DE102021102096B4

DE102021102096B4 - Adaptiver Spiegel mit in zwei orthogonalen Achsen unterschiedlichen Krümmungsradien

Info

Publication number: DE102021102096B4
Application number: DE102021102096.4A
Authority: DE
Inventors: Claudia Reinlein
Original assignee: Robust Ao GmbH
Current assignee: Robust Ao GmbH
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2041-01-30
Also published as: DE102021102096A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Spiegels mit einstellbaren Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen, der Spiegel enthaltend eine Membran mit einer Spiegelschicht (3) an einer ersten Oberfläche (21) und mindestens einem Aktor an einer zweiten Oberfläche (22), wobei der Aktor mindestens eine aktive Aktorschicht (4) zwischen zwei Flächenelektroden aufweist, wobei- die Membran (2) in einem starren elliptischen Rahmen (5) fest eingespannt ist,- die Spiegelschicht (3) und die Aktorschicht (4) als an der Membran (2) gegenüberliegende Ellipsen (31, 41) mit parallel zueinander ausgerichteten Halbachsen a3, b3und a4, b4ausgebildet sind, wobei die Halbachsen a3, b3; a4, b4der Ellipsen (31, 41) mit den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) der einstellbaren Krümmungsradien Rxund Ryübereinstimmen, und- die Membran (2) eine freie Randzone (23) bis zum starren Rahmen (5) aufweist, die weder von der Spiegelschicht (3) noch von der Aktorschicht (4) bedeckt ist, bei welchem Verfahren mittels einer Dimensionierung der freien Randzone (23) die Krümmungsradien Rxund Ryder Spiegelschicht (3) in den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) unterschiedlich eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel mit einstellbaren Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen, enthaltend eine Membran mit einer Spiegelschicht an einer ersten Oberfläche und mindestens einem Aktor an einer zweiten Oberfläche, wobei der Aktor mindestens eine aktive Aktorschicht zwischen zwei Flächenelektroden aufweist.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der optischen Industrie, vorzugsweise in der angewandten Lasertechnologie und insbesondere in der Lasermaterialbearbeitung, in der Laserkommunikation sowie bei der Bildgebung für astronomische Anwendungen.
Die Wellenfront und die Divergenz von Strahlung kann mit einem deformierbaren Spiegel adaptiv geformt werden. Soll ein Strahlenbündel über einen Umlenkspiegel aktiv fokussiert werden, ist zusätzlich zu beachten, dass der Krümmungsradius R in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α der Strahlung in den zwei orthogonalen Richtungen x und y unterschiedlich variiert werden muss.
Aus dem Stand der Technik sind sehr unterschiedliche Lösungsansätze bekannt, die einen Spiegel adaptiv in seiner Krümmung beeinflussen, um eine flexible Fokussteuerung zu erreichen, zumeist um Wellenfrontaberrationen kompensieren zu können.
So ist aus der EP 1 328 838 B1 ein adaptiver Spiegel mit Kühlkanälen bekannt, der als eine Laser-Strahlführungskomponente für einen festgelegten Ein- und Ausfallswinkel eine elliptische Form aufweist und dessen Verhältnis von Länge zu Breite definiert ist als Spiegellänge gleich Spiegelbreite dividiert durch das Kosinus-Quadrat des Einfallswinkels. Für einen gewünschten Ein-/Ausfallswinkel, z. B. 15°, 30°, 45°, ..., wird die Spiegelform entsprechend berechnet und aus zwei Membranen hergestellt, wobei zwischen den zwei Membranen zwei Gruppen von parallel angeordneten Kühlkanälen orthogonal zueinander verlaufen, sodass karo- oder rautenartige Spiegelelemente unter einem Winkel von 45° zu den Hauptachsen der Spiegelellipse ausgebildet sind. Dieses Membrangebilde wird zwecks Fokussteuerung dann an der Rückseite des Spiegels mittels eines öldurchflossenen Gehäuses mit Über- oder Unterdruck beaufschlagt, um eine in den zwei Ellipsenhauptachsen unterschiedliche Fokusänderung zu bewirken, wobei die Kühlkanäle zudem für eine primäre Spiegelkühlung sorgen. Nachteilig zeigt sich hierbei die aufwändige Herstellung der zweischichtigen Spiegelfolie mit den eingelagerten Kühlkanälen.
Des Weiteren ist in der DE 10 2013 008 646 B4 ein adaptiver Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung beschrieben, bei dem ebenfalls eine Druckkammer hinter einem fest im Gehäuse eingespannten Spiegelsubstrat für eine druckgesteuerte Fokusänderung sorgt, wobei das Spiegelsubstrat von einer einheitlichen Dicke am Einspannrand im Gehäuse bis zu einer maximalen Dicke in der Substratmitte eine zunehmende Dicke aufweist, die infolge der elliptischen Spiegelform in zwei orthogonalen Achsen unterschiedliche Gradienten hat. Der wesentliche Nachteil bei dieser Lösung ist die aufwändige Substratherstellung aufgrund der erforderlichen exakten elliptischen Höhenabstufung des Spiegelsubstrats.
Ferner ist aus der EP 2 269 106 B1 ein adaptiv deformierbarer Spiegel zur Kompensation von Fehlern der Wellenfront bei thermischer Strahlungsbelastung des Spiegels bekannt, der auf einer Substratschicht oben eine Spiegelschicht und unten eine aktive Schicht mit beidseitig angebrachten Flächenelektroden aufweist, wobei die Spiegelschicht eine Metall- oder Halbmetallschicht ist und innerhalb oder unterhalb der Substratschicht eine weitere Metallschicht zur thermischen Kompensation angebracht ist, wodurch die thermische Verformung des Spiegels derart eingestellt wird, dass sich die gewünschte Krümmung abhängig von der reflektierten Leistung einstellt. Bei dieser Lösung erweist sich als nachteilig, dass sie als Multifacettenspiegel kompliziert zu fertigen ist und für die Steuerung des Facettenspiegels eine Vielzahl von Aktoren erforderlich ist.
Aus der DE 20 2013 004 724 U1 ist ein adaptiver Spiegel bekannt, der in einer Laserbearbeitungsvorrichtung als Umlenkungsspiegel genutzt wird.
Aus der EP 3 266 557 A1 ist ebenfalls ein in einer Laservorrichtung zur Metallbearbeitung als Umlenkungsspiegel genutzter adaptiver Spiegel bekannt.
Ebenso betrifft die DE 41 08 484 A1 einen adaptiven Spiegel, der in einer Laservorrichtung als Umlenkungsspiegel genutzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Einstellung von Krümmungsradien eines adaptiven Spiegels für einen vorgegebenen Einfallswinkel eines Strahlenbündels zu finden, die eine Fokuseinstellung des adaptiven Spiegels mit einem gleichbleibenden Verhältnis von in zwei orthogonalen Achsen verschiedenen Krümmungsradien gestattet, ohne dass komplizierte Strukturierungen von mehreren Aktoren oder Dickengradienten von Aktor, Spiegel oder deren Träger erforderlich sind.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen eines Spiegels und entsprechenden Spiegeln nach den Ansprüchen 8 und 9 gelöst.
