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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden
eines optischen Elementes mit einer Fassung. Im Stand der Technik
sind verschiedene Verfahren zum Verbinden von optischen Elementen
mit Fassungen bekannt. So ist es beispielsweise übliche Praxis, optische Elemente
in Fassungen mittels eines Klebe- oder Kittverfahrens zu fixieren.
Daneben sind in jüngerer
Zeit vermehrt Löt-
oder Schweißverfahren
zur Verbindung von optischen Elementen mit Fassungen zur Anwendung
gekommen. Beispielhaft sei an dieser Stelle die
US-Patentschrift US 6 627 847 B1 genannt,
die das Einschweißen
eines optischen Elements in eine Fassung betrifft, wobei der Schweißvorgang
in der Weise erfolgt, dass die zu verschweißenden Flächen mittels eines durch das
optische Element gerichteten Laserstrahls erhitzt werden.
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Bei
der Anwendung der geschilderten Verfahren treten jedoch verschiedene
Schwierigkeiten auf. So kann beispielsweise während des Verbindungsvorganges
oftmals eine Drift des optischen Elementes relativ zu der Fassung
nicht oder nur ungenügend
unterbunden werden. Darüber
hinaus kommt es – insbesondere
in Verbindung mit Schweiß-
oder Lötverfahren – regelmäßig zu einer
erheblichen Erwärmung
des optischen Elementes insbesondere im Bereich der Verbindungsstelle,
was zu Spannung und damit verbundenen Schädigungen des optischen Elementes
bis hin zu dessen Zerstörung
führen
kann.
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Es
ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer ein optisches Element
und eine Fassung auf schonende Weise und bei einer verringerten
Drift der beiden Fügepartner
zueinander verbunden werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Verfahren und die Vorrichtungen mit den Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und alternative Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Eine
erste Möglichkeit
zur Realisation der Erfindung besteht darin, dass das optische Element
mit der Fassung an mindestens einer Verbindungsstelle mittels eines
mindestens eine metallische Komponente enthaltenden Verbindungsmittels
verbunden wird, wobei das optische Element und die Fassung vor dem
Verbinden zum Vermeiden von Relativbewegungen während des Verbindens zueinander
positioniert werden und die Positionierung mittelbar oder unmittelbar
mittels mindestens eines Auflageelementes erfolgt, das als Teil
der Fassung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass
sich während
des Verbindungsvorganges zwischen dem optischen Element und der
Fassung eine flüssige Schicht
aus Klebstoff, Kitt, flüssigem
Metall, Lot oder ähnlichem
bildet, auf der das optische Element aufschwimmt und damit seine
Relativposition zu der Fassung ändert.
Das optische Element bleibt damit während des Verbindungsvorganges
mit der Fassung über
eine starre Auflage verbunden und die gewählte Relativposition wird zuverlässig beibehalten.
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Dabei
können
die Fassung und das mindestens eine Auflageelement beispielsweise
einstückig ausgebildet
sein; eine Alternative hierzu besteht darin, die Fassung und das
mindestens eine Auflageelement lösbar,
beispielsweise mittels einer Verschraubung miteinander zu verbinden.
Die letztgenannte Vorgehensweise hat die Wirkung, dass das Auflageelement
nach dem Verbindungsvorgang von der Fassung entfernt werden kann.
Die Vorteile bei dieser Vorgehensweise liegen insbesondere darin, dass
nach dem Entfernen des mindestens einen Auflageelementes von der
Fassung die Anzahl der Kontaktstellen des optischen Elementes mit
der Fassung reduziert sind und damit die Gefahr von beispielsweise
thermisch induzierten Spannungen im optischen Element während dessen
Einsatzes wesentlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil bei
der genannten Methode liegt darin, dass sich der für die Kombination
aus Fassung und optischem Element benötigte Bauraum erheblich reduziert,
was insbesondere für bauraumkritische
Anwendungen wie beispielsweise für
Objektive für
die Halbleiterlithographie von erheblicher Bedeutung ist.
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Es
hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass das optische Element
auf dem mindestens einen Auflageelement auf mindestens drei Punkten aufliegt.
Durch die Lagerung auf drei Punkten sind die Anforderungen an eine
stabile Lagerung des optischen Elementes in der Fassung erfüllt. Auch
eine Lagerung auf einer Kante ist denkbar.
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Eine
vorteilhafte Methode zum stoffschlüssigen Verbinden des optischen
Elementes mit der Fassung besteht in der Anwendung eines Lötverfahrens, insbesondere
unter Verwendung einer flussmittelfreien Lotlegierung. Das Lot kann
dabei in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorab als Schicht
auf die Fassung und/oder auf das optische Element aufgetragen werden.
Als Beschichtungsverfahren kommen beispielsweise PVD, CVD, galvanische
oder chemische Verfahren in Betracht. Ebenso kann das Lot als schmelzflüssige Beschichtung
aufgebracht werden. Als Lote kommen dabei insbesondere Zinnbasislote
(z. B. SnAg4), Zinn-Blei-Lote, Eismut-haltige Lote wie z. B. BiSn42,
Indium-haltige Lote, Antimon-haltige Lote, Goldbasis-Lote sowie Gold-,
Silber-, Palladium-haltige Lote in Betracht.
