DE10139805C1 - Spannungsarme Linsenfassung - Google Patents

Abstract

Bei einer spannungsarmen Linsenfassung besteht die Aufgabe, die Justiergenauigkeit mit einfachen Mitteln durch die Erhöhung der Feinfühligkeit zu verbessern, um hochgenauer Justierungen bis in den mum-Bereich hinein zu gewährleisten und den justierten Zustand durch eine erhöhte Stabilität der Lagesicherung dauerhafter zu gestalten. Außerdem soll die zu schaffende Linsenfassung einfach, robust, platzsparend und aufgrund ihrer Eigenschaften für Hochleistungsobjektive geeignet sein. DOLLAR A Tragende Elemente für die zu fassende Linse greifen selbstzentrierend in eine Ringnut in der Umfangsfläche der Linse ein und liegen, zumindest während der Herstellung eines justierten Zustandes, durch eine radial nach außen gerichtete Andruckkraft an der inneren Mantelfläche eines Fassungsrings gleitfähig an. Die tragenden Elemente sind einzeln in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Linse verschiebbar, indem an jedem tragenden Element ein in Richtung der optischen Achse wirkendes Verstellelement angreift. DOLLAR A Die Linsenfassung ist für den Aufbau von Hochleistungsobjektiven, insbesondere im UV-Bereich, anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine spannungsarme Linsenfassung mit einem Fassungsring, dessen innere Mantelfläche zur Aufnahme von tragenden Elementen dient, die um die Umfangsfläche einer zu fassenden Linse verteilt angeordnet sind und mit einem freien Ende selbstzentrierend in eine Ringnut in der Umfangsfläche eingreifen.

Aus der gattungsbildenden DE 100 43 344 A1 ist ein elastischer Linsenträger, insbesondere für UV-Objektive bekannt, mit dessen Hilfe eine Linse leicht und schnell montiert sowie im gefassten Zustand gespült werden kann. Durch die Ausbildung radial elastischer Segmente, die mit ihren freien Enden unter Vorspannung in eine Ringnut an der Umfangsfläche der Linse eingreifen, kann die Linse spannungsarm, unmittelbar und ohne zusätzliche Mittel an ihrer Umfangsfläche gefasst werden.

Linsenfassungen für Hochleistungsobjektive erfordern jedoch nicht nur ein spannungsarmes Fassen der optischen Elemente, sondern setzen auch Justiermöglichkeiten voraus, mit denen die gefasste Linse in axialer und radialer Richtung in Bezug auf ihre optische Achse verstellt werden kann. So lassen sich insbesondere materialabtragende Nacharbeiten an der Linsenfassung nach dem Fassen der Linse vermeiden, indem Fertigungstoleranzen durch derartige Justierungen ausgeglichen werden. Weitere Forderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität und der Lagesicherung gegen mechanische Belastungen sollten bei den Linsenfassungen ebenfalls erfüllt sein.

Eine bekannte Justiervorrichtung nach der DE PS 37 30 094 C2 sieht vor, eine Hilfsfassung, die eine Linse an deren Umfangsfläche vollständig umschließt, als Ganzes in einer Richtung parallel zur optischen Achse zu verstellen. Die Hilfsfassung wird von einer äußeren Hauptfassung umschlossen und ist gegenüber der Hauptfassung in radialer Richtung federnd abgestützt und in dieser Richtung gegen die Federkraft verstellbar. In axialer Richtung wirkt eine federelastische Dreipunktauflage mit federnd gespannten und an den drei Auflagepunkten individuell einstellbaren Distanzelementen.

