DE19910947A1 - Vorrichtung zum Verschieben eines optischen Elementes entlang der optischen Achse - Google Patents
Vorrichtung zum Verschieben eines optischen Elementes entlang der optischen AchseInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zum Verschieben eines optischen Elementes 2 entlang der optischen Achse, insbesondere einer Linse mit großem Durchmesser in einem Objektiv, ist das optische Element 2 von einem Haltering 1 getragen, an dem eine Verstelleinrichtung 8 mit einem Grobverstellantrieb 9 und einem Feinverstellantrieb 10 angreift. Der Haltering 1 ist über Festkörpergelenke 4, die quer zur optischen Achse eine deutliche größere Steifigkeit aufweisen als entlang der optischen Achse, mit einem Stützring 3 verbunden, welcher an einer Fassung angeordnet ist oder einen Teil davon bildet. Die Festkörpergelenke 4 sind derart zwischen dem Haltering 1 und dem Stützring 3 angeordnet, daß der Haltering 1 bei Betätigung der Verstelleinrichtung 8 entlang der optischen Achse verschiebbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschieben eines
optischen Elementes entlang der optischen Achse nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus der JP 83 13 785 A ist eine Vorrichtung der eingangs er
wähnten Art bekannt, bei der ein Grobantrieb mit einem Ritzel
und einer Zahnstange zur Verschiebung einer Linse entlang der
optischen Achse und ein piezoelektrisches Element für eine
Feinverstellung vorgesehen ist.
Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen für Verschiebun
gen von Linsen in Objektiven ist auch aus der JP 080 94 906 A,
der US 56 75 444 A und der US 55 76 894 A bekannt.
Zur Einstellung, Bildfehlerbeeinflussung usw. eines Objektives,
wie z. B. zur Einstellung einer Vergrößerung soll ein optisches
Element, z. B. eine Linse, sehr feinfühlig und auch mit sehr
geringen Wegen entlang der optischen Achse verstellbar sein.
Insbesondere bei großen Durchmessern des optischen Elementes,
wie z. B. 200 mm und mehr, besteht das Problem dabei zum einen
darin, daß man eine große Masse des optischen Elementes zu be
wegen hat und daß zum anderen Querbewegungen, d. h. Bewegungen
des optischen Elementes quer zur optischen Achse, soweit wie
nur irgendwie möglich verhindert werden sollen. Auch Kippungen,
insbesondere um eine Achse senkrecht zur optischen Achse, sol
len verhindert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch
die insbesondere große und schwergewichtige optische Elemente
sehr präzise und feinfühlig in Richtung der optischen Achse
verschiebbar sind und zwar ohne die Gefahr von Querbewegungen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine große Stei
figkeit quer zur optischen Achse erreicht, wohingegen eine ge
nügende Weichheit in Richtung der optischen Achse gegeben ist.
Durch die Verwendung von erfindungsgemäßen Festkörpergelenken
ist es möglich, eine Verbindung des Stützringes mit dem Halte
ring herzustellen, wobei die gewünschten Steifigkeitsverhält
nisse gegeben sind. Stützring und Haltering sind selbstver
ständlich nicht auf zylinderförmige Teile beschränkt, sondern
auf übliche ein optisches Element fassende Bauteile gerichtet.
Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich dann, wenn der
Haltering und der Stützring nebst dazwischenliegenden Festkör
pergelenken einstückig ausgebildet sind. Diese Maßnahme bewirkt
eine hochgradige Verminderung von Hysterese (slip-stick) und
von Spannungen.
Eine sehr präzise Verschiebung ohne Querbewegungen wird er
reicht, wenn wenigstens drei Festkörpergelenke über den Umfang
verteilt zwischen dem Haltering und dem Stützring angeordnet
sind. In vorteilhafter Weise wird man dabei jedem Festkörperge
lenk auch eine Verstelleinrichtung zuordnen. Sieht man zusätz
lich noch Sensoren vor, durch die die Lage bzw. Ausrichtung des
Halteringes überwacht wird, so läßt sich das optische Element
exakt verschieben, wobei auch die optische Achse der Linse
stets auf der optischen Achse des Gesamtsystems verbleibt.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung mit mindestens drei Fest
körpergelenken und entsprechenden Antrieben wird damit vermie
den, daß die Lagerung instabil gegen Verkippung ist. Bei einer
Koppelung der Sensoren mit den Verstelleinrichtungen läßt sich
das optische Element über kontrollierte Regelschleifen bzw.
