DE4137832A1 - Thin deformable plate mounting, esp. for fixing laser beam reflecting mirror - comprises support blocks and O=rings or corrugated spring, pref. with two elastic hangers - Google Patents
Thin deformable plate mounting, esp. for fixing laser beam reflecting mirror - comprises support blocks and O=rings or corrugated spring, pref. with two elastic hangersInfo
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Abstract
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.The invention relates to a device for storing a controlled deformable plate of small thickness to manufacture a variable surface shape with a radial edge storage against i.w. axial forces. Above all it captures a device for storing a mirror, in particular a metallic mirror, in the form of a disc with Circular circumference, between both sides Abutments in its edge area as a reflection device device for laser beams or the like
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.Copper has been used as a material for optical components since Improvement of the processing technology of this material already in many areas of laser material processing transmitting optics made of ZnSe or GaAs are displaced. A the main reason for this is the good command of Shaping, absorption, cooling and deformation behavior in the Beam routing and shaping process. Problems with the her position, reprocessing and disposal animal materials lead besides purely application-related advantages also have a calculative advantage in Use of copper optics.
Kupfer als metallischer Werkstoff besitzt eine hohe Elasti zität bei einer - im Vergleich zu polymorphen WerkstoffenCopper as a metallic material has a high elasticity in one - compared to polymorphic materials
- - 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.- high plasticity limit. When used correctly this elasticity of the copper optics to a quality that cannot be achieved by transmitting optics; because it is a shape change that can be influenced in a targeted manner optically active surface, without adversely affecting the optical quality possible.
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.Several technological approaches for realizing such adaptive copper optics are known. For example, a change in the shape of the optically active surface is achieved through targeted mechanical deformation of a thin, usually circular copper circuit board, the surface of which is optimized for use with CO 2 lasers by means of appropriate tempering processes. The previously largely military target - compensation for atmospheric scintillations, instant corrections of the deflection angle and image ratio - required extremely precise, dynamic and flexible systems. For this purpose, multi-actuator systems are used, whose actuators or actuators vary in number and arrangement of these actuators depending on the task, on the other hand, actuator technology also knows variations from electrodynamic or hydraulic actuators to significantly more costly and control-intensive piezoelectric transducers. To ensure the optical quality of such systems, in addition to a noticeable expenditure on control technology, an expensive and toxic copper-beryllium alloy must be used which, due to its low elasticity, brings about a homogenization of the selective application of force by the discrete actuators. Adequate cooling for use with high-performance CO 2 lasers also proves to be complex in these systems.
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).In the recent past, originally brought military vendors adaptive systems on the market civilian application in the laser material processing sector are cut. Based on the proven piezo Actuator technology enables such systems through the Use of a central actuator or three in a star configuration attached actuators on a circular, thin Copper beryllium board in the first case a correction of the Phase front - beam divergence - in the second case both the phase front as well as the direction of propagation of a Laser beam. The bandwidth of the system corresponds to that of Piezo actuators (typically several kHz), the possible Amplitudes are due to the copper alloy used determined (typically several 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.Adaptive systems are generally elaborate Design for simultaneously influencing the phase front and Direction of propagation of a laser beam determined. Know-how and manufacturing reliability guarantee robust, long-lasting but also expensive optical components. Target one It must be inexpensive new development in this sector therefore, by reducing the skills of one such a system a sensible, problem-adapted Minimal solution to offer.
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. The use of diamond-milled copper in connection with integrated water cooling is a proven game gel technology. The use of a fluid as a control link for mirror deflection guarantees a homogeneous Application of force and thus a homogeneous surface shape, regardless of the elasticity of the mirror sub used strats. The restriction to a rotationally symmetrical Surface design nevertheless offers possible uses in a wide range of beam guidance and shaping. The Scheme of the system is based on the control of a single, limited detachable signal at almost any point.
