DE60218600T2

DE60218600T2 - Hochleistungsfassung für optische Elemente unter Wärme- und Schwingungsbeanspruchung

Info

Publication number: DE60218600T2
Application number: DE60218600T
Authority: DE
Inventors: Robert A. Fort Wayne Hookman
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Exelis Inc
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: US6603611B1; EP1308765B1; EP1308765A1; DE60218600D1; US20030147153A1; ATE356365T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Bauteile und Instrumente. Insbesondere betrifft sie eine Fassung für ein optisches Bauteil.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei vielen Konstruktionen von optischen Instrumenten werden Fassungen verwendet, um bestimmte optische Bauteile an exakten Positionen in Bezug auf andere optische Bauteile innerhalb des Instruments zu befestigen, um eine optimale Leistungsfähigkeit des optischen Instruments sicherzustellen. Ein Strahlteiler ist ein derartiges optisches Bauteil, das bei bestimmten Anwendungen an einer exakten Position innerhalb eines Instruments ausgerichtet werden muss. Beispiele für herkömmliche optische Instrumente, die Strahlteiler verwenden, sind Michelson-Transformationsspektrometer, Michelson-Interferometer und Laser-Entfernungsmessungs-/Markierungssysteme (LRF/D). Wenn in jedem dieser Systeme ein Strahlteiler nicht innerhalb eines engen Bereichs ausgerichtet ist, fluchten die von dem Strahlteiler geteilten Lichtstrahlen wiederum nicht mit anderen Bauteilen, was zu einer unangemessenen Leistung des Instruments führt.
Eine Vielzahl von verschiedenen Konstruktionen zum Halten von optischen Bauteilen in Instrumenten ist nach dem Stand der Technik bekannt. Einigen Fassungen für optische Bauteile liegt die Befestigung des optischen Bauteils auf einer Silicon-Klebespitze oder -schicht zu Grunde. Der Klebezustand und die daraus resultierende Leistung der Fassung können sich jedoch über einen längeren Zeitraum verändern. Fassungskonstruktionen, die für kritische optische Bauteile über längere Zeiträume und unter rauen Bedingungen zuverlässiger sind, basieren auf der Verwendung von Metallklammern und Haltefedern. Die Haltefedern bilden eine elastische Verbindung des elastischen Bauteils mit einer Halterungsstruktur.
Herkömmliche Fassungen für optische Bauteile, die eine Fassung mit Klammern und Federn verwenden, nutzen eine Dreipunkt-Fassungskonstruktion. Zwei herkömmliche Dreipunkt-Federfassungen für ein kreisförmiges optisches Bauteil sind in 1a und 1b dargestellt. In beiden Konstruktionen enthält die Dreipunkt-Federfassung Haltefedern, die in Umfangsrichtung voneinander etwa 120° beabstandet sind. Bei der in 1a dargestellten Fassungskonstruktion sind Haltefedern 32 an einer Außenfläche eines Rahmens 34 befestigt und ein optisches Bauteil 30 ist wiederum an drei Klammerpunkten 36 befestigt. In der Fassungskonstruktion aus 1b ist das optische Bauteil 40 an drei Federn 42 befestigt und die Federn 42 sind wiederum an einer Innenfläche eines Rahmens 44 befestigt. Jede Feder in der in 1a und 1b abgebildeten Dreipunkt-Federfassungskonstruktion bietet eine Freiheitsrichtung bzw. -linie für die Bewegung des optischen Bauteils, die durch unterbrochene Linien in diesen Figuren angegeben sind. Jede Freiheitslinie verläuft senkrecht zu der Feder, zu der sie gehört. In den in 1a und 1b abgebildeten Beispielen schneiden sich die Freiheitslinien in der Mitte des kreisförmigen optischen Bauteils. Der Schnittpunkt der Freiheitslinien wird als der stationäre Punkt des optischen Bauteils bezeichnet, bei dem es sich um einen Punkt auf dem optischen Bauteil handelt, der trotz Wärmeausdehnung oder Vibrationsbewegungen des optischen Bauteils im wesentlichen fixiert bleibt. Die Dreipunkt-Federfassungskonstruktion arbeitet mit optischen Bauteilen, die eine kreisförmige Konfiguration haben, gut und wurde dementsprechend in breitem Umfang als bevorzugte Fassungsbauart genutzt.
Aufgrund ihrer vorherrschenden Verwendung werden Dreipunkt-Federfassungskonstruktionen auch für optische Bauteile verwendet, die nicht kreisförmige geometrische Konfigurationen haben. Eine herkömmliche Fassungskonstruktion für ein allgemein rechteckig geformtes optisches Bauteil ist in 1c dargestellt. Die Fassungskonstruktion umfasst einen Rahmen 54, der an einer Grundplatte 56 befestigt ist, wobei eine Feder 53 an einem Ende des Rahmens ausgerichtet ist und zwei Federn 53 an den Ecken des entgegengesetzten Rahmenendes ausgerichtet sind. Das optische Bauteil 50 ist innerhalb des Rahmens 54 befestigt. Wie durch die unterbrochenen Linien in 1c dargestellt, schneiden sich die von den drei Federn gebildeten Freiheitslinien so, dass sie einen stationären Punkt an einer Stelle bilden, der von der Mitte des optischen Bauteils entfernt ist.
