DE2202626C3 - Vorrichtung zum Ausrichten von optischen Elementen - Google Patents

Description

Schrauben als Einstelleinrichtung so lange manuell verschoben, bis der Kriimmungsmittelpunkt der aufliegenden Linsenfläche auf der optischen Achse liegt, wonach die Linse selbst auf der Ringsetneide, ebenfalls mit Schrauben und manuell, verschoben wird, bis auch der andere Kriimmungsmittelpunkt auf der optischen Achse liegt, wonach die Linse gegenüber der Fassung fixiert wird und in der beschriebenen Weise mit der Zentrierung weiterer Linsen fortgefahren werden kann. Jede weitere Linse ist dabei als »freischwebend« gegenüber der Fassung zu betrachten, da mittels der verstellbaren Ringschneide keine Zwangszentrierung wie mit einer gefaßten Linse erzielt wird. Kritisch bei diesen Verfahren ist die Einhaltung des richtigen Abstandes der Linsen voneinander, da der Scheitelabstand mittels Tiefenschärfenmessung der Oberflächenbilder bestimmt wird und sich dieser Abstand bei Verschieben der Linse auf der Ringschneide ändert. Da die Ringschneide zum Einrichten jeder einzelnen Linse axial verschoben und gekippt werden muß, wäre ihre richtige automatische Steuerung äußerst schwierig. Es ist deshalb keine weitgehende Automatisierung möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der oberbegrifflichen Art so auszubilden, daß eine gute Automatisierbarkeit der Ausrichtung von optischen Elementen zur Montage eines optischen Systems gegeben ist

Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der Merkmale des Hauptanspruches gelöst Die Unteransprüche beziehen sich auf Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen der Lehre des Hauptanspruches.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Detektors der Vorrichtung nach der Fig. 1,

F i g. 3 eine auseinandergezogene Darstellung eines Linsenmanipulators der Vorrichtung nach der Fig. 1 und

F i g. 4 eine Darstellung eines zusammengebauten optischen Systems.

Die Vorrichtung nach der Fig. 1 umfaßt im wesentlichen einen Digitalrechner 11, einen Autokollimator 21, einen Linsenmanipulator 31, ein Interferenzringe zählendes Interferometer 165 und einen mit einer Welle 311 gekuppelten Kodierer 313. Wie in der F i g. 1 dargestellt, werden dem Rechner 11 Informationen vom Autokollimator 21, Interferometer 165 und Kodierer 313 zugeführt, welcher Rechner auf Grund dieser Informationen die Stellungsänderung eines optischen Elements (im wesentlichen ein Linsenglied 135) berechnet, die notwendig ist, um dieses auszurichten. Auf Grund dieser Berechnung werden entsprechende Signale erzeugt und diese dem Manipulator 31 zugeführt, welcher dann die notwendige Änderung der Stellung der Linse bewirkt.

Der Autokollimator 21 umfaßt einen Laser 115, der ein Strahlenbündel 116 aus kohärenter Strahlung abgibt, einen Strahlteiler 125, der einen Teil des Laserstrahlenbündels auf das zu zentrierende Linsenglied 135 und einen Teil des Laserstrahlbündels auf einen Photodetektor 151 zur Feststellung von Zentrierfehlern und der axialen Stellung des zu zentrierenden Elements 135 richtet. Das optische Linsenglied 135 kann, wie dargestellt, eine Linse mit zwei optischen Oberflächen oder im Grenzfall ein Spiegel mit nur einer reflektierenden Oberfläche sein. Der Autokollimator 21 umfaßt weiter einen Polarisator 121, eine Λ/4-Platte und einen Analysator, wie er im US-Patent 23 18 705 beschrieben ist und daher hier nicht näher erläutert wird. Zur Verbreiterung des Laserstrahlenbündels 116 auf einen größeren Durchmesser ist ein Objektiv 117 vorgesehen. Die Linsen

ίο 127 und 129 dienen zum Anpassen der Krümmung der Wellenfront des Strahlenbündels 116 an die Krümmung der Oberfläche der zu zentrierenden Linse 135. Ein Reflektor 139 richtet das von der Linse 135 reflektierte Licht auf den Photodetektor

»5 151. Durch die Linse 145 wird dieses reflektierte Licht auf den Photodetektor fokussiert.

Die Linse 135 ist im Linsenmanipulator 31 angeordnet. Dieser Manipulator umfaßt eine Präzisionswelle 311, die durch geeignete Mittel (nicht darge-

ao stellt) antreibbar ist, einen mit der Welle 311 gekuppelten Kodierer 313, der die Stellung der Welle 311 dauernd überwacht, und eine Platte 317, die starr auf der Welle 311 befestigt ist. Auf dieser Platte sind mehrere Antriebseinheiten zur Änderung der Posi-

as tion der Linse 135 angeordnet. Diese Einheiten werden vom Rechner 11 über Leitungen und auf der Welle 311 angeordnete Schleifringe 319 gesteuert und werden später an Hand der Fig. 3 ausführlich erläutert.

Der Autokollimator 21 kann längs der Drehachse der Welle 311 bewegt werden. Diese Bewegung w^!rd cLrch einen Mote- 161 bewirkt, der eine Leitspindel 163 antreibt, die dem Autokollimator 21 zugeordnet ist. In jedem Zeitpunkt wird die genaue Stellung des AuiokoiliniaiOis 21 durch das Inicrferenzringe zählende Interferometer 165 von üblicher Bauart festgestellt, welches ein Lichtstrahlenbündel auf ein als Reflektor dienendes Prisma 167 am Autokollimator richtet.

