DE2631551A1

DE2631551A1 - Spiegel mit veraenderbarer brennweite

Info

Publication number: DE2631551A1
Application number: DE19762631551
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Ing Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1976-07-14
Publication date: 1978-02-02
Also published as: DE2631551B2; DE2631551C3

Description

Spiegel mit veränderbarer Brennweite
Es wird die Konstruktion eines Polienspiegels" vorgeschlagen, dessen Oberfläche durch Unterdruck und/oder elektrostatische Kräfte definiert verformt werden kann. Derartige Spiegel bieten wegen ihres geringen Gewichtes in der extraterrestrischen Astronomie wesentliche Vorteile. Außerdem ist es u.a. möglich, atmosphärische Störungen durch gezielte änderung der Phasenfläche der reflektierten Lichtwelle zu korrigieren.
Aus Laser Focus Dec. 1974, S. 44, ist ein Korrekturspiegel bekannt, der piezoelektrische Kräfte ausnutzt, um einen auf den Piezokristall aufgebrachten dünnen gläsernen Spiegelträger zu deformieren. Bei diesem Verfahren wird zusätzlich zu dem Korrekturspiegel noch der übliche astronomische Spiegel benötigt.
Dieser hat bei großem Durchmesser ein erhebliches Gewicht und ist sehr schwierig herstellbar.
In der vorliegenden Erfindung, die in den Patentansprüchen beschrieben ist, wird eine Anordnung vorgeschlagen, die gegenüber den bekannten Spiegeln einen geringeren Aufwand erfordert und ein wesentlich geringeres Gewicht besitzt. Insbesondere bei Anwendung in der extraterrestrischen Astronomie würde sich für große Durchmesser dadurch ein entscheidender Vorteil bieten.
Die Anwendung ist nicht nur auf astrophysikalische Probleme beschränkt, wenngleich sie hier auch recht spektakulär ist.
Anschließend in loser Aufzählung eine Reihe von weiteren Anwendungen bzw. Anwendungsgebieten: a) die gesamte Mikrowellentechnik sowohl in der Forschung wie auch im commersiellen Bereich für Radar etc.
b) Beleuchtungstechnik c) kohärente Optik: Restaurieren von gestörten Phasenflächen (gestört durch opt. Bauelemente oder Schlieren) d) fotographische Optik: Zoom - Objektive e) Anwendung als Sonnenkollektor.
Die Abbildung 1 zeigt eine Skizze der Anordnung. Die Grundidee dabei ist, eine bedampfte oder chemisch metallisierte Folie als Spiegel zu verwenden. Die Folie wird auf einen speziell geformten Rundflansch mit Hilfe eines Halteringes aufgespannt. Eine radiale Spannkraft kann dann durch einen Spannring eingestellt werden. Ein zusätzlicher Andruckring sorgt dafür, daß eventuell beim Spannen auftretende Fältelungen sich nicht oder nur in sehr geringem Maße in die freie Öffnung ausbreiten können. Erzeugt man nun in der Kammer unter der Folie einen leichten Unterdruck, so wölbt sich die Folie in 1. Näherung zu einer Kugelfläehe. Für eine gleichmäßige "Schüttlastt ergibt sich in 1. Näherung ein Rotationsparaboloid, höhere Näherungen sind von Naterialgesetz abhängig. Die Abweichungen von der gewünschten Flächenform werden zusammen mit Fehlern, die durch großflächige Dickenschwankungen der Folie bedingt sind, durch das nachstehend beschriebene Verfahren und die Vorrichtung korrigiert. Die Folie muß allerdings eine genügend kleine "Mikrorauhigkeit" besitzen. Interferometrische Voruntersuchungen zeigten, daß neben Glas- und Metall- auch bestimmte Kunststoff-Folien (z.B. Acetatfiien) eine genügend gute Oberflächenstruktur aufweisen.
In Abbildung 2 ist das Verfahren zur Oberflächenkorrektur des Folienspiegels schematisch angedeutet. Unter der verspiegelten Folie befindet sich in geringem Abstand die sog. Korrekturplatte, sie besteht aus einem Isoliermaterial und ist folienseitig passend vorgeformt und in einem Raster mit flächenhaften Elektroden überzogen. Anzahl und Flächengröße der Elektroden hängen vom gewünschten huflösungsgrad der Korrektur und dem noch zu vertretenden elektronischen Aufwand ab.
