DE102011112186B4 - Captured lens group - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine gefasste Linsengruppe mit einer Folge von durch ein fluides Fügemedium gekoppelten Linsen, die in einer hülsenförmigen Fassung gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Linse (8, 9, 10) an deren vorgesehener axialer Position in der hülsenförmigen Fassung wenigstens drei Justierschrauben (5, 6, 7) vorgesehen sind, die jeweils in einem Gewinde in radialer Richtung der Linse verstellbar und um den Umfang der Linse verteilt an der Fassung (20) gehalten sind, wobei jeweils zwischen Justierschraube und äußerem Umfang der zugehörigen Linse ein Kunststoffstift (1, 2, 3) vorgesehen ist, der nach Abmessungen und Material so angepasst ist, um Differenzen in der radialen Temperaturausdehnung zwischen Linse und Fassung zu kompensieren, und dass die Linsengruppe an einem axialen Ende über einen elastischen Kunststoffring (11) mit ihrem äußeren Rand an einer radial nach innen vorstehenden Schulter der hülsenförmigen Fassung anliegt und am anderen axialen Ende über einen elastischen Kunststoffring (11) an einer radial nach innen vorstehenden Schulter eines Halterings (4) anliegt, der mittels einer Spanneinrichtung (12, 14, 16) mit einstellbarer Kraft auf die Fassung zu und in Anlage an den elastischen Kunststoffring angezogen wird.The invention relates to a collected lens group comprising a sequence of lenses coupled by a fluid joining medium held in a sleeve-shaped socket, characterized in that for each lens (8, 9, 10) at its intended axial position in the sleeve-shaped socket at least three Adjusting screws (5, 6, 7) are provided, each adjustable in a thread in the radial direction of the lens and distributed around the circumference of the lens are held on the socket (20), wherein in each case between the adjusting screw and the outer periphery of the associated lens, a plastic pin (1, 2, 3) is provided, which is adapted to dimensions and material so as to compensate for differences in the radial temperature expansion between the lens and socket, and that the lens group at one axial end via an elastic plastic ring (11) with its outer Edge rests against a radially inwardly projecting shoulder of the sleeve-shaped socket and on the other a xialen end via an elastic plastic ring (11) against a radially inwardly projecting shoulder of a retaining ring (4) which is tightened by means of a clamping device (12, 14, 16) with adjustable force on the socket and in contact with the elastic plastic ring ,
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gefasste Linsengruppe mit einer Folge von durch ein fluides Fügemedium gekoppelten Linsen, die in einer hülsenförmigen Fassung gehalten sind.The present invention relates to a collected lens group having a series of lenses coupled by a fluid joining medium held in a sleeve-shaped socket.
Derartige gefasste Linsengruppen, zum Beispiel für Achromate oder Apochromate, sind seit langer Zeit unverändert aufgebaut und werden auch als Fraunhofer-Fassung bezeichnet. Eine solche Fassung hat eine zylindrische Hülse, die einen Linsenstapel aufnimmt, der an seinem einen axialen Ende an einer nach innen vorragenden Schulter der Fassung anliegt. An seinem gegenüberliegenden axialen Ende greift eine Spanneinrichtung, die gegen die Fassung angezogen wird, an und sorgt so für eine Einspannung des Linsenstapels in der Fassung. Zwischen den einzelnen Linsen sind Abstandsplättchen vorgesehen, die an den Rändern benachbarter Linsen anliegen und diese auf einem vorgegebenen axialen Abstand halten. Durch Anziehen der Spanneinrichtung werden die Linsen gegen die Pressringe gedrückt. Durch diesen axialen Andruck an die Pressringe werden die einzelnen Linsen auch in radialer Richtung reibschlüssig gefasst gehalten.Such composed lens groups, for example for achromats or apochromats, have been constructed unchanged for a long time and are also referred to as the Fraunhofer version. Such a socket has a cylindrical sleeve which receives a lens stack which abuts at its one axial end against an inwardly projecting shoulder of the socket. At its opposite axial end, a clamping device, which is tightened against the socket, engages and thus ensures a clamping of the lens stack in the socket. Spacer plates are provided between the individual lenses, which bear against the edges of adjacent lenses and hold them at a predetermined axial distance. By tightening the clamping device, the lenses are pressed against the pressing rings. By this axial contact pressure on the pressing rings, the individual lenses are held frictionally caught in the radial direction.
