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Unter einem mittelgroßen optischen Spiegel werden im Sinne der vorliegenden Beschreibung Spiegel mit einem Durchmesser von ca. 50 mm bis ca. 480 mm verstanden. Sie werden z. B. für Umlenkaufgaben in bildgebenden oder strahlformenden Systemen u. a. in der Halbleitertechnik bei Wellenlängen von ≤ 400 nm verwendet.
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Für diese Anwendungen ergeben sich für einen Spiegel grundsätzliche Anforderungen, die zum einen in der Herstellung einer sehr hohen Formgenauigkeit und zum anderen in der dauerhaften Aufrechterhaltung einer hohen Formbeständigkeit des Spiegels unter allen auftretenden äußeren Bedingungen bestehen. Darüber hinaus soll der Spiegel ein nur geringes Gewicht aufweisen, bei dem das Verhältnis von Spiegeldurchmesser zu Spiegeldicke ≥ 10 sein sollte. Ein solcher Spiegel stellt im Sinne dieser Beschreibung einen dünnen Spiegel dar.
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Um eine hohe Formbeständigkeit für einen dünnen Spiegel zu sichern, ist es z. B. aus der
DE 199 17 519 A1 bekannt, diesen in einer Sandwichbauweise auszuführen. Dabei bildet der Spiegel selbst eine obere Platte, ein Träger eine untere Platte und ein Hartschaum oder eine Stützstruktur einen dazwischen angeordneten Sandwichkern. Wichtige Anforderungen für den Sandwichkern ist ein geringes Gewicht, eine geringe Wärmedehnung und eine große Gleichmäßigkeit.
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Insbesondere große Spiegel z. B. für astronomische Spiegelteleskope können nur mit einer endlichen Genauigkeit hergestellt werden, woraus sich der Bedarf ergibt, diese aktiv in Ihrer Form zu korrigieren. Wie in der vorgenannten
DE 199 17 519 A1 angegeben, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Stützstruktur aus vertikal zur Spiegelrückfläche angreifenden hydraulischen oder pneumatischen Aktoren bzw. bei mittelgroßen und kleinen Spiegeln auch aus elektromagnetischen Aktoren und Festkörperaktoren, z. B. auf Basis piezokeramischer, elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktoren, zu bilden. Der Nachteil solcher Aktorenkonfigurationen sei allerdings, dass sie zu einer schweren Stützstruktur führen, womit die Gewichtseinsparung durch die Verwendung eines dünnen Spiegels aufgebraucht wird.
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In der vorgenannten
DE 199 17 519 A1 wird eine Spiegelbaugruppe (dort optischer Spiegel) mit einer rückwärtigen Sandwichdeckschicht, einer vorderen Sandwichdeckschicht, einem dazwischen geklebten Wabenkern als Stützstruktur und wenigstens einer Aktorschicht mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktorelementen offenbart. Eine solche Aktorschicht kann auf einer oder beiden der Sandwichdeckschichten aufgeklebt sein. Zur Verformung des seitens der vorderen Sandwichdeckschicht angeordneten Spiegels (dort Spiegelträgerschicht mit Reflexionsschicht) wird die Dehnung in Querrichtung der Aktorschicht genutzt, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Aktorelemente entsteht. Durch den Abstand der einen oder der beiden Aktorschichten von der neutralen Biegeebene der Spiegelbaugruppe werden durch die Querdehnung Biegeeffekte in den Spiegel eingebracht. Zum Wabenkern wird in der vorgenannten
DE 199 17 519 A1 gesagt, dass dessen einzelne Zellen gleichseitige Dreiecke oder Sechsecke bilden. Ein örtlich punktuell und betragsmäßig differenzierbarer Krafteintrag zur Deformation des Spiegels ist hier nicht möglich, da die Aktorschicht, auch wenn sie zum einen flächig struktiert ist, immer auf einen Bereich des Wabenkerns und nicht nur auf einzelne Zellwände des Wabenkerns wirkt und damit der Krafteintrag flächig und nicht punktuell erfolgt und da die Aktorschicht zum anderen nicht differenziert ansteuerbar ist, um einen betragsmäß differenzierten Krafteintrag zu bewirken.
