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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Linsensystem und eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Als eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite wurde eine Einrichtung entwickelt, welche ein Flüssiglinsensystem (nachfolgend einfach als „Linsensystem“ bezeichnet) verwendet, welches auf einem beispielsweise durch die Spezifikation der
US 2010 / 0 177 376 A1 beschriebenen Prinzip arbeitet. Das Linsensystem wird erzeugt, indem ein hohles zylindrisches schwingendes Element, welches aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, in eine transparente Flüssigkeit getaucht wird. Wenn eine Wechselspannung an sowohl eine Innenumfangsfläche als auch eine Außenumfangsfläche des schwingenden Elements angelegt wird, dehnt sich bei dem Linsensystem das schwingende Element in einer Dickenrichtung aus und zieht sich in der Dickenrichtung zusammen und ruft eine Schwingung des Fluids auf einer Innenseite des schwingenden Elements hervor. Durch Einstellen einer Frequenz der angelegten Spannung als Reaktion auf die Eigenschwingung des Fluids wird in dem Fluid eine stationäre Welle konzentrischer Kreise erzeugt, und konzentrische kreisförmige Bereiche, welche unterschiedliche Brechungszahlen haben, werden auf einer Mittelachsenlinie des schwingenden Elements zentriert gebildet. Wenn Licht entlang der Mittelachsenlinie des schwingenden Elements verläuft, verläuft daher bei dem Linsensystem das Licht entlang einem Pfad, welcher in Abhängigkeit der Brechungszahl jedes konzentrischen kreisförmigen Bereichs das Licht entweder verstärkt oder verringert.
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Eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite ist dadurch gebildet, dass das oben beschriebene Linsensystem und beispielsweise eine Feldlinse, welche eine gewöhnliche konvexe Linse verwendet, auf der gleichen optischen Achse angeordnet werden. Wenn paralleles Licht auf die gewöhnliche konvexe Linse trifft, wird Licht, welches durch die Linse tritt, an einer Fokusposition fokussiert, welche bei einer vorgegebenen Brennweite liegt. Wenn dagegen paralleles Licht auf das mit der konvexen Linse koaxial angeordnete Linsensystem trifft, wird das Licht durch das Linsensystem entweder verstärkt oder verringert, und das durch die konvexe Linse tretende Licht wird an einer Position fokussiert, welche entweder weiter weg oder näher als die eigentliche Fokusposition (Zustand ohne Linsensystem) versetzt ist. Folglich wird bei der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite ein Steuersignal (Wechselspannung einer Frequenz, welche eine stationäre Welle in dem internen Fluid erzeugt) verwendet, welches dem Linsensystem zugeführt wird, und durch Erhöhen oder Absenken der Amplitude des Steuersignals kann die Fokusposition der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite innerhalb eines festgelegten Bereichs (ein vorgegebener Änderungsbetrag, welcher die Erhöhung oder Absenkung durch das Linsensystem erlaubt, mit der Brennweite der Feldlinse als Referenz) je nach Bedarf gesteuert oder geregelt werden.
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Bei der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite wird ein sinusförmiges Wechselspannungssignal als ein beispielhaftes Steuersignal verwendet, welches dem Linsensystem zugeführt wird. Wenn ein derartiges Steuersignal zugeführt wird, ändert sich die Brennweite (die Fokusposition) der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite sinusförmig. Wenn die Amplitude des Steuersignals 0 ist, wird in diesem Fall das Licht, welches das Linsensystem durchquert, nicht gebrochen, und die Brennweite der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite ist die Brennweite der Feldlinse. Wenn die Amplitude des Steuersignals auf einem positiven oder einem negativen Spitzenwert ist, wird das Licht, welches das Linsensystem durchquert, maximal gebrochen, und die Brennweite der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite ist in einem Zustand, welcher die größte Änderung von der Brennweite der Feldlinse hat. Wenn unter Verwendung einer derartigen Linseneinrichtung mit variabler Brennweite ein Bild gewonnen wird, wird synchronisiert mit der Phase der Sinuswelle des Steuersignals ein Lichtabgabesignal zum Bereitstellen von Impulsbeleuchtung ausgegeben. Durch Bereitstellen von Impulsbeleuchtung in einem Zustand bei einer vorgegebenen Brennweite von den sich sinusförmig ändernden Brennweiten wird also das Bild des Messobjekts bei der Brennweite erfasst. Die Impulsbeleuchtung wird bei einer Vielzahl von Phasen ausgeführt, welche eine Periode bilden, und wenn die Bilderfassung gemäß jeder Phase durchgeführt wird, können Bilder bei einer Vielzahl von Brennweiten gleichzeitig gewonnen werden.
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Bei dem oben beschriebenen Linsensystem ändert sich die Temperatur des internen Fluids aufgrund eines Einflusses der Umgebungstemperatur oder aufgrund von Wärme, welche in Verbindung mit dem Betrieb erzeugt wird, oder dergleichen. Wenn sich die Temperatur des Fluids ändert, dehnt sich das Fluid im Inneren des Linsensystems aus, was den Innendruck erhöht, und das Fluid kann austreten. Um das mit einer derartigen Temperaturerhöhung einhergehende Ausdehnen des Fluids und Erhöhen des Innendrucks zu mindern, wird Luft oder dergleichen in das Fluid im Inneren des Linsensystems injiziert, um Blasen zu erzeugen. Wenn die Temperatur steigt, werden bei Vorhandensein solcher Blasen die Blasen als Reaktion auf die Ausdehnung des Fluids komprimiert, und das System kann derart konfiguriert sein, dass übermäßige Erhöhungen des Innendrucks im Inneren des Gehäuses nicht auftreten.
