DE102012215295A1

DE102012215295A1 - Verstellvorrichtung für ein optisches System

Info

Publication number: DE102012215295A1
Application number: DE102012215295.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Müller; Rupert Demleitner
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: US9274303B2; DE102012215295B4; US20140063627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für ein optisches System und weist auf: Ein erstes Schieberelement für ein erstes Optikelement, das entlang einer Achsrichtung verschiebbar angeordnet ist, ein zweites Schieberelement für ein zweites Optikelement, das entlang der Achsrichtung verschiebbar angeordnet ist, eine Steuerkurvenkontur, die relativ zu der Achsrichtung ortsfest angeordnet ist, ein Koppelelement, das zwischen dem ersten Schieberelement, dem zweiten Schieberelement und der Steuerkurvenkontur angeordnet ist und ein Kraftelement, das eine Kraft zwischen dem ersten Schieberelement und dem zweiten Schieberelement ausübt, so dass das Koppelement mit dem ersten Schieberelement an einem ersten Punkt in Kontakt steht, mit dem zweiten Schieberelement an einem zweiten Punkt in Kontakt steht und mit der Steuerkurvenkontur an einem dritten Punkt in Kontakt steht, wobei das Koppelement einen ersten Hebelarm umfasst, der zwischen dem ersten Punkt und dem dritten Punkt ausgebildet ist und das Koppelement einen zweiten Hebelarm umfasst, der zwischen dem zweiten Punkt und dem dritten Punkt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist die Verstellvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei einer Bewegung des Koppelements der erste Hebelarm und/oder der zweite Hebelarm in der Länge veränderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für ein optisches System und weist auf: Ein erstes Schieberelement für ein erstes Optikelement, das entlang einer Achsrichtung verschiebbar angeordnet ist, ein zweites Schieberelement für ein zweites Optikelement, das entlang der Achsrichtung verschiebbar angeordnet ist, sowie eine Steuerkurvenkontur, die relativ zu der Achsrichtung ortsfest angeordnet ist. Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Koppelelement, das zwischen dem ersten Schieberelement, dem zweiten Schieberelement und der Steuerkurvenkontur angeordnet ist und ein Kraftelement, das eine Kraft zwischen dem ersten Schieberelement und dem zweiten Schieberelement ausübt, so dass das Koppelement mit dem ersten Schieberelement an einem ersten Punkt in Kontakt steht, mit dem zweiten Schieberelement an einem zweiten Punkt in Kontakt steht und mit der Steuerkurvenkontur an einem dritten Punkt in Kontakt steht, wobei das Koppelement einen ersten Hebelarm umfasst, der zwischen dem ersten Punkt und dem dritten Punkt ausgebildet ist und das Koppelement einen zweiten Hebelarm umfasst, der zwischen dem zweiten Punkt und dem dritten Punkt ausgebildet ist.
Optische Systeme umfassen oftmals mechanisch bewegte Optikelemente oder Baugruppen von Optikelementen. Typischerweise betrifft dies Zoomvorrichtungen oder Fokuseinrichtungen. Mindestens ein Optikelement ist dabei entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zwischen zwei Endlagenpositionen geführt. Beispielsweise kann die Bewegung eines ersten Optikelements entlang einer Achse in nicht linearer Weise erfolgen, während die Bewegung des zweiten Optikelements relativ zur Position des ersten Optikelements einen anderen Bewegungsablauf aufweist. Ein nicht linearer Bewegungsablauf der Optikelemente ergibt sich häufig aus der Notwendigkeit, die Brennweite und Schärfentiefe des optischen Systems an eine Beobachtungssituation anzupassen.
Aus der DE 8003643 U1 ist eine Verstellvorrichtung für ein pankratisches Objektiv eines Stereomikroskops mit zwei entlang der optischen Achse relativ zueinander verschiebbaren Linsengliedern bekannt. Die Verstelleinrichtung weist ein erstes Schieberelement für ein erstes Linsenglied und ein zweites Schieberelement für ein zweites Linsenglied auf. Das Schieberelement wird in dieser Druckschrift als Träger bezeichnet. Das erste Schieberelement kann mittels einer Handhabe verschoben werden. Zwischen dem ersten Schieberelement und dem zweiten Schieberelement ist ein Koppelelement angeordnet, das in der Druckschrift als Anlenkelement bezeichnet wird. Das Koppelelement steht mit einer Steuerkurve im Eingriff. Das Koppelelement besteht aus einem Kniehebel, der sich mit jeweils einem Schenkel an einem der mit Federkraft gegeneinander vorgespannten Schieberelemente und mit seiner Knickstelle über ein um eine Knickachse drehbares Rad an der ortsfesten Steuerkurve abstützt.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass für das Koppelement mehrere Bauteile notwendig sind, nämlich zwei Schenkel und ein drehbares Rad. Insbesondere bei sehr kleinen optischen Systemen ist dies mit erhöhten Fertigungs- und Montagekosten verbunden. Zudem sind in bestimmten Positionen große Kräfte in dem Kniehebel und an der Steuerkurve zu erwarten. Beispielsweise ist zur Erreichung eines kurzen Abstandes der beiden Schieberelemente ein kleiner eingeschlossener Winkel an der Knickstelle zwischen den beiden Schenkeln notwendig. Da die Knickstelle an der Steuerkurve abgestützt ist, führt dies zu großen Kräften in diesem Bereich, insbesondere zu großen Kräften innerhalb der beiden Schenkel und an den Lagereinrichtungen der beiden Schenkel. Wenn die Vorrichtung von einem Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand verfahren wird, ist damit ein ungünstiges Kräfteverhältnis der vom ersten Schieberelement auf das zweite Schieberelement übertragenen Kräfte verbunden, da auch die Übertragung der Kräfte die in axialer Richtung vom ersten Schieberelement auf das zweite Schieberelement wirken, über die Schenkel des Kniehebels erfolgt. Durch die ungünstigen Kräfteverhältnisse ist die Verwendung einer starken Feder notwendig, um das zweite Schieberelement zuverlässig und spielfrei über das Koppelelement mit dem ersten Schieberelement zu verbinden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Verstellvorrichtung für ein optisches System zur Verfügung zu stellen, das einfach zu produzieren ist und eine günstige Kraftübertragung zwischen den Schieberelementen und einem Koppelelement ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verstellvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei einer Bewegung des Koppelelements der erste Hebelarm und/oder der zweite Hebelarm in der Länge veränderlich ist. Zwei Optikelemente, die optische Linsen oder Gruppen von optischen Linsen umfassen können, sollen relativ zueinander entlang einer Achsrichtung bewegt werden. Dazu sind die Optikelemente jeweils auf einem ersten Schieberelement und einem zweiten Schieberelement angeordnet. Eine Steuerkurvenkontur ist ortsfest in Bezug auf die Achsrichtung angebracht. Zwischen dem ersten Schieberelement, dem zweiten Schieberelement und der Steuerkurvenkontur ist ein Koppelelement angeordnet, das mit Hilfe des Kraftelements in einer definierten Position gehalten wird. Dabei steht das Koppelelement mit dem ersten Schieberelement an einem ersten Punkt, mit dem zweiten Schieberelement an einem zweiten Punkt und mit der Steuerkurvenkontur an einem dritten Punkt in Kontakt. Bei einer Bewegung des ersten Schieberelementes entlang der Achsrichtung wird das Koppelelement zwangsläufig mitgeführt, wobei es an der Steuerkurvenkontur abgleitet oder abrollt. Die Bewegung des Koppelelements wird dabei auf das zweite Schieberelement übertragen. Damit ergibt sich eine definierte Position aller Elemente in verschiedenen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung.
Als Betriebszustand der Verstellvorrichtung wird in dieser Druckschrift die Gesamtheit der Lagen aller Einzelelemente der Verstellvorrichtung in einem bestimmten, funktionell wirksamen Zustand definiert. Als Einzelelemente werden beispielsweise das erste Schieberelement, das zweite Schieberelement, sowie die daran angebrachten Optikelemente, das Koppelelement, das Kraftelement, sowie die an den genannten Einzelelementen angebrachten Zusatzelemente, beispielsweise Lagereinrichtungen, Stifte und Verbindungselemente, verstanden. Eine einem Betriebszustand der Verstellvorrichtung zugeordnete Position eines Einzelelements ist in diesem Zusammenhang als Arbeitsposition definiert. Der Betriebszustand der Verstellvorrichtung ergibt sich somit auch als Summe der Arbeitspositionen der Einzelelemente. Ist das optische System beispielsweise ein Zoomsystem, dann entspricht ein Betriebszustand einer bestimmten Zoomeinstellung.
