DE19615809A1 - Variabel formbarer Membranspiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen variabel formbaren Membranspiegel für vorgebbare Spektralbereiche, welcher insbesondere der statischen oder interaktiven Korrektur von Abbildungsfehlern dient. Je nach Wahl des Spiegelmaterials kann der Membranspiegel in allen Bereichen der Optik vom fernen UV bis in den kurzwelligen Radarbereich Anwendung finden.

Grundsätzlich sind verformbare Spiegel bekannt. So beschreibt DE 42 36 355 A1 einen anpaßbaren Membranspiegel, bei dem zwei zueinander konzentrische Ringschneiden unterschiedlichen Durchmessers einen Membranspiegel beidseitig erfassen. Durch Abstandsvariation der Ringschneiden zueinander läßt sich die Krümmung des Membranspiegels in vorgebbaren Grenzen beliebig verändern. Mit diesem Vorschlag sind jedoch nur konvexe oder konkave sphärische Spiegelwölbungen einstellbar, wobei eine relativ aufwendige mechanische Anordnung erforderlich ist und die eingesetzten Ringschneiden nicht ohne weiteres austauschbar sind.

Auch ist die Verwendung von elastischen Spiegelfolien zur Herstellung von großen Teleskopspiegeln bereits beschrieben. Nach DE 38 36 949 A1 wird eine solche Spiegelfolie in ein vorgegebenes Drahtgitter durch Aufblasen eingebracht und in der erreichten Lage fixiert.

Allgemein bekannt ist eine Spiegelverstellung zur Korrektur bestimmter Abbildungsfehler durch Einbringung auf die Spiegelrückseite angreifender und recht genau und schnell einstellbarer Piezostellelemente.

Ragazzoni, R.; Marchetti, E. beschreiben in Astron. Astrophys. 283, L17-L19, 1994 einen formbaren Flüssigspiegel, bei dem eine in Rotation zu versetzende und damit schwer handhabbare Quecksilberoberfläche als Spiegeloberfläche dient, welche durch eine Anzahl stromdurchflossener Spulen am Boden des Quecksilberreservoirs eine Oberflächenveränderung erfährt. Die Nachteile einer offenen Flüssigkeitsoberfläche, insbesondere einer Quecksilberoberfläche sind offensichtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variabel formbaren Membranspiegel zu schaffen, der in relativ weiten Grenzen eine defi­ nierte Oberflächendeformierung erfahren kann, wobei auch komplizier­ tere Strukturen als sphärische Flächen auf leichte Weise erzeugbar sein sollen, und der die Nachteile des Standes der Technik behebt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs l gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von nachgeordneten Ansprüchen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß eine kleine Menge einer magnetisierbaren Flüssigkeit einseitig von einer flexiblen Spiegelfolie überdeckt ist, wobei die magnetisierbare Flüssigkeit in einer Kammer eingeschlossen ist, welche von einem Kaminerbodenbereich mit wenigstens einem geeigneten Magnetsystem in definierter Weise mit einem Magnetfeld beaufschlagbar ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs­ beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines variabel formbaren Membranspiegels im seitlichen Schnitt,

Fig. 1a eine Membranspiegelausbildung bei anliegendem Magnet­ feld nach Fig. 1,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines variabel formbaren Membranspiegels im seitlichen Schnitt,

Fig. 2a eine Membranspiegelausbildung bei anliegendem Magnet­ feld nach Fig. 2,

Fig. 3 eine Membranspiegelausformung bei einer Kombination der Ausführung nach Fig. 1 und Fig. 2 unterschiedlichen Magnetsystemgestaltungen und

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines variabel formbaren Membranspiegels im seitlichen Schnitt,

Fig. 1 zeigt einen starren, nichtmagnetischen Grundkörper 2, der eine Kammer 20 umfaßt, die einseitig von einer flexiblen Folie 1, die zumin­ dest einseitig als Reflexionsschicht 11 ausgebildet ist, dichtend über­ spannt ist. Die Dichtung und Verspannung der Folie 1 wird im Beispiel mittels eines Spannrings 6 und dessen Verbindung mit Bereichen der Kammerwand 22 gewährleistet. Der gebildete Kammerbereich 20 ist vollständig mit einer magnetisierbaren Flüssigkeit 3 verfüllt. In Fig. 1 ist der Grundkörper 2 mit einer Ausnehmung 4 derart versehen, daß ein möglichst dünnwandiger, biegesteifer Kammerboden 21 der Dicke a ver­ bleibt. In einem praktischen Anwendungsfall nach Fig. 1 hat dabei der kreisrunde Kammerbodenbereich 21 eine Dicke von 1 mm, die bevor­ zugte Dicke der magnetisierbaren Flüssigkeit in Richtung der Achse X-X beträgt wenige Millimeter. In die Ausnehmung 4 ist ein eingepaßtes Magnetsystem 50, welches in der vorliegenden Ausführungsform aus einem ferromagnetischen Polschuhzylinder 51 und einem aufgesetzten Permanentmagneten 52 besteht, in Richtung des dargestellten Pfeils einsetzbar. Mögliche Mittel zur mechanischen Tiefenjustierung der Magnetsystemeinschublänge sind nicht dargestellt. Als Einführhilfe dient eine nichtmagnetische Führungshülse 8.

