DE202017001178U1

DE202017001178U1 - Substrate with a lightweight structure for mirrors or mirror supports

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Publication number: DE202017001178U1
Application number: DE202017001178.6U
Authority: DE
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Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2017-03-17
Anticipated expiration: 2027-03-04

Abstract

Monolithisches Substrat für einen Spiegel oder Spiegelträger mit zumindest auf einer Seite angebrachten Ausstülpungen zur Ausbildung einer Leichtgewichtsstruktur, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausstülpungen länglich sind und dass die Ausstülpungen an ihren Enden sich zu einer Spiegelkomponente vereinen.Monolithic substrate for a mirror or mirror support with at least one side mounted protuberances to form a lightweight structure, which is characterized in that the protuberances are elongated and that the protuberances unite at their ends to form a mirror component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat bevorzugt aus Glas oder Glaskeramik, wobei das Substrat mit einer Leichtgewichtsstruktur versehen ist und seine Rückseite überwiegend geschlossen ist. Durch die Leichtgewichtsstruktur kann das Gewicht deutlich reduziert werden, wobei gleichzeitig eine hohe Steifigkeit sichergestellt werden kann. Das Substrat wird dabei vorzugsweise als Spiegel oder Spiegelträger verwendet und kann terrestrisch und/oder extraterrestrisch eingesetzt werden.The invention relates to a substrate preferably made of glass or glass ceramic, wherein the substrate is provided with a lightweight structure and its back is largely closed. Due to the lightweight structure, the weight can be significantly reduced, while a high rigidity can be ensured. The substrate is preferably used as a mirror or mirror carrier and can be used terrestrially and / or extraterrestrically.

In der Astronomie werden für Spiegelteleskope häufig Substrate verwendet, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Derartige Substrate dienen häufig als Spiegelträger für das Befestigen von optischen Vorrichtungen wie Spiegeln oder werden, nach entsprechenden zusätzlichen Bearbeitungsschritten, selbst direkt als Spiegel eingesetzt.In astronomy, mirrored telescopes often use substrates that have a low thermal expansion coefficient. Such substrates are often used as a mirror support for attaching optical devices such as mirrors or, after appropriate additional processing steps, even used directly as a mirror.

Die zum Einsatz kommenden Substrate weisen dabei beispielsweise kreisrunde, elliptische, hexagonale oder auch wabenförmige Außenkonturen auf. Die Substrate können Durchmesser im Bereich von 200 mm oder mehr aufweisen. Von Hochleistungs-Spiegelteleskopen sind auch Durchmesser von Spiegelträgern im Bereich von 8.000 mm oder mehr bekannt.The substrates used in this case have, for example, circular, elliptical, hexagonal or even honeycomb-shaped outer contours. The substrates may have diameters in the range of 200 mm or more. High-power reflector telescopes also have a diameter of 8000 mm or more mirror carriers.

Bei einer Verwendung als optische Vorrichtung ist es wichtig, dass das Substrat eine hohe Steifigkeit aufweist und damit nur eine sehr geringe Tendenz zu Form- bzw. Geometrieänderungen, um unerwünschte optische Effekte wie beispielsweise Verzerrungen zu vermeiden.When used as an optical device, it is important that the substrate has a high rigidity and therewith only a very small tendency for shape or geometry changes in order to avoid undesired optical effects such as distortions.

Geometrieänderungen können durch starke und/oder rasche Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, wie sie etwa bei einer extraterrestrischen Umgebung in Satelliten auftreten können oder auch bei einer terrestrischen Umgebung mit größeren Temperaturänderungen im Tages- und Nachtgang.Geometry changes can be caused by strong and / or rapid changes in temperature, such as can occur in an extraterrestrial environment in satellites or in a terrestrial environment with larger changes in temperature during the day and night.

Aus diesem Grund besteht das Substrat häufig aus Glas oder Glaskeramik, wobei es sich im Fall von Glaskeramiken um sogenannte Nullausdehnungsmaterialien handeln kann. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie einen extrem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Auf diese Weise gelingt es, Form- bzw. Geometrieänderungen des Substrates bei Temperaturänderungen weitgehend auszuschließen.For this reason, the substrate often consists of glass or glass ceramic, which in the case of glass ceramics may be so-called zero-expansion materials. These are characterized in that they have an extremely low coefficient of thermal expansion. In this way it is possible to largely exclude shape or geometry changes of the substrate in the event of temperature changes.

Des weiteren werden Substrate für Spiegel oder Spiegel in ihrem Gewicht reduziert um einen geringen Wärmeeintrag in den Strahlengang eines optischen Systems zu ermöglichen. Eine Gewichtsreduzierung ist auch aus Gründen einer schnelleren Temperaturanpassung des Substrates an die Umgebungstemperatur wünschenswert. Damit erlauben gewichtsreduzierte Spiegel oder Spiegelsubstrate schneller eine von Luftschlieren im Strahlengang unbeeinträchtigte Abbildung bei terrestrischem Einsatz.Furthermore, substrates for mirrors or mirrors are reduced in weight in order to allow a low heat input into the optical path of an optical system. Weight reduction is also desirable for reasons of faster temperature adaptation of the substrate to the ambient temperature. In this way, weight-reduced mirrors or mirror substrates more quickly allow imaging that is unaffected by air streaks in the beam path in the case of terrestrial use.

Des weiteren können relevante Geometrieänderungen wie etwa Durchbiegungen auch aufgrund eines hohen Eigengewichtes des Substrates auftreten. Aus diesem Grund wird häufig eine Gewichtsreduzierung des Substrates angestrebt.Furthermore, relevant changes in geometry such as deflections can also occur due to a high weight of the substrate. For this reason, a weight reduction of the substrate is often sought.