Die-Elektroden sind einzeln kontaktiert, Jede Elektrode bildet also mit dem korrespondierenden Teil der metallisch verspiegelten Folie einen kleinen Eondensator-. Legt man nun die Spiegelsohicht auf Erdpotential und an die Elektroden eine Spannung, so kann man mit den auftretenden elektrostatischen Kräften die Spiegeloberfläche "punktuell" korrigieren.
Die Größe dieser Regelspannung leitet man aus geeigneten optischen Testverfahren ab und kann so die Oberfläche des Spiegels gezielt verändern, d.h. die Phase der reflektierten Lichtwelle korrigieren. Um Regelschwingungen und Störungen durch akustische oder mechanische Einflüsse der gespannten Folie zu dämpfen, befindet sich zwischen Korrekturplatte und Folie eine dünne Ölschicht, die mit einem Reservoir in der Unterdruckkammer in Verbindung steht. Durch die Viskosität und den auftretenden Strömungswiderstand wird eine ausreichende Dämpfung des Systems erzielt. Die oben erwähnte Spiegelverformung durch Unterdruck kann auch durch elektrostatische Kräfte ersetzt werden. Dazu wird die Gesamtheit der Elektrodenelemente auf eine genügend hohe Spannung gebracht. Zu dieser Vorspannung werden dann die Regelspannungen der einzelnen Elemente addiert. Eine Abschätzung ergab für einen kleinen Spiegel mit 0,2 m pl und einer Brennweite von 1 m für die nötige elektrische Vorspannung die Größenordnung 1 kV. Die Größenordnung der Korrekturspannung beim Übergang von einem Eugel- zu einem Parabolspiegel lag in diesem Fall in der Größenordnung von 1 V.
Dasvorgeschlagene Verfahren wäre für zahlreiche Anwendungen einsetzbar, z.B. ließen sich mit passenden Referenzbeleuch-*=(auf Seite 4) tungsstrahlengängen und Korrekturverfahren aus zwei Folienspiegeln auch Schmidtteleskope aufbauen.
Eine weitere Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Spiegel herzustellen, besteht darin, einen Aluminiumblock von z.B.
1 m Durchmesser im Innern auf eine Dicke von z03. 1 cm auszufräsen und die Oberfläche so zu schleifen, daß sie spiegelt. Durch Anwendung von Unterdruck läßt sich dann die Aluminiumschicht in gewünschter Weise verformen.
*= Solche Testverfahren sind z.3. das Foucaultgsche Schneidenverfahren, R.G. Wilson, 1975, Appl. Optics 14, 2390, der dynamische Hartmanntest L.J. Golden, 1975, Appl. Optics 14, 2390, oder bestimmte Schärfe-Funktionen, wie von R. Muller und A.
Buffington, 1974, J. Opt. Soc. Am. 64, 1200 berichtet wird.
Diese Autoren arbeiten offenbar auch an einem optischen System, auf das sie ihr in einer Computersimulation erfolgreich erprobtes Testverfahren anwenden können.
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Claims

Patentansprüche Spiegel mit veränderbarer Brennweite, dadurch gekennzeichnet, daß eine biegsame Schicht mit spiegelnder oder verspiegelter Oberfläche durch Unterdruck und/oder durch elektrostatischen Kräfte verformt wird.
2. Spiegel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t daß die Schicht aus einer Folie besteht.
3. Spiegel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Bolie auf einem Träger einzelne Elektroden zur Erzeugung der elektrostatischen Kräfte aufgebracht -sind.
4. Spiegel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelnetzwerk zur Ansteuerung der Elektroden vorgesehen ist.
5. Spiegel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erzeugung des Unterdruckes Ö1 oder Luft verwendet wird.
6. Spiegel nach Anspruch 1 bis 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t daß Einrichtungen zur Einspannung der Folie vorgesehen sind.
7. Spiegel nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie unter einer Vorspalinung eingespannt ist.
8. Spiegel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Regelung der Vorspannung vorgesehen sind.