DE10215889A1 - Kippvorrichtung für einen Träger von optischen Elementen - Google Patents
Kippvorrichtung für einen Träger von optischen ElementenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kippvorrichtung für einen Träger von optischen Elementen mit wenigstens zwei optischen Flächen (1, 2), die gemeinsam auf einem Träger (3) angeordnet und in einem festen Winkel zueinander fixiert sind, wobei der Träger (3) über Gelenkverbindungen an einer Grundplatte (9) befestigt ist. Der Träger (3) ist um drei Kippachsen (31, 32, 33) schwenkbar, wobei eine erste Kippachse (31) vorzugsweise in der Ebene (1a) der ersten optischen Fläche (1) liegt und sich normal zu der Ebene (2a) der zweiten optischen Fläche (2) erstreckt, wobei die zweite Kippachse (32) vorzugsweise in der Ebene (2a) der wenigstens zweiten optischen Fläche (2) liegt und sich normal zu der Ebene (1a) der ersten optischen Fläche (1) erstreckt, und wobei die dritte Kippachse (33) parallel zur Schnittgeraden der beiden Ebenen (1a, 1b) des optischen Element (1, 2) liegt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kippvorrichtung für einen Träger
von optischen Elementen mit wenigstens zwei optischen Flächen,
die gemeinsam auf einem Träger angeordnet sind, nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Bei optischen Systemen mit mehreren optischen Achsen werden die
Lichtstrahlen durch Spiegel, Prismen oder Strahlteiler umge
lenkt. Hierzu ist es z. B. bekannt, zwei Planspiegel, die einen
fixen Winkel zwischen sich bilden, auf einem gemeinsamen Träger
anzuordnen. Die dem Träger benachbarten optischen Elemente müs
sen untereinander genau aufeinander ausgerichtet sein, wozu
z. B. auch die Einhaltung von exakten Luftabständen gehört. Wenn
die Luftabstände abgestimmt und die drei Raumwinkel des Trägers
vorjustiert sind, ergeben sich bei der Feinjustage der Raumwin
kel Probleme. Wird der Kippwinkel einer der beiden optischen
Flächen geändert, so wirkt sich diese Änderung für die andere
optische Fläche ebenfalls in einer Kipp- und Luftabstandsände
rung aus, da beide optischen Flächen fest zueinander fixiert
sind. Aus diesem Grund sind dann unter Umständen mehrere auf
wendige Nachjustiervorgänge erforderlich. Der Träger muß somit
in mindestens fünf Freiheitsgraden justiert werden. Wenn der
genaue Ort des Trägers vorher justiert wird, muß dieser für ei
ne Orientierungsjustage nur noch um drei räumlich angeordnete
Achsen gekippt werden.
Bei bekannten Kippvorrichtungen für Spiegel ist nun eine Kipp
winkeländerung bei einem der beiden Spiegel auch mit einer Ort
sänderung des Spiegelträgers verbunden. Der Ort des Spiegelträ
gers wird beispielhaft über einen Referenzpunkt RP definiert,
der einen bestimmten Abstand a zu einem benachbarten optischen
Element und einem bestimmten Abstand b zu einem anderen opti
schen Element aufweist. Bei bekannten Kippwinkeländerungen für
einen Spiegel verschiebt sich der Referenzpunkt, womit sich
auch die Maße a und b ändern und damit auch der Ort des Spie
gelträgers. In nachteiliger Weise wird deshalb eine Nachkorrek
tur für den Ort des Spiegelträgers und der Maße a oder b not
wendig.
Dies bedeutet, es liegen zwei Probleme vor. Läßt man die
Luftabstände unverändert bzw. richtet diese ein, dann muß die
Vorrichtung ortsmäßig vorher exakt justiert werden. Der Vorteil
dieser Ausgestaltung ist, daß man keinen Referenzpunkt zum Ju
stieren benötigt.
Bei einer zweiten, einfacheren Verstellart benötigt man hinge
gen einen Referenzpunkt. In diesem Fall hat man aber noch nicht
die Luftabstände und eine Justierung ist über ein Bild oder
über eine optische Abbildung mangels Fehlen einer Abbildung un
ter Umständen nicht möglich. Zur Abstimmung der Luftabstände
muß dann der Spiegelträger noch entsprechend um den festgeleg
ten Referenzpunkt RP gedreht werden. Bei der zuerst genannten
Möglichkeit, wobei die Luftabstände eingerechnet sind, kann für
die Feinjustierung der Kippung bereits ein optisches Bild vor
liegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Kippvorrichtung für Träger von mehreren optischen Elementen zu
schaffen, bei der sich eine Kippänderung an einem optischen
Element, z. B. einem Planspiegel oder einem Strahlteiler, nicht
oder wenigstens nur unbedeutend auf das oder die anderen opti
schen Elemente auswirkt. Dabei soll eine Justierung des Trägers
in drei Raumrichtungen möglich werden und sich gegebenenfalls
der Ort des Trägers oder die Luftabstände zu den benachbarten
optischen Elementen nicht ändern, so daß Nachjustierungen ent
fallen.
