DE102018112436A1

DE102018112436A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Ausrichtungsfehlern von Strahlquellen und für deren Korrektur

Info

Publication number: DE102018112436A1
Application number: DE102018112436.8A
Authority: DE
Inventors: Hannes Scheibe; Andreas Lütz; Stefan Frank
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-11-28
Also published as: WO2019224346A3; WO2019224346A2

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Ausrichtungsfehlern einer Kollimatorvorrichtung (1) bereitgestellt. Zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers wird Licht mit einer Wellenlänge, die sich von einer Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung (1) unterscheidet, in die Kollimatorvorrichtung eingekoppelt. Eine Fokuslage (18) wird mittels einer Messvorrichtung (11) bestimmt, und auf Basis der Fokuslage wird der Ausrichtungsfehler, beispielsweise durch Bestimmung der Lage einer optischen Achse der Kollimatorvorrichtung (1) bestimmt. In Abhängigkeit von dem bestimmten Ausrichtungsfehler kann dann eine Korrektur der Kollimatorvorrichtung (1) erfolgen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Fluchtungs- und Richtungsfehlern, zusammenfassend als Ausrichtungsfehler bezeichnet, von Strahlquellen, insbesondere Kollimatoren und gerichteten Strahlquellen, und zur Korrektur derartiger Fehler.
Kollimatoren, insbesondere Faserauskoppler, mit denen in einer Glasfaser geleitetes Licht als kollimierter Lichtstrahl ausgekoppelt wird, müssen in vielen Anwendungen justiert werden, um Fluchtungs- und Richtungsfehler zu korrigieren. Hierfür werden herkömmlicherweise Justierstellen benutzt, mit denen eine Einstellung der Fluchtung und Richtung des Kollimators ermöglicht wird. Derartige Justierstellen benötigen Bauraum, was in bauraumkritischen Anwendungen zu Nachteilen führen kann. Auch steigen durch derartige Justierstellen die Systemkomplexität und die Herstellkosten. Durch Justierstellen wird das System zudem empfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen, wie Stößen oder Temperaturänderungen, da derartige Umwelteinflüsse die Einstellung von derartigen Justierstellen beeinflussen können. Die Justage muss auch für jedes System durchgeführt werden, was aufwendig ist, und verschiedene Justierstellen sind meist zumindest teilweise miteinander gekoppelt (d. h. die Einstellung einer Justierstelle kann eine Verstellung einer anderen Justierstelle erfordern), was eine iterative Justage erfordert, die wiederum zeitaufwendiger ist. Eine Justierstelle ist dabei eine Einrichtung, an welcher die Ausrichtung (Translation, Kippung) des Kollimators verändert werden kann, beispielsweise mittels mechanischer Verstellelemente.
Bei einigen Anwendungen kann die Auflösung von Justierstellen durch Stick-Slip-Effekte (auch als Haftgleiteffekt bezeichnet) limitiert sein, sodass es schwierig sein kann, eine benötigte Genauigkeit der Justierung zu erreichen.
Beim Ausfall eines Kollimators muss ein verwendeter Austauschkollimator dann ebenfalls justiert werden, d. h. es kann nicht einfach ein neuer Kollimator in das jeweilige System eingebaut werden.
Die Justage eines Kollimators erfordert zudem zumindest eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fluchtungs- und Richtungsfehler, um diese dann durch Einstellen der Justierstellen korrigieren zu können. Derartige herkömmliche Vorrichtungen sind relativ voluminös und nicht ohne weiteres transportabel, was beispielsweise einen Einsatz durch eine Servicetechniker im Reparaturfall zumindest erschwert, wenn nicht unmöglich macht.
Ähnliche Probleme können bei gerichteten Strahlquellen, d.h. Quellen gerichteter elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Licht), auftreten, wenn diese z.B. mit definierter Ausrichtung in einem System verwendet werden sollen.
Es ist daher eine Aufgabe, verbesserte Möglichkeiten zum Bestimmen von derartigen Ausrichtungsfehlern und deren Korrektur zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8 sowie ein Verfahren nach Anspruch 18 oder 21. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen sowie Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur von Fluchtungs- und/oder Richtungsfehlern von Kollimatoren und anderen Strahlquellen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

mindestens eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht zumindest einer Wellenlänge, welche sich von einer Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung unterscheidet, und
eine Messeinrichtung zum Messen einer Fokuslage der Kollimatorvorrichtung bei der mindestens einen Wellenlänge, die sich von der Arbeitswellenlänge unterscheidet,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, einen Ausrichtungsfehler der Kollimatorvorrichtung auf Basis der Fokuslage zu bestimmen.

Die Arbeitswellenlänge ist dabei eine Wellenlänge, für die der Kollimator ausgelegt ist, d. h. für die er einen kollimierten Strahl erzeugt. Durch die Verwendung einer von der Arbeitswellenlänge verschiedenen Testwellenlänge wird somit ein nicht kollimierter, insbesondere konvergierender oder divergierender Strahl erzeugt. In beiden Fällen kann die Fokuslage, d.h. Lage eines Fokuspunktes detektiert werden, der im Falle eines divergierenden Strahls ein „virtueller“ Fokuspunkt ist, von dem die Strahlen scheinbar ausgehen. Auf Basis der Fokuslage kann dann ein Ausrichtungsfehler (Fluchtungs- und/oder Richtungsfehler) bestimmt werden.
Die Kollimatorvorrichtung kann in der Vorrichtung drehbar lagerbar sein. In diesem Fall kann die Messeinrichtung (11) eingerichtet sein, einen Schlagkreis der Fokuslage zu messen, während die Kollimatorvorrichtung gedreht wird.
Das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers kann insbesondere ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse der Kollimatorvorrichtung umfassen.
Die mindestens eine Lichtquelle kann für jede Wellenlänge der mindestens einen Messwellenlänge eine Lichtquelle umfassen, welche Licht entsprechend der Messwellenlänge insbesondere schmalbandig emittiert, z. B. Leuchtdioden.
Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle umfassen, wobei die Vorrichtung des Weiteren mindestens einen Filter, z.B. Farbfilter oder Bandpassfilter, zum Auswählen der mindestens einen Messwellenlänge umfasst. Die Filterung kann dabei z. B. vor der Entkopplung des Lichts in die Kollimatorvorrichtung oder auch erst in der Messvorrichtung erfolgen.
Die Messeinrichtung kann einen Bildsensor zum Aufnehmen der Fokuslage umfassen.
Die Vorrichtung kann zudem eine variable Optik, z. B. mittels Versatzlinien, zum Anpassen einer Schnittweite der Messvorrichtung an die Fokuslage umfassen.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Vorrichtung zur Korrektur einer Kollimatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

die Vorrichtung wie oben beschrieben zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung, und
eine Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten einer Referenzfläche der Kollimatorvorrichtung in Abhängigkeit von dem Ausrichtungsfehler der Kollimatorvorrichtung.

