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Die
Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung zum Befestigen eines
optischen Gliedes in Befestigungspunkten an oder in einem Träger, bei welcher
die Befestigungspunkte von Klebestellen zwischen Befestigungsflächen des
optischen Gliedes und des Trägers
gebildet sind, von denen mindestens eine Klebstelle eine in allen
Richtungen hohe Steifigkeit hat und mindestens eine zweite Klebstelle eine
geringere Steifigkeit als die erstere Klebestelle in Richtung parallel
zu den Befestigungsflächen
aufweist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Befestigung eines
optischen Gliedes an einem Träger.
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Es
kann sich dabei um die Befestigung von beispielsweise Linsen oder
Spiegeln in einer Struktur von optischen Systemen handeln. In vielen
Anwendungsfällen
von auf Trägern
befestigten Spiegeln ist es wichtig, daß durch äußere Einflüsse hervorgerufene Deformationen
des Trägers
(Zwangsverformungen und Zwangskräfte)
nicht auf den Spiegel selbst übertragen
werden und Verformungen des Spiegels hervorrufen. Solche Verformungen
des Spiegels beeinflußt
nämlich
die optischen Eigenschaften des Spiegels (z.B. Ebenheit des Spiegels)
und dadurch ebenfalls die Eigenschaften des gesamten optischen Systems.
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Die
Befestigungsflächen
des optischen Gliedes (z.B. des Spiegels) stehen in einem festen
Verhältnis
zu einer ausgewählten
Ebene des optischen Gliedes (z.B. der Spiegelebene). Sie können eben sein
und mit der ausgewählten
Ebene (Spiegelebene) einen Winkel bilden oder parallel sein, oder
eine andere als ebene Form besitzen.
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Die äußeren, Deformationen
des Trägers hervorrufenden
Einflüsse
können
beispielsweise Vibration-, Schock- oder Temperaturbelastungen (Temperaturschwankungen,
Temperaturgradienten) sein.
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Bei
der Befestigung von Spiegeln an Trägern ist es bekannt, Maßnahmen
zu treffen, um durch die Befestigung übertragene Verformungen eines
an einem Träger
befestigten Spiegels zu vermeiden. Die bekannten Maßnahmen
sind jedoch beispielsweise bei der Befestigung eines optisch hochgenauen Spiegels
oft nicht ausreichend.
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Es
ist bekannt, die Befestigung durch Schraubverbindungen vorzunehmen.
Zu diesem Zweck hat der Spiegel definierte Auflagepunkte mit in dem
Spiegel vorgesehenen Entlastungskerben. Durch diese Entlastungskerben
wird versucht, Spannungen in dem Spiegel zu vermeiden. Es läßt sich
jedoch nicht vermeiden, daß der
Spiegel bei dieser Befestigungsart im Bereich der Schraubenköpfe deformiert
wird.
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Es
ist weiterhin bekannt, den Spiegel mit dem Träger über dünne Stege zu verbinden. Eine
solche Verbindung entlastet zwar den Spiegel weitgehend von Übertragung
von äußeren Einflüssen, läßt aber
keine hinreichend steife Verbindung zwischen Träger und Spiegel zu.
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Es
ist weiterhin bekannt, die Befestigung durch Klebeverbindungen vorzunehmen.
Dabei muß ein
Kompromiß zwischen
ausreichende Steifigkeit und ausreichende Elastizität gefunden
werden. Wenn die Klebeverbindung zu steif ist, wird keine hinreichende
Entkopplung von dem Träger
erreicht. Wenn die Klebeverbindung zu elastisch ist, nimmt der Spiegel
keine hinreichend definierte Lage bzgl. des Trägers ein.
