WO2020043552A1 - Optisches system zur verwendung in einer unterwasserumgebung - Google Patents

Optisches system zur verwendung in einer unterwasserumgebung Download PDF

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WO2020043552A1
WO2020043552A1 PCT/EP2019/072261 EP2019072261W WO2020043552A1 WO 2020043552 A1 WO2020043552 A1 WO 2020043552A1 EP 2019072261 W EP2019072261 W EP 2019072261W WO 2020043552 A1 WO2020043552 A1 WO 2020043552A1
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contact surface
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optical
mount
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Andreas Kaiser
Mario Sondermann
Andrea Berner
Hans Lange
Dirk Döring
Uwe Weber
Tobias Hackel
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Carl Zeiss AG
Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
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VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss AG
Carl Zeiss Jena GmbH
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    • G03B17/12—Bodies with means for supporting objectives, supplementary lenses, filters, masks, or turrets
    • G03B17/14—Bodies with means for supporting objectives, supplementary lenses, filters, masks, or turrets interchangeably

Definitions

  • the invention relates to an optical system for use in an underwater environment.
  • Optical systems in particular (camera) lenses that are used in underwater environments, have to withstand high pressures that act on the optical systems depending on the depth.
  • Mechanical-optical-electrical systems are usually encapsulated against the water in the underwater environment by a housing in which quasi-constant (gas) pressure conditions prevail.
  • Optical systems that are to visually capture the surroundings or parts of the surroundings require an optically transparent interface to the surroundings (also called an optical port) in the housing.
  • the optical port has an optically transparent component made of an optical one
  • optically transparent component that is in direct contact with the underwater environment.
  • the optically transparent component must therefore withstand high pressures of the underwater environment and pressure changes depending on the depth of the dive.
  • optically transparent component In previously known optical systems for use in an underwater environment, the functional requirement for the optically transparent component is primarily based on the mechanical load-bearing capacity, i.e. limited to the mechanically sufficiently stable demarcation of the interior of the housing from the surrounding medium with the most neutral possible optical imaging effect.
  • Embodiments of the optically transparent component contained in the prior art are flat plates or concentric menisci /
  • Dome optics which are held and supported on flat or conical design elements (e.g. 45 ° half opening angle) towards the housing.
  • the optically transparent component of optical systems in the prior art is used as an additional component which negatively influences / does not promote the optical imaging properties.
  • the optically transparent component must offer sufficient opening for the imaging properties required by the optical imaging system.
  • the optically transparent component of the optical port, and thus its surface exposed to the ambient pressure are always larger than that
  • optically transparent component is an additional required element in the system, which is heavily loaded by the external pressure, since it generally. significantly larger than the functionally necessary dimensions of the first lens of an optical
  • Imaging system must be in order to offer this enough opening, is technically complex to manufacture, especially in the case of variants set at the edge, and the optically neutral effect is only achieved to a limited extent.
  • the invention is based on the object of demonstrating an optical system for use in an underwater environment which has a high mechanical load-bearing capacity and has good optical properties and is technically simple to produce.
  • the object is achieved by an optical system for use in an underwater environment, wherein the optical system is a housing that a
  • Interior of the optical system is watertight from the environment, and comprises a lens with an outer surface, the housing having a frame, the lens being received in the frame such that when the optical system is in the underwater environment, the outer surface with is in fluid contact with the water of the underwater environment, the outer surface of the lens having an arched shape, in particular a convex shape, preferably a spherical-convex shape Form, wherein the lens has a first (concave or convex) curved, in particular spherical, contact surface and the holder has a second contact surface, the lens being arranged in the holder such that the first contact surface presses against the second contact surface when the Pressure around the optical system is higher than the pressure inside the optical system.
  • optical system can be an optically active component. This can reduce the number of parts of the optical system and increase the optical performance of the optical system. The dimensions of the lens or the outer surface of the lens and thus its surface exposed to the external pressure can be reduced to the dimension that is optically functionally required. In addition, the optical system has very good optical properties because the lens used in the
  • the first contact surface can be calculated. Due to the shape of the first contact surface, the occurring, depth-dependent (variable) forces can be withstood particularly well in an underwater environment.
  • the first contact surface can be manufactured inexpensively with particularly high precision.
  • the first contact surface can be produced in a technically simple, precise manner using conventional optical methods and measured using standard measuring methods, and the quality of the first contact surface can be assessed.
  • the first contact surface can touch / contact the second contact surface directly or directly, or an intermediate layer made of an additional material, e.g. made of a material that is not the same as the material of the lens and the material of the frame, between the first contact surface and the second contact surface.
  • the first contact surface can touch only a part of the second contact surface or, in the underwater environment, a part of the first contact surface can press against the second contact surface or a part of the second contact surface.
  • the center of the spherical shape of the first contact surface lies on an optical axis of the lens.
  • the lens has an inner surface opposite the outer surface, an optical axis of the lens running through the outer surface and the inner surface, and the inner surface of the lens has an arched shape, in particular a concave shape, preferably a spherical-concave shape .
  • the optical system has a particularly small number of parts.
  • the first contact surface of the lens has a convex shape
  • the second contact surface of the mount has a concave shape with one
  • Radius of curvature which essentially corresponds to a radius of curvature of the convex shape of the first contact surface. This results in a particularly large-area contact between the first contact area and the second contact area. Thus, the forces arising from the pressure of the underwater environment can be transferred to the socket with little tension.
  • the second contact area can e.g. can be produced by conventional machining processes.
  • the first contact surface of the lens that is produced can be produced in a technically simple manner using standard optical manufacturing processes and can be measured and evaluated very precisely with the aid of conventional measuring technology from the manufacture of optical parts. This makes it possible to optimally combine the lenses in terms of the quality achieved with the second contact surface of the frame.
  • the first contact surface has a convex shape, the second contact surface having a concave shape, the radius of curvature of the first contact surface being smaller than the radius of curvature of the second contact surface in a cross section along a plane which contains the optical axis of the lens , and wherein the center of the concave shape of the second contact surface is not on an optical axis of the lens.
  • forming in the contact region of the first and second contact surface is a contact surface or the Hertz 'sche pressed area, ie the area in which touch the first contact surface and the second contact surface, a ring-shaped or annular surface symmetrical about the optical axis the lens is formed.
  • the resulting mechanical stress is determined by the position (ie position and orientation) of the contact surface or Hertz 's pressure surface, the ratio of the radii of curvature of the first contact surface and second contact surface and the modulus of elasticity on the first contact surface or lens and second contact surface or socket, and influences the material properties of the material of any intermediate layer that may be present.
  • the shape of the lens and / or the frame geometry due to manufacturing deviations and / or due to the deformation caused by stress during operation remains the same
  • the location and extent of the contact surface or Hertz's pressure surface varies in this case.
  • the first contact surface and the second contact surface can be designed or designed or manufactured in such a way that the optical system can withstand particularly high pressures without damage.
  • an elastic intermediate layer and / or an adhesive is arranged between the first contact surface and the second contact surface.
  • the elastic intermediate layer and / or the adhesive is designed such that when the pressure on the outer surface of the lens is increased, a sealing effect between the lens and the mount is increased.
  • the mount has an undercut, wherein surfaces of the undercut, when the optical system is in the underwater environment, are in fluid communication with the underwater environment.
  • Capacity i.e. can be minimized in the area of the first and second contact area. This prevents the frame from deforming and / or the shape of the
  • the undercut is designed in such a way that the mount at the height of the undercut has a diameter perpendicular to the optical axis of the lens, which essentially corresponds to the diameter of the lens perpendicular to the optical axis of the lens. This has the advantage that bending or deformation of the mount in the area of the lens or in the area of the second contact surface is minimized. This means that the optical system can safely withstand even higher pressures.
