DE102017209391B4

DE102017209391B4 - Selbstzentrierende Linsenanordnung für eine transmittive, refraktive Optik

Info

Publication number: DE102017209391B4
Application number: DE102017209391.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hirth; Axel Keens
Original assignee: Bruker Optik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2037-06-03
Also published as: CN108983389A; JP2019032507A; DE102017209391A1

Abstract

Linsenanordnung (1) für eine in einem vorgegebenen Spektralbereich transmittive, refraktiv arbeitende Optik, umfassend- wenigstens zwei Linsen (11-14, 114), die jeweils aus im vorgegebenen Spektralbereich transmittierendem Material bestehen,- und ein gemeinsames Gehäuse (15), in welchem die wenigstens zwei Linsen (11-14, 114) aufeinanderfolgend angeordnet sind,wobei die Linsen (11-14, 114) zumindest im Wesentlichen bezüglich einer gemeinsamen optischen Achse (16) radial, axial und im Neigungswinkel ausgerichtet sind,wobei jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) mit ihrem transmittierenden Material einander zugewandte Anlageflächen (2) ausbilden, mit denen die benachbarten Linsen (11-14, 114) aneinander anliegen,und wobei lediglich ein Teil der Linsen (11, 114) in der Abfolge durch das gemeinsame Gehäuse (15) radial ausgerichtet ist,wobei jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) relativ zueinander beweglich gelagert sind,wobei Spannmittel (21) vorgesehen sind, mit denen die Abfolge von Linsen (11-14; 114) in axialer Richtung vorgespannt ist,und wobei lediglich eine der Linsen (11) in der Abfolge durch das gemeinsame Gehäuse (15) axial ausgerichtet ist,und die Linsen der Abfolge im Übrigen (12-14, 114) durch die einander zugewandten Anlageflächen (2) der jeweils benachbarten Linsen (11-14, 114) gegenseitig ausgerichtet sind, wodurch alle Linsen (11-14, 114) der Abfolge radial, axial und im Neigungswinkel bezüglich der gemeinsamen optischen Achse (16) ausgerichtet sind,dadurch gekennzeichnet,dass die Spannmittel (21) elastisch sind,und dass der vorgegebene Spektralbereich im Infraroten liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linsenanordnung für eine in einem vorgegebenen Spektralbereich transmittive, refraktiv arbeitende Optik, umfassend

- wenigstens zwei Linsen, die jeweils aus im vorgegebenen Spektralbereich transmittierendem Material bestehen,
- und ein gemeinsames Gehäuse, in welchem die wenigstens zwei Linsen aufeinanderfolgend angeordnet sind,

Ein solche Linsenanordnung ist aus der US 2006/0171046 A1 bekannt geworden.
Transmittive, refraktive Optiken dienen zur Einrichtung von optischen Abbildungen von Objekten. Licht (beispielsweise sichtbares Licht oder Infrarot-Licht) propagiert durch die Linsen der Optik und wird dabei aufgrund eines unterschiedlichen Brechungsindex des Linsenmaterials und der Umgebung der jeweiligen Linse an den Grenzflächen der Linse gebrochen. Die Ablenkung des Lichts wird durch die Form der Grenzfläche und dem Unterschied der Brechungsindices an der Grenzfläche bestimmt. Die Grenzflächen, an denen Licht für die optische Abbildung gebrochen werden, können auch als optisch wirksame Flächen bezeichnet werden.
Transmittive, refraktive Optiken können im einfachsten Fall lediglich eine einzige Linse umfassen; meist werden jedoch mehrere Linsen aufeinanderfolgend angeordnet, um deren Eigenschaften zu kombinieren. Bei Anwendungen im Bereich des sichtbaren Lichts soll oft die Brechkraft mehrerer Linsen für eine besonders starke Vergrößerung oder Verkleinerung kombiniert werden.
Die Kombination von mehreren, in Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden Linsen erfordert eine ausreichend genaue radiale, axiale und neigungsmäßige Ausrichtung dieser Linsen bzw. deren optischer Achsen bezüglich einer gemeinsamen optischen Achse der Linsenanordnung.
Um diese zu gewährleisten, wurden im Laufe der Zeit unterschiedliche Ausrichtungs- und Befestigungsvarianten für optische Elemente (Linsen) entwickelt. Einen Überblick über diese gibt H. Naumann et al., Handbuch Bauelemente der Optik, Carl Hanser Verlag, München, 7. Auflage, 2014.
In einer Variante, die auch in der US 2016/0282593 A1 realisiert ist, wird ein optisches Element axial in einem gemeinsamen Gehäuse abgestützt. Alle weiteren optischen Elemente im gemeinsamen Gehäuse stützen sich über Abstandshalter an dem jeweils vorherigen optischen Element ab, und das letzte optische Element wird von einer Verschlussmechanik axial hintergriffen. Radial wird jedes optische Element einzeln durch das gemeinsamen Gehäuse ausgerichtet. Bei dieser Bauform können sich mögliche Fehler (etwa unterschiedliche Randdicken der Abstandshalter und optischen Elemente) in der optischen Baugruppe aufsummieren und fortsetzen, so dass es zu einem relativ großen Schrägstand der optischen Achsen der letzten optischen Elemente kommen kann.
Ein Fortsetzen von Fehlern wird vermieden, wenn jedes optische Element eine eigene Anschlagfläche im gemeinsamen Gehäuse und eine eigene Befestigung erhält. Allerdings benötigt diese Bauform einen von optischem Element zu optischem Element größer werdenden Durchmesser, um die Montierbarkeit sicherzustellen.
In beiden Bauformen erfolgt die radiale Ausrichtung der optischen Elemente durch die Innenwand des gemeinsamen Gehäuses gegenüber dem radialen Rand (Mantelfläche) der jeweiligen optischen Elemente. Der lokale Abstand des radialen Rands zur optischen Achse eines optischen Elements unterliegt Herstellungstoleranzen, wodurch sich ein gewisser Achsversatz der optischen Achse des optischen Elements gegenüber der gemeinsamen optischen Achse ergibt.
Zudem verbleibt zwischen dem Rand (Mantelfläche) der optischen Elemente und der Innenwand des gemeinsamen Gehäuses ein merklicher radialer Spalt, welcher ebenfalls einen Achsversatz der optischen Elemente gegenüber der gemeinsamen optischen Achse ermöglicht und damit im Allgemeinen Abbildungsfehler bewirkt. Der Spalt ist notwendig, um Herstellungstoleranzen an den Bauteilen auszugleichen, aber auch um im Falle einer relativen radialen thermischen Ausdehnung eines optischen Elements gegenüber dem gemeinsamen Gehäuse ein radiales Einklemmen des optischen Elements und einen entsprechenden Spannungsaufbau im optischen Element zu verhindern, was ansonsten zu einem Verzug des optischen Elements führen könnte und die Abbildungseigenschaften nachteilig beeinflussen würde. Ist der radiale Spalt zu klein, insbesondere in Hinblick auf mögliche Temperaturschwankungen bei Lagerung, Transport und normalem Einsatz, kann das optische Element sogar zerstört werden. Umgekehrt werden bei sehr großem radialem Spalt die Dezentrierung und somit auch die Abbildungsfehler größer.
Aus der DE 10 2004 048 064 A1 oder auch der DE 10 2005 023 972 A1 sind Mikroskopobjektive bekannt geworden, bei denen jede Linse jeweils in einer Fassung (Halter) angeordnet und über die jeweilige Fassung in einem gemeinsamen Gehäuse radial festgelegt ist.
