DE10111825B4

DE10111825B4 - Anordnung zum Justieren von mindestens einem Lichtstrahl in einem optischen System

Info

Publication number: DE10111825B4
Application number: DE10111825.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Birk Holger; Dr. Engelhardt Johann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: US20020162976A1; DE10111825A1; US7675019B2

Abstract

Anordnung (70) zum Justieren eines Lichtstrahls (1) in einem optischen System (100), das eine erste optische Achse (60) definiert, wobei ein Mittel zum Einkoppeln (3) des Lichtstrahls in ein Gehäuseteil (80) der Anordnung (70) vorgesehen ist und das Mittel zum Einkoppeln (3) eine Einkoppelstelle (3a) und einen Einkoppellichtstrahl (9) definiert, wobei das Gehäuseteil (80) der Anordnung (70) eine zweite optische Achse (40) definiert, wobei ein erster und ein zweiter Photodetektor (10, 22) in jeweils unterschiedlichen Abständen zur Einkoppelstelle (3a) an dem Gehäuseteil (80) angeordnet sind, wobei im Einkoppellichtstrahl (9) mindestens ein Umlenkmittel (36) vorgesehen ist, das den Einkoppellichtstrahl (9) auf den ersten Photodetektor (10) richtet und wobei der zweite Photodetektor (22) in Richtung der zweiten optischen Achse (40) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Justieren eines Lichtstrahls in einem optischen System.
Die Ausbreitung eines Lichtstrahles lässt sich anhand von vier charakteristischen Parametern hinreichend beschreiben, nämlich durch den räumlichen Abstand (Offset) des Lichtstrahls von der optischen Achse des optischen Systems, charakterisiert durch zwei Koordinaten, die durch Parallelverschiebung des Lichtstrahles zur optischen Achse in einer Schnittebene senkrecht zur optischen Achse hervorgehen, den Winkel unter dem er bzw. eine durch den Lichtstrahl gelegte Gerade nach Parallelverschiebung (Eliminierung des Offsets) die optische Achse schneidet, sowie einen Winkel, der die räumliche Lage der Ebene, die von zwei Geraden, die jeweils durch den Lichtstrahl und die optische Achse verlaufen, aufgespannt wird, bezüglich eines festen Koordinatensystems beschreibt.
In dem U.S. Patent 5206766 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, die zur Ausrichtung einer Laserdiode, die in einem optischen Scanner verwendet wird. Zur genauen Ausrichtung ist vor dem Scanner eine opake Scheibe mit einer Zielmarke montiert. Die genaue Ausrichtung der Laserdiode ist erreicht, wenn der Laserstrahl die Zielmarke trifft.
Das U.S. Patent 5717666 A offenbart eine Justiervorrichtung für ein optisches Mittel, um den Versatz zwischen der zentralen Achse einer Linse und der optischen Achse eines Laserstrahls zu ermitteln und auszugleichen. Die Vorrichtung offenbart einen ersten und einen zweiten Photodetektor. Der erste Photodetektor ist entlang der zentralen Achse der Linse bewegbar, um somit das Ausmaß des Versatzes zu bestimmen. Mit dem zweiten Photodetektor wird die Verteilung des Laserstrahls bestimmt. Ferner ist ein Strahlteiler vorgesehen, der den Laserstahl auf die beiden Photodetektoren richtet. Ein Mechanismus verstellt die Laserlichtquelle an Hand der von den beiden Photodetektoren erhaltenen Signalen, um die Laserlichtquelle entsprechend zu justieren.
