DE10250985B4

DE10250985B4 - Verfahren zur Kompensation thermisch bedingter Veränderungen in einem optischen System, optische Anordnung und Nachführeinrichtung

Info

Publication number: DE10250985B4
Application number: DE2002150985
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Gindele; Christian Novotny
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: DE10250985A1

Abstract

Verfahren zur Kompensation thermisch bedingter Veränderungen in einem, optische Komponenten aufweisenden, optischen System mit Abmessungen im Millimeterbereich, das ein optisches Ausgangssignal liefert, das auf einen, ein sensitives Element aufweisenden Empfänger auftrifft, dadurch gekennzeichnet,
dass die Positionsveränderungen der einzelnen optischen Komponenten des optischen Systems nicht kompensiert werden und
dass der Empfänger oder das sensitive Element des Empfängers der thermischen Verschiebung des Ortes des optischen Ausgangssignals des optischen Systems senkrecht zur Austrittsrichtung des optischen Ausgangssignals nachgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation thermisch bedingter Veränderungen in einem optische Komponenten aufweisenden optischen System mit Abmessungen im Millimeterbereich, das ein optisches Ausgangssignal liefert, das auf einem ein sensitives Element aufweisenden Empfänger auftrifft. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine optische Anordnung mit einem optischen System, das ein optisches Ausgangssignal liefert, und mit einem ein sensitives Element aufweisenden Empfänger für das optische Ausgangssignal. Weiterhin betrifft die Erfindung eine temperaturabhängige, passive Nachführeinrichtung mit Abmessungen im Millimeterbereich für einen ein sensitives Element aufweisenden Empfänger relativ zu einem optischen System.
Temperaturänderungen führen bei optischen Systemen zu einer Veränderung der Abstände der optischen Komponenten, z. B. durch Längenänderungen der Linsenhalterungen oder der Gehäusewände oder auch gegebenenfalls durch Veränderungen der Krümmung von Linsen, was wiederum die Qualität der optischen Abbildungen insofern beeinträchtigt, als Abbildungsfehler, Unschärfen und dergleichen auftreten. Zur Behebung dieses Problems sind in der Vergangenheit verschiedene Lösungswege eingeschlagen worden.

Eine Möglichkeit, die räumlichen Verschiebungen optischer Komponenten aufgrund von thermischen Einflüssen zu verringern oder gänzlich zu verhindern, besteht darin, Materialien zu verwenden, die nur einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Weiterhin ist es bekannt, eine Kompensation über sogenannte aktive Einheiten vorzunehmen, mit der Einzelkomponenten des optischen Systems in Abhängigkeit von der Temperatur zueinander positioniert werden. In der EP 0 687 945 B1 wird ein solches aktives System beschrieben, das ein Objektivantriebssystem, eine Temperaturermittlungseinrichtung und eine Steuereinrichtung umfasst. Dieses Temperaturkompensationssystem, mit dem die Linsen entsprechend der Umgebungstemperatur bewegt werden, ist aufwendig und nur für makroskopische optische Systeme einsetzbar.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Anpassung immer zeitverzögert erfolgt und nicht wie bei passiven Einheiten in Echtzeit.

Breiten Raum im Stand der Technik nehmen Lösungen ein, die eine Temperaturkompensation mittels mehrerer Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten vornehmen.

In der DE-OS 37 14 745 wird eine optische Anordnung mit einer hohlzylindrischen Linsenhalterung beschrieben, bei der eine Objektivlinse in einer ersten Hülse und eine zweite Objektivlinse in einer zweiten konzentrisch angeordneten Hülse befestigt ist, wobei die Abmessungen und die Ausdehnungskoeffizienten so gewählt werden, dass bei einer Temperaturänderung die Längenausdehnung der zweiten Hülse kompensiert wird, so dass an einer bestimmten Stelle keine relative axiale Abstandsänderung zwischen den optischen Bauelementen auftritt. Diese Vorrichtung ist aufwendig und ebenfalls nur für ein makroskopisches Linsensystem verwendbar.

Ähnliche thermische Kompensatoren, die innerhalb eines makroskopischen optischen Systems eingesetzt werden und mit Hohlzylindern arbeiten, werden in US 1,325,936 ; US 2,533,478 , US 4, 165,918 und US 4,190,325 beschrieben.

