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Bei
Objektiven, insbesondere bei solchen, die ihre optische Leistung
bei unterschiedlichen Temperaturen erbringen müssen, besteht außer einer thermischen
Ausdehnung des optischen Materials sowie der mechanischen Fassungen,
das Hauptproblem einer starken Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex.
Es ist deshalb vor allem erforderlich, Maßnahmen durchzuführen, um
mit veränderlichen Brechungsindizes
verbundenen Brennweitenänderungen
aber auch thermischen Ausdehnungen entgegenzuwirken. Hierzu sind
passiv und aktiv wirkende Systeme sowie Systeme geeignet, die sowohl eine
passive als auch eine aktive Athermalisierung in sich vereinen.
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Passive
Systeme, wie z. B. aus der
DE
199 21 492 A1 (afokales Teleskop) und der
DE 33 20 092 A1 (Korrektur
chromatischer und thermischer Aberration) bekannt, erreichen durch
eine gezielte Auswahl optischer Materialien einen Kompensationseffekt,
so dass temperaturbedingte Änderungen
der Abbildungseigenschaften vermieden werden können.
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Die
JP 61 097 608 A beschreibt
eine Linsenfassung aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten.
Bei einer Temperaturänderung
wird die Linse derart verformt, dass deren Brechkraftänderung
kompensiert wird.
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Aktive
Systeme setzen üblicherweise
mechanische Verstelleinrichtungen mit motorischen Antrieben oder
Piezostellern ein, die thermisch bedingte Änderungen, insbesondere des
Fokuszustandes ausgleichen oder Brennweitenänderungen vornehmen können. Von
Nachteil ist es, dass mechanische Verstelleinrichtungen einem Verschleiß unterliegen, wodurch
die Zuverlässigkeit
beeinträchtigt
werden kann.
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In
der
US 2005/041301
A1 wird eine flüssige Linse
derart verformt, dass die Brechkraftänderung einer Kunststofflinse
kompensiert wird.
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Es
sind weiterhin aktive Systeme bekannt, die durch einen gezielten
Eintrag bzw. Entzug von Wärmeenergie
Einfluss auf die Abbildungseigenschaften optischer Komponenten nehmen.
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In
der Schrift
DE
10 2006 059 091 A1 wird die Möglichkeit offenbart, die Form
einer elastisch verformbaren Membran, die aus einer reflektierenden Schicht
aus einem Stoff bzw. Stoffgemisch (Substrat) sowie mindestens einer
zweiten Schicht bestehend aus einem zweiten Stoff bzw. Stoffgemisch
gebildet ist, wobei die beiden Schichten voneinander unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, durch thermisch induzierte mechanische
Spannungen gezielt zu verändern.
Dazu wird an der beschriebenen Membran über seitlich angeordnete elektrische
Kontaktstellen eine Spannung angelegt. Die durch den fließenden elektrischen
Strom im Substrat hervorgerufene Wärmeentwicklung verändert die Krümmung der
Membran, die bei entsprechender Ausgestaltung der Membran z. B.
durch Strukturierung der Membran durch Erhebungen oder Vertiefungen
auch diskontinuierlich erfolgen kann. Die beschriebene Membran erlaubt
die Fokussierung und Defokussierung einfallender elektromagnetischer Strahlung.
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Die
DE 199 56 353 C1 beschreibt
eine Lösung
zum Eintrag von Wärme über eine
durch die Strahlung einer Lichtquelle beaufschlagten Fläche einer
optischen Komponente (hier: optisches Element), z. B. einer Linse.
Dies dient dazu, Veränderungen
in den Abbildungseigenschaften aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverteilungen über das
optische Element auszugleichen. Dazu werden elektrisch betriebene,
optisch transparente Heizelemente auf die Oberfläche des optischen Elementes,
z. B. der Linse, aufgebracht. Die getrennte Ansteuerung der Heizelemente
erlaubt die differenzierte Erwärmung
des optischen Elementes. Im Wesentlichen wird dabei versucht, eine
symmetrische bzw. homogene Temperaturverteilung über das optische Element zu
erreichen. Dabei kann bei Anwendung der Lehre nach der
DE 199 56 353 C1 das optische
Element nur erwärmt werden,
eine gegebenenfalls vorteilhafte Absenkung der Temperatur kann nur
durch Abschalten von Heizelementen erreicht werden und erfolgt sodann
passiv. Die erreichbare untere Temperatur ist dabei durch die Umgebungstemperatur
des optischen Elementes gegeben.
