DE2855841C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Fokussiereinrichtung mit variabler Brennweite.

Optische Fokussiersysteme mit veränderlicher Brennweite wer­ den in weitem Umfang in optischen Abbildungssystemen wie etwa Kameras, Teleskopen, Fernrohren und Projektoren verwendet. Solche Systeme weisen typischerweise eine oder mehrere Linsen aus Glas oder Kunststoff auf, deren Stellung durch einen mecha­ nischen Antrieb verändert werden kann, so daß eine kontinuier­ liche Änderung der Brennweite resultiert.

Eine variable Fokussierwirkung ist auch in einem System ver­ wirklicht worden, in dem sich Licht streuende Teilchen inner­ halb eines fluiden Mediums verteilt befinden und durch ein angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld in einer geeig­ neten Anordnung befinden. Ferner wird mit der US-Patentschrift 35 31 185 eine Lichtführung beschrieben, in deren Verlauf das Licht beim Durchtritt durch ein mit Licht streuenden Teilchen dotiertes fluides Medium wiederholt fokus­ siert wird, wobei die Erzielung einer größeren oder kleineren Brennweite von der Stärke des angelegten Feldes abhängt.

Flüssigkristallmaterialien sind nunmehr gut bekannt. Die Be­ sonderheit dieser Materialien besteht darin, daß sie zusätzlich zu einer festen Phase und einer isotropen flüssigen Phase wenig­ stens eine halb-geordnete, mesomorphe Phase aufweisen. Zu den gut bekannten mesomorphen Phasen gehören die smektische Phase, die nematische Phase und die cholesterinische Phase; hiervon ist die nematische Phase im Zusammenhang mit der vorliegenden Er­ findung von besonderer Bedeutung. Die Moleküle von nematischen Flüssigkristallmaterialien haben typischerweise stabförmige oder gegebenenfalls scheibenförmige Gestalt. Bei Molekülen mit stabförmiger Gestalt wird die mittlere Richtung der Längsachse der Moleküle in einem begrenzten Bereich als Ausrichtung (engl. "director") dieses Bereichs bezeichnet; bei Molekülen mit schei­ benförmiger Gestalt wird die Richtung senkrecht zur Scheiben­ fläche als Ausrichtung bezeichnet. In der nematischen Phase eines nematischen Flüssigkristallmaterials sind die Ausrichtun­ gen bzw. die ausgerichteten Bereiche des Materials in einer bevorzugten Richtung festgelegt.

Flüssigkristallmaterialien werden hauptsächlich in Anzeige­ einrichtungen und Wiedergabegeräten angewandt. Beispielsweise wird mit einem Beitrag von R. A. Soref "Electronically Scanned Analog Liquid Crystal Displays" in Applied Optics, 9, S. 1323 bis 1329 (Juni 1970) ein optisches Anzeigegerät beschrieben, das zwischen optisch durchlässigen, elektrisch leitenden Elek­ troden sandwichartig eingebettet eine Dünnschicht aus Flüssig­ kristallmaterial aufweist. Als Folge der angelegten Spannung gehen Bereiche der Flüssigkristallschicht aus dem durchlässigen Zustand in einen Licht streuenden Zustand über, wodurch eine Änderung des sichtbaren Eindrucks auftritt. Ein Gerät mit un­ durchlässigen Elektroden wird in der US-Patentschrift 36 74 342 beschrieben, das besonders geeignet für die Anzeige von Linien, Strichen und dgl. zu sein scheint.

Neben der Anwendung in optischen Anzeigen ist die Anwendung von Flüssigkristallmaterialien auch für andere Zwecke vorge­ schlagen worden. Beispielsweise wird mit der US-Patentschrift 37 41 629 die Anwendung einer Schicht aus Flüssig­ kristallmaterial in Kombination mit ringförmigen Elektroden angegeben, um eine elektrisch gesteuerte Iris bereitzustellen.

