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Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einem in Richtung der Objektivachse mittels einer Linearführung beweglichen Linse, wie es gattungsgemäß aus der
DE 1 142 273 A bekannt ist.
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Bei Objektiven, die in ihrer Brennweite und/oder Schnittweite veränderlich sein sollen, müssen Einzellinsen oder Linsengruppen (nachfolgend beides Linse genannt) mittels einer Linearführung gegenüber anderen feststehenden Linsen axial verschiebbar sein, um die Gesamtbrennweite des Objektivs, die sich aus den Brennweiten aller Linsen und deren Abständen zueinander ergibt, gezielt verändern zu können.
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Für einen Verschiebeweg zwischen ca. 300 µm und mehreren mm ist die Linearführung in der Regel als Gleit- oder Kugelführung ausgeführt.
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Aufgrund der mit der Verschiebung erfolgenden Veränderung der Relativlage der Linsen zueinander ist es nicht möglich, wie bei Objektiven mit ausschließlich unbeweglichen Linsen, über eine einmalige Justierung des Objektives während der Montage eine definierte Lage aller Linsen und damit deren optische Achsen zueinander zu fixieren. Das heißt die bei der Montage eingestellten Toleranzabweichungen bleiben über den Verschiebeweg nicht konstant, sondern erfahren eine Änderung.
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Insbesondere an Präzisionsobjektive wird der Anspruch gestellt, dass über den vorgegebenen Verschiebeweg die hohe Abbildungsqualität erhalten bleibt. Die zu diesem Zweck im Stand der Technik getroffenen konstruktiven Maßnahmen, dienen dem Ausschluss oder der Verringerung störender Faktoren auf die an der Toleranzkette beteiligten Bauteile, wie Temperaturschwankungen, Verschleiß, Kontamination, fertigungsbedingte Toleranzen (Maß- und Formabweichungen) der einzelnen Bauteile und prinzipbedingte Toleranzen einer Linearführung (Spiel).
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In die Toleranzkette gehen grundsätzlich die Maße aller Bauteile ein, über welche die feststehenden Linsen und die beweglichen Linsen miteinander verbunden sind.
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Für die nachfolgend betrachtete Toleranzkette soll jedoch der Beitrag vernachlässigt werden, der durch die fest zu einer Bezugsbasis angeordneten Linsen beigesteuert wird, da er von der Verschiebung unabhängig, und damit auch ohne Einfluss auf eine Änderung der Montagetoleranzabweichung ist.
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Das heißt die Toleranzkette wird nachfolgend beschränkt betrachtet, auf die Bauteile und Bauteilverbindungen zwischen der beweglichen Linse und einer festen Bezugsbasis, zu der die feststehenden Linsen fixiert sind, da nur diese an einer Änderung der Montagetoleranzabweichung während der Verschiebung beteiligt sind.
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Maßabweichungen und Spiel innerhalb der Toleranzkette führen zur Dezentrierung und Verkippung der beweglichen Linse bei der Montage (Montagetoleranzabweichung) und einer Änderung dieser Dezentrierung und Verkippung (Änderung der Montagetoleranzabweichung) während des Betriebes des Objektives, das heißt während der Verschiebung der beweglichen Linse innerhalb eines vorgegebenen Verschiebeweges.
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Die Dezentrierung führt zu einem Auswandern des Scheitelpunktes der Linse gegenüber der Objektivachse. Die Verkippung bewirkt eine Verkippung der optischen Achse der beweglichen Linse, die durch eine die Krümmungsmittelpunkte der Linse verbindenden Gerade bestimmt ist, gegenüber der Objektivachse.
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Um eine mögliche Änderung der Montagetoleranzabweichung über den gesamten Verschiebeweg innerhalb einer vorgegebenen Toleranz zu halten, werden die Fertigungstoleranzen der in die Toleranzkette eingehenden Bauteile und deren Spiel zueinander möglichst gering und die Toleranzkette möglichst kurz gehalten.
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Für Präzisionsobjektive ist die zulässige Toleranz in der Regel kleiner 5 µm. Präzisionsobjektive werden z. B. für Belichtungssysteme in der Mikromaterialbearbeitung und in der Mikrolithografie sowie in der Inspektions- und Messtechnik eingesetzt.
