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Grundsätzlich dienen Linsenfassungen der präzisen mechanischen Halterung von optischen Einzellinsen bzw. mehreren stoffschlüssig miteinander verbundenen Linsen, so genannten Kittgruppen (nachfolgend nur Linse genannt), in genauen montierten und / oder justierten Positionen innerhalb eines Linsensystems, d. h. in einer bestimmten Distanz und Ausrichtung zueinander. Für Linsensysteme, an die hohe Ansprüche an die Abbildungsqualität gestellt werden, ist es darüber hinaus von Bedeutung, dass die Linsen umweltstabil weitmöglichst deformations- und spannungsfrei gefasst sind.
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Es gibt die verschiedensten Ursachen für in einer Linsenfassung entstehende Spannungen und damit auf die gefasste Linse wirkende Kräfte. Eine erfindungsgemäße Linsenfassung soll die Linse hauptsächlich vor dem Eintrag von thermischen Spannungen und mechanischen Belastungen schützen. Darüber hinaus soll sie eine nur geringe radiale Ausdehnung aufweisen und billig herstellbar sein.
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Thermische Spannungen werden hervorgerufen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Materials einer Fassung und eines unmittelbar in der Fassung gefassten optischen Elementes, oder einer Innenfassung, die einen an das optische Element angepassten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und einer Außenfassung, die einen dazu abweichenden Ausdehnungskoeffizienten aufweist, meist bestimmt durch die Auswahl eines kostengünstigen und gut bearbeitbaren Materials. Sie entstehen durch die Schwankung der Umgebungstemperatur oder insbesondere dann, wenn die Linse durch die Beaufschlagung mit Strahlung erwärmt wird. Bei radial gefassten Linsen wirken sich die entstehenden thermischen Spannungen auf die Linse im Wesentlichen durch einen radialen Kräfteeintrag in die Linse aus.
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Um eine Linse möglichst spannungsarm zu halten, werden im Stand der Technik die unterschiedlichsten Maßnahmen für die Linsenfassung getroffen. Diese können in der Materialwahl, der Dimensionierung und / oder der konstruktiven Gestaltung der Linsenfassung liegen.
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Es ist üblich, die Linsenfassung mit einem Fassungsaußenring und einem Fassungsinnenring zu konstruieren, die spannungsentkoppelt miteinander monolithisch über Verbindungsstrukturen oder diskret über Verbindungseinheiten so verbunden sind, dass eine Übertragung von auf den Fassungsaußenring wirkenden Kräften oder Momenten auf den Fassungsinnenring oder das Auftreten von thermischen Spannungen zwischen dem optischen Element und dem Fassungsaußenring vermieden wird.
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Spannungsentkoppelt, oder auch deformationsentkoppelt genannt, im Sinne der vorliegenden Beschreibung heißt nicht, dass tatsächlich keinerlei in einen Fassungsaußenring erzeugte Spannungen auf den Fassungsinnenring übertragen werden, oder keine Spannungen zwischen dem optischen Element und dem Fassungsaußenring entstehen, sondern dass diese höchstens vernachlässigbar übertragen werden.
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Linsenfassungen mit monolithischen, einen Fassungsaußenring und einen Fassungsinnenring verbindenden Verbindungsstrukturen sind montagefreundlich und mit den vielfältigsten Geometrien durch zu einer Fassungsachse parallel verlaufende Schnitte oder Ausnehmungen ausführbar. Es kann nachteilig sein, dass der Fassungsaußenring und der Fassungsinnenring zwingend aus einem gleichen Material sein müssen und die möglichen Schneidrichtungen für die Verbindungsstrukturen, z. B. durch Elektroerosion, durch die monolithische Struktur eingeschränkt sind. Weiterhin entstehen infolge der Bemühungen, geringe Massen zu erreichen, und aufgrund von Bauraumbeschränkungen für die Verbindungsstrukturen oft filigrane Geometrieelemente, deren Herstellung durch erosive oder spannende Bearbeitungsverfahren aufwändig teuer wird.
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Linsenfassungen mit diskreten einen Fassungsaußenring und einen Fassungsinnenring verbindenden Verbindungsstrukturen erfordern in der Regel einen höheren Herstellungs- und Montageaufwand. Dieser besteht zum einen in der Logistik und Handhabung der betreffenden Bauteile, zum anderen ergeben sich durch das Fügen zweier Teile Toleranzketten, die entweder eine aufwändige Nacharbeit der verbundenen Einheit nach der Montage oder erheblich genauere Toleranzen oder eine Justage - deren Freiheitsgrad wiederum konstruktiv vorgesehen werden muss - bei der Montage erfordern.
