DE3808150A1 - Moduliereinrichtung fuer eine verformbare spiegelplatte - Google Patents

Description

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

Eine derartige Einrichtung ist aus der GB-OS 21 62 713 bzw. aus der US-PS 46 79 915 für einen lokal verformbaren Spiegel zur Kompen­ sation von Laser-Ausbreitungsstörungen bekannt, mit elektrischer bzw. mechanischer Mischung der Informationen für die Verformung einer bestimmten Deformationszone und für die Frequenz-Kennung dieser Deformationszone auf der Spiegeloberfläche.

Während die Funktionstüchtigkeit derartiger Einrichtungen nachge­ wiesen ist, weisen sie doch den Nachteil auf, daß die Verformungs­ dynamik des Kompensationsspiegels durch die elektrische bzw. mechanische Überlagerung der hochfrequenten Kennungs-Modulation eingeschränkt wird. Für höhere Anforderungen ist deshalb eine optische Überlagerung der Modulationsverformung und der Kompensationsverformung in der jeweiligen Strahlen-Querschnittszone vorzuziehen; also eine optische Hintereinanderschaltung eines Kompensationsspiegels und eines gesonderten Modulationsspiegels. Eine solche Gruppierung würde auch eine höhere Bandbreite der Modulationsfrequenzen, also eine feinere Deformations­ zonenunterteilung der Kompensationsspiegelfläche bzw. eine deutlichere Frequenzunterscheidung der einzelnen Deformationszonen zulassen, wenn dieser Modulationsbandbreite nicht durch unvermeidliche Resonanz­ erscheinungen im mechanischen Schwingungssystem aus Spiegelplatte, Modulationsstellgliedern und Montagerahmen des Modulationsspiegels recht enge Grenzen gesetzt wären.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Moduliereinrichtung gattungsgemäßer Art dahingehend weiterzubilden, daß sich eine feiner abgestufte oder breitere Strahl­ zonenkennung durch ein breiteres Frequenzband für die Modulations- Schwingungsanregung der Spiegelplatte realisieren läßt.

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

Nach dieser Lösung ist eine Schwingungsentkopplung zwischen den einzelnen Modulations-Stellgliedern und dem Montagerahmen des Modulator­ spiegels erreicht, wodurch etwaige mechanische Resonanzerscheinungen zu wesentlich höheren Frequenzen, als bisher auftretend, verlagert sind und sich demzufolge ein breiteres Frequenzband für die Strahl­ zonen-Modulationskennung einsetzen läßt.

Eine wesentliche Verbesserung des resonanzarmen Schwingungsverhaltens des Modulatorspiegels läßt sich noch erreichen, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung jeder Defor­ mationszone zwei elektrisch und mechanisch aufeinander abgeglichene, für einander entgegengesetzte Schwingungen angesteuerte Modulations- Stellglieder mechanisch in Serie geschaltet werden, so daß der Masssen­ schwerpunkt dieses Stellgliedsystems in Ruhe bleibt und resonanzer­ zeugende Einkopplungen in den Montagerahmen des Modulatorspiegels weitestgehend ausgeschlossen sind.

Da dadurch dann keine Basisplatte der Spiegelplatte gegenüber mit dem Montagerahmen des Modulatorspiegels verbunden ist, sondern dort ebenfalls eine im Rhythmus der Spiegelplatte schwingende Gegenplatte angeordnet ist, eröffnet das den apparativ ganz wesentlichen weiteren Vorteil, zum Sensieren der Momentanposition der einzelnen Zonen nicht im Bereiche des zu modulierenden Strahles auf der Seite der Spiegeloberfläche eingreifen zu müssen, sondern elektrische Positions­ signale aus den rückwärtigen Ausgleichs-Modulationsstellgliedern abgreifen bzw. eine optronische Oberflächenabtastung hinter der rückwärtigen Gegenplatte durchführen zu können.

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 skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in perspektivischer Ansicht bei aufgeschnittener Darstellung einen Modulatorspiegel unter block­ schaltmäßiger Berücksichtigung seines Betriebes.

Die in der Zeichnung skizzierte Moduliereinrichtung 11 für die optisch wirksame Oberfläche 12 einer wenigstens quasi-kontinuierlich verform­ baren Spiegelplatte 13 mit hinter ihrer Oberfläche 12 angreifenden Modulations-Stellgliedern 14 dient der Schwingungsanregung der Spiegel­ fläche 12 mit lokal im Wege der Frequenzdiskrimination voneinander unterscheidbaren Modulationssignalen 15. Dadurch ist jede einem Stellglied 14 zugeordnete Zone 16 der Spiegelfläche 12 und dement­ sprechend auch der hier reflektierte Teilstrahl 17 eines Strahlen­ bündels 18 durch die entsprechende Frequenzkomponente des zugeordneten Modulationssignales 15 individualisiert.

