Die Erfindung betrifft einen deformierbaren Spiegel gemäß dem Oberbegriff des Anspru
ches 1.
Ein gattungsgemäßer Spiegel ist aus der US-PS 5,777,807 bekannt. Solche Spiegel sind
seit Jahren in Laserbearbeitungsmaschinen erfolgreich im Einsatz, um im Strahlweg direkt
hinter der Laserquelle die Strahltaille bzw. direkt vor der Fokussieroptik die Geometrie und
den Abstand des Fokusfleckes bestimmen und dabei Einflüsse variabler Strahlweglängen
kompensieren zu können, wie in der CH 686 032 A5 näher beschrieben. Wenn allerdings
eine vorhandene Laserstrahl-Bearbeitungseinrichtung erst nachträglich mit einem solchen
deformierbaren Spiegel als prozessoptimierendem optischem System ausgestattet werden
soll, dann kann dessen durch den Linear-Aktuator bedingte rückwärtige Baulänge störend
in den Verfahrweg der Handhabungseinrichtungen für die Werkstücke hineinragen. In
Hinblick darauf, daß in der Praxis zunehmend mit Laserstrahlen größeren Durchmesser
gearbeitet wird, wäre es auch wünschenswert, nicht nur in der engeren Umgebung der mit
tigen axialen Krafteinleitung in das Zentrum der Spiegelplatte eine angenähert kugelkap
penförmig konvexe Ausbeulung der reflektierenden Spiegelplattenoberfläche zu erzielen,
sondern auch eine der Sphäre möglichst gut angenäherte Verformung über einen möglichst
großen Flächenbereich in der Umgebung des Spiegelplattenmittelpunktes zu erzielen.
Aus diesen Erkenntnissen resultiert die aktuelle technische Problemstellung, den an sich
bewährten deformierbaren Spiegel gattungsgemäßer Art noch dahingehend weiterzubilden,
daß einerseits eine geringere Bauhöhe für einen vorgegebenen Hub erforderlich ist und
andererseits mit diesem Hub über selbst eine größere Spiegelfläche eine bessere sphärisch
konvexe Verformung erzielt wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Hauptanspruch angegebe
nen wesentlichen Merkmale erfüllt sind. Danach greift der translatorisch wirkende Aktua
tor an exzentrischen, bezüglich des Verformungs-Mittelpunktes einander diametral gegen
überliegenden Positionen hinter der Spiegelfläche gegen die Spiegelplatte an. Wegen der
Axialhalterung des Randes der Spiegelplatte resultiert aus dieser exzentrischen Kraftein
leitung - gegenüber der zentralen - ein Hebeleffekt, der bei gleichem axialem Hub zu stär
kerer Auswölbung dem Plattenrand gegenüber, also im Zentralbereich der Spiegelplatte
führt, als ein gleicher aber direkt hinter dem Plattenzentrum eingebrachter Hub. Somit ge
nügt nun für gleiche Auslenkung des Plattenzentrums unter sonst gleichen Gegebenheiten
eine geringere Baulänge des Aktuators. Außerdem führt die dem Hub entgegenwirkende
axiale Randeinspannung der Spiegelplatte im Querschnitt nun in einem vergrößerten Mit
tenbereich zu einer - verglichen mit der zentralen Krafteinleitung - weniger parabolischen
als vielmehr wie gewünscht kreisbogenförmigen Auswölbung der Spiegelfläche von ihrem
Zentrum bis weit über den Bereich der exzentrischen Krafteinleitung seitlich hinaus.
Die Folge der exzentrischen Angriffspunkte des Aktuators hinter der Spiegelplatte kann
längs einer Spur diskret gestaffelt oder kontinuierlich verlaufen, also als eine Folge von
einander benachbarten dünnen Zapfen oder als umlaufender Ring realisiert sein. Die Spur
dieser Angriffspunkte und damit die Geometrie des Axial-Querschnitts des Ringes muß
nicht kreisförmig sein. Eine ovale Querschnittsgeometrie (quer zur Systemachse durch den
Mittelpunkt der Spiegelplatte) führt zu orthogonal unterschiedlichen Krümmungsradien,
und dabei weist das Radiusverhältnis 1 : 2 den großen Vorteil auf, daß selbst bei einem Ein
fallswinkel von etwa 45° für eine 90°-Strahlumlenkung und trotz runder Spiegelplatte
Astigmatismus infolge zwangsläufiger Kompensation von Brennweitenfehlern praktisch
vermieden wird.
Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Be
schränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizzierten
bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung
zeigt:
Fig. 1 die geometrischen Verhältnisse beim Übergang von einer zentralen zu diametral
gegenüberliegend dezentralen Krafteinleitungen hinter einer längs ihres Randes
axial festgelegten Spiegelplatte und
Fig. 2 einen grundsätzlichen konstruktiven Aufbau für eine infolge dezentraler Kraft
einleitung zentral verformte Spiegelfläche im abgebrochenen Axial-Längsschnitt.
Die strichpunktierte Kurve in Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch eine flache Hohlkugel
kappe dar, wobei aufgrund starker Maßstabsvergrößerung in der Höhe gegenüber der
Breitenskalierung die im Zentralbereich physische Kreisform darstellerisch zur Ellipse
wird.
Die ausgezogene Kurve in Fig. 1 stellt die konvexe Ausbeulung einer am Rande in einan
der diametral gegenüberliegenden Bereichen axial gehalterten Spiegelplatte 13 bei zentra
ler Krafteinleitung dar. Diese Verformung, die bei einer runden und rundum festgelegten
Spiegelplatte 13 nur im Scheitelbereich kreisbogenförmig (also im Dreidimensionalen
sphärisch) ist, zeigt gegenüber der idealen Verformungskurve (strichpunktiert in Fig. 1)
steilere Flanken.
Wenn dagegen die Krafteinleitung zur Ausbeulung der Spiegelplatte 13 aus der Zentralach
se 21 heraus zu einander diametral gegenüberliegenden Seiten verlegt wird, ergibt sich
über einen weiten Bereich in der Umgebung des Zentrums eine zunehmende Anschmie
gung der (ausgezogen dargestellten) nicht-idealen Verformungskurve an den idealen Ver
lauf der Sphäre (strichpunktiert mittig in Fig. 1) bis kurz vor die axiale Halterung 16 des
Randbereiches 18 der Spiegelglatte 13. Diese Approximation an die gewünschte, möglichst
ideale Kreis- bzw. Kugelform läßt sich also durch die Lage des diametralen Paares von
Angriffspunkten hinter der Spiegelglatte 13 relativ zum Zentrum beeinflussen.
Aufgrund der Hebelwirkung um jeden Aktuator-Angriffspunkt zum Einbringen der
achsparallelen Auslenkkraft als dem jeweiligen Hebeldrehpunkt, mit Erstreckung des ge
mäß Fig. 1 unsymmetrisch zweiarmigen Hebels radial bezüglich der bevorzugt runden
Spiegelplatte 13 von deren Rand 18 über den Angriffspunkt hinaus zum Plattenzentrum in
der Achse 21, bedarf es wie aus Fig. 1 ersichtlich für gleiche Höhe der Auswölbung im
Plattenzentrum wesentlich weniger Stellhubs seitens des Aktuators 20 (gestrichelte Pfeile
in Fig. 1), als bei zentralem Kraftangriff.
Dieses in Fig. 1 skizzierte Funktionsprinzip wird durch einen Spiegel 11 gemäß Fig. 2 rea
lisiert. Er weist stirnseitig vor seinem im wesentlichen dickwandig-rohrförmigen Gehäuse
12 eine aus ihrer (planen oder schon verwölbten) Ruhestellung mehr oder weniger in axia
ler Richtung verformbare Spiegelplatte 13 auf. Die ist längs ihres Randes 18 vor der im
Querschnitt ringförmigen Stirn 14 des Gehäuses 12 in einer axialen Halterung 16 am Ge
häuse 12 festgelegt.