Vorteilhaft wird die Breite der Randzone bei homogen umlaufender Randzone mit d_x = d_y umso kleiner ausgeführt, je größer ein vorgegebener Einfallswinkel α des an der Spiegelschicht reflektierten Strahlenbündels ist, um das Verhältnis R_x/R_y der Krümmungsradien R_x und R_y kleiner einzustellen.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung kann die Breite der Randzone bei inhomogen umlaufender Randzone mit d_x > d_y ausgeführt werden bzw. sein, um das Verhältnis R_x/R_y der Krümmungsradien R_x und R_y umso kleiner einzustellen, je größer ein vorgegebener Einfallswinkel α des an der Spiegelschicht reflektierten Strahlenbündels ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung weist mindestens eine der Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und Rahmen eine von den übrigen abweichende Exzentrizität c auf.
Bevorzugt weisen die Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und Rahmen eine Exzentrizität c, angegeben als Verhältnis c = b/a der Halbachsen a und b, auf, die im Bereich 0,25 ≤ c ≤ 1, vorzugsweise bei $c = 1 / \sqrt{2}$
liegt.
Bei unterschiedlich gewählten Exzentrizitäten c_i der Ellipsen kann mindestens eine, höchstens aber noch eine zweite, der Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und Rahmen zu einem Kreis entartet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weisen alle Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und Rahmen gleiche Exzentrizität c auf.
Bevorzugt weist die Randzone der Membran eine Breite auf, die in Verlängerung einer großen Halbachse a der Ellipse von Spiegelschicht oder Aktorschicht durch eine Breite d_x und in Verlängerung einer kleinen Halbachse b der Ellipse von reflektierender Schicht oder Aktorschicht durch eine Breite d_y definiert ist und zwischen 0,2 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 10 mm, beträgt.
Dabei kann die Randzone der Membran in Verlängerung der großen Halbachse a und der kleinen Halbachse b vorteilhaft eine Breite von d_x = d_y aufweisen, wobei die Breite d_x, d_y der Randzone zwischen 0,2 mm und 5 mm beträgt und zwischen d_x und d_y konstant ist.
Zweckmäßig weist die Membran je nach Material, aus dem sie gefertigt ist, eine Dicke zwischen 50 µm und 750 µm, bevorzugt zwischen 50 µm und 250 µm, auf.
Die Membran kann vorteilhaft aus einem Material der Gruppe der Metalle der I. bis VIII. Nebengruppe des Periodensystem der Elemente (PSE) sowie Aluminium, Germanium, Gallium, Indium, Zinn, Tantal, Blei und Bismut oder der Gruppe der Halbmetalle Bor, Kohlenstoff (Graphit), Silicium (schwarz), Phosphor, Germanium, Arsen, Selen (grau), Antimon, Tellur und Astat oder Legierungen davon, oder aus der Gruppe der Gläser NBK7, NBK10, B33, Kieselglas, Borosilikatglas, Pyrex, Zerodur, CLEARCERAM, DURAN, ULE, NEXTREMA® oder der Gruppe der Glaskeramiken Al₂O₃, LTCC oder aus Leiterplattenmaterial oder anderen faserverstärkten Kunststoffen gefertigt sein.
Die Spiegelschicht ist vorzugsweise aus einem Material der Gruppe der Gläser, NBK7, NBK10, B33, Kieselglas, Borosilikatglas, Pyrex, Zerodur, CLEARCERAM, DURAN, NEXTREMA®, oder der Gruppe der Kunststoffe, Polymethylmethacrylat, Polyimide, optische Polymere oder Polycarbonate, mit einer Dicke zwischen 500 µm und 1.500 µm gefertigt.
Die Aktorschicht, die aus mindestens einem Material mit spannungsgesteuerter Formänderung besteht, weist vorteilhaft eine Dicke zwischen 200 µm und 1.000 µm auf.
Dabei kann die Aktorschicht zweckmäßig als eine piezoelektrische Schicht oder ein Piezoschichtsystem oder als eine dielektrische Schicht oder ein dielektrisches Schichtsystem zur elektrostriktiven Formänderung oder als ein Bimetallschichtsystem oder ein Bimetallschichtenstapel ausgebildet sein.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass bei Spiegeln für schrägen Lichteinfall die Einstellung von unterschiedlichen Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen des Spiegels (in der Reflexionsebene und der Orthogonalebene dazu) erforderlich ist, wenn man im Fokus Astigmatismus vermeiden möchte. Ab einem Einfallswinkel α > 5° und insbesondere bei Einfallswinkeln zwischen 35° und 60° muss eine Deformation des Spiegel zu einer torischen Fläche, die in ihren zwei Hauptschnittebenen verschiedene Krümmungsradien aufweist (Torusflächenelement), erfolgen. Für diese Problematik ist bekannt, dass das Verhältnis der Krümmungsradien $\frac{R_{x}}{R_{y}} = {cos}^{2} (α)$
sein muss, womit sich bei einem Einfallswinkel α und Ausfallswinkel α' des reflektierten Strahls von jeweils 45° am Spiegel ein Verhältnis der Krümmungsradien von $\frac{R_{x}}{R_{y}} = 0,5$
zwischen den Hauptschnittebenen des Spiegels ergibt.
Für das adaptive Ändern des Fokuszustandes eines solchen Spiegels wäre es also wünschenswert, wenn sich beim Deformieren des Spiegels das erforderliche Verhältnis der Krümmungsradien automatisch einstellt, ohne dies mit einer komplizierten Strukturierung von mehreren Aktoren separat vornehmen zu müssen. Um bei einem elliptischen Spiegel eine Fokuseinstellung oder -regelung des reflektierten Strahls für einen vorgegebenen Einfallwinkel jeweils mit einem angepassten Verhältnis der Krümmungsradien in den orthogonalen Koordinatenrichtungen vornehmen zu können, müssen deshalb entlang der zwei orthogonalen Spiegelachsen entweder unterschiedliche Kräfte eingetragen werden oder bei gleichmäßigem Krafteintrag ein in den zwei orthogonalen Richtungen unterschiedliches Biegeverhalten des Spiegels vorhanden sein.
Die Erfindung geht für den letzteren Problemlösungsansatz - abweichend von der bekannten Maßnahme, mit in den orthogonalen Achsen unterschiedlichen Dickengradienten des (elliptischen) Spiegels und/oder Spiegelträgers die unterschiedlichen Krümmungsradien einzustellen - den Weg einer angepassten elastischen Spiegeleinspannung. Diese bedient sich einer in einem Rahmen umlaufend fixierten Membran, auf deren erster Oberfläche eine elliptische Spiegelschicht und auf deren zweiter Oberfläche eine elliptische Aktorschicht aufgebracht sind, wobei die Spiegelschicht, die Aktorschicht und die innerhalb des elliptischen Rahmens eingespannte Membran übereinstimmend ausgerichtete Mittelpunkte und Halbachsen ihrer elliptischen Flächen aufweisen. Die einzige Einflussgröße bei der Erfindung ist die Dimensionierung der Ellipse der elastischen Einspannung der Membran, d.h. einzig die freie Randzonenbreite im Verhältnis zur Gesamtfläche der Membran kann angepasst werden, um das bei einem vorgegebenen Einfallswinkel eines Strahlenbündels erforderliche Verhältnis von verschiedenen Krümmungsradien des Spiegels bei Änderungen der Fokuslänge des reflektierten Strahlenbündels unverändert beizubehalten.
