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Die
Erfindung betrifft ein mikrooptisches Verstellelement, umfassend
einen Rahmen, einen innerhalb des Rahmens beweglich gelagerten Träger mit mikrooptischen
Komponenten sowie einen am Rahmen angebrachten Aktor zum Positionieren
des Trägers.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines solchen mikrooptischen
Verstellelements in einer Abbildungsoptik.
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Mikrooptische
Verstellelemente werden beispielsweise in Infrarot-Suchköpfen zur
Abbildung von Teilgesichtsfeldern auf einen Detektor eingesetzt. Eine
entsprechende Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene auf einen
Detektor ist z.B. der
DE
10 2004 020 615 A1 zu entnehmen. Um ein großes Blickfeld
mit hoher räumlicher
Auflösung
erfassen und auf den Detektor abbilden zu können, ist hierbei ein Prismenaufsatz
vorgesehen, der die Blickrichtung des Detektors in jeweils einen
von vier Ausschnitten der Objektszene lenkt. In einer Zwischenbildebene sind
zwei Mikrolinsen-Gitter angeordnet, die in der Bildebene zueinander
bewegt werden. Durch Bewegung der Mikrolinsen-Gitter erfolgt ein
Umschalten der einzelnen Ausschnitte der Objektszene, die zeitlich
hintereinander auf den Detektor abgebildet werden. Dadurch ist eine
vervierfacht bessere Auflösung der
Objektszene erreicht. Die Geschwindigkeit, mit der die Objektszenen
hintereinander abgebildet werden, hängt von der Zeit ab, die benötigt wird,
um den entsprechenden Ausschnitt einzustellen. Hierbei beeinflussen
insbesondere die erreichbare Beschleunigung der Mikrolinsen-Gitter
bei deren Bewegung sowie Vibrationen im Betrieb des mikrooptischen
Verstellelements die Stabilität
des Systems und die Zeit zum Umschalten der Ausschnitte.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mikrooptisches Verstellelement
mit einem Träger mit
mikrooptischen Komponenten anzugeben, das sich durch ein Umpositionieren
des Trägers
insbesondere für
eine schaltbare Abbildung von Teilgesichtsfeldern auf einen Detektor
eignet. Hierzu soll das mikrooptische Verstellelement ein möglichst schnelles
Umpositionieren des Trägers
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein mikrooptisches Verstellelement, umfassend einen Rahmen, einen
innerhalb des Rahmens beweglich gelagerten Träger mit mikrooptischen Komponenten
sowie einen am Rahmen angebrachten Aktor zum Positionieren des Trägers, wobei
ein bezüglich
des Rahmens fester mechanischer Anschlag zur Definition einer stabilen
Stellung des Trägers
gegenüber
dem Rahmen vorgesehen ist, gegen den der Aktor bei einer Aktivierung
wirkt.
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Die
Erfindung basiert auf der Überlegung, dass
ein besonders schnelles Umpositionieren des Trägers möglich ist, indem der Träger wiederholt
in eine mechanisch definierte, stabile Stellung gebracht wird. Eine
solche stabile Stellung ist durch den mechanischen Anschlag definiert.
Hierbei ist der mechanische Anschlag derart positioniert, dass eine
der beweglichen Komponenten des mikrooptischen Verstellelements,
beispielsweise der Träger
oder der Aktor, an den mechanischen Anschlag anschlägt. Da der Aktor
bei Aktivierung gegen den mechanischen Anschlag wirkt, ist eine
räumlich
definierte Endposition des Trägers
realisiert. Zudem werden hierdurch Schwingungen des Trägers beim
Anschlag gedämpft.
Dadurch wird wenig Zeit benötigt,
etwa in der Größenordnung
von wenigen Millisekunden, um den Träger sicher in die stabile Stellung
zu bringen und zu erhalten. Hierdurch lässt sich eine hohe Umschaltfrequenz
des Trägers
erreichen.
