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Die Erfindung betrifft eine justierbare optische Baugruppe mit einer in einen Innenring und einen Außenring unterteilten monolithischen Fassung, in der ein gefasstes optisches Element mit einer optischen Achse in einer Justierebene senkrecht zur Symmetrieachse des Außenringes (Außenringachse) justierbar ist. Eine gattungsgemäße Fassung ist aus der
DE 199 01 295 A1 bekannt.
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Monolithische, in einen Innenring und einen Außenring unterteilte Fassungen werden durch Einbringen von Schlitzen in einen Grundkörper hergestellt, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring Verbindungen bestehen bleiben. Die Vielzahl solcher aus dem Stand der Technik bekannten Fassungen unterscheiden sich insbesondere in der Ausführung dieser verbleibenden Verbindungen, die im Wesentlichen durch die Lage, die Geometrie und die Dimensionierung der Schlitze bestimmt wird.
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Grundsätzlich greifen wenigstens an zwei dieser Verbindungen im Außenring eingeschraubte Stellschrauben an. Mit der Einleitung eines Stellweges mittels einer der Stellschrauben in einer der Verbindungen wird der Innenring und damit die Symmetrieachse des Innenrings (Innenringachse) gegenüber dem Außenring und damit der Außenringachse um einen Verschiebeweg bewegt. Da das optische Element und damit die optische Achse eines im Innenring gefassten optischen Elementes eine feste Lage zur Innenringachse hat, kann so die Lage der optischen Achse justiert werden.
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In Abhängigkeit von der Ausführung der Verbindungen und der Richtung eines eingeleiteten Stellweges sind die Richtung des resultierenden Verschiebeweges und die Feinfühligkeit der Umsetzung des Stellweges in den Verschiebeweg bestimmt. Die Ausführung und Anzahl der Verbindungen ist auch bestimmend für die Steifheit bzw. Nachgiebigkeit der Verbindung zwischen Innen- und Außenring senkrecht zur Justierebene.
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Die Offenlegungsschrift
DE 199 01 295 A1 offenbart eine optische Baugruppe mit einer monolithischen Fassung, bestehend aus einem Außenring (dort Außenfassung), einem Innenring, in dem ein optisches Element gehalten ist, sowie unterschiedlich gestalteten Verbindungen zwischen dem Innenring und dem Außenring. Die unterschiedlich gestalteten Verbindungen stellen Festkörpergelenkkoppeln bzw. Getriebe aus Festkörpergelenkkoppeln dar.
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Im Unterschied zu konventionellen diskreten Koppeln bzw. Koppelgetrieben bestehend aus Gelenken verbunden über starre Koppeln, deren Bewegungsübertragung kinematisch definiert ist, ist die Kinematik von Festkörpergelenkkoppeln bzw. Getrieben aus solchen Festkörpergelenkkoppeln grundsätzlich nur näherungsweise beschreibbar. Die Kinematik ist grundsätzlich nur innerhalb sehr kleiner Bewegungsbereiche mit der Kinematik von diskret aufgebauten Koppelgetrieben beschreibbar.
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Für eine Justierung des optischen Elementes in der Ebene ist es wünschenswert, wenn die Justierung und damit die Verschiebewege möglichst entlang zweier senkrecht aufeinander stehender Achsen und mit einem festen Übersetzungsverhältnis erfolgen können. Solche Verschiebewege sollen mit einer Fassung gemäß der vorgenannten
DE 199 01 295 A1 in einem sehr begrenzten Justierbereich wenigstens annähernd erreicht werden.
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Um das Verständnis für die wesentlichen Unterschiede zwischen einer Fassung gemäß dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Fassung zu erleichtern, soll eine Fassung gemäß der
DE 199 01 295 A1 nachfolgend anhand einer Zeichnung, gezeigt in
1, erläutert werden. Eine solche Fassung weist Verbindungen dreier verschiedener Verbindungstypen auf.
