DE2817525C2

DE2817525C2 - Optisches System mit veränderbarer Brennweite

Info

Publication number: DE2817525C2
Application number: DE2817525A
Authority: DE
Inventors: Guy Paris Michelet
Original assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Current assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1986-05-22
Also published as: JPS6151284B2; JPS53135347A; GB1596895A; DE2817525A1; US4289379A

Description

mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Linse mit veränderlicher Brennweite;

F i g. 2 eine schematische Schnittansicht eines rückstrahlenden oder catadioptrischen, plankonkaven Systems mit veränderlicher Brennweite;

F i g. 3 eine Ansicht eines rückstrahlenden, plankonvexen Systems mit veränderlicher Brennweite;

F i g. 4 eine Ansicht eines rückstrahlenden, bikonvexen Systems mit zwei Elementen veränderlicher Krümmung;

F i g. 5 eine Schnittansicht eines catadioptrischen Systems mit zwei Elementen variabler Krümmung, von denen eines bikonkav ist;

F i g. 6 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform eines catadioptrischen Systems ähnlich demjenigen in F i g. 5 und

Fig. 7 eine Ansicht eines konkav-kon· exen, rückstrahJenden Systems mit zwei Elementen veränderlicher Krümmung.

Die in F i g. 1 dargestellte Linse umfaßt eine Küvette 1 aus transparentem Material, deren Wände 2 und 3 von der optischen Achse X-Xder Linse durchsetzt werden.

Die Wand 2 der Küvette wird von einer Schicht oder Lamelle 4 aus transparentem Material gebildet, auf welcher eine Bilamelle oder Doppelschicht 5 aus piezoelektrischem Material befestigt ist, wobei die Doppelschicht aus den beiden Elementen 6 und 7 besteht Die transparente Lamelle 4 besteht beispielsweise aus Siliziumdioxicl.

Elektroden 8,9,10 sind an den Elementen 6 und 7 der Doppelschicht 5 sowie an der Trennfläche zwischen diesen Elementen befestigt

Im Mittelteil der Wand 2, welcher die optische Achse X-X umgibt, ist in der Doppelschicht 5 ein Fenster 11 derart ausgespart, daß das Licht die Wand 2 durchdringen kann.

Die so gebildete Wand 2 ist schließlich an der Küvette unter Zwischenschaltung einer Dichtungsverbindung 12 befestigt.

Die Küvette 1, deren der Wand 2 gegenüberliegende Wand 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel plan ist, ist mit einem Adaptionsmedium 13 für den Brechungsindex gefüllt, bei dem es sich um eine gelatinöse Substanz, eine Flüssigkeit oder eine andere Substanz, beispielsweise um Silikonöle handeln kann.

Die Linse umfaßt weiterhin eine Expansicnskammer 14, die mit der Küvette 1 kommuniziert.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Wand 3 der Linse plan. Es wird erfindungsgemäß jedoch auch in Betracht gezogen, dieser Wand eine bestimmte Krümmung zu geben.

Sie kann gegebenenfalls auch von einer Wand analog zur Wand 2 gebildet sein.

Wenn an die Elektroden 8,9 und 10 der Wand 2 eine elektrische Spannung angelegt wird, verformt sich die Doppelschicht 5 und ruft eine Krümmung der Lamelle 4 hervor, die mit dem Potentialunterschied an den Elektroden der Doppelschicht 2 variiert und ihrerseits eine Variation der Brennweite der Linse erzeugt.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Lamelle 4 an einer freien Fläche der aus den Bestandteilen 6,7 bestehenden Doppelschicht 5 befestigt.

Die Lamelle 4 kann bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen angeordnet werden, wobei beide Elemente wiederum mit einem Fenster für den Lichtdurchtritt versehen werden.

Die Wand 2 kann ferner auch von einem einzigen piezoelektrischen Element gebildet sein, welches mit einer Lamelle aus transparentem Material verbunden ist, welches keine piezoelektrischen Eigenschaften besitzt Wenn schließlich die verwendeten, piezoelektrischen Materialien transparent sind, kann die Wand 2 der Linse in einfacher Weise lediglich aus der Doppelschicht 5 bestehen. Die transparente, biegsame Lamelle 4 wird dann überflüssig.