einen geschlossenen Regelkreis sehr gleichmäßig verfahren.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich
aus den übrigen Unteransprüchen und aus den anhand der Zeich
nung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 ausschnittsweise eine Seitenansicht bzw. einen Teil
der Abwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 ausschnittsweise eine Draufsicht mit Teilschnitten
auf die Vorrichtung nach der Fig. 1;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in
gleicher Ansicht wie die nach Fig. 1; und
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in der
gleichen Ansicht wie die nach der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung mit einem oberen Ring als Hal
tering 1 für eine Linse 2 als optisches Element und einem unte
ren Ring als Fassung 3. Regelmäßig über den Umfang verteilt
befinden sich beispielsweise in einem Abstand von 120° drei
Festkörpergelenke 4. Die Festkörpergelenke 4 nach diesem Aus
führungsbeispiel sind als Stellhebel ausgebildet mit einer Kop
pel, die auf einer Seite bzw. an einem Ende über eine Gelenk
stelle 5 mit dem Stützring 3 und am anderen Ende mit einer Ge
lenkstelle 6 mit dem Haltering 1 verbunden ist.
Der Haltering 1, der Stützring 3 und die Festkörpergelenke 4
sind monolithisch bzw. einstückig ausgebildet, wobei die Ge
lenkstellen 5, 6 jeweils die Verbindungsstellen zwischen dem
Haltering 1 und dem Stützring 3 darstellen. Sie werden gebildet
durch Durchmesserreduzierungen, welche z. B. durch Ausfräsungen
hergestellt sind. Die Steifigkeit der Festkörpergelenke 4 wird
jeweils durch den Radius r und die Dicke t im Bereich der Ge
lenkstelle 5 bzw. 6 definiert. Die Materialstärke, d. h. die
Tiefe bzw. die längliche Erstreckung der Gelenkstellen 5 und 6,
die sich zum Mittelpunkt der Einrichtung, d. h. quer zur opti
schen Achse nach innen erstreckt, und der Elastizitätsmodul E
gehen dabei nur linear in die Berechnung der Steifigkeiten und
Spannungen ein. Die Verwendung hochfester Materialien oder su
perelastischer Materialien, wie z. B. Nickel-Titan-Legierungen,
die auch als sogenannte Shape-Memory-Alloys bekannt sind, er
gibt große Federwege.
In einer Aussparung 7 oder Bohrung zwischen dem Haltering 1 und
dem Stützring 3 ist eine Verstelleinrichtung 8 mit einem
Schrittmotor 9 als Grobverstellantrieb und mit einem Piezoan
trieb 10 als Feinverstellantrieb angeordnet. Durch den Schritt
motor 9 wird über eine Spindel im Schrittmotor 9 in bekannter
Weise ein entsprechend großer Hub erreicht, wobei durch den auf
dem Verstellglied des Schrittmotores 9 angeordneten Piezoan
trieb 10 bei dessen Aktivierung eine kleine Schrittweite er
reicht wird. Der Piezoantrieb 10 greift dabei in Umfangsrich
tung an der Koppel des Gelenkes 4 in einem Abstand b von der
Gelenkstelle 5 an. Bei Aktivierung der Verstelleinrichtung 8
wird somit eine Verstellkraft auf die Koppel des Gelenkes 4 an
der Angriffsstelle des Piezoantriebes 10 ausgeübt, welche sich
in eine Drehkraft um die Gelenkstelle 5 auswirkt. Über die Ge
lenkstelle 6 erfährt somit bei einer Aktivierung der Verstell
einrichtung 8 der Haltering 1 eine in Pfeilrichtung nach oben
gerichtete Verschiebekraft. Das Verhältnis der beiden Strecken
a, welches der Abstand der beiden Gelenkstellen 5 und 6 vonein
ander ist, und b, welches der Abstand des Angriffspunktes des
Piezoantriebs 10 zur Gelenkstelle 5 ist, bildet die Überset
zung, mit dem die Verstelleinrichtung 8 die Stellbewegung
durchführt.