Aus den Druckschriften US 5923418 A , US 4627725 A , DE 199 42 905 A1 , US 5978053 A und DE 26 33 965 B2 sind jeweils Anordnungen zum Justieren eines Lichtstrahls bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die es erlaubt, auf einfache, schnelle und sichere Weise die Justierung des Lichtstrahls eines optischen Systems durchzuführen.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dies hat den Vorteil, dass insbesondere im optischen Gerätebau die charakteristischen Strahlparameter, zumindest an einer Stelle eines Strahlenganges, im optischen System gemessen werden. An Hand dieser Messung können im optischen System bestimmte optische Elemente durch Stellelemente in ihrer Lage verändert werden, um dadurch die räumliche Lage des Lichtstrahls im optischen System derart zu verändern, dass der Lichtstrahl in die erforderliche Soll-Position gebracht wird. Die erforderliche Soll-Position des Lichtstrahls deckt sich mit der durch das optische System definierten optischen Achse.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann an jeder Stelle des optischen Systems angebracht werden. Die Anordnung kann auf zwei verschiedene Arten am optischen System angebracht werden. Die erste Möglichkeit ist, dass der Lichtstrahl des optischen Systems direkt und ohne Ablenkung in die Anordnung gelangt. Die Anordnung wird an einer Einkoppelstelle durch eine entsprechende Befestigung direkt in den Strahlengang des optischen Systems gebracht. Die Anordnung ist mit einem Mittel zum Einkoppeln versehen, wodurch ein Einkoppellichtstrahl erzeugt wird, der ohne Winkeländerung in die Anordnung gelangt. Das Mittel zum Einkoppeln kann z.B. eine Linse oder ein Strahlabschwächer (Graufilter) sein. Die zweite Möglichkeit ist, dass der Lichtstrahl des optischen Systems über eine Ablenkung (mit Winkeländerung) in die Anordnung gelangt, wodurch in der Anordnung der Einkoppellichtstrahl definiert wird. An der Einkoppelstelle gelangt der Lichtstrahl mittels eines Strahlteilers oder eines herkömmlichen Spiegels in die Anordnung.
Die Mindestanforderung für die Anordnung ist, dass mindestens ein erster und ein zweiter Photodetektor in jeweils unterschiedlichen Abständen zur Einkoppelstelle angeordnet sind. Die Photodetektoren sind vorzugsweise als 2-dimensionale, positionsempfindliche Detektoren ausgebildet. In der Anordnung ist mindestens ein Umlenkmittel vorgesehen, das den Einkoppellichtstrahl auf den ersten Photodetektor richtet. Der das Umlenkmittel passierende Anteil des Einkoppellichtstrahls gelangt auf den zweiten Photodetektor. An oder in der Anordnung können die Photodetektoren unterschiedlich angebracht werden. Die einzige Bedingung für die Anordnung, die beim Anbringen der Photodetektoren erfüllt werden muss, ist, dass die Photodetektoren sich in jeweils unterschiedlichen Abständen zu der Einkoppelstelle befinden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzlich zu den Photodetektoren optische Zielmarken vorgesehen sein, die für den Benutzer eine zusätzliche visuelle Kontrolle hinsichtlich der Qualität der Justierung zu Verfügung stellen. Für die Justierung ist es jedoch ausreichend sich ausschließlich auf Photosensoren zu verlassen. Besonders vorteilhaft für die Bestimmung der Position des Lichtstrahls erweisen sich elektrooptische Sensoren, wie z.B. Quadrantendioden oder PSDs (Position Sensitiv Detector). Vorzugsweise werden PSDs verwendet, weil Quadrantendioden nur innerhalb eines Bereiches, der etwa dem Lichtstrahlquerschnitt entspricht eine Positionsbestimmung zulassen. Die Funktionsweise von PSDs ist dem Fachmann bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen werden muss. Durch Auslesen der Photoströme an den vier Elektroden kann auf den Auftreffort des Lichtstrahles innerhalb des Photosensors geschlossen werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung;
2: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in Explosionsdarstellung;
3: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Bauteils zum Montieren der Anordnung am optischen System;
4: den schematischen inneren Aufbau der Anordnung;
5: eine schematische Darstellung des als Photodetektor verwendeten 2-dimensionalen, positionsempfindlichen Sensors;
6: eine schematische Darstellung einer optischen Zielmaske;
7: eine Übersicht über die Strecken, die zur Berechnung der charakteristischen Strahlparameter relevant sind; und
8: eine Ausführungsform der visuellen Darstellung der Abweichung Ist-Position von der Soll-Position auf einem Display in Form eines User-Interfaces.

