DE19832343A1

DE19832343A1 - Vorrichtung zum Lagern einer gesteuert deformierbaren Platte geringer Dicke, insbesondere eines Spiegels als Reflexionseinrichtung für Laserstrahlen o. dgl.

Info

Publication number: DE19832343A1
Application number: DE19832343A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-19
Filing date: 1998-07-19
Publication date: 2000-02-03

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Lagern einer gesteuert deformierbaren Platten geringer Dicke zum Erzielen einer variablen Plattenoberflächengestalt ist die Platte auf ihrem Umfang elastisch (einwertig) gelagert. Die Platte wird hierfür auf ihrem Umfang bevorzugt zumindest an einer ihrer Oberflächen z. B. mittels eines Radialdichtringes oder einer Wellfeder abgestützt. Diese Spiegelplatte kann im Sinne der Erfindung mit Hilfe der Vorrichtung auf ihrer Rückseite mit einer einstellbaren Flächenlast beaufschlagt werden, worauf die Platte mit einer kontrollierten und reversiblen Deformation reagiert. Der Aufbau der Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Zusammenwirken der Spiegellagerung, -kühlung und -geometrie resultieren in einer Beschaffenheit der Spiegelfläche, die es gestattet, den so realisierten Spiegel zur Reflexion von Höchstleistungslaserstrahlung höchster Strahlqualität einzusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

1. Technisches Gebiet

Beider Materialbearbeitung mit Laserstrahlung wird durch eine ge zielte Einstellung der Fokusparameter eine definierte Energieein kopplung ins Werkstück hervorgerufen. Maßgeblich für die Reprodu zierbarkeit des hierdurch zustande kommenden Materialbearbeitungs prozesses sowie dessen Qualität selbst ist die Konstanz einer pro zeßoptimierten Fokusgeometrie (Durchmesser und Lage des Fokus rela tiv zum Werkstück).

Die tatsächliche Fokusgeometrie hängt von folgenden Kenngrößen ab: Die aktuelle Laserleistung sowie -einschaltdauer bewirkt eine unter schiedlich starke thermisch induzierte Deformation der optischen Komponenten. Dies führt in erster Näherung zu einer Radien-/Brenn weitenänderung der thermisch belasteten Oberflächen, woraus eine Beeinflussung der Laserstrahlausbreitung resultiert. Der Betrag der thermisch induzierten Deformation hängt bei gegebener Strahlintensi tät zusätzlich von Alterung und Verschmutzung der optischen Kompo nenten ab. Bei bewegten Fokussieroptiken resultiert aus deren Posi tionsänderung ebenfalls eins Variation der Fokusgeometrie.

Die Gestalt einer prozeßoptimierten Fokusgeometrie hängt zunächst vom Prozeß selbst (Schneiden, Schweißen, Umschmelzen) von den La serstrahl- sowie von den Werkstückeigenschaften ab. Während des Prozesses können durch Änderungen der Werkstückgeometrie (Dicken variation) bzw. bei Prozeßbeginn (Einstechvorgang) sowie -ende Korrekturen der Fokusgeometrie notwendig sein.

Hochleistungslaserstrahlen, insbesondere von CO₂-Lasern, wer den durch Spiegel, die das Strahlführungssystem bilden, vom Laser zur Fokussieroptik geführt. Hierbei ist an das Strahlführungssystem die Anforderung zu stellen, daß die Laserstrahlung mit minimalem Energie- sowie Qualitätsverlust vom Laser zur Bearbeitungszone transportiert wird. Die typischerweise eingesetzten Spiegel be stehen aus Materialien geringer Absorption und hoher Wärmeleitfä higkeit bzw. mechanischer. Stabilität, welche reflexionserhöhend beschichtet werden können. Eine geringe Absorption in Verbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit bewirkt eine geringe thermisch indu zierte Deformation, was zur Folge hat, daß die optischen Eigen schaften der Komponenten in geringerem Maße abhängig von der La serleistung sowie -einschaltdauer variieren. Als grundsätzliche Anforderung an Strahlführungskomponenten ist, zu nennen: Die maxi mal zulässige Formabweichung der Optikoberflächen darf einen Be trag von typischerweise einem zehntel der Strahlungswellenlänge (≘ ca. 1 µm für CO₂-Laserstrahlung) nicht überschreiten, da sonst aus der dem Strahlungsfeld (Phasenfront) aufgeprägten Phasenfront störung (Aberration) eine prozeßrelevante Verschlechterung der Fo kussierbarkeit resultiert. Auch ideale sphärische Oberflächen haben Phasenfrontstörungen zur Folge, wenn sie als Umlenkspiegel einge setzt werden. Der Betrag der resultierenden Phasenfrontstörung ist umso größer, je größer der Umlenkwinkel und je kleiner die Brenn weite der eingesetzten Sphäre ist.

