-
Die
Erfindung betrifft eine spannungsarme Optikfassung, die eine kinematisch
eindeutig bestimmte Lagerung eines Optikteils in einer Fassung aufweist.
-
In
DE 103 42 269 A1 wird
eine Optikfassung beschrieben bei der ein Dreipunkt-Federring ein Optikteil
auf drei gegenüberliegende
Auflageflächen
der Fassung drückt.
Die Auflageflächen
sind als Planflächen
ausgebildet, welche das Optikteil am Rand berühren.
-
Aus
EP 1 179 746 A2 ist
eine Optikfassung bekannt, bei der ein halbkugelförmiges Auflager
in einer konischen Lagerschale der Fassung liegt. Die Planfläche des
halbkugelförmigen
Auflagers hat Kontakt mit dem optischen Bauteil. Eine durch mechanische
Mittel erzeugte Federkraft drückt
das optische Bauteil gegen die Planfläche des halbkugelförmigen Auflagers.
Derartige Baugruppen lagern das optische Bauteil sowohl in axialer
Richtung als auch in radialer Richtung. Die Anordnung ist vergleichsweise
aufwendig.
-
In
DE 100 30 004 A1 wird
eine Optikfassung beschrieben, bei der Lagerkugeln über in den
Randbereich des optischen Elements eingebrachte nutförmige Vertiefungen
die Lage des optischen Elements bestimmen. Eine Sicherungseinrichtung
presst das optische Element in axialer Richtung gegen die Lagerkugeln.
-
Die
Erfindung soll die Verbindung eines optischen Bauelementes mit einem
mechanischen Bauelement, das sogenannte Fassen verbessern. Es soll eine
neue einfach herstellbare Fassung eines optischen Bauelements beschrieben
werden, in der das optische Bauteil sehr spannungsarm und mechanisch
sicher und eindeutig gehaltert wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs
1 gelöst.
Die Unteransprüche
2 bis 9 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1.
-
Der
gefundene Lösungsansatz
ist dadurch charakterisiert, das die Lagedefinition eindeutig über eine
Formelemente-Paarung erfolgt. Es werden also alle 6 Bewegungsfreiheitsgrade
durch Formelemente gesperrt. Die Formelemente hierzu können aus
verschiedenen Paarungen von Formelementen bestehen, wie Kugel-Kugelfläche, Kugel-Ebene,
Kugel-V-Nut, Zylinder-Ebene, Kugel-Kegel, Ebene-Ebene, Zylinder-V-Nut
oder Zylinder-Zylinder. Ihre Anordnung kann bezüglich eines optischen Bauelementes radial,
axial oder als Kombination von beiden erfolgen. Die Formelemente
können
sowohl am optischen Bauelement, am Fassungselement oder über mittelbare
Elemente, insbesondere eingelegte Kugeln, realisiert werden.
-
Der
gefundene prinzipielle Aufbau grenzt sich von den bestehenden Lösung dadurch
ab, das er eine eindeutige Lagedefinition des optischen Bauelementes
ermöglicht,
ohne dass dabei verformende Kräfte
auf das optische Bauelement wirken bzw. bei nur sehr kleinen wirkenden
Kräften,
die eingestellt werden können.
-
Eine
besonders vorteilhafte Ausführung
ergibt sich durch die dreifache Verwendung der Paarung Kugel – V-Nut
in axialer Anordnung, wobei drei V-Nuten radialsymmetrisch in den
Rand der Linse eingearbeitet sind. Dabei soll die V-Nut einen Winkel α zwischen
0° und kleiner
90°, vorzugsweise
zwischen 0° und
60° einnehmen.
Die Schenkel der V-Nut schließen
einen Winkel zwischen 60° und
120°, insbesondere
von 90°,
zueinander ein. Es versteht sich, dass die Erfindung gleich wirkend
ist, wenn die V-Nuten in der Fassung und die Kugeln an der Linse
befestigt sind. Kugeln werden durch Kleben, Ansprengen oder Löten befestigt
oder direkt aus dem optischen Material herausgearbeitet (z. B. Spritzguss von
Kunststofflinsen). Die Linse liegt über die Kugeln in den V-Lagern
der Fassung und ist mechanisch eindeutig lagebestimmt.