In einer ersten Lösung wird gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, daß
der Träger um drei Kippachsen schwenkbar ist, wobei eine erste
Kippachse zum Kippen der ersten optischen Fläche sich normal zu
der Ebene der zweiten optischen Fläche erstreckt, wobei die
zweite Kippachse zum Kippen der zweiten optischen Fläche sich
normal zu der Ebene der ersten optischen Fläche erstreckt, und
wobei die dritte Kippachse parallel zur Schnittgeraden der bei
den Ebenen der optischen Flächen liegt.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann
vorgesehen sein, daß die erste Kippachse im Durchstoßpunkt der
optischen Achse auf der Ebene der ersten optischen Fläche liegt
und daß die zweite Kippachse im Durchstoßpunkt der optischen
Achse auf der Ebene der zweiten optischen Fläche liegt.
Durch diese Ausgestaltung sind die geringsten Verschiebewege
für das optische Element nötig.
Wenn die vorstehend genannten drei Bedingungen erfüllt sind,
sind Kippjustagen einer der beiden optischen Flächen ohne eine
Dejustage der jeweils anderen optischen Fläche und ohne eine
Luftabstandsänderung möglich. Rein konstruktiv kann hierzu z. B.
der Träger kardanisch an einer Grundplatte befestigt sein.
Das optische Element kann zwei Spiegel als optische Flächen
aufweisen. Ebenso kann das optische Element ein Strahlteiler
sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorge
sehen sein, daß die Kippgelenke durch Festkörpergelenke gebil
det werden.
Da für eine Verstellung nur geringe Wege erforderlich sind eig
nen sich hier insbesondere Festkörpergelenke, da durch sie sehr
exakte und reproduzierbare Verschiebungen möglich sind.
Da in der Praxis nur sehr kleine Verstellwinkel auftreten, kann
man die Verstellung als linear betrachten und in einer verein
fachten Ausführungsform der Erfindung deshalb die Kippachsen in
Form von Viergelenkmechanismen ausbilden, wobei der Momen
tandrehpol jeweils auf den gewünschten Achsen liegen kann.
In einer zweiten Lösung gemäß Anspruch 8 ist eine vereinfachte
Kippvorrichtung beschrieben, wobei der Träger um mehrere Kip
pachsen schwenkbar ist, die alle durch einen Referenzpunkt (RP)
verlaufen, welcher auf dem Träger angeordnet ist.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung treten dann im Referenz
punkt RP keine translatorischen Verschiebungen auf, die eine
Ortsänderung bedeuten würden. Zur Festlegung der Luftabstände
ist dann der Träger von dem Referenzpunkt RP aus zu drehen. Da
bei bleiben jedoch die Einbaumaße a und b erhalten, da der Trä
ger nicht mehr verschoben wird.
Die vereinfachte Kippvorrichtung ist für alle Bauteile verwend
bar, die man in mindestens fünf Freiheitsgraden justieren muß.
Dies ist somit z. B. auch für Prismen und Strahlteilerwürfel
möglich.
In einer vorteilhaften Weise ist dabei vorgesehen, daß als Re
ferenzpunkt RP die Spitze des Trägers bzw. der Schnittpunkt der
beiden Spiegelebenen verwendet wird.
Auch hier können in vorteilhafter Weise zum Verstellen der
Kippachsen Festkörpergelenke vorgesehen sein.
Im Vergleich zu der in Anspruch 1 genannten Lösung wird dabei
die Kippvorrichtung zwar einfacher, aber da möglicherweise
schon bei kleinen Kippdezentrierungen der Träger noch kein Bild
oder eine optische Abbildung vorliegt, kann die Vorrichtung nur
durch Versuch oder Messung der Kippwinkel justiert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nach
folgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausfüh
rungsbeispielen.
Es zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik mit zwei
auf einem Spiegelträger angeordneten Planspiegeln,
Fig. 2 einen Spiegel mit einer Darstellung verschiedener Be
wegungsrichtungen,
Fig. 3 eine Abbildung mit einer Kippung eines Spiegels um ei
ne Kippachse,
Fig. 4 eine Abbildung mit einer Kippung des zweiten Spiegels
um eine Kippachse,
Fig. 5 eine Abbildung mit einer Kippung des ersten Spiegels
um eine weitere Kippachse,
Fig. 6 eine Abbildung mit einer Kippung um die Kippachse ge
mäß Fig. 5, wobei die Kippachse sich an einer anderen
Stelle befindet,
Fig. 7 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
nach der Linie VII-VII der Fig. 8,
Fig. 8 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus
Blickrichtung gemäß Pfeil VIII in der Fig. 7,
Fig. 9 einen Ansicht aus Blickrichtung gemäß Pfeil IX nach
der Fig. 7,
Fig. 10 einen Spiegelträger mit zwei Planspiegeln mit der Dar
stellung verschiedener Bewegungsrichtungen,
Fig. 11 eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
Fig. 12 einen Spiegelträger nach der Fig. 10 mit einem Refe
renzpunkt (RP),
Fig. 13 eine konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung nach
der Fig. 11 nach dem Schnitt gemäß Linie XIII-XIII
der Fig. 14,
Fig. 14 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach
Fig. 13 aus Pfeilrichtung XIV,
Fig. 15 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach
Fig. 13 aus Pfeilrichtung XV, und
Fig. 16 in prinzipmäßiger Darstellung einen Strahlteilerwür
fel, der auf einem Manipulator zur dessen Lageeinstel
lung angeordnet ist.
