WO1988001065A1 - Device for laterally aligning an optical image - Google Patents

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WO1988001065A1
WO1988001065A1 PCT/DE1987/000337 DE8700337W WO8801065A1 WO 1988001065 A1 WO1988001065 A1 WO 1988001065A1 DE 8700337 W DE8700337 W DE 8700337W WO 8801065 A1 WO8801065 A1 WO 8801065A1
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optical
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Adolf Triller
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G. Rodenstock Instrumente Gmbh
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4225—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements by a direct measurement of the degree of coupling, e.g. the amount of light power coupled to the fibre or the opto-electronic element

Definitions

  • the invention relates to a device for the lateral alignment of an optical image brought about by an imaging system onto a predetermined surface or mark by means of an optical adjustment device.
  • Devices of this type are required, for example, for focusing laser beams onto the entry surface of a light guide.
  • the design of the adjustment device depends on the required accuracy of the adjustment process.
  • the above-mentioned configurations of the adjusting devices are used, for example, in micromanipulators, i.e. in facilities that e.g. allow the setting of a laser beam in ophthalmic treatments.
  • a comparatively rough adjustment accuracy is sufficient here, since the overall accuracy of the system is determined by other processes, for example the smallest eye movements of the person being treated.
  • the entry surface of a light guide can be very small (diameter typically 0.05 mm).
  • the mechanical setting means for the required sensitive and precise relative positioning of the imaging system and light guide are therefore generally complex and expensive.
  • the high outlay for the adjustment process itself and the problems with the long-term stability of the achievable setting accuracy are further disadvantages of the mechanical setting means.
  • optical adjustment devices are used that are similar to a flat plate micrometer.
  • the laser spot is adjusted perpendicular to the optical axis by means of a glass plate which is tilted at a specific point in the beam path of the imaging system.
  • the tilt angle and / or the thickness of the glass plate is varied. Adjustment by means of a glass plate in the two directions perpendicular to the optical axis of the imaging optics therefore requires complicated wobbling movements of the glass plate, so that this optical adjustment device is also difficult to handle. In addition, a glass plate can naturally not be used in a parallel beam path.
  • the invention is based on the object of specifying a device for the lateral alignment of an optical image which, despite its simple design, permits highly precise and at the same time sensitive adjustment.
  • the object is achieved in that the optical adjustment device is a laterally displaceable lens system arranged in front of the imaging system, the focal length of which is greater than the focal length of the imaging system.
  • the optical adjustment device is a laterally displaceable lens system arranged in front of the imaging system, the focal length of which is greater than the focal length of the imaging system.
  • the lateral shift h 2 of the focal point F of the imaging system applies with parallel light entry (e.g. laser beam).
  • the lateral displacement - of the lens L - is thus optically reduced to a certain extent.
  • the lateral position of the system focal point can be adjusted as desired by relatively rough displacement of the lens.
  • Similar laws also apply to the non-parallel beam path in front of the lens L and to a lens system, ie for the series connection of several, coordinated lenses.
  • the device according to the invention thus has a number of advantages:
  • Adjustment of the imaging of an optical imaging system in a plane perpendicular to the optical axis of the imaging system and in particular in the image plane requires only linear movements of the additionally provided lens system in the device according to the invention.
  • the required adjustment movements are therefore considerably simpler to carry out compared to the tilting of a glass plate in known devices of similar adjustment accuracy.
  • the adjustment devices which enable the lens system to be displaced can also be made considerably simpler than in the prior art. Adjustment devices that are easy to manufacture, for example adjusting screws, sliding carriages or the like, can thus be used. Nevertheless, the optical image can be adjusted practically as desired. For this purpose, only the focal lengths of the imaging system and the additional lens system have to be matched to one another in a suitable manner within the claimed frame, so that a specific lateral movement of the lens system corresponds to a specific lateral alignment movement of the image.
  • the focal length of the laterally displaceable lens system is at least a factor of 3, preferably at least a factor 5 larger than the focal length of the imaging system.
  • the greater the focal length ratio the more precisely the adjustment can be carried out and the less sensitive the system becomes to changes in position of the lens system.
  • the distance between the imaging system and the lens system is less than twice the focal length of the imaging system, and preferably the distance is equal to this focal length (claim 3).
  • the device according to the invention is preferably used when laser light is coupled into an optical waveguide (claim 5).