ίο Das in F i g. 2 dargestellte catadioptrische oder rückstrahlende System umfaßt eine Küvette 15, die von einer Seitenwand 16 und zwei Stirnwänden 17 und 18 gebildet ist Die erste Stirnwand 17 besteht aus einem starren, transparenten Material mit einem ersten Brechungsindex fli, während die zweite Stirnwand 18 von einer Doppelschicht aus piezoelektrischem Material besteht und von zwei Elementen 19 und 20 gebildet ist die durch eine Schicht 21 aus elektrisch leitendem Material voneinander getrennt sind. Diese Schicht 21 bildet eine erste Elektrode für die Spannungsversorgung der Doppelschicht Die freie Fläche des Elementes 19 trägt eine zweite Elektrode 22, wobei eine Spannungsquelle 23 mit Anschlüssen der Elektroden 21 und 22 verbunden ist. Die so aufgebaute Küvette ist mit einem Adaptionsmedium 24 für den Brechungsindex gefüllt, das beispielsweise eine gelatinöse Substanz, eine Flüssigkeit oder eine andere Substanz, beispielsweise Silikonöl, sein kann. Die Oberfläche des Elements 20 der piezoelektrischen Doppelschicht ist mit einer Schicht 25 aus reflektierendem Material bedeckt.

Das in F i g. 2 dargestellte System bildet somit eine Linse mit veränderlicher Brennweite, die von dem in der Küvette 15 enthaltenen Medium 24 und einem Spiegel mit variabler Brennweite gebildet ist, wobei der Spiegel mit variabler Brennweite aus der mit der reflektierenden Schicht 25 bedeckten, piezoelektrischen Doppelschicht der Wand 18 besteht.

Wenn die Dicke der starren Wand 17 der Küvette nicht vernachlässigbar ist, und wenn der Brechungsindex n\ dieser Wand vom Brechungsindex n₂ des Mediums 24 verschieden ist, kann das System auch so aufgefaßt werden, als enthielte es außerdem eine Lamelle oder Schicht mit parallelen Flächen, die von der Wand 17 gebildet ist.

Man erhält auf diese Weise ein Rückstrahlsystem, welches einfallende Strahlen I\ ablenkt, um sie, wie in F i g. 2 dargestellt, in reflektierte Strahlen R\ umzuwandeln.

Die Ablenkung der Lichtstrahlen, welche von der Wand 17 hervorgerufen wird, hängt von den relativen Unterschieden der Brechungsindizes /Jo der Luft, Π\ des die Wand 17 bildenden Materials und /?2 des Mediums 24 ab.

Das in Fig.2 dargestellte System umfaßt schließlich noch eine Expansionskammer 25, die mit der Küvette 15 in Verbindung steht.

Bei dem System gemäß F i g. 3 handelt es sich um eine zu dem System der F i g. 2 analoge Konstruktion mit Ausnahme der Tatsache, daß anstelle eines Konkavspiegels mit variabler Brennweite ein Konvexspiegel mit variabler Brennweite getreten ist. Dieser Konvexspiegel besteht aus einer piezoelektrischen Doppelschicht 26 aus den beiden Elementen 27, 28, die in konkaver Form gegen das Innere der Küvette gerichtet sind. Das innere Element 28 trägt auf seiner mit dem Adaptionsmedium in Kontakt stehenden Fläche eine Beschichtung 29 aus reflektierendem Material. Das übrige System weist einen analogen Aufbau wie das Svstem iremäß

F i g. 2 auf und wird daher im einzelnen nicht mehr beschrieben.

Das auf diese Weise gebildete, plankonkave catadioptrische System verwandelt einfallende Strahlen I₂ in der dargestellten Weise in reflektierte Strahlen R₂.

Bei den beiden, soeben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die starre, transparente Wand der Küvette, die der von der piezoelektrischen Doppeliamelle gebildeten Wand gegenüberliegt, plan. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Wand jedoch auch konkav oder konvex sein.

