DE202013011933U1 - Thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem formschlüssig gehaltenen optischen Bauelement - Google Patents

Abstract

Thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem in einer Fassung (4) innerhalb eines Einsatztemperaturbereiches formschlüssig gehaltenen, einen ersten Ausdehnungskoeffizienten (α1) aufweisenden optischen Bauelement (1) mit einer Achse (0), dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (4) einen Fassungsring (2) mit einer ersten Ringschneide (2.1) und wenigstens drei mit diesem fest verbundene Ringschneidensegmente (3.1–3.3) umfasst, die gemeinsam eine zweite Ringschneide bilden, dass die erste Ringschneide (2.1) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) auf sich gegenüberliegenden optisch wirksamen Flächen des optischen Bauelementes (1), Kontaktbahnen bildend, anliegen, dass der Fassungsring (2) einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten (α2) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) einen dritten Ausdehnungskoeffizienten (α3) aufweisen und (α1) < (α2) < (α3) ist, wobei der Fassungsring (2) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) radiale Längenmaße (l1–l4) bezogen auf die Achse (0) aufweisen, die in Abhängigkeit von den Abmessungen des optischen Bauelementes (1) und den Ausdehnungskoeffizienten (α1), (α2), (α3) so dimensioniert sind, dass sich die Dehnungsunterschiede des optischen Bauelementes (1) und der Fassung (4) entlang der Kontaktbahnen aufheben und ein Gehäuseteil (5) und drei das Gehäuseteil (5) mit der Fassung (4) verbindende Halteelemente (6.1–6.3) vorhanden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einer Fassung und einem in dieser Fassung formschlüssig gehaltenen optischen Bauelement, insbesondere einer Linse, wie sie gattungsgemäß aus der Patentschrift US 4 850 674 A bekannt ist.
• Grundsätzlich werden Fassungen für optische Bauelemente in Abhängigkeit von den Forderungen an die Qualität sowie die gegebenen Transport-, Lager- und Einsatzbedingungen des optischen Systems, in dem das optische Bauelement einen Bestandteil bildet, konstruiert. Dabei spielen insbesondere zu erwartende Stoßbelastungen, mögliche Temperaturschwankungen während des Transportes, des Lagerns und des Einsatzes sowie die energetische und spektrale Strahlungsbeeinflussung während des Einsatzes eine Rolle.
• Aufgrund der Anforderungen an eine erfindungsgemäße Baugruppe werden nachfolgend nur Baugruppen bzw. Fassungen als Bestandteile solcher Baugruppen aus dem Stand der Technik betrachtet, die gleich einer erfindungsgemäßen Baugruppe ein optisches Bauelement in einer Fassung nicht stoffschlüssig halten und bei denen zwischen dem optischen Bauelement und der Fassung ein Dehnungsausgleich vorgesehen ist.
• Die Erfindung ist im Zusammenhang mit einer konkreten Aufgabenstellung entstanden. Es sollte eine justierbare Fassung gefunden werden, geeignet für einen Einsatztemperaturbereich von +/–5°C und einen erweiterten Temperaturbereich während der Lagerung und des Transports von +/–40°C, konkret z. B. von –20°C bis +60°C. Aus technologischen Gründen sollte das Gehäuse des Objektivs aus Aluminium bestehen. Bei einem Ausdehnungskoeffizienten von 0,5·10^–6/K des Glases der Linse und einer freien Apertur von 120 mm Durchmesser ergeben sich bereits für den Einsatztemperaturbereich zwischen der Linse und dem Gehäuse aus Aluminium, welches einen Ausdehnungskoeffizienten von 23·10^–6/K hat, Dehnungsdifferenzen von +/–14 µm über den Durchmesser. Während entstehende Dehnungsdifferenzen beim Transport und der Lagerung lediglich nicht zu irreversiblen Dejustagen oder Beschädigungen der Linse führen dürfen, muss die Linse während des Einsatzes trotz Dehnungsdifferenzen innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches in ihrer zentrierten Position spannungsfrei gehalten werden. Die Zentrierung des optischen Bauelements im Einsatztemperaturbereich soll auf besser als 1 µm genau gehalten werden und nach Erreichen einer beliebigen Temperatur innerhalb des erweiterten Temperaturbereiches soll die ursprüngliche Position wieder auf besser als 1 µm genau eingenommen werden, nachdem die Baugruppe wieder eine Temperatur im Einsatztemperaturbereich angenommen hat. Darüber hinaus soll die Baugruppe eine Schockbelastung von mindestens 20 g überstehen, ohne dass eine bleibende Verlagerung des optischen Bauelements von größer als 1 µm entsteht. Die Eigenfrequenz der Baugruppe soll größer als 450 Hz sein.