Eine Fokussiereinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der DE-OS 26 39 556 bekannt. Die Fo­ kussiereinrichtung ist speziell ausgelegt für eine optische Leseeinrichtung zum Lesen von Daten, die in einer Spur aufgezeichnet sind. Die Daten werden ausgelesen mit Hilfe einer Laserstrahlungsquelle, die einen linear polarisierten Laserstrahl erzeugt, der von der Fokussiereinrichtung auf die Spur fokussiert wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fokussiereinrichtung zu schaffen, bei der die veränderliche Brennweite unabhängig von der Polarisierung ist, so daß sich die Fokussiereinrichtung auch überall dort einsetzen läßt, wo nicht-polarisiertes oder nicht linear-polarisiertes Licht vorhanden ist.

Zu den möglichen Anwendungen der erfindungsgemäßen Fokussier­ einrichtung gehören Kameras, Teleskope, Fernrohre, Projek­ toren, Brillen und Augengläser.

Nachfolgend werden mit Bezugnahme auf die Figur eine Ausführungsform der Erfindung erläutert:

Die Figur zeigt eine auseinandergezogene Darstellung der Ausführungsform.

Zur Ausführungsform gehören durchlässige Substrate 23, mit einander zugewandten konkaven Oberflächen, die mit optisch durchlässigen, elektrisch leitenden Elektroden 24 beschichtet sind, die ihrerseits mit Ausrichtungsschichten 25 und 26 über­ zogen sind. Zwischen den durchlässigen Substraten 23 ist eine durchlässige Platte 27 angeordnet, die ebenfalls mit Ausrich­ tungsschichten 28 und 29 überzogen ist. Die Schichten 25 und 28 erteilen den ausgerichteten Bereichen des in dem Spalt zwischen den Schichten 25 und 28 enthaltenden Flüssigkristallmaterial eine bevorzugte Richtung "x". Die Schichten 26 und 29 erteilen den aus­ gerichteten Bereichen des Flüssigkristallmaterials innerhalb des Spalts zwischen den Schichten 26 und 29 eine bevorzugte Richtung "y" senkrecht zur Richtung "x". Die Elektroden 24 sind an einen Spannungsgenerator 30 angeschlossen, wodurch zwischen den Elek­ troden 24 ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Die dargestellte Ausführungsform kann als eine Ein­ richtung mit zwei Kristallinsen veränderlicher Brennweite an­ gesehen werden, wobei jede Linse eine variable Fokussier­ wirkung auf die senkrecht polarisierten Komponenten des in z-Richtung einfallenden Lichtes ausübt. Der bezüglich des zwischen den Schichten 25 und 28 angeordneten Körpers aus Flüssigkristallmaterial ordentliche Strahl stellt gegenüber dem zwischen den Schichten 26 und 29 angeordneten Körper aus Flüssigkristallmaterial den außerordentlichen Strahl dar, und umgekehrt. Zusammengenommen erzeugen diese beiden Körper aus Flüssigkristallmaterial als Folge auf ein veränderliches elek­ trisches Feld zwischen den Elektroden 24 eine variable Fokus­ sierwirkung auf in z-Richtung ankommendes Licht unabhängig von der Polarisation dieses ankommenden Lichtes.

Die Ausrichtungsmaterialien können vorgesehen werden, um anfäng­ lich bevorzugte Richtungen parallel zu den Festlegungsschich­ ten zu erteilen, wie das in der Figur dargestellt ist. Mit alternativen Ausrichtungsmaterialien kann eine anfängliche be­ vorzugte Richtung im wesentlichen senkrecht zu den Ausrichtungs­ schichten erteilt werden. Um im zuletzt genannten Falle die Brennweite zu verändern, können elektrische oder magnetische Felder benutzt werden, um die Ausrichtung auf eine Richtung parallel zu den Ausrichtungsschichten zu neigen.

