DE10228054A1

DE10228054A1 - Optisches Element und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10228054A1
Application number: DE2002128054
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Kalkowski; Christoph Dipl.-Ing. Damm; Erik Dipl.-Ing. Beckert; Armin Dr.-Ing. Leitel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Jenoptik AG
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: DE10228054B4

Abstract

Die Erfindung betrifft optische Elemente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die optischen Elemente bestehen dabei aus zwei miteinander verbundenen Teilelementen, die mindestens in Bezug zu einer gemeinsamen Justierachse justiert und in dieser Position miteinander fixiert worden sind. Die Verbindung der beiden Teilelemente erfolgt dabei mittels Stoffschluss. Es soll aufgabengemäß eine sehr genaue Justierung und Positionierung möglich werden, die außerdem kostengünstig herstellbar ist. Erfindungsgemäß werden hierzu mindestens drei Verbindungselemente, die in drei verschiedenen Ebenen ausgerichtet und angeordnet sind, eingesetzt. Dabei ist jedes Verbindungselement mit jeweils einem der beiden Teilelemente in einem einstigen Punkt stoffschlüssig verbunden. Die Verbindungselemente weisen infolge eines geometrisch bedingten hohen Widerstandsmomentes parallel zur jeweiligen hohen Ebene eine hohe Steifigkeit auf. Des Weiteren weisen die Verbindungselemente eine Federwirkung in Richtung auf die Justierachse auf, so dass sie auf das andere Teilelement eine Druckkraft ausüben.

Description

Die Erfindung betrifft optische Elemente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die optischen Elemente bestehen dabei aus zwei miteinander verbundenen Teilelementen, die mindestens in Bezug zu einer gemeinsamen Justierachse, die vorteilhaft mit der jeweiligen optischen Achse übereinstimmen kann, justiert und in dieser Position miteinander fixiert sind. Die Verbindung der beiden Teilelemente kann mittels Stoffschluss, durch die hierfür bekannten Verfahrenstechniken Kleben, Löten oder Schweißen erreicht werden.

Bei optischen Systemen, die aus mehreren optischen Elementen oder Komponenten bestehen spielt es eine wichtige Rolle, wie diese zueinander angeordnet und auch ausgerichtet sind. Durch Lageabweichungen treten insbesondere bei Projektionssystemen, wie z.B. den sogenannten „Beamern" Abbildungsfehler und Qualitäts einbußen bei den Abbildungen durch Verzeichnungen oder mangelnde Bildschärfe auf.

Komplexe optische Geräte werden üblicherweise modular aus verschiedenen optischen Elementen zusammengebaut.

Zur Reduzierung der Fertigungskosten, bei gleichzeitig hoher Präzision werden mehrere optische Elemente vorab zueinander justiert, positioniert und dauerhaft miteinander verbunden, so dass ein komplexeres optisches Element für die Montage eines Systems zur Verfügung gestellt werden kann.

Ein solches optisches Element, bei dem zwei in der Regel unterschiedliche Teilelemente miteinander verbunden sind, muss natürlich die hohen Anforderungen an die Justierung und Positionierung erfüllen, da sich Fehler in verstärktem Maß in optischen Systemen nachteilig auswirken. Trotzdem muss eine kostengünstige Fertigung möglich sein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein optisches Element zur Verfügung zu stellen, bei dem zwei Teilelemente mit einander verbunden sind, die sehr genau zu einander justiert und positioniert sind und auch kostengünstig hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisenden optischen Element und mit einem Herstellungsverfahren nach Anspruch 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element sind zwei Teilelemente miteinander verbunden und dabei mindestens in Bezug zu einer gemeinsamen Justierachse positioniert. Die Teilelemente können gleiche in der Regel jedoch unterschiedliche optische Elemente, Fassungen oder Halterungen für optische Elemente sein. Fassungen oder Halterungen können bereits mit optischen Elementen versehen sein.

Die beiden Teilelemente sind mit mindestens drei Verbindungselementen gehalten und miteinander verbunden.

Dabei ist die Verbindung eines jeden Verbindungselementes so ausgeführt, dass zumindest die Verbindung an einem der beiden Teilelemente stoffschlüssig und an einem einzigen Punkt realisiert ist.

