DE3712145C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Brennweite eines optischen Bauelements veränderlicher Brennweite nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Bauelemente finden in verschiedensten Bereichen Anwendung, zum Beispiel als optische Bauteile in Kameras und Videogeräten, in elektrooptischen Instrumenten für die optische Nachrichtenübertragung sowie in Laserplatten. Als optisches Bauelement dieser Art wurde ein optisches Bauelement mit veränderlicher Brennweite vorgeschlagen, bei dem die Brennweite durch Verformung einer optischen Fläche eines Elastomerteils geändert werden kann (JP-OS 1 11 201/1985).

Dieses bekannte optische Bauelement besitzt ein Elastomerteil und ein relativ starres Aperturteil mit einer Öffnung, welche das Elastomerteil kreisförmig kontaktiert, um einen Teil der optischen Fläche des Elastomerteils freizulegen. Diese Fläche läßt sich in ihrer Gestalt ändern durch Verformung des Elastomerteils. Man kann eine Vielfalt von Brennweiten einstellen, indem die auf das Elastomerteil aufgebrachte Kraft variiert wird.

In der Praxis wird zum Einstellen der Brennweite gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 das Apertur-Fassungsteil relativ zu dem Gegenfassungsteil über ein Gewinde verdreht, so daß sich die Wölbung des durch Öffnung freiliegenden Elastomerteils und mithin die Brennweite ändert.

Die DE 34 24 121 zeigt eine optische Linse mit einer zylindrischen Kammer aus zwei Teilen, die in Gewindeeingriff stehen. An den Stirnseiten des Gehäuses befinden sich Membranelemente. Das Innere des Gehäuses ist mit einem optischen Medium gefüllt. Durch Verdrehen der beiden Gehäuseteile gegeneinander verändert sich die Länge des Gehäuses. Zum Volumenausgleich wölben sich die Membranen an den Stirnseiten mehr oder weniger stark.

Das oben erwähnte optische Bauelement mit dem verformbaren Elastomerteil (siehe auch DE 34 24 069 A1) eröffnet zwar die Möglichkeit, verschiedene Brennweiten relativ einfach zu realisieren. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Beziehung zwischen einer Änderung der Brennweite und einer Verformung des Elastomerteils unregelmäßig ist. Es ist daher schwierig, ein solches optisches Bauelement in dem gewünschten Arbeitsbereich so zu steuern, daß die für den jeweiligen Zweck gewünschte Brennweite erhalten wird. Entsprechende Schwierigkeiten können sich bei der optischen Linse nach der DE 34 24 121 A1 ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine definierte, einer bestimmten Gesetzmäßigkeit folgende Beziehung zwischen der Brennweitenänderung und der Verformung des Elastomerteils erzielen läßt. Außerdem soll ein optisches Bauelement angegeben werden, mit dem sich das Verfahren leicht anwenden läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Ein entsprechend ausgestaltetes optisches Bauelement ist im Anspruch 2 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 13.

Es wurde herausgefunden, daß eine regelmäßige Änderung der Brennweite entsprechend der Verformung eines Elastomerteils realisiert werden kann, wenn man dauernd eine externe (zusätzliche) Vorspannkraft auf das Elastomerteils eines optischen Bauelements mit veränderlicher Brennweite aufbringt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der genannten Erkenntnis, wonach die zusätzliche konstante Kraft einen im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen Verformung des Elastomerteils einerseits und Brennweitenänderung andererseits ergibt.

Unregelmäßigkeiten der freiliegenden Oberfläche des Elastomerteils, insbesondere eine unzureichende Rotationssymmetrie oder eine schlechte sphärische Gestalt, werden vermieden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich die gewünschte Brennweitenänderung in einfacher Weise durch entsprechende Verformung des Elastomerteils erzielen. Wird zum Beispiel die Verformung des Elastomerteils durch Komprimieren des Elastomerteils erzielt, indem Fassungsteil und Gegenfassungsteil gegeneinander gedrückt werden, so darf bei dem erfindungsgemäß verstellten Bauelement erwartet werden, daß sich die Brennweite - in Grenzen - ziemlich genau linear mit dem Ausmaß des Zusammendrückens von Fassungsteil und Gegenfassungsteil ändert.

