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Um Optikelemente wie Linsen, Prismen und Spiegel in optische Systeme integrieren zu können, müssen diese gefasst werden. Dabei müssen viele Randbedingungen erfüllt werden, die unter anderem darin bestehen, dass auf das Optikelement auch später auf das System wirkende mechanische und thermische Belastungen nicht übertragen werden und / oder, im Falle von Optikelementen größerer Grundfläche oder Längenausdehnung, deren Eigengewicht nicht zur Deformation optisch wirksamer Flächen führt. Im Falle von Spiegeln, mit einer der Spiegelfläche gleichen, optisch nicht wirksamen planen Rückseite, oder im Falle von streifenförmigen Optikelementen, mit einer planen optisch unwirksamen Fläche entlang ihrer Längenausdehnung, ist es üblich, diese Planflächen durch Stützstellen oder flächig an einer Fassung bzw. einem Träger abzustützen. In der Regel bestehen jedoch die Fassung bzw. der Träger und das Optikelement aus Materialien mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten, was zu Dehnungsunterschieden an den Stützstellen bzw. dem Flächenkontakt führt, die kompensiert werden müssen.
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Bei einer in der Patentschrift
DE 198 48 942 C2 beschriebenen optischen Baugruppe wird ein Optikelement mit sehr großer Längenausdehnung auf einem Träger ähnlicher Ausdehnung befestigt. Dazu wird das Optikelement an einer optisch unwirksamen und planen Seitenfläche flächig mit dem Träger verklebt. Das Optikelement und der Träger weisen unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf. Um bei Temperaturschwankungen eine definierte und spannungsfreie Verbindung zwischen Optikelement und Träger zu erreichen, wird die Verbindung mit einer hochviskosen elastischen Klebstoffschicht und einer elastischen Zwischenlage hergestellt.
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In der Patentschrift
DE 41 13 956 C2 wird ein Optikelement beschrieben, das an zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen in einer Fassung aufgenommen ist. Dazu sind an den Seitenflächen zylindrische Verbindungselemente angeklebt, mit denen das Optikelement in entsprechenden Ausnehmungen der Fassung aufgenommen wird. Die zylindrischen Verbindungselemente weisen an der Verbindungsfläche zum Optikelement eine Klebstoffkontaktfläche und einen die Klebstoffkontaktfläche umgebenden Vorsprung auf. Die Klebstoffkontaktfläche ist gegenüber dem Vorsprung zurückgesetzt und durch eine rillenförmige Ausnehmung vom Vorsprung abgetrennt. Beim Verkleben liegen die Verbindungselemente mit dem Vorsprung an den Seitenflächen an, während sich an der Klebstoffkontaktfläche eine dickere Klebstoffschicht ausbilden kann. Bei Temperaturwechseln können Dehnungsdifferenzen zwischen der Fassung und dem Optikelement aufgenommen werden, indem die Klebstoffschicht auf Scherung beansprucht wird, während das Optikelement auf den Vorsprüngen gleiten kann.
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Aus der
DE 10 2013 201 264 A1 ist eine Anordnung mit einem Verbindungselement zum Verbinden zweier Körper, z. B. eines optischen Elementes und eines Sensors, mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bekannt. Das Verbindungselement besteht aus einem Material mit einem an den ersten Körper bzw. den Sensor angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten und wird durch einen Kontaktelementträger und eine Vielzahl monolithisch mit dem Kontaktelementträger verbundener stabförmiger Kontaktelemente gleicher Länge gebildet. Der Sensor ist mit dem Kontaktelementträger und die freien Enden der stabförmigen Kontaktelemente sind mit dem optischen Element stoffschlüssig verbunden. In einem unbelasteten Zustand verlaufen die Achsen der Kontaktelemente zueinander parallel. Die Kontaktelemente sind quer zu ihren Kontaktelementachsen nachgiebig ausgebildet. Hierdurch sind sie in der Lage durch eine elastische Biegedeformation quer zu der Kontaktelementachse unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem optischen Element und dem Sensor aufzunehmen, ohne dass es zu einer nennenswerten Einleitung von parasitären Spannungen in das optische Element kommt. Wie der Anmelder der vorgenannten
DE 10 2013 201 264 A1 weiter erklärt, können die Kontaktelementachsen vorteilhaft abweichend von einem geradlinigen Verlauf einen abschnittsweise S-förmigen oder geknickten Verlauf aufweisen. Hierdurch kann das Kontaktelement bei der Verschiebung des freien Endes in einer Schnittebene senkrecht zur Kontaktelementachse einer Abstandsverringerung zwischen dem optischen Element und dem Sensor durch eine kompensierende Längenänderung entgegenwirken, indem es durch die Biegeverformung gestreckt wird.
