DE4137832A1 - Vorrichtung zum lagern einer gesteuert deformierbaren platte geringer dicke, insbesondere eines spiegels als reflektionseinrichtung fuer laserstrahlen o. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern einer gesteuert deformierbaren Platte geringer Dicke zur Herstel­ lung einer variablen Oberflächengestalt mit radialer Rand­ lagerung gegen i.w. axiale Kräfte. Sie erfaßt vor allem eine Vorrichtung zum Lagern eines Spiegels, insbesondere eines metallischen Spiegels, in Form einer Scheibe mit kreislinienartigem Umfang, zwischen beidseits vorgesehenen Widerlagern in seinem Randbereich als Reflektionseinrich­ tung für Laserstrahlen od. dgl.

Kupfer als Werkstoff für optische Komponenten hat seit der Verbesserung der Bearbeitungstechnologie dieses Werkstoffes bereits in vielen Bereichen der Laser-Materialbearbeitung transmittierende Optiken aus ZnSe oder GaAs verdrängt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die gute Beherrschung von Formgebung, Absorption, Kühlung und Verformungsverhalten im Strahlführungs- und -formungsprozeß. Probleme bei der Her­ stellung, Wiederaufbereitung sowie der Entsorgung transmit­ tierender Materialien führen neben rein applikationsbeding­ ten Vorzügen zudem zu einem kalkulatorischen Vorteil beim Einsatz von Kupferoptiken.

Kupfer als metallischer Werkstoff besitzt eine hohe Elasti­ zität bei einer - im Vergleich zu polymorphen Werkstoffen

• - hohen Plastizitätsgrenze. Bei richtiger Anwendung führt diese Elastizität der Kupferoptiken zu einer Qualität, die von transmittierenden Optiken nicht erreicht werden kann; denn es ist eine gezielt beeinflußbare Gestaltänderung der optisch aktiven Fläche, ohne nachteilige Beeinflussung der optischen Qualität möglich.

Es sind mehrere technologische Ansätze zur Realisierung derartiger adaptiver Kupferoptiken bekannt. So wird etwa eine Gestaltänderung der optisch aktiven Fläche durch gezielte mechanische Deformation einer dünnen, meist kreis­ runden Kupferplatine erzielt, deren Oberfläche durch ent­ sprechende Vergütungsverfahren für den Einsatz bei CO₂- Lasern optimiert ist. Die bisher im wesentlichen militä­ risch vorgegebene Zielrichtung - Kompensation atmosphäri­ scher Szintillationen, Instantkorrekturen von Umlenkwinkel und Abbildungsverhältnis - verlangte hierbei höchst präzise, dynamische und flexible Systeme. Zum Einsatz kommen hierfür Multiaktuatorsysteme, deren Stellglieder oder Aktuatoren je nach Aufgabe einerseits in Anzahl und Anordnung dieser Aktuatoren variieren, andererseits kennt auch die Aktuatortechnologie Variationen von elektrodynamischen bzw. hydraulischen Stellgliedern bis hin zu wesentlich kosten- und steuerungsintensiveren piezoelektrischen Wandlern. Für die Gewährleistung der optischen Qualität solcher Systeme muß neben einem merklichen regelungstechnischen Aufwand eine teuere und bei der Fertigung toxische Kupfer-Beryllium-Legierung verwendet werden, die durch ihre geringe Elastizität eine Homogenisierung des punktuellen Kraftangriffs der diskreten Aktuatoren bewirkt. Eine für den Einsatz mit Hochleistungs- CO₂-Lasern ausreichende Kühlung stellt sich bei diesen Systemen ebenfalls als aufwendig dar.