Zwei Planspiegel 1 und 2 sind gemäß Fig. 1 auf einem Träger,
nämlich einem Spiegelträger 3 in einem festen Winkel zueinander
fixiert. Der Spiegelträger 3 ist fest mit einer Oberplatte 4
verbunden. Die Oberplatte 4 ist so auf einer Kugel 5 und Stell
schrauben 6, 7 und 8 gelagert, daß mit einer Stellschraube 6
ein Kipp um die ϕx-Achse eingestellt werden kann. Mit der
Stellschraube 7, die in der Tiefe zur Zeichenebene versetzt
ist, wird ein Kipp um die ϕy-Achse und mit der Stellschraube 8
ein Kipp um die ϕz-Achse eingestellt. Alle drei Kippachsen lau
fen durch den Mittelpunkt der Kugel 5. Die Kugel 5 und die
Stellschrauben 6, 7 und 8 sind in der Grundplatte 9 gelagert,
die wiederum fest mit der Außenwelt, z. B. der Fassung eines Ob
jektives, verbunden ist. Mit einer Zugfeder 10 zwischen der
Oberplatte 4 und der Grundplatte 9 wird die Oberplatte 4 gegen
die Kugel 5 und die Stellschrauben 7 und 8 gedrückt.
Der Spiegelträger 3 soll nun auf die optischen Achsen 11, 12,
13 und 14 ausgerichtet werden, wobei auch die Luftabstände 21,
22, 23 und 24 zu den benachbarten optischen Elementen, z. B.
Linsen 15, 16, 17 und 18, eingehalten werden müssen.
Wenn die optischen Achsen 11, 12, 13 und 14 in einer Ebene lie
gen, muß der Spiegelträger 3 in fünf Maßen, zwei Luftabständen
und den drei Raumwinkeln ϕx, ϕy und ϕz ausgerichtet werden. Da
in Fig. 1 alle optischen Achsen 11 bis 14 in einer Ebene lie
gen sollen, bildet eine Verschiebung des Spiegelträgers normal
zur Zeichenebene die Spiegel 1 und 2 wieder in sich ab, so daß
der Ort des Spiegelträgers 3 senkrecht zur Zeichenebene nicht
abgestimmt werden muß. Es ist daher eine Abstimmung nur in fünf
statt sechs Maßen notwendig.
Der Ort des Spiegelträgers 3 in der Zeichenebene wird nur durch
zwei Luftabstände bestimmt, die anderen beiden Luftabstände er
geben sich automatisch, weil die dem Spiegelträger 3 benachbar
ten optischen Elemente 15 bis 18 untereinander genau aufeinan
der ausgerichtet sein müssen.
Wenn die Luftabstände 21 bis 24 abgestimmt und die drei Raum
winkel des Spiegelträgers 3 vorjustiert sind, ist es bei der
Feinjustage der drei Raumwinkel hilfreich, den Spiegelträger 3
ohne Änderung der Luftabstände 21 bis 24 kippen zu können, da
sonst eine neue Luftabstandsänderung und daraus eventuell auch
eine neue Winkeljustage notwendig wird.
Genauso störend wirken sich bei der Kippjustage des Spiegels 1
Kippänderungen am anderen Spiegel 2 und umgekehrt aus.
Wie aus der Fig. 1, die den Stand der Technik beschreibt, er
sichtlich ist, war bisher eine Kippwinkeländerung bei einem der
beiden Spiegel mit einer Kipp- und Luftabstandsänderung des an
deren Spiegels gekoppelt, da beide Spiegel fest zueinander auf
dem Spiegelträger fixiert sind. Wird also ein Spiegel im Kipp
justiert, müssen auch der Kipp- und der Luftabstand des anderen
Spiegels nachkorrigiert werden, was zu einem neuen Justage
durchgang führt.
Dies bedeutet, bei der bekannten Vorrichtung ist eine Kippwin
keländerung bei einem Spiegel auch mit einer Änderung der
Luftabstände 21 bis 24 und mit einer Kippänderung des anderen
Spiegels verbunden.
Wird beispielsweise der ϕz-Kippwinkel des Spiegels 1 einge
stellt, dann ändern sich aber auch die Luftabstände 21, 22, 23
und 24, weil der Punkt 19, der Schnittpunkt der optischen Achse
11 mit der Spiegelebene 1, und der Punkt 20, der Schnittpunkt
der optischen Achse 13 mit der Spiegelebene 2, gemäß dem Vektor
v19z bzw. gemäß dem Vektor v20z verschoben werden.