Die mindestens drei Verbindungselemente sind in verschiedenen Ebenen ausgerichtet und angeordnet, so dass sie das zweite Teilelement mit dem sie punktuell verbunden werden von drei verschiedenen Seiten umgreifen und berühren. Dabei sind sie so ausgebildet, dass sie federnd in Richtung auf die Justierachse eine Druckkraft ausüben. Diese Druckkraft ist bei jedem Verbindungselement möglichst gleich und sollte möglichst klein gehalten sein, wobei die Obergrenze bei 5 N liegt.

Außerdem sollen die Verbindungselemente geometrisch so gestaltet sein, dass sie parallel zur Ebene in der sie angeordnet und ausgerichtet sind eine hohe Steifigkeit infolge eines entsprechend hohen Widerstandsmomentes aufweisen.

Die drei Ebenen in denen die Verbindungselemente angeordnet und ausgerichtet sind sollten in jeweils gleichen Winkelabständen ausgerichtet sein. Was im Idealfall zu einer 120° Anordnung führt, die bei einigen Gestaltungsformen von Teilelementen sicher möglich ist.

Die Ebenen können aber auch orthogonal mit 90° Winkeln zueinander ausgerichtet sein, so dass mit den Verbindungselementen ein Teilelement quasi in U-Form eingefasst ist.

In einer Ausführungsform können die Verbindungselemente ein Dreieck bilden, wobei dies nicht zwingend die äußere Randkontur betrifft. Ein solches Dreieck kann auch durch entsprechende Verbindung der Verbindungselemente mit den beiden Teilelementen, an insgesamt drei Punkten, gebildet werden. Dementsprechend sind zwei solche punktförmigen Verbindungen an einem und eine solche Verbindung am jeweils anderen Teilelement angeordnet. In allen Fällen sollten die Verbindungen stoffschlüssig hergestellt worden sein.

In diesen Fällen können die Verbindungselemente eine geschlossene Fläche aufweisen.

Sie können aber auch zwei Stege aufweisen, die einen hohlen Bereich einschließen. Die Stege laufen aufeinander zu und gehen in einen gemeinsamen Übergangsbereich über. Im Bereich dieses Übergangsbereiches ist dann die einzige punktuelle stoffschlüssige Verbindung mit dem einen Teilelement angeordnet. Die beiden Stege sollten nichtparallel zueinander ausgerichtet sein und zwei Schenkeln eines Dreiecks ähneln.

Am dem Übergangsbereich gegenüberliegenden Ende der Stege kann ein Basisteil, quasi der dritte Schenkel eines Dreiecks am Verbindungselement vorhanden sein.

Dieses Basisteil ist dann mit dem zweiten Teilelement verbunden, wobei in diesem Fall eine Verbindung an zwei Punkten nicht zwingend erforderlich, zur Vermeidung einer mechanischen Überbestimmung aber günstiger ist.

Zur Erhöhung der Elastizität und Flexibilität der Verbindungselemente können einmal an äußeren Rändern der Verbindungselemente verjüngte Bereiche ausgebildet sein.

Zusätzlich oder allein können an den Verbindungselementen auch Festkörpergelenke, beispielsweise als nutförmige Werkstoffschwächung oder mittels Aussparungen entlang einer Linie ausgebildet sein. Solche Aussparungen können punkt oder linienförmig sein.

Mit den verjüngten Bereichen und/oder Festkörpergelenken werden die Verbindungsgelenke in einer Achse weicher, so dass sie leichter in Richtung der Justierachse oder genau entgegengesetzt dazu mit geringerer Kraft verbogen werden können. Dabei kann gleichzeitig die auf das eine Teilelement wirkende Druckkraft reduziert und die Steifigkeit parallel zur Ebene der Verbindungselemente ausreichend hoch gehalten werden.

An den Verbindungselementen können jeweils eine punktförmige Erhebung ausgebildet sein, die das zu verbindende Teilelement berührt und dort die Druckkraft ausgeübt wird.

Nach erfolgter Justierung und Positionierung kann die stoffschlüssige Verbindung an dieser Erhebung hergestellt werden.