Während Dreipunkt-Fassungskonstruktionen in bestimmten Umgebungen eine angemessene Leistung bieten können, wenn die Größe des optischen Bauteils gering ist, wird die Leistung derartiger Fassungen deutlich verschlechtert, wenn größere optische Bauteile verwendet werden und raue Wärme- und Vibrationsbedingungen herrschen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Dreipunkt-Fassungskonstruktionen nicht geeignet sind, um die ordnungsgemäße Ausrichtung von großen optischen Bauteilen aufrechtzuerhalten, wie zum Beispiel eines Strahlteilers in einem Instrument, das in einem Satelliten oder einem anderen Luft- oder Raumfahrzeug befestigt ist, das typischerweise rauen Startbedingungen ausgesetzt ist. Ferner kann sich die Leistung von Vorrichtungen, die in der Halbleiterindustrie und verwandten Industrien zur Herstellung von Mikro-Bauelementen verwendet werden und die ein hohes Maß von Herstellungspräzision verlangen, verschlechtern, wenn Dreipunktfassungen für optische Bauteile bei Anwendungen verwendet werden, in denen die Vorrichtungen starken Temperaturveränderungen und/oder Vibrationen ausgesetzt sind. Die Federn sind bei einer Konfiguration gemäß der Fassung aus 1c nicht in der Lage, zu verhindern, dass das optische Bauteil einer Verwindung ausgesetzt ist und eine ausreichende optische Flachheit sicherzustellen, um ein gewünschtes Leistungsniveau aufrechtzuerhalten. Dieses Problem ist insbesondere bei der herkömmlichen rechteckigen Fassung vorherrschend, die in 1c dargestellt ist, bei der der stationäre Punkt der Dreipunkt-Federfassung abseits der Mitte des optischen Bauteils angeordnet ist. Während die Federn dieser Fassungen versteift werden können, beispielsweise um Vibrationspegel zu überleben, die bei einem typischen Start auftreten, erzeugen Wärmeschwankungen (d.h. Temperaturveränderungen von mehr als 80 °C), die bei dem Start auftreten, eine unerwünschte Verwindung der Flachheit des optischen Bauteils aufgrund der Wärmeausdehnung des optischen Bauteils und/oder der Halterungsstruktur. Bei bestimmten Luft- und Raumfahrtanwendungen ist z. B. eine Verwindung der Flachheit von höchstens etwa 0,1 Mikrozoll zulässig. Herkömmliche Dreipunkt-Federfassungen waren nicht in der Lage, diese Flachheitstoleranz unter extremen Wärme- und Vibrationsbedingungen aufrechtzuerhalten. Zusätzlich können herkömmliche Dreipunkt-Federfassungen für große, nicht kreisförmige optische Bauteile zu einem Schwerkraft-Absacken der nicht gestützten Abschnitte des Bauteils zwischen den Federhaltern führen.
Die US-A-5,801,891 beschreibt eine Federstruktur zum Halten eines Elements, wie zum Beispiel eines Spiegels in einem Rahmen, die ein Federblatt aufweist, das eine Gabel bildet, die drei coplanare Zinken hat.
Die DE-A1-36 28 480 beschreibt eine Fassung, die vier Gruppen von Linsenantriebsmembranen enthält, die aus einem flexiblen Material hergestellt sind und zwischen einem äußeren Rahmen des optischen Bauteils und einem inneren Körperrohr verbunden sind, wobei das Körperrohr 2b Linsenanordnungen enthält, die aus vier Linsen bestehen.
Die EP-A1-0 298 058 beschreibt eine Einrichtung zum Halten einer optischen Linse in einer gewünschten Position unter schwankender Temperatur. Halter innerhalb des Rahmens sind so ausgewählt, dass sie in eine Richtung starr sind und in eine radiale Richtung nachgiebig sind.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit herkömmlichen Fassungskonstruktionen für optische Bauteile ist, dass sie typischerweise eine große Fläche einnehmen und für Instrumentenkonstruktionen für die Luft- und Raumfahrt nicht geeignet sind, die strenge Größen- und Massenbeschränkungen erfordern.
Somit besteht Bedarf für eine Fassung für ein optisches Bauteil, die die Ausrichtung und Flachheit des optischen Bauteils innerhalb eines Instruments unter rauen Wärme- und Vibrationsbedingungen mit einem hohen Maß an Präzision zufrieden stellend aufrechterhält. Ferner besteht Bedarf für eine Fassung für ein optisches Bauteil, die so konfiguriert ist, dass sie eine für eine bestimmte Anwendung geeignete Fläche einnimmt.
Aufgaben und Kurzbeschreibung der Erfindung
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen und aus anderen Gründen, die im Lauf der Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Bauteil sicher innerhalb eines Instruments zu halten, um so einen gewünschten Leistungspegel des optischen Bauteils unter rauen Wärme- und Vibrationsverwindungsbedingungen sicherzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Verwindung der Flachheit zu minimieren, die auf das optische Bauteil ausgeübt wird, während es diesen rauen Wärme- und Vibrationsverwindungsbedingungen ausgesetzt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das optische Bauteil unter Verwendung einer Fassung sicher in dem Instrument zu halten, die eine geringe Größe und Masse hat, die für Luft- und Raumfahrt sowie weitere Anwendungen geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame Fassungskonstruktion zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere optische Bauteile innerhalb eines Instruments zu befestigen.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden einzeln und in Kombination wie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben gelöst und es ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung so ausgelegt wird, dass sie die Kombination von zwei oder mehr der Aufgaben erfordert, sofern dies nicht durch die beigefügten Patentansprüche ausdrücklich verlangt ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Fassung für extreme Höchstleistung von optischen Bauteilen geschaffen, die rauen Wärme- und Vibrationsverwindungsbedingungen ausgesetzt sind. Die Fassung weist die in Anspruch 1 definierten Merkmale auf.
