DE19917519C2 - Großer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen großen optischen Spiegel mit hoher passiver Grundge­ nauigkeit.

Mittlere und große optische Spiegel werden zum Beispiel benötigt für astronomische Teleskope, zur Übertragung von Laserstrahlen, oder zur Konzentration von Sonnen­ licht. Grundsätzliche Anforderungen für diese Anwendungen sind extreme Formbe­ ständigkeit unter allen auftretenden Umweltbedingungen und geringes Gewicht. Ein derartiger optischer Spiegel ist aus EP 0 649 036 B1 bekannt.

Aus der Literaturstelle: Merkle, Fritz: Adaptive Optik. In: Physik in unserer Zeit, 22. Jahrg., Nr. 6, Seiten 260-266, 1991 sind verschiedene Aktoren für die Verstel­ lung der Form dünner Spiegel beschrieben. US 4,280,756 beschreibt einen Spiegel als Wellenfrontmodulator, bei dem die Formeinstellung durch eine doppelte Lage eines piezoelektrischen Mediums erfolgt. Das piezoelektrische Medium ist jedoch nicht unmittelbar am Spiegelkörper angebracht.

Passive optische Spiegel können nur mit einer endlichen Genauigkeit hergestellt werden. Umwelteinflüsse wie Windlasten oder Temperaturveränderung sind auch bei sehr steifen Konstruktionen Ursache für Verformungen im kritischen Bereich.

Daher werden mittlere und große optische Spiegel vor allem bei astronomischen Teleskopen aktiv formkorrigiert.

Stand der Technik sind:

• - Vertikal zur Spiegelrückfläche angreifende hydraulische und pneumatische Aktoren (Fig. 1) werden bei großen Spiegeln verwendet. Bei mittleren und kleinen Spiegeln werden auch elektromagnetische und Festkörperaktoren (z. B. auf Basis piezokeramischer, elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktoren) verwendet. Diese Aktoren verformen eine vergleichsweise dünne Membran, die die optische Oberfläche trägt. Der wesentliche Nachteil dieser Aktorkonfiguration ist der Bedarf an einer stabilen und damit schweren sekundären Stützstruktur. Außerdem mußte als störender Nebeneffekt das Durchzeichnen (Print-Through) der diskreten Akto­ ren in Kauf genommen werden.
• - Flächige Aktoren (Fig. 2) sind strukturkonform auf die Rückseite einer dünnen optischen Membran aufgebracht. Diese Aktoren bestehen typischerweise aus einem piezokeramischen Werkstoff, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Flächenrichtung ausdehnt oder kontrahiert. Hierdurch wird die opti­ sche Membran verformt. Aufgrund der mangelnden Eigenstabilität dünner Memb­ ranen kann diese Bauweise nur bei kleinen Spiegeln angewendet werden. Das Durchzeichnen der Aktoren ist auch hier ein störender Nebeneffekt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei mittleren und großen optischen Spiegeln mit hoher Grundgenauigkeit und Stabilität eine aktive Formkorrektur zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung ermöglicht den Bau mittlerer bis großer optischer Spiegel, die mittels strukturkonform angebrachter Festkörperaktoren eine aktive Formkorrektur und damit eine Unterdrückung von Restfehlern bewirken. Der optische Spiegel besitzt dabei auch im passiven Zustand eine sehr hohe Grundgenauigkeit und Stabilität. Das beim Stand der Technik vorhandene Durchzeichnen der Aktoren wird in der Erfindung signifikant reduziert. Ein sekundäre Stützstruktur ist nicht erforderlich, was zu einer wesentlich leichteren Bauweise des aktiven Spiegels führt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 7 erläutert.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen großen, aktiv formkorrigierbaren optischen Spiegel, wobei die Struktur in einem Teilbereich aufgeschnitten dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt den Aufbau des Spiegels von Fig. 3 in einem vergrößerten Ausschnitt.

Fig. 5 zeigt die Bauteile des Spiegels von Fig. 3 in einer Explosionsdarstellung und

Fig. 6 und 7 zeigen Höhenlinienbilder erfindungsgemässer Spiegel.

Beim passiven Grundkörper des Spiegels besteht die rückwärtige Sandwichdeck­ schicht 2, der Wabenkern 3 sowie die vordere Deckschicht 4 vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Dieses Material ist wegen seiner geringen Wärme­ dehnung, großen Steifigkeit und niedrigem Gewicht besonders geeignet. Der Aufbau der Laminate der Deckschichten 2 und 4 wurde so festgelegt, daß gleiche Laminat­ eigenschaften in jeder Richtung vorliegen (Isotropie).

