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Die
Erfindung betrifft eine lateral verstellbare Fassung für optische
Elemente, die durch Materialschnitte in einen feststehenden äußeren Teil
und einen verstellbaren inneren Teil unterteilt ist, wobei der verstellbare
innere Teil der Aufnahme des optischen Elementes dient. Eine gattungsgemäße Fassung
ist aus der
EP 1 577
693 A2 bekannt.
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Aus
der
DE 199 01 295
A1 ist eine optische Abbildungsvorrichtung mit wenigstens
einem optischen Element bekannt, bei dem eine Außenfassung und ein hierzu verstellbarer
Innenring vorzugsweise aus einem Stück gefertigt sind. Eine zur
weggesteuerten Verschiebung des optischen Elementes in einer Richtung
senkrecht zur optischen Achse dienende Manipulatoreinrichtung besteht
zwischen dem Innenring und der Außenfassung aus einem System
von Umfangsschlitzen mit dazwischen liegenden Verbindungsgliedern,
einem Drehgelenk und wenigstens einem Verstellgelenk mit einem Verstellglied.
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Der
Nachteil dieser Lösung
besteht insbesondere darin, dass diese durch die Vielzahl unterschiedlich
ausgebildeter Manipulatorelemente einen komplizierten und unsymmetrischen
Aufbau besitzt, der für
symmetrische Systeme ungeeignet ist oder zu Systeminstabilitäten führt. Insbesondere
erhöhen
die in Richtung der optischen Achse versteifend wirkenden, kinematisch
jedoch überflüssigen Verbindungsglieder
den Fertigungsaufwand, erfordern in Abhängigkeit von der Anzahl zusätzliche
Stellkräfte
und bewirken, dass sich Deformationen stärker auf den inneren Teil auswirken.
Außerdem
benötigen
die Verstellgelenke eine zusätzliche
Blattfeder und müssen zur
Gewährleistung
der beabsichtigten Justierung in zwei zueinander entgegengesetzten
Richtungen verstellt werden, so dass Vorspannelemente für beide Richtungen
erforderlich sind.
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Auch
aus der
EP 1 577 693
A2 ist eine aus einem Stück gefertigte Linsenfassung
bekannt. In einer bevorzugten Ausführung ist ein Innenring über drei
Verstellgelenke mit jeweils zwei Gelenkarmen (einen Hebelarm bildende
Stege) und einem dazwischen liegenden Verstellteil (freies Hebelende)
mit einer Außenfassung
verbunden. Zur lateralen Verstellung des Innenringes und damit des
optischen Elementes greifen Aktuatoren an den Verstellteilen an.
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Gegenüber der
vorgenannten
DE 199
01 295 A1 zeichnet sich die hier aufgezeigte Lösung durch eine
höhere
Temperaturstabilität
aus.
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Wie
in der
EP 1 577 693
A2 ausgeführt,
ergibt sich bei der Erwärmung
des optischen Elementes, z. B. einer Linse, das Problem, dass die
Wärme über die
nur wenigen und schmalen Verbindungsstellen zwischen dem Innenring
und der Außenfassung nur
schlecht abgeleitet werden kann. Die sich dadurch einstellenden
Temperaturunterschiede wirken sich nachteilig auf die Abbildungsqualität aus, da
insbesondere eine Längenänderung
der in eine gleiche Richtung ausgedehnten Gelenkarme aufgrund von Temperaturänderungen
zu einer Verschiebung des Innenringes in dieser Richtung führt, was
Aberrationen und Koma zur Folge hat.
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Dieses
Problem wird mit der
EP
1 577 693 A2 im Wesentlichen dadurch behoben, dass die
Gelenkarme in tangentiale Richtung um 120° zueinander versetzt an der äußeren Umfangsfläche des
Innenringes und an der inneren Umfangsfläche der Außenfassung im Uhrzeigersinn
vom Innenring weggerichtet angreifen. Eine Längenänderung der Gelenkarme wird
hier in eine einheitliche Verdrehrichtung umgesetzt. Verdrehungen
dieser Art führen
nicht zu Aberrationen, insbesondere nicht bei einer Linse als optisches
Element.
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Eine
Linsenfassung gemäß der
EP 1 577 693 A2 soll
auch den Vorteil haben, dass durch eine Verkürzung der Gelenkarme eine höhere Lateralsteifigkeit
der Innenringanbindung erreichbar ist und damit die Linsenfassung
mit der gefassten Linse gegen Eigenschwingungen steifer ist.
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Aus
der
WO 2005/101131
A1 ist eine Linsenfassung bekannt, hier Aufnahmebaugruppe
zur Positionierung eines optischen Elementes genannt, bestehend
aus einem ersten Rahmen und drei identischen Halteeinheiten, die
gleichwinklig am Umfang des ersten Rahmens verteilt einen zweiten
Rahmen, der eine Linse trägt,
halten. Bei den Halteeinheiten handelt es sich um zusätzliche
Bauteile, was unter anderem zu einem höheren Fertigungs- und Montageaufwand
führt.