Jeder der Halter des ersten Paares ist in zu der ersten Achse nicht parallelen Richtungen im wesentlichen starr und jeder der Halter des zweiten Paares ist in zu der zweiten Achse nicht parallelen Richtungen im wesentlichen starr. Die Halter schränken somit die Bewegungsfreiheit des optischen Bauteils um einen stationären Punkt ein, der etwa in der Mitte des optischen Bauteils angeordnet ist.
Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform derselben deutlich, insbesondere in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren zur Bezeichnung von gleichen Bauteilen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1a ist eine Vorderansicht einer herkömmlichen Dreipunkt-Federfassung für ein kreisförmiges optisches Element.
1b ist eine Vorderansicht einer weiteren herkömmlichen Dreipunkt-Federfassung für ein kreisförmiges optisches Element.
1c ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Dreipunkt-Federfassung für ein nicht kreisförmiges optisches Element.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Fassung für ein optisches Element in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Fassung aus 2.
4 ist eine Vorderansicht eines mit der Fassung aus 2 verwendeten Federblatts.
5 ist eine perspektivische Ansicht der Fassung aus 4 mit einem in der Fassung befestigten optischen Bauteil.
6 ist eine geschnittene Vorderansicht eines Abschnitts der Fassung mit dem darin befestigten optischen Bauteil entlang der Linie VI-VI in 5.
7a–7b sind geschnittene Vorderansichten des in der Fassung angeordneten optischen Bauteils entlang der Linie VII-VII aus 5.
8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Fassung für ein optisches Bauteil in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Fassung mit einem in der Fassung befestigten optischen Bauteil in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts der Fassung mit optischem Bauteil entlang der Linie X-X aus 9.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Fassung mit einem in der Fassung befestigten optischen Bauteil in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung ist eine Fassung für ein optisches Bauteil in 2–7 dargestellt. Ein beispielhaftes optisches Bauteil zur Befestigung innerhalb der Fassung gemäß vorliegender Erfindung ist ein Strahlteiler. Es sei jedoch angemerkt, dass das optische Bauteil eine Linse, ein Spiegel oder ein beliebiges anderes Element sein kann, das in einem optischen Instrument oder einer anderen Vorrichtung verwendet wird, die das präzise Positionieren des Bauteils während des Betriebs der Vorrichtung erfordert. Wie 2 zeigt, enthält eine Fassung einen allgemein rechteckig geformten Rahmen 100, der eine vordere Fläche 103 und eine gegenüberliegende hintere Fläche 105, eine innere Seitenfläche 107 und eine gegenüberliegende äußere Seitenfläche 109 hat. Die innere und die äußere Seitenfläche erstrecken sich zwischen der vorderen und der hinteren Fläche entlang den jeweiligen inneren und äußeren Begrenzungen des Rahmens. Eine allgemein rechteckig geformte Öffnung 104 ist innerhalb des Rahmens zwischen der von der inneren Seitenfläche 107 gebildeten umschlossenen Begrenzung definiert. Die Rahmenöffnung verläuft durch den Rahmen zwischen der vorderen und der hinteren Fläche und ist in geeigneter Weise dimensioniert, um ein allgemein rechteckig geformtes optisches Bauteil 140 (siehe 5) aufzunehmen und zu halten. Die äußere Seitenfläche 109 des Rahmens 100 enthält einen oberen flachen Abschnitt 106, einen unteren flachen Abschnitt 108, der dem oberen flachen Abschnitt gegenüberliegt, und entgegengesetzte seitliche flache Abschnitte 110, 112. Der Rahmen kann aus einem beliebigen Material aufgebaut sein (z. B. Metall oder Kunststoff), dessen Gewicht und Steifigkeit für die Wärme-, Vibrations- und übrigen relevanten Bedingungen geeignet sind, die mit einer bestimmten Anwendung für die Fassung in Zusammenhang stehen. Ein beispielhaftes Material für den Fassungsrahmen, das zur Verwendung in Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet ist, ist Beryllium. Ein oder mehrere Wärmesensoren können optional an dem Rahmen vorgesehen werden, um die Wärmegradienten in der Umgebung zu messen, der das in dem Rahmen befestigte optische Element ausgesetzt ist. Wie 3 zeigt, ist ein Wärmesensor 102 an der äußeren Seitenfläche 109 des Rahmens 100 angebracht.
Ein Paar Befestigungsöffnungen 114 verläuft durch den Rahmen 100 zwischen der vorderen Fläche 103 und der hinteren Fläche 105 an den unteren Ecken des Rahmens auf beiden Seiten des unteren flachen Abschnitts 108. Eine weitere Befestigungsöffnung 114 verläuft durch den Rahmen zwischen der vorderen und der hinteren Fläche an dem oberen flachen Abschnitt 106. Der Rahmen kann in dem Instrument befestigt werden, indem geeignete Befestigungsmittel (z. B. Schrauben) durch die drei Befestigungsöffnungen geführt werden und die Befestigungsmittel an einer geeigneten Halterungsstruktur in dem Instrument befestigt werden.
