DE10043344C2 - Elastische Linsenträger - Google Patents
Elastische LinsenträgerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Linsenträger bestehend aus einer Linse und einer
Linsenfassung, in der die Linse über deren Umfangsfläche radial elastisch gefasst ist.
Ein derartige Ausführungsform ist im weitesten Sinne aus der deutschen
Patentanmeldung DE 35 21 640 bekannt.
Bei der Entwicklung von UV-Hochleistungsobjektiven ist das spannungsarme Fassen
der optischen Elemente ein Kernproblem. Unter dem spannungsarmen Fassen soll
verstanden werden, dass das optische Element durch die Fassung selbst möglichst
keine Deformation erfährt, sowie dynamische und thermische Belastungen zu
keinen Verspannungen oder zur Dejustage des optischen Elementes führen.
Zur Lösung dieses Problems sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von
Anordnungen bekannt, bei denen ein optisches Element wie eine Linse mittels
elastischer Mittel in einer Fassung gehalten wird.
Beispielsweise ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 28 46 241 A1 eine
Anordnung bekannt, bei welcher eine in ihrer Fassung radial geführte Linse durch
mindestens zwei den Randbereich der Linse übergreifende Plättchen axial an eine
feste Anlage angedrückt wird. Die Plättchen sind aus einem elastischen Material
und formschlüssig in der Fassung derart gehalten, dass sie unter Vorspannung an
der Linse anliegen.
Durch die axial elastische Lagerung der Linse kann eine thermische Ausdehnung der
Linse in axialer Richtung kompensiert werden. Ebenso können dynamische
Belastungen gedämpft werden. Um auch eine radiale thermische Ausdehnung der
Linse zu ermöglichen, ohne dass Radialspannungen in der Linse auftreten, die zu
dramatischen Verschlechterungen der optischen Abbildung führen können, muss in
Abhängigkeit von den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Fassung und der Linse ein ausreichendes Passungsspiel gegeben sein. Im
Rahmen dieses Passungsspieles kann es jedoch bei Einwirkung radialer dynamischer
Belastungen zu Dejustierungen kommen.
Im deutschen Gebrauchsmuster G 86 25 896 ist eine zweite axial elastische
Halterung für optische Bauteile in einer Fassung beschrieben. Das elastische
Halteelement ist hier als geschlossener Ring ausgebildet, der einerseits im
Randbereich der Linse und andererseits in einer dafür vorgesehenen Nut an der
Fassung anliegt.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass über den in radialer Richtung starren Ring
dynamische Belastungen nahezu ungedämpft auf die Linse übertragen werden.
Ebenso wie in der vorher aufgeführten Lösung wirken die Federkräfte zur Halterung
der Linse auf die optisch wirksame Fläche. Da sich der Betrag der Federkraft in
Abhängigkeit von der thermischen Ausdehnung der Linse ändert, kommt es zu
veränderten Spannungszuständen in der Linse, die hohen Anforderungen an die
Abbildungsqualität, insbesondere bei Hochleistungsobjektiven, nicht gerecht
werden.
Aus der DE 196 32 267 A1 ist ein Linsenträger bekannt, bei welchem an der
Linsenfassung ausgebildete Rastnasen in einer an der Linse (auch gekittete
Linsengruppe) ausgebildeten Eingriffsnut anliegen, um die Linse in der Fassung
durch Kraftschluß zu halten. Die Eingriffsnut wird bei einer gekitteten Linsengrupe
von den an der Kittfläche zusammentreffenden Phasenflächen der Linsen gebildet.
Bei einer Einzellinse ist die Eingriffsnut keine wirkliche Nut sondern eine
Phasenfläche der Linse. Die Lage der Linse innerhalb der Fassung wird in radialer
Richtung über eine Spielpassung zwischen einer inneren Umfangsfläche der
Linsenfassung und einer äußeren Umfangsfläche der Linse und in axialer Richtung
durch Andruck des Randbereiches einer Stirnfläche der Linse an einem
Haltevorsprung der Fassung bestimmt.