Deshalb dürfen im Gegensatz zu Planspiegeln (beliebige Umlenkwinkel zulässig) sphärische Spiegel und insbesondere auch rotationssymmetri sche, adaptive Optiken nur unter möglichst geringen Strahlumlenkwin keln eingesetzt werden. Um diese Winkel zu realisieren; müssen letz tere beispielsweise in Kombination mit einem zusätzlichen Planspiegel (Delta-Faltung) in Strahlführungssysteme von Werkzeugmaschinen einge baut werden. Ellipsoide bzw. Paraboloide als fokussierende/aufwei tende Umlenkspiegel sind frei von systematischen Aberrationen (Astig matismus, Koma).

Durch die gezielte Steuerung, Beeinflussung bzw. Kompensation der dargestellten Einflüsse auf die resultierende Fokusgeometrie kann die Prozeßeffizienz und damit die Effizienz der gesamten Laserma terialbearbeitungsanlage optimiert werden. Hieraus resultieren als direkter Folge Kosten- und Qualitätsvorteile sowohl für den Anla genhersteller als auch den Anlagenbetreiber. Die Erfindung kann dabei auf verschiedene Arten eingesetzt werden:

Anlagenbezogene Einsatzmöglichkeiten

1. In einem Teleskop mit mindestens einem erfindungsgemäß gelager ten Spiegel, welches die leistungs- sowie zeitabhängige (Laserein schaltzyklen), thermisch induzierte Deformation der optischen Kom ponenten einschließlich der Laserstrahlquelle selbst kompensiert. Die Zeitkonstante liegt hierbei im Sekundenbereich.
2. In einem Teleskop mit mindestens einem erfindungsgemäß gelager ten Spiegel, welches bei der Anlageninbetriebnahme bzw. der Ände rung des Bearbeitungsprozesses den Strahldurchmesser auf der Fo kussieroptik steuert und damit deren effektives Öffnungsverhält nis so beeinflußt, das letzteres den für den aktuell gewünschten Prozeß optimalen Wert aufweist. Soll hiermit die Fokusgeometrie während des Prozesses geändert werden (Umschalten zwischen schma ler und breiter Schweißnaht), so liegt die Zeitkonstante im Be reich von Zehntelsekunden.
3. In einem Teleskop mit mindestens einem erfindungsgemäß gelager ten Spiegel, welches während des Betriebs der Materialbearbeitungs anlage die Weglängenänderung bei Bewegung der Fokussieroptik rela tiv zum Laser durch eine Anpassung des lokalen Strahldurchmessers kompensiert. Die Zeitkonstante liegt dabei im Bereich einiger Se kunden.
4. In Laserresonatoren zur gezielten Beeinflussung der erzeugten Strahleigenschaften. Die Zeitkonstante liegt dabei im Bereich von Sekunden.

Prozeßbezogene Einsatzmöglichkeiten

1. Ein erfindungsgemäß gelagerter Spiegel, der die Fokuslage rela tiv zur Werkstückoberfläche und insbesondere relativ zur Lage der Prozeßgasdüse verändert, wodurch ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Prozeßoptimierung zur Verfügung steht.
2. Ein erfindungsgemäß gelagerter Spiegel, der den Prozeßbeginn, z. B. den Einstechvorgang zu Beginn einer Schneidaufgabe im Voll material, beschleunigt, indem er die Fokuslage zwischen dem Ein schalten des Lasers zu Prozeßbeginn (Einstechen) und dem stabilen Fortgang des Prozesses (Schneiden unter Vorschub) auf den jeweils optimalen Wert relativ zur Werkstückoberfläche bzw. relativ zur Prozeßgasdüse legt, die Zeitkonstante liegt hierbei im Bereich von Zehntelsekunden.
3. Ein erfindungsgemäß gelagerter Spiegel, der bei Änderungen der Prozeßbedingungen, z. B. dem Übergang zwischen verschiedenen Mate rialstärken bei kontinuierlich fortlaufendem Prozeß, die Fokuslage auf den jeweils optimalen Wert relativ zum Werkstück legt. Dies ist insbesondere anwendbar auf Materialbearbeitungsanlagen, die nicht oder nur über eine langsame Positioniereinrichtung der Fokussier optik relativ zum Werkstück verfügen. Die Zeitkonstante liegt hier bei im Bereich von Zehntelsekunden.

