-
Die Erfindung betrifft eine justierbare Fassung mit einem in einen Außenrahmen und einen Innenrahmen unterteilten monolithischen Fassungskörper, in dem im Innenrahmen ein Element, insbesondere ein optisches Element gefasst werden kann, welches mit dem Innenrahmen in einer Justierebene zu einer orthogonal und mittig durch den Außenrahmen verlaufenden Achse (Außenrahmenachse) mittels Stellelementen justiert werden kann. Eine gattungsgemäße Fassung ist aus der
DE 10 2008 029 161 B3 bekannt.
-
Fassungen mit einem in einen Außenrahmen und einen Innenrahmen unterteilten monolithischen Fassungskörper werden durch Einbringen von Schlitzen, z. B. durch Elektroerosion oder Strahlschneiden, in einen in der Regel rotationssymmetrischen Grundkörper hergestellt, wobei zwischen dem Innenrahmen und dem Außenrahmen wenigstens drei Verbindungseinheiten bestehen bleiben. In der Regel sind der Außenrahmen und der Innenrahmen ringförmig. Wenigstens an zwei der Verbindungseinheiten greifen Stellelemente an, über die in die jeweilige Verbindungseinheit ein Stellweg eingeleitet werden kann. Die Vielzahl solcher aus dem Stand der Technik bekannten Fassungen unterscheiden sich insbesondere in der Anordnung und Ausführung dieser Verbindungseinheiten, die im Wesentlichen durch die Lage und den geometrischen Verlauf der Schlitze bestimmt werden. Die Anordnung und Ausführung der Verbindungseinheiten sind für die Kinematik des Innenrahmens gegenüber dem Außenrahmen, die sich durch die Kinematik der orthogonal und mittig durch den Innenrahmen verlaufenden Achse (Innenrahmenachse) gegenüber der Außenrahmenachse beschreiben lässt, bestimmend. Die durch die verschieden ausgeführten Verbindungseinheiten und deren Zusammenwirken bewirkte Kinematik unterscheidet sich dabei insbesondere in dem Übersetzungsverhältnis, mit dem ein jeweils in eine der Verbindungseinheiten eingeleiteter Stellweg in einen Justierweg, den die Innenrahmenachse beschreibt, umgesetzt wird. In der Regel haben der Außenrahmen und der Innenrahmen einen ringförmigen Querschnitt, was sich aus der üblichen kreisrunden Form von optischen Elementen ergibt, für die derartige Fassungen hauptsächlich vorgesehen sind. Der Außenrahmen und der Innenrahmen können aber grundsätzlich auch eine andere Querschnittsform aufweisen, z. B. rechteckig, insbesondere quadratisch, wobei unabhängig von der Querschnittsform sichergestellt werden muss, dass die Schlitzbreite zwischen dem Außenring und dem Innenring an jeder Stelle hinreichend groß ist, sodass innerhalb eines gewünschten Justierbereiches der Innenrahmen im Außenrahmen verschoben und/oder verdreht werden kann.
-
Grundsätzlich greifen wenigstens an zwei dieser Verbindungseinheiten im Außenrahmen fest eingesetzte Stellelemente, z. B. eingeschraubte Stellschrauben, an. Diese Verbeindungseinheiten werden nachfolgend als manipulierbare Verbindungseinheiten bezeichnet. Mit der Einleitung jeweils eines Stellweges mittels einem der Stellelemente in jeweils eine der manipulierbaren Verbindungen wird der Innenrahmen und damit die Innenrahmenachse gegenüber dem Außenrahmen und damit der Außenrahmenachse jeweils um einen Justierweg bewegt. Die Einleitung der Stellwege über verschiedene manipulierbare Verbindungen kann gleichzeitig oder auch nacheinander erfolgen. Da ein im Innenrahmen gefasstes Element, z. B. eine Linse oder ein Beugungsgitter, und damit die optische Achse oder die Mittenachse des im Innenrahmen gefassten Elementes eine feste Lage zur Innenrahmenachse hat, kann so die Lage der optischen Achse oder der Mittenachse des Elementes zur Außenrahmenachse justiert werden.
-
In Abhängigkeit von der Anordnung und Ausführung der Verbindungseinheiten und der Richtung eines eingeleiteten Stellweges ist die Richtung und der Verlauf des resultierenden Justierweges, dessen mögliche Länge und die Feinfühligkeit der Umsetzung des Stellweges in den Justierweg bestimmt.
-
Für eine einfache Bedienung sind idealerweise zwei manipulierbare Verbindungseinheiten vorhanden, an die Stellelemente angreifen und somit Stellwege eingeleitet werden können. In Zusammenwirkung mit wenigstens einer weiteren Verbindungseinheit, an der keine Stellschraube angreift, (nachfolgend passive Verbindungseinheit) werden die Stellwege wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Justierbereiches in möglichst senkrecht zueinander verlaufende, geradlinige Justierwege umgesetzt. Nachteilig kann der damit verbundene unsymmetrische Aufbau der Fassung sein.
