DE4308315B4

DE4308315B4 - Deformierbarer Spiegel

Info

Publication number: DE4308315B4
Application number: DE19934308315
Authority: DE
Inventors: Klaus Bär; Brigitte Dr. Freisleben
Original assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1991-11-23
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2013-03-17
Also published as: DE4308315A1

Abstract

Deformierbarer Spiegel (11) mit axial flacher topfförmiger Spiegelplatte (13), deren umlaufende Wand (16) mittels eines sie in der Ebene der Spiegelplatte (13) übergreifenden Bundes (39) stirnseitig axial gegen ein Gehäuse (12) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Gehäuse (12) und der Rückseite der Spiegelplatte (13) lösbar eingespannter Translator (19) ballig gegen die Spiegelplatte (13) abgestützt ist.

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist ein deformierbarer Spiegel gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche, bei dem die Spiegelplatte mittels einer Überwurfmutter stirnseitig vor dem Spiegelgehäuse gehaltert ist und der Spiegelplatte gegenüber ein Translator mit gegen die Rückseite der Spiegelplatte eingespanntem elektromechanischem Aktuator lösbar gehaltert ist. Ein derartiger Spiegel dient insbesondere der Beeinflussung der Strahlgeometrie eines Hochenergie-Laserstrahles durch Veränderung der Spiegelflächengeometrie hinsichtlich des Vorzeichens und des Radius ihrer Wölbung.

Aus der US 4,382,657 ist es bekannt, die Glasmasse und dadurch das Gewicht eines astronomischen Glasspiegels zu reduzieren, indem der Glasblock rückwärtig ausgehöhlt wird, so dass sich eine flachzylindrischtopfförmige Querschnittsgeometrie ergibt. Dieser Hohlblock wird mittels seitlicher Spannklammern abdichtend auf eine Unterlage gepresst, so dass hinter der Spiegelplatte ein Hohlraum abgegrenzt ist, in dem wahlweise Unterdruck oder Überdruck erzeugt werden kann, um die Spiegelplatte einzuwölben oder auszuwölben.

Die DE 40 29 075 C1 beschreibt eine Einrichtung zur Winkel- und Brennweitenkorrektur in Form eines gekühlten und deformierbaren Spiegels, dessen Spiegelmembran über einen Zugstab mit einer Grundplatte verbunden ist, der an seinem gegenüberliegenden Ende ein Mikrometergewinde für die Zugeinstellung aufweist. Außerdem ist ein Spiegelgehäuse vorgesehen, das mit piezokeramischen Stellelementen verbunden ist, so daß durch das Mikrometergewinde und durch die Stellelemente die Spiegelmembran gekrümmt und gekippt werden kann.

Die DE 27 57 585 C3 beschreibt. eine Einrichtung zum selbsttätigen Ausrichten bzw. Nachführen eines Laserstrahles auf ein Ziel, bei der. zum Kippen des Spiegels piezoelektrische Stellglieder verwendet werden.

Die EP 0 209 449 A1 zeigt einen deformierbaren Spiegel, dessen Spiegelfläche über mehrere in Reihen angeordnete Stellschrauben verbogen werden kann, wobei die Spitze der Stellschrauben der mittleren Reihe jeweils mit einer kleinen Kugel versehen ist, die gegen einen Balken anliegt, der die Rückseite der Spiegelfläche quert.

Aus der FR 2 653 903 A1 ist es bekannt, einen nicht verwölbbaren, sondern starren Reflektor für Hochenergie-Laserstrahlen dadurch zu kühlen, dass das Reflektorgehäuse unmittelbar hinter dem Reflektor, der seinerseits hinter einem optischen Trägerelement angeordnet ist, mit einer kühlenden Flüssigkeit gefüllt wird.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, einen deformierbaren Spiegel gemäß dem Hauptpatent dahingehend weiterzubilden, dass seine Montage problemlos zu einer verkantungsfreien Druckübertragung auf die Rückseite. der Spiegelplatte führt und eine einfache Vorspannungsjustage bei stabilem und reproduzierbarem Betriebsverhalten hinsichtlich der Spiegelflächenwölbung eröffnet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der deformierbare Spiegel eingangs genannter Art nach dem Patentanspruch 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung ist jede Komplikation beim Zusammenfügen und Trennen der Wirkverbindung zwischen dem Translator und Spiegelplatte vermieden und eine verkantungsfreie Druckübertragung im Translator vom Aktuator auf die Rückseite der Spiegelplatte sichergestellt. Die selbstzentrierende Montage der untereinander lose verbleibenden Teile des Aktuators erbringt einen vollmodularen, einfach zugänglichen Aufbau ohne abträgliche Einflüsse auf die Reproduzierbarkeit der Spiegelansteuerung.

