DE9016891U1 - Lens system with multiple switchable focal lengths - Google Patents
Lens system with multiple switchable focal lengthsInfo
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Description
Beschreibung: 90010 G DEDescription: 90010 G DE
Die vorliegende Neuerung betrifft ein Linsensystem mit mehreren/ umschaltbaren Brennweiten, bestehend aus mindestens einer Linse aus einem doppelbrechendem Medium, dessen optische Achse in einem Winkel zur geometrisch-optischen Achse angeordnet ist, und einer Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsebene.The present innovation relates to a lens system with multiple/switchable focal lengths, consisting of at least one lens made of a birefringent medium, the optical axis of which is arranged at an angle to the geometric-optical axis, and a device for rotating the polarization plane.
Aus einer Veröffentlichung von S. Sato (Japanese J. Applied Physics Ji_8, 1679 (1979)) ist ein Linsensystem bekannt, welches aus einem Flüssigkristall in Form einer Linse und einem planparallelen Flüssigkristall zur Umschaltung der Polarisationsrichtung besteht. Die Form des linsenförmigen Flüssigkrist a I Ies ist durch ihn begrenzende Glasplatten vorgegeben. Diese Glasplatten haben eine Oberflächenstruktur, die bewirkt, daß die Moleküle des Flüssigkristalles eine einheitliche Richtung erhalten, durch welche eine optische Achse vorgegeben ist, die senkrecht auf der geometrischoptischen Linsenachse steht. Dadurch erhält die Flüssigkristall-Linse infolge ihrer Doppelbrechung für parallel und senkrecht zu ihrer optischen Achse polarisiertes Licht unterschiedliche Brennweiten.A lens system is known from a publication by S. Sato (Japanese J. Applied Physics Ji_8, 1679 (1979)), which consists of a liquid crystal in the form of a lens and a plane-parallel liquid crystal for switching the polarization direction. The shape of the lens-shaped liquid crystal is determined by the glass plates that delimit it. These glass plates have a surface structure that causes the molecules of the liquid crystal to have a uniform direction, which determines an optical axis that is perpendicular to the geometric optical lens axis. As a result, the liquid crystal lens has different focal lengths for light polarized parallel and perpendicular to its optical axis due to its double refraction.
Vor der Flüssigkristall-Linse ist ein planparalleler Flüssigkristall angeordnet, mit dem auf ihn auftreffendes linear polarisiertes Licht in seiner Schwingungsrichtung um 90° gedreht werden kann, so daß die eine oder die andere Brennweite der F lüss ig kr i st a IL-L i nse wirksam wi.rd.A plane-parallel liquid crystal is arranged in front of the liquid crystal lens, with which linearly polarized light striking it can be rotated by 90° in its direction of oscillation, so that one or the other focal length of the liquid crystal lens becomes effective.
Ein Machteil dieses bekannten Linsensystems ist, daß die Flüssigkrist a Il-Linse eine verhältnismäßig große Dicke hat und daher aufgrund von Lichtstreuung schlechte Abbildungseigenschaften aufweist. Die Dicke der LC-Schicht begrenzt A disadvantage of this known lens system is that the liquid crystal lens is relatively thick and therefore has poor imaging properties due to light scattering. The thickness of the LC layer limits
außerdem den Linsenradius bzw. den Linsendurchmesser. Außerdem hängen die Brennweiten stark von der Temperatur ab.also the lens radius or the lens diameter. In addition, the focal lengths depend heavily on the temperature.
Der vorliegenden Neuerung Liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Linsensystem mit umscha Ltbaren Brennweiten anzugeben, das gute AbbiLdungseigenschaften und eine geringe Temperaturabhängigkeit hat.The aim of this innovation is therefore to provide a lens system with switchable focal lengths that has good imaging properties and a low temperature dependence.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß die Linse aus einem doppelbrechenden Medium eine Linse aus einem doppe I brechenden Kristall ist.According to the innovation, the task is solved by the fact that the lens made of a doubly refracting medium is a lens made of a doubly refracting crystal.
Durch die Verwendung eines (festen) doppelbrechenden Kristalles, wie z.B. Calcit oder Rutil, erhält man unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Linse eine sehr kleine Lichtstreuung, daher gute Abbildungseigenschaften und eine geringe Temperaturabhängigkeit.By using a (solid) birefringent crystal, such as calcite or rutile, one obtains very little light scattering, regardless of the geometric dimensions of the lens, thus good imaging properties and a low temperature dependence.
