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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansprengen von
optischen Elementen auf einem Gegenelement, wobei die beiden
Elementen in den für das Ansprengen vorgesehenen Bereichen ihrer
Oberflächen mit der erforderlichen Oberflächenqualität
hinsichtlich Rauheit und Formgenauigkeit, welche für das
Ansprengen erforderlich ist, bearbeitet wurden.
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Der Vorgang des Ansprengens ist in der Optik und Feinmechanik
allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um das Herstellen
einer Verbindung zwischen zwei Bauelementen, welche hinsichtlich
ihrer Oberflächenqualität sehr gut und hinsichtlich ihrer
Oberflächenform formschlüssig zueinander ausgeführt sind. Bei
derartigen Elementen lassen sich die korrespondierenden
Oberflächen durch Aneinandersetzen in so dichten Kontakt zueinander
bringen, daß es zu einer festen Verbindung zwischen den beiden
Bauteilen kommt. Die Kraft, welche diese Verbindung aufrecht
erhält, ist dabei nach gängiger Lehrmeinung den Van-der-Waals-
Kräften zwischen den einzelnen Atomen oder Molekülen der beiden
Bauelemente zuzuschreiben.
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Ein derartiges Ansprengen erfolgt beispielsweise bei
metallischen Materialien, wie hochgenauen Endmaßen, oder insbesondere
bei amorphen oder kristallinen optischen Materialien, welche im
Bereich von polierten in ihrer Form miteinander
korrespondierenden Oberflächen durch Ansprengen miteinander verbunden
werden.
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Ein Nachteil dieser Technik liegt sicherlich darin, daß das
Ansprengen vergleichsweise unkontrolliert abläuft, da beim
Zusammenfügen der Elemente die die Elemente verbindende Kraftwirkung
vergleichsweise schlagartig einsetzt und so beim Aufbau der
Verbindung eine Dejustage der beiden Elemente zueinander
erfolgen kann.
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Des weiteren ist eine derartige Verbindung vergleichsweise
schlecht wieder zu lösen. Beim Lösen von aneinander
angesprengten Endmaßen werden diese beispielsweise mit einem Hammer oder
dergleichen Erschütterungen ausgesetzt, so daß sich die
Verbindung wieder löst. Eine derartige Vorgehensweise ist jedoch bei
hochgenau einjustierten optischen Elementen nicht möglich, da
sich die Erschütterungen auf andere Bereiche auswirken können
und so zu einer Dejustage von anderen optischen Elementen in
der direkten Nachbarschaft führen könnten. Außerdem kann durch
die Erschütterung beim Einsatz entsprechender Materialien, wie
beispielsweise Kalziumfluoridlinsen oder dergleichen, eine
Beschädigung des optischen Elements erfolgen.
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Des weiteren kennt der allgemeine Stand der Technik aktive
Materialien, welche sich unter dem Einfluß eines elektrischen
oder magnetischen Feldes mechanisch verändern, beispielsweise
eine Längenänderung erfahren. Diese im allgemeinen unter dem
Begriff Adaptronik zum Einsatz kommenden "intelligenten"
Materialien (smart materials) können beispielsweise piezokeramische
Materialien, wie z. B. Bleizirkontitanat (PZT), oder andere
Materialien auf Basis von Silikaten sein.
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Es ist auch hinlänglich bekannt, aus derartigen Materialien in
kraftschlüssiger Kombination mit einem anderen, im allgemeinen
nicht aktiven Material bimorphe Elemente zu schaffen. Diese
bimorphen Elemente lassen sich hinsichtlich ihrer Verhaltensweise
am ehesten über ein sehr bekanntes bimorphes Material, das
sogenannte Bimetall, erläutern. Ändert eines der Materialien
seine Länge stärker als das andere Material, im Falle des
Bimetalls aufgrund einer Temperaturänderung, so kommt es zu einem
Verbiegen der Materialien.
