DE102007030579A1

DE102007030579A1 - Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente

Info

Publication number: DE102007030579A1
Application number: DE102007030579A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schletterer
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2027-06-30
Also published as: DE102007030579B4

Abstract

Bei einer lateral verstellbaren Fassung für optische Elemente besteht die Aufgabe, durch einen vereinfachten Aufbau den Fertigungsaufwand zu verringern und gleichzeitig eine hohe Systemstabilität zu gewährleisten. Ein feststehender äußerer Teil und ein verstellbar innerer Teil der Fassung sind durch Materialschnitte bis auf drei koaxial zur optischen Achse des optischen Elementes und jeweils um 120° versetzt angeordnete Verbindungsstellen voneinander getrennt, wobei als Verbindungsstellen Hebelgetriebe vorgesehen sind, durch welche die Verstellbarkeit des inneren Teiles gegenüber dem äußeren Teil erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine lateral verstellbare Fassung für optische Elemente, die durch Materialschnitte in einen feststehenden äußeren Teil und einen verstellbaren inneren Teil unterteilt ist, wobei der verstellbare innere Teil der Aufnahme des optischen Elementes dient.
Aus der DE 199 01 295 A1 ist eine optische Abbildungsvorrichtung mit wenigstens einem optischen Element bekannt, bei dem die Bauteile Außenfassung, Innenring und Manipulatoreinrichtung zu einem einstückigen Bauteil vereinigt sind. Die zur weggesteuerten Verschiebung des optischen Elementes in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse dienende Manipulatoreinrichtung besteht zwischen dem Innenring und der Außenfassung aus einem System von Umfangsschlitzen mit dazwischen liegenden Verbindungsgliedern, einem Drehgelenk und wenigstens einem Verstellgelenk mit einem Verstellglied.
Der Nachteil dieser Lösung besteht insbesondere darin, dass diese durch die Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Manipulatorelemente einen komplizierten und unsymmetrischen Aufbau besitzt, der für symmetrische Systeme ungeeignet ist oder zu Systeminstabilitäten führt. Insbesondere erhöhen die in Richtung der optischen Achse versteifend wirkenden, kinematisch jedoch überflüssigen Verbindungsglieder den Fertigungsaufwand, erfordern in Abhängigkeit von der Anzahl zusätzliche Stellkräfte und bewirken, dass sich Deformationen stärker auf den inneren Teil auswirken. Außerdem benötigen die Verstellgelenke eine zusätzliche Blattfeder und müssen zur Gewährleistung der beabsichtigten Justierung in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen verstellt werden, so dass Vorspannelemente für beide Richtungen erforderlich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch einen vereinfachten Aufbau den Fertigungsaufwand zu verringern und gleichzeitig eine hohe Systemstabilität zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch eine im Wesentlichen in Richtung der optischen Achse durch eine entsprechende Materialdicke steif ausgebildete lateral verstellbare Fassung der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Ein feststehender äußerer Teil und ein verstellbarer innerer Teil der bevorzugt aus einem Stück gefertigten Fassung sind durch Materialschnitte bis auf drei koaxial zur optischen Achse des optischen Elementes und jeweils um 120° versetzt angeordnete Verbindungsstellen voneinander getrennt, wobei als Verbindungsstellen Hebelgetriebe vorgesehen sind, durch welche die Verstellbarkeit des inneren Teils gegenüber dem äußeren Teil erreicht wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Die ausschließliche Verbindung des äußeren und des inneren Teils über die drei symmetrisch angeordneten Hebelgetriebe bietet mehrere Vorteile, indem

