WO2010145803A1 - Kinematischer halter - Google Patents

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WO2010145803A1
WO2010145803A1 PCT/EP2010/003589 EP2010003589W WO2010145803A1 WO 2010145803 A1 WO2010145803 A1 WO 2010145803A1 EP 2010003589 W EP2010003589 W EP 2010003589W WO 2010145803 A1 WO2010145803 A1 WO 2010145803A1
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WO
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holding part
joint
tilting
holder according
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PCT/EP2010/003589
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Inventor
Rainer Heidemann
Frank Lison
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Toptica Photonics Ag
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Publication date
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    • G02B7/1827—Motorised alignment

Definitions

  • the invention relates to a kinematic holder having a base part and a holding part mounted on the base part and tiltable relative thereto by at least one tilting axis.
  • Such kinematic holders are e.g. used for adjustable mounting of optical elements. Usual is the use of kinematic holders for the adjustable mounting of optical elements, such. Mirroring, in laser systems. Such kinematic holders are also referred to as mirror holders or cardanic mirror holders.
  • FIG. 1 shows an isometric view of a kinematic mirror holder known from the prior art.
  • This comprises a tiltable holding part 1 with a central circular bore, in which an adjustable to be held mirror can be fastened.
  • the holding part 1 is mounted on a base part 2.
  • Holding part 1 and base part 2 are biased by tension springs 3 against each other.
  • the base part 2 has three internally threaded holes in which adjusting spindles 4, 5 and 6 are guided in the form of screws.
  • the spindles 4, 5 and 6 On the side facing the holding part 1, the spindles 4, 5 and 6 have hemispherical ends or ball ends. A desired relative tilting position of the holding part 1 to the base part 2 is obtained by the three spindles 4, 5 and 6 are set accordingly.
  • the surface of a mirror held by a kinematic holder is (nearly) vertical and must be relative be adjusted to a horizontally oriented optical table.
  • the adjusting spindles 4, 5 and 6 shown in FIG. 1 then extend horizontally, ie perpendicular to the mirror surface.
  • the adjustment is then effected by means of the spindles 4, 5 and 6 from the back or the front side of the mirror.
  • the spindles 4, 5 and 6 must be freely accessible. For this reason, the optical structure can not be made arbitrarily compact.
  • the disadvantage is, in other words, that in a compact optical structure, the adjustment of the known and kinematic mirror holder is difficult because of insufficient accessibility of the adjusting spindles 4, 5 and 6.
  • additional adjustment tools can be used.
  • the use of adjustment tools is problematic because when obstructing the beam path no signal for the adjustment is more available.
  • the use of adjustment tools can be dangerous.
  • the invention starting from a kinematic holder of the type specified above in that the holder has at least one pivot lever which is connected to the base part via a first joint and with the holding part via a second joint spaced from the first joint in the longitudinal direction of the pivot lever is, wherein the base part, the pivot lever and the holding part form a transmission which converts a movement of an actuator acting on the pivot lever in a tilting of the holding part relative to the base part.
  • the transmission formed from the base part, the pivot lever and the holding part of the kinematic holder according to the invention makes it possible to arrange the actuator where it is easily accessible.
  • the transmission may be designed so that the actuator is located at the top of the holder.
  • the tilting of the holding part relative to the base part can then be adjusted from above, so that free areas around the optical holders around, which are to ensure accessibility of the actuator, are no longer necessary.
  • the optical design can be made compact accordingly.
  • the kinematic holder can be aligned as needed so that the actuator is on top or on one of the sides.
  • kinematic holder can be used very simply by using suitable actuators (servo motors, linear motors, stepper motors, piezo drives, etc.) as an actuator for automated adjustment.
  • suitable actuators servo motors, linear motors, stepper motors, piezo drives, etc.
  • the actuators can be attached to the top of the holder. This has the advantage that the waste heat of the actuators is not registered in the optical system.
  • the holder comprises two pivot levers, namely a first pivot lever and a second pivot lever, and a first actuator and a second actuator, wherein the base part, the first pivot lever and the holding part a first Forming a transmission, which converts a movement of the first pivoting lever acting on the first actuator in a tilting of the holding part relative to the base part about a horizontal tilting axis, and wherein the base part, the second pivot lever and the holding part form a second transmission, the movement of the on the second pivoting lever acting second actuator in a tilting of the holding part relative to the base part to a vertical tilting axis converts.
  • the second hinge of the first pivot lever is arranged substantially on the vertical tilt axis, while the second hinge of the second pivot lever is arranged substantially on the horizontal tilt axis.
  • the pivot lever on the second hinge at an angular distance of substantially 90 ° with respect to the intersection of the tilt axes on the holding part.
  • the first or the second pivot lever can via a third joint with the
  • Holding part to be connected, wherein the first joint in the longitudinal direction of the pivot lever is arranged centrally between the second and the third hinge.
  • the holding part with one of Swivel lever connected via two joints and with the other holding part via a joint.
  • the connection of the holding part with the tilting causing pivoting levers over the total of three articulation points ensures a stable and well-defined definition of the horizontal and vertical tilt axes.
