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Die Erfindung betrifft ein adaptives Spiegelelement.
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Unter einem adaptiven Optikelement versteht man eine Linse oder einen Spiegel, deren bzw. dessen Brechkraft oder Abstrahlcharakteristik aufgrund einer Einwirkung kontrolliert verändert werden kann. Für adaptive Linsen werden oft hohle Linsenelemente mit dünnen Außenwänden genutzt, die mit einer Immersionsflüssigkeit mit entsprechendem Brechungsindex gefüllt werden. Entsprechend dem hydraulischen Druck wird die Linsenoberfläche deformiert und gezielt eine entsprechende Brechkraft des Optikelements herbeigeführt. Derartige Linsenelemente werden z. B. in der Mikroskopie genutzt, um den Messbereich der Geräte zu erweitern. Eine Alternative zur hydraulischen Ansteuerung besteht in einer elektrischen Ansteuerung. Wenn ein Steuerstrom angelegt wird, ändert die kompakte Linse einen ihrer Radien. Durch die elektrische Veränderung des Radius kann der Brennweitenbereich variiert werden.
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Dadurch kann die Linse für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Ein Mehrlinsensystem kann dadurch überflüssig werden. Adaptive Linsen können beispielsweise in der industriellen Messtechnik, insbesondere zur Barcode-Erfassung Anwendung finden. Dabei wird der Schärfentiefenbereich erweitert, um mit einer Kamera auf Objekte in veränderlicher Entfernung zu fokussieren.
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In dem Bereich der reflektiven Optikelemente bzw. optischen Elemente werden adaptive Spiegel eingesetzt, um Brechungsindexschwankungen der Atmosphäre (Seeing) für Teleskopspiegel zu kompensieren. Zu diesem Zweck werden die entsprechenden Teleskopspiegel durch Linearaktoren lokal angesteuert und punktuell deformiert, um Bildfehler entsprechend zu kompensieren. Durch die Erfassung der Wellenfront und der gleichzeitigen Korrektur derselben durch den adaptiven Spiegel kann die Bildqualität des Teleskops signifikant verbessert werden. Bei den dort verwendeten adaptiven Spiegeln ist es bekannt, deren stetige Oberflächen in einzelne mechanisch gekoppelte Facetten zu unterteilen. Dadurch kann die Korrektur von Fehlern in der optischen Abbildung durch mikroskopische Deformationen der Teleskopspiegel erfolgen. Der Einsatz von Facetten kann jedoch zu optischen Totzonen in den Bereichen zwischen den Facetten führen. Außerdem findet bei starren Facetten eine ungewünschte Diskretisierung der Oberfläche statt.
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Eine weitere Anwendung von adaptiven Spiegeln liegt in der Strahlführung für CO2-Lasersysteme. Diese Maschinen werden in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt. In dem Spektralbereich der Laserstrahlung (z. B. 10,6 µm) können adaptive Linsen nicht verwendet werden, da diese nicht mehr transparent sind. Aus diesem Grund werden adaptive Spiegel eingesetzt, deren Oberfläche und deren Brechkraft über eine pneumatische Ansteuerung verändert werden kann. Die entsprechende Brechkraft wird durch entsprechende Krümmungsradien der Oberfläche generiert. Durch die Änderung der Brechkraft kann die Fokusposition des Bearbeitungskopfes verändert werden. Die durch die pneumatische Ansteuerung generierten Formänderungen sind vergleichsweise klein. Es sind adaptive Spiegelsysteme mit einem Brechkraftbereich von maximal ±0,2 dpt oder z. B. ±0,84 dpt am Markt verfügbar.
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Aus der
DE 10 2015 106 184 A1 ist ein Verfahren zur Formgebung und/oder Formkorrektur mindestens eines optischen Elements bekannt, wobei sich die Form einer optischen Funktionsfläche unter Einwirkung der Gewichtskraft ändert.
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Aus der
US 10 359 603 B1 ist ein gekühlter Metallspiegel in Leichtbauweise bekannt, wobei eine Metalloberfläche des Spiegels mit Metallkanälen versehen ist.
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Aus der
DE 10 2015 226 523 A1 ist eine Belichtungsvorrichtung zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt.
