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Die Erfindung betrifft eine Spiegeleinheit mit einem festen Spiegelhalter
mit mindestens einer gekrümmten Tragfläche und mindestens einem flexiblen Spiegel
mit einer Spiegelseite und einer Rückseite, wobei mindestens ein Teil der Spiegelseite
eine wirksame Spiegelfläche bildet, während der Spiegel am Spiegelhalter befestigt ist
und unter elastischer Verformung an der Tragfläche des Spiegelhalters anliegt.
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Der flexible Spiegel ist in der eingangs erwähnten Spiegeleinheit so am
Spiegelhalter befestigt, daß der Spiegel die Form der gekrümmten Tragfläche annimmt.
Die Formanpassung oder Formveränderung des Spiegels wird durch mechanische
elastische Verformung erzielt. Die geometrische Gesamtform des Spiegels wird vom
Spiegelhalter bestimmt, während die örtliche optische Qualität der wirksamen
Spiegelfläche vom flexiblen Spiegel bestimmt wird.
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Die Konstruktion einer Spiegeleinheit dieser Art basiert auf der Einsicht,
daß beim rundbiegen einer flexiblen Platte automatisch eine zylindrische Fläche gebildet
wird, welche Fläche eine viel größere Festigkeit und einen höheren Widerstand gegen
Verformung quer zur Biegerichtung aufweist als dieselbe Platte in im wesentlichem
flachem Zustand.
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Bei der Herstellung dieser Spiegeleinheit werden die anderen,
konventionellen Techniken für die Herstellung gekrümmter Spiegel anhaftenden Nachteile
vermieden. Das Schleifen und Polieren von optischen Werkstoffen wie Glas,
keramischen Werkstoffen oder Metall ist vergleichsweise kostenträchtig und erfordert ein
hohes Maß an Prozeßbeherrschung; die insgesamt erwünschte geometrische
Formgenauigkeit läßt sich mittels dieser Kaltbearbeitungstechniken demnach nur unter
Schwierigkeiten erreichen. Das Warmsenkverfahren hat wiederum den Nachteil, daß die
geometrische Form der erforderlichen Senkform für die Enddicke der verformten Glasplatte
korrigiert werden muß, da bei der Formung Dickenvariationen auftreten. Außerdem
treten beim Aufwärmen und Abkühlen Formveränderungen in der Senkform auf, was zu
Formabweichungen und Restspannung im Spiegel führt.
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Bei der Zusammenstellung der eingangs erwähnten Spiegeleinheit treten
obige Nachteile konventioneller Kalt- und Warmpreßtechniken nicht auf.
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Eine Spiegeleinheit der eingangs beschriebenen Art ist aus der
offengelegten japanischen Patentanmeldung 59-72401(A) bekannt. In dieser bekannten
Spiegeleinheit liegt der flexible Spiegel mit seiner Spiegelseite unter Zwischenfügung zweier
Zwischenschichten, d.h. einer Schutzschicht und einer Klebeschicht, am Spiegelhalter
an. Demnach ist der Spiegel mit seiner nicht verspiegelten Rückseite nach außen
gewandt und dementsprechend nur durch die Rückseite optisch zugänglich. Der flexible
Spiegel selbst muß in dieser bekannten Spiegeleinheit aus einem transparenten Werkstoff
hergestellt werden. Ferner muß dieser Werkstoff von optischer Qualität sein. An die
Gleichmäßigkeit der Dicke des Spiegels und der Zwischenschichten müssen sehr hohe
Anforderungen gestellt werden.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Spiegeleinheit mit breiteren
Anwendungsmöglichkeiten als die bekannte Konstruktion und einer besseren optischen Qualität
zu verschaffen, wobei die verschiedenen Bauteile aus mehreren alternativen Werkstoffen
bestehen können.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel vor allem dadurch erreicht, daß der
Spiegel mit der Spiegelseite ohne Zwischenschicht direkt an der Tragfläche anliegt und
im Spiegelhalter eine Bohrung angebracht ist, wobei der Spiegel an der Spiegelseite eine
unbedeckte, exponierte Fläche aufweist, die für optische Strahlung optisch direkt
zugänglich ist und als die wirksame Spiegelfläche fungiert.
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Da der wirksame Flächenteil der Spiegelseite seinerseits ohne
Zwischenfügung eines transparenten Werkstoffes (Vorderflächenspiegel) für optische Strahlung
direkt zugänglich ist, erfüllt die erfindungsgemäße Spiegeleinheit sehr hohe optische
Qualitätsanforderungen.