Das ermöglicht, über eine Empfangseinrichtung 19 ein Steuergerät 20 für geometrisch zugeordnete Zonen eines elektromechanisch ansteuer­ baren Kompensationsspiegels 21 im Strahlengang beispielsweise einer Hochenergie-Laserquelle 23, dessen Strahlenbündel 18 auch vom Modulator­ spiegel 22 reflektiert wird, so zu betreiben, daß auf dem Ausbreitungs­ wege auftretende Verzerrungen durch lokale Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Teilstrahlen 17 möglichst kompensiert werden (wie in den eingangs genannten Vorveröffentlichungen näher beschrieben).

Um möglichst viele Verformungszonen 16 frequenzmäßig individualisieren zu können, muß der Modulationsfrequenzgenerator 24 möglichst viele individuelle Frequenzen, also möglichst hohe Frequenzen als Modulations­ signale 15 an die einzelnen Modulationsstellglieder 14 liefern. Die Betriebsbandbreite eines solchen Modulatorspiegels 22 ist aber aus mechanischen und dynamischen Gründen eingeschränkt; etwa aufgrund von Resonanzerscheinungen in der Kopplung des jeweiligen Piezo-Stell­ gliedes 14 zwischen einerseits Spiegelplatte 13 und andererseits einer als Widerlager dienenden Gegenplatte (25).

Solche die Betriebsbandbreite einschränkenden Resonanzerscheinungen lassen sich reduzieren, wenn die einzelnen Linear-Stellglieder 14 in der Querschnittsebene ihres jeweiligen Massenschwerpunktes aufge­ hängt, beispielsweise in Haltescheiben 26 angeordnet sind. Jedes Stellglied 14 dehnt sich dann symmetrisch zum in Ruhe verbleibenden Schwerpunkt aus.

Eine wesentlich bessere Entkopplung und damit breitbandigere Betriebs­ möglichkeit eines solchen Modulatorspiegels 22 ergibt sich noch, wenn, wie in der Zeichnung berücksichtigt, hinter jeder Verformungs­ zone 16 zwei hinsichtlich ihrer elektrischen Ansteuerungsdaten und ihres Schwingungsverhaltens übereinstimmende Stellglieder 14, 14′ mechanisch in Serie zwischen einerseits Spiegelplatte 13 und anderer­ seits Widerlager-Gegenmasse in Form der Gegenplatte 25 angeordnet sind, die aus dem Modulationsfrequenzgenerator 24 jeweils mit gleicher Modulationsfrequenz als ihren Modulationssignalen 15, also für in Bezug aufeinander mechanisch gegenläufige Schwingungen, angesteuert werden. Dadurch sind Schwingungskopplungen über den Montagerahmen 27 für die Halterung der Spiegelplatte 13 und der Gegenplatte 25 aufgrund feinerer Abstimmmöglichkeiten noch sicherer vermeidbar, störende Resonanzerscheinungen also weiter unterdrückbar.

Vorzugsweise ist in die Mitte der Serienanordnung der beiden Stell­ glieder 14, 14′ ein Koppelkörper 28 relativ großer Masse eingebracht, der für jedes der Stellglieder 14, 14′ als Basismasse dient. Wenn für den Koppelkörper 28 ein Material mit hoher Schallgeschwindigkeit, also ein Material hohen Elastizitätsmoduls gewählt wird, ist dadurch eine Reaktionskraftübertragung nur in axialer Richtung der linearen Anordnung des jeweiligen Paares der Stellglieder 14, 14′ sicherstell­ bar, also bei der mechanischen Beanspruchung des Koppelkörpers 28 jegliche Querkontraktion vermieden, die andernfalls ebenfalls zu störenden Resonanzerscheinungen über die Stellglied-Haltescheiben 26 und den Montagerahmen 27 führen könnte. Vorzugsweise dient als Material für den Koppelkörper 28 deshalb Saphir; aber auch Koppel­ körper 28 aus Keramikmaterialien wie etwa aus Aluminiumoxyd sind erfolgreich einsetzbar. ln jedem Falle ergibt der Aufbau derartiger gegensinnig arbeitender Stellglieder 14, 14′ beiderseits eines solchen Koppelkörpers 28 eine Erhöhung der Betriebsbandbreite, gegenüber einem vergleichbaren Modulatorspiegel 22 ohne diese Kalibriermaß­ nahmen, bei geringem konstruktiven Zusatzaufwand etwa um den Faktor zehn.

Etwaige Kalibrier-Restfehler in der Anordnung der jeweiligen Paare von einander zugeordneten Stellgliedern 14, 14′, wie sie aufgrund produktionstechnisch bedingter Typenstreuungen (als Material-Inhomo­ genitäten und anderen Massendefekte) auftreten können, lassen sich leicht sowohl mit mechanischen wie mit elektrischen Maßnahmen aus­ gleichen; etwa durch Aufbringen von Zusatz-Schwingungsmassen oder von Dämpfungsmanschetten (z.B. Schrumpfschlauchmaterial) und/oder durch entsprechende Einstellung der Frequenz bzw. der Amplitude der Modulationsschwingungsanregung derart, daß der resultierende Schwerpunkt der Anordnung der Stellglieder 14-14′ mit dazwischen geschaltetem Koppelkörper 28 im schwingungsfreien Mittelpunkt dieser Anordnung liegt.