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Der Stand der Technik offenbart, im Zusammenhang mit der Verwendung in Objektiven, unterschiedliche Linearführungen, die durch eine präzise Fertigung der Laufflächen ein nur kleines Spiel aufweisen und die über eine große Führungslänge eine mögliche Verkippung minimieren.
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Aus der
DE 1 883 663 U ist ein pankratisches Objektiv bekannt, bestehend aus einer Frontlinse, einer Hinterlinse und einer mittleren Linse, die gemeinsam auf einer optischen Achse angeordnet sind und bei dem die mittlere Linse längs der optischen Achse beweglich ist. Zu diesem Zweck ist die Linsenfassung, in der die mittlere Linse gefasst ist, in einer Hülse, in der die Frontlinse und die Hinterlinse ortsfest gefasst sind, gleitend geführt. Mit anderen Worten, die bewegliche Linse ist in einer beweglichen Hohlwelle gefasst, die innerhalb einer koaxial angeordneten feststehenden Hohlwelle gleitend geführt ist.
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Die eigentlichen Führungsbahnen werden von V-Nuten gebildet, die in der Linsenfassung und der Hülse paarweise gegenüberliegend vorhanden sind. Zwischen jedem Nutenpaar ist eine Führungsnadel eingelegt. Die Nutenpaare mit Führungsnadel sollen sowohl einer guten Führung in axialer Richtung als auch gleichzeitig als Drehsicherung dienen.
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Einen Beitrag zur Toleranzkette liefern hier die Maß- und Lageabweichungen der Linsenfassung mit den V-Nuten, der Führungsnadel und der V-Nuten der Hülse.
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Im Vergleich zu Linearführungen, bei denen die Führungsflächen direkt durch Umfangsflächen der Hohlwellen gebildet werden, kann mit einer Gleitführung gemäß der
DE 1 883 663 U das Führungsspiel vergleichsweise verringert werden, da die beiden Hohlwellen mit den Führungsnadeln über die Gleitflächen der V-Nuten nur in Linienberührung stehen, womit die Gleitreibung minimiert wird und das Spiel zwischen den Gleitflächen und der Führungsnadel enger toleriert werden kann.
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Zusätzlich zu dem Spiel der Führung, welches sich in Abhängigkeit von der Führungslänge als Toleranzabweichung auswirkt, trägt die Abweichung der mechanischen Achse der Linsenfassung zur optischen Achse der Linse zur Toleranzabweichung bei. Um diese Abweichung möglichst gering zu halten, ist es heutzutage üblich, die Linsenfassung mit der gefassten Linse mittels Zentrierdrehen zu bearbeiten. Zu diesem Zweck muss die Linsenfassung aus einem gut spanbaren Material bestehen. Derartige Materialien sind allerdings nicht hart genug, um daraus eine dauerhaft hochwertige Lauffläche einer Führung herzustellen. Man kann daher darauf schließen, dass eine konstruktive Lösung gemäß der
DE 1 883 663 U nicht die Anforderungen an ein Präzisionsobjektiv erfüllt.
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Aus der
US 2008/0279491 A1 ist ein Kameraobjektiv mit einer feststehenden und zwei beweglichen Linsen bekannt.
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Die feststehende Linse wird durch ein Halteelement gehalten, welches fest mit dem Kameragehäuse verbunden ist.
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Eine erste bewegliche Linse ist über eine Linsenfassung fest mit einer inneren beweglichen Hohlwelle und eine zweite bewegliche Linse ist über eine Linsenfassung fest mit einer äußeren beweglichen Hohlwelle verbunden.
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Zwischen den beiden beweglichen, zueinander koaxial angeordneten Hohlwellen steckt eine am Kameragehäuse fixierte Hohlwelle, an der die innere und äußere bewegliche Hohlwelle in Richtung der optischen Achse linear geführt sind.
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Mit einer derartigen Lösung ist es möglich, die Linsenfassungen aus einem verhältnismäßig weichen zum Zentrierdrehen geeigneten Material und die Hohlwellen aus einem verschleißfesten verhältnismäßig harten Material herzustellen.