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Aus der
DE 10 2008 014 615 A1 ist ein adaptiver deformierbarer Spiegel zur Kompensation von Fehlern einer Wellenfront bekannt.
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Aus der US 2007 / 0 258 158 A1 ist eine deformierbare Spiegeleinrichtung bekannt, welche ein flexibles Element umfasst, welches deformierbar ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2013 209 012 A1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage mit zwei mittels Kraftschluss miteinander verbundenen Elementen bekannt, wobei der Kraftschluss unter Verwendung eines Formgedächtniselementes erreicht wird.
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Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein adaptives Spiegelelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine zügige adaptive Manipulation seiner optischen Eigenschaften, insbesondere durch ein makroskopisch wirksames und lokal induziertes Ändern seiner Oberflächengeometrie, ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein adaptives Spiegelelement mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Das erfindungsgemäße adaptive Spiegelelement umfasst:
- - eine verformbare membranartige Tragstruktur, welche mittels additiver Fertigung hergestellt ist; und
- - eine reflektive Spiegeloberfläche, welche auf der Tragstruktur aufgebracht ist, wobei
- - die Tragstruktur Segmente aufweist, welche durch gedruckte Gelenke oder Bereiche mit unterschiedlichen Elastizitäten gebildet oder abgegrenzt sind, wobei die unterschiedlichen Elastizitäten in der Tragstruktur gezielt durch eine Modifikation von Prozessparametern bei dem additiven Fertigungsverfahren eingebracht sind, und
- - wobei die Segmente gezielt, beispielsweise punktförmig deformierbar, auslenkbar und/oder verstellbar sind.
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Die Erfindung kann mit den notwendigen Änderungen nicht nur für Spiegelelemente sondern auch für sonstige optische Elemente eingesetzt werden. Die makroskopischen optischen Eigenschaften einer optischen Komponente können durch lokal eingebrachte Deformationen an zugeordneten elastischen komplexen Tragstrukturen bewusst verändert werden, die mittels additiver Fertigung bzw. 3D-Druck herstellbar sind. Makroskopische Verformungen ermöglichen eine Funktionserweiterung. Bei stetigen Oberflächen ist eine Realisierung einer adaptiv verformbaren, komplex geformten dreidimensionalen Randkontur mittels 3D-Druck möglich. Bei facettierten Oberflächen ist eine Realisierung von lokal unterschiedlichen mechanischen Elastizitäten durch den 3D-Druck, insbesondere 3D-Metalldruck möglich. Es können sozusagen gedruckte Gelenke erzeugt werden. Es können Randkonturen mit entsprechenden mechanischen Tragstrukturen mittels additiver Fertigung so hergestellt werden, dass gezielt lokal über mechanische Kräfte oder andere physikalische Effekte verursachte Kräfte eingebrachte Deformationen die Geometrie der Oberfläche verändern und damit die makroskopischen Eigenschaften der Komponente beeinflussen. Durch die additive Fertigung der Membran lässt sich eine Freiform herstellen, wodurch eine Funktionserweiterung erzielbar ist und nicht nur Aberrationen oder ähnliches korrigiert werden können. Dies bewirkt eine Änderung der Funktionalität, wie z. B. die Brennweite einer Optik oder allgemein die Änderung einer Wellenfront. Aus dem Stand der Technik bekannte Systeme bieten keine optische Funktionserweiterung durch lokal eingebrachte makroskopisch wirksame Verformungen. Mit dem erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelement ist eine Korrektur von Fehlern der optischen Abbildung und eine Funktionserweiterung bezüglich der optischen Abbildungseigenschaften durch die lokal eingebrachten und makroskopisch wirksamen Verformungen möglich. Es kann eine präzise und schnelle Adaption von Randkonturen an eine Sollgeometrie erfolgen. Des Weiteren ist auch eine Kompensation von thermisch induzierten Verformungen denkbar.