Eine Gewichtsreduzierung ist auch aus Gründen eines einfacheren und kostengünstigeren Transportes anzustreben, insbesondere im Fall von extraterrestrischen Anwendungen.Weight reduction is also desirable for reasons of simpler and cheaper transportation, especially in the case of extraterrestrial applications.

Eine Gewichtsreduzierung ist auch aus Gründen eines gewichtserleichterten Baus des optischen Tubus und der Montierung des Teleskopes wünschenswert, da eine geringere Masse des Spiegels Masseneinsparungen an den tragenden Teilen des Teleskops erlaubt.Weight reduction is also desirable for reasons of weight-reduced construction of the optical tube and mounting of the telescope, since a lower mass of the mirror allows mass savings on the supporting parts of the telescope.

Es sind daher Substrate entwickelt worden, die sogenannte Leichtgewichtsstrukturen aufweisen. Durch eine Bearbeitung wird ein Teil des Volumens des Substrates abgetragen, um das Gewicht zu reduzieren. Die Bearbeitung erfolgt häufig auf der Rückseite des Substrates. Hierdurch können geeignete Strukturen ausgebildet werden, die eine hohe Steifigkeit gewährleisten können.Therefore, substrates have been developed which have so-called lightweight structures. By machining, a portion of the volume of the substrate is removed to reduce the weight. The processing is often done on the back of the substrate. As a result, suitable structures can be formed, which can ensure a high rigidity.

So sind beispielsweise Ausnehmungen auf der Rückseite von Substraten bekannt, bei denen Stege in waben- oder rohrförmiger Struktur entstehen. Die DE 10 2009 005 400 A1 beschreibt etwa einen Spiegelträger mit einer Leichtgewichtsstruktur, wobei auf der Rückseite des Substrates Ausnehmungen angeordnet sind und die Ausnehmungen im Bereich der Lagerstellen mit einem Deckel zur Erhöhung der Steifigkeit versehen sind. Die Deckel können dabei die Form der Ausnehmung aufweisen und auf oder in diese geklebt werden.For example, recesses are known on the back of substrates in which webs arise in honeycomb or tubular structure. The DE 10 2009 005 400 A1 describes approximately a mirror support with a lightweight structure, wherein recesses are arranged on the back of the substrate and the recesses are provided in the region of the bearing points with a lid to increase the rigidity. The cover can have the shape of the recess and be glued on or in this.

Es hat sich gezeigt, dass bei der in der DE 10 2009 005 400 A1 gezeigten Ausführungsform eine hohe Gewichtsreduzierung erzielt werden kann. Das Herstellen der Deckel und das Verbinden mit dem Substrat führen zu einem zusätzlichen Aufwand.It has been shown that at the in the DE 10 2009 005 400 A1 shown embodiment, a high weight reduction can be achieved. The production of the lid and the connection to the substrate lead to an additional expense.

Aus DE 10 2011 008 953 A1 sind Ausnehmungen auf der Rückseite von Substraten bekannt, bei denen im wesentlichen rechteckförmige Taschen ausgenommen sind, um einen Leichtgewichtsstruktur zu erzielen. Anstatt eine Lagermöglichkeit durch nachträgliches Anbringen von Deckel über einzelnen Ausnehmungen zu ermöglichen, werden an Stellen, an denen Lagermöglichkeiten vorgesehen sind, keine Ausnehmungen angebracht oder die Ausnehmungen sind anders gestaltet.Out DE 10 2011 008 953 A1 are recesses on the back of substrates known in which substantially rectangular pockets are excluded to achieve a lightweight structure. Instead of allowing a storage possibility by subsequent attachment of lids on individual recesses, in places where storage facilities are provided, No recesses attached or the recesses are designed differently.

Der Einsatz von Spiegelträgern mit offener Rückseite ist nicht zu bevorzugen. Bei solchen Substraten handelt es sich aus Sicht der Statik um einen T-Träger. Mit Blick auf eine möglichst hohe Biegesteifigkeit eine solchen Subrates ist es wünschenswert, wenn die Rückseite vollständig oder großteils geschlossen ist, wobei dabei ein Substrat entsteht, das aus Sicht der Statik einem Doppel-T-Träger entspricht.The use of mirror carriers with open back is not to be preferred. Such substrates are a T-beam from a structural point of view. With a view to the highest possible flexural rigidity such a subrate, it is desirable if the back is completely or largely closed, thereby creating a substrate that corresponds to a double-T-beam from the perspective of statics.

Derlei Substrate, hergestellt durch spanende Bearbeitung mit undefinierter Schneide, können an ihrer Leichtgewichtsstruktur feine Risse zeigen, die die Bruchfestigkeit des Substrates reduzieren. Dies ist nicht zu bevorzugen.Such substrates, produced by machining with an undefined blade, can show fine cracks on their lightweight structure, which reduce the breaking strength of the substrate. This is not preferable.

Ein Großteil des Materials wird durch spanende Bearbeitung mit undefinierter Schneide entfernt. Es sind lange Prozesszeiten erforderlich. Derlei Substrate sind daher teuer in der Herstellung.Much of the material is removed by machining with an undefined cutting edge. Long process times are required. Such substrates are therefore expensive to produce.

