DE1810302A1

DE1810302A1 - Vorrichtung zur Halterung eines optischen Gliedes

Info

Publication number: DE1810302A1
Application number: DE19681810302
Authority: DE
Inventors: Demey Charles Frederic
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1967-12-12
Filing date: 1968-11-22
Publication date: 1969-07-10
Also published as: GB1243986A; US3565515A

Description

€rnsl €. IOeisse · ' ⁵⁶⁰² %"^G _h ^EH™^G (RhId.), den .

Bokenbusch 41

Dipl.-Phys. Jürgen lOeisse ™

Patentee 1810302

Patentanmeldung

l'he Perkin-Elmer Corporation, Norwalk, Connecticut USA

Vorrichbung zur Halterung eines optischen Gliedes

Me Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung eines optischen Gliedes in einem Gerät, bei welcher jede Lagejustierung der optischen Litte dieses Gliedes so wohl län^s als auch quer zu seiner optischen Achse unnötig ist.

Die Erfindung betrifft eine Halterung beispielsweise für einen Hohlspiegel, bei welcher der* Hohlspiegel um die horizontale una vertikale Achse senkrecht zu seiner optischen. Achse justiert werden kann, bei welcher aber die übliche Justierung des Spiegels längs^jeiner optischen Achse vermieden wird.

.jie ex'findungst'.'emäße Vorrichtung ist dadux'ch gekennzeichnet, daß die op bische Iiitbe des- besagten optischen "Ui:;des in einem festen Punkt relativ zu dem Gerät schwenkbar gelagert ist, so daß das optische Glied frei

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um seine optische Mitte schwenkbar ist und daß Neigungseinstellmittel zur Festlegung der Winkellage des optischen Gliedes um ein Paar zueinander und zur optisöhen Achse des optischen Gliedes senkrechte Achsen vorgesehen sind.

Die Spiegelhalterung·' nach der vorliegenden Erfindung vereinfacht sowohl die anfängliche fabrikmäßige Justage als auch jede weitere Justage, die nach ausgedehnter Benutzung erforderlich wird, indem die Notwendigkeit einer Einstellung des Spiegels längs seiner Achse, zum Beispiel Veränderung der Lage seines Brennpunktes oder seiner Brennpunkte vermieden wird. Auch wird die Winkeljustage vereinfacht, indem nur eine einzige Schraube sowohl für die vertikale als auch für. die horizontale Neigung erforderlich ist. Die Srfindun^ erzielt diese vereinfachte Präzisionshalterung eines Spiegels, indem der Spiegel wirksam in seiner optischen Mitte in solcher V/ei&e unterstützt wird, α aß dieser Punkt relativ zu dem Gerät festgelegt wird, inp.em der Spiegel benutzt wird, während aber der Spiegel noch uu zwei Acnsea geneigt werden kann, die beide senkrecht zur optischen Achse liegen, durch die optische Hitte erstrecken und senkrecht zueinander sind. Somit ist nicht nur die optische Hitte des Spiegels unmittelbar auf der gewünschten 'Achse des Gerätes angeordnet, in welchem der Spiegel benutzt wird, sondern aucn aer Abstand von der· optischen Mitüe des Spiegels zu der gewünschten Stelle oder Stellen seiner· Bildebene oder konjugierter Bildebenen ist auch in

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definierter, reproduzierbarer Weise festgelegt, ohne daß eine Einstellung erforderlich ist. Andererseits kann der Spiegel immer noch sowohl um eine vertikale Achse durch seine optische Mitte und senkrecht zur optischen Achse als auch um eine zweite horizontale Achse durch.seine optische Mitte justiert werden, die sowohl senkrecht zu der ersten vertikalen Achse als auch zur optischen Achse ist, indem in jedem Fall eine einzige Schraube eingestellt wird...

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionshalterung für ein optisches Glied zu schaffen, welche die Notwendigkeit einer Brennweiteneinstellung des Gliedes vermeidet, d.h. eine Einstellung in Richtung längs seiner optischen Achse.