Für diese genannten, prozeßoptimierenden Maßnahmen ist es erforder lich, der Phasenfront der vom adaptiven Spiegel reflektierten Strah lung einen kontrollierten sphärischen Anteil hinzuzufügen (Fokussie rung bzw. Defokussierung). Von der idealen Sphäre abweichende Pha senfrontanteile (Aberrationen) sind zu vermeiden, denn sie führen zu einer Verringerung der Prozeßeffizienz und der Qualität des Mate rialbearbeitungsprozesses durch eine Änderung der Fokusgeometrie (Fokusvergrößerung/Fokuslagenverschiebung).

2. Stand der Technik

Adaptive Optiken unterscheiden sich durch die Art dar Krafteinlei tung in die Spiegelplatte, die Art der Lagerung der Spiegelplatte, das Plattenmaterial, die Plattendimensionen sowie die Plattenküh lung.

Bei den Krafteinleitungstechnologien ist zwischen einer punktuellen sowie einer flächenhaften Krafteinleitung zu unterscheiden, verglei che Abb. 1. Typische Beispiele für eine punktuelle Krafteinlei tung dellen diskrete Aktuatoren dar, welche im Sinne eines zwischen Spiegelplatte und Stützstruktur eingespannten Stempels bei Stempel auslenkung zu einer lokalen Spiegelplattendeformation führen. Die Aktuatoren können rein mechanisch (Stellschraube), hydraulisch, elektromagnetisch oder piezo-elektrisch realisiert werden. Hieraus ergibt sich ein spezifischer Aufwand zum Betrieb der adaptiven Optik (Energieversorgung, Kühlung, Fertigung, Reparatur, Preis) sowie eine typische Frequenzbandbreite. Charakteristisch für eine durch einen punktuellen Krafteingriff deformierte adaptive Optik ist eine kegel förmige Oberflächengestalt mit der Kegelspitze am Ort des Aktuator eingriffs. Hier treten minimale Oberflächenkrümmungsradien bei gleichzeitig maximalen platteninternen Spannungen auf. Hinzuzuzie hende Patente: DE 35 02 025 und DE 39 00 467.

Desweiteren kann eine flächenhafte Krafteinleitung in die Spiegel platte einer adaptiven Optik auch durch elektrostatische Kräfte realisiert werden. Die notwendigerweise dünnen Kunststofffolien sind aber nicht für den Einsatz mit Hochleistungslaserstrahlung geeignet.

Charakteristisch für die Oberflächengestalt einer durch eine flä chige Krafteinleitung deformierte Spiegelplatte ist ein vergleichs weise großer Oberflächenanteil im Plattenzentrum, welcher einer idealen Oberflächengestalt (Rotationsparaboloid, Kugeloberfläche) entspricht. Durch die homogene Kräfteverteilung sind auch die plat teninternen Spannungen gleichmäßiger verteilt. Somit lassen sich durch eine flächenhafte Krafteinleitung größere Hübe in Plattenmit te bei einem gleichzeitig größeren optisch nutzbaren Oberflächenan teil realisieren, verglichen mit punktuell deformierten Platten.

Die Art der Plattenlagerung übt einen dominierenden Einfluß auf die bei der Plattendeformation erzielbare Oberflächengestalt aus. Hier bei wird zwischen den beiden Lagerungsarten fest (mechanisch: drei wertig, Translation weder in z- noch in r-Richtung, horizontal Oberflächentangente am Ort des Lagers) und der Lagerungsart lose (mechanisch: einwertig, keine Translation in z-Richtung, Transla tion in r-Richtung möglich, Steigung der Oberflächentangente am Lagerort beliebig) unterschieden. Ein weiteres, die aus einer Krafteinleitung resultierende Oberflächengestalt bestimmendes Merk mal ist die Anzahl der Lager-/Stützstellen der Spiegelplatte.