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In der erfindungsgemäßen Spiegeleinheit ist der flexible Spiegel am
Spiegelhalter befestigt, so daß der Spiegelhalter demnach einen festen Bestandteil der
endgültigen Spiegeleinheit bildet. Deshalb ist für jede Spiegeleinheit ein neuer
Spiegelhalter erforderlich. Dieser potentielle Nachteil läßt sich in der Praxis jedoch einerseits
durch kostengünstige Herstellungsverfahren wie zum Beispiel Spritzguß und andererseits
durch Eingliederung des Spiegelhalters selbst mit seiner Aufhängung in die Konstruktion
der Vorrichtung, als deren Bestandteil die Spiegeleinheit vorgesehen ist, leicht
vermeiden.
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Für die Herstellung des Spiegelhalters sind mehrere bekannte
Bearbeitungsverfahren geeignet, zum Beispiel:
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Drehen und Bohren (für zylindrische Spiegelformen);
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NC-Fräsen oder -Schleifen;
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Kopierfräsen oder -schleifen.
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Wenn von einem Spritzguß-Spiegelhalter ausgegangen wird, läßt sich
außerdem eine wesentliche Abkürzung der Bearbeitungszeit erzielen. In einigen Fällen
kann zum Beispiel durch Verwendung einer Präzisionsspritzgußtechnik auf die
Endbearbeitung des Spiegelhalters verzichtet werden. Als Werkstoff für den Spiegelhalter
kann manchmal anstelle von Metall eine eventuell verstärkte
Kunststoffzusammenstellung gewählt werden.
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Der für die optische Zugänglichkeit erforderliche Schacht kann im
Spiegelhalter zum Beispiel durch eine Fräsbearbeitung oder Funkenerosion angebracht
werden. Bei einem gegossenen Spiegelhalter kann der Schacht bereits in das Gußteil
aufgenommen werden, während ein aus Teilen aufgebauter Spiegelhalter ein mögliches
alternatives Verfahren zur Erzielung der erforderlichen optischen Zugänglichkeit ist.
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Für den Spiegel selbst kommen mehrere Werkstoffe in Betracht, zum
Beispiel:
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gezogenes oder geschliffenes und poliertes Glas; dies braucht kein Glas
von optischer Qualität zu sein. Die Dicke sollte so gewählt werden, daß der für den
endgültigen zylindrischen Spiegel erforderliche Biegeradius zulässig ist. Auf Wunsch
läßt sich die höchstzulässige Biegung durch chemische Härtung der Glasplatte erhöhen;
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synthetischer Werkstoff wie zum Beispiel PMMA
(Polymethylmethacrylat). Ein solcher synthetischer Werkstoff hat gegenüber Glas den Vorteil, daß
mikroskopisch kleine Unebenheiten im Spiegelhalter besser aufgenommen und nivelliert werden;
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plattenförmiges Metall.
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Der flexible Spiegel muß am Spiegelhalter befestigt werden. Für die
Befestigung sind viele bekannte Techniken geeignet.
a) Mechanische Klammern:
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entlang den Spiegelkanten;
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mittels eines Gegenprofils, das mit einer elastischen Beschichtung
versehen sein kann und an die Rückseite des Spiegels anliegt;
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mit an der Rückseite des Spiegels angebrachten Spanndrähten oder
-bändern, wobei zur gleichmäßigen Verteilung des Spanndrucks zwischen den
Spanndrähten oder -bändern und dem Spiegel eine elastische Schicht zum Beispiel aus Gummi
und ein robustes Band angebracht werden kann;
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mittels an den Enden des flexiblen Spiegels angebrachten Klammern;
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durch Ausübung einer Zugkraft auf die Enden des flexiblen Spiegels;
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dieses Verfahren ist hauptsächlich in Verbindung mit einem Spiegelhalter mit einer
konvexen Tragfläche anwendbar;
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durch Ausübung eines Drucks auf die Enden des flexiblen Spiegels, unter
dem sich letzterer auswärts biegt und vom Spiegelhalter in die richtige Form gezwungen
wird; dieses Verfahren ist hauptsächlich in Verbindung mit einem Spiegelhalter mit
einer konkaven Tragfläche anwendbar.