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In
der
DE 100 51 706
A1 ist ebenfalls eine Fassung offenbart, die durch Materialschnitte
in eine Innenfassung und eine Außenfassung geteilt ist, die über drei
am Umfang der Innenfassung verteilte verbleibende Verbindungen,
die als Festkörpergelenke wirken,
verbunden bleiben. Die Materialschnitte sind so gelegt, dass über die
Betätigung
der Festkörpergelenke
durch angreifende Manipulatoren die Innenfassung und damit die gefasste
Linse axial verschiebbar ist und somit keine radial verschiebbare
Fassung vergleichbar mit der Erfindung darstellt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperaturstabile
lateral justierbare Fassung mit einer höheren Lateralsteifigkeit zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird für
eine lateral verstellbare Fassung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein
feststehender äußerer Teil
und ein verstellbarer innerer Teil der aus einem Stück gefertigten Fassung
sind durch Materialschnitte bis auf drei zur optischen Achse des
optischen Elementes um 120° zueinander
versetzt angeordnete Verbindungsstellen voneinander getrennt, wobei
als Verbindungsstellen Hebelgetriebe vorgesehen sind, durch welche
die Verstellbarkeit des inneren Teils gegenüber dem äußeren Teil erreicht wird.
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Die
ausschließliche
Verbindung des äußeren und
des inneren Teils über
die drei symmetrisch angeordneten Hebelgetriebe bietet mehrere Vorteile,
indem
- – eine
zur Verstellung des inneren Teils erforderliche Kraft nur in einer
Richtung aufgewendet werden braucht und demzufolge gleichzeitig
als Vorspannung genutzt werden kann und
- – aufgrund
von nur drei Verbindungsstellen zwischen dem inneren und äußeren Teil
eine Deformationsentkopplung des inneren Teils erreicht wird, woraus
eine hohe Lagestabilität
resultiert.
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Die
Hebelgetriebe bestehen aus einem freien Hebelende und zwei einen
Hebelarm bildenden Stegen, wobei das freie Hebelende über einen
ersten der Stege mit dem äußeren Teil
und über
einen zweiten der Stege mit dem inneren Teil in Verbindung steht.
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Die
Verstellung des inneren Teils beschreibt eine Kreisbahn, deren Mittelpunkt
im Schnittpunkt verlängerter
Hebelarme zweier Hebelgetriebe liegt, wobei der Schnittpunkt einen
Versatz zur optischen Achse aufweist.
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Die
einen Hebelarm bildenden Stege sind am Hebelende abgeknickt und
verlängern
sich gegenseitig.
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Die
Hebelenden sind für
das Angreifen von Verstellelementen, wie z. B. Gewindestiften oder
Piezoaktuatoren ausgebildet, wodurch das optische Element in jede
Richtung bewegbar ist, die senkrecht zur optischen Achse verläuft.
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Zwar
sieht die Erfindung keine Achsenentkopplung vor, so dass eine Verstellung über mindestens
zwei Hebelgetriebe erfolgen muss, doch lässt eine Komponentenzerlegung
eine einfache Berechnung über
die Winkelverhältnisse
zu.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
verstellbare Fassung mit Hebelgetrieben, wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt sind;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Hebelgetriebes gemäß 1;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines erfindungsgemäßen Hebelgetriebes;
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Die
in
1 gezeigte Fassung
3 besteht aus einem
feststehenden äußeren Teil
11 und
einem gegenüber
dem feststehenden äußeren Teil
11 senkrecht
zur optischen Achse
2 eines zu fassenden optischen Elementes
1 verstellbaren
inneren Teil
12. Der feststehende äußere Teil
11 ist üblicherweise
mit einem übergeordneten,
nicht dargestellten Bauteil, wie zum Beispiel einem Füllrohr,
einem Halteflansch oder einem äquivalenten
Bauteil fest verbunden. Der verstellbare innere Teil
12 dient
zur Aufnahme des optischen Elementes
1 und ist entsprechend
der
DE 100 43 344
C2 ausgebildet, deren Offenbarung hier eingeschlossen ist.
Materialschnitte
10 in Form von erodierten Schlitzen trennen
den äußeren und
inneren Teil
11 und
12 bis auf drei zur optischen
Achse
2 um 120° zueinander
versetzt angeordnete Verbindungsstellen voneinander. Die Verbindungsstellen
werden durch Hebelgetriebe
13 gebildet, durch welche die Verstellbarkeit
des inneren Teils
12 gegenüber dem äußeren Teil
11 erreicht
wird.