Das Verhältnis der unterschiedlichen Krümmungsradien R_x und R_y in den zwei orthogonalen Spiegelachsen wird in Abhängigkeit vom vorgegebenen Einfallswinkel der reflektierten Strahlung erfindungsgemäß mittels einer umlaufenden freien Randzone der Membran zwischen dem elliptischen Rahmen und den Ellipsenflächen der Spiegelschicht und der Aktorschicht eingestellt. Dabei ist die freie Randzone definiert als diejenige Breite der Membran, die weder von Spiegel- oder Aktorschicht bedeckt ist, wobei die Breite der Randzone jeweils in Richtung der Verlängerung der Halbachsen von Spiegel- und Aktorschicht als Breitenmaße d_x und d_y angegeben (gemessen) wird.
Die adaptive Beeinflussung der Spiegelkrümmung zur Fokuseinstellung oder -regelung erfolgt erfindungsgemäß durch einen einzigen, als Aktorschicht (großflächig) ausgebildeten und an der Membran zur Spiegelschicht gegenüberliegend befestigten Aktor, indem die Aktorschicht eine Kraftwirkung lateral zur Spiegelkrümmung ausübt.
Zur reflexionswinkelabhängigen Einstellung des Verhältnisses der Krümmungsradien R_x und R_y der Spiegelschicht ist die Breite der Randzone in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 15 mm wählbar und entweder umlaufend mit homogener (konstanter) Breite oder mit in Richtung der verlängerten Ellipsenhalbachsen unterschiedlicher Breite und kontinuierlichen Übergängen zwischen den unterschiedlichen Breitenmaßen d_x, d_y ausführbar. Dabei lassen sich in der jeweiligen orthogonalen Spiegelachse umso kleinere Krümmungsradien R_x bzw. R_y einstellen, je größer die Breite d_x bzw. d_y der Randzone gewählt wurde. Bei homogen umlaufender Randzonenbreite (d_x = d_y) lässt eine vergrößerte Randzonenbreite kleinere Krümmungsradien R_x, R_y zu, wobei diese verringerten Krümmungsradien (d.h. stärkeren Spiegelkrümmungen) jedoch in jeder der orthogonalen Achsen unterschiedlich ausfallen (d.h. R_x ≠ R_y). Diese Unterschiedlichkeit der Krümmungsradien R_x, R_y lässt sich durch unterschiedliche Randzonenbreiten d_x ≠ d_y noch verstärken oder ggf. auch abschwächen. Während eine bevorzugte Ausführung der Erfindung davon ausgeht, dass die Ellipsen von Spiegelschicht und Aktorschicht innerhalb des Rahmens gleiche Exzentrizität aufweisen und von der des Rahmens so abweichen, um eine homogen umlaufende Randzonenbreite (d_x = d_y) zu realisieren, können auch Ausführungen mit völlig voneinander abweichenden Exzentrizitäten der Ellipsen bis zur entarteten Kreisform von wenigstens einer der Ellipsen gewählt werden, um die so erzeugte inhomogene Randzonenbreite (d_x ≠ d_y) zur Einstellung stärker voneinander abweichender Krümmungsradien R_x, R_y auszunutzen. Alternativ kann für diesen Zweck auch eine inhomogene Randzonenbreite (d_x ≠ d_y) derart erzeugt werden, dass die Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und Rahmen als mathematisch ähnliche Ellipsen ausgebildet sind, d.h. dass sie unterschiedliche Größe bei gleicher Exzentrizität aufweisen.
Durch die Erfindung wird eine neue Möglichkeit zur Einstellung von Krümmungsradien eines adaptiven Spiegels für einen vorgegebenen Einfallswinkel eines Strahlenbündels realisiert, die eine Fokuseinstellung des adaptiven Spiegels mit einem gleichbleibenden Verhältnis von in zwei orthogonalen Achsen verschiedenen Krümmungsradien gestattet, ohne dass komplizierte Strukturierungen von mehreren Aktoren oder Dickengradienten von Aktor, Spiegel oder deren Träger erforderlich sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spiegels als eine Schnittzeichnung des Schichtaufbaus sowie eine Draufsicht zur Erläuterung aller Spiegelkomponenten und -parameter;
2: eine bevorzugte Gestaltung des erfindungsgemäßen Spiegels als geschnittene Seitenansicht und als Draufsicht mit einer mechanisch geklemmten Membran, piezoelektrischem Aktor und einer bevorzugten Gestaltungsform des erfindungsgemäßen Spiegels mit gleich großen Ellipsen von Spiegelschicht und Aktorschicht sowie konstanter freier Randzone zu einem elliptischen Rahmen;
3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spiegels in geschnittener Seitenansicht und Draufsicht mit einer weiteren Variante einer mechanisch geklemmten Membran, elektrostriktiv gesteuertem Aktor und unterschiedlich geformten Ellipsen von Spiegelschicht, Aktorschicht und elliptischem Rahmen sowie angepasster freier Randzone der Membran;
4: eine dritte Ausführung des erfindungsgemäßen Spiegels in geschnittener Seitenansicht und Draufsicht mit einer durch Schmelzverbindung stoffschlüssig am Rahmen fixierten Membran, thermoelektrisch gesteuerter Aktorschicht und einer weiteren Gestaltung der angepassten freien Randzone der Membran durch unterschiedlich geformte Ellipsen von Aktorschicht und Rahmen sowie kreisförmiger Spiegelschicht,
5: eine vierte Ausführung des erfindungsgemäßen Spiegels in geschnittener Seitenansicht sowie Draufsicht mit stoffschlüssig fixierter Membran durch monolithische Herstellung aus einem kappenartig geformten elliptischen Rahmen, elliptischer Spiegelschicht und kreisförmig entartetem Aktor in Form eines Piezostapels,
6: eine fünfte Ausführung des erfindungsgemäßen Spiegels in geschnittener Seitenansicht sowie Draufsicht mit stoffschlüssig fixierter Membran und Spiegelschicht durch monolithische Herstellung der Membran und der elliptischen Spiegelschicht aus einem kappenartig geformten elliptischen Rahmen mit angepasster Randzonenbreite zum stoffschlüssig-hybrid befestigten kreisförmig entarteten Aktor,
7: eine Prinzipdarstellung der Strahlumlenkung eines Strahlenbündels unter einem schrägen Einfallswinkel α, der hier beispielhaft mit 45° vorgegeben ist, an dem erfindungsgemäßen elliptischen Spiegel, der für einen gewünschten Fokusbereich seine Krümmung ändert, wobei das Verhältnis der Krümmungsradien R_x/ R_y für unterschiedlich starke Spiegelkrümmungen gleich bleibt.