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Aus der
US 7 188 964 B2 ist ein verformbarer Spiegel bekannt, der aus einer dünnen Platte mit der Spiegelschicht und einer Stützstruktur an deren Rückseite aufgebaut ist. Die Stützstruktur sind parallel verlaufende Rippen, die im 60°-Winkel zueinander verlaufen und sich an Knotenpunkten kreuzen. Die Rippen weisen mittig zwischen zwei Knotenpunkten jeweils eine Aussparung auf, in denen parallel zum Spiegel Aktoren eingesetzt sind. Mit den Aktoren können zwischen den Knotenpunkten Biegekräfte in die Stützstruktur eingebracht werden, mit denen die Krümmung des Spiegels verändert werden kann. Ein örtlich punktueller Krafteintrag zur Deformation des Spiegels ist hier nicht möglich, da die Aktoren immer auf einen Bereich der Stützstruktur zwischen mindestens zwei Knotenpunkten wirken, wodurch der Krafteintrag flächig verteilt und nicht punktuell erfolgt.
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Die
DE 602 01 429 T2 offenbart einen Spiegel, der auf einem beweglichen Spiegelhalter montiert ist. Der Spiegelhalter gestattet mittels Piezo-Aktuatoren eine präzise Kipp- und Fokussierbewegung, die genau um den optischen Mittelpunkt des Spiegels ausgeführt wird. Die Form der Spiegelfläche kann mit der Vorrichtung nicht beeinflusst werden.
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In der
JP 2017 116514 A ist ein Kipptisch offenbart. Eine Tischplatte ist zentrisch an einer biegsamen Säule aufgenommen, die mit einer Basisplatte verbunden ist. Zwischen der Basisplatte und der Tischplatte sind Piezo-Aktuatoren so angeordnet, dass die Tischplatte um zwei Achsen verkippt werden kann. Die Form der Spiegelfläche kann mit der Vorrichtung nicht beeinflusst werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spiegelbaugruppezu finden, in der ein Spiegel punktuell örtlich mit einem betragsmäßig differenzierbaren Krafteintrag hochgenau deformierbar ist. Die Spiegelbaugruppe soll kostengünstig herstellbar und fexibel an den Spiegel und die Anforderung an dessen Deformierbarkeit anpassbar sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Spiegelbaugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Mit der erfindungsgemäßen Stützstruktur wird ein mittelgroßer Spiegel gehalten und über einen örtlich und betragsmäßig differenzierbaren Krafteintrag, in Richtung einer Flächennormalen des Spiegels wirkend, gezielt verformt. Die Verformung kann dabei dem Zweck dienen, Fertigungsungenauigkeiten des Spiegels selbst oder Fehler, die in einem optischen System, in dem der Spiegel angeordnet wird, entstehen, durch systemkonforme Formveränderungen auszugleichen. Die erforderlichen Verformungen sind dabei vom optischen System vorgegeben und können durch die Anordnung der Stützstruktur und die Verteilung der Aktoren in dieser berücksichtigt werden. So ist auch eine unregelmäßige Anordnung der Aktoren möglich. Die Aufgabe der Stützstruktur ist die stabile Halterung und Möglichkeit der Verformung des Spiegels selbst. Die Stützstruktur selbst kann wiederum in bekannte und dem Stand der Technik entsprechende Fassungssysteme und -elemente aufgenommen werden, welche gegebenenfalls die Verlagerung und Positionierung des Spiegels mit Stützstruktur innerhalb des optischen Systems übernehmen. Ein besonderer Vorteil der Spiegelbaugruppe besteht darin, dass der über den Aktor in die Blattfeder eingeleitete Weg bzw. die eingeleitete Kraft, einen gegebenfalls vorhandenen Klebespalt vernachlässigend, unmittelbar in die Blattfeder eingeleitet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
- 1a eine Seitenansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegelbaugruppe,
- 1b eine Draufsicht auf die Spiegelbaugruppe nach 1a,
- 1c eine perspektivische Darstellung der Spiegelbaugruppe nach 1a,
- 2a eine erste Ausführung eines Stützelementes einer Spiegelbaugruppe nach 1a und 1b,
- 2b eine zweite Ausführung eines Stützelementes einer Spiegelbaugruppe nach 1a und 1b,
- 2c eine dritte Ausführung eines Stützelementes einer Spiegelbaugruppe nach 1a und 1b,
- 3a eine Seitenansicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegelbaugruppe,
- 3b eine Draufsicht auf die Spiegelbaugruppe nach 3a,
- 3c ein Schnittbild der Spiegelbaugruppe nach 3a,
- 4 eine einfache Ausführung einer Längsleiste,
- 5a eine erste Ausführung einer Querverbindung,
- 5b eine zweite Ausführung einer Querverbindung,
- 6 eine Spiegelbaugruppe mit einem zur Ausrichtung der Stützstruktur geneigt angeordneten Planspiegel und
- 7 eine Spiegelbaugruppe gehalten in einer Justierfassung.