In einer bevorzugten Ausführungsf&ogr;rm besteht die Vorrichtung zur Drehung der Po laristionsebene aus einer bekannten Flüssig-Kristall-TN-ZelLe, die über einen Schalter an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die beiden Po la r i st i ons zust ände durch "offnen und Schließen des Schalters eingestellt werden. Andere Möglichkeiten zur Erzeugung der beiden Polarisationszustände sind eine &lgr;,/2-Platte, die um ihre optische Achse gedreht wird, eine Faraday-Anordnung oder eine Pockels-Zel Ie.In a preferred embodiment, the device for rotating the polarization plane consists of a known liquid crystal TN cell which is connected to an alternating voltage source via a switch, the two polarization states being set by opening and closing the switch. Other possibilities for generating the two polarization states are a λ/2 plate which is rotated about its optical axis, a Faraday arrangement or a Pockels cell.
Die Linse aus einem doppe L brechenden Kristall kann eine Sammellinse oder eine Zerstreuungslinse sein.The lens made of a double-refracting crystal can be a converging lens or a diverging lens.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der optischen Achse des doppe Ibxechenden Materials und der geometrisch-optischen Achse des "L insensyst ems 90°.In a preferred embodiment, the angle between the optical axis of the double-layered material and the geometric-optical axis of the lens system is 90°.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrereIn a further advantageous embodiment, several
Linsen aus doppe !.brechenden Kristallen mit den zu ihnen gehörenden Polarisationseinrichtungen zu einem Linsensystem zusammengefaßt/ wobei sich bei &eegr; Linsen 2 n Brennpunkte ergeben.Lenses made of doubly refracting crystals with their associated polarization devices are combined to form a lens system, whereby n lenses result in 2 n focal points.
In einer besonders bevorzugten Ausführungs form ist das Linsensystem Bestandteil eines Objektives mit einer oder mehreren konventionellen Linsen aus Glas. Dabei können die Linsen aus Glas eine Grundbrennweite bestimmen und die Linse aus dem doppe I brechenden Kristall bewirkt zusammen mit der Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsebene zwei verschiedene Änderungen dieser Grundbrennweite.In a particularly preferred embodiment, the lens system is part of a lens with one or more conventional glass lenses. The glass lenses can determine a basic focal length and the lens made of the double-refracting crystal, together with the device for rotating the polarization plane, causes two different changes to this basic focal length.
Als doppelbrechende Kristalle kommen in Betracht C a I c i t , Rutil und Saphir; aber auch alle anderen Kristalle, die eine genügend große Doppelbrechung haben.Possible double-refracting crystals are CaIcIt, rutile and sapphire; but also all other crystals that have a sufficiently large double refraction.
Die Neuerung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 2 näher erläutert. Dabei zeigenThe innovation is explained in more detail below using Figures 1 to 2.
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für ein Linsensystem mit einer Sammellinse undFig. 1 an embodiment of a lens system with a converging lens and
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse.Fig. 2 an embodiment with a converging lens and a diverging lens.
In Figur 1 ist mit (11) ein Polarisator bezeichnet, der nur notwendig ist, wenn die Strahlung (12) nicht linear polarisiert ist. Die z.B. parallel zur Zeichenebene polarisierte Strahlung (12p) tritt durch den planparallelen Flüssigkristall (13f), welcher in bekannter Weise als sog. TN-Zelle (13) (twisted nematic) ausgebildet ist. Wenn an deren Elektroden (13e) bei ges ch lossenem l(,Scha I ter (14) eine (Wechselspannung liegt, dann wird die Polarisationsrichtung der Strahlung nicht beeinflußt; liegt bei geöffnetem Schalter (14) an den Elektroden (13e) keine Spannung, dann wird dieIn Figure 1, (11) denotes a polarizer, which is only necessary if the radiation (12) is not linearly polarized. The radiation (12p) polarized, for example, parallel to the plane of the drawing (12p) passes through the plane-parallel liquid crystal (13f), which is designed in a known manner as a so-called TN cell (13) (twisted nematic). If an alternating voltage is applied to its electrodes (13e) when the switch (14) is closed, then the polarization direction of the radiation is not affected; if there is no voltage at the electrodes (13e) when the switch (14) is open, then the
Polarisationsebene um 90° gedreht, so daß sie senkrecht auf der Zeichenebene steht.Polarization plane rotated by 90° so that it is perpendicular to the drawing plane.