Die Anordnung 70 zum Justieren eines Lichtstrahls 1 in einem optischen System 100 ist in perspektivischer Ansicht in 1 dargestellt. Die Anordnung 70 besteht aus einem Gehäuseteil 80, das mit einem Deckel 42 verschlossen ist. Außen, am Gehäuseteil 80 sind mindesten zwei Photodetektoren 10 (in dieser Darstellung durch das Gehäuseteil 80 verdeckt) und 22 angebracht. An einer Stirnseite 80a des Gehäuseteils 80 ist ein Flansch 82 ausgebildet, mit dem ein Bauteil 83 zusammenwirkt, das in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Mittel 3 zum Einkoppeln des Lichtstrahls umfasst. Das Mittel 3 zum Einkoppeln kann z.B. als herkömmlicher Spiegel ausgestaltet sein. Das Bauteil 83 selbst umfasst eine Platte 84, die zum Befestigen des Bauteils 83 am optischen System 100 dient. Durch die in der Platte 84 angebrachten Befestigungspunkte oder Bohrungen 84a wird eine genaue Positionierung der Anordnung 70 bezüglich des optischen Systems 100 erreicht, da das Bauteil 83 mit dem Flansch 82 des Gehäuseteils 80 zusammenwirkt. Die genaue Positionierung der Anordnung 70 ist für die Genauigkeit der Bestimmung und Einstellung der Justierung des Lichtstrahls 1 im optischen System 100 von besonderer Bedeutung. Der Photodetektor 22 besitzt mehrere elektrische Anschlüsse 12, 14, 16 und 18, die mit entsprechenden Mitteln zum Verarbeiten der elektrischen Signale verbunden sind.
In 2 ist die Anordnung 70 (siehe 1) zum Justieren in perspektivischer Ansicht dargestellt. Dabei ist der Deckel 42 abgenommen, um einen Einblick in das Gehäuseteil 80 zu erhalten. Das Gehäuseteil 80 weist im Inneren mehrere gefräste Halteelemente 81 auf. Das Gehäuseteil 80 besteht aus Metall, wie z.B. Stahl oder Aluminium, in dem die Halteelemente 81 und/oder Öffnungen ausgebildet sind. Ebenso ist es denkbar, dass das Gehäuseteil 80 aus einen Kunststoff hergestellt ist. In diesem Fall kann das Gehäuseteil 80 z.B. mit einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Halteelemente 81 ausgeformt. In jedes der Halteelemente sind Strahlteiler 4, 36 und 38 eingesetzt, wobei im einfachsten Fall die Strahlteiler 4 und 38 aus einfachen Glasplatten bestehen und der Strahlteiler 36 als 50/50 Strahlteiler ausgebildet ist. An der Stirnseite 80a des Gehäuseteils 80 ist, wie bereits in 1 beschrieben, der Flansch 82 ausgebildet, mit dem das Bauteil 83 zusammenwirkt, das ebenfalls das Mittel 3 zum Einkoppeln des Lichtstrahls 1 umfasst. Die Platte 84 des Bauteils 83 dient zu deren Befestigung an dem optischen System 100. Durch die Platte 84 hindurch ist ein Rohr 85 geführt, das an einem ersten Ende 85a in die Öffnung (nicht dargestellt) des Flansches 82 eingreift. An einem zweiten Ende 85b trägt das Rohr 85, unter einem Winkel abgeschrägt, das Mittel 3 zum Einkoppeln, das den Lichtstrahl aus dem optischen System 100 in das Gehäuseteil 80 der Anordnung 70 lenkt. Über mindestens ein Koppelelement 86 ist das Bauteil 83 mit dem Flansch 82 des Gehäuseteils 80 verbunden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bauteils 83 zum Montieren der Anordnung 70 am optischen System 100. Das in 3 dargestellte Bauteil 83 ist für die Montage der Anordnung im Strahlengang des optischen Systems derart geeignet, dass der Lichtstrahl 1 des optischen Systems 100 unabgelenkt in die Anordnung 70 eintritt. Das Bauteil 83 ist aus einem ersten und einem zweiten zylindersymmetrischen Element 88 und 89 aufgebaut, wobei das erste Element 88 an seiner einen Seite einen kleineren Durchmesser besitzt als an seiner anderen Seite. Das zweite Element 89 dient als Adapter zwischen dem ersten Element 88 und dem optischen System 100. Zu dem Zweck sind an dem zweiten Element 89 mehrere Schrauböffnungen 90 angebracht, mit dessen Hilfe die beiden Elemente 88 und 89 miteinander verschraubt werden. Ebenso sind am zweiten Element 89 mehrere Raststellen 91 vorgesehen, die in entsprechender Weise mit dem optischen System 100 zusammenwirken. Das erste Element 88 besitzt an seiner einen Seite einen kleineren Durchmesser als das zweite Element 89, um somit passgenau mit dem Flansch 82 des Gehäuseteils 80 der Anordnung 70 zusammenzuwirken. Die Innenseite 92 des zweiten Elements 89 ist mit einem passgenauen Befestigungsmechanismus 93 zum schnellen Anbringen der Anordnung 70 an das optische System 100 versehen. Ferner besitzt das erste Element 88 eine zentrische Öffnung 94, durch die der Lichtstrahl 1 aus dem optischen System unabgelenkt in die Anordnung 70 eintritt.