Der untere und der seitliche flache Abschnitt enthalten jeweils eine allgemein rechteckige Vertiefung 116, um ein Federblatt 130 an der äußeren Seitenfläche des Rahmens wie nachstehend beschrieben aufzunehmen und zu halten. Jede Vertiefung 116 umfasst eine rechteckige Öffnung 117, die etwa in der Mitte der Vertiefung angeordnet ist und zwischen der inneren und der äußeren Seitenfläche durch den Rahmen verläuft und mit der Rahmenöffnung 104 in Verbindung steht. Der obere flache Abschnitt enthält eine zentrale Vertiefung 119 mit zwei Vertiefungen 118, 120, die beiderseits der zentralen Vertiefung angeordnet sind. Die drei Vertiefungen an dem oberen flachen Abschnitt stehen mit einem Schlitz 122 in Verbindung, der von der vorderen Fläche 103 in den Rahmen verläuft. Der Schlitz 122 ist unter der Befestigungsöffnung 114 an der vorderen Fläche des Rahmens angeordnet und so dimen sioniert, dass er ein Federblatt 130 vollständig aufnimmt und hält, während er zulässt, dass ein Befestigungsmittel durch die Befestigungsöffnung 114 verläuft. Die Vertiefung 119, die allgemein mit dem Schlitz 122 zentriert ist, enthält ferner eine rechteckige Öffnung (nicht gezeigt), die durch die innere Seitenfläche des Rahmens verläuft und mit der Rahmenöffnung 104 in Verbindung steht. Die Vertiefungen 118 und 120, die beiderseits der Vertiefung 119 angeordnet sind, sind mit den in Längsrichtung einander gegenüberliegenden Enden des Schlitzes ausgerichtet. Wie nachfolgend des weiteren beschrieben, bietet die Vertiefung 119 Zugang zu dem zentralen Abschnitt eines in dem Schlitz angeordneten Federblatts zum Befestigen des Federblatts an einer Klammer 126, wohingegen die Vertiefungen 118, 120 Zugang zu den Enden in Längsrichtung des Federblatts innerhalb des Schlitzes zum Befestigen des Federblatts am Rahmen bieten.
Die innere Seitenfläche 107 enthält Vertiefungen 124, dem mit den flachen Abschnitt in der äußeren Fläche ausgerichtet sind, und an diesen flachen Abschnitten angeordnete rechteckige Öffnungen. Die Vertiefungen der inneren Seitenfläche sind ferner so dimensioniert, dass sie Halteklammern 126 zum Befestigen eines optischen Bauteils innerhalb des Rahmens wie nachfolgend beschrieben aufnehmen und halten.
Wie 4 zeigt, weist jedes Federblatt 130 ein Paar allgemein rechteckiger flacher Abschnitte 132 auf, die an ihren zueinander weisenden Enden durch ein rechteckiges mittleres Befestigungselement 134 getrennt sind. Die flachen Abschnitte sind sehr dünn und haben eine geeignete Elastizität, um dem Federblatt Federeigenschaften zu verleihen, wie weiter unten beschrieben wird. Die anderen Enden der flachen Abschnitte sind mit rechteckigen distalen Befestigungselementen 136 verbunden. Jedes der distalen Befestigungselemente der Federblätter weist eine Bohrung auf, um ein Befestigungsmittel 137 (z. B. eine Schraube) aufzunehmen, um das Federblatt in einer entsprechenden Vertiefung oder einem Schlitz eines flachen Rahmenabschnitts zu befestigen. Wie 3 zeigt, sind an jedem distalen Befestigungselement ferner ein Paar kleinerer Bohrungen zur Aufnahme eines kleineren Befestigungsmittels 138 (z. B. eines Stifts) angeordnet, um die distalen Enden des Federblatts des weiteren an dem Rahmen zu befestigen. Das mittlere Befestigungselement jedes Federblatts ist so ausgerichtet, dass es mit der rechteckigen Öffnung, die an der Vertiefung eines entsprechenden flachen Abschnitts an dem Rahmen angeordnet ist, korrespondiert und teilweise in dieser aufgenommen ist. Jedes mittlere Befestigungselement enthält ferner eine Bohrung zur Aufnahme eines Befestigungsmittels 139 (z. B. einer Schraube) zum Befestigen einer entsprechenden Klammer 126 an dem Federblatt, wie nachfolgend beschrieben wird. Eine Buchse 135 ist um jedes Befestigungsmittel 139 zwischen dem mittleren Befestigungselement und der Klammer befestigt, um Scherkräfte zu absorbieren, die andernfalls unter extremen Vibrationsbedingungen auf das Befestigungsmittel übertragen würden. Alternativ können bei Anwendungen, bei welchen die Vibrationsbedingungen weniger Bedeutung haben, die Buchsen von den Befestigungsmitteln entfernt werden, ohne dass die Betriebsfähigkeit der Fassung für diese Anwendungen wesentlich beeinträchtigt würde.
Jede Klammer 126 der Fassung 100 hat eine allgemein rechteckige Konfiguration und weist eine Bohrung zur Aufnahme und zum Eingriff eines entsprechenden Befestigungsmittels 139 auf, das durch das mittlere Befestigungselement 134 eines entsprechenden Federblatts 130 eingeführt wird. Die Klammern sind in geeigneter Weise dimensioniert, dass sie in die Vertiefungen 124 der inneren Seitenfläche 107 passen und teilweise in den an den entsprechenden flachen Abschnitten der äußeren Seitenfläche angeordneten Öffnungen aufgenommen werden. Ein Paar Arme 127 geht von einer Eingriffsfläche an entgegengesetzten Seiten jeder Klammer aus und ist durch einen Abstand getrennt, der geringfügig größer als die Dicke des optischen Bauteils 140 ist. Jede der Klammern wird an einem Rand des optischen Bauteils befestigt, indem der Rand des optischen Bauteils zwischen die Arme der Klammer eingeführt wird. Das optische Bauteil kann an den Klammern ferner unter Verwendung einer geeigneten Befestigungseinrichtung oder eines Klebstoffes befestigt werden. Vorzugsweise wird ein Epoxidharz zwischen den Armen jeder Klammer und dem Eingriffsrand des optischen Bauteils aufgetragen, um die Klammern fest mit dem optischen Bauteil zu verbinden und so sicherzustellen, dass das optische Bauteil fest an den Federblättern innerhalb des Rahmens befestigt ist.