Die Normalkomponente der Verschiebung v19z zur Spiegelebene 1
führt zu Längenänderungen der Luftabstände 21 und 22; die Nor
malkomponente der Verschiebung v20z zur Spiegelebene 2 führt zu
Längenänderungen der Luftabstände 23 und 24.
Die ϕz-Kippwinkeljustage eines Spiegels ist wegen dem festen
Verbund durch den Spiegelträger 3 zwangsläufig mit der ϕz-
Kippwinkeljustage des anderen Spiegels gekoppelt. Eine Trennung
der ϕz-Kippbewegung ist bei einem gemeinsamen Träger für beide
Spiegel nicht möglich.
Bei der ϕz-Kippwinkeljustage können als Verbesserung nur
Luftabstandsänderungen vermieden werden.
Bei der Justage des ϕx- und ϕy-Kippwinkels von einem der beiden
Spiegel treten neben Luftabstandsänderungen auch Kippänderungen
am anderen Spiegel auf, da die jeweiligen Kippachsen nicht nor
mal zur Spiegelfläche orientiert sind, die nicht gekippt werden
soll.
Hier müssen für eine einfachere Justage neben den Luftabstands
änderungen auch die Kippbewegungen des Spiegels, der nicht ge
kippt werden soll, unterdrückt werden.
Erfindungsgemäß sollen nun die Justagefreiheitsgrade des Spie
gelpaares 1, 2 bzw. des Spiegelträgers 3 voneinander entkoppelt
werden.
Erreicht wird dies bei kleinen Kippbewegungen durch die Ausnut
zung von sensitiven und insensitiven Bewegungen eines Einzel
spiegels. Wird einer der beiden Spiegel im Kipp geändert, so
vollführt der andere Spiegel nur Bewegungen, die seinerseits zu
keiner Kipp- und Luftabstandsänderung führen (insensitive Bewe
gung).
Wird beispielsweise der Schnittpunkt 19 der optischen Achse 11
mit dem Spiegel 1 betrachtet, so gibt es für den Punkt 19 drei
sensitive Bewegungen:
- - Translation z normal zur Spiegelebene 1
- - Kipp αx um eine Achse in der Spiegelebene 1
- - Kipp αy um eine Achse in der Spiegelebene 1, aber senkrecht zum Kipp αx.
Eine Translation normal zur Spiegelebene 1 im Schnittpunkt 19
bedeutet eine Luftraumänderung von 21 und 22.
Kippungen in der Spiegelebene 1 bewirken andere Umlenkwinkel
für den Strahl auf der optischen Achse 11, so daß der Licht
strahl nach der Reflexion am Spiegel 1 von der gewünschten op
tischen Achse 12 abweicht.
Es gibt auch drei insensitive Bewegungen, bei denen die
Spiegelebene 1 wieder in sich selbst abgebildet wird:
- - Translation x in der Spiegelebene 1
- - Translation y in der Spiegelebene 1, aber senkrecht zu Translation x
- - Kipp αz um die Achse normal zur Spiegelebene 1.
In Fig. 2 sind für den Spiegel 1 sensitive Bewegungsrichtungen
durchgezogen und insensitive Bewegungsrichtungen gestrichelt
dargestellt.
Für den Spiegel 2 gibt es analog wie zu Spiegel 1 auch sensiti
ve und insensitive Bewegungen. Die insensitiven Bewegungen bil
den den Spiegel 2 wieder in sich selbst ab.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, verläuft für die Kippfeinju
stage der Spiegel 1 und 2 eine erste Kippachse 31 durch den
Schnittpunkt 19 der optischen Achse 11 und dem Spiegel 1, wobei
ihre Richtung normal zum Spiegel 2 weist.
Bei der Drehung des Spiegels 1 um die Kippachse 31 wird die
Spiegelebene 2a wieder in sich selbst abgebildet, so daß am
Spiegel 2 weder Kipp- noch Luftabstandsänderungen auftreten.
Für den Spiegel 1 kann dabei auch keine Luftabstandsänderung
auftreten, da die Kippachse 31 durch den Schnittpunkt 19 der
optischen Achse 11 (bzw. der optischen Achse 12) mit der Spie
gelebene 1a verläuft.
Schließen die Spiegel 1 und 2 keinen rechten Winkel ein, teilt
sich eine Kippbewegung 31a für den Spiegel 1 in eine Kippung
31b in der Spiegelebene 1 und in eine Kippung 31c normal zur
Spiegelebene 1 auf.
Die Kippung 31c bildet den Spiegel 1 wieder in sich selbst ab.
Der Spiegel 1 wird daher effektiv nur um den Kippanteil 31b in
der Spiegelebene 1 gekippt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, verläuft analog zur ersten
Kippachse 31 die zweite Kippachse 32 normal zur Spiegelebene 1a
durch den Schnittpunkt 42 der optischen Achse 13 oder 14 mit
dem Spiegel 2, um nur eine Kippung des Spiegels 2 ohne Kipp-
oder Luftabstandsänderungen beim Spiegel 1 zu erreichen.