Derlei gekennzeichnete Substrate sind anfällig, für das Durchdrücken der Unterstützungsstruktur bei der feinoptischen Politur, was eine Verschlechterung der Abbildungsqualität nach sich zieht. Bei derlei Substraten wird dem Problem des Durchdrückens dadurch begegnet, dass die Ausnehmungen dichter angeordnet werden. Einer dichteren Anordnung der Ausnehmungen steht jedoch entgegen, dass damit der Grad der erreichbaren Gewichtserleichterung reduziert wird. Werden die Stege dünner Ausgeführt, steigt die Gefahr, dass einzelne Stege zerbrechen. Die Herstellung besonders dünner Stege für eine hohe Gewichtseinsparung ist technologisch besonders anspruchsvoll und riskant. Dies ist nicht zu bevorzugen.Such labeled substrates are susceptible to crushing of the support structure in the fine optical polishing, resulting in deterioration of the image quality. With such substrates, the problem of crushing is countered by making the recesses more dense. A denser arrangement of the recesses is contrary, however, that thus the degree of achievable weight reduction is reduced. If the webs are thinner, the risk increases that individual webs break. The production of particularly thin webs for a high weight saving is technologically particularly demanding and risky. This is not preferable.

Darüber hinaus ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Substrate mit Leichtgewichtsstruktur an ihrer Rückseite durch gießen schmelzflüssigen Materials, vorzugsweise Glas, in entsprechende Formen hergestellt werden. Hier sind der hohe Energieaufwand bedingt durch die hohen Temperaturen nachteilig die erforderlich sind, um beispielhaft Glas in einen dünnflüssigen Zustand zu überführen. Nachteilig ist darüber hinaus, dass Substrate mit besonders dünnwandiger Leichtgewichtsstruktur nicht herstellbar sind, da beispielhaft Glas nicht die erforderliche niedrige Viskosität aufweist, um eine entsprechend dünnwandig, beispielhaft weniger als 5 mm, ausgestaltete Form auszufüllen. Der Grad der Gewichtsreduzierung ist daher eingeschränkt. Dies ist nicht zu bevorzugen.Moreover, it is known from the prior art that substrates with a lightweight structure on their backside are made by casting molten material, preferably glass, into corresponding shapes. Here, the high energy consumption due to the high temperatures are disadvantageous, which are required to convert example glass into a low-viscosity state. Another disadvantage is that substrates with a particularly thin-walled lightweight structure can not be produced, since, by way of example, glass does not have the required low viscosity in order to fill out a correspondingly thin-walled, for example less than 5 mm, shaped mold. The degree of weight reduction is therefore limited. This is not preferable.

Andere bekannte Leichtgewichtsstrukturen werden häufig Stückweise aufgebaut, bestehen dabei teilweise aus Verbundmaterialien, wobei zusätzliche Stützkomponenten eingesetzt werden.Other known lightweight structures are often constructed piece by piece, in part consist of composite materials, with additional support components are used.

Die US 20080043352 A1 zeigt einen Spiegelträger, der aus zwei oder mehr parallel angeordneten Glasplatten aufgebaut ist. Zwischen den Glasplatten befinden sich Glaszylinder als Abstandshalter. Die Glasplatten und die Glaszylinder sind miteinander verschmolzen. Der Spiegelträger ist durch eine geschlossene Rückseite gekennzeichnet. Nachteilig ist hierbei, dass eine Vielzahl an runden Glaszylindern passgenau hergestellt werden muss. Darüber hinaus sind die Glaszylinder massiv ausgeführt. Massive Glaszylinder besitzen eine hohe Masse. Der Grad der erreichbaren Gewichtsreduzierung ist eingeschränkt. Ein solcher Spiegelträger zeigt ein Durchdrücken der Unterstützungsstruktur bei der feinoptischen Politur. Wollte man diese reduzieren, so wäre es erforderlich die Anzahl der Abstandshalter oder ihren Querschnitt zu erhöhen. Dies vermindert jedoch den Grad der erreichbaren Gewichtsreduzierung. Dies ist nicht zu bevorzugen.The US 20080043352 A1 shows a mirror support, which is composed of two or more parallel glass plates. Between the glass plates are glass cylinders as spacers. The glass plates and the glass cylinders are fused together. The mirror support is characterized by a closed rear side. The disadvantage here is that a large number of round glass cylinders must be made accurately. In addition, the glass cylinders are solid. Solid glass cylinders have a high mass. The degree of achievable weight reduction is limited. Such a mirror support shows a push-through of the support structure in the fine-optical polishing. If you wanted to reduce this, it would be necessary to increase the number of spacers or their cross section. However, this reduces the degree of weight reduction that can be achieved. This is not preferable.

Die WO 2006/034 775 A1 sowie die US 2988959 A zeigen eine Verbundstruktur, wobei eine Spiegelkomponente und eine Stützkomponente durch parallel angeordnete, rohrförmige Abstandshalter miteinander verbunden sind und wobei zum Verbinden ein Klebstoff eingesetzt wird.The WO 2006/034 775 A1 as well as the US 2988959 A show a composite structure, wherein a mirror component and a support component are connected by means of parallel tubular spacers and wherein for bonding an adhesive is used.

Das Herstellen rohrförmiger Abstandshalter ist zeit- und kostenintensiv. Eine Vielzahl an Substraten zeigt eine konvexe oder konkave Vorderseite. Demnach müssen alle Abstandshalter individuell in jeweils unterschiedlicher Länge gefertigt werden ehe diese passgenau eingebracht werden können. Darüber hinaus müssen Entlüftungslöcher angebracht werden, die eine Angleichung des Drucks im Innern der Röhren an den Umgebungsdruck ermöglichen. Dies ist nicht zu bevorzugen.The manufacture of tubular spacers is time consuming and costly. A variety of substrates show a convex or concave front. Accordingly, all spacers must be made individually in each case different lengths before they can be accurately inserted. In addition, vent holes must be provided, which allow an approximation of the pressure inside the tubes to the ambient pressure. This is not preferable.