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Die unterschiedlichen Elastizitäten in der Tragstruktur können somit gezielt mittels des 3D-Druckverfahrens durch unterschiedliche Materialdichten bzw. Materialporositäten als Prozessparameter eingebracht sein.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, können im Gegensatz zu bisherigen Technologien nicht nur geringfügige Wellenfrontaberrationen durch das adaptive Element korrigiert werden, sondern makroskopische Effekte erzielt werden, welche eine Funktionserweiterung bewirken. Durch den adaptiven Spiegel können Abstrahlcharakteristiken gezielt designt werden. Dies beinhaltet eine Musterprojektion analog zu einem Spatial Light Modulator (z. B. DLP-Projektor). Die Deformation einer Spiegeloberfläche kann auch zur Strahlformung genutzt werden, indem die Intensität über den Strahlquerschnitt neu verteilt wird. Diese Funktionen können durch die adaptive Natur des Optikelements verändert oder aktiviert/deaktiviert werden.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine Adaption des optischen Verhaltens eines optischen Systems auf sich ändernde Messaufgaben und/oder eine Anpassung der Brennweite und eine Anpassung der Abstrahlcharakteristik möglich. Die Segmente bzw. Facetten können punktförmig, beispielsweise durch Linearaktuatoren auslenkbar sein bzw. ausgelenkt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Segmente mechanisch, insbesondere mittels Linearaktuatoren oder Piezoelementen und/oder magnetisch, insbesondere durch eine Änderung eines oder mehrerer Magnetfelder gezielt deformierbar und/oder verstellbar sind.
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Es können Linearaktuatoren, z. B. auf der Basis von Schrittmotoren vorhanden sein oder Piezoelemente eingesetzt werden.
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Des Weiteren können magnetische Felder zur Deformation einer magnetisierbaren Tragstruktur bzw. Membran eingesetzt werden.
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Es können Tragstrukturen mit Elementen aus Formgedächtnismetallen eingesetzt werden, bei denen das Metallelement durch gezielte Temperaturänderungen eine Kraft auf die Tragstruktur bzw. Membran ausübt.
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Es können Tragstrukturen mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden, bei denen die Deformation durch Wärmeausdehnung bei gezielt lokaler Temperaturänderung stattfindet.
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Die Tragstruktur kann aus Metall, Keramik oder Kunststoff gebildet sein.
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Grundsätzlich können alle für die additive Fertigung geeigneten Materialien für die Tragstruktur verwendet werden.
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Die Tragstruktur kann aus einer Aluminium-Silicium-Legierung (AISi), aus einer Cobalt-Chrom-Legierung, aus Eisen, aus Titan oder aus Edelstahl gebildet sein.
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Die Tragstruktur kann aus einer Aluminium-Silicium-Legierung (AISi) gebildet sein. Durch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist das Material besonders für eine thermische Deformation geeignet.
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Die Tragstruktur kann aus einer Cobalt-Chrom-Legierung gebildet sein, die ein besonders hohes Reflexionsvermögen aufweist.
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Die Tragstruktur kann aus Edelstahl gebildet sein. Das Material ist kostengünstig und leicht verfügbar.
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Die Tragstruktur kann aus Titan gebildet sein, welches ein besonders gutes Verhältnis von Elastizität zu Festigkeit aufweist.
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Die Tragstruktur kann aus Eisen gefertigt sein, das durch seine Magnetisierbarkeit für adaptive Ansätze basierend auf Deformation durch magnetische Krafteinwirkung geeignet ist.
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Die Tragstruktur kann aus Keramiken gebildet sein, die durch geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten eine hohe thermische Stabilität von Optikelementen gewährleisten.
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Die Tragstruktur kann aus Polylactiden (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gebildet sein, welche hervorragende thermoplastische Eigenschaften für die additive Fertigung aufweisen.
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Die Tragstruktur kann ferner aus Epoxidharzen gebildet sein. Fotoreaktive Epoxidharze ermöglichen lithografische additive Fertigungsverfahren.
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Die Tragstruktur kann mittels:
- - selektivem Laserschmelzen bzw. eines L-PBF (Laser beam Powder Bed Fusion)-Verfahrens;
- - Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting (EBM);
- - Selektivem Lasersintern (SLS);
- - Stereolithografie (SLA);
- - Fused Deposition Modeling (FDM); oder
- - Continuous Liquid Interface Production (CLIP)
als additivem Fertigungsverfahren hergestellt sein.
