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Die Erfindung betrifft eine Fassungsbaugruppe, bestehend aus einer Fassung und einem in dieser radial elastisch gefassten Element. Häufig handelt es sich bei derartig gefassten Elementen um Linsen. Die Fassung wird dann in der Regel als Linsenfassung und die Fassungsbaugruppe als Linsenträger bezeichnet.
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Ein derartiger Linsenträger ist gattungsgemäß aus der
EP 1 094 348 B1 bekannt.
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Bei der Entwicklung von UV- und DUV-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 dass dynamische und thermische Belastungen zu keinen Verspannungen oder zur Dejustage des optischen Elementes führen.
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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.
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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 bestehen aus einem elastischen Material und sind formschlüssig in der Fassung derart gehalten, dass sie unter Vorspannung an der Linse anliegen.
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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.
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Auch im deutschen Gebrauchsmuster
DE 86 25 896 U1 ist eine 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.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass über den in radialer Richtung starren Ring dynamische Belastungen nahezu ungedämpft auf die Linse übertragen werden.
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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.
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Aus der
DE 196 32 267 A1 ist ein Linsenträger bekannt, bei welchem an der Linsenfassung ausgebildete Rastnasen an einer an der Linse (auch gekittete Linsengruppe) ausgebildeten Eingriffsnut anliegen, um die Linse in der Fassung durch Kraftschluss zu halten. 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.
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Die Fassung ist weder thermisch noch mechanisch stabil. Bei einer unterschiedlichen Ausdehnung und Schrumpfung der Linse und der Linsenfassung infolge einer thermischen Belastung kommt es zwangsläufig zu einer relativen Verschiebung der Linse gegenüber der Fassung und damit zur Reibung insbesondere 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. Nachteilig ist auch, dass die Linse über ihre optisch wirksame Stirnfläche angedrückt wird, was zur Deformation der Linse führen kann.
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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, vorteilhaft 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.
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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.
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Zur Verbesserung der Lagestabilität wird vorgeschlagen, einen ebenfalls mit elastischen Rippen versehenen Vorschraubring bzw. einen einzuklebenden Steckring zu verwenden, der die Linse zusätzlich in axialer Richtung fixiert.
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Aus der
US 7 471 470 B2 ist eine Linsenfassung bekannt, in der die Linse radial über radial vorgespannte, sich in axialer Richtung der Linsenfassung erstreckende Haltearme (dort Versteifungsstützen) gehalten wird. Axial liegt die Linse mit einer Stirnfläche auf einem ringförmigen Bund auf, der an einem gleichen Fassungsteil ausgebildet ist wie die Haltearme. Bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen der Linse und der Linsenfassung kommt es zwangsläufig zu einer Relativbewegung zwischen der Linse und dem ringförmigen Bund. Damit diese nicht unkontrolliert zu einer Dezentrierung der Linse führt, wirken über die Haltearme durch die permanente Vorspannung gleichmäßig verteilt radiale Kräfte ein, welche die Linse zentriert halten. Diese Haltekräfte führen jedoch zwangsläufig auch zu Verspannungen in der Linse und damit zu einer Beeinträchtigung ihrer optischen Abbildungsqualität, die in vielen Anwendungsfällen, jedoch nicht immer toleriert werden kann.
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In der
US 3 601 343 A wird ein zylindrischer Körper spannungsfrei in einer Halterung aufgenommen. Die Halterung besteht aus einem stabilen Fassungsring (dort Basis), mit dessen Innenfläche ein blechartiger Hohlzylinder fest verbunden ist. Von einer Stirnfläche ausgehend ist der Hohlzylinder in gleichmäßigen Abständen geschlitzt, sodass er zungenartige Haltearme (dort Stützelemente) ausbildet. Die freien Enden der Haltearme sind an deren Innenflächen fest mit dem Umfang des aufzunehmenden Körpers verbunden. Zwischen der Verbindungsstelle zum Fassungsring und den Verbindungsstellen zum Körper weisen die Haltearme eine freie Länge auf. Durch die Länge und die zungenartige Form der Haltearme wird dem Körper eine radiale Ausdehnung gegenüber dem Fassungsring ermöglicht, ohne dass eine axiale Bewegung oder eine Rotation auftreten kann. Durch den mehrteiligen Aufbau der Halterung ist diese jedoch aufwändig in der Herstellung.