  • the lens system consists of a single lens.
  • a corrected lens it is not absolutely necessary to use a corrected lens. Rather, aberrations can be corrected over the entire optical system. At most with a large aperture ratio and then only with a large distance between the imaging system and the lens system according to the invention, for. B. an achromatic lens system can be used.
  • Fig. 1 shows a cross section through the embodiment, and 2 enlarges an area from FIG. 1,
  • light 1 from a laser is to be coupled into an optical waveguide 2.
  • a lens 3 forming an imaging lens system and a lens 4 are provided in a manner known per se, which lens can be displaced in a plane perpendicular to the optical axis 5 of the lens 3. This is symbolized by the arrow h 1 .
  • the laser is an argon laser with a wavelength of 488 nm.
  • the laser beam 1 typically has a diameter of approximately 2 mm, the entrance surface of the.
  • the optical waveguide has a diameter of 50 micrometers.
  • the imaging lens system 3 is used to focus the laser light on the entrance surface.
  • it is a converging plan-convex lens with the following data:
  • an additional lens system 4 is arranged in front of this imaging lens system 3, which serves to adjust the "focus point" of the laser beam in a plane perpendicular to the optical axis 5 and has a diverging effect arranged at a distance e in front of the lens 3.
  • de Biconcave lens 4 with the following data is:
  • the lateral displacement h of the lens 4 is thus optically reduced to a certain extent.
  • the lateral position of the system focal point F can be set almost exactly as desired by a relatively rough displacement of the lens 4. Similar This also applies to non-parallel beam paths in front of the lens L and to a lens system, ie for the series connection of several, coordinated lenses.
  • the laser beam can therefore be sensitively focused on the entrance surface of the optical waveguide.
  • the lateral shift can take place by mechanical adjustment means.
  • the setting means z. B. can be fixed by a paint lock.
  • the particularly positionally critical imaging lens 3 does not need to be moved during the adjustment process.
  • Adjustment of the imaging of an optical imaging system in a plane perpendicular to the optical axis 5 of the imaging system and in particular in the image plane requires only linear movements of the additionally provided lens system in the device according to the invention.
  • the required adjustment movements are therefore considerably easier to carry out in comparison with the tilting of a glass plate with known devices of similar adjustment accuracy.
  • the adjustment devices which enable the lens system to be displaced can also be made considerably simpler than in the prior art. Adjustment devices that are easy to manufacture, for example adjusting screws, sliding carriages or the like, can thus be used. Nevertheless, the optical image can be adjusted practically as desired.

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Description

Vorrichtung zum lateralen Ausrichten einer optischen
Abbildung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum late¬ ralen Ausrichten einer durch ein Abbildungssystem bewirk¬ ten optischen Abbildung auf eine vorgegebene Fläche oder Marke mittels einer optischen Justiereinrichtung.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zum Fokus¬ sieren von Laserstrahlen auf die Eintrittsfläche eines Lichtleiters benötigt.
Stand der Technik
Bei bekannten Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hängt die Ausbildung der Justiereinrichtung von der geforderten Genauigkeit des Justiervorgangs ab.
Beispielsweise ist es seit langem bekannt, zum Justieren des Abbildungssystem relativ zu einer Marke das Abbil¬ dungssystem in einer Ebene zu verschieben, die senkrecht auf der optischen Achse des AbbildungsSystems steht. Na¬ türlich ist es auch möglich, den Lichtleiter in der Bild¬ ebene des AbbildungsSystems zu verschieben. Die Verschie¬ bung erfolgt dabei durch an sich bekannte mechanische Einstellmittel.
Ferner ist es bekannt, zum lateralen Ausrichten einer durch ein Abbildungssystem bewirkten optischen Abbildung einen zwischen dem Abbildungssystem und der Ebene, in der die Justierung erfolgen soll, angeordneten Spiegel zu verkippen .
Die vorstehend genannten Ausbildungen der Justiereinrich¬ tungen werden beispielsweise in Mikromanipulatoren einge¬ setzt, d.h. in Einrichtungen, die z.B. die Einstellung eines Laserstrahls bei ophthalmologischen Behandlungen erlauben. Hierbei genügt eine vergleichsweise grobe Jus¬ tiergenauigkeit, da die Gesamtgenauigkeit des Systems durch andere Vorgänge, beispielsweise kleinste Augenbewe¬ gungen der behandelten Person bestimmt wird.