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Die Tragstruktur kann mittels selektivem Laserschmelzen bzw. eines L-PBF (Laser beam Powder Bed Fusion)-Verfahrens als 3D-Druckverfahren hergestellt sein. Der Vorteil besteht in der hohen Auflösung des Verfahrens.
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Die Tragstruktur kann mittels Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting (EBM) hergestellt sein. Das Verfahren gewährleistet durch hohe Energieeinträge hohe Prozessgeschwindigkeiten.
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Die Tragstruktur kann mittels selektivem Lasersintern (SLS) hergestellt sein. Das Verfahren ermöglicht insbesondere die Verarbeitung von Keramiken.
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Die Tragstruktur kann mittels Stereolithografie (SLA) hergestellt sein. Das Verfahren ist besonders für fotoreaktive Kunststoffe geeignet.
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Die Tragstruktur kann mittels Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt sein. Drucker basierend auf der FDM-Technologie sind weit verbreitet und der Druck ist kostengünstig.
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Die Tragstruktur kann mittels Continuous Liquid Interface Production (CLIP) hergestellt sein. Durch den kontinuierlichen Materialauftrag können Diskretisierungseffekte des Schichtauftrags alternativer Verfahren vermieden werden.
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Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, um durch den additiven Fertigungsprozess beispielsweise eines L-PBF-Verfahrens dünne Membranen als Tragstrukturen für adaptive Spiegel herzustellen. Beim L-PBF-Verfahren wird zunächst schichtweise Metallpulver aufgebracht. Anschließend wird im Laser-Scanning-Verfahren durch einen punktförmigen Laserfokus ein entsprechender Bauteilquerschnitt aufgeschmolzen. Es wird erneut schichtweise Metallpulver aufgebracht und aufgeschmolzen, bis die gewünschte Bauteilgeometrie erreicht wird. Durch den additiven Fertigungsvorgang bestehen kaum Limitierungen hinsichtlich der zu fertigenden Bauteilgeometrie. Somit können für die adaptiven Spiegelmembranen auch komplexe Freiformoberflächen erzeugt werden. Diese Freiformoberflächen ermöglichen auch eine Musterprojektion. Durch bewusstes Weglassen von Material oder das gezielte Einbringen von Versteifungselementen können durch den L-PBF-Metalldruck lokal unterschiedliche Elastizitäten, insbesondere gedruckte Gelenke generiert werden, durch welche die Oberflächenform der Membran bei der Deformation durch Linearaktuatoren beeinflusst werden kann.
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Die Segmente können gezielt deformierbar und/oder verstellbar sein, um bestimmte optische Eigenschaften, insbesondere zur Fehlerkorrektur zu beeinflussen oder vorgegebene Muster, insbesondere Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße adaptive Spiegelelement kann zur Musterprojektion eingesetzt werden. Derartige Muster können beispielsweise für messtechnische Zwecke genutzt werden. Ein mögliches Einsatzgebiet ist die inverse Streifenprojektion. Bei dem Verfahren wird auf die Freiformoberfläche eines zu prüfenden Bauteils eine entsprechende Linie projiziert. Diese Linie weist eine entsprechende Krümmung auf, so dass die Linie für ein Bilderfassungssystem gerade wirkt. Jede erfasste Abweichung vom linearen Verlauf wird als Fehler interpretiert. Das Verfahren funktioniert mit einer einzelnen Linienprojektion, bei dem das Prüfteil innerhalb einer Ebene kontrolliert wird, oder mit einer Streifenprojektion zur Bauteilüberprüfung innerhalb eines Messvolumens. Durch die adaptive Natur des erfindungsgemäßen Optikelements kann die Musterprojektion für unterschiedliche Bauteile bzw. Bauteilreihen schnell angepasst werden. Da nur das adaptive Spiegelelement und eine passive Beleuchtung erforderlich sind, kann ein Spatial Light Modulator entfallen.