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Alternativ
zu einer Beschichtung der Fassung mit Lot kann dieser auch als vor
dem Verbindungsvorgang als Preform auf die Fassung und/oder auf
das optische Element aufgebracht werden. Die Preform kann dabei
in vorteilhafter Weise dadurch erzeugt werden, dass sie aus einer
Folie ausgestanzt wird; dabei kann durch eine geeignete Formgebung von
Preform und Fassung bzw. des optischen Elementes der zusätzliche
vorteilhafte Effekt erreicht werden, dass die Preform auf einfache
Weise auf der Fassung bzw. dem optischen Element ausgerichtet werden
kann. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen von einander korrespondierenden
Positioniermarken auf Preform und Fassung bzw. dem optischen Element
gewährleistet
werden.
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Es
hat sich insbesondere bei der Verwendung einer aus einer Folie ausgestanzten
Preform als vorteilhaft erwiesen, die Fassung im Bereich der Verbindungsstelle
in der Weise zu gestalten, dass sie der geometrischen Form des optischen
Elementes folgt. Unter der Annahme einer konstanten Dicke der Preform
ergibt sich auf diese Weise zwischen der Preform und dem optischen
Element ein Spalt von näherungsweise
konstanter Dicke. Dabei kann die Dicke des Spaltes gegen Null gehen;
allerdings sollte in diesem Fall stets gewährleistet sein, dass das optische
Element auf dem mindestens einen Auflageelement und nicht auf der
Preform aufliegt.
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Als
Alternative ist auch eine Variante denkbar, bei der das optische
Element an den Auflagepunkten auf der Preform aufliegt; die Position
des optischen Elementes und der Fassung zueinander wird in diesem
Fall durch die Anordnung optisches Element – Preform – Auflageelement definiert.
Auch in diesem Fall ist es möglich,
die Position der genannten Elemente zueinander während des Lötvorganges konstant zu halten.
Hierzu muss lediglich dafür
Sorge getragen werden, dass die Preform während des Lötvorganges lediglich lokal,
d. h. gerade nicht im Bereich des Auflagepunktes aufgeschmolzen
wird. So kann beispielsweise als Preform ein Lotplättchen verwendet
werden, das lediglich punktuell oder bereichsweise während des
Lötvorgangs
aufgeschmolzen wird. Auf diese Weise wird ein Aufschwimmen des optischen
Elementes auf der Preform während des
Lötvorganges
zuverlässig
unterbunden. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, dass vergleichsweise
einfache Preformen verwendet werden können.
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Bei
der vorstehend geschilderten Variante ist wie bereits erwähnt die
Position des optischen Elements relativ zum Auflageelement im Wesentlichen auch
durch die Plättchendicke
gegeben. Wird das Plättchen
lediglich punktuell bzw. bereichsweise beispielsweise durch einen
Laserstrahl aufgeschmolzen, so ist die Lage des optischen Elements
relativ zum Auflageelement durch die Plättchendicke mitdefiniert. Auch
in diesem Fall ist die Positionierung des optischen Elements relativ
zum Auflageelement über einen
Formschluss, nämlich über einen
mittelbaren Formschluss aufgrund des Plättchens definiert. Lediglich
beim Aufschmelzen des Plättchens über den gesamten
Auflagebereich zwischen optischem Element und Auflageelement erfolgt
die Positionierung des optischen Elements relativ zum Auflageelement nicht
mehr über
einen Formschluss, sondern durch Stoffschluss, wobei die „Positionierungenauigkeit" im Wesentlichen
durch die Dicke des Plättchens
bestimmt wird.
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Zur
Verbesserung der Festigkeit der Lötverbindung hat es sich bewährt, auf
dem optischen Element ein lötfähiges Schichtsystem
anzubringen, das insbesondere als Metallisierungsschicht im Bereich der
Verbindungsstelle realisiert sein kann. Dabei sind verschiedene
Varianten hinsichtlich der Gestaltung der Metallisierungsschicht
denkbar. Ein Aspekt bei der Gestaltung der Metallisierungsschicht
besteht darin, dass die Erhitzung des Lotes und der Verbindungsstelle
auf dem Halter und dem optischem Element mittels eines Laserstrahles
insbesondere unter Verwendung eines IR- oder UV-VIS-Lasers erfolgen kann.
Eine erste Möglichkeit
besteht dabei darin, das Lot durch das optische Element und die
Metallisierungsschicht hindurch zu erhitzen. Bei dieser Vorgehensweise
ist es vorteilhaft, die Metallisierungsschicht nicht als durchgängige Schicht
konstanter Dicke zu gestalten, sondern mit Durchbrüchen zu
versehen bzw. die Metallisierungsschicht nicht durch scharfe Ränder zu
begrenzen. Hierdurch wird gewährleistet,
dass ein hinreichend großer
Teil der Energie des Laserstrahls das Lot erreicht, um diesen zu verflüssigen.
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Eine
Alternative hierzu besteht darin, dass der Laserstrahl von der dem
optischen Element abgewandten Seite des lötfähigen Schichtsystems mindestens
teilweise reflektiert wird und der reflektierte Anteil das Lot erhitzt.
Diese Vorgehensweise hat den besonderen Vorteil, dass bei der Wahl
des Lasers keine Rücksicht
auf die Absorptionseigenschaften des optischen Elementes genommen
werden müssen.
Darüber
hinaus sind Schädigungen
des optischen Elementes aufgrund der von dem verwendeten Laserstrahl
in dieses eingetragene Energie ausgeschlossen.
