Die vorliegende Erfindung betrifft ein Führungsbauteil zum gemeinsamen Führen von mindestens zwei in Bezug aufeinander bewegbaren, beispielsweise durch Translation und/oder Rotation bewegbaren, optischen Elementen. Die Erfindung betrifft zudem ein optisches Element, eine optischen Baugruppe, ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Baugruppe, einen Wellenfrontmanipulator und ein optisches Gerät. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fierstellung eines Führungsbauteiles und ein Verfahren zur Fierstellung eines optischen Elements.

Zur Erweiterung der Funktion optischer Systeme können optische Baugruppen Verwendung finden, die zwei zur optischen Achse gegeneinander verschiebbare optische Elemente, insbesondere zwei senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbare optische Elemente aufweisen. Die verschiebbaren optischen Elemente können dabei auch Elemente mit Freiformflächen sein, die gelegentlich als Alvares- Elemente bezeichnet werden. Optische Systeme mit derartigen Baugruppen sind beispielsweise in WO 2007/037691 A2, US 2017/0227747 A1 und US 2013/0278911 A1 beschrieben. Mit FHilfe Freiformflächen aufweisender optischer Elemente können beispielsweise Abbildungsfehler für verschiedene Fokusebenen gezielt korrigiert werden, wie dies in DE 102013 101 711 A1 beschrieben ist. Daneben bieten senkrecht zur optischen Achse verschiebbare optische Elemente mit Freiformflächen auch die Möglichkeit, gezielt Abbildungsfehler in ein optisches System einzubringen, beispielsweise um in einem Fotoobjektiv einen Weichzeichnereffekt herbeizuführen. Dies ist zum Beispiel in DE 102014 118383 A1 beschrieben. Eine ähnliche Verwendung von senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren optischen Elementen mit Freiformflächen beschreibt die DE 102015 116895 B3.

In US 3,305,294 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden daher auch Varioslinsen oder Alvarez-Elemente genannt.

Alvarez-Elemente werden zum Beispiel zum Fokussieren, Zoomen und zum Erzeugen von „künstlerischen“ Effekten angewendet. Beispielsweise lässt sich das Bokeh einer gefilmten Szene durch gezielten Einfluss der Schärfentiefe sehr feinfühlig einstellen und verändern. Eine andere Möglichkeit ist das bereits erwähnte Weichzeichnen bestimmter Ortsfrequenzen in der Aufnahme. Der Anwender kann somit bestimmte Elemente und Strukturen im Bild unmittelbar während der Aufnahme weicher zeichnen bzw. glätten.

Die Bewegung beim Verschieben der optischen Elemente senkrecht zur optischen Achse beträgt oft nur wenige Millimeter. An die Bewegung werden dabei sehr hohe Ansprüche bzgl. ihrer Führungsgenauigkeit gestellt. Bei einem Verstellweg von mehr als 3 mm soll die Abweichung typischerweise geringer als 1m sein. Um dies zu erreichen, werden sowohl die Position als auch die Führungsbahn jedes optischen Elements relativ zum optischen System justiert. Da die Justierung der Führungsbahn eines optischen Elements dessen Position beeinflusst und umgekehrt müssen gekoppelte Justierstellen vorhanden sein, was die Justierung verkompliziert. Weiterhin verbleiben die Justierelemente wie beispielsweise Justierschrauben nach Beendigung des Justierens im optischen System. Ein erhöhter Bauraumbedarf ist die Folge. Außerdem können Setzungserscheinungen während der Lebensdauer des optischen Systems ein Nachjustieren erforderlich machen. Das beschriebene Justieren ist daher aufwendig und kostenintensiv und somit für eine Serienherstellung nur bedingt geeignet.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vorteilhaftes Führungsbauteil zum gemeinsamen Führen von mindestens zwei in Bezug aufeinander bewegbaren optischen Elementen zur Verfügung zu stellen, wobei das Führungsbauteil eine hohe Führungsgenauigkeit aufweist, insbesondere auch bei großen Verstellwegen, zudem leicht zu justieren ist und gleichzeitig robust ist gegen Stöße, Erschütterungen, Vibrationen und Temperaturschwankungen, und welches darüber hinaus einen reduzierten Bauraum beansprucht. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein vorteilhaftes optisches Element und eine vorteilhafte optische Baugruppe, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator und ein optisches Gerät mit den genannten Vorteilen zur Verfügung zu stellen. Zudem besteht eine weitere Aufgabe darin, ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Baugruppe, einen Wellenfrontmanipulator und ein optisches Gerät mit denselben Vorteilen zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Führungsbauteils und ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Elements zur Verfügung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch ein Führungsbauteil zum gemeinsamen Führen von mindestens zwei in Bezug aufeinander bewegbaren optischen Elementen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Aufgaben werden durch ein optisches Element gemäß Anspruch 5, eine optische Baugruppe gemäß Anspruch 9, einen Wellenfrontmanipulator gemäß Anspruch 15, ein optisches Gerät gemäß Anspruch 16, ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe gemäß Anspruch 18, ein

Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Führungsbauteils gemäß Anspruch 19 und ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Elements gemäß Anspruch 20 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Führungsbauteil zum gemeinsamen Führen von mindestens zwei in Bezug aufeinander bewegbaren, zum Beispiel durch Translation und/oder Rotation bewegbaren, optischen Elementen umfasst mindestens zwei separate bzw. voneinander getrennte ebene Gleitführungsflächen. Unter Gleitführungsflächen werden Oberflächen zum Führen von Bauelementen durch eine gleitende Bewegung dieser entlang der Oberfläche, also unter dem Einfluss von Gleitreibung, verstanden. Die mindestens zwei Gleitführungsflächen sind in einer räumlich festen Position und Ausrichtung zueinander angeordnet.

Räumlich fest kann dabei vorzugsweise bedeuten, dass die geometrische Position der Gleitführungsflächen zueinander und ihre Ausrichtung durch einen Anwender nicht reversibel verändert werden kann. Eine Veränderung würde also eine irreversible Einwirkung auf das Führungsbauteil erfordern.

Eine erste Gleitführungsfläche umfasst eine erste Oberflächennormale. Eine zweite Gleitführungsfläche umfasst eine zweite Oberflächennormale. Die erste Gleitführungsfläche ist zum Anlegen und zum gleitenden Führen eines ersten optischen Elements in Bezug auf ein zweites optisches Element ausgelegt. Die zweite Gleitführungsfläche ist zum Anlegen und zum gleitenden Führen des zweiten optischen Elements in Bezug auf das erste optische Element ausgelegt. Die erste Oberflächennormale und die zweite Oberflächennormale verlaufen zueinander parallel und in entgegengesetzter Richtung. Die erste Gleitführungsfläche kann also an ein und demselben Führungsbauteil von der zweiten Gleitführungsfläche abgewandt oder dieser zugewandt angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Führungsbauteil ist vorteilhafterweise einstückig ausgestaltet. Vorzugsweise ist es dazu ausgelegt zwischen den mindestens zwei optischen Elementen angeordnet zu werden. Vorteilhafterweise ist jede der Gleitführungsflächen zum Anlegen nur eines der optischen Elemente ausgelegt. Mit anderen Worten ist die erste Gleitführungsfläche nur zum Anlegen des ersten, nicht aber des zweiten optischen Elements ausgelegt und die zweite Gleitführungsfläche nur zum Anlegen des zweiten, nicht aber des ersten optischen Elements ausgelegt.

