Halterung für optische Elemente Die Erfindung bezieht sich auf eine Halterung für optische Elemente, wie z. B. Spiegel und Linsen.
Gewisse neuzeitliche optische Geräte, z. B. Flug zeugkameras, verlangen sehr genaue Verfahren zur Befestigung der Teile des optischen Systems im Ge rätegehäuse. Schwierigkeiten können verursacht wer den sowohl durch die gewünschte Höhengenauigkeit als auch durch die Form und Lage der optisch wirk samen Flächen und durch die stets zunehmenden Abmessungen und das Gewicht der optischen Ele mente, bedingt durch die zunehmenden Brennweiten und zugehörigen Öffnungsweiten des optischen Systems.
Viel Sorgfalt ist aufzuwenden, um sicherzustellen, dass die wirksamen Oberflächen der Elemente durch die Halterung nicht deformiert werden, wenn diese Elemente im Gerät angebracht werden. Solche Defor mationen können auftreten als Folge des Eigen gewichtes der Elemente oder der Klemmkräfte, aus geübt auf die Elemente, durch die Halterung selbst.
Um das Durchhängen grosser Spiegel unter ihrem Eigengewicht sehr gering zu halten, werden solche Spiegel oft nicht mehr längs -ihres Aussendurchmessers gehaltert, sondern vorzugsweise an drei Stellen, die so gewählt sind, dass das Durchhängen an keiner Stelle einen gewissen, zulässigen Wert überschreitet.
In diesen Fällen kann ein beträchtlicher Gewinn an Gewicht erhalten werden, indem die Dicke des Spie gelkörpers herabgesetzt wird und ein Lichtverlust ver ursacht durch Teile der Halterung, welche einiges einfallendes Licht abdecken, wird in Kauf genommen.
Um Deformationen, verursacht durch die Klem- mung zu vermeiden, wurde im Schweizer Patent Nr.345179 vorgeschlagen, kleine Halbkugeln als Klemmelemente zu verwenden, welche mit ihrer Basis federnd gegen die Oberfläche des optischen Elementes und mit ihrer kugeligen Fläche in koni schen Vertiefungen, die mit -dem Gehäuse des Gerätes verbunden sind, getragen werden.
Der wesentliche Punkt ist dabei, d'ass die in den Vertiefungen liegenden Halbkugeln etwas um ihr Zentrum gekippt werden können, wenn .das optische Element so befestigt wird, dass durch die Halbkugeln keine exzentrischen Klemmkräfte auf das optische Element ausgeübt wer den.
Eine sehr wichtige Anforderung an die Halterung ist, dass Temperaturänderungen, Stösse, Erschütterun gen oder Lageänderungen des Gerätes keinen dauern den Einfluss auf die Form oder Zentrierung des opti schen Elementes haben. Die Halterung sollte daher so sein, dass nach einer Störung eine Rückkehr des opti schen Elementes in die Ausgangslage gestattet wird, welcher Art diese Störung auch sei.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Halterung, be schrieben im Schweizer Patent Nr. 345179 die oben angeführten Anforderungen nicht voll erfüllt. Es hat sich gezeigt, dass bei grossen Spiegeln, welche mittels Halbkugeln gemäss diesem Patent gehaltert werden, geringe seitliche Verschiebungen des Spiegelkörpers und daraus sich ergebende Dezentrierung des Spiegels während normalen Arbeitsbedingungen schwer ver- meidbar sind.
Es ist festzuhalten, dass, obschon solche Verschiebungen im allgemeinen sehr klein sind (von der Grössenordnung von einigen Zehn Mikron), deren Einfluss auf die Bildqualität bei gewissen Gerätetypen erheblich ist.
Die bekannte Halterung ergab ausserdem keine genau definierte Einstellung des optischen Elementes. Nach vorübergehenden Änderungen der Temperatur oder nach Stössen oder Erschütterungen wird die ur sprüngliche Lage nicht wieder vollständig hergestellt, wodurch sich eine geringe und bleibende Herab setzung der Bildqualität ergeben kann. Obschon eine volle Erklärung dieser Wirkungen schwierig ist, kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gesagt werden, dass bei der bekannten:
Halterung die Reibungsverbindung zwischen den Halbkugeln und der Glasoberfläche mindestens zum Teil für dieselben verantwortlich ist, da sie einerseits dem optischen Element gestatten, leicht seitlich verschoben zu werden und anderseits die vollständige Rückkehr des. opti schen Elementes in die Ursprungslage nach Stössen usw. erschwert.
