DE19533426A1 - Mechanisches Befestigungssystem für ein modular gefaßtes mikrooptisches Element - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft ein mechanisches Befestigungssystem für Optik- Einzelmodule auf einer Grundplatte zur Herstellung von optischen bzw. optoelektronischen Systemen. Dabei kann es sich um die Anordnung unterschiedlicher optischer Bauteile zu einem ein- bzw. mehrdimensionalen Gesamtsystem handeln.

Für optische Bauteile, wie Linsen, Prismen und Spiegel, sind die unterschied­ lichsten Halterungs- bzw. Fassungstechnologien bekannt geworden. Sie reichen vom Aufkleben kleiner Prismen auf Träger, wobei das Prisma bis zum Aushärten des Klebers in justierter Lage gehalten werden muß, bis zu verschiedenen Prismen-"Stühlen" mit oder ohne Klammern bzw. federnde Bügel, vgl. H. Naumann und G. Schröder: "Bauelemente der Optik" 4. Auflage, Karl Hanser Verlag München und Wien, 1983, Seite 272. Aus diesem Stand der Technik geht beispielsweise hervor, daß die Halterung von Optikbauteilen wegen der vielen unterschiedlichen Formen und Funktionen dem einzelnen Bauteil jeweils individuell angepaßt werden muß.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß es für einen modernen, automatisierten Herstellungsprozeß optischer Systeme erforderlich ist, mechanisch standardisierte Bauelemente, in denen jeweils ein optisches - insbesondere mikrooptisches (Lichtstrahldurchmesser: 5 mm) - Einzel-Bauelement gefaßt ist, einzusetzen. Bei den mikrooptischen Elementen kann es sich beispielsweise um Laserdioden, Mikrolinsen, integrierte Optik-Module, Glasfaserbündel, Lichtleitstäbe, diffraktive Elemente, Detektoren, Sensoren, Filter, Spiegel, Blenden usw. handeln.

Mit der zur Verfügungstellung von Standardbauelementen, die beispielsweise innerhalb eines quaderförmigen Gehäuses gefaßt sein können, ist eine erste prinzipielle Vereinfachung beim Handling sowie beim entscheidenden Positionieren und Orientieren dieses Quaders bezüglich einer Grundplatte gegeben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mechanisches Befesti­ gungssystem für optische Elemente, die jeweils in einem Einzel-Gehäuse gefaßt sind, vorzuschlagen. Weitere Teilaufgaben bestehen darin, Verfahren zur Herstellung derartiger Befestigungselemente sowie Verwendungen derselben anzugeben. Vor der endgültigen Fixierung des in einem Modul gefaßten mikrooptischen Elementes hat dieses - zusammen mit dessen Gehäuse - alle translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade, während nach der Befestigung auf der Grundplatte die Position und die Orientierung des mikrooptischen Elementes permanent gesichert sind (Anzahl der Freiheitsgrade: 0).

Diese technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Befestigungssystems gelingt es nunmehr, standardisierte Bauelemente auf einer Grundplatte, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Manipulations- und Robotersystemen, in präziser Weise zu befestigen. Dadurch ist die Herstellung von 1- bis 3dimensionalen Layouts möglich. Das Ausrichten und Befestigen der modular konzipierten Standardbauelemente ist in einem Montageschritt möglich, wodurch eine flexible und automatisierte Bestückung unterschiedlicher mikrooptischer Geräte problemlos möglich wird. Mit dem erfindungsgemäßen Befestigungssystem gelingt die Herstellung einer dauerhaften mechanischen Verbindung zwischen dem mikrooptischen Element und der Grundplatte, wobei Position und Orientierung jedes mikrooptischen Elementes relativ zur Grundplatte gesichert sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 die Zuordnung eines Standardbauelementes über eine erfindungsgemäße "3-Bein"-Halterung zu einer Grundplatte;

Fig. 2 geometrische Details der erfindungsgemäßen "3-Bein"-Halterung mit angedeutetem quaderförmigen Standardbauelement;

Fig. 3 die Geometrie einer 2dimensionalen Ausgangsstruktur eines erfindungsgemäßen "3-Beins";

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ausgangsstruktur für ein erfindungsgemäßes Befestigungssystem mit "Kugelgelenken";

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer 2dimensionalen Ausgangsstruktur des erfindungsgemäßen Befestigungssystems mit paarweise angeordneten "Kugelgelenken" in Maximaldistanz;

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform einer 2dimensionalen Ausgangsstruktur des erfindungsgemäßen Befestigungssystems mit paarweise angeordneten "Kugelgelenken" in Minimaldistanz;

Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform einer 2dimensionalen Ausgangsstruktur des erfindungsgemäßen Befestigungssystems mit einer speziellen Kombination von "Kugelgelenken" und Scharnieren;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform mit hohlen, halbkugelförmigen "Kugel-Beinen" mit eingezeichneten Scharnier-Achsen;

Fig. 9 die in Fig. 8 gezeigte Ausführungsform mit eingezeichnetem Koordinatensystem und verbesserter Darstellung der Kugel- Segment-Geometrien.

