NL8602149A - Optisch afbeeldingsstelsel met elektronisch varieerbare brandpuntsafstand en optische beeldopnemer van een dergelijk stelsel voorzien. - Google Patents

Description

» 1* PHN 11.840 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Optisch afbeeldingsstelsel met elektronisch varieerbare'brandpuntsafstand en optische beeldopnemer van een dergelijk stelsel voorzien.

De uitvinding heeft betrekking op een optisch afbeeldingsstelsel met een elektronisch varieerbare brandpuntsafstand, bevattende een lenzenstelsel en een laag vloeibaar kristal. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een optische beeldopnemer 5 voorzien van een dergelijk afbeeldingsstelsel.

Een dergelijk stelsel is bekend uit de ter inzage gelegde Duitse octrooiaanvrage nr. 28 55 841. Daarin wordt een optisch afbeeldingsstelsel beschreven bestaande uit een in een doorzichtig substraat uitgespaarde lensvormige ruimte die aan de binnenzijde bedekt 10 is met transparante elektroden en oriëntatielagen, en die gevuld is met vloeibaar kristal in de nematische fase. Dit kristal vertoont dubbelbreking. Door het aanleggen van een elektrisch veld kan de brekingsindex voor de buitengewone straal gevarieerd worden. Daardoor wordt een lens verkregen waarvan de sterkte regelbaar is voor licht in 15 één polarisatietoestand. De gewone straal, waarvoor de brekingsindex niet verandert, wordt door een polarisatiefilter onderdrukt of wordt afgebogen door een tweede dergelijke lens waarvan de oriëntatielagen loodrecht staan op die van de eerste lens.

Een bezwaar van het, in de genoemde Duitse 20 octrooiaanvrage nr. 28 55 841, beschreven stelsel is dat het gebied waarover de brandpuntsafstand gevarieerd kan worden begrensd is door het beperkte bereik waarbinnen de brekingsindex van het vloeibaar kristalmateriaal onder invloed van het elektrisch veld kan worden veranderd.

25 Het is het doel van de uitvinding een optisch afbeeldingsstelsel te verschaffen waarvan de brandpuntsafstand elektronisch te variëren is over een groot bereik.

Een optische fokusseerinrichting volgens de uitvinding heeft daartoe als kenmerk dat het lenzenstelsel verdeeld is in een 30 aantal sektoren met verschillende, konstante, brandpuntsafstanden en dat de laag vloeibaar kristal deel uitmaakt van een elektronisch regelbaar diafragma voor het selekteren van sektoren van het 8602149 4 ί ΡΗΝ 11.840 2 lenzenstelsel en daarmee van een brandpuntsafstand. Het vloeibaar kristal, bijvoorbeeld een nematisch kristal samen met een evenwijdige daaraan geplaatste polarisator en analysator, vormt een geheel dat door het aanleggen van een elektrisch veld lokaal doorzichtig of 5 ondoorzichtig kan worden gemaakt.

Opgemerkt wordt dat, uit de ter visie gelegde Duitse octrooiaanvrage nr. 26 20 173, een elektronisch bestuurbaar diafragma bevattende een laag vloeibaar kristal op zichzelf bekend is. Dit diafragma wordt echter gebruikt om de opening van een lenzenstelsel, 10 waarvan het diafragma deel uitmaakt, aan te passen aan de hoeveelheid licht afkomstig van een af te beelden scène, en niet voor het instellen van een bepaalde brandpuntsafstand van het lenzenstelsel. Doordat het afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding de mogelijkheid biedt te kiezen uit verschillende brandpuntsafstanden, is het mogelijk 15 bij een konstante afstand tussen het lenzenstelsel en een beeldvlak voorwerpen die zich op een verschillende afstand van het lenzenstelsel bevinden scherp af te beelden.

Het lenzenstelsel kan bestaan uit een enkelvoudige lens, of kan uit meerdere achter elkaar geplaatste lenselementen samengesteld 20 zijn. In het laatste geval is het mogelijk een lenzenstelsel met geringe aberraties te vervaardigen.

