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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Elemente und insbesondere
Hochgeschwindigkeitsschaltmechanismen für optische Elemente.
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Für optische
Instrumente ist in zahlreichen verschiedenen Anwendungen die Fähigkeit
notwendig, in einer Öffnung
oder einem optischen Strahl schnell optische Elemente einzufügen und
zu entfernen. Traditionell wurde diese Schaltung durch die Verwendung
eines Radmechanismus ausgeführt,
der verschiedene Elemente in die Öffnung hinein oder aus ihr
heraus dreht.
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In
Radmechanismen sind optische Elemente um den Umfang eines Rades
angeordnet. Da verschiedene Elemente notwendig sind, dreht ein Motor oder
ein anderer Treiber das Rad, das anhält, wenn sich das gewünschte Element
im optischen Weg befindet. Dies ermöglicht es, verschiedene optische Elemente
auf Wunsch in den optischen Weg einzufügen.
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Bedauerlicherweise
weisen Radmechanismen mehrere bedeutende Nachteile auf. Zum Beispiel
kann die notwendige Zeit und Energie, die für die Schaltung von einem zum
anderen Element verwendet werden, für viele Anwendungen unannehmbar
sein. Dies ist ein besonders bedeutendes Ergebnis, wenn das Rad
von einem zu einem anderen Element schaltet, das an der gegenüber liegenden
Seite des Rades liegt. In einigen Fällen kann es sich als schwierig
erweisen, das Rad schnell genug zu drehen, um es von einer Seite
des Rades zur anderen zu schalten. Zusätzlich kann die Energie, die
notwendig ist, um das Rad von dem einen zum anderen Ende zu bewegen,
unangemessen hoch sein. Diese Begrenzungen beruhen allesamt auf
der Tatsache, dass das herkömmliche
Rad einen sequentiellen Zugriff anstelle eines direkten Zugriffes
zu den Elementen an den Rändern
des Rades bereit stellt.
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Ein
weiteres Problem beim Verwenden herkömmlicher Radlösungen besteht
darin, dass die schnelle Bewegung des Rades Störungen am System hervorrufen
kann, die das Bild unscharf machen können. Dies ist besonders wichtig
in Anwendungen, die eine präzise
Steuerung des optischen Systems benötigen, wie in Satellitenanwendungen.
Um die Kräftestörungen,
die durch das sich schnell bewegende Rad hervorgerufen werden, auszugleichen, wurden
herkömmliche
Ansätze
forciert, um lange Einstellzeiten nach einer Radbewegung oder die
Verwendung von komplexen Kräfteausgleich- und/oder Isolierungsmechanismen
zu erlauben, die die Komplexität
des Systems erheblich erhöhen,
während
sie die Zuverlässigkeit
verringern. Diese Mechanismen benötigen ebenfalls viel Energie,
die geliefert und zerstreut werden muss, was sich negativ auf die Thermostabilität der Einheit
auswirkt.
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Folgendermaßen wird
ein verbesserter Schaltmechanismus für optische Elemente benötigt, der
eine verbesserte Schaltgeschwindigkeit, einen niedrigen Energieverbrauch
und weniger Störungen bereit
stellt.
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Die
Patentschrift JP-A-2000-305150 offenbart eine Antriebseinheit, eine
Filterschalteinheit und optische Ausrüstung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Schaltmechanismus für optische
Elemente bereit, der viele der im Stand der Technik bestehenden
Nachteile überwindet.