• In der Patentschrift DE 10 2006 060 088 A1 ist eine optische Baugruppe mit einer rotationssymmetrischen Halterung offenbart, in der ein optisches Element bzw. ein in einer Fassung gehaltenes optisches Element über drei tangential anliegende Federelemente gehalten wird. Durch die elastische Nachgiebigkeit der tangential angreifenden Federelemente wird das optische Element spannungsarm gehalten und es kann eine unterschiedliche Wärmedehnung von optischem Element bzw. Fassung und Gehäuse ausgeglichen werden. Das optische Element wird dabei stets zentriert gehalten. Nachteilig ist, dass das optische Element in der Fassung nicht justierbar ist, insbesondere ist eine laterale Justage nicht möglich. Für Anwendungen, in denen keinerlei Spannungen bzw. sich ändernde Spannungen im optisch wirksamen Bereich der Linse auftreten dürfen, ist diese Fassung nicht geeignet, da die Linse kraftschlüssig gehalten wird und die Wirkrichtungen der angreifenden Haltekräfte durch die optisch wirksamen Bereiche als Zug- oder Druckkraft verlaufen. Sie verursachen somit, z. B. bei Temperaturänderung, wechselnde Spannungen im optisch wirksamen Bereich des optischen Elements. Greifen die tangentialen Halteelemente an einer Fassung an, so werden die Haltekräfte durch die Fassung aufgenommen. Bei Verwendung einer Fassung gibt die vorbenannte Patentschrift DE 10 2006 060 088 A1 jedoch keinen Hinweis darauf, wie das optische Element in der Fassung spannungsfrei bzw. spannungsarm gehalten wird. Insbesondere ist nicht erkennbar wie bei Temperaturänderungen unterschiedliche Dehnungen des optischen Elementes und der Fassung ausgeglichen werden.
• Eine in ihrer Wirkungsweise vergleichbare Fassung ist in der Patentschrift US 6 239 924 B1 offenbart. Die tangential angreifenden Haltemittel sind hier jedoch anders als bei der vorgenannten Lösung diskrete Blattfedern.
• Die Patentanmeldung DE 10 2006 038 634 A1 bezieht sich auf eine Fassung eines optischen Elements, die sich dadurch auszeichnet, dass sie die Haltekräfte, die zum Halten des optischen Elements erforderlich sind, auf eine Vielzahl von größer drei am Umfang angebrachte, radial angreifende Halteelemente verteilt. Dabei wird durch eine Verbindung der benachbarten Halteelemente dafür gesorgt, dass die Haltekraft möglichst gleichmäßig auf die Halteelemente verteilt wird. Insbesondere sollen damit Fertigungstoleranzen in dem statisch überbestimmten System ausgeglichen werden. Eine solche Halterung ist auch geeignet, Dehnungsunterschiede zwischen optischem Element und Fassung auszugleichen, indem sich die Halteelemente deformieren.
• Eine derartige Fassung ist jedoch nicht radial justierbar. Zudem erfolgt der Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnung durch Deformation der Halteelemente in radialer Richtung. Die Verbindungselemente reagieren mit veränderten Rückstellkräften, wenn auch gleichmäßig über den Umfang verteilt. Insbesondere die daraus resultierenden radialen Kräfte auf das optische Element werden durch die optisch wirksamen Bereiche des Elements geleitet und verursachen veränderliche Spannungen im optischen Element und damit Spannungsdoppelbrechung.
• Aus der Patentschrift DE 100 42 844 C1 ist eine Linsenfassung bekannt, die ebenfalls eine Vielzahl von größer drei von am Umfang angeordneten Halteelementen aufweist. Die Halteelemente sind als Blattfedern ausgeführt, die radial federnd vorgespannt sind. Axial weisen sie eine deutlich höhere Steifigkeit auf. Das optische Element wird also axial in Position gehalten, während es lateral durch das Gleichgewicht der radialen Rückstellkräfte der Halteelemente zentriert gehalten wird. Dehnungsunterschiede werden durch die radiale Nachgiebigkeit der Halteelemente ausgeglichen.
