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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Linsenhalterung in einem optischen System, insbesondere zur Lagefixierung
von Linsen und/oder Linsengruppen, wobei mindestens zwei optisch
wirksame Flächen
unter Ausbildung eines Luftspaltes miteinander in Kontakt stehen,
umfassend eine zur Aufnahme der Linsen und/oder Linsengruppen dienende
rohrförmige
Fassung, die zur axialen Lagepositionierung wenigstens einer Linse
und/oder Linsengruppe mit einer Anschlagfläche versehen ist.
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Es ist allgemein bekannt, dass Linsen,
beziehungsweise Linsengruppen in optischen Systemen in zylinderförmige Fassungen
eingebracht sind.
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Um dabei den gewünschten Abstand zwischen den
optischen Elementen auf der optischen Achse zu realisieren werden
oftmals Zwischenringe zwischen die Linsen, beziehungsweise Linsengruppen
eingebracht oder die Elemente an ihren nicht optisch wirksamen Flächen an
Auflagekonturen der Fassung angelegt.
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Bei bestimmten optischen Systemen
kann es von Vorteil sein, den Abstand der Elemente nicht über Zwischenringe
oder Auflageflächen
der Fassung zu realisieren, sondern die Linsen direkt mit ihren
optisch wirksamen Flächen
aneinander zu legen. Bei genauer Fertigung sich berührender
Funktionsflächen
können
enge Toleranzen des Luftraumes zwischen diesen Flächen eingehalten
werden.
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Um diesen Effekt zu nutzen werden
die Linsen im zunehmenden Maße
ungerichtet in eine als Rohrstutzen ausgebildete Füllfassung übereinander gelegt
und anschließend
mittels eines Vorschraubringes in der Fassung fixiert. Die Lagegenauigkeit
der optischen Elemente zueinander sowie relativ zur Fassung ist
dabei durch das Paarungsspiel zwischen Linsen bzw. Linsengruppen
und Fassung begrenzt und kann sich bei Erwärmung unter Funktionsbedingungen
weiter verschlechtern.
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In
US 5,570,237 A ,
JP 06347610 A und
JP 09211280 A werden
Linsenanordnungen beschrieben, bei denen die optischen Elemente
mit direktem Kontakt zweier Funktionsflächen zur Sicherung des Zentrierzustandes
zueinander vor dem Fassen an einem Abschnitt, der sich, von der
optischen Achse aus gesehen, außerhalb
des Kontaktbereiches befindet, miteinander verklebt werden. Diese
Anordnungen realisieren zwar sehr enge Luftabstände, haben aber den Nachteil,
dass zum einen im Falle einer nutzungsbedingten thermischen Belastung
der Systeme hohe Anforderungen an die verwendete Klebsubstanz gestellt
werden müssen
und zum anderen der fertigungstechnische Aufwand hoch ist.
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Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen
des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Linsenhalterung, bevorzugt zur Fixierung von miteinander unter
Ausbildung eines Luftspaltes in Kontakt stehender Linsen und/oder Linsengruppen
dahingehend weiterzubilden, dass unter Vermeidung von Klebsubstanzen
als Verbundwerkstoff und mit relativ niedrigem fertigungstechnischen
Aufwand eine genaue, sowie thermisch stabile Lagefixierung der optischen
Elemente realisiert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Linsenhalterung der eingangs beschriebenen Art, dadurch gelöst, dass
mechanische Mittel vorhanden sind, die die radial geführten Linsen
und/oder die Linsengruppen unter parallel zur optischen Achse, in Richtung
der Anschlagfläche
wirkender, Vorspannung, zueinander und in der Fassung positionieren und
fixieren.
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Die Vorspannung wird beim Lagepositionieren
der Bauelemente in der Fassung erzeugt und bleibt während des
Einsatzes des optischen Systems erhalten.
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Infolge der Erzeugung der Vorspannung
in Richtung des Anschlagflächenelementes
bedarf es keiner Verklebung der einzelnen optischen Elemente miteinander,
um eine axiale und radiale Lagefixierung in der Fassung zu gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Linsenhalterung besteht darin, dass als mechanische Mittel zum Erzeugen
der Vorspannung ein auf das optische System in Richtung der Anschlagfläche wirkendes Formelement
der Fassung sowie mindestens ein elastisches Element an der Anschlagfläche und/
oder zwischen zwei Linsen oder Linsengruppen und/oder zwischen dem
Randbereich der Linsenfläche,
die der Anschlagfläche
am weitesten abgewandt ist und dem Formelement vorgesehen sind.
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Dabei erweist es sich häufig als
zweckmäßig, dass
die Fassung aus einem metallischen Werkstoff besteht und zum Zwecke
der Erzeugung der Vorspannung das Formelement ein mechanisch erzeugter
Bördelgrat
an der Stirnfläche
der Fassung ist, der auf den nicht optisch wirksamen Bereich einer Linsenoberfläche wirkt.