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Die Musterprojektion kann auch für das sogenannte „Street Lighting“ eingesetzt werden. Hier werden Symbole im Straßenverkehr als Hinweis und/oder Warnung auf die Fahrbahn projiziert. Eine Modifikation von Straßenlaternen mit entsprechenden adaptiven Spiegelelementen ermöglicht es, angepasste Symbole situationsabhängig darzustellen. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Strahlformung. Von einer Vielzahl an Laserquellen werden üblicherweise Abstrahlcharakteristiken mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung generiert. Ein oder mehrere formangepasste Spiegelelemente können genutzt werden, um die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt neu zu gestalten. Ein Beispiel für eine derartige Strahlformung wäre die Änderung von einem gaußförmigen Intensitätsprofil zu einem rechteckigen Intensitätsprofil. Durch einen adaptiven Spiegel wird die Möglichkeit geschaffen, eine entsprechende Laserquelle mit variabler Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts zu realisieren. Schließlich bieten die vorgeschlagenen adaptiven Spiegelelemente auch die Möglichkeit, Brennweiten von Spiegeln zu ändern. Im Gegensatz zu verfügbaren adaptiven Optikelementen aus dem Bereich der Strahlführung von CO2-Lasern ermöglichen die erfindungsgemäßen Spiegelelemente durch additiv gefertigte Membranen auch Brennweiten größer als eine Dioptrie.
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Die reflektive Spiegeloberfläche kann auf der Tragstruktur durch Polieren und/oder durch eine Beschichtung aufgebracht sein.
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Die unterschiedlichen Elastizitäten in der Tragstruktur können gezielt mittels des 3D-Druckverfahrens durch unterschiedliche Materialdicken als Prozessparameter eingebracht sein.
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Die unterschiedlichen Elastizitäten in der Tragstruktur können gezielt mittels des 3D-Druckverfahrens durch unterschiedliche Materialzusammensetzungen bzw. Legierungen als Prozessparameter eingebracht sein.
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Durch ein gezieltes Weglassen von Material oder das gezielte Einbringen von Versteifungselementen können in einfacher Weise lokal unterschiedliche Elastizitäten, insbesondere sogenannte gedruckte Gelenke bzw. Flexures generiert werden, durch welche die Oberflächenform der Membran bei der Deformation durch Linearaktuatoren beeinflusst werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 Eine stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelements;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines deformierten bzw. verstellten erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelements;
- 3 eine vereinfachte Darstellung eines durch das adaptive Spiegelelement aus 2 generierten Intensitätsmusters;
- 4 eine Darstellung einer Prozesskette beim L-PBF-Verfahren;
- 5 eine vereinfachte Darstellung eines Konzepts zur Musterprojektion beim Street Lighting;
- 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines adaptiven Spiegelelements; und
- 7 eine vereinfachte Darstellung einer Anordnung zur Ansteuerung einer Spiegelmembran mit variabler Fokusposition.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes adaptives Spiegelelement 1 dargestellt, welches umfasst:
- - eine verformbare membranartige Tragstruktur 2, welche mittels additiver Fertigung bzw. eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist; und
- - eine reflektive Spiegeloberfläche 3, welche auf der Tragstruktur 2 aufgebracht ist, wobei
- - die Tragstruktur 2 Segmente 2.1 aufweist, welche durch gedruckte Gelenke 2.2 oder Bereiche 2.3 mit unterschiedlichen Elastizitäten gebildet oder abgegrenzt sind, und
- - wobei die Segmente 2.1 gezielt deformierbar, auslenkbar und/oder verstellbar sind.
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Die Segmente 2.1 können mittels gestrichelt angedeuteten Linearaktuatoren 4 mechanisch gezielt deformiert, ausgelenkt oder verstellt werden.
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Funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Modells für eine zweite Ausführungsform eines adaptiven Spiegelelements 1', bei welchem die Tragstruktur 2 eine Freiformfläche 2.4 ausbildet, wobei Teilbereiche 2.5 der Freiformfläche 2.4, insbesondere mittels in 2 nicht gezeigten Linearaktuatoren gezielt deformierbar und/oder verstellbar sind. Eine Krafteinwirkung der Linearaktuatoren ist vereinfacht durch Pfeile 5 angedeutet. Vereinfacht ist ebenfalls eine punktförmige Lichtquelle 6 gezeigt, welche einen optischen Strahlengang 7 mit Lichtstrahlen erzeugt, welche durch das adaptive Spiegelelement 1' beispielsweise auf eine Straße oder ein sonstiges Objekt reflektiert werden und dort basierend auf Formabweichungen, z. B. in Höhe von ±0,5 mm von einem Off-Axis-Parabolspiegel ein entsprechendes beispielhaft in 3 gezeigtes Intensitätsmuster bilden. In 3 sind Bereiche mit hoher Intensität transparent und geringer Intensität schraffiert dargestellt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die in den 1 und 2 gezeigten Ausführungen zu kombinieren und Freiformflächen 2.4 mit Segmenten 2.1 auf der Tragstruktur 2 vorzusehen (nicht dargestellt). Die Teilbereiche 2.5 der Freiformfläche 2.4 und die Segmente 2.1 können punktförmig ausgelenkt werden. Die Linearaktuatoren 4 können z. B. auf der Basis von Schrittmotoren oder als Piezoelemente ausgebildet sein, wobei auch andere Lösungen denkbar sind.