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Beispielsweise
zeigt die
DE 31 19
299 A1 eine Halterung für
einen Spiegel, bei der eine aus einem metallischen Werkstoff bestehende
Trägerplatte über Klebungen
mit dem Spiegel verbunden ist. Die dauerelastischen Klebungen nehmen
die Ausdehnungsunterschiede zwischen Spiegel und Trägerplatte
im gesamten Einsatztemperaturbereich auf, so daß der Spiegel durch die thermischen
Ausdehnungsunterschiede nicht deformiert wird. Um eine stabile und
gegen äußere Einflüsse weitgehend
unempfindliche Lage des Spiegels zu erreichen, sind zusätzliche formschlüssige Elemente
vorgesehen, die eine Translationsbewegung sowie eine Drehung des
Spiegels verhindern. Weiterhin haben die formschlüssig geführten Klebungen
eine wesentlich höhere
Scherfestigkeit als die anderen.
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Die
JP 03004209 A beschreibt
eine Abtastvorrichtung mit Zylinderlinsen, die Planflächen parallel
zum Strahlengang aufweisen und mit diesen über Klebstellen an einem Träger befestigt
sind. Die verschiedenen Klebstellen haben unterschiedliche Charakteristiken.
Beispielsweise kann eine Klebstelle von einem durch UV härtbaren
Kleber gebildet sein, während
die andere von einem Kleber auf Gummibasis gebildet ist.
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Die
JP 61248010 A zeigt
eine Linse, die in eine Fassung eingeklebt ist. Zum Einbringen des
Klebers sind in dem Rand der Linse Bohrungen vorgesehen, durch welche
Kleber zwischen den Rand der Linse und eine Stufe der Fassung eingebracht
werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Befestigungseigenschaften
einer Befestigungsanordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß die
optischen Eigenschaften des optischen Gliedes und eines das optische
Glied enthaltenden optischen Systems nicht beeinträchtigt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgaben mit einer Befestigungsvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß die
zweite Klebestelle eine höhere
Steifigkeit in Richtung senkrecht zu den Befestigungsflächen aufweist
als in Richtung parallel zu den Befestigungsflächen.
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Ein
Verfahren zur Befestigung eines optischen Gliedes an einem Träger enthält die Verfahrensschritte:
- (a) Anbringen des optischen Gliedes an einem Verstärkungsteil,
das Befestigungsleisten mit Befestigungsflächen des optischen Gliedes
(10) bildet,
- (b) Anbringen von durchgehenden Bohrungen in den Befestigungsleisten
des Verstärkungsteils,
- (c) Anbringen von Befestigungsflächen an dem Träger und
von Referenzflächen
neben diesen Befestigungsflächen,
- (d) Anordnen des Verstärkungsteils
gegenüber dem
Träger
unter Zwischenlage von Abstandsstücken,
- (e) Einbringen von in erhärtendem
Zustand starrem Kleber durch mindestens eine der Bohrungen zur Bildung
einer starren Kleberschichteiner zwischen gegenüberliegenden Befestigungsflächen des
Verstärkungsteils
und des Trägers,
- (f) Einbringen von elastischem Kleber durch mindestens eine
weitere Bohrung einer anderen Befestigungsleiste zur Bildung einer
Kleberschicht, die in Richtung senkrecht zu den Befestigungsflächen eine
höhere
Steifigkeit in Richtung senkrecht zu den Befestigungsflächen aufweist
als in Richtung parallel zu den Befestigungsflächen und
- (g) Entfernen der Abstandsstücke
nach Erhärten der
Klebestellen.
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Dadurch
wird erreicht, daß die
Befestigung über
den ersten Befestigungspunkt in allen drei Raumrichtungen ausreichend
steif und fest gegenüber
Vibrationsbelastungen ist, wobei das optische Glied selbst nur geringfügig beeinflußt wird.
Dieser Befestigungspunkt wirkt sozusagen als "Fixpunkt" zum Träger und damit als Einspannung.