  • the actuators are adjusting spindles, which are guided on the base part via threads, wherein the longitudinal axes of the adjusting spindles are aligned parallel to each other and substantially parallel to the vertical plane defined by the two tilt axes.
  • the transmission formed by the base part, pivot lever and holding part ensure that the longitudinal movements of the adjusting spindles are displaced by 90 ° offset longitudinal movements of the pivot points of the pivot lever on the holding part to effect the respective desired tilting.
  • This embodiment can be used to perform an adjustment of an optical element attached to the holding part from above or from the side in a horizontal optical structure.
  • a particularly practical implementation possibility consists in the fact that the ends of the adjusting spindles engage on the pivoting levers via flat surfaces formed on the pivoting levers.
  • the pivot lever may be configured, for example, L-shaped or T-shaped.
  • the holding part is mounted on the base part via holding joints, which substantially prevent a horizontal or vertical movement parallel to the tilting axes.
  • the holding joints ensure that the holding part does not perform any unwanted movement in the vertical plane formed by the horizontal and vertical tilting axis.
  • the holding joints only allow relative mobility of the holding part to the base part in the axial direction, ie in a direction perpendicular to the vertical and horizontal tilting axis. This axial mobility allows the tilting of the holding part relative to the base part.
  • the holding part is connected at its peripheral edge via a plurality of holding joints with the base part.
  • the joints of the kinematic holder according to the invention are solid-state joints, wherein the base part is monolithic with the holding part and with the at least one pivot lever.
  • the monolithic design allows a compact design of the kinematic holder, which is also vibration insensitive, temperature stable and inexpensive to produce.
  • the monolithic production (eg by wire erosion) also allows a simple scaling in terms of the dimensions of the kinematic holder, up to a very small and extremely compact design.
  • the first and the second joint of the at least one pivot lever are expediently pivot joints, wherein the first joint has a freedom of rotation and the second joint has two rotational freedom.
  • the first joint a freedom of rotation is sufficient, since the first joint is responsible only for the pivoting movement of the pivot lever in the implementation of the movement of the actuator in the tilting about the corresponding axis.
  • the second joint which connects the pivot lever with the holding part, must have two rotational freedom, so that tilting about two different tilt axes are possible.
  • FIG. 1 is an isometric view of a kinematic mirror holder known from the prior art
  • FIG. 2 is an isometric view of a mirror holder according to the invention
  • FIG. 3 exploded view of the mirror holder according to FIG. 2;
  • FIG. 5 a partially sectioned isometric view of the mirror holder
  • Figure 6 Illustration of the function with horizontal tilting
  • FIG. 7 illustration of the function with vertical tilting
  • Figure 8 alternative embodiment of the mirror holder.
  • FIG. 2 is an isometric view and Figure 3 is an exploded isometric view of a kinematic mirror holder according to the invention.
  • the holder comprises a holding part 7, which is mounted on a base part 8. Via an adapter 16, a mirror 9 is attached to the holding part 7.
  • the mirror 9 is fixed to the adapter 16 by means of a clamping screw 19.
  • the mirror 9 is tiltable with the holding part 7 relative to the base part 8.
  • the base part 8 with the holding part 7 is monolithic.
  • holding part 7 and base part 8 are connected to each other via a system of solid-state joints, which are designated overall by 10 in FIG.
  • adjusting spindles 11 and 12 which are accessible in the illustrated embodiment from above.
  • the adjusting spindles 11 and 12 are guided on a base support 13 which is fixedly connected to the base part 8, threaded.
  • the base support 13 is screwed in the illustrated embodiment with the base part 8 via screws 14 to form a compact component.
  • the lower ends of the adjusting spindles 11 and 12 engage over flat surfaces 15 in FIG. 3 in total with 18 designated pivoting levers 18.
  • springs generate a bias voltage between the base support 13, the pivot levers 18 and the adjusting spindles 11 and 12th
  • FIGs 4 to 7 illustrate the design of the Justagemechanismus the mirror holder and its function.
  • the holding part 7 is mounted on the base part 8 via holding joints 20.
  • the holding joints 20 prevent movement of the holding part 7 relative to the base part 8 in the x and y directions (see coordinate system in FIG. 2). In this way, the holding part 7 is fixed to the base part 8.
  • the Holding joints 20 designed as a double plate joints with joint plates in the x-y plane.
  • the control joints 21 each include a first pivot lever 23 and a second pivot lever 22 and connecting rods 24 (see Figures 5 to 7) and hinges 25, 27 and 28.
  • the pivot levers 22 and 23 serve the vertical linear movement of the adjusting spindles 11 and 12 in to transform a horizontal movement.
  • the pivot levers 22 and 23 are each connected via a first joint 25 to the base part 8.
  • the first pivot lever 23 has a T-shape
  • the second pivot lever 22 has an L-shape.
  • the pivot levers 22, 23 are connected via the connecting rods 24 with the holding part 7.
  • the illustrated embodiment comprises a total of three such connecting rods.
  • a first rod is arranged at the upper end of the vertical leg of the second pivot lever 22, a second rod at the lower end of the first pivot lever 23 and a third rod at the upper end of the first pivot lever 23.
  • This Joints are stiff in the z-direction and allow rotation about the horizontal axis perpendicular to the direction of motion.
