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WO2015043581A1 - Optische baugruppe mit einer fassung mit thermisch abhängigem kraftausgleich - Google Patents

Optische baugruppe mit einer fassung mit thermisch abhängigem kraftausgleich Download PDF

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WO2015043581A1
WO2015043581A1 PCT/DE2014/100342 DE2014100342W WO2015043581A1 WO 2015043581 A1 WO2015043581 A1 WO 2015043581A1 DE 2014100342 W DE2014100342 W DE 2014100342W WO 2015043581 A1 WO2015043581 A1 WO 2015043581A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
socket
thermal expansion
spring
expansion body
optical element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2014/100342
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Erbe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Optical Systems GmbH
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Optical Systems GmbH filed Critical Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority to US15/024,588 priority Critical patent/US9482842B2/en
Publication of WO2015043581A1 publication Critical patent/WO2015043581A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/181—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation
    • G02B7/1815—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation with cooling or heating systems

Definitions

  • the invention relates to a thermally compensated optical assembly with a socket and a captured in this optical element.
  • sockets for optical elements are constructed depending on the imaging quality requirements as well as the given transport, storage and use conditions of the optical system in which the captured optical element forms part.
  • expected shock loads, possible temperature fluctuations during transport, storage and use as well as the energetic and spectral radiation influence during use play a role.
  • the optical element in the socket must be kept permanently tension-free in a defined position.
  • Such sockets often consist of a rigid mounting ring and a plurality of elastic connections, via which an optical element is connected directly or indirectly via an auxiliary socket with the mounting ring.
  • the elastic connections compensate for the radially different expansion of the optical element and the mounting ring by reversibly deforming, causing a deformation-counteracting reaction force acting on the optical element at junctions between the elastic connections and the optical element.
  • the published patent application DE 10 2006 060 088 A1 discloses an optical assembly with a mounting ring (there holder) on which along the inner peripheral surface of three with the mounting ring monolithically connected elastic connections are formed, via which the mounting ring is connected to a lens.
  • the compounds each consist of a on the optical element at connecting points centrally and tangentially adjacent bending beam (there web), whose ends pass into the socket ring. Due to the radial elastic compliance of the tangentially abutting bending beam, different thermal expansions between the optical element and the socket can be compensated, and the optical element is kept stress-free within a predetermined temperature range. The optical element is always kept centered. In the basic state of the optical assembly, at normal temperature, the bending beams are relaxed. With a change in temperature, they are radially increasingly tensioned, whereby an increasingly greater reaction force acts on the joints in the radial direction, which represents a compressive force or a tensile force, depending on the direction of the reaction force.
  • an optical arrangement is also known with a monolithic socket and a rotationally symmetrical optical element held therein by three elastic connections (spring suspension arrangements there).
  • the strut assemblies are each formed of two parallel resilient legs (bending beam), wherein each one of the ends of both parallel spring legs in a socket ring (there outer socket area) passes and the other ends open into a contact foot on which the optical element is fixed by gluing or soldering.
  • the two parallel spring legs also act as a bending beam and are arranged in the direction of their compliance, that is perpendicular to the optical axis of the optical element with a distance to each other, which is small in relation to their length.
  • the parallel spring legs are thus increasingly tensioned with increasing temperature difference from the normal temperature, whereby an increasingly greater reaction force acts on the joints in the radial direction, which represents a compressive force or a tensile force, depending on the direction of the reaction force.
  • An optical assembly with a similar socket is known from DE10 2010 022 934 A1.
  • an optical assembly comprising a rotationally symmetric optical element and a monolithic socket, consisting of a mounting ring and at least three compounds (there connection units), via which the optical element is connected to the mounting ring disclosed ,
  • the compounds consist of three interconnected couplings, the couplings having certain length ratios to each other and are connected to each other and with the socket ring on solid joints.
  • the couplings are considered to be stiff within the range of motion of the link so that the deflection of the link can be represented by a transmission scheme for a linkage.
  • the optical element is in each case attached via an attachment point, which is guided in each case on a straight line to one of the compounds.
  • the solid-state joints With the deflection of the joints, the solid-state joints are elastically deformed, whereby restoring forces are brought about in the solid-state joints, which effect a force of reaction in the direction of the straight line in cooperation, in each case for a connection to the associated fastening point.
  • US 2010/0097697 A1 discloses a further socket assembly is disclosed, in which in an embodiment, as shown in FIG. 16, an optical element is held within a mounting ring via spring arrangements.
  • the spring assemblies are each formed by a pot mounted on the socket ring by having a rod and a spring act in series on the optical element. This type of storage is intended to protect the optical element in particular from damage during transport.
  • a thermally compensated optical assembly consisting of a monolithic socket with a coefficient of thermal expansion, which is divided by slots in a socket ring and at least three elastic compounds, and an optical element having a coefficient of thermal expansion not equal to the thermal expansion coefficient of the socket each being connected at a juncture with the joints, the elastic joints being adapted to compensate for thermal expansion differences between the socket ring and the optical element within a temperature range, from a lower limit temperature to an upper limit temperature, by deformation each causes a temperature-dependent reaction force with an amount and a direction of action in the joints solved.
  • the compensation elements each consist of an expansion body having a longitudinal axis and a spring element acting in the direction of the longitudinal axis.
  • the expansion bodies are in each case with the mounting ring and the spring elements are each in contact with one of the compounds.
  • the connections and the spring elements are arranged relative to one another such that they are relaxed at one of the limit temperatures of the temperature range, so that the reaction force acts in the same sense of direction over the entire temperature range.
  • the expansion body and the spring elements are designed so that the compensation elements each have a temperature-dependent compensation force cause each causing a counterforce at the joints, which counteracts the reaction force.
  • the contact of the expansion body with the socket ring via an outer end is advantageous given the expansion body, wherein the spring element is designed as a compression spring which bears against an inner end of the expansion body.
  • the compression spring is designed as a tube spring and the expansion body is a biasing sleeve having an outer thread formed at its outer end, wherein the Bourdon tube and the biasing sleeve having an internal thread into which a calibration is screwed, which over the Einschraubpen of Kalibrierbolzens in the Bourdon tube, the spring constant of the Bourdon tube is changeable.
  • the contact of the expansion body with the socket ring via an inner end is advantageous given the expansion body, wherein the spring element is designed as a tension spring which is fixed to an outer end of the expansion body.
  • the coefficient of thermal expansion of the optical element is greater than the coefficient of thermal expansion of the socket and the connections and the spring elements are in contact with each other so that they are relaxed at the upper limit temperature, it is advantageous to contact the expansion element with the socket ring via an inner end given the expansion body, wherein the spring element is designed as a tension spring which is fixed to an outer end of the expansion body.
  • the longitudinal axes are arranged in alignment with the directions of action of the reaction forces extending through the connection points, and the compensation elements are designed such that the counterforce is equal to the compensation force.
  • the optical element can be connected directly or indirectly via an auxiliary socket with the compounds.
  • Fig. 3 shows a first embodiment of an optical assembly with a
  • Fig. 4 shows a second embodiment of an optical assembly with a
  • An optical assembly basically consists of a socket consisting of a mounting ring 1 .1, 1 .2 and at least three on the mounting ring 1 .1, 1 .2 formed elastic connections 2.1, 2.2, a number of Compensation elements 5.1, 5.2, equal to the number of connections 2.1, 2.2, and an optical element 3.1, 3.2, which is connected at junctions 4.1, 4.2 with the compounds 2.1, 2.2.