Als Kontaktbereich ist in dieser Druckschrift der Bereich zwischen zwei Elementen definiert, der sich aus der Berührung dieser zwei Elemente ergibt. Der Kontaktbereich kann ein Punkt, eine Linie oder eine Fläche sein. In jeder Arbeitsposition ergibt sich als Kontaktbereich zweier Elemente mindestens ein erster Punkt zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelelement, ein zweiter Punkt zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelelement und ein dritter Punkt zwischen dem Koppelelement und der Steuerkurvenkontur. Ergibt sich als Kontaktbereich zwischen zwei berührenden Elementen eine Linie, so kann der erste Punkt, der zweite Punkt oder der dritte Punkt auch ein Kontaktpunkt auf dieser Linie sein. Die Kontaktbereich weist mindestens einen Punkt auf, konstruktionsbedingt und/oder materialbedingt kann es sich dabei aber auch um eine kreisförmige, ovale, rechteckige oder beliebig geformte Fläche handeln.
Über den ersten Punkt, den zweiten Punkt und den dritten Punkt werden Kräfte übertragen. Für jeden der drei Punkte lassen sich die Kräftevektoren berechnen. Die Kräftevektoren am ersten Punkt und zweiten Punkt zeigen eine Komponente entlang der Achsrichtung oder Verschieberichtung der beiden Schieberelemente, sowie ein Komponente, die orthogonal dazu verläuft, d. h. in Richtung der ortsfest angebrachten Steuerkurvenkontur. Dadurch erfährt das Koppelelement eine Kraft in Richtung der Steuerkurvenkontur und es ist gewährleistet, dass das Koppelelement in jeder Arbeitsposition mit der Steuerkurvenkontur im dritten Punkt in Kontakt steht.
Eine Lageänderung des Koppelelements führt zu einer Änderung der Arbeitsposition des zweiten Schieberelements. Damit verbunden ist eine Einstellung des für diese Arbeitsposition definierten relativen Abstands zwischen dem ersten Schieberelement und dem zweiten Schieberelement. Dadurch ist die Verstellvorrichtung in einen anderen Betriebszustand übergeführt.
Die Strecke zwischen dem ersten Punkt und dem dritten Punkt ist als ein erster Hebelarm definiert. Die Strecke zwischen dem zweiten Punkt und dem dritten Punkt ist als ein zweiter Hebelarm definiert. Für jeden Betriebszustand lassen sich die Kräfteverhältnisse in diesen zwei Hebelarmen berechnen. Bei einer Änderung des Betriebszustandes bzw. einer Bewegung des Koppelelements ist die Länge des ersten Hebelarms und/oder des zweiten Hebelarms veränderlich. Durch eine Veränderung der Länge eines Hebelarms oder beider Hebelarme bei einem Verfahren der Verstellvorrichtung in einen anderen Betriebszustand kann so die Kraftübertragung vom ersten Schieberelement über das Koppelelement und die Steuerkurvenkontur zum zweiten Schieberelement günstig beeinflusst werden. Aus den günstigen Kräfteverhältnisse resultiert eine leichtgängige, langlebige und verschleißarme Verstellvorrichtung, die leicht zu montieren und einfach in der Herstellung ist. Besonders geeignet ist diese Verstellvorrichtung für sehr kleine optische Zoom- und Fokus-Einrichtungen.
In einer Ausgestaltung sind Konturen des ersten Schieberelements, des zweiten Schieberelements, des Koppelelements und der Steuerkurvenkontur derart aufeinander abgestimmt, dass ein Bewegungswiderstand zwischen dem Koppelelement und der Steuerkurvenkontur größer ist als die Summe der Bewegungswiderstände zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelement sowie dem zweiten Schieberelement und dem Koppelement, so dass das Koppelelement bei einer Bewegung entlang der Steuerkurvenkontur abrollt.
Das Koppelelement steht mit den beiden Schieberelementen an einem ersten Punkt und einem zweiten Punkt und mit der Steuerkurvenkontur an einem dritten Punkt in Kontakt. Bei einer Ausführung des Koppelelements beispielsweise mit rundlichen Konturen kann das Koppelelement bei einer Änderung der Arbeitsposition zusätzlich zu translatorischen Bewegungen eine rotatorische Bewegung ausführen. Ein Abrollen des Koppelelements auf der Steuerkurvenkontur wird erreicht, wenn eine am Koppelelement angreifende resultierende tangentiale Kraft groß genug ist, um einen Bewegungswiderstand, d. h. die einer Bewegung entgegenwirkende Kraft, zu überwinden. Zum Erreichen einer definierten Bewegung des Koppelelements sollte die einer Bewegung entgegenwirkende Kraft in tangentialer Richtung am dritten Punkt zwischen Koppelelement und Steuerkurvenkontur, größer sein als die Summe der Bewegungswiderstände in tangentialer Richtung am ersten Punkt und zweiten Punkt zwischen den beiden Schieberelementen und dem Koppelelement.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass durch geeignete Maßnahmen allgemein eine erhöhte Reibung im Kontaktbereich zwischen der Steuerkurvenkontur und dem Koppelelement herbeigeführt ist, beispielsweise durch den Verzicht auf ein Schmiermittel, das Aufrauhen der Oberfläche oder eine andere Oberflächenbehandlung. Der Kontaktbereich kann vergrößert werden, beispielsweise zu einer kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen Fläche. An den Konturbereichen, an denen zwischen den Schieberelementen und dem Koppelelement ein Kontakt entsteht, können die Reibkräfte beispielsweise durch geeignete Schmierung, glatte Oberflächen oder eine optimale Oberflächengestaltung mit einem sehr kleinen punktförmigen Kontaktbereich minimiert werden. Durch diese Maßnahme kann das Koppelement bei der Bewegung eines Schieberelementes zuverlässig an der Steuerkurvenkontur abrollen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das erste Schieberelement eine erste Lagereinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass das erste Schieberelement mit dem Koppelelement über die erste Lagereinrichtung im ersten Punkt in Kontakt steht.
Wird zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelelement eine zusätzliche Lagereinrichtung, beispielsweise ein Gleitlager, ein Kugellager oder Wälzlager eingebracht, wird der Bewegungswiderstand zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelement sehr klein. Durch diese reibungsarme Lagereinrichtung kann damit vorteilhaft eine Verringerung des Bewegungswiderstandes zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelelement erreicht werden, was zu einem verbesserten Abrollvorgang des Koppelelements an der Steuerkurvenkontur führt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das zweite Schieberelement eine zweite Lagereinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass das zweite Schieberelement mit dem Koppelelement über die zweite Lagereinrichtung im zweiten Punkt in Kontakt steht.
Wird zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelelement eine zusätzliche Lagereinrichtung, beispielsweise ein Gleitlager, ein Kugellager oder Wälzlager eingebracht, wird der Bewegungswiderstand zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelement sehr klein. Durch diese reibungsarme Lagereinrichtung kann damit vorteilhaft eine Verringerung des Bewegungswiderstandes zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelelement erreicht werden, was zu einem verbesserten Abrollvorgang des Koppelelements an der Steuerkurvenkontur führt.
Vorteilhaft können diese Lagereinrichtungen auch zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelelement und zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelelement angeordnet sein. Durch diese beiden Lagereinrichtungen kann das Koppelement bei der Bewegung eines Schieberelementes zuverlässig an der Steuerkurvenkontur abrollen. Die Reduktion der Reibung des Gesamtsystems durch Einsatz mindestens einer Lagereinrichtung verbessert die mechanischen Laufeigenschaften der Verstellvorrichtung insgesamt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Koppelelement einteilig ausgeführt.