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Nachteilig ist jedoch, dass die beweglichen Hohlwellen zusätzlich als Bauteile mit ihrer Wandstärke in die Toleranzkette zwischen den beweglichen und der festen Linse mit eingehen.
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In der
DE 1 142 273 A ist ein Objektiv offenbart, bei dem innerhalb eines festen Objektivtubus eine Fassungshülse, in der zu verschiebende optische Bauteile gefasst sind, in Richtung der optischen Achse des Objektivs geradlinig verschiebbar ist. Mit anderen Worten, innerhalb einer feststehenden Hohlwelle ist eine bewegliche Hohlwelle koaxial geführt, in der zu verschiebende Bauteile gefasst sind.
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Auf dem Tubus ist ein axial nicht verschiebbarer Einstellring angeordnet, der mit einer spiralförmigen Nut versehen ist, in welche ein Mitnehmerstift eingreift. Der Mitnehmerstift greift durch einen im Objektivtubus ausgebildeten Schlitz hindurch und ist mit einer Zwischenhülse fest verbunden, die als ein Kugelkäfig ausgebildet ist und zwei Reihen von Kugeln trägt. Diese Kugeln rollen bei der axialen Verschiebung, die durch eine Verdrehung des Einstellringes bewirkt wird, auf dem Innendurchmesser des Objektivtubus und dem Außendurchmesser der Fassungshülse ab.
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Auch hier dient die äußere Umfangsfläche der Linsenfassung als Führungsfläche, hier allerdings für Lagerkugeln, was ebenfalls den mit der Beschreibung der
DE 1 883 663 U aufgezeigten Nachteil hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv mit einer in Richtung der Objektivachse mittels einer Linearführung beweglichen Linse zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln die Änderung der Montagetoleranzabweichungen über den Verschiebeweg möglichst gering gehalten wird.
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Diese Aufgabe wird für ein Objektiv, mit wenigstens einer auf der Objektivachse angeordneten feststehenden Linse und wenigstens einer in Richtung der Objektivachse beweglichen Linse sowie einer Linearführung, die zwei entlang der Objektivachse zueinander koaxial angeordnete Hohlwellen umfasst, deren einander zugewandte Umfangsflächen Führungsflächen der Linearführung darstellen und von denen eine Hohlwelle eine feststehende Hohlwelle ist, die mit der feststehenden Linse fest verbunden ist und die andere Hohlwelle eine bewegliche Hohlwelle ist, die mit der beweglichen Linse fest in Verbindung steht, dadurch gelöst, dass die Verbindung zwischen der beweglichen Linse und der beweglichen Hohlwelle über eine Linsenfassung hergestellt ist, die eine Fügefläche mit einem gleichen Krümmungsradius aufweist wie die Führungsfläche der beweglichen Hohlwelle.
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Damit geht im Unterschied zum Stand der Technik die bewegliche Hohlwelle als ein nennmaßbehaftetes Bauteil nicht mit in die Toleranzkette ein.
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Die Fügefläche an der Linsenfassung kann als eine innenliegende (innere) Umfangsfläche oder eine außenliegende (äußere) Umfangsfläche ausgebildet sein und sowohl mittelbar als auch unmittelbar mit der Führungsfläche der beweglichen Hohlwelle verbunden sein.
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Ist die bewegliche Hohlwelle innerhalb der festen Hohlwelle angeordnet, womit die äußere Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle deren Führungsfläche darstellt, dann kann die Fügefläche entweder als eine innere Umfangsfläche der Linsenfassung ausgebildet sein, die unmittelbar an der äußeren Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle anliegt oder die Fügefläche ist als eine äußere Umfangsfläche der Linsenfassung ausgebildet, die, mittelbar über einen Ring, der bevorzugt ein Zentrierring ist, mit der äußeren Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle in Verbindung steht.
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Indem die Linsenfassung über die Fügefläche mit der Führungsfläche der beweglichen Hohlwelle und nicht, wie im Stand der Technik üblich, mit der der Führungsfläche koaxial gegenüberliegenden Umfangsfläche verbunden ist, geht die Wanddicke der bewegliche Hohlwelle nicht in die Toleranzkette ein, womit die Toleranzkette verkürzt wird.