Die Fassung ist weder thermisch noch mechanisch stabil. Bei einer Ausdehnung und
Schrumpfung des Linsenmaterials in Folge einer thermischen Belastung kommt es
zwangsläufig zu einer relativen Verschiebung gegenüber der Fassung und damit
Reibung einerseits an der Anlage der Rastnasen in der Eingriffsnut der Linse und
andererseits an der Anlage des Haltevorsprungs an der Stirnfläche der Linse. Das
durch die Reibung entstehende Ruckgleiten führt dazu, dass die Verschiebung
undefiniert erfolgt und die Linse nicht in ihre Ausgangslage zurückkehrt. Für
Hochleistungsobjektive kann eine derartige Dejustierung die Abbildungsqualität
schon erheblich mindern. Die zusätzliche Lagesicherung mittels Klebstoff macht
den Linsenträger für UV-Strahlung untauglich.
Mechanische Belastungen wie Stöße werden in radialer Richtung ungedämpft auf
die Linse übertragen. Nachteilig ist auch, dass die Linse über ihre optisch wirksame
Stirnfläche angedrückt wird, was zur Deformation der Linse führen kann.
So wie in der DE 196 32 267 A1 beschriebenen Lösung die Rastnasen dem kraftschlüssigen
und damit festen Halten der Linse ausschließlich in axialer Richtung dienen, sind zu diesem
Zweck in der US 4 778 252 "elastische Finger" vorhanden. Die US 4 778 252 zeigt eine
Haltevorrichtung 10, bestehend aus einem Halter 12 und einer "Fassung" 13, die Objekte
unterschiedlicher Größe, wie Spiegel oder Linsen lösbar halten soll. Der Halter 12 besteht aus
einem Ring, an dem "elastische Finger" ausgebildet sind. Diese "elastischen Finger" werden
bei Verdrehung des Halters 12 gegenüber der "Fassung" 13 durch eingreifende
"Stellelemente" 21, 22, 23 zur Ringmitte hin gespreißt. In Abhängigkeit vom Verdrehwinkel
liegen die freien Enden der "elastischen Finger" auf einer Kreislinie unterschiedlichen
Durchmessers und können so in Ihrer Lage angepasst werden, dass sie bei Objekten
unterschiedlichen Durchmessers jeweils im Randbereich am Objekt zur Anlage kommen.
Zweifelsfrei drücken diese "elastischen Finger" das Objekt in axialer Richtung gegen einen
nicht in den Figuren dargestellten Anschlag oder Stütze und halten damit das Objekt nicht
elastisch.
In der DE 18 14 569 GbM ist eine Halterung für Linsen offenbart, wobei am Umfang der Linse
Aussparungen vorgesehen sind, die auch eine umlaufende Rille sein können und an der
Linsenfassung Vorsprünge vorhanden sind, die in die Aussparungen eingreifen. Ziel ist hier,
die Linse durch Formschluß in der Fassung zu halten. Die Linse wird weder sich selbst
zentrierend, noch spannungsarm gehalten. Sie ist in axialer und radialer Richtung fest
gehalten. Mechanische Belastungen werden ungedämpft in axialer und radialer Richtung auf
die Linse übertragen. Unterschiedliche Materialausdehnungen zwischen Fassung und Linse
führen zu Verspannungen.
Eine in radialer Richtung elastische Halterung ist aus der deutschen
Patentanmeldung DE 35 21 640 A1 bekannt. Sie besteht aus mindestens drei an
der zylindrischen Umfangsfläche der Linse, vorzugsweise gleichmäßig verteilt
aufgebrachten Rippen aus einem hochelastischen Material, vorteilhafterweise aus
Silikonkautschuk. Diese werden beim Einbau der Linse in die Fassung komprimiert.
Durch die nur geringe mittelbare Kontaktfläche zwischen der Fassung und der Linse
an der Umfangsfläche der Linse können sich die Fassung und die Linse in axialer
Richtung ungehindert unterschiedlich ausdehnen.
Die Zentrierung der Linse in ihrer Fassung ist unabhängig von thermischen und
dynamischen Belastungen stets gewährleistet. Es ist auch von Vorteil, dass die
einwirkenden Kräfte am Umfang und nicht an einer optisch wirksamen Fläche
angreifen.