Im Rahmen des so genannten Zentrierdrehens wird jede einzelne Linse in einer eigenen Fassung fixiert, wobei deren Außenkontur auf speziellen Justierdrehmaschinen nachgearbeitet wird. Während dieser Bearbeitung wird die optische Achse des optischen Elements vermessen. Die Nachbearbeitung der Fassung erfolgt in einer Weise, dass die lagebestimmenden Konturen an der nachgearbeiteten Fassung genauer gegenüber der optischen Achse des optischen Elements platziert sind. Beim so genannten Justierkleben wird ebenfalls die optische Achse eines optischen Elements vermessen und das optische Element so in seiner Fassung verklebt, dass dieses genau in der Fassung platziert ist. Dadurch können Toleranzen der radialen Position der optischen Achse des optischen Elements gegenüber der Fassung bzw. gegenüber dem Rand der Fassung, der für die Ausrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse maßgeblich ist, minimiert werden.
Das Zentrierdrehen und das Justierkleben sind Möglichkeiten zur Reduzierung der Abbildungsfehler in einem optischen System, insbesondere durch Minimierung von Toleranzen im radialen Abstand der optischen Achse eines optischen Elements zur für die radiale Ausrichtung im gemeinsamen Gehäuse relevanten Mantelfläche der Fassung. Jedoch bleibt bei diesen Bauformen eine unterschiedliche (radiale) Wärmeausdehnung von optischem Element und Fassung, oder von Fassung und gemeinsamem Gehäuse problematisch. Zudem sind das Zentrierdrehen und das Justierkleben aufwändig und teuer.
Die US 2006/0171046 A1 beschreibt ein optisches System mit drei Linsen in einem Objektivtubus. Die in der Abfolge vorderste Linse stützt sich axial und radial an der Innenwand des Objektivtubus ab. Die dritte Linse stützt sich radial an der Innenwand des Objetivtubus und axial an einem Haltering ab, der mit einem Klebstoff am Objektivtubus fixiert ist. Eine zwischen der ersten und dritten Linse angeordnete zweite Linse stützt sich vorderseitig an der ersten Linse über trichterförmige Anlageflächen ab, und hinterseitig über ein ebenes Zwischenelement an der dritten Linse axial ab.
Die US 2009/0174954 A1 zeigt ein Verfahren zur Verbindung von Linsen. In einem Linsengehäuse stützt sich eine vorderste Linse axial und radial an der Innenseite des Gehäuses ab. Die weiteren Linsen stützten sich jeweils an der vorhergehenden Linse ab, wobei ein radialer Spalt zur Innenwand des Gehäuses bleibt. Die hinterste Linse wird an der Innenseite des Linsengehäuses fixiert.
Die US 2009/0015945 A1 beschreibt eine Linseneinheit mit einer vorderen, ersten Linse, die sich an einer inneren Stirnseite einer Objektivtubus-Wand abstützt. Die zweite Linse stützt sich an der ersten Linse ab und ist gegenüber der Innenwand des Objektivtubus radial zurückgezogen. Die Linsen sind axial durch ein ringartiges Element fixiert.
Die US 9,042,040 B2 zeigt ein Linsenmodul, bei dem eine vorderste Linse sich an einer Stirnwand eines Objektivtubus abstützt, und die weiteren Linsen sich an der jeweils vorderen Linse abstützen. Die axial weiter hinten liegenden Linsen kragen radial weiter aus als die vorderen Linsen.
Die US 2007/0030579 A1 zeigt ein Optikmodul, bei dem in einem Objektivtubus ein Linsenmodul, ein Abstandhalter, ein Filter und ein Spannring („clip“) in axialer Folge angeordnet werden.
Die US 2016/0085046 A1 beschreibt ein Linsenmodul mit einer oder mehreren Linsen, einem Objektivtubus und einem Aufpressring (press-fitting ring).
Die JP 2005 62 432 A beschreibt eine Linsenanordnung mit drei Linsen, die in einem Haltezylinder angeordnet sind und von einem Halterahmen hintergriffen werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Linsenanordnung zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig eine Ausrichtung von Linsen bezüglich einer gemeinsamen optischen Achse mit guter Genauigkeit ermöglicht, und dabei bei Temperaturschwankungen weniger fehler- und beschädigungsanfällig ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird auf einfache und wirkungsvolle Weise gelöst durch eine Linsenanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spannmittel elastisch sind, und dass der vorgegebene Spektralbereich im Infraroten liegt..
Die Erfindung schlägt vor, einen losen Stapel von Linsen auszubilden, der im gemeinsamen Gehäuse angeordnet und in axialer Richtung (entlang der gemeinsamen optischen Achse) mit Spannmitteln elastisch verspannt wird. Diejenige Linse, welche axial durch das Gehäuse ausgerichtet wird (und bevorzugt direkt, alternativ auch indirekt, nicht jedoch über eine andere Linse, am Gehäuse axial anliegt) bildet die Basis des Stapels.
Im Falle von axialen Ausdehnungsdifferenzen zwischen dem gemeinsamen Gehäuse und dem Linsenstapel infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und Temperaturschwankungen können die elastischen Spannmittel diese Ausdehnungsdifferenzen ausgleichen, ohne dass die Linsen in Folge zu hoher Druckspannung beschädigt würden. Die axialen Ausdehnungsdifferenzen können dabei unmittelbar aus axialer Wärmeausdehnung resultieren, oder auch aus radialer Wärmeausdehnung an Linsen resultieren, die zu einer gegenseitigen axialen Verschiebung der Linsen führen, etwa im Falle von keilförmig oder trichterförmig wirkenden, einander zugewandten Anlageflächen benachbarter Linsen.
Ein Teil der Linsen, typischerweise eine oder zwei Linsen, werden durch das gemeinsame Gehäuse radial ausgerichtet, d.h. durch Innenwände des Gehäuses in radialer Richtung in ihrer Bewegung eingeschränkt. Für diesen Teil der Linsen bzw. deren transmittierendes Material kann ein Gehäusematerial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des transmittierenden Materials gewählt werden (z.B. mit einer maximalen Differenz von 25%, bezogen auf das Gehäusematerial). In diesem Fall genügt ein vergleichsweise kleiner radialer Spalt, um bei zu erwartenden Temperaturschwankungen (sei es bei Lagerung, Transport oder auch im normalen Betrieb) ein radiales Einklemmen der jeweiligen Linse im gemeinsamen Gehäuse zu verhindern; typische radiale Spaltbreiten (bei einer Solltempertur Tsoll, beispielsweise 20°C), betragen meist 15 µm oder weniger, oder auch 1 ‰ des Durchmessers der Linse oder weniger. Entsprechend gering ist der mögliche Achsversatz der Linse, so dass Abbildungsfehler gering gehalten werden können.
Für den übrigen (verbleibenden) Teil der Linsen, typischerweise zwei oder mehr Linsen, die nicht radial durch das gemeinsame Gehäuse ausgerichtet sind, können praktisch beliebig große radiale Spalte zwischen der jeweiligen Linse und dem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen werden, ohne dass die radiale Ausrichtung dieser Linsen beeinträchtigt wäre. Insbesondere kann der radiale Spalt zum gemeinsamen Gehäuse so groß ausgeführt werden, dass es bei zu erwartenden Temperaturschwankungen (auch außerhalb eines Solltemperaturintervalls für den Anwendungsbetrieb, etwa bei Lagerung oder Transport) keinesfalls zu einem gegenseitigen radialen Kontakt kommt. Typische radiale Spalte zum gemeinsamen Gehäuse betragen für den übrigen Teil der Linsen 150 µm oder mehr. Für die Linsen dieses übrigen Teils erfolgt die radiale Ausrichtung ausschließlich über die Anlageflächen zu den benachbarten Linsen. Durch geeignete Gestaltung der einander zugewandten Anlageflächen benachbarter Linsen, etwa keilförmig oder trichterförmig wirkenden Anlageflächen, kann bewirkt werden, dass eine unterschiedliche radiale Wärmeausdehnung der Linsen nicht zu radialen Spannungen, sondern zu einem gegenseitigen axialen Verschieben der Linsen führt, was gegen die elastischen Spannmittel ohne Beschädigungsgefahr möglich ist.