Eine Referenzfläche bestimmt dabei insbesondere die Lage, in der die Kollimatorvorrichtung in ein System eingebaut wird. Indem die Referenzfläche der Kollimatorvorrichtung auf Basis des detektierten Ausrichtungsfehlers bearbeitet wird, kann die so bearbeitete Kollimatorvorrichtung dann direkt ohne weitere Justage in ein System eingesetzt werden, was den Austausch der Kollimatorvorrichtung erleichtert.
Die Bearbeitungsvorrichtung kann ein Werkzeug zum Materialabtrag, z.B. ein Drehwerkzeug, ein Fräswerkzeug, ein Schleifwerkzeug und/oder strahlbasierte Werkzeuge wie Ultrakurzpulslaser umfassen.
Die Bearbeitungsvorrichtung kann eingerichtet sein, Vorsprünge auf einer Außenseite eines Gehäuses der Kollimatorvorrichtung zu bearbeiten, um so die Referenzfläche festzulegen. Alternativ oder zusätzlich ist die Erzeugung von Azimutreferenzen am Gehäuse der Kollimatorvorrichtung möglich, um eine Azimutausrichtung der Kollimatorvorrichtung festzulegen. Unter der Azimutausrichtung ist dabei ein Drehwinkel um die optische Achse zu verstehen. Dies ist dann von Bedeutung, wenn das Strahlprofil nicht rotationssymmetrisch ist und/oder eine nicht rotationssymmetrische Polarisation, insbesondere eine lineare Polarisation, aufweist. Diese Azimutreferenzen können sein: Bohrungen und Senkungen, (V-) Nuten, radiale Flächen sowie weitere geeignete und produktspezifische Lösungen zur Winkelzuordnung.
Erfindungsgemäß wird weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers einer gerichteten Strahlquelle bereitgestellt, umfassend:

eine Messeinrichtung zum Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle in einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene verschiedene Entfernungen zu der gerichteten Strahlquelle aufweisen,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, einen Ausrichtungsfehler der gerichteten Strahlquelle auf Basis der Messungen des Strahlprofils zu bestimmen.

So kann mit einfachen Messungen ein Ausrichtungsfehler bestimmt werden.
Die erste Ebene und die zweite Ebene können dabei senkrecht zu einer mechanischen Achse der gerichteten Strahlquelle stehen.
Das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers kann bei dieser Vorrichtung ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse der gerichteten Strahlquelle auf Basis von Merkmalen der Intensitätsprofile in der ersten Ebene und der zweiten Ebene umfasst.
Die Merkmale umfassen Maxima der Intensitätsprofile, sind jedoch nicht hierauf beschränkt und können z. B. auch Minima umfassen.
Die gerichtete Strahlquelle kann in der Vorrichtung drehbar lagerbar sein, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, einen Schlagkreis der Intensitätsprofile zu messen, während die gerichtete Strahlquelle gedreht wird, ähnlich wie bei der Schlagkreismessung der Kolli matorvorrichtung.
Die Messeinrichtung kann einen Bildsensor zum Aufnehmen eines Bildes der ersten Ebene und der zweiten Ebene umfassen.
Zudem werden Vorrichtungen zur Korrektur einer gerichteten Strahlquelle entsprechend den oben definierten Vorrichtungen zur Korrektur einer Kollimatorvorrichtung bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

Einkoppeln von Licht einer ersten Messwellenlänge, die sich von einer Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung unterscheidet, in die Kollimatorvorrichtung,
Messen einer Fokuslage der Kollimatorvorrichtung für das Licht der ersten Messwellenlänge, und
Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung auf Basis der Fokuslage.

Das Einkoppeln und das Messen kann bei mindestens einer weiteren Wellenlänge wiederholt werden, wobei jede Wellenlänge der mindestens einen weiteren Wellenlänge entweder der Arbeitswellenlänge entspricht oder von dieser verschieden ist. Durch mehrere Messungen kann die Genauigkeit erhöht werden.
Das Verfahren kann dabei ein Drehen der Kollimatorvorrichtung um eine geeignete Achse der Kollimatorvorrichtung während des Messens umfassen, um einen Schlagkreis aufzunehmen.
Durch die Drehung der Kollimatorvorrichtung können Fluchtungs- und Richtungsfehler der zum Bestimmen des Ausrichtungsfehlers verwendeten Vorrichtung unter Nutzung von Invarianzeigenschaften herausgemittelt werden. Insbesondere kann hier ein Mittelpunkt eines durch die Drehung aufgenommenen Schlagkreises als Referenz für die Bestimmung des Ausrichtungsfehlers dienen.
Auch wird ein Verfahren zur Korrektur eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

Bestimmen des Ausrichtungsfehlers mit einem der oben beschriebenen Verfahren, und
Bearbeiten einer Referenzfläche der Kollimatorvorrichtung in Abhängigkeit von dem bestimmten Ausrichtungsfehler.

Das Bearbeiten kann eine feinspanende Drehbearbeitung oder eine andere Bearbeitung wie oben beschrieben umfassen. Auch können Azimutreferenzen wie oben erläutert erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers einer gerichteten Strahlquelle bereitgestellt, umfassend:

Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle in einer ersten Ebene,
Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle in einer von der ersten Ebene verschiedenen zweiten Ebene, und
Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers der gerichteten Strahlquelle auf Basis der ersten Messung und der zweiten Messung.