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Aus der
DE 10 2004 025 832 A1 ist ein Optikmodul bekannt, in dem koaxial zur Achse des Optikmoduls in einem äußeren Flansch (Außenfassung) mehrere Fassungen (Innenfassung) jeweils über drei Bipode (diskrete Verbindungseinheiten), die eine Stützeinrichtung darstellen, gehalten werden. Dabei sind die jeweils drei Bipode in einer Ebene über ein nach Art eines Kugelgelenkes bewegliches Biegegelenk mit dem Flansch und einer anderen Ebene über zwei nach Art eines Kugelgelenkes bewegliche Biegegelenke mit einer der Fassungen verbunden. Die Fassungen werden mit einem Freiheitsgrad in Richtung der Achse des Optikmoduls nicht überbestimmt gehalten. Auf den Flansch wirkende Kräfte werden theoretisch, ohne dass diese auf die Fassungen übertragen werden, in eine axiale Bewegung umgesetzt. Praktisch wird jedoch eine Kräfteübertragung auf die Fassung schon aufgrund der in den beweglichen Biegegelenken entstehenden Reibung oder der bei elastischer Ausführung entstehenden Rückstellkräfte nicht hinreichend vermeidbar sein. Der Flansch und die Fassung können vorteilhaft aus unterschiedlichem Material gefertigt werden und die Bipode (Verbindungseinheiten) sind einfach herzustellen. Nachteilig ist der große radiale Bauraumbedarf.
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In der Offenlegungsschrift
DE 100 30 005 A1 werden verschiedene Ausführungen für eine Linsenfassung vorgeschlagen, mit der ein optisches Element deformationsentkoppelt gehalten werden soll. Eine erste Ausführung besteht aus einer Außenfassung und einer eine Linse haltenden Innenfassung. Die Außenfassung und die Innenfassung stehen über eine Dreipunktlagerung in Verbindung. Diese kann aus drei in der Außenfassung angeordneten Lagerkörpern gebildet sein, die mit kugelförmigen Lagerflächen versehen sind, welche in bzw. auf Lagerstellen der Innenfassung gelagert sind. Die Dreipunktlagerung gewährleistet eine präzise definierte Lage der Innenfassung in der Außenfassung, wobei die Übertragung von Kräften und damit von Spannungen von der Außenfassung auf die Innenfassung und damit die Linse ausgeschlossen wird. Nachteilig an einer solchen Linsenfassung sind der vergleichsweise hohe Fertigungs- und Montageaufwand sowie die hohe Belastung der vergleichsweise kleinen und wenigen Kontaktpunkte bei Schocks. Bei einer zweiten Ausführung ist anstelle einer Dreipunktlagerung der Innenfassung eine deformationsentkoppelte Innenfassung mit Federbeinchen vorgesehen, deren freie Enden unmittelbar an der Linse anliegen. Die Innenfassung ist hier direkt an die Außenfassung geschraubt, weshalb die Innenfassung und die Außenfassung aus einem Material mit einem gleichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, wenn man thermische Spannung vermeiden möchte. Eine dritte Ausführung stellt eine Kombination aus Dreipunktlagerung der Innenfassung gegenüber der Außenfassung und einer deformationsentkoppelten Innenfassung mit Federbeinchen dar. Alle Ausführungen der Linsenfassung sind insbesondere für eine horizontale Anordnung der Linse geeignet und erfordern einen vergleichsweise hohen Montageaufwand. Die zweite und dritte Ausführung erfordern dazu einen vergleichsweise großen Bauraum in radialer Richtung.
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Aus der
DE 10 2015 115 929 B3 ist eine monolithische Linsenfassung bekannt, die in einen Fassungsaußenring, einen Fassungsinnenring und drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Verbindungsstrukturen unterteilt ist. Die Verbindungsstrukturen sind jeweils durch eine Kette von mindestens drei, bevorzugt fünf ineinander übergehenden Verbindungsstegen gebildet, die im Wechsel als radiale und axiale Verbindungsstege ausgeführt sind. Über die Dimensionierung der Verbindungsstege ist die radiale und axiale Biegesteifigkeit sowie die Torsionssteifigkeit der Verbindungsstruktur festlegbar.