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Gemäß dem oben beschriebenen Linsensystem, welches die injizierten Luftblasen aufweist, können die Ausdehnung des Fluids und die Erhöhung des Innendrucks, welche mit der Temperaturerhöhung einhergehen, durch die Luftblasen verringert werden. Wenn die Luftblasen jedoch ein einen Teil des optischen Pfads des Linsensystems (einen Teil auf der Innenseite des schwingenden Elements, wo das Fluid die stationäre Welle erzeugt) gelangen, ist das Fluid möglicherweise nicht in der Lage eine ausreichende Resonanz zu erreichen, und der erwartete Brechungsindex des Linsensystems kann nicht erreicht werden. Um dem entgegen zu wirken, kann eine Maßnahme, wie beispielsweise das Ausbilden einer Vertiefung zum Halten der Luftblasen in einem Abschnitt des Gehäuses, welcher das Fluid aufnimmt, getroffen werden, doch wenn beispielsweise eine signifikante Änderung in der Lage des Linsensystems zu verzeichnen ist, können die Luftblasen aus der Vertiefung entkommen und zu dem optischen Pfad des Linsensystems gelangen und weiterhin die optischen Eigenschaften beeinflussen.
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CH 541 815 A beschreibt eine optische Linse mit elektrisch steuerbarer Brennweite, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, welches durch zwei Öffnungen einen Lichtweg freigibt, von denen wenigstens eine mit einer transparenten Membran bedeckt ist, durch eine Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses und durch einen piezoelektrischen Körper in Berührung mit der Flüssigkeit, welcher bei Anlegen einer variablen Spannung wenigstens eine seiner Dimensionen verändert, derart, dass ein zusätzlicher Flüssigkeitsdruck auf die Membran ausgeübt und ihr Krümmungsradius in Abhängigkeit von der Spannung verändert wird.
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JP 2013 - 61 549 A beschreibt eine fokusveränderliche Flüssigkeitslinse, die eine schnelle Reaktion ermöglicht, und ein Fokussteuerungsverfahrens dafür. Eine zentrale Öffnung wird mit Ultraschallwellen bestrahlt, die durch Antreiben eines Ultraschallwandlers angeregt werden, dessen zentrale Öffnung von einem piezoelektrischen Körper umgeben ist, und die Ultraschallwellen werden auf einen Linsenteil übertragen, der durch Packen von transparentem viskoelastischem Material in der Mitte der Öffnung gebildet wird, um akustische Stehwellen zu erzeugen. Folglich wird eine Grenzfläche, die durch ein Medium um den Linsenteil herum und das transparente viskoelastische Material des Linsenteils gebildet wird, umgewandelt und dient als Linsenoberfläche, und ein Fokus der Linsenoberfläche kann durch Strahlungsdruck geändert werden die vom Ultraschallwandler zur zentralen Öffnung abgestrahlten Ultraschallwellen.
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US 2010 / 0 177 376 A1 beschreibt eine abstimmbare Linse und ein System mit akustischem Brechungsindexgradienten, die eine dynamische Auswahl der Linsenleistung, einschließlich dynamischer Fokussierung und Abbildung, ermöglichen. Das System kann eine Linse und mindestens eine Quelle und einen Detektor elektromagnetischer Strahlung umfassen. Eine Steuerung kann in elektrischer Kommunikation mit der Linse und mindestens einer von Quelle und Detektor bereitgestellt werden und kann so konfiguriert sein, dass sie ein Antriebssignal zur Steuerung des Brechungsindex bereitstellt und ein Synchronisierungssignal zur zeitlichen Steuerung von mindestens einer von der Quelle und dem Detektor bereitstellt relativ zum Antriebssignal. Somit kann die Steuerung festlegen, dass die Quelle die Linse bestrahlt (oder der Detektor die Linsenausgabe erkennt), wenn eine gewünschte Brechungsindexverteilung innerhalb der Linse vorhanden ist, z. B. wenn eine gewünschte Objektivleistung vorhanden ist.
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JP 2003 - 57 409 A beschreibt ein optisches Gerät, das Flüssigkeiten in Behältern hermetisch aufnimmt, wobei ein elastisch verformbares Gaseinschlusselement, das ein Gas einschließt, zusammen mit den Flüssigkeiten in den Behältern untergebracht ist.
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US 2008 / 0 259 463 A1 beschreibt eine Linse mit variabler Brennweite, umfassend eine Kammeranordnung, die zwei einander benachbarte transparente Flüssigkeiten mit einer Grenzfläche dazwischen enthält, wobei die Kammeranordnung den Durchgang von Licht entlang einer optischen Achse durch die transparenten Flüssigkeiten und über die Grenzfläche ermöglicht und die Linse das durchtretende Licht fokussiert. Ein piezoelektrischer Aktuator ist so angeordnet, dass er bei Aktivierung den Druck einer der Flüssigkeiten ändert, sodass sich die Grenzfläche beispielsweise durch Formänderung bewegt, um die Brennweite der Linse zu ändern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung stellt ein Linsensystem und eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite bereit, welche das Beeinflussen optischer Eigenschaften verhindern können, während die Ausdehnung eines internen Fluids gemindert wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Linsensystem bereitgestellt, welches umfasst: einen rohrförmigen Schwingungserzeuger, welcher aufgrund eines zugeführten Steuersignals schwingen kann; ein Gehäuse, welches den Schwingungserzeuger aufnimmt und dafür konfiguriert ist, dass es mindestens teileweise ein Fluid zum Eintauchen des Schwingungserzeugers enthält; und mindestens einen Druckminderer, welcher in einem Spalt zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Gehäuse an einer Position weiter außen als der Schwingungserzeuger in einer radialen Richtung, welche von einer Längsachse des Gehäuses ausgeht, installiert ist. Insbesondere enthält ein Linsensystem ein rohrförmiges schwingendes Element, welches aufgrund zugeführten Steuersignals schwingt; ein Gehäuse, welches das schwingende Element aufnimmt; ein Fluid, welches das Gehäuse füllt und das schwingende Element eintaucht; und ein Druckminderungselement, welches in einem Spalt zwischen dem schwingenden Element und dem Gehäuse weiter außen als das schwingende Element angeordnet ist.