Ist die magnetisierbare Flüssigkeit 3 ein Ferrofluid, neigt sie dazu bei anliegenden inhomogenen Magnetfeldern in Richtung der größten Feld­ stärke zu wandern, wodurch sich bei Erhalt des allseits umschlossenen Fluidvolumens eine Verformung der flexiblen Folie 1 ergibt, wie sie stark überzeichnet in Fig. 1a angedeutet ist. Weist die Kammer 20 im Beispiel eine Grundfläche von ca. 78 cm² auf, sind mit einem Polschuhdurch­ messer von 8 mm und einer magnetischen Feldstärke von 48 kA/m am Ort des Feldangriffs auf die magnetisierbare Flüssigkeit, die im Beispiel aus einem Ferrofluid mit einer Sättigungsmagnetisierung von 72 kA/m besteht, Auslenkungen der Folie 1, die im Beispiel durch eine 50 µm dicke Polyesterfolie gebildet ist, von der in Fig. 1 dargestellten Aus­ gangslage in der Größenordnung von 0,6 mm erreichbar. Unter der Wirkung des magnetostatischen Drucks, der Gravitation und der Folien­ spannung stellt sich eine Gleichgewichtslage der magnetisierbaren Flüssigkeit und damit der Membranspiegeloberfläche ein.

Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin ein mit der Kammer 20 in Ver­ bindung stehendes, mit Über- oder Unterdruck beaufschlagbares Flüssig­ keitsreservoir 7 vorgesehen, mit Hilfe dessen grobere zusätzliche Folien­ vorzugsauslenkungen in konvexer oder konkaver Richtung vorgebbar sind, so daß der Membranspiegelverstellungsbereich erweiterbar ist.

In Fig. 2 wird vom grundsätzlich gleichen Aufbau, wie nach Fig. 1 ausgegangen, wobei in die Ausnehmung 41 ein ringförmig gestalteter Polschuh am Rand der Kammer 20 vorgesehen ist, dadurch ergibt sich eine konkave Ausbildung der Membranspiegeloberfläche, wie in Fig. 2b schematisch dargestellt. Ebenso sind Kombinationen aus Fig. 1 und Fig. 2 denkbar, wodurch sich bspw. Membranspiegeloberflächenausbildungen, wie in Fig. 3a angedeutet ergeben. Eine solche Ausbildung kann bspw. vorteilhaft zur Korrektur sphärischer Abberationen in abbildenden Systemen oder zur Wellenfrontgestaltung zur Interferometrie asphäri­ scher Bauelemente eingesetzt werden.

Es ist weiterhin zweckmäßig, die vorgesehenen Magnetsysteme 51; 53 direkt in den Kammerboden derart einzubringen, daß sie mit dem Kammerboden plan abschließend einseitig die magnetisierbare Flüssig­ keit (3) kontaktieren, wodurch die erzielbaren Spiegelverformungen erhöht werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf rotationssymmetrische Gestaltungen von Spiegelfolie, Kammer- und Magnetsystemausbildungen, wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben, beschränkt. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, Zylinderspiegelflächen oder willkurliche Geometrien auszu­ bilden. Vorteilhaft bezüglich einer definierten Magnetfeldausbildung ist der Einsatz von variabel ansteuerbaren elektrischen Feldspulen 53 mit oder ohne Kern, wie in Fig. 4 schematisch angedeutet, da hierbei Geome­ triewechsel ohne Polschuhwechsel, eine interaktive Abbildungskorrektur und sehr feinfühlige Verstellungen durch sehr kleine Änderungen des Spulenerregerstroms ermöglicht werden. Eine solche Ausbildung der Erfindung ist dann problemlos mittels eines Computers steuerbar.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung bietet in einer Reihe von Anwendungsmöglichkeiten Vorteile. So z. B. bei der Korrektur von Abbildungsfehlern in nichtstatischen Systemen, wie Zoom-Optiken oder bei der Abbildung in Wellenlängenbereichen, wo nur wenige Materialien als refraktive Medien in Frage kommen und so die konventionellen Möglichkeiten der Abberationskorrektur beschränkt sind. Hier bietet der vorliegende Vorschlag größere und universellere Eingriffsmöglichkeiten als bisher bekannte einstellbare Spiegelelemente.

Nichtsystematische statische oder dynamische Abbildungsfehler ent­ stehen z. B. beim Durchgang elektromagnetischer Strahlung durch unde­ finiert optisch inhomogene Medien und Grenzflächen. In diesem Fall ist eine interaktive und dynamische Korrektur der Abbildungsfehler not­ wendig. Ein solcher Fall tritt z. B. ein, beim mikroskopischen Beobachten der Netzhaut am astigmatischen Auge oder beim Laserkoagulieren einer Netzhaut durch eine astigmatische Augenlinse hindurch. Hier den die Fehler zu einer unscharfen Abbildung der Netzhaut oder einem nicht­ punktförmigen Brennfleck des Lasers.

