WO1997048000A1 - Anordnung zum fixieren von bauelementen eines optischen systems - Google Patents

Anordnung zum fixieren von bauelementen eines optischen systems Download PDF

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WO1997048000A1
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optical system
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Andreas Fischer
Reiner Hofmann
Armin Leitel
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/026—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses using retaining rings or springs

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for fixing components of an optical system, such as lenses, mounting rings, spacing disks and the like, which are enclosed by a common tube in which they are guided radially and are held elastically in the axial direction under prestress.
  • a first part is generally in contact with a fixed system; the last component is a spring-loaded functional part, e.g. a rubber ring, over the edge area and fixes the parts in their position.
  • a spring-loaded functional part e.g. a rubber ring
  • the elastic holder is characterized in that a ring made of rubber-like material is arranged in an annular groove in the holder body; the annular groove is partially covered in the axial direction by the lens circumferential surface.
  • the space between the lens and the holder body, intended for the ring, is widened outwards.
  • the lens is held as an individual part between a fixed annular stop formed integrally on the frame body and the rubber ring; the pretensioning force exerted by the elastically deformed rubber ring is transmitted to the socket body via the annular stop on the one hand and via the contact surface of the rubber ring on the other hand.
  • this solution only compensates for length changes and differences for one component, the lens.
  • Another disadvantage is that with this holder a change in the magnitude of the pretensioning force in defined steps, as is desirable for special optical systems, is not possible since the position of the rubber ring is fixed unchangeable with the position of the groove . If no groove is provided (in the case of a frictional connection to the frame body), the pretensioning force is dependent on the friction between the rubber and the cylindrical wall of the frame body, which is influenced by numerous factors, and consequently likewise cannot be changed in a defined manner.
  • DE OS 23 62 041 describes a version in which a lens or lens group is held in its version by means of a screw-in ring.
  • the ring has elastic projections, which serve as an abutment for the lens group and hold it under elastic prestress.
  • the magnitude of the pretensioning force can be changed here with the screw-in depth of the ring, it is disadvantageous that the thread is complex in terms of production technology and the assembly of the optical system is time-consuming.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for fixing components of an optical system in the axial direction, in which the pretensioning force with which the components are held elastically against a stop can be changed in determinable steps.
  • the arrangement should be inexpensive to manufacture and easy to assemble.
  • the locking elements of the mounting ring can be brought into engagement with the locking elements on the tube under the action of an axially directed force on the fastening ring, and the locking elements can be released from this engagement in the opposite direction of force action. Due to the areal distribution of the locking elements on the circumference of the fastening ring and tube, there is a large number of locking positions in the axial direction, so that the pretensioning force which the fastening ring exerts on the components to be held depends on the extent of coverage of the locking elements on mounting ring with the catch ⁇ lementen on the tube dependent. In other words: the preliminary tension increases with the path that the fastening ring is pushed towards the stop in the direction; conversely, it decreases the further the fastening ring is moved away from the stop in the locking engagement.
  • the locking elements on the relevant peripheral surfaces on the fastening ring and on the tube should have a gable roof-shaped cross section.
  • the angles of inclination of the roof-shaped surfaces can be different with respect to the optical axis, so that the force required for latching is different from the force required for releasing the latching connection.
  • the latching elements on the fastening ring can extend radially over the entire circumference of the relevant section of the circumferential surface; independently of this, the latching elements on the tube can also extend over the entire circumference of the relevant section of the circumferential surface.
  • Fig.l an optical system with two embodiment variants of the invention 2 shows an enlarged cross section of the locking elements
  • Fig.l an optical system with the tube 1, the lenses 2 to 5 and a spacer ring 6 is shown.
  • the lenses 2 and 3 and the intermediate ring 6 are axially lined up on one side to a f ⁇ sten, integrally formed on the tube 1 stopper 7, and are ande hand, with a releasable attachment rings 8 voltage under prestress against the Stop 7 held.
  • the fastening ring 8 is made of elastic material and extends radially over the edge of the lens 2. Both the fastening ring 8 and the tube 1 each have a circumferential surface that is oriented concentrically to the optical axis and extends over the area B, Detent elements 9 and 10, which are designed as corresponding locking elements.
  • the detent elements 9 are distributed in the area B ⁇ on the fastening ring 8 over the entire circumferential surface; the locking elements 10 are also distributed over the entire circumferential area in the area B 2 on the tube, as a result of which there is a large number of locking positions in the axial direction.
  • the number of locking positions per unit length depends on the geometric size of the individual locking elements.