Gemäß Fig. 5 verläuft die dritte Kippachse 33 parallel zur
Schnittgeraden vom Spiegel 1 mit dem Spiegel 2. Bei dieser Kip
pung werden der Spiegel 1 und der Spiegel 2 gleichzeitig ge
kippt, wobei sowohl beim Spiegel 1 und beim Spiegel 2 keine Än
derung der Luftabstände 21 bis 24 auftreten sollen.
Damit am Spiegel 1 für die Luftabstände 21 und 22 keine Ände
rung auftritt, müßte die dritte Kippachse 33 durch den Schnitt
punkt 19 verlaufen, da dann der Schnittpunkt 19 nicht transla
torisch verschoben wird.
Ebenso müßte die dritte Kippachse 33 aber auch durch den
Schnittpunkt 20 gehen, damit keine Änderungen für die Luftab
stände 23 und 24 am Spiegel 2 auftreten.
Da aber die dritte Kippachse 33 nicht durch die Schnittpunkte
19 und 20 gleichzeitig verlaufen kann, muß ein Kompromiß gefun
den werden.
In Fig. 5 wird der Spiegel 1 in der Kippachse 33, die im Ab
stand a von der Spiegelebene 1 entfernt liegt, und deren Lot
auf die Spiegelebene 1 im Abstand d vom Schnittpunkt 19 ent
fernt liegt, um den Winkel ϕ in die Lage 1' gekippt.
Dabei wandert der Schnittpunkt 19 entlang der optischen Achse
11 in die Lage 19'.
Durch das Kippen des Spiegels 1 um den Winkel ϕ weicht die an
der gekippten Spiegelebene 1' reflektierte optische Achse 12'
um den Winkel 2ϕ von der ursprünglichen optischen Achse 12 ab,
wobei aber die optische Achse 12' den Abstand u vom ursprüngli
chen Schnittpunkt 19 hat.
Gewünscht wäre eine optische Achse 12", die im Schnittpunkt 19
den Spiegel 1 schneidet und parallel zur optischen Achse 12'
verläuft.
Der Seitversatz u der optischen Achse 12' von der gewünschten
optischen Achse 12" kann für kleine Kippwinkel ϕ mit folgender
Formel angenähert werden. Der Winkel ε ist dabei der ursprüng
liche Einfallswinkel der optischen Achse 11 auf den Spiegel 1.
Der Abstand d des Lots von der Kippachse 33 auf die Spiegelebe
ne 1 geht mit dem Kippwinkel ϕ linear ein, und trägt deshalb
bei kleinen Kippwinkeln ϕ am meisten zum Seitversatz u bei. Um
diesen störenden Seitversatz u möglichst zu verringern, muß die
Kippachse 33 so liegen, daß das Lot von der Kippachse 33 auf
die Spiegelebene 1 den Spiegel 1 im Schnittpunkt 41 schneidet
(siehe Fig. 6).
Der Seitversatz u vereinfacht sich dann zum minimalen Seitver
satz umin:
Für sehr kleine Kippwinkel ϕ ergeben sich wegen der quadrati
schen Abhängigkeit des Achsversatzes umin vom Kippwinkel ϕ nur
kleine Beträge für den Seitversatz umin die noch im Toleranzbe
reich liegen können.
Analog zum Spiegel 1 müßte die Kippachse 33 auch auf dem Lot
zur Spiegelebene 2 im Schnittpunkt 20 der optischen Achse 13
oder 14 mit dem Spiegel 2 liegen.
Die Kippachse 33 ergibt sich daher aus dem Schnittpunkt des Lo
tes zum Spiegel 1 im Schnittpunkt 19 mit dem Lot zum Spiegel 2
im Schnittpunkt 20 (Fig. 6).
Der Seitversatz wmin am Spiegel 2 (nicht dargestellt) berechnet
sich analog zum Spiegel 1, wobei b der Abstand vom Schnittpunkt
20 zur Kippachse 33 und η der Einfallswinkel am Spiegel 2 ist.
In den Fig. 7 bis 9 ist eine Vorrichtung zum Kippen des
Spiegelträgers 3 mit den Spiegeln 1 und 2 beispielhaft kon
struktiv ausgeführt, wobei die Lage der drei räumlichen Kipp
achsen 31, 32 und 33 nach den oben beschriebenen Kriterien ge
wählt wurde.
Die Flächen 1 und 2 des Spiegelträgers 3 sind verspiegelt und
bilden die Spiegel 1 und 2. Da die Spiegel 1 und 2 einen rech
ten Winkel einschließen, kommt die Kippachse 31 in der Spiegel
ebene 1a und die Kippachse 32 in der Spiegelebene 2a zu liegen.
Der Spiegelträger 3 ist über seine Rückseite mit einem Festkör
pergelenk 41 fest verbunden, dessen Gelenkachse mit der ge
wünschten Kippachse 33 zusammenfällt. Durch Stellschrauben 43
kann der Kippwinkel um die Achse 33 justiert und fixiert wer
den.