Die Federblätter können aus jedem geeigneten Material (z. B. rostfreiem Stahl) aufgebaut sein, der eine elastische Biegung in einer im wesentlichen zu den dünnen flachen Abschnitten der Blätter senkrechten Richtung in Reaktion auf eine an die an dem Rahmen befestigten Blätter angelegte Kraft zulässt. Die Abmessungen der Federblätter einschließlich der Dicke der flachen Abschnitte sind vorzugsweise so gewählt, dass sie der Biegung jedes Blattes in jeder anderen Richtung als einer zu den einander gegenüberliegenden Flächen der flachen Abschnitte im wesentlichen senkrechten Richtung widerstehen. Die Federblätter sind paarweise ausgerichtet, um die Bewegungsfreiheit eines an den Federblättern befestigten und in dem Rahmen montierten optischen Bauteils 140 entlang ausgewählten Achsen zu beschränken. Genauer ausgedrückt sind die Federblätter entlang der äußeren Fläche des Rahmens angeordnet, wobei die flachen Abschnitte der Blätter dem Rahmen benachbart sind. Das mittlere Befestigungselement jedes Federblatts ist ebenfalls mit dem mittleren Befestigungselement eines entsprechenden Federblatts eines Paares an dem Rahmen ausgerichtet und liegt diesem gegenüber, so dass eine die beiden mittleren Befestigungselemente des Blattpaares schneidende imaginäre Linie auch die Mitte eines in dem Rahmen befestigten optischen Bauteils schneidet. Vorzugsweise ist die Mitte des optischen Bauteils die optische Mitte des optischen Bauteils, die typischerweise die geometrische Mitte des optischen Bauteils ist. Bei dem in 2–7 gezeigten Rahmen 100 sind Federblätter 130 eines ersten Federpaares innerhalb Vertiefungen 116 von flachen Seitenabschnitten 110, 112 befestigt, wohingegen Federblätter 130 des zweiten Federpaares innerhalb der Vertiefung des unteren flachen Abschnitts 108 und des Schlitzes 122 des oberen flachen Abschnitts 106 befestigt sind. Die mittleren Befestigungselemente der Federblätter, die an den seitlichen flachen Abschnitten 110, 112 befestigt sind, sind entlang einer in 2 gezeigten imaginären horizontalen Achse X ausgerichtet, wohingegen die mittleren Befestigungselemente der an dem oberen flachen Abschnitt 106 und dem unteren flachen Abschnitt 108 befestigten Federblätter entlang einer imaginären vertikalen Achse Y ausgerichtet sind. Die X- und die Y-Achse sind zueinander senkrecht und schneiden sich etwa in der Mitte des in dem Rahmen montierten optischen Bauteils 140.
Indem Paare von Federblättern in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet werden, wird ein stationärer Punkt geschaffen, der in der oder nahe an der Mitte des optischen Bauteils liegt. Der stationäre Punkt ist ein geometrischer Ort auf dem optischen Bauteil, an dem sich die Freiheitslinien (d.h. die von den Federblättern zugelassenen Bewegungsrichtungen) schneiden. Der stationäre Punkt des optischen Bauteils bleibt ferner trotz Wärmeausdehnung des optischen Bauteils oder auf das optische Bauteil wirkender Kräfte an dem gleichen geometrischen Ort innerhalb des Rahmens fixiert.
Wie 2 und 5 zeigen, erlaubt das an den seitlichen flachen Abschnitten 110, 112 angebrachte Federblattpaar die Bewegung des optischen Bauteils entlang der X-Achse, ist jedoch entlang der Y- und der Z-Achse starr und verhindert im wesentlichen eine Bewegung des optischen Bauteils. Somit stellt die X-Achse eine Freiheitslinie für das optische Bauteil dar, die durch das an den seitlichen flachen Abschnitten montierte Paar der Federblätter geschaffen wird. Im Gegensatz dazu erlaubt das Paar der an dem oberen und dem unteren flachen Abschnitt 106, 108 montierten Federblätter die Bewegung des optischen Bauteils entlang der Y-Achse, ist jedoch entlang der X- und Z-Achse starr und verhindert im wesentlichen die Bewegung des optischen Bauteils. Die Y-Achse stellt somit eine weitere Freiheitslinie für das optische Bauteil dar, die von dem an dem oberen und dem unteren flachen Abschnitt montierten Paar der Federblätter geschaffen wird. Somit liegt der stationäre Punkt für ein in dem Rahmen 100 montiertes optisches Bauteil an dem Schnittpunkt der X- und Y-Achse, der im wesentlichen in der Mitte des optischen Bauteils liegt.