  • the other side of the respective rod 24 is connected to the holding part 7 via a rotary joint 28.
  • the hinge 28 is stiff in the z-direction but allows rotation about the x and y axes.
  • the Combination of joint 27, rod 24 and joint 28 each forms a second or third joint in the context of the invention.
  • connection points between the holding part 7 and the pivot levers 22, 23, in combination with the design of the pivot lever 22 and 23 as an L-lever or as a T-lever allows decoupled tilting about the vertical and horizontal pivot axis.
  • the joint between the second pivot lever 22 and the holding part 7 is vertically centered, horizontally placed laterally.
  • the connecting rod 24 of the second pivoting lever 22 moves one side of the holding part 7 back and forth. This movement results in a tilt around the vertical tilt axis.
  • the joints designated 28 in Figures 6 and 7 experience at the same time a tensile or shear load. However, because the articulated joints 28 are connected by the rigid first pivot lever 23, there is no translational movement of the support member 7 but rotation, i. the desired tilt around the vertical tilt axis instead.
  • the horizontal tilting axis is determined by the connection point between the second pivoting lever 22 and holding part 7 and by the pivot point 29 shown in FIG. 7, which lies at the center between the two connection points 28 (see FIG. 7). Because the forward movement of one (e.g., upper) joint 28 is equal to the rearward movement of the other (e.g., lower) joint 28, the second pivot lever 22 does not experience a net force. Again, a pure tilting takes place.
  • the invention described above provides a kinematic holder which is monolithically manufacturable, can be operated from above or laterally and enables gimbal tilting of the retained component.
  • the invention allows a compact, vibration-insensitive and inexpensive construction of the kinematic holder.
  • suitable actuators such as piezo actuators as a replacement for the adjusting spindles shown in the figures, the holder can be easily adjusted automatically.
  • the actuators of the kinematic holder according to the invention have a pure positioning function and serve, unlike in known from the prior art kinematic holders, not also for guiding the holding part relative to the base part. This results in improved stability, especially with shock loads.
  • the gimbal is particularly advantageous for optical applications because it makes it possible to tilt the light beam without changing the optical path.
  • the kinematic holder according to the invention allows a construction in which the holding part is connected at its edge to the base part. This makes it possible to position the component to be held, for example a mirror, at the intersection of the tilt axes. This excludes a beam offset when adjusting the tilting. Even if the optical element is installed slightly offset in the z direction, the beam offset is many times smaller than with conventional kinematic holders.
  • FIG. Such an embodiment is shown in FIG. In this embodiment, the surface of the mirror 9, which is mounted without adapter to the holding part 7, in the z-direction further forward.
  • the return springs 17 and 26 unlike in known from the prior art kinematic holders, do not directly load the holding part.
  • the holding part is therefore not deformed, which is of great advantage in optical applications, in particular for the mounting of polarization optics or lenses.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kinematischer Halter mit einem Basisteil (8) und einem an dem Basisteil (8) gelagerten und relativ zu diesem um wenigstens eine Kippachse verkippbaren Halteteil (7). Die Erfindung schlägt vor, dass der Halter wenigstens einen Schwenkhebel (22, 23) aufweist, der mit dem Basisteil (8) über ein erstes Gelenk (25) und mit dem Halteteil (7) über ein von dem ersten Gelenk (25) in Längsrichtung des Schwenkhebels (22, 23) beabstandetes zweites Gelenk (27, 24, 28) verbunden ist, wobei das Basisteil (8), der Schwenkhebel (22, 23) und das Halteteil (7) ein Getriebe bilden, das eine Bewegung eines auf den Schwenkhebel (22, 23) einwirkenden Stellorgans (11, 12) in eine Verkippung des Halteteils (7) relativ zum Basisteil (8) umsetzt.

Description

Kinematischer Halter
Die Erfindung betrifft einen kinematischen Halter mit einem Basisteil und einem an dem Basisteil gelagerten und relativ zu diesem um wenigstens eine Kippachse verkippbaren Halteteil.
Derartige kinematische Halter werden z.B. zur justierbaren Halterung von optischen Elementen verwendet. Üblich ist der Einsatz von kinematischen Haltern zur justierbaren Halterung von optischen Elementen, wie z.B. Spiegeln, in Lasersystemen. Solche kinematischen Halter werden auch als Spiegelhalter oder kardanische Spiegelhalter bezeichnet.
Die Figur 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten kinematischen Spiegelhalters. Dieser umfasst ein verkippbares Halteteil 1 mit einer zentralen kreisrunden Bohrung, in welcher ein justierbar zu halternder Spiegel befestigbar ist. Das Halteteil 1 ist an einem Basisteil 2 gelagert. Halteteil 1 und Basisteil 2 sind über Zugfedern 3 gegeneinander vorgespannt. Das Basisteil 2 weist drei mit Innengewinden versehene Bohrungen auf, in denen Stellspindeln 4, 5 und 6 in Form von Schrauben geführt sind. An der dem Halteteil 1 zugewandten Seite weisen die Spindeln 4, 5 und 6 hemisphärische Enden oder Kugelenden auf. Eine gewünschte relative Kippstellung des Halteteils 1 zum Basisteil 2 wird erhalten, indem die drei Spindeln 4, 5 und 6 entsprechend eingestellt werden.
