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Spiegelnde Fläche zur Beeinflussung von Strahlen.
Die Erfindung betrifft die Beeinflussung von Lichtstrahlen, z. B. für Interferenzzwecke oder zur Änderung der Strahlenrichtung in physikalischen, astronomischen oder ähnlichen Apparaten, insbe-
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setzungen, bei denen sehr dünne oder leichtbewegliche spiegelnde Schichten zur Beeinflussung der Lichtstrahlen benutzt werden. Man hat schon vorgeschlagen, in diesen und ähnlichen Fällen als spiegelnde Fläche eine Membran zu verwenden, die versilbert und poliert ist. Eine derartige Membran weist jedoch eine verhältnismässig starke Dicke auf, da sie aus zwei übereinanderliegenden Schichten besteht und die Herstellung der Politur eine erhebliche Mindeststärke der Silberschicht erfordert.
Durch eine solche Membran wird daher die Empfindlichkeit der Bewegung noch nicht auf das höchste Mass gesteigert, da die Biegungssteifigkeit, die der dritten Potenz der Dicke proportional ist, bei dieser Membran noch sehr erheblich ist.
Um höchste Empfindlichkeit der Strahlenbeeinflussung und äusserste Genauigkeit der Spiegelabbildung zu erzielen, wird nun nach der Erfindung als spiegelnde Fläche ein spiegelnd belegtes oder spiegelndes Häutehen aus Metall oder anderem Baustoff verwendet, das durch seine Umfangsbefestigung annähernd faltenlos gespannt und innerhalb dieses Befestigungsumfanges durch weitere Spannmittel zu einer vollkommen ebenen Fläche oder zu einer bestimmt gewölbten Fläche ausgebildet ist.
Auf diese Weise wird beispielsweise erreicht, dass das an sich schon membranartig gespannte spiegelnde Häutchen, das nur an seinem Befestigungsrand unebene Stellen aufweist und in seiner Mitte infolge seines Spannungszustandes schon regelmässig geformt ist, innen zu einer hoehebenen Fläche, die gleichwertig den besten optischen Glasschliffen ist, gestrafft wird, wenn sein Innenteil unter Druck auf Spannmittel gelegt wird, die eine vollkommen regelmässige Auflagefläche gewährleisten. Analog lässt sich bei Verwendung von Stütz-oder Spannmitteln, welche eine gewölbte Auflagerfläche ergeben, erfindungsgemäss eine entsprechend gebogene Häutchenfläche in faltenloser Straffung erzielen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass das Spannmittel, welches die innere Häutchenfläche abstützt, diesen gespannten Mittelteil des Hütchens weitgehend gegen Erschütterungen, die vom äusseren Befestigungsrand des Hütchens ausgehen, abschirmt. Es können daher äusserst kleine, auf den Mittelteil des Hütchens wirkende Schwingungen ungestört wahrgenommen werden.
Im einzelnen kann die Erfindung beispielsweise so ausgeführt werden, dass das von vornherein mit einer gewissen Spannung versehene, spiegelnde Häutchen mit seinem Innenteil unter einem gewissen Auflagedruck über einen regelmässig geformten Ring gezogen wird. Diese zusätzliche Auflagespannung
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und seiner Halterung oder durch einstellbare Zugkräfte oder durch bestimmte Tiefenlage der Halterung erzielt werden. Bei Verwendung mehrerer einander umschliessender Spannringe kann der äussere zur Halterung dienende Rand des Hütchens auf dem äusseren Ring aufliegen oder abgestützt sein und die Spannung des Innenteiles dadurch bewirkt werden, dass man auf den ringförmigen Teil des Hütchens zwischen den beiden konzentrischen Ringen geeignete Druckkräfte ausübt, z. B. ihn beschwert.
Man kann auch Häutchen an der äusseren Fläche eines Spannringes, z. B. durch Ankleben, Anklemmen.
Anlöten befestigen, was kleine Abmessungen für die Gesamtheit von Ring und Häutehen ergibt.
Man kann auch mehrere nicht ineinander, sondern nebeneinander liegende Stütz-oder Spannringe zur Straffung der Innenfläche des Häutchens vorsehen, wodurch entsprechende einzelne Teile des Hütchens zu genau ebenen oder in bestimmter Weise gewölbten Flächen gespannt werden. Ferner kann man statt geschlossener Ringe zur Stützung und Straffung des Häutehens auch offene Ringe verwenden, die ent-
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sprechend nicht geschlossene Stützlinien ergeben. Man kann auch gerade oder sonstwie geformte Stützlinien am Häutehen durch geeignet gestreckte oder gebogene Spannkörper erzeugen.