Aus der US 5,412,510 ist ein Farbscanner bekannt, der eine optische, aus einem Linsensystem bestehende Anordnung und einen Empfänger aufweist. Um Temperatureinflüsse auf das optische System zu kompensieren, sind zwei Korrekturelemente vorgesehen, die den relativen Abstand zwischen dem Empfänger und der Linsengruppe verändern. Hierbei wird eine Verschiebung der Brennweite oder der Brennpunkte der Linsen in dem optischen System kompensiert. Demzufolge ist die Nachführeinrichtung derart ausgelegt, dass die Kompensation in Strahlrichtung durchgeführt wird. Die Nachführeinrichtung weist ein separates Kompensationselement auf, wobei die zusätzlich verwendeten Substrate eigenständige Bauteile sind, die an der Temperaturkompensation nicht beteiligt sind.

Sämtliche bekannten Lösungen sind kompliziert und aufwendig in der Fertigung und jeweils nur für spezielle makroskopische Systeme einsetzbar und bestimmt. Es wird nur die temperaturbedingte Verschiebung einzelner optischer Elemente untereinander beschrieben. Wegen der hohen Herstellungskosten werden nur kleine Stückzahlen erreicht. Für eine Temperaturkompensation sind in der Regel innerhalb eines einzigen Systems mehrere Kompensationseinrichtungen erforderlich, was die Temperaturkompensation für ein optisches System zusätzlich verteuert.

Außerdem sind die bekannten Lösungen nicht auf mikrotechnisch hergestellte optische Systeme mit Dimensionen im Millimeterbereich übertragbar, so dass nach neuen Lösungsmöglichkeiten gesucht werden muss.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, eine optische Anordnung und eine Nachführeinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der thermisch bedingte Verschiebungen auf einfache und kostengünstige Weise kompensiert werden können.

Die Aufgabe bezieht sich ausschließlich auf Systeme mit Abmessungen im Millimeterbereich und auf optische Komponenten mit Abmessungen im Millimeter- oder Submillimeterbereich.

Unter Abmessungen im Millimeterbereich werden Abmessungen bis maximal 100 mm, vorzugsweise bis 50 mm verstanden. Die Größe der optischen Systeme hängt von der Anzahl der optischen Komponenten ab, die selbst Abmessungen im Millimeterbereich, aber auch im Submillimeterbereich aufweisen können. Im Fall optischer Gitter können diese beispielsweise Abmessungen von einigen Millimetern und Gitterstrukturen mit Abmessungen von beispielsweise im Nanometerbereich aufweisen. Unter optischen Systemen werden vorzugsweise solche Systeme verstanden, die mit mikrotechnischen Verfahren, wie z.B. der LIGA-Technik, hergestellt werden, weil nur mit solchen Herstellungsmethoden eine Anordnung von optischen Komponenten zueinander mit hoher Genauigkeit erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass die Positionsveränderungen der einzelnen optischen Komponenten des optischen Systems nicht kompensiert werden und dass mindestens das sensitive Element des Empfängers oder der Empfänger der thermischen Verschiebung des Ortes des optischen Ausgangssignals senkrecht zur Austrittsrichtung des optischen Ausgangssignals nachgeführt wird.

Soweit von einem Empfänger gesprochen wird, handelt es sich vorzugsweise um einen optischen oder elektrischen Empfänger.

Bei miniaturisierten optischen Systemen, die Linsen, Spiegel, Gitter und dergleichen mit Abmessungen im Millimeter- oder Submillimeterbereich aufweisen, sind die bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik nicht einsetzbar. Insbesondere ist es wegen der geringen Abmessungen der optischen Komponenten nicht möglich, die einzelnen Linsen, Spiegel usw. ohne großen Aufwand einzeln gegeneinander zu verschieben, um thermische Driften zu kompensieren. Insbesondere bei mikrotechnisch hergestellten optischen Systemen wird die Anordnung der optischen Komponenten zueinander bereits bei der Herstellung festgelegt, was insbesondere für die mikrotechnischen Abformverfahren gilt.