In einem typischen optischen Aufbau ist die Oberfläche eines mittels eines kinematischen Halters gehaltenen Spiegels (nahezu) vertikal und muss relativ zu einem horizontal ausgerichteten optischen Tisch justiert werden. Die in der Figur 1 dargestellten Stellspindeln 4, 5 und 6 erstrecken sich dann horizontal, d.h. senkrecht zur Spiegeloberfläche. Bei dem vorbekannten Halter erfolgt dann die Justage mittels der Spindeln 4, 5 und 6 von der Rückseite oder der Vorderseite des Spiegels her. Für die Justage müssen die Spindeln 4, 5 und 6 frei zugänglich sein. Aus diesem Grund kann der optische Aufbau nicht beliebig kompakt ausgeführt werden. Nachteilig ist, anders ausgedrückt, dass bei einem kompakten optischen Aufbau die Justage des vorbekannten und kinematischen Spiegelhalters mangels ausreichender Zugänglichkeit der Stellspindeln 4, 5 und 6 erschwert ist. Um diese Problematik zu umgehen, können zusätzliche Justagewerkzeuge eingesetzt werden. Der Einsatz von Justagewerkzeugen ist jedoch problematisch, da bei Behinderung des Strahlengangs kein Signal für die Justage mehr vorhanden ist. Außerdem kann beim Umgang mit hohen Leistungen, wie beispielsweise bei Laserresonatoren, der Einsatz von Justagewerkzeugen gefährlich sein.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten kinematischen Halter bereitzustellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem kinematischen Halter der eingangs angegebenen Art dadurch, dass der Halter wenigstens einen Schwenkhebel aufweist, der mit dem Basisteil über ein erstes Gelenk und mit dem Halteteil über ein von dem ersten Gelenk in Längsrichtung des Schwenkhebels beabstandetes zweites Gelenk verbunden ist, wobei das Basisteil, der Schwenkhebel und das Halteteil ein Getriebe bilden, das eine Bewegung eines auf den Schwenkhebel einwirkenden Stellorgans in eine Verkippung des Halteteils relativ zum Basisteil umsetzt.
Das aus dem Basisteil, dem Schwenkhebel und dem Halteteil gebildete Getriebe des erfindungsgemäßen kinematischen Halters ermöglicht es, das Stellorgan dort anzuordnen, wo es gut zugänglich ist. Beispielsweise kann bei einem Spiegelhalter, der für einen horizontal ausgerichteten optischen Aufbau bestimmt ist, das Getriebe so ausgelegt sein, dass sich das Stellorgan an der Oberseite des Halters befindet. Die Verkippung des Halteteils relativ zum Basisteil kann dann von oben her justiert werden, so dass freie Bereiche um den optischen Halter herum, die eine Zugänglichkeit des Stellorgans sicherstellen sollen, nicht mehr nötig sind. Der optische Aufbau kann entsprechend kompakt ausgeführt werden.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Justage durchgeführt werden kann, ohne den Strahlengang des Lichts in dem optischen Aufbau zu behindern. Der kinematische Halter kann je nach Bedarf so ausgerichtet werden, dass sich das Stellorgan oben oder an einer der Seiten befindet.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen kinematischen Halters ist, dass dieser sehr einfach durch Verwenden von geeigneten Aktuatoren (Servo- motoren, Linearmotoren, Schrittmotoren, Piezoantrieben etc.) als Stellorgan zur automatisierten Justage genutzt werden kann. Bei Ausrichtung des Halters zur Justage von oben können die Aktuatoren an der Oberseite des Halters angebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Abwärme der Aktuatoren nicht in das optische System eingetragen wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des kinematischen Halters gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Halter zwei Schwenkhebel, nämlich einen ersten Schwenkhebel und einen zweiten Schwenkhebel, sowie ein erstes Stellorgan und ein zweites Stellorgan umfasst, wobei das Basisteil, der erste Schwenkhebel und das Halteteil ein erstes Getriebe bilden, das eine Bewegung des auf den ersten Schwenkhebel einwirkenden ersten Stellorgans in eine Verkippung des Halteteils relativ zum Basisteil um eine horizontale Kippachse umsetzt, und wobei das Basisteil, der zweite Schwenkhebel und das Halteteil ein zweites Getriebe bilden, das eine Bewegung des auf den zweiten Schwenkhebel einwirkenden zweiten Stellorgans in eine Verkippung des Halteteils relativ zum Basisteil um eine vertikale Kippachse umsetzt. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine kardanische Halterung, bei der die Verkippung um die horizontale Kippachse und die Verkippung um die vertikale Kippachse unabhängig voneinander mittels der entsprechenden Stellorgane justiert werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Halter muss nur ein Stellorgan pro Kippachse betätigt werden, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist. Durch diese Ausgestaltung wird weiterhin ein wesentlicher Nachteil herkömmlicher kinematischer Halter überwunden, der darin besteht, dass eine Verkippung um eine Achse durch Betätigung nur eines Stellorgans stets mit einem Versatz des gehalterten optischen Elementes in axialer Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur vertikalen und horizontalen Kippachse, einhergeht. Um diesen Versatz zu vermeiden, müssen bei herkömmlichen kinematischen Haltern stets alle Stellorgane gleichzeitig betätigt werden, was aufwändig und schwierig ist. Dies ist bei dem kinematischen Halter gemäß der Erfindung nicht erforderlich. Ein Versatz tritt nicht auf, da die Getriebe des Halters so ausgelegt werden können, dass, wie zuvor erwähnt, mittels der entsprechenden Stellorgane unabhängige Verkippungen um die horizontale und die vertikale Kippachse möglich sind. Ein optisches Element kann dann so an dem Halteteil befestigt werden, dass sich der Kreuzungspunkt der Kippachsen auf der Oberfläche des optischen Elementes (z.B. des Spiegels) befindet. Auf diese Weise ist ein mit der Justage einhergehender Versatz des optischen Elementes ausgeschlossen. Dies ist vorteilhaft für die Halterung verschiedenster optischer Elemente, wie z.B. Spiegeln, Verzögerungsplatten, Linsen usw.