Der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Spiegels 1, wie in 1 dargestellt, umfasst eine Membran 2, auf deren erster Oberfläche 21 eine Spiegelschicht 3 und auf deren zweiter Oberfläche 22 eine aktive Aktorschicht 4 jeweils in Form einer Ellipse 31 bzw. 41 aufgebracht sind, wobei die Membran 2 in einem starren elliptischen Rahmen 5 umlaufend fixiert ist. Dabei ist der elliptische Rahmen 5 in jedem Fall größer als die Ellipsen 31 und 41 von Spiegelschicht 3 bzw. Aktorschicht 4, sodass die Membran 2 bis zum elliptischen Rahmen 5 eine freie Randzone 23 aufweist, die weder von der Spiegelschicht 3 noch von der Aktorschicht 4 belegt ist.
Als Membran im Sinne der Erfindung wird eine dünne Platte bzw. Schicht verstanden, die - analog dem technischen Verständnis der Membran einer Druckpumpe - eine undurchlässige, bewegliche Platte darstellt, die aus Kunststoff oder Metall, aber auch aus Glas oder Glaskeramik gefertigt sein kann, soweit sie aufgrund ihrer Elastizität mindestens orthogonal zu einer Einspannebene der Platte elastische Bewegungen ausführen kann. Eine solche technische Membran hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass sie Kraft übertragen und abdichten kann und alle weiteren mechanischen Bauteile der Installation getrennt von dem zu beeinflussenden Medium liegen. Die wichtigste Eigenschaft der Membran - unabhängig von der konkreten Anwendung ihrer Vibrations- oder Biegefähigkeit als flächiges Federelement - ist die Unempfindlichkeit gegen Dauerbeanspruchung. Zusätzlich geht damit auch eine hermetische Abdichtung eines angeschlossenen Gehäuseteils gegen Verunreinigungen eines Arbeitsmediums oder Biegeantriebs einher.
Diesbezüglich ist die erfindungsgemäße Membran 2 als dünne Platte im Bereich von 50 µm bis 750 µm Dicke vorzugsweise aus Metall (gegebenenfalls auch einem Halbmetall) oder Legierungen davon gefertigt. In speziellen Ausführungen sind auch dünne Platten im Bereich von 50 µm bis 250 µm Dicke bevorzugt einsetzbar.
Die wesentliche Bedeutung der erfindungsgemäßen Membran 2 liegt in der elastischen Funktion der nicht mit den Beschichtungen von Spiegelschicht 3 oder Aktorschicht 4 belegten freien Randzone 23, deren Breite als Längenmaß d_x oder d_y entlang der orthogonalen Achsen 11 und 12 des Spiegels 1 angegeben wird. Das Breitenmaß d_xder Randzone 23 liegt zugleich in der Verlängerung der großen Halbachse a der Ellipsen 31 bzw. 41 und das Breitenmaß d_y fällt mit der Verlängerung der kleinen Halbachse b der Ellipsen 31 bzw. 41 von Spiegelschicht 3 und Aktorschicht 4 zusammen. D.h., die Ellipsen 31 und 41 - obwohl sie nicht flächengleich sein müssen - weisen dieselbe Ausrichtung ihrer Hauptachsen a, b auf, die wiederum mit den orthogonalen Achsen 11 und 12 des Spiegels 1 (als Achsen der Hauptschnittebenen des Spiegels 1) übereinstimmen.
Die freie Randzone 23 kann in Abhängigkeit vom Material der Membran 2, deren Dicke und der Dicke der Spiegelschicht 3 eine Breite zwischen 0,2 mm und 15 mm aufweisen.
Vorzugsweise wird eine Breite d_x, d_y aus dem Bereich zwischen 0,2 mm und 10 mm gewählt, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm.
Unabhängig davon, ob die Ellipsen 31 und 41 von der Spiegelschicht 3 bzw. der Aktorschicht 4 gleich groß sind und/oder gleiche Exzentrizität haben, kann die Randzone 23 mit d_x = d_y eine umlaufend konstante Breite oder eine umlaufend schwankende Breite (trotz d_x = d_y) aufweisen oder mit d_x≠ d_y ausgeführt sein, um die Krümmungsradien R_x und R_y in den orthogonalen Achsen 11 und 12 des Spiegels 1 unterschiedlich einstellen zu können. Aufgrund der vorgegebenen Ein-/Ausfallswinkel α und α' der am Spiegel 1 zu reflektierenden Strahlung (schematisch in 7 gezeichnet) ist eine Exzentrizität c_i, die hier als Verhältnis der kleinen Halbachse b_i zur großen Halbachse a_i (mit i = 3, 4, 5) der Ellipsen 31, 41 oder 51 definiert wird, für die reflektierende Fläche der Spiegelschicht 3 mit c_i = b_i/a_i entsprechend dem Einfallswinkel α festgelegt. Damit kann mittels der Exzentrizität c₃ der Spiegelschicht 3 oder der Exzentrizität c₄ der Aktorschicht 4 im Zusammenwirken mit der Exzentrizität c₅ des Rahmens 5, in dem die Membran 2 peripher starr eingespannt ist, die freie Randzone 23 der Membran 2 „maßgeschneidert“ angepasst werden, um ein unterschiedliches Verhältnis der Krümmungsradien R_x und R_y gezielt einzustellen und dieses Verhältnis für unterschiedlich starke Krümmungen des Spiegels 1 konstant zu halten. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die unterschiedlichen Krümmungsradien R_x, R_y allein aufgrund der Dimensionierung der freien Randzone 23 der Membran 2 erreicht werden, während die Aktorschicht 4 unstrukturiert zwischen deren flächigen Elektroden (nicht gezeichnet) homogen angesteuert wird.
Für den bevorzugten Fall der homogenen (mit konstanter Breite d_x = d_y) umlaufenden Randzone 23 wird bei abnehmender Randzonenbreite das Verhältnis der Krümmungsradien R_x / R_y verringert und somit wird der Spiegel für größere Einfallswinkel eingestellt.
Zur Veranschaulichung dieses Phänomens sei von dem bevorzugten Verhältnis R_x/R_{y =} 0,50 ausgegangen, bei dem man die Werte der Krümmungsradien R_x, R_y beispielhaft mit R_x/R_y = -3,9 m / -7,8 m annimmt, und die Randzonenbreite mit d_x = d_y gleichmäßig verringert. Eine solche Verringerung hat dann insbesondere Auswirkungen auf R_y, da eine kleinere Randzonenbreite d_y die Einspannung der Membran 2 infolge der kleinen Ellipsenhalbachse b₅ stärker versteift, als das bei identischer Breite d_x entlang der großen Halbachse a₅ der Fall ist. So kann beispielhaft angenommen werden, dass bei gleichmäßiger Verringerung der Randzone 23 um ca. 0,5 mm sich die Spiegelschicht 3 näherungsweise nur noch auf R_y ≈ -8,1 m krümmen lässt, während sie entlang der großen Halbachse a₅ fast unverändert auf R_x ≈ -3,9 m gekrümmt werden kann, wodurch sich das Verhältnis der Krümmungsradien R_x/R_y z.B. auf R_x/R_y ≈ -3,9 m /-8,1 m = 0,48 verringert. Analoges gilt für bei gleichmäßiger Vergrößerung der Randzonenbreite mit d_x = d_y.