Eine einteilige Ausführung des Koppelelements hat günstige Produktionskosten, geringe Lagerhaltungskosten und eine kostengünstige Montage zur Folge. Durch eine einteilige Ausführung ist Spiel, das sich sonst durch den Einsatz mehrerer, miteinander in Verbindung stehender Bauteile, die zusammen ein Koppelelement bilden würden, verringert. Durch verschiedenen Kraftangriffspunkte des einteiligen Koppelelements in den verschiedenen Betriebszuständen lassen sich günstige Hebelverhältnisse und damit eine besonders günstige Kraftübertragung für die Verstellvorrichtung realisieren. Besonders vorteilhaft ist eine einteilige Ausführung des Koppelelements bei sehr kleinen Verstellvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Koppelelement zumindest teilweise eine runde Konturfläche auf, die derart ausgestaltet ist, dass das Koppelelement in allen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung über die Konturfläche mit dem ersten Schieberelement im ersten Punkt in Kontakt steht und über die Konturfläche mit dem zweiten Schieberelement im zweiten Punkt in Kontakt steht.
Weist das Koppelelement an den Konturflächen, an denen ein Kontaktbereich zu den beiden Schieberelementen gebildet werden kann, eine runde Form auf, kann die Form des Koppelelements einfach gestaltet werden. Im einfachsten Fall ist das Koppelelement vollständig rund oder kreisförmig ausgebildet. Durch die runde Form des Koppelelements ergibt sich in allen Betriebspositionen ein stabiler Zustand. Bei einer ungewollten Rotation des Koppelelements um die eigene Achse sind die Auswirkungen auf die Funktion der Verstellvorrichtung sehr gering und allenfalls bedingt durch Herstellungstoleranzen des Koppelelements. Ferner bleiben die Kräfteverhältnisse an allen drei Punkten, mit denen das Koppelelement mit den Schieberelementen und der Steuerkurvenkontur in Kontakt steht, gleich. Durch die runde Form des Koppelelements ergibt sich eine günstige Produktionsmethode als Drehteil. Die Berechung der Verstellvorrichtung ist relativ einfach.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Verstellvorrichtung eine Zahnverbindung auf, durch die das Koppelelement mit der Steuerkurvenkontur in Verbindung steht.
Durch den Einsatz einer Zahnverbindung im Kontaktbereich zwischen der Steuerkurvenkontur und dem Koppelelement ist ein ungewolltes Verdrehen oder Verschieben des Koppelelements in diesem Bereich zuverlässig verhindert. Dadurch ist bei einem beliebig geformten Koppelelement in jedem Betriebszustand der Verstellvorrichtung eine genau definierte Lagebeziehung zwischen Steuerkurvenkontur und Koppelelement vorgegeben.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Koppelelement über ein Drehgelenk mit dem ersten Schieberelement verbunden, wobei der erste Punkt durch das Drehgelenk gebildet ist.
Dabei ist der erste Punkt zwischen diesem Schieberelement und dem Koppelelement im Drehgelenk definiert. Das Koppelelement ist auch in dieser Ausgestaltungsform weiterhin an der Steuerkurvenkontur abgestützt, ebenso ergibt sich zwischen dem zweiten Schieberelement und dem Koppelelement ein in verschiedenen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung unterschiedlicher zweiter Punkt als Kontaktpunkt. Bei einer Positionsänderung eines Schieberelementes führt das Koppelelement, abhängig von der Steuerkurvenkontur, zusätzlich zu einer translatorischen Bewegung eine rotatorische Bewegung um den Drehpunkt des Drehgelenkes aus. Je nach Form der Steuerkurvenkontur und der Kontur des Koppelelements im Kontaktbereich zu dem zweiten Schieberelement stellt sich für das zweite Schieberelement eine Position relativ zu der Position des ersten Schieberelementes ein.
Durch die Lagerung des Koppelelements an einem Schieberelement ist die Zahl der rotatorischen Freiheitsgrade des Koppelelements reduziert und eine ungewollte Winkeländerung des Koppelelements im Betrieb zuverlässig verhindert. Damit lassen sich andere Bewegungsbahnen für das Koppelelement und andere Formen der Steuerkurvenkontur definieren. Neue Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich damit auch für die Form des Koppelelements. Dieses kann relativ schmal gestaltet werden. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft bei Verstellvorrichtungen mit beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind das Koppelelement und das erste Schieberelement über ein Gelenk mit einem translatorischen Freiheitsgrad miteinander verbunden.
Eine Reduktion der rotatorischen Freiheitsgrade des Koppelelements erfolgt dadurch, dass das Koppelelement über ein Gelenk mit einem translatorischen Freiheitsgrad mit einem Schieberelement verbunden ist. Damit ergibt sich zu den drei Punkten, an denen das Koppelelement die beiden Schieberelemente sowie die Steuerkurvenkontur berührt, ein zusätzlicher vierter Punkt, der sich durch den Kontakt zwischen dem ersten Schieberelement und dem Koppelelement ergibt. Durch die Ergänzung eines zusätzlichen Gelenkes mit einem translatorischen Freiheitsgrad befindet sich das Koppelelement in jeder Arbeitsposition in einer definierten Lage und führt bei einer Änderung der Arbeitsposition eine definierte Bewegung aus.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Gelenk als Kulissenführung ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung weist das Koppelelement eine Nut, einen Schlitz oder einen Steg auf, in dem ein Kulissenelement, das an einem Schieberelement angebracht ist, zwangsgeführt ist. Alternativ kann das Kulissenelement am Koppelelement angebracht sein und das Schieberelement eine Nut, Schlitz oder Steg aufweisen. Die Ausgestaltung des Gelenks als Kulissenführung hat den Vorteil, dass dieses günstig und einfach produziert werden kann.
Herstellungstoleranzen der Kulissenführung wirken sich nur in geringem Maße auf die Genauigkeit der Verstellvorrichtung insgesamt aus.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Koppelelement mindestens eine gerade Anlagekontur auf, so dass das Koppelelement in allen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung an der geraden Anlagekontur mit dem ersten Schieberelement am ersten Punkt in Kontakt steht.
Eine kostengünstige Fertigung des Koppelelements lässt sich durch eine einfach zu produzierende Form erreichen. Hohe Genauigkeiten sind nur in den Bereichen nötig, in denen das Koppelelement in den verschiedenen Betriebszuständen mit den beiden Schieberelementen oder der Steuerkurvenkontur in Kontakt steht. Weist das Koppelelement an einer diesen Stellen eine gerade Außenkante auf, kann diese Außenkante einfach produziert, bzw. geprüft werden. Eine insgesamt günstige Fertigung des Koppelelements ist die Folge.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kraftelement als Zugfeder ausgebildet.
Durch Auswahl einer geeigneten Zugfeder kann die Zugkraft mit dem notwendigen korrekten Betrag leicht zur Verfügung gestellt werden, so dass die Verstellvorrichtung mit dem kleinstmöglichen Kraftaufwand zuverlässig funktioniert. Die Verwendung einer Zugfeder als Kraftelement ist kostengünstig.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen erklärt, in welchen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand;
2 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand;
3 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand;
7 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand;
8 das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand;
9 das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand;
10 eine schematische Darstellung der Optikelemente in drei Betriebszuständen.
Die in den Figuren genannten Bezugszeichen gelten übergreifend für mehrere Figuren. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei jeweils auf gleiche Elemente.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vestellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand dargestellt.