Es ist von Nachteil, dass bei der Verstellung in radialer Richtung die axial wirkenden Federkräfte überwunden werden müssen, was der Feinfühligkeit entgegenwirkt. Auch die Feinfühligkeit der Verstellung in axialer Richtung wird mit den vorgeschlagenen Mitteln nicht ausreichend sein, um im Mikrometerbereich justieren zu können. Des Weiteren sind in dem System relativ viele "weiche Stellen" enthalten, die sich in Bezug auf die Lagesicherung negativ auswirken. Da die Justiermittel für beide Verstellrichtungen außerhalb der Hilfsfassung angebracht sind, weist diese justierbare Linsenfassung außerdem einen relativ großen Platzbedarf auf.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Justiergenauigkeit mit einfachen Mitteln durch die Erhöhung der Feinfühligkeit zu verbessern, um hochgenaue Verstellungen bis in den µm-Bereich hinein zu gewährleisten und den justierten Zustand durch eine erhöhte Stabilität der Lagesicherung dauerhafter zu gestalten. Die zu schaffende Linsenfassung soll einfach, robust, platzsparend und aufgrund ihrer Eigenschaften für Hochleistungsobjektive geeignet sein.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Linsenfassung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die tragenden Elemente zumindest während der Herstellung eines justierten Zustandes durch eine radial nach außen gerichtete Andruckkraft an der inneren Mantelfläche des Fassungsringes gleitfähig anliegen und einzeln in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Linse verschiebbar sind, indem an jedem tragenden Element ein in Richtung der optischen Achse wirkendes Stellelement angreift.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die einen Hilfsrahmen bildenden und auf den Umfang der Linse verteilten tragenden Elemente unabhängig voneinander verstellbare Einzelelemente, die mit dem Fassungsring als Hauptrahmen über aneinander anliegende Flächen in direkter Verbindung stehen und einzeln in axialer Richtung in Bezug zur optischen Achse der Linse verschiebbar sind. In besonders vorteilhafter Weise vereinen die tragenden Einzelelemente sowohl die Funktion einer spannungsarmen Fassung der Linse als auch die geforderten Justierfunktionen.

Vorteilhaft ist es, wenn ein mit einem Radius versehenes, zu der Linse hinzeigendes freies Ende der tragenden Elemente die als V-Nut ausgebildete Ringnut ausschließlich an deren Flanken (V-Lager) berührt.

Die radial nach außen gerichtete Andruckkraft wird dadurch erzeugt, dass von den tragenden Elementen mindestens ein Element in radialer Richtung selbst federnd ausgebildet ist.

In einer bevorzugten Ausführung besteht ein so aufgebauter federnder Anschlag aus einem starren Grundkörper mit einem zu der Linse weisenden Biegebalken, der mit abgewinkelten Endstücken an dem Grundkörper befestigt ist, so dass zu dem Grundkörper hin ein Schlitz frei bleibt, der eine federnde Durchbiegung des Biegebalkens gewährleistet.

Im Zusammenwirken mit den übrigen tragenden Elementen, die vorteilhaft feste Anschläge sind, ist eine eindeutige Lagebestimmung der Linse ohne Zwang und ohne Überbestimmtheit gegeben. Während der federnde Anschlag eine elastische und spannungsarme Halterung der Linse gewährleistet und thermisch bedingte unterschiedliche Ausdehnungen kompensiert, wirken sich die festen Anschläge besonders positiv auf die Stabilität des Systems gegenüber mechanischen Belastungen aus.

Insbesondere bei einer Gleichverteilung von zwei festen und einem federnden Anschlag um die Umfangsfläche der Linse drückt der letztere die Linse immer wieder an die festen Anschläge, so dass eine eindeutige Lagebestimmung gewährleistet ist. Von einer gleichverteilten Anordnung der Anschläge um die Umfangsfläche kann auch abgewichen werden, wenn dadurch die sichere Halterung gewährleistet bleibt.

Des Weiteren besteht bei einer kombinierten Anordnung von festen und federnden Anschlägen der Vorteil, dass in einem solchen System das Auftreten von Schwingungen im Bereich von Eigenfrequenzen vermieden werden kann. Die derart erreichbare Stabilität wird besonders dann von Bedeutung sein, wenn ein erfindungsgemäß gefertigtes Hochleistungsobjektiv in eine Einrichtung eingebaut wird, in der schwingungserzeugende Baueinheiten, wie z. B. Lüfter zu Kühlzwecken vorhanden sind. Der positive Effekt tritt dagegen nicht bei einer vollständig federnd gehaltenen Linse ein, da das gebildete Feder-Masse-System innerhalb seiner Eigenfrequenz zu Schwingungen angeregt werden kann.