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Im
Bereich der Hebelgetriebe 13, gemäß 2, ist eine
Materialschnitterweiterung 10' vorgesehen, die Platz für ein freies
Hebelende 15 sowie für Hebelarm
bildende, zu den Materialschnitten 10 tangential und zueinander
parallel ausgerichtete Stege 14, 14' bietet, zwischen denen eine verbreiterte
Materialaussparung 10'' als Verlängerung
eines Materialschnittes 10 vorhanden ist. Das freie Hebelende 15 steht über einen
ersten Steg 14 mit dem äußeren Teil 11 und über einen
zweiten Steg 14' mit
dem inneren Teil 12 in Verbindung.
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Ein
erfindungsgemäßes Hebelgetriebe 13 ist in 3 gezeigt.
Ein in einer Materialschnitterweiterung 10' frei positioniertes Hebelende 15 ist über Stege 14'' und 14''' mit dem äußeren sowie
mit dem inneren Teil 11 und 12 verbunden. Im Unterschied
zu dem Hebelgetriebe gemäß 2 sind
die zwei als Hebelarme fungierenden Stege 14'' und 14''' am
Hebelende 15 stark abgeknickt und verlängern sich gegenseitig. Die
Stege 14'' und 14''' werden
durch annähernd
radial gerichtete Materialschnitte 10'', 10''' und 10'''' gebildet, wobei
der Materialschnitt 10'' einen der entlang
des Umfanges des inneren Teils verlaufenden Materialschnitte 10 schneidend
begrenzt.
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Die
beiden Hebelgetriebe gemäß 2 und 3 unterscheiden
sich in tangentialem und radialem Platzbedarf sowie im Übersetzungsverhältnis.
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Die
Arbeitsweise zur Verstellung des inneren Teils 12 soll
anhand der Ausführung
gemäß 1 und 2 erläutert werden.
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Greift
eine radiale Kraft FR am Hebelende 15 an,
so entsteht durch das Hebelgetriebe 13 eine tangentiale
Kraftkomponente FT, die den verstellbaren inneren
Teil 12 bewegt. Der verstellbare innere Teil 12 bewegt
sich dabei auf einer Kreisbahn 20, deren Mittelpunkt 21 der
Schnittpunkt der gedachten Verlängerungen 22 der
Stege 14 und 14' bzw. 14'' und 14''' zweier Hebelgetriebe 13 ist
und der durch einen für
die Ausführungen
gemäß 2 und 3 unterschiedlichen
Versatz zur optischen Achse 2 das Übersetzungsverhältnis bestimmt.
Da der Radius 23 der Kreisbahn im Verhältnis zum Verstellweg, der
in der Regel ca. einige Mikrometer beträgt, sehr groß ist, kann
die Verstellung der optischen Achse 2 als quasilinear angesehen
werden.
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Eine
Verstellung kann an jedem Hebelende 15 eingeleitet werden,
so dass das optische Element 1 in jede beliebige Richtung
bewegt werden kann, die senkrecht zur optischen Achse 2 verläuft. Als
Verstellelement kann im einfachsten Fall ein Gewindestift am Hebelende 15 angreifen.
In einer anderen Ausführungsform
kommt dazu zum Beispiel ein Piezoaktuator zum Einsatz. Es sind jedoch
auch andere, nicht weiter benannte und für den Fachmann gebräuchliche
Verstellelemente denkbar.
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Da
sich die Steifigkeit der Fassung 3 in Richtung der optischen
Achse 2 durch die Fassungsdicke in dieser Richtung anpassen
lässt,
kann durch eine ausreichend dicke Ausführung der Fassung 3 eine hohe
Steifigkeit in Richtung der optischen Achse 2 erreicht
werden.
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Besonderes
vorteilhaft wirkt sich die symmetrische Anordnung der Bauteile,
insbesondere der Hebelgetriebe 13 aus. Durch die Verbindung
von äußerem und
innerem Teil 11, 12 der Fassung 3 an
nur drei Stellen, werden Deformationen, die von außen in die
Fassung 3 eingebracht werden und bei Montageprozessen unausbleiblich
sind, quasi nicht auf das optische Element 1 übertragen.
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Aufgrund
der Anordnung von drei Hebelgetrieben 13 reicht es aus,
die Hebelenden nur in eine Richtung zu bewegen, um trotzdem in erfinderischer Weise
eine Verstellung in alle Richtungen senkrecht zur optischen Achse 2 vornehmen
zu können,
indem z. B. mit einem Gewindestift radial auf das Hebelende 15 gedrückt wird.
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Die
erfindungsgemäße Fassung 3 lässt sich einfach
herstellen und ist äußerst Platz
sparend. Geeignet ist die Fassung 3 insbesondere für sehr kleine Objektive,
wie z. B. Mikroskopobjektive.