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Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe, die ein optisches Element mit einem senkrecht zu einer Symmetrieachse annähernd rotationssymmetrischen Querschnitt umfaßt, sowie eine Fassung, in der das optische Element mit hoher Genauigkeit in stabiler Position und spannungsarm gehalten werden soll.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt um Linsen möglichst spannungsarm und positionsstabil zu lagern. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn eine genaue Ausrichtung der optischen Achse notwendig ist. Dies ist beispielsweise in der Photolithographie der Fall, aber auch bei astronomischen Teleskopen und insbesondere auch bei solchen Optiken, die in Satelliten eingesetzt werden sollen, wo eine nachträgliche Einstellung bzw. Neujustierung in der Regel nicht oder nur unter schwersten Bedingungen möglich ist.
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In der
EP 1 094 348 B1 wird ein elastischer Linsenträger beschrieben. Mit diesem ist eine elastische Klemmung der Linse möglich, die besonders für Temperatur- und Stoßbelastungen geeignet ist. Die Fassung weist mehrere Segmente auf, die in eine Ringnut am Randzylinder des optischen Elements, der Linse, eingreifen. Die Segmente sind vorgespannt, um das Gewicht der Linse form- und kraftschlüssig zu halten. Werden jedoch höchste Genauigkeiten gefordert, so können durch diese Vorspannungen entstehende Spannungen schon über die akzeptablen Toleranzen hinausgehen. Gegenüber der üblichen Klebung von Linsen in Fassungen führt der Verzicht auf eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Segmenten der Linse zusätzlich dazu, daß die optische Achse in ihrer Position nicht gegen Radialkräfte gesichert ist und Druck-Gleit-Effekte Verlagerungen bewirken können. Die Anlageflächen sind in bezug auf die optische Achse schräg orientiert, um ein undefiniertes Rutschen bei Temperaturausdehnungen und Stößen zu verhindern, weshalb höhere Radialkräfte notwendig sind, um die Linse an Ihrer Position zu halten. Dies ist nachteilig mit höheren Spannungseinträgen verbunden.
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Dies ist auch bei dem in der
DE 10 2004 018 656 A1 beschriebenen optischen Element der Fall. Das optische Element, bevorzugt auch hier eine Linse, weist einen Randbereich auf, an dessen Umfang in regelmäßigen Abständen Haltebereiche angebracht sind. Diese Haltebereiche weisen Anlagebereiche auf, die mit entsprechenden Kontaktbereichen an Haltekörpern, die an der Fassung angeordnet sind, in Kontakt treten. Die Anlageflächen und die Kontaktbereiche sind so ausgebildet, daß der Kontakt auf einen möglichst kleinen Bereich konzentriert wird, wozu die Anlageflächen und/oder die Kontaktbereiche ein- oder zweifach, d. h. in eine oder zwei Raumrichtungen, gekrümmt sind, so daß die Kontaktfläche möglichst linien- oder punktförmig wird. Die Halterung erfolgt im Sinne einer sich selbst einstellenden Klemmpaarung, die Linse wird axial und radial form- und kraftschlüssig gehalten. Aufgrund der in bezug auf die optischen Achse schrägen Anlageflächen sind höhere Radialkräfte notwendig, um die Linse in ihrer Position gegen Stöße und Temperaturausdehnungen zu sichern, zusammen mit den auf sehr kleine Kontaktbereiche begrenzten Kraftwirkungen macht sich die Vorspannung daher besonders deutlich negativ bemerkbar.
