DE102013110750B3 - Optische Baugruppe mit einer Fassung mit thermisch abhängigem Kraftausgleich - Google Patents

Abstract

Thermisch kompensierte optische Baugruppe bestehend aus einer monolithischen Fassung, die durch Schlitze in einen Fassungsring (1.1) und wenigstens drei elastische Verbindungen (2.1) unterteilt ist, die mit einem optischen Element (3.1) verbunden sind, wobei die elastischen Verbindungen (2.1) die thermischen Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring (1.1) und dem optischen Element (3.1) durch Verformung kompensieren. Die durch die Verformung hervorgerufenen temperaturabhängigen Reaktionskräfte (FR) werden kompensiert. Dazu sind Kompensationselemente (5.1), in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen (2.1) vorhanden, die jeweils aus einem Dehnungskörper (8.1) und einem Federelement (11.1) bestehen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einer Fassung und einem in dieser gefassten optischen Element.
• Grundsätzlich werden Fassungen für optische Elemente in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Abbildungsqualität sowie den gegebenen Transport-, Lager- und Einsatzbedingungen des optischen Systems, in dem das gefasste optische Element einen Bestandteil bildet, konstruiert. Dabei spielen insbesondere zu erwartende Stoßbelastungen, mögliche Temperaturschwankungen während des Transportes, des Lagerns und des Einsatzes sowie die energetische und spektrale Strahlungsbeeinflussung während des Einsatzes eine Rolle. Unabhängig von den genannten Belastungen muss das optische Element in der Fassung in einer definierten Position spannungsarm dauerhaft gehalten werden.
• Aufgrund der genannten Anforderungen an eine erfindungsgemäße Baugruppe werden nachfolgend nur Baugruppen bzw. Fassungen als Bestandteile solcher Baugruppen aus dem Stand der Technik betrachtet, die gleich einer erfindungsgemäßen Baugruppe ein optisches Element in einer Fassung halten, die über einen vorgegebenen Temperaturbereich einen radialen Dehnungsausgleich zwischen dem Material der Fassung und dem Material des optischen Elementes ermöglicht. Derartige Baugruppen werden als thermisch kompensiert bezeichnet.
• Derartige Fassungen bestehen häufig aus einem starren Fassungsring und mehreren elastischen Verbindungen, über die ein optisches Element direkt oder indirekt über eine Hilfsfassung mit dem Fassungsring verbunden ist. Die elastischen Verbindungen gleichen die radial unterschiedliche Ausdehnung des optischen Elementes und des Fassungsrings aus, indem sie sich reversibel verformen, wobei eine der Verformung entgegenwirkende Reaktionskraft hervorgerufen wird, die an Verbindungsstellen zwischen den elastischen Verbindungen und dem optischen Element auf das optische Element wirkt. Durch eine gezielte Materialauswahl und die konstruktive Ausführung der Verbindungen, sodass diese radial weich sind, oder besondere Gestaltungsmaßnahmen des optischen Elementes, die verhindern sollen, dass einwirkende Kräfte zu Verspannungen der optisch wirksamen Bereiche führen, wird im Stand der Technik versucht, die Auswirkung der Dehnungsunterschiede gering zu halten oder den Ort ihrer Wirkung zu verlagern.
• In der Offenlegungsschrift DE 10 2006 060 088 A1 ist eine optische Baugruppe offenbart, mit einem Fassungsring (dort Halterung), an dem entlang der inneren Umfangsfläche drei mit dem Fassungsring monolithisch verbundene elastische Verbindungen ausgebildet sind, über die der Fassungsring mit einer Linse verbunden ist. Die Verbindungen bestehen jeweils aus einem an dem optischen Element an Verbindungsstellen mittig und tangential anliegenden Biegebalken (dort Steg), dessen Enden in den Fassungsring übergehen. Durch die radiale elastische Nachgiebigkeit der tangential anliegenden Biegebalken können unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem optischen Element und der Fassung ausgeglichen werden, und das optische Element wird innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches spannungsarm gehalten. Das optische Element wird dabei stets zentriert gehalten. Im Grundzustand der optischen Baugruppe, bei Normaltemperatur, sind die Biegebalken entspannt. Bei einer Temperaturänderung werden sie radial zunehmend gespannt, wodurch eine zunehmend größer werdende Reaktionskraft auf die Verbindungsstellen in radialer Richtung wirkt, die eine Druckkraft oder eine Zugkraft, je nach Richtungssinn der Reaktionskraft, darstellt.
• Auch aus der DE 10 2010 008 756 A1 ist eine optische Anordnung ebenfalls mit einer monolithischen Fassung und einem darin über drei elastische Verbindungen (dort Federbeinanordnungen) gehaltenen rotationssymmetrischen optischen Element bekannt. Die Federbeinanordnungen sind jeweils aus zwei Parallelfederbeinen (Biegebalken) gebildet, wobei jeweils eines der Enden beider Parallelfederbeine in einen Fassungsring (dort äußerer Fassungsbereich) übergeht und die anderen Enden in einen Kontaktfuß münden, an dem das optische Element durch Klebung oder Lötung fixiert ist. Die beiden Parallelfederbeine wirken auch hier als Biegebalken und sind in Richtung ihrer Nachgiebigkeit, das heißt senkrecht zur optischen Achse des optischen Elementes mit einem Abstand zueinander angeordnet, der im Verhältnis zu ihrer Länge klein ist. Aus Sicht des optischen Elementes verlaufen sie entlang einer konkaven Krümmungslinie. Bei einer radialen Ausdehnung des optischen Elementes übt dieses auf die Kontaktfüße radial wirkende Kräfte aus, was zur Auslenkung der Parallelfederbeine in einer senkrechten Ebene zur optischen Achse führt. Im Unterschied zu einem einfachen einseitig fixierten Federbein entsteht kein Biegemoment im Kontaktbereich mit dem optischen Element, was sich damit erklären würde, dass die Federbeinanordnung selbst ein Moment im Kontaktbereich erzeugt, welches dem von dem optischen Element ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt, was dazu führt, dass der Kontaktfuß nur eine translatorische Bewegung ausführen kann. Die Parallelfederbeine werden damit mit zunehmender Temperaturdifferenz zur Normaltemperatur zunehmend gespannt, wodurch eine zunehmend größer werdende Reaktionskraft auf die Verbindungsstellen in radialer Richtung wirkt, die eine Druckkraft oder eine Zugkraft, je nach Richtungssinn der Reaktionskraft, darstellt. Eine optische Baugruppe mit einer ähnlichen Fassung ist aus der DE 10 2010 022 934 A1 bekannt.
• In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 B3 ist eine optische Baugruppe, umfassend ein rotationssymmetrisches optisches Element und eine monolithische Fassung, bestehend aus einem Fassungsring und mindestens drei Verbindungen (dort Verbindungseinheiten), über welche das optische Element mit dem Fassungsring verbunden ist, offenbart. Die Verbindungen bestehen aus drei miteinander verbundenen Koppeln, wobei die Koppeln bestimmte Längenverhältnisse zueinander aufweisen und untereinander und mit dem Fassungsring über Festkörpergelenke verbunden sind. Die Koppeln werden innerhalb des Bewegungsbereiches der Verbindung als steif betrachtet, sodass sich die Auslenkung der Verbindung mittels eines Getriebeschemas für ein Koppelgetriebe darstellen lässt. Das optische Element ist jeweils über eine Befestigungsstelle, die jeweils auf einer Geraden geführt wird, an einer der Verbindungen befestigt. Mit dem Auslenken der Verbindungen werden die Festkörpergelenke elastisch verformt, womit in den Festkörpergelenken Rückstellkräfte bewirkt werden, die durch Kraftfluss in Zusammenwirkung jeweils für eine Verbindung an der zugehörigen Befestigungsstelle eine Reaktionskraft in Richtung der Geraden bewirken.
• Es wurde in vorgenannten Schriften darauf hingewiesen, dass die Ausführung der Fassungen als monolithische Bauteile lediglich vorteilhaft ist und Fassungen basierend auf den gezeigten Prinzipien auch durch diskrete Bauteile realisierbar sind.
• Aus der US 2011/0096314 A1 ist eine Fassungsbaugruppe mit einer monolithischen Fassung, bestehend aus einem Fassungsring und elastischen Verbindungsmechanismen, offenbart. Die Verbindungsmechanismen sind hier jeweils durch eine Kette von Verbindungselementen gebildet, die untereinander über Festkörpergelenke verbunden sind. Bei Auslenkung der Festkörpergelenke infolge von Dehnungsunterschieden entsteht auch hier in Abhängigkeit vom Maß der Auslenkung und in Abhängigkeit von der Temperatur eine Rückstellkraft.
• Bei einer in der US 7 139 137 B2 gezeigten Fassungsbaugruppe wird ein optisches Element innerhalb eines Fassungsringes mittelbar über diskrete Federelemente gehalten. An die Federelemente greifen in dem Fassungsring gelagerte Kompressionselemente an, über deren Verstellung das optische Element innerhalb des Fassungsringes justiert werden kann.
• In der US 2010/0097697 A1 ist eine weitere Fassungsbaugruppe offenbart, bei welcher in einer Ausführung, gemäß 16, ein optisches Element innerhalb eines Fassungsringes über Federanordnungen gehalten wird. Die Federanordnungen sind jeweils durch einen am Fassungsring montierten Topf gebildet, indem in Reihe angeordnet ein Stab und eine Feder auf das optische Element wirken. Diese Art der Lagerung soll das optische Element insbesondere vor Transportschäden bewahren.
• Die Lösungen der vorgenannten Schriften haben gemeinsam, dass ein in einer Fassung gefasstes optisches Element über elastische Verbindungen mit einem Fassungsring verbunden ist, um temperaturabhängige Dehnungsunterschiede ausgleichen zu können. Bedingt durch die unterschiedliche Ausdehnung der Fassung und des optischen Elementes werden jedoch an den Verbindungsstellen Reaktionskräfte erzeugt, die auf das optische Element wirken. Diese Reaktionskräfte können zu Verspannungen bzw. zur Änderung von Spannungen im optischen Element führen und damit die Abbildungseigenschaften des optischen Elementes verändern.
• Es ist aus dem Stand der Technik keine derartige optische Baugruppe bekannt, bei der durch zusätzliche Mittel an den Verbindungsstellen eine den Reaktionskräften entgegenwirkende Gegenkraft erzeugt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die an den Verbindungsstellen auftretenden Reaktionskräfte wenigstens teilweise zu kompensieren, um die optische Abbildungsqualität über einen vorgegebenen Temperaturbereich konstant zu halten.
• Diese Aufgabe wird für eine thermisch kompensierte optische Baugruppe, bestehend aus einer monolithischen Fassung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die durch Schlitze in einen Fassungsring und wenigstens drei elastische Verbindungen unterteilt ist, und einem optischen Element mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ungleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung, das mit den Verbindungen jeweils an einer Verbindungsstelle verbunden ist, wobei die elastischen Verbindungen so ausgeführt sind, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring und dem optischen Element innerhalb eines Temperaturbereiches, von einer unteren Grenztemperatur bis zu einer oberen Grenztemperatur, durch Verformung kompensieren, wobei die Verformung jeweils eine temperaturabhängige Reaktionskraft mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung in den Verbindungsstellen hervorruft, gelöst.
• Dazu sind Kompensationselemente in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen vorhanden. Die Kompensationselemente bestehen jeweils aus einem Dehnungskörper mit einer Längsachse und einem in Richtung der Längsachse wirkenden Federelement. Die Dehnungskörper stehen jeweils mit dem Fassungsring und die Federelemente stehen jeweils mit einer der Verbindungen in Kontakt. Die Verbindungen und die Federelemente sind so zueinander angeordnet, dass sie bei einer der Grenztemperaturen des Temperaturbereiches entspannt sind, sodass die Reaktionskraft über den gesamten Temperaturbereich in einem gleichen Richtungssinn wirkt. Dabei sind die Dehnungskörper und die Federelemente so ausgelegt, dass die Kompensationselemente jeweils eine temperaturabhängige Kompensationskraft verursachen, die an den Verbindungsstellen jeweils eine Gegenkraft hervorruft, welche der Reaktionskraft entgegenwirkt.
• Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der unteren Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein äußeres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende des Dehnungskörpers anliegt.
• Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der oberen Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein äußeres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende des Dehnungskörpers anliegt.
• Es ist von Vorteil, wenn die Druckfeder als eine Rohrfeder ausgeführt ist und der Dehnungskörper eine Vorspannhülse mit einem an seinem äußeren Ende ausgebildeten Außengewinde ist, wobei die Rohrfeder und die Vorspannhülse ein Innengewinde aufweisen, in das ein Kalibrierbolzen eingeschraubt ist, womit über die Einschraublänge des Kalibrierbolzens in die Rohrfeder die Federkonstante der Rohrfeder veränderbar ist.
• Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der unteren Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein inneres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende des Dehnungskörpers befestigt ist.
• Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der oberen Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein inneres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende des Dehnungskörpers befestigt ist.
• Vorteilhaft sind die Längsachsen fluchtend zu den durch die Verbindungsstellen verlaufenden Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte angeordnet und die Kompensationselemente sind so ausgelegt, dass die Gegenkraft gleich der Kompensationskraft ist.
• Das optische Element kann unmittelbar oder mittelbar über eine Hilfsfassung mit den Verbindungen verbunden sein.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
• 1 eine Darstellung der Entstehung der Reaktionskräfte in einer Verbindungsstelle anhand einer optischen Baugruppe gemäß dem Stand der Technik,
• 2 eine Darstellung der Entstehung der Reaktionskräfte in einer Verbindungsstelle anhand einer optischen Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 B3 ,
• 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe mit einem Kraft-Temperatur-Diagramm und
• 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe mit einem Kraft-Temperatur-Diagramm.
• Eine optische Baugruppe besteht grundsätzlich aus einer Fassung, bestehend aus einem Fassungsring 1.1, 1.2 und wenigstens drei an dem Fassungsring 1.1, 1.2 ausgebildeten elastischen Verbindungen 2.1, 2.2, einer Anzahl von Kompensationselementen 5.1, 5.2, gleich der Anzahl der Verbindungen 2.1, 2.2, und einem optischen Element 3.1, 3.2, das an Verbindungsstellen 4.1, 4.2 mit den Verbindungen 2.1, 2.2 verbunden ist. Die elastischen Verbindungen 2.1, 2.2 sind so ausgeführt, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring 1.1, 1.2 und dem optischen Element 3.1, 3.2 durch Verformung innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen einer unteren Grenztemperatur T_U und einer oberen Grenztemperatur T_O kompensieren. Unter Verformung soll hier sowohl die Verbiegung elastisch nachgiebiger Glieder als auch eine Verstellung von starren, untereinander über elastische Gelenke verbundenen Gliedern verstanden werden.
• Die Fassung ist monolithisch gefertigt, gebildet durch einen Ring, der durch Schlitze in den Fassungsring 1.1, 1.2 und die Verbindungen 2.1, 2.2 unterteilt ist.
• Die Kompensationselemente 5.1, 5.2 sind in den Fassungsring 1.1, 1.2 montiert und bestehen jeweils aus einem Dehnungskörper 8.1, 8.2 mit einer Längsachse 7.1, 7.2 sowie einem in Richtung der Längsachse 7.1, 7.2 wirkenden Federelement 11.1, 11.2. Ein äußeres Ende 9.1, 9.2 des in den Fassungsring 1.1, 1.2 montierten Dehnungskörpers 8.1, 8.2 ist dem äußeren Umfang des Fassungsrings 1.1, 1.2 zugewandt und ein inneres Ende 10.1, 10.2 ist dem optischen Element 3.1, 3.2 zugewandt. Der Dehnungskörper 8.1, 8.2 besteht aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes α_K. Durch die Materialwahl für den Dehnungskörper 8.1, 8.2 und seine Dimensionierung, insbesondere seine Länge entlang der Längsachse 7.1, 7.2, kann der Federweg, um den das Federelement 11.1, 11.2 über den Temperaturbereich gedehnt bzw. gestaucht wird, und damit dessen Federkennlinie beeinflusst werden. Der Dehnungskörper 8.1, 8.2 steht mit dem Fassungsring 1.1, 1.2 und das Federelement 11.1, 11.2 steht mit einem Angriffspunkt 6.1, 6.2 an einer der Verbindungen 2.1, 2.2 in Kontakt. Das Material und die Dimensionierung der Kompensationselemente 5.1, 5.2 ist im Wesentlichen abhängig von der Reaktionskraft F_R und ist damit abhängig von den Materialien und der Dimensionierung der Fassung und des optischen Elementes 3.1, 3.2 sowie der Elastizität der Verbindungen 2.1, 2.2.
• Vorteilhaft sind die Kompensationselemente 5.1 so im Fassungsring 1.1 montiert, dass deren Längsachsen 7.1 fluchtend zu den Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte F_R durch die Verbindungsstellen 4.1 verlaufen, das heißt, die Angriffspunkte 6.1 liegen auf einer durch die Verbindungsstellen 4.1 in Wirkungsrichtung verlaufenden Geraden. Die Kompensationselemente 5.1 müssen dann jeweils nur eine Kompensationskraft F_K gleich einer Gegenkraft F_G bewirken, die sich mit entgegengesetzten Vorzeichen und mit ihrem Betrag, idealerweise gleich den Reaktionskräften F_R, ändert.
• Die Kompensationselemente 5.2 können hierzu auch versetzt angeordnet sein, das heißt, die Angriffspunkte 6.2 liegen nicht auf einer durch die Verbindungsstellen 4.2 in Wirkungsrichtung der Reaktionskraft F_R verlaufenden Geraden. Das kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die Verbindung 2.2 keinen Angriffspunkt 6.2 oder keine Montagemöglichkeit bietet, an welche die Kompensationselemente 5.2, fluchtend zu den Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte F_R durch die Verbindungsstellen 4.2, angebracht werden können. Die Kompensationselemente 5.2 sind dann so konstruiert und in der Fassung mit ihrer Längsachse 7.2 angeordnet, dass sie jeweils an dem Angriffspunkt 6.2 auf einer der Verbindungen 2.2 eine solche Kompensationskraft F_K mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung erzeugen, dass in der Verbindungsstelle 4.2 eine der Reaktionskraft F_R entgegenwirkende Gegenkraft F_G verursacht wird, welche diese idealerweise über den Temperaturbereich kompensiert, und ein durch den Versatz bewirktes Moment aufgehoben wird.
• Um die Kompensationswirkung für den Temperaturbereich zu erreichen, darf sich der Richtungssinn der entstehenden Reaktionskraft F_R während des Temperaturanstiegs bzw. während des Temperaturabfalls nicht ändern, weshalb die Fassung und die Kompensationselemente 5.1, 5.2 so miteinander montiert werden müssen, dass sie bei einer gleichen Temperatur entweder unterhalb oder bei der unteren Grenztemperatur T_U (wenn der Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der der Fassung ist) bzw. oberhalb oder bei der oberen Grenztemperatur T_O (wenn der Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der der Fassung ist) entspannt sind. Das hat zur Folge, dass sie bei einer Nenntemperatur T_N, die häufig als 25° angenommen wird und innerhalb des Temperaturbereiches liegt, unter Vorspannung montiert werden. Wichtig ist, dass die Vorspannung vor der Montage des optischen Elementes 3.1, 3.2 in die Fassung eingebracht wird. Da sich die Vorspannung des Kompensationselementes 5.1, 5.2, welche eine Kompensationskraft F_K bewirkt, und die Vorspannung der Verbindung 2.1, 2.2 idealerweise kompensieren, wirkt dann keine Kraft auf das optische Element 3.1, 3.2 und es wird kraftfrei, in der Fassung gehalten.
• Idealerweise wird durch die Addition der Gegenkräfte F_G und der Reaktionskräfte F_R an den Verbindungsstellen 4.1, 4.2 die Kraftwirkung auf das optische Element 3.1, 3.2 über einen ausgedehnten Temperaturbereich vollständig aufgehoben. Mit dieser Maßnahme unterscheidet sich eine erfindungsgemäße optische Baugruppe von allen aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgleichen optischen Baugruppen.
• Wie bereits erwähnt handelt es sich bei den Kompensationselementen 5.1, 5.2 um Bauteile mit einem starren Dehnungskörper 8.1, 8.2 gepaart mit einem Federelement 11.1, 11.2.
• Vorteilhafte Ausführungen der Kompensationselemente 5.1, 5.2 werden nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen für die optische Baugruppe anhand von 3 und 4 erläutert.
• Diese beiden Ausführungsbeispiele stellen eine Weiterentwicklung zweier optischer Baugruppen dar, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind und wie sie einleitend erläutert wurden. Sie stellen damit zwei ausgewählte Beispiele von thermisch kompensierten optischen Baugruppen dar, bei denen temperaturabhängig Verbindungen 2.1, 2.2 verformt werden, sodass an den Verbindungsstellen 4.1, 4.2 des gefassten optischen Elementes 3.1, 3.2 mit den Verbindungen 2.1, 2.2 jeweils eine Reaktionskraft F_R erzeugt wird.
• Entsprechend der anhand dieser beiden Ausführungsbeispiele aufgezeigten Lehre zur Anordnung und Ausführung der Kompensationselemente 5.1, 5.2 können andere derartige optische Baugruppen, so z. B. auch solche gemäß der in der Einleitung gewürdigten DE 10 2010 008 756 A1 oder DE 10 2010 022 934 A1 weiterentwickelt werden.
• Die Entstehung der Reaktionskräfte F_R wird nachfolgend für die beiden ausgewählten Beispiele erläutert.
• 1 zeigt eine bereits in der Einleitung beschriebene optische Baugruppe gemäß der DE 10 2006 060 088 A1 mit einer monolithischen Fassung bestehend aus einem Fassungsring 1.1 und drei elastischen Verbindungen 2.1 sowie einem in der Fassung über drei Verbindungsstellen 4.1 gehaltenen optischen Element 3.1. Die Fassung ist aus einem Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_F, im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des optischen Elementes α_E. Damit erfährt bei Temperaturänderungen von einer Nenntemperatur T_N ausgehend insbesondere der Fassungsring 1.1 eine stärkere Ausdehnung bzw. stärke Schrumpfung als das optische Element 3.1. Die damit entstehende Verformung der Verbindungen 2.1, die hier jeweils beidseitig fixierte Biegebalken darstellen, die jeweils mittig eine der Verbindungsstellen 4.1 mit dem optischen Element 3.1 bilden, führen in den Verbindungsstellen 4.1 radial wirkende Reaktionskräfte F_R, deren Richtungssinn sich in einem Umkehrpunkt bei der Nenntemperatur T_N ändert, wenn die optische Baugruppe bei der Nenntemperatur T_N entspannt montiert wurde.
• 2 zeigt eine ebenfalls bereits in der Einleitung beschriebene optische Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 A1 mit einer monolithischen Fassung bestehend aus einem Fassungsring 1.2 und drei elastischen Verbindungen 2.2 sowie einem in der Fassung über drei Verbindungsstellen 4.2 gehaltenen optischen Element 3.2. Die Fassung ist auch hier aus einem Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_F im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des optischen Elementes α_E. Damit erfährt auch hier bei Temperaturänderungen insbesondere der Fassungsring 1.2 eine stärkere Ausdehnung bzw. stärkere Schrumpfung als das optische Element 3.2. Die damit entstehende Verformung der Verbindungen 2.2, die hier durch Koppeln gebildet werden, die untereinander und mit dem Fassungsring 1.2 über Festkörpergelenke verbunden sind, führen zu linearen, in den Verbindungsstellen 4.2 bevorzugt radial wirkenden Reaktionskräften F_R.
• Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine optische Baugruppe ist in 3 gezeigt. Die so ausgeführte optische Baugruppe weist alle Merkmale der anhand von 1 beschriebenen optischen Baugruppe gemäß der DE 10 2006 060 088 A1 auf, zuzüglich dreier Kompensationselemente 5.1. Das optische Element 3.1 ist z. B. aus Quarzglas, die Kompensationselemente 5.1 sind z. B. aus Aluminium und die Fassung ist z. B. aus Stahl. Entsprechend dem Beispiel der Materialauswahl ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes α_E kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung α_F, der wiederum kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes α_K ist. Die Kompensationselemente 5.1 sind identisch ausgeführt und werden anhand eines der Kompensationselemente 5.1, welches einer der Verbindungen 2.1 und damit einer der Verbindungsstellen 4.1 zugeordnet ist, nachfolgend erklärt.
• Ein Kompensationselement 5.1 besteht aus einem Dehnungskörper 8.1, der hier als eine Vorspannhülse mit einem Außen- und einem Innengewinde ausgeführt ist, einem Federelement 11.1, das hier eine Druckfeder ist, die speziell als eine Rohrfeder mit einem gleichen Innengewinde wie die Vorspannhülse ausgeführt ist und einem Kalibrierbolzen 12 mit einem zu den Innengewinden kompatiblen Außengewinde. Die Vorspannhülse und die Rohrfeder sind fluchtend hintereinander entlang der Längsachse 7.1 angeordnet und über den eingeschraubten Kalibrierbolzen 12 fest miteinander verbunden. Über die Einschraubtiefe des Kalibrierbolzens 12 in die Rohrfeder kann deren Federkonstante und damit deren Federkennlinie verändert werden. Da die Vorspannhülse, die Rohrfeder und die Vorspannhülse aus einem gleichen Material, hier z. B. Aluminium, bestehen, erfahren sie bei Temperaturänderungen gleiche Längenänderungen entlang der Längsachse 7.1 und es entstehen keine Spannungen innerhalb des Kompensationselementes 5.1. Damit die Reaktionskraft F_R über den gesamten Temperaturbereich in eine Richtung und einer durch die Kompensationselemente 5.1 bewirkten Kompensationskraftkraft F_K entgegenwirkt, sind die Verbindungen 2.1 und entsprechend die Federelemente 11.1 bei Nenntemperatur T_N so vorgespannt, dass sie bei der unteren Grenztemperatur T_U entspannt sind.
• Das Kompensationselement 5.1 ist über das Außengewinde der Vorspannhülse in radialer Richtung in den Fassungsring 1.1 eingeschraubt und zwar so tief, dass es bei der unteren Grenztemperatur T_U an der nicht vorgespannten Verbindung 2.1 an dem Angriffspunkt 6.1, der hier als Anlagefläche ausgedehnt ist, angelegt ist. Indem das Kompensationselement 5.1 über das Außengewinde, welches sich am äußeren Ende 9.1 der Vorspannhülse befindet, während das innere Ende 10.1 der Vorspannhülse an der Rohrfeder anliegt, fest mit dem Fassungsring 1.1 verbunden ist, wird das Kompensationselement 5.1 entsprechend der radialen Ausdehnung des Fassungsrings 1.1 mitgenommen und dehnt sich selbst in die entgegengesetzte Richtung zur Ausdehnung des Fassungsrings 1.1 somit stark aus. Die anliegende Verbindung 2.1 wird aufgrund der vergleichsweise geringeren radialen Ausdehnung des optischen Elementes 3.1 aus Sicht des optischen Elementes 3.1 konvex verformt. Das Kompensationselement 5.1 wirkt der Verformung mit zunehmender Ausdehnung zunehmend entgegen, da es sich in entgegengesetzter Richtung und um einen Betrag größer der Ausdehnungsdifferenz zwischen der Fassung und dem optischen Element 3.1 ausdehnt und somit die Rohrfeder zunehmend zusammengedrückt wird. Das heißt, der Anteil des Betrages, der größer der Ausdehnungsdifferenz ist, führt zur Komprimierung der Rohrfeder um einen Federweg, der eine Kompensationskraft F_K bewirkt, die vollständig als Gegenkraft F_G der Reaktionskraft F_R entgegenwirkt.
• Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine optische Baugruppe ist in 4 gezeigt. Es weist alle Merkmale der anhand von 2 beschriebenen optischen Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 A1 auf, zuzüglich von sechs Kompensationselementen 5.2. Das optische Element 3.2 ist z. B. aus Quarzglas, die Kompensationselemente 5.2 sind z. B. aus Stahl und die Fassung ist z. B. aus Aluminium. Bei dieser Materialkomposition ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes α_E kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes α_K, der wiederum kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung α_F ist. Die Kompensationselemente 5.2 sind identisch ausgeführt und werden anhand eines der Kompensationselemente 5.2 nachfolgend erklärt.
• Ein Kompensationselement 5.2 besteht aus einem Dehnungskörper 8.2, der hier als eine Vorspannhülse mit einem Außengewinde am inneren Ende 10.2 ausgeführt ist, und einem Federelement 11.2, das hier als eine Schraubenzugfeder ausgeführt ist. Diese kann vorteilhaft, muss aber nicht, aus dem gleichen Material wie die Vorspannhülse, welche für die thermische Dehnung des Kompensationselementes 5.2 bestimmend ist, ausgeführt sein. Die Schraubenzugfeder ist einerseits fest mit dem äußeren Ende 9.2 der Vorspannhülse und anderseits an dem Angriffspunkt 6.2 der Verbindung 2.2 fixiert. Obwohl der Angriffspunkt 6.2 für jedes Ausführungsbeispiel vorteilhaft auf einer Linie mit der Wirkungsrichtung der zu kompensierenden Reaktionskraft F_R liegt, soll er hier beispielhaft nicht in der Wirkungsrichtung der Reaktionskraft F_R liegen, sondern hierzu versetzt sein. Das Kompensationselement 5.2 ist mit seiner Längsachse 7.2 dann so im Fassungsring 1.2 montiert und so dimensioniert, das eine Kompensationskraft F_K erzeugt wird, die eine erste Komponente in der Wirkungsrichtung der Reaktionskraft F_R mit entgegengesetztem Richtungssinn erzeugt, die dann die Gegenkraft F_G bildet und eine zweite Komponente erzeugt, die dem Moment entgegenwirkt, welches durch den Versatz des Angriffspunktes 6.2 zur Wirkungsrichtung der Reaktionskraft F_R durch die Verbindungsstelle 4.2 entsteht.
• Indem das Kompensationselement 5.2 über das Außengewinde der Vorspannhülse fest mit dem Fassungsring 1.2 verbunden ist, wird das Kompensationselement 5.2 entsprechend der radialen Ausdehnung des Fassungsrings 1.2 mitgenommen und dehnt sich hierbei in gleicher Richtung wie der Fassungsring 1.2 aus, womit der Federweg des Federelementes 11.2 über den Dehnungsunterschied zwischen dem optischen Element 3.2 und dem Fassungsring 1.2 hinaus vergrößert wird. Der Federweg, um den sich die Schraubenzugfeder dann temperaturabhängig ausdehnt und damit eine Kompensationskraft F_K hervorruft, kann so über die Dimensionierung der Schraubenzugfeder und der Vorspannhülse optimiert werden.
• Damit die Reaktionskraft F_R über den gesamten Temperaturbereich in eine Richtung und einer durch die Kompensationselemente 5.1 bewirkten Kompensationskraftkraft F_K entgegenwirkt, sind die Verbindungen 2.2 und entsprechend die Federelemente 11.2 bei Nenntemperatur T_N so vorgespannt, dass sie bei der oberen Grenztemperatur T_O entspannt sind.
• Es erschließt sich dem Fachmann aus den beiden Ausführungsbeispielen, dass die Kompensationselemente 5.1, 5.2 grundsätzlich an beliebiger Stelle im Fassungsring 1.1, 1.2 und mit einer Winkellage der Längsachse 7.1, 7.2 zum Durchmesser des Fassungsrings 1.1, 1.2 kleiner 90° montiert sein können, sofern das freie Ende des Federelementes 11.1, 11.2 Kontakt mit der Verbindung 1.1, 1.2 hat und das Kompensationselement 5.1, 5.2 so ausgelegt ist, dass die erzeugte Kompensationskraft F_K im Betrag und in der Wirkungsrichtung so entsteht, dass sie an der Verbindungsstelle 4.1, 4.2 der Verbindung 2.1, 2.2 eine der Reaktionskraft F_R entgegenwirkende Gegenkraft F_G zur Folge hat.
• Die Ausführung eine solchen optischen Baugruppe ist auch nicht daran gebunden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner dem der Fassung ist, sondern kann in Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre auch für Kombinationen von optischen Elementen mit einer Fassung realisiert werden, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist.
• Bei der Ausführung der optischen Baugruppe mit Kompensationselementen 5.1, 5.2 mit Druckfedern ist dann in umgekehrter Weise der entspannte Zustand für die obere Grenztemperatur T_O herzustellen, während bei Ausführung der optischen Baugruppe mit Kompensationselementen 5.1, 5.2 mit Zugfedern der entspannte Zustand für die untere Grenztemperatur T_U herzustellen ist.
• Es ist von Vorteil, wenn die Abhängigkeit der Reaktionskraft F_R und der Kompensationskraft F_K von der Temperatur linear ist. Grundsätzlich kann die Abhängigkeit auch nichtlinear sein, solange die Verläufe aufeinander abgestimmt sind. Wenn die Verbindung 2.1, 2.2 eine nichtlineare Reaktionskraft F_R bewirkt, kann für das Kompensationselement 5.1, 5.2 z. B. eine Feder mit nichtlinearer Kennlinie verwendet werden oder das Kompensationselement 5.1, 5.2 wird so im Fassungsring 1.1, 1.2 angeordnet, dass die Kompensationskraft F_K entsprechend nichtlinear auf die Verbindungsstelle 4.1, 4.2 übertragen wird.
• Bezugszeichenliste

1.1

Fassungsring (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

1.2

Fassungsring (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

2.1

Verbindung (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

2.2

Verbindung (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

3.1

optisches Element (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

3.2

optisches Element (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

4.1

Verbindungsstelle (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

4.2

Verbindungsstelle (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

5.1

Kompensationselement (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

5.2

Kompensationselement (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

6.1

Angriffspunkt (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

6.2

Angriffspunkt (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

7.1

Längsachse (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

7.2

Längsachse (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

8.1

Dehnungskörper (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

8.2

Dehnungskörper (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

9.1

äußeres Ende (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

9.2

äußeres Ende (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

10.1

inneres Ende (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

10.2

inneres Ende (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

11.1

Federelement (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)

11.2

Federelement (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)

12

Kalibrierbolzen

F_R

Reaktionskraft

F_K

Kompensationskraft

F_G

Gegenkraft

T_N

Nenntemperatur

T_O

obere Grenztemperatur

T_U

untere Grenztemperatur

α_E

thermischer Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes

α_F

thermischer Ausdehnungskoeffizient der Fassung

α_K

thermischer Ausdehnungskoeffizient des Kompensationselementes

Claims (10)

1. Thermisch kompensierte optische Baugruppe bestehend aus einer monolithischen Fassung, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_F), die durch Schlitze in einen Fassungsring (1.1, 1.2) und wenigstens drei elastische Verbindungen (2.1, 2.2) unterteilt ist, und einem optischen Element (3.1, 3.2) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_E) ungleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (α_F), das mit den Verbindungen (2.1, 2.2) jeweils an einer Verbindungsstelle (4.1, 4.2) verbunden ist, wobei die elastischen Verbindungen (2.1, 2.2) so ausgeführt sind, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen der Fassung und dem optischen Element (3.1, 3.2) innerhalb eines Temperaturbereiches, von einer unteren Grenztemperatur (T_U) bis zu einer oberen Grenztemperatur (T_O), durch Verformung kompensieren, wobei die Verformung jeweils eine temperaturabhängige Reaktionskraft (F_R) mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung in den Verbindungsstellen (4.1, 4.2) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass Kompensationselemente (5.1, 5.2) in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen (2.1, 2.2) vorhanden sind, wobei die Kompensationselemente (5.1, 5.2) jeweils aus einem Dehnungskörper (8.1, 8.2) mit einer Längsachse (7.1, 7.2) und einem in Richtung der Längsachse (7.1, 7.2) wirkenden Federelement (11.1, 11.2) bestehen und jeweils der Dehnungskörper (8.1, 8.2) mit dem Fassungsring (1.1, 1.2) und das Federelement (11.1, 11.2) mit jeweils einer der Verbindungen (2.1, 2.2) in Kontakt steht, wobei die Verbindungen (2.1, 2.2) und die Federelemente (11.1, 11.2) bei einer der Grenztemperaturen (T_U, T_O) entspannt sind, sodass die Reaktionskraft (F_R) über den gesamten Temperaturbereich in einem gleichen Richtungssinn wirkt und der Dehnungskörper (8.1, 8.2) und das Federelement (11.1, 11.2) bezüglich ihrer Dimensionierungen und ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_F, α_K) so ausgelegt sind, dass die Kompensationselemente (5.1, 5.2) eine temperaturabhängige Kompensationskraft (F_K) verursachen, die an den Verbindungsstellen (4.1, 4.2) eine Gegenkraft (F_G) hervorruft, welche der Reaktionskraft (F_R) entgegenwirkt.
2. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (α_E) kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (α_F) und die Verbindungen (2.1) und die Federelemente (11.1) bei der unteren Grenztemperatur (T_U) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.1) mit dem Fassungsring (1.1) über ein äußeres Ende (9.1) des Dehnungskörpers (8.1) gegeben ist und das Federelement (11.1) als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende (10.1) des Dehnungskörpers (8.1) anliegt.
3. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (α_E) größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (α_F) und die Verbindungen (2.1) und die Federelemente (11.1) bei der oberen Grenztemperatur (T_O) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.1) mit dem Fassungsring (1.1) über ein äußeres Ende (9.1) des Dehnungskörpers (8.1) gegeben ist und das Federelement (11.1) als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende (10.1) des Dehnungskörpers (8.1) anliegt.
4. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungskörper (8.1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_K) größer dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (α_F) aufweist.
5. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder eine Rohrfeder ist, der Dehnungskörper (8.1) eine Vorspannhülse mit einem an einem äußeren Ende (9.1) des Dehnungskörpers (8.1) ausgebildeten Außengewinde ist und die Rohrfeder und die Vorspannhülse ein Innengewinde aufweisen, in das ein Kalibrierbolzen (12) eingeschraubt ist, womit Ober die Einschraublänge des Kalibrierbolzens (12) in die Rohrfeder die Federkonstante der Rohrfeder veränderbar ist.
6. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (α_E) kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (α_F) und die Verbindungen (2.2) und die Federelemente (11.1) bei der unteren Grenztemperatur (T_U) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.2) mit dem Fassungsring (1.2) über ein inneres Ende (9.2) des Dehnungskörpers (8.2) gegeben ist, wobei das Federelement (11.2) als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende (10.2) des Dehnungskörpers (8.2) befestigt ist.
7. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (α_E) größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (α_F) und die Verbindungen (2.2) und die Federelemente (11.2) bei der oberen Grenztemperatur (T_O) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.2) mit dem Fassungsring (1.2) über ein inneres Ende (9.2) des Dehnungskörpers (8.2) gegeben ist, wobei das Federelement (11.2) als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende (10.2) des Dehnungskörpers (8.2) befestigt ist.
8. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungskörper (8.2) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_K) kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (α_F) aufweist.
9. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (7.1, 7.2) fluchtend zu den durch die Verbindungsstellen (4.1, 4.2) verlaufenden Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte (F_R) angeordnet sind und die Kompensationselemente (5.1, 5.2) so ausgelegt sind, dass die Gegenkraft (F_G) gleich der Kompensationskraft (F_K) ist.
10. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3.1, 3.2) mittelbar über eine Hilfsfassung mit den Verbindungen (2.1, 2.2) verbunden ist.

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