Die aus der FLüssigkrist a LL-TN-ZeLLe (13) austretende StrahLung (12s) trifft auf die Linse (15), welche aus einem doppeLbrechenden Kristall, z.B. Calcit oder Rutil, ist,dessen optische Achse (15o) mit der geometrisch-optischen Achse (10) des Linsensystems vorzugsweise einen Winkel von 90° bildet und im erläuterten Beispiel in der Zeichenebene liegt. Es ist jedoch auch möglich, daß die beiden Achsen einen kleineren winkel bilden, insbesondere dann, wenn die Differenz der Brennweiten kleiner sein soll als bei einem Winkel von 90°.The radiation (12s) emerging from the liquid crystal LL-TN cell (13) hits the lens (15), which is made of a birefringent crystal, e.g. calcite or rutile, whose optical axis (15o) preferably forms an angle of 90° with the geometric-optical axis (10) of the lens system and, in the example explained, lies in the plane of the drawing. However, it is also possible for the two axes to form a smaller angle, particularly if the difference in the focal lengths is to be smaller than an angle of 90°.
Entsprechend dem Polarisationszustand der auf die Linse (15) auftreffenden Strahlung (12s) hat die Linse (15) entweder die Brennweite (fe) oder die Brennweite (fQ) und vereinigt den Parallelstrahl (12) abhängig von der Stellung des Schalters (14) entweder in dem Brennpunkt (16e) oder in dem Brennpunkt (16o). Die Brennweiten der Linse (15) ergeben sich in bekannter Weise aus ihren Krümmungsradien und den Brechzahlen für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl.Depending on the polarization state of the radiation (12s) striking the lens (15), the lens (15) has either the focal length (f e ) or the focal length (f Q ) and combines the parallel beam (12) either at the focal point (16e) or at the focal point (16o) depending on the position of the switch (14). The focal lengths of the lens (15) are determined in a known manner from its radii of curvature and the refractive indices for the ordinary and extraordinary beams.
In Figur 2 ist ein Linsensystem dargestellt, mit dem sich vier verschiedene Brennweiten einstellen lassen. Es besteht wieder aus einem Polarisator (11), falls der einfallende Lichtstrahl nicht bereits linear polarisiert ist. Anschließend folgt wieder eine Flüssigkristall-TN-Zelle (13) mit dem Schalter (14) zum Ein- und Ausschalten der Wechselspannung und eine erste Linse (15) aus einem doppelbrechenden Kristall, welche abhängig von der Stellung des Schalters (14) zwei verschiedene Brennweiten hat. Darauf folgt eine zweite Flüssigkristall-TM-Zelle, die in ihrem Aufbau vollständig der ersten entsprechen kann. Anschließend konimt eine zweite Linse (25) aus einem doppelbrechendem Kristall", welche die gleichen optischen Daten wie die erste Linse (15), haben kann; meist aber andere Daten haben wird. Auch eine Zerstreuungslinse istFigure 2 shows a lens system with which four different focal lengths can be set. It again consists of a polarizer (11) if the incident light beam is not already linearly polarized. This is followed by a liquid crystal TN cell (13) with the switch (14) for switching the alternating voltage on and off and a first lens (15) made of a birefringent crystal, which has two different focal lengths depending on the position of the switch (14). This is followed by a second liquid crystal TM cell, the structure of which can correspond completely to the first. This is followed by a second lens (25) made of a birefringent crystal, which can have the same optical data as the first lens (15), but will usually have different data. A diverging lens is also used.
möglich. Entsprechend den insgesamt vier verschiedenen möglichen Kombinationen der Stellungen der Schalter (14) hat das Linsensystem vier verschiedene Brennpunkte (26, 27, 28, 29).possible. According to the four different possible combinations of the switch positions (14), the lens system has four different focal points (26, 27, 28, 29).
Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als zwei Linsen aus doppelbrechendem Kristall mit den zugehörigen Vorrichtungen zur Drehung der Polarisationsebene in einem Linsensystem zu vereinigen, wobei sich bei &eegr; Linsen 2n Brennpunkte ergeben.Of course, it is also possible to combine more than two lenses made of birefringent crystal with the associated devices for rotating the plane of polarization in a lens system, whereby n lenses result in 2 n focal points.
Claims (10)
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| DE9016891U1 true DE9016891U1 (en) | 1991-03-07 |
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Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005021341A1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-14 | Carl Zeiss Smt Ag | Imaging system for producing micro structured element e.g. integrated circuit has optical element whose optical crystal axis is parallel to optical axis of imaging system whereby one component of optical element is reflected more strongly |
| US7375897B2 (en) | 2003-12-19 | 2008-05-20 | Carl Zeiss Smt Ag | Imaging systems |
-
1990
- 1990-12-14 DE DE9016891U patent/DE9016891U1/en not_active Expired - Lifetime
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| US7375897B2 (en) | 2003-12-19 | 2008-05-20 | Carl Zeiss Smt Ag | Imaging systems |
| DE102005021341A1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-14 | Carl Zeiss Smt Ag | Imaging system for producing micro structured element e.g. integrated circuit has optical element whose optical crystal axis is parallel to optical axis of imaging system whereby one component of optical element is reflected more strongly |
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