In dem Artikel „Aerospace Mounts for Down-to-Earth Optics” von Charles A. Richey, Machine Design, Vol. 46, Nr. 30, Seite 212227 werden verschiedene Linsenmontierungen beschrieben, bei denen Linsen in einem zylindrischen Gehäuse platziert werden; wobei eine erste Linse an einer radial nach innen vorstehenden Schulter an der Innenwand des zylindrischen Gehäuses anliegt und durch ein an der gegenüberliegenden Seite ansetzendes Befestigungselement gehalten wird. Die Befestigungselemente können Schnappringe oder eingeschraubte Ringe sein. Ferner ist die Möglichkeit erwähnt, dass zwischen der äußeren Umfangsfläche der Linse und der Innenwand des zylindrischen Gehäuses ein O-Ring platziert ist.In the article "Aerospace Mounts for Down-to-Earth Optics" by Charles A. Richey, Machine Design, Vol. 46, No. 30, page 212227, various lens mounts are described in which lenses are placed in a cylindrical housing; wherein a first lens abuts a radially inwardly projecting shoulder on the inner wall of the cylindrical housing and is held by a fastener attaching to the opposite side. The fasteners may be snap rings or screwed rings. Further, the possibility is mentioned that an O-ring is placed between the outer peripheral surface of the lens and the inner wall of the cylindrical housing.
Aus
In
In
Für Optiken mit mehreren Linsen mit großen Abmessungen und Massen, in denen benachbarte Linsen durch ein fluides Fügemedium statt durch Abstandsplättchen gekoppelt sind, liefern klassische Linsenfassungen mit Abstandsplättchen wie oben geschildert keine befriedigenden Ergebnisse mehr bzw. kommen dafür nicht mehr in Frage. Durch das fluide Fügemedium kann jede Linse durch Krafteinwirkung individuell über ihre jeweiligen Radien gleiten, wodurch sich der Linsenstapel ganz oder teilweise aus der optischen Achse herausdrehen kann, was zu erheblichen optischen Abbildungsstörungen (Achskoma, Astigmatismus) führen kann. Insbesondere können bei gefassten Linsengruppen, die nicht statisch gelagert sind, sondern deren optische Achse gegenüber der Schwerkraft veränderlich ist, die einzelnen Linsen durch die entstehenden Drehmomente aus der Idealposition herauswandern und die optische Abbildung erheblich beeinträchtigen.For multi-lens optics of large dimensions and masses, in which adjacent lenses are coupled by a fluid joining medium rather than by spacer plates, classical lens mountings with spacer plates as described above are no longer satisfactory or no longer suitable. Due to the fluid joining medium, each lens can by force individually slide over their respective radii, whereby the lens stack can wholly or partially unscrew from the optical axis, which can lead to significant optical aberrations (Achskoma, astigmatism). In particular, in captive lens groups which are not statically supported but whose optical axis is variable with respect to gravity, the individual lenses can migrate out of the ideal position due to the resulting torques and significantly impair the optical imaging.
Ferner können bei Temperaturschwankungen durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Linsen und Fassung Kräfte erzeugt werden, die auf die Linsen einwirken und zu einer Beeinträchtigung der Abbildungsqualität führen.Furthermore, in the event of temperature fluctuations due to the different thermal expansion of lenses and frame, forces can be generated which act on the lenses and lead to a deterioration in the imaging quality.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gefasste Linsengruppe so auszugestalten, dass die einzelnen Linsen mit höherer Verlässlichkeit und Genauigkeit an ihrer Idealposition (idealer Kollimationszustand) gehalten werden. Insbesondere soll die Einwirkung der Schwerkraft auf die Linsen bei Veränderung der Lage der optischen Achse zur Schwerkraftrichtung und Auswirkungen von Temperaturdifferenzen auf die Linsen kompensiert werden.It is an object of the present invention to design a collected lens group so that the individual lenses are held with greater reliability and accuracy at their ideal position (ideal collimation state). In particular, the effect of gravity on the lenses should change the position of the optical axis to the direction of gravity and effects of temperature differences on the lenses are compensated.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine gefasste Linsengruppe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.To achieve this object is a collected lens group with the features of
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für jede Linse an deren vorgesehener axialer Position in der hülsenförmigen Fassung wenigstens drei Justierschrauben vorgesehen sind, die jeweils in einem Gewinde in radialer Richtung der Linse verstellbar und um den Umfang der Linse verteilt an der Fassung gehalten sind. An jeder Justierschraube ist ein Kunststoffstift gehalten, der ein Zwischenstück zwischen Justierschraube und dem äußeren Umfang der zugehörigen Linse bildet. Die Kunststoffstifte sind nach Abmessung und Material so angepasst, um Differenzen in der radialen Temperaturausdehnung zwischen Linse und Fassung zu kompensieren. Die Linsenfolge liegt an einem ihrer axialen Enden über einen elastischen Kunststoffring mit ihrem äußeren Rand an einer radial nach innen vorstehenden Schulter der hülsenförmigen Fassung an und liegt am anderen axialen Ende über einen elastischen Kunststoffring an einer radial nach innen vorstehenden Schulter eines Halterings an, der mittels einer Spanneinrichtung mit einstellbarer Kraft auf die Fassung zu und in Anlage an den elastischen Kunststoffring in axialer Richtung angezogen wird.According to the invention it is provided that at least three adjustment screws are provided for each lens at the intended axial position in the sleeve-shaped version, which are each adjustable in a thread in the radial direction of the lens and distributed around the circumference of the lens held on the socket. At each adjustment screw a plastic pin is held, which forms an intermediate piece between the adjusting screw and the outer periphery of the associated lens. The plastic pins are sized and material adapted to compensate for differences in radial thermal expansion between lens and socket. The lens sequence is located at one of its axial ends via an elastic plastic ring with its outer edge on a radially inwardly projecting shoulder of the sleeve-shaped version and is located at the other axial end of an elastic plastic ring on a radially inwardly projecting shoulder of a retaining ring, by means of a tensioning device with adjustable force is tightened on the socket to and in contact with the elastic plastic ring in the axial direction.