-
Für größere vorgegebene Justierbereiche werden bevorzugt drei solcher manipulierbaren Verbindungseinheiten angeordnet. Der sich damit ergebende symmetrische Aufbau, bei einer um 120° zueinander versetzten Anordnung der manipulierbaren Verbindungseinheiten, hat den Vorteil der mechanischen und thermischen Symmetrie. Die in die einzelnen Festkörpergelenke eingebrachten Spannungen bei einer Fassung mit drei manipulierbaren Verbindungseinheiten sind vergleichsweise geringer als die eingebrachten Spannungen in die einzelnen Festkörpergelenke von Fassungen mit zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten. Die Ausführung und Anzahl der manipulierbaren und insbesondere der passiven Verbindungseinheiten sind auch bestimmend für die Steifheit bzw. Nachgiebigkeit der Verbindung zwischen Innen- und Außenrahmen senkrecht zur Justierebene.
-
Die vorangehende Beschreibung der gattungsgleichen Fassungen ist allgemein gültig und trifft auch auf erfindungsgemäße Fassungen zu.
-
Eine erfindungsgemäße Fassung unterscheidet sich zu gattungsgleichen, aus dem Stand der Technik bekannten Fassungen insbesondere durch die Ausführung der manipulierbaren Verbindungseinheiten, die eine Justage über einen vergleichsweise großen Justierbereich bei einer vergleichsweise hohen Feinfühligkeit ermöglichen.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 199 01 295 A1 offenbart eine optische Baugruppe mit einer monolithischen Fassung, bestehend aus einem Außenrahmen (dort Außenfassung), einem Innenrahmen (dort Innenring), in dem ein optisches Element gehalten ist, sowie zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten zwischen dem Innenrahmen und dem Außenrahmen.
-
Durch das Zusammenspiel der einen bzw. der anderen manipulierbaren Verbindungseinheit (dort Verstellgelenk) mit einer zusätzlich vorhandenen passiven Verbindungseinheit werden für einen kleinen Justierbereich Justierwege entlang zweier nahezu senkrecht aufeinanderstehender Achsen und einem nahezu konstanten Übersetzungsverhältnis bewirkt.
-
Die passive Verbindungseinheit wird durch einen geraden Steg konstanter Dicke gebildet, dessen eines Ende in den Innenrahmen und dessen anderes Ende in den Außenrahmen übergeht und eine Festkörpergelenkkoppel mit einer über ihre Länge verteilten Nachgiebigkeit darstellt. Der Steg verläuft in Richtung einer ersten Tangente am Innenrahmen.
-
Die beiden manipulierbaren Verbindungseinheiten sind gleich. Sie werden jeweils durch einen Verstellhebel mit zwei zueinander parallelen, entlang einer zweiten Tangente angeordneten Hebelarmen gebildet und stellen jeweils ein Hebelgetriebe mit Festkörpergelenkkoppeln dar. Jeweils ein Ende der Hebelarme geht in den Verstellhebel über, während das jeweils andere Ende in den Außenrahmen bzw. den Innenrahmen übergeht. An den Verstellhebel greift in einem Angriffspunkt ein radial wirkendes Stellglied (hier Stellschraube) an.
-
Die manipulierbaren Verbindungseinheiten sind an zwei gegenüberliegenden Stellen in einem gleichen Winkelabstand zu der einen passiven Verbindungseinheit in der Fassung ausgebildet, sodass sich die erste Tangente mit den zwei zweiten Tangenten in einem Winkel von 90° schneidet.
-
Die Justierwege, wie sie sich durch ein unabhängiges Einleiten von Stellwegen über die beiden manipulierbaren Verbindungseinheiten ergeben, werden als Kreisbahnen der Innenrahmenachse um die beiden Schnittpunkte (Drehpole) der Tangenten beschrieben. Aufgrund eines nur kleinen Justierbereiches kann die Krümmung der Kreisbahnen vernachlässigt werden und es können die Bewegungsbahnen als lineare Justierwege verstanden werden, die radial von den Drehpolen und damit senkrecht zueinander verlaufen.
-
Die in radialer Richtung jeweils durch die beiden Stellelemente eingeleiteten Stellwege werden so in voneinander unabhängige Justierwege feinfühlig untersetzt. Dabei ist die Feinfühligkeit jeweils durch die Übersetzung des Hebelgetriebes und die Umsetzung in eine Drehung um einen Drehpol bestimmt. Eine Fassung mit einer vergleichbaren Kinematik ist aus der Patentanmeldung
EP 1 577 693 A2 bekannt.
-
Aus der Patentschrift
DE 10 2008 029 161 B3 ist eine optische Fassung mit drei gleichen, jeweils mittels eines Stellelementes manipulierbaren Verbindungseinheiten in Form von Kniehebeln (dort Kniehebelmanipulatoreinheiten) bekannt.
-
Eine manipulierbare Verbindungseinheit besteht dort aus zwei, als steif annehmbaren Gliedern, die mit einem Außenrahmen (dort äußerer Fassungsring) bzw. einem Innenrahmen (dort innerer Fassungsring) und untereinander über ein Festkörpergelenk verbunden sind. An dem die Glieder verbindenden Festkörpergelenk greift ein Stellelement, z. B. eine Stellschraube, an. Indem die im Außenrahmen geführte Stellschraube verdreht wird, wird das Festkörpergelenk zumindest für kleine Stellwege und bei einem großen Kniehebelwinkel zwischen den Gliedern im Wesentlichen in Wirkungsrichtung der Stellschraube verschoben, wobei sich der Kniehebelwinkel verändert.