In jüngerer Vergangenheit brachten ursprünglich militäri­ sche Anbieter adaptive Systeme auf den Markt, die auf eine zivile Anwendung im Lasermaterialbearbeitungssektor zuge­ schnitten sind. Basierend auf der bewährten Piezo- Aktuatorentechnologie ermöglichen solche Systeme durch den Einsatz eines zentralen Aktuators oder dreier sternförmig angebrachter Aktuatoren an einer kreisrunden, dünnen Kupfer-Berylliumplatine im ersten Fall eine Korrektur der Phasenfront - Strahldivergenz - im zweiten Fall sowohl der Phasenfront als auch der Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls. Die Bandbreite des Systems entspricht der der Piezoaktuatoren (typischerweise mehrere kHz), die möglichen Amplituden werden durch die verwendete Kupferlegierung bestimmt (typischerweise mehrere 10 µm).

Adaptive Systeme sind im allgemeinen durch ihre aufwendige Bauart zur gleichzeitigen Beeinflussung der Phasenfront und Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls bestimmt. Know-how und Fertigungssicherheit garantieren robuste, langlebige aber auch teuere optische Komponenten. Ziel einer kostengünstigen Neuentwicklung auf diesem Sektor muß es deshalb sein, durch eine Reduktion der Fähigkeiten eines solchen Systems eine sinnvolle, problemangepaßte Minimallösung zu bieten.

Der Einsatz diamantgefrästen Kupfers in Verbindung mit einer integrierten Wasserkühlung stellt eine bewährte Spie­ gel-Technologie dar. Der Einsatz eines Fluids als Stell­ glied für die Spiegelauslenkung garantiert eine homogene Krafteinleitung und somit eine homogene Oberflächengestalt, unabhängig von der Elastizität des verwendeten Spiegelsub­ strats. Die Beschränkung auf eine rotationssymmetrische Oberflächengestalt bietet trotzdem Einsatzmöglichkeiten in einem weiten Bereich der Strahlführung und -formung. Die Regelung des Systems ist auf die Kontrolle eines einzigen, an nahezu beliebiger Stelle abnehmbaren Signals beschränkt.

Die Variation des Drucks als Stellgröße entspricht ebenfalls gebräuchlichen Technologien. Die Fertigung einer entsprechenden Spiegelaufnahme ist mit Diamantfräsen beherrschbar.

Der Gedanke, auf der Rückseite der dünnen Kupferplatine be­ findliches Kühlwasser zur gezielten Deformation der optisch aktiven Fläche einzusetzen, rührt von einer veralteten Me­ thode zur Erzeugung astronomischer Spiegel - Überschleifen des lediglich am Rand abgestützten Substrats: Unterdruck/Überdruck auf der Substratrückseite: Konvexspiegel/Konkavspiegel - her. Eine solche Einrichtung ist bei­ spielsweise der DE-OS 39 00 467 zu entnehmen.

Der Einsatz des Kühlwassers als Stellglied für die Kontur der Spiegeloberfläche bringt unter dem Aspekt der Kosten sowie der Betriebsparameter dieses adaptiven Systems deut­ liche Nachteile mit sich:

• - Ein hoher Kühlmitteldurchsatz, zudem zentral ge­ führt, schafft sicherlich günstige Bedingungen für eine Kühlung eines bei Hochleistungslasern eingesetzten Systems. Eine schnelle Steuerung des Kühlwasserdrucks steht aber in Konkurrenz zur notwendigerweise hohen Kapazität (Volumen) des Kühlsystems. Regelfrequenzen deutlich über 1 Hz, wie sie z. B. zur Fokuslagennachführung beim schnellen Schweißen eines feinstrukturierten Werkstücks ohne Nachregelung der gesamten Fokus­ sieroptik wünschenswert wäre, sind mit diesen Konzepten nur schwer zu erreichen.
• - Der Einsatz von Wasser oder wasserhaltigen Kühl­ mittelgemischen beschränkt die Auswahlmöglichkeit bei der Wahl der Stell- und Regelglieder (Ventile /Sensoren) des Druck-/Kühlsystems auf einige we­ nige, teure Komponenten.
• - Die bauartbedingt geringe Auslenkung der fest eingespannten Kupferscheibe kann nicht durch be­ liebig dünne Kupferplatinen kompensiert werden (Fertigungssicherheit des Kupfersubstrats). Dem­ zufolge müssen bei gegebener Variation der Ober­ flächenkontur Kühlwasserdrücke aufgebracht wer­ den, die von herkömmlichen Kühlaggregaten der Laser überhaupt nicht und vom ohnehin vorhandenen Brauchwassernetz nur bedingt sowie mit Druckstößen behaftet aufgebracht werden können.
• - Die Notwendigkeit eines minimalen Kühlmitteldurchsatzes im Laserbetrieb erzeugt durch den unvermeidbaren Staudruck im internen Kühlwassersystem des adaptiven Spiegels einen Kühlwasserdruck, welcher als minimal erreichbarer Druck am Spiegel ansteht. Ein völliges Entlasten des Spiegels (0 bar Kühlwasserdruck) ist damit unmöglich. Der Variationsbereich der erzielbaren Spiegelauslenkungen ist eingeschränkt.