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Um
eine aktive Anpassung von unvorteilhaften Temperaturverteilungen
in einer Baugruppe wie z. B. einem Objektiv mit optischen Komponenten (hier:
optisches Element) zu ermöglichen,
können nach
der
DE 198 27 602
A1 Peltierelemente über
den Umfang des optischen Elementes angeordnet werden und mit diesem
gut wärmeleitend
in Kontakt stehen. Unter Ausnutzung der Eigenschaft von Peltierelementen,
je nach Richtung der angelegten Spannung an einer aus zwei unterschiedlichen
Materialien bestehenden Kontaktstelle eine Kühl- bzw. Heizleistung zu erbringen,
kann das optische Element lokal durch ein und dasselbe Peltierelement
entweder gekühlt
oder aber erwärmt
werden. Je nach Anordnung über
den Umfang und Ansteuerung der einzelnen Peltierelemente kann die
Temperaturverteilung innerhalb kurzer Zeit verändert werden. Nachteilig an
einer solchen Anordnung ist, dass die Temperaturdifferenzen innerhalb
eines optischen Elementes lokal erzeugt werden und dadurch thermisch
bedingte mechanische Spannungen in diesem auftreten, die zu Schäden wie
Mikrorissen führen
können.
Zudem müssen
für eine
effektive Änderung
der Temperatur auch in den zentral befindlichen Bereichen der optischen
Elemente lokal hohe Temperaturdifferenzen durch die Peltierelemente
am Umfang erzeugt und in die optischen Elemente eingeleitet werden.
Zudem wird jeweils nur entweder die Kühlleistung oder die Heizleistung
eines Peltierelementes genutzt, so dass ein großer Teil der zugeführten elektrischen
Energie ungenutzt bleibt.
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Es
besteht die Aufgabe, ein effizientes, dabei wenig störanfälliges optisches
System zur Verfügung zu
stellen, das Temperaturschwankungen aktiv in einem weiten Temperaturbereich
durch Variation unterschiedlicher, thermisch abhängiger Abbildungseigenschaften
ausgleichen kann.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
ein adaptierbares optisches System mit zwei jeweils in einer Fassung
gehalterten Linsen, bestehend aus einem Material mit thermisch abhängigem Brechungsindex
und/oder Ausdehnungskoeffizienten und mindestens einem Peltierelement,
das mit beiden Linsen in Verbindung steht, um durch die Beheizung
einer Linse und die Kühlung
der anderen Linse einen Temperaturunterschied zwischen den Linsen zu
bewirken, gelöst.
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Werden
zusätzlich
Mittel zum Regeln des Temperaturgradienten vorgesehen, lassen sich
die Brechkraft oder der Korrektionszustand des optischen Systems
stabilisieren.
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Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das optische
System als optische Komponenten mindestens ein Paar optischer Linsen mit
thermisch beeinflussbarem Brechungsindex enthält und der einzubringende Temperaturgradient
als Temperaturunterschied zwischen den Linsen ausgebildet ist, wobei
innerhalb einer jeden Linse eine homogene Temperaturverteilung vorherrschen
soll. Für das
Linsenpaar, bestehend aus einer Linse mit positiver Brechkraft und
einer Linse mit negativer Brechkraft, die in getrennten Fassungen
gehaltert sind, ist als Mittel zum Einbringen des Temperaturgradienten ein
Peltierelement vorgesehen, das mit beiden Fassungen im thermischen
Kontakt steht, um eine der Linsen über eine der Fassungen zu kühlen und
die andere der Linsen über
die andere der Fassungen zu heizen.
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Peltierelemente
weisen gegenüber
einer alternativ einsetzbaren Heizung zur Aufheizung von einer der
beiden Linsen einen Vorteil auf, da sie bei gleichem Energieeintrag
in das optische Teilsystem eine höhere Temperaturdifferenz im
System erzeugen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht als eine optische Komponente
in dem optischen System einen sphärischen oder parabolischen
Spiegel aus einem Spiegelsubstrat mit thermisch abhängigem Ausdehnungskoeffizienten
vor, wobei der in das Spiegelsubstrat einzubringende Temperaturgradient
zur Spiegelverformung vorgesehen ist. Der Spiegel weist auf seiner
Rückfläche als
Mittel zum Einbringen des Temperaturgradienten eine Heiz- und/oder
Kühlelementestruktur
zur lokal differenzierten Temperierung auf, die in ihrer geometrischen
Anordnung und in der Ansteuerung derart ausgebildet ist, dass eine
gewünschte
Temperaturverteilung in das Spiegelsubstrat eingebracht werden kann.