4 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung, die sowohl eine elektronische Ermittlung und Auslesung der Positionssignale, als auch eine visuelle Kontrolle erlaubt. Die schematische Darstellung in 4 ist die 2-dimensionale Repräsentation des in 2 offenbarten Ausführungsbeispiels. Der Lichtstrahl 1, der sich im optischen System 100 in die mit dem Pfeil 2 angedeutete Richtung ausbreitet, wird mit einem Mittel 3 zum Einkoppeln in die Anordnung 70 reflektiert. Das Mittel 3 zum Einkoppeln kann als herkömmlicher Strahlteiler ausgebildet sein, der permanent in der optischen Achse des optischen Systems 100 angeordnet ist. Ebenso kann das Mittel 3 zum Einkoppeln als herkömmlicher Spiegel ausgebildet sein, der lediglich zum Ermitteln der Justierung des Lichtstrahls 1 derart in das optische System 100 einbringbar ist, dass der Lichtstrahl 1 in die Anordnung 70 eingekoppelt wird. Das Mittel 3 zum Einkoppeln definiert einen Einkoppellichtstrahl 9, der durch in der Anordnung 70 vorgesehene Strahlteiler 4, 36, 38 auf mindestens zwei Photodetektoren 10 und 22 lenkbar ist. Ein erster Strahlteiler 4 lenkt den Einkoppellichtstrahl 9 auf eine erste visuell beobachtbare Zielmarke 8. Der erste Strahlteiler 4 kann z.B. als einfache Glasplatte ausgeführt sein. Der Einkoppellichtstrahl 9 definiert eine optische Achse 40 für die geradlinige Strahlausbreitung innerhalb des Gehäuseteils 80. Ein zweiter Strahlteiler 36 lenkt den vom ersten Strahlteiler 4 durchgelassenen Lichtstrahl auf einen ersten Photodetektor 10, der z.B. als 2-dimensionaler, positionsempfindlicher Detektor ausgebildet sein kann. Der zweite Strahlteiler 36 ist beispielsweise als beschichteter 50/50-Strahlteiler ausgeführt. Ein dritter Strahlteiler 38, lenkt den vom zweiten Strahlteiler 36 durchgelassenen Lichtstrahl auf eine zweite visuell beobachtbare Zielmarke 20. Der dritte Strahlteiler 38 kann ebenfalls als einfache Glasplatte ausgeführt sein. Der vom dritten Strahlteiler 38 durchgelassene Lichtstrahl gelangt auf einen zweiten Photodetektor 22, der ebenfalls als 2-dimensionaler, positionsempfindlicher Detektor ausgebildet sein kann. Die in 4 dargestellte spezielle Anordnung von Zielmarken 8, 20 und Photodetektoren 10, 22 ist lediglich eine Auswahl von mehreren Möglichkeiten. In der weiteren Beschreibung wird der aus dem optischen System ausgekoppelte Lichtstrahl als Einkoppellichtstrahl 9 bezeichnet. Die einzigen Erfordernisse sind, dass an oder in dem Gehäuseteil 80 mindestens zwei Photodetektoren 10; 22 vorgesehen sind, dass die Photodetektoren 10, 22 in unterschiedlichen Abständen von dem Mittel 3 zum Einkoppeln angeordnet sind, und dass mindestens ein Photodetektor 10 oder 22 von der optischen Achse 40 des Einkoppellichtstrahls 9 im Gehäuseteil 80 beabstandet ist. Die räumliche Lage des Mittels 