  • each of the locking steps of the fastening ring 8 in the axial direction towards the stop 7 brings about a defined increase in the pretensioning force which the fastening ring 8 exerts with its inner edge on the components to be held (lens 2, spacer ring 6, lens 3).
  • each locking step by which the fastening ring 8 is displaced in the axial direction away from the stop 7 means a defined reduction in the pretensioning force.
  • the lenses 4 and 5 are on both sides of the mounting rings 11 and 12.
  • the fastening rings 11 and 12 are also made of an elastic material and, with their inner diameters, engage radially over the edges of the lenses 4 and 5 facing them.
  • the fastening rings 11 and 12 and the tube 1 each point to one another Circumferential surfaces, which are aligned concentrically to the optical axis, have latching elements which, analogous to the first embodiment variant, are designed as corresponding locking elements. These locking elements are also distributed over a large area, as a result of which there is a large number of locking positions in the axial direction. The number of locking positions per unit length is also dependent on the geometric size of the individual locking elements.
  • a gradual simultaneous displacement of the two fastening rings 11, 12 in this variant causes a change in the positions of the lenses 4, 5 in the axial direction, while the prestressing force with which the lenses 4, 5 are held between the fastening rings 11, 12, remains constant. If one of the two fastening rings 11 or 12 is moved towards the other in latching steps, the increases with each latching step Prestressing by a defined amount. Conversely, the preload is reduced when one of the two fastening rings 11 or 12 is moved away from the other.
  • the main advantages of the invention are that the proposed arrangement on the one hand compensates for length deviations in the axial direction, but on the other hand also an increase or decrease in the pretension and, as shown in the second embodiment variant, permits displacement of components, the Preload at the new location of the components is as great as at the previous location. There is also a series-friendly manufacturing and assembly option.
  • Fig.2 locking elements are shown enlarged, which are formed with a saddle roof cross-section.
  • the angles of inclination of the roof-shaped surfaces 13 and 14 are different with respect to the optical axis. Due to the lower inclination of the roof-shaped surface 13, a smaller force is required to move in the locking direction K E than to release the latching connection in the opposite direction K L , since the greater inclination of the roof-shaped surface 14 must be overcome here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Systems, wie Linsen, Fassungsringe und dergleichen. Die im Tubus radial geführten Bauelemente werden in axialer Richtung unter Vorspannung elastisch gehalten. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Fixieren von Bauelementen in axialer Richtung zu schaffen, bei der die Vorspannkraft in bestimmbaren Schritten veränderbar ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein lösbarer Befestigungsring (8) und auch der Tubus (1) an konzentrischen Umfangsflächen Rastelemente (9, 10) aufweisen, die als korrespondierende Verriegelungselemente ausgebildet sind. Unter axial gerichteter Krafteinwirkung sind die Rastelemente (9) des Befestigungsringes (8) in die Rastelemente (10) am Tubus (1) in Eingriff bringbar, in der entgegengesetzten Kraftwirkungsrichtung sind die Rastelemente aus diesem Eingriff lösbar. Die Vorspannkraft, die der Befestigungsring auf die zu haltenden Bauelemente ausübt, ist vom Maß der Überdeckung der Rastelemente von Befestigungsring und Tubus abhängig.

Description

Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Systems
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Fixieren von Bauele¬ menten eines optischen Systems, wie Linsen, Fassungsringe, Di¬ stanzscheiben und dergleichen, die von einem gemeinsamen Tubus umschlossen sind, in welchem sie radial geführt und in axialer Richtung unter Vorspannung elastisch gehalten werden.
Im optischen Gerätebau ist es üblich, thermisch bedingte Län¬ genänderungen von Bauteilen innerhalb eines optischen Systems und fertigungsbedingte Längenabweichungen durch elastische Hal¬ terungen mit Vorspannung in Richtung der optischen Achse auszu¬ gleichen. Bei axial aufgereihten Teilen liegt in der Regel ein erstes Teil an einer festen Anlage an; beim letzten Bauteil greift ein federelastisch vorgespanntes Funktionεteil, z.B. ein Gummiring, über den Randbereich und fixiert die Teile in ihrer Position.