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In der
US 6,469,844 B1 wird eine optische Baugruppe mit Linse und Linsenhalterung beschrieben, die für Einwegkameras bestimmt ist. Die Linse – aus Plastik – und die Fassung verfügen über einen Bund mit zur optischen Achse senkrechten und parallelen Anlageflächen, die also vertikal aufeinander stehen. Nach dem Einsetzen in die Fassung wird die Linse dort nur lose gehalten, eine Fixierung erfolgt, indem Klammern thermisch deformiert werden und an dem umlaufenden Bund der Linse angreifend wieder abkühlen. Die Linse ist dann fixiert, und gleichzeitig ermöglicht diese Verbindung später auch eine einfachere Wiederverwertung der Linse, da sie ohne größeren Aufwand aus der Halterung entfernt werden kann. Da es sich jedoch um ein System für Einwegkameras handelt, sind keine besonderen Vorkehrungen notwendig, die Linse durch Sicherungskräfte bei Temperatur in Position und spannungsarm zu halten, auch eine exakte Ausrichtung der Linse ist nicht erforderlich.
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In der
US 6,400,516 B1 wird ein System aus Linse und Fassung beschrieben, bei dem die Linse orthogonal zur optischen Achse mehrfach eingespannt wird, was die Justierung der Linsen erleichtert. Die Bewegung der Linse wird sowohl in tangentialer Richtung als auch in axialer Richtung durch entsprechende Klemmvorrichtungen beschränkt, die Konstruktion ist sehr aufwendig und umfaßt viele Einzelteile, die die Störanfälligkeit des Systems erhöhen. Am Umfang der Linse befinden sich Vorsprünge, die im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind und die der axialen und tangentialen Fixierung dienen. Aufgrund des komplizierten Aufbaus ist zu erwarten, daß die Anordnung extremen Temperaturbelastungen sowie anderen extremen Belastungen, wie Feuchtigkeit, Beschleunigungen, UV-Strahlung, insbesondere über einen Zeitraum von mehreren Jahren nicht standhält.
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In der
DE 103 42 269 A1 wird eine spannungsarme Optikfassung beschrieben, bei der eine Linse an drei Punkten in axialer Richtung mittels eines umlaufenden Federrings fixiert wird. Die Linse wird hier – was fertigungstechnisch günstig ist – direkt mit ihrem Randbereich, der noch die entsprechende Linsenkrümmung aufweist, in die Fassung eingelegt. Insbesondere an ihrer Unterseite liegt sie daher mit einer schrägen Fläche auf, was bei Stoß- oder Temperaturbelastungen schnell zu unkontrollierten Verlagerungen führen kann. Auch der Federring greift an die Schräge an.
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In der
DE 10 2006 060 088 A1 schließlich ist eine Fassung mit einem optischen Element beschrieben, welches relativ einfach aufgebaut ist, jedoch eine Klebeverbindung zwischen Linse und Halterung erfordert. Gerade der Einsatz von Klebstoffen zur primären Halterung der Linse ist nachteilig, da solche Klebstoffe nur begrenzt temperatur- und UV-stabil sind und unter extremen Bedingungen schneller altern, so daß die Position der Linse im System nicht auf Dauer stabil gehalten werden kann. Klebemittel weisen außerdem einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, was ebenfalls zu Instabilitäten führen kann.
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Die anderen konventionelle Lösungen, wie sie auch vorangehend beschrieben wurden, und die ohne Adhäsionsmittel auskommen, sind bei Temperaturänderungen aufgrund von Ausdehnungsdifferenzen und durch die Auflage- und Kraftflußgestaltung nicht ausreichend lagestabil oder durch ungünstige Haltekraftflüsse nicht ausreichend spannungsarm, sie sind daher für höchste Ansprüche nicht geeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Baugruppe der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß ohne den Einsatz von Adhäsionsmitteln mit primärer Haltefunktion eine möglichst lagestabile und spannungsarme Halterung von optischen Elementen, insbesondere von Linsen, unter extremen Umweltbedingungen wie Temperatur, UV-Strahlung und/oder Feuchtigkeit gewährleistet werden kann, wobei außerdem ein einfacher Aufbau der optischen Baugruppe im Vordergrund steht, der ein Wechseln des optischen Elements mit nur wenig Aufwand gegenüber Lösungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, ermöglicht, so es erforderlich sein sollte.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische Baugruppe gelöst, welche ein optisches Element mit einem annähernd rotationssymmetrischen Querschnitt senkrecht zu einer Symmetrieachse sowie eine Fassung für das optische Element mit mindestens drei auf einem Kreis um die Symmetrieachse in der Fassung angeordneten Haltebaugruppen, die das optische Element in der Fassung form- und kraftschlüssig fixieren, gelöst, wobei das optische Element einen an seinem Umfang senkrecht zur Symmetrieachse mindestens eine bundartige Erhebung, bzw. eine bundartige Ausbildung aufweist, mit einer oberen und einer dazu beabstandeten unteren Bundfläche, deren Normalen parallel zur optischen Achse liegen, sowie mit einer zur Symmetrieachse parallelen äußeren Bundfläche.
