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APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200 (Ansicht von der Seite)
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Kompensation

Fluorit Quadruplet Polychromate von APQ JENA

Um zu gewährleisten, daß die Objektivfassung thermisch invariant und spielfrei ist sowie eine hohe Zentriergenauigkeit aufweist, haben wir für unsere Fluorit Quadruplet Polychromate eine thermisch kompensierte optische Fassungsbaugruppe (Kompensationsfassung) entwickelt.

Der Einsatztemperaturbereich der neuartigen Kompensationsfassung erstreckt sich von -20°C bis 40°C (Arbeitstemperaturintervall ≥ 60K), der Lager- und Transporttemperatur-bereich von -40°C bis 60°C.

Nachfolgend stellen wir das Design der Fassungsbaugruppe kurz vor, dessen Entwickler Frank Dionies, Dipl.-Ing. (FH) ist. Fachlich beraten wurde er dabei von Prof. Dr.-Ing. Manfred Steinbach (Details siehe auch die diesbezügliche Patentanmeldung).


  • Anforderungen
  • Zielstellung
  • Kompensationsfassung

Im Präzisionsgerätebau (z.B. für die Astronomie oder die Weltraumtechnik) müssen bestimmte Bauteile so fixiert werden, daß mögliche Lageveränderungen und Deformationen auch unter extremen Einsatzbedingungen definierte Größenordnungen nicht überschreiten.

Ein Refraktorobjektiv besteht aus mehreren Komponenten wie den optischen Linsen (aus jeweils unterschiedlichen Materialien mit ihren optischen Eigenschaften, definierten Radien und Dicken), Halteelementen und einer Fassung. Fassungen für polychromatische Objektive sind Präzisionsbauteile.

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Jeder Werkstoff hat seinen individuellen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das bedeutet in der Praxis, daß jede Baugruppe, die sich aus Bauteilen zusammensetzt, die wiederum aus unterschiedlichen Materialien bestehen, sich bei Temperaturänderungen anders ausdehnt bzw. zusammenzieht.

Im Verbund dieser Komponenten kann dieses Verhalten Verlagerungen und Spannungen verursachen, die zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität des optischen Systems führen können.

Ziel der Entwicklung war es, eine thermisch invariante und spielfreie Fassung hoher Zentriergenauigkeit ohne Einschränkung der Werkstoffwahl, die relativ hohen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, zu schaffen.

Für unsere Fluorit Quadruplet Polychromate bedeutete dies, eine Fassung zur Aufnahme einer Linsengruppe bestehend aus vier oder mehr Linsen anzugeben, deren Materialien verschiedene thermische Ausdehnungs-koeffizienten besitzen, wobei die Linsen durch ein dazwischen befindliches fluides optisch transparentes Medium (Fügeöl) verbunden sind und durch die Fassung in definierten Positionen untereinander positioniert und fixiert werden.

Radiale und axiale Lose sind zu vermeiden und thermische Belastungen durch ein Arbeitstemperaturintervall von mindestens 60K (Einsatztemperaturbereich von -20°C bis 40°C) oder wechselnde Schwerkrafteinflüsse auf die Linsen dürfen keine funktionsverändernden Einflüsse, insbesondere keine Auswirkungen auf die optische Qualität des Gesamtsystems haben.

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Während entstehende Dehnungsdifferenzen beim Transport und der Lagerung lediglich nicht zu irreversiblen Dejustagen oder Beschädigungen der Linsen führen dürfen, müssen die Linsen während des Einsatzes trotz Dehnungsdifferenzen innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches in ihren zentrierten Positionen spannungsfrei gehalten werden.

Die Zentrierung der Linsen im Einsatz-temperaturbereich soll mit einer Genauigkeit entsprechend der Toleranzrechnung gehalten werden.

Nach Erreichen einer beliebigen Temperatur innerhalb des erweiterten Temperaturbereiches (Lager- und Transporttemperaturbereich von -40°C bis 60°C) sollen die Linsen ihre ursprünglichen Positionen erneut mit der geforderten Genauigkeit einnehmen, nachdem das Objektiv wieder eine Temperatur im Einsatztemperaturbereich angenommen hat.

Eine wesentliche Voraussetzung war die präzise Ermittlung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten aller beteiligten Materialien, da die Katalogwerte der Hersteller für die Kompensationsberechnung zu ungenau sind.

Wir haben die Ausdehnungskoeffizienten deshalb von einem Prüfinstitut innerhalb eines Prüfbereiches von -100°C bis 100°C mit einer Auflösung von 0,125nm bestimmen lassen, um alle auf der Erde und bis zu den äußersten Schichten der Atmosphäre vorkommenden Temperaturen abzudecken.

Die neue Kompensationsfassung bietet gegenüber klassischen Fassungen folgende Vorteile:

Die Linsen werden jeweils an sechs oder mehr Flächen aufgenommen und durch Kompensationsteile bei Schwankungen der Temperatur in stabiler Position gehalten.

Das thermische Gleichgewicht wird ohne Auswirkungen auf die optische Qualität zügig erreicht.

Es tritt kein Klappern von Linsen in der Fassung auf, kostenaufwendige Nachjustierungen fallen nicht an.

Unser Ziel die Fluorit Quadruplet Polychromate in innovativen temperaturkompensierten Fassungen (Kompensationsfassungen) aufzunehmen, wurde durch die Neuentwicklung vollständig erfüllt.

Das neue Fassungsdesign wurde von uns unter der Bezeichnung Thermisch kompensierte optische Fassungsbaugruppe, Aktenzeichen 10 2017 008 286.3, beim Deutschen Patent- und Markenamt (DPMA) zum Patent angemeldet.


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