Auf diese Weise wird die Linsengruppe axial mit einstellbarer Kraft zwischen den elastischen Kunststoffringen in der Fassung gehalten, wobei die Linsengruppe durch die Kunststoffringe von dem Fassungskörper entkoppelt ist. Ferner ist jede einzelne Linse in radialer Richtung individuell gehalten, wobei durch Temperaturschwankungen auftretende Ausdehnungsdifferenzen zwischen Fassung und Linse individuell für jede Linse kompensiert werden. Auf diese Weise werden Verschiebungen der Linsen untereinander oder eine Verschiebung der Linsengruppe in der Fassung insgesamt vermieden, auch wenn bei größeren und schwereren Linsen bei Veränderung der Lage der optischen Achse zur Schwerkraftrichtung die Schwerkraft auf die einzelnen Linsen einwirkt. Ferner treten keine mechanischen Kräfte auf die Linsen bei Temperaturschwankungen auf, da die Halterung der Linsen unterschiedliche Temperaturausdehnungen von Linsen und Fassung kompensiert.In this way, the lens group is held axially with adjustable force between the elastic plastic rings in the socket, wherein the lens group is decoupled from the socket body by the plastic rings. Furthermore, each individual lens is held individually in the radial direction, wherein expansion differences between the mount and the lens due to temperature fluctuations are compensated individually for each lens. In this way, displacements of the lenses with each other or a shift of the lens group in the socket are avoided altogether, even if the larger and heavier lenses with varying the position of the optical axis to the direction of gravity, gravity acts on the individual lenses. Furthermore, no mechanical forces occur on the lenses in the event of temperature fluctuations, since the mounting of the lenses compensates for different temperature expansions of lenses and mount.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kunststoffringe, die an den axialen Enden der Linsenfolge zwischen der Fassung und der Linsenfolge liegen, nach ihren Abmessungen und ihrem Material so angepasst sind, dass Differenzen in der axialen Temperaturausdehnung zwischen der Linsengruppe und der Fassung kompensiert werden.In an advantageous embodiment it is provided that the plastic rings, which lie at the axial ends of the lens sequence between the socket and the lens sequence, according to their dimensions and their material are adapted to compensate for differences in the axial temperature expansion between the lens group and the socket ,
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Spanneinrichtung wenigstens drei Spannschrauben auf, deren Köpfe jeweils an dem Haltering anliegen und die jeweils in ein Gegenstück mit Innengewinde eingreifen, das mit einem Ende einer Feder verbunden ist, die wiederum mit ihrem anderen Ende mit der Fassung verbunden ist. Auf diese Weise wird durch Anziehen der Spannschraube die Feder gespannt, und durch Einstellen der auf diese Weise bewirkten Federausdehnung kann die Kraft, mit der der Haltering durch die Spannschraube gegen den Kunststoffring in Richtung auf die Fassung zu angezogen wird, eingestellt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Vielfaches von drei solchen Spannschrauben in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Halterings verteilt sein.In an advantageous embodiment, the clamping device has at least three clamping screws, the heads of each rest on the retaining ring and each engage in a counterpart with internal thread, which is connected to one end of a spring, which in turn is connected at its other end to the socket. In this way, by tightening the clamping screw, the spring is tensioned, and by adjusting the spring expansion effected in this way, the force with which the retaining ring is tightened by the clamping screw against the plastic ring in the direction of the socket can be adjusted. In an advantageous embodiment, a multiple of three such clamping screws may be distributed at equal intervals around the circumference of the retaining ring.