Es ist ein Hauptzweck der Erfindung, eine Halte rung für ein optisches Element zu schaffen, bei dem die obenerwähnten Unzulänglichkeiten vermieden sind. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, eine Halterung für optische Spiegel zu schaffen, welche keinen Lichtverlust, veranlasst durch einzelne, in den Weg der auf den Spiegel fallenden Lichtstrahlen lie gende Teile verursacht.
Gemäss vorliegender Erfindung weist ein optisches Element eine Mehrzahl von Vertiefungen, vorzugs weise drei, auf, welche in das optische Element ge bohrt sind, sich aber zweckmässig nicht bis zur gegen überliegenden: Oberfläche erstrecken. In diese Ver tiefungen sind Metaaäpfe eingesetzt und in das um gebende Glas eingekittet.
Federnde Tragglieder, vor zugsweise Blattfedern, sind einenends an den Metall näpfen befestigt und andernends am Gehäuse des Gerätes, um durch Temperaturschwankungen be dingte Relativbewegungen zwischen dem optischen Element und dem Gehäuse zu kompensieren.
In der :beiliegenden Zeichnung ist ein Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt: Fig. l einen Axialschnitt eines Teiles eines opti schen Gerätes mit einem darin angebrachten Spiegel, Fig.2 eine Rückansicht des Spiegelkörpers in Fig. 1,
Fig. 3 eine Einzelheit der Fig. 1 in grösserem Mass stab und Fig. 4 eine Variante der Halterung nach der Er findung,
teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt. In Fig. 1 ist der Spiegel 3 am Deckel 1 des Geräte gehäuses 2 befestigt. Der Spiegel 3 ist auf seiner kon kaven Oberfläche mit einem reflektierenden über zug versehen und besitzt Meniskusform. Er ist von drei zylindrischen Näpfen 4, 5 und 6 getragen, welche in zylindrische Bohrungen, die in die konvexe Rück seite des Spiegels 3 gebohrt sind, eingekittet sind.
Die Näpfe besitzen einen dünnen Wandteil 13 und einen verhältnismässig dicken Bodenteil (Fig. 3). Das Glas in den Bohrungen ist nicht ganz entfernt, so d'ass ein zentraler Block 14 erhalten wird, der sich längs der Innenseite des Wandteiles des Napfes erstreckt. Der Durchmesser dieser Blöcke ist vorzugsweise so ge wählt, dass die Näpfe bei normalen Temperaturen lose in die zylindrische Ringnut einsetzbar :ist.
Jeder der Näpfe 4, 5 und 6 ist an seinem Boden mit einer Nute versehen, in welcher Blattfedern 7, 8 oder 9 befestigt sind, z. B. durch Löten. Die andern Enden der Federn .sind in gleicher Weise starr in Nuten von Halteplatten befestigt, von denen in Fig. 1 nur zwei, nämlich die Platten 10 und 11, sichtbar sind. Diese Platten sind in der Fig. 2 nicht dargestellt, da diese Figur einen Querschnitt durch die Blattfedern 7, 8 und 9 darstellt.
Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Halteplatten, wie 10 und 11, mittels Schrauben 15 und 16 am Deckel dies Gerätegehäuses befestigt. Um zu verhüten, dass im Spiegel 3 Spannungen auftreten, wenn derselbe befestigt wird, ist das nachstehende Vorgehen empfehlenswert.
Nach dem Befestigen der Halteplatten 10, 11 zusammen mit den damit ver bundenen Blattfedern und Näpfen, die provisorisch am Deckel 1 befestigt wurden, wird der mit den Boh rungen versehene Spiegel auf gute Passung geprüft. Wenn die Näpfe nicht leicht in die Bohrungen gleiten, wird die Lage der Näpfe durch geringe seitliche Verschiebung der Platten, durch Verformung der gegenüberliegenden Seiten der Platten und des Deckels oder durch Unterlagen oder dergleichen verändert, bis alle Näpfe leicht in die Bohrungen hineingleiten.
Erst dann werden die Halteplatten definitiv befestigt und der Spiegel an den Näpfen festgekittet.
Die dargestellte Halterung besitzt die folgenden Vorteile. Reibungsklemmung ist vollständig vermie den, so dass dauernde Lageänderungen des Spiegels verunmöglicht werden. Trotzdem wird beim Auftreten von Relativbewegungen zwischen dem Spiegel und dem Gehäuse, die durch Temperaturänderungen her vorgerufen werden, das Entstehen von grösseren Span nungen leicht durch die Blattfedern 7, 8 und 9 ver hindert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind diese Blatt federn auf einem Kreis 12 angeordnet, dessen Zen trum in der optischen Achse des optischen Elementes liegt, und zwar derart, dass sie leicht in radialer Rich tung gebogen werden können.
