DE3740515A1 - Justiereinrichtung fuer deformierbaren spiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Justiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Justiereinrichtung ist aus der US-PS 46 79 915 in der Form von, an einer Basisplatte getragenen, Kontermutter-Stell­ schrauben für die axiale Einstellung von Deformations-Stellgliedern hinter der Spiegelplatte bekannt. Nachteilig an dieser Justierein­ richtung ist der große erforderliche manuelle Aufwand und die geringe erzielbare reproduzierbare Einstellgenauigkeit einer definiert vorge­ gebenen Oberflächentopographie; denn selbst eine einmal völlig plan abgezogene Oberfläche verwirft sich aufgrund der im Material der Spiegelplatte umweltbedingt und betriebsbedingt auftretenden Wärme­ spannungen und aufgrund der nicht beliebig alterungs-standfesten Materialien (wie Silizium- oder Kupferscheiben) für die Realisierung derartiger Spiegel. Ein in kurzen Abständen erfolgendes Nachpolieren der Spiegelfläche kommt in der Praxis wegen der dafür notwendigen Betriebsunterbrechungen und wegen des großen apparativen Aufwandes an Hilfseinrichtungen nicht in Betracht.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Justiereinrichtung zu schaffen, die es erlaubt, einen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich deformier­ baren Spiegel mit hoher Genauigkeit und Konstanz einer Topographie seiner Oberfläche im Langzeitbetrieb einzusetzen, also ohne daß sich eine einmal eingestellte Topographie durch Materialspannungen in der dünnen Spiegelplatte (insbesondere aufgrund thermischer Einflüsse bei der Bestrahlung mit Hochenergie-Lasern) schon nach kurzer Betriebs­ zeit unzulässig verändert hat.

Diese Aufgsbe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Justiereinrichtung gemäß dem Kennzeichnungs­ teil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung werden grundsätzlich gleichartige Stellglieder einerseits für die Deformationssteuerung der Spiegel-Oberfläche und andererseits für eine Feineinstellung der nicht auf Deformation angesteuerten Oberflächenbereiche eingesetzt. Die Verwendung von Piezokeramik- Aktuatoren als solchen Justage-Stellgliedern erlaubt über relativ einfache elektrische Ansteuerung eine hochpräzise, im Sub-Mikronbereich liegende Axialverstellung des jeweiligen, gegen die Spiegelrückseite abgestützten Deformations-Stellgliedes und damit der Positionierung des zugeordneten Spiegelplattenpunktes bei nicht-angesteuertem Deformier-Stellglied. Die gewünschte Topographie kann einmal, extern gesteuert, eingestellt werden, mit Abspeicherung der Positionswerte der einzelnen Spiegelplatten-Punkte (relativ zur Basisplatte); woraufhin dann bei gerade nicht angesteuerten Deformations-Stellgliedern (also z.B. bei nur kurzen Unterbrechungen des laufenden Betriebes) diese Positionen erneut ausgemessen und mit den zugeordnet abgespeicherten Abstandswerten verglichen werden, um erforderlichenfalls die Planitäts-Feinjustage über die Justier-Stell­ glieder nachzubessern.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die dynamischen Anforderungen an die Justier-Stellglieder, wegen der nur periodisch nachzujustierenden Positionierung der (nicht angesteuerten) Deformier-Stellglieder, sehr gering sind. Deshalb kann ein piezokeramisches Justierstellglied mit sehr steifem Keramik-Material zwischen der Basisplatte und dem zugeordneten Deformier-Stellglied eingesetzt werden, so daß praktisch keine Beeinträchtigung der Dynamik des Deformier-Stellgliedes auftritt, weil dieses gegen eine quasi steife Basis abgestützt bleibt.

Die erforderliche höhere Spannung zur Ansteuerung des steiferen Justier-Stellgliedes stellt ebenfalls wegen der geringen dynamischen Anforderungen schaltungstechnisch kein Problem dar. Die Einstellung und Korrektur der Oberflächen-Topographie läßt sich dagegen nicht mit der bekannten Anordnung von in Serie zu den Informations-Stell­ gliedern liegenden Modulations-Stellgliedern realisieren. Denn diese müssen auf Realisierbarkeit hochfrequenter Längenänderungen ausgelegt sein, um die einzelnen Deformationszonen der Spiegeloberfläche durch ihre minimalen, der Positions-Stellgröße überlagerten Schwingungen zu individualisieren.