Auf diese Weise können im Gegensatz zu herkömmlichen Fassungen axiale Kraftüberschüsse jederzeit dynamisch in der Spanneinrichtung aufgenommen werden bzw. Kraftunterschüsse durch Einstellen des Federsystems der Spanneinrichtung jederzeit dynamisch ausgeglichen werden. Ferner kann durch die Kunststoffringe, die axial zwischen der Linsengruppe und der Fassung liegen eine Temperaturkompensation für unterschiedliche axiale Temperaturausdehnungen von Linsengruppe und Fassung erreicht. werden. Gleichzeitig wird die Linsengruppe dadurch mechanisch von der Fassung getrennt. Radiale Kräfte auf die einzelnen Linsen werden durch die Kunststoffstifte aufgenommen, die gleichzeitig nach Material und Abmessungen so angepasst sind, dass sie eine Temperaturkompensation der Ausdehnungsdifferenzen zwischen der Fassung und der Linse in radialer Richtung bewirken. Die Kunststoffstifte bewirken ferner eine Entkopplung der Linsen von der Fassung.In this way, in contrast to conventional versions, axial force surpluses can be taken up dynamically in the clamping device at any time, or force drops can be compensated dynamically at any time by adjusting the spring system of the clamping device. Furthermore, temperature compensation for different axial temperature expansions of lens group and socket can be achieved by the plastic rings lying axially between the lens group and the socket. become. At the same time, the lens group is thereby mechanically separated from the socket. Radial forces on the individual lenses are absorbed by the plastic pins, which are simultaneously adapted to the material and dimensions so as to effect a temperature compensation of the expansion differences between the socket and the lens in the radial direction. The plastic pins also cause a decoupling of the lenses of the socket.
Die radiale Kraft- und Temperaturkompensation wirkt in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, die axiale Kraft- und Temperaturkompensation in dieser Fassungsart wirkt in Richtung der optischen Achse. Das heißt, dass die relative Lage des Linsenstapels zur optischen Achse in dieser Fassungsart in allen drei Dimensionen bezüglich der einwirkenden Kräfte unveränderlich ist. Dadurch werden die Linsen im Linsenstapel in dieser Fassungsart unabhängig von der Lage im Raum und den Temperaturschwankungen gegeneinander in ihrer radialen und axialen Lage zur optischen Achse fixiert. Daher kann es zu keinerlei temperatur- und/oder lageabhängigen Aberrationen mehr kommen. Darüber hinaus gewährleistet die radiale Einstellung die Unveränderlichkeit des Kollimationszustandes der Linsen.The radial force and temperature compensation acts in a plane perpendicular to the optical axis, the axial force and temperature compensation in this version acts in the direction of the optical axis. That is, the relative position of the lens stack to the optical axis in this type of frame is invariable with respect to the acting forces in all three dimensions. As a result, the lenses are fixed in the lens stack in this version regardless of the position in space and the temperature fluctuations against each other in their radial and axial position to the optical axis. Therefore, there can be no temperature and / or or position-dependent aberrations come more. In addition, the radial adjustment ensures the immutability of the Kollimationszustandes of the lenses.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die radialen Justierschrauben Hohlschrauben mit einem Sackloch, in deren offenes Ende ein zylindrischer Kunststoffstift aufgenommen ist, der mit seinem gegenüberliegenden Ende an dem äußeren Umfang der Linse anliegt. Da der Kunststoffstift am Boden des Sacklochs anliegt, muss die Tiefe des Sacklochs an die Länge des Kunststoffstifts angepasst sein.In a preferred embodiment, the radial adjusting screws are hollow screws with a blind hole, in the open end of a cylindrical plastic pin is received, which rests with its opposite end to the outer periphery of the lens. Since the plastic pin rests against the bottom of the blind hole, the depth of the blind hole must be adapted to the length of the plastic pin.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen erläutert, in denen:The invention is explained below with reference to an exemplary embodiment in the drawings, in which:
In dem folgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Linsengruppe oder ein Linsenstapel aus drei aufeinanderfolgenden Linsen mit wechselnder Brechkraft gezeigt. Zwischen aufeinanderfolgenden Linsen ist ein viskoses Fügemedium vorgesehen, das die aufeinanderfolgenden Linsen optisch koppelt.In the embodiment described below, a lens group or stack of lenses is shown as having three successive lenses of varying refractive power. Between successive lenses, a viscous joining medium is provided which optically couples the successive lenses.