– eine zur Verstellung des inneren Teils erforderliche Kraft nur in einer Richtung aufgewendet werden braucht und demzufolge gleichzeitig als Vorspannung genutzt werden kann und
– aufgrund von nur drei Verbindungsstellen zwischen dem inneren und äußeren Teil eine Deformationsentkopplung des inneren Teils erreicht wird, woraus eine hohe Lagestabilität resultiert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Hebelgetriebe aus einem freien Hebelende und zwei Hebelarm bildenden Stegen bestehen, und dass das freie Hebelende über einen ersten der Stege mit dem äußeren Teil und über einen zweiten der Steg mit dem inneren Teil in Verbindung steht.
Die Verstellung des inneren Teils beschreibt eine Kreisbahn, deren Mittelpunkt im Schnittpunkt verlängerter Hebelarme zweier Hebelgetriebe liegt, wobei der Schnittpunkt einen Versatz zur optischen Achse aufweist.
Die Hebelarm bildenden Stege können in einer Ausgestaltung parallel zueinander und tangential zu den Materialschnitten ausgerichtet sein.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Hebelarm bildenden Stege am Hebelende abgeknickt sind und sich gegenseitig verlängern.
Die Hebelenden sind für das Angreifen von Verstellelementen, wie z. B. Gewindestiften oder Piezoaktuatoren ausgebildet, wodurch das optische Element in jede Richtung bewegbar ist, die senkrecht zur optischen Achse verläuft.
Zwar sieht die Erfindung keine Achsenentkopplung vor, so dass eine Verstellung über mindestens zwei Hebelgetriebe erfolgen muss, doch lässt eine Komponentenzerlegung eine einfache Berechnung über die Winkelverhältnisse zu.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße verstellbare Fassung für optische Elemente;
2 eine erste Ausführung eines Hebelgetriebes, wie es bei der erfindungsgemäßen verstellbaren Fassung gemäß 1 verwendet werden kann;
3 eine zweite Ausführung eines Hebelgetriebes, wie es bei der erfindungsgemäßen verstellbaren Fassung gemäß 1 verwendet werden kann;
Die in 1 gezeigte Fassung 3 besteht aus einem feststehenden äußeren Teil 11 und einem gegenüber dem feststehenden äußeren Teil 11 senkrecht zur optischen Achse 2 eines zu fassenden optischen Elementes 1 verstellbaren inneren Teil 12. Der feststehende äußere Teil 11 ist üblicherweise mit einem übergeordneten, nicht dargestellten Bauteil, wie zum Beispiel einem Füllrohr, einem Halteflansch oder einem äquivalenten Bauteil fest verbunden. Der verstellbare innere Teil 12 dient zur Aufnahme des optischen Elementes 1 und ist entsprechend der DE 100 43 344 C2 ausgebildet, deren Offenbarung hier eingeschlossen ist. Materialschnitte 10 in Form von erodierten Schlitzen trennen den äußeren und inneren Teil 11 und 12 bis auf drei koaxial zur optischen Achse 2 und jeweils um 120° versetzt angeordnete Verbindungsstellen voneinander. Die Verbindungsstellen werden durch Hebelgetriebe 13 gebildet, durch welche die Verstellbarkeit des inneren Teils 12 gegenüber dem äußeren Teil 11 erreicht wird.
Im Bereich der Hebelgetriebe 13, von dem in 2 eine erste Ausführung gezeigt ist, ist eine Materialschnitterweiterung 10' vorgesehen, die Platz für ein freies Hebelende 15 sowie für Hebelarm bildende, zu den Materialschnitten 10 tangential und zueinander parallel ausgerichtete Stege 14, 14' bietet, zwischen denen eine verbreiterte Materialaussparung 10'' als Verlängerung eines Materialschnittes 10 vorhanden ist. Das freie Hebelende 15 steht über einen ersten Steg 14 mit dem äußeren Teil 11 und über einen zweiten Steg 14' mit dem inneren Teil 12 in Verbindung.
Eine weitere Ausführungsform eines Hebelgetriebes 13 ist in 3 gezeigt. Ein in einer Materialschnitterweiterung 10' frei positioniertes Hebelende 15 ist über Stege 14'' und 14''' mit dem äußeren sowie mit dem inneren Teil 11 und 12 verbunden. Im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 sind die zwei als Hebelarme fungierenden Stege 14" und 14'' am Hebelende 15 stark abgeknickt und verlängern sich gegenseitig. Die Stege 14'' und 14'' werden durch annähernd radial gerichtete Materialschnitte 10'', 10'' und 10'' gebildet, wobei der Materialschnitt 10'' einen der entlang des Umfanges des inneren Teils verlaufenden Materialschnitte 10 schneidend begrenzt.
Die beiden Ausführungen gemäß 2 und 3 unterscheiden sich in tangentialem und radialem Platzbedarf sowie im Übersetzungsverhältnis. Demgemäß erfolgt auch deren bevorzugte Anwendung.
Die Arbeitsweise zur Verstellung des inneren Teils 12 soll anhand der Ausführung gemäß 1 und 2 erläutert werden.
Greift eine radiale Kraft F_R am Hebelende 15 an, so entsteht durch das Hebelgetriebe 13 eine tangentiale Kraftkomponente F_T, die den verstellbaren inneren Teil 12 bewegt. Der verstellbare innere Teil 12 bewegt sich dabei auf einer Kreisbahn 20, deren Mittelpunkt 21 der Schnittpunkt der gedachten Verlängerungen 22 der Stege 14 und 14' bzw. 14'' und 14'' zweier Hebelgetriebe 13 ist und der durch einen für die Ausführungen gemäß 2 und 3 unterschiedlichen Versatz zur optischen Achse 2 das Übersetzungsverhältnis bestimmt. Da der Radius 23 der Kreisbahn im Verhältnis zum Verstellweg, der in der Regel ca. einige Mikrometer beträgt, sehr groß ist, kann die Verstellung der optischen Achse 2 als quasilinear angesehen werden.
Eine Verstellung kann an jedem Hebelende 15 eingeleitet werden, so dass das optische Element 1 in jede beliebige Richtung bewegt werden kann, die senkrecht zur optischen Achse 2 verläuft. Als Verstellelement kann im einfachsten Fall ein Gewindestift am Hebelende 15 angreifen. In einer anderen Ausführungsform kommt dazu zum Beispiel ein Piezoaktuator zum Einsatz. Es sind jedoch auch andere, nicht weiter benannte und für den Fachmann gebräuchliche Verstellelemente denkbar.
Da sich die Steifigkeit der Fassung 3 in Richtung der optischen Achse 2 durch die Fassungsdicke in dieser Richtung anpassen lässt, kann durch eine ausreichend dicke Ausführung der Fassung 3 eine hohe Steifigkeit in Richtung der optischen Achse 2 erreicht werden.
Besonderes vorteilhaft wirkt sich zur Lösung der Aufgabe die symmetrische Anordnung der Bauteile, insbesondere der Hebelgetriebe 13 aus. Durch die Verbindung von äußerem und innerem Teil 11, 12 der Fassung 3 an nur drei Stellen, werden Deformationen, die von außen in die Fassung 3 eingebracht werden und bei Montageprozessen unausbleiblich sind, quasi nicht auf das optische Element 1 übertragen.
Aufgrund der Anordnung von drei Hebelgetrieben 13 reicht es aus, die Hebelenden nur in eine Richtung zu bewegen, um trotzdem in erfinderischer Weise eine Verstellung in alle Richtungen senkrecht zur optischen Achse 2 vornehmen zu können, indem z. B. mit einem Gewindestift radial auf das Hebelende 15 gedrückt wird.
Die erfindungsgemäße Fassung 3 lässt sich einfach herstellen und ist äußerst Platz sparend. Geeignet ist die Fassung 3 insbesondere für sehr kleine Objektive, wie z. B. Mikroskopobjektive.