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Dieser Effekt läßt sich sinnvoll ausnutzen, wenn aktive
Materialien und nichtaktive Materialien kraftschlüssig miteinander
verbunden werden. Wird nun das aktive Material aufgrund
beispielsweise eines elektrischen oder magnetischen Feldes in
seiner Länge verändert, so wird sich der gesamte Aufbau aus dem
bimorphen Material entsprechend verbiegen und eine gekrümmte
Form annehmen.
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Derartige bimorphe Materialien sind als Aktuatoren an sich
bekannt und beispielsweise durch einen piezoelektrischen Aktuator
in der US 4,520,570 beschrieben.
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Auch der Einsatz von derartigen bimorphen Materialien als
Aktuatoren im Bereich der Optik ist beispielsweise durch die GB 1 520 811
sowie die sowjetische Schrift SU 1739343 A1
beschrieben. Beide Schriften zeigen dabei Aufbauten, durch welche ein
Spiegel in seiner Lage bzw. Position durch den Einsatz von
bimorphen Elementen aus einem unter Einwirkung eines elektrischen
oder magnetischen Feldes längenveränderlichen und einem unter
diesen Einwirkungen nicht längenveränderlichen Material,
verändert wird.
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Neben diesen beschriebenen bimorphen Materialien sind im
allgemeinen Stand der Technik auch trimorphe oder multimorphe
Materialien bekannt, die nach demselben Funktionsprinzip arbeiten,
zur Verstärkung ihrer Wirkung jedoch jeweils abwechselnd
mehrere Schichten aus aktiven und nichtaktiven Materialien
aufweisen, so daß vergleichsweise hohe Hübe bzw. Kräfte realisiert
werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, daß ein
Ansprengen zwischen optischen Elementen und einem Gegenelement
erreicht werden soll, bei dem der Ansprengvorgang durch äußere
Maßnahmen in der Art steuerbar wird, daß es zu einer sich
langsam steigernden Haltekraft kommt, womit eine Dejustage durch
ruckartige Bewegungen vermeidbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
wenigstens eines der Elemente, also das optische Element oder das
Gegenelement, über ein aktives Material hinsichtlich seiner
Oberflächenform im Bereich der gewünschten Ansprengung vor und
während des Ansprengens so verändert wird, daß eine exakte
Positionierung der Elemente gegeneinander möglich ist, wonach die
Veränderung der Oberflächenform kontinuierlich aufgehoben wird,
bis die Elemente aneinander angesprengt haben.
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Ein besonderer Vorteil dieses erfinderischen Gedankens liegt
darin, daß das Ansprengen von optischen Elementen dadurch
kontrollierbar gestaltet wird. Durch das aktive Material,
beispielsweise einen adaptiven Aktuator aus dem oben bereits
beschriebenen bimorphen oder multimorphen Aufbau, verändert sich
die Form von Oberflächen, insbesondere die Form der Oberfläche
des Gegenelements. Durch diese kontrollierte Änderung der Form
beim Ansprengen wird gewährleistet, daß das Ansprengen nicht
ruckartig sondern als kontinuierlicher Vorgang stattfindet, bei
welchem sich das über das aktive Material aus seiner paßgenau
mit dem optischen Element korrespondierenden Form
herausveränderte Gegenelement in diese ursprüngliche Form zurückbewegt, so
daß die beiden Elemente aneinander ansprengen können.
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Neben dieser vollkommenen Kontrollierbarkeit des
Ansprengvorgangs läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Gedanken auch ein
Lösen von zwei aneinander angesprengten Bauelementen erreichen,
ohne daß diese dabei aus ihrer Lage bewegt werden.