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Demgemäß betrifft
die Erfindung einen Schaltmechanismus für optische Elemente, wobei der
Schaltmechanismus für
optische Elemente Folgendes aufweist:
eine Rotationsachse;
und
einen ersten Arm, der mit der Rotationsachse verbunden
ist, wobei der erste Arm ein erstes Ende mit einem ersten optischen
Element aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmechanismus
für optische
Elemente ferner Folgendes aufweist:
einen Federmechanismus,
der mit dem Arm verbunden ist, wobei der Federmechanismus Rotationsenergie
bereit stellt, um den Arm an der Rotationsachse von einer ersten
Position mit dem optischen Element in einem optischen Weg zu einer
zweiten Position und von der zweiten Position in die erste Position
zu rotieren, wobei die Feder derart verbunden ist, dass ihre Ruheposition
zwischen der ersten Position und der zweiten Position ist;
einen
Verriegelungsmechanismus, wobei der Verriegelungsmechanismus den
Arm in der ersten Position oder in der zweiten Position hält und selektiv
den Arm löst,
wobei der Federmechanismus den Arm zur zweiten Position rotiert,
wenn der Arm aus der ersten Position gelöst ist, und wobei der Federmechanismus
den Arm zur ersten Position rotiert, wenn der Arm aus der zweiten
Position gelöst
ist; und
einen Rotationsenergiemechanismus, um zusätzliche
Rotationsenergie bereit zu stellen, um die Armrotation zur ersten
Position und zur zweiten Position auszuführen.
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Vorzugsweise
ist der Arm ausgeglichen, um niedrige Kräftestörung bereit zu stellen.
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Der
Verriegelungsmechanismus kann den Rotationsenergiemechanismus aufweisen
und folgendermaßen
die zusätzliche
Energie bereit stellen, die notwendig ist, um den Arm zu greifen
und in die Endposition zu bewegen.
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Ist
der Verriegelungsmechanismus gelöst, startet
die Spannung am Arm, die durch die Feder bereit gestellt ist, die
Rotationsbewegung des Arms um seine Achse zur gegenüber liegenden
Position. Wenn sich der Arm der gegenüber liegenden Position nähert, stellt
der Rotationsenergiemechanismus die zusätzliche Energie bereit, um
die Rotation zur neuen Position auszuführen, und greift und hält den Arm
in der neuen Position.
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Der
Schaltmechanismus stellt folgendermaßen die Fähigkeit bereit, schnell ein
optisches Element mit niedrigem Energie in den Übertragungsweg und aus ihm
heraus zu bewegen.
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In
zusätzlichen
Ausführungsformen
werden vielfache Schaltmechanismen miteinander kombiniert, um ein
Schaltsystem bereit zu stellen, das die Fähigkeit bereit stellt, vielfache
optische Elemente in und oder aus dem optischen Weg zu schalten.
Die Schaltmechanismen sind konfiguriert, um es einem Arm zu erlauben,
in den optischen Weg zu schwenken, wenn der andere Arm ausschwenkt.
Im Betrieb lösen
sich der Verriegelungsmechanismus für das optische Element geläufig im Übertragungsweg
und der Verriegelungsmechanismus für das gewünschte optische Element. Die
Federn an den Schaltmechanismen veranlassen das gegenwärtige optische
Element dazu, aus dem optischen Weg zu schwenken und das gewünschte optische
Element dazu, einzuschwenken. Der Verriegelungsmechanismus für das gewünschte optische
Element greift und hält
den Arm mit dem gewünschten
optischen Element im optischen Weg. Der Verriegelungsmechanismus
für das andere
Element greift und hält
den Arm in der gegenüber
liegenden Position. Die gegenüber
liegenden Bewegungen der Arme verschaffen die Aufhebung der Störmomente,
die sich ansonsten aus der Armbewegung ergeben würden.
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Folgendermaßen erlauben
es die beiden Schaltmechanismen zusammen einem optischen Element,
schnell unter niedrigem Energieverbrauch und mit begrenzter Kräftestörung außerhalb
des Systems durch ein anderes ersetzt zu werden.
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Die
vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden näheren Beschreibung einer vorzugsweisen
Ausführungsform
der Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird weiter unten unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen dieselben Bezeichnungen
dieselben Elemente betreffen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht von einem Schaltmechanismus für optische Elemente;
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2 bis 4 Schemadarstellungen
von oben von einem Schaltsystem für optische Elemente;
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5 ein
Positionsdiagramm, das die Armposition für ein Schaltsystem optischer
Elemente darstellt;
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6 eine
Schemadarstellung von oben von einem Schaltsystem für optische
Elemente; und
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7 eine
Querschnittsansicht von oben von einem Verriegelungsmechanismus.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Schaltmechanismus für optische
Elemente bereit, der viele der im Stand der Technik bestehenden
Nachteile überwindet.