  • the optical system has further optical elements, in particular further lenses, the further optical elements being rigidly connected to part of the frame such that when the lens moves with the frame relative to other parts of the housing, the further optical elements Elements like that
  • the advantage of this is that the imaging quality of the optical system remains unchanged even when the lens or the mount is displaced due to loading at high pressures.
  • the further optical elements are moved together with the lens, so that the distances between the further optical elements and the lens do not change.
  • the first contact surface of the lens is polished and / or etched.
  • deep damage or microcracks or crack nuclei in the first contact area can be technically simply reliably removed or avoided / minimized.
  • the forces that occur can be transmitted or guided into the socket in a particularly safe and reliable manner.
  • the optical system can therefore reliably withstand even higher pressures.
  • the lens is arranged in a prestressed manner in such a way that the lens is or is pressed with its first contact surface against the second contact surface, even if the pressure in the vicinity of the optical system is equal to the pressure in the interior of the optical system.
  • the first lens can be prestressed in such a way that the lens presses against the second contact surface with a force that is at least 10 times, preferably at least 50 times the force
  • a side surface in the form of an outer surface of a cylinder is formed between the outer surface of the lens and the first contact surface of the lens. In this way, the lens can be centered in a technically simple manner.
  • the side surface can serve as a sealing surface for sealing in connection with sealing elements.
  • the side surface is coaxial with the optical axis of the lens.
  • the optical system further comprises a seal for sealing an area between the first contact surface of the lens and the second contact surface of the mount.
  • a seal for sealing an area between the first contact surface of the lens and the second contact surface of the mount. In this way, the ingress of water is prevented safely and technically even at high ambient pressures.
  • the contact between the first contact surface and the second contact surface is independent of the seal. This further increases the reliability of the optical system.
  • a spherical shape of a surface can in particular mean that the surface is a surface section of a sphere.
  • the optical system can be designed such that it can withstand pressures that occur in deep-sea environments (> 200 m) without damage.
  • the optical system can be designed in such a way that the optical system can withstand damage, in particular, pressure differences that occur when surfacing or submerging into the deep sea.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the
  • optical system according to the invention shows a cross-sectional view of a lens of a second embodiment of the optical system according to the invention
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of a third embodiment of the
  • FIG. 4 shows a schematic detailed view of the optical system from FIG. 3.
  • the optical system 10 comprises a lens 20 and a housing, the lens 20 being accommodated in a mount 40 of the housing.
  • the housing delimits an interior space 60 from the environment 50.
  • the optical system 10 is designed for use in an underwater environment. This means that the optical system 10 and also the housing or the mount 40 can withstand high pressures (e.g. several hundred bar pressure).
  • the optical system 10 can e.g. can be used for an underwater camera or can be an underwater camera.
  • the lens 20 represents an optical port, which forms an optically transparent connection through the housing between the interior 60 and the environment 50. In this way, light from the environment 50 can enter the housing.
  • the lens 20 has an outer surface 24 which is designed to contact the water. This means that water contacts the outer surface 24 of the lens 20 when the optical system 10 is in an underwater environment.
  • the lens 20 thus represents an outer boundary of the interior 60 with respect to the environment 50.
  • the outer surface 24 of the lens 20 has an arched shape, i.e. the
  • Outer surface 24 of lens 20 is not flat.
  • the outer surface 24 of the lens 20 may have a spherical shape.
  • the outer surface 24 has a spherical convex shape in Fig. 1, i.e. a shape curved towards the environment 50.
  • the outer surface 24 of the lens 20 has an aspherical shape.
  • the outer surface 24 can have a plurality of subsections, each of which has a spherical shape with different ones from one another
  • the outer surface 24 of the lens 20 has a spherically concave shape, i.e. has a shape curved toward the interior 60.
  • An inner surface 26 of the lens 20 lies opposite the outer surface 24 of the lens 20.
  • the optical axis 29 runs through the center of the lens 20 and thus through the
  • the inner surface 26 has a spherically concave shape, i.e. a curvature away from the interior 60.
  • the center of the curvature of the inner surface 26 lies on the optical axis 29 of the lens 20.
  • the lens 20 has a first contact surface 28.
  • the first contact surface 28 faces the socket 40.
  • the first contact surface 28 lies opposite the outer surface 24.
  • the first contact surface 28 is designed to contact a second contact surface 48 of the socket 40.
  • the first contact surface 28 touches the second contact surface 48 of the socket 40 directly or directly. This means that there is no further intermediate layer or the like between the first contact surface 28 and the second contact surface 48.
  • the first contact surface 28 thus presses against the second contact surface 48 when pressed against the outer surface 24 of the lens 20.
  • the first contact surface 28 has a spherical shape, the center of curvature of the first contact surface 28 being on the optical axis 29 of the lens 20.
  • the first contact surface 28 has a spherically convex shape in FIG. 1.
  • the second contact surface 28 has a spherically convex shape in FIG. 1.
  • Contact surface 48 has a spherically concave shape. The center of the curvature of the second contact surface 48 lies on the optical axis 29 of the lens 20.
  • the first contact surface 28 runs, so to speak, the inner surface 26 of the lens 20.
  • the first contact surface 28 is a spherical chamfer or facet.
  • the radii of curvature of the first contact surface 28 and the second contact surface 48 are the same size or identical. As a result, the first contact surface 28 and the second contact surface 48 touch over a large area. The first contact surface 28 is thus largely complementary or congruent and concentric with the second contact surface 48.
  • the first contact surface 28 presses against the second contact surface 48 over a large area.
  • the forces which occur are conducted into the mount 40 with a particularly low tension. The magnitude of the mechanical stresses occurring in the lens 20 and mount 40 can thus be kept low.
  • the area in which the first contact surface 28 and the second contact surface 48 contact has the shape of an annular spherical segment on.
  • the first contact surface 28 of the lens 20 can be polished and / or etched. This minimizes microcracks and / or depth damage and / or crack germs from the lens 20. Thus, the lens 20 can withstand higher pressures.
  • the shape of the first contact surface 28 can be produced very precisely.
  • the shape can be detected very precisely by conventional optical measuring methods and consequently evaluated.
  • the first contact surface 28 can thus be produced in a technically simple manner with a very high precision. Consequently, especially if the second contact surface 48 also has a very high precision, the optical system 10 can withstand particularly high pressures.
  • the lens 20 can be centered in the mount 40 or aligned in a desired position relative to the mount 40 by means of the first contact surface 28.
  • a side surface 27 is arranged between the outer surface 24 of the lens 20 and the first contact surface 28 of the lens 20.
  • the side surface 27 (also called an outer cylinder) corresponds to the outer surface of a straight circular cylinder.
  • the side surface 27 extends coaxially with the optical axis 29 of the lens 20.
  • the seal 30 for sealing the area between the first contact surface 28 and the second contact surface 48 is connected to the socket 40 and covers the area between the side surface 27 or the outer cylinder and the socket 40. This can allow water to penetrate into the area between the first contact surface 28 and the second contact surface 48 can be reliably prevented.
  • the optical system 10 can comprise further optical elements in the interior 60.
  • the lens 20 usually comprises or consists of a glass material.
  • An elastic intermediate layer can be arranged between the first contact surface 28 and the second contact surface 48.
  • the elastic intermediate layer can reduce the local surface pressure that occurs even if the first contact surface 28 is deformed.
  • the intermediate layer may have manufacturing inaccuracies and / or
  • the elastic intermediate layer can e.g. consist of an elastic material or include this. If the elastic intermediate layer is present, the first contact surface 28 and the second contact surface 48 do not touch or contact each other directly, but only indirectly.
  • the elastic intermediate layer and the seal 30 can be designed in such a way that a self-reinforcing sealing system is present. This means that the sealing effect of the seal 30 or the intermediate layer increases the higher the pressure on the outer surface 24 of the lens 20.