Das Festkörpergelenk 41 ist auf der anderen Gelenkseite fest
mit einem Rahmen 42 verbunden, der wiederum mit einer Anschluß
fläche 46 fest mit der Außenwelt z. B. einem Objektivgehäuseteil
49 verbunden ist. Im Rahmen 42 sind zwei Festkörperkippgelenke
untergebracht.
Die Gelenkachse des einen Festkörpergelenks fällt mit der ge
wünschten Kippachse 32 zusammen, wobei der Kipp um die Achse 32
mit Stellschrauben 44 eingestellt und fixiert werden kann.
(Fig. 8).
Die Gelenkachse des anderen Festkörpergelenks liegt auf der
Kippachse 31. Der Kipp um die Achse 31 kann mit Stellschrauben
45 eingestellt und justiert werden (Fig. 9).
Die gezeigte Ausführung der Kippvorrichtung ist nur beispiel
haft, so können die Festkörpergelenke auch durch andere Drehge
lenke ersetzt werden. Kern der Erfindung ist die Lage der Kipp
achsen 31, 32, 33 im Bezug auf die Spiegelebenen 1a und 2a
die eine Kippjustage eines der beiden Spiegel 1 bzw. 2 ohne ei
ne Dejustage des jeweils anderen Spiegels und ohne eine Luft
raumänderung erlauben.
Wegen des kleinen Winkelstellbereichs können die Kippachsen 31
bis 33 auch mit Viergelenkmechanismen angenähert werden, deren
Momentandrehpol auf den gewünschten Achsen liegt (nicht darge
stellt).
Nachfolgend wird anhand der Fig. 10 bis 15 eine vereinfachte
Form einer Kippvorrichtung als Alternative zu dem vorstehend
erläuterten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei Fig. 11 zur
Erläuterung des Standes der Technik dient.
Zur Vereinfachung wurden für die gleichen Teile die gleichen
Bezugszeichen auch bei diesem Ausführungsbeispiel beibehalten.
Die Fig. 10 zeigt den Spiegelträger 3 mit den beiden Planspie
geln 1 und 2 mit Erläuterung der Freiheitsgrade und der Kipp
möglichkeiten. In der Fig. 11 ist hierzu eine Vorrichtung nach
dem Stand der Technik dargestellt. Der Spiegelträger 3 soll auf
die optischen Achsen 11, 12, 13 und 14 ausgerichtet werden, wo
bei auch die Luftabstände 21, 22, 23 und 24 zu den benachbarten
optischen Elementen 15 bis 18 eingehalten werden sollen.
Der Spiegelträger 3 muß dazu in allen sechs Freiheitsgraden ju
stiert werden, wobei die drei translatorischen Freiheitsgrade
den Ort des Spiegelträgers und die drei rotatorischen Frei
heitsgrade die Orientierung des Spiegelträgers festlegen.
Ist der Ort des Spiegelträgers 3 schon justiert, muß der Spie
gelträger 3 für eine Orientierungsjustage so um drei räumlich
angeordnete Achsen gekippt werden können, daß er seinen Ort
beim Kippen nicht verliert.
Gemäß Fig. 11 ist der Spiegelträger 3 wie bei dem ersten Aus
führungsbeispiel fest mit der Oberplatte 4 verbunden.
Die Oberplatte 4 ist ebenfalls so auf der Kugel 5 und den
Stellschrauben 6, 7 und 8 gelagert, daß mit der Stellschraube 6
der Kipp um die ϕx-Achse, mit der Stellschraube 7, in Tiefe der
Zeichenebene versetzt, der Kipp um die ϕy-Achse und mit der
Stellschraube 8 der Kipp um die ϕz-Achse eingestellt werden
kann. Alle drei Kippachsen laufen wie bei dem ersten Ausfüh
rungsbeispiel somit durch den Mittelpunkt der Kugel 5. Die Ku
gel 5 und die Stellschrauben 6, 7 und 8 sind in der Grundplatte
9 gelagert, die wiederum fest mit der Außenwelt verbunden ist.
Mit der Zugfeder 10 zwischen Oberplatte 4 und Grundplatte 9
wird die Oberplatte 4 gegen die Kugel 5 und die Stellschrauben
7 und 8 gedrückt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, die dem Stand der
Technik entspricht, ist eine Kippwinkelveränderung bei einem
Spiegel auch mit einer Ortsänderung des Spiegelträgers 3 gekop
pelt.
Der Ort des Spiegelträgers 3 wird in Fig. 11 beispielhaft über
den Referenzpunkt RP auf dem Spiegelträger 3 in Bezug zu der
Referenzfläche 15a auf der Fassung der Linse 15 und zu der Re
ferenzfläche 16a auf der Fassung für die Linse 16 definiert.
Der Referenzpunkt RP soll zur Fläche 15a den Abstand a und Flä
che 16a den Abstand b haben.