Der Schaltmechanismus verwendet einen ausgeglichenen Arm, wobei
ein optisches Element an einem Ende des Arms angebracht ist. Der Arm
ist an einer Achse aufgehängt,
die es ihm erlaubt, von einer ersten Position zu einer zweiten Position
zu rotieren. Der Arm ist ausgeglichen, um wenig Kräftestörung während dieser
Bewegung bereit zu stellen. Eine Feder ist am Arm verbunden, die
die Rotationsenergie bereit stellt, um den Arm zu bewegen. Die Feder
ist derart verbunden, dass ihre Ruheposition zwischen der ersten
und der zweiten Position ist, und folgendermaßen stellt die Feder die Energie
bereit, um den Arm von der ersten Position zur zweiten Position
und umgekehrt zu bewegen. Es ist ebenfalls ein Verriegelungsmechanismus
bereit gestellt, um selektiv den Arm in der ersten Position oder der
zweiten Position zu halten. Zusätzlich
kann der Verriegelungsmechanismus zusätzliche Energie bereit stellen,
die notwendig ist, um den Arm zu greifen und in die Endposition
zu bewegen.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 1 wird ein Schaltmechanismus-Beispiel
für optische
Elemente 100 dargestellt. Der Schaltmechanismus 100 weist
einen Arm 102, eine Achse 104, eine Feder 105,
die mit dem Arm verbunden ist, ein optisches Element 106 und
zwei Verriegelungsmechanismen 108a und 108b auf.
Der Arm 104 kann jedwedes Strukturelement sein, das ausgestaltet
ist, um das optische Element aufzunehmen. Der Arm ist vorzugsweise
mit genügend
Starrheit gestaltet, um die Position des optischen Elements 106 wirksam
zu steuern. Das optische Element 106 kann jedwede Einheit
oder Kombination aus Einheiten sein, die wünschenswert ist, um selektiv
in den optischen Weg einzufügen.
Gewöhnliche
Einheiten, die als optisches Element 106 verwendet werden
können,
weisen verschiedene Typen und Kombinationen von Filtern und Spiegeln
und optischen Quellen wie Schwarzkörperquellen auf. Die Achse 104 kann
jede Achse sein, die das Positionieren und die Rotationsbewegung
des Arms 102 bereit stellt. Beispiele von angemessenen
Achsen 102 umfassen Flex-Zapfen, Lager oder Biegeelemente,
die eine angemessene Rotationsbewegung bereit stellen. Die Feder 105,
die mit dem Arm 102 verbunden ist, stellt die Rotationsenergie
zum Bewegen des Arms 102 in den optischen Weg und aus ihm
heraus bereit. Die Feder 105 kann jede angemessene Federstruktur
sein, die genügend Energie
bereit stellt, um den Arm innerhalb gewünschter Zeitzwänge zu bewegen.
Die Feder ist derart verbunden, dass ihre Ruheposition im Wesentlichen
mit dem Arm zentriert ist, der zwischen dem optisch Weg und der
Außenposition
ist. Folgendermaßen
kann die Feder 105 das Bewegen des Arms 102 in
beide Richtungen bereit stellen. Beispiele von Federn, die für die Feder 105 verwendet
werden können,
umfassen Rotationsfedern wie Spulen-, Spiral- oder Drehstäbe, oder
Translationsspannungs- oder Druckfedern. Die Verriegelungsmechanismen 108a und 108b stellen
die Fähigkeit
bereit, selektiv den Arm in beiden Positionen zu halten. Jeder Verriegelungsmechanismus 108 kann
jeden angemessenen Mechanismus aufweisen, um den Arm 102 zu
greifen und in Position zu halten. Beispiele von Mechanismen, die
für den
Verriegelungsmechanismus 108 verwendet werden können, umfassen
magnetische Einheiten, die die Fähigkeit
bereit stellen, selektiv den Arm 102 zu halten. Zusätzlich kann
der Verriegelungsmechanismus 108 konfiguriert sein, um
jede zusätzliche
Energie bereit zu stellen, die notwendig ist, um den Arm zu greifen
und in die Endposition bei der Rotation zu bewegen. In der Alternative
kann ein getrennter Rotationsmechanismus hinzugefügt werden, um
die Rotationsenergie bereit zu stellen, die notwendig ist, um die
Rotation auszuführen.