  • an adhesive or a cement can be arranged between the first contact surface 28 and the second contact surface 48. If an elastic intermediate layer is present, its thickness can be taken into account when determining the radius of curvature of the second contact surface 48.
  • the radius of curvature of the first contact surface 28 and the second contact surface 48 is then still essentially the same, but can differ slightly (e.g. less than 1%) from one another.
  • the lens 20 is arranged in the mount 40 in such a way that when there is normal pressure (1,01325 bar) in the environment 50 of the optical system 10, the first contact surface 28 with a force which is greater than the effect of a pressure on the pressure
  • the first contact surface 28 can press against the second contact surface 48 with a force that corresponds to a pressure of approximately 50 bar or approximately 100 bar on the outer surface of the lens, while only normal pressure presses on the outer surface of the lens 20.
  • the first contact surface 28 of the lens 20 can be pressed against the second contact surface 48 by means of a screw ring 35 or a preload ring or a securing ring, even if the pressure of the environment 50 corresponds to the pressure in the interior 60 of the optical system 10 (for example if the optical System is outside the underwater environment).
  • the screw ring 35 is partially arranged with an intermediate element on the outer surface 24 of the lens 20.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a lens 20 of a second embodiment of the optical system 10 according to the invention.
  • Outer surface 24 is larger in FIG. 2 than in lens 20 of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a third embodiment of the optical system 10 according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic detailed view of the optical system 10 from FIG. 3.
  • the first contact surface 28 and the second contact surface 48 are designed differently than in the embodiment shown in FIG. 1.
  • the first contact surface 28 has a convex shape.
  • the center of the curvature of the first contact surface 28 is on the optical axis 29 of the lens 20.
  • the second contact surface 48 has a concave shape.
  • the center of the curvature of the second contact surface 48 does not lie on the optical axis 29 or line of symmetry of the optical system.
  • the first contact surface 28 and the second contact surface 48 touch one another in an ideally rigid shape of the first contact surface 28 and the second contact surface 48 (mathematically, so to speak) in a line that runs in a circular, axisymmetrical manner around the optical axis 29.
  • a surface (so-called contact surface or Herz 's pressure surface) forms, due to the elastic deformation of lens 20 and / or the frame 40, which is ring-shaped or ring-shaped axially symmetrical about the optical axis of the lens 20 is formed.
  • Contact surface 48 are located on a straight line that is perpendicular to the contact surface in which the first contact surface 28 and the second contact surface 48 touch.
  • the shape of the contact surface or Hertz's pressure surface substantially remains the same. Only the location and size of the contact area and Hertz 'rule pressing surface change. This can be calculated in simulations, eg using the finite element method.
  • the contact surface or Hertz 'sche pressing surface between the first contact surface 28 and the second contact surface 48 thus has a shape which is symmetric to the symmetry axis and the optical axis of the lens 20th
  • the contact surface is punctiform in the cross-sectional view shown in FIG. 4 (with an ideally rigid lens 20 and an ideally rigid frame 40).
  • the contact surface or Hertz 'sche pressing surface between the first contact surface 28 and the second contact surface 48 has in reality due to lower distortion of the lens 20 and / or the socket 40 in the form of a annular funnel section or a lateral surface of a truncated cone.
  • the cross section of the contact surface or Hertz 's pressure surface parallel to the optical axis then has the shape of a line.
  • the two contact surfaces 28, 48 do not touch directly.
  • the radii of curvature of the first contact surface 28 and the second contact surface 48 can be determined or optimized in simulations (for example by means of the finite element method) in such a way that the mechanical stresses are limited to the extent that can be expected from the pressure in the underwater environment Lens or the optical system can be endured without damage. As a result, the lens 20 or the optical system 10 can also withstand particularly high pressures.
  • a seal is arranged between the side surface 27 and the socket 40.
  • the seal 30 seals the area between the side surface 27 or the outer cylinder and the socket 40 in a watertight manner. This reliably prevents water from penetrating into the area between the first contact surface 28 and the second contact surface 48 or between the side surface 27 and the socket 40.
  • the mount 40 has an undercut 42 or a notch or constriction that runs around the optical axis 29 of the lens 20. At the level of the undercut 42, the mount 40 has a smaller diameter perpendicular to the optical axis 29 of the lens 20 than in the rest of the area of the mount 40.
  • the undercut 42 or the surfaces 43 of the undercut are in fluid communication with the surroundings 50. This means that, for example, in an underwater environment, water with the same pressure with which the water presses on the outer surface 24 of the lens 20 and the outside of the frame is in the undercut 42.
  • the mount 40 has a diameter perpendicular to the optical axis 29 of the lens 20 (the optical axis 29 runs from top to bottom or vice versa in FIG. 3), which is essentially the diameter of the lens 20 perpendicular to the optical Axis 29 corresponds to lens 20.
  • the optical system 10 has further optical elements (e.g. further lenses, CCD sensors etc.) (not shown).
  • the further optical elements are attached to a flat surface 71 of the mount 40 facing away from the lens 20 or the second contact surface 48 and not directly / directly to other parts of the housing next to the mount 40.
  • the further optical elements also move by the same amount which the lens 20 has been moved.
  • the distances between the optical elements of the optical system 10 remain the same regardless of the pressure of the environment 50.
  • the optical imaging quality of the optical system 10 remains the same.

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Abstract

Es wird ein optisches System (10) zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung vorgeschlagen, wobei das optische System (10) ein Gehäuse, das einen Innenraum (60) des optischen Systems (10) gegenüber der Umgebung (50) wasserdicht abgrenzt, und eine Linse (20) mit einer Außenoberfläche (24) umfasst, wobei das Gehäuse eine Fassung (40) aufweist, wobei die Linse (20) derart in der Fassung (40) aufgenommen ist, dass, wenn sich das optische System (10) in der Unterwasserumgebung befindet, die Außenoberfläche (24) der Linse (20) mit Wasser der Unterwasserumgebung in Fluidkontakt steht, wobei die Außenoberfläche (24) der Linse (20) eine gewölbte Form, insbesondere eine konvexe Form, vorzugsweise eine sphärisch-konvexe Form, aufweist, wobei die Linse (20) eine erste gewölbte, insbesondere sphärische, Kontaktfläche (28) und die Fassung (40) eine zweite Kontaktfläche (48) aufweist, wobei die Linse (20) derart in der Fassung (40) angeordnet ist, dass die erste Kontaktfläche (28) gegen die zweite Kontaktfläche (48) drückt, wenn der Druck der Umgebung (50) des optischen Systems (10) höher ist als der Druck in dem Innenraum (60) des optischen Systems (10).

Description

Optisches System zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung.
Stand der Technik
Optische Systeme, also insbesondere (Kamera-)Objektive, die in Unterwasserumgebungen eingesetzt werden, müssen hohen Drücken standhalten, die tauchtiefeabhängig auf die optischen Systeme einwirken. Üblicherweise sind mechanisch-optisch-elektrische Systeme gegen das Wasser der Unterwasserumgebung durch ein Gehäuse gekapselt, in welchem quasikonstante (Gas-)Druckbedingungen herrschen. Optische Systeme, die die Umgebung bzw. Teile der Umgebung visuell erfassen sollen, benötigen im Gehäuse eine optisch transparente Schnittstelle zur Umgebung (auch optischer Port genannt). Hierzu weist der optische Port eine optisch transparente Komponente aus einem optischen
Funktionswerkstoff (i.A. Glas) auf, der mit der Unterwasserumgebung in direktem Kontakt steht. Die optisch transparente Komponente muss somit tauchtiefeabhängig hohen Drücken der Unterwasserumgebung sowie Druckwechseln standhalten.