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Der in der vorgenannten
DE 10 2013 201 264 A1 offenbarte Kontaktelementträger stellt weder einen Träger für das optische Element dar, noch ist die hier zugrunde liegende Idee der Ausführung des Verbindungselementes auf eine Optikbaugruppe übertragbar, enthaltend ein Optikelement, das an mehreren Stützstellen gegenüber einem Träger spannungsfrei abgestützt werden soll. In der Ausführung von in Richtung einer geradlinigen Achse steifen Kontaktelementen werden im thermischen Belastungsfall nach außen hin unvermeidbar zunehmend stärkere Zugkräfte und damit Spannungen in das optische Element eingetragen. Im Falle des abschnittsweise S-förmigen oder geknickten Verlaufs der Achse der Kontaktelemente sind die Kontaktelemente in Richtung der Schwerkraft des Optikelementes elastisch, was bei Beschleunigungen, bei Lageänderungen des optischen Systems sowie bei Veränderungen der Schwerkraft in ihrer Wirkungsrichtung zu einer Positionsveränderung des Optikelementes führt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einer Optikbaugruppe mit einem Optikelement, das über eine plane Montagefläche gegenüber einem Träger an mehreren Stützstellen über Verbindungselemente abgestützt ist, die Stützstellen so zu gestalten, dass thermisch bedingte Dehnungsunterschiede zwischen dem Träger und dem Optikelement unabhängig von den Eigenschaften eines Klebstoffes zwischen dem Optikelement und dem Träger kompensiert werden und keine Spannungen in das Optikelement eingetragen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für eine Optikbaugruppe mit einem Optikelement mit einer planen Montagefläche großer Ausdehnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
- 1a-1b: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Optikbaugruppe mit einer schmalen Streifenlinse als Optikelement, in Explosionsdarstellung und im Schnittbild,
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Optikbaugruppe mit einem abbildenden Spiegel als Optikelement, in Draufsicht,
- 3: eine Schnittdarstellung verschiedener Stützstellen einer thermisch unbelasteten und einer thermisch belasteten Optikbaugruppe zur Erläuterung der Wirkungsweise und
- 4a-4e: verschiedene vorteilhafte Ausführungen der Verbindungselemente.
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Grundsätzlich enthält eine erfindungsgemäße Optikbaugruppe ein Optikelement 1, das eine Symmetrieachse 1.0 und eine plane, optisch nicht wirksame Fläche aufweist, die als plane Montagefläche 1.1 zur Verfügung steht, und einen Träger 3, der mit dem Optikelement 1 an mehreren Stützstellen STnm entlang der planen Montagefläche 1.1 verbunden ist. In der Regel bestehen das Optikelement 1 und der Träger 3 aus Materialien mit einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und / oder Wärmekapazitäten, sodass es bei einer thermischen Belastung zu Scherbewegungen in den Stützstellen STnm kommt. Insbesondere bei Optikelementen 1 mit einer größeren längen- oder flächenmäßigen Ausdehnung unterliegen die Stützstellen STnm bei thermischer Belastung mit zunehmender Entfernung von der Symmetrieachse 1.0 zunehmend größeren Scherbewegungen. Indem das Optikelement 1 und der Träger 3 an den Stützstellen STnm jeweils über ein Verbindungselement 2nm verbunden sind, das in Richtung einer Längsachse 2.0 lotrecht zur planen Montagefläche 1.1 steif und senkrecht hierzu biegeelastisch ist, wird die Scherbewegung durch die Auslenkung der Verbindungselemente 2nm aufgenommen. Vorteilhaft weisen die Verbindungselemente 2nm eine Vorzugsbiegerichtung RB auf. Um mit zunehmender Auslenkung der Verbindungselemente 2nm nicht auch zunehmende Zugspannungen an den Stützstellen STnm in das Optikelement 1 einzutragen, muss mit der Auslenkung eine Abstandsverringerung b zwischen dem Träger 3 und dem Optikelement 1 einhergehen können.