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Um
die Qualität
der Lötverbindung
weiter zu erhöhen,
kann die Fassung im Bereich der Verbindungsstelle mittels eines
zusätzlichen
Laserstrahls erhitzt werden. Dabei können der erste und der zusätzliche
Laserstrahl aus derselben Laserquelle stammen und beispielsweise
mittels eines Strahlteilers aufgespalten worden sein. Alternativ
kann der zusätzliche
Laserstrahl aus einer zusätzlichen
Laserquelle stammen; hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit,
den zusätzlichen
Laserstrahl angepasst an die Gegebenheiten der Fassung wie beispielsweise
deren Absorptionseigenschaften zu wählen.
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Das
Auftreten von intrinsischen Lotspannungen oder auch von sonstigen
Spannungen im Bereich der Verbindungsstelle kann dadurch erreicht werden,
dass nach dem eigentlichen Lötprozess
die Laserleistung kontrolliert verringert wird und so der Energieeintrag
pro Zeiteinheit allmählich
abklingt. Alternativ oder zusätzlich
können
die genannten Spannungen auch durch nachfolgendes Tempern der Anordnung
abgebaut werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, dass das mindestens eine Auflageelement
im Bereich einer optisch aktiven Fläche des optischen Elementes
mit dem optischen Element in Berührung
steht und sich die Verbindungsstelle an einer optisch nicht aktiven
Fläche
des optischen Elementes befindet. Unter „optisch aktiver Fläche" wird dabei eine
Fläche
des optischen Elementes verstanden, die während des Einsatzes des optischen
Elementes von Licht durchstrahlt oder angestrahlt wird. Im Fall einer
Linse als optisches Element ist unter der optisch nicht aktiven
Fläche
der Zylinderrand der Linse zu verstehen.
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Eine
vorteilhafte alternative Möglichkeit
zum Verbinden eines optischen Elementes mit einer Fassung besteht
darin, zuerst auf das optische Element eine metallische Schicht
aufzubringen und nachfolgend einen dem optischen Element abgewandten Bereich
der metallischen Schicht mit der Fassung stoffschlüssig zu
verbinden.
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Dabei
kann als Verbindungsverfahren insbesondere ein Schweißverfahren
verwendet werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass
nur der der Fassung zugewandte Teil der metallischen Schicht beim
Schweißen
aufgeschmolzen wird, während
der dem optischen Element zugewandte Teil der metallischen Schicht
fest bleibt. Der gesamte Vorgang des Schweißens kann dabei innerhalb von
Millisekunden erfolgen – der
Teil der Fassung, welcher der metallischen Schicht zugewandt ist,
schmilzt dabei ebenfalls auf. Für
die Dauer eines beispielsweise im Rahmen eines Laserschweißverfahrens
eingesetzten Laserpulses sind Werte von ca. 10ms oder von ca. 0,5s
bis ca. 5s vorteilhaft. Somit ergibt sich innerhalb kürzester
Zeit eine dauerhafte Verbindung. Dadurch wird erreicht, dass der
mit dem optischen Element in Kontakt stehende Teil der Schicht von
dem Schweißvorgang
nur minimal betroffen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also die
Dauer der Energiezufuhr und damit die Wärmeeinflusszone sehr viel kleiner
als z. B. im Vergleich zu einem Laserlötverfahren, da beispielsweise
bei der Verwendung eines Laserschweißverfahrens in der Regel ein
einzelner kurzer Laserpuls genügt,
um die Fügepartner
miteinander zu verbinden. Insbesondere kann die Temperatur am nichtmetallischen Werkstoff
des optischen Elementes damit auf deutlich unter 100 C im Bereich
von ca. 40°C
gehalten werden, zumal der im Vergleich zu einer Lötstelle sehr
viel kleinere Schweißpunkt
wesentlich schneller erstarrt als eine Lötverbindung; üblicherweise
wird der Schweißpunkt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
schneller erstarren, als sich die Fügepartner erwärmen können. Darüber hinaus
führt die
erfindungsgemäß dicke
metallische Schicht zu einer wirksamen mechanischen Entkopplung
der Schweißstelle
von dem optischen Element. Somit wird die Gefahr des Eintrages sowohl
von thermischen als auch von mechanischen Belastungen in das optische
Element wirksam minimiert. Darüber
hinaus macht sich bei der Verwendung eines Schweißverfahrens
die gegenüber
einem Lötverfahren
erhöhte
Prozesssicherheit positiv bemerkbar. Insbesondere spielt die bei Lötverfahren
stets vorhandene Notwendig keit, die Bildung einer Oxidschicht z.
B. mittels Flussmitteln zu unterbinden, bei Schweißverfahren
nur eine untergeordnete bzw. keine Rolle. Ferner entfällt bei
einem Schweißprozess
die oftmals unter Handhabungsgesichtspunkten problematische Notwendigkeit,
einen Zusatzwerkstoff wie beispielsweise Lot unter Reinraumbedingungen
an der Verbindungsstelle zwischen Fassung und optischem Element
zu deponieren. Im Unterschied zu konventionellen Lötverfahren ermöglicht es
das erfindungsgemäße Verfahren,
die metallische Schicht lange vor dem Verbindungsvorgang auf das
optische Element aufzubringen; sie wird damit ein unverlierbarer – weil fest
mit dem optischen Element verbundener – Bestandteil von diesem, wodurch
sich die Prozesssicherheit und die Handhabbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
beispielsweise in einer Reinraumumgebung weiter erhöht.
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Darüber hinaus
ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch nicht notwendig, die Fassung vor dem Verbindungsvorgang zu
beschichten, wodurch der Verbindungsprozess einfach und damit kostengünstig gehalten
wird.