Jeder der Linsen
In axialer Richtung haben die Linsen ebenfalls keinen direkten Kontakt zur Fassung, sondern an beiden axialen Enden der Linsengruppe ist ein Kunststoffring
Die Spanneinrichtung wird anhand von
Mit dem Bezugszeichen
Jeder der Kunststoffstifte
Die Linsen mit einem Durchmesser von 104 mm werden in einer zylindrischen Aluminiumfassung mit einem Durchmesser von 118,64 mm radial gefasst, indem pro Linse 3 um 120° versetzte Justierhohlschrauben verwendet werden. In die Hohlschrauben sind Kunststoffstifte eingesetzt, die über das Ende der Justierhohlschrauben radial nach innen hinausragen und deren Länge folgendermaßen gewählt wird, um die temperaturbedingten Radiusänderungen zwischen Linsen und dem Aluminiumgehäuse zu kompensieren.The 104 mm diameter lenses are radially gripped in a 118.84 mm diameter cylindrical aluminum barrel by using 3 dia. In the hollow screws plastic pins are used, which project beyond the end of the Justierhohlschrauben radially inwardly and whose length is chosen as follows, to compensate for the temperature-induced changes in radius between the lenses and the aluminum housing.
Linse 1 – N-ZK7Lens 1 - N-ZK7
Es wird eine Temperaturänderung von ΔT = 40 K betrachtet. Dann ergibt sich für die Linse eine Radiusänderung bei der Temperaturänderung ΔT durch
Für die Fassung aus Aluminium gelten folgende Werte:
αF = 24·10–6 K–1 thermischer Ausdehnungskoeffizient
RF = 59,32 mm Radius der Fassung.The following values apply to the aluminum frame:
α F = 24 · 10 -6 K -1 thermal expansion coefficient
R F = 59.32 mm Radius of the socket.
Damit ergibt sich für die Radiusänderung der Fassung:
Als Kunststoff wird ein PE-UHM (Polyethylen ultrahochmolekular) nach DIN 7728 (Werkstoff S von Murtfeldt) verwendet. Dieser hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von αK = 160·10–6·K–1.The plastic used is a PE-UHM (ultra-high molecular weight polyethylene) according to DIN 7728 (material S by Murtfeldt). This has a thermal expansion coefficient of α K = 160 · 10 -6 · K -1 .
Die Längenänderung bei einer Temperaturänderung ΔT des Kunststoffstifts beträgt:
Insgesamt gilt, dass die Radiusänderung der Linse gleich der Radiusänderung der Fassung abzüglich der radialen Längenänderung der Kunststoffstifte sein muss:
Löst man die Gleichung nach der Länge des Kunststoffstifts auf, ergibt sich: Solving the equation according to the length of the plastic pin, results in:
Bei Einsetzen der oben angegebenen Werte ergibt sich damit für die Länge der Kunststoffstifte für die Linse 1: LK = 7,436 mm.When the values given above are used, the length of the plastic pins for the
Linse 2 – N-PK52ALens 2 - N-PK52A
Mit den gleichen Formeln wie oben bei Linse 1 angegeben und den Werten aus der oben angegebenen Tabelle ergibt sich für die Länge der Kunststoffstifte für die zweite Linse: LK2 = 4,771 mmWith the same formulas as given above for
Linse 3 – N-BaK2Lens 3 - N-BaK2
Mit den gleichen Formeln wie oben bei Linse 1 angegeben und den Werten aus der oben angegebenen Tabelle ergibt sich für die Länge der Kunststoffstifte für die dritte Linse: LK = 6,298 mm.With the same formulas as given above for
Die Tiefe der Sacklöcher in den Justierschrauben
Die elastischen Kunststoffringe, die in axialer Richtung zwischen dem Linsenstapel und der Fassung liegen, können aus einem Fluorkautschuk bestehen, der nach der DIN ISO 1629 mit der Abkürzung FKM bezeichnet wird und den Handelsnamen Viton trägt. Die Kompensation von Unterschieden in der axialen Längsausdehnung zwischen der Linsengruppe und der Fassung kann durch geeignete Wahl des Materials der Kunststoffringe und ihrer Ausdehnung in axialer Richtung kompensiert werden. Die Berechnung der dazu notwendigen Ausdehnung der Kunststoffringe verläuft ganz analog zu der Berechnung der Länge der Kunststoffstifte für die radiale Ausdehnungskompensation. Soweit man für die Kunststoffringe
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JP 4 095 909 A |
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