Die Stellelemente zur Verschiebung der in dem äußeren Fassungsring durch die Federvorspannung geklemmten tragenden Elemente in einer Richtung parallel zur optischen Achse der gefassten Linse sind z. B. Feinspindeln oder Piezoelemente. Letztere sind sehr vorteilhaft elektronisch ansteuerbar. Durch eine hohe Oberflächenqualität der aneinander liegenden Flächen des äußeren Fassungsringes und der tragenden Elemente wird gewährleistet, dass die Verschiebung sehr feinfühlig erfolgen kann.

Vorteilhaft weisen die zur gegenseitigen Anlage bei den tragenden Elementen und dem Fassungsring vorgesehenen Flächen aneinander angepasste Radien auf. Die Flächen sind bei den tragenden Elementen von der Linse weggerichtete gekrümmte Gleitflächen und bei dem Fassungsring dessen innere Mantelfläche.

Die vorliegende Linsenfassung gestattet selbstverständlich auch eine Linsenzentrierung. Dafür enthält der Fassungsring gleichverteilte, axial gerichtete Bohrungen, deren Spiel gegenüber Befestigungsmitteln, die durch die Bohrungen hindurchgeführt sind, als maximaler Verstellweg für eine Verstellung in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Linse dient.

Die erfindungsgemäße Justierung gestattet im Unterschied zum Justierdrehen, bei dem materialabtragende Nacharbeiten an der Linsenfassung nach dem Fassen der Linse erforderlich sind, eine wesentlich breitere Materialwahl für den Fassungsring. So können insbesondere solche Materialien verwendet werden, die dem Ausdehnungskoeffizienten der Linse optimal angepasst sind.

Nach erfolgter Justierung, insbesondere in axialer Richtung, können die Gleitflächen je nach Bedarf gegenüber der Mantelfläche verschiebbar bleiben oder dauerhaft fixiert werden. Eine bevorzugte Möglichkeit der dauerhaften Befestigung besteht darin, die Gleitflächen der tragenden Elemente mit Fasen zu versehen, so dass bei der Auflage der Gleitflächen auf der inneren Mantelfläche Befestigungskehlen zur Aufnahme eines Befestigungsmittels gebildet werden.

Wird die Fügeverbindung durch Laserschweißen oder Löten hergestellt, ist die Fassung für UV-Objektive geeignet, weil dann nur anorganische Materialien vorhanden sind Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine justierbare Linsenfassung in perspektivischer Darstellung

Fig. 2 die justierbare Linsenfassung in einem Schnitt durch den Durchmesser der gefassten Linse

Fig. 3 ein als fester Anschlag ausgebildetes tragendes Element

Fig. 4 ein in axialer Richtung federnd ausgebildetes tragendes Element

Eine Linsenfassung gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einem äußeren Fassungsring 1, an dessen innerer Mantelfläche 2 gleichverteilt um den Umfang einer zu fassenden Linse 3 tragende Elemente 4, 5 und 6 mit ihren nach außen weisenden Anlageflächen unter Vorspannung anliegen. Die Anlageflächen der tragenden Elemente 4, 5 und 6 sind mit einer Krümmung versehen, die dem Innenradius des Fassungsringes 1, der Mantelfläche 2, hochgenau angepasst ist. Dadurch und durch eine hohe Oberflächengüte der aneinander anliegenden Flächen wird eine Gleitfähigkeit der Elemente 4, 5 und 6 in axialer Richtung in Bezug auf die optische Achse O-O der Linse 3 und deren Verstellmöglichkeit in dieser Richtung gewährleistet.

Der Einbau der Linse 3 in den Fassungsring 1 wird z. B. mit einem speziellen Hilfswerkzeug durchgeführt, wonach aufeinanderfolgend die tragenden Elemente 4, 5 und 6 eingesetzt werden.

Gleichgestaltete freie Enden der Elemente 4, 5 und 6 in Form von Rastnasen 7 besitzen eine Haltefunktion und greifen in eine umlaufende Ringnut 8 in der Umfangsfläche 9 der Linse 3 ein. Die Ringnut 8 besitzt eine V-Form, bei der anstatt einer V-Spitze ein dort ausgebildeter Radius vorgesehen ist. Günstig ist es, wenn die Rastnasen 7 einen größeren Radius R aufweisen, so dass es lediglich zu einer Anlage an den Flanken der v-förmigen Ringnut 8 kommt, wodurch sich die Linse 3 immer von selbst in axialer und radialer Richtung zentriert.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist von den tragenden Elementen 4, 5 und 6 das mit 4 bezeichnete Element als federnder Anschlag mit einer radial gerichteten Kraftwirkung ausgebildet, um sowohl die nötige Vorspannung zur Anlage an der inneren Mantelfläche 2 zu gewährleisten als auch mit Hilfe der erzeugten Gegenkraft die Linse 3 an die übrigen Elemente 5 und 6 zu drücken, die feste Anschläge sind.