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Auch
unter energetischen Gesichtspunkten ist der beschriebene Schweißprozess
vorteilhaft, da die Energie nur an den Stellen in das Material eingebracht
wird, an denen sie benötigt
wird.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass aufgrund des geringen aufgeschmolzenen Volumens die Gefahr
von Positionsveränderungen
während
des Verbindungsvorganges erheblich verringert wird. Damit kann die Position
des optischer Elementes relativ zu der Fassung wesentlich präziser eingestellt
und auch während
des Verbindungsvorganges gehalten werden kann.
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Als
vorteilhafter Wert für
die Dicke der metallischen Schicht haben sich ca. 0,3-2 mm bewährt; der Durchmesser
des Schweißpunktes
kann in einem Bereich von ca. 0,1-1,5 mm gewählt werden.
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Eine
Alternative zu dem oben beschriebenen Schweißverfahren stellt ein Schweißlötverfahren
dar. Ein Schweißlötverfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass nur eines der zu verbindenden Teile
aufgeschmolzen wird, beispielsweise lediglich ein Teil der metallischen
Schicht, während
die Fassung nicht aufgeschmolzen wird.
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Eine
weitere Variante der Erfindung besteht darin, dass sich die metallische
Schicht an einer optisch nicht aktiven Fläche des optischen Elementes befindet.
Unter „optisch
nicht aktiver Fläche" wird dabei eine
Fläche
des optischen Elementes verstanden, die während des Einsatzes des optischen
Elementes von Licht durchstrahlt oder angestrahlt wird. Im Fall
einer Linse als optisches Element ist unter der optisch nicht aktiven
Fläche
der Zylinderrand der Linse zu verstehen. Diese Maßnahme hat
den Vorteil, dass das optische Element auch nach dem Aufbringen
der metallischen Schicht weiter bearbeitet, insbesondere gereinigt
oder beschichtet werden kann.
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Eine
vorteilhafte Wahl für
die metallische Schicht stellt eine niedrigschmelzende bzw. weiche Legierung
dar. Damit wird erreicht, dass zum Verbinden von optischem Element
und Fassung ein geringer Energieeintrag notwendig ist, damit die
am optischen Element auftretenden Temperaturen niedrig gehalten
werden können
und beim Abkühlen
auftretende Spannungen durch plastische Verformung der weichen metallischen
Schicht abgebaut werden können.
Zusätzlich
führt die
genannte Wahl des Materials der metallischen Schicht dazu, dass
das optische Element leicht wieder aus der Fassung entfernt werden
kann.
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Eine
weitere Alternative für
ein Verfahren zum stoffschlüssigen
Verbinden eines optischen Elementes mit einer Fassung mittels eines
Verbindungsmaterials besteht darin, dass das Verbindungsmaterial
durch einen zeitlich kurzen Energieeintrag mindestens teilweise
aufgeschmolzen wird. Dabei kann der Energieeintrag für einen
Zeitraum von weniger als 3s vorgenommen werden. Diese Vorgehensweise hat
den Vorteil, dass sie nur zu einer lokalen Erwärmung und damit zu einer nur
lokalen Deformation und damit geringeren Veränderung der Form und Position des
optischen Elementes und der Fassung führt. Der Energieeintrag kann
dabei durch elektromagnetische Strahlung wie Licht, insbesondere
Laser, Mikrowellen oder auch induktiv erfolgen.
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Zum
Verbinden der beiden Fügepartner
kann in vorteilhafter Weise ein Lötverfahren verwendet werden,
dabei kann das zum Verlöten
verwendete Lot vor dem Verbindungsvorgang als Pulver oder Paste
aufgebracht werden; eine weitere Möglichkeit besteht darin, das
Lot durch ein Beschichtungsverfahren wie beispielsweise ein PVD
oder CVD-Verfahren, ein chemisches oder galvanisches Verfahren oder
auch als schmelzflüssige
Beschichtung aufzubringen.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das zum Verlöten verwendete
Lot vor dem Verbindungsvorgang als Preform, beispielsweise als dünnes Plättchen mit
einer Dicke von ca. 100 μm
aufzubringen. Durch diese Maßnahme
wird insbesondere eine gegenüber
dem Stand der Technik erhöhte Positionsstabilität und Passeerhaltung
während
des Verbindungsprozesses sowie eine verbesserte Ausrichtbarkeit
vor dem Verbindungsprozess erreicht. Daneben resultiert diese Vorgehensweise
in einer einfachen Aufbringung und Fixierung des Lotes.
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Ferner
ist auch eine Variante denkbar, bei der das optische Element an
den Auflagepunkten auf der Preform aufliegt; die Position des optischen
Elementes und der Fassung zueinander wird in diesem Fall durch die
Anordnung optisches Element – Preform – Fassung
definiert. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Position der genannten
Elemente zueinander während
des Lötvorganges
konstant zu halten. Hierzu muss lediglich dafür Sorge getragen werden, dass
die Preform während
des Lötvorganges
lediglich lokal, d. h. gerade nicht im Bereich des Auflagepunktes
aufgeschmolzen wird. Auf diese Weise wird ein Aufschwimmen des optischen
Elementes auf der Preform während
des Lötvorganges
zuverlässig
unterbunden. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, dass vergleichsweise
einfache Preformen verwendet werden können.
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Zur
Fixierung der Preform auf der Fassung hat es sich bewährt, dass
die Fassung ein Auflagefüßchen mit
einer Ausnehmung zur Aufnahme der Preform zeigt; dabei kann die
Ausnehmung insbesondere als mindestens näherungsweise kreisbogensegmentförmige Nut
oder als mindestens näherungsweise
zylindrisches Loch ausgebildet sein.