-
Zur
Lagedefinition werden alle 6 Bewegungsfreiheitsgrade durch mechanische
Paarungsflächen
eliminiert. Die Vorteile einer solchen Anordnung liegen in der eindeutigen
Lagedefinition über diese
mechanische Flächen
(keine Veränderlichen Zustände wie
bei Sicherung durch Kraft- oder Stoffschluss), welche eine Anfälligkeit
gegen Störgrößen (Temperaturgang,
Deformation etc.) minimiert und der Spannungsarmut. Die Spannungsarmut
der Anordnung wird dadurch erreicht, dass die Lage des optischen
Bauelements durch mechanische Flächen eindeutig
bestimmt ist. Um die Paarung zwischen dem mechanischen Flächen der
Fassung und den mechanischen Flächen
des optischen Bauelementes aufrecht zu erhalten wird das Eigengewicht
des optischen Bauelementes (bei geeigneter Einbaulage) oder eine
geringe Vorspannkraft genutzt. Die Vorspannkraft (im Beispiel eine
Federkraft) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie, wenn sich das
optische Bauelement in seiner durch die mechanischen Flächen eindeutig
bestimmten Position befindet, klein ist. Wird das optische Bauelement
durch Störgrößen aus
dieser Sollposition ausgelenkt wirkt die Vorspannkraft rückstellend
in die kraftarme und damit spannungsarme Sollposition.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1:
Optisches Bauelement im Querschnitt
-
2:
Optisches Bauelement gemäß 1 in
der Draufsicht
-
3:
Fassung mit dem optischen Bauelement und Einstellung der Federkraft
in axialer Richtung
-
4:
Fassung mit dem optischen Bauelement und Einstellung der Federkraft
in radialer Richtung
-
5–7:
Fassung mit dem optischen Bauelement und Einstellung der Federkraft
in axialer Richtung durch eine Gewichtskraft
-
1 zeigt
ein optisches Bauelement als konkav-konvexe Linse 1, deren
erste optische Fläche 2 am
radialen Rand drei symmetrisch verteilte V-Nuten 4 aufweist.
Der Rand der zweiten optischen Fläche 3 wird von einer
Planfläche 5 umschlossen,
welche in radialer Richtung ausgedehnt ist. Wie in den 3 und 4 gezeigt
ist, dienen die drei V-Nuten zur Aufnahme von Kugeln 6 und
die Planfläche 5 ist eine
Andruckfläche
für drei
Federn 7.
-
2 zeigt
die Linse 1 gemäß 1 in
einer Draufsicht. Am Rand der ersten optischen Fläche 2 sind
drei Nuten 4', 4'' und 4''' eingearbeitet.
Die V-Nuten 4 weisen
zwei Flächen 12, 13 auf,
welche V-förmig
zueinander stehen. In radialer Richtung verlaufen die V-Nuten 4 in
einem Winkel α von
45° zu einer
Ebene, die senkrecht zur optischen Achse steht.
-
In
der Mitte der V-Nut ist eine Aussparung 14 eingebracht,
so dass eine eingelegte Kugel 6 nur Kontakt mit jeweils
einem Punkt auf jeder der Flächen 12 und 13 hat.
-
3 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer Fassung 10, welche eine Linse 1 fixiert.
Die Fassung 10 enthält
drei um 120° versetzt
eingebrachte Bohrungen 8, in die jeweils eine Kugel 6 eingelegt
ist. Die Linse 1 enthält
drei V-Nuten 4.
Im montierten Zustand liegt die Linse mit den V-Nuten 4' 4'' und 4''' auf den drei
Kugeln 6 und ist dadurch in sechs Freiheitsgraden lagedefiniert.
Die Verbindung zwischen den mechanischen Flächen der Linse und den Kugeln wird
mit Hilfe einer Vorspannkraft durch drei Federn gesichert. Die Fügerichtung
(Richtung aus der montiert wurde) wird durch drei Federn 7 gesperrt.
Die Federn 7 befinden sich jeweils um 120° versetzt
gegenüber
der Lage der Kugeln 6. Jede der Federn 7 kann
in der dargestellten Anordnung feinfühlig durch jeweils eine Klemmschraube 9 eingestellt
werden. Die Klemmschraube ist in axialer Richtung in die Fassung 10 eingeschraubt,
wobei der Schraubenkopf die Feder 7 an die Planfläche 5 der
Linse 1 drückt.
Ein Federring 17 garantiert die erforderliche Spielfreiheit. Eine
Sicherung der eingestellten Vorspannung kann beispielsweise stoffschlüssig durch
Kleben erfolgen.