Het elektronisch schakelbaar vloeibaar-kristaldiafragma kan in de stralingsweg voor of achter het lenzenstelsel geplaatst zijn. Ook kan het, bij een samengesteld lenzenstelsel, binnen het 25 lenzenstelsel aangebracht zijn. Een of beide van de doorzichtige vensters van het diafragma kunnen lenzen in het lenzenstelsel zijn.

Een optisch afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding kan als verder kenmerk hebben dat sektoren van het lenzenstelsel met verschillende brandpuntsafstand geleidelijk in elkaar overlopen. Hiermee 30 is een afbeeldingsstelsel te maken waarvan de brandpuntsafstand in principe kontinu varieerbaar is. Een lenzenstelsel met dit kenmerk waarin de verschillende sterkten van de sektoren vastgelegd zijn door veschillende krommingen van de bijbehorende lensgedeelten vertoont een vloeiende overgang tussen de krommingen en is op eenvoudige wijze te 35 vervaardigen.

Een optische fokusseerinrichting volgens de uitvinding kan als kenmerk hebben dat overgangen tussen sektoren van het 8602149

V

PHN 11.840 3 lenzenstelsel diskontinu zijn. Dan kan de geometrie van elk sektor geoptimaliseerd worden voor een bepaalde brandpuntsafstand zodat aberraties in het lenzenstelsel geminimaliseerd kunnen worden. Bij voorkeur komen de gebieden van het elektronisch schakelbaar diafragma 5 die onafhankelijk doorzichtig te maken zijn overeen met de genoemde sektoren, zodat de brandpuntsafstand van de fokusseerinrichting stapsgewijs te veranderen is.

Een optische fokusseerinrichting volgens de uitvinding kan als kenmerk hebben dat het elektronisch regelbaar diafragma aan 10 weerszijden van de vloeibare kristallaag elektroden bevat die vrijwel de gehele oppervlakte van het diafragma beslaan en waarbij ten minste een van de elektroden meerdere aansluitpunten heeft zodat de elektrode gelijktijdig op verschillende spanningen kan worden aangesloten in de elektrode een spanningsgradiënt ontstaat zodat in het kristal een 15 elektrisch veld gevormd wordt dat een geleidelijk verloop vertoont. In dat geval kan een elektrische veldsterkte binnen het vloeibaar kristal gerealiseerd worden die alleen binnen een bepaalde band beneden de drempelspanning komt waarbij het vloeibaar kristaldiafragma stralingsdoorlatend wordt. Door de spanning op de aansluitpunten van de 20 elektrode te veranderen is de breedte en de positie van de doorzichtige band in het vloeibaar kristaldiafragma kontinu te wijzigen. De vorm van de band hangt af van de vorm van de elektrode en de plaatsing van de aansluitpunten. Een systeem om een laag vloeibaar kristal op deze wijze te beïnvloeden is bekend uit het artikel "Electronically Scanned 25 Analog Liquid Cristal Displays" van R.A. Soref in Applied Optics, Vol.

9, (juni 1970) biz. 1323-1329.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een optisch afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding heeft als kenmerk dat het lenzenstelsel rotatiesymmetrisch is. De sektoren van het lenzenstelsel 30 met gelijke brandpuntsafstand vormen dan ringen rond de optische as van het stelsel. Bij voorkeur vertoont ook het elektronisch schakelbaar vloeibaar kristaldiafragma rotatiesymmetrie, afgezien van de aansluitpunten van de elektroden.

Een optisch afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding kan 35 als verder kenmerk hebben dat de sektoren van het lenzenstelsel een vrijwel gelijke oppervlakte hebben. Dan is de lichtsterkte van het afbeeldingsstelsel onafhankelijk van de brandpuntsafstand. In het geval

860214S

A

PHN 11.840 4 dat het stelsel rotatiesymmetrisch is betekent dit dat de straal van iedere ring ongeveer omgekeerd evenredig met de wortel uit het rangnummer toeneemt en de breedte ongeveer omgekeerd evenredig met de wortel uit het rangnummer afneemt.