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Bei einer in der
EP 1 107 034 A2 beschriebenen Fassung zum deformationsarmen Lagern eines optischen Elements wird das optische Element durch drei gleichmäßig verteilte Auflagen axial bestimmt und durch drei maßhaltig ausgedrehte Umfangsspalte radial zentriert in der Fassung aufgenommen. Anschließend wird das optische Element mit einer umlaufenden Klebung an radial verlaufenden Mantelflächen befestigt und auch abgedichtet. Da die Fassung über keine Vorrichtung zur Kompensation thermischer Ausdehnungen verfügt, kann bei dieser Fassung jedoch nicht von einer kraftfreien Aufnahme des optischen Elements ausgegangen werden.
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In der
DE 41 13 956 C2 wird eine Linsenfassung beschrieben, in der optische Elemente mit wenigstens zwei ebenen Seitenflächen aufgenommen werden. Die Aufnahme erfolgt mit seitlich angeklebten Verbindungselementen, die in Ausnehmungen der Linsenfassung gelagert und verklebt werden. Die Klebung zwischen optischem Element und Verbindungselement weist eine gewisse Elastizität auf, die eine axiale Dehnungsdifferenz ausgleichen kann. Das optische Element wird dabei an Flächen des Verbindungselements geführt. Maßnahmen, die eine radiale Dehnungsdifferenz beachten, sind jedoch nicht beschrieben.
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Aus der vorgenannten
EP 1 094 348 B1 ist ein Linsenträger bekannt, bei dem an der Umfangsfläche einer Linse eine Ringnut ausgebildet ist und an der Linsenfassung monolithisch radial elastische Segmente ausgebildet sind, deren freie Enden in die Ringnut radial eingreifen, und die Linse ausschließlich über diese Verbindung radial und axial gehaltert ist. 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, sodass sich die Linse selbst in der Linsenfassung zentriert. Die Federsteifigkeit der einzelnen Segmente sowie die durch sie auf die Linse einwirkende Vorspannkraft sind gleich.
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Eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Linsenfassung und der Linse wird in radialer Richtung über die Federwirkung der Segmente kompensiert. Dadurch, dass die Linse mit der Fassung ausschließlich über die elastischen Segmente verbunden ist, werden dynamische Belastungen nur gedämpft auf die Linse übertragen.
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Das im Wesentlichen kraftschlüssige Halten der Linse in der Linsenfassung hat jedoch einige Nachteile. Zum einen wird durch die Vielzahl der in die Ringnut eingreifenden Segmente die Linse überbestimmt gehalten, was eine hochgenaue Fertigung der Verbindung, das heißt der Ringnut und der Segmente, in sehr engen Toleranzen erfordert, um undefinierte Verspannungen zu vermeiden. Zum anderen sind Verspannungen in der Linse, als Folge der auf das gehaltene Element wirkenden Klemmkräfte, die erforderlich sind, um die Linse auch bei mechanischen Belastungen sicher zu halten, nicht zu vermeiden. Zwar kann man versuchen, die Ringnut in eine Ebene zu legen, in der ein Krafteintrag einen möglichst nur geringen Effekt auf die optisch wirksamen Flächen hat, jedoch ist die Beeinflussung der Abbildungsqualität nicht ganz zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linsenträger gemäß der vorgenannten
EP 1 094 348 B1 so zu verbessern, dass geringere Ansprüche an die Fertigungstoleranzen des Linsenträgers gestellt werden können und keine für einen Kraftschluss erforderlichen Haltekräfte auf die Linse wirken.