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Ein erster Verbindungstyp (dort Drehgelenk) wird durch einen geraden Steg konstanter Dicke gebildet, dessen eines Ende in den Innenring und dessen anderes Ende in den Außenring übergeht und eine Festkörpergelenkkoppel darstellt. Der Steg verläuft in Richtung einer ersten Tangente am Innenring. Die Fassung weist genau eine Verbindung gemäß diesem ersten Verbindungstyp auf.
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Ein zweiter Verbindungstyp wird durch einen Verstellhebel mit zwei zueinander parallelen Hebelarmen gebildet und stellt ein Hebelgetriebe mit Festkörpergelenkkoppeln dar. Jeweils ein Ende der Hebelarme geht in den Verstellhebel über, während das jeweils andere Ende in den Außenring bzw. den Innenring übergeht. Die Hebelarme verlaufen zueinander parallel. An den Verstellhebel greift in einem Angriffspunkt ein radial wirkendes Stellglied (hier Stellschraube) an, wobei eine durch den Angriffspunkt gelegte zweite Tangente senkrecht auf der ersten Tangente steht.
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Die Fassung weist zwei Verbindungen des zweiten Verbindungstyps auf, die an zwei gegenüberliegenden Stellen in einem gleichen Winkelabstand zu der einen Verbindung des ersten Verbindungstyps in der Fassung ausgebildet sind, sodass sich die erste Tangente mit zwei zweiten Tangenten in einem Winkel von 90° schneidet.
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Die beiden Verschiebewege, wie sie sich durch ein unabhängiges Einleiten von Stellwegen über die beiden Verbindungen des zweiten Verbindungstyps ergeben, werden als Kreisbahnen der Innenringachse um die beiden Schnittpunkte (Drehpole) beschrieben. Aufgrund der nur kleinen Bewegungsbereiche kann die Krümmung der Kreisbahnen vernachlässigt werden und können die Bewegungsbahnen als lineare Verschiebewege verstanden werden, die radial von den Drehpolen und damit senkrecht zueinander verlaufen.
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Die in radialer Richtung jeweils durch die beiden Stellschrauben eingeleiteten Stellwege werden in voneinander unabhängige Verschiebewege feinfühlig untersetzt. Dabei ist die Feinfühligkeit jeweils durch die Übersetzung der Stellschraube, die Übersetzung des Hebelgetriebes und die Umsetzung in eine Drehung um einen Drehpol bestimmt.
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Ein dritter Verbindungstyp (dort Verbindungsglied in L-Form) wird durch einen einfach abgewinkelten Steg gebildet, dessen eines Ende in den Innenring und dessen anderes Ende in den Außenring übergeht. Die Verbindungen des dritten Verbindungstyps haben keinen Einfluss auf die Verschiebewege, sondern bewirken eine Versteifung der Fassung senkrecht zur Verschiebeebene.
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Die vorangehende Betrachtung trifft auf einen spannungsfreien Zustand der Fassung zu und ist eine vereinfachte Beschreibung der Kinematik einer Fassung gemäß der vorbenannten
DE 199 01 295 A1 , in der die Drehpole als ortsfest angenommen werden, was nur innerhalb eines sehr kleinen Justierbereiches so abstrahiert werden kann. Diese Fassung ist tatsächlich für einen sehr kleinen Justierbereich, vermutlich von 10–20 µm, und eine sehr feinfühlige Justierung, vermutlich mit einer Auflösung höher als 2 µm, ausgelegt, was sich durch das sehr geringe Übersetzungsverhältnis (auch als hohes Untersetzungsverhältnis bezeichnet) der über die Verstellhebel eingeleiteten Stellwege zu den sich daraus ergebenden Verschiebewegen erklärt.
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Für manche Anwendungen kann es von Nachteil sein, dass die Stellschrauben gegenüberliegend radial in die Fassung eingreifen. Nicht immer ist die dazu erforderliche Raumfreiheit gegeben, um so angeordnete Stellschrauben aus unterschiedlichen Richtungen betätigen zu können. Außerdem muss der Außenring eine Mindestbreite von der für die Stellschrauben erforderlichen Einschraublänge haben, die in der Regel wenigstens doppelt so lang wie der Gewindedurchmesser sein sollte. Dies steht möglicherweise einer ansonsten möglichen geringeren Dimensionierung des Außendurchmessers entgegen.
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Auch kann z. B. für optische Elemente mit einem größeren Toleranzbereich ein größerer Justierbereich erwünscht sein, sodass längere weitmöglichst lineare Verschiebewege erzielt werden sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithische Fassung zu finden, bei der die Stellschrauben aus einer gleichen Richtung betätigt werden können. Vorteilhaft soll damit auch ein vergleichsweise größerer Justierbereich abgedeckt werden. Dafür kann ein Verlust an Justierfeinfühligkeit hingenommen werden.
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Diese Aufgabe wird für eine optische Baugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im Folgenden beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine optische Baugruppe gemäß dem Stand der Technik,
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2a eine erste Ausführung einer Baugruppe in Draufsicht,
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2b die erste Ausführung einer Baugruppe in Schnittdarstellung,
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3a eine zweite Ausführung einer Baugruppe in Draufsicht und
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3b die zweite Ausführung einer Baugruppe in Schnittdarstellung.
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Grundsätzlich besteht jede erfindungsgemäße Ausführung der optischen Baugruppe aus einer monolithischen Fassung 1, die durch Schlitze in einen Außenring 2 mit einer Außenringachse 2.0 und einen mit diesem über wenigstens drei Verbindungen 5.1, 5.2, 5.3 verbundenen Innenring 3 mit einer Innenringachse 3.0 unterteilt ist. Im Innenring 3 ist ein optisches Element 4 mit einer optischen Achse 4.0 gefasst.
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Die erste Verbindung 5.1 weist wenigstens einen ersten Steg 5.1.1 auf, der tangential zum Innenring 3 angeordnet ist. Die zweite und dritte Verbindung 5.2, 5.3 weisen jeweils eine Stellschraube 6 mit einer Stellachse 6.0 auf, die senkrecht zum ersten Steg 5.1.1 verläuft. Die Schnittpunkte der Stellachsen 6.0 mit der Tangente durch den ersten Steg 5.1.1 bilden zwei Drehpole, um die die Innenringachse 3.0, jeweils eine Kreisbahn beschreibend, auf einem Verschiebeweg verstellt werden kann, wenn über die gegenüberliegende zweite und / oder dritte Verbindung 5.2, 5.3 ein Stellweg eingeleitet wird. Die Krümmung der Kreisbahnen ist innerhalb des Justierbereiches im Verhältnis zum Krümmungsradius vernachlässigbar, sodass die Kreisbahnen als zwei senkrecht aufeinander stehende Achse verstanden werden können und die Verschiebewege als eine lineare Verschiebung betrachtet werden können.
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In allen Ausführungen können vorteilhaft weitere Verbindungen 5.4 vorhanden sein, die lediglich einer axialen Versteifung der Fassung 1 dienen. Sie sind als abgewinkelte Stege ausgeführt und können in beliebiger Anzahl und an beliebigen Positionen angeordnet sein.
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Jede der Verbindungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 umfasst wenigstens einen Steg. Diese Stege können, wie in den 2 und 3 dargestellt, über ihre Länge und an den in den Innenring 3 bzw. den Außenring 2 übergehenden Enden mit einer konstanten Dicke ausgeführt sein. Solche Stege weisen eine über ihre Länge verteilte Nachgiebigkeit auf. Die Stege können aber auch, im Vergleich zu den Übergängen, die dann Verjüngungen hoher Nachgiebigkeit bilden, über ihre Länge dicker ausgeführt und damit verhältnismäßig steif sein. Unabhängig von ihrer Ausführung werden diese Stege für die Beschreibung der durch die verschiedenen Ausführungen der Verbindungen bewirkten Kinematik des Innenringes als steife Koppeln betrachtet.
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Die einzelnen Ausführungsbeispiele für eine optische Baugruppe unterscheiden sich im Wesentlichen in der Ausführung der ersten und / oder zweiten bzw. dritten Verbindung 5.1, 5.2, 5.3. Dabei können alle nachfolgend erläuterten Ausführungen für die erste Verbindung 5.1 mit allen Ausführungen der zweiten bzw. dritten Verbindung 5.2, 5.3 kombiniert werden.
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In den 2a und 2b ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe dargestellt. Es weist gegenüber einem zweiten in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiel die kinematisch bessere Ausführung auf. Das zweite Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe ermöglicht vergleichsweise eine kleinere Ausführung des Außenrings 2.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die erste Verbindung 5.1, gezeigt im zweiten Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe in den 3a und 3b, ist diese gleich dem Stand der Technik durch einen ersten Steg 5.1.1 ausgebildet, der tangential an einem Kreis um die Außenringachse 2.0 verlaufend an einem seiner beiden Enden in den Innenring 3 und an dem anderen seiner beiden Enden in den Außenring 2 übergeht. Bei einer Einleitung eines Stellweges mittels einer der Stellschrauben 6 in die zweite bzw. dritte Verbindung 5.2, 5.3 wird die Anbindung des ersten Steges 5.1.1 am Innenring 3 um dessen Anbindung am Außenring 2 ausgelenkt und der erste Steg 5.1.1 gegenüber der Tangente verkippt. In Abhängigkeit von dem entstehenden Kippwinkel und der Dimensionierung der Fassung 1 wandert die Lage des Drehpols um ein Vielfaches der Auslenkung aus, was zur Veränderung der Übersetzung und somit zu einem nichtlinearen Bewegungsverhalten führt. Diese Ausführung der ersten Verbindung 5.1 ist allerdings vergleichsweise wenig aufwendig durch nur einen Schlitz herstellbar.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erste Verbindung 5.1, gezeigt im ersten Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe in den 2a und 2b, ist durch einen ersten Steg 5.1.1 tangential zu einem Kreis um die Außenringachse 2.0 verlaufend und einen hierzu parallel ausgebildeten, gleich langen weiteren Steg 5.1.2 gebildet, wobei der erste und der weitere Steg 5.1.1, 5.1.2 an einem ihrer Enden miteinander verbunden sind und an den anderen Enden in den Innenring 3 bzw. den Außenring 2 übergehen. Diese Ausführung ist zwar vergleichsweise aufwendiger herstellbar, aber sie ist für die Kinematik günstiger. Der erste Steg 5.1.1 wird nicht gegenüber der Tangente verkippt, sondern wird nur minimal parallel versetzt. Die Auswanderung des Drehpols entspricht so nur ungefähr der Auslenkung und ist damit vergleichsweise ohne Einfluss auf die Übersetzung.
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Wie bereits erwähnt können die Stege unterschiedlich ausgeführt sein, was zu weiteren Ausführungsbeispielen für die erste Verbindung 5.1 führt.
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Die zweite und dritte der Verbindungen 5.2, 5.3 sind innerhalb einer Fassung 1 immer baugleich und können daher anhand einer der beiden Verbindungen beschrieben werden. Die zweite Verbindung 5.2 stellt in allen Ausführungsbeispielen im Unterschied zum Stand der Technik einen Gewindetrieb dar, gebildet durch eine Stellschraube 6 mit einer Stellachse 6.0, geführt durch eine Durchgangsbohrung 2.1 im Außenring 2, und einen mit dem Innenring 3 über einen zweiten Steg 3.2 monolithisch verbundenen Mutterkörper 3.1. Der Mutterkörper 3.1 stellt ein Klötzchen in Form eines Ringabschnittes mit einem Innengewinde dar.
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Die Verschiebung des Mutterkörpers 3.1 erfolgt in einem Richtungssinn entlang der Stellachse 6.0 durch deren Heranziehen an eine Planfläche um die Durchgangsbohrung 2.1 im Außenring 2 beim Einschrauben der Stellschraube 6 in den Mutterkörper 3.1 und im entgegengesetzten Richtungssinn durch die Rückstellkraft der elastischen Verformung und Verstellung des zweiten Steges 3.2 in Folge der Verschraubung.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der zweiten Verbindung 5.2, gezeigt im ersten Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe in den 2a und 2b, ist der zweite Steg 3.2 in Richtung der Stellachse 6.0 verlaufend ausgebildet. Damit wird der über die Stellschraube 6 eingeleitete Stellweg, bestimmt durch die Verschiebung der Stellschraube 6 entlang der Stellachse 6.0, in eine reine translatorische Verschiebung des zweiten Steges 3.2 übertragen. Das hat den Vorteil, dass die Verstellbewegung direkt und mit geringen Querkräften auf den Innenring 3 übertragen wird.
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Es kann nachteilig sein, dass an dieser Ausführung der Außenring 2 vergleichsweise breiter ausgeführt werden muss, um eine notwendige Länge des zweiten Steges 3.2 und eine erforderliche Montagelänge für die Stellschraube 6 zu gewährleisten.
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Grundsätzlich muss der zweite Steg 3.2 nicht in Richtung der Stellachse 6.0 verlaufend ausgebildet sein, was lediglich für die Kraft- und Wegübertragung optimal wäre.
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Daraus ergibt sich ein zweites vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die zweite Verbindung 5.2, welches im zweiten Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe in 3 gezeigt ist. Hier verläuft der zweite Steg 3.2 in einem spitzen Winkel zur Stellachse 6.0. Dieser ergibt sich durch eine vergleichsweise andere Winkelanordnung der zweiten und dritten Verbindung 5.2 und 5.3 zueinander. Wählt man jeweils die Mitte der zweiten Stege 3.2, so haben sie gemäß 2 einen Winkelabstand von 180°, während sie gemäß den 3a und 3b nur einen Winkelabstand von ca. 150° haben. In beiden Fällen jedoch sind sie tangential an einem Kreis um die Außenringachse 2.0, die im spannungsfreien, unausgelenkten Zustand der Fassung 1 mit der Innenringachse 3.0 zusammenfällt, ausgebildet. Dadurch weisen insbesondere die Bereiche des angrenzenden Außenringes 2 eine gleichbleibende Breite auf. Der Außenring 2, der hier über seinen Umfang die geringste Breite aufweist, wird damit durch die Schlitzlage nicht zusätzlich geschwächt.
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Grundsätzlich können die zweite und dritte Verbindung 5.2, 5.3 in einem Winkelabstand (z. B. bezogen auf die Mitten der zweiten Stege 3.2) zwischen 180° und größer 90° zueinander angeordnet sein, wobei konstruktiv vorteilhaft die zweiten Stege 3.2 tangential verlaufen und kinematisch vorteilhaft die zweiten Stege 3.2 fluchtend auf den Stellachsen 6.0 liegen.
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Alle Ausführungsbeispiele der zweiten bzw. dritten Verbindung 5.2, 5.3 könnten vorteilhaft so in der Fassung 1 angeordnet sein, dass die zwei Stellschrauben 6 entlang der Stellachsen 6.0 eine gleichsinnige Einschraubrichtung aufweisen. Damit muss die Fassung 1 zur Justierung nur von einer Seite her zugängig sein.
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Alternativ können die zweite bzw. dritten Verbindung 5.2, 5.3 auch so in der Fassung 1 angeordnet sein, dass die zwei Stellschrauben 6 entlang der Stellachsen 6.0 eine gegensinnige Einschraubrichtung aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe ist durch eine vergleichsweise geringe Untersetzung der eingeleiteten Stellwege in Verschiebewege weniger feinfühlig. Die Auflösung liegt hier bei 1–2 µm. Sie ist jedoch für einen größeren Justierbereich bis ca. 100 µm geeignet und kann so ausgeführt werden, dass sie zur Justierung von nur einer Seite her zugängig sein muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fassung
- 2
- Außenring
- 2.0
- Außenringachse
- 2.1
- Durchgangsbohrung
- 3
- Innenring
- 3.0
- Innenringachse
- 3.1
- Mutterkörper
- 3.2
- zweiter Steg
- 4
- optisches Element
- 4.0
- optische Achse
- 5.1
- erste Verbindung
- 5.1.1
- erster Steg
- 5.1.2
- weiterer Steg
- 5.2
- zweite Verbindung
- 5.3
- dritte Verbindung
- 5.4
- weitere Verbindung
- 6
- Stellschraube
- 6.0
- Stellachse