Die Fassungskonstruktion gemäß vorliegender Erfindung erleichtert den einfachen Zusammenbau und die Befestigung des optischen Bauteils 140 in dem Rahmen 100. Federblätter 130 werden an dem oberen, dem unteren und den seitlichen flachen Abschnitten der äußeren Seitenflächen des Rahmens befestigt, indem die jeweiligen distalen Befestigungselemente 136 jedes Federblatts an einer entsprechenden Vertiefung eines flachen Abschnitts mit Befestigungsmitteln 137, 138 befes tigt werden. Wie 3 zeigt, wird das Federblatt 130 an dem Rahmen an dem oberen flachen Abschnitt 106 befestigt, indem Befestigungsmittel 137, 138 durch Vertiefungen 118, 120 geführt werden. Dann werden unter Verwendung von Befestigungsmitteln 139 und Buchsen 135 Klammern 126 an ihren entsprechenden Federblättern befestigt. Das Befestigungsmittel 139 und die Buchse 135 werden in die Vertiefung 119 eingeführt, um die Klammer an dem oberen flachen Abschnitt an dem Federblatt zu befestigen. Sobald die Klammern an den Federblättern befestigt sind, wird das optische Bauteil 140 wie in 7a und 7b gezeigt in die Rahmenöffnung 104 eingeführt. Die Klammern werden in Vertiefungen 124 und teilweise in die an diesen Vertiefungen ausgerichteten entsprechenden Öffnungen gedrückt, so dass die Federblätter von der äußeren Seitenfläche des Rahmens weg gebogen werden. Die Federblätter werden in der gebogenen Position gehalten, um so einen angemessenen Raum zu schaffen, um die Ränder des optischen Bauteils zwischen den Armen jeder Klammer auszurichten. Wie vorstehend beschrieben wird vorzugsweise ein Epoxidharz auf den Eingriffsabschnitt jeder Federklammer und/oder des optischen Bauteils vor dem Anbringen des optischen Bauteils innerhalb der jeweiligen Klammer aufgetragen. Die Klammern werden dann freigegeben, so dass sie mit einem Rand des optischen Bauteils in Eingriff kommen. Sobald das Epoxidharz gehärtet ist, ist die Fassung gebrauchsfertig und kann unter Verwendung der Montageöffnungen 114 in einem Instrument befestigt werden.
Im Betrieb hält die Fassungskonstruktion gemäß vorliegender Erfindung die gewünschte Ausrichtung bei und verhindert eine unerwünschte Verwindung der Flachheit des optischen Bauteils in Umgebungen, in denen starke Wärmeschwankungen sowie Vibrationskräfte herrschen (z. B. während des Starts eines Satelliten). Wenn beispielsweise der Rahmen 100 einer Verwindungskomponente (z. B. bedingt durch die Wärmeausdehnung des optischen Bauteils oder starke Vibrationskräfte, die auf das optische Bauteil ausgeübt werden) ausgesetzt ist, die entlang der imaginären Achse X wirkt, wie in 5 gezeigt, erlauben die in den Vertiefungen der flachen Seitenflächen 110, 112 montierten Federblätter die Flexibilität des optischen Bauteils entlang der X-Achse, während die kombinierten Federblätter das optische Bauteil in allen anderen Richtungen (d.h. entlang der Y- und Z-Achse) starr halten.
Entsprechend erlauben dann, wenn der Rahmen einer Verwindungskomponente ausgesetzt ist, die entlang der imaginären Achse Y wirkt, die in dem Schlitz der oberen flachen Oberfläche 106 und der Vertiefung der unteren flachen Oberfläche 108 montierten Federblätter die Flexibilität des optischen Bauteils entlang der Y-Achse, während die kombinierten Federblätter das optische Bauteil in allen anderen Richtungen (d.h. entlang der X- und der Z-Achse) starr halten. Die Federn beschränken daher jede Bewegung des optischen Bauteils auf eine im wesentlichen planare und radiale Weise in Bezug auf den in der Mitte des optischen Bauteils geschaffenen stationären Punkt (d.h. am Schnittpunkt der X- und der Y-Achse). Die Fassungskonstruktion bietet ferner eine Starrheit für das optische Bauteil, die geeignet ist, starken Vibrationskräften zu widerstehen, während sie ferner eine geeignete Flexibilität bietet, um eine Verwindung der Flachheit zu verhindern, die andernfalls durch Wärmeausdehnung des Rahmens und/oder des optischen Elements verursacht würde. Insbesondere hält die Fassungskonstruktion eine Flachheitstoleranz innerhalb von 0,1 Mikrozoll ein, wenn sie extremen Vibrations- und Wärmeschwankungen ausgesetzt ist.
Die Fassungskonstruktion gemäß vorliegender Erfindung kann auch mehrere optische Bauteile innerhalb des Rahmens befestigen, während eine ordnungsgemäße Ausrichtung beibehalten wird und die Verwindung der Bauteile unter rauen Wärme- und Vibrationsbedingungen minimiert wird. Derartige Fassungen für mehrere Bauteile sind z. B. in Interferometer-Konstruktionen nützlich, die eine enge Ausrichtung zwischen einem Strahlteiler und einem oder mehreren anderen optischen Bauteilen erfordern.