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Eine
vorteilhafte Wahl für
die Position der Verbindungsstelle besteht darin, dass sich diese
auf einer optisch nicht aktiven Fläche des optischen Elementes
befindet. Unter „optisch
nicht aktiver Fläche" wird dabei eine
Fläche
des optischen Elementes verstanden, die während des Einsatzes des optischen Elementes
von Licht durchstrahlt oder angestrahlt wird. Im Fall einer Linse
als optischem Element ist unter der optisch nicht aktiven Fläche der
Zylinderrand der Linse zu verstehen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass
das optische Element auch nach dem Aufbringen der metallischen Schicht
weiter bearbeitet, insbesondere gereinigt oder beschichtet werden
kann.
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Die
Qualität
der Verbindungsstelle kann dadurch verbessert werden, dass die Preform
und der in Kontakt mit der Preform stehende Bereich der Fassung
in der Weise ausgebildet sind, dass die Preform durch eine Federkraft
gegen das optische Element gedrückt
wird. Dabei kann die Preform selbst oder auch der mit der Preform
in Kontakt stehende Teil der Fassung als federndes Element ausgebildet
sein.
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Eine
weitere Variante zum Verbinden eines optischen Elementes mit einer
Fassung über
ein Halteelement an mindestens einer Verbindungsstelle besteht darin,
dass in dem optischen Element im Bereich der Verbindungsstelle eine
Ausnehmung geschaffen wird, in die das Halteelement im Wesentlichen
formschlüssig
eingebracht wird. Die formschlüssige
Ausbildung von Halteelement und Ausnehmung in dem optischen Element
führt dabei
zu einer verbesserten mechanischen Stabilität der Anordnung aus optischem
Element und Fassung, die dadurch noch verbessert werden kann, dass
in die Ausnehmung in dem optischen Element ein Verbindungsmaterial,
insbesondere ein Lot oder ein Kleb stoff, eingebracht wird.
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Ein
vorteilhafter Lötprozess
kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass zunächst mittels eines
galvanischen Verfahrens auf mindestens einen der zu verbindenden
Fügepartner
eine Metallisierungsschicht aufgebracht wird und nachfolgend die Metallisierungsschicht
aufgeschmolzen wird, wobei die Metallisierungsschicht mindestens
eine zusätzliche
Komponente zur Verbesserung der Eigenschaften der Lötstelle
enthält.
Selbstverständlich
ist es auch denkbar, die beiden Fügepartner vor dem eigentlichen
Lötprozess
jeweils mit unterschiedlichen galvanisch aufgebrachten Metallisierungsschichten zu
versehen. Dabei ist das galvanische Aufbringen der Metallisierungsschicht
nicht zwingend, das Lot kann auch auf andere Weise wie beispielsweise
als Preform in den Bereich der Verbindungsstelle gebracht werden.
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Hierdurch
kann wirksam dem Zielkonflikt begegnet werden, dass die zum Löten verwendeten niedrig
schmelzenden Metalle wie beispielsweise In oder Sn vergleichsweise
weich sind, und damit langfristig zum Kriechen neigen. Andererseits
ist die Verwendung niedrigschmelzender Metalle nahezu unumgänglich,
da eine Erwärmung
der empfindlichen optischen Komponenten auf höhere Temperaturen als für einen
Lötprozess
erforderlich erhebliche Risiken birgt. Die mechanischen Eigenschaften
der Lötverbindung
lassen sich insbesondere durch die Verwendung von Dispersoiden,
insbesondere Oxide, Nitride, Boride oder Carbide verbessern; darüber hinaus
kann eine Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Lötverbindung
dadurch erreicht werden, dass es sich bei dem Dispersoid um ein
Zerodurpulver handelt.
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Auch
die Bildung einer intermetallischen Phase im Bereich der Lötstelle,
insbesondere unter Verwendung von Phosphor, oder auch die Verwendung
von Mikrofasern oder Nanoröhrchen
ist von Vorteil. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften von
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
sind dabei vorteilhaft verwendbar; sie zeigen eine Dichte von 1,3-1,4 g/cm3
und eine Zugfestigkeit von 45 Milliarden Pascal und damit ein ca.
135-fach höheres
Verhältnis
von Zugfestigkeit zu Dichte als beispielsweise Stahl.
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Die
vorstehend beschriebenen Gestaltungen der Verbindungsstelle und
der Auflageelemente können
auch in den Fällen,
in denen das Verbindungsmaterial nicht durch einen zeitlich kurzen,
sondern durch einen längeren
Energieeintrag aufgeschmolzen wird, vorteilhaft eingesetzt werden.
Insbesondere können
auch die beschriebenen Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Fassung
und optischem Element mit den oben angegebenen und nachfolgend näher ausgeführten Varianten
zur Gestaltung der Auflageelemente und der Verbindungsstellen kombiniert
werden.
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Nachfolgend
werden anhand der Zeichnung prinzipmäßig verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 Eine
Lagerung des optischen Elementes zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
alternative Ausführungsform
der zur Anwendung kommenden Vorrichtung;
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3 eine
Variante eines verwendeten Auflageelementes;
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4 ein
Auflageelement mit einer Bohrung zur Aufnahme einer Lot-Preform;
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5 ein
Auflageelement mit einer vertikal durchgehenden Bohrung;
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6 ein
Auflageelement mit einem federnden Element zur Fixierung einer Lot-Preform;
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7 eine
im Wesentlichen formschlüssige Verbindung
zwischen dem optischen Element und der Fassung;
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8 eine
Variante der Erfindung, bei der Lot als Preform verwendet wird;
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9 ein über ein
Halteelement mit einer Fassung verbundenes optisches Element, und
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10 verschiedene
Varianten zur Gestaltung von Halteelementen.