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Folglich kann selbst, wenn sich das interne Fluid z.B. aufgrund eines Temperaturanstiegs ausdehnt, ein Anstieg des Drucks durch das Druckminderungselement gemindert werden. Hierbei ist das Druckminderungselement in dem Spalt zwischen dem schwingende Element und dem Gehäuse, weiter außen als das schwingende Element, installiert und verschiebt sich nicht, wie es herkömmliche Blasen tun. Das Druckminderungselement kann daher das Beeinflussen eines Abschnitts eines optischen Pfads verhindern, welcher an einer Innenseite des schwingenden Elements gebildet ist, und kann das Beeinflussen von optischen Eigenschaften des Linsensystems verhindern. Eine Stelle, an der das Druckminderungselement installiert ist, liegt weiter außerhalb als das schwingende Element und liegt in dem Spalt zwischen dem schwingenden Element und dem Gehäuse.
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Insbesondere kann ein Raum zwischen einer Außenfläche des schwingenden Elements und einer Innenfläche des Gehäuses oder ein Raum zwischen einer Umfangskante in einer Verlaufsrichtung (Richtung, in welcher der optische Pfad verläuft) des schwingenden Elements und der zugewandten Innenfläche des Gehäuses verwendet werden.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform und gemäß unabhängigem Anspruch 1 umfasst das Druckminderungselement einen Schaumstoffkörper, welcher aus Fluorkautschuk besteht und/oder eine Vielzahl von geschlossenen Zellen (oder eine große Zahl von geschlossenen Zellen) hat, oder ist ein solcher Schaumstoffkörper.
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Selbst wenn sich ein internes Fluid z.B. aufgrund eines Temperaturanstiegs ausdehnt, wird folglich jede der geschlossenen Zellen durch den Druck des Fluids komprimiert, und das Gesamtvolumen des Druckminderungselements wird reduziert, was es erlaubt, den Druck im Inneren des Linsensystem zu mindern. Da das Druckminderungselement insbesondere aus Fluorkautschuk besteht, können außerdem Ölbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Flammfestigkeit, Wetterfestigkeit und Ozonfestigkeit gewährleistet werden, gleich welche Art von Fluid im Inneren des Linsensystems verwendet wird. Aufgrund der Vielzahl von geschlossenen Zellen kann das Druckminderungselement ferner ungünstige Situation verhindern, wie beispielsweise dass Luft aus dem Inneren austritt, wenn es durch externen Druck eingedrückt wird, und dass eine ursprüngliche Form nicht wieder hergestellt werden kann.
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Ein Schaumstoffkörper, welcher eine große Zahl oder eine Vielzahl von geschlossenen Zellen hat und aus einem anderen Kunstharz als Fluorkautschuk besteht, kann ebenso als das Druckminderungselement nach dieser Offenbarung verwendet werden. Ein Hüllenkörper, bei welchem ein durch Druck komprimierbares Fluid an einem Inneren der Hülle eingeschlossen ist, ein Kastenkörper, welcher sich aufgrund von externem Druck elastisch verformt und sein Volumen verringert, und dergleichen können ebenso verwendet werden. Zusätzlich zu dem Schaumstoffkörper mit geschlossenen Zellen aus Fluorkautschuk kann ein Schaumstoffkörper mit geschlossenen Zellen aus einem Polyurethanharz, einem Polystyrenharz oder dergleichen als der Schaumstoffkörper, welcher aus Kunstharz besteht und eine große Zahl von geschlossenen Zellen hat, verwendet werden. Diese Materialien werden gewöhnlich in Verpackungsanwendungen eingesetzt, ermöglichen die Sicherheit verpackter Inhalte zu niedrigen Kosten und können auch, aufgrund der leichten Formbarkeit der Materialien, einen Raum innerhalb des Gehäuses des Linsensystems effektiv ausnutzen.
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Ein Hüllenkörper, bei welchem Luft in einer Polyethylenharz-Hülle eingeschlossen ist, kann beispielsweise als der Hüllenkörper verwendet werden, bei welchem ein durch Druck komprimierbares Fluid im Inneren der Hülle eingeschlossen ist. Ein derartiger Körper wird ebenfalls üblicherweise bei Verpackungsanwendungen verwendet und ermöglicht die Sicherheit verpackter Inhalte zu geringen Kosten. Außerdem kann der Hüllenkörper biegsam ausgebildet sein und kann sich vielen verschiedenen Formen anpassen und daher leicht in einen Spalt innerhalb des Gehäuses des Linsensystems gedrückt werden.