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Diese Aufgabe wird für eine Fassungsbaugruppe mit einer monolithischen Fassung und einem Element, welches eine Stirnfläche und wenigstens eine zylinderförmige Umfangsfläche aufweist, wobei die Fassung aus einem Fassungsring mit einer Symmetrieachse besteht, an dem eine Vielzahl von konzentrisch um die Symmetrieachse angeordneten, sich wenigstens teilweise in axialer Richtung erstreckenden Haltearmen mit freien Enden ausgebildet sind, und die freien Enden an dem Element anliegen, gelöst. Dabei weisen drei der Haltearme eine erste Länge auf und liegen an der Stirnfläche an. Die anderen der Haltearme weisen eine zweite Länge auf und sind stoffschlüssig mit einer der wenigstens einen Umfangsfläche verbunden. Die erste Länge und die zweite Länge sind ungleich.
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Vorteilhaft weist das Element eine äußere Umfangsfläche, eine durch die äußere Umfangsfläche begrenzte kreisringförmige Stirnfläche und eine an die kreisringförmige Stirnfläche angrenzende, zurückgesetzte Umfangsfläche auf. Die erste Länge ist größer als die zweite Länge und die somit kürzeren Haltearme mit der zweiten Länge sind mit der zurückgesetzten Umfangsfläche verbunden, während die längeren Haltearme mit der ersten Länge mit der diese umschließenden Stirnfläche verbunden sind. In diesem Fall können die Haltearme bis auf ihre Länge in ihrer Geometrie und Dimension identisch ausgeführt sein.
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Vorteilhaft ist die stoffschlüssige Verbindung der Halteelemente an der Umfangsfläche mittels Klebstoff hergestellt.
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Zur Aufnahme des Klebstoffes sind an den freien Enden vorteilhaft Vertiefungen zur Aufnahme des Klebstoffes ausgebildet.
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Eine erfindungsgemäße Fassungsbaugruppe wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fassungsbaugruppe in Draufsicht,
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1b den Fassungsring einer Fassungsbaugruppe gemäß 1a in perspektivischer Ansicht,
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1c einen Ausschnitt eines Schnittbildes der Fassungsbaugruppe gemäß 1a mit gefasstem Element,
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1d einen Ausschnitt eines Schnittbildes der Fassungsbaugruppe gemäß 1a mit gefasstem Element,
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1e ein vereinfachtes Schnittbild durch einen Haltearm einer Fassungsbaugruppe gemäß 1a,
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2 ein vereinfachtes Schnittbild durch eine zweite Ausführung eines Haltearmes und
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3 ein vereinfachtes Schnittbild durch eine dritte Ausführung eines Haltearmes.
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Eine erfindungsgemäße Fassungsbaugruppe besteht grundsätzlich ausschließlich aus einer monolithischen Fassung 1, einem gefassten Element 2 und einem Klebstoff 9.
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Die monolithische Fassung 1 stellt einen geschlossenen Fassungsring 5 mit einer Symmetrieachse 5.0 dar, dessen geschlossene Ringform zur Symmetrieachse 5.0 hin durch axial verlaufende Schlitze aufgehoben ist und in eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Haltearmen 6.1, 6.2 mit jeweils einem freien Ende 7.1, 7.2 übergeht.
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Die Haltearme 6.1, 6.2 sind durch ihre Geometrie, ihre Dimensionierung und das Material der Fassung 1 vergleichsweise radial elastisch und axial sowie gegen Verdrehung steif ausgeführt.
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Das Element 2 kann z. B. eine einzelne Planplatte, ein einzelner Keil, eine einzelne Linse oder eine Kittgruppe aus den genannten einzelnen Teilen sein. Entscheidend ist, dass das Element 2 eine zylindrische Umfangsfläche, über die es radial in der Fassung 1 gefasst werden kann, und eine hierzu orthogonal liegende Stirnfläche 3, über die es axial gehalten werden kann, aufweist.
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Die zylindrische Umfangsfläche kann eine äußere Umfangsfläche 4.1 oder auch eine gegenüber dieser zurückgesetzte Umfangsfläche 4.2 sein, die sich z. B. bei Kittgruppen ergibt, wenn die Einzelteile einen unterschiedlichen Außendurchmesser aufweisen oder wenn an den Einzelteilen umlaufend ein kreisringförmiger Absatz gefertigt ist.