Claims

Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente, die durch Materialschnitte in einen feststehenden äußeren Teil und einen verstellbaren inneren Teil unterteilt ist, wobei der verstellbare innere Teil der Aufnahme des optischen Elementes dient, dessen optische Achse durch die laterale Verstellung auszurichten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende äußere Teil (11) und der verstellbare innere Teil (12) durch drei Hebelgetriebe (13) miteinander verbunden sind.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelgetriebe (13) koaxial zur optischen Achse (2) des optischen Elementes (1) und um 120° versetzt angeordnet sind.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelgetriebe (13) aus einem freien Hebelende (15) und zwei Hebelarm bildenden Stegen (14, 14', 14'', 14'') bestehen, und dass das freie Hebelende (15) über einen ersten der Stege (14, 14'') mit dem äußeren Teil (11) und einen zweiten der Stege (14', 14'') mit dem inneren Teil (12) in Verbindung steht.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des inneren Teils (12) eine Kreisbahn (20) beschreibt, deren Mittelpunkt (21) im Schnittpunkt verlängerter Hebelarme zweier Hebelgetriebe (13) liegt, wobei der Schnittpunkt einen Versatz zur optischen Achse (2) aufweist.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarm bildenden Stege (14, 14') parallel zueinander und tangential zu den Materialschnitten (10) ausgerichtet sind.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarm bildenden Stege (14'', 14'') am Hebelende (15) abgeknickt sind und sich gegenseitig verlängern.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelenden (15) für das Angreifen von Verstellelementen ausgebildet sind, wodurch das optische Element (1) in jede Richtung bewegbar ist, die senkrecht zur optischen Achse (2) verläuft.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellelement ein Gewindestift vorgesehen ist.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellelement ein Piezoaktuator vorgesehen ist.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Teil (11), der innere Teil (12) und die Hebelgetriebe (13) aus einem Stück gefertigt sind.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassungssteifigkeit in Richtung der optischen Achse (2) des zu fassenden optischen Elementes (1) durch die Fassungsdicke in dieser Richtung eingestellt ist.
Lateral verstellbare Fassung für optische Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende äußere Teil (11) mit einem übergeordneten Bauteil fest verbunden ist.