In Fig. 1 ist ein als Quader 2 gezeichnetes Standardbauelement 1, in dem ein mikrooptisches Element 3 - im gezeichneten Fall eine Mikrolinse mit einer optischen Achse 4 - enthalten ist, dargestellt. Der Quader 2 ist mit seiner Unterseite auf einer erfindungsgemäßen Halterung befestigt, die im gezeichneten Fall als sogenannte "3-Bein"-Halterung 5 ausgeführt ist. Von einer in Fig. 1 nicht erkennbaren Plattform sind drei Schenkel 7-9 in Richtung zur Grundplatte 20 abgewinkelt, an welche ihrerseits Füße 10-12 angelenkt sind. Die Füße stehen im Kontakt mit der Grundplatte 20. Solange diese Füße nicht mit der Grundplatte 20 fest verbunden sind, kann das Standardbauelement 1 bezüglich aller sechs Freiheitsgrade positioniert bzw. orientiert werden.

In Fig. 2 wird die Geometrie der erfindungsgemäßen Halterung 5 näher erläutert. Man erkennt die Plattform 6, auf der der Quader 2 zeichnerisch angedeutet ist. Die Unterseite des Quaders 2 stimmt nicht überein mit der sich verjüngenden Fläche der Plattform 6; dies ist lediglich im vorderen Bereich - wie dargestellt - der Fall. Mit 13′-15′ sind sogenannte Scharnier-Achsen bezeichnet. Sie stellen gewissermaßen die Biegelinien der abzubiegenden Schenkel 7-9 dar. In analoger Weise sind in Fig. 2 Scharnierachsen 16′ und 17′ dargestellt, um die die Füße 10 bzw. 11 nach oben umgebogen bzw. abgewinkelt werden.

Aus Fig. 3 gehen die geometrischen Verhältnisse eines erfindungsgemäßen "3- Bein"-Halterungssystems hervor. Gezeigt wird die 2dimensionale Ausgangs­ struktur 5′. Diese Ausgangsstruktur stellt gleichsam ein "Ausschneide"-Muster für ein Ausgangs-Blech dar. Die Plattform 6 ist ein halbiertes regelmäßiges Sechseck, wobei die Halbierung längs derjenigen Verbindungslinie 21 erfolgte, welche zwei diametral gegenüberliegende Ecken eines Hexagons verbindet. Drei sternförmig angeordnete Bereiche ("3 Beine") gehen von der Plattform 6 aus. Sie bestehen jeweils aus einem Schenkel 7, 8, 9 und einem zugehörigen Fuß 10, 11, 12. Man erkennt, daß die zu jeweils einem Bein gehörenden Scharniere einander parallel verlaufen. Die Mittelsenkrechten 22 und 23 der Beine 7, 10 und 9, 12 schneiden sich auf der Spur 19 der Symmetrieebene der "3-Bein"-Halterung 5 bzw. deren 2dimensionaler Ausgangsstruktur 5′ in einem Punkt 24. Wäre die Plattform 6 die Hälfte eines regelmäßigen Sechsecks im mathematischen Sinne, so läge der Punkt 24 genau auf der Verbindungslinie 21. Aus Fig. 3 sind die prinzipiellen Symmetrie­ verhältnisse des Befestigungssystems sehr gut erkennbar. Von besonderer Bedeutung ist das Vorhandensein jedenfalls einer Symmetrieebene, vgl. deren Spur 19. In der räumlichen Darstellung von Fig. 1 verliefe die nicht mit dargestellte Symmetrieebene in der Weise, daß sie senkrecht auf der Grundplatte 20 steht und die optische Achse 4 enthält. Natürlich handelt es sich bei diesen Betrachtungen um Annäherungswerte, da das erfindungsgemäße Befestigungssystem im fixierten Zustand gewollt deformiert - und zwar nach Maßgabe der vorgenommenen Justier- Korrekturen - sein kann. Dies ändert jedoch nichts an den prinzipiellen Betrachtungen über die Symmetrieverhältnisse.

Aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 geht auch deutlich hervor, daß das Gesamt­ system (Standardbauelement 1 und Halterung 5) in Richtung der optischen Achse 4 "stapelbar" ist. Hiermit soll zum Ausdruck gebracht werden, daß mehrere Gesamtsysteme in enger Folge nach Art einer optischen Bank hintereinander auf der Grundplatte 20 befestigt werden können - und zwar im engen Linearabstand zueinander. Durch die geometrische Anordnung der Beine des Befestigungs­ systems behindern sich die Beine zweier hintereinander entlang der optischen Achse 4 positionierter Halterungen nicht. Natürlich ist es auch möglich, anstelle einer 1dimensionalen Anordnung entlang der optischen Achse 4 nach Art einer optischen Bank eine 2dimensionale Layout-Konfiguration zu realisieren. Dazu bedarf es lediglich des Einsatzes lichtumlenkender Bauelemente (Prismen, Spiegel, Lichtleitstäbe, Faserbündel, integrierte Optiken usw.) als modular gefaßte mikrooptische Elemente.