• Die Justierbarkeit wird durch radial angreifende Justiermittel erreicht. Die Justiermittel müssen durch die Halteelemente vorgespannt sein. Dehnungsunterschiede äußern sich in veränderlichen, durch das optisch wirksame Volumen geleiteten Kräften. Grundsätzlich ist ein Mindestmaß an radialer Haltekraft erforderlich, die ebenfalls durch das optisch wirksame Volumen geleitet wird. Hierdurch entsteht Spannungsdoppelbrechung. Die bei der Justage veränderlichen radialen Haltekräfte der Halteelemente führen zu veränderlichen Spannungen im optisch wirksamen Volumen.
• Allen vorgenannten Lösungen des Standes der Technik ist gemein, dass sie bei unterschiedlicher Wärmedehnung veränderliche Spannungen im optischen Element und damit Spannungsdoppelbrechung erzeugen. Sie sind auch nicht justierbar. Sie sind daher ungeeignet, in einem verhältnismäßig großen Einsatztemperaturbereich (z. B. δT = 10°C) bzw. über einen noch deutlich größeren Transporttemperaturbereich (z. B. δT = 80°C) ein optisches Element besonders spannungsarm zu halten.
• Die Patentanmeldung US 2006/0066963 A1 betrifft eine spannungsarme, kinematisch selbstzentrierende Halterung eines optischen Elements, wobei der Ausgleich von Dehnungsunterschieden durch eine kinematisch einfach bestimmte Lagerung des optischen Elements in hauptsächlich V-förmigen Nuten am optischen Element und an der Fassung gehalten wird. Die Ausführung ist geeignet, Temperaturunterschiede auszugleichen, jedoch ist auch sie nicht justierbar. Gleichzeitig ist der Platzbedarf erheblich und die Konturbearbeitung des optischen Elements ist kompliziert und aufwendig. Die sehr kleinen Kontaktflächen an den Halteelementen führen lokal zu hoher Flächenpressung im optischen Material, was insbesondere bei kristallinem Material, z. B. CaF2, ungünstig ist bzw. nur geringe Haltekräfte ermöglicht.
• Als die der Erfindung am nächsten liegende Publikation wurde die vorbenannte Patentschrift US 4 850 674 A ermittelt. Hier wird eine radiale Kompensation von Dehnungsunterschieden zwischen einer optischen Linse und einer Fassung durch eine gezielte Auswahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Linse sowie der die Fassung bildenden Bauteile sowie der Dimensionierung der radial aneinander gereihten, für die Wärmedehnung zu berücksichtigenden Längen erreicht, so dass der Dehnungsunterschied radial zu null kompensiert wird. Die Linse wird damit im Unterschied zu allen vorbenannten Lösungen aus dem Stand der Technik grundsätzlich nicht kraftschlüssig, sondern formschlüssig gehalten, womit es innerhalb des optischen Elementes in Folge von Temperaturänderungen auch zu keinen Spannungsänderungen kommt. Bei den die Fassung bildenden Bauteilen handelt es sich um einen Fassungsring, an dessen einem Ende ein nach innen gerichteter Bund ausgebildet ist, an dem eine der optisch wirksamen Flächen der Linse anliegt. In den Fassungsring ist an dessen anderem Ende ein Haltering, aus einem gleichen Material wie der Fassungsring gefertigt, geschraubt, der durch eine Vielzahl von Schlitzen in radial biegsame Stützen geteilt ist, welche über einen diese umschließenden Haltering, aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten ähnlich der Linse, an die andere optisch wirksame Fläche der Linse bzw. eine hier ausgebildete Phase angelegt sind. Damit wird die optische Achse der Linse, die hier gleich der Symmetrieachse der Linse sein muss, in Bezug auf die Stützen in ihrer Position mittig gehalten. Dieses Konstruktionsprinzip erlaubt es nicht, eine andere Achse als die Symmetrieachse der Linse mittig zu halten. Darüber hinaus ist das optische Element nicht justierbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere Lösung für eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem formschlüssig gehaltenen optischen Bauelement zu schaffen, mit einem größeren konstruktiven Spielraum. Vorteilhaft soll das optische Bauelement in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse lateral justierbar sein.