Die Variation des Drucks als Stellgröße entspricht ebenfalls gebräuchlichen Technologien. Die Fertigung einer entsprechenden Spiegelaufnahme ist mit Diamantfräsen beherrschbar.The variation of the pressure as a manipulated variable corresponds technologies that are also common. The manufacture of a corresponding mirror mount is with diamond milling manageable.
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.The thought to be on the back of the thin copper board sensitive cooling water for targeted deformation of the optically inserting active area stems from an outdated measurement method for generating astronomical mirrors - smoothing of the substrate supported only at the edge: Negative pressure / positive pressure on the back of the substrate: Convex mirror / concave mirror - forth. Such a facility is at see for example DE-OS 39 00 467.
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:The use of the cooling water as an actuator for the contour the mirror surface brings under the aspect of cost as well as the operating parameters of this adaptive system disadvantages:
- - 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. - A high coolant throughput, also ge leads, certainly creates favorable conditions for cooling one in high power lasers used system. Fast control the cooling water pressure is in competition with necessarily high capacity (volume) of the Cooling system. Control frequencies well above 1 Hz, as they e.g. B. for focus position tracking at rapid welding of a finely structured Workpiece without readjustment of the entire focus optics would be desirable with these Concepts are difficult to achieve.
- - 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.- The use of water or water-based cooling mixed media limits the choice when selecting the actuators and control elements (valves / Sensors) of the pressure / cooling system on some we few, expensive components.
- - 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.- The design-related low deflection of the fixed clamped copper disc can not be by arbitrarily thin copper boards can be compensated (Manufacturing reliability of the copper substrate). The According to the variation of the waiter surface contour of cooling water pressures applied those of conventional cooling units of the Laser not at all and from the already existing one Domestic water network only conditionally and with Pressure surges can be applied.
- - 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.- The need for a minimal Coolant throughput generated in laser operation due to the inevitable back pressure in the internal Adaptive mirror one cooling water system Cooling water pressure, which is the minimum achievable There is pressure on the mirror. A complete relief of the mirror (0 bar cooling water pressure) impossible. The range of the achievable Mirror deflections are limited.
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.Due to the type of installation of the copper board forms according to DE-OS 39 00 467 the surface of the adaptive mirror basically a mixed form of a concave and one convex curved surface. On the concave edge area there is a curvature at about 60% of the plate diameter loose transition area (turning point with R = oo), where in A convex zone connects the middle of the plate. This will a spherical area of this adaptive Mirror to approx. 30% of the total mirror diameter limited. Furthermore, all Un regularity of the contact surfaces of the housing to the game gel stamped on the copper plate.
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.The Erfin is aware of this state of the art who set the goal of the recognized shortcomings in device to eliminate the type mentioned above.
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.The solution to this problem is seen primarily in the Plate can be changed azimuthally as well as radially store, namely low torque in a housing. In addition, should Movement system and cooling device are separated. For this the plate or the mirror is at least on one of them its plate surfaces supported elastically, for example by means of an O-ring or a wave spring, and rests in the Radial clearance housing. With a particularly cheap one Execution of the mirror between two elastic on hangings, and it has proven to be convenient to use such a suspension both as a bearing as also for sealing purposes.
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.This is especially necessary if one of the Mirror associated cooling device we the mirror circumference assigned at least one cooling channel for a fluid is then completely of the force deforming the mirror is separated.
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. According to the invention, the mirror is stored in a mirror chamber, each of a recess of an open housing sleeve and a closed housing cover through which the boundary plane of both housing parts runs.
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.The device for deformation circle round plates in variable surface shapes, with radial engaging storage, which essentially lower forces right up to the plate level, enables the mirror or the plate, by azimuthal and radial Shape change - shrinking the circumference - to one React area load. The azimuthal shape change (Deflection) creates the desired bending line; the Radial freedom of movement reduces tension in the Material, larger deflections are made possible than with radially rigid bearings.
Die Biegelinien weisen Wendepunkte auf, wenn als Lagerreak tion Momente auftreten. Die Lagerung prägt der Platte keine äußeren, kraftschlüssig erzeugten Momente auf.The bend lines have turning points when they are used as a camp break tion moments occur. Storage does not shape the plate external, non-positively generated moments.