Die Zeilen des Wabenkerns 3 bestehen aus gleichseitigen Dreiecken oder Sechs­ ecken. Die Zellwände sind identisch aufgebaut und gleich dick. Das Laminat der Zellwände wurde so ausgewählt, daß die Eigenschaften in jeder Richtung gleich sind. Bei dieser Bauweise erfüllt der Wabenkern die Forderungen nach gleicher Steifigkeit und gleicher Wärmedehnung in jeder Richtung parallel zur Spiegeloberfläche (Isotropie).

Zur aktiven Formkorrektur werden beide Sandwichdeckschichten 2, 4 außen mit Aktorschichten 1 und 5 aus elektroaktiven Funktionskeramiken verklebt. Diese Materialien, darunter piezokeramische und elektrostriktive Werkstoffe, dehnen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in bestimmte Vorzugsrichtungen aus. An die im Spiegel implementierten Aktorschichten 1 und 5 werden in Dickenrichtung elektrische Steuerspannungen angelegt. Hierzu sind die Aktoren auf ihren Oberseiten und Unterseiten mit dünnen metallischen Elektroden versehen. Bei Anlegen der elektrischen Spannung erfolgt eine Dehnung in Dickenrichtung, die aufgrund der geringen Dicke der Aktoren vernachlässigt werden kann. Zur Verformung des Spiegels nutzt man die gleichzeitig auftretende Dehnung in den Querrichtungen oder Membranrichtungen der Aktorschicht. Durch den Abstand der Aktorschichten von der neutralen Biegeebene des gesamten Tragwerks können durch die Aktordehnungen Biegeeffekte in den Spiegel eingebracht werden.

Um möglichst viele optische Fehler mit den Aktoren unterdrücken zu können, sind die Aktorschichten geometrisch unterteilt, d. h. sie bestehen aus mehreren individuellen Aktorplatten oder Aktorschalen. Diese können unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden. Die geometrische Anordnung wird punktsymmetrisch zur Spiegelmittelachse gewählt, um gleiche Eigenschaften in alle radialen Richtungen zu gewährleisten. Größere Aktoren müssen als Schalen der Krümmung der Deck­ schichten angepaßt sein, kleinere Aktoren können auch als flache Platten aufgeklebt werden.

Grundsätzlich ist es ausreichend, nur eine der beiden Aktorschichten 1 und 5 zu verwenden. Jedoch erhält man im Fall zweier zum Sandwich 2-3-4 symmetrisch angebrachter Aktorschichten 1 und 5 erfindungsgemäss Vorteile hinsichtlich der Biegewirksamkeit sowie hinsichtlich deutlich geringerer Verformungen bei Tempera­ turänderung, falls das Thermaldehnungsverhalten des Aktorwerkstoffs von demjeni­ gen des Sandwichwerkstoffs abweicht.

Die Aktorschichten 1 und 5 sind relativ dünn, typischerweise 0.2 mm bis maximal 1 mm. Sie beeinflussen die Gesamtsteifigkeit des Spiegels nur geringfügig. Elektri­ sche Kontaktierung und Verkabelung der individuellen Aktoren sind möglichst raumsparend anzubringen. Wichtig ist eine elektrische Isolierung von Aktorelektroden und Zuleitungen vom elektrisch leitenden Werkstoff des Sandwichs. Diese Isolierung kann etwa durch Einbringen einer dünnen Schicht aus Glasfasergewebe in die Klebeschicht zwischen Aktorelektrode und benachbartem Material erfolgen.

Die rückwärtige Aktorschicht 1 ist mit der Deckschicht 2 verklebt. Die rückwärtige Deckschicht 2 ist mit dem Wabenkern 3 verklebt. Der Wabenkern 3 ist auf seiner Vorderseite mit der vorderen Deckschicht 4 verklebt. Die vordere Deckschicht 4 ist auf ihrer Vorderseite mit der vorderen Aktorschicht 5 verklebt. Die vordere Aktor­ schicht 5 ist auf ihrer Vorderseite mit der Druckverteilungsschicht 6 verklebt.

Als Alternative zu außen auf die Sandwichdeckschichten 2 und 4 aufgeklebten Aktorschichten 1 und 5 können die Aktoren auch in die Deckschichten eingebettet werden. Bei der Wahl piezokeramischer Fasern als Aktoren werden diese direkt in den Verbundwerkstoff der Deckschichten 2 und 4 einlaminiert.

Die Druckverteilungsschicht 6 besteht vorzugsweise aus Kohleschaum. Sie dient der räumlichen Verteilung der Polierlasten während der Fertigung oder der Aktorlasten beim aktiven Betrieb des Spiegels und vermeidet so das Durchzeichnen der Waben­ struktur oder der Aktorgeometrie.