b) Kleben:
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Kleben ist aufgrund der Selbstkosten insbesondere bei einer
Serienherstellung vorzuziehen. Außerdem bietet eine Verkiebung den Vorteil, daß während des
anschließenden Arbeitseinsatzes der Spiegeleinheit auf den Spiegelhalter keine externen
Verformungskräfte ausgeübt werden. Während des Abbindens der Klebverbindung
können die vorgenannten mechanischen Preßverfahren, zum Beispiel Pressen mit einem
Gegenprofil oder Band, angewandt werden. Hierzu ist ein kombinierter Arbeitsgang
möglich, zum Beispiel Kleben und Ansetzen von Klammern an die Enden des Spiegels
oder Kleben und Aufspannen eines Bands unter leichter Vorspannung als zusätzliche
Sicherung und/oder zur Entlastung der Verkiebung.
c) Vakuumfixierung:
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ein sehr gleichmäßiges Festspannen des flexiblen Spiegels auf dem
Spiegelhalter kann dadurch erzielt werden, daß die zylindrische Tragfläche des
Spiegelhalters mit an eine Vakuumleitung angeschlossenen Vakuumrillen oder -kammern
versehen ist. Diese Art der Fixierung bietet den Vorteil, daß eine durch eine Kraft
innerhalb des Spiegelhalters geschlossene Aufspannung bewirkt wird, d.h. daß der
Spiegelhalter nicht von externen Kräften verformt wird. Zur zusätzlichen Klammerung
als zusätzliche Sicherungsmaßnahme gegen ein Lösen des Spiegels vom Spiegelhalter
bei unvermitteltem Ausfall des Vakuums kann eines der vorgenannten mechanischen
Befestigungsverfahren verwendet werden.
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Dank der vergleichsweise kostengünstigen Herstellungs- und
Montagemöglichkeit der erfindungsgemäßen Spiegeleinheit einerseits und im Hinblick auf den
erzielbaren hohen optischen Qualitätsstand andererseits ist die erfindungsgemäße
Spiegeleinheit insbesondere für die Verwendung in wissenschaftlichen Geräten wie zum
Beispiel Spektrometern, Spektrographen, Laser-Abtastern usw. geeignet. Die
erfindungsgemäße Spiegeleinheit kann zum Beispiel in einem Laser-Abtaster nach
Beschreibung in der Europäischen Patentanmeldung 0.351.011 des Antragstellers
verwendet werden.
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Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf eine Spiegeleinheit mit einem
zylindrischen Spiegel, d.h. einem Spiegel, dessen Spiegelfläche durch die gekrümmte
Oberfläche eines Drehkörpers mit geradem Mantel gebildet wird. Der zylindrische
Spiegel kann eine konvexe oder konkave Spiegelfläche aufweisen. Die Spiegelfläche
kann entweder eine hyperbolisch zylindrische oder eine parabolisch zylindrische
geometrische Form haben. Für bestimmte Anwendungen kann der flexible Spiegel auch
eine Kegelform aufweisen. Die Erfindung kann für alle Spiegel mit der Form von durch
gerade Mantellinien gebildeten Körpern verwendet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spiegeleinheit
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelhalter eine konvexe Tragfläche aufweist,
wobei die wirksame Spiegelfläche des Spiegels konkav ist. In dieser Ausführungsform
wird der flexible Spiegel an allen vier Seiten von der Tragfläche des Spiegelhalters
unterstützt. Der Spiegel ist straff über den Schacht des Spiegelhalters gespannt und
weist die erwünschte Krümmung, d.h. eine mit derjenigen des Spiegelhalters identische
Krümmung, auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spiegeleinheit weist der Spiegelhalter eine konkave Tragfläche auf, während die
wirksame Spiegelfläche des flexiblen Spiegels konvex ist. In dieser Ausführungsform
wird der flexible Spiegel mit seiner Spiegelseite an die konkave Tragfläche des
Spiegelhalters angedrückt und ihm dadurch eine konvexe Form verliehen.
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In der erfindungsgemäßen Spiegeleinheit ist ein Spiegel erforderlich,
dessen Breite wesentlich größer ist als die Breite des Schachts im jeweiligen
Spiegelhalter, um eine bestimmte erwünschte wirksame Spiegelfläche zu erzielen. Bei einem
Spiegelhalter mit sehr breitem Schacht besteht ein Risiko einer unzulässigen
Querabsenkung der nicht unterstützten wirksamen Spiegelfläche. Das Ausmaß einer
möglichen Querabsenkung der nicht unterstützten wirksamen Spiegelfläche hängt auch von
der Krümmung und vom Werkstoff des Spiegels selbst ab. Das Risiko einer
Querabsenkung ist bei einer Ausführungsform der Spiegeleinheit mit einem vergleichsweise
schmalen Schacht im Spiegelhalter vernachlässigbar, welche Ausführungsform
demgemäß für bestimmte Anwendungen wie Laser-Abtaster und Spektrometer, in denen nur
eine wirksame Spiegelfläche von vergleichsweise kleiner Breite erforderlich ist,
besonders geeignet ist.