Weiterhin ist das Verhältnis der Krümmungsradien R_x/R_y auch für d_x ≠ d_y insbesondere von d_y abhängig und kann mittels d_x > d_y über einen breiteren Bereich eingestellt werden. Im Extremfall kann die Membran 2 innerhalb des Rahmens 5 kreisförmig ausgebildet sein, d.h. die Ellipse 51 des Rahmens 5 wird zu einem Kreis entartet.
Im Folgenden sollen anhand der 2 bis 4 unterschiedliche Gestaltungsvarianten zur Ausführung von Spiegelschicht 3 und Aktorschicht 4 sowie der dazwischenliegenden Membran 2 und deren freier Randzone 23 bis zum Rahmen 5 beschrieben werden.
2 zeigt eine Seitenansicht des Spiegels 1 mit einer ersten vorteilhaften Ausführung der umlaufend fixierten Membran 2 durch eine mechanische Klemmung in einem zweiteilig elliptischen Rahmen 5 sowie eine Draufsicht auf den Spiegel 1.
In dieser besonders bevorzugten Ausführung ist die Spiegelschicht 3 als Ellipse 31 mit einem optimierten Verhältnis der kleinen zur großen Hauptachse (Exzentrizität c) auf etwa $c = b/a = 1 / \sqrt{2}$
für einen Einfallswinkel α der zu reflektierenden Strahlung von 45° eingestellt. Die Dicke der Spiegelschicht 3 beträgt zwischen 200 µm bis 1.500 µm. Vorzugsweise ist die Spiegelschicht 3 aus optischem polierbaren Glas, (z.B. aus N-BK7 oder N-BK10, Kieselglas, Pyrex oder B33), kann aber auch aus beliebigen Gläsern, Glaskeramiken oder Metallen gefertigt sein, die sich auf optische Qualität (mit Oberflächenfehlern kleiner als die Lichtwellenlänge der verwendeten Strahlung) polieren lassen.
Die Aktorschicht 4 ist als gleich große Ellipse 41 mit derselben Orientierung wie die Ellipse 31 ausgeführt, jedoch ist letztere auf einer zweiten Oberfläche 22 gegenüber der Spiegelschicht 3 auf einer ersten Oberfläche 21 der Membran 2 angebracht. Der elliptische Rahmen 5 ist in diesem Fall als eine zu den Ellipsen 31 und 41 größere Ellipse 51 gefertigt, wobei eine freie Randzone 23 mit konstanter Breite d_x = d_y realisiert werden kann. Alternativ ist eine weitere einfache Gestaltung der Flächengröße und -form der Membran 2 möglich, wobei der Rahmen 5 als mathematisch ähnliche Ellipse 51 zu den hier gleich groß gewählten Ellipsen 31, 41 gefertigt wird, wodurch zwar dx > dy ausfällt, aber die Exzentrizität c5 der Ellipse 51 mit der Exzentrizität c3, c4 der Ellipsen 31,41 übereinstimmt.
Als Membran 2 wird in diesem Beispiel eine Metallfolie aus Kupfer mit einer Dicke von 200 µm genommen und in dem elliptischen Rahmen 5 umlaufend geklemmt. Für die hier beispielhaft verwendete Materialkombination von Membran 2 und Spiegelschicht 3 und im Wesentlichen gleicher Ellipse 41 der Aktorschicht 4 wird die freie Randzone 23 mit einer konstanten Breite von 2,5 mm gewählt.
Für ein Material mit größerem E-Modul ist die Randzone 23 entsprechend größer zu wählen. Alternative Materialien für die Membran 2 sind Metalle der I.- VIII. Nebengruppe sowie Aluminium, Germanium, Gallium, Indium, Zinn, Tantal, Blei und Bismut oder der Gruppe der Halbmetalle Bor, Kohlenstoff (Graphit), Silicium (schwarz), Phosphor, Germanium, Arsen, Selen (grau), Antimon, Tellur und Astat oder deren Legierungen.
Für die starre Fixierung der Membran 2 am Rahmen 5 ist der elliptische Rahmen 5 als „Sandwich“ mit dazwischen eingeklemmter Membran 2 ausgestaltet, wobei die Klemmung mittels gleichmäßig im Rahmen 5 verteilter Schrauben erreicht wird. Dabei ist es unbedeutend, ob sich der Rahmen 5 aus vollständig geteilten Ellipsenringen zusammensetzt, in jedem Fall müssen beide Teile stets dieselbe Ellipse 51 als Innenraum des Rahmens 5 freilassen, um eine definierte Einspannlinie der Ellipse 51 zu definieren.
In 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Spiegels 1 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht analog zu 2 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante ist die Spiegelschicht 3 als eine Ellipse 31 entsprechend dem Erfordernis für eine Strahlreflexion unter 45° wie im vorhergehenden Beispiel ausgebildet.
Die Aktorschicht 4 ist hier kreisförmig mit a₄ = b₄ ausgeführt, sodass c₄ = 1 gilt. Dadurch lassen sich Standard-Bauelemente als Aktoren einsetzen, wobei eine Anpassung einer Elektrodenform an die Spiegelform erfolgen kann. In diesem Fall wird von einem elektrostriktivem Aktor 43 Gebrauch gemacht. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der hier ausgewählte elektrostriktive Aktor 43 mit den in den übrigen Beispielen erwähnten speziellen Aktoren 42, 44 oder der verallgemeinert erwähnten Aktorschicht 4 beliebig gegeneinander austauschbar ist und diese Austauschbarkeit auch für die dort verwendeten Aktoren 42, 44 untereinander zutrifft.
Die Wirkung des elektrostriktiven Aktors 43 wird - wie in allen anderen Beispielen - durch die Flächendehnung des Aktors 43 als Aktorschicht 4 entlang der Membran 2 als Zug- oder Druckkraft in eine orthogonale Kraftwirkung von der Membran 2 auf die Spiegelschicht 3 übertragen. Aufgrund der unterschiedlichen Halbachsen a_i, b_i (mit i = 3, 4, 5) und der geeignet gewählten Breite der freien Randzone 23 mit den Breitenmaßen d_x, d_y entlang der orthogonalen Achsen 11 und 12 des Spiegels 1 erfolgt die Spiegelkrümmung unterschiedlich, je nachdem, wie die Halbachsenverhältnisse (Exzentrizität c₃, c₄, c₅) und die Breitenmaße d_x, d_y der Randzone 23 gewählt worden sind, stellen sich in den orthogonalen Achsen 11 und 12 unterschiedliche Krümmungsradien R_x und R_y ein.