3 zum Einkoppeln definiert eine Einkoppelstelle 3a. Die Photodetektoren 10 und 22 besitzen mehrere elektrische Anschlüsse, die mit einem Computer 11 verbunden sind. Der Computer 11 kann z.B. als PC oder als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein, die für die Ermittlung der Justierung des optischen Systems 100 die erforderlichen Berechnungen durchführt. Dem Computer 11 ist ein Display 13 zugeordnet (siehe 4), auf dem z.B. die aktuelle Lage des zu justierenden Lichtstrahls im optischen System 100 graphisch darstellbar ist. Ein spezielles Ausführungsbeispiel der graphischen Darstellung auf dem Display wird in 8 nachstehend beschrieben. Die ersten, zweiten und dritten Strahlteiler 4, 36 und 38 sowie der zweite Photodetektor 22 sind in der Ausbreitungsrichtung des Einkoppellichtstrahls 9, bzw. in der optischen Achse 40 des Einkoppellichtstrahls 9, angeordnet, wobei die Ausbreitungsrichtung durch einen Pfeil 2a gekennzeichnet ist. Das Gehäuseteil 80 der Anordnung 70 ist an der Stirnseite 80a über den Flansch 82 mit dem optischen System 100 verbunden. Die Verbindung dient dazu die Anordnung 70 zum optischen System 100 in eine definierte Lage zu bringen.
5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der als Photodetektoren 10 und 22 verwendeten 2-dimensionalen, positionsempfindlichen Sensoren. Der Photodetektor 10 oder 22 ist als Rechteck ausgebildet und besitzt an jeder der vier Seiten jeweils eine Elektrode 24, 26, 28 und 30. Von den Elektroden 24, 26, 28 und 30 geht jeweils ein elektrischer Anschluss 12, 14, 16 und 18 aus. Die elektrischen Anschlüsse 12, 14, 16 und 18 sind, wie bereits oben beschrieben, zur Berechnung des Auftreffortes des Lichtstrahls auf den Photodetektor 10 oder 22 mit dem Computer 11 verbunden. Der Auftreffort des Einkoppellichtstrahls auf dem Photodetektor 10 oder 22 wird durch Messung der Photoströme über die Elektroden 24, 26, 28 und 30 ermittelt. In die Rechnung gehen natürlich die optischen Abstände der Photodetektoren 10 und 22 zum Strahlteiler 36 ein.
6 zeigt eine Ausführungsform der optischen Zielmarke 8 und 20. Die optische Zielmarke 8 und 20 ist z.B. aus einer Mattscheibe hergestellt und kreisförmig ausgebildet. Auf der Zielmarke 8, 20 ist ein Fadenkreuz 44, mit der Kreuzung-im Mittelpunkt 46, aufgebracht. Um die Kreuzung ist mindestens ein Kreis 48 ausgeformt.
7 zeigt für die Anordnung 70 eine Übersicht der Strecken und Winkel, anhand derer die Berechnung der charakteristischen Strahlparameter vorgenommen werden kann. Die in der schematischen Darstellung der 7 verwendete Anordnung 70 ist mit zwei Photodetektoren 10, 22 ausgestattet, die zur Bestimmung der Justierung des optischen Systems 100 herangezogen werden. Auf die Verwendung optischer Zielmarken ist in dieser Ausführungsform ganz verzichtet worden.