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Dieser Vorteil ergibt sich grundsätzlich unabhängig davon wie die Linearführung konstruktiv ausgeführt ist.
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Vorteilhaft stellt die Linearführung eine Kugelführung dar.
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Dabei können die bewegliche und die feststehende Hohlwelle über freilaufende Lagerkugeln mittelbar in Verbindung stehen oder aber die Lagerkugeln laufen in einem Kugelkäfig, was eine Verkürzung der Baulänge der Linearführung ermöglicht. Die Kugeln weisen ein geringfügiges Übermaß auf, wodurch ein Spiel innerhalb des Kugelspaltes, dessen Breite durch die Differenz des Krümmungsradius zwischen den beiden Führungsbahnen bestimmt ist, verhindert wird.
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Die Linearführung kann auch eine Gleitführung sein. Hierzu können eine innere und eine äußere Umfangsfläche entweder in direktem Kontakt stehen oder es sind in diesen Flächen Ausnehmungen vorgesehen, wie z. B. sich gegenüberliegende V-Nuten, in denen ein Gleitkörper liegt, über den ein mittelbarer Kontakt gegeben ist.
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Es ist auch vorteilhaft die Linearführung als eine pneumatische Führung auszubilden.
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Anhand der Zeichnung wird das Objektiv im Folgenden beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Prinzipskizze einer Linearführung mit verschiebbarer Linse eines Objektives gemäß dem Stand der Technik
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2 Prinzipskizze der ersten Alternative einer Linearführung mit verschiebbarer Linse eines erfindungsgemäßen Objektives
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3 Prinzipskizze für ein erstes Ausführungsbeispiel eines Objektives mit einer Linearführung gemäß 2
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4 Prinzipskizze für ein zweites Ausführungsbeispiel eines Objektives mit einer Linearführung gemäß 2
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5 Prinzipskizze der zweiten Alternative einer Linearführung mit verschiebbarer Linse eines erfindungsgemäßen Objektives
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6 Prinzipskizze für ein drittes Ausführungsbeispiel eines Objektives mit einer Linearführung gemäß 5
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7 Prinzipskizze für ein viertes Ausführungsbeispiel eines Objektives mit einer Linearführung gemäß 5
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8 Prinzipskizze für ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Objektives mit einer Linearführung gemäß 5
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Zum einfachen Verständnis der Erfindung ist in der
1 vergleichsweise eine Linearführung eines Objektives des Standes der Technik, wie es grundsätzlich durch die
DE 1 142 273 A bekannt ist, dargestellt.
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In dieser Figur und bei allen weiteren Figuren ist die Darstellung der einzelnen gezeigten Bauteile auf ein Prinzipbild reduziert und die optische Achse einer beweglichen Linse 1 fällt, die Toleranzabweichungen vernachlässigend, mit der Objektivachse, die durch feststehende Linsen 10 bestimmt ist, zusammen. Man kann auch sagen, dass die feststehenden Linsen 10 auf der Objektivachse fest angeordnet sind und die bewegliche Linse 1 auf der Objektivachse verschiebbar ist. Sowohl die bewegliche Linse 1 als auch die feststehenden Linsen 10 können Einzellinsen oder Linsengruppen sein, die in einer Linsenfassung 4 oder in mehreren miteinander verbundenen Linsenfassungen 4 gefasst sind.
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Der Einfachheit wegen wird bei nachfolgender Beschreibung jeweils von einer Linse gesprochen.
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Gemäß dem Stand der Technik, gezeigt in 1, ist eine bewegliche Linse 1 ummittelbar in der inneren Umfangsfläche einer beweglichen Hohlwelle 2 (dort Fassungshülse genannt) gefasst, die gemeinsam mit einer diese koaxial umschließenden, feststehenden Hohlwelle 3 (dort Objektivtubus genannt) eine Linearführung darstellt. Wie bereits im Stand der Technik erläutert, führt die Zuordnung der beiden Funktionen – Fassung einer Linse einerseits und Bereitstellung einer Führungsbahn andererseits – zu nur einem Bauteil dazu, dass dieses Bauteil für eines der beiden Funktionen nicht aus einem hierzu bevorzugten Material bestehen kann.