Zugleich eröffnet diese Lösung einfach und reproduzierbar handhabbare Möglichkeiten zur Vorspannungseinstellung für die Druckbeanspruchung hinter der Spiegelplatte und zur axialen Unterteilung des Raumes hinter der Spiegelplatte in einen stationär mit Wärmeleitmedium gefüllten Entkopplungsraum vor dem eigentlichen Raum mit der Kühlmittelströmung zum Abführen der Spiegelplatten-Verlustwärme aus dem Spiegelgehäuse heraus. Dadurch ist der Strömungsdruck des Kühlmediums ohne Einfluß auf die aktuelle Auswölbung der Spiegelplatte, die nur noch durch die momentane elektrische Längenansteuerung des Translators bestimmt und dadurch sehr konstant gehalten bzw. sehr gut reproduzierbar ist. Eine Änderung der Spiegelwölbung als etwaige Folge betriebsbedingter Verlustwärme in der Spiegelplatte wird vermieden, infolge Abfuhr der Verlustwärme durch das Medium, das nur den Bereich hinter diesem Entkopplungsraum durchströmt.

Ein Balg im Übergangsbereich zwischen einem Hüllrohr für den Aktuator und einem dem Hüllrohr gegenüber verlagerbaren Andruck-Kolben direkt hinter der Spiegelplatte vermeidet jede Kippmomenten-Beanspruchung infolge etwaiger Zentrie rungsfehler beim Zusammenbau dieses Wirkbereiches und stellt doch eine wirksame Abdichtung zwischen den Kühlmittelräumen und dem Inneren des Translators dar, in dem ein feuchtigkeitsempfindlicher piezoelektrischer Aktuator koaxial eingespannt ist. Dessen Einspannung ist ohne kraft- oder formschlüssige Verbindungen realisiert, durch bloßen stumpfen Einsatz in selbstzentrierend ausgeformte Koppelstücke. Die Wechselbeanspruchung des Dichtungsbalges ist unkritisch, da der auf die Rückseite der Spiegelplatte zu übertragende Stellhub vernachlässigbar klein gegenüber der mäandrischen Längsschnittgeometrie des Balges ist, so daß auch dann in jeder Spiegelplattenposition praktisch gleichbleibende Dichtungsverhältnisse bestehen bleiben, wenn der Balg an seinen Enden nicht fest verbunden, sondern nur axial elastisch eingespannt ist.

Eine sockelartige Verdickung hinter der Spiegelfläche, für den Translator-Angriff mit kugelförmiger-balliger Abstützung, gewährleistet auch bei nicht exakt axial fluchtenden Teilen eine mechanische Spannungseinleitung in die Spiegelplatte, die frei von Kippmomenten oder ähnlichen für die Spiegelgeometrie störenden mechanischen Beanspruchungen ist; zumal der resultierende Kraftvektor nur einen kurzen Hebelweg zur Spiegeloberfläche hat, so daß ein Verkippen der Spiegelplatte nicht auftritt, sondern nur die gewünschte hubsymmetrische Ausbeulung vor der langen axialen Gleitlagerführung des Aktuators. Ein in seiner axialen Positionierung einstellbares starres Widerlager im Heckbereich des Translators stellt lineares Verhalten des Hubes in Abhängigkeit von der Aktuatoransteuerung sicher.

Der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Spiegelaufbaus insgesamt ist sehr gering, wenn der Piezo-Aktuator (der einen extrem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist) mit Zentrier- und Druckübertragungsbauelementen in Serie liegt, die einen vergleichsweise hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

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 Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche aber angenähert maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zu erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt den deformierbaren Spiegel einer einkanaligen prozeßoptimierenden Laserstrahlen-Optik.