Das erfindungsgemäße Führungsbauteil hat den Vorteil, dass es besonders genaue Führungen, vorzugsweise Linearführungen, für die Verstellung von optischen Elementen, insbesondere von optischen Freiformelement-Paaren, beispielsweise paarweisen Alvarez-Elementen, ermöglicht. Dabei besteht die Besonderheit, dass die Führgerade durch das von mehreren optischen Elementen gemeinsam benutzte Führungsbauteil gebildet wird, wobei für die Führung der einzelnen optischen Elemente nicht die gleichen Gleitführungsflächen verwendet werden. Vorzugsweise werden die verschiedenen Gleitführungsflächen des von mehreren optischen Elementen gemeinsam verwendeten Führungsbauteils, wie weiter unten im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erläutert wird, in einem Fertigungsgang, also insbesondere unter einer gemeinsamen Aufspannung, hergestellt und sind deshalb bzgl. ihrer Lage und Form sehr genau aufeinander abgestimmt. Auch bei größeren Verstellwegen von ± 5 mm und mehr, können damit Führungsgenauigkeiten von 10 pm und weniger realisiert werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das erfindungsgemäße Führungsbauteil mit einer sehr geringen Anzahl an Bauelementen realisierbar ist, da die Führung direkt durch das Führungsbauteil und entsprechende Führungsoberflächen der verwendeten optischen Elemente erfolgt. Deshalb sind keine Justierelemente erforderlich, die in einer entsprechenden Baugruppe verbleiben und zusätzlichen Bauraum benötigen. In der Regel stellen Justierelemente eine Schwachstelle dar, die wiederum gegen einen möglichen Ausfall zu sichern ist, beispielsweise infolge von Setzungserscheinungen. Darüber hinaus ist aufgrund der flächigen Ausführung der Gleitführungsflächen die Führung besonders unempfindlich gegen Stöße und Vibrationen. Dies erlaubt den Einsatz in Produkten, wie insbesondere Film- und Fotoobjektiven, die Erschütterungen im Bereich bis zum 10-fachen der Fallbeschleunigung und Temperaturschwankungen im Bereich von - 20 Grad Celsius bis + 25 Grad Celsius standhalten müssen. In einer vorteilhaften Variante ist mindestens eine weitere Führungsfläche, zum Beispiel in Form einer Gleitführungsfläche und/oder Wälzführungsfläche, vorhanden. Diese kann als ebene Fläche oder als gekrümmte Fläche, zum Beispiel bogenförmig gekrümmte Fläche, insbesondere Zylindermantelfläche, beispielsweise als Außenoberfläche eines Stiftes, ausgestaltet sein. Je eine weitere Führungsfläche pro zu führendem optischen Element hat den Vorteil, dass so ein Anschlag in einer zweiten Richtung zur Verfügung gestellt werden kann.

Das Führungsbauteil kann zum Beispiel zwei Gleitführungsflächen, mit andere Worten ein erstes Führungsflächenpaar, umfassen, welche einen Anschlag der optischen Elemente in einer ersten Richtung, zum Beispiel in einer z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, bilden. Das Führungsbauteil kann zusätzlich zwei weitere Führungsflächen, zum Beispiel Gleitführungsflächen und/oder Wälzführungsflächen, also ein zweites Führungsflächenpaar, umfassen, welche einen Anschlag der optischen Elemente in einer zweiten Richtung, beispielsweise einer y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, bilden. Dabei kann die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen, wie im Beispiel des genannten kartesischen Koordinatensystems. In diesem Beispiel können die zu führenden optischen Elemente in der x-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems geführt bewegt werden. Die geführte Bewegung wird dadurch erreicht, dass das jeweils zu führende optische Element einerseits an einer einen Anschlag in z-Richtung bildenden Gleitführungsfläche entlang gleitet und an einer einen Anschlag in y-Richtung bildenden Führungsfläche entlang bewegt wird, während es in x-Richtung translatorisch bewegt wird.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine der genannten Gleitführungsflächen, vorzugsweise alle Gleitführungsflächen, zumindest teilweise mit einem Gleitkunststoff beschichtet. Dadurch wird eine Führung durch eine Gleitbewegung mit einem möglichst geringem Gleitreibungskoeffizienten ermöglicht. Es kann zum Beispiel der Gleitkunststoff ZX100 für die Gleitführungsflächen verwendet werden. Die mindestens eine weitere Führungsfläche kann zum Beispiel als Oberfläche eines geschliffenen Keramikbalkens oder als Außenoberfläche eines Stifts ausgestaltet sein.

Die mittels des Führungsbauteils zu führenden optischen Elemente können entweder transmissive optische Elemente oder reflektive optische Elemente sein. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Führungsbauteil zum Führen von zwei aufeinander abgestimmten optischen Elementen ausgelegt, zum Beispiel zum Führen eines optischen Freiformelemente-Paars, also insbesondere eines Alvarez-Elemente-Paars. In weiteren Varianten können die in Bezug aufeinander bewegbaren optischen Elemente mindestens eine veränderliche Blende und/oder mindestens einen Spalt und/oder mindestens eine Zielmarke und/oder mindestens ein optisches Gitter und/oder mindestens einen Keil und/oder mindestens eine Planplatte und/oder mindestens ein Prisma und/oder mindestens eine Linse umfassen. Prinzipiell können beliebige optische Elemente, welche in Bezug aufeinander und zusätzlich und/oder gleichzeitig gemeinsam präzise geführt werden müssen, für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Führungsbauteils verwendet werden.

Das erfindungsgemäße optische Element, bei welchem es sich um ein transmissives optisches Element oder reflektives optisches Element handeln kann, beispielsweise um eines der zuvor genannten optischen Elemente, umfasst mindestens eine Gleitführungsfläche zum Führen des optischen Elements entlang einer Gleitführungsfläche eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Führungsbauteils. Dabei kann die Oberfläche zum Führen des optischen Elements zumindest teilweise mit einem Gleitkunststoff beschichtet sein. Es kann zum Beispiel der Gleitkunststoff ZX100 für die Gleitführungsflächen verwendet werden.

In einer ersten Variante umfasst das erfindungsgemäße optische Element eine Fassung, wobei die Gleitführungsfläche zum Führen des optischen Elementes einen Teilbereich der Fassung bildet bzw. eine Teiloberfläche der Fassung bildet oder an der Fassung angeordnet ist. Auf diese Weise kann das zu führende optische Element im Hinblick auf seine Merkmale und optischen Eigenschaften präzise im Hinblick auf die Richtung, in welcher es geführt werden soll, ausgerichtet werden. Insbesondere ist auf diese Weise kein weiteres Justieren des optischen Elements erforderlich.