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In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Segmente 2.1 oder die Teilbereiche 2.5 alternativ oder zusätzlich magnetisch, insbesondere durch eine Änderung eines oder mehrerer Magnetfelder gezielt deformierbar und/oder verstellbar sein.
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In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Segmente 2.1 oder die Teilbereiche 2.5 alternativ oder zusätzlich auch thermisch, insbesondere mittels einer Krafteinwirkung von Formgedächtnismetallelementen auf die Tragstruktur 2 aufgrund einer Temperaturänderung oder mittels einer Wärmeausdehnung der Tragstruktur 2 bei einer lokalen Temperaturänderung der Tragstruktur, gezielt deformierbar und/oder verstellbar sein.
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Die Tragstruktur 2 kann mittels selektiven Laserschmelzen oder eines L-PBF (Laser beam Powder Bed Fusion)-Verfahrens als 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Eine Prozesskette eines L-PBF-Verfahrens ist in 4 vereinfacht gezeigt. In einem Pre-Prozess erfolgt eine CAD-Konstruktion in einem Schritt S100 und ein Slicen in einem Schritt S200. In einem Hauptprozess erfolgen abwechselnd ein Beschichten S301, ein Aufschmelzen S302 und eine Bauplattformabsenken S303 bis die Struktur additiv gefertigt ist. In einem Post-Prozess erfolgt ein Entpacken in einem Schritt S400 und gegebenenfalls weitere nachgeschaltete Prozessschritte wie Entfernen der Stützstruktur, Oberflächenbearbeitung, Laserpolieren, Fluid-Jet-Polieren etc.
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Alternativ kann die Tragstruktur 2 mittels:
- - Elektronenstrahlschmelzen bzw. Electron Beam Melting (EBM);
- - Selektivem Lasersintern (SLS);
- - Stereolithografie (SLA);
- - Fused Deposition Modeling (FDM); oder
- - Continuous Liquid Interface Production (CLIP)
als additivem Fertigungsverfahren hergestellt sein.
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Die Tragstruktur 2 kann aus Metall, Keramik oder Kunststoff gebildet sein.
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Die Tragstruktur 2 kann aus einer Aluminium-Silicium-Legierung (AISi), aus einer Cobalt-Chrom-Legierung, aus Eisen, aus Titan oder aus Edelstahl gebildet sein.
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Die Tragstruktur 2 kann ferner aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder aus Polylactiden (PLA) gebildet sein. Die Tragstruktur 2 kann ferner auch aus Epoxidharzen gebildet sein.
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Die reflektierende Spiegeloberfläche 3 kann auf der Tragstruktur 2 durch Polieren und/oder durch eine Beschichtung aufgebracht sein.
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Die unterschiedlichen Elastizitäten können in der Tragstruktur 2 gezielt mittels des additiven Fertigungsverfahrens bzw. 3D-Druckverfahrens durch eine Modifikation von Prozessparametern, insbesondere durch unterschiedliche Materialdicken, Materialdichten bzw. Materialporositäten und/oder Materialzusammensetzungen bzw. Legierungen eingebracht sein.