Bedingt durch die Art des Einbaus der Kupferplatine bildet nach DE-OS 39 00 467 die Oberfläche des adaptiven Spiegels grundsätzlich eine Mischform aus einer konkav sowie einer konvex gekrümmten Fläche aus. Auf den konkaven Randbereich folgt bei etwa 60% des Plattendurchmessers ein krümmungs­ loser Übergangsbereich (Wendepunkt mit R = oo), woran in Plattenmitte eine konvexe Zone anschließt. Hierdurch wird ein als sphärisch zu bezeichnender Bereich dieses adaptiven Spiegels auf ca. 30% des gesamten Spiegeldurchmessers beschränkt. Weiterhin werden einbaubedingt alle Un­ regelmäßigkeiten der Kontaktflächen des Gehäuses zum Spie­ gel auf die Kupferplatine aufgeprägt.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, die erkannten Mängel an Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu beseitigen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird vor allem darin gesehen, die Platte von der Kraft azimutal sowie radial veränderbar zu lagern, nämlich momentarm in einem Gehäuse. Zudem sollen Bewegungssystem und Kühleinrichtung getrennt werden. Hierzu wird die Platte bzw. der Spiegel zumindest an einer ihrer seiner Plattenflächen elastisch abgestützt, beispielsweise mittels eines O-Ringes oder einer Wellfeder, und ruht im Gehäuse mit radialem Spiel. Bei einer besonders günstigen Ausführung wird der Spiegel zwischen zwei elastischen Auf­ hängungen aufgehängt, und es hat sich als günstig erwiesen, eine solche Aufhängung sowohl als Lager einzusetzen als auch zu Dichtzwecken.

Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn bei einer dem Spiegel zugeordneten Kühleinrichtung dem Spiegelumfang we­ nigstens ein Kühlkanal für ein Strömungsmittel zugeordnet ist, das dann von der den Spiegel verformenden Kraft völlig getrennt wird.

Erfindungsgemäß lagert der Spiegel in einer Spiegelkammer, die von jeweils einer Ausnehmung einer offenen Gehäuse­ büchse und eines geschlossenen Gehäusedeckels gebildet wird, durch welche also die Grenzebene beider Gehäuseteile verläuft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Deformation kreis­ runder Platten in variable Oberflächengestalten, mit radial eingreifender Lagerung, die im wesentlichen Kräfte senk­ recht zur Plattenebene aufnimmt, ermöglicht es dem Spiegel bzw. der Platte, durch azimutale sowie radiale Gestaltänderung - Schrumpfung des Umfangs - auf eine Flächenlast zu reagieren. Die azimutale Gestaltänderung (Durchbiegung) erzeugt die gewünschte Biegelinie; die radiale Bewegungsfreiheit verringert die Spannungen im Material, es werden größere Auslenkungen ermöglicht als bei radial starren Lagerungen.

Die Biegelinien weisen Wendepunkte auf, wenn als Lagerreak­ tion Momente auftreten. Die Lagerung prägt der Platte keine äußeren, kraftschlüssig erzeugten Momente auf.

