WO2008023012A1 - Baugruppe, optisches system und verfahren zur herstellung einer baugruppe - Google Patents

Baugruppe, optisches system und verfahren zur herstellung einer baugruppe Download PDF

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WO2008023012A1
WO2008023012A1 PCT/EP2007/058666 EP2007058666W WO2008023012A1 WO 2008023012 A1 WO2008023012 A1 WO 2008023012A1 EP 2007058666 W EP2007058666 W EP 2007058666W WO 2008023012 A1 WO2008023012 A1 WO 2008023012A1
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adhesive
optical element
socket
gap
assembly according
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PCT/EP2007/058666
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Johannes Rau
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Carl Zeiss Smt Ag
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/025—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses using glue
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/028—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation

Definitions

  • the invention relates to an assembly comprising at least one optical element and a socket, wherein the optical element is connected at least via an adhesive connection with the socket. Furthermore, the invention relates to an optical system, and a method for producing an assembly comprising at least one optical element and a socket.
  • Optical systems generally have a plurality of optical elements, which consist in particular of non-metallic materials such as glass, quartz glass, calcium fluoride or magnesium fluoride, for example, transparent lenses, mirrors, optical grating u. on. These optical elements are aligned and fixed in the production of an optical system in each case in a version.
  • the thus prepared socket assemblies are aligned and interconnected.
  • the sockets are usually made of a metallic material.
  • the optical element is aligned in its desired position and fixed to the socket.
  • the fixation can be done mechanically, for example by clamping, but also by soldering or using an adhesive.
  • FIG. 1a shows in section the connecting region of an optical element, in the present case a lens 1, with a socket 2, as realized in the prior art.
  • the socket 2 has an annular base 2a with an inwardly projecting, also annular projection 2b. Between the base body 2a and the projection 2b, a recess 2c is provided.
  • an adhesive 3 for example a polyurethane (PU) adhesive, or a solder, as in DE 197 55 356 Al described, filled.
  • the adhesive is kept away from the optical surface if possible.
  • volume formed by the recess 2c serves to attenuate the influence of a possible change in volume of the adhesive 3, however, this measure is generally not sufficient to compensate for the transmission of mechanical stresses, the deformation drift and the associated optical instabilities.
  • FIG. 1 A slightly modified embodiment according to the prior art, the figure Ib.
  • the figure Ib there is a lens 1 on a formed in a socket 2 projection 2b.
  • the upper side 2e of the projection 2b is adapted to the curvature 1a of the underside of the lens 1, so that it rests substantially flat on the upper side 2e of the projection 2b.
  • the intermediate space between the main body 2a of the holder 2 and the outer edge of the lens 1 is also filled in this embodiment with an adhesive 3 or a solder to produce a firm connection between the lens 1 and the socket 2.
  • the problems with volume changes of the adhesive 3 or drifting of the frame 2, which are transmitted to the lens 1 as mechanical stresses, are the same as described in connection with FIG. 1a.
  • FIG. 2a shows a further example of a connection between a lens 1 and a socket 2 according to the prior art.
  • the annular holder 2 has a support for the lens inwardly projecting geometry, at its end facing the lens a support 2g is formed.
  • the lens 1 rests on the edge 2h.
  • the flank of the edge 2h is filled with a generally hard adhesive 3 for establishing a connection between the lens 1 and the socket 2.
  • the hard adhesives 3 used have high tensile strengths and stiffnesses, on the other hand they develop large residual stresses when changing the volume, which are transmitted to the lens 1 and considerably impair their optical properties.
  • the adhesive 3 prevents the lens 1, which rests on the edge 2h, from performing a compensating movement.
  • the creep behavior of the hard adhesive 3 used is unsatisfactory.
  • a low-deformation and drift-stable assembly comprising an optical element and a socket, an optical system with such assemblies and a method for producing these assemblies.
  • the assembly comprises at least one optical element and a socket, wherein the optical element is connected to the socket at least via an adhesive connection.
  • the adhesive bond comprises a soft elastic adhesive, which is thinly arranged in a gap between the optical element and the socket.
  • Thin-layered in this context means that the adhesive layer thickness is very small compared to the smallest lateral extent (width) of the adhesive gap.
  • thin-film can be said to have a ratio of "thickness / smallest width" of 1/100 or smaller
  • the transverse contraction of the adhesive is almost completely hindered with the result that the (very low) elastic modulus for the stiffness in the normal direction Rather, the order of magnitude higher compression modulus of the adhesive for the stiffness in the normal direction is determining.
  • the compression modulus and shear modulus can differ by several orders of magnitude.
  • the compression moduli of elastomers are typically in Magnitudes in the gigapascal (GPa) range, while the shear moduli are between 0.1 and 10 megapascals (MPa).
  • Soft elastic adhesives exhibit very high elongation at break and thus high permissible elastic strains / shear with low shear moduli.
  • tensions due to expansion differences of lens and socket are kept low by the low shear modulus and tolerated relatively large expansion differences due to the high allowable elongation. In this way, a deformation of the optical element is kept very low despite relatively large expansion differences.
  • the lens in the context of the thermal expansion differences, is located on a joining surface of the holder or on the adhesive surface between the joining surface without lateral limitation Socket and a joining surface of the optical element arranged adhesive layer. Radial expansions of the optical element are thus allowed, while axially high compressive and tensile forces can be absorbed.
  • soft-elastic adhesives are relatively creep-resistant in comparison to hard thermoset adhesives or soft solders in terms of elongation / shear.
  • Soft elastic adhesives also known as elastomeric adhesives, as elastomeric, superelastic or entropic elastic adhesives, are characterized by a high elongation at break of, for example, 50% to 500%, typically over 100%. This also allows a comparatively high deformation of several 10% without permanently deforming or damaging the adhesive.
  • the adhesives used are further characterized in that the application temperatures are above the glass transition region of the adhesive. Thus, the mechanical properties of the adhesive change only insignificantly, even at high temperatures. In other words, the soft elastic adhesives are extremely stable in terms of mechanical properties against temperature increases. Thus, the mechanical properties of soft elastic adhesives change up to temperatures of 120 ° C, with certain adhesives even at higher temperatures up to 300 0 C, only insignificantly. Among other things, this allows a "hot" coating (eg anti-reflection coating) of the optical element glued in the socket.
  • Certain elastomeric adhesives have a very low cure shrinkage, for example less than 0.5%. Thus, the stresses arising during curing remain very low. A thermal post-curing of the adhesive bond is not necessary with many elastomeric adhesives.
  • the values for this ratio are more than 100, usually more than 500, in particular even more than 5000.
  • a suitable layer thickness and a suitable overall surface area for the adhesive layer By selecting a suitable layer thickness and a suitable overall surface area for the adhesive layer, a specific direction-dependent stiffness can be set.
  • a sufficiently high tensile / compressive stiffness of the connection in the direction perpendicular to the connection layer is set parallel to the connection surface with comparatively low shear stiffness, so that a deformation decoupling of the optical element or a thermoelastic compensation can take place parallel to the adhesive surface.
  • the thin layer arrangement of the adhesive has the further advantage that changes in the adhesive, for example due to moisture and temperature, have only a very small influence on the position and deformation of the optical element.