Wenn die freiliegende Oberfläche veranlaßt wird, ihre ursprüngliche Gestalt anzunehmen, das heißt diejenige Gestalt, die sie annimmt, wenn keine externe Kraft aufgebracht wird, zum Beispiel eine konvexe oder eine konkave Form, so läßt sich in einigen Fällen die Tendenz feststellen, daß die Krümmung freiliegenden Oberfläche, nachdem das gefertigte Teil die Fertigungsform verlassen hat, etwas kleiner ist als die Krümmung der Formoberfläche, d. h., der beabsichtigten Krümmung. Eine derartige Unregelmäßigkeit kann beispielsweise verursacht werden durch eine Verformung des Elastomerteils beim Lösen von der Form. Erfindungsgemäß wird jedoch ein derartiger unerwünschter Effekt aufgrund einer Abweichung der Krümmung der freiliegenden Oberfläche von der gewünschten Form bei Bedarf im wesentlichen beseitigt, und zwar durch Aufbringung der externen Kraft vorbestimmter Größe.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Wenn nicht anders angegeben, verstehen sich sämtliche Prozentangaben und "Teile"-Angaben als auf das Gewicht bezogen, wenn nichts anderes gesagt ist.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht des Elastomerteils eines bereits konzipierten optischen Bauelements veränderlicher Brennweite,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Ausmaß der Verformung des Elastomerteils und der sich dabei ergebenden Brechkraft für das in Fig. 1 gezeigte optische Bauelement,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Elastomerteils einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Bauelements mit veränderlicher Brennweite,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht eines optischen Bauelements in einem Zustand, in welchem ein Druckring als Einrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten externen Kraft weggelassen ist, und

Fig. 5 eine schematische Längsschnittansicht, die ein Verfahren zur Verwendung des optischen Bauelements veranschaulicht.

Zur Beschreibung der Erfindung im einzelnen soll zunächst die Gestalt eines optischen Bauelements ohne eine Einrichtung zur kontinuierlichen Aufbringung einer vorbestimmten externen Kraft beschrieben werden. Ein solches optisches Bauelement wurde bereits in der japanischen Patentanmeldung 88 483/1986 vorgeschlagen.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht durch das Elastomerteil eines optischen Bauelements 1a. Das optische Bauelement 1a umfaßt ein Aperturteil 2 mit einer Apertur oder Öffnung 2a; ein Elastomerteil 3, bestehend aus einer ersten elastomeren Schicht 31 und einer zweiten elastomeren Schicht 32, die auf die erste Schicht auflaminiert ist; und einer Bodenplatte 4. Die Teile sind in der genannten Reihenfolge, beginnend auf der Seite der freiliegenden Oberfläche des Elastomerteils, entlang der optischen Achse Z des optischen Bauelements angeordnet.

Fig. 2 zeigt in Form einer graphischen Darstellung die Korrelation zwischen dem Ausmaß der Verformung ΔZ, gezählt vom Anfangszustand aus, in welchem keine externe Kraft aufgebracht wird, und dem Ausmaß der Veränderung des Brechungsvermögens oder der Brechkraft (dem Reziprokwert der Brennweite) ΔC, ausgedrückt in Dioptrien. Im folgenden wird der obige Wert ΔZ ausgedrückt als Betrag der Bewegungslänge der Bodenplatte 4 entlang der optischen Achse Z.

Gemäß Fig. 2 weisen in einer Zone relativ kleiner Werte von ΔZ die Größen ΔZ und ΔC eine komplizierte Korrelation auf.

Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen optischen Bauelement eine externe Vorspannkraft vorbestimmter Größe kontinuierlich auf das Elastomerteil aufgebracht, so daß die Verformung ΔZ und die Brechkraft ΔC eine gute Korrelation aufweisen, wie aus dem im wesentlichen linearen Abschnitt des Graphen in Fig. 2 erkennbar ist.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauelements. Das Bauelement weist auf: ein relativ starres zylindrisches Aperturteil 2 mit einer kreisförmigen Öffnung oder Apertur 2a in seiner Mitte; ein stabförmiges oder scheibenförmiges laminiertes Elastomerteil 3 mit einer ersten elastomeren Schicht 31, die in Berührung steht mit dem Aperturteil 32, und einer zweiten elastomeren Schicht 32, deren Elastizitätsmodul verschieden von dem der ersten elastomeren Schicht ist, und die auf letzterer in laminierter Form aufgebracht ist; eine transparente und relativ starre, kreisscheibenförmige Bodenplatte 4 als Gegenglied, wobei das laminierte Elastomerteil von dem Gegenglied im Verein mit dem Aperturglied 2 sandwichartig eingeschlossen ist; einen zylindrischen Druckring 5 als Mittel zum Aufbringen einer externen Kraft, welches die kreisförmige Bodenplatte 4 beaufschlagt, um andauernd die externe Kraft vorbestimmter Größe auf das laminierte Elastomerteil 3 zwischen dem Aperturglied 2 und der Bodenplatte 4 aufzubringen; die Teile sind in der genannten Reihenfolge, beginnend auf der Seite der freiliegenden Oberfläche des Elastomerteils, entlang der optischen Achse Z des optischen Bauelements angeordnet.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel des optischen Bauelements 1 ist die kreisförmige Bodenplatte 4 in Richtung der optischen Achse Z beweglich angeordnet, um eine gewünschte Verformung des laminierten Elastomerteils 3 zu veranlassen. Wenn letzteres durch Druckbeaufschlagung mit einer positiven externen Kraft verformt wird, haftet der Druckring 5 an dem Aperturteil 2 und ist an diesem fixiert.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines optischen Bauelements 1b in einem Zustand, in welchem keine externe Kraft auf das laminierte Elastomerteil 3 aufgebracht wird (d. h., in einem Zustand, in dem der Druckring 5 nicht vorhanden ist). Gemäß Fig. 4 kommt als Material für das stabförmige laminierte Elastomerteil 3 ein natürliches oder synthetisches Polymermaterial mit elastomeren oder elastischen Eigenschaften bei der Temperatur, unter der das Bauelement verwendet werden soll, in Betracht, ohne daß diesbezüglich irgendwelche besonderen Beschränkungen existieren. Derartige elastomere oder elastische Stoffe, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können, haben vorzugsweise einen Elastizitätsmodul E von 10² bis 10⁸ N/m², insbesondere von 10³ bis 10⁶ N/m², und zwar bei der Temperatur, bei der das Bauelement eingesetzt werden soll. Der Elastizitätsmodul (E) wird dargestellt durch E=σ/γ (wobei σ eine Spannung und γ eine elastische Dehnung ist). Der Elastizitätsmodul E läßt sich ermitteln durch einen Eindringversuch entsprechend der japanischen Industrienorm (JIS) K 6301 und K 2808.

Liegt der Elastizitätsmodul E unterhalb von 10² N/m², so ist es schwierig, eine ursprüngliche oder Anfangs-Form des Elastomerteils exakt herzustellen, da sich das Elastomerteil aufgrund der Schwerkraft oder aufgrund von Schwingungen und anderen Einflüssen zu sehr verformt und zu weich wird. Wenn der Elastizitätsmodul E oberhalb von 10⁸ N/m² liegt, wird die externe Kraft zum Verformen des Elastomerteils unerwünscht groß.

Wenn außerdem das optische Bauelement als Linse oder Objektiv eingesetzt wird, sollte das Elastomerteil vorzugsweise eine hohe Lichtdurchlässigkeit zumindest für die in Betracht kommenden Licht-Wellenlängen aufweisen.

Beispiele für elastomere Materialien, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können, sind Gummis allgemein, nämlich Naturgummis und synthetische Gummis, wie z. B. Styrol-Butadien-Gummi (SBR), Butadiengummi (BR), Isopren-Gummi (IR), Ethylen-Propylen-Gummi (EPM, EPDM), Butyl-Gummi (IIR), Chloropren-Gummi (CR), Acrylonitril-Butadien-Gummi (NBR), Urethan-Gummi (U), Silicon-Gummi (Si), Fluor-Gummi (FPM), Polysulfid-Gummi (T), Polyäther-Gummi (POR, CHR, CHC) und dergleichen.

Die oben genannten elastomeren Stoffe können nach Bedarf vernetzt werden. Der Elastizitätsmodul E läßt sich dadurch ändern, daß man das Ausmaß der Vernetzung steuert. Die Vernetzung kann erreicht werden durch Verwendung eines Vernetzungsmittels wie Schwefel, Peroxid und dergleichen.

Die genannten verschiedenen Elastomere können als Stoff für die erste elastomere Schicht 31 oder die zweite elastomere Schicht 32 verwendet werden, während Silicongummi, Ethylen-Propylen-Gummi und dergleichen besonders bevorzugt werden im Hinblick auf gewünschte mechanische Eigenschaften, insbesondere den Elastizitätsmodul und dergleichen, außerdem wegen gewünschter optischer Eigenschaften wie dem Brechungsindex und dergleichen.