Eine Druckfeder 11, die an der von dem Piezoantrieb 10 abge
wandten Seite der Koppel des Gelenkes 4 angreift und die sich
mit ihrem anderen Ende an einem Absatz 12 des Stützringes 3
abstützt, führt mit ihrer Vorspannung zu einer Erhöhung der
Eigenfrequenz. Die Gelenkstellen 6, an denen jeweils der Halte
ring 1 hängt, sollten mit ihrer Tiefe bzw. Längserstreckung
möglichst auf die Mitte der Vorrichtung, d. h. die optische Ach
se, zeigen. Die Gelenkstelle 5 sollte stets parallel zur Ge
lenkstelle 6 am Haltering 1 liegen (siehe Fig. 2). Die somit
radial verlaufende Tiefe der Gelenkstelle 6 kann z. B. zwischen
20 mm und 50 mm betragen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 werden die beiden
dargestellten Koppeln des Festkörpergelenks 4 durch eine Dre
hung des Halteringes 1 verkippt. Wie ersichtlich, liegen die
Koppeln als dünne Platten in einem Winkel α schräg gegenüber
der parallel dazu verlaufenden optischen Achse. Wird nun durch
die Verstelleinrichtung 8 eine Kraft in Umfangsrichtung mit
einer daraus resultierenden Verschiebung des Halteringes 1 in
Pfeilrichtung 13 erzeugt, so ergibt eine Bewegung des Halterin
ges 1 gleichzeitig eine Verschiebung in Pfeilrichtung 14 ent
sprechend der Änderung des Anstellwinkels α, womit eine ent
sprechende Verschiebung der auf dem Haltering 1 gelagerten Lin
se 2 in Richtung der optischen Achse erreicht wird.
Die Parameterlänge L der Koppel des Gelenkes 4 und der Anstell
winkel α bilden die Übersetzung der Querbewegung in die Hubbe
wegung gemäß Pfeilrichtung 14. Damit die Eigenfrequenz erhöht
wird, ist es günstig, einen negativen Winkel α zu wählen und
eine Zugfeder (nicht dargestellt) zwischen dem Haltering 1 und
dem Stützring 3 einzubauen.
Auch in diesem Falle sollten jeweils die beiden Gelenkstellen 5
und 6 der Koppeln der Festkörpergelenke 4 zumindest parallel
sein und die Gelenkstelle 6 in Richtung der Mitte der Vorrich
tung zeigen (entsprechend Fig. 2). Bei dieser Ausgestaltung ist
gegebenenfalls eine einzige Verstelleinrichtung 8 als Antrieb
ausreichend, wenn sie an einem sich parallel zur optischen Ach
se erstreckenden Ansatz oder Vorsprung 17 des Halteringes 1 an
greift.
In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 ist eine Variante
des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles darge
stellt. In diesem Falle erfährt der Haltering 1 und damit auch
die Linse 2 keine Drehbewegung, sondern es findet eine reine
Hubbewegung statt, wobei die beiden Flächen, zwischen denen die
Verstelleinrichtung 8 eingebaut ist, nämlich Halteringe 1 und
Stützring 3, stets parallel zueinander bleiben. Diese Ausge
staltung ist insbesondere für eine Betätigung durch einen Pie
zoantrieb 10 von Vorteil.
Wie ersichtlich, bilden die in diesem Falle jeweils zweiteilig
ausgebildeten Festkörpergelenke 4 mit ihren Gelenkteilen bzw.