Vorzugsweise ist bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kinematischen Halters das zweite Gelenk des ersten Schwenkhebels im Wesentlichen auf der vertikalen Kippachse angeordnet, während das zweite Gelenk des zweiten Schwenkhebels im Wesentlichen auf der horizontalen Kippachse angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung greifen die Schwenkhebel über deren zweite Gelenke in einem Winkelabstand von im Wesentlichen 90° in Bezug auf den Kreuzungspunkt der Kippachsen an dem Halteteil an. Bei Betätigung des ersten Stellorgans greift der erste Schwenkhebel über sein zweites Gelenk an dem Halteteil an und bewirkt so eine Verkippung des Halteteils um die durch das zweite Gelenk des zweiten Schwenkhebels definierte horizontale Kippachse. Entsprechend verhält es sich bei einer Verkippung des Halteteils um die vertikale Kippachse, die dann durch das zweite Gelenk des ersten Schwenkhebels definiert ist.
Der erste oder der zweite Schwenkhebel kann über ein drittes Gelenk mit dem
Halteteil verbunden sein, wobei das erste Gelenk in Längsrichtung des Schwenkhebels mittig zwischen dem zweiten und dem dritten Gelenk angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Halteteil mit einem der Schwenkhebel über zwei Gelenke und mit dem anderen Halteteil über ein Gelenk verbunden. Die Verbindung des Halteteils mit den die Verkippung bewirkenden Schwenkhebeln über die insgesamt drei Anlenkpunkte sorgt für eine stabile und wohl definierte Festlegung der horizontalen und vertikalen Kippachsen.
Bei einer praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kinematischen Halters sind die Stellorgane Stellspindeln, die an dem Basisteil über Gewinde geführt sind, wobei die Längsachsen der Stellspindeln parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zu der durch die beiden Kippachsen definierten Vertikalebene ausgerichtet sind. Bei dieser Ausgestaltung sorgen die durch Basisteil, Schwenkhebel und Halteteil gebildeten Getriebe dafür, dass die Längsbewegungen der Stellspindeln in um 90° versetzte Längsbewegungen der Anlenkpunkte der Schwenkhebel an dem Halteteil umgesetzt werden, um die jeweils gewünschte Verkippung zu bewirken. Diese Ausgestaltung kann genutzt werden, um bei einem horizontalen optischen Aufbau eine Justage eines an dem Halteteil befestigten optischen Elementes von oben oder von der Seite her durchzuführen. Eine besonders praktische Realisierungsmöglichkeit besteht dabei darin, dass die Enden der Stellspindeln über an den Schwenkhebeln ausgebildete Planflächen an den Schwenkhebeln angreifen. Hierzu können die Schwenkhebel beispielsweise L-förmig oder T-förmig ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kinematischen Halters ist vorgesehen, dass das Halteteil an dem Basisteil über Haltegelenke gelagert ist, die eine zu den Kippachsen parallele Horizontal- oder Vertikalbewegung im Wesentlichen unterbinden. Bei dieser Ausgestaltung stellen die Haltegelenke sicher, dass das Halteteil keine unerwünschte Bewegung in der durch die horizontale und vertikale Kippachse gebildeten Vertikalebene durchführt. Die Haltegelenke ermöglichen nur eine relative Beweglichkeit des Halteteils zum Basisteil in axialer Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur vertikalen und horizontalen Kippachse. Diese axiale Beweglichkeit ermöglicht die Verkippung des Halteteils relativ zum Basisteil. Vorzugsweise ist das Halteteil an dessen Umfangsrand über mehrere Haltegelenke mit dem Basisteil verbunden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Gelenke des erfindungsgemäßen kinematischen Halters Festkörpergelenke, wobei das Basisteil mit dem Halteteil und mit dem wenigstens einen Schwenkhebel monolithisch ausgebildet ist. Die monolithische Ausbildung ermöglicht einen kompakten Aufbau des kinematischen Halters, der außerdem vibrationsunempfindlich, temperaturstabil und günstig herstellbar ist. Die monolithische Fertigung (z.B. durch Drahterosion) ermöglicht zudem eine einfache Skalierung hinsichtlich der Dimensionen des kinematischen Halters, bis hin zu einem sehr kleinen und extrem kompakten Aufbau. Das erste und das zweite Gelenk des wenigstens einen Schwenkhebels sind zweckmäßigerweise Drehgelenke, wobei das erste Gelenk eine Drehfreiheit und das zweite Gelenk zwei Drehfreiheiten hat. Für das erste Gelenk reicht eine Drehfreiheit aus, da das erste Gelenk nur für die Schwenkbewegung des Schwenkhebels bei der Umsetzung der Bewegung des Stellorgans in die Verkippung um die entsprechende Achse zuständig ist. Das zweite Gelenk, das den Schwenkhebel mit dem Halteteil verbindet, muss zwei Drehfreiheiten aufweisen, damit Verkippungen um zwei unterschiedliche Kippachsen möglich sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : isometrische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten kinematischen Spiegelhalters;
Figur 2: isometrische Ansicht eines Spiegelhalters gemäß der Erfindung;
Figur 3: Explosionsdarstellung des Spiegelhalters gemäß Figur 2;
Figur 4: Darstellung der Festkörpergelenke des
Spiegelhalters;
Figur 5: teilweise geschnittene isometrische Ansicht des Spiegelhalters; Figur 6: Illustration der Funktion bei horizontaler Verkippung;
Figur 7: Illustration der Funktion bei vertikaler Verkippung;
Figur 8: alternatives Ausführungsbeispiel des Spiegelhalters.