Wenn die Elastizitätsmoduli der ersten elastomeren Schicht 31 und der zweiten elastomeren Schicht 32, die aus den oben genannten Stoffen bestehen, mit E₁ bzw. E₂ bezeichnet werden, und wenn die Dicken der ersten und der zweiten elastomeren Schicht entlang der optischen Achse Z in der ursprünglichen Gestalt als t₁ bzw. t₂ bezeichnet werden, so gilt vorzugsweise die Beziehung E₁<E₂, und insbesondere wird bevorzugt, wenn die Beziehung t₁t₂ zusammen mit E₁<E₂ erfüllt ist. Bei t₁<t₂ ist die externe Kraft, die zur Verformung des laminierten Elastomerteils 3 aufgebracht wird, erhöht.

Um außerdem ein laminiertes Elastomerteil 3 zu erhalten, welches in der Lage ist, die freiliegende Oberfläche 3a in praktisch kugelförmiger (sphärischer) Form zu halten, während die Verformung stattfindet, sollte die folgende Beziehung (1) erfüllt sein:

5 < (E₁xt₁)/(E₂xt₂) < 100 (1)

Die erste und die zweite elastomere Schicht 31 bzw. 32 können aus ähnlichen Stoffen oder aber auch aus verschiedenen Stoffen bestehen. Allerdings sollten diese elastomeren Schichten vorzugsweise von einem ähnlichen oder gleichen Materialtyp gebildet sein, z. B. aus Silicongummi bestehen, damit das laminierte Elastomerteil 3 ohne Schwierigkeiten mit hervorragenden optischen Eigenschaften aufgrund einer relativ geringen Differenz im Brechungsindex, oder zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Haftvermögens zwischen den beiden Schichten, hergestellt werden kann.

Das Aperturteil 2, welches das laminierte Elastomerteil aufnimmt, besteht aus einem hohlen und bodenlosen zylindrischen Teil mit einer kreisförmigen Öffnung 2a in seiner Oberseite. Das Teil ist z. B. aus einer 1 bis 2 mm dicken Platte gebildet und besteht aus einem relativ starren Material, z. B. aus einem Metall, Glas oder Harz.

Vorzugsweise besteht das Aperturteil 2 aus einem opaken Material.

Die kreisförmige Bodenplatte 4 schließt das laminierte Elastomerteil 3 zwischen sich und dem Aperturteil 2 ein; es kann aus einem relativ starren transparenten Material wie Glas, Harz oder dergleichen bestehen. Vorzugsweise hat es eine Dicke von etwa 1 bis 5 mm.

Die Form der Bodenplatte 4 ist nicht speziell beschränkt, solange es in der Lage ist, im Verein mit dem Aperturteil 2 eine Druck- oder Zugkraft auf das Elastomerteil aufzubringen.

Gemäß Fig. 3 kann der gegen die Bodenplatte 4 drückende Druckring 5 als Einrichtung zur Aufbringung einer externen Kraft aus einem ähnlichen Material bestehen wie das Aperturteil 2. Durch Befestigen und Fixieren des Druckrings 5 an dem Aperturteil 2 ändert sich der Zustand, in welchem keine externe Kraft auf das Elastomerteil 3 aufgebracht wird (wie Fig. 4 zeigt), in den Zustand, in welchem eine externe Kraft vorbestimmter Größe auf das Elastomerteil 3 aufgebracht wird, so daß das optische Bauelement 1 in der erfindungsgemäßen Weise vorliegt.

Die erwähnte externe Kraft wird auf das Elastomerteil 3 durch den Druckring 5 aufgebracht, mit dem Zweck, eine regelmäßige Korrelation zwischen dem Ausmaß der Änderung der Brechkraft (oder der Brennweite) und dem Ausmaß der Verformung des Elastomerteils zu realisieren. Das Ausmaß der vorbestimmten Kraft wird vorzugsweise bestimmt als Betrag der Verformung des Elastomerteils 3, verursacht durch die auf es aufgebrachte Kraft (d. h., das Ausmaß der Verformung wird gezählt oder gemessen, indem man mit dem in Fig. 4 dargestellten Zustand (ohne externe Kraft) beginnt und zu dem Zustand nach Fig. 3 (mit Vorspannkraft) gelangt).