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Als ein Beispiel für einen Kastenkörper, welcher sich aufgrund externen Drucks elastisch verformt und sein Volumen reduziert, kann durch Konfigurieren eines flachen Metallkastens so, dass beispielsweise eine flache Membran in einer ebenen Fläche des Kastens vorhanden ist, die Membran sich einwärts biegen, wenn ein externer Druck auf sie ausgeübt wird. Alternativ kann auch ein elastisches Element, welches die Membran nach außen vorspannt, an einer Innenseite der Membran installiert sein. Als ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration, welche sich aufgrund externen Drucks elastisch verformt und ihr Volumen reduziert, kann auch eine Konfiguration verwendet werden, welche einen Zylinder und einen Kolben verwendet und den Kolben zu einer Innenseite verschiebt, wenn externer Druck ausgeübt wird. Mit diesen Konfigurationen kann eine Fähigkeit Druck zu mindern über das durch Druck komprimierbare Fluid in Inneren oder über die Elastizität des elastischen Elements fein eingestellt werden.
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Zudem kann auch insbesondere ein Element, welches aus einem Material besteht, dessen Volumen durch einen Temperaturanstieg reduziert wird, als das Druckminderungselement verwendet werden. Wenn ein derartiges Druckminderungselement verwendet wird, nimmt das Volumen des Druckminderungselements ab, auch wenn sich das interne Fluid aufgrund eines Temperaturanstiegs ausdehnt. Wenn ein Ausgleich des Änderungsbetrags zwischen der Ausdehnung des Fluids und der Volumenabnahme des Druckminderungselements vorzeitig geschaffen ist, kann ein Ausdehnungsbetrag des Fluids durch einen Betrag der Volumenabnahme des Druckminderungselements aufgehoben werden. Folglich kann der Druck auf das Innere des Linsensystems gemindert werden. Ein Beispiel für ein derartiges Material, dessen Volumen aufgrund eines Temperaturanstiegs abnimmt, kann ein Oxidmaterial „BiNi1-x FexO3 (Wismut/Nickel/Eisen-Oxid)“ enthalten, welches eine „negative thermische Ausdehnung“ aufweist, die mindestens doppelt so groß wie die von existierenden Materialien nahe Raumtemperatur ist, welches von Professor Masaki Azuma et al., Tokyo Institute of Technology Applied Ceramics Lab, durch gemeinschaftliche Forschung mit der Chuo University, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute und der Kyoto University entdeckt wurde.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst der Schwingungserzeuger mindestens ein Element, welches ein piezoelektrisches Material hat, das vorzugsweise in einer hohlen zylindrischen Form ausgebildet ist.
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Insbesondere und gemäß unabhängigem Anspruch 3 ist der Schwingungserzeuger von einem oder mehreren nachgiebigen Abstandhaltern gehalten, welche zwischen einer Außenumfangsfläche des Schwingungserzeugers und einer Innenumfangsfläche des Gehäuses angeordnet sind.
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Insbesondere und gemäß unabhängigem Anspruch 4 ist das Druckminderungselement im Wesentlichen blattförmig.
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Ferner ist insbesondere eine Vielzahl von Druckminderungselementen mindestens teilweise um das Linsensystem herum, insbesondere um den im Wesentlichen gesamten Umfang des Linsensystems herum zwischen einer Außenumfangsfläche des Schwingungserzeugers und einer Innenumfangsfläche des Gehäuses angeordnet.
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Insbesondere und gemäß unabhängigem Anspruch 5 umfasst das Druckminderungselement mindestens einen Hüllenkörper, bei dem ein durch Druck komprimierbares Fluid an der Innenseite der Hülle eingeschlossen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite bereitgestellt, welche umfasst: ein Linsensystem nach einem der unabhängigen Ansprüche 1, 3, 4 oder 5 oder einer speziellen Ausführungsform davon, wobei sich ein Brechungsindex als Reaktion auf ein zugeführtes Steuersignal ändert; eine Feldlinse, welche auf der gleichen optischen Achse wie das Linsensystem angeordnet ist; eine Bilderfassungsvorrichtung, welche ein Bild eines Messobjekts durch das Linsensystem und die Feldlinse erfasst; und eine Impulsbeleuchtungsvorrichtung, welche Impulsbeleuchtung des Messobjekts ausgehend von einem zugeführten Lichtabgabesignal bereitstellt. Gemäß einer speziellen Ausführungsform wird eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite bereitgestellt, welche enthält: ein Linsensystem, bei dem sich ein Brechungsindex als Reaktion auf ein zugeführtes Steuersignal ändert; eine Feldlinse, welche auf der gleichen optischen Achse wie das Linsensystem angeordnet ist; eine Bilderfassungsvorrichtung, welche durch das Linsensystem und die Feldlinse ein Bild eines Messobjekts erfasst; und eine Impulsbeleuchtungsvorrichtung, welche Impulsbeleuchtung des Messobjekts ausgehend von einem zugeführten Lichtabgabesignal bereitstellt. Das Linsensystem enthält ein rohrförmiges schwingendes Element, welches aufgrund eines zugeführten Steuersignals schwingt; ein Gehäuse, welches das schwingende Element aufnimmt; ein Fluid, welches das Gehäuse füllt und das schwingende Element eintaucht; und ein Druckminderungselement, welches in einem Spalt zwischen dem schwingenden Element und dem Gehäuse, weiter außen als das schwingende Element angeordnet ist.