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Eine erfindungsgemäße Spiegelbaugruppe enthält einen Planspiegel 1, einen Träger 2 und eine zwischen dem Planspiegel 1 und dem Träger 2 angeordnete und mit diesen fest verbundene Stützstruktur. Die Stützstruktur weist eine Mehrzahl von Stützelementen 3 jeweils mit einer Längsachse I und einer Querachse q auf, die in Richtung ihrer Längsachsen I senkrecht zum Planspiegel 1 und zum Träger 2 ausgerichtet angeordnet sind und die in Richtung ihrer Querachse q untereinander monolithisch verbunden sind.
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Es ist erfindungswesentlich, dass die Stützstruktur (siehe z. B. 1c) eine Mehrzahl von Längsleisten 5 und Querverbindungen 6 umfasst, die miteinander eine zweidimensionale Gitteranordnung bilden. Wenigstens die Längsleisten 5 sind jeweils durch einige der Stützelemente 3 gebildet. Die Stützelemente 3 sind jeweils durch zwei gleiche an einem dem Planspiegel 1 zugewandten Ende 3.2 und einem dem Träger 2 zugewandten Ende 3.3 fest miteinander verbundene Blattfedern 3.1 gebildet. Alle oder wenigstens einige der Stützelemente 3 sind aktive Stützelemente, bei denen zwischen den zwei Blattfedern 3.1 ein Aktorelement 4 (siehe z.B. 3c) angeordnet ist, über dessen Betätigung die Blattfedern 3.1 zueinander symmetrisch gebogen werden. Bei den anderen der Stützelemente 3, die keine Aktorelemente 4 aufweisen, handelt es sich um passive Stützelemente 3. Die Blattfedern 3.1 aller Stützelemente 3 der Stützstruktur sind bevorzugt gleich dimensioniert und sind bei der Montage entweder ohne Vorspannung oder im gleichen Maße vorgespannt zwischen dem Träger 2 und dem Planspiegel 1 angeordnet. Damit führt die Verbiegung der Stützelemente 3 aus dem nicht vorgespannten Zustand bzw. dem vorgespannten Zustand bei einer gleichen bzw. ungleichen Ansteuerung der Aktorelemente 4 jeweils zu einer gleichen bzw. ungleichen Änderung des Krafteintrages am Ort der jeweiligen Stützelemente 3 in den Planspiegel 1, was als punktuell verstanden wird. Sind die Blattfedern 3.1 vorgespannt montiert, d. h. sind sie vorgebogen, kann der Planspiegel 1 durch eine Änderung der Biegung in zwei entgegengesetzte Wirkungsrichtungen deformiert werden. Die passiven Stützelemente 3 werden angepasst an die zu ihnen benachbarten Stützelemente 3 gebogen und wirken mit einer angepassten Rückstellkraft zu den benachbarten Stützelementen 3 auf den Planspiegel 1.
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Sind die Stützelemente 3 nicht vorgespannt montiert, dann kann der Planspiegel 1 nur durch eine zunehmend größere Biegung in einer Wirkungsrichtung deformiert werden.
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Wieviele der Stützelemente 3 jeweils mit einem Aktorelement 4 ausgestattet sind, um als aktives Stützelement 3 zur Deformation des Planspiegels 1 gezielt genutzt werden zu können, hängt von den Anforderungen ab, die durch das optische System vorgegeben sind, in dem der Planspiegel 1 verwendet wird.