Das Ausmaß der Bewegung und der Versetzung (ΔZ₀) der kreisförmigen Bodenplatte 4 entlang der optischen Achse Z, entsprechend der Änderung von dem Zustand nach Fig. 4 in den Zustand nach Fig. 3, kann etwas in Abhängigkeit der Elastizitätsmoduli E₁ und E₂ der ersten bzw. der zweiten elastomeren Schicht variieren, oder in Abhängigkeit der ursprünglichen Dicke der Schichten entlang der optischen Achse Z (t₁ und t₂). Allerdings sollte das Verhältnis ΔZ₀ zur Gesamtdicke (T=t₁+t₂) des laminierten Elastomerteils 3 entlang der optischen Achse Z vorzugsweise 1 bis 20% betragen, vorzugsweise 2 bis 10%.

Wenn das genannte Verhältnis ΔZ₀ zu T kleiner ist als 1%, ist es schwierig, eine gute oder regelmäßige Korrelation (z. B. eine Proportionalität) zwischen dem Ausmaß der Verformung des Elastomerteils 3 (ΔZ) und dem Ausmaß der Änderung der Brechkraft (ΔC) des optischen Bauelements 1 zu erhalten, oder es kann Schwierigkeiten bereiten, die Unregelmäßigkeit der freiliegenden Oberfläche 3a zu vermeiden. Im vorliegenden Fall werden sowohl ΔZ als auch ΔC, ausgehend von dem in Fig. 3 gezeigten Zustand, gemessen.

Wenn andererseits das Verhältnis ΔZ₀ zu T größer als 20% ist, wird die von dem Druckglied 5 auf das Elastomerteil 3 aufgebrachte externe Kraft zum Ändern des Wertes von ΔZ₀ unerwünscht groß.

Bei der Erfindung kann die erwähnte regelmäßige Korrelation zwischen dem Ausmaß der Verformung des Elastomerteils 3 und dem Ausmaß der Änderung der Brechkraft (oder der Brennweite) vorzugsweise eine funktionelle Korrelation entsprechend einer gewissen Formel sein, z. B. eine Proportionalität, eine umgekehrte Proportionalität oder ein Exponential-Verlauf. Diese Korrelation kann vorzugsweise eine Proportionalität oder eine lineare Korrelation sein, damit die Brechkraft sehr einfach genau gesteuert werden kann.

Um die Unregelmäßigkeit der freiliegenden Oberfläche zu vermeiden, kann die externe Kraft, die durch das Druckglied 5 auf die Bodenplatte 4 aufgebracht wird, vorzugsweise in einer solchen Richtung wirken, daß die Flächengröße der freiliegenden Oberfläche 3a vergrößert wird. Wenn also die ursprüngliche Form der freiliegenden Oberfläche 3a konvex ist, während keine externe Kraft einwirkt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird vorzugsweise eine externe Kraft in eine Richtung aufgebracht, bei der das Elastomerteil 3 druckbeaufschlagt wird, indem die Bodenplatte 4, wie Fig. 3 zeigt, nach oben bewegt wird. Wenn andererseits die ursprüngliche Form der freiliegenden Oberfläche konkav ist (dieses Beispiel ist in der Zeichnung nicht dargestellt), so wird vorzugsweise eine externe Kraft in einer Richtung aufgebracht, bei der das Elastomerteil 3 einem Unterdruck ausgesetzt wird, indem die Bodenplatte 4 nach unten gezogen wird. Wenn das Elastomerteil 3 von Unterdruck beaufschlagt wird, ist es erforderlich, die erste Elastomerschicht 31 fest an dem Aperturteil 2 zu fixieren (d. h., die Fläche auf der Seite der freiliegenden Oberfläche 3a fest mit dem Aperturteil 2 zu verbinden).

Als Mittel zur Aufbringung einer externen Kraft kommen an sich bekannte Mittel zum Einsatz, darunter eine Feder, eine Spirale und dergleichen, also Mittel, die in der Lage sind, eine konstante externe Kraft auf das Elastomerteil 3 aufzubringen. Diese Teile und deren Verwendung unterliegen nur insoweit einer Einschränkung, als gewährleistet sein muß, daß sie die optischen Eigenschaften des optischen Bauelements 1 (im Fall eines Objektivs also beispielsweise die Durchlässigkeit für einen Lichtstrahl) nicht beeinträchtigen. Um eine externe Kraft stabil und genau gesteuert auf das Elastomerteil 3 aufzubringen, wird vorzugsweise eine statische Aufbringeinrichtung wie der oben erwähnte Druckring 5 verwendet.