  • the thin-layered adhesive is arranged in the gap between the optical element and the socket with a layer thickness of at most 0.5 mm, in particular of at most 0.1 mm, in particular of at most 0.01 mm.
  • the thin-layered adhesive can be arranged in the gap between the optical element and the socket in such a way that the adhesive essentially fills only the surface roughness of the joining surfaces.
  • the glue gap is smaller than 0.01 mm thick.
  • the adhesive surfaces are practically at aneinender and the adhesive essentially fills only the surface roughness of the joining surfaces.
  • the thin-layered adhesive is preferably in the gap between the optical element and the holder) with a layer thickness of at most 1/200 of the main dimension of the optical element, in particular of at most 1/1000 of the main dimension of the optical element, more preferably at most 1/10000 of the main dimension of the optical element.
  • the main dimension is the diameter of the lens in an approximately disk-like lens.
  • elliptical, rectangular, square, etc. optical elements are also conceivable, which according to the invention are fastened to a socket.
  • the main dimension can in this case a side length, a diagonal o.a. be. In terms of dimensions, only the orders of magnitude are essentially relevant, so that a defined determination of a corresponding main dimension can be dispensed with.
  • the adhesive layer is in particular arranged substantially parallel to the main extent of the optical element.
  • the adhesive layer is preferably formed so as to receive the substantial part of the expansion difference between the optical element and the socket as elastic shear deformation.
  • the adhesive layers can be made very thin, about 10 microns, 25 microns, 50 microns, 100 microns, 250 microns or 500 microns thick due to the high allowable elongation of the soft elastic adhesives used. Even adhesive layers much smaller than 10 microns are possible because the extreme elastic deformability of the elastomers can compensate for the inevitably occurring displacements of the joining partners reversible even with extremely thin adhesive layers.
  • the optical element preferably has at least one first joining surface and one optically effective surface, which is essentially delimited by the first joining surface.
  • the socket has at least a second joining surface, and the gap between the optical element and the socket is bounded by the first joining surface and the second joining surface.
  • the optically effective surface is, for example, the beam passage region of a lens mounted in the mount or a reflection surface of a mirror. In any case, the optically effective surface, in contrast to the joining surface of the optical element, adhesive-free.
  • the optical element thus has a first adhesive-coated surface area (joint surface), and a second, adhesive-free surface region (optically effective surface). The first surface area, together with the joining surface of the socket, delimits the thin gap.
  • the second joining surface of the socket is adjoined by a further surface, which allows a relative displacement of the optical element along the support surface of the socket. Along the main plane of the gap, the lens is movably supported by the shear of the adhesive relative to the frame.
  • the adhesive layer may be arranged substantially perpendicular to the optical axis of the optical element. This arrangement allows a compensation of the expansion differences of optical element and socket ..
  • the adhesive layer is preferably symmetrically arranged with respect to the optical element so as to uniformly receive the substantial part of the expansion difference between the optical element and the socket toward different sides.
  • each splice will be between the socket and the optical element a thermal change substantially the same expansion difference.
  • the adhesive layer is arranged rotationally symmetrically on the socket. The optical axis thus remains arranged even in relative displacements between the socket and the optical element substantially in a defined position in the beam path of the optical system.
  • the adhesive surface of a single bond of a segmented bond preferably has a lateral surface extent of between 5 mm 2 and 100 mm 2 .
  • the socket may have, for example, a circular opening and the adhesive may be arranged at least in sections annularly with a width between 1 mm and 5 mm radially in the peripheral region of the opening.
  • a socket is understood by a person skilled in the art to mean a mechanical element with which an optical element is grasped. The optical element is usually adjusted to the socket and then attached.
  • the socket normally has at least one joining area and a central opening delimited by the joining area, into which the optical element is fitted.
  • the adhesive has an elongation at break of 50% to 500%.
  • the elongation at break of the soft-elastic adhesive is regularly over 100%.
  • the soft elastic adhesive has a low shear modulus of 0.01 to 10 MPa (typically 0.3 to 1.5 MPa). Due to the large-area arrangement of the thin adhesive layer but still a very high rigidity is achieved perpendicular to the adhesive surface. The stiffness parallel to the adhesive surface is as desired low.
  • the socket has a substantially planar bearing surface and the optical element has a substantially planar mounting surface corresponding to the bearing surfaces, and the soft elastic adhesive is thinly arranged in the gap between the bearing surface of the socket and the mounting surface of the optical element.
  • the socket has a substantially curved bearing surface and the optical element has a substantially curved mounting surface corresponding to the bearing surfaces, and the soft elastic adhesive is thinly arranged in the adhesive gap between the bearing surface of the socket and the mounting surface of the optical element.
  • corresponding surfaces means that the two surfaces which lie opposite one another after the alignment of the optical element or overlap in the plan view, between which the adhesive layer is arranged, have a similar curvature behavior, so that an approximately constant thin adhesive layer between the two Support surface and the mounting surface is located.
  • the optical element is contactlessly connected to the support surface of the socket via the adhesive layer. Since the adhesive substantially fills the gap between the optical element and the socket, there is no direct contact of the optical element with the socket, whereby a deformation of the optical element is kept very small in a deformation of the socket.
  • a contact of socket and optical element can take place.
  • the optical element with the edge of its optical radius on the tangentially touching conical joining surface of the socket rest.
  • the joining surface of the socket can also have a different geometry for a linear contact with the lens.
  • the adhesive is preferably a silyl-modified adhesive, a one-component or multicomponent silicone, an acrylate adhesive, a polyurethane copolymer adhesive and / or a one-component or multi-component polyurethane elastomer.
  • the silicones have the best UV and temperature stability. Some adhesives can also be used as UV-curing adhesives.
  • a person skilled in the art will readily select from the group of specified materials the material with the most suitable properties for its intended use.
  • the specified adhesives in conjunction with a suitable surface treatment and the arrangement of the components according to the invention provide sufficient strength of the connection between the optical element and the socket. While the version in usually consists of a metallic material, the optical element, for example a lens, usually made of non-metallic material.
  • optical system comprising one or more assemblies as described above.
  • Optical systems usually consist of a large number of assemblies as indicated above.
  • the secure connection of each optical element to the socket (s) provides a generally stable, durable, and robust system.
  • a method according to the invention for producing an assembly comprises the steps of: providing an optical element; Provision of a version; and thin-layered arrangement of a soft elastic adhesive in an adhesive gap between the optical element and the socket for connecting the optical element with the socket with an adhesive thickness of at most 0.5 mm.
  • the adhesive in the bonding gap between the optical element and the socket with a thickness of at most 0.1 mm, in particular of at most 0.01 mm, arranged.
  • the adhesive can be arranged in the gap between the optical element) and the socket such that the adhesive essentially fills only the surface roughness of the joining surfaces.
  • the adhesive is arranged in particular in the gap between the optical element and the mount on a surface between 5 mm and 100 mm 2 , very particularly preferably at least in sections annularly with a width between 1 and 5 mm radially in the peripheral region of an opening the version.
  • the adhesive preferably has an elongation at break of 50% to 500%.
  • the adhesive is arranged in particular in such a way that the optical element is connected in a contactless manner with the support surface of the socket.
  • the optical element is slidably disposed relative to the socket for receiving thermal expansion differences between the optical element and the socket.