Die Figur 2 ist eine isometrische Ansicht und Figur 3 eine isometrische Explosionsansicht eines kinematischen Spiegelhalters gemäß der Erfindung. Der Halter umfasst ein Halteteil 7, das an einem Basisteil 8 gelagert ist. Über einen Adapter 16 ist an dem Halteteil 7 ein Spiegel 9 befestigt. Der Spiegel 9 wird an dem Adapter 16 mittels einer Klemmschraube 19 fixiert. Der Spiegel 9 ist mit dem Halteteil 7 relativ zum Basisteil 8 verkippbar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Basisteil 8 mit dem Halteteil 7 monolithisch ausgebildet. Dabei sind Halteteil 7 und Basisteil 8 über ein System von Festkörpergelenken, die in Figur 2 insgesamt mit 10 bezeichnet sind, miteinander verbunden. Zur Justage der relativen Verkippung von Halteteil 7 und Basisteil 8 dienen als Stellorgane zwei Stellspindeln 11 und 12, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von oben her zugänglich sind. Die Stellspindeln 11 und 12 sind an einem Grundträger 13, der mit dem Basisteil 8 fest verbunden ist, über Gewinde geführt. Der Grundträger 13 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Basisteil 8 über Schrauben 14 zu einem kompakten Bauteil verschraubt. Die unteren Enden der Stellspindeln 11 und 12 greifen über Planflächen 15 an in Figur 3 insgesamt mit 18 bezeichneten Schwenkhebeln 18 an. In Figur 3 mit 17 bezeichnete Federn erzeugen eine Vorspannung zwischen dem Grundträger 13, den Schwenkhebeln 18 und den Stellspindeln 11 und 12.
Die Figuren 4 bis 7 illustrieren die Ausgestaltung des Justagemechanismus des Spiegelhalters sowie dessen Funktion. Das Halteteil 7 ist an dem Basisteil 8 über Haltegelenke 20 gelagert. Die Haltegelenke 20 unterbinden eine Bewegung des Halteteils 7 relativ zum Basisteil 8 in x- und y-Richtung (siehe Koordinatensystem in Figur 2). Auf diese Weise wird das Halteteil 7 an dem Basisteil 8 fixiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Haltegelenke 20 als Doppelplattengelenke mit Gelenkplatten in der x- y-Ebene ausgestaltet. Wie in der Figur 4 zu erkennen ist, verbinden die Haltegelenke 20 das Halteteil 7 im Bereich seines Umfangsrandes mit dem Basisteil 8. In Figur 4 insgesamt mit 21 bezeichnete Steuergelenke, die ebenfalls das Halteteil 7 mit dem Basisteil 8 verbinden, bewirken die Verkippung des Halteteils 7 relativ zum Basisteil 8 um die in der Figur 5 eingezeichnete horizontale und vertikale Kippachse.
Die Steuergelenke 21 umfassen jeweils einen ersten Schwenkhebel 23 und einen zweiten Schwenkhebel 22 sowie Verbindungsstangen 24 (siehe Figuren 5 bis 7) und Drehgelenke 25, 27 und 28. Die Schwenkhebel 22 und 23 dienen dazu, die vertikale lineare Bewegung der Stellspindeln 11 und 12 in eine horizontale Bewegung umzuwandeln. Hierzu sind die Schwenkhebel 22 und 23 jeweils über ein erstes Gelenk 25 mit dem Basisteil 8 verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der erste Schwenkhebel 23 eine T-Form, während der zweite Schwenkhebel 22 eine L-Form hat. Wenn der horizontale Schenkel eines Schwenkhebels 22 oder 23 durch die entsprechende Stellspindel 11 oder 12 nach unten gedrückt wird, bewegt sich der jeweilige vertikale Schenkel in Form einer Schwenkbewegung um das Festkörperdrehgelenk 25. In den Figuren 6 und 7 mit 26 bezeichnete Druckfedern bewirken die entsprechende Bewegung in der jeweils entgegengesetzten Richtung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Schwenkhebel 23 mittig und der zweite Schwenkhebel 22 seitlich an dem kinematischen Halter angeordnet.