• Diese Aufgabe wird für eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem in einer Fassung innerhalb eines Einsatztemperaturbereiches formschlüssig gehaltenen, einen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden optischen Bauelement mit einer Achse gelöst.
• Die Fassung umfasst einen Fassungsring mit einer ersten Ringschneide und wenigstens drei mit dieser fest verbundene Ringschneidensegmente, die gemeinsam eine zweite Ringschneide bilden. Die erste Ringschneide und die Ringschneidensegmente, welche gemeinsam die zweite Ringschneide bilden, liegen auf sich gegenüberliegenden optisch wirksamen Flächen des optischen Bauelementes, Kontaktbahnen bildend, an.
• Der Fassungsring weist einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten und die Ringschneidensegmente einen dritten Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste Ausdehnungskoeffizient kleiner dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten und dieser kleiner dem dritten Ausdehnungskoeffizienten ist.
• Der Fassungsring und die Ringschneidensegmente weisen radiale Längenmaße bezogen auf die Achse auf, die in Abhängigkeit von den Abmessungen des optischen Bauelementes und den Ausdehnungskoeffizienten so dimensioniert sind, dass sich die Dehnungsunterschiede des optischen Bauelementes und der Fassung entlang der Kontaktbahnen aufheben.
• Die optische Baugruppe weist auch ein Gehäuseteil und drei das Gehäuseteil mit der Fassung verbindende Halteelemente auf.
• Vorteilhaft sind in einem Bereich der Anlage der ersten Ringschneide und der Ringsschneidensegmente an dem optischen Bauelement Phasen ausgebildet.
• Vorteilhafterweise ist auch die erste Ringschneide in Form von Ringschneidensegmenten ausgeführt. Sie können vorteilhaft am Fassungsring ausgebildet sein, womit sie den zweiten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
• Es ist günstig, die erste Ringschneide ebenfalls in Form von Ringschneidensegmenten auszuführen. Vorteilhaft sind diese dann in Anzahl und Ausführung gleich den Ringschneidensegmenten der zweiten Ringschneide und weisen den dritten Ausdehnungskoeffizienten auf.
• Vorteilhaft sind die Halteelemente tangential zur Fassung angeordnet.
• Die Halteelemente sind vorteilhaft jeweils mittig über einen fassungsseitigen Anbindungspunkt mit der Fassung und an zwei Enden jeweils über einen gehäuseseitigen Anbindungspunkt, die jeweils an einer im Gehäuseteil mittels eines Verstellelementes radial verschiebbaren Stelleinheit befestigt sind, mittelbar verbunden.
• Sehr vorteilhaft sind das optische Bauelement aus Quarzglas, der Fassungsring aus Invar und die Ringschneidensegmente aus Aluminium gefertigt.
• Vorteilhafterweise sind die Halteelemente, die Stelleinheiten und das Gehäuseteil monolithisch ausgeführt, wobei die Anbindungspunkte Festkörpergelenke darstellen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
• 1 ein Schnittbild durch eine Seitenansicht einer Fassung mit Linse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
• 2 ein Schnittbild durch die Seitenansicht einer Fassung mit Linse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
• 3a eine Baugruppe mit einer ersten Ausführung der Halteelemente,
• 3b eine Baugruppe mit einer zweiten Ausführung der Halteelemente und
• 4 eine Draufsicht auf eine Baugruppe.
• Eine erfindungsgemäße thermisch kompensierte optische Baugruppe besteht grundsätzlich aus einer Fassung 4, in der ein optisches Bauelement 1, eine optische Achse 0 aufweisend, wenigstens über einen Einsatztemperaturbereich formschlüssig spielfrei gehalten wird, einem Gehäuseteil 5 und wenigstens drei die Fassung 4 mit dem Gehäuseteil 5 verbindenden Halteelementen 6.1–6.3, über welche ein Dehnungsunterschied zwischen der Fassung 4 und dem Gehäuseteil 5 ausgeglichen wird.
• Als optisches Bauelement 1 können hier jegliche Bauelemente verstanden werden, die integriert in der optischen Baugruppe in einen Strahlengang einer optischen Anordnung eingebracht werden können und die die Strahlführung oder Strahlformung beeinflussen.