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Das
Einbringen von Wärme
kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Es kann eine Heizelementestruktur
mit Widerstandsheizelementen vorgesehen sein, die durch Wärmeleitung
eine lokal differenzierte Erwärmung
des Spiegelsubstrats hervorrufen kann. Es kann aber auch eine als
projiziertes Wärmestrahlungsmuster
oder als Konvektionsheizung ausgebildete Heizelementestruktur vorgesehen
sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen adaptierbaren optischen
Systems sind die optischen Komponenten transmittierend ausgebildet,
wobei die Mittel zum Einbringen des Temperaturgradienten mit mindestens
einer optischen Komponente im thermischen Kontakt stehen.
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Die
transmittierenden optischen Komponenten können als optische Linsen oder
als Planplatten ausgebildet sein.
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Als
Mittel zum Einbringen des Temperaturgradienten eignen sich sowohl
einzelne Heiz- und/oder
Kühlelemente
als auch strukturierte Heizungen, die am Umfang, auf der Oberfläche oder
im Volumen der optischen Komponente vorgesehen sein können.
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Die
Erfindung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass eine optische
Komponente ein Planplattenpaar, bestehend aus einer ersten und einer
zweiten Planplatte umfasst, wobei die Mittel zum Einbringen des
Temperaturgradienten im Mittenbereich zwischen den beiden Planplatten
angeordnet sind, und die Fassung als Wärmesenke ausgebildet ist, wodurch
in den beiden Planplatten ein Temperaturgradient erzeugbar ist,
der von der Mitte der Planplatten zum Planplattenrand gerichtet
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung ist besonders für
Systeme aus optischen Materialien mit stark temperaturabhängigem Brechungsindex,
wie z. B. Germanium oder Silizium geeignet, die in Infrarotsystemen
zum Einsatz kommen. Hierbei bietet sich eine Integration der Temperierungsmittel
in das Halbleitermaterial an.
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Jedoch
beschränkt
sich die Anwendung der Erfindung nicht ausschließlich auf Infrarotsysteme, sondern
ist auch für
UV-Systeme und für
VIS-Systeme anwendbar.
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UV-Systeme,
bei denen z. B. Kalziumfluorid oder Quarz als optisches Material
verwendet wird, können
trotz einer wesentlich geringeren Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex
als bei Germanium oder Silizium ebenfalls ein Temperaturproblem aufweisen,
denn die unter Laborbedingungen auftretenden geringen Temperaturschwankungen
können bereits
ausreichend sein, um die Brechkraftspezifikation, wie z. B. bei
Teleskopen, unzulässig
zu überschreiten. Ähnliche Probleme
können
bei Objektiven auftreten, indem sich der Arbeitsabstand oder der Korrektionszustand
aufgrund von Brechkraftschwankungen ändert.
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Ferner
ist die Erfindung dafür
geeignet, Fehler höherer
Ordnung (Öffnungsfehler)
zu minimieren, die insbesondere bei Objektiven großer Öffnungsweite
auftreten. Hierzu wäre
z. B. ein Linsenpaar innerhalb des Objektivs mit einem Temperaturunterschied zu
beaufschlagen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
optische Komponente aus einer Linsenkombination sphärischer
oder asphärischer Linsen,
die für
eine Fokuskorrektor ausgebildet ist
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2 eine
qualitative Darstellung des Verlaufes der Brechkraft f' und/oder der sphärischen
Aberration in Abhängigkeit
vom Temperaturunterschied zwischen den Linsen einer Linsenkombination
gemäß 1
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3 ein
mit Mitteln zum Regeln des Temperaturgradienten ausgestattetes adaptives
optisches System
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4 einen
Spiegel mit Korrektionsfunktion
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5 eine
qualitative Darstellung einer mit der Spiegelkonfiguration gemäß 4 gesteuerten Phasenfunktion
der Wellenfront
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6 ein
transmittierendes Phasenkorrektionselement
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7 eine
qualitative Darstellung einer mit einem Phasenkorrektionselement
gemäß 6 gesteuerten
Phasenfunktion
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8 eine
erste Peltierelementanordnung zur Erzeugung einer Temperaturverteilung
in der optischen Linse
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9 eine
zweite Peltierelementanordnung zur Erzeugung einer Temperaturverteilung
in der optischen Linse
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10 eine
erste Temperieranordnung für UV-Optiken
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11 eine
zweite Temperieranordnung für UV-Optiken
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1 zeigt
eine optische Komponente, bestehend aus zwei, in Fassungen 1, 2 gehalterten
Linsen 3, 4, aus identischem oder unterschiedlichem Material,
dessen Brechungsindex sich mit der Temperatur ändert. Die beiden Linsen 3, 4 weisen ähnliche,
aber entgegengesetzt wirkende Brechkräfte auf, so dass bei gleicher
Temperierung eine Brechkraft von null resultiert, wodurch die optische
Komponente optische Eigenschaften besitzt, die einer Planplatte ähneln.