Ein Lagern der Spiegelplatte durch diskrete Lagerungspunkte würde aufgrund der resultierenden Kräfteverteilung in der Spiegelplatte zu einer "welligen" Plattenoberflächengestalt an deren Rand führen, abhängig von der Anzahl und lokalen Anordnung der Lagerpunkte sowie von den in die Spiegelplatte zur Plattenauslenkung in deren Zentrum eingebrachten Deformationskräfte. Aufgrund der systematisch von op tisch idealen Oberflächengestalten abweichenden Plattengestalt bei punktueller Lagerung findet dieses Konzept keine Verwendung für adaptive Spiegeloptiken. Wird die Spiegelplatte auf ihrer gesamten Umfangslinie gleichmäßig gegen die zur kontrollierten Spiegeldefor mation eingeleiteten Kräfte abgestützt, ist die höchstmögliche Re gelmäßigkeit der Plattenumfangslinie und damit der optischen Quali tät der Oberfläche gegeben.

Die Lagerungsart der Spiegelplatte auf deren Umfangslinie bestimmt den Ort und den Betrag der maximalen, platteninternen Spannungen sowie den Bereich der Spiegeloberfläche, innerhalb dessen die Ab errationen tolerierbar sind. Eine feste Plattenlagerung bewirkt ein Spannungsmaximum am Plattenrand, welches bei Vergleichbarer Auslen kung in Plattenmitte einen höheren Wert als das Spannungsmaximum in Plattenmitte bei einer losen Plattenlagerung aufweist. Aufgrund der horizontalen Oberflächentangente am Plattenrand bei fester Lagerung liegt der mit tolerierbarer Aberration nutzbare Oberflächenanteil im Plattenzentrum um ca. 30 bis 50 Prozent niedriger im Vergleich mit einer lose gelagerten Spiegelplatte. Wegen der systematisch hö heren platteninternen Spannungen liegen bei fest gelagerten Platten die Maximalhübe in der Plattenmitte unter denjenigen bei lose gela gerten Platten (identische Plattengeomtrie vorausgesetzt), bedingt durch ein Erreichen der Plastizitätsgrenze des Plattenmaterials bei geringeren Deformationskräften.

Die Plattengeometrie übt einen dominanten Einfluß auf die Reaktion der Spiegelplatte auf Deformationskräfte aus. Eine fest eingespann te Kunststofffolie weist beispielsweise trotz der dreiwertigen Lage rung aufgrund der extrem niedrigen Plattendicke und damit niedrigem Flächenträgheitsmoment des Plattenquerschnitts eine praktisch über der gesamten Folienoberfläche ideale, parabolische Gestalt auf. Fo lienartig dünne Spiegelplatten sind jedoch wegen der unzureichenden Strahlungsfestigkeit nicht praktikabel.

Kreisrunde Platte reagieren grundsätzlich mit einem rotationssymme trischen Deformationsbild auf eine homogene Krafteinleitung. Weicht die Plattenumfangslinie von der Kreisgestalt ab, läßt sich auch bei homogener Krafteinleitung ein definiert asymmetrisches Deformations bild erzielen. Durch eine entsprechende Formgebung des Plattenum fangs kann die Spiegelplatte beispielsweise zu einer Gestalt defor miert werden, welche einem Ausschnitt aus einem Rotationsellipsoiden entspricht. Eine Optik mit dieser Oberflächengestalt erlaubt die ab errationsfreie Strahlformung (Fokussierung/Defokussierung) durch einen Umlenkspiegel mit einer an den Strahlumlenkwinkel angepaßten Oberflächenkontur.

Als Plattenmaterial für adaptive Optiken, welche zur Strahlführung und -formung von Hochleistungslaserstrahlung eingesetzt werden, fin den vorwiegend Buntmetalle wie Kupfer oder Aluminium sowie deren Legierungen Verwendung, welche eine ausreichend hohe Reflexion und Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zur Steigerung der Reflektivität und damit zur Reduktion von Leistungsverlusten sowie der thermisch indu zierten Deformation können diese reflexionserhöhend beschichtet wer den.

