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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Optikhalter für ein optisches Element, wie er beispielsweise in der Photonikindustrie zum Aufbau von Laserstrahlquellen eingesetzt werden kann. Das Einsatzgebiet erstreckt sich über fertige Lasersysteme bis hin zu Laboraufbauten. Der Optikhalter sollte dabei eine Justiermöglichkeit für das optische Element, beispielsweise eine Linse oder einen Spiegel, bereitstellen.
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Bei kommerziell erhältlichen klassischen Optikhaltern sind die Spiegel und Linsen im Winkel verstellbar. Die Verstelleinheit wird meist durch Festgelenke, Schraubverbindungen oder kinematische Gelenke umgesetzt. Allerdings besteht bei vielen dieser Lösungen das Problem, dass sich die Optikhalter bei äußeren Einflüssen wie Stößen, Vibrationen oder Temperaturschwankungen über diese Schnittstelle auch dejustieren können.
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Stand der Technik
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Die am häufigsten kommerziell verfügbaren Optikhalter sind weitgehend identisch aufgebaut. Hierbei wird das optische Element in einer Halterung aufgenommen, die gegenüber einem feststehenden Trägerelement verkippbar gelagert ist. Die Verkippung kann in der Regel über zwei oder drei Stellschrauben eingestellt werden. Beispiele für derartige Optikhalter finden sich u.a. in den Angeboten der Firmen Thorlabs oder Newport oder auch in der
WO 2011/053929 A1 . Die für den Aufbau dieser Optikhalter eingesetzten Schraube/Mutter-Verbindungen können allerdings nie zu 100% passend hergestellt werden. Aufgrund dieses Spiels kann sich das optische Element dann gegenüber dem feststehenden Trägerelement zu einem gewissen Grad frei bewegen. Mit Zugfedern wird versucht, dieses Spiel zu minimieren. Allerdings bleibt die Grundproblematik der Gefahr einer Dejustage bei den oben genannten äußeren Einflüssen bestehen. In diesen Fällen müssen die Systeme nachjustiert werden. Diese Arbeit kann vor Ort oder per Einschicken an den Hersteller erfolgen. Beim häufigen Transport kann allerdings aufgrund mechanischer oder thermischer Belastung eine erneute Dejustage erfolgen.
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Bei den bekannten Optikhaltern erfolgt die Justage über die Stellschrauben von einer Seite der Optikhalter. Auch Optikhalter mit einer Justiermöglichkeit von oben sind bekannt. Diese erfordern jedoch entsprechende Umlenkelemente zur Verkippung der im Halter eingesetzten optischen Elemente. Allerdings lassen sich diese nicht in gleicher Weise mit verbessertem thermisch- und vibrationsstabilem Aufbau realisieren wie Optikhalter mit seitlicher Justageanordnung. Deshalb werden in der Regel die Optikhalter mit der seitlichen Justageanordnung bevorzugt. Allerdings kann dies problematisch werden, wenn der seitliche Zugang zum Optikhalter beim konkreten Einsatz erschwert oder nicht möglich ist.
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Aus der US 2002 / 0 075 581 A1 ist ein Optikhalter für ein optisches Element bekannt, der einen Halterungskäfig und ein im Halterungskäfig gelagertes kugelförmiges Trägerelement für das optische Element aufweist. Der Halterungskäfig verfügt über Halterungsstrukturen mit Auflageflächen für das Trägerelement, von denen sich jeweils zwei auf einer Seite des Trägerelements gegenüber liegen. Das Trägerelement weist wenigstens vier korrespondierende Auflageflächen auf, die Abschnitte einer Kugeloberfläche bilden und über die das Trägerelement mittels Form- und Kraftschluss so in dem Halterungskäfig gelagert ist, dass es um zwei zueinander senkrechte Achsen jeweils um einen Winkel drehbar ist. Auch die
EP 1 359 450 A1 beschreibt einen Optikhalter mit diesen Merkmalen.
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Auch aus der
EP 2 335 109 B1 ist ein Optikhalter für ein optisches Element bekannt, der einen Halterungskäfig und ein im Halterungskäfig gelagertes kugelförmiges Trägerelement für das optische Element aufweist.