Die Erfindung beschreitet daher einen anderen Weg, indem nicht die räumliche Veränderung der Einzelkomponenten infolge thermischer Verschiebung kompensiert wird, sondern die Summe der Veränderungen der Einzelkomponenten in Kauf genommen wird, was bedeutet, das in das optische System selbst nicht eingegriffen wird. Die thermische Kompensation wird an der Ortsverschiebung des Ausgangssignals des gesamten optischen Systems ausgerichtet, in der die Summe der Veränderungen, die durch die Einzelkomponenten verursacht worden sind, enthalten ist. Erst die Veränderung des Ortes des optischen Signals am Ausgang des optischen Systems wird berücksichtigt und das sensitive Element des Empfängers oder auch der gesamte Empfänger des optischen Signals wird entsprechend der Ortsverschiebung des Ausgangssignals senkrecht zur Austrittsöffnung nachgeführt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass lediglich nur zwei Bauteile in Abhängigkeit der Temperatur zueinander justiert werden müssen.

Die erforderliche temperaturabhängige passive Nachführeinrichtung ist gekennzeichnet durch einen Befestigungsabschnitt mit Befestigungsmitteln für die Anbringung an dem optischen System und durch einen Halterungsabschnitt zur Aufnahme mindestens des sensitiven Elementes des Empfängers sowie durch einen zwischen beiden Abschnitten angeordneten temperaturempfindlichen Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt, wobei die passive Nachführeinrichtung aus einem einteiligen Bauteil besteht und die Nachführeinrichtung derart angeordnet ist, dass sie das sensitive Element senkrecht zur Austrittsrichtung des optischen Ausgangssignals verschiebt.

Der Vorteil der Nachführeinrichtung besteht darin, dass sie mit drei Abschnitten einfach aufgebaut ist und dass nur eine kleine Einheit, nämlich das sensitive Element oder der gesamte Empfänger aufgenommen und bewegt werden muss. Die Nachführeinrichtung muss sich bezüglich ihrer Auslenkung nicht an den Materialeigenschaften der optischen Komponenten und deren Halterungen orientieren, sondern lediglich an der resultierenden Ortsverschiebung des Ausgangssignals. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das Material der Nachführeinrichtung insofern unabhängig vom Material des optischen Systems gewählt werden kann. Dies schließt nicht aus, dass sowohl das optische System als auch die Nachführeinrichtung aus demselben Material gefertigt werden können, um preiswerte Komplettlösungen anbieten zu können.

Als einteiliges Bauteil lässt sich die Nachführeinrichtung einfach am optischen System montieren, ohne dass zusätzliche Justierungen innerhalb der Nachführeinrichtung vorgenommen werden müssen. Hierbei empfiehlt es sich, vor der Montage bereits das sensitive Element oder den Empfänger bzw. den Detektor auf dem Halterungsabschnitt anzubringen.

Vorzugsweise ist das Bauteil ein Formteil.

Besonders bevorzugt ist die Ausführung des Formteils als Spritzgussteil, weil dadurch die Nachführeinrichtung der Massenproduktion zugänglich ist, was wiederum die Herstellungskosten erheblich senkt.

Für die Nachführeinrichtung können verschiedene Materialien verwendet werden, die bezüglich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten für das jeweilige optische System geeignet und angepasst sind.

Es ist von Vorteil, wenn für das Formteil ein gefüllter oder ein ungefüllter Kunststoff verwendet wird. Über die Füllkomponenten und das Kunststoffmatrixmaterial lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient in einem weiten Bereich exakt einstellen.

Bevorzugte Materialien sind PEEK (Polyetheretherketon) oder PPS (Polyphenylensulfid), die als Füllkomponente Glasfasern enthalten können.

Die Befestigungsmittel können lösbare oder nichtlösbare Mittel sein. Lösbare Befestigungsmittel haben den Vorteil, dass die Nachführeinrichtung vom optischen System wieder entfernt und für andere optische Systeme weiterverwendet oder recycelt werden kann. Als lösbare Befestigungsmittel sind insbesondere Klemm- oder Press- oder auch Steckelemente geeignet.

Unlösbare Befestigungsmittel sind vorzugsweise mit Klebstoff gefüllte Taschen, insbesondere Nuten, oder Lötstellen. Lötstellen setzen allerdings voraus, dass mindestens der Bereich, wo die Befestigungsmittel am optischen System angreifen aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind.

Um ein großes Einsatzgebiet zu erschließen, ist es von Vorteil, wenn in Dehnungs- und Kontraktionsrichtung mehrere identische Befestigungsmittel hintereinander angeordnet sind. Es ist dadurch möglich, diejenigen Befestigungsmittel auszuwählen, die den baulichen Gegebenheiten am besten entsprechen. Außerdem lässt sich aufgrund der Hintereinanderanordnung der Befestigungsmittel auch die Länge des resultierenden Dehnungs- und Kontraktionsabschnittes festlegen. Dies eröffnet wiederum die Möglichkeit, den maximalen Dehnungs- bzw. Kontraktionsweg zu definieren.

Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel Zähne einer Kammstruktur, wobei vorteilhafterweise zwei Kammstrukturen gegenüberliegend angeordnet sein können. Die beiden Kammstrukturen liegen senkrecht zur Dehnungs- und Kontraktionsrichtung gegenüber.

Die Nachführeinrichtung kann weiterhin noch Führungselemente aufweisen. Diese Führungselemente wirken mit entsprechenden Strukturen an optischen Systemen vorzugsweise gleitend zusammen und erhöhen die Stabilität der Nachführeinrichtung.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt aus einer dehnbaren/kontrahierbaren Kammer besteht, die mit einem temperaturempfindlichen Fluid, also einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Volumenänderung des Fluids bei Temperaturänderungen wird somit die Dehnung bzw. die Kontraktion des Abschnittes bewirkt.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem optischen System eine temperaturabhängige passive, einteilige Nachführeinrichtung befestigt ist, auf der mindestens das sensitive Element des Empfängers angeordnet ist, wobei die Nachführeinrichtung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie das sensitive Element senkrecht zur Austrittsrichtung des Ortes des optischen Ausgangssignals nachführt.

Es ist auch möglich, die Nachführeinrichtung derart auszugestalten, dass das sensitive Element in Austrittsrichtung des optischen Signals bewegt wird oder dass eine Kombination beider Bewegungsrichtungen ermöglicht wird.

Das optische System ist vorzugsweise ein Spektrometer, das in seiner Bildebene als optisches Signal eine Abbildung erzeugt. Der Empfänger kann ein optischer oder elektronischer Empfänger sein und ist vorzugsweise ein Detektor, dessen sensitive Fläche in der Bildebene des optischen Systems positioniert ist. Die Nachführeinrichtung führt bei dieser Ausführungsform die sensitive Fläche des Detektors der thermisch bedingten Verschiebung der Abbildung nach.