Aus EP 0 649 036 A1 ist ein Spiegelsubstrat in kombinierter Sandwichbauweise bekannt. Dieses Substrat besteht aus einer Wabenschicht, die mit einer vorderen und einer hinteren Deckschicht verklebt ist. Auf der vorderen Deckschicht befinden sich eine Spiegelträgerschicht und eine Reflexionsschicht. Um ein Durchdrücken der Wabenstruktur bei der feinoptischen Politur zu verhindern, wird zwischen die Wabenschicht und die vordere Deckschicht einen Druckausgleichsschicht aus Kohleschaum eingefügt.Out EP 0 649 036 A1 For example, a composite sandwich mirror substrate is known. This substrate consists of a honeycomb layer glued to a front and a back cover layer. On the front cover layer are a mirror support layer and a reflective layer. In order to prevent the honeycomb structure from being pressed through during the fine-optical polishing, a pressure compensation layer made of carbon foam is inserted between the honeycomb layer and the front cover layer.

Die US 4670338 A zeigt ein Substrat für einen Spiegel bestehend aus zwei vorgeformten Glasplatten, die mit ihrer jeweiligen Innenseite auf eine Zwischenstruktur geklebt sind. Als Zwischenstruktur wird dabei Glasschaum verwendet.The US 4670338 A shows a substrate for a mirror consisting of two preformed glass plates, which are glued with their respective inner side to an intermediate structure. Glass foam is used as intermediate structure.

Der Einsatz verschiedener Materialien wie beispielhaft in EP 0 649 036 A1 oder in US 4670338 A ist grundsätzlich nicht zu bevorzugen, da unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten lokal zu Spannungen im Material und somit zu Schädigungen führen können. Zudem stellt das Bearbeiten verschiedener Bauteile und das nachträgliche Verbinden, beispielsweise über einen Klebstoff, zusätzliche Aufwendungen dar. Bei Verwendung eines Klebstoffes oder Klebers ist weiterhin auf die Langzeitstabilität zu achten. Es ist bekannt, dass Klebstoffe altern, ausgasen oder Wasser aufnehmen können. Dies schränkt den Einsatz derlei hergestellter Spiegelträger ein. Dies ist nicht zu bevorzugen.The use of different materials as exemplified in EP 0 649 036 A1 or in US 4670338 A is basically not preferable, since different coefficients of expansion can lead locally to stresses in the material and thus to damage. In addition, the processing of various components and the subsequent bonding, for example via an adhesive, additional expenses. When using an adhesive or adhesive is to pay attention to the long-term stability. It is known that adhesives can age, outgas or absorb water. This restricts the use of such manufactured mirror carrier. This is not preferable.

Die Aufgabe der Erfindung liegt demzufolge darin, eine Leichtgewichtsstruktur für Substrate zur Verfügung zu stellen, die zum einen auf das Einbringen zusätzlicher Bauteile oder Stützkomponenten wie Abstandshalter, Streben, Deckel, Wabenstrukturen, Schaumstrukturen oder ähnliches verzichtet und zum anderen eine annähernd gleichwertige mechanische Stabilität gegenüber dynamischen und statischen Beanspruchungen aufweist.The object of the invention is therefore to provide a lightweight structure for substrates that dispenses with the introduction of additional components or support components such as spacers, struts, lids, honeycomb structures, foam structures or the like on the one hand and on the other hand an approximately equivalent mechanical stability to dynamic and static stresses.

Ein weitere Aufgabe der Erfindung ist, dass diese Leichtgewichtsstruktur an einem monolithischen Substrat verwirklicht wird insbesondere der damit ausgestattete Spiegelträger monolithisch ist.A further object of the invention is that this lightweight structure is realized on a monolithic substrate, in particular the mirror carrier equipped therewith is monolithic.

Insbesondere soll dabei eine geringe Durchbiegung des Substrates sichergestellt sein. Dabei soll eine Gewichtsreduzierung durch die Leichtgewichtsstruktur im Bereich von mindestens 50% erreicht werden.In particular, a small deflection of the substrate should be ensured. In this case, a weight reduction is to be achieved by the lightweight structure in the range of at least 50%.

Ein weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass die geschaffene Leichtgewichtsstruktur frei von feinen Rissen sein.Another object of the invention is that the created lightweight structure be free of fine cracks.

Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Substrat mit Leichtgewichtsstruktur zu verwirklichen, das eine überwiegend geschlossene Rückseite aufweist.In addition, it is an object of the invention to realize a substrate with a lightweight structure, which has a predominantly closed rear side.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Substrat mit Leichtgewichtsstruktur zu verwirklichen welches auch bei einem sich verändertem Umgebungsdruck seine geometrische Form beibehält, ohne dass eigens Entlüftungslöcher angebracht werden müssen.A further object of the invention is to realize a substrate with a lightweight structure which retains its geometric shape even when the ambient pressure changes, without the need for special venting holes.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Substrat mit Leichtgewichtsstruktur zu schaffen, dass die Möglichkeit bietet ein Durchdrücken der Unterstützungsstruktur auf die zu polierende Fläche zu reduzieren, ohne dass das Gewicht des Substrates sich erhöht.It is another object of the invention to provide a substrate with a lightweight structure, which offers the possibility of reducing the pressure of the support structure on the surface to be polished, without the weight of the substrate increases.

Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung die Herstellungszeit, die Materialkosten und die Energiekosten gegenüber dem Stand der Technik in Bezug auf monolithische Substrate mit Leichtgewichtsstruktur zu reduzieren.Furthermore, it is an object of the invention to reduce the production time, the material costs and energy costs compared to the prior art with respect to monolithic substrates with a lightweight structure.