  • the elastic connections 2.1, 2.2 are designed so that they compensate for thermal expansion differences between the mounting ring 1.1, 1.2 and the optical element 3.1, 3.2 by deformation within a temperature range between a lower limit temperature T u and an upper limit temperature T 0 .
  • Deformation is to be understood here as meaning both the bending of elastically yielding members and an adjustment of rigid members connected to one another via elastic joints.
  • the socket is made monolithic, formed by a ring which is divided by slots in the socket ring 1.1, 1.2 and the compounds 2.1, 2.2.
  • the compensation elements 5.1, 5.2 are mounted in the mounting ring 1.1, 1.2 and each consist of an expansion body 8.1, 8.2 with a longitudinal axis 7.1, 7.2 and acting in the direction of the longitudinal axis 7.1, 7.2 spring element 11.1, 11.2.
  • An outer end 9.1, 9.2 of the expansion ring 8.1, 8.2 mounted in the mounting ring 1.1, 1.2 faces the outer circumference of the mounting ring 1.1, 1.2, and an inner end 10.1, 10.2 faces the optical element 3.1, 3.2.
  • the expansion body 8.1, 8.2 consists of a material with a coefficient of thermal expansion of the compensation element a «.
  • the expansion body 8.1, 8.2 is connected to the mounting ring 1.1, 1.2 and the spring element 11.1, 11.2 is connected to a point 6.1, 6.2 at one of the compounds 2.1, 2.2 in contact.
  • the material and the dimensioning of the compensation elements 5.1, 5.2 is essentially dependent on the reaction force F R and is thus dependent on the materials and the dimensions of the socket and the optical element 3.1, 3.2 and the elasticity of the compounds 2.1, 2.2.
  • the compensation elements 5.1 are advantageously mounted in the mounting ring 1 .1 such that their longitudinal axes 7.1 run in alignment with the directions of action of the reaction forces F R through the connection points 4.1, that is, the points of contact 6.1 lie on a straight line passing through the connection points 4.1 in the direction of action.
  • the compensation elements 5.1 must then each cause only a compensation force F K equal to a counterforce F G , which changes with opposite signs and with their amount, ideally equal to the reaction forces FR.
  • the compensation elements 5.2 can also be staggered, that is to say the points of application 6.2 do not lie on a straight line running through the connection points 4.2 in the direction of action of the reaction force FR. This may be necessary, in particular, if the connection 2.2 does not provide a point of application 6.2 or no mounting option to which the compensation elements 5.2, aligned with the directions of action of the reaction forces F R through the connection points 4.2, can be attached.
  • the compensation elements 5.2 are then constructed and arranged in the socket with its longitudinal axis 7.2, that they each generate at the point 6.2 on one of the compounds 2.2 such a compensation force F K with an amount and a direction of action that in the junction 4.2 one of the reaction force FR counteracting counterforce FQ is caused, which ideally compensates for this over the temperature range, and a moment caused by the offset is canceled.
  • the socket and the compensation elements 5.1, 5.2 must be mounted together so that they either at the same temperature below or at the lower limit temperature T u (when the coefficient of expansion of the optical element is smaller than that of the socket) or above or at the upper limit temperature T 0 (when the coefficient of expansion of the optical element is greater than that of the socket) are relaxed. As a result, they are at a rated temperature T N , which is often assumed to be 25 ° and within the temperature range, below Preload can be mounted. It is important that the bias is introduced prior to assembly of the optical element 3.1, 3.2 in the socket. Since the bias of the compensation element 5.1, 5.2, which causes a compensation force FK, and the bias of the connection 2.1, 2.2 ideally compensate, then no force acts on the optical element 3.1, 3.2 and it is held without force in the socket.
  • an optical assembly according to the invention differs from all known from the prior art generic optical assemblies.
  • the compensation elements 5.1, 5.2 are components with a rigid expansion body 8.1, 8.2 paired with a spring element 11, 11, 11 .2.
  • reaction forces FR The formation of the reaction forces FR will be explained below for the two selected examples.
  • FIG. 1 shows a previously described in the introduction optical assembly according to DE 10 2006 060 088 A1 with a monolithic socket consisting of a mounting ring 1 .1 and three elastic connections 2.1 and held in the version via three connection points 4.1 optical element 3.1.
  • the socket is made of a material with a higher coefficient of thermal expansion a F , in comparison to the thermal expansion coefficient of the optical element ⁇ E.
  • the socket ring 1 .1 experiences a greater expansion or greater shrinkage than the optical element 3.1.
  • connection points 4.1 which in each case represent bilaterally fixed bending beams, each of which forms one of the connection points 4.1 with the optical element 3.1 in the middle, lead in the connection points 4.1 radially acting reaction forces FR whose sense of direction is at a reversal point at the nominal temperature T. N changes when the optical assembly was depressurized mounted at the nominal temperature TN.
  • Fig. 2 shows a likewise described in the introduction optical assembly according to the unpublished DE 10 2013 109 185 A1 with a monolithic socket consisting of a mounting ring 1 .2 and three elastic connections 2.2 and held in the version via three connection points 4.2 optical Element 3.2.
  • the socket is here also made of a material with a higher coefficient of thermal expansion a F compared to the thermal expansion coefficient of the optical element a E.
  • the socket ring 1 .2 experiences a greater expansion or greater shrinkage than the optical element 3.2.
  • the resulting deformation of the compounds 2.2 which are formed here by coupling, which are connected to each other and with the mounting ring 1 .2 on solid joints, lead to linear, in the joints 4.2 preferably radially acting reaction forces F R.
  • FIG. 1 A first embodiment of an optical assembly is shown in FIG.
  • the optical assembly designed in this way has all the features of the optical assembly described with reference to FIG. 1 according to DE 10 2006 060 088 A1, plus three compensation elements 5.1.
  • the optical element 3.1 is z. B. quartz glass
  • the compensation elements 5.1 are z. B. aluminum
  • the version is z. B. steel.
  • the thermal expansion coefficient of the optical element a E is smaller than the coefficient of thermal expansion of the socket a F , which in turn is smaller than the thermal expansion coefficient of the compensation element a.
  • the compensation elements 5.1 are identical and are explained below with reference to one of the compensation elements 5.1, which is associated with one of the connections 2.1 and thus one of the connection points 4.1.
  • a compensation element 5.1 consists of an expansion body 8.1, which is designed here as a biasing sleeve with an external and internal thread, a spring element 1 1 .1, which is here a compression spring designed specifically as a tube spring with a same internal thread as the biasing sleeve is and a Kalibrierbolzen 12 with an internal thread compatible external thread.
  • the biasing sleeve and the Bourdon tube are arranged in alignment one behind the other along the longitudinal axis 7.1 and firmly connected to each other via the screwed calibration pin 12. About the depth of the calibration bolt 12 in the Bourdon spring whose constant and thus their spring characteristic can be changed.
  • the compensation element 5.1 is screwed over the external thread of the biasing sleeve in the radial direction in the mounting ring 1 .1 and indeed so deep that it at the lower limit temperature T u at the non-prestressed connection 2.1 at the point 6.1, which is extended here as a contact surface, is created.
  • the compensation element 5.1 via the external thread, which is located at the outer end of the biasing sleeve 9.1, while the inner end 10.1 of the biasing sleeve bears against the tube spring, is firmly connected to the mounting ring 1 .1, the compensation element 5.1 corresponding to the radial extent of the mounting ring 1 .1 taken and thus expands itself in the opposite direction to the expansion of the mounting ring 1 .1 thus strong.
