DE3502024C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen verformbaren Spiegel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie er bekannt ist aus der Be­ schreibung zur Fig. 3 in dem Beitrag von R. H. Freemann und H. R. Garcia "High-speed deformable mirror system" in Appl. Optics, Vol. 21, Nr. 4 (1982), Seiten 589-595. Danach ist hinter gegeneinander versetzten Punkten an der Rückseite ei­ ner verformbaren Spiegelplatte jeweils mittels eines Druckübertragungselementes ein linear wirkender Piezo-Aktua­ tor abgestützt, hinter dem ein mechanisches Justagesystem nicht näher erläuterter Art angeordnet ist. Dieses erfährt seine Einstellung, während der Piezo-Aktuator auf mittleren Hub angesteuert ist.

Die Arbeit von R. H. Freemann und J. E. Pearson "Deformable mirrors for all seasons and reasons" in Appl. Optics, Vol. 21, Nr. 4 (1982), Seiten 580-588 beschreibt verschiedene für verformbare Korrekturspiegel grundsätzlich einsetzbare Linear-Stellglieder, nämlich piezo-elektrisch, elektromagne­ tisch, magnetostriktiv und hydraulisch arbeitende. In der US 42 95 710 dagegen ist ein Korrekturspiegel mit elektromecha­ nischen Linear-Stellgliedern ausgestattet, bei denen die Drehbewegung eines Mikro-Schrittmotors über eine Kugelspin­ delmutter in eine Linearbewegung zur lokalen Ausbeulung der Spiegelplatte umgesetzt wird. Dieser Linearbewegung ist zur Kennzeichnung des jeweiligen der hinter der Spiegelplatte an­ greifenden Stellgliedes eine piezoelektrisch erzeugte Dither- Schwingung überlagert. Besondere Justagemittel in Serie mit dem jeweiligen Stellglied sind nicht vorgesehen, offenbar erfolgt die Ruhestellungs-Justage über die Still­ standstellung des Schrittmotors und damit die Axialstellung der Spindelmutter.

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche MDA- (Multiditheractuator-)Spiegel, insbesondere wie sie hinsicht­ lich der Verformungs-Ansteuerung der an der Spiegelflächen- Rückseite angreifenden Linear-Stellglieder zur Kompensation von Störeinflüssen auf die Ausbreitung eines Laserstrahles in der eigenen älteren Anmeldung gemäß DE-OS 34 22 232 näher beschrieben sind. Dabei besteht die Aufgabe, durch vorlie­ gende Erfindung das technische Problem zu lösen, das aus den absolut sehr geringen aber doch reproduzierbar erforderlichen Stellhüben resultiert, also eine entsprechend feinfühlig und reproduzierbar einstellbare Justagemöglichkeit für jedes ein­ zelne der dicht nebeneinander angeordneten Piezo-Stellglieder erfordert. In diesem Sinne ist auch eine mechanisch möglichst starre Einkopplung der einzelnen Stellglieder hinter der Spiegelplatte unter Vermeidung von Axial-Spiel beim Ausgleich fertigungsbedingter Längentoleranzen anzustreben. Zusätzlich ist es wünschenswert, den Einbau und die rückwärtige Abstüt­ zung der Stellglieder an der Spiegelplatten-Rückseite derart auszuführen, daß sich relativ einfache Montage-Möglichkeiten nach dem Austausch einzelner Stellglieder ergeben - wiederum mit der Forderung einer spielfreien Kompensation unterschiedlicher Längen der einzelnen ausgetauschten Stellglieder. Schließlich sollen auch nach dem Einbau der Stellglieder noch Möglichkeiten zur individuellen Einstellung ihrer axialen Vorspannungen gegeben sein, um unterschied­ liche Bereiche der Spiegelfläche je nach den strahlengeometrischen Gegebenheiten auf unterschiedliche Grund-Verformung einstellen zu können.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten und Anforderungen liegt der Er­ findung insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Spiegel derart auszubilden, daß sich einfache und reproduzierbare, spiegelfreie Grundeinstellmöglichkeiten für jedes einzelne der Stell­ glieder ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der gattungsgemäße Spiegel die Kennzeichnungsmerkmale des An­ spruches 1 aufweist.

Nach dieser Lösung ist von der Rückseite der Grundplatte her die Zug- oder Druckbeaufschlagung jedes einzelnen Verbindungs-Bereiches zwischen einem Stellglied und der Rückseite der Spiegelfläche indi­ viduell einstellbar. Bei Abnahme des Widerlagers mit den daran angeordneten Justagemitteln wird die Rückseite der Stellglieder zugänglich, so daß diese individuell in Axialrichtung demontiert werden können. Die axiale Krafteinleitung über die Justagemittel in die Rückseite des jeweiligen Stellgliedes erbringt eine spielfreie und verzugsfreie, also momentenfreie Kopplung des Stellgliedes im Verbindungsbereich zur Rückseite der Spiegelplatte, so daß die Verformung der gegen­ überliegenden Spiegelfläche in guter Näherung ausschließlich durch die unterschiedlichen Druckeinleitungen von einander benachbarten Stellgliedern gegeben ist.