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1 zeigt
ausschnittsweise den Bereich der Verbindungsstelle des optischen
Elementes 1 und der Fassung 2. Das optische Element 1 ruht
dabei auf der Fassung 2 über das Auflageelement 3, das
im vorliegenden Beispiel als eine einstückig mit der Fassung 2 ausgebildete
dachförmige
Ausbuchtung realisiert ist. Auf der Fassung 2 sind in der
Umgebung des Auflageelements 3 die beiden Preformen 4a und 4b angeordnet.
Dabei sind die Preformen 4a und 4b hinsichtlich
ihrer geometrischen Form an die Form der Fassung 2 angepasst,
beispielsweise aus einer Folie geeigneter Dicke ausgestanzt. Da
bereits die Fassung 2 an die geometrische Form des optischen
Elements 1 im Bereich der Verbindungsstelle angepasst ist,
ergibt sich aufgrund der konstanten Dicke der Preformen 4a und 4b zwischen
optischem Element 1 und den Preformen 4a und 4b ein
Spalt 5a, b mit konstanter Dicke. Auf den den Preformen 4a und 4b korrespondierenden
Oberflächenbereichen des
optischen Elementes 1 sind jeweils die Metallisierungsschichten 6a und 6b angebracht.
Werden nun die beiden Preformen 4a und 4b beispielsweise durch
die Einwirkung eines Laserstrahls erhitzt, so schmelzen sie auf
und ziehen sich aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen
Materials zusammen, sodass sich die Spalte 5a und 5b schließen und
im Ergebnis eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem optischen Element 1 und der Fassung 2 hergestellt
wird. Dabei verändert
sich die Relativposition des optischen Elementes 1 bezüglich der
Fassung 2 deswegen nicht, weil die Position bereits während des
Verbindungsvorgangs durch das Auflageelement 3 fixiert
wird und die aufschmelzenden Preformen 4a und 4b nicht
zu einem Aufschwimmen und damit zu einer Positionsveränderung
des optischen Elements 1 gegenüber der Fassung 2 führen.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Anwendung kommenden Vorrichtung. Nach dieser Variante der Erfindung
wird das als Linse ausgebildete optische Element 1 mit
der Fassung 2 in der Weise verbunden, dass sich die Verbindungsstelle 7 des
optischen Elements 1 mit der Fassung 2 an einer
optisch nicht aktiven Fläche
des optischen Elements 1 befindet. Im vorliegenden Fall
ist dies dadurch realisiert, dass sich die Verbindungsstelle 7 am
Zylinderrand der Linse 1 befindet. Die kugelförmige Preform 4 wird
in der in 2 gezeigten Ausführungsform
dadurch fixiert, dass sie sich zwischen dem Zylinderrand der Linse 1 und
einem angeschrägten
Bereich der Fassung 2 befindet und durch die Gravitationskraft
in ihrer Position gehalten wird. Das Auflageelement 3 ist
im vorliegenden Fall als Teil eines mittels der Verschraubung 8 an
der Fassung 2 temporär
fixierten zusätzlichen
Halteelementes 2a ausgebildet. Nachdem die Preform 4 durch
den fokussierten Laserstrahl 9 verflüssigt wurde und die stoffschlüssige Verbindung
zwischen optischem Element 1 und Fassung 2 hergestellt
ist, kann das zusätzliche
Halteelement 2a durch Lösen
der Verschraubung 8 von der Fassung 2 abgenommen
werden. Das optische Element 1 wird dann lediglich durch
die stoffschlüssige Lötverbindung
in der Fassung 2 gehalten und die Gefahr von zusätzlichen
beispielsweise thermisch induzierten Spannungen, die von den nach
dem Verbinden nicht mehr benötigten
Halteelementen herrühren,
wird durch diese Lösung
wirksam verringert.
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3 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Auflageelements 3. Das
Auflageelement 3 weist dabei eine schlitzförmige Vertiefung 10 auf.
Eine derartige Vertiefung kann beispielsweise dadurch hergestellt
werden, dass aus dem vollen Material der Fassung zunächst die
Vertiefung 10 herausgedreht wird und anschließend z.
B. durch Sägen
das abgebildete Auflageelement 3 aus dem Material der Fassung 2 herausgearbeitet
wird. Die schlitzförmige
Vertiefung 10 kann dazu verwendet werden, eine Lot-Preform 4 aufzunehmen,
wie in 3a als Querschnittdarstellung
abgebildet.
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Eine
alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Auflageelementes 3 zeigt 4. Das
Auflageelement 3 ist in dieser Alternative so gestaltet,
dass es eine sogenannten Dachkante 11 aufweist, auf der
das optische Element 1 gelagert werden kann. Dabei kann
sich über
die Dachkante 11 hinweg eine zylindrische Bohrung 12 erstrecken.
Die Bohrung 12 kann insbesondere eine entsprechend geformte
Preform 4 aufnehmen.