5 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een optische beeldopnemer, bevattende een lenzenstelsel en een elektronisch uitleesbaar stralingsgevoelig detektiestelsel geplaatst in het brandvlak van het lenzenstelsel. Een optische beeldopnemer volgens de uitvinding heeft als kenmerk dat het lenzenstelsel een afbeeldingsstelsel volgens 10 een der hierboven beschreven uitvoeringsvormen is en dat voorzien is in een elektronisch stuurcircuit voor het aan de hand van een uit het stralingsgevoelig detektiestelsel verkregen fokusseersignaal instellen van de brandpuntsafstand van het afbeeldingsstelsel. Een fokusfoutsignaal is uit het stralingsgevoelig detektiestelsel te 15 herleiden bijvoorbeeld door analyse van het kontrast in de afbeelding of door analyse van frequenties in het signaal die teweeg gebracht worden door kleine periodkieke veranderingen in de brandpuntsafstand.

Een dergelijke optische sensor vindt toepassing daar waar een voorwerp of patroon snel herkend moet worden en waarbij de afstand 20 tot het voorwerp of het patroon niet konstant is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij toepassing van een industriële robot geplaatst in een, voor meerdere produkten geschikte, geautomatiseerde produktielijn.

De uitvinding zal nu, bij wijze van voorbeeld, worden 25 toegelicht aan de hand van de tekening waarin de figuren 1a en 1b een optische beeldopnemer tonen met als objektiefstelsel een uitvoeringsvorm van een optisch afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding, figuur 2 in detail een doorsnede van het diafragma laat 30 zien, figuur 3 een optisch afbeeldingsstelsel toont waarin de sektoren met verschillende brandpuntsafstand als diskrete zones zijn uitgevoerd, figuur 4 een mogelijke rangschikking van de elektrodes in 35 een vlak van het vloeibaar kristaldiafragma laat zien, en de figuren 5a en 5b schematisch de elektrode en de werking van een diafragma met kontinu variabele instelling laten zien.

8602146

A

PHN 11.840 5

In figuur 1a is een optische beeldopnemer getoond waarin als lenzenstelsel een afbeeldingsstelsel volgens de uitvinding is gebruikt. Van een voorwerp 30 wordt met behulp van een lenzenstelsel 10 een beeld 31 gevormd op een stralingsgevoelig oppervlak 40. Het 5 lenzenstelsel 10 is voorgesteld als een rotatiesymmetrische platbolle lens. Hiervan vertoont de kromming van het oppervlak 11 een radiële variatie. De stippellijn 12 geeft de gemiddelde sferische kromming aan. Aan de vlakke zijde van de platbolle lens is een diafragma 20 geplaatst dat alleen straling binnen een ring 21 gecentreerd rond de 10 optische as 0-0* van het lenzenstelsel doorlaat. Positie en grootte van de ringvormige opening zijn zodanig gekozen dat de door deze opening tredende straling afkomstig is van een sektor van het oppervlak 11 die een zodanige kromming heeft dat het voorwerp 30 scherp wordt afgebeeld 15 op het stralingsgevoelig oppervlak 40. Dit oppervlak kan elektronisch uitleesbaar zijn en bijvoorbeeld wanneer het deel uitmaken van een televisieopneembuis of van een CCD-element. Door gebruik te maken van kriteria zoals kontrast in het waargenomen beeld of de uitgebreidheid van helderheidsverdelingen binnen het beeld is het mogelijk om met 20 behulp van een regelschakeling 50 de meest geschikte opening in het diafragma te kiezen. Dit kan bijvoorbeeld gedaan worden door kleine wijzigingen in de brandpuntsafstand te introduceren en de daaruit voortbloeiende intensiteitsfluktuaties in het beeld te analyseren.

In figuur 1b is een situatie getoond waarin het voorwerp 25 30 zich op een grotere afstand van het lenzenstelsel 10 bevindt. Door een andere ring 22 van het diafragma 20 wordt een andere sektor van de opening van het lenzenstelsel geselekteerd zodat het voorwerp weer scherp op het stralingsgevoelig oppervlak 40 wordt afgebeeld.