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Während des
Betriebs vom Schaltmechanismus 100 halten die Verriegelungsmechanismen 108 den
Arm 102 in Position bis Schalten gewünscht ist. Wenn ein Verriegelungsmechanismus 108 (wie 108a)
gelöst
ist, startet die Spannung am Arm 102, die durch die Feder 105 bereit
gestellt ist, die Rotationsbewegung des Arms 102 auf der
Achse 104 zur gegenüber
liegenden Position. Wenn sich der Arm 102 der gegenüber liegenden
Position nähert,
stellt der gegenüber
liegende Verriegelungsmechanismus 108 (wie 108b)
die zusätzliche
Energie bereit, um die Rotation zur neuen Position auszuführen, und
greift den Arm 102 und hält ihn in der neuen Position.
Der Schaltmechanismus 100 stellt folgendermaßen die Fähigkeit
bereit, schnell ein optisches Element 106 in den optischen
Weg und aus ihm heraus zu bewegen, und dies unter niedrigem Energieverbrauch
und mit begrenzter physikalischer Störung.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 2 wird ein optisches Schaltsystem 200 dargestellt,
das vielfache Schaltmechanismen 100 verwendet, die miteinander
kombiniert sind, um die Fähigkeit
bereit zu stellen, vielfache optische Elemente 106 in und
oder aus dem optischen Weg zu schalten. Im dargestellten Beispiel
sind drei Schaltmechanismen 100 konfiguriert, um es drei
verschiedenen optischen Elementen 106 zu erlauben, ausgewählt zu werden.
Dies ist selbstverständlich
nur ein Beispiel und es können
optische Schaltsysteme mit jedweder Anzahl von Schaltmechanismen 100 innerhalb
von Raumbegrenzungen gewünscht
werden.
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Vom
optischen Schaltsystem 200 wird gewünscht, es einem optischen Element 106 zu
erlauben, in den optischen Weg einzuschwenken, wenn ein anderes
optisches Element 106 ausschwenkt. Im Betrieb lösen sich
der Verriegelungsmechanismus 108 für das optische Element 106,
das im optischen Weg gegenwärtig
ist, und der Verriegelungsmechanismus 108 für das gewünschte optische
Element 106. Die Federn 105 an den Schaltmechanismen 100 bringen
das gegenwärtige
optische Element 106 dazu, aus dem optischen weg zu schwenken,
und das gewünschte
optische Element 106 dazu, einzuschwenken.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 3 wird das optische Schaltsystem 200 dargestellt,
nachdem der Verriegelungsmechanismus 108 für das optische Element 106,
das im optischen Weg gegenwärtig
ist, und der Verriegelungsmechanismus 108 für das gewünschte optische
Element 106 gelöst
sind, und sich die Arme 102b, die durch Federn 105 an
den jeweiligen Schaltmechanis men 100 rotiert werden, beide lösen. Insbesondere
die Feder 105 für
das alte optische Element 106 stellt die Rotationsenergie
bereit, um das alte optische Element 106 aus dem optischen Weg
zu bewegen. Die Feder 105 für das neue optische Element 106 stellt
ebenso die Rotationsenergie bereit, um das neue optische Element 106 in
den optischen Weg zu bewegen. Es muss angegeben werden, dass die
Arme gleichzeitig in gegenüber
liegende Richtungen bewegt werden und folgendermaßen gemeinsam
die Aufhebung der Störkräfte bereit
stellen, die sich ansonsten aus der Armbewegung ergeben würden. Mit
angepassten einzeln ausgeglichenen Armen, angepassten Federn und
gleichen Deflektionswinkeln erzeugt das System keine externen Kräfte, Momente
oder unausgeglichen Impuls.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf die 4 wird das
optische Schaltsystem 200 dargestellt, nachdem der Verriegelungsmechanismus 108 für das alte
optische Element 106 den Arm 102 gegriffen und