-
Zwar dort nicht beschrieben, aber für den Fachmann ableitbar kann das mit dem Außenrahmen verbundene Festkörpergelenk für die kleinen Verstellwege der Fassung getriebetechnisch als ein gestellfestes Drehgelenk und das mit dem Innenrahmen verbundene Festkörpergelenk wenigstens überwiegend als ein Schubgelenk verstanden werden, das heißt, die Schubbewegung, welche das Schubgelenk ausführt, ist nicht zwingend eine rein translatorische Bewegung entlang einer Geraden.
-
Die Ausführung der manipulierbaren Verbindungseinheiten durch Kniehebel hat den Vorteil, dass eine sehr feinfühlige Verstellung des Innenrahmens möglich ist, was mit einer sehr kleinen Übersetzung erreicht wird. Der Justierbereich ist jedoch sehr gering und z. B. für eine Justierung von optischen Elementen innerhalb komplexer optischer Systeme oft nicht ausreichend.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithische Fassung mit einem Außenrahmen und einem Innenrahmen zu finden, bei der innerhalb eines vergleichsweise großen Justierbereiches mit einer vergleichsweise hohen Feinfühligkeit der Innenrahmen zum Außenrahmen justiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird für eine justierbare Fassung mit einem monolithischen Fassungskörper, der durch Schlitze in einen Außenrahmen mit einer Außenrahmenachse, die orthogonal und mittig durch den Außenrahmen verläuft, und einen Innenrahmen mit einer Innenrahmenachse, die orthogonal und mittig durch den Innenrahmen verläuft, sowie wenigstens zwei gleiche, in einer Ebene orthogonal zur Außenrahmenachse manipulierbare Verbindungseinheiten unterteilt ist und pro manipulierbare Verbindungseinheit ein erstes Stellelement mit einer ersten Stellachse aufweist, das im Außenrahmen geführt ist, gelöst. Die manipulierbaren Verbindungseinheiten umfassen jeweils ein erstes und ein zweites Koppelglied, die, miteinander einen ersten Winkel von ungleich 180° einschließend, über ein Koppelgelenk verbunden sind, womit sie einen Kniehebel darstellen. Das erste Koppelglied ist über ein Abtriebsgelenk mit dem Innenrahmen verbunden.
-
Für eine solche Fassung wird die Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
Der erste Winkel ist größer 160° und kleiner 200°.
-
Das erste Koppelglied ist orthogonal zu einer Verbindungsgeraden zwischen der Außenrahmenachse und einem Mittelpunkt des Abtriebsgelenkes angeordnet.
-
Das erste Stellelement ist mittelbar über einen im Außenrahmen gelagerten ersten Hebel und eine Zwischenkoppel mit dem Koppelgelenk verbunden, wobei die Zwischenkoppel mit dem ersten Koppelglied einen zweiten Winkel von ungleich 90°, größer 80° und kleiner 100° einschließt, womit ein Feintrieb gebildet ist.
-
Pro manipulierbare Verbindungseinheit ist ein zweites Stellelement mit einer zweiten Stellachse vorhanden, das über einen im Außenrahmen gelagerten zweiten Hebel mit dem zweiten Koppelglied mittelbar in Verbindung steht, womit ein Grobtrieb gebildet ist.
-
Für eine optimale Kraft- und/oder Wegübertragung werden die manipulierbaren Verbindungseinheiten wie folgt vorteilhaft ausgeführt.
-
Es ist von Vorteil, wenn der zweite Winkel halb so groß ist wie der erste Winkel.
-
Vorteilhaft ist die erste Stellachse orthogonal auf dem ersten Hebel und/oder die zweite Stellachse orthogonal auf dem zweiten Hebel angeordnet.
-
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Zwischenkoppel parallel zur ersten Stellachse angeordnet ist.
-
Günstig ist, wenn der erste Hebel eine antriebsseitige Hebellänge zwischen der Verbindung mit dem ersten Stellelement und einem ersten Hebellager und eine abtriebsseitige Hebellänge zwischen dem ersten Hebellager und der Verbindung mit der Zwischenkoppel aufweist, wobei die antriebsseitige Hebellänge um ein Mehrfaches größer ist als die abtriebsseitige Hebellänge.
-
Es ist von Vorteil, wenn das Abtriebsgelenk als ein Steg ausgeführt ist und in Richtung des ersten Koppelgliedes angeordnet ist.
-
Anhand der Zeichnungen wird die optische Baugruppe im Folgenden beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine ringförmige Fassung mit zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten in Draufsicht,
-
2 eine ringförmige Fassung mit drei manipulierbaren Verbindungseinheiten in Draufsicht,
-
3a–3b quaderförmige Fassungen mit einem die Fassung aufteilenden, ringförmig verlaufenden Schlitz,
-
4a–4c quaderförmige Fassungen mit einem die Fassung aufteilenden, quadratisch verlaufenden Schlitz,
-
5a ein erstes Ausführungsbeispiel für eine manipulierbare Verbindungseinheit in Verbindung mit Stellelementen als Schnittbild,
-
5b eine Verbindungseinheit nach 5a als ein Getriebeschema dargestellt und
-
5c die Verbindungseinheit nach 5a überlagert von dem durch sie entsprechend 5b verkörperten Getriebeschema.