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Insbesondere wird beispielsweise ein sinusförmiges Wechselspannungssignal (Frequenz, welche eine stationäre Welle in dem Linsensystem erzeugt) dem Linsensystem als das Steuersignal von einer Steuerung zugeführt, was eine Änderung des Brechungsindex des Linsensystems bewirkt. Dadurch kann eine Fluktuation einer Fokusposition der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite auf der Oberfläche des Messobjekts hervorgerufen werden. Außerdem wird das Lichtabgabesignal durch die Steuerung mit einer bestimmten Phase ausgegeben, welche das Steuersignal als eine Referenz hat, was die Impulsbeleuchtungsvorrichtung dazu veranlasst, Licht ausgehend von dem Lichtabgabesignal abzugeben. Dadurch kann das Bild der Oberfläche des Messobjekts bei der Brennweite zum Zeitpunkt der Beleuchtung durch die Feldlinse und das Linsensystem zu der Bilderfassungsvorrichtung geleitet werden und kann als das erfasst Bild erfasst werden.
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Dabei ändert sich eine Temperatur des Fluids am Inneren des Linsensystems, und selbst wenn sich das interne Fluid aufgrund eines Temperaturanstiegs ausdehnt, kann ein Druckanstieg durch das Druckminderungselement verringert werden. Hierbei ist das Druckminderungselement in einem Spalt zwischen dem schwingenden Element und dem Gehäuse, weiter außen als das schwingende Element angeordnet, und hat daher keinen Einfluss auf den Abschnitt des optischen Pfads, welcher auf der Innenseite des schwingenden Elements ausgebildet ist, und kann das Beeinflussen von optischen Eigenschaften verhindern.
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Gemäß dem Vorstehenden können ein Linsensystem und eine Linseneinrichtung mit variabler Brennweite bereitgestellt werden, welche das Beeinflussen von optischen Eigenschaften verhindern können, während sie das Ausdehnen eines internen Fluids einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese Erfindung wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeführten mehreren Zeichnungen mittels nicht einschränkender Beispiele beispielhafter Ausführungsformen dieser Erfindung näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg ähnliche Teile bezeichnen. Es sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen zwar separat beschrieben sind, einzelne Merkmale derselben jedoch zu zusätzlichen Ausführungsformen kombiniert werden können.
- 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform einer Linseneinrichtung mit variabler Brennweite dieser Erfindung darstellt;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Linsensystem nach der Ausführungsform darstellt;
- 3A bis 3C sind schematische Ansichten, welche Operationen des Linsensystems nach der Ausführungsform darstellen;
- 4A bis 4E sind schematische Ansichten, welche eine Brennweite des Linsensystems nach der Ausführungsform darstellen;
- 5 ist eine schematische Ansicht, welche ein Druckminderungselement nach der Ausführungsform darstellt,
- 6 ist eine schematische Ansicht, welche einen Installationszustand des Druckminderungselements nach der Ausführungsform darstellt;
- 7 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Modifikation des Druckminderungselements darstellt, welche bei dieser Erfindung angewendet werden kann;
- 8 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Modifikation des Druckminderungselements darstellt, welche bei dieser Erfindung angewendet werden kann;
- 9 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Modifikation des Druckminderungselements darstellt, welche bei dieser Erfindung angewendet werden kann; und
- 10 ist eine schematische Ansicht, welche eine Modifikation des Druckminderungselements darstellt, welche bei dieser Erfindung angewendet werden kann.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hier gezeigten Details sind beispielhaft und dienen allein der erläuternden Beschreibung der Ausführungsformen dieser Erfindung und werden präsentiert, um das bereitzustellen, was als die nützlichste und um leichtesten verständliche Beschreibung der Grundlagen und konzeptionellen Aspekte dieser Erfindung erachtet wird. In dieser Hinsicht wird nicht versucht, strukturelle Einzelheiten dieser Erfindung ausführlicher zu zeigen, als für das grundlegende Verständnis dieser Erfindung notwendig ist, da die Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen dem Fachmann deutlich macht, wie die Formen dieser Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Um ein Bild einer Oberfläche eines Messobjekts (z.B. eines zu messenden Objekts oder eines messbaren Objekts) 9 zu erfassen, während eine Brennweite verändert wird, ist in 1 eine Linseneinrichtung 1 mit variabler Brennweite mit einer Feldlinse 2, einem Linsensystem 3 und/oder einer Bilderfassungsvorrichtung 4 ausgestattet, welche alle auf der gleichen optischen Achse A angeordnet sind, welche die Oberfläche schneidet. Die Linseneinrichtung mit variabler Brennweite 1 enthält ferner eine Impulsbeleuchtungsvorrichtung 5, welche eine Impulsbeleuchtung der Fläche des Messobjekts 9 liefert, und/oder eine Steuerung oder Regelung 6, welche die Impulsbeleuchtungsvorrichtung 5, die Bilderfassungsvorrichtung 4 und/oder das Linsensystem 3 steuert oder regelt.
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Die Feldlinse 2 ist insbesondere durch eine konvexe Linse konfiguriert. Die Bilderfassungsvorrichtung 4 ist insbesondere durch einen CCD-Bildsensor oder eine andere Form von Kamera oder Detektor konfiguriert und kann ein einfallendes Bild Lg als ein erfasstes Bild Im, welches eine bestimmte (vorgegebene oder vorgebbare) Signalform hat, an die Steuerung 6 ausgeben. Die Impulsbeleuchtungsvorrichtung 5 ist durch ein Licht emittierendes Element, wie eine LED, konfiguriert oder enthält ein solches, und wenn ein Lichtabgabesignal Ci von der Steuerung 6 zugeführt wird, kann Beleuchtungslicht Li für eine vorgegebene Zeitdauer abgegeben werden, und Impulsbeleuchtung der Fläche des Messobjekts kann bereitgestellt werden.