Der Lichtstrahl 1 im optischen System 100 ist in 7 als durchgezogene Linie dargestellt. Der Einkoppellichtstrahl 9 ist ebenfalls als durchgezogene Linie in der Anordnung 70 dargestellt. Die optische Achse 60 des optischen Systems 100 ist gestrichelt gezeichnet. Ebenso ist die optische Achse 40 der Anordnung 70 gestrichelt gezeichnet. Der Verlauf des ideal justierten Lichtstrahls entsteht, wenn der Lichtstrahl 1 im optischen System 100 genau auf deren optischer Achse 60 verläuft und entsprechend durch das Mittel 3 zum Einkoppeln in das Gehäuseteil 80 der Anordnung 70 überführt wird. Die Abweichung des Lichtstrahls 1 im optischen System 100 von dessen optischer Achse 60 kann als Parallelversatz und beliebige Neigung des Lichtstrahls 1 im Raum bezeichnet werden. Dieser Parallelversatz und die Neigung können aus den Auftrefforten 124 und 125 des Einkoppellichtstrahls 9 auf die beiden Photodetektoren 10, 22 ermittelt werden. Ein sich genau auf der optischen Achse 40 der Anordnung 70 befindlicher Einkoppellichtstrahl 9 legt auf dem ersten und zweiten Photodetektor 10 und 22 jeweils eine Soll-Position 72 fest, die einen Ursprung eines zweidimensionalen Koordinatensystems 74 festlegt. Das Koordinatensystem 74 ist gestrichelt dargestellt. Befindet sich der Einkoppellichtstrahl in der Soll-Position 72, ist das optische System 100 genau justiert. Ist der Lichtstrahl 1 im optischen System 100 nicht ideal justiert, so trifft dieser versetzt von der Soll-Position 72 jeweils auf die beiden Photodetektoren 10 und 22.
Dieser Versatz kann für jeden der beiden Photodetektoren 10 und 22 mit einem Koordinatenpaar beschreiben werden. Auf dem ersten Photodetektor 10 ist der Versatz durch ein Koordinatenpaar x₁ und y₁ definiert. Auf dem zweiten Photodetektor 22 ist der Versatz durch ein Koordinatenpaar x₂ und y₂ definiert. Die Koordinatenpaare bzw. die Auftrefforte auf den Photodetektoren 10 und 20 werden aus den elektrischen Signalen der Photodetektoren 10 und 22 mit dem Computer 11 ermittelt.
Innerhalb des Gehäuseteils 80 ist der Einkoppellichtstrahl 9 zum ideal justierten Lichtstrahl 40 gegebenenfalls parallel verschoben und/oder räumlich geneigt. Die räumliche Neigung lässt sich mit Hilfe zweier Winkel φ und θ eindeutig beschreiben. Die Berechnung des Abstandes des Lichtstrahls 1 zur optischen Achse 60 im Bereich des Mittels 3 zum Einkoppeln resultiert aus einer einfachen Dreiecksberechnung. Dabei ist a der Abstand des ideal justierten Lichtstrahls 50 vom Strahlteiler 36 zum ersten Photodetektor 10 und b definiert den Abstand des vom Strahlteiler 36 ausgehenden ideal justierten Lichtstrahls 52, der dann auf der optischen Achse 40 zum zweiten Photodetektor 22 verläuft. Mit Hilfe des Koordinatenpaars (x₁, y₁) ist der Abstand des Teillichtstrahls 64 zum ideal justierten Lichtstrahl 50 auf dem ersten Photodetektor 10 bestimmbar. Mit dem Koordinatenpaar (x₂, y₂) ist der Abstand des Teillichtstrahls 66 zum ideal justierten Lichtstrahl 52 auf dem zweiten Photodetektor 22 bestimmbar. Die Abstände a und b sind durch die Abmessungen des Gehäuseteils 80 vorgegeben. Die Koordinatenpaare (x₁, y₁) und (x₂, y₂) werden an Hand der Daten der von dem ersten und zweiten Photodetektor 10 und 22 gelieferten Signale ermittelt bzw. berechnet. Der Winkel φ ist der Winkel unter dem der Einkoppellichtstahl 9 bzw. eine durch den Einkoppellichtstrahl 9 gelegte Gerade nach Parallelverschiebung (Eliminierung des Offsets) die optische Achse 40 schneidet. Der Winkel φ lässt sich anhand der folgenden Formel berechnen: $φ = arctan (\frac{\sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2}}}{b - a})$