Eine verwandte Aufgabe besteht darin, eine solche Präzisionshalterung zu schaffen, welche es gestattet, das optische Glied winkelmäßig um seine optische Mitte um zwei zueinander senkrechte Einstellachsen zu justieren, die beide senkrecht zur optischen Achse liegen, und zwar in jedem Pail durch ein einziges Einstellmittel.

Diese Aufgaben werden durch die vorstehend geschilderten Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert j

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Fig. 1 zeigt einen Horizontalschnitt der'Halterung des optischen Gliedes nach der Erfindung, mittels welcher eine Hälfte eines Bllipsoidspiegels gehaltert ist, und zeigt die Lage ' beider Brennpunkte eines solchen Ellipsoids¹.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht der gleichen Halterungsvorrichtung (von rechts in Fig. 1 gesehen).'

Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Halterungsvorrichtung von Fig. 2 (aus der Richtung der Linie 3-3 in dieser Fig. gesehen) und

Fig. 4- zeigt eine vergrößerte Einzelheit des Mittelteils der Halterung längs Linie 4—4 in Fig. 3 gesehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das op*- tische Glied, welches durch die erfindungsgemäße Halterung genau gelagert ist, ein Hohlspiegel ist, und zwar genauer gesagt eine Hälfte eines Ellipsoidspiegels. Es ist aber offensichtlich, daß andere optische Glieder in ähnlicher oder wenigstens analoger Weise gehaltert werden können. In Fig. 1 ist eine Hauptmechanismusplatte des Gerätes, bei welchem die Halterung für optische Glieder nach der Erfindung benutzt werden soll, mit-1ο bezeichnet. Es ist als Beispiel angenommen, daß das Gerät ein Spektrometer ist, wobei Fig. 1 einen Teil der letzten Stufe, beispielsweise des Detektors, des Photometer-

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systems ist. Mit 12 ist somit der Austrittspalt der vorletzten Stufe des Gerätes bezeichnet, in diesem Falle des Monochromators, und die Intensität der Strahlung, die den Spalt von einem kleinen Bild 14 verläßt, ist zu messen. Es ist daher wünschenswert, dai3 aus den beispielsweise eingezeichneten Strahlen 15» 16 und 17 gebildete divergierende Bündel auf einer sehx* kleinen Fläche auf einem kleinen Strahlungsdetektor zu fokussieren, der generell mit 18 bezeichnet ist. Wie in der Optik bekannt ist, ist das "richtige" optische Glied für M solche Zwecke ein Teil des jeweiligen Ellipsoidspiegel, der seine beiden geometrischen Brennpunkte in den beiden konjugierten Bildpunkten zu liegen hat; beispielsweise bei 14 und 18. Die optische Achse des }jllipsoidspiegels 2o sollte mit der optischen Achse 28 des Gerätes, d.h. der Linie durch den Hittelpunkt des optischen Spaltes 12 und den Detektor 18, zusammenfallen.. Für feste Stellungen der gewünschten konjugierten Bildebenen 14 und 1b ist denn die optische Mitte OC des Spiegels, d.h. dex> Scheitelpunkt des Ellipsoids, in einem bekannten festen Abstand längs der Achse 28 von jeder Bildebene.

Uw diese Lagebestimpiung des Ellii)soidspie&els 2o zu erzielen und eine genaue winkelmäßige Ausrichtung desselben zu ermöglichen, enthält die Halterung· nech der Erfindung eine I-förmige Konsole 22 mit einer horizontalen Hatte 24 land einer beispielsweise aus einem Stück damit bestehenden vertikalen Platte 26. Diese Konsole ist durch irgendwelche (nicht dargestellte) gebräuchliche

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Mittel in einem genauen Abstand von dem Spalt 12 und damit dem Bild 14 und in wenigstens einigermaßen genauer winkelmäßiger Orientierung zu diesem an der Hauptgeräteplatte 1o befestigt. Sin relativ langer Stift oder Zapfen 3o ist genau an der vertikalen Platte 26 befestigt, beispielsweise indem der Endteil J1 seines Schaftes 32 mit Preßsitz in ein Loch 27 der Platte eingesetzt ist. Sin Schulterteil 34, der aus .einem •Stück mit dem Schaft 32 besteht oder starr mit diesem