Die erste Ebene und die zweite Ebene können dabei auf einer mechanischen Achse der gerichteten Strahlquelle senkrecht stehen.
Das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers kann ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse der gerichteten Strahlquelle, basierend auf Merkmalen der Intensitätsprofile, umfassen.
Das Verfahren kann zudem ein Drehen der gerichteten Strahlquelle um eine Achse der gerichteten Strahlquelle umfassen, um Schlagkreise der Intensitätsverteilung in der ersten Ebene und der zweiten Ebene aufzunehmen.
Zudem werden Verfahren zur Korrektur eines Ausrichtungsfehlers einer gerichteten Strahlquelle entsprechend den obigen Verfahren zur Korrektur eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung bereitgestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Kollimatorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Darstellung der Kollimatorvorrichtung der 1 mit fertigungsbedingten Ausrichtungsfehlern,
3 ein Diagramm zur Erläuterung zum Einsatz von von einer Arbeitswellenlänge unterschiedlichen Wellenlänge,
4A und 4B Diagramme, welche eine Lagemessung einer optischen Achse einer Kollimatorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen veranschaulichen,
5 eine Darstellung zu Veranschaulichung einer Schlagkreisaufnahme,
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Korrektur von Ausrichtungsfehlern,
7 eine Ansicht eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
9 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 ein Diagramm zur Erläuterung einer Lagemessung einer optischen Achse bei einer gerichteten Strahlquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
11 ein Diagramm zur Erläuterung einer Lagemessung einer optischen Achse bei einer gerichteten Strahlquelle mit Schlagkreismessung für unsymmetrische Strahlcharakteristika (Ellipse) sowie deren Azimutbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
12 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele alternative Merkmale, weniger Merkmale und/oder zusätzliche Merkmale, insbesondere in herkömmlichen Kollimatorvorrichtungen, z. B. Faserkollimatoren, oder gerichteten Strahlquellen verwendete Merkmale, aufweisen.
Zunächst werden Ausführungsbeispiele für Kollimatorvorrichtungen diskutiert, Auch wenn in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen bestimmte Aufbauten von Kollimatorvorrichtungen diskutiert werden, sind die beschriebenen Prinzipe und Techniken auch auf andere Implementierungen von Kollimatoren, insbesondere Faserkollimatoren, anwendbar. Eine Kollimatorvorrichtung ist dabei allgemein eine Vorrichtung, welche auf Basis von Licht von einer Lichtquelle kollimierten Lichtstrahl erzeugt. Bei einem Faserkollimator ist die Lichtquelle mittels einer Lichtleitfaser, beispielsweise Glasfaser, mit der Kollimatorvorrichtung gekoppelt.
Kollimatorvorrichtungen weisen üblicherweise eine oder mehrere Arbeitswellenlängen auf. In Kollimatorvorrichtungen verwendete Linsen oder andere Elemente weisen eine chromatische Dispersion auf, d. h. die Lichtbrechung in solchen Linsen hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. So sind die optischen Elemente, wie Linsen, dann derart eingerichtet, dass für die Arbeitswellenlänge oder auch für mehrere Arbeitswellenlängen ein kollimierter Lichtstrahl erzeugt wird. In der vorliegenden Anmeldung beschriebene Vorrichtung und Verfahren nutzen dann aus, dass für Wellenlängen, die sich von dieser Arbeitswellenlänge oder den Arbeitswellenlängen unterscheiden, kein kollimierter Lichtstrahl, sondern ein konvergierender oder divergierender Lichtstrahl erzeugt wird.
Die 1 zeigt eine Kollimatorvorrichtung 1 in Form eines Faserkollimators, wie er im Folgenden zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen verwendet wird. Die 1 zeigt dabei eine Querschnittsansicht durch die Kollimatorvorrichtung. Die Kollimatorvorrichtung 1 ist in einem Kollimatorgehäuse 4 beherbergt, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Vorsprünge 4A aufweist. Mittels der Vorsprünge 4A kann die Kollimatorvorrichtung 1 dann später in ein Gehäuse eines Systems eingepasst werden.
Der Kollimatorvorrichtung 1 wird durch eine Lichtleitfaser 2 Licht zugeführt, welches an einem Faserausgang 3 ausgekoppelt wird. Eine Kollimationsoptik 5 kollimiert das aus der Faser 3 austretende Licht, welches die Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung 1 aufweist, zu einem kollimierten Lichtstrahl 6. Diese Arbeitswellenlänge wird im Folgenden als λ_m bezeichnet. Die Kollimationsoptik 5 kann beispielsweise ein oder mehrere Linsen, aber auch andere optische Elemente, wie diffraktive Elemente oder reflektive Elemente, umfassen.
Mit 7 ist die mechanische Achse der Kollimatorvorrichtung 1 bezeichnet, welche einer mechanischen Symmetrieachse der Kollimatorvorrichtung 1 entspricht. Mit 8 ist die optische Achse der Kollimation bezeichnet. In dem in 1 dargestellten idealen Zustand stimmt die mechanische Achse 7 dabei mit der optischen Achse überein. Dieser Zustand wird jedoch durch Fertigungstoleranzen häufig nicht exakt erreicht.
Zur Veranschaulichung zeigt die 2 wiederum die Kollimatorvorrichtung 1, wobei hier beispielsweise durch Fertigungstoleranzen Fehler aufgetreten sind und insbesondere die optische Achse von der mechanischen Achse abweicht. Diese Fehler sind in der 2 zur Veranschaulichung sehr deutlich dargestellt. Bei entsprechend genauer Fertigung fallen die Fehler kleiner aus als in 2 schematisch dargestellt, was auch zu entsprechend geringeren Auswirkungen führt.
Insbesondere ist in der 2 zum einen der Faserausgang 3 gegenüber der mechanischen Achse 7 um einen Versatz b versetzt (Fluchtungsfehler), und zum anderen ist die Kollimationsoptik 5 um einen Winkel a verkippt (Richtungsfehler).
Wenn der Kollimatorvorrichtung 1 im Falle der 2 Licht mit der Arbeitswellenlänge λ_m über die Lichtleitfaser 2 zugeführt wird, führt dies wiederum zu einem kollimierten Lichtstrahl 6. Durch den Versatz b und die Verkippung um den Winkel a ist in diesem Fall jedoch die optische Achse 8, die gleichsam einer Mittellinie des kollimierten Lichtstrahls 6 entspricht, bezüglich der mechanischen Achse 7 verkippt. Wenn die Kollimatorvorrichtung 1 gemäß ihrer mechanischen Achse 7 fluchtend in ein System eingesetzt wird, würde der kollimierte Lichtstrahl 6 also verkippt zu dieser mechanischen Achse 7 emittiert werden, was im Regelfall unerwünscht ist. Derartige Fehler, welche durch einen Versatz b (Fluchtungsfehler) oder die Verkippung um den Winkel a (Richtungsfehler) erzeugt werden, werden im Nachfolgenden zusammen als Ausrichtungsfehler bezeichnet.
Im Folgenden werden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, um solche Ausrichtungsfehler zu messen, um dann eine Korrektur durchführen zu können. Zu der Messung wird erfindungsgemäß Licht mit einer Wellenlänge verwendet, die sich von der Arbeitswellenlänge unterscheidet. Hierdurch kann insbesondere die Lage der optischen Achse 8 relativ zu der mechanischen Achse 7 bestimmt werden, und dann können entsprechende Korrekturen durchgeführt werden.
