DE19848942C2 - Optische Baugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe bestehend aus einem optischen Element und einem Halteelement, welche über je eine Fügefläche mittels Klebstoff verbunden sind.

Eine derartige Baugruppe ist aus der DE 90 15 623 U1 bekannt.

Die erfindungsgemäße optische Baugruppe ist allgemein im optischen Präzisionsgerätebau einsetzbar, insbesondere zur Montage größerer optischer Elemente, die eine als Fügefläche nutzbare Planfläche aufweisen z. B. Streifenlinsen, Prismen und Spiegel.

Teile aus Material mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie sie ein optisches Element und ein Halteelement grundsätzlich sind, werden im Stand der Technik häufig durch eine Klebeverbindung verbunden. Damit eine derart gefügte Baugruppe keine irreversiblen Schäden erleidet, die bei auftretenden thermischen und mechanischen Spannungen insbesondere während des Transportes hervorgerufen werden können, bedarf es in der Regel besonderer konstruktiver Maßnahmen. Je größer die Dimension und die Ausdehnungsdifferenzen der Fügeteile sind, desto komplizierter erscheint diese Problemlösung.

In Abhängigkeit von den zu erwartenden thermischen und mechanischen Belastungen, sowie den Dimensionen und den Materialeigenschaften der Fügeteile müssen spezielle konstruktive Maßnahmen getroffen werden, damit

• - auf das Halteelement einwirkende mechanische Schwingungen oder Stöße das optische Element nicht beschädigen oder dejustieren,
• - unterschiedliche Materialausdehnungen infolge von Temperaturschwankungen nicht zur Deformation des optischen Elementes, zur bleibenden Dejustage oder zum Reißen der Klebeverbindung führen.

Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedene Lösungen bekannt, die dieser Problemstellung unterschiedlich gerecht werden.

In der Gebrauchsmusterschrift DE 90 15 623 ist eine Prismenhalterungseinheit (Halteelement) beschrieben mit einer Prismenmontage-Bezugsebene (Fügefläche des Halteelementes), in welcher sich ein Stirnsenkenabschnitt (Ausnehmung) befindet, der mit Klebstoff gefüllt ist. Das Volumen des Klebstoffes wird geringer gewählt als das Volumen der Ausnehmung ist. Da der Querschnitt der Ausnehmung kleiner ist als die Bodenfläche des darauf zu klebenden Prismas, entsteht eine Klebefläche, deren Ausdehnung durch die Kontur der Ausnehmung begrenzt ist. Die Dicke der entstehenden Klebstoffschicht ist durch die Tiefe der Ausnehmung vorgegeben und über die Klebefläche konstant. Um die Klebefläche liegt der Prismenboden ganzflächig und unmittelbar auf der Fügefläche des Halteelementes auf. Diese unmittelbare Anlage ist einerseits bestimmend für die definierte Lage der Teile zueinander, andererseits werden dadurch die auf das Halteelement einwirkenden mechanischen Belastungen ungedämpft auf das optische Element übertragen. Das unvermeidliche Schrumpfen des Klebstoffes beim Aushärten führt zu einem Aneinanderpressen der beiden Fügeflächen. Die hierbei wirkenden Kräfte können insbesondere bei großen Klebeflächen zur Deformation des optischen Elementes führen. Ebenso können Unebenheiten in der Oberfläche des Halteelementes zur Beschädigung des optischen Elementes führen. Für größere optische Elemente ist eine solche Lösung daher ungeeignet.

Eine vergleichbare Fügung ist aus der JP 01-319716 A für zwei optische Elemente, hier Linsen, bekannt. Hier wird auch vorgeschlagen, anstatt der Ausnehmungen in einer der Fügeflächen zwischen die Fügeflächen eine ringförmige Zwischenlage einzubringen. Die Dicke der Zwischenlage ist dann bestimmend für die maximale Dicke der Klebstoffschicht. Da die gefügten Elemente aus gleichem Material bestehen und sie sich bei thermischer Belastung entsprechend gleich ausdehnen oder schrumpfen, kann ein Klebstoff geringer Viskosität und damit auch geringster Dicke verwendet werden. Die Zwischenlage wird daher sehr dünn aus einem nicht elastischen Material gefertigt sein.

Sowohl der Klebstoff als auch das Material der Zwischenlage, wie sie eine Verbindung zwischen zwei optischen Elementen gleichem Ausdehnungskoeffizienten gemäß der JP 01-319716 A ermöglichen, sind ungeeignet für eine Verbindung zwischen einem optischen Element und einem Halteelement, deren Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind.

In der Patentschrift US 4,857,130 ist eine Baugruppe beschrieben, bei der das Halteelement nur über einem schmalen, eine Klebefläche umschließenden Rand direkt am optischen Element anliegt. Die Anforderungen an eine hohe Oberflächenebenheit beschränken sich daher gegenüber der oben beschriebenen Lösung auf eine kleinere Fläche, nämlich die Oberfläche des Randes.