  • the adjacent connection 2.1 is deformed convex due to the comparatively smaller radial extent of the optical element 3.1 from the viewpoint of the optical element 3.1.
  • the compensation element 5.1 increasingly counteracts the deformation with increasing expansion, since it expands in the opposite direction and by an amount greater than the expansion difference between the socket and the optical element 3.1 and thus the tube spring is increasingly compressed. That is, the proportion of the amount that is greater than the expansion difference, leads to the compression of the Bourdon tube by a spring path, which causes a compensation force F «, which counteracts completely as a counter force FQ of the reaction force FR.
  • FIG. A second embodiment of an optical assembly is shown in FIG. It has all the features of the optical assembly described with reference to FIG. 2 according to the unpublished DE 10 2013 109 185 A1, plus six compensation elements 5.2.
  • the optical element 3.2 is z. B. of quartz glass
  • the compensation elements 5.2 are z. B. made of steel
  • the socket is z. B. aluminum.
  • the thermal expansion coefficient of the optical element ⁇ E is smaller than the thermal expansion coefficient of the compensation element ⁇ ⁇ , which in turn is smaller than the thermal expansion coefficient of the version a F.
  • the compensation elements are 5.2 identical executed and will be explained with reference to one of the compensation elements 5.2 below.
  • a compensation element 5.2 consists of an expansion body 8.2, which is designed here as a biasing sleeve with an external thread at the inner end 10.2, and a spring element 1 1 .2, which is designed here as a helical tension spring.
  • This can be advantageous, but does not have to, be made of the same material as the pretensioning sleeve, which determines the thermal expansion of the compensation element 5.2.
  • the helical tension spring is on the one hand firmly fixed to the outer end 9.2 of the pretensioning sleeve and on the other hand to the point of application 6.2 of the connection 2.2.
  • the point 6.2 for each embodiment is advantageously on a line with the direction of action of the reaction force FR to be compensated, he should not be exemplary in the direction of action of the reaction force F R here , but to be offset.
  • the compensation element 5.2 is then mounted with its longitudinal axis 7.2 in the mounting ring 1 .2 and dimensioned so that a compensation force F 'is produced which generates a first component in the direction of action of the reaction force FR of opposite sense of direction, which then forms the counter-force F G and generates a second component, which counteracts the moment which results from the offset of the point of application 6.2 to the direction of action of the reaction force FR through the connection point 4.2.
  • the compensation element 5.2 is firmly connected via the external thread of the biasing sleeve with the mounting ring 1 .2, the compensation element 5.2 is taken along according to the radial extent of the mounting ring 1 .2 and expands in the same direction as the socket ring 1 .2, whereby the Spring travel of the spring element 1 1 .2 on the expansion difference between the optical element 3.2 and the mounting ring 1 .2 addition is increased.
  • the spring travel, by which the helical tension spring then expands depending on temperature and thus causes a compensation force F, can thus be optimized via the dimensioning of the helical tension spring and the pretensioning sleeve.
  • the compounds are 2.2 and correspondingly the spring elements 1 1 .2 at nominal temperature T N biased so that they are relaxed at the upper limit temperature T 0 .
  • the compensation elements 5.1, 5.2 basically at any point in the mounting ring 1 .1, 1 .2 and with an angular position of the longitudinal axis 7.1, 7.2 to the diameter of the mounting ring 1 .1, 1 .2 smaller 90 ° can be mounted, provided that the free end of the spring element 1 1 .1, 1 1 .2 contact with the connection 1 .1, 1 .2 and the compensation element 5.1, 5.2 is designed so that the generated compensation force F K in Amount and in the direction of action arises so that it at the junction 4.1, 4.2 of the connection 2.1, 2.2 has a reaction force FR counteracting force Fo result.
  • the dependence of the reaction force F R and the compensation force F "on the temperature is linear.
  • the dependency can also be non-linear as long as the courses are coordinated with one another.
  • the compound 2.1, 2.2 causes a non-linear reaction force F R
  • a spring with non-linear characteristic can be used or the compensation element 5.1, 5.2 is so in the mounting ring 1 .1, 1 .2 arranged that the compensation force F "is transmitted according to non-linear to the connection point 4.1, 4.2.

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Abstract

Thermisch kompensierte optische Baugruppe bestehend aus einer monolithischen Fassung, die durch Schlitze in einen Fassungsring (1.1) und wenigstens drei elastische Verbindungen (2.1) unterteilt ist, die mit einem optischen Element (3.1) verbunden sind, wobei die elastischen Verbindungen (2.1) die thermischen Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring (1.1) und dem optischen Element (3.1) durch Verformung kompensieren. Die durch die Verformung hervorgerufenen temperaturabhängigen Reaktionskräfte (FR) werden kompensiert. Dazu sind Kompensationselemente (5.1) in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen (2.1) vorhanden, die jeweils aus einem Dehnungskörper (8.1) und einem Federelement (11.1) bestehen.

Description

Optische Baugruppe mit einer Fassung mit thermisch abhängigem Kraftausgleich
Die Erfindung betrifft eine thermisch kompensierte optische Baugruppe mit einer Fassung und einem in dieser gefassten optischen Element.
Grundsätzlich werden Fassungen für optische Elemente in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Abbildungsqualität sowie den gegebenen Transport-, Lager- und Einsatzbedingungen des optischen Systems, in dem das gefasste optische Element 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. Unabhängig von den genannten Belastungen muss das optische Element in der Fassung in einer definierten Position spannungsarm dauerhaft gehalten werden.
Aufgrund der genannten 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 Element in einer Fassung halten, die über einen vorgegebenen Temperaturbereich einen radialen Dehnungsausgleich zwischen dem Material der Fassung und dem Material des optischen Elementes ermöglicht. Derartige Baugruppen werden als thermisch kompensiert bezeichnet.
Derartige Fassungen bestehen häufig aus einem starren Fassungsring und mehreren elastischen Verbindungen, über die ein optisches Element direkt oder indirekt über eine Hilfsfassung mit dem Fassungsring verbunden ist. Die elastischen Verbindungen gleichen die radial unterschiedliche Ausdehnung des optischen Elementes und des Fassungsrings aus, indem sie sich reversibel verformen, wobei eine der Verformung entgegenwirkende Reaktionskraft hervorgerufen wird, die an Verbindungsstellen zwischen den elastischen Verbindungen und dem optischen Element auf das optische Element wirkt. Durch eine gezielte Materialauswahl und die konstruktive Ausführung der Verbindungen, sodass diese radial weich sind, oder besondere Gestaltungsmaßnahmen des optischen Elementes, die verhindern sollen, dass einwirkende Kräfte zu Verspannungen der optisch wirksamen Bereiche führen, wird im Stand der Technik versucht, die Auswirkung der Dehnungsunterschiede gering zu halten oder den Ort ihrer Wirkung zu verlagern. In der Offenlegungsschrift DE 10 2006 060 088 A1 ist eine optische Baugruppe offenbart, mit einem Fassungsring (dort Halterung), an dem entlang der inneren Umfangsfläche drei mit dem Fassungsring monolithisch verbundene elastische Verbindungen ausgebildet sind, über die der Fassungsring mit einer Linse verbunden ist. Die Verbindungen bestehen jeweils aus einem an dem optischen Element an Verbindungsstellen mittig und tangential anliegenden Biegebalken (dort Steg), dessen Enden in den Fassungsring übergehen. Durch die radiale elastische Nachgiebigkeit der tangential anliegenden Biegebalken können unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen dem optischen Element und der Fassung ausgeglichen werden, und das optische Element wird innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches spannungsarm gehalten. Das optische Element wird dabei stets zentriert gehalten. Im Grundzustand der optischen Baugruppe, bei Normaltemperatur, sind die Biegebalken entspannt. Bei einer Temperaturänderung werden sie radial zunehmend gespannt, wodurch eine zunehmend größer werdende Reaktionskraft auf die Verbindungsstellen in radialer Richtung wirkt, die eine Druckkraft oder eine Zugkraft, je nach Richtungssinn der Reaktionskraft, darstellt.