Da die Verbindung zwischen den Blattfedern und dem Spiegel mittels der Näpfe ganz starr ist, wird der Spiegel, nach vorüber gehender Verstellung, stets genau in die Ausgangslage zurückkehren:.
Der Spiegel ist an drei Stellen gelagert, die auf einem Kreise liegen, der einen kleineren Durchmesser besitzt als der Spiegel, wodurch Deformationen unter dem Eigengewicht des Spiegels herabgesetzt werden. Auf jeden Fall besitzt die Halterung keine Teile, welche an der Vorderseite des Spiegels in die in den selben einfallenden Lichtstrahlen ragen, so dass Licht verluste vermieden werden.
Fig. 4 zeigt eine Variante der Halterung, welche für grosse Linsen und Spiegelkörper mit zylindrischer Mantelfläche anwendbar ist. Wie aus der Fig. 4 er sichtlich ist, ist :das optische Element an drei Stellen, um 120 voneinander abstehend, an seiner Mantel fläche gehalten. In zylindrischen Bohrungen, die radial in die Mantelfläche des Elementes gebohrt sind, sind Näpfe 18, 19, 20 eingekittet.
Am Boden dieser Näpfe sind Blattfedern 21, 22 und 23 angebracht, welche in Ebenen tangential zum Spiegel liegen und die mit ihren andern Enden am nicht dargestellten Geräte- gehäuse, mittels Schrauben oder anderer Mittel, be festigt sind.
Aus Fig. 4 ist wiederum ersichtlich, dass durch Temperaturschwankungen bedingte Relativ bewegungen zwischen Spiegel und Halterung durch Verformung der Blattfedern 21, 22 und 23 kompen siert werden und dank der starren Verbindung zwi schen den Blattfedern und den Elementen keine Dezentrierung des Elementes verursachen können.
Die Verbindung ist sehr stabil und widersteht Temperaturschwankungen sehr gut. Die dünne Wand der Näpfe erlaubt Schwankungen durch Ausdehnung oder Zusammenziehung zwischen den Näpfen und dem sie umgebenden Glas zu kompensieren, wodurch ein Lösen des Kittes und starke Beanspruchungen im optischen Element vermieden werden.
Holder for optical elements The invention relates to a holder for optical elements, such as. B. Mirrors and Lenses.
Certain modern optical devices, e.g. B. aircraft convincing cameras, require very precise methods of attaching the parts of the optical system in the Ge device housing. Difficulties can be caused by both the desired height accuracy and the shape and location of the optically effective seed surfaces and the ever increasing dimensions and weight of the optical ele ments, due to the increasing focal lengths and associated opening widths of the optical system.
Much care must be taken to ensure that the effective surfaces of the elements are not deformed by the bracket when these elements are installed in the device. Such deformations can occur as a result of the inherent weight of the elements or the clamping forces exerted on the elements by the bracket itself.
In order to keep the sagging of large mirrors under their own weight to a minimum, such mirrors are often no longer held along their outer diameter, but preferably at three points that are selected so that the sagging does not exceed a certain permissible value at any point.
In these cases, a considerable gain in weight can be obtained by reducing the thickness of the mirror body and a loss of light caused by parts of the holder which cover some incident light is accepted.
In order to avoid deformations caused by the clamping, it was proposed in Swiss Patent No. 345179 to use small hemispheres as clamping elements, which with their base resiliently against the surface of the optical element and with their spherical surface in conical depressions that connected to the housing of the device.
The essential point here is that the hemispheres lying in the depressions can be tilted slightly around their center if the optical element is attached in such a way that the hemispheres do not exert any eccentric clamping forces on the optical element.
A very important requirement of the holder is that temperature changes, shocks, vibrations or changes in the position of the device do not have a permanent influence on the shape or centering of the optical element. The holder should therefore be such that after a malfunction a return of the optical element's rule is allowed to the starting position, whatever the type of malfunction.
Practice has shown that the bracket, described in Swiss Patent No. 345179, does not fully meet the above requirements. It has been shown that in the case of large mirrors which are held by means of hemispheres according to this patent, slight lateral displacements of the mirror body and the resulting decentering of the mirror are difficult to avoid during normal working conditions.
It should be noted that, although such displacements are generally very small (on the order of tens of microns), their influence on the image quality is considerable with certain types of devices.
In addition, the known holder did not result in a precisely defined setting of the optical element. After temporary changes in temperature or after shocks or vibrations, the original position is not completely restored, which can result in a slight and permanent reduction in image quality. Although a full explanation of these effects is difficult, it can be said with great probability that in the case of the known:
Bracket the frictional connection between the hemispheres and the glass surface is at least partially responsible for the same, since on the one hand they allow the optical element to be shifted slightly to the side and on the other hand make it more difficult for the optical element to return to its original position after bumps, etc.