Das in F i g. 4 dargestellte, rückstrahlende System unterscheidet sich von den im voranstehenden beschriebenen Systemen dadurch, daß es durch den Zusammenbau zweier piezoelektrischer Elemente 30, 31 mit variabler Krümmung gebildet ist Die beiden Elemente 30 und 31 sind an einem Ring 32 befestigt der die Seitenwand des Systems bildet und mit einer Expansionskammer 33 versehen ist Die piezoelektrische Doppelschicht 30 besteht bei dieser Ausführungsform aus den beiden konvexen Elementen 34 und 35, die gegen das Äußere des Systems gerichtet und von einer Schicht 36 aus elektrisch leitendem Material getrennt sind. Die Schicht 36 ist mit einer ersten Anschlußklemme für die Doppelschicht verbunden. Die freie Oberfläche des Elementes 34 trägt eine weitere Anschlußelektrode 37. Die auf diese Weise gebildete Doppelschicht wird von einer ersten Spannungsquelle 38 mit Spannung versorgt

Die zweite Doppelschicht 31 umfaßt eine Schicht oder Lamelle 39 aus transparentem Material, die auf einem Element 40 aus piezoelektrischem Material befestigt ist In dem die optische Achse des System umgebenden Bereich ist aus dem Element 40 ein Fenster 41 für den Durchtritt des Lichtes ausgespart

Die beiden Elemente 39 und 40 sind ebenfalls in konvexer Form gegen die Außenseite des Systems hin gerichtet Die beiden Elemente sind von einer elektrisch leitenden Schicht 44 getrennt. Das piezoelektrische Element 40 trägt auf seiner freien Oberfläche eine Elektrode 45, die zusammen mit der Schicht 44 die Elektroden der Doppelschicht 31 für den Anschluß an eine zweite Spannungsquelle 46 bildet

Die Oberfläche der ersten Doppelschicht 30, welche mit dem Adaptionsmedium 43 in Kontakt ist, ist mit einer Schicht 47 aus reflektierendem Material bedeckt

Das soeben beschriebene System bildet somit eine Linse mit veränderlicher Brennweite, die von dem in der Küvette 42 enthaltenen Medium 43 gebildet wird, wobei die Linse von den beiden Doppelschichten 30 und 31 mit veränderlichen Krümmungen begrenzt ist und ein Spiegel mit veränderlicher Brennweite vorgesehen ist der von der mit der reflektierenden Schicht 47 versehenen Doppelschicht 30 gebildet ist Dieses System ist daher ebenso wie die bei den vorangehenden Systeme ein Rückstrahlsystem.

Das in F i g. 5 dargestellte System ist weitgehend dem System gemäß F i g. 4 ähnlich und wird daher nicht in allen Einzelheiten mehr beschrieben.

Das System gemäß F i g. 5 umfaßt eine Doppelschicht 48, die konvex in das Innere des Systems gerichtet ist während die der Doppelschicht 31 in Fig.4 entsprechende Schicht konvex nach außen gekehrt ist Die Doppelschicht 48 umfaßt ein Element 49 aus transparentem Material, auf dem ein Element 50 aus piezoelektrischem Material angeordnet ist Im Element 50 ist wieder für den Lichtdurchtritt ein Fenster 51 ausgespart

Das System gemäß Fig.6 unterscheidet sich von demjenigen der F i g. 4 lediglich dadurch, daß es eine piezoelektrische Doppelschicht 52 enthält, die einen Spiegel mit veränderlicher Brennweite bildet, jedoch konkav nach außen gekehrt ist, während die entsprechende Doppelschicht des Systems gemäß F i g. 4 konkav nach innen gekehrt ist. Im übrigen ist das System gemäß F i g. 6 analog zu demjenigen der F i g. 4.