in seiner neuen Position gehalten hat, wobei das alte optische Element 106 aus
dem optischen Weg heraus ist. Ebenso hat der Verriegelungsmechanismus 108 für das neue
optische Element 106 den Arm 102 gegriffen und
in seiner neuen Position gehalten, wobei das neue optische Element 106 im
optischen Weg ist. Folgendermaßen
hat das optische System für
ein optisches Element die Fähigkeit
bereit gestellt, schnell durch ein anderes ersetzt zu werden, und dies
unter niedrigem Energieverbrauch und mit begrenzter Kräftestörung außerhalb
des Systems.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf die 5 wird ein
Zeitablaufdiagramm dargestellt, das die Position des Arms während der
Bewegung von einer ersten Position zu einer zweiten Position, und
zurück zur
ersten Position darstellt. Zur Zeit T1 wird der Verriegelungsmechanismus
gelöst
und die Feder startet die Bewegung des Arms. Da die potentielle
Energie, die in der Feder gespeichert ist, die Primärenergie bereit
stellt, um die Feder zu bewegen, folgt eine typisch sinusförmige Bewegung.
Die Parameter der sinusförmigen
Bewegung werden durch die spezifischen Parameter des Systems bestimmt,
wie die Federkonstante, Drehsteifheit und die Trägheit des Arms, des optischen
Elements, des Verriegelungsmechanismus und jedweder Schiebegewichte.
Typischerweise wird die Trägheit
dieser Elemente und der Federkonstante ausgewählt, um eine erste mechanische
Drehmodus-Resonanz aufzuweisen, so dass die Eigenperiode der sich
ergebenden Oszillation zweimal die Schaltgeschwindigkeit ist, die
notwendig ist. Muss zum Beispiel das optische Element in 25 Millisekunden
geschaltet werden, ist der erste Modus des Systems ausgestaltet,
um zumindest 20 Hz einzunehmen, mit etwas zusätzlicher Einstellzeit und einer
Spanne, die typischerweise durch das Erhöhen des Modus etwas über 20 Hz
bereit gestellt wird.
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Zur
Zeit T2 geht der Arm durch die natürliche Mitte der Feder. Ab
diesem Punkt stellt die Feder dem Arm keine zusätzliche Energie mehr bereit
und stattdessen wirkt die Feder, um den Arm zu verlangsamen und
potentielle Energie für
die nächste
Schaltung zu speichern. Zur Zeit T3 ist die kinetische Energie,
die durch die Feder bereit gestellt wird, im Wesentlichen verbraucht.
Aufgrund der unvermeidbaren Reibungen im System ist der Arm jedoch
noch nicht vollkommen zur zweiten Position bewegt. Demgemäß bringt
der Verriegelungsmechanismus zur Zeit T3 den Arm in Eingriff, um
die zusätzliche
Energie bereit zu stellen, die notwendig ist, um den Arm den restlichen
Weg zur zweiten Position zu bewegen. Folgendermaßen wird der Arm zur Zeit T4
dazu gebracht, in der zweiten Position zu verweilen.
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Folgendermaßen ist
ein Bewegungszyklus von der ersten Position zur zweiten Position
vollendet. Der Verriegelungsmechanismus hält den Arm solange wie gewünscht in
dieser Position. Wenn der Arm wieder bewegt werden soll, zur Zeit
T5, löst
sich der Verrie gelungsmechanismus erneut und der Prozess beginnt
von vorne. Zur Zeit T6 geht der Arm erneut durch die natürliche Mitte
der Feder. Zur Zeit T7 ist die kinetische Energie, die durch die
Feder bereit gestellt wird, im Wesentlichen verbraucht, und der Verriegelungsmechanismus
wird erneut in Eingriff gebracht, um die zusätzliche Energie bereit zu stellen,
die notwendig ist, um die Rückkehr
zur ersten Position auszuführen,
und zur Zeit T8 wird der Arm dazu gebracht, in der ersten Position
zu verweilen.