Im Rahmen der Erfindung sind keinerlei Fassungen (Halterungen) für einzelne Linsen nötig. Die Linsen können typischerweise für eine Montage im gemeinsamen Gehäuse einfach in einen im Wesentlichen kreiszylindrischen, einseitig offenen Hohlraum in das gemeinsame Gehäuse nacheinander oder als loser Stapel eingesetzt werden, und anschließend gesichert werden (typischerweise durch Schließen und/oder Festziehen, etwa Festschrauben, eines Spannelements).
Radial ausgerichtet meint die (korrekte) Position der Linse (optische Achse der Linse) bezüglich einer Verschiebung gegenüber der (gewünschten) gemeinsamen optischen Achse senkrecht zu dieser. Axial ausgerichtet meint die (korrekte) Position der Linse bezüglich einer Verschiebung entlang der gemeinsamen optischen Achse gegenüber einer gewünschten Position auf der gemeinsamen optischen Achse. Im Neigungswinkel ausgerichtet meint die (korrekte) Neigung der optischen Achse der Linse gegenüber der (gewünschten) gemeinsamen optischen Achse.
In vielen Anwendungsfällen wird lediglich eine Linse radial durch das Gehäuse ausgerichtet. Oftmals wird diese Linse auch noch durch das Gehäuse axial ausgerichtet. Man beachte, dass die Linse, die axial durch das Gehäuse ausgerichtet wird, typischerweise auch durch das Gehäuse im Neigungswinkel ausgerichtet wird bzw. die Orientierung der gemeinsamen optischen Achse im gemeinsamen Gehäuse festlegt.
Bei der erfindungsgemäßen Linsenanordnung liegt der vorgegebene Spektralbereich im Infraroten, insbesondere wobei der vorgegebene Spektralbereich einen Wellenlängenbereich von 2 µm bis 13 µm ganz oder teilweise umfasst. Die Erfindung ist insbesondere für eine Verwendung in Infrarot-Mikroskop-Objektiven geeignet. Zudem können geeignete Linsen im Infrarot-Spektralbereich mittels Drehverfahren, insbesondere Diamantdrehen, leicht hergestellt werden, da im infraroten Spektralbereich aufgrund der langen Wellenlänge eine nach einer Drehbearbeitung verbleibende Oberflächenrauigkeit im Allgemeinen eher unkritisch ist. Infrarot-Licht kann genutzt werden, um über Proben spektroskopische Informationen zu gewinnen, die etwa bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Probe eingesetzt werden können. Dazu können Proben insbesondere in Infrarot-Mikroskopen untersucht werden. Um sich auf der Oberfläche einer Probe zu orientieren, ist es meist gewünscht, die Probe auch mit geringer Vergrößerung beobachten zu können. Spiegelobjektive in Mikroskopieanwendungen, welche im sichtbaren und infraroten Spektralbereich einsetzbar sind, eignen sich aufgrund der großen Zentralabschattung für kleine Vergrößerungen nicht. Materialien für Infrarot-transparente Linsen weisen über ihren breiten Spektralbereich meist eine starke Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex auf. Dadurch bringt eine einzelne Linse starke chromatische Fehler ein. Um diese zu kompensieren, können Linsen unterschiedlicher transmittierender Materialien in einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung kombiniert werden (siehe dazu auch unten). Im Rahmen der Erfindung ist daher die Nutzung linsenbasierter Objektive bzw. erfindungsgemäßer Linsenanordnungen in IR-Mikroskopen gut möglich.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest einige der wenigstens zwei Linsen aus unterschiedlichen, im vorgegebenen Spektralbereich transmittierenden Materialien bestehen. Bei vielen optischen Materialien, insbesondere für den infraroten Spektralbereich, ist der Brechungsindex stark wellenlängenabhängig. Bei Einzellinsen oder optischen Systemen, bei denen alle Linsen aus dem gleichen optischen Material gefertigt sind, müssen dann starke chromatische Fehler in Kauf genommen werden. Werden im Gegensatz dazu im Rahmen dieser Ausführungsform unterschiedliche transmittierende Materialien mit unterschiedlichem, wellenabhängigen Brechungsverhalten in geeigneter Weise kombiniert, kann durch eine gegenseitige (zumindest teilweise) Kompensation der Wellenlängenabhängigkeiten eine Linsenanordnung bereit gestellt werden, die insgesamt einen (im Vergleich zu den einzelnen Linsen) reduzierten chromatischen Fehler aufweist. Unterschiedliche transmittierende Materialien haben zudem meist einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dadurch wird es einfacher, ein Gehäusematerial zu finden bzw. auszuwählen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher gut zu einem der transmittierenden Materialien (Linsenmaterialien) passt; dieses Linsenmaterial kann dann für die Linse oder die Linsen verwendet werden, die vom gemeinsamen Gehäuse radial geführt werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, die vorsieht, dass die einander zugewandten Anlageflächen benachbarter Linsen in einem radial äußeren Bereich der Linsen ausgebildet sind, dass in einem radial inneren Bereich benachbarter Linsen optisch wirksame Flächen ausgebildet sind, und dass benachbarte Linsen lediglich mit einander zugewandten Anlageflächen, nicht aber mit optisch wirksamen Flächen aneinander anliegen. Diese Bauform hat sich in der Praxis bewährt. Die optisch wirksamen Flächen und die Anlageflächen sind räumlich und funktional voneinander getrennt und können somit unabhängig voneinander geometrisch gestaltet werden.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, welche vorsieht, dass jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen einander zugewandte erste Anlageflächen ausbilden, wobei zumindest jeweils eine der einander zugewandten ersten Anlageflächen näherungsweise flach und näherungsweise senkrecht zur optischen Achse der jeweiligen Linse ausgebildet ist, insbesondere so dass ein maximaler lokaler Steigungswinkel α der ersten Anlagefläche einen Betrag von 15° nicht überschreitet, wobei der lokale Steigungswinkel α gegenüber einer Bezugsebene, die senkrecht zur optischen Achse der Linse verläuft, und in einer Schnittebene, die die optische Achse der Linse enthält, gemessen wird, und insbesondere wobei die erste Anlagefläche rotationssymmetrisch zur optischen Achse der jeweiligen Linse ausgebildet ist. Durch die ersten Anlageflächen kann die Linse axial und im Neigungswinkel zur benachbarten Linse ausgerichtet werden. Aufgrund der im Wesentlichen flachen (insbesondere stufenlosen) und näherungsweise senkrechten Ausbildung ist ein gegenseitiges radiales Abgleiten ohne (oder bei maximal 15° Steigungswinkel mit nur geringem) axialen Versatz auf den ersten Anlageflächen möglich. Typischerweise sind beide, einander zugewandte erste Anlageflächen näherungsweise flach und näherungsweise senkrecht zur jeweiligen optischen Achse der Linse ausgebildet. Man beachte, dass eine erste Anlagefläche voneinander abgesetzte oder voneinander separate Teilflächen aufweisen kann. Rotationssymmetrische Anlageflächen sind besonders einfach zu fertigen und vermeiden Fehlorientierungen zwischen den Linsen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung verläuft zumindest jeweils eine der einander zugewandten ersten Anlageflächen senkrecht zur optischen Achse der jeweiligen Linse, insbesondere wobei die ersten Anlageflächen als ringförmige Planflächen ausgebildet sind. Mit (genau) senkrechten ersten Anlageflächen kann in jeder radialen Verschiebeposition benachbarter Linsen eine plane (flächige) gegenseitige Anlage ohne Axialversatz erreicht werden, wodurch lokale Druckbelastungen gering gehalten werden. Gerade bei weichen Linsenmaterialien, wie sie oft im IR-Spektralbereich Verwendung finden, hilft diese Bauweise, um Verformungen an den Linsen zu vermeiden, wodurch gute Abbildungseigenschaften erreicht werden können. Ringförmige Planflächen sind einfach zu fertigen und gestatten eine gleichmäßige Druckverteilung über den gesamten Umfang einer Linse.