-
Grundsätzlich weist eine erfindungsgemäße Fassung einen monolithischen Fassungskörper 1 auf, der durch Schlitze in einen Außenrahmen 2 mit einer mittig und orthogonal zum Querschnitt durch den Außenrahmen verlaufenden Achse, nachfolgend Außenrahmenachse 2.0, wenigstens zwei gleiche in einer Ebene orthogonal zur Außenrahmenachse 2.0 manipulierbare Verbindungseinheiten 5 und einen Innenrahmen 3 mit einer mittig und orthogonal zum Querschnitt durch den Innenrahmen 3 verlaufenden Achse, nachfolgend Innenrahmenachse 3.0, unterteilt ist. Im Innenrahmen 3 kann ein Element, z. B. eine Linse oder ein Spiegel mit einer optischen Achse oder z. B. eine Blende, ein Filter oder ein optisches Gitter mit einer geometrischen Mittenachse, gefasst werden. Im Außenrahmen 2 sind Stellelemente, nachfolgend erste Stellelemente 6 und zweite Stellelemente 11, gelagert, die jeweils mit einer der manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 in Kontakt stehen.
-
Eine manipulierbare Verbindungseinheit 5 wird aus einem ebenen mehrgliedrigen Koppelmechanismus mit starren Gliedern, die untereinander über Festkörpergelenke verbunden sind, gebildet.
-
Die Glieder umfassen zwei Antriebsglieder, die einen ersten Hebel 9 und einen zweiten Hebel 10 darstellen, ein Abtriebsglied, welches ein erstes Koppelglied 7.1 eines Kniehebels darstellt, sowie ein zweites Koppelglied 7.2 des Kniehebels und eine Zwischenkoppel 12.
-
Die Festkörpergelenke, über welche die Glieder untereinander verbunden sind, umfassen ein Gelenk zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelglied 7.1, 7.2, nachfolgend Koppelgelenk 8, ein Gelenk zwischen dem ersten Hebel 9 und der Zwischenkoppel 12, nachfolgend erstes Hebelgelenk 9.4, und ein Gelenk zwischen dem zweiten Hebel 10 und dem zweiten Koppelglied 7.2, nachfolgend zweites Hebelgelenk 10.4.
-
Der Innenrahmen 3 ist mit dem ersten Koppelglied 7.1, welches das eine Abtriebsglied darstellt, über ein Festkörpergelenk, nachfolgend Abtriebsgelenk 4, verbunden.
-
Der Außenrahmen 2 ist mit dem ersten Hebel 9 über ein Festkörpergelenk, nachfolgend erstes Hebellager 9.3, und mit dem zweiten Hebel 10 über ein weiteres Festkörpergelenk, nachfolgend zweites Hebellager 10.3, verbunden.
-
Über die zwei Antriebsglieder, das heißt über den ersten bzw. den zweiten Hebel 9, 10, kann voneinander unabhängig mittels eines der ersten Stellelemente 6 bzw. eines der zweiten Stellelemente 11 vergleichsweise ein kleiner Stellweg mit einer hohen Feinfühligkeit bzw. ein großer Stellweg mit einer geringen Feinfühligkeit in einen Justierweg übersetzt und in den Innenrahmen 3 eingeleitet werden.
-
Die manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 sind gleich und stellen jeweils zwei ineinander integrierte Hebelgetriebe dar. Dabei wird eines der Hebelgetriebe durch den ersten Hebel 9, die Zwischenkoppel 12 und das erste Koppelglied 7.1 gebildet und stellt zusammen mit dem an den ersten Hebel 9 angreifenden ersten Stellelement 6 einen Feintrieb dar, während das andere Hebelgetriebe durch den zweiten Hebel 10, das zweite Koppelglied 7.2 und ebenfalls das erste Koppelglied 7.1 gebildet wird und zusammen mit dem an den zweiten Hebel 10 angreifenden zweiten Stellelement 11 einen Grobtrieb darstellt. Das heißt, ein in eines der beiden Hebelgetriebe eingeleiteter Stellweg wird mit einer Übersetzung, bestimmt durch das jeweilige Hebelgetriebe, jeweils über das erste Koppelglied 7.1 in einen Justierweg des Innenrahmens 3 umgesetzt.
-
Mit dem Grobtrieb kann z. B. eine Grobjustage der Innenrahmenachse 3.0 zur Außenrahmenachse 2.0 in einem verhältnismäßig großen Justierbereich, z. B. bis +/–300 μm, und mit einer Auflösung von z. B. größer 1 μm bewirkt werden.
-
Mit dem Feintrieb kann innerhalb eines verhältnismäßig kleinen Justierteilbereiches, der wenigstens so groß wie die Auflösung des Grobtriebes ist, eine Feinjustage mit einer Feinfühligkeit von z. B. bis +/–10 nm bewirkt werden. Durch die Integration der Hebelgetriebe kann dieser Justierteilbereich innerhalb des Justierbereiches des Grobtriebes beliebig verschoben werden.
-
Damit das eine Hebelgetriebe als Grobtrieb und das andere Hebelgetriebe als Feintrieb funktioniert, müssen bestimmte Dimensionierungen und Relativlagen der Glieder zueinander und innerhalb der Fassung eingehalten werden.