Der Photodetektor 151 kann, wie in der F i g. 2 dargestellt, ein Quadranten-Photodetektor 211 sein, in dessen Zentrum sich eine kleine öffnung 231 mit angenähert der Größe des von der Linse 145 erzeugten Beugungsscheibchens befindet. Unter bestimmten Umständen, die später beschrieben werden, kann einfallendes Licht durch diese öffnung hindurchgehen und einen hinter der öffnung angeordneten anderen Photodetektor 235 erreichen. Jeder der vier Quadranten 221, 222, 223 und 224 des Detektors 211 bildet einen selbständigen Photodetektor. Die von diesen Quadranten abgehenden Leitungen 241, 242, 243 und 244 führen eine Spannung ab, die proportional der Lichtmenge ist, die auf den speziellen Quadranten fällt. Die vom Photodetektor 235 abgehende fünfte Leitung 245 führt eine Spannung, die der auf diesen Photodetektor fallenden Lichtmenge proportional ist. Wie im einzelnen noch später beschrieben wird, wird der Quadranten-Photodetektor in einer dem Fachmann bekannten Weise zum Feststellen von Zentrierfehlern der Linse 135 bezüglich einer bestimmten Achse verwendet. Der Photodetektor 235 dient zur Bestimmung der axialen Lage der Oberfläche der einzustellenden Linse 135.
In der F i g. 3 ist der Linsenmanipulator 31 dargestellt. Der Manipulator umfaßt die früher erwähnte Präzisionswelle 311, den Wellencodierer 313, die Platte 317 und die Schleifringe 319 (in der Fig. 3 nicht dargestellt). Der Manipulator umfaßt ferner

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einen auf Rollen gelagerten Schlitten 321, eine zweite Bolzen 346 und 348 verbindet, schließen einen

starre Platte 341, eine dritte starre Platte 361 und Winkel von 90° ein. Die Unterseiten der Füße 364

einen ringförmigen Träger 381. Der auf Rollen ge- _und 366 haben ebenfalls den Abstand d voneinander,

lagerte Schlitten 321 umfaßt drei parallele Platten der gleich ist dem Abstand zwischen den Unterseiten

323, 327 und 331, die übereinander mit dazwischen- 5 der Füße 366 und 368. Die Achse, welche die Füße

befindlichen Rollenlagern angeordnet sind. Die RoI- 364 und 366 verbindet, und die Achse, welche die

lenlager zwischen den Platten 323 und 327 umfassen Füße 366 und 368 verbindet, schließen einen Winkel

zwei parallele Laufrillen 324, die sich in einer ersten von 90° ein. Durch diesen Aufbau bilden die Platten

Richtung erstrecken, und die Rollenlager zwischen 341 und 361 einen »kinematischen« Objektträger,

den Platten 327 und 331 zwei parallele Laufrillen 10 Weitere Einzelheiten solcher Träger sind im Buch

328, die sich in einer zur ersten Richtung orthogona- von W.J.Smith, Modem Optical Engineering,

len zweiten Richtung erstrecken. In der Mitte von je- S. 427 bis 431, erschienen 1966 bei McGraw-Hill,

der dieser Platten befindet sich eine öffnung 325, 330 beschrieben. Ein solcher Träger weist ein Minimum

bzw. 335, in die der Schaft der Präzisionswelle 311 an Einstellmitteln auf, die zum Festlegen eines

paßt. Mit Ausnahme der öffnungen in den Platter. 15 Objekts wie der Fiatie 361 in einer bestimmten Stel-

entspricht der Schlitten 321 bekannten käuflichen lung in bezug auf ein zweites Objekt wie die Platte

Translationsstufen. 341 notwendig ist. Durch Ändern der Höhenlage der

Die Platte 323 ist starr auf der Platte 317 montiert. Bolzen 344, 346 und 348 können der Platte 361 Die öffnung 325 muß daher nur so groß sein, daß der mehrere Bewegungen erteilt werden. Zum Beispiel Schaft der Welle 311 hindurchgehen kann. Die öff- 30 kann eine Bewegung in der Z-Richtung durch Vernungen 330 und 335 in den Platten 327 bzw. 331 ha- schieben der Bolzen 344, 346 und 348 um gleiche ben beträchtlich größere Durchmesser als der Schaft, Beträge in der vertikalen Richtung erzielt werden, so daß sich die Platten 327 und 331 relativ zum Eine Kippung um die Verbindungslinie zwischen den Schaft bewegen können. Wie in der F i g. 3 gezeigt, ist Bolzen 344 und 346 kann durch Verschieben des die Platte 327 in der Al-Richtung durch einen Schritt- 35 Bolzens 348 und eine Kippung um die Verbindungsmotor bewegbar, der eine Differentialschraubenspin- linie zwischen den Bolzen 346 und 348 durch Verdel antreibt, die mit der Platte 327 verbunden ist. schieben des Bolzens 344 erzielt werden.
Die Kombination aus Schrittmotor und Differential- Die Bewegung der Platte 361 wird über eine Reihe schraubenspindel bildet einen linearen Betätiger 337. von Tragbolzen 371, mit denen der die Linse 135 Die Platte 331 ist durch einen ähnlichen Schrittmotor 30 tragende Tragring 381 auf der Platte 361 befestigt und eine ähnliche Differentialschraubenspindel, die ist, auf die Linse 135 übertragen. Die Höhe des Tragnicht dargestellt sind, in der F-Richtung bewegbar. ringes 381 über der Platte 361 kann durch Verschie-Die Beweglichkeit der Platten 327 und 331 ist durch ben des Tragringes 381 auf den Tragbolzen 371 eindie mit Rollen versehenen Rillen 324 und 328 so ein- gestellt werden. Zum Befestigen des Tragringes 381 geschränkt, daß sich die genannten Platten nur in den 35 in der gewünschten Höhe auf den Tragbolzen 371 genannten Richtungen bewegen können. dienen bekannte Mittel (nicht dargestellt). Die Linse