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Der grundsätzliche Nachteil von monolithischen Linsenfassungen ist, dass sie komplett aus einem Material sind, womit eine individuelle Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten an die Linse durch einen Fassungsinnenring aus einem teuren Material wie Invar und die Verwendung eines preiswerten Materials für den Fassungsaußenring nicht möglich ist. Darüber hinaus müssen sie individuell für jeden Anwendungsfall dimensioniert werden und können nicht, wie bei diskret aufgebauten Linsenfassungen, im Baukastenprinzip und unter Verwendung von Wiederholteilen an den Anwendungsfall angepasst werden.
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Auch hat die Linsenfassung der vorgenannten
DE 10 2015 115 929 B3 , sofern der radiale Bauraum begrenzt ist, den Nachteil, dass sie in radialer Richtung durch die Addition der Querschnitte des Fassungsinnenringes und des Fassungsaußenringes und der mäanderförmigen Verbindungsstruktur einen hohen radialen Platzbedarf erfordert.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Linsenfassung gemäß der vorgenannten
DE 10 2015 115 929 B3 dahingehend zu verbessern, dass sie einen geringeren radialen Raumbedarf hat.
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Diese Aufgabe wird für eine spannungsarme Linsenfassung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden.
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Hierzu zeigen:
- 1a: eine Draufsicht auf eine Linsenfassung,
- 1b: ein Schnittbild der Linsenfassung nach 1a,
- 1c: ein Schnittbild einer Linsenfassung mit einem als Anschlag dienenden Absatz in der Durchgangsöffnung,
- 2a: eine Detailansicht einer Verbindungsstruktur der Linsenfassung in einer ersten Ausführung, gefertigt aus einem zylinderförmigen Grundkörper,
- 2b: eine Detailansicht einer Verbindungsstruktur der Linsenfassung in einer zweiten Ausführung, gefertigt aus einem quaderförmigen Grundkörper,
- 2c: eine Detailansicht einer Verbindungsstruktur der Linsenfassung in einer dritten Ausführung, gefertigt aus einem zylinderförmigen Grundkörper, und
- 2d: eine Detailansicht einer Verbindungsstruktur der Linsenfassung in einer vierten Ausführung, gefertigt aus einem quaderförmigen Grundkörper.
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Gleich dem Stand der Technik weist eine erfindungsgemäße spannungsarme Linsenfassung, wie in Fig. 1a und 1b dargestellt, einen Fassungsaußenring 1 mit einer Fassungsaußenringachse 1.0, einen Fassungsinnenring 2 und drei um 120° zueinander versetzt angeordnete elastische Verbindungen auf, über die der Fassungsaußenring 1 und der Fassungsinnenring 2 miteinander verbunden sind.
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Es ist erfindungswesentlich, dass die Verbindungen, die jeweils eine durch wechselseitig in axialer Richtung der Fassungsaußenringachse 1.0 eingebrachte Schlitze 3.2.1 gebildete Mäanderform aufweisen, jeweils ein Mittelstück 3.2 eines Verbindungsbolzens 3 darstellen, das durch ein erstes und ein zweites Endstück 3.1, 3.3 des Verbindungsbolzens 3 begrenzt ist. Das erste Endstück 3.1 ist in dem Fassungsaußenring 1 und das zweite Endstück 3.3 ist in dem Fassungsinnenring 2 stoffschlüssig angeordnet, wobei das Mittelstück 3.2 teilweise in dem Fassungsaußenring 1 und / oder dem Fassungsinnenring 2 integriert angeordnet ist.
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Die teilweise integrierte Anordnung des Mittelstückes 3.2 ist einer der Vorteile einer erfindungsgemäßen Linsenfassung. Dadurch schlägt sich die Verbindung nicht in eine radiale Bauraumforderung um und der radiale Bauraum wird ausschließlich durch die Dicken des Fassungsaußenringes 1 und des Fassungsinnenringes 2 bestimmt.
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In den 2a bis 2d sind verschiedene Ausführungen eines Verbindungsbolzens 3 gezeigt, die sich durch die Außenkonturen des ersten und zweiten Endstückes 3.1, 3.3 und des Mittelstückes 3.2 unterscheiden. Zur Montage der Linsenfassung werden die Verbindungsbolzen 3 jeweils durch eine Durchgangsöffnung 6 im Fassungsaußenring 1 hindurch in eine Ausnehmung 5 des Fassungsinnenringes 2, der koaxial zum Fassungsaußenring 1 positioniert angeordnet ist, eingeführt. In Einführrichtung ist entweder im Fassungsaußenring 1 oder im Fassungsinnenring 2 für die Verbindungsbolzen 3 ein Anschlag vorgesehen. Die Drehlage der Verbindungsbolzen 3 ist entweder durch die Außenkontur, bevorzugt des ersten Endstückes 3.1, vorgegeben oder wird während der Montage festgelegt.