Ein Substrat, das die genannten Aufgaben löst wird überraschend einfach dadurch geschaffen, indem aus einem dünnen Substrat längliche Ausstülpungen ausgeformt werden, die an ihren Enden sich zu einer Spiegelkomponente vereinen wodurch das erfindungsgemäße Substrat entsteht welches die genannten Aufgaben löst.A substrate which achieves the stated objects is surprisingly simply created by forming elongated protuberances from a thin substrate, which at their ends combine to form a mirror component, thereby producing the substrate according to the invention which achieves the stated objects.

Die Erfindung betrifft das geschaffene Substrat, welches vorzugsweise ein Material mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten bzw. ein Nullausdehnungsmaterial umfasst. Vorzugsweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient des eingesetzten Materials bei einem Temperaturbereich von 0 bis 50° Celsius in einem Bereich von kleiner als 10 × 10^–6 K^–1, wie dies etwa bei Kalk-Natron-Glasern der Fall ist.The invention relates to the created substrate, which preferably comprises a material with a low expansion coefficient or a zero-expansion material. Preferably, the thermal expansion coefficient of the material used in a temperature range of 0 to 50 ° Celsius in a range of less than 10 × 10 ^-6 K ^-1 , as is the case with soda-lime glaziers.

Weiterhin bevorzugt liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient des eingesetzten Materials bei einem Temperaturbereich von 0 bis 50° Celsius in einem Bereich von kleiner als 4 × 10^–6 K^–1, wie dies etwa bei Borosilikatgläsern der Fall ist.Further preferably, the thermal expansion coefficient of the material used in a temperature range of 0 to 50 ° Celsius in a range of less than 4 × 10 ^-6 K ^-1 , as is the case with borosilicate glasses.

Besonders bevorzugt liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient des eingesetzten Materials bei einem Temperaturbereich von 0 bis 50° Celsius in einem Bereich von kleiner als 0,6 × 10^–6 K^–1, wie dies etwa bei Glaskeramiken oder Quarzglas der Fall ist. So können insbesondere Glaskeramiken des LAS-Systems mit den Hauptbestandteilen Lithiumoxid, Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid ein ideales Material für ein erfindungsgemäßes Substrat darstellen. Ein Substrat aus einem derartigen Material ist in hervorragender Weise geeignet für eine Verwendung als Spiegel oder Spiegelträger in Teleskopen.Particularly preferably, the thermal expansion coefficient of the material used in a temperature range of 0 to 50 ° Celsius in a range of less than 0.6 × 10 ^-6 K ^-1 , as is the case with glass ceramics or quartz glass. For example, glass ceramics of the LAS system with the main constituents lithium oxide, aluminum oxide or silicon dioxide can be an ideal material for a substrate according to the invention. A substrate of such a material is eminently suitable for use as a mirror or mirror support in telescopes.

Vorteile im Sinne der Erfindung ergeben sich für die mechanische Stabilität bei statischer und dynamischer Beanspruchung, wenn das geschaffene Substrat einen monolithischen Block darstellt.Advantages in the sense of the invention result for the mechanical stability under static and dynamic load, when the created substrate represents a monolithic block.

Vorteile im Sinne der Erfindung ergeben sich für die mechanische Stabilität bei statischer und dynamischer Beanspruchung, wenn das geschaffene Substrat eine überwiegend geschlossene Rückseite aufweist und die Leichtgewichtsstruktur frei von feinen Rissen ist.Advantages in the sense of the invention result for the mechanical stability under static and dynamic load when the created substrate has a predominantly closed rear side and the lightweight structure is free of fine cracks.

Durch die Ausstülpungen verbleiben zwischen den Ausstülpungen auf der Rückseite unbeeinträchtigte Flächen, die die Ausstülpungen begrenzen und als Stützkomponente wirken. Im Vergleich zu bereits bekannten Strukturen mit Ausnehmungen auf der Rückseite, die durch dünne Stege begrenzt werden, hat sich gezeigt, dass die überwiegend geschlossene Rückseite einer solchen Struktur die Steifigkeit gegenüber dynamischen und statischen Beanspruchungen erhöhen kann. Eine überwiegend geschlossene Rückseite liegt erfindungsgemäß dann vor, wenn der Flächenanteil zwischen den Ausstülpungen auf der Rückseite mehr als 50% der rückseitigen Fläche aus macht.Through the protuberances remain unimpaired surfaces between the protuberances on the back, which limit the protuberances and act as a support component. Compared to already known structures with recesses on the back, which are delimited by thin webs, it has been found that the predominantly closed back of such a structure the Increase stiffness against dynamic and static loads. A predominantly closed rear side according to the invention is present when the area fraction between the protuberances on the back makes more than 50% of the rear surface.

Eine Leichtgewichtsstruktur im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Ausstülpungen nur an einzelnen Stellen ausgeformt sind und dazwischen die Stützkomponente eine unbeeinträchtigte, ebene Fläche bildet und dass die Ausstülpungen geometrisch durch einen kreisförmigen Querschnitt definiert werden. Dabei ist nicht zwingend vorgegeben, dass der Querschnitt der Ausstülpungen geometrisch die Form eines Kreises aufweist. Vielmehr können die Ausstülpungen auch quadratische, elliptische, rechteckig, dreieckige, sechseckige oder einen vieleckigen Querschnitt besitzen.A lightweight structure in the sense of the invention means that the protuberances are formed only at individual points and between the support component forms an unimpaired, flat surface and that the protuberances are geometrically defined by a circular cross-section. It is not mandatory that the cross section of the protuberances geometrically has the shape of a circle. Rather, the protuberances may also have square, elliptical, rectangular, triangular, hexagonal or polygonal cross-section.