Wegen des größeren Wertes der „kleinen“ Halbachse b₄ der Ellipse 41 des elektrostriktiven Aktors 43 im Vergleich zur kleinen Halbachse b₃ der Ellipse 31 der Spiegelschicht 3 ist auch der elliptische Rahmen 5 in seiner Exzentrizität c₅ = b₅/a₅ ≤ 1 angepasst, um die Randzone 23 in der Breite für d_x und d_y so anzupassen, dass sich das benötigte Verhältnis der Krümmungsradien R_x/R_y einstellt. Es ist aber nicht notwendig, dass die Ellipse 51 des Rahmens 5 ebenfalls einen Kreis bildet. Sie kann auch mit geringer Exzentrizität c₅ → 1 (annähernd 1) gestaltet sein. Die Fixierung der Membran 2 ist in gleicher Weise durch Klemmung mittels Schrauben ausgeführt, wie bereits zu 2 beschrieben.
Die Randzone 23 der Membran 2 wird in diesem Fall eine inhomogene Breite haben, wobei die Breitenmaße d_x und d_y aber sowohl gleich als auch unterschiedlich sein können. Letzteres hängt einerseits vom Größenverhältnis der Halbachsen a₄ = b₄ gegenüber den Halbachsen a₃ > b₃ und andererseits von der Exzentrizität c₅ der Ellipse 51 des Rahmens 5 ab. Angestrebt wird vorzugsweise, dass d_x = d_y oder d_x > d_y ist, um die Krümmungsradien R_x und R_y mit R_x< R_y einzustellen.
4 stellt eine weitere Ausführung der Erfindung dar, bei der die Fixierung der Membran 2 als stoffschlüssige Verbindung - im Unterschied zur kraftschlüssigen gemäß 2 und 3 - durch Verschmelzung des Membranmaterials mit dem Material des Rahmens 5 vorhanden ist. Diese stoffschlüssige Verbindung kann entweder durch Schweißen oder durch Löten, aber auch durch Kleben oder Bonden erfolgt sein. Es sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass auch formschlüssige Verbindungen (nicht gezeichnet) zwischen Membran 2 und Rahmen 5 in Frage kommen, wenn die Membran 2 einen verstärkten Randbereich aufweist, der am Rahmen 5 in eine komplementäre Nut eingebracht wird.
Des Weiteren unterscheidet sich die Ausführung gemäß 4 von den vorherigen Beispielen darin, dass die Spiegelschicht 3 und die Aktorschicht 4 nochmals anders gestaltete elliptische Flächen haben. Diese sind in diesem Beispiel so ausgeführt, dass die Spiegelschicht 3 eine Exzentrizität c₃ der Ellipse 31 von c₃ = b₃/a₃ = 1 aufweist und somit zum Kreis entartet ist, um beispielsweise Herstellungsprozesse von hochwertigen Oberflächenbeschichtungen oder anderen Oberflächenvergütungen der Spiegelschicht 3, wie Polieren oder Läppen, zu vereinfachen. In diesen Fall, der insbesondere für kleine Einfallswinkel (z.B. 15°-30°) interessant ist, bleibt die Einhaltung der Ellipsenform des schräg auf die Spiegelschicht 3 einfallenden Strahls 6 (nur in 7 gezeigt) auf die kreisrund geformte Spiegelschicht 3 durch eine mittige Strahljustage der elliptischen Strahlauftrefffläche 61 zur Lage der Ellipse 41 der Aktorschicht 4 vorbehalten, wobei die Strahlauftrefffläche 61 die kreisförmige Spiegelschicht 3 entlang ihrer Halbachse b₃ partiell geringer als entlang der Halbachse a₃ ausfüllt.
Die Aktorschicht 4 weist in diesem Beispiel eine Ellipse 41 mit großer und kleiner Halbachse a₄ bzw. b₄ auf, deren Längenmaße an die der Spiegelschicht 3 angepasst sind, wobei die kleine Halbachse b₄ mit der Halbachse b₃ der Spiegelschicht 3 - wie in 4 dargestellt - übereinstimmt (b₄ ≈ b₃ = a₃), aber auch etwas kleiner sein kann. Als Aktorschicht 4 ist in dieser Variante der Erfindung ein thermoelektrischer Aktor 44 (z.B. als Bimetallschichtsystem) ausgebildet. Es können aber auch bei dieser konstruktiven Ausführung des Spiegels 1 alternativ die in den vorherigen Beispielen beschriebenen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktorsysteme eingesetzt werden, wie das bereits oben zu 3 erwähnt worden ist und für alle anderen Ausführungen des erfindungsgemäßen Spiegels 1 gilt.
5 zeigt eine weitere vorteilhafte Gestaltung des Spiegels 1, bei der erneut die Ellipse 41 des Aktors 4 zu einem Kreis entartet ist und in dieser besonderen Ausführung die große Halbachse b₃ der Spiegelschicht 3 mit den gleichgroßen Halbachsen eines piezoelektrischen Aktors 42, der hier - wie in der unteren Schnittzeichnung von 5 stilisiert dargestellt - als ein kommerziell verfügbarer zylindrischer Piezoschichtenstapel ausgebildet ist, übereinstimmt. Die Ellipse 51 des Rahmens 5 muss dazu eine große Halbachse a₅ derart angepasst erhalten, dass die Randzone 23 in ihrer Breite d_y in Richtung der kleinen Halbachse b₃ der Spiegelschicht 3 möglichst klein und kleiner als d_x ist, um ein besonders kleines Verhältnis der Krümmungsradien R_x/R_y einzustellen, das für große Einfallswinkel α des zu reflektierenden Strahlenbündels angepasst ist. Anstelle des in 5 gezeigten Piezoschichtenstapels als Aktor 42 kann - wie bereits oben erwähnt - alternativ jede der in den vorangehenden Beispielen beschriebene Betriebsart eingesetzt werden.
Die Verbindung zwischen der Membran 2 und dem Rahmen 5 ist in 5 zwar - wie im vorherigen Beispiel gemäß 4 - ebenfalls stoffschlüssig ausgeführt, aber nicht durch Kleben, Löten oder Schweißen hergestellt, sondern weist eine weitere Art der stoffschlüssigen Fixierung der Membran 2 am Rahmen 5 auf, bei der die Membran 2 durch eine monolithische Verbindung 54 am Rahmen 5 befestigt ist. Dies kann vorzugsweise erreicht werden, indem die Membran 2 aus einem topfförmigen Rahmen 5 durch Ausfräsen oder andere Abtragungsarten ausgearbeitet wird, sodass eine monolithische Verbindung 54 zwischen Membran 2 und Rahmen 5 besteht, die keinen nachträglichen Verfahrensschritt zur starren stoffschlüssigen Fixierung erfordert. Zur Realisierung der monolithischen Verbindung 54 von Membran 2 und Rahmen 5 ist als eine bevorzugte Materialwahl Glas oder Keramik vorgesehen.