A. verbunden ist, bestimmt genau die Lage des Zapfens längs seiner eigenen Länge relativ zu der Platte 26, beispielsweise durch Anliegen an deren Vorderfläche 36. Bei demAusführungsbeispiel weist die horizontale Platte 24 der Konsole eine lagebestimmende !fläche, z. B. eine Ausnehmung 38> siehe j?ig. 2, auf, um sicherzustellen, daß der Detektorhalter 19 und damit der Detektor 18 in einem richtigen Abstand von der vertikalen Platte 26 und damit dem Zapfen 3° angeordnet ist. Obwohl diese Technik der Halterung des Detektors die Einhaltung der gewünschten Abstandsverhältnisse vereinfacht, könnte der Detektor 18, 19 stattdessen offensichtlich auf der Hauptmechanismusplatte Io montiert v/erden,

W solange sowohl die Konsole 22 und der Zapfen 30 ihrerseits ebenso genau montiert sind. Auf jeden Fall ist der Zapfen 3o durch die dargestellten oder äquivalente Mittel genau montiert, so daß er mit dem Detektor 18 und dem Spalt 12 im richtigen Abstand von jedem fluchtend angeordnet ist.

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Der Spiegel 2o hat eine im wesentlichen geradlinige rechte (Fig. 1 und 3) Kante 4o, deren Mitte durch eine zylindrische Bohrung hinterdreht ist, so daß eine halbzylindrische Ausnehmung 42, wie am besten aus Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, erhalten wird. Der Zapfen Jo weist einen größeren Zapfenkopf 44 auf, der einen schnell sich verjüngenden rückwärtigen Teil 43 besitzt, welcher bei 4-6 in einen geringfügig sich verjüngenden Teil 4-5 des zylindrischen Hauptschaftteiles 3² des Zapfens 3o übergeht. Wie am besten aus Fig» 4- ersiehtlieh ist, liegt ein vorderer Eckteil 4-8 des Spiegels 2o, der durch den Schnitt seiner vorderen reflektierenden Ellipsoidfläche 5o mit der zylindrischen Ausnehmung 4-2 gebildet wird, an der Kante 4-6 an, die von den sich verjüngenden Teilen 4-3, 4-5 des Zapfens 3o gebildet wird. Die kreisförmige Kante 4-6 des Zapfens 3o hat den gleichen Durchmesser wie die Ausnehmung 4-2 in dem Spiegel und bestimmt damit die Lage der optischen Mitte OG des Spiegels in einem gewünschten Abstand von den beiden Bildpunkten (bei 14- und 18 in Fig. 1), solange wie der Spiegel 2o nach links in Fig. 2 und 4- gegen die Kante 4-6 des sich verjüngenden rückwärtigen Teils 4-3 des Zapfenkopfes 44 vorgespannt ist. Die restlichen (d.h. bisher nicht beschriebenen) Teile der Vorrichtung bewirken nicht nur diese Vorspannung sonder gestatten auch eine Neigung des Spiegels 2o um seine optische Mitte, ohne den letzteren Punkt zu bewegen.