Ebenso vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen einander zugewandte zweite Anlageflächen ausbilden, wobei eine der zweiten Anlageflächen eine sich auf die andere Linse zu aufweitende Öffnung ausbildet und/oder eine der zweiten Flächen einen sich auf die andere Linse zu verjüngenden Vorsprung ausbildet. Die zweiten Anlageflächen können auch als „zentrierende“ oder „schräge“ Anlageflächen bezeichnet werden. Typischerweise ist eine der einander zugewandten zweiten Anlageflächen mit einer Öffnung und die andere mit einem Vorsprung ausgebildet. Man beachte, dass eine zweite Anlagefläche auch voneinander separate oder voneinander abgesetzte Teilflächen aufweisen kann; typischerweise ist eine zweite Anlagefläche jedoch rotationssymmetrisch zur optischen Achse der jeweiligen Linse ausgebildet. Die zweiten Anlageflächen dienen dazu, eine jeweilige Linse radial zur benachbarten Linse auszurichten. Insbesondere wird durch gegenseitigen Eingriff der Linsen bzw. der zweiten Anlageflächen der radiale Bewegungsspielraum zueinander begrenzt. Mit der sich aufweitenden Öffnung und/oder dem sich verjüngenden Vorsprung kann dabei eine keilartige oder trichterartige, gegenseitige Führung erfolgen, insbesondere wobei durch die gegenseitige Führung relative radiale Dehnungen benachbarter Linsen in axiales Abgleiten umgesetzt werden können.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein lokaler Steigungswinkel α zumindest einer der zweiten Anlageflächen einen Betrag zwischen 25° und 65° aufweist, bevorzugt zwischen 30° und 60° aufweist, wobei der lokale Steigungswinkel α gegenüber einer Bezugsebene, die senkrecht zur optischen Achse der Linse verläuft, und in einer Schnittebene, die die optische Achse der Linse enthält, gemessen wird. Der lokale Steigungswinkel α braucht dabei nur in einem Bereich betrachtet werden, in welchem es zu einer gegenseitigen Anlage der benachbarten Linsen kommen kann. In dem angegebenen Steigungswinkelbereich kann in der Regel eine gute Umlenkungsfunktion von radialer Dehnung in axialen Versatz bzw. ein gutes gegenseitiges Abgleiten der Linsen erreicht werden, und gleichzeitig ein radiales Spiel gering gehalten werden. Steilere (größere) Steigungswinkel verringern das radiale Spiel, und flachere (kleinere) Steigungswinkel verbessern das gegenseitige Abgleiten der benachbarten Linsen (wobei die Gleitfähigkeit auch vom materialabhängigen Reibkoeffizienten abhängt); im angegebenen Steigungswinkelbereich können beide Aspekte miteinander vereinbart werden. Insbesondere können als zweite Anlageflächen Kegelstumpf-Mantelflächen mit einem Steigungswinkel von α=45° eingerichtet werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind eine oder mehrere der zweiten Anlageflächen zumindest im Wesentlichen gemäß der Mantelfläche eines Kegelstumpfes und/oder einer Kugelschicht und/oder einer Torusscheibe ausgebildet. Diese Formen sind in der Praxis bewährt und leicht zu fertigen.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der eine der einander zugewandten zweiten Anlageflächen eine sich auf die andere Linse zu aufweitende, zumindest im Wesentlichen der Mantelfläche eines Kegelstumpfes entsprechende Öffnung ausbildet, und die andere der einander zugewandten zweiten Anlageflächen einen sich auf die andere Linse zu verjüngenden, zumindest im Wesentlichen der Mantelfläche einer Torusscheibe entsprechenden Vorsprung ausbildet. Durch diese Bauform lässt sich im Falle eines „Abhebens“ auf einfache Weise und mit großer Zuverlässigkeit ein umlaufender, linienförmiger (und nicht nur punktueller) Kontakt zwischen zwei Linsen einrichten, welcher hilft, Spannungsspitzen, wie sie infolge punktuell aneinander anliegender Anlageflächen auftreten würden, zu vermeiden und so die Materialbeanspruchung an den Anlageflächen zu reduzieren.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung zu einer Ausführungsform mit ersten und zweiten Anlageflächen ist die Linsenanordnung so ausgebildet ist, dass bei einer Solltemperatur Tsoll die einander zugewandten ersten Anlageflächen benachbarter Linsen in der Abfolge aneinander anliegen, insbesondere plan aneinander anliegen, und zwischen den einander zugewandten zweiten Anlageflächen benachbarter Linsen ein Spiel verbleibt, insbesondere wobei die Solltemperatur Tsoll 20°C beträgt. Durch das Spiel (nominellen Spalt) zwischen den zweiten Anlageflächen verbleibt ein gewisses Spiel in der Zentrierung (radialen Ausrichtung) der Linsen. Typischerweise ist ein kleiner Zentrierfehler für viele Anwendungsfälle akzeptabel. Das Spiel sollte bei der Solltemperatur Tsoll (oder auch in einem Solltemperatur-Intervall, beispielsweise 15-40°C) entsprechend so klein sein, dass ein für die gewünschten Abbildungseigenschaften der Linsenanordnung erlaubter Zentrierfehler nicht überschritten wird. Durch den Spalt wird dann für kleine Temperaturabweichungen von der Solltemperatur (oder dem Solltemperatur-Intervall) bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der transmittierenden Materialen der Linsen ein Abheben der Linsen (also ein Abheben der ersten Anlageflächen voneinander) infolge eines (meist nicht flächigen) Kontakts der zweiten Anlageflächen vermieden, wodurch erhöhte lokale Drücke auf die Linsen vermieden werden. Bei Anlage, insbesondere planer (flächiger) Anlage, über die ersten Anlageflächen wird die axiale Ausrichtung und die Ausrichtung im Neigungswinkel sehr genau gehalten. Man beachte jedoch, dass ein Abheben der Linsen bis zu einem gewissen Grad vertretbar sein kann. Im abgehobenen Zustand wird die radiale Ausrichtung genau gehalten, jedoch wird die axiale Ausrichtung verändert und die Linsen können gegeneinander verkippen, was jedoch in gewissen Grenzen erlaubt ist. Man beachte weiterhin, dass die Solltemperatur Tsoll (oder ein Solltemperaturintervall) von der gewünschten Anwendung abhängt. Ein typisches Spiel (nominelle Spaltbreite, bei mittlerer Lage) bei der Solltemperatur Tsoll beträgt meist 15 µm oder weniger.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der das transmittierende Material aller Linsen des Teils der Linsen, die durch das gemeinsame Gehäuse radial ausgerichtet werden, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dessen Differenz zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses kleiner ist als die entsprechende Differenz des transmittierenden Materials aller Linsen des Teils der Linsen, die nicht durch das gemeinsame Gehäuse radial ausgerichtet werden. Mit anderen Worten, die Wärmeausdehnungskoeffizienten des oder der transmittierenden Materialen der Linsen, die durch das gemeinsame Gehäuse radial ausgerichtet werden, liegen am nächsten am Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäusematerials. Dadurch können radiale Spalte, die als Ausgleichsraum für unterschiedliche radiale thermische Ausdehnung von Linsen und Gehäuse eingerichtet werden müssen, minimiert werden. Entsprechend werden Abbildungsfehler der erfindungsgemäßen Linsenanordnung insgesamt minimiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Linse, die durch das Gehäuse axial ausgerichtet ist, an einem ersten Ende der Abfolge von Linsen angeordnet ist, und eine Linse, an der die elastischen Spannmittel angreifen, an einem zweiten Ende der Abfolge von Linsen angeordnet ist, das dem ersten Ende gegenüberliegt. Dieser Aufbau ist in der Praxis bewährt, typischerweise wobei ein elastisches Element am zweiten Ende der Abfolge anliegt.