  • the adhesive used can be, for example, a one-component or multicomponent silicone, a polyurethane adhesive, an elastomer based on epoxy resin and / or a one-component or multicomponent polyurethane elastomer.
  • the distance of the joining surfaces during the arrangement of the adhesive is adjusted, for example by film strips, elastomer strips, elastomer threads, fillers, and the like.
  • Soft fillers are preferably used, in particular elastomer beads, cornstarch, and the like.
  • FIG. 1a is a sectional view of a portion of a prior art assembly
  • Fig. Ib a modified embodiment of the assembly of Fig. Ia;
  • FIG. 2b shows a detail of Fig. 2a
  • Fig. 3 is a sectional view of a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a sectional view of a portion of an assembly according to a second
  • FIG. 5 is a plan view of an assembly according to one embodiment of the present invention.
  • the assembly shown in a sectional view in FIG. 3 comprises a lens 1 and an annular socket 2.
  • a section is shown in which the lens 1 is connected to the socket 2.
  • the lens 1 is a convex lens. Of course, however, all optical elements which are connected to a frame, a mount or a socket 2 should be included within the scope of the invention.
  • the lens 1 has a flat, large-area, annular edge surface Ic, with which it rests on the socket 2.
  • the upper side 4 of the ring-shaped socket 2 is likewise formed flat in accordance with the surface 1c of the lens 1.
  • the surface Ic rests on the support surface 4.
  • a soft elastic adhesive 3 is arranged in a thin layer, so that the lens 1 is not directly in contact with the holder 2.
  • the lens is, for example, a quartz lens with a diameter of 200 mm.
  • the frame 2 comprises a steel ring with a flat support surface 4 and a central, approximately circular central opening 2i, which overlaps with the overlying lens 1. Die ⁇ réelle 2i ist in Fig. 2 hinder.
  • the adhesive layer 3 in the gap between lens 1 and socket 2 has a thickness of 10 ⁇ m.
  • the stress occurring at a temperature change of 20 K is limited by the low shear stiffness of the adhesive to about 0.2 MPa.
  • the present invention takes a new route in solving the problems of the prior art.
  • FIG. 1 Another embodiment of the invention is illustrated in FIG.
  • the illustrated assembly corresponds substantially to the arrangement shown in FIG. A difference, however, is that both the support 4 of the socket 2 and the counter surface Ic, with which the lens 1 rests on the support 4, are curved.
  • the curvatures of the surfaces Ic and 4 are adapted to each other so that when the desired orientation of the components against each other, a narrow gap, for example with a height between 10 .mu.m and 100 .mu.m, arises.
  • This gap is again at least partially thin layer with an elastomeric adhesive 3, for example, a silyl-modified adhesive, a one-component or multi-component silicone adhesive, an epoxy elastomer, a UV-curing polyurethane (PU) - copolymer adhesive or a single or multi-functional PU-El astomer-adhesive occupied or filled ,
  • an elastomeric adhesive for example, a silyl-modified adhesive, a one-component or multi-component silicone adhesive, an epoxy elastomer, a UV-curing polyurethane (PU) - copolymer adhesive or a single or multi-functional PU-El astomer-adhesive occupied or filled ,
  • FIG. 5 shows a plan view of a component according to the invention or an arrangement of a lens 1 in a socket 2.
  • the lens 1 has a substantially circular contour Id in plan view.
  • the socket 2 is formed as an element with a flat, planar area with a central opening 2i within the peripheral edge 2d.
  • the support surface 4 is formed so that the lens 1 rest thereon and can be aligned over the opening 2i.
  • a thin-film connection by means of a flexible adhesive 3 is arranged, which forms a flat connection of small thickness between the lens 1 and the underlying frame 2.
  • the compound is, for example, an adhesive layer 3 with a thickness of 10 ⁇ m, which extends radially over the entire circumference in a width b between 2 and 5 mm between the support 4 and an edge region of the lens surface.
  • the layer thickness (and thus the gap width) is substantially constant over the entire connection region.

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Abstract

Eine optische Baugruppe umfasst wenigstens ein optisches Element (1), beispielsweise eine Linse, und eine Fassung (2), wobei das optische Element (1) wenigstens über eine Klebeverbindung (3) mit der Fassung (2) verbunden ist. Für die Klebeverbindung (3) wird ein weichelastischer Klebstoff verwendet, der dünnschichtig in einem Klebespalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) angeordnet wird. Die Dicke der Klebstoffschicht (3) im Klebespalt beträgt vorzugsweise höchstens 0,5 mm, insbesondere höchstens 0,1 mm, insbesondere höchstens 0,01 mm. Durch die dünne, jedoch großflächige Annordnung des Klebstoffs (3) zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) wird ein großes Verhältnis der Steifigkeit senkrecht zur Klebefläche und der Steifigkeit parallel zur Klebefläche erreicht. Damit wird einerseits eine hohe Steifigkeit senkrecht zur Klebeschicht, andererseits eine gewisse Verschiebbarkeit der Linse (1) gegenüber der Fassung (2) in Richtung parallel zur Klebeschicht gewährleistet, um Deformationen der Linse zu verhindern. Ein optisches System umfasst eine oder mehrere der genannten Baugruppen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe umfasst die Schritte: Bereitstellung eines optischen Elements (1); Bereitstellung einer Fassung (2); und dünnschichtige Anordnung eines weichelastischen Klebstoffs (3) in einem Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) zur Verbindung des optischen Elements (1) mit der Fassung (2).

Description

Baugruppe, optisches System und Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe, umfassend wenigstens ein optisches Element und eine Fassung, wobei das optische Element wenigstens über eine Klebeverbindung mit der Fassung verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein optisches System, und ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe umfassend wenigstens ein optisches Element und eine Fassung.
STAND DER TECHNIK
Optische Systeme weisen in der Regel eine Vielzahl optischer Elemente, die insbesondere aus nichtmetallischen Materialien wie Glas, Quarzglas, Kalziumfluorid oder Magnesiumfluorid bestehen, beispielsweise transparente Linsen, Spiegel, optische Gitter u. ä. auf. Diese optischen Elemente werden bei der Herstellung eines optischen Systems jeweils in einer Fassung ausgerichtet und fixiert. Die so vorbereiteten Fassungsbaugruppen werden zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden.
Die Fassungen bestehen in der Regel aus einem metallischen Werkstoff. Das optische Element wird in seine gewünschte Position ausgerichtet und an der Fassung fixiert. Die Fixierung kann mechanisch, etwa durch ein Einspannen, aber auch mittels Löten oder unter Verwendung eines Klebers erfolgen.
In der Hochpräzisionsoptik, wie sie beispielsweise bei lithographischen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips zum Einsatz kommt, sind sehr enge Toleranzen des optischen Systems vorgegeben. Kommt es zu einer Veränderung in einer der Systemkomponenten, können bei herkömmlichen Systemen mechanische Spannungen auf optische Komponenten übertragen werden, die zu Deformationen oder Verschiebungen der optischen Elemente führen. Bei Hochpräzisionsanwendungen genügen bereits sehr geringe Deformationen oder Verschiebungen der optischen Elemente, um inakzeptable Abbildungsfehler zu verursachen. Die Figur Ia zeigt im Schnitt den Verbindungsbereich eines optischen Elements, im vorliegenden Fall einer Linse 1, mit einer Fassung 2, wie er im Stand der Technik realisiert wird.