Zur Verbesserung der Lagestabilität wird vorgeschlagen, einen ebenfalls mit
elastischen Rippen versehenen Vorschraubring bzw. einzuklebenden Steckring zu
verwenden, der die Linse zusätzlich in axialer Richtung fixiert. Dies wird für Linsen
größerer Masse unerlässlich sein und bedeutet einen zusätzlichen
Montageaufwand.
Für Hochleistungsobjektive, für die aufgrund der verwendeten Strahlung UV-
Beständigkeit gefordert ist, dürfen jedoch keine organischen Stoffe wie z. B. Kleber,
Vergussmassen, Silikonringe und ähnliches verwendet werden, da sich diese unter
Einwirkung von UV-Strahlung langfristig zersetzen und eine Kontaminationsgefahr
darstellen. Ein mittelbar elastisches Fassen mit organischen Stoffen, wie aus der
DE 35 21 640 bekannt, ist daher für Hochleistungsobjektive nicht geeignet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für UV-
Objektive geeigneten Linsenträger zu schaffen, bei welchem die Linse radial an ihrer
Umfangsfläche elastisch gehalten wird. Darüber hinaus soll der Linsenträger so
gestaltet sein, dass die Linse leicht und schnell montiert werden kann und auch im
gefassten Zustand gut gespült werden kann.
Diese Aufgabe wird für einen Linsenträger gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
dass an der Umfangsfläche der Linse eine Ringnut ausgebildet ist und die
elastischen Elemente an der Linsenfassung ausgebildete Segmente sind, deren freie
Enden in die Ringnut radial eingreifen und die Linse ausschließlich über diese
Verbindung radial und axial gehaltert ist.
Durch die Ausbildung radial elastischer Segmente an der Linsenfassung selbst wird
eine Linsenfassung geschaffen, in der eine Linse spannungsarm, unmittelbar und
ohne zusätzliche Mittel an ihrer Umfangsfläche gefasst werden kann.
Die Geometrie der Segmente ist variierbar und kann somit in Abstimmung mit den
Materialkonstanten der Fassung, der Dimensionierung der Segmente und der
gewünschten Federsteifigkeit an die vorhandenen Platzverhältnisse für die
Linsenfassung angepasst werden.
Die Segmente sind gleich dimensioniert und greifen radial gleichmäßig verteilt in die
an der Umfangsfläche eingebrachte Ringnut ein, so dass sich die Linse selbst in der
Linsenfassung zentriert. Die Federsteifigkeit der einzelnen Segmente, sowie die
durch sie auf die Linse einwirkende Vorspannkraft ist gleich. Die Ringnut liegt in
einer radialen Ebene.
Die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Linsenfassung und der Linse wird
in radialer Richtung über die Federwirkung der Segmente kompensiert, während in
axialer Richtung eine Kompensation auf Grund des nur linienförmigen Kontaktes
nicht erforderlich ist.
Dadurch, dass die Linse mit der Fassung ausschließlich über die elastischen
Segmente verbunden ist, werden dynamische Belastungen nur gedämpft auf die
Linse übertragen.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Ringnut in der radialen Ebene der Linse
eingebracht ist, bei welcher eine radiale Krafteinwirkung die geringste
Durchbiegung der optisch wirksamen Flächen der Linse bewirkt. Diese Ebene wird
mittels der sogenannten Finite-Elemente-Methode ermittelt.
Der Querschnitt der Nut ist vorteilhafterweise V-förmig mit einem in der Spitze
ausgebildeten Radius. Günstig ist wenn an den freien Enden der Segmente ein
größerer Radius ausgebildet ist, so dass die freien Enden in der V-Nut an deren
Flanken zur Anlage kommen.