Die Druckverteilungsschicht 6 ist auf ihrer Vorderseite mit der Spiegelträgerschicht 7 verklebt. Die Spiegelträgerschicht 7 besteht vorzugsweise aus Glaskeramik mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die vordere Oberfläche der Spiegelträ­ gerschicht 7 ist optisch poliert und mit der Reflexionsschicht 8 beschichtet. Die Reflexionsschicht 8 besteht vorzugsweise aus einem Metall und wird beispielsweise durch Bedampfen aufgebracht.

Die Wirksamkeit der Formkorrektur wurde rechnerisch mit Hilfe eines dreidimensio­ nalen Finite Elemente Modells nachgewiesen. Ein nach Fig. 5 aufgebauter Spiegel wurde an drei Punkten am Spiegelrand gelagert und mit Eigengewichtskräften parallel zur Spiegeloberfläche beaufschlagt (entsprechend einer horizontal liegenden optischen Achse). Die ermittelten Verformungen der Spiegeloberfläche ergeben nach Abzug der durch Starrkörperverschiebungen korrigierbaren Anteile im wesentlichen einen Restfehler in Form eines Astigmatismus, der in Fig. 6 als Höhenlinienbild dargestellt ist (Abstand der Höhenlinien = 10 nm). Durch Anlegen geeigneter elektri­ scher Spannungen an den 16 verschiedenen Aktorfeldern läßt sich der Restfehler ungefähr um den Faktor 5 verringern. Der nach der aktiven Formkorrektur verblei­ bende Restfehler ist in Fig. 7 in einem Höhenlinienbild mit gleichem Höhenlinienab­ stand wie in Fig. 6 dargestellt. Die benötigten elektrischen Spannungen sind kleiner als 3 Volt und liegen damit in einem gut beherrschbaren Bereich. Durch eine feinere Unterteilung der Aktorflächen kann der verbleibende Restfehler weiter verringert werden, ohne eine höhere elektrische Spannung erforderlich zu machen.

Claims (9)

1. Großer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbauweise, bestehend aus den folgenden Bauteilen:

• - rückwärtige dünne Aktorschicht (1) mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktorelementen aus piezoelektrischer Keramik mit außenliegenden Elektro­ den, elektrischer Kontaktierung und Verkabelung, aufgeklebt auf die rückwär­ tige Sandwichdeckschicht (2) und elektrisch isoliert von dieser,
• - rückwärtige Sandwichdeckschicht (2) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff,
• - Wabenkern (3) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, aufgeklebt auf die Vor­ derseite der rückwärtigen Sandwichdeckschicht (2),
• - vordere Sandwichdeckschicht (4) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, auf­ geklebt auf die Vorderseite des Wabenkerns (3),
• - vordere dünne Aktorschicht (5) mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktorelementen aus piezoelektrischer Keramik mit außenliegenden Elektro­ den, elektrischer Kontaktierung und Verkabelung, aufgeklebt auf die vordere Sandwichdeckschicht (4) und elektrisch isoliert von dieser,
• - Druckverteilungsschicht (6) aus Kohleschaum, aufgeklebt auf die Vorderseite der vorderen Aktorschicht (5) und elektrisch isoliert von dieser,
• - Spiegelträgerschicht (7) aus Glaskeramik, aufgeklebt auf die Vorderseite der Druckverteilungsschicht (6),
• - metallische Reflexionsschicht (8) auf der Vorderseite der Spiegelträgerschicht (7).

2. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Anspruch 1, wobei die rückwärtige oder die vordere Aktorschicht (1, 5) aus elektrostriktiven Keramiken bestehen.

3. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-2, wobei die Aktorschichten (1, 5) aus elektroaktiven Keramiken in die rückwärtige (2) und vordere Sandwichdeckschicht (4) eingebet­ tet sind.

4. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-3, wobei Aktoren aus piezokeramischen Fasern in die rückwärtige (2) und vordere (4) Sandwichdeckschicht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff eingebettet sind.

5. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-4, wobei die Wabenkernzellen (3) einen dreieckigen oder sechseckigen Querschnitt besitzen.

6. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-5, wobei die rückwärtige Deckschicht (2), der Waben­ kern (3) oder die vordere Deckschicht (4) aus kohlefaserverstärkter Keramik oder aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff besteht.

7. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-6, wobei die Druckverteilungsschicht (6) aus Glas­ schaum oder aus keramischem Schaum mit niedrigem Wärmeausdehnungskoef­ fizienten besteht.

8. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-7, wobei die Spiegelträgerschicht (7) aus Quarzglas oder aus einem anderen Glas mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.

9. Großer, aktiv formkorrigierbarer optischer Spiegel in kombinierter Sandwichbau­ weise nach Ansprüchen 1-8, wobei die Spiegelträgerschicht (7) aus Siliziumkar­ bid besteht.