-
Wesentlich ist, dass das erste Koppelglied 7.1 orthogonal zu einer die Außenrahmenachse 2.0 und den Mittelpunkt des Abtriebsgelenkes 4 schneidenden Verbindungsgeraden angeordnet ist. Abweichungen hiervon führen zwar nicht zur Funktionsunfähigkeit, jedoch dazu, dass die mit der Auslenkung eingeleitete Kraft nicht ausschließlich in Richtung auf das Abtriebsgelenk 4 hin wirkt sondern anteilig auf ein in der Fassung gehaltenes Element. In jedem Fall führt eine Abweichung von dieser Anordnung zu einer geänderten Übersetzung durch die beiden Hebelgetriebe und damit zu einem verringerten Justierweg bei einem gleichen eingeleiteten Stellweg.
-
Das Abtriebsgelenk 4 kann ebenso wie die anderen Festkörpergelenke, die sämtlich als Drehgelenke wirken, als eine Verjüngung zwischen den angrenzenden Gliedern ausgebildet sein. Da es jedoch die Funktion hat, einen Weg in Richtung des ersten Koppelgliedes 7.1 in den Innenrahmen 3 einzuleiten und vornehmlich als Schubgelenk wirkt, ist es vorteilhaft als ein ausgedehnter Steg ausgebildet, der vorteilhaft in Richtung des ersten Koppelgliedes 7.1 verlaufend angeordnet ist.
-
Darüber hinaus müssen die beiden Koppelglieder 7.1, 7.2 einen Winkel miteinander einschließen, nachfolgend erster Winkel α, der vorteilhaft nahe, aber zwingend ungleich 180° ist. Das heißt, bei einer Auslenkung der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 innerhalb des gesamten Justierbereiches und einer damit einhergehenden Verkleinerung bzw. Vergrößerung des ersten Winkels α darf der erste Winkel α nicht 180° annehmen. Je weiter er jedoch von 180° abweicht, desto ungünstiger wird die Übersetzung des in den Grobtrieb eingeleiteten Stellweges, sodass ein gleicher Justierweg eine größere Auslenkung der Festkörpergelenke erfordert, die höhere Spannungen in den Festkörpergelenken zur Folge hat. Eine vernünftige Untergrenze/Obergrenze für den ersten Winkel α sollte daher bei 160°/200° liegen.
-
Eine dritte wesentliche Bedingung wird mit dem Winkel zwischen der Zwischenkoppel 12 und dem ersten Koppelglied 7.1, nachfolgend zweiter Winkel β, erfüllt. Der zweite Winkel β ist vorteilhaft, gleich dem halben ersten Winkel α, möglichst annähernd 90°, darf jedoch bei einer Auslenkung der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 innerhalb des gesamten Justierbereiches nicht 90° annehmen. Je weiter er jedoch von 90° abweicht, desto ungünstiger wird die Übersetzung des in den Feintrieb eingeleiteten Stellweges, sodass ein gleicher Justierweg eine größere Auslenkung der Festkörpergelenke erfordert, die höhere Spannungen in den Festkörpergelenken zur Folge hat. Eine vernünftige Untergrenze/Obergrenze für den zweiten Winkel β sollte daher bei 80°/100° liegen.
-
In den
1 und
2 sind Fassungen mit einem ringförmigen Fassungskörper
1, der über eine ringförmige Schlitzführung in einen ringförmigen Außenrahmen
2 und einen ringförmigen Innenrahmen
3 unterteilt ist, mit zwei bzw. drei manipulierbaren Verbindungseinheiten
5 gezeigt. Die Anordnung der zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten
5 zueinander und zu einer passiven Verbindungseinheit ist gleich einer aus dem Stand der Technik, z. B. in der
DE 199 01 295 A1 offenbarten Anordnung. Die drei manipulierbaren Verbindungseinheiten
5 sind ebenfalls gemäß dem Stand der Technik, wie z. B. aus der
DE 10 2008 029 161 B3 bekannt, um 120° zueinander versetzt angeordnet.
-
Die 3a und 3b zeigen jeweils eine Fassung mit einem quaderförmigen Fassungskörper 1, der über eine ringförmige Schlitzführung in einen Außenrahmen 2 und einen Innenrahmen 3 unterteilt ist. Die beiden hier gezeigten Fassungen unterscheiden sich in der Anordnung des als Steg ausgebildeten Abtriebsgelenks 4.
-
Die 4a bis 4c zeigen Fassungen mit einem quaderförmigen Fassungskörper 1, der über eine quadratförmige Schlitzführung in einen Außenrahmen 2 und einen Innenrahmen 3 unterteilt ist. Die drei hier gezeigten Fassungen unterscheiden sich in der Anordnung des als Steg ausgebildeten Abtriebsgelenks 4 bzw. eines passiven Verbindungselementes.
-
Ebenso wie ringförmige Fassungen gemäß der 1, mit zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten 5, oder gemäß 2, mit drei manipulierbaren Verbindungseinheiten 5, können quaderförmige Fassungen gemäß der 3a bis 3b und 4a bis 4c mit zwei manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 oder, wie nicht dargestellt, mit drei manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 ausgeführt werden.