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Grundsätzlich können die Blattfedern 3.1 eine beliebige Form aufweisen, sie sind jedoch vorteilhaft symmetrisch zu ihrer Längsachse I ausgeführt und aus einem Materialstreifen geschnitten, wobei sie seitens des Trägers 2 über verbleibende Materialstege monolithisch verbunden bleiben. Im Wesentlichen wirken die Blattfedern 3.1 nur über eine freie Länge L klassisch als Blattfedern und die monolithisch verbundenen Bereiche als eine Festeinspannung.
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In einer einfachsten Ausführung sind die Blattfedern 3.1 nicht strukturiert und weisen z. B. eine trapezförmige oder, wie in 4 gezeigt, rechteckige Umfangsform auf. Die Blattfedern 3.1 werden dann, bei Betätigung des jeweiligen Aktorelementes 4, um den Stellweg des Aktorelementes 4 am Angriffspunkt des Aktorelementes 4 ausgelenkt. Das Aktorelement 4 greift jeweils auf der Symmetrieachse der zu einem Stützelement 3 gehörenden Blattfedern 3.1, bevorzugt in der Mitte der freien Länge L an. Die Deformation des Planspiegels 1 erfolgt mit unstrukturierten Blattfedern 3.1 durch eine vergleichsweise geringe Untersetzung dieses Stellweges in eine Verkürzung des Abstandes zwischen dem Träger 2 und dem Planspiegel 1, der zu einer Änderung der Krafteinwirkung auf den Planspiegel 1 und einer Änderung der Deformation des Planspiegels 1 am Kraftangriffspunkt führt.
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Um den Stellweg der Aktorelemente 4 feinfühliger zu untersetzen und damit die Deformation des Planspiegels 1 feinfühliger beeinflussen zu können, wird vorgeschlagen, die Blattfedern 3.1 jeweils in einen Blattfederrahmen 3.1.1 und in eine Blattfederzunge 3.1.2, mit einem freien Ende 3.1.2.1 und einem in den Blattfederrahmen 3.1.1 übergehenden festen Ende 3.1.2.2, zu strukturieren. Das Aktorelement 4 greift hier jeweils an einem der freien Enden 3.1.2.1 der Blattfederzungen 3.1.2 an. In der 1a bis 1c ist ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Spiegelbaugruppe mit derartigen Stützelementen 3 dargestellt. Die freie Länge L der einzelnen Blattfedern 3.1 ist hier vergleichsweise zu der eines zweiten später beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispiels kürzer, da die monolithische Verbindung zwischen den Stützelementen 3 eine Mindestbreite aufweist, um hier Querverbindungen 6 in Form von Querleisten durch Ineinanderstecken mit den Längsleisten 5 zu verbinden. Dazu weisen die Längsleisten 5 und die Querleisten jeweils eine aufeinander abgestimmte Anordnung von Schlitzen 8 auf. Die Querverbindungen 6 haben lediglich die Funktion, die Längsleisten 5 in ihrer relativen Lage zueinander zu halten und diese Relativlage zu stabilisieren. Die Querleisten, als konkrete Ausführung der Querverbindungen 6, können nur mit den Längsleisten 5 oder auch mit dem Träger 2 starr verbunden sein.
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Die Stützelemente 3 können z. B stoffschlüssig mit der Rückseite des Planspiegels 1 und dem Träger 2 verbunden sein, wofür allerdings nur eine vergleichsweise geringe Kontaktfläche vorhanden ist, z. B. wenn diese durch die Blattfedern 3.1 selbst gestellt wird. Ein so ausgeführtes Stützelement 3 ist in 2a gezeigt.
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Um das Stützelement 3 über eine vergleichsweise große Kontaktfläche mit dem Planspiegel 1 und / oder dem Träger 2 verbinden zu können, wird vorgeschlagen, die Verbindung der Blattfedern 3.1 untereinander über ein Adapterstück 7 herzustellen.