Die Platte 341 ist starr auf der Platte 331 befestigt 135 ist mittels dreier Träger 385 am Tragring 381

und hat eine öffnung 342 von ähnlicher Größe wie befestigt.

die öffnung 335. Durch diesen Aufbau werden die Mit der vorstehend beschriebenen mechanischen A'-Bewegung und die y-Bewegung des Schlittens 321 40 Anordnung ist es unter Verwendung von fünf auf die Platte 341 übertragen. Auf der Platte 341 linearen Betätigen! möglich, die Linse 135 sowohl in sind drei Bolzen 344, 346 und 348 vorgesehen. Jeder einer oder mehreren von drei orthogonalen Richtunvon diesen Bolzen kann für sich durch einen linearen gen zu verschieben als auch um eine beliebige Achse Betätiger, ähnlich denjenigen, die zum Einstellen der quer zur Drehachse der Präzisionswelle 311 zu nei- X- und ^-Position der Platten 327 und 331 vorge- 45 gen. Daher kann mittels der genannten linearen Besehen sind, in der Z-Richtung bewegt werden. Ein tätiger die Linse in fünf Freiheitsgraden verschoben solcher linearer Betätiger 345 ist in der F i g. 3 sehe- werden. Wie weiter unten beschrieben wird, genügt matisch dargestellt und dient zum Einstellen der diese Einstellmöglichkeit in fünf Freiheitsgraden zum Höhe des Bolzens 344. Ähnliche nicht dargestellte Bewegen einer Oberfläche einer Linse um einen belineare Betätiger werden zum Einstellen der Höhe 50 liebigen Punkt auf der Drehachse der Welle 311. Da der Bolzen 346 and 348 verwendet. insbesondere der Krümmungsmittelpunkt einer

Wie in der F i g. 3 dargestellt, weist die Oberseite richtig zentrierten Linsenoberfläche auf der Drehdes Bolzens 344 einen V-förmigen Schlitz 354 und achse der Welle liegt, kann die zentrierte Oberfläche die Oberseite des Bolzens 346 eine konische Ver- der Linse um ihren Rriimmungsmittelpunkt gedreht tiefung 356 auf. Der Grund des V-förmigen Schlitzes 55 werden. Wie bekannt ist, bleibt beim Drehen einer ist auf das Zentrum der konischen Vertiefung aus- zentrierten optischen Oberfläche um ihren Krümgerichtet. Die Oberseite des Bolzens 348 ist eben. mungsmittelpunkt die Zentrierung der Oberfläche er-Die Oberseiten der Bolzen 344, 346 und 348 bilden halten, da diese sphärisch ist. Daher kann nach dem Stützflächen für drei mit Kugeln versehene Füße 364, Zentrieren der einen Oberfläche einer Linse zur 366 und 368, die sich von der Platte 361 nach unten 60 optischen Achse auch die andere Oberfläche durch erstrecken und im V-förmigen Schlitz des Bolzens Drehen der Linse um den Krümmungsmittelpunkt 344, in der konischen Vertiefung des Bolzens 346 der zentrierten einen Oberfläche zentriert werden, und auf der ebenen Oberfläche des Bolzens 348 auf- Mit der beschriebenen Vorrichtung kann somit jede liegen. Die Bolzen 344 und 346 haben von ihren Oberfläche einer Linse ohne Beeinflussung der Zen-Mittellinien aus gemessen einen Abstand d, der 65 trierung der anderen Oberfläche der Linse zentriert gleich dem Abstand zwischen den Mittellinien der werden.

Bolzen 346 und 348 ist. Die Linie, welche die Bolzen Vor der Verwendung muß die Vorrichtung aus-

344 und 346 verbindet, und die Linie, welche die gerichtet werden. Insbesondere muß der Ort der