In einer weiteren Variante kann das optische Element ein optisch wirksames Bauelement bzw. ein Bauelement, welches die optisch relevanten Eigenschaften aufweist, umfassen. Das optische wirksame Bauelement umfasst in dieser Variante die Gleitführungsfläche zum Führen des optischen Elements. Mit anderen Worten kann die Gleitführungsfläche als Teilbereich des optisch wirksamen Bauelements, insbesondere des optisch wirksamen Materials ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum Führen des optischen Elements keine zusätzliche Fassung erforderlich ist und zudem kein späteres Justieren des optischen Elements in der Fassung bzw. des optischen Elements in Bezug auf die Richtung, in welcher es geführt werden soll, erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße optische Element kann mindestens ein optisches Freiformelelement, beispielsweise eine Alvarez-Element, und/oder mindestens eine veränderliche Blende und/oder mindestens einen Spalt und/oder mindestens eine Zielmarke und/oder mindestens ein optisches Gitter und/oder mindestens einen Keil und/oder mindestens eine Planplatte und/oder mindestens ein Prisma und/oder mindestens eine Linse umfassen.

Unter einer Freiformfläche versteht man im weiteren Sinn eine komplexe Fläche, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie zum Beispiel bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non uniform rational B-Splines (NURBS)). Hiervon zu unterscheiden sind einfache Flächen, wie z.B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen, torische Flächen, die zumindest längs eines Flauptmeridians als Kreis beschrieben sind. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen und kann in unterschiedlichen Bereichen der Fläche unterschiedliche Werte für den mittleren Flächenbrechwert aufweisen. Die Fierstellung einer Freiformfläche auf einem optischen Element erfolgt in der Regel durch spanendes Bearbeiten des optischen Elements, also beispielsweise durch Fräsen, im Rahmen eines CNC-Verfahrens, in dem die Freiformfläche numerisch gesteuert auf der Basis einer mathematischen Beschreibung der Fläche hergestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Freiform blank zu pressen. Hierfür muss die negative Pressform mit entsprechenden Zugaben für temperaturabhängigen Schrumpf, mit CNC- Verfahren bearbeitet werden.

Das erfindungsgemäße optische Element hat zusammenfassend den Vorteil, dass es minimalen Bauraum beansprucht und nicht nachträglich in Bezug auf seine Führungs- bzw. Bewegungsrichtung justiert werden muss. Es ist zudem einfach und robust aufgebaut.

Die erfindungsgemäße optische Baugruppe weist mindestens zwei gemeinsam geführt bewegbare und in Bezug aufeinander geführt bewegbare optische Elemente auf. Die erfindungsgemäße optische Baugruppe umfasst mindestens ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Führungsbauteil und mindestens ein erstes zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes optisches Element und mindestens ein zweites erfindungsgemäßes optisches Element. Das erste optische Element liegt an der ersten Gleitführungsfläche des Führungsbauteils an. Das zweite optische Element liegt an der zweiten Gleitführungsfläche des Führungsbauteils an. Das erste optische Element und das zweite optische Element sind gemeinsam mittels des Führungsbauteils geführt bewegbar. Sie sind zudem in Bezug aufeinander durch Gleiten entlang der Gleitführungsfläche geführt bewegbar. Vorzugsweise sind die optischen Elemente entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet und parallel zu einer zur optischen Achse senkrecht verlaufenden Ebene parallel zueinander bewegbar angeordnet. Die erfindungsgemäße optische Baugruppe hat die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Führungsbauteil und dem erfindungsgemäßen optischen Element genannten Merkmale und Vorteile. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element um aufeinander abgestimmte optische Elemente, zum Beispiel ein optisches Freiformelemente-Paar, insbesondere ein Alvarez-Elemente-Paar. Vorteilhafterweise sind neben den genannten Gleitführungsflächen weitere Führungsflächen vorhanden, zum Beispiel Gleit- und/oder Wälzführungsflächen. Diese können Anschläge und/oder Führungsschienen im Hinblick auf mindestens eine weitere Richtung bilden.

Grundsätzlich kann es sich bei den geführten Bewegungen sowohl des Führungsbauteils als auch der optischen Elemente in Bezug aufeinander um Translationsbewegungen und/oder Rotationsbewegungen, vorzugsweise um Bewegungen senkrecht zu einer optischen Achse, handeln.

In einer vorteilhaften Variante umfasst die optische Baugruppe zum Bewegen mindestens eines der optischen Elemente in Bezug auf das Führungsbauteil mindestens einen Antrieb. Der Antrieb kann dabei zusätzlich oder alternativ dazu zum Bewegen der optischen Elemente in Bezug auf einander ausgestaltet sein, also zum Beispiel zum Bewegen des ersten optischen Elements in Bezug auf das zweite optische Element oder umgekehrt.

Für jedes zu führende optische Element, beispielsweise für jedes Freiform- Element, kann jeweils ein Antrieb vorhanden sein. Dadurch ist im Rahmen des Justierens ausschließlich die Nullstellung zu Justieren, wodurch die Justierzeit verringert wird. Zudem ist eine Korrektur des Verstellweges für jedes optische Element, insbesondere für jedes optische Freiform-Element getrennt möglich.

Der Antrieb kann einen Piezo-Antrieb und/oder einen Elektromotor und/oder ein Getriebe umfassen. Dabei kann der Antrieb zum Beispiel einen Piezo- Schreit-Antrieb und/oder einen rotatorischen Piezo-Ultraschall-Motor (auch Wanderwellenmotor genannt) und/oder einen linearen Piezo-Ultraschall- Motor bzw. -Antrieb und/oder einen Gleichstrommotor und/oder einen Schrittmotor umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Antrieb ein Zahnstangengetriebe und/oder ein Hebelgetriebe umfassen. Mit Hilfe der genannten Bauelemente für einen Antrieb kann ein an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasster Antrieb realisiert werden. Dabei kann insbesondere der erforderliche Verstellweg, der zur Verfügung stehende Bauraum, die angestrebte Verstellpräzision und die angestrebte Verstellzeit individuell berücksichtigt werden.

Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zum Manipulieren der Wellenfront einer elektromagnetischen Welle umfasst zum Manipulieren der Wellenfront eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Baugruppe. Er hat die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen optischen Baugruppe und deren Komponenten genannten Merkmale und Vorteile. Die optischen Elemente der optischen Baugruppe können hierzu insbesondere mit Freiformflächen versehen sein.