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In einigen Anwendungen kann jeder unzulässigen Querabsenkung des
Spiegels durch optische Korrektur entgegengewirkt werden. Im Falle eines Spiegels mit
konvexer Spiegelfläche läßt sich ein Absenken des Spiegels durch Ausübung eines
geeigneten mechanischen Gegendrucks über denjenigen Teil an der Rückseite des
flexiblen Spiegels, an dem dieser auf der Spiegelseite nicht unterstützt wird, verhüten.
Hierzu ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spiegeleinheit durch ein Druckelement mit einer konvexen Druckfläche gekennzeichnet, deren
Profil mit dem Profil der konkaven Tragfläche des Spiegelhalters übereinstimmt,
welches Druckelement mit seiner Druckfläche an der Rückseite des flexiblen Spiegels
anliegt. Die wirksame Spiegelfläche des flexiblen Spiegels oder sogar der ganze Spiegel
wird an der Rückseite vom Druckelement unterstützt, so daß ein Absenken des Spiegels
unmöglich ist.
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Das Druckelement ist vorzugsweise mit einer an der konvexen
Druckfläche angebrachten und an die Rückseite des flexiblen Spiegels anliegenden elastischen
Schicht versehen. Durch diese elastische Schicht wird eine gleichmäßige Unterstützung
des Spiegels bewirkt und werden alle Ungleichmäßigkeiten in der Dicke des Spiegels
und der Druckfläche des Druckelements ausgeglichen. Die elastische Zwischenschicht
kann aus jedem geeigneten Werkstoff, zum Beispiel aus Gummi, bestehen.
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Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben. Darin sind:
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Fig. 1a, 1b und 1c jeweils eine Seitenschnittansicht, eine Draufsicht und
eine Schnittansicht entlang der Linie I-I von Fig. 1a der erfindungsgemäßen
Spiegeleinheit,
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Fig. 2a, 2b und 2c jeweils eine Seitenschnittansicht, eine Unteransicht und
eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 2a einer anderen Ausführungsform der
Spiegeleinheit,
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Fig. 3a, 3b und 3c jeweils eine Seitenschnittansicht, eine Draufsicht und
eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 3a einer weiteren Ausführungsform
der Spiegeleinheit und
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Fig. 4a und 4b jeweils eine Seitenschnittansicht und eine Schnittansicht
entlang der Linie IV-IV in Fig. 4a einer letzten Ausführungsform der Spiegeleinheit.
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Die Spiegeleinheit 1 nach Darstellung in Fig. 1a, 1b und 1c besteht aus
einem Spiegelhalter 2 mit einer konvexen Tragfläche 3 und einem flexiblen Spiegel 4
mit einer konkaven Spiegelseite 5 und einer konvexen Rückseite 6. Im Spiegelhalter 2
ist eine sich zum Spiegel 4 hin erweiternde Bohrung 7 angebracht, die in der Folge auch
als schlitzförmiger Schacht 7 bezeichnet wird. Der flexible Spiegel 4 ist unter
elastischer Verformung mittels zweier jeweils an jedem Ende des Spiegels 4 angeordneter
Klemmleisten 8 am Spiegelhalter 2 befestigt und liegt mit seiner Spiegelseite 5 ohne
irgendeine Zwischenschicht und über dessen gesamten Umfang direkt so auf der
Tragfläche 3 des Spiegelhalters 2 auf, daß die konkave Spiegelseite 5 genau die selbe
Krümmung wie die konvexe Tragfläche 3 des Spiegelhalters 2 aufweist. Der vom
Schacht 7 freigegebene offene Bereich 9 an der Spiegelseite 5 des Spiegels 4 ist durch
den Schacht 7 hindurch für Lichtstrahlen R optisch frei zugänglich und fungiert als eine
wirksame Spiegelfläche.