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Die
DE 10 2012 102 627 B4 offenbart einen Optikhalter für ein Optikelement, bei dem eine zum Teil durch Federlaschen gebildete hohlzylindrische Wandung einen Hohlraum umschließt, in welchen das Optikelement eingesetzt ist. Das Optikelement wird durch die Federkräfte der Federlaschen im Hohlraum zentriert.
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Die US 2012 / 0 154 935 A1 beschreibt eine Haltevorrichtung für ein optisches Element, insbesondere für eine Zylinderlinse, mit einer das optische Element umgebenden Grundstruktur und einer Lagereinrichtung, mittels welcher das optische Element an der Grundstruktur abgestützt ist. Durch die Lagereinrichtung ist das optische Element um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen rotationsbeweglich gelagert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen justierbaren Optikhalter für optische Elemente anzugeben, der eine geringere Anfälligkeit für eine Dejustage bei Stößen, Vibrationen oder Temperaturschwankungen aufweist und sich auch von oben justieren lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Optikhalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Optikhalters sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Der vorgeschlagene Optikhalter weist einen Halterungskäfig und ein im Halterungskäfig gelagertes Trägerelement für das optische Element auf. Für die Lagerung des Trägerelementes verfügt der Halterungskäfig über Halterungsstrukturen mit Auflageflächen für das Trägerelement, von denen sich wenigstens jeweils zwei auf jeweils einer Seite des Trägerelements, also insbesondere auf der Vorderseite und der Rückseite bzgl. des Durchgangs eines optischen Strahls, gegenüber liegen. Vorzugsweise sind hierzu wenigstens vier Halterungsstrukturen mit jeweils einer Auflagefläche für das Trägerelement am Halterungskäfig angeordnet. Das Trägerelement weist entsprechend wenigstens vier korrespondierende - zusammenhängende oder getrennte - Auflageflächen auf, die Abschnitte einer (gemeinsamen) Kugeloberfläche bilden und über die das Trägerelement über Form- und Kraftschluss in dem Halterungskäfig gelagert ist. Die Auflageflächen der Halterungsstrukturen und des Trägerelementes liegen somit formschlüssig aufeinander. Das bedeutet, dass die Auflageflächen der Halterungsstrukturen ebenfalls entsprechend kugeloberflächenförmig ausgebildet sind. Die Lagerung des Trägerelementes in dem Halterungskäfig ist dabei derart, dass es um zwei zueinander senkrechte Achsen jeweils um einen Winkel drehbar ist. Die Größe des jeweiligen Winkels hängt vor allem von der Ausdehnung der Auflageflächen ab. Der Kraftschluss muss so gewählt sein, dass eine Drehung über geeignete am Trägerelement angreifende Justierelemente möglich ist. Vorzugsweise wird dieser Kraftschluss durch Federelemente bzw. Federstrukturen in wenigstens zwei der Halterungsstrukturen erreicht, die sich im Halterungskäfig auf einer Seite des Trägerelementes gegenüber liegen.
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Die Halterungsstrukturen inklusive der Federstrukturen sind vorzugsweise einstückig mit dem Halterungskäfig ausgebildet. Halterungskäfig und Halterungsstrukturen werden also bei der Fertigung aus einem gemeinsamen Rohteil erzeugt. Die Federstrukturen sind vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet, können aber auch eine andere Form aufweisen.