Bei Bestrahlung wird ein Teil der Strahlungsenergie absorbiert (je nach Material und Beschichtung typischerweise 0,2 bis 2 Prozent), wodurch eine Erwärmung der Spiegelplatte stattfindet. Die Kühlung der Spiegelplatte auf der Rückseite bzw. auf dem Plattenumfang dient dazu, daß eine kritische Platte Plattentemperatur nicht überschrit ten wird. Hierbei kann zwischen direkter und indirekter Kühlung un terschieden werden. Ein direkter Kontakt eines fließenden Kühlme diums mit der Platte führt durch höhere Wärmeübergangskoeffizienten zu einer effektiveren Kühlung. Wird das fließende Kühlmedium gleich zeitig zur Druckerzeugung eingesetzt, steigt der regelungstechnische Aufwand um entweder druckunabhängig konstante Durchflußwerte zu er zielen oder um eine durchflußunabhängige Druckregelung zu gewährlei sten. Eine indirekte Kühlung (die Wärme gelangt von der Spiegelplat te nicht direkt, sondern über die Halterung zum Kühlmedium) erfor dert für vergleichbare Kühlleistungen höhere Kühlmittelmassenströme. Der regelungstechnische Aufwand zur Steuerung der Plattendeformation kann hierdurch jedoch minimiert werden. Insbesondere reduzieren sich die Anforderungen an das Kühlmedium sowie an das zur Krafteinleitung eingesetze Druckmedium, da diese durch die Trennung der Systeme un terschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Druck, Durchflußmenge und chemischen Eigenschaften aufweisen können.

3. Problem

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spiegelplatte mit einstellbar variierbarer Oberflächengestalt zu realisieren, welche es erlaubt, einen an dieser Spiegelplatte reflektierten Laserstrahl unter Ver meidung systematischer, optischer Fehler so zu beeinflussen, daß die Strahlparameter und insbesondere die Größe und Lage des Fokus relativ zum Werkstück kontrolliert werden können. Zusätzlich ist es wünschenswert, mit Hilfe der Erfindung die transienten opti schen Eigenschaften insbesondere transmittierender optischer Ele mente zu kompensieren.

Beim Einsatz sphärischer Optiken als Umlenkspiegel werden dem re flektierten Laserstrahl systematisch Phasenfrontfehler aufgeprägt, welche zu einer systematischen Verschlechterung der Fokussierbar keit des reflektierten Strahles führen.

Bei der Konstruktion der Vorrichtung ist zu berücksichtigen, daß bezogen auf die heute und in absehbarer Zeit verfügbaren Hochlei stungs-CO₂-Laser eine absorbierte Leistung zwischen 20 und 400 W abzuführen ist.

4. Erfindung

Im Gegensatz zu den bekannten Lösungsvorschlägen zum Bau adaptiver Spiegel wird hier durch die Kombination von Flächenlast (statt Punktlast) und der einwertigen, in radialer Richtung elastischen Lagerung der Platte (statt fester Einspannung, also dreiwertiger Lagerung) im Randbereich eine momentenarme und Zugspannungen mi nimierende Lagerung gewählt, die es ermöglicht, einen größeren Variationsbereich für die Oberflächengestalt ausnutzen zu können.

Gleichzeitig wird durch diese Kombination eine bessere Oberflä chenkontur erzielt, d. h. daß der Bereich der Oberfläche, wel cher bei einer Reflexion keine Aberrationen verursacht, wesent lich größer wird. Dies ermöglicht bei gleicher Qualität der Oberfläche eine kompaktere Bauform, da das Verhältnis von nutz barer Apertur zu Spiegelgröße günstiger ist.

Die Flächenlast vereinfacht den Aufbau und reduziert den Aufwand für die Steuerung oder Regelung des Systems. Daraus resultiert ein Kostenvorteil gegenüber Systemen mit mehreren, diskreten krafterzeugenden Elementen.

Die mögliche Trennung von kühlendem und druckerzeugendem Medium ermöglicht eine kostengünstige Bauweise der Steuerorgane und Sen soren und reduziert die Ansprüche an die Qualität dieser Medien. Außerdem erhöht sich dadurch die mögliche Regelfrequenz des Sy stems, da das Volumen des druckerzeugenden Mediums nicht mehr durch die Geometrie der Kühlung gegeben ist, sondern unabhängig davon minimiert werden kann. Dies ist beispielsweise bei der Fo kuslagenregelung beim Schweißen feinstrukturierter Werkstückober flächen von Bedeutung.

Die bauartbedingt geringe Auslenkung der fest eingespannten Kupfer scheibe kann nicht durch eine beliebig starke Reduzierung der Platten dicke kompensiert werden (Fertigungssicherheit). Demzufolge müssen bei gegebener Variation der Oberflächenkontur Kühlwasserdrücke auf gebracht werden, die von herkömmlichen Kühlaggregaten der Laser über haupt nicht und vom ohnehin vorhandenen Brauchwassernetz nur bedingt sowie mit Druckstößen behaftet aufgebracht werden können.