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Bei der in 2a gezeigten ersten Ausführung eines Verbindungsbolzens 3 haben das erste und das zweite Endstück 3.1, 3.3 jeweils eine zylinderförmige Form. Ist der Durchmesser für beide Endstücken 3.1, 3.3 gleich groß, dann stellt, wie in 1b gezeigt, der Boden einer im Fassungsinnenring 2 ausgebildeten Ausnehmung 5 einen Anschlag für den Verbindungsbolzen 3 dar und ist bestimmend für dessen Positionierung in radialer Richtung zwischen dem Fassungsinnenring 2 und dem Fassungsaußenring 1. Vorteilhaft ist der Verbindungsbolzen 3 auch in seiner Grundform erhalten und es sind lediglich Schlitze 3.2.1 im Mittelstück 3.2 eingebracht, das dann nahtlos in die Endstücken 3.1, 3.3 übergeht, wie in den 2c und 2d gezeigt.
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Vorteilhaft ist in dem Fassungsinnenring 2 eine Entlüftungsbohrung 4 vorhanden, die in die zum Einkleben des zweiten Endstückes 3.3 in den Fassungsinnenring 2 vorhandene Ausnehmung 5 mündet und zur Entlüftung der Ausnehmung 5 während der Montage der Linsenfassung dient.
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Der Durchmesser des ersten Endstückes 3.1 kann auch größer als der Durchmesser des zweiten Endstückes 3.3 ausgeführt sein. Dann ist, wie in 1c dargestellt, im Fassungsaußenring 1 in der Durchgangsöffnung 6, die im Falle eines zylinderförmigen ersten Endstückes 3.1 eine Bohrung darstellt, vorteilhaft ein Absatz ausgebildet, der als Anschlag dient. Während oder nach dem Einführen der Verbindungsbolzen 3 muss deren Drehlage so eingestellt werden, dass die Schlitze 3.2.1 in axialer Richtung der Fassungsaußenringachse 1.0 verlaufen. Dazu weist das erste Endstück 3.1 an einer freien Stirnseite 3.1.1 vorteilhaft eine kantige Erhebung 7 oder kantige Aussparung auf, über die der Verbindungsbolzen 3 während der Montage mit einem Werkzeug drehbar ist und deren Kantenlage eine Information zur Relativlage der Schlitze 3.2.1 gibt.
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Das erste Endstück 3.1 kann vorteilhaft auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. In diesem Fall weist auch die zum Einkleben des ersten Endstückes 3.1 in den Fassungsaußenring 1 vorhandene Durchgangsöffnung 6 eine entsprechende rechteckige Querschnittsform auf, so dass der Verbindungsbolzen 3 bei der Montage der Linsenfassung nur in zwei Relativlagen zum Fassungsaußenring 1 in diesen eingeführt werden kann und sichergestellt ist, dass die Schlitze 3.2.1 in axialer Richtung der Fassungsaußenringachse 1.0 verlaufend angeordnet werden. Das zweite Endstück 3.3 hat in diesem Fall weiterhin eine zylinderförmige Form mit einem Durchmesser kleiner gleich der kürzeren Kantenlänge der rechteckigen Querschnittform des ersten Endstückes 3.1.
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Der Fassungsaußenring 1 und der Fassungsinnenring 2 können aus Materialien mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Die Verbindungsbolzen 3 bestehen dann vorteilhaft aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten gleich dem des Fassungsaußenringes 1, des Fassungsinnenringes 2 oder mit einem dazwischen liegenden Wert.
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Die Verbindungsbolzen 3 können als Standardteile vorgefertigt werden und sind nahezu unabhängig von den Dimensionierungen und Materialien der Fassungsaußenringe 1 und Fassungsinnenringe 2 einsetzbar, wenn in den Fassungsaußenringen 1 entsprechende Durchgangsöffnungen 6 und in den Fassungsinnenringen 2 entsprechende Ausnehmungen 5 vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fassungsaußenring
- 1.0
- Fassungsaußenringachse
- 2
- Fassungsinnenring
- 3
- Verbindungsbolzen
- 3.1
- erstes Endstück (des Verbindungsbolzens 3)
- 3.1.1
- freie Stirnseite (des ersten Endstücks 3.1)
- 3.2
- Mittelstück (des Verbindungsbolzens 3)
- 3.2.1
- Schlitz
- 3.3
- zweites Endstück (des Verbindungsbolzens 3)
- 4
- Entlüftungsbohrung
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- kantige Erhebung