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Oberseiten der drei mit Kugeln versehenen Füße Rechner 11 unter Verwendung der Signale auf den || 364, 366 und 368 in bezug auf eine Bezugsfläche Leitungen 241 bis 244, der Dicke der Linse 135, *■ (nicht dargestellt) festgelegt werden. Diese Festlegung der Krümmungsradien der Oberflächen der Linse A erfolgt mit bekannten Mitteln. Es muß auch die 135 und des Ortes der Drehachse der Welle 311 als % Krümmung der Wellenfront des vom Autokollimator 5 Eingangsdaten. j kommenden Lichts an die Krümmung der zu zen- Es wäre möglich, die obere Oberfläche der Linse trierenden Oberfläche angepaßt werden. Zuerst wird 135 einfach durch Verschieben der Linse 135 in die j die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert. Zu .^-Richtung und F-Richtung zu zentrieren, so daß ·> diesem Zweck wird der Autokollimator 21 längs der der Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche Drehachse der Welle 311 in eine Stellung verscho- i° der Linse 135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt, ben, in der die Krümmung der Wellenfront des vom Es wird jedoch vorgezogen, die Linse 135 um einen Autokollimator kommenden Strahls angenähert der- Punkt auf der Drehachse der Welle 311 zu drehen, _e jenigen der näher zum Autokollimator liegenden der der Krümmungsmittelpunkt der unteren Ober-Oberfläche der Linse 135 entspricht. In einigen fläche der Linse 135 ist, wenn die untere Oberfläche \ Fällen kann mit der speziellen Linse 129 im Auto- ¹S zentriert ist. *J kollimator keine Anpassung der Krümmungen erzielt Zum Zentrieren der oberen Oberfläche der Linse werden. In diesen Fällen ist die spezielle Linse 129 135 durch Drehen der Linse um den Krümmungs- ι gegen eine andere Linse mit geeigneter Brechkraft mittelpunkt der unteren Oberfläche müssen sieben auszuwechseln. simultane Gleichungen gelöst werden, welche die ,

Die erste zu zentrierende Linse wird mittels des ^ao Positionen der Unterseite der drei Kugeln aufweisen- ^li Ringes 391, in dem die zu zentrierende Linse einge- den Füße 364, 366 und 368 beschreiben. Da diese kittet ist, im Träger 385 befestigt. Dann wird ein Füße mechanisch mit der Position der Linse 135 ^ Strahlenbündel kohärenter Strahlung vom Laser 115 gekuppelt sind, beschreiben die genannten Gleichun- ^ auf den Strahlteiler 125 gerichtet und von diesem gen auch die Position der Linse 135. Vor dem über die Linsen 127 und 129 auf die Linse 135 ²5 Beginn des Zentriervorganges hat die Unterseite des _ reflektiert. Das auf die obere Oberfläche der Linse Fußes 366 die Position X₁, y,, Z₁, die Unterseite des fallende Licht wird von dieser Oberfläche über die Fußes 364 die Position x₂, y₂, Z₂ und die Unterseite Linsen 129 und 127 zurück zum Strahlteiler 125 des Fußes 368 die Position X₃, y₃, Z₃, wobei x, y und ζ reflektiert. Das Licht geht weiter durch den Strahl- in einem Koordinatensystem gemessen werden, dessen teiler 125 zu einem Reflektor 139, der das Licht über 3« LTrsprung derjenige Punkt ist, der mit dem Krümeine Sammellinse 145 auf den Photodetektor 151 mungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse wirft. Wenn das optische System im Autokollimator 135 zusammenfällt, wenn diese Oberfläche zentriert genau ausgerichtet und die obere Oberfläche der ist. Unter dieser Annahme sind die Beziehungen zwi-Linse genau zentriert ist, dann fällt das Licht so auf sehen den drei Unterseiten der Füße durch die folden Photodetektor 211, daß jeder der Quadranten 35 genden Gleichungen gegeben: j 221, 222, 223 und 224 die gleiche Lichtmenge er- t_x _ _χ γ λ. ί_ζ _ _z )s = jz (j) hält, wodurch auch auf den Leitungen 241, 242, ; ² _ "¹L ! ^ _ \₂ _ ,₂ ,,,. , 243 und 244 gleiche Spannungen erhalten werden. ^^{3 y}»( """ ^^{8 z}\ ^a. )t{ Gewöhnlich wird jedoch das Licht derart auf den (*i ~ *s) + (^₂ ~ >V + U₂ ~ ^zs> = ² & (3) Photodetektor 211 fallen, daß die vier Quadranten 4<> X₁ ² + y_t ² + Z₁ ² = T₁ ² (4) ungleiche Lichtmengen erhalten und demzufolge die x^ + y₂ ² + Z₂ ² = r₂ ² (5) vier von diesen Quadranten kommenden Leitungen _x2J_ryi-s_rZ2_==ri (6) vier verschiedene Spannungen führen. Diese Signale 3^333

zeigen entweder eine Nichtausrichtung des optischen "2 >Ί \ )

Systems des Autokollimators oder eine Exzentrizität 45 Die Gleichungen (1) bis (3) und (7) ergeben sich _vS\

der oberen Oberfläche der Linse 135 an. aus einfachen mechanischen Abstandsbetrachtungen, j

Zum Eliminieren der Wirkungen einer Nichtaus- wobei d der oben definierte Abstand zwischen den richtung im Autokollimator 21 wird die Linse 135 Unterseiten der Füße 364 und 366 ist. Die Gleichunmittels der Welle 311 gedreht. Wenn der Krüm- gen (4) bis (6) folgen aus der gewählten Lage des _fi mungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 5° Koordinatensystems. Jede dieser Gleichungen defl- t 135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt, tritt niert eine Kugel mit dem Radius r„ r₂ bzw. r₃, deren keine Änderung des auf den Quadranten-Photo- Mittelpunkt im Koordinatenursprung liegt. Demzudetektor 211 fallenden Lichtmusters ein, wodurch folge liegt die Unterseite jedes Fußes auf der Oberangezeigt wird, daß die obere Oberfläche der Linse fläche einer Kugel, deren Mittelpunkt auf der Drehrichtig zentriert ist. Wenn andererseits diese Ober- 55 achse der Welle im Krümmungsmittelpunkt der fläche exzentrisch liegt, dann ändert sich das auf den unteren Oberfläche der Linse 135 liegt. Da der Ort Photodetektor 211 fallende Lichtmuster mit der Dre- dieses Krümmungsmittelpunktes und die Orte der hung der Welle 311. Durch Analysieren der Signale Unterseiten der Füße bekannt sind, können r„ r₂ und auf den Leitungen 241 bis 244 mittels bekannter r_s leicht berechnet werden.