Beispielsweise gibt ein in der Art einer Einzelschneide an dem Häutchen angreifender gerader Stützkörper zwei schwach zueinander geneigte gestraffte Häutchenfelder, die z. B. für Interferenzzweeke geeignet sind, während zwei derartige gerade Stützkörper bei paralleler Anordnung noch ein mittleres waagrechtes ebenes Feld hervorbringen. Auch bei einander teilweise umschliessenden Stützlinien kann man eine Spannungsregelung in den Zwischenräumen vornehmen. Durch nicht in einer Ebene sondern im Raum gebogen verlaufende Stützlinien, z. B. durch gewellte oder sonstwie teilweise hochgebogen Stützringe, lassen sich die Häutchen auch nach einer in bestimmtem Sinne gekrümmten Fläche faltenlos formen.
Die Spannung der Randteile des Hütchens kann statt am ganzen Umfang auch abschnittweise, z. B. durch örtliche Zug-oder Druckbelastung an mehreren Stellen des Umfanges oder durch örtliche Veränderung des inneren Stützringes erfolgen. Vielfach wird es zweckmässig sein, die zur Halterung und Spannung des Hütchens dienenden Mittel einstellbar zu gestalten, z. B. indem hiefür veränderbare Gewichte oder Federdrücke oder Stellschrauben benutzt werden. Als geeignete Einrichtungen können z. B. solche dienen, wie sie bei den dickeren akustischen Membranen zur Regelung der Spannung und
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oder Druckwirkung oder durch Einwirkung von magnetischen, elektrostatischen oder ähnlichen Fernkräften hervorrufen, welche an dem Aussen-oder Innenteil des Hütchens angreifen.
Zu diesem Zweck kann man z. B. gegenüber dem spiegelnden Häutchen eine etwa dessen späterer Arbeitsform entsprechende ebene oder gewölbte Gegenfläche vorsehen, welche zur Ausübung von die Häutchenform bestimmenden, z. B. magnetischen oder elektrischen Kraftwirkungen dient und durch Anbringung an einem verschiebbaren Körper in ihrem Abstand vom Häutchen einstellbar sein kann. Diese Gegenfläche kann auch zur Erzielung einer die Ruhelage oder die Bewegung des Häutchen verbessernden Dämpfungswirkung benutzt werden, die durch ein Gas-oder Flüssigkeitspolster zwischen Häutchen und Gegenfläche erzeugt wird.
Weiterhin können zwei oder mehrere spiegelnde Häutchen durch Befestigung an je einem besonderen Spannring oder an je einem der äusseren Ränder eines gemeinsamen Spannringes mit Abstand einander gegenüber gestellt werden, so dass sich ein Gesamtgebilde von erhöhter Empfindlichkeit ergibt.
Besonders geeignet zur Erzielung regelmässig geformter Spiegelhäutehen nach der Erfindung sind sehr dünne gespannte, an sich bereits Hochglanz besitzende Metallmembranen, vorzugsweise von weniger als 0'0001 mm Dicke. Statt aus Metall oder Metallverbindungen kann das Häutchen auch aus irgendeinem andern geeigneten Baustoff anorganischer oder organischer Natur bestehen, z. B. aus Glas, Glimmer, Quarzglas, aus einer chemisch umgewandelten Metallfolie, etwa einer oxydierten Leichtmetallfolie oder aus Zelluloid, Viskose, Gelatine, Lackmassen, Kunstharzen, Hartgummi. Derartige Häutchen können mit einer spiegelnden Schicht aus Metall, z. B. Silber, Gold, Chrom, Nickel durch chemischen Auftrag, Verdampfung, insbesondere im Hochvakuum oder durch kathodische Zerstäubung oder auf andere Weise versehen werden.
Die Erzeugung des spiegelnden Überzuges kann insbesondere bei sehr elastischen Häutchen auch erst nach der Spannung des Häutchen vorgenommen werden, damit die wenig elastische spiegelnde Metallschicht nicht beim Spannvorgang zerrissen wird. Das Häutchen kann ferner aus zwei oder mehreren Baustoffen aus härteren und weicheren Schichten von verschiedenen Metallen, wie z. B. Gold und Nickel oder von Metall und anorganischem oder organischem Stoff zusammengesetzt sein. Um bei Temperaturänderungen eine konstante Spannung des Häutchens zu behalten, werden die Baustoffe für das Häutchen und seine Halterung sowie für seine Spann-und Stützteile zweckmässig so gewählt, dass sie gleiche oder annähernd gleiche mittlere Temperaturausdehnung aufweisen.