Die Fassung 2 weist einen ringförmigen Grundkörper 2a mit einem nach innen vorstehenden, ebenfalls ringförmigen Vorsprung 2b auf. Zwischen dem Grundkörper 2a und dem Vorsprung 2b ist eine Ausnehmung 2c vorgesehen. Die Linse 1, die eine konvexe Unterseite Ia aufweist, liegt auf einer Kante 2d des Vorsprungs 2b der Fassung 2 auf.
Zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen der Linse 1 und der Fassung 2 ist der Zwischenraum zwischen der Linse 1 und dem Grundkörper 2a der Fassung 2 mit einem Kleber 3, beispielsweise einem Polyurethan (PU)-Kleber, oder einem Lot, wie in der DE 197 55 356 Al beschrieben, aufgefüllt. Der Kleber wird von der optischen Fläche nach Möglichkeit ferngehalten.
Durch Volumenänderungen des Klebstoffs 3 bzw. des Lots, deren Ursachen z.B. Härtungsschrumpf, Alterung, Feuchtigkeit usw. sein können, wird eine Spannung auf die Linse 1 ausgeübt, die die Linse 1 unzulässig stark deformiert oder verschiebt. Die Folge sind Abbildungsfehler des optischen Systems.
Das von der Ausnehmung 2c gebildete Volumen soll zwar dazu dienen, den Einfluss einer eventuellen Volumenänderung des Klebers 3 abzuschwächen, allerdings ist diese Maßnahme regelmäßig nicht ausreichend, um die Übertragung mechanischer Spannungen, die Deformationsdrift und die damit verbundenen optischen Instabilitäten auszugleichen.
Eine leicht abgewandelte Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik zeigt die Figur Ib. Auch hier liegt eine Linse 1 auf einem in einer Fassung 2 ausgebildeten Vorsprung 2b auf. Allerdings ist die Oberseite 2e des Vorsprungs 2b an die Krümmung Ia der Unterseite der Linse 1 angepasst, so dass diese im Wesentlichen flächig auf der Oberseite 2e des Vorsprungs 2b aufliegt.
Der Zwischenraum zwischen dem Grundkörper 2a der Fassung 2 und dem äußeren Rand der Linse 1 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Kleber 3 oder einem Lot aufgefüllt, um eine feste Verbindung zwischen der Linse 1 und der Fassung 2 herzustellen. Die Probleme bei Volumenänderungen des Klebers 3 oder Driften der Fassung 2, die sich als mechanische Spannungen auf die Linse 1 übertragen, sind die selben wie im Zusammenhang mit der Figur Ia beschrieben.
In der Figur 2a ist ein weiters Beispiel einer Verbindung zwischen einer Linse 1 und einer Fassung 2 gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
Die ringförmige Fassung 2 weist eine zur Auflage der Linse nach innen ragende Geometrie auf, an dessen zur Linse gerichtetem Ende eine Auflage 2g ausgebildet ist.
Wie aus dem Detailausschnitt der Fig. 2b deutlich wird, liegt die Linse 1 auf der Kante 2h auf. Die Flanke der Kante 2h ist mit einem in der Regel harten Kleber 3 zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Linse 1 und der Fassung 2 angefüllt. Die verwendeten harten Kleber 3 weisen zwar hohe Zugfestigkeiten und Steifigkeiten auf, andererseits entwickeln sie bei einer Volumenänderung große Eigenspannungen, die sich auf die Linse 1 übertragen und deren optische Eigenschaften erheblich beeinträchtigen. Darüber hinaus verhindert der Kleber 3, dass die Linse 1, die auf der Kante 2h aufliegt, eine Ausgleichsbewegung durchführt. Zudem ist das Kriechverhalten der verwendeten harten Kleber 3 nicht zufrieden stellend.
Auch mechanische Klemmverbindungen führen zu unzulässig hohen Linsendeformationen, insbesondere zu inakzeptablen Spannungsdoppelbrechungseffekten.
Insgesamt weisen sämtliche der herkömmlichen Verbindung zwischen Fassungen und Linsen erhebliche Mängel und Nachteile auf.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine deformationsarme und driftstabile Baugruppe, umfassend ein optisches Element und eine Fassung, ein optisches System mit derartigen Baugruppen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Baugruppen vorzuschlagen.
TECHNISCHE LÖSUNG Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung einer Baugruppe nach Anspruch 1, eines optischen Systems nach Anspruch 20 und eines Verfahrens nach Anspruch 21. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst die Baugruppe wenigstens ein optisches Element und eine Fassung, wobei das optische Element wenigstens über eine Klebeverbindung mit der Fassung verbunden ist. Die Klebeverbindung umfasst einen weichelastischen Klebstoff, der dünnschichtig in einem Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung angeordnet ist.
Dünnschichtig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Klebschichtdicke sehr klein gegenüber der kleinsten lateralen Ausdehnung (Breite) des Klebespaltes ist. Insbesondere kann von dünnschichtig ab einem Verhältnis „Dicke/kleinster Breite" von 1/100 oder kleiner gesprochen werden. In derart dünnschichtigen Kleberspalten ist die Querkontraktion des Klebstoffes fast vollständig behindert mit der Folge, dass der (sehr geringe) Elastizitätsmodul für die Steifigkeit in Normalenrichtung der Kleberschicht unbedeutend wird. Vielmehr wird der um Größenordnungen höhere Kompressionsmodul des Klebers für die Steifigkeit in Normalenrichtung bestimmend.
Mit der steifigkeitsbestimmenden Kenngrößen von Werkstoffen:
E = Elastizitätsmodul (Youngs' Modulus)
G = Schubmodul (Shear Modulus)
K = Kompressionsmodul (BuIk Modulus) mit der Definition K:= -V*dp/dV und μ = Querkontraktionszahl (oder Poissonzahl)
und den Zusammenhängen:
K = -V*dp/dV (Definition)
G = τ/γ = Scherspannung/Gleitwinkel (Definition) μ = (3*K-2*G)/(2*G+6*K) [mit Querkontrakionswerten von Elastomeren nahe 0,5]
E = 2*G*(l+μ)
wird deutlich, dass sich Kompressionsmodul und Schubmodul um mehrere Größenordnungen unterscheiden können. So liegen die Kompressionsmoduli von Elastomeren typischerweise in Größenordnungen im Gigapascal (GPa) -Bereich, während die Schubmoduli zwischen 0,1 und 10 Megapascal (MPa) liegen.
Weichelastische Kleber weisen bei geringen Schubmoduli sehr hohe Reißdehnungen und damit hohe zulässige elastische Dehnungen/Scherungen auf. Bei Linsenklebungen mit weichelastischen Klebern werden damit Spannungen durch Ausdehnungsunterschiede von Linse und Fassung durch den geringen Schubmodul gering gehalten und relativ große Ausdehnungsunterschiede durch die hohe zulässige Dehnung toleriert. Auf diese Weise wird eine Deformation des optischen Elements trotz relativ großer Ausdehnungsunterschiede sehr gering gehalten.