• Sie weisen bezogen auf die jeweilige optische Anordnung zwei optisch wirksame Flächen, eine Strahleintritts- und eine Strahlaustrittsfläche auf. Innerhalb dieser optisch wirksamen Flächen gibt es jeweils einen freien Bereich, der im Falle einer optischen Linse als freier Durchmesser bezeichnet wird. Ein optisches Bauelement 1 thermisch kompensiert zu fassen heißt, dass das optische Bauelement 1 innerhalb eines Temperaturbereiches in seiner Position gehalten wird. Da auch das optische Bauelement 1 einer Dehnung unterliegt, kann genau genommen, bezogen auf die optisch wirksamen Flächen, jeweils nur ein ausgewählter Punkt in seiner Position gehalten werden. Diese ausgewählten Punkte sind bei einer Linse die Scheitelpunkte, durch die die optische Achse der Linse verläuft. Nicht immer und bei allen optischen Bauelementen 1 sollen die geometrischen Mittelpunkte der optisch wirksamen Flächen in ihrer Position gehalten werden, sondern andere ausgewählte Punkte.
• Mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe kann auch eine Achse 0, verlaufend durch außermittig auf den optisch wirksamen Flächen liegende ausgewählte Punkte, in ihrer Position gehalten werden.
• Die Fassung 4 besteht grundsätzlich aus einer ersten Ringschneide 2.1 und einer zweiten Ringschneide, die über einen Fassungsring 2 miteinander verbunden sind, wobei die zweite Ringschneide durch wenigstens drei Ringschneidensegmente 3.1–3.3 gebildet ist.
• In 1 ist eine erste Ausführung einer Fassung 4 gezeigt. Als optisches Bauelement 1 wurde hier eine optische Linse so gefasst, dass die optische Achse, hier gleich der Symmetrieachse, die Achse 0 ist, die in ihrer Position gehalten wird. Die durch die Fassung 4 und die Linse gebildete Einheit ist thermisch kompensiert, so dass die Linse über einen Einsatztemperaturbereich von z. B. 10°C formschlüssig und spannungsfrei gehalten wird.
• Die Linse liegt über eine ihrer beiden optisch wirksamen Flächen in einem Bereich außerhalb des freien Durchmessers an der ersten Ringschneide 2.1 an, wodurch sie zur ersten Ringschneide 2.1 zentriert gehalten wird. Die zweite Ringschneide liegt auf der gegenüberliegenden optisch wirksamen Fläche der Linse außerhalb des freien Durchmessers an. Zur sicheren Vermeidung der Einleitung auch nur geringer Haltekräfte auf die optisch wirksamen Flächen der Linse können außerhalb des freien Durchmessers (hier nicht gezeigt) beidseitig Phasen zur Anlage der Ringschneiden 2.1 vorgesehen sein.
• Die erste Ringschneide 2.1 ist an einem geschlossenen Ring 2.2, gemeinsam den Fassungsring 2 mit einem L-förmigen Querschnitt darstellend, ausgebildet, wobei am freien Ende des kurzen Schenkels der L-Form eine Kante der ersten Ringschneide 2.1 in Richtung der Symmetrieachse des Ringes 2.2 weist. Die Kante der ersten Ringschneide 2.1 liegt dabei auf einer Kreislinie mit einem Radius l₄ um die Symmetrieachse des Ringes 2.2 an.
• Die zweite Ringschneide ist durch drei Ringschneidensegmente 3.1–3.3 gebildet. Die Ringschneidensegmente 3.1–3.3 weisen eine Ringschneidensegmentdicke l₃ auf.
• Jeweils über ihre äußeren Umfangsflächen sind die Ringschneidensegmente 3.1–3.3, mit wenigstens annähernd gleichen Winkelabständen zueinander, über die innere Umfangsfläche des Ringes 2.2, einen Innenradius l₂ aufweisend, fest mit diesem verbunden. Die Verbindungen können z. B. Schraubverbindungen sein. Die Kanten der Ringschneidensegmente 3.1–3.3 liegen auf einer Kreislinie mit einem Radius l₁ um die Symmetrieachse des Ringes 2.2.
• In einem zweiten, in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel für die Fassung 4 kann die erste Ringschneide 2.1 gleich der zweiten Ringschneide in Form von Ringschneidensegmenten 3.1–3.3 ausgeführt sein. Die die erste Ringschneide 2.1 bildenden Ringschneidensegmente können an dem geschlossenen Ring 2.2 ausgebildet sein, sodass sie auch aus dem gleichen Material sind wie der geschlossene Ring 2.2. Sie können aber auch, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 2, wie die Ringschneidensegmente 3.1–3.3 mit dem geschlossenen Ring 2.2 verbunden sein und aus einem anderen Material als der geschlossene Ring 2.2 hergestellt sein, z. B. gleich den Ringschneidensegmenten 3.1–3.3.