Der Körper aus Flüssigkristallmaterial kann sich zwischen den Oberflächen befinden, welche den Körpern eine Bi-Konvex-Form verleihen, wie das in der Figur dargestellt ist. Im einzelnen können die Körper aus Flüssigkristallmaterial jede beliebige Gestalt aufweisen und jeweils sogar einfach aus einer Schicht von einheitlicher Dicke bestehen. Im zuletzt genannten Falle kann zur Erzielung einer Fokussierwirkung ein Feld benutzt werden, dessen Stärke vom Mittelpunkt in Richtung auf die Kanten der Schicht abgestuft ist. Es ist weiterhin möglich, eine Schicht von einheitlicher Dicke gemeinsam mit einem gleichförmigen Feld zu verwenden; in diesem Falle stellt das Flüssigkristallmaterial eine veränderliche optische Weg­ länge dar, und es sind andere optische Bauteile vorgesehen, um die tatsächliche Fokussierung durchzuführen. Ferner kann das Feld, in dem sich die Körper aus Flüssigkristallmaterial befinden, abgestuft sein, um die gesamte, oder einen Teil der Fokussierkraft dieser Körper zu verstärken oder abzuschwächen.

Die Auswahl besonderer Flüssigkristallmaterialien für die Zwecke der Erfindung kann von einer Anzahl von Materialeigenschaften abhängen, wie etwa von dem Temperaturbereich, innerhalb dem das Material eine nematische Phase bildet; weiterhin von der Leich­ tigkeit, mit welcher die ausgerichteten Bereiche auf eine Än­ derung der Feldstärke ansprechen, weiterhin von der Schwellen­ feldstärke, und sofern ein elektrisches Feld benutzt wird, vom Widerstand des Materials. In einem elektrischen Feld sind Ma­ terialien mit hohem Widerstandswert besonders geeignet, da in solchen Materialien eine vom elektrischen Stromfluß hervorge­ rufene, auf Lichtstreuung beruhende Trübung erst bei höheren Spannungen auftritt. In dieser Hinsicht sollen die Materia­ lien vorzugsweise dahingehend ausgewählt werden, daß eine Trü­ bung bei Feldstärke bis zu einem solchen Wert vermieden wird, der wenigstens das 3fache der kritischen Spannung des Fried­ rich-Übergangs (die kritische Feldstärke, unterhalb der keine nennenswerte Ausrichtung der ausgerichteten Bereiche mit dem Feld erfolgt) beträgt. Alternativ dazu kann die Trübung verhin­ dert werden, indem ein elektrisches Wechselfeld vorgesehen wird, das eine ausreichend hohe Frequenz aufweist. Im allgemeinen ist eine Frequenz von wenigstens 60 Hz zweckmäßig, um eine Trübung in nematischen Flüssigkristallmaterialien zu verhindern. Eine zu hohe Frequenz soll jedoch vermieden werden, da die zur an­ gestrebten Änderung der Brennweite erforderliche Feldstärke direkt von der Frequenz abhängt.

Obwohl es zur Verhinderung einer Trübung in einem nematischen Flüssigkristallmaterial nicht erforderlich ist, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein magnetisches Wechselfeld angewandt werden. Solch ein Feld kann zweckmäßig durch eine Induktionsspule erzeugt werden, die rund um den Umfang des Körpers aus Flüssigkristallmaterial angeordnet ist.

Um die Rückkehr der Ausrichtung der ausgerichteten Bereiche in die anfänglich bevorzugte Richtung zu beschleunigen, kann es vorteil­ haft sein, ein elektrisches oder magnetisches Hilfsfeld in x- und y-Richtung vorzusehen. Sofern Flüssigkristallmaterialien verwendet werden, die eine frequenzabhängige, reversible, dielektrische Ani­ sotropie aufweisen, kann die Rückkehr der Ausrichtungen in die anfänglich bevorzugten Richtungen "x" und "y" auch durch ein Wechselfeld in z-Richtung verstärkt werden, das eine höhere Frequenz als dasjenige Feld aufweist, das zur Neigung der Aus­ richtungen auf die z-Richtung zu verwendet wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind nematische Flüssig­ kristallmaterialien aus dem üblichen Gebrauch, wie sie bei­ spielsweise in digital anzeigenden Armbanduhren und Rechner­ anzeigen verwendet werden.