Allgemein gilt, dass die elastischen Spannmittel verschiedenartig aufgebaut sein können; typischerweise umfassen sie zumindest ein elastisches Element (etwa eine Feder oder einen Körper aus Elastomer) und ein am Gehäuse axial verstellbares Spannelement, wobei die Abfolge von Linsen (Linsenstapel) und das elastische Element axial zwischen dem verstellbaren Spannelement und einem (ortsfesten) Gegenlager des Gehäuses angeordnet sind. Die Spannmittel bringen bevorzugt eine möglichst gleichmäßige Andruckkraft (insbesondere gleichmäßig über den Umfang und/oder gleichmäßig über eine Auflagefläche) auf den Linsenstapel auf, um lokale Belastungsspitzen und daraus resultierende Deformationen der Linsen zu verhindern. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Spannmittel umfassen:

- einen Anlagering, welcher an einer Linse an einem Ende der Abfolge von Linsen anliegt, insbesondere mit einer planen Anlageringfläche, die senkrecht zur optischen Achse dieser Linse verläuft,
- einen Spannring, welcher mit einem Gewinde, insbesondere einem Außengewinde, in einem Gegengewinde des Gehäuses verschraubt ist,
- und mit wenigstens drei Federelementen, insbesondere Blattfederelementen, die den Anlagering und den Spannring miteinander verbinden. Die Federelemente sind typischerweise gleichmäßig um den Umfang des Anlagerings bzw. Spannrings verteilt angeordnet. Meist sind genau drei Federelemente von gleicher Federhärte vorgesehen. Die Federelemente verlaufen typischerweise schräg und/oder über einen gewissen Umfangswinkelbereich zwischen Anlagering und Spannring, bevorzugt näherungsweise auf einer gedachten Kreiszylindermantelfläche zwischen Anlagering und Spannring, etwa näherungsweise entsprechend einer Schraubenbahn mit dem Radius von Anlagering bzw. Spannring.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der bei der Fertigung einer Seite einer Linse alle optisch wirksamen Flächen und Anlageflächen in derselben Aufspannung hergestellt sind. Dadurch wird eine besonders hohe Ausrichtungsgenauigkeit der optisch wirksamen Flächen erreicht. Ein Einbringen von Herstellungstoleranzen durch Umspannen wird vermieden. Bevorzugt wird auch ggf. ein Rand (Außenzylinderfläche) der Linse, der für eine radiale Ausrichtung im gemeinsamen Gehäuse relevant ist, ebenfalls in derselben Aufspannung hergestellt.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Linsen zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch Drehen, insbesondere Diamantdrehen, hergestellt sind. Das Drehen ist kostengünstig, und erlaubt eine recht exakte Fertigung von rotationssymmetrischen Flächen, die als optisch wirksame Flächen und auch als Anlageflächen im Rahmen der Erfindung gut geeignet sind. Im Falle des erfindungsgemäß vorgegebenen Spektralbereichs im Infraroten beeinträchtigt die nach dem Drehen verbleibende Rauigkeit auch die Abbildungseigenschaften nicht in merklicher Weise.
Ebenso ist es in einer Ausführungsform möglich, dass die Linsen zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch in Form pressen hergestellt sind. Durch das Presswerkzeug werden sowohl die optisch wirksamen Flächen als auch die Anlagefläche vorgegeben, wodurch diese zueinander mit guter Genauigkeit ausgerichtet werden können. Das Pressen kann unter Wärmeanwendung erfolgen, insbesondere um das Ausgangsmaterial für die Linsen zu erweichen und/oder zu homogenisieren.
Ebenso ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Linsen zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch ein interferometrisch geregeltes Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dadurch können besonders hohe Genauigkeiten bei der Werkzeugzustellung erreicht werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, wobei lediglich eine Linse radial vom gemeinsamen Gehäuse ausgerichtet wird;
2 eine schematische Schrägansicht der Linsenanordnung von 1, mit ausgerückter Spannvorrichtung;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Linsenanordnung von 1, im Bereich des Linsenstapels;
4 einen Längsschnitt durch zwei benachbarte Linsen, im abgehobenen Zustand;
5 einen Längsschnitt durch zwei benachbarte Linsen, in abgehobenem, verkippten Zustand;
6 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, im Bereich des Linsenstapels, mit zwei vom gemeinsamen Gehäuse radial ausgerichteten Linsen;
7 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, im Bereich des Linsenstapels, mit einer Linse mit einer ersten Anlagefläche mit einem geringen Steigungswinkel.

Alle Figuren zeigen jeweils schematische, nicht maßstäbliche Darstellungen. Insbesondere sind Spalten übertrieben dargestellt, um diese besser erkennbar zu machen.
Die 1 und 2 zeigen in einer ersten Ausführungsform eine erfindungsgemäße Linsenanordnung 1, umfassend hier vier Linsen 11, 12, 13, 14, die in einem gemeinsamen Gehäuse 15 angeordnet sind. Die Linsen 11, 12, 13, 14 sind entlang einer gemeinsamen optischen Achse 16 aufeinanderfolgend angeordnet. Die Linsen 11-14 dienen zur Einrichtung einer optischen Abbildung, bei der Infrarot-Licht durch die Linsenanordnung 1 im Wesentlichen entlang der gemeinsamen optischen Achse 16 propagiert (in 1 von rechts nach links). Für diese optische Abbildung sind die Linsen 11-14 bezüglich der gemeinsamen optischen Achse 16 radial (also quer zur optischen Achse 16), axial (also entlang der gemeinsamen optischen Achse 16) und im Neigungswinkel (also im Neigungswinkel der optischen Achse der jeweiligen Linse 11-14 gegenüber der gemeinsamen optischen Achse 16) ausgerichtet. An den Linsenoberflächen findet dabei eine Lichtbrechung statt.
In der gezeigten Ausführungsform ist lediglich eine der Linsen, nämlich die Linse 11 an einem ersten Ende 3 der Abfolge von Linsen 11-14, axial durch das gemeinsame Gehäuse 15 ausgerichtet. Die Linse 11 liegt dazu hier linksseitig an einer umlaufenden Schulter 17 des gemeinsamen Gehäuses 15 mit einer umlaufenden Auflagefläche 18 an. Durch diese axiale Anlage ist gleichzeitig die Linse 11 im Neigungswinkel festgelegt (d.h. der Neigungswinkel der optischen Achse der Linse 11 gegenüber der gemeinsamen optischen Achse 16 festgelegt). Weiterhin ist lediglich eine der Linsen, hier wiederum die Linse 11, durch das gemeinsame Gehäuse 15 radial ausgerichtet, das heißt durch das gemeinsame Gehäuse 15 radial so eng gefasst, dass die gewünschte radiale Position dieser Linse 11 durch das Gehäuse 15 direkt erzwungen wird.
Die in der Abfolge nächste Linse 12 stützt sich an der Linse 11 ab, und wird dadurch radial, axial und im Neigungswinkel festgelegt. Dazu bilden die Linsen 11, 12 einander zugewandte Anlageflächen 2 aus. In gleicher Weise stützt sich die Linse 13 an der Linse 12 ab, und die Linse 14 an der Linse 13 ab. Die Linsen 12, 13 und 14 sind insbesondere nicht radial oder axial durch das Gehäuse 15 abgestützt (siehe dazu auch 3).