Die Spiegelplatte 13 kann aus Laserstrahlen möglichst verlustfrei reflektierendem Metall
gegossen oder gearbeitet sein, etwa aus Kupfer. Eine größere Wechselbeanspruchung ohne
bleibende Verformung in der Umgebung der Druckeinleitungsbereiche der Platte 13 weist
allerdings Feinstruktur-Messing der Art auf, wie es in der DE-PS 37 10 334 näher beschrie
ben ist. Unter bestimmten Gesichtspunkten können aus Einkristall wie Silizium geschnitte
ne Scheiben vorteilhaft sein, erforderlichenfalls gemäß DE-OS 38 09 921 aus einzelnen
Elementen zu einer größerflächigen Spiegelplatte 13 verschweißt. Vorzugsweise ist die
Spiegelplatte aber als eine Verbundplatte aus hochfest elastischem Trägermaterial auf Kup
ferbasis mit galvanisch aufgebrachter und diamantgefräster Kupferschicht als Spiegelfläche
17 ausgelegt, weil dann Eigenspannungen weitestgehend vermeidbar sind. Für den Sonder
fall besonders kurzwelliger Laserstrahlen etwa der Neodyne-Yag-Laser, die im Bereiche
der Material-Oberflächenbehandlung zunehmend an Bedeutung gewinnen, ist aber eine
polierte gläserne Spiegelplatte 13 wegen ihrer extrem glatten Oberfläche 17 optimal.
Die strahlseitige Spiegelfläche 17 der jeweiligen Spiegelplatte 13 ist in der Regel nach ih
rer mechanischen Bearbeitung planiert und durch dielektrische Bedampfung reflektierend
sowie ggf. frequenzselektiv beschichtet.
Dem Zentrum gegenüber liegt die Spiegelplatte 13 mit ihrem in der Regel kreisförmig
umlaufenden seitlichen Rand 18 auf der geometrisch entsprechend ringförmigen Stirn 14
des Gehäuse 12 auf. Für die axiale Halterung 16 wird der Rand der 18, der Stirn 14 axial
gegenüber, vom radial nach innen flanschförmig umlaufenden Bund 15 einer Überwurf
mutter 19 seitlich übergriffen. Diese axiale Halterung 16 ist in axialer Richtung steif, während
die Spiegelplatte 13 in radialer Richtung, etwa erwärmungsbedingt, arbeiten kann,
um ein radiales Verstauchen, also ein nicht auf axialen Stellhub zurückzuführendes Aus
beulen zu vermeiden.
Für die gesteuerte konvexe Verformung der Spiegelplatte 13 ist koaxial hinter ihr, gegen
ihre Rückseite ein seinerseits gegenüberliegend am Gehäuse 12 abgestützter Linear-Ak
tuator 20 eingespannt, bei dem es sich bevorzugt um eine elektromechanische Piezo-Säule
handelt. Deren Auslenkung in Richtung der System-Längsachse 21 wird zwischen einer
balligen Kuppe 22 und einem an diese eben angrenzenden Sockel 23 auf einen kegelförmig
sich radial aufweitenden Stempel 24 übertragen. Die ballige Anlage der Kappe 22 (die wie
skizziert dem Aktuator 20, aber auch dem Stempel 24 konstruktiv zugeordnet sein kann)
gegen einen axial benachbart plan berandeten Sockel 23 bewirkt, daß auch dann keine
Verkantung - also keine ungewollte asymmetrische Verformung infolge Verkippens der
Spiegelplatte 13 aus der Querlage zur zentralen Achse 21 - auftritt, wenn diese Abstützung
einmal nicht genau in der Zentralachse 21 liegen sollte.
Der Stempel 24 liegt über einen zapfenförmigen (also unterbrochenen) oder kontinuierlich
umlaufenden Ring 25 rückwärts, also der reflektierenden Spiegelfläche 17 gegenüber kon
zentrisch zur Rand-Halterung 16 gegen die Spiegelplatte 13 an. Deren Abstützung erfolgt
somit hier exzentrisch zur zentralen Achse 21, nämlich jeweils an jeweils zwei aneinander
diametral gegenüberliegenden Punkten einer unstetigen oder einer infenitesimalen Punkte
folge längs der Spur der ringförmigen Abstützung.