Obwohl sich in den meisten nematischen Flüssigkristallmaterialien die ausgerichteten Bereiche parallel zu einem angelegten Feld aus­ richten, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch solche nematischen Flüssigkristallmaterialien verwendet werden, deren ausgerichtete Bereiche sich senkrecht zum angelegten Feld ein­ stellen, wozu die ersichtlichen Änderungen an den dargestell­ ten Einrichtungen vorgenommen werden müssen.

Beispiel

Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde bei Raumtempe­ ratur erfolgreich das nematische Flüssigkristallmaterial ver­ wendet, das aus einem Gemisch aus 20% C₄H₉C₆H₄CO₂C₆H₄CO₂C₆H₄C₄H₉, 13% C₄H₉C₆H₄CO₂C₆H₄CO₂C₆H₄OCH₃ und 67% C₆H₁₃OC₆H₄CO₂C₆ H₄C₄H₉ besteht, dessen Eigenschaften im Beitrag "Changes of Twist in Twisted Nematic Liquid Crystals Layers by Frequency Switching of Applied Electric Fields" von C. J. Gerritsma, J. J. M. J. deKlerk und P. van Zanten in Solid State Communications, 17, Nr. 9, S. 1077-1080, beschrieben ist. Die wirksame Apertur des zwi­ schen den Glassubstraten befindlichen Körpers aus Flüssig­ kristallmaterial betrugt angenähert 7 mm. Als Elektroden dien­ ten angenähert 400 nm (4000 Å) dicke Indium-Zinnoxid-Schich­ ten. Als Ausrichtungsschichten dienten angenähert 40 nm (400 Å) dicke Siliciummonoxid-Schichten. Zur Aufbringung wurde das Si­ liciummonoxid unter einem Winkel von 45° zu den Substraten und unter einem kleinen, spitzen Winkel zu der flachen Platte ver­ dampft. An die Elektroden wurde eine Wechselspannung von 60 Hz angelegt. Durch Veränderung der Amplitude der Spannung von 0 auf 75 V wurde eine Änderung der Brennweite von 2 Dioptrien erhalten. Nach Rückführung der Spannung auf 0 wurde wieder die ursprüngliche Brennweite erhalten.

Claims (2)

1. Optische Fokussiereinrichtung, mit einem Körper aus doppel­ brechendem, nematischem Flüssigkristallmaterial, Mitteln (25, 28) zur Ausrichtung der ausgerichteten Bereiche des Körpers in einer ersten Orientierung, Mitteln (30, 24) zum Anlegen eines elektromagnetischen Feldes steuerbarer, ver­ änderlicher Stärke an den Körper, um dessen ausgerichteten Bereiche relativ zu der ersten Orientierung zu neigen und dadurch einen veränderlichen Brechungsindex und mithin eine veränderliche Brennweite zu erhalten, gekennzeichnet durch einen zweiten Körper aus doppelbrechendem, nematischen Flüs­ sigkristallmaterial, und Mitteln (26, 29) zur Ausrichtung der ausgerichteten Bereiche des zweiten Körpers in einer zweiten, zu der ersten Orientierung senkrechten Orientierung, wobei die Mittel (30, 24) zum Anlegen des Feldes derart ausgebil­ det sind, daß das Feld an den ersten und den zweiten Körper angelegt wird, um die ausgerichteten Bereiche des ersten und des zweiten Körpers gegenüber der ersten und der zweiten Orientierung zu neigen, wodurch die veränderli­ che Brennweite von der Polarisation unabhängig ist.

2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ausrichten der ausgerichteten Bereiche der Körper Ausrichtschichten (28, 29) aufweisen, die auf ein­ ander abgewandten Seiten eines transparenten Elements (27), welches die Körper trennt, ausgebildet sind.