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Das
optische Schaltsystem kann in viele verschiedene Konfigurationen
implementiert werden. Die Arme können
zum Beispiel derart angeordnet sein, dass sich viele Arme auf derselben
Ebene bewegen (obwohl optische Elemente in derselben Ebene nur zu
verschiedenen Zeiten einzufügen
sind). Zusätzliche
optische Elemente können über diesen Punkt
hinaus hinzugefügt
werden, indem zusätzliche Ebenen
an jeder Seite der ersten hinzugefügt werden. Die zusätzlichen
Eben werden etwas verschoben, um eine Aussparung mit der ersten
Ebene zu erlauben und die zusätzlichen
Ebenen werden leicht um den Strahl rotiert, um den Federn Nicht-Interferenz
bereit zu stellen.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 6 wird ein Schaltsystem für optische
Elemente dargestellt, in dem eine zweite Gruppe mit drei Schaltmechanismen 100 in
einer anderen Ebene als der ursprünglichen Gruppe von drei hinzugefügt wurde.
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Während die
vollständige
Anzahl an optischen Elementen, die auf diese Weise durch versetzte
Ebenen angepasst werden können,
vielleicht unbegrenzt ist, kann eine beispielhafte Gestaltung drei Ebenen
mit optischen Elementen aufweisen, wobei drei optische Elemente
in jeder Ebene sind. Die Verwendung einer derartigen Gestaltung
ermöglicht
jederzeit den direkten Zugriff zu jedem der neun optischen Elemente.
Es ist zu bemerken, dass, während diese
Gestaltung strukturiert sein kann, um nur ein optisches Element
auf einmal im Weg zu erlauben, sie ebenfalls gebaut sein kann, um
es verschiedenen Elementen von verschiedenen Ebenen zu erlauben, sich
gleichzeitig im optischen Weg zu befinden.
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Es
ist im Allgemeinen wünschenswert,
die Wirkungen der Armbewegung soweit wie annehmbar möglich aufzuheben.
Aus diesem Grund sind die Arme vorzugsweise mit identischen Deflektionswinkeln,
Trägheiten,
Federn und Eigenfrequenzen gestaltet. Dies kann auf verschiedene
Wege erfüllt
werden, zum Beispiel durch das Auswählen von Federn, die ähnlich in
der Steifheit sind, woraufhin jeder Arm auf dieselbe Eigenfrequenz
abgestimmt wird. Das System wird ausgeführt, in dem immer ein Filter
eingefügt
wird, wenn ein zweiter entfernt wird. Die sich ergebenden zwei Momente,
Kräfte
und Impuls heben folgendermaßen
im Wesentlichen auf. Indem jeder Arm ausgeglichen ist, sind die
externen Kräfte,
die durch die Armbewegung erzeugt werden, minimiert.
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Der
Verriegelungsmechanismus ist vorzugsweise gestaltet, um das Halten
des Arms bereit zu stellen und um dem Arm zusätzliche kinetische Energie
bereit zu stellen. Jeder Arm wird (in den optischen Weg oder aus
ihm heraus) durch seine Eigenresonanz geschaltet, wo die Grenzen
seiner harmonischen Bewegung Positionen sind, die vollkommen im optischen
Weg und vollkommen außerhalb
des optischen Weges sind. Damit das Schalten weitmöglich wenig
Energie verbraucht, ist es für
diese Resonanz wünschenswert,
wenig Dämpfung
(hohes Q) aufzuweisen. Um dies verwendbar zu machen, werden die Verriegelungsmechanismen
verwendet, um den Arm an jedem Extrem zu halten. Ohne die Verriegelungsmechanismen
würde der
Arm einfach durch harmonische Eigenbewegung zwischen den beiden
Extremen oszillieren, wo kinetische Energie (Bewegung) und potentielle
Energie (Federkraft) ausgetauscht werden. Die Verriegelungsmechanismen stellen
die zusätzliche
kinetische Energie bereit, die notwendig ist, um Verluste im System
aufgrund struktureller Dämpfung,
Luftwiderstand und derartiges auszugleichen.