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Damit wird bei Ansprengvorgängen erstmalig die Möglichkeit
eines Lösens, Nachjustierens und Wiederansprengens möglich, was
bisher praktisch nicht möglich war oder immer eine komplette
Neujustage erforderlich gemacht hat, da beim Lösen der beiden
Bauteile voneinander massive Veränderungen der Position und
massive mechanische Belastungen aufgetreten sind.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß die durch das Verfahren erzeugte Verbindung, von
einem molekularen Schweißen abgesehen, lösbar ist, und daß sie
aber dennoch so fest ist, daß sie neben den mechanischen
Belastungen auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den
beiden Elementen sicherstellt, so daß punktuelle thermische
Belastungen sehr gut homogenisiert abgeführt werden können und
daraus resultierende Verspannungen, Beeinträchtigungen des
Brechungsindex oder dergleichen in dem optischen Element
vermeidbar sind.
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Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung
sind die beiden Elemente während des Ansprengens zumindest
annähernd auf derselben Temperatur, diese ist dabei gleich der
Temperatur beim bestimmungsgemäßen Betrieb.
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Daraus ergibt sich der besondere Vorteil, daß das Ansprengen
unabhängig von thermischen Verspannungen oder dergleichen
erfolgt, welche sich im späteren Betrieb bemerkbar machen
könnten. Insbesondere wird das bimorphe Material dabei nicht durch
die gegebenenfalls neben der elektrischen oder magnetischen
Aktivität des Materials gegebenen Unterschiede hinsichtlich des
thermischen Ausdehnungskoeffizienten verformt. Es kann
sichergestellt werden, daß das Material bei dem Temperaturniveau,
welches im bestimmungsgemäßen Einsatz des optischen Elements
und des Gegenelements vorliegt sich nahezu neutral verhält, so
daß nur vernachlässigbare Veränderungen der Oberfläche oder
dergleichen aufgrund von thermischen Spannungen zu befürchten
wären.
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Dieses Ansprengen bei Betriebstemperatur setzt dabei
selbstvertändlich auch voraus, daß die Bearbeitung der entsprechenden,
für das Ansprengen geeigneten Oberflächen ebenfalls bei
Betriebstemperatur erfolgt ist, so daß sichergestellt ist, daß
bei nicht aktivem bimorphen Element, also wenn die Piezokeramik
beispielsweise auf Masse gelegt wird, die Formgenauigkeit
zwischen dem optischen Element und dem Gegenelement für das
Ansprengen bei der jeweiligen Betriebstemperatur ideal ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den restlichen Unteransprüchen und werden in dem
nachfolgenden Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung prinzipmäßig
dargestellt.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine prinzipmäßige Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei
die beiden Bauelemente in einem Abstand voneinander
dargestellt sind;
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Fig. 2 eine prinzipmäßige Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei
die Bauelemente in der Phase der Positionierung der
Bauelemente zueinander dargestellt sind; und
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Fig. 3 eine prinzipmäßige Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei
die Bauteile aneinander angesprengt sind.
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In Fig. 1 ist ein prinzipieller Aufbau dargestellt, bei
welchem ein optisches Element 1 an ein Gegenelement 2 angesprengt
werden soll. Die beiden korrespondierenden Oberflächen 1' und
2' der beiden Elemente 1, 2 sind hinsichtlich ihrer
Oberflächenqualität sehr gut poliert und passen hinsichtlich ihrer
Oberflächenform sehr gut zueinander, so daß mit der Berührung
der beiden Bauelemente 1, 2 ein Ansprengen zwischen denselben
stattfinden kann.