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Es ist erfindungswesentlich, dass die Verbindungselemente 2nm in Abhängigkeit von der jeweiligen Entfernung am der Stützstelle STnm zur Symmetrieachse 1.0, an dem das jeweilige Verbindungselement 2nm das Optikelement 1 und den Träger 3 verbindet, eine unterschiedliche auslenkbare Länge aufweisen. Die Verbindungselemente 2nm sind lotrecht zur planen Montagefläche 1.1 ausgerichtet und über eine Stirnfläche 2.1 an dieser stoffschlüssig befestigt. Seitens des Trägers 3 ist an den Stützstellen STnm jeweils eine Bohrung oder ein Schlitz 5 vorhanden, die oder der wenigstens an einigen der Stützstellen STnm in eine dem Optikelement 1 zugewandte Ausnehmung 4nm mündet, durch die hindurch das jeweilige Verbindungselement 2nm in die Bohrung oder den Schlitz 5 ragt und dort über Klebstoff 6 oder Lot stoffschlüssig mit dem Träger 3 verbunden ist. Die Ausnehmungen 4nm weisen mit zunehmender Entfernung von der Symmetrieachse 1.0 eine zunehmend größere Tiefe tnm auf, so dass die Verbindungselemente 2nm eine zunehmend größere freie Länge Lnm aufweisen und somit einen längeren Scherweg zwischen dem Optikelement 1 und dem Träger 3 kompensieren können, ohne dass Zugspannungen in das Optikelement 1 eingetragen werden. Die jeweils in einer Richtung von der Symmetrieachse 1.0 am geringsten entfernten Stützstellen STnm, müssen nicht zwingend eine Ausnehmung 4nm aufweisen; hier kann die Bohrung oder der Schlitz 5 direkt in die Oberfläche des Trägers 3 münden. Die auslenkbare Länge des Verbindungselementes 2nm , die gleich dessen freie Länge Lnm ist, entspricht hier dem senkrechten Abstand zwischen dem Optikelement 1 und der Oberfläche des Trägers 3. Vorteilhaft sind die Verbindungselemente 2nm kreissymmetrisch um die Symmetrieachse 1.0 angeordnet.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel, dargestellt in den 1a und 1b, ist das Optikelement 1 eine sehr schmale, aber lange Streifenlinse, deren optische Achse die Symmetrieachse 1.0 schneidet. Die Stützstellen STnm sind in nur einer Reihe angeordnet, sodass es bei einer thermischen Belastung zu keiner Verschiebung der optischen Achse gegenüber dem Träger 3 kommt. Die Verbindungselemente 2nm sind hier bevorzugt Blattfederstreifen mit einer Dicke d und mit einer Vorzugsbiegerichtung RB in Richtung der Dicke d zur Symmetrieachse 1.0 hin und weisen eine hohe Längs-, Quer- und Torsionssteifigkeit auf.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 2, ist das Optikelement 1 ein abbildender Spiegel. Die Stützstellen STnm sind kreissymmetrisch um die Symmetrieachse 1.0, die hier mit der optischen Achse des abbildenden Spiegels zusammenfällt, angeordnet.
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In 3 ist eine Schnittdarstellung von Stützstellen ST11 , ST12 , ST13 in unterschiedlichen Entfernungen a1 , a2 , a3 von der Symmetrieachse 1.0 einer thermisch unbelasteten Optikbaugruppe (Volllinien) und einer thermisch belasteten Optikbaugruppe (Strichlinien) zur Erläuterung der Wirkungsweise anhand konkreter Parameter gezeigt. Als Material für das Optikelement 1 wird hier z. B. Quarzglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,510-6 /K verwendet. Als Material für den Träger 3 wird z. B. Edelstahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1010-6/K verwendet.
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Bei einer Temperaturdifferenz von z. B. 45°C, die sich bei einer Arbeitstemperatur von -5°C bis 20°C und einer Transporttemperatur zwischen 0°C und 40°C ergibt, kommt es z. B. in einer Entfernung a11 der Stützstelle ST11 zur Symmetrieachse 1.0 von 20 mm zu einer maximalen Längenausdehnungsdifferenz ΔI11 von ca. 8 µm, in einer Entfernung a12 der Stützstelle ST12 zur Symmetrieachse 1.0 von 60 mm zu einer maximalen Längenausdehnungsdifferenz ΔI12 von ca. 25 µm und in einer Entfernung a13 der Stützstelle ST13 zur Symmetrieachse 1.0 von 100 mm zu einer maximalen Längenausdehnungsdifferenz ΔI13 von ca. 43 µm. Als konkrete Parameter wurden eine sehr große Länge für eine Streifenlinse von über 200 mm und eine sehr große zulässige Temperaturschwankung angesetzt. Beides wird praktisch eher geringer sein, weshalb sich die nachfolgenden Dimensionierungen eher als Extreme verstehen.