In einer in 8 gezeigten alternativen Fassungskonstruktion wird ein optisches Bauteil, das mehrere optische Elemente umfasst, innerhalb eines Rahmens unter Verwendung von einander gegenüberliegenden Paaren von Federblättern befestigt. Die Fassung ist im wesentlichen der vorstehend beschriebenen und in 2–7 dargestellten Fassung ähnlich. Die Fassung aus 8 befestigt jedoch jedes der optischen Elemente an den am Rahmen befestigten Federpaaren. Im einzelnen enthält der Rahmen 200 einander gegenüberliegenden Paare von Federblättern 230, die an dem oberen, dem unteren und den seitlichen flachen Abschnitten an der äußeren Seitenfläche des Rahmens angeordnet sind, wobei Klammern 226 an der inneren Seitenfläche des Rahmens angeordnet und mit Befestigungsmitteln 239 in einer im wesentlichen ähnlichen Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform an den Federblättern befestigt sind. Die Dicke des Rahmens 200 (d.h. der Abstand zwischen der vorderen und der hinteren Fläche) ist ausreichend, um zwei optische Elemente innerhalb der Rahmenöffnung 204 aufzunehmen. Zusätzlich enthalten die Klammern 226 im Gegensatz zu den Klammern 126 mit zwei Armen aus 3 drei von einer Eingriffsfläche jeder Klammer ausgehende Arme 227. Zwei der Arme 227 jeder Klammer 226 sind an entgegengesetzten Enden der Klammer angeordnet, wohingegen der dritte Arm von der Eingriffsfläche der Klammer zwischen den entgegengesetzten Enden der Klammer ausgeht. Die Breite und die Position des dritten Arms an jeder Klammer ist so gewählt, dass ein geeigneter Abstand zwischen direkt gegenüberliegenden Armen gebildet ist, der geringfügig größer als die Dicke eines zwischen direkt gegenüberliegenden Armen zu befestigenden optischen Elements ist. Somit befestigt jede Klammer 226 wirksam zwei optische Elemente an einem einzelnen Federblatt 230 in dem Rahmen 200. Ferner sei angemerkt, dass die Klammern in jeder Weise mit geeigneter Beabstandung und Positionierung der Klammerarme relativ zueinander konstruiert sein können, um eine ausgewählte Beabstandung sowie eine ausgewählte vertikale und/oder horizontale Ausrichtung zwischen an den Klammern befestigten optischen Elementen zu schaffen.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Fassungskonstruktion ist in 9 und 10 dargestellt. Die Fassung ist im wesentlichen der vorstehend beschriebenen und in 2–7 dargestellten Fassung ähnlich. Die Fassungskonstruktion aus 9 ist jedoch ferner für die Aufnahme von zwei separaten optischen Bauteilen konfiguriert, die unabhängig mit verschiedenen Paaren von Federblättern an dem Rahmen befestigt werden. Genauer ausgedrückt enthält die Fassung einen Rahmen 300, der zwei Gruppen von einander gegenüberliegenden Paaren von Federblättern 330 aufweist, die entlang dem oberen, dem unteren und den seitlichen flachen Abschnitten der äußeren Seitenfläche des Rahmens angeordnet sind, wobei Klammern 326 an der inneren Seitenfläche des Rahmens angeordnet sind und mit Befesti gungsmitteln 339 in einer im wesentlichen ähnlichen Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Rahmen 100 an den Federblättern befestigt sind. Jede Gruppe der Federblattpaare ist in geeigneter Weise an der äußeren Seitenfläche des Rahmens 300 ausgerichtet, um das Befestigen eines optischen Bauteils 341 oder 342 an den Federblättern dieser Gruppe zu erlauben. Jede Federblattgruppe kann auch so ausgerichtet sein, dass die optischen Bauteile 341, 342 in einer beliebigen parallelen oder nicht parallelen räumlichen Ausrichtung zueinander befestigt werden.
Ein Merkmal der Fassungskonstruktion aus 9 und 10 ist, dass auf ein optisches Bauteil wirkende Verwindungskräfte sich nicht auf das andere optische Bauteil auswirken, da jedes Bauteil mit verschiedenen Federblattpaaren unabhängig an dem Rahmen befestigt ist. Somit können mit dieser Fassungskonstruktion optische Bauteile verwendet werden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und unterschiedlichen Ausmaßen der thermischen Verwindung ausgesetzt sind, während eine gewünschte Ausrichtung und eine Flachheit der optischen Bauteile innerhalb eines Instruments aufrechterhalten bleibt.
Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Erfindung andere Fassungskonstruktionen in Betracht gezogen werden, die optische Bauteile mit verschiedenen Größen und geometrischen Konfigurationen halten. Beispielsweise zeigt 11 eine weitere Ausführungsform einer Fassung zum Befestigen eines optischen Bauteils, das entlang einer Hauptachse des optischen Bauteils beträchtlich längere Richtungen im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hat. Der Rahmen 400 der Fassung ist im wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Rahmen 100 ähnlich, mit der Ausnahme, dass der Rahmen länglich ist, um einen längliches optisches Bauteil 440 aufzunehmen und zu halten. Des weiteren sind Paare von Federblättern 430 in einer im wesentlichen ähnlichen Weise wie die vorstehend beschriebenen Federblätter 130 mit dem Rahmen ausgerichtet und an diesem befestigt, um einen stationären Punkt in der Mitte des optischen Bauteils (d.h. den am Schnittpunkt der X- und Y-Achse in 11 gelegenen Punkt) festzulegen. Somit wirkt sich die Längenausdehnung des in 11 dargestellten optischen Bauteils nicht wesentlich auf die Leistungsfähigkeit einer entsprechenden Fassung bei der Aufrechterhaltung der gewünschten Flachheit des optischen Bauteils aus, obgleich es extremen Vibrations- und Wärmeverwindungsbedingungen ausgesetzt ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen und in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsformen nur einige wenige von vielen Arten zur Umsetzung einer Fassung für extreme Höchstleistung eines optischen Bauteils unter Wärme- und Vibrationsverwindungsbedingungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellen. Beispielsweise können Fassungen vorgesehen werden, die kreisförmige optische Bauteile oder mehrseitige optische Bauteile jeder geometrischen Konfiguration halten. Während ferner Federblätter der vorstehenden Ausführungsformen so beschrieben wurden, dass sie an einer äußeren Fläche des Rahmens befestigt werden, können die Federblätter alternativ an einer Innenfläche oder an jeder anderen geeigneten Stelle am Rahmen befestigt werden, die einen stationären Punkt etwa in der Mitte des in dem Rahmen montierten optischen Bauteils schafft.