Alternativ kann die monolithische Verbindung 54 von Membran 2 und Rahmen 5 aber auch aus Metall hergestellt werden, indem ein Verfahren der additiven Fertigung, wie z. B. selektives Laserschmelzen (SLM), Laserauftragsschweißen o.Ä., verwendet wird, um ein „topfförmiges“ Gebilde einer am Rahmen 5 starr befestigten Membran 2 zu erzeugen.
Eine weitere Alternative der Herstellung des Spiegels 1 ist in 6 schematisch in einer Draufsicht und einer Seitenansicht (geschnitten) gezeigt. Die zu 5 für die monolithische Verbindung 54 erwähnte Materialwahl zwischen Membran 2 und Rahmen 5 unter Verwendung von Glas oder Keramik wird in der Gestaltung von 6 nochmals modifiziert, indem ein monolithischer Verbundkörper 55 aus Rahmen 5, Membran 2 und Spiegelschicht 3 durch Fräsen, Ätzen und/oder Schleifen und anschließendes Polieren oder Läppen mindestens der als Materialverdickung auf der Membran 2 stehengelassenen Spiegelschicht 3 hergestellt wird.
Die Aktorschicht 4 wird wiederum auf die der Spiegelschicht 3 gegenüberliegende zweite Oberfläche 22 der monolithischen Membran aufgeklebt und kann alternativ jede der in den vorangehenden Beispielen beschriebene Betriebsart von piezoelektrisch, elektrostriktiv und thermoelektrisch eingesetzt werden. Die Breite d_x, d_y der freien Randzone 23 der im Rahmen 5 integrierten Membran 2 und die Exzentrizitäten c₃, c₄, c₅ der einzelnen Ellipsen 31, 41 und 51 werden dabei nach den gleichen Grundsätzen, wie oben beschrieben, je nach vorgegebenem Einfallswinkel α des einfallenden Strahlenbündels 6 und dem Ausfallswinkel α' des reflektierten Strahlenbündels 7 (nur in 7 gezeichnet) eingerichtet. Dabei ist die Konstellation der Ellipsen 31 und 41 von Spiegelschicht 3 und Aktorschicht 4 wiederum (analog zu 4) auf die Gleichheit der kleinen Halbachsen b₃ und b₄ eingerichtet und die Ellipse 31 der Spiegelschicht 3 ist erneut zum Kreis entartet. Dadurch wird die Randzonenbreite d_y kleiner als d_x eingerichtet und bei Ansteuerung der Aktorschicht 4 an der Spiegelschicht 3 in Richtung ihrer großen Halbachse a₃ ein kleinerer Krümmungsradius R_x erzeugt als in Richtung ihrer kleinen Halbachse b₃, was bei unterschiedlichen Fokuseinstellungen stets zu dem gewünschten angepassten Verhältnis der Krümmungsradien R_x/R_y führt, das einen Astigmatismus bei der Fokussierung über die Fokussierlinse 71 über den gesamten Fokusbereich 8 (nur in 7 gezeigt) vermeidet.
Die Zeichnung von 7 dient der schematischen Darstellung des Strahlverlaufs eines schräg auf den erfindungsgemäßen elliptischen Spiegel 1 einfallenden Strahlenbündels 6 sowie der Ein- und Ausfallswinkel α und cc', die in der Summe den häufig verwendeten Umlenkwinkel der Strahlreflexion am Spiegel 1 ausmachen. Die Detaildarstellung des elliptischen Spiegels 1 rechts oben in 7 ist nicht als Seitenansicht im Sinne einer Projektion von Spiegel- und Strahlauftrefffläche 61 gezeichnet, sondern als orthogonale Draufsicht auf den Spiegel 1 und dessen Spiegelschicht 3 zur Darstellung der Achsenbezeichnungen der orthogonalen Achsen 11, 12 entlang der Hauptschnittebenen des Spiegels 1, der Hauptachsen a₃, b₃ der Ellipse 31 der Spiegelschicht 3 und der elliptischen Strahlauftrefffläche 61. Nach dem Spiegel 1 ist eine übliche Fokussieroptik 71 für das reflektierte Strahlenbündel 7 gezeigt, die zur radialsymmetrischen Fokussierung des an sich kollimiert einfallenden Strahlenbündels 6 vorgesehen ist. Die astigmatismusfreie Änderung der Fokuslage über einen gewünschten Fokusbereich 8 wird dabei erst durch die entsprechende Ansteuerung der Aktorschicht 4 und die dadurch in den zwei orthogonalen Achsen 11 und 12 der Spiegelschicht 3, die in diesem Beispiel den Koordinatenrichtungen x, y zugeordnet sind, erzeugten unterschiedlichen Krümmungsradien R_x, R_y erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Spiegel
11, 12: orthogonale Achsen
2: Membran
21: erste Oberfläche
22: zweite Oberfläche
23: freie Randzone
3: Spiegelschicht
31: Ellipse (der Spiegelschicht)
4: Aktorschicht
41: Ellipse (der Aktorschicht)
42: piezoelektrischer Aktor
43: elektrostriktiver Aktor
44: thermoelektrischer Aktor
5: (elliptischer) Rahmen
51: Ellipse (des Rahmens)
52: (formschlüssige) Klemmverbindung
53: (stoffschlüssige) Schmelzverbindung
54: monolithische Verbindung
55: monolithischer Verbundkörper
6: einfallendes Strahlenbündel
61: Strahlauftrefffläche
7: reflektiertes Strahlenbündel
71: Fokussierlinse
8: Fokusbereich
a; a3, a4, a5: großen Halbachse (der Ellipse)
b; b3, b4, b5: kleinen Halbachse (der Ellipse)
c; c3, c4, c5: Exzentrizität (der Ellipse)
dx, dy: Breite (der Randzone 23)
Rx, Ry: Krümmungsradien (der Spiegelschicht 3)

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Spiegels mit einstellbaren Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen, der Spiegel enthaltend eine Membran mit einer Spiegelschicht (3) an einer ersten Oberfläche (21) und mindestens einem Aktor an einer zweiten Oberfläche (22), wobei der Aktor mindestens eine aktive Aktorschicht (4) zwischen zwei Flächenelektroden aufweist, wobei - die Membran (2) in einem starren elliptischen Rahmen (5) fest eingespannt ist, - die Spiegelschicht (3) und die Aktorschicht (4) als an der Membran (2) gegenüberliegende Ellipsen (31, 41) mit parallel zueinander ausgerichteten Halbachsen a₃, b₃ und a₄, b₄ ausgebildet sind, wobei die Halbachsen a₃, b₃; a₄, b₄ der Ellipsen (31, 41) mit den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) der einstellbaren Krümmungsradien R_x und R_y übereinstimmen, und - die Membran (2) eine freie Randzone (23) bis zum starren Rahmen (5) aufweist, die weder von der Spiegelschicht (3) noch von der Aktorschicht (4) bedeckt ist, bei welchem Verfahren mittels einer Dimensionierung der freien Randzone (23) die Krümmungsradien R_x und R_y der Spiegelschicht (3) in den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) unterschiedlich eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Randzone (23) bei homogen umlaufender Randzone (23) mit d_x = d_y umso kleiner ausgeführt wird, je größer ein vorgegebener Einfallswinkel α des an der Spiegelschicht (3) reflektierten Strahlenbündels ist, um das Verhältnis R_x/R_y der Krümmungsradien R_x und R_y kleiner einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Randzone (23) bei inhomogen umlaufender Randzone (23) mit d_x > d_y ausgeführt wird, um das Verhältnis R_x/R_y der Krümmungsradien R_x und R_y umso kleiner einzustellen, je größer ein vorgegebener Einfallswinkel α des an der Spiegelschicht (3) reflektierten Strahlenbündels (7) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Ellipsen (31, 41, 51) von Spiegelschicht (3), Aktorschicht (4) und Rahmen (5) eine von den anderen abweichende Exzentrizität c aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ellipsen (31, 41, 51) von Spiegelschicht (3), Aktorschicht (4) und Rahmen (5) eine Exzentrizität c, angegeben als Verhältnis c = b/a der Halbachsen a und b, aufweisen, die im Bereich 0,25 ≤ c_i ≤ 1 (i = 3, 4, 5) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Ellipsen (31, 41, 51) von Spiegelschicht (3), Aktorschicht (4) und Rahmen (5) zu einem Kreis entartet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ellipsen (31, 41, 51) von Spiegelschicht (3), Aktorschicht (4) und Rahmen (5) gleiche Exzentrizität c aufweisen.