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Ein Brechungsindex des Linsensystems 3 ändert sich als Reaktion auf ein Steuersignal Cf, welches von der Steuerung 6 zugeführt wird. Das Steuersignal Cf ist insbesondere ein sinusförmiges Wechselspannungssignal einer Frequenz, welche eine stationäre Welle in dem Linsensystem 3 erzeugt. Bei der Linseneinrichtung 1 mit variabler Brennweite kann eine Brennweite Df zu einer Fokusposition Pf je nach Bedarf geändert werden, indem der Brechungsindex des Linsensystems 3 mit der Brennweite der Feldlinse 2 als Referenz geändert wird.
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In 2 enthält das Linsensystem 3 ein hohles zylindrisches Gehäuse 31, und ein hohles zylindrisches schwingendes Element (auch als ein „Schwingungserzeuger“ bezeichnet) 32 ist an einem Inneren des Gehäuses 31 installiert. Das schwingende Element 32 ist durch einen oder mehrere, insbesondere aus einem Elastomer bestehende Abstandhalter 39 gehalten, welche zwischen einer Außenumfangsfläche 33 des schwingenden Elements 32 und einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 31 angeordnet sind. Das schwingende Element 32 ist oder enthält insbesondere ein Element, bei dem ein piezoelektrisches Material in eine hohle zylindrische Form gebracht ist. Das schwingende Element 32 schwingt in einer Dickenrichtung aufgrund einer Wechselspannung des Steuersignals Cf, welches zwischen der Außenumfangsfläche 33 und der Innenumfangsfläche 34 angelegt ist. Das Innere des Gehäuses 31 ist zumindest teilweise mit einem transparenten Fluid 35, wie beispielsweise einem Silikonharz gefüllt, das gesamte schwingende Element 32 ist in das Fluid 35 eingetaucht und/oder eine Innenseite des hohlen zylindrischen schwingenden Elements 32 ist mit dem Fluid 35 gefüllt. Die Wechselspannung des Steuersignals ist auf eine Frequenz eingestellt, welche eine stationäre Welle in dem Fluid 35 auf der Innenseite des schwingenden Elements 32 erzeugt.
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Wie in den 3A bis 3C gezeigt, entsteht in dem Linsensystem 3, wenn das schwingende Element 32 in Schwingung versetzt wird, eine stationäre Welle in dem inneren Fluid 35, und konzentrische kreisförmige Bereiche entstehen dort, wo der Brechungsindex sich ändert (siehe 3A und 3B). Dabei ist eine Beziehung zwischen einem Abstand von einer Mittelachsenlinie des Linsensystems 3 (Radius) und dem Brechungsindex des Fluids 35 wie durch die in 3C dargestellte Brechungsindexverteilung W gezeigt.
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Da das Steuersignal Cf ein sinusförmiges Wechselspannungssignal ist, ändern sich in den 4A bis 4E Bereiche in der Verteilung W des Brechungsindex des Fluids 35 in dem Linsensystem 3 ebenfalls entsprechend dem Steuersignal Cf. Auch ändert sich der Brechungsindex der konzentrischen kreisförmigen Bereiche, welche in dem Fluid 35 entstehen, im Wesentlichen sinusförmig, und folglich ändert sich die Brennweite Df zu der Fokusposition Pf sinusförmig. In dem in 4A dargestellten Zustand ist eine Amplitude der Verteilung W des Brechungsindex auf ihrem größten Wert, bewirkt das Linsensystem 3 das Konvergieren von durchtretendem Licht, ist die Fokusposition Pf näher und ist die Brennweite Df auf ihrem kürzesten Wert. In dem in 4B dargestellten Zustand ist die Amplitude der Verteilung W des Brechungsindex im Wesentlichen flach, lässt das Linsensystem 3 durchtretendes Licht unbeeinflusst durchtreten und liegen die Fokusposition Pf und die Brennweite Df bei Standardwerten. In dem in 4C dargestellten Zustand ist die Amplitude der Verteilung W des Brechungsindex auf ihrem größten Wert an dem der 4A entgegengesetzten Pol, bewirkt das Linsensystem 3 das Streuen von durchtretendem Licht, ist die Fokusposition Pf weiter und ist die Brennweite Df auf ihrem maximalen Wert. In dem in 4D dargestellten Zustand ist die Verteilung W des Brechungsindex wiederum im Wesentlichen flach, lässt das Linsensystem 3 durchtretendes Licht unbeeinflusst durchtreten und liegen die Fokusposition Pf und die Brennweite Df bei Standardwerten. Der in 4E dargestellte Zustand kehrt wiederum zu dem in 4A dargestellten Zustand zurück, und ähnliche Fluktuationen werden danach wiederholt.
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So ist bei der Linseneinrichtung 1 mit variabler Brennweite das Steuersignal Cf ein sinusförmiges Wechselspannungssignal, und die Fokusposition Pf und die Brennweite Df fluktuieren ebenfalls im Wesentlichen sinusförmig, wie bei einer Fokuspositionsfluktuations-Wellenform Mf in den 4A bis 4E. Wenn dabei eine Impulsbeleuchtung zu dem Messobjekt 9 abgegeben wird, welches zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Fokuspositionsfluktuations-Wellenform Mf an der Fokusposition Pf gelegen ist, wird ein Bild der Fokusposition Pf bei der Brennweite Df zu dem Zeitpunkt der Beleuchtung gewonnen. Mit anderen Worten: Ausgehend von dem Lichtabgabesignal Ci, welches von der Steuerung 6 zugeführt wird, wird durch Beleuchten der Oberfläche des Messobjekts 9 mit dem Beleuchtungslicht Li von der Impulsbeleuchtungsvorrichtung 5 reflektiertes Licht Lr von dem Messobjekt 9 durch die Feldlinse 2 und das Linsensystem 3 zu der Bilderfassungsvorrichtung 4 gesendet und kann als ein Bild erfasst werden.
