von dem Brennfleck auf dem Aufzeichnungsträger 13 zurückgeworfenen Lichts abgelenkt wird und einen Kontrollstrahl 1 1a bildet. Der
Kontrollstrahl passiert einen weiteren halbdurchsichtigen Spiegel 18, ferner eine Zylinderlinse 15 und eine Blende 16 mit einer schlitzförmigen Öffnung und tritt dann in eine Photozelle
17 ein. Der von dem Strahlenteiler 18 reflektierte Teil des Kontrollstrahls gelangt in eine zweite Photozelle 19.
Zwischen der Photozelle 19 und Erde ist ein Spannungsteiler 20 vorgesehen, von dem ein Abgriff so eingestellt werden kann, dass die Ausgangsspannung der Photozelle 19 gleich der Ausgangsspannung der Photozelle 17 ist, wenn der Brennfleck des Laserstrahls 11 genau auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 13 liegt. Annähernde Gleichheit der Ausgangsspannung wird durch geeignete Wahl der Reflektionseigenschaften des Strahlenteilers 18 erzielt.
Die Ausgangsspannungen der Photozellen 17 und 19 werden den Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers 21 zugeführt, welcher diese Spannungen vergleicht und an seinem Ausgang eine Differentialspannung erzeugt, die je nach der Richtung der Verschiebung des Aufzeichnungsträgers 13 aufgrund mechanischerStösse.Sch'vingungen oderTemperatur- iinctenlngen positiv oder negativ sein kann. I)ie- A usgangsspan- nung des Differcntialvcrstiirkers 21 gelangt dann Ztl edlem Leistungsverstärker 22. welcher eine Ausgangsspannung bis zu t l 100 Volt abgibt.
Diese Ausgangsspannung ist mit dem Eingang einer regelbaren Linse 23 der erfindungsgemässen Ausführung verbunden, derart, dass die Brechkraft und Brennweite derselben entsprechend den Änderungen der verstärkten Differentialspannung am Ausgang des Differential- verstärkers 21 variiert wird. Die Änderungen der Brechkraft der Linse 23 verursachen eine Verschiebung Az des Brennflecks der Aufzeichnungslinse 12 in eine solche Richtung, dass die Verschiebung des Aufzeichnungstrtigers 13, welche die
Differentialspannung verursacht hat, kompensiert und der Brennfleck auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 13.
festgehalten wird. Je nachdem, ob der Aufzeichnungsträger 13 in Richtung zur Aufzeichnungslinse 12 oder von ihr weg verschoben war, ist die an der regelbaren Linse 22 anliegende Spannung positiv oder negativ und die Brechkraft derselben sinngemäss vergrössert oder verringert.
Bei einem praktisch aufgeftihrten Beispiel ergab sich eine Brechkraftänderung von: tf = 26-l0¯3cm- f2
Bei einer Änderung der Regelspannung um 100 Volt, unabhängig von der Brechkraft, welche sich bei einer
Regelspannung von 0 Volt ergibt.
Das optische System mit der Aufzeichnungslinse 12 und der regelbaren Linse 23 bietet einen Einstellbereich von 1 50 ii bei einer Brennweite von 16 mm. Das Aufzeichnungssystem erfordert eine Fokussierung innerhalb von von 1 oder 2 ,u, so dass die Verwendung einer regelbaren Linse gemäss der
Erfindung wesentlich zur Verringerung der mechanischen Anforderungen des Aufzeichnungssystems beitragen kann.
The invention relates to a lens with an electrically controllable focal length. and in particular to one whose focal length is practically inertial, e.g. during a
Millisecond or less, according to a signal can be changed.
Such a rapidly variable focal length lens is used e.g. needs, if the task is present, one
Concentrate the laser beam in an object plane and there a focal spot as large as possible and more constant over time
Achieve energy density. Since the diameter of the focal point in laser beams can only be a few multiples of the wavelength, even the smallest changes in the
The distance between the focusing lens and the object plane, for example as a result of vibrations hitting the apparatus, has a considerable impact on the energy density and size of the focal spot.
With a lens that can be steered without dullness, one could control the
Adjust the focal length so that the focus of the lens always coincides with the object plane, and thus a constant one
Energy density in the focal point is maintained. Other
Applications can e.g. consists in performing a light modulation or a constantly sharp image of an object in rapid motion in a
Convey image level. The object of the invention is therefore to provide a construction of an optical lens which can be changed by a control signal with as little inertia as possible
Specify focal length.