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Der
Verriegelungsmechanismus kann entweder mechanisch oder magnetisch
sein und seine Aufgabe besteht darin, den Arm an jedem Bewegungsextrem
gegen die Kraft der Feder zu halten. Es ist wünschenswert, aber nicht notwendig,
dass dieser Mechanismus fähig
ist, den Arm ohne Energieverbrauch zu halten. Es ist ebenfalls vorteilhaft,
aber nicht notwendig, dass dieser Mechanismus dem System Energie
hinzufügt,
um Verluste auszugleichen.
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Die
bevorzugte Implementierung des Verriegelungsmechanismus verwendet
derart ein Permanentmagnet und eine elektromagnetische Spule, dass
der Magnet den Arm halten kann und die elektromagnetische Spule
dem Permanentmagneten gegenüber
liegen kann, wodurch der Arm gelöst
wird. Da typischerweise ein Gegengewicht notwendig ist, um den optischen
Filter auszugleichen, ordnet die bevorzugte Implementierung das
Eisen an der gegenüber
liegende Seite des Arms vom optischen Element an. Unter jetziger
Bezugnahme auf 7 wird eine Querschnittsansicht
von oben von einem bevorzugten Verriegelungsmechanismus 108 dargestellt. Der
Verriegelungsmechanismus 108 weist eine elektromagnetische
Spule 706 auf, die einen Permanentmagnet 708 umgibt.
Ein Eisenmantel 704 umgibt die Magneten, der den Flussweg
vollendet. Das Eisen 702 ist am Ende des Arms 102 inbegriffen.
In dieser Ausführungsform
dient das Eisen 702 dazu, dem Arm magnetische Anziehung
hinzuzufügen
und kann als ein Gegengewicht wirken, um den Arm auszugleichen.
Es muss bemerkt werden, dass ebenfalls andere angemessene ferromagnetische
Werkstoffe verwendet werden können,
obwohl Eisen bevorzugt wird. Im Betrieb dient der Permanentmagnet 708 dazu,
den Arm ruhig zu halten und dies, ohne Energieverbrauch zu benötigen. Wenn
der Arm 102 gelöst werden
muss, wird dem Elektromagneten 706 ein Impuls bereit gestellt.
Dies veranlasst den Elektromagneten 706 dazu, vorübergehend
einzuschalten und die magnetische Kraft des Permanentmagneten 708 zu überwinden,
und folgendermaßen
den Arm 102 zu lösen.
Die Federkraft veranlasst den Arm 102 dazu, sich weg zu
bewegen, bevor der Elektromagnet 706 ausgeschaltet wird.
Wenn der Arm 102 zur anderen Position schwenkt, stellt
der Permanentmagnet 708 am anderen Verriegelungsmechanismus
die zusätzliche
Energie bereit, die notwendig ist, um den Arm 102 in die
Endposition zu rotieren und den Arm 102 zu halten, bis
er durch den Verriegelungsmechanismus gelöst wird.
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Eine
zweite Implementierung des Verriegelungsmechanismus besteht darin,
stattdessen den Permanentmagneten auf dem Arm anzuordnen, wobei
sich die elektromagnetische Spule wieder auf dem Anschlag befindet.
Dies erlaubt das abgeschaltete Halten an beiden Extremen der Bewegung
und die Verwendung von erheblich weiter entwickelten Steuerschemen.
Der Arm kann beispielsweise an der Auslösung geschoben werden, um dem
System Energie hinzuzufügen
und der Fangmagnet kann abgestellt werden, bis der Arm ankommt und
anhält.