Die Schwenkhebel 22, 23 sind über die Verbindungsstangen 24 mit dem Halteteil 7 verbunden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst insgesamt drei solcher Verbindungsstangen. Eine erste Stange ist am oberen Ende des vertikalen Schenkels des zweiten Schwenkhebels 22 angeordnet, eine zweite Stange am unteren Ende des ersten Schwenkhebels 23 und eine dritte Stange am oberen Ende des ersten Schwenkhebels 23. Die Verbindung mit dem Halteteil 7 erfolgt über Gelenke 27. Diese Gelenke sind in der z-Richtung steif und erlauben eine Rotation um die horizontale Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung. Die andere Seite der jeweiligen Stange 24 ist mit dem Halteteil 7 über ein Drehgelenk 28 verbunden. Das Drehgelenk 28 ist in der z- Richtung steif, erlaubt jedoch eine Rotation um die x- und y-Achse. Die Kombination aus Gelenk 27, Stange 24 und Gelenk 28 bildet jeweils ein zweites bzw. drittes Gelenk im Sinne der Erfindung.
Die in den Figuren dargestellte Positionierung der Anlenkpunkte, d.h. der Verbindungsstellen zwischen dem Halteteil 7 und den Schwenkhebeln 22, 23, in Kombination mit der Gestaltung der Schwenkhebel 22 und 23 als L-Hebel bzw. als T-Hebel erlaubt eine entkoppelte Verkippung um die vertikale und horizontale Schwenkachse.
Die obere und die untere Verbindungsstelle des ersten Schwenkhebels 23, d.h. die zweiten und dritten Gelenke im Sinne der Erfindung, definieren die vertikale Kippachse, dabei sind die zweiten und dritten Gelenke oben und unten vertikal symmetrisch um die horizontale Kippachse horizontal mittig platziert. Die Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Schwenkhebel 22 und dem Halteteil 7 ist vertikal mittig, horizontal seitlich platziert. Die Verbindungsstange 24 des zweiten Schwenkhebels 22 bewegt eine Seite des Halteteils 7 vor und zurück. Diese Bewegung resultiert in einer Verkippung um die vertikale Kippachse. Die in den Figuren 6 und 7 mit 28 bezeichneten Verbindungsstellen erfahren dabei gleichzeitig eine Zug- bzw. Schubbelastung. Da die gelenkigen Verbindungsstellen 28 jedoch durch den starren ersten Schwenkhebel 23 verbunden sind, findet keine translatorische Bewegung des Halteteils 7, sondern eine Rotation, d.h. die gewünschte Verkippung um die vertikale Kippachse statt.
Die horizontale Kippachse wird bestimmt durch die Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Schwenkhebel 22 und Halteteil 7 sowie durch den in der Figur 7 eingezeichneten Drehpunkt 29, der im Mittelpunkt zwischen den beiden Verbindungsstellen 28 liegt (siehe Figur 7). Weil die Vorwärtsbewegung der einen (z.B. der oberen) Verbindungsstelle 28 gleich der Rückwärtsbewegung der anderen (z.B. der unteren) Verbindungsstelle 28 ist, erfährt der zweite Schwenkhebel 22 keine resultierende Kraft. Wiederum findet eine reine Verkippung statt.
Die zuvor beschriebene Erfindung stellt einen kinematischen Halter bereit, der monolithisch fertigbar ist, von oben her oder seitlich bedienbar ist und eine kardanische Verkippung der gehalterten Komponente ermöglicht. Weiterhin erlaubt die Erfindung einen kompakten, vibrationsunempfindlichen und kostengünstigen Aufbau des kinematischen Halters. Durch Hinzufügen von geeigneten Aktuatoren, beispielsweise von Piezoaktuatoren als Ersatz für die in den Figuren dargestellten Stellspindeln, lässt sich der Halter leicht automatisiert justieren.
Die Stellorgane des erfindungsgemäßen kinematischen Halters haben eine reine Stellfunktion und dienen, anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten kinematischen Haltern, nicht auch zur Führung des Halteteils relativ zum Basisteil. Daraus resultiert eine verbesserte Stabilität, vor allem bei Schockbelastungen.
Die kardanische Halterung ist vor allem für optische Anwendungen vorteilhaft, weil es hierdurch möglich wird, den Lichtstrahl zu verkippen, ohne den optischen Weg zu ändern.
Der erfindungsgemäße kinematische Halter ermöglicht eine Konstruktion, bei welcher das Halteteil an seinem Rand mit dem Basisteil verbunden ist. Dies erlaubt es, die zu haltemde Komponente, beispielsweise einen Spiegel, im Schnittpunkt der Kippachsen zu positionieren. Dies schließt einen Strahlversatz bei Justierung der Verkippung aus. Auch wenn das optische Element in z- Richtung leicht versetzt eingebaut ist, ist der Strahlversatz um ein Vielfaches kleiner als bei herkömmlichen kinematischen Haltern. Eine solche Ausführungsform ist in der Figur 8 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich die Oberfläche des Spiegels 9, der ohne Adapter an dem Halteteil 7 angebracht ist, in z-Richtung weiter vorne.