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Der vorgeschlagene Optikhalter weist somit keine Festgelenke, Schraubverbindungen oder kinematischen Gelenke auf, die die obigen Probleme einer Dejustage durch Stöße, Vibrationen oder Temperaturschwankungen mit sich bringen. Der Form- und Kraftschluss bewirkt eine spiellose Verbindung zwischen dem Halterungskäfig und dem Trägerelement. Dadurch ist das vom Trägerelement gehaltene, justierte optische Element während des Betriebs temperatur- und vibrationsstabil. Durch externe Belastungen wie beispielsweise Temperaturzyklen oder Vibrationen können keine Verkippungen wie bei den bekannten Optikhaltern des Standes der Technik auftreten. Der vorgeschlagene Optikhalter weist durch seinen Aufbau auch weniger Einzelkomponenten auf als die bekannten Optikhalter des Standes der Technik. Der Optikhalter ist demgegenüber einfacher und stabiler aufgebaut und lässt sich kompakter realisieren. Weiterhin lässt sich der vorgeschlagene Optikhalter durch das Lagerungsprinzip sowohl von der Seite als auch von oben justieren. Je nach gewünschter Justiermöglichkeit können hierzu an einer oder mehreren geeigneten Stellen am Trägerelement entsprechende Strukturen vorgesehen sein, an denen ein Justierwerkzeug angreifen kann. Der Optikhalter kann für die Justage auch zusätzliche Elemente aufweisen, bspw. ein - vorzugsweise untersetzendes - Getriebe, das eine Bewegung eines Justierwerkzeugs in eine Bewegung bzw. Drehung des Trägerelements umsetzt.
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Das Trägerelement weist eine kugel-, kugelsegment-, kugelschicht- oder kugelringförmige Grundform auf. Unter dem Begriff der Grundform ist hierbei zu verstehen, dass lokale Abweichungen von dieser Form, insbesondere durch Einbringung von Nuten oder anderen Vertiefungen, von Bohrungen oder auch durch Ausbildung von Stegen oder Zapfen möglich sind. Beim vorgeschlagenen Optikhalter sind am Trägerelement gegenüberliegende Nuten eingebracht, die eine Einführung des Trägerelementes in den Halterungskäfig bei der Montage des Optikhalters ermöglichen. Die Nuten bilden hierbei entsprechende Ausnehmungen für die feststehenden oder für die federnden Halterungsstrukturen. Nach dem Einbau des Trägerelementes wird dieses dann etwas gedreht, damit die Auflageflächen dieser Halterungsstrukturen an den Auflageflächen des Trägerelementes anliegen können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich V-Nuten an gegenüberliegenden Seiten in die Oberfläche des Trägerelementes eingebracht, die eine Führung einer Drehbewegung des Trägerelementes in zwei zueinander senkrechten Achsen ermöglichen. Am Halterungskäfig sind hierzu entsprechende Druckelemente vorgesehen, die in diese Nuten eingreifen.
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Der Optikhalter weist ebenfalls eine Schnittstelle zur Befestigung an einem Untergrund, beispielsweise einer Trägerplatte oder einem Montagetisch auf. Auch diese Schnittstelle ist vorzugsweise einstückig mit dem Halterungskäfig aufgebaut.
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Die vom Optikhalter zu tragenden optischen Elemente werden entweder direkt oder über eine zusätzliche Halterung am oder im Trägerelement befestigt. Die Befestigung kann hierbei in bekannter Weise, beispielsweise durch Klemmen, Kleben, Schweißen oder Löten erfolgen. Auch eine Schraubverbindung ist prinzipiell möglich. Das Trägerelement weist bei Nutzung des Optikhalters für transmissive Elemente eine geeignete zentrale Bohrung auf, durch die ein optischer Strahl dann durch das Trägerelement hindurchtreten kann. Eine entsprechend im Durchmesser angepasste zentrale Bohrung kann auch vorgesehen sein, um das optische Element selbst in dieser Bohrung des Trägerelementes aufzunehmen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Aufnahme im Drehzentrum des Trägerelementes, womit dann eine unabhängige Justage in zwei zueinander senkrechten Achsen erreicht wird, bei der die Justage um eine Achse nicht die Justage um die entsprechende andere Achse beeinflusst. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schwerpunkte von Halterungskäfig und Trägerelement dann in einer Ebene liegen können. Dadurch ist das System noch stabiler, weil kein Hebelarm zwischen dem optischen Element und dem Zentrum des Halterungskäfigs vorhanden ist.
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Der vorgeschlagene Optikhalter kann sowohl in Laboraufbauten als auch in optischen Aufbauten, insbesondere Laseraufbauten, für Industrie und Forschung zum Einsatz kommen. Die Industrie- und Forschungsanwendungen erstrecken sich unter anderem über Lasersysteme für die additive Fertigungstechnik, Quantentechnologien, Medizintechnik, Messtechnik bis hin zur Luftfahrt.