Auch führen astronomische Beobachtungen durch die thermisch inhomo­ gene Atmosphäre zu unscharfen Bildern ebenso, wie mikroskopische Abbildungen durch unregelmäßige Oberflächen, wie gewachsene Kristalloberflächen oder Ampullenwandungen hindurch. Beim Betrieb eines Lasers entstehen im Lasermedium sogenannte thermische Linsen, die das optische System des Lasers vom kalten zum warmen Zustand hin verändern und die u. U. kompensiert werden müssen. Auch bei der Korrektur dieser nichtsystematischen Fehler kann die Erfindung vorteil­ haft benutzt werden.

Die Anwendung der Erfindung ist weiterhin von Vorteil, wenn einstell­ bare abbildende Optiken dort benötigt werden, wo die Natur wenig in Frage kommende refraktive Medien bereitstellt. Hier sind z. B. schwenk­ bare Radarspiegel, Zoom-Optiken im UV-Bereich oder Laserstrahlformer in unüblichen Wellenlängenbereichen zu nennen.

Eine weitere vorteilhafte Nutzung der Erfindung besteht bei der Bereit­ stellung geeigneter Referenzflächen für die Interferometrie nicht­ sphärischer Flächen.

Bezugszeichenliste

1 flexible Folie
11 Reflexionsschicht
2 Grundkörper
20 Kammer
21 Kammerboden
22 Kammerberandung
3 magnetisierbare Flüssigkeit (Ferrofluid)
4, 41 Ausnehmung
50 Magnetsystem
51 Polschuh
52 Permanentmagnet
53 Feldspulen mit oder ohne Kern
6 Spannring
7 druckbeaufschlagbares Reservoir
8 nichtmagnetische Führungshülse

Claims (15)

1. Variabel formbarer Membranspiegel, der eine flexible Folie (1) bein­ haltet, die zumindest einseitig als Reflexionsschicht (11) für einen vorgebbaren Spektralbereich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die flexible Folie (1) dichtend eine Kammer (20) überspannt,
• - die mit einer magnetisierbaren Flüssigkeit (3) verfüllt ist und
• - im einem Bereich des Kammerbodens (21) wenigstens eine Aus­ nehmung (4) vorgesehen ist, die
• - der Aufnahme eines Magnetsystems (50) dient.

2. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Folie (1) vermittels eines Spannrings (6) mit der Kammerberandung (22) in eine definiert vorgespannte Lage gebracht ist.

3. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbare Flüssigkeit (3) in einer solchen Menge in die Kammer (20) eingebracht ist, daß sie die Kammer (20) bis hin zur Folie (1) vollständig ausfüllt.

4. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kammer (20) mit einem mit definierten Drucken beaufschlagbaren Flüssigkeitsreservoir (7) in Verbindung steht.

5. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerbodenausnehmung (4, 41) rotations­ symmetrisch zur Spiegelfolienfläche angeordnet ist.

6. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zueinander konzentrisch angeordnete Kammerbodenausnehmungen (41) vorgesehen sind.

7. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kammerboden im Bereich der Kammerbodenausnehmung (4, 41) eine Dicke a gegeben ist, die eine Biegesteifheit gewährleistet, jedoch möglichst dünn ausgeführt ist.

8. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (50) so ausgebildet ist, daß seine Feldwirkung auf die magnetisierbare Flüssigkeit (3) definiert einstellbar ist.

9. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (50) durch variabel vorgebbare Polschuhe (51), die mit einem Permanentmagneten (52) vorgebbarer Feldstärke verbindbar sind, gebildet ist.

10. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (50) durch variabel anorden­ bare und variabel ansteuerbare elektrische Feldspulen (53) gebildet ist.

11. Variabel formbarer Membranspiegel nach Anspruch 1 und 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (50) bezüglich seiner geometrischen Ausbildung und/oder seiner Ansteuerung unterschied­ lichen, zu korrigierenden optischen Abbildungsfehlern anpaßbar ist.

12. Variabel formbarer Membranspiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Magnetsystem(e) (51; 53) in den Kammerboden (21) eingebracht sind und plan abschließend einseitig die magnetisierbare Flüssigkeit (3) kontaktieren.

13. Variabel formbarer Membranspiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Magnetsystem(e) (51, 52; 53) wahlweise auswechselbar in die jeweiligen Kammerbodenaus­ nehmungen (4, 41) einbringbar sind.

14. Variabel formbarer Membranspiegel nach einem der Ansprüche 1, 3, 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbare Flüssigkeit durch ein Ferrofluid gebildet ist.

15. Variabel formbarer Membranspiegel nach einem der Ansprüche 1, 3, 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbare Flüssigkeit durch eine diamagnetische Flüssigkeit gebildet ist.