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Wieder gemäß 2 sind ein oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von blattförmigen Druckminderungselementen (auch als „Druckminderer“ bezeichnet) 38 zumindest teilweise um das Linsensystem 3 herum, und insbesondere um den im Wesentlichen gesamten Umfang des Linsensystems 3 herum zwischen der Außenumfangsfläche des schwingenden Elements 32 und der Innenumfangsfläche des Gehäuses 31 angeordnet. Wie in 5 gezeigt, sind oder umfassen die Druckminderungselemente 38 insbesondere ein oder mehrere Schaumstoffkörper, welche z.B. aus Fluorkautschuk bestehen und/oder eine große Anzahl von geschlossenen Zellen 381 haben. Wie in 6 gezeigt, sind die Druckminderungselemente 38 an einer von Außenumfangsfläche des schwingenden Elements 32 oder Innenumfangsfläche des Gehäuses 31 befestigt (z.B. durch Bonden oder Kleben). Ebenso kann ein mechanisches Verfahren verwendet werden, um die Druckminderungselemente 38 zu befestigen. Die Druckminderungselemente 38 sind auf einer Außenseite der Innenumfangsfläche des schwingenden Elements 32 angeordnet und sind in einem Zustand installiert, welcher einen optischen Pfad 3L des Linsensystems 3 nicht stört. Außerdem sind die Druckminderungselemente 38 vollkommen in das Fluid 35 eingetaucht, um die Ausdehnung des Fluids 35 zu verringern.
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Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform dem Linsensystem 3 beispielsweise eine Sinuswelle als Steuersignal Cf von der Steuerung 6 zugeführt, was eine Fluktuation des Brechungsindex des Linsensystems 3 hervorruft. Dadurch kann die Fokusposition Pf (die Brennweite Df) der Linseneinrichtung mit variabler Brennweite 1 zum sinusförmigen Fluktuieren an der Oberfläche des Messobjekts 9 veranlasst werden. Außerdem wird das Lichtabgabesignal Ci durch die Steuerung 6 mit einem bestimmten Phasenwinkel ausgegeben, wobei das Steuersignal Cf als Referenz dient, was die Impulsbeleuchtungsvorrichtung 5 veranlasst, Licht ausgehend von dem Lichtabgabesignal Ci auszusenden. Dadurch kann das Bild Lg der Oberfläche des Messobjekts 9 bei der Brennweite Df zum Zeitpunkt der Beleuchtung durch die Feldlinse 2 und das Linsensystem 3 zu der Bilderfassungsvorrichtung 4 geleitet werden, und kann als das erfasste Bild Im erfasst werden.
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Unterdessen sind das eine oder die mehreren Druckminderungselemente 38 in dem Linsensystem 3 installiert, und daher kann, selbst wenn sich das interne Fluid 35 aufgrund eines Temperaturanstiegs im Inneren des Linsensystems 3 ausdehnt, ein Druckanstieg durch die Druckminderungselemente 38 verringert werden. Dabei sind die Druckminderungselemente 38 insbesondere in einem oder mehreren Spalten zwischen dem schwingenden Element 32 und dem Gehäuse 31, weiter auswärts als das schwingende Element installiert und verschieben sich nicht, wie es bei herkömmlichen Blasen der Fall ist. Das (die) Druckminderungselement(e) kann (können) daher eine Beeinflussung des optischen Pfads 3L verhindern, welcher an der Innenseite des schwingenden Elements 32 gebildet ist, und können die Beeinflussung optischer Eigenschaften des Linsensystems 3 verhindern.
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Bei dieser Ausführungsform sind oder umfassen die Druckminderungselemente 38 Schaumstoffkörper, welche z.B. aus Fluorkautschuk bestehen und/oder eine Vielzahl (eine große Anzahl) von geschlossenen Zellen 381 haben. Selbst wenn sich das interne Fluid 35 aufgrund eines Temperaturanstiegs des Linsensystems 3 ausdehnt, wird daher jede der geschlossenen Zellen 381 durch den Druck des Fluids 35 komprimiert oder verkleinert, und das Gesamtvolumen des Druckminderungselements 38 wird reduziert, was es ermöglicht, den Druck auf das Innere des Linsensystems 3 zu verringern. Da die Druckminderungselemente 38 insbesondere aus Fluorkautschuk bestehen, können zudem Ölbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Flammfestigkeit, Wetterfestigkeit und Ozonfestigkeit gewährleistet werden, gleich welche Art von Fluid 35 im Inneren des Linsensystems 3 verwendet wird. Aufgrund der geschlossenen Zellen 381 können die Druckminderungselemente 38 ferner ungünstige Situationen verhindern, wie beispielsweise dass bei Eindrücken durch externen Druck Luft aus dem Inneren austritt und dass eine ursprüngliche Form nicht wieder hergestellt werden kann.