• Im günstigsten Fall sind die eine erste Ringschneide 2.1 bildenden Ringschneidensegmente gleich den Ringschneidensegmenten 3.1–3.3 der zweiten Ringschneide ausgeführt und diesen genau gegenüberliegend angeordnet.
• Die Kante bzw. die Kanten der ersten Ringschneide 2.1 und die Kanten der die zweite Ringschneide bildenden Ringschneidensegmente 3.1–3.3 liegen an der Linse entlang dadurch gebildeter Kontaktbahnen spielfrei und ohne nennenswerte Haltekraft an.
• Um die Linse über den Einsatztemperaturbereich trotz der thermischen Dehnung grundsätzlich spiel- und kraftfrei zu halten, muss die Lage der ersten Ringschneide 2.1 und der zweiten Ringschneide, gebildet durch die drei Ringschneidensegmente 3.1–3.3, zueinander in geeigneter Weise verändert werden, sodass die Kanten an der Linse entlang der Kontaktbahnen spielfrei anliegend verbleiben. Das heißt, der Durchmesser auf dem die Kanten jeweils liegen und ihr Abstand zueinander müssen sich in Abhängigkeit von der Dehnung der Linse, bestimmt durch deren Ausdehnungskoeffizienten α₁ und deren Radius r als ein radiales Längenmaß verändern. Zu diesem Zweck sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Fassungsring 2 mit der ersten Ringschneide 2.1 und die drei Ringschneidensegmente 3.1–3.3 aus Materialen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂ / α₃ gefertigt und der Fassungsring 2 und die Ringschneidensegmente 3.1–3.3 sind in ihren radialen Längenmaßen, über welche sich die radiale Dehnung auswirkt, entsprechend dimensioniert.
• Die Linse hat einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁, der Fassungsring 2 einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ und die Ringschneidensegmente 3.1–3.3 einen dritten Ausdehnungskoeffizienten α₃. Indem α₁ < α₂ < α₃ gewählt wird, wie es z. B. einer Kombination von Quarzglas für die Linse (α₁ = 0,5 ppm/K), von Invar für den Fassungsring 2 (α₂ = 1,7 ppm/K) und von Aluminium für die Ringschneidensegmente 3.1–3.3 (α₃ = 23 ppm/K) entsprechen würde, wird durch geeignete Wahl der radialen Längenmaße l₁ bis l₄ erreicht, dass sich die Dehnungsunterschiede entlang der Kontaktbahnen gegenseitig aufheben.
• Diese Kontaktbahnen entstehen beidseitig der Linse jeweils entlang einer Kreislinie und verändern ihre Lage mit der Ausdehnung bezogen auf die Achse 0 der Linse, während sie ihre Relativlage zu den optisch wirksamen Flächen der Linse beibehalten.
• Bei einem vorgegebenen Ausdehnungskoeffizienten für die Linse und vorgegebenen Abmessungen der Linse kann die Lage der Kontaktbahn zwischen den Kanten der Ringschneidensegmente 3.1–3.3 und der Linse über die Wahl des Ausdehnungskoeffizienten der Fassung 4 und der Ringschneidensegmente 3.1–3.3 und die Dimensionierung ihrer radialen Längenmaße l₁ bis l₄ beeinflusst werden. Die Lage der Kontaktbahn zwischen der Kante der ersten Ringschneide 2.1 und der Linse kann entsprechend nur über die Wahl des Ausdehnungskoeffizienten der Fassung 4 und deren radialen Längemaße beeinflusst werden.
• Wird auch die erste Ringschneide 2.1 segmentiert ausgeführt, erhöhen sich die Möglichkeiten der Beeinflussung und sie erhöhen sich weiter, wenn die dann segmentierte erste Ringschneide 2.1 nicht am Fassungsring 2 ausgebildet ist, sondern in Form von Einzelteilen, aus einem anderen Material gefertigt, mit diesem verbunden ist.
• Insbesondere, wenn beide Ringsschneiden 2.1 in Form von Ringsschneidensegmenten ausgeführt sind, können über eine unterschiedliche Wahl der radialen Längenmaße der Ringschneidensegmente die Kreisbahnen um einen Kreismittelpunkt gelegt werden, der nicht mit dem geometrischen Mittelpunkt der Linse zusammenfällt. Damit kann die Position der Linse bezüglich einer anderen durch diesen Kreismittelpunkt verlaufenden Achse gehalten werden.
• Mittels einer geeigneten Materialkomposition und Dimensionierung der Fassung 4 ist es so weitestgehend möglich, über den Einsatztemperaturbereich die Linse spannungsfrei zentriert zu halten.