Berührungslose Sensoren können sowohl zur Ermittlung der Istlage des Spiegels, bezogen auf seine Basisplatte, wie auch zur Gewinnung anderer die Oberflächentopographie beeinflussender physikalischer Größen eingesetzt werden, wie beispielsweise der lokalen Temperatur, um diese weiteren Einflußgrößen bei der Rückführung der Spiegelober­ fläche in ihre Soll-Formgebung im Interesse einer guten Regelgüte gleich als Umwelteinflüsse mit berücksichtigen zu können.

So wird die angestrebte Langzeit-Oberflächenqualität, insbesondere eine stabile Planität, des deformieren Spiegels ausschließlich durch die mechanische Stabilität des konstruktiven Spiegelaufbaues und durch die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Positionssensors bestimmt. Mit handelsüblichen Komponenten ist eine Langzeit-Oberflächenplanität von besser als 100 nm bezogen auf die Sollstellungs-Referenzmeßpunkte ohne weiteres erreichbar.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabs­ gerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungs­ gemäßen Lösung. Es zeigt:

Fig. 1 in abgebrochener Querschnitts-Darstellung einen deformierbaren Spiegel mit Justiereinrichtung und

Fig. 2 im einpoligen Blockschaltbild die elektrische Steuerung der Justiereinrichtung.

Die in der Zeichnung dargestellte Justiereinrichtung 11 für die optisch wirksame Oberfläche 12 eines quasi-kontinuierlich deformierbaren Spiegels 13 mit hinter dessen Oberfläche 12 angreifenden Deformations- Stellgliedern 14 weist eine Anzahl von Justier-Stellgliedern 15 auf, die jeweils mit dem zugeordneten Deformations-Stellglied 14 mechanisch in Serie angeordnet sind. Bei den Stellgliedern 14 handelt es sich vorzugsweise um piezoelektrische Aktuatoren in Form von Säulen aus kurzen Piezokeramik-Hohlzylindern, die über ein kraft­ schlüssig mit einem Säulen-Stirnende verbundenes geometrisches Anpaß­ glied 16 an die Rückseite 17 des dünn-plattenförmigen Spiegels 13 angeschlossen sind, beispielsweise über daran befestigte oder ange­ formte Kraftüberleitungs-Zapfen 18. Da die wirksame axiale Länge der einzelnen Deformations-Stellglieder 14 im Wege elektrischer Ansteuerung über Deformations-Steuerleitungen 19 individuell einstell­ bar ist, ist ein lokal unterschiedlicher Verlauf der Oberfläche 12 (also eine örtlich unterschiedliche Wölbungs-Verteilung) vorgebbar, um nebeneinanderliegende Teile des Strahlenquerschnittes eines ein­ fallenden Strahles 20 mit unterschiedlicher gegenseitiger Phasenlage als reflektierten Strahl 21 weiterzuleiten und dadurch Ausbreitungs­ störungen möglichst weitgehend zu kompensieren, die durch Ausbreitungs- Inhomogenitäten über dem Strahlenquerschnitt im Ausbreitungsmedium auftreten; wie in der GB-OS 21 62 713 näher beschrieben.

Für eine definierte Kompensation gegebener Ausbreitungsstörungen ist eine angepaßte Ansteuerung über die Deformations-Steuerleitungen 19 erforderlich, die sich auf den Idealzustand unverzerrter Aus­ breitungsgegebenheiten und damit einer ideal-ebenen Spiegel-Oberfläche 12 bezieht. Im nicht-angesteuerten Zustand der Deformations-Stell­ glieder 14, also wenn ihre jeweilige Steuerleitung 19 kein Deformationssignal 33 an die Stellglieder 14 liefert, soll deshalb die Spiegel-Oberfläche 12 einer zur optischen Spiegelachse möglichst symmetrische Oberflächenkontur, z.B. eine vorgegebene sphärische oder ebene Topographie aufweisen; obgleich wegen nicht- idealer mechanischer Langzeitstabilität der Materialien des Spiegels 13 und wegen der thermischen Beanspruchungen beim Reflektieren hoch­ energetischer Laser-Strahlen 20 störende Oberflächenverformungen in der Größenordnung der Strahlen-Wellenlänge insbesondere beim Langzeitbetrieb nicht zu vermeiden sind.