Wird beispielsweise der Spiegelträger 3 im ϕz-Kippwinkel ju
stiert, so verschiebt sich der Referenzpunkt RP gemäß des ge
zeigten Vektors vϕ z, da der Drehpunkt nicht im Referenzpunkt RP
sondern im Mittelpunkt der Kugel 5 liegt.
Durch die Verschiebung des Referenzpunktes RP ändern sich die
Maße a und b und damit der Ort des Spiegelträgers 3. Eine Nach
korrektur für den Ort des Spiegelträgers 3, die Maße a und b,
wird dadurch notwendig.
Der Ort des Spiegelträgers 3 wird durch einen Referenzpunkt RP
auf dem Spiegelträger 3, der für Meßverfahren gut zugänglich
sein muß, in Bezug auf ein oder mehrere benachbarte optische
Elemente definiert. Als Referenzpunkt für den Ort des Spiegel
trägers können spezielle Flächen an den optischen Elementen
selbst, Fassungen oder einem anderen Bauteil dienen.
In Fig. 12 dienen beispielsweise die Fläche 15a auf der Fas
sung für die Linse 15 und die Fläche 16a auf der Fassung für
die Linse 16 als Bezugsebenen für den Ort des Referenzpunktes
RP auf dem Spiegelträger. Der Referenzpunkt RP soll im Abstand
a von der Fläche 15a und im Abstand b von der Fläche 16a ent
fernt liegen.
Der Ort des Prismenreferenzpunktes RP senkrecht zur Zeichenebe
ne wird nicht betrachtet, da eine Verschiebung des Spiegelträ
gers 3 in dieser Richtung die Spiegel 1 und 2 wieder in sich
selbst abbildet, wodurch keine optischen Auswirkungen auftre
ten.
Als Alternative zu den Bezugsflächen 15a und 16a können selbst
verständlich auch Flächen auf den Fassungen für die Linsen 17
und 18 oder auch an anderen Komponenten gewählt werden.
Bei der anschließenden Kippjustage des Spiegelträgers 3 darf
keine Dejustierung des Ortes auftreten. Deshalb müssen alle
drei voneinander linear unabhängigen Kippachsen 31, 32 und 33
durch den Referenzpunkt RP auf dem Spiegelträger 3 laufen. Es
treten dann im Referenzpunkt RP keine translatorischen Ver
schiebungen auf, die eine Ortsänderung bedeuten würden.
In den Fig. 13, 14 und 15 ist zur Erfüllung dieser Bedingung
beispielsweise eine Vorrichtung zur Justage eines Spiegelträ
gers 3 mit den Spiegeln 1 und 2 konstruktiv ausgeführt.
Der Rahmen 42 wird über seine Anschlußfläche 4 und eine Ab
stimmscheibe 47 fest mit der Außenwelt, z. B. dem Gehäuseteil 49
eines Objektivs, verbunden. Die Abstimmscheibe 47 dient zum
Einstellen des Maßes b.
Zum Einstellen des Maßes a dient eine Stellschraube 48, deren
Muttergewinde fest mit der Außenwelt bzw. dem Objektivgehäuse
teil 49 verbunden ist.
Mit dem Rahmen 42 ist auch das Festkörperkippgelenk 41 verbun
den. Im Rahmen 42 sind zwei Festkörpergelenke untergebracht,
von denen eines ein Kippen um die Achse 32 und das andere ein
Kippen um die Achse 31 ermöglicht.
Mit den Stellschrauben 44 wird der Kipp um die Achse 32, mit
den Stellschrauben 45 wird ein Kipp um die Achse 31 eingestellt
und fixiert.
Stege 50 und 51 im Festkörperkippgelenk 41 sind so auf den Re
ferenzpunkt RP ausgerichtet, daß sie ein Viergelenkgetriebe
bilden. Der Momentandrehpol des Viergelenks liegt im Referenz
punkt RP, so daß die Kippachse 33 senkrecht zur Zeichenebene im
Referenzpunkt RP steht. Mit den Stellschrauben 45 kann der Kipp
um die Achse 33 eingestellt und fixiert werden.
Der Spiegelträger 3 ist über seine Rückseite mit dem Festkör
perkippgelenk 41 fest verbunden.
Die Kippachsen 31, 32 und 33 sind linear unabhängig und gehen
immer durch den Referenzpunkt RP auf dem Spiegelträger 3. Die
Kippachse 31 verläuft zufälligerweise durch die Spiegelebene
1a. Auch die Kippachse 32 verläuft zufälligerweise durch die
Spiegelebene 2a.
Kern der Erfindung ist die Anordnung der Kippachsen 31, 32 und
33, die linear voneinander unabhängig sind und alle durch den
Referenzpunkt RP laufen. Dadurch wird ein Kippen und Justieren
des Spiegelträgers 3 in drei Raumrichtungen ermöglicht, ohne
daß sich der Ort des Spiegelträgers 3 ändert und nachjustiert
werden müßte.