Daneben sind im Sinne der Erfindung auch weitere geometrische Querschnitte der Ausstülpungen möglich, die von der runden Form abweichen und die sich insbesondere dann als geeignet erwiesen haben, wenn das Substrat Lagerstellen aufweisen soll. Im Sinne der Erfindung können beispielhaft einzelne Ausstülpungen auch größer ausgebildet sein, um in ihrem Innern Lager aufzunehmen.In addition, according to the invention, other geometric cross-sections of the protuberances are possible, which deviate from the round shape and which have proven to be particularly suitable if the substrate should have bearing points. For the purposes of the invention, by way of example, individual protuberances can also be made larger in order to accommodate bearings in their interior.

Eine Leichtgewichtsstruktur im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Ausstülpungen nur an einzelnen Stellen ausgeformt sind und dazwischen die Stützkomponente eine unbeeinträchtigte, ebene Fläche bildet und dass die Ausstülpungen überwiegend regelmäßig angeordnet sind.A lightweight structure in the sense of the invention means that the protuberances are formed only at individual points and between the support component forms an unimpaired, flat surface and that the protuberances are predominantly arranged regularly.

Besonders bevorzugt ist es im Fall von von zylindersymmetrischen Substraten wenn dabei die ausgebildeten Ausstülpungen am Rand des Substrates parallel zum Radius des Substrates, somit radial verlaufen, wohingegen die Ausstülpungen, die im Zentrum des geschaffenen Substrates sich befinden hexagonal angeordnet sind. Wohingegen die Ausstülpungen, die zwischen dem Zentrum und dem Rand des Substrates liegen so angeordnet sind, dass ein Übergangsbereich zwischen der hexagonalen Anordnung im Zentrum und der kreisförmigen Anordnung am Rand sich einstellt.In the case of cylindrically symmetrical substrates, it is particularly preferred if the formed protuberances at the edge of the substrate run parallel to the radius of the substrate, thus radially, whereas the protuberances located in the center of the created substrate are arranged hexagonally. Whereas the protuberances that lie between the center and the edge of the substrate are arranged so that a transition region between the hexagonal arrangement in the center and the circular arrangement at the edge adjusts itself.

Daneben können im Sinne der Erfindung die Abstände zwischen den Ausstülpungen an einzelnen Stellen des Substrates größer sein, so dass beispielhaft die Ebene Fläche zwischen den Ausstülpungen größer gestaltet ist, um Platz für ein Lager an dieser Stelle zu schaffen.In addition, in the context of the invention, the distances between the protuberances at individual locations of the substrate may be greater, so that, for example, the plane surface between the protuberances is made larger to make room for a camp at this point.

Daneben können im Sinne der Erfindung die Abstände zwischen den Ausstülpungen an einzelnen Stellen kleiner sein, so dass beispielhaft einem Durchdrücken der Unterstützungsstruktur bei der feinoptischen Politur an einzelnen Stellen entgegengewirkt werden kann.In addition, within the meaning of the invention, the distances between the protuberances may be smaller at individual points, so that, for example, a suppression of the support structure in the fine-optical polishing at individual points can be counteracted.

Durch die Ausstülpungen an einzelnen Stellen und damit verbunden die überwiegend geschlossene Rückseite eines so geschaffenen Subrates kann überraschenderweise ein biegesteifes Substrat mit einer Gewichtsreduzierung erreicht werden, wie bei den bekannten Strukturen die waben- oder taschenförmige Ausnehmungen auf der Rückseite besitzen.By the protuberances at individual points and associated with the predominantly closed back of a Subrat created so surprisingly, a rigid substrate can be achieved with a weight reduction, as in the known structures have the honeycomb or pocket-shaped recesses on the back.

Unter Gewichtsreduzierung im Sinne der Erfindung ist die prozentuale Veränderung des Gewichts eines bearbeiteten, mit erfindungsgemäßen Ausstülpungen versehenen Substrates gegenüber einem monolithischen Block gleicher Außengeometrie ohne gewichtserleichternde Strukturen zu verstehen.Weight reduction in the sense of the invention means the percentage change in the weight of a processed substrate provided with protuberances according to the invention compared to a monolithic block of the same external geometry without weight-relieving structures.

Das Substrat mit Leichtgewichtsstruktur umfasst dabei beispielsweise zylindrische, kreiszylindrische, elliptische, rechteckige, hexagonale oder achteckige Bauformen, vorzugsweise in Scheiben- oder Säulenform. Die erfindungsgemäße Leichtgewichtsstruktur eignet sich in besonderem Maße für Substrate in Form gerader Zylinder, etwa gerader Zylinder mit elliptischer Grund- und Deckfläche oder auch in Form gerader Kreiszylinder bzw. zylindersymmetrischer Form.The substrate with a lightweight structure comprises, for example, cylindrical, circular cylindrical, elliptical, rectangular, hexagonal or octagonal designs, preferably in disc or columnar form. The lightweight structure according to the invention is particularly suitable for substrates in the form of straight cylinders, such as straight cylinder with elliptical base and top surface or in the form of straight circular cylinder or cylindrically symmetrical shape.

Die Substrate verfügen dabei typischerweise über einen Radius bzw. im Falle elliptischer Grund- und Deckflächen über eine Länge der großen Halbachse im Bereich ab etwa 50 mm oder darüber. Die Höhe des Substrates aus der die Ausstülpungen ausgebildet sind (Stützkomponente) und die Höhe der Spiegelkomponente können dabei beispielsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 50 mm liegen.The substrates typically have a radius or, in the case of elliptical base and cover surfaces, a length of the large semiaxis in the range from about 50 mm or above. The height of the substrate from which the protuberances are formed (support component) and the height of the mirror component can be, for example, in a range of 0.5 mm to 50 mm.

Die Wandstärke der Ausstülpungen kann im Bereich von 0,1 mm bis 50 mm liegen.The wall thickness of the protuberances can be in the range of 0.1 mm to 50 mm.