Die 3 veranschaulicht für die Kollimatorvorrichtung 1 mit den Ausrichtungsfehlern, die unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben wurden, die Verwendung verschiedener Wellenlängen. Dabei zeigt die 3 einen Lichtstrahl 9 mit einer Wellenlänge λ_l kleiner als die Arbeitswellenlänge λ_m und einen Lichtstrahl 10 mit einer Wellenlänge λ_n größer als die Arbeitswellenlänge Am. Durch chromatische Dispersion der Kollimationsoptik 5, d. h. wellenlängenabhängigen Brechungsindex der in der Kollimationsoptik 5 verwendeten Materialien (beispielsweise Glas) werden die Lichtstrahlen 9 und 10 nicht kollimiert. Im Falle einer Wellenlänge kleiner als die Arbeitswellenlänge entsteht ein konvergenter Lichtstrahl zu einem Fokuspunkt 23 hin. Im Falle einer Wellenlänge größer der Arbeitswellenlänge wie bei dem Lichtstrahl 10 entsteht durch die Kollimationsoptik 5 ein divergenter Lichtstrahl mit einem „virtuellen“ Fokuspunkt, von dem der divergente Lichtstrahl scheinbar ausgeht. Dies wird bei Ausführungsbeispielen zur Bestimmung der Lage der optischen Achse der Kollimatorvorrichtung 1 genutzt.
Dies wird am Beispiel der Nutzung einer Wellenlänge kleiner der Arbeitswellenlänge, d. h. anhand des Lichtstrahls 9, unter Bezugnahme auf die 4A und 4B erläutert.
In der 4A wird der kollimierte Lichtstrahl 6 mit der Arbeitswellenlänge λ_m mittels eines Messfernrohrs 11, welches über eine CCD-Kamera 12 verfügt, aufgenommen. Durch eine Optik des Messfernrohrs 11 wird der kollimierte Lichtstrahl 6 auf den Bildsensor 12, beispielsweise eine CCD-Kamera, einen CCD-Bildsensor oder einen CMOS-Bildsensor, fokussiert und somit eine Lage eines Punktes aufgenommen. Das Messfernrohr 11 kann beispielsweise ein Autokollimator (AKF) sowie ein Fluchtungs- und Autokollimationsfernrohr (FAKF) sein. Weiterhin ist die Verwendung von ortsauflösenden Detektoren (CCD, CMOS, 4-Quadranten Dioden, etc.) ohne Abbildungsoptik als Messfernrohr 11 möglich.
Bei einer Wellenlänge kleiner als der Arbeitswellenlänge, wie in 9 gezeigt, wird durch eine Vorsatzoptik 13, eine Lageänderung des Messfernrohrs 11 oder auch durch eine verstellbare Optik des Messfernrohrs 11 ebenso eine Fokussierung auf den Bildsensor 12 erreicht. Insbesondere kann durch die Vorsatzoptik 13 die Schnittweite des Messfernrohrs 11 auf eine Ebene des Fokuspunktes 23 eingestellt werden, sodass dieser auf den Bildsensor 12 abgebildet wird. Die Ebene des Fokuspunktes 23 ist dabei zumindest im Wesentlichen aus den Eigenschaften der Kollimationsoptik, insbesondere deren chromatischer Dispersion, bekannt. Hier unterscheidet sich die Lage des Bildes des Fokuspunktes auf dem Bildsensor 12 von dem Fall der 4A. Aus der Lage des Bildes des Fokuspunktes auf dem Bildsensor 12 kann dann durch einfache optische Berechnungen aus den Eigenschaften der Vorsatzoptik 13 die Lage des Fokuspunktes 18 in dessen Ebene bestimmt werden, so dass so die Position des Fokuspunktes 18 bestimmt werden kann. Es können auch weitere Messungen mit weiteren Wellenlängen durchgeführt werden. Insbesondere können auch Wellenlängen größer als die Arbeitswellenlänge verwendet werden, wobei in diesem Fall ebenso die Vorsatzoptik 13 oder eine andere Optik dazu dient, den dann divergenten Strahl, wie den Strahl 10 in der 3, auf den Bildsensor 12 zu fokussieren und somit den „virtuellen“ Fokuspunkt des divergenten Strahls auf den Bildsensor abzubilden.
Grundsätzlich ist dabei mit einer einzigen Wellenlänge ungleich der Arbeitswellenlänge zusammen mit der Position der Kollimatorvorrichtung 1 eine Bestimmung der optischen Achse möglich. Bevorzugt werden jedoch mindestens zwei Wellenlängen, die sich von der Arbeitswellenlänge unterscheiden, vermessen. Bei unterschiedlichen Arbeitswellenlängen liegt der Fokuspunkt 23 der 3 an verschiedenen Stellen auf der Achse 8. So kann unter Verwendung von mehreren Messwellenlängen die Lage der optischen Achse 8 bestimmt werden, indem aus der Lage des Bildes der Fokuspunkte auf dem Bildsensor 12 die tatsächliche Lage der Fokuspunkte (im Rahmen dieser Anmeldung auch als Fokuslage bezeichnet) bestimmt wird und die Lage der optische Achse 8 dann als Verbindung dieser Fokuspunkte bestimmt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird so die Lage der optischen Achse auf Basis der Lage der Fokuspunkte auf dem Bildsensor 12 bestimmt.
Bei anderen Ausführungsbeispielen wird wie durch Pfeile 25 angedeutet die Kollimatorvorrichtung 1 zur Messung um eine Drehachse, welche mit der mechanischen Achse 7 zusammenfällt, oder eine andere geeignete Achse drehbar gelagert. In diesem Fall wird mit dem Bildsensor 12 das Bild des Fokuspunktes in mehreren Positionen, die auf einem so genannten Schlagkreis liegen, aufgenommen. Diese Aufnahmetechnik wird im Rahmen dieser Anmeldung kurz als „Schlagkreisaufnahme“ bezeichnet und hat den Vorteil, dass durch die Schlagkreisaufnahme Ausrichtungsfehler des Messfernrohrs 11 gegenüber der Kollimatorvorrichtung 1 herausgemittelt werden können. Ein Beispiel für eine derartige Schlagkreisaufnahme wird nun unter Bezugnahme auf die 5 erläutert.
In 5 ist die Kollimatorvorrichtung 1 wie durch den Pfeil 25 dargestellt drehbar gelagert. Bei einer Drehung der Kollimatorvorrichtung 1 dreht sich auch die optische Achse 8 entsprechend, wenn die optische Achse 8 nicht mit der Drehachse, die in diesem Fall der mechanischen Achse 7 entspricht, zusammenfällt. Bei einer ersten Messwellenlänge liegt der Fokuspunkt 28, der bereits erläutert wurde, in einer Ebene 40. Bei einer zweiten Messwellenlänge, die sich von der Arbeitswellenlänge unterscheidet, liegt der Fokuspunkt in einer zweiten Ebene 41. Für die eingezeichnete optische Achse 8 ist der Fokuspunkt in der Ebene 40 dabei mit P₁ bezeichnet, der sich in einem Radius r₁ von der Drehachse entfernt befindet; φ₁ bezeichnet eine Drehposition der Kollimatorvorrichtung 1, und Z₁ bezeichnet die Ebene 40. Bei der Drehung der Kollimatorvorrichtung 1 bewegt sich der Punkt P₁ auf einem Schlagkreis 42.
In gleicher Weise ist der Fokuspunkt für die eingezeichnete Lage der optischen Achse 8 in der Ebene 41 mit P₂ bezeichnet und befindet sich in einem Radius r₂ von der Drehachse entfernt. Ein Winkel zu dem Punkt P₂ ist hier mit φ₂ bezeichnet, für die eingezeichnete Lage gilt φ₂=φ₁. Z₂ bezeichnet die Ebene 41.
Eine Schlagkreisaufnahme, wie durch den Bildsensor 12 erstellt, ist als Schlagkreisaufnahme 44 in 5 dargestellt. Hier können die Fokuspunkte beispielsweise für acht Positionen #1 bis #8 aufgenommen werden, wobei jeder Position ein entsprechender Winkel φ₁ bzw. φ₂ zugeordnet ist. Hieraus können dann für eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen der Kollimatorvorrichtung 1 bei der Drehung entsprechend dem Pfeil 25 entsprechende Lagen der optischen Achse 8 bestimmt werden. Aus diesen Lagen der optischen Achse 8 kann dann die Lage der optischen Achse für die Kollimatorvorrichtung 1 bestimmt werden, wobei durch Kombination der Vielzahl der Lagen Fehlausrichtungen des Messfernrohrs 11 zu der Kollimatorvorrichtung 1 herausgemittelt werden können.
Insbesondere kann bei der Schlagkreisaufnahme der Mittelpunkt des Schlagkreises als Referenz für die korrekte Lage der optischen Achse entsprechend der Lage der mechanischen Achse 7 verwendet werden. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die Messeinrichtung 11 so zu der Kollimatorvorrichtung 1 auszurichten, dass die Lage der mechanischen Achse 7 einer definierten Stelle auf dem Bildsensor 12 entspricht. Bei entsprechender Ausrichtung kann aber auch auf die Schlagkreisaufnahme verzichtet werden.
Zu beachten ist, dass eine Messung mit verschiedenen Lichtwellenlängen entweder durch entsprechende Lichtquellen, deren Licht über die Faser 2 zugeführt wird, oder auch durch Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle, wie einer Weißlichtquelle, verbunden mit einer entsprechenden Filterung, beispielsweise durch einen in das Messfernrohr 11 einsetzbaren Farbfilter, erreicht werden kann. Eine Messung bei verschiedenen Lichtwellenlängen kann somit auf verschiedene Weise erfolgen.