Das erfindungsgemäße optische Gerät umfasst eine oben beschriebene erfindungsgemäße optische Baugruppe und/oder einen zuvor genannten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Es hat ebenfalls die bereits erwähnten Merkmale und Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen optischen Gerät kann es sich zum Beispiel um einen Wellenleiter oder ein Objektiv, insbesondere ein Filmobjektiv und/oder ein Fotoobjektiv, handeln. Es kann sich auch um eine Kamera oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung handeln. Bei der Kamera kann es sich zum Beispiel um eine Fotokamera und/oder eine Filmkamera und/oder eine Mikroskopkamera handeln. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Projektor oder ein Head-Up-Display oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung handeln. Das erfindungsgemäße optische Gerät hat den Vorteil, dass es durch den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator zum Beispiel zum Fokussieren und/oder zum Erzeugen von speziellen Effekten, beispielsweise zum Weichzeichnen oder zur Erzeugung einer definierten Unschärfe, geeignet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer bereits beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Baugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass das erste optische Element und das zweite optische Element mittels des Führungsbauteils gemeinsam geführt werden, beispielsweise durch eine Translationsbewegung und/oder einer Rotationsbewegung. Zusätzlich oder alternativ dazu wird mindestens eins des ersten und zweiten optischen Elements in Bezug auf das andere optische Element durch Gleiten entlang der mindestens einen Gleitführungsfläche geführt bewegt. Es wird also zum Beispiel das erste optische Element in Bezug auf das zweite optische Element und/oder das zweite optische Element in Bezug auf das erste optische Element durch Gleiten entlang der mindestens einen Gleitführungsfläche geführt bewegt. Vorzugsweise sind die optischen Elemente entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet und werden parallel zu einer zur optischen Achse senkrecht verlaufenden Ebene parallel zueinander bewegt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung eines erfindungsgemäßen Führungsbauteils wird mindestens eine erste Gleitführungsfläche und eine zweite Gleitführungsfläche von einem Bauteil, vorzugsweise einem einstückigen Bauteil, abgetragen, beispielsweise durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Erodieren etc. Die mindestens zwei Gleitführungsflächen und gegebenenfalls weitere Führungsflächen werden vorteilhafterweise in einem Arbeitsschritt, also zum Beispiel unter beibehaltener Aufspannung, abgetragen. Dadurch kann eine besonderes hohe Präzision und damit eine entsprechend hohe Führungsgenauigkeit erzielt werden. Grundsätzlich kann neben den mindestens zwei Gleitführungsflächen mindestens eine weitere Führungsfläche, zum Beispiel eine Gleit- oder Wälzführungsfläche, von dem Führungsbauteil im Rahmen der Fierstellung eines erfindungsgemäßen Führungsbauteils abgetragen werden.

Vorzugsweise werden die Gleitführungsflächen und gegebenenfalls weiteren Führungsflächen des Führungsbauteils durch eine gemeinsame Fertigung so bearbeitet, dass Überbestimmtheiten vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert werden. Vorteilhafterweise sind alle Gleitführungsflächen großflächig ausgelegt, um Stöße gut absorbieren zu können. Dies ermöglicht den Einsatz einer empfindlichen Optik und Mechanik auch in einem rauen Umfeld, wie beispielsweise im Zusammenhang mit Konsumentenprodukten, bei welchen eine Unempfindlichkeit gegenüber Stoß, Vibrationen, hoher Luftfeuchtigkeit und großen Temperaturschwankungen angestrebt wird.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Elements wird eine Gleitführungsfläche von einem optisch wirksamen Bauelement des optischen Elements oder von einer Fassung des optischen Elements abgetragen, beispielsweise durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Erodieren etc. Dabei kann das optische Element eine Freiformoberfläche umfassen und die Gleitführungsfläche kann definiert zur Freiformoberfläche abgetragen werden. Hierdurch wird ein späteres Justieren des optischen Elements im Hinblick auf die Geometrie der Freiformoberfläche in Bezug auf die Fassung oder die Einspannung des optischen Elements überflüssig. Zusätzlich kann mindestens eine weitere Führungsfläche, zum Beispiel eine Gleit- oder Wälzführungsfläche, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Elements von einem optisch wirksamen Bauelement des optischen Elements oder von einer Fassung des optischen Elements abgetragen werden.

In einer vorteilhaften Variante umfasst das optische Element eine Fassung und es wird an der Fassung mindestens ein Gleitelement befestigt, zum Beispiel ein Gleitpad, welches vorzugsweise mit einem Aufmaß versehen ist. Im Rahmen der Herstellung wird das Gleitelement definiert zu dem optisch wirksamen Bauelement, insbesondere zu einer Freiformoberfläche, abgetragen. Dadurch wird eine eindeutige Lagebestimmung des Gleitelements zu einer Gleitführungsfläche eines Führungsbauteils gewährleistet. Die vorliegende Erfindung hat insgesamt den Vorteil, dass mit ihr eine gemeinsame Führung bzw. ein gemeinsamer Ablauf von aufeinander bezogenen optischen Elementen ermöglicht wird. Zum Beispiel lässt sich die Position von einander zugeordneten optischen Freiform-Elementen getrennt und unabhängig von einem gemeinsamen linearen Ablauf einstellen. Durch die vorliegende Erfindung werden Justierstellen eingespart und damit der erforderliche Bauraum reduziert. Damit lassen sich sehr kompakte optische Systeme realisieren. Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Langzeitstabilität, da insbesondere Setzungserscheinungen reduziert werden. Gleichzeitig wird so eine hohe Funktionssicherheit, also eine hohe Produktqualität, erzielt. Zudem werden Justierzeiten reduziert, da nur die Position der aufeinander bezogenen optischen Elemente, insbesondere der einander zugeordneten Freiformelemente im Hinblick auf ihre Bewegungsrichtung zueinander, eingestellt werden muss. Weiterhin wird die Anzahl der mechanischen Komponenten reduziert. Die beschriebenen Elemente und Komponenten weisen einzeln und in Kombination miteinander eine hohe Stabilität und Steifigkeit und damit eine hohe Robustheit auf. Die erfindungsgemäße optische Baugruppe der Wellenfrontmanipulator und das optische Gerät weisen dadurch ebenfalls einen einfachen und robusten Aufbau und vergleichsverweise geringe Herstellungskosten, sowie einen geringen Bauraumbedarf auf.

Es wird beispielsweise eine genaue Führung von zwei oder mehr Freiform- Elementen durch die Verwendung von Gleitführungsflächen ermöglicht, die sich an einem gemeinsamen Führungsbauteil befinden. Dadurch, dass die separaten und bzw. voneinander getrennten Gleitführungsflächen zur Führung der optischen Elemente, insbesondere der Freiformelemente, sich an einer gemeinsamen Komponente, nämlich dem Führungsbauteil, befinden, ist eine gemeinsame Fertigung der Gleitführungsflächen möglich. Dies erlaubt Führungsgenauigkeiten innerhalb der mechanischen Fertigungstoleranz, zum Beispiel unterhalb von 10 Mikrometern (10 pm). Die Flächen zur Führung der einzelnen optischen Elemente sind vorzugsweise direkt an einer Fassung des jeweiligen optischen Elements, zum Beispiel an der Fassung einer Freiformoptik, angebracht. Diese kann über den Bewegungsbereich, beispielsweise ± 5 mm, sehr genau mit Bezug zu der optischen Charakteristik des jeweiligen optischen Elements, beispielsweise zu der jeweiligen Freiform, gefertigt werden, insbesondere gerichtet werden. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Füllelemente oder Hilfsteile verzichtet werden, was eine besonders kompakte und einfache Bauweise begünstigt.