In figuur 2 is in doorsnede een gedeelte van een 30 mogelijke uitvoering van het diafragma 20 getoond. Nematisch vloeibaar kristal 24 is ingesloten tussen twee evenwijdige transparante platen 25. Aan de binnenzijde van de ene plaat bevinden zich de elektrodebanen 26 en aan de buitenzijde van de andere plaat de tegenelektrode 27. De polarisator 28 en de analysator 29 zijn aan de buitenzijden van de 35 transparante platen 25 aangebracht.

Een andere opbouw van het diafragma is ook mogelijk, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een dynamisch verstrooiend 8602149 ί η ΡΗΝ 11.840 6 vloeibaar kristal.

Het is niet noodzakelijk dat het lenzenstelsel en het oppervlak rotatiesymmetrisch zijn. Een lenzenstelsel waarvan de sektoren met een gelijke brandpuntsafstand een andere vorm dan een ring hebben, 5 maar bijvoorbeeld als taartpunten gerangschikt zijn, is eveneens mogelijk.

In figuur 3 is schematisch een lenzenstelsel getoond waarvan de sektoren met verschillende brandpuntsafstand scherp van elkaar gescheiden zijn. Ook hier is het getoonde lenzenstelsel 10 rotatiesymmetrisch. Het is opgebouwd uit een enkele lens 50 die bestaat uit een aantal, in de figuur twee, ringvormige gebieden 52 en 53 die een centraal cirkelvormig gebied 54 omsluiten. Ieder van de drie gebieden 51, 52 en 53 heeft een andere brandpuntsafstand. Zo wordt straling die evenwijdig aan de optische as van het lenzenstelsel op het centrale 15 gebied 51 invalt gefokusseerd in het dichtbij het lenzenstelsel gelegen punt F1, straling die evenwijdig op het ringvormige gebied 52, invalt wordt in F2 gefokusseerd, en het perifere ringvormige gebied 53 heeft een brandvlak ter hoogte van het punt F3.

Het in de stralingsweg van de op de lens 50 vallende 20 straling geplaatste diafragma 60 is eveneens verdeeld in drie gebieden 61, 62 en 63 die ieder overeenkomen met een sektor 51, 52 of 53 van de lens. Door slechts een van de gebieden 61, 62 of 63 van het diafragma 60 doorzichtig te maken, in figuur 3 het gebied 62, wordt slechts een van de drie lenssektoren, 52 in figuur 3, geselekteerd en heeft het 25 afbeeldingsstelsel slechts een enkel brandpunt, punt F2 in figuur 3.

In figuur 4 is een mogelijke elektrodenkonfiguratie zoals die aan een van de zijden van de vloeibare kristallaag is aangebracht getoond, bijvoorbeeld aan de zijde van de polarisator. De tegenelektrode aan de andere zijde kan een enkelvoudige elektrode zijn die vrijwel dit 30 gehele oppervlak beslaat. De samengestelde elektrode bestaat uit een ronde elektrode 71 die omgeven wordt door een aantal, in de figuur drie, vrijwel ringvormige elektroden 72, 73 en 74. De elektroden worden gescheiden door smalle isolerende tussenstroken 75, 76 en 77. Op elk van de elektroden afzonderlijk kan een elektrische spanning worden 35 aangebracht via de aansluitingen 81, 82, 83 en 84 verbonden met een niet getekende elektronische gestuurde spanningsbron. De oppervlakken van de elektroden 71, 72, 73 en 74 en die van de bijbehorende lenssektoren zijn 8602149 PHN 11.840 7 bij voorkeur nagenoeg gelijk. Daardoor is bij elke gekozen brandpuntsafstand de lichtsterkte van het afbeeldingsstelsel gelijk.