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Um die mechanische Achse einer Linsenfassung 4 möglichst genau mit der optischen Achse der darin gefassten Linse in Übereinstimmung zu bringen, wird die Umfangsfläche der Linsenfassung 4 bevorzugt durch Zentrierdrehen bearbeitet, sodass sie möglichst genau konzentrisch die optische Achse 1 der gefassten Linse umschließt. Geeignete Materialien hierfür sind z. B. Messing und Aluminium.
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Zur Herstellung von Führungsflächen, die naturgemäß Reibekräften ausgesetzt sind, werden vergleichsweise härtere Materialien verwendet wie z. B. Stahl, um Verschleiß und damit verbundene Oberflächen- und Maßveränderungen auszuschließen.
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Gemäß
1 wird die bewegliche Hohlwelle
2, in der die bewegliche Linse
1 gefasst ist, innerhalb der feststehenden Hohlwelle
3 koaxial geführt, sodass die äußere Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle
2 eine Führungsfläche
5 der Linearführung bildet. In dem Spalt, gebildet zwischen dieser Führungsfläche
5 und der als Führungsfläche
6 der feststehenden Hohlwelle
3 dienenden inneren Umfangsfläche sind beispielsweise gemäß der
DE 1 142 273 A in einem Kugelkäfig liegend, Lagerkugeln
7 eingebracht, womit die Linearführung als eine Kugelführung ausgeführt ist.
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Die feststehenden Linsen des Objektives stehen mit der feststehenden Hohlwelle 3 in fester Verbindung.
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Im Unterschied hierzu, dargestellt in 2 und den folgenden Figuren, ist bei einem erfindungsgemäßen Objektiv die bewegliche Linse 1 in einer Linsenfassung 4 gefasst, die eine Fügefläche 11 mit einem gleichen Krümmungsradius wie die an der beweglichen Hohlwelle 2 vorhandene Führungsfläche 5 aufweist.
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Es gibt verschiedene Alternativen für eine Verbindung der gefassten beweglichen Linse 1 mit der Linearführung.
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Eine erste Alternative, dargestellt in 2, zeigt die bewegliche Linse 1 in einer Linsenfassung 4, die mit einer äußeren Umfangsfläche, die als Fügefläche 11 dient, an der inneren Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle 2 anliegt. Die bewegliche Hohlwelle 2 umschließt die feststehende Hohlwelle 3, wodurch die innere Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle 2 die Führungsfläche 5 und die äußere Umfangsfläche der feststehenden Hohlwelle 3 die Führungsfläche 6 der Linearführung darstellen.
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Die Linearführung kann eine Gleitführung, eine pneumatische Führung, eine hydrostatische Führung oder, wie hier dargestellt, eine Kugelführung sein.
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In den 3 und 4 sind beispielhaft im Prinzip zwei Objektive gezeigt, die auf der ersten Alternative gemäß 2 basieren.
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3 zeigt ein Objektiv, bei dem die bewegliche Linse 1 über die Linsenfassung 4, die Führungsfläche 5 der beweglichen Hohlwelle 2, die Lagerkugeln 7, und die Führungsfläche 6 der feststehenden Hohlwelle 3 mit einem Objektivtubus 8 in Verbindung steht, an dessen innerer Umfangsfläche auch die äußeren Umfangsflächen von zwei Fassungsringen 9 anliegen, in denen jeweils eine feststehende Linse 10 gefasst ist.
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4 zeigt ein Objektiv, bei dem über zwei Linearführungen, jeweils gebildet durch eine bewegliche Hohlwelle 2 und eine gemeinsame feststehende Hohlwelle 3, zwei bewegliche Linsen 1 gegenüber feststehenden Linsen 10 verschiebbar angeordnet sind.
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Eine zweite Alternative, dargestellt in 5, zeigt die bewegliche Linse 1 in einer Linsenfassung 4, an der eine innere Umfangsfläche ausgebildet ist, die als Fügefläche 11 dient und die an der äußeren Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle 2 anliegt. Die bewegliche Hohlwelle 2 wird von der feststehenden Hohlwelle 3 umschlossen, weshalb die äußere Umfangsfläche der beweglichen Hohlwelle 2 eine Führungsfläche 5 und die innere Umfangsfläche der feststehenden Hohlwelle 3 eine Führungsfläche 6 der Linearführung darstellen.