Um die dünne Spiegelplatte nicht bereits bei der Montage des Wider­ lagers durch Einwirkungen von Justagemitteln unzulässig zu verformen, ist es zweckmäßig, zwischen dem einstellbaren Teil des jeweiligen Justagemittels und der Rückseite des zugeordneten Stellgliedes einen Fluidkolben anzuordnen.

Dessen Kolbenstellung ist durch die individuelle, fertigungs- und montagebedingte wirksame Länge des zugeordneten Stellgliedes gegeben. Der verbleibende Raum zwischen dem Kolben und dem rückwärtig mit dem Zylinder zusammenwirkenden Stellgliedverdränger wird mit einem vorzugsweise gut entgasten und nicht kompressiblen Fluid aufgefüllt. Dadurch stellen sich praktisch ohne Beanspruchung der Spiegelplatte die Grundstellungen der einzelnen Justagemittel spielfrei nach Maßgabe der aktuellen Stellglied-Längen ein.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert dargestellten prinzipiellen Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt, vergleichbar den Gegebenheiten nach Fig. 1 der heutigen Parallelanmeldung "Verformbarer Spiegel", P 35 02 025.3, in abgebrochener Darstellung einen verformbaren Kompensations-Spiegel im Querschnitt mit zwischen seiner Spiegelplatte und einem Widerlager gehalterten Stellgliedern.

Wie im einzelnen in der genannten Anmeldung P 34 22 232.4 vom 15.6.1984 (auf die hier zur Vermeidung von Wiederholungen vollinhaltlich Bezug genommen wird) näher beschrieben, liegt in einem Strahlengang 3 die deformierbare Spiegelfläche 8 eines MDA-Kompensationsspiegels 9. Dieser dient, durch Beeinflussung der optischen Gegebenheiten in den entsprechenden Querschnittsbereichen des Strahlenganges 3, ins­ besondere einem Ausgleich von Verzerrungen, die die Strahlengeometrie z. B. bei Durchgang durch die Atmosphäre erfährt, um die Strahlen­ energie in einem möglichst eng begrenzten Brennfleck konzentrieren zu können.

Für die Verformung der Spiegelfläche 8 (durch Vesatz einzelner ihrer Bereiche gegeneinander in Richtung der Normalen auf die Spiegel­ fläche 8) sind rückwärtig, zwischen einer Spiegelplatte 31 und einem Widerlager 19, Linear-Stellglieder 18 eingespannt. Diese erfahren je nach ihrer elektrischen Ansteuerung eine Längenänderung zur ent­ sprechenden Ausbeulung des davorliegenden Bereiches der Spiegelplatte 31 mit seiner als Spiegelfläche 8 wirkenden Vorderfläche. Vorzugsweise handelt es sich bei den Stellgliedern 18 um piezoelektrische Aktuatoren, wie sie hinsichtlich ihrer prinzipiellen Ausbildung und Wirkungsweise und hinsichtlich praktisch einsetzbarer Ausführungsformen näher beschrieben sind in der Arbeit von Fritz Schmeißer "Piezoelektrische Aktuatoren: Kräftig und schnell", Elektronik 8/84, Seiten 92 bis 96.

Für eine definierte und kleinflächige Verformung der Spiegelplatte 31 und damit der Spiegelfläche 8, durch Einbringung unterschiedlicher Druckkräfte an der Rückseite 32 der Spiegelplatte 31 (mit der Folge, daß einige der Stellglieder 18, die eine weniger starke Auslenkung hervorrufen sollen, von benachbarten Auslenkungen her über die Struktur der Spiegelplatte 31 auf Zug beansprucht werden), sind zwischen den Stirnflächen der Stellglieder 18 und der Rückseite der Spiegel­ platte 31 möglichst starre (form- oder kraftschlüssige) Verbindungen 61, vorzugsweise Verschraubungen zwischen an der Spiegelplatten-Rück­ seite 32 angeformten Zapfen 33 und Gewinden an den Stellgliedern 18, ausgebildet. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen solche Zapfen 33 und die Verbindungen 61 (wie auch für die Strukturen von Spiegelplatte 31) wird auf die oben genannte heutige Parallelanmeldung Bezug genommen. Insbesondere dann, wenn es sich bei den Stellgliedern 18 um einen hohlzylindrisch eingefaßten Stapel aus piezokeramischen Elementen handelt, wie bezüglich der erwähnten Aktuatoren in der angegebenen Literaturstelle beschrieben, weisen die einzelnen, neben­ einander hinter der Spiegelplatte 31 gehalterten, Stellglieder 18 fertigungsbedingt unterschiedlich wirksame Längen in ihrer nicht angesteuerten oder Grund-Stellung auf. Diese Längenunterschiede sind zwar absolut gesehen gering, aber verglichen mit dem Aktuator-Hüben nicht vernachlässigbar; sie müssen deshalb durch Justagemittel 38 individuell und spielfrei justiert werden können.