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Als
gegen den Anschlag wirkende Aktoren können insbesondere Biegeaktoren
verwendet werden, bei welchen eine Aktivierung, beispielsweise durch
Anlegen eines elektrischen Signals wie einer Spannung oder eines
Stromes zu einer Biegung und somit zu einer Auslenkung eines freien
Endes führt. Derartige
Biegeaktoren weisen einen relativ geringen Platzbedarf auf und können mit
geeignet hoher Frequenz betrieben werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
ist der Aktor ein piezoelektrischer Biegewandler. Piezoelektrische
Biegewandler finden heutzutage eine Vielzahl von Anwendungen in
Fluggeräten
und Fahrzeugen. Sie werden als Verstellelemente in der Ventiltechnik
oder in Geräten
der Elektronik, beispielsweise in Audiogeräten, genauso eingesetzt wie
als Sensoren zur Beschleunigungsmessung. Sie zeichnen sich durch
ihre kompakte Abmessung, einfache Herstellung und geringe Leistungsaufnahme auf.
Ein Biegewandler kann mit oder ohne Tragkörper mit einer oder mehreren
Schichten Piezokeramik ausgestattet sein. Je nach Anzahl der piezokeramischen
Schichten spricht man hierbei von einem Mono-, Bi- Tri- oder allgemein
Multimorph. Eine einseitig auf einem Träger aufgebrachte Schichtenabfolge
erlaubt insbesondere eine optimierte Auslenkung des Biegewandlers
in eine Richtung, während eine
beidseitige Schichtenabfolge eine optimierte Auslenkung in zwei
Richtungen ermöglicht.
Für den im
mikrooptischen Verstellelement einzusetzenden Biegewandler bietet
sich insbesondere ein Serien- oder Parallelbimorph an, die sich
in der Richtung der Polarisation der Keramikschichten und in deren
elektrischer Beschaltung (in Serie oder parallel) unterscheiden.
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Der
Aktor besteht vorzugsweise aus zwei parallel angeordneten Biegewandlern.
Diese Ausführungsform
zeichnet sich durch ihre Stabilität und durch die Möglichkeit
aus, zwei definierte stabile Stellungen zu schaffen. Insbesondere
ist einer der Aktoren für
eine Bewegung zum mechanischen Anschlag hin und der andere für eine Bewegung
vom mechanischen Anschlag weg vorgesehen, wodurch ein hinsichtlich
Stellkraft und Stellgeschwindigkeit reproduzierbarer Bewegungsablauf
des Aktors erreicht ist.
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Bevorzugt
wirken der Aktor und der mechanische Anschlag derart zusammen, dass
zwei stabile Stellungen des Trägers
definiert sind. Hierbei kann zusätzlich
die oszillierende Bewegung des Trägers ausgenutzt werden, um
die Schaltzeit weiter zu verkürzen,
indem der Träger
zwischen den stabilen Stellungen an beiden Enden seiner Wegstrecke
mit seiner Eigenfrequenz hin- und herbewegt wird. Außerdem ist
eine bistabile Positionierung des Trägers und somit der mikrooptischen
Komponenten für
viele Anwendungen des Verstellelements von großem Vorteil. Zum Beispiel kann
durch die bistabile Positionierung des Trägers ein die mikrooptischen
Komponenten durchdringender Strahlengang in zwei unterschiedliche
Richtungen gelenkt werden.
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Weiter
bevorzugt weist der Aktor ein etwa U-förmiges Element auf, das zum
Anschlagen an den mechanischen Anschlag mittels seiner Schenkel
vorgesehen ist. Hierbei wird die bistabile Positionierung des Trägers durch
eine direkte mechanische Wechselwirkung zwischen dem Aktor und dem
mechanischen Anschlag erreicht. Diese Ausgestaltung erfordert sehr
wenige konstruktive Mittel und ist besonders platzsparend, da die
Abmessungen sowohl des Aktors als auch des mechanischen Anschlags
klein gehalten werden können.