Schließlich ist zu erwähnen, dass bei der in den Figuren dargestellten Konstruktion die Rückstellfedern 17 bzw. 26, anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten kinematischen Haltern, nicht direkt das Halteteil belasten. Das Halteteil wird daher nicht verformt, was bei optischen Anwendungen von großem Vorteil ist, insbesondere für die Halterung von Polarisationsoptiken oder Linsen.

Claims

Patentansprüche
1. Kinematischer Halter mit einem Basisteil (8) und einem an dem Basisteil (8) gelagerten und relativ zu diesem um wenigstens eine Kippachse verkippbaren Halteteil (7), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens einen Schwenkhebel (22, 23), der mit dem Basisteil (8) über ein erstes Gelenk (25) und mit dem Halteteil (7) über ein von dem ersten Gelenk (25) in Längsrichtung des Schwenkhebels (22, 23) beabstandetes zweites Gelenk (27, 24, 28) verbunden ist, wobei das Basisteil (8), der Schwenkhebel (22, 23) und das Halteteil (7) ein Getriebe bilden, das eine Bewegung eines auf den Schwenkhebel (22, 23) einwirkenden Stellorgans (11 , 12) in eine Verkippung des Halteteils (7) relativ zum Basisteil (8) umsetzt.
2. Kinematischer Halter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Halter zwei Schwenkhebel (22, 23), nämlich einen ersten
Schwenkhebel (23) und einen zweiten Schwenkhebel (22), sowie ein erstes Stellorgan (11 ) und ein zweites Stellorgan (12) umfasst, wobei das Basisteil (8), der erste Schwenkhebel (23) und das Halteteil (7) ein erstes Getriebe bilden, das eine Bewegung des auf den ersten Schwenkhebel (23) einwirkenden ersten Stellorgans (11 ) in eine Verkippung des Halteteils (7) relativ zum Basisteil (8) um eine horizontale Kippachse umsetzt, und wobei das Basisteil (8), der zweite Schwenkhebel (22) und das Halteteil (7) ein zweites Getriebe bilden, das eine Bewegung des auf den zweiten Schwenkhebel (22) einwirkenden zweiten Stellorgans (12) in eine Verkippung des Halteteils (7) relativ zum Basisteil (8) um eine vertikale Kippachse umsetzt.
3. Kinematischer Halter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gelenk (27, 24, 28) des ersten Schwenkhebels (23) im Wesentlichen auf der vertikalen Kippachse angeordnet ist und das zweite Gelenk (27, 24, 28) des zweiten Schwenkhebels (22) im Wesentlichen auf der horizontalen Kippachse angeordnet ist.
4. Kinematischer Halter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Schwenkhebel (22, 23) über ein drittes Gelenk (27, 24, 28) mit dem Halteteil (7) verbunden ist, wobei das erste Gelenk (25) in Längsrichtung des Schwenkhebels (22, 23) mittig zwischen dem zweiten und dem dritten Gelenk (27, 24, 28) angeordnet ist.
5. Kinematischer Halter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellorgane (1 1 , 12) Stellspindeln sind, die an dem Basisteil (8) oder an einem mit dem Basisteil fest verbundenen Teil über Gewinde geführt sind, wobei die Längsachsen der Stellspindeln (1 1 , 12) parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zu der durch die beiden Kippachsen definierten Vertikalebene ausgerichtet sind.
6. Kinematischer Halter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Stellspindeln (1 1 , 12) über an den Schwenkhebeln (22, 23) ausgebildete Planflächen (15) an den Schwenkhebeln (22, 23) angreifen.
7. Kinematischer Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil (7) an dem Basisteil (8) über Haltegelenke (20) gelagert ist, die eine zu den Kippachsen parallele Horizontaloder Vertikalbewegung im Wesentlichen unterbinden.
8. Kinematischer Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (20, 21 , 25, 27, 24, 28) Festkörpergelenke sind, wobei das Basisteil (8) mit dem Halteteil (7) und mit dem wenigstens einen Schwenkhebel (22, 23) monolithisch ausgebildet ist.
9. Kinematischer Halter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Gelenk (25, 27, 24, 28) Drehgelenke sind, wobei das erste Gelenk (25) eine Drehfreiheit und das zweite Gelenk (27, 24, 28) zwei Drehfreiheiten hat.
10. Kinematischer Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Halteteil (7) ein optisches Element (9) befestigbar ist, wobei sich der Kreuzungspunkt der Kippachsen auf der Oberfläche des optischen Elementes (9) befindet.
11. Kinematischer Halter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (9) ein Spiegel, eine Verzögerungsplatte oder eine
Linse ist.
12. Kinematischer Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan einen Aktuator, nämlich einen Servomotor, einen Linearmotor, einen Schrittmotor, einen Piezoantrieb oder dergleichen, umfasst.
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