• Bei Temperaturschwankungen über den erweiterten Temperaturbereich für Transport und Lagerung von z. B. –20 bis +60°C kann es zur Dezentrierung der Linse in der Fassung 4 und auch zu Verspannungen der Linse kommen. Die Verspannungen lösen sich jedoch, sobald sich wieder eine Temperatur im Einsatztemperaturbereich einstellt, und die Linse zentriert sich selbst zwischen den Kanten der ersten Ringschneide 2.1 und den Ringschneidensegmenten 3.1–3.3.
• In anderen Ausführungsbeispielen kann als optisches Bauelement 1 z. B. eine runde Planoptik gehalten sein. Hier ist wenigstens auf einer der optisch wirksamen Flächen zwingend eine Phase vorgesehen, um einen Formschluss in radialer Richtung zu erreichen.
• Das optische Bauelement 1 kann auch ein vier- oder mehreckiges optisches Bauteil sein. Die Anzahl der Ringschneidensegmente kann dann günstiger vier oder auch mehr sein. Ansonsten treffen Angaben zu den erläuterten Ausführungsbeispielen für eine Baugruppe mit Linse hier analog zu, wobei die radialen Längenmaße der dort kreisringförmigen Fassung dann selbstverständlich Abstände der Achse 0 zu den Kanten der Ringschneiden sind, deren Anordnung an die Umfangsform des optischen Bauelementes 1 angepasst sind.
• Die Fassung 4 ist mit dem Gehäuseteil 5 durch drei am Umfang gleichmäßig verteilte elastische Halteelemente 6.1–6.3 verbunden und wird durch diese Halteelemente 6.1–6.3, sich selbst zentrierend, gehalten. Die Halteelemente 6.1–6.3 sind über fassungsseitige Anbindungspunkte 8.1–8.3 mit der Fassung 4 und über gehäuseseitige Anbindungspunkte 7.1–7.3 mit dem Gehäuseteil 5 verbunden. Die Halteelemente 6.1–6.3 sind so gestaltet, dass sie vergleichsweise radial gering steif, jedoch axial und tangential sehr steif ausgeführt sind, womit eine kinematisch eindeutig bestimmte zentrierte Lage der Fassung 4 innerhalb des Gehäuseteils 5 vorgegeben ist. Die Halteelemente 6.1–6.3 können, wie in 3a gezeigt, tangential einseitig an der Fassung 4 anliegend mit dieser verbunden sein, was bei einer Ausgleichsbewegung eine leichte Rotation der Fassung 4 relativ zum Gehäuseteil 5 zur Folge hätte. Sie können aber auch, wie in 3b gezeigt, tangential zweiseitig an der Fassung 4 anliegend mit dieser verbunden sein, wodurch eine Rotation der Fassung 4 um die optische Achse 0 vermieden wird. In diesem Fall ist die tangentiale Steifigkeit der Halteelemente 6.1–6.3 allerdings etwas vermindert.
• Kräfte, die aus der elastischen Ausgleichsbewegung der Halteelemente 6.1–6.3 resultieren, werden durch die ringförmige Gestalt der Fassung 4 im Wesentlichen in der Fassung 4 selbst aufgenommen. Die Linse bleibt damit von Krafteinwirkungen weitgehend unbeeinflusst.
• Um vorteilhaft eine laterale Justierbarkeit der Fassung 4 und damit der Linse zu gewährleisten, sind die gehäuseseitigen Anbindungspunkte 7.1–7.3 der Halteelemente 6.1–6.3 jeweils an einer Stelleinheit 9.1–9.3 vorgesehen, die jeweils über ein Verstellelement 10.1–10.3 radial verschoben werden können.
• In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Baugruppe gezeigt, mit Halteelementen 6.1–6.3 gemäß 3b in Verbindung mit den Stelleinheiten 9.1–9.3 und den Verstellelementen 10.1–10.3, die hier als Stellschrauben ausgeführt sind. Über eine einzelne, gezielte Verschiebung der Stelleinheiten 9.1–9.3 wird die Fassung 4 lateral justiert. Das heißt, wird einer der gehäuseseitigen Anbindungspunkte 7.1–7.3 radial verschoben, so ändert sich die Lage der Linse lateral zur optischen Achse 0, wobei die Verlagerung ebenfalls durch die Verformung der Halteelemente 6.1–6.3 ausgeglichen wird. Rückstellkräfte werden durch die Fassung 4 aufgenommen. Dadurch bleibt die Linse spannungsfrei. Ein gleichwertiger Effekt wird auch bei einer tangential verschiebbaren Lagerung der gehäuseseitigen Anbindungspunkte 7.1–7.3 erreicht, wenn die Anordnung mit einseitig gelagerten Halteelementen 6.1–6.3 gewählt wird. Vorteilhaft sind die Halteelemente 6.1–6.3 sowie die Stelleinheiten 9.1–9.3 als Festkörpergelenke ausgeführt, womit die Stell- und Ausgleichsbewegungen frei von Reibung sind.
• Das beschriebene Ausführungsbeispiel erfüllt die in der Beschreibungseinleitung dargelegte Aufgabenstellung, bei deren Lösung die Erfindung entstanden ist.
• Bezugszeichenliste