-
Die Darstellungen in allen Figuren zeigen die Ausgangsposition der Fassungen, das heißt, die Festkörpergelenke sind nicht ausgelenkt und die Außenrahmenachse 2.0 und die Innenrahmenachse 3.0, die in diesen Fassungsausführungen Symmetrieachsen darstellen, fallen zusammen. Wie gezeigt ist, muss der Querschnitt der Fassungen nicht kreisförmig sein, wie es zur Einfassung von rotationssymmetrischen optischen Elementen üblich ist. Der Querschnitt der Fassungen kann auch rechteckig, insbesondere quadratisch sein, um z. B. ein Prisma zu fassen. Als Fassungsquerschnitt wird hierbei der Querschnitt der zur Aufnahme eines Elementes vorgesehenen Öffnung im Fassungskörper 1 verstanden.
-
Wie der Fachmann weiß, bedeutet die Justierung der Innenrahmenachse 3.0 zur Außenrahmenachse 2.0 nicht, dass die Innenrahmenachse 3.0 mit der Außenrahmenachse 2.0 in Deckung gebracht werden soll, sondern dass eine Achse eines im Innenrahmen 3 gefassten Elementes – das kann eine optische Achse oder eine geometrische Achse sein, die eine feste Relativlage zur Innenrahmenachse 3.0 aufweist – zu einer anderen Achse, z. B. eines anderen Elementes, das eine feste Relativlage zur Außenrahmenachse 2.0 der in ein System integrierten Fassung hat, justiert wird.
-
Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Fassung auch mehr als drei manipulierbare Verbindungseinheiten
5 aufweisen. Im Falle, dass nur zwei manipulierbare Verbindungseinheiten
5 ausgebildet werden, muss es eine zusätzliche passive Verbindungseinheit geben, die beispielsweise gleich einer passiven Verbindungseinheit gemäß der
DE 199 01 295 A1 oder einer ersten Verbindung gemäß der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2013 109 605 A1 ausgeführt ist. Zusätzliche weitere passive Verbindungseinheiten sind unabhängig von der Anzahl der manipulierbaren Verbindungseinheiten
5 möglich, womit insbesondere die axiale Steifigkeit der Fassung erhöht werden kann.
-
In allen Varianten von Fassungen gemäß der 1 bis 4 können die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 realisiert werden.
-
Der Einfachheit halber werden die Ausführungsbeispiele für die manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 anhand ihre Anordnung in einer Fassung mit einer ringförmigen Schlitzführung beschrieben. Wenn bei den Beschreibungen von radial oder tangential, was bezogen auf die Schlitzführung zu verstehen ist, gesprochen wird, soll, für eine manipulierbare Verbindungseinheit 5 angeordnet in einer Fassung mit einer quadratischen Schlitzführung, bezogen auf die Schlitzführung, orthogonal oder parallel verstanden werden.
-
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine manipulierbare Verbindungseinheit 5 wird anhand der 5a, 5b und 5c erläutert. Dabei ist in 5a ein vergrößerter Ausschnitt der Fassung im Schnittbild dargestellt, in dem neben der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 das erste und zweite Stellelement 6, 11 gezeigt sind. In 5b ist ein von der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 vergegenständlichtes Getriebeschema gezeigt und in 5c ist die manipulierbare Verbindungseinheit 5 überlagert von dem Getriebeschema zu sehen.
-
Die manipulierbare Verbindungseinheit 5 weist, wie bereits erläutert, ein erstes Koppelglied 7.1 und ein zweites Koppelglied 7.2 auf, die miteinander über ein Koppelgelenk 8 verbunden sind und einen Kniehebel bilden. Vergleichbar mit dem Stand der Technik kann in das Koppelgelenk 8 ein Weg mit einem sehr kleinen Übersetzungsverhältnis und somit sehr feinfühlig eingeleitet werden. Da jedoch das Koppelgelenk 8 insbesondere mittels des Grobtriebes, der später für dieses Ausführungsbeispiel konkret erläutert wird, nicht nur radial zur Außenrahmenachse 2.0 sondern auch tangential ausgelenkt wird, wird dieser Weg vorteilhaft nicht gemäß dem Stand der Technik durch Einleiten eines Weges in ein unmittelbar an das Koppelgelenk 8 angreifendes, in radialer Richtung wirkendes, ortsfestes Stellelement bewirkt, sondern das erste Stellelement 6 greift an ein antriebsseitiges Ende eines ersten Hebels 9 an, der mit einem abtriebsseitigen Ende über eine Zwischenkoppel 12 mit dem Koppelgelenk 8 verbunden ist. Dieser erste Hebel 9 ist im Außenrahmen 2 in einem ersten Hebellager 9.3 gelagert. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Hebel 9 als ein zweiseitiger Hebel ausgeführt, der durch das erste Hebellager 9.3 in eine antriebsseitige Hebellänge 9.1 und eine abtriebsseitige Hebellänge 9.2 unterteilt ist. In Abhängigkeit von dem Hebelverhältnis des ersten Hebels 9 kann der über das erste Stellelement 6 in das antriebsseitige Ende des ersten Hebels 9 eingeleitete Stellweg vorteilhaft mit verkleinerndem Übersetzungsverhältnis übersetzt werden. Hauptsächlich erfolgt jedoch die Einleitung eines Stellweges in den gelagerten ersten Hebel 9, welcher den Stellweg in einen Weg in die Zwischenkoppel 12 übersetzt, um mit der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 durchgängig eine geführte Bewegung und damit definierte Wegeübersetzung zu erreichen. Bei einer Ausführung des ersten Stellelementes 6 als Stellschraube wird der Stellweg durch den eingeleiteten Drehwinkel und die Gewindesteigung bestimmt. Damit wird eine erste verkleinernde Übersetzung erreicht, die aber vergleichbar mit dem Stand der Technik bei allen gattungsgleichen Fassungen auf diese Weise erreicht wird. Anstelle einer einstufigen Stellschraube, wie in den Figuren gezeigt, kann hier z. B. auch eine zweistufige Stellschraube verwendet werden, um eine noch verkleinernder Übersetzung zu erreichen. Die Zwischenkoppel 12 ist vorteilhaft parallel zur ersten Stellachse 6.0 angeordnet und hat die Funktion, die tangentiale Auslenkung des Koppelgelenkes 8 auszugleichen und den Weg des abtriebsseitigen Hebelendes in das Koppelgelenk 8 einzuleiten. Die Zwischenkoppel 12 ist möglichst lang, länger als die Koppelglieder 7.1, 7.2, die vorteilhaft gleichlang sind. Der über die Zwischenkoppel 12 in das Koppelgelenk 8 eingeleitete Weg führt zu einer Bewegung des Koppelgelenkes 8 auf einer Kreisbahn um ein zweites Hebellager 10.3. Indem das erste Koppelglied 7.1 und das zweite Koppelglied 7.2 vorteilhaft einen ersten Winkel α von annähernd 180° miteinander einschließen und die Zwischenkoppel 12 diesen ersten Winkel α vorteilhaft halbiert, ist die radiale Komponente der Bewegungsbahn um das zweite Hebelgelenk 10.4 minimal. Je weniger der zweite Winkel β zwischen der Zwischenkoppel 12 und dem ersten Koppelglied 7.1 von 90° abweicht, desto feinfühliger wird der Weg der Zwischenkoppel 12 in einen Justierweg, der in den Innenrahmen 3 eingeleitet wird, übersetzt. Die Abweichung von 90° muss dabei lediglich so groß sein, dass der zweite Winkel β innerhalb des gesamten Justierbereiches niemals 90° einnimmt. Der über das erste Stellelement 6 eingeleitete Stellweg wird so mit einer sehr verkleinernden Übersetzung in eine sehr feinfühlige Justierbewegung des Innenrahmens 3, z. B. von +/–10 nm, übertragen. Die Bewegung des Abtriebsgelenkes 4 lässt sich getriebetechnisch als die Bewegung eines Schubgelenkes erklären.
-
Der Grobtrieb einer manipulierbaren Verbindungseinheit 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird durch einen zweiten Hebel 10 und die beiden einen Kniehebel bildenden Koppelglieder 7.1, 7.2 sowie das zweite Stellelement 11 gebildet. Als zweites Stellelement 11 kann man ebenfalls eine Stellschraube wählen.
-
Der zweite Hebel 10 ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel ein einseitiger Hebel, in den in einem Abstand einer antriebsseitigen Hebellänge 10.1 das zweite Stellelement 11, hier als eine Stellschraube ausgeführt, eingreift. In einem Abstand einer abtriebsseitigen Hebellänge 10.2 ist an dem zweiten Hebel 10 das zweite Hebelgelenk 10.4 ausgebildet.
-
Im Vergleich zum ersten Hebel 9 hat der zweite Hebel 10 die zusätzliche Funktion, eine Richtungsänderung bei der Übertragung des eingeleiteten Stellweges zu bewirken.
-
Während bei dem Feintrieb die Richtung des eingeleiteten Stellweges im Wesentlichen gleich der Richtung des Weges ist, wie er in das Koppelgelenk 8 übersetzt wird, schließt bei dem Grobtrieb die Richtung des eingeleiteten Stellweges mit der Richtung des Weges, wie er in das Koppelgelenk 8 übersetzt wird, einen Winkel größer 90° ein, wenn das zweite Stellelement 11 bedienungsfreundlich mit seiner zweiten Stellachse 11.0, ebenso wie die erste Stellachse 6.0 radial auf die Außenrahmenachse 2.0 gerichtet im Außenrahmen 2 angeordnet wird. Um diese Richtungsänderung zu unterstützen, ist der zweite Hebel 10 als ein Keilhebel ausgebildet, wobei die Verbindungslinien der Angriffspunkte des zweiten Stellelementes 11 bzw. des zweiten Hebelgelenkes 10.4 mit dem zweiten Hebellager 10.3 einen Keilwinkel, nachfolgend dritter Winkel γ, miteinander einschließen.
-
Eine optimale Übertragung eines in das zweite Stellelement 11 eingeleiteten Stellweges mittels des Grobtriebes wäre theoretisch gegeben, wenn der dritte Winkel γ 90° und die beiden Koppelglieder 7.1, 7.2, starr miteinander verbunden, einen ersten Winkel α von 180° miteinander einschließen würden. Für diesen Fall könnte jedoch von der Ausgangsposition aus keine Feinjustierung mittels des Feintriebes mit entgegengesetztem Richtungssinn erfolgen, weshalb die beiden Koppelglieder 7.1, 7.2 einen veränderlichen Winkel miteinander einschließen, der zwar nahe 180° ist, jedoch innerhalb des Bewegungsbereiches der manipulierbaren Verbindungseinheit 5 nie zu 180° wird. Entsprechend wird auch der dritte Winkel γ kleiner als 90° ausgeführt.