Ein derartiger Vorschlag ist in der DE OS 29 22 287 dargelegt. Hier ist bei einer Fassung für optische Linsen die elastische Halterung dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring aus gummiartigem Werkstoff in einer Ringnut im Fassungskörper angeordnet ist; die Ringnut ist in axialer Richtung teilweise von der Linsenum- fangsflache überdeckt. Der zwischen Linse und Fassungskörper befindliche, für den Ring vorgesehene Raum ist nach außen er¬ weitert. Die Linse wird als Einzelteil zwischen einem festen, am Fassungskörper einstückig angeformten ringförmigen Anschlag und dem Gummiring gehalten; dabei wird die vom elastisch ver¬ formten Gummiring ausgeübte Vorspannkraft über den ringförmigen Anschlag einerseits und über die Anlagefläche des Gummiringes andererseits auf den Fassungskörper übertragen. Nachteiliger- weise gleicht diese Lösung Längenänderungen und -differenzen lediglich für ein Bauteil, die Linse, aus. Ein weiterer Nach¬ teil besteht darin, daß mit dieser Halterung eine Veränderung der Größe der Vorspannkraft in definierten Schritten, wie das für spezielle optische Systeme wünschenswert ist, nicht möglich ist, da die Lage des Gummiringes mit der Lage der Nut unverän¬ derbar festgelegt ist. Sofern keine Nut vorgesehen ist (bei reibschlüssiger Verbindung zum Fassungskörper) , ist die Vor- spannkraft ohnehin von der durch zahlreiche Faktoren beeinflu߬ ten Reibung zwischen Gummi und zylindrischer Wand des Fassungs- körpers abhängig und-demzufolge ebenfalls nicht definiert ver¬ änderbar.
Die DE OS 23 62 041 beschreibt eine Fassung, bei der eine Linse oder Linsengruppe in ihrer Fassung mittels eines einεchraubba- ren Ringes gehalten wird. Der Ring weist elastische Vorsprünge auf, die als Anlage für die Linsengruppe dienen und diese unter elastischer Vorspannung halten. Hier ist zwar die Größe der Vorspannkraft mit der Einschraubtiefe des Ringes veränderbar, nachteilig ist jedoch, daß das Gewinde fertigungstechnisch auf¬ wendig und die Montage des optischen Systems zeitaufwendig ist.
Eine weitere Lösung zum elastischen Halten von optischen Linsen in ihren Fassungen offenbart die DE OS 28 46 241. An der Seite der Linse, die der festen Anlage gegenüber liegt, sind minde¬ stens zwei, den Randbereich der Linse übergreifende Plättchen aus elastischem Werkstoff, z.B. Metall, vorgesehen, die form¬ schlüssig mit der Fassung verbunden sind, wobei sie unter Vor¬ spannung an der Linse anliegen. Die federnden Plättchen werden bei der Montage in entsprechende Öffnungen der Fassung einfach eingesetzt. Dieser Vorschlag der elastischen axialen Halterung ist ebenfalls mit dem Nachteil behaftet, daß eine Erhöhung oder Verringerung der Vorspannkraft in definierten Schritten nicht möglich ist, da die Position der Plättchen in axialer Richtung mit den Öffnungen in der Fassung unveränderbar festgelegt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Systems in axialer Richtung zu schaffen, bei der die Vorspannkraft, mit welcher die Bauelemen¬ te elastisch gegen einen Anschlag gehalten werden, in bestimm¬ baren Schritten veränderbar ist. Die Anordnung soll kostengün¬ stig herstellbar und montagefreundlich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für Bauelemente eines opti¬ schen Systems, die in einem gemeinsamen Tubus axial einerseits an einem Anschlag anliegen und andererseits mit einem lösbaren, mit dem Tubus formschlüssig verbundenen Befestigungsring unter Vorspannung gegen den Anschlag gehalten werden, dadurch gelöst, daß der Befeεtigungsring aus elastischem Material besteht und den Randbereich eines der Bauelemente radial übergreift; sowohl der Befestigungsring wie auch der Tubus weisen jeweils an einer Umfangsfläche, die konzentrisch zur optischen Achse ausgerich¬ tet ist, Rastelemente auf, die als korrespondierende Verriege¬ lungselemente ausgebildet sind. Unter axial gerichteter Kraft- einwirkung auf den Befestigungsring sind die Rastelemente des Befestigungsringes in die, Rastelemente am Tubus in Eingriff bringbar, in der entgegengesetzten Kraftwirkungsrichtung sind die Rastelemente aus diesem Eingriff lösbar. Aufgrund der flä¬ chigen Verteilung der Rastelemente am Umfang von Befestigungs- ring und Tubus ist eine Vielzahl von Rastposition in axialer Richtung vorhanden, so daß die Vorspannkraft, die der Befesti¬ gungsring auf die zu haltenden Bauelemente ausübt, vom Maß der Überdeckung der Rastelemente am Befestigungsring mit den Raste¬ lementen am Tubus abhängig ist. Anders formuliert: die Vor- spannkraft nimmt mit dem Weg, den der Befestigungsring in Rich¬ tung auf den Anschlag geschoben wird, zu; sie nimmt umgekehrt ab, je weiter der Befestigungsring in Rasteingriff vom Anschlag weg verschoben wird.