Methoden kann festgestellt werden, ob die Ober- ^6o " Zum Bewegen der Linse angenähert um den

fläche der Linse 135 richtig zentriert ist. Ferner kann Krümmungsmittelpunkt ihrer unteren Oberfläche

wieder nach bekannten Methoden die Verschiebung braucht die Linse nur derart bewegt werden, daß

des Krümmungsmittelpunktes der oberen Oberfläche jeder der Füße den gleichen Abstand vom Krüm-

der Linse 135 von der Drehachse 311 bestimmt wer- mungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse

den. Im in der Fig. 3 verwendeten Koordinaten- ⁶S 135 beibehält. Mit anderen Worten, die Radien r„ T₂

system ist diese Verschiebung eine Verschiebung in und r_a sollen vor und nach der Bewegung der Linse

der Z-y-Ebene. Die Bestimmung dieser Verschie- gleich sein. Zu diesem Zweck werden die Platten

bung erfolgt nach einem einfachen Programm im 327 und 331 mittels ihrer linearen Betätiger in der

Α'- und y-Richtung um einen Teil des Weges verschoben, der notwendig ist, um den Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf die Drehachse der Welle 311 zu bringen. Dadurch ergeben sich in der oben angeführten Gleichung (4) neue Werte für X₁ und y_r Durch den ίο

Rechner wird dann aus der Gleichung (4) ein neuer Wert für z, berechnet, wobei

Z₁. = r_x* - V - y* (8)

Als nächstes wird ein Wert z„ gemäß der folgenden Beziehung berechnet:

2 ₌

- 2 w² - e⁹-) ± X₁Cl (4 η* + 2 e² - & - (*Ιάψ*\

wobei

e 2 — _r 2 _r 2 ie

C₁ — r₂ /-j »a

dabei wird in dem mit + x_xd beginnenden Ausdruck das Minuszeichen verwendet, wenn z, größer als Null ist, und das Pluszeichen, wenn z, kleiner als Null ist. Die Gleichung (9) ist aus den Gleichungen ao (1), (4), (5) und (7) abgeleitet. Schließlich wird ein neuer Wertz., berechnet. Diese Berechnung erfolgt am besten nach einem der Newton-Raphson-Methode entsprechenden iterativen Verfahren. Zur Ausführung dieser Rechnung muß gleichzeitig die Z-Ko-Ordinate des Fußes 368 bestimmt werden. Dies erfolgt ebenfalls nach iterativen Methoden. Die allgemeinen iterativen Gleichungen zum Berechnen der neuen Werte x\ und z\ der Koordinaten des Fußes 368 sind:

AC-BD ED-C-F

BF-AE ED-CF

wobei

A = (Z₃- Z₁)² + (y, - ^₁)² - & ^B = (Z₃ - Z₁)² - (z₂ - Z₃)² - (x₂ -C = 2(z₂-Z₁)

D = -2(V₃Z₁- V₁Z₃Vy₃

E = 2(x₂ -X₃)

^F= -²^₃(V₃

(10)

(H)

+ d²

Diese Gleichungen sind aus den Gleichungen (2), (3), (6) und (7) sowie aus den durch die Gleichungen (8) und (9) gegebenen Werten für z, und z_ä abgeleitet. Die Iterationen der Gleichungen (10) und (11) konvergieren sehr stark. Wenn daher der neue Wert von Z₃ nahe dem alten Wert liegt, sind zu dessen Berechnung nur wenige Iterationen notwendig.

Nachdem die neuen Werte jc„ V₁, z„ Z₂ und Z₃ bestimmt sind, berechnet der Rechner die vorzunehmenden Änderungen der Positionen der Platten 327 und 331 sowie der Bolzen 344, 346 und 348 und erzeugt die für die Durchführung dieser Änderungen notwendigen Signale. Diese Signale gelangen über entsprechende Leitungen und über die auf der Welle 311 angeordneten Schleifringe 319 zu den verschiedenen linearen Betätigern, welche die Platten und Bolzen einstellen.

Nach Einstellung der Platten und Bolzen in ihre neuen Positionen wird die Zentrierung der oberen Oberfläche der Linse 135 wieder geprüft. Wenn die

obere Oberfläche zentriert ist, kann das Zentrieren der unteren Oberfläche beginnen. Wenn jedoch die obere Oberfläche noch nicht zentriert ist, wird die Verschiebung des Krümmungsmittelpunktes der oberen Oberfläche von der Drehachse durch den Quadranten-Photodetektor 211 nochmals gemessen und eine weitere Drehung der unteren Oberfläche der Linse 135 um ihren Krümmungsmittelpunkt durchgeführt. Diese Drehung wird genau gleich ausgeführt wie oben beschrieben. Die Platten 327 und 331 werden durch ihre linearen Betätiger in der X- und y-Richtung um einen Teil des Weges bewegt, der notwendig ist, um den Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf die Drehachse der Welle 311 zu bringen. Aus den auf diese Weise erhaltenen neuen Werten von x, und y, wird nach der Gleichung (8) ein neuer Wert von z, berechnet. Unter Verwendung der Gleichung (9) wird ein Wert für z.₂ und unter Verwendung der Gleichungen (10) und (11) ein Wert für Z₃ berechnet. Der Rechner erzeugt ein Signal, das die Position der Unterseiten der Füße 364,366 und 368 entsprechend diesen neuen Werten einstellt. Die Zentrizität der oberen Oberfläche der Linse 135 wird dann wieder geprüft und die beschriebene Prozedur wiederholt, bis die obere Oberfläche der Linse zentriert ist.