Dafür kann der Ring 25 auf dem Stempel 24 angeordnet oder integral mit einem trichter
förmigen Stempel ausgebildet sein. Vorzugsweise liegt der Ring 25 mit einer schneiden
förmigen Stirnfläche gegen die Rückseite der Spiegelplatte 13 an, wie in der Zeichnung mit
dem dreieckförmigen Wandungsquerschnitt dargestellt, um für jeden Hub die gleiche geo
metrisch definierte Krafteinleitung zu erbringen. Allerdings führen betriebsbedingt nicht
immer vermeidbare Harmonisierungsfehler, also ein Versatz des Ringes 25 aus seiner
Konzentrizität mit der optischen Achse der Spiegelplatte 13 zu einer Unsymmetrie bei der
Auswölbung der Spiegelfläche 17 und so zu Abbildungsfehlern. Um das zu vermeiden ist
es zweckmäßiger, den Ring 25 konzentrisch an der Rückseite der Spiegelplatte 13 etwa als
kreisringförmig umlaufenden Wulst anzuformen oder auszuarbeiten. Dann kann die Axial
symmetrie der ringförmigen Druckübertragung auf die Spiegelplatte 13 nicht mehr dadurch
gestört werden, daß der Aktuator 20 oder sein Druckübertragungs-Stempel 24 eventuell
langsam aus der Spiegelachse 21 auswandern.
Eine Längsdehnung des Aktuators 20 führt jedenfalls in allen Durchmesserrichtungen der
Spiegelplatte 13 zu derer durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 1 dargestellten Beanspru
chung und somit zu einer hohlkugelkappenförmigen zentralen Auswölbung der Spiegelflä
che 17. Diese flache kuppelartige Verformung in der weiteren Umgebung des Zentrums der
Spiegelfläche 17 ist sehr gut sphärisch, wenn der Ring 25 einen kreisförmigen Querschnitt
mit einem Durchmesser in der Größenordnung der Hälfte des nutzbaren Durchmessers der
Spiegelplatte 13 selbst aufweist. Die Kuppelform läßt sich außer durch den Radius des
Ringes 25 auch durch die Stärke der Platte 13 beeinflussen, ibs. auch durch eine über dem
Plattenradius variierende Materialstärke, wie in der Zeichnung ebenfalls zur Verdeutli
chung axial überhöht durch einen geschwächten Mittenbereich in der Umgebung der zen
tralen Achse 21 gegenüber der Nachbarschaft zum Plattenrand 18 veranschaulicht.
Auch kann der Spiegelfläche 17 eine permanente Anfangsauswölbung eingeprägt sein, der
die Verformungseffekte, die vom Aktuator 20 hervorgerufen werden, dann überlagert sind.
Für diese Anfangsauswölbung kann eine vom Aktuator 20 hervorgerufene axiale Vorspan
nung herangezogen werden, statt dessen oder zusätzlich aber auch die Wirkung des Fluid-
Kissens eines statischen Überdrucks in einer Kammer 26 innerhalb und außerhalb des Rin
ges 25 auf der von der Spiegelfläche 17 abgewandten Rückseite der Spiegelplatte 13. Diese
direkt hinter der Spiegelplatte 13 gelegene Druckkammer 26 wird vom Stempel 24 koaxial
wenigstens teilweise durchquert, und sie ist mit einem insbesondere gasförmigen oder flüs
sigen Fluid über einen Füllkanal 27 aufladbar, der dann mittels eines Verschlusses 28 her
metisch versiegelt wird. Die der Spiegelplatte 13 gegenüberliegende biegesteife Rückwand
29 der Kammer 26 ist gerade so elastisch, daß beispielsweise der Zentralbereich der Rück
wand 19 die Bewegung des Stempels 24 in axialer Richtung mitmacht, so daß eine über
den Ring-Stempel 24 hervorgerufene Ausbeulung der Spiegelplatte 13 nicht gegen einen
Unterdruck, der sonst in der Kammer 26 entstehen würde, arbeiten muß.
Der eingelegte bzw. mit dem Stempel 24 oder bevorzugt mit der Spiegelplatte 13 integrale
wulstförmige Ring 25 muß keine Kreisform haben. Besonders zweckmäßig ist ein im
Querschnitt elliptischer Ring, denn die dann nicht kugelförmige sondern ellipsoide konve
xe Verformung der Spiegelfläche 17 vermeidet selbst noch bei großen Strahleinfallswinkein
(wie zur 90°-Umlenkung des Laserstrahles) trotz kreisscheibenförmiger Spiegelplatte
17 Astigmatismus-Fehler, wenn die ein- und ausgehenden Strahlen in der Ebene der
Hauptachsen des elliptischen Ringes 25 liegen.