-
Um einen Stellweg mit dem ersten Stellelement 6 bzw. dem zweiten Stellelement 11 in den ersten Hebel 9 bzw. den zweiten Hebel 10 und damit in die manipulierbare Verbindungseinheit 5 verklemmungsfrei einzuleiten, sind die Stellelemente 6, 11 so zu den Hebeln 9,10 angeordnet, dass die erste Stellachse 6.0 des ersten Stellelementes 6 mit dem ersten Hebel 9 und die zweite Stellachse 11.0 des zweiten Stellelementes 11 mit dem zweiten Hebel 10 einen Winkel von 90° einschließen. Damit liegen die beiden Stellachsen 6.0, 11.0 tangential zu den Bewegungsbahnen, die ein auf den Stellachsen 6.0, 11.0 liegender Punkt der Hebel 9, 10 bei Einleitung eines Stellweges beschreibt. Die Abweichung der Bewegungsbahn von einer Geraden kann innerhalb eines kleinen Verstellbereiches von z. B. +/–300 μm vernachlässigt werden. Der bei Betätigung des Grobtriebes über das zweite Koppelglied 7.2 in das Koppelgelenk 8 eingeleitete Weg führt zu einer Bewegung des Koppelgelenkes 8 auf einer Kreisbahn um das erste Hebelgelenk 9.4. Indem das zweite Koppelglied 7.2 möglichst orthogonal zur Zwischenkoppel 12 angeordnet ist, ist die radiale Komponente der Bewegungsbahn minimal. Das heißt, je weniger der erste Winkel α zwischen dem zweiten Koppelglied 7.2 und dem ersten Koppelglied 7.1 von 180° und der zweite Winkel β von 90° abweicht, desto besser ist die Übersetzung des Weges des zweiten Koppelgliedes 7.2 in einen Justierweg, der in den Innenrahmen 3 eingeleitet wird.
-
In der monolithischen Bauweise sind die Koppelglieder 7.1, 7.2 und die Hebel 9, 10 vergleichsweise breite Stege, die weitestgehend starr sind. Die Festkörpergelenke, ausgenommen das Abtriebsgelenk 4, sind Materialverjüngungen auf kleinem Raum mit einer nahezu punktförmigen Nachgiebigkeit, sodass sie in ihrer Kinematik vergleichbar mit diskreten mechanischen Gelenken funktionieren. Die Zwischenkoppel 12 kann vorteilhaft eine über ihre Länge verteilte Nachgiebigkeit aufweisen und ist daher als ein vergleichsweise schmaler Steg ausgeführt. Das Abtriebsgelenk 4 ist ebenfalls als ein Steg ausgeführt.
-
Weitere Ausführungsbeispiele für die manipulierbaren Verbindungseinheiten 5 können sich insbesondere in den Ausführungen der Hebel 9, 10 unterscheiden. Hiermit kann das Übersetzungsverhältnis des Grob- bzw. des Feintriebes beeinflusst werden. Vornehmlich können die Hebel 9, 10 jedoch an eine gewünschte, für eine Bedienung oder den gegebenen Bauraum vorteilhafte Anordnung der Stellelemente 6, 11 im Außenrahmen 2 angepasst werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fassungskörper
- 2
- Außenrahmen
- 2.0
- Außenrahmenachse
- 3
- Innenrahmen
- 3.0
- Innenrahmenachse
- 4
- Abtriebsgelenk (Gelenk zwischen dem ersten Koppelglied und dem Innenrahmen)
- 5
- manipulierbare Verbindungseinheit
- 6
- erstes Stellelement
- 6.0
- erste Stellachse
- 7.1
- erstes Koppelglied
- 7.2
- zweites Koppelglied
- 8
- Koppelgelenk (Gelenk zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelglied)
- 9
- erster Hebel
- 9.1
- antriebsseitige Hebellänge des ersten Hebels
- 9.2
- abtriebsseitige Hebellänge des ersten Hebels
- 9.3
- erstes Hebellager (Gelenk zwischen dem ersten Hebel und dem Außenrahmen)
- 9.4
- erstes Hebelgelenk (Gelenk zwischen dem ersten Hebel und der Zwischenkoppel)
- 10
- zweiter Hebel
- 10.1
- antriebsseitige Hebellänge des zweiten Hebels
- 10.2
- abtriebsseitige Hebellänge des zweiten Hebels
- 10.3
- zweites Hebellager (Gelenk zwischen dem zweiten Hebel und dem Außenrahmen)
- 10.4
- zweites Hebelgelenk (Gelenk zwischen dem zweiten Hebel und dem zweiten Koppelglied)
- 11
- zweites Stellelement
- 11.0
- zweite Stellachse
- 12
- Zwischenkoppel
- α
- erster Winkel (Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelglied)
- β
- zweiter Winkel (Winkel zwischen der Zwischenkoppel und dem ersten Koppelglied)
- γ
- dritter Winkel (Keilwinkel des zweiten Hebels)