Ist so die optische Achse bestimmt, können Ausrichtungsfehler korrigiert werden. Bei der Kollimatorvorrichtung 1 kann dies insbesondere durch Nachbearbeitung der Vorsprünge 4A geschehen. Dies ist schematisch in 6 dargestellt. Dazu wird die Kollimatorvorrichtung 1 so in eine Drehvorrichtung eingespannt, dass die mit den obigen Mitteln bestimmte optische Achse 8 mit einer Drehachse 14 des Drehwerkzeugs zusammenfällt. Dann werden die Vorsprünge 4A mit einem Werkzeug 15 bearbeitet, z. B. feinspanend bearbeitet, das Außenflächen der Vorsprünge 4A auf einer schematisch angedeuteten Zylinder-Mantelfläche 26 als Frequenzfläche liegen, die ebenfalls die optische Achse 8 als Symmetrieachse hat. Somit wird gleichsam eine die mechanische Achse 7 der Kollimatorvorrichtung 1 (Symmetrieachse der Zylindermantelfläche 26) an die bestimmte optische Achse 8 angepasst. Die Vorsprünge 4A dienen hier also als Azimutreferenzen, die eine Winkellage der Kollimatorvorrichtung 1 bestimmen. Die Drehbearbeitung kann dabei nach dem Ansatz des klassischen Justierdrehens erfolgen. Dies erfordert eine Justage des Werkstücks relativ zur Drehachse des Drehwerkzeugs. Ein Verzicht auf die Justage des Werkstücks ist bei Nutzung des Justierdrehens mit synchronisierten Werkzeugen wie in der deutschen Patentanmeldung DE 103 22 587 A1 beschrieben möglich.
Insbesondere wird durch die in der 6 gezeigte Nacharbeitung der Mantelfläche 26, der einer Referenzfläche entspricht, in eine gewünschte Lage zu der optischen Achse 8 gebracht. Die Achse der Mantelfläche 26 besitzt damit nach der Nachbearbeitung (Justierung) die gleiche Fluchtung als auch Richtung wie die optische Achse. Die Orthogonale einer so durch Drehbearbeitung justierten Planfläche zeigt in die gleiche Richtung wie die optische Achse. Auch kann durch die Bearbeitung ein bestimmter Abstand zum optischen Bauelement (Kollimatoroptik 15) entlang der optischen Achse eingestellt werden.
Zu bemerken ist, dass bei anderen Ausführungsbeispielen auch auf die Vorsprünge 4A verzichtet werden kann und das Kollimatorgehäuse 4 eine einzige einfache Zylinderform aufweisen kann, die dann ebenfalls wie in 6 gezeigt nachbearbeitet wird. Das Bereitstellen der Vorsprünge 4A weist jedoch den Vorteil auf, dass weniger Materialabtrag zur Bearbeitung erforderlich ist und somit die Bearbeitungszeit verringert ist. Auch eine andere Unterteilung der zu bearbeitenden Fläche in Segmente (in diesem Fall die Vorsprünge 4A) ist möglich.
Weiterhin ist bei anderen Ausführungsbeispielen auch die Erzeugung und/oder Bearbeitung von anderen Elementen als den Vorsprüngen 4A am Gehäuse der Kollimatorvorrichtung 1 möglich.
Zudem ist die Verwendung eines Drehwerkzeugs zur Drehbearbeitung, insbesondere feinspanenden Drehbearbeitung, nur ein Beispiel, und es können auch andere Werkzeuge zum Materialabtrag, z.B. ein Fräswerkzeug, ein Schleifwerkzeug und/oder ein strahlbasiertes Werkzeug wie ein Ultrakurzpulslaser verwendet werden.
Die so bearbeitete Kollimatorvorrichtung 1 kann dann, wie in 7 gezeigt, in ein Gehäuse 17 eines Systems eingesetzt werden. Durch diesen „schiefen“ Einbau der Kollimatorvorrichtung 1 in das Gehäuse 17 bestimmt durch die bearbeiteten Vorsprünge werden die Ausrichtungsfehler ausgeglichen, und mechanische Achse 7 und optische Achse 8 des Systems stimmen überein. Hierzu ist eine Bearbeitungsspitze des Werkzeugs 10 der 6 am Ende der Bearbeitung so weit von der Achse 14 entfernt, dass ein Durchmesser der Mantelfläche 24 im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Gehäuses 17 entspricht.
Zu bemerken ist, dass die feinspanende Bearbeitung, welche in 6 dargestellt ist, verbunden mit den Vorsprüngen 4A oder einer anderen Form der Bearbeitung eine effiziente Möglichkeit bietet, die Kollimatorvorrichtung 1 in dem Gehäuse 17 ausgerichtet einzubauen. Insbesondere ist so auch ein einfacher Austausch der Kollimatorvorrichtung möglich. Grundsätzlich ist aber auch eine Korrektur mit herkömmlichen Mitteln, beispielsweise Justierstellen, möglich, nachdem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Ausrichtungsfehlers mithilfe mindestens einer von der Arbeitswellenlänge verschiedenen Wellenlänge bestimmt wurde.
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Aufnahme einer Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Messungen und/oder der Bearbeitungen der 5.
Die Vorrichtung der 8 weist ein Spannfutter 18 auf, mit der die Kollimatorvorrichtung 1 in die Vorrichtung der 8 eingespannt wird. Die Vorrichtung der 8 kann dann Teil einer Drehvorrichtung sein, über die die in 4 dargestellten Messungen mit der Drehung um die Drehachse, wie durch den Pfeil 25 angedeutet, und/oder die Nachbearbeitung mit Drehung um die Achse 14 durchführbar ist.
Die Vorrichtung der 8 weist weiterhin zwei Lichtquellen 19, 20 auf, welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, die von der Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung 1 verschieden sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch nur eine Lichtquelle oder auch mehr als zwei Lichtquellen vorhanden sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann wie erläutert als Lichtquelle auch eine Weißlichtquelle in Verbindung mit entsprechenden Filtern eingesetzt werden. Die Lichtquellen 19, 20 können dann jeweils über eine (in 8 nicht dargestellte) Lichtleitfaser mit der Kollimatorvorrichtung 1 verbunden werden. Zur Stromversorgung der Lichtquellen 19, 20 ist eine wiederaufladbare Batterie 22 bereitgestellt. Auch andere Arten der Stromversorgung, beispielsweise auf Basis von Netzteilen sind möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 8 erfolgt die Aktivierung der Lichtquellen 19, 20 über Schalter 21. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Aktivierung über eine Steuerung, beispielsweise einen Steuercomputer, erfolgen.
Mit der dargestellten Vorrichtung kann also Licht verschiedener Wellenlängen, welche sich von der Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung 1 unterscheidet, in die Kollimatorvorrichtung 1 eingekoppelt werden. Dies erlaubt die oben beschriebenen Messungen beispielsweise mittels eines Messfernrohr oder einer anderen Messeinrichtung.
Diese Berechnung der optischen Achse kann dann beispielsweise rechnergestützt mit einem (nicht dargestellten) Steuercomputer auf Basis der Bildaufnahmen durchgeführt werden.
Die 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches mittels der oben beschriebenen Vorrichtungen implementiert werden kann. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird das Verfahren der 9 unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Erläuterungen und die 1 bis 7 beschrieben. Die Verwendung des Verfahrens der 9 ist jedoch nicht auf die Benutzung der Vorrichtungen der 1 bis 7 beschränkt.
In Schritt 30 wird die Kollimatorvorrichtung in eine Aufnahme montiert, beispielsweise in die Spannvorrichtung 18 der 8 eingespannt.
In Schritt 31 wird dann Licht einer ersten Messwellenlänge in die Kollimatorvorrichtung eingekoppelt, beispielsweise indem eine entsprechende Lichtquelle (beispielsweise die Lichtquelle 19 in 7) mit der Kollimatorvorrichtung verbunden wird. Im Falle von einer Weißlichtbeleuchtung wie beschrieben wird das Weißlicht, welches die erste Messwellenlänge enthält, in die Kollimatorvorrichtung eingekoppelt, und die nachfolgende Messung findet dann unter Verwendung eines Farbfilters statt, wie ebenfalls bereits beschrieben. Die Farbfüllung kann dabei vor dem Einkoppeln und/oder auf Seiten eines verwendeten Messgeräts stattfinden.