Auch aus der DE 10 2010 008 756 A1 ist eine optische Anordnung ebenfalls mit einer monolithischen Fassung und einem darin über drei elastische Verbindungen (dort Federbeinanordnungen) gehaltenen rotationssymmetrischen optischen Element bekannt. Die Federbeinanordnungen sind jeweils aus zwei Parallelfederbeinen (Biegebalken) gebildet, wobei jeweils eines der Enden beider Parallelfederbeine in einen Fassungsring (dort äußerer Fassungsbereich) übergeht und die anderen Enden in einen Kontaktfuß münden, an dem das optische Element durch Klebung oder Lötung fixiert ist. Die beiden Parallelfederbeine wirken auch hier als Biegebalken und sind in Richtung ihrer Nachgiebigkeit, das heißt senkrecht zur optischen Achse des optischen Elementes mit einem Abstand zueinander angeordnet, der im Verhältnis zu ihrer Länge klein ist. Aus Sicht des optischen Elementes verlaufen sie entlang einer konkaven Krümmungslinie. Bei einer radialen Ausdehnung des optischen Elementes übt dieses auf die Kontaktfüße radial wirkende Kräfte aus, was zur Auslenkung der Parallelfederbeine in einer senkrechten Ebene zur optischen Achse führt. Im Unterschied zu einem einfachen einseitig fixierten Federbein entsteht kein Biegemoment im Kontaktbereich mit dem optischen Element, was sich damit erklären würde, dass die Federbeinanordnung selbst ein Moment im Kontaktbereich erzeugt, welches dem von dem optischen Element ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt, was dazu führt, dass der Kontaktfuß nur eine translatorische Bewegung ausführen kann. Die Parallelfederbeine werden damit mit zunehmender Temperaturdifferenz zur Normaltemperatur zunehmend gespannt, wodurch eine zunehmend größer werdende Reaktionskraft auf die Verbindungsstellen in radialer Richtung wirkt, die eine Druckkraft oder eine Zugkraft, je nach Richtungssinn der Reaktionskraft, darstellt. Eine optische Baugruppe mit einer ähnlichen Fassung ist aus der DE10 2010 022 934 A1 bekannt.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 B3 ist eine optische Baugruppe, umfassend ein rotationssymmetrisches optisches Element und eine monolithische Fassung, bestehend aus einem Fassungsring und mindestens drei Verbindungen (dort Verbindungseinheiten), über welche das optische Element mit dem Fassungsring verbunden ist, offenbart. Die Verbindungen bestehen aus drei miteinander verbundenen Koppeln, wobei die Koppeln bestimmte Längenverhältnisse zueinander aufweisen und untereinander und mit dem Fassungsring über Festkörpergelenke verbunden sind.
Die Koppeln werden innerhalb des Bewegungsbereiches der Verbindung als steif betrachtet, sodass sich die Auslenkung der Verbindung mittels eines Getriebeschemas für ein Koppelgetriebe darstellen lässt. Das optische Element ist jeweils über eine Befestigungsstelle, die jeweils auf einer Geraden geführt wird, an einer der Verbindungen befestigt. Mit dem Auslenken der Verbindungen werden die Festkörpergelenke elastisch verformt, womit in den Festkörpergelenken Rückstellkräfte bewirkt werden, die durch Kraftfluss in Zusammenwirkung jeweils für eine Verbindung an der zugehörigen Befestigungsstelle eine Reaktionskraft in Richtung der Geraden bewirken.
Es wurde in vorgenannten Schriften darauf hingewiesen, dass die Ausführung der Fassungen als monolithische Bauteile lediglich vorteilhaft ist und Fassungen basierend auf den gezeigten Prinzipien auch durch diskrete Bauteile realisierbar sind. Aus der US 201 1 /0096314 A1 ist eine Fassungsbaugruppe mit einer monolithischen Fassung, bestehend aus einem Fassungsring und elastischen Verbindungsmechanismen, offenbart. Die Verbindungsmechanismen sind hier jeweils durch eine Kette von Verbindungselementen gebildet, die untereinander über Festkörpergelenke verbunden sind. Bei Auslenkung der Festkörpergelenke infolge von Dehnungsunterschieden entsteht auch hier in Abhängigkeit vom Maß der Auslenkung und in Abhängigkeit von der Temperatur eine Rückstellkraft. Bei einer in der US 7 139 137 B2 gezeigten Fassungsbaugruppe wird ein optisches Element innerhalb eines Fassungsringes mittelbar über diskrete Federelemente gehalten. An die Federelemente greifen in dem Fassungsring gelagerte Kompressionselemente an, über deren Verstellung das optische Element innerhalb des Fassungsringes justiert werden kann.
In der US 2010/0097697 A1 ist eine weitere Fassungsbaugruppe offenbart, bei welcher in einer Ausführung, gemäß Fig. 16, ein optisches Element innerhalb eines Fassungsringes über Federanordnungen gehalten wird. Die Federanordnungen sind jeweils durch einen am Fassungsring montierten Topf gebildet, indem in Reihe angeordnet ein Stab und eine Feder auf das optische Element wirken. Diese Art der Lagerung soll das optische Element insbesondere vor Transportschäden bewahren.
Die Lösungen der vorgenannten Schriften haben gemeinsam, dass ein in einer Fassung gefasstes optisches Element über elastische Verbindungen mit einem Fassungsring verbunden ist, um temperaturabhängige Dehnungsunterschiede ausgleichen zu können. Bedingt durch die unterschiedliche Ausdehnung der Fassung und des optischen Elementes werden jedoch an den Verbindungsstellen Reaktionskräfte erzeugt, die auf das optische Element wirken. Diese Reaktionskräfte können zu Verspannungen bzw. zur Änderung von Spannungen im optischen Element führen und damit die Abbildungseigenschaften des optischen Elementes verändern. Es ist aus dem Stand der Technik keine derartige optische Baugruppe bekannt, bei der durch zusätzliche Mittel an den Verbindungsstellen eine den Reaktionskräften entgegenwirkende Gegenkraft erzeugt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die an den Verbindungsstellen auftretenden Reaktionskräfte wenigstens teilweise zu kompensieren, um die optische Abbildungsqualität über einen vorgegebenen Temperaturbereich konstant zu halten.
Diese Aufgabe wird für eine thermisch kompensierte optische Baugruppe, bestehend aus einer monolithischen Fassung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die durch Schlitze in einen Fassungsring und wenigstens drei elastische Verbindungen unterteilt ist, und einem optischen Element mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ungleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung, das mit den Verbindungen jeweils an einer Verbindungsstelle verbunden ist, wobei die elastischen Verbindungen so ausgeführt sind, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring und dem optischen Element innerhalb eines Temperaturbereiches, von einer unteren Grenztemperatur bis zu einer oberen Grenztemperatur, durch Verformung kompensieren, wobei die Verformung jeweils eine temperaturabhängige Reaktionskraft mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung in den Verbindungsstellen hervorruft, gelöst.
Dazu sind Kompensationselemente in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen vorhanden.