Der dargestellte Spiegel 11 weist ein tubusförmiges Gehäuse 12 zur Halterung einer Spiegelplatte 13 auf. Bei dieser handelt es sich um. den Boden eines flachzylindrischen Topfes 14, dessen äußerer Rand 15 vor der umlaufenden Wand 16 gegenüber der eigentlichen Spiegelfläche 17 zurückgesetzt ist. Das Zentrum des auszubeulenden Bereiches der Spiegelfläche 17 weist hinter der Spiegelplatte 13, also zum Innern des Topfes 14 hin, einen flachzylindrischen angeformten Vorsprung 118 auf. Gegen den ist das freie Ende 119 eines elektromechanischen Translators 19 über ein Zentrierstück 120 und einen Andruckkolben 21 abgestützt. Zumindest der Kolben 21 ist unter Zwischenlage einer relativ langen Gleithülse 121 im Bereich des spiegelseitigen Endes des Hüllrohres 20 in diesem axial verschiebbar radial gelagert; während das Zentrierstück zwischen Druckkolben 21 und Aktuator 23 zur Vermeidung von Biegemomenten bei der Axialabstützung des Aktuators 23 geringes radiales Spiel im Inneren des Hüllrohres 20 aufweisen kann.
Das rückwärtige Ende 122 des Aktuators 23 ist selbstzentrierend in einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung 123 eines Widerlagers 22 abgestützt, dessen axiale Stellung im Hüll rohr 20 mittels einer Vorspannschraube 124 einstellbar ist, die nach Art einer Überwurfmutter einen heckseitigen Flansch 125 radial übergreift, also axial hintergreift, und im Heckbereich 126 des Translators 19 auf ein Außengewinde an der Außenmantelfläche des Hüllrohres 20 geschraubt ist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in der Zeichnung die Kabeldurchführung durch das Widerlager 22 zu einem rückwärtig daran befestigten Stecker, der durch eine Zentralöffnung 127 in der Vorspannschraube 124 hindurch für Steuer- und Meßkabelanschlüsse zugänglich ist, nicht dargestellt. Das Hüllrohr 20 seinerseits ist mittels eines radial vorstehend umlaufenden Kragens 30 und einer Hohlschraube 31 gegen den Sattel 29 einer abgestuften Durchgangsöffnung 128 im Gehäuse 12 axial verspannt. Dadurch wirkt die auswölbbare Spiegelplatte 13 dem heckseitig fest einstellbaren Widerlager 22 gegenüber als elastisches Widerlager für den dazwischen eingespannten Piezo-Aktuator 23.
Der hermetischen Abdichtung des Translators 19 dient zwischen dem Druckübertragungs-Kolben 21 und dem Hüllrohr 20 ein Metall- oder Kunststoffbalg 129 der das abgesetzte frontseitige Ende 130 des Hüllrohres 20 hülsenförmig koaxial übergreift. Dessen rückwärtiges Ende stützt sich dichtend gegen das Hüllrohr 20 ab, das zur Spiegelplatte 13 hinweisende Ende des Balges 129 gegen einen vor dem Hüllrohr 20 radial vorstehend umlaufenden Flansch 131. Bei einem Balg 129, der nicht unter axialer elastischer Vorspannung steht, werden die Anschlußbereiche hermetisch dicht befestigt, je nach dem Material des Balges 129 aufvulkanisiert, festgeklebt oder verschweißt. Jedenfalls ist über diese flexible Abdichtung in Form des Balges 129 der Innenraum des Translators 19 und damit der in seinem Hüllrohr 20 koaxial eingespannte Aktuator 23 abgedichtet gegen ein Kühlmedium 132, welches über Schlauchanschlüsse 133 und Kanäle 32 in die Umgebung des frontseitigen Endes 130 des Hühlrohres 20 eingepumpt und daraus wieder abgeführt werden kann.
Damit der Betriebsdruck des Kühlmediums 132 ohne Auswirkung bleibt auf die Wölbungsgeometrie der Spiegelplatte 13, die allein durch die elektrisch angesteuerte Länge des, Aktuators 23 bestimmt sein soll, ist der Kühlmittelraum 134 von einem dagegen kleinen, unmittelbar hinter der Spiegelplatte 13 gelegenen und statisch mit Wärmeübertragungsmedium gefüllten Entkopplungsraum 135 durch eine formstabile Trennwand 136 abgeschottet, durch die der Translator 19 abgedichtet hindurchtritt. Diese Abdichtung kann dadurch erfolgen, daß der Balg 129 in eine hülsenförmige zentrale Öffnung der profiliert-ringförmigen Trennwand 136 eingepreßt ist; oder die Öffnungsperipherie der ringförmigen Trennwand 136 wird mit der Außenmantelfläche einer Falte. des Balges 129 abdichtend verbunden. In den Kühlmittelraum 134 hineinragende Rippen 137 auf der Wand 136 dienen der Ableitung der Verlustwärme, die in der Spiegelplatte 13 bei Bestrahlung der Spiegelfläche 17 mit Hochenergie-Laserstrahlung entsteht, aus dem Entkopplungsraum 135 in das strömende Kühlmedium 132 und damit aus dem Gehäuse 12 heraus.