Natürlich ist es auch denkbar, anstelle einer "3-Bein"-Halterung eine solche mit (3+x) Beinen vorzusehen, wobei gilt: x = 1, 2 . . . n. Läßt man beispielsweise in Fig. 3 das Bein 8, 11 weg und spiegelt das verbleibende System an der Linie 21, so entsteht eine Ausgangsstruktur mit hexagonaler Plattform und vier Beinen. Verzerrt man beispielsweise die so erhaltene Struktur längs der Achse 19, so daß die Platt­ form gewissermaßen rautenförmig deformiert wird, so erhält man wiederum eine andere vierzählige Konfiguration. Auch ist es möglich, die Plattform beispielsweise als Dreieck, Rechteck, Quadrat oder Pentagon auszubilden und mit entsprechend vielen Beinen auszustatten. Von Bedeutung ist in jedem Falle, daß das Befestigungssystem zumindest eine Symmetrieebene aufweist, die senkrecht auf der Grundplatte 20 steht. Dadurch sind gleichartige Verhältnisse hinsichtlich der mechanischen Stabilität und der thermischen Einflüsse gegeben. Um die "Stapelungs"-Fähigkeit solcher erfindungsgemäßen Befestigungssysteme zu erhöhen, die beispielsweise eine pentagonale oder hexagonale Plattform aufweisen, ist es auch möglich, daß zumindest ein Bein fehlt.

In den Fig. 4 bis 7 sind weitere Ausführungsformen der 2dimensionalen Ausgangsstruktur dargestellt. Ihnen allen ist im Vergleich zu der in den Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausgangsstruktur gemeinsam, daß sie beim Kippen der Plattform 6 bzw. des Quaders 2 eine bessere Anlagefähigkeit der Füße 10-12 auf der Grundplatte 20 gewährleisten. Dies ist bei einer automatischen Montage­ technologie natürlich von Vorteil. Allgemein gesprochen, werden durch die in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele zusätzliche Freiheitsgrade in die Geometrie der Beine eingeführt.

In Fig. 4 befindet sich zwischen dem Schenkelteil und dem Fuß 12 lediglich eine schmale Materialbrücke, die als "Kugelgelenk" 25 mit drei rotativen Freiheits­ graden bezeichnet werden kann. Analoge Betrachtungen gelten selbstverständlich für die beiden anderen Beine. Natürlich handelt es sich bei der dargestellten Form nicht um ein Kugelgelenk im eigentlichen Sinne, denn eine zweistückige Kugel/Pfanne-Kombination ist nicht vorgesehen. Aus diesem Grunde kann diese drei Freiheitsgrade realisierende Ausbildung als "Festkörpergelenk" bezeichnet werden, wodurch verdeutlicht werden soll, daß es aus einem einstückigen Material hergestellt worden ist. Es entsteht bei der Ausführungsform nach Fig. 4 dadurch, daß zwei keilförmige Ausschnitte 28a/28b-30a/30b paarweise symmetrisch in jedem Bein ausgeführt werden. Am Beispiel der zu Fig. 4 gehörenden Detailzeichnung, die einen Schnitt längs der Linie A-B darstellt, kann die konstruktive Gestaltung des Kugelgelenks 25 bzw. des Scharniers 15 erläutert werden. In die 2dimensionale Ausgangsstruktur, die aus einem einstückigen Material - beispielsweise aus Blech der Stärke: 1 mm - besteht, werden längs der für die Scharniere bzw. Kugelgelenke vorgesehenen Stellen schmale Spalte eingebracht. Dies kann beispielsweise mittels Drahtelektroerosion, Präzisionssägen, Prägen usw. erfolgen. In der Detailskizze erkennt man, daß für die Ausbildung des Scharniers 15 ein schmaler Spalt von der Oberseite nach unten erzeugt wird, so daß nur noch eine kleine Materialbrücke - gewissermaßen als 1dimensionaler Längs-Steg - verbleibt. Damit ist ein Scharniergelenk realisiert, das einen Freiheitsgrad besitzt. Das "Kugelgelenk" 25 wird in der Weise erzeugt, daß ein Spalt gewissermaßen von der Unterseite der Ausgangsstruktur in den vorher bereits erzeugten schmalen Verbindungssteg zwischen Fuß 12 und Schenkel eingebracht wird. Man erhält dadurch ein Festkörpergelenk mit drei Freiheitsgraden. Der Fuß 12 kann sich in beliebiger Weise den räumlichen Verhältnissen, insbesondere der topographischen Struktur der Grundplatte 20, anpassen. Die Charakteristik eines Scharniergelenkes 15 bzw. eines "Kugelgelenkes" 25 ist schließlich durch die elastische Verformung in den durch die angebrachten Spalte lokal begrenzten Bereichen gegeben. Gleiches gilt für alle anderen dargestellten Scharnier- und "Kugelgelenke".