Die hier beispielhaft dargestellten Festkörpergelenke in der
Vorrichtung können selbstverständlich auch durch andere z. B.
durch Drehgelenke ersetzt werden, sofern sie ein Kippen des
Spiegelträgers um drei unabhängige Achsen (kardanische Aufhän
gung) ermöglichen, die sich alle in einem definierten Punkt des
Spiegelträgers 3 schneiden. Dieser definierte Punkt dient zu
gleich als Referenzpunkt RP für die Ortsbestimmung des Spiegel
trägers 3.
In der Fig. 16 ist in Prinzipdarstellung ein Strahlteilerwür
fel 300 dargestellt, der dem Spiegelträger 3 mit den beiden
senkrecht zueinander liegenden Planspiegeln entspricht. Der
Strahlteilerwürfel 300 soll in gleicher Weise wie der Spiegel
träger 3 durch eine Kippvorrichtung gehalten und justiert wer
den. Hierzu ist der Strahlteilerwürfel 300 auf einem Manipula
tor 400 angeordnet, der der Oberplatte 4 nach der Fig. 1 ent
spricht. Ebenso wie die Oberplatte 4 beweglich mit der Grund
platte 9 verbunden ist, ist der Manipulator 400 in gleicher
Weise mit einer Grundplatte 9 verbunden.
Durch eine Relativbewegung zwischen der Grundplatte 9 und dem
Manipulator 400, welcher fest mit dem Strahlteilerwürfel 300
verbunden ist, sind auf diese Weise Kippjustagen möglich ohne
jeweilige negative gegenseitige Beeinflussung der optischen
Flächen des Strahlteilerwürfels, wobei die optischen Flächen
durch die Eintrittsoberfläche für die Strahlung und die dazu
senkrecht liegende Austrittsoberflächen nebst diagonaler
Strahlteilerebene definiert sind.
Claims (16)
1. Kippvorrichtung für einen Träger von optischen Elementen
mit wenigstens zwei optischen Flächen, die gemeinsam auf
einem Träger angeordnet und in einem festen Winkel zueinan
der fixiert sind, wobei der Träger über Gelenkverbindungen
an einer Grundplatte befestigt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (3) um drei Kippachsen (31, 32, 33) schwenkbar
ist, wobei eine erste Kippachse (31) zum Kippen der ersten
optischen Fläche (1) sich normal zu der Ebene (2a) der
zweiten optischen Fläche (2) erstreckt, wobei die zweite
Kippachse (32) zum Kippen der wenigstens zweiten optischen
Fläche (2) sich normal zu der Ebene (1a) der ersten opti
schen Fläche (1) erstreckt, und wobei die dritte Kippachse
(33) parallel zur Schnittgeraden der beiden Ebenen (1a, 2a)
des optischen Elementes (1, 2) liegt.
2. Kippvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Kippachse (31) im Durchstoßpunkt der opti
schen Achse auf der Ebene (1a) der ersten optischen Fläche
(1) liegt und daß die zweite Kippachse (32) im Durchstoß
punkt der optischen Achse auf der Ebene (2a) der anderen
optischen Fläche (2) liegt.
3. Kippvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das optische Element zwei Spiegel, insbeson
dere Planspiegel, als optische Flächen (1, 2) aufweist.
4. Kippvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das optische Element ein Strahlteiler (300),
insbesondere ein Strahlteilerwürfel ist.
5. Kippvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (3) kardanisch mit der Grundplatte (9) ver
bunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gelenkverbindungen als Festkörpergelenke (41) ausgebil
det sind.
7. Kippvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Festkörpergelenke (41) mit der dem Festkörpergelenk
(41) zugeordneten Kippachse (31, 32, 33) zusammenfallen.
8. Kippvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Festkörpergelenke (41) durch Stellschrauben
(43, 44, 45) einstellbar sind.
9. Kippvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kippachsen (31, 32, 33) wenigstens an
nähernd ein Viergelenk bilden.
10. Kippvorrichtung für einen Träger von mehreren optischen
Elementen, insbesondere von zwei Spiegeln, die gemeinsam
auf einem Träger angeordnet und in einem festen Winkel zu
einander fixiert sind, wobei der Träger über Gelenkverbin
dungen auf einer Grundplatte befestigt ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Träger (3) um mehrere Kippachsen
(31, 32, 33) schwenkbar ist, die alle durch einen Referenz
punkt (RP) verlaufen.
11. Kippvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Referenzpunkt (RP) auf dem Träger (3) angeordnet
ist.
12. Kippvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Träger (3) um drei Kippachsen (31, 32, 33)
schwenkbar ist.
13. Kippvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Referenzpunkt (RP) durch den Schnittpunkt der opti
schen Elemente, insbesondere der beiden Spiegelelemente
(2a, 3a) gebildet ist.
14. Kippvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gelenkverbindungen als Festkörpergelenke (41) aus
gebildet sind.
15. Kippvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Festkörpergelenke (41) ein Viergelenkgetriebe bil
den.
16. Kippvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß Stege (50, 51) im Festkörpergelenk (41) auf den Refe
renzpunkt (RP) gerichtet sind.
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Owner name: CARL ZEISS SMT AG, 73447 OBERKOCHEN, DE |
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