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.According to the mirror edge protrudes slightly, and the Edge acts like a fixed clamping, i.e. H. at the The bearing acts for a moment. The supernatant is pressed acted upon, this moment intensifies.
Die Lagerung erfüllt hinreichend die Bedingungen einer linienförmigen, momentenfreien Auflage.The storage satisfies the conditions of a linear, torque-free edition.
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.The line-shaped edition is a purely theoretical mo dell, in practice every edition is flat. By the Contact surface either very small or designed to give way the mathematical model can be approximated sufficiently will.
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. The storage can be created by a joining surface the one whose modulus of elasticity is equal to or greater than that the plate, or by using bearing elements with essential lower modulus of elasticity.
Die Gestaltänderung erfolgt durch Aufbringung einer homoge nen Flächenlast.The shape is changed by applying a homogeneous one surface load.
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.The homogeneous load application simplifies construction and re reduces the effort for the control or regulation of the Systems. This results in a cost advantage over Systems with multiple, discrete force-generating elements ten.
Die Flächenlast kann innerhalb der Lagerung und/oder (bei einem Plattenüberstand) außerhalb aufgebracht werden.The area load can be within the storage and / or (at a plate overhang) can be applied outside.
Die außerhalb aufgebrachte Druckbelastung wirkt ähnlich wie ein Unterdruck innerhalb der Lagerung.The pressure load applied outside has a similar effect a negative pressure within the storage.
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.Geometry and material properties of the plate-like Mirrors are required to generate the desired contour changes suitable. The only requirement for the plate is that it is circular and relatively thin. The two Surfaces may have any contours but the bending behavior is influenced. By suitable Forming the plate can even improve the bending properties can still be improved.
Die Materialeigenschaften bestimmen die Größe des nutzbaren Bereiches, den möglichen Stellbereich (Re) und den dafür erforderlichen Druckbereich (E).The material properties determine the size of the usable area, the possible adjustment range (R e ) and the pressure range (E) required for this.
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.The material properties in connection with the surface processing are decisive for the application. For a CO 2 laser mirror z. B. low-oxygen copper of high conductivity, the surface of which is diamond-milled, optionally also be coated. Different materials are required for other laser wavelengths. Here, however, completely different areas of application open up, e.g. B. plate capacitors with finely adjustable capacitance, lenses with variable focal lengths, among others
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.With the invention, the mirror is only against one O-ring or the like pressed as an annular surface. Is the elasti The modulus of the O-ring is much lower than that E-module of the plate, the circular plate experiences despite the flat edition only negligible moments from Warehouse. On the other hand, the O-ring must not be too soft be made to the position changes of the plate under load to keep it small enough.
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).If the modulus of elasticity of the annulus is equal to or greater - approximately, if the mirror rests directly on the housing - that is ensures ideal torque-free storage; here are however, high demands on the mechanical properties the corresponding contact surface - flatness, concentricity - to be provided (diamond-milled surfaces).
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.To fix the mirror in the unloaded state there there - as mentioned - different possibilities, e.g. B. one second coaxial ring or a permanent one Minimal pressure that keeps the mirror against the annulus presses.
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).Another embodiment of the invention is that Plate between a pair of coaxial O-seals to la gladly. By prestressing the sealing rings it is achieved that the plate is fixed in its position and at the same time the Pressure area is sealed. The sealing rings must be used for this not be the same. By using different The ring diameter and cord thickness can be mirrored keep influencing. A thin bearing ring ensures special sere positional stability, a thick pressure ring improves the Sealing effect with large pressure variations (Plate movements).
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.Also with this installation of the copper board irregularity compensate for the joining surfaces of the mirror housing siert, so that even a complex diamond milling the corresponding housing parts can be dispensed with.
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.The cavity behind the copper board, in which the Media spreads out due to the type of installation of the mirror formed, so it does not have to be processed be generated.