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Die Raumform zum Halten des Spiegels 2α gegen den Zapfenkopf 44 enthält eine lange Feder 52 (siehe insbesondere Fig: 5)> welche um den Umfang des Spiegels 2.o herumgelegt ist und unter Spannung an ihren beiden Enden art oberen und unteren Haltezapfen 54 bzw. 56 befestigt ist. Diese Zapfen sind ihrerseits starr an der vertikalen Platte 46 befestigt. Somit sucht die lange Feder·52 den gesamten Spiegel 2o nach rechts ..in,." Fig. 1 und 3 vorzuspannen. Wie man am besten aus Fig. 1 erkennt, greift ein hakenartiger Endteil 58 eines Drahtes .60 um die linke Kante der Vorderfläche des Spiegels 2o. Der Draht 60 ist so vorgespannt, daß er die linke Kante in Fig. 1 des Spiegels auf die vertikale platte 46 hin zu ziehen sucht, indem er mit einer Wendelfeder 62 verbunden ist,-die unter Druck steht, wenn die Teile wie in Fig. 1 montiert sind. Entgegenwirkend zu der Tendenz der linken Kante in Fig. 1 des Spiegels, im Uhrzeigersinn um den Zapfen Jo unter dem Einfluß der Teile 5& - 62 verschwenkt zu werden, ist eine einstellbare Schraube 64, die in die Platte 26 eingeschraubt ist. Da sowohl die Vorspannmittel 58 als auch die Justierschraube 64 auf der horizontalen Mittellinie des- 'Spiegels 2o liegen, bewirkt eine Bewegung der Schraube 64 z.'ß. mittels eines kleinen Schraubenziehers, daß der Spiegel um eine vertikale- Achse in Fig. 2 oder 3 durch seine optische Mitte geneigt wird, so daß der Spiegel in ?ig. 1 nur um' eine zur Papierebene senkrechte, und durch seine optische Mitte OC gehende Achse geneigt wird.

( Λ

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Wie man am besten aus ?ig. 2 erkennt, drückt eine Druck-■ feder 7o, deren eines Ende in eine kleine? Ausnehmung in der vertikalen Platte 26 eingesetzt sein kann, an ihrem anderen Ende gegen die liückseite des Spiegels 2o in der Nähe von dessen rechter Ecke von vorn in Fia·. 3 gesehen. Eine zweite Einstellschraube 7^zl-> <äie in Platte 26 eingeschraubt ist, lieg"c an der liückflache des Spiegels 2o in der Nähe von dessen oberer rechter Ecke, von vorn in 3?ig. 3 gesehen, an, so daß der Spiegel gegen die eingestellte Lage der ocLraube durch die j?ecler 7ο vorgespannt ist. Die Einstellschraube 74- kann herein-und hinausbewegt werden, um die Winkellage des Spiegels 2o relativ zu einer horizontalen Linie durch seine optische Mitte in !ü'ig. 1 oder '■) au bestimmen, welche Linie senkrecht zu äei\Ebene des Papiers in 'FIp]. 2 oder ^ll· ist. Vorzugsweise sollte die Einstellschraube 74- d-en Spiegel so dicht wie praktisch möglich bei einem Punkt direkt oberhalb seiner optischen Hitte (siehe j'i;;. 3) berühren, um jedes "Übersprechen" aur Winkeleinstellung des Spiegels "horizontal" (d.h, um eine vertikale Achse) durch die Schraube 64 und "vertikal" (d.h. um eine horizontale Achse) durch Schraube 74- zu verhindern. So ist die optische Achse des Spiegels, iJ.Lso die Normale zu seiner unvollständigen überfläche durcti seine optische iiitte OG genau fluchtend zu der optischen Achse des Gerätes, d.h. der Linie 28, die durch den Hittelpunkt des Spaltes 12 und den Mittelpunkt des "Detektors 18 (siehe Fig. 1) geht. Vorzugsweise liegen die Zapfen ^¹V und ^>6 in geringem Abstand von der Kante 4o. des Spiegels (siehe Fi.". 3)? so daß ein geringes Maß

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von Verwindung des Spiegels um seine eigene optische Achse senkrecht zur Papierebene und durch OC in Fig. 3 oder die horizontale in !Pig. 2 und Λ möglich ist, während sie eine solche Verwindung auf einen kleinen Winkel begrenzen. Eine solche Verwindung beeinträchtigt natürlich nicht die optischen Eigenschaften sogar eines Ellipsoidspiegels. Jedoch ist- eine gewisse Begrenzung einer solchen Verwindung erforderlich, um zu • bewirken, daß die lange Feder 52 in gleichmäßigem Kon-A . takt mit der kreisförmigen Peripherie des Spiegel s treibt, um eine größere Schwankung der Lage des Hakenendes 58 der Drahtfeder 6o, 62 zu vermeiden und um eine Bewegung der Spiegelkante 4o nach links sowohl von der Feder 7o als auch der Einstellschraube 74- in Fig. 3 zu vermeiden.