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Zweckdienlicherweise
ist der mechanische Anschlag ein Stab. Der Stab ist beispielsweise
zwischen den Schenkeln des U-förmiges
Element positioniert und erstreckt sich etwa senkrecht zur Bewegungsebene
des Aktors. Der besondere Vorteil hierbei ist, dass je nach Ausführung des
Stabquerschnitts (kreisförmig
oder rechteckig) ein linearer oder gar flächiger Kontakt zwischen dem
mechanischen Anschlag und den Schenkeln des Aktors erfolgt, der
besonders stoß-
und vibrationsfest ist.
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Vorteilhafterweise
besteht der mechanische Anschlag aus einem keramischen Werkstoff.
Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch ihre hohe Härte, durch
ihre Verschleißfestigkeit
und durch leichtes Gewicht aus. Außerdem haben sie eine sehr
gute Temperaturbeständigkeit
und einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
so dass sich die relative Position des mechanischen Anschlags gegenüber dem
Aktor oder dem Träger
bei einer Änderung
der Umgebungstemperatur nur vernachlässigbar ändert.
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Vorteilhafterweise
ist eine Justagemöglichkeit
der Stellwege der beweglichen Komponenten vorgesehen. Damit ist
eine Möglichkeit
zur genauen Positionierung eines Abbildungsstrahlengangs beispielsweise
auf einen Detektor gegeben. Hierzu ist der mechanische Anschlag
bewegbar bzw. verstellbar gelagert, insbesondere auf einem piezoelektrischen
Element aufgebracht. Ergänzend
dazu kann der Aktor bevorzugt ein Endstück mit einer abgeschrägten Anschlagfläche aufweisen.
Eine Änderung der
Lage des mechanischen Anschlags bezüglich der abgeschrägten Anschlagfläche des
Aktors führt dazu,
das der Stellweg des Aktors, bis er an den mechanischen Anschlag
anschlägt,
sich verändert.
Somit können
auf einfache Weise die Endposition und die Ausgangsposition des
Trägers
variiert werden.
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Nach
einer weiter bevorzugten Variante ist der Träger für eine Bewegung entlang zweier
zueinander senkrechten Achsen ausgebildet, wobei zur Positionierung
des Trägers
entlang einer Achse jeweils ein Aktor vorgesehen ist. Die Kombination
beider Aktoren erhöht
die Bewegungsfreiheit des Trägers
um einen weiteren translatorischen Freiheitsgrad. Somit kann der
Träger
entlang seiner Bewegungsbahn bis zu vier stabile Stellungen annehmen.
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Der
Träger
schwingt zwischen seinen durch die mechanischen Anschläge definierten
Positionen mit einer intrinsischen Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz
kann, wie bereits erwähnt,
günstigerweise genutzt
werden, um die Energie zur Erzeugung der Schaltbewegung möglichst
klein zu halten. Dies ist dann der Fall, wenn die Aktoren derart
angesteuert werden, dass die vom Aktor aufgezwungene Hin- und Herbewegung
des Trägers
mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt,
so dass ein Resonanzbetrieb erreicht ist. Ein derartiger Resonanzbetrieb
hat neben der geringen Energieaufnahme den zusätzlichen Vorteil, dass hierdurch
eine hohe Vibrationsunempfindlichkeit des mikrooptischen Verstellelements
erreicht wird. Denn sich von der Eigenfrequenz unterscheidende,
durch äußere Schwingungen
eingekoppelte Frequenzen werden gedämpft.
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Weist
der Träger
eine hohe Eigen- oder Resonanzfrequenz auf, so ermöglicht dies
einen energiearmen Betrieb mit hoher Taktfrequenz. Für eine hohe
Resonanzfrequenz sollte der Träger
möglichst wenig
Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit aufweisen. Ein Werkstoff,
der diese Anforderungen erfüllt, ist
eine Keramik, beispielsweise eine PZT(Blei-Zirkonat-Titanat)-Keramik.
Daher ist auch der Träger
bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet.