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.To unfavorable relationships between control bandwidth and To avoid mirror cooling, coolant and pressure medium can completely decoupled from each other and thus for mirror cooling all existing cooling systems are used; to the qualification The cooling medium is not subject to any claims. As All sufficiently prestressed fluids are possible Lich, z. B. Compressed air to control the surfaces deflection can be used. Also the quality of the print mediums are not subject to any claims.
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. Due to the decoupling of pressure and cooling medium, there is none Flow of the pressure medium necessary. So there is none Consumption instead, so that technical gases are used can be. A minimum pressure of 0 bar is no problem adjustable.
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.Through the use of the free, decoupled from the cooling system selectable print media offers a variety of costs cheaper and easy to integrate into machine controls actuators / control elements and sensory components, their use has already been tried and tested in many different ways.
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.Due to the location and type of the cooling system, not only that Copper board directly but also the pressure medium cooled will. The cooling concept is based on this di rect (forced convective) and a large indirect cooling of the rear of the mirror (radiation) together.
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.With this storage you can not only convex mirrors build with large radii, but also with convex mirrors small radii, concave mirrors or even mirrors whose Radius adjustment from the concave to the convex area enough. To do this, you mill a suitable one on the surface Radius on (interpretation), so that instead of the originally plane parallel plate is now deformed a spherical mirror.
Zur Kühlung des Spiegels können prinzipiell zwei Möglichkeiten gewählt werden:In principle, two can be used to cool the mirror Options can be chosen:
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. The simpler approach is to use the pressure meter dium cool and through the cavity behind the mirror to circulate back. For that is / are only provide one or more drain connections. disadvantage this method remains that the speed of Pressure changes are reduced. The setting process for a certain radius takes longer than in pure static pressure generation. However, the cooling is 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.If the pressure and cooling circuits are separate, the system is white considerably more flexible, the cooling should only be on the edge of the plate done directly. Most of the mirror must be indirect be cooled via heat conduction and radiant heat. By additional measures for cooling the lid can be Heat dissipation can be further improved.
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.The device according to the invention makes use of itself known way of a thin copper plate with diamond milled surface. This surface can be influenced of the flat on the back of the copper board th printing medium are deformed rotationally symmetrically. The Deformation is pressure dependent and reversible. By Art the installation of the copper board by means of the described elastic storage lies over the entire surface present a convex shape. By suitable shaping the board can be spherical for everyone Operating cases to over 80% of the mirror diameter be. Under unfavorable conditions there is a minimal one spherical area of 50% of the mirror diameter targetable.
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.In addition to the cheaper surface design, Art of installation with elastic storage - monovalent - we considerably lower forces to achieve a comparable deflection to achieve. This ensures an optimal adjustment of the Copper board to the desired contours easier, at the same time, a wider range of focal lengths opens up. Under the same radius and pressure conditions thicker copper plates for diamond milling a higher one Manufacturing accuracy can be achieved.
Weitere Verbesserungen sind den Unteransprüchen zu entneh men. Further improvements can be found in the subclaims men.