Eine optische Vorrichtung 1 ist hier als Zoom-Einstellvorrichtung für eine stereoskopische Beobachtungseinheit ausgeführt. Die optische Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein erstes Führungselement 5 und parallel dazu ein zweites Führungselement 6 montiert sind. Beide Führungselemente 5, 6 sind als Führungsstangen ausgeführt. Die Führungselemente 5, 6 verlaufen entlang einer Achsrichtung, die in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu einer ersten optischen Achse 3 eines ersten Stereokanals verläuft. Parallel zur ersten optischen Achse 3 des ersten Stereokanals ist eine zweite optische Achse 4 eines zweiten Stereokanals angeordnet. Auf den Führungselementen 5, 6 sind ein erstes Schieberelement 10 und ein zweites Schieberelement 20 verschiebbar in Richtung der beiden optischen Achsen 3, 4 gelagert. Am ersten Schieberelement 10 ist ein erstes Optikelement 15 auf der ersten optischen Achse 3 und ein zweites Optikelement 16 auf der zweiten optischen Achse 4 angebracht. Am zweiten Schieberelement 20 ist ein drittes Optikelement 25 auf der ersten optischen Achse 3 und ein viertes Optikelement 26 auf der zweiten optischen Achse 4 angebracht. Das Schieberelement 10 ist zusätzlich, beispielsweise in Gewindeeingriff, über eine Antriebsstange 7 mit einem Einstellrad 9 verbunden. Eine Drehung des Einstellrades 9 bewirkt eine Drehung der Antriebsstange 7. Eine Drehung der Antriebsstange 7 führt zu einer Änderung der Arbeitsposition des ersten Schieberelementes 10 in Richtung der optischen Achsen 3, 4. Über das Einstellrad 9 kann somit die Arbeitsposition des ersten Schieberelements 10 in axialer Richtung eingestellt werden.
Mit dem Gehäuse 2 ist ein Steuerkurvenelement 40 ortsfest verbunden. Das Steuerkurvenelement 40 weist eine Steuerkurvenkontur 41 in Bezug auf die beiden optischen Achsen 3, 4 auf. Am ersten Schieberelement 10 ist ein erstes Lager in Form eines ersten Kugellagers 11 angebracht und am zweiten Schieberelement 20 ist ein zweites Lager in Form eines zweiten Kugellagers 21 angebracht. Zwischen dem ersten Kugellager 11, dem zweiten Kugellager 21 und der Steuerkurvenkontur 41 befindet sich ein Koppelelement 30. Das Koppelelement 30 weist eine kreisrunde Form auf und ist in diesem Ausführungsbeispiel als Ring ausgeführt. Ein Kraftelement, beispielsweise eine Zugfeder 8, bewirkt eine Zugkraft zwischen dem zweiten Schieberelement 20 und dem ersten Schieberelement 10. Dabei wird das Koppelelement 30, das in einem Eingriff der beiden Kugellager 11, 21 geführt ist, spielfrei gegen die Steuerkurvenkontur 41 gedrückt. Zwischen dem ersten Kugellager 11 und dem Koppelelement 30 ergibt sich ein erster Punkt 12 als Kontaktpunkt. Ein zweiter Punkt 22 ist als Kontaktpunkt zwischen dem zweiten Kugellager 21 und dem Koppelelement 30 gebildet und ein dritter Punkt 32 als Kontaktpunkt zwischen der Steuerkurvenkontur 41 und dem Koppelelement 30. Das Koppelelement 30 weist einen ersten Hebelarm 33 zwischen dem ersten Punkt 12 und dem dritten Punkt 32 und einen zweiten Hebelarm 34 zwischen dem zweiten Punkt 22 und dem dritten Punkt 32 auf.
In 1 ist die optische Verstellvorrichtung 1 in einem ersten Betriebszustand gezeigt. Das Schieberelement 10 befindet sich dabei in einer ersten Arbeitsposition, die hier auch als erste Endlagenposition bezeichnet werden kann, da sich das Schieberelement 10 an einem Endanschlag zum Gehäuse 2 befindet. Durch die Steuerkurvenkontur 41 und das erste Kugellager 11 ist die Lage des Koppelelements 30 definiert. Abhängig von der Lage des Koppelelements 30 stellt sich für das zweite Kugellager 21 und dem damit verbundenen zweiten Schieberelement 21 ein erster relativer Abstand zum ersten Schieberelement 10 ein. Damit befinden sich das erste Optikelement 15 und das dritte Optikelement 25, sowie das zweite Optikelement 16 und das vierte Optikelement 26 in einer ersten Zoomeinstellung.
In 2 ist das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand dargestellt.
Das Schieberelement 10 ist dabei in einer mittleren Position zwischen den zwei Endlagenpositionen angeordnet. Die Lage des Koppelelements 30 ist durch die Form der Steuerkurvenkontur 41 und die Position des am ersten Schieberelement 10 angebrachten ersten Kugellagers 11 definiert. Durch die hier nicht dargestellte Zugfeder 8 wird das zweite Schieberelement 20 mit dem zweiten Kugellager 21 an das Koppelelement 30 gezogen. Dadurch ist ein zweiter relativer Abstand zwischen dem ersten Schieberelement 10 und dem zweiten Schieberelement 20 eingestellt. Das erste Optikelement 15 und das dritte Optikelement 25, sowie das zweite Optikelement 16 und das vierte Optikelement 26 befinden sich damit in einer zweiten Zoomeinstellung. Diese zweite Zoomeinstellung entspricht einem zweiten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 1.
In 3 ist das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand dargestellt.
Bedingt durch die Steuerkurvenkontur 41 ist zwischen dem ersten Schieberelement 10 und dem zweiten Schieberelement 20 über die Kugellager 11, 21 und das Koppelelement 30 ein dritter relativer Abstand eingestellt. Das zweite Schieberelement 20 befindet sich dabei in einer zweiten Endlagenposition. Das erste Optikelement 15 und das dritte Optikelement 25, sowie das zweite Optikelement 16 und das vierte Optikelement 26 befinden sich damit in einer dritten Zoomeinstellung. Diese dritte Zoomeinstellung entspricht einem dritten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 1.
In den 1, 2 und 3 sind die zwei Hebelarme 33, 34 jeweils als gestrichelte Linien eingezeichnet. Die Figuren zeigen die Veränderungen der Längen des ersten Hebelarms 33 und des zweiten Hebelarms 34 in drei verschiedenen Betriebszuständen der optischen Verstellvorrichtung 1.
In dem in 1 dargestellten ersten Betriebszustand entspricht der erste Hebelarm 33 in seiner Länge ungefähr dem Radius des Koppelelements 30, während der zweite Hebelarm 34 im Verhältnis zum ersten Hebelarm 33 fast doppelt so lang ausgebildet ist. Im zweiten Betriebszustand, dargestellt in 2, sind die beiden Hebelarme 33, 34 näherungsweise gleich lang ausgebildet. Beide Hebelarme 33, 34 sind in diesem zweiten Betriebszustand jedoch kürzer, als der zweite Hebelarm 34 und länger als der erste Hebelarm 33 im ersten Betriebszustand gemäß 1. Eine Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 1 aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand hat zur Folge, dass der erste Hebelarm 33 verlängert und der zweite Hebelarm 34 verkürzt wird. Während der Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 1 vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand erfolgt die Veränderung der Länge der beiden Hebelarme 33, 34 nicht linear.
In 3 ist ein dritter Betriebszustand dargestellt. Im dritten Betriebszustand ist der erste Hebelarm 33 im Verhältnis zum zweiten Hebelarm 34 fast doppelt so lang ausgebildet. Während einer Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 1 aus dem zweiten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand wird der erste Hebelarm 33 verlängert und der zweite Hebelarm 34 verkürzt. Die Veränderung der Länge der beiden Hebelarme 33, 34 ist nicht linear. Bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung vom dritten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand und vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand sind die Veränderungen der Länge der beiden Hebelarme 33, 34 invertiert.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Antrieb des ersten Schieberelements 10 über die Antriebsstange 7 und dem Einstellrad 9. Alternativ kann der Antrieb aber auch am zweiten Schieberelement 20 erfolgen. Der Antrieb des ersten Schieberelements 10 oder der Antrieb des zweiten Schieberelements 20 sind gleichwertig. Die Antriebsstange 7 kann beispielsweise eine Gewindespindel umfassen oder sie kann derart ausgeführt sein, dass ein am Schieberelement 10 angebrachter Stift in einer in der Antriebsstange eingefrästen Nut geführt ist. Ebenso ist eine Antriebslösung durch einen Hebel oder einen Seilzug vorstellbar. Der Antrieb kann dabei sowohl von Hand über das Einstellrad 10 als auch motorisch erfolgen.