Nach dem Stopp wird die gegenüber
liegende Spule deaktiviert und der Permanentmagnet hält den Arm
fest. Der Vorteil eines derartigen Verriegelungssystems besteht
darin, die Störungen
zu minimieren und den höheren
Strukturmodi in Arm und Feder genügend Zeit zum Einrichten zu
geben. D.h., der Schub erregt den Arm, der sich beim Übergang
einrichtet und der daraufhin nicht mehr durch Aufschlagen am Anschlag
erregt wird, da er durch einfaches harmonisches Bewegen anhält und dann
nur gehalten wird. Bei diesen Steuerungen kann es sich um eine offene Schleife
(die nur auf Zeitsteuerung basiert) oder eine geschlossene Schleife
mit hinzugefügten
Positionssensoren handeln.
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Ein
als solcher implementierter Verriegelungsme chanismus kann den zusätzlichen
Vorteil aufweisen, einen Weg für
den Neustart des Arms bereit zu stellen, sollte er sich zur Mitte,
der Nullenergieposition, setzen. Insbesondere durch das Steuern der
Elektromagneten, alternierend an der Eigenresonanzfrequenz vom Arm
erregt zu werden, kann die harmonische Eigenbewegung des Arms aufgebaut werden,
bis ihre Amplitude groß genug
ist, um den Arm wieder zu verriegeln.
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Es
muss bemerket werden, dass, während
in der bevorzugten Ausführungsform
der Verriegelungsmechanismus, der den Arm in Position hält, ebenfalls
verwendet wird, um die zusätzliche
kinetische Energie bereit zu stellen, die notwendig ist, um Verluste
auszugleichen, die Energie stattdessen durch andere Rotationsenergiemechanismen
bereit gestellt werden kann. Beispiele anderer Mechanismen weisen
Schaltmotoren und andere derartige Einheiten auf. Die Verwendung
eines Motors, um die zusätzliche
Energie bereit zu stellen, erlaubt die Verwendung alternierender
Verriegelungsmechanismen, die dem System keine Energie hinzufügen, wie mechanische
Verriegelungen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt folgendermaßen einen Schaltmechanismus
für optische
Elemente bereit, der viele der im Stand der Technik bestehenden
Nachteile überwindet.
Der Schaltmechanismus verwendet einen ausgeglichen Arm, wobei ein
optisches Element an einem Ende des Arms angebracht ist. Der Arm
ist an einer Achse aufgehängt, die
es ihm erlaubt, von einer ersten Position zu einer zweiten Position
zu rotieren. Der Arm ist ausgeglichen, um wenig Kräftestörung während dieser
Bewegung bereit zu stellen. Eine Feder ist am Arm verbunden, die
die Rotationsenergie bereit stellt, um den Arm zu bewegen. Die Feder
ist derart verbunden, dass ihre Ruheposition zwischen der ersten
und der zweiten Position ist, und folgendermaßen stellt die Feder die Energie
bereit, um den Arm von der ersten Position zur zweiten Position
und umgekehrt zu bewegen.
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Es
ist ebenfalls ein Verriegelungsmechanismus bereit gestellt, um selektiv
den Arm in der ersten Position oder der zweiten Position zu halten.
Zusätzlich
kann der Verriegelungsmechanismus zusätzliche Energie bereit stellen,
die notwendig ist, um den Arm zu greifen und in die Endposition
zu bewegen. Ist der Verriegelungsmechanismus gelöst, startet die Spannung, die
durch die Feder am Arm bereit gestellt ist, die Rotationsbewegung
des Arms um seine Achse zur gegenüber liegenden Position. Wenn
sich der Arm der gegenüber
liegenden Position nähert,
stellt der Verriegelungsmechanismus die zusätzliche auszuführende Rotation
zur neuen Position bereit und greift den Arm und hält ihn in
der neuen Position.
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Der
Schaltmechanismus stellt folgendermaßen die Fähigkeit bereit, schnell ein
optisches Element in den Übertragungsweg
und aus ihm heraus zu bewegen, und dies unter niedrigem Energieverbrauch
und mit begrenzter physikalischer Störung.