Als optische Empfänger oder Detektoren kommen insbesondere Photodiodenzeilen, CCD-Chips oder eine Aneinanderreihung einzelner Detektorelemente in Frage.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein optisches System bei verschiedenen Temperaturen,
2 eine schematische Darstellung der optischen Anordnung,
3a und 3b eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Nachführeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
4 die in den 3a und 3b gezeigte Nachführeinrichtung, die an einem optischen System angeordnet ist,
5a und 5b eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Nachführeinrichtung,
5c eine perspektivische Darstellung einer Nachführeinrichtung ähnlich der in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsform,
6 die in der 5c dargestellte Nachführeinrichtung in Kombination mit einem optischen System,
7a und 7b eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine Nachführeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform und
8a und 8b zwei Diagramme zur Verdeutlichung der Temperaturkompensation.
In den 1a,b,c ist jeweils ein Querschnitt durch ein Spektrometer 1 als Beispiel für ein optisches System dargestellt, das mikrotechnisch aus Kunststoff hergestellt ist. Das Spektrometer 1 hat die Abmessungen 16 mm × 32 mm und weist in seinem Innenraum an den beiden Wänden 2a und 2c ein Gitter 5 und einen sphärischen Spiegel 4 auf. In der Wand 2a ist ein Eintrittsfenster 3 und ein Austrittsfenster 6 vorgesehen. Die beiden übrigen Wände 2b, 2d weisen keine optischen Komponenten auf.
Ein in das Spektrometer 1 eingekoppelter Lichtstrahl 8 wird nach Reflektionen an dem Spiegel 4 und dem Gitter 5 in die Bildebene in Punkt 7a abgebildet (siehe 1a). Wird die Umgebungstemperatur von ϑ = 25 ° C auf ϑ = –40 ° C erniedrigt (1b) oder auf ϑ = 70 ° C (s. 1c) erhöht, verändern sich die Dimensionen des Spektrometers, insbesondere die Abstände zwischen den optischen Komponenten. Dies hat zur Folge, das der Bildpunkt vom Punkt 7a zum Punkt 7b bzw. 7c wandert. Der Ort des Austrittssignals 15 bewegt sich in Abhängigkeit der Temperatur in der Bildebene.
Wenn in dieser Bildebene ein Detektor 10 mit seinem sensitiven Element 11 angeordnet ist und bei ϑ = 25 ° C ein bestimmtes Pixel des Detektors 10 dem Bild einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet wird , so verändert sich die Zuordnung durch eine Temperaturänderung und die Wellenlängenkallibration wird dadurch beeinträchtigt. Um dies zu verhindern, muss der Detektor entsprechend nachgeführt werden.
In der 2 ist eine Anordnung des Spektrometers 1 zusammen mit einer Nachführeinrichtung 20 und dem Detektor 10 schematisch dargestellt. Die Kreise 3 und 6 symbolisieren das Eintritts- und Austrittsfenster. In Abweichung zur Darstellung der 1 liegt die Bildebene auf der sensitiven Fläche 11 des Detektors 10. An der Wand 2a der Austrittsöffnung 6 ist die Nachführeinrichtung 20 mittels Befestigungsmittel 24 befestigt, wobei die Nachführeinrichtung 20 einen Befestigungsabschnitt 21, einen Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt 22 sowie einen Halterungsabschnitt 23 aufweist, auf dem der Detektor 10 angeordnet ist. Diese Nachführeinrichtung 20 unterliegt, wie das Spektrometer 1, ebenfalls Temperaturschwankungen mit der Folge, dass der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt 22 sich ausdehnt bzw. sich zusammenzieht, so dass der Detektor 10 senkrecht zur Austrittsrichtung des Ausgangssignals 15 in Pfeilrichtung bewegt wird.
Die Länge des Dehnungs- und Kontraktionsabschnittes 22 ist hierbei so gewählt, dass bei einer Temperaturänderung Δϑ die Wegstrecke des Detektors mit der Wegstrecke des Bildpunktes des Ausgangssignals 15 übereinstimmt. Auch ist die Anordnung der Nachführeinrichtung 20 so gewählt, dass die Bewegungsrichtungen von Detektor und Bildpunkt übereinstimmen.
In der 3a ist die Seitenansicht einer Nachführeinrichtung 20 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt unterteilt sich in einen horizontalen Abschnitt 22b und vertikalen Abschnitt 22a, an dessen oberen Ende der Befestigungsabschnitt 21 abgewinkelt angeordnet ist, wobei sich dieser Abschnitt 21 parallel zum Halterungsabschnitt 23 erstreckt. In der 3b ist die Draufsicht auf die Nachführeinrichtung 20 dargestellt. Bei beispielsweise einer Temperaturerhöhung dehnt sich sowohl der Abschnitt 22a als auch der Abschnitt 22b aus, mit der Folge, dass der Detektor sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gemäß der beiden Pfeile verschoben wird. Als Befestigungsmittel ist eine Nut 29 im Befestigungsabschnitt 21 vorgesehen. Die beiden Nuten 29 der beiden Befestigungsabschnitte 21 wirken mit entsprechenden Führungsschienen 9 an den Außenwänden des Spektrometers 1 zusammen, wie dies in der 4 dargestellt ist.