Das einteilige Koppelelement 30 kann durch konstruktive Maßnahmen, beispielsweise durch eine in das Koppelement 30 eingebrachte Nut im Kontaktbereich zwischen Koppelement 30 und Steuerkurvenkontur 41 und im Kontaktbereich zwischen Koppelelement 30 und den beiden Kugellagern 11, 21 zuverlässig vor einem Herausfallen gesichert werden.
Wird das runde Koppelement 30 aus einer Arbeitsposition ausgelenkt, beispielsweise durch eine ungewollte Rotationsbewegung um die eigene Achse, hat dies keine Auswirkungen auf die Funktion oder die Kräfteverteilung in allen Betriebszuständen der optischen Verstellvorrichtung 1.
Die Zugfeder 8 kann alternativ auch als eine Gummizugeinrichtung ausgebildet sein. Ebenso ist vorstellbar, ein Kraftelement durch Magneten zu realisieren. In einer weiteren Ausgestaltungsform kann die Zugfeder 8 auch durch zwei Druckfedern ersetzt werden, wobei eine erste Druckfeder zwischen dem Gehäuse 2 und dem ersten Schieberelement 10 und eine zweite Druckfeder zwischen dem Gehäuse 2 und dem zweiten Schieberelement 20 angebracht ist. Die beiden Druckfedern drücken das Koppelelement so spielfrei gegen die Steuerkurvenkontur 41.
Eines oder beide Kugellager 11, 21 können auch durch andere Wälzlager oder Gleitlager ersetzt werden. Es ist auch vorstellbar, ganz auf eine Lagereinrichtung zu verzichten. In diesem Fall kann vorgesehen sein, reibungsminimierende Stoffe, beispielsweise Öl oder Silikonöl an die Kontaktflächen oder Gleitflächen zwischen den beiden Schieberelementen 10, 20 und dem Koppelelement 30 aufzubringen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Koppelelement 30 auch eine Zahnverbindung aufweisen, durch die das Koppelelement 30 mit der Steuerkurvenkontur 41 in Verbindung steht. Die Zahnverbindung kann derart gestaltet sein, dass die Steuerkurvenkontur 41 eine Oberflächenstruktur mit einem oder mehreren Zähnen aufweist, die im Eingriff mit einer korrespondierenden Zahnstruktur des Koppelelements 30 steht. Die Struktur eines oder mehrerer Zahnelemente kann beispielsweise additiv mit der Form der Steuerkurvenkontur 41 verrechnet sein, so dass sich konstruktiv eine neue resultierende Steuerkurvenkontur 41 ergibt. In diesem Fall weist das Koppelelement 30 im Kontaktbereich zur Steuerkurvenkontur 41 eine entsprechend korrespondierende Zahnstruktur auf. Zusätzlich kann bei einer Zahnverbindung durch die erhöhte Reibung und die in jedem Betriebszustand genau definierte Position im Kontaktbereich zwischen Koppelement 30 und Steuerkurvenkontur 41 unter Umständen auf den Einsatz von Lagereinrichtungen 11, 21 zwischen den ersten Schieberelement 10 und dem Koppelelement 30, sowie dem zweiten Schieberelement 20 und dem Koppelelement 30 verzichtet werden. Insbesondere kann das Koppelelement 30 auch eine von der Kreisform abweichende Form aufweisen, da durch die Zahnverbindung zwischen Koppelelement 30 und Steuerkurvenkontur 41 in jeder Arbeitsposition eine definierte Lage des Koppelelements 30 gewährleistet ist.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand dargestellt.
Eine optische Vorrichtung 101 ist als Zoom-Einstellvorrichtung für eine stereoskopische Beobachtungseinheit ausgeführt. Die optische Vorrichtung 101 umfasst ein Gehäuse 102, in dem ein erstes Führungselemente 105 und ein zweites Führungselement 106 montiert sind. Die Führungselemente 105, 106 verlaufen entlang einer Achsrichtung, die in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu einer ersten optischen Achse 103 eines ersten Stereokanals verläuft. Parallel zur ersten optischen Achse 103 des ersten Stereokanals ist eine zweite optische Achse 104 eines zweiten Stereokanals angeordnet. Auf den Führungselementen 105, 106 sind ein erstes Schieberelement 110 und ein zweites Schieberelement 120 verschiebbar in Richtung der beiden optischen Achsen 103, 104 gelagert. Am ersten Schieberelement 110 ist ein erstes Optikelement 115 auf der ersten optischen Achse 103 und ein nicht dargestelltes zweites Optikelement auf der zweiten optischen Achse 104 angebracht. Am zweiten Schieberelement 120 ist ein drittes Optikelement 125 auf der ersten optischen Achse 3 und ein nicht dargestelltes viertes Optikelement auf der zweiten optischen Achse 4 angebracht. Das Schieberelement 110 ist zusätzlich, beispielsweise in Gewindeeingriff, über eine nicht dargestellte Antriebsstange 107 mit einem Einstellrad 109 verbunden. Eine Drehung des Einstellrades 109 bewirkt eine Drehung der Antriebsstange 107. Eine Drehung der Antriebsstange 107 führt zu einer Änderung der Arbeitsposition des ersten Schieberelementes 110 in Richtung der optischen Achsen 103, 104. Über das Einstellrad 109 kann somit die Arbeitsposition des ersten Schieberelementes 110 in axialer Richtung eingestellt werden.
Mit dem Gehäuse 102 ist ein Steuerkurvenelement 140 ortsfest verbunden. Das Steuerkurvenelement 140 weist eine Steuerkurvenkontur 141 in Bezug auf die beiden optischen Achsen 103, 104 auf. Das erste Schieberelement 110 ist über eine Lagereinrichtung 111 mit einem Koppelelement 130 verbunden. Diese Lagereinrichtung 111 kann als Gleitlager oder allgemein als Wälzlager, bevorzugt als Kugellager, ausgeführt sein. Das Koppelelement 130 weist einen rotatorischen Freiheitsgrad um den Mittelpunkt der Lagereinrichtung 111 auf.
Ein Kraftelement, beispielsweise eine Zugfeder 108, bewirkt eine Zugkraft zwischen dem zweiten Schieberelement 120 und dem ersten Schieberelement 110. Am zweiten Schieberelement 120 ist ein Lager 121 angebracht. Das Lager 121 kann als Gleitlager oder allgemein als Wälzlager, bevorzugt als Kugellager, ausgeführt sein. Durch das Lager 121 wird das durch die Lagereinrichtung 111 gelagerte Koppelelement 130 spielfrei gegen die Steuerkurvenkontur 141 gedrückt. Zwischen der Lagereinrichtung 111 und dem Koppelelement 130 ergibt sich ein erster Punkt 112 als Kontaktpunkt. Ein zweiter Punkt 122 ist als Kontaktpunkt zwischen dem Lager 121 und dem Koppelelement 130 gebildet und ein dritter Punkt 132 als Kontaktpunkt zwischen der Steuerkurvenkontur 141 und dem Koppelelement 130. Das Koppelelement 130 weist einen ersten Hebelarm 133 zwischen dem ersten Punkt 112 und dem dritten Punkt 132 und einen zweiten Hebelarm 134 zwischen dem zweiten Punkt 122 und dem dritten Punkt 132 auf.
In 4 ist die optische Verstellvorrichtung 101 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels in einem ersten Betriebszustand gezeigt. Das Schieberelement 110 befindet sich dabei in einer ersten Arbeitsposition, die hier auch als erste Endlagenposition bezeichnet werden kann, da sich das Schieberelement 110 am Endanschlag zum Gehäuse 102 befindet. Die Lage des Koppelelements 130 ist durch die Steuerkurvenkontur 141 und die Lagereinrichtung 111 definiert. Abhängig von der Lage des Koppelelements 130 ist für das Lager 121 und dem damit verbundenen zweiten Schieberelement 120 ein erster relativer Abstand zum ersten Schieberelement 110 eingestellt. Dadurch befinden sich das erste Optikelement 115 und das dritte Optikelement 125, sowie das nicht dargestellte zweite Optikelement und das nicht dargestellte vierte Optikelement in einer ersten Zoomeinstellung.
In 5 ist das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand dargestellt.