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Die Linearführung kann eine Gleitführung, eine pneumatische Führung oder, wie hier dargestellt, eine Kugelführung sein.
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In der 6 ist beispielhaft im Prinzip ein Objektiv gezeigt, das auf der zweiten Alternative gemäß 5 basiert.
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6 zeigt ein Objektiv, bei dem die bewegliche Linse 1 über eine an der Linsenfassung 4 ausgebildete innere Umfangsfläche, die Führungsfläche 5 der beweglichen Hohlwelle 2 und Lagerkugeln 7 mit der Führungsfläche 6 der feststehenden Hohlwelle 6 in Verbindung steht, an der auch die äußeren Umfangsflächen von vier Fassungsringen 9, in denen jeweils eine feststehende Linse 10 gefasst ist, anliegen.
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Eine dritte Alternative ist in 7 dargestellt. Sie unterscheidet sich zur zweiten Alternative dadurch, dass die an der Linsenfassung 4 ausgebildete Fügefläche 11 nicht durch eine innere Umfangsfläche, sondern durch eine äußere Umfangsfläche gebildet wird, die sich in der Regel fertigungstechnisch einfacher herstellen lässt. Die bewegliche Hohlwelle 2 und die Linsenfassung 4 sind in einen Ring 12 eingepasst, der Langlöcher aufweist, in denen Lagerkugeln 7 mit oder auch ohne einen Kugelkäfig laufen.
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8 zeigt ein Objektiv, welches auf der dritten Alternative gemäß 7 beruht. Die bewegliche Linse 1 ist in der Linsenfassung 4 gefasst und eine äußere Umfangsfläche, die als Fügefläche 11 dient, wurde durch Zentrierdrehen hergestellt, sodass die mechanische Achse mit der optischen Achse der Linse 1 weitest möglich in Übereinstimmung gebracht ist. Diese Fügefläche 11 weist einen gleichen Krümmungsradius auf, wie die Führungsfläche 5 der beweglichen Hohlwelle 2. Zur Montage der beiden Bauteile werden diese nur leicht über die Stirnfläche 13 der beweglichen Hohlwelle 2 miteinander verschraubt, damit ein geringes Radialspiel erhalten bleibt. Anschließend wird um die beiden Bauteile ein Zentrierring gelegt und festgezogen, wodurch sich die mechanischen Achsen der beiden Bauteile übereinander legen.
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Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, dass die Fügefläche 11 an der Linsenfassung 4 mit einem gleichen Krümmungsradius hergestellt wird wie die Führungsfläche 5 der beweglichen Hohlwelle 2 und die Linsenfassung 4 und die bewegliche Hohlwelle 2 unmittelbar oder mittelbar, ohne dass ein nennmaßbehaftetes Bauteil dazwischen liegt, miteinander verbunden werden, sodass ihre mechanischen Achsen zusammenfallen.
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Die Toleranzkette ist damit die gleiche, als wenn die Fügefläche 11 und die Führungsfläche 5 der beweglichen Hohlwelle 2 eine selbe Fläche sind.
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Grundsätzlich ist die Erfindungsidee nicht beschränkt auf Objektive mit beweglichen Linsen 1 anwendbar, sondern könnte auch für optische Systeme Anwendung finden, in denen ein Element, z. B. ein Keil, der auf der optischen Achse des optischen Systems angeordnet ist, um die optische Achse drehbar sein soll. Die bewegliche Hohlwelle 2 und die feststehende Hohlwelle 3 werden dann als Bestandteile eines Radiallagers ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- bewegliche Linse
- 2
- bewegliche Hohlwelle
- 3
- feststehende Hohlwelle
- 4
- Linsenfassung
- 5
- Führungsfläche der beweglichen Hohlwelle 2
- 6
- Führungsfläche der feststehenden Hohlwelle 3
- 7
- Lagerkugel
- 8
- Objektivtubus
- 9
- Fassungsring
- 10
- feststehende Linse
- 11
- Fügefläche
- 12
- Ring
- 13
- Stirnfläche