Koppelteilen 4a und 4b eine Art Kniehebel mit jeweils einem
mittig dazwischenliegenden Druckteil 15, an welchem der Piezo
antrieb 10 der Verstelleinrichtung 8 angreift. Das Koppelteil
4a besitzt an seinem einen Ende die Gelenkstelle 5 mit dem
Stützring 3 und an seinem anderen Ende eine Gelenkstelle 5a mit
dem Druckteil 15. Das Koppelteil 4b besitzt die Gelenkstelle 6
mit dem Haltering 1 und an seinem anderen Ende eine weitere
Gelenkstelle 6a mit dem Druckteil 15. Auch in diesem Falle wer
den die Gelenkstellen 5, 5a, 6 und 6a durch entsprechende
Durchmesserreduzierungen in Form von Bohrungen bzw. Abrundungen
in den Koppelteilen 4a, 4b gebildet. Dabei erstreckt sich eine
seitliche Bohrung an der Gelenkstelle 5 bzw. 6 jeweils noch in
den Stützring 3 bzw. den Haltering 1 und zwar aufgrund der
Schrägstellung der Koppelteile 4a und 4b.
Wie weiterhin aus der Fig. 4 ersichtlich ist, liegt die Ver
stelleinrichtung 8 derart zwischen zwei benachbart zueinander
liegenden Festkörpergelenken 4, daß durch eine einzige Ver
stelleinrichtung 8 jeweils zwei Festkörpergelenke 4 betätigt
werden können. Dabei greift an dem in der Zeichnung links dar
gestellten Festkörpergelenk 4 der Piezoantrieb 10 an. Der
Schrittmotor 9 der Verstelleinrichtung 8 stützt sich mit seinem
Gehäuse an dem Druckteil 15 des benachbarten Festkörpergelenkes
4 ab. Wird nun die Verstelleinrichtung 8 aktiviert, so werden
entsprechend Aktio und Reaktio beide Festkörpergelenke 4 ent
sprechend verstellt, was in einer Änderung der Schrägstellung
der Koppelteile 4a und 4b resultiert und damit in einen dreh
freien Hub in Pfeilrichtung 14 des Halteringes 1 und damit der
Linse 2 in Richtung der optischen Achse. Zur Rückstellung sind
jeweils Rückstellfedern 18 zwischen den Koppelteilen 4a und 4b
oder zwischen dem Stützring 3 und dem Haltering 1 vorgesehen.
Allen drei Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, daß über den
Umfang verteilt angeordnete Sensoren 16, z. B. drei Stück, vor
gesehen sind, die zwischen dem Haltering 1 und dem Stützring 3
derart angeordnet sind, daß sie die Lage bzw. Ausrichtung der
Anlageflächen des Halteringes 1 für das optische Element 2 mes
sen. Durch die Sensoren 16 können Verkippungen des Halteringes
1 festgestellt werden bzw. können diese bei einer Koppelung mit
den Verstelleinrichtungen 8, z. B. drei Stück am Umfang ver
teilt, dafür sorgen, daß eine gleichmäßige Hubbewegung bzw.
Verstellbewegung des Halteringes 1 entlang der optischen Achse
erreicht wird.
Als Antrieb für den erfindungsgemäßen Manipulator, also die
Vorrichtung zum Verschieben eines optischen Elementes, sind
alle Aktuatoren mit bedarfsgerechter Kombination von Steifig
keit, Hub und Auflösung und Reproduzierbarkeit der Stellbewe
gung geeignet. Ein Beispiel sind "Inch worm®-Antriebe (Inch
worm ist Markenzeichen, Vertrieb burleigh).