Technisch äquivalente Lösung können selbstverständlich darin bestehen, daß anstelle des Befestigungsringes der Tubus aus elastischem Material gefertigt ist oder daß sowohl der Tubus wie auch der Befestigungsring aus elastischem Material beste¬ hen. Wesentlich ist, daß das Material eines dieser beiden Bau¬ teile bei axialer Verschiebung relativ zum anderen in radialer Richtung elastisch ausweichen kann.
Vorteilhafterweiεe sollten die Rastelemente an den betreffenden Umfangsflachen am Befestigungsringes und am Tubus in ihrem Querschnitt satteldachförmig ausgebildet sein. Dabei können die Neigungswinkel der dachförmigen Flächen in Bezug auf die opti¬ sche Achse verschieden sein, so daß die zum Einrasten erforder¬ liche Kraft von der zum Lösen der Rastverbindung erforderlichen Kraft verschieden ist.
Die Rastelemente am Befestigungsring können sich radial über den gesamten Umfang des betreffenden Abschnittes der Umfangs- flache erstrecken; unabhängig davon können auch die Rastelemen- te am Tubus sich über den gesamten Umfang des betreffenden Ab¬ schnittes der Umfangsflache erstrecken.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel er¬ läutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig.l ein optisches System mit zwei Ausgestaltungs- varianten der Erfindung Fig.2 einen vergrößerten Querschnitt der Rastele¬ mente
In Fig.l ist ein optisches System mit dem Tubus 1, den Linsen 2 bis 5 sowie einem Distanzring 6 dargestellt. In einer ersten Ausgeεtaltungsvariante der Erfindung liegen die Linsen 2 und 3 und der Zwischenring 6 axial aufgereiht einerseits an einem fe¬ sten, an den Tubus 1 angeformten Anschlag 7 an und werden ande¬ rerseits mit einem lösbaren Befestigungsringe 8 unter Vorspan¬ nung gegen den Anschlag 7 gehalten. Der Befeεtigungsring 8 ist aus elastischem Material gefertigt und greift radial über die Berandung der Linse 2. Sowohl der Befeεtigungεring 8 wie auch der Tubus 1 weisen jeweilε an einer Umfangsflache, die konzen¬ trisch zur optischen Achse ausgerichtet ist und sich über den Bereich B erstreckt, Rastelemente 9 und 10 auf, die als korre¬ spondierende Verriegelungselemente ausgebildet sind. Die Raste¬ lemente 9 sind im Bereich Bα am Befestigungsring 8 über die ge¬ samte Umfangsfläche verteilt; die Rastelemente 10 sind im Be¬ reich B2 am Tubus ebenfalls über die gesamte Umfangsfläche ver¬ teilt, wodurch eine Vielzahl von Rastposition in axialer Rich¬ tung vorhanden ist. Die Anzahl der Rastpositionen je Längenein¬ heit ist dabei abhängig von der geometrischen Größe der einzel¬ nen Rastelemente.
Wird der Befestigungsring 8 in axialer Richtung auf den An¬ schlag 7 zu verschoben, weichen die elastischen Rastelemente am Befestigungsring 8 radial aus und gleiten in die nächste Rast- poεition; dabei erhöht εich die Überdeckung der Bereiche Bλ und B2, weitere Rastelemente 9, 10 kommen in Eingriff und der Befe¬ stigungsring 8 ändert schrittweise mit jeder weiteren Rastposi¬ tion seine Lage relativ zum Anschlag 7. Die Schrittweite kann mit der Größe der einzelnen Rastelemente konstruktiv beeinflußt werden. Jeder der Rastschritte des Befestigungsringes 8 in axialer Richtung zum Anschlag 7 hin bringt eine definierte Er¬ höhung der Vorspannkraft, die der Befestigungsring 8 mit seinem inneren Rand auf die zu haltenden Bauelemente (Linse 2, Di¬ stanzring 6, Linse 3) ausübt. Umgekehrt bedeutet jeder Rast¬ schritt, um den der Befestigungsring 8 in axialer Richtung vom Anschlag 7 weg verschoben wird, eine definierte Verringerung der Vorspannkraft.