In Schritt 32 wird dann eine erste Messung einer Lage eines Fokuspunktes (erzeugt ggf. durch eine zusätzliche Optik im Falle einer Messwellenlänge größer der Arbeitswellenlänge, die zunächst zu einem divergierenden Lichtstrahl führt) gemessen, wie dies unter Bezugnahme auf die 4B erläutert wurde. Zu bemerken ist dabei, dass die Schritte 31 und 32 nur zur übersichtlichen Darstellung getrennt dargestellt wurden. Einzelne Vorgänge dieser Schritte können auch abwechselnd eingestellt werden. Beispielsweise kann zunächst die Verbindung einer ersten Lichtquelle mit der Kollimatorvorrichtung als Vorbereitung des Einkoppelns des Lichts durchgeführt werden, dann kann eine Messfernrohr oder andere Messvorrichtung (beispielsweise durch die Wahl einer geeigneten Vorsatzoptik 13 in 4B) eingestellt werden, dann kann die Lichtquelle einschaltet werden, wodurch Licht eingekoppelt wird, und dann kann die eigentliche Messung durchgeführt werden. Die erste Messung kann mit einer drehenden Aufnahme, wie unter Bezugnahme auf 4B (Pfeil 25) erläutert, durchgeführt werden, wodurch ein Schlagkreis gemessen wird, oder auch als statische Messung, wodurch ein einzelner Fokuspunkt gemessen wird, wie erläutert.
Optional werden dann die Schritte 31 und 32 als Schritte 33 und 34 mit einer zweiten Messwellenlänge, die sich von der ersten Messwellenlänge und von der Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung unterscheidet, wiederholt. Die erste Messwellenlänge und die zweite Messwellenlänge können beide kleiner sein als die Arbeitswellenlänge, beide größer sein als die Arbeitswellenlänge oder eine der ersten Messwellenlänge und der zweiten Messwellenlänge kann größer sein als die Arbeitswellenlänge und eine andere kann kleiner sein als die Arbeitswellenlänge. Wie zudem unter Bezugnahme auf die 4A erläutert, kann auch eine Kombination einer Messwellenlänge ungleich der Arbeitswellenlänge mit der Arbeitswellenlänge, wie in 4A gezeigt, verwendet werden.
Auch können noch mehr als zwei Messwellenlängen verwendet werden, wobei dann die Bestimmung der optischen Achse beispielsweise mittels eines Regressionsverfahrens (beispielsweise Methode der kleinsten Quadrate) erfolgen kann. Es sind also verschiedene Kombinationen von Wellenlängen zur Messung möglich, wobei stets sich mindestens eine der Messwellenlängen von der Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung unterscheidet.
Auf Basis der ersten Messung und optional der zweiten Messung wird dann in Schritt 35 der Ausrichtungsfehler der Kollimatorvorrichtung bestimmt, beispielsweise indem die Lage der optischen Achse der Kollimatorvorrichtung bestimmt wird. Optional kann dann in Schritt 36 noch eine Korrektur des Kollimators erfolgen, beispielsweise durch eine Nachbearbeitung, wie in der 7 gezeigt.
Das dargestellte Verfahren kann vollautomatisiert erfolgen, wobei in diesem Fall die Handhabung der Kollimatorvorrichtung 1 über einen Roboter erfolgt. Es können aber auch manche Verfahrensschritte wie das Einspannen manuell erfolgen, und andere Verfahrensschritte wie das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers aus den Messungen automatisiert, insbesondere rechnergestützt, erfolgen.
Auf diese Weise kann mit den dargestellten Vorrichtungen und Verfahren ein Ausrichtungsfehler einer Kollimatorvorrichtung auf einfache Weise bestimmt und/oder korrigiert werden.
Als Nächstes werden Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers von gerichteten Strahlquellen und Möglichkeiten zur Korrektur derartiger Ausrichtungsfehler beschrieben. Die Verfahren und Vorrichtungen entsprechend dabei teilweise den oben stehend für Kollimatorvorrichtungen beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen, und zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.
Der Begriff „gerichtete Strahlquelle“ umfasst dabei Strahlquellen, welche eine nicht diffuse Abstrahlcharakteristik besitzen und somit insbesondere in einer Ebene eine inhomogene Intensitätsverteilung aufweisen. Derartige gerichtete Strahlquellen können Laserdioden, Leuchtdioden, Laser und dergleichen sein. Die gerichtete Strahlquelle kann eine Strahlformungseinrichtung, beispielsweise eine Optik, umfassen, die der Erzeugung einer gewünschten Abstrahlcharakteristik dient. Eine derartige Strahlformungseinrichtung kann eine Kollimatoroptik wie oben beschrieben, eine fokussierende Optik, Strahlhomogenisierer und dergleichen umfassen. Die gerichtete, nicht diffuse Abstrahlcharakteristik kann also eine inhärente Eigenschaft der verwendeten Lichtquelle, zum Beispiel Laser oder Laserdiode oder Leuchtdiode, sein, kann aber auch durch die jeweilige Strahlformungseinrichtung erzeugt oder beeinflusst werden. Die gerichtete Abstrahlcharakteristik kann auch nicht-rotationssymmetrisch hinsichtlich der Strahlform oder der Polarisation (z.B. lineare Polarisation) sein.
Bei Ausführungsbeispielen, die nachfolgend erläutert werden, wird eine Intensitätsverteilung des Lichtstrahls in verschiedenen Ebenen analysiert und hieraus auf eine Lage der optischen Achse geschlossen. Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 10 erläutert.
Die 10 zeigt als Beispiel einer gerichteten Strahlquelle eine Leuchtdiode 51, welche näherungsweise ein Gauss-förmiges Intensitätsprofil aufweist. Die Leuchtdiode 51 dient dabei nur als Beispiel und es können auch andere gerichtete Strahlquellen wie oben erwähnt, insbesondere auch einschließlich Strahlformungseinrichtungen, verwendet werden. Mit 7 ist eine mechanische Symmetrieachse der Leuchtdiode 51 bezeichnet. Im Idealfall liegt ein Maximum der Gauss-Verteilung des Intensitätsprofils stets auf der mechanischen Achse 7. Durch Fertigungstoleranzen, beispielsweise von Komponenten innerhalb der Leuchtdiode 51, kann es hier jedoch zu Abweichungen kommen. Solche Abweichungen können bewirken, dass sich das Maximum des Gauss-Profils mit zunehmender Entfernung von der Leuchtdiode 51 von der mechanischen Achse 7 entfernt. Dies ist in der 10 für zwei Ebenen 52, 53 gezeigt, die jeweils senkrecht zur mechanischen Achse 7 stehen und verschiedene Entfernungen zu der Leuchtdiode S1 aufweisen. Das Bezugszeichen 54A bezeichnet ein Gauss-förmiges Intensitätsprofil des von der Leuchtdiode 51 ausgehenden Lichtstrahls in der Ebene 52, und das Bezugszeichen 54B bezeichnet ein Gauss-förmiges Intensitätsprofil des von der Leuchtdiode 51 ausgehenden Lichtstrahls in der Ebene 53.
Das Gauss-förmige Intensitätsprofil wird dabei mit zunehmender Entfernung von der Leuchtdiode 51 zum einen breiter (was auch im idealen Fall ohne Ausrichtungsfehler der Fall ist), und zudem entfernt sich in dem Beispiel der 10 aufgrund von Ausrichtungsfehlern das Maximum des Intensitätsprofils mit zunehmender Entfernung von der Leuchtdiode 51 von der mechanischen Achse 7. Eine Verbindungslinie der Maxima der Intensitätsprofile 54A, 54B wird in Anlehnung an die vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele als optische Achse 8 bezeichnet.