In der Patentschrift DE 41 13 956 ist eine optische Baugruppe beschrieben, bei welcher die Fassung (Halteelement), mindestens zwei Ausnehmungen aufweist, in die spezielle Verbindungselemente eingesetzt sind, über die das optische Element, hier z. B. eine Streifenlinse, mittelbar mit dem Halteelement verbunden ist. Die Verbindungselemente sind so gestaltet, dass sie auf der jeweils an einer Planfläche des optischen Elementes anliegenden Seite, vergleichbar mit den bereits genannten Lösungen, eine Aussparung aufweisen, in welcher der Klebstoff eingebracht ist. Durch das Anlegen der Verbindungselemente an die jeweiligen Planflächen entsteht, bestimmt durch die Tiefe der Aussparung und hier speziell durch eine diese umschließende Klebstoffrille, zur Aufnahme überflüssigen Klebstoffes eine Klebefläche mit definierter Ausdehnung und Klebstoffdicke. Der besondere Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass das optische Element um die Klebeflächen herum jeweils an diesen Verbindungselementen, welche vorzugsweise aus Glas sind, anliegt und nicht unmittelbar am Halteelement. Da die Verbindungselemente in den Aussparungen im Halteelement ebenfalls mittels Klebstoff fixiert werden, werden mechanische Belastungen, die auf das Halteelement wirken, nur gedämpft auf das optische Element übertragen. Auch das Problem einer möglichen Deformation besteht bei dieser Lösung nicht. Die Anzahl der Verbindungselemente kann in Abhängigkeit von der Form und Größe des optischen Elementes variiert werden, so dass diese Lösung auch für größere optische Elemente geeignet erscheint.

Nachteilig an dieser Lösung ist der konstruktiv hohe Aufwand und das Erfordernis, dass an dem optischen Element wenigstens zwei genau zueinander gefertigte Planflächen vorhanden sein müssen, die als Fügeflächen nutzbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach gestaltete Baugruppe zu finden, mit einem optischen Element und einem Halteelement, welche mittels Klebstoff verbunden sind und die thermisch und mechanisch stabil ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer optischen Baugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Für eine erfindungsgemäße Baugruppe ist es wesentlich, dass es keine direkte Anlage zwischen dem optischen Element 1 und dem Halteelement 3 gibt, wodurch eine unmittelbare Übertragung von mechanischen Belastungen wie z. B. Schwingungen oder Stöße, die auf das Halteelement 3 einwirken, vermieden wird. Die bei Änderung der Umgebungstemperatur auftretenden Längenänderungen der beiden Fügeteile werden von der Klebstoffschicht 4, die aus einem hochviskosen dauerelastischen Klebstoff mit geringer Schrumpfung besteht und eine konstante Dicke aufweist, aufgenommen. Relativbewegungen der Fügeteile zueinander sind trotz großer Klebefläche möglich, da ein Aneinandergleiten der Fügeteile mittelbar an der Zwischenlage 2 erfolgt. Unebenheiten und Fertigungstoleranzen in den beiden Fügeflächen werden durch die Zwischenlage 2 kompensiert. Ebenfalls ausgeschlossen wird die Gefahr einer Deformation des optischen Elementes, da die Zwischenlage 2 elastisch ist und die Volumenschrumpfung des Klebstoffes aufnehmen kann.

Alle diese Vorteile werden mit einer einfachen konstruktiven Lösung erzielt. Diese ist mit geringem Aufwand anpaßbar an Größe und Form des zu haltenden optischen Elementes und daher für eine breite Anwendung im Präzisionsgerätebau geeignet. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt dazu in

Fig. 1a eine erfindungsgemäße Baugruppe mit einem Umlenkprisma als optisches Element in Seitenansicht,

Fig. 1b die in Fig. 1a dargestellte Baugruppe in Draufsicht und

Fig. 2 die in den Fig. 1 dargestellte Baugruppe in Explosivdarstellung

Die erfindungsgemäße Baugruppe besteht aus einem optischen Element 1, einem Halteelement 3, einer Zwischenlage 2 und einer Klebstoffschicht 4.

Im konkreten Ausführungsbeispiel ist das optische Element 1 ein Umlenkprisma mit einer sehr großen Längenausdehnung, z. B. 300 mm. Eine der optisch nicht wirksamen, in Richtung der Längsausdehnung des Prismas befindlichen Seitenflächen, dient als Fügefläche 1.1. Als Fügefläche 1.1 wird vorteilhafterweise die größte optisch nicht wirksame Planfläche des optischen Elementes 1 gewählt. Das Halteelement 3 ist so dimensioniert, dass dessen Fügefläche 3.1 mindestens die gleiche Größe aufweist wie die Fügefläche 1.1 des optischen Elementes 1. Das Halteelement 3 ist der Einfachheit halber in den Figuren als einfache Planplatte dargestellt, es kann jedoch jede beliebige Form aufweisen, die für die Montage der Baugruppe in ein Gesamtsystem geeignet ist. Zwingend erforderlich ist nur das Vorhandensein der bereits beschriebenen Fügefläche 3.1.