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Diese
Maßnahme
hat die Wirkung, dass die stoffschlüssige Verbindung des optischen
Elements 1 mit dem Auflageelement 3 die Haltfunktion
des optischen Elements 1 bewirkt, wobei die Positionierung des
optischen Elements 1 über
Formschluss erfolgt bzw. definiert ist. Mit anderen Worten existiert
wenigstens eine Auflagefläche
(oder auch wenigstens ein Auflagepunkt bzw. eine Auflagelinie) am
Auflageelement 3, welches in direkten (unmittelbaren) Kontakt
mit dem optischen Element 1 steht und deshalb einen reinen
Formschluss hinsichtlich der Positionierung des optischen Elements 1 bildet.
In anderen Bereichen des Auflageelements 3 wird zusätzlich durch die
Lötung
mittels der Preform 4 ein Stoffschluss hergestellt.
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Hierbei
ist zu berücksichtigen,
dass bei Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung mittels eines
Lotes durch etwaigen Schrumpf des Lotes beim Erstarren lokale Spannungen
entstehen können,
die auf das optische Element 1 wirken. Um derartige Spannungen
möglichst
gleichmäßig abzufangen, weist
das Auflageelement 3 vorzugsweise eine symmetrische Dachkante 11 auf
(symmetrisch bezüglich der
stoffschlüssigen
Verbindungsstelle). Abhängig von
der Dimension des optischen Elements 1 sowie von der Dimension
des Auflageelements 3 kann die Dachkante 11 auch
durch eine flächige
Auflage ersetzt werden. Dabei ist die flächige Auflage vorzugsweise
symmetrisch zur Lage der stoffschlüssigen Verbindung und damit
symmetrisch zur Preform 4 angeordnet.
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Neben
der flächigen
bzw. der linienförmigen Auflage
ist es auch denkbar, dass die Auflage im Wesentlichen punktförmig erfolgt,
indem z. B. die links und rechts der Preform 4 angeordnete
Kante (oder Fläche)
mit zusätzlichen
Auflagepunkten versehen ist.
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4a zeigt
eine gegenüber
der in 4 dargestellten Ausführungsform leicht abgewandelte Variante
der Erfindung, bei der das optische Element 1 über eine
punktförmige
Auflage auf dem Auflageelement 3 ruht, wobei mittels der
punktförmigen
Auflage der Formschluss zwischen dem optischem Element 1 und
dem Auflageelement 3 realisiert ist. Dies lässt sich
beispielsweise wie in 4a dargestellt dadurch realisieren,
dass die Preform 4 eine Bohrung 19 aufweist, durch
welche ein mit dem Auflageelement 3 verbundener Stift 20 ragt,
der mit einer Spitze in Richtung des optischen Elementes 1 versehen
ist. Dabei ist die Stifthöhe
der Höhe
der Preform 4 entsprechend angepasst. Der Stift 20 weist
vorzugsweise etwa die selbe Höhe
wie die Preform 4 auf, so dass beim Aufschmelzen des Lotes
kein Lot die Stiftspitze benetzt, und dass dennoch eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen dem Lot und dem optischen Element 1 hergestellt
wird, das optische Element 1 jedoch hinsichtlich seiner
Position durch den Stift 20 definiert gelagert ist.
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In
der in 5 dargestellten Alternative ist die Bohrung 12 so
gestaltet, dass sie sich in vertikaler Richtung durch das gesamte
Auflageelement 3 erstreckt. Diese Variante hat den Vorteil,
dass die Preform 4 von unten durch die Bohrung 12 in
das Auflageelement 3 eingeführt werden kann.
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In 6 ist
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Auflageelementes 3 dargestellt.
Dabei unterteilt sich das Auflageelement 3 in drei einzelne
Teilbereiche, von denen die beiden außenliegenden Teilbereiche 13a und 13b in
vergleichbarer Weise wie in 4 und 5 dargestellt
ausgebildet sind. Das mittlere Teilelement 14 ist als federnde Zunge
realisiert. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, dass eine
auf der federnden Zunge 14 angeordnete Lot-Preform 4 durch
die von der Zunge 14 ausgeübte Federkraft in Richtung
des optischen Elements 1 gedrückt wird und damit der Stoffschluss beim
Löten optimal
gewährleistet
wird. Bei dieser Vorgehensweise ist es vorteilhaft, wenn die Federkraft
des federnden Elements 14 so dimensioniert ist, dass die
auf das optische Element von unten über die Preform 4 ausgeübte Kraft
geringer ist als die jeweils am Ort des Auflageelements 3 wirkende
Gewichtskraft des optischen Elements 1. Dadurch wird gewährleistet,
dass das optische Element 1 während des Lötvorgangs seine bereits vor
dem Lötvorgang feinjustierte
Ausrichtung beibehält.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann auch die Preform selbst als
elastisches Element ausgebildet sein. In diesem Fall ist es nicht
erforderlich, das Auflageelement selbst mit federnden Elementen auszustatten.
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7 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der ein optisches Element 1 an seiner Außenseite
eine Ausnehmung 16 aufweist, in die ein Halteelement 15 formschlüssig eingreift.
Dabei kann sich in dem Spalt zwischen dem Halteelement 15 und
der Ausnehmung 16 ein Verbindungsmaterial 17 zur
weiteren Stabilisierung der Verbindung befinden. Als Verbindungsmaterial 17 kommen
dabei insbesondere beispielsweise Klebstoffe, Lot oder auch Zement
in Frage. Da vor dem Ausfüllen
des Spaltes mit dem Verbindungsmaterial 17 kein mechanischer
Kontakt zwischen dem optischen Element 1 und dem Halteelement 15 besteht,
kann die Verbindung zwischen dem optischen Element 1 und
dem Halteelement 15 im Wesentlichen spannungsfrei erfolgen.