Die Kompensationselemente bestehen jeweils aus einem Dehnungskörper mit einer Längsachse und einem in Richtung der Längsachse wirkenden Federelement. Die Dehnungskörper stehen jeweils mit dem Fassungsring und die Federelemente stehen jeweils mit einer der Verbindungen in Kontakt. Die Verbindungen und die Federelemente sind so zueinander angeordnet, dass sie bei einer der Grenztemperaturen des Temperaturbereiches entspannt sind, sodass die Reaktionskraft über den gesamten Temperaturbereich in einem gleichen Richtungssinn wirkt. Dabei sind die Dehnungskörper und die Federelemente so ausgelegt, dass die Kompensationselemente jeweils eine temperaturabhängige Kompensationskraft verursachen, die an den Verbindungsstellen jeweils eine Gegenkraft hervorruft, welche der Reaktionskraft entgegenwirkt.
Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der unteren Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein äußeres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende des Dehnungskörpers anliegt.
Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der oberen Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein äußeres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende des Dehnungskörpers anliegt. Es ist von Vorteil, wenn die Druckfeder als eine Rohrfeder ausgeführt ist und der Dehnungskörper eine Vorspannhülse mit einem an seinem äußeren Ende ausgebildeten Außengewinde ist , wobei die Rohrfeder und die Vorspannhülse ein Innengewinde aufweisen, in das ein Kalibrierbolzen eingeschraubt ist, womit über die Einschraublänge des Kalibrierbolzens in die Rohrfeder die Federkonstante der Rohrfeder veränderbar ist.
Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der unteren Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein inneres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende des Dehnungskörpers befestigt ist. Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist und die Verbindungen und die Federelemente so miteinander in Kontakt stehen, dass sie bei der oberen Grenztemperatur entspannt sind, ist vorteilhaft jeweils der Kontakt des Dehnungskörpers mit dem Fassungsring über ein inneres Ende des Dehnungskörpers gegeben, wobei das Federelement als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende des Dehnungskörpers befestigt ist. Vorteilhaft sind die Längsachsen fluchtend zu den durch die Verbindungsstellen verlaufenden Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte angeordnet und die Kompensationselemente sind so ausgelegt, dass die Gegenkraft gleich der Kompensationskraft ist. Das optische Element kann unmittelbar oder mittelbar über eine Hilfsfassung mit den Verbindungen verbunden sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Entstehung der Reaktionskräfte in einer Verbindungsstelle anhand einer optischen Baugruppe gemäß dem Stand der Technik,
Fig.2 eine Darstellung der Entstehung der Reaktionskräfte in einer Verbindungsstelle anhand einer optischen Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 B3,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe mit einem
Kraft-Temperatur-Diagramm und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer optischen Baugruppe mit einem
Kraf t-Te m pe ratu r- D i ag ram m .
Eine optische Baugruppe besteht grundsätzlich aus einer Fassung, bestehend aus einem Fassungsring 1 .1 , 1 .2 und wenigstens drei an dem Fassungsring 1 .1 , 1 .2 ausgebildeten elastischen Verbindungen 2.1 , 2.2, einer Anzahl von Kompensationselementen 5.1, 5.2, gleich der Anzahl der Verbindungen 2.1, 2.2, und einem optischen Element 3.1, 3.2, das an Verbindungsstellen 4.1, 4.2 mit den Verbindungen 2.1 , 2.2 verbunden ist.
Die elastischen Verbindungen 2.1, 2.2 sind so ausgeführt, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen dem Fassungsring 1.1, 1.2 und dem optischen Element 3.1, 3.2 durch Verformung innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen einer unteren Grenztemperatur Tu und einer oberen Grenztemperatur T0 kompensieren. Unter Verformung soll hier sowohl die Verbiegung elastisch nachgiebiger Glieder als auch eine Verstellung von starren, untereinander über elastische Gelenke verbundenen Gliedern verstanden werden.
Die Fassung ist monolithisch gefertigt, gebildet durch einen Ring, der durch Schlitze in den Fassungsring 1.1, 1.2 und die Verbindungen 2.1 , 2.2 unterteilt ist. Die Kompensationselemente 5.1, 5.2 sind in den Fassungsring 1.1, 1.2 montiert und bestehen jeweils aus einem Dehnungskörper 8.1, 8.2 mit einer Längsachse 7.1, 7.2 sowie einem in Richtung der Längsachse 7.1, 7.2 wirkenden Federelement 11.1, 11.2. Ein äußeres Ende 9.1, 9.2 des in den Fassungsring 1.1, 1.2 montierten Dehnungskörpers 8.1, 8.2 ist dem äußeren Umfang des Fassungsrings 1.1, 1.2 zugewandt und ein inneres Ende 10.1, 10.2 ist dem optischen Element 3.1, 3.2 zugewandt. Der Dehnungskörper 8.1, 8.2 besteht aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes a«. Durch die Materialwahl für den Dehnungskörper 8.1, 8.2 und seine Dimensionierung, insbesondere seine Länge entlang der Längsachse 7.1, 7.2, kann der Federweg, um den das Federelement 11.1, 11.2 über den Temperaturbereich gedehnt bzw. gestaucht wird, und damit dessen Federkennlinie beeinflusst werden.
Der Dehnungskörper 8.1, 8.2 steht mit dem Fassungsring 1.1, 1.2 und das Federelement 11.1, 11.2 steht mit einem Angriffspunkt 6.1, 6.2 an einer der Verbindungen 2.1, 2.2 in Kontakt. Das Material und die Dimensionierung der Kompensationselemente 5.1, 5.2 ist im Wesentlichen abhängig von der Reaktionskraft FR und ist damit abhängig von den Materialien und der Dimensionierung der Fassung und des optischen Elementes 3.1, 3.2 sowie der Elastizität der Verbindungen 2.1 , 2.2. Vorteilhaft sind die Kompensationselemente 5.1 so im Fassungsring 1 .1 montiert, dass deren Längsachsen 7.1 fluchtend zu den Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte FR durch die Verbindungsstellen 4.1 verlaufen, das hei ßt, die Angriffspunkte 6.1 liegen auf einer durch die Verbindungsstellen 4.1 in Wirkungsrichtung verlaufenden Geraden. Die Kompensationselemente 5.1 müssen dann jeweils nur eine Kompensationskraft FK gleich einer Gegenkraft FG bewirken, die sich mit entgegengesetzten Vorzeichen und mit ihrem Betrag, idealerweise gleich den Reaktionskräften FR, ändert.
Die Kompensationselemente 5.2 können hierzu auch versetzt angeordnet sein, das heißt, die Angriffspunkte 6.2 liegen nicht auf einer durch die Verbindungsstellen 4.2 in Wirkungsrichtung der Reaktionskraft FR verlaufenden Geraden. Das kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die Verbindung 2.2 keinen Angriffspunkt 6.2 oder keine Montagemöglichkeit bietet, an welche die Kompensationselemente 5.2, fluchtend zu den Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte FR durch die Verbindungsstellen 4.2, angebracht werden können. Die Kompensationselemente 5.2 sind dann so konstruiert und in der Fassung mit ihrer Längsachse 7.2 angeordnet, dass sie jeweils an dem Angriffspunkt 6.2 auf einer der Verbindungen 2.2 eine solche Kompensationskraft FK mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung erzeugen, dass in der Verbindungsstelle 4.2 eine der Reaktionskraft FR entgegenwirkende Gegenkraft FQ verursacht wird, welche diese idealerweise über den Temperaturbereich kompensiert, und ein durch den Versatz bewirktes Moment aufgehoben wird.