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Grundlegend kann das Bauelement 1, wie in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel, beispielsweise als Spiegel oder
dergleichen ausgebildet sein, so daß dieses von unten, also auf
seiner der optisch aktiven Oberfläche abgewandten Seite, an dem
Gegenelement 2 angesprengt werden kann. Es ist jedoch auch
denkbar, eine derartige Technik bei diffraktiven optischen
Elementen einzusetzen, wobei dann die für das Ansprengen
geeigneten Bereiche außerhalb des optisch aktiven Bereichs, bei einer
Linse beispielsweise in den Randbereichen, angeordnet sein
müßten.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun auf dem
Gegenelement 2 auf der seiner für das Ansprengen gedachten
Oberfläche 2' abgewandten Seite ein aktives Material 3
angeordnet. Bei diesem aktiven Material 3 kann es sich in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere um ein
piezokeramisches Material handeln, welches direkt kraftschlüssig auf
das Gegenelement 2 appliziert ist. Als Verfahren für eine
derartige Applikation hat sich beispielsweise ein organisches oder
anorganisches Verkleben von Piezokeramiken auf dem Gegenelement
2 oder auch das Aufbringen von piezokeramischen Materialien,
beispielsweise pastöses PZT, welches dann gesintert wird, über
Siebdruckverfahren oder dergleichen vorstellen.
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Wird nun das aktive Material 3, hier also die Piezokeramik, mit
einem elektrischen Feld beaufschlagt, so wird sich diese
Piezokeramik 3 in ihrer Länge ändern, insbesondere eine Kontraktion
erfahren.
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In Fig. 2 ist ein derartiger Fall dargestellt, bei dem sich
die Schicht aus pieziokeramischem Material 3 kontrahiert hat.
Da das Material des Gegenelements 2 diese Kontraktion nicht
mitgemacht hat, ist es zu einer Verformung des Gegenelements 2
gekommen, so daß dieses im Bereich seiner für das Ansprengen
geeigneten Oberfläche 2' nun eine Oberflächenform aufweist,
welche nicht mehr direkt mit der Oberflächenform der Oberfläche
1' des optischen Elements 1 korrespondiert.
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In einer Stellung gemäß der Darstellung in Fig. 2 lassen sich
die beiden Elemente 1, 2, zwischen welchen sich beispielsweise
eine punktförmige Berührung oder eine sehr kleine Berührfläche
ausbildet, in ihrer Position gegeneinander justieren und
ausrichten. Bei dem Verfahren zum Ansprengen des optischen
Elements 1 wird dann das an der Piezokeramik 3 anliegende
elektrische Feld kontinuierlich verringert, so daß sich die Form der
Oberfläche 2' kontinuierlich der Form der Oberfläche 1'
annähert.
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In Fig. 3 ist das Endstadium dieses Verfahrens zum Ansprengen
dargestellt. Bei stromlosem bzw. feldlosem aktiven Material
sind die beiden Elemente 1, 2 aneinander angesprengt und können
sämtliche aus dem Bereich von angesprengten Verbindungen
bekannten Eigenschaften bereitstellen. Insbesondere weisen sie
eine sehr gute Verbindung mit guter Wärmeleitfähigkeit auf.
Durch das entsprechende Verfahren werden sie außerdem derart
aneinander angesprengt, daß die einjustierte Position der
beiden Elemente 1, 2 gegeneinander auch nach dem Ansprengen
sichergestellt ist.
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Des weiteren ist die Verbindung jederzeit wieder lösbar, wenn
man von einem molekularen Verschweißen der beiden Elemente 1, 2
aneinander absieht. Zum Lösen der angesprengten Verbindung sind
die dargestellten Verfahrensschritte dabei in der Gegenrichtung
zu durchlaufen, wobei danach selbstverständlich wieder ein
Ansprengen der Bauelemente aneinander erfolgen kann.
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Neben der Verwendung der Piezokeramik als aktives Material 3
sind selbstverständlich auch andere ferroelektrische und
ferromagnetische Materialien denkbar, welche zu ähnlichen
Eigenschaften führen und aus der Kombination von Gegenelement 2 und
aktivem Material 3 ein bimorphes oder multimorphes Element
schaffen, welches hinsichtlich seiner Oberfläche 2'
entsprechend veränderbar ist. Des weiteren ist es selbstverständlich
auch denkbar, daß das aktive Material 3 auf das optische
Element selbst aufgebracht wird oder daß gegebenenfalls auch beide
Elemente 1, 2 mit aktivem Material 3 versehen sein können.