Der Verstellung der Linse 3 in axialer Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse O-O, dienen in diese Richtung wirkende Stellelemente, von denen je eines an einem der tragenden Elemente 4, 5 und 6 angreift und von denen in Fig. 2 zwei sichtbar und mit 10 und 11 bezeichnet sind. Als Stellelemente für eine dadurch mögliche Minimierung der Kippung der radialen Ebene der Linse 3 eignen sich z. B. Feinspindeln oder hochgenaue arbeitende Piezo- Stellelemente, mit denen Verschiebungen unterhalb von 1 µm erreicht werden können.

Neben dem Ausgleich von Verkippungen der radialen Ebene ist außerdem eine hochgenaue Justierung des Luftabstandes der Linse 3 zu einer benachbarten Linse möglich.

Eine Verstellung der Linse 3 in radialer Richtung wird bei der vorliegenden justierbaren Linsenfassung durch eine Verschiebung des gesamten Fassungsringes 1 mit der darin gefassten Linse 3 realisiert, indem in einer Gleichverteilung im Ring angeordnete axial gerichtete Bohrungen 12, 13 und 14 ein hinreichend großes Spiel gegenüber nicht dargestellten, durch sie hindurchgeführten Befestigungsmitteln aufweisen. Innerhalb dieses Spiel kann die für eine Zentrierung der Linse 3 erforderliche Verschiebung und anschließend eine Befestigung vorgenommen werden.

In einer anderen Ausführung können die tragenden Elemente auch alle als federnde Anschläge ausgebildet sein. Dabei tritt der Vorteil nicht in dem Maße hervor, dass gegenüber einer kombinierten Anordnung von festen und federnden Anschlägen vergleichbare Belastungen ausgehalten werden. Die mechanische Stabilität nimmt zwar ab, doch erreicht man mit einer solchen Lösung eine bessere Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen, da durch die vorhandene Symmetrie Verschiebungen durch Temperaturbelastungen auch symmetrisch ausgeglichen werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten tragenden Element handelt es sich um einen der in der Linsenfassung eingesetzten festen Anschläge. Der Anschlag besteht aus einem Grundkörper 15, der eine äußere Gleitfläche 16 mit einem dem Innenradius des Fassungsringes 1 bzw. dem seiner inneren Mantelfläche 2 hochgenau angepassten Krümmungsradius aufweist. Die der äußeren Gleitfläche 16 gegenüberliegende Seite des Grundkörpers 15 enthält einen balkenartigen Vorsprung 17, an dem, mittig angeordnet, die Rastnase 7 hervorsteht.

Ähnlich wie der feste Anschlag besteht auch der federnde Anschlag (Fig. 4) aus einem starren Grundkörper 18 und einer äußeren Gleitfläche 19 mit einem, dem Innenradius des Fassungsringes 1 bzw. dem seiner inneren Mantelfläche 2 hochgenau angepassten Krümmungsradius. Im Unterschied zu dem festen Anschlag ist jedoch der balkenartige Vorsprung bei dem federnden Element ein Biegebalken 20 mit veränderbarem Abstand zu dem Grundkörper 18, insbesondere zu der Seite, die der äußeren Gleitfläche 19 gegenüberliegt und mit 21 bezeichnet ist. Der Biegebalken 20 ist lediglich mit abgewinkelten Endstücken 22, 23 an dem Grundkörper 18 befestigt, so dass im übrigen Bereich zu der Seite 21 hin ein Schlitz 24 frei bleibt, der in Pfeilrichtung eine Durchbiegung und somit die federnde bzw. elastische Eigenschaft des Anschlages gewährleistet.