Optical lens systems with a variable focal length are already known per se under the name Varioptik or rubber lens; they are a system with a plurality of glass lenses, the relative displacement of which can be used to change the focal length of the system. As far as this shift is effected by a small electric motor, one could speak of an optical lens system with controllable focal length. However, such a system is useless for the task discussed above, since the mechanical inertia is much too great with such a displacement.
A single lens element with a variable focal length has also become known, in which at least one boundary surface consists of an elastic material and the refraction medium of which is a liquid. on which a pressure can be exerted by hand by means of a rubber ball attached to the end of a hose. Such a lens element was preferably provided for use in glasses with a diopter adapted to the respective visual distance. However, this construction is useless for the task at hand because of the excessive inertia.
The object of specifying an optical lens with controllable focal length for rapid changes in focal length is achieved according to the invention by a housing which releases a light path through two openings, at least one of which is covered with a transparent membrane, through a liquid filling of the housing and a piezoelectric Body in contact with the liquid, which changes at least one of its dimensions when a variable voltage is applied, in such a way that an additional liquid pressure is exerted on the membrane and its radius of curvature is changed as a function of the applied voltage.
According to a further development, the piezoelectric body is provided with an optically transparent plate located in the optical beam path. e.g. connected to a glass plate, which is directly opposite the membrane and transfers the dimensional change of the piezoelectric body perpendicular to the lens surface to the liquid volume in front of the membrane. A particularly expedient embodiment consists in that the piezoelectric body is designed as a hollow cylinder and is metallized on the inside and outside for the purpose of supplying a control voltage.
The focal length of an optical lens of such construction can be changed in a very short time and in rapid alternation by applying an alternating voltage to the electrodes of the piezoelectric body, so that the influences of vibrations of a frequency of 1 kHz and more by an alternating voltage of the corresponding frequency and amplitude can be compensated. A useful further development of the invention also consists in providing the housing with a lateral opening in which there is a displaceable piston, through the displacement of which a certain normal pressure is established in the chamber for the purpose of setting a normal curvature of the membrane. If this piston is provided with a fine thread, the pressure in the chamber can be set very precisely.
The cylindrical piezoelectric body has a polarization in the radial direction and is provided on the inside and outside with metallizations serving as electrodes.
The material for the membrane can consist of an elastic and transparent material, preferably of Hostaphan. With a thickness of about 100 St, such a membrane is sufficiently elastic to follow the pressure fluctuations of the liquid practically without inertia.
In the production of such a membrane, a certain birefringence often results from overstretching in a certain direction. This birefringence can optionally be used to achieve with the variable lens at the same time the effect of an A / 4 plate possibly required in the beam path, which can be desirable for influencing the polarization state of the light beams. Silicone oil has proven to be a good liquid for filling the lens. The index of refraction of the liquid or the above-mentioned transparent glass plate.
it is advisable to set it so that both media have the same refractive index.
Further details and advantages of exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings, of which:
Figure 1 shows the mechanical construction of a lens element designed according to the invention in section
Figure 2 shows an application example of the lens according to the invention.
In Figure 1, a cylindrical housing. which has two openings 2 and 3 for the passage of a light beam. In the opening 3, a transparent elastic film 5 is stretched by means of two rings 4 and 4a. In the housing there is a cylinder of piezoelectric material 6, e.g. Made of a lead zirconate titanate ceramic, which encloses the beam path and is covered with a transparent glass plate 7 at the end facing the membrane. The inside and outside of the piezoelectric cylinder is metallized; the metallization is provided with electrical lead wires (not shown).
The entire space between the inner wall of the housing 1 on the one hand, the outer wall of the piezoceramic cylinder 6 on the other hand and the side of the membrane facing the
Glass plate 7 is covered with a liquid, e.g. Silicone oil, filled in.