Erfindungsgemäß steht der Spiegelrand etwas über, und der Rand wirkt ähnlich einer festen Einspannung, d. h. an der Lagerstelle wirkt ein Moment. Wird der Überstand mit Druck beaufschlagt, verstärkt sich dieses Moment.

Die Lagerung erfüllt hinreichend die Bedingungen einer linienförmigen, momentenfreien Auflage.

Die linienförmige Auflage ist ein rein theoretisches Mo­ dell, in der Praxis ist jede Auflage flächig. Indem die Auflagefläche entweder sehr klein oder nachgebend gestaltet wird, kann das mathematische Modell hinreichend angenähert werden.

Die Lagerung kann sowohl durch eine Fügefläche erzeugt wer­ den, deren E-Modul gleich oder größer ist, als derjenige der Platte, oder auch durch Lagerelemente mit wesentlich geringerem E-Modul.

Die Gestaltänderung erfolgt durch Aufbringung einer homoge­ nen Flächenlast.

Die homogene Lastaufbringung vereinfacht den Aufbau und re­ duziert den Aufwand für die Steuerung oder Regelung des Systems. Daraus resultiert ein Kostenvorteil gegenüber Systemen mit mehreren, diskreten krafterzeugenden Elemen­ ten.

Die Flächenlast kann innerhalb der Lagerung und/oder (bei einem Plattenüberstand) außerhalb aufgebracht werden.

Die außerhalb aufgebrachte Druckbelastung wirkt ähnlich wie ein Unterdruck innerhalb der Lagerung.

Geometrie und Materialeigenschaften des plattenartigen Spiegels sind zur Erzeugung der gewünschten Konturänderun­ gen geeignet. Bei der Platte wird lediglich vorausgesetzt, daß sie kreisrund und verhältnismäßig dünn ist. Die beiden Oberflächen dürfen beliebige Konturen aufweisen, dadurch wird aber das Biegeverhalten beeinflußt. Durch geeignete Formgebung der Platte können die Biegeeigenschaften sogar noch verbessert werden.

Die Materialeigenschaften bestimmen die Größe des nutzbaren Bereiches, den möglichen Stellbereich (R_e) und den dafür erforderlichen Druckbereich (E).

Die Materialeigenschaften in Verbindung mit der Oberflächenbearbeitung sind maßgeblich für den Anwendungsfall. Für einen CO₂-Laserspiegel eignet sich z. B. sauerstoffarmes Kupfer hoher Leitfähigkeit, dessen Oberfläche diamantüberfräst, gegebenenfalls noch be­ schichtet, ist. Für andere Laserwellenlängen sind andere Materialien erforderlich. Hier erschließen sich aber auch völlig andere Anwendungsbereiche, z. B. Plattenkondensatoren mit fein einstellbarer Kapazität, Linsen mit variabler Brennweite, u. a.

Mit der Erfindung wird der Spiegel lediglich gegen einen O-Ring od. dgl. als Kreisringfläche gedrückt. Ist der Elasti­ zitätsmodul des O-Ringes dabei wesentlich geringer, als der E-Modul der Platte, erfährt die Kreisplatte trotz der flächigen Auflage nur vernachlässigbar geringe Momente vom Lager. Andererseits darf der O-Ring aber nicht zu weich sein, um die Lageänderungen der Platte bei Belastung aus­ reichend klein zu halten.

Ist der E-Modul des Kreisrings gleich oder größer - etwa, wenn der Spiegel direkt auf dem Gehäuse aufliegt -, so ist eine ideal momentenfreie Lagerung gewährleistet; hier sind jedoch hohe Anforderungen an die mechanische Beschaffenheit der entsprechenden Auflagefläche - Ebenheit, Rundlauf - zu stellen (diamantüberfräste Flächen).