In Fig. 5 ist eine "Kugelgelenk-Scharnier-Kombination" pro Bein dargestellt. Anstelle nur eines "Kugelgelenkes" pro Bein werden nunmehr jeweils zwei "Kugelgelenke" 25a/25b bzw. 26a/26b bzw. 27a/27b vorgesehen. Gegenüber dem in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die in Fig. 5 gezeigte Variante den Vorteil, daß der kleinste Materialquerschnitt in den Festkörper-"Kugelgelenken" je Bein verdoppelt wird. Erzeugt wird diese Konfiguration durch dreiecksförmige Ausnehmungen 31-33 innerhalb der Bein-Regionen und durch zusätzliche Anbringung eines Parallel-Spaltes 34-36 entlang den Mittelsenkrechten 22, 23 und 19 in Richtung zur Plattform 6 hin. Diese "Kugelgelenk-Scharnier-Kombinationen" tragen zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität bei. Verringert man je Bein die Distanz zwischen den "Kugelgelenken", so erhält man die in Fig. 6 dargestellte Version.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird je Bein ein Scharnier und ein "Kugelgelenk" vertauscht und platzsparend angeordnet. Dies sei am Beispiel des Beines mit dem Schenkel 7 und dem Fuß 10 näher erläutert. Im Bereich des Schenkels 7 verläuft in Diagonalrichtung ein - vorzugsweise paralleler - Spalt 39. Dieser trifft einerseits auf der Scharnier-Achse 13′ derart auf, daß er das Gesamt-Scharnier in einen Schamierbereich 13 mit einem Freiheitsgrad und in ein "Kugelgelenk" 26a mit drei Freiheitsgraden unterteilt, und andererseits auf der Scharnier-Achse 18′ derart auf, daß er - im entgegengesetzten Sinne - das Scharnier in ein "Kugelgelenk" 26b (drei Freiheitsgrade) und in einen Scharnierbereich 18 (einen Freiheitsgrad) unterteilt. Gleiches gilt für die andern beiden dargestellten Beine. Mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine platzsparende Variante erhalten worden, die eine vielfältige Einsatzmöglichkeit gewährleistet.

In den Fig. 8 und 9 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt. Zu erkennen ist wiederum eine Plattform 6 (Fig. 8), wie sie in den Fig. 2 bis 7 bereits dargestellt wurde. Im Unterschied zu den bislang erörterten Ausführungsbeispielen weist das in den Fig. 8 bzw. 9 gezeigte Befestigungssystem keine aus Schenkeln und Füßen bestehenden Beine auf; es handelt sich vielmehr um sogenannte "Kugel-Beine" 47-49. Sie bestehen aus hohlen, halbkugel-förmigen Ausbauchungen nach Art eines Tropenhelms, den sogenannten Kugel-Segmenten 40-42, weiterhin jeweils aus einem ebenen Randbereich 46a-46c nach Art einer Äquatorialebene und schließlich aus seitlichen Versteifungs-Profilpaaren 40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b nach Art eines umgekrempelten Hutrandes. Diese "Kugel-Beine" 47-49 sind direkt einstückig an der Plattform 6 angewinkelt.

Die Positionen der jeweiligen biegeelastischen Scharniere 43-45 (vgl. Fig. 8) bzw. deren Achsen werden durch die Anstoßpunkte der jeweiligen umgebogenen Versteifungs-Pofilpaare 40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b an die Plattform 6 vorgegeben. Jedes der Scharniere 43-45 läßt sich durch einen annähernd auf eine Gerade lokal begrenzten biegeelastischen Bereich zurückführen. Steifigkeitsfördernd kommt hinzu, daß jede Scharnier-Achse 43-45 sowie jedes der seitlichen Versteifungs- Profilpaare 40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b tangential zum oberen Rand der Hohlhalbkugeln (Kugel-Segmente 40-42) liegen. Natürlich sind anstelle einer geometrisch exakten Kugel-Form (gemeint ist immer: hohle Halbkugel-Form) auch andere gekrümmte Raumformen denkbar, die eine punktuelle Auflage auf einer Grundplatte 20 realisieren. Solche Raumformen können "deformierte" Kugeln, "Geoide", ein- bzw. mehrachsige Rotationsellipsoide bzw. sogenannte tonnen- oder linsenförmige Hohlkörper-Hälften sein. Aus herstelltechnischen Gründen ist der Halbkugel-Hohlform oder einer Kugelkappen-Hohlform der Vorrang zu geben.

Gemäß dem in Fig. 9 eingezeichneten Koordinatensystem kann der Quader 2 vertikal entlang der x-Achse und/oder um die beiden horizontal liegenden Achsen y (senkrecht zur optischen Achse) und z (entlang der optischen Achse) bewegt werden, ohne daß sich die Position der Auflagepunkte auf der Grundplatte 20 ändert.

Die vorgeschlagene Kugel-Geometrie eignet sich zunächst für alle punktförmigen Fügetechniken (z. B. Punktschweißen, insbesondere Laserpunktschweißen), jedoch sind auch flächige Fügetechniken wie Kleben, Löten, etc. anwendbar. Beim Kleben wirkt der Auflagepunkt wie eine mechanische Referenz, was beim Aushärten des Klebstoffes eine höhere Positionsstabilität garantiert.

Zur Erhöhung der Bein-Steifigkeit kann im vorderen Bereich der Kugel-Segmente 40-42 jeweils ein weiteres abgewinkeltes Versteifungs-Profil vorgesehen werden, das parallel zur jeweiligen Scharnier-Achse 43-45 verläuft.

Eine Alternative dazu ist die kranzförmige Fortführung der seitlichen Versteifungs- Profilpaare 40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b um den oberen Rand des jeweiligen Kugel- Segments 40-42 herum.