Das Schieberelement 110 befindet sich dabei in einer mittleren Position zwischen den zwei Endlagenpositionen. Die Lage des Koppelelements 130 ist definiert durch die Form der Steuerkurvenkontur 141 und der Position der am Schieberelement 110 angebrachten Lagereinrichtung 111. Durch die hier nicht dargestellte Zugfeder 108 wird das zweite Schieberelement 120 mit dem Lager 121 an das Koppelelement 130 gezogen. Dadurch ist ein zweiter relativer Abstand zwischen dem ersten Schieberelement 110 und dem zweiten Schieberelement 120 eingestellt. Das erste Optikelement 115 und das dritte Optikelement 125, sowie das nicht dargestellte zweite Optikelement und vierte Optikelement befinden sich in einer zweiten Zoomeinstellung. Diese zweite Zoomeinstellung entspricht einem zweiten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 101.
In 6 ist das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand dargestellt.
Bedingt durch die Steuerkurvenkontur 141 stellt sich zwischen dem ersten Schieberelement 110 und dem damit über die Lagereinrichtung 111 verbundenen Koppelelement 130 und dem zweiten Schieberelement 120 über das Lager 121 ein dritter relativer Abstand ein. Das Schieberelement 120 befindet sich in einer zweiten Endlagenposition. Das erste Optikelement 115 und das dritte Optikelement 125, sowie das nicht dargestellte zweite Optikelement und vierte Optikelement befinden sich damit in einer dritten Zoomeinstellung. Diese dritte Zoomeinstellung entspricht einem dritten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 101.
In den 4, 5 und 6 sind die zwei Hebelarme 133, 134 jeweils als gestrichelte Linien eingezeichnet. Die Figuren zeigen die Veränderungen der Längen des ersten Hebelarms 133 und des zweiten Hebelarms 134 in drei verschiedenen Betriebszuständen der optischen Verstellvorrichtung 101.
In dem in 5 dargestellten ersten Betriebszustand ist der erste Hebelarm 133 relativ lang ausgebildet. Die Länge des ersten Hebelarms 133 entspricht ungefähr dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Lagereinrichtung 111 und dem Mittelpunkt des Lagers 121. Der zweite Hebelarm 134 ist im Verhältnis zum ersten Hebelarm relativ kurz ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Länge des zweiten Hebelarms 134 ungefähr einem Drittel der Länge des ersten Hebelarms 133.
Im zweiten Betriebszustand, dargestellt in 5, ist der erste Hebelarm 133 im Verhältnis zu seiner Länge um einen geringen Betrag länger als im ersten Betriebszustand gemäß 4. Der zweite Hebelarm 134 ist im zweiten Betriebszustand fast doppelt so lang wie im ersten Betriebszustand. Eine Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 101 aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand hat zur Folge, dass der erste Hebelarm 133 und der zweite Hebelarm 134 verlängert werden. Während der Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 101 vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand erfolgt die Veränderung der Länge der beiden Hebelarme 133, 134 nicht linear.
In 6 ist ein dritter Betriebszustand dargestellt. Im dritten Betriebszustand entspricht die Länge des zweiten Hebelarms 134 ungefähr einem Viertel der Länge des ersten Hebelarms. Während einer Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 1 aus dem zweiten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand wird der erste Hebelarm 133 um einen geringen Betrag verlängert und der zweite Hebelarm 134 verkürzt. Die Veränderung der Länge der zwei Hebelarme 133, 134 ist nicht linear. Bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung vom dritten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand und vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand sind die Veränderungen der Länge der beiden Hebelarme 133, 134 invertiert.
In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem ersten Betriebszustand dargestellt.
Eine optische Vorrichtung 201 ist hier als Zoom-Einstellvorrichtung für eine stereoskopische Beobachtungseinheit ausgeführt. Die optische Vorrichtung 201 umfasst ein Gehäuse 202, in dem ein erstes Führungselement 205 und parallel dazu ein zweites Führungselement 206 montiert sind. Beide Führungselemente 205, 206 sind als Führungsstangen ausgeführt. Die zwei Führungselemente 205, 206 verlaufen entlang einer Achsrichtung, die in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu einer ersten optischen Achse 203 eines ersten Stereokanals verläuft. Parallel zur ersten optischen Achse 203 des ersten Stereokanals ist eine zweite optische Achse 204 eines zweiten Stereokanals angeordnet. Auf den Führungselementen 205, 206 sind ein erstes Schieberelement 210 und ein zweites Schieberelement 220 verschiebbar in Richtung der beiden optischen Achsen 203, 204 gelagert. Am ersten Schieberelement 210 ist ein erstes Optikelement 215 auf der ersten optischen Achse 203 und ein zweites Optikelement 216 auf der zweiten optischen Achse 204 angebracht. Am zweiten Schieberelement 220 ist ein drittes Optikelement 225 auf der ersten optischen Achse 203 und ein viertes Optikelement 226 auf der zweiten optischen Achse 204 angebracht. Das Schieberelement 210 ist zusätzlich, beispielsweise in Gewindeeingriff, über eine Antriebsstange 207 mit einem Einstellrad 209 verbunden. Eine Drehung des Einstellrades 209 bewirkt eine Drehung der Antriebsstange 207. Eine Drehung der Antriebsstange 207 führt zu einer Änderung der Arbeitsposition des ersten Schieberelementes 210 in Richtung der optischen Achsen 203, 204. Über das Einstellrad 209 kann somit die Arbeitsposition des ersten Schieberelements 210 in axialer Richtung eingestellt werden.
Mit dem Gehäuse 202 ist ein Steuerkurvenelement 240 ortsfest verbunden. Das Steuerkurvenelement 240 weist eine Steuerkurvenkontur 241 in Bezug auf die beiden optischen Achsen 203, 204 auf. Am ersten Schieberelement 210 ist ein erstes Lager in Form eines ersten Kugellagers 211 angebracht und am zweiten Schieberelement 220 ist ein zweites Lager in Form eines zweiten Kugellagers 221 angebracht. Zwischen dem ersten Kugellager 211, dem zweiten Kugellager 221 und der Steuerkurvenkontur 241 befindet sich ein Koppelelement 230. Das Koppelelement 230 ist mit dem ersten Schieberelement 210 über ein zusätzliches Gelenk 231 mit einem translatorischen Freiheitsgrad verbunden. Das Gelenk 231 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kulissenführung ausgebildet.
Ein Kraftelement, beispielsweise eine Zugfeder 208, bewirkt eine Zugkraft zwischen dem zweiten Schieberelement 220 und dem ersten Schieberelement 210. Dabei wird das Koppelelement 230, das in einem Eingriff der zwei Kugellager 211, 221 und dem Gelenk 231 geführt ist, spielfrei gegen die Steuerkurvenkontur 241 gedrückt.
Das Koppelelement 230 weist eine erste Anlagekontur 238 auf, mit der der das Koppelelement 230 mit dem ersten Kugellager 211 über einen ersten Punkt in 212 in Kontakt steht. Das Koppelelement 230 weist eine zweite Anlagekontur 239 auf, mit der der das Koppelelement 230 mit dem zweiten Kugellager 221 in einem zweiten Punkt 222 in Kontakt steht. Ein dritter Punkt 232 ergibt sich als Kontaktpunkt der Steuerkurvenkontur 241 mit dem Koppelelement 230. Das Koppelelement 230 weist einen ersten Hebelarm 233 zwischen dem ersten Punkt 212 und dem dritten Punkt 232 und einen zweiten Hebelarm 234 zwischen dem zweiten Punkt 222 und dem dritten Punkt 232 auf.
In 7 ist die optische Verstellvorrichtung 201 gemäß des dritten Ausführungsbeispiels in einem ersten Betriebszustand gezeigt. Das Schieberelement 210 befindet sich dabei in einer ersten Arbeitsposition, die hier auch als erste Endlagenposition bezeichnet werden kann, da sich das Schieberelement 210 an einem Endanschlag zum Gehäuse 202 befindet. Durch die Steuerkurvenkontur 241, das erste Kugellager 211 und das Gelenk 231 ist die Lage des Koppelelements 230 definiert. Abhängig von der Lage des Koppelelements 230 stellt sich für das zweite Kugellager 221 und dem damit verbundenen zweiten Schieberelement 221 ein erster relativer Abstand zum ersten Schieberelement 210 ein. Damit befinden sich das erste Optikelement 215 und das dritte Optikelement 225, sowie das zweite Optikelement 216 und das vierte Optikelement 226 in einer ersten Zoomeinstellung.