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Die Segmente 2.1 oder die Teilbereiche 2.5 können gezielt deformierbar und/oder verstellbar sein, um bestimmte optische Eigenschaften, insbesondere zur Fehlerkorrektur zu beeinflussen oder vorgegebene Muster zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße adaptive Spiegelelement 1,1' kann beispielsweise in der Musterprojektion eingesetzt werden. Derartige Muster können z. B. für messtechnische Zwecke genutzt werden. Ein mögliches Einsatzgebiet ist die inverse Streifenprojektion. Bei diesem Verfahren wird auf die Freiformoberfläche eines zu prüfenden Bauteils eine entsprechende Linie projiziert. Diese Linie weist eine entsprechende Krümmung auf, so dass die Linie für ein Bilderfassungssystem gerade wirkt. Jede Abweichung vom linearen Verlauf wird als Fehler interpretiert. Das Verfahren funktioniert mit einer einzelnen Linienprojektion, bei dem das Prüfteil innerhalb einer Ebene kontrolliert wird, oder mit einer Streifenprojektion zur Bauteilüberprüfung innerhalb eines Messvolumens. Durch die adaptive Natur des erfindungsgemäßen Optikelements kann die Musterprojektion für unterschiedliche Bauteile bzw. Bauteilreihen schnell angepasst werden. In dem nur der adaptive Spiegel und eine passive Beleuchtung benötigt werden, kann ein Spatial Light Modulator entfallen.
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Ein weiteres Einsatzgebiet im Rahmen der Musterprojektion ist das sogenannte „Street Lighting“ (siehe 5). Hier werden Symbole 8 im Straßenverkehr als Hinweis und/oder Warnung auf eine Fahrbahn 9 projiziert. Eine Modifikation von Straßenlaternen mit einem entsprechenden erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelement 1 oder 1' ermöglicht es angepasste Symbole 8 situationsabhängig darzustellen. In 5 ist ein Lasermodul mit dem Bezugszeichen 10 und eine Optik für die Laserstrahlung mit dem Bezugszeichen 11 versehen.
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Eine weitere nicht dargestellte mögliche Anwendung ist die Strahlformung. In einer Vielzahl an Laserquellen werden üblicherweise auch Abstrahlcharakteristiken mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung generiert. Ein oder mehrere formangepasste Spiegelelemente können genutzt werden, um die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt neu festzulegen. Ein Beispiel für eine derartige Strahlformung wäre z. B. die Änderung von einem gaußförmigen Intensitätsprofil zu einem rechteckigen Intensitätsprofil. Durch ein erfindungsgemäßes adaptives Spiegelelement 1,1' wird die Möglichkeit geschaffen eine entsprechende Laserquelle mit variabler Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts zu realisieren.
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Schließlich bieten die erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelemente 1,1' auch die Möglichkeit deren Brennweiten zu ändern. Im Gegensatz zu bekannten adaptiven Spiegeln aus dem Bereich der Strahlführung von CO2-Lasern ermöglichen die erfindungsgemäßen adaptiven Spiegelelemente 1,1' durch additiv gefertigte Membranen auch Brennweiten größer als 1 dpt. In 6 ist ein Modell eines adaptiven Spiegelelements 1 mit Bereichen mit unterschiedlichen Elastizitäten 2.3 bzw. Versteifungselementen dargestellt. Ein, insbesondere als Piezo ausgeführter Linearaktuator ist mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
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7 zeigt eine Anordnung zur Ansteuerung des adaptiven Spiegelelements 1 mit einem variablen Fokus 12 sowie einer punktförmigen Lichtquelle 6 und einem entsprechenden Strahlengang 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1,1'
- Adaptives Spiegelelement
- 2
- Membranartige Tragstruktur
- 2.1
- Segmente
- 2.2
- Gedruckte Gelenke
- 2.3
- Bereiche mit unterschiedlichen Elastizitäten
- 2.4
- Freiformfläche
- 2.5
- Teilbereich der Freiformfläche
- 3
- Reflektive Spiegeloberfläche
- 4
- Linearaktuatoren
- 5
- Pfeile der Krafteinwirkung
- 6
- Punktförmige Lichtquelle
- 7
- Optischer Strahlengang
- 8
- Symbole
- 9
- Fahrbahn
- 10
- Lasermodul
- 11
- Optik
- 12
- Fokus
- S100
- Verfahrensschritt
- S200
- Verfahrensschritt
- S301
- Verfahrensschritt
- S302
- Verfahrensschritt
- S303
- Verfahrensschritt
- S400
- Verfahrensschritt