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Dabei gibt es verschiedene, an die konkrete Ausgestaltung des optischen Elements anpaßbare Möglichkeiten zur Realisierung der bundartigen Ausbildung. Einfache Linsen mit konvexen, planen oder konkaven optisch wirksamen Flächen weisen meist einen senkrecht zur Symmetrieachse – die dann der optischen Achse entspricht – kreisförmigen Querschnitt auf. Hier ist die bundartige Erhebung vorzugsweise als am Umfang des optischen Elements senkrecht zur optischen Achse umlaufender, zylinderförmiger Bund mit einer zylinderförmigen äußeren Bundfläche ausgestaltet. Auf der äußeren Bundfläche liegen die differentiellen Normalen, die jeweils in der Tangentialebene eines Flächenpunktes gebildet werden, in radialer Richtung. Auch die Haltebaugruppen sind dann aus spannungstechnischen Gründen vorzugsweise, aber nicht zwingend rotationssymmetrisch auf einem Kreis um die Symmetrieachse angeordnet, so werden drei Haltebaugruppen vorzugsweise in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet.
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Komplexere optische Elemente mit Freiformflächen weisen in diesem Sinne jedoch keine optische Achse auf, sie müssen auch nicht rotationssymmetrisch sein, da die optisch wirksamen Flächen beliebig geformt sein können. Um sie dennoch in die Fassung einsetzen zu können, weisen solche Elemente ebenfalls bundartige Ausbildungen auf, und zwar vorzugsweise eine mindestens der Anzahl der Haltebaugruppen entsprechende Anzahl. Die bundartigen Ausbildungen sind hier jeweils mit einer ebenen äußeren Bundfläche ausgebildet. Eine der Richtungen, die die Ebene aufspannen, liegt parallel zur Symmetrieachse, die äußere Bundfläche liegt also parallel zur Symmetrieachse. Alle äußeren Bundflächen liegen tangential auf einem gemeinsamen Kreis um die Symmetrieachse. Vorzugsweise sind sie rotationssymmetrisch gegenüber Drehungen von 120° angeordnet. Die Abmessungen des optischen Elements können es jedoch erforderlich machen, von dieser Symmetrie abzuweichen.
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Auch die oben beschriebenen geometrisch einfacheren optischen Elemente können natürlich anstelle eines zylinderförmigen Bundes nur eine entsprechende Anzahl bundartiger Ausbildungen aufweisen, wenn es beispielsweise auf eine material- und platzsparende Bauweise ankommt. Da diese Bauweise allerdings mehr Kanten aufweist, entstehen hier unter Umständen zusätzliche Spannungen. Ebenso können auch die optischen Elemente mit Freiformflächen mit einem umlaufenden Bund ausgebildet sein, dessen äußere Bundfläche dann allerdings nicht mehr zylinderförmig sein muß.