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Figurenliste
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Der vorgeschlagene Optikhalter wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine Ansicht eines beispielhaften Optikhalters gemäß der vorliegenden Erfindung schräg von der Vorderseite;
- 2 eine Ansicht des Optikhalters der 1 ohne eingesetztes Trägerelement von der Vorderseite (a) und von der Rückseite (b);
- 3 eine Darstellung des Optikhalters der 1 mit aufgenommenem Spiegel und zusätzlicher Stabilisierungsplatte schräg von der Vorderseite;
- 4 eine Darstellung des Optikhalters der 3 schräg von der Rückseite;
- 5 eine Draufsicht auf den Optikhalter der 3;
- 6 eine Draufsicht auf einen waagrechten Halbschnitt des Optikhalters der 3;
- 7 eine Seitenansicht eines senkrechten Halbschnitts des Optikhalters der 3; und
- 8 eine Darstellung des Optikhalters der 1 mit aufgenommener Spiegelfassung mit Spiegel.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Eine beispielhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Optikhalters weist als Trägerelement eine an der Vorderseite abgeflachte Kugel mit einer sich zwischen Vorderseite und Hinterseite des Optikhalters erstreckenden Durchgangsbohrung auf. Dies entspricht der Grundform eines Kugelrings. Im Folgenden wird dieses Trägerelement aufgrund seiner Ähnlichkeit dennoch als Kugel oder kugelförmiges Trägerelement bezeichnet.
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Der Optikhalter besteht aus dem Halterungskäfig 1, in dem das kugelförmige Trägerelement 2 gelagert und mittels einer Federstruktur 5 fixiert wird. In der 1 sind hierbei der Halterungskäfig 1, die Vorderseite des kugelförmigen Trägerelementes 2 sowie eine der Federstrukturen 5 zu erkennen. Das kugelförmige Trägerelement 2 wird im Bereich der abgeflachten Vorderseite von zwei sich gegenüber liegenden festen Halterungsstrukturen 3 gelagert, die einstückig mit dem Halterungskäfig 1 ausgebildet sind. Diese Halterungsstrukturen 3 weisen entsprechende Auflageflächen auf, die als Abschnitte einer Kugeloberfläche ausgebildet sind und damit formschlüssig an der Oberfläche des kugelförmigen Trägerelementes 2 anliegen. Der Halterungskäfig 1 weist eine breitere Bodenplatte bzw. Basis 6 auf, über die der Optikhalter auf einem Untergrund, beispielsweise einer Grundplatte oder einem Labortisch, fixiert werden kann. Die Fixierung kann beispielsweise mit drei symmetrisch angeordneten Schrauben erfolgen, wofür die Basis 6 entsprechende Durchgangsöffnungen 9 aufweist, von denen zwei in der 1 erkennbar sind.