Anstelle der bisher beschriebenen Gestaltungsmöglichkeiten für drei Verbindungselemente besteht die Möglichkeit insgesamt sechs Verbindungselemente einzusetzen. Es sollten in einer der Ebenen jeweils zwei solcher Verbindungselemente vorhanden sein, die jeweils in einem Punkt mit den beiden Teilelementen verbunden sind. Die zwei in einer Ebene angeordneten Verbindungselemente sollten nicht parallel zu einander ausgerichtet sein.

In diesem Fall sollten die Verbindungselemente einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und in Bezug zu den Teilelementen und Justierachse so ausgerichtet sein, dass sie parallel zur jeweiligen Ebene eine hohe Steifigkeit gewährleisten und orthogonal zu dieser Ebene elastisch und flexibel sind.

Unabhängig ob drei oder insgesamt sechs Verbindungselemente eingesetzt worden sind, um die beiden Teilelemente miteinander zu verbinden, kann zumindest bei einigen vorab beschriebenen Ausführungsformen das Hexapod-Prinzip mit Bindung aller möglicher Freiheitsgrade ausgenutzt und entsprechende Überbestimmungen, die zu Spannungen führen können, vermieden werden.

Durch die Anordnung, Gestaltung und die Befestigung der Verbindungselemente an den Teilelementen ist eine sichere stabile Verbindung der beiden Teilelemente gewährleistet, nach dem diese in Bezug zur gemeinsamen Justierachse und ggf. auch in Bezug zueinander justiert und positioniert worden sowie die stoffschlüssige Verbindungen hergestellt worden sind, gewährleistet.

Auch im Fall geringer Unterschiede bei den Druckkräf ten, die von den Verbindungselementen auf das eine Teilelement ausgeübt werden, wird die justierte Position der beiden Teilelemente, nach dem sie miteinander verbunden worden sind, beibehalten. Diese Kraftdifferenzen werden durch die Steifigkeit der Verbindungselemente in den jeweiligen Ebenen ohne weiteres kompensiert.

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer optischer Elemente kann zuerst eines der beiden Teilelemente in einer Aufnahme ortsfest fixiert werden. Dabei sind die Dimensionierung, Gestaltung und die Positionskoordinaten dieses Teilelementes bekannt und es ist in Bezug zur Justierachse definiert ausgerichtet.

Das zweite Teilelement wird dann mittels eines Positioniersystems, das mindestens drei bevorzugt aber sechs Freiheitsgrade berücksichtigen kann in die optimal justierte Position zumindest die jeweilige Justierachse, möglichst aber auch den Abstand, die Lage und Winkelausrichtung zum jeweils anderen Teilelement berücksichtigend bewegt. Dabei kommen die vorab bereits am ersten Teilelement befestigten leicht federnden Verbindungselemente in den drei Ebenen mit den äußeren Rändern des zweiten Teilelementes in berührenden Kontakt.

Ist die Justierung abgeschlossen und die gewünschte Position erreicht, werden alle Verbindungselemente an jeweils einem einzigen Punkt stoffschlüssig mit dem zweiten Teilelement verbunden.

Vorteilhafterweise kann dies durch Laserschweißen oder Laserlöten erreicht werden, da dies technologisch günstig ist und eine kurze Fügezeit erfordert.

Das fertige optische Element kann dann aus der Aufnahme entnommen und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.