-
Durch
die Paarungen Kugeln 6 in den V-Nuten 4 ist eine
eindeutige Lagedefinition gegeben. Befindet sich die Linse 1 in
dieser Position, sind keine, bzw. nur geringe Kräfte zur Lagedefinition notwendig. Erst
wenn die Linse ihre Sollposition verlässt, wirken die Federn 7 axial
rückstellend
in die Sollposition.
-
Die
Federn 7 können
mittels der Klemmschrauben 9 so vorgespannt werden, das
auf das optische Bauelement, in der durch mechanische Paarungsflächen eindeutig
definierten Sollposition keine oder nur geringe Kräfte wirken
und dadurch eine spannungsarme Fassung erreicht wird.
-
Bei
der Sicherung der Verbindung zwischen den mechanischen Flächen der
Linse und den Kugeln ist zu beachten, dass durch sie keine Überbestimmtheit
der Anordnung, das heißt
keine zusätzlichen
Lagedefinitionen erzeugt werden dürfen (zwangfreie Lagerung)
oder falls zusätzliche
Lagedefinitionen erzeugt werden, diese eine deutlich geringe Steifigkeit
als die Lage bestimmenden Paarungselemente haben (zwangarme Lagerung).
Zur eindeutigen Lagedefinition in allen 6 Freiheitsgraden genügen die
vorhandenen mechanischen Paarungen zwischen Linse und Kugeln. In
den beispielhaften Ausführungen
nach 3 und 4 werden durch die Federn zusätzliche
Lagedefinitionen erzeugt. Die Kontaktstellen zwischen Feder und
Linse führen
zu einer zusätzlichen
Lagedefinition in der Translation entlang der optischen Achse und
in den zwei Rotationen senkrecht zur optischen Achse. Die Überstimmtheit
in dieser Richtung wird durch die geringe Steifigkeit der Federn
in Auslenkungsrichtung kompensiert und es entsteht die geforderte
zwangarme Anordnung.
-
4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Fassung 10, wobei Klemmschrauben 9 vom äußeren Rand
betätigbar,
in radialer Richtung in Bohrungen 11 eingeschraubt sind
und eine Vorspannung der Federn 7 erzeugen. Die Bohrungen 11 haben
Aussparungen zur Aufnahme. Diese fixieren die Federn 7 in radialer
Richtung.
-
5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Fassung, die Vorspannkraft wird in diesem Fall durch 3 Federn aufgebracht
die auf einem gemeinsamen Ring befestigt sind. Die Linse 1 hat
drei V-Nuten 4, die jeweils mit einer Kugel 6 gepaart
sind, wobei die Kugeln 6 in Bohrungen 11 der Fassung 10 liegen. Zur
Festlegung der Lage der Linse 1 in Fügerichtung 16 dient
ein Ring 18, der drei symmetrisch verteilte Federn 7 trägt.
-
Der
Ring wird so in die mit der Linse 1 bestückte Fassung 10 eingelegt,
dass die Federn 7 über
den Bohrungen 8 liegen. Der Ring 18 liegt mit
einer Gewichtskraft auf der Linse auf. Anschließend wird der Ring 18 mit
der Fassung 10 an einer Verbindungsstelle 19 durch
Kleben oder Löten
verbunden.
-
Diese
Anordnung hat den Vorteil, dass durch einfaches Auflegen eines definierten
Gewichtes auf den Ring eine genau definierte Vorspannkraft aufgebracht
werden kann. Diese Vorspannkraft kann dann beispielsweise durch
eine stoffschlüssige
Verbindung (z. B. Kleben) des Ringes mit der Fassung gesichert werden.
Diese Ausführung
hat den weiteren Vorteil, dass Änderungen
in der stoffschlüssigen
Verbindung sich zwar auf die Vorspannkraft, aber nicht direkt auf
die eindeutige Lage des optischen Bauelementes auswirken.
-
6 zeigt
eine weitere Ansicht von 5 und 7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
aus 5.
-
- 1
- Linse
(optisches Bauelement)
- 2
- erste
(optische) Fläche
- 3
- zweite
(optische) Fläche
- 4
- V-Nut
- 5
- Planfläche
- 6
- Kugel
- 7
- Feder
- 8
- Bohrung
- 9
- Klemmschraube
- 10
- Fassung
- 11
- Bohrung
- 12
- Fläche
- 13
- Fläche
- 14
- Aussparung
- 15
- optische
Achse
- 16
- Fügerichtung
- 17
- Federring
- 18
- Ring
- 19
- Verbindungsstelle
- α
- Neigungswinkel
der Flächen
der V-Nut zu einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse steht