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Das kugelförmige Trägerelement 2 ist so in dem Halterungskäfig 1 gelagert, dass es sich zur Justage eines angebrachten optischen Elements um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen, im Folgenden auch als X- und Y-Achse bezeichnet, drehen lässt. Hierzu weist der Halterungskäfig 1 vier Auflageflächen auf, die an die kugelförmige Oberfläche des Trägerelementes 2 angepasst sind. Diese ermöglichen eine definierte Lagerung des kugelförmigen Trägerelementes 2. Zwei der Auflageflächen werden hierbei durch die beiden bereits erwähnten vorderen (festen) Halterungsstrukturen 3 gebildet. Auf der Rückseite wird das kugelförmige Trägerelement 2 ebenfalls durch zwei entsprechende Halterungsstrukturen mit Auflageflächen gehalten, die jedoch über Federstrukturen 5 am Halterungskäfig 1 ausgebildet sind. Die beiden vorderen Halterungsstrukturen 3 sind in 2a), die beiden hinteren (federnden) Halterungsstrukturen 4 in 2b) zu erkennen, die eine Vorder- und Rückansicht des Optikhalters der 1 jeweils ohne eingesetztes Trägerelement zeigen. In diesen Figuren sind auch die Auflageflächen 14 der Halterungsstrukturen 3, 4 zu erkennen. Die Verbindungsachse der Auflageflächen 14 der beiden hinteren Halterungsstrukturen 4 ist (vorzugsweise) senkrecht zur Verbindungsachse der Auflageflächen 14 der vorderen Halterungsstrukturen 3 orientiert. Die beiden Federstrukturen 5 sind in diesem Beispiel mäanderförmig ausgebildet. Die Innenradien der Auflageflächen 14 der vorderen und hinteren Halterungsstrukturen 3, 4 entsprechen jeweils dem Radius der Kugel, aus der das kugelförmige Trägerelement 2 gebildet ist, um den Formschluss zu erreichen. Die rückseitigen (flexiblen) Halterungsstrukturen 4 sind bezüglich der zugehörigen Auflageflächen des Trägerelements 2 etwas, bspw. um ca. 0,2mm, nach innen versetzt gefertigt. Wird das kugelförmige Trägerelement 2 bei der Montage eingeführt, drückt das Trägerelement 2 die rückseitigen (flexiblen) Halterungsstrukturen 4 nach außen. Dadurch werden die Federstrukturen 5 gestreckt. Das führt zu einer Federkraft, die auf das kugelförmige Trägerelement 2 übertragen wird, was den Kraftschluss herbeiführt. Mit dieser Fertigungstechnik sowie der für den gewünschten Kraftschluss ausgelegten Steifigkeit der Federstrukturen 5 stellt sich eine bestimmte Reibung zwischen den Auflageflächen 14 der Halterungsstrukturen 3, 4 und der Oberfläche des kugelförmigen Trägerelementes 2 ein. Durch die Reibung bleibt das Trägerelement 2 stets in der eingestellten Position. Ein Stick-Slip-Effekt kann durch spezielle Oberflächenbehandlung oder Wahl der Materialien der jeweils aufeinanderliegenden Auflageflächen sowie die Steifigkeit der Federstrukturen 5 gesteuert werden. Als Materialien können bspw. ein Hartmetall für das Trägerelement 2 und Edelstahl für den Halterungskäfig 1 eingesetzt werden.
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Durch zwei an der Oberfläche des kugelförmigen Trägerelements 2 gegenüber liegende Nuten 10 (vgl. 3), die entsprechende Ausnehmungen für die vorderen und/oder hinteren Halterungsstrukturen 3, 4 bilden, kann das Trägerelement 2 von beiden Seiten in den Halterungskäfig 1 eingefädelt werden. Durch eine bestimmte Umdrehung kann dann die form- und kraftschlüssige Aufnahme bzw. Halterung des kugelförmigen Trägerelements 2 im Halterungskäfig 1 erreicht werden. Weiterhin kann das Trägerelement 2 auch V-Nuten an der Oberfläche aufweisen, um bei der Justage die X- und Y-Achsen besser voneinander zu trennen. Hierzu kann beispielsweise an der Oberseite und der Unterseite des Trägerelements 2 jeweils eine V-Nut ausgebildet sein, die sich über einen Abschnitt zwischen Rückseite und Vorderseite des Trägerelements erstreckt. Im Halterungskäfig 1 ist dann jeweils ein korrespondierendes federndes Druckstück 15 eingeschraubt (vgl. 7), das in der V-Nut des Trägerelementes 2 läuft.
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Der Halterungskäfig 1 wird zusammen mit den Federstrukturen 5 und Halterungsstrukturen 3, 4 sowie der Basis 6 vorzugsweise vollständig monolithisch gefertigt. Dies kann durch Drehen oder Fräsen in Verbindung mit Drahterodieren oder Funkerodieren erfolgen.