In 8 ist das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand dargestellt.
Das Schieberelement 210 befindet sich dabei in einer mittleren Position zwischen den zwei Endlagenpositionen. Die Lage des Koppelelements 230 ist definiert durch die Form der Steuerkurvenkontur 241, der Position des am Schieberelement 210 angebrachten Kugellagers 211 und der Position des Gelenks 231. Durch die hier nicht dargestellte Zugfeder 108 wird das zweite Schieberelement 220 mit dem Kugellager 221 an das Koppelelement 230 gezogen. Dadurch ist ein zweiter relativer Abstand zwischen dem ersten Schieberelement 210 und dem zweiten Schieberelement 220 eingestellt. Das erste Optikelement 215 und das dritte Optikelement 225, sowie das zweite Optikelement 216 und vierte Optikelement 226 befinden sich in einer zweiten Zoomeinstellung. Diese zweite Zoomeinstellung entspricht einem zweiten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 201.
In 9 ist das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einem dritten Betriebszustand dargestellt.
Bedingt durch die Steuerkurvenkontur 241 stellt sich zwischen dem ersten Schieberelement 210 und dem damit über das erste Kugellager 211 und dem Gelenk 231 verbundenen Koppelelement 230 und dem zweiten Schieberelement 220 über das Kugellager 221 ein dritter relativer Abstand ein. Das Schieberelement 220 befindet sich in einer zweiten Endlagenposition. Das erste Optikelement 215 und das dritte Optikelement 225, sowie das zweite Optikelement 216 und vierte Optikelement 226 befinden sich damit in einer dritten Zoomeinstellung. Diese dritte Zoomeinstellung entspricht einem dritten Betriebszustand der optischen Vorrichtung 201.
In den 7, 8 und 9 sind die zwei Hebelarme 233, 234 jeweils als gestrichelte Linien eingezeichnet. Die Figuren zeigen die Veränderungen der Längen des ersten Hebelarms 233 und des zweiten Hebelarms 234 in drei verschiedenen Betriebszuständen der optischen Verstellvorrichtung 201.
In dem in 7 dargestellten ersten Betriebszustand ist der erste Hebelarm 233 kürzer ausgebildet als der zweite Hebelarm 234. Definiert man einen Abstand zwischen einem Mittelpunkt des ersten Kugellagers 211 und einem Mittelpunkt des zweiten Kugellagers 221 als einen ersten Abstand, so ist der erste Hebelarm 233 kürzer als dieser erste Abstand und der zweite Hebelarm 234 länger als dieser erste Abstand. Im zweiten Betriebszustand, gemäß 8, weisen die zwei Hebelarme 233, 234 eine ähnliche Länge auf. Der erste Hebelarm 233 ist in diesem zweiten Betriebszustand länger als im ersten Betriebszustand. Der zweite Hebelarm 234 ist im zweiten Betriebszustand kürzer als im ersten Betriebszustand gemäß 7. Eine Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 201 aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand hat zur Folge, dass der erste Hebelarm 233 verlängert und der zweite Hebelarm 234 verkürzt wird. Während der Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 201 vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand erfolgt die Veränderung der Länge der beiden Hebelarme 233, 234 nicht linear.
In 9 ist ein dritter Betriebszustand dargestellt. Im dritten Betriebszustand ist der erste Hebelarm 233 im Verhältnis zum zweiten Hebelarm 234 kürzer ausgebildet. Während einer Bewegung der optischen Verstellvorrichtung 201 aus dem zweiten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand wird der erste Hebelarm 233 und der zweite Hebelarm 234 jeweils unterschiedlich verkürzt. Die Veränderung der Länge der beiden Hebelarme 233, 234 ist nicht linear. Bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung vom dritten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand und vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand sind die Veränderungen der Länge der beiden Hebelarme 233, 234 invertiert.
Ein beliebig geformtes Koppelelement 230, dass lediglich über den ersten Punkt 212, den zweiten Punkt 222 und den dritten Punkt 232 mit den zwei Schieberelementen 210, 220 und der Steuerkurvenkontur 241 in Berührung steht, kann in bestimmten Betriebszuständen der optischen Verstellvorrichtung 201 eine unbestimmte Eigenbewegung in Form einer Drehung um eine Achse quer zur Achsrichtung der Bewegung ausführen. Durch die Ergänzung eines zusätzlichen Gelenkes 231 mit einem translatorischen Freiheitsgrad ist eine definierte Lage des Koppelelement 230 für jeden Betriebszustand sichergestellt. Dabei ist es möglich, dieses Gelenk 231 sowohl zwischen dem ersten Schieberelement 210 und dem Koppelelement 230 als auch zwischen dem zweiten Schieberelement 220 und dem Koppelelement 230 zu implementieren.
Das Gelenk 231 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kulissenführung ausgestaltet. Eine sehr einfache Kulissenführung kann dadurch erreicht werden, dass ein Pass-Stift in einem Langloch geführt wird. Bedingt durch die Zwangsführung des Gelenks 231 wird eine mögliche Eigenbewegung des Koppelelements 230 in jeder Arbeitsposition zuverlässig unterdrückt. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Herstellung des Koppelelements 230. Die Ausführung der ersten Anlagekontur 238 und/oder der zweite Anlagekontur kann kostengünstig als gerade Kontur erfolgen.
10 zeigt eine schematische Darstellung der Optikelemente in drei Betriebszuständen gemäß den drei Ausführungsbeispielen. Dargestellt sind jeweils die Arbeitspositionen der Optikelemente eines einzelnen Stereoteilkanals bezüglich einer optischen Achse 301. In einem ersten Betriebszustand 300 ist ein Zoomfaktors von „0.5” eingestellt, in einem zweiten Betriebszustands 320 ist der Zoomfaktors „1” und in einem dritten Betriebszustands 340 der Zoomfaktor „2” eingestellt. Die Figur zeigt eine Arbeitsposition des ersten verschiebbaren Optikelementes 304 und des zweiten verschiebbaren Optikelements 305 gemäß den drei Ausführungsbeispielen. Die zwei verschiebbaren Optikelemente 304, 305 sind jeweils zwischen den beiden unverstellbaren Optikelementen 302 und 303 bezüglich der optischen Achse 301 verschiebbar angeordnet.
Zusätzlich zu den drei Betriebszuständen 300, 320, 340 können alle möglichen dazwischen liegende Betriebszustände stufenlos eingestellt werden. Die relative Bewegung der beiden verschiebbaren Optikelemente 304, 305 zueinander in jedem möglichen Betriebszustand zeigen die beiden Positionszuordnungslinien 310, 311. Die Positionszuordnungslinie 310 zeigt die Zuordnung der Arbeitsposition des ersten Optikelements 304 für jeden einstellbaren Zoomfaktor zwischen 0.5 und 2. Die Positionszuordnungslinie 311 zeigt die korrespondierende Zuordnung der Arbeitsposition des zweiten Optikelements 305 für diese Zoomfaktoren. Die beiden Positionszuordnungslinien 310, 311 zeigen deutlich, dass der Bewegungsablauf der beiden verschiebbaren Optikelemente 304, 305 beim Durchlaufen aller möglichen Betriebszustände nicht linear verläuft. Zusätzlich ist der relative Abstand des zweiten verschiebbaren Optikelements 305 zum ersten verschiebbaren Optikelement 304 abhängig von der jeweiligen Arbeitsposition des ersten verschiebbaren Optikelements 304.
Die hier dargestellten Zoomfaktoren von 0.5, 1 und 2 sind beispielhaft. Es ist auch möglich, jeden anderen Zoombereich durch die optische Verstellvorrichtung 1, 101, 201 damit abzudecken.