Das optische Bauelement 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau kann beispielsweise in seiner Gesamtheit in zylindrischer Form ausgebildet sein, wie Fig. 3 zeigt. Allerdings kann im Rahmen der Erfindung das optische Bauelement auch beispielsweise ein Elastomerteil in Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds und ein Aperturteil mit einer rechtwinkligen, schlitzförmigen Öffnung in der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds aufweisen. Die schlitzförmige freiliegende Oberfläche eines solchen Bauelements kann als zylindrische Linse, als torische Linse und dergleichen fungieren.

Außerdem kann die freiliegende Oberfläche 3a des Elastomerteils 3 als reflektierende Oberfläche ausgebildet sein, z. B., indem man auf die freiliegende Oberfläche Metall aufdampft. Bei einer solchen Ausführungsform muß der Stoff, aus dem das Elastomerteil besteht, nicht unbedingt transparent sein. Außerdem können in dem Elastomerteil Füllstoffe, z. B. ein Metallpulver, dispergiert sein.

Nachdem das den oben beschriebenen Aufbau aufweisende optische Bauelement 1 hergestellt ist, indem eine externe Vorspannkraft auf das Elastomerteil ausgeübt wurde, läßt sich das Bauelement betreiben, indem eine zusätzliche externe Kraft auf das Bauelement aufgebracht wird, damit sich die Brennweite (oder der Brechungsindex) ändert. Dies geschieht mittels zusätzlicher Verformung des Elastomerteils.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der ein zylindrisches Treiberglied 6 in Richtung der optischen Achse Z beweglich angeordnet ist und in Berührung mit einer Seite der kreisförmigen Bodenplatte 4, die den Druckring 5 kontaktiert, steht. Das Treiberglied 6 ist an eine (nicht gezeigte) Antriebsvorrichtung, z. B. einen Motor oder eine Spirale, angeschlossen.

Wenn das Treiberglied 6 nach oben bewegt wird und dadurch auf das Elastomerteil 3 ein positiver Druck aufgebracht wird, wird die freiliegende Oberfläche 3a des Elastomerteils 3 noch weiter, als in Fig. 3 gezeigt ist, durch die Öffnung 2a des Aperturteils 2 vorgeschoben, so daß sich eine konvexe Linse entsprechend der Stärke des aufgebrachten Drucks ausbildet. Es läßt sich also durch Steuern der Stärke des auf das Elastomerteil aufgebrachten Drucks die Form der konvexen Linse reversibel ändern, wodurch man eine gewünschte Brennweite erhalten kann.

Die externe Kraft vorbestimmter Stärke wird z. B. dadurch auf das Elastomerteil 3 aufgebracht, daß man den in Fig. 3 gezeigten Druckring 5 verwendet. Aus diesem Grund gibt es eine gute Korrelation (z. B. einer Proportionalität) zwischen dem Ausmaß der Verformung des Elastomerteils (ΔZ, gezählt vom Zustand gemäß Fig. 3 aus), hervorgerufen durch das Treiberglied 6, und dem Ausmaß der Änderung der Brechkraft (ΔC, gemessen vom Zustand nach Fig. 3 aus).

Durch Steuern der oben genannten Verformung läßt sich also eine gewünschte Brechkraft (oder eine gewünschte Brennweite) exakt einstellen.

Wenn andererseits ein negativer Druck (eine Zugkraft) auf das Elastomerteil 3 aufgebracht wird, kann dessen freiliegende Oberfläche 3a eine reversibel veränderliche konkave Linse (in der Zeichnung nicht dargestellt) darstellen, bei der eine gute Korrelation zwischen ΔZ und ΔC vorhanden ist. In diesem Fall wird der Druckring 5 an der Bodenplatte 4 befestigt, nicht jedoch an dem Aperturteil 2.