Die aneinander liegenden Linsen 11-14, auch genannt Linsenstapel 20, werden durch Spannmittel 21 in axialer Richtung verspannt. Dazu drückt eine Spannvorrichtung 22 mit einer gewissen Kraft von hier rechts auf die Linse 14 an einem zweiten, rechten Ende 4 des Linsenstapels 20. Die Spannmittel 21 bzw. die Spannvorrichtung 22 umfassen hier einen Anlagering 23, der mit einer planen Anlageringfläche 23a auf einer Auflagefläche 24 der Linse 14 aufliegt. Über mehrere Federelemente 25, hier drei blattfederartige Federelemente 25, ist der Anlagering 23 mit einem Spannring 26 verbunden. Der Spannring 26 fungiert als Spannelement, das in axialer Richtung am Gehäuse 15 verstellbar ist. Der Spannring 26 verfügt dazu über ein Gewinde 27 (hier Außengewinde), mit dem er am Gehäuse 15 mit einem entsprechenden Gegengewinde 28, hier Innengewinde, verschraubbar ist. Durch die Einschraubtiefe des Spannrings 26 kann die Kraft, mit der der Anlagering 23 auf die Linse 14 drückt, eingestellt werden. Die eingeschraubte Stellung kann mit einem Klebstoffpunkt gesichert werden (nicht näher dargestellt).
In der gezeigten Ausführungsform verfügt des Gehäuse 15 zudem über ein endseitiges Anschlussgewinde (hier Außengewinde) 29 zur Befestigung an einem optischen Aufbau.
In 3 wird die Ausrichtung der Linsen 11-14 im gemeinsamen Gehäuse 15 näher erläutert.
Die radial und axial durch das Gehäuse 15 direkt ausgerichtete Linse 11 liegt zum einen mit ihrer planen, ringförmigen Auflagefläche 18 an der planen, ringförmigen Schulter 17 des Gehäuses 15 an. Zum anderen liegt die Linse 11 mit ihren radialen Rändern (ihrer äußeren Zylindermantelfläche) 30 fast an einer Innenwand 31 des Gehäuses 15 an; tatsächlich verbleibt ein minimaler Spalt 32 von hier ca. 10 µm Breite in radialer Richtung (eine mittlere Lage der Linse 11 im Gehäuse 15 vorausgesetzt), insbesondere um die Linse 11 im Gehäuse 15 bis an die Schulter 17 heranführen (einschieben) zu können. Dieser minimale Spalt 32 genügt weiterhin, um Herstellungsschwankungen bezüglich des inneren Durchmessers der Innenwand 31 des Gehäuses 15 und des äußeren Durchmessers der Linse 11 und etwaige Wärmeausdehnungsdifferenzen (bei erwarteten Temperaturschwankungen, zum einen im Normalbetrieb, aber auch bei Transport und Lagerung) zwischen Linse 11 und Gehäuse 15 in radialer Richtung auszugleichen, ohne dass die Linse 11 an der Innenwand 31 radial verklemmt wird. Bevorzugt sind die Materialen von Gehäuse 15 und Linse 11 aufeinander abgestimmt, so dass deren (lineare) Wärmeausdehnungskoeffizienten möglichst ähnlich sind, bevorzugt wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Linse um maximal 25% vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses 15 abweicht. Die übrigen Linsen 12-14 bestehen aus beliebigen, typischerweise anderen Materialien, mit der Maßgabe, dass die Materialien aller Linsen 11-14 in einem für die Linsenanordnung vorgesehenen Spektralbereich transmittierend (transparent) sind. Typische Materialien für Linsen im Infraroten sind Germanium (etwa für Linse 12; Wärmeausdehnungskoeffizient α=5,5×10^-6 1/K), Zinkselenid (etwa für Linse 13; Wärmeausdehnungskoeffizient α=7,6×10^-6 1/K) und GASIR^®1 (etwa für die Linsen 11 und 14; Wärmeausdehnungskoeffizient α=17×10^-6 1/K). Als Gehäusematerial ist dann Messing gut geeignet, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=18,5×10^-6 1/K; bei der Materialkombination GASIR^®1 und Messing beträgt der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten lediglich ca. 8,1%, bezogen auf das Gehäusematerial.
An der Linse 11 sind in einem radial äußeren Bereich eine erste Anlagefläche 41 und eine zweite Anlagefläche 42 für die benachbarte Linse 12 eingerichtet. Die erste Anlagefläche 41 ist hier als planare Ringfläche 41a, die senkrecht zur optischen Achse 71 der Linse 11 liegt (diese fällt hier mit der gemeinsamen optischen Achse 16 zusammen), ausgebildet. Die zweite Anlagefläche 42 ist hier als ein auf die Linse 12 zu sich verjüngender Vorsprung 42a ausgebildet, der hier der Form einer Mantelfläche einer Torusscheibe entspricht. Die Linse 11 verfügt zudem in einem radial inneren Bereich über eine optisch wirksame Fläche 43, die der Linse 12 zugewandt ist, die Linse 12 aber nicht berührt.
Die Linse 11 ist aus einem einheitlichen Material gefertigt, in welches sowohl die Anlageflächen 2, 41, 42 als auch die optisch wirksamen Flächen 43 hineingearbeitet sind. Bevorzugt werden allgemein alle Anlageflächen 2, 41, 42, optisch wirksamen Flächen 43, 53, ggf. für eine radiale Ausrichtung durch das Gehäuse relevanten Ränder (Zylindermantelflächen) 30 und ggf. Auflageflächen 18, 24 zum Gehäuse 15 oder zu Spannmitteln 21 bei einer jeweiligen Linse 11, 12, 13, 14 in nur einer Aufspannung oder nur einer Aufspannung je Linsenseite (Vorderseite, Rückseite) gefertigt, um Herstellungstoleranzen zu minimieren; ein typisches Fertigungsverfahren umfasst dabei ein Drehen, insbesondere Diamantdrehen.
An der Linse 12 sind wiederum in einem radial äußeren Bereich eine erste Anlagefläche 51 und eine zweite Anlagefläche 52 für die benachbarte Linse 11 ausgebildet. Die erste Anlagefläche 51 ist ebenfalls als planare Ringfläche 51a, die senkrecht zur optischen Achse 72 der Linse 12 (die mit der gemeinsamen optischen Achse 16 zusammenfällt) ausgebildet. Die zweite Anlagefläche 52 ist hier als eine sich auf die Linse 11 zu sich aufweitende Öffnung 52a ausgebildet, hier in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Die Linse 12 bildet zur Linse 11 zugewandt eine in einem radial inneren Bereich gelegene optisch wirksame Fläche 53 aus.
Bei einer Solltemperatur, die meist bei Raumtemperatur (20°) liegt, aber je nach Anwendung auch abweichend gewählt sein kann, liegen die ersten Anlageflächen 41, 51 aneinander, und der Vorsprung 42a greift in die Öffnung 52a ein. Dabei verbleibt ein kleiner Spalt 61 zwischen den sich gegenüberliegenden zweiten Anlageflächen 42, 52. Der kleine Spalt 61 hat meist eine Breite BR von ca. 10-15 µm, eine mittige Lage vorausgesetzt (der Spalt 61 ist also in 3 stark übertrieben dargestellt). Bei aneinander liegenden ersten Anlageflächen 41, 51 bleibt daher nur ein geringes radiales Spiel, innerhalb dessen die Linsen 11, 12 in radialer Richtung mittels der ersten Anlageflächen 41, 51 aneinander abgleiten können. Dadurch ist eine radiale Ausrichtung der Linse 12 an der gemeinsamen optischen Achse 16 gewährleistet, obwohl die Linse 12 durch das Gehäuse 15 in keiner Weise direkt festgelegt ist. Insbesondere ist ein radialer Rand 62 der Linse 12 durch einen großen Spalt 64 von der dort gegenüber liegenden Innenwand 63 getrennt, typischerweise mit einer radialen Spaltbreite von 150 µm oder mehr, so dass es weder infolge von Herstellungstoleranzen, noch infolge von radialem Abgleiten der Linse 12 an der Linse 11, noch infolge von Wärmeausdehnungseffekten zu einer Verklemmung der Linse 12 im Gehäuse 15 kommen kann.