Mit der optischen Verstellvorrichtung 1, 101, 201 ist es möglich, zwei Optikelemente 15, 25, 115, 125, 215, 225, 304 bzw. 16, 26, 116, 126, 216, 226, 305, welche optische Linsen oder Gruppen von optischen Linsen umfassen können, entlang der optischen Achsen 3, 4, 103, 104, 203, 204, 301 relativ zueinander zu bewegen. Gängige Anwendungen bilden Zoom-Systeme von optischen Systemen, beispielsweise Ferngläser, Mikroskope oder andere Beobachtungseinrichtungen. Diese optischen Systeme können monokular oder stereoskopisch ausgeführt sein. Eine besondere Ausführungsform bildet das sogenannte Miniskop, eine sehr kleine Ausführung eines Stereo-Mikroskops, das am Kopf eines Benutzers angebracht sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Optische Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Erste optische Achse
4: Zweite optische Achse
5: Erstes Führungselement
6: Zweites Führungselement
7: Antriebsstange
8: Zugfeder
9: Einstellrad
10: Erstes Schieberelement
11: Erstes Lager/Erstes Kugellager
12: Erster Punkt
15: Erstes Optikelement
16: Zweites Optikelement
20: Zweites Schieberelement
21: Zweites Lager/Zweites Kugellager
22: Zweiter Punkt
25: Drittes Optikelement
26: Viertes Optikelement
30: Koppelelement
32: Dritter Punkt
33: Erster Hebelarm
34: Zweiter Hebelarm
40: Steuerkurvenelement
41: Steuerkurvenkontur
101: Optische Vorrichtung
102: Gehäuse
103: Erste optische Achse
104: Zweite optische Achse
105: Erstes Führungselement
106: Zweites Führungselement
107: Antriebsstange
108: Zugfeder
109: Einstellrad
110: Erstes Schieberelement
111: Lagereinrichtung
112: Erster Punkt
115: Erstes Optikelement
116: Zweites Optikelement
120: Zweites Schieberelement
121: Lager
122: Zweiter Punkt
125: Drittes Optikelement
126: Viertes Optikelement
130: Koppelelement
132: Dritter Punkt
133: Erster Hebelarm
134: Zweiter Hebelarm
140: Steuerkurvenelement
141: Steuerkurvenkontur
201: Optische Vorrichtung
202: Gehäuse
203: Erste optische Achse
204: Zweite optische Achse
205: Erstes Führungselement
206: Zweites Führungselement
207: Antriebsstange
208: Zugfeder
209: Einstellrad
210: Erstes Schieberelement
211: Erstes Lager/Erstes Kugellager
212: Erster Punkt
215: Erstes Optikelement
216: Zweites Optikelement
220: Zweites Schieberelement
221: Zweites Lager/Zweites Kugellager
222: Zweiter Punkt
230: Koppelelement
231: Gelenk
232: Dritter Punkt
233: Erster Hebelarm
234: Zweiter Hebelarm
238: Erste Anlagekontur des Koppelelements 230
239: Zweite Anlagekontur des Koppelelements 230
240: Steuerkurvenelement
241: Steuerkurvenkontur
300: Erste Betriebszustand
301: Optische Achse
302: Erstes unverstellbares Optikelement
303: Zweites unverstellbares Optikelement
304: Erstes verschiebbares Optikelement
305: Zweites verschiebbares Optikelement
310: Positionszuordnungslinie des ersten verschiebbaren Optikelements 304
311: Positionszuordnungslinie des zweiten verschiebbaren Optikelements 305
320: Zweiter Betriebszustand
340: Dritter Betriebszustand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 8003643 U1 [0003]

Claims

Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System, aufweisend – ein erstes Schieberelement (10, 110, 210) für ein erstes Optikelement (15, 115, 215, 304), das entlang einer Achsrichtung (3, 103, 203, 301) verschiebbar angeordnet ist; – ein zweites Schieberelement (20, 120, 220) für ein zweites Optikelement (25, 125, 225, 305), das entlang der Achsrichtung (3, 103, 203, 301) verschiebbar angeordnet ist; – eine Steuerkurvenkontur (41, 141, 241), die relativ zu der Achsrichtung (3, 103, 203, 301) ortsfest angeordnet ist; – ein Koppelelement (30, 130, 230), das zwischen dem ersten Schieberelement (10, 110, 210), dem zweiten Schieberelement (20, 120, 220) und der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) angeordnet ist; – ein Kraftelement (8, 108, 208), das eine Kraft zwischen dem ersten Schieberelement (10, 110, 210) und dem zweiten Schieberelement (20, 120, 220) ausübt, so dass das Koppelelement (30, 130, 230) mit dem ersten Schieberelement (10, 110, 210) an einem ersten Punkt (12, 112, 212) in Kontakt steht, mit dem zweiten Schieberelement (20, 120, 220) an einem zweiten Punkt (22, 122, 222) in Kontakt steht und mit der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) an einem dritten Punkt (32, 132, 232) in Kontakt steht, wobei das Koppelement (30, 130, 230) einen ersten Hebelarm (33, 133, 233) umfasst, der zwischen dem ersten Punkt (12, 112, 212) und dem dritten Punkt (32, 132, 232) ausgebildet ist und das Koppelement (30, 130, 230) einen zweiten Hebelarm (34, 134, 234) umfasst, der zwischen dem zweiten Punkt (22, 122, 222) und dem dritten Punkt (32, 132, 232) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1, 101, 201) derart ausgestaltet ist, dass bei einer Bewegung des Koppelements (30, 130, 230) der erste Hebelarm (33, 133, 233) und/oder der zweite Hebelarm (34, 134, 234) in der Länge veränderlich ist.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Konturen des ersten Schieberelements (10, 110, 210), des zweiten Schieberelements (20, 120, 220), des Koppelelements (30, 130, 230) und der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Bewegungswiderstand zwischen dem Koppelelement (30, 130, 230) und der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) größer ist als die Summe der Bewegungswiderstände zwischen dem ersten Schieberelement (10, 110, 210) und dem Koppelement (30, 130, 230) sowie dem zweiten Schieberelement (20, 120, 220) und dem Koppelement (30, 130, 230), so dass das Koppelelement (30, 130, 230) bei einer Bewegung entlang der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) abrollt.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schieberelement (10, 110, 210) eine erste Lagereinrichtung (11, 111, 211) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das erste Schieberelement (10, 110, 210) mit dem Koppelelement (30, 130, 230) über die erste Lagereinrichtung (11, 111, 211) im ersten Punkt (12, 112, 212) in Kontakt steht.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schieberelement (20, 120, 220) eine zweite Lagereinrichtung (21, 121, 221) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das zweite Schieberelement (20, 120, 220) mit dem Koppelelement (30, 130, 230) über die zweite Lagereinrichtung (21, 121, 221) im zweiten Punkt (22, 122, 222) in Kontakt steht.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (30, 130, 230) einteilig ausgeführt ist.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (30, 130, 230) zumindest teilweise eine runde Konturfläche aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass das Koppelelement (30, 130, 230) in allen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung (1, 101, 201) über die Konturfläche mit dem ersten Schieberelement (10, 110, 210) im ersten Punkt (12, 112, 212) in Kontakt steht und über die Konturfläche mit dem zweiten Schieberelement (20, 120, 220) im zweiten Punkt (22, 122, 222) in Kontakt steht.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 101, 201) eine Zahnverbindung aufweist, durch die das Koppelelement (30, 130, 230) mit der Steuerkurvenkontur (41, 141, 241) in Verbindung steht.
Verstellvorrichtung (101) für ein optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (130) über ein Drehgelenk (111) mit dem ersten Schieberelement (110) verbunden ist, wobei der erste Punkt (112) durch das Drehgelenk (111) gebildet ist.
Verstellvorrichtung (201) für ein optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (230) und das erste Schieberelement (210) über ein Gelenk (231) mit einem translatorischen Freiheitsgrad miteinander verbunden sind.
Verstellvorrichtung (201) für ein optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (231) als Kulissenführung ausgestaltet ist.
Verstellvorrichtung (201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (230) mindestens eine gerade Anlagekontur (238) aufweist, so dass das Koppelelement (230) in allen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung an der geraden Anlagekontur (238) mit dem ersten Schieberelement (210) am ersten Punkt (212) in Kontakt steht.
Verstellvorrichtung (1, 101, 201) für ein optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftelement (8, 108, 208) als Zugfeder ausgebildet ist.