DE19904152A1 - Baugruppe aus einem optischen Element und einer Fassung - Google Patents

Abstract

Eine Baugruppe ist mit einer Fassung (1) und einem optischen Element (7) versehen. Das optische Element (7) ist über elastische Verbindungsglieder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenglieder mit der Fassung (1) verbunden. Die Verbindungsglieder weisen wenigstens ein membranartiges Fügeelement (4) auf, welches im äußeren Bereich mit der Fassung (1) oder mit dem Zwischenglied und im inneren Bereich über eine steife Momente übertragende Verbindung (12) mit dem optischen Element (7) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus einem optischen Ele­ ment und einer Fassung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Baugruppen dieser Art, insbesondere Objektive mit Linsen als optisches Element, wobei die Verbindung der Linse mit einer diese umgebende Fassung über elastische Verbindungsglieder er­ folgt, sind allgemein bekannt.

Die US 5,428,482 bezieht sich auf die Entkopplung eines opti­ schen Elementes von einer Fassung durch elastische balkenartige Verbindungsglieder zwischen dem optischen Element und der Fas­ sung.

Die EP 0 230 277 A2 betrifft eine Präzisionslinsenbefestigung, wobei ebenfalls elastische Biegeelemente in Form von Balken zwischen dem optischen Element und der Fassung vorgesehen sind. Durch die elastischen Biegeelemente soll eine radiale Nachgie­ bigkeit zum Ausgleich von Wärmespannungen möglich werden.

Ähnliches gilt für die EP 0 243 893 B1, in der eine Linsenbefe­ stigung für Positionslinsen beschrieben ist, wobei eine Viel­ zahl von Biegeeinrichtungen, die blattfederartig ausgebildet sind, eine Linse als optisches Element an einer Fassung hält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungstechnik zwischen einem optischen Element und einer dieses haltende Fassung zu schaffen, wobei das optische Element derart über elastische Anbindungen mit der Fassung verbunden ist, daß eine wenigstens weitgehende Spannungsfreiheit oder Spannungsarmut und damit eine Verringerung der Oberflächende­ formation des optischen Elementes bei einer geometrisch einfa­ chen Ausgestaltung geschaffen wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Verbindung mittels des membranartigen Fügeelementes über eine steife, ein Moment übertragende Verbindung können Spannungsdifferenzen abgebaut werden bzw. treten diese bei der Montage nicht mehr auf. Dies bedeutet auch, Deformationen oder Toleranzungenauigkeiten des Flansches wirken sich nicht auf das optische Element, z. B. eine Linse, aus.

Durch das erfindungsgemäße membranartige Fügeelement wird bei der Montage eine hohe Elastizität bzw. Nachgiebigkeit in z- Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse, erreicht. Auf diese Weise läßt sich das optische Element spannungsarm exakt auf dem Fügeelement ausrichten. Wird anschließend eine feste Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem optischen Element hergestellt und zwar erfindungsgemäß eine steife, ein Moment übertragende Verbindung, so wird praktisch der sich dabei ein­ stellende Biege-Winkel zwischen dem Fügeelement und dem opti­ schen Element festgehalten, womit sich nicht ohne weiteres eine weitere Verbiegung bei einer auftretenden Belastung einstellen kann, d. h. Winkeländerungen sind nicht mehr möglich. Durch die Herstellung einer festen Verbindung werden an der Verbindungs­ stelle die Momentenfreiheitsgrade gesperrt. Damit liegt bei auftretenden äußeren Kräften und Momenten eine Beulbeanspru­ chung vor, deren Steifigkeit wesentlich größer ist, als die der reinen Biegung, wodurch die erforderliche Eigenfrequenz und Stabilität gesichert wird.

Eine einfache konstruktive Ausgestaltung zur Lösung der ge­ stellten Aufgabe kann darin bestehen, daß das Fügeelement aus einem Membranring oder mehreren Ringsegmenten besteht, die zu einem geschlossenen Membranring zusammengesetzt werden. Auf diese Weise wird eine deutliche Reduktion von Oberflächendefor­ mationen des optischen Elementes erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Äusführungsbei­ spiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ausschnittsweise einen Schnitt durch eine Baugruppe mit einer Fassung und einer Linse als optischem Ele­ ment,

Fig. 2 ausschnittsweise eine Draufsicht auf ein membranarti­ ges Fügeelement mit Laschen,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung eines membranartigen Füge­ elementes in der Draufsicht (ausschnittsweise),

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine dritte Ausgestaltung eines membranartigen Fügeelementes,

Fig. 5 ausschnittsweise einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung einer Baugruppe mit einer Fassung und einem optischen Element,

Fig. 6 ausschnittsweise einen Schnitt durch eine dritte Aus­ gestaltung einer Baugruppe mit einer Fassung und ei­ ner Linse als optischem Element in horizontaler An­ ordnung der Linse,

Fig. 7 bis 11 verschiedene Ausgestaltungen von Laschen eines Mem­ branringes als Fügeelement.

Eine ringförmige Fassung 1 ist auf der Innenseite mit einem Ringabsatz 2 versehen, der eine wenigstens annähernd der Biege­ linie eines Fügeelementes 4 entsprechend verlaufende Auflage­ kontur 3 aufweist. Auf die Auflagekontur 3 wird als Fügeelement ein Membranring 4 aufgelegt und form- und/oder kraftschlüssig (z. B. durch Schweißen, Löten oder Kleben) fest mit der Fassung 1 verbunden. Zur genauen Zentrierung und als Anschlag dient da­ bei ein Zentrierbund 5 am hinteren Ende der Auflagekontur 3. Von dem Membranring 4 aus ragen von seinem Innenumfang aus eine Vielzahl von Laschen 6 nach innen. Die Laschen 6 dienen als Auflage für eine Linse 7 als optisches Element. Der Membranring 4 mit den Laschen 6 ist aus einem federnden Material, z. B. ei­ nem sehr dünnen Blech mit einer Stärke von 0,3 bis 0,5 mm her­ gestellt. Die einstückig mit dem Membranring 4 verbundenen La­ schen können dabei eine noch dünnere Dicke von z. B. 0,1 bis 0,3 mm aufweisen.

Als Bleche für den Membranring 4 mit den Laschen 6 können z. B. kaltgewalzte Bänder aus Edelstahl, Titanlegierungen oder Ni­ tinol-Nickel-Titan-Legierungen, die auch als Memory-Legierung bezeichnet werden, verwendet werden. Insbesondere eine Legie­ rung mit superelastischen Eigenschaften ist für den vorgesehe­ nen Zweck geeignet, da diese Legierungen große Deformationen auf kleinem Bauraum ermöglichen. Das Fügeelement, d. h. der Mem­ branring 4, kann auch mit der Integration oder Applikation ei­ nes intelligenten Werkstoffes (smart materials, z. B. Formge­ dächtnis - oder piezoelektrische Elemente) versehen sein, so daß durch Energiezufuhr die Beeinflussung des Deformationszu­ standes des optischen Elementes möglich ist, bzw. dieser erfaßt werden kann. Der Membranring kann durch eine Ätztechnik herge­ stellt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn er mit zahlreichen Konturen versehen ist, wie z. B. aus der Fig. 3 ersichtlich.

Die Fig. 3 zeigt einen Membranring 4 mit Laschen 6, wobei in dem Membranring 4 vom Außenumfang her und vom Innenumfang her abwechselnd radial oder tangential verlaufende Schlitze 8 ein­ geformt sind. Die Schlitze 8 dienen dazu, einen Verzug des Mem­ branringes 4 zu vermeiden, wenn dieser z. B. durch Schweißen mit den daraus resultierenden Spannungen mit der Fassung 1 verbun­ den wird. Alternativ oder auch zusätzlich dazu kann der Mem­ branring 4 auch mit über den Umfang verteilt angeordneten Ent­ lastungstaschen 9 versehen sein. Die Entlastungstaschen 9 kön­ nen beliebig ausgebildet sein mit z. B. in Umfangsrichtung ver­ laufenden Nuten unterschiedlichen Querschnittes und mit zwi­ schen den Nuten liegenden Entlastungsbohrungen 10.

Der Zusammenbau der optischen Baugruppe kann auf einfache Weise und sehr präzise bezüglich der Positionierung der Linse 7 er­ folgen. In einem ersten Schritt wird die Fassung 1 auf einen steifen ebenen Gegenflansch 11 aufgespannt. Anschließend wird der Membranring 4 an der Auflagekontur 3 z. B. durch Schweißen befestigt. In einem nächsten Schritt wird die Linse 7 auf die Laschen 6 aufgelegt und in einem bekannten Richtfügevorgang, ausgerichtet. Ist der Richtfügevorgang beendet, wobei aufgrund der hohen Elastizität des Membranringes 4 bzw. der Laschen 6 eine spannungs- und deformationsfreie Auflage der Linse 7 er­ reicht werden kann, erfolgt z. B. über Kleben oder Löten an ei­ ner Verbindung 12 eine steife Verbindung zwischen der Linse 7 und dem Membranring 4 bzw. dessen Laschen 6.

Durch die auf diese Weise hergestellte Verbindung 12, die damit auch Momente übertragen kann, erhält der Membranring 4 mit den Laschen 6 eine hohe Steifigkeit und zwar aufgrund der gebogenen geometrischen Form nach der festen Verbindung mit der Linse. Es stellt sich praktisch ein fester Winkel α im Bereich der Ver­ bindung 12 ein, der sich nicht mehr verändern kann. Dadurch daß sich der Winkel α nicht mehr ändern kann besteht bei einem Auftreten von Kräften für den Membranring 4 bzw. den Lamellen 6 nur die Möglichkeit einer geringfügigen S-förmigen Verbiegung bzw. Beulung. Auf diese Weise ist erreicht worden, daß bei der Montage eine sehr große Deformation möglich, aber nach dem Fü­ gevorgang eine hohe Steifigkeit gegeben ist, so daß eine Posi­ tionierung der Linse 7 mit einer ausreichenden Genauigkeit und Stabilität erreicht wird.

Die geometrische Gestaltung des Fügeelementes, z. B. als Mem­ branring 4 mit Laschen 6 kann in Abhängigkeit vom Anwendungs­ fall in einem hohen Maße variiert werden. So kann z. B. die geo­ metrische Gestaltung des Membranringes 4 einmal definiert wer­ den und dann für ein Objektiv in seiner Gesamtheit gleich blei­ ben. Es ist dann lediglich nötig, die erforderlichen Durchmes­ ser den Linsen anzupassen. Die Anzahl und die Form der Laschen 6 ist von der Linsenmasse und der Blechdicke abhängig und läßt sich ebenfalls variieren. Gleiches gilt für den Membranring 4, der als geschlossener Ring ausgebildet sein kann, mit Schlitzen versehen, wie z. B. die Schlitze 8 oder auch aus Einzelsegmen­ ten, z. B. 90°-Winkelsegmenten gebildet sein.

Insbesondere eine Herstellung aus mehreren Einzelsegmenten bie­ tet sich dann an, wenn man eine sehr hohe Präzision erreichen möchte und unterschiedliche Elastizitäten aufgrund der bekann­ ten Anisotopie von gewalzten Blechen, die zu einer ungleichmä­ ßigen Durchbiegung des Membranringes 4 und/oder der Laschen 6 führt, vermieden werden soll. In der Fig. 4 ist hierzu ein Membranring 4 dargestellt, der beispielsweise mit nur 6 Ein­ schnitten 13 versehen ist, wodurch nur 6 laschenartige Auflage­ flächen für die Linse 7 gebildet werden. Zusätzlich können noch zur Erhöhung der Elastizität zwischen den Einschnitten 13 vom Innenumfang her aus eine Vielzahl von kürzeren Einschnitten 14 vorgesehen werden. Gestrichelt ist in der Fig. 4 auch angedeu­ tet, daß der Membranring 4 aus 4 Einzelsegmenten 15 gebildet sein kann.

Falls noch eine höhere Steifigkeit in z-Richtung, d. h. in Rich­ tung der optischen Achse, erreicht werden soll, so kann noch eine kraftfreie Zentrierung der Linse 7 über Stifte 16 erfol­ gen. Die Stifte 16 sind in über den Umfang verteilt und mit ih­ ren Längsachsen in z-Richtung angeordneten Bohrungen eines Stützringes 17 eingesetzt. Der Stützring 17 ist im äußeren Be­ reich mit der Fassung 1, z. B. durch Schrauben verbunden.

Gleichzeitig kann diese Verbindungsart auch die Befestigung des Membranringes 4 mit der Fassung bilden.

Die Stifte 16 besitzen eine L-Form, wobei sich dessen abgewin­ kelter Teil rechtwinklig zur z-Achse erstreckt und mit dem freien Ende z. B. durch Kleben mit der Umfangswand der Linse 7 verbunden ist. Sobald die Linse 7 in z-Richtung ausgerichtet ist, werden die Stifte 16 in den Bohrungen des Stützringes 17 in ihren Lagen fixiert, was z. B. dadurch erfolgen kann, daß in die Bohrungen Klebstoff eingebracht wird.

Die in der Fig. 5 dargestellte Steifigkeitserhöhung in z- Richtung ist für eine Baugruppe vorgesehen, die vertikal ange­ ordnet ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung, wobei die Linse 7 vertikal angeordnet ist und sich die z-Achse horizontal erstreckt. Aus diesem Grunde ist zusätzlich zu dem Membranring 4 als Fügeele­ ment ein zweiter Membranring 4' vorgesehen, der auf der dem Membranring 4 gegenüberliegenden Seite der Linse 7 ebenfalls über eine steife, ein Moment übertragende Verbindung 12' mit der Linse verbunden ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind Zentrierglieder in Form von Stiften 16' vorgesehen, die über den Umfang verteilt am Außenumfang der Linse 7 angreifen. In diesem Falle besitzen die Stifte 16' eine umgekehrte T-Form und sind über die T-Balken am Umfang der Linse 7 festgeklebt. Die Stifte 16' sind wiederum in Bohrungen eines Stützringes 17' eingesetzt, welche nach der Ausrichtung der Linse 7 mit einem Klebstoff zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen den Stiften 16' und dem Stützring 17' ausgefüllt werden.

Zur Befestigung des zweiten Membranringes 4', der ebenfalls mit Laschen 6 versehen sein kann, dient ein Haltering 18, durch den der Membranring 4' gleichzeitig mit dem Stützring 17' und dem Membranring 4 fest mit der Fassung 1 verbunden ist.

In den Fig. 7 bis 11 sind beispielsweise verschiedene Arten von Laschen 6 des Membranringes 4 bzw. 4' dargestellt.

Fig. 7 zeigt dabei eine Form, in welcher die Lasche in Längs­ richtung mit einer Struktur 19 versehen ist.

Fig. 8 zeigt im Bereich der Verbindung 12 mit der Linse 7 eine Kammstruktur bzw. Einschnitte 20. Gleichzeitig zeigt die Fig. 8 auch eine Ausgestaltung einer Lasche 6 mit einem Bereich ei­ ner reduzierten Breite zwischen dem Membranring 4 und der Ver­ bindung 12 im vorderen Bereich.

Fig. 9 zeigt eine noch größere Einschnürung einer Lasche 6 mit konischem Verlauf zu dessen vorderem Ende, das als Verbindung 12 mit der Linse 7 dient. In der Ausschnittsvergrößerung X auf der Extrafläche ist angedeutet, daß das vordere Ende der in der Fig. 9 dargestellten Lasche 6 im Bereich der Verbindung 12 mit der Linse 7 mit einer geätzten Gitterstruktur 21 versehen sein kann. Die geätzte Gitterstruktur 21 hat die Aufgabe, eine bes­ sere Verklebung an der Verbindung 12 zu erreichen bzw. damit ist es nicht erforderlich den Kleber extrem genau dosieren zu müssen, da dieser dann in die Gitterstruktur 21 ausweichen kann. Selbstverständlich ist eine derartige Gitterstruktur 21 auch bei anderen Laschenformen möglich.

Die Fig. 10 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung einer Lasche 6 wie die Fig. 9, wobei lediglich der eingeschnürte Bereich nicht so stark hervorgehoben ist und der Auflagebereich zur Verbindung 12 eine angenäherte Ellipsenform aufweist mit einer in radialer Richtung verlaufenden größeren Ellipsenachse.

Die Fig. 11 zeigt eine einfache rechteckige Ausgestaltung (ebenfalls in der Draufsicht) einer Lasche 6. Während man z. B. breite Laschen, wie die in der Fig. 7 und 11 dargestellten La­ schen 6, mit einer dünneren Blechdicke, wie z. B. 0,1 bis 0,3 mm, herstellen wird, wird man schmale lange Laschen 6 mit einer größeren Blechdicke, z. B. 0,3 bis 0,5 mm, herstellen.

Claims (20)

1. Baugruppe aus einem optischen Element und einer Fassung, bei der das optische Element über elastische Verbindungs­ glieder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenglieder mit der Fassung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Verbindungsglieder wenigstens ein membranarti­ ges Fügeelement (4) aufweist, welches im äußeren Bereich mit der Fassung (1) oder mit dem oder den Zwischengliedern und im inneren Bereich über eine steife, Momente übertra­ gende Verbindung (12) mit dem optischen Element (7) verbun­ den ist.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügeelement einen Membranring (4) oder mehrere Membran­ ringsegmente (15) aufweist, die zu einem geschlossenen Mem­ branring zusammensetzbar sind.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügeelement (4) am Innenumfang mit Laschen (6) ver­ sehen ist, auf denen das optische Element (7) aufliegt und über die die steife, Momente übertragende Verbindung (12) hergestellt ist.

4. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fügeelement (4) aus einem dünnen federar­ tigen Blech besteht.

5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung (12) form- oder kraftschlüssig erfolgt, z. B. durch Schweißen, Löten, Kleben oder Klemmen.

6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fügeelement (4) im äußeren Umfangsbe­ reich, in welchem es mit dem Rahmen (1) oder ein oder meh­ reren Zwischengliedern verbunden ist, zur Deformationsent­ kopplung wenigstens annähernd in radialer oder tangentialer Richtung verlaufende Schlitze (8) aufweist.

7. Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Ausbildung des Fügeelementes als Membranring (4) die Schlitze (8) abwechselnd vom Außenumfang und vom Innenum­ fang aus erstrecken.

8. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fügeelement (4) wenigstens in dem Be­ reich, in dem es mit der Fassung (1) oder den ein oder meh­ reren Zwischengliedern verbunden ist mit Entlastungstaschen (9) versehen ist.

9. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fassung (1) oder ein Zwischenglied, mit welchem das Fügeelement (4) verbunden ist, im Bereich der Verbindung eine der Biegelinie des Fügeelementes entspre­ chende Auflagekontur (3) aufweist.

10. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fügeelement (4), insbesondere bei Ausbil­ dung mit Laschen (6), im Bereich der steifen, ein Moment übertragenden Verbindung (12), welche durch Kleben oder Lö­ ten geschaffen ist, wenigstens teilweise mit einer Gitter- (21) oder Kammstruktur (20) versehen ist.

11. Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laschen (6) auf ihren Oberflächen (19, 20) strukturiert sind.

12. Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laschen (6) über ihre Länge unter­ schiedliche Breiten aufweisen.

13. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fügeelement (4) mit der Integration oder Applikation eines intelligenten Werkstoffes (smart ma­ terials, z. B. Formgedächtnis - oder piezoelektrische Ele­ mente) versehen ist.

14. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fügeelement (4) aus einem Material mit superelastischen Eigenschaften besteht.

15. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fassung (1) oder ein mit der Fassung verbundenes Glied mit einem Stützring (17) verbunden ist, aus welchem in dem Stützring (17) angeordnete Elemente (Stifte 16) ragen, die mit ihren freien Enden derart mit dem optischen Element (7) verbunden sind, daß sich eine Steifigkeitserhöhung senkrecht zur und/oder in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) ergibt.

16. Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (Stifte 16) in Bohrungen des Stützringes (17) ein­ geklebt oder mit einer anderen form- oder kraftschlüssigen Verbindungstechnik befestigt sind.

17. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optische Element (7) durch ein zwei­ tes membranartiges Fügeelement (4'), das auf der von der Verbindung (12) mit dem ersten Fügeelement (4) abgewandten Seite angeordnet ist, über eine steife, Momente übertragen­ de Verbindung (12'), gehalten ist.

18. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fassung (1) mit einem Zentrierbund (5) für das Fügeelement (4) versehen ist.

19. Verfahren zum Verbinden eines optischen Elementes mit einer Fassung oder einem mit der Fassung verbundenen Zwischen­ glied, dadurch gekennzeichnet, daß ein membranartiges Füge­ element (4) an der Fassung (1) befestigt wird, wonach das optische Element (7) auf das Fügeelement (4) aufgelegt und durch einen Richtfügevorgang auf dem Fügeelement (4) ausge­ richtet wird, wonach das optische Element (7) auf dem Füge­ element (4) durch eine steife, ein Moment übertragende Ver­ bindung (12) fixiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (1) zur Montage auf einen steifen Gegenflansch (11) aufgespannt wird.