Um die Kompensationswirkung für den Temperaturbereich zu erreichen, darf sich der Richtungssinn der entstehenden Reaktionskraft FR während des Temperaturanstiegs bzw. während des Temperaturabfalls nicht ändern, weshalb die Fassung und die Kompensationselemente 5.1 , 5.2 so miteinander montiert werden müssen, dass sie bei einer gleichen Temperatur entweder unterhalb oder bei der unteren Grenztemperatur Tu (wenn der Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner als der der Fassung ist) bzw. oberhalb oder bei der oberen Grenztemperatur T0 (wenn der Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der der Fassung ist) entspannt sind. Das hat zur Folge, dass sie bei einer Nenntemperatur TN, die häufig als 25 ° angenommen wird und innerhalb des Temperaturbereiches liegt, unter Vorspannung montiert werden. Wichtig ist, dass die Vorspannung vor der Montage des optischen Elementes 3.1 , 3.2 in die Fassung eingebracht wird. Da sich die Vorspannung des Kompensationselementes 5.1 , 5.2, welche eine Kompensationskraft FK bewirkt, und die Vorspannung der Verbindung 2.1 , 2.2 idealerweise kompensieren, wirkt dann keine Kraft auf das optische Element 3.1 , 3.2 und es wird kraftfrei in der Fassung gehalten.
Idealerweise wird durch die Addition der Gegenkräfte FQ und der Reaktionskräfte FR an den Verbindungsstellen 4.1 , 4.2 die Kraftwirkung auf das optische Element 3.1 , 3.2 über einen ausgedehnten Temperaturbereich vollständig aufgehoben. Mit dieser Maßnahme unterscheidet sich eine erfindungsgemäße optische Baugruppe von allen aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgleichen optischen Baugruppen.
Wie bereits erwähnt handelt es sich bei den Kompensationselementen 5.1 , 5.2 um Bauteile mit einem starren Dehnungskörper 8.1 , 8.2 gepaart mit einem Federelement 1 1 .1 , 1 1 .2.
Vorteilhafte Ausführungen der Kompensationselemente 5.1 , 5.2 werden nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen für die optische Baugruppe anhand von Fig. 3 und 4 erläutert.
Diese beiden Ausführungsbeispiele stellen eine Weiterentwicklung zweier optischer Baugruppen dar, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind und wie sie einleitend erläutert wurden. Sie stellen damit zwei ausgewählte Beispiele von thermisch kompensierten optischen Baugruppen dar, bei denen temperaturabhängig Verbindungen 2.1 , 2.2 verformt werden, sodass an den Verbindungsstellen 4.1 , 4.2 des gefassten optischen Elementes 3.1 , 3.2 mit den Verbindungen 2.1 , 2.2 jeweils eine Reaktionskraft FR erzeugt wird. Entsprechend der anhand dieser beiden Ausführungsbeispiele aufgezeigten Lehre zur Anordnung und Ausführung der Kompensationselemente 5.1 , 5.2 können andere derartige optische Baugruppen, so z. B. auch solche gemäß der in der Einleitung gewürdigten DE 10 2010 008 756 A1 oder DE 10 2010 022 934 A1 weiterentwickelt werden.
Die Entstehung der Reaktionskräfte FR wird nachfolgend für die beiden ausgewählten Beispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bereits in der Einleitung beschriebene optische Baugruppe gemäß der DE 10 2006 060 088 A1 mit einer monolithischen Fassung bestehend aus einem Fassungsring 1 .1 und drei elastischen Verbindungen 2.1 sowie einem in der Fassung über drei Verbindungsstellen 4.1 gehaltenen optischen Element 3.1 . Die Fassung ist aus einem Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aF, im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des optischen Elementes ÖE. Damit erfährt bei Temperaturänderungen von einer Nenntemperatur TN ausgehend insbesondere der Fassungsring 1 .1 eine stärkere Ausdehnung bzw. stärke Schrumpfung als das optische Element 3.1 . Die damit entstehende Verformung der Verbindungen 2.1 , die hier jeweils beidseitig fixierte Biegebalken darstellen, die jeweils mittig eine der Verbindungsstellen 4.1 mit dem optischen Element 3.1 bilden, führen in den Verbindungsstellen 4.1 radial wirkende Reaktionskräfte FR, deren Richtungssinn sich in einem Umkehrpunkt bei der Nenntemperatur TN ändert, wenn die optische Baugruppe bei der Nenntemperatur TN entspannt montiert wurde.
Fig. 2 zeigt eine ebenfalls bereits in der Einleitung beschriebene optische Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 A1 mit einer monolithischen Fassung bestehend aus einem Fassungsring 1 .2 und drei elastischen Verbindungen 2.2 sowie einem in der Fassung über drei Verbindungsstellen 4.2 gehaltenen optischen Element 3.2. Die Fassung ist auch hier aus einem Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aF im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des optischen Elementes aE. Damit erfährt auch hier bei Temperaturänderungen insbesondere der Fassungsring 1 .2 eine stärkere Ausdehnung bzw. stärkere Schrumpfung als das optische Element 3.2. Die damit entstehende Verformung der Verbindungen 2.2, die hier durch Koppeln gebildet werden, die untereinander und mit dem Fassungsring 1 .2 über Festkörpergelenke verbunden sind, führen zu linearen, in den Verbindungsstellen 4.2 bevorzugt radial wirkenden Reaktionskräften FR.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine optische Baugruppe ist in Fig. 3 gezeigt. Die so ausgeführte optische Baugruppe weist alle Merkmale der anhand von Fig. 1 beschriebenen optischen Baugruppe gemäß der DE 10 2006 060 088 A1 auf, zuzüglich dreier Kompensationselemente 5.1 . Das optische Element 3.1 ist z. B. aus Quarzglas, die Kompensationselemente 5.1 sind z. B. aus Aluminium und die Fassung ist z. B. aus Stahl. Entsprechend dem Beispiel der Materialauswahl ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes aE kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung aF, der wiederum kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes a« ist. Die Kompensationselemente 5.1 sind identisch ausgeführt und werden anhand eines der Kompensationselemente 5.1 , welches einer der Verbindungen 2.1 und damit einer der Verbindungsstellen 4.1 zugeordnet ist, nachfolgend erklärt.
Ein Kompensationselement 5.1 besteht aus einem Dehnungskörper 8.1 , der hier als eine Vorspannhülse mit einem Außen- und einem Innengewinde ausgeführt ist, einem Federelement 1 1 .1 , das hier eine Druckfeder ist, die speziell als eine Rohrfeder mit einem gleichen Innengewinde wie die Vorspannhülse ausgeführt ist und einem Kalibrierbolzen 12 mit einem zu den Innengewinden kompatiblen Außengewinde. Die Vorspannhülse und die Rohrfeder sind fluchtend hintereinander entlang der Längsachse 7.1 angeordnet und über den eingeschraubten Kalibrierbolzen 12 fest miteinander verbunden. Über die Einschraubtiefe des Kalibrierbolzens 12 in die Rohrfeder kann deren Federkonstante und damit deren Federkennlinie verändert werden. Da die Vorspannhülse, die Rohrfeder und die Vorspannhülse aus einem gleichen Material, hier z. B. Aluminium, bestehen, erfahren sie bei Temperaturänderungen gleiche Längenänderungen entlang der Längsachse 7.1 und es entstehen keine Spannungen innerhalb des Kompensationselementes 5.1 . Damit die Reaktionskraft FR über den gesamten Temperaturbereich in eine Richtung und einer durch die Kompensationselemente 5.1 bewirkten Kompensationskraftkraft FK entgegenwirkt, sind die Verbindungen 2.1 und entsprechend die Federelemente 1 1 .1 bei Nenntemperatur TN SO vorgespannt, dass sie bei der unteren Grenztemperatur TU entspannt sind.