In einer zweiten Ausgestaltungsvariante der Erfindung (Fig.l) liegen die Linsen 4 und 5 beidseitig an Befestigungsringen 11 und 12 an. Die Befestigungεringe 11 und 12 sind ebenfalls aus einem elastischen Material gefertigt und greifen mit ihren In¬ nendurchmessern jeweils radial über die Berandung der ihnen zu¬ gewandten Linse 4 bzw. 5. Die Befestigungsringe 11 und 12 wie auch der Tubus 1 weisen jeweils an einander zugeordneten Um¬ fangsflachen, die konzentrisch zur optischen Achse ausgerichtet sind, Rastelemente auf, die, analog zur ersten Ausgestaltungva- riante, als korrespondierende Verriegelungselemente ausgebildet sind. Auch diese Rastelemente sind flächig verteilt, wodurch eine Vielzahl von Rastposition in axialer Richtung vorhanden ist. Die Anzahl der Rastpositionen je Längeneinheit ist hier ebenfalls abhängig von der geometrischen Größe der einzelnen Rastelemente.
Eine schrittweise gleichzeitige Verschiebung beider Befesti¬ gungsringe 11, 12 bei dieser Variante bewirkt eine Veränderung der Positionen der Linsen 4, 5 in axialer Richtung, während die Vorspannkraft, mit der die Linsen 4, 5 zwischen den Befeεti- gungsringen 11, 12 gehalten werden, konstant bleibt. Wird einer der beiden Befestigungsringe 11 oder 12 in Rastschritten auf den anderen zu bewegt, erhöht sich mit jedem Rastschritt die Vorspannung um einen definierten Betrag. Umgekehrt verringert sich die Vorspannung, wenn einer der beiden Befestigungsringe 11 oder 12 vom anderen weg bewegt wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die vorgeschlagene Anordnung einmal Längenabweichungen in axialer Richtung ausgleicht, zum anderen aber auch eine Erhöhung oder Verringerung der Vorspannung und, wie in der zweiten Ausgestal- tungεvariante gezeigt, eine Verεchiebung von Bauelementen zu¬ läßt, wobei die Vorspannung am neuen Ort der Bauelemente ebenso groß wie am vorherigen Ort ist. Dazu kommt eine serienfreundli¬ che Fertigungs- und Montagemöglichkeit.
In Fig.2 sind Rastelemente vergrößert dargestellt, die mit sat¬ teldachförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Dabei sind die Neigungswinkel der dachförmigen Flächen 13 und 14 in Bezug auf die optische Achse verschieden. Zum Verschieben in Einraεtrich- tung KE ist aufgrund der geringeren Neigung der dachförmigen Fläche 13 eine kleinere Kraft erforderlich als zum Lösen der Rastverbindung in der Gegenrichtung KL, da hier die größere Neigung der dachförmigen Fläche 14 zu überwinden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Sy¬ stems, wie Linsen, Fassungεringe, Distanzεcheiben und der¬ gleichen, die von einem gemeinsamen Tubus umschlossen sind, in dem sie axial einerseits an einem Anschlag anliegen und andererseits mittels eines lösbaren Befestigungsringes un¬ ter Vorspannung gegen den Anschlag gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsring (8) aus elastischem Material be¬ steht und den Randbereich eines der Bauelemente radial übergreift, daß der Befestigungsring (8) und auch der Tubus (1) an Um- fangεflächen, die konzentrisch zur optischen Achse ausge¬ richtet sind, Rastelemente (9,10) aufweisen, die als korre¬ spondierende Verriegelungselemente ausgebildet sind, der¬ art, daß unter axial gerichteter Krafteinwirkung die Raste¬ lemente (9) des Befestigungsringes (8) in die Rastelemente
(10) am Tubus (l) eingreifen bzw. aus diesem Eingriff lös¬ bar sind, wobei die Vorspannung, mit der die Bauelemente gehalten werden, vom Maß der Überdeckung der Rastelemente
(9, 10) von Befestigungsring (8) und Tubus (1) in axialer Richtung abhängig ist>.
2. Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Sy¬ stems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastelemente (9, 10) am Befestigungsring (8) und am Tubus (1) in ihrem Querschnitt satteldachförmig ausgebildet sind.
3. Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Sy¬ stems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nei¬ gungswinkel der satteldachförmigen Querschnitte zur opti¬ schen Achse verschieden sind, wodurch die zum Einrasten und zum Lösen der Rastverbindung erforderlichen Kräfte ver¬ schieden sind.
4. Anordnung zum Fixieren von Bauelementen eines optischen Sy¬ stems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastelemente (9, 10) am Befestigungsring (8) wie auch am Tubus (1) sich über den gesamten Umfang erstreckend vorge¬ sehen sind.
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