Claims (20)
1. Vorrichtung zum Verschieben eines optischen Elementes ent
lang der optischen Achse, insbesondere einer Linse mit gro
ßem Durchmesser in einem Objektiv, wobei das optische Ele
ment von einem Haltering getragen ist, an dem eine Ver
stelleinrichtung mit mindestens einem Verstellantrieb an
greift, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltering (1) über
Festkörpergelenke (4), die quer zur optischen Achse eine
deutlich größere Steifigkeit aufweisen als entlang der op
tischen Achse, mit einem Stützring (3) verbunden ist, wel
cher an einer Fassung angeordnet ist oder welcher einen
Teil der Fassung bildet, wobei die Festkörpergelenke (4)
derart zwischen dem Haltering (1) und dem Stützring (3) an
geordnet sind, daß der Haltering (1) bei Betätigung der
Verstelleinrichtung (8) entlang der optischen Achse ver
schoben wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Haltering (1) und der Stützring (3) nebst dazwischen
liegenden Festkörpergelenken (4) einstückig ausgebildet
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Festkörpergelenke (4) jeweils durch eine Koppel ge
bildet sind, an deren einem Ende eine mit dem Haltering (1)
verbundene Gelenkstelle (6) und an derem anderen Ende eine
mit dem Stützring (3) verbundene Gelenkstelle (5) vorgese
hen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gelenkstellen (5, 6) jeweils durch Durchmesserreduzie
rungen der Koppel (4) im Bereich der Verbindungsstelle mit
dem Haltering (1) und dem Stützring (3) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Feinverstellantrieb (10) ein piezo
elektrisches Element aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens drei Festkörpergelenke (4)
über den Umfang verteilt zwischen dem Haltering (1) und dem
Stützring (3) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
für jedes Festkörpergelenk (4) eine Verstelleinrichtung (8)
vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Lagebestimmung des Halteringes (1) Sensoren (16)
vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (8) einen
Schrittmotor (9) für eine Grobverstellung aufweist, auf
dessen Verstellglied der Feinverstellantrieb (10) für eine
Feinverstellung angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens die Gelenkstelle (6), die mit
dem Haltering (1) verbunden ist, mit ihrer Längserstreckung
wenigstens annähernd in Richtung auf die optische Achse
verläuft, und daß die mit dem Stützring (3) verbundene Ge
lenkstelle (5) wenigstens annähernd parallel zu dem mit dem
Haltering (1) verbundene Gelenkstelle (6) liegt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (8) derart an dem
Festkörpergelenk (4) angreift, daß sich die Koppel des
Festkörpergelenks (4) um die mit dem Stützring (3) verbun
dene Gelenkstelle (5) dreht, wobei die mit dem Haltering
(1) verbundene Gelenkstelle (6) derart zu der mit dem
Stützring (3) verbundenen Gelenkstelle (5) angeordnet ist,
daß bei der Drehung sich eine wenigstens annähernd entlang
der optischen Achse gerichtete Bewegung der mit dem Halte
ring (1) verbundenen Gelenkstelle (6) ergibt (Fig. 1).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der von der Verstelleinrichtung (8) abgewandten Seite
der Koppel des Gelenkes (4) eine Federeinrichtung (11) an
greift, die sich mit ihrer anderen Seite an dem Stützring
(3) abstützt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Koppeln der Festkörpergelenke (4) in
einem Winkel α schräg zur optischen Achse liegen (Fig. 3).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstelleinrichtung (8) an einem sich parallel zur op
tischen Achse erstreckenden Ansatz oder Vorsprung (17) des
Halteringes (1) angreift.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedes Festkörpergelenk (4) zweiteilig mit
jeweils zwei Koppelteilen (4a, 4b) ausgebildet ist, wobei
nach Art eines Kniehebels die Verstelleinrichtung (8) an
einem zwischen den beiden Koppelteilen (4a, 4b) liegenden
Druckteil (15) angreift (Fig. 4).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Koppelteil (4a, 4b) an seinen Enden mit einer Gelenk
stelle (5, 5a bzw. 6, 6a) versehen ist, wobei eine Gelenk
stelle (6 bzw. 5) mit dem Haltering (1) bzw. dem Stützring
(3) verbunden ist, während die jeweils zu dem gleichen Kop
pelteil (4a bzw. 4b) gehörende Gelenkstelle (5a bzw. 6a)
mit dem Druckteil (15) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeich
net, daß zur Rückstellung jeweils zwischen den Koppelteilen
(4a, 4b) oder zwischen dem Stützring (3) und dem Haltering
(1) eine Rückstellfeder (18) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verstelleinrichtung (8) jeweils zwei be
nachbart zueinander liegende Festkörpergelenke (4) betä
tigt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstelleinrichtung (8) auf einer Seite mit dem Fein
verstellantrieb (10) an dem Druckteil (15) eines Festkör
pergelenkes (4) angreift, während sich die Verstelleinrich
tung (8) auf der anderen Seite an dem Druckteil (15) des
benachbart dazu liegenden Festkörpergelenk (4) abstützt.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß als Verstelleinrichtung (8) ein
"Inch worm"-Antrieb eingesetzt wird.
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Owner name: CARL ZEISS SMT AG, 73447 OBERKOCHEN, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination |