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Die Erfindung betrifft eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einer Fassung und einem in dieser Fassung spannungsarm und lagestabil gehaltenen optischen Element, insbesondere einer Linse, wie sie gattungsgemäß aus der Patentschrift
US 7 218 462 B2 bekannt ist.
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Grundsätzlich werden Fassungen für optische Elemente in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Qualität sowie die gegebenen Transport-, Lager- und Einsatzbedingungen des optischen Systems, in dem das optische Element einen Bestandteil bildet, konstruiert. Dabei spielen insbesondere mögliche Temperaturschwankungen während des Transports, des Lagerns und des Einsatzes eine Rolle.
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Nachfolgend werden nur Baugruppen bzw. Fassungen als Bestandteile solcher Baugruppen aus dem Stand der Technik betrachtet, bei denen gleich einer erfindungsgemäßen Baugruppe Maßnahmen dazu getroffen sind, dass zwischen dem optischen Element und der Fassung über einen vorgegebenen Temperaturbereich ein Dehnungsausgleich stattfindet, sodass das optische Element innerhalb dieses Temperaturbereiches spannungsarm und in möglichst unveränderter Lage innerhalb der Fassung gehalten wird.
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Aus der Patentschrift
US 4 856 172 A ist eine spannungsarme Fassung offenbart, in der ein Spiegel durch drei am Umfang des Spiegels angreifende und auf einer Kreislinie angeordnete Halteblöcke (hier Linearführungslager) gegenüber einer Plattform gehalten wird. Die Linearführungslager sind so orientiert, dass sie die Entstehung von mechanischen Spannungen aufgrund von Dehnungsunterschieden, bei Temperaturschwankungen, zwischen dem Spiegel und der Plattform verhindern. Die Linearführungslager erlauben eine relative Bewegung des Spiegels gegenüber der Plattform in drei Achsrichtungen innerhalb einer Ebene, senkrecht zum Spiegellot. In Richtung des Spiegellotes ist die Fassung steif. Gegenüber Verdrehung ist sie hemmend.
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Die Linearführungslager weisen ein mit der Plattform verbundenes, Y-geformtes erstes Rahmenteil und ein zweites mit dem Spiegel in Verbindung stehendes Rahmenteil auf, welches mittelbar über Zylinderrollen, die im ersten Rahmenteil durch ein flexibles Band zueinander positioniert sind, linear beweglich ist.
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Nachteilig an dieser Fassung ist insbesondere der hohe Fertigungsaufwand für die unterschiedlichsten Einzelteile und der hohe Montageaufwand aufgrund der Vielzahl von Einzelteilen, die jeweils zu einem Halteteil gehören.
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Die Patentschrift
US 7 218 462 B2 betrifft eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem optischen Element, welches, kinematisch selbst zentrierend, formschlüssig in einer Fassung gelagert ist.
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Die Fassung besteht aus einem Innenring aus einem Material wie z. B. Invar, welches einen nahezu gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das optische Element, z. B. eine Linse aus Quarzglas, hat. Der Innenring wird von einem Außenring, z. B. aus Stahl, zur Verbindung mit anderen optischen Baugruppen oder einem Gehäuse umschlossen. Der Innenring und der Außenring sind über eine Vielzahl von Blattfedern miteinander verbunden, die zwischen ihnen angeordnet sind und die trotz unterschiedlicher Ausdehnung des Innenrings und des Außenrings innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches dafür sorgen, dass diese spannungsarm und konzentrisch zueinander angeordnet bleiben. Das Problem der thermischen Kompensation zwischen dem optischen Element und der Fassung wird somit innerhalb der Fassung gelöst.
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Auf dem Innenring sind drei Halteblöcke um 120° zueinander versetzt angeordnet, in denen das optische Element, hier eine Linse, gehalten wird. Zwischen den Halteblöcken und der Linse bedarf es keines Dehnungsausgleiches, da das Ausdehnungsverhalten der Linse aus Quarzglas, und des Innenrings aus Invar, annähernd gleich ist. Zum formschlüssigen Halten der Linse sind an der Linse in deren Randbereich auf einer unteren Seite drei um 120° versetzte V-förmige Nuten vorgesehen und die drei Halteblöcke weisen jeweils eine untere Klemmbacke auf, mit jeweils einem sphärischen Halteelement. Mit dem Einsetzen der Linse in die Fassung kommen diese drei sphärischen Halteelemente jeweils in einer dieser V-förmigen Nuten mit den Wänden der Nuten über zwei Punktkontakte zur Anlage, womit eine kinematisch definierte Lagerung der Linse in der Fassung über sechs Punktkontakte entsteht. Zum Fixieren der Linse in der eingenommenen zentrischen Position zur Fassung weisen die Halteblöcke eine obere Klemmbacke auf, an der ebenfalls jeweils ein sphärisches Halteelement, dem sphärischen Halteelement der zugehörigen unteren Klemmbacke gegenüberliegend angeordnet, vorhanden ist. Die sphärischen Halteelemente der oberen Klemmbacke greifen in weitere V-förmige Nuten ein, welche auf der oberen Seite der Linse den Nuten der unteren Seite gegenüberliegend vorgesehen sind. Die beiden Klemmbacken werden jeweils durch Federkraft in axialer Richtung zusammengehalten. Die V-förmigen Nuten in der Linse können direkt im Randbereich der optisch wirksamen Flächen eingebracht sein oder bevorzugt in einem hierzu abgestuften Bund, um die Wirkung der eingetragenen Haltekräfte auf die optisch wirksamen Flächen minimal zu halten.
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Nachteilig an einer optischen Baugruppe gemäß der
US 7 218 462 B2 ist unter anderem die Vielzahl an Einzelteilen für die Fassung, deren Herstellung und Montage die Fassung teuer machen. Durch die Notwendigkeit eines Innenrings und eines Außenrings wird das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Linse und dem Außendurchmesser der Fassung unerwünscht groß. Auch werden die Materialkosten durch die Verwendung von Invar für den Innenring, der als Träger der Halteblöcke massiv ausgeführt sein muss, erhöht. Die Bearbeitung der Linse zum Einbringen der V-förmigen Nuten trägt ebenso zu höheren Herstellungskosten bei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine vergleichsweise kostengünstigere einfacher herstell- und montierbare optische Baugruppe mit einer kleiner dimensionierbaren Fassung zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer optischen Baugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
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1 eine Baugruppe, teilweise geschnitten, in einer perspektivischen Ansicht von oben,
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2 einen Halteblock gemäß einer Baugruppe nach 1 mit Wälzflächen, gebildet durch drei Zylindermantelflächen und ein optisches Element versehen mit Zwischenlagen,
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3 einen Halteblock mit Wälzflächen, gebildet durch eine Zylindermantelfläche,
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4 einen Halteblock mit planförmigen Wälzflächen und
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5 einen Halteblock mit planförmigen vorgealterten Wälzflächen.
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Eine erfindungsgemäße thermisch kompensierte optische Baugruppe besteht grundsätzlich aus einer Fassung 1, in der ein optisches Element 4 mit einer optischen Achse 4.0 gefasst ist. Die Fassung 1 besteht aus einem Fassungsring 2 und drei am Fassungsring 2 um 120° zueinander versetzten Halteblöcken 3.
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Der Fassungsring 2 und die Halteblöcke 3 sind vorteilhaft aus einem gleichen Material oder zumindest aus einem Material mit einem annähernd gleichem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, sodass innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches keine beachtenswerten Spannungen zwischen dem Fassungsring 2 und den Halteblöcken 3 entstehen.
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Die Halteblöcke 3 könnten im freien Innenbereich des Fassungsrings 2 an dessen innerer Umfangsfläche angeordnet sein, wodurch jedoch der Vorteil einer kleineren Dimensionierbarkeit gegenüber dem Stand der Technik verloren ginge. Deshalb sind die Halteblöcke 3 bevorzugt auf einer der beiden Stirnflächen des Fassungsrings 2 montiert oder noch vorteilhafter, wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, in dafür vorgesehene Aussparungen in den Fassungsring 2 eingepasst.
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Die Halteblöcke 3 weisen grundsätzlich jeweils vier innen liegende, einen Hohlraum umschließende, sich paarweise gegenüberliegende Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 auf.
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Die sich gegenüberliegenden Wälzflächen 3.1, 3.2 bzw. 3.3, 3.4 sind aufeinander zustellbar. Jeder der Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 ist ein Wälzkörper 5 zugeordnet.
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Als Wälzkörper 5 kommen alle Wälzkörper in Frage, die eine um mindestens zwei Achsen gekrümmte Umfangsfläche aufweisen, wie Kugeln, Tonnen und Linsen.
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Die Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 können z. B. Planflächen oder Segmente von Zylindermantelflächen oder solche Flächen, in denen eine Laufbahn 7 für die Wälzkörper 5 vorgeprägt ist, sein.
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Um das optische Element 4 mittels der drei Halteblöcke 3 in der Fassung 1 halten zu können, weist das optische Element 4 an seiner Umfangsfläche drei um 120° zueinander versetzte Anlageelemente 4.1 auf, die jeweils in einen der Halteblöcke 3 ragen. Jedes der Anlageelemente 4.1 hat vier Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4. Die erste und zweite Anlagefläche 4.1.1, 4.1.2 dieser vier Anlageflächen sind zu einer die optische Achse 4.0 einschließenden Ebene parallel und in einem gleichen senkrechten ersten Abstand zu dieser Ebene angeordnet. Die dritte und vierte Anlagefläche 4.1.3, 4.1.4 dieser vier Anlageflächen sind mit einem zweiten Abstand zueinander auf dieser Ebene senkrecht stehend angeordnet.
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Indem jede der Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 jeweils über einen bewegbaren Wälzkörper 5 mit einer der Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 in Kontakt steht, wird zum einen das optische Element 4 über sechs Punktkontakte mit der Fassung 1 in eine zentrierte Position zur Fassung 1 gebracht und über weitere sechs Punktkontakte in dieser zentrierten Position gehalten. Zum anderen erfolgt auch ein Dehnungsausgleich über diese sechs Punktkontakte, indem die Wälzkörper 5 jeweils zwischen einer der Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 und einer der Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4, in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Ausdehnung der Fassung 1 und des optischen Elementes 4, gewälzt werden, wodurch sich die Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 und die dazugehörigen Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 reibungsarm gegeneinander in radialer Richtung verschieben können.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Baugruppe in perspektivischer Ansicht gezeigt. Das optische Element 4 weist drei Anlageelemente 4.1 auf, die wie bereits beschrieben ausgeführt sind. Die Anlageelemente 4.1 können am optischen Element 4 angekittet oder wie hier monolithisch am optischen Element 4 ausgebildet sein. Der Abstand der dritten und vierten Anlagefläche 4.1.3, 4.1.4 entspricht hier vorteilhaft der gesamten Breite der Umfangsfläche des optischen Elementes 4. Der Abstand könnte auch kleiner gewählt werden, womit dann die dritte und vierte Anlagefläche 4.1.3, 4.1.4 abgesetzt zu den optisch wirksamen Flächen angeordnet wären.
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Die hier gezeigte Fassung 1 weist einen rotationssymmetrischen Fassungsring 2 mit drei zu einer dessen Stirnseiten hin offenen Aussparungen, in welche die drei Halteblöcke 3 von dieser Stirnseite her formschlüssig eingesetzt sind. Fixiert sind die drei Halteblöcke 3 im Fassungsring 2 jeweils über eine von außen zugängliche Schraube (nachfolgend Fixierschraube 8), die durch eine Durchgangsbohrung im Fassungsring 2 in eine Gewindebohrung des Halteblocks 3 eingreift.
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In 2 ist ein solcher Halteblock 3 genauer dargestellt. Er wird durch einen monolithischen Körper gebildet, welcher ein Durchgangsloch 10 aufweist, das im weitesten Sinne kompatibel zu einem der Anlageelemente 4.1 ist. Zwei sich senkrecht kreuzende Schlitze 11, die durch eine Körperachse des Halteblocks 3.0, die mit der Mittenachse des Durchgangslochs 10.0 zusammenfällt, verlaufen, teilen den Körper in vier senkrecht zueinander stehende, elastisch bewegbare Wände auf, die an einem Ende miteinander verbunden bleiben. Die jeweils gegenüberliegenden Wände weisen jeweils eine Durchgangsbohrung und eine Gewindebohrung auf; in die eine Schraube (nachfolgend Zustellschraube 9), hier nicht dargestellt, eingeführt ist, die in Abhängigkeit von der Einschraubtiefe die beiden gegenüberliegenden Wände aufeinander zustellt.
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Das Durchgangsloch 10 des in 2 gezeigten Halteblocks 3 ist durch drei zueinander versetzte Bohrlöcher mit einem gleichen Bohrlochdurchmesser hergestellt. Dadurch sind an den vier Wänden Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 entstanden, die jeweils durch ein Segment einer Zylindermantelfläche gebildet sind. Im montierten Zustand, in dem jeweils eines der Anlageelemente 4.1 in einem der Halteblöcke 3 angeordnet ist, liegen sich jeweils eine der Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 und eine der Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 gegenüber, wobei sich dazwischen jeweils ein Wälzkörper 5 befindet, über den die Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 mit den Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 in einem mittelbaren Kontakt stehen, nachdem die jeweils gegenüberliegenden Wände und damit die an ihnen ausgebildeten Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 mittels der Zustellschraube 9 entsprechend aufeinander zugestellt wurden.
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Zur Montage der optischen Baugruppe werden zuerst die drei Halteblöcke 3 um die drei Anlageelemente 4.1 angeordnet. Dabei sind pro Halteblock 3 jeweils vier Wälzkörper 5 an den entspannten Wälzflächen anliegend, z. B. mit Hilfe eines Käfigs, positioniert. Um diesen Käfig nach der Montage aus dem Halteblock entfernen zu können, sind im Fassungsring 2, den Halteblöcken 3 zugeordnet, Durchgriffe 12 vorhanden.
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Die sich gegenüberliegenden Wälzflächen 3.1, 3.2 bzw. 3.3, 3.4 werden jetzt mittels der Zustellschrauben 9 aufeinander zugestellt, bis die Wälzkörper 5 unter einer Vorspannung an den Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 anliegen, die ausreichend ist, um die entstehende Paarung dauerhaft aufrecht zu erhalten. Der dabei zwischen den beiden gegenüberliegenden Wälzkörpern 5 entstehende Kraftfluss verläuft nicht durch die optisch wirksamen Flächen des optischen Elementes 4 sondern nur durch die Anlageelemente 4.1.
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Trotzdem könnte die durch den Punktkontakt zwischen den Wälzkörpern und den Anlageelementen entstehende hohe Flächenpressung zu einem Spannungsfeld führen, welches auch den optisch wirksamen Bereich des optischen Elementes beeinflussen könnte, insbesondere wenn die Anlageelemente 4.1 und das optische Element 4 monolithisch miteinander verbunden sind.
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Die Flächenpressung ist am höchsten, wenn als Wälzkörper eine Kugel verwendet wird, die vergleichsweise am billigsten und einfachsten montierbar ist. Um die Flächenpressung zu verringern, kann vorteilhaft, wie in 2 gezeigt, eine Zwischenlage 6 jeweils zwischen den Wälzkörper 5 und die Anlagefläche 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 gefügt werden. Die Flächenpressung kann auch verringert werden, wenn anstelle einer Kugel eine Tonne oder eine Linse verwendet wird, die eine höhere Schmiegung und damit der Punktkontakt eine größere Punktfläche hat.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und gut sichtbar in 2 sind die Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 gekrümmte Flächen, nämlich Segmente von drei zylindermantelförmigen Flächen. Die Krümmungsmittelpunkte der Wälzflächen liegen auf zwei senkrecht sich schneidenden Geraden, sodass sich die Wälzkörper vorteilhaft zu den Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 und damit zu den Anlageflächen 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3, 4.1.4 zentrieren.
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Die Halteblöcke gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 3, weisen Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 auf, die von einer einzigen Zylindermantelfläche gebildet sind, die ein einziges Bohrloch umschließt. Die Anlageelemente 4.1 haben dann nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt sondern einen quaderförmigen Querschnitt, was bei einer Verwendung von dickeren Linsen als optisches Element 4 vorteilhaft sein kann.
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Die Halteblöcke gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 4, weisen Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 auf, die planförmig (eben) sind. Die Wälzkörper zentrieren sich hier nicht selbst auf den Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. Grundsätzlich müssen sich zwei Wälzkörper 5 nicht exakt gegenüberliegen, es ist jedoch sinnvoll um den Kraftfluss zwischen ihnen so kurz wie möglich zu führen und um zu verhindern dass ein Moment auf die Anlageelemente 4.1 wirkt.
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Während bei den beiden erst genannten Ausführungsbeispielen für die Wälzflächen ein Käfig zur Montage nur erforderlich ist, um die Wälzkörper an den Wälzflächen überhaupt zu halten, müssen sie in diesem Fall auch an einer bestimmten Position gehalten werden.
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Die Halteblöcke gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 5, weisen planförmige Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 auf, die bereits vorgealtert sind, das heißt eine Laufbahn 7 des Wälzkörpers, wie sie sich unvermeidlich im Laufe der Zeit in die Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 einarbeitet, ist bereits vorgefertigt. Damit kann ebenfalls die Flächenpressung verringert werden und Vorspannung zur Aufrechterhaltung der Paarung geringer eingestellt werden.
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Die aufgezeigten Ausführungsbeispiele für die Wälzflächen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 an den Halteblöcken 3 sind mit allen Ausführungen der Wälzkörper 5 kombinierbar. Auch können alle Ausführungsbeispiele durch Zwischenlagen 6 ergänzt werden. Der monolithische Aufbau der Haltblöcke 3 ist vorteilhaft, aber nicht zwingend. Die Halteblöcke 3 können grundsätzlich auch diskret aus Einzelwänden montiert sein, was aber nachteilig wäre. Grundsätzlich könnte die Fassung 1 auch mehr als drei Halteblöcke 3 umfassen, was aber ebenfalls nur nachteilig wäre. Entscheidend ist, dass ein Halteblock 3 vier Wände aufweist, die eine definierte Lage zueinander und zum Fassungsring 2 aufweisen und zwischen die über die Wälzkörper 5 die Anlageelemente 4.1 geklemmt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fassung
- 2
- Fassungsring
- 3
- Halteblock
- 3.0
- Körperachse des Halteblocks
- 3.1
- erste Wälzfläche
- 3.2
- zweite Wälzfläche
- 3.3
- dritte Wälzfläche
- 3.4
- vierte Wälzfläche
- 4
- optisches Element
- 4.0
- optische Achse
- 4.1
- Anlageelement
- 4.1.1
- erste Anlagefläche
- 4.1.2
- zweite Anlagefläche
- 4.1.3
- dritte Anlagefläche
- 4.1.4
- vierte Anlagefläche
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Zwischenlage
- 7
- Laufbahn
- 8
- Fixierschraube
- 9
- Zustellschraube
- 10
- Durchgangsloch
- 10.0
- Mittenachse des Durchgangslochs
- 11
- Schlitz
- 12
- Durchgriff