In de figuren 5a en 5b is schematisch getoond hoe een vloeibaar-kristaldiafragma kan worden gerealiseerd waarvan de breedte en 5 de positie van het.doorzichtige gedeelte staploos te regelen is. Ook hier wordt ter illustratie van een cirkelvormig diafragma uitgegaan. Diverse andere vormen zijn beschreven in het reeds genoemde artikel van R.P. Soref in Applied Opties, Vol. 9, p. 1323 (juni 1970). Het midden M van de schijfvormige elektrode 90 die het gehele oppervlak van het 10 diafragma kan bestaan wordt via een eerste aansluiting 91 op een spanning ten opzichte van de tegenelektrode aan de andere zijde van de vloeibare kristallaag in het diafragma gebracht. Een tweede ringvormige, aansluiting 66 die de hele elektrode omvat wordt op een spanning V2 ten opzichte van de tegenelektrode gebracht. De spanning 15 V2 is tegengesteld van teken ten opzichte van spanning . De regelschakeling die de spanningen en V2 verzorgt is in de figuur schematisch aangegeven met de regelbare spanningsbronnen 93 en 94.

In figuur 5b is een mogelijk spanningsverloop getoond tussen het midden en een punt op de buitenrand van de elektrode. Tussen 20 deze twee aansluitingen bevindt zich een ringvormig gebied 95 waar de absolute waarde van het spanningsverschil tussen de elektroden aan beide zijden van het vloeibaar kristal kleiner is dan de drempelspanning Vth' zodat het diafragma in dit ringvormige gebied 95 doorzichtig is.

Door V.j en V2 te variëren is dè positie en de breedte van het 25 transparante gebied te veranderen. Een kleinere absolute waarde van en een grotere absolute waarde van V2 betekent dat de ring zich naar het midden van het diafragma verplaatst. Een groot verschil tussen en V2 betekent een smalle band, en een klein verschil betekent een brede band.

8602149

Claims (7)

1. Een optisch afbeeldingsstelsel met een elektronisch varieerbare brandpuntsafstand bevattende een lenzenstelsel en een laag vloeibaar kristal met het kenmerk dat het lenzenstelsel verdeeld is in 5 een aantal sektoren met verschillende, konstante, brandpuntsafstanden en dat de laag vloeibaar kristal deel uitmaakt van een elektronisch regelbaar diafragma voor het selekteren van sektoren van het lenzenstelsel en daarmee van een brandpuntsafstand.

2. Een optisch afbeeldingsstelsel volgens conclusie 1 met 10 het kenmerk dat sektoren van het lenzenstelsel met verschillende brandpuntsafstand geleidelijk in elkaar overlopen.

3. Een optisch afbeeldingsstelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk dat overgangen tussen sektoren van het lenzenstelsel diskontinu zijn.

4. Een optisch afbeeldingsstelsel volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk dat het elektronisch regelbaar diafragma aan weerszijden van de vloeibaar kristallaag elektroden bevat die vrijwel de gehele oppervlakte van het diafragma beslaan en waarbij ten minste een van de elektroden meerdere aansluitpunten heeft zodat de elektrode 20 gelijktijdig op verschillende spanningen kan worden aangesloten waardoor in de elektrode een spanningsgradiënt ontstaat zodat in het kristal een elektrisch veld gevormd wordt dat een geleidelijk verloop vertoont.

5. Een optisch afbeeldingsstelsel volgens conclusie 1,2, 3 of 4 met het kenmerk dat het lenzenstelsel rotatiesymmetrisch is.

6. Een optisch afbeeldingsstelsel volgens een der bovenstaande conclusies met het kenmerk dat de sektoren van het lenzenstelsel een vrijwel gelijke oppervlakte hebben.

7. Een optische beeldopnemer bevattende een lenzenstelsel en een elektronisch uitleesbaar stralingsgevoelig detektiestelsel geplaatst 30 in het brandvlak van het lenzenstelsel met het kenmerk dat het lenzenstelsel een afbeeldingsstelsel volgens een der bovenstaande conclusies is en dat voorzien is in een elektronisch stuurcircuit voor 8602149 A PHN 11.840 9 het, aan de hand van een uit het stralingsgevoelig detektiestelsel verkregen fokusseersignaal instellen van de brandpuntsafstand van het afbeeldingsstelsel. 8602149