Die Elastizität des Balges 129 stellt eine momentenfreie Abdichtung am frontseitigen Ende 130 des Translators 19 sicher. Eine Kippmamentenübertragung auf die Spiegelplatte 13 wird durch die stumpfe Anlage des Kolbens 21 über einen frontseitigen Stempel 138 mit leicht balliger Stirnfläche 139 gegen den rückwärtigen Spiegelplatten-Vorsprung 118 sichergestellt, so daß die Auswölbungsgeometrie der Spiegelfläche 17 bei gegebener Widerlager-Position (Vorspannung) allein durch die momentane Längenansteuerung des Aktuators 23 bestimmt ist.
Der Topf 14 mit der Spiegelplatte 13 ist vorzugsweise nicht aus reinem Kupfer, sondern aus einer Kupferlegierung, wie Kupferberyllium geformt, da reines Kupfer keine ausreichende Standzeit in Hinblick auf die mechanische Wechselbeanspruchung durch den Aktuator 23 und die thermische Beanspruchung aufgrund der Verlustwärme der zu reflektierenden Laserstrahlungsenergie aufweist. Da allerdings der Berylliumgehalt in den bei der mechanischen Bearbeitung dieses Topfes 14 anfallenden Metallstäuben gesundheitsschädlich ist, wird der Topf 14 vorzugsweise aus Blechhalbzeug aus Mikroduplexmessing tiefgezogen, wie es in der DE 37 10 334 C2 hinsichtlich seiner Verwendung als Laserspiegelmaterial beschrieben ist. Das abschließende Einebnen der Spiegelfläche 17 durch Diamantfräsen erfolgt zweckmäßigerweise unter derartiger Vorspannung und elektrischer Ansteuerung des Aktuators 23, daß sich zunächst noch eine leicht konvex vorgewölbte Spiegelfläche 17 einstellt. Daraus resultiert dann eine leicht konkave Geometrie der Spiegelfläche 17, wenn nach dem Planfräsen die elektrische Ansteuerung des Aktuators 23 wieder zurückgenommen wird, so daß nun über die Ansteuerung des Aktuators 23 wahlweise eine Spiegelfläche 17 mit konkaver, mit ebener oder mit konvexer Oberflächengestalt einstellbar ist.
Für die Montage dieses Spiegels 11 wird zunächst das, ggfs. bereits mit dem Balg 129 ausgestattete, Hüllrohr 20 mittels der Hohlschraube 31 im Gehäuse 12 axial festgelegt. Dann werden ggfs. der Balg 129 und die gerippte Trennwand 136 montiert, erforderlichenfalls eingeschweißt. Sodann wird frontseitig der Kolben 21 mit umgebender Gleithülse 121 in das offene Ende 130 des Hüllrohres 20 eingesetzt und erforderlichenfalls mit dem bis dahin freien Ende des Balges 129 hermetisch verbunden, etwa rundum verschweißt. Durch den Heckbereich 126 des Hüllrohres 20 wird das Zentrierstück 120 eingeführt und die Piezosäule des Aktuators 23 darauf gesetzt, um schließlich den Heckbereich 126 des Hüllrohres 20 mit dem Widerlager 22 zu verschließen und dieses mittels der Vorspannschraube 124 zu sichern und axial zu positionieren.
Der Entkopplungsraum 135 wird mit Wärmeübertragungs-Fluid gefüllt und dann der Spiegel-Topf 14 aufgesetzt. Die radiale Positionierung des Topfes 14 erfolgt über einen zwischen dessen Wand 16 und dem Gehäuse 12 umlaufenden Dichtring 33. Axial wird der Spiegelplatten-Topf 14 mittels einer Überwurfmutter 38 festgelegt, indem ihr radial nach innen weisender Bund 39 – ohne axial über die Ebene der Spiegelfläche 17 vorzustehen – stirnseitig gegen eine Eindrehung 40 vor der Topf-Wand 16 anliegt. Dadurch wird die Wand 16 axial gegen einen Gehäuse-Vorsprung 35 angedrückt, ohne daß dabei Druck- oder Biegespannungen in den Bereich der eigentlichen Spiegelfläche 17 vor der Spiegelplatte 13 übertragen werden.
In umgekehrter Reihenfolge läßt sich der Spiegel 11 genauso einfach demontieren, etwa um Verschleißteile zu untersuchen und erforderlichenfalls auszutauschen. Insbesondere kann die topfförmige Spiegelplatte 14 frontseitig abgenommen werden, ohne den Translator 19 ausbauen zu müssen oder auch nur feste Verbindungen zwischen diesem und der Spiegelplatte 13 lösen (und später wieder verspannungsfrei einrichten) zu müssen; wie andererseits der Aktuator 23 aus dem Translator 19 rückseitig demontiert, zerlegt und ausgetauscht werden kann, ohne die Spiegelplatte 14 vom Gehäuse abnehmen oder auch nur aus ihrer Verbindung zum Translator 19 trennen zu müssen.
Das mit Translator 19 und Schlauchanschlüssen 133 bestückte Gehäuse 12 selbst wird zur Montage im Strahlengang etwa einer Laser-Bearbeitungsanlage in einen Tubus 140 mit ringförmig geöffnetem Boden 141 eingesetzt und darin mittels achsparalleler Spannschrauben 142 und eines Adapterringes 143 axial positioniert. Der Adapterring 143 kann Teil der Laser-Bearbeitungsanlage sein bzw. an jener befestigt sein. Bei nicht betriebsbereit in die Anlage eingebautem Spiegel 11 ist der Adapterring 143 Krempe einer hutförmigen Schutzhaube 144 vor der empfindlichen Spiegelfläche 17.