Wenn die obere Oberfläche zentriert ist, liegt ihr Krümmungsmittelpunkt auf der Drehachse der Welle 311. Die genaue Lage dieses Punktes kann leicht mittels des Rechners bestimmt werden, wenn der Autokollimator 21 längs der Drehachse der Welle 311 bewegt und das Ausgangssignal des Interferometers 165 und des Photodetektors 235 beobachtet werden. Wenn das vom Autokollimator 21 kommende Strahlenbündel auf einem Punkt auf der oberen Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist, wird das auf den Photodetektor 151 fallende Strahlenbündel gleichfalls zu einem Punkt konvergiert, der nur durch das von der Linse 145 gebildete Beugungsscheibchen begrenzt ist. Da die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert ist, fällt dieser Punkt mit der Öffnung 231 in der Mitte des Quadranten-Photodetektors 211 zusammen. Somit geht praktisch das ganze von der oberen Oberfläche der Linse 135 reflektierte Licht durch die öffnung 231 im Quadranten-Photodetektor 211 und fällt auf den Photodetektor 235. Die größte Lichtmenge geht dann durch die öffnung 231, wenn der Lichtstrahl auf die obere Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist. Wenn der Lichtstrahl auf irgendeinen anderen Punkt fokussiert ist, fällt weniger Licht auf den Photodetektor 235. Zum Bestimmen des genauen Ortes der Linse 135 betätigt der Rechner den Motor 61 zum Bewegen des Autokollimators 21 längs der Drehachse der Welle 311. Gleichzeitig überwacht der Rechner das Ausgangssignal auf der Leitung 245 des Photodetektors 235 und die vom Interferometer 16S festgestellte Position

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des Autokollimators 21. Aus diesen Informationen liegen die Krümmungsmittelpunkte der oberen und bestimmt der Rechner durch Kurvenanpassung den der unteren Oberfläche der Linse 135 auf der Dreh-Punkt, in dem der Autokollimator 21 auf die obere achse der Welle. Die Linse wird dann am oberen Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist. Da im Spei- Ende der Welle 311 aufgekittet. In der F i g. 1 ist eher des Rechners der Ort der Bezugsfläche gespei- 5 eine solche Linse 135' in dieser Stellung gezeigt,
chert ist, die zur Bestimmung der Lage der Unter- Nachdem die erste Linse zentriert ist, wird die

seite der drei Füße dient, liefert die Differenz zwi- zweite Linse des Objektivs in den Linsenmanipulator sehen der Anzeige des Interferometers, wenn der 31 eingesetzt, zu welchem Zweck der Tragring, in Autokollimator 21 auf die obere Oberfläche der welchen die Linse eingekittet ist, am Support 385 Linse 135 fokussiert ist, und die Anzeige des Inter- ίο befestigt wird. Die Linse ist nahe der optischen ferometers, wenn der Autokollimator 21 auf die Achse des Autokollimators 21 angeordnet, so daß Bezugsebene fokussiert ist, die genaue Position der das von der Oberfläche der Linse reflektierte Licht Linse 135. Dann ist der Krümmungsmittelpunkt der auf den Photodetektor 151 fällt. Der Tragring 381 oberen Oberfläche der Linse 135 bekannt, da der wird so auf den Bolzen 371 verschoben, daß die Krümmungsradius dieser Oberfläche bekannt ist. 15 zweite Linse angenähert den gewünschten Abstand

Anschließend wird die untere Oberfläche der von der früher zentrierten Linse hat. Die obere Ober-Linse 135 auf die gleiche Weise zentriert wie ihre fläche der zweiten Linse wird dann auf die gleiche obere Oberfläche. Es wird wieder die Krümmung des Weise ausgerichtet, wie das oben mit Bezug auf die vom Autokollimators kommenden Lichtes an die Oberfläche der ersten Linse beschrieben wurde. Nach Krümmung der zu zentrierenden Linsenoberfläche ao dem Ausrichten der oberen Oberfläche wird der Ort durch Einstellung der Position des Autokollimators der oberen Oberfläche auf die gleiche Weise, wie bei oder, wenn notwendig, durch Auswechseln der Linse der ersten Linse beschrieben, mit Hilfe des Photo-129 angepaßt. Jedoch ist zu beachten, daß in diesem detektors 151 im Autokollimator 21 und des InterFall die Wellenfront des Lichtes in der Linse an die ferenzen zählenden Interferometers 165 bestimmt. Krümmung der unteren Oberfläche der Linse anzu- 25 Die zweite Linse wird dann längs der Drehachse der passen ist. Dann werden die Abstände r„ r₂ und r_s Welle 311 verschoben, bis sich ihre obere Oberfläche zwischen den Unterseiten der Füße und dem Krüm- im gewünschten Abstand von der oberen Oberfläche mungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse der ersten Linse befindet. Dieses Nachstellen wird 135 berechnet. Anschließend wird die Exzentrizität durch inkrementale Verstellung der linearen Betätider unteren Oberfläche durch den Quadranten- 30 ger, welche zum Einstellen der Bolzen 364, 366 und Photodetektor 211 gemessen. Die Linse wird dann 368 dienen, um gleiche Beträge durchgeführt. Daran um den Krümmungsmittelpunk» ihrer oberen Ober- wild die untere Oberfläche auf die genau gleiche fläche gedreht. Zur Durchführung dieser Drehung Weise wie die untere Oberfläche der ersten Linse werden die Platten 327 und 331 in der X- bzw. zentriert.