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Bei einer Fassung aus einem metallischen Werkstoff
erweist es sich auch als sinnvoll einen Vorschraubring oder einen
Sprengring zu verwenden, um das Paket aus Linsen unter Vorspannung
zu fixieren.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante
besteht darin, dass die Fassung aus einem Kunststoff besteht.
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Zum Zwecke der Erzeugung der Vorspannung
ist das Formelement dabei ein thermisch erzeugter Bördelgrat
an der Stirnfläche
der Fassung, der auf den nicht optisch wirksamen Bereich einer Linsenoberfläche wirkt.
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Zur Erzeugung der Vorspannung werden elastische
Elemente, die gegen die nicht optisch wirksamen Flächen der
Linsen und/ oder Linsengruppen wirken, verwendet, deren konstruktive
und materialtechnische Beschaffenheit so ausgebildet sind, dass bei
anwendungsbedingten Temperaturunterschieden die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Fassung und optischen Element
die Lagefixierung nicht beeinflussen.
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Insbesondere bei Fassungswerkstoffen
aus Kunststoff ist es von Vorteil, wenn die Anschlagfläche als
elastische gestaltete Planauflage ausgebildet und diese direkt Bestandteil
der Fassung ist. Damit wird die Verwendung zusätzlicher Hilfsmittel vermieden, da
bedingt durch die Elastizität
dieses Fassungswerkstoffes die Kunststoffanschlagfläche bei
Krafteinwirkung über
das Formelement eine Vorspannung erzeugt.
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Darüber hinaus kann der Fassungszylinder im
Flächenbereich
der Lage des optischen Elementes verjüngend ausgebildet sein und/oder
an diesen Stellen geeignete Strukturelemente aufweisen.
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Dadurch kann die elastische Verformbarkeit des
Kunststoffes unterstützt
und dahingehend ausgenutzt werden, dass beim Positionieren der optischen
Elemente in Richtung der optischen Achse bereits eine Vorspannung
erzeugt wird.
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Eine Möglichkeit der Gestaltung der
Anschlagfläche
besteht darin, diese als elastische Punktauflage, mit vorzugsweise
drei um 120 Grad versetzt angeordneten Auflagepunkten auszubilden. Damit
wird einmal der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung der
Fassung weiter reduziert und zum anderen die Zentriergenauigkeit
beim Fassen und Fixieren der optischen Elemente erhöht.
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In einer weiteren, sich in vielen
Anwendungsfällen
als günstig
erweisenden Ausgestaltungsvariante sind die elastischen Elemente
als Federelemente ausgebildet.
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Beispielsweise kann zwischen der
Anschlagfläche
und der Linsenanlagefläche
und/oder dem Bördelgrat
und der ersten Linsenfläche
ein Federelement eingebracht werden. Das zusätzliche Einbringen des Federelementes
hat den Vorteil, dass dieses Element problemlos austauschbar ist,
so dass in Abhängigkeit
von der Anzahl der zu fixierenden optischen Elemente und/oder des
in Funktion möglichen Temperaturbereiches
ein Element definierter Federsteifigkeit verwendet werden kann.
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Vorteilhafterweise sind die Federelemente Kunststoffringe
mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer als
der Ausdehnungskoeffizient des Fassungsmaterials ist, um bei Temperaturerhöhung die Vorspannung
und mithin die Lagefixierung der optischen Elemente nicht zu gefährden.
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Eine mögliche Variante für die Ausbildung des
Kunststoffringes ist, dass dieser die Form eines Wellenringes mit
vorzugsweise drei oder sechs Perioden aufweist. Eine andere Variante
besteht darin, dass der Kunststoffring beidseitig mit mindestens
drei um 120 Grad versetzt angeordneten, zur Anlage an das optische
Element dienenden Auflagestrukturpunkten versehen ist, wobei die
Auflagestrukturpunkte der Vorderseite zu den Auflagestrukturpunkten
der Rückseite
gleichmäßig versetzt
zueinander liegen. Als besonders geeignet ist dabei die Anordnung
von sechs gleichmäßig versetzt
aufgebrachten Auflagestrukturpunkten sowohl auf der Vorderseite,
als auch auf der Rückseite
des Kunststoffringes. Der Versatz der Auflagestrukturpunkte der
Vorderseite zu den Auflagestrukturpunkten der Rückseite wäre dann 30 Grad.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante
ist der Führungszylinder
der Fassung so gestaltet, dass unter Vorspannung des optischen Systems
eine Selbstzentrierung zweier miteinander in Kontakt stehender Linsenflächen erfolgt.
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Vorzugsweise ist die optisch. wirksame
Kontaktfläche
der einen Linse etwas größer und
hat eine deutliche konkave Kontur. Die Linse oder Linsengruppe,
die mit der ersten Linse oder Linsengruppe direkt in Kontakt angeordnet
ist, ist geringfügig
kleiner, wobei die Kontaktfläche
durch eine geeignete Gestaltung des Übergangs von optisch wirksamer Fläche zu Zylinderrand
der Linse oder Linsengruppe konkav oder plan sein kann. Selbst konvexe
Flächenformen
sind möglich,
wenn der Krümmungsradius größer ist
als der Krümmungsradius
der optisch wirksamen Kontaktfläche
der ersten Linse oder Linsengruppe.