Die Wirkung des oben beschriebenen optischen Bauelements 1 läßt sich leicht analysieren, z. B. entsprechend dem Finit-Element-Verfahren unter Verwendung eines Strukturanalyseprogramms.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind das Treiberglied 6 und der Druckring 5 als Mittel zum Aufbringen einer externen Kraft vorbestimmter Größe als separate Teile ausgebildet. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls möglich, ein einzelnes Teil zu verwenden, das in der Lage ist, eine externe Kraft mit vorbestimmter Stärke aufzubringen (z. B. kann dies mit Hilfe des Treiberglieds 6 geschehen), anstatt beide Teile 5 und 6 vorzusehen.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein als Laminat ausgebildetes Elastomerteil 3 verwendet, was insofern vorteilhaft ist, als die Form der freiliegenden Oberfläche 3a in der gewünschten Form aufrechterhalten werden kann, einschließlich Kugelform oder dergleichen, während die Verformung des Elastomerteils vonstatten geht. Es ist aber ebenfalls möglich, eine gute Korrelation zwischen ΔZ und ΔC zu erreichen, wenn man ein aus einer einzigen Schicht bestehendes Elastomerteil anstelle des als Laminat ausgebildeten Elastomerteils 3 verwendet.

Die Erfindung schafft ein optisches Bauelement mit veränderlicher Brennweite, umfassend eine Einrichtung zum kontinuierlichen Aufbringen einer externen Kraft vorbestimmter Größe auf ein elastomeres Teil des Bauelements, dessen Brechkraft (oder Brennweite) mühelos mit größerer Genauigkeit gesteuert werden kann. Der genannte Effekt läßt sich dadurch erreichen, daß man die Unregelmäßigkeiten der freiliegenden Oberfläche beseitigt und eine gute Korrelation zwischen dem Ausmaß der Verformung oder Versetzung des elastomeren Teils und der Änderung der Brechkraft (oder der Brennweite) realisiert.

Im folgenden soll ein Beispiel eines solchen Bauelements detailliert erläutert werden:

Beispiel

Es wurde ein optisches Bauelement 1b gemäß Fig. 4 hergestellt.

Das als Laminat ausgebildete Elastomerteil 3 wurde dadurch hergestellt, daß eine transparente, zweite elastomere Schicht 32 mit einer Dicke t₂ von 4 mm entlang der optischen Achse Z auf einer transparenten, ersten elastomeren Schicht 31 mit einer Dicke t₁ von 1 mm entlang der optischen Achse Z auflaminiert wurde. Die erste elastomere Schicht 31 wurde gebildet durch Herstellen eines Gemisches von 100 Teilen eines Silicongummis (Handelsbezeichnung: KE 106 der Fa. Shinetsu Kagaku Kogyo K. K.) und 10 Teilen eines Aushärtemittels (Handelsbezeichnung: Catalyst RG, hergestellt durch Shinetsu Kagaku Kogyo K. K.) durch Zusammenfügen der Stoffe und Mischen, woraufhin das Gemisch unter Vakuum entgast wurde, bevor es bei 65°C 4 Stunden lang ausgehärtet wurde. Die zweite elastomere Schicht 32 wurde gebildet durch Herstellen eines Gemisches aus 10 Gew.-Teilen Silicongummi KE 106, 1 Gew.-Teil des Aushärtemittels Catalyst RG, 100 Gew.-Teilen Silicongummi KE 104 Gel und 10 Gew.-Teilen des Aushärtemittels Catalyst 104 (jeweils von der Firma Shinetsu Kagaku Kogyo K. K. hergestellt), durch Mischen der Stoffe, durch Entgasen des Gemisches unter Vakuum und durch anschließendes Aushärten des Gemisches bei einer Temperatur von 40°C während einer Standzeit von 72 Stunden.

Dann wurde ein laminiertes Elastomerteil 3 in der ursprünglichen Gestalt eines Stabs mit sphärischer freiliegender Oberfläche 3a gebildet, wobei der Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche 50 mm betrug, während eine Bodenfläche (d. h., die der Bodenplatte 4 gegenüberliegende Bodenfläche) einen Durchmesser von 25 mm besaß.

Dann wurde das in Fig. 4 dargestellte optische Bauelement 1b fertiggestellt, indem das oben beschriebene laminare Elastomerteil 3 zwischen einer kreisförmigen Bodenplatte 4 eines Durchmessers von 30 mm und einem zylindrischen Aperturteil 2 mit einer kreisförmigen Öffnung 2a eines Durchmessers von 20 mm und einem Innendurchmesser von 30 mm sandwichartig eingefaßt wurde. Bezüglich weiterer Einzelheiten bei der Herstellung des optischen Bauelements 1b sei verwiesen auf die auf einer Anmeldung der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgehende japanische Patentanmeldung 88 483/1986.