Fünf Ausführungsbeispiele, die von der Erfindung Gebrauch machen, werden im
folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt in
Fig. 1.1 bis 1.3 eine erste Ausführungsform
Fig. 2.1 bis 2.2 eine zweite Ausführungsform
Fig. 3.1. bis 3.2. eine dritte Ausführungsform
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform
Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform
Eine Linsenfassung nach Fig. 1 bis 3 ist in axialer Richtung betrachtet, an ihrem
ersten Ende als geschlossener Ring ausgebildet, während an ihrem zweiten Ende die
geschlossene Ringform durch eine Vielzahl in axialer Richtung verlaufende Schlitze
aufgehoben ist. Dieses geschlitzte Ende stellt eine ringförmige Anordnung von
gleich dimensionierten Segmenten dar, die erfindungsgemäß für die einzelnen
Ausführungsformen unterschiedlich gestaltet sein können.
Das erste Ende der Linsenfassung kann ebenfalls unterschiedlich gestaltet sein in
Abhängigkeit der konstruktiven Gestaltung des Gehäuses, in das die Linsenfassung
gegebenenfalls eingebracht werden soll. Die Ausbildung des ersten Endes erfolgt
mit fachmännischem Wissen entsprechend den erforderlichen
Anschlussbedingungen und soll nicht Gegenstand der Erfindung sein.
Unterschiedliche Ausführungen der Segmente führen zu einem unterschiedlichen
Querschnitt der Linsenfassung im Bereich des geschlitzten Endes.
Eine erste Ausführungsform ist in den Fig. 1.1 bis 1.3 dargestellt. Die Segmente sind
plattenförmig ausgebildet und nur an ihrem freien Ende abgewinkelt. Im Bereich
der Abwinklung ist eine Versteifung ausgebildet. In Abhängigkeit von einem
gewünschten Biegemomentverlauf und dem Material der Linsenfassung werden die
Dicke, die Länge und die Breite der Segmente gewählt. Die Dicke kann über die
Länge auch unterschiedlich sein, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die hier dargestellten
Segmente sind jeweils parallel zur Symmetrieachse angeordnet. Sie könnten ebenso
winklig verlaufen.
Eine zweite Ausführungsform ist in den Fig. 2.1 bis 2.2 dargestellt. Hier ist die Länge
der Segmente durch eine mäanderförmige Gestaltung reduziert. Um die
Linsenfassung in axialer Richtung derartig zu verkürzen, muss sie allerdings im
Durchmesser größer ausgelegt werden. Auch hier kann durch die konkrete
konstruktive Dimensionierung ein gewünschter Biegemomentverlauf für die
Segmente erzielt werden.
Um bei der Materialwahl für die Segmente unabhängiger zu sein, kann die Fassung
auch zweiteilig gestaltet sein. Hierzu ist eine dritte Ausführungsform in den Fig. 3.1
und 3.2 dargestellt. So kann das erste Ende der Linsenfassung aus einem gut
spanbaren Material (z. B. zum Justierdrehen) bestehen, während für das zweite Ende
ein Material hoher Elastizität eingesetzt wird.
Die durch die Segmentierung entstehenden Schlitze ermöglichen eine Spülung der
Linse im gefassten Zustand.
Zur Montage der Linse in die Linsenfassung werden die Segmente gleichzeitig mit
einem dafür vorgesehenen Hilfsmittel aufgespreizt und die Linse mit einem
Handgriff eingefügt. Es bedarf keiner zusätzlichen Mittel, um die Linsenlage zu
sichern, so dass die Montage schnell und unkompliziert erfolgt.
Eine noch platzsparendere Ausführung für eine Linsenfassung ist in Fig. 4
dargestellt. Als elastische Segmente sind hier drei am inneren Umfang des
Fassungsringes kreisabschnittsförmige Ausbildungen vorhanden, die in einer Ebene
mit der Ringnut liegen. Eine federnde Wirkung wird für diese Segmente durch in
tangentialer Richtung eingebrachte Schlitze erreicht. In der Mitte der Schlitze sind
an den Ausbildungen Ansätze ausgebildet, die in ihrer Form der Ringnut angepasst
sind. Diese Ausführung hat den Vorteil gegenüber den vorher beschriebenen, dass
der für den Linsenträger erforderliche Platzbedarf in axialer Richtung nicht mehr
durch die Dimensionierung der elastischen Segmente bestimmt wird.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Segmente einzelne
kreisabschnittsförmig gestaltete Platten, die auf einer Stirnseite des Fassungsringes
mit diesem über eine Schraubverbindung lösbar verbunden sind. Sie wirken gleich
denen im vierten Ausführungsbeispiel beschriebenen Segmenten, haben jedoch
zwei beachtenswerte Vorteile. Einerseits ist diese Ausführung montagefreundlicher,
da zum Einfügen der Linse nicht alle Segmente gespreizt werden müssen, sondern
ein einfaches Einlegen bei nur zwei montierten Segmenten und anschließender
Befestigung des dritten Segmentes möglich ist. Andererseits können (in der
Zeichnung nicht dargestellt) an einem Fassungsring auf dessen beiden Stirnseiten
die Segmente angebracht sein, um mit einer Linsenfassung zwei Einzellinsen zu
halten. Der notwendige Abstand der Linsen zueinander ist dann bestimmend für
die Dicke des Fassungsringes.