Indem so die optische Mitte des Spiegels 2o oder eines ähnlichen optischen Gliedes in einem festen Punkt in dem richtigen Abstand von dem Objekt oder den Objekten (in diesem Falle den Gliedern 12, 18) festgelegt ist, mit denen das optische Glied benutzt werden soll, und auf der richtigen Linie, d.h. der optischen Achse 28 ™ des Gerätes," vermeidet eine Halterung nach der Erfindung jede Notwendigkeit, den Brennpunkt oder die seitliche Lage des optischen Gliedes einzustellen. Außerdem gestattet die Halterung nach der Erfindung, daß die beiden restlichen Ausrichtjustagen durch je eine einzige Schraube durchgeführt werden, ohne daß ein wesentlicher Effekt von der einen Einstellung auf die andere ausgeübt wird.

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Auf diese Weise vereinfacht die Halterung nach der Erfindung sowohl die anfängliche Justage des optischen Gerätes nach dem der Herstellung folgenden Zusammenbau als auch jede anschließende Justage, die erforderlich werden könnte, beispielsweise wenn eines oder mehrere von verschiedenen Teilen ersetzt wird oder irgendwelche unerwünschten Änderungen eintreten, die während der Benutzung durch Verwerfung, Verschleiß o.dgl. auftreten könnten. Obwohl sowohl die zylindrische Ausnehmung 4-2 in dem optischen Glied (d.h. im Spiegel 2o) als auch die lagebestimmende oder Lagerfläche 4-6 des Zapfens Jo bei (fern Ausführungsbeispiel nach der Erfindung kreisförmigen Querschnitt besitzen, ist doch zu beachten, daß nur eine dieser zusammenwirkenden Flächen kreisförmig zu sein braucht, ohne daß irgendwelche Einschränkungen hinsichtlich der allseitigen Schwenkbewegungen des optischen Gliedes hervorgerufen würden.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit ihrer Verwendung zur Halterung eines Hohlspiegels und spezieller eines Spiegels, der Teil eines Ellipsoids ist, beschrieben ist, kann sie offensichtlich nicht nur für Spiegel benutzt werden, die flache oder sogar konvexe Flächen haben, sondern sie kann auch zur Halterung von ganz oder teilweise brechenden optischen Gliedern ebenso verwendet werden. Obwohl die Halterung nach dem Ausführungsbeispiel leicht in Verbindung mit einem optischen Glied (wie eine Hälfte eines kreisförmigen Gliedes) benutzt werden kann, bei welchem die optische Kitte in eier Hbhe einer Kante des·

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Gliedes selbst liegt, so ist die Erfindung doch offensichtlich leicht anpaßbar an die Verwendung bei "vollständigen" Gliedern, bei welchen die optische Mitte im wesentlichen in ihrem geometrischen Mittelpunkt liegt, obwohl dies den Verlust der praktischen Ausnutzung einer kleinen Fläche in der Mitte mit sich bringt, d.h. einer Fläche, die etwas größer ist als die, um die es sich bei der vereinfachten Halterung des Halbellipsoidspiegels handelt. Wegen dieser offensichtlichen Anpassungsfähigkeit an verschiedene optische Glieder einschließlich kreisförmiger Glieder soll die Erfindung nicht auf die Verwendung mit irgendeiner speziellen Art von optischen Glied beschränkt sein oder auf die Verwendung bei optischen Gliedern mit irgendeiner Gesamtform.