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Als die Stirnfläche 3 des Elementes 2 soll eine an die Umfangsflächen 4.1, 4.2 orthogonal angrenzende Planfläche verstanden werden. Sie kann z. B. im Falle einer Planplatte, einer Plankonvex- oder Plankonkavlinse bereits gegeben sein oder als kreisringförmiger Absatz oder drei kreisringsegmentförmige Aussparungen an dem Element 2 angearbeitet sein.
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Wie an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert werden wird, hat die Ausbildung eines kreisringförmigen Absatzes sowohl für die Herstellung des Fassungsringes 5 als auch für das spannungsarme Halten des Elementes 2 in der Fassung 1 einige Vorzüge.
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Es gibt zwei Gruppen von Haltearmen 6.1, 6.2. Sie haben eine unterschiedliche Funktion, woraus sich für sie zwingend eine unterschiedliche Länge l1, l2 ergibt.
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Die erste Gruppe der Haltearme 6.1 weist eine erste Länge l1 auf. Sie umfasst genau drei Haltearme 6.1, die bevorzugt um 120° zueinander versetzt angeordnet sind und dem axialen Halten des Elementes 2 dienen. Sie liegen bevorzugt unmittelbar mit ihren freien Enden 7.1 an der Stirnfläche 3 am Element 2 an. Theoretisch ideal wäre eine wirkliche Dreipunktauflage, was jedoch praktisch aufgrund der zu hohen entstehenden Flächenpressung schon allein durch die Gewichtskraft des Elementes 2 nicht möglich ist, weshalb an den freien Enden 7.1 vorteilhaft eng begrenzte Planflächen vorgesehen werden. An die Ebenheit der Stirnfläche 3 müssen dann keine hohen Anorderungen gestellt werden. Über die entstehende quasi Dreipunktauflage wird die axiale Lage des Elementes 2 innerhalb der Fassung 1 definiert.
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Das Element 2 kann durch zusätzliche Mittel kraftschlüssig axial fixiert sein oder stoffschlüssig durch eine mittelbare Anlage, bevorzugt über Klebstoff 9 fixiert sein. Die Verwendung von Klebstoff 9 ist jedoch eher ungünstig, da die Haltearme 6.1 in axialer Richtung im Vergleich zur radialen Richtung steif sind und ein Schwund der Klebstoffes 9 beim Aushärten nicht durch eine elastische Nachgiebigkeit kompensiert wird.
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Die zweite Gruppe der Haltearme 6.2 weist eine zweite Länge l2 auf. Sie umfasst eine unbestimmte Anzahl von bevorzugt wenigstens dem Dreifachen der Haltearme 6.1 der ersten Gruppe und dient dem radialen Fassen des Elementes 2.
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Ob die erste Länge l1 oder die zweite Länge l2 die größere Länge ist, hängt davon ab, ob die für das radiale Fassen genutzte Umfangsfläche die für das axiale Fassen genutzte Stirnfläche 3 umschließt oder von dieser umschlossen wird.
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Bei einer Planplatte ohne einen Absatz beispielsweise wird man für das radiale Fassen die nur eine vorhandene Umfangsfläche, nämlich die äußere Umfangsfläche 4.1 verwenden, welche die Stirnfläche 3 zwangsläufig umschließt. Entsprechend muss die zweite Länge l2 größer der ersten Länge l1 sein.
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Das hat jedoch den Nachteil, dass die Haltearme 6.1 mit der ersten Länge l1 unterschiedlich geometrisch ausgeführt werden müssen als die Haltearme 6.2 mit der zweiten Länge l2, da sie nicht nur durch eine Differenzierung ihrer Länge ihrer unterschiedlichen Funktion gerecht werden können.
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Darüber hinaus kann sich die Fassung 1 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen durch eine grundsätzlich unterschiedliche geometrische Gestaltung der Haltearme 6.1, 6.2 unterscheiden, die mit den beschriebenen Ausführungen der Elemente 2 unterschiedlich kombiniert werden können. In den 1e, 2 und 3 sind vereinfachte Teilschnitte verschiedener geeigneter Ausführungen der Haltearme 6.1, 6.2 gezeigt.