Spiegel mit einstellbaren Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen, enthaltend eine Membran mit einer Spiegelschicht (3) an einer ersten Oberfläche (21) und mindestens einem Aktor an einerzweiten Oberfläche (22), wobei der Aktor mindestens eine aktive Aktorschicht (4) zwischen zwei Flächenelektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Membran (2) in einem starren elliptischen Rahmen (5) fest eingespannt ist, - die Spiegelschicht (3) und die Aktorschicht (4) als an der Membran (2) gegenüberliegende Ellipsen (31, 41) mit parallel zueinander ausgerichteten Halbachsen a₃, b₃ und a₄, b₄ ausgebildet sind, wobei die Halbachsen a₃, b₃; a₄, b₄ der Ellipsen (31, 41) mit den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) der einstellbaren Krümmungsradien R_x und R_y übereinstimmen, - die Membran (2) eine freie Randzone (23) bis zum starren Rahmen (5) aufweist, die weder von der Spiegelschicht (3) noch von der Aktorschicht (4) bedeckt ist, um mittels der Dimensionierung der freien Randzone (23) die Krümmungsradien R_x und R_y der Spiegelschicht (3) in den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) unterschiedlich einstellen zu können, und - die Breite der Randzone (23) bei inhomogen umlaufender Randzone (23) mit d_x > d_y ausgeführt ist, um das Verhältnis R_x/R_y der Krümmungsradien R_x und R_y umso kleiner einzustellen, je größer ein vorgegebener Einfallswinkel α des an der Spiegelschicht (3) reflektierten Strahlenbündels (7) ist.
Spiegel mit einstellbaren Krümmungsradien in zwei orthogonalen Achsen, enthaltend eine Membran mit einer Spiegelschicht (3) an einer ersten Oberfläche (21) und mindestens einem Aktor an einer zweiten Oberfläche (22), wobei der Aktor mindestens eine aktive Aktorschicht (4) zwischen zwei Flächenelektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Membran (2) in einem starren elliptischen Rahmen (5) fest eingespannt ist, - die Spiegelschicht (3) und die Aktorschicht (4) als an der Membran (2) gegenüberliegende Ellipsen (31, 41) mit parallel zueinander ausgerichteten Halbachsen a₃, b₃ und a₄, b₄ ausgebildet sind, wobei die Halbachsen a₃, b₃; a₄, b₄ der Ellipsen (31, 41) mit den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) der einstellbaren Krümmungsradien R_x und R_y übereinstimmen, - die Membran (2) eine freie Randzone (23) bis zum starren Rahmen (5) aufweist, die weder von der Spiegelschicht (3) noch von der Aktorschicht (4) bedeckt ist, um mittels der Dimensionierung der freien Randzone (23) die Krümmungsradien R_x und R_y der Spiegelschicht (3) in den zwei orthogonalen Achsen (11, 12) unterschiedlich einstellen zu können, und - mindestens eine der Ellipsen (31, 41, 51) von Spiegelschicht (3), Aktorschicht (4) und Rahmen (5) eine von den anderen abweichende Exzentrizität c aufweist.
Spiegel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (23) der Membran (2) eine Breite aufweist, die in Verlängerung einer großen Halbachse a der Ellipse (31; 41) von Spiegelschicht (3) oder Aktorschicht (4) durch eine Breite d_x und in Verlängerung einer kleinen Halbachse b der Ellipse (31; 41) von Spiegelschicht (3) oder Aktorschicht (4) durch eine Breite d_y definiert ist und zwischen 0,2 mm und 15 mm beträgt.
Spiegel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (23) der Membran (2) in Verlängerung der großen Halbachse a und der kleinen Halbachse b eine Breite von d_x = d_y aufweist, wobei die Breite d_x, d_y der Randzone (23) zwischen 0,2 mm und 5 mm beträgt und zwischen d_x und d_y konstant ist.
Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) je nach Material eine Dicke zwischen 50 µm und 750 µm aufweist.
Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) aus einem Material der Gruppe der Metalle der I. bis VIII. Nebengruppe des PSE sowie Aluminium, Germanium, Gallium, Indium, Zinn, Tantal, Blei und Bismut oder der Gruppe der Halbmetalle Bor, Graphit, schwarzes Silicium, Phosphor, Germanium, Arsen, graues Selen, Antimon, Tellur und Astat, oder Legierungen davon oder aus der Gruppe der Gläser Kieselglas, Borosilikatglas oder der Gruppe der Glaskeramiken Al₂O₃, LTCC oder aus Leiterplattenmaterial oder anderen faserverstärkten Kunststoffen gefertigt ist.
Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (3) aus einem Material der Gruppe der Gläser Kieselglas, Borosilikatglas oder der Gruppe der Kunststoffe, Polymethylmethacrylat, Polyimide, optische Polymere oder Polycarbonate, mit einer Dicke zwischen 500 µm und 1500 µm gefertigt ist.
Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorschicht (4) aus mindestens einem Material mit spannungsgesteuerter Formänderung besteht und eine Dicke zwischen 200 µm und 1000 µm aufweist.
Spiegel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorschicht (4) als eine piezoelektrische Schicht oder ein Piezoschichtsystem oder als eine dielektrische Schicht oder ein dielektrisches Schichtsystem zur elektrostriktiven Formänderung oder als ein Bimetallschichtsystem oder ein Bimetallschichtenstapel ausgebildet ist.