Mittels der vorliegenden Erfindung kann eine Führungsgenauigkeit im Bereich von 4 bis 10 Mikrometern (4 pm - 10 pm) und eine Resistenz gegenüber Stoßbelastung von mehr als der Gravitationskraft und im Betrieb des jeweiligen Bauteils, insbesondere der erfindungsgemäßen optischen Baugruppe von mehr als dem Dreifachen der Gravitationskraft realisiert werden. Die verwendete Gleitführung ist überwiegend wartungsfrei. Durch die Gleitführung wird zudem eine geringe Baugröße ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zur Anwendung in Film- und Fotoobjektiven, insbesondere um Eigenschaften des Objektives zu beeinflussen, zum Beispiel die Fokussierung und/oder das Erzeugen von Effekten zum Weichzeichnen oder Erzeugen einer definierten Unschärfe (Bokeh). Vorzugsweise ist die vorliegende Erfindung für Verstellwege von weniger als ± 10 mm, vorzugsweise im Bereich von ± 3 mm, geeignet und ausgelegt. Weiterhin ist eine Anwendung im Zusammenhang mit Kameras und Anzeigen oder anderen optischen Geräten im Automotiv-Bereich, also im Zusammenhang mit Fahrzeugen und Fluggeräten, möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.

Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Führungsbauteil in einer Draufsicht.

Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Element in einer Draufsicht.

Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer senkrecht zur optischen Achse bzw. senkrecht zur y-Achse geschnittenen Ansicht.

Figur 4 zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe.

Figur 5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht der in der Figur 4 gezeigten Variante.

Figur 6 zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer zweiten

Variante einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe.

Figur 7 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht der in der Figur 6 gezeigten Variante.

Figur 8 zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer dritten

Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe.

Figur 9 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht der in der Figur 8 gezeigten Variante. Figur 10 zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer vierten

Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen

Baugruppe.

Figur 11 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht der in der Figur 10 gezeigten Variante.

Figur 12 zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer fünften

Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen optischen

Baugruppe.

Figur 13 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht der in der Figur 12 gezeigten Variante.

Figur 14 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Führungsbauteil 1 in einer Draufsicht. Das gezeigte Führungsbauteil 1 ist zum gemeinsamen Führen von mindestens zwei in Bezug aufeinander bewegbaren optischen Elementen ausgelegt. Dazu weist das gezeigte Führungsbauteil 1 eine Vorderseite 2 und eine Rückseite 3 auf. Das Führungsbauteil 1 weist zudem eine Mittelachse 4 auf, welche in z-Richtung verläuft. Die optische Achse verläuft ebenfalls in z-Richtung. Das gezeigte Führungsbauteil 1 weist im Bereich der Mittelsachse 4 eine Durchgangsöffnung 39 auf. Es ist ringförmig ausgestaltet. Andere Ausgestaltungsformen sind ebenfalls möglich.

Das Führungsbauteil 1 umfasst zwei räumlich voneinander getrennte ebene Gleitführungsflächen, wobei eine erste Gleitführungsfläche 5 an der Vorderseite 2 und eine zweite Gleitführungsfläche 6 an der Rückseite 3 des Führungsbauteils 1 angeordnet ist. In der gezeigten Variante umfassen die Gleitführungsflächen jeweils in x-Richtung einen oberhalb und einen unterhalb angeordneten Gleitführungsflächenbereich. Vorzugsweise sind die beiden Gleitführungsflächen 5 und 6 symmetrisch zueinander im Hinblick auf eine x-y-Ebene ausgestaltet. Die an der Vorderseite 2 angeordnete erste Gleitführungsfläche 5 weist eine erste Oberflächennormale 7 auf, welche in der gezeigten Variante in z-Richtung verläuft und aus der Bildebene herausragt. Die an der Rückseite 3 des Führungsbauteils 1 angeordnete zweite Gleitführungsfläche 6 weist eine in der Figur 1 nicht sichtbare, aber in der Figur 3 gezeigte, zweite Oberflächennormale 8 auf, die parallel zur z-Achse verläuft aber in die Bildebene hinein gerichtet ist. Mit andere Worten sind die erste Gleitführungsfläche 5 und die zweite Gleitführungsfläche 6 voneinander abgewandt ausgestaltet. Sie sind Bestandteil eines einstückig ausgestalteten Bauelements, welches beide Gleitführungsflächen aufweist. In der gezeigten Variante bilden die erste und die zweite Gleitführungsfläche jeweils einen Anschlag für ein erstes und ein zweites zu führendes optisches Element gegen einen Verschiebung in z-Richtung.

Weiterhin weist das in der Figur 1 gezeigten Führungsbauteil 1 eine weitere Gleitführungsfläche 9 auf, welche eine Oberflächennormale 10 aufweist. Die Oberflächennormale 10 verläuft parallel zur y-Richtung. Die weitere Gleitführungsfläche 9 bildet für mindestens ein zu führendes optisches Element, vorzugsweise für beide zu führende optische Elemente einen Anschlag gegen ein Verschieben in y-Richtung. Vorzugsweise weist die Gleitführungsfläche 9 einen ersten Flächenbereich 9a, der für das erste optische Element einen Anschlag bildet, und einen zweiten Flächenbereich 9b, der für das erste optische Element einen Anschlag bildet, auf. Dabei sind der erste und der zweite Flächenbereich in einer senkrecht zur x-y-Ebene verlaufenden z-Richtung hintereinander angeordnet. Mittels des in der Figur 1 gezeigten Führungselements 1 können also zwei optische Elemente einerseits durch ein Verschieben des Führungselements gemeinsam verschoben werden und zusätzlich in Bezug aufeinander in x-Richtung verschoben werden. Bei einer solchen Verschiebung gleiten entsprechende Oberflächen des zu führenden optischen Elements entlang der jeweiligen Gleitführungsflächen 5, 6 und 9. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Führungsbauteils 1 werden die Gleitführungsflächen 5, 6 und optional auch die mindestens eine weitere Gleitführungsfläche 9 von mit einem Aufmaß versehenen Material, vorzugsweise einem einstückig ausgestalteten Bauteil, abgetragen. Das Abtragen kann durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Erodieren, oder ein anderes Verfahren erfolgen. Die Gleitführungsflächen können zusätzlich mit einem Gleitkunststoff beschichtet werden.

Die Figur 2 zeigt schematisch ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Element 11 in einer Draufsicht. Das optische Element 11 weist in der gezeigten Variante ein optisch wirksames Bauelement 13 auf, zum Beispiel ein Alvarez-Element, welches eine in der Figur 2 nicht sichtbare Planfläche 15 und eine Freiformoberfläche 14 umfasst. Das optische Element 11 weist zudem eine Fassung 17 auf. Die Fassung 17 umfasst zwei Gleitführungsflächen 18, welche dazu ausgelegt sind, an den Gleitführungsflächen 5 des in der Figur 1 gezeigten Führungselements 1 angelegt zu werden und dadurch ein durch Gleiten geführtes Verschieben des optischen Elements 11 in Bezug auf das Führungselement 1 in x- Richtung zu ermöglichen. Zudem weist die Fassung 17 eine weitere Gleitführungsfläche 19 auf, welche dazu ausgelegt sind, an der Gleitführungsfläche 9 des in der Figur 1 gezeigten Führungselements 1 angelegt zu werden und dadurch ebenfalls ein durch Gleiten geführtes Verschieben des optischen Elements 11 in Bezug auf das Führungselement 1 in x-Richtung zu ermöglichen. Dabei wirken die Gleitführungsflächen 5 und 18 als Anschlag gegen ein Verschieben des optischen Elements 11 in z- Richtung und die Gleitführungsflächen 9a und 19 als Anschlag gegen ein Verschieben des optischen Elements 11 in y-Richtung.

Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen optischen Element 11 werden die Gleitführungsflächen 18 und optional auch die weitere Gleitführungsfläche 19 von mit einem Aufmaß versehenen, an der Fassung 17 angebrachtem Gleitmaterial, beispielsweise einem Gleitpad, abgetragen. Das Abtragen kann durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Erodieren, oder ein anderes Verfahren erfolgen. Vorzugsweise erfolgt der Abtrag definiert zu den optischen Merkmalen des jeweiligen optischen Elements 11, zum Beispiel definiert zu der Geometrie einer Freiformoberfläche 14. Die Gleitführungsflächen 18, 19 können zusätzlich mit einem Gleitkunststoff beschichtet werden.

Vorzugsweise wird ein erstes optisches Element 11, wie beispielsweise in der Figur 2 gezeigt, an der Vorderseite 2 des in der Figur 1 gezeigten Führungselements 1 angeordnet und ein im Hinblick auf die vorhandenen Führungsflächen analog ausgestaltetes zweites optisches Element 12 an der Rückseite 3 des in der Figur 1 gezeigten Führungselements 1 angeordnet. Die Figur 3 zeigt schematisch eine solche erfindungsgemäße optische Baugruppe 20 in Form eines Wellenfrontmanipulators, welcher ein in der Figur 1 gezeigtes Führungselement 1, ein in der Figur 2 gezeigtes erstes optisches Element 11 und ein analog zu dem ersten optischen Element aufgebautes zweites optisches Element 12 umfasst. Die Figur 3 zeigt dabei schematisch den Wellenfrontmanipulator 20 in einer senkrecht zur optischen Achse bzw. senkrecht zur y-Achse geschnittenen Ansicht. Das erste optische Element 11 und das zweite optische Element 12 sind in Richtung der optischen Achse 21 bzw. in z-Richtung hintereinander angeordnet. Bei den gezeigten optischen Elementen 11 und 12 handelt es sich zum Beispiel um zwei aufeinander abgestimmte Freiformelemente, die jeweils eine Planfläche 15 und eine Freiformoberfläche 14 aufweisen. Die optischen Elemente 11 und 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass ihre Freiformflächen 14 einander zugewandt sind. Sie können jedoch auch auf den einander abgewandten Seiten angeordnet sein, oder es können auf beiden Seiten eines optischen Elements 11, 12 Freiformflächen 14 angeordnet sein. Die optischen Elemente 11 und 12 mit den Freiformflächen 14 sind entlang einer optischen Achse 21 hintereinander angeordnet und parallel zu einer zur optischen Achse 21 senkrecht verlaufenden Geraden, vorliegend in x-Richtung, verschiebbar gelagert.

Alternativ zu Freiformelementen kann es sich um eine Kombination aus zwei aufeinander abgestimmten optischen Elementen, beispielsweise eine Kombination aus zwei oben bereits genannten optischen Elementen, handeln.

Die optischen Elemente 11, 12 dienen als Wellenfrontmanipulator, bei dem der Grad der Manipulationswirkung auf die Wellenfront von dem Grad der Verschiebung der optischen Elemente 11, 12 entlang der Geraden in x- Richtung abhängt. Typischerweise erfolgt die Verschiebung der optischen Elemente 11, 12 zum Herbeiführen der Wellenfrontmanipulation entlang der Geraden um denselben Betrag, aber in entgegengesetzte Richtungen. Zu Feinkorrekturzwecken kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn jedes optische Element 11, 12 um individuelle Beträge verschoben werden kann. Mittels der Manipulation der Wellenfront können zum Beispiel Abbildungsfehler des optischen Systems, in welches die optische Baugruppe 20 eingebaut ist, ausgeglichen werden. Durch den Betrag der Verschiebung der beiden optischen Elemente 11, 12 kann die Korrektur an die Stärke des auftretenden Abbildungsfehlers angeglichen werden. Wenn die optischen Elemente 11, 12 um individuelle Beträge verschoben werden können, besteht zudem die Möglichkeit einer optischen Feinkorrektur. Das Ausgleichen von Abbildungsfehlern durch die Verschiebung der optischen Elemente eines Wellenfrontmanipulators ist in DE 102013 101 711 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird daher hinsichtlich des Ausgleichens von Abbildungsfehlern verwiesen.

Alternativ zum Ausgleichen von Abbildungsfehlern besteht die Möglichkeit, durch gegenläufiges Verschieben der optischen Elemente 11, 12 einen Abbildungsfehler in das optische System, in welches die optische Baugruppe 20 eingebaut ist, einzubringen, beispielsweise um bei einem Weichzeichnerobjektiv eine sphärische Aberration herbeizuführen, die zu einem Weichzeichnungseffekt führt. Wie ein solcher Weichzeichnungseffekt herbeigeführt werden kann, ist in DE 10 2014 118 383 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird daher hinsichtlich des Herbeiführens eines Weichzeichnungseffekts verwiesen. Im Folgenden wird eine erste detaillierte Ausführungsvariante anhand der Figuren 4 und 5 näher erläutert. Die Figur 4 zeigt schematisch eine Explosionsansicht und die Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe 20. In dieser wie auch in den folgenden Ausführungsvarianten sind zwei optische Elemente 11 und 12 an einem gemeinsamen Führungsbauteil 1 so angeordnet, dass sie mittels räumlich voneinander getrennter, jedoch gemeinsam hergestellter Gleitführungsflächen 5, 6 des Führungsbauteils 1 in Bezug aufeinander in mindestens einer Richtung geführt verstellt bzw. bewegt werden können. Dabei können die optischen Elemente 11, 12 in Bezug aufeinander durch Translation verschoben oder durch Rotation gedreht werden. In den gezeigten Varianten erfolgt eine Translation in x-Richtung. Eine Rotation, beispielsweise um eine Achse in z-Richtung bzw. um eine optische Achse 21 würde abweichend von den gezeigten Ausführungsvarianten zumindest teilweise gekrümmte Gleitführungsflächen erfordern mit beispielsweise in der x-y-Ebene sich erstreckenden Krümmungsradien. Eine solche Ausgestaltung ist aber ebenfalls möglich.

In allen Ausführungsvarianten sind pro zu führendem optischen Element 11, 12 mindestens eine Gleitführungsfläche vorgesehen und gegebenenfalls weitere Gleit- oder Wälzführungen. Einzelne Details der im Folgenden beschriebenen Varianten können untereinander kombiniert werden und auf verschiedenste Weise miteinander verbunden werden.