Zwischen der Fügefläche 1.1 des optischen Elementes 1 und der Fügefläche 3.1 des Halteelementes 3 befinden sich die Zwischenlage 2 und die Klebstoffschicht 4.

Die Zwischenlage 2 ist ein synthetisch hergestelltes großporiges Vlies mit konstanter Dicke und hoher Elastizität. Das Vlies ist luftdurchlässig und kann in bestimmten Grenzen plastisch verformt werden. Es weist vorteilhafterweise die Form eines Rahmens auf, dessen Außenmaße vorteilhafterweise denen der Fügefläche 1.1 des optischen Elementes 1 entsprechen. Die Dicke D der Zwischenlage 2 bestimmt den Abstand der beiden Fügeflächen und die Dicke der Klebstoffschicht 4 (schraffiert dargestellt), die sich im Inneren des Rahmens befindet.

Als Klebstoff können grundsätzlich alle hochviskosen, elastischen Klebstoffe mit geringer Schrumpfung verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel soll es ein Klebstoff auf Silikonbasis sein. Der Zutritt von Luftfeuchte zum Aushärten des Silikonklebstoffes wird über die luftdurchlässige Zwischenlage 2 gewährleistet.

Die Dimensionierung und die Materialwahl für die Zwischenlage 2 erfolgt in Kenntnis der möglichen thermischen Längenänderung der Fügeteile, deren Dimension, sowie in Kenntnis der mechanischen und chemischen Eigenschaften des Klebstoffes. Diese mehrfachen Abhängigkeiten erschweren die qualitative Bestimmung der Parameter der Zwischenlage 2, so dass für eine Optimierung Versuche erforderlich sind. Grundsätzlich sollte die Klebstoffschicht 4 möglichst großflächig sein, während die Zwischenlage 2 wenigstens teilweise die Außenmaße der Fügefläche 1.1 des optischen Elementes aufweisen sollte. So kann die Zwischenlage 2 auch die Form eines Kreuzes oder eines Gitters aufweisen. Das Einbringen des Klebstoffes in die freien Bereiche dieser Strukturen ist allerdings komplizierter als in einem Rahmen, der die Möglichkeit bietet, eine geschlossene Fläche mit Klebstoff zu versehen.

Zur Herstellung der Fügeverbindung wird die Zwischenlage 2 auf die Fügefläche 3.1 des Halteelementes 3 aufgelegt. Durch Anschläge oder Hilfsstifte kann die Position des optischen Elementes 1 und der Zwischenlage 2 vorgegeben werden. Das setzt voraus, dass die Fügefläche 3.1 am Halteelement 3 in jede Richtung der Flächenausdehnung über die Fügefläche 1.1 des optischen Elementes 1 hinaus geht. Danach wird der Klebstoff mit einem Dosiergerät in dem freien Innenbereich aufgetragen, ohne mit der Zwischenlage 2 in Berührung zu gelangen. Anschließend wird das optische Element 1 aufgesetzt, bis seine Fügefläche 1.1 auf der Zwischenlage 2 gleichmäßig anliegt. Dabei wird der Klebstoff zu einer Klebstoffschicht 4 gleicher Dicke gedrückt. Je nach Ausführung wird das optische Element 1 lagejustiert, bevor der Klebstoff beginnt auszuhärten.

Claims (5)

1. Optische Baugruppe bestehend aus einem optischen Element (1) und einem Halteelement (3), die aus Materialien mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen und je eine plane Fügefläche (1.1; 3.1) aufweisen, die über eine hochviskose, elastische Klebstoffschicht (4) mit minimaler Schrumpfung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene der Klebstoffschicht (4) zusätzlich eine elastische Zwischenlage (2), deren Elastizität klein gegenüber der Elastizität des Klebers ist, vorhanden ist, über die das optische Element (1) mittelbar am Halteelement (3) anliegt, wodurch eine spannungsfreie, definierte Relativlage zwischen den Fügeflächen (1.1; 3.1) auch bei Temperaturschwankungen gesichert wird.

2. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (2) wenigstens teilweise die Außenmaße der Fügefläche 1.1 des optischen Elementes (1) aufweist und großflächige freie Bereiche aufweist, in denen die Klebstoffschicht (4) eingebracht ist.

3. Optische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (2) die Form eines Kreuzes aufweist.

4. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (2) die Form eines Rahmens aufweist, dessen Außenkontur gleich der Umfangslinie der Fügefläche (1.1) des optischen Elementes (1) entspricht.

5. Optische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (3.1) in ihren Ausmaßen über die Fügefläche (1.1) des optischen Elementes (1) hinaus geht, um das optische Element (1) ganzflächig aufliegend justieren zu können.