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Diese Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen beschränkt und enthält Modifikationen innerhalb eines Umfangs, in dem die Vorteile dieser Erfindung erreicht werden können. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Vielzahl von blattförmigen Druckminderungselementen 38 um den gesamten Umfang des Linsensystems 3 herum zwischen der Außenumfangsfläche des schwingenden Elements 32 und der Innenumfangsfläche des Gehäuses 31 herum angeordnet. Doch können die Druckminderungselemente 38 stattdessen ein einziges Blatt sein, welches durchgehend um zumindest einen Teil des Umfangs herum, insbesondere um den gesamten Umfang herum angeordnet ist, oder können in einer schlauchartigen Form durchgehend sein. Bei dem Linsensystem 3 liegt eine Stelle, an der das Druckminderungselement 38 installiert ist, vorzugsweise weiter außen als der optische Pfad 3L auf der Innenseite des schwingenden Elements 32 und in einem Spalt zwischen dem schwingenden Element 32 und dem Gehäuse 31. Zusätzlich zu der Installation zwischen der Außenfläche des schwingenden Elements 32 und der Innenfläche des Gehäuses 31, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, kann ein Raum zwischen einer Umfangskante in einer Laufrichtung (die Richtung, in welche der optische Pfad 3L verläuft) des schwingenden Elements 32 und der gegenüberstehenden Innenfläche des Gehäuses 31 oder dergleichen genutzt werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Blatt aus Fluorkautschuk, welches eine große Zahl geschlossener Zellen 381 hat, als das Druckminderungselement 38 verwendet, doch ein Schaumstoffkörper, welcher geschlossene Zellen hat und aus einem anderen Kunstharz als Fluorkautschuk besteht, kann ebenfalls verwendet werden. Ein Hüllenkörper, bei dem ein durch Druck komprimierbares Fluid an einem Inneren der Hülle eingeschlossen ist, ein Kastenkörper, welcher sich aufgrund von externem Druck elastisch verformt und sein Volumen reduziert, oder dergleichen können ebenso verwendet werden. Wie in 7 gezeigt, kann ein Hüllenkörper, bei dem Luft an einem Inneren einer Hülle 382 z.B. aus Polyethylenharz eingeschlossen ist, beispielsweise als ein Hüllenkörper verwendet werden, bei dem ein durch Druck komprimierbares Fluid an einem Inneren der Hülle eingeschlossen ist. Eine derartige Hülle 382 ist insbesondere formbar oder biegbar und kann sich an eine große Zahl von Formen anpassen, und kann daher leicht in einen Spalt zwischen dem Gehäuse 31 und dem schwingenden Element 32 des Linsensystems 3 der oben beschriebenen Ausführungsform geschoben werden.
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Als ein Beispiel für einen Kastenkörper, welcher sich durch externen Druck elastisch verformt und sein Volumen reduziert, biegt sich beispielsweise durch derartiges Konfigurieren eines flachen (insbesondere metallischen) Kastens 383, dass er eine flache Membran 384 in einer ebenen Fläche des Kastens 383 hat, wie in 8 gezeigt, die Membran 384 einwärts, wenn ein externer Druck ausgeübt wird, und kann daher das Volumen reduzieren. Wie in 9 gezeigt, kann zudem ein elastisches Element 385, welches die Membran 384 nach außen vorspannt, an einem Inneren des Kastens 383 installiert sein. Wie in 10 gezeigt, kann ferner eine Konfiguration verwendet werden, welche einen Zylinder 386 und einen Kolben 387 verwendet und den Koben 387 zu einem Inneren verschiebt, wenn externer Druck ausgeübt wird. Mit diesen Konfigurationen kann eine Druckminderungsfähigkeit über das durch Druck komprimierbare Fluid im Inneren oder die Elastizität des elastischen Elements 388 feinjustiert werden. Außerdem kann auch ein Element als das Druckminderungselement 38 (als ein spezieller Druckminderer) verwendet werden, welches aus einem Material ausgebildet ist, dessen Volumen durch einen Temperaturanstieg reduziert wird.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind das Steuersignal Cf und die Fokuspositionsfluktuations-Wellenform Mf als Sinuswellen konfiguriert. Das Steuersignal Cf und die Fokuspositionsfluktuations-Wellenform Mf können jedoch stattdessen Dreiecksschwingungen, Sägezahnschwingungen, Rechteckschwingungen oder jegliche andere Wellenform sein. Die spezielle Konfiguration des Linsensystems 3 kann passend verändert werden. Statt einer hohlen zylindrischen Form können das Gehäuse 31 und das schwingende Element 32 beispielsweise eine hohle hexagonale Form haben. Die spezielle Konfiguration der Steuerung 6 kann so gewählt werden, wie sie für die Anwendung geeignet ist.
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Diese Erfindung kann bei einem Linsensystem und einer Linseneinrichtung mit variabler Brennweite verwendet werden. Insbesondere wird ein Linsensystem 3 angegeben, welches enthält: mindestens ein rohrförmiges schwingendes Element 32, welches aufgrund eines zugeführten Steuersignals schwingt; ein Gehäuse 31, welches das schwingende Element 32 aufnimmt; ein Fluid 35, welches das Gehäuse 31 zumindest teilweise füllt oder füllen kann und das schwingende Element 32 eintaucht, und mindestens ein Druckminderungselement 38, welches in einen Spalt zwischen dem schwingenden Element 32 und dem Gehäuse 31, weiter auswärts als das schwingende Element 32 zu installieren ist. Ein Schaumstoffkörper, welcher aus Fluorkautschuk besteht und eine große Zahl geschlossener Zellen hat, wird insbesondere als das Druckminderungselement 38 verwendet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Beispiele rein zum Zwecke der Erläuterung angeführt wurden und in keiner Weise als diese Erfindung einschränkend begriffen werden.