Die stoffschlüssige Verbindung kann aber auch durch Kleben hergestellt werden. In diesen Fällen sollte in den Verbindungselementen eine Durchbrechung vorhanden sein, die nach Justierung und Positionierung des zweiten Teilelementes mit einem Haftvermittler befällt werden kann, der möglichst schnell aushärtend sein sollte.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen optischen Elementes mit drei in jeweils 90° Winkeln zueinander ausgerichteten Ebenen mit Verbindungselementen;
2a ein Beispiel mit Verbindungselementen in einer 120° Anordnung;
2b ein Beispiel, wie in 2a mit demgegenüber modifizierten Verbindungselementen und 2c ein Beispiel mit sechs Verbindungselementen.
Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen optischen Elementes ist in 1 gezeigt. An einem ersten Teilelement 1 sind außenseitig drei Verbindungselemente 16 befestigt. Die Verbindungselemente 16 haben jeweils zwei Stege 27, die ausgehend von einem Basisteil 26 in geneigten Winkel in Richtung aufeinander zu laufen und in einen gemeinsamen Übergangsbereich übergehen. Die Stege 27 schließen eine Durcbrechung ein und weisen an zwei gegenüberliegenden äußeren Rändern verjüngte Bereiche 17 auf, mit denen die Federsteifigkeit in Richtung auf das zweite Teilelement 2 reduziert werden kann, auf.
Zumindest dieser Übergangsbereich steht mit äußeren Rändern des zweiten Teilelementes 2 in berührendem Kontakt, wobei geringe Druckkräfte von außen nach innen wirken.
Die Justieren und Positionierung des zweiten Teilelementes 2 in Bezug zur gemeinsamen Justierachse und dem ersten Teilelement 1 erfolgt mit einem am zweiten Teilelement 2 angreifenden Positioniersystem 4, das elektronisch gesteuert werden kann.
Die stoffschlüssigen Verbindung wird nach erfolgter Justierung und Positionierung an den Punkten 6 zwischen den drei Verbindungselementen 16 und dem zweiten Teilelement 2 durch Laserschweißen hergestellt.
Die Befestigung der Verbindungselemente 16 am ersten Teilelement 1 kann vorab ebenfalls stoffschlüssig realisiert werden.
Dabei kann diese Verbindung im Bereich des Basisteils 26 der Verbindungselemente 16 angeordnet sein. Es ist aber vorteilhaft diese Verbindung an zwei Punkten vorzunehmen, so dass die dann drei Verbindungspunkte eines jeden Verbindungselementes 16 ein Dreieck aufspannen und die im allgemeinem Teil der Beschreibung erwähnten Vorteile dadurch erreicht werden können.
Es besteht aber in nicht dargestellter Form auch die Möglichkeit ein oder zwei der hier drei Verbindungselemente 16 in der jeweiligen Ebene um 180° versetzt anzuordnen, so dass die stoffschlüssige Verbindung in dem einen Punkt 6 dann am jeweils anderen Teilelement, beim in 1 gezeigten Beispiel also am Teilelement 1 erfolgen würde.
Das in 1 gezeigte Beispiel verwendet rechteckige oder quadratische Teilelemente 1 und 2 und die Verbindungselemente 16 sind in den drei drei senkrecht ausgerichteten Randflächen angeordnet und in den entsprechenden Ebenen ausgerichtet.
Das in 2a gezeigte Beispiel unterscheidet sich lediglich durch die dreieckige äußere Gestalt der beiden miteinander verbundenen Teilelemente 1 und 2, so dass eine vorteilhafte 120° Anordnung der drei Verbindungselemente 16 zueinander eingehalten werden kann.
Bei dem Beispiel, wie es in 2b gezeigt ist, wurden wiederum drei Verbindungselemente 16 in einer 120° Anordnung zur Verbindung der beiden Teilelemente 1 und 2 eingesetzt.
Die drei Verbindungselemente 16 sind bei diesem Beispiel so gestaltet, dass sie kein geschlossenes Basisteil 26 aufweisen und demzufolge eine vorteilhafte stoffschlüssige Verbindung der Verbindungselemente 16 am Teilelement 1 an jeweils zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Punkten realisiert werden kann. Auch in einer solchen Ausbildung der Verbindungselemente 16 und der stoffschlüssigen Verbindung mit den Teilelementen 1 und 2 kann eine ausreichend genaue und steife Positionierung nach erfolgter Justierung der beiden Teilelemente 1 und 2 erreicht werden.
Bei dem in 2c gezeigten Beispiel werden insge samt sechs Verbindungselemente 16 eingesetzt, um die beiden Teilelemente 1 und 2 nach erfolgter Justierung positioniert zueinander miteinander zu verbinden.
Dabei sind jeweils zwei Verbindungselemente 16 in einer Ebene angeordnet und die drei Ebenen in Winkeln von jeweils 120° zueinander ausgerichtet.
Die in 2c dargestellten Verbindungselemente 16 können aber auch analog z.B. nach 1 in den jeweiligen Ebenen der dort dargestellten drei Verbindungselemente 16, bei entsprechender Außenkontur der Teilelemente 1 und 2 eingesetzt werden.
Alle sechs Verbindungselemente 16 des Beispiels nach 2c sind in jeweils einem Punkt mit einem der beiden Teilelemente 1 und 2 formschlüssig verbunden, so dass bei der Positionierung und Fixierung sechs Freiheitsgrade berücksichtigt werden können.
Bei dem hier gezeigten Beispiel sind die Verbindungselemente 16 schräg abgewinkelt und die beiden in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Verbindungslemente 16 mit ihren abgewinkelten Schenkeln aufeinander zu gerichtet, ohne dass sie unmittelbar miteinander in berührendem Kontakt stehen.
Durch die abgewinkelte Form der Verbindungselemente 16 kann die Steifigkeit der Verbindungselemente 16 und demzufolge auch die Steifigkeit der hergestellten Verbindung der beiden Teilelemente 1 und 2 in der Ebene, in der die Verbindungselemente 16 ausgerichtet sind, noch erhöht werden.