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Ausgehend von den für die ausgewählten Stützstellen STnm, hier ST11 , St12 und ST13 , berechneten Längenausdehnungsdifferenzen ΔInm , hier ΔI11 , ΔI12 und ΔI13 , und einer Vorgabe für die freie Länge L11 des zur Symmetrieachse 1.0 am nächsten angeordneten Verbindungselementes 211 mit 5 mm ergibt sich eine Abstandsverringerung b zwischen dem Träger 3 und dem Optikelement 1 von ca. 0,01 µm. Eine gleiche Abstandsverringerung b ergibt sich an Stützstelle ST12 bei einer freien Länge L12 des Verbindungselementes 212 von ca. 45 mm und bei einer freien Länge L13 des Verbindungselementes 213 von ca. 120 mm. Bei ansonsten gleicher Dimensionierung der Optikbaugruppe und einer größeren Entfernung a1 der der Symmetrieachse 1.0 am nächsten liegenden Stützstelle ST11 z. B. von 60 mm ergibt sich für eines der Verbindungselemente 2nm in einer Entfernung am zur Symmetrieachse 1.0 von 100 mm eine freie Länge Lnm von ca. 14 mm.
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Es lassen sich für beliebige Entfernungen am von der Symmetrieachse 1.0 jeweils freie Längen Lnm für die Verbindungselemente 2nm berechnen, bei denen es unter thermischer Belastung zu einer gleichen Abstandsverringerung b zwischen dem Optikelement 1 und dem Träger 3 kommt. Die Verbindung bleibt damit temperaturunabhängig spannungsfrei.
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Die Verbindungselemente 2nm können in allen Ausführungsbeispielen einfache zylinderförmige biegeelastische Stäbe oder Stäbe mit lokalen Schwachstellen, wie Einschnürungen, gezeigt in 4d, sein. Bevorzugt weisen die Verbindungselemente 2nm , wie in den 4a-4c gezeigt, durch ihre geometrische Gestaltung eine Vorzugsbiegerichtung RB auf, die bei der Anordnung der Verbindungselemente 2nm so ausgerichtet ist, dass die Vorzugsbiegerichtung RB zur Symmetrieachse 1.0 hin ausgerichtet ist. Neben einer Blattfeder, wie in 4a gezeigt, stellen ein biegeelastischer Stab mit einem gehämmerten Blattfedermittelstück, wie in 4b gezeigt, ein biegeelastischer Stab mit einem abgeschliffenen Blattfedermittelstück, entsprechend 4c, oder ein einseitig gekerbter Stab, entsprechend 4e, bevorzugte Ausführungsbeispiele dar. Es können innerhalb einer Ausführung einer Optikbaugruppe gleiche, aber auch unterschiedliche Verbindungselemente 2nm eingesetzt werden.
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Insbesondere, wenn die Stützstellen STnm großflächig über den Träger 3 verteilt angeordnet sind, können die Verbindungselemente 2nm vorteilhaft runde Stäbe sein, die mittig einen Blattfederbereich mit einer Dicke d und einer Vorzugsbiegerichtung RB in Richtung der Dicke d aufweisen, die zur Symmetrieachse 1.0 hin weist.
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Es ist von Vorteil, dass die Elastizität an den Stützstellen STnm völlig unabhängig von der Wahl eines Lotes oder eines Klebstoffes 6 ist, sodass insbesondere niedrigviskose und schnell aushärtende Klebstoffe 6 verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optikelement
- 1.0
- Symmetrieachse (des Optikelementes 1)
- 1.1
- plane Montagefläche (des Optikelementes 1)
- 2nm
- Verbindungselement
- 2.0
- Längsachse (des Verbindungselementes 2nm)
- 2.1
- Stirnfläche (des Verbindungselementes 2nm)
- 3
- Träger
- 4nm
- Ausnehmung
- 5
- Bohrung oder Schlitz
- 6
- Klebstoff
- am
- Entfernung (der Stützstelle STnm von der Symmetrieachse 1.0)
- Lnm
- freie Länge (des Verbindungselementes 2nm)
- tnm
- Tiefe (der Ausnehmung 4nm)
- ΔInm
- Längenausdehnungsdifferenz an den Stützstellen STnm
- STnm
- Stützstelle
- d
- Dicke
- RB
- Vorzugsbiegerichtung
- b
- Abstandsverringerung