Die axiale Ausrichtung und die Ausrichtung im Neigungswinkel der Linse 12 ist durch die planare Anlage an der Linse 11 über die ersten Anlageflächen 41, 51 gewährleistet.
In entsprechender Weise ist die Linse 13 an der Linse 12 über entsprechende erste und zweite Anlageflächen ausgerichtet, und die Linse 14 ist an der Linse 13 über entsprechende erste und zweite Anlageflächen ausgerichtet. Der axial andrückende Anlagering 23 an der Linse 14 stellt sicher, dass die Linsen 11-14 des Linsenstapels 20 axial ohne Spiel aneinander liegen. Dadurch sind alle Linsen 11-14 im gemeinsamen Gehäuse 15, insbesondere an der gemeinsamen optischen Achse 16, radial, axial und im Neigungswinkel ausgerichtet, ohne dass es weiterer Mitwirkung des Gehäuses 15 bedürfte („Selbstzentrierung“).
Im Falle von stärkeren Temperaturschwankungen und bei unterschiedlichen Materialien der Linsen 11-14 kann es dazu kommen, dass sich eine Linse 11, die einen Vorsprung 42a ausbildet, relativ radial stärker ausdehnt (oder weniger schrumpft) als eine Linse 12, die eine zugehörige Öffnung 52a ausbildet. Dadurch verkleinert sich der Spalt 61 zwischen den zweiten Anlageflächen 42, 52, bis sich die zweiten Anlageflächen 42, 52 schließlich berühren.
Im berührenden Kontakt der zweiten Anlageflächen 42, 52 führt eine weitere relative radiale Ausdehnung der Linse 11 gegenüber der Linse 12 dazu, dass die Linse 12 axial vom Vorsprung 42a weg verschoben wird, vgl. 4 (die zur Vereinfachung nur die Linsen 11, 12 zeigt), wobei der (flächige) Kontakt der ersten Anlageflächen 41, 51 verloren geht („Abheben“). Die Linsen 11, 12 gleiten also mit ihren zweiten Anlageflächen 42, 52 aneinander ab.
Das axiale Verfahren der Linse 12 gegen die Kraft der elastischen Spannmittel ist dabei ohne Beschädigung der Linsen 11, 12 leicht möglich. Aufgrund der Steigungswinkel α der zweiten Anlageflächen 42, 52 (und hinreichend kleiner Reibung) kommt es auch zu keinem Verspannen der Linsen 11, 12 gegeneinander, vgl. zu den Steigungswinkeln wiederum 3. Typische Steigungswinkel α der zweiten Anlageflächen 42, 52 liegen zwischen 30° und 60°, bevorzugt um 45°. Die kegelstumpfmantelförmige Öffnung 52a verfügt hier über einen einheitlichen Steigungswinkel α=45°, und der torusscheibenmantelförmige Vorsprung 42a bildet lokale Steigungswinkel α zwischen 35° und 50° aus. Der lokale Steigungswinkel α wird an der jeweiligen, hier zweiten Anlagefläche 42, 52 (etwa mittels einer Tangente) gegen eine Bezugsebene BE, die senkrecht zur optischen Achse 71, 72 der jeweiligen Linse 11, 12 verläuft, gemessen, und in einer Schnittebene SE (hier die Zeichenebene) bestimmt, die die optische Achse der Linse 11, 12 enthält.
Man beachte, dass Wärmeausdehnungen der Linsen 12-14 in 3 nicht nur in Bezug zu den anderen Linsen 11-14, sondern auch bezüglich dem Gehäuse 15 unkritisch sind, da diese Linsen 12-14 radial nicht geführt werden.
Infolge des Abhebens, also der Übernahme des Anlagekontakts zwischen den Linsen 11, 12 durch die zweiten Anlageflächen 42, 52 kann es zu einer gegenseitigen Verkippung der Linsen 11, 12 kommen, wobei die optischen Achse 71 der Linse 11 gegenüber der optischen Achse 72 der Linse 12 merklich verkippt wird, vgl. 5 (die zur Vereinfachung wiederum nur die Linsen 11, 12 zeigt, und die Verkippung übertrieben darstellt). Die Verkippung wird dabei aber durch die ersten Anlageflächen 41, 51 begrenzt, da es schließlich zu einer punktuellen gegenseitigen Anlage der ersten Anlageflächen 41, 51, hier im unteren Bereich, kommt. Dadurch ist es möglich, dass im Einzelfall auch trotz eines „Abhebens“ noch die vorgegebenen Spezifikationen für die Linsenanordnung eingehalten werden können.
Die 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, die weitgehend der Linsenanordnung von 1 bis 3 entspricht, im Bereich des Linsenstapels 20. Daher sollen nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
In der gezeigten Ausführungsform sind wiederum vier Linsen 11, 12, 13, 114 in einem gemeinsamen Gehäuse 15 angeordnet. Die Linse 11 ist als einzige Linse direkt axial durch das Gehäuse 15 ausgerichtet. Durch das Gehäuse 15 radial direkt ausgerichtet werden in dieser Ausführungsform zwei Linsen, nämlich die Linsen 11 und 114. Die übrigen Linsen 12, 13 werden durch die Linsen 11 und 114 radial ausgerichtet. Durch die radiale Ausrichtung durch das Gehäuse 15 von zwei Linsen 11, 114 kann die radiale Ausrichtung des Linsenpaktes 20 insgesamt noch exakter erfolgen. Allerdings muss in dieser Ausführungsform für die beiden Linsen 11, 114 sichergestellt werden, insbesondere durch auf das Gehäuse 15 abgestimmte Materialwahl, dass durch thermische Ausdehnung es zu keinen radialen Spannungen durch radiales Verklemmen im Gehäuse 15 kommen kann. Dadurch ist die Materialauswahl für die Linsen 11, 12, 13, 114 in dieser Ausführungsform insgesamt etwas eingeschränkt. Zudem müssen die verschiedenen Abschnitte der Innenwand 31, 81 des Gehäuses 15 mit hoher Genauigkeit relativ zueinander gefertigt werden.
7 zeigt für eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung den Bereich eines Linsenstapels 20. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede zu 6 erläutert.
Hierbei liegen die Linsen 11, 12 mit ersten Anlageflächen 41, 51 aneinander an. Die erste Anlagefläche 41 der Linse 11 ist hierbei als eine Mantelfläche eines Kegelstumpfs mit einem sehr kleinen Steigungswinkel α von hier ca. 7° ausgebildet, gemessen gegen eine Bezugsebene BE, die senkrecht zur optischen Achse 71 der Linse 11 (die hier mit der gemeinsamen optischen Achse 16 zusammenfällt) liegt. Die Schnittebene SE (hier die Zeichenebene), in der der Steigungswinkel α gemessen wird, enthält die optische Achse 71 der Linse 11. Die erste Anlagefläche 51 der Linse 12 ist hier als Mantelfläche eines Torussegments ausgebildet. Der geringe Steigungswinkel α der ersten Anlagefläche 41 erlaubt eine nur relativ geringfügige Möglichkeit des Verkippens der Linsen 11,12 über das radiale Spiel der Linsen 11, 12 hinweg (vgl. über den kleinen Spalt 61 zwischen den zweiten Anlageflächen 42, 52). Bei hinreichend kleinem Steigungswinkel α ist diese mögliche Verkippung aber meist tolerabel.