Durch den zweiten Befestigungspunkt wird erreicht, daß Belastungen,
Zwangsverschiebungen und Zwangskräfte, welche in dem Träger beispielsweise
infolge von Temperaturgang (unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten)
oder Temperaturverteilung stattfinden, durch die Befestigung selbst
aufgenommen bzw. nur zu einem sehr geringen Teil an das optische Glied übertragen
werden. Dieser zweite Befestigungspunkt wirkt also als "schwimmende Lagerung", d.h. beispielsweise
senkrecht zur ausgewählten
Ebene (bzw. zur Befestigungsfläche)
kann sie die gleiche Steifigkeit besitzen wie der "Fixpunkt", in der ausgewählten Eben
(bzw. in der Ebene der Befestigungsfläche) ist sie jedoch durch Scherung
nachgiebig. Diese Eigenschaft wird einerseits durch die Eigenschaft
des Materials des Klebers erzielt, welches ein gummiartiges Verhalten
aufweist. d.h. es ist inkompressibel (Querkontaktionszahl beispielsweise μ = 0,5),
und andererseits durch die Formgebung der Klebestelle, welche vorzugsweise
flach ausgebildet ist. Durch die flache Ausbildung der Klebestelle
wird eine höhere
Steifigkeit in einer Richtung erzielt, da das Klebemittel in dieser
Richtung nur als dünne Schicht
vorliegt.
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Ein
für den
ersten Befestigungspunkt ("Fixpunkt") geeigneter Kleber
ist beispielsweise Araldit AV 138. Für den zweiten Befestigungspunkt ("schwimmende Lagerung") eignen sich beispielsweise
silikonartige Kleber. Bei einer „schwimmenden Lagerung" liegt das optische
Glied nur auf den Klebepunkten auf. Es besteht kein direkter mechanischer Kontakt
zwischen optischem Glied und Träger.
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Auf
diese Weise wird also eine dauerhafte Verbindung zwischen optischem
Glied und Träger auch
unter Vibrations- und Schockbelastungen in allen drei Raumrichtungen
erreicht, wobei die optischen Eigenschaften (z.B. Ebenheit eines
Spiegels) des eingeklebten optischen Gliedes unter Vibrations-,
Schock- und Temperatureinfluß nur
minimal beeinflußt
werden. Weiterhin sind hohe Eigenfrequenzen durch entsprechende
Wahl der Zusammensetzung der Kleber realisierbar.
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Vorteilhafterweise
werden drei Befestigungspunkte vorgesehen, nämlich einen sog. "Fixpunkt" und zwei sog. "schwimmende Lagerungen".
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Die
erfindungsgemäßen Eigenschaften
der Befestigungsanordnung können
durch besondere Klebestellengeometrie unterstützt werden. Die Klebestellen
können
dabei beispielsweise eine längliche oder
eine linsenartige Form haben.
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Das
optische Glied kann ein optisch hochgenauer Spiegel sein. Weiterhin
kann das optische Glied bzw. der Spiegel steifigkeitsoptimiert sein.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung
näher erläutert.
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Die
einzige Figur ist eine schematische, teilweise gebrochene Darstellung
und zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung
zur Befestigung eines Spiegels an einem Träger.
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In
der Figur ist mit 10 ein optisch hochgenauen Spiegel bezeichnet.
Der Spiegel 10 besteht aus einem mit Verstärkungsrippen
versehenen Verstärkungsteil 14 zur
Steifigkeitoptimierung des Spiegels 10. Einige dieser Verstärkungsrippen
sind in der Figur mit 12 bezeichnet. An diesem Verstärkungsteil 14 ist
eine plane (in der Figur nicht gezeigte) Spiegelfläche an der
den Verstärkungsrippen 12 abgewandten Seite
des Spiegels 10 vorgesehen. Dabei kann die Spiegelfläche sich über die
gesamte Abmessung der den Verstärkungsrippen 12 abgewandten
Seite des Verstärkungsteils 14 oder
nur über
einen Teil davon erstrecken. Der Spiegel 10 besitzt drei
Befestigungsflächen.
Diese Befestigungsflächen
befinden sich auf der den Verstärkungsrippen 12 abgewandten
Seite des Spiegels 10 und sind in der Figur verdeckt und nicht
zu sehen. Im Bereich dieser Befestigungsflächen ist das Verstärkungsteil 14 und
gegebenenfalls die Spiegelfläche
mit durchgehenden Bohrungen 16, 17, 18, 19, 20,
und 21 versehen, wobei die Bohrungen 16, 17, 18 und 19 bzw. 20 und 21 jeweils
einer Befestigungsfläche
zugeordnet sind.