In den Zeichnungen sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der spiegelnden Fläche nach der Erfindung in schematischer Darstellung veranschaulicht.
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am verstärkten Rande eine Dicke von etwa 0.1 mm hat, auf einem Stütz- oder Spannring S auf, dessen oberer, sich verjüngender Rand eine schmale, flache Ringfläche aufweist, die eine vollkommen ebene Auflagefläche für das Häutchen m darstellt. Der verstärkte Aussenrand !'des Häutchens übt durch sein Gewicht einen hinreichenden Zug auf den mittleren Teil des Häutchens m aus, der dadurch glatt und straff zu einer genau ebenen Fläche gespannt wird. Die innerhalb des Ringes S liegende Oberfläche des Metallhäutchens ist spiegelnd ausgebildet.
Der verstärkte äussere Rand)'des Metallhäutchens m kann auch gemäss Fig. 2 durch einen besonderen Ring T abgestützt sein, der den Spannring S umgibt und einstellbar sein kann. Bei einer solchen Doppellagerung lässt sich die Spannung des Innenteiles auch dadurch bewirken, dass man auf den zwischen den beiden Ringen S, T liegenden Teil des Häutchens m einen geeigneten Druck ausübt. Nach Fig. 2 geschieht dies durch das von oben wirkende Gewicht eines aufgelegten Ringes a, der auch durch mehrere einzelne Gewichte oder Federdrucke oder eine Saugwirkung ersetzt werden kann.
Durch Anwendung mehrerer konzentrischer Spannringe kann die vollkommene Ebnung des Metallteiles des Häutchens erleichtert werden, wie Fig, 3 beispielsweise für zwei einander umschliessende Stütz-oder Spannringe S* und 'zeigt, über die das Häutchen m durch am Rand angreifende Gewichte q. gestrafft ist.
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durch Ankleben, Anklemmen, Auflöten befestigen. Man kann hiefür z. B. einen sehr leichten kleinen
Glasring verwenden, der einen verdickten Rand k besitzt, mit dem er auf das gespannte spiegelnde Häutchen m aufgekittet wird. Der so erhaltene ebene Spiegel ist insbesondere für Galvanometer und ähnliche Messgeräte geeignet.
Fig. 5 zeigt in einem Ausführungsbeispiel, wie man auch die genaue Formgebung schwach gewölbter spiegelnder Flächen durch die Verwendung von Stütz-oder Spannmitteln gemäss der Erfindung erreichen kann. Hiefür ist es vorteilhaft, wenn man auf den Innenteil des Häutehens m ausser den in der Richtung der Häutchenfläche wirksamen Spannkräften auch noch dazu senkrechte Kräfte wirken lässt. Bei der Ausführung nach Fig. 5 steht das Häutchen m einerseits unter Einwirkung einer Randspannung, die durch die Zugschrauben b und die Druckschrauben c regelbar ausgeübt wird und anderseits im Innenteil unter dem Einfluss von Kräften, welche eine Wölbung der Häutchenoberfläche herbeiführen, z.
B. Saug- oder Druckkräften oder elektrischen oder magnetischen Kraftwirkungen. In der Fig. 5 ist zu diesem Zweck in dem Stützring S ein durch Schrauben v verstellbarer Körper M angeordnet, der bei geeigneter Ausbildung zur Erzeugung magnetischer oder elektrostatischer Zngkräfte dienen kann, welche die gewünschte Wölbung der Häutchenoberfläche bewirken.
An dem nach dem Häutehen m zu gelegenen Ende kann der Körper M mit einer der Arbeitsform des Häutchens entsprechenden gewölbten Gegenfläche F versehen sein. Durch die Anbringung einer solchen Gegenfläche wird auch die Empfindlichkeit der Durchbiegung des Metallhäutchens, z. B. gegen Druckschwankungen der Umgebung vermindert. Der Raum zwischen dem Metallhäutchen und der Gegenfläche kann als Gas-oder Flüssigkeitspolster ausgebildet sein und der Körper M dadurch zur Verbesserung der Ruhelage und der Bewegung des Häutchens @ m durch Dämpfungswirkung dienen.