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Zunächst ist dabei zum Zwecke der
radialen Führung
der Linse und/oder Linsengruppe der Paarungsdurchmesser zwischen
den optischen Elementen und dem Führungszylinder der Fassung
zu definieren. Zur Vermeidung von Überbestimmungen ist es von
Vorteil, wenn nur die der Anschlagfläche am weitesten abgewandte
Linse oder Linsengruppe zentrisch geführt wird und die auf der Anschlagfläche liegende
Linse oder Linsengruppe durch die speziell geformte Anschlagfläche oder
ein entsprechend gestaltetes Federelement sowohl mit einer axialen,
als auch mit einer radialen Vorspannung versehen wird, so dass eine
Zentrierung erfolgt.
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Zweckmäßigerweise ist dabei die Anschlagfläche der
Fassung und/oder das Federelement kegelförmig mit einem Kegelwinkel
von 45 Grad zur optischen Achse ausgebildet.
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Eine mögliche Ausgestaltungsvariante,
insbesondere für
hohe Zentriergenauigkeiten ist eine Anordnung, bei der die vorzugsweise
zylinderförmige Fassung
zusätzlich
eine feste Anschlagfläche
für die erste
Linse oder Linsengruppe aufweist. Diese kann, wenn der Übergang
zwischen der optisch wirksamen Kontaktfläche und dem Linsenrand als
Planfase gestaltet ist, als Planauflage ausgeführt sein.
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Vorzugsweise in Metallfassungen kann
der feste Anschlag für
die erste Linse oder Linsengruppe auch als Ringschneide ausgeführt sein,
auf die die optisch wirksame Kontaktfläche in ihrem optisch nicht
genutzten Randbereich aufgelegt wird.
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Die zweite Linse wird dabei, wie
bereits beschrieben, durch ein Federelement gegen die optisch wirksame
Fläche
der ersten Linse oder Linsengruppe gedrückt. Voraussetzung ist, dass
die erste Linse oder Linsengruppe so gegen die Federkraft montiert und
mittels Gratfassen, Bördeln,
Vorschraubring oder Sprengring fixiert wird, dass sie auf ihr festes
Lager an der Fassung aufliegt.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die erfindungsgemäße Linsenhalterung
näher erläutert werden.
Die dazugehörende
Figur zeigt eine aus einem metallischen Werkstoff bestehende Linsenfassung 1,
in welcher eine konvexkonkave Linse 2 und eine bikonkave
Linse 3 zueinander im unmittelbaren Kontakt positioniert
aufgenommen sind. Zur axialen Positionierung des gesamten optischen
Systems besitzt die Linsenfassung 1 eine Anschlagfläche 4,
an der eine plane Fläche 5 der
Linse 3 über
ein ringförmiges
Federelement 6 anliegt. Die Anschlagfläche 4 sowie das Federelement 6 sind
dabei so dimensioniert, dass der optisch wirksame Bereich der Linse 3 nicht
beeinflusst wird. Durch den unmittelbaren Kontakt der Linse 2 mit
der Linse 3 (Glas-auf-Glas-Auflage) wird der durch die
konkave Fläche 7 der
konvexkonkaven Linse 2 und einer konvexen Fläche 8 der Linse 3 gebildete
Luftspalt 9, exakt definiert.
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Nach dem Einlegen des ringförmigen Federelementes 6 in
die Linsenfassung 1 wird die Linsengruppe 3 so
in die Linsenfassung 1 eingeführt, dass die plane Fläche 5 am
Federelement 6 anliegt. Anschließend wird die Linse 2 an
die Linse 3 angelegt. Die radiale Positionierung der Linse
2 und
der Linse 3 zur optischen Achse 10 erfolgt dabei über die
präzisen
Fassungszylinderflächen 11 und 12.
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Zum Zwecke der Lagefixierung des
optischen Systems in der Linsenfassung 1 wird an der Stirnseite 13 auf
an sich bekannte Art und Weise ein Bördelgrat 14 umgelegt.
Dieser führt
zur Einleitung einer Kraftwirkung parallel zur optischen Achse 10 auf
die konvexe Fläche 15 der
Linse 2 und erzeugt somit in Verbindung mit dem Federelement 6 eine, die
axiale Positionierung definierende, Vorspannung. Zusätzliche
Elemente, wie beispielsweise Kleberinge, sind nicht erforderlich.
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- 1
- Linsenfassung
- 2,
3
- Linse
- 4
- Anschlagfläche
- 5
- plane
Fläche
- 6
- Federelement
- 7
- konkave
Fläche
- 8
- konvexe
Fläche
- 9
- Luftspalt
- 10
- optische
Achse
- 11,
12
- Fassungszylinderfläche
- 13
- Stirnseite
- 14
- Bördelgrat