Bei der in der Figur 4 gezeigten Variante ist eine Axialanalage in z-Richtung durch die erste Gleitführungsfläche 5 und die zweite Gleitführungsfläche 6, sowie eine weitere durch einen Balken 22 realisierte Gleitführungsfläche 9 vorgesehen, welche einen Anschlag in y-Richtung bildet. Zudem sind zwei Antriebe 23, im vorliegenden Beispiel Piezo-Schreitantriebe, als jeweils separater Antrieb für eine Verschiebung der einzelnen optischen Elemente 11, 12 vorgesehen. In der in der Figur 4 gezeigten Variante ist das Führungsbauteil 1 als Basisfassung, in welcher ein Keramikbalken 22 angeordnet ist, realisiert. Bevorzugt ist der Keramikbalken 22 geschliffen und in die Basisfassung 1 eingeklebt. Jeweils ein erstes optisches Freiformelement 13 und ein entsprechendes zweites optisches Freiformelement 13 sind jeweils mit einer Fassung 17 verbunden. Vorzugsweise sind an den jeweiligen Fassungen 17 Gleitelemente in Form von Gleitpads befestigt, welche vorzugsweise mit einem Aufmaß versehen sind. Im Rahmen der Fierstellung des jeweiligen optischen Elements 11, 12 können die Gleitpads definiert zu einer Freiformoberfläche 14 des optisch wirksamen Bauelements 13 abgetragen werden. Dadurch wird eine eindeutige Lagebestimmung der Gleitführungsfläche 18 des jeweiligen optischen Elements 11, 12 zu der Gleitführungsfläche 5, 6 des Führungsbauteils 1, also der Gleitanlage, gewährleistet. Die Gleitpads der gefassten Freiformoptik werden an die Gleitführungsfläche 5, 6 angelegt und können gegen diese durch ein Federblech und/oder durch eine Andrückfeder des Piezo-Antriebs 23 gepresst werden.

Zum Bewegen der optischen Elemente 11, 12, vorliegend der beiden Freiform-Optik-Elemente, wird in dieser Variante ein Piezo-Schreitantrieb 23 verwendet, der sich ebenfalls an dem Keramikbalken 22 entlang bewegt. Eine Andrückfeder kann dabei für den benötigten Kraftschluss des Piezo- Schreitantriebs 23 zu dem Keramikbalken 22 sorgen. Für die Erfassung der Stellposition in x-Richtung kann zum Beispiel ein absolutes Messsystem verwendet werden. Dabei kann ein Sensor fest mit dem Führungsbauteil 1 verbunden sein. Ein Linearmaßstab kann an der Fassung 17 befestigt sein. Die gefassten optischen Freiformelemente 11, 12 sind paarweise angeordnet und greifen auf unterschiedliche Gleitführungsflächen 5, 6 an dem gemeinsamen Führungsbauteil 1 zu. Jedem optischen Freiformelement 11, 12 ist vorzugsweise ein eigener Piezo-Schreitantrieb 23 und ein absolutes Messsystem zugeordnet.

Beim Ansteuern der Piezo-Schreitantriebe 23 bewegen diese sich entlang des Keramikbalkens 22 in Bezug aufeinander in unterschiedlicher Richtung und neben dabei die gefassten Freiform-Elemente 11, 12 mit. Auf diese Weise lässt sich eine Führungsgenauigkeit von unter 10 Mikrometern (Ay = Dz < 10 mίp) über den gesamten Bewegungsbereich von bis zu Dc = ± 5 mm realisieren. Die Piezo-Schreitantriebe 23 ermöglichen Stellgeschwindigkeiten von bis zu 15 mm/s.

In der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Variante sind anstelle des Balkens 22 zur Ausbildung weiterer Führungsflächen zwei Stifte 29 zur Führung und als Anlage in y-Richtung vorgesehen. Zudem sind ein rotatorischer Piezo- Ultraschallmotor 23 und ein Getriebe vorgesehen. Für die Führung der optischen Freiform-Elemente 11, 12 werden einerseits die in der Figuren 4 und 5 bereits gezeigten planen Gleitführungsflächen 5, 6 an dem Führungsbauteil 1 verwendet und zusätzlich zylindrische Flächen 31, welche an den zwei Stiften 29 angeordnet sind, verwendet. Dabei bilden die Anlageflächen 5 und 6 des Führungsbauteils 1 die Gleitführfläche in z- Richtung. Die Flächen 31 an den Stiften 29 bilden die benötigte Anlage in y- Richtung. Die Freiform-Optik 13 befindet sich wiederum in einer Fassung 17, die über Gleitpads verfügen kann. Die Gleitführungsflächen 18, 19, vorzugsweise sowohl die Anlageflächen 18 in z-Richtung als auch die Anlageflächen 19 in y-Richtung sind zunächst als Gleitelemente mit einem Aufmaß ausgestaltet. Dieses wird gerichtet zur Freiformoberfläche 14 abgetragen, um Abstand und Ausrichtung der optischen Freiformelemente 11, 12 gezielt zu beeinflussen. Um die gefassten Freiformoptiken axial in Position zu halten, werden beispielsweise Federbleche verwendet.

Als Antrieb kann in dieser Variante nur ein Motor 23, nämlich ein rotatorischer Piezo-Ultraschallmotor, verwendet werden. Eine Piezo-Keramik 32 wird auf einen Reibring 34 gepresst, welcher in dem Führungsbauteil 1 durch beispielsweise im Takt von 120° angeordnete Wälzlager drehbar gelagert ist. An dem Reibring 34 können zwei Wälzlager 35 befestigt sein, die zur Umformung der Drehbewegung des Piezo-Ultraschallmotors in eine lineare entgegengesetzte Bewegung der beiden optischen Freiformelemente 11, 12 dienen. Dabei kann die Stellposition bzw. die Startposition fein abgestimmt werden. Dies ist zum Beispiel durch verstellbare Mitnehmer 36 möglich. Um die Lose aus der Getriebeanordnung herauszunehmen, kann zum Beispiel eine Feder verwendet werden, die die beiden gefassten Freiform-Elemente 11, 12 gegeneinander verspannt. Die Erfassung der Stellposition erfolgt durch ein Messsystem, vorzugsweise ein absolut messendes Messsystem. Dabei kann ein Sensorkopf an dem Führungsbauteil 1 befestigt sein. Dies hat den Vorteil, dass gegebenenfalls erforderliche Kabel nicht mitbewegt werden müssen. Ein Linearmaßstab kann an einer der beiden Fassungen 17 befestigt sein.