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In Fig. 2a, 2b und 2c ist eine andere Ausführungsform einer
Spiegeleinheit 11 mit einem Spiegelhalter 12 mit einer konkaven Tragfläche 13 dargestellt, auf
welcher Tragfläche ein flexibler Spiegel 14 mit seiner Spiegelseite 15 aufliegt. Der
Spiegel 14 ist unter elastischer Verformung so am Spiegelhalter 12 befestigt, daß die
konvexe Spiegelseite 15 genau die Form der konkaven Tragfläche 13 des
Spiegelhalters
12 annimmt. Der Spiegelhalter 12 ist mit einem vergleichsweise engen Schacht 17
mit einer am Spiegel 14 schmalsten Breite A versehen. Ein unbedeckter Bereich 19 an
der Spiegelseite 15 des Spiegels 14 ist für optische Strahlung R durch den Schacht 17
hindurch optisch frei zugänglich. Auch in dieser Ausführungsform könnte der flexible
Spiegel 14 mittels Klemmleisten am Spiegelhalter 12 befestigt werden. In diesem Fall
müßten jedoch mehrere über die Spiegellänge verteilte Klemmleisten angebracht
werden. In der dargestellten Äusführungsform ist der Spiegel mittels einer einzigen,
durchgehenden Verklebung oder mehrerer über den Spiegelumfang verteilter
Verklebungen 18 am Spiegelhalter 12 befestigt.
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Die in Fig. 3a, 3b und 3c dargestellte Spiegeleinheit ist im wesentlichen
die gleiche wie die Spiegeleinheit 11 von Fig. 2a, 2b und 2c; deshalb sind die diversen
Teile dieser beiden Ausführungsformen mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Vergleich von Fig. 2c und 3c zeigt, daß die Breite B des Schachts 17
am Spiegel 14 in letzterer Ausführungsform wesentlich größer ist als die Breite A des
Schachts in der Ausführungsform von Fig. 2c. Die mögliche Querabsenkung der nicht
unterstützten wirksamen Spiegelfläche des Spiegels 14 ist mit C bezeichnet; diese
Absenkung erfolgt aufgrund der vergleichsweise großen Breite B des Schachts 17 und
der wirksamen Spiegelfläche 19. Wie oben dargelegt kann einer solchen Absenkung in
bestimmten Anwendungen durch eine optische Korrektur entgegengewirkt werden. Ein
Absenken des Spiegels wird in der Ausführungsform von Fig. 4a und 4b jedoch mit
Sicherheit verhütet, welche Ausführungsform der Ausführungsform nach Darstellung in
Fig. 3a, 3b und 3c entspricht, jedoch unter Hinzufügung eines zusätzlichen Teils,
nämlich eines Druckelements 21. Dieses Druckelement 21 ist mit einer konvexen
Druckfläche 22 versehen, deren Profil mit dem Profil der konkaven Tragfläche 13 des
Spiegelhalters 12 übereinstimmt. Das Druckelement 21 bildet eine Art Gegenprofil und
liegt mit der Druckfläche 22 an der Rückseite 16 des Spiegels 14 an, so daß sie
zumindest über den der wirksamen Spiegelfläche 19 des Spiegels 14 entsprechenden Teil
des Spiegels 14 an der nicht unterstützten Spiegelseite einen mechanischen Gegendruck
auf den Spiegel 14 ausübt. In der dargestellten Ausführungsform ist das
Druckelement 21 mit einer elastischen Schicht 24 zum Beispiel aus Gummi versehen, die an der
Druckfläche 22 angebracht ist.
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Das Druckelement kann in dieser Ausführungsform auch zur Befestigung
des Spiegels 14 am Spiegelhalter 12 verwendet werden. Hierzu genügt eine geeignete
Verbindung des Druckelements 21 mit dem Spiegelhalter 12, zum Beispiel eine
Verschraubung.
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Der Spiegelhalter und der Spiegel können aus einem der oben
aufgeführten Werkstoffe und mittels eines der oben beschriebenen Verfahren hergestellt
werden, um die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Spiegeleinheit wie beschrieben zustandezubringen. Zusätzlich zu den Verfahren zur Befestigung
des Spiegels in den beschriebenen Ausführungsformen kann eine der davor
beschriebenen alternativen Befestigungstechniken verwendet werden.
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Bei der Montage der erfindungsgemäßen Spiegeleinheit sollte außerdem
ein einwandfreier Übergang der Biegekurve in eine gerade Linie berücksichtigt werden.
Hierzu sollte dem optisch wirksamen Teil der Biegekurve an dessen beiden Seiten
jeweils ein Teil hinzugefügt werden, in dem ein kontinuierlicher Übergang (in der
ersten, zweiten, dritten und vierten Ableitung) in ein gerades äußeres Ende erfolgt.
Deshalb sollten der Spiegelhalter und der Spiegel entsprechend länger als die für die
optische Funktion erforderliche Länge gewählt werden. Auf diese Weise kann verhütet
werden, daß das Biegemoment in dem unter Spannung zu montierenden Spiegel an den
Enden zu hoch wird und zu plastischer Verformung oder sogar zu Bruch führt.