Um ungünstige Zusammenhänge zwischen Regelbandbreite und Spiegel kühlung zu vermeiden, können Kühl- und Druckmedium völlig vonein ander entkoppelt und somit zur Spiegelkühlung alle vorhandenen Kühlsysteme genutzt werden; an die Qualität des Kühlmediums sind keine besonderen Ansprüche zu stellen. Als Druckmedium sind alle ausreichend vorgespannten Fluide möglich, so kann z. B. Druckluft zur Regelung der Oberflächenauslegung genutzt werden. Auch an die Qualität des Druckmediums sind keine besonderen Ansprüche zu stel len.

Die Grundform der Platte ist eine Scheibe, nicht notwendigerweise mit kreisförmiger Grundfläche. Die Umfangslinie der Grundfläche kann vielmehr so gestaltet werden, daß das Deformationsverhalten bei Beaufschlagung der Rückseite mit Druck der konkreten Aufgaben stellung angepaßt werden kann. Zusammen mit der Oberflächenkontur von Vorder- und Rückseite läßt sich das optische Verhalten, das sich in der Veränderung der reflektierten Wellenfront niederschlägt, gezielt beeinflussen. Dabei kommen sowohl die Realisierung von Konturen in Betracht, die analytisch beschrieben werden können, als auch solche, für die keine geschlossene Lösung existiert.

Durch die Art der Plattengeometrie und die Wahl des Druckes auf der Rückseite während der Endbearbeitung der Spiegeloberfläche lassen sich insbesondere auch solche Spiegel fertigen, die je nach Druck entwe der konvex oder konkav sind. Der Stand der Technik bei der Spiegel bearbeitung ermöglicht dabei gute optische Eigenschaften, die die Strahlqualität des reflektierten Laserstrahls nicht verschlechtern. Insbesondere ist es auch möglich, dieses Herstellungsverfahren dazu zu benützen, auf preiswerte Art außeraxiale Paraboloid-Spiegel her zustellen, indem bei der Bearbeitung ein Druck eingestellt wird, der im Zusammenwirken mit der durch die geometrischen Parameter der Platte gegeben Deformation dazu führt, daß der Spiegel nach den Planfräsen anschließend im drucklosen Zustand die gewünschte Oberflächengestalt aufweist.

Die Materialeigenschaften in Verbindung mit der Oberflächenbearbei tung sind maßgeblich für den Anwendungsfall. Für einen CO₂-Laser spiegel eignet sich z. B. sauerstoffarmes Kupfer hoher Leitfähig keit, dessen Oberfläche diamantüberfräst, gegebenfalls noch be schichtet, ist. Für andere Laserwellenlängen sind andere Materia lien erforderlich. Hier erschließen sich aber auch völlig andere Anwendungsbereiche, z. B. Plattenkondensatoren mit fein einstell barer Kapazität, Linsen mit variabler Brennweite u. a.

Eine mögliche erfindungsgemäße Ausführung besteht darin, die Platte zwischen einem Paar koaxialer Radialdichtringe zu lagern. Durch Vor spannen der Dichtringe wird erreicht, daß die Platte in ihrer Lage fixiert ist und gleichzeitig der Druckbereich abgedichtet wird. Die Dichtringe müssen dafür nicht gleichartig sein. Durch Verwen dung unterschiedlicher Ringdurchmesser und Schnurdicken läßt sich das Spiegelverhalten beeinflussen. Ein dünner Lager-Ring sorgt für bessere Lagestabilität, ein dicker Andruck-Ring verbessert die Dichtwirkung bei großen Druckvariationen (Plattenbewegungen).

Auch werden mit diesem Einbau der Platte Unregelmäßigkeiten der Fügeflächen des Spiegelgehäuses kompensiert, so daß sogar auf ein aufwendiges Diamantüberfräsen der entsprechen Gehäuseteile verzichtet werden kann.

Der Hohlraum hinter der Platte, in welchem sich, das Druckmedium ausbreitet, wird aufgrund der Art des Einbaus des Spiegels gebildet, er muß daher nicht durch Bearbeitung erzeugt werden.

5. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Mit dem Erfindungsgegenstand werden die nachfolgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht:

1. Im Vergleich mit dreiwertig gelagerten Spiegelplatten bzw. punktuell deformierten Spiegelplatten:
- - höherer nutzbarer Bereich der erzeugten Spiegeloberflächen kontur, dadurch kompaktere Bauweise bei geringsten Abbil dungsfehlern und günstiges Verhältnis der Kühlfläche zum wärmebeaufschlagten Bereich
- - höhere optische Qualität der erzeugten Spiegeloberfläche
- - höhere Spiegelauslenkungswerte schon bei geringeren Drücken möglich durch Verringerung der platteninternen Spannungen
2. Durch die Möglichkeit zur Optimierung der Spiegelgeometrie auf spezifische Strahlumlenkwinkel (Vermeidung von systema tischen Aberrationen):
- - Einsatz in Fokusnachregelsystemen zur Variation der Fokus lage und des Fokusdurchmessers in bestehenden Werkzeugma schinen ohne zusätzliche Umbauten (Delta-Faltung) möglich
- - Einsatz zur Phasenfrontkorrektur für transmittierende op tische Komponenten in bestehenden Werkzeugmaschinen ohne zusätzliche Umbauten (Delta-Faltung) möglich
- - minimaler konstruktiver Aufwand bei Einsatz in Werkzeugma schinen durch Einsatzmöglichkeit als aberrationsfreier Um lenkspiegel
3. Durch die mögliche Trennung von Kühl- und Druckmedium:
- - Kühlung durch konventionelle Kühlsysteme möglich
- - Druckerzeugung durch vorhandene Druckmedien möglich
- - geringe Ansprüche an Art und Sauberkeit der Druck- und Kühlmedien
- - kostengünstige Sensorik und Stellglieder einsetzbar

6. Möglicher Weg zur Ausführung der Erfindung

Abb. 2 zeigt einen Schnitt durch eine mögliche Ausführung der Vorrichtung zur einwertigen Lagerung einer durch eine Flächenlast deformierbaren, dünnen Platte.

Die Vorrichtung (21), bestehend aus aus einem Haltering (10) sowie einem Gehäusedeckel (12), umschließt, gehalten durch die Befesti gungsschrauben (15), die dünne Platte (2). Somit begrenzen die Rückseite (3) der Platte (2) und die Innenseite (5) des Gehäuse deckels einen Hohlraum (4). Dieser Hohlraum kann durch die Zu laufbohrung (18) sowie die Ablaufbohrung (19) mit einem flüssi gen oder gasförmigen Medium zur Druckerzeugung und zu Kühlzwe cken durchspült werden. Die Spiegelplatte (2) lagert auf ihrem Umfang auf ihrer Rückseite (3) auf einem Radialdichtring (17), welcher gleichzeitig den Hohlraum (4) zwischen Spiegelplatte (2) und Gehäusedeckel (5) druckdicht abschließt. Die Vorderseite (1) der Spiegelplatte lagert wahlweise auf einem Radialdichtring (8) oder direkt auf der Innenseite (7) des Halteringes (10). Hierfür ist die Dicke der Spiegelplatte auf ihrem Umfang in Form eines Absatzes (6) reduziert.

Wird die Spiegelplatte an ihrer Vorder- (1) und Rückseite (3) auf Radialdichtringen (8, 17) gelagert, so bilden diese (8, 17) ge meinsam mit dem Radialdichtring (14), zwischen Haltering (10) und Gehäusedeckel (12) einen druckdicht abgeschlossenen, um die Spie gelplatte (2) umlaufenden Ringkanal (9), durch welchen ein Kühl medium mit direktem Wärmeleitungskontakt zur Spiegelplatte (2) strömen kann. Das Kühlmedium strömt durch die Zulaufbohrung (16) in den Kühlkanal und verläßt diesen durch eine weitere, gleich artige Bohrung (nicht dargestellt), sinngemäß wie für (18, 19) beschrieben. Zur Verbindung des Halteringes (10) mit dem Gehäu sedeckel (12) greifen mehrere auf dem Umfang der Vorrichtung ange ordnete Befestigungsschrauben (15) durch Durchgangsbohrungen (13) in durchgehende Gewindebohrungen (11) oder Sacklöcher mit Gewin den (20) im Haltering (10) und stellen eine kraftschlüssige, dau erhafte Verbindung her. Durch die biegesteife Ausführung des Hal teringes (10) wird die Spiegelplatte (2) in axialer Richtung fi xiert. Die Tiefe der Ausnehmung (9) im Haltering (10) bestimmt den Querschnitt des umlaufenden Ringkanals (9).