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Die
erreichbaren Schaltzeiten und eine reproduzierbare stabile Positionierung
des Trägers sind
auch von der beweglichen Anbindung des Trägers an den Rahmen abhängig. Grundsätzlich kann der
Träger
gegenüber
dem Rahmen durch eine plane Führung
in der Ebene des Rahmens gekoppelt bzw. geführt sein. Dies kann beispielsweise
mittels einer Kugelführung
oder einer Kulissenführung
ermöglicht sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Träger über Gelenke, insbesondere über Kreuzgelenke, bewegbar
am Rahmen gelagert. Mechanische Kreuzgelenke, die durch zwei Freiheitsgrade
gekennzeichnet sind, ermöglichen
nur eine Planarbewegung des Trägers
und stellen somit auch eine Führung
dar. Dank ihrem einfachen Aufbau können diese Gelenke außerdem sehr
klein ausgeführt
sein.
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Vorteilhafterweise
ist ein Wegmesssensor zur Bestimmung der Position des Trägers vorgesehen
ist. Ein Wegmesssensor kann auch zu einer entsprechenden Positionsregelung
eingesetzt werden. Hierbei lassen sich durch die kompakte Bauweise
der vorgesehenen Aktoren des mikrooptischen Verstellelements gängige kapazitive
oder induktive Wegmesssensoren sowie einfache Systeme wie Dehnmessstreifen
leicht in das Verstellelement integrieren.
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Vorzugsweise
ist ein weiterer Träger
mit mikrooptischen Komponenten vorgesehen, wobei beide Träger derart
zusammenwirken, dass sie relativ zueinander bewegbar sind. Durch
die relative Bewegung der beiden Träger zueinander wird eine Ablenkung
eines die mikrooptischen Komponenten durchdringenden Strahlengangs
in einer gewünschten Richtung
erzielt. Die Träger
sind insbesondere parallel zueinander angeordnet und synchronisiert
angesteuert. Zur relativen Bewegung der Träger zueinander kann jeder der
beiden Träger
entlang je einer Achse oszillieren, wobei beide Achsen senkrecht
zueinander stehen. Alternativ ist der eine Träger unbeweglich im Rahmen integriert
und der andere oszilliert mittels zweier Aktoren entlang zweier
senkrechten Achsen.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst, indem das mikrooptische
Verstellelement in einer Abbildungsoptik zur schaltbaren Abbildung
von Teilgesichtsfeldern auf einen Detektor verwendet wird. Die kurzen
Schaltzeiten bei gleichzeitiger Vibrationsresistenz machen ein mikrooptisches Verstellelement
nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen besonders geeignet
für diesen Einsatz.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch:
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1 eine
Vorderansicht auf ein mikrooptisches Verstellelement,
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2 eine
Vorderansicht auf einen skalierbaren Aktor, und
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3 eine
Explosionsdarstellung einer Abbildungsoptik zur Abbildung einer
Objektszene auf einen Detektor.
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Gleiche
Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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In 1 ist
ein mikrooptisches Verstellelement 2 gezeigt, das einen
Rahmen 4, einen im Rahmen 4 beweglich gelagerten
Träger 6 mit
einem Array von mikrooptischen Komponenten 8, hier in Form
von Mikrolinsen, und zwei Aktoren 10 zum Positionieren des
Trägers 6 bezüglich des
Rahmens 4 umfasst. Der Rahmen 4 ist aus einem
leichten Material, beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Der Träger 6 besteht
aus einem keramischen Werkstoff, der ebenfalls leicht ist und außerdem eine
hohe Steifigkeit aufweist, die für
die Einstellung einer hohen Eigenresonanz besonders geeignet ist.
Das Array umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
256 × 256
Mikrolinsen. Die mikrooptischen Komponenten 8 können auch
Mikroblenden oder Lichtwellenleiter sein, die in Arrays für Zwecke
der Licht-Ablenkung, Abblendung oder Kopplung angeordnet sind. Die
Führung
des Trägers 6 erfolgt über Kreuzgelenke 12,
die den Träger 6 mit dem
Rahmen 4 verbinden und eine Planarbewegung des Trägers 6 in
der Zeichnungsebene ermöglichen.