Bezugszeichenliste

1: Linsensystem
2: Anlageflächen
3: erstes Ende
4: zweites Ende
11: Linse (radial und axial durch das Gehäuse ausgerichtet)
12-14: Linsen
15: gemeinsames Gehäuse
16: gemeinsame optische Achse
17: Schulter
18: Auflagefläche
20: Linsenstapel
21: Spannmittel
22: Spannvorrichtung
23: Anlagering
23a: Anlageringfläche
24: Auflagefläche
25: Federelement
26: Spannring
27: Gewinde
28: Gegengewinde
29: Anschlussgewinde
30: radialer Rand
31: Innenwand
32: Spalt (Innenwand/radialer Rand, bei Linse 11)
41: erste Anlagefläche
41a: planare Ringfläche
42: zweite Anlagefläche
42a: Vorsprung
43: optisch wirksame Fläche
51: erste Anlagefläche
51a: planare Ringfläche
52: zweite Anlagefläche
52a: Öffnung
53: optisch wirksame Fläche
61: Spalt (zweite Anlageflächen)
62: radialer Rand
63: Innenwand
64: Spalt (radialer Rand/Innenwand, bei Linse 12)
71: optische Achse (Linse 11)
72: optische Achse (Linse 12)
81: Innenwand
114: Linse (radial durch das Gehäuse ausgerichtet)
α: Steigungswinkel
BE: Bezugsebene
BR: Breite (Spalt 61)
SE: Schnittebene

Claims

Linsenanordnung (1) für eine in einem vorgegebenen Spektralbereich transmittive, refraktiv arbeitende Optik, umfassend - wenigstens zwei Linsen (11-14, 114), die jeweils aus im vorgegebenen Spektralbereich transmittierendem Material bestehen, - und ein gemeinsames Gehäuse (15), in welchem die wenigstens zwei Linsen (11-14, 114) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Linsen (11-14, 114) zumindest im Wesentlichen bezüglich einer gemeinsamen optischen Achse (16) radial, axial und im Neigungswinkel ausgerichtet sind, wobei jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) mit ihrem transmittierenden Material einander zugewandte Anlageflächen (2) ausbilden, mit denen die benachbarten Linsen (11-14, 114) aneinander anliegen, und wobei lediglich ein Teil der Linsen (11, 114) in der Abfolge durch das gemeinsame Gehäuse (15) radial ausgerichtet ist, wobei jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) relativ zueinander beweglich gelagert sind, wobei Spannmittel (21) vorgesehen sind, mit denen die Abfolge von Linsen (11-14; 114) in axialer Richtung vorgespannt ist, und wobei lediglich eine der Linsen (11) in der Abfolge durch das gemeinsame Gehäuse (15) axial ausgerichtet ist, und die Linsen der Abfolge im Übrigen (12-14, 114) durch die einander zugewandten Anlageflächen (2) der jeweils benachbarten Linsen (11-14, 114) gegenseitig ausgerichtet sind, wodurch alle Linsen (11-14, 114) der Abfolge radial, axial und im Neigungswinkel bezüglich der gemeinsamen optischen Achse (16) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (21) elastisch sind, und dass der vorgegebene Spektralbereich im Infraroten liegt.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spektralbereich einen Wellenlängenbereich von 2 µm bis 13 µm ganz oder teilweise umfasst.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass zumindest einige der wenigstens zwei Linsen (11-14, 114) aus unterschiedlichen, im vorgegebenen Spektralbereich transmittierenden Materialien bestehen.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Anlageflächen (2) benachbarter Linsen (11-14, 114) in einem radial äußeren Bereich der Linsen (11-14, 114) ausgebildet sind, dass in einem radial inneren Bereich benachbarter Linsen (11-14, 114) optisch wirksame Flächen (43, 53) ausgebildet sind, und dass benachbarte Linsen (11-14, 114) lediglich mit einander zugewandten Anlageflächen (2), nicht aber mit optisch wirksamen Flächen (43, 53) aneinander anliegen.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) einander zugewandte erste Anlageflächen (41, 51) ausbilden, wobei zumindest jeweils eine der einander zugewandten ersten Anlageflächen (41, 51) näherungsweise flach und näherungsweise senkrecht zur optischen Achse (71, 72) der jeweiligen Linse (11-14, 114) ausgebildet ist.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils eine der einander zugewandten ersten Anlageflächen (41, 51) senkrecht zur optischen Achse (71, 72) der jeweiligen Linse (11-14, 114) verläuft.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in der Abfolge benachbarte Linsen (11-14, 114) einander zugewandte zweite Anlageflächen (42, 52) ausbilden, wobei eine der zweiten Anlageflächen (42, 52) eine sich auf die andere Linse (11-14, 114) zu aufweitende Öffnung (52a) ausbildet und/oder eine der zweiten Flächen (42, 52) einen sich auf die andere Linse (11-14, 114) zu verjüngenden Vorsprung (42a) ausbildet.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Steigungswinkel α zumindest einer der zweiten Anlageflächen (42, 52) einen Betrag zwischen 25° und 65° aufweist, wobei der lokale Steigungswinkel α gegenüber einer Bezugsebene (BE), die senkrecht zur optischen Achse (71, 72) der Linse (11-14, 114) verläuft, und in einer Schnittebene (SE), die die optische Achse (71, 72) der Linse (11-14, 114) enthält, gemessen wird.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der zweiten Anlageflächen (42, 52) zumindest im Wesentlichen gemäß der Mantelfläche eines Kegelstumpfes und/oder einer Kugelschicht und/oder einer Torusscheibe ausgebildet sind.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der einander zugewandten zweiten Anlageflächen (42, 52) eine sich auf die andere Linse (11-14, 114) zu aufweitende, zumindest im Wesentlichen der Mantelfläche eines Kegelstumpfes entsprechende Öffnung (52a) ausbildet, und die andere der einander zugewandten zweiten Anlageflächen (42, 52) einen sich auf die andere Linse (11-14, 114) zu verjüngenden, zumindest im Wesentlichen der Mantelfläche einer Torusscheibe entsprechenden Vorsprung (42a) ausbildet.
Linsenanordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6 und nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (1) so ausgebildet ist, dass bei einer Solltemperatur Tsoll die einander zugewandten ersten Anlageflächen (41, 51) benachbarter Linsen (11-14, 114) in der Abfolge aneinander anliegen, und zwischen den einander zugewandten zweiten Anlageflächen (42, 52) benachbarter Linsen (11-14, 114) ein Spiel verbleibt.
Linsenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solltemperatur Tsoll 20°C beträgt.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transmittierende Material aller Linsen (11, 114) des Teils der Linsen (11, 114), die durch das gemeinsame Gehäuse (15) radial ausgerichtet werden, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dessen Differenz zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses (15) kleiner ist als die entsprechende Differenz des transmittierenden Materials aller Linsen (12-14) des Teils der Linsen (12-14), die nicht durch das gemeinsame Gehäuse (15) radial ausgerichtet werden.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (11), die durch das Gehäuse (15) axial ausgerichtet ist, an einem ersten Ende (3) der Abfolge von Linsen (11-14, 114) angeordnet ist, und eine Linse (14, 114), an der die elastischen Spannmittel (21) angreifen, an einem zweiten Ende (4) der Abfolge von Linsen (11-14, 114) angeordnet ist, das dem ersten Ende (3) gegenüberliegt.
Linsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung einer Seite einer Linse (11-14, 114) alle optisch wirksamen Flächen (43, 53) und Anlageflächen (2) in derselben Aufspannung hergestellt sind.