Um langwierige Betriebsunterbrechungen und den Aufwand für mechanisches Überpolieren der Spiegel-Oberfläche 12 ebenso zu vermeiden wie die Unzulänglichkeiten, die bei der manuellen Bedienung von schrauben­ förmigen oder kolbenförmigen Justier-Stellgliedern auftreten, ist nun als Justier-Stellglied 15 ebenfalls jeweils ein piezoelektrischer Aktuator vorgesehen, der vorzugsweise zwischen der dem Spiegel 13 abgewandten Rückseite des jeweils zugeordneten Deformations-Stell­ gliedes 14, koaxial mit diesem und einem Koppelglied 23, und einer rückwärtigen massereichen Basisplatte 24 angeordnet ist. Deren Piezo­ keramik ist möglichst hart im Verhältnis zu derjenigen des Defor­ mations-Stellgliedes 14, um für letzteres ein möglichst starres Auflager in der jeweiligen Momentan-Positionierung für die Kalibrierung der Spiegel-Oberfläche 12 zu erbringen.

Die Justier-Stellglieder 15 werden also vor Betriebsbeginn, und gegebenenfalls auch periodisch während kurzzeitiger Unterbrechungen der Ansteuerung der Deformations-Stellglieder 14, über Justier- Steuerleitungen 25 auf eine derartige Längeneinstellung gesteuert, daß sich die, ohne Deformations-Ansteuerung, z.B. völlig eben ge­ forderte Oberfläche 12 ergibt. In dieser Stellung des Spiegels 13 wird der Abstand der Spiegel-Rückseite 17, beispielsweise des Endes des jeweiligen Zapfens 18, zur Basisplatte 24 mittels eines auf dieser - vorzugsweise im Stellglied-Innenraum 26 - angeordneten Abstands- Sensors 27 gemessen und über eine Meßleitung 28 sowie einen Multi­ plexer 29 (Fig. 2), gegebenenfalls mit Analog-Digital-Wandler, in einen Referenzwert-Speicher 30 einer Kompensations-Steuerschaltung 22 übertragen. Als Referenzwerte dienen also die Abstandswerte 31 bei z.B. völlig eben ausgerichteter Spiegeloberfläche 12; ein Zustand, der sich durch sukzessive manuelle oder programmgesteuerte Einstellung der einzelnen Justage-Stellglieder 15 mittels einer Kalibrierein­ richtung 40 erreichen läßt und dessen Eintritt durch ein für diesen Kalibriervorgang über der Spiegeloberfläche 12 angeordnetes optisches Interferenz-Planitätsmeßgerät feststellbar ist.

Wenn diese Grundjustage erfolgt ist, die entsprechenden Abstandswerte 31 also abgespeichert sind, wird ein Betriebsarten-Umschalter 32 betätigt, um die abgespeicherten Referenzwerte nicht durch die im Deformationsbetrieb danach auftretenden Abstandswerte 31 zu über­ schreiben. Immer dann, wenn keine Deformations-Steuersignale 33 anstehen (was betriebsgegeben eintreten kann, oder mittels einer übergeordneten Unterbrechungs-Steuerung periodisch hervorgerufen werden kann) liefert eine Abfrageschaltung 34 ein Freigabesignal 35 an einen Vergleicher 36 für die einzelnen Justage-Sollwerte 37 und die aktuellen Abstandswerte 31. Das Vergleichsergebnis ist eine Regelgröße 38, die nun - anstelle der Kalibrierinformation 39 von der Kalibriereinrichtung 40 zu Betriebsbeginn - über einen Demulti­ plexer 41 und Treiber 42 zur neuen Planitäts-Grundeinstellung an die zugeordneten Justage-Stellglieder 15 übertragen wird.

So wird unabhängig von den zurückliegenden Verformungs-Einflüssen die ebene Grundstellung der Spiegeloberfläche 12 durch elektrische Justieransteuerung der steifen Stellglieder 15 nach Maßgabe der ursprünglich abgespeicherten Referenzwerte für die einzelnen Abstands­ werte 31 wieder hergestellt. Lediglich von Zeit zu Zeit, nach größeren Betriebsunterbrechungen oder langen Betriebszeitspannen, ist es erforderlich, über den Betriebsarten-Umschalter 32 und die externe Kalibriereinrichtung 40 etwaige bleibende Verformungen des Spiegels 13 durch Abspeichern eines neuen Satzes von Referenz-Abstandswerten 31 wieder auszugleichen.