Um die aufgrund nicht-idealer Reflexion in der Spiegelfläche 17 von der Spiegelplatte 13
aufgenommene Verlustwärme abzuführen, ohne daß es zu einem Verformen infolge Auf
heizens der Spiegelplatte 13 bzw. einer hinter ihre gelegenen Fluidfüllung der Druckkam
mer 26 und damit zu einem unreproduzierbaren betriebszeitabhängigen Ausbeulen der
Spiegelfläche 17 kommt, liegt hinter der Kammer-Rückwand 29 aus gut wärmeleitendem
Material wie Kupfer, Aluminium oder Messing ein Wärmetauscherraum 30, der zwangs
weise von einem Kühlmedium 31 durchströmt wird. Der dem Aktuator 20 zugewandte
metallene Sockel 33 des Stempels 24 liegt in diesem Kühlmittelstrom und fördert dadurch
die großvolumige Wärmeableitung aus der Druckkammer 26 unmittelbar von der Rück
seite der Spiegelplatte 13 über den Stempel 24.
Etwaige Druckschwankungen in der extern gepumpten Zwangsströmung des Kühlmediums
31 durch den Wärmetauscherraum 30 übertragen sich dann nicht über die Füllung der
Spiegelkammer 26 zu Verformungen auf die Platte 13, wenn ein der Spiegelkammer-
Rückwand 29 gegenüberliegender Abschluß 32 etwa in Form einer Ringscheibenmembran
gummielastisch biegeweicher ausgeführt ist, als die im Verhältnis dazu biegesteife Spie
gelkammer-Rückwand 29. Denn dann führen Druckschwankungen im Kühlmedium 31
beim Durchströmen des Wärmetauscherraumes 30 in erster Linie zu Ausbeulungen des
biegeweichen Abschlusses 32, aber praktisch nicht zu Einbeulungen der Spiegelkammer-
Rückwand 29.
Bei einem deformierbaren Spiegel 11 mit von einem konzentrisch auf der Rückseite der
Spiegelfläche 17 angreifenden Achsial-Aktuator 20 wird also - bei verringertem Aktua
tor-Hub für gleiche Kuppelhöhe - die Kuppel der konvexen Auswölbung der Spiegelfläche
17 großflächiger und zugleich besser der wünschenswerten Sphäre angenähert, wenn statt
einer zentralen Krafteinleitung eine dezentrale Krafteinleitung an einander diametral ge
genüberliegenden Stellen gewählt wird. Dafür arbeitet der Aktuator 20 auf einen die -
insbesondere bei hohen Laserfrequenzen bevorzugt glasförmige - Spiegelplatte 13 rück
wärtig gegen den Aktuator 20 abstützenden Ring 25, der vorzugsweise als umlaufender
Wust auf der Rückseite der Spiegelplatte 13 ausgebildet ist. Wenn dieser Ring 25 nicht
längs einer kreisförmigen sondern längs einer im Querschnitt elliptischen Spur bei einem
großen Durchmesser, der doppelt so groß wie sein kleiner Durchmesser ist, gegen die rund
eingefaßte Spiegelplatte 13 anliegt, werden auch bei großen Strahleinfallswinkeln Astig
matismuseffekte zuverlässig vermieden. Die Sphäre der Spiegelfläche 17 läßt sich außer
über die Querschnittsgeometrie des Ringes 25 auch über eine zentralsymmetrische
Schwächung der Spiegelplatte 13 beeinflussen, sowie durch statischen Überdruck einer
fluidgefüllten Kammer 26 hinter der Spiegelplatte 13. In der Spiegelplatte 13 entstehen
de Verlustwärme wird über die Fluidfüllung der Kammer 26 und deren gut wärmeleiten
de, relativ biegesteife Rückwand 29 in einen als Wärmesenke dahinter gelegenen Wär
metauscherraum 30 druckabhängig variablen Volumens abgezogen und mit dem Zwangs
umlauf eines ihn durchströmenden Kühlmediums 31 abgeführt.