Die Höhe des monolithischen Substrates wird wesentlich durch die Länge der Ausstülpungen bestimmt, die die Leichtgewichtsstruktur bilden und kann beispielsweise in einem Bereich von 5 mm bis 500 mm liegen. Der Außendurchmesser der Ausstülpungen kann, im Falle von Ausstülpungen mit kreisförmigem Querschnitt und gemessen an ihrer dicksten Stelle, zwischen 5 mm und 250 mm betragen.The height of the monolithic substrate is essentially determined by the length of the protuberances that form the lightweight structure and may, for example, be in a range of 5 mm to 500 mm. The outer diameter of the protuberances, in the case of protuberances of circular cross-section and measured at their thickest point, may be between 5 mm and 250 mm.

Das erfindungsgemäße monolithische Substrat mit Ausstülpungen als Leichtgewichtsstruktur kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Beispielsweise durch gießen in eine entsprechende Form. Beispielsweise auch durch Umformen eines Substrates mittels Gasdruck oder mittels Umformwerkzeugen oder eine Kombination aus beiden Vorgehensweisen zur Ausbildung von Ausstülpungen wobei im Anschluss die Enden der Ausstülpungen monolithisch mit einem Substrat aus identischem Material verschmolzen werden.The monolithic substrate with protuberances of the invention as a lightweight structure can be produced in various ways. For example, by pouring into an appropriate shape. For example, by forming a substrate by gas pressure or by forming tools or a combination of both approaches to the formation of Protuberances, whereupon the ends of the protuberances are monolithically fused with a substrate of identical material.

Bei einem Substrat aus Glas oder Glaskeramik zeigt die so erzeugte Leichtgewichtsstruktur keine feinen Risse.In a substrate made of glass or glass ceramic, the lightweight structure thus produced shows no fine cracks.

Besonders bevorzugt ist, wenn die Spiegelkomponente und die Stützkomponente aus identischem Material vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik bestehen und der Übergang der Ausstülpungen zur Spiegelplatte sich als monolithischer Anschluss darstellt.It is particularly preferred if the mirror component and the support component of identical material are preferably made of glass or glass ceramic and the transition of the protuberances to the mirror plate is a monolithic connection.

Durch das ausformen von Ausstülpungen an der Stützkomponente und Übergang zu einer Spiegelkomponente am Ende der Ausstülpungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Gewichtsreduzierung im Bereich von größer als 70%, bevorzugt von größer als 80% und besonders bevorzugt von größer als 85% erreicht werden.By forming protuberances on the support component and transitioning to a mirror component at the end of the protuberances according to the present invention, a weight reduction in the range of greater than 70%, preferably greater than 80% and most preferably greater than 85% can be achieved.

Durch das ausformen von Ausstülpungen an einer. Stützkomponente und Übergang zu einer Spiegelkomponente am Ende der Ausstülpungen gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein Substrat mit einer Leichtgewichtsstruktur und einer überwiegend geschlossenen Rückseite von größer als 50%, bevorzugt von größer als 60% und besonders bevorzugt von größer als 70%.By the formation of protuberances on one. Support component and transition to a mirror component at the end of the protuberances according to the present invention results in a substrate having a lightweight structure and a predominantly closed back of greater than 50%, preferably greater than 60% and more preferably greater than 70%.

Es hat sich gezeigt, dass längliche Ausstülpungen, gemeint sind damit Ausstülpungen die gleich lang oder länger als ihr Außenquerschnitt sind, gemessen an der dicksten Stelle, besonders bevorzugt sind und ein solchermaßen dimensioniertes Substrat besonders biegesteif ist.It has been found that elongated protuberances, meaning that protuberances are the same length or longer than their outer cross-section, measured at the thickest point, are particularly preferred and such a dimensioned substrate is particularly resistant to bending.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Ausstülpungen des geschaffenen Substrats an ihrem Ende aufgeweitet. Beispielhaft werden nach dem Ausformen der Ausstülpungen und schaffen von Übergängen zur Spiegelkomponente die Enden der Ausstülpungen durch einbringen eines definierten Volumens an Gas aufgeweitet. Es hat sich gezeigt, dass dadurch dem Durchdrücken der Unterstützungsstruktur auf die zu polierende Spiegelfläche entgegengewirkt werden kann.In a particular embodiment, the protuberances of the created substrate are widened at their ends. By way of example, after forming the protuberances and creating transitions to the mirror component, the ends of the protuberances are widened by introducing a defined volume of gas. It has been shown that this can be counteracted by pushing the support structure onto the mirror surface to be polished.

Die Erfindung betrifft einen Spiegel oder einen Spiegelträger, der das vorstehend beschriebene Substrat umfasst und auf dessen einer Seite, bevorzugt der nicht mit Ausstülpungen versehenen Seite, Spiegel befestigt werden können.The invention relates to a mirror or a mirror support comprising the substrate described above and on one side, preferably the side not provided with protuberances, mirrors can be fixed.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten 1 bis 2 detaillierter beschrieben.The invention will be described below with reference to preferred embodiments and with reference to the attached 1 to 2 described in more detail.

2 zeigt anhand eines Ausführungsbeispiels eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Substrates 9. Bei 2 ist die Rückseite des Substrates dem Betrachter zugewandt. 1 zeigt die Rückseite des Substrates. 2 shows an exemplary embodiment of a perspective view of a substrate according to the invention 9 , at 2 the back of the substrate faces the viewer. 1 shows the back of the substrate.