Der verstellbare Körper in kann auch nur zu diesem Zweck allein vorgesehen und hiebei ebenso wie das Häutchen m auch ebenflächig ausgeführt sein. Ferner kann die zwischen Häutehen m und Körper M gebildete Kammer mit Hilfe eines gasförmigen oder flüssigen Zwischenmediums auch zur Übertragung von Kraftwirkungen dienen, die an einer andern Stelle, z. B. von einer Membran, erzeugt werden und auf das spiegelnde Häutehen, z. B. pneumatisch oder hydraulisch übermittelt werden sollen.
Gemäss Fig. 6 sind zwei spiegelnde oder spiegelnd belegte Häutehen m','m an dem Aussenrand je eines der beiden Stütz- und Spannringe S, S'befestigt, die durch eine zum Aussenrand konzentrische Innenkante die Straffung und Ebnung der mittleren Häutchenfläche bewirken : Die beiden Ringe sind in bestimmtem Abstand einander gegenüber angeordnet, so dass sich ein Gesamtgebilde von mehrfacher
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der Pufferung und Dämpfung etwas durchlässig für das Dämpfungs- oder Puffermedium sein. Auch kann es halb durchlässig für gewisse Strahlungen sein.
Die hochempfindlichen und weitgehend trägheitsfreien Häutchen nach der Erfindung haben eine vielseitige Verwendungsmöglichkeit. Sie können z. B. als Spiegel für Scheinwerfer, Teleskope, Galvanometer, Elektrometer oder als Bauteile für Kondensatoren, Relaisanordnungen, Druck-und Temperaturmessgeräte benutzt werden. Ferner sind sie mit Vorteil bei Lichtsteuerungen für trägheitsfreie Schallumsetzungen, z. B. beim sprechenden Film, sowie für die Zwecke der Nachrichtenübermittlung, z. B. bei der Bildtelegraphie, und insbesondere auch fürVerfahren verwendbar, bei denen der Gang-Unterschied oder die Intensität von interferierenden Strahlen verwertet oder durch Durchbiegung eines Membranspiegels die Strahlenriehtung, z. B. die Abbildungsweite, von Lichtbüscheln verändert wird.
In Fig. 10-14 sind einige Anwendungsfälle der spiegelnden Fläche nach der Erfindung dargestellt, bei denen das Häutchen durch elektrostatische Kräfte beeinflusst wird. In Fig. 10 wird das auf dem Stützring S aufliegende spiegelnde Metallhäutehen m durch die Zugschrauben b und die Druckschrauben c zu einer vollkommen ebenen Fläche gespannt, und die Spannung kann durch Verstellung dieser Schrauben geregelt werden. Unterhalb des Häutehens ist eine Elektrode cl angeordnet, die gitterförmig unterteilt sein kann, indem sie z. B. aus Lamellen oder einem Netz gebildet ist. Zwischen der Elektrode und dem Metallhäutehen liegt eine Spannungsquelle e.
Durch die elektrostatische Wirkung der Elektrode cl wird eine Durchbiegung des Häutchens m hervorgerufen, die sich mit der Grösse des Potentialunterschiedes zwischen Häutchen und Elektrode ändert, der durch irgendwelche zwischen Elektrode und Spannungsquelle vorgesehene elektrische Steuermittel x verändert wird.
In Fig. 11 sind zu beiden Seiten des über den Stützring S gespannten Metallhäutehens zwei Steuerelektroden cl, cl'vorgesehen. Eine Spannungsquelle e ist derart zwischen die Elektroden geschaltet, dass zwischen diesen und dem Metallhäutchen Potentiale entgegengesetzten Vorzeichens, z. B. +100 Volt und-80 Volt liegen. Diese Potentiale sind so abgeglichen, dass sich die elektrostatischen Anziehungswirkungen der Elektroden auf das Häutchen gegenseitig ganz oder grösstenteils aufheben. Die zusätzlichen steuernden Potentiale x, welche die Durchbiegungen der spiegelnden Fläche m zu bewirken haben, sind hier zwischen dem Verteilungspunkt o der Spannungsquelle e und dem Metallhäutchen m einzuschalten.