In den 5a und 5b ist die Seitenansicht und die Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform dargestellt. Der Befestigungsabschnitt 21 weist als Befestigungsmittel 24 zwei Reihen 27a,b von kammartigen Strukturen 26 mit vertikal nach oben weisenden Zähnen 25a,b,c,d auf. Die Zähne 25a,b,c,d sind in der Dehnungs- bzw. Kontraktionsrichtung nebeneinander angeordnet, was den Benutzer in die Lage versetzt, über die Auswahl der Zähne auch die Länge des Dehnungs- und Kontraktionsabschnittes 22 einzustellen. Wenn die Zähne 25b (siehe 5b) für die Befestigung an dem Spektrometer 1 ausgewählt werden, dann erstreckt sich der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt 22 von den Zähnen 25b bis zum Detektor 10. Bei der Wahl der Zähne 25d würde sich dementsprechend die Länge des Dehnungs- und Kontraktionsabschnittes 22 entsprechend verkürzen. Es wird dadurch möglich, die Nachführeinrichtung 20 an den jeweiligen konkreten Anwendungsfall anzupassen und die Wegstrecke, die der Detektor 10 zurücklegen muss, über die Wahl der Zähne einzustellen.
In der 5c ist eine modifizierte Ausführungsform perspektivisch dargestellt. Ergänzend zu den Erläuterungen der 5a und 5b ist darauf hinzuweisen, dass noch Führungsstrukturen 30 sowohl am Befestigungsabschnitt 21 als auch am Halterungsabschnitt 23 vorgesehen sind, die an entsprechenden Strukturen am Spektrometer 1 angreifen und für eine zusätzliche Stabilisierung der Nachführeinrichtung 20 dienen. Diese Führungsstrukturen 30 sind so ausgelegt, dass sie gleitend an der Außenseite des Spektrometers 1 angreifen.
Ferner sind als Befestigungsmittel mit Klebstoff gefüllte Nuten 28a, b, c als Klebetaschen vorgesehen. Diese Nuten 28a,b,c erstrecken sich senkrecht zur Längsachse der Nachführeinrichtung und sind zwischen den Zähnen angeordnet. Die Breite der Nuten 28a,b,c, kann der Breite der Zähne oder dem Abstand der Zähne entsprechen.
In der 6 ist diese Nachführeinrichtung zusammen mit dem Spektrometer 1 perspektivisch dargestellt, so dass das Angreifen der Befestigungsmittel an der Bodenwand 2e zu erkennen ist. Um die Länge des Dehnungs- und Kontraktionsabschnitts 22 festzulegen, ist auf jeder Seite jeweils ein Zahn der kammartigen Struktur mit der Bodenwand 2e verklebt.
In den 7a und 7b ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt 22 durch eine Kammer 22' gebildet wird, die mit einem Fluid, z. B. Wasser oder Gas gefüllt ist. Diese Kammer 22' besitzt eine ziehharmonikaartige Wand, die es ermöglicht, dass sich bei Temperaturänderungen der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt 22 zusammenziehen oder ausdehnen kann. Während die zuvor gezeigten Ausführungsformen jeweils einstückig als Bau- oder Formteil hergestellt wurden, besteht die Nachführeinrichtung 20 gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise aus zwei Bau- oder Formteilen, die den Befestigungsabschnitt 21 und den Halterungsabschnitt 23 bilden, wobei diese beiden Abschnitte über die dehnbare Kammer 22' miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform tragen die der Kammer 22' benachbarten Bereiche der Abschnitte 21 und 23 ebenfalls zum Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt bei, wobei diese Beiträge je nach Fluid unter Umständen vernachlässigt werden können.
In der 8 sind experimentelle Ergebnisse in zwei Diagrammen a und b dargestellt, wobei die Intensität gegen die Pixelnummer in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgetragen ist. Zu sehen ist die Verschiebung des Kallibrationssignals, das anhand des in 1 gezeigten Spektrometers 1 aufgenommen wurde. Typisch für industrielle Anwendungen ist ein Temperaturbereich zwischen –40 ° C und +70 ° C. Es wurde ein Temperaturdurchlauf beginnend bei 20 ° C über –40 ° C bis zu 70 ° C und zurück zu 20 ° C durchgeführt. Die Intensität des Kallibrationssignals wurde in 10 ° C-Stufen jeweils nach dem Erreichen der jeweiligen Umgebungstemperatur gemessen. Ohne Nachführung des Detektors 10 tritt eine thermische Drift von ungefähr 3 Pixeln auf, was einer Wellenlängenänderung von dλ∼9nm bis 12nm (dT = 100 ° C) entspricht (siehe 8a). Bei konstanter Temperatur über zwei Tage hinweg hat sich die spektrale Position des Kallibrationssignals nicht geändert. Somit können andere Einflüsse der Wellenlängenverschiebung ausgeschlossen werden.
Unter Verwendung der Nachführeinrichtung 20 wurde dasselbe Temperaturprogramm durchfahren, was in der 8b dargestellt ist. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, konnte die spektrale Verschiebung auf unter 1 Pixel verringert werden. Eine merkliche Veränderung konnte nur dann festgestellt werden, wenn die Temperatur von 60 ° C überschritten wurde. Unter Anwendung eines Gauss-Fits konnte berechnet werden, dass eine Wellenlängenänderung von dλ∼2,2nm bei einer Temperaturänderung von dT = 100 ° C erreicht wird. Der Einfluss der Temperatur auf die spektrale Auflösung kann vernachlässigt werden. Die Halbwertsbreite des Kallibrationssignals liegt zwischen dλ∼3,4nm – 4nm.