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Zwischen
die Fassungen 1, 2 ist in dem Fassungsstapel ein
Peltierelement 5 eingebracht, das sich über die gesamte Fassungsstirnfläche erstreckt. Elektrische
Anschlüsse 6, 7 dienen
einer steuerbaren Stromzufuhr zu dem Peltierelement 5,
das dafür
vorgesehen ist, über
die Fassungen 1, 2 sich voneinander unterscheidende
Temperaturen in den beiden Linsen 3, 4 einzustellen.
In jeder der Linsen 3, 4 soll die Temperaturverteilung
bei diesem Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen konstant sein, d. h. sie soll keinen wesentlichen
Temperaturgradienten in irgendeine Richtung aufweisen. Durch den
erzeugten Temperaturunterschied zwischen den beiden Linsen 3, 4 erhält die optische
Komponente eine von null verschiedene Brechkraft, die je nach der
an dem Peltierelement 5 angelegten Spannung positiv oder
negativ sein kann.
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Das
Peltierelement 5 weist als Mittel zur Temperierung aufgrund
seiner gleichzeitig kühlenden und
heizenden Eigenschaften wesentliche Vorteile gegenüber einer
alternativ einsetzbaren Heizung auf. Da zwischen den beiden Linsen 3, 4 ein
Temperaturunterschied zu erzeugen ist, werden diese Eigenschaften
des Peltierelementes 5 effektiv ausgenutzt, so dass die
in die optische Komponente einzubringende thermische Leistung reduziert
werden kann. Thermische Kopplung und Isolation sind geeignet auszuführen, Verlustleistung
ist über
einen thermischen Kontakt nach außen abzuführen.
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In
einer anderen Ausführung
gemäß 3 ist
ein adaptives optisches System AOS zur Stabilisierung der Brechkraft
oder des Korrektionszustandes mit Mitteln zum Regeln der Temperaturdifferenz ausgestattet,
die eine Regeleinrichtung 8 sowie die Linsen 3, 4,
das adaptive optische System und auf einen Bereich außerhalb
des adaptiven optischen Systems verteilte Temperaturfühler 9 umfassen.
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Weiterhin
ist es möglich,
auch eine echte Regelung nach optischen Parametern (Fokussierung, Wellenfrontaberration)
durchzuführen,
wenn anstelle der Außentemperatur
ein solcher Parameter direkt gemessen wird.
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Der
in 4 gezeigte und auf einer Wärmesenke 10 aufgebrachte
sphärisch
oder parabolisch ausgebildete Spiegel 11 weist auf seiner
Rückseite eine
Struktur aus Heiz- und/oder
Kühlelementen 12 auf.
Die Heiz- und/oder Kühlelemente 12 sind
einzeln ansteuerbar, um auf dem Spiegel 11 eine gewünschte Temperaturverteilung
zu erzeugen, über
die z. B. die Phasenfunktion Ψ über dem
Radius R entsprechend 5 verändert werden kann.
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Der
Spiegel 11 sollte als adaptives Bauteil entsprechend dünn ausgeführt sein,
da in diesem Ausführungsbeispiel
der temperaturabhängige
Ausdehnungskoeffizient des Spiegelsubstrats ausgenutzt wird.
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Adaptive
Bauteile können
insgesamt auch transparent ausgeführt sein. Das kann z. B. dadurch erfolgen,
dass für
die optische Strahlung transparentes Material für eine Heizelementestruktur
verwendet wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Heizelementestruktur
in oder unter die Oberfläche
des optischen Elementes zu integrieren, wie es z. B. in Halbleiterprozessen üblich ist.
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Bei
dem in 6 gezeigten Phasenkorrektionselement sind zwei
Platten 13, 14, die z. B. aus Silizium oder einem
anderen Halbleiter bestehen sollen, in einer gemeinsamen Fassung 15 gehaltert. Zwischen
den beiden Platten 13, 14 ist ein bevorzugt als
elektrischer Widerstand ausgebildetes Heizelement 16 eingebettet.