Mit dem Erfindungsgegenstand werden die nachfolgend genann ten Vorteile erreicht:With the subject matter of the invention are called below advantages achieved:
- - hohe Fertigungssicherheit durch diamantgefräste Kupferoptik;- high manufacturing reliability through diamond milled Copper optics;
- - alle positiven Eigenschaften herkömmlicher Kupferoptiken: Absorption, Wärmeleitung, Damage, Brennweitenbereich, Abberrationen (sphärisch/ chromatisch);- all positive properties more conventional Copper optics: absorption, heat conduction, damage, Focal length range, aberrations (spherical / chromatic);
- - höherer spährischer Bereich der Oberflächenkon tur, dadurch kompaktere Bauweise bei geringsten Abbildungsfehlern und günstiges Verhältnis der Kühlfläche zum wärmebeaufschlagten Bereich;- higher spherical area of the surface con door, thereby more compact design with the smallest Aberrations and favorable ratio of Cooling surface to the heat-affected area;
- - höhere Spiegelauslenkungswerte schon bei geringen Drücken;- higher mirror deflection values even at low ones To press;
- - geringe Fertigungsanforderungen durch kompensie rende Halterung;- low manufacturing requirements through compensation rendering bracket;
- - Fertigung/Betrieb schadstofffrei;- Production / operation free of pollutants;
- - durch integrierte Kühlung (kostengünstig) für Einsatz mit Hochleistungslasern geeignet;- through integrated cooling (inexpensive) for Suitable for use with high-power lasers;
- - getrennte Kreise für Kühlung und Druckerzeugung;- separate circuits for cooling and pressure generation;
- - Kühlung durch konventionelle Kühlsysteme;- cooling by conventional cooling systems;
- - Druckerzeugung durch vorhandene Druckmedien;- pressure generation by existing print media;
- - keine Ansprüche an Art und Sauberkeit der Druck- und Kühlmedien; - no demands on the type and cleanliness of the print and cooling media;
- - kostengünstige Sensorik/Stellglieder;- inexpensive sensors / actuators;
- - einfachere Fertigungstechnologie der Spiegelhal terung;- Simpler production technology of the Spiegelhal aging;
- - justagefreie Wechselhalterung möglich;- adjustment-free exchange bracket possible;
- - Spiegelsubstrate wiederverwendbar;- mirror substrates reusable;
- - einfache mathematische Beschreibung/Simulation;- simple mathematical description / simulation;
- - Einsatz in adaptiven Teleskopen unter Variation des virtuellen Spiegelabstandes Δ, der Vergröße rung M, mit/ohne Winkelkompensation;- Use in adaptive telescopes with variation the virtual mirror spacing Δ, the magnification tion M, with / without angle compensation;
- - Einsatz in Fokusnachregelsystemen unter Variation der Fokuslage/des Öffnungsverhältnisses;- Use in focus adjustment systems under variation the focus position / aperture ratio;
- - Einsatz zur Phasenfrontkorrektur für transmittie rende optische Komponenten.- Use for phase front correction for transmittie optical components.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt inFurther advantages, features and details of the invention emerge from the description below more preferred Exemplary embodiments and with reference to the drawing; these shows in
Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch einen Spiegelkopf für Laserstrahlen mit teilweise abgehobenem Gehäuseteil; Figure 1 is a schematic cross section through a mirror head for laser beams with the housing part partially lifted.
Fig. 2, Fig. 3 schematisierte Querschnitte durch weitere Ausführungen eines Spiegel kopfes; Fig. 2, Fig. 3 schematic cross sections through further designs of a mirror head;
Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Spiegels mit Erklärungen zu darin eingesetzten Symbolen; Fig. 4 is a schematic diagram of a mirror with explanations of symbols inserted therein;
Fig. 5 eine Biegelinie zu Fig. 4 bei starrer Einspannung des Spiegels mit ent sprechender Gleichung; Fig. 5 is a bending line to Figure 4 with rigid clamping of the mirror with ent speaking equation.
Fig. 6 eine Biegelinie zu Fig. 4 bei momentar mer Lagerung samt entsprechender Gleichung. Fig. 6 is a bending line to Fig. 4 with momentary storage including the corresponding equation.
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. In a beam path of a laser 10, which is not shown in the drawing for reasons of clarity, a circular mirror 12 with a radius R made of an oxygen-free copper material of high conductivity, for example made of OFHC copper, is arranged.
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.Referring to FIG. 1, the level of thickness superimposed d in Spie gel chamber 14 of the diameter D of a housing 16 with since Lichem game rotationally symmetrical about a mirror axis A. The mirror chamber 14, the height h of two adjacent recesses 18 and 20 of a laser-side housing bush 19 and a housing cover 21 attached to it - in the region of a radial plane Q -.