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Die Aufnahme des zu justierenden optischen Elementes, beispielsweise eines Spiegels 7, am Trägerelement 2 kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. So kann im Beispiel der 1 ein Spiegel 7 oder eine Linse direkt an die flache Vorderseite des Trägerelementes 2 geklebt, geklemmt, geschweißt oder gelötet werden, wie dies in 3 schematisch angedeutet ist. Weiterhin kann auch eine geeignete Fassung 8 für das aufzunehmende optische Element entsprechend aufgebracht werden, beispielsweise geklebt, geschweißt oder gelötet. 8 zeigt hierzu eine entsprechend angebrachte Fassung 8 mit einem darin aufgenommenen Spiegel 7. Das optische Element kann in diese Fassung 8 ebenfalls in bekannter Weise geklebt, geschweißt, geklemmt, gelötet oder auch geschraubt sein.
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Bei der Ausgestaltung der 3 ist auf der Rückseite zusätzlich eine Stabilisierungsplatte 11 für die Federstrukturen 5 an entsprechenden Lötflächen 12 am Halterungskäfig 1 aufgelötet, durch die eine Rückbewegung der hinteren Halterungsstrukturen 4 bei der Justage verhindert und somit ein Nullspiel bei der Justage ermöglicht wird. Die Stabilisierungsplatte 11 ist hierzu an die hintere Form des Optikhalters angepasst. Toleranzen und Ungleichmäßigkeiten werden durch das Lot ausgeglichen. 4 zeigt eine Ansicht dieser Ausgestaltung des Optikhalters schräg von der Rückseite, 5 eine Draufsicht, in denen die Stabilisierungsplatte 11 und die obere Federstruktur 5 gut zu erkennen sind. In 4 ist auch eine zentrale Durchgangsbohrung 13 im Trägerelement 2 zu erkennen, durch die bei Aufnahme eines transmissiven optischen Elements, wie beispielsweise einer Linse, ein Durchgang des optischen Strahls ermöglicht wird.
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In den Halbschnitten der 6 und 7 durch den Optikhalter der 3 sind die vier Auflageflächen 14 der vorderen und hinteren Halterungsstrukturen 3, 4 ebenso zu erkennen wie die anderen Bestandteile des Optikhalters, insbesondere der Halterungskäfig 1, das kugelförmige Trägerelement 2 mit Durchgangsbohrung, die obere Federstruktur 5, die Basis 6 und die Stabilisierungsplatte 11.
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Durch die Drehung des Trägerelementes 2 im Halterungskäfig 1 kann das optische Element nun beliebig justiert werden. Festgelenke, Schraubverbindungen oder kinematische Gelenke kommen nicht zum Einsatz und die in der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile dieser Verbindungsarten werden eliminiert. Bei dem vorgeschlagenen Optikhalter wird eine Verbindung von Kraft- und Formschluss als Verbindungsmethode eingesetzt. Zum einen liegt kein Spiel zwischen dem Trägerelement 2 bzw. dessen Auflageflächen und den Auflageflächen des Halterungskäfigs 1 vor. Zum anderen wird in dem Optikhalter auf jegliche Justagekomponenten wie beispielsweise Stellschrauben verzichtet. Diese Komponenten werden auf das Justagewerkzeug ausgelagert, mit dem die Kugel bzw. das Trägerelement 2 definiert gedreht werden kann. Die Justage mit dem Justagewerkzeug kann sowohl von der Seite als auch von oben erfolgen. Dies ist besonders von Vorteil, wenn der Zugang zum Optikhalter seitlich erschwert oder nicht möglich ist. Die Justagewerkzeuge können dabei in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Oberfläche des Trägerelementes 2 entsprechende Strukturen auf, in die ein Justagewerkzeug zur Drehung des Trägerelementes 2 im Halterungskäfig 1 eingreifen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halterungskäfig
- 2
- Trägerelement
- 3
- feste Halterungsstrukturen mit Auflagefläche
- 4
- federnde Halterungsstrukturen mit Auflagefläche
- 5
- Federstruktur
- 6
- Basis
- 7
- Spiegel
- 8
- Spiegelfassung
- 9
- Durchgangsöffnungen
- 10
- Nut
- 11
- Stabilisierungsplatte
- 12
- Lotflächen
- 13
- Durchgangsbohrung
- 14
- Auflageflächen
- 15
- federndes Druckelement