Durch die dünnschichtige Annordnung des Klebstoffs im Klebespalt zwischen dem optischen Element und der Fassung wird ein hohes Verhältnis zwischen Zug-/Drucksteifigkeit und Schubsteifigkeit hergestellt. Damit wird trotz weichem Klebstoff und leichter lateraler Verschiebbarkeit eine sehr hohe Steifigkeit normal zur Klebeschicht gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße dünnschichtige Anordnung des weichelastischen Klebers wird somit eine mit einem harten Kleber vergleichbar hohe Steifigkeit in Normalenrichtung erreicht.
Um die Verschiebbarkeit der Linse relativ zur Fassung in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der bzw. den Klebschichten zu gewährleisten, liegt die Linse (im Rahmen der thermischen Ausdehnungsunterschiede) ohne seitliche Begrenzung auf einer Fügefläche der Fassung bzw. auf der Klebefläche zwischen der Fügefläche der Fassung und einer Fügefläche des optischen Elements angeordneten Kleberschicht auf. Radiale Ausdehnungen des optischen Elements sind somit erlaubt, während axial hohe Druck- und Zugkräfte aufgenommen werden können.
Darüber hinaus sind weichelastische Klebstoffe im Vergleich zu harten Duroplast-Klebern oder Weichloten bezogen auf die Dehnung/Scherung relativ kriechbeständig.
Weichelastische Klebstoffe, die auch als Elastomer-Kleber, als gummielastische, superelastische oder entropieelastische Klebstoffe bekannt sind, sind durch eine hohe Reißdehnung von beispielsweise 50 % bis 500 %, typischerweise über 100 %, gekennzeichnet. Damit ist auch eine vergleichsweise hohe Deformation von mehreren 10 % zulässig, ohne den Klebstoff bleibend zu deformieren oder zu schädigen. Die eingesetzten Kleber zeichnen sich ferner dadurch aus, dass die Anwendungstemperaturen oberhalb des Glasübergangsbereichs der Kleber liegen. Damit ändern sich die mechanischen Eigenschaften der Kleber auch bei hohen Temperaturen nur unwesentlich. Mit anderen Worten sind die weichelastischen Klebstoffe hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften gegenüber Temperaturerhöhungen äußerst stabil. So ändern sich die mechanischen Eigenschaften der weichelastischen Klebstoffe bis zu Temperaturen von 120 °C, bei bestimmten Klebstoffen auch bei höheren Temperaturen bis 300 0C, nur unwesentlich. Unter anderem wird dadurch eine „heiße" Beschichtung (z.B. Antireflexbeschichtung) des in der Fassung geklebten optischen Elements ermöglicht.
Durch die hohe ReißdehnungAScherung können weichelastische Kleber viel Schockenergie aufnehmen, ohne zu versagen. Klebungen mit weichelastischen Klebstoffen sind daher in hohem Maße schockbeständig, so dass sehr hohe Kurzzeitbelastungen zulässig sind. Dadurch sind deutlich geringere Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Klebung zu berücksichtigen.
Bestimmte Elastomer-Kleber weisen einen sehr geringen Härtungsschrumpf, beispielsweise kleiner als 0,5 %, auf. Damit bleiben die bei der Härtung entstehenden Spannungen sehr gering. Eine thermische Nachhärtung der Klebeverbindung ist bei vielen Elastomerklebern nicht notwendig.
Durch die dünnschichtige und gleichzeitig relativ großflächige Klebeschicht im Klebespalt zwischen dem optischen Element und der Fassung können große Verhältnisse zwischen Drucksteifigkeit und Schubsteifigkeit erreicht werden. Die Werte für dieses Verhältnis (Drucksteifigkeit/ Steifigkeit in Schubrichtung) liegen über 100, meist über 500, insbesondere sogar über 5000. Durch die Auswahl einer geeigneten Schichtdicke und einer geeigneten Gesamtfläche für die Klebeschicht kann eine gezielte richtungsabhängige Steifigkeit eingestellt werden. So wird insbesondere eine ausreichend hohe Zug-/Drucksteifigkeit der Verbindung in senkrechter Richtung zur Verbindungsschicht bei vergleichsweise geringer Schubsteifigkeit parallel zur Verbindungsfläche eingestellt, so dass parallel zur Klebefläche eine Deformationsentkopplung des optischen Elements bzw. ein thermoelastischer Ausgleich stattfinden kann. Die dünnschichtige Anordnung des Klebstoffs hat weiterhin den Vorteil, dass Veränderungen des Klebers, beispielsweise aufgrund von Feuchtigkeit und Temperatur, nur sehr geringen Einfluß auf Lage und Deformation des optischen Elementes haben.
Insgesamt ermöglicht es die vorliegenden Erfindung, einfach konstruierte und robuste Fassungen bereitzustellen.
Insbesondere ist bei der vorliegenden Erfindung der dünnschichtig angeordnete Klebstoff im Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung mit einer Schichtdicke von höchstens 0,5 mm, insbesondere von höchstens 0,1 mm, insbesondere von höchstens 0,01 mm, angeordnet.
Der dünnschichtig angeordnete Klebstoff kann in einer speziellen Ausführungsform im Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung derart angeordnet sein, dass der Klebstoff im Wesentlichen nur die Oberflächenrauheit der Fügeflächen ausfüllt. Dies bedeutet, dass der Klebespalt kleiner als 0,01 mm dick ist. Die Klebeflächen liegen praktisch aneinender an und der Klebstoff füllt im Wesentlichen nur die Oberflächenrauheit der Fügeflächen aus.
Der dünnschichtig angeordnete Klebstoff ist vorzugsweise im Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung) mit einer Schichtdicke von höchstens 1/200 der Hauptabmessung des optischen Elements, insbesondere von höchstens 1/1000 der Hauptabmessung des optischen Elements, besonders bevorzugt höchstens 1/10000 der Hauptabmessung des optischen Elements angeordnet. Die Hauptabmessung ist bei einer in etwa scheibenartig ausgebildeten Linse der Durchmesser der Linse. Es sind jedoch auch elliptische, rechteckige, quadratische usw. optische Elemente denkbar, die erfindungsgemäß an einer Fassung befestigt werden. Die Hauptabmessung kann in diesem Fall eine Seitenlänge, eine Diagonale o.a. sein. Bei den Abmessungen sind im Wesentlichen nur die Größenordnungen relevant, so dass auf eine definierte Bestimmung einer entsprechenden Hauptabmessung verzichtet werden kann.
Die Klebeschicht ist insbesondere im Wesentlichen parallel zur Hauptausdehnung des optischen Elementes angeordnet. Die Klebeschicht ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie den wesentlichen Teil des Ausdehnungsunterschiedes zwischen dem optischen Element und der Fassung als elastische Scherdeformation aufnimmt.
Die Klebeschichten können aufgrund der hohen zulässigen Dehnung der verwendeten weichelastischen Klebstoffe sehr dünn, etwa 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm, 250 μm oder 500 μm dick ausgebildet werden. Auch Klebeschichten viel kleiner als 10 μm sind möglich, da die extreme elastische Verformbarkeit der Elastomere die zwangsläufig auftretenden Verschiebungen der Fügepartner auch mit extrem dünnen Klebeschichten reversibel auszugleichen vermag.