Dafür sind in die Serienanordnung aus einem, im rückseitigen Wider­ lager 19 gehalterten, Justagemittel 38 und dem zugeordneten Stell­ gliede 18 Fluid-Zylinder 62 eingeschaltet. Deren Kolben 63 bzw. Kolbenstangen 64 sind im oder am jeweiligen Zylinder 62 längsgeführt und in der Wirkachse 65 - beispielsweise mittels einer Schraubkupplung 66 - bewegungsstarr an die der Spiegel-Verbindung 61 gegenüberliegende Rückseite 67 des Stellgliedes 18 angeschlossen.

In den Druckraum 68 des Zylinders 62, der zwischen dem Kolben 63 und dem rückwärtigen Zylinder-Ende 69 gelegen ist, oder in einen hier sich anschließenden Ergänzungsraum 70, ragt ein am Widerlager 19 gehalterter Verdränger 71 hinein. Bei diesem handelt es sich bevorzugt, wie dargestellt, um den mittels einer Kontermutter 40 axial sicherbaren Schraubenbolzen 39 des Justagemittels 38. Der Ergänzungsraum 70 kann unmittelbar im Widerlager 19 (beispielsweise als die Gewindebohrung für den Schraubenbolzen 39) ausgebildet sein. Beim dargestellten Realisierungsbeispiel ist jedoch für die Ausbildung des Ergänzungsraumes 70 vor dem Widerlager 19 zusätzlich eine Grund­ platte 72 angeordnet, die auch der Halterung der Zylinder 62 (beispiels­ weise mittels eines Schraubsitzes 73) dient.

Die Spiegelplatte 31 ist mittels einer Dichtung 41 elastisch an den Stirnflansch 42 eines Gehäuses, beispielsweise in der Form eines Hohlzylinders 43, angeschlossen, das über einen umlaufenden Fußflansch 74 mittels Schrauben 75 - unmittelbar oder über Zwischenlage der Grundplatte 72 - mit dem Widerlager 19 möglichst starr verbunden ist. Zwischen dem Widerlager 19 und der Grundplatte 72 ist eine dünne, möglichst starre Dichtung 76 eingelegt, die mittels Schrauben 77 zwischen dem Widerlager 19 und der Grundplatte 72 eingespannt ist, um dort die Ergänzungsräume 70 der einzelnen Zylinder 62 rück­ seitig und peripher abzudichten.

Zur Montage des Kompensationsspiegels 9 wird an der Rückseite 32 der Spiegelplatte 31 die Verbindung 61 zu den Stellgliedern 18, beispielsweise durch Verschrauben, hergestellt, so daß die Stellglieder 18 zunächst von der Spiegelplatte 31 gehaltert sind. Sodann wird (beim dargestellten Realisierungsbeispiel) die Grundplatte 72 mit einge­ setzten Zylindern 62 am Hohlzylinder-Gehäuse 43 befestigt; nun können die Kupplungen 66 von den Kolben 63 über ihre Kolbenstangen 64 zu den Stellglieder-Rückseiten 67 hergestellt werden, beispielsweise durch Schraubendreher-Eingriff von der noch offenen Rückseite des jeweiligen Ergänzungsraumes 70 aus. Die nach kraftschlüssiger Fest­ legung der Kupplungen 66 sich ergebenden Stellungen der Kolben 63 sind in der Zeichnung zur Verdeutlichung übertrieben unterschiedlich angegeben.