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Die
zwei Aktoren 10 sind piezoelektrische Aktoren, die ein
feste Position bezüglich
des Rahmens 4 aufweisen und für eine angesteuerte Bewegung
des Trägers 6 entlang
zwei zueinander senkrechten Achsen A1, A2 vorgesehen sind. Die Aktoren 10 weisen
je ein U-förmiges
Element 16 auf, das über ein
Kopplungselement 18 mit dem Träger 6 gekoppelt ist.
Jeder der Aktoren 10 besteht aus zwei parallel angeordneten
Biegewandlern 14a, 14b, die insbesondere nach
Art eines parallelen Bimorphs ausgebildet sind. Als Reaktion auf
ein elektrisches Feld dehnt sich oder kontrahiert eine Keramikplatte
der Biegewandler 14a, 14b, wodurch sich ein mit
der Keramikplatte verklebtes Substrat biegt. Es ist dabei eine Auslenkung
der Biegewandler 14a, 14b von etwa 100 μm möglich. Der
Aktor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet,
dass einer der Biegewandler 14a sich nur in eine Richtung
biegt und dadurch das U-förmige
Element 16 und den damit verbundenen Träger 6 in eine Richtung
entlang einer der Achsen A1, A2 verschiebt.
Der andere Biegewandler 14b verschiebt das U-förmige Element 16 und
den Träger 6 in
die entgegengesetzte Richtung entlang derselben Achse A1,
A2.
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Die
Aktoren 10 wirken in diesem Ausführungsbeispiel über das
U-förmige
Element 16 mit einem mechanischen Anschlag 20 zusammen,
so dass je zwei stabile Stellungen des Trägers 6 gegenüber dem
Rahmen 4 entlang jeder der zwei Achsen A1,
A2 definiert sind. Die zwei stabilen Stellungen
des Trägers 6 erfolgen über einen
mechanischen Kontakt zwischen je einem der Schenkel des U-förmigen Elements 16 und
dem mechanischen Anschlag 20. Der mechanische Anschlag 20 ist
ein Stab mit einem kreisförmigen
Querschnitt, der zwischen den Schenkeln des U-förmigen Elements 16 senkrecht
zur Zeichnungsebene angeordnet ist. Der mechanische Anschlag 20 ist
aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet, so dass er besonders
leicht und fest ist und bei einer Änderung der Umgebungstemperatur nur
eine unwesentliche Wärmeausdehnung
zeigt. Zudem unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der Keramik
nur unwesentlich von dem des für
den Rahmen 4 eingesetzten Aluminiums.
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Das
Funktionsprinzip der Aktoren 10 wird im Folgenden anhand
eines Aktors 10 zum Positionieren des Trägers 6 entlang
der Achse A1 erläutert. Durch das Anlegen einer
elektrischen Spannung biegt sich einer der piezoelektrischen Biegewandler 14a des
Aktors 10, wodurch das U-förmige Element 16 am
Stab anschlägt.
Wenn ein Schenkel des U-förmigen
Elements 16 an dem Stab anliegt, befindet sich der Träger 6 in
einer seiner stabilen Stellungen. Diese Position des Aktors 10 zeichnet
sich durch eine besonders gute Vibrationsresistenz aus. Auf der
einen Seite drückt
die Stellkraft des piezoelektrischen Biegewandlers 14a das
U-förmige
Element 16 gegen den Stab und verhindert somit eine Rückbewegung des
Aktors 10 bzw. des Trägers 6;
auf der anderen Seite beschränkt
der Stab jegliche weitere Bewegung des U-förmigen Elements 16 in
Richtung dieser Kraft.
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Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung an den anderen Biegewandler 14b wird
das U-förmige
Element 16 in die entgegengesetzte Richtung im Wesentlichen
entlang der Achse A1 bewegt, bis es mit
seinem zweiten Schenkel an den Stab anschlägt. Somit wird die zweite stabile
Stellung des Trägers 6 entlang
dieser Achse A1 erreicht. Im Betrieb des
mikrooptischen Verstellelements 2 pendelt der Träger 6 zwischen
den zwei stabilen Stellungen hin und her mit einer Umschaltzeit
von wenigen Millisekunden.