Durch Eindrücken und Stanzen kann das "Kugel-3-Bein" z. B. in einem Folgeverbundwerkzeug in großen Stückzahlen aus dünnen Metallblechen kostengünstig hergestellt werden.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die in den Fig. 8 bzw. 9 dargestellte und beschriebene Form der Beine 47-49 die beste Lösung für die Realisierung einer hohen Steifigkeit darstellt. Ohne Einschränkung der Funktion sind jedoch weitere Varianten für die Formgebung des Bereichs zwischen der sphärischen Auflagefläche und dem jeweiligen Scharnier 43-45 möglich.

Die vorgeschlagene Kugelform stellt eine Annäherung an die geometrisch optimale Flächenform dar, bei der keine Variation des Auflagepunktes auftritt. So liegt die typische Abweichung bei geeignet gewählten Halbkugelradien bei 10 µm.

Zur Herstellung kommen alle um- und urformbaren Materialien (insbesondere Metalle) in Frage, wobei einige Herstellverfahren (z. B. Sintern von Keramik) konstruktive Anpassungen erfordern.

Mathematisch läßt sich nachweisen, daß n Beine (mit n = 3, 4, . . .) im unbefestigten Zustand zu keiner statischen Überbestimmtheit führen. Deshalb ist insbesondere unter Beibehaltung der Forderung nach guter "Stapelbarkeit" auch ein "Kugel-4- Bein" für die vorgesehenen Anwendungen geeignet.

Die geometrischen Abmessungen des dargestellten "Kugel-3-Beins" sind folgende:

Trapezwinkel der Plattform (6): 60°
Quader (2): 10×10×4 mm³
Länge der Scharniere zwischen (6) und (7-9) bzw. (43-45): 4,6 mm
Höhe der Plattform (6) im angewinkelten Zustand:
2,12 mm
Winkel zwischen der Plattform (6) und den Schenkeln (7-9) bzw. den ebenen Randbe­ reichen (46a-46c): 20°
"Kugel"-Durchmesser der Segmente (40-42):
1,8-2,2 mm.

Allen Ausführungsformen ist in vorteilhafter Weise gemeinsam, daß sie spielfreie Bewegungsmöglichkeiten eröffnen, daß eine industrielle Herstellung kostengünstig realisierbar und eine Montage auch unter Einsatz von Robotertechniken möglich ist. Das Herstellen der Ausgangsstrukturen kann beispielsweise durch Laser­ schneiden oder Stanzen erfolgen. Verwendet man dünne Blechteile, z. B. 0,05 mm dicke Edelstahlbleche, so wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Schenkel 7-9 anschließend zu armieren bzw. zu versteifen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß entsprechend zugeschnittene dickere Blechteile, beispielsweise mit einer Stärke von 0,5 mm, mittels geeigneter Befestigungsverfahren (Laser- Punktschweißen, Kleben, Aufsprengen) auf den Schenkeln ganzflächig befestigt werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, eine Versteifung der Beine lediglich durch eine geeignete Formgebung, z. B. durch das Erzeugen blechversteifender Profilgeometrien, zu bewerkstelligen. Wie bereits erwähnt, kann die Herstellung der Scharniere bzw. der "Kugelgelenke" durch Anwendung einer material-abtragenden, subtraktiven Technik (Funkenerosion, Präzisionssägen, chemisches Ätzen, Ionenätzen, usw.) erfolgen. Natürlich ist es auch möglich, durch Umform-Techniken (Pressen, Stanzen) entsprechende lineare "Knick"-Bereiche zu erzeugen, die als Orte elastischer Verformbarkeit fungieren können.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es ist vielmehr auch möglich, weitere geometrische Formvarianten vorzusehen. Schließlich ist die Anwendung der vorgeschlagenen Befestigungssysteme nicht auf Module beschränkt, die ein mikrooptisches Element 3 enthalten; es ist vielmehr lediglich eine Dimensionie­ rungsfrage, so daß auch "makro"-optische Elemente, die als Einzelmodul gefaßt sind, in der vorgeschlagenen Technologie ausgerichtet werden können.

Mit den erfindungsgemäßen Befestigungssystemen ist es möglich, optische Bauteile in weiten Temperaturbereichen schock- und vibrationsstabil dauerhaft zu haltern. Als Material für die Herstellung der Ausgangsstruktur 5′ kommen neben Edelstahl prinzipiell alle weiteren Werkstoffe in Frage, die entsprechend bearbeitbar sind und außerdem in den Scharnier- bzw. Gelenkbereichen über biegeelastische Eigenschaften dauerhaft verfügen. Als Befestigungstechniken des Quaders auf der Plattform 6 bzw. der Füße 10-12 auf der Grundplatte 20 sind beispielsweise das Laser-Punktschweißen oder auch das Kleben an sich bekannt.