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In jedem Fall sind die Haltearme 6.1, 6.2 in axialer Richtung steifer als in radialer Richtung.
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Auch sind sie vergleichsweise steif gegen Verdrehung. Sie gleichen durch ihre Elastizität in radialer Richtung sowohl thermische Dehnungsunterschiede zwischen dem Element 2 und dem Fassungsring 5 als auch den möglichen Schwund des Klebstoffes 9 beim Aushärten aus. Da die Haltearme 6.2 in radialer Richtung trotz des zur Beschreibung der Erfindung gewählten Namens keine Haltefunktion haben, sondern nur das Element 2 gegen eine Verdrehung sichern, werden sie mit dem Einbringen des Elementes 2 nicht vorgespannt. Die Verbindungen zwischen den Haltearmen 6.2 und dem Element 2 in radialer Richtung sind quasi reine stoffschlüssige Verbindungen. Vorteilhaft wird auch der Abstand zwischen den radialen Anlageflächen und den axialen Anlageflächen möglichst gering gewählt.
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In den 1a bis 1e ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Fassungsbaugruppe gezeigt.
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Das Element 2 weist hier einen kreisringförmigen Absatz auf, womit eine Stirnfläche 3 zur Verfügung steht, die die zurückgesetzte Umfangsfläche 4.2 einschließt. Die Haltearme 6.1, 6.2 können dann abgesehen von ihrer Länge gleich ausgeführt sein. Das heißt, lediglich die erste Länge l1 der Haltearme 6.1, die an die Stirnfläche 3 angelegt sind, ist größer als die zweite Länge l2 der Haltearme 6.2, die an die eingeschlossene, zurückgesetzte Umfangsfläche 4.2 angelegt sind. Allein dieser Unterschied ist ausreichend, damit die Haltearme 6.1 mit der ersten Länge l1, die zurückgesetzte Umfangsfläche 4.2 aufgrund des nicht mit Klebstoff 9 gefüllten Klebespaltes nicht berührend, unmittelbar an die Stirnfläche 3 und die Haltearme 6.2 mit der zweiten Länge l2 mittelbar über Klebstoff 9 an die zurückgesetzte Umfangsfläche 4.2 zur Anlage gebracht werden können. Folglich muss bei der Herstellung der Fassung 1 erst in einem letzten Arbeitsschritt der Herausarbeitung der Haltearme 6.1, 6.2 aus dem Fassungsring 5 zwischen den Haltearmen 6.1, 6.2 unterschieden werden. Selbst beim Einbringen von Vertiefungen für Klebstoff 9 muss nicht differenziert werden; es darf nur lediglich kein Klebstoff 9 in die Vertiefungen gegeben werden, die in den drei Haltearmen 6.1 mit der ersten Länge l1 hergestellt werden, die zum axialen Fassen vorgesehen sind. Vorteilhaft können die Vertiefungen hergestellt werden, indem in alle Haltearme 6.1, 6.2 eine umlaufende Nut 8, welche nur durch die Schlitze zwischen den Haltearmen 6.1, 6.2 unterbrochen wird, eingebracht wird. Die axialen und radialen Anlageflächen der Haltearme 6.1, 6.2 an dem Element 2 können vorteilhaft sehr nah beieinander angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fassung
- 2
- Element
- 3
- Stirnfläche
- 4.1
- äußere Umfangsfläche
- 4.2
- zurückgesetzte Umfangsfläche
- 5
- Fassungsring
- 5.0
- Symmetrieachse des Fassungsringes 5
- 6.1
- Haltearm mit erster Länge l1
- 6.2
- Haltearm mit zweiter Länge l2
- 7.1
- freies Ende des Haltearmes 6.1 mit der ersten Länge l1
- 7.2
- freies Ende des Haltearmes 6.2 mit der zweiten Länge l2
- 8
- Nut
- 9
- Klebstoff