Das Kompensationselement 5.1 ist über das Außengewinde der Vorspannhülse in radialer Richtung in den Fassungsring 1 .1 eingeschraubt und zwar so tief, dass es bei der unteren Grenztemperatur Tu an der nicht vorgespannten Verbindung 2.1 an dem Angriffspunkt 6.1 , der hier als Anlagefläche ausgedehnt ist, angelegt ist. Indem das Kompensationselement 5.1 über das Außengewinde, welches sich am äußeren Ende 9.1 der Vorspannhülse befindet, während das innere Ende 10.1 der Vorspannhülse an der Rohrfeder anliegt, fest mit dem Fassungsring 1 .1 verbunden ist, wird das Kompensationselement 5.1 entsprechend der radialen Ausdehnung des Fassungsrings 1 .1 mitgenommen und dehnt sich selbst in die entgegengesetzte Richtung zur Ausdehnung des Fassungsrings 1 .1 somit stark aus. Die anliegende Verbindung 2.1 wird aufgrund der vergleichsweise geringeren radialen Ausdehnung des optischen Elementes 3.1 aus Sicht des optischen Elementes 3.1 konvex verformt. Das Kompensationselement 5.1 wirkt der Verformung mit zunehmender Ausdehnung zunehmend entgegen, da es sich in entgegengesetzter Richtung und um einen Betrag größer der Ausdehnungsdifferenz zwischen der Fassung und dem optischen Element 3.1 ausdehnt und somit die Rohrfeder zunehmend zusammengedrückt wird. Das heißt, der Anteil des Betrages, der größer der Ausdehnungsdifferenz ist, führt zur Komprimierung der Rohrfeder um einen Federweg, der eine Kompensationskraft F« bewirkt, die vollständig als Gegenkraft FQ der Reaktionskraft FR entgegenwirkt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine optische Baugruppe ist in Fig. 4 gezeigt. Es weist alle Merkmale der anhand von Fig. 2 beschriebenen optischen Baugruppe gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 109 185 A1 auf, zuzüglich von sechs Kompensationselementen 5.2. Das optische Element 3.2 ist z. B. aus Quarzglas, die Kompensationselemente 5.2 sind z. B. aus Stahl und die Fassung ist z. B. aus Aluminium. Bei dieser Materialkomposition ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes ÖE kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompensationselementes ακ, der wiederum kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung aF ist. Die Kompensationselemente 5.2 sind identisch ausgeführt und werden anhand eines der Kompensationselemente 5.2 nachfolgend erklärt.
Ein Kompensationselement 5.2 besteht aus einem Dehnungskörper 8.2, der hier als eine Vorspannhülse mit einem Außengewinde am inneren Ende 10.2 ausgeführt ist, und einem Federelement 1 1 .2, das hier als eine Schraubenzugfeder ausgeführt ist. Diese kann vorteilhaft, muss aber nicht, aus dem gleichen Material wie die Vorspannhülse, welche für die thermische Dehnung des Kompensationselementes 5.2 bestimmend ist, ausgeführt sein. Die Schraubenzugfeder ist einerseits fest mit dem äußeren Ende 9.2 der Vorspannhülse und anderseits an dem Angriffspunkt 6.2 der Verbindung 2.2 fixiert. Obwohl der Angriffspunkt 6.2 für jedes Ausführungsbeispiel vorteilhaft auf einer Linie mit der Wirkungsrichtung der zu kompensierenden Reaktionskraft FR liegt, soll er hier beispielhaft nicht in der Wirkungsrichtung der Reaktionskraft FR liegen, sondern hierzu versetzt sein. Das Kompensationselement 5.2 ist mit seiner Längsachse 7.2 dann so im Fassungsring 1 .2 montiert und so dimensioniert, das eine Kompensationskraft F« erzeugt wird, die eine erste Komponente in der Wirkungsrichtung der Reaktionskraft FR mit entgegengesetztem Richtungssinn erzeugt, die dann die Gegenkraft FG bildet und eine zweite Komponente erzeugt, die dem Moment entgegenwirkt, welches durch den Versatz des Angriffspunktes 6.2 zur Wirkungsrichtung der Reaktionskraft FR durch die Verbindungsstelle 4.2 entsteht.
Indem das Kompensationselement 5.2 über das Außengewinde der Vorspannhülse fest mit dem Fassungsring 1 .2 verbunden ist, wird das Kompensationselement 5.2 entsprechend der radialen Ausdehnung des Fassungsrings 1 .2 mitgenommen und dehnt sich hierbei in gleicher Richtung wie der Fassungsring 1 .2 aus, womit der Federweg des Federelementes 1 1 .2 über den Dehnungsunterschied zwischen dem optischen Element 3.2 und dem Fassungsring 1 .2 hinaus vergrößert wird. Der Federweg, um den sich die Schraubenzugfeder dann temperaturabhängig ausdehnt und damit eine Kompensationskraft F« hervorruft, kann so über die Dimensionierung der Schraubenzugfeder und der Vorspannhülse optimiert werden.
Damit die Reaktionskraft FR über den gesamten Temperaturbereich in eine Richtung und einer durch die Kompensationselemente 5.1 bewirkten Kompensationskraftkraft F« entgegenwirkt, sind die Verbindungen 2.2 und entsprechend die Federelemente 1 1 .2 bei Nenntemperatur TN so vorgespannt, dass sie bei der oberen Grenztemperatur T0 entspannt sind. Es erschließt sich dem Fachmann aus den beiden Ausführungsbeispielen, dass die Kompensationselemente 5.1 , 5.2 grundsätzlich an beliebiger Stelle im Fassungsring 1 .1 , 1 .2 und mit einer Winkellage der Längsachse 7.1 , 7.2 zum Durchmesser des Fassungsrings 1 .1 , 1 .2 kleiner 90 ° montiert sein können, sofern das freie Ende des Federelementes 1 1 .1 , 1 1 .2 Kontakt mit der Verbindung 1 .1 , 1 .2 hat und das Kompensationselement 5.1 , 5.2 so ausgelegt ist, dass die erzeugte Kompensationskraft FK im Betrag und in der Wirkungsrichtung so entsteht, dass sie an der Verbindungsstelle 4.1 , 4.2 der Verbindung 2.1 , 2.2 eine der Reaktionskraft FR entgegenwirkende Gegenkraft Fo zur Folge hat.
Die Ausführung eine solchen optischen Baugruppe ist auch nicht daran gebunden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes kleiner dem der Fassung ist, sondern kann in Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre auch für Kombinationen von optischen Elementen mit einer Fassung realisiert werden, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung ist.
Bei der Ausführung der optischen Baugruppe mit Kompensationselementen 5.1 , 5.2 mit Druckfedern ist dann in umgekehrter Weise der entspannte Zustand für die obere Grenztemperatur T0 herzustellen, während bei Ausführung der optischen Baugruppe mit Kompensationselementen 5.1 , 5.2 mit Zugfedern der entspannte Zustand für die untere Grenztemperatur Tu herzustellen ist.