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Eine jede Haltebaugruppe umfaßt einen mit einem radial federnd ausgebildeten Steg fest verbundenen Kontaktkörper, an welchem eine untere Kontaktfläche und eine parallel zur Symmetrieachse ausgerichtete Anlagefläche ausgebildet ist. Die untere Kontaktfläche, auf der das optische Element mit seiner unteren Bundfläche gelagert ist, kann eben ausgebildet sein, dann weist sie eine Normale parallel zur Symmetrieachse auf. Sie kann aber auch nach Art einer Wulst mit beispielsweise halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet sein, die Kontaktfläche hat dann die Form eines Ringausschnitts, wobei auch hier an der höchsten Erhebung der Wulst, auf der das optische Element zu liegen kommt, der differentielle Normalenvektor parallel zur Symmetrieachse liegt. Auch die Anlagefläche kann eben oder einfach gekrümmt ausgestaltet sein, im Falle einer zylinderförmigen äußeren Bundfläche stehen beide dann jeweils in einer Tangentialebene miteinander in Kontakt. Die Haltebaugruppen sind aus spannungstechnischen Gründen vorzugsweise rotationssymmetrisch auf dem Kreis um die Symmetrieachse angeordnet, so werden drei Haltebaugruppen vorzugsweise in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet. Insbesondere bei optischen Elementen mit kreisförmigem Querschnitt ist dies von Vorteil. Von dieser Symmetrie kann aber insbesondere im Fall von optischen Elementen mit Freiformflächen abgewichen werden, wenn die Bauweise des optischen Elements dies erfordern sollte. So können die Haltebaugruppen in der Fassung auch ohne Einhaltung dieser Symmetrie auf dem Kreis angeordnet sein. Wesentlich ist, daß an den Haltepunkten, an denen das optische Element mit der Haltebaugruppe in radialer Richtung in Kontakt steht, die Normalenvektoren der beteiligten Flächen in Richtung der Symmetrieachse weisen.
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Der Steg einer jeden Haltebaugruppe ist unter Vorspannung stehend ausgeführt, so daß die Anlagefläche des Kontaktkörpers und die äußere Bundfläche in Kontakt stehen und das optische Element in radialer Richtung bezogen auf die Symmetrieachse formschlüssig fixiert ist. Die Stege können in die Fassung beispielsweise durch Drahterosion eingearbeitet sein. Steg und Kontaktkörper können einstückig gefertigt sein, der Kontaktkörper kann aber auch nachträglich an den Steg angebracht werden, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben oder Adhäsionsmitteln. In bezug auf eine einfachere Handhabbarkeit und eine Langzeitstabilität ist es jedoch vorteilhaft, so wenig Materialen wie möglich und so wenig lösbare Verbindungen wie möglich zu verwenden, so daß eine einstückige Fertigung zu bevorzugen ist.
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Die Haltebaugruppe umfaßt schließlich auch ein Federelement, welches auf die obere Bundfläche eine vorgegebene Anpreßkraft ausübend ausgestaltet ist und den Bund auf die untere Kontaktfläche drückt. Auf diese Weise ist das optische Element in axialer Richtung kraft- und formschlüssig fixiert, sowie in radialer Richtung zusätzlich kraftschlüssig fixiert. Das Federelement kann beispielsweise als an den Kontaktkörper angeschraubte Federspange ausgestaltet sein; mittels der Schraubeneinstellung einer Stellschraube kann die Anpreßkraft variiert werden. Dies ermöglicht außerdem durch Lösen der Schraubverbindung an der Stellschraube ein einfaches Entfernen des optischen Elements aus der Fassung. Durch die Verwendung eines Federelements wird zudem sichergestellt, daß die Anpreßkraft bei normaler Einstellung der Stellschraube nicht zu groß wird, so daß das optische Element an dieser Stelle nicht unter höherer Spannung als gerade notwendig steht.