In the wall of the housing 1 there is a bore 8 in which a pressure screw is provided with a piston 10
9 is inserted. By means of the pressure screw 9 and the piston
10, the fluid pressure can be finely adjusted. When the pressure of the liquid is increased, the self-supporting part of the membrane 5 bulges outwards, while when the pressure is reduced the curvature of the membrane 5 is flattened so that the refractive power of the lens is changed. When a voltage is applied to the piezoceramic cylinder 6, it either increases its diameter and length or reduces it depending on the polarity of the applied voltage. The change in the refractive power of the lens with the elastic transparent membrane 5 is approximately proportional to the applied voltage.
The maximum frequency of the lens is limited by the condition that natural vibrations of the elastic membrane 5 may be excited. When measuring the frequency response of such a lens it was found that the amplitude is practically constant up to about 3 X 103 kHz, and that natural oscillations of the
Membrane become noticeable. It is of course possible to increase the natural vibration limit even further by choosing a different membrane material, a different thickness and a different diameter of the membrane.
Since the shock vibrations which the optical apparatus over the support surface, e.g. the table top, is usually below 1000 Hz, an effective compensation of disturbances caused by mechanical vibrations can be achieved with the lens according to the invention.
The piezoelectric control element of the variable lens has an extremely low inertia, since the mass of the movable central part of the membrane is very small.
FIG. 2 shows a schematic view, partially implemented as a circuit, of a control device with a variable lens. This control device is not the subject of the invention and is only described as an application example. In this figure, 11 denotes a light beam of low divergence which is generated by a laser (not shown) and is focused on the surface of a recording medium 13 by means of a recording lens 12. The recording medium 13 is preferably a tape made of plastic material which is provided with a metal coating. When the focal point of the recording lens 12 hits the metallic coating exactly, it is burned away, so that a transparent track is produced when the tape is transported.
The movement of the recording medium 13 can be gradual, so that the track is formed by a number of successive transparent points which represent a signal. As a result of changes in the thickness of the recording medium, as well as mechanical shocks and temperature changes, the surface of the recording medium can move away from the focal plane of the recording lens 12, e.g. to a distance Az so that the
Energy density of the focal spot of the laser beam is reduced and no combustion of the metallic layer takes place.
To avoid signal corruption, a beam splitter in the form of a semitransparent mirror 14 is provided in the beam 11, from which part of the light reflected from the focal spot on the recording medium 13 is deflected and forms a control beam 11a. Of the
The control beam passes through another semitransparent mirror 18, a cylindrical lens 15 and a diaphragm 16 with a slit-shaped opening and then enters a photocell
17 a. The part of the control beam reflected by the beam splitter 18 reaches a second photocell 19.
A voltage divider 20 is provided between the photocell 19 and earth, from which a tap can be set so that the output voltage of the photocell 19 is equal to the output voltage of the photocell 17 when the focal point of the laser beam 11 lies exactly on the surface of the recording medium 13. Approximately equality of the output voltage is achieved by a suitable choice of the reflection properties of the beam splitter 18.
The output voltages of the photocells 17 and 19 are fed to the input terminals of a differential amplifier 21, which compares these voltages and generates a differential voltage at its output which, depending on the direction of the displacement of the recording medium 13 due to mechanical shocks, vibrations or temperature differences, can be positive or negative can. I) The output voltage of the differential amplifier 21 then reaches the high-quality power amplifier 22, which emits an output voltage of up to 100 volts.
This output voltage is connected to the input of a controllable lens 23 of the embodiment according to the invention in such a way that the refractive power and focal length thereof are varied according to the changes in the amplified differential voltage at the output of the differential amplifier 21. The changes in the refractive power of the lens 23 cause a displacement Az of the focal point of the recording lens 12 in such a direction that the displacement of the recording trigger 13, which the
Differential stress has caused, compensated and the focal spot on the surface of the recording medium 13.
is held. Depending on whether the recording medium 13 was shifted in the direction of the recording lens 12 or away from it, the voltage applied to the controllable lens 22 is positive or negative and the refractive power of the same is increased or decreased accordingly.
A practical example resulted in a change in refractive power of: tf = 26-l0¯3cm-f2
If the control voltage changes by 100 volts, regardless of the refractive power, which is at a
Control voltage of 0 volts results.
The optical system with the recording lens 12 and the adjustable lens 23 offers an adjustment range of 1 50 ii at a focal length of 16 mm. The recording system requires a focus within 1 or 2, u, so the use of an adjustable lens according to the
Invention can contribute significantly to reducing the mechanical requirements of the recording system.