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7a, 7b und 7c zeigen verschiedene Möglichkeiten
der geometrischen Gestaltung von Ausnehmung 16 und Halteelement 15;
dabei ist in 7a das Halteelement 15 als
Keil ausgestaltet, in 7b als Halbkugel
und in 7c als quaderförmiges Element.
Selbstverständlich
sind weitere, nahezu beliebige geometrische Formen zur Realisation von
Ausnehmung 16 und Halteelement 15 denkbar.
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8 zeigt
eine Variante, bei der Lot als Verbindungsmaterial 17 realisiert
wird, das als kugelförmige
Preform 4 im Bereich der Ausnehmung 16 und des
Halteelements 15 angeordnet ist und durch den fokussierten
Laserstrahl 9 aufgeschmolzen wird. Beim Aufschmelzen der
Preform 4 füllt
es den Bereich zwischen dem als Linse realisierten optischen Element 1 und
dem Halteelement 15 aus und schafft damit nach seinem Erstarren
eine stoffschlüssige, feste
Verbindung. Die Haftung des Lots am Material des optischen Elements 1 wird
dadurch verbessert, dass eine Metallisierungsschicht 6 auf
dem Zylinderrand des als Linse realisierten optischen Elements 1 vorab
aufgebracht ist. Zusätzlich
oder alternativ kann auch das Halteelement 15 im Bereich
der Ausnehmung 16 mit einer Metallisierung 6 versehen
werden. Für
das Schichtsystem der Metallisierung kommt als Haftvermittler Cr,
W/Ti, Ti, Al als Lotbahrenschicht Ni, Pt, Cr, Ti und als Oxidationsschutzschicht
Au, Pt in Betracht. Eine vorteilhafte Wahl stellt aufgrund seiner geringen
Oxidierbarkeit die Schichtenfolge Cr/Ni/Au dar. Das Schichtsystem
kann insbesondere mittels innengestützter Vakuumbedampfung (IAD,
mit Elektronenstrahlverdampfer-ESV) erzeugt werden; auch elektrochemische
Beschichtungsverfahren können verwendet
werden.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere dazu,
die Halteelemente 15 vorab fest mit dem optischen Element 1 zu
verbinden. In einem nachfolgenden Schritt können dann die Halteelemente 15 mit
der Fassung 2 verbunden werden.
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9 zeigt
ein als Linse realisiertes optisches Element 1 in eingebautem
Zustand in einer Fassung 2. Das als Linse realisierte optische
Element 1 ist dabei über
das Verbindungsmaterial 17 mit dem Halteelement 15 fest
verbunden, das seinerseits über
die beispielsweise gelötete
oder geschweißte Fassungsverbindungsstelle 18 mit
der Fassung 2 fest verbunden ist. Das Einbringen des Halteelementes 15 in
die Fassungsverbindungsstelle 18 kann insbesondere dann
spannungsfrei erfolgen, wenn zwischen dem Halteelement 15 und
der Fassungsverbindungsstelle 18 ein kleiner Spalt bestehen
bleibt, der in einem nachfolgenden Schritt mittels eines Schweiß- oder
Lötverfahrens
fest mit der Fassung 2 verbunden werden kann. Dabei ist
die Verwendung eines Lötverfahrens
besonders bevorzugt, weil hierdurch die Möglichkeit geschaffen wird,
zu einem späteren
Zeitpunkt das optische Element 1 samt der Halteelemente 15 aus
der Fassung auf einfache Weise auszulöten.
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10 zeigt
in den 10a, 10b, 10c und 10d verschiedene
Fassungskonzepte, die sich mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren
realisieren lassen. In 10a ist eine
Möglichkeit
beschrieben, bei der das optische Element 1 mit der Fassung 2 über die
Halteelemente 15 lediglich punktuell verbunden ist. Alternativ
hierzu können
die Halteelemente 15 das optische Element 1 auch
entlang seines gesamten Umfangs quasi ringförmig umfassen, wodurch eine
besonders sichere Lagerung des optischen Elements 1 in
der Fassung 2 gewährleistet wird.
Diese Möglichkeit
ist in 10b dargestellt. Kompromisse
zwischen den beiden Varianten aus 10a und 10b sind in den 10c und 10d gezeigt; in diesen Fällen umlaufen
die Halteelemente 15 an den dem optischen Element 1 zugewandten Seiten
dieses nicht vollständig,
sondern sind als Segmente unterschiedlicher Ausdehnung realisiert.
Dabei zeigt 10c eine Lösung mit
zwei Segmenten, wohingegen 10d eine
Variante der Erfindung darstellt, bei der vier Segmente verwendet
werden, die jeweils von zwei Halteelementen 15 in der Fassung 2 gehalten
werden.
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Die
vorstehend beschriebenen Varianten erlauben eine reversible, verspannungsfreie
und stoffschlüssige
Verbindung von optischen Elementen und Fassungen. Insbesondere weisen
die beschriebenen Verbindungen eine hohe Kriechstabilität auf; es
ist mit ihnen möglich,
Lageänderungen < 100nm und Oberflächendeformationsveränderungen < 1nm über mehrere
Jahre zu erreichen. Darüber
hinaus können Haftfestigkeiten
im Bereich von > 30N/mm2 auch für optische
Elemente unterschiedlichster Geometrien mit einem Durchmesser > 200mm erreicht werden. Die
genannten Eigenschaften lassen sich insbesondere auch für einen
Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Fassung und
optischem Element im Bereich von > 10%
gewährleisten.