Dann wurde, wie Fig. 3 zeigt, ein aus Aluminium bestehender zylindrischer Druckring 5 mit einem Innendurchmesser von 25 mm an dem Aperturteil 2 befestigt, wodurch die Bodenplatte 4 nach oben bewegt wurde (d. h. in die einer Druckbeaufschlagung des Elastomerteils 3 entsprechende Richtung), und zwar um ein Stück ΔZ₀=0,2 mm, gemessen vom Zustand des optischen Bauelements 1b gemäß Fig. 4 entlang der optischen Achse Z, so daß das in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße optische Bauelement 1 erhalten wurde. Bei dem Bauelement 1 nach Fig. 3 wurden Unregelmäßigkeiten, wie sie möglicherweise bei der Bildung des Elastomerteils 3 hätten erwartet werden können, vermieden, und es wurde eine optische Oberfläche mit hoher Genauigkeit erhalten.

Gemäß Fig. 5 wurde ein zylindrisches Treiberglied 6 mit einem Innendurchmesser von 23 mm in dem optischen Bauelement 1 angeordnet, und mit Hilfe des Treiberglieds 6 wurde die aus Glas bestehende Bodenplatte 4 in der einer Druckbeaufschlagung des Elastomerteils 3 entsprechenden Richtung um ein Stück ΔZ=0-0,4 mm, gemessen vom Zustand nach Fig. 3 aus, entlang der optischen Achse Z bewegt. Als Ergebnis dieses Vorgangs verformte sich die freiliegende Oberfläche 3a des Elastomerteils 3 reversibel und kontinuierlich, während eine praktisch sphärische Oberfläche mit einem Krümmungsradius im Bereich von 45-30 mm beibehalten wurde.

In diesem Fall wurde entsprechend dem obigen Wert ΔZ die Brechkraft des optischen Bauelements 1 fast linear in dem Bereich von 8,8-13,3 Dioptrien geändert.

Claims (14)

1. Verfahren zum Einstellen der Brennweite eines optischen Bauelements veränderlicher Brennweite, wobei das Bauelement aufgebaut ist aus

• - einem Elastomerteil (3) mit einer optisch wirksamen Fläche (3a),
• - einem hiergegen starren, eine Öffnung (2a) aufweisenden Apertur-Fassungsteil (2), gegen das sich das Elastomerteil mit einem Teil der optischen Fläche (3a) legt, und
• - einem Gegenfassungsteil (4) zur Einfassung des Elastomerteils zusammen mit dem Apertur-Fassungsteil,

wobei eine das Elastomerteil verformende äußere Kraft wahlweise auf dieses über eines der Fassungsplatte ausgeübt wird, um die Brennweite durch eine begleitende Formänderung der optischen Fläche auf den jeweils gewünschten Wert einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer Vorspannung eine weitere, konstante Kraft dauernd auf das Elastomerteil derart ausgeübt wird, daß der Zusammenhang zwischen der Verformung und der Brennweitenänderung im wesentlichen linear ist.

2. Optisches Bauelement veränderlicher Brennweite zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine dauernd wirkende, konstante Kraft auf das Elastomerteil ausüben.

3. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die Dickenänderung des Elastomerteils längs der optischen Achse als Folge der ausgeübten konstanten Kraft 1 bis 20%, bezogen auf die ursprüngliche Dicke beträgt.

4. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die Dickenänderung des Elastomerteils 2 bis 10% beträgt.

5. Bauelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem die optisch wirksame Fläche ohne ausgeübte konstante Kraft konvex oder konkav ist.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die optisch wirksame Fläche reflektierend ist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Elastizitätsmodul des Elastomerteils 10² bis 10⁸ N/m², beträgt.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der Elastizitätsmodul des Elastomerteils 10³ bis 10⁶ N/m² beträgt.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem das Elastomerteil ein Siliconkautschuk oder ein Ethylen-Propylen-Kautschuk ist.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem das Elastomerteil ein Laminat aus zwei in Richtung der optischen Achse hintereinander liegenden elastomeren Schichten (31 und 32) ist.

11. Bauelement nach Anspruch 10, bei dem der Elastizitätsmodul E₁ der dem Apertur-Fassungsteil zugekehrten ersten elastomeren Schicht (31) größer ist als der Elastizitätsmodul E₂ der zweiten elastomeren Schicht (32).

12. Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Dicke t₁ der ersten elastomeren Schicht kleiner oder gleich der Dicke t₂ der zweiten elastomeren Schicht längs der optischen Achse ist.

13. Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Beziehung 5 < (E₁xt₁)/(E₂xt₂) < 100.erfüllt ist.