Zusammenfassend lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Befestigungssystems wie folgt darstellen:

• a) zur Exakt-Positionierung bzw. -Orientierung des gefaßten mikrooptischen Elementes 3 kann dieses unter Ausnutzung von sechs Freiheitsgraden mikromanipuliert werden;
• b) zur permanenten Fixierung (Reduzierung der Anzahl der Freiheitsgrade auf Null) des Gesamtsystems sind im Minimalfall lediglich drei Befestigungspunkte erforderlich;
• c) die Fixierung kann mittels Laser-Punktschweißens oder Klebens erfolgen;
• d) es werden geringe Anforderungen an die Laserstrahlpositionierung gestellt;
• e) bei Justierbewegungen entlang der Achsen (x, y, z) bleiben die Auflagepunkte nahezu konstant;
• f) aufgrund der konstruktiven Merkmale besteht eine gute Zugänglichkeit für die Befestigungstechnik;
• g) die optische Achse 4 kann sich innerhalb eines Einzelmoduls 2 beliebig ausbreiten;
• h) eine automatisierungsfreundliche Montagehandhabung ist realisierbar;
• i) der geringe Platzbedarf erlaubt eine hohe "Packungsdichte"; die Systeme sind stapelbar in Richtung der optischen Achse 4.

Bezugszeichenliste

1 - Standardbauelement
2 - Quader (Einzelmodul)
3 - mikrooptisches Element
4 - optische Achse von (3)
5 - "3-Bein"-Halterung für (2)
5′ - sternförmige, 2dimensionale Ausgangsstruktur von (5)
6 - Plattform von (5 bzw. 5′)
7-9 - Schenkel von (5 bzw. 5′)
10-12 - Füße von (5 bzw. 5′)
13-15 - Scharniere zwischen (6) und (7-9)
13′-15′ - Scharnier-Achsen von (13-15)
16-18 - Scharniere zwischen (7 bzw. 8 bzw. 9) und (10 bzw. 11 bzw. 12)
16′-18′ - Scharnier-Achsen von (16-18)
19 - (Spur der) Symmetrieebene von (5 bzw. 5′)
20 - Grundplatte für (1)
21 - Verbindungslinie (Schnittlinie) zweier diametral gegenüber­ liegender Ecken eines (gedachten) Plattform- Hexagons
22 - Mittelsenkrechte von (10 und 7)
23 - Mittelsenkrechte von (12 und 9)
24 - (Schnitt-)Punkt
25-27 - (einstückiges) Kugelgelenk
25a/25b-27a/27b - (einstückige) Kugelgelenk-Paare
28a/28b-30a/30b - keilförmige Ausschnitte
31-33 - dreiecksförmige Ausnehmungen
34-36 - Parallel-Spalte
37-39 - diagonale Spalte
40-42 - Kugel-Segmente
43-45 - Scharnier(e) bzw. Scharnier-Achse(n)
40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b - seitliche Versteifungs-Profilpaare
46a-46c - ebener Randbereich der Kugel-Segmente (40-42)
47-49 - "Kugel-Bein(e)"
x, y, z - Koordinatensystem

Claims (40)

1. Mechanisches Befestigungssystem für ein modular gefaßtes mikrooptisches Element auf einer vorzugsweise ebenen Grundplatte zur Herstellung eines optischen bzw. optoelektronischen Layouts, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Realisierung einer positionier- und orientiergenauen Fixierung jedes Einzelmoduls (2) als vorzugsweise einstückige Halterung mit einer das Einzelmodul (2) tragenden zentralen Plattform (6) ausgebildet ist, an die über jeweils mindestens ein Scharnier (13-15, 43-45) mindestens drei an der Grundplatte (20) befestigbare Beine (7, 10; 8, 11; 9, 12; 47-49) angelenkt sind.

2. Befestigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als "4-Bein"-Halterung ausgebildet ist.

3. Befestigungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Plattform (6) über jeweils ein Scharnier (43-45) "Kugel-Beine" (47-49) angelenkt sind, die jeweils Kugel-Segmente (40-42) aufweisen derart, daß die Berührungsorte zwischen diesen Kugel-Segmenten (40-42) und der Grundplatte (20) punktförmig sind.

4. Befestigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Segmente (40-42) jeweils einen ebenen Randbereich (46a-46c) aufweisen.

5. Befestigungssystem nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die "Kugel-Beine" (47-49) zusätzlich Versteifungs-Profilpaare (40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b) aufweisen, die bezüglich der Randbereiche (46a- 46c) abgewinkelt sind.

6. Befestigungssystem nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes der Versteifungs-Profilpaare (40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b) bis zur Plattform (6) unter Bildung je eines biegeelastischen Scharniers (43-45) verläuft.

7. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich je ein Versteifungs-Profil parallel zur jeweiligen Scharnier-Achse (43-45) an demjenigen Teil des Randbereichs (46a- 46c) der Kugel-Segmente (40-42) angewinkelt ist, der von der Plattform (6) wegweist.

8. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scharnier-Achsen (43-45) und die Versteifungs-Profilpaare (40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b) tangential zum oberen Rand der jeweiligen Kugel-Segmente (40-42) verlaufen.

9. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Versteifungs-Profil als kranzförmige Fortführung der seitlichen Versteifungs-Profilpaare (40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b) um den oberen Rand des jeweiligen Kugel-Segments (40-42) ausgebildet ist.

10. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Segmente (40-42) aus Halbkugel- Schalen bestehen.

11. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (40-42) anstelle einer exakt­ geometrischen Hohlhalbkugel-Form eine halbkugelähnliche Form, beispielsweise eine "deformierte" Halbkugel-Form oder eine ein- oder mehrachsige Rotationsellipsoid-Halbform, aufweisen.

12. Befestigungssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es als "3-Bein"-Halterung (5) ausgebildet ist, welche eine zentrale Plattform (6) aufweist, an die über jeweils mindestens ein Scharnier (13-15) drei aus je einem Schenkel (7-9) und je einem Fuß (10-12) bestehende Beine angelenkt sind, wobei zusätzlich zwischen jedem Schenkel (7 bzw. 8 bzw. 9) und jedem zugehörigen Fuß (10 bzw. 11 bzw. 12) ein weiteres Scharnier (16 bzw. 17 bzw. 18) vorgesehen ist derart, daß die Achsen (13′ bzw. 16′) der Scharniere (13 bzw. 16) des Schenkels (7), die Achsen (14′ bzw. 17′) der Scharniere (14 bzw. 17) des Schenkels (8) sowie die Achsen (15′ bzw. 18′) der Scharniere (15 bzw. 18) des Schenkels (9) jeweils untereinander parallel verlaufen und daß nur die Scharniere (13-18) biegeelastisch ausgebildet sind.

13. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Plattform (6) der Hälfte eines - im wesentlichen - regelmäßigen Hexagons entspricht, welche durch einen Schnitt entlang der Verbindungslinie (21) zweier diametral gegenüberliegender Ecken erhalten wurde.

14. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (5) aus einer 2dimensionalen sternförmigen Ausgangs-Struktur (5′) ableitbar ist und eine Symmetrieebene aufweist, deren Spur (19) die Plattform (6) sowie den Schenkel (8) jeweils in zwei trapezförmige Teilbereiche unterteilt.

15. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (7 bzw. 9) an der Plattform (6) symmetrisch zur Symmetrieebene des Systems und der Schenkel (8) entlang der Verbindungslinie (21) und damit senkrecht zur Spur (19) der Symmetrieebene angelenkt sind.

16. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (7-9) einerseits und die Füße (10-12) andererseits jeweils geometrisch identisch sind.

17. Befestigungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schenkel (7-9) - ausgehend von ihren jeweiligen Scharnieren (13- 15) an der Plattform (6) - in Richtung zu ihren jeweiligen Füßen (10-12) nach Art eines gleichschenkligen Dreiecks bis zum Erreichen ihrer jeweiligen Fuß- Gelenkverbindungen (16-18) stetig verjüngen und daß die jeweiligen Füße (10- 12) rechteckig ausgebildet sind.

18. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sternförmige Struktur (5′) derart ausgebildet ist, daß sich die Verlängerungen der Mittelsenkrechten (22 bzw. 23) der Beine (7, 10 bzw. 9, 12) auf die Scharnier-Achsen (13 bzw. 15) auf der Spur (19) der Symmetrieebene in einem Punkt (24) innerhalb der Plattform (6) schneiden.

19. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (6) entlang der Verbindungslinie (21) zwischen 7-12 mm, die Scharniere (13-15) zwischen 4-7 mm, die Scharniere (16-18) zwischen 2-3,5 mm, die Länge der Füße (10-12) zwischen 1,5-2,5 mm und der Winkel zwischen den Mittelsenkrechten (22) und (23) 118°-122° beträgt.

20. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils anstelle des einen Freiheitsgrad zwischen dem Fuß (10 bzw. 11 bzw. 12) und dem Schenkel (7 bzw. 8 bzw. 9) realisierenden Scharniers (16 bzw. 17 bzw. 18) ein drei Freiheitsgrade realisierendes Kugelgelenk (25 bzw. 26 bzw. 27) vorgesehen ist.

21. Befestigungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelgelenke (25-27) als Festkörpergelenke ausgebildet sind.

22. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelgelenke (25-27) jeweils im Bereich der Mittelsenkrechten (22 bzw. 23 bzw. 19) der Beine (7, 10 bzw. 9, 12 bzw. 8, 11) angeordnet sind.

23. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der an das jeweilige Scharnier (13 bzw. 14 bzw. 15) angelenkte Teilbereich der Schenkel rechteckförmig ausgebildet ist, dem sich sodann in Richtung zum jeweiligen Kugelgelenk (25 bzw. 26 bzw. 27) eine dachförmige Verjüngungszone unter Bildung jeweils zweier symmetrischer keilförmiger Ausschnitte (28a, 28b bzw. 29a, 29b bzw. 30a, 30b) anschließt.

24. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen dem Fuß (10 bzw. 11 bzw. 12) und dem zugehörigen Schenkel (7 bzw. 8 bzw. 9) ein aus zwei Kugelgelenken bestehendes Kugelgelenk-Paar (25a/25b bzw. 26a/26b bzw. 27a/27b) vorgesehen ist.

25. Befestigungssystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelgelenke (25a-27b) als Festkörpergelenke ausgebildet sind.

26. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zu jeweils einem Kugelgelenk- Paar (25a/25b bzw. 26a/26b bzw. 27a/27b) gehörenden Kugelgelenke in Maximaldistanz voneinander unter Bildung einer flachen, dreiecksförmigen Ausnehmung (31 bzw. 33 bzw. 32) an dem jeweiligen Schenkel (7 bzw. 8 bzw. 9) angeordnet sind und zusätzlich zwischen jeder dreiecksförmigen Ausnehmung (31-33) und dem an der Plattform (6) jeweils vorhandenen zugeordneten Scharnier (13 bzw. 15 bzw. 14) entlang den jeweiligen Mittelsenkrechten (22 bzw. 19 bzw. 23) jeweils ein Parallel-Spalt (34 bzw. 36 bzw. 35) vorgesehen ist (Fig. 5).

27. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem jeweiligen Fuß (10- 12) und dem dazugehörigen Schenkel (7-9) jeweils ein aus zwei Kugelgelenken bestehendes Kugelgelenk-Paar (25a/25b bzw. 26a/26b bzw. 27a/27b) in Minimaldistanz voneinander unter Bildung jeweils zweier keilförmiger Ausschnitte (28a/28b bzw. 29a/29b bzw. 30a/30b) an dem jeweiligen Schenkel (7 bzw. 9 bzw. 8) angeordnet und zusätzlich entlang den jeweiligen Mittelsenkrechten (22 bzw. 19 bzw. 23) ein Parallel-Spalt (34 bzw. 36 bzw. 35) vorgesehen ist (Fig. 6).

28. Befestigungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel (7 bzw. 8 bzw. 9) einen diagonal verlaufenden Doppelspalt (37 bzw. 38 bzw. 39) aufweist derart, daß auf jeder der Scharnier-Achsen (13′-18′) die Bildung eines Scharniergelenks (13-15, 16-18) neben einem Kugelgelenk (25a-27a, 25b-27b) realisiert ist (Fig. 7).

29. Befestigungssystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Scharniergelenke (13-18) und die Kugelgelenke (25a-27a, 25b-27b) als Festkörper ausgebildet sind.

30. Befestigungssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung in Richtung der optischen Achse (4) des mikrooptischen Elements (3) in der Ebene "stapelbar" ist.

31. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungssystems nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch

• a) das Herstellen einer einstückigen, sternförmigen, 2dimensionalen Ausgangs- Struktur (5′) aus einem blechförmigen Material durch Stanzen,
• b) das gleichzeitige oder anschließende Ausformen der hohlhalbkugelförmigen Segmente (40-42) durch Pressen,
• c) das gleichzeitige oder anschließende Umbiegen der seitlichen Versteifungs- Profilpaare (40a, 40b; 41a, 41b; 42a, 42b) und
• d) das gleichzeitige oder anschließende Anwinkeln der "Kugel-Beine" (47-49) in Richtung zur Grundplatte (20).

32. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungssystems nach den Ansprüchen 1, 2 und 12 bis 29, gekennzeichnet durch

• a) das Herstellen einer einstückigen, sternförmigen, 2dimensionalen Ausgangs- Struktur (5′) aus einem hochelastischen blattförmigen Material - beispielsweise Edelstahlblech -,
• b) das anschließende Armieren der Schenkel (7-9) durch Aufbringen entsprechend konturierter Verstärkungs-Plättchen derart, daß diskrete Biegelinien entlang den Scharnier-Achsen (13′-18′) resultieren,
• c) das Umbiegen der Schenkel (7-9) in Richtung zur Grundplatte (20) und
• d) das Umbiegen der Füße (10-12) in entgegengesetzter Richtung.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Armieren der Schenkel (7-9) durch Anbringen blechversteifender Profilgeometrien erfolgt.

34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verfahrensschritten b) und c) die Fixierung des das mikrooptische Element (3) enthaltenden Quaders (2) auf der Plattform (6) erfolgt.

35. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der einstückigen Ausgangs-Struktur (5′) mittels Laserstrahlschneidens oder Stanzens erfolgt.

36. Verfahren nach Anspruch 32 oder 34 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der Verstärkungs-Plättchen bzw. des Quaders mittels Laserstrahl-Punktschweißens, Aufsprengens bzw. Klebens erfolgt.

37. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Biegelinien entlang den Achsen (13′-18′, 43-45) durch Umformen des monolithischen, plattenförmigen Ausgangsmaterials erzeugt werden.

38. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Scharniere (13- 18, 43-45) durch Anwendung einer subtraktiven, materialabtragenden Technik - beispielsweise durch Funkenerosion, Präzisionssägen oder durch chemisches Ätzen oder durch Ionenätzen einer dickeren, monolithischen Blechplatte - erfolgt.

39. Verwendung des Befestigungssystems nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche für die Herstellung einer positionier- und orientiergenauen mechanischen Verbindung zwischen quaderförmigen Modulen (2), in welchen jeweils ein mikrooptisches Element (3) gefaßt ist, und einer Grundplatte (20).

40. Verwendung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der Füße (10-12) bzw. der "Kugel-Beine" (47-49) auf der Grundplatte (20) mittels Laserstrahl-Punktschweißens oder Lötens unter temporärer Mitbenutzung eines vorzugsweise automatisch gesteuerten Manipulator/Roboter-Systems erfolgt.