Beim Fokussieren von Laserstr-ahlen auf die Eintrittsfläche eines Lichtleiters ist jedoch die Genauigkeitsanforderung wesentlich größer.
Die Eintrittsfläche eines Lichtleiters kann sehr klein sein (Durchmesser typischerweise 0,05 mm). Die mechani¬ schen Einstellmittel für die er-forderliche feinfühlige und präzise Relativ-Positionierung von Abbildungssystem und Lichtleiter sind daher in der Regel aufwendig und teuer. Der hohe Aufwand für den Justiervorgang selbst sowie die Probleme mit der Langzeitstabilität der erreichbaren Ein- stellgenauigkeit sind weitere Nachteile der mechanischen Einstellmittel.
Ähnliche Probleme treten unter anderem auch bei der Abbil¬ dung von Marken auf, die quer zueinander zu justieren sind, beispielsweise in Meßvorrichtungen.
Deshalb sind für derartige hochgenaue und gleichzeitig feinfühlige Justiervorgänge die vorstehend erwähnten Jus¬ tiereinrichtungen, bei denen das Abbildungssystem und/oder das Objekt, auf das justiert werden soll, in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse verschoben werden bzw. ein Spiegel verkippt wird, nicht in Betracht gezogen worden.
Vielmehr werden in der Regel optische Justiereinrichtungen verwendet, die Ähnlichkeit mit einem Planplattenmikrometer haben. Mittels einer Glasplatte, die an einer bestimmten Stelle im Strahlengang des Abbildungssystems gekippt wird, erfolgt eine Justierung des Laserflecks senkrecht zur optischen Achse.
Zur Justierung der optischen Abbildung in einer zur opti¬ schen Achse senkrechten Ebene wird der Kippwinkel und/oder die Dicke der Glasplatte variiert. Eine Justierung mittels Glasplatte in den beiden Richtungen senkrecht zur opti¬ schen Achse der Abbildungsoptik erfordert daher kompli¬ zierte Taumelbewegungen der Glasplatte, so daß auch diese optische Justiereinrichtung schwer zu handhaben ist. Zudem kann eine Glasplatte naturgemäß nicht im parallelen Strah¬ lengang eingesetzt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum lateralen Ausrichten einer optischen Abbildung anzuge¬ ben, die trotz einfacher Ausbildung eine hochgenaue und gleichzeitig feinfühlige Justierung erlaubt.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die optische Justiereinrichtung ein vor dem Abbildungssystem angeordnetes, lateral verschiebbares Linsensystem ist, dessen Brennweite größer als die Brennweite des Abbil¬ dungsSystems ist. Zum lateralen Ausrichten der optischen Abbildung des Ab¬ bildungssystems wird daher lediglich das erfindungsgemäß vorgesehene Linsensystem in einer zur optischen Achse des Abbildungssystems senkrechten Ebene, nicht jedoch das Abbildungssystem selbst bewegt.
Wird beispielsweise vor einem Abbildungssystem L, eine einzelne Linse L- eingesetzt, so gilt für die laterale Verschiebung h2 des Brennpunktes F des AbbildungsSystems bei parallelem Lichteintritt (z. B. Laserstrahl)
h2 ~ fl + f„ ~
Mit fm = Brennweite der Linse 1 fm - Brennweite des AbbildungsSystems L2 h1 = laterale Verschiebung von L- h2 = laterale Verschiebung von F e = Abstand zwischen L- und L2
Die laterale Verschiebung - der Linse L- wird also gewis¬ sermaßen optisch untersetzt. Auf diese Weise kann man durch Auswahl eines geeigneten Brennweitenverhältnisses beliebig genau die laterale Lage des Systembrennpunktes durch relativ grobe Verschiebung der Linse einstellen. Ähnliche Gesetzmäßigkeiten gelten auch für nicht paralle¬ len Strahlenverlauf vor der Linse L- sowie für ein Linsen¬ system, d. h. für die Hintereinanderschaltung mehrerer, aufeinander abgestimmter Linsen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine damit eine Reihe von Vorteilen:
Eine Justierung der Abbildung eines optischen Abbildungs¬ systems in einer zur optischen Achse des AbbildungsSystems senkrechten Ebene und insbesondere in der Bildebene erfor¬ dert bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausschließlich lineare Bewegungen des zusätzlich vorgesehenen Linsen¬ systems. Die erforderlichen Justierbewegungen sind daher im Vergleich zur Kippung einer Glasplatte bei bekannten Vorrichtungen ähnlicher Justiergenauigkeit erheblich ein¬ facher auszuführen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene optische Unterset¬ zung können auch die Justiereinrichtungen, die ein Ver¬ schieben des Linsensystems ermöglichen, erheblich ein¬ facher ausgeführt werden als beim Stand der Technik. So können einfach zu fertigende Justiereinrichtungen, bei¬ spielsweise Stellschrauben, Schiebeschlitten oder ähn¬ liches verwendet werden. Dennoch läßt sich die optische Abbildung praktisch beliebig genau justieren. Hierzu müs¬ sen lediglich die Brennweiten des AbbildungsSystems und des zusätzlichen Linsensystems in geeigneter Weise inner¬ halb des beanspruchten Rahmens aufeinander abgestimmt werden, so daß einer bestimmten Lateralbewegung des Lin¬ sensystems eine bestimmte laterale Ausricht-Bewegung der Abbildung entspricht.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach einer gemäß Anspruch 2 bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennweite des lateral verschiebbaren Linsensystems wenigstens um einen Faktor 3, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 5 größer als die Brennweite des Abbildungssystems. Je größer das Brennweitenverhältnis ist, desto genauer kann die Justierung erfolgen und desto unempfindlicher wird das System gegenüber Lageveränderun¬ gen des Linsensystems.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfin¬ dung ist der Abstand zwischen dem Abbildungssystem und dem Linsensystem kleiner als die doppelte Brennweite des Abbildungssystems, vorzugsweise gleicht der Abstand dieser Brennweite (Anspruch 3) .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet bevorzugt bei der Einkopplung von Laserlicht in einen Lichtwellenleiter Anwendung (Anspruch 5) . Bei der in Anspruch 4 gekennzeich¬ neten Ausgestaltung der Erfindung besteht dabei das Lin¬ sensystem aus einer Einzellinse.
Erfindungsgemäß ist es nicht unbedingt erforderlich eine korrigierte Linse zu verwenden. Abbildungsfehler können vielmehr über das gesamte optische System korrigiert wer¬ den. Allenfalls bei einem großen öffnungsverhältnis und dann auch nur bei großem Abstand zwischen Abbildungssystem und dem erfindungsgemäßen Linsensystem kann z. B. eine achromatisches Linsensystem verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs- beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichung näher be¬ schrieben, in der zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 vergrößert einen Bereich aus Fig. 1,
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel soll Licht 1 eines Lasers in einen Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt werden. Hierzu sind in an sich bekannter Weise eine ein Abbil¬ dungslinsensystem bildende Linse 3 sowie eine Linse 4 vorgesehen, die in einer zur optischen Achse 5 der Linse 3 senkrechten Ebene verschiebbar ist. Dies ist durch den Pfeil h1 symbolisiert.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Laser ein Argonlaser mit einer Wellenlänge von 488 nm. Der Laser¬ strahl 1 hat bei einem derartigen Laser typischerweise einen Durchmesser von etwa 2mm, die Eintrittsfläche des . Lichtwellenleiters hat dagegen einen Durchmesser von 50 Mikrometern.
Zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Lichtwellenleiter, d.h. zum Fokussieren des Laserlichts auf die Eintrittsflä¬ che dient das Abbildungslinsensystem 3, das bei dem ge¬ zeigten Ausführungsbeispiel eine konvergierend wirkende Plankonvexlinse mit folgenden Daten ist:
Brennweite f = 13, 69 mm Krümmungsradius r = 9,57 mm Mittendicke d = 2,0 mm
Erfindungsgemäß ist vor diesem Abbildungslinsensystem 3 ein zusätzliches Linsensystem 4 angeordnet, das zum Jus¬ tieren des "Fokuspunktes" des Laserstrahls in einer zur optischen Achse 5 senkrechten Ebene dient und eine im Abstand e vor der Linse 3 angeordnete divergierend wirken- de Bikonkav-Linse 4 mit folgenden Daten ist :
Brennweite f = -220,19 mm
Krümmungsradius jeweils r = 315,09 mm Mittendicke d = 1,00 mm
Abstand e zwischen den Linsen e = 12 mm
Aus den allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten der geome¬ trischen Optik erhält man für die Verschiebung 2 des Brennpunkts F des von den beiden Linsen 3 und 4 gebildeten Gesamtsystems bei einer Verschiebung der Linse 4 in einer zur optischen Achse 5 senkrechten Ebene (laterale Ver¬ schiebung) um die Strecke h-, wobei vorausgesetzt ist, daß der Laserstrahl ein zur optischen Achse 5 der Linse 3 paralleler Strahl ist:
h2 =
Figure imgf000010_0001
hierbei bedeuten: f., = Brennweite der Linse 4 f2 = Brennweite des AbbildungsSystems 3 h. = laterale Verschiebung der Linse 4 2 = laterale Verschiebung von F e = Abstand zwischen 3 und 4
Die laterale Verschiebung h- der Linse 4 wird also gewis¬ sermaßen optisch untersetzt. Auf diese Weise kann man durch Auswahl eines geeigneten Brennweitenverhältnisses der beiden Linsen 3 und 4 nahezu beliebig genau die late¬ rale Lage des Systembrennpunktes F durch eine relativ grobe Verschiebung der Linse 4 einstellen. Ähnliche Ge- setz äßigkeiten gelten auch für nicht parallelen Strahlen¬ verlauf vor der Linse L- sowie für ein Linsensystem, d. h. für die Hintereinanderschaltung mehrerer, aufeinander abgestimmter Linsen.
Für die bei dem Ausführungsbeispiel angegebenen Daten erhält man mit der vorstehend angegebenen Beziehung folgende Werte:
Bei einer lateralen Verschiebung der Linse 4 um einen Betrag h_, , beispielsweise 4 mm, erfolgt eine laterale Verschiebung des Systembrennpunktes um einen Betrag h2 = 0,255 mm; dieser Wert ist um den Faktor 16 kleiner als h-.
Der Laserstrahl kann daher feinfühlig auf die Eintritts¬ fläche des Lichtwellenleiters fokussiert werden. Die la¬ terale Verschiebung kann durch mechanische Einstellmittel erfolgen. In der Endlage können die Einstellmittel z. B. durch Lacksicherung fixiert werden. Die besonders lage¬ kritische Abbildungslinse 3 braucht während des Justier¬ vorgangs nicht bewegt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat darüberhinaus noch eine Reihe von Vorteilen:
Eine Justierung der Abbildung eines optischen Abbildungs¬ systems in einer zur optischen Achse 5 -des AbbildungsSys¬ tems senkrechten Ebene und insbesondere in der Bildebene erfordert bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus¬ schließlich lineare Bewegungen des zusätzlich vorgesehenen Linsensystems. Die erforderlichen Justierbewegungen sind daher im Vergleich zur Kippung einer Glasplatte bei be¬ kannten Vorrichtungen ähnlicher Justiergenauigkeit erheb¬ lich einfacher auszuführen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene optische Unterset¬ zung können auch die Justiereinrichtungen, die ein Ver¬ schieben des Linsensystems ermöglichen, erheblich ein¬ facher ausgeführt werden als beim Stand der Technik. So können einfach zu fertigende Justiereinrichtungen, bei¬ spielsweise Stellschrauben, Schiebeschlitten oder ähn¬ liches verwendet werden. Dennoch läßt sich die optische Abbildung praktisch beliebig genau justieren.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum lateralen Ausrichten einer durch ein Abbildungssystem bewirkten optischen Abbildung auf eine vorgegebene Fläche oder Marke mittels einer optischen Justiereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Justiereinrich¬ tung ein vor dem Abbildungssystem (3) angeordnetes, late¬ ral verschiebbares Linsensystem (4) ist, dessen Brennweite größer als die Brennweite des AbbildungsSystems (3) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des lateral verschiebbaren Linsensystems (4) wenigstens um einen Fak¬ tor 3, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 5 größer als die Brennweite des AbbildungsSystems (3) ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Ab¬ bildungssystem 83) und dem Linsensystem (4) kleiner als die doppelte Brennweite des Abbildungssystem (3) ist, vorzugsweise dieser Brennweite gleicht.
. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (4) aus einer Einzellinse besteht.
5. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Einkoppelung eines Laserstrahls in einen Lichtwellenleiter.
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