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Indem das optische Element in zwei rechtwinklig aufeinander stehenden Richtungen unter Verwendung eines Federelements formschlüssig und kraftschlüssig fixiert wird, werden höchste Lagestabilität und Spannungsarmut gewährleistet. Die Nachteile schräger Anlageflächen und Kraftrichtungen, daß nämlich schräg wirkenden Kraftkomponenten entstehen und es durch Reibung und Ausdehnung zu undefiniertem Rutschen bei Temperaturänderungen oder Stoßbelastungen kommen kann, werden auf diese Weise vermieden. Durch die Vorspannung der Stege wird zudem das Spiel des optischen Elements in der Fassung in radialer Richtung – bezogen auf die Symmetrieachse – beseitigt.
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Bei Ausdehnungsunterschieden kann die Linse nicht kippen, die Befestigungskräfte ändern sich nicht wesentlich. Die Haltekräfte können zudem vom Betrag her im Vergleich zu Lösungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, gering gehalten werden, so daß auch die Spannungen im optischen Element gering gehalten werden. Temperaturbedingte Ausdehnungen erfolgen zentralsymmetrisch, wenn das optische Element rotationssymmetrisch in bezug auf Drehungen um die optische Achse in beliebig kleinen Winkeln ist, und die Fassung rotationssymmetrisch in bezug auf Drehungen um diskrete Winkel – im Falle von drei Haltebaugruppen beträgt dieser Winkel 120° – ist.
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Obwohl die Verwendung eines Adhäsionsmittels zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung nicht notwendig ist, kann es von Vorteil sein, zur Sicherung gegen äußere Einflüsse das optische Element mit der unteren Kontaktfläche und/oder der Anlagefläche des Kontaktkörpers einer jeden Haltebaugruppe zusätzlich über ein Adhäsionsmittel stoffschlüssig zu verbinden. Das Adhäsionsmittel bzw. die stoffschlüssige Verbindung erfüllt hier nicht den Zweck einer Positionsdefinition, sondern dient dazu, die Belastungsgrenzen in bezug auf die Temperatur und Stoffbelastungen weiter auszudehnen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt die radiale Bundfläche zumindest annähernd im Bereich der neutralen Biegefaser – diese liegt bei seitensymmetrischen und rotationssymmetrischen Linsen beispielsweise in der Mitte und senkrecht zur Symmetrieachse, ansonsten je nach Geometrie der optisch wirksamen Flächen mehr oder weniger stark in eine Richtung versetzt dazu – des optischen Elements. Auch dies trägt zu einer möglichst spannungsarmen Lagerung bei.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine mögliche Ausgestaltung einer optischen Baugruppe mit einem optischen Element und einer Fassung,
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2 einen Schnitt durch die optische Baugruppe aus 1,
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3 eine weitere Ausgestaltung einer optischen Baugruppe mit einem optischen Element und einer Fassung,
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4 einen Schnitt durch die optische Baugruppe aus 3,
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5 verschiedene Ausgestaltungen für Haltebaugruppen, die sich in ihren Stegformen unterscheiden, und
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6a, b ein komplexeres optisches Element mit verminderter Symmetrie.
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In 1 ist eine optische Baugruppe gezeigt, die ein um eine optische Achse – hier zusammenfallend mit der Symmetrieachse S – rotationssymmetrisches optisches Element 1 mit einem kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse umfaßt, sowie eine Fassung 2 für das optische Element 1 mit mindestens drei rotationssymmetrisch in der Fassung 2 angeordneten Haltebaugruppen 3, die das optische Element 1 in der Fassung 2 form- und kraftschlüssig fixieren. Das optische Element 1 weist einen an seinem Umfang umlaufenden, zylinderförmigen Bund 4 auf. Der Bund 4 wiederum hat eine obere Bundfläche 5 und eine dazu beabstandete untere Bundfläche 6, deren Normalen parallel zur optischen Achse liegen, sowie eine äußere zylinderförmige, radiale Bundfläche 7 am äußeren Umfang. Die differentiellen Normalen dieser radialen Bundfläche – bezogen also auf die jeweilige Tangentialebene – liegen in radialer Richtung.