It is a main purpose of the invention to provide a support for an optical element in which the above-mentioned shortcomings are avoided. Another purpose of the invention is to provide a holder for optical mirrors which does not cause any loss of light caused by individual parts lying in the path of the light rays falling on the mirror.
According to the present invention, an optical element has a plurality of depressions, preferably three, which are drilled into the optical element, but do not expediently extend to the opposite surface. In these recesses, metal cups are used and cemented into the surrounding glass.
Resilient support members, preferably in front of leaf springs, are attached to the metal cups at one end and to the housing of the device at the other end to compensate for relative movements between the optical element and the housing caused by temperature fluctuations.
In the: the accompanying drawings an exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown, namely: Fig. 1 is an axial section of part of an optical device's rule with a mirror mounted therein, Fig. 2 is a rear view of the mirror body in Fig. 1,
Fig. 3 shows a detail of Fig. 1 on a larger scale and Fig. 4 shows a variant of the bracket according to the invention,
partly in view and partly in section. In Fig. 1, the mirror 3 is attached to the cover 1 of the device housing 2. The mirror 3 is provided on its concave surface with a reflective train and has a meniscus shape. It is carried by three cylindrical cups 4, 5 and 6, which are cemented into cylindrical bores that are drilled into the convex rear side of the mirror 3.
The bowls have a thin wall part 13 and a relatively thick bottom part (Fig. 3). The glass in the bores is not entirely removed so that a central block 14 is obtained which extends along the inside of the wall part of the cup. The diameter of these blocks is preferably chosen so that the cups can be loosely inserted into the cylindrical annular groove at normal temperatures.
Each of the cups 4, 5 and 6 is provided at its bottom with a groove in which leaf springs 7, 8 or 9 are attached, e.g. B. by soldering. The other ends of the springs are fixed in the same way rigidly in grooves of retaining plates, of which only two, namely the plates 10 and 11, are visible in FIG. These plates are not shown in FIG. 2, since this figure shows a cross section through the leaf springs 7, 8 and 9.
As can best be seen from FIG. 3, the holding plates, such as 10 and 11, are fastened to the cover of this device housing by means of screws 15 and 16. In order to prevent tension from occurring in the mirror 3 when it is attached, the following procedure is recommended.
After securing the retaining plates 10, 11 together with the associated leaf springs and cups that were temporarily attached to the cover 1, the mirror provided with the holes is checked for a good fit. If the bowls do not slide easily into the bores, the position of the bowls is changed by slight lateral displacement of the plates, by deforming the opposite sides of the plates and the cover or by means of pads or the like until all the bowls slide easily into the holes.
Only then are the retaining plates firmly attached and the mirror cemented to the bowls.
The illustrated bracket has the following advantages. Frictional clamping is completely avoided, so that permanent changes in position of the mirror are made impossible. Nevertheless, when relative movements occur between the mirror and the housing, which are caused by temperature changes, the emergence of larger stresses is easily prevented by the leaf springs 7, 8 and 9 ver. As can be seen from Fig. 2, these leaf springs are arranged on a circle 12, the center of which lies in the optical axis of the optical element, in such a way that they can be easily bent in the radial direction Rich.
Since the connection between the leaf springs and the mirror by means of the cups is very rigid, the mirror will always return exactly to its original position after a temporary adjustment.
The mirror is mounted in three places which lie on a circle that has a smaller diameter than the mirror, whereby deformations under the weight of the mirror are reduced. In any case, the holder has no parts which protrude on the front side of the mirror into the light rays falling into the same, so that light losses are avoided.
Fig. 4 shows a variant of the holder which can be used for large lenses and mirror bodies with a cylindrical outer surface. As it can be seen from FIG. 4, the optical element is held at three points, spaced apart from one another by 120, on its jacket surface. Cups 18, 19, 20 are cemented into cylindrical bores which are bored radially into the surface of the element.
At the bottom of these cups, leaf springs 21, 22 and 23 are attached which lie in planes tangential to the mirror and which are fastened at their other ends to the device housing, not shown, by means of screws or other means.
From Fig. 4 it can again be seen that relative movements between the mirror and bracket caused by temperature fluctuations are compensated by deformation of the leaf springs 21, 22 and 23 and, thanks to the rigid connection between the leaf springs and the elements, cannot cause the element to decenter.
The connection is very stable and withstands temperature fluctuations very well. The thin wall of the bowls allows fluctuations due to expansion or contraction between the bowls and the glass surrounding them to be compensated, thereby avoiding the putty loosening and heavy stresses in the optical element.