Bei bisher bekannten optischen Systemen zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung wird die funktionelle Anforderung an die optisch transparente Komponente primär auf die mechanische Tragfähigkeit, d.h. auf die mechanisch ausreichend tragfähige Abgrenzung des Gehäuseinneren zum Umgebungsmedium mit möglichst neutraler optisch abbildender Wirkung begrenzt. Im Stand der Technik bekannte Ausführungsformen der enthaltenen optisch transparenten Komponente sind Planplatten oder konzentrische Menisken/
Domoptiken, welche auf ebenen oder kegelförmigen Gestaltelementen (z.B. 45° halber Öffnungswinkel) zum Gehäuse hin gefasst und abgestützt werden.
Somit wird die optisch transparente Komponente von optischen Systemen im Stand der Technik als zusätzliche, die optischen Abbildungseigenschaften negativ beeinflussende/ nicht förderliche Komponente eingesetzt. Als einem optischen Abbildungssystem vorgeschaltete Komponente muss die optisch transparente Komponente für die von dem optischen Abbildungssystem geforderten Abbildungseigenschaften eine ausreichende Öffnung bieten. Dadurch sind die optisch transparente Komponente des optischen Ports, und damit dessen, dem Umgebungsdruck ausgesetzte Fläche immer größer als die
funktionsbedingt notwendigen Abmessungen der ersten Linse des optischen
Abbildungssystems. Dadurch liegt eine nachteilige Randbedingung zur Gestaltung der transparenten Komponente des optischen Ports aufgrund der flächenproportionalen, aus dem Umgebungsdruck resultierenden Belastung vor.
Nachteilig an optischen Systemen entsprechend des Stands der Technik ist, dass die optisch transparente Komponente ein zusätzliches erforderliches Element im System darstellt, welches stark durch den äußeren Druck belastet ist, da sie i.A. erheblich größer als die funktionsbedingt notwendigen Abmessungen der ersten Linse eines optischen
Abbildungssystems sein muss, um diesem genug Öffnung zu bieten, fertigungstechnisch aufwendig insbesondere bei am Rand gefassten Varianten ist und die optisch neutrale Wirkung nur bedingt erreicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein optisches System zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung aufzuzeigen, welches eine hohe mechanische Tragfähigkeit besitzt und gute optische Eigenschaften aufweist sowie technisch einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches System gemäß Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein optisches System zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung gelöst, wobei das optische System ein Gehäuse, das einen
Innenraum des optischen Systems gegenüber der Umgebung wasserdicht abgrenzt, und eine Linse mit einer Außenoberfläche umfasst, wobei das Gehäuse eine Fassung aufweist, wobei die Linse derart in der Fassung aufgenommen ist, dass, wenn sich das optische System in der Unterwasserumgebung befindet, die Außenoberfläche mit dem Wasser der Unterwasserumgebung in Fluidkontakt steht, wobei die Außenoberfläche der Linse eine gewölbte Form, insbesondere eine konvexe Form, vorzugsweise eine sphärisch-konvexe Form, aufweist, wobei die Linse eine erste (konkav oder konvex) gewölbte, insbesondere sphärische, Kontaktfläche und die Fassung eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die Linse derart in der Fassung angeordnet ist, dass die erste Kontaktfläche gegen die zweite Kontaktfläche drückt, wenn der Druck der Umgebung des optischen Systems höher ist als der Druck in dem Innenraum des optischen Systems.
Ein Vorteil dieses optischen Systems ist, dass die Linse eine optisch aktive Komponente sein kann. Hierdurch kann die Anzahl an Teilen des optischen Systems vermindert und die optische Leistungsfähigkeit des optischen Systems erhöht werden. Die Abmessungen der Linse bzw. der Außenoberfläche der Linse und damit ihre dem äußeren Druck ausgesetzte Fläche können auf das optisch funktionell erforderliche Maß reduziert werden. Zudem weist das optische System sehr gute optische Eigenschaften auf, da die Linse, die in der
Unterwasserumgebung in Kontakt mit dem Wasser steht, entsprechend gestaltet bzw.
berechnet werden kann. Durch die Form der ersten Kontaktfläche kann den auftretenden, tauchtiefeabhängigen (veränderlichen) Kräften in einer Unterwasserumgebung besonders gut standgehalten werden. Zudem lässt sich die erste Kontaktfläche mit einer besonders hohen Präzision kostengünstig hersteilen. Insbesondere kann die erste Kontaktfläche mit konventionellen Verfahren der Optik technisch einfach präzise hergestellt und mit gängigen Messverfahren vermessen und die Qualität der ersten Kontaktfläche bewertet werden.
Hierdurch können die Linse und somit das optische System besonders hohen Drücken ohne Beschädigungen standhalten. Die erste Kontaktfläche kann die zweite Kontaktfläche unmittelbar bzw. direkt berühren/kontaktieren oder es kann zumindest teilweise oder vollständig eine Zwischenschicht aus einem zusätzlichen Material, d.h. aus einem Material, das nicht dem Material der Linse und nicht dem Material der Fassung gleicht, zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche vorhanden sein. Die erste Kontaktfläche kann nur einen Teil der zweiten Kontaktfläche berühren bzw. in der Unterwasserumgebung kann ein Teil der ersten Kontaktfläche gegen die zweite Kontaktfläche bzw. ein Teil der zweiten Kontaktfläche drücken.
Gemäß einer Ausführungsform liegt der Mittelpunkt der sphärischen Form der ersten Kontaktfläche auf einer optischen Achse der Linse. Vorteilhaft hieran ist, dass die erste Kontaktfläche mit einer besonders hohen Präzision technisch einfach hergestellt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform weist die Linse eine der Außenoberfläche gegenüberliegende Innenoberfläche auf, wobei eine optische Achse der Linse durch die Außenoberfläche und die Innenoberfläche verläuft, und die Innenoberfläche der Linse weist eine gewölbte Form, insbesondere eine konkave Form, vorzugsweise eine sphärisch-konkave Form, auf. Ein Vorteil hiervon ist, dass das optische System eine besonders geringe Anzahl an Teilen aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Kontaktfläche der Linse eine konvexe Form auf, und die zweite Kontaktfläche der Fassung weist eine konkave Form mit einem
Krümmungsradius, der im Wesentlichen einem Krümmungsradius der konvexen Form der ersten Kontaktfläche entspricht, auf. Hierdurch besteht ein besonders großflächiger Kontakt zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche. Somit können die durch den Druck der Unterwasserumgebung auftretenden Kräfte spannungsarm in die Fassung übertragen werden. Die zweite Kontaktfläche kann z.B. durch konventionelle spanende Verfahren hergestellt werden. Die hergestellte erste Kontaktfläche der Linse kann technisch einfach mit gängigen Fertigungsverfahren der Optik hergestellt und mit Hilfe konventioneller Messtechnik aus der Optikteilherstellung sehr genau vermessen und bewertet werden. Dadurch ist es möglich, die Linsen hinsichtlich der erreichten Qualität optimal mit der zweiten Kontaktfläche der Fassung zu kombinieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Kontaktfläche eine konvexe Form auf, wobei die zweite Kontaktfläche eine konkave Form aufweist, wobei in einem Querschnitt entlang einer Ebene, die die optische Achse der Linse enthält, der Krümmungsradius der ersten Kontaktfläche kleiner als der Krümmungsradius der zweiten Kontaktfläche ist, und wobei der Mittelpunkt der konkaven Form der zweiten Kontaktfläche nicht auf einer optischen Achse der Linse liegt. Es entsteht bei idealer Form und Steifigkeit von Linse, Fassung und ggf. vorhandener Zwischenlage ein kreisförmiger Linienkontakt. In der Praxis bildet sich im Kontaktbereich der ersten und zweiten Kontaktfläche eine Berührungsfläche bzw. die Hertz'sche Pressungsfläche, d.h. die Fläche, in der sich die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche berühren, eine kranzförmige bzw. ringförmige Fläche, die symmetrisch zur optischen Achse der Linse ausgebildet ist. Die resultierende mechanische Spannung wird durch die Lage (d.h. Position und Orientierung) der Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche, das Verhältnis der Krümmungsradien von erster Kontaktfläche und zweiter Kontaktfläche und dem Elastizitätsmodul an erster Kontaktfläche bzw. Linse und zweiter Kontaktfläche bzw. Fassung, sowie den Materialeigenschaften des Werkstoffs einer ggf. vorhandenen Zwischenlage beeinflusst. Bei auftretenden Form- und Maßabweichungen der Linsen- und/oder der Fassungsgeometrie aufgrund von Fertigungsabweichungen und/oder aufgrund der Deformation durch Belastung im Betriebsfall bleibt die Form der
Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche und damit die prinzipielle
Kontaktsituation unverändert erhalten. Die Lage und Ausprägung der Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche verändert sich hierbei. Die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche können derart ausgelegt bzw. entworfen bzw. hergestellt werden, dass das optische System besonders hohen Drücken ohne Beschädigungen standhalten kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche eine elastische Zwischenlage und/oder ein Klebstoff angeordnet. Hierdurch können die auftretenden Kräfte bzw. Spannung bei auftretenden Verformungen der Linse und/oder der Fassung besonders gut bzw. gleichmäßig verteilt werden und das Auftreten von lokalen plastischen Verformungen, insbesondere der duktilen Fassungskomponenten, sicher vermieden werden. Somit kann das optische System bzw. die Linse noch höheren Drücken sicher standhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elastische Zwischenlage und/oder der Klebstoff derart ausgebildet, dass bei einem Erhöhen des Drucks auf die Außenoberfläche der Linse eine Dichtungswirkung zwischen der Linse und der Fassung erhöht wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass durch die selbstverstärkende Abdichtung auch bei hohen Drücken das Eindringen von Wasser in den Bereich zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche und somit in das Innere des Gehäuses besonders sicher vermieden wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Fassung einen Hinterschnitt auf, wobei Flächen des Hinterschnitts, wenn sich das optische System in der Unterwasserumgebung befindet, mit der Unterwasserumgebung in Fluidverbindung stehen. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei Umgebungsdruck bzw. dem Druck des Wassers durch direkte, kurze Kraftleitung im Bereich der Fassung deren Biegebelastung und damit die auftretende Verformung im
Fassungsbereich, d.h. im Bereich der ersten und zweiten Kontaktfläche minimiert werden. Somit wird vermieden, dass sich die Fassung verformt und/oder die Form der
Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche aufgrund einer Verbiegung der Fassung sich wesentlich verändern. Somit kann das optische System besonders hohen Drücken besonders zuverlässig standhalten. Gemäß einer Ausführungsform ist der Hinterschnitt derart ausgebildet, dass die Fassung auf Höhe des Hinterschnitts einen Durchmesser senkrecht zur optischen Achse der Linse aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser der Linse senkrecht zur optischen Achse der Linse entspricht. Vorteilhaft hieran ist, dass ein Verbiegen bzw. Verformen der Fassung im Bereich der Linse bzw. im Bereich der zweiten Kontaktfläche minimiert wird. Somit kann das optische System noch höheren Drücken sicher standhalten.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optische System weitere optische Elemente, insbesondere weitere Linsen, auf, wobei die weiteren optischen Elemente mit einem Teil der Fassung derart starr verbunden sind, dass bei einer Bewegung der Linse mit der Fassung relativ zu übrigen Teilen des Gehäuses die weiteren optischen Elemente derart
entsprechend mitbewegt werden, dass sich Abstände zwischen der Linse und den weiteren optischen Elementen im Wesentlichen nicht verändern. Vorteilhaft hieran ist, dass die Abbildungsqualität des optischen Systems auch bei einer Verschiebung der Linse bzw. der Fassung aufgrund von Belastung bei hohen Drücken unverändert bleibt. Die weiteren optischen Elemente werden zusammen mit der Linse verschoben, so dass sich die Abstände zwischen den weiteren optischen Elementen und der Linse nicht verändern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Kontaktfläche der Linse poliert und/oder geätzt. Hierdurch können Tiefenschädigungen bzw. Mikrorisse bzw. Risskeime in der ersten Kontaktfläche technisch einfach zuverlässig entfernt bzw. vermieden/minimiert werden. Hierdurch können die auftretenden Kräfte besonders sicher und zuverlässig in die Fassung übertragen bzw. geleitet werden. Somit kann das optische System noch höheren Drücken zuverlässig standhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Linse derart in der Fassung vorgespannt angeordnet, dass die Linse mit ihrer ersten Kontaktfläche gegen die zweite Kontaktfläche gedrückt wird bzw. drückt, auch wenn der Druck in der Umgebung des optischen Systems gleich dem Druck im Innenraum des optischen Systems ist. Insbesondere kann die erste Linse derart vorgespannt sein, dass die Linse mit einer Kraft gegen die zweite Kontaktfläche drückt, die einer Kraft des mindestens 10-fachen, vorzugsweise mindestens des 50-fachen des
Normaldrucks, entspricht. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Position der Linse relativ zu der Fassung auch bei Umgebungen mit Normaldruck stets gleichbleibt. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des optischen Systems. Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der Außenoberfläche der Linse und der ersten Kontaktfläche der Linse eine Seitenfläche in Form einer Mantelfläche eines Zylinders ausgebildet. Hierdurch kann die Linse technisch einfach zentriert werden. Zudem kann die Seitenfläche als Dichtfläche zum Abdichten in Verbindung mit Abdichtelementen dienen.
Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Seitenfläche koaxial zu der optischen Achse der Linse. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Kräfte besonders sicher von der Außenoberfläche auf die erste Kontaktfläche übertragen werden. Somit kann die Linse besonders zuverlässig hohen Drücken standhalten.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optische System ferner eine Dichtung zum Abdichten eines Bereichs zwischen der ersten Kontaktfläche der Linse und der zweiten Kontaktfläche der Fassung auf. Hierdurch wird das Eindringen von Wasser auch bei hohen Umgebungsdrücken sicher und technisch einfach verhindert. Zudem ist der Kontakt zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche unabhängig von der Dichtung. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des optischen Systems noch weiter.
Eine sphärische Form einer Oberfläche kann insbesondere bedeuten, dass die Oberfläche ein Oberflächenausschnitt einer Kugel ist.
Das optische System kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass es Drücken, die in Tiefseeumgebungen (> 200 m) auftreten, ohne Beschädigungen standhalten kann. Zudem kann das optische System derart ausgebildet sein, dass das optische System insbesondere Druckunterschieden, die beim Auftauchen bzw. Abtauchen, bis in die Tiefsee, auftreten, ohne Beschädigungen standhalten kann.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen Systems; Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Linse einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen Systems; und
Fig. 4 eine schematische Detailansicht des optischen Systems aus Fig. 3.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems 10. Das optische System 10 umfasst eine Linse 20 und ein Gehäuse, wobei die Linse 20 in einer Fassung 40 des Gehäuses aufgenommen ist. Das Gehäuse begrenzt einen Innenraum 60 gegenüber der Umgebung 50. Das optische System 10 ist zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung ausgebildet. Dies bedeutet, dass das optische System 10 und auch das Gehäuse bzw. die Fassung 40 hohen Drücken (z.B. mehreren hundert bar Druck) standhalten kann.
Das optische System 10 kann z.B. für eine Unterwasserkamera verwendet werden bzw. kann eine Unterwasserkamera sein.
Die Linse 20 stellt einen optischen Port dar, der eine optisch durchlässige bzw. durchsichtige Verbindung durch das Gehäuse zwischen dem Innenraum 60 und der Umgebung 50 bildet. Auf diese Weise kann Licht aus der Umgebung 50 in das Gehäuse gelangen.