Der Piezo-Ultraschall-Motor 23 setzt den beweglich gelagerten Reibring 34 in eine Rotationsbewegung. Dabei verändern die an dem Reibring 34 befestigten Wälzlager 35 ihre Relativposition. Die gefassten Freiformelemente 11, 12 stehen über die an ihnen befestigten Mitnehmer 36 in Verbindung mit dem Wälzlager 35 und werden in x-Richtung linear ausgelenkt, wobei es sich um eine Rollreibpaarung handelt. Es können in dieser Variante Verstellwege von ± 5 mm und mehr ermöglicht werden, wobei die Führungsgenauigkeit in einem Bereich von 10 Mikrometern (10 pm) liegt. Durch den Piezo-Ultraschall-Motor werden sehr hohe Stellgeschwindigkeiten erreicht, die sehr kurze Reaktionszeiten ermöglichen. Abweichend von der zuvor beschriebenen Ausführungsvariante kann auch für jedes Freiformelement 11, 12 ein separater Antrieb vorgesehen sein. Dadurch kann eine individuelle Einstellung bzw. Positionsfehlerkorrektur der Freiformelemente 11, 12 ermöglicht werden. Weiterhin kann in diese Variante auf ein sonst erforderliches Verteilergetriebe und damit auf die Abstimmung desselben bei der Montage verzichtet werden.

Alternativ kann ein Motor mit Zahnstangengetriebe und/oder einem Hebelgetriebe verwendet werden. Prinzipiell kann für jedes optische Element 11, 12 ein separater Antrieb 23, insbesondere ein separater Motor und ein separates Getriebe vorgesehen sein. Es können aber auch beide optische Elemente 11, 12 mittels lediglich eines gemeinsamen Antriebs 23 in Bezug aufeinander bewegt werden. Als Antrieb 23 können zum Beispiel ein oder zwei Piezo-Ultraschall-Motoren vorgesehen sein. Prinzipiell kann der Anschlag in y-Richtung auch durch Wälzlager realisiert sein. Die Figuren 8 und 9 zeigen schematisch eine weitere Ausführungsvariante, welche abweichend von der zuvor beschriebenen Variante mit nur einem Motor und einem Zahnstangengetriebe ausgestaltet ist. Als Antrieb 23 wird ein Getriebemotor, zum Beispiel ein Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor, verwendet. Die optischen Elemente 11 und 12 werden direkt über an ihnen angeordnete Zahnstangen 45 bewegt werden.

Die Figuren 10 und 11 zeigen eine Variante mit zwei Motoren 23. In dieser Variante sind auf den zwei ebenen Gleitführungsflächen 5 und 6 des Führungsbauteils 1 Erhebungen 24 mit weiteren Gleitführungsflächen 9 in vorhanden. In den Fassungen 17 der optischen Elemente 11 und 12 sind mit den Erhebungen 24 korrespondierende Vertiefungen 25 vorgesehen, welche Oberflächen 19 zum Führen der optischen Elemente 11 und 12 umfassen. Alternativ oder zusätzlich dazu können weitere Gleitführungsflächen 9 als Teilflächen von Vertiefungen in den zwei ebenen Gleitführungsflächen 5 und 6 des Führungsbauteils 1 und zu den Vertiefungen korrespondierende Erhebungen in den Fassungen 17 der optischen Elemente 11 und 12, welche Oberflächen 19 zum Führen der optischen Elemente 11 und 12 aufweisen, vorhanden sein.

Die Figuren 12 und 13 zeigen schematisch eine Ausführungsvariante mit einer Wälzführung in y-Richtung. Dabei dienen in y-Richtung Wälzlager 46, die auf einem Stift befestigt sind, als Führungsanlage. An dem bewegten Gegenstück der Fassung 17 sind die entsprechenden Flächen 19, auf denen die Wälzlager 46 abrollen, gerichtet zur Freiform-Optik angearbeitet. Ebenso können sich Flächen an der Fassung 17 befinden, die den maximalen Verschiebeweg mechanisch begrenzen.

Die Wälzführung ist in der gezeigten Variante beispielsweise durch einen linearen Piezo-Ultraschallantrieb bedingt, da dieser einen niedrigen Reibkoeffizienten in der Führung für eine fehlerfreie Funktion erfordert. Dieser kann mit Rollreibung, wie sie vornehmlich in einem Wälzlager auftritt, realisiert werden. Der Piezo-Ultraschall-Motor 23 ermöglicht eine sehr schnelle und für das menschliche Ohr nicht hörbare Verstellbewegung. Für jedes optische Element 11, 12 kann ein eigener Antrieb vorgesehen sein, sodass die Freiform-Elemente unabhängig voneinander in x-Richtung verfahren werden können. Dies ermöglicht eine Korrektur der Stellposition über den gesamten Stellweg hinweg, insbesondere um optische Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Eine nicht explizit gezeigte Aufhängung der Piezo-Ultraschall-Motoren 23 kann federnd ausgestaltet sein und dafür sorgen, dass eine Reibnase 48 des Piezo-Ultraschall-Motors 23 auf eine Reibschiene 49 gepresst wird, die an der Fassung 17 ausgebildet oder an dieser befestigt ist und eine Führungsschiene in y-Richtung bildet. Dadurch werden die angearbeiteten Laufflächen 19 der Fassung 17 gegen die Wälzlager 46 gepresst und man erhält einen spielfreien Antrieb. Um den Verschleiß gering zu halten können die Reibschiene 49 und die Reibnase 48 aus verschleißbeständigtem Material, wie beispielsweise einer Keramik, hergestellt sein.

Bei Bestromung des Piezo-Ultraschall-Motors 23 kontrahiert ein Piezo- Kristall in einer fest vorgegebenen Frequenz und bewegt die Reibnase 48 auf einer Bahn, die eine Verschiebung des jeweiligen optischen Elements 11, 12 entlang der x-Achse bewirkt. Die Bewegungsrichtung lässt sich durch die Ansteuerungsweise des Piezo-Ultraschall-Motors 23 umkehren.

Grundsätzlich können in allen gezeigten Ausführungsvarianten den Verschiebeweg begrenzende mechanische Vorrichtungen oder Bauelemente vorhanden sein.

Die Figur 14 zeigt schematisch ein optisches Gerät 40, beispielsweise ein Objektiv oder eine Kamera oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung. Das optische Gerät 40 umfasst mindestens eine erfindungsgemäße optische Baugruppe 20, zum Beispiel eine der zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 13 beschriebenen optischen Baugruppen 20. Bezuqszeichenliste:

1 Führungsbauteil

2 Vorderseite

3 Rückseite

4 Mittelachse

5 erste Gleitführungsfläche

6 zweite Gleitführungsfläche

7 erste Oberflächennormale

8 zweite Oberflächennormale

9 weitere Gleitführungsfläche

10 Oberflächennormale

11 erstes optisches Element

12 zweites optisches Element

13 optisch wirksames Bauelement / optisches Freiformelement

14 Freiformoberfläche

15 Planfläche

17 Fassung

18 Gleitführungsfläche

19 Gleitführungsfläche

20 optische Baugruppe/Wellenfrontmanipulator

21 optische Achse

22 Balken

23 Antrieb

24 Erhebung

25 Vertiefung

29 Stift

31 zylindrische Fläche

32 Piezo-Keramik

34 Reibring

35 Wälzlager

36 Mitnehmer

39 Durchgangsöffnung

40 optische Baugruppe Zahnstange Wälzlager Reibnase Reibschiene