Für die im Bedarfsfall nach erfolgter Justierung notwendige dauerhafte Befestigung der tragenden Elemente sind die Gleitflächen 16 und 19 mit Fasen 25, 26 versehen, so dass bei der Auflage der Gleitflächen 16 und 19 auf der inneren Mantelfläche 2 Befestigungskehlen zur Aufnahme eines Klebemittels oder eines Lots 27 gebildet werden.

Die Fixierung der einzeln verschiebbaren tragenden Elemente 4, 5 und 6 ist z. B. nicht zwingend notwendig bei Objektiven, die stationär aufgestellt sind und keinen größeren mechanischen Belastungen unterliegen. Anders verhält es sich bei Objektiven, die einer häufigen Handhabung oder Transportbelastungen ausgesetzt sind. Hier ist die Sicherung durch eine Fixierung des justierten Zustandes angebracht bzw. notwendig.

Eine andere Möglichkeit der Fixierung besteht darin, an die äußeren Gleitflächen 16 und 19 der Grundkörper 15 und 18 und/oder an die innere Mantelfläche 2 des Fassungsringes 1 ein Klebemittel mit einer über den Zeitraum der Justierung hinaus andauernden Topfzeit aufzubringen. In dem Zeitraum, in dem noch keine Aushärtung des Klebemittels erfolgt, kann die Justierung durchgeführt werden. Danach wird durch die Aushärtung die dauerhafte Fixierung erreicht.

Vorteilhafterweise kann das Klebemittel während der Justierung auch als Gleitmittel fungieren, um so die Feinfühligkeit noch weiter zu erhöhen.

Claims (8)

1. Spannungsarme Linsenfassung mit einem Fassungsring, dessen innere Mantelfläche zur Aufnahme von tragenden Elementen dient, die um die Umfangsfläche einer zu fassenden Linse verteilt angeordnet sind und mit einem freien Ende selbstzentrierend in eine Ringnut in der Umfangsfläche eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Elemente (4, 5, 6) zumindest während der Herstellung eines justierten Zustandes durch eine radial nach außen gerichtete Andruckkraft an der inneren Mantelfläche (2) des Fassungsringes (1) gleitfähig anliegen und einzeln in einer Richtung parallel zur optischen Achse (O-O) der Linse (3) verschiebbar sind, indem an jedem tragenden Element (4, 5, 6) ein in Richtung der optischen Achse (O-O) wirkendes Stellelement (10, 11) angreift.

2. Linsenfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den tragenden Elementen (4, 5, 6) mindestens ein Element (4) in radialer Richtung federnd ausgebildet ist und die übrigen Elemente (5, 6) feste Anschläge sind.

3. Linsenfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Elemente (4, 5, 6) als federnde Anschläge ausgebildet sind.

4. Linsenfassung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Elemente (4, 5, 6) von der Linse (3) weggerichtete gekrümmte Gleitflächen (16, 19) und der Fassungsring (1) eine innere Mantelfläche (2) aufweisen, und dass die Gleitflächen (16, 19) und die innere Mantelfläche (2) zur gegenseitigen Anlage aneinander angepasste Radien besitzen.

5. Linsenfassung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Elemente (4, 5, 6) an dem zu der Linse (3) hin zeigenden freien Ende einen Radius (R) aufweisen, der die als V-Nut ausgebildete Ringnut (8) ausschließlich an deren Flanken berührt.

6. Linsenfassung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fassungsring (1) gleichverteilte, axial gerichtete Bohrungen (12, 13, 14) enthält, deren Spiel gegenüber Befestigungsmitteln, die durch die Bohrungen (12, 13, 14) hindurchgeführt sind, als maximaler Verstellweg für eine Verstellung in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (O-O) der Linse (3) dient.

7. Linsenfassung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der federnde Anschlag aus einem starren Grundkörper (18) mit einem zu der Linse (3) weisenden Biegebalken (20) besteht, der mit abgewinkelten Endstücken (22, 23) an dem Grundkörper (18) befestigt ist, so dass zu dem Grundkörper hin ein Schlitz (24) frei bleibt, der eine federnde Durchbiegung des Biegebalkens (20) gewährleistet.

8. Linsenfassung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitflächen (16, 19) mit Fasen (25, 26) versehen sind, so dass bei der Auflage der Gleitflächen (16, 19) auf der inneren Mantelfläche (2) Befestigungskehlen zur Aufnahme eines Befestigungsmittels gebildet werden.