Der Druckraum 68 jedes Zylinders 62 und der sich jeweils anschließende Ergänzungsraum 70 werden mit Fluid 78 (beispielsweise mit gut ent­ gastem Hydrauliköl) gefüllt. Sodann wird auf die Rückseite der Grund­ platte 72 die Dichtung 76 aufgelegt und das als Anpreß- oder Abdeck­ platte dienende Widerlager 19, mit den Verdrängern 71 in Form der vorstehenden Schraubenbolzen 39, aufgelegt und mittels der Schrauben 77 befestigt. Nun kann durch Axialverstellung der Verdränger 71 (sicherbar z. B. mittels Kontermuttern 40) eine Verlagerung jeder einzelnen der Verbindungen 61 in Richtung der Stellglied-Wirkachse 65 vorgenommen werden, um die gewünschte stationäre oder Grund-Form­ gebung der Spiegelfläche 8 zu erzielen. Bei einem nicht komprimier­ baren Fluid 78 wie etwa Öl ist diese Positionierung der einzelnen Verbindungen 61 sehr genau und reproduzierbar über die Eintauchtiefe der Verdränger 71 durchführbar. Bei einem praktisch gasfreien Fluid 78 besteht auch keine Gefahr, daß sich durch rückwärtiges Heraus­ bewegen des Verdrängers 71 zwischen dem Kolben 63 und dem Fluid 78 ein Gasvolumen bildet; d. h. über die Justagemittel 38 lassen sich die Kolben 63 und damit die Verbindungen 61 auf Druck und auf Zug beanspruchen, also in beiden Richtungen feinfühlig und definiert verlagern.

Um beim Aufschrauben des Widerlagers 19 auf die Grundplatte 72 in die Fluid-Räume 70-68 keine Umgebungsatmosphäre einzuführen, ist es zweckmäßig, diesen Zusammenbau im Vakuum vorzunehmen. Ein der­ artiger Aufwand erübrigt sich aber, wenn beim Aufspannen des Wider­ lagers 19 auf die Grundplatte 72 die Verdränger 71 wie erwähnt bereits in das Widerlager 19 eingesetzt sind und aus diesem in die schon mit Fluid 78 gefüllten Räume 70-68 hineinragen. Denn dann wird aus jenen bei diesem Zusammenbau etwas Fluid 78 verdrängt, bis die Dichtung 76 auf deren hermetischen rückwärtigen Abschluß eingespannt ist.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, Fluid 78 in den Kolbenstangenraum 79 zwischen dem Kolben 63 und einem Zylinderdeckel 80 einzufüllen, z. B. unter Vakuum nachdem die Grundpositionierung der Verbindungen 61, also der Verdränger 71, vorgenommen wurden. Dafür ist beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel in der Grundplatte 72 ein Kanalsystem 81 an die Kolbenstangenräume 79 und an einen Füllkanal 82 angeschlossen. Über diesen werden die Kolbenstangenräume 79 nach erfolgter Grundein­ stellung der Verdränger 71 - einschließlich der Kanäle 81-82 - mit Fluid 78 aufgefüllt, wonach der Füllkanal 82 mit einem Verschluß 83 versehen wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Stütz­ kraft eines auf Zug beanspruchten Stellgliedes 18 (weil seine be­ nachbarten Stellglieder 18 auf Druck angesteuert sind) nicht allein vom Fluid 78 in den Räumen 68-70 aufgenommen werden muß; vielmehr dient nun die Druckbeaufschlagung des Fluid 78 im entsprechenden Kolbenstangenraum 79 zusätzlich der Aufnahme von Zugkräften, die über die Verbindung 61 von der Spiegelplatte 31 auf das hier ange­ schlossene Stellglied 18 eingeführt werden.

Claims (8)

1. Verformbarer Spiegel (9), insbesondere für die Kompensa­ tion von Störeinflüssen auf die Ausbreitung von Strahlen mit einer Anzahl von hinter seiner Spiegelfläche (8) an­ greifenden, elektrisch ansteuerbaren Linear-Stellglie­ dern (18), die mit mechanischen Justagemitteln (38) in Serie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Justagemittel (38) in einem Widerlager (19) ge­ halterte Verdränger (71) aufweisen, die in mit Fluid (78) gefüllte Räume (70, 68) eintauchen, in denen Kolben (63) geführt sind, die mit den Stellgliedern (18) in Se­ rie angeordnet sind.

2. Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Justagemittel (38) Schraubbolzen (39) axial ver­ stellbar im Widerlager (19) gehaltert sind, die mit ih­ ren Enden, als den Verdrängern (71) direkt in die Fluid- Räume (70, 68) eintauchen.

3. Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fluid-Räume (70, 68) in einer Grundplatte (72) ausgebildet sind, mit der das Widerlager (19) verbindbar ist.

4. Spiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Widerlager (19) und der Grundplatte (72) eine Dichtung (76) für die Fluid-Räume (70, 68) eingespannt ist.

5. Spiegel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundplatte (72) als Halterung für Fluid-Zylin­ der (62) ausgebildet ist.

6. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß auch der Raum (79) vor einem Kolben (63) mit Fluid (78) gefüllt ist.

7. Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Raum (79) vor dem Kolben (63) an ein mit Fluid (78) gefülltes Kanalsystem (81) angeschlossen ist.

8. Spiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kanalsystem (81) mittels eines Verschlusses (83) hermetisch absperrbar ist.