Das optische Element weist vorzugsweise wenigstens eine erste Fügefläche und eine optisch wirksame Fläche auf, die im Wesentlichen von der ersten Fügefläche begrenzt wird. Die Fassung weist wenigstens eine zweite Fügefläche auf, und der Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung wird von der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche begrenzt. Die optisch wirksame Fläche ist beispielsweise der Strahldurchtrittsbereich einer in der Fassung befestigten Linse oder eine Reflexionsfläche eines Spiegels. Jedenfalls ist die optisch wirksame Fläche, im Gegensatz zur Fügefläche des optischen Elements, kleberfrei. Das optische Element weist somit einen ersten mit Kleber belegten Oberflächenbereich (Fügefläche), und einen zweiten, kleberfreien Oberflächenbereich (optisch wirksame Fläche) auf. Der erste Oberflächenbereich begrenzt zusammen mit der Fügefläche der Fassung den dünnen Spalt. An die zweite Fügefläche der Fassung schließt sich eine weitere Fläche bündig an, die eine relative Verschiebung des optischen Elements entlang der Auflagefläche der Fassung erlaubt. Entlang der Hauptebene des Spalts ist die Linse über die Scherung des Klebers beweglich relativ zur Fassung gelagert.
Die Klebeschicht kann im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements angeordnet sein. Diese Anordnung erlaubt einen Ausgleich der Ausdehnungsunterschiede von optischem Element und Fassung..
Die Klebeschicht ist vorzugsweise hinsichtlich des optischen Elements derart symmetrisch angeordnet, dass sie den wesentlichen Teil des Ausdehnungsunterschieds zwischen dem optischen Element und der Fassung gleichmäßig zu verschiedenen Seiten hin aufnimmt. Mit anderen Worten nimmt jede Klebestelle zwischen der Fassung und dem optischen Element bei einer thermischen Veränderung im Wesentlichen denselben Ausdehnungsunterschied auf. Insbesondere ist die Klebeschicht rotationssymmetrisch an der Fassung angeordnet. Die optische Achse bleibt somit auch bei relativen Verschiebungen zwischen der Fassung und dem optischen Element im Wesentlichen in einer definierten Position im Strahlengang des optischen Systems angeordnet.
Bevorzugt weist die Klebefläche einer Einzelklebung einer segmentierten Klebung eine laterale Flächenausdehnung zwischen 5 mm2 und 100 mm2 auf. Klebeflächen mit einer lateralen Ausdehnung von beispielsweise 3 mm x 5 mm bis 10 mm x 10 mm, ermöglichen in der Regel eine ausreichende Festigkeit.
Die Fassung kann eine beispielsweise kreisförmige Öffnung aufweisen und der Klebstoff kann wenigstens abschnittsweise ringförmig mit einer Breite zwischen 1 mm und 5 mm radial im Umfangsbereich der Öffnung angeordnet sein. Unter einer Fassung versteht der Fachmann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein mechanisches Element, mit dem ein optisches Element gefasst wird. Das optische Element wird in der Regel zur Fassung justiert und anschließend befestigt. Die Fassung weist normalerweise wenigstens einen Fügebereich und eine vom Fügebereich begrenzte zentrale Öffnung auf, in die das optische Element eingepasst wird.
Insbesondere weist der Klebstoff eine Reißdehnung von 50 % bis 500 % auf. Regelmäßig liegt die Reißdehnung der weichelastischen Kleber über 100 %.
Bevorzugt weist der weichelastische Klebstoff einen geringen Schubmodul von 0,01 bis 10 MPa (typisch 0,3 bis 1,5 MPa) auf. Durch die großflächige Anordnung der dünnen Klebstoffschicht wird aber dennoch eine sehr hohe Steifigkeit senkrecht zur Klebefläche erreicht. Die Steifigkeit parallel zur Klebefläche ist wunschgemäß gering.
In einer speziellen Ausführungsform weist die Fassung eine im Wesentlichen plane Auflagefläche und das optische Element eine der Auflageflächen entsprechende, im Wesentlichen plane Befestigungsfläche auf, und der weichelastische Klebstoff ist dünnschichtig im Spalt zwischen der Auflagefläche der Fassung und der Befestigungsfläche des optischen Elements angeordnet. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist die Fassung eine im Wesentlichen gekrümmte Auflagefläche und das optische Element eine der Auflageflächen entsprechende, im Wesentlichen gekrümmte Befestigungsfläche auf, und der weichelastische Klebstoff ist dünnschichtig im Klebespalt zwischen der Auflagefläche der Fassung und der Befestigungsfläche des optischen Elements angeordnet.
Der Ausdruck „entsprechende Oberflächen" bedeutet, dass die beiden nach der Ausrichtung des optischen Elements flächig gegenüber liegenden bzw. in der Draufsicht überlappenden Oberflächen, zwischen denen die Klebstoffschicht angeordnet ist, ein ähnliches Krümmungsverhalten aufweisen, so dass eine in etwa konstant dünne Klebstoffschicht zwischen der Auflagefläche und der Befestigungsfläche liegt.
Insbesondere ist das optische Element kontaktlos mit der Auflagefläche der Fassung über die Klebstoffschicht verbunden. Da der Klebstoff den Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung im Wesentlichen ausfüllt, kommt es zu keiner direkten Berührung des optischen Elements mit der Fassung, wodurch eine Deformation des optischen Elements bei einer Deformation der Fassung sehr gering gehalten wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann aber auch hiervon abweichend eine Berührung von Fassung und optischem Element erfolgen. Beispielsweise kann das optische Element mit dem Rand seines optischen Radiusses auf der tangential berührenden kegeligen Fügefläche der Fassung aufliegen. Die Fügefläche der Fassung kann aber auch eine anderweitige Geometrie für eine linienförmige Berührung mit der Linse aufweisen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Klebstoff um einen silylmodifizierten Kleber, ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Silikon, einen Acrylatkleber, einen Polyurethan- Copolymer-Kleber und/oder ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Polyurethan- Elastomer. Die Silikone weisen die beste UV- und Temperaturstabilität auf. Einige Kleber können auch als UV-härtende Kleber eingesetzt werden. Ein Fachmann wird ohne weiteres aus der Gruppe der angegebenen Materialien das Material mit den für seinen Verwendungszweck am besten geeigneten Eigenschaften auswählen. Die angegebenen Klebstoffe in Verbindung mit einer geeigneten Oberflächenbehandlung und der erfindungsgemäßen Anordnung der Komponenten, sorgen für eine ausreichende Festigkeit der Verbindung zwischen dem optischen Element und der Fassung. Während die Fassung in der Regel aus einem metallischen Werkstoff besteht, ist das optische Element, beispielsweise eine Linse, i.d.R aus nichtmetalischem Material, hergestellt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein optisches System, umfassend eine oder mehrere Baugruppen wie oben beschrieben. Optische Systeme bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Baugruppen wie oben angegeben. Durch die sichere Verbindung jedes optischen Elements mit der bzw. den Fassungen wird ein insgesamt stabiles, langlebiges und robustes System bereitgestellt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe umfasst die Schritte: Bereitstellung eines optischen Elements; Bereitstellung einer Fassung; und dünnschichtige Anordnung eines weichelastischen Klebstoffs in einen Klebespalt zwischen dem optischen Element und der Fassung zur Verbindung des optischen Elements mit der Fassung mit einer Klebstoffdicke von höchstens 0,5 mm.
Bevorzugt wird der Klebstoff im Klebespalt zwischen dem optischen Element und der Fassung mit einer Dicke von höchstens 0,1 mm, insbesondere von höchstens 0,01 mm, angeordnet.