Diese Intensitätsprofile können mit einer Messeinrichtung wie der bereits beschriebenen Messeinrichtung 11, welche über einen Bildsensor verfügt, aufgenommen werden. Ähnlich wie bei der Aufnahme der Fokuspunkte, welche für das Beispiel der Kollimatorvorrichtung 1 beschrieben wird, wird hier die Schnittebene der Messeinrichtung auf die zu messenden Ebenen, im Beispiel der 10 auf die Ebenen 52, 53, eingestellt, sodass die jeweilige Ebene auf den Bildsensor abgebildet wird. Hieraus ergeben sich dann Bilder, aus denen das Maximum der Intensitätsverteilung in der jeweiligen Ebene ersichtlich ist. Als Beispiel zeigt die 10 ein Bild 55A in der Ebene 52 und ein Bild 55B in der Ebene 53. Wie zu sehen ist, entfernt sich das Maximum von der mechanischen Achse 7, welche in den Bildern 55A, 55B als Kreuzung zweier Linien repräsentiert ist. Auf diese Weise kann die Lage der optischen Achse 8 und somit der Ausrichtungsfehler ermittelt werden.
Zu bemerken ist, dass die Verwendung des Maximums nur ein Beispiel für das Gauss-förmige Strahlprofil der 10 ist. Bei anderen Strahlprofilen können andere Merkmale des Strahlprofils verwendet werden, um die Lage der optischen Achse 8 zu bestimmen.
Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen kann auch im Falle von gerichteten Strahlquellen eine Schlagkreismessung durchgeführt werden, um Fehler in der Ausrichtung einer Messvorrichtung wie der Messvorrichtung 11 zu der gerichteten Strahlquelle herausmitteln zu können. Ein Beispiel hierfür ist in der 11 dargestellt.
Die 11 zeigt eine gerichtete Strahlquelle 50, welche ein Gehäuse aufweist, das dem bereits diskutierten Gehäuse 4 der Kollimatorvorrichtung 1 mit den Vorsprüngen 4A entspricht. In dem Gehäuse ist eine gerichtete Lichtquelle wie die Leuchtdiode 51 der 10 untergebracht, und/oder eine Strahlformungseinrichtung untergebracht, sodass insgesamt ein gerichteter Strahl erzeugt wird. Aufgrund von Ausrichtungsfehlern fällt dabei die optische Achse 8 wie bei dem Ausführungsbeispiel der 10 nicht mit der mechanischen Achse 7 zusammen.
Das Strahlprofil der gerichteten Strahlquelle 50 weist ein Maximum auf. Dieses kann in mehreren Ebenen, wie für 10 beschrieben, detektiert werden, wovon zwei Ebenen 52, 53 dargestellt sind. Das Strahlprofil bzw. ein Maximum hiervon ist in der Ebene 51 mit 56A und in der Ebene 53 mit 56B bezeichnet. Das elliptische Strahlprofil, welches in 11 gezeigt ist, kann dabei durch eine Kombination des Strahlprofils einer Lichtquelle der gerichteten Strahlquelle 50 mit einer Strahlformungseinrichtung, beispielsweise durch Kombination eines Gauss-förmigen Strahlprofils mit einer rechteckigen Strahlformungseinrichtung, erzeugt werden.
Wiederum durch den Pfeil 25 ist eine Drehung der Strahlformungseinrichtung 50 um die mechanische Achse 7 angedeutet. Auf diese Weise kann, wie in Bildern 57A und 57B gezeigt, mittels einer Messeinrichtung wie der Messeinrichtung 11 wiederum eine Schlagkreisaufnahme erzeugt werden, bei welcher das Strahlprofil in mehreren Winkelstellungen gemessen wird. Hierdurch kann auch die optische Achse 8 in jeder Winkelstellung ermittelt werden, und ein Ausrichtungsfehler kann, wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, ermittelt werden, wobei eine Ungenauigkeit der Ausrichtung der Messeinrichtung zu der gerichteten Strahlquelle wie beschrieben durch Verwendung des Mittelpunktes des Schlagkreises als Referenz herausgemittelt werden kann.
Die 11 zeigt dabei zudem ein Beispiel für ein nicht-rotationssymmetrisches Strahlprofil, in diesem Fall ein elliptisches Strahlprofil. Durch die gezeigten Aufnahmen kann auch die Ausrichtung des Strahlprofils in den Ebenen 51, 53 ermittelt werden. Ein anderes Beispiel ist eine linear polarisierte Lichtquelle. Hier kann z.B. durch Messung mit einem Polarisator zwischen Messeinrichtung 11 und Strahlquelle 50 durch Messung der Intensität in den verschiedenen Drehpositionen der Strahlquelle 50 ermittelt werden.
Zu beachten ist, dass die gerichtete Strahlquelle 50 auch ein Kollimator sein kann, wenn beispielsweise der kollimierte Lichtstrahl ein inhomogenes Strahlprofil wie ein Gauss-förmiges Strahlprofil aufweist.
Nach Bestimmen des Ausrichtungsfehlers kann dann eine Korrektur in der bereits für die Kollimatorvorrichtung 1 beschriebenen Weise erfolgen. Beispielsweise können die Vorsprünge des Gehäuses der Kollimatorvorrichtung 50, wie unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben, bearbeitet werden, oder eine andere Bearbeitung ebenso wie für die Kollimatorvorrichtung 1 beschrieben erfolgen.
Bei einem nicht rotationssymmetrischen Strahlprofil können zudem auf Basis der oben erläuterten Bestimmung der Ausrichtung des Strahlprofils in der Ebene Azimutreferenzen an dem Gehäuse der Strahlquelle 50 angebraucht werden. Diese Azimutreferenzen können beispielsweise Bohrungen und Senkungen, (V-) Nuten, radiale Flächen und/oder weitere geeignete und produktspezifische Lösungen zur Winkelzuordnung umfassen und geben die Ausrichtung des Strahlprofils in der Ebene relativ zu dem Gehäuse an, z.B. eine Richtung der Hauptachse der Ellipse des elliptischen Strahlprofils der 11 oder eine Richtung einer linearen Polarisation des Strahls. Unter dem Azimut oder Azimutwinkel wird dabei eine Winkellage um die optische Achse herum (bei korrekter Ausrichtung im Wesentlichen entsprechend der Drehung gemäß dem Pfeil 25) verstanden.
Es ist zu bemerken, dass die erläuterte Bestimmung der Ausrichtung eines nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils und das Versehen mit Azimutreferenzen auch in Kombination mit den unter Bezugnahme auf die 1-9 erläuterten Ausführungsbeispiele für die Kollimatorvorrichtung 1 durchgeführt werden kann.
Die 12 zeigt ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Zur Erläuterung des Verfahrens der 12 wird dabei auf die unter Bezugnahme auf die 10 und 11 vorgenommen Erläuterungen Bezug genommen.
In Schritt 60 wird eine Lichtquelle einer gerichteten Strahlquelle aktiviert, beispielsweise die Leuchtdiode 51 der 10 oder eine Lichtquelle der gerichteten Strahlquelle 50 der 11. In Schritt 61 erfolgt eine Messung, insbesondere des Strahlprofis, in einer ersten Ebene, insbesondere mittels einer Bildaufnahme, wie für die Bildaufnahme 55A für die Ebene 52 oder die Bildaufnahme 57A ebenfalls für die Ebene 52 der 11. In Schritt 62 erfolgt eine entsprechende zweite Messung des Strahlprofils in einer zweiten Ebene, wie die Ebene 53 der 10 und 11. Die Ebenen können dabei insbesondere senkrecht zu einer mechanischen Achse der gerichteten Strahlquelle stehen. Die Messung kann dabei unter Drehung der Strahlquelle erfolgen, um eine Schlagkreisaufnahme anzufertigen, wie unter Bezugnahme auf die 11 erläutert.
In Schritt 63 wird dann ein Ausrichtungsfehler bestimmt. Hierzu kann die optische Achse als Verbindung von bestimmten Merkmalen der Strahlprofile in den Ebenen bestimmt werden, beispielsweise Verbindungen von Maxima des Strahlprofils wie unter Bezugnahme auf die 10 und 11 erläutert. Zudem kann eine Ausrichtung eines nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils der Strahlquelle erfasst werden.
In Schritt 64 kann dann die gerichtete Strahlquelle korrigiert werden, entsprechend der unter Bezugnahme auf die 5 erläuterten Korrektur der Kollimatorvorrichtung 1, und es können Azimutreferenzen wie diskutiert hinzugefügt werden.