Die Linse 20 weist eine Außenoberfläche 24 auf, die zum Kontaktieren des Wassers ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass Wasser die Außenoberfläche 24 der Linse 20 kontaktiert bzw. berührt, wenn sich das optische System 10 in einer Unterwasserumgebung befindet. Die Linse 20 stellt somit eine äußere Grenze des Innenraums 60 gegenüber der Umgebung 50 dar.
Die Außenoberfläche 24 der Linse 20 weist eine gewölbte Form auf, d.h. die
Außenoberfläche 24 der Linse 20 ist nicht flach. Die Außenoberfläche 24 der Linse 20 kann eine sphärische Form haben. Die Außenoberfläche 24 weist in Fig. 1 eine sphärisch konvexe Form, d.h. eine zur Umgebung 50 hin gewölbte Form, auf.
Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Außenoberfläche 24 der Linse 20 eine asphärische Form aufweist. Beispielsweise kann die Außenoberfläche 24 mehrere Unterabschnitte aufweisen, die jeweils eine sphärische Form mit zueinander unterschiedlichen
Krümmungsradien aufweisen.
Denkbar ist auch, dass die Außenoberfläche 24 der Linse 20 eine sphärisch konkave Form aufweist, d.h. eine zum Innenraum 60 gewölbte Form aufweist.
Der Außenoberfläche 24 der Linse 20 gegenüber liegt eine Innenoberfläche 26 der Linse 20. Die optische Achse 29 verläuft durch die Mitte der Linse 20 und somit durch die
Außenoberfläche 24 und die Innenoberfläche 26. Die Innenoberfläche 26 weist eine sphärisch konkave Form auf, d.h. eine Wölbung weg von dem Innenraum 60. Der Mittelpunkt der Krümmung der Innenoberfläche 26 liegt auf der optischen Achse 29 der Linse 20.
Die Linse 20 weist eine erste Kontaktfläche 28 auf. Die erste Kontaktfläche 28 ist der Fassung 40 zugewandt. Die erste Kontaktfläche 28 liegt der Außenoberfläche 24 gegenüber. Die erste Kontaktfläche 28 ist zum Kontaktieren einer zweiten Kontaktfläche 48 der Fassung 40 ausgebildet. In Fig. 1 berührt die erste Kontaktfläche 28 die zweite Kontaktfläche 48 der Fassung 40 unmittelbar bzw. direkt. Dies bedeutet, dass keine weitere Zwischenschicht oder ähnliches zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 vorhanden ist. Die erste Kontaktfläche 28 drückt somit gegen die zweite Kontaktfläche 48, wenn gegen die Außenoberfläche 24 der Linse 20 gedrückt wird. Die erste Kontaktfläche 28 weist eine sphärische Form auf, wobei der Mittelpunkt der Krümmung der ersten Kontaktfläche 28 auf der optischen Achse 29 der Linse 20 liegt. Die erste Kontaktfläche 28 weist in Fig. 1 eine sphärisch konvexe Form auf. Die zweite
Kontaktfläche 48 weist eine sphärisch konkave Form auf. Der Mittelpunkt der Krümmung der zweiten Kontaktfläche 48 liegt auf der optischen Achse 29 der Linse 20.
Die erste Kontaktfläche 28 umläuft sozusagen die Innenoberfläche 26 der Linse 20. Die erste Kontaktfläche 28 ist eine sphärische Fase bzw. Facette.
Die Krümmungsradien der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 sind gleich groß bzw. identisch. Hierdurch berühren sich die erste Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 großflächig. Die erste Kontaktfläche 28 ist somit in großen Teilen komplementär bzw. kongruent sowie konzentrisch zu der zweiten Kontaktfläche 48 ausgebildet. Wenn die Umgebung 50 bzw. das Wasser der Umgebung 50 gegen die Außenoberfläche 24 der Linse 20 drückt, drückt die erste Kontaktfläche 28 großflächig gegen die zweite Kontaktfläche 48. Hierdurch werden die auftretenden Kräfte besonders spannungsarm in die Fassung 40 geleitet. Die Größe der auftretenden mechanischen Spannungen in der Linse 20 und Fassung 40 können somit gering gehalten werden.
Der Bereich, in dem sich die ersten Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 berühren (sogenannte Berührungsfläche bzw. Hertz'sche Pressungsfläche), weist die Form eines ringförmigen Kugelsegments auf.
Die erste Kontaktfläche 28 der Linse 20 kann poliert und/oder geätzt sein. Hierdurch werden Mikrorisse und/oder Tiefenschädigungen und/oder Risskeime aus der Linse 20 minimiert. Somit kann die Linse 20 höheren Drücken standhalten.
Die Form der ersten Kontaktfläche 28 kann sehr präzise hergestellt werden. Zudem kann die Form durch übliche optische Messverfahren sehr genau erfasst und folglich bewertet werden. Somit lässt sich die erste Kontaktfläche 28 technisch einfach mit einer sehr hohen Präzision hersteilen. Folglich kann, insbesondere wenn die zweite Kontaktfläche 48 ebenfalls eine sehr hohe Präzision aufweist, das optische System 10 besonders hohen Drücken standhalten. Mittels der ersten Kontaktfläche 28 kann die Linse 20 in der Fassung 40 zentriert bzw. in einer gewünschten Position relativ zu der Fassung 40 ausgerichtet werden.
Zwischen der Außenoberfläche 24 der Linse 20 und der ersten Kontaktfläche 28 der Linse 20 ist eine Seitenfläche 27 angeordnet. Die Seitenfläche 27 (auch Außenzylinder genannt) entspricht der Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders. Die Seitenfläche 27 verläuft koaxial zu der optischen Achse 29 der Linse 20.
Die Dichtung 30 zum Abdichten des Bereichs zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 ist mit der Fassung 40 verbunden und bedeckt den Bereich zwischen der Seitenfläche 27 bzw. dem Außenzylinder und der Fassung 40. Hierdurch kann ein Eindringen von Wasser in den Bereich zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 sicher verhindert werden.
Das optische System 10 kann weitere optische Elemente im Innenraum 60 umfassen. Die Linse 20 umfasst bzw. besteht üblicherweise aus einem Glaswerkstoff.
Zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 kann eine elastische Zwischenschicht angeordnet sein. Die elastische Zwischenschicht kann auftretende lokale Flächenpressung auch bei auftretenden Deformation der ersten Kontaktfläche 28 senken. Insbesondere kann die Zwischenschicht Fertigungsungenauigkeiten und/oder
Setzungserscheinen ausgleichen. Die elastische Zwischenschicht kann z.B. aus einem elastischen Werkstoff bestehen bzw. diesen umfassen. Wenn die elastische Zwischenschicht vorhanden ist, berühren bzw. kontaktieren sich die erste Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 nicht direkt/unmittelbar, sondern nur mittelbar.
Die elastische Zwischenschicht und die Dichtung 30 können derart ausgebildet sein, dass ein selbstverstärkendes Dichtungssystem vorhanden ist. Dies bedeutet, dass sich die Dichtungswirkung der Dichtung 30 bzw. der Zwischenschicht erhöht, je höher der Druck auf die Außenoberfläche 24 der Linse 20 ist. Anstelle oder zusätzlich zur Zwischenschicht kann ein Klebstoff bzw. ein Kitt zwischen der erste Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 angeordnet sein. Wenn eine elastische Zwischenschicht vorhanden ist, kann deren Dicke bei der Festlegung des Krümmungsradius der zweiten Kontaktfläche 48 berücksichtigt werden. Der
Krümmungsradius der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 ist auch dann noch im Wesentlichen gleich, kann sich jedoch geringfügig (z.B. weniger als 1%) voneinander unterscheiden.