Der Winkel θ, ebenfalls nach Eliminierung des Offsets, beschreibt die räumliche Lage der Ebene, die von zwei Geraden, die jeweils durch den Einkoppellichtstrahl 9 und die optische Achse 40 verlaufen, aufgespannt wird, bezüglich eines festen Koordinatensystems, und lässt sich wie folgt berechnen: $\begin{matrix} θ = arctan (\frac{x_{1} - x_{2}}{y_{2} - y_{1}}) + 90 °, & f ü r y_{2} - y_{1} \geq 0 \end{matrix}$
$\begin{matrix} θ = arctan (\frac{x_{1} - x_{2}}{y_{2} - y_{1}}) + 270 °, & f ü r y_{2} - y_{1} < 0 \end{matrix}$
Der Lichtstrahl 1 im optischen System 100 passiert mindestens ein optisches Element 76. Dieses optische Element 76 kann derart verstellt werden, dass der Lichtstrahl 1 im optischen System 100 exakt in der optischen Achse 60 verläuft. Als Folge dieser Verstellung trifft der Einkoppellichtstrahl 9 in der Anordnung 70 genau auf Soll-Position 72. Die Verstellung des optischen Elements 76 kann durch mehrere Stellelemente 78 erfolgen wodurch der Lichtstrahls 1 in vier voneinander unabhängige räumliche Richtungen, zwei Lateral- und zwei Winkelverstellungen, manipulierbar ist, um dadurch den Lichtstrahl 1 mit der optischen Achse 60 in Deckung zu bringen.
8 zeigt eine Ausführungsform eines User-Interfaces 110 zur visuellen Darstellung der Abweichung der Ist-Position des Einkoppellichtstrahls 9 von der Soll-Position auf dem Display 13. Die Ist-Position ist bezüglich der optischen Achse 40 eindeutig charakterisiert durch Parallelversatz zur optischen Achse 40 und/oder Neigung zur optischen Achse 40. Dargestellt wird eine räumliche Ansicht 120 des Strahlverlaufs des Einkoppellichtstrahls 9 zwischen den beiden Photodetektoren 10 und 22, als auch eine Projektionsdarstellung 122, in der die Auftrefforte 124 und 125 des Einkoppellichtstrahls 9 auf die Photodetektoren 10 und 22 auf einer schematisch dargestellten Photodetektoroberfläche 126 gekennzeichnet sind. Des weiteren werden die Winkel φ und θ sowohl in graphischer Winkelangabe 128 als auch in numerischer Winkelangabe 130 auf dem User-Interface 110 angezeigt. Ferner ist auf dem User-Interface 110 ein Bild des optischen Elements 76 angeordnet, wobei dem Benutzer angezeigt wird, welche Stellelemente 78 betätigt werden müssen, um den Lichtstrahl 1 in die Soll-Position 72 zu bringen. Alle Darstellungen und Angaben erfolgen online in Realtime-Darstellung.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Lichtstrahl
2: Pfeil
2a: Pfeil
3: Mittel zum Einkoppeln
3a: Einkoppelstelle
4: erster Strahlteiler
8: erste Zielmarke
9: Einkoppellichtstrahl
10: erster Photodetektor
11: Computer
12: elektrischer Anschluss
13: Display
14: elektrischer Anschluss
16: elektrischer Anschluss
18: elektrischer Anschluss
20: zweite Zielmarke
22: zweiter Photodetektor
24: Elektrode
26: Elektrode
28: Elektrode
30: Elektrode
36: zweiter Strahlteiler
38: dritter Strahlteiler
40: optische Achse des Einkoppellichtstrahls
42: Deckel
44: Fadenkreuz
46: Mittelpunkt
48: Kreis
50: ideal justierter Lichtstrahl
52: ideal justierter Lichtstrahl
60: optische Achse
64: Teillichtstrahl
66: Teillichtstrahl
70: Anordnung zum Justieren
72: Soll-Position
74: Koordinatensystem
76: optisches Element
78: Stellelement
80: Gehäuseteil
80a: Stirnseite
81: Halteelement
82: Flansch
83: Bauteil
84: Platte
84a: Bohrungen
85: Rohr
85a: erstes Ende
85b: zweites Ende
86: Koppelelement
88: erstes zylindersymmetrisches Element
89: zweites zylindersymmetrisches Element
90: Schrauböffnungen
91: Raststelle
92: Innenseite
93: Befestigungsmechanismus
94: zentrische Öffnung
100: optisches System
110: User-Interface
120: räumliche Ansicht
122: Projektionsdarstellung
124: Auftreffort
125: Auftreffort
126: schematisch dargestellte Photodetektoroberfläche
128: graphische Winkelangabe
130: numerische Winkelangabe
θ: Winkel
φ: Winkel

Claims