Im Interesse einer hohen Regelgüte bezüglich der Arbeitsweise des Vergleichers 36 kann es zweckmäßig sein, zusätzlich zu den Abstands- Sensoren 27 Temperatur-Sensoren 43 vorzusehen, um Temperaturinfor­ mationen 44 als Umwelt-Störgrößen sowohl bei der Erfassung der abzu­ speichernden Abstands-Sollwerte 37 wie auch dann im Betrieb bei der Gewinnung der Regelgrößen 38 berücksichtigen zu können. Dadurch wird die am jeweiligen Meßorte temperaturabhängig auftretende momen­ tane Verformung in der vom Regler-Vergleicher 36 gelieferten Regel­ größen 38 gleich mit brücksichtigt, der momentan-temperaturabhängige Anteil der Veränderung des Abstandswertes 31 also temperatur-abhängig nachgeführt. Dabei läßt diese thermische Justiergröße 38 sich auch während des laufenden Betriebes gewinnen, um kontinuierlich einen temperaturabhängigen Deformationsausgleich zu bewirken.

Für die Abstands-Sensoren 27 eignen sich optronische Glasfasersensoren, etwa der Typ MTI 1000 der Firma Mechanical Technology Inc. (USA); und für die Sensoren 43 zur Gewinnung der örtlichen Temperaturinfor­ mationen 44 faseroptische Temperaturmeßsysteme, wie sie handelsüblich sind etwa unter der Bezeichnung Abtastsystem 1110 mit Thermosensoren FTPl der Firma ASEA, Schweden.

Claims (7)

1. Justiereinrichtung (11) für die optisch wirksame Oberfläche (12) eines wenigstens quasi-kontinuierlich deformierbaren Spiegels (13) mit hinter seiner Oberfläche (12) angreifenden Deformations- Stellgliedern (14), die jeweils mechanisch in Serie liegen mit zugeordneten Justier-Stellgliedern (15), dadurch gekennzeichnet, daß jedem Justier-Stellglied (15) ein Justier-Sensor (27) zuge­ ordnet ist, der die Soll-Position am Angriffsort des momentan nicht angesteuerten Deformations-Stellgliedes (14) in einen Speicher (30) übergibt, und daß ein Vergleicher (36) für diese abgespeicherten Referenzwerte (37) und die momentanen Positions­ werte (31) bei nicht angesteuerten Deformations-Stellgliedern (14) vorgesehen ist, der Regelgrößen an die elektrisch ansteuer­ baren Justier-Stellglieder (15) zum Ausgleich dieser Abweichung übergibt.

2. Justiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Justier-Stellglied ein Abstands-Sensor (27) für die Höhen-Positionierung des Spiegels (13) in Bezug auf eine gemeinsame Basisplatte (24) zugeordnet ist.

3. Justiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Justier-Stellglied (15) ein Temperatur-Sensor (43) zum Liefern einer Temperatur-Information (44) zugeordnet ist, die auch unabhängig vom momentanen Betriebszustand des Spiegels (13) eine Justiergröße (38) für die Spiegeljustage liefert.

4. Justiereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Sensor (27; 43) im Innern der Stellglieder (14-15) angeordnet und auf die Spiegel-Rückseite (17) gerichtet ist.

5. Justiereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Justier-Stellglied (15) ein piezokeramischer Aktuator mit Keramik hoher Steifigkeit ist.

6. Justiereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Betriebsarten-Umschalter (32) für einerseits Aufnehmen von Abstands-Referenzwerten als abzuspeichernden Justier- Sollwerten (37), gemäß sukzessiver Messung der Abstandswerte (31) bei nicht angesteuerten Deformations-Stellgliedern (14), und andererseits Lieferung veränderter Abstandswerte (31) an den Vergleicher (36) vorgesehen ist.

7. Justiereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Gewinnung von Justier-Regelgrößen (38) bei momentan abgeschalteten Deformier-Steuersignalen (33) vorge­ sehen ist.