Der Klebstoff kann im Spalt zwischen dem optischen Element) und der Fassung derart angeordnet werden, dass der Klebstoff im Wesentlichen nur die Oberflächenrauheit der Fügeflächen ausfüllt.
Bei einer Einzelklebung einer segmentierten Klebung wird der Klebstoff insbesondere im Spalt zwischen dem optischen Element und der Fassung auf einer Fläche zwischen 5 mm und 100 mm2 angeordnet, ganz besonders bevorzugt wenigstens abschnittsweise ringförmig mit einer Breite zwischen 1 und 5 mm radial im Umfangsbereich einer Öffnung der Fassung.
Der Klebstoff weist bevorzugt eine Reißdehnung von 50 % bis 500 % auf.
Der Klebstoff wird insbesondere derart angeordnet, dass das optische Element kontaktlos mit der Auflagefläche der Fassung verbunden wird. Das optische Element wird insbesondere relativ zur Fassung zur Aufnahme thermischer Ausdehnungsunterschiede zwischen dem optischen Element und der Fassung verschiebbar angeordnet.
Als Kleber kann beispielsweise ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Silikon, ein Polyurethan-Kleber, ein Elastomer auf Epoxidharzbasis und/oder ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Polyurethan-Elastomer eingesetzt werden.
Insbesondere wird der Abstand der Fügeflächen während der Anordnung des Klebstoffs eingestellt, beispielsweise durch Folienstreifen, Elastomerstreifen, Elastomerfäden, Füllstoffe, und dgl.
Es werden bevorzugt weiche Füllstoffe eingesetzt, insbesondere Elastomer-Kügelchen, Speisestärke, und dgl.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele und den Figuren. Es zeigen:
Fig. Ia eine Ansicht eines Abschnitts einer Baugruppe gemäß dem Stand der Technik im Schnitt;
Fig. Ib eine modifizierte Ausführungsform der Baugruppe aus Fig. Ia;
Fig. 2a einen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Baugruppe gemäß dem
Stand der Technik im Schnitt; Fig. 2b ein Detail aus Fig. 2a;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Abschnitts einer Baugruppe gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Baugruppe gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung. Die in der Figur 3 in einer Schnittansicht dargestellte Baugruppe umfasst eine Linse 1 sowie eine ringförmige Fassung 2. Insbesondere ist ein Abschnitt dargestellt, in dem die Linse 1 mit der Fassung 2 verbunden ist.
Bei der Linse 1 handelt es sich um eine Konvexlinse. Selbstverständlich sollen jedoch im Rahmen der Erfindung sämtliche optischen Elemente umfasst sein, die mit einem Rahmen, einer Halterung oder einer Fassung 2 verbunden werden. Die Linse 1 weist eine plane, großflächige, ringförmige Randfläche Ic auf, mit der sie auf der Fassung 2 aufliegt.
Die Oberseite 4 der ringförmig ausgebildeten Fassung 2 ist entsprechend der Fläche Ic der Linse 1 ebenfalls plan ausgebildet. Die Fläche Ic liegt auf der Auflagefläche 4 auf. In einem dünnen Spalt zwischen der Oberfläche Ic und der Auflage 4 ist ein weichelastischer Klebstoff 3 dünnschichtig angeordnet, so dass die Linse 1 nicht unmittelbar mit der Fassung 2 in Kontakt steht.
Bei der Linse handelt es sich beispielsweise um eine Quarzlinse mit einem Durchmesser von 200 mm. Die Fassung 2 umfasst einen Stahlring mit einer planen Auflagefläche 4 und einer mittigen, etwa kreisförmigen zentralen Öffnung 2i, die mit der aufliegenden Linse 1 überlappt.
Die Klebstoffschicht 3 im Spalt zwischen Linse 1 und Fassung 2 weist eine Dicke von 10 μm auf. Die bei einer Temperaturänderung von 20 K auftretende Spannung wird durch die geringe Schersteifϊgkeit des Klebers auf ca. 0,2 MPa begrenzt.
Wie aus der Fig. 3 deutlich wird, beschreitet die vorliegende Erfindung bei der Lösung der Probleme des Stands der Technik einen neuen Weg.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 4 illustriert. Die dargestellte Baugruppe entspricht im Wesentlichen der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass sowohl die Auflage 4 der Fassung 2 als auch die Gegenfläche Ic, mit der die Linse 1 auf der Auflage 4 aufliegt, gekrümmt sind. Die Krümmungen der Flächen Ic und 4 sind so aneinander angepasst, dass bei der gewünschten Ausrichtung der Komponenten gegeneinander ein enger Spalt, beispielsweise mit einer Höhe zwischen 10 μm und 100 μm, entsteht. Dieser Spalt ist wiederum wenigstens teilweise dünnschichtig mit einem Elastomer-Kleber 3, beispielsweise einem silylmodifizierten Kleber, einem einkomponentigen oder mehrkomponentigen Silikonkleber, einem Epoxid-Elastomer, einem UV-härtenden Polyurethan (PU)- Copolymerkleber oder einem ein- oder mehrkompentigen PU-El astomer-Kleber belegt bzw. ausgefüllt.
Durch seine hohe Reißdehnung von typischerweise über 100 % können sehr dünne Klebstoffschichten verwendet werden, die Steifigkeitsverhältnisse (Drucksteifigkeit/ Schubsteifigkeit) von 500 erreichen. Beispielsweise können bei einer Klebefläche von 5 mm x 5 mm und einer Klebespaltdicke von 10 μm Drucksteifigkeiten von etwa 125.000 N/mm2 und Schubsteifigkeiten von etwa 250 N/mm2 erreicht werden. Durch die geeignete Auswahl von Schichtdicke und der Fläche, die die Kleberschicht trägt, ist eine gezielte, richtungsabhängige Steifigkeit einstellbar. Die Linse 1 ist durch die geringe Schubsteifigkeit in Richtung der flächigen Klebeschicht bezüglich Deformationen von der Fassung 2 entkoppelt. Die Klebeschicht 3 ermöglicht einen elastischen Ausgleich der Ausdehnungsunterschiede zwischen Linse 1 und Fassung 2.
In der Fig. 5 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bauteil bzw. eine Anordnung einer Linse 1 in einer Fassung 2 dargestellt.
Die Linse 1 weist in der Draufsicht eine im Wesentlichen kreisförmige Kontur Id auf.
Die Fassung 2 ist als Element mit einem planen, ebenen Bereich mit einer mittigen Öffnung 2i innerhalb der Randkante 2d ausgebildet. Die Auflagefläche 4 ist so ausgebildet, dass die Linse 1 darauf aufliegen und über der Öffnung 2i ausgerichtet werden kann. Zwischen der Oberfläche 4 und der Linse 1 ist eine dünnschichtige Verbindung mittels eines weichelastischen Klebers 3 angeordnet, die eine flächige Verbindung geringer Dicke zwischen der Linse 1 und der darunter angeordneten Fassung 2 ausbildet. Im vorliegenden Fall ist die Verbindung beispielsweise eine Klebeschicht 3 mit einer Dicke von 10 μm, die sich radial über den gesamten Umfang in einer Breite b zwischen 2 und 5 mm zwischen der Auflage 4 und einem Randbereich der Linsenoberfläche erstreckt. Insbesondere ist die Schichtdicke (und somit die Spaltbreite) im Wesentlichen konstant über den gesamten Verbindungsbereich. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, wie in der Fig. 5 gezeigt, eine ununterbrochene, gas- und flüssigkeitsdichte Klebung 3 bereit zu stellen. Darüber hinaus können einfache und sehr robuste Fassungen verwendet werden.