Die Linse 20 ist derart in der Fassung 40 angeordnet, dass, wenn in der Umgebung 50 des optischen Systems 10 Normaldruck (1 ,01325 bar) herrscht, die erste Kontaktfläche 28 mit einer Kraft, die der Wirkung eines Drucks größer als der Normaldruck auf die
Außenoberfläche entspricht, gegen die zweite Kontaktfläche 48 drückt. Insbesondere kann die erste Kontaktfläche 28 mit einer Kraft, die einem Druck von ca. 50 bar oder ca. 100 bar auf der Außenoberfläche der Linse entspricht, gegen die zweite Kontaktfläche 48 drücken, während auf die Außenoberfläche der Linse 20 nur Normaldruck drückt. Somit wird eine Bewegung der Linse 20 gegenüber der Fassung 40, wenn sich das optische System 10 in einer Umgebung 50 mit Normaldruck befindet, sicher verhindert. Die erste Kontaktfläche 28 der Linse 20 kann mittels eines Vorschraubrings 35 bzw. eines Vorspannungsrings bzw. eines Sicherungsrings gegen die zweite Kontaktfläche 48 gedrückt werden, auch wenn der Druck der Umgebung 50 dem Druck im Innenraum 60 des optischen System 10 entspricht (z.B. wenn das optische System sich außerhalb der Unterwasserumgebung befindet). Der Vorschraubring 35 ist teilweise ggf. mit Zwischenelement auf der Außenoberfläche 24 der Linse 20 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Linse 20 einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems 10.
In Fig. 2 ist besonders gut zu erkennen, dass der Mittelpunkt der Krümmung der konvexen ersten Kontaktfläche 28 auf der optischen Achse 29 der Linse 20 liegt. Die Seitenfläche 27, d.h. die Außenfläche der Linse 20 zwischen erster Kontaktfläche 28 und der
Außenoberfläche 24 ist in Fig. 2 größer als bei der Linse 20 der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems 10. Fig. 4 zeigt eine schematische Detailansicht des optischen Systems 10 aus Fig. 3. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die erste Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 anders ausgebildet als bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Die erste Kontaktfläche 28 weist eine konvexe Form auf. Der Mittelpunkt der Krümmung der ersten Kontaktfläche 28 befindet sich auf der optischen Achse 29 der Linse 20. Die zweite Kontaktfläche 48 weist eine konkave Form auf. Der Mittelpunkt der Krümmung der zweiten Kontaktfläche 48 liegt nicht auf der optischen Achse 29 bzw. Symmetrielinie des optischen Systems. Hierdurch berühren sich die erste Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 bei einer ideal starren Form der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 (sozusagen mathematisch betrachtet) in einer Line, die kreisförmig, achssymmetrisch um die optische Achse 29 herum verläuft. Wenn die erste Kontaktfläche 28 gegen die zweite Kontaktfläche 48 gedrückt wird, bildet sich eine Fläche (sogenannte Berührungsfläche bzw. Herz'sche Pressungsfläche), aufgrund der elastischen Verformung von Linse 20 und/oder der Fassung 40, die kranzförmig bzw. ringförmig achssymmetrisch um die optische Achse der Linse 20 ausgebildet ist.
Die Mittelpunkte der Krümmungen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten
Kontaktfläche 48 befinden sich auf einer Geraden, die senkrecht zur Berührungsfläche steht, in der sich die erste Kontaktfläche 28 und die zweite Kontaktfläche 48 berühren.
Bei auftretenden Formabweichungen und/oder Maßabweichungen aufgrund der Belastung durch den hohen Druck auf die Außenoberfläche 24 der Linse 20, bleibt die Form der Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche im Wesentlich gleich. Nur die Lage und Größe der Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche ändern sich. Dies kann in Simulationen, z.B. mit der Methode der finiten Elemente, berechnet werden.
Die Berührungsfläche bzw. Hertz'sche Pressungsfläche zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 weist somit eine Form auf, die symmetrisch zur Symmetrieachse bzw. der optischen Achse der Linse 20 ist. Die Berührungsfläche ist in der in Fig. 4 dargestellten Querschnittsansicht (bei einer ideal starren Linse 20 und einer ideal starren Fassung 40) punktförmig. Die Berührungsfläche bzw. Hertz'sche Pressungsfläche zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 weist in der Realität aufgrund geringerer Verformungen der Linse 20 und/oder der Fassung 40 die Form eines ringförmigen Trichterausschnitts bzw. einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes auf. Der Querschnitt der Berührungsfläche bzw. Hertz'schen Pressungsfläche parallel zu der optischen Achse weist dann die Form einer Linie auf.
Falls eine Zwischenschicht und/oder ein Klebstoff zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 angeordnet ist, berühren sich die beiden Kontaktflächen 28, 48 nicht unmittelbar/direkt. Die Bereiche, in denen sich die beiden Kontaktflächen 28, 48 berühren würden, wenn keine Zwischenschicht vorhanden ist, drücken in dem Fall des Vorhandenseins einer Zwischenschicht bzw. eines Klebstoffs gegeneinander.
Die Krümmungsradien der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 können in Simulationen (z.B. mittels der Finite-Elemente-Methode) derart bestimmt bzw. optimiert werden, dass bei zu erwartenden Drücken in der Unterwasserumgebung die mechanischen Spannungen auf Maß begrenzt werden, das von der Linse bzw. dem optischen System ohne Beschädigungen ausgehalten werden kann. Hierdurch kann die Linse 20 bzw. das optische System 10 auch besonders hohen Drücken standhalten.
Eine Dichtung ist zwischen der Seitenfläche 27 und der Fassung 40 angeordnet. Die Dichtung 30 dichtet den Bereich zwischen der Seitfläche 27 bzw. dem Außenzylinder und der Fassung 40 wasserdicht ab. Hierdurch wird Eindringen von Wasser in den Bereich zwischen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 bzw. zwischen der Seitenfläche 27 und der Fassung 40 sicher verhindert.
Die Fassung 40 weist einen die optische Achse 29 der Linse 20 umlaufenden Hinterschnitt 42 bzw. eine Einkerbung bzw. Einschnürung auf. Auf Höhe des Hinterschnitts 42 weist die Fassung 40 einen geringeren Durchmesser senkrecht zur optischen Achse 29 der Linse 20 auf als im restlichen Bereich der Fassung 40. Der Hinterschnitt 42 bzw. die Flächen 43 des Hinterschnitts stehen mit der Umgebung 50 in Fluidverbindung. Dies bedeutet, dass beispielsweise in einer Unterwasserumgebung Wasser mit dem gleichen Druck, mit dem das Wasser auf die Außenoberfläche 24 der Linse 20 und die Außenseite der Fassung drückt, sich in dem Hinterschnitt 42 befindet. Hierdurch werden durch kurzen, direkten Kraftweg Biegemomente im Bereich der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 minimiert, da das Wasser in dem Hinterschnitt 42 sozusagen gegen das Wasser, das auf einen Randbereich 70 der Fassung 40 drückt, der zur der Linse 20 benachbart ist, drückt. Eine Verformung der zweiten Kontaktfläche 48 wird auf diese Weise minimiert oder sogar verhindert. Somit wird verhindert, dass sich die Berührungsfläche ändert. Anders
ausgedrückt sind auf Höhe des Hinterschnitts 42 die Außenfläche des Gehäuses bzw. der Fassung 40 und die Flächen 43 des Hinterschnitts 42 gleich stark druckbeaufschlagt. Somit liegt im Randbereich der Fassung 40 ein kurzer, direkter Kraftfluss ohne Biegemomente vor. Dadurch wird die Biegebelastung der Fassung 40 in Bereichen der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 minimiert.