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Claims

Patentansprüche

) Vorrichtung; zur Halterung eines optischen Gliedes in einem Gerät, bei welcher jede Lagejustierung der optischen Kitte dieses Gliedes sowohl längs als auch quer zu seiner¹ optischen Achse unnötirc ist,

dadurch ,reicennzeichnet,

daß die optische Mibte (üC) des besagten optischen G-Iiede.'J (^o) in. einen festen !unkt relativ zu dem G-;rät schwenkbar gelagert ist, so dc\i das 'opticehe Gliect (i-o) frei um neine optische i-iitte (OC) schwenk bar ist, und

daß Hei-'un^i-jöinobellwittel (o4-, 7^) ^zur Festlegung asr v/inkeliy^e des optischen Gliedes um ein Paax' zueiiic-.ndor iind zur optischen ^crise des optischen

jliodes senkrechte Acnsen vorgesehen sind. (|

£±.) Halterun.;svoi.v'ichtuji;·· n£.ch i-uispruch 1, df-durca '--ekennaeichnet,

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daß die Lagerung für die optische Mitte (OC) ein festes Teil (3o) mit einer lagebestimmenden äußeren Flache (43) aufweist und

daß das optische Glied (2o) eine von einer inneren Wandungsfläche begrenzte zentrale Ausnehmung (42) aufweist, welche zusammenwirkend um die besagte lagebestimmende äußere Fläche des festen "-Teils greift,

daß wenigstens eine der besagten lagebestimmenden Flächen des festen Teils (3o) oder des optischen Gliedes in dem Berührungspunkt im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt, derart,

daß das optische Glied (2o) allseitig um seine optische Mitte auf dem festen Teil schwenkbar ist.

3.) Halterungsvorrichtunp: nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

™ daß die äußere lagebestimmende Fläche (43) des festen Teils'(3°) und die innere Fleche (42) des optischen Gliedes (2o) an der Stelle ihres Ineinandergreifes im wesentlichen ineinanderpassende kreisförmige Querschnitte besitzen.

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4.) Hal terungs vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das optische Glied (2o) derart geformt ist, daß seine optische Mitte (OC) sich im wesentlichen an einem äußeren Hand (4-0) dieses Gliedes (2o) befindet,

daß die zentrale Ausnehmung somit im wesentlichen eine hinterdrehte Kexfoe (4-2) in dem äußeren Rand (4-o) des optischen Gliedes (2o) ist und

daß Hilfsvorspannmittel (52) das optische Glied seitlich drücken, so daß die besagte die Kerbe (4-2) begrenzende innere Wandungsfläche in Anlage an der besagten äußeren plr.che (4-3) des festen Teils (3o) gehalten wird.

5·) Halterung vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet,

daß das optische Glied (2o) einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt in der zu seiner optischen Achse senkrechten xJbene besitzt,

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daß der besagte äußere Rand (4o) des optischen Gliedes im wesentlichen geradlinig längs des Durchmessers eines solchen Halbkreises verläuft und die Kerbe (42) im wesentlichen in seiner Mitte aufweist und

daß die Hilfsvorspannmittel eine lange Zugfeder (52) aufweisen, die an dem übrigen halbkreisförmigen Rand des optischen Gliedes angreift,

so daß der: Zug der langen Hilfsfeder (52) die besagte innere Wandungsfläche (4-2), welche die Kerbe bildet, und die besagte äußere Fläche (4-5) des festen Teils (3o).in Anlage aneinander zu halten sucht.

ο.) Halterungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, , .

dadurch gekennzeichnet,

daß die Neigva-gseinstellmittel ein Paar von einstellbaren Schrauben (64, 74) aufweisen, die Jede an einer Fläche des optischen Gliedes (2o) angreifen, welche im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse liegt,

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daß eine dex* Einstellschrauben (64·) an der besagten Fläche in einem ersten Punkt- und die andere der besagten Einstellschrauben (74-) an der Fläche in einem zweiten I-unkt anliegt und

daß die Verbindungslinie zwischen dem ersten Punkt und der optischen Achse im wesentlichen senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen dem zweiten Punkt und der optischen Achse verläuft,

so daß eine der Einstellschrauben unabhängig die senkrechte Neigung des optischen Gliedes und die andere der Einstellschrauben die waagerechte Nei-. gung des optischen Gliedes urn seine optische Mitte einstellt.

7.) Halterungsvorrichtung nach Anspruch '6, dadurch gekennzeichnet,

daß Federraittel (62, 7°) zur federnden Vorspannung des optischen Gliedes gegen beide Einstellschrauben (64·, 7^·) vorgesehen sind.

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L e e r s e i t e