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Im
unteren Teil der Figur ist ein Träger 28 in gebrochener
Darstellung gezeigt. An dem Träger 28 sind
drei den drei Befestigungsflächen
des Spiegels 10 zugeordneten Befestigungsstellen 30 und 32 zur Befestigung
des Spiegels 10 vorgesehen, von welchen nur zwei in der
Figur sichtbar sind. Diese drei Befestigungsstellen 30 und 32 bestehen
aus jeweils einer ebenen Fläche.
Flächen 34 und 36 sind
Referenzflächen
für die
Klebung des Spiegels 10. Zur Befestigung des Spiegels 10 an
dem Träger 28 wird
der Spiegel 10 mit einer geeigneten Vorrichtung translatorisch
in X- und Y-Richtung sowie rotatorisch um die Z-Achse ausgerichtet.
Mit geeigneten Distanzstücken
zwischen den Referenzflächen 34 und 36 und der
Spiegelfläche
wird die Lage des Spiegels 10 zum Träger in der Z-Achse sowie um
die X- und Y-Achse definiert festgelegt. Dadurch wird außerdem der
Klebespalt zwischen den Befestigungsstellen 30, 32 und den
Befestigungs-Flächendes
des Spiegels eindeutig bestimmt.
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Dann
wird Klebemittel in flüssiger
Form von der Seite der Verstärkungsrippen 12 des
Verstärkungsteils 14 her
durch die Bohrungen 16, 17; 18, 19, 20 und 21 geleitet.
Das Klebemittel verteilt sich dann auf die zugehörigen Fläche der Befestigungsstellen 30 und 32 des
Trägers
und auf die zugehörigen
Befestigungsflächen
des Spiegels 10. Es sei erwähnt, daß auch nur jeweils eine Bohrung
oder auch mehr als zwei Bohrungen pro Befestigungsstelle vorgesehen
werden können.
Die Anzahl der Bohrungen wird in der Regel von der Beschaffenheit
des jeweiligen Klebemittels und die gewünschte Form der Klebestellengeometrie
abhängen.
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Nach
dem Aushärten
werden die Distanzstücke
entfernt, so daß der
Spiegel 10 keinen direkten Kontakt mit dem Träger 28 hat.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird
der erste Befestigungspunkt (Befestigungsstelle 30) von
einem Klebemittel (beispielsweise "Aralit AV 138") mit hoher Steifigkeit in allen drei
Raumrichtungen gebildet. Dieser Befestigungspunkt dient also als "Fixpunkt". Die beiden anderen
Befestigungspunkte (Befestigungsstelle 32 und die dritte,
nicht gezeigte Befestigungsstelle) wird von einem elastischen Klebemittel
gebildet. An diesen beiden Befestigungspunkten wird die Klebestelle
flach ausgebildet. Dadurch wird an diesen Befestigungspunkten in
der Richtung senkrecht zu den jeweiligen Flächen 36 der Befestigungsstellen 32 eine
hohe Steifigkeit erreicht. In den Richtungen parallel zu den jeweiligen
Flächen 36 ist
die Klebestelle jedoch auf Scherung nachgiebig. Solche Klebemittel
können
silikonhaltig sein und sind handelsüblich.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen
die Klebemittelstellen aus zwei rechteckigen Gebilden. Es ist aber
auch möglich,
die Klebemittelstellen als ein, z.B. länglich geformtes oder rundes Gebilde
herzustellen.
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Der
in dem Ausführungsbeispiel
beschriebene Spiegel 10 kann zur Verwendung in einem optischen
Systems eines Flugkörper
vorgesehen sein. Bei dieser Anwendung sind die erfindungsgemäßen Eigenschaften
des Spiegels 10 von großer Bedeutung. Einerseits sind
Flugkörper äußeren Einflüssen ausgesetzt,
welche großen
Veränderungen
unterworfen sind. Andererseits sind sehr hohe Anforderungen an einem
optischem System beispielsweise eines zielsuchenden Flugkörpers gestellt.