1: Spektrometer
2a,b,c,d: Spektrometerwände
2e: Bodenwand
3: Eintrittsfenster
4: Sphärischer Spiegel
5: Optisches Gitter
6: Austrittsfenster
7a,b,c: Bildpunkte
8: Strahlengang
9: Führungsschiene
10: Detektor
11: sensitives Element
15: Ausgangssignal
20: Nachführeinrichtung
21: Befestigungsabschnitt
22: Dehn- und Kontraktionsabschnitt
22': Kammer
23: Halterungsabschnitt
24: Befestigungsmittel
25a,b,c,d: Zahn
26: kammartige Struktur
27a,b: Reihe
28a,b,c: Klebernuten
29: Nut
30: Führungsstruktur

Claims

Verfahren zur Kompensation thermisch bedingter Veränderungen in einem, optische Komponenten aufweisenden, optischen System mit Abmessungen im Millimeterbereich, das ein optisches Ausgangssignal liefert, das auf einen, ein sensitives Element aufweisenden Empfänger auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsveränderungen der einzelnen optischen Komponenten des optischen Systems nicht kompensiert werden und dass der Empfänger oder das sensitive Element des Empfängers der thermischen Verschiebung des Ortes des optischen Ausgangssignals des optischen Systems senkrecht zur Austrittsrichtung des optischen Ausgangssignals nachgeführt wird.
Temperaturabhängige, passive Nachführeinrichtung mit Abmessungen im Millimeterbereich für einen, ein sensitives Element aufweisenden Empfänger relativ zu einem optischen System, das ein optisches Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung (20) einen Befestigungsabschnitt (21) mit Befestigungsmitteln (24) für die Anbringung an dem optischen System (1) und einen Halterungsabschnitt (23) zur Aufnahme mindestens des sensitiven Elements (11) des Empfängers (10) aufweist, wobei zwischen dem Befestigungsabschnitt (21) und dem Halterungsabschnitt (23) ein temperaturempfindlicher Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt (22) angeordnet ist, und dass die Nachführeinrichtung (20) ein einteiliges Bauteil ist und derart angeordnet ist, dass sie das sensitive Element (11) senkrecht zur Austrittsrichtung des optischen Ausgangssignals (15) verschiebt.
Nachführeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Formteil ist.
Nachführeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil ein Spritzgussteil ist.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem gefüllten oder ungefüllten Kunststoff besteht.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus PEEK (Polyetheretherketon), glasfaserverstärktem PEEK, PPS (Polyphenylensulfid) oder glasfaserverstärktem PPS besteht.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (24) lösbar sind und Klemm-, Press- oder Steckelemente sind.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (24) unlösbar sind und klebstoffgefüllte Taschen oder Lötstellen sind.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Dehnungs- und Kontraktionsrichtung mehrere identische Befestigungsmittel (24) hintereinander angeordnet sind.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (24) Zähne (25a,b,c,d) einer kammartigen Struktur (26) sind.
Nachführeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reihen (27,a,b) der kammartigen Struktur (26) gegenüberliegend angeordnet sind.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Führungselemente (30) vorgesehen sind.
Nachführeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungs- und Kontraktionsabschnitt (22) aus einer dehnbaren und kontrahierbaren Kammer besteht, die mit einem temperaturempfindlichen Fluid gefüllt ist.
Optische Anordnung mit einem optischen System, das ein optischen Ausgangssignal liefert und mit einem ein sensitives Element aufweisenden Empfänger für das optische Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, dass an dem optischen System (1) eine temperaturabhängige, passive, einteilige Nachführeinrichtung (20) befestigt ist, auf der mindestens das sensitive Element (11) des Empfängers (10) angeordnet ist, wobei die Nachführeinrichtung (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie das sensitive Element (11) senkrecht zur Austrittsöffnung des optischen Ausgangssignals (15) verschiebt.
Optische Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1) ein Spektrometer ist, das in seiner Bildebene als optisches Ausgangssignal (15) eine Abbildung erzeugt, dass der Empfänger (10) ein Detektor ist, dessen sensitive Fläche in der Bildebene positioniert ist und dass die Nachführeinrichtung (20) mindestens die sensitive Fläche (11) der thermisch bedingten Verschiebung der Abbildung nachführt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (10) eine Photodiodenzeile, ein CCD-Chip oder eine Aneinanderreihung einzelner Detektorelemente ist.