Die Rückseite des Substrates weist eine Vielzahl von länglichen, trichterförmig ausgebildeten Ausstülpungen auf, die einen kreisrunden Querschnitt besitzen (3). Dabei sind alle Ausstülpungen bis auf zwei Ausstülpungen gleich ausgebildet. Zwei Ausstülpungen (6) sind mit einem größeren Durchmesser ausgebildet damit innerhalb dieser Ausstülpungen Haltebolzen als Lager eingebracht werden können. Die für diese Ausstülpungen vorgesehenen Lager sollen senkrecht zur optischen Achse wirkende Kräfte aufnehmen, wie sie beispielhaft bei horizontnaher Beobachtung mit einem Spiegelteleskop auf den Primärspiegel besonders einwirken. Drei Ausstülpungen (2) sind etwas weiter nach außen versetzt, so dass sich drei größere ebene Flächen bilden, die eine Lagermöglichkeit darstellen (4). Diese Lagerstellen dienen beispielhaft zur Aufnahme parallel zur optischen Achse wirkender Kräfte, wie sie bei zenitnaher Beobachtung mit einem Spiegelteleskop auf den Primärspiegel besonders einwirken.The back side of the substrate has a multiplicity of elongate, funnel-shaped protuberances which have a circular cross section ( 3 ). In this case, all protuberances are identical except for two protuberances. Two protuberances ( 6 ) are formed with a larger diameter so that retaining bolts can be introduced as a bearing within these protuberances. The bearings provided for these protuberances are intended to absorb forces acting perpendicularly to the optical axis, as they have a particular effect on near-horizon observation with a reflector telescope on the primary mirror. Three protuberances ( 2 ) are offset slightly further outwards, so that three larger flat surfaces form, which represent a storage facility ( 4 ). These bearings serve as an example for recording forces acting parallel to the optical axis, as they act in zenitnaher observation with a reflector telescope on the primary mirror in particular.

An der Stützkomponente (7) beginnen die Ausstülpungen. Dort haben die Ausstülpungen einen größeren Außendurchmesser als an ihrem Ende. Das Ende der Ausstülpungen befindet sich an der Stelle, an der die Ausstülpungen sich zur Spiegelkomponente (8) vereinen. In der bevorzugten Ausführungsform wie in der 2 dargestellt, sind die Ausstülpungen länglich, da ihr Außendurchmesser, gemessen an der dicksten Stelle, kleiner ist als die Länge der Ausstülpungen. Zwischen den Ausstülpungen befinden sich ebene Flächen (4 und 5). Ausgehend von einer mittigen Ausstülpung (1) sind sechs weitere Ausstülpungen unmittelbar um die mittige Ausstülpung hexagonal angeordnet. Die Ausstülpungen am Rand des Substrates verlaufen parallel zum Rand des Substrates und sind im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Die Ausstülpungen zwischen dem Zentrum des Substrates und dem Rand sind so angeordnet, dass sich ein Übergangsbereich von der hexagonalen Anordnung zur kreisförmigen Anordnung der Ausstülpungen am Rand des Substrates ergibt. Die Vorderseite des Substrates (nicht dargestellt) kann plan, konkav oder konvex ausgebildet und verspiegelt sein.At the support component ( 7 ) the protuberances start. There, the protuberances have a larger outer diameter than at their end. The end of the protuberances is at the point where the protuberances become the mirror component ( 8th ) unite. In the preferred embodiment as in 2 shown, the protuberances are elongated, since their outer diameter, measured at the thickest point, is smaller than the length of the protuberances. Between the protuberances are flat surfaces ( 4 and 5 ). Starting from a central protuberance ( 1 ) six further protuberances are arranged directly around the central protuberance hexagonal. The protuberances on the edge of the substrate run parallel to the edge of the substrate and are arranged at the same distance from each other. The protuberances between the center of the substrate and the edge are arranged so that a transition region from the hexagonal arrangement to the circular arrangement of the protuberances results at the edge of the substrate. The front side of the substrate (not shown) may be flat, concave or convex and mirrored.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009005400 A1 [0012, 0013]
DE 102011008953 A1 [0014]
US 20080043352 A1 [0021]
WO 2006/034775 A1 [0022]
US 2,988,959 A [0022]
EP 0649036 A1 [0024, 0026]
US 4670338 A [0025, 0026]

Claims

Monolithic substrate for a mirror or mirror support with at least one side mounted protuberances to form a lightweight structure, which is characterized in that the protuberances are elongated and that the protuberances unite at their ends to form a mirror component.

Substrate according to claim 1, characterized in that the substrate is designed as a mirror or as a mirror carrier.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the substrate comprises a material from the group of glasses or glass ceramics, ceramics, metals or light metals, in particular a soda lime glass, borosilicate glass, a quartz glass or a LAS glass ceramic.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the protuberances on one side of the substrate, preferably the back of the substrate, are arranged.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the protuberances have a round cross-section.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the length of the protuberances corresponds to five to fifteen times the height of the substrate from which the protuberances are formed.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the outer sides of the protuberances are free of fine cracks.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the protuberances are widened at their end.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the mirror component at the end of the protuberances has a height between 0.5 mm and 50 mm.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the substrate has a thickness between 5 mm and 500 mm.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the substrate has a partially closed back of greater than 50%, preferably greater than 60% and more preferably greater than 70%.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that on the back of the substrate and there between the protuberances, the surface is flat.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that in the central region of the substrate, the protuberances are arranged hexagonally and that the protuberances run parallel to the edge at the edge of the substrate

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the protuberances are arranged in places at a greater distance or that individual protuberances have a larger cross-section.

Substrate according to the preceding claims, characterized in that the substrate comprises cylindrical, circular cylindrical, elliptical, rectangular, hexagonal or octagonal designs, wherein the shape of straight cylinder is preferred.

A mirror support comprising a substrate according to any one of claims 1 to 15.