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Die
benötigte
elektrische Leistung zur Schaltbewegung wird in dieser Ausführungsvariante reduziert,
indem die Frequenz der vom Aktor 10 aufgezwungenen oszillierenden
Bewegung des Träges 6 an
die Eigenfrequenz des Trägers 6 angepasst,
insbesondere mit der Eigenfrequenz abgeglichen wird. Somit wird
ein Eigenresonanzbetrieb des Trägers 6 erreicht.
Zur Steigerung der Eigenresonanz wird auch für den Träger 6 eine Keramik
verwendet, da ein Träger 6 aus
Keramik wenig Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit aufweist.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Aktors 10, die in 2 gezeigt
ist, ist eine Skalierung des Stellwegs des Aktors 10 möglich. In
diesem Ausführungsbeispiel
ist das U-förmige
Element 16 durch ein Endstück 22 ersetzt, das
zwei abgeschrägte
Anschlagflächen 24 aufweist.
Die zwei Anschlagflächen 24 begrenzen
eine keilförmige
Ausnehmung, in welcher der mechanische Anschlag 20 positioniert
ist. Der mechanische Anschlag 20 ist beweglich realisiert,
indem er auf einem hier nicht näher
gezeigten piezoelektrischen Element aufgebracht ist. Über das
piezoelektrische Element kann die Position des mechanischen Anschlags 20 gegenüber dem
Aktor 20 geändert
werden, was durch einen Pfeil angedeutet ist. Hierbei wird der Stellweg
des Aktors 10 bis zum Anschlag an den mechanischen Anschlag 20 variiert, wodurch
die Position des Trägers 6 in
den zwei stabilen Stellungen verändert
wird. Diese Ausführung dient
insbesondere der Justage des Stellwegs des Aktors 10 und
somit der Justage des Abstands zwischen den stabilen Stellungen
des Trägers 6 entlang der
Achse A1.
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Eine
mögliche
Anwendung eines solchen mikrooptischen Verstellelements 2 ist
sein Einsatz in einer Abbildungsoptik 26 zur Abbildung
einer Objektszene auf einen Detektor 28, beispielsweise
in einem Infrarot-Suchkopf eines Lenkflugkörpers. Der Aufbau einer solchen
Abbildungsoptik 26 mit dem dazugehörigen Detektor 28 ist
aus 3 zu entnehmen. Die Abbildungsoptik 26 umfasst
zwei optische Einheiten 30a, 30b, die schematisiert
als Linsen dargestellt sind. Vor der ersten optischen Einheit 30a ist
ein Prismenaufsatz 32 angeordnet, der zur besseren Auflösung der
abgebildeten Objektszene die Blickrichtung des Detektors 28 in
jeweils einen Ausschnitt A, B, C oder D lenkt.
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Zwischen
den beiden optischen Einheiten 30a, 30b ist in
einer Zwischenbildebene ein mikrooptisches Verstellelement 2 angeordnet,
das durch zwei Träger 6 angedeutet
ist. Das mikrooptische Verstellelement umfasst in dieser Ausführung zwei
Träger 6, die
relativ zueinander bewegbar sind. Die relative Bewegung der Träger kann
auf zwei Arten erfolgen, wobei in beiden Fällen vier Ausschnitte A, B,
C, D einer Objektszene schaltbar nacheinander auf den Detektor 28 abgebildet
werden. Einer der Träger
kann beispielsweise unbeweglich positioniert sein und der andere
Träger 6 wird über zwei
Aktoren 10 entlang beider Achsen A1,
A2 bewegt, wie es aus 1 zu
entnehmen ist. Alternativ kann jeder Träger 6 entlang nur
einer der zueinander senkrechten Achsen A1,
A2 über
einen Aktor 10 beweglich gelagert sein. Dank der Vibrationsfestigkeit
des mechanischen Verstellelements 2 beim Anschlag an den
mechanischen Anschlag 20 können die stabilen Stellungen
der Träger 6 schnell
eingestellt werden, so dass eine schnelle Hintereinanderschaltung
der einzelnen Ausschnitte A, B, C, D und eine gute Auflösung der
Objektszene erreicht sind.