Claims

1. Vorrichtung zur einwertigen, in axialer Richtung wirkenden und momentenarmen Lagerung einer dünnen Spiegelplatte (2) auf deren Umfang, welche durch eine auf ihre Rückseite (3) wirkende Flächenlast, hervorgerufen durch den Druck eines Druckmediums von Vorder- (1) und Rückseite (3) definiert und reversibel deformiert werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2) in ihrem Randbereich linienartig gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in der Vorrichtung momentenarm gelagert und nicht dreiwertig eingespannt ist, wodurch platteninterne Spannungen bei einer Auslenkung minimiert werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte und die Vorrichtung durch ein Kühlmedium gekühlt werden kann, das gegenüber dem Druckmedium abgedichtet ist, wo bei die Lagerung der Platte diese Dichtungsfunktion mit über nimmt.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte vom Kühlmedium direkt gekühlt wird, wobei die Lagerelemente der Platte und das Gehäuse die Dichtungsfunktion mit übernehmen.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte über das Gehäuse gekühlt wird, das seinerseits vom Kühlmedium direkt gekühlt wird, wobei das Gehäuse die Dich tungsfunktion mitübernimmt.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse über Kanäle und Anschlüsse nach außen zur Füh rung des Kühlmediums sowie eine Kammer für das Druckmedium auf der Plattenrückseite mit Anschluß nach außen verfügt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite der Platte durch Oberflächenbearbeitung zu einem Spiegel wird, wobei die Oberflächenbearbeitung auch erfolgen kann, während auf der Plattenrückseite ein definierter Druck wirkt, um damit gewünschte Spiegelkonturen zu erzeugen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte durch eine reflexionserhöhende Beschichtung auf ihrer Vorderseite zum einem Spiegel wird, wobei die Oberflächen bearbeitung auch erfolgen kann, während auf dar Plattenrückseite ein definierter Druck wirkt, um damit gewünschte Spiegelkontu ren zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus einem Werkstoff besteht, der durch seine hin reichende Zugfestigkeit eine reversible Deformation durch Druck auf die Plattenrückseite zuläßt.

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 und 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der gewünschte Verlauf der Deformation dadurch er zielt werden kann, daß die Platte eine entsprechende Außenkontur - Kreis oder Ellipse oder Polygon o. dgl. - aufweist und/oder dadurch, daß die Oberflächenkontur von Plattenvorder- und/oder Rückseite geeignet gewählt wird.

12. Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 8 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Deformation der Platte durch den Druck dazu führt, daß die vom Spiegel reflektierte Strahlung, insbeson dere Laserstrahlung, eine über den Druck kontrolliert einstell bare Phasenfrontänderung erfährt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeich net, daß der Spiegel entweder für, kleine Einfallswinkel ausgelegt werden kann, indem die Spiegeloberfläche durch die druckbedingte Deformation eine im wesentlichen sphärische Gestalt annimmt, oder als Umlenkspiegel geeignet ist, indem die Formgebung der Platte gemäß dem Anspruch 11 so gestaltet wird, daß die aus der Deformation resultierende Spiegeloberfläche minimale Aberrati onen bei der Reflexion von, Laserstrahlung erzeugt.

14. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und. 13, dadurch gekennzeich net, daß durch Vorgabe des Sollwertes für den Druck die Krüm mungsradiusänderung der Wellenfront des reflektierten Strahls vorgegeben werden kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des druckerzeugenden Mediums durch ein elektrisches Signal (30), insbesondere eine Spannung, vorgegeben werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß dieses elektrische Signal (30) durch Zwischenschalten eines elektrischen Filters, insbesondere eines RC-Gliedes (31), daß thermo-optische Verhalten der Komponenten des Strahlführungsystems und der Fokussieroptik berücksichtigen kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied (31) so ausgelegt werden kann, daß es möglich ist, mit Hilfe dieser Vorrichtung die transienten optischen Eigenschaften einer Fokussierlinse oder eines anderen transmittie renden Elementes im Strahlengang so zu kompensieren, daß die Fokuslage konstant gehalten wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Einstellen der Ausgangsspannung des RC-Gliedes (31) das Alterungsverhalten einer Fokussierlinse oder eines anderen transmittierenden Elementes im Strahlengang mit Hilfe dieser Vorrichtung die kompensiert werden kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die deformierbare Platte Eisenwerkstoffe (Stahl), Buntmetalle (Kupfer, Aluminium) und deren Legierungen sowie Gläser oder auch Halbleitermaterialien verwendet werden können.