In der Zeichnung ist nicht näher dargestellt, daß, bei Lage des Schwingungs-Nullpunktes in einem Koppelkörper 28 zwischen zwei gegen­ sinnig arbeitenden Stellgliedern 14, 14′, letztere vorzugsweise in Gleit- oder Kugellagern in ihren Haltescheiben 26 gehaltert sind, so daß diese Scheiben 26 nur die praktisch schwingungsfreie radiale Halterungsfunktion ausüben, während sie in der axialen Betriebs­ richtung möglichst keine die Modulationsschwingungen dämpfenden Kräfte ausüben sollen. So kann die abgeglichene Anordnung der gegen­ sinnig betriebenen Stellglieder 14-14′ unbeeinflußt schwingen, und eine praktisch ideale Entkopplung der Spiegelplatte 13 vom Montage­ rahmen 27 des Modulatorspiegels 22 ist sichergestellt.

Von Vorteil ist der doppelte Aufbau des (gegensinnig) schwingenden Systems aus Spiegelplatte 13 und Gegenplatte 25 auch insofern, als dadurch eine Abfrage der momentanen Positionen der Spiegelzonen 16 aus dem Strahlen-Nutzbereich vor der Spiegelfläche 12 in den Bereich hinter den Modulatorspiegel 22 verlegt werden kann, wo keine Einschränkungen des Aufbaues in Hinblick auf den Strahlengang des Nutz-Strahlenbündels 18 gegeben sind. Da in Folge der Ansteuerung der zugeordneten Stellglieder 14, 14′ die entsprechenden Zonen 16 auf der Spiegelfläche 12 und hinter der Gegenplatte 25 geometrisch und frequenzmäßig einander proportionale Auslenkungen erfahren, und da solche Auslenkungen mittels eines Laser-Distanzmessers 29 sehr schnell und sehr genau ermittelt werden können, ist die Gewinnung von regionalen Positionsinformationen 30 für die Ansteuerung des Kompensationsspiegels 21 leicht über ein schnelles Abtastgerät 31 möglich, das die freie Rückseite der Spiegel-Gegenplatte 25 erfaßt. Entsprechende Informationen 30 sind auch aus der aktuellen Ansteuerung der Kompensations-Stellglieder 14′ abgreifbar, vorzugsweise hinter einer Entkopplungsschaltung 32 für die ungestörte Ansteuerung der Modulations-Stellglieder 14.

Claims (12)

1. Moduliereinrichtung (11) für die optisch wirksame Oberfläche (12) einer wenigstens quasi-kontinuierlich verformbaren Spiegel­ platte (13) mit hinter ihrer Oberfläche (12) angreifenden Modu­ lations-Stellgliedern (14), dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied (14) in der Querschnittsebene seines einbau­ resultierenden Massenschwerpunktes gehaltert und zwischen der Spiegelplatte (13) und einer Gegenmasse angeordnet ist.

2. Moduliereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in ihrem Schwingungsverhalten aufeinander abgestimmte Stellglieder (14, 14′) hinter jeder Verformungszone (16) der Spiegeloberfläche (12) mechanisch in Serie angeordnet und für gegensinnige Stellhübe in Bezug auf die Verformung der Oberflächen­ zone (16) ansteuerbar sind.

3. Moduliereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenmasse eine schwingende Gegenplatte (25) ist.

4. Moduliereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Stellglied (14) und seinem Kompensations­ stellglied (14′) ein Koppelkörper (28) angeordnet ist.

5. Moduliereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkörper (28) aus einem Material hohen Elastizitäts­ koeffizientens besteht.

6. Moduliereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkörper (28) ein Saphirkörper ist.

7. Moduliereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkörper (28) ein Keramikkörper ist.

8. Moduliereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensations-Stellglied (14′) durch mechanischen Ab­ gleich dem kinetischen Verhalten des zugeordneten Modulations-Stell­ gliedes (14) angepaßt ist.

9. Moduliereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensations-Stellglied (14′) durch elektrische Ab­ stimmung seiner Ansteuerung dem kinetischen Verhalten des zuge­ ordneten Modulations-Stellgliedes (14) angepaßt ist.

10. Moduliereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (14, 14′) längsreibungsarm in parallel zur Spiegelplatte (13) sich erstreckenden Haltescheiben (26) gelagert sind.

11. Moduliereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kompensations-Stellgliedern (14′) Positions-Infor­ mationen (30) abgefragt werden.

12. Moduliereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Gegenplatte (25) ein Abtastgerät (31) zum Gewinnen von zonalen Positioninformationen (30) der verformten Spiegel­ oberfläche (12) vorgesehen ist.