F-Richtung um einen Bruchteil des Weges bewegt, 35 Wenn die zweite Linse zentriert ist, wird sie in der notwendig ist, um den Krümmungsmittelpunkt bezug auf die erste Linse festgekittet. Dies erfolgt der unteren Oberfläche der Linse 135 auf die Dreh- vorzugsweise unter Verwendung von Abstandsbolzen, achse der Welle 311 zu bringen. Dadurch ergeben welche den Tragring, in welchem die Linse einsich neue Werte für die X₁- und y,-Koordinaten der gekittet ist, tragen. In ähnlicher Weise werden die Unterseite des Fußes 356. Aus diesen Werten and 40 restlichen Linsen des Objektivs zentriert und in dem Wert für r, wird ein neuer Wert für z, gemäß ihren richtigen Stellungen festgekittet,
der Gleichung (8) berechnet. Aus den Gleichungen In der Fig. 4 ist ein Objektiv 410 mit drei Linsen (9), (10) und (11) werden auch Werte für Z₂ und Z₃ 412, 422 und 432 dargestellt, die auf die beschrieberechnet. Dann werden die vorzunehmenden Ände- bene Weise zentriert wurden. Die Linsen sind in rungen der Stellungen der Platten 327 und 331 sowie 45 Metallringe 411, 421 bzw. 431 eingekittet. Die Ringe der Bolzen 344, 346 und 348 berechnet und ent- werden durch die Abstandsbolzen 415 und 425 im sprechende Signale zur Durchführung dieser Ände- gewünschten Abstand gehalten. Die Bolzen 415 sind rangen den verschiedenen linearen Betätigern züge- in Ausnehmungen 418 der Ringe 411 und in Löchern führt, die die Positionen der genannten Platten und 427 der Ringe 421 festgekittet. Die Bolzen 425 sind Bolzen kontrollieren. 50 in Ausnehmungen 428 der Ringe 421 und in Löchern

Die Zentrierung der unteren Oberfläche der Linse 437 der 431 festgekittet. Der Innendurchmesser der wird dann nochmals geprüft. Wenn festgestellt wird, Ausnehmungen und Löcher soll größer sein als der daß die Linse noch immer nicht zentriert ist, wird Außendurchmesser der Bolzen, so daß die Lage der die Größe der notwendigen Zentrierung bestimmt Ringe zum Zentrieren der Linsen geändert werden und die Linse nochmals um den Krümmungsmittel- 55 kann.

punkt ihrer oberen Oberfläche gedreht Dies wird so Die Linsen können auch durch Metallstreifen in lange fortgesetzt, bis auch die untere Oberfläche ihrer Position gehalten werden, welche am äußeren zentriert ist. Umfang des jede Linse umgebenden Tragringes

Wenn auch die untere Oberfläche zentriert ist, fixiert sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: weise zuvor randbeschliffene oder gefaßte »zentrierte« Linsen verwendet, die aufgrund dieses Ran-