Das Heizelement 16 lässt
sich vorteilhaft durch Dotierung des Halbleiters herstellen, wodurch
ein lokaler Höhenaufbau
vermieden werden kann. Transparente Elektroden 17, 18 gewährleisten die Transparenz
des Phasenkorrektionselementes, bei dem das Heizelement 16 in
der Elementmitte zwischen den aneinander gefügten Platten 13, 14 liegt.
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Die
gleichzeitig als Wärmesenke
fungierende Fassung 15 wird auf einer kühleren Temperatur als die Siliziumplatten 13, 14 gehalten,
so dass sich ein von der Mitte des Phasenkorrektionselementes zur
Fassung 15 gerichteter Temperaturgradient ausbildet. Die
dazugehörige
Phasenfunktion ist in 7 gezeigt. Mit diesem Phasenkorrektionselement
gemäß 6 lassen
sich gezielt Öffnungsfehler
korrigieren.
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Bringt
man andere Strukturen auf, können auch
Abbildungsfehler höherer
Ordnung korrigiert werden. Mit einer universelleren Anordnung der Heiz-/Kühlelemente,
wie sie z. B. für
Anzeigegeräte (Pixel)
oder elektrostatisch verformbare Spiegel (Ringe oder Ringsektoren)
verwendet werden, kann auch eine frei programmierbare Abbildungsfunktion
realisiert werden.
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Die
in den 8 und 9 gezeigten Peltierelementanordnungen
sind zur Erzeugung unterschiedlicher Temperaturverteilungen in einer
Linse 19, 20 vorgesehen, so dass durch eine Änderung
des Brechzahlgradienten eine astigmatische Wellenfrontdeformation
herbeigeführt
werden kann. Die Peltierelemente 21, 22 sind in
beiden Ausführungen
um den Linsenumfang 23, 24 der Linsen 19, 22 verteilt
angeordnet, um selektiv zu erwärmen
oder zu kühlen,
was durch eine punktiert skizzierte Wärmeverteilung verdeutlicht
werden soll. Astigmatismus ist dadurch in gewissen Grenzen in der
Stärke
und der Orientierung einstellbar.
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Während die
Peltierelemente 21 in 8 mit beiden
thermisch wirksamen Seiten in thermischem Kontakt mit dem Linsenumfang 23 stehen,
sind die Peltierelemente 22 in 9 über einen
Fassungsring 25 einseitig thermisch kurzgeschlossen und
nur über die
jeweils andere thermisch wirksame Seite mit dem Linsenumfang 24 verbunden,
um die erforderliche Nenntemperatur in der Linse einstellen zu können.
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Zur
Sicherstellung des thermischen Kontaktes zwischen den Peltierelementen 21, 22 und
dem Linsenumfang 23, 24 eignen sich Wärmekontaktelemente 26, 27,
die durch Löten auf
oberflächlichen Metallisierungen
des Linsenumfanges 23, 24 oder mittels Kitt oder
Wärmeleitpasten
auf dem Linsenumfang 23, 24 aufgebracht sind.
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UV-Optiken
werden üblicherweise
in spannungsarmen Fassungen gehaltert, die im Wesentlichen nur einen
punktförmigen
Kontakt zu den optischen Elementen aufweisen, wodurch eine Temperierung über die
Fassung unvorteilhaft ist.
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Deshalb
sind bei Linsenkombination gemäß 10 und 11 das
Fassen von Linsen 28–32 und
das Temperieren funktionell getrennt. Bei der Ausführung gemäß 10 ist
vorgesehen, lediglich eine der Linsen 30 mit in Nuten umfänglich um
die Linse 30 gewickeltem Heizdraht 33 zu erwärmen. Durch
Anbringen eines Temperaturfühlers 34, 35 an der
zu temperierenden Linse 30 und an mindestens einer weiteren
Stelle am Objektiv 36 kann ein Regelkreis aufgebaut werden,
wie er bereits anhand der Ausführung
gemäß 3 beschrieben
ist.
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11 zeigt
eine Temperierung mittels Peltierelementen 37, bei der
eine Temperaturdifferenz zwischen die in Fassungen 38, 39 gehalterten
optischen Linsen 31, 32 über thermische Kontaktelemente 40 eingebracht
wird, die mit dem Linsenumfang der Linsen 31, 32 in
thermischem Kontakt stehen und die Peltierelemente 37 tragen.
Durch Temperatursensoren 41, 42 an den Linsen 31, 32 ist
die Voraussetzung einer Regelung des Temperaturunterschiedes zwischen
den beiden Linsen 31, 32 gegeben.