0

Achse

1

optisches Bauelement, z. B. Linse

2

Fassungsring

2.1

erste Ringschneide

2.2

Ring

3.1–3.3

Ringschneidensegment

4

Fassung

5

Gehäuseteil

6.1–6.3

Halteelement

7.1–7.3

gehäuseseitiger Anbindungspunkt

8.1–8.3

fassungsseitiger Anbindungspunkt

9.1–9.3

Stelleinheit

10.1–10.3

Verstellelement

α₁

erster Ausdehnungskoeffizient = Ausdehnungskoeffizient der Linse

α₂

zweiter Ausdehnungskoeffizient = Ausdehnungskoeffizient des Fassungsrings 2

α₃

dritter Ausdehnungskoeffizient = Ausdehnungskoeffizient der Ringschneidensegmente 3.1–3.3

l₁–l₄

radiale Längenmaße

r

Radius der Linse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 4850674 A [0001, 0013]
• DE 102006060088 A1 [0005, 0005]
• US 6239924 B1 [0006]
• DE 102006038634 A1 [0007]
• DE 10042844 C1 [0009]
• US 2006/0066963 A1 [0012]

Claims (8)

1. Thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einem in einer Fassung (4) innerhalb eines Einsatztemperaturbereiches formschlüssig gehaltenen, einen ersten Ausdehnungskoeffizienten (α₁) aufweisenden optischen Bauelement (1) mit einer Achse (0), dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (4) einen Fassungsring (2) mit einer ersten Ringschneide (2.1) und wenigstens drei mit diesem fest verbundene Ringschneidensegmente (3.1–3.3) umfasst, die gemeinsam eine zweite Ringschneide bilden, dass die erste Ringschneide (2.1) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) auf sich gegenüberliegenden optisch wirksamen Flächen des optischen Bauelementes (1), Kontaktbahnen bildend, anliegen, dass der Fassungsring (2) einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten (α₂) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) einen dritten Ausdehnungskoeffizienten (α₃) aufweisen und (α₁) < (α₂) < (α₃) ist, wobei der Fassungsring (2) und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) radiale Längenmaße (l₁–l₄) bezogen auf die Achse (0) aufweisen, die in Abhängigkeit von den Abmessungen des optischen Bauelementes (1) und den Ausdehnungskoeffizienten (α₁), (α₂), (α₃) so dimensioniert sind, dass sich die Dehnungsunterschiede des optischen Bauelementes (1) und der Fassung (4) entlang der Kontaktbahnen aufheben und ein Gehäuseteil (5) und drei das Gehäuseteil (5) mit der Fassung (4) verbindende Halteelemente (6.1–6.3) vorhanden sind.
2. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Anlage der ersten Ringschneide (2.1) und der Ringsschneidensegmente (3.1–3.3) an dem optischen Bauelement (1) Phasen ausgebildet sind.
3. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringschneide (2.1) in Form von Ringschneidensegmenten ausgeführt am Fassungsring (2) ausgebildet ist und entsprechend den zweiten Ausdehnungskoeffizienten (α₂) aufweist.
4. Optische Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringschneide (2.1), ausgeführt in Form von Ringschneidensegmenten, den Ringschneidensegmenten (3.1–3.3) der zweiten Ringschneide in Anzahl und Ausführung gleich ist und entsprechend den dritten Ausdehnungskoeffizienten (α₃) aufweist.
5. Optische Baugruppe nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (6.1–6.3) tangential zur Fassung (4) angeordnet sind.
6. Optische Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (6.1–6.3) jeweils mittig über einen fassungsseitigen Anbindungspunkt (8.1–8.3) mit der Fassung (4) und an zwei Enden jeweils über einen gehäuseseitigen Anbindungspunkt (7.1–7.3), die jeweils an einer im Gehäuseteil (5) mittels eines Verstellelementes (10.1–10.3) radial verschiebbaren Stelleinheit (9.1–9.3) befestigt sind, mittelbar verbunden sind.
7. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (1) aus Quarzglas, der Fassungsring (2) aus Invar und die Ringschneidensegmente (3.1–3.3) aus Aluminium gefertigt sind.
8. Optische Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (6.1–6.3), die Stelleinheiten (9.1–9.3) und das Gehäuseteil (5) monolithisch ausgeführt sind, wobei die Anbindungspunkte (7.1–7.3), (8.1–8.3) Festkörpergelenke darstellen.

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