Das in F i g. 7 dargestellte System umfaßt zwei piezoelektrische Doppelschichten 53 und 54, die konkav nach außen gekehrt sind. Diese Doppelschichten sind mit einer ringförmigen Seitenwand 55 zusammengefügt, die ihrerseits mit einer Expansionskammer 56 ausgestattet ist. Die beiden Doppelschichten und die Seitenwand 55 bestimmen eine Kammer 57, die, wie in den vorhergehenden Fällen, ein Adaptionsmedium 58 für den Brechungsindex enthält. Die Doppelschichten 53 und 54 sind ebenso aufgebaut, wie die im voranstehenden beschriebenen, entsprechenden Doppelschichten. Die Doppelschicht 53 bildet einen Spiegel mit variabler Brennweite und trägt eine Schicht 59 aus reflektierendem Material, während die Doppelschicht 54 ein Element 60 aus transparentem Material enthält, das an einem piezoelektrischen Element 61 befestigt ist Das Element 61 ist in seinem Mittelteil wieder mit einem Fenster 62 versehen, um das Licht durchtreten zu lassen.

Das auf diese Weise gebildete System bildet ein bikonkaves, rückstralendes, optisches System mit variabler Brennweite.

Bei den in F i g. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind die piezoelektrischen Elemente der Doppelschichten, welche das Licht durchtreten lassen, auf der Außenseite des in der Küvette des Systems enthaltenen Mediums angeordnet Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Element jedoch auch in Kontakt mit diesem Medium stehen, d. h. auf der Innenseite der Küvette angeordnet sein.

Im übrigen kann dieses piezoelektrische Element durch eine Doppelschicht ersetzt sein, die aus zwei piezoelektrischen Elementen gebildet ist und auf welcher eine transparente Schicht oder Lamelle befestigt ist Die beiden Elemente der Doppelschicht werden in diesem Fall mit einem Fenster für den Lichtdurchtritt versehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 kennzeichnet, daß die Küvette (42) auf der der Dop- Patentansprüche: pelschicht (30,52,53) gegenüberliegender, Seite eine zweite, piezoelektrische Doppelschicht (31, 48, 54)

1. Optisches System mit veränderbarer Brennwei- mit veränderlicher Krümmung aufweist und daß te mit einer wenigstens teilweise aus durchsichtigem 5 wenigstens ein von der optischen Achse des Systems Material gefertigten und mit einer optisch brechen- durchsetzter Teilbereich (41, 51, 62) dieser zweiten den Flüssigkeit gefüllten Küvette, bei der die Krüm- Doppelschicht lichtdurchlässig ausgebildet ist mung wenigstens einer von der optischen Achse des 13. System nach Anspruch 12, dadurch gekenn-Systems durchsetzten, durchsichtigen Wand mittels zeichnet, daß die zweite piezoelektrische Doppeleiner an eine piezoelektrische Einrichtung angeleg- io schicht (31,48,54) wenigstens einen Bestandteil (40, ten, elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der 50, 61) aus lichtundurchlässigem Material umfaßt. Größe dieser Spannung änderbar ist, d a d u r c h daß eine Lamelle oder Schicht (39,49,60) aus lichtgekennzeichnet, daß die piezoelektrische Ein- durchlässigem Material vorgesehen ist, und daß in richtung als piezoelektrische Doppelschicht (5) aus- dem Bestandteil aus lichtundurchlässigem Material gebildet ist, die einen Teil der von der optischen 15 ein Fenster (41,51,62) für den Lichtdurchtritt ausge-Achse des Systems durchsetzten Wand (2) der Kü- spart ist veite (1) bildet und deren Krümmung durch die angelegte elektrische Ladung einstellbar ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die piezoelektrische Doppelschicht (5) aus 20

transparentem Material besteht Die Erfindung betrifft ein optisches System mit verän-

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- derbarer Brennweite gemäß dem Oberbegriff des Pakennzeichnet daß die piezoelektrische Doppel- tentanspruchs 1.

schicht (5) wenigstens eine Schicht (6,7) aus Iichtun- Bei einem bekannten System dieser Art (DE-AS

durchlässigem Material enthält, daß eine Lamelle (4) 25 20 06 970) ist die piezoelektrische Einrichtung ein die

aus lichtdurchlässigem Material vorgesehen ist, und eine Wand der Küvette bildender, piezoelektrischer Zy-

daß in der Doppelschicht (5) ein Fenster (11) für den linder, der jedoch von der von der optischen Achse des