Claims

Optisches Element, bei dem zwei Teilelemente (1, 2), mindestens in Bezug zu einer gemeinsamen Justierachse positioniert und mittels mindestens drei Verbindungselementen (16), die in drei verschiedenen Ebenen ausgerichtet und angeordnet sind, verbunden sind; dabei jedes der Verbindungselemente (16) mit jeweils einem der beiden Teilelemente (2) in einem einzigen Punkt (6) stoffschlüssig verbunden ist und die Verbindungselemente (16) parallel zur jeweiligen Ebene infolge eines geometrisch bedingten hohen Widerstandsmomentes eine hohe Steifigkeit aufweisen sowie die Verbindungselemente (16) federnd in Richtung auf die Justierachse auf das Teilelement (2) eine Druckkraft ausüben.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (16) in Ebenen, die in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet sind, liegen.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelabstände der drei Ebenen jeweils 90° oder 120° betragen.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (16) in der jeweiligen Ebene ein Dreieck bilden und mit zwei Punkten am Teilelement (1) und mit einem einzigen Punkt am Teilelement (2) stoffschlüssig verbunden sind.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungselementen (16) jeweils zwei aufeinander zu laufende Stege (27) vorhanden sind und die punktuelle stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Teilelement (2) im Übergangsbereich der beiden Stege (27) angeordnet ist.
Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (27) in jeweils einem einzigen Punkt mit dem ersten Teilelement (1) verbunden sind.
Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (27) in ein Basisteil übergehen und das Basisteil (26) mit dem ersten Teilelement (1) verbunden ist.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an äußeren Rändern der Verbindungselemente (16) verjüngte Bereiche (17) ausgebildet sind.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungselementen (16) Festkörpergelenke vorhanden sind.
Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, die Festkörpergelenke als nutförmige Werkstoffschwächung bzw. in Form punkt- oder linienfömiger Aussparungen ausgebildet sind.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungselementen (16) eine punktförmige Erhebung vorhanden ist, über die die Druckkraft auf das Teilelement (2) ausübbar ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ebene jeweils zwei Verbindungselemente mit einem rechteckigen Querschnitt angeordnet sind und jedes der sechs Verbindungselemente in jeweils einem einzigen Punkt mit dem ersten Teilelement (1) und dem zweiten Teilelement (2) stoffschlüssig verbunden ist.
Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verbindungselemente, die jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, nichtparallel zueinander ausgerichtet sind.
Element nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Teilelement (1 oder 2) ein miniaturisierter Bildgeber eines Projektionssystems ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Teilelement (1) in Bezug zu einer Justierachse ortsfest und starr fixiert, mittels einem zumindest drei Freiheitsgrade berücksichtigenden Positioniersystem (4) ein zweites Teilelement (2) in Bezug zum ersten Teilelement (1) und der Justierachse bewegt und positioniert wird; dabei von mindestens drei am ersten Teilelement (1) befestigten Verbindungselementen (16) an äu ßeren Rändern umgriffen und von den Verbindungselementen (16) jeweils in Richtung auf die Justierachse Druckkräfte ausgeübt werden, nach erfolgter Justierung an jeweils einem einzigen Punkt jedes der Verbindungselemente (16) eine stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Teilelement (2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (16) mit dem ersten Teilelement (1) stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit den einzelnen Verbindungselementen (16) jeweils eine Druckkraft < 5 N ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch Laserschweißen oder Laserlöten hergestellt wird.