Auf Höhe des Hinterschnitts 42 weist die Fassung 40 einen Durchmesser senkrecht zur optischen Achse 29 der Linse 20 (die optische Achse 29 verläuft in Fig. 3 von oben nach unten bzw. umgekehrt) auf, der im Wesentlichen dem Durchmesser der Linse 20 senkrecht zur optischen Achse 29 der Linse 20 entspricht. Hierdurch wird die Biegebelastung und daraus resultierende Verformung des Teils der Fassung 40 im Bereich der zweiten
Kontaktfläche 48 minimiert. In einer Unterwasserumgebung drückt das Wasser im
Hinterschnitt 42 gegen das Wasser, das auf den Teil bzw. den Randbereich 70 der Fassung 40 drückt, der sich auf Höhe der Außenoberfläche 24 der Linse 20 befindet (die Höhe verläuft in Fig. 3 von oben nach unten bzw. umgekehrt). Biegemomente werden somit von der ersten Kontaktfläche 28 und der zweiten Kontaktfläche 48 fern gehalten.
Das optische System 10 weist weitere optische Elemente (z.B. weitere Linsen, CCD- Sensoren etc.) auf (nicht gezeigt). Die weiteren optischen Elemente sind an einer der Linse 20 bzw. der zweiten Kontaktfläche 48 abgewandten Planfläche 71 der Fassung 40 und nicht unmittelbar/direkt an weiteren Teilen des Gehäuses neben der Fassung 40 befestigt. Bei einer axialen Verschiebung (d.h. bei einer Verschiebung entlang der optischen Achse 29) der Linse 20 und der Fassung 40 gegenüber den weiteren Teilen des Gehäuses aufgrund des Drucks des Wassers in der Umgebung 50 verschieben sich die weiteren optischen Elemente um den gleichen Beitrag mit, um den die Linse 20 verschoben wurde. Somit bleiben die Abstände zwischen den optischen Elementen des optischen Systems 10 unabhängig vom Druck der Umgebung 50 gleichgroß. Folglich bleibt die optische Abbildungsqualität des optischen Systems 10 gleich groß.
In den Zeichnungen ist das Gehäuse bzw. die Fassung 40 jeweils nur teilweise dargestellt. Bezugszeichenliste
10 optisches System
20 Linse
24 Außenoberfläche
26 Innenoberfläche
27 Seitenfläche
28 erste Kontaktfläche
29 optische Achse der Linse
30 Dichtung
35 Vorschraubring
40 Fassung
42 Hinterschnitt
43 Fläche des Hinterschnitts
48 zweite Kontaktfläche
50 Umgebung
60 Innenraum
70 Randbereich der Fassung
71 Planfläche der Fassung

Claims

Ansprüche
1. Optisches System (10) zur Verwendung in einer Unterwasserumgebung, wobei das optische System (10)
ein Gehäuse, das einen Innenraum (60) des optischen Systems (10) gegenüber der Umgebung (50) wasserdicht abgrenzt, und
eine Linse (20) mit einer Außenoberfläche (24)
umfasst,
wobei das Gehäuse eine Fassung (40) aufweist, wobei die Linse (20) derart in der Fassung (40) aufgenommen ist, dass, wenn sich das optische System (10) in der Unterwasserumgebung befindet, die Außenoberfläche (24) der Linse (20) mit Wasser der Unterwasserumgebung in Fluidkontakt steht,
wobei die Außenoberfläche (24) der Linse (20) eine gewölbte Form, insbesondere eine konvexe Form, vorzugsweise eine sphärisch-konvexe Form, aufweist, wobei die Linse (20) eine erste gewölbte, insbesondere sphärische, Kontaktfläche (28) und die Fassung (40) eine zweite Kontaktfläche (48) aufweist,
wobei die Linse (20) derart in der Fassung (40) angeordnet ist, dass die erste Kontaktfläche (28) gegen die zweite Kontaktfläche (48) drückt, wenn der Druck der Umgebung (50) des optischen Systems (10) höher ist als der Druck in dem Innenraum (60) des optischen Systems (10).
2. Optisches System (10) nach Anspruch 1 , wobei
der Mittelpunkt der sphärischen Form der ersten Kontaktfläche (28) auf einer optischen Achse (29) der Linse (20) liegt.
3. Optisches System (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Linse (20) eine der Außenoberfläche (24) gegenüberliegende Innenoberfläche (26) aufweist, wobei eine optische Achse (29) der Linse (20) durch die Außenoberfläche (24) und die Innenoberfläche (26) verläuft, und wobei die Innenoberfläche (26) der Linse (20) eine gewölbte Form, insbesondere eine konkave Form, vorzugsweise eine sphärisch-konkave Form, aufweist.
4. Optisches System (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei
die erste Kontaktfläche (28) der Linse (20) eine konvexe Form aufweist, und wobei die zweite Kontaktfläche (48) der Fassung (40) eine konkave Form mit einem Krümmungsradius, der im Wesentlichen einem Krümmungsradius der konvexen Form der ersten Kontaktfläche (28) entspricht, aufweist.
5. Optisches System (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei
die erste Kontaktfläche (28) eine konvexe Form aufweist,
wobei die zweite Kontaktfläche (48) eine konkave Form aufweist,
wobei in einem Querschnitt entlang einer Ebene, die die optische Achse (29) der Linse (20) enthält, der Krümmungsradius der ersten Kontaktfläche (28) kleiner als der Krümmungsradius der zweiten Kontaktfläche (48) ist, und
wobei der Mittelpunkt der konkaven Form der zweiten Kontaktfläche (48) nicht auf einer optischen Achse (29) der Linse (20) liegt.
6. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
zwischen der ersten Kontaktfläche (28) und der zweiten Kontaktfläche (48) eine elastische Zwischenlage und/oder ein Klebstoff angeordnet ist.
7. Optisches System (10) nach Anspruch 6, wobei
die elastische Zwischenlage und/oder der Klebstoff derart ausgebildet ist, dass bei einem Erhöhen des Drucks auf die Außenoberfläche (24) der Linse (20) eine Dichtungswirkung zwischen der Linse (20) und der Fassung (40) erhöht wird.
8. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Fassung (40) einen Hinterschnitt (42) aufweist, wobei Flächen (43) des Hinterschnitts (42), wenn sich das optische System (10) in der
Unterwasserumgebung befindet, mit der Unterwasserumgebung in
Fluidverbindung stehen.
9. Optisches System (10) nach Anspruch 8, wobei
der Hinterschnitt (42) derart ausgebildet ist, dass die Fassung (40) auf Höhe des Hinterschnitts (42) einen Durchmesser senkrecht zur optischen Achse (29) der Linse (20) aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser der Linse (20) senkrecht zur optischen Achse (29) der Linse (20) entspricht.
10. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das optische System (10) weitere optische Elemente, insbesondere weitere Linsen, aufweist, wobei die weiteren optischen Elemente mit einem Teil der Fassung (40) derart starr verbunden sind, dass bei einer Bewegung der Linse (20) mit der Fassung (40) relativ zu übrigen Teilen des Gehäuses die weiteren optischen Elemente derart entsprechend mitbewegt werden, dass sich Abstände zwischen der Linse (20) und den weiteren optischen Elementen im Wesentlichen nicht verändern.
11. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die erste Kontaktfläche (28) der Linse (20) poliert und/oder geätzt ist.
12. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Linse (20) derart in der Fassung (40) vorgespannt angeordnet ist, dass die Linse (20) mit ihrer ersten Kontaktfläche (28) gegen die zweite Kontaktfläche (48) drückt, auch wenn der Druck in der Umgebung des optischen Systems (10) gleich dem Druck im Innenraum (60) des optischen Systems (10) ist.
13. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
zwischen der Außenoberfläche (24) der Linse (20) und der ersten Kontaktfläche (28) der Linse (20) eine Seitenfläche (27) in Form einer Mantelfläche eines Zylinders ausgebildet ist.
14. Optisches System (10) nach Anspruch 13, wobei
die Seitenfläche (27) koaxial zu der optischen Achse (29) der Linse (20) verläuft.
15. Optisches System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das optische System (10) ferner eine Dichtung (30) zum Abdichten eines Bereichs zwischen der ersten Kontaktfläche (28) der Linse (20) und der zweiten
Kontaktfläche (48) der Fassung (40) aufweist.
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