Anordnung (70) zum Justieren eines Lichtstrahls (1) in einem optischen System (100), das eine erste optische Achse (60) definiert, wobei ein Mittel zum Einkoppeln (3) des Lichtstrahls in ein Gehäuseteil (80) der Anordnung (70) vorgesehen ist und das Mittel zum Einkoppeln (3) eine Einkoppelstelle (3a) und einen Einkoppellichtstrahl (9) definiert, wobei das Gehäuseteil (80) der Anordnung (70) eine zweite optische Achse (40) definiert, wobei ein erster und ein zweiter Photodetektor (10, 22) in jeweils unterschiedlichen Abständen zur Einkoppelstelle (3a) an dem Gehäuseteil (80) angeordnet sind, wobei im Einkoppellichtstrahl (9) mindestens ein Umlenkmittel (36) vorgesehen ist, das den Einkoppellichtstrahl (9) auf den ersten Photodetektor (10) richtet und wobei der zweite Photodetektor (22) in Richtung der zweiten optischen Achse (40) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine optische Zielmarke (8, 20) zur visuellen Kontrolle einer Ist-Position des Einkoppellichtstahls (9) vorgesehen ist, wobei die optische Zielmarke (8, 20) ebenfalls von der Einkoppelstelle (3a) beabstandet angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei mindestens zwei optische Zielmarken (8, 20) vorgesehen sind, wobei die optischen Zielmarken (8, 20) unterschiedlich von der Einkoppelstelle (3a) beabstandet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Photodetektoren (10, 22) als 2-dimensionale, positionsempfindliche Detektoren ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 2 und 3, wobei die optischen Zielmarken (8, 22) aus einer Mattscheibe bestehen und mit einen Fadenkreuz (44) versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Display (13) vorgesehen ist, auf dem die Abweichung der Ist-Position des Lichtstrahls (1) von der Soll-Position auf einem User-Interface (110) in graphischer und/oder in lesbarer Form darstellbar ist.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei mindestens ein optisches Element (76) im optischen System (100) vorgesehen ist, wobei das optische Element (76) auf der durch das optische System (100) definierten ersten optischen Achse (60) angeordnet ist und die räumliche Lage des Lichtstrahls (1) durch das optische Element (76) derart veränderbar ist, dass der Lichtstrahl (1) auf der ersten optischen Achse (60) zu liegen kommt.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei das optische Element (76) mit mindestens einem Stellelement (78) versehen ist, mit dem die räumliche Lage des Lichtstrahls (1) im optische System (100) einstellbar ist.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei auf dem Display (13) das zu verändernde Stellelement (78) gekennzeichnet ist, um auf dem Display (13) dem Benutzer eine Möglichkeit anzuzeigen, den Einkoppellichtstrahl (9) bzw. den Lichtstrahl (1) in die Soll-Position zu bringen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position des Einkoppellichtstrahls (9) auf dem ersten Photodetektor (10) durch ein Koordinatenpaar (x₁, y₁) und auf dem zweiten Photodetektor (22) durch ein Koordinatenpaar (x₂, y₂) bestimmt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an der Einkoppelstelle (3a) das Mittel zum Einkoppeln (3) derart ausgestaltet ist, dass der Einkoppellichtstrahl (9) ohne Winkeländerung in die Anordnung (70) gelangt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an der Einkoppelstelle (3a) das Mittel zum Einkoppeln (3) derart ausgestaltet ist, dass der Einkoppellichtstrahl (9) mit Winkeländerung bezüglich der ersten optischen Achse (60) des optischen Systems (100) in die Anordnung (70) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Mittel (3) zum Einkoppeln als einfache Glasplatte ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Mittel (3) zum Einkoppeln als Spiegel ausgestaltet ist.