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Jede Haltebaugruppe 3 umfaßt einen Kontaktkörper 8, der mit einem radial federnd ausgebildeten Steg 9 fest verbunden ist. Dort, wo der Kontaktkörper 8 in Kontakt mit dem optischen Element 1 treten soll, verläuft der Steg daher tangential zu dem Umfang des optischen Elements 1. Der Steg kann auf verschiedene Weise gefertigt werden. So ist beispielsweise denkbar, den Steg 9 als eigenes Bauteil zu fertigen, welches dann in eine entsprechende Aussparung der Fassung 2 gesetzt und dort fixiert wird. Um aber möglichst wenige Materialien zu verwenden, ist der Steg 9 in der Regel ein integriertes Bauteil der Fassung 2 selbst, welches aus der Fassung 2 beispielsweise durch materialabtragende Methoden wie Drahterosion herausgearbeitet wird. Verschiedene Stegformen sind beispielsweise in 5 dargestellt, diese Auswahl stellt jedoch nur einen kleinen Bereich der möglichen Stegformen dar.
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An dem Kontaktkörper 8 sind eine untere Kontaktfläche 10 und eine parallel zur optischen Achse ausgerichtete Anlagefläche 11 ausgebildet. Die untere Kontaktfläche 10 kann eben sein, sie kann aber auch – wie in dem Ausschnitt in 2 gezeigt – als Wulst ausgestaltet sein, so daß die Auflage im Querschnitt auf einen sehr kleinen Bereich im Vergleich zur radialen Ausdehnung der unteren Bundfläche 6 beschränkt wird. Bezüglich der Vermeidung von zusätzlichen Spannungen im optischen Element ist es vorteilhaft, diesen Bereich eher klein zu wählen, da dann bei temperaturbedingten Ausdehnungsänderungen in radialer Richtung durch Haftreibung auftretende Spannungen geringer gehalten werden können, als wenn die untere Kontaktfläche 10 eben ist und die untere Bundfläche 6 vollständig aufliegt. Die Anlagefläche 11 kann ebenfalls eben oder auch konvex gekrümmt sein, auch hier wird der Kontaktbereich auf einen möglichst kleinen Bereich am Linsenumfang eingeschränkt. Wichtig jedoch ist, daß die Anlagefläche 11 zumindest in dem Bereich, wo sie mit der radialen äußeren Bundfläche 7 in Kontakt steht, axial verläuft, so daß der Kontaktbereich in axialer Richtung möglichst groß ist und ein Kraftfluß in radialer Richtung gewährleistet wird. Von Vorteil ist es für eine Spannungsarmut auch, wenn die radiale äußere Bundfläche 7 zumindest annähernd im Bereich der neutralen Biegefaser des optischen Elements 1 liegt.
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Das optische Element 1 ist mit seiner unteren Bundfläche 6 auf der unteren Kontaktfläche 10 gelagert. Die in 2 gezeigte untere Kontaktfläche 10 stellt einen ebenen Anteil einer Wulst dar, die am Kontaktkörper 8 ausgebildet ist. Die Haltebaugruppe 3 umfaßt außerdem ein Federelement, welches auf die obere Bundfläche 5 eine vorgegebene Anpreßkraft ausübend ausgestaltet ist und den Bund 4 auf die untere Kontaktfläche 10 drückt, so daß das optische Element 1 in axialer Richtung kraft- und formschlüssig und in radialer Richtung formschlüssig fixiert ist. Dieses Federelement ist hier als an den Kontaktkörper 8 angeschraubte Federspange 12 ausgestaltet. Die Anpreßkraft kann mittels der Stellung einer Stellschraube 13 variiert werden, bei vollständig eingeschraubter Stellschraube 13 ist die Federkraft am größten. Die Federspange 12 ist einstückig ausgebildet und verfügt über eine festen Teil, der mittels der Schraube am Kontaktkörper 8 befestigt wird, sowie einen federnden Teil, welcher dann, wenn die Federspange 12 korrekt an den Kontaktkörper 8 angeschraubt ist, über die obere Bundfläche 5 reicht. Die Federspange weist in diesem Bereich einen Knick von wenigen Grad, maximal etwa 60° auf und drückt auf die obere Bundfläche 5 und somit den Bund insgesamt auf die untere Kontaktfläche 10. Dies stellt eine gleichzeitige form- und kraftschlüssige Verbindung in axialer Richtung her, zusätzlich wirkt die Verbindung auch in radialer Richtung kraftschlüssig, da durch den Anpreßdruck in dieser Richtung höhere Reibungskräfte zu überwinden sind, um das optische Element 1, welches hier als konvex-konkave Linse ausgestaltet ist, in radialer Richtung zu verschieben. Der Steg 9 einer jeden Haltegruppe 3 ist außerdem unter Vorspannung stehend ausgeführt, so daß die Anlagefläche 11 des Kontaktköpers 8 und die radiale äußere Bundfläche 7 in Kontakt stehen und das optische Element 1 in radialer Richtung formschlüssig fixiert wird. Auf diese Weise wird das Spiel zwischen den Zylindersegmenten der Fassung und dem Linsenrand beseitigt.
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Zur Sicherung gegen äußere Einflüsse kann das optische Element 1 außerdem mit der unteren Kontaktfläche 10 und/oder der Anlagefläche 11 des Kontaktkörpers 8 einer jeden Haltebaugruppe 3 zusätzlich über ein Adhäsionsmittel stoffschlüssig verbunden sein. Dies dient jedoch nicht der Halterung des optischen Elements 1 in der Fassung 2, sondern nur als zusätzliche Sicherung gegen extreme Temperatur- oder Stoßbelastungen.
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Vorteilhaft ist es außerdem, die Materialien, aus denen die Fassung 2 und das optische Element 1 gefertigt werden, so zu wählen, daß sie annähernd den gleichen Wärmekoeffizienten aufweisen. Beispielsweise kann das optische Element 1 aus Quarz gefertigt sein und die Fassung 2 aus Invar.
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Der Kontaktkörper 8 kann gesondert gefertigt und an den Steg 9 angesetzt werden, mit dem er beispielsweise durch Verschrauben oder Verkleben verbunden werden kann. In einer bevorzugten Ausfertigung ist auch der Kontaktkörper 8 aus dem Grundblock, aus dem die Fassung gefertigt ist, herausgearbeitet, so daß die Fassung 2 einschließlich Kontaktkörper 8 und Steg 9 aus einem Stück besteht und die einzigen zusätzlich benötigten Teile die Federspange 12 und die Stellschraube 13 sind. Dies verringert die Fehleranfälligkeit durch sich bei Alterung lösende Verbindungen enorm, zudem wird nur ein einziges Material verwendet, was in bezug auf Temperaturschwankungen günstiger ist.
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Die Stellschrauben 13 können auch ganz vom Kontaktkörper 8 gelöst werden, um die Federspangen 12 zu entfernen, so daß das optische Element 1 aus der Fassung 2 genommen und beispielsweise ausgetauscht werden kann.
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In den 3 und 4 ist eine ähnliche optische Baugruppe wie in 1 und 2 gezeigt, nur daß das optische Element 14 hier eine Binkonvexlinse ist und die Fassung 15 im Bereich der Stege 9 der Haltebaugruppe 16 größere Aussparungen aufweist, was zum einen Material und damit Gewicht spart und zum anderen größere Auslenkungen der Stege 9 in radialer Richtung auf die optische Achse zu erlaubt.
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In 6 schließlich ist ein komplexeres optisches Element 17 mit einer Planfläche und einer Freiformfläche dargestellt, welches ebenfalls in die vorangehend beschriebenen Fassungen 2, 15 eingesetzt werden kann. 6a zeigt eine Draufsicht auf das optische Element 17, und 6b einen Längsschnitt entlang der in 6a eingezeichneten Achse A-A. Das optische Element 17 weist hier in der Draufsicht ebenfalls einen bezüglich Drehungen um 120° rotationssymmetrischen Querschnitt auf, dies muß aber nicht zwingend der Fall sein. Auch die bundförmigen Ausbildungen müssen nicht rotationssymmetrisch angeordnet sein, sofern andere Fassungen verwendet werden. Anstelle eines umlaufenden Bundes – welcher aber ebenfalls eine mögliche Variante bildet – finden sich am Umfang des optischen Elements drei bundartige Ausbildungen 18, jeweils mit einer oberen Bundfläche 19 und einer unteren Bundfläche 20 analog zu den jeweiligen Bandflächen des zylinderförmigen Bundes und mit derselben Funktion. Jede der bundartigen Ausbildungen 18 weist außerdem eine äußere Bundfläche 21 auf, die eben ausgebildet ist. Alle drei äußeren Bandflächen 21 liegen tangential auf einem gemeinsamen Kreis um die Symmetrieachse S. In 6a entspricht der Schnittpunkt der Achse A-A mit der bundartigen Erhebung 18 an der linken Seite dem Punkt, wo die Tangente den Kreis berührt. Dieser Punkt liegt idealerweise bei in die Fassung 2, 15 eingesetztem optischen Element 17 auch zentriert in bezug auf die Anlagefläche 11, so daß beispielsweise bei einer gekrümmten Anlagefläche 11, bei der der Kontakt mit der äußeren Bundfläche 21 im wesentlichen auf einen linienförmigen Bereich beschränkt ist, der Punkt mittig bezogen in diesem Bereich liegt, so daß die Normalenvektoren an dieser Stelle auf die Symmetrieachse S zeigen. Für eine ebene Anlagefläche 11 gilt entsprechendes, da sonst Verkantungen auftreten könnten.
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Durch die orthogonale Einleitung der Kräfte und die orthogonale Lagerung wird erreicht, daß beim Auftreten von Ausdehnungsunterschieden – aufgrund unterschiedlicher Materialien oder aufgrund von Temperaturgradienten innerhalb eines Materials – dafür Sorge getragen wird, daß die Linse nicht kippt und die Befestigungskräfte im wesentlichen konstant bleiben. Dies sorgt für eine hohe Lagestabilität sowie eine hohe Spannungsarmut. Die Haltekräfte können auf diese Weise von ihrem Betrag her im Vergleich mit solchen Kräften, wie sie im Stand der Technik nötig sind, gering gehalten werden, so daß im optischen Element 1 nur geringe Spannungen entstehen. Zudem ist die optische Baugruppe leicht demontierbar und das optische Element kann mit wenigen Handgriffen aus der Fassung entfernt werden, was auch Reparaturen unter extremen Bedingungen wie im Weltraum erleichtert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optisches Element
- 2
- Fassung
- 3
- Haltebaugruppe
- 4
- Bund
- 5
- obere Bundfläche
- 6
- untere Bundfläche
- 7
- radiale Bundfläche
- 8
- Kontaktkörper
- 9
- Steg
- 10
- untere Kontaktfläche
- 11
- Anlagefläche
- 12
- Federspange
- 13
- Stellschraube
- 14
- optisches Element
- 15
- Fassung
- 16
- Haltebaugruppe
- 17
- optisches Element
- 18
- bundartige Ausbildung
- 19
- obere Bundfläche
- 20
- untere Bundfläche
- 21
- äußere Bundfläche
- S
- Symmetrieachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1094348 B1 [0003]
- DE 102004018656 A1 [0004]
- US 6469844 B1 [0005]
- US 6400516 B1 [0006]
- DE 10342269 A1 [0007]
- DE 102006060088 A1 [0008]