Der Fassungsring muss verständlicherweise kein planförmiger Ring sein, sondern
kann ebenso einen inneren Bund aufweisen, an dessen Stirnflächen die Segmente
anliegen. Ebenso können die Segmente auch in einer umlaufende Nut im
Fassungsring eingepasst sein. Wichtig ist lediglich, dass sie alle in einer radialen
Ebene an dem Fassungsring anliegen, damit ihre Kraftwirkung in gleicher Ebene
gesichert ist.
Die Anzahl der Segmente kann auch höher gewählt werden. Ebenso sind auch
andere mechanische Verbindungen zwischen den Segmenten und dem
Fassungsring möglich.
Claims (8)
1. Elastischer Linsenträger mit einer Linsenfassung und einer Linse, an deren
Umfangsfläche elastische, vorgespannte, gleichmäßig verteilte Elemente
anliegen, dadurch gekennzeichnet,
dass an der Umfangsfläche der Linse eine Ringnut ausgebildet ist,
dass die Linsenfassung von einem Fassungsring und den elastischen Elementen gebildet wird, wobei die elastischen Elemente Segmente sind, die jeweils ein mit dem Fassungsring verbundenes festes Ende und ein freies Ende aufweisen, welches in die Ringnut radial eingreift und die Linse radial und axial hält und die Linse ausschließlich in Berührung mit den freien Enden der Segmente steht.
dass an der Umfangsfläche der Linse eine Ringnut ausgebildet ist,
dass die Linsenfassung von einem Fassungsring und den elastischen Elementen gebildet wird, wobei die elastischen Elemente Segmente sind, die jeweils ein mit dem Fassungsring verbundenes festes Ende und ein freies Ende aufweisen, welches in die Ringnut radial eingreift und die Linse radial und axial hält und die Linse ausschließlich in Berührung mit den freien Enden der Segmente steht.
2. Elastischer Linsenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ringnut in einer radialen Ebene der Linse liegt, in der einwirkende
Kräfte die geringste Durchbiegung der optisch wirksamen Flächen der Linse
bewirken.
3. Elastischer Linsenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ringnut V-förmig ist, mit einem in der Spitze ausgebildeten Radius und
an den freien Enden der Segmente ein größerer Radius ausgebildet ist, so dass
die freien Enden in der V-Nut an deren Flanken zur Anlage kommen.
4. Elastischer Linsenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass die Segmente einen Ring bilden der seitens der festen Enden geschlossen
und seitens der freien Enden in axialer Richtung geschlitzt ist.
5. Elastischer Linsenträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der geschlossene Ringbereich den Fassungsring darstellt.
6. Elastischer Linsenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet,
dass die Segmente kreisabschnittförmige Ausbildungen am inneren Umfang des
Fassungsring sind, die in tangentialer Richtung geschlitzt sind und mittig einen
Ansatz als freies Ende aufweisen.
7. Elastischer Linsenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet,
dass die Segmente kreisabschnittförmige, an einer am Fassungsring radial
ausgebildeten Ebene befestigte Platten sind, die in tangentialer Richtung
geschlitzt sind und mittig einen Ansatz als freies Ende aufweisen.
8. Elastischer Linsenträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Segmente an den beiden Stirnseiten des Fassungsring angeordnet sind,
um mit einer Linsenfassung zwei Linsen zu halten.
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