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Das heißt die Stützelemente 3 sind an dem dem Planspiegel 1 zugewandten Ende 3.2 mittelbar über ein Adapterstück 7 untereinander und mit dem Planspiegel 1 stoffschlüssig verbunden, wie in 2b gezeigt, und / oder sie sind an dem dem Träger 2 zugewandten Ende 3.3 mittelbar über ein Adapterstück 7 untereinander und mit dem Träger 2 stoffschlüssig verbunden, wie in 2c dargestellt.
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Ein zweites vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegelbaugruppe ist in den 3a bis 3c gezeigt. Gleich den vorherigen Darstellungen können die Stützelemente 3 und Blattfedern 3.1 unterschiedlich ausgeführt sein. Als wesentlicher Unterschied sind bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Querverbindungen 6 nicht durch zusätzliche Bauelemente realisiert, sondern werden durch die Verbindungen der Blattfedern 3.1 untereinander in senkrechter Richtung zur Querachse q gebildet. Dabei stehen jeweils von den äußeren Stützelementen 3 eine der Blattfedern 3.1 und von den inneren Stützelementen 3 beide Blattfedern 3.1 an ihrem dem Träger 2 zugewandten Ende 3.3 mit jeweils einer der Blattfedern 3.1 eines der Stützelemente 3 der benachbarten Längsleiste 5 in Verbindung. Vorteilhaft kann hier die Breite der monolithischen Verbindung der Stützelemente 3 sehr kurz gehalten werden, womit die für die Federwirkung entscheidende freie Länge L länger wird.
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In Ausführungen, in denen die Querverbindungen 6 so gebildet werden, müssen die Stützelemente 3 in Richtung der Querachse q auch nicht miteinander verbunden sein.
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Für alle Ausführungen der Blattfedern 3.1 und Stützelemente 3 kann vorteilhaft an dem dem Planspiegel 1 zugewandten Ende 3.2 der Blattfedern 3.1 jeweils eine Klebenase 9 ausgebildet sein.
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Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die festen Verbindungen zwischen der Stützstruktur und dem Planspiegel 1 und zwischen der Stützstruktur und dem Träger 2 stoffschlüssige Verbindungen sind.
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Um das Gewicht der Spiegelbaugruppe möglichst gering zu halten, ist der Träger 2, an die Gitterform der Stützstruktur angepasst oder ringförmig, wie in 7 dargestellt.
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Die Aktorelemente 4 sind vorteilhaft Piezoelemente und in den Blattfedern 3.1 sind Löcher zur Durchführung von Elektroleitungen vorgesehen.
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Die Stützstruktur ist an eine beliebige Umfangsform des Planspiegels 1 z. B. rund (siehe 1a und 2a), oval, rechteckig (siehe 3a) anpassbar. Der Planspiegel 1 muss auch nicht senkrecht (siehe 1c) zur Ausrichtung der Stützstruktur, sondern kann hierzu auch geneigt (siehe 6) angeordnet sein.
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Die Spiegelbaugruppe kann fest in einem optischen System oder auch in einer Justierfassung angeordnet sein, über die die Spiegelbaugruppe innerhalb eines optischen Systems in ihrer Raumlage justierbar ist. In dem hierfür in 7 gezeigten Beispiel wurde eine beliebige Justierfassung dargestellt, die durch jede andere Justierfassung, bei der ein Innenrahmen gegenüber einem Außenrahmen axial und / oder radial verschieb- und / oder verkippbar ist, ausgetauscht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planspiegel
- 2
- Träger
- 3
- Stützelement
- 3.1
- Blattfeder
- 3.1.1
- Blattfederrahmen
- 3.1.2
- Blattfederzunge
- 3.1.2.1
- freies Ende der Blattfederzunge 3.1.2
- 3.1.2.2
- festes Ende der Blattfederzunge 3.1.2
- 3.2
- dem Planspiegel 1 zugewandtes Ende des Stützelementes 3
- 3.3
- dem Träger 2 zugewandtes Ende des Stützelementes 3
- 4
- Aktorelement
- 5
- Längsleiste
- 6
- Querverbindung
- 7
- Adapterstück
- 8
- Schlitz
- 9
- Klebenase
- I
- Längsachse
- q
- Querachse
- L
- freie Länge