Zur Lagefixierung des Spiegels im unbelasteten Zustand gibt es - wie erwähnt - verschiedene Möglichkeiten, z. B. einen zweiten koaxial angeordneten Kreisring oder ein permanenter Minimal-Druck, der den Spiegel ständig gegen den Kreisring drückt.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung besteht darin, die Platte zwischen einem Paar koaxialer O-Dichtringe zu la­ gern. Durch Vorspannen der Dichtringe wird erreicht, daß die Platte in ihrer Lage fixiert ist und gleichzeitig der Druckbereich abgedichtet wird. Die Dichtringe müssen dafür nicht gleichartig sein. Durch Verwendung unterschiedlicher Ringdurchmesser und Schnurdicken läßt sich das Spiegelver­ halten beeinflussen. Ein dünner Lager-Ring sorgt für bes­ sere Lagestabilität, ein dicker Andruck-Ring verbessert die Dichtwirkung bei großen Druckvariationen (Plattenbewegungen).

Auch werden mit diesem Einbau der Kupferplatine Unregel­ mäßigkeiten der Fügeflächen des Spiegelgehäuses kompen­ siert, so daß sogar auf ein aufwendiges Diamantüberfräsen der entsprechenden Gehäuseteile verzichtet werden kann.

Der Hohlraum hinter der Kupferplatine, in welchem sich das Druckmedium ausbreitet, wird aufgrund der Art des Einbaus des Spiegels gebildet, er muß daher nicht durch Bearbeitung erzeugt werden.

Um ungünstige Zusammenhänge zwischen Regelbandbreite und Spiegelkühlung zu vermeiden, können Kühl- und Druckmedium völlig voneinander entkoppelt und somit zur Spiegelkühlung alle vorhandenen Kühlsysteme genutzt werden; an die Quali­ tät des Kühlmediums sind keine Ansprüche zu stellen. Als Druckmedium sind alle ausreichend vorgespannten Fluide mög­ lich, so kann z. B. Druckluft zur Regelung der Oberflächen­ auslenkung genutzt werden. Auch an die Qualität des Druck­ mediums sind keine Ansprüche zu stellen.

Aufgrund der Entkopplung von Druck- und Kühlmedium ist kein Durchfluß des Druckmediums notwendig. Es findet somit kein Verbrauch statt, so daß auch technische Gase eingesetzt werden können. Ein Minimaldruck von 0 bar ist problemlos einstellbar.

Durch den vom Kühlsystem entkoppelten Einsatz des frei wählbaren Druckmediums bietet sich eine Vielzahl kosten­ günstiger und einfach in Maschinensteuerungen integrierba­ rer Stell-/Regelglieder sowie sensorischer Bauelemente an, deren Einsatz bereits vielfältig bewährt ist.

Durch Lage und Art des Kühlsystems kann nicht nur die Kupferplatine direkt sondern auch das Druckmedium gekühlt werden. Das Kühlkonzept setzt sich insgesamt aus dieser di­ rekten (zwangskonvektiven) und einer großflächigen indirek­ ten Kühlung der Spiegelrückseite (Strahlung) zusammen.

Mit dieser Lagerung lassen sich nicht nur konvexe Spiegel mit großen Radien bauen, sondern auch konvexe Spiegel mit kleinen Radien, konkave Spiegel oder sogar Spiegel, deren Radieneinstellung vom konkaven in den konvexen Bereich reicht. Dazu fräst man auf der Oberfläche einen passenden Radius ein (Auslegung), so daß statt der ursprünglich plan­ parallelen Platte jetzt ein Sphährenspiegel verformt wird.

Zur Kühlung des Spiegels können prinzipiell zwei Möglichkeiten gewählt werden:

Die einfachere Vorgehensweise besteht darin, das Druckme­ dium zu kühlen und durch den Hohlraum hinter der Spiegel­ rückseite zirkulieren zu lassen. Dafür ist/sind lediglich ein oder mehrere Abflußanschlüsse vorzusehen. Nachteil dieses Verfahrens bleibt, daß die Geschwindigkeit von Druckwechselvorgängen reduziert wird. Der Einstellvorgang für einen bestimmten Radius dauert länger als bei rein statischer Druckerzeugung. Die Kühlung ist jedoch optimal.