Fig. 12 zeigt. eine Elektrodenanordnung, welche Kippungen der spiegelnden Fläche bewirkt und dadurch einseitige Schwankungen des von dieser Fläche reflektierten Lichtes verursacht. Die Elektrode cl ist hier exzentrisch zu dem über dem Stützring S gestrafften Metallhäutchen m angeordnet und erhält
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die halbe Grösse dieses Rechtecks. Die gestrichelte Kurve deutet in Fig. 12 die bei dieser Elektrodenanordnung auftretende elektrostatische Durchbiegung des Häutchens an, durch die ein auf die spiegelnde Fläche auftreffendes Strahlenbündel z nach links in die gestrichelte Richtung 'abgelenkt und zurüek- geworfen wird. Die elektrische Schaltung kann bei der Anordnung nach Fig. 11 ähnliche'wie bei Fig. 10 sein.
Bei der Anordnung nach Fig. 13 sind zur Steigerung der Kippwirkung über und unter dem über den Stützring S gespannten Metallhäutehen m zwei exzentrisch gelagerte Elektroden d und d'gegeneinander versetzt vorgesehen. Die beiden Elektroden cl und d'können miteinander verbunden sein und die elektrische Schaltung kann in der gleichen Weise wie bei Fig. 10 gewählt werden. Die durch diese beiden Elektroden erzielte Formänderung des Metallhäutehens ist in Fig. 13 durch die gestrichelte Wellenlinie angegeben und bedeutet eine verstärkte Kippwirkung gegenüber der in Fig. 12 gestrichelt veranschaulichten Durchbiegung des MetaIlhäutchens.
In Fig. 14 sind über und unter dem über dem Stützring S gestrafften und an diesem befestigten Metallhäutehen m zwei Paare von Elektroden d, d'und f !", d'"exzentrisch angeordnet, die kreuzweise miteinander verbunden sind. Diese Elektroden und das Häutchen sind so an die Spannungsquellen e, e' angeschlossen, dass die über dem Häutchen befindlichen Elektroden gegenüber diesem das entgegengesetzte Potential wie die unter dem Häutchen liegenden Elektroden aufweisen. Die Elektroden , '"haben z. B. das Potential + 100 Volt und die Elel,-troden d', d"das Potential-100 Volt.
Bei entsprechender Wahl der Elektrodengrösse, des Elektrodenabstandes und der Potentialdifferenzen bleibt das Metallhäutchen für gewöhnlich in seiner Ruhelage, bis steuernde Potentiale zugeführt werden, welche je nach ihrem Vorzeichen starke Kippungen des Häutehens nach den gestrichelten Linien der Fig. 14 hervorrufen.
Die bei den Anordnungen der Fig. 10 und 14 auftretenden Kippwirkungen lassen sich statt auf elektrostatischem Wege auch durch magnetische Kraftwirkungen mit Hilfe geeignet ausgebildeter und angeordneter Elektromagnete erreichen. Ferner können alle diese Elektroden oder Elektromagnete mit
Schlitzen oder andern Öffnungen versehen sein, durch die auch eine zentrale Lichtstrahlung der Spiegelmembran ermöglicht wird. Zur Erzielung der höchst erreichbaren Abbildungsgiite und der grösstmöglichen Steuerungsempfindlichkeit ist auf die vorteilhafteste Art der Formänderung und Bewegung der spiegelnden Fläche zu achten.
Durch stärkere Steuerkräfte, insbesondere durch die bei elektrostatischer oder elektromagnetischer Steuerung vielfach angewendete Vorspannung erfahren sehr biegsame, empfind- liche spiegelnde Häutchen im allgemeinen örtlieh ausgeprägte Formänderungen, welche die Gleichartigkeit der Strahlenreflexion und Strahlenvereinigung merklich zu stören vermögen. Zur Beseitigung dieses
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sondern abschnittweise derart, dass das Häutchen unter dem Einfluss der Kraftwirkungen eine optisch möglichst günstige Formänderung erfährt. Zu diesem Zweck können Einstellvorrichtungen, z. B.
Stellschrauben, vorgesehen werden, welche die Abstände und die Form der einzelnen Elektroden-oder Elektromagnetabschnitte zu regeln gestatten und mittels deren man dann nötigenfalls auch einen durch andere optische Teile des Strahlenganges hervorgerufene Abbildungsmangel berichtigen kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Spiegelnde Fläche zur Beeinflussung von Strahlen, welche aus einem spiegelnd belegten oder spiegelndem Häutchen aus Metall oder an denn Baustoff besteht, das durch seine Umfangsbefestigung annähernd faltenlos gespannt und innerhalb dieses Befestigungsumfanges durch weitere Spannmittel zu einer vollkommen ebenen Fläche oder zu einer bestimmt gewölbten Fläche ausgebildet ist.