1. Vorrichtung zum Ausrichten von optischen des auf die gemeinsame optische Achse ausgerichtet Elementen auf eine optische Achse, wobei minde- werden können, wobei nur noch der richtige Abstand stens ein optisches Element eine Linse ist, insbe- 5 zu den benachbarten optischen Elementen einzuhalsondere zur Objektivmontage, mit einer Einrich- ten ist. Nachteilig an dieser Methode ist der indirekte tung, die ein Strahlenbündel auf die jeweils aus- Weg des Ausrichtens auf die optische Achse, da die zurichtende optische Oberfläche des Elements Genauigkeit von der Genauigkeit der Randbeschleirichtet, mit einer Empfängereinrichtung für die fung abhängt. Nachteilig ist ferner die schlechte rückempfangene, von der auszurichtenden opti- io Automatisierbarkeit dieses Montageverfahrens,
sehen Oberfläche reflektierten Strahlung, mit einer Es existieren eine große Anzahl von automati-Halte- und Verschiebeeinrichtung für das EIe- sehen Linsenzentrierungssystemen (»Optical Spectra« ment, welche die Verstellung des Krümmungs- vom Juli/August 1969, Seiten 71 bis 75, DE-OS mittelpunktes der jeweils auszurichtenden opti- 1572 573). Bei diesen Linsenzentrierungsvorrichschen Oberfläche mit Hilfe von Einstelleinrich- 15 tungen werden bereits fotoelektrische Wandler betungen auf die optische Achse in x-, y-Richtung nutzt, um Servomotoren zur Verstellung der zu zenermöglicht, dadurch gekennzeichnet, trierenden Linse zu betreiben, jedoch kann mit einer daß die Halte- und Verschiebeeinrichtung (31) einzelnen ausgerichteten Linse auf einer Apparatur als Einstelleinrichtung elektrische Servoantriebe kein Objektiv montiert werden,
sowie einen Träger (381, 385) zur Befestigung 20 Bei »Optical Spectra« wird die zu zentrierende des auszurichtenden optischen Elements (135) Linse auf einer Hohlspindel durch Saugkraft geaufweist, daß die Lage des Trägers im Raum halten und durch Servomotore so lange verschoben, koordinationsmäßig erfaßt wird und der Träger bis die optische Achse der Linse mit der optischen infolge der Servoantriebe (331, 337, 344, 345) Achse der Vorrichtung übereinstimmt, was dadurch auch in z-Richtung verschiebbar und kippbar ist, 25 feststellbar ist, daß eine punktförmige Lichtquelle daß die Empfängereinrichtung (115, 211) zur Ab- gleichmäßig auf vier fotoelektrischen Wandlern gegabe von Signalen bezüglich der Art der Dezen- bildet wird. Bei der DE-OS 15 72 573 ist ein in X-trierung der jeweils auszurichtenden Oberfläche und Y-Richtung verschiebbarer, ferner kippbarer eingerichtet ist und diese Signale zur Steuerung und drehbarer Halter für die auszurichtene Linse vorder Servoantriebe in der Weise dienen, daß das 30 gesehen, die mit Wechsellicht beaufschlagt und deren optische Element (135) mit dem ersten Krüm- Lage so lange verändert wird, bis das von einer mungsmittelpunkt in die optische Achse bewegt Fotoempfangseinrichtung empfangene Licht keine und danach um diesen Kvümmungsmittelpunkt Dezentrierung mehr anzeigt. Die Kippung des Haigekippt wird, bis der zweite Krümmungsmittel- ters der Linse wird durch eine Kugelfläche ermögpunkt ebenfalls in der optischen Achse liegt, 35 licht, d.h.. cjpr Kipp- oder Schwenkpunkt der zu

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- prüfenden Linse ist festgelegt und fällt im allgemeikennzeichnet, daß das optische Element (135) nen nicht mit einem Krümmungsmittelpunkt einer durch Kippen um den zweiten Krümmungsmittel- Linsenoberfläche zusammen. Der Halter ist nicht punkt mit seinem ersten Krümmungsmittelpunkt zur Objektivmontage vorgesehen und wäre hierzu in die optische Achse bewegbar ist. 40 auch nicht geeignet, da die Entfernung zu anderen

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- optischen Elementen nicht einstellbar ist.

durch gekennzeichnet, daß die Halte- und Ver- Für die Brillenoptiker ist die Kenntnis der X- und

schiebeeinrichtung mindestens fünf lineare Servo- Y-Richtung eines Brillenglases oder einer Optik mit

antriebe (313, 332, 345) zum Bewegen des opti- Zylinderschliff bedeutsam, und zur automatischen

sehen Elements in drei zueinander orthogonalen 45 Bestimmung des optischen Mittelpunktes eines der-

Richtungen (X, Y, Z) und zum Neigen des EIe- artigen Systems ist es bekannt (US-PS 34 45 665),

ments um eine zu einer vorbestimmten Achse ein Strahlenbündel auf den Prüfling zu richten und

orthogonalen Achse enthält. das abgeleitete Strahlenbündel auf drei Fotoempfän-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- ger aufzuteilen, denen jeweils ein in besonderer kennzeichnet, daß die Empfängereinrichtung zur 50 Weise ausgebildeter Unterbrecher oder Zerhacker Abgabe eines Signals an einen Digitalrechner (11) zugeordnet ist, so daß jedes Teilstrahlenbündel periangeschlossen ist, und die Servoantriebe (313, odisch um eine Bezugsachse schwankt. Die Stell- 332, 345) mit dem Digitalrechner gekoppelt und motoren des Halters werden so lange betrieben, bis von diesem steuerbar sind. jedes Teilstrahlenbündel um die Unterbrecherbezugs-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 55 achse symmetrisch ausgerichtet ist. Mit einer Objekbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfän- tivmontage hat dies nichts zu tun.
gereinrichtung einen Quadranten-Photodetektor Bei dem oberbegrifflichen Weg zum optischen (211) mit einer öffnung (231) in seiner Mitte und Einrichten der Linsen eines mehrgliedrigen optischen einen hinter dieser öffnung angeordneten zusatz- Systems zueinander (DE-AS 10 83 571) wird zunächst liehen Photodetektor (234) enthält. 6° eine mechanische Fassung, gegebenenfalls mit einem

eingekitteten optischen Glied, in Übereinstimmung

mit der optischen Achse der Ausrichteeinrichtung gebracht, deren Empfängereinrichtung im wesentlichen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung aus einem Autokollimationsfernrohr mit Fokussier-

zum Ausrichten von optischen Elementen auf eine 65 einrichtung besteht, dann wird eine weitere Linse

optische Achse nach dem Oberbegriff des An- in die Halte- und Verschiebeeinrichtung im passen-

spruches 1. den Abstand zu der ersten Linse auf einen Träger

Bei der Montage von Objekten werden üblicher- mit Ringschneide gelegt und dieser Träger mit