Bei getrenntem Druck- und Kühlkreislauf ist das System we­ sentlich flexibler, die Kühlung soll nur am Plattenrand direkt erfolgen. Der Großteil des Spiegels muß indirekt über Wärmeleitung und Strahlungswärme gekühlt werden. Durch zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung des Deckels kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bedient sich in an sich bekannter Weise einer dünnen Kupferplatine mit diamantge­ fräster Oberfläche. Diese Oberfläche kann durch den Einfluß des flächig auf die Rückseite der Kupferplatine aufgebrach­ ten Druckmediums rotationssymmetrisch verformt werden. Die Deformation ist druckabhängig und reversibel. Durch die Art des Einbaus der Kupferplatine mittels der beschriebenen elastischen Lagerung liegt über den gesamten Oberflächenbe­ reich eine konvexe Gestalt vor. Durch geeignete Formgebung der Platine kann der auf sphärische Betreich für alle Betriebsfälle auf über 80% des Spiegeldurchmessers gehal­ ten werden. Unter ungünstigen Bedingungen ist ein minimaler sphärischer Bereich von 50% des Spiegeldurchmessers er­ zielbar.

Neben der günstigeren Oberflächengestalt erfordert die Art des Einbaus mit elastischer Lagerung - einwertig - we­ sentlich geringere Kräfte, um eine vergleichbare Auslenkung zu erzielen. Hierdurch wird eine optimale Anpassung der Kupferplatine an die gewünschten Konturen erleichtert, gleichzeitig eröffnet sich ein weiteres Brennweitenspektrum. Unter gleichen Radien- und Druckbedingungen kann durch dickere Kupferplatinen beim Diamantfräsen eine höhere Fertigungsgenauigkeit erzielt werden.

Weitere Verbesserungen sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Mit dem Erfindungsgegenstand werden die nachfolgend genann­ ten Vorteile erreicht:

• - hohe Fertigungssicherheit durch diamantgefräste Kupferoptik;
• - alle positiven Eigenschaften herkömmlicher Kupferoptiken: Absorption, Wärmeleitung, Damage, Brennweitenbereich, Abberrationen (sphärisch/ chromatisch);
• - höherer spährischer Bereich der Oberflächenkon­ tur, dadurch kompaktere Bauweise bei geringsten Abbildungsfehlern und günstiges Verhältnis der Kühlfläche zum wärmebeaufschlagten Bereich;
• - höhere Spiegelauslenkungswerte schon bei geringen Drücken;
• - geringe Fertigungsanforderungen durch kompensie­ rende Halterung;
• - Fertigung/Betrieb schadstofffrei;
• - durch integrierte Kühlung (kostengünstig) für Einsatz mit Hochleistungslasern geeignet;
• - getrennte Kreise für Kühlung und Druckerzeugung;
• - Kühlung durch konventionelle Kühlsysteme;
• - Druckerzeugung durch vorhandene Druckmedien;
• - keine Ansprüche an Art und Sauberkeit der Druck- und Kühlmedien;
• - kostengünstige Sensorik/Stellglieder;
• - einfachere Fertigungstechnologie der Spiegelhal­ terung;
• - justagefreie Wechselhalterung möglich;
• - Spiegelsubstrate wiederverwendbar;
• - einfache mathematische Beschreibung/Simulation;
• - Einsatz in adaptiven Teleskopen unter Variation des virtuellen Spiegelabstandes Δ, der Vergröße­ rung M, mit/ohne Winkelkompensation;
• - Einsatz in Fokusnachregelsystemen unter Variation der Fokuslage/des Öffnungsverhältnisses;
• - Einsatz zur Phasenfrontkorrektur für transmittie­ rende optische Komponenten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch einen Spiegelkopf für Laserstrahlen mit teilweise abgehobenem Gehäuseteil;

Fig. 2, Fig. 3 schematisierte Querschnitte durch weitere Ausführungen eines Spiegel­ kopfes;

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Spiegels mit Erklärungen zu darin eingesetzten Symbolen;

Fig. 5 eine Biegelinie zu Fig. 4 bei starrer Einspannung des Spiegels mit ent­ sprechender Gleichung;

Fig. 6 eine Biegelinie zu Fig. 4 bei momentar­ mer Lagerung samt entsprechender Gleichung.