Die Fassung gemäß vorliegender Erfindung kann ferner verwendet werden, um ein beliebiges Bauteil zu halten, das stabilisiert werden muss und bei dem verhindert werden muss, dass es einer wesentlichen Verwindung unterzogen wird, wenn es extremen Vibrations- und/oder Wärmebedingungen ausgesetzt wird. Beispielsweise hat die Fassung Anwendungen zum Halten von optischen und anderen Bauteilen in der Halbleiter produzierenden Industrie und in verwandten Industrien.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen einer Fassung zum Erzielen von extremen Höchstleistungen von optischen Bauteilen unter rauen Wärme- und Vibrationsverwindungsbedingungen beschrieben wurden, sind dem Durchschnittsfachmann unter Berücksichtigung der hierin dargelegten Lehre Variationen und Abänderungen nahegelegt. Es versteht sich daher, dass angenommen wird, dass alle derartigen Variationen, Modifikationen und Abänderungen unter den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Fassung zum Befestigen eines rauen Wärme- und Vibrationsbedingungen ausgesetzten optischen Bauteils (140), enthaltend: ein erstes Paar Halter, die jeweils entlang einer ersten, eine Mitte des Bauteils schneidenden Achse (X) angeordnet sind, wobei die Halter des ersten Paares das Bauteil (140) ankoppeln und in einer Richtung der ersten Achse flexibel sind; und ein zweites Paar Halter, die jeweils entlang einer zweiten, eine Mitte des Bauteils schneidenden Achse (Y) angeordnet sind, wobei die Halter des zweiten Paares das Bauteil (140) ankoppeln und in eine Richtung der zweiten Achse flexibel sind, einen Rahmen (100), der eine innere Seitenfläche (107) und eine entgegen gesetzte äußere Seitenfläche (109) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Halter des ersten und des zweiten Paares ein elastisches Federelement (130) enthält, das ein dünnes und flaches Blatt aufweist, welches in der Richtung der entsprechenden ersten oder zweiten Achse (X; Y) flexibel ist und an der äußeren Fläche (109) des Rahmens befestigt ist, und das Bauteil (140) so anbringbar ist, dass es in der Weise zu der inneren Seitenfläche (107) des Rahmens weist, dass jedes Federelement an dem Bauteil mittels einer Befestigungsstruktur befestigt ist, die durch den Rahmen verläuft.
Fassung nach Anspruch 1, bei welcher die Mitte des optischen Bauteils ein optisches Zentrum des optischen Bauteils ist.
Fassung (100) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, bei welcher die erste Achse (X) im wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse (Y) ist.
Fassung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher jeder der Halter des ersten und des zweiten Paares ferner ein Eingriffselement (126, 226) aufweist, das entlang der entsprechenden ersten oder zweiten Achse angeordnet ist, wobei jedes Eingriffselement einen Rand des optischen Bauteils an einem entsprechenden Federelement befestigt.
Fassung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das optische Bauteil eine Vielzahl von optischen Elementen (341, 342) enthält und das Eingriffselement (226, 326) jedes der Halter des ersten und des zweiten Paares eine Vielzahl von Eingriffsabschnitten (227) enthält, wobei jeder Eingriffsabschnitt die Befestigung an einem Rand eines entsprechenden optischen Elements bewerkstelligt.
Fassung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher jeder der Halter des ersten und des zweiten Paares ein elastisches Federelement (130) aufweist, das in der Richtung der entsprechenden ersten oder zweiten Achse (X, Y) flexibel ist, ein Eingriffselement (126, 226), das entlang der entsprechenden ersten oder zweiten Achse angeordnet ist, ein Befestigungsmittel (139), das das Eingriffselement an dem elastischen Federelement befestigt, und eine Buchse (135), die um einen Abschnitt des Befestigungsmittels befestigt ist, wobei jedes Eingriffselement einen Rand des optischen Bauteils über das Befestigungsmittel an einem entsprechenden Federelement befestigt.
Verfahren zum Fassen eines rauen Wärme- und Vibrationsbedingungen ausgesetzten optischen Bauteils, enthaltend: Ankoppeln des Bauteils (140) an einem ersten Paar Haltern, die entlang einer eine Mitte des Bauteils schneidenden ersten Achse (X) angeordnet sind, wobei die Halter des ersten Paares in einer Richtung der ersten Achse flexibel sind; und Ankoppeln des Bauteils an einem zweiten Paar Haltern, die entlang einer die Mitte des Bauteils schneidenden zweiten Achse (Y) angeordnet sind, wobei die Halter des zweiten Paares in einer Richtung der zweiten Achse flexibel sind, wobei die Halter an einem Rahmen (100) angebracht sind, der eine innere Seitenfläche (107) und eine äußere Seitenfläche (109) enthält, und wobei jeder Halter ein elastisches Federelement (130) enthält, das ein dünnes und flaches Blatt aufweist, das in der Richtung der entsprechenden ersten oder zweiten Achse (X; Y) flexibel ist und an einer äußeren Seitenfläche (109) des Rahmens (100) angebracht ist, und beim Verbinden des optischen Bauteils mit den Haltern des ersten und des zweiten Paares das optische Bauteil so montiert wird, dass es in der Weise zu einer inneren Seitenfläche (107) des Rahmens weist, dass jeder Halter an dem Bauteil über eine Befestigungsstruktur befestigt ist, die durch den Rahmen verläuft.