Im Hinblick auf die beschriebenen Varianten und Abwandlungen ist klar, dass die konkret dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10322587 A1 [0063]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung (1), umfassend: mindestens eine Lichtquelle (19, 20) zum Emittieren von Licht zumindest einer Wellenlänge, welche sich von einer Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung (1) unterscheidet, und eine Messeinrichtung (11) zum Messen einer Fokuslage (18) der Kollimatorvorrichtung (1) bei der mindestens einen Wellenlänge, die sich von der Arbeitswellenlänge unterscheidet, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, einen Ausrichtungsfehler der Kollimatorvorrichtung (1) auf Basis der Fokuslage (18) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kollimatorvorrichtung (1) in der Vorrichtung drehbar lagerbar ist, wobei die Messeinrichtung (11) eingerichtet ist, einen Schlagkreis der Fokuslage (18) zu messen, während die Kollimatorvorrichtung gedreht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse (8) der Kollimatorvorrichtung (1) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Lichtquelle für jede Wellenlänge der mindestens einen Messwellenlänge eine Lichtquelle umfasst, welche Licht entsprechend der Messwellenlänge emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle umfasst, wobei die Vorrichtung des Weiteren mindestens einen Farbfilter zum Auswählen der mindestens einen Messwellenlänge umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messeinrichtung (11) einen Bildsensor (12) zum Aufnehmen der Fokuslage (18) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung eine variable Optik (13) zum Anpassen einer Schnittweite der Messvorrichtung (11) an die Fokuslage (18) umfasst.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers einer gerichteten Strahlquelle (50; 51), umfassend: eine Messeinrichtung (11) zum Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle (51, 52) in einer ersten Ebene (52) und einer zweiten Ebene (53), wobei die erste Ebene (52) und die zweite Ebene (53) verschiedene Entfernungen zu der gerichteten Strahlquelle (50; 51) aufweisen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, einen Ausrichtungsfehler der gerichteten Strahlquelle (50; 51) auf Basis der Messungen des Strahlprofils zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Ebene (52) und die zweite Ebene (53) senkrecht zu einer mechanischen Achse (7) der gerichteten Strahlquelle (50; 51) stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei durch das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse (8) der gerichteten Strahlquelle (50; 51) auf Basis von Merkmalen der Intensitätsprofile in der ersten Ebene (52) und der zweiten Ebene (53) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Merkmale Maxima der Intensitätsprofile umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die gerichtete Strahlquelle (50; 51) in der Vorrichtung drehbar lagerbar ist, wobei die Messeinrichtung (11) eingerichtet ist, einen Schlagkreis der Intensitätsprofile zu messen, während die gerichtete Strahlquelle (50; 51) gedreht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Messeinrichtung (11) einen Bildsensor (12) zum Aufnehmen eines Bildes der ersten Ebene (52) und der zweiten Ebene (53) umfasst.
Vorrichtung zur Korrektur einer Kollimatorvorrichtung (1) oder einer gerichteten Stahlquelle (50; 51), umfassend: die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung (1) und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13 zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers der gerichteten Strahlquelle (50; 51), und eine Bearbeitungsvorrichtung (15) zum Bearbeiten einer Referenzfläche (25) der Kollimatorvorrichtung (1) oder der gerichteten Strahlquelle (50; 51) in Abhängigkeit von dem Ausrichtungsfehler der Kollimatorvorrichtung (1) oder der gerichteten Strahlquelle (50; 51).
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Bearbeitungsvorrichtung ein Drehwerkzeug, ein Fräswerkzeug, ein Schleifwerkzeug und/oder ein strahlbasiertes Werkzeug umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Bearbeitungsvorrichtung (15) eingerichtet ist, Vorsprünge (4A) auf einer Außenseite eines Gehäuses (4) der Kollimatorvorrichtung (1) oder der gerichteten Strahlquelle (50; 51) zu bearbeiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Vorrichtung zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung (1) und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13 zur Bestimmung eines Ausrichtungsfehlers der gerichteten Strahlquelle (50; 51) zum Bestimmen einer Ausrichtung eines nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils eingerichtet ist, und wobei die Vorrichtung zum Versehen der Kollimatorvorrichtung und/oder der gerichteten Strahlquelle mit mindestens einer Azimutreferenz auf Basis der Ausrichtung eingerichtet ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung (1), umfassend: Einkoppeln von Licht einer ersten Messwellenlänge, die sich von einer Arbeitswellenlänge der Kollimatorvorrichtung (1) unterscheidet, in die Kollimatorvorrichtung, Messen einer Fokuslage (18) der Kollimatorvorrichtung (1) für das Licht der ersten Messwellenlänge, und Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers der Kollimatorvorrichtung (1) auf Basis der Fokuslage.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Einkoppeln und das Messen bei mindestens einer weiteren Wellenlänge wiederholt wird, wobei jede Wellenlänge der mindestens einen weiteren Wellenlänge entweder der Arbeitswellenlänge entspricht oder von dieser verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Verfahren ein Drehen der Kollimatorvorrichtung um eine Achse der Kollimatorvorrichtung während des Messens umfasst, um einen Schlagkreis aufzunehmen.
Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers einer gerichteten Strahlquelle (50; 51), umfassend: Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle (50; 51) in einer ersten Ebene (52), Messen eines Strahlprofils der gerichteten Strahlquelle (50; 51) in einer von der ersten Ebene (52) verschiedenen zweiten Ebene (53), und Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers der gerichteten Strahlquelle (50; 51) auf Basis der ersten Messung und der zweiten Messung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die erste Ebene (52) und die zweite Ebene (53) auf einer mechanischen Achse (7) der gerichteten Strahlquelle (50; 51) senkrecht stehen.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Bestimmen des Ausrichtungsfehlers ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse (8) der gerichteten Strahlquelle (50; 51), basierend auf Merkmalen der Intensitätsprofile, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Verfahren ein Drehen der gerichteten Strahlquelle (50; 51) um eine Achse (7) der gerichteten Strahlquelle (50; 51) umfasst, um Schlagkreise der Intensitätsverteilung in der ersten Ebene (52) und der zweiten Ebene (53) aufzunehmen.
Verfahren zur Korrektur eines Ausrichtungsfehlers einer Kollimatorvorrichtung (1) oder einer gerichteten Strahlquelle (50; 51), umfassend: Bestimmen des Ausrichtungsfehlers mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, und Bearbeiten einer Referenzfläche (4 A; 25) der Kollimatorvorrichtung (1) oder der gerichteten Strahlquelle (50; 51) in Abhängigkeit von dem bestimmten Ausrichtungsfehler.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Bearbeiten eine Drehbearbeitung, Fräsbearbeitung, Schleifbearbeitung und/oder Laserstrahlbearbeitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei das Verfahren weiter umfasst: Bestimmen einer Ausrichtung eines nicht rotationssymmetrischen Strahlprofils, und Versehen der Kollimatorvorrichtung (1) und/oder der gerichteten Strahlquelle (50; 51)mit mindestens einer Azimutreferenz auf Basis der Ausrichtung.