Veränderungen des Klebers 3 (z.B. bei Alterung) wirken sich durch den Einsatz dünner Klebeschichten 3 nur sehr geringfügig auf die Spaltbreite aus. Es wird eine gegenüber äußeren Einflüssen, wie Feuchtigkeit, sichere und robuste Verbindung bereitgestellt. Außerdem sind die erfindungsgemäßen weichelastischen dünnschichtigen Klebungen gegenüber starken mechanischen Einwirkungen, wie z.B. Schocks, kurzzeitig sehr belastbar.

Claims

Patentansprüche
1. Baugruppe, umfassend wenigstens ein optisches Element (1) und eine Fassung (2), wobei das optische Element (1) wenigstens über eine Klebeverbindung (3) mit der Fassung (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung (3) einen weichelastischen Klebstoff umfasst, der dünnschichtig mit einer Schichtdicke von höchstens 0,5 mm in einem Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) angeordnet ist.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnschichtig angeordnete Klebstoff (3) im Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) mit einer Schichtdicke von höchstens 0,1 mm, insbesondere von höchstens 0,01 mm, angeordnet ist.
3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnschichtig angeordnete Klebstoff (3) im Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) derart angeordnet ist, dass der Klebstoff (3) im Wesentlichen nur die Oberflächenrauheit der Fügeflächen ausfüllt.
4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dünnschichtig angeordnete Klebstoff (3) im Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) mit einer Schichtdicke von höchstens 1/200 der Hauptabmessung (D) des optischen Elements (1), insbesondere von höchstens 1/1000 der Hauptabmessung (D) des optischen Elements (1), besonders bevorzugt 1/10000 der Hauptabmessung (D) des optischen Elements (1), angeordnet ist.
5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (3) im Wesentlichen parallel zur Hauptausdehnung des optischen Elementes (1) angeordnet ist.
6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (3) derart ausgebildet ist, dass sie den wesentlichen Teil des Ausdehnungsunterschiedes zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) als elastische Scherdeformation aufnimmt.
7. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) wenigstens eine erste Fügefläche (Ic) und eine optisch wirksame Fläche aufweist, die im Wesentlichen von der ersten Fügefläche (Ic) begrenzt wird, die Fassung (2) wenigstens eine zweite Fügefläche (4) aufweist, und der Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) von der ersten Fügefläche (Ic) und der zweiten Fügefläche (4) begrenzt wird.
8. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (3) im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements (1) angeordnet ist.
9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (3) hinsichtlich des optischen Elements (1) derart symmetrisch angeordnet ist, dass sie den wesentlichen Teil des Ausdehnungsunterschieds zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) gleichmäßig zu verschiedenen Seiten hin aufnimmt.
10. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) und die Fassung (2) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, insbesondere kontaktfrei zueinander verschiebbar.
11. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Klebstoff (3) gefüllte Spalt einer Einzelklebung einer segmentierten Klebung eine laterale Flächenausdehnung zwischen 5 und 100 mm2 aufweist.
12. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) eine Öffnung (2i) aufweist und der Klebstoff (3) wenigstens abschnittsweise ringförmig mit einer Breite (b) zwischen 1 mm und 5 mm radial im Umfangsbereich der Öffnung (2i) angeordnet ist.
13. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) eine Reißdehnung von 50 % bis 500 % aufweist.
14. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) in der Ebene längs der flächigen Klebstoffverbindung (3) ein Schubmodul zwischen 0,01 MPa und 10 MPa aufweist.
15. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) eine im Wesentlichen plane Auflagefläche (4) und das optische Element (1) eine der Auflagefläche (4) entsprechende, im Wesentlichen plane Befestigungsfläche (Ic) aufweist, und der weichelastische Klebstoff (3) dünnschichtig im Spalt zwischen der Auflagefläche (4) der Fassung (2) und der Befestigungsfläche (Ic) des optischen Elements (1) angeordnet ist.
16. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) eine im Wesentlichen gekrümmte Auflagefläche (4) und das optische Element (1) eine der Auflagefläche (4) entsprechende, im Wesentlichen gekrümmte Befestigungsfläche (Ic) aufweist, und der weichelastische Klebstoff (3) dünnschichtig im Spalt zwischen der Auflagefläche (4) der Fassung (2) und der Befestigungsfläche (Ic) des optischen Elements (1) angeordnet ist.
17. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) über die Klebstoffschicht (3) kontaktlos mit der Fassung (2) verbunden ist.
18. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung wenigstens eine Auflagekante aufweist, mit der das optische Element in Kontakt steht.
19. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff einen silylmodifizierten Kleber, ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Silikon, einen Acrylat-Kleber, ein Epoxid-Elastomer, einen Polyurethan-Copolymer-Kleber und/oder ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Polyurethan-Elastomer umfasst.
20. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine oder mehrere Baugruppen nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
21. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, insbesondere einer Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bereitstellung eines optischen Elements (1);
Bereitstellung einer Fassung (2); und dünnschichtige Anordnung eines weichelastischen Klebstoffs (3) in einem Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) zur Verbindung des optischen Elements (1) mit der Fassung (2) mit einer Spaltdicke von höchstens 0,5 mm.
22. Verfahren nach einem der Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) im Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) mit einer Dicke von höchstens 0,1 mm, insbesondere von höchstens 0,01 mm, angeordnet wird.
23. Verfahren nach einem der Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) im Spalt zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) derart angeordnet wird, dass der Klebstoff (3) im Wesentlichen nur die Oberflächenrauheit der Fügeflächen ausfüllt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) im Spalt einer Einzelklebung einer segmentierten Klebung zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) auf einer Fläche zwischen 5 mm2 und 100 mm angeordnet wird, insbesondere wenigstens abschnittsweise ringförmig mit einer Breite (b) zwischen 1 und 5 mm radial im Umfangsbereich einer Öffnung (2i) der Fassung (2).
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass
Klebstoff (3) mit einer Reißdehnung von 50 % bis 500 % eingesetzt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) derart angeordnet wird, dass das optische Element (1) kontaktlos mit der Fassung (2) verbunden wird.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) relativ zur Fassung (2) zum Ausgleich thermischer Ausdehnungsunterschiede zwischen dem optischen Element (1) und der Fassung (2) verschiebbar angeordnet wird.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebstoff (3) ein silylmodifizierter Kleber, ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Silikon, ein Epoxid-Elastomer, ein Polyurethan-Copolymer- Kleber und/oder ein einkomponentiges oder mehrkomponentiges Polyurethan- Elastomer eingesetzt wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Fügeflächen während der Anordnung des Klebstoffs (3) eingestellt wird, beispielsweise durch Folienstreifen, Elastomerstreifen, Elastomerfäden, Füllstoffe, und dgl.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass weiche Füllstoffe eingesetzt werden, insbesondere Elastomer-Kügelchen, Speisestärke, und dgl.
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