Es ist von Vorteil, wenn die Abhängigkeit der Reaktionskraft FR und der Kompensationskraft F« von der Temperatur linear ist. Grundsätzlich kann die Abhängigkeit auch nichtlinear sein, solange die Verläufe aufeinander abgestimmt sind. Wenn die Verbindung 2.1 , 2.2 eine nichtlineare Reaktionskraft FR bewirkt, kann für das Kompensationselement 5.1 , 5.2 z. B. eine Feder mit nichtlinearer Kennlinie verwendet werden oder das Kompensationselement 5.1 , 5.2 wird so im Fassungsring 1 .1 , 1 .2 angeordnet, dass die Kompensationskraft F« entsprechend nichtlinear auf die Verbindungsstelle 4.1 , 4.2 übertragen wird.
Bezugszeichenliste
1 .1 Fassungsring (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
1 .2 Fassungsring (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
2.1 Verbindung (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
2.2 Verbindung (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
3.1 optisches Element (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
3.2 optisches Element (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel) 4.1 Verbindungsstelle (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel) 4.2 Verbindungsstelle (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
5.1 Kompensationselement (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
5.2 Kompensationselement (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
6.1 Angriffspunkt (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
6.2 Angriffspunkt (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
7.1 Längsachse (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
7.2 Längsachse (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
8.1 Dehnungskörper (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
8.2 Dehnungskörper (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel) 9.1 äußeres Ende (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
9.2 äußeres Ende (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
10.1 inneres Ende (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
10.2 inneres Ende (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
1 1 .1 Federelement (gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel)
1 1 .2 Federelement (gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel)
12 Kalibrierbolzen
FR Reaktionskraft
FK Kompensationskraft
FQ Gegenkraft
TN Nenntemperatur
T0 obere Grenztemperatur
Tu untere Grenztemperatur αΕ thermischer Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes aF thermischer Ausdehnungskoeffizient der Fassung
ακ thermischer Ausdehnungskoeffizient des Kompensationselementes

Claims

Patentansprüche
1 . Thermisch kompensierte optische Baugruppe bestehend aus einer monolithischen Fassung, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ÖF), die durch Schlitze in einen Fassungsring (1 .1 , 1 .2) und wenigstens drei elastische Verbindungen (2.1 , 2.2) unterteilt ist,
und einem optischen Element (3.1 , 3.2) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ÖE) ungleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (ÖF), das mit den Verbindungen (2.1 , 2.2) jeweils an einer Verbindungsstelle (4.1 , 4.2) verbunden ist, wobei die elastischen Verbindungen (2.1 , 2.2) so ausgeführt sind, dass sie thermische Dehnungsunterschiede zwischen der Fassung und dem optischen Element (3.1 , 3.2) innerhalb eines Temperaturbereiches, von einer unteren Grenztemperatur (Tu) bis zu einer oberen Grenztemperatur (T0), durch Verformung kompensieren, wobei die Verformung jeweils eine temperaturabhängige Reaktionskraft (FR) mit einem Betrag und einer Wirkungsrichtung in den Verbindungsstellen (4.1 , 4.2) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass
Kompensationselemente (5.1 , 5.2) in einer Anzahl gleich der Anzahl von Verbindungen (2.1 , 2.2) vorhanden sind,
wobei die Kompensationselemente (5.1 , 5.2) jeweils aus einem Dehnungskörper (8.1 , 8.2) mit einer Längsachse (7.1 , 7.2) und einem in Richtung der Längsachse (7.1 ,7.2) wirkenden Federelement (1 1 .1 , 1 1 .2) bestehen und jeweils der Dehnungskörper (8.1 , 8.2) mit dem Fassungsring (1 .1 , 1 .2) und das Federelement (1 1 .1 , 1 1 .2) mit jeweils einer der Verbindungen (2.1 , 2.2) in Kontakt steht, wobei die Verbindungen (2.1 , 2.2) und die Federelemente (1 1 .1 , 1 1 .2) bei einer der Grenztemperaturen (Tu, T0) entspannt sind, sodass die Reaktionskraft (FR) über den gesamten Temperaturbereich in einem gleichen Richtungssinn wirkt und der Dehnungskörper (8.1 , 8.2) und das Federelement (1 1 .1 , 1 1 .2) bezüglich ihrer Dimensionierungen und ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten (OCF, OC«) SO ausgelegt sind, dass die Kompensationselemente (5.1 , 5.2) eine temperaturabhängige Kompensationskraft (F«) verursachen, die an den Verbindungsstellen (4.1 , 4.2) eine Gegenkraft (FG) hervorruft, welche der Reaktionskraft (FR) entgegenwirkt. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (aE) kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (ÖF) und die Verbindungen (2.1 ) und die Federelemente (1 1 .1 ) bei der unteren Grenztemperatur (Tu) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.1 ) mit dem Fassungsring (1 .1 ) über ein äußeres Ende (9.1 ) des Dehnungskörpers (8.1 ) gegeben ist und das Federelement (1 1 .1 ) als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende (10.1 ) des Dehnungskörpers (8.1 ) anliegt.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (ÖE) größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (aF) und die Verbindungen (2.1 ) und die Federelemente (1 1 .1 ) bei der oberen Grenztemperatur (T0) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.1 ) mit dem Fassungsring (1 .1 ) über ein äußeres Ende (9.1 ) des Dehnungskörpers (8.1 ) gegeben ist und das Federelement (1 1 .1 ) als eine Druckfeder ausgeführt ist, die an einem inneren Ende (10.1 ) des Dehnungskörpers (8.1 ) anliegt.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Dehnungskörper (8.1 ) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ακ) größer dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (aF) aufweist.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckfeder eine Rohrfeder ist, der Dehnungskörper (8.1 ) eine Vorspannhülse mit einem an einem äußeren Ende (9.1 ) des Dehnungskörpers (8.1 ) ausgebildeten Außengewinde ist und die Rohrfeder und die Vorspannhülse ein Innengewinde aufweisen, in das ein Kalibrierbolzen (12) eingeschraubt ist, womit über die Einschraublänge des Kalibrierbolzens (12) in die Rohrfeder die Federkonstante der Rohrfeder veränderbar ist. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (aE) kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (ÖF) und die Verbindungen (2.2) und die Federelemente (1 1 .1 ) bei der unteren Grenztemperatur (Tu) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.2) mit dem Fassungsring (1 .2) über ein inneres Ende (9.2) des Dehnungskörpers (8.2) gegeben ist, wobei das Federelement (1 1 .2) als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende (1 0.2) des Dehnungskörpers (8.2) befestigt ist.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient des optischen Elementes (ÖE) größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Fassung (aF) und die Verbindungen (2.2) und die Federelemente (1 1 .2) bei der oberen Grenztemperatur (T0) entspannt sind und der Kontakt des Dehnungskörpers (8.2) mit dem Fassungsring (1 .2) über ein inneres Ende (9.2) des Dehnungskörpers (8.2) gegeben ist, wobei das Federelement (1 1 .2) als eine Zugfeder ausgeführt ist, die an einem äußeren Ende (1 0.2) des Dehnungskörpers (8.2) befestigt ist.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Dehnungskörper (8.2) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ακ) kleiner dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fassung (aF) aufweist.
Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Längsachsen (7.1 , 7.2) fluchtend zu den durch die Verbindungsstellen (4.1 , 4.2) verlaufenden Wirkungsrichtungen der Reaktionskräfte (FR) angeordnet sind und die Kompensationselemente (5.1 , 5.2) so ausgelegt sind, dass die Gegenkraft (FQ) gleich der Kompensationskraft (FK) ist.
10. Thermisch kompensierte optische Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das optische Element (3.1 , 3.2) mittelbar über eine Hilfsfassung mit den Verbindungen (2.1 , 2.2) verbunden ist.
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