Claims

Deformierbarer Spiegel (11) mit axial flacher topfförmiger Spiegelplatte (13), deren umlaufende Wand (16) mittels eines sie in der Ebene der Spiegelplatte (13) übergreifenden Bundes (39) stirnseitig axial gegen ein Gehäuse (12) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Gehäuse (12) und der Rückseite der Spiegelplatte (13) lösbar eingespannter Translator (19) ballig gegen die Spiegelplatte (13) abgestützt ist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) einen Aktuator (23) aufweist, der über ein ihn umgebendes Hüllrohr (20) gegen das Gehäuse (12) abgestützt ist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezo-Aktuator (23) von kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Zentrier- und Druckübertragungsbauelementen in Serie liegt, die einen demgegenüber vergleichsweise hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) einen stumpf zwischen selbstzentrierend ausgeformten Koppelstücken eingesetzten Aktuator (23) aufweist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) einen kugelförmig gegen eine sockelartige Verdickung hinter der Spiegelplatte (13) anliegenden Aktuator (23) aufweist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) einen zwischen einem Aktuator (23) und der Rückseite der Spiegelplatte (13) gelegenen Kolben (21) aufweist, der mit kugelkappenähnlicher Stirnfläche (139) zur axialen Anlage gegen einen flachen rückwärtigen Vorsprung (118) hinter der Spiegelfläche (17) ausgebildet ist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) ein im Gehäuse (12) axial festgelegtes Hüllrohr (20) für einen Aktuator (23) aufweist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) einen Kolben (21) aufweist, der mit einer axial langen Gleithülse (121) im Bereiche des frontseitigen Endes (130) des Aktuator-Hüllrohres (20) axial verschiebbar radial geführt ist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Übergangsbereich zwischen dem Aktuator-Hüllrohr (20) des Translators (19) und einem dem Hüllrohr (20) gegenüber verlagerbaren Andruck-Kolben (21) hinter der Spiegelplatte (13) ein Balg (129) vorgesehen ist.
Deformierbarer Spiegel (11) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) ein in den Heckbereich (126) des Aktuator-Hüllrohres (20) eingreifendes pilzförmiges Widerlager (22) aufweist, das von einer Vorspannschrau be (124) nach Art einer Überwurfmutter axial hintergriffen ist, die auf ein Außengewinde am Heckbereich (126) des Aktuator-Hüllrohres (20) geschraubt ist.
Deformierbarer Spiegel (11) mit axial flacher topfförmiger Spiegelplatte (13), deren umlaufende Wand (16) mittels eines sie in der Ebene der Spiegelplatte (13) übergreifenden Bundes (39) stirnseitig axial gegen ein Gehäuse (12) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) in einen Tubus (140) mit ringförmig geöffnetem Boden (141) eingesetzt und darin mittels achsparalleler Spannschrauben (142) axial positioniert ist.
Deformierbarer Spiegel (11) mit axial flacher topfförmiger Spiegelplatte (13), deren umlaufende Wand (16) mittels eines sie in der Ebene der Spiegelplatte (13) übergreifenden Bundes (39) stirnseitig axial gegen ein Gehäuse (12) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum hinter der Spiegelplatte (13) axial unterteilt ist in einen stationär mit Wärmeleitmedium gefüllten Entkopplungsraum (135) vor einem eigentlichen Raum (134) mit Kühlmittelströmung zum Abführen der Spiegelplatten-Verlustwärme aus dem Gehäuse (12) heraus.