Lichtdurchtritt ausgespart ist Systems durchsetzten Wand separat ist. Diese Wand

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- wird bei dem bekannten System von einer transparennet, daß die Lamelle (39) aus lichtdurchlässigem Ma- 30 ten, elastischen Folie gebildet. Wenn an den piezoelekterial ein Bestandteil der piezoelektrischen Doppel- trischen Zylinder eine Spannung angelegt wird, so verschicht(31)ist. größen er entweder seinen Durchmesser und seine

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- Länge oder er verringert sie je nach der Polarität der net, daß die lichtdurchlässige Lamelle (4) an einer angelegten Spannung. Hierdurch läßt sich der Druck freien Oberfläche eines der die piezoelektrische 35 der optisch brechenden Flüssigkeit in der Küvette ver-Doppelschicht (5) bildenden Bestandteile (6,7) befe- ändern. Wenn der Druck der Flüssigkeit erhöht wird, stigtist beult sich der freitragende Teil der Folie nach außen,

6. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- während bei einer Druckverringerung die Krümmung net, daß die lichtdurchlässige Lamelle (4) zwischen der Folie abgeflacht wird. Hierdurch verändert sich jeden die Doppelschicht (5) bildenden Bestandteilen 40 weils die Brechkraft des Systems.

(6,7) aus piezoelektrischem Material befestigt ist. Bei dem bekannten System wirkt die piezoelektrisch

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- erzeugte Formveränderung des piezoelektrischen Zydurch gekennzeichnet, daß die Küvette (1) eine Ex- linders nicht unmittelbar auf die von der optischen Achpansionskammer (14) für die optisch brechende se des Systems durchsetzte Wand, nämlich die elastische Flüssigkeit(13) aufweist. 45 Folie. Die an der Folie erzielten Krümmur_:gsänderun-

8. System nach einem der voranstehenden An- gen hängen daher teilweise auch von der elastischen Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Linse und sonstigen Beschaffenheit der Folie ab, so daß der an mit veränderlicher Brennweite darstellt. sich erwünschte, eindeutige Zusammenhang zwischen

9. System nach einem der Ansprüche 1-7, da- Spannungsänderung an der piezoelektrischen Einrichdurch gekennzeichnet, daß die mit der in der Küvet- 50 tung und Krümmung der Folie nicht immer gegeben ist te (15, 42,57) befindlichen Flüssigkeit (24, 43,58) in Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Kontakt stehende Oberfläche der piezoelektrischen optisches System derart zu verbessern, daß Formverän-Doppelschicht (18, 26, 30, 52, 53) reflektierend aus- derungen der piezoelektrischen Einrichtung unmittelgebildet ist und das System damit rückstrahlend bar und zwangsläufig auf die von der optischen Achse ^w'rkt 55 des Systems durchsetzte, durchsichtige Wand übertra-

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekenn- gen werden und hierdurch eine präzise Krümmungseinzeichnet, daß die reflektierend ausgebildete Oberflä- stellung dieser Wand ermöglicht ist.

ehe der Doppelschicht (18, 26, 30, 52, 53) eine Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn-

Schicht (25,29,47,59) aus reflektierendem Material zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

_w umfaßt, die auf demjenigen Element der Doppel- 60 Da bei der erfindungsgemäßen Lösung die piezoelek-

ß schicht abgeschieden ist, welches in Kontakt mit der trische Doppelschicht ein Teil der von der optischen

j^ in der Küvette befindlichen Flüssigkeit (24, 43, 58) Achse des Systems durchsetzten Wand ist, wirken sich

ft' ^stent· Formveränderungen der Doppelschicht direkt auf diese

I'}; H- System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge- Wand aus und ermöglichen so eine präzisere Einstellung

ρ kennzeichnet, daß die Küvette (15) auf der der Dop- 65 der Wandkrümmung in Abhängigkeit von der an die

ß| pelschicht (18, 26) gegenüberliegenden Seite eine Doppelschicht angelegten, elektrischen Spannung.

e(| starre, transparente Wand (17) aufweist. Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausfüh-

Is ¹²· System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge- rungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang