-
Optische Vorrichtung mit einer Kompensation eines thermooptischen Effekts zumindest einer ersten optischen Komponente mittels zumindest einer zweiten, bezüglich einer optischen Achse axial durch einen Luftspalt von der zumindest einen ersten Komponente beabstandeten Komponente.
-
Optische Vorrichtungen, beispielsweise Objektive von Bildaufnahmegeräten wie Kameras, CCD-Chips und dergleichen und Geräten zur Bildprojektion sind temperaturempfindlich. Hierbei können optische Komponenten, beispielsweise Linsen, Spiegel und dergleichen der Vorrichtung abhängig von der Temperatur thermooptische Effekte ausbilden, die zu Abbildungsfehlern führen. Diese Abbildungsfehler können zumindest teilweise kompensiert werden, wenn auf der optischen Achse zusätzliche optische Komponenten, beispielsweise weitere Linsen, Spiegel und dergleichen auf der optischen Achse verlagert werden.
-
Aus der
DE 10 2009 043 161 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine optische Komponente in einem gegenüber dem Gehäuse verlagerbaren Fassungsteil aufgenommen ist und mittels mehrerer seriell hintereinander geschalteter und mit dem Fassungsteil verbundener, mittels Verbindungsgliedern gegenüber dem Gehäuse axial verschiebbaren Dehnungskörpern an dem Gehäuse axial abhängig von der Temperatur verlagerbar aufgenommen ist. Durch die Aneinanderreihung der Dehnungskörper wird eine derartige Vorrichtung schwer und nimmt einen großen Bauraum ein. Aufgrund des entlang der optischen Achse verlagerbaren Fassungsteils der optischen Komponente können unerwünschte Reibungskräfte zwischen dem Fassungsteil und dem Gehäuse auftreten.
-
Aus der
US 5283695 A ist ein optisches System bekannt, bei dem eine Temperaturkompensation der Abbildungsoptik zwischen einem Licht emittierenden Laser und einer Kollimatorlinse durch Verlagerung der Kollimatorlinse mittels einer konisch ausgebildeten Halterung dieser vorgesehen ist. Die Halterung ist an einem Gehäuse radial spielbehaftet und axial federbelastet an dem Gehäuse aufgenommen.
-
Aus der
US 6040950 A ist eine Athermalisierungseinrichtung bekannt umfassend: ein erstes Linsenelement mit einer optischen Achse; eine Mehrzahl von ersten Stützelementen, von denen jedes ein erstes Ende, das mit dem ersten Linsenelement gekoppelt ist, und ein zweites Ende aufweist, wobei jedes der ersten Stützelemente von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende einen Winkel bezüglich der optischen Achse bildet; und zweites Stützelement, das direkt mit dem zweiten Ende eines jeden ersten Stützelements verbunden ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung einer optischen Vorrichtung mit einem passiv kompensierten thermooptischen Effekt zumindest einer optischen Komponente, welche kompakt, reibungsarm und mit einer geringen Masse ausgebildet ist.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
-
Die vorgeschlagene optische Vorrichtung kann als Objektiv, Linsengruppe eines Objektivs oder dergleichen in einem analogen oder digitalen optischen System, beispielsweise einer Bilderfassungseinheit oder Strahlenerfassungseinrichtung wie Kamera, Scanner und dergleichen oder einer bildgebenden Einrichtung wie beispielsweise einem Projektor, Beamer oder dergleichen vorgesehen sein. In diesem Sinne sind von dem erfinderischen Gedanken auch Objektive und die zugehörigen optischen Systeme umfasst. Die optische Vorrichtung ist aufgrund ihres kompakten Aufbaus, der geringen Masse und des robusten Aufbaus in besonderer Weise für Flugobjekte wie Raumfahrzeuge und dergleichen geeignet. Entsprechende Flugobjekte, enthaltend die optische Vorrichtung sind in ihrer Kombination ebenfalls von dem erfinderischen Gedanken umfasst.
-
Die vorgeschlagene optische Vorrichtung enthält eine Kompensation eines thermooptischen Effekts zumindest einer ersten optischen Komponente mittels zumindest einer zweiten, bezüglich einer optischen Achse axial durch einen Luftspalt von der zumindest einen ersten Komponente beabstandeten Komponente. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein sich an einer Linse, beispielsweise einer Linse aus Kalziumfluorid in Abhängigkeit von der herrschenden Temperatur beispielsweise durch Änderung des Brechungsindexes, Materialverdickungen oder -abschwächungen, Oberflächenveränderungen und dergleichen ein thermooptischer Effekt mit daraus resultierenden Abbildungsfehlern einstellt. Mittels einer Änderung des Luftspalts zwischen dieser Linse gegenüber einer benachbarten Linse, beispielsweise einer Linse aus Siliziumdioxid wie Quarzglas können die Abbildungsfehler zumindest teilweise kompensiert werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die zumindest zwei optischen Komponenten zur Vermeidung von gegeneinander verschieb- und verlagerbaren Bauteilen mittels Halterungen an dem Gehäuse fest, das heißt, formschlüssig beziehungsweise kraftschlüssig aufzunehmen. Aufgrund der fehlenden beweglichen Teile kann ein besonders robuster Aufbau erzielt werden, dessen Teile weder unter Temperatureinfluss verklemmen oder hohe Reibmomente ausbilden.
-
Um trotz einer festen Aufnahme der optischen Komponenten an dem Gehäuse eine Kompensation der auftretenden thermooptischen Effekte zu erzielen, ist zumindest eine erste optische Komponente mittels einer auf einer Senkrechten zur optischen Achse angeordneten Halterung angeordnet. Die zumindest eine zweite optische Komponente ist hierbei mittels zumindest eines Festkörpergelenks und einer von der Senkrechten um einen vorgegebenen Winkel abweichenden Hebel enthaltenden Halterung mit einem den Luftspalt abhängig von thermooptischen Effekten der zumindest einen ersten optischen Komponente kompensierenden Temperaturausdehnungskoeffizienten an dem Gehäuse aufgenommen. Dies bedeutet, dass eine erste optische Komponente mittels einer axial zwischen einem Punkt der der optischen Achse und dem Gehäuse orthogonal zur optischen Achse aufgenommen ist. Eine axiale Verlagerung dieser ersten Komponente gegenüber einer zweiten im Abstand eines Luftspalts angeordneten zweiten Komponente erfolgt allenfalls im Rahmen einer zu vernachlässigenden axialen Ausdehnung des Gehäuses zwischen den beiden Aufnahmen der Halterungen der ersten und zweiten Komponenten. Im Gegensatz hierzu enthält die Halterung einer zweiten optischen Komponente jeweils mehrere,, in einem vorgegebenen Winkel zu der Senkrechten angeordneten Hebel. Eine Temperaturänderung der Vorrichtung bewirkt dabei eine Längenveränderung des Gehäuses in radiale Richtung, beispielsweise bei einem runden Gehäuse eine Änderung dessen Durchmessers, so dass über das zumindest eine Festkörpergelenk zwischen Gehäuse und Halterung die auf die Halterung wirkenden Radialkräfte verändert werden und daher aufgrund der nicht senkrechten Ausbildung des Hebels gegenüber der optischen Achse eine Axialverlagerung der zweiten optischen Komponente gegenüber der ersten erfolgt, das heißt, der Luftspalt abhängig von der Temperatur vergrößert oder verkleinert wird. Bei entsprechender Auslegung der Temperaturkoeffizienten der Bauteile, beispielsweise mittels des Materials des Gehäuses mit bevorzugt großen Temperaturkoeffizienten, des Hebels mit bevorzugt geringem Temperaturkoeffizienten kann der Luftspalt an die thermooptischen Effekte angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich können der Winkel des Hebels gegenüber der Senkrechten und/oder die Länge des Hebels beziehungsweise eine effektiv wirksame Länge des Hebels eingestellt werden.
-
Zumindest eine erste optische Komponente kann als Linse, Spiegel, Filter oder dergleichen ausgebildet sein. Insbesondere für Einsätze der optischen Vorrichtung in einer Optik, beispielsweise im UV- oder UV-VIS-Frequenzbereich haben sich optische Komponenten mit einer ersten Linse aus Kalziumfluorid als vorteilhaft erwiesen. Eine derartige erste Linse ist bevorzugt in einer Fassung aus Aluminium eingefasst. Unter dem Begriff Aluminium sind im Sinne der Erfindung auch dessen Legierungen zu verstehen. Die Fassung kann einteilig mit dem Halteteil, welches aus demselben Material hergestellt sein kann, verbunden sein. Die Temperaturkoeffizienten von Fassung, Halterung und erster Linse sind dabei ausreichend ähnlich, dass eine Beschädigung der ersten Linse mit einem Temperaturkoeffizienten von ca. 18,5 × 10–6 mm/K ausgeschlossen ist.
-
Zumindest eine zweite optische Komponente kann als Linse, Spiegel, Filter oder dergleichen ausgebildet sein. In besonders vorteilhafter Weise ist die zumindest eine zweite optische Komponente aus einer aus Siliziumdioxid bestehenden, zweiten Linse gebildet. In vorteilhafter Weise ist die zweite Linse in eine Fassung aus Invar-Stahl gefasst, welcher einen ähnlichen und daher für die zweite Linse unschädlichen Temperaturkoeffizienten wie die zweite Linse in Höhe von ca. 0,55 × 10–6 mm/K aufweist.
-
Das Gehäuse ist bevorzugt aus Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierung und damit in bevorzugter Weise aus demselben Material wie die Halterung der ersten optischen Komponente hergestellt, so dass die Aufnahme der ersten optischen Komponente an dem Gehäuse bezüglich Temperaturveränderungen unproblematisch ist. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeweils ein Gehäusering für jede optische Komponente eine Halterung aufnimmt und anschließend die Gehäuseringe unter Bildung des Gehäuses kraftschlüssig verbunden, beispielsweise verschraubt werden. Die Halterungen der ersten optischen Komponente ist hierbei fest mit dem Gehäuse oder einem entsprechenden Gehäusering verbunden, während die Halterung der zweiten optischen Komponente mittels eines oder mehreren Festkörpergelenken an dem Gehäuse beziehungsweise einem Gehäusering aufgenommen ist. Hierbei kann in einem Bereich einer gehäuseseitigen Verbindung der Halterung ein erstes Festkörpergelenk oder eine erste Gruppe über den Umfang verteilter Festkörpergelenke und an einem Übergangsbereich zur Fassung der zweiten optischen Komponente ein zweites Festkörpergelenk oder eine zweite Gruppe von über den Umfang verteilten Festkörpergelenken vorgesehen sein, so dass der bevorzugt mit geringerem Temperaturausdehnungskoeffizienten als dem des Gehäuses ausgebildete Hebel, beispielsweise ein Scheibenteil oder über den Umfang verteilte Speichen jeweils durch zwei Festkörpergelenke von der Fassung und dem Gehäuse oder dem Gehäusering abgegrenzt ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Gehäuse und die Halterung der zweiten optischen Komponente ringförmig ausgebildet, wobei die Halterung innerhalb eines Gehäuserings kraftschlüssig und im Wesentlichen spaltfrei aufgenommen ist. In vorteilhafter Weise weist die Halterung einen radial inneren, die Fassung der zweiten Komponente fest aufnehmenden und einen an dem Gehäuse befestigten Ring auf, wobei die Ringe mittels über den Umfang verteilter, den Hebel bildender Speichen verbunden sind. Die Speichen können entlang ihres radialen Verlaufs zumindest eine, bevorzugt zwei die Festkörpergelenke bildende Querschnittsverringerungen aufweisen. An diesen Querschnittsverringerungen kann eine axiale Verlagerung der zweiten Komponente unter verminderten Kräften erfolgen.
-
Der Hebel ist in bevorzugter Weise aus Titan hergestellt. Unter dem Begriff Titan sind im Sinne der Erfindung auch dessen Legierungen zu verstehen. Hierdurch können die auftretenden Belastungskräfte des Hebels mit ausreichender Festigkeit und Materialelastizität bei für die Wirkung des Hebels ausreichend geringen Temperaturkoeffizienten von ca. 10,8 × 10–6 mm/K bei einer Verbindung mit einem Gehäuse aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem entsprechend größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufgenommen werden.
-
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung mit einer Kompensation des thermooptischen Effekts einer optischen Komponente,
-
2 eine konstruktive Ausbildung eines Teils der optischen Vorrichtung der 1 in 3D-Ansicht,
-
3 ein Detail der 2 und
-
4 der in 2 gezeigte Teil der optischen Vorrichtung der 2 in Explosionsdarstellung.
-
Die 1 zeigt in vereinfachter systematischer Darstellung die obere Hälfte der um die optische Achse A angeordneten optischen Vorrichtung 1 mit den optischen Teilen 2, 3. Die optischen Teile 2, 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 4 untergebracht, welches aus den den optischen Teilen 2, 3 zugeordneten Gehäuseteilen 5, 6 gebildet sein kann.
-
Die beiden optischen Teile 2, 3 enthalten jeweils eine optische Komponente 7, 8, die in axialer Richtung der optischen Achse A benachbart unter Bildung des Luftspalts s0 angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die optischen Komponenten 7, 8 aus Linsen 9, 10, beispielsweise aus Kalziumfluorid (CaF2, Linse 9) und Siliziumdioxid (SiO2, Linse 10) gebildet. Die Linsen 9, 10 sind mittels der Halterungen 11, 12 fest verbunden. Hierbei ist die Halterung 11 mittels der Verbindung 13 fest mit dem Gehäuseteil 5 und die Halterung 12 mittels des Festkörpergelenks 14 mit dem Gehäuseteil 6 verbunden. Hierbei ist die Halterung 11 vertikal zur optischen Achse A, das heißt, auf der Senkrechten dieser ausgerichtet. Unter Einfluss der Temperatur bleiben die bevorzugt aus demselben Material wie das Gehäuseteil 5 gefertigte Halterung 11 und damit die optische Komponente 7 im Wesentlichen an ihrer axialen Position. Allenfalls eine axiale Ausdehnung des Gehäuses 4 zwischen der Verbindung 13 und dem Festkörpergelenk 14 kann zu einer vernachlässigbaren relativen Verlagerung der Halterung 11 gegenüber dem Festkörpergelenk 14 der Halterung 12 führen.
-
Im Gegensatz hierzu bildet die Halterung 12 den Hebel 15 aus, der gegenüber der Senkrechten s zur optischen Achse A um den Winkel α verdreht ist. Dabei verändert der Hebel 15 mit der Hebellänge l0 unter Temperatureinfluss des sich ändernden Durchmessers h0 des Gehäuseteils 6 entsprechend dessen Temperaturkoeffizienten und den daraus entstehenden Radialkräften seinen Anstellwinkel α. Dies führt dazu, dass die optische Komponente 8 bei Temperaturänderungen ΔT kleiner Null den Axialweg Δs verkürzt und bei Temperaturänderungen ΔT größer Null gegenüber einer Referenztemperatur oder Montagetemperatur verlängert. Durch die temperaturabhängige Änderung des Innendurchmessers h0 des Gehäuseteils 6 und die damit am Festkörpergelenk 14 erzwungene Winkeländerung des Hebels 15 gegenüber der Senkrechten S verlagert sich die optische Komponente 8 zwangsweise abhängig von der Temperatur axial um den Axialweg Δs, so dass temperaturabhängig der Luftspalt S0 variiert, das heißt, dieser vergrößert sich bei zunehmender Temperatur und verringert sich bei abnehmender Temperatur, so dass dabei die Linse 10 gegenüber der Linse 9 axial verlagert wird.
-
Die Linse 9 verändert ihr optisches Verhalten abhängig in der Weise, dass dabei entstehende Abbildungsfehler mittels einer entsprechenden Änderung des Luftspalts s0 zumindest teilweise korrigierbar sind. Die Anpassung der temperaturabhängigen Änderung des Luftspalts s0 mittels des Hebels 15 erfolgt dabei in der Weise, dass eine entsprechende temperabhängige Änderung der Linse 9 von dem sich temperaturabhängig ändernden Luftspalt s0 kompensiert wird. Auf diese Weise erfolgt eine passive, Bauraum und Masse sparende Kompensation des thermooptischen Effekts der Linse 9 ohne Verschiebetechnik einer oder beider Halterungen 11, 12. Die quantitative Verlagerung der Linse 10 am Luftspalt s0 gegenüber der Linse 9 erfolgt durch entsprechende Auslegung des Temperaturkoeffizienten des Gehäuseteils 6, dem Innendurchmesser h0 des Gehäuseteils 6, der Hebellänge l0 des Hebels 15, des Winkels α sowie dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des für den Hebel 15 verwendeten Materials bei vorgegebenem Durchmesser hlens der Linse 10 und der Art der Linse 9.
-
Zur Anpassung der Temperaturkoeffizienten zwischen den einzelnen Bauteilen der optischen Vorrichtung und deren mechanischen Festigkeiten sind das Gehäuse 4, beziehungsweise die Gehäuseteile 5, 6 bevorzugt aus Aluminium oder dessen Legierungen, beispielsweise AlZnMgCu1.5 hergestellt. Die Halterung 11 und die Fassung 16 der Linse 9 sind bevorzugt aus demselben Material hergestellt. Die Halterung 12 mit dem Hebel 15 ist bevorzugt aus Titan oder legiertem Titan, beispielsweise TiAl6V4 hergestellt, zur Anpassung des Temperaturkoeffizienten der Fassung 17 an den Temperaturkoeffizienten der Linse 10 ist diese bevorzugt aus Invar-Stahl hergestellt.
-
Die 2 zeigt die konstruktive Ausbildung des optischen Teils 3 der optischen Vorrichtung der 1. Das optische Teil 3 ist in an sich bekannter Weise hergestellt. Das ringförmige Gehäuseteil 6 wird nach der Montage des optischen Teils 3 spaltfrei mit dem Gehäuseteil 5 und gegebenenfalls weiteren optischen Komponenten zu dem gemeinsamen Gehäuse 4 und damit zur Bildung der optischen Vorrichtung 1, die wiederum Teil eines übergeordneten optischen Systems, beispielsweise einer Optik, Objektiv, Kamera oder dergleichen sein kann, verbunden. In dem Gehäuseteil 6 ist die Halterung 12 mittels der Schrauben 18 unter Einhaltung eines minimalen Montagespalts kraftschlüssig verschraubt.
-
Die ringförmige, aus Titan beispielsweise spanend hergestellte Halterung 12 bildet den Hebel 15. Die Halterung 12 enthält den radial äußeren Ring 19 zur Befestigung an dem Gehäuseteil 6 und den inneren Ring 20, an dem die aus Invar-Stahl hergestellte Fassung 17 zur Aufnahme der Linse 10 hier mittels der Schrauben 22 verschraubt ist. Radial zwischen den Ringen 19, 20 sind die über den Umfang verteilt angeordneten Speichen 23 angeordnet, die den Anstellwinkel α des Hebels 15 zwischen den Ringen 19, 20 ausbilden.
-
Die 3 zeigt ein Detail des optischen Teils 3 in vergrößerter Darstellung. Hieraus wird die schräg gestellte Ausbildung der Speichen 23 deutlich. Zur Verringerung hoher Spannungen und zur Ausbildung von Festkörpergelenken an dem zwischen der Halterung 12 und dem Gehäuseteil 6 ausgebildeten Festkörpergelenken zwischen den Speichen 23 und den Ringen 19, 20 weisen die Speichen 23 an ihren Übergängen zu den Ringen 19, 20 bevorzugt in axiale Richtung wirksame Querschnittsverringerungen 24, 25 aus.
-
Die 4 zeigt das optische Teil 3 in Explosionsdarstellung mit dem Gehäuseteil 6, der Halterung 12, der Fassung 17 und den Schrauben 18, 22.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- optische Vorrichtung
- 2
- optisches Teil
- 3
- optisches Teil
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäuseteil
- 6
- Gehäuseteil
- 7
- optische Komponente
- 8
- optische Komponente
- 9
- Linse
- 10
- Linse
- 11
- Halterung
- 12
- Halterung
- 13
- Verbindung
- 14
- Festkörpergelenk
- 15
- Hebel
- 16
- Fassung
- 17
- Fassung
- 18
- Schraube
- 19
- Ring
- 20
- Ring
- 22
- Schraube
- 23
- Speiche
- 24
- Querschnittsverringerung
- 25
- Querschnittsverringerung
- A
- optische Achse
- h0
- Innendurchmesser
- hlens
- Linsendurchmesser
- l0
- Hebellänge
- s
- Senkrechte
- s0
- Luftspalt
- α
- Anstellwinkel
- Δs
- Axialweg
- ΔT
- Temperaturänderung