Die Ausnehmung 18 der Gehäusebüchse 19 geht an einer Ring schulter 22 in den Büchsenraum 24 dieser Gehäusebüchse 19 über.The recess 18 of the housing sleeve 19 goes over a ring shoulder 22 in the sleeve space 24 of this housing sleeve 19 .
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.The mirror 12 is held in the mirror chamber 14 by means of two coaxial O-rings 26 which fill the chamber height h with it. In the recess 20 of the housing cover 21 which is tightly delimited by the mirror 12 , a pressure space 30 on the side of the mirror remote from the laser is closed to a - coaxial - through bore 28 of the housing cover 19 . In this, a pressure medium is introduced, the force P according to FIG. 4 can deform the mirror 12 held at the edge.
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).In the embodiment of FIG. 2, the mirror 12 is supported sleeve-side directly on that annular shoulder 22 from, on the other hand on an O-ring 26 (Fig. 2, left) or a corrugated spring 27 (Fig. 2, right).
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.As in the other exemplary embodiments, a housing bushing 19 and a housing cover 21 are held together by dowel pins 32 in axially parallel bores 34 in FIG. 3. In this embodiment, the two O-rings 26 holding the mirror 12 and seated in the annular grooves 36 take on both bearing and sealing functions; the circumferential surface 13 of the mirror delimits a cooling chamber 38 encircling the mirror chamber 14 with the coolant inlet 40 and outlet 42 penetrating the housing cover 21 .
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.The described storage of the mirror 12 in the housing 16, he allows the deformation of the circular plate under a homogeneous surface load. This is applied by placing a mirror surface under the pressure of a liquid or a gas. This type of load application is absolutely homogeneous, which is why, from the point of view of uniform surface shapes, very soft materials can also be used for the storage.
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.The bending line corresponds to the original under surface load Lich flat circular plate with both rigidly clamped as even if there is no torque in the inner plate area with an equally good approximation of both a sphere and a paraboloid.
Hierzu sei auf Fig. 4 bis 6 verwiesen, worinFor this purpose, reference is made to Fig. 4 referred to 6, wherein
r = Abstand von der Plattenmitte;
w(r) = Durchbiegung am Ort r;
E = Elastizitätsmodul;
P = Flächenlast (Druck);
R = Plattenradius;
d = Plattendicke;
v = Querkontraktionszahl.r = distance from the center of the plate;
w (r) = deflection at location r;
E = modulus of elasticity;
P = area load (pressure);
R = plate radius;
d = plate thickness;
v = cross contraction number.
Zur Biegelinie bei starrer Einspannung nach Fig. 5 ergibt sich die GleichungThe equation results for the bending line with rigid clamping according to FIG. 5
zur Biegelinie bei momentfreier Lagerung hingegen:on the bending line with torque-free storage, however:
Sphäre: R² = (X - XM)² + (y - yM)²
Paraboloid: w(r) = C₁ · r² + C₂ · r + C₃Sphere: 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.In contrast to the rigid clamping of the circular plate but the torque-free storage is uniform Bending of the circular plate up to the edge area. This causes the bend line to stop turning points points; the area in which the deformed plate top area of an ideal spherical or parabolic shape approximately the same, is significantly larger.
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. With regard to the generation of loads, by dividing the Area in segments can also generate bending profiles that are not are rotationally symmetrical. The segmentation can be done e.g. B. with tampons or with impact nozzles.
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.The plate or the mirror 12 itself may be directional in the strength properties. This may be achieved on the one hand by materials which have direction-dependent strength characteristics (anisotropic behavior), on the other hand by milling structures on the back of the plate 12 . As a simple example, slots (number, width, depth, distance, course) are mentioned. The bending strength parallel to the slots is higher than perpendicular to it.
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.By deviating the bearing geometry from the circular shape, the plate rigidity becomes direction-dependent. In an elliptical storage, for example, the plate 12 bends less well on the short semiaxis than on the long semiaxis. The bending contour changes in the direction of the ellipsoid.
Claims (15)
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