In einem aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Strahlengang eines Lasers 10 ist ein kreisrunder Spiegel 12 eines Radius R aus einem sauerstofffreien Kupferwerkstoff hoher Leitfähigkeit, beispielsweise aus OFHC-Kupfer, angeordnet.

Gemäß Fig. 1 lagert der Spiegel der Dicke d in einer Spie­ gelkammer 14 des Durchmessers D eines Gehäuses 16 mit seit­ lichem Spiel rotationssymmetrisch zu einer Spiegelachse A. Diese Spiegelkammer 14 der Höhe h wird von zwei aneinander­ grenzenden Ausnehmungen 18 und 20 einer laserseitigen Gehäusebüchse 19 sowie eines an diese - im Bereich einer Radialebene Q - angefügten Gehäusedeckels 21 gebildet.

Die Ausnehmung 18 der Gehäusebüchse 19 geht an einer Ring­ schulter 22 in den Büchsenraum 24 dieser Gehäusebüchse 19 über.

Der Spiegel 12 ist in der Spiegelkammer 14 mittels zweier koaxialer O-Ringe 26 gehalten, welche mit ihm die Kammer­ höhe h ausfüllen. In der vom Spiegel 12 dicht begrenzten Ausnehmung 20 des Gehäusedeckels 21 entsteht ein an eine - koaxiale - Durchgangsbohrung 28 des Gehäusedeckels 19 an­ geschlossener Druckraum 30 an der laserfernen Spiegelseite. In diesen wird ein Druckmedium eingeleitet, dessen Kraft P gemäß Fig. 4 den randwärts gehaltenen Spiegel 12 zu defor­ mieren vermag.

Bei der Ausführung der Fig. 2 stützt sich der Spiegel 12 büchsenseitig unmittelbar an jener Ringschulter 22 ab, anderseits auf einen O-Ring 26 (Fig. 2, links) oder auf eine Wellfeder 27 (Fig. 2, rechts).

Wie in den anderen Ausführungsbeispielen werden auch in Fig. 3 eine Gehäusebüchse 19 sowie ein Gehäusedeckel 21 durch Paßstifte 32 in achsparallelen Bohrungen 34 zusammen­ gehalten. Bei dieser Ausgestaltung übernehmen die beiden den Spiegel 12 haltenden, in Ringnuten 36 sitzenden O-Ringe 26 sowohl Lager- als auch Dichtfunktionen; die Umfangs­ fläche 13 des Spiegels begrenzt einen außerhalb der Spie­ gelkammer 14 umlaufenden Kühlkanal 38 mit den Gehäusedeckel 21 durchsetzendem Kühlmittelzulauf 40 und -ablauf 42.

Die beschriebene Lagerung des Spiegels 12 im Gehäuse 16 er­ laubt die Verformung der Kreisplatte unter homogener Flächenlast. Diese wird aufgebracht, indem die eine Spie­ gelfläche dem Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases aus­ gesetzt wird. Diese Art der Lastaufbringung ist absolut ho­ mogen, weshalb unter dem Gesichtspunkt gleichförmiger Ober­ flächengestalten auch sehr weiche Materialien für die Lage­ rung verwendet werden können.

Unter Flächenlast entspricht die Biegelinie der ursprüng­ lich ebenen Kreisplatte sowohl bei starr eingespannter als auch bei momentfreier Festlegung im inneren Plattenbereich mit gleich guter Näherung sowohl einer Sphäre als auch einem Paraboloid.

Hierzu sei auf Fig. 4 bis 6 verwiesen, worin

r = Abstand von der Plattenmitte;
w(r) = Durchbiegung am Ort r;
E = Elastizitätsmodul;
P = Flächenlast (Druck);
R = Plattenradius;
d = Plattendicke;
v = Querkontraktionszahl.

Zur Biegelinie bei starrer Einspannung nach Fig. 5 ergibt sich die Gleichung

zur Biegelinie bei momentfreier Lagerung hingegen:

Sphäre: R² = (X - X_M)² + (y - y_M)²
Paraboloid: w(r) = C₁ · r² + C₂ · r + C₃

Im Gegensatz zur starren Einspannung der Kreisplatte ermög­ licht die momentenfreie Lagerung aber eine gleichförmige Verbiegung der Kreisplatte bis in den Randbereich. Dieses bewirkt, daß die Biegelinie keine Wendepunkte mehr auf­ weist; der Bereich, in welchem die deformierte Plattenober­ fläche einer idealen sphärischen bzw. parabolischen Gestalt annähernd gleicht, ist bedeutend größer.

Bezüglich der Lasterzeugung sind durch Aufteilung der Fläche in Segmente auch Biegeprofile erzeugbar, die nicht rotationssymmetrisch sind. Die Segmentierung läßt sich z. B. durch Tampons realisieren oder durch Pralldüsen.

Die Platte bzw. der Spiegel 12 selbst kann in den Festig­ keitseigenschaften richtungsabhängig sein. Dies mag einer­ seits durch Materialien erreicht werden, die richtungsab­ hängige Festigkeitskennwerte (anisotropes Verhalten) auf­ weisen, andererseits durch Einfräsen von Strukturen auf der Rückseite der Platte 12. Als einfaches Beispiel seien hier Schlitze (Anzahl, Breite, Tiefe, Abstand, Verlauf) genannt. Parallel zu den Schlitzen ist die Biegefestigkeit höher als senkrecht dazu.

Durch Abweichung der Lagergeometrie von der Kreisform wird die Plattensteifigkeit richtungsabhängig. Bei einer ellip­ tischen Lagerung beispielsweise biegt sich die Platte 12 auf der kurzen Halbachse weniger gut durch, als auf der langen Halbachse. Die Biegekontur verändert sich in Rich­ tung Ellipsoid.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Lagern einer gesteuert deformierbaren Platte geringer Dicke zur Herstellung einer variablen Oberflächengestalt mit radialer Randlagerung, gegen i.w. axiale Kräfte, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (12) von der Kraft (P) azimutal sowie radial veränderbar gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (12) momentarm in einem Gehäuse (16) gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platte (12) zumindest an einer ihrer Oberflächen elastisch abgestützt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbe­ sondere zum Lagern eines metallischen Spiegels, in Form einer Scheibe mit kreislinienartigem Umfang, zwischen beidseitig vorgesehenen Wider lagern in seinem Randbereich, als Reflektionseinrichtung für Laserstrahlen od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die Platte oder der Spiegel (12) mittels eines O-Ringes (26) oder einer Wellfeder (27) im Gehäuse (16) mit radialem Spiel ruht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte oder der Spiegel (12) zwischen zwei elastischen Aufhängungen (26, 27) aufge­ hängt ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (26) sowohl Lager als auch Dichtung ist.

7. Vorrichtung mit einer dem Spiegel zugeordneten Kühl­ einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung von einem die Form der Platte oder des Spiegels (12) beeinflussenden Strömungsmittel oder Druckmedium getrennt vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Spiegelumfang (13) wenigstens ein Kühlkanal (38) für ein Strömungsmittel umgibt, der von einem eine Spiegelfläche beaufschlagenden Strömungsmittel getrennt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (38) durch die La­ gerorgane (26) des Spiegels (12) gegen dessen Fläche/n abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) in einer Spiegelkammer (14) lagert, die von jeweils einer Ausnehmung (18 und 20) einer offenen Gehäusebüchse (19) und eines geschlossenen Gehäusedeckels (21) ge­ bildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (18) der Gehäusebüchse (19) mit dem Büchsenraum (24) eine Ringschulter (22) als Widerlager für den Spiegel (12) bildet.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche in Segmente aufgeteilt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Segmenten der Spiegelfläche Tampons